CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM, CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
2.2. Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu
2.2.1. Xác định hiệu suất ghép của KR-12 lên nanosilica K200
Hiệu suất ghép KR-12 vào nanