فهرست مطالب

مواد پیشرفته و پوشش های نوین - سال یازدهم شماره 44 (پیاپی 42، بهار 1402)

فصلنامه مواد پیشرفته و پوشش های نوین
سال یازدهم شماره 44 (پیاپی 42، بهار 1402)

  • تاریخ انتشار: 1403/09/18
  • تعداد عناوین: 7
|
  • محمدعلی سرانجام، سید حسن جعفری * صفحات 3144-3152

    اشتعال‌پذیری پلیمرها یکی از چالش‌های عمده‌ای است که تولیدکنندگان صنعت پلاستیک با آن مواجه هستند. از این رو، توسعه پلیمرهای مقاوم در برابر شعله به عنوان یک ضرورت از نظر استانداردهای ایمنی در برابر آتش مدنظر بوده است. در این پژوهش، مواد پیشرفته برپایه پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی‌آمید 6 (PA6) و کوپلیمر اتیلن وینیل الکل (EVOH) در قالب آمیخته‌های دوتایی و سه‌تایی تقویت شده با پرکننده‌ های پلی فسفات آمونیوم (APP) و نانوصفحات خاک رس (MMT) مقاوم در برابر شعله ساخته شده‌اند. ریزساختار این کامپوزیت‌های مقاوم در برابر شعله با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، مقاومت حرارتی آن‌ها با استفاده از تحلیل جرم‌سنجی حرارتی (TGA) و رفتار مقاومت آنها در برابر شعله با روش گرما‌سنجی مخروطی بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که قرارگیری پرکننده‌ها در فازهای پلیمری، اندازه ذرات، و نیز استفاده از سازگارکننده به میزان قابل توجهی بر خواص حرارتی و مقاومت در برابر شعله تاثیر می‌گذارد. در نمونه‌هایی که تنها در آنها APP وجود دارد، افزایش مقدار APP باعث ریزتر شدن ذرات و بهبود نسبی مقاومت در برابر شعله شده است، حضور سازکارکننده نیز اندازه فاز PA6 را ریزتر کرده است. حضور فاز سوم EVOH باعث سازگاری و ریزتر شدن ذرات شده، سازگارکننده نیز تاثیری ندارد و مقاومت در برابر شعله را نیز افزایش نمی-دهد.

    کلیدواژگان: آمیخته های پلیمری، پلی اتیلن، پلی آمید، مقاومت در برابر شعله، پلی فسفات آمونیوم
  • علی نیک بخت *، کیومرث جعفری خلفلو، سید علی صدوق ونینی صفحات 3154-3168

    در این مقاله امکان بکارگیری خاصیت پیزومقاومت به عنوان ابزاری برای پایش برخط و تشخیص وجود عیب جدایش بین لایه ای در یک تیر کامپوزیتی چندلایه تحت بارگذاری خمشی به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. در این روش، تغییرات خاصیت پیزومقاومت ماده به عنوان رفتار خودعیب یاب لحاظ شده است. بدین منظور نمونه های تیر کامپوزیتی از پارچه الیاف کربن تک جهته و رزین اپوکسی حاوی ذرات نانولوله های کربن ساخته شده و عیب بین لایه ای به صورت مصنوعی و با قرار دادن نوار تفلون بین لایه ها ایجاد شده است. نمونه های ساخته شده تحت بارگذاری خمش سه نقطه ای قرار گرفته و تغییرات تنش-کرنش و مقاومت الکتریکی آنها در دو حالت بدون عیب و با عیب اندازه گیری گردیده است. از نتایج مربوط به تنش-کرنش برای تعبیر مکانیزم های آسیب استفاده و بدین ترتیب زمان رخ دادن آسیب های مختلف در نمونه بر روی نمودارهای تغییر مقاومت الکتریکی مشخص شده است. سپس تغییرات مقاومت به آسیب قطعه ربط داده شده تا بتوان رفتار خود عیب یاب را در نمونه ها ارزیابی نمود. در حالت کلی نتایج نشان می دهد که وجود جدایش بین لایه ای باعث تغییر مقاومت تیر کامپوزیتی نسبت به نمونه های بدون عیب در حین بارگذاری خمشی شده است. در محدوده بارگذاری الاستیک تا 70 درصد اختلاف بین مقاومت الکتریکی نمونه های بدون عیب و با عیب وجود دارد. همچنین شروع گسترش عیب بین لایه ای باعث افزایش مقاومت الکتریکی در لایه های دور از تار خنثی می گردد. کاهش اندازه عیب باعث کاهش حساسیت رفتار خود عیب یاب در تشخیص گسترش عیب شده ولی محل طولی قرار گرفتن عیب تاثیری بر رفتار ندارد.

