PHẦN 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Các phương pháp phân tích nguyên liệu đầu
2.1.2. Phương pháp xác định tỷ trọng
Tỷ trọng của chất lỏng được xác định theo tiêu chuẩn DIN 53217 trên dụng cụ tỷ trọng kế (pycnomet) ERICHSEN model 290/ I có thể tích 30 cm3.
Tỷ trọng được xác định ở 20oC. Sau khi ổn định ở 20oC, cân tỷ trọng kế (a) và điền đầy mẫu thử cũng ở 20oC sao cho khơng có bọt khí. Cân tỷ trọng kế chứa mẫu (b).
Tỷ trọng d được xác định:
2.1.3. Phương pháp xác định độ nhớt Brookfielđ
Độ nhớt Brookfield được xác định theo tiêu chuẩn DIN 53018 trên nhớt kế Brookfield dạng RVT.
Quá trình xác định: Trước khi xác định, phải đặt chất lỏng trong phòng ở nhiệt độ : 25 ± 0,5oC qua 12 giờ.
Rót chất lỏng vào 2/3 cốc thủy tinh, sau đó dìm phần gắn đĩa của trục quay vào mẫu sao cho khơng xuất hiện bọt khí.Gắn trục quay vào nhớt kế và điều chỉnh để mặt chất lỏng trùng với nấc khía trên trục quay.Bật máy và đọc trên đồng hồ.Điều chỉnh tốc độ và chọn trục quay sao cho số đọc nằm trên vạch chia của mặt đồng hồ. Kết hợp tốc độ, loại trục, số đọc và tra bảng sẽ tính được độ nhớt theo đơn vị xentipoa (Cp).
2.1.4. Phương pháp xác định thời gian gel hóa- Chuẩn bị mẫu thử - Chuẩn bị mẫu thử
Cân chính xác 0,5 - 1 (g) nhựa vào hộp lồng và một đương lượng chất đóng rắn, trộn đều ở nhiệt độ phịng.
- Bình thử nghiệm
Một bình 3 cổ, thể tích 250 ml có lắp nhiệt kế sinh hàn hồi lưu, ở giữa có nút cao su khoan lỗ cho vào ống nghiệm thành mỏng. Để đáy ống nghiệm và bầu thủy ngân của nhiệt kế ngang nhau và cách bề mặt của dung môi bay hơi chừng 2 - 3 cm. Để cho nhiệt độ ổn định thường trước khi làm phải chưng cất loại ra chừng 10 - 20 ml dung môi cho đến lúc nhiệt độ sôi ổn định.
- Quá trình xác định
Mỗi lần lấy chừng 0,05(g) hỗn hợp nhựa cộng chất đóng rắn trên đầu trịn của que thủy tinh nhỏ, cho vào ống nghiệm đã ổn định. Khi vừa chạm đáy ống nghiệm thì bấm đồng hồ bấm giây để theo dõi. Thời gian gel hóa là thời gian kể từ khi hỗn hợp vừa chạm đáy ống nghiệm đến lúc hỗn hợp quánh lại khi nhấc que thủy tinh có sợi nhỏ kéo theo.
Tại mỗi nhiệt độ thử nghiệm, xác định tối thiểu 3 lần và lấy giá trị trung bình.
2.1.5. Phương pháp xác định hàm lượng phần gel
Để xác định mức độ đóng rắn của nhựa epoxy trong vật liệu polymer compozit ta xác định qua hàm lượng phần gel. Phần gel là phần tạo thành mạng lưới khơng gian khơng bị trích ly bởi axeton trong dụng cụ Soxhlet sau 24 giờ.
Cách xác định:
Giấy lọc trước khi cân phải được trích ly bằng axeton trong dụng cụ Soxhlet khoảng 3 giờ. Sau đó lấy ra sấy khơ đến khối lượng khơng đổi và để trong bình hút ẩm.
Cân giấy lọc (g0) và khối lượng mẫu cộng giấy lọc (g1) trên cân phân tích, trước khi trích ly trong axeton. Sau đó cho vào dụng cụ Soxhlet để trích ly với thời gian 24h.Khi đã đạt thời gian trích ly, mẫu được lấy ra và sấy khơ đến khối lượng khơng đổi và để vào bình hút ẩm. Cân khối lượng mẫu sau khi trích ly (g2). Hàm lượng phần gel được xác định theo công thức sau:
g, — Si
H = .100 (%)
§1 §0
Trong đó :
g2 - Khối lượng mẫu sau khi trích ly, g g1 - Khối lượng mẫu trước khi trích ly, g g0 - Khối lượng giấy lọc khô, g.
2.2. Các phương pháp xác định độ bền cơ học của vât liệu -
Phương pháp đo độ bền va đập IZOD
Độ bền va đập IZOD được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178-1993, trên máy
Hình 2.1: Máy đo độ bền va đập IZOD Tinus-Olsen
Mầu đo độ bền va đập IZOD có dạng khối chữ nhật kích thước mẫu: 80x10x4 mm. Độ bền va đập IZOD (avd) được xác định theo cơng thức:
avd = ^bh'10-9 , kJ/m2 Trong đó:
W: Năng lượng phá hủy mẫu, J. h: Chiều dày mẫu, mm.
b: Chiều rộng mẫu, mm.
Yêu cầu số lượng mẫu cho kết quả trung bình từ 3: 5 mẫu
-Phương pháp đo độ bền kéo đứt
Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1993, trên máy INSTRON 5582 - 100KN (Mỹ). Tốc độ kéo 5mm/phút. Nhiệt độ 25°C, độ ẩm < 70%.
Hình 2.2 Máy INSTRON 5582-100KN đo độ bền kéo đứt
Mầu đo độ bền kéo đứt có dạng hình mái chèo có kích thước như sau: Chiều dài :120mm,chiều rộng: 16mm, chiều dày: 4mm
Đường kính góc lượn: 20 - 25mm
Chiều rộng khoảng làm việc (gauge length): 10mm
Hình 2.3 Mau đo độ bền kéo đứt
Vận tốc kéo 5mm/phút.
_F_
ơk = a. b
Độ bền kéo đứt của vật liệu được tính theo cơng thức: Trong đó: ơk - độ bền giới hạn khi kéo, MPa
F : tải trọng phá hủy mầu, N a : chiều dày của mầu, mm b : chiều rộng của mầu ,mm Yêu cầu :
Các mẫu phải có bề mặt nhẵn, bằng phẳng, khơng phồng rộp Số lượng mẫu cho kết quả trung bình từ 3 í 5
-Phương pháp đo độ bền uốn
Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn quốc tế ISO178:1993, đo trên máy INSTRON 5582- 100KN (Mỹ). Tốc độ 5mm/phút. Nhiệt độ 25°C, độ ẩm 70%. Mẫu có kích thước dài 100mm, rộng 15 mm, dày 4 mm.
Hình 2.4 Máy INSTRON 5582-100 KN đo độ bền uốn
Cơng thức tính độ bền uốn ơu = ịyL , (MPA)
2 bh2
Trong đó:
ơu - Độ bền giới hạn khi uốn, MPA F - Lực tác dụng lên mẫu,N.
b - Bề rộng làm việc của mẫu, mm h - Bề dày làm việc của mẫu, mm Yêu cầu:
Bề mặt phải bằng phẳng trơn nhẵn, không phồng, không rỗ. Số lượng mẫu 3 ^ 5
Tải trọng đặt ở điểm giữa của khoảng cách giữa hai gối đỡ và trùng với điểm giữa của mẫu.
-Phương pháp xác định hệ số cường độ ứng suất tập trung tới hạn (Kic) của
độ dai phá hủy (Fracture Toughness)
Hệ số KIC được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5045. Mẫu đo KIC có dạng:
Hình 2.5 Mau đo KIC
Trong đó:
B: chiều dày mẫu, 4mm W: Chiều rộng mẫu, 16mm A: Chiều dài vết nứt,
Cách tạo vết nứt: Đầu tiên khía chữ V bằng máy cắt chữ V sâu 2mm, sau đó dùng dao trổ vào đáy chữ V, gõ nhẹ vết nứt sẽ xuất hiện. Tiếp tục gõ cho đến khi vết nứt phát triển đạt chiều dài a.
Hình 2.6 Phương pháp đo hệ số KIC
Đặt mẫu vào máy đo độ bền uốn 3 điểm như trên hình vẽ, tốc độ uốn 10mm/phút (ASTM D 5045)
Hệ số KIC được xác định theo công thức:
KIC = (~hL-f ( x) BW2 Với (0< x< 1): 1 /2 [1.99 -x(1-x). (2.15-3.93 x + 2.7x2)] f( x = x -------H_^3/2 --------------------- 11+2x). (1-x) Trong đó:
PQ: Lực cao nhất phát triển vết nứt khi uốn mẫu đã khí, kN x= a/W
B: Chiều dày mẫu, cm W: Chiều rộng mẫu, cm
A: Chiều dài vết nứt, cm
-Phương pháp đo GIC
Hệ số GIC được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5528-01. Mầu được chế tạo có kích thước như trong hình 2.4.
Hình 2.7 Phương pháp đo GIC Cơng thức tính GIC: c =3miPcnBC \223 F ĩ/m2 IC 2(2h)( B ( N ) ’ Trong đó :
GIC : Độ bền dai phá hủy PC : Lực kéo, N
B: Chiều rông mầu, B=20 mm. N: Hệ số hiệu chỉnh cho khối đặt lực h: chiều dày mầu,mm
Ảnh chụp SEM của các mẫu vật liệu được thực hiện trên máy JEOL của Nhật.
