CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO
1.2. NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
1.2.4.4. Lựa chọn nhựa nền và các phụ gia sử dụng trong nghiên cứu của luận án
Như đã trình bày trong phần mở đầu, đó là thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit được nghiên cứu chế tạo cần có khả năng chịu kéo cao (tương đương với thép), song phải chịu cắt thấp hơn thép và bền trong môi trường vi khí hậu ẩm ướt và không bị ăn mòn điện hoá hay hoá học. Đồng thời thanh cốt neo được nghiên cứu chế tạo từ claynano với sợi tăng cường trên cơ sở nhựa nền thương phẩm.
Từ những trình bầy và so sánh tổng quan giữa các loại nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng trong công nghệ compozit đó làpolyester không no, nhựa vinylester và nhựa epoxy nêu trên, NCS đã lựa chọn polyme nhựa nền là nhựa epoxy [143], vì:
- Epoxy được sử dụng nhiều trong công nghiệp compozit. Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra compozit có độ bền cao, phục vụ các ngành: chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa...
- Nhựa epoxy với những ưu điểm cơ bản như: tính chất cơ học cao (kéo, nén, uốn, va đập...); chịu được nhiệt độ trên 150C; độ bền hóa học cao; độ co ngót thấp (0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với
kim loại cao. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như: ròn và giá thành cao. Bảng 1.4 giới thiệu những thông số cơ bản về nhựa epoxy-828 và hình 1.8 mô tả công thức cấu tạo của nó.
Hình 1.8. Công thức cấu tạo của epoxy-828 theo [146]
Bảng 1.4. Thông số cơ bản của nhựa epoxy-828 thương phẩm [147]
TT Các thông số Phương pháp
thử nghiệm Đơn vị Giá trị
1 Đương lượng epoxy SMS 2026 mmol/kg 5260÷5420
2 Hàm lượng epoxy* g 184÷190
3 Tỷ trọng ở 250C SMS 1347 kg/lít 1.16
4 Điểm bắt cháy ASTM D93 0C > 150
5 Màu sắc ASTM D1209 Pt-C0 100 max
6
Độ nhớt ở các nhiệt độ
ASTM D445 Poise
200C 320
250C 130
300C 60
400C 15
500C 5.5
600C 2.4
700C 1.2
* Là số gam của nhựa có chứa một gam đương lượng epoxy.
Đây là loại nhựa epoxy thương phẩm, được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam và NCS đã lựa chọn epoxy này để sử dụng nghiên cứu trong luận án.
Khi nói đến nhựa polyme nói chung, epoxy nói riêng không thể không đề cập đến hai yếu tố thành phần khác khi sử dụng nhựa polyme thương phầm đó là chất đóng rắn và chất pha loãng. Từ việc lựa chọn, xác định nhựa sử dụng là epoxy-828 thương phẩm, cùng với khuyến cáo của nhà sản xuất về việc lựa chọn chất pha loãng và đóng rắn [148].
a. Chất pha loãng [144], [145]
Chất pha loãng có rất nhiều loại và họ khác nhau, hình 1.9 là đồ thị tương quan độ nhớt ở 250C của nhựa epoxy-828 với các chất pha loãng khác nhau, đó là các họ aliphatic monoepoxide, aromatic monoepoxide và polyepoxide, những chất pha loãng này cùng được sử dụng một hàm lượng như nhau trong epoxy-828là 20% theo khối lượng của epoxy để so sánh và khuyến cáo cho người sử dụng lựa chọn phù hợp với mục đích công việc [145].
Hình 1.9. Độ nhớt của epoxy-828 với các chất pha loãng khác nhau [145]
Từ đồ thị so sánh tại hình 1.9, NCS lựa chọnheloxy-505sản phẩm của Hãng Sell, làm chất pha loãng, đây là một loại polyepoxid có độ nhớt thấp,
không mùi, dễ bay hơi, có khả năng chịu nước tốt,tương thích với nhựa epoxy thông thường, khi phối trộn với nhựa epoxy vừa làm giảm độ nhớt vừa tham gia quá trình đóng rắn của nhựa nên người ta còn gọi là chất pha loãng hoạt tính, bảng 1.5 giới thiệu một số đặc trưng của chất pha loãng heloxy-505.
Bảng 1.5. Một số đặc trưng của chất pha loãng heloxy-505 [145]
Sản phẩm Độ nhớt ở 250C (cP)
Khối lượng epoxy
Màu sắc (max)
Dạng hoá học HELOXY-505 250÷500 500÷650 < 6 Dạng dầu
polyglycidyl ether Hình 1.10 là công thức cấu tạo của heloxy-505. Sở dĩ phải sử dụng chất pha loãng làm giảm độ nhớt của epoxy là do khi đưa khoáng sét bentonit đã được hữu cơ hoá phân tán trong nhựa nền epoxy dưới dạng tách lớp hoàn toàn (expholiated) thông qua cán trộn cơ học, để tránh tạo bọt trong nhựa epoxy cũng như tăng khả năng thấm ướt của nhựa nền với sợi thuỷ tinh.
Hình 1.10. Công thức cấu tạo của heloxy-505 của hãng Sell [144]
Qua thực nghiệm và khuyến cáo của nhà sản xuất, NCS sử dụng 10%
chất pha loãng heloxy-505 theo khối lượng epoxy.
b. Chất đóng rắn [144], [145]
Cơ chế đómg rắn nhựa epoxy có 3 phương pháp cơ bản như sau:
Đóng rắn bằng amin:
- Thông thường người ta dùng di (đi) hoặc tri (t ri) hoặc polyamin,
không dùng monoamin vì sẽ không tạo mạng lưới không gian.
