Sử dụng tia tử ngoại để chế tạo vật liệu polyme compozit

Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân do giá thành rẻ, độ bền tương đối cao, tỷ trọng thấp… Phương pháp lăn ép bằng tay ở nhiệt độ phòng với chất khơi mào cho quá trình đóng rắn là peoxit metyletylxeton và chất xúc tiến octoat coban thường được sử dụng để chế tạo sản phẩm từ vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh. Ưu điểm của phương pháp này là có thể chế tạo được các sản phẩm kích thước lớn, tuy nhiên chất lượng sản phẩm không đồng đều, phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người thực hiện và không thể áp dụng ở những vị trí khó thi công. Để khắc phục những hạn chế nêu trên, hiện nay ở các nước tiên tiến đã tiến hành đóng rắn vật liệu compozit bằng tia tử ngoại có hỗ trợ túi hút chân không. Phương pháp này cho phép thực hiện một cách dễ dàng, linh hoạt và nhanh chóng, hạn chế sư bay hơi của dung môi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ngoài ra tính chất cơ học của vật liệu cao hơn hẳn phương pháp lăn ép bằng tay thông thường. Công nghệ này thực sự là hiện đại và mới đối với Việt Nam. Chính vì vậy đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit đóng rắn bằng tia tử ngoại”.

MỞ ĐẦU 13 PHẦN I: TỔNG QUAN 14 I PHẢN ỨNG KHÂU MẠCH QUANG 14 I.1 Giới thiệu 14 I.2 Bức xạ tử ngoại (UV) 15 I.2.1 Đặc tính .15 I.2.2 Các nguồn xạ UV 16 I.2.3 Sức khỏe an toàn lao động .18 I.3 Các phản ứng đóng rắn quang .18 I.3.1 Phản ứng khâu mạch quang dạng gốc 18 I.3.2 Phản ứng trùng hợp quang dạng cation 20 I.4 Ứng dụng phản ứng khâu mạch quang 21 I.4.1 Lĩnh vực màng phủ .21 I.4.2 Lĩnh vực keo dán 22 I.4.3 Lĩnh vực compozit 22 II CÔNG NGHỆ PREPREGS UV 24 II.1 Giới thiệu công nghệ prepregs .24 II.2 Ưu điểm prepregs UV 25 V.3 Ứng dụng prepregs UV 26 III NHỰA NỀN POLYESTE KHÔNG NO(PEKN) 27 III.1 Giới thiệu 27 III.2 Tổng hợp nhựa PEKN 27 III.2.1 Nguyên liệu 28 III.2.2 Lý thuyết tổng hợp nhựa PEKN 29 III.2.3 Phương pháp sản xuất .30 III.3 Phân loại 31 III.4 Cơ chế đóng rắn nhựa .31 III.5 Tính chất ứng dụng 36 IV SỢI THỦY TINH 37 IV.1 Giới thiệu sợi thủy tinh 37 IV.2 Công nghệ chế tạo sợi thủy tinh 37 IV.3 Thành phần .40 IV.4 Tính chất sợi thủy tinh 41 IV.5 Phân loại vải thủy tinh 42 IV.6 Ứng dụng 43 V VẶT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO GIA CƯỜNG SỜI THỦY TINH ĐÓNG RẮN BẰNG TIA TỬ NGOẠI .44 V.1 Phương pháp gia công 45 V.2 Tính chất học vật liệu compozit 46 V.3 Ứng dụng 48 I NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 50 I.1 Nhựa PEKN 50 I.2 Chất khơi mào quang 50 I.3 Vải thủy tinh 50 I.4 Thiết bị 50 II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .51 II.1 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel 51 II.2 Phương pháp chế tạo compozit .51 II.3 Các phương pháp xác định tính chất học vật liệu 51 PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 I NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐÓNG RẮN CỦA NHỰA PEKN ĐÓNG RẮN BẰNG UV 53 I.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến trình đóng rắn nhựa PEKN 54 I.2 Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách chiếu UV đến trình đóng rắn nhựa PEKN 55 I.3 Khảo sát ảnh hưởng chất chất khơi mào quang đến trình đóng rắn nhựa PEKN 57 I.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào quang đến trình đóng rắn nhựa PEKN .59 I.5 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày đến trình đóng rắn nhựa PEKN 60 II NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA PEKN GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH ĐÓNG RẮN BẰNG UV 62 II.1 Chế tạo prepreg sở nhựa PEKN gia cường loại vải thủy tinh… 60 II.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học vật liệu compozit 63 II.2.