ساخت و ارزیابی ویژگی های فیزیکی-مکانیکی نانوکامپوزیت کاغذ سلولزی-مغناطیسی/رزین اپوکسی

سابقه و هدف: علی رغم پتانسیل های کاربردی بالای الیاف و کاغذهای سلولزی سوپرپارامغناطیس، آب دوستی سلولز و عدم پایداری ابعادی ناشی از آن و نیز افت قابل توجه استحکام کششی در نتیجه حضور نانوذرات مغناطیسی در سطح الیاف، کاربرد این دسته از مواد عمل گرا محدود شده است. این مطالعه با هدف بررسی امکان آغشته سازی کاغذهای سلولزیسوپرپارامغناطیس با رزین اپوکسی و بهبود رفتارهای فیزیکیمکانیکی با تبدیل آنها به نانوکامپوزیت انجام شد. مواد و روش ها: در این مطالعه، از فرایند سنتز درجای نانوذرات مگنتیت (fe3o4) بر روی الیاف سلولزی خمیر شیمیایی سوزنی برگان به منظور تهیه الیاف سلولزی سوپرپارامغناطیس استفاده شد. ابتدا سوسپانسیون الیاف سلولزی در آب دو بار تقطیر، با دمای 65 درجه سانتی‌گراد آماده و سپس کلرید آهن ii و iii با نسبت 2 به 1 به آن اضافه شدند. الیاف تیمار شده از محلول خارج و پس از آبگیری بلافاصله به محلول 1 مولار هیدروکسید سدیم با دمای 60 درجه ی سانتی گراد منتقل شدند تا فرایند سنتز نانوذرات مغناطیسی تکمیل گردد. الیاف سلولزیمغناطیسی، پس از شستشو به کاغذ سلولزیمغناطیسی (mcpap) با گراماژ 60 گرم بر مترمربع تبدیل شدند. با هدف مقایسه، کاغذهایی غیرمغناطیسی (cpap) با گراماژ مشابه تولید شد. کاغذها با رزین اپوکسی دوجزئی اشباع و کامپوزیت کاغذ سلولزی/اپوکسی (ep-cpap) و نانوکامپوزیت کاغذ سلولزیمغناطیسی/اپوکسی (ep-mcpap) ساخته شدند. آزمون‌های میکروسکوپی، پراش پرتوایکس، مغناطیس سنجی، تعیین خاکستر، کشش استاتیک، جذب آب و واکشیدگی ضخامت روی آزمونه ها انجام و نتایج مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.یافته ها: ریزنگاره‌های fesem، سنتز درجای موفق نانوذرات مغناطیسی کروی بر روی دیواره ی الیاف سلولزی را تایید نمود. نتایج آزمون xrd، vsm نشان از سنتز موفق نانوبلورهای مگنتیت با اندازه قطری حدود 7 نانومتر و رفتار سوپرپارامغناطیس داشت. سهم وزنی نانوذرات مغناطیسی در کاغذ mcpap، حدود 14.5 درصد تعیین شد. نتایج آزمون کشش استاتیک، بهبود کاملا معنادار رفتارهای کششی ep-cpap و ep-mcpap را نسبت به کاغذهای اولیه تایید نمود. همچنین مقاومت کششی حد شکست ep-mcpap نسبت به ep-cpap تفاوت معناداری را نشان نداد، در حالی‌که کرنش کششی و انرژی حد شکست در ep-mcpap نسبت به ep-cpap به‌صورت معناداری بیشتر و مدول الاستیسیته آن کوچک تر بود. حداکثر جذب آب و واکشیدگی ضخامت آزمونه‌ها و نیز سرعت رسیدن به مقادیر حداکثر، در آزمونه‌های ep-cpap نسبت به ep-mcpap بیشتر بود.نتیجه گیری: مقایسه ی میکروسکوپی ساختار کاغذهای cpap و mcpap گویای توسعه بیشتر سطح مشترک مابین الیاف سلولزی در کاغذ cpap بود که این مشاهده به تاثیر حضور نانوذرات مغناطیسی بر روی الیاف کاغذ mcpap و اختلال در توسعه سطح مشترک بین الیاف سلولزی همسایه نسبت داده شد. علی رغم برتری قابل ملاحظه ی مقاومت کششی کاغذ cpap نسبت به کاغذ mcpap، احتمالاً به دلیل محدود شدن دسترسی رزین اپوکسی به تمام سطح الیاف در کاغذ cpap، مقاومت کششی نانوکامپوزیت ep-mcpap و کامپوزیت ep-cpap تفاوت معناداری با یکدیگر نداشتند؛ به نظر می رسد برخلاف تاثیر منفی حضور نانوذرات مغناطیسی روی ویژگی‌های مکانیکی کاغذ mcpap، با توجه به بافت کمتر متراکم این کاغذ، قابلیت نفوذ رزین اپوکسی در آن بهبود یافته و لذا رفتارهای کششی و مقاومت به جذب آب و واکشیدگی ضخامت مطلوب تری در نانوکامپوزیت ep-mcpap مشاهده می گردد. نتایج این مطالعه تایید نمود که اشباع ساختار کاغذهای مغناطیسی با رزین اپوکسی موجب بهبود قابل ملاحظه رفتارهای فیزیکیمکانیکی و در نتیجه توسعه دامنه ی کاربردی آنها می شود.

Fabrication and Evaluation of Physical and Mechanical Properties of Magnetic-Cellulose Paper/Epoxy Resin Nanocomposites

AbstractBackground and Objectives: Despite the high potential applications of superparamagnetic cellulose fibers and papers, the hydrophilicity of cellulose and its resulting dimensional instability, as well as the significant loss of tensile strength due to the presence of magnetic nanoparticles on the fibers’ surface, have limited the use of these functional materials. This study aimed to investigate the possibility of impregnating cellulosesuperparamagnetic papers with epoxy resin and improving their physicomechanical behavior by converting them to nanocomposites.Materials and Methods: In this research, superparamagnetic cellulose fibers were prepared by synthesizing of magnetite nanoparticles (Fe3O4) on the softwood cellulose fibers. First, suspension of cellulose fibers was prepared in distilled water at a temperature of 65 ° C, followed by the addition of iron chlorides II and III at a ratio of 2:1. Treated fibers were transferred out of solution and immediately added to 1 M sodium hydroxide solution at 60 ° C after dewatering to complete magnetic nanoparticle synthesis. After washing, the magnetic cellulose fibers were converted to magnetic cellulose paper (MCPap) with a grammage of 60 g/m2. For comparison, nonmagnetic paper (CPap) with the same grammage was produced. The papers were impregnated with a twocomponent epoxy resin and cellulose paper / epoxy resin (EPCPap) composites and magneticcellulose paper/epoxy resin (EPMCPap) nanocomposites were made. Microscopic observation, Xray diffraction, magnetometry, ash determination, static tensile testing, water absorption, and thickness swelling were performed on the specimens and the results were assessed. Results: The successful in situ synthesis of spherical magnetic nanoparticles on the surface of cellulose fibers was confirmed by FESEM micrographs. The results of the XRD and VSM tests showed a successful synthesis of magnetite nanocrystals with a diameter of about 7 nm and a superparamagnetic behavior. The weight ratio of magnetic nanoparticles in MCPap paper was approximately 14.5 percent. The results of the static tensile test confirmed the significant improvement in the tensile behavior of EPCPap and EPMCPap over the initial papers. Also, the maximum tensile strength of EPMCPap did not show a significant difference with EPCPap, while the tensile strain and energy at the break of EPMCPap were significantly higher and the modulus of elasticity was significantly lower than EPCPap. In EPCPap samples, the maximum water absorption and thickness swelling and the speed to reach the peak assessed values were higher than those in EPMCPap specimens. Conclusion: Microscopic analysis of the paper structure of CPap and MCPap indicated enhanced fiberfiber interface quality in CPap paper; this observation was attributed to the influence of the presence of magnetic nanoparticles on MCPap paper fibers and the disturbance in the development of the interface between adjacent cellulosic fibers. Despite the considerable advantage of the tensile strength of CPap paper over MCPap paper, probably due to the limited availability of epoxy resin on all fiber surfaces in CPap paper, the tensile strength of EPMCPap and EPCPap nanocomposite was not significantly different. It appears that despite the negative effect of the presence of magnetic nanoparticles on the mechanical properties of MCPap paper due to the less dense texture of the paper, the epoxy resin’s permeability is improved and therefore the epoxy nanocomposites’ tensile behavior and water absorption and thickness swelling are improved. The results of this study confirmed that the impregnation of the magnetic papers with epoxy resin significantly improves the physicomechanical behavior and consequently the development of their potential applications.