Study of the exfoliation process in epoxy-clay nanocomposites
Authors:   , Shiravand Fatemeh 
Published: October 2023

Cured epoxy resins are highly cross-linked polymers which are increasingly important in high performance engineering field due to the stiffness, high strength, heat resistance and solvent resistance. However one major drawback is their poor resistance to impact and crack initiation. Consequently, there is a need to improve the toughness while maintaining desirable properties. Various approaches were suggested for improving the toughness including the addition of silicate layered clay.
The aim of this investigation is to develop the exfoliation process in the epoxy-silicate layered nanocomposites. It is generally considered that, in order to maximize the degree of exfoliation, the intra-gallery reaction, which is associated to the epoxy homopolymerization reaction between clay galleries, should occur before the extra-gallery reaction, which is related to the cross-linking reaction between epoxy groups and amines, hence for enhancement the rate of intra-gallery reaction, these different possibilities were considered to improve the exfoliation degree in cured nanocomposites as follow:
1. Select suitable cure temperature and curing program,
2. Pre-conditiong the epoxy/clay mixture
3. Incorporation of the cationic initiator in clay galleries
4. Addition of the hyperbranched polymer to epoxy/clay mixture
5. Select the appropriate type of silicate layered clay
In support of these statements, TGAP (Araldite MY0510) as tri-functional epoxy resin, montmorillonite (Nanomer I.30E, MMT) as silicate layered clay and diamino diphenyl sulphone (Aradur 976-1, DDS) as curing agent were chosen as experimental system to study the influence of these strategies on improvement of the final nanostructure. The curing behavior and the thermal properties of epoxy silicate layered nanocomposites which is prepared based on the above procedures were separately examined with differential scanning calorimetry (DSC and TOPEM) and Thermogravimetric analysis (TGA) and also the fully cured nanostructure in each case is characterized by transition electron microscopy (TEM) and the x-ray scattering (SAXS) and moreover, the mechanical properties are studied by dynamic mechanical analysis (DMA), impact test and scanning electron Microscopy (SEM). Although in each case we obtained the intersecting results which are presented in our papers, the real goal is to fabricate the highly exfoliated nanostructure which is obtained from the first three procedures.
Among these three procedures, it is difficult to decide which one is more effective on the exfoliation process based on the TEM images which shows the small part of the nanostructure. Therefore, the mechanical properties such as modulus, impact test and fracture surface which display the behavior of the whole nanostructure are helpful tools to compare the degree of exfoliation between these cases. As results, the mechanical properties measurements suggested that incorporation of the cationic initiator is the best protocol to achieve the highly exfoliated epoxy/clay nanocomposites
Resinas epoxi curados son polímeros reticulados altamente que son cada vez más importante en el campo de la ingeniería de alto rendimiento debido a la rigidez, alta resistencia, resistencia al calor y resistencia a los disolventes. Sin embargo, una desventaja importante es su pobre resistencia al impacto ya la iniciación de grietas. En consecuencia, hay una necesidad de mejorar la tenacidad a la vez que mantiene propiedades deseables. Se han sugerido varios enfoques para mejorar la tenacidad incluyendo la adición de silicato arcilla estratificada. El objetivo de esta investigación es desarrollar el proceso de exfoliación de las capas de nanocompuestos - epoxi silicato. Es generalmente se considera que, con el fin de maximizar el grado de exfoliación, la reacción intra - galería, que se asocia a la reacción de homopolimerización epoxi entre galerías de arcilla, debe ocurrir antes de la reacción adicional - galería, que está relacionada con la reacción de reticulación entre los grupos epoxi y aminas, por lo tanto, para la mejora de la velocidad de reacción dentro de la galería, estos se consideraron diferentes posibilidades para mejorar el grado de exfoliación en nanocompuestos curados de la siguiente:
1. Seleccionar temperatura de curado adecuado y el programa de curado
2. Pre- conditiong la mezcla epoxi / arcilla
3. Incorporación del iniciador catiónico en galerías de arcilla
4. La adición del polímero hiperramificado de epoxi / mezcla de arcilla 5. Seleccione el tipo apropiado de arcilla en capas de silicato.
En apoyo de estas afirmaciones, TGAP (Araldite MY0510) como la resina epoxi trifuncional, montmorillonita (Nanomer I.30E, MMT) como silicato en capas de arcilla y diamino difenil sulfona (Aradur 976-1, DDS) como agente de curado fueron elegidos como experimentales sistema para estudiar la influencia de estas estrategias en la mejora de la nanoestructura definitiva el comportamiento de curado y las propiedades térmicas de silicato de nanocompuestos epoxi en capas que se presenta de acuerdo a la procedimientos anteriores se examinaron por separado con calorimetría diferencial de barrido (DSC y TOPEM) y el análisis termogravimétrico (TGA) y también la nanoestructura completamente curado en cada caso se caracteriza por la transición de electrones microscopía (TEM) y la dispersión de rayos x ( SAXS ) y, además, las propiedades mecánicas son estudiados por dinámico análisis mecánico (DMA), la prueba de impacto y microscopía electrónica de barrido (SEM). Aunque en cada caso se obtuvo la intersección de los resultados que se presentan en nuestros papeles, el verdadero objetivo es fabricar la nanoestructura muy exfoliada que se obtiene a partir de los tres primeros procedimientos. Entre estos tres procedimientos, es difícil decidir cuál es el más eficaz en el proceso de exfoliación a base de las imágenes de TEM que muestra la pequeña parte de la nanoestructura. Por lo tanto, las propiedades mecánicas tales como el módulo, prueba de impacto y la superficie de fractura que muestran el comportamiento de toda la nanoestructura son herramientas útiles para comparar el grado de exfoliación entre estos casos.
Como resultados, las propiedades mecánicas mediciones sugirieron que incorporación del iniciador catiónico es el mejor protocolo para alcanzar los nanocompuestos epoxi / arcilla altamente exfoliadas.