bằng DETA
Dầu lanh epoxy hóa với hàm lượng nhóm epoxy là 22,89% và các nhóm epoxy nằm giữa các mạch trong khi đó nhựa epoxy E 240 có các nhóm epoxy nằm ở cuối mạch.
Vì vậy khi tiến hành đóng rắn nhựa epoxy E 240/ELO ở nhiệt độ thường, chỉ có nhựa epoxy đóng rắn, dầu lanh epoxy hóa tồn tại trong nền nhựa epoxy ở dạng dẻo hay có thể đàn hồi như những hạt cao su nhỏ đóng vai trò như chất tăng dai.
Đã khảo sát hàm lượng phần gel và thời gian đóng rắn của nhựa epoxy E 240/ELO, kết quả nhận được trình bày ở bảng 3.6.
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng ELO đến hàm lượng phần gel và thời gian đóng rắn của nhựa
epoxy E 240/ELO
Nhựa epoxy E 240 (PKL)
Dầu lanh epoxy hóa (PKL) Thời gian đóng rắn (Phút) Hàm lượng phần gel (%) 100 0 72 95,99 95 5 75 90,43 90 10 76 83,83 85 15 77 82,62 80 20 79 84,63
Từ kết quả ở bảng 3.6 cho thấy nếu càng tăng phần khối lượng ELO thì thời gian đóng rắn của mẫu vật liệu diễn ra càng dài và hàm lượng phần gel càng thấp. Chứng tỏ khi trộn hợp nhựa epoxy E 240 với dầu lanh epoxy hóa đóng rắn ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ sau đó đem đi sấy ở 800
C trong 3 giờ chỉ có nhựa epoxy E 240 đóng rắn, dầu lanh epoxy hóa có thể không đóng rắn được.
3.2.2 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ELO hóa đến tính chất cơ học và độ chậm cháy của tổ hợp epoxy E 240/ELO đóng rắn bằng DETA
Tính chất cơ học của tổ hợp epoxy E 240/ELO có tỷ lệ phần khối lượng khác nhau, được trình bày ở bảng 3.7.
Từ bảng 3.7, nhận thấy độ bền uốn đạt 88,7 MPa, độ bền kéo 52,8 MPa và độ bền nén 121,03 MPa. Như vậy riêng về độ bền uốn là tăng 2,24% và độ bền va đạp Izod tăng 21,65% (8,65 KJ/m2) so với nhựa epoxy E 240 khi chưa trộn hợp với ELO. Độ bền nén giảm nhẹ do dầu lanh epoxy hóa đóng vai trò như một chất hóa dẻo vì vậy đã cải thiện một phần nhược điểm dòn của nhựa epoxy E 240 nhưng lại làm suy giảm độ cứng của vật liệu.
Bảng 3.7 Tính chất cơ học của tổ hợp epoxy E 240/ELO
có tỷ lệ khác nhau đóng rắn bằng DETA Tỷ lệ phối trộn E 240/ELO (PKL) Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 100 0 55,9 86,75 156,08 7,11 95 5 44,90 88,06 117,18 7,13 90 10 52,80 88,70 121,36 8,65 85 15 42,29 82,13 91,52 6,70 80 20 36,64 77,40 124,82 6,49
Dầu lanh epoxy hóa là một trong những loại polyme sinh học, nó có ưu thế hơn so với polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ do bản thân polyme sinh học thân thiện với môi trường và có khả năng phân hủy sinh học. Vì vậy, mà loại polyme sinh học này được sử dụng để thay thế cho polyme tổng hợp từ nguồn dầu mỏ.
Khi thay thế polyme tổng hợp một phần với các phần khối lượng khác nhau, tính chất cơ học không chỉ vẫn giữ ở mức cao so với polyme tổng hợp khi chưa trộn hợp mà còn cải thiện ở một số độ bền, trong trường hợp này là độ bền uốn, đặc biệt là độ bền va đập Izod tăng 21,65%.
Do đó đây cũng là một nghiên cứu có tính chất thăm dò bước đầu đã cho kết quả khả quan và cũng là một tín hiệu tích cực để tiếp tục sử dụng kết quả này cho việc nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit ở các phần sau. Ảnh hưởng của hàm lượng ELO đến khả năng chậm cháy của vật liệu EP/ELO, được trình bày bảng 3.8.
Bảng 3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ epoxy E 240/ELO đến tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu
TT Tỷ lệ phối trộn EP - ELO ( PKL) Chỉ số oxy (%) Tốc độ cháy (mm/phút) 1 100 0 20,6 28,41 2 95 5 20,2 30.30 3 90 10 21,5 32,35 4 85 15 20,2 34,50 5 80 20 19,7 35,23
Từ bảng 3.8 nhận thấy hàm lượng ELO ít nhiều cũng ảnh hưởng đến độ chậm cháy của nhựa epoxy. Khi hàm lượng ELO tăng thì sự tương hợp giảm dẫn đến cấu trúc không bền chặt và đây là nguyên nhân dẫn đến độ chậm cháy vật liệu giảm. Đặc biệt ở tỷ lệ phối trộn 90/10 PKL, là tỷ lệ cho độ tương hợp khá tốt, nên tính chất cơ học cao và độ chậm cháy ở mức tốt hơn so với các tỷ lệ khác.
3.2.3 Hình thái cấu trúc của vật liệu epoxy Epikote 240/dầu lanh epoxy hóa đóng rắn bằng DETA
Đã tiến hành chụp ảnh FE-SEM với các độ phóng đại khác nhau bề mặt phá hủy của nhựa epoxy E240/ELO. Kết quả trình bày ở hình 3.11.
Hình 3.11 Ảnh FE-SEM của vật liệu epoxy E 240/ELO ở tỷ lệ phối trộn 90/10 phần khối lượng lần lượt ở các độ phóng đại: 1000; 5000; 10.000; 20.000 lần
Hình 3.12 Ảnh FE-SEM của vật liệu epoxy E 240/ELO ở tỷ lệ phối trộn 90/10 PKL và 80/20 PKL
phần khối lượng ở độ phóng đại 2500 lần
Từ hình FE-SEM ở các độ phóng đại khác nhau, hình 3.11 và 3.12 nhận thấy mẫu hỗn hợp E 240/ELO (90/10 PKL), dầu lanh epoxy hóa (ELO) đã tương hợp rất tốt với nhựa epoxy. Bề mặt phá hủy của mẫu E 240/ELO (90/10 PKL) có cấu trúc mịn, không gồ ghề, cấu trúc đều đặn.
Trước khi nhựa epoxy khâu mạch thì dầu lanh epoxy hóa đã tạo với epoxy thành một hỗn hợp đồng nhất, trong quá trình khâu mạch hiện tượng tách pha ELO tạo thành các hạt hình cầu có kích thước dao động trong khoảng 0,4 đến 0,5
Kích thước và mức độ phân bố của các hạt ELO phân tán trong epoxy là một trong những yếu tố quan trọng, nếu kích thước thích hợp thì sẽ cải thiện được tính chất cho vật liệu. Trong trường hợp này thì ELO hình thành trong nhựa epoxy dưới dạng những hạt
hình cầu có tính đàn hồi như cao su, với kích thước và mức độ phân bố phù hợp do đó độ bền uốn và độ bền va đập Izod tăng so với nhựa nền epoxy E 240.
Kết quả khảo sát bằng phương pháp FE-SEM (hình 3.12) cho thấy, mẫu hỗn hợp E 240/ELO: 90/10 (PKL) kích thước hạt ELO được phân bố đồng đều, ELO đã tương thích rất tốt với epoxy, bề mặt mịm khác hẳn với bề mặt gẫy nhựa epoxy có tính dòn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhưng vẫn có sự kết tụ các hạt ELO của các mẫu khi có hàm lương ELO lớn làm cho cấu trúc của vật liệu có thay đổi nhỏ, như mẫu E 240/ELO: 80/20 (PKL), các hạt ELO phân bố không đồng đều hạt nhỏ hạt to, kích thước lớn do kết tụ các hạt ELO nhỏ lại với nhau (do hàm lượng ELO tăng) thành hạt lớn hơn tính chất cơ học suy giảm.
Với độ phóng đại 20.000 lần dễ dàng nhận thấy hỗn hợp ở tỷ lệ 90/10 PKL, các hạt ELO kích thước trung bình khoảng 0,5 µm, phân bố đồng đều và tương đối đồng đều về kích thước. Bề mặt các hạt ELO được bao phủ bởi nhựa nền epoxy E 240 (hình 3.11, d), cho thấy khả năng tương hợp cao, liên kết tốt với nhựa. Tỷ lệ phối trộn10 PKL ELO với 90 PKL nhưa epoxy E 240 sẽ được lựa chọn để nghiên cứu ở các phần tiếp theo.
3.2.4 Tính chất cơ học và độ chậm cháy vật liệu PC trên nền epoxy E 240/ ELO gia cƣờng bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chống cháy
3.2.4.1 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của hỗn hợp epoxy E 240/ELO có và không có mặt chất chống cháy
Kết quả nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu compozit nền (E 240/ELO: 90/10 PKL) có mặt chất chống cháy (oxyt antimon 9 PKL/ paraphin clo hóa 11 PKL), nhận thấy rằng độ bền nén của mẫu giảm nhiều so với các mẫu epoxy E 240; epoxy E 240/ELO; epoxy E 240/ oxyt antimon 9 PKL/paraphin clo hóa 11 PKL có thể được lý giải như sau, sự có mặt của ELO trong vật liệu nền epoxy E 240 đóng vai trò như là một chất hóa dẻo (được biện luận ở mục 3.2.2) tương tự như parafin clo hóa chính vì vậy khi có mặt cả hai hợp chất này trong vật liệu polyme epoxy E 240 sẽ giúp tăng cường độ mềm dẻo, giảm độ dòn so với khi dùng riêng rẽ từng chất môt.
Cũng chính vì lý do này mà độ bền va đập Izod tăng (9,93 KJ/m2), độ bền uốn tăng (89,40 MPa) so với nhựa nền epoxy E 240 và các vật liệu còn lại. Như vậy sự
có mặt của ELO và parafin clo hóa đã làm gia tăng độ dẻo của polyme epoxy E 240 đáng kể. Tính chất cơ học của các tổ hợp vật liệu epoxy E 240/ELO/chất chậm cháy được trình bày ở hình 3.13.
Hình 3.13 Độ bền cơ học của các vật liệu: epoxy E 240; epoxy E 240/ELO (tỷ lệ: 90/10 PKL)(EO); epoxy E 240/oxyt antimon 9 PKL/paraphin clo hóa 11PKL (EAP); epoxy E 240/ ELO/ oxyt antimon 9 PKL/paraphin clo hóa 11 PKL (EOAP)
Hình 3.13 nhận thấy, khi trộn hợp ELO và paraphin clo hóa vào vật liệu thì độ bền kéo giảm, độ bền uốn tăng, độ bền nén giảm và độ bền va đập tăng cao. ELO và paraphin clo hóa đóng vai trò là các chất hóa dẻo cho vật liệu epoxy E 240 chính vì vậy mà đã cải thiện được đặc điểm giòn của polyme epoxy E 240.
Độ chậm cháy của hỗn hợp nhựa epoxy E 240/ELO/ Sb2O3/paraphin clo hóa được trình bày ở bảng 3.9.
Bảng 3.9 Độ chậm cháy của các vật liệu epoxy Epikote 240/ELO/ Sb2O3/paraphin clo hóa so với các vật liệu khác
Mẫu vật liệu Chỉ số Oxy, % Tốc độ cháy, mm/phút UL94HB, mm/phút E 240 20,7 28,41 - E 240 /ELO 21,5 32,35 -
E 240/Sb2O3/paraphin clo hóa 22,8 13,22 20,55 E 240/ELO/Sb2O3/paraphin clo hóa 23,2 13,67 20,65
Vật liệu epoxy E 240/ELO/oxyt antimon/paraphin clo hóa có tính chất chống cháy cao hơn so với các vật liệu còn lại cụ thể chỉ số oxy đạt 23,2%, tốc độ cháy 13,67 mm/phút và phép thử trên thiết bị UL94HB tốc độ cháy đạt 20,45 mm/phút. Cấu trúc chắc sít ít lỗ xốp hơn, những lõ xốp là những điểm gây ra tăng khả năng cháy bởi ở đó có không khí và cấu trúc xốp cũng là nguyên ngân ra lan truyền ngọn lửa nhanh hơn.
Khảo sát hình ảnh bề mặt vật liệu sau khi cháy với phép thử chỉ số oxy bằng phương pháp FE-SEM, hình 3.14 (a) cho thấy, mẫu trống epoxy E 240 có cấu trúc bề mặt không còn nguyên vẹn và ở trên đó tồn tại những vùng xốp bị cháy và còn tồn tại những vết nứt. Hình 3.14 (b) với vật liệu compozit trên cơ sở epoxy E 240/ELO/oxyt antimon/paraphin clo hóa trên bề mặt sau khi cháy không tồn tại những vết nứt, bề mặt mịn không có những vùng xốp và không thấy xuất hiện vết nứt. Paraphin clo hóa cùng với oxyt antimon tạo ra trên bề mặt nhựa epoxy E 240 một lớp tro (xỉ) ở dạng màng rắn, đã đóng vai trò như một lớp rào cản ngăn chặn sự phát tán nhiệt, giảm thiểu quá trình mất mát khối lượng của các chất dễ bay hơi ở bề mặt nhựa epoxy E 240.
3.2.4.2 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu PC nền epoxy E 240/ELO gia cường bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chống cháy
Tính chất cơ học của vật liệu PC nền epoxy E 240/ELO gia cường bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chậm cháy trình bày ở bảng 3.10
Bảng 3.10 Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit (PC) nền epoxy gia cường
bằng vải thuỷ tinh đóng rắn bằng DETA
Mẫu PC Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 PC0 286,01 355,50 244,82 144,46 PC1 280,50 357,66 236,24 150,53 PC2 281,02 363,93 240,70 152,89 PC3 279,45 365,36 229,21 158,39 PC4 345,61 375.60 249,52 160,30 PC5 324,74 388,45 285,41 170,45 Trong đó:
PC0:Epoxy/ vải thủy tinh loại E 600g/m2
PC1:Epoxy/ELO/vải thủy tinh loại E 600g/m2
PC2:Epoxy/vải thủy tinh loại E600g/m2/ CCC
CCC:chất chống cháy (Sb2O3/paraphin clo hóa: 9/11)
PC3:Epoxy/ELO/ E 600 g/m2/CCC
PC4:Epoxy/Vải thủy tinh dệt 3D loại 600g/m2/CCC
PC5:Epoxy/ELO/vải thủy tinh dệt 3D loại 600g/m2/CCC
Kết quả trên bảng 3.10 cho thấy, tính chất cơ học của các vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng vải thủy tinh khi có mặt hệ chất chậm cháy (PC2) độ bền kéo và độ bền nén giảm so với PC0 khi chưa có chất chậm cháy trong khi đó độ bền uốn và độ bền va đập tăng và các tính chất này có sự thay đổi tiếp theo khi có mặt một phần ELO (10 PKL) trộn hợp với với epoxy (PC3), cụ thể độ bền uốn đạt 365,36 MPa, độ bền va đập đạt 158,39 KJ/m2. Kết quả này rất phù hợp với phần tính chất cơ học của nhựa nền (mục 3.2.4.1), ELO và parafin clo hóa đóng vai trò là các chất hóa dẻo đã làm gia tăng các tính chất này và như vậy đã phát huy tác dụng trong vật liệu compozit, cải thiện độ dòn của nền epoxy. Ảnh FE-SEM của bề mặt vật liệu sau khi cháy được trình bày ở hình 3.14.
Hình 3.14 Ảnh FE-SEM của bề mặt vật liệu PC sau khi cháy, được thử nghiệm bằng phương pháp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đo tốc độ cháy: epoxy E 240 (a); epoxy E 240/ELO/oxyt antimon/paraphin clo hóa (b).
Ảnh SEM của vật liệu PC nền epoxy gia cường bằng vải thủy tinh có mặt hệ chất chậm cháy và ELO được trình bày ở hình 3.15.
Hình 3.15 Ảnh SEM của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng vải thủy tinh có mặt hệ chất
chống cháy và ELO: vật liệu epoxy E 240/vải thủy tinh/paraphin clo hóa/ Sb2O3 (a); vật liệu epoxy E 240/ELO/vải thủy tinh/paraphin clo hóa/Sb2O3 (b).
(a) (b) (a) (b)
Khi gia cường bằng vải thủy tinh dệt 3D (PC4) thì tính chất cơ học của vật liệu PC tăng đáng kể, điều này cho thấy ưu thế của loại vải gia cường được dệt theo đa phương (3D, 4D…). Vải thủy tinh dệt 3D, có các sợi được đặt theo ba phương vuông góc, khác với vải thủy tinh dệt 2D chỉ có hai phương, phương ngang và phương dọc đặt vuông góc. Nhìn chung, tính chất cơ học của vật liệu compozit gia cường bằng vải 2D và vải 3D, cùng một loại sợi thủy tinh (bản chất sợi giống nhau) và cùng điều kiện đặt tải cơ học thì vải 3D cho tính chất cơ học tốt hơn nhiều. Khi có mặt hệ chất chống cháy và ELO thì độ bền kéo giảm, độ bền nén giảm còn độ bền va đập, độ bền uốn tăng.
Hình ảnh SEM ở hình 3.15, cho thấy các chất chống cháy Sb2O3, parafin clo hóa và dầu lanh epoxy hóa phân bố đồng đều trong vật liệu compozit, parafin clo hóa và dầu lanh epoxy hóa phân bố dưới dạng các hạt hình cầu trong compozit với kích thước đồng đều do đó đã phát huy được tác dụng nâng cao độ mềm dẻo, giảm độ dòn dẫn đến độ bền uốn và độ bền va đập tăng và độ bền nén và kéo giảm nhưng không nhiều. Độ kết dính giữa nhựa epoxy E 240 và sợi thủy tinh đóng vai trò quan trọng đối với tính chất cơ học của vật liệu compozit và nó có thể liên quan trực tiếp đến độ gồ ghề của vết nứt nơi xảy ra quá trình hình thành vết nứt. Tiến hành khảo sát hình thái cấu trúc bề mặt gẫy đối của các mẫu PC sau khi xác định độ bền kéo, kết quả nhận được trình bày ở hình 3.16.
(a)
(b)
(C)
(B)
Hình 3.16 Ảnh FE-SEM của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng vải thủy tinh ở độ phóng
Ảnh FE-SEM ở hình 3.16 với độ phân giải cao, cho thấy rõ bề mặt gẫy của vật liệu compozit epoxy E 240 gia cường bằng vải thủy tinh và vật liệu compozit epoxy E 240/ELO có mặt chất chậm cháy gia cường bằng vải thủy tinh được gia công bằng phương pháp lăn ép bằng tay, cho thấy bề mặt gẫy tương đối trơn tru, ở vật liệu epoxy E 240/ELO/CCC vải thủy tinh cho thấy sự liên kết giữa sợi và nhựa epoxy E 240/ELO là tương đối tốt, bề mặt khe giữa sợi và nhựa một phần bị kéo ra khỏi khe và bị vỡ, vùng chỉ