Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Chế tạo, khảo sát tính chất và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh E và nanosilica

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HỒ NGỌC MINH CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VÀ HÌNH THÁI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH E VÀ NANOSILICA Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62440119 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Hà Nội - 2019 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Cơng nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: PGS TS Trần Thị Thanh Vân Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: GS TS Thái Hoàng Phản biện 1: ………………………… Phản biện 2: ………………………… Phản biện 3: ………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt NaM DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Ngoc Minh Ho, Thi Thanh Van Tran, Thuy Chinh Nguyen, Hoang Thai "Characteristics and morphology of nanosilica modified with isopropyl tri (dioctyl phosphate) titanate coupling agent", Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol18, No 5, 2018, pp 36243630(7) (ISI) Ngoc Minh Ho, Thi Thanh Van Tran, Thuy Chinh Nguyen, Hoang Thai, Effect of surface-modified nanosilica on the characteristics, poroperties and morphology of silica/epoxy nanocomposites, The 6th Asian Symposium on Advanced Materials: Chemistry, Physics & Biomedicine of Functional and Novel Materials (ASAM6), pp 343348, 2017 Ngoc Minh Ho, Thi Thanh Van Tran, Thuy Chinh Nguyen, Hoang Thai, Epoxy/titanate modified nanosilica composites: morphology, mechanical properties and fracture toughness Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 56 (2A),133-140, 2018 Hồ Ngọc Minh, Trần Thị Thanh Vân, Nguyễn Thúy Chinh, Thái Hoàng, Chế tạo, nghiên cứu đặc trưng, tính chất nhựa epoxy đóng rắn hợp chất titan số hợp chất amin, Tạp chí Hóa học, 56(3), 401-406 (2018) Ngoc Minh Ho, Thi Thanh Van Tran, Thuy Chinh Nguyen, Hoang Thai, Epoxy-silica nanocomposite: Creep resitance and toughening mechanisms, Emerging Polymer Technologies Summit (EPTS) and Emerging Material Technologies Summit 2018 (EPTS/EMTS'18) / 2018 Ngoc Minh Ho, Thi Thanh Van Tran, Thuy Chinh Nguyen, Hoang Thai, Ternary nanocomposites based on epoxy, modified silica, and tetrabutyl titanate: Morphology, characteristics, and kinetics of the curing process, Inc J Appl Polym Sci 2019, 136, 47412 (ISI) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vật liệu polyme compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh dùng phổ biến lĩnh vực giao thơng, điện tử, khí, chế tạo máy, hóa chất… Tuy nhiên, nhược điểm, hạn chế ảnh hưởng đến khả ứng dụng loại vật liệu compozit tính giịn, chịu va đập Do đó, nghiên cứu nâng cao độ dai/dai hóa cho nhựa epoxy cần thiết Một số phụ gia kích thước nano đ ứng dụng để chế tạo vật liệu compozit epoxy làm sản phẩm phục vụ ngành công nghiệp Trong số phụ gia nano, nanosilica biến tính hữu loại sử dụng phổ biến cho polyme, cao su, nhựa dễ kiếm, dễ sử dụng, tương đối rẻ… Hệ nhựa epoxy đóng r n ng hợp chất titan làm việc lâu dài nhiệt độ cao môi trường kh c nghiệt Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sở epoxy/vải thủy tinh kết hợp nanosilica biến tính hữu sử dụng chất đóng r n