Structural and mechanical characterization of hybrid nanocomposite material

Abstract

Hibrit nanokompozit malzemeler, yalnızca akademik araştırmalar için yeni malzemeler ve bileşikler tasarlamak amacıyla yaratıcı bir alternatif olmayıp aynı zamanda geliştirilmiş veya alışılmadık özellikleri, yenilikçi endüstriyel uygulamaların geliştirilmesini sağlamaktadır. Günümüzde, piyasaya henüz giren hibrit malzemeler, seksenlerde geliştirilen geleneksel yumuşak kimya tabanlı yönlendirmeler kullanılarak sentezlenmekte ve işlenmektedir. Geleceğe baktığımızda, bu araştırma alanında verimli faaliyetler sonucu ortaya çıkan bu yeni nesil hibrit malzemelerin, örneğin membranlar ve ayırma cihazları, fonksiyonel akıllı kaplamalar, yakıt ve güneş pilleri, katalizörler, sensörler, vb. gibi optik, elektronik, iyon, mekanik, enerji, çevre biyoloji, tıp gibi pek çok alanda hedef uygulamalar açacağı kuşkusuzdur. Bu çalışmada, mekanik karıştırma metodu kullanılarak takviye malzemesi olarak Epoksi esaslı bir matris ve nano-dolgu (TiO2 ve Si02 nanopartikülleri) gibi farklı türdeki malzemelerin kombinasyonu ile yeni hibrit nanokompozit malzemeler sentezlenmiştir. Ayrıca, atomik kuvvet mikroskopu (AFM), Fourier transform infrared spektroskopi (FTIR), çekme testi ve mikro sertlik testi kullanılarak, epoksi esaslı matrise % ağırlık olarak sırasıyla % 2-8 ila % 2-6 oranında eklenen TiO2 ve Si02 nanopartiküllerinin morfoloji, bağlanma tipi ve mekanik özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, Nanokompozit malzemenin çekme mukavemetinin, TiO2'nin ağırlıkça %2'den % 8'e çıkarılmasıyla TiO2 nanopartiküllerinin arttığı ve en iyi çekme mukavemetinin ağırlıkça % 8 Ti02'de elde edildiğini göstermektedir. Çekme mukavemetinin artış yüzdesi, saf epoksi matrisinden % 270 daha yüksek olmuştur. TiO2'nin ağırlıkça %2'den % 8'e çıkarılmasıyla artan TiO2 nanopartiküllerinin yüzdesi ile kademeli olarak mikro sertlik de artarken, mikro sertliğin maksimum değeri % 8 TiO2 olmuş dolayısıyla da nanokompozitin sertliği saf epoksi matrisinden % 86 daha yüksek olmuştur. Yeni hibrit nanokompozit malzemeyi sentezlemek için nanokompozit malzemeye SiO2 nanopartiküllerinin ilave edilmesi, SiO2'nin ağırlıkça %2 'den % 6'e kadar çıkarılmasıyla çekme mukavemetinde azalma ve ayrıca SiO2'nin ağırlıkça %2 'den % 6'e kadar çıkarılmasıyla mikro sertlik değerinde de azalma ile sonuçlanmıştır. FTIR, TiO2 ve Si02 nanopartikülleri arasında bir yük transfer kompleksi oluşumunun sırasıyla 900 → 450 cm-1 ve 952 cm-1 şeklinde olduğunu doğrulamıştır. Atomik Kuvvet Mikroskop görüntüleri, TiO2 - Si02 partikül boyutunun yaklaşık 20-50 nm olduğunu göstermiş olup bu da TiO2 - Si02 hibrit nanokompozit partiküllerinin, epoksi matriste homojen ve iyi bir şekilde dağılmış olduğunu göstermektedir.

Hybrid nanocomposite materials do not represent only a creative alternative to design new materials and compounds for academic research, but their improved or unusual features allow the development of innovative industrial applications. Nowadays, most of the hybrid materials that have already entered the market are synthesized and processed by using conventional soft chemistry based routes developed in the eighties. Looking to the future, there is no doubt that these new generations of hybrid materials, born from the very fruitful activities in this research field, will open a land of promising applications in many areas: optics, electronics, ionics, mechanics, energy, environment, biology, medicine for example as membranes and separation devices, functional smart coatings, fuel and solar cells, catalysts, sensors, ……..etc. In this work synthesized new hybrid nanocomposite materials by using mechanical stirring method through combination of different types of material; epoxy based matrix and nanofiller (TiO2& SiO2 nanoparticles) as a reinforcement material. Studied the effect of TiO2& SiO2 nanoparticles percentage 2-8 wt% and 2-6 wt% respectively added to epoxy based matrix on the morphology, bonding type and mechanical properties using atomic force microscope (AFM), Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR), tensile test and micro hardness test. The results show tensile strength of Nano composite material increased gradually with increasing the weight percentage of TiO2 nanoparticles from 2 wt% to 8 wt % TiO2, while the best tensile strength was at 8 wt % TiO2. The increase percentage of tensile strength was 270% higher than the neat epoxy matrix. The micro hardness increase gradually with increase percentage of TiO2 nanoparticles from 2wt% TiO2 up to 8wt% TiO2, the maximum value of micro hardness was at 8wt % TiO2 , so the hardness of nanocomposite is around 86% higher than the neat epoxy matrix. The addition of SiO2 nanoparticles to the nanocomposite material in order to synthesize new hybrid nanocomposite material resulted in decrease in tensile strength from 2wt % to 6wt % SiO2, also, that the micro hardness value decrease from 2wt % to 6wt % SiO2 . FTIR confirmed the formation of a charge transfer complex between the TiO2 and SiO2 nanoparticles 900→450 cm-1 and 952 cm-1 respectively. Atomic Force Microscope images have been showed that the SiO2 – TiO2 particles size was about 20 – 50 nm, this indicates that TiO2 – SiO2 hybrid nanocomposite particles are homogenously and well disperse in the epoxy matrix.