ISSN: 2476-6909; Modares Mechanical Engineering. 2020;20(1):259-266

C I T A T I O N L I N K S

Copyright© 2019, TMU Press. This open-access article is published under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License which permits Share (copy and redistribute the material in any medium or format) and Adapt (remix, transform, and build upon the material) under the Attribution-NonCommercial terms.

Experimental Investigation of Talc Microparticles Effect on the Mechanical and Thermal Properties of Silica-Phenolic Composite Multilayers

[1] Delamination behaviour of ... [2] Modeling the effect of damage in composite structures: Simplified ... [3] Phenolic resins: Chemistry, applications and performance: Future ... [4] Introducing polymers and ... [5] Applied polymer ... [6] Plastic reinforced ... [7] The effect of graphite nanoparticles on thermal stability and ablation of phenolic/carbon fiber/graphite ... [8] Phenolic resins: A century of ... [9] Study of room temperature curing of phenolic resin and its silica reinforced ... [10] Thermal physical characteristics of high-performance ablative ... [11] Poly (methacrylic) acid and\gamma-methacryloxypropyltrimethoxy silane/clay nanocomposites prepared by in-situ ... [12] Polymer-layered silicate nanocomposites: Preparation, properties and uses of a new class of ... [13] Thermal stability and flame retardancy of poly (methyl methacrylate)-clay ... [14] Rapid thermal chemical vapor deposition of zirconium oxide for metal-oxide-semiconductor field effect transistor ... [15] Influence of plasma spray parameters on formation and morphology of ZrO2-8 wt% Y2O3 ... [16] Moldability and properties of phenolic/artificial zeolite ... [17] High temperature ablation of kaolinite layered silicate/phenolic resin/asbestos ... [18] Ablation mechanism of polymer layered silicate nanocomposite heat ... [19] Ablation and thermal degradation behaviour of a composite based on resol type phenolic resin: Process modeling and ... [20] Effect of nanosilica on bending strength and thermal stability of glass fiber/phenolic ... [21] Standard test method for resin flow of carbon fiber-epoxy ... [22] Standard test method for transition temperatures of polymers by differential scanning ... [23] Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating ... [24] Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite ... [25] DSC measurements of thermosetting ... [26] Phenolic resins: A century of ... [27] Composite material based on an ablative phenolic resin and carbon ... [28] Preparation and properties of a phenolic/graphite nanocomposite bipolar plate for proton exchange membrane fuel ... [29] Mechanical and electrical properties of graphite/carbon fiber/phenolic resin ...

Today, composite materials have attracted much attention in many industries, such as aerospace, automotive and marine industries, due to the strength to weight ratio, as well as the ratio of stiffness to high weight. Thermoset resins are among the most widely used resins in making composites based polymer. In the meantime, phenolic resins are the oldest industrial and thermosetting resins, which have important applications in various industries. The distinctive feature of this resin has resulted to its application as industrial insulators, thermal shields composites and ablative composites, and abrasive parts such as brake linings and clutch plates, and many other components. One of the applications of phenolic resins, especially resole with a relatively high thermal resistance, is the use of thermal insulation composites in thermal shields and hot air nozzles. The thermal insulation composites are often phenolic resins and their reinforcement is mainly asbestos fibers with high thermal resistance. Today, due to the carcinogenicity of asbestos fibers and the problems caused by its use, these fibers are removed from the list of reinforcing insulators, and silica fibers, a new product with an asbestos thermal stability and no environmental problem, have replaced instead of them. In this study, talc mineral micro-particles with a mean particle size of 8 μm as reinforcing the mechanical properties and thermal stability, were added to 25, 15 and 35 phr in phenolic resins in several layers of silica-phenolic composites.

A B S T R A C TA R T I C L E I N F O

Article TypeOriginal Research

AuthorsFotohi H.*1 MSc,Khezrian I.2 MSc

Keywords Silica-Phenolic Composite; Talc; Thermal Stability; Fracture; Resole

-

*CorrespondenceAddress: Composite Department, Malek Ashtar University of Technol-ogy, Tehran, IranPhone: -Fax: -hamid.fotohi97@gmail.com

1Composite Department, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran2Aerospace Department, Shahid Be-heshti University, Tehran, Iran

Article HistoryReceived: September 17, 2018 Accepted: May 7, 2019 ePublished: January 01, 2020

How to cite this articleFotohi H, Khezrian I. Experimental Investigation of Talc Microparticles Effect on the Mechanical and Ther-mal Properties of Silica-Phenolic Composite Multilayers. Modares Mechanical Engineering. 2020;20-(1):259-266.

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ی و اسماعیل خضریانفتوح دیحم ۲۶۰

۱۳۹۸ دی، ۱، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی

ذرات تالک بر خواص کرویاثر م یتجرب یبررس یتیکامپوز یهاهیچندلا یو حرارت یکیمکان کیفنول -کایلیس MSc *یفتوح دیحم

اشتر، تهران، ایران دانشگاه صنعتی مالک، مواد مرکب گروه MSc اسماعیل خضریان

دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران ،هوافضا یمهندس گروه

چکيده سازیلاتومبی فضا، و هوا صنایع مانند صنایع از بسیاری در کامپوزیتی مواد امروزه

بالا زنو به سفتی همچنین و وزن به استحکام نسبت داشتن دلیل به دریایی و فادهاست مورد هایزمینه پرکاربردترین جمله از .اندکرده جلب خود به را زیادی توجه این در. هستند گرماسخت هایرزین پلیمری، زمینه هایکامپوزیت ساخت در

که است سخت گرما و صنعتی هایرزین ترینقدیمی فنولی هایرزین میان نآ استفاده باعث رزین این بارز ویژگی. دارد مختلف صنایع در مهمی کاربردهای

اتقطع و فداشونده هایکامپوزیت و حرارتی سپرهای صنعتی، هایعایق عنوان به. تاس شده دیگر قطعات بسیاری و کلاچ صفحه و ترمز لنت مانند سایش تحت تاً نسب گرمایی مقاومت که رزول نوع ویژه به فنولی هایرزین کاربردهای از یکی و حرارتی سپرهای در گرمایی عایق هایکامپوزیت ساخت در استفاده دارد، زیادی اغلب گرمایی عایق هایکامپوزیت زمینه. است گرم هوای حرارتی هاینازل هک هستند آزبست الیاف عمدتاً نیز آنها کنندهتقویت و است فنولی هایرزین

و آزبست الیاف زا بودنسرطان به توجه با امروزه. دارند زیادی گرمایی مقاومت ایهعایق فهرست از الیاف این آیدمی وجود به آن استفاده اثر در که مشکلاتی رماییگ پایداری با جدید محصولی که سیلیکا الیاف و اندشده خارج کنندهتقویت آزبست الیاف جایگزین است محیطیزیست مشکلات بدون و آزبست حد در ۸mµذرات اندازه میانگین با تالک معدنی میکروذرات از تحقیق این در. اندشدهو ۱۵، ۲۵مقادیر به حرارتی پایداری و مکانیکی خواص کنندهتقویت عنوان به۳۵phr شد زودهاف فنولیک -سیلیکا کامپوزیتی هایلایه چند در فنولیک رزین به. فنولیک، تالک، پایداری حرارتی، شکست، رزول -کامپوزیت سیلیکاها: واژهدکلی

۲۶/۶/۱۳۹۷ تاريخ دريافت: ۱۷/۲/۱۳۹۸ تاريخ پذيرش:

hamid.fotohi97@gmail.comنويسنده مسئول: *

مقدمه -۱امروزه مواد کامپوزیتی در بسیاری از صنایع مانند صنایع هوا و فضا،

داشتن نسبت استحکام به وزن و لیدلبهی و دریایی ساز لیاتومب. [1]اندسفتی به وزن بالا توجه زیادی را به خود جلب کرده نیهمچن

، هاتیکامپوزدر این میان یکی از بزرگترین و پرکاربردترین نوع ی پلیمری هستند که دارای مزایایی همچون استحکام هاتیکامپوز

و سفتی ویژه، تولید آسان قطعات پیچیده و قیمت مناسب ی مورد استفاده در ساخت هانهیزم. از جمله پرکاربردترین [2]هستندی گرماسخت هستند. در این هانیرزی زمینه پلیمری، هاتیکامپوزی صنعتی و گرماسخت هانیرز نیتریمیقدی فنولی، هانیرزمیان

. هنگامی که[3]هستند که کاربردهای مهمی در صنایع مختلف دارند ،شدبا رزین فنولی کامپوزیت چندلایه، در استفاده مورد پلیمر

. شودیم گسترده بسیار مواد این وکاربردی مطالعاتی محدودهسال رد ریباوونابتدا را فرمالدئید و فنول پایه بر رزینی محصولات آغاز را آن تجاری تولید باکلند، ۱۹۰۷ سال در و آورد دستبه ۱۸۷۲ داشتند عالی بودنقیعا خواص فنولی یهانیرز . از آنجا که[4]کرد

و ارزان هانیرز . این[5]شدند طبیعی یهانیرزجایگزین خیلی زود به آنها ورود از سال صد از بیش گذشت وجود با و مقاوم هستند

بر روز به روز و برخوردارند توجهی قابل از کاربردهای همچنان بازار . [6]شودیمافزوده هاآن کاربردهای

گروه رزول (گرماسخت) و نووالاک (گرمانرم، ۲فنولی به یهانیرز. از مزایای این شوندیم یبنددستهپیش از افزودن عامل پخت)

به پایداری گرمایی و شیمیایی زیاد، عایق توانیم هانیرزو [7]سپرهای حرارتی ،مکانیکی مطلوب و خواص بودنیکیالکتر ترمز وی فداشونده، قطعات تحت سایش مانند لنت هاتیکامپوز

در مقابل، معایبی . [8]کرد اشاره صفحه کلاچ و بسیاری قطعات دیگرکم، نیاز به دما و فشار زیاد برای پخت، رنگ چون مقاومت به ضربه

. [6]زیاد به هنگام پخت دارندی شدگجمعتیره محصولات و ی فنولی نوع رزول هانیرزی عایق گرمایی اغلب هاتیکامپوززمینه

الیاف آزبست هستند که مقاومت عمدتاً آنها نیز ندهکنتیتقواست و الیاف آزبست زابودنسرطانگرمایی زیادی دارند. امروزه با توجه به

آید این الیاف از می وجودبهو مشکلاتی که در اثر استفاده آن اند و الیاف سیلیکا که خارج شده کنندهتیتقوی هاقیعافهرست

محصولی جدید با پایداری گرمایی در حد آزبست و بدون مشکلات ت اند. اما مقالازیست محیطی است که جایگزین الیاف آزبست شده

سیلیکا منتشر نشده -ی فنولیهاتیکامپوزچندانی در زمینه . [9]است

ی عایق هاتیکامپوزدهد وقتی نشان می مینگی هاپژوهشنتایج با الیاف در معرض حرارت قرار گیرند، ابتدا شدهتیتقوهوای گرم

شود، سپس سطح خارجی پلیمر گرانرو شده و سطح آنها گرم میشود. پس از آن، اسفنج کربنی و در نهایت واکنش تخریب شروع مییی هایافزودن نیترمهماما از جمله . [10]شودزغال متخلخل ایجاد می

ی ی کامپوزیتاهیچندلاایش خواص مکانیکی و حرارتی که موجب افز ای مانند نانو و ی معدنی لایههایافزودنشود استفاده از می

با ایهکامپوزیتها، ذرات میکروتالک و غیره است. میکروسیلیکاتدر زمینه پلیمری هالایهشرط پخش خوب به ایهای لایهافزودنی

مدول، استحکام، خواص گرمایی و چشمگیری درسبب افزایش هاکامپوزیتبهبود مدول و سختی . [11]شودمیکاهش نفوذپذیری

گی بست و معدنی سیلیکاتی هایبین لایهبه مقدار نفوذ پلیمر . ابدیمی، مدول افزایش کنندهتقویت. با افزایش درصد وزنی [12]دارد

جمع ترهای اما، اگر این افزایش از حدی بیشتر شود، تشکیل ساختاباعث افت مدول و معدنی سیلیکاتی هایلایهبین ذرات، همسانی نسبت منظر و پخش مناسب، هالایه طول. [13]شودمی

گیرمچشو بهبود پذیریاشتعالکاهش ،بر مدول افزاینده کاملاً اثری اند پودر نشان داده [14]و همکاران چنگ. [11]دارد خواص مکانیکی

ی حرارتی هاقیعاشعله در راندازیتاخعنوان معدنی زیرکونیا به

 ۲۶۱ کیفنول -کایلیس یتیکامپوز یهاهیچندلا یو حرارت یکیذرات تالک بر خواص مکان کرویاثر م یتجرب یبررســـ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

Modares Mechanical Engineering                                                                                                                                        Volume 20, Issue 1, January 2020

کند و با سازوکار تغییر فاز در دماهای ی هوای گرم عمل میهانازلو کوکووکنتایج مطالعات . شودزیاد باعث اتلاف گرما می

این ماده اکسیدی ،دهدمیروی زیرکونیا نشان [15]همکارانا گرمایی مناسبی ر داشتن ماهیت سرامیکی، شرایط عایق واسطهبه

این ماده سرامیکی . رسانایی گرماییکندمیبرای سطح قطعه فراهم هاسرامیکبسیاری از از رسانایی گرمایی فلزات، آلیاژها و مراتببه

پودر زئولیت را در آمیزه [16]و همکاران سوماتوماتکمتر است. کردند. آنها نتیجه گرفتند، این پرکننده، فنولی استفادهگیری قالبیاف و حتی ال کربناتکلسیمرا بیشتر از تالک، آمیزهپذیریجریان

هایآمیزهو خواص مکانیکی آن پس از بخشدمی شیشه، بهبود هرامیانبگیرد. میقرار هاپرکنندهبیشتر از سایر دارای الیاف شیشه و

ی ای لایههاکاتیلینانوساند که افزودن نشان داده 17]‐[19و همکارانارد. ی فنولی دهاتیکامپوزاثر بسزایی بر افزایش پایداری گرمایی

اثر نانوذرات سیلیکا روی خواص حرارتی و [20]و همکاران میرزاپوری شیشه فنولی را بررسی کردند. نتایج آزمون خمش هانیرزخمشی

ی هاتیکامپوزام خمشی ی نشان داد که استحکانقطهسهدرصد وزنی نانوسیلیکا به مقدار بهینه خود ۲در حضور شدهساخته

رسیده است. همچنین با افزودن نانوسیلیکا پایداری گرمایی نی ای که سرعت فرسایش خطی و وز گونهنانوسیلیکا افزایش یافته به

نسبت به نمونه بدون کایلینانوسدرصد وزنی ۳نانوکامپوزیت دارای . کاهش یافت %۴۸و ۵۲ بیترتبهسیلیکا

مورد در گرفتهصورت تحقیقات بیشتر اخیر یهاسال در ورمنظبه تحقیق این در است. بوده اپوکسی پایه یهاتیکامپوز یهاهیچندلا مکانیکی یهایژگیو و حرارتی پایداری بهبود

تالک نیمعد میکروذرات از بار اولین برای فنولیکی زمینه کامپوزیتی رماییگ پایداری با جدید محصولی که سیلیکا الیاف و شده استفاده

دهش استفاده ،است یطیمحستیز مشکلات بدون و آزبست حد درهدف از این تحقیق بررسی تجربی اثر میکروذرات ماده معدنی . است

ی ی کامپوزیتهاهیچندلاتالک روی رفتار شکست و پایداری حرارتی فنولیک است. -سیلیکا

هانمونهمواد اولیه و ساخت -۲ مواد اولیه

کیلفنو نیاز رز قیتحق نیدر ا یتیکامپوز یهاهیساخت چندلا یبرا ۸۰±۳با درصد جامد IL‐800با کد تانیرزول ساخت شرکت رز

ن با بافت ساده و وز یاصورت پارچهبه سیلیکا افیالاستفاده شد. هیته جوشی چین شرکت از cm۱۰×۱۳ ابعاد با 2g/m۶۰۰ واحد سطح

پودر از شرکت صورتبه ۱۵۰۰همچنین تالک مصرفی با مش شد. ای.می.فا.بی ایتالیا تهیه شد.

ی کامپوزیتیهاهیچندلاساخت استفاده شد. لذا (phr)رزین صد هر ها از تالک دربرای تهیه آمیزه

شده و به محاسبهاز وزن رزین به گرم phr۳۵و ۲۵، ۱۵مقادیر سختی با رزول مخلوط رزین آرام آرام اضافه شد. ابتدا ذرات تالک به

استئارات روی به مخلوط phr۳). در ادامه مقدار a -۱شدند (شکل

دست خوردن مخلوطی یکدست بهدقیقه هم۱۵اضافه شده و پس از های سیلیکای آماده الیافها ابتدا نمونه یساز منظور آمادهبهآمد. آغشته نیبه رز ،یدست گذاریلایه ه روشب cm۱۳×۱۰ در ابعاد شده

D3531ASTM با استفاده از استاندارد پختپیششدند. در مرحله

درجه۹۰ یو در دما دقیقه۸۵به مدت نیآغشته به رز یهاهیلا ،[21] ۱۲. در مرحله پخت )b -۱(شکل درون آون قرار گرفتند گرادیسانتقبل از گذاشتن شد. قرار داده ی همرو درجه۹۰و صفر یایزوا با هیلا

طور کامل به اسپری سیلیکون ها درون پرس ابتدا قالب بهنمونهها درون قالب قرار داده شد و در دمای آغشته شد. سپس نمونه

دقیقه درون پرس قرار ۳۰به مدت bar۵گراد و فشار درجه سانتی۱۶۰ گرفتند.

هاآزمون -۳

حرارتیی هاآزمونمنظور بررسی ظرفیت گرمایی و بررسی اثر میکروذرات تالک روی به

در (DSC)پخت رزین فنولیک از آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی

در D3418 [22]ASTMطبق استاندارد )C˚۲۳۰(شرایط دما ثابت اسنجی روبشی تفاضلی مدل دستگاه گرم لهیوسبهدقیقه ۱۵مدت

DSC200F3 منظورنتز آلمان انجام شد. همچنین بهساخت شرکت شده با تالک از ی اصلاحهاتیکامپوزی حرارتی هایژگیوبررسی

و با E1131ASTMطبق استاندارد (TGA)آزمون گرماسنج وزنی ساخت کشور سوییس استفاده شرکت متلر TGAاستفاده از دستگاه

شد. در همین راستا آزمون در محیط خنثی و از دمای محیط تا

) انجام شد. C˚۲۳۰در دمای قهیدق۱۵(به مدت C˚۲۳۰دمای

‐Bی هاآغشتهشیپو (a) اختلاط میکروذرات تالک با رزین فنولیک )١شکل

(b)شده استیج

ی مکانیکیهاآزموناز آزمون فنولیک -ی سیلیکاهاهیچندلامنظور بررسی اثر افزودنی بر به

استانداردطبق هانمونهنقطه استفاده شد. بدین منظور خمش سهD790‐ASTM [23] برش داده شد و با سرعت بارگذاری

mm/min۵/۱ تن تحت آزمون قرار ۱۵۰با استفاده از دستگاه سنتام

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ی و اسماعیل خضریانفتوح دیحم ۲۶۲

۱۳۹۸ دی، ۱، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی

ن عنواتحمل برای کامپوزیت بهبیشینه نیروی قابل گرفتند. خطی منحنی هیناحهمچنین، شیب استحکام خمشی گزارش شد؛

عنوان مدول کرنش حاصل از آزمون خمش محاسبه و به -تنش. شد گزارش یخمش

منظور بررسی استحکام و مدول کششی، ازدیاد طول در همچنین بهASTMی کامپوزیتی طبق استاندارد هاهیچندلاشکست و چقرمگی

با استفاده از دستگاه mm/min۵با سرعت بارگذاری [24] 3039منظور بررسی درصد الیاف تن تحت آزمون قرار گرفتند. به۱۵۰سنتام

منظور بررسی نسبت مقدار رزین به الیاف به هاتیکامپوزموجود در گرم از ۱ی وزنی مقدار درصدها بودنکسانو اطمینان از ی هانمونهدر

گراد قرار سانتی درجه۶۰۰ساعت در دمای ۳به مدت هانمونههمه دست ، درصد رزین در هر نمونه به۱گرفتند. سپس با استفاده از رابطه

آمد:% 100          )۱(  

1W 2وزن اولیه نمونه وW وزن نمونه بعد از قرارگرفتن در کوره است.

نتایج -۴

ی حرارتیهاآزمونپخت بستگی دارد. تغییر درجهزانیمگرمای واکنش طی آزمون به

توانندمی هایافزودن، دمای واکنش، کاتالیست و هامولدر نسبت ر در دیگ مؤثرباشند. یکی از عوامل مؤثرپخت درجه وبر دمای پخت

. است گرفتنآزمونی فنولیک تکنیک هانیرزدر DSCنتایج آزمون ی فنولی هنگام پخت از خود آب،گاز یا حلال هانیرزاز آنجایی که

. در این استکنند، چگونگی محفظه نمونه در آزمون مهم آزاد میک باشد که هر ی دارسوراختواند بسته، باز یا حالت محفظه نمونه می

در حالت محفظه . [25]خواهد بود مؤثراز این حالات در نتایج آزمون دمای گذار رزین فنولی ظاهر آب کنار رشدنیتبخباز پیک ناشی از

طوربهمعمول برای بررسی اثر آب بر نتیجه آزمون طوربه. شودینمسه روش وجود دارد. اولین روش حذف آب است به این شدهکنترل

نند کصورت که نمونه را با استفاده از فرآیند فریزکردن خشک می کردنخشکگونه پختی در فنولی در مدت زمان ای که هیچگونهبه

دهند؛ در این رخ ندهد. در روش دوم، آزمون را تحت فشار انجام میشود آب (تبدیل از مایع به بخار) می حالت فشار باعث کاهش انتقال

که تاثیری روی حالت پخت فنولی ندارد. در روش سوم، نمونه درون ی که فشار طور بهگیرد، قرار می شدهیبندآبیک محفظه بسته

. هر یک از این استشی از آب تبخیرشده در محفظه آمده ناوجودبه. بنابراین است مؤثرروی اطلاعات پخت رزین تحت آزمون هاروش

برای مقایسه باید شرایط ثابتی داشته باشیم. ی به دهحرارتبر نتیجه آزمون مقدار ماده و نرخ مؤثراز دیگر عوامل

مطلق تفسیر طوربه توانینمرا DSCی آزمون هاکیپ. استنمونه ی روی نقطه آغازین و پایانی پیک و نقطه دهحرارتنمود، زیرا نرخ ی فنولی هانیرزدر هاکیپشدن است. دوشاخه مؤثرماکزیمم آن

تواند باشد:نشان از دو عامل می

ی نزدیک به هاواکنشای از انجام دو واکنش جداگانه یا مجموعه -۱ . استهم DSCی آزمون هاکیپا استفاده از مقدار واکنش پخت رزول ب -۲

ی گرماگیر هاواکنشهمزمان طوربهشود. هنگام پخت محاسبه میی گرمازا که ناشی از هاواکنشهمراه با استکه ناشی از تبخیر آب

گیرد که در این حالت یک انجام می استی عرضی وندهایپایجاد پیک پهن گرمازا حاصل از واکنش و یک پیک گرماگیر پهن ناشی از

آید. می وجودبههمزمان طوربهآب درون سیستم بخارشدنهمپوشانی این دو نمودار باعث ایجاد دو پیک نوک تیزتر نسبت به

ویشود. اما در صورتی که محفظه حامی نشدهیهمپوشانی هاکیپرزول یک پیک DSCباشد، نمودار شدهیبندآب کامل طوربهنمونه

دهد. پهن گرمازا نشان می درجه۱۸۰تا ۱۲۰در بازه معمولاً ی فنولی هانیرزپخت حرارتی

عاملی یهاگروه رزول، یهانیرز درگیرد. گراد صورت میسانتی مستقیم صورتبه تا دارد وجود کافی مقدار به) متیلول یهاگروه(

واکنش یک صورتبه رزین پخت واکنش پیشرفت. شوند پخت جرم افزایش ،شودیم آغاز رزول پخت که وقتی. است پیوسته ادامه ژل حالت به رسیدن زمان تا و دهدیم رخ وزنی مولکولی

و نیست محلول) الکل یا آب( قبلی محیط در دیگر که ابدییم ساختار یک ،شودیم تبخیر دادنحرارت اثر بر حلال که هنگامی یاماده به منجر رزول کامل پخت. کندیم ایجاد را سخت یاشبکه مقاومت که شودیم زیاد عرضی اتصالات دانسیته بالا و مدول با

بودنیتراکم لیدلبه. دهدیم نشان خود از خوبی حرارتیترکیباتی با وزن آزادشدنهمراه با هاواکنشی پخت، این هاواکنش

گاز بعد از بخار آب تولید شده صورتبهمولکولی پایین است که . [26]شود) از سامانه خارج میa -۱نمودار (

پخت رزول DSCو نمودار (a)[26]مکانیسم پخت رزول و تولید آب )١نمودار

(b)خالص در اتمسفر خنثی

 ۲۶۳ کیفنول -کایلیس یتیکامپوز یهاهیچندلا یو حرارت یکیذرات تالک بر خواص مکان کرویاثر م یتجرب یبررســـ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

Modares Mechanical Engineering                                                                                                                                        Volume 20, Issue 1, January 2020

دریافت که در دمای توانیم) b -۱نمودار ( DSCبا توجه به نمودار ۱۰۰و ۸۷ شود. در دماهای، فرآیند پخت رزین آغاز می۱۱۵

بیترتبه هاکیپشوند که این گرماگیر مشاهده می یهاکیپتوانند مربوط به تبخیر اتانول و آب موجود در سیستم باشند. می ،محفظه حاوی نمونه با آغاز فرآیند پخت رزین داربودنسوراخ لیدلبه شودخروج رزین همراه با بخار آب، مسدود می لیدلبهوراخ محفظه س

شود. از و با افزایش فشار بخار سوراخ باز شده و بخار آب خارج میاید از ب حتماً محصول جانبی ،است ریپذبرگشتآنجایی که واکنش

شودمشاهده می DSCطور که در نمودار سیستم خارج شود. همانپیک پخت با چند ۱۴۷و ۱۳۴، ۱۲۵، در دماهای )b -۱نمودار (

خروج آب از سیستم است. دهندهنشانانحنا همراه بوده است که رسد. اما این عمده واکنش پخت به پایان می ۱۸۰در دمای

از محفظه که گرادیان دمایی ییهاقسمتاحتمال وجود دارد که در اه رارتی دستگوجود داشته یا رزین سطح تماس مناسبی با منبع ح

نداشته است در دماهای بالاتر واکنش پخت انجام شده و محصول م واکنش از سیست بودنیتعادلجانبی واکنش تراکمی با توجه به

خارج شود. منظور بررسی اثر ذرات تالک روی پخت رزین فنولی از آزمون به

گرماسنجی روبشی تفاضلی در دمای ثابت استفاده شد. با توجه بهتالک phr۲۵توان دریافت که نمونه حاوی می ۲نمودار و ۱ جدول

و دیگر از پایداری حرارتی بهتری برخوردار است یهانمونهنسبت به مساحت زیر منحنی که ،شودمشاهده می ۱طور که در جدول همان

ر نسبت به دیگ ،دهدمقدار گرمای لازم در مرحله پساپخت را نشان می کمتر بوده است. هانمونه

ی هانمونهدما ثابت DSCاز آزمون شدهگزارشاطلاعات تکمیلی )۱جدول شده با تالککامپوزیتی اصلاح

شروع پیکنمونه(min)

پایان پیک (min) قله(min)

سطح زیر پیک(mJ)

Pure ١٤/٠ ۱۵/۰ ٠٩/٨٧ ٢٢/٠ phr۱۵ ٢٣/٥٦ ٤٦/١٠ ١٨/٠ ١٨/٠ phr۲۵ ٤/٣٢ ٥٦/١٤ ٣٣/٨٣×١٠-٣ ٥٨/٦٨×١٠-٣ phr۳۵ ٠٣/٥٠ ٠٣/١١ ٦٧/١٦×١٠-٣ ٠

 

شده با میکروذرات تالک در ی اصلاحهانمونهدما ثابت DSCنمودار )٢نمودار

اتمسفر خنثی

و ۱۵حاوی یهانمونهشود مشاهده می ۲نمودار طور که در همانphr۳۵ اند تالک نسبت به نمونه مرجع افت دمایی بیشتری داشته

دهد تالک در این ترکیب درصدها اثری منفی که این امر نشان میمقدار بهینه تالک در بهبود خواص phr۲۵داشته است. بنابراین

بوده است. هاتیکامپوزحرارتی گراد از نظر گرما پایدارسانتی درجه۹۰۰تالک خالص تا حدود دمای

شاخص را یک قله (DTA)آنالیز حرارتی افتراقی است. آزمایشات پیک که بیانگر دهدیمگراد نشان سانتی درجه۱۰۰۰تا ۹۰۰در دمای فت آب ترکیبی تالک است. البته یک اُ واسطهبهیجادشده گرماگیر ا

گراد هم ممکن است وجود داشته سانتی درجه۷۱۰پیک کوچکتر در کربن از دولومیتی است که دیاکسیدباشد که نمایانگر خروج

کانی فرعی همراه با تالک در سنگ معدن یافت صورتبهمعمولاً ای بوده و صفحات لایه صورتبه. از طرفی ساختار تالک شودیماند. هدضعیف واندروالسی به یکدیگر متصل ش یوندهایپبا هاهیلا

سد ایجاد شود و مدت ،شود تا در برابر حرارتاین امر موجب میزمانی بیشتری طول کشد تا گرادیان دمایی در ساختار از بین برود

). با توجه ۲شکل ( آید وجودبهو در کل ساختار دمایی ثابت و پایدار ) پایداری phr۲۵( دریافت که در نمونه بهینه توانیم ۳نمودار به و در انتهای قسمت سوم بیشتر بوده است هانمونهی از همه حرارت

بود که این امر نشان از %۵۱/۹۸از این نمونه ماندهیباقمقدار وزن گونه تغییر وزنی در نمونه رخ نداده تقریبی هیچ طوربهآن دارد که

ی حرارتی دیده شد هاآزمونطور که در همان phr۱۵در نمونه . استنمونه در حال بهبودی بوده است اما نیاز به مقدار بیشتری تالک در

جبران phr۲۵شود که این کمبود در نمونه سیستم احساس میناگهانی افت طوربهپایداری حرارتی phr۳۵شده است. در نمونه

). با افزایش تالک در زمینه میکروذرات به شکل ۳نمودار کند (میشود تا با افزایش دمای آیند، این امر موجب میای درمیکلوخه

عنوان عامل انتشار حرارت در ساختار میکروذرات، خود نیز بهو مقدار درصد ۲کامپوزیت عمل کنند. همچنین با توجه به جدول

در زمینه شدهانجاممطالعات توان گفت الیاف سیلیکا میکه مقدار الیاف دو اثر رزین فنولی نمایانگر آن است یهاتیکامپوز

کامپوزیت دارد: اول اینکه، کامپوزیت با مقدار عمده بر رفتار گرمایی . دیگر اینکه، کاهششودیمزیادتر تخریب الیاف بیشتر در دماهایبا الیاف بیشتر است. شدهتیتقو یهانیرز وزن رزین فاقد الیاف از بیشتر، کمتر وزن کامپوزیت با مقدار الیاف افزون بر این، کاهش

. است

رابرب در تالک با شدهاصلاح یهاتیکامپوز سدگری خاصیت از شماتیکی )٢شکل دما

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ی و اسماعیل خضریانفتوح دیحم ۲۶۴

۱۳۹۸ دی، ۱، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی

اتمسفر خنثی در تالک با شدهاصلاح یهانمونه TGA آزمون نمودار )٣نمودار

ی مکانیکیهاآزمونرا هازهیآماستحکام و مدول خمشی توانیمبه کمک آزمون خمش

استحکام و مدول خمشی، مورد ارزیابی قرار داد. اما قبل از بررسیی تیکامپوز یهانمونهتمامی یهایمنحنابتدا نگاهی کلی به

نمونه ۳ هاتیکامپوزآنکه برای هر یک از لیدلبه. شودیمانداخته عنوان نماینده یکی از تحت آزمون خمش قرار داده شد، به

که دارای بیشترین هانمونهیی هر یک از جابجا -نیرو یهایمنحنشده است. آورده ۴نمودار در، است شباهت به مقادیر میانگین

قرار خمش معرض در نمونه آزمایش که هنگامی هانمونهدر همه نشت پایینی سطح در و فشاری تنش آنها بالایی سطح در ،رندیگیم

لایه در کافی ضخامت وجود صورت در و دیآیم وجودبهکششی ابیارزی برای تواندیمکه شودیم ایجاد برشی نیروی نمونه، میانی

شود. گرفته کاربه رزین چقرمگی، قسمت ابتدایی نمودار خطی شودیمدیده ۴نمودار طور که در همان

الاستیک خطی است که در آن، تغییر شکل هاست که نمایانگر ناحیدر صورت برداشتن نیرو از روی آن به و بوده ریپذبرگشتنمونه،

-. بعد از ناحیه خطی، شیب نمودار تنشگرددیبرمحالت اولیه خود یهاترکدلیل این کاهش شیب، ریز که ابدییمکرنش کاهش

که با چشم ) a -۳شکل ( استکامپوزیت ذکرشده آمده دروجودبهکه شیب نمودار کمی شودیماما وجودشان باعث شودینمدیده

کاهش یابد.

شده با ی اصلاحهانمونهنقطه جابجایی آزمون خمش سه -نمودار نیرو )٤نمودار

میکروذرات تالک

شده با ، نمونه اصلاح(a)از سطح شکست؛ نمونه خالص SEMتصویر )٣شکل 25phr تالک(b)

ت کند. در نمونه تحناگهانی افت می صورتبهبعد از این انحنا تنش

است، (قوس داخلی) که تحت فشار شدهیبارگذار نقطهخمش در شکست فشاری و در طرف دیگر نمونه که تحت کشش است (قوس

اری . استحکام کششی و فشافتدیمبیرونی) شکست کششی اتفاق بیشتر از استحکام برشی است و دلیل این امر وجود هاتیکامپوزدر از آنجایی که در شکست کششی و .هاستتیکامپوزیاف بلند در ال

رزین مقاومت ،و در شکست برشی کنندیمالیاف مقاومت ،فشاریو مقاومت الیاف همواره از رزین بیشتر است، استحکام کندیم

برشی رزین همواره از استحکام کششی و فشاری یک کامپوزیت دلیل طی آزمون خمش استحکام کمتر که نیهمکمتر است. به

از این توانیمو شودیماست در نمودار مشخص یبرش همانمطلب برداشت کرد که افت ناگهانی که در نمودار مشاهده شد مربوط

کمی افزایش نشان نیروبعد از این افت، . استبه شکست برشی رشد آن وداد که دلیل آن، مقاومت نمونه در برابر ایجاد ترک بعدی

شد. بعد از این نیروبود. ترک دوم منجر به وقوع افت بعدی در کردند و از آنجایی که نیروی لازم آمده رشدوجودبهی هاترکافت،

برای شروع ترک بیشتر از نیروی لازم برای رشد ترک است و رشد نیاز به نیروی جدیدی نداشته، رشد ترک در نمونه، کمابیش با ترکعه ، استحکام قطنیرو ادامه پیدا کرده است. مقدار بیشینهنیرو همان

تعیین Originو سطح زیر نمودار که با برنامه کندیمرا مشخص . )۲(جدول کندیممشخص شده، میزان چقرمگی را

شده با میکروذرات ی اصلاحهانمونهای نقطهنتایج آزمون خمش سه )۲جدول تالک

(N.m)چقرمگی نمونهاستحکام بیشینه N.mm)2( قطعه

)%( مقدار الیاف

Pure٥٥ ٦٤٥ ٥٣٨١ phrTalc٥٢ ٦٨٦ ١٥٥٠٧١ phrTalc٢٥٥٤٢٤٥٧ ٧٨٦ phrTalc٤٨ ٧٠٠ ٣٥٥٤٣٠

) phr۲۵دریافت که در نمونه بهینه ( توانیم ۲با توجه به جدول

%۱۸مقدار بیشینه استحکام قطعه نسبت به نمونه خالص حدود شود با افزودن تالک طور که مشاهده میافزایش داشته است. همان

خواص مکانیکی نسبت به نمونه خالص افزایش هاتیکامپوزبه

 ۲۶۵ کیفنول -کایلیس یتیکامپوز یهاهیچندلا یو حرارت یکیذرات تالک بر خواص مکان کرویاثر م یتجرب یبررســـ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

Modares Mechanical Engineering                                                                                                                                        Volume 20, Issue 1, January 2020

تالک یهاستالیکرصفحات نازک از این ماده، حاوی داشته است. تهیسیالاستهستند ولی، ریپذانعطاف اگرچهاست. این صفحات،

دارای استحکام مکانیکی بالایی محدودی دارند. در نتیجه، تالک دلیل، ساختار این ماده دارای پایداری خوبی است نیهماست و به

و باعث شکست نرم هاتیکامپوزکه موجب بهبود خواص مکانیکی phr۳۵). در نمونه b -۳شکل شده است ( هاتیکامپوزدر

عنوان مراکز تنش عمل کرده و خود نیز به شدهکلوخهمیکروذرات شوند. باعث سهولت انتشار ترک می

فنولیک با -ی سیلیکاهانمونهنتایج آزمون کشش ۵نمودار طور که مشاهده دهد. هماندرصدهای متفاوت تالک را نشان می

هانهنموشود حضور تالک باعث افزایش مقدار استحکام کششی میتالک phr۲۵ده است. از طرفی نمونه نسبت به نمونه خالص ش

ون ی تحت آزمهانمونهبیشترین مقاومت کششی را داشته و در بین مقاومت الیاف در برعلاوهنتایج بهتری داشته است. هنگام کشش

از خود بودنیاهیلا لیدلبهراستای طولی میکروذرات تالک نیز د خواص دهند. اما عمده دلیل بهبومقاومت کششی کمی نشان می

ی کامپوزیتی، افزایش سطح تماس رزین و هاهیچندلاکششی میکروذرات تالک با الیاف سیلیکا در سطح برخورد این دو ماده

۲. جدول استساختار تالک هنگام پخت رزین بودنیاهیلا لیدلبهرا نشان هاتیکامپوزنتایج آزمون کوره و مقدار درصد الیاف در

، کامپوزیت فنولی بادهدیمنشان شدهانجاممطالعات دهد. می]27,وزنی الیاف بیشترین استحکام خمشی را دارددرصد ٦٠حدود

شدندهیکشرونیبطور عمده دو سازوکار شکست الیاف و به. 28[. همچنین شودیمسبب بهبود مقاومت خمشی کامپوزیت الیاف

هش انکته ضروری است، مقادیر اضافی الیاف سبب ک گفتن این لیدلبهکه ممکن است شودیمو کششی خمشی مقاومت

پراکنش ضعیف الیاف در کامپوزیت تمام الیاف و نشدنسیخ . ]29[باشد

شده با ی اصلاحهانمونهجابجایی آزمون کشش -نمودار نیرو )٥نمودار

میکروذرات تالک

یر یگجهینت -۵

داری فنولیک باعث بهبود پای -ی سیلیکاهاتیکامپوزافزودن تالک به

یهاآزمونشود. با توجه به نتایج می هاتیکامپوزو خواص حرارتی DSCتالک در رزین حالت بهینه شد. در آزمون phr۲۵حرارتی مقدار در C˚۲۳۰پایداری حرارتی بیشتری در دمای phr۲۵نمونه حاوی

نمونه TGAون از خود نشان داد. همچنین در آزم قهیدق۱۲مدت قهیدق۱۲ی و در مدت دهسیسروتالک در شرایط phr۲۵حاوی

دهد که عایق کاهش وزن محسوسی نداشت که این امر نشان می هاتیکامپوزحرارتی به خوبی عمل کرده است. با افزودن تالک به

نسبت به نمونه خالص افزایش هانمونهخواص مکانیکی در همه یافت. در حالت بهینه مقدار بیشینه استحکام کششی و خمشی

%۱۳و ۱۸ بیترتبه) نسبت به نمونه خالص phr۲۵نمونه بهینه (افزایش داشت.

نویسندگان موردی بیان نکردند.قدردانی: تشکر و نویسندگان موردی بیان نکردند. تاییدیه اخلاقی: نویسندگان موردی بیان نکردند.تعارض منافع:

(نویسنده اول)، نگارنده یفتوح دیحم سهم نویسندگان:/تحلیلگر آماری/نگارنده بحث شناس/پژوهشگر اصلی/روشمقدمه

(نویسنده دوم)، نگارنده انیخضر لیاسماع )؛%٥٠(/تحلیلگر آماری/نگارنده بحث شناس/پژوهشگر اصلی/روشمقدمه

)٥٠%( نویسندگان موردی بیان نکردند.منابع مالی:

منابع1‐SridharanS.Delaminationbehaviourofcomposites.1stEdition.Cambridge:WoodheadPublishingLimited;2008.2‐ Kassapoglou Ch. Modeling the effect of damage incomposite structures: Simplified approaches. Hoboken:JohnWiley&Sons;2015.3‐ Knop A, Pilato LA. Phenolic resins: Chemistry,applicationsandperformance:Futuredirections.Berlin:Springer;1985.4‐ Rahimi A. Introducing polymers and application. 1stEdition. Tehran: Iran Polymer and PetrochemicalInstitute;2006.[Persian]5‐ZohurianMehrMJ.Appliedpolymerchemistry.Tehran:SharifUniversityofTechnology;1997.[Persian]6‐ Beheshty M, Rezadoust AM. Plastic reinforced(composites). Tehran: Iran Polymer and PetrochemicalInstitute;2012.[Persian]7‐ Akhlaghi R, Bahramian AR, Razaghi Kashani M. Theeffectofgraphitenanoparticlesonthermalstabilityandablation of phenolic/carbon fiber/graphitenanocomposites.IranianJournalofPolymerScienceandTechnology.2014;27(3):241‐249.[Persian]8‐PilatoL,editor.Phenolicresins:Acenturyofprogress.Berlin:Springer;2010.9‐KaramiGhahiM,BeheshtyMH,EsfandehM,RezadoustAM.Studyofroomtemperaturecuringofphenolicresinand its silica reinforced composites.  Iranian Journal ofPolymer Science and Technology. 2008;21(2):149‐155.[Persian]10‐MingesML.Thermalphysicalcharacteristicsofhigh‐performance ablative composites. Journal ofMacromolecular Science: Part A‐ Chemistry.1969;3(4):613‐639.

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ی و اسماعیل خضریانفتوح دیحم ۲۶۶

۱۳۹۸ دی، ۱، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی

11‐ Gültek A, Seçkin T, Önal Y, İçduygu MG. Poly(methacrylic) acid and\gamma‐methacryloxypropyltrimethoxy silane/claynanocomposites prepared by in‐situ polymerization.TurkishJournalofChemistry.2002;26(6):925‐938.12‐ Alexandre M, Dubois P. Polymer‐layered silicatenanocomposites: Preparation, properties and uses of anewclassofmaterials.MaterialsScienceandEngineering:R:Reports.2000;28(1‐2):1‐63.13‐ZhuJ,StartP,MauritzKA,WilkieCA.Thermalstabilityandflameretardancyofpoly(methylmethacrylate)‐claynanocomposites. Polymer Degradation and Stability.2002;77(2):253‐258.14‐ChangJP,LinYS,ChuK.Rapidthermalchemicalvapordeposition of zirconium oxide for metal‐oxide‐semiconductorfieldeffecttransistorapplication.JournalofVacuumScience&TechnologyB:MicroelectronicsandNanometer Structures Processing, Measurement, andPhenomena.2001;19(5):1782‐1787.15‐ Kucuk A, Lima RS, Berndt CC. Influence of plasmasprayparametersonformationandmorphologyofZrO2‐8wt%Y2O3 deposits. Journal of the American CeramicSociety.2001;84(4):693‐700.16‐ Matsumoto A, Ohtsuka K, Kimura H, Adachi SI,Takenaka M. Moldability and properties ofphenolic/artificialzeolitecomposites.JournalofAppliedPolymerScience.2007;106(6):3666‐3673.17‐ Bahramian AR, Kokabi M, Famili MH, BeheshtyMH. High temperature ablation of kaolinitelayered silicate/phenolic resin/asbestos clothnanocomposite. Journal of Hazardous Materials.2008;150(1):136‐145.18‐ Bahramian AR, Kokabi M. Ablation mechanism ofpolymer layered silicate nanocomposite heatshield.JournalofHazardousMaterials.2009;166(1):445‐454.19‐BahramianAR,KokabiM,FamiliMH,BeheshtyMH.Ablation and thermal degradation behaviour of acompositebasedonresoltypephenolicresin:Process

modelingandexperimental.Polymer.2006;47(10):3661‐3673.20‐ Mirzapour A, Pourhasan B, Eslami Z. Effect ofnanosilica onbending strengthand thermal stability ofglass fiber/phenolic nanocomposite. Iranian Journal ofPolymer Science and Technology. 2016;29(4):377‐386.[Persian]21‐ASTMD3531/D3531M‐16.Standardtestmethodforresin flow of carbon fiber‐epoxy prepreg. WestConshohocken:ASTMInternational;2016.22‐ASTMD3418‐99.Standardtestmethodfortransitiontemperatures of polymers by differential scanningcalorimetry. West Conshohocken: ASTM International;1999.23‐ ASTMD790‐17. Standard test methods for flexuralproperties of unreinforced and reinforced plastics andelectrical insulating materials.  West Conshohocken:ASTMInternational;2017.24‐ ASTM D3039M. Standard test method for tensilepropertiesofpolymermatrixcompositematerials.WestConshohocken:ASTMInternational;2017.25‐Hitachi.DSCmeasurementsof thermosettingresins.Tokyo:Hitachi;1981.26‐PilatoL,editor.Phenolicresins:Acenturyofprogress.2nd Edition. Berlin: Springer Science& BusinessMedia;2010.27‐ Srebrenkoska V, Bogoeva‐Gaceva G, Dimeski D.Compositematerialbasedonanablativephenolicresinandcarbonfibers.JournaloftheSerbianChemicalSociety.2009;74(4):441‐453.28‐ Taherian R, Nozad Golikand A, Hadianfard MJ.Preparation and properties of a phenolic/graphitenanocomposite bipolar plate for proton exchangemembranefuelcell.ECSJournalofSolidStateScienceandTechnology.2012;1(6):M39‐M46.29‐LiM,LiuD.Mechanical andelectricalpropertiesofgraphite/carbonfiber/phenolicresincomposite. In:FanW, editor. Advancedmaterials research. Unknown city:TransTechPublications.2012.pp.1452‐1455.