Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy (có và không có nanoclay) đóng rắn bằng anhydrit lỏng gia cường sợi kevlar

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy (có và không có nanoclay) đóng rắn bằn anhydrit lỏng gia cường sợi Kevlar” nhằm mục đích nghiên cứu một số tích năng của pha nền nhựa epoxy DER331 đóng rắn bằng metyltetra hydro phtalic anhydrit (MTHPA) có mặt xúc tác DMP30 và chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở pha nền trên được gia cường sợi Kevlar ứng dụng để chế tạo vật liệu compozit chất lượng cao.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME VÀ COMPOZIT - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY (CÓ VÀ KHÔNG CÓ NANOCLAY) ĐÓNG RẮN BẰNG ANHYDRIT LỎNG GIA CƯỜNG SỢI KEVLAR GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : SINH VIÊN THỰC HIỆN LỚP PGS.TS BÙI CHƯƠNG Th.S LÊ HOÀI ANH : TRẦN VIẾT THUYỀN : CN POLYME - K50 HÀ NỘI - 6/2010 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn PGS TS Bùi Chương Th.S Lê Hoài Anh giúp đỡ tận tình truyền thụ kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn Thầy cô giáo Trung tâm Polyme Đại Học Bách Khoa Hà Nội, anh chị bạn bè giúp đỡ em hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2010 Sinh viên thực Trần Viết Thuyền CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết đầy đủ Viết tắt BisPhenol A BPA Epyclohydrin ECH Khối lượng phân tử KLPT Metyltetra hydro phtalic anhydrit MTHPA 2, 4, tri(dimetyl amino metyl) phenol DMP-30 Montmorollonite MMT Nano polyme compozit PCN MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Danh mục chữ viết tắt Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN Trang 1.1.2 Một vài nét nhựa epoxy 2 1.1.3 Phân loại số ứng dụng nhựa Epoxy 1.1.4 Các chất đóng rắn chất xúc tác đóng rắn cho nhựa 1.1.5 Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy MTHPA 14 1.1.6 Một số tính chất nhựa epoxy 14 1.1.7 Ứng dụng nhựa epoxy 15 1.1 Nhựa epoxy 1.1.1 Lịch sử phát triển nhựa epoxy 1.2 Một số loại sợi gia cường 1.2.1 Sợi thủy tinh 1.2.2 Sợi cacbon/graphit 1.2.3 Sợi aramit (Kevlar) 1.3 Nanoclay 15 15 16 16 22 1.3.1 Cấu trúc 22 1.3.2 Tính chất 23 1.3.3 Một số nanoclay thương mại thị trường 25 1.3.4 Biến tính nanoclay 25 1.3.5 Một số đặc điểm epoxy với clay 27 1.4 Các phương pháp gia công vật liệu compozit phân tán nano 1.4.1 Các phương pháp gia công vật liệu compozit 1.4.2 Các phương pháp phân tán nano vào epoxy CHƯƠNG II: H A CH T, THIẾT B , CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 28 31 2.1 Nguyên liệu 35 2.2 Thiết bị 36 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 36 2.3.1 Xác định mức độ tổn hao khối lượng nhiệt (TGA) 36 2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 37 37 2.3.4 Phương pháp chụp phổ nhiễu xạ rơnghen (XRD) 37 2.3.5 Phương pháp xác định độ hấp thụ nước 38 2.3.6 Độ nhớt Brookfield 38 2.3.7 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt 38 2.3.8 Phương pháp xác định độ bền uốn 39 2.3.9 Phương pháp xác định độ bền nén 40 2.3.10 Phương pháp xác định độ bền va đập 40 2.3.11 Phương pháp xác định độ bền mỏi 41 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát số tính chất hệ DER-331/MTHPA/DMP-30 42 3.1.1 Độ nhớt nhựa epoxy DER-331, MTHPA, DMP-30 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian đến độ nhớt hệ DER-331/MTHPA/DMP-30 42 3.1.3 Chế tạo pha DER-331/MTHPA/DMP-30 44 3.1.4 Khả chịu nhiệt vật liệu 46 3.2 Chế tạo pha DER-331/MTHPA/DMP-30 có nanoclay I30E 43 47 3.2.1 Khả phân tán nanoclay I30E nhựa epoxy 47 3.2.2 Tính chất học pha có nanoclay I30E 3.2.3 Xác định khả chịu nhiệt vật liệu 3.2.4 Khảo sát cấu trúc mẫu pha có nanoclay 48 3.3 Chế tạo vật liệu compozit pha có nanoclay 49 49 50 3.3.1 Xác định khả liên kết pha nhựa epoxy sợi 50 3.3.2 Chế tạo vật liệu compozit pha nhựa epoxy gia cường 51 3.3.3 Chế tạo vật liệu compozit pha nhựa epoxy có nano 52 3.4 Phân tích so sánh số tính chất vật liệu compozit 3.4.1 Khả chịu nhiệt vật liệu 3.4.2 Độ chịu hóa chất 3.4.3 Xác định hệ số khuếch tán KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 52 54 55 57 58 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Bảng 1.1 Ảnh hưởng tỷ lệ cấu tử, nhiệt độ, nồng độ NaOH đến khối lượng… Bảng 1.2 Một số tính chất nhựa epoxy mạch vòng no Bảng 1.3 Một số chất đóng rắn amin thông dụng Bảng 1.4 Một số chất đóng rắn axit hay gặp Bảng 1.5 Một số chất xúc tác đóng rắn điển hình Bảng 1.6 Phân loại sợi thủy tinh Bảng 1.7 Một số tính chất lý học tiêu biểu sợi aramit-kevlar Bảng 1.8 Bảng độ giảm độ bền kéo đứt phù hợp với mát biến dạng trượt… Bảng 1.9 Một số công thức hoá học số đặc trưng loại silicat dạng … Bảng 1.10 Một số loại nanoclay thương mại có thị trường Bảng 3.1 Độ nhớt nhựa epoxy DER-331 Bảng 3.2 Độ nhớt chất đóng rắn MTHPA Bảng 3.3 Độ nhớt xúc tác đóng rắn DMP-30 Bảng 3.4 Đơn pha chế mẫu pha Bảng 3.5 Kết xác định tính chất học pha Bảng 3.6 Kết phân tích nhiệt TGA vật liệu Bảng 3.7 Khoảng cách d mẫu nanoclay trước sau phân tán Bảng 3.8 Tính chất học pha có nanoclay I30E Bảng 3.9 Độ bền uốn mẫu pha có sợi Kevlar đặt ngang Bảng 3.10 Tính chất học mẫu vật liệu compozit Bảng 3.11 Tính chất học mẫu vật liệu compozit Bảng 3.12 Độ tăng khối lượng mẫu vật liệu pha nhựa epoxy gia cường Bảng 3.13 Độ tăng khối lượng mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay Bảng 3.14 Kết xác định hệ số khuếch tán mẫu vật liệu DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Hình 1.1 Hình biểu diễn đường ứng suất biến dạng số loại sợi Hình 1.2 Độ bền kéo riêng loại sợi gia cường Hình 1.3 Sự phụ thuộc độ bền kéo vào nhiệt độ sợi Hình 1.4 Sự phụ thuộc modun đầu sợi vào nhiệt độ Hình 1.5 Độ bền nhiệt sợi phụ thuộc vào thời gian Hình 1.6 Đường cong độ rão sợi kevlar 49 môi trường không khí… Hình 1.7 Đường cong độ rão sợi kevlar 49 môi trường nước… Hình 1.8 Cấu trúc montmorillonit Hình 1.9 Phân tử clay Hình 1.10 Biến tính clay ion ankyl amoni Hình 1.11 Sự hình thành compozit cấu trúc micro Hình 1.12 Hình ảnh tượng trưng cho nanocompozit cấu trúc xen kẽ hỗn độn Hình 1.13 Phương pháp Insitu Hình 1.14 Phương pháp dung môi Hình 1.15 Phương pháp trộn hợp nóng chảy Hình 3.2 Phổ hồng ngoại pha sau thời gian ngày Hình 3.3 Phổ hồng ngoại pha sau thời gian ngày Hình 3.4a Giản đồ TGA pha DER-331/MTHPA/DMP-30 Hình 3.4b Giản đồ TGA pha DER-331/MTHPA Hình 3.5 Phổ XRD nanoclay I30E Hình 3.6 Phổ XRD nanoclay I30E sau phân tán epoxy Hình 3.7 Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu epoxy có (a) nanoclay I30E(b) Hình 3.8 Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu epoxy có (a) nanoclay I30E(b) Hình 3.9 Giản đồ TGA vật liệu compozit epoxy nanoclay… Hình 3.10 Giản đồ TGA vật liệu compozit epoxy có nanoclay … MỞ ĐẦU Vật liệu compozit có lịch sử từ 5000 năm trước Công nguyên, phát triển khẳng định mang tính đột biến vào năm 1930 mà Stayer Thomat nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis Foster dùng sợi thủy tinh gia cường cho nhựa Polyeste không no giải pháp áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến giới lần thức hai Năm 1950, xuất nhựa Epoxy sợi gia cường Polyeste, Nylon,… đánh dấu bước đột phá quan trọng ngành vật liệu Compozit Nhựa epoxy đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit tiên tiến Với ưu điểm bật độ bền học, nhẹ, dễ gia công, sửa chữa, vật liệu compozit sở nhựa epoxy gia cường loại sợi, vải đáp ứng yêu cầu sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng đặc biệt lĩnh vực công nghệ cao hàng không, vũ trụ, tên lửa,… Mặc dù vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất tìm hệ vật liệu để mở rộng lĩnh vực ứng dụng loại vật liệu đặt Sợi kevlar (sợi aramit) loại sợi có đặc tính trội chịu nhiệt (ở khoảng 4000C đến 5000C tùy theo loại sợi Kevlar) ma sát tốt, thường ứng dụng sản xuất thiết bị bảo vệ: áo