Tóm tắt luận án Nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh và nanoclay

A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học luận án Vật liệu nano lĩnh vực nghiên cứu quan tâm nhiều thời gian gần Điều thể công trình khoa học, phát minh sáng chế số công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng nhanh chóng Nhiều trường Đại học, Viện nghiên cứu, Trung tâm nghiên cứu công ty lớn tập trung nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ nano với mục đích tìm loại vật liệu ứng dụng lĩnh vực như: chế tạo công cụ hỗ trợ cho lực lượng Công an (áo giáp chống đạn, khiên chống đạn, khiên chống va đập, chắn chống đạn, chắn chống va đập…), chế tạo vật liệu chịu môi trường ăn mòn hóa chất, chất lỏng xâm thực… Nhựa epoxy loại vật liệu ứng dụng rộng rãi nhiều ngành kỹ thuật nhờ tính chất ưu việt khả bám dính cao với nhiều loại vật liệu khác, trơ với nhiều hóa chất ăn mòn, co ngót đóng rắn Tuy nhiên, có số nhược điểm giòn, chịu va đập Vì vậy, nghiên cứu cải thiện tính chất epoxy vật liệu cho compozit phát triển mạnh mẽ Một hướng nghiên cứu phát triển mạnh gần đưa vào epoxy chất độn nano có nanoclay Nanoclay loại phụ gia sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu polyme-nanocompozit Nhờ khả đem lại cải thiện nhiều tính chất với hàm lượng nhỏ, vật liệu nanocompozit chứa nanoclay sử dụng rộng rãi thị phần tiếp tục tăng lên Việc đưa nanoclay vào epoxy làm cải thiện nhiều tính chất vật liệu Chẳng hạn độ bền dai độ dai phá hủy tăng rõ rệt Mức độ thấm nước nanocompozit epoxy-nanoclay giảm mạnh Hệ epoxynanoclay sử dụng cho compozit cốt sợi (FRP) cho thấy nanoclay có ảnh hưởng tích cực đến tính chất FRP Compozit epoxy-nanoclay gia cường sợi cacbon (CFRP) có độ bền mỏi cao hệ CFRP epoxy nguyên sinh tới 74% Độ bền nén CFRP tăng lên sử dụng hệ epoxy-nanoclay chế phá hủy chuyển từ giòn sang tách lớp dẻo Ở Việt Nam hướng nghiên cứu, chế tạo chế tạo vật liệu nanocompozit sở nhựa epoxy nanoclay triển khai nghiên cứu nhiều đơn vị như: Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Kỹ thuật Hóa Sinh Tài liệu nghiệp vụ Bộ Công an… Các công trình nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nanoclay làm tăng cường số tính chất vật liệu nanocompozit sở epoxy-nanoclay so với nhựa epoxy Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu cách hệ thống nâng cao khả ứng dụng vào thực tiễn vật liệu nanocompozit sở epoxy-nanoclay Luận án góp phần làm rõ ảnh hưởng nanoclay I28E đến cải thiện tính chất - lý hệ nhựa epoxy đóng rắn nóng MHHPA Trên sở chế tạo vật liệu compozit epoxynanoclay gia cường sợi thủy tinh với tính chất học, bền môi trường vượt trội so với vật liệu compozit epoxy - sợi thủy tinh Mục tiêu luận án - Làm rõ ảnh hưởng nanoclay đến tính chất nhựa epoxy tương tác epoxy-clay sợi thủy tinh - Chế tạo vật liệu compozit epoxy-nanoclay gia cường sợi thuỷ tinh Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu epoxy nanoclay - Nghiên cứu tính chất hệ epoxy-nanoclay đóng rắn MHHPA - Chế tạo vật liệu compozit từ vật liệu epoxy sợi thủy tinh - Khảo sát tính chất compozit sở epoxy-nanoclay gia cường sợi thủy tinh Đóng góp luận án - Đã làm sáng tỏ ảnh hưởng tích cực nanoclay I28E đến tính chất học nhựa epoxy DER 331- nanoclay I28E - Dựa kết nghiên cứu độ bám dính sợi thủy tinh – nhựa epoxy có nanoclay khả chống lại phát triển vết nứt nanoclay hệ vật liệu nanoclay-epoxy compozit giải thích cách hợp lý vượt trội tính chất học hệ vật liệu so với hệ vật liệu nanoclay Cấu trúc luận án Luận án có khối lượng 130 trang, gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan 41 trang; chương 2: Nguyên vật liệu phương pháp nghiên cứu trang; chương 3: Kết thảo luận 67 trang 114 tài liệu tham khảo B NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu - Nhựa epoxy DER-331 hãng Dow Chemicals (Mỹ) - Chất đóng rắn anhydrit 4–metylhexahydrophtalic (MHHPA) công ty Jiaxing Alpharm (Trung Quốc) - Chất xúc tác đóng rắn 1-metylimidazol (NMI) hãng BASF (Singapo) - Nanoclay I28E hãng Nanocor (Mỹ) sử dụng chất biến tính trimetyl stearyl amonium chiếm 35% - Sợi thủy tinh dùng luận án loại WR 360 Trung Quốc Đây loại thủy tinh E, có khối lượng diện tích 360 g/m2, độ ẩm 4,5% 2.2 Phƣơng pháp chế tạo 2.2.1 Phương pháp chế tạo nhựa Trộn nhựa epoxy DER-331 (có nanoclay) với chất đóng rắn MHHPA xúc tác NMI theo tỷ lệ nghiên cứu Mẫu nhựa đổ vào khuôn định hình phù hợp cho việc xác định tính chất học (năng lượng phá hủy K IC, độ bền kéo, nén, uốn, va đập) theo tiêu chuẩn Trước đổ mẫu, khuôn làm chống dính 2.2.2 Phương pháp khuấy học phân tán nanoclay vào nhựa epoxy Trước bắt đầu trình khuấy, nanoclay sấy 130oC kết hợp hút chân không thời gian để loại bỏ ẩm Quá trình phân tán nanoclay vào nhựa epoxy tiến hành sau: trộn nanoclay vào nhựa epoxy, ủ 24 tủ sấy nhiệt độ 80oC, sau tiếp tục khuấy học - 10 với tốc độ khuấy khoảng 2000 vòng/phút Hỗn hợp sau khuấy học rung siêu âm khoảng thời gian - 10 máy rung siêu âm ultrasonic clearner DC400H – mrc 2.2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit epoxy/sợi thủy tinh phương pháp ép nóng khuôn Nhựa epoxy epoxy-nanoclay chế tạo theo mục 2.2.1 Vải thủy tinh cắt thành hình chữ nhật có kích thước (150x200) mm sau đặt lớp vào khuôn đổ nhựa lên Phân bố nhựa cho thấm vào vài ru lô chổi lông Tấm compozit chế tạo mẫu tùy theo kích thước yêu cầu thử nghiệm Khuôn sau lăn ép đóng rắn nóng điều kiện khảo sát 2.3 Phƣơng pháp đặc trƣng tính chất 2.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel Hàm lượng phần gel nhựa epoxy DER-331 đóng rắn MHHPA có mặt xúc tác NMI nanoclay I28E sở để đánh giá mức độ đóng rắn nhựa Sử dụng dung môi axeton trích ly 0,1 ÷ 0,2g nhựa epoxy DER-331 đóng rắn MHHPA có xúc tác NMI nanoclay I28E thiết bị soxhlet nhằm hòa tan phần khối lượng chất chưa đóng rắn tạp chất khác Từ xác định hàm lượng phần khối lượng vật liệu đóng rắn Hàm lượng phần gel (%) xác định theo công thức sau: Gn = (g2 - g0 ) (g1 - g0) 100 % Trong đó: g0 khối lượng giấy lọc khô (g); g1 khối lượng giấy lọc khô + mẫu trước trích ly (g); g2 khối lượng giấy lọc khô + mẫu sau trích ly (g) G: hàm lượng phần gel (%) 2.3.2 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X Khoảng cách sở d nanoclay I28E chưa phân tán sau phân tán vào nhựa epoxy DER-331 đóng rắn MHHPA có mặt xúc tác NMI xác định XRD Mẫu vật liệu nanoclay I28E dạng bột mịn, nhựa DER-331nanoclay/MHHPA/NMI chế tạo dạng khối mặt nhẵn Nguồn phát xạ xạ CuK, điện 40 kV, cường độ 30 mA, góc 2 0,50 -100 Khoảng cách sở (d) lớp nanoclay, mặt tinh thể xác định theo định luật Bragg: n = 2d.sin Trong đó:  bước sóng tia X (0,154 nm); n số đặc trưng cho mức độ nhiễu xạ;  góc chùm tia đến mặt phẳng mạng tính thể 2.3.3 Phương pháp xác định độ hấp thụ môi trường thử nghiệm lỏng Độ hấp thụ chất lỏng (nước, dung dịch axit HCl 10% dung dịch NaOH 10%) nhựa vật liệu compozit xác định theo tiêu chuẩn ASTM D5229/D5229M-92 (2004) Độ hấp thụ môi trường thử nghiệm lỏng M (%) tính theo công thức: Wi - W0 100% M = W0 Trong đó: W0 khối lượng mẫu ban đầu (g); Wi khối lượng mẫu ngâm môi trường sau khoảng thời gian xác định (g) 2.3.4 Phương pháp xác định hệ số khuếch tán nước Hệ số khuếch tán Dz (cm2/s) xác định theo tiêu chuẩn ASTM D5229/D 5229M-92 (2004) 2.3.5 Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield Độ nhớt Brookfield xác định theo tiêu chuẩn DIN 53018 Phép đo thực máy nhiệt kế Brookfield Mỹ 2.3.6 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua Mẫu vật liệu epoxy- nanoclay I28E cắt mỏng môi trường nitơ lỏng sau đưa vào chụp với hiệu điện gia tốc 80 kV, độ phóng đại 100.000 lần Thực thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua GAM1010 hãng JEOL (Nhật Bản) 2.3.7 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét Để nghiên cứu bề mặt phá hủy vật liệu dùng phương pháp: kính hiển vi điện tử quét (SEM) thiết bị hiển vi điện tử quét phân giải cao Model JSM 7600F; hãng JEOL độ phóng đại khác Mẫu phủ lớp mỏng platin trước quan sát kính hiển vi điện tử 2.3.8 Phương pháp phân tích phổ tán sắc lượng tia X Thành phần nguyên tố hóa học epoxy-nanoclay xác định thiết bị Detector phân tích phổ tán sắc lượng tia X (EDS) Model X-Max-50, hãng Oxford Instruments (Anh) 2.3.9 Phương pháp chụp phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại nanoclay I28E, nhựa epoxy, nhựa epoxynanoclay I28E thực thiết bị Nicolet 6700, Thermo, Mỹ với dải sóng từ 4000 – 500 cm-1 2.3.10 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng Khả chịu nhiệt đánh giá phân tích nhiệt khối lượng TGA Môi trường thử nghiệm khí nitơ, tốc độ tăng nhiệt 10 K/phút, nhiệt độ khảo sát 25 – 700oC 2.3.11 Phương pháp xác định tính chất - nhiệt động Mẫu xác định tính chất nhiệt động xác định thiết bị phân tích - động - lực DMA-8000 hãng Perkin Elmer (Mỹ) Cách đo: Uốn đơn (single cantilever bending), quét theo thời gian nhiệt độ, dải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 200oC, tốc độ nâng nhiệt 3oC/phút, tần số dao động 1Hz 2.3.12 Phương pháp xác định độ lão hóa nhiệt Vật liệu compozit thử nghiệm độ bền lão hóa nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM D3045-92 (2003) Các mẫu vật liệu compozit chế tạo mẫu để xác định tính chất học sau thử nghiệm độ bền lão hóa nhiệt 155oC khoảng thời gian 48 - 768 theo mức D tiêu chuẩn Sau khoảng thời gian thử nghiệm, mẫu xác định tính chất học để đánh giá suy giảm 2.3.13 Phương pháp xác định tính chất vật liệu sau thử nghiệm môi trường nước Các mẫu vật liệu compozit epoxy - sợi thủy tinh chế tạo mẫu để xác định tính chất học sau ngâm môi trường chất lỏng theo khoảng thời gian khảo sát Tính chất học vật liệu xác định sau khoảng thời gian khảo sát để đánh giá suy giảm 2.4 Phƣơng pháp thử nghiệm tính chất 2.4.1 Phương pháp xác định cường độ ứng suất tới hạn vật liệu Cường độ ứng suất tới hạn KIC vật liệu theo tiêu chuẩn ISO 13586 (2000) máy LLoyd 500 N (Anh) mẫu đo uốn điểm có khía hình chữ V (SENB), tốc độ đặt lực 10 mm/phút 2.4.2 Phương pháp xác định độ bền uốn Độ bền uốn xác định theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 máy Instron 5582-100 kN, tốc độ uốn mm/phút 2.4.3 Phương pháp xác định độ bền kéo Độ bền kéo xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1:2012 máy Instron 5582-100 kN, tốc độ kéo mm/phút 2.4.4 Phương pháp xác định độ bền va đập Độ bền va đập theo tiêu chuẩn ISO 179:2010 máy Radmana ITR-2000 (Úc), tốc độ 3,5 m/giây 2.4.5 Phương pháp xác định độ bền nén Độ bền nén xác định theo tiêu chuẩn ISO 604:2002 máy Instron 5582-100 kN, tốc độ nén mm/phút 2.4.6 Phương pháp xác định độ bền mài mòn Độ bền mài mòn theo tiêu chuẩn ISO 9352:2012 máy Taber Type Abrasion Tester hãng Chun Yen testing Machines Co.ltd, bánh mài CS10, số chu kỳ 1000 Độ bền mài mòn xác định theo công thức: M = m0 - ms Trong đó: M: độ mài mòn (mg); m0: khối lượng ban đầu (mg); ms: khối lượng sau mài 1000 vòng (mg) 2.4.7 Phương pháp xác định độ bền liên kết sợi nhựa Độ bám dính sợi thủy tinh với nhựa epoxy (có nanoclay nanoclay) đo máy LLOYD 500 N Anh, tốc độ kéo mm/phút 2.4.8 Phương pháp xác định độ bền dai phá hủy tách lớp vật liệu Độ bền dai phá hủy tách lớp vật liệu xác định theo tiêu chuẩn ASTM D5528-01 2.4.9 Phương pháp xác định độ bền mỏi động Độ bền mỏi động xác định theo tiêu chuẩn ASTM D3479-96 (2007) thiết bị đo MTS 810 (Material Test System 810) Mỹ, lực kéo đặt vào mẫu tương đương 70 % độ bền kéo vật liệu, tần số dao động Hz CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tán nanoclay vào nhựa epoxy 3.1.1 Ảnh hưởng phương pháp phân tán 3.1.1.1 Khuấy học Đã tiến hành chụp phổ XRD nanoclay I28E, kết trình bày hình 3.1 Hình 3.1 Phổ XRD nanoclay I28E Nanoclay đưa vào nhựa epoxy khuấy học với tốc độ 2000 vòng/phút 10 giờ, sau đóng rắn MHHPA Kết chụp phổ XRD xác định khoảng cách sở (d) nanoclay phân tán nhựa epoxy theo thời gian khuấy học trình bày hình 3.2 b a Hình 3.2 Phổ XRD nanoclay I28E sau khuấy học (a) (b) 10 Kết cho thấy có xen kẽ - tách lớp rõ rệt nanoclay 3.1.1.2 Khuấy học kết hợp rung siêu âm Theo nghiên cứu trước ra, muốn nanoclay phân tán tốt nhựa epoxy sau khuấy học phải tiến hành khuấy rung siêu âm Đã tiến hành khảo sát nghiên cứu ảnh hưởng khuấy rung siêu âm theo thời gian rung siêu âm Hỗp hợp nhựa epoxy-nanoclay sau khuấy học 10 tiếp tục khuấy rung siêu âm máy rung siêu âm ultrasonic clearner DC400H – mrc thời gian 10 Kết chụp phổ XRD hỗn hợp nhựa epoxy-nanoclay I28E sau khuấy học kết hợp rung siêu âm biểu diễn hình 3.3 b a Hình 3.3 Phổ XRD nanoclay I28E sau khuấy học 10 tiếng rung siêu âm (a- ; b- 10 ) Theo kết chụp phổ XRD cho thấy hỗn hợp nhựa epoxynanoclay sau khuấy học 10 tiếp tục rung siêu âm khoảng cách sở nanoclay tăng từ 48,66 Å lên 58,72 Å Sau tiếp tục tăng thời gian rung siêu âm lên 10 khoảng cách sở tăng lên 66,41 Å (xấp xỉ 2,5 lần so với ban đầu) Qua thấy rung siêu âm có tác dụng phân tán nanoclay vào nhựa epoxy tốt Trên sở kết nghiên cứu khảo sát nêu rút qui trình phân tán nanoclay vào nhựa epoxy sau: ủ nanoclay vào nhựa epoxy thời gian 24 nhiệt độ 80oC, sau khuấy học hỗn hợp thời gian 10 giờ, hỗn hợp thu tiếp tục khuấy rung siêu âm 10 giờ, điều kiện khoảng cách sở nanoclay I28E thay đổi từ 26,58 Å lên 66,41 Å 3.1.2 Nghiên cứu hình thái cấu trúc nanoclay phân tán nhựa epoxy Để khẳng định nanoclay có cấu trúc bóc lớp phân tán nhựa epoxy chụp ảnh TEM mẫu epoxy-nanoclay Ảnh TEM hỗn hợp epoxy-nanoclay trình bày hình 3.4 Hình 3.4 Ảnh TEM mẫu epoxy-nanoclay I28E - pkl (độ phóng đại X100.000) Kết cho thấy mạch đại phân tử nhựa epoxy chèn vào lớp clay phần lớn lớp clay bị bóc lớp Khi phân tán nanoclay vào nhựa epoxy hạt nanoclay phân tán với cấu trúc dạng xen kẽ - bóc lớp tồn hạt có kích thước vài chục nanomet Kết xác định cấu trúc dạng hạt chụp ảnh SEM hình 3.5 Hình 3.5 Ảnh SEM chụp bề mặt phá hủy epoxy-nanoclay (độ phóng đại X100.000) Như vậy, bên cạnh cấu trúc xen kẽ - bóc lớp, tồn cấu trúc nano dạng tập hợp với kích thước khoảng vài chục nanomet Cƣờng độ ứng suất tới hạn KIC (MPa m1/2) 3.2 Nghiên cứu tính chất hệ epoxy-nanoclay 3.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến tính chất học 3.2.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến thay đổi cường độ ứng suất tới hạn KIC Việc phân tán nanoclay nhựa epoxy nhằm mục đích chế tạo vật liệu nanocompozit có khả giảm phát triển vết nứt vật liệu chịu tác động ngoại lực học Một phương pháp chứng minh hiệu việc ngăn chặn phát triển vết nứt xác định cường độ ứng suất tới hạn KIC vật liệu thu Kết xác định cường độ ứng suất tới hạn KIC với phụ gia nano I28E trình bày hình 3.6 1.5 0.5 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Hình 3.6 Sự thay đổi cường độ ứng suất tới hạn KIC theo hàm lượng nanoclay Theo hình 3.6, cường độ ứng suất tới hạn KIC tăng phân tán nanoclay I28E vào nhựa epoxy đạt giá trị lớn hàm lượng nanoclay I28E phân tán nhựa epoxy pkl, sau tiếp tục tăng hàm lượng nanoclay I28E lên pkl cường độ ứng suất tới hạn giảm dần Điều chứng tỏ đưa nanoclay I28E vào epoxy với hàm lượng thích hợp (khoảng pkl) hạn chế phát triển vết nứt hệ vật liệu chịu tác động ngoại lực Tuy nhiên hàm lượng nanoclay lớn pkl tác dụng ngăn chặn giảm hàm lượng nanoclay lớn tạo thành tập hợp nanoclay lớn dẫn đến khả ngăn chặn phát triển vết nứt giảm 3.2.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ bền kéo vật liệu Tính chất kéo vật liệu đánh giá qua thay đổi: độ bền kéo, mođun kéo, độ giãn dài đứt Kết xác định thay đổi độ bền kéo vật liệu nanocompozit epoxy-nanoclay theo hàm lượng nanoclay thể đồ thị hình 3.7 10 Độ bền kéo (MPa) 80 60 40 20 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Độ bền uốn (MPa) Hình 3.7 Sự thay đổi độ bền kéo theo hàm lượng nanoclay Từ hình 3.7 cho thấy, phân tán hai loại nanoclay vào nhựa epoxy DER 331 độ bền kéo vật liệu tăng rõ rệt Tuy nhiên, mức độ tăng cường tính chất không đồng đều: Sự gia cường tính chất đạt mức độ cao với hàm lượng pkl Với hàm lượng - pkl, độ bền vật liệu giảm cao so với vật liệu epoxy nanoclay Còn hàm lượng nanoclay lên tới pkl, độ bền vật liệu nanocompozit lại thấp epoxy ban đầu Điều giải thích hàm lượng nanoclay pkl phân tán nhựa epoxy tạo nhiều tập hợp hạt nanoclay với kích thước lớn làm cho tác dụng gia cường bị giảm, không tác dụng ngăn chặn phát triển vết nứt tế vi 3.2.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ bền uốn vật liệu Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ bền uốn vật liệu xác định thông qua thay đổi: độ bền uốn, mođun uốn, độ biến dạng uốn vật liệu Kết thể hình 3.8 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Hình 3.8 Sự thay đổi độ bền uốn theo hàm lượng nanoclay Các kết xác định độ bền uốn vật liệu nanocompozit sở nhựa epoxy-nanoclay cho thấy tính chất uốn vật liệu thay đổi mạnh có nanoclay phân tán nhựa epoxy Độ bền uốn tăng mạnh so với nhựa epoxy có - pkl nanoclay phân tán 11 Độ bền va đập (kJ/m2) nhựa epoxy đạt giá trị cao hàm lượng pkl nanoclay Khi tiếp tục tăng hàm lượng nanoclay phân tán nhựa epoxy độ bền uốn giảm mạnh 3.2.1.4 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ bền va đập vật liệu Kết khảo sát độ bền va đập vật liệu nanocompozit trình bày hình 3.9 30 20 10 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Độ bền nén (MPa) Hình 3.9 Sự thay đổi độ bền va đập theo hàm lượng nanoclay Hình 3.9 cho thấy, nanoclay có ảnh hưởng đến thay đổi độ bền va đập tương tự thay đổi độ bền kéo, độ bền uốn Khi hàm lượng nanoclay tăng độ bền va đập tăng mạnh đạt giá trị lớn có pkl nanoclay phân tán nhựa epoxy Nhưng hàm lượng nanoclay tăng – pkl độ bền giảm 3.2.1.5 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến tính chất nén vật liệu Ngoài tính độ bền kéo, bền uốn, bền va đập vật liệu nanoclay có ảnh hưởng đến độ bền nén Kết xác định độ nén vật nanocompozit epoxy-nanoclay trình bày hình 3.10 400 200 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Hình 3.10 Sự thay đổi độ bền nén theo hàm lượng nanoclay Kết mẫu khảo sát, mẫu với hàm lượng nanoclay pkl có độ bền nén cao Trái lại, mẫu có pkl nanoclay có độ bền nhỏ vật liệu epoxy ban đầu Thậm chí, mô đun nén epoxy-nanoclay pkl xấp xỉ 50 % so với epoxy ban đầu, chứng tỏ vật liệu “bở” đáng kể 12 Độ mài mòn (mg) 3.2.1.6 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến khả chịu mài mòn Độ bền mài mòn đặc trưng cho khả chống lại phá hủy bề mặt vật liệu ma sát biến dạng cục Việc đưa nanoclay vào nhựa epoxy cải thiện tính chất cho vật liệu Trong hình 3.11 ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến mức độ mài mòn vật liệu 40 30 20 10 0 Hàm lƣợng nanoclay (pkl) Hình 3.11 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ mài mòn vật liệu Có thể thấy, tính chất học khác, mức độ mài mòn vật liệu epoxy-nanoclay nhỏ hàm lượng nanoclay pkl Nhìn chung, khoảng hàm lượng nanoclay – pkl mức độ mài mòn vật liệu nanocompozit nhỏ vật liệu ban đầu Nhưng hàm lượng nanoclay đạt - pkl độ mài mòn tăng lên, vượt giá trị vật liệu epoxy ban đầu Nguyên nhân cải thiện tính chất có mặt nanoclay tăng cường tương tác nhựa epoxy với phần tử nanoclay trạng thái xen kẽ bóc lớp Ngoài ra, có mặt nanoclay ngăn chặn phá hủy bề mặt epoxy có lực tác dụng từ bên ngoài, ngăn ngừa phát triển vết nứt tế vi Tuy nhiên, hàm lượng nanoclay tăng cao hơn, xuất tập hợp nanoclay vật liệu làm tác dụng gia cường kể giảm Điều phù hợp với kết xác định lượng phát triển vết nứt KIC hệ vật liệu 3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ hấp thụ nước Ở phần nghiên cứu ảnh hưởng nanoclay đến tính chất học hệ epoxy-nanoclay ứng với hàm lượng nanoclay pkl có tính chất học tốt Các giá trị hàm lượng nanoclay cao dẫn đến suy giảm tính chất hình thành tập hợp hạt nhựa epoxy Tuy nhiên, khảo sát độ hấp thụ nước quan sát thấy giảm liên tục độ hấp thụ chất lỏng hàm lượng nanoclay tăng đến pkl 13 Độ tăng khối lƣợng (%) Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nanoclay I28E đến độ hấp thụ nước tiến hành chế tạo mẫu nhựa epoxy-nanoclay I28E, hàm lượng nanoclay phân tán nhựa epoxy từ - pkl Mẫu ngâm nước để xác định thay đổi khối lượng theo thời gian đến đạt trạng thái bão hòa Kết xác định độ hấp thụ nước trình bày hình 3.12 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 nanoclay (pkl) nanoclay (pkl) nanoclay (pkl) nanoclay (pkl) nanoclay (pkl) nanoclay (pkl) 20 40 60 Thời gian ngâm (ngày) Hình 3.12 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến độ hấp thụ nước Kết hình 3.12 cho thấy khoảng 15 ngày mẫu hấp thụ nước mạnh, sau mức hấp thụ giảm dần đến bão hòa Khi hàm lượng nanoclay I28E phân tán nhựa epoxy tăng lên độ hấp thụ nước giảm dần, mức độ hấp thụ nước thật giảm mạnh hàm lượng nanoclay khoảng 4- pkl Sau 45 ngày ngâm độ hấp thụ nước vật liệu đạt trạng thái bão hòa nhựa epoxy 1,28%, vật liệu epoxy-nanoclay chứa: 1- pkl nanoclay I28E có độ hấp thụ nước là: 1,12%; 0,94%; 0,82%; 0,61% 0,46% Mức độ hấp thụ chất lỏng vật liệu nanocompozit giảm dần tất chất lỏng khảo sát cho thấy tạo tập hợp hạt hàm lượng nanoclay tăng khả che chắn compozit có nanoclay tăng Có thể giải thích điều hàm lượng nanoclay lớn, hạt kích thước vài chục nanomet liên kết với nhựa nền, giảm độ linh động mạch epoxy nhờ việc thâm nhập phân tử chất lỏng khó khăn Một nguyên nhân khác làm giảm độ hấp thụ chất lỏng việc đưa nanoclay vào nhựa làm tăng góc thấm ướt chất lỏng nhựa epoxy, nghĩa mức độ kỵ nước vật liệu tăng lên Nhìn chung, đưa nanoclay vào nhựa epoxy độ hấp thụ môi trường vật liệu giảm mạnh, hàm lượng nanoclay tăng độ hấp 14 thụ môi trường giảm Độ hấp thụ nước vật liệu có pkl nanoclay I28E giảm khoảng 3,32 lần so với vật liệu nanoclay 3.2.3 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến tính chất - nhiệt vật liệu 3.2.3.1 Ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến khả chịu nhiệt vật liệu Độ bền nhiệt vật liệu epoxy-nanoclay xác định thông qua mức độ khối lượng tăng nhiệt Kết xác định ảnh hưởng hàm lượng nanoclay đến khả chịu nhiệt vật liệu trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Các nhiệt độ phân hủy vật liệu epoxy-nanoclay Mẫu Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ Mất khối bắt đầu phân hủy phân hủy lượng phân hủy, mạnh nhất, hoàn toàn, Tmax, (%) T0 (oC) Tmax (oC) Te (oC) epoxy 320 415 700 52,991 Epoxy- pkl 360 415 700 46,626 nanoclay I28E Epoxy- pkl 360 415 700 41,537 nanoclay I28E Epoxy- pkl 300 415 700 55,86 nanoclay I28E Có thể thấy nanoclay có ảnh hưởng mạnh đến thời điểm bắt đầu phân hủy: nhiệt độ T0 tăng 40oC đưa nanoclay vào epoxy Độ bền nhiệt tốt quan sát thấy hàm lượng nanoclay pkl với T0 360oC Nhiệt độ phân hủy mạnh compozit với hàm lượng clay khác nhau, độ khối lượng nhiệt độ khác nhau: phân hủy hàm lượng pkl Tốc độ phân hủy chậm mẫu vật liệu với pkl nanoclay số lượng liên kết epoxy-nanoclay mẫu lớn mức độ phân tán nanoclay tốt Điều phù hợp với kết xác định tính chất học, hàm lượng nanoclay pkl cho tính chất học vật liệu tốt Kết nghiên cứu dùng nanoclay I28E độ bền nhiệt vật liệu tốt dùng nanoclay I30E 3.2.3.2 Ảnh hưởng nanoclay đến tính chất nhiệt động vật liệu Tính chất - nhiệt động đánh giá qua mođun trữ (E’) tan góc tổn hao học (tan) nhiệt độ Tg vật liệu 15 epoxy ban đầu epoxy-nanoclay pkl Kết trình bày hình 3.13 3.14 a b Hình 3.13 Sự thay đổi mođun trữ (E’) theo nhiệt độ (a) Vật liệu nanocompozit; (b) Nhựa epoxy a b Hình 3.14 Sự thay đổi tan theo nhiệt độ (a) vật liệu nanocompozit; (b) epoxy) Có thể nhận thấy từ hình 3.13, E’ mẫu epoxy DER 331nanoclay I28E cao mẫu epoxy nguyên sinh Nhiệt độ Tg ứng với điểm tổn hao học cực đại mẫu epoxy DER 331-nanoclay I28E (140,7oC) cao mẫu clay (132,4oC) Có thể giải thích điều tương tác nanoclay epoxy, bao gồm liên kết hóa học bề mặt silicat lẫn chế interlocking hạt làm mạng không gian epoxy cứng Tuy nhiên, nhiệt độ cao Tg, số liên kết nanoclay epoxy liên kết vật lý hạt bị phá hủy liên kết thường yếu liên kết hóa học mạng epoxy nguyên sinh Do quan sát thấy E’của mẫu epoxy DER 331-nanoclay I28E nhỏ đáng kể so với mẫu epoxy nguyên sinh 16 Trên sở kết nghiên cứu rút số nhận xét sau: Trong hàm lượng khảo sát, hàm lượng nanoclay pkl so với 100 pkl epoxy có khả đem lại tính chất – lý tốt cho hệ nhựa epoxy Trong khả chịu môi trường lỏng hệ epoxy – nanoclay tăng dần theo hàm lượng nanoclay mà giá trị tối ưu Điều cho ảnh hưởng khác cấu trúc nano (xen kẽ - tách lớp cấu trúc hạt nano) đến tính chất khác vật liệu Vì vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit cốt sợi thủy tinh tiếp theo, sử dụng hệ epoxy DER 331 đóng rắn MHHPA với pkl phụ gia nanoclay loại I28E 3.3 Chế tạo compozit sở epoxy-nanoclay gia cƣờng sợi thủy tinh 3.3.1 Ảnh hưởng công nghệ chế tạo 3.3.1.1 Ảnh hưởng chế độ ép tới tính chất học vật liệu Chế độ ép trình chế tạo mẫu có ảnh hưởng lớn đến tính chất học vật liệu PC Đã tiến hành khảo sát chế độ ép đến tính chất học vật liệu Chế độ ép khảo sát theo hai chế độ sau: Chế độ ép giai đoạn: Hỗn hợp epoxy/MHHPA/NMI tối ưu khảo sát phần 3.1.1 lăn ép tay khuôn chế tạo mẫu PC với sợi thủy tinh theo tỷ lệ sợi:nhựa ban đầu 60:40 (w/w), sau đóng rắn nhiệt độ 110oC thời gian 90 phút, áp lực ép 90 kgf/cm2 Mẫu PC sau đóng rắn bảo quản chế tạo mẫu để xác định tính chất học (độ bền kéo, bền uốn) Chế độ ép hai giai đoạn: Giai đoạn 1: hỗn hợp epoxy DER 331/MHHPA/NMI tối ưu khảo sát phần 3.1.1 lăn ép tay khuôn chế tạo mẫu compozit với sợi thủy tinh theo tỷ lệ sợi:nhựa ban đầu 60:40 (w/w), sau đóng rắn sơ nhiệt độ 80oC thời gian 60 phút, trình không đặt áp lực ép Giai đoạn 2: Khuôn ép nâng nhiệt lên 110oC, áp lực ép nâng lên 90 kg/cm2 chế độ trì thời gian 90 phút Mẫu compozit sau đóng rắn bảo quản chế tạo mẫu để xác định tính chất học (độ bền kéo, bền uốn) Kết đo tính chất học hai mẫu chế tạo theo hai quy trình trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Ảnh hưởng chế độ ép tới tính chất học vật liệu Chế độ đóng rắn Độ bền uốn (MPa) Độ bền kéo (MPa) Một giai đoạn 252 321,5 Hai giai đoạn 398,75 416,67 17 Từ kết thực nghiệm bảng 3.2 cho thấy với chế độ đóng rắn hai giai đoạn vật liệu PC có tính chất học vượt trội, cụ thể độ bền uốn chế độ đóng rắn giai đoạn cao 1,58 lần so với chế độ giai đoạn, độ chênh lệch tương ứng độ bền kéo 1,29 lần Tính chất học vật liệu compozit chế tạo theo chế độ hai giai đoạn tốt so với chế độ giai đoạn giải thích sau: với chế độ giai đoạn mẫu đóng rắn 110oC áp lực ép 90 kgf/cm2 làm cho nhựa bị chảy làm hao hụt nhựa dẫn đến tính chất học vật liệu giảm Còn với chế độ hai giai đoạn giai đoạn nhựa epoxy đóng rắn sơ 80oC áp lực ép, nhiệt độ phản ứng đóng rắn nhựa epoxy bắt đầu xảy tạo số liên kết ngang Khi chuyển sang giai đoạn nâng nhiệt độ lên 110oC tăng áp lực ép lên 90 kgf/cm2 nhựa không bị trào khuôn tỷ lệ sợi nhựa đảm bảo dẫn đến tính chất học vật liệu cao chế độ ép giai đoạn Như nói đóng rắn giai đoạn thích hợp để chế tạo vật liệu compozit Sử dụng chế độ ép nóng để thực nghiên cứu 3.3.