titan mới, hứa hẹn tạo hệ vật liệu tiềm có tính cơ, lý, nhiệt, điện tốt, kết hợp ưu điểm phụ gia nanosilica chất đóng r n titan Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn tiến hành đề tài luận án "Chế tạo, khảo sát tính chất hình thái cấu trúc vật liệu compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh E nanosilica” Mục tiêu nghiên cứu luận án Chế tạo vật liệu compozit sở epoxy gia cường vải thủy tinh kết hợp nanosilica biến tính hữu sử dụng chất đóng r n titan có độ bền học cao, bền nhiệt, có khả kìm h m cháy Cải thiện độ dai nhựa epoxy b ng kết hợp chất gia cường nanosilica iến tính hữu vải thủy tinh với điều kiện chế tạo tỷ lệ thành phần hợp lý Các nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu biến tính ề mặt hạt nanosilica b ng hợp chất ghép titan KR-12 để nâng cao khả phân tán chúng nhựa epoxy Nghiên cứu phản ứng đóng r n nhựa epoxy YD-128 b ng tetra utyl titanat tính chất sản phẩm sau hóa r n Chế tạo, khảo sát đặc trưng, tính chất, hình thái cấu trúc hệ nhựa epoxy nanocompozit epoxy/nanosilica biến tính hữu (m-nanosilica) đóng r n b ng tetrabutyl titanat Chế tạo, khảo sát đặc trưng, tính chất, hình thái cấu trúc vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/tetra utyl titanat gia cường sợi thủy tinh Đóng góp luận án Đ iến tính thành cơng ề mặt hạt nanosilica K200 b ng chất ghép titan KR-12 với hiệu suất ghép cao Hạt nanosilica sau biến tính hữu có khả phân tán tốt vào nhựa epoxy Đ nghiên cứu phản ứng đóng r n nhựa epoxy YD-128 b ng tetra utl titannat làm rõ ưu điểm chất đóng r n đóng r n so với hợp chất amin thông thường Đ giải thích hiệu tích cực nanosilica biến tính KR-12 (m-nanosilica) đến tính chất học, tính chất học động, độ dai, khả dai hóa, chế dai hóa vật liệu compozit epoxy gia cường vải thủy tinh đóng r n b ng tetrabutyltitanat CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NHỰA EPOXY, NANOCOMPOZIT VÀ VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ EPOXY/NANOSILICA/ SỢI THỦY TINH Chương trình ày tổng quan vấn đề sau: Nhựa epoxy: Phân loại, tính chất hóa lý epoxy Các chất đóng r n, chế đóng r n ứng dụng epoxy lĩnh vực Nanosilica: giới thiệu chung thành phần, tính chất, cấu trúc, ứng nanosilica cơng nghiệp phương pháp iến tính ề mặt nanosilica để tăng khả phân tán chúng nhựa Giới thiệu vật liệu polyme compozit, epoxy, chất gia cường thông số ảnh hưởng tới độ bền vật liệu Tình hình nghiên cứu trong, ngồi nước ứng dụng vật liệu compozit sở epoxy/ nanosilica/ sợi thủy tinh CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu hóa chất - Nhựa epoxy YD-128 h ng Dow Chemical, (Mỹ) - Chất đóng r n tetrabutyl titanate (TBuT) cung cấp h ng Aldrich Sigma, (Singapo) - Chất đóng r n polyetylen polyamin (PEPA); Tritylen tetramin (TETA) (Trung Quốc); Chất đóng r n m-phenylen diamin (m-PDA) h ng Aldrich Sigma (Mỹ) - Nanosilica loại K200 (Hàn Quốc) - Sợi thủy tinh loại Э3 - 200 LB Nga sản xuất theo tiêu chuẩn GOST 19907-83 - Chất biến tính 3-(diphosphorus palmitoyloxyphenyl) titanat isopropyl (KR-12, 99%) h ng Kenrich Petrochemicals (Mỹ) - Toluen: AR (Trung Quốc) - Axeton: AR (Trung Quốc) 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Xác định hiệu suất ghép KR-12 lên nanosilica K200 Được xác định b ng phân tích nhiệt trọng lượng: H = (mbt.750 – mbd.750)/ mo Trong đó: mbt.750 khối lượng SiO2 sau biến tính 750 oC mbd.750 khối lượng SiO2 chưa iến tính 750 oC mo khối lượng SiO2 an đầu 2.2.2 Phương pháp xác định kích thước hạt zeta Phân ố kích thước hạt zeta nanosilica trước sau biến tính xác định máy Zetasizer Nano ZS (Malvern-UK) b ng phương pháp tán xạ laze 2.