Improving the mechanical and thermal properties of polyurea by adding copper(ιι) oxide nanoparticles

• Autorzy: Saeed Jilan Khalid Mohammed , Sulyman Ebtahag Z. , Al-Ahmady Kossay K.

Identyfikatory

DOI

10.15199/40.2025.7.2

Warianty tytułu

PL

Poprawa właściwości mechanicznych i termicznych polimocznika poprzez dodanie nanocząstek tlenku miedzi(ΙΙ)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Composites consisting of polyurea (PUA) as a matrix material, reinforced with the addition of copper oxide nanoparticles (CuONPs) used in various mass ratios (0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% and 10%) were tested. The resulting composites were examined for their mechanical (hardness, tensile strength, compressive strength), thermal (thermal conductivity, thermogravimetric analysis) and structural (FTIR) properties. The tests showed that reinforcing polyurea with copper oxide nanoparticles improved the mechanical properties (hardness and elastic modulus), while compressive strength decreased by 77% at a weight percentage of 6%, and the best result was obtained at a weight percentage of 1%. Heat treatment also affected the mechanical properties; for example, hardness increased at 7°C and 80°C. Thermal conductivity increased by 57% with the addition of the reinforcement material at room temperature and further increased during heat treatment at 7°C and 80°C. Thermal analysis showed slight changes in the curves, resulting in an improvement in the resistance of the matrix to thermal decomposition. The infrared spectrum showed that the nanoparticles bands overlapped with the matrix. Scanning electron microscopy (SEM) characterization revealed the presence of bonding between the copper nanoparticles (CuONPs) and the polyurea (PUA) matrix.

PL

Przeprowadzono badania kompozytów składających się z polimocznika (PUA) jako materiału matrycowego, wzmocnionego dodatkiem nanocząstek tlenku miedzi (CuONPs) stosowanego w różnych proporcjach masowych (0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% i 10%). Otrzymane kompozyty badano pod kątem ich właściwości mechanicznych (twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie), termicznych (przewodność cieplna, analiza termograwimetryczna) i strukturalnych (FTIR). Badania wykazały, że wzmocnienie polimocznika nanocząsteczkami tlenku miedzi poprawiło właściwości mechaniczne (twardość i moduł sprężystości), natomiast wytrzymałość na ściskanie spadła o 77% przy udziale masowym tlenku miedzi 6%, a najlepszy wynik uzyskano dla kompozytów zawierających 1% tlenku miedzi. Obróbka cieplna również wpłynęła na właściwości mechaniczne, twardość wzrosła w temp. 7°C i 80°C. Przewodność cieplna wzrosła o 57% po dodaniu materiału wzmacniającego w temperaturze pokojowej i dalej wzrosła podczas obróbki cieplnej w temp. 7°C i 80°C. Analiza termiczna wykazała niewielkie zmiany krzywych, wynikające z poprawy odporności matrycy na rozkład termiczny. Widmo kompozytu w podczerwieni wykazało, obecność dodatkowego pasma wskazującego na obecność nanomateriału Cu-O i podwójnego pasma pochodzącego od grupy C=O co wskazuje na interakcję między nanocząstkami CuO a grupą C=O matrycy. Charakterystyka metodą elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM) ujawniła obecność wiązania między nanocząsteczkami miedzi (CuONP) a matrycą polimocznikową (PUA).

Słowa kluczowe

EN

compressive strength; copper(II) oxide nanoparticles; hardness; infrared spectrum; polyurea; tensile strength; thermal analysis; thermal conductivity

PL

wytrzymałość na ściskanie; nanocząsteczki tlenku miedzi(II); twardość; widmo podczerwieni; polimocznik; wytrzymałość na rozciąganie; analiza termiczna; przewodność cieplna

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ochrona przed Korozją
• Rocznik: 2025
• Tom: nr 7
• Strony: 206--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., fot., tab., wykr.

Twórcy

autor

Saeed Jilan Khalid Mohammed

• Department of Chemistry, College of Education for Women, , University of Mousul, Mosul, Iraq University of Mosul, Mosul, Iraq

autor

Sulyman Ebtahag Z.

• Department of Chemistry, College of Education for Women, , University of Mousul, Mosul, Iraq University of Mosul, Mosul, Iraq

• https://orcid.org/0000-0002-1798-4937

autor

Al-Ahmady Kossay K.

• Department of Chemistry, College of Education for Women, , University of Mousul, Mosul, Iraq University of Mosul, Mosul, Iraq

