اثر نانوصفحات گرافن عامل‌دار بر رفتار خمشی کامپوزیت اپوکسی/ الیاف بازالت

در این پژوهش، اثر نانوصفحات گرافن عامل‌دار بر خواص خمشی کامپوزیت اپوکسی/ الیاف بازالت مطالعه شده است. گرافن توسط عامل سیلانی تری‌آمینوپروپیل تری‌متوکسی‌سیلان عامل‌دار شد و چهار نانوکامپوزیت با درصدهای وزنی مختلف گرافن عامل‌دار (0.2، 0.3، 0.4 و 0.5) به روش لایه‌گذاری دستی ساخته شدند. در میان این چهار نمونه، نانوکامپوزیت حاوی 0.4% وزنی گرافن عامل‌دار بهترین رفتار خمشی را نشان ‌داد. جهت بررسی اثر وجود گرافن و همچنین عامل‌دار کردن گرافن، دو کامپوزیت دیگر یکی فاقد گرافن و دیگری حاوی 0.4% وزنی گرافن بدون‌عامل نیز ساخته شدند. در مقایسه با نمونه فاقد گرافن، نانوکامپوزیت حاوی 0.4% وزنی گرافن عامل‌دار به ترتیب 89.6، 252.6 و 44.6 درصد افزایش در استحکام خمشی، مدول خمشی و انرژی شکست از خود نشان داد، اما نانوکامپوزیت حاوی 0.4% وزنی گرافن بدون‌عامل، به ترتیب 26.2 و 10.8 درصد کاهش در استحکام خمشی و انرژی شکست نشان داد، گرچه مدول خمشی آن به مقدار 3.1 درصد افزایش داشت. نتایج نشان دادند که عامل‌دار کردن گرافن باعث توزیع مناسب‌تر آن در زمینه و لذا برهمکنش بیشتر آن با زمینه و الیاف شده و در نتیجه باعث بهبود خواص نانوکامپوزیت شده است. مطابق با آنالیز طیف‌سنجی مادون قرمز، بهبود در خواص خمشی ناشی از حضور گروه‌های عاملی بر روی سطح گرافن می‌باشد که امکان چسبندگی آن‌ها را به مولکول‌های پلیمری و الیاف بازالت افزایش می‌دهد. همچنین مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان‌دهنده چسبندگی بهتر پلیمر به الیاف و مکانیزم‌های چقرمه‌سازی مانند انحراف ترک، تورق لایه‌های گرافن و قفل شدن ترک در حضور گرافن‌ عامل‌دار بر روی سطح شکست می‌باشد.

Effects of functionalized graphene nanoplatelets on the flexural behaviors of basalt fibers/epoxy composites

The effects of functionalized graphene nanoplatelets (FGN) on the flexural properties of basalt fibers/epoxy composites were studied. The functionalization of graphene was performed by 3Aminopropyltrimethoxysilane. Four nanocomposites with different weight percentages of FGN (0.2, 0.3, 0.4 and 0.5) were fabricated via hand layup method. Among these four, the nanocomposite reinforced by 0.4 wt.% FGN showed the best flexural behavior. To investigate the effects of graphene as well as its functionalization, two other composites one without graphene and another reinforced by 0.4 wt.% of unfunctionalized graphene nanoplatelets (UFGN) were also fabricated. In comparison to the sample without graphene, the nanocomposite with 0.4 wt.% of FGN showed respectively 89.6, 252.6 and 44.6 percent improvements in the flexural strength, flexural modulus and fracture energy, but the nanocomposite with 0.4 wt.% UFGN showed respectively 26.2 and 10.8 percent decrease in the flexural strength and fracture energy, although had a slight increase of 3.1 percent in the flexural modulus. These results indicated that functionalization facilitated the dispersion of graphene in the matrix and thus enhanced its interaction to both matrix and basalt fibers. According to the Fourier transform infrared spectroscopy results, the improvement in the flexural properties is related to the functional groups whose presence on the graphene platelets enhanced better adherence to the polymer’s molecules and the basalt fibers. Furthermore, scanning electron microscopy observations of the fracture surfaces showed better polymer to fiber interfacial adhesion and thus caused toughening mechanisms such as crack deflection, graphene delamination and crack pining in the FGN containing samples.