Material properties of silica/epoxy nanocomposites

Abstract

The use of composite materials in a variety of applications has increased considerably in the last couple of decades. The main reason for this is that composite materials are lightweight materials with high strength and stiffness, which makes them interesting as an alternative to other materials, such as metals. For this reason, there is also significant activity on the development of composite materials at FFI, with the main aim of utilising them in applications that are relevant for military purposes. This also includes research on polymer nanocomposites, where nano-sized reinforcements are employed. Epoxy polymers are widely used in composites and adhesives. For use in many applications, however, it is necessary to improve the material properties. One possible approach to improve the properties of the material is adding inorganic particles to the polymer. This reinforcement may modify mechanical properties, such as the stiffness, strength and toughness of the polymer material. In this study, the effect of adding 20 nm silica nanoparticles to two different epoxy polymers, one amine-cured and one anhydride-cured, has been investigated. A commercial product of predispersed silica nanoparticles in an epoxy resin, Nanopox F 400, containing as much as 40 wt% silica, was employed to reinforce the epoxies. The material properties of the neat epoxy polymers and the silica/epoxy nanocomposites were investigated by tensile testing, dynamic mechanical analysis (DMA), and indentation measurements. Particular emphasis was put on the measurement of the elastic modulus of the materials, and the elastic modulus obtained by the three different test methods was compared. The elastic modulus of both epoxy polymers was increased by the addition of the silica nanoparticles. The relative increase in the measured mechanical properties was higher for the anhydride-cured polymer. For the amine-cured epoxy system, there was very good agreement between the elastic modulus measured by tensile testing and DMA. The elastic modulus from the indentation measurements was consistently higher. For the anhydride-cured epoxy system, there was also, in general, good agreement between the elastic modulus obtained from tensile testing and DMA. The indentation measurements, on the other hand, gave very different values. The measurements also showed that part of the increase in the elastic modulus for the anhydride-cured silica/epoxy nanocomposite could be due to a change in the polymer network structure, as indicated by a change in the glass transition temperature.

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.