• https://orcid.org/0000-0003-2771-2123

Bibliografia

• [1] M. Watanabe. 2006. “Environmentally friendly polyurethane foam materials and their low-density thermal insulators.” JP Patent 2006348099.
• [2] M. Grayson (ed.). 1983. Encyclopedia of composite materials and components. Wiley-Interscience.
• [3] L. Holliday. 1966 (ed.). Composite materials. Amsterdam: Elsevier Publ. Co, Amsterdam.
• [4] E. Z. Sulyman, A. S. Hamid, A. H. Thaer. 2019. “Preparation of polymeric aggregate of unsaturated polyester with sawdust and studying its physical and mechanical properties.” International Journal of Research in Pharmaceutical Sciences 10(3): 2280–2289.
• [5] A. E. K. Hemadi, K. K. Al-Ahmady, E. Z. Sulyman. 2024. “Improving mechanical and thermal properties of unsaturated polyester resin by adding automotive glass waste.” Ochrona przed Korozją 10: 294–305.
• [6] N. Sarier, E. Onder. 2007. “Thermal characteristics of polyurethane foams incorporated with phase change materials.” Thermochimica acta 454(2): 90–98.
• [7] A. Wolska, M. Goździkiewicz, J. Ryszkowska. 2012. „Thermal and mechanical behaviour of flexible polyurethane foams modified with graphite and phosphorous fillers.” Journal of Materials Science 47: 5627–5634.
• [8] J. Brinson. 2013. Ultra-violet radiation effect on the mechanical properties polyurea. Doctoral dissertation, California State University, Northridge.
• [9] B. Shojaei, M. Najafi, A. Yazdanbakhsh, M. Abtahi, C. Zhang. 2021. “A review on the applications of polyurea in the construction industry.” Polymers for Advanced Technologies 32(8): 2797–2812.
• [10] T. A. Saleh, V. K. Gupta. 2016. Nanomaterial and polymer membranes: synthesis, characterization, and applications. Elsevier.
• [11] P. Lehmenkühler, M. Stommel. 2022. “Influence of the reaction injection moulding process on the thermomechanical behaviour of fast curing polyurethane.” Journal of Manufacturing and Materials Processing 6(3): 53.
• [12] S. A. B. Auckloo, K. Palaniandy, Y. M. Hung, P. Pasbakhsh. 2023. “Production methods of polyurea and associated properties.” In Polyurea. Elsevier.
• [13] Z. Zhang, L. Qian, J. Cheng, Q. Xie, C. Ma, G. Zhang. 2023. “Room-temperature self-healing polyurea with high puncture and impact resistances.” Chemistry of Materials 35(4): 1806–1817.
• [14] Z. Xiang, C. Chu, H. Xie, T. Xiang, S. Zhou. 2020. “Multifunctional thermoplastic polyurea based on the synergy of dynamic disulfide bonds and hydrogen bond cross-links.” ACS Applied Materials & Interfaces 13(1): 1463–1473.
• [15] S. Han, S. Li, X. Zhang, D. Liu, S. Guo, B. Wang, Q. Meng. 2024. „Enhancing the protective performance of anti-impact, corrosion resistant and flame retardant polyurea coatings using bio-based supramolecular decorated montmorillonite.” Construction and Building Materials 435: 136721.
• [16] Z. Huang, C. Wang, H. Li, J. Ai, L. Song, B. Liu. 2023. „Manual applied polyurethane- urea: High performance coating based on CO2-based polyol and polyaspartic ester.” Progress in Organic Coatings 181: 107580.
• [17] P. Pasbakhsh, D. Mohotti, K. Palaniandy, S. A. B. Auckloo (eds.). 2023. Polyurea: Synthesis, Properties, Composites, Production, and Applications. Elsevier.
• [18] R. K. Sharma, R. Ghose. 2014. “Synthesis of nanocrystalline copper oxide with dandelion-like morphology by homogeneous precipitation method.” Journal of Molecular Structure 1076: 651–657.
• [19] K. Mageshwari, R. Sathyamoorthy. 2013. “Physical properties of nanocrystalline CuO thin films prepared by the SILAR method.” Materials Science in Semiconductor Processing 16(2): 337–343.
• [20] H. Ku, H. Wang, N. Pattarachaiyakoop, M. Trada. 2011. “A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites.” Composites Part B: Engineering 42(4): 856–873.
• [21] E. Sulyman, N. Sulyman. 2020. “Preparation of polymeric composites from polypropylene and palm fronds and the study of some of their physical properties.” Baghdad Science Journal 17(3): 0772–0772.
• [22] E. O. Allen, M. D. Baijal. 1982. Plastic polymer science and technology. New York Wiley.
• [23] R. E. Ibrahiem, E. Z. Sulyman. 2019. “Preparation Polymeric Composites from Epoxy with Randomly Woven Fiber Glass and Studies the Mechanical Properties.” Rafidain Journal of Science 28(3): 104–115.
• [24] R. A. Al-Safi. 2001. Study of thermal and mechanical properties Nouveau and its overlays. Master’s Thesis, Technological University.
• [25] E. S. Waad Ala, E. Z. Sulyman. 2021. “Preparation of polymeric composites from saturated polyesters glass powder (flourscent) and study of its mechanical properties.” Iraq Journal of Market Research & Consumer Protection 13(1): 131–139.
• [26] H. J. Abd AL-Hussien. 2015. „Effect of immersion in chemical solution on the mechanical & physical properties for composite material reinforced by nano alumina particles.” Iraqi Journal of Science 57(3A): 1952–1963.
• [27] S. Narumanchi, M. Mihalic, K. Kelly, G. Eesley. 2008. “Thermal interface materials for power electronics applications.” In 11th Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems I-THERM: 395–404. Orlando, United States 28–31 May 2008.
• [28] D. D. Wang, F. Z. Zhou, J. X. Cao, L. B. Li, G. L. Li. 2017. „Impact of Cu2O doping on high dielectric properties of CuO ceramics.” Current Applied Physics 17(5): 781–784.
• [29] K. A. Jasim, R. N. Fadhil. 2017. „The Effects of Copper Additives on the Thermal Conductivity of Epoxy Resin.” International Journal of Science and Research 6(10): 2009–2012.