a) Hình thái cấu trúc của vật liệu blend
3.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 blend dầu
hướng dương epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon
Trên cơ sở kết quả khảo sát phần 3.2 về vật liệu blend epoxy GELR 128 với dầu thực vật epoxy hóa và 3.3 khảo sát về tính gia cường của vật liệu nano cacbon với nhựa nền epoxy, đề tài đã lựa chọn được dầu hướng dương epoxy hóa là tốt nhất trong 3 loại dầu thực vật epoxy hóa để tạo vật liệu blend với nhựa epoxy dian GELR 128. Với hàm lượng DHDE 5PKL đã cải thiện được rất tốt độ bền dai phá hủy của nhựa nền. Tuy nhiên, độ
bền cơ học như độ bền kéo, độ bền uốn lại suy giảm. Trong khi ống nano cacbon MWCNTs 0,02% gia cường cho nhựa nền epoxy thì các giá trị độ bền cơ học vật liệu nanocompozit epoxy GELR 128/ MWCNTs đều được cải thiện hơn nhiều, đặc biệt là độ bền va đập, độ bền kéo, uốn, riêng độ bền dai có tăng nhưng không tăng nhiều như độ bần dai đạt được của vật liệu blend epoxy/DHDE. Vì vậy, để nâng cao được cả độ bền kéo, uốn, va đập và độ bền dai phá hủy của vật liệu nanocompozit epoxy GELR 128, đề tài đã tiến hành kết hợp cả 2 phương pháp gia cường với nhau, đó là đưa DHDE và MWCNTs vào quy trình chế tạo vật liệu nanocompozit epoxy dian GELR 128. Tuy nhiên, do 2 chất có 2 cơ chế gia cường khác nhau, vì vậy cần thực hiện quy trình khuấy trộn, gia công theo các bước sau.
Bước 1: khuấy đều DHDE với chất đóng rắn Kingcure-K11 theo tính toán trong vòng 24h bằng khuấy từ.
Bước (2): khuấy nhựa epoxy dian GELR 128 với 0,02% hàm lượng MWCNTs ở nhiệt độ 70oC bằng khuấy cơ học 14000 vòng/phút trong 6 giờ + rung siêu âm trong 2 giờ.
Sau đó trộn (1) + (2) và khuấy đều bằng đũa thủy tinh. Hỗn hợp (nano, nhựa, DHDE, chất đóng rắn) được đổ vào các khuôn định hình theo tiêu chuẩn. Sau 24h, mẫu đóng rắn sơ bộ được cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 80oC trong 2h để tiếp tục đóng rắn sâu. Sau đó, mẫu được tháo ra và để ổn định trong 7 ngày rồi đem đi xác định các giá trị độ bền cơ học của vật liệu.
Bảng 3.17. So sánh độ bền cơ học của các mẫu vật liệu nền, blend, compozit từ nhựa nền epoxy dian GELR 128 đóng rắn bằng Kingcure-K11
Mẫu Epoxy GELR 128 GELR 128/DHDE 5PKL GELR 128/ MWCNTs 0,02% GELR 128/ MWCNTs 0,02%/DHDE 5PKL
Bảng 3.17 biểu diễn các kết quả xác định độ bền cơ học của các vật liệu cho thấy vật liệu epoxy dian GELR 128 khi được gia cường bằng ống MWCNTs 0,02% cho độ bền
kéo, uốn và va đập cao hơn hẳn so với nhựa epoxy dian GELR 128 và blend của epoxy dian với DHDE. Tuy nhiên, độ bền dai phá hủy của vật liệu nói trên lại nhỏ hơn so với blend epoxy GELR 128 với DHDE.
Khi kết hợp cả MWCNTs 0,02% và DHDE 5PKL vào nhựa nền epoxy thì độ bền cơ học của nhựa nền ban đầu được cải thiện rõ rệt cả độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và đặc biệt là độ bền dai phá hủy. Độ bền dai phá hủy của nanocompozit này thậm chí cao hơn cả so với nanocompozit chỉ có MWCNTs mà không có DHDE. Điều này cho thấy việc kết hợp việc kết hợp đồng thời cả hai vật liệu gia cường là MWCNTs và DHDE đã đem lại hiệu quả tốt, đáp ứng mục tiêu của đề tài khi nâng cao được cơ tính của nhựa epoxy dian GELR128 cả về độ bền cơ học và độ bền dai phá hủy, giảm độ giòn của vật liệu.
Sở dĩ đề tài thực hiện quá trình trộn hợp giữa 2 vật liệu gia cường qua 2 khâu mà không sử dụng trực tiếp là vì nếu trộn hợp trực tiếp, MWCNTs ưu tiên phân tán trong nhựa nền epoxy riêng lẻ có thể nhiều hơn là phân tán trong nền blend hoặc quá trình tạo vật liệu blend bị cản trở sẽ dẫn đến tính chất của vật liệu đạt được không đạt được độ bền cao. Thêm nữa cơ chế tác động gia cường của hai vật liệu là khác nhau, một vật liệu truyền ứng suất còn một vật liệu tăng độ dẻo, dai.
Hình 3.33. Ảnh FESEM của vật liệu polyme nanocompozit có MWCNTs và DHDE với mức phóng đại 100000 lần
Quan sát ảnh FESEM (hình 3. 33) bề mặt bẻ gãy của vật liệu nanocompozit trên cơ sở nền blend epoxy GELR 128/DHDE 5PKL có gia cường ống MWCNTs cho thấy các
ống nanocacbon phân tán trong nhựa blend tương đối tốt, không thấy xuất hiện sự kết tụ hay co cụm. Đối với DHDE, do tạo blend tương hợp với nhựa nền epoxy GELR 128 nên đã hòa trộn với nhựa nền và không có sự tách pha xuất hiện.
Để khẳng định hơn nữa khả năng gia cường tốt của DHDE đối với vật liệu nanocompozit so với các loại dầu thực vật epoxy hóa khác, đề tài cũng tiến hành chế tạo nanocompozit sử dụng các dầu thực vật epoxy hóa khác (dầu thầu dầu và dầu hạt cải) ở cùng điều kiện chế tạo, cùng chất đóng rắn Kingcure và hàm lượng dầu sử dụng như nhau. Bảng 3.18 so sánh độ bền cơ học của nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs có thêm 5 PKL các dầu thực vật epoxy hóa khác nhau (DHDE; DHCE và DTDE). Nó cho thấy trong 3 vật liệu nanocompozit, mẫu có DHDE có độ bền cơ học lớn nhất, không chỉ độ bền kéo, uốn, va đập mà độ bền dai phá hủy cũng đạt được giá trị vượt trội so với các mẫu chứa 2 loại dầu còn lại. Điều đó một lần nữa khẳng định DHDE được lựa chọn hoàn toàn phù hợp cho hệ vật liệu nanocompozit có gia cường MWCNTs.
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của loại dầu thực vật epoxy hóa đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 blend DTVE có gia cường MWCNTs đóng rắn
bằng Kingcure K-11 Loại dầu thực vật epoxy hóa DHDE 5PKL DTDE 5PKL DHCE 5PKL Về mặt chất đóng rắn, mặc dù khi chế tạo vật liệu blend và vật liệu nanocompozit có
gia cường MWCNTs (chưa có DTVE) cũng đã khẳng định hiệu quả của chất đóng rắn amin biến tính Kingcure K-11 (kết quả ở mục 3.3), tuy nhiên để có thể khẳng định hơn nữa việc lựa chọn Kingcure là phù hợp nhất cho vật liệu blend và nanocompozit trên nền blend, đề tài tiến hành khảo sát và so sánh tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit khi sử dụng các chất đóng rắn khác là DETA và DDM. Kết quả đo độ bền cơ học của các mẫu thu được được biểu diễn ở hình 3.34.
Hình 3.34. So sánh chất đóng rắn khác nhau đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit trên nền blend epoxy GELR 128/DHDE/ MWCNTs
a. Độ bền kéo b.Độ bền uốn c. Độ bền va đập d. Độ bền dai phá hủy KIC
Ảnh hưởng đồng thời của DHDE và MWCNTs đến độ bền nhiệt của vật liệu
nanocompozit thu được được đánh giá dựa trên các giản đồ TGA và DTA của các mẫu. Hình 3.35 cho thấy giản đồ TG của nanocompozit epoxy GELR 128/DHDE/MWCNTs (C-DHDE5) hầu như nằm ở bên trên các giản đồ TG của blend epoxy GELR 128/DHDE (B-DHDE5) và của nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs (C-DHDE0). Điều đó có nghĩa rằng vật liệu nanocompozit này có độ bền nhiệt lớn nhất trong 3 vật liệu nói trên. Các đặc trưng TG ở bảng 3.19 cũng khẳng định nanocompozit này có độ bền nhiệt tốt nhất với các nhiệt độ phân hủy cực đại đều lệch về phía nhiệt độ cao hơn. Điều này rất thú vị, nó cho thấy sự có mặt đồng thời của DHDE và MWCNTs không chỉ cải thiện về độ bền cơ học mà còn cải thiện độ bền nhiệt cho nanocompozit. Chính sự phân tán và bám dính khá tốt của MWCNTs với nền blend (như đã thể hiện ở ảnh FESEM) đã tạo ra
sự cải thiện này. T G , % kh ố i l ư ợ n g Nhiệt độ, oC
Hình 3.35. Giản đồ TG và DTG của blend epoxy GELR 128/DHDE (B-DHDE5), nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs (C-DHDE0) và nanocompozit epoxy GELR 128/DHDE
5PKL/MWCNTs (C-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure K-11
Bảng 3.19. Đặc trưng TG của blend epoxy GELR 128/DHDE (B-DHDE5), nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs (C-DHDE0) và nanocompozit epoxy GELR 128/DHDE 5PKL/MWCNTs (C-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure K-
11
Mẫu
Epoxy GELR 128/DHDE (B-DHDE5) Epoxy GELR 128/MWCNTs
(C-DHDE0) Epoxy GELR 128/DHDE
/MWCNTs (C-DHDE5)
cũng làm thay đổi đáng kể diễn biến nhiệt của blend epoxy GELR 128/DHDE. Sự có mặt của MWCNTs đã làm tăng nhanh Tg của blend (từ 59,98 lên 63,72oC theo phương pháp DSC và từ 54,9 lên 69,0 oC theo phương pháp DMTA) (hình 3.36, 3.37). Ngược lại, sự có mặt của DHDE cũng làm giảm nhiều giá trị Tg của nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs (giảm khoảng 16 oC). N h iệ t lư ợ n g , m W 63.72 79.16 59.98 Nhiệt độ, oC
Hình 3.36. Giản đồ DSC của blend epoxy GELR 128/DHDE (B-DHDE5), nanocompozit epoxy GELR 128/MWCNTs (C-DHDE0) và nanocompozit epoxy GELR 128/DHDE
5PKL/MWCNTs (C-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure K-11
M o d u lu s /P a 1.00E+09 1.00E+08 1.00E+07 1.00E+06 1.00E+05 1.000 0.750 0.500 0.250 0.000 200.0 Ta n d
Hình 3.37. Giản đồ DMTA của nanocompozit epoxy GELR 128/DHDE 5PKL/MWCNTs được đóng rắn bằng Kingcure K-11
Nhận xét chung phần 3.4
Qua kết quả khảo sát 3.4 cho thấy, việc kết hợp cả ống nanocacbon MWCNTs và DHDE đều cải thiện được tính chất của nhựa nền epoxy dian GELR 128, đặc biệt là độ bền va đập và độ bền dai phá hủy. Cụ thể, so với mẫu trống, mẫu vật liệu nanocompozit mới có sử dụng 2 chất gia cường DHDE và MWCNTs có độ bền kéo tăng từ 63,08 MPa lên 72,54MPa (tăng 1 %); độ bền uốn tăng từ 103,41 MPa lên 117,87 MPa (tăng 14%); độ bền va đập tăng từ 21,74 KJ/m2 lên 30,44 KJ/m2 (tăng 4 %) và độ bền dai phá hủy tăng từ 1,46 MPa.m1/2 lên 1,98 MPa.m1/2 (tăng 3 ,61%). Bên cạnh đó, sự có mặt đồng thời của hai phụ gia trên cũng cải thiện độ bền nhiệt cho vật liệu nanocompozit thu được.