Đồ thị 9: Đo độ va đập mẫu xác định thời gian phản ứng
Kết quả thí nghiệm thu được phản ánh trên đồ thị và bảng số liệu cho biết: - Thời gian để tiến hành phản ứng thích hợp là 90 phút
- Lựa chọn thời gian trên là phù hợp nhất vì đủ thời gian để Thiokol có thể biến tính được mạch nhựa epoxy
3.2Ảnh hưởng của thiokol lên tính chất cơ lý của vật liệu compozit
Sau khi chọn ra được hàm lượng thiokol thích hợp là 5 phần khối lượng xúc tác TEA là 0.5 phần khối lượng thời gian phản ứng là 90 phút. Ta tiến hành chế tạo compozit trên cơ sở nhựa nền epoxy DER-331 và nhựa nền DER-331 biến tính bằng thiokol tỉ lệ 5 phần khối lượng, gia cường bằng sợi thủy tinh, tỉ lệ nhựa nền và sợi thủy tinh là 50%: 50% về khối lượng. Sau đó đem đo tính chất cơ lý của mẫu compozit khơng biến tính và có biến tính. Kết quả thu được cho bởi bảng sau:
Bảng 7: Bảng so sánh tính chất cơ lý của compozit trên cơ sở nhựa nền DER- 331 và DER 331/thiokol
Tính chất Nhựa nền DER-331 Nhựa nền
DER-331/thiokol 5pkl
Độ bền va đập (J/m) 47.20 92.10
Độ bền kéo (Mpa) 187.94 230.25
Modun kéo (Gpa) 0.615 0.605
% dãn dài khi kéo đứt (%) 5.85 7.61
Độ bền uốn (Mpa) 194.2 188.6
Modun uốn (Gpa) 0.658 0.545
Kết quả trên cho thấy độ bền va đập và độ bền kéo của compozit được tăng lên đáng kể khi nhựa nền DER-331 được biến tính bằng thiokol tỉ lệ 5 phần khối lượng. Độ bền va đập tăng 95%, Độ bền kéo tăng 23%, Độ bền uốn của compozit có giảm nhẹ từ 194,2 Mpa xuống 188,6 Mpa.
3.4 Ảnh SEM bề mặt phá hủy mẫu đo hệ số tập trung ứng suất KIC
Thông qua việc tiến hành quan sát hình ảnh SEM của nhựa khi được biến tính bằng Thiokol ta có thể thấy được mức độ tương hợp của nhựa epoxy DER-331 và Thiokol và giải thích được cơ chế tăng độ bền va đập của vật liệu khi có mặt Thiokol
Hình 3.1 Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331
Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331 có bề mặt rất phẳng, vết biến dạng theo đường thẳng, quá trình phát triển vết nứt liên tục và khơng bị gián đoạn. Điều này chứng tỏ DER-331 có tính giịn, dễ bị đứt gãy. Khi có mặt thiokol ta
thấy bề mặt của nhựa khơng cịn phẳng hồn tồn nữa, các vết biến dạng cũng
khơng cịn là những đường thẳng theo hướng xác định mà đã có sự thay đổi theo
các hướng khác nhau, thậm chí là những đường cong.
Hình 3.2 Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331 biến tính bằng thiokol 1 phần khối lượng
Hình 3.3 Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331 biến tính bằng thiokol 3 phần khối lượng
Hình 3.4 Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331 biến tính bằng thiokol 5 phần khối lượng
Điều này chứng tỏ khi có mặt thiokol thì tính giịn, đứt gãy của nhựa được cải thiện, cần một lực va đập lớn hơn mới có thể làm đứt gãy được vật liệu.
Hình 3.4 Hình ảnh SEM của nhựa epoxy DER-331 biến tính bằng thiokol 7 phần khối lượng
Tuy nhiên khi tăng hàm lượng thiokol vào q nhiều thì tính chất giảm là do khi đó thiokol đã tham gia quá nhiều vào mạch nhựa.
3.4.3. Độ bền dai phá huỷ giữa các lớp GIC
Độ bền dai phá huỷ giữa các lớp trong vật liệu PC, GIC, đã được xác định theo kiểu I (double cantiliver beam-DCB) với mẫu đo dạng thanh, phần đầu có gắn block bằng gỗ có tác dụng truyền tải lực (Hình 1). Đường biểu diễn mối quan hệ giữa lực tác dụng và độ mở của cách tay mẫu do sự tách lớp trong phép thử độ bền dai phá huỷ giữa các lớp trong vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh với các hàm lượng thiokol khác nhau ghi lại trong suốt quá trình đo được trình bày ở hình 12.
Đồ thị 10:Lực kéo-độ dịch chuyển trong phép đo độ bền dai phá huỷ giữa các lớp của vật liệu PC nền nhựa epoxy và nhựa epoxy biến tính bằng 5pkl thiokol
gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Từ kết quả hình 12 cho thấy ban đầu lực kéo tăng dần đến giá trị cực đại sau đó giảm dần trong q trình phát triển vết nứt. Với mẫu PC nền nhựa epoxy biến tính với 5pkl thiokol cho thấy cả giá trị lực và độ dịch chuyển đều cao hơn mẫu PC nền nhựa epoxy chưa biến tính. Qúa trình phát triển vết nứt trong vật liệu theo kiểu từng bước một, quá trình phát triển giống hình răng cưa, tuy nhiên các bước phát triển này ở mẫu PC nền nhựa epoxy chưa biến tính khơng đều đặn ổn định như mẫu biến tính 5pkl thiokol. Với mẫu PC nền epoxy chưa biến tính đường phát triển vết nứt thoải hơn, ít răng cưa hơn cho thấy quá trình tách lớp cần tiêu tốn năng lượng ít hơn, ngược lại với mẫu PC nền nhựa epoxy biến tính bằng 5pkl thiokol cho thấy đường phát triển vết nứt với nhiều răng cưa với mật độ dầy đặc cho thấy quá trình phát triển vết nứt chậm, liên kết bề mặt giữa sợi gia cường và nhựa lớn, để quá trình phát triển vết nứt xảy ra cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Lực kéo, N Độ dịch chuyển, mm Lực kéo, N 35 -|----------------- 0 20 40 60 80 100 120 140 (b) Độ dịch chuyển, mm
Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của hàm lượng thiokol tới quá trình tách lớp vật liệu đã tiến hành ghi lại thời gian tách lớp xảy ra trong quá trình vết nứt phát triển, trong điều kiện các mẫu có thơng số về kích thước, độ dầy, tốc độ kéo mẫu là như nhau. Kết quả được chỉ ra ở bảng 2.
Bảng 8 : Thời gian tách lớp trung bình được xác định từ thời điểm bắt đầu
tiến hành đo mẫu tới khi mẫu tách ra hồn tồn (lấy giá trị trung bình 5 mẫu)
Tên mẫu PC nền epoxy PC nền epoxy biến tính
Thời gian (phút) 83 phút 127 phút
Như vậy thời gian trung bình tiến hành phá huỷ một mẫu PC nền nhựa epoxy biến tính cao gấp 1.53 lần so với mẫu PC gia cường bằng nhựa epoxy chưa biến tính, thời gian phá huỷ ngắn cũng đồng nghĩa với việc quá trình phá huỷ xảy ra liên tục.
Các kết quả xác định độ bền dai phá huỷ giữa các lớp ở thời điểm ban đầu GIC và trong quá trình phát triên vết nứt GIP của vật liệu PC biến tính với hàm lượng thiokol khác nhau được chỉ ra trên bảng 1. Ở các hàm lượng thiokol là 3, 5, 7, 9 pkl giá trị GIC lần lượt tăng 14.34%, 30.25%, 19.61% và 10.96%, giá trị GIP lần lượt tăng 13.74%, 32.65, 20.45% và 12.88% khi so sánh với mẫu PC nền nhựa epoxy khơng biến tính.
Ảnh SEM bề mặt phá huỷ mẫuvật liệu PC đo GIC được chỉ ra ở hình dưới đây.
Hình 3.6 : Ảnh SEM bề mặt phá huỷ mẫu PC khơng biến tính (a) và mẫu PC
biến tính (b)
Với mẫu nhựa epoxy chưa biến tính bề mặt phá huỷ phẳng nhẵn do phá huỷ giịn là kết quả độ bám dính thấp giữa nhựa với sợi thuỷ tinh. Điều này đồng nghĩa với việc cần năng lượng thấp để quá trình tách lớp xảy ra. Ngược lại thiokol có ảnh hưởng mạnh tới độ bền dai phá huỷ giữa các lớp của vật liệu PC (hình 3.6b). Nền nhựa epoxy biến tính bằng thiokol cho thấy khả năng bám dính tốt với sợi thuỷ tinh kết quả là bề mặt phá huỷ gồ ghề và dai hơn mẫu compozit chưa biến tính.
