Sau khi lớp than còn lại của lớp phủ phồng nở bị oxy hóa dần ở nhiệt độ cao, chỉ còn lại chất vơ cơ và các bon vơ định hình. Các vật liệu vơ cơ là lớp bảo vệ chính sau cùng nền kim loại khỏi nguồn cháy được phân tích thơng qua phân tích XRD. Các pic nhiễu xạ tia X mẫu lớp phủ khơng chứa khống talc được thể hiện trên hình 3.5 và mẫu lớp phủ có chứa khống talc D4 được thể hiện trên hình 3.6. Trên 2 phổ đồ đều cho biết sự có mặt của TiO2 và TiP2O7 trong khi đó với mẫu lớp phủ khi thêm khống talc thấy có sự xuất hiện các pic được cho là của MgP4 và BPO4. Qua phân tích nhiễu xạ tia X, các nghiên cứu trước đây nhận thấy rằng phần còn lại của phản ứng giữa talc và APP ở 300°C là amoni Si(NH4)2P4O13. Ở nhiệt độ cao hơn hơn, tất cả các hợp chất nitơ mất đi và phần còn lại là magie cyclotetrapolyphotphat Mg2P4O12 hoặc MgP4 có độ bền nhiệt cao bảo vệ lớp than hình thành.Việc sử dụng talc và TiO2 góp phần hình thành lớp gốm như một lớp bảo vệ trên bề mặt của lớp than tạo thành, dẫn đến cấu trúc của lớp than tạo thành có cấu trúc tế bào và bền hơn.
Điều này chứng tỏ, chất độn là thành phần quan trọng trong việc hình thành lớp phủ phồng nở. Vì vậy, việc thêm các chất độn vô cơ vào thành phần lớp phủ chậm cháy có thể cải thiện đáng kể khả năng chống cháy của chúng. Cấu trúc lớp
của chất độn đã góp phần hình thành lớp than có nhiều lỗ trống với cấu trúc tế bào bền vững và ổn định.
3.3. Ảnh hƣởng của chất độn khoáng đến khả năng chậm cháy của lớp phủ phồng nở
Với mục đích tăng cường khả năng phân tán và kết dính tốt với chất kết dính epoxy, từ đó nâng cao hiệu quả chậm cháy cho lớp phủ, đề tài đã tiến hành chế tạo mẫu lớp phủ có chứa loại bột khống talc biến đổi bề mặt và so sánh với mẫu lớp phủ chứa bột khoáng talc chưa biến đổi. Bên cạnh đó, một loại khống có hình thái vảy tương tự là khống sericit cũng được nghiên cứu nhằm làm rõ ảnh hưởng đến khả năng chậm cháy của các chất độn khoáng tới lớp phủ phồng nở. Các mẫu nghiên cứu có thành phần như bảng 3.8
Bảng 3.8. Thành phần mẫu lớp phủ với các chất độn khoáng khác nhau
Ký hiệu mẫu Thành phần D4 (%) D4-T2A (%) D4-S (%)
APP + PER + MEL 30 30 30
TiO2 5 10 10
H3BO3 15 15 15
Chất độn khoáng 15 15 15
Nhựa Epoxy 35 35 35
Trong đó:
D4: mẫu lớp phủ phồng nở chứa khoáng talc
D4-T2A: mẫu lớp phủ phồng nở chứa khoáng talc biến đổi bề mặt D4-S: mẫu lớp phủ phồng nở chứa khoáng sericit
3.3.1. Độ phồng nở
Tiến hành xác định khả năng phồng nở các mẫu lớp phủ sau khi nung ở
Bảng 3.9: Hình dạng lớp phủ phồng nở trước và sau khi nung mẫu ở 800°C khi thay
đổi các loại chất độn
Ký hiệu mẫu
Hình dạng lớp phủ
Trƣớc khi nung Sau khi nung
D4
Độ phồng nở: (x) 5,8
D4-T2A
D4-S
Độ phồng nở: (x) 5,0
Các hình ảnh cho thấy rằng tất cả các mẫu lớp phủ đều tạo được lớp than bền vững sau q trình nung. Lớp phủ có chứa bột talc được biến đổi bề mặt (D4-T2A) tạo ra lớp than đồng đều và khơng có các lỗ trống trên bề mặt như các mẫu lớp phủ có chứa talc chưa biến đổi bề mặt (D4-T) và khoáng sericit (D4-S). Mẫu lớp phủ D4-T2A cũng cho giá trị độ phồng nở cao nhất (6,1 lần) so với 2 mẫu còn lại. Điều này cho thấy khả năng phân tán tốt hơn cũng như khả năng kết dính được tăng cường giữa khoáng talc và chất kết dính đã giúp cho lớp than phồng nở được ổn định, đồng đều, tránh được hiện tượng nứt vỡ sau q trình nung.
3.3.2. Tính chất nhiệt
Bảng 3.10 thể hiện các giản đồ phân tích nhiệt cho các lớp phủ được nghiên cứu trong đề tài. Giản đồ TG của các mẫu D4, D4-T2A, D4-S có nhiệt độ phân hủy mạnh nhất trong khoảng 330°C-340°C bởi quá trình phân hủy và hình thành lớp than phồng nở của các thành phần chậm cháy APP, PER và MEL. Hiệu ứng của quá trình này là thu nhiệt.
Bảng 3.10. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng của các mẫu vật liệu
Mẫu Giản đồ phân tích nhiệt TGA
D4 Project : Identity : Date/time : Laboratory : Operator : Sample : Vien HH Mau D4 19.12.2013 7:17:26 Vien HH Tien(0988424355) Mau D4, 12.680 mg Material : Correction file : Temp.Cal./Sens. Files : Range : Sample car./TC : Mode/type of meas. :
Coc chuan TG Nito 10.1000.bsv Tcalzero.tcx / 30/1.0(K/min)/40/10.0(K/min)/1000/ other TG / S TG / Sample + Correction Segments : Crucible : Atmosphere : TG corr./m. range : 1-2/2 DTA/TG crucible Al2O3 ---/--- / N2/20 / N2/--- 820/30000 mg
Instrument :NETZSCH STA 409 PC/PG File : C:\Users\TUAN_ANH\Desktop\Mau D4.dsv
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperature /°C 40 50 60 70 80 90 100 TG /% -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 DTG /(%/min)
Main 2013-12-19 14:47 User: TUAN_ANH
Mass Change: -10.93 % Mass Change: -49.80 % Peak: 151.6 °C, -1.30 %/min Peak: 332.2 °C, -3.69 %/min [1] [1] D4- T2A
D4-S
Bảng 3.11 thể hiện nhiệt độ phân hủy mạnh nhất và % khối lượng còn lại của
các mẫu D4, D4-T2A và D4-S sau quá trình nâng nhiệt đến 850oC
Bảng 3.11. Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất và % khối lượng còn lại của các mẫu
vật liệu sau quá trình nâng nhiệt đến 850oC
Kí hiệu mẫu
Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ( oC ) Khối lƣợng còn lại D4 332,2 43,37 D4-T2A 339,3 44,5 D4-S 333,7 44,17
So sánh nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của các mẫu ta thấy, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của mẫu D4-T2A sử dụng khoáng talc biến đổi bề mặt cao hơn mẫu có chứa khống talc khơng biến đổi bề mặt D4 và mẫu chứa khoáng sericit D4-S,
chứng tỏ hiệu quả cũng như ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt đến khả năng bền nhiệt của vật liệu.
3.3.3. Khả năng chậm cháy
Tiến hành khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 đối với các mẫu D4, D4-T2A và D4-S. Kết quả được thể hiện trên bảng 3.12
Bảng 3.12: Kết quả đo khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 của mẫu
TT Tên mẫu t1 (s) t1+t2 (s) Giọt rơi xuống Cháy đến
kẹp Phân loa ̣i
1 D4 14,3 145,3 khơng có HB
2 D4 - T2A 9,4 15,1 không không V-0
3 D4 - S 17 20 không không V-1
Kết quả kiểm tra vật liệu theo tiêu chuẩn UL 94 cho thấy rằng hợp phần lớp phủ D4-T2A có chứa bột talc biến đổi bề mặt có khả năng bắt cháy được cải thiện đáng kể so với hợp phần chứa bột talc không được biến đổi bề mặt. Điều này chứng tỏ khả năng phân tán đồng đều cũng như kết dính tốt của bột khống talc với chất kết dính epoxy ảnh hưởng hiệu quả đến khả năng bắt cháy của vật liệu. Một điều đáng lưu ý trong kết quả đo ở đây là mẫu lớp phủ có chứa bột khống sericit có khả năng bắt cháy phân loại theo tiêu chuẩn UL 94 đạt giá trị khá cao (loại 94 V-1). Kết quả này cũng được quan sát thấy bởi Zhai và đồng nghiệp. Các tác giả chỉ ra rằng thành phần Al2O3 có trong khống sericit làm tăng khả năng kết dính của khống sericit với chất kết dính epoxy.
Bảng 3.13: Mẫu vật liệu sau thử nghiệm đo UL 94
Mẫu Mẫu vật liệu sau thử nghiệm
D4-T2A
D4-S
3.3.4. Hình thái học lớp than phủ
Hình thái học sau khi nung ở 800oC của các mẫu lớp phủ: D4, D4-T2A và
D4-S được quan sát bởi kính hiển vi điện tử quét (SEM) thể hiện ở hình 3.7.
Như đã thảo luận ở trên, cấu trúc dạng tế bào với các lỗ trống trong cấu trúc có vai trò quan trọng giúp cho vật liệu có khả năng cách nhiệt rất tốt. Khơng chỉ ngăn cản q trình truyền nhiệt từ mơi trường tới bề mặt vật liệu và còn giúp ngăn cản q trình khuếch tán các sản phẩm khí sinh ra từ q trình phân hủy vật liệu vào mơi trường cũng như khí oxy tiếp xúc với bề mặt vật liệu polyme. Quan sát cấu trúc hình thái của lớp than sau khi nung cho thấy rằng, lớp phủ không chứa chất độn khống gần như khơng có sự xuất hiện của các lỗ trống, trong khi các mẫu lớp phủ có chứa khống talc hay khống sericit có cấu trúc xốp với rất nhiều các lỗ trống được hình thành. Điều này cho biết rằng các chất độn khống như talc hay sericit có vai trị làm bền hóa lớp than, tạo ra các lớp vỏ bảo vệ các lỗ trống giúp chúng được hình thành và bền vững. Ảnh SEM cũng cho biết mẫu lớp phủ có chứa khống talc được biến đổi bề mặt tạo được cấu trúc xốp với các lỗ trống đồng đều hơn, điều này
là do khả năng phân tán đồng đều hơn của khoáng talc biến đổi bề mặt trong chất kết dính.
a. Mẫu khơng chứa khống talc b. Mẫu D4
c. Mẫu D4-T2A d. Mẫu D4-S