بررسی خواص مکانیکی و خواص گرمایی نانو کامپوزیت های اپوکسی حاوی نانو ذرات مکسین
محورهای موضوعی : پليمرها و نانوفناوریمحمدحسین کرمی 1 * , امید معینی جزنی 2 *
1 - گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، صندوق پستی 81746-73441 ، اصفهان، ایران
2 - گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، صندوق پستی 81746-73441 ، اصفهان، ایران
کلید واژه: نانو مکسین, رزین اپوکسی, سنتز, خواص مکانیکی, خواص گرمایی,
چکیده مقاله :
این پژوهش به بررسی نانو مکسین ها به عنوان پرکننده های دو بعدی در رزین های اپوکسی می پردازد و پتانسیل آنها را برای افزایش عملکرد این مواد گرماسخت را برجسته می کند. رزین های اپوکسی به دلیل خواص مکانیکی عالی، انقباض کم در طول پخت، و مقاومت حرارتی و شیمیایی خوب، به طور گسترده ای شناخته شده اند که آنها را برای کاربردهای مهندسی پیشرفته مناسب می کند. با این حال، شکنندگی ذاتی و هدایت حرارتی و الکتریکی ضعیف آنها چالش هایی را ایجاد می کند. نانو مکسین، یک خانواده نوظهور از مواد دو بعدی که با رسانایی الکتریکی بالا، فعالیت الکتروشیمیایی و زیست سازگاری مشخص می شود. بنابر این یک راه حل امیدوار کننده ای را ارائه می دهد. این پژوهش به پیشرفت‌های اخیر در استفاده از نانو مکسین ها، برای بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی رزین‌های اپوکسی و کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف آنها می‌پردازد. کاربردهای این مواد پیشرفته بر نقش مهم مکسین ها در بهینه‌سازی عملکرد رزین‌های اپوکسی را تأکید می‌کند و راه را برای کاربردهای نوآورانه آن در صنایع مختلف، به‌ویژه در ساخت و ساز و تولید محصولات صنعتی هموار می‌کند. توسعه مستمر نانو مکسین ها، یک مرز هیجان انگیز در علم مواد را نشان می دهد، که با پتانسیل زیاد این مواد، ایجاد انقلابی در خواص و کاربردهای نانو کامپوزیت های اپوکسی می شود. دراین پژوهش به روش های سنتز، خواص مکانیکی، خواص گرمایی، و پیشرفت های اخیر در نانو کامپوزیت های اپوکسی تقویت شده با نانو مکسین پرداخته می شود.
This research examines nanomaterials known as mxene (nanomxenes) as two-dimensional fillers in epoxy resins and highlights their potential to enhance the performance of these thermosetting materials. Epoxy and maxins are two types of chemicals that are widely used in various industries, particularly in construction and the production of industrial products. Epoxy resins are well-known for their excellent mechanical properties, low shrinkage during curing, and good thermal and chemical resistance, making them suitable for advanced engineering applications. However, their inherent brittleness and poor thermal and electrical conductivity present challenges. Nanomxenes, an emerging class of two-dimensional materials, are characterized by high electrical conductivity, electrochemical activity, and biocompatibility, offering a promising solution. This research addresses recent advances in the use of nanomxenes to improve the mechanical, thermal, and electrical properties of epoxy resins and their fiber-reinforced composites. The applications of these advanced materials underscore the significant role of nanomxenes in optimizing the performance of epoxy resins, paving the way for innovative applications across various industries, particularly in construction and the manufacturing of industrial products. The ongoing development of nanomxenes represents an exciting frontier in materials science, with the potential to revolutionize the properties and applications of epoxy nanocomposites. In this research, we discuss synthesis methods, mechanical properties, thermal properties, and recent developments in epoxy nanocomposites reinforced with nanomxenes.
1. Blanco, I. and Oliveri, L., Effects of Novel Reactive Toughening Agent on Thermal Stability of Epoxy Resin, J. Therm. Anal. Calorim., 108, 685–693, 2012.
2. Capricho, J.C. and Fox, B., Multifunctionality in Epoxy Resins, Polym. Rev., 60, 1–41, 2020.
3. Jin, F.L. and Li, X., Synthesis and Application of Epoxy Resins: A Review, J. Ind. Eng. Chem., 29, 1–11, 2015.
4. Taloub, N. and Henniche, A., Improving the Mechanical Properties, UV and Hydrothermal Aging Resistance of PIPD Fiber Using MXene (Ti3C2(OH)2) Nanosheets, Compos. Part B: Eng., 163, 260–271, 2019.
5. Wazalwar, R. and Sahu, M., Mechanical Properties of Aerospace Epoxy Composites Reinforced with 2D Nano-Fillers: Current Status and Road to Industrialization, Nanoscale Adv., 3, 2741–2776, 2021.
6. Govindaraj, P. and Sokolova, A., Distribution States of Graphene in Polymer Nanocomposites: A Review, Compos. Part B: Eng., 226, 109353, 2021.
7. Rasul, M.G. and Kiziltas, A., 2D Boron Nitride Nanosheets for Polymer Composite Materials, npj 2d Mater. Appl., 5, 56, 2021.
8. Huo, S. and Song, P., Phosphorus-Containing Flame Retardant Epoxy Thermosets: Recent Advances and Future Perspectives, Prog. Polym. Sci., 114, 101366, 2021.
9. Naguib, M. and Kurtoglu, M., Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2, Adv. Mater., 23, 4248–4253, 2011.
10. Naguib, M. and Barsoum, M.W., Ten Years of Progress in the Synthesis and Development of MXenes, Adv. Mater., 33, 2103393, 2021.
11. Sun, S. and Liao, C., Two-Dimensional MXenes for Energy Storage, Chem. Eng. J., 338, 27–45, 2018.
12. Sun, Y. and Li, Y., Potential Environmental Applications of MXenes: A Critical Review, Chemosphere, 271, 129578, 2021.
13. Song, P. and Liu, B., MXenes for Polymer Matrix Electromagnetic Interference Shielding Composites: A Review, Compos. Commun., 24, 100653, 2021.
14. Naguib, M. and Mochalin, V.N., 25th Anniversary Article: MXenes: A New Family of Two-Dimensional Materials, Adv. Mater., 26, 992–1005, 2014.
15. Naguib, M. and Mashtalir, O., Two-Dimensional Transition Metal Carbides, ACS Nano, 6, 1322–1331, 2012. 16. Dong, M. and Zhang, H., Multifunctional Epoxy Nanocomposites Reinforced by Two-Dimensional Materials: A Review, Carbon, 185, 57–81, 2021.
17. Yuan, S. and Linas, S., Pure & Crystallized 2D Boron Nitride Sheets Synthesized via a Novel Process Coupling Both PDCs and SPS Methods, Sci. Rep., 6, 20388, 2016.
18. Krishnan, U. and Kaur, M., A Synoptic Review of MoS2: Synthesis to Applications, Superlattices Microstruct., 128, 274–297, 2019.
19. Verger, L. and Xu, C., Overview of the Synthesis of MXenes and Other Ultrathin 2D Transition Metal Carbides and Nitrides, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 23, 149–163, 2019.
20. Shekhirev, M. and Shuck, C.E., Characterization of MXenes at Every Step, from Their Precursors to Single Flakes and Assembled Films, Prog. Mater. Sci., 120, 100757, 2021.
21. Meshkian, R. and Näslund, L.-Å., Synthesis of Two-Dimensional Molybdenum Carbide, Mo2C, from the Gallium Based Atomic Laminate Mo2Ga2C, Scr. Mater., 108, 147–150, 2015.
22. Yang, S. and Zhang, P., Fluoride-Free Synthesis of Two-Dimensional Titanium Carbide (MXene) Using A Binary Aqueous System, Angew. Chem., 130, 15717–15721, 2018.
23. Zhou, J. and Zha, X., A Two-Dimensional Zirconium Carbide by Selective Etching of Al3C3 from Nanolaminated Zr3Al3C5, Angew. Chem. Int. Ed., 55, 5008–5013, 2016.
24. Sun, W. and Shah, S.A., Electrochemical Etching of Ti2AlC to Ti2CTx (MXene) in Low-Concentration Hydrochloric Acid Solution, J. Mater. Chem. A, 5, 21663–21668, 2017.
25. Wang, L. and Chen, L., Fabrication on the Annealed Ti3C2Tx MXene/Epoxy Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding Application, Compos. Part B: Eng., 171, 111–118, 2019.
26. Mashtalir, O. and Naguib, M., Intercalation and Delamination of Layered Carbides and Carbonitrides, Nat. Commun., 4, 1716, 2013.
27. Lv, G. and Wang, J., Intercalation and Delamination of Two-Dimensional MXene (Ti3C2Tx) and Application in Sodium-Ion Batteries, Mater. Lett., 219, 45–50, 2018.
28. Kang, R. and Zhang, Z., Enhanced Thermal Conductivity of Epoxy Composites Filled with 2D Transition Metal Carbides (MXenes) with Ultralow Loading, Sci. Rep., 9, 9135, 2019.
29. Liu, L. and Ying, G., Functionalization with MXene (Ti3C2) Enhances the Wettability and Shear Strength of Carbon Fiber-Epoxy Composites, ACS Appl. Nano Mater., 2, 5553–5562, 2019.
30. Seyedin, S. and Zhang, J., Facile Solution Processing of Stable MXene Dispersions towards Conductive Composite Fibers, Glob. Chall., 3, 1900037, 2019.
31. Szeluga, U. and Pusz, S., Effect of Graphene Filler Structure on Electrical, Thermal, Mechanical, and Fire Retardant Properties of Epoxy-Graphene Nanocomposites—A Review, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci., 46, 152–187, 2021.
32. Ji, Z.J. and Zhang, L., Mechanical and tribological properties of nanocomposites incorporated with two-dimensional materials, Friction, 8, 813–846, 2020.
33. Zhang, H. and Wang, L., Effects of 2-D Transition Metal Carbide Ti2CT:X on Properties of Epoxy Composites, RSC Adv., 6, 87341–87352, 2016.
34. Carey, M.S. and Sokol, M., Water Transport and Thermomechanical Properties of Ti3C2T z MXene Epoxy Nanocomposites, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 39143–39149, 2019.
35. Hatter, C.B. and Shah, J., Micromechanical Response of Two-Dimensional Transition Metal Carbonitride (MXene) Reinforced Epoxy Composites, Compos. Part B Eng., 182, 107603, 2020.
36. Feng, A. and Hou, T., Preparation and Characterization of Epoxy Resin Filled with Ti3C2Tx MXene Nanosheets with Excellent Electric Conductivity, Nanomaterials, 10, 162, 2020.
37. Liu, L. and Ying, G., Aqueous Solution-Processed MXene (Ti3C2Tx) for Non-Hydrophilic Epoxy Resin-Based Composites with Enhanced Mechanical and Physical Properties, Mater. Des., 197, 109276, 2021.
38. Liu, L. and Ying, G., Attapulgite–Mxene Hybrids with Ti3c2tx Lamellae Surface Modified by Attapulgite as a Mechanical Reinforcement for Epoxy Composites, Polymers, 13, 1820, 2021.
39. Zhao, X. and Qi, S., Preparation and Mechanical Performances of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites by Mxene Nanosheets Coating, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 30, 10516–10523, 2019.
40. Ding, R. and Sun, Y., Enhancing Interfacial Properties of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites by Grafting MXene Sheets (Ti2C), Compos. Part B: Eng., 207, 108580, 2021.