اثر میدان مغناطیسی بر خواص فیزیکی و مکانیکی نانو کامپوزیت‌های هیبریدی Fe3O4/GNP بر پایه اپوکسی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2 مهندسی شیمی، دانشکده و پژوهشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)

10.22063/jipst.2025.35637.2370

چکیده

فرضیه‌ها: در سال‌های اخیر نانوکامپوزیت‌های بر پایه نانوصفحه‌های گرافن (GNP) و مشتقات آن با ارائه خواص فیزیکی-مکانیکی مناسب توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. از سوی دیگر نانوذرات مغناطیسی تحت تأثیر میدان با غلبه بر نیروهای سطحی و تجمع ذرات می‌توانند از رسوب در پلیمرها جلوگیری کنند. بر این اساس با توجه به مشخصه‌های مغناطیسی اکسیدآهن (Fe3O4) و خواص استحکامی بالای GNP، ساخت نانوکامپوزیت‌های هیبریدی Fe3O4 و GNP برای دستیابی به توزیع، پراکندگی مناسب و استحکام زیاد از اهداف این مقاله است. 
روش‌ها: در پژوهش حاضر اثر غلظت GNP (0.3، 0.5 و 0.7% وزنی) و Fe3O4 (2، 5 و %8 وزنی) بر خواص فیزیکی-مکانیکی اپوکسی بررسی شد. از این‌رو با به‌کارگیری در دو روش جدید با حضور و عدم حضور میدان مغناطیسی با شدت بسیار کوچک (90 گاوس) و هم‌زمان اختلاط برشی سرعت زیاد، پراکندگی و توزیع نانوذرات بررسی شد. در ادامه، نانوکامپوزیت‌های دارای گلاس بر پایه رزین اپوکسی ساخته و خواص مکانیکی در این رزین‌های تقویت‌شده ارزیابی شد
یافته‌ها: نتایج XRD، SEM/TEM و VNA نشان داد، اعمال میدان مغناطیسی به بهبود اختلاط نانوذرات در رزین‌های تقویت‌شده می‌شود. زیرا برهم‌کنش‌های گروه‌های عاملی گرافن و سطح فعال فلزی Fe3O4 به تشکیل Fe3O4/GNP جفت‌شده منجر می‌شود. اعمال میدان مغناطیسی سبب پراکندگی و توزیع مناسب در ابتدا برای ذرات Fe3O4 و سپس GNP جفت‌شده با آن می‌شود. چنانچه نتایج آزمون کشش در حضور میدان مغناطیسی، افزایش %26.41 استحکام، %60.2 چقرمگی، %26.7 ازدیاد طول و کاهش %0.11 مدول نسبت به اپوکسی خالص را نشان می‌دهد. همچنین با استفاده از رزین تقویت‌شده، کامپوزیت‌های شیشه-اپوکسی-تقویت‌شده ساخته که باعث افزایش %12 استحکام کششی، کاهش %1.87 مدول کششی، افزایش %48 استحکام خمشی و افزایش %13.5مدول خمشی در مقایسه با شیشه-اپوکسی-خالص شد. این محصول در طراحی، ساخت و سبک‌سازی انواع سازه‌های هوایی و فضایی کاربرد دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Magnetic Field on the Physico-Mechanical Properties of Epoxy-Based Fe3O4/GNP Hybrid Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Mohsen Ghiasvand 1
  • Hamid Fazeli 1
  • Jafar Eskandari Jam 1
  • Abbas Kebritchi 2
1 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Chemical Engineering Group, Technical Department, Imam Hossein Comprehensive University (IHU)
چکیده [English]

Hypothesis: In recent years, graphene nanosheet (GNP)-based nanocomposites and their derivatives have gained considerable attention due to their favorable physical and mechanical properties. Magnetic nanoparticles, when influenced by a magnetic field, can prevent sedimentation in polymers by overcoming surface forces and particle agglomeration. Given the magnetic characteristics of iron oxide (Fe₃O₄) and the high strength of GNP, the development of Fe₃O₄/GNP hybrid nanocomposites aims to achieve uniform dispersion and enhanced mechanical performance.

Methods: The present research investigates the effect of GNP (0.3, 0.5, and 0.7 wt%) and Fe₃O₄ (2, 5, and 8 wt%) concentrations on the physical and mechanical properties of epoxy resin. Two novel approaches were employed using a high-shear turbo mixer in the presence and absence of a low-intensity magnetic field (90 Gauss) to evaluate nanoparticle dispersion and distribution. Subsequently, glass fiber-reinforced epoxy nanocomposites were fabricated, and their mechanical properties were assessed.
Findings: XRD, SEM/TEM, and VNA analyses confirmed that the magnetic field enhances nanoparticle dispersion. This is attributed to interactions between the functional groups of graphene and the active surface of Fe₃O₄, leading to the formation of Fe₃O₄/GNP hybrid structures. The magnetic field promotes the initial dispersion of Fe₃O₄ particles, followed by the coupled GNPs. Tensile tests under magnetic field application showed a 26.41% increase in strength, 60.2% in toughness, 26.7% in elongation, and a 0.11% decrease in modulus compared to neat epoxy. Moreover, using the reinforced resin, glass/epoxy composites exhibited a 12% increase in tensile strength, a 1.87% decrease in tensile modulus, a 48% increase in flexural strength, and a 13.5% increase in flexural modulus compared to unreinforced glass/epoxy. These materials are suitable for lightweight aerospace and aviation structures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanocomposite
  • high-shear turbo mixer
  • Fe3O4/GNP
  • magnetic field
  • mechanical properties