cháy gia cƣờng bằng vải thủy tinh
Công thức chê tạo các mẫu vật liệu compozit trình bày ở bảng 3.43
Bảng 3.43 Ký hiệu mẫu và các tỷ lệ phối trộn các vật liệu compozit nền epoxy E 240 có mặt ELO,
MWCNTs, I.30E và chất chống cháy
TT Thí nghiệm
Ký hiệu mẫu polyme compozit (PC) MWCNTs (%) Nanoclay- I 30E (% ) Sb2O3/Parafin clo hóa (PKL) Dầu lanh epoxy hóa (PKL) 1 PC - - - - 2 PC.NB 0,02 - - - 3 PC.NB.NC 0,02 2 - - 4 PC.NB.ELO 0,02 - - 10 5 PC.NB.ELO.CCC 0,02 - 9:11 10 6 PC.NB.NC.ELO 0,02 2 - 10 7 PC.NB.NC.CCC 0,02 - 9:11 - 8 PC.NB.NB.ELO.CCC 0,02 2 9:11 10
Hình thái cấu trúc của bề mặt gẫy của mẫu kéo được đánh gia bằng phương pháp FE- SEM (hình 3.59 a-f).
Hình 3.59 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu polyme compozit: (a)-PC.NB,
(b)-PC.NB.CCC, (c)-PC.NB.ELO.CCC, (d)-PC.NB.NC, (e,f)-PC.NBNC.ELO.CCC
Độ kết dính giữa nền và chất gia cường đóng một vai trò quan trọng đối với độ bền cơ học của vật liệu và nó có thể liên quan trực tiếp với độ gồ ghề của bề mặt gãy nơi sự phát triển vết nứt xảy ra.
Hình 3.59-(c) cho thấy sau khi mẫu PC.NB.ELO.CCC bị bẻ gẫy, sợi được kéo ra từ bên trong nền nhựa epoxy E 240 và sau đó bị gẫy và trên bề mặt sợi vẫn còn lượng nhựa với các cấu tử khác bám lại nhiều.
Khi quan sát ở hình 3.59-(a) mẫu PC.NB nhận thấy lượng nhựa còn bám lại trên sợi thủy tinh là thưa thớt và có hiện tượng bóc tách vỡ vụn cho thấy hiện tượng bẻ gẫy dòn
hơn, bề mặt nhẵn do bám dính kém.
Đặc biệt đối với mẫu PC.NC.NB.ELO.CCC, (hình 3.59-(e,f)) thấy bị vỡ một phần epoxy ở các khe sợi kéo ra là một bằng chứng về sự tương tác tốt giữa sợi thủy tinh và vật liệu nền. Quan sát hình 3.59-(d) nhận thấy sợi thủy tinh gẫy có bề mặt nhám, thô biểu hiện của sự phá hủy với tiêu tốn năng lượng hơn.
Độ bền cơ học của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC, MWCNTs và nanoclay I.30E trình bày ở bảng 3.44.
Bảng 3.44 Độ bền cơ học của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC, MWCNTs và
nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh thường và thủy tinh dệt 3D
TT Thí nghiệm
Ký hiệu mẫu compozit Độ bền kéo (MPa) Độ bền uốn (MPa) Độ bền nén (MPa) Độ bền va đập Izod (KJ/m2) 1 PC 286,01 355,50 244,82 144,46 2 PC.NB 379,17 423,70 386,80 158,63 3 PC.NB.CCC 306,54 425,55 342,26 162,88 4 PC.NB.ELO 292,03 451,10 346,68 165,52 5 PC.NB.ELO.CCC 304,02 474,77 322,21 170,32 6 PC.NB.NC 472,61 454,00 399,94 187,31 7 PC.NB.NC.ELO 386,63 478,40 388,09 189,89 8 PC.NB.NC.CCC 384,13 506,56 390,12 188,79 9 PC.NB.NC.ELO.CCC 390,65 520,30 389,30 198,45 10 PC.NB.NC.ELO.CCC.3D* 507,19 621,30 499,29 255,50
Từ bảng 3.44 nhận thấy sự kết hợp giữa nanoclay và MWCNTs với nhựa epoxy E 240 cải thiện đáng kể tính chất cơ học đặc biệt đối với vải thủy tinh dệt 3D.
Do có liên kết tốt giữa sợi thủy tinh với các chất gia cường (I.30E, MWCNTs…) và nhựa như đã được phân tích ở ảnh FE-SEM bề mặt gẫy sợi, có thể cho rằng vấn đề quan trọng là đã nâng cao được tính chất cơ học và mức độ giảm các độ bền cơ học không nhiều khi bổ sung chất chậm cháy.
Khi gia cường bằng vải thủy tinh E dệt 3D, các độ bền cơ học có giá trị cao hơn hẳn so với vật liệu compozit khi gia cường bằng vải thủy tinh loại E dệt 2D, tăng ở các độ bền cơ học so với vật liệu compozit có cùng thành phần trung bình 27%. Việc bổ sung MWCNTs
và I.30E vào epoxy E 240 đã nâng cao được các độ bền cơ học cho vật liệu polyme compozit, và có thể cho rằng sự kết hợp MWCNTs/nanoclay với polyme epoxy là một sự trộn hợp khá ưu việt.
Độ chậm cháy của của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC, MWCNTs và nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh thường và thủy tinh dệt 3D trình bày bảng 3.45
Bảng 3.45 Độ chậm cháy của của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC, MWCNTs
và nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh thường và thủy tinh dệt 3D
TT Thí nghiệm
Ký hiệu mẫu compozit Chỉ số LOI (%) Tốc độ cháy (mm/phút) UL 94V Sử chảy nhỏ giọt 1 PC 27,6 25,82 - - 2 PC.NB 28,9 18,56 - - 3 PC.NB.CCC 31,0 12,11 V1 - 4 PC.NB.ELO 28,9 18,09 - - 5 PC.NB.ELO.CCC 31,0 14,19 V1 không 6 PC.NB.NC 31.6 12,35 V2 không 7 PC.NB.NC.ELO 31,6 12,89 V2 không 8 PC.NB.NC.CCC 33,3 10,05 V0 không 9 PC.NB.NC.ELO.CCC 32,9 10,25 V0 không 10 PC.NB.NC.ELO.CCC.3D* 32,0 14,20 V0 không
Từ bảng 3.45 nhận thấy sự tác động đồng thời của MWCNTs và nanoclay I.30E với các cơ chế chống cháy khác nhau đã cải thiện đáng kể độ chậm cháy của vật liệu compozit MWCNTs/I.30E/CCC/epoxy E 240. Ngoài ra với kích thước nano của các phụ gia được phân tán đều trong epoxy E 240 hình thành các lớp than và các lớp silicat bền nhiệt mỏng bao phủ bên ngoài vật liệu.
Mặt khác khi bổ sung hệ chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa thì độ chậm cháy được nâng cao, do sự tác động của nhiều cơ chế chống cháy diễn ra đồng thời tương ứng với từng chất phụ gia đã gia tăng khả năng chậm cháy của vật liệu polyme compozit.
Đối với compozit gia cường bằng vải thủy tinh dệt 3D, theo kết quả ở bảng 3.45 nhận thấy độ chậm cháy thấp hơn so với vải thủy tinh thường dệt 2D.
Do trong vải thủy tinh 3D có mặt sợi tổng hợp nguồn gốc hữu cơ dễ cháy.
Như vậy, vật liệu compozit gia cường bằng vải thủy tinh 3D có tính chất cơ học cao nhưng tính chất chống cháy không cao bằng compozit gia cường bằng vải thủy tinh dệt 2D
thông thường. Kết quả nghiên cứu này có thể là cơ sở cho sự lựa chọn loại vải thủy tinh 2D hay 3D để ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật công nghệ khác nhau tùy vào mực đích sử dụng. Chẳng hạn do tỷ trọng nhẹ nên vải thủy tinh 3D thường được úng dụng trong công nghệ chế tạo tàu thuyền thay cho vật liệu kim loại truyền thống hoặc ứng dụng trong xây dựng với việc chế tạo các tấm có độ bền cơ cao đồng thời chống cháy và bền nhiệt.
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên rút ra một số kết luận:
Đã chế tạo được vật liệu nanocompozit nền epoxy E 240 có MWCNTs bằng phương pháp phân tán 0,02 % khối lượng MWCNTs thích hợp vào nhựa epoxy E 240 bằng kỹ thuật rung siêu âm trong 6 giờ ở 650C và bằng kỹ thuật khuấy cơ học trong 8h ở 800C với tốc độ 3000 vòng/phút kết hợp rung siêu âm trong 6 giờ ở 650C.
Đã chế tạo được vật liệu nanocompozit nền epoxy E 240 có MWCNTs và nanoclay I.30E bằng phương pháp trộn hợp MWCNTs và nanoclay I.30E vào nhựa epoxy E 240 với các tỷ lệ phần trăm khối lượng kết hợp khác nhau sử dụng kỹ thuật phân tán khuấy cơ học kết hợp rung siêu âm và ở tỷ lệ 0,02% khối lượng MWCNTs kết hợp với 2% nanoclay khối lượng I.30E vật liệu nanocompozit có tính chất cơ học và độ chậm cháy được nâng cao: độ bền kéo 95,5 MPa; độ bền uốn 115,45 MPa, độ bền nén 219,10 MPa; độ bền va đập Izod 22,30 KJ/m2
và độ chậm cháy: tốc tộ cháy 20,5 mm/phút; chỉ số LOI 25% và theo UL 94HB tốc độ cháy đạt 18,60 mm/phút..
Vật liệu nanocompozit nền epoxy E 240 có: 0,02% MWCNTs, 2% nanoclay I.30E và oxyt antimon, paraphin clo hóa, có độ bền kéo 86,23 MPa; độ bền uốn 115,76 MPa; độ bền nén 190,57 MPa; độ bền va đập Izod 23,14 KJ/m2
và tốc độ cháy 11,34 mm/phút; chỉ số LOI 29,8%; theo UL 94HB tốc độ cháy 10,09 mm/phút.
Vật liệu PC nền epoxy E 240/ELO gia cường bằng vải thủy tinh thô loại E 600 g/m2 có: nanoclay I.30E, MWCNTs và Sb2O3, paraphin clo hóa có độ bền kéo 390,65 MPa; độ bền uốn 520,30 MPa; độ bền nén 389,30 MPa; độ bền va đập Izod 198,45 KJ/m2 và tốc độ cháy 10,25 mm/phút; chỉ số LOI đạt 32,9% và theo phương pháp UL 94V đạt mức V0.
KẾT LUẬN
1. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất đóng rắn amin, các loại vải thủy tinh khác nhau đến mức độ đóng rắn, độ bền cơ học và độ chậm cháy của vật liệu compozit nền epoxy Epikote 240. Lựa chọn được chất đóng rắn DETA đảm bảo tốt cho việc chế tạo vật liệu compozit epoxy Epikote 240/DETA với độ bền kéo 55,90 MPa, độ bền uốn 86,75 MPa, độ bền nén 156,08 MPa và độ bền va đập Izod 7,11KJ/m2
, chỉ số LOI đạt 20,8%, tốc độ cháy 28,41 mm/phút. Đồng thời cũng lựa chọn được loại vải thủy tinh thô loại E 600 g/m2 cho vật liệu compozit có độ bền kéo 286,01 MPa, độ bền uốn 355,5 MPa và độ bền nén 244,82 MPa, độ bền va đập Izod 144,46 KJ/m2
trong khi đó chỉ số oxy đạt 28,9% và tốc độ cháy 25,82 mm/phút đáp ứng được được yêu cầu đối với vật liệu polyme compozit có độ chậm cháy tốt và độ bền cơ học cao.
2. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chống cháy paraphin clo hóa, oxyt antimon, amino phosphat (AC2) và tris(1,3-dicloro-iso-propyl)phosphat với 7 PKL đến tính chất chậm cháy và tính chất cơ học của vật liệu compozit nền epoxy Epikote 240. Lựa chọn được tỷ lệ phối trộn chất chống cháy oxit antimony/paraphin clo hóa = 9/11PKL là tỷ lệ thích hợp, ở tỷ lệ này vật liệu compozit có độ chậm cháy cao và tính chất cơ học vẫn duy trì được ở mức tốt.
3. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng dầu lanh epoxy hóa (ELO) đến tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu polyme epoxy Epikote 240 đóng rắn bằng DETA. Xác định được tỷ lệ tối ưu EP/ELO = 90/10 PKL, một số độ bền cơ học được nâng cao như độ bền va đập Izod đạt 8,65 KJ/m2 (tăng 21,65% so với nhựa epoxy Epikote 240), đồng thời độ chậm cháy giữ ở mức quy định.
4. Phân tán thành công nanoclay-I.30E với 2% khối lượng vào nhựa epoxy Epikote 240 đạt ở mức độ bóc tách các lớp silicat. vật liệu epoxy Epikote 240/nanoclay-I.30E nanocompozit có tính chất cơ học cao: độ bền kéo 63,5 MPa (tăng 13,59%), độ bền uốn 116,80 MPa (tăng 34,63%), độ bền nén đạt 179,67 MPa (tăng 15,11%) và độ bền va đập Izod 12,81 KJ/m2 (tăng 80,16%) và độ chậm cháy đạt ở mức cao so với nhựa epoxy Epikote 240, chỉ số LOI 23,7%, tốc độ cháy 24,5 mm/phút và tốc độ cháy theo UL 94HB đạt 22,59 mm/phút.
5. Bằng cách sử dụng nanoclay-I.30E phối hợp với các chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa trong hệ vật liệu epoxy Epikote 240 cho kết quả khả quan. Thông số về độ chậm cháy đạt được là: chỉ số LOI 25,4%, tốc độ cháy 19,65 mm/phút và tốc độ
cháy theo UL 94HB 20,45 mm/phút trong khi đó các độ bền cơ học cũng được nâng cao: độ bền kéo 61,09 MPa, độ bền uốn 101,00 MPa, độ bền nén 165,15 MPa và độ bền va đập Izod 13,87 KJ/m2.
6. Phân tán thành công MWCNTs với 0,02 % khối lượng trong epoxy Epikote 240 bằng phương pháp rung siêu âm trong 6 giờ ở 650C và phương pháp phân tán kết hợp khuấy cơ học ở 3000 vòng/phút, trong 8 giờ ở 800C sau đó rung siêu âm trong 6 giờ. Các vật liệu epoxy Epikote 240/MWCNTs nanocompozit chế tạo được có tính cơ học cao và độ chậm cháy đạt ở mức cao. Khi sử dụng kỹ thuật rung siêu âm, vật liệu MWCNTs/epoxy Epikote 240 có độ bền kéo 71,45 MPa, độ bền uốn 109,00 MPa, độ bền nén 191,54MPa và độ bền va đập Izod 16,11 KJ/m2
, chỉ số LOI 23,2%, tốc độ cháy 23,03 mm/phút và tốc độ cháy theo UL 94HB đạt 21,07 mm/phút.
7. Đã nghiên cứu thành công vật liệu MWCNTs/nanoclay-I.30E/epoxy Epikote 240 nanocompozit có tính chất cơ học và độ chậm cháy đạt ở mức khá cao. Đặc biệt khi có mặt các chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa trong hệ vật liệu MWCNTs/nanoclay-I.30E/epoxy Epikote 240 nanocompozit thì độ chậm cháy vượt trội: chỉ số LOI 29,8%, tốc độ cháy 11,34 mm/phút, mức độ chống bắt cháy (UL 94V) đạt mức V1, đồng thời tính chất cơ học đạt ở giá trị cao: độ bền kéo 86,23 MPa, độ bền uốn 115,76MPa, độ bền nén 190,57MPa và độ bền va đập Izod 23,14 KJ/m2
.
8. Đã chế tạo vật liệu compozit nền epoxy Epikote 240/ELO có mặt MWCNTs, nanoclay-I.30E và chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa gia cường bằng vải thủy tinh thô loại E 600 g/m2 và vải thủy tinh dệt 3D loại 600 g/m2. Vải thủy tinh dệt 3D loại 600 g/m2 cho tính chất cơ học vượt trội hoàn toàn so với vải thủy tinh thô loại E 600 g/m2 (độ bền kéo 507,19 MPa, độ bền uốn 621,30 MPa, độ bền nén 499,29 MPa và độ bền va đập Izod 255,50 KJ/m2) tuy nhiên độ chậm cháy giảm nhẹ.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyen Tuan Anh, Bach Trong Phuc, Tran Vinh Dieu (2013) Study of effect of the flame retardants on epoxy Epikote 240 resin cured by amine hardeners, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam, Tập. 51(5B), tr. 123-127.
2. Nguyễn Tuấn Anh, Bạch Trọng Phúc, Trần Vĩnh Diệu (2013) Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vải gia cường đến tính chất cơ học và khả năng chậm cháy của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy Epikote 240, Tạp chí Hóa học, Tập. 51(6ABC), tr.1-4.
3. Nguyen Tuan Anh, Bach Trong Phuc, Tran Vinh Dieu (2014) A study on the mixing of polymers based on epoxy resin and Epoxidized linseed oil, ISEPD2014 Internation Symposium on Eco-materials Processing and Design, Hanoi, January 12-15, 2014, pp. 232-236.
4. Bach Trong Phuc, Tran Vinh Dieu and Nguyen Tuan Anh (2014) Improved Flame Retardant Properties of Polymers Epoxy Based on Antimony Trioxide/Chlorinated Paraffin, Journal of Materials Science and Engineering A (USA), Vol. 4 (5), pp. 146-150. 5. Nguyen Tuan Anh, Bach Trong Phuc, Tran Vinh Dieu (2014) Impoved flame retardant and mechanical properties of polymer composite materials based on epoxy Epikote 240/epoxidized linseed oil by fire-retardant additives, Proceeding of the 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development - Volume 1, Ho Chi Minh City, October 30-31, 2014. pp. 168-172.
6. Tran Vinh Dieu, Bach Trong Phuc, Nguyen Quang Tung, Nguyen Tuan Anh (2015)
Study the effect of stirring time to the mechanical properties and flame retardancy of epoxy/MMT-I.30E nanocomposite. Tạp chí Hóa học, Tập. 53(4E2), tr. 64-67.
7. Trần Vĩnh Diệu, Bạch Trọng Phúc, Nguyễn Quang Tùng, Nguyễn Tuấn Anh (2015)
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến tính chất cơ học và khả năng chống cháy của vật liệu MWCNTs/epoxy nanocompozit. Tạp chí Hóa học, Tập. 53(4E2), tr. 42-46.
8. Bạch Trọng Phúc, Trần Vĩnh Diệu, Nguyễn Quang Tùng, Nguyễn Tuấn Anh (2015)
Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất cơ học và độ chậm cháy của compozit trên nền epoxy. Tạp chí Hóa học, Tập. 53(4E2), tr. 97-101.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Đỗ Quang Kháng (2013) Vật liệu polyme - Quyển 2. Nxb Khoa học Tự nhiên và Công nghệ.
[2] Lê Công Dưỡng (1997) Vật liệu học. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Lê Hoài Anh (2012) Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit epoxy đóng rắn bằng anhydrit lỏng gia cường bằng sợi Kevlar. Luận án Tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội. [4] Nguyễn Đăng Cường (2011) Compozit sợi thủy tinh và ứng dụng. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[5] Nguyễn Hữu Niếu, Nguyễn Đắc Thành, La Thái Hà (2003) Tổng hợp và đánh giá tính chất của nhựa vinyl este trên cơ sở dầu đậu nành epoxy hóa (ESO) với axit metacrylic.Tạp chí Hóa học, T41 , Số 1 ,tr 48-53.
[6] Nguyễn Thành Nhân (2006) Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend chống cháy và kết cấu cứu hộ hỏa hoạn khẩn cấp nhà cao tầng. UBND TP HCM.
[7] Nguyễn Thị Kim Dung (2011) Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nanocompozit trên cơ sở polyvinylclorua và nanoclay. Luận án Tiến sĩ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. [8] Phan Thị Minh Ngọc, Bạch Trọng Phúc, Ngô Thị Thanh Vân (2000) Tổng hợp và ứng dụng adduct dietylentriaminacrylonitril làm chất đóng rắn cho nhựa epoxy trong vật liệu polyme compozit gia cường bằng sợi thủy tinh. Tạp chí Hóa học, Tập. 38(3), tr. 45-49.
[9] Trần Ích Thịch (1994) Vật liệu compozit cơ học và tính toán kết cấu. NXB GD. [10] Trần Vĩnh Diệu (2004) Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme compozit lai tạo. Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật đề tài cấp Nhà nước, Mã số KC-02-06, Trung tâm
[11] Trần Vĩnh Diệu, Bạch Trọng Phúc (1992) “Tổng hợp addut và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình khâu mạch nhựa epoxy”. Tạp chí Hóa học, Tập 30, số 4, tr. 4.