Sử dụng các chất gia cường có nguồn gốc từ silicat là một trong những hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các tính chất như độ bền dai, độ đàn hồi và độ cứng của nhựa epoxy sau gia cường được cải thiện một cách đáng kể. Quá trình phân tán hạt nanosilica vào nền nhựa epoxy để tạo ra sự phân bố đồng nhất là rất quan trọng quyết định tới khả năng gia cường của nanosilica.
Liang và Pearson đã thử nghiệm hai loại nanosilica với kích thước khác nhau để cải thiện tính chất của nhựa epoxy [67]. Mô đun Young tăng vừa phải khi đưa hạt nanosilica vào nhựa. Khi hàm lượng nanosilica sử dụng là 0,1 %, độ bền uốn của nhựa epoxy tăng 4,5 %. Zamanian và cộng sự đã đánh giá tính chất cơ học của epoxy khi sử dụng các hạt nanosilica với kích cỡ khác nhau làm chất gia cường [68]. Với hạt nanosilica có kích thước 12 nm, độ bền dai tách lớp của nhựa đạt giá trị cực đại khi sử dụng hàm lượng nanosilica 1,0 %. Khi sử dụng nanosilica với hàm lượng lớn, xu hướng trên bị đảo ngược do sự kết tụ của các chất gia cường trong nền nhựa epoxy.
Ảnh hưởng của kích thước hạt nanosilica đến độ bền cơ học của epoxy cũng được nghiên cứu bởi Dittanet và cộng sự [69, 70]. Hạt nanosilica có được kính lần lượt là 23nm, 74nm và 170nm được đưa vào nhựa epoxy với hàm lượng là 2,5 %. Sử dụng hạt nanosilica có đường kính là 74 nm, độ bền uốn của nhựa epoxy tăng 4,0 % nhưng mô đun Young của nhựa lại trở về giá trị ban đầu khi sử dụng hạt nanosilica có đường kính 170 nm. Độ bền kéo đứt của nhựa tỉ lệ nghịch với sự gia tăng kích thước của hạt nanosilica.
Tính chất cơ học của epoxy được gia cường bằng nanosilica cũng được nghiên cứu bởi Blackman và cộng sự [71]. Mô đun Young của nhựa sau khi gia cường tăng 8% so với epoxy ban đầu.
Brunner và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của chất gia cường silicat đến tính chất cơ học của nhựa epoxy [72]. Khi so sánh với epoxy nguyên chất, độ bền uốn của nhựa epoxy sử dụng 7,2 % silicat tăng 51%, trong khi độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt giảm lần lượt là 35,8 %, 83% và độ bền dai tách lớp tăng 23%. Sự tăng kích thước hạt góp phần tăng độ bền dai tách lớp khi kích thước của hạt còn tương đối nhỏ. Khi kích thước của hạt đã lớn, tăng kích thước hạt sẽ làm giảm độ bền dai của nhựa. Kết quả trên tương tự như kết quả trong các công bố của Zamanian và cộng sự [68].
h ồi , G P a M P a đ u n đ àn bền kéo, M ô Độ
Hình 1.17: Mô đun Young (a), độ bền kéo đứt (b) của nhựa epoxy phụ thuộc vào
hàm lượng nanosilica [18].
Công nghệ sol-gel được sử dụng giúp phân tán đồng đều các hạt nanosilica vào trong nhựa epoxy. Khi đưa vào 4,0 % nanosilica, độ bền uốn của nhựa tăng 8,1%. Khi tăng hàm lượng nanosilica, độ bền uốn của nanocompozit tăng. Giá trị cực đại
30
của mô đun Young (3,85 GPa) khi hàm lượng nanosilica sử dụng 13,4 %. Phương pháp Halpin-Tsai cho thấy ứng suất đàn hồi theo lý thuyết và thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp (hình 1.17) [73].
Trong một công bố tương tự, Huang và cộng sự đã nghiên cứu tính chất ở nhiệt độ siêu lạnh của nhựa epoxy khi được gia cường bằng hạt nanosilica [74]. Độ bền kéo đứt của nhựa tăng đồng biến với hàm lượng silica. Ở hàm lượng 4,0 % nanosilica, độ bền kéo đứt của vật liệu nanocompozit đạt giá trị cực đại là 102 MPa. Ứng suất kéo của nanocompozit ở nhiệt độ siêu lạnh khi sử dụng hàm lượng nanosilica 2% và 4% lần lượt là 5,3 GPa và 5,9 GPa.
Blackman và cộng sự nghiên cứu cơ chế phá hủy và độ bền mỏi của nhựa epoxy được gia cường bằng nanosilica [71]. Độ bền dai tách lớp của vật liệu compozit tăng 51,7% so với nhựa epoxy nguyên chất. Nhóm tác giả cho rằng sự có mặt của nanosilica và sự phát triển của vùng biến dạng dẻo là nguyên nhân chính đóng góp vào cơ chế dai hóa của nanocompozit.
Kinloch và cộng sự cho thấy độ bền dai của nhựa epoxy tăng lên đáng kể khi kết hợp đồng thời nanosilica và cao su butadien-acrylonitril có hai nhóm cacboxyl cuối mạch (CTBN) [75]. Khi hàm lượng của CTBN là 4,0 %, độ bền dai của nhựa tăng 182%. Tuy nhiên, việc sử dụng CTBN lại dẫn đến suy giảm độ bền kéo đứt, độ bền uốn của hệ.
Trần Vĩnh Diệu và cộng sự [76] đã nghiên cứu nhựa epoxy DER 671X75 gia cường nanosilica S5502 biến tính APTES. Kết quả cho thấy nanosilica và nanosilica biến tính APTES với hàm lượng 1,0 % làm tăng đáng kể độ bền va đập của màng phủ polyme epoxy từ 5,0 lên 57,5-60 Kg.cm.
Tổng hợp ảnh hưởng của các hạt nano như CNT, graphen, nanoclay và nanosilica đến độ bền dai, độ bền kéo đứt và bền uốn của nhựa được thể hiện ở các hình 1.18, 1.19 và 1.20 [73]. CNT giúp làm tăng tốt độ bền dai của nhựa epoxy khi sử dụng ở hàm lượng thấp (0,1-2,0 %). Hiệu quả dai hóa đạt được khi hàm lượng của graphen nhỏ hơn 1,0 %. Với nanoclay và nanosilica, độ bền dai của epoxy được cải thiện khi hàm lượng sử dụng của chúng lớn hơn (0,5 đến 20 %).
Hàm lượng hạt nano, % khối lượng
Hình 1.18. Bản đồbiểu diễn độbền dai của nanocompozit theo hàm lượng hạt nano
Hàm lượng hạt nano, % khối lượng
Hình 1.19. Bản đồ biểu diễn độ bền uốn của vật liệu nanocompozit theo hàm lượng
hạt nano [73] 32
Hàm lượng hạt nano, % khối lượng
Hình 1.20. Bản đồ biểu diễn độ bền kéo đứt của vật liệu nanocompozit theo hàm
lượng hạt nano [73]