عنوان پایان‌نامه
بررسی بهبود خواص مکانیکی ژئوپلیمرها ی ایه متاکائولن با استفاده از الیاف و نانو ذرات سرامیکی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1293;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76118;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1293;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76118
- تاریخ دفاع
- ۱۰ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمد قنبری
- استاد راهنما
- علی محمد هادیان
- چکیده
- در سال‌های اخیر پلیمرهای آلومینوسیلیکاتی معروف به ژئوپلیمرها به دلیل خواص و پتانسیل‌های کاربردیشان در مواد مقاوم در برابر آتش، عایق حرارتی، مواد ساختمانی، سیمان و بتن و غیره مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند. هدف در این پژوهش بهینه سازی پارامترهای موثر بر خواص ژئوپلیمرها و بهبود خواص مکانیکی آن‌ها با استفاده از الیاف و نانو ذرات سرامیکی بوده‌است. به این منظور از روش طراحی آزمایش مرکب مرکزی برای مدل کردن 4 متغیر فرآیند (دمای کیورینگ، نسبت‌های مولی SiO2/Al2O3، Na2O/SiO2 و H2O/Na2O) جهت بهینه سازی استحکام فشاری و چگالی بالک ژئوپلیمرهای پایه متاکائولن استفاده شد. 31 ترکیب ژئوپلیمری تعیین شده توسط طرح مرکب مرکزی در نرم افزار، آماده شد و استحکام فشاری و چگالی بالک آن‌ها اندازه‌گیری شد. نتایج بدست‌آمده توسط روش آنالیز واریانس مدل‌سازی شده و بعد از آن اثرات متقابل 4 متغیر ذکر شده بر استحکام فشاری وچگالی بالک ژئوپلیمرها با استفاده از نمودارهای 3 بعدی بررسی شد. سپس بهینه سازی متغیرها صورت گرفت و مقادیر پیشنهاد شده برای نمونه بهینه 67 درجه سانتی‌گراد برای دمای کیورینگ و اعداد 2/90، 0/20و 13/75به ترتیب برای SiO2/Al2O3، Na2O/SiO2 و H2O/Na2O، بود. بعد از ساخت و آزمون این نمونه استحکام فشاری و چگالی بالک آن MPa 0/2±62/4 و g/cm3 1/59±0/01 بدست آمد که مقایسه نتایج پیش‌بینی شده توسط مدل‌ها و نتایج حاصل از آزمایشات، اعتبار مدل‌ها را تایید کرد. پس از آن با اضافه کردن الیاف آلومینوسیلیکاتی در مقادیر 1، 3 و 5 درصد حجمی و نانو سیلیس در مقادیر 2، 4 و 6 درصد وزنی به نمونه بهینه، به عنوان ترکیب پایه، اثر این دو عامل بر خواص مکانیکی نمونه‌ها بررسی شد. با افزایش درصد الیاف استحکام فشاری و خمشی نمونه‌ها به ترتیب از MPa 62/4±0/2 به MPa 3/69±0/9 و از MPa 13/4±0/5 به MPa 20/9 ±0/2افزایش یافت. همچنین افزودن نانو سیلیس باعث افزایش این خواص از MPa 62/4±0/2 به MPa 84/1±2/6 و MPa 13/4±0/5 به MPa 24/2±2/5شد. چقرمگی شکست نمونه‌ها نیز از MPa.m1/2 13/1±0/9در نمونه بهینه به MPa.m1/2 22/7±1/0نمونه‌های حاوی 5 درصد الیاف، افزایش یافت. همچنین از آنالیزهای XRD، FTIR و تصاویر SEM استفاده شد، تا اثرات متغیرهای مذکور، الیاف و نانو سیلیس بر خواص نمونه‌های ژئوپلیمری به طور جامع‌تر بررسی شوند.
- Abstract
- In the recent years, alumina silicate polymers have received considerable attention because of their properties and potential applications in fire resistant materials, thermal insulation, low-tech building materials, cements and concrete, and etc. The aim of this research is optimization of effective parameters on geopolymers properties and improvement of their mechanical properties using ceramic fibers and nano particles. For this purpose, the method of Central composite design (CCD) was used for modeling of 4 parameters (curing temperature and molar ratios of SiO2/Al2O3, Na2O/SiO2, and H2O/Na2O) in order to optimize the compressive strength and bulk density of metakaolin based geopolymers. 31 mixtures of geopolymer which were determined by CCD software were prepared and their compressive strength and bulk density were measured. The obtained results were modeled by analysis of variance (ANOVA), and then interaction of abovementioned parameters on compressive strength and bulk density of geopolymers were investigated by surface plots. After the optimization of the parameters, the suggested value for curing temperature was 67 °C, and the molar ratios for SiO2/Al2O3, Na2O/SiO2, and H2O/Na2O were 2.9, 0.2, and 13.75, respectively. After the preparation and characterization of optimized sample, the measured compressive strength and bulk density were 62.4±0.2 MPa and 1.59±0.01 g/cm3 respectively. The mentioned values were quite consistent with the predicted amounts from the models; therefore, the validity of the models was confirmed.. In the next step, various amounts of alumina silicate fiber (1, 3, and 5 vol. %) and nano silica (2, 4, and 6 wt. %) were added to optimized sample. The effect of these additives on mechanical properties of the optimized sample was investigated. The results showed that by increasing the percent of alumina silicate fibers, both compressive and flexural strength increased from 62.4±0.2 MPa to 69.3±0.9 MPa and 13.4±0.5 MPa to 20.9±0.2 MPa respectively. Addition of nano silica also caused an increase in the amount of compressive and flexural strength \from 62.4±0.2 to 84.1±2.6 and from 13.4±0.5 MPa to 24.2±2.5 MPa respectively. In addition, The Fracture toughness of the sample with 5 vol. % alumina silicate fibers increased from 13.1±0.9 MPa.m1/2 to 22.7±1.0 MPa.m1/2. For a better investigation of the mentioned parameters, fibers and nano particles effects on properties of geopolymer samples, the analyses of XRD, FTIR, and SEM were used. Keywords: Geopolymer, Design of experiments, Central composite design, Optimization, Alumina silicate fibers, Nano-silica