giáp, khiên, mũ chống đạn, phương tiện quân có khả chống đạn hấp thu xung lực Luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sở nhựa epoxy (có nanoclay) đóng rắn bằn anhydrit lỏng gia cường sợi Kevlar” nhằm mục đích nghiên cứu số tích pha nhựa epoxy DER-331 đóng rắn metyltetra hydro phtalic anhydrit (MTHPA) có mặt xúc tác DMP-30 chế tạo vật liệu compozit sở pha gia cường sợi Kevlar ứng dụng để chế tạo vật liệu compozit chất lượng cao CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN EPOXY 1.1 Nhựa epoxy 1.1.1 Lịch sử phát triển nhựa epoxy Các văn sáng chế cho thấy tổng hợp hợp chất epoxy phát sớm vào cuối năm 1890 Năm 1934, Schlack (Đức) đưa sản phẩm từ phản ứng đóng rắn nhựa epoxy amin, epoxy sử dụng epoxy sở Bisphenol A Epyclohydrin Tuy nhiên, tính thương mại loại nhựa epoxy vài năm sau công nhận Năm 1936, Pierre Castan Công ty DeTrey Freres sản xuất loại nhựa epoxy có nhiệt độ nóng chảy thấp từ Bisphenol A Epyclohydrin khẳng định nhựa nhiệt rắn Đến năm 1946 chất kết dính từ nhựa epoxy lần trưng bày hội chợ Công nghiệp Thụy Sĩ sử dụng công nghiệp điện Trong giai đoạn này, nhiều nhà sản xuất epoxy cấp giấy phép sản xuất Hoa Kỳ Vào thập niên 1960, nhà khoa học chế tạo nhiều loại epoxy có tính đặc biệt, làm việc nhiệt độ cao Và đặc biệt công nghệ nano nghiên cứu 1.1.2 Một vài nét nhựa epoxy Nhựa Epoxy số nhựa có tính tốt có tính lý, kháng môi trường hẳn loại nhựa khác, loại nhựa sử dụng nhiều chi tiết máy bay Ngoài ra, với tính chất kết dính khả kháng nước tốt, nhựa epoxy lý tưởng để sử dụng ngành đóng tàu, lớp lót cho tàu chất lượng cao lớp phủ bên vỏ tàu hay thay cho polyeste dễ bị thủy phân nước gelcoat Nhựa epoxy tạo thành từ mạch phân tử dài có nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nó nhóm este, nên khả kháng nước tốt Ngoài ra, có hai vòng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng Đồng thời, nhựa epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt Để tạo mạng không gian ba chiều, người ta sử dụng chất đóng rắn, thường amin, amin phản ứng với epoxy theo tỉ lệ định Nếu tỉ lệ trộn không nhựa chưa phản ứng chất đóng rắn dư hỗn hợp ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm Do đó, để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thường công thức hoá thành phần đưa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lượng hay thể tích chúng Nhựa Epoxy đóng rắn nhiệt độ phòng từ 5-1500C, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn.[1] 1.1.3 Phân loại số ứng dụng nhựa Epoxy a Epoxy dian [1, 7, 8] Đây loại nhựa epoxy sử dụng lĩnh vực màng phủ, chiếm lượng lớn Hầu hết nhựa epoxy thương mại tổng hợp từ phản ứng hợp chất có chứa hai nguyên tử hyđrô hoạt động với epichlorohydrin sau dehydrohalogenua Epoxy dian tạo thành từ phản ứng Bisphenol A (BPA) Epyclohydrin (ECH) Công thức Bisphenol A: Công thức Epyclohydrin: Công thức nhựa epoxy dian: Tỉ lệ phân tử BPA ECH xác định giá trị trung bình n phân tử nhựa epoxy Khi lượng ECH lớn nhựa epoxy dian tạo chủ yếu Trường hợp n=0 epoxy dạng kết tinh Khi tỉ lệ ECH/BPA giảm giá trị n khối lượng phân tử epoxy tăng lên, độ nhớt tăng dần theo khối lượng phân tử Ngoài tỉ lệ ECH/BPA, yếu tố thời gian, nhiệt độ nồng độ NaOH sử dụng ảnh hưởng tới khối lượng phân tử nhựa epoxy thu được: Hình 3.2: Phổ hồng ngoại pha sau thời gian ngày Hình 3.3: Phổ hồng ngoại pha sau thời gian ngày Kết hình 3.2 3.3 cho thấy, phổ ghi mẫu để sau ngày ngày cho kết tương đối giống Kết trùng với ổn định độ nhớt pha thời gian ngày 45 3.1.4 Khả chịu nhiệt vật liệu Nhựa epoxy DER-331/MTHPA/DMP-30 với tỷ lệ mol MTHPA/DER331: 0,75/1 DMP-30/DER-331: 0,0028/1 DER-331/MTHPA với tỷ lệ mol MTHPA/DER-331: 0,75 đóng rắn nhiệt độ tương ứng 1150C 1600C thời gian Tiến hành khảo sát khả chịu nhiệt máy phân tích nhiệt đồng thời TGA DSC Kết trình bày hình 3.4: Hình 3.4a: Giản đồ TGA pha DER-331/MTHPA/DMP-30 Hình 3.4b: Giản đồ TGA pha DER-331/MTHPA Hình 3.4: Giản đồ TGA mẫu pha 46 Kết tính nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt độ phân hủy mạnh từ giản đồ TGA trình bày bảng Bảng 3.6: Kết phân tích nhiệt TGA vật liệu TT Mẫu Nhiệt độ bắt đầu phân hủy,0C Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất,0C DER-331/MTHPA 250 420 DER-331/MTHPA/DMP-30 320 440 Kết bảng 3.6 cho thấy, sử dụng xúc tác DMP-30 độ bền nhiệt pha tăng lên so với không sử dụng chất xúc tác Nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt tăng từ 2500C lên 3200C nhiệt độ phân hủy mạnh tăng từ 4200C lên 4400C Điều cho thấy vai trò DMP-30 không giảm nhiệt độ đóng rắn đến 450C mà cải thiện khả chịu nhiệt vật liệu .2 Chế tạo pha DER-331/MTHPA/DMP-30 có nanoclay I30E 3.2.1 Khả phân tán nanoclay I30E nhựa epoxy Nanoclay đưa vào nhựa epoxy DER-331 (theo tỷ lệ 3PKL nanoclay so với nhựa epoxy) khuấy với tốc độ 2000 vòng/phút giờ, sau trộn với MTHPA DMP-30 theo tỷ lệ mol MTHPA/DER-331 0,75/1 DMP30/DER-331 = 0,0028/1 Mẫu hút chân không để loại bỏ hết bọt khí cho đóng rắn 115 C thời gian Tiến hành chụp phổ XRD mẫu nanoclay I30E epoxy DER-331 với nanoclay I30E Kết trình bày hình 3.5 3.6 Hình 3.5: Phổ XRD nanoclay I30E 47 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau I30E 8000 7000 Lin (Cps) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0.5 10 2-T heta - Scale File: Hoai Anh-DHBK-I30E.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 10.5 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/23/09 01:07:53 Hình 3.6: Phổ XRD nanoclay I30E sau phân tán epoxy Kết tính khoảng cách sở d nanoclay từ phổ XRD trình bày bảng Bảng 3.7: Khoảng cách d mẫu nanoclay trước sau phân tán vào epoxy TT Mẫu Khoảng cách sở d100, A0 Khoảng cách sau phân tán vào pha nền, A0 I30E 26,715 Tróc lớp Các kết cho thấy, với phương pháp trộn học trên, nanoclay I30E có khả phân tán tróc lớp epoxy DER-331 3.2.2 Tính chất học pha có nanoclay I30E Mẫu pha DER-331/MTHPA/DMP-30 có nanoclay I30E xác định tính chất học Kết trình bày bảng 3.8: Bảng 3.8: Tính chất học pha có nanoclay I30E Tính học STT Độ bền kéo đứt MPa Độ bền nén MPa Độ bền uốn MPa 38,60 81,42 79,98 48 - Từ kết bảng kết xác định tính chất học mẫu pha nanoclay I30E (bảng 3.5) cho thấy, tính chất học mẫu pha có nanoclay tăng lên so với mẫu pha nanoclay, cụ thể là: + Độ bền kéo đứt: tăng 22,42% + Độ bền nén: 18,51% + Độ bền uốn: 26,71% 3.2.3 Xác định khả chịu nhiệt vật liệu Tiến hành xác định khả chịu nhiệt mẫu pha có nanoclay sau đóng rắn Kết trình bày hình 3.7 Hình 3.7: Giản đồ TGA mẫu pha có nanoclay Kết hình 3.7 cho thấy, mẫu pha có nanoclay bắt đầu phân hủy khoảng 3200C phân hủy mạnh khoảng 4400C Kết cho thấy, khả chịu nhiệt mẫu pha có nanoclay mẫu pha nanoclay tương đương (so sánh kết bảng 3.6) nanoclay chưa có tác dụng tăng khả chịu nhiệt vật liệu 3.2.4 Khảo sát cấu trúc mẫu pha có nanoclay Bề mặt gãy mẫu pha có nanoclay tiến hành chụp ảnh SEM, kết trình bày hình 3.8 49 (a) (b) Hình 3.8: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu epoxy có (a) nanoclay I30E(b) Qua ảnh SEM nhận thấy rõ khác cấu trúc bề mặt mẫu pha có nanoclay I30E Mẫu pha nanoclay I30E có cấu trúc chưa bền chặt, bề mặt mẫu nhiều nhấp nhô hạt thô Mẫu pha có nanoclay I30E với 3PKL cấu trúc bền chặt đáng kể, nanoclay I30E làm giảm hạt thô san phẳng nhấp nhô bề mặt Kết tạo đồng cấu trúc pha nền, hạn chế gây vết nứt ứng suất nội từ cải thiện tính chất học (điều phù hợp với kết xác định tính chất học) Chế tạo vật liệu compozit pha có nanoclay gia cường sợi Kevlar Xác định khả liên kết pha nhựa epoxy sợi Kevlar Mẫu xác định khả liên kết nhựa epoxy sợi Kevlar chế tạo tương tự mẫu xác định độ bền uốn xếp thêm sợi Kevlar đặt ngang Hàm lượng theo tỷ lệ mol MTHPA/DER-331 0,75/1 DMP-30/DER331 0,0028; 0,0035; 0,0042 Các mẫu đóng rắn 1150C thời gian Tiến hành xác định độ bền uốn mẫu vật liệu Kết trình bày bảng 3.9 50 Bảng 3.9: Độ bền uốn mẫu pha có