    کلیدواژگان: کامپوزیت الیاف کربن، نانو لوله کربن، خاصیت پیزومقاومت، جدایش بین لایه ای، رفتار خود عیب یابی
  • علی نیک بخت *، امیرحسین توکلیان صفحات 3170-3181

    در این مقاله فوم منیزیم درجه بندی شده سه لایه با کاربرد بالقوه در ایمپلنت های استخوانی با استفاده از روش متالورژی پودر تولید شده است. درجه بندی بر اساس تغییر چگالی بین لایه ها با لحاظ کردن سه ترکیب مختلف پودر منیزیم و ذرات کاربامید (که به عنوان فضاساز مورد استفاده قرار گرفته) در سه لایه در نظر گرفته شده است. ساختار درجه بندی شده تحت فشار 300 مگاپاسکال متراکم و در نهایت در دمای 400 درجه سانتی گراد به مدت 4 ساعت برای تفجوشی حرارت داده شده است. هدف اصلی از این مطالعه، بررسی امکان استفاده از چنین ساختارهایی به عنوان ایمپلنت های استخوانی می باشد. بر این اساس تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی و آزمایش فشار بر روی نمونه های تولید شده به ترتیب برای تعیین ریزساختار و خواص مکانیکی فوم درجه بندی شده انجام گرفته است. بررسی ریزساختار فوم تولید شده نشان می دهد که با افزایش درصد فضاساز کاربامید، فوم تولید شده از نوع سلول باز خواهد بود. علاوه بر این، در حالی که خواص مکانیکی ایمپلنت های منیزیم از استخوان متراکم انسان فاصله زیادی دارد، فوم سه لایه درجه بندی تولید شده به خوبی خواص مکانیکی ساختار استخوان اسفنجی انسان را شبیه سازی می کند؛ به گونه ای که خواص فوم سه لایه به مراتب از خواص فوم های تک لایه به استخوان انسان شبیه تر است. بر این اساس می توان نتیجه گرفت که فوم فلزی سه لایه قابلیت بکار گرفته شدن در ایمپلنت های استخوانی را دارد.

    کلیدواژگان: منیزیم، فوم فلزی درجه بندی شده، متالورژی پودر، ایمپلنت های استخوانی، ریزساختار فوم
  • احمد موسایی، مرتضی احسانی * صفحات 3182-3195

    یکی از چالش های اصلی حفاری، تخریب حرارتی افزودنی های پلیمری در حفر چاه های عمیق است که منجر به کاهش خواص رئولوژیکی و افزایش مقادیر فیلتراسیون خواهد شد. ورود مقادیر زیاد فیلتره به درون سازند شیلی سبب افزایش فشار منفذی و ناپایداری شیل و ایجاد مشکلات متعددی می گردد. لذا در این تحقیق بر آن شدیم که اثر نانولوله کربنی(FMWCNT) با دو گروه عاملی قطبی OH و COOH بر خواص رئولوژیکی سیال حفاری پایه آبی سبک با وزن pcf 63 بررسی کنیم.
    در این مطالعه یک نمونه سیال به عنوان پایه و 6 نمونه سیال حاوی نانو لوله (3 نمونه عامل دار با OH و 3 نمونه عامل دار با COOH) با غلظت های(w/w) 0.01، 0.05 و 0.1 درصد ساخته شده و در شرایط دمای محیط آزمایشگاهی oF) 77BHR :) و گردش گل در دمای شبیه سازی شده ته چاه oF) 250AHR:) خواص رئولوژیکی و سپس مقادیر فیلتراسیون (FL) نیز اندازگیری شده است. نتایج نشان داده است از میان غلظت های بکارگرفته شده بهترین اثر بخشی بر خواص رئولوژی در غلظت 0.05% برای گروه عاملی COOH مشاهده شده که تمامی خواص رئولوژیکی را در هر دو شرایط BHR و AHR افزایش و مقادیر FL را نیز کاهش داده است.

    کلیدواژگان: نانولوله کربنی، گروه کربوکسیل، عامل هیدروکسید، خواص رئولوژیکی، پایداری حرارتی
  • رویا محمدی پور ندوشن، شهلا شکرریز *، زهرا شریعتی نیا، مجید منتاظر صفحات 3196-3204

    در این پژوهش، پتانسیل استفاده از چارچوب فلزی-آلی بر پایه اکسید روی کربونیزه شده تحت اتمسفر هوا به منظور سنتز نانوذرات اکسیدروی آلاییده شده با کربن جهت ایجاد پارچه با ویژگی حفاظت در برابر پرتو فرابنفش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج طیف سنجی پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و آنالیز عنصری نشان داد که پوشش نانوذرات اکسید روی بر سطح پارچه پنبه ای به خوبی انجام گرفته است. حفاظت در برابر پرتو فرابنفش پارچه پوشش داده شده توسط تغییر رنگ پارچه رنگرزی شده با متیلن بلو در معرض نور UV با استفاده از اسپکتروفوتومتر ، همچنین اثر فوتوکاتالیستی نانوذرات اکسید روی آلاییده شده با کربن تحت تابش نور خورشید مورد ارزیابی قرار گرفت. در مقایسه با پارچه خام، پارچه پوشش داده شده حفاظت UV بالاتری نشان داد. همچنین، تجزیه متیلن بلو حدود 98% در بازه زمانی 45 دقیقه توسط نانوذرات اکسید روی آلاییده شده با کربن حاصل شد. نتایج نشان داد که پارچه پوشش داده شده با اکسید روی آلاییده شده با کربن سنتز شده از طریق پیرولیز مستقیم چارچوب فلزی-آلی دارای پتانسیل بالقوه جهت ایجاد حفاظت در برابر پرتو فرابنفش است و می تواند در منسوجات محافظ پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، نانوذرات اکسید روی سنتز شده می تواند به طور موثری در تصفیه پساب و کاربرد های زیست محیطی به کار گرفته شود.

    کلیدواژگان: اکسید روی آلاییده شده با کربن، چارچوب فلزی - آلی، پارچه پنبه، حفاظت در برابر اشعه فرانفش، فعالیت فوتوکاتالیستی
  • فاطمه حسنی خورشیدی، سعید کاظمی نجفی، فرهود نجفی *، ربیع بهروز، آنتونیو پیزی صفحات 3206-3218

    اخیرا، علاقه به کاوش لیگنین به عنوان دومین پلیمر زیستی فراوان، در کاربردهای پیشرفته به سرعت افزایش یافته است. به ویژه، مواد میکرو و نانو لیگنین که کاربردهای با ارزش افزوده بالایی دارند. در این مقاله، مسیر سنتز لیگنین به مواد میکرو ونانو لیگنین بررسی شد. سپس با انجام آزمونهای متفاوت اشکال مختلف، ریزساختارهای نانو لیگنین با لیگنین معمولی مقایسه شد.
    در ابتدا نتایج آزمون GPC از لیگنین و لیگنین آسیاب شده نشان داد، متوسط وزن ملکولی برای لیگنین اولیه برابر با 16/16814 دالتون و متوسط وزن ملکولی برای لیگنین اصلاح و آسیاب شده برابر با 265 دالتون میباشد.
    نتایج آزمون DLS نیز نشان داد، اندازه متوسط ذرات لیگنین آسیاب شده در حالت محلول در اتیلن گلیکول حدود 520/0 میکرومتر می باشد. سپس پوششهایی بر پایه لیگنین آسیاب شده سنتز و بر روی بسترهای فولادی اعمال شد. در نهایت، تصاویر FE-SEM و زبری سنجی از سطح پوششهای پلیاورتانی بر پایه لیگنین آسیاب شده تهیه گردید که نتایج به وضوح حاکی از شکلگیری ذرات نانو لیگنین طی فرآیند آسیاب فراصوت و ماهوارهای بوده است.

