Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ nhựa polyester không no và sợi thủy tinh có khả năng kháng cháy trên cơ sở diamonium hydrogen phosphate (DAP) và cao su clo hóa (CR)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGỌC QUYÊN

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ NHỰA POLYESTER KHÔNG NO VÀ SỢI THỦY TINH CÓ KHẢ NĂNG KHÁNG CHÁY TRÊN CƠ SỞ

DIAMONIUM HYDROGEN PHOSPHATE (DAP) VÀ CAO SU CLO HÓA (CR)

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 8520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

3 Phản biện 2: TS Nguyễn Ngọc Ân

4 Ủy viên: TS Cao Xuân Việt

5 Thư ký: TS Phan Quốc Phú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

TS La Thị Thái Hà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ NGỌC QUYÊN MSHV: 1870209

Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1994 Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 8520309

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ NHỰA POLYESTER KHÔNG NO VÀ SỢI THỦY TINH CÓ KHẢ NĂNG KHÁNG CHÁY TRÊN CƠ SỞ DIAMONIUM HYDROGEN PHOSPHATE (DAP) VÀ CAO SU CLO HÓA (CR)

STUDY ON MANUFACTURE A FIRE RESISTANT COMPOSITE FROM UNSATURATUED POLYESTER AND FIBER GLASS BASE ON DIAMONIUM HYDROGEN PHOSPHATE (DAP) AND CHLORINATED RUBBER (CR)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát tổng hợp hỗn hợp nhựa polyester không no có chứa diamonium hydrogen phosphate và cao su clo hóa

- Chế tạo hệ vật liệu compsite từ nhựa polyester không no có khả năng kháng cháy trên cơ sở diamonium hydrogen phosphate và cao su clo hóa

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành với lòng biết ơn sâu sắc nhất đến toàn thể thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô Khoa Công Nghệ Vật Liệu nói riêng Trong quá trình học tập tại trường, em đã được thầy cô dìu dắt chỉ bảo tận tình; nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của thầy cô và bạn bè trong học tập cũng như cuộc sống

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Thành và thầy Huỳnh Đại Phú đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này Em xin cám ơn các anh chị trong phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Polymer và Composite đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn

Con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, luôn lắng nghe và chia sẻ với con Cuối cùng, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và luôn thành công trong công việc

Em xin tri ân tất cả!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2022

LÊ NGỌC QUYÊN

TÓM TẮT

Composite có khả năng kháng cháy được nghiên cứu và chế tạo từ nhựa polyester không no kết hợp với cao su clo hóa và sợi thủy tinh Sự kháng cháy dựa trên cơ chế ngưng tụ tạo pha khí trên bề mặt vật liệu trong quá trình cháy cao su clo hóa Vật liệu composite có độ bền kéo, modules kéo, độ bền uốn và modules uốn tương đối tốt, tương đương với vật liệu composite nhựa UPE Về khả năng kháng cháy, mẫu có vận tốc cháy của ngọn lửa thấp, thấp hơn vật liệu composite nhựa UPE Đánh giá tính chất vật liệu bằng các phương pháp đo độ bền, đo độ nhớt, phương pháp kiểm tra sự cháy UL 94

ABSTRACT

Fire resistant composites are researched and manufactured from unsaturated polyester resins combined with chlorinated rubber and fiberglass The fire resistance is based on the condensation mechanism creating gas phase on the material surface during the burning of chlorinated rubber Composite materials have good tensile strength, tensile modules, flexural strength and bending modules, equivalent to UPE plastic composites In terms of fire resistance, the sample has a low flame rate of fire, lower than the UPE plastic composite material Assessing material properties by endurance measurement methods, Brookfield method and Underwriters Laboratories Tests

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Đắc Thành và PGS.TS Huỳnh Đại Phú Một số nội dung nghiên cứu là thành quả của tập thể và đã được các đồng sự cho phép sử dụng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2022 Tác giả luận văn

LÊ NGỌC QUYÊN

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN IV TÓM TẮT V LỜI CAM ĐOAN VI MỤC LỤC VII DANH MỤC HÌNH X DANH MỤC BẢNG XII DANH MỤC VIẾT TẮT XIV

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6

2.1 Tổng quan về polyester không no 6

2.1.1 Giới thiệu về polyester không no 6

2.1.2 Cơ chế phản ứng đóng rắn 7

2.2 Tổng quan về vật liệu kháng cháy 10

2.2.1 Sự cháy vật liệu polymer và composite 10

2.2.2 Cơ chế kháng cháy cho polymer và composite 12

2.3 Giới thiệu về chất kháng cháy sử dụng 15

2.3.1 Cao su Clo hóa (CR) 15

2.3.2 Diamonium Hydrogen Phosphat (DAP) 18

2.4 Các phương pháp đánh giá vật liệu 19

2.4.1 Phương pháp đo độ nhớt Brookfield 19

2.4.2 Phương pháp đo nhiệt độ và thời gian trong quá trình đóng rắn 20

2.4.3 Phương pháp đo độ bền 21

2.4.3.1 Phương pháp đo độ bền uốn 21

2.4.3.2 Phương pháp đo độ bền kéo 22

2.4.4 Phương pháp đo độ cháy 24

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 27

3.1 Mục tiêu và nội dung của đề tài 27

3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 27

3.1.2 Nội dung 27

3.2 Nguyên liệu chính 27

3.2.1 Polyester không no (UPE) 27

3.2.2 Cao su Clo hóa (CR) 29

3.2.3 Tác chất kháng cháy Diamonium Hydrogen Phosphate (DAP) 30

3.3 Thiết bị - Dụng cụ 30

3.4 Phương pháp nghiên cứu 30

3.4.1 Nội dung 1: Đánh giá khả năng phân tán của CR và DAP trong nhựa UPE 30

3.4.2 Nội dung 2: Đánh giá khả năng đóng rắn của hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP 34

3.4.3 Nội dung 3: Đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 38

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 41

4.1 Nội dung 1: Đánh giá khả năng phân tán của CR và DAP trong nhựa UPE 41

4.1.1 Đánh giá khả năng phân tán của DAP trong nhựa UPE 41

4.1.2 Đánh giá khả năng phân tán của cao su CR trong nhựa UPE 43

4.1.3 Đánh giá khả năng phân tán của DAP và CR trong nhựa UPE 43

4.2 Nội dung 2: Đánh giá khả năng đóng rắn của hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP 43

4.2.1 Đánh giá khả năng đóng rắn của DAP trong nhựa UPE 43

4.2.2 Đánh giá khả năng đóng rắn của cao su CR trong nhựa UPE 47

4.2.3 Đánh giá khả năng đóng rắn của DAP và CR trong nhựa UPE 54

4.3 Nội dung 3: Đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 60

4.3.1 Đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 60

4.3.2 Đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR và 10%

SM lăn tay composite với sợi thủy tinh 65

4.3.2.1.Tính chất cơ lý của nhựa UPE/CR và 10% SM lăn tay composite với sợi thủy tinh 65