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến tính chất học vật liệu 63 II.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chất chất khơi mào quang đến tính chất học vật liệu .64 II.2.3 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào quang đến tính chất học vật liệu .66 II.2.4 Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách chiếu UV tới tính chất học vật liệu 68 II.2.5 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày đến trình đóng rắn nhựa PEKN vật liệu 70 II.2.6 Khảo sát ảnh hưởng công nghệ có hỗ trợ túi hút chân không đến tính chất học vật liệu .71 II.2.7 Khảo sát ảnh hưởng loại vải thủy tinh đến tính chất học vật liệu 73 II.2.8 Khảo sát ảnh hưởng phương pháp đóng rắn nhựa PEKN đến tính chất học vật liệu .76 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .79 MỞ ĐẦU Vật liệu compozit sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân giá thành rẻ, độ bền tương đối cao, tỷ trọng thấp… Phương pháp lăn ép tay nhiệt độ phòng với chất khơi mào cho trình đóng rắn peoxit metyletylxeton chất xúc tiến octoat coban thường sử dụng để chế tạo sản phẩm từ vật liệu compozit sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh Ưu điểm phương pháp chế tạo sản phẩm kích thước lớn, nhiên chất lượng sản phẩm không đồng đều, phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thực áp dụng vị trí khó thi công Để khắc phục hạn chế nêu trên, nước tiên tiến tiến hành đóng rắn vật liệu compozit tia tử ngoại có hỗ trợ túi hút chân không Phương pháp cho phép thực cách dễ dàng, linh hoạt nhanh chóng, hạn chế sư bay dung môi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tính chất học vật liệu cao hẳn phương pháp lăn ép tay thông thường Công nghệ thực đại Việt Nam Chính lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit đóng rắn tia tử ngoại” PHẦN I: TỔNG QUAN I PHẢN ỨNG KHÂU MẠCH QUANG I.1 Giới thiệu Phản ứng trùng hợp khơi mào xạ phương pháp hiệu để tạo nhanh mạng polyme khâu mạch từ hệ nhựa lỏng Có nhiều xạ xạ tử ngoại UV, xạ γ, bực xạ điện từ đươc sử dung để khơi mào phản ứng trùng hợp Trong đó, xạ UV có nhiều hạn chế xuyên qua vật liệu Tuy nhiên, ưu điểm tia UV so sánh với loại xạ khác chi phí thiết bị tiêu tốn lượng thấp Tia phóng xạ UV độc hại có yêu cần an toàn lao động dễ đáp ứng Do đó, với nhiều ứng dụng, đóng rắn tia UV phương pháp lựa chọn Nhiều phương pháp trùng hợp khơi mào quang mô tả chi tiết Decker[4] Hợp phần đóng rắn ánh sáng gồm có monome đa chức oligome, với lượng nhỏ chất khơi mào quang để tạo phần tử hoạt tính khí chiếu tia UV Có hai loại nhựa khâu mạch UV phân biệt chế trùng hợp phần tử hoạt tính Bức xạ tạo gốc tự khơi mào phản ứng trùng hợp monome giống acrylat polyeste không no, tạo cation khơi mào phản ứng trùng hợp epoxy vinyl ete đa chức Quá trình khâu mạch quang tổng quát hình 1: Hình 1: Sơ đồ tổng quát trình đóng rắn xạ Phản ứng khâu mạch tia UV diễn nhanh, ổn định, chuyển nhựa lỏng thành vật liệu rắn phản ứng trùng hợp hợp phần dung môi nhiệt độ phòng vùng chiếu xạ[4] Thời gian đóng rắn giảm, không cần phải gia nhiệt tất thành phần[31] nên lượng tiêu thụ toàn thấp phương pháp đóng rắn nhiệt, ứng suất nhiệt giảm sử dụng thiết bị có giá thành thấp Một ưu điểm quan trọng khác giảm lượng styren phát tán môi trường Do phản ứng đóng rắn diễn bề mặt vật liệu-nơi tiếp xúc với xạ đầu tiên, lượng styren chưa phản ứng bị giữ lại bề mặt tham gia vào phản ứng trùng hợp[7] I.2 Bức xạ tử ngoại (UV) I.2.1 Đặc tính Bức xạ UV xạ điện từ có bước sóng thấp bước sóng ánh sáng nhìn thấy hình bảng Năng lượng tia xạ tăng lên giảm chiều dài bước sóng, mức độ xuyên qua vật liệu lại tăng lên tăng chiều dài bước sóng Với khả hấp thụ phổ, thủy tinh thông thường suốt với tia UV-A, mờ đục với bước sóng thấp ( độ bền kéo PC với mat thủy tinh 450 g/m (189,21 MPa) > độ bền kéo PC với mat 225 g/m2 Độ bền kéo vật liệu PC gia cường bẳng vài 3D-453 vải plain 250g/m có giá trị cực cao tương ứng 408,77 MPa 376,03 MPa Như vậy, thay đổi loại vải thủy tinh gia cường điều chỉnh tính chất học vật liệu PC đóng rắn UV giới hạn rộng 66 II.2.8 Khảo sát ảnh hưởng phương pháp đóng rắn nhựa PEKN đến tính chất học vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng phương pháp đóng rắn nhựa PEKN đến tính chất học vật liệu PC tiến hành chế tạo vật liệu PC sở nhựa PEKN gia cường mát 450 g/m2 đóng rắn MEKP có mặt xúc tác octoat coban phương pháp lăn ép tay vật liệu PC từ PEKN gia cường mat thủy tinh 450g/m2 đóng rắn UV với 1% chất khơi mào quang CKQ- NT3 khoảng cách chiếu 30cm chân áp suất dư 0,95kgf/cm2 Các mẫu vật liệu PC xác định tính chất học sau để ổn định từ 7-10 ngày nhiệt độ phòng 20-25°C Kết khảo sát hình 2.14 2.15 Hình 2.14 Ảnh hưởng phương pháp đóng rắn nhựa PEKN đến độ bền kéo vật liệu 67 Hình 2.15 Ảnh hưởng phương pháp đóng rắn nhựa PEKN đến độ bền uốn vật liệu Các số liệu hình 2.14 2.15 cho thấy độ bền kéo độ bền uốn vật liệu PC đóng rắn UV có hỗ trợ túi hút chân không cao hẳn so với vật liệu PC đóng rắn MEKPO chế tạo phương pháp lăn ép tay: Độ bền kéo(189.21Mpa) PC đóng rắn UV cao 21% so với độ bền kéo PC đóng rắn MEKPO; độ bền uốn PC đóng rắn UV cao tới 37% độ bền uốn PC đóng rắn MEKPO Như vậy, tính chất học vật liệu PC đóng rắn UV vượt trội hẳn vật liệu PC đóng rắn MEKPO KẾT LUẬN Đã nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình đóng rắn nhựa PEKN gồm: thời gian chiếu UV, chất chất chất khơi mào quang, hàm lượng chất khơi 68 mào quang, khoảng cách chiếu UV chiều dày Nhận thấy yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến trình đóng rắn nhựa PEKN Đã nghiên cứu chế tạo prepreg sở nhựa PEKN gia cường sợi thủy tinh đóng rắn UV Tấm prepreg bảo quản thời gian tương đối dài nhiệt độ 20-25°C Đã nghiên cứu tính chất học vật liệu compozit sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh đóng rắn tia UV Và nhận thấy thời gian khoảng cách chiếu UV, chất hàm lượng chất khơi mào quang ảnh hưởng đáng kể đến tính chất học vật liệu Do đó, thay đổi chất hàm lượng chất khơi mào quang, điều chỉnh khoảng cách thời gian chiếu tia UV tạo vật liệu có tính chất học phù hợp với yêu cầu sử dụng Đã nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ hỗ trợ túi hút chân không đến tính chất học vật liệu compozit đóng rắn UV Cho thấy độ bền vật liệu tăng lên đáng kể so với phương pháp lăn ép không sử dụng túi hút chân không Đã nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày compozit đến mức độ đóng rắn vật liệu compozit Cho thấy, tia UV có khả xuyên qua đóng rắn vật liệu với độ dày lên đến 16mm Đã nghiên cứu ảnh hưởng loại vải thủy tinh đến tính chất học vật liệu compozit Sử dụng vải 3D Úc, tính chất học vật liệu cao loại vải thủy tinh khác Đã nghiên cứu so sánh phương pháp đóng rắn UV với phương pháp đóng rắn nhiệt độ thường sử dụng chất khơi mào MEPKO Cho thấy vật liệu đóng rắn UV có tính chất cao hẳn vật liệu đóng rắn đóng rắn nhiệt nhiệt độ thường 69 ... áp[22] I.4.3 Lĩnh vực compozit Với gia tăng sử dụng vật liệu compozit nhiều ngành công nghiệp, cần phải phát triển công nghệ vật liệu để sửa chữa vật liệu compozit bị hỏng Hiệu sửa chữa thường yêu... (PEKN) Nhưng đến năm 1941 loại vật liệu có tên thị trường từ sử dụng làm vật liệu cho vật liệu compozit Năm 1942, viện khoa học cao su Hoa kỳ chế tạo vật liệu compozit sở nhựa PEKN gia cường... chất xúc tiến octoat coban thường sử dụng để chế tạo sản phẩm từ vật liệu compozit sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh Ưu điểm phương pháp chế tạo sản phẩm kích thước lớn, nhiên