Hình 2.8 Máy chụp ảnh SEM JEOL
Mẫu nhựa đã được đóng rắn được lấy một mẩu nhỏ, dán băng dính cacbon, phủ platin rồi đưa vào buồng chứa mẫu của thiết bị SEM. Hình ảnh SEM của mẫu được hiển thị trên màn hình máy tính.
Phần III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TÍNH CHẤT CỦA NHỰA EPOXY
3.1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG THIOKOL
Tiến hành biến tính nhựa Epoxy bằng polysunfit với các hàm lượng 3,5,7,9 phần khối lượng. Sauk hi tiến hành biến tính xong đổ mẫu theo quy chuẩn, sau đó thực hiện đo tính chất ở máy đo cơ tính vạn năng ở trung tâm polymer và thu được kết quả sau
Bảng 4: Kết quả đo sau khi biến tính bằng thiokol khảo sát hàm lượng thiokolĐồ thị 1: Đo độ bền kéo mẫu xác định hàm lượng thiokol Đồ thị 1: Đo độ bền kéo mẫu xác định hàm lượng thiokol
Đồ thị 3: Đo độ bền va đập mẫu xác định hàm lượng Thiokol
Kết quả sau khi đo được thể hiện rõ trên đồ thị:
- Về độ bền uốn sau khi biến tính đã tăng so với khi khơng biến tính đặc biệt tại mẫu 3 phần khối lượng thì có giá trị cao nhất.
- Về độ bền kéo sau khi biến tính tính chất tăng lên so với khi chưa dùng Thiokol đặc biệt tại mẫu 5 phần khối lượng.
- Về độ bền va đập tăng lên đáng kể mẫu 5 phần tăng hơn 1,9 lần.
Sau khi đánh giá với mục đích tăng độ bền va đập vì vậy chọn lượng Thiokol dùng là 5 phần khối lượng.
3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác TEA
Tiến hành biến tính nhựa Epoxy bằng polysunfit với các hàm lượng 5 phần khối lượng ( nhựa Epoxy 100 phần khối lượng) với hàm lượng xúc tác là
0.5,1.0,1.5,2.0 phần khối lượng . Sau khi tiến hành biến tính xong đổ mẫu theo quy chuẩn, sau đó thực hiện đo tính chất ở máy đo cơ tính vạn năng ở trung tâm
polymer và thu được kết quả sau:
Tên mẫu Độ bền kéo(Mpa) Độ bền uốn (Mpa) Độ bền va đập(J/m) 0.0 TEA 43.85 89.93 30.91 0.5 TEA 76.96 92.06 58.73 1.0 TEA 80.1 95.24 51.22 1.5 TEA 63.89 91.5 48.28 2 .0TEA 57.8 86.4 42.68
Bảng 5 : Kết quả đo sau khi biến tính bằng thiokol khảo sát hàm lượng TEA
Đồ thị 5: Đo độ bền uốn mẫu xác định hàm lượng TEA
Đồ thị 6: Đo độ bền va đập mẫu xác định hàm lượng TEA
- Về độ bền uốn sau khi biến tính đã tăng so với khi khơng biến tính đặc biệt tại mẫu 1.0 TEA phần khối lượng thì có giá trị cao nhất và khi dùng với hàm lượng 2TEA thì có xu hướng giảm ngun nhân là do TEA cũng có khả năng đóng rắn vì vậy đã tự đóng rắn một phần.
- Về độ bền kéo sau khi biến tính tính chất tăng lên so với khi chưa dùng Thiokol đặc biệt tại mẫu 1 TEAphần khối lượng.
- Về độ bền va đập tăng từ 1.3 đến 1.9 lần tại mẫu 0.5 TEA là giá trị cao nhất . Sau khi đánh giá với mục đích tăng độ bền va đập vì vậy chọn lượng xúc tác TEA dùng là 0.5 phần khối lượng.
3.1.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Tiến hành biến tính nhựa Epoxy bằng polysunfit với các hàm lượng 5 phần khối lượng ( nhựa tEpoxy 100 phần khối lượng), với hàm lượng xúc tác là 0.5 phần khối lượng và thời gian phản ứng là 45,60,75,90 phút . Sau khi tiến hành biến tính xong đổ mẫu theo quy chuẩn, sau đó thực hiện đo tính chất ở máy đo cơ tính vạn năng ở trung tâm polymer và thu được kết quả sau:
Tên mẫu Độ bền kéo (Mpa) Độ bền uốn (Mpa) Độ bền va đập(J/m) 45 phút 43.54 75.36 30.26 60 phút 56.18 84.27 41.34 75 phút 76.23 92.49 46.78 90 phút 77.45 93.23 58.75 120 phút 75.48 91.53 49.53
Bảng 6 : Kết quả đo sau khi biến tính bằng thiokol khảo sát thời gian phản ứng.
Đồ thị 8: Đo độ bền uốn mẫu xác định thời gian phản ứng
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
Thơng 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