Như đã nói ở trên, hạt nanosilica với những đặc tính vượt trội đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực biến tính nhựa epoxy. Nó có tác dụng tăng cường độ bền và mô đun kéo, độ bền tách lớp và độ bền cào xước cho nhựa epoxy. Nhiều loại vật liệu epoxy compozit gia cường sợi thủy tinh sử dụng hạt nanosilica đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp ôtô, điện tử, chế tạo máy và hàng không. Các hạt nanosilica có kích thước khoảng 20 nm đơn phân tán hoàn toàn có khả năng phân tán vào trong nhựa epoxy với hàm lượng cao mà không làm thay đổi quá nhiều độ nhớt của nhựa. Nanosilica dễ dàng xâm nhập vào các lỗ trống dày đặc của vải thủy tinh khi đổ khuôn. Hình 1.22 là ảnh TEM của vật liệu compozit gia cường sợi thủy tinh chứa hạt nanosilica.
35
Từ ảnh TEM, có thể thấy rất rõ vị trí các hạt nanosilica và sự khác biệt về kích thước giữa hạt nanosilca và sợi thủy tinh. Điều này đã cho thấy hạt nanosilica đã phân tán tốt trong nền nhựa [77].
* Vật liệu compozit với hệ nhựa epoxy đóng rắn amin
Tsai và cộng sự [78] đã nghiên cứu chế tạo tấm compozit 12 lớp bằng phương pháp tẩm nhựa epoxy lên sợi thủy tinh E. Quá trình đóng rắn được thực hiện trong điều kiện hút chân không. Nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh E và hạt
nanosilica được đóng rắn bằng tác nhân iso-phoronediamin. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền dai tách lớp (GIC) của nhựa epoxy lần lượt tăng 47% và 84% khi lượng nanosilica 10% và 20% so với nhựa epoxy không sử dụng nanosilica. Độ bền dai tách lớp của tấm compozit gia cường sợi thủy tinh tăng lần lượt 8% và 15% khi hàm lượng nanosilica lần lượt là 10% và 20%. Polyete diamin được sử dụng là tác nhân đóng rắn nhựa DGEBA để tạo tấm mỏng (1,45 mm, 5 lớp vải thủy tinh, 10 o ngoài trục) theo phương pháp đặt chồng lên nhau và đóng rắn dưới áp suất và chân không. Độ bền cắt trong mặt phẳng (cắt ngang) của vật liệu tăng từ 23,7 MPa đến 27,5 MPa khi hàm lượng nanosilica 5%, đạt 30,1 MPa khi hàm lượng nanosilica 10 % và đạt 29,6MPa khi hàm lượng nanosilica đến 20%.
Một nghiên cứu tương tự được thực hiện bởi Tate và cộng sự [79]. Khi sử dụng hạt nanosilica để biến tính nhựa epoxy, đồng thời kết hợp với vải sợi thủy tinh để chế tạo các mẫu compozit dày 5,95 mm với 8 lớp vải. Nhựa epoxy được đóng rắn bằng các amin mạch thẳng. Độ bền kéo đứt của tấm compozit tăng từ 92,1MPa lến 122,4 MPa (tăng 33%) khi sử dụng 6,0 % hạt nanosilica. Trong khi đó, mô đun Young của vật liệu compozit tăng từ 10,3 GPa lên 13,2 GPa. Độ bền xé của vật liệu compozit cũng có xu hướng tăng khi đưa hạt nanosilica vào vật liệu.
Độ bền dai tách lớp của vật liệu compozit cũng cho kết quả tương tự, tăng từ 24,5 MPa lên 31,0 MPa (+27%) với 6,0 % khối lượng nanosilica. Sử dụng 7% và 8% nanosilica độ bền dai tách lớp đạt 30,1 MPa và 29,8 MPa. Độ bền uốn của vật liệu compozit tăng từ 146 MPa đến 177; 181; 180 MPa, trong khi đó mô đun uốn tăng từ 25,0 MPa đến 29,5; 30,5; 30,7 khi hàm lượng nanosilica là 6%; 7% và 8%.
Các nghiên cứu về vật liệu epoxy nanocompozit gia cường sợi thủy tinh cũng cho kết quả khả quan khi sử dụng hệ đóng rắn là các anhydrit. Chất đóng rắn sử dụng là anhydrit metyl hexahyrophtalic kết hợp với một lượng nhỏ amin bậc ba.
Mahrholz và cộng sự đã chế tạo các tấm compozit sử dụng nhựa epoxy gia cường bằng vải thủy tinh đan chéo. Kết quả cho thấy khi hàm lượng nanosilica sử dụng là 20%, mô đun kéo và mô đun xé của mẫu compozit tăng lần lượt là 64% và 75%. Các tấm compozit dày 7mm với 16 lớp vải thủy tinh đã được nghiên cứu bởi Kinloch và cộng sự, có độ bền tách lớp tăng từ 330 J/m2 lên 1015 J/m2 (207%).
Kinloch và cộng sự [75] đã chế tạo tấm compozit dày 7 mm chứa 18 lớp sợi thủy tinh đẳng hướng ở 0o bằng phương pháp phun nhựa linh hoạt (RIFT) ở nhiệt độ 50 oC. Với hàm lượng nanosilica 10%, nhiệt độ thủy tinh của vật liệu compozit (Tg) giảm 2 oC, mô đun uốn giảm nhẹ từ 39,7 GPa xuống 38,5 GPa (giảm 3%). Năng lượng phá hủy tách lớp GIC tăng từ 330 J/m2 lên 1015 J/m2, tương đương với mức tăng 207%, GIIc của compozit tăng nhẹ từ 1300 J/m2 lên 1380 J/m2 (tăng 6%). Tác giả cũng đã nghiên cứu tấm bán đẳng hướng, dày 4 mm với 8 ống sợi thủy tinh và thực hiện phép thử va đập của đạn [80]. Đối với tất cả các phép thử va đập tấm compozit chứa nanosilica luôn luôn cho hiệu quả lớn hơn tấm không có nanosilica.
Manjunatha và cộng sự [81] đã nghiên cứu độ bền mỏi của compozit, sử dụng vải thủy tinh với mô hình +45o/-45o, xếp thành 16 lớp đẳng hướng (+45o/-45o, thay thế với 90o/0o), nhiệt độ đóng rắn 50 oC. Kết quả cho thấy độ bền kéo đứt của compozit tăng từ 365 MPa đến 381 MPa (+4%); mô đun kéo tăng từ 17,5 GPa đến 18,8 GPa (+7%). Với hàm lượng nanosilica 10%, độ bền mỏi của tấm compozit đã được cải thiện đáng kể.
Kinloch, Taylor và cộng sự chế tạo tấm compozit nhựa epoxy với 12 lớp vải thủy tinh, dày 6mm và nghiên cứu tđộ bền dai của hệ [81]. Kết quả cho thấy với 10% hàm lượng nanosilica giá trị GIC tang từ 330 J/m2 lên 1015 J/m2, tương ứng với mức tăng hơn 200%. GIC của vật liệu compozit tăng 130% khi hàm lượng nanosilica là 11%. Có sự kết tụ của các hạt nanosilica trong nhựa ở hàm lượng cao và ảnh hưởng không tốt đến tính chất cơ học của nhựa.
Nguyễn Công Quyền và cộng sự [82] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay đến tính chất của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy DER 331 gia
37
cường bằng sợi thuỷ tinh. Kết quả cho thấy nanoclay làm tăng độ bền va đập 36,6%, độ bền uốn tăng 28,9%, đạt 513,9 MP; độ bền kéo đứt tăng 37,7%, đạt 573,6 MPa; độ bền mỏi tăng xấp xỉ 2,2 lần, đạt 102.456 chu kỳ; độ bền dai tách lớp (GIC) tăng 1,7 lần, đạt 768,3 J/m2..
Từ tổng quan các tài liệu về kết quả nghiên cứu có thể thấy việc sử dụng nanosilica góp phần nâng cao độ bền cơ học của cả nhựa epoxy và vật liệu compozit, Tuy nhiên, mức độ tăng độ bền phụ thuộc nhiều vào cách phân tán nanosilica vào epoxy để tạo thành hệ nanocompzit đồng nhất cũng như bản chất của chất đóng rắn sử dụng. Trong đề tài luận án này, nghiên cứu sinh tập trung biến tính bề mặt nanosilica bằng hợp chất cơ titan do họ hợp chất này có khả năng phản ứng cao, dễ dàng sử dụng ở quy mô công nghiệp.
Tác nhân đóng rắn epoxy được sử dụng chủ yếu hiện nay vẫn là amin và anhydrit nên vật liệu compozit với độ bền chưa thật cao. Rất ít nghiên cứu nào đề cập đến việc sử dụng tác nhân đóng rắn là hợp chất cơ titan cho nhựa epoxy. Hệ nhựa epoxy đóng rắn bằng hợp chất cơ titan có thể làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao trong môi trường khắc nghiệt, các chi tiết kỹ thuật điện cao cấp, vòm che radar, chóp tên lửa. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở epoxy/vải thủy tinh E/nanosilica đóng rắn bằng hợp chất cơ titan hiện nay vẫn còn rất mới, hứa hẹn tạo ra vật liệu compozit đa năng với các tính chất cơ, lý, nhiệt, điện tốt nhờ kết hợp được ưu điểm của phụ nano và chất đóng rắn titan trong nền nhựa epoxy gia cường vải thủy tinh E.
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM, CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU