gia cƣờng bằng vải thủy tinh
3.4.1 Nghiên cứu phƣơng pháp phân tán MWCNTs vào epoxy bằng kỹ thuật rung siêu âm
Trong phần nghiên cứu này, sử dụng bể siêu âm (Sonication bath) để phân tán nano cacbon vào nhựa epoxy. Kỹ thuật phân tán nano cacbon vào epoxy bằng thiết bị bể rung siêu âm tránh được hiện tượng nóng cục bộ.
3.4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến mức độ phân tán, tính chất cơ học và tính chất chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 học và tính chất chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
Tiến hành rung siêu âm hỗn hợp MWCNTs/epoxy E 240 (MWCNTs 0,02% khối lượng) trong các thời gian 4, 5, 6 và 7 giờ, nhiệt độ trong bể đặt ở 650C. Phương pháp FE-SEM đã được sử dụng để quan sát và nghiên cứu các bề mặt gẫy của các mẫu nanocompozit (hình 3.34)
Hình 3.34 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
Ảnh FE-SEM (hình 3.34) cho thấy, khi rung siêu âm ở 6 giờ, các ống các bon đa tường phân tán với mật độ đều trong nhựa epoxy và với 4 giờ và 5 giờ thì xuất hiện các vùng kết tụ, một số điểm các MWCNTs vẫn ở dạng co cụm nhiều.
Khi thời gian rung siêu âm kéo dài lên 7 giờ, mức độ phân tán MWCNTs trong epoxy giảm, xuất hiện sự co cụm ở một số vị trí có hiện tượng giống như đối với mẫu rung siêu âm 5giờ, có thể do thời gian rung siêu âm kéo dài nên dẫn đến sự kết tụ trở lại của các MWCNTs.
Ảnh FE-SEM (3.35-A) chụp ở độ phóng đại 150.000 lần của bề mặt gẫy mẫu nanocompozit rung siêu âm trong 6 giờ càng khẳng định rõ hơn sự phân tán các MWCTNs trong epoxy E 240 đạt đến mức độ phân bố đồng đều.
Hình 3.35 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240: A-thời gian
rung siêu âm 6h ở độ phóng đại 150.000 lần, B-thời gian rung siêu âm 4 giờ ở độ phóng đại 120.000 lần
Dưới tác dụng của ứng suất, trong vật liệu epoxy E 240 sẽ xuất hiện những vết nứt ở những khu vực xung yếu nhất và vết nứt đó sẽ ngày càng phát triển, khi có mặt MWCNTs phân tán đều với kích thước nano mét trong epoxy E 240 thì các vết nứt có thể bị ngăn chặn một cách hiệu quả, và vết nứt (cracks) bị thay đổi hướng đi khi nó đi qua điểm có mặt MWCNTs (Hình 3.35-A, hướng mũi tên chỉ vết nứt đang phát triển bị ngăn chặn bởi MWCNTs) và sự phát triển vết nứt bắt đầu trở lên khó khăn hơn. Epoxy E 240 kết hợp với MWCNTs có thể làm tăng năng lượng gây nên nứt, gẫy. Do đó vết nứt có thể bị kìm hãm.
Kết quả là, vết nứt bắt đầu trở nên khó khăn trong việc phát triển. Hiện tượng này được quan sát rất rõ đối với mẫu rung siêu âm 6 giờ ở hình 3.35-A. Dựa trên hình ảnh về hình thái cấu trúc, có thể thấy rằng với mẫu khi rung siêu âm 6 giờ, các MWCNTs đã cải thiện tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/MWCNTs. Sự phân tán đồng đều và mức độ kết dính hoàn hảo của MWCNTs với epoxy E 240 là lý do chính để tăng tính chất cơ học của nhựa epoxy E 240.
Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung siêu âm ở các thời gian: 4, 5, 6 và 7 giờ trình bày ở bảng 3.28.
Bảng 3.28 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung siêu âm ở các thời gian: 4, 5, 6 và 7 giờ
Thời gian rung siêu âm, giờ
Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 E 240 55,90 86,75 156,08 7,11 4 62,50 96,76 174,24 8,91 5 64.12 103,34 183,19 9,79 6 71,45 109,00 191,54 16,11 7 69,75 102,90 187,53 14,63
Bảng 3.28, cho thấy tính chất chất cơ học của mẫu rung siêu âm 6 giờ đạt giá trị cao so với các mẫu còn lại và nhựa epoxy nguyên thể: độ bền kéo 71, 45 MPa (tăng 27,81% so với epoxy E 240), độ bền uốn 109,00 MPa (tăng 25,64%), độ bền nén 191,54 MPa (tăng 22,71%) và độ bền va đập Izod 16,49 KJ/m2
(tăng 126,58%).
Độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung siêu âm ở các thời gian: 4, 5, 6 và 7 giờ trình bày ở bảng 3.29.
Bảng 3.29 Độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung siêu âm ở các
thời gian: 4, 5, 6 và 7 giờ
Thời gian rung siêu âm, giờ
Chỉ số oxy, % Tốc độ cháy, mm/phút UL 94HB, mm/phút E 240* 20,6 28,41 - 4 22,8 27,41 25,78 5 23,2 24,65 23,27 6 23,2 23,03 21,70 7 22,8 24,05 22,34 *
Vật liệu epoxy E 240 đóng rắn bằng DETA chưa bổ sung nanoclay I.30E
Sự kết hợp giữa MWCNTs trong nền polyme tạo ra một lớp bảo vệ trong suốt quá trình đốt cháy mẫu. Sau khi được làm nóng, mẫu bắt lửa. Sơ đồ giải thích cơ chế chống cháy của MWCNTs trong epoxy trình bày ở hình 3.36.
Từ hình 3.36 nhận thấy, các lớp than như một lá chắn giữa mẫu vật liệu với pha khí và ngọn lửa, giảm tỷ lệ cháy và bắt cháy. Bên cạnh đó, sự hiện diện của các ống nano cacbon làm tăng tính dẫn nhiệt của polyme. Kết quả là, thời gian để bắt lửa và tốc độ giải phóng nhiệt của vật liệu epoxy E 240/MWCNTs tăng cùng với khả năng phân tán MWCNTs trong polyme epoxy của vật liệu và lớp than được hình thành nhanh chóng.
Khi MWCNTs được phân tán tốt trong nền vật liệu, lớp than được tao ra sẽ phủ đều hơn trên bề mặt. Và lớp lá chắn này sẽ hạn chế tới mức tối thiểu khả năng bắt lửa cũng như tiếp xúc với oxy không khí. Đồng thời làm giảm xu hướng bắt lửa trở lại, làm cho ngọn lửa không thể lan rộng và tắt dần [43].
Theo cơ chế chống cháy trên thì mức độ phân tán MWCNTs trong epoxy E 240 là yếu tố quyết định đến khả năng chống cháy của vật liệu epoxy E 240/MWCTNs. Bảng 3.29, cho thấy kết quả đánh giá độ chậm cháy rất phù hợp với phần lý thuyết, vật liệu rung siêu âm 6 giờ có độ chậm cháy cao so với nhựa nền epoxy E 240 và các vật liệu rung siêu âm ở 4, 5 và 7 giờ. Chỉ số oxy đạt 23,2%, tốc độ cháy 23,03 mm/phút và tốc độ cháy theo UL 94HB đạt 21,70 mm/phút.
Hình 3.36 Sơ đồ giải thích cơ chế chống cháy của MWCNTs trong epoxy E 240
Đối với mẫu rung siêu âm 4giờ và mẫu rung siêu âm 5 giờ do thời gian rung siêu âm chưa đủ lớn để có thể phân tán các MWCNTs trong nhựa epoxy E 240 đạt đến mức phân bố đồng đều, bên trong vật liệu xuất hiện những vùng co cụm của MWCNTs nên đã hình thành tại đây các khuyết tật. Do vậy khả năng chống cháy thấp hơn so với mẫu rung siêm âm 6 giờ.
Khi rung siêu âm đến 7 giờ thì độ chậm cháy cũng không được cải thiện thêm thậm chí là độ chậm cháy giảm nhẹ so với mẫu khi rung siêu âm 6 giờ.
3.4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ rung siêu âm đến tính chất cơ học và tính chất chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
Nhiệt độ rung siêu âm cũng là một trong yếu tố ảnh hưởng đến mức độ phân tán và tính chất cơ học cũng như tính chất cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240. Các giá trị nhiệt độ 55, 60 và 65 và 700C lần lượt được khảo sát cho chế độ rung siêu âm trong 6 giờ.
Khảo sát độ bền cơ học và đánh giá độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/MWCNTs, kết quả xác định tính chất cơ học trình bày bảng 3.30.
Bảng 3.30 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung siêu âm ở
các nhiệt độ: 55, 60, 65 và 700C Nhiệt độ rung siêu âm, 0C Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 E 240 55,90 86,75 156,08 7,11 55 57,06 103,20 163,66 12,29 60 56,37 103,65 180,38 12,55 65 71,45 109,00 191,54 16,11 70 64,00 103,35 174,58 11,12
Từ bảng 3.30 nhận thấy, nhiệt độ thích hợp là 650C, tại nhiệt độ này sự phân tán diễn ra ổn định và bằng chứng là tính chất cơ học đạt ở mức cao. Độ bền kéo 71,45 MPa (tăng 27,81%), độ bền uốn 109,0 MPa (tăng 5,64%) và độ bền va đập đạt 16,11 KJ/m2
(tăng 126,58%).
Ảnh hưởng của nhiệt độ rung siêu âm đến tính độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 trình bày ở bảng 3.31.
Bảng 3.31 Tính chất chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E240 khi dung siêu âm
ở các nhiệt độ: 55, 60, 65 và 700 C Nhiệt độ rung siêu âm, 0C Chỉ số oxy, % Tốc độ cháy, mm/phút UL 94HB, mm/phút E 240 20,6 28,41 - 55 21,9 24,01 23,45 60 22,8 23,78 22,90 65 23,2 23,03 21,70 70 22,8 24,30 22,47
Từ bảng 3.31 nhận thấy, tương tự như tính chất cơ học, độ chậm cháy tốt nhất khi rung siêu âm ở 650C.
3.4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs đến tính chất cơ học và tính chất chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
MWCNTs được phân tán trong nhựa epoxy E 240 với các tỷ lệ phần trăm khối lượng 0,01%, 0,02% và 0,03% bằng phương pháp rung siêu âm trong 6 giờ ở 650C. Sử dụng phương pháp FE-SEM để quan sát bề mặt gẫy của các vật liệu tổ hợp MWCNTs/epoxy E 240 với độ phân giải cao. Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit trình bày ở hình 3.37 và 3.38.
Hình 3.37 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit: 0,01% MWCNTs,
0,02% MWCNTs, 0,03% MWCNTs
Hình 3.38 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit với 0,02% khối lượng MWCNTs
Ảnh FE-SEM (hình 3.37) cho thấy sự phân tán khá đồng đều đối với mẫu bổ sung 0,02% khối lượng MWCNTs, và xảy ra kết tụ của MWCNTs trong nhựa khi phân tán với lượng nhiều hơn là 0,03% khối lượng MWCNTs. Đối với 0,01% khối lượng MWCNTs, mật độ phân tán thưa thớt và ít trong nhựa epoxy E 240.
Các bề mặt gẫy cho thấy việc chống lại hiện tượng giòn của các ống nano cacbon và nhựa epoxy. Điều này chỉ ra rằng sự bám dính mạnh mẽ được diễn ra giữa MWCNTs - epoxy E 240 và bị gẫy trong các điều kiện khác nhau. Bề mặt gẫy thô, có thể việc mở rộng vết nứt bị chặn bởi các mạng lưới polyme và MWCNTs khi lực tác dụng tăng, các vết nứt sẽ hình thành ở khu vực yếu của mạng MWCNTs. Các MWCNTs đóng vai trò quan trọng đối với việc hạn chế sự phát triển của vết gãy (hình 3.38) và yêu cầu lực tác dụng phải lớn hơn.
Các thí nghiệm về các độ bền cơ học đã được tiến hành để đánh giá hiệu quả của MWCNTs trên các tính chất cơ học của mẫu nanocompozit.
Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 với các hàm lượng MWCNTs khác nhau: 0,01%, 0,02%, 0,03% khối lượng, được trình bày trong bảng 3.32.
Bảng 3.32 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 với các hàm lượng
MWCNTs khác nhau: 0,01%, 0,02%, 0,03% khối lượng
Hàm lượng MWCNTs, % Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 E 240 55,90 86,75 156,08 7,11 0,01 64,00 89,70 184,58 12,88 0,02 71,45 109,00 191,54 16,11 0,03 67,00 95,80 201,45 13,58
Từ bảng 3.32 nhận thấy hàm lượng MWCNTs trong epoxy tăng thì độ bền cơ học tăng theo. Tuy nhiên khi tăng đến 0,03% khối lượng MWCNTs, mức độ tăng độ bền cơ học không cao so với vật liệu khi bổ sung 0,02% khối lượng MWCNTs.
Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs đến tính chất chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 trình bày bảng 3.33
Bảng 3.33 Tính chất chậm cháy của các vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 với hàm
lượng MWCNTs 0,01%; 0,02%; 0,03% khối lượng.
Hàm lượng MWCNTs, % Chỉ số oxy, % Tốc độ cháy, mm/phút UL 94HB, mm/phút E 240 20,6 28,41 - 0,01 21,9 24,78 23,56 0,02 23,2 23,03 21,70 0,03 23,7 23,90 22,34
Từ bảng 3.32 nhận thấy, độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit tốt hơn cả với hàm lượng 0,02% khối lượng MWCNTs.
3.4.2 Nghiên cứu phƣơng pháp phân tán MWCNTs vào epoxy bằng kỹ thuật khuấy cơ học kết hợp rung siêu.
Phân tán 0,02% khối lượng MWCNTs vào nhựa epoxy E 240 bằng phương pháp khuấy trộn cơ học kết hợp với rung siêu âm.
Lần lượt thực hiện khuấy cơ học các mẫu với tốc độ 3000 vòng/phút trong các thời gian 5 giờ, 6 giờ, 7 giờ và 8 giờ ở 800C sau đó các mẫu được rung siêu âm tiếp trong 6 giờ ở 650C. Đánh giá mức độ phân tán của MWCNTs thông qua chụp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo trình bày hình 3.39.
Hình 3.39 Ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
với chế độ phân tán rung siêu âm 6 giờ sau đó khuấy cơ học 5 giờ : (A)-phóng đại 20.000 ngìn lần, (B)-phóng đại 50.000 ngìn lần
Trong nghiên cứu này đã đánh giá mức độ phân tán của MWCNTs trong epoxy có sự liên hệ với thứ tự giữa khuấy cơ học và rung siêu âm hay không.
Hình 3.39 quan sát thấy nếu tiến hành phân tán theo thứ tự dung siêu âm trước sau đó khuấy cơ học thì dường như các MWCNTs lại có sự xáo trộn lại khi đã được phân bố ổn định sau 6 giờ dung siêu âm.
Do đó các ống nano cacbon phân bố trong nhựa epoxy với mật độ dầy và không đều. Trong khi nếu khuấy cơ học trước sau đó tiến hành rung siêu âm thì hỗn hợp có mầu đen tuyền, các MWCNTs phân bố tương đối tốt hơn (ảnh FE-SEM hình 3.40)
Hình 3.40-A,B,C,D, cho thấy khi khuấy cơ học trong 8 giờ, tốc độ 3000 vòng/phút, sau đó rung siêu âm trong 6 giờ thì các MWCNTs phân tán và phân bố với mật độ đều trong epoxy. So với các mẫu khác như khuấy cơ học 5 giờ, khuấy cơ học 6 giờ, khuấy cơ học 7 giờ thì mẫu khuấy cơ học 8 giờ các MWCNTs phân tán tốt hơn cả.
Hình 3.40 Ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo các vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240: A-khuấy cơ học 5 giờ, rung siêu âm 6 giờ; B- khuấy cơ học 6 giờ, rung siêu âm 6 giờ; C- khuấy cơ học 7 giờ, rung siêu âm 6 giờ; D- khuấy cơ học 8 giờ, rung siêu âm 6 giờ; E, F- khuấy cơ
học 8 giờ
Ảnh hưởng của chế độ phân tán MWCNTs đến tính chất cơ học của vật liệu MWCNTs/epoxy nanocompozit trình bày ở bảng 3.34.
Bảng 3.34 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học và rung siêu âm đến tính chất cơ học của vật
liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240
Chế độ phân tán MWCNTs Độ bền kéo, MPa Độ bền uốn, MPa Độ bền nén, MPa Độ bền va đập Izod, KJ/m2 Epoxy E 240 55,90 86,75 156,08 7,11 NB.CH8 53,02 91,15 183,71 8,17 NB.CH5.RSA6 67,58 91,16 188,35 13,69 NB.CH6.RSA6 68,28 91,90 187,26 14,25 NB.CH7.RSA6 69,37 92,70 180,29 15,37 NB.CH8.RSA6 75,37 110,15 197,15 17,72
Từ bảng 3.34 nhận thấy, độ bền cơ học của mẫu khi khuấy 8giờ cơ học, rung siêu âm 6giờ cho kết quả cơ học cao, độ bền kéo tăng 34,83%, độ bền uốn tăng 26,97%, độ bền nén tăng 26,31% và độ bền va đập đạt 17,72 KJ/m2
tăng 149,22%. Ở các mẫu còn lại (khuấy cơ học 5, 6 và 7giờ) chưa đủ lâu để hỗ trợ cho phần rung siêu âm về sau nên độ bền cơ học có tăng nhưng không cao bằng mẫu khi khuấy cơ học trong 8giờ.
Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến tính chất chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240, trình bày ở bảng 3.35.
Bảng 3.35 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến tính chất chậm cháy của vật liệu
nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 MWCNTs/epoxy Chỉ số oxy, % Tốc độ cháy, mm/phút UL 94HB, mm/phút E 240 20,6 28,41 - NB.CH8 22,1 24,90 26,80 NB.CH5.RSA6 22,8 23,79 22,34 NB.CH6.RSA6 22,8 23,45 22,06 NB.CH7.RSA6 23,7 22,67 21,02 NB.CH8.RSA6 23,7 22,15 20,08
Từ bảng 3.35 nhận thấy, so sánh với nhựa epoxy, ba thông số đánh giá về độ