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi nhựa đến tính chất học vật liệu Các mẫu vật liệu compozit đóng rắn theo hai giai đoạn nghiên cứu phần 3.3.1.1 với tỷ lệ nhựa - sợi khác chế tạo để xác định tính chất học Kết trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi nhựa đến tính chất học vật liệu Tỷ lệ epoxy/sợi thủy Độ bền uốn Độ bền kéo tinh (khối lượng) (MPa) (MPa) 35/65 298,23 312,42 40/60 367,75 404,67 45/55 306,45 385,45 50/50 278,65 305,67 55/45 213,24 287,89 Từ kết ta thấy, với tỉ lệ epoxy/sợi thủy tinh 40/60 (w/w) vật liệu có thông số đặc trưng cho tính chất bền uốn tính chất bền kéo lớn Vì vậy, lựa chọn tỷ lệ cho nghiên cứu Nguyên nhân việc thay đổi tính chất học thay đổi tỷ lệ sợi: nhựa giải thích là: tỷ lệ 35% nhựa 65% sợi thủy tinh hàm lượng nhựa không đủ để thấm tốt sợi thủy tinh dẫn đến vật liệu compozit thu có nhiều khuyết tật làm cho tính chất vật liệu giảm Còn vật liệu với tỷ lệ nhựa/sợi tính chất học compozit giảm dần sợi thủy tinh- thành phần chịu lực- giảm 18 3.3.1.3 Ảnh hưởng áp lực ép đến tính chất học vật liệu Chế tạo mẫu vật liệu compozit ép nóng theo chế độ hai giai đoạn, với tỉ lệ nhựa/sợi 40/60 (w/w), tiến hành ép mẫu áp lực ép khác Sau đó, mẫu mang đo tính chất học vật liệu, kết trình bày bảng 3.4 sau Hình 3.4 Ảnh hưởng áp lực ép đến tính chất học vật liệu Áp lực ép Độ bền uốn (MPa) Độ bền kéo (MPa) (kgf/cm2) 60 209,34 245,65 70 276,67 307,98 80 312,34 348,89 90 398,75 416,67 100 345,67 365,45 110 308,72 312,42 Từ kết bảng 3.4 cho thấy, với áp lực ép 90 kgf/cm2, vật liệu có tính chất học tốt (độ bền uốn đạt 398,75 MPa độ bền kéo đạt 416,67 MPa) Ảnh hưởng áp lực ép đến tính chất vật liệu giải thích sau: ép mẫu áp lực ép 90 kgf/cm2 áp lực ép chưa đủ lớn để làm nhựa sợi thủy tinh tạo liên kết bền chặt dẫn đến vật liệu compozit thu có nhiều khuyết tật Do tính chất học vật liệu giảm Còn với áp lực 90 kgf/cm2 áp lực lớn lại làm cho nhựa bị chảy tràn khuôn dẫn đến tỷ lệ nhựa: sợi vật liệu bị hao hụt làm cho tính chất học vật liệu giảm Từ kết khảo sát trên, lựa chọn chế độ gia công compozit epoxy-sợi thủy tinh là: - Tỉ lệ khối lượng epoxy/sợi thủy tinh: 40/60 (w/w); - Áp lực ép: 90 kgf/cm2; - Chế độ ép nóng hai giai đoạn: + Giai đoạn 1: nhiệt độ 80oC, thời gian 60 phút, không ép; + Giai đoạn 2: nhiệt độ 110oC, thời gian 90 phút, áp suất ép 90 kgf/cm2 3.3.2 Ảnh hưởng nanoclay đến tính chất học vật liệu compozit Tương tác epoxy có nanoclay với sợi thủy tinh xác định phương pháp mô tả 2.4.7 kết trình bày bảng 3.5 19 Bảng 3.5 Mức độ liên kết với sợi thủy tinh nhựa Nhựa Độ bám dính sợi thủy tinh (IFSS), MPa Nhựa epoxy 17,04 Epoxy-nanoclay 29,08 Kết cho thấy, epoxy có nanoclay có độ bám dính với sợi thủy tinh cao hẳn, tới 70%, so với epoxy ban đầu Như vậy, việc đưa nanoclay vào nhựa epoxy làm tăng liên kết nhựa – sợi thủy tinh nhờ tăng khả thấm ướt sợi nhựa đồng thời hạn chế phát triển vết nứt vùng tiếp xúc hai pha 3.3.2.2 Ảnh hưởng nanoclay đến khả chống tách lớp compozit epoxy - sợi thủy tinh Khả chống tách lớp vật liệu compozit xác định lượng tách lớp, gọi độ bền dai phá hủy GIC Giá trị GIC tính cho thời điểm bắt đầu xuất vết nứt (GIC-O) giai đoạn phát triển vết nứt (GIC-P) Kết trình bày bảng 3.6 Bảng 3.6 Giá trị GIC trung bình vật liệu compozit sợi thủy tinh Nhựa GIC-O, J/m2 GIC-P, J/m2 Epoxy/sợi thủy tinh 435,3 632,7 Epoxy-nanoclay/sợi thủy tinh 768,3 945,3 Kết bảng 3.6 cho thấy, lượng tách lớp trung bình compozit epoxy-nanoclay cao so với compozit epoxy rõ rệt, thời điểm xuất vết nứt lẫn trình phát triển vết nứt Điều hoàn toàn phù hợp với kết xác định độ bám dính nhựa – sợi thủy tinh (bảng 3.5) 3.3.2.3 Ảnh hưởng nanoclay đến độ bền mỏi Kết xác định độ bền mỏi vật liệu compozit sợi thủy tinh epoxy DER 331 có nanoclay I28E nanoclay I28E trình bày bảng 3.7 xác định giá trị 70% độ bền kéo vật liệu compozit tương ứng Bảng 3.7 Độ bền mỏi compozit sợi thuỷ tinh epoxy có nanoclay Nhựa Lực kéo tối Độ bền mỏi (chu đa (MPa) kỳ) Epoxy/sợi thủy tinh 292,36 46.673 Epoxy-nanoclay/sợi thủy tinh 401,52 102.456 20 Độ bền uốn (MPa) Kết bảng 3.7 cho thấy độ bền mỏi thử kéo compozit với epoxy DER 331-nanoclay I28E cao so với compozit nanoclay I28E tới 2,2 lần Điều giải thích hai nguyên nhân: - Nhựa epoxy-nanoclay có độ bám dính với sợi thủy tinh cao so với epoxy nanoclay - Nanoclay I28E có khả phân bố ứng suất phá hủy bề mặt tiếp xúc nhựa – sợi thủy tinh, đồng thời ngăn chặn phát triển vết nứt lớn nhựa 3.3.3 Sự thay đổi độ bền học môi trường nước Sự hấp thụ chất lỏng xét cho thấy khả vật liệu compozit chịu tác động môi trường Để nghiên cứu sâu khả chịu môi trường đánh giá thay đổi độ bền học vật liệu theo thời gian ngâm nước Trong hình 3.15 đồ thị thay đổi độ bền uốn vật liệu compozit epoxy có nanoclay gia cường sợi thủy tinh sau khoảng thời gian khác a 595 510 425 340 255 170 85 b 20 40 60 80 Thời gian ngâm (ngày) Hình 3.15 Ảnh hưởng thời gian ngâm nước đến độ bền uốn (a) epoxy DER 331-nanoclay I28E/sợi thủy tinh; (b) epoxy DER 331/sợi thủy tinh Kết xác định suy giảm tính chất uốn cho thấy suy giảm tính chất bền uốn vật liệu khoảng thời gian 10 ngày đầu hai loại vật liệu compozit gần không đổi Sau 60 ngày ngâm độ bền uốn vật liệu compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh 2,2% với vật liệu compozit sở epoxy-nanoclay gia cường sợi thủy tinh 1,2% Điều chứng tỏ nanoclay giúp cải thiện tính chất vật liệu compozit ngâm nước 21 3.3.4 Ảnh hưởng nanoclay đến mức độ lão hóa nhiệt vật liệu 3.3.4.1 Ảnh hưởng nanoclay đến khả chịu nhiệt vật liệu Từ giản đồ TGA, phân tích khả chịu nhiệt vật liệu compozit trình bày bảng 3.8 Bảng 3.8 Khả chịu nhiệt vật liệu compozit Vật liệu PC epoxynanoclay gia cường sợi thủy tinh Nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh Nhiệt độ Nhiệt độ bắt đầu phân hủy phân hủy mạnh nhất, T0(oC) Tmax (oC) Nhiệt độ Mất khối kết thúc lượng phân hủy Tmax (%) Te (oC) 360 400 700 30,83 380 420 700 18,75 Quá trình phân hủy vật liệu compozit sở nhựa epoxy DER 331 gia cường sợi thủy tinh epoxy DER 331 –nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh chi thành giai đoạn: giai đoạn bắt đầu phân hủy nhiệt độ đạt 360oC, giai đoạn phân hủy mạnh nhiệt độ khoảng từ 400oC đến 420oC, giai đoạn kết thúc phân hủy nhiệt độ phân hủy đạt 700oC Tại nhiệt độ phân hủy mạnh độ tổn hao khối lượng vật liệu compozit sở epoxy DER 331-nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh 18,75% vật liệu compozit sở epoxy/sợi thủy tinh giảm 30,83% chứng tỏ vật liệu compozit có mặt nanoclay làm tăng khả bền nhiệt vật liệu 3.3.4.2 Ảnh hưởng nanoclay đến độ bền uốn Ảnh hưởng nanoclay I28E đến khả chịu lão hóa nhiệt compozit epoxy DER 331 – sợi thủy tinh khảo sát thông qua thay đổi độ bền uốn theo thời lão hóa nhiệt Trong hình 3.16 thay đổi tính chất uốn compozit với epoxy DER 331 có nanoclay I28E 22 Độ bền uốn (MPa) 600 epoxy/sợi thủy tinh 400 200 epoxy-nanoclay/sợi thủy tinh 0 24 48 96 192 384 768 Thời gian lão hóa nhiệt (giờ) Hình 3.16 Ảnh hưởng thời gian lão hóa nhiệt đến độ bền uốn Kết cho thấy, sau khoảng 48 lão hóa nhiệt 155oC độ bền uốn vật liệu thay đổi không nhiều Cụ thể sau 48 lão hóa nhiệt độ bền uốn vật liệu compozit có nanoclay giảm 0,52%, với vật liệu nanoclay giảm 1,12% Tính chất uốn vật liệu compozit thực giảm mạnh sau khoảng 192 thử nghiệm, cụ thể độ bền uốn vật liệu compozit có nanoclay giảm 3,56% vật liệu nanoclay 5,49% Kết thực nghiệm sau 768 lão hóa nhiệt vật liệu compozit có nanoclay I28E nanoclay I28E sau: độ bền uốn giảm tương ứng 11,2% 13,43% Kết ảnh hưởng thời gian lão hóa nhiệt đến tính chất học vật liệu khác Trong đó, độ bền va đập vật liệu giảm mạnh nhất, chênh lệch độ giảm tính chất bền uốn, tính chất bền kéo vật liệu không nhiều Độ bền lão hóa nhiệt vật liệu có mối quan hệ tương ứng với khả chịu nhiệt phân tính phương pháp TGA Kết chứng tỏ vai trò nanoclay việc ngăn chặn phát triển vết nứt vật liệu compozit tác dụng ngoại lực từ làm cho tính chất vật liệu tăng cường so với vật liệu compozit sử dụng nanoclay 23 KẾT LUẬN Bằng phương pháp khuấy học kết hợp rung siêu âm phân tán thành công nanoclay biến tính hữu vào nhựa epoxy Các cấu trúc nano hình thành từ nanoclay có hai dạng: - Cấu trúc xen kẽ - tách lớp với khoảng cách lớp đạt – nm - Các tập hợp hạt với kích thước vài chục nanomet Nanoclay có ảnh hưởng tích cực đến tính chất học mài mòn hệ nhựa epoxy DER 331 đóng rắn MHHPA Trong khoảng hàm lượng xét (1-5 pkl), tính chất cao đạt hàm lượng nanoclay pkl Cụ thể là, so với hệ nhựa tương ứng nanoclay, hệ epoxy-nanoclay có tính chất: Cường độ ứng suất tới hạn KIC tăng 158%, đạt 1,7 MPa.m1/2; Độ bền kéo tăng 36%, đạt 68,7 MPa; Độ bền uốn tăng 72%, đạt 124,7 MPa; Độ bền va đập tăng 76%, đạt 15,8 KJ/m2; Độ bền nén tăng 50%, đạt 304,2 MPa; Độ mài mòn giảm 50%, đạt 9,4 mg Ảnh hưởng tích cực cho chủ yếu hình thành cấu trúc nano dạng xen kẽ – bóc lớp nanoclay I28E epoxy Kết nghiên cứu độ thẩm thấu hệ số khuếch tán số chất lỏng epoxy DER 331 đóng rắn MHHPA cho thấy, việc đưa nanoclay I28E vào làm tăng khả che chắn nhựa epoxy Hàm lượng clay tăng mức độ thẩm thấu hệ số khuếch tán giảm hàm lượng pkl nanoclay I28E Nguyên nhân tượng chủ yếu phần tử nanoclay dạng hạt epoxy, giảm mức độ thấm ướt chất lỏng hệ epoxy-nanoclay I28E Đã xác định so với nhựa epoxy ban đầu, hệ epoxy DER 331nanoclay I28E có khả bám dính với thủy tinh cao hẳn Cụ thể độ bền nhựa-sợi thủy tinh tăng 70% so với nhựa epoxy ban đầu Đây yếu tố quan trọng để tăng cường tính chất vật liệu compozit epoxy-sợi thủy tinh có sử dụng nanoclay I28E Đã xác định điều kiện chế tạo vật liệu nanocompozit epoxy DER 331-nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh sau: Hàm lượng I28E epoxy: pkl; Tỷ lệ nền: sợi thủy tinh (w/w): 40/60; Chế độ gia công hai giai đoạn: Giai đoạn 1: hỗn hợp epoxy DER 331/MHHPA/NMI tối ưu khảo sát phần 3.1.1 lăn ép tay khuôn chế tạo mẫu, sau đóng rắn sơ nhiệt độ 80oC thời gian 60 phút, trình không đặt áp lực ép Giai đoạn 2: khuôn ép nâng nhiệt lên 110oC, áp lực ép nâng lên 90 kgf/cm2 chế độ trì thời gian 90 phút Vật liệu nanocompozit epoxy DER 331-nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh chế tạo có tính chất vượt trội so với compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh thông thường tương ứng: Độ bền va đập tăng 36,6%, đạt 94,1 kJ/m2; Độ bền uốn tăng 28,9%, đạt 513,9 MPa; Độ bền kéo tăng 37,7%, đạt 573,6 MPa; Độ bền mỏi tăng xấp xỉ 2,2 lần, đạt 102.456 chu kỳ; Độ bền dai tách lớp (GIC) tăng 1,7 lần, đạt 768,3 J/m2 Bên cạnh đó, khả chịu lão hóa nhiệt lão hóa môi trường chất lỏng xâm thực (nước, HCl 10%, NaOH 10%) vật liệu nanocompozit tăng đáng kể so với compozit nanoclay 24 [...]... của vật liệu compozit trên cơ sở epoxy DER 331 -nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh là 18,75% trong khi đó vật liệu compozit trên cơ sở epoxy/ sợi thủy tinh giảm 30,83% chứng tỏ vật liệu compozit có mặt nanoclay đã làm tăng khả năng bền nhiệt của vật liệu 3.3.4.2 Ảnh hưởng của nanoclay đến độ bền uốn Ảnh hưởng của nanoclay I28E đến khả năng chịu lão hóa nhiệt của compozit epoxy DER 331 – sợi thủy tinh. .. chất bền uốn của vật liệu trong khoảng thời gian 10 ngày đầu của cả hai loại vật liệu compozit gần như không đổi Sau 60 ngày ngâm thì độ bền uốn của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh là 2,2% trong khi đó với vật liệu compozit trên cơ sở epoxy- nanoclay gia cường sợi thủy tinh là 1,2% Điều đó chứng tỏ nanoclay đã giúp cải thiện tính chất của vật liệu compozit khi ngâm trong... lớp và cấu trúc hạt nano) đến các tính chất khác nhau của vật liệu Vì vậy, trong các nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit cốt sợi thủy tinh tiếp theo, đã sử dụng hệ nền epoxy DER 331 đóng rắn bằng MHHPA với 2 pkl phụ gia nanoclay loại I28E 3.3 Chế tạo compozit trên cơ sở epoxy- nanoclay gia cƣờng sợi thủy tinh 3.3.1 Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo 3.3.1.1 Ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất cơ. .. trong nước 21 3.3.4 Ảnh hưởng nanoclay đến mức độ lão hóa nhiệt của vật liệu 3.3.4.1 Ảnh hưởng của nanoclay đến khả năng chịu nhiệt của vật liệu Từ giản đồ TGA, phân tích khả năng chịu nhiệt của vật liệu compozit được trình bày trong bảng 3.8 Bảng 3.8 Khả năng chịu nhiệt của vật liệu compozit Vật liệu PC epoxynanoclay gia cường sợi thủy tinh Nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh Nhiệt độ Nhiệt độ bắt đầu... tỷ lệ sợi: nhựa được giải thích là: ở tỷ lệ 35% nhựa và 65% sợi thủy tinh thì hàm lượng nhựa không đủ để thấm tốt sợi thủy tinh dẫn đến vật liệu compozit thu được có nhiều khuyết tật làm cho tính chất của vật liệu giảm Còn vật liệu với các tỷ lệ nhựa/ sợi trên tính chất cơ học của compozit giảm dần là do sợi thủy tinh- thành phần chịu lực- giảm đi 18 3.3.1.3 Ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chất cơ học... 360 400 700 30,83 380 420 700 18,75 Quá trình phân hủy của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy DER 331 gia cường bằng sợi thủy tinh và epoxy DER 331 nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh chi thành 3 giai đoạn: giai đoạn bắt đầu phân hủy khi nhiệt độ đạt 360oC, giai đoạn phân hủy mạnh nhất khi nhiệt độ trong khoảng từ 400oC đến 420oC, giai đoạn kết thúc phân hủy khi nhiệt độ phân hủy đạt 700oC... điều kiện chế tạo vật liệu nanocompozit nền epoxy DER 331 -nanoclay I28E gia cường bằng sợi thủy tinh như sau: Hàm lượng I28E trong nền epoxy: 2 pkl; Tỷ lệ nền: sợi thủy tinh (w/w): 40/60; Chế độ gia công hai giai đoạn: Giai đoạn 1: hỗn hợp epoxy DER 331/MHHPA/NMI tối ưu đã khảo sát ở phần 3.1.1 được lăn ép bằng tay trong khuôn chế tạo mẫu, sau đó được đóng rắn sơ bộ ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 60... của nanoclay đến độ bền mỏi Kết quả xác định độ bền mỏi của vật liệu compozit sợi thủy tinh nền epoxy DER 331 có nanoclay I28E và không có nanoclay I28E được trình bày trong bảng 3.7 được xác định ở giá trị 70% độ bền kéo của vật liệu compozit tương ứng Bảng 3.7 Độ bền mỏi của compozit sợi thuỷ tinh nền epoxy có và không có nanoclay Nhựa nền Lực kéo tối Độ bền mỏi (chu đa (MPa) kỳ) Epoxy/ sợi thủy tinh. .. cơ học của vật liệu Chế độ ép trong quá trình chế tạo mẫu có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của vật liệu PC Đã tiến hành khảo sát chế độ ép đến tính chất cơ học của vật liệu Chế độ ép được khảo sát theo hai chế độ như sau: Chế độ ép một giai đoạn: Hỗn hợp epoxy/ MHHPA/NMI tối ưu đã khảo sát ở phần 3.1.1 được lăn ép bằng tay trong khuôn chế tạo mẫu PC với sợi thủy tinh theo tỷ lệ sợi :nhựa ban đầu... uốn của vật liệu nanocompozit trên cơ sở nhựa epoxy- nanoclay cho thấy tính chất uốn của vật liệu thay đổi mạnh khi có nanoclay phân tán trong nhựa epoxy Độ bền uốn tăng mạnh so với nhựa epoxy khi có 1 - 2 pkl nanoclay phân tán 11 Độ bền va đập (kJ/m2) trong nhựa epoxy và đạt giá trị cao nhất khi hàm lượng là 2 pkl nanoclay Khi tiếp tục tăng hàm lượng nanoclay phân tán trong nhựa epoxy thì độ bền uốn ... nhựa epoxy tương tác epoxy- clay sợi thủy tinh - Chế tạo vật liệu compozit epoxy- nanoclay gia cường sợi thuỷ tinh Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu epoxy nanoclay - Nghiên. .. hệ epoxy- nanoclay đóng rắn MHHPA - Chế tạo vật liệu compozit từ vật liệu epoxy sợi thủy tinh - Khảo sát tính chất compozit sở epoxy- nanoclay gia cường sợi thủy tinh Đóng góp luận án - Đã làm sáng... loại vật liệu compozit gần không đổi Sau 60 ngày ngâm độ bền uốn vật liệu compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh 2,2% với vật liệu compozit sở epoxy- nanoclay gia cường sợi thủy tinh 1,2%