Influence of polysiloxane-based core-shell particle size and content on mechanical performance of epoxy resin

Abstract

Epoxy resins are a class of thermoset polymers that have several uses in both high and low performance industrial application. The high network density in the molecular structure of these resins gives place to an exceptional combination of mechanical, chemical and heat resistance properties. However, the increase in the network density will lead the material to brittleness and poor resistance to crack initiation and propagation, which results in low fracture toughness. The addition of elastomeric particles promotes important toughness mechanism on epoxy resin systems. Eventually, these particles will be related to a decrease tendency in the stiffness, and possibly to the thermal stability. Eventually, these effects will be associated with the particles properties, like structure, size and content. This bachelor’s work is an investigation of the use of the polysiloxane-based core-shell particles (PCS) in epoxy resin, analyzing the increase in fracture toughness and the transversal effects in others properties, like loss of stiffness and thermomechanical stability. The investigation seeks for a relation between these behaviors with the particles parameters, being them particle size (microsized and nanosized particles) and the particle content (no particle, 1, 3 and 5 wt. %). In addition, this relation is given by two different epoxy resin systems (low and high network density systems). The mechanical properties investigated were the fracture toughness through the critical stress intensity factor (K IC ) testing, and the stiffness by the tensile testing. The glass transition temperature (T g ) and the network density were measured by dynamic mechanical analysis (DMA). In parallel, the fracture surfaces was analyzed by scanning electron microscopy (SEM), and the particles size and size distribution were evaluated. For the low network density system, the influence of particle size was not very significant. Both particles size have shown to improve very expressively the fracture toughness, reaching 2.79 MPa m 1/2 K IC values. The stiffness and thermomechanical stability did not present expressive modifications. For the high network density system, the fracture toughness was less, but also relatively expressively improved, reaching until 0.81 MPa m 1/2 K IC . The nanosized particles have shown present better performance. For this last case, the microsized particles had a significant effect on the network density structure, but didn’t influence expressively the Tg.

As resinas epóxi são uma classe de polímeros termorrígidos que têm várias utilizações em aplicações industriais de alto e baixo desempenho. A alta densidade de ligações cruzadas na rede molecular dessas resinas atribui uma combinação excepcional de propriedades mecânicas, químicas e de resistência ao calor. Porém, o aumento na densidade da rede levará o material à fragilidade e baixa resistência à iniciação e propagação de trincas, resultando em baixa tenacidade à fratura. A adição de partículas elastoméricas promove importantes mecanismos de tenacidade em sistemas de resina epóxi. Eventualmente, esses efeitos serão associados às propriedades das partículas, como estrutura, tamanho e quantidade. Este trabalho é uma investigação do uso de partículas PCS em resina epóxi, analisando o aumento da tenacidade à fratura e os efeitos transversais em outras propriedades, como perda de rigidez e estabilidade termomecânica. A investigação buscou uma relação entre esses comportamentos com os parâmetros das partículas, sendo estes, tamanho de partícula (partículas micrométricas e nanométricas) e a quantidade em massa (sem partículas, 1, 3 e 5 wt. %). Além disso, essa relação foi dada por dois sistemas diferentes de resina epóxi. As propriedades mecânicas investigadas são: A tenacidade à fratura através do ensaio K IC , e a resistência mecânica através do ensaio de tração. Por meio da análise mecânica dinâmica (DMA) foram analisados a temperatura de transição vítrea (Tg) e a densidade de ligações cruzadas. Em paralelo, as superfícies da fratura foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM), onde foi avaliado o tamanho e distribuição das partículas. Para o sistema de baixa densidade de ligações cruzadas, a influência do tamanho das partículas não se apresentou muito significativa, alcançando valores de 2.79 MPa m 1/2 K IC . Ambos tamanhos de partícula mostraram expressiva melhora na tenacidade à fratura. A rigidez e a estabilidade termomecânica não apresentam modificações significativas. Para o sistema de alta densidade de ligações cruzadas, houve um aumento da tenacidade à fratura menor, mas relativamente expressivo, atingindo valores de até 0.81 MPa m 1/2 K IC . As partículas nanométricas apresentaram melhor desempenho em propriedades mecânicas para o sistema de alta densidade de ligações cruzadas. Para este caso, as partículas micrométricas tiveram um efeito significativo na densidade ligações cruzadas da rede, mas tiveram pouca influência na Tg.