علوم و فناوری کامپوزیت

علوم و فناوری کامپوزیت

کامپوزیت دمابالای سیانات استر/الیاف کربن با استحکام برشی بین لایه‌ای بالا بر پایه مونومر سنتز شده 2،2'-بیس(4-سیاناتوفنیل)پروپان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مهدی احمدی 1
حسن فتاحی 2
مهرزاد مرتضایی 3
سید محمد جواد میرباقری 1
1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی پلیمر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران .
2 استادیار، شیمی پلیمر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران.
3 دانشیار، مهندسی پلیمر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران.
10.22068/jstc.2024.2024959.1881
چکیده
سیانات‌استرها به دلیل خواص حرارتی-مکانیکی ویژه مانند دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) بالا، مدول بالا و ذغال‌گذاری عالی، برای تولید کامپوزیت‌های دما بالا با الیاف کربن مناسب هستند. پخت سیانات استر حرارت بالایی آزاد می‌کند، از طرفی کنترل حرارت آزاد شده برای تولید کامپوزیت از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از چرخه پخت توانایی کنترل حرارت آزاد شده در پخت سیانات‌استر در کامپوزیت را دارد. سیانات‌استر چسبندگی بالایی با الیاف کربن حتی در مقادیر کم ارائه می‌دهد و می‌توان از سیانات استر برای تهیه کامپوزیت‌های با کارآیی بالا استفاده نمود. مونومر 2،2'-بیس(4-سیاناتوفنیل)پروپان از واکنش سیانوژن برماید و بیس‌فنول A سنتز و با طیف‌سنجی‌های FT-IR، 1H-NMR و 13C-NMR مورد شناسایی ساختاری قرار گرفت. رفتار پخت سیانات استر سنتز شده توسط آزمون DSC پویا تعیین و چرخه پخت مناسبی تعریف و کارآیی چرخه پخت به صورت برخط توسط طیف‌نمایی FT-IR دنبال شد. کامپوزیت دمابالای سیانات‌استر/الیاف کربن با محتوای رزین‌های %30 و %44 تهیه و استحکام برشی بین لایه‌ای آن‌ها توسط آزمون ILSS مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از نتایج آزمون ILSS، خواص حرارتی-مکانیکی و مقاومت حرارتی کامپوزیت انتخاب شده توسط آزمون‌های DMTA و TGA مورد بررسی قرار گرفت. چرخه پخت تعریف شده برای پخت سیانات استر، قابلیت کنترل آنتالپی بالا و پخت رزین به میزان %6.95 را داشت. کاهش محتوای رزین در کامپوزیت به میزان 14% باعث بیشتر شدن ILSS به میزان 9% شد. در دماهای بالا، حتی در "℃" 250، مدول خمشی کامپوزیت تنها به مقدار 16% افت پیدا کرد. میزان ذغال‌گذاری کامپوزیت سیانات‌استر/ الیاف کربن برابر %6.82 بود.
کلیدواژه‌ها
رزین دمابالا
سیانات استر
تری آزین
کامپوزیت دما بالا
استحکام برشی بین لایه‌ای

موضوعات

عنوان مقاله English

High temperature cyanate ester/carbon fiber composite with high ILSS based on synthesized 2,2'-bis (4-cyanatophenyl)propane resin

نویسندگان English

Mahdi Ahmadi 1
Hassan Fattahi 2
Mehrzad Mortezaei 3
Seyyed Mohammad Javad Mirbagheri 1
1 Department of Polymer Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
2 Department of Polymer Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
3 Department of Polymer Engineering, Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Cyanate esters are one the most suitable matrixes for production of high temperature composites with carbon fibers due to their excellent thermo-mechanical properties. Since the curing of this resin has a high heat release, applying a suitable curing cycle has the ability to control the heat release during the curing. Cyanate ester provides high adhesion to carbon fibers even in less resin content, so cyanate ester can be used as a matrix for preparing advanced composites. 2,2'-bis(4-cyanatophenyl)propane resin was synthesized by the reaction of cyanogen bromide and bisphenol A. The synthesized resin was characterized by FT-IR, 1H-NMR and 13C-NMR spectroscopies. The curing behavior of cyanate ester resin was determined by DSC and a suitable curing cycle was defined and it’s efficiency was monitored by FT-IR. Cyanate ester/carbon fiber composite with 30% and 44% resin contents was prepared and their ILSS was determined and thermal and mechanical properties were investigated by DMTA and TGA. The defined curing cycle for 2,2'-bis(4-cyanatophenyl)propane had the ability to control the high heat release of cuing reaction with the curing ability of the resin up to 95.6%. Cyanate ester has a high adhesion to carbon fibers in the composite even in the relatively low resin content 30%. Hence, the amount of ILSS was increased about 9% compared to the ILSS for composite with 44% resin content. At temperatures as high as 250 °C, composite had only 16% decrease in flexural modulus. The cyanate ester/carbon fiber composite had a char yeild of 82.6%.

کلیدواژه‌ها English

High temperature resin
Cyanate ester
Triazine
High temperature composite
Interlaminar Shear Strength
[1]  Kun, W., Guangming, Z., Lei, N., Yongkun, W. and  Zhe, L., “Shape Memory Effect and Mechanical Properties of Cyanate Ester-Polybutadiene Epoxy Copolymer“ Journal of Polymer Research, Vol. 21, pp. 1-6, 2014.
[2]  Pouladvand, A. R., Mortezaei, M., Fattahi, H. and  Amraei, I. A., “A Novel Custom-Tailored Epoxy Prepreg Formulation Based on Epoxy-Amine Dual-Curable Systems“ Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 132, pp. 105852, 2020.
[3]  Jayalath, H., Herath, M. and  Epaarachchi, J., “Cyanate Esters as a High Performing Shape Memory Polymer: A Review“ Materials Today: Proceedings, Vol. 57, pp. 693-700, 2022.
[4]  Robles, J. B. and  Hubert, P., “Material Characterization of Cyanate Ester Material for Structures with High Dimensional Stability Requirements“ Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 175, pp. 107747, 2023.
[5]  Ohashi, S., Kilbane, J., Heyl, T. and  Ishida, H., “Synthesis and Characterization of Cyanate Ester Functional Benzoxazine and Its Polymer“ Macromolecules, Vol. 48, No. 23, pp. 8412-8417, 2015.
[6]  Wu, G., Cheng, Y., Xie, Q., Liu, C., Kou, K., Zhuo, L. and  Wang, Y., “Synthesis of a Bismaleimide/Cyanate Ester Copolymer Containing Phenolphthalein Functional Group with Excellent Dielectric Properties and Thermally Stable“ Journal of Polymer Research, Vol. 21, pp. 1-8, 2014.
[7]  Faraji, M., Rezadoust, A. M. and  Esfandeh, M., “Improvement of Delamination Resistance of Glass-Phenolic Composites through Matrix Toughening Mechanism Using Poly (Vinyl Butyral)“ In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 5, No. 4, pp. 521-528, 2019.
[8]  Abdollahi, M., Fallahnejad, M. and  Zamani, A., “Investigation the Flexural Behavior of Fiber Metal Laminates Containing Glass and Kevlar Fibers Subjected to Thermal Cycling“ In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 7, No. 1, pp. 54-67, 2020.
[9]  Zhan, X., Wang, L., Zhang, J. and  Cheng, J., “Synthesis, Properties and Cure Chemistry of a Novel Room-Temperature Liquid Cyanate Ester“ Materials & Design, Vol. 88, pp. 1100-1108, 2015.
[10] Ning, X., Dang, J., Yue, X. and  Yuan, J., “Properties Analysis of Novel Composites for Space Robots“ Polymer composites, Vol. 35, No. 3, pp. 564-569, 2014.
[11] Goyal, S. and  Cochran, E. W., “Cyanate Ester Composites to Improve Thermal Performance: A Review“ Polymer International, Vol. 71, No. 5, pp. 583-589, 2022.
[12] Tang, L., Dang, J., He, M., Li, J., Kong, J., Tang, Y. and  Gu, J., “Preparation and Properties of Cyanate-Based Wave-Transparent Laminated Composites Reinforced by Dopamine/Poss Functionalized Kevlar Cloth“ Composites Science and Technology, Vol. 169, pp. 120-126, 2019.
[13] Moulishwar Reddy, A., Kandasubramanian, B. and  Rath, S. K., “Cyanate Ester Blends and Composites to Improve Dielectric, Mechanical, and Thermal Performance for Functional Applications“ Polymer Bulletin, pp. 1-56, 2023.
[14] Kandelbauer, A., “Cyanate Ester Resins“  in: Handbook of Thermoset Plastics, Eds., pp. 587-617: Elsevier, 2022.
[15] Şen, F. and  Kahraman, M. V., “Thermal Conductivity and Properties of Cyanate Ester/Nanodiamond Composites“ Polymers for advanced technologies, Vol. 25, No. 9, pp. 1020-1026, 2014.
[16] Ramirez, M. L., Walters, R., Lyon, R. E. and  Savitski, E. P., “Thermal Decomposition of Cyanate Ester Resins“ Polymer degradation and stability, Vol. 78, No. 1, pp. 73-82, 2002.
[17] Corley, C. A., Guenthner, A. J., Sahagun, C. M., Lamison, K. R., Reams, J. T., Hassan, M. K., Morgan, S. E., Iacono, S. T. and  Mabry, J. M., “Di (Cyanate Ester) Networks Based on Alternative Fluorinated Bisphenols with Extremely Low Water Uptake“ ACS Macro Letters, Vol. 3, No. 1, pp. 105-109, 2014.
[18] Kessler, M. R., “Cyanate Ester Resins“ Wiley Encyclopedia of Composites, pp. 1-15, 2011.
[19] Cao, H., Liu, B., Ye, Y., Liu, Y. and  Li, P., “Study on the Relationships between Microscopic Cross-Linked Network Structure and Properties of Cyanate Ester Self-Reinforced Composites“ Polymers, Vol. 11, No. 6, pp. 950, 2019.
[20] Alessi, S., Caponetti, E., Güven, O., Akbulut, M., Spadaro, G. and  Spinella, A., “Study of the Curing Process of Dgeba Epoxy Resin through Structural Investigation“ Macromolecular Chemistry and Physics, Vol. 216, No. 5, pp. 538-546, 2015.
[21] Jahani, M., Fattahi, H. and  Mortezaei, M., “Effect of Aromatic Amine Structure as a Curing Agent on Molecular Packing and Mechanical Properties of Cured Epoxy Resin“ In Persian, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 32, No. 3, pp. 267-276, 2019.
[22] Payamani, M., Fattahi, H. and  Mortezaei, M., “Synthesis and Characterization of 4,4'-Bis(Maleimido)Diphenylmethane Resin and Evaluation of Its Curing Behavior in Blending with Epoxy“ In Persian, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 35, No. 4, pp. 339-352, 2022.
[23] Hamerton, I., “Chemistry and Technology of Cyanate Ester Resins“,  Springer Science & Business Media, 2012.
[24] Thunga, M., Lio, W. Y., Akinc, M. and  Kessler, M. R., “Adhesive Repair of Bismaleimide/Carbon Fiber Composites with Bisphenol E Cyanate Ester“ Composites Science and Technology, Vol. 71, No. 2, pp. 239-245, 2011.
[25] Zhou, Z.-X., Li, Y., Zhong, J., Luo, Z., Gong, C.-R., Zheng, Y.-Q., Peng, S., Yu, L.-M., Wu, L. and  Xu, Y., “High-Performance Cyanate Ester Resins with Interpenetration Networks for 3d Printing“ ACS applied materials & interfaces, Vol. 12, No. 34, pp. 38682-38689, 2020.
[26] Liu, J., Fan, W., Lu, G., Zhou, D., Wang, Z. and  Yan, J., “Semi-Interpenetrating Polymer Networks Based on Cyanate Ester and Highly Soluble Thermoplastic Polyimide“ Polymers, Vol. 11, No. 5, pp. 862, 2019.
[27] Salunke, A., Sasidharan, S., Cherukattu Gopinathapanicker, J., Kandasubramanian, B. and  Anand, A., “Cyanate Ester—Epoxy Blends for Structural and Functional Composites“ Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 60, No. 8, pp. 3260-3277, 2021.
[28] Gholipour, I., Amiri, I., Fattahi, H. and  Mortezaei, M., “Effect of Solid Epoxy Resin on Properties of an Epoxy/Glass Prepreg“ In Persian, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 34, No. 5, pp. 485-497, 2021.
[29] Harismendy, I., Gómez, C. M., Río, M. D. and  Mondragon, I., “Cure Monitoring of Catalysed Cyanate Ester Resins“ Polymer International, Vol. 49, No. 7, pp. 735-742, 2000.
[30] Mathew, D., Nair, C. R., Krishnan, K. and  Ninan, K., “Catalysis of the Cure Reaction of Bisphenol a Dicyanate. A Dsc Study“ Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, Vol. 37, No. 8, pp. 1103-1114, 1999.
[31] Baştürk, E., Şen, F., Kahraman, M. V. and  Madakbaş, S., “Bisphenol a (Badcy)/Bisphenol P (Bpdcy) Cyanate Ester/Colemanite Composites: Synthesis and Characterization“ Polymer Bulletin, Vol. 72, pp. 1611-1623, 2015.
[32] Shahbakhsh, S., Khosravi, H. and  Tohidlou, E., “Improvement in Interlaminar Shear Strength and Flexural Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composite Using Surface-Modified Carbonate Calcium“ In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 6, No. 3, pp. 343-350, 2019.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 11، شماره 1
بهار 1403
صفحه 2419-2428