    کلیدواژگان: زیرمیکرو لیگنین، نانولیگنین، پلیال
  • الهه منصوری، حمید خرسند * صفحات 3220-3233

    نزدیک به دو دهه از کشف آلیاژهای با انتروپی بالا می گذرد، ایده ای از آلیاژسازی که دانشمندان مهندسی مواد را برای کشف ترکیبات آلیاژی نامتعارف و سیستم های آلیاژی چند جزئی تشویق کرده است. برای افزایش عملکرد این گروه از آلیاژها در زمینه های کاربردی مختلف، سنتز قابل کنترل با فازهای مطلوب مورد نیاز است. بر این اساس در این پژوهش با هدف سنتز آلیاژ انتروپی بالای دو فازی با تکیه بر اصول ترمودینامیک، در گام نخست محاسبات تئوریک انجام شد و پس از امکان سنجی از منظر تئوری، به روش حالت جامد، پودرهای عنصری آهن، کبالت، نیکل، مس و آلومینیوم با خلوص بالا انتخاب و به صورت مکانیکی مخلوط و آلیاژ گردید. از محفظه آلیاژ سازی مکانیکی در زمان های متوالی 10، 20، 30، 40 و 50 ساعت نمونه برداری انجام شد. این نمونه ها با تکنیک پراش اشعه ایکس (XRD) مشخصه یابی شده و مشاهده گردید بعد از 50 ساعت این آلیاژ دارای ساختار کریستالی دوفاز FCC است. بدین ترتیب آزمون های تجربی، محاسبات ترمودینامیک را تایید می کرد. همچنین، تصاویر آنالیز نقشه عنصری نشان داد که پس از 50 ساعت آلیاژسازی مکانیکی، تمام عناصر آلیاژ انتروپی بالا بصورت کاملا یکنواخت در زمینه پراکنده شدند و ساختار محلول جامد یکنواخت تشکیل شده است. در نهایت، برخی از بینش ها در مورد چالش ها و چشم اندازهای آینده در این زمینه تحقیقاتی نو ظهور، ارائه شده است.

    کلیدواژگان: آلیاژهای آنتروپی بالا، آلیاژسازی مکانیکی، جدایش فاز، آنتالپی
|
  • Mohammad Ali Saranjam, Seyed Hassan Jafari * Pages 3144-3152

    Flammability if polymers has always been a big challenge for plastic industry producers. Therefore, development of flame-retardant polymers has become a necessity in terms of safety standards. In this research, advanced materials based on high-density polyethylene (HDPE), polyamide 6 (PA6) and ethylene vinyl alcohol (EVOH) are manufactured as binary and ternary polymer blends reinforced with ammonium polyphosphate (APP) and clay nanoplatelets (NC) as flame retardants. Microstructure, thermal stability, and flame retardancy behavior of samples were studied by scanning electron microscopy (SEM), thermal gravimetric analysis (TGA) and cone calorimetry tests. Results show that localization of APP and NC, minor phase domain size and compatibilizer incorporation can considerably affect thermal and flame retardant properties. The presence and increase of amount of APP in HDPE/PA6 binary blends slightly improved flame retardancy and thermal stability, where compatibilizer incorporation led to PA6 size reduction. The presence of third polymer, i.e., EVOH, enhanced compatibility featured by lower PA6 particle size, but compatibilizer was not efficient and did not improve flame retardancy.

    Keywords: Polymer blends, Polyethylene, Polyamide, Flame retardancy, Ammonium polyphosphate
  • Ali Nikbakht *, Kioumars Jafari Khalafloo, Seyed Ali Sadough Vanini Pages 3154-3168

    In this paper, the piezo-resistivity effect is utilized to experimentally investigate self-diagnostic behavior of composite laminates in determining delamination. In order to do so, composite laminated beams with unidirectional carbon fibers and epoxy resin containing CNT are produced while Teflon tape is placed between layers of some samples to artificially insert delamination. Three-point bending tests are conducted and stress-strain curves and electrical resistance of the samples are measured for not-damaged and damaged beams. The stress-strain curves are applied to interpret and determine damage mechanisms and to extract time data for the evolution of each damage mechanism. This time data is then used to determine the self-diagnostic behavior based on the variation of electrical resistance of the samples. The results show that in general, the electrical resistance of the not-damaged samples is higher than the damaged ones. This fact shows that piezo-resistivity effect can determine the existence of the delamination in the samples. Moreover, the propagation of delamination leads to electrical resistance increase when the delamination is placed far from the neutral axis of the beam. In addition, decreasing the dimension of the delamination reduces the sensitivity of the self-diagnosing behavior, which means that the variation of electrical resistance cannot determine the evolution of small sized delamination. On the other hand, the longitudinal location of delamination does not have a sensible effect on the behavior.

    Keywords: Carbon fiber composites, carbon nano tube, piezo-resistivity effect, delamination, self-diagnostic behavior
  • Ali Nikbakht *, Amirhossein Tavakolian Pages 3170-3181

    In this paper a three-layer graded magnesium foam with a potential application in bone implants is produced by means of powder metallurgy and spacer method. The gradation is based on the density variation between the layers. In order to so, three different combinations of magnesium powder and carbamide particles (used as the spacer) are considered in three layers and the graded structure is compacted under a pressure of 300 MPa and finally sintered at 400°C for 4 hours. SEM analysis and compression tests are conducted on the produced specimens to determine the microstructure and mechanical properties of the graded foam, respectively. The results show that increasing the percentage of the carbamide spacer can lead to producing open cell foam. This means that this kind of foam can be used for repairing bone tissue scaffolds. In addition, while the mechanical properties of bulk magnesium implants are far from that of a compacted human bone, the produced three-layer graded foam can resemble spongy bone structures properties excellently. Furthermore, similar mechanical properties to human spongy bone can be obtained by gradation of the foam rather than applying single layer foams. This means that potentially, the three-layer graded magnesium foam may be utilized in human bone implants.

    Keywords: Magnesium, graded metal foam, powder metallurgy, compressive properties, foam microstructure
  • Ahmad Mousaei, Morteza Ehsani * Pages 3182-3195

    Nowadays, with the advancement of nano technology, several researches have been done on using Nano additives to solve the existing problems of the oil industry. One of the main challenges of drilling is thermal degradation of polymer additives in well drilling, which will lead to a decrease in rheological properties, increase in filtration values. Entering large amounts of filtrate into the shale formation will increase pore pressure, shale instability, cause many problems. Solving this problem by using high temperature polymers or carbon materials with high thermal conductivity can prevent thermal degradation of polymers and also block the nanometer pores of shale. In this research, we decided to investigate the effect of carbon nanotubes (FMWCNT) with two polar functional groups, OH and COOH, on rheological properties of light weight water base drilling fluid with a weight of 63 pcf.
    In this study, a base fluid sample and 6 fluid samples containing nanotubes (3 samples with OH agent and 3 samples with COOH agent) with concentrations (w/w) of 0.01, and 0.05 and 0.1% were made and under the conditions of laboratory environment temperature. (BHR:77 °F) and mud circulation at the simulated bottom hole temperature (AHR:250 °F) Rheological properties and then filtration values (FL) have also been measured. The results have shown that among the concentrations used, the best effect on the rheological properties was observed at a concentration of 0.05% for the COOH functional group, which increased all rheological properties in both BHR and AHR conditions and also decreased the FL values.

