Development of carbon black-layered clay/epoxy nanocomposites

Abstract

Bu çalışmada, elektriksel iletkenliği olan ve gelişmiş termal ve mekanik özelliklere sahip yeni bir epoksi nanokompozit sentezlenmiştir. Karbon siyahı /epoksi kompozitler ve karbon siyahı-tabakalı kil/epoksi nanokompozitler 3-merdaneli kalenderile karıştırılarak hazırlanmıştır. İlk tip kompozit, perkolasyon eşik konsantrasyonunu (Vc) belirlemek için üretilmiştir. İkinci tip, karbon siyahı konsantrasyonu Vc değerinin biraz üstünde sabit tutularak, kil miktarının nanokompozitlerin ısıl, mekanik, elektrikselve yapısal özelliklerine etkisini incelemek amacı ile sentezlenmiştir. Çalışmada kullanılan karbon siyahı 30 nm'lik küresel partiküllerden oluşmuş ekstra iletken bir dolgudur. Tabakalı kil olarak, epoksi reçine içerisinde iyi şekilde dağılımını sağlamak amacıyla ditallow dimethlyamin modifiye edilmiş Na+ Montmorillonite kullanılmıştır. Vc değeri 0.2 hac.% olarak ölçülmüş ve 0.25 hac. % karbon siyahı ile değişken miktalarda kil epoksi sistemine eklenerek nanokompozitlerin üretilmiştir. Sadece 0.5 hac.% kil eklenmiş olan nanokompozitler elektriksel iletkenlik göstermiştir. Bununla birlikte, daha yüksek miktarlarda kil içeren nanokompozitler ise karbon siyahı iletkenlik ağının kil tabakaları tarfından engellenmesinden dolayı yalıtkan davranış göstermiştir. XRD sonuçlarına göre, nanokompozitler kısmen dağılmış bir yapı sergilemiştir. Kil miktarının artmasıyla çekme modül değerleri artarken eğme modül değerleri sabit kaldığı bulunmuştur. Katkısız epoksinin elastic modül değeri (3.7 GPa) 0.5 hac.% oranında kil ilavesi sonucunda 28% oranında arttığı gözlenmiştir. Termomekanik analiz sonuçları, kil eklenmesiyle elastik modülü, camsı geçiş sıcaklığı ve bozunma sıcaklığının bir miktar arttığını ortaya çıkarmıştır.

In this study, a novel epoxy nanocomposite with electrical conductivity and having improved mechanical and thermal properties was synthesized. Carbon black/ epoxy composites and carbon black-layered clay/epoxy nanocomposites were prepared by mixing via 3-roll mill. The first type of the composite was produced to determine the percolation threshold concentration (Vc). The second type with constant carbon black concentration, slightly over Vc, was synthesized to investigate the influence of claycontent on the thermal, mechanical, electrical and structural properties of nanocomposites. Carbon black used in the study was extra conductive filler with 30 nm spherical particles. Layered clay was Na+ Montmorillonite treated with ditallow dimethlyamine to assure better intercalation within the epoxy resin. Vc value was determined to be 0.2 vol% and 0.25 vol% carbon black was added together with varying clay contents to the epoxy system to produce nanocomposites. Only the nanocomposites with 0.5 vol. % clay loading showed electrical conductivity. However, the composites with higher clay loadings showed insulating behaviour due to hindrance of carbon black network by clay layers. According to the XRD results, nanocomposites exhibited someextent of exfoliation. It was found that tensile modulus values of the epoxy increased; however flexural modulus values remained constant, with increasing clay content. Elastic modulus of neat epoxy (3.7 GPa) was increased about 28 % with 0.5 vol% clay addition. Thermomechanical analysis results revealed that the storage modulus, glass transition temperature and initial degradation temperature of epoxy was slightly enhanced due to clay loading.