4.3.2.2.Khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR và 10% SM lăn tay composite với sợi thủy tinh 71

4.3.3 Đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 73

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 79

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 91

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 95

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sự cháy của vật liệu polymer 11

Hình 2.2 Nguyên tắc làm giảm khả năng cháy của polymer 12

Hình 2.8 Đồ thị ứng lực của mẫu khi chịu kéo 24

Hình 2.9 Mô hình phương pháp đánh giá khả năng kháng cháy của vật liệu composite 24

Hình 2.10 Thiết bị kiểm tra khả năng cháy của polymer theo tiêu chuẩn UL94 26

Hình 3.1 Sơ đồ khối quy trình thực hiện đo độ phân tán của CR trong nhựa UPE 31

Hình 3.2 Sơ đồ khối quy trình thực hiện đo độ phân tán của DAP trong nhựa UPE 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối quy trình thực hiện đo độ phân tán của CR và DAP trong nhựa UPE

Hình 4.1 Ảnh SEM của mẫu đóng rắn hỗn hợp DAP và UPE 41

Hình 4.2 Ảnh SEM của mẫu đóng rắn hỗn hợp CR và UPE 42

Hình 4.3 Ảnh SEM của mẫu đóng rắn hỗn hợp DAP, CR và UPE 43

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn độ nhớt của các mẫu trong trường hợp nghiền bi hỗn hợp paste UPE và DAP 45

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ đóng rắn của các mẫu UPE và hàm lượng DAP khác nhau trường hợp nghiền bi hỗn hợp UPE và DAP 47

Hình 4.6 Biểu đồ thể hiện độ nhớt hỗn hợp nhựa UPE/CR 48

Hình 4.7 Biểu đồ thể hiện thời gian và nhiệt độ đóng rắn của nhựa UPE/CR trong các tỉ lệ khác nhau 50

Hình 4.8 Biểu đồ so sánh nhiệt độ tại điểm gel hóa của nhựa UPE/CR 51

Hình 4.9 Biểu đồ so sánh thời gian gel hóa của nhựa UPE/CR 52

Hình 4.10 Biểu đồ so sánh nhiệt độ đóng rắn max của nhựa UPE/CR 53

Hình 4.11 Biểu đồ so sánh thời gian đóng rắn max của nhựa UPE/CR 53

Hình 4.12 Biểu đồ thể hiện độ nhớt hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP 55

Hình 4.13 Biểu đồ thể hiện thời gian và nhiệt độ đóng rắn của nhựa UPE/CR/DAP 57

Hình 4.14 Biểu đồ so sánh thời gian gel hóa của nhựa UPE/CR/DAP 57

Hình 4.15 Biểu đồ so sánh nhiệt độ đóng rắn max của nhựa UPE/CR/DAP 58

Hình 4.16 Biểu đồ so sánh thời gian đóng rắn max của nhựa UPE/CR/DAP 28

Hình 4.17 Các mẫu composite UPE/DAP và sợi thủy tinh sau khi thử cháy trường hợp nghiền bi hỗn hợp DAP và nhựa UPE 64

Hình 4.18 Biểu đồ so sánh độ bền kéo giữa composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 66

Hình 4.19 Biểu đồ so sánh modules kéo giữa composite UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 67

Hình 4.20 Biểu đồ so sánh độ bền uốn giữa composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 69

Hình 4.21 Biểu đồ so sánh modun uốn giữa composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 69

Hình 4.22 Biểu đồ so sánh vận tốc cháy giữa composite nhựa UPE/CR/10% SM và sợi thủy tinh 72

Hình 4.23 Các mẫu composite UPE/CR/DAP và sợi thủy tinh sau khi thử cháy trường hợp nghiền bi hỗn hợp 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các hợp chất chống cháy và cơ chế chống cháy 14

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật nhựa UPE hãng Fullmark 28

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Cao su Clo hóa (CR) hãng SHENYU 29

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật DAP hãng Niran 30

Bảng 3.4 Các yếu tố khảo sát và phương pháp đánh giá độ phân tán của cao su clo hóa CR trong nhựa UPE 32

Bảng 3.5 Các yếu tố khảo sát và phương pháp đánh giá độ phân tán của DAP trong nhựa UPE 33

Bảng 3.6 Các yếu tố khảo sát và phương pháp đánh giá độ phân tán của cao su clo hóa CR và DAP trong nhựa UPE 35

Bảng 3.7 Các yếu tố khảo sát và phương pháp đánh giá khả năng đóng rắn của hỗn hợp nhựa UPE/CR/DAP 36

Bảng 3.8 Các yếu tố khảo sát và phương pháp đánh giá tính chất cơ lý và khả năng kháng cháy của nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 39

Bảng 4.1 Độ nhớt Brookfield của các mẫu UPE/DAP ở tốc độ 5 vòng/phút 44

Bảng 4.2 Giá trị độ nhớt Brookfield của các mẫu UPE/DAP ở tốc độ 50 vòng/phút 44

Bảng 4.3 Giá trị hệ số thixotropic giữa vận tốc 5 vòng/phút và 50 vòng/phút 45

Bảng 4.4 Thời gian gel, nhiệt độ tại điểm gel và thời gian ứng với nhiệt độ cao nhất của các mẫu 10% 20% 30% 40% 50% DAP 46

Bảng 4.5 Độ nhớt Brookfield của các mẫu UPE/CR 48

Bảng 4.6 Thời gian gel, nhiệt độ tại điểm gel và thời gian ứng với nhiệt độ cao nhất của các mẫu 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10% cao su clo hóa 49

Bảng 4.7 Độ nhớt Brookfield của các mẫu UPE/CR/DAP 55

Bảng 4.8 Thời gian gel, nhiệt độ tại điểm gel và thời gian ứng với nhiệt độ cao nhất của các mẫu UPE/CR/DAP 56

Bảng 4.9 Giá trị ứng suất kéo và module kéo của các mẫu nhựa UPE và DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 61

Bảng 4.10 Giá trị ứng suất uốn và module uốn của các mẫu nhựa UPE và DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 61

Bảng 4.11 Kết quả thử cháy của các mẫu composite theo chuẩn UL94-HB trường hợp nghiền bi hỗn hợp DAP và nhựa UPE 63 Bảng 4.12 Giá trị độ bền kéo, modules kéo của composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 66 Bảng 4.13 Giá trị độ bền uốn, modules uốn của composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 68 Bảng 4.14 Vận tốc cháy của của composite nhựa UPE/CR/ 10% SM và sợi thủy tinh 71 Bảng 4.15 Giá trị ứng suất kéo và module kéo của các mẫu nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 74 Bảng 4.16 Giá trị ứng suất uốn và module uốn của các mẫu nhựa UPE/CR/DAP lăn tay composite với sợi thủy tinh 75 Bảng 4.17 Kết quả thử cháy của các mẫu composite theo chuẩn UL94-HB trường hợp nghiền bi hỗn hợp UPE/CR/DAP 76

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Trong sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ở thời điểm hiện tại và tương lai, vật liệu polymer đang dần thay thế các vật liệu truyền thống bởi những ưu điểm vượt trội mà nó có được Trong số đó thì vật liệu composite từ nhựa và sợi gia cường đang dần chiếm ưu thế từ các ứng dụng trong đời sống cho tới các ngành công nghiệp

Với các tính chất tốt như là cách điện, tốc độ bay hơi thấp, chống ăn mòn tốt với nhiều môi trường, độ trong cao, có độ bền cơ học tốt thì nhựa polyester không no (UPE) rất thích hợp cho các ứng dụng composite Tuy nhiên nhược điểm lớn của composite từ nhựa UPE lại là khả năng bắt cháy cao và sinh ra nhiều khói trong khi cháy, do đó để hạn chế sự cháy cũng như các khí độc thì cần thêm vào các phụ gia để có thể kháng lại sự cháy của vật liệu

Cao su Clo hóa (CR) là một chất kháng cháy khá phổ biến, dựa trên cơ chế ngưng tụ tạo pha khí trên bề mặt vật liệu, để làm giảm sự tiếp xúc của oxygen với bề mặt cháy qua đó ngăn cản sự cháy Mặt khác, trong quá trình cháy cao su CR sẽ tạo ra khí nhóm halogen, đây được coi là chất khí có thể gây độc với cơ thể con người, do đó cần thêm một phụ gia kháng cháy khác để ngăn cản sự hình thành halogen trong khi cháy

Diamonium hydrogen Phosphate (DAP) cũng là một chất kháng cháy tốt Khi bị phân hủy nhiệt sẽ cho ra sản phẩm NH3 và H2O, tạo hiệu ứng pha loãng và hình thành lớp rắn NH3 và H2O trên bề mặt polymer ngăn chặn nhiệt và oxygen tiếp xúc Thêm vào đó là sự kết hợp của halogen (trong cao su CR) và amoni (trong DAP) tạo muối amoni clorua sẽ làm giảm thiểu lượng Halogen gây hại thoát ra

Hằng năm, trên thế giới và trong nước ta có rất nhiều vụ hỏa hoạn xảy ra gây nhiều thiệt hại cho con người cũng như tài sản Do đó việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ nhựa polyester không no và sợi thủy tinh có khả năng kháng cháy

trên cơ sở Diamonium Hydrogen Phosphate (DAP) và cao su Clo hóa (CR) là rất cần thiết và cần được nghiên cứu

2 Ý tưởng khoa học

Năm 2004, một bài viết về vấn đề kháng cháy trong nhựa polyester không no và nhựa vinyl, cho thấy khi các sản phẩm nhựa polyester có chứa halogen thì có hiệu quả khả năng kháng cháy cao hơn hẳn Bài viết được đăng trên tạp chí Journal of Fire Sciences do các tác giả Edward D Weil và Sergei V Levchik đồng sáng tác [9]

Tháng 1 năm 2008, Edward D Weil, Sergei V Levchik đã công bố trên tạp chí Journal of Fire Sciences viết về sự hữu ích của việc đưa hợp chất halogen vào trong polyolefin để cải thiện khả năng kháng cháy [10]

Năm 2012, K Subramaniam, A Das, L Häußler, C Harnisch có công trình nghiên cứu cải thiện khả năng kháng cháy của các hợp chất cao su Polycloroprene với MWCNTs biến tính ionic được đăng trên tập chí Polymer Degradation and Stability vào tháng 5 năm 2012 do đồng tác giả [11]

Tình hình nghiên cứu trong nước vẫn chưa đề cập đến về việc kháng cháy của nhựa UPE trên cơ sở DAP và CR, nhưng nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Đắc Thành thuộc trường đại học Bách Khoa TpHCM đã có những nghiên cứu về sự kháng cháy này như:

 Luận văn nghiên cứu khả năng kháng cháy của Diammonium hydrogen phosphate ứng dụng trong composite UPE và sợi thủy tinh của sinh viên Trương Thiên Ngọc, giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đắc Thành Khi sử dụng chất kháng cháy DAP với hàm lượng 10% mẫu có cải thiện đáng kể so với mẫu composite UPE, ngọn lửa không cháy lan ra sau 30 giây đốt mà tắt trong 25mm đánh dấu đầu tiên với thời gian cháy trung bình 2 phút 17 giây So với các mẫu 10% hàm lượng DAP trong trường hợp chỉ nghiền bi hợp chất kháng cháy DAP và khuấy cao tốc ta thu được kết quả thời gian cháy trong 25mm đầu tiên ít hơn Có thể lý giải là nhựa UPE và chất kháng cháy DAP được hòa trộn tốt hơn các hạt bột kháng cháy phân tán đều hơn trong hỗn hợp nhựa dẫn đến khả năng kháng cháy tốt hơn Kết quả tốt nhất

thu được khi sử dụng hàm lượng kháng cháy 20% DAP các mẫu composite đều không có dấu hiệu của sự cháy sau khi ngừng đốt trong 30 giây Nhưng với hàm lưọng 20% DAP thì độ bền cơ lý không tốt bằng hàm lượng 10% DAP Kết luận là mẫu composite UPE – sợi thủy tinh với 10% kháng cháy DAP trong trường hợp nghiền bi cả hỗn hợp DAP và nhựa UPE trong 8h là tối ưu nhất Nó vừa đảm bảo tính chất cơ lý không bị quá thấp và vừa tăng được thêm khả năng kháng cháy cho composite UPE – sợi thủy tinh [17]

 Luận văn nghiên cứu khả năng kháng cháy của cao su clo hóa CR ứng dụng trong composite UPE và sợi thủy tinh của sinh viên Nguyễn Hà Thiện Duyên, giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đắc Thành cho kết luận là: Mẫu chứa hàm lượng cao su clo hóa 2.5%, 5% có độ nhớt phù hợp để gia công composite Tạo ra vật liệu composite có độ bên kéo, modules kéo, độ bền uốn và modules uốn tương đối tốt, tương đương với vật liệu composite nhựa UPE Về khả năng kháng cháy, các mẫu này có vận tốc cháy của ngọn lửa thấp, thấp hơn vật liệu composite nhựa UPE Mẫu chứa hàm lượng cao su clo hóa 2.5%, 5%, 7.5% được hòa tan thêm 10% dung môi Styren Monomer có độ nhớt thấp thích hợp lăn tay composite, tạo ra vật liệu composite có độ bền kéo, modules kéo, độ bền uốn, modules uốn cao hơn mẫu không pha thêm dung môi và tương đương với độ bền kéo, modules kéo, độ bền uốn và modules uốn của composite nhựa UPE Về khả năng kháng cháy, tuy vận tốc cháy cao hơn vận tốc cháy của composite không pha thêm dung môi nhưng nó vẫn đảm bảo khả năng kháng cháy [18]

Hạn chế tồn tại trong lĩnh vực này đó là vật liệu composite kháng cháy tạo ra thường gặp nhiều trở ngại từ quy trình chế tạo đến tính chất của sản phẩm tạo thành Độ nhớt của hỗn hơp nhựa và phụ gia thường rất cao, có những phụ gia kháng cháy rất khó hòa tan vào trong hỗn hợp nhựa Độ nhớt cao cũng như độ tương hợp của phụ gia kháng cháy trong hỗn hợp nhựa khiến cho khả năng gia công composite bằng phương pháp lăn tay gặp rất nhiều khó khăn Không chỉ khó khăn trong gia công, tính tương hợp của các thành phần trong composite không tốt dẫn đến không thể tạo thành khối composite đồng nhất, tính chất tấm composite tạo thành kém hơn tấm composite

thông thường Vì vậy, giải quyết vấn đề gia công composite kháng cháy và tính chất sản phẩm tạo thành là rất cần thiết

Ngoài ra, Halogen tồn tại trong các phụ gia kháng cháy tuy có hiệu quả cao trong việc giảm tốc độ cháy hoặc dập tắt đóm lửa phát sinh Nhưng ngày nay một số khuyến cáo về y học cho thấy, lượng Halogen thoát ra trong quá trình cháy cũng là một phần nguyên nhân (tuy là không lớn) dẫn đến những tổn hại cho cơ thể người Do đó, việc giảm lượng dùng Halogen hoặc dùng biện pháp khử lượng Halogen này là hướng nghiên cứu quan trọng

 Hướng giải quyết:

Sử dụng tác chất kháng cháy gốc Halogen là Cao su Clo hóa, tác chất này có thể được hòa tan vào trong hệ nhựa polyester không no, độ nhớt hệ nhựa tăng không nhiều, đồng thời đảm bảo tính tương hợp trong cả hệ nhựa và giữa nhựa và sợi thủy tinh Ngoài ra, cao su clo hóa còn bổ sung khả năng chịu va đập, vốn là một khuyết điểm của vật liệu composite Tại Việt Nam, cao su clo hóa hiện khá phổ biến

Sử dụng tác chất kháng cháy DAP mang lại những hiệu ứng quan trọng Đầu tiên sử dụng thêm tác chất này đồng nghĩa với việc giảm thiểu lượng Halogen sử dụng trong composite Không chỉ vậy, DAP khi bị cháy sẽ tạo một lớp vật chất rắn bám trên bề mặt vật cháy ngăn cản sự cháy giảm lượng khí sinh ra khi cháy Quan trọng hơn, khi bị cháy, tác chất này còn sinh ra khí NH2, có tác dụng bắt các nhóm Halogen như Cl2, HCl giảm thiểu lượng Halogen gây hại thoát ra

Nghiên cứu sử dụng phối hợp hai loại Cao su Clo hóa và DAP trong composite nhựa polyester không no chưa từng được đề cập đến trong nghiên cứu nào

Hiện nay, tại Việt Nam, vật liệu composite kháng cháy tuy đã được một số nghiên cứu đưa ra, tuy nhiên hiệu quả và khả năng ứng dụng lại chưa mạnh mẽ Khảo sát nghiên cứu lượng dùng phối hợp Cao su Clo hóa và DAP mang đến hiệu quả tối ưu vừa đảm bảo tính chất cơ lý vừa đảm bảo tính kháng cháy của vật liệu (khả năng kháng cháy ở đây được hiểu là khả năng giảm vận tốc cháy, giảm khả năng lan truyền

sự cháy tối đa có thể) Qua đó có thể ứng dụng vật liệu composite kháng cháy vào thực tiễn sản xuất phục vụ xã hội

3 Tính cấp thiết và tính mới

Trước hết, việc chế tạo và sử dụng vật liệu composite kháng cháy là nhu cầu lớn của xã hội Những công trình xây dựng, giao thông, gia dụng được xây dựng và chế tạo mới cần đảm bảo tính năng sử dụng cao cũng như an toàn cháy nổ Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite kháng cháy vô cùng cần thiết cho đất nước có nền nhiệt độ trung bình cao và đang phát triển như ở Việt Nam

Để tiến lên hội nhập cùng thế giới, việc nghiên cứu về vật liệu composite kháng cháy là cần thiết Vì hiện hay, tại các nước tiên tiến đều đặt ra yêu cầu vật liệu composite trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông, hàng hải, dân dụng… phải đảm bảo tính kháng cháy Nghiên cứu vấn đề này giúp ta tiếp cận và thích ứng được với sự phát triển của thế giới

Ngoài ra, về mặt ý nghĩa khoa học nghiên cứu khắc phục các vấn đề gia công composite kháng cháy, khả năng tương hợp của các tác chất kháng cháy, đảm bảo tính chất cơ lý composite và khắc phục lượng Halogen gây hại trong hệ composite kháng cháy là rất cấp thiết Giải quyết những vấn đề này giúp nâng cao khả năng sử dụng mở rộng lĩnh vực ứng dụng vật liệu composite trong đời sống

Góp phần phát triển các ngành kinh tế mũi nhọn như thương mại, xây dựng, giao thông Qua đó, xây dựng đất nước ngày càng giàu mạnh, đáp ứng như cầu ngày càng cao của xã hội Không dừng ở đó, hướng đề tài đặt ra hướng đến vấn đề rất đáng quan tâm của xã hội đó là phòng cháy chữa cháy, giảm thiểu thương vong và thiệt hại

cho người dân

4 Mục tiêu thực hiện

Chế tạo vật liệu composite nhựa polyester không no và sợi thủy tinh có khả năng kháng cháy nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu gia công và tính chất cơ lý sản phẩm

UPE được chia thành nhiều loại tuỳ thuộc vào các nhóm cấu trúc trên mạch chính, thông thường như orthophtalic, isophtalic, terephtalic, clorendic, bisphenol-fumarate và dicyclopentadien

 Nhựa orthophtalic: hay loại nhựa thông thường, trên cơ sở anhydric phtalic (AP), anhydric maleic (AM) và propylen glycol (PG) Hai nhóm axit của AP ở vị trí 2 carbon nằm cạnh nhau trên vòng thơm sẽ rất khó để tổng hợp được sản phẩm có khối lượng phân tử (KLPT) cao, nhựa sản xuất từ AP có tính ổn định nhiệt thấp và kháng hoá chất kém hơn so với khi sử dụng isophtalic hay terephtalic

 Nhựa isophtalic: người ta thay thế AP bằng axit isophtalic đế tạo nhựa có KLPT cao hơn, do hai nhóm -COOH ở vị trí được tách riêng bởi C của vòng benzen nên tạo điều kiện hình thành mạch dài hơn Nhựa tạo thành có độ bền lớn, kháng nhiệt, dẻo dai và độ đàn hồi lớn hơn, cải thiện các tính chất so với nhựa đi từ AP

 Nhựa terephtalic: UPE được tổng hợp từ axit terephtalic với mong muốn cải thiện các tính chất của nhựa giống như việc đã thay thế AP bằng axit isophtalic Tuy nhiên, trường hợp này không xảy ra, nhựa terephtalic chỉ xuất hiện một ưu điếm nhỏ về nhiệt độ gây biến dạng lớn hơn loại nhựa isophtalic, các tính chất quan trọng khác như modul, độ cứng, độ bền hoá chất thiên về nhựa isophtalic Axit

terephtalic có độ hoà tan và khả năng phản ứng thấp, nó đòi hỏi phải sử dụng xúc tác hoặc áp lực nén khi sản xuất nhựa thương mại Nếu không đủ các điều kiện trên, thời gian tổng hợp nhựa UPE terephtalic có thể kéo dài hơn đến 3 lần so với thời gian tổng hợp nhựa đi từ isophtalic Với kết quả như vậy, các nhà nghiên cứu hướng đến terephtalate từ sợi PET đã qua sử dụng hoặc phế thải từ quá trình sản xuất nhựa PET Nguồn nguyên liệu thải này được đề polymer hoá bởi PG tại nhiệt độ cao Sản phẩm thuỷ phân sau đó cho phản ứng với AM rồi hoà tan vào styren để sản xuất loại UPE terephtalic có hiệu quả về mặt kinh tế

 Nhựa Bisphenol A-fumarate: là loại UPE cứng sản phẩm của quá trình ngưng tụ propoxylate (do bisphenol A phản ứng với propylenol) với axit fumaric Cấu trúc bisphenol tạo cho loại nhựa đặc biệt này có độ cứng, tính ổn định nhiệt và bền ứng suất

 Nhựa Clorendic: là nhựa UPE độc nhất trên cơ sở axit HET (hexaclorocyclopentadien) hoặc anhydric của nó Khi axit này tác dụng với polyol như neopentyl glycol sẽ cho sản phẩm có độ cứng vượt trội, đặc biệt với tính ổn định nhiệt và chịu môi trường oxi hoá Sự có mặt của các nhóm clo sẽ hấp thụ gốc tự do tạo cho nhựa khả năng chống bắt lửa cực tốt

Khi có mặt Co2+ thì xảy ra phản ứng

 Các gốc tự do kết hợp với styren hoặc polymer để tạo thành trung tâm hoạt động

 Giai đoạn phát triển mạch

 Giai đoạn ngắt mạch: giai đoạn này xảy ra chủ yếu theo cơ chế tái hợp gốc

Khi sử dụng styren kết hợp với các chất khơi mào để đóng rắn UPE thì xảy ra các phản ứng sau:

Sau khi đóng rắn thì nhựa thu được có tính chất cơ lý khá cao Yêu cầu đối với monomer styren:

 Khả năng tương hợp với UPE cao

 Khả năng tự trùng hợp thấp và đồng trùng hợp với nối đôi của UPE cao

 Phổ biến, ít độc hại, mùi nhẹ

 Độ bay hơi thấp, khả năng bắt cháy thấp

 Giá thành phù hợp

2.2 Tổng quan về vật liệu kháng cháy

2.2.1 Sự cháy vật liệu polymer và composite

Vật liệu Polymer và composite ngày nay được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống, tuy nhiên chúng có xu hướng dễ bắt lửa và mang một nguy cơ cháy lớn Cháy là sự hủy hoại do oxy hóa của một vật liệu dễ cháy Quá trình này đi kèm với việc giải phóng nhiệt và năng lượng ánh sáng Tính dễ cháy thường đề cập đến khuynh hướng của một chất dễ bắt lửa và bị thiêu hủy nhanh bằng ngọn lửa Để đánh giá được cơ chế chống cháy của các vật liệu composite polymer khác nhau, trước tiên cần hiểu cơ chế đốt Ba yếu tố chính tạo nên sự cháy bao gồm: chất gây cháy, chất cháy và phần năng lượng kích thích ban đầu cho sự cháy (nhiệt, oxy và vật liệu cháy hoặc nhiên liệu) Nếu thiếu một trong ba yếu tố trên thì sự cháy sẽ không thể xảy ra

Khí và chất lỏng dễ bay hơi là các phân tử nhỏ được giữ bởi các liên kết thứ cấp (<1kJ/kg) Những hợp chất dễ bay hơi này tạo thành hỗn hợp dễ cháy với không khí và cháy với tốc độ cao Polymer là hợp chất có trọng lượng phân tử lớn với lực liên phân tử và nội phân tử cao, cần phải phá vỡ các liên kết này mới có thể gây ra sự cháy polymer Quá trình này đòi hỏi một lượng lớn và liên tục năng lượng nhiệt cung cấp để đốt cháy và duy trì sự cháy Khi nhiệt được áp dụng trên bề mặt bất kỳ, nhiệt độ của bề mặt tăng lên và dần dần đạt đến nhiệt độ phân huỷ (TP) của nó Ở nhiệt độ này vật liệu này sinh ra một số chất cô đặc dạng lỏng, than và một số loại khí dễ cháy và không dễ cháy Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, cuối cùng đến nhiệt độ cháy (Tc) nơi mà các khí dễ cháy này kết hợp với oxy và tạo ra một lượng lớn ánh sáng, nhiệt và khói Nhiệt được tạo ra bởi sự đốt cháy, giúp duy trì tiếp tục chu kỳ này Đốt cháy có

thể chia thành các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong từng pha riêng biệt: pha khí, pha hỗn hợp (bề mặt giao giữa pha khí và pha ngưng tụ trong suốt quá trình cháy) và pha ngưng tụ (lỏng/ rắn) [1]

Hình 2.1 Sự cháy của vật liệu polymer

Vấn đề về sự cháy của các loại vật liệu polymer không phải là chúng dễ bị đốt cháy như thế nào mà là làm thế nào để giảm khả năng cháy cho chúng Các cách

thường dùng để làm giảm khả năng cháy của polymer:

 Bằng cách giảm nhiệt độ xuống mức cần thiết cần để duy trì sự cháy, tạo ra các chất khí làm giảm nồng độ oxy hoặc các lớp than như một

rào cản ngăn sự truyền nhiệt (‘a’)

 Bằng cách cô lập ngọn lửa (‘b’)

 Bằng cách đưa vào các hợp chất mà sẽ giải phóng các nguyên tử chlorine hoặc bromin nếu polymer được nóng đến gần nhiệt độ cháy Clo và các nguyên tử brom đặc biệt là rất chất ức chế ngọn lửa hiệu quả

(‘c’)

 Bằng cách giảm lưu lượng nhiệt trở lại polymer để ngăn không cho sự nhiệt phân tiếp tục diễn ra Điều này có thể đạt được bằng cách đưa vào

một số chất tản nhiệt (‘d’)

Hình 2.2 Nguyên tắc làm giảm khả năng cháy của polymer 2.2.2 Cơ chế kháng cháy cho polymer và composite

Để giảm khả năng cháy của vật liệu polymer và composite theo 4 nguyên tắc

đã trình bày ở trên, người ta thường sử dụng các hợp chất có khả năng sau:

 Thứ nhất, bằng cách kết hợp các chất hấp thu nhiệt như các hydroxit kim loại khi tiếp xúc với nhiệt và do đó các hóa chất này ngăn nhiệt độ đạt được nhiệt độ phân huỷ của vật liệu composite Các chất thường dùng: Magnesium hydroxide, Aluminium hydroxide, alumina

trihydrate, calcium carbonate…

 Thứ hai, bằng cách tạo ra nhiều sản phẩm phụ không cháy tạo lớp than trên bề mặt trong phản ứng nhiệt phân Lớp than hoạt động như một rào cản vật lý cản trở sự truyền nhiệt và khối lượng giữa pha khí và pha

loãng Cơ chế này được gọi là cơ chế pha rắn Các chất thường dùng:

muối Phosphate

 Thứ ba, phương pháp này được gọi là cơ chế pha khí (hiệu ứng pha loãng) Trong trường hợp này trong quá trình đốt cháy, các chất kháng cháy sinh ra nhiều chất khí không dễ cháy làm giảm nồng độ oxy hiệu dụng trong khu vực ngọn lửa và do đó hoạt động như một chất kháng cháy Các chất thường dùng: các hợp chất mang nhóm Halogen [2-4],

các hợp chất mang nhóm Amine

 Thứ tư, kết hợp các cơ chế kháng cháy lại với nhau, vừa tạo ra một lớp than bao bọc lấy bề mặt vật liệu, ngăn cản sự truyền nhiệt và khối lượng giữa pha khí và pha loãng, vừa tạo ra một lớp khí khó cháy bao bọc lấy

vùng cháy [5], [6], [7]

Hình 2.3 Cơ chế kháng cháy

Hình 2.3 cho thấy sơ đồ của chu kỳ đốt và phương pháp tiếp cận khả năng chống cháy cho vật liệu composite Quá trình cháy của bất kỳ vật liệu nào đòi hỏi ba thành phần: nhiệt, oxy và vật liệu đốt hoặc nhiên liệu Khi nhiệt được áp dụng trên bất kỳ chất nền nào, nhiệt độ của chất nền tăng lên và dần dần đạt tới nhiệt độ nhiệt phân của nó Ở nhiệt độ này, vật liệu tạo ra một số chất lỏng, chất lỏng và các chất khí dễ cháy và không cháy Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên, cuối cùng nhiệt độ đốt cháy đến nơi các loại khí dễ cháy này kết hợp với oxy và tạo ra lượng lớn ánh sáng, nhiệt và khói Nhiệt được tạo ra bởi quá trình đốt cháy, giúp tiếp tục chu kỳ này