    Keywords: Carbon nanotube, carboxyl group, hydroxide group, rheological properties, thermal stability
  • Roya Mohammadipour nodoushan, Shahla Shekarriz *, ZAHRA SHARIATINIA, majid montazer Pages 3196-3204

    In this research, the potential of using the carbonization of Zn based metal-organic framework under air atmosphere to synthesized C doped zinc oxide nanoparticles to create a fabric with UV protection was investigated. The results of X-ray diffraction spectroscopy, field emission scanning electron microscopy and elemental analysis showed that the coating of zinc oxide nanoparticles on the cotton fabric was successfully done. UV protection of the coated fabric were evaluated by changing the color of Methylene Blue exposed to UV light using a spectrophotometer. Compared to the raw fabric, the coated fabric showed higher UV protection. About 98% decomposition of Methylene blue was achieved in 45 min by ZnO doped with carbon. The results showed that the fabric coated with zinc oxide synthesized through the direct pyrolysis of metal-organic framework has the potential to provide protection against ultraviolet irradiation and can be used in advanced protective textiles. Also, synthesized zinc oxide nanoparticles can be effectively used in wastewater treatment and environmental applications.

    Keywords: C-doped ZnO, Metal-organic framework, cotton fabric, UV protection, Photocatalytic activity
  • Fatemeh Hassani Khorshidi, Saeed Kazemi Najafi, Farhood Najafi *, Rabi Behrouz, Antonio Pizzi Pages 3206-3218

    Recently, interest in studying lignin as the second most abundant biopolymer in advanced applications has increased. In particular, micro and nano-lignin materials have high value-added applications. The present study investigated the path of lignin synthesis to nano-lignin materials. Subsequently, through performing different tests, the microstructures of these nano-lignin materials were compared with normal lignin.
    At first, the GPC test results of lignin and milled lignin showed that the average molecular weight for lignin was 16814.16 Daltons and the average molecular weight for milled lignin was 265 Daltons.
    The results of the DLS test also indicated that the average size of the milled lignin particles when dissolved in ethylene glycol is about 0/520 µm. Next, coatings based on milled lignin were synthesized and applied on steel substrates. Finally, FE-SEM and roughness measurement images of the surface of polyurethane coatings based on milled lignin were prepared, and the results clearly indicated the formation of nano-lignin particles during the ultrasonic and ball mill process.

    Keywords: Micro lignin, nano-lignin, polyol
  • elahe mansouri, hamid khorsand * Pages 3220-3233

    Nearly two decades have passed since the discovery of high-entropy alloys, an idea of alloying that has encouraged materials engineering scientists to explore unusual alloy compositions and multicomponent alloy systems. To increase the performance of this group of alloys in various fields of application, controllable synthesis with favorable phases is required. Based on this, in this research, with the aim of synthesizing a two-phase high entropy alloy based on the principles of thermodynamics, theoretical calculations were performed in the first step, and after feasibility from a theoretical point of view, elemental powders of iron, cobalt, nickel, and copper were used in the solid state method. And high purity aluminum was selected and mechanically mixed and alloyed. Sampling was done from the mechanical alloying chamber at consecutive times of 10, 20, 30, 40 and 50 hours. These samples were characterized by X-ray diffraction (XRD) technique and it was observed that after 50 hours, this alloy has two-phase FCC crystal structure. In this way, the experimental tests confirmed the thermodynamic calculations. Also, the images of the elemental map analysis showed that after 50 hours of mechanical alloying, all elements of the high entropy alloy were completely uniformly dispersed in the field and a uniform solid solution structure was formed. Finally, some insights into the challenges and future prospects in this emerging research field are provided.

    Keywords: High entropy alloys, mechanical alloying, phase separation, enthalpy