خواص دینامیکی-مکانیکی و رسانندگی گرمایی رزین پلی‌استر دارای ذرات گرافن اکسید اصلاح‌شده

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

کرمانشاه، دانشگاه رازی، دانشکده مهندسی شیمی، کد پستی ۶۷۱۴۴۱۴۹۷۱

چکیده

فرضیه‌: رزین پلی‌استر غیراشباع کاربردهای فراوانی در صنعت کامپوزیت دارد. در قطعه‌های ضخیم ساخته‌شده با این رزین، گرمای زیادی در زمانی کوتاه حین پخت آزاد می‌شود، از طرفی ضریب انتقال گرمای کم این رزین سبب افزایش دما در مرکز قطعه‌ها به بیش از 200 درجه سلسیوس می‌شود. اختلاف دمای زیاد میان مرکز و دیواره‌های نمونه موجب ایجاد تنش‌های داخلی در نمونه‌های ضخیم می‌شود، بنابراین افزودن ذرات با رسانندگی گرمایی زیاد می‌تواند در برطرف‌کردن این نقص کمک شایانی کند. بنابراین، در پژوهش حاضر از ذرات گرافن اکسید برای بهبود خواص رزین پلی‌استر غیر‌اشباع استفاده شده است.
روش‌ها: در این مطالعه، از گرافن اکسید و گرافن اکسید اصلاح‌شده برای بهبود رسانندگی گرمایی و خواص دینامیکی رزین پلی‌استر غیراشباع استفاده شد. اثر افزودن ذرات گرافن اکسید و گرافن اکسید اصلاح‌شده در مقدارهای 0.05 و 0.3% وزنیبر رسانندگی گرمایی و خواص دینامیکی رزین پلی‌استر غیراشباع با دستگاه اندازه‌گیری رسانندگی گرمایی جامدات و آزمون DMA مطالعه شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، اصلاح‌کننده سیلانی می‌تواند سبب ایجاد پیوندهای کووالانسی قوی میان ذرات و رزین شود و تغییر در ضریب رسانندگی گرمایی و خواص دینامیکی شود. افزودن% 0.05 وزنی گرافن اکسید به رزین موجب افزایش %10 درصد مدول ذخیره در ناحیه شیشه‌ای شد. در صورتی که افزودن همین مقدار گرافن اکسید اصلاح‌شده، مدول ذخیره را %36 افزایش داد. اصلاح‌کننده سیلانی موجب پراکنش بهتر ذرات گرافن اکسید در رزین می‌شود و این موضوع سبب ایجاد برهم‌کنش‌های قوی‌تر میان ذرات و شبکه رزین‌ شده که به‌طور شایان توجهی مدول ذخیره رزین را افزایش می‌دهد. پراکنش بهتر ذره در رزین می‌تواند مقاومت گرمایی سطحی ذرات را افزایش دهد. بنابراین، رسانندگی گرمایی در مقایسه با رسانندگی گرمایی گرافن اکسید اصلاح‌نشده کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Dynamic-Mechanical Properties and Thermal Conductivity of a Polyester Resin Containing Modified Graphene Oxide Particles

نویسندگان [English]

  • Neda Yavari
  • Mehdi Poorabdollah
  • Laleh Rajabi
Department of Chemical Engineering, Razi University, Postal Code 6714414971, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Unsaturated polyester resin has many applications in composite industry. In thick part items made with this resin, a lot of heat is released in a short time during curing, on the other hand, the low heat transfer coefficient of this resin increases the temperature in the center of the part to 200°C. In thick parts, the large temperature difference between the center and walls of the sample causes internal stresses, so the addition of particles with high thermal conductivity can help to eliminate this defect. Therefore, in this research, graphene oxide particles have been used to improve the properties of unsaturated polyester resin.
Methods: In this study, graphene oxide and modified graphene oxide were used to improve the thermal conductivity and dynamic properties of unsaturated polyester resin. The effect of adding graphene oxide and modified graphene oxide particles on thermal conductivity and dynamic properties of the resin by amounts of 0.05 and 0.3% (wt) of the particles was studied by a thermal conductivity measuring device for solids and DMA test.
Findings: The results showed that silane modifier can cause strong covalent bonds between the particles and resin and change the thermal conductivity coefficient and dynamic properties. Addition of 0.05% by weight of graphene oxide to the resin increased the storage modulus in the glass region by 10%. Adding the same amount of modified graphene oxide increased the storage modulus by 36%. Silane modifier improved the dispersion of graphene oxide particles in the resin, and created stronger interactions between the particles and the resin network, so significantly increased the resin storage modulus. Better particle dispersion in the resin can increase the surface heat resistance of the particles. Therefore, the thermal conductivity is reduced compared to the thermal conductivity of unmodified graphene oxide.

کلیدواژه‌ها [English]

  • unsaturated polyester resin
  • graphene oxide
  • silane
  • thermal conductivity coefficient
  • dynamic-mechanical properties

مراجع

  1. Al-Khanbashi A., El-Gamal M., and Moet A., Reduced Shrinkage Polyester–Montmorillonite Nanocomposite, J. Appl. Polym. Sci., 98, 767-773, 2005.
  2. Beheshty M.H., Vafayan M., and Poorabdollah M., Shrinkage Control and Kinetics Behaviour of Clay-Unsaturated Polyester Nanocomposites, Iran. Polym. J., 15, 841-849 , 2006.
  3. Xu L. and Lee L.J., Effect of Nanoclay on Shrinkage Control of Low Profile Unsaturated Polyester (UP) Resin Cured at Room Temperature, Polymer, 45, 7325-7334, 2004.
  4. Wang J.Y., Yang  S.Y., Huang Y.L., Tien H.W., Chin W.K., and Ma C.C.M., Preparation and Properties of Graphene Oxide/Polyimide Composite Films with Low Dielectric Constant and Ultrahigh Strength via In Situ Polymerization, J. Mater. Chem., 21, 13569-13575, 2011.
  5. Wang X., Zhi L., and Müllen K., Transparent, Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells, Nano Lett., 8, 323-327, 2008.
  6. Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A., Piner R.D., Nguyen S.T., and Ruoff R.S., Graphene-Based Composite Materials, Nature, 442, 282-286, 2006.
  7. Bunch J.S., Verbridge S.S., Alden J.S., Van Der Zande A.M., Parpia J.M., Craighead H.G., and McEuen P.L., Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets, Nano Lett., 8, 2458-2462, 2008.
  8. Eda G. and Chhowalla M., Graphene-Based Composite Thin Films for Electronics, Nano Lett., 9, 814-818, 2009.
  9. Hou J., Li G., Yang N., Qin L., Grami M.E., Zhang Q., Wang N., and Qu X., Preparation and Characterization of Surface Modified Boron Nitride Epoxy Composites with Enhanced Thermal Conductivity, RSC Adv., 4, 44282-44290, 2014.
  10. Kim M.T., Rhee K.Y., Park S.J., and Hui D., Effects of Silane-Modified Carbon Nanotubes on Flexural and Fracture Behaviors of Carbon Nanotube-Modified Epoxy/Basalt Composites, Composites, Part B, 43, 2298-2302, 2012.
  11. Kim S.Y., Noh Y.J., and Yu J., Thermal Conductivity of Graphene Nanoplatelets Filled Composites Fabricated by Solvent-Free Processing for the Excellent Filler Dispersion and a Theoretical Approach for the Composites Containing the Geometrized Fillers, Composites, Part A, 69, 219-225, 2015.
  12. Gauvin F., Cousin P., and Robert M., Effect of Modified Graphene Oxide on the Mechanical, Thermal, and Barrier Properties of Vinylester, J. Compos. Mater., 52, 3853-3864, 2018.
  13. Pei S., Wei Q., Huang K., Cheng H.M., and Ren W., Green Synthesis of Graphene Oxide by Seconds Timescale Water Electrolytic Oxidation, Nat. Commun., 9, 1-9, 2018.
  14. Beheshty M.H., Vafayan M., and Poorabdollah M., Low Profile Unsaturated Polyester Resin–Clay Nanocomposite Properties, Polym. Compos., 30, 629-638, 2009.
  15. Poorabdollah M., Beheshty M.H., and Vafayan M., A Study on the Kinetic Behaviour and Thermo-Mechanical Properties of Nanoclay Reinforced Unsaturated Polyester Resin Prepared under High Shear Conditions, e-Polym., 12, 2012.
  16. Poorabdollah M., Beheshty M.H., and Atai M., Cooperative Rearrangement Region in Nanoclay-Reinforced Unsaturated Polyester Resin, Polym. Eng. Sci.,  54, 2859-2865,2014.
  17. Mazloom Jalali A., Afshar Taromi F., Atai M., and Solhi L., An Insight into the Silanization of Montmorillonite Nanoparticles, Chem. Eng. Commun., 204, 176-181, 2017.
  18. Liu Q., Zhou X., Fan X., Zhu C., Yao X., and Liu Z., Mechanical and Thermal Properties of Epoxy Resin Nanocomposites Reinforced with Graphene Oxide, Polym.-Plast. Technol. Eng., 51, 251-256, 2012.
  19. Qian R., Yu J., Xie L., Li Y., and Jiang P., Efficient Thermal Properties Enhancement to Hyperbranched Aromatic Polyamide Grafted Aluminum Nitride in Epoxy Composites, Polym. Adv. Technol., 24, 348-356, 2013.
  20. Adam G. and Gibbs J.H., On the Temperature Dependence of Cooperative Relaxation Properties in Glass-Forming Liquids, J. Chem. Phys., 43, 139-146, 1965.
  21. Kikugawa G., Desai T.G., Keblinski P., and Ohara T., Effect of Crosslink Formation on Heat Conduction in Amorphous Polymers, J. Appl. Phys., 114, 034302, 2013.
  22. Zhang T. and Luo T., Morphology-Influenced Thermal Conductivity of Polyethylene Single Chains and Crystalline Fibers, J. Appl. Phys., 112, 094304, 2012.
  23. Pal S., Balasubramanian G., and Puri I.K., Modifying Thermal Transport in Electrically Conducting Polymers: Effects of Stretching and Combining Polymer Chains, J. Chem. Phys., 136, 044901, 2012.
  24. Song P., Cao Z., Cai Y., Zhao L., Fang Z., and Fu S., Fabrication of Exfoliated Graphene-Based Polypropylene Nanocomposites with Enhanced Mechanical and Thermal Properties, Polymer, 52, 4001-4010, 2011.
  25. Chen H., Ginzburg V.V., Yang J., Yang Y., Liu W., Huang Y., Du L., and Chen B., Thermal Conductivity of Polymer-Based Composites: Fundamentals and Applications, Prog. Polym. Sci., 59, 41-85, 2016.
  26. Poorabdollah M. and Kamran A., Optimizing Cure Cycle of Nanoclay-Reinforced Unsaturated Polyester Resins Considering Various Curing Kinetic Models, J. Compos. Mater., 52, 27-36, 2018.
  27. Poorabdollah M., and Kamran A., Optimising Cure Cycle of Unsaturated Polyester Nanocomposites Using Directed Grid Search Method, Polym. Polym. Compos., 27, 253-261, 2019.
  28. Danaei S., Poorabdollah M., and Rajabi L., Investigation of Diffusion and Cure Kinetic in Nanoclay-Reinforced Unsaturated Polyester Resin, Thermochim. Acta, 651, 34-42, 2017.
  29. Poorabdollah M. and Danaei S., Cure-Kinetic Parameters of Nanoclay-Containing Unsaturated Polyester Resins: Effect of Chemical Structure of Resin, Thermochim. Acta, 685, 178515, 2020.
  30. Ni B., Watanabe T., and Phillpot S.R., Thermal Transport in Polyethylene and at Polyethylene–Diamond Interfaces Inves‌tigated Using Molecular Dynamics Simulation, J. Phys., Condens. Matter, 084219, 2009.

 

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 34، شماره 3 - شماره پیاپی 173
مرداد و شهریور 1400
صفحه 281-297

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار