بهينه‌سازي شرايط پخت و اثر مقدار نرم‌كننده بر خواص مكانيكي و گرمايي رزين اپوكسي

Optimization of Curing Conditions and Effect of Plasticizer Amount on the Mechanical and Thermal Properties of Epoxy Resin

فرضيه: سامانه‌هاي اپوكسي (EP) به‌دليل خواص منحصر به‌فرد فيزيكي و شيميايي از پر مصرف‌ترين رزين‌ها در صنايع مختلف از جمله پوشش‌دهي، تجهيزات الكترونيك و قطعات كامپوزيتي در جهان هستند. با وجود كاربرد گسترده، اپوكسي‌ها به‌دليل داشتن ساختار بي‌شكل، چقرمگي ضعيف‌تري نسبت به پليمرهاي گرمانرم نيمه‌بلوري نشان مي‌دهند. عوامل بسياري از جمله مقدار فاز نرم‌كننده، دما و زمان پخت بر خواص مكانيكي رزين اپوكسي اثر معناداري دارند. در اين پژوهش، اثر سه عامل مقدار پلي‌يورتان (A)، دما (B) و زمان پخت (C) بر خواص مكانيكي و ساختار مولكولي رزين اپوكسي بررسي شده است. روش‌ها: براي بهينه‌سازي خواص مكانيكي اين كامپوزيت‌ها از روش پاسخ سطح، طرح مركب مركزي (RSM/CCD) استفاده شد. خواص مكانيكي شامل استحكام نهايي و درصد ازدياد طول تا پارگي با آزمون كشش به‌دست آمد. همچنين، خواص گرمايي همچون دماي انتقال شيشه‌اي (Tg) و مدول ذخيره با آزمون ديناميكي-مكانيكي گرمايي (DMTA) مطالعه شد. در نهايت، از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي براي تعيين اثر دماي تاب‌كاري بر انرژي برهم‌كنش ميان اپوكسي و پلي‌يورتان استفاده شد. همچنين، ساختار شيميايي كامپوزيت‌هاي اپوكسي-پلي‌يورتان با آزمون‌هاي پراش‌سنجي پرتو X، طيف‌نمايي زيرقرمز تبديل فوريه (FTIR)، ميكروسكوپي الكتروني پويشي (SEM) با پاشنده انرژي پرتو X و بازتاب نفوذي (DRS) مشخص شد. يافته‌ها: نتايج نشان داد، دماي انتقال شيشه‌اي و خواص مكانيكي در رزين اپوكسي به‌شدت به دماي پخت و مقدار فاز نرم‌كننده وابسته است. همچنين، مقادير مطلوب پارامترهاي A ،B و C براي داشتن حداكثر استحكام كششي به‌ترتيب %4 وزني، 100 درجه سلسيوس و 2.4h به‌دست آمد.

Hypothesis: Epoxy (EP) systems, due to their unique physical and chemical properties, are one of the most widely used resins in various industries including coatings, electronic equipment and composite components in the world. Despite this widespread use, epoxies exhibit weaker toughness properties than semi-crystalline polymers due to their amorphous structure. Many factors such as the amount of softening phase, temperature, and time have a significant effect on the mechanical properties of this resin. Thus, we investigated the effect of three factors including polyurethane content (A), curing temperature (B) and time (C) on the mechanical properties and molecular structure of epoxy resin. Methods: Response surface methodology/central composite design (RSM/CCD) was used to optimize the mechanical properties of these composites. The mechanical properties such as ultimate tensile strength and elongation-at-break of the samples were obtained by tensile test. Furthermore, the thermal properties such as glass transition temperature (Tg) and storage modulus were measured by a dynamic mechanical thermal analysis (DMTA). Ultimately, a molecular dynamics simulation was used to determine the effect of annealing temperature on the interaction energy between the epoxy and polyurethane. In this respect, the chemical structure of the EP/PU composites was characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis diffuse reflection (DRS) and thermogravimetric analysis (TGA). Findings: The results showed that the Tg and mechanical properties of EP resin strongly depended upon cure temperature and plasticizer phase. The optimal values of parameters A, B and C for maximum tensile strength were 4% by weight, 100°C and 2.4 h, respectively.