Material properties of silica/epoxy nanocomposites

Bruken av komposittmaterialer i mange konstruksjoner har økt betydelig de siste par tiårene. Hovedgrunnen til dette er at komposittmaterialer er lettvekts materialer med høy styrke og stivhet. Dette gjør dem interessante som erstatning for andre materialer, for eksempel metaller, som blir benyttet i dag. Av denne grunn utvikles det komposittmaterialer ved FFI, og hovedmålet er anvendelser som er relevante for militære formål. Dette inkluderer også forskning på polymere nanokompositter, der forsterkninger av nano-størrelse blir benyttet. Epoksypolymerer er mye brukt i komposittmaterialer og lim. For mange bruksområder er det imidlertid nødvendig å forbedre materialegenskapene. En metode for å bedre materialegenskapene, er å tilsette uorganiske partikler til polymeren. Denne forsterkningen har potensiale til å endre mekaniske materialegenskaper, som for eksempel stivhet, styrke og bruddseighet. I denne studien har effekten av å tilsette 20 nm silika nanopartikler til to ulike epoksypolymerer blitt undersøkt. En aminherdet og en anhydridherdet epoksypolymer ble benyttet. Et kommersielt produkt med dispergerte silika nanopartikler i et epoksyresin ble benyttet som forsterkningsmateriale. Dette produktet, Nanopox F400, inneholder så mye som 40 vektprosent silika. Materialegenskapene til de rene epoksypolymerene, og kompositter av silika og epoksy, ble studert ved hjelp av strekktesting, dynamisk mekanisk analyse (DMA) og indentering. Det ble lagt spesielt vekt på elastisitetsmodulen til materialene, og stivheten målt med de tre ulike teknikkene ble sammenliknet. Stivheten til begge epoksyene økte ved tilsetning av silika nanopartikler. Den relative økningen i de målte mekaniske egenskapene var størst for den anhydridherdede polymeren. For den aminherdede polymeren var det god overensstemmelse mellom stivhet målt ved strekktesting og DMA. Stivhet målt ved indentering lå konsekvent høyere. For den anhydridherdede polymeren var det også relativt god overensstemmelse mellom stivhet målt ved strekktesting og DMA. Resultatene fra indentering var imidlertid svært forskjellige. Det ble også vist at stivheten til den rene anhydridherdede polymeren kan endres når blandingsforholdet mellom epoksy og herder endres – indikert ved endring i glassomvandlingstemperaturen. Dette kan ha hatt innvirkning på den målte stivheten til komposittene laget med denne polymeren.