sợi Kevlar đặt ngang TT Hàm lượng DMP-30, PKL 0.2 0.25 0.3 Tính chất học Độ bền kéo đứt, Độ bền nén, MPa MPa Độ bền uốn, MPa 76,8 72,2 72,5 Kết bảng 3.9 cho thấy, mẫu vật liệu có sợi Kevlar đặt ngang với hàm lượng DMP-30 0,2 PKL có độ bền uốn cao So sánh với kết độ bền uốn pha bảng 3.5 nhận thấy mẫu có vải Kevlar đặt ngang có kết cao (76,8, 72,2, 72,5 Mpa so với 63,12 MPa) Điều cho thấy độ bền liên kết nhựa sợi tỉ lệ DMP-30 vào khoảng 13,68 Mpa; tăng hàm lượng DMP-30 lên giá trị độ bền liên kết giảm Nguyên nhân tăng hàm lượng DMP-30 lên độ bền uốn giảm đi, nhựa trở nên giòn .2 Chế tạo vật liệu compozit pha nhựa epoxy gia cường sợi Kevlar Các mẫu vật liệu compozit chế tạo với tỉ lệ nhựa/sợi khác sau đóng rắn tủ hút chân không nhiệt độ 1150C thời gian 3giờ Tiến hành xác định tính chất học, kết trình bày bảng 3.10 Bảng 3.10: Tính chất học mẫu vật liệucompozit nanoclay TT Mẫu (nhựa/vải) Tỉ lệ % 45/55 50/50 55/45 60/40 65/35 70/30 Độ bền kéo đứt MPa 314.1 339.9 352.6 343.9 323.8 302.7 Độ bền uốn MPa 235.3 252.1 268.5 249.2 229.7 208.9 Độ bền va đập KJ/m2 56.85 72.91 76.28 75.96 71.52 53.87 Từ kết bảng 3.10 nhận thấy, tính chất học mẫu vật liệu tăng dần đến giới hạn, sau lại giảm Mẫu số (ứng với tỉ lệ nhựa/vải = 55/45) có tính chất học tốt Điều chứng tỏ ứng với tỉ lệ nhựa/vải = 55/45 vật liệu compozit nhựa epoxy gia cường sợi Kevlar đạt cấu trúc bền chặt Các cấu tử pha cốt có khả hỗ trợ tốt tỉ lệ 51 Chế tạo vật liệu compozit pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar Các mẫu vật liệu nanocompozit chế tạo với tỉ lệ nhựa/sợi tương tự mẫu vật liệu compozit pha nanoclay sau đóng rắn tủ hút chân không nhiệt độ 1150C thời gian 3giờ Tiến hành xác định tính chất học, kết trình bày bảng 3.11 Bảng 3.11: Tính chất học mẫu vật liệu compozit có nanoclay Mẫu (nhựa/vải) Độ bền kéo đứt Độ bền uốn Độ bền va đập Stt Tỉ lệ % MPa MPa KJ/m2 45/55 355.4 275.6 74.31 50/50 371.7 288.4 78.16 55/45 396.9 298.6 92.68 60/40 374.3 276.5 88.54 65/35 362.7 258.9 84.49 70/30 346.2 249.2 68.10 Kết bảng 3.11 nhận thấy, mẫu số (ứng với tỉ lệ nhựa/vải = 55/45) có tính chất học tốt Như vậy, vật liệu compozit pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar có tính chất học tốt tỷ lệ nhựa/vải = 55/45 Tuy nhiên, tính chất học vật liệu compozit pha nhựa epoxy có nanoclay tăng lên so với vật liệu compozit pha nhựa epoxy nanoclay, cụ thể là: + Độ bền kéo đứt: tăng 12.56% + Độ va đập: 21,5% + Độ bền uốn: 11.21% Phân tích so sánh số tính chất vật liệu compozit nanocompozit gia cường sợi Kevlar 3.4.1 Khả chịu nhiệt vật liệu Tiến hành xác định khả chịu nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar tỷ lệ nhựa/vải = 55/45 (tỷ lệ cho tính chất học cao nhất) Kết trình bày hình 3.8 3.9 52 Hình 3.9: Giản đồ TGA vật liệu compozit epoxy nanoclay gia cường sợi Kevlar Hình 3.10: Giản đồ TGA vật liệu compozit epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar 53 Từ hình 3.9 3.10 nhận thấy, khả chịu nhiệt mẫu vật liệu có nanoclay tương đương điều phù hợp với kết xác định khả chịu nhiệt mẫu pha có nanoclay Tuy nhiên, nhiệt độ bắt đầu phân hủy, trình phân hủy nhiệt độ phân hủy mạnh vật liệu pha vật liệu compozit khác Nếu nhiệt độ bắt đầu phân hủy vật liệu pha khoảng 3000C vật liệu compozit bắt đầu phân hủy sớm hơn, khoảng 2000C trình phân hủy nhiệt diễn khoảng thời gian lâu khoảng nhiệt độ dài Mẫu vật liệu pha phân hủy mạnh khoảng 4200C đến 4500C bị phá hủy mẫu vật liệu compozit phân hủy mạnh khoảng nhiệt độ 5000C bị phá hủy nhiệt độ 6000C Điều lý giải vật liệu compozit có thêm sợi Kevlar (loại sợi có khả chịu nhiệt tốt) nên có khả chịu nhiệt khoảng thời gian dải nhiệt độ dài Và có mặt sợi Kevlar làm cho lượng nhựa vật liệu compozit vật liệu pha nên nhiệt độ bắt đầu phân hủy thấp 3.4.2 Độ chịu hóa chất Mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar tỷ lệ nhựa/vải = 55/45 sau đóng rắn ngâm vào nước dung dịch hóa