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel Hàm lượng phần gel mẫu sau đóng r n xác định b ng chiết Soxhlet tính theo cơng thức sau: GC = 100 (m1/m0) Trong đó: m0 khối lượng mẫu an đầu (g); m1 khối lượng mẫu cịn lại sau trích ly (g); GC: hàm lượng phần gel (%) 2.2.4 Phương pháp xác định độ nhớt Độ nhớt xác định nhớt kế Brookfield Model RVTSeries 93412 (Mỹ), nhiệt độ 25 oC theo tiêu chuẩn DIN 53018 2.2.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Ảnh TEM ghi thiết bị JEM1010 h ng JEOL (Nhật Bản) Mẫu c t thành lớp siêu mỏng kích thước 50÷60 nm b ng dao chun dụng Leica Ultracut S microtome, đưa vào chụp ảnh TEM với hiệu điện gia tốc 80 kV 2.2.6 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét tán xạ trường Được thực thiết bị hiển vi điện tử quét phân giải cao Model HITACHI S-4800, Nhật Bản, hiệu điện gia tốc kV 2.2.7 Phương pháp phân tích phổ tán xạ lượng tia X Được xác định thiết bị phân tích phổ tán s c lượng tia X (EDX) Model HORIBA 7593H (Anh) 2.2.8 Phương pháp phổ hồng ngoại Phổ FT-IR ghi ởi máy TENSOR II (Brucker) với số sóng t 4000 cm-1 đến 400 cm-1 nhiệt độ phòng 2.2.9 Phương pháp phân tích nhiệt * Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Sử dụng thiết bị NETSZSCH STA 409 PC/PG (Đức), mơi trường nitơ khơng khí, tốc độ gia nhiệt 10 oC/ phút * Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét (DSC): Được thực thiết bị Netsch DSC 204F1, mơi trường khí nitơ, nhiệt độ khảo sát 30–300 oC với tốc độ gia nhiệt 5, 10, 15, 20 oC/phút 2.2.10 Phương pháp xác định tính chất học động Được thực thiết bị phân tích -động lực DMA-8000 (Perkin Elmer, Hoa Kỳ) theo phương pháp uốn đơn, với tốc độ gia nhiệt oC/ phút, nhiệt độ khảo sát 30-200 oC, tần số dao động Hz 2.2.11 Phương pháp xác định độ bền dai lượng phá hủy vật liệu Độ bền dai phá hủy mẫu xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5045-99 thiết bị LLoyd 500 N (Anh), tốc độ đặt lực 10 mm/phút nhiệt độ phòng 2.2.12 Phương pháp xác định độ bền uốn Được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 máy Instron 5582-100 kN (Anh), tốc độ uốn mm/phút 2.2.13 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt Được đo thiết bị đo học đa Zwick (Đức) theo ISO 527-1:2012 với tốc độ kéo mm phút 2.2.14 Phương pháp xác định độ bền va đập Được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D6110 máy Ray Ran (Mỹ) Mỗi mẫu đo lần lấy kết trung ình 2.2.15 Phương pháp xác định độ cứng Brinell độ bền mài mòn Độ cứng Brinell xác định theo tiêu chuẩn EN 1534 (2000), thực thiết bị 751N Wilson Wolpert (Anh) Độ bền mài mòn xác định theo tiêu chuẩn ASTM G99-04 sử dụng thiết bị TE97 Friction and Wear Demonstractor 2.2.16 Phương pháp xác định độ bền liên kết sợi-nhựa Độ ám dính nhựa epoxy có khơng có m-nanosilica lên ề mặt sợi thủy tinh xác định máy INSTRON 3369 Anh, tốc độ kéo 0,5 mm/phút 2.2.17 Phương pháp xác định độ bền dai phá hủy tách lớp compozit Được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5528-01 [85], thiết bị Lloyd 500 N (Anh) với tốc độ kéo tách lớp mm/phút 2.2.18 Phương pháp xác định góc tiếp xúc Được xác định thiết bị Pheonix 300 điều kiện nhiệt độ 30 o C, độ ẩm 60% Ảnh giọt nhựa sau chụp chuyển sang máy tính dùng phần mềm Young-Laplace để xác định góc tiếp xúc 2.3 Phƣơng pháp chế tạo mẫu 2.3.1 Biến tính nanosilica Cân nanosilica vào cốc thủy tinh, thêm toluen vào khuấy b ng máy khuấy siêu tốc tốc độ 21.000 v/ph phút, siêu âm hỗn hợp 10 phút Thêm t t KR-12 với hàm lượng khác (5; 10; 15; 30; 45 % so với nanosilica) vào hệ, lặp lại trình khuấy siêu âm lần Sau đó, hỗn hợp tách loại dung mơi ng ly tâm với tốc độ 7000 v/ph, thu phần gel dùng toluen rửa loại bỏ phần KR-12 chưa phản ứng, trình lặp lại lần sấy loại bỏ dung môi toluen nhiệt độ 90 oC 24 2.3.2 Chế tạo vật liệu nanocompozit sở epoxy m-nanosilica Trộn nhựa epoxy YD-128 m-nanosilica với hàm lượng khác ng máy khuấy cơ, ổ sung chất đóng r n TBuT theo tỷ lệ nghiên cứu, đổ vào khn định hình đ làm chống dính Q trình đóng r n thực nhiệt độ thời gian khác sau đem gia cơng xác định tính chất học (độ bền kéo đứt, uốn, va đập) 2.3.3 Chế tạo mẫu nhựa epoxy với chất đóng rắn khác Cân nhựa epoxy chất đóng r n vào cốc thủy tinh, với thành phần cho bảng 2.1, khuấy hỗn hợp nhựa chất đóng r n phút tiến hành hút chân không để loại hết bọt khí Hỗn hợp sau đổ vào khn (làm sạch, chống dính) đóng r n xác định độ bền học Bảng 2.1 Thành phần nhựa epoxy chất đóng r n Nhựa Epoxy Chất đóng Điều kiện đóng r n Đóng r n YD128, g r n, g EP-TBuT 100 5-20 150 oC EP-PEPA 100 20 (25 oC); 10 (70 oC) EP-TETA 100 10 (25 oC); 10 (70 oC) EP-mPDA 100 10 (25oC); 10 (70 oC) 2.3.4 Chế tạo compozit epoxy/m-nanosilica/TBuT/vải thủy tinh m-nanosilica phân tán vào nhựa epoxy YD128 với tỷ lệ t 0÷7 % trọng lượng, sau thêm 15 phần khối lượng (pkl) chất đóng r n TBuT Vải thủy tinh sấy nhiệt độ 100 oC để loại bỏ ẩm Nhựa epoxy epoxy-nanosilica chế tạo theo mục 2.3.2 Vải thủy tinh c t thành hình chữ nhật có kích thước (150 x 200) mm sau đặt t ng lớp vào khuôn đổ nhựa lên với tỷ lệ vải/nhựa khác Phân ố nhựa cho thấm vào sợi b ng ru lô chổi lông Các mẫu compozit sau đóng r n nhiệt độ 120 thời gian tủ sấy chân không CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Biến tính nanosilica Q trình phản ứng KR-12 với bề mặt hạt nanosilica mô tả hình 3.1 Tiến hành Toluen Hình 3.1 Phản ứng ghép KR-12 lên ề mặt hạt nanosilica T kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian, hàm lượng chất phản ứng đến hiệu suất ghép nanosilica K200 KR-12 đ xác định điều kiện phản ứng: nhiệt độ 30oC, thời gian phản ứng 45 phút, hàm lượng KR-12 phản ứng 15 % hiệu suất ghép đạt 13,16%, ký hiệu m-nanosilica để tiếp tục nghiên cứu cấu trúc sản phẩm sâu thơng qua phương pháp hóa lý đại, kết trình ày phần 3.1.1 Phân bố kích thước hạt nanosilica trước, sau biến tính Phân ố kích thước hạt nanosilica trước sau iến tính cho thấy, chưa iến tính ề mặt, kích thước hạt nanosilica khơng đồng với kích thước hạt lớn Phân ố kích thước hạt theo số xuất hai pic 529,7nm (99,7%) 4962 nm (0,3%), phân bố kích thước hạt theo cường độ tán xạ laze gồm pic 656,7 nm (72,7%) 5078 nm (27,3%) Điều giải thích tượng cộng kết hạt nanosilica q trình ảo quản dẫn đến tăng kích thước Đối với nanosilica biến tính, kích thước hạt nhỏ