- Các chất đóng rắn thường dùng nhất là: etylen diamin (đóng rắn nguội hoặc dưới 600C), dietylen diamin, dietylen triamin (đóng rắn ở nhiệt độ cao), trietylen triamin có tác dụng gần giống với polyamin.
- Sử dụng những chất đóng rắn này có thể đóng rắn các chi tiết lớn hoặc dán gạch ốp tường. Song amin độc và khó điều chỉnh thời gian chuẩn bị.
Đóng rắn bằng axit hai chức (chất đóng rắn nóng): đóng rắn bằng anhidric.
- Thường dùng là các anhidric của axit dicacboxilic, anhidric malêic, anhidric phetalêic, ví dụ là anhidric phtalic, phản ứng tiến hành ở nhiệt độ từ 180÷220oC…
- Phản ứng đóng rắn với những axit hai chức tạo ra sản phẩm phụ là nước, phản ứng này khác với loại chất đóng rắn amin, bởi nước được tạo ra và bay hơi để lại lỗ xốp nên chất đóng rắn axit hai chức ít dùng.
Đóng rắn bằng những chất đóng rắn khác:
- Ngoài hai chất đóng rắn trên người ta còn dùng các hợp chất có hai hay nhiều nhóm định chức để đóng rắn nhựa epoxy như: nhựa phenol- formaldehyl, polyamine (-NH-CO-), ure (melamin)-formaldehyl.
- Đóng rắn bằng nhựa phenol-formaldehyl hoặc polyamine, thì nhựa sau đóng rắn có nhiều vòng thơm trong mạch, có độ cứng làm tăng độ bền cơ học, bền nhiệt, trong nhựa có liên kết ete, este làm cho mạch mềm, trong nhựa có nhóm OH tự do tạo nên bám dính tốt, trong nhựa có số liên kết ngang không nhiều (không quá thưa như UF) làm mạch không quá cứng. Do đó nhựa epoxy vừa bền nhiệt, bền cơ học, bám dính tốt với hầu hết các vật liệu khác.
Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy thường gặp hai khó khăn trong sản xuất công nghiệp là:
- Phải định lượng chính xác tỷ lệ giữa chất đóng rắn và nhựa epoxy (vì thừa hay thiếu chất đóng răn đều không đóng răn nhựa epoxy được).
- Phản ứng đóng rắn là phản ứng tỏa nhiệt, dễ xảy ra hiện tượng đóng rắn cục bộ.
Từ việc lựa chọn nhựa nền là epoxy-828, được trình bầy trong phần 1.2.4.4, theo khuyến cáo của hãng sản xuất [145], [146] thì lựa chọn chất đóng rắn đối với hệ nhựa này được trình bày trong bảng 1.6 và bảng 1.7 so sánh đặc trưng cơ, lý của những chất đóng rắn này.
Bảng 1.6. Hàm lượng các chất đóng rắn khác nhau sử dụng đối với epoxy-828 để cho sản phẩm có độ cứng tối đa [145], [146]
TT Thành phần
Hàm lượng chất đóng rắn
(phần kl)
Độ cứng Barcol
Nhiệt độ bắt đầu phản ứng đóng rắn
(oC) 1 Epoxy EPON® 828/Chất
đóng rắn EPI-CURE® 3140 33 70 110
2 Epoxy EPON 828/Chất đóng
rắn EPI-CURE 3125 43 70 89
3 Epoxy EPON 828/Chất đóng
rắn EPI-CURE 3125 67 - 83
1 Làm cứng bằng hơi nóng ở nhiệt độ 150oC
Bảng 1.7. So sánh đặc trưng cơ lý của các chất đóng rắn EPI-CURE® nhóm 3100 [145], [146]
TT Chất đóng rắn EPI-CURE® 3125 3140
1
Độ nhớt(cP)
25oC 33 14
40oC 1.0 0.4
2 Số amin, mg KOH/g 345 375
3 Màu sắc(gardner) 9 9
Các độ bền đúc chưa nạp đầy1 với nhựa EPON® 828
4 Nồng độ Poliamit (phần kl) 100 82
5 Độ nhớt hỗn hợp ban đầu 250C(cP) 36 11.8
6 Nhiệt độ chênh lệch(0C) 59 68
7 Đồ bền kéo ở 230C
8 Giới hạn bẻ gãy Mpa (psi) 44 (6400) 51 (7400)
9 Độ giãn điểm gãy, % 5.1 4.8
Từ bảng 1.6 và 1.7 có thể thấy chất đóng rắn EPI-CURE® 3125 là phù hợp với công nghệ chế tạo thanh cốt neo. Trong quá trình thực hiện luận án, NCS đã lựa chọn chất đóng rắn với mã hiệu adduct epicure-3125, hình 1.11 là công thức cấu tạo của chất đóng rắn này.
Hình 1.11. Công thức cấu tạo của EPI-CURE® 3125[145]
Đây là một sản phẩm được tổng hợp từ epoxy-828 với DETA (dietylentriamin), nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm như đã trình bày ở trên. Trong quá trình chế thử cốt neo chúng tôi thực hiện đóng rắn nhựa epoxy ở khoảng nhiệt 120÷1400C, với tỷ lệ epoxy-828: adduct epicure-3125 là 1:1.