chất khác để xác định độ tăng khối lượng Kết nhận trình bày bảng 3.12 3.13 Bảng 3.12: Độ tăng khối lượng mẫu vật liệu pha nhựa epoxy gia cường sợi Kevlar môi trường lỏng Thời gian, H2 O NaCl 10% NaOH 10% HCl 10% H2SO4 10% ngày % % % % % 01 0,018 0,022 0,026 0,020 0,021 05 0,026 0,065 0,065 0,026 0,028 09 0,035 0,069 0,072 0,038 0,031 13 0,041 0,075 0,079 0,045 0,049 17 0,059 0,083 0,084 0,059 0,072 21 0,071 0,089 0,092 0,067 0,079 25 0,074 0,092 0,099 0,081 0,087 29 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092 30 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092 10 31 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092 TT 54 Bảng 3.13: Độ tăng khối lượng mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar môi trường lỏng TT Thời gian, ngày H2 O % NaCl 10% % NaOH 10% % HCl 10% % H2SO4 10% % 01 0,014 0,016 0,015 05 0,012 0,015 0,019 0,016 0,018 09 0,015 0,019 0,022 0,019 0,023 13 0,021 0,024 0,025 0,025 0,026 17 0,024 0,026 0,029 0,029 0,027 21 0,028 0,029 0,034 0,030 0,030 25 0,029 0,032 0,035 0,031 0,033 29 0,032 0,037 0,039 0,038 0,035 30 0,032 0,037 0,039 0,038 0,035 10 31 0,032 0,037 0,039 0,038 0,035 Từ kết bảng nhận thấy, mẫu vật liệu ngâm môi trường khảo sát đến 29 ngày bão hòa Mẫu vật liệu pha nhựa epoxy gia cường sợi Kevlar có độ tăng khối lượng lớn môi trường kiềm không đáng kể Mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar có độ tăng khối lượng môi trường tương đương mức thấp Kết cho thấy mẫu vật liệu có khả chịu hóa chất tốt mẫu vật liệu nanoclay chứng tỏ nanoclay cải thiện độ chịu hóa chất vật liệu giúp vật liệu có độ bền cao nước, dung dịch NaCl, NaOH, HCl H2SO4 .4 Xác định hệ số khuếch tán Mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar tỷ lệ nhựa/vải = 55/45 sau đóng rắn tiến hành đo độ bền mỏi Chế độ đo sau: - Tần số dao động: Hz (1 lần giật/1 giây) - Lực giật: + Mẫu nanoclay: 5,4 103N + Mẫu có nanoclay: 6,2 103N - Số lần giật: 10.000 lần 55 Sau trình đo kết thúc, nhận thấy hai mẫu có tượng tách lớp Tiến hành ngâm mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay gia cường sợi Kevlar tỷ lệ nhựa/vải = 55/45 chưa thử nghiệm chịu mỏi thử nghiệm độ bền chịu mỏi môi trường nước để xác định hệ số khuyếch tán Hệ số khuyếch tán xác định theo công thức sau: Mt  ( D.t ) M  x [1] Trong đó: M t , M : Lượng chất lỏng hút vào thời điểm t (trong thí nghiệm xác định 48 giờ) thời điểm bão hòa x : Độ dày mẫu, cm D : Hệ số khuếch tán, cm2/s t : Thời gian khảo sát, giây Kết trình bày bảng 3.14: Bảng 3.14: Kết xác định hệ số khuếch tán mẫu vật liệu M x g cm D cm2/s Không có nanoclay chưa chịu mỏi 0,0011 0,0050 0, 462 1,17 x 10-8 Có nanoclay chưa chịu mỏi 0,0004 0,0016 0, 320 0,97 x 10-8 Không có nanoclay chịu mỏi 0,0120 0,0130 0,180 3,1353 x 10-8 Có nanoclay chịu mỏi 0,0110 0,0120 0,178 3,0236 x 10-8 TT Mt g Mẫu vật liệu Kết bảng 3.14 nhận thấy, mẫu vật liệu pha nhựa epoxy có nanoclay có hệ số khuếch tán nhỏ chứng tỏ có mặt nanoclay giúp cho vật liệu có độ bền thẩm thấu tốt Điều phù hợp với kết xác định độ chịu hóa chất trình bày bảng 3.12 3.13 Các mẫu sau thử nghiệm độ chịu mỏi bị tách lớp có hệ số khuếch tán gần tăng gấp lần so với chưa thử nghiệm Đồng thời, kết xác định lượng chất lỏng thẩm thấu vật liệu thời điểm sau 48 h (Mt) thời điểm bão hòa( M ) gần Điều cho thấy, sau bị tách lớp khả chịu môi trường vật liệu bị dẫn đến tình trạng mẫu nhanh chóng hút nước đến bão hòa 56 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực Luận văn rút số kết luận sau: Hệ epoxy DER-331 với chất đóng rắn MTHPA xúc tác DMP-30 có độ nhớt thấp, ổn định thời gian ngày nên có khả thấm ướt tốt với pha gia cường, thuận lợi cho việc chế tạo sản phẩm compozit theo công nghệ kích cỡ khác Tính chất học hệ epoxy DER-331/MTHPA/DMP-30 sau đóng rắn là: Độ bền kéo đứt: 31,5 MPa, độ bền nén: 68,7 MPa, độ bền uốn: 63,12 MPa Khi đưa nanoclay I30E vào hệ epoxy DER-331/MTHPA/DMP-30 phương pháp học, I30E phân tán đến mức tróc lớp khảo sát sơ cho thấy, nanoclay I30E có tác dụng tăng tiêu độ bền hệ epoxy nói lên 10% đến 15% Tính chất học vật liệu epoxy DER-331/MTHPA/DMP-30 gia cường sợi Kevlar : Độ bền kéo đứt: 352,6 MPa, độ bền uốn: 268,5 MPa, độ bền va đập: 76,28 KJ/m2 Với có mặt nanoclay I30E, tính chất học vật liệu tăng lên, cụ thể là: Độ bền kéo đứt: 12.56%, độ bền uốn: 11.21%, độ bền va đập: 21,5% Kết phân tích so sánh số tính chật hai loại vật liệu cho thấy, nanoclay có khả cải thiện số tính chất học tăng độ bền hóa chất không làm tăng khả chịu nhiệt vật liệu 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái, Vật liệu compozit vấn đề khoa học, hướng phát triển ứng dụng, Hà Nội, 1998 Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái, Các vấn đề Khoa học Công nghệ ứng dụng vật liệu PC; Hội thảo khoa học Nha Trang; 1995 Lê Công Dưỡng, Vật liệu học, NXB khoa học kỹ thuật, 1997 Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, Vật liệu compozit học công nghệ, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2002 Trần Ích Thịnh, ”Cơ chế phá hủy vật liệu sợi compozit cốt sợi thủy tinh/nhựa epoxy”, tạp chí khoa học công nghệ, No1, Tr 45 – 50 http://vi.wikipedia.org/wiki/Nanoclay Tài liệu Tiếng Anh Ha Q Pham, Maurice J Marks; Epoxy Resins; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co; 2005 S T Peters; Handbook of composites; chapman & hall; Second edition; 1998 Edward M Petrie; Epoxy adhesive formulations; The McGraw-Hill Companies; 2006 10 Debdatta Ratna; Epoxy Composites: Impact Resistance and Flame Retardancy; Rapra Technology Limited; volume 16, 2005 11 Hung Han Yang and S.L.Kwolek; Comprehensive composite materials, Elsevier, 2000, vol 12 Marilyl W.warde; Comprehensive composite materials, Elsevier, 2000, vol2 13 Ullmann’s Encyclopedia of Industrials Chemistry, “Epoxides Epoxy resin”; Federal Republic of Germany; Vol A9, P 531 – 563, 1989 14 H.W.Reinhardt and A.E Naman, High performance fiber reinforced cement composites; London, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, P.65 - 173 15 P.K Mallick; Fiber-reinforced composites: Materials, Manufacturing, and Design; Taylor & Francis Group, LLC; third editon; 2007 16 E I dupont de Nemours & Co Inc; Product information: Nomex Aramid products; 1989 17 Howard L Needles; Textile fibers, dyes, finishes, and processes; noyes publications; 1986 58 18 L.A Utracki; Clay-Containing Polymeric Nanocomposites; Rapra Technology Limited; 2004; volume 19 Seyed Javad Ahmadi, Huang Yudong and Wei Li, “Synthesis of EPDM/Organoclay Nanocomposites: Effect of the Clay Exfoliation on Structure and Physical Properties”, Iranian Polymer Journal vol.13, No.5, 2004, P 415-422 20 Xavier Kornmann; Synthesis and Characterisation of Thermoset-Clay Nanocomposites; Division of Polymer Engineering Luleå University of Technology; 1999 21 Sanjay K.Mazumdar, Ph D; Composites manufacturing Materials, Product, and Process Engineering, CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington D.C; 2002 59 [...]... nghiệp và dân dụng Ngoài ra, nhựa epoxy còn được sử dụng làm nhựa nền trong chế tạo vật liệu compozit Sản phẩm tạo thành có tính chất cơ học cao và thường được ứng dụng để chế tạo các chi tiết máy, thiết bị y tế, hàng không, vũ trụ [1] 1.2 Một số loại sợi gia cường 1.2.1 Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh là sợi thông dụng nhất để chế tạo vật liệu PC, đôi khi được kết hợp với một số loại sợi khác và bột... đóng rắn anhydrit Chất đóng rắn anhydrit thường được sử dụng để đóng rắn cho nhựa epoxy có khối lượng phân tử cao, phản ứng xảy ra ở nhiệt độ khoảng 100 - 180ºC và cần thời gian dài Chất đóng rắn axit có thể là axit đa chức và anhydrit axit, tuy nhiên 10 anhydrit axit được sử dụng nhiều hơn do có ưu điểm là không tạo ra nước trong phản ứng , có hoạt tính cao hơn do đó giảm nhiệt độ đóng rắn, thời gian... thép và gấp 2 lần sợi nylon, polyeste và thủy tinh Sợi kevlar 29 và sợi kevlar 49 có độ bền kéo đứt riêng cao hơn những loại sợi khác, và có modun riêng nằm giữa sợi thủy tinh và sợi bo (Hình 1.2) Hình 1.2: Độ bền kéo riêng của các loại sợi gia cường Các giá trị quan hệ của những sợi này cung cấp đặc tính thiết kế quan trọng cho việc ứng dụng chúng trong chế tạo vật liệu Trừ sợi thép, độ dai và modun... của sợi phụ thuộc vào thời gian c Độ rão Độ rão của sợi khi kéo là một yếu tố quan trọng khi nghiên cứu chế tạo những ứng dụng yêu cầu kĩ thuật cao như vật liệu compozit hay vật liệu tiên tiến Trên hình 1.6 và hình 1.7 biểu diễn đường cong độ rão của sợi kevlar 49 trong không khí và trong nước ở nhiệt độ và ứng suất khác nhau Trong tất cả các trường hợp, tổng độ rão trong 1000 giờ vẫn dưới 0,5% Sợi kevlar. .. 1.12: Hình ảnh tượng trưng cho nanocompozit cấu trúc xen kẽ và hỗn độn 1.4 Các phương pháp gia công vật liệu compozit và phân tán nano 1.4.1 Các phương pháp gia công vật liệu compozit [1, 13, 21] Trong công nghiệp có nhiều phương pháp gia công vật liệu compozit tùy theo loại vật liệu gia cường, nhựa nền, kích thước, hình dáng sản phẩm, số lượng, tính năng sử dụng và giá thành sản phẩm mà lựa chọn công... loại: chất đóng rắn và chất xúc tác đóng rắn Chất đóng rắn được thêm vào với một lượng lớn để tạo liên kết ngang giữa các mạng không gian với nhau, còn chất xúc tác đóng rắn được thêm vào với một lượng nhỏ nhằm tăng tốc độ phản ứng a Chất đóng rắn *Chất đóng rắn amin Phân tử amin có các nguyên tử Hydro hoạt động, mỗi một nguyên tử Hydro đó có thể tham gia phản ứng mở vòng nhóm epoxy Amin có thể là amin... Phân tử anhydrit khi phản ứng sẽ tách ra các nhóm hoạt động đối xứng nhau trong phân tử Quá trình này thường có sự tham gia của chất xúc tác đóng rắn Dưới đây là sơ đồ lý tưởng cho quá trình phản ứng giữa nhựa epoxy và chất đóng rắn anhydrit: So với các chất đóng rắn amin, chất đóng rắn axit ít độc hơn, tỏa nhiệt ít hơn khi đóng rắn và thời gian sống dài hơn Sản phẩm nhận được có tính chất cơ học,... ứng tạo ra liên kết C-N, do có năng lượng liên kết cao nên sau khi đóng rắn, nhựa epoxy có thể chịu môi trường và chịu nhiệt cao Chất đóng rắn amin bao gồm các hợp chất chứa nhóm amin Amin mạch thẳng, amin thơm, amin vòng, dị vòng và các sản phẩm biến tính của amin như oligoamit amin có nhóm amin ở cuối mạch Các chất amin có thể đóng rắn cho hầu hết các loại nhựa epoxy trừ nhựa epoxy este vì không có. .. qua giai đoạn biến dạng dẻo dưới dạng các dải xoắn ở 55oC - 60oC so với trục sợi Sợi kevlar có độ biến dạng uốn khoảng 0,7% và khi một khối có chứa sợi kevlar nén tới 3% theo trục thì sợi kevlar chỉ mất 10% độ bền kéo đứt Khi bị nén, modun đầu của sợi bị giảm đáng kể do biến dạng hình thái học Kết quả này rất phù hợp với các tính chất chịu nén và trượt của vật liệu compozit cốt sợi kevlar Sợi kevlar. .. Nhựa epoxy vòng no Nhựa epoxy vòng no được điều chế bằng cách epoxy hóa (sử dụng axít peaxetic, ferformic các dẫn xuất vòng no như vinylxyclohexen) Đây là loại nhựa có khả năng chịu bức xạ, nhiệt độ tốt hơn epoxydian nên được sử dụng trong các công trình ngoài trời Nhựa epoxy vòng no có màu sáng hơn và độ nhớt thấp hơn so với epoxy tiêu chuẩn trên cơ sở diphenolpropan và epyclohydrin Nhưng nhựa epoxy ... phm si kevlar cú nhng tớnh nng khỏc nhau, c trỡnh by bng 1.7 : Bng 1.7: Mt s tớnh cht lý hc tiờu biu ca si aramit -kevlar Cỏc kiu sn phm Kevlar Tớnh nng Kevlar 49 Kevlar 68 Kevlar Kevlar Kevlar. .. vt liu Compozit Nha epoxy úng vai trũ quan trng vic nghiờn cu ch to vt liu compozit tiờn tin Vi nhng u im ni bt v bn c hc, nh, d gia cụng, sa cha, vt liu compozit trờn c s nha epoxy gia cng... Lun Nghiờn cu ch to vt liu compozit trờn c s nha epoxy (cú v khụng cú nanoclay) úng rn bn anhydrit lng gia cng si Kevlar nhm mc ớch nghiờn cu mt s tớch nng ca pha nn nha epoxy DER-331 úng rn bng