Biological nano silica reinforced polymeric composites

Abstract

The present thesis study focused on processing nano-silica powders of varying sizes and crystallinities through heat treatment (900–1200 °C), hydrofluoric acid leaching (1–7 N), and ball milling (1 h, 500 rpm) of natural diatom frustules. As-received frustules was composed of amorphous silica (88%) and quartz. The partially ordered crystalline low-quartz and/or precursor to low-cristobalite started to form at ~900 °C. As the heat treatment temperature increased, the crystallinity of the frustules increased from 9.3% at 25 °C to 46% at 1200 °C. Applying a ball milling reduced the mean particle sizes of the as-received and heat-treated frustules from 15.6–13.7 μm to 7.2-6.7 μm, respectively. Acid leaching of the as-received and heat-treated frustules resulted in a further increase in the crystallinity. Furthermore, ball milling applied after an acid leaching was very effective in reducing the particle size of the as-received and heat-treated frustules. The mean particle size of the acid-leached frustules decreased to 774-547 nm with a crystallinity varying between 12 and 48% after ball milling. A partially dissolved amorphous phase was observed in between crystalline silica grains after acid leaching, which resulted in a rapid fracture/separation of the frustules in ball milling. The prepared nano-silica powders were further used as a filler in an epoxy matrix. The tensile strength, fracture strain, and modulus of epoxy increased with increasing the volume percent of nano-silica up to 2%. The increase in the yield strength and elastic modulus was about 50% and 30% with the addition of 2 vol% frustules, respectively. The rule of mixtures showed a very good agreement with the experimental elastic modulus values and a numerical model of the tensile test in LS-DYNA agreed well with the experimental tensile stress-strain behavior. The microscopic observations showed the presence of nano-silica powder, proving an efficient load transfer from matrix to powders on the fracture surfaces, confirming a strong interface between silica powders and matrix.

Mevcut tez çalışması doğal diatom kabuklarının ısıl işlem (900-1200 °C), hidroflorik asit liçi (1-7 N) ve bilyeli öğütme (1 saat, 500 rpm) yoluyla değişen boyutlarda ve kristalliklerde nano-silika tozlarının işlenmesine odaklanmıştır. Temin edilen diatom kabuklarının amorf silika (%88) ve kuvars fazlarından oluşmuştur. Kısmen düzenli kristalli düşük kuvars ve/veya düşük kristobalit öncüsü ~900 °C'de oluşmaya başlamıştır. Isıl işlem sıcaklığı arttıkça, kabukların kristalliği 25 °C'de %9,3'ten 1200 °C'de %46'ya yükselmiştir. Bilyeli öğütme uygulamak, temin edilen ve ısıl işlem görmüş kabukların ortalama parçacık boyutlarını sırasıyla 15,6-13,7 μm'den 7,2-6,7 μm'ye düşürmüştür. Temin edilen ve ısıl işlem görmüş kabukların asitle yıkanması sonrası kristallikte daha fazla bir artışla sonuçlanmıştır. Ayrıca, asitle yıkamadan sonra uygulanan bilyeli öğütme, temin edilen ve ısıl işlem görmüş kabukların parçacık boyutunun küçültülmesinde çok etkili olmuştur. Asitle yıkanan kabukların ortalama parçacık boyutu, bilyeli öğütmeden sonra %12 ile %48 arasında değişen bir kristallik ile 774-547 nm'ye düşmüştür. Asitle yıkamadan sonra kristalli silika taneleri arasında kısmen çözünmüş amorf bir faz gözlemlenmiştir, bu da bilyeli öğütmede kabukların hızlı bir şekilde kırılmasına/ayrılmasına neden olmuştur. Hazırlanan nano-silika tozlar ayrıca bir epoksi matrisinde dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Çekme dayanımı, kırılma gerilmesi ve elastik modülü nano-silikanın hacim yüzdesinin %2'ye kadar artmasıyla artmıştır. Akma dayanımı ve elastik modüldeki artış, hacimce %2 kabukların eklenmesiyle sırasıyla yaklaşık %50 ve %30 olmuştur. Karışım kuralı, deneysel elastik modül değerleri ile çok iyi bir uyum göstermiştir ve LS-DYNA'daki çekme testinin sayısal bir modeli, deneysel çekme gerilimi-uzama davranışı ile iyi bir uyum sağlamıştır. Mikroskobik gözlemler, kırılma yüzeylerinde matristen tozlara verimli bir yük aktarımını kanıtlayan nano-silika tozunun varlığını göstermiştir ve silika tozları ile matris arasında güçlü bir arayüzü doğrulamıştır.