بررسی طیف‌سنجی طول عمر نابودی پوزیترون و رفتار کششی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی/ نانواکسیدگرافن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان

2 گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان

چکیده

مقدمه و اهداف: طیف‌سنجی طول عمر نابودی پوزیترون روشی حساس برای بررسی حجم آزاد پلیمرها در مقیاس اتمی است و امکان تعیین اندازه، شکل و غلظت حفرات را فراهم می‌کند. این روش به‌عنوان ابزاری مکمل در کنار سایر روش‌های تجربی ماکروسکوپی استفاده می‌شود. در این پژوهش، برای نخستین‌بار طیف‌سنجی نابودی پوزیترون جهت بررسی حجم حفرات آزاد در نانوکامپوزیت‌های اپوکسی/نانواکسید گرافن و ارتباط آن با رفتار کششی نمونه‌ها به‌کار گرفته شد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، نمونه‌های اپوکسی حاوی نانواکسید گرافن در درصدهای وزنی مختلف (0/1، 0/3، 0/5 و 0/7) با طیف‌سنجی نابودی پوزیترون بررسی شدند. چشمه پرتوزا 22Na با فعالیت µCi 5 و آشکارسازهای سوسوزن پلاستیکی سریع با قدرت تفکیک زمانی 225 پیکوثانیه به‌کار رفت. همچنین آزمون کشش تک‌محوری انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که کم‌ترین میزان حجم حفرات آزاد (A3 83/87) مربوط به نمونه حاوی 0/3 درصد وزنی نانواکسید گرافن است که کاهش حدود هشت درصدی حجم حفرات آزاد در این نمونه در مقایسه با نمونه اپوکسی خالص (A3 90/97) را نشان می‌دهد. بالاترین استحکام کششی مربوط به نمونه حاوی 0/3 درصد وزنی نانواکسیدگرافن با مقدار 51/1 مگاپاسکال بود که افزایش 18 درصدی استحکام کششی در این نمونه در مقایسه با نمونه اپوکسی خالص (43/3 مگاپاسکال) مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: به طور کلی، نتایج حاصل از طیف‌سنجی طول عمر نابودی پوزیترون و اندازه‌گیری استحکام کششی نمونه‌های نانوکامپوزیتی اپوکسی/نانواکسید گرافن نشان داد که ارتباط معکوسی بین حجم حفرات آزاد و استحکام کششی وجود دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy and Tensile behavior of Graphene Oxide/Epoxy Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Mohammad Koohkan 1
  • Ali Akbar Mehmandoost-Khajeh-Dad 1
  • Hamed Khosravi 2
1 Department of Physics, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy is a sensitive method for investigating the free volume in polymers at the atomic scale, enabling the determination of pore size, shape, and concentration. It is widely used as a complementary identification tool alongside other macroscopic experimental techniques. In this study, for the first time, PALS was employed to examine the free volume in epoxy/graphene oxide nanocomposites and its correlation with the tensile behavior of the samples.
Materials and Methods: In this research, Epoxy-based samples containing different weight percentages of graphene oxide (0.1, 0.3, 0.5, and 0.7 wt.%) were analyzed using PALS. A Na22 radioisotope with an activity of ~5 µCi was used as the positron source, and fast plastic scintillation detectors with a time resolution of 225 picoseconds were employed. Uniaxial tensile tests were also conducted.
Results: The results showed that the lowest free pore volume (i.e. 83.87 A3) was related to the sample containing 0.3 wt.% graphene oxide, indicating a decrease of ~ 8% in the free pore volume in this sample compared to the pure epoxy one (i.e. 90.97 A3). The best tensile behavior was obtained for the sample containing 0.3 wt. % graphene oxide (i.e. 51.1 MPa), which revealed an 18 % increase in the tensile strength compared to the pure epoxy sample (i.e. 43.3 MPa).
Conclusion: In general, the results of the positron annihilation lifetime spectroscopy and tensile strength measurements of the epoxy/graphene oxide nanocomposites showed that there was an inverse relationship between the free pore volume and tensile strength.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Positron annihilation lifetime Spectroscopy
  • Nanocomposite
  • Epoxy
  • Graphene oxide
  • Tensile strength

