سنتز نانوآلومینای صفحه‌ای و اثر آن بر تراوایی گاز در کامپوزیت اپوکسی-الیاف کربن

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 114- 14115

چکیده

امروزه، تلاش‌های قابل توجهی در زمینه ساخت سامانه‌های پلیمری ناتراوا در برابر گاز انجام می‌شود. این سامانه‌ها در مقایسه با سامانه‌های فلزی مزایایی همچون چگالی کم و هزینه ساخت کمتری دارند. از مهم‌‌ترین چالش‌ها در زمینه ساخت سامانه‌های پلیمری، انتخاب مناسب اجزا و شرایط فرایندی با هدف کاهش تراوایی گازهای مختلف است. در این پژوهش، ابتدا نانوذرات با استفاده از آلومینیم نیترات 9 آبه و سدیم دودسیل سولفات به‌عنوان عامل ایجاد ساختار به روش آب‌گرمایی سنتز شد و با استفاده از آزمون‌های FE-SEM و EDAX به‌عنوان نانوآلومینای صفحه‌ای شناسایی شد. در مرحله دوم، نانوکامپوزیت اپوکسی حاوی نانوآلومینای صفحه‌ای و کامپوزیت اپوکسی-الیاف کربن حاوی مقادیر مختلف نانوآلومینای صفحه‌ای ساخته شد. مقادیر نانوآلومینای صفحه‌ای اضافه شده به رزین اپوکسی در هر دو سامانه 1، 5/2 و %5 وزنی بود. اثر مقدار بارگذاری نانوذرات بر تراوایی گازهای نیتروژن، آرگون و کربن دی‌اکسید در نمونه‌های نانوکامپوزیتی اپوکسی-نانوآلومینای صفحه‌ای اندازه‌گیری شد. مشاهده ‌شد تراوایی نیتروژن، آرگون و کربن دی‌اکسید به ترتیب 83، 74 و %50 کاهش یافته و مقدار کاهش تراوایی، با قطر مولکول گاز متناسب است. به‌طور کلی، استفاده از نانوآلومینای صفحه‌ای باعث کاهش چشمگیر تراوایی گاز شده است. همچنین، تراوایی گاز کربن دی‌اکسید در نمونه‌های کامپوزیت اپوکسی-الیاف کربن دارای نانوآلومینای صفحه‌ای با هدف مشخص‌کردن اثر اجزا بر تراوایی سامانه بررسی شد. نتایج نشان داد، تراوایی گاز کربن دی‌اکسید در نانوکامپوزیت اپوکسی- الیاف کربن حاوی %5 وزنی نانوآلومینای صفحه‌ای %84 کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis of Plate-Like Nanoalumina and Its Effect on Gas Permeability of Carbon Fiber Epoxy Composite

نویسندگان [English]

  • Ghadamali Karimi Khozani
  • Mehrdad Kokabi
  • Ahmad Reza Bahramian
Polymer Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

In recent years considerable efforts have been made to develop gas impermeable polymer systems. Compared with metal system counterparts they have advantages such as low density and production costs. The most important challenge in development of impermeable polymer systems is to reduce their gas permeability by proper selection of system composition and process conditions. In this work, nanoparticles were initially synthesized using Al (NO3)3•9H2O and sodium dodecyl sulfate as a structure-directing agent via hydrothermal method and a plate-like structure was characterized by FESEM and EDAX analyses. In the second step, epoxy/plate-like nanoalumina nanocomposites and epoxy-carbon fiber composites containing 1, 2.5, and 5 wt% nanoalumina were prepared. The effect of nanoparticle loading level on permeability of nitrogen, argon, and carbon dioxide in epoxy/plate-like nanoalumina nanocomposites was investigated. It was observed that the permeability of epoxy/plate-like nanoalumina nanocomposites toward nitrogen, argon, and carbon dioxide gases reduced 83%, 74%, and 50%, respectively. It was deduced that the permeability reduction was clearly associated with the diameter of gas molecules. Generally speaking, the results showed that the incorporation of plate-like nanoalumina particles significantly reduced the gas permeability. Also, carbon dioxide gas permeability of carbon fiber epoxy composites containing plate-like nanoalumina was investigated to show the effect of ingredients on the gas permeability of the system. The results indicated that carbon dioxide gas permeability of epoxy carbon fiber composite containing 5 wt% of plate-like nanoalumina was totally reduced 84%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • plate-like nanoalumina
  • epoxy
  • carbon fiber
  • hydrothermal
  • Nanocomposite

1.Choi S. and Sankar B.V., Gas Permeability of Various Graphite/Epoxy Composite Laminates for Cryogenic Storage Systems, Composites, Part B, 39, 782-791, 2008.
2.Sun L., Boo W.J., Clearfield A., Sue H.J., and Pham H.Q., Barrier Properties of Model Epoxy Nanocomposites, J. Membr. Sci., 318, 129-136, 2008.
3.Lai M. and Kim J.K., Effects of Epoxy Treatment of Organoclay on Structure, Thermo-Mechanical and Transport Properties of Poly(ethylene terephthalate-co-ethylene naphthalate)/Organoclay Nanocomposites, Polymer, 46, 4722-4734, 2005.
4.Chaiko D.J. and Leyva A.A., Thermal Transitions and Barrier Properties of Olefinic Nanocomposites, Chem. Mater., 17, 13-19, 2005.
5.Meneghetti P. and Qutubuddin S., Synthesis, Thermal Properties and Applications of Polymer-Clay Nanocomposites, Thermochim. Acta, 442, 74-77, 2006.
6.Picard E., Vermogen A., Gerard J.F., and Espuche E., Barrier Properties of Nylon 6 -Montmorillonite Nanocomposite Membranes Prepared by Melt Blending: Influence of the Clay Content and Dispersion State: Consequences on Modelling, J. Membr. Sci., 292, 133-144, 2007.
7.Ogasawar T., Ishida Y., Ishikawa T., Aoki T., and Ogura T., Helium Gas Permeability of Montmorillonite/Epoxy Nanocomposites, Composites, Part A, 37, 2236-2240, 2006.
8.Osman M., Mittal V., Morbidelli M., and Suter U., Epoxy-Layered Silicate Nanocomposites and Their Gas Permeation Properties, Macromolecules, 37, 7250-7257, 2004.
9.Mousavi S.A., Sadeghi M., Roosta-Azad R., and Ahamadi-Roshan M., Study of Morphology and Gas Permeability in Ethylene/Vinyl Acetate Membrane Prepared via Thermal Phase Inversion, Iran. J. Polym. Sci. Thechnol. (Persian), 1, 25-36, 2007.
10.Choudalaki G. and Gotsis A.D., Free Volume and Mass Transport in Polymer Nanocomposites, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 17, 132-140, 2012.
11.Cui Y., Kundalwal S.I., and Kumar S., Gas Barrier Performance of Graphene/Polymer Nanocomposites, Msc Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2009.
12.Mittal V., Epoxy-layered Silicate Nanocomposites: Effect of Cross-linking Amines and Fillers on Curing, Morphology and Oxygen Permeation, J. Reinforc. Plast. Compos., 31, 739-747, 2012.
13.Choudalakis G. and Gotsis A.D., Permeability of Polymer/Clay Nanocomposites: A Review, Eur. Polym. J., 45, 967-984, 2009.
14.Lim S.H., Zeng K., and He C., Preparation, Morphology and Mechanical Properties of Epoxy Nanocomposites with Alumina Fillers, Int. J. Mod. Phys. B., 24, 136-147, 2010.
15.Nagarajan R., Molecular Packing Parameter and Surfactant Self-assembly: The Neglected Role of the Surfactant Tail, Langmuir, 18, 31-38, 2002.
16.Franks G.V. and Gan Y., Charging Behavior at the Alumina-Water Interface and Implications for Ceramic Processing, J. Am. Ceram. Soc., 90, 3373-3388, 2007.
17.Nielsen L.E., Models for the Permeability of Filled Polymer Systems, J. Macromol. Sci. Chem., 1, 929-942, 1967.
18.Tremblay P., Savard M., Vermette J., and Paquin R., Gas Permeability, Diffusivity and Solubility of Nitrogen, Carbon Dioxide and Formaldehyde in Dense Polymeric Membranes Using a New On-line Permeation Apparatus, J. Membr. Sci., 282, 245-256, 2006.