thủy tinh
Kết quả xác định độ bền kéo đứt, độ bền uốn của vật liệu compozit được trình bày trong bảng 3.11 có thể thấy giá trị độ bền kéo đứt và bền uốn của compozit tăng khi tăng hàm lượng vải thủy tinh gia cường và đạt cực đại ở tỷ lệ sợi 60 % khối lượng, tương ứng với độ bền kéo đứt tăng 399,21 %, độ bền uốn tăng 227,24 % so với nhựa nền epoxy, tiếp tục tăng hàm lượng sợi, độ bền cơ học của compozit giảm nhanh. Điều này do, sợi thủy tinh trong vải có độ bền và độ cứng lớn nên khi thay thế dần epoxy trong compozit sẽ nâng cao độ bền kéo đứt, độ bền uốn của compozit. Tuy nhiên, độ bền cơ học của compozit còn phụ thuộc lớn vào cả tương tác, bám dính giữa sợi - pha nền và hiệu quả truyền ứng suất tại bề mặt phân chia pha giữa chúng [100], với hàm lượng sợi lớn hơn 60 %, độ kết dính giữa sợi thủy tinh và pha nền không cao tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các vi nứt cũng như sự phân bố ứng suất không đồng đều trong hệ làm giảm độ bền kéo đứt, độ bền uốn của compozit.
So sánh với compozit không có hạt nano gia cường, sự có mặt của m-nanosilica làm tăng 35,38 % giá trị độ bền kéo đứt, 31,78 % độ bền uốn. Như vậy m-nanosilica đã nâng cao độ bền cơ học hệ nhựa nền, cải thiện tương tác bám dính giữa nhựa và sợi dẫn đến tác động của ngoại lực, ứng suất phá hủy được phân bố đều hơn trong compozit, pha nền và pha gia cường có thể phát huy tối đa hiệu quả làm tăng độ bền cơ học của hệ.
Đồ thị biểu diễn đường cong ứng suất-biến dạng của nhựa epoxy và các mẫu compozit với hàm lượng vải thủy tinh khác nhau được trình bày trên hình 3.53. Rõ rang là phần đầu của đồ thị sự phụ thuộc là khá tuyến tính điều này cho thấy khả năng biến dạng đàn hồi của compozit trong miền ứng suất nhỏ. Tiếp tục tăng ứng suất đường cong ứng suất-biến dạng lệch khỏi miền tuyến tính, ở giai đoạn này bắt đầu có sự phá hủy trong nhựa nền, ứng suất phá hủy cuối cùng xảy ra khi sợi thủy tinh bị phá hủy và kéo bật khỏi pha nền epoxy.
Bảng 3.11. Sự phụ thuộc độ bền cơ học của compozit epoxy/m-nanosilica/TBuT/ vải
thủy tinh vào hàm lượng vải thủy tinh
Độ bền cơ học của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/vải thủy tinh Hàm lượng vải Độ bền kéo Độ bền uốn, Độ bền va đập,
GIC, kJ/m2 (%) đứt, MPa MPa J/m 0 76,3 ±4 111,6 ± 5,1 36,95±5,21 645 ± 11 30 164,6±5 189,1±4,3 161,62±4,13 664±10 40 246,7±9 212,5±9,2 167,34±5,26 729±9 50 341,5±8 303,4±6,4 173,78±3,35 965±15 60 380,9±7 365,2±9,3 185,81±5,16 1144±12 70 297,3±9 288,0±8,2 139,59 ±3,28 505±15
Compozit epoxy/vải thủy tinh
60 281,35±10 315,7±12 141,03±5,43 845±11
Hình 3.53. Đường cong ứng suất-biến dạng kéo của compozit epoxy/m-nanosilica/vải
thủy tinh
3.5.4.2. Độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/ vải thủy tinh
Kết quả xác định độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh cho thấy tương tự như độ bền kéo đứt và độ bền uốn, độ bền va đập của vật liệu theo hàm lượng vải gia cường và đạt cực đại ở hàm lượng 60%, tương ứng với độ
bền va đập tăng 31,78 % so với mẫu compozit không có m-nanosilica gia cường và tăng 402,87 % so với nhựa nền epoxy ban đầu (bảng 3.11). Độ bền va đập của
compozit nói chung phụ thuộc vào hai yếu tố chính, thứ nhất là tỷ lệ các thành thần trong hệ, thứ hai là tương tác bám dính giữa các pha trong compozit. Khi bổ sung sợi thủy tinh có độ bền và độ cứng cao vào epoxy/m-nanosilica sẽ cần thêm nhiều năng lượng hơn để phá hủy chúng so với nhựa nền, đồng thời quá trình lan truyền vết nứt trong compozit cũng khác rất nhiều so với nhựa nền ban đầu. Các vết nứt đầu tiên hình thành do ứng suất sẽ không thể lan truyền nhanh chóng trong nhựa nền mà chúng phải chạy vòng quanh các sợi, kéo đứt sợi, phá hủy tương tác bám dính nhựa sợi rồi mới lan truyền tiếp, do hạn chế được quá trình lan truyền vết nứt nên tăng độ bền va đập cho hệ [137]. Khi hàm lượng sợi lớn hơn 60 % sẽ làm giảm khả năng thấm ướt nhựa, có sự kết tụ các bó sợi trong vải dẫn đến giảm độ bền va đập của compozit. Mẫu sử dụng 70 % hàm lượng, độ bền va đạp giảm, chỉ còn 139,59 J/m.
3.5.4.3. Độ bền dai tách lớp của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Độ bền dai tách lớp GIP của compozit với hàm lượng vải gia cường khác nhau được trình bày tại trên hình 3.54. Kết quả cho thấy với hàm lượng sợi thấp (trong khoảng 30÷40 %) giá trị GIP của compozit thay đổi không nhiều so với nhựa nền ban đầu. Có thể khi có nhiều nhựa trong compozit, quá trình phá hủy tách lớp xảy ra chủ yếu tại pha nền, sự phá hủy tương tác sợi-nhựa ít dẫn đến độ bền dai tách lớp chỉ tăng nhẹ. Khi tăng hàm lượng vải lên 50-60 %, giá trị GIP của mẫu compozit tăng mạnh và đạt cực đại ở 60 % sợi tương ứng với độ bền dai tách lớp của mẫu compozit 1144 kJ/m2 tăng 77,36 % so với nhựa epoxy biến tính. Tuy nhiên, khi tăng đến 70% sợi thủy tinh, giá trị GIP của mẫu compozit giảm nhanh chóng xuống còn 505kJ/m2. Nguyên nhân là do ở hàm lượng 50-60 % vải, lúc này công cho quá trình phá hủy tách lớp compozit sẽ gồm 2 quá trình: thứ nhất là phá hủy nhựa nền epoxy, thứ hai là sự phá hủy tương tác bám dính giữa nhựa epoxy-nanosilica và sợi thủy tinh, do sợi thủy tinh có kích thước nhỏ với đường kích khoảng 50 µm nên diện tích bề mặt riêng tiếp xúc với pha nền epoxy lớn, ngoài ra sự có mặt của m-nanosilica làm tăng độ bám dính của nền epoxy với sợi thủy tinh dẫn đến quá trình phá hủy tương tác bám dính nhựa- sợi cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn rất nhiều so với nhựa epoxy ban đầu. Tuy nhiên, khi tăng đến 70% vải, lượng nhựa nhỏ không đủ thấm ướt đều bề mặt sợi trong vải làm giảm tương tác bám dính nhựa-sợi, tạo điều kiện dễ dàng cho sự lan truyền vết nứt dẫn đến giá trị GIP của mẫu compozit giảm.
110
Hình 3.54. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh đến độ bền dai tách lớp của
compozit
Khi so sánh với nhựa epoxy không biến tính với cùng hàm lượng sợi, nhận thấy giá trị GIP của mẫu compozit có m-nanosilica tăng đáng kể (35,38 %). Trong các công trình nghiên cứu của [134,137] của tác giả đã chỉ ra sự có mặt m-nanosilica làm tăng độ bền cơ học, độ bền dai phá hủy của nanocompozit nhờ nâng cao tương tác bám dính với bề mặt sợi thủy tinh, dẫn đến tăng độ bền dai phá hủy tách lớp của mẫu compozit có chứa m-nanosilica. Để tiếp tục làm rõ cơ chế nâng cao độ bền cơ học của compozit khi sử dụng m-nanosilica, tiến hành phân tích hình thái cấu trúc bề mặt của các mẫu compozit sau khi thử nghiệm phá hủy được trình bày ở mục dưới đây.
3.5.4.4. Vi cấu trúc bề mặt phá hủy compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Các mẫu compozit sau khi thử nghiệm bền kéo và độ bền dai tách lớp được tiến hành chụp ảnh SEM (hình 3.55). Quan sát ảnh bề mặt phá hủy của các mẫu nhận thấy với mẫu compozit không có nanosilica tại hình 3.55a quá trình tách lớp bề mặt sợi thủy tinh trong vải bị tách hoàn toàn khỏi nhựa, không quan sát thấy sự bám dính của nhựa trên bề mặt sợi đồng thời xuất hiện một số vị trí tách sợi thủy tinh khỏi nền chứng tỏ tương tác bám dính giữa sợi và nhựa còn thấp. Với sự phá hủy pha nền epoxy cho thấy bề mặt phá hủy hoàn toàn trơn nhẵn đặc trưng cho phá hủy của vật liệu giòn. Đối với vật liệu compozit có thêm m-nanosilica gia cường hình 3.55b cho thấy đã có sự cải thiện rõ rệt trong tương tác bám dính giữa pha nền và sợi thủy tinh, bề mặt sợi sau phá hủy quan sát thấy vẫn tồn tại xen kẽ các mảng nhựa epoxy bám dính phía trên, không ghi nhận thấy sự tách sợi thủy tinh khỏi nền nhựa, ngoài ra bề
mặt phá hủy của nhựa nền thô nhám với diện tích phá hủy lớn hơn so với mẫu không có m-nanosilica, đặc trưng cho cơ chế phá hủy của vật liệu dai [138]. Chính sự bám dính tốt giữa sợi-pha nền và sự tăng độ bền của pha nền giúp nâng cao độ bền của compozit. Khi tăng hàm lượng sợi thủy tinh lên 70 %, hình 3.55c cho thấy pha nền epoxy thấm ướt không đều, bề mặt của một số sợi chưa được thấm nhựa dẫn đến độ bền của mẫu compozit tách lớp thấp.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Hình 3.55. Bềmặt phá hủy mẫu compozit sau thửnghiệmđộbền dai tách lớp (a,c) và độ bền kéo đứt (d,e).
Bề mặt phá hủy các mẫu sau thử nghiệm kéo đứt cũng cho thấy rõ, với compozit không có m-nanosilica (hình 3.56d) tương tác bám dính giữa sợi và pha nền thấp, quá trình phá hủy pha nền là đặc trưng của phá hủy giòn. Với mẫu có 5% m- nanosilica (hình 3.56e) bề mặt sợi sau thử nghiệm phá hủy tồn tại nhựa epoxy ở phía trên mẫu, với đặc trưng bề mặt nhựa thô nhám, đặc trưng của vật liệu dai.
3.5.5. Sự phân bố của các hạt m-nanosilica trên bề mặt sợi thủy tinh
Quan sát sự phân bố của m-nanosilica quanh bề mặt sợi thủy tinh thường gặp nhiều khó khăn như: nếu sử dụng ảnh TEM sẽ rất khó tạo được mẫu compozit cắt hoàn chỉnh có độ dầy 50-60 nm, còn nếu dùng ảnh SEM sẽ cho ảnh có độ nét thấp,
112
không rõ cấu trúc hạt nano do mẫu không dẫn điện. Để khắc phục các nhược điểm trên, tiến hành chụp ảnh SEM các mẫu compozit với hàm lượng m-nanosilica khác nhau sau khi phân hủy nhiệt do một phần muội than tạo thành trong quá trình phân hủy làm tăng độ dẫn điện của mẫu, đồng thời quá trình phân hủy nhiệt polyme nền sẽ để lại các hạt nanosilica nguyên bản. Kết quả chụp ảnh SEM được của các mẫu compozit sau phân hủy nhiệt trình bày trong hình 3.56.
Có thể thấy, các hạt nanosilica phân tán khá đồng đều trên bề mặt sợi thủy tinh, mật độ hạt khi tăng hàm lượng nhựa epoxy, mẫu compozit 70/30 có lượng nhựa epoxy thấp nên lớp nanosilicca quan sát thấy khá mỏng, mức độ bao quanh sợi còn thấp. Khi tăng hàm lượng nhựa, sự phân bố các hạt nanosililca quanh sợi đồng đều hơn, chứng tỏ quá trình thấm ướt giữa nhựa-sợi xảy ra tốt. Chính sự phân bố đồng đều này cho phép tạo ra nhiều “cầu” liên kết nano giữa nhựa nền và sợi giúp nâng cao độ bền cơ học của compozit tăng khả năng bám dính của nhựa nền với sợi. Khi phóng đại bề mặt sợi đến 100.000 lần, mẫu compozit trên hình 3.56g cho thấy kích thước trung bình của hạt nanosilica khoảng 50nm không có hiện tượng kết tụ các hạt.
(a) (b)
(e) (f) (g)
Hình 3.56. Ảnh SEM bề mặt sợi thủy tinh và compozit sau khi phân hủy nhiệt: (a) sợi
thủy tinh; (b), (c), (d), (e) (f) compozit có m-nanosilica với 70%, 60%, 50%, 40%, 30% sợi thủy tinh; (g) compozit có 60% sợi thủy tinh.
3.5.6. Ảnh hưởng của m-nanosilica đến tính chất cơ động lực của vật liệu compozit epoxy/ vải thủy tinh
* Ảnh hưởng của m-nanosilica đến mô đun tích trữ, mô đun tổn hao của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Sự thay đổi giá trị mô đun tích trữ của vật liệu compozit với hàm lượng sợi thủy tinh khác nhau được trình bày trên hình 3.57.
Có thể thấy khi có mặt của sợi thủy tinh gia cường, mô đun tích trữ (E’) của vật liệu tăng mạnh, đạt cực đại ở mẫu V/N =60/40 tương ứng với giá trị mô đun E’ tăng 588,59 % so với nhựa nền. Sự gia tăng giá trị mô đun E’ là do khi có mặt vải thủy tinh
gia cường với cấu tạo từ các sợi có độ bền và độ cứng lớn hơn rất nhiều pha nền polyme, sự phân bố đồng đều ứng suất tác dụng lên các pha trong vật liệu cũng như tương tác, bám dính tốt giữa nhựa nền và sợi gia cường [140,141]. Giá trị mô đun E’ của vật liệu compozit giảm khi tăng nhiệt độ do sự tăng độ linh động của mạch
114
polymer và tốc độ giảm lớn nhất tại vùng nhiệt độ thủy tinh hóa. Giá trị E’ của vật liệu compozit ở cả trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi đều lớn hơn so với nhựa epoxy. Sự suy giảm E’ khi tăng nhiệt độ của vật liệu compozit cũng nhỏ hơn rất nhiều so với nhựa nền epoxy nhờ hiệu quả gia cường tốt của sợi thủy tinh.
Nhiệt độ, oC
Hình 3.57. Sự phụ thuộc của mô đun tích trữ của mẫu compozit với hàm lượng vải thủy tinh khác nhau vào nhiệt độ
Giá trị E’ của vật liệu compozit tăng theo hàm lượng vải thủy tinh. Hiệu quả gia cường của vải lên mô đun của vật liệu compozit có thể được xác định thông qua hệ số C trong phương trình sau [139]:
Ở đây E’g và E’r là giá trị mô đun tích trữ ở trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi của compozit. Giá trị C nhận được của vật liệu compozit với hàm lượng vải gia cường khác nhau được trình bày trong bảng 3.12.
Bảng 3.12. Hằng số ảnh hưởng C của vật liệu compozit epoxy-nanosilica/sợi thủy tinh
STT Hàm lượng sợi thủy tinh, % C
1 70 0,0689
2 60 0,1059
3 50 0,1213
4 40 0,2125
5 30 0,2400
Giá trị C càng nhỏ thì sự thay đổi mô đun ở trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi càng nhỏ điều này đồng nghĩa với việc khả năng bền nhiệt của vật liệu tốt và nó là
thước đo hiệu quả gia cường của sợi. Từ số liệu trong bảng 3.12, ta thấy giá trị C giảm khi tăng hàm lượng cốt sợi, khi hàm lượng sợi xuống 30%, giá trị mô đun của compozit tiến gần đến giá trị của nhựa nền ban đầu. Hiệu quả gia cường nhựa epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh lớn nhất ở hàm lượng sợi gia cường trong khoảng 50-60%. Sự biến đổi của mô đun tổn hao phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu compozit được trình bày tại hình 3.58. Kết quả cho thấy giá trị E” của compozit lớn hơn khá nhiều so với nhựa nền epoxy ban đầu, do m-nanosilica kết hợp với vải thủy tinh đã hạn chế quá trình hồi phục của vật liệu. Mô đun tổn hao lớn nhất của compozit ở nhiệt độ thủy tinh hóa của vật liệu. Trong các nghiên cứu trước đây Murugan và Hameed [139,141] cũng đã chỉ ra rằng sợi gia cường đóng vai trò quan trọng tác động lên giá trị Tg của vật liệu.
Nhiệt độ, oC
Hình 3.58. Sự phụ thuộc mô-đun tổn hao của mẫu compozit vào nhiệt độ
* Ảnh hưởng của m-nanosilica đến tanδ của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Nhiệt độ thủy tinh hóa của vật liệu compozit có giá trị lớn hơn nhựa nền ban đầu sợi thủy tinh sẽ làm giảm độ linh động của các đoạn mạch polyme trong vật liệu. Hình 3.59 cho thấy sự biến đổi giá trị tanδ phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu compozit với hàm lượng khác nhau của sợi gia cường và tanδ c ủa vật liệu compozit tăng khi tăng nhiệt độ và đạt giá trị cực đại ở vùng nhiệt độ thủy tinh hóa. Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ giá trị tanδ giảm và đi vào ổn định trong vùng trạng thái cao su. Pic tanδ của compozit nhỏ khi hàm lượng sợi thủy tinh lớn và lớn hơn khá nhiều so với nhựa epoxy do trong compozit, sợi thủy tinh sẽ chịu tác động của phần lớn ứng suất, chỉ
116
một phần nhỏ vùng trên sợi tại bề mặt phân chia pha với nhựa nền bị biến dạng. Do đó, sự phân tán năng lượng sẽ xảy ra chủ yếu trên nền polyme và tại bề mặt phân chia pha