مراجع

  1. Hassan T, Salam A, Khan A, Khan SU. Functional nanocomposites and their potential applications: A review. J Polym Res. 2021; 28: 36. https://doi.org/ 10.1007/s10965-021-02408-1
  2. Urade AR, Lahiri I, Suresh KS. Graphene Properties, Synthesis and Applications: A Review. JOM 2023; 75: 614-630. https://doi.org/10.1007/s11837-022-05505-8
  3. Yan J, Yi S, Yuan X. Graphene and its composites: A review of recent advances and applications in logistics transportation. Pack Technol Sci. 2024; 37(4): 335-361. https://doi.org/10.1002/pts.2795
  4. Guo L, Chen Z, Han H, Liu G. Advances and outlook in modified graphene oxide (GO)/epoxy composites for mechanical applications. Appl Nanosci. 2023; 13: 3273-3287. https://doi.org/10.1007/s13204-022-02653-w
  5. Amirbeygi H, Khosravi H, Tohidlou E. Reinforcing effects of aminosilane-functionalized graphene on the tribological and mechanical behaviors of epoxy nanocomposites. J Appl Polym Sci. 2019; 136(18): 47410. https://doi.org/10.1002/app.47410
  6. Wang X, Xing W, Zhang P, Song L, Yang H. Hu Y. Covalent functionalization of graphene with organosilane and its use as a reinforcement in epoxy Compos Sci Technol. 2012; 72(6): 737-743. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.01.027
  7. Yao H, Hawkins SA, Sue HJ. Preparation of epoxy nanocomposites containing well-dispersed graphene Compos Sci Technol. 2017; 146(3): 161-168. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.04.026
  8. Wang C, Lan Y, Li X, Yu W, Qian Y. Improving the mechanical, electrical, and thermal properties of polyimide by incorporating functionalized graphene oxide. High Perform Polym. 2016; 28(7): 800-808. https://doi.org/10.1177/0954008315598818
  9. Wan YJ, Gong LX, Tang LC, Wu LB, Jiang JX. Mechanical properties of epoxy composites filled with silane-functionalized graphene oxide. Compos Part A 2014; 64: 79-84. https://doi.org/10.1016/j.compositesa. 2014.04.023
  10. Jamali N, Rezvani A, Khosravi H, Tohidlou E. A comparative study on dry-sliding wear behavior of graphene oxide/epoxy nanocomposites functionalized by amino- and epoxy-silane coupling agents. Polym Compos. 2021; 42: 5930-5935. https://doi.org/10. 1002/pc.26272
  11. Tayebfard E, Mehmandoost-Khajeh-Dad AA, Khaghani M, Jafarzadeh- Khatibani M, Poorsaleh AM. Stability of a positron lifetime measurement system, and investigation the types and concentrations of defects induced by10 MeV electron irradiation on n-and p-types Si. Iranian J Phys Res. 2015; 15(1): 34-41. https://doi.org/10.18869/acadpub.ijpr.15.1.34
  12. Asgarian SM, Mahjour-Shafiei M, Mozaffari M, Shatooti S. Exploring the electrochemical properties of lithium-ion battery electrodes composed of vacancy-defective zinc-substituted magnetite nanocrystallites. J Alloys Comp. 2024; 986: 174071. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174071
  13. Jean YC, Mallon PE. Principles and applications of positron and positronium chemistry. World Sci. 2003, ISBN: 978-981-238-144-6. https://doi.org/10.1142/5086
  14. Selim FA. Positron annihilation Spectroscopy of defects in nuclear and irradiated materials- a review. Mater Charact. 2021; 174: 110952. https://doi.org/10. 1016/j.matchar.2021.110952
  15. Consolati G, Nichetti D, Quasso F. Probing the free volume in polymers by means of positron annihilation lifetime Spectroscopy. Polym. 2023; 15: 3128. https://doi.org/10.3390/polym15143128
  16. Sharma SK, Pujari PK. Role of free volume characteristics of polymer matrix in bulk physical properties of polymer nanocomposites: A review of positron annihilation lifetime studies. Prog Polym Sci. 2017; 75: 31. https://doi.org/10.1016/j. progpolymsci.2017.07.001
  17. Biganeh A, Kakuee O, Rafi-Kheiri H, Lamehi-Rachti M, Sheikh N, Yamaha E. Positron annihilation lifetime and Doppler broadening Spectroscopy of polymers. Rad Phys Chem. 2020; 166: 108461. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2019.108461
  18. Shirazinia M, Mehmandoost-Khajeh-Dad AA, Dehghani V, Mehmandoost-Khajeh-Dad J, Khaghani M. The effect of curing light intensity on free volume size in some dental composites. Polim Med. 2016; 46:2. https://doi.org/ 17219/pim/68647
  19. Khaghani M, Mehmandoost-Khajeh-Dad AA. Temperature dependence of o-Ps annihilation lifetime in non-uniform cylindrical pores in comparison with ETE model. Nuclear Instrum Methods Phys Res Sect B 2017; 396: 11-17. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.02.006
  20. Vakhshouri M, Khosravi H. Synthesis of Nickel nanoparticles on graphene oxide as a promising reinforcement for epoxy composites. Polym Compos. 2020; 41(7): 2643-2651. https://doi.org/10.1002/pc.25563
  21. Mahaki S, Khosravi H, Tohidlou E. Reinforcing effect of Fe2O3 nanoparticle-decorated graphene oxide on flexural and wear behaviors of epoxy composites. J Appl Polym Sci. 2022; 139: e53228. https://doi.org/10.1002/app.53228
  22. Mohsenia F, Rezvani A, Khosravi, H, Tohidlou E. On the mechanical properties of copper oxide (CuO)-decorated graphene oxide/epoxy nanocomposites. Polym Plast Technol Mater. 2025; 64: 158-169. https://doi.org/10.1080/25740881.2024.2393387

 

 

 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی