vật liệu composite từ tính cứng nền epoxy cốt nd-fe-bfe

Điều chế từ epiclohidrin ngưng tụ với 4,4 dioxidifenil propan có dung dịch NaOH, các sản phẩm tạo ra, sau khi đóng rắn, có nhiều tính chất lý và hóa quí, bám dính rất tốt với nhiều loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MSSV: 11309261 LỚP : DHHO7LT

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1 TỔNG QUAN VỀ NHỰA EPOXY

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỰA EPOXY

Nhựa epoxy là loại nhựa tương đối mới, được nhiều ngành trong công nghiệp chú ý đến Do trong nhựa có nhóm êpoxy cho nên người ta gọi nhựa đó là nhựa epoxy Nhựa epoxy trong những điều kiện xác định có chất đóng rắn, có khả năng chuyển sang trạng thái nóng chảy và không tan.

Oxit êtylen là hợp chất epoxy đơn giản nhất, có khả năng phản ứng lớn Vào năm

1860, Buoc – xơ mới nhận ra khả năng dễ trùng hợp tạo thành hợp chất cao phân tử của nó Đến năm 1936, nó mới được đưa vào trong sản xuất.

Năm 1948 trong công nghiệp đã dùng nhiều loại nhựa epoxy Điều chế từ epiclohidrin ngưng tụ với 4,4 dioxidifenil propan có dung dịch NaOH, các sản phẩm tạo ra, sau khi đóng rắn, có nhiều tính chất lý và hóa quí, bám dính rất tốt với nhiều loại vật liệu, tính điện môi tốt, khi đóng rắn độ co không lớn, chịu tác dụng của các dung môi và kiềm.

Ngoài việc sử dụng một mình,nhựa epoxy còn để biến tính nhiều loại nhựa khác Gần đây, người ta đã dùng nhựa epoxy từ polibutadien phân tử thấp chứa cả nhóm epoxy và nối đôi, do vậy mà nó có khả năng đóng rắn khi có amin, anhidric của acid hai gốc hay peroxyt Cũng có thể điều chế nhựa epoxy từ epiclohydrin với rezorain, fenol ftalein và với các hợp chất khác.

1.2 ĐỊNH NGHĨA

Nhựa epoxy có thể được định nghĩa là bất kỳ hệ thống polymer, trong đó các oxirane hoặc vòng epoxide tham gia trong tổng hợp Binder, hoặc hay lĩnh vực biến đổi (đóng rắn).

Epoxy resins đã trở thành loại thương mại có sẵn ở Úc từ năm 1950s, và từ thời điểm đó đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp Trong thực tế, phần lớn

các epoxies (khoảng 85 % vào cuối năm 1970) được dựa trên những sản phẩm condensation của bisphenol A (diphenylol propan) và epichlorohydrin, và có sẵn trong một loạt các trọng lượng phân tử khác nhau Resins trọng lượng phân tử thấp

là chất lỏng; cao là rắn.

Trong ngành công nghiệp nhựa, epoxy resins được phân loại như thermosetting resins, và chúng được sử dụng trong ngành công nghiệp sơn như chất tạo màng có khả năng biến đổi Epoxy resins được chuyển thành trạng thái thermoset bằng phản ứng hóa học giữa các resin và chất đóng rằn (curing agent) Tùy thuộc vào chất đóng rắn phản ứng có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc ở nhiệt độ phòng.

Resins đã đóng rắn không tan trong solvents và không thể chảy khi gia nhiệt.

1.3 PHÂN LOẠI NHỰA EPOXY

1.3.1 Nhựa Epoxy nền Bisphenol – A

Nhựa epoxy nền Bisphenol A là nhựa epoxy được sản xuất từ Bisphenol A và

epichlorohydrin.

Sự có mặt của nhóm Bisphenol A đã cung cấp cho loại nhựa này các đặc tính như độ cứng cao, chống được môi trường hóa chất và nhiệt độ Trong phân tử không chứa nhóm ester mà chỉ có nhóm ete và các liên kết giữa các carbon, như vậy nó lại càng tăng khả năng chống hóa chất cho nhựa này Ngoài ra, các nhóm hydroxyl và các

nhóm epoxy đầu mạch giúp nhựa có khả năng thấm ướt và bám dính tốt cũng như

có thể tương tác và phản ứng với các loại nhựa khác.

Nhóm epoxy có thể phản ứng với các nhóm amine, thiols, methylol, các acid carboxylic và cả các nhóm cyanate và ester isocyanate Vì vậy, nó có thể phản ứng với Bisphenol A Epichlorohydrin các amine mạch thẳng và amine mạch vòng, các amide, các loại nhựa amino, polyester,carboxylated acrylic Các phản ứng này không làm mất đi các nhóm chức của nhựa epoxy ban đầu mà chỉ gắn thêm các loại nhóm chức mới vào mạch nhựa, nhờ đó ta có thể bổ sung thêm các tính chất khác cho nhựa.

1.3.2 Nhựa Epoxy nền Bisphenol - F

Công thức hóa học :

Nhựa epoxy nền Bisphenol F có cấu trúc tương tự nhựa epoxy nền Bisphenol A, tuy nhiên chỉ có nhóm methylene nối hai vòng benzen thay cho nhóm isopropylidene trong Bisphenol A, điều này làm giảm sự thủy tinh hóa trong quá trình lưu trữ và cung cấp độ nhớt thấp hơn cho nhựa nền Bisphenol F.

Nhựa epoxy nền Bisphenol F khối lượng phân tử thấp có độ nhớt từ 3000 – 8000 cps thấp hơn so với nhựa epoxy nền Bisphenol A khối lượng phân tử thấp độ nhớt từ

11000 –16000 cps Với cầu nối methylene giữa hai nhóm phenolic thay cho nhóm isopropylene trong nhựa epoxy nền Bisphenol A, nhựa epoxy nền Bisphenol F có khả năng kết mạng cao hơn, làm cho màng phim của nhựa này có nhiệt độ thủy tinh hóa, khả năng chịu nhiệt và khả năng chống dung môi và hóa chất cao hơn.

1.3.3 Nhựa Epoxy nền Novolac

Nhựa epoxy nền novolac có khả năng chống hóa chất rất tốt vì nó có cấu trúc rất chặt chẽ Khi ở nhiệt độcao 500 o F (260 o C) và áp suất 10.000psi (69Mpa) nhựa này vẫn có khả năng chống hóa chất tốt.

Nhựa epoxy nền novolac có độ nhớt khá cao (30.000 – 500.000 cps) Trong công nghiệp sơn, nhựa epoxy nền novolac thường được dùng làm sơn bột (powder coating).

Khi được đóng rắn bởi các amin béo, nhựa này có khả năng chịu được hầu hết các loại dung môi như: ketone, chlorinated hydrocarbon, acid vô cơ (HCl, HF,H 2 SO 4 ), dung dịch kiềm… ngay cả khi phải ngâm trong các dung dịch này hàng tháng Ngoài ra, nó có thể chịu được nhiệt độ cao, trong môi trường khô hoặc ẩm ướt, môi trường kiềm hoặc acid và chịu mài mòn cao.

Ngày này, người ta thường sử dụng Epoxy đi từ nền Bisphenol A do nó có nhiều tính chất ưu việt thỏa mãn nhiều yêu cầu khi sử dụng.

2.1 TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG

2.1.1 Tính chất vật lý

Tùy thuộc vào loại nhựa, tác nhân đóng rắn, chất pha loãng mà epoxy có thể có dạng cứng hoặc dạng mềm dẻo như cao su tùy thuộc vào trọng lượng phân tử

• M < 1000: trọng lượng phân tử thấp  tồn tại ở trạng thái lỏng nhớt

• M > 1000: trọng lượng phân tử cao  trạng thái rắn

Ở điều kiện bình thường epoxy trong suốt không màu, không mùi, có vị hơi ngọt, gây dị ứng da

Độ bền va đập 0.3-0.9

Độ dẫn nhiệt (cal cm -1 sec -1o C) 4-5 x 10 5

Nhiệt độ phân hủy 310 0 C – 350 0 C

Các tính chất chính của epoxy resin (Epoxy đi từnền Bisphenol A) dựa trên sựlựa chọn của epoxy resins từ một loạt các chất dẻo và resins sẵn có hiện nay Các tính chất quan trọng được liệt kê dưới đây.

• Cấu trúc hóa học của epoxy resins cho chúng có tính kháng hóa chất cao,

chống lại một số điều kiện ăn mòn, tính chất này có được từ tính chất vòng thơm của các backbone và bền hóa học tốt của các liên kết ether phenolic.

• Epoxy resins có tính bám dính tốt cho một loạt các nguyên vật liệu, bao gồm

các kim loại, gỗ, bê tông, thuỷ tinh, gốm và nhiều chất dẻo Điều này là do sự hiện diện của polar hydroxyl và nhóm ethertrong resin.

• Độ co rút thấp trong quá trình đóng rắn cho kết quả tốt trong tính chính xác

kích thước trong kết cấu sản phẩm và cho phép sản xuất keo dán tính năng cao Tính chất cơ lý tốt như toughness, độ mềm dẻo và kháng mài mòn có thể

có được.

Mặc dù có sự hạn chế về nhiệt độ sử dụng, epoxy resins thường tốt hơn so với hầu hết các nhựa nhiệt dẻo ở nhiệt độ cao.

2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B

2.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng (VLTC)

Vật liệu từ cứng (VLTC) là vật liệu có khả năng tích trữ năng lượng của từ trường tác động lên nó và trở thành nguồn phát từ trường Khả năng tích trữ năng lượng đó được đặc trưng bằng đại lượng tích năng lượng cực đại (BH)max của vật liệu VLTC được ứng dụng từ rất lâu và trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: Kim la bàn, cửa

tủ lạnh, ổ cứng máy tính, mô tơ, máy phát điện, máy tuyển quặng, thiết bị khoa học

kỹ thuật, thiết bị y tế…

VLTC đã được tìm thấy và ứng dụng từ rất lâu, nhưng phải đến thế kỷ XX thì VLTC mới thực sự được nghiên cứu và ứng dụng nhiều Đầu tiên là vật liệu thép kỹ thuật có (BH) max∼ 1 MGOe Tiếp theo là vật liệu Alnico và ferit từ cứng có (BH) max ~

5 MGOe được chế tạo Việc tìm ra VLTC chứa đất hiếm là một bước tiến quan trọng trong quá trình phát triển VLTC VLTC chứa đất hiếm chủ yếu là SmCo 5 có

(BH) max > 20 MGOe, Sm 2 Co 17 có (BH) max > 30 MGOe và Nd 2 Fe 14 B có (BH) max > 50 MGOe Vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B, tổ hợp của pha từ cứng Nd 2 Fe 14 B

và hai pha từ mềm α-Fe, Fe 3 B được chế tạo vào năm 1988 Loại vật liệu này đang được quan tâm nghiên cứu vì khả năng ứng dụng lớn và có thể nâng cao hơn nữa tích năng lượng (BH) max Theo tính toán trong lý thuyết vật liệu này có thể cho (BH) max > 100 MGOe.

Lịch sử phát triển của vật liệu từ tính cứng

2.2 Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd 2 Fe 14 B

2.2.1 Cấu trúc tinh thể

Hợp kim Nd 2 Fe 14 B có cấu trúc tinh thể tứ giác với hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,220 nm, khối lượng riêng 7,55 g/cm 3 Cấu trúc tinh thể Nd 2 Fe 14 B ổn định nhờ nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe tạo thành một hình lăng trụ đáy tam giác và các lăng trụ này lại được nối với nhau bởi các lớp Fe Cấu trúc tinh thể ổn định cùng với độ bất đối xứng rất cao tạo nên tính từ cứng mạnh cho vật liệu.

2.2.2 Tính chất từ

Pha Nd 2 Fe 14 B có: dị hướng từ tinh thể K 1 = 4,9.10 6 J/m 3 ; từ độ bão hòa μ 0 M s = 1,61 T; nhiệt độ Curie T C = 585 K (312 o C).

Bảng so sánh thông số từ của vật liệu từ tính cứng

2.3 Phân loại vật liệu từ cứng Nd-Fe-B

2.3.1 Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Trong nam châm thiêu kết các hạt từ kích thước vài micromet được liên kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt Vật liệu này có tính dị hướng cao, có tích

năng lượng cực đại (BH) max lớn, (BH) max∼ 57 MGOe và có lực kháng từ lớn H c∼ 10 ÷

25 kOe

2.3.2 Nam châm kết dính Nd-Fe-B

Trong nam châm kết dính các hạt bột sắt từ Nd-Fe-B được liên kết với nhau bởi chất kết dính hữu cơ Đáng chú ý là nam châm kết dính đàn hồi hay còn gọi là vật liệu nanocomposite Vật liệu này có vi cấu trúc ở kích thước nanô nên chúng có những tính chất mới mà ở kích thước thông thường không thể có được nên làm tăng phẩm chất từ của vật liệu

2.4 Cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

2.4.1 Cấu trúc của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Vật liệu nanocomposite là vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm ở kích thước nanomet Với cấu trúc nano, các hạt từ cứng (Nd 2 Fe 14 B) liên kết với các hạt từ mềm (α-Fe,

Fe 3 B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi Nhờ vậy đã kết hợp được ưu điểm từ độ bão hòa cao của pha từ mềm và tính dị hướng từ lớn của pha từ cứng để tạo ra vật liệu có (BH) max cao.

2.4.2 Tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Lực kháng từ và độ vuông đường trễ của vật liệu này phụ thuộc vào vi cấu trúc Lực kháng từ thay đổi trong khoảng khá rộng từ cỡ 2 kOe đến 15 kOe và tích năng lượng

từ cực đại thay đổi trong khoảng từ vài MGOe đến 20 MGOe Nhiệt độ Curie của vật liệu này được quyết định bởi pha từ cứng Nd 2 Fe 14 B (~ 585 K)

2.5 Các phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B

2.5.1 Phương pháp phun băng nguội nhanh

Nguyên tắc của phương pháp phun băng nguội nhanh là sử dụng năng lượng của dòng cảm ứng để năng lượng hóa vật liệu Sau đó vật liệu được phun lên bề mặt trống quay nhẵn bóng đã được làm lạnh bởi dòng nước chảy ngầm bên trong, để tạo

ra các băng hợp kim nguội nhanh có cấu trúc VĐH hoặc nano tinh thể

2.5.2 Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Nghiền cơ năng lượng cao (NCNLC) là kỹ thuật sử dụng động năng của các viên bi năng lượng hóa vật liệu (dựa trên sự va đập các bi thép cứng vào vật liệu) Các bi

thép này cùng với vật liệu được quay ly tâm hoặc lắc với tốc độ rất cao trong buồng kín cho phép tạo ra bột vật liệu có kích thước nano hoặc VĐH

2.5.3 Các phương pháp khác

• Phương pháp cán nóng

• Phương pháp tách vỡ tái hợp sử dụng khí Hydro HDDR

2.6 Ứng dụng và thị trường của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B trên thị trường hiện nay thường ở hai dạng là bột hợp kim và các nam châm kết dính Nam châm kết dính Nd-Fe-B có triển vọng ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất nam châm kết dính Nd-Fe-B Nhìn chung, các nam châm kết dính Nd-Fe-B trên thị trường có tích năng lượng (BH) max thấp hơn 12 MOe.

Hình thái và phân phối cỡ hạt Nd-Fe-B

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN EPOXY

CỐT HẠT NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu composite từ tính nền Epoxy cốt hạt Nd-Fe-B/Fe

1. Chế tạo hợp kim từ các thành phần đơn chất nóng chảy trong môi trường bảo

vệ Môi trường bảo vệ ở đây là môi trường ban đầu được hút chân không cao, sau đó nạp khí hiếm bảo vệ.

2. Nghiền thô vật liệu để tạo các hạt kích thước cỡ 100μm

3. Nghiền tinh (với cách nghiền khác) để có các hạt bột kích cỡ vài μm Công đoạn này có thể thay thế bằng kỹ thuật HDDR (Hydrogenation, Disproportionation, Desorption and Recombination) có nghĩa là dùng khí Hydro thấm vào vật liệu và tạo ra các ứng suất nội, gây ra một "vụ nổ" và tạo

ra các hạt bột mịn.

4. Cân, phối trộn nguyên liệu: bột Nd-Fe-B; bột sắt(5-15%wt); nhựa Epoxy 3%wt); chất đóng rắn (0.2 %wt).

(2.5-5. Ép định hình sản phẩm (ở áp suất nén 900Mpa trong 5 phút)

6. Xử lý nhiệt (ở nhiệt độ 180 o C trong 2 giờ)

Thông số của nhựa Epoxy

Sơ đồ QTCN:

Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu composite từ tính nền Epoxy cốt Nd-Fe-B/Fe

2.2 Hình thái và tính chất vật liệu composite từ tính nền Epoxy cốt hạt Nd-Fe-B/Fe

Sản phẩm composite Nd-Fe-B nền epoxy

Cấu trúc SEM của vật liệu Nd-Fe-B-epoxy

Tính chất vật liệu composite nền Epoxy nền

Nd-Fe-B-Bảng thông số vật liệu composite Nd-Fe-B với hàm lượng Fe 5-10-15%

Ảnh hưởng tỷ lệ polymer – cơ tính vật liệu

Ảnh hưởng tỷ lệ polymer – từ tính vật liệu

KẾT LUẬN

Vật liệu từ cứng được ứng dụng từ rất lâu và trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: Kim la bàn, cửa tủ lạnh, ổ cứng máy tính, mô tơ, máy phát điện, máy tuyển quặng, thiết bị khoa học kỹ thuật, thiết bị y tế… Tiềm năng ứng dụng lớn đã thúc đẩy việc tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ chế tạo mới, nhằm tạo ra những vật liệu có tính chất từ tốt hơn đáp ứng được các yêu cầu của cuộc sống hiện đại Việc nghiên cứu chế tạo “Vật liệu composite từ tính cứng Nd-Fe-B trên nền epoxy” đã mở ra một hướng đi mới trong công nghệ chế tạo vật liệu từ tính, với nghiên cứu mới này cho thấy khả năng ứng dụng vật liệu cho nhiều lĩnh vực đặc biệt là nam châm vĩnh cữu, chế tạo các motor cở nhỏ (thiết bị tạo rung trong điện thoại di động) công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí thấp, giúp giảm giá thành sản phẩm, ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống.

Các lĩnh vực có thể ứng dụng: điện thoại di động, ổ đĩa cứng, máy phát điện sức gió, tàu điện ngầm, các thiết âm thanh, la bàn, máy hàn, thiết bị vũ trụ,

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. http://vi.wikipedia.org/wiki/Vật_liệu_từ_cứng

2. http://www.vatlyvietnam.org/forum/showthread.php?t=1190

3. http://vi.scribd.com/doc/76786554/Epoxy-2

4. http://www.google.com.vn