3.5. Chế tạo và khảo sát ảnh hưởng đặc trưng tính chất, hình thái cấu trúc của
3.5.5. Sự phân bố của các hạt m-nanosilica trên bề mặt sợi thủy tinh
Quan sát sự phân bố của m-nanosilica quanh bề mặt sợi thủy tinh thường gặp nhiều khó khăn như: nếu sử dụng ảnh TEM sẽ rất khó tạo được mẫu compozit cắt hoàn chỉnh có độ dầy 50-60 nm, còn nếu dùng ảnh SEM sẽ cho ảnh có độ nét thấp,
113
không rõ cấu trúc hạt nano do mẫu không dẫn điện. Để khắc phục các nhược điểm trên, tiến hành chụp ảnh SEM các mẫu compozit với hàm lượng m-nanosilica khác nhau sau khi phân hủy nhiệt do một phần muội than tạo thành trong quá trình phân hủy làm tăng độ dẫn điện của mẫu, đồng thời quá trình phân hủy nhiệt polyme nền sẽ để lại các hạt nanosilica nguyên bản. Kết quả chụp ảnh SEM được của các mẫu compozit sau phân hủy nhiệt trình bày trong hình 3.56.
Có thể thấy, các hạt nanosilica phân tán khá đồng đều trên bề mặt sợi thủy tinh, mật độ hạt khi tăng hàm lượng nhựa epoxy, mẫu compozit 70/30 có lượng nhựa epoxy thấp nên lớp nanosilicca quan sát thấy khá mỏng, mức độ bao quanh sợi còn thấp. Khi tăng hàm lượng nhựa, sự phân bố các hạt nanosililca quanh sợi đồng đều hơn, chứng tỏ quá trình thấm ướt giữa nhựa-sợi xảy ra tốt. Chính sự phân bố đồng đều này cho phép tạo ra nhiều “cầu” liên kết nano giữa nhựa nền và sợi giúp nâng cao độ bền cơ học của compozit tăng khả năng bám dính của nhựa nền với sợi. Khi phóng đại bề mặt sợi đến 100.000 lần, mẫu compozit trên hình 3.56g cho thấy kích thước trung bình của hạt nanosilica khoảng 50nm không có hiện tượng kết tụ các hạt.
(a) (b)
(c) (d)
114
Hình 3.56. Ảnh SEM bề mặt sợi thủy tinh và compozit sau khi phân hủy nhiệt: (a) sợi thủy tinh; (b), (c), (d), (e) (f) compozit có m-nanosilica với 70%, 60%, 50%, 40%, 30%
sợi thủy tinh; (g) compozit có 60% sợi thủy tinh.
3.5.6. Ảnh hưởng của m-nanosilica đến tính chất cơ động lực của vật liệu compozit epoxy/ vải thủy tinh
* Ảnh hưởng của m-nanosilica đến mô đun tích trữ, mô đun tổn hao của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Sự thay đổi giá trị mô đun tích trữ của vật liệu compozit với hàm lượng sợi thủy tinh khác nhau được trình bày trên hình 3.57.
Có thể thấy khi có mặt của sợi thủy tinh gia cường, mô đun tích trữ (E’) của vật liệu tăng mạnh, đạt cực đại ở mẫu V/N =60/40 tương ứng với giá trị mô đun E’ tăng 588,59 % so với nhựa nền. Sự gia tăng giá trị mô đun E’ là do khi có mặt vải thủy tinh gia cường với cấu tạo từ các sợi có độ bền và độ cứng lớn hơn rất nhiều pha nền polyme, sự phân bố đồng đều ứng suất tác dụng lên các pha trong vật liệu cũng như tương tác, bám dính tốt giữa nhựa nền và sợi gia cường [140,141]. Giá trị mô đun E’
của vật liệu compozit giảm khi tăng nhiệt độ do sự tăng độ linh động của mạch
(e) (f)
(g)
115
polymer và tốc độ giảm lớn nhất tại vùng nhiệt độ thủy tinh hóa. Giá trị E’ của vật liệu compozit ở cả trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi đều lớn hơn so với nhựa epoxy. Sự suy giảm E’ khi tăng nhiệt độ của vật liệu compozit cũng nhỏ hơn rất nhiều so với nhựa nền epoxy nhờ hiệu quả gia cường tốt của sợi thủy tinh.
Hình 3.57. Sự phụ thuộc của mô đun tích trữ của mẫu compozit với hàm lượng vải thủy tinh khác nhau vào nhiệt độ
Giá trị E’ của vật liệu compozit tăng theo hàm lượng vải thủy tinh. Hiệu quả gia cường của vải lên mô đun của vật liệu compozit có thể được xác định thông qua hệ số C trong phương trình sau [139]:
Ở đây E’g và E’r là giá trị mô đun tích trữ ở trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi của compozit. Giá trị C nhận được của vật liệu compozit với hàm lượng vải gia cường khác nhau được trình bày trong bảng 3.12.
Bảng 3.12. Hằng số ảnh hưởng C của vật liệu compozit epoxy-nanosilica/sợi thủy tinh STT Hàm lượng sợi thủy tinh, % C
1 70 0,0689
2 60 0,1059
3 50 0,1213
4 40 0,2125
5 30 0,2400
Giá trị C càng nhỏ thì sự thay đổi mô đun ở trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi càng nhỏ điều này đồng nghĩa với việc khả năng bền nhiệt của vật liệu tốt và nó là
Nhiệt độ, oC
Mô đun tích trữ, MPa
116
thước đo hiệu quả gia cường của sợi. Từ số liệu trong bảng 3.12, ta thấy giá trị C giảm khi tăng hàm lượng cốt sợi, khi hàm lượng sợi xuống 30%, giá trị mô đun của compozit tiến gần đến giá trị của nhựa nền ban đầu. Hiệu quả gia cường nhựa epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh lớn nhất ở hàm lượng sợi gia cường trong khoảng 50-60%. Sự biến đổi của mô đun tổn hao phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu compozit được trình bày tại hình 3.58. Kết quả cho thấy giá trị E” của compozit lớn hơn khá nhiều so với nhựa nền epoxy ban đầu, do m-nanosilica kết hợp với vải thủy tinh đã hạn chế quá trình hồi phục của vật liệu. Mô đun tổn hao lớn nhất của compozit ở nhiệt độ thủy tinh hóa của vật liệu. Trong các nghiên cứu trước đây Murugan và Hameed [139,141] cũng đã chỉ ra rằng sợi gia cường đóng vai trò quan trọng tác động lên giá trị Tg của vật liệu.
Hình 3.58. Sự phụ thuộc mô-đun tổn hao của mẫu compozit vào nhiệt độ
* Ảnh hưởng của m-nanosilica đến tanδ của vật liệu compozit epoxy/m-nanosilica/sợi thủy tinh
Nhiệt độ thủy tinh hóa của vật liệu compozit có giá trị lớn hơn nhựa nền ban đầu sợi thủy tinh sẽ làm giảm độ linh động của các đoạn mạch polyme trong vật liệu.
Hình 3.59 cho thấy sự biến đổi giá trị tanδ phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu compozit với hàm lượng khác nhau của sợi gia cường và tanδ của vật liệu compozit tăng khi tăng nhiệt độ và đạt giá trị cực đại ở vùng nhiệt độ thủy tinh hóa. Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ giá trị tanδ giảm và đi vào ổn định trong vùng trạng thái cao su. Pic tanδ của compozit nhỏ khi hàm lượng sợi thủy tinh lớn và lớn hơn khá nhiều so với nhựa epoxy do trong compozit, sợi thủy tinh sẽ chịu tác động của phần lớn ứng suất, chỉ
Mô đun tổn hao, MPa
Nhiệt độ, oC
117
một phần nhỏ vùng trên sợi tại bề mặt phân chia pha với nhựa nền bị biến dạng. Do đó, sự phân tán năng lượng sẽ xảy ra chủ yếu trên nền polyme và tại bề mặt phân chia pha nhựa-sợi và được đặc trưng bằng sự phân tán năng lượng thấp.
Hình 3.59. Sự phụ thuộc tanδ của compozit với hàm lượng sợi thủy tinh khác nhau vào nhiệt độ
Tanδ
Nhiệt độ, oC