II.1. Phương pháp xác định hàm lượng phần gel[22].
Sau khi hòa tan chất khơi mào quang vào nhựa PEKN, lấy nhựa dàn mỏng lên bề mặt các tấm giấy bạc với độ dày tương đối bằng nhau với cùng diện tích. Chiếu tia UV lên các màng mỏng với các thời gian và khoảng cách chiếu khác nhau. Cân lượng mẫu khoảng 0.2 – 0.3 g rồi gói trong giấy lọc đã được làm sạch trong thiết bị xoxhlet bằng axeton rồi sấy đến khối lượng không đổi. Hàm lượng phần gel là phần không tan được trích ly trong axeton ở thiết bị xoxhlet khoảng 24h. Sau đó đem sấy khô đến khối lượng không đổi.
Hàm lượng phần gel(X) được tính theo công thức: X = a c
b c
x 100 , % Trong đó :
a – Khối lượng giấy lọc và mẫu trước khi trích ly, g. b – Khối lượng giấy lọc và mẫu sau trích ly, g. c – Khối lượng của giấy lọc, g.
II.2. Phương pháp chế tạo compozit.
Các prepregs được chế tạo bằng cách tẩm nhựa PEKN vào các tấm vải thủy tinh, sau lăn ép để loại bỏ bớt bọt khí. Vật liệu compozit được chế tạo bằng cách xếp các tấm prepregs chồng lên nhau đến độ dày cần thiết rồi sử dụng công nghệ có hỗ trợ túi hút chân không để loại bỏ bọt khí và nhựa dư thừa. Sau đó vật liệu được chiếu tia UV ở khoảng cách và thời gian xác định.
II.3. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu[22].
Độ bền kéo
Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn IZO 527-1993, trên máy INSTRON 5582 - 100KN (Mỹ). Tốc độ kéo 5mm/phút. Nhiệt độ 25˚C, độ ẩm 70%.
52 Công thức tính độ bền kéo
F = fmax/(a*b), N/m2 Trong đó:
+ F : là độ bền kéo, N/m2
+ fmax: là tải trọng tối đa tác dụng lên mẫu, N + a: là chiều dày phần cổ eo của hình mái chèo, m + b: là chiều rộng phần cổ eo của hình mái chèo, m Độ bền uốn
Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn quốc tế IZO178:1993, đo trên máy INSTRON 5582- 100KN (Mỹ). Tốc độ 2mm/phút. Nhiệt độ 25˚C, dộ ẩm 70%.
Công thức tính độ bền uốn F= fmax/(a*b), N/m2
+ F: Độ bền uốn, N/m2
+ fmax: tải trọng tối đa tác dụng lên mẫu, N + a: chiều dày của mẫu, m
+ b: chiều rộng của mẫu, m Độ bền va đập
Độ bền va đập charpy được xác định theo tiêu chuẩn IZO 179- 1993 (E), trên máy Radmna ITR - 2000 (Úc). Tốc độ va đập 50 Lb/in2, nhiệt độ 25˚C, độ ẩm 70%
Công thức tính độ bền va đập: F = E/(a*b), KJ/m2 Trong đó:
E: Năng lượng phá hủy mẫu, J a: Chiều dày của mẫu, m b: Chiều rộng mẫu, m
53
PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
I. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐÓNG RẮN CỦA NHỰA PEKN ĐÓNG RẮN BẰNG UV
Nhựa PEKN là một trong những loại nhựa đóng rắn bằng UV đầu tiên. Khi chiếu tia UV vào nhựa PEKN có mặt chất khơi mào quang, nhựa PEKN trùng hợp thành polyme mạng lưới không gian nhờ có chất pha loãng hoạt tính styren.
Đầu tiên chất khơi mào quang hấp thụ quang tử ánh sáng và trở nên trạng thái bị kích thích.
Rồi phân hủy thành các gốc tự do:
Các gốc tự do (được ký hiệu R∙) kích động quá trình trùng hợp styren và đồng trùng hợp styren với nối đôi trong phân tử polyeste không no:
54 R- + O C O CH C O O + CH CH 2 R CH2 CH CH C O O CH C O O CH2 CH CH C.H C O O C O O
R∙–là gốc được sinh ra từ chất khơi mào quang.
I.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến quá trình đóng rắn nhựa PEKN
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến quá trình đóng rắn hệ nhựa PEKN có trộn chất khơi mào quang CKQ-NT3, đã tiến hành chiếu đèn UV với công suất 400 W lên màng PEKN / 0,5% CKQ-NT3 (so với khối lượng nhựa PEKN) với chiều dày từ 190 – 220 µm ở khoảng cách 30 cm theo phương thẳng đứng từ trên xuống và thời gian chiếu khác nhau.
Mức độ đóng rắn của màng được xác định theo hàm lượng phần gel sau 24h trích ly bằng axeton trong dụng cụ soxhlet.
55 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100
Hình 1.1 : Ảnh hưởng của thời gian đến mức độ đóng rắn của màng PEKN
Các số liệu trên hình 1.1 cho thấy dưới tác dụng của tia UV với khoảng cách chiếu 30cm, màng PEKN đóng rắn nhanh trong thời gian đầu, sau đó đóng rắn chậm lại. Cụ thể, chỉ trong 20s hàm lượng phần gel đã đạt 35,68%, sau 80s hàm lượng phần gel đạt khoảng 71,5%, và đến 240s hàm lượng phần gel đạt được 79,7%. Điều này có thể là do trong thời gian đầu, hàm lượng styren trong nhựa cao nên phản ứng trùng hợp và đồng trùng hợp xảy ra với tốc độ cao. Cùng với tiến trình phản ứng nồng độ styren giảm dần, đồng thời hỗn hợp phản ứng trở nên đặc quánh hơn do đó phản ứng trùng hợp chậm dần.
I.2. Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách chiếu UV đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN.
Để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách chiếu UV đến quá trình đóng rắn hệ nhựa PEKN / 1% CKQ-NT. Đã tiến hành chiếu đèn UV với công suất 400 W lên
Thời gian chiếu (giây)
H àm l ư ợ ng ph ầ n Gel (% )
56
màng PEKN / CKQ-NT với chiều dày từ 190 – 220µm ở các khoảng cách 20cm, 30cm, 40cm theo phương thẳng đứng từ trên xuống.
Kết quả xác định hàm lượng phần gel của các màng khác nhau được trình bày trên hình 1.2 và hình 1.3 : 0 50 100 150 200 0 20 40 60 80 100 1 2 3 1: 40cm 2: 30cm 3: 20cm
Hình 1.2: Ảnh hưởng của khoảng cách chiếu đến quá trình đóng rắn của hệ PEKN- 1% CKQ-NT1.
Các số liệu trên hình 1.2 cho thấy khi giảm khoảng cách chiếu UV, mức độ đóng rắn của màng PEKN / 1% CKQ-NT1 tăng nhưng mức độ tăng ở các giai đoạn khác nhau: ở 20s đầu tiên, ở khoảng cách từ 20 đến 40 cm mức độ đóng rắn khác nhau không đáng kể. Nhưng sau 80s, sự khác biệt về mức độ đóng rắn rõ ràng hơn: ở khoảng cách 40cm–hàm lượng phần gel đạt hơn 75%, ở khoảng cách 30cm -83%, và ở 20cm – 88%.
Thời gian chiếu (giây)
H àm l ư ợ ng ph ầ n ge l, %
57 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 1 3 2 1: 40cm 2: 30cm 3: 20cm
Hình 1.3 : Ảnh hưởng của khoảng cách chiếu đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN-1% CKQ-NT4.
Các số liệu trên hình 1.3 cho thấy khi giảm khoảng cách chiếu UV, mức độ đóng rắn của hệ nhựa PEKN / 1% CKQ-NT4 không có sự thay đổi rõ rệt.
Như vậy tùy thuộc vào hệ nhựa PEKN với các chất khơi mào quang khác nhau, thì khoảng cách chiếu UV có ảnh hưởng khác nhau đến quá trình đóng rắn của nhựa.
I.3. Khảo sát ảnh hưởng của bản chất chất khơi mào quang đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN
Để khảo sát ảnh hưởng của bản chất chất khơi mào quang đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN đã sử dụng bốn loại chất khơi mào quang khác nhau: CKQ-NT1, CKQ-NT2, CKQ-NT3, CKQ-NT4 và đã tiến hành chiếu tia UV lên màng của nhựa PEKN với 1% chất khơi mào quang trên ở cùng một khoảng cách 30cm theo phương thẳng đứng từ trên xuống. Rồi xác định mức độ đóng rắn của
Thời gian chiếu (giây)
H àm l ư ợ ng ph ầ n ge l, %
58
nhựa PEKN theo hàm lượng phần gel trong dụng cụ soxhlet bằng axeton khoảng 24h.
Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 1.4:
0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100 2 4 1 3 1: CKQ-NT1 2:CKQ-NT2 3:CKQ-NT3 4:CKQ-NT4
Hình 1.4:Ảnh hưởng của bản chất chất khơi mào quang đến quá trình đóng rắn nhựa PEKN.
Từ các số liệu trên hình 1.4 cho thấy với cùng hàm lượng chất khơi mào quang, vận tốc của quá trình đóng rắn PEKN với các chất khơi mào quang rất khác nhau. Cụ thể là vận tốc đóng rắn nhựa PEKN của chất khơi mào CKQ-NT3 nhanh hơn nhiều so với vận tốc đóng rắn nhựa PEKN của chất khơi mào quang CKQ- NT1, CKQ-NT2 và CKQ-NT4. Vận tốc đóng rắn nhựa PEKN của chất khơi mào quang CKQ-NT1 và CKQ-NT4 gần như tương đương nhau, và nhanh hơn vận tốc đóng rắn nhựa PEKN của chất khơi mào quang CKQ-NT2. Chỉ sau 20s chiếu tia UV đầu tiên màng PEKN với CKQ-NT1 và CKQ-NT4 lần lượt đạt được hàm
Thời gian chiếu (giây) H àm l ư ợ ng ph ầ n ge l ( % )
59
lượng phần gel lần lượt là 54.03% và 58.21%, trong khi đó hàm lượng phần gel của chất khơi mào CKQ-NT2 là 31.84% và CKQ-NT3 đạt đến 82.11%.
I.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào quang đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN.
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào quang đến quá trình
đóng rắn nhựa PEKN đã tiến hành chế tạo màng từ nhựa PEKN có chiều dày từ 190÷220µm với hàm lượng của chất khơi mào quang CKQ-NT3 thay đổi là 0.5%, 1%, 1.5%. Các màng PEKN được chiếu tia UV ở khoảng cách 30cm theo phương thẳng đứng từ trên xuống với các thời gian xác định, rồi xác địnhmức độ đóng rắn theo hàm lượng phần gel trong thiết bị soxhlet khoảng 24 giờ.
Kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 1.5:
0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 1 2 3 1: 0.5 %CKQ-NT3 2:1%CKQ-NT3 3: 1.5%CKQ-NT3
Hình1.5:Ảnh hưởng của hàm lượng CKQ-NT3 đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN.
Thời gian chiếu (giây)
H àm l ư ợ ng ph ầ n ge l (
60
Các số liệu trên hình 1.5 nhận thấy khi tăng hàm lượng chất khơi mào quang, vận tốc của quá trình đóng rắn tăng: Sau 20s chiếu tia UV, hàm lượng phần gel của màng PEKN với 0.5% CKQ-NT3 đạt được gần 35%, cũng với thời gian chiếu đó, màng PEKN với 1% CKQ-NT3 lên tới xấp xỉ 84%. Tăng hàm lượng chất khơi mào quang lên 1.5% CKQ-NT3, vận tốc quá trình đóng rắn có sự thay đổi không đáng kể. Như vậy 1% CKQ-NT3 là tối tối ưu cho quá trình đóng rắn nhựa PEKN bằng UV.
I.5. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN.
Để khảo sát ảnh hưởng của chiều dày đến quá trình đóng rắn nhựa PEKN đã tiến hành chế tạo mẫu nhựa PEKN có chiều dày từ 4 đến 20mm có mặt chất khơi mào quang CKQ-NT3 hàm lượng 1%. Các màng PEKN được chiếu tia UV ở khoảng cách 30cm theo phương thẳng đứng từ trên xuống với thời gian xác định rồi xác định mức độ đóng rắn theo hàm lượng phần gel bằng thiết bị soxhlet.
Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 1.6:
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 90 92 94 96 98 100
Hình 1.6: Ảnh hưởng của chiều dày đến quá trình đóng rắn của nhựa PEKN.
Chiều dày, mm H àm l ư ợ ng ph ầ n gel, %
61
Nhựa PEKN sau khi đóng rắn bằng UV là một khối cứng, trong suốt quang học.
Hình 1.7: Nhựa PEKN sau khi đóng rắn bằng UV
Hàm lượng phần gel ở các độ dày khác nhau dưới 20mm thay đổi không đáng kể (hình 1.6): Với chiều dày 4mm, hàm lượng phần gel đạt 98%, khi tăng chiều dày lên từ 8 đến 16mm – hàm lượng phần gel khoảng 97,5%. Ở chiều dày 20mm, hàm lượng phần gel thấp hơn không đáng kể (96%). Điều này chứng tỏ khả năng xuyên của tia UV qua nhựa PEKN với độ dày 20mm khá tốt.
Tóm lại quá trình đóng rắn nhựa PEKN bằng UV phụ thuộc vào thời gian chiếu, khoảng cách chiếu, bản chất chất khơi mào quang, nồng độ chất khơi mào quang và tia UV có thể xuyên suốt đến độ dày 20mm.
62
II. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA PEKN GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH ĐÓNG RẮN BẰNG UV.
II.1. Chế tạo prepreg trên cơ sở nhựa PEKN gia cường các loại vải thủy tinh
Đã tiến hành chế tạo prepreg trên cơ sở nhựa polyeste không no loại 6011 của Đài Loan và các loại vải thủy tinh bằng phương pháp lăn ép bằng tay. Các tấm prepreg có kích thước 60x120cm với tỷ lệ vải chiểm 30-40% được bọc màng polyetyle màu đen và lớp giấy bạc ở bên ngoài và được bảo quản ở nhiệt độ phòng từ 20-25°C.
Đã xác định thời gian bảo quản của tấm prepreg theo hàm lượng phần gel. Kết quả được trình bày trên bảng 4:
Bảng 5: Ảnh hưởng của thời gian đến chất lượng prepreg trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh mat 450g/m2
Thời gian, ngày Hàm lượng phần gel, %
1 Không đáng kể 3 2.45 7 7.68 14 8.34 21 10.54 28 13.56 42 15.24 56 16.62
Từ kết quả bảng 5 nhận thấy, ở nhiệt độ phòng từ 20-25°C đã xảy ra hiện tượng tạo gel của nhựa trong tấm prepreg. Tuy nhiên, sau 56 ngày, hàm lượng phần gel trong tấm prepreg đạt 16.62%. Như vậy, có thể bảo quản các tấm prepreg tương đối dài trong điều kiện nhiệt độ từ 20-25°C.
63
II.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu compozit
II.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến tính chất cơ học của vật liệu
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit ( PC ) đã tiến hành chế tạo vật liệu PC từ các tấm prepregs từ vải thủy tinh loại mát 450g/m2 bằng công nghệ có hỗ trợ túi hút chân không với áp suất dư là 0,95kgf/cm2 với 1% chất khơi mào CKQ-NT3 ở khoảng cách 30cm theo phương vuông góc từ trên xuống và thời gian chiếu UV thay đổi là 20, 30, 40,50 và 60 phút.
Vật liệu PC được để ổn định trong khoảng 7-10 ngày ở nhiệt độ phòng từ 20- 25°C rồi tiến hành đo tính chất cơ học. Kết quả đo độ bền kéo và độ bền uốn PC được trình bày trên hình 2.1 và 2.2.
Hình 2.1: Ảnh hưởng của thời gian chiếu đến độ bền kéo của vật liệu Các số liệu trên hình 2.1 cho thấy khi tăng thời gian chiếu, độ bền kéo của vật liệu PC tăng, tuy nhiên ở dưới 40 phút chiếu sự tăng độ bền kéo không đáng kể nhưng khi tăng thời gian chiếu lên 50 phút, độ bền kéo tăng đột ngột từ 189,21MPa
64
lên 216,58 MPa. Sau khi chiếu 60 phút, độ bền kéo) của vật liệu PC tăng không đáng kể so với thời gian chiếu 50 phút (216,58 so với 222,72Mpa).
Hình 2.2: Ảnh hưởng của thời gian chiếu đến độ bền uốn của vật liệu Còn đối với độ bền uốn của vật liệu PC, khi tăng thời gian chiếu tia UV, độ bền uốn có tăng nhưng tăng nhưng tăng không nhiều. Sau 20 phút chiếu đầu tiên độ bền uốn đã đạt 267,20 MPa, kéo dài thêm 40 phút chiếu nữa độ bền uốn cũng chỉ tăng thêm được 7,3 %.
Như vậy, khi tăng thời thời gian chiếu UV sẽ làm tăng độ bền của vật liệu PC.
II.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của bản chất chất khơi mào quang đến tính chất cơ
học của vật liệu
Để khảo sát ảnh hưởng của bản chất chất khơi mào quang đến tính chất cơ học của vật liệu đã tiến hành chế tạo vật liệu PC từ 3 loại prepregs từ vải thủy tinh loại mát 450g/m2 với 1% các chất khơi mào quang khác nhau là CKQ-NT1, CKQ- NT2 và CKQ-NT3 bằng công nghệ có hỗ trợ túi hút chân không với áp suất dư là
65
0,95kgf/cm2 ở khoảng cách 30 cm theo phương vuông góc với thời gian chiếu tia UV là 50 phút.
Vật liệu PC nhận được để ổn định từ 7-10 ngày ở nhiệt độ phòng từ 20-25°C, rồi được tiến hành xách định tính chất cơ học.