KẾT LUẬN
Qua q trình tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm ta có thể rút ra được một số các kết luận như sau:
1. Đã nghiên cứu biến tính nhựa epoxy DER-331 bằng thiokol nhằm nâng cao độ bền va đập cho nhựa và compozit. Chọn ra tỉ lệ thiokol thích hợp nhất là 5 phần khối lượng so với nhựa epoxy DER-331.
2. Đã khảo sát được tính chất cơ lý của nhựa trước và sau khi được biến tính như độ bền va đập, độ bền kéo, độ bền uốn, KIC, GIC... Việc biến tính nhựa bằng thiokol giúp tăng tính va đập của nhựa lên nhiều (trung bình tăng 50%) , độ bền kéo tăng 40%, hệ số cường độ tập trung ứng suất KIC tăng trung bình 30%, độ bền dai phá hủy GIC tăng 30%. Độ bền uốn của nhựa giảm đi nhưng không đáng kể.
3. Đã khảo sát độ tương hợp của nhựa epoxy và thiokol là tốt. Thơng qua hình ảnh SEM thấy được phần nào có sự liên kết giữa nhựa nền epoxy và thiokol. Chính nhờ có sự liên kết này mà độ bền của nhựa epoxy cũng được cải thiện.
4. Đã khảo sát ảnh hưởng của thiokol tỉ lệ 5 phần khối lượng so với nhựa epoxy lên tính chất của compozit từ nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh. Sự có mặt của thiokol giúp tăng cường các tính chất của compozit, khắc phục được nhược điểm giòn của nhựa nền epoxy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Keizo Yamanaka,Yasushi Takagi and Takashi Inoue, Reaction-induced
phase separation in rubber-modified epoxy resins. POLYMER, Vol 60,
October (1989).
2. Jae-Young Leea, Mi-Ja Shimb, Sang-Wook Kim, Characteristics of the
DGEBA/MDA system modified with glutaronitrile. Materials Chemistry and
Physics, Vol.44, pp. 74-78(1996).
3. Sixun Zheng, Jian Wang and Qipeng Guo, Miscibility, morphology and
fracture toughness of epoxy resin/poly(styrene- co-acrylonitrile) blends.
Polymer, Voi. 37 No. 21, pp. 4667-4673, (1996).
4. Raju Thomas, Ding Yumei, He Yuelong, Yang Le, Paula Moldenaers,Yang Weimin, Tibor Czigany, Sabu Thomas, Miscibility, morphology, thermal, and
mechanical properties of a DGEBA based epoxy resin toughened with a liquid rubber. Polymer, Vol. 49, pp. 278-294(2008).
5. Maite Rico, Joaqn López, Belén Montero, Rosa Bellas, Phase separation
and morphology development athermoplastic-modified toughened epoxy.
European Polymer Journal, Vol. 48 1660-1673(2012) .
6. Bejoy Francis, Sabu Thomas, Jesmy Jose, R. Ramaswamy, V. Lakshmana Rao, Hydroxyl terminated poly(ether ether ketone) with pendent methyl group
toughened epoxy resin: miscibility, morphology and mechanical properties.
Polymer Vol. 46 12372-12385(2005) .
7. Luận văn cao học Nguyễn Châu Giang (1999)
8. Berenbaum, M.B - Polysulfide polymers, in Encyclopedia of
Polymer Science and Technology - Tập 11 (ed. N. Bikales) - Interscience, New York, pp. 425-47.-1969.
9. Ellerstein, S.M. and Pertozzi, E.R. - Polymers containing sulfur: polysulfides, in Kirk Othomer Encyclopaedia of Chemical Technology - Tập 18, tái bản lần 3- John Wiley, New York, pp. 815-31- 1982.
10. Andrew J.Tinker & Kevin P.June - Blend of nature rubber - Chapman & Hall, London - 1998.
ll.Sho Yamazaki - Vulcanization perfomance of Tetrasulfide Polymer - The society of rubber industry - Japan - 1981.
12. Polysulfide adhensive & sealant manufacturer. 13. Polysulfide in the contrucstion industry.
14. Mechanical thermal and morphological behavior of thiol terminated liquid polysunfid modified epoxy resin, international journal of plastic and polymer technology, vol.1, isssue 1 (2011)1-15.
15. The Effect of Epoxy-Polysulfide Copolymer Curing Methods on
Mechanical-Dynamical and Morphological Properties, Iran. J. Chem. Chem. Eng, Vol. 30, No. 4, 2011