Bảng 1.1 Các hợp chất chống cháy và cơ chế chống cháy

Tính chất hóa học

Ví dụ về chất chống cháy Cơ chế làm việc

Oxit kim loại và hydroxit

Magnesium hydroxit, Nhôm hydroxit, alumina trihydrat, canxi cacbonat

Tản nhiệt

Boron Axit boric, borax, borat Zink, boron

phosphate Bằng cách tạo lớp cách ly

Hợp chất halogen

TCPA, TBPA, ete diphenyl polybrominated, biphenyl polybrominated

Pha khí

Dựa trên hợp

chất photpho THPC Giai đoạn ngưng tụ

Hợp tác P/N, Halogen/Antimon tri-oxit, P/ halogen

Chất chống cháy của hợp chất sơ cấp được tăng

cường bởi sự có mặt của một chất nào đó

Dựa vào tính trương

Acid donor (axit photororic,

ammonium polyphosphate), tác nhân carbon hóa (pentaerythritol), tác nhân bowling (melamine, urê)

Cả hai trong giai đoạn khí và ngưng tụ

2.3 Giới thiệu về chất kháng cháy sử dụng 2.3.1 Cao su Clo hóa (CR)

Cao su clo hóa (Cao su Polychloroprene hay CR) là hợp chất chống cháy chứa

nguyên tố halogen (Clo) cho hiệu quả chống cháy tốt Tên IUPAC : 2-Clo-1,3-butadien

Công thức hóa học:

CR được tạo ra bởi sự polymer hóa ở dạng nhũ tương, trong đó có các thể ở dạng sau:

Cis - 1,4 addition trans - 1,4 addition

Cao su CR có tính cách điện tương đối Nhưng vì mức kháng lão hóa, thời tiết tốt, cao su CR thường được sử dụng như lớp bọc ngoài cách điện bảo vệ cho tất cả dãy điện áp Đặc biệt, nó kháng với sự phóng điện corona điện áp cao, tác động này gây nên sự cắt bề mặt nghiêm trọng, cháy ở nhiều loại vật liệu đàn hồi khác

Ở nhiệt độ hoạt động tối đa 93o C, cao su CR tiếp tục duy trì các tính chất vật lý tốt trong thời gian dài Khi nhiệt độ cao hơn, hư hỏng do nhiệt chủ yếu từ quá trình làm cứng sản phẩm và mất đi tính tưng nảy Tính năng của các sản phẩm neoprene ít thay đổi khi nhiệt độ xuống tới -18o C

Cơ chế kháng cháy của cao su clo hóa hoạt động trên cơ sở hóa học, hoạt động dựa trên cơ chế tạo ngưng tụ tạo pha khí, trong quá trình đốt cháy, các hóa chất kháng cháy giải phóng nhiều khí dễ cháy hơn dẫn đến giảm nồng độ oxygen hiệu quả trong vùng lửa Khi cháy thì cao su clo hóa sẽ phân hủy ra phân tử khí Cl2 trên bề mặt vật

liệu, khí Cl2 sẽ làm giảm đi nồng độ oxygen trong vùng lửa, không duy trì được sự cháy nên sẽ làm tốc độ cháy của ngọn lửa giảm dần và tắt hẳn

Với X là các chất halogen brom, clo, flo,…

Các hợp chất kháng cháy mang nhóm Halogen cũng được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới

Vào năm 2002, bài review về sự phát triển của vật liệu polymer halogen chịu lửa trên tạp chí Progress in Polymer Science của tác giả SY Lu, I Hamerton cho thấy việc ứng dụng của hợp chất phụ gia halogen vào vật liệu polymer có hiệu quả cao [8]

Năm 2014, bài báo của Jalil R Ugal, Zahraa Q Mahdi trên tạp chí Baghdad

Science Journal đã cho thấy khả năng phân tán cao su clo hóa phân tán trong hệ nhựa

UPE có thể lên đến 15% hàm lượng CR [12]

Năm 2014, Mahadev Bar, R Alagirusamy và Apurba Das đã nghiên cứu đã đưa ra các lý thuyết về cơ chế kháng cháy của các loại phụ gia kháng cháy để từ đó

kết hợp chúng với nhau tạo ra hợp chất kháng cháy ưu việc trong đó có sự kết hợp của hợp chất halogen và zeolit mang đến hiệu quả rất cao [2]

Qua các công bố trên, có thể thấy Cao su Clo hóa rất phù hợp để sử dụng làm chất kháng cháy trong composite nhựa Polyester không no và sợi thủy tinh Các hợp chất Halogen khác như Brom, Iodine thường không được sử dụng nhiều trong composite nhựa polyester và sợi thủy tinh vì khả năng tương hợp của chúng với nhựa Polyester khá kém Tuy nhiên, tác chất này luôn cần dùng song song với một hợp chất khác vì hiệu quả kháng cháy không quá cao

2.3.2 Diamonium Hydrogen Phosphat (DAP)

Diamonium hydrogen phosphate (DAP) là một trong những hợp chất chống cháy phi halogen cho hiệu quả chống cháy tốt, thân thiện với môi trường và đặc biệt là ít sinh ra khói và khí độc trong quá trình cháy

Hợp chất Diamonium Hydrogen Phosphat, dưới tác dụng của nhiệt độ, DAP phân hủy nhiệt cho ra sản phẩm NH3 và H2O, tạo hiệu ứng pha loãng và hình thành lớp rắn P4O10 trên bề mặt polymer ngăn chặn nhiệt và oxygen tiếp xúc với bên trong vật liệu đồng thời ngăn cản sự thoát ra của các sản phẩm cháy và ngăn không cho bề mặt polymer tiếp tục bị đốt nóng [13], [14], [15] Quá trình phân hủy nhiệt của DAP bao gồm các phản ứng sau:

Bài báo của L.L Pan, G.Y Li, Yingchao Su, Jianshe Lian trên tạp chí Polymer Degradation and Stability năm 2012 cũng phân tích cho kết quả đánh giá sự chống cháy của ammonium polyphosphate trong nhựa polyester không no [16]

Tuy nhiên, tác chất kháng cháy này vẫn có nhiều khuyết điểm khi sử dụng trong composite nhựa polyester không no và sợi thủy tinh, đó là khả năng tương hợp và khuấy trộn khó khăn Không thể đưa lượng lớn vào composite do chúng sẽ làm suy giảm tính chất cơ lý của composite ban đầu

2.4 Các phương pháp đánh giá vật liệu 2.4.1 Phương pháp đo độ nhớt Brookfield

Theo tiêu chuẩn ASTM- 2393 nhằm xác định độ nhớt của hỗn hợp nhựa Nhớt kế Brookfield là thiết bị thường được sử dụng để xác định độ nhớt của các dung dịch polymer Nhớt kế này đo độ nhớt dựa vào lực liên kết giữa các phân tử polymer trong dung dịch của nó Nhớt kế có bảy đầu dò tương ứng với các dung dịch polymer có độ nhớt từ 20÷ 3000cp

Tùy vào mẫu cần đo ta chọn đầu đo phù hợp Lấy đầu đo lắp vào nhớt kế Mẫu cần đo được chứa trong cốc đủ để có thể làm ngập vạch chuẩn của đầu đo Mở máy để đo độ nhớt Máy có nhiều tốc độ quay như: 50, 100… Tùy khả năng quan sát và độ chính xác mà ta chọn tốc độ quay phù hợp Độ nhớt của mẫu đo bằng giá trị hiển thị trên nhớt kế nhân với hệ số của đầu dò tương ứng với tốc độ quay của dầu dò

Đầu tiên ta rót nhựa vào cốc sao cho nhựa ngập vừa đúng vạch tiêu chuẩn trên kim Sau đó để kim quay ổn định trong 2 phút hoặc 10-12 vòng Khi kim đã quay ổn định, ta bấm nút dừng trên máy và đọc chỉ số trên đồng hồ

Ứng với loại kim được chọn, chế độ quay được chọn, ta sẽ có 1 hệ số f ( tra bảng kèm theo máy) Độ nhớt của mẫu chính là tích của f và s

V=f x s (cps)

Hình 2.4 Nhớt kế Brookfield

2.4.2 Phương pháp đo nhiệt độ và thời gian trong quá trình đóng rắn

Thời gian đóng rắn và nhiệt độ tỏa ra trong quá trình đóng rắn đo theo tiêu chuẩn ASTM D2471

Số lần đo: 3 lần

Dụng cụ đo:

Nhiệt kế 3000C - Cốc nhôm (thể tích > 200ml) - Giá đỡ

- Đũa thủy tinh

Hình 2.5 Hình dạng mẫu

cho tới khi nhiệt độ bắt đầu giảm xuống

2.4.3.1 Phương pháp đo độ bền uốn

Ứng suất uốn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D790

Máy đo cơ tính hiệu Lloyd 30K, phòng đo cơ tính Trung tâm vật liệu Polymer

Điều kiện đo:

 Số lượng mẫu thử: 3 mẫu

 Điều kiện nhiệt độ: Nhiệt độ khoảng 280C  Khoảng cách gối đỡ: L=160 mm

 Vận tốc uốn: 5 mm/phút

Hình 2.6 Mô hình mẫu đo ứng suất uốn

Ứng suất uốn: 𝜎𝑢 =2𝑏𝑑3𝐹𝐿2  F: lực cực đại

 L: khoảng cách gối đỡ = 160 mm  B: chiều rộng ( ≈ 30 𝑚𝑚)  D: chiều dày ( tùy mẫu)

Modulus uốn: 𝐸𝑢 =4𝑏𝑑𝐿3𝑚3 Với 𝑚 = 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 = 𝑃2−𝑃1𝑥2−𝑥1

2.4.3.2 Phương pháp đo độ bền kéo

Độ bền kéo của vật liệu có thể được xác định theo tiêu chuẩn D638 hoặc ISO 3039 trên máy đo cường lực vạn năng

Xác định độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 3039 hay D638:

Hình 2.7 Mẫu thử độ bền kéo

A: kích thước toàn bộ: 150mm

B: chiều rộng tại hai đầu: 20 ± 0.5 mm

C: chiều dài của phần hẹp song song: 60 ± 0.5 mm b: chiều rộng mẫu: 10 ± 0,5 mm

h: chiều dày mẫu

H: khoảng cách ban đầu giữa 2 ngàm kẹp: 115 ± 5 mm Vận tốc kéo: 5 mm/ phút

Điều kiện kiểm tra: ở nhiệt độ phòng Phân tích mẫu:

Ứng suất kéo được tính:

bhFk 

Module kéo được tính:



Hình 2.8 Đồ thị ứng lực của mẫu khi chịu kéo

2.4.4 Phương pháp đo độ cháy

Có nhiều phương pháp nhằm đánh giá khả năng kháng cháy của vật liệu composite, trong đó phương pháp xác định vận tốc cháy Underwriters Laboratory (94) (theo ASTM D 635) là được sử dụng rất phổ biến

Mô hình phép thử như sau:

Hình 2.9 Mô hình phương pháp đánh giá khả năng kháng cháy của vật liệu

composite

Fmax F

x xA

Ổn định mẫu Biến dạng đàn hồi

Tiêu chuẩn yêu cầu khắc khe về nhiên liệu cháy, ngọn lửa và điều kiện môi trường Phải đảm bảo ngọn lửa xanh, ổn định, cao 20 mm Buồng đốt phải có hệ thống hút khí nhằm loại bỏ khói bay ra trong quá trình thử nghiệm

Kết quả thu được sau khi đó là vận tốc lan truyền ngọn lửa trên vật liệu, đồng thời ta quan sát được diễn biến của sự cháy trên vật liệu Đây là cơ sở để đánh giá khả năng kháng cháy của vật liệu

Mẫu đo theo chuẩn ASTM D635 có kích thước tương ứng là 12.5 – 12.7 – 3.0 mm và phân loại các mức như sau:

 Loại 1: mẫu tắt trong vòng 10 s và không nhỏ giọt trong quá trình cháy

 Loại 2: mẫu tắt trong vòng 30 s và không nhỏ giọt trong quá trình cháy

 Loại 3: mẫu tắt trong vòng 30 s và cho phép nhỏ giọt trong quá trình cháy

 Loại 4: mẫu đạt tiêu chuẩn HB

Tiêu chuẩn ASTM D 635 cũng quy định về sự phân loại vật liệu có khá năng kháng cháy, ký hiệu HB Vật liệu đạt mức HB khi phù hợp một trong các yêu cầu sau:

 Không có dấu hiệu của sự cháy sau khi ngừng đốt (>30 s)

 Sau khi ngừng đốt mẫu cháy nhưng không vượt quá vạch 25 mm đầu tiên

 Ngọn lửa tắt trong khoảng 25-100 mm

 Vận tốc cháy < 40 mm/phút.ng của môi trường

Hình 2.10 Thiết bị kiểm tra khả năng cháy của polymer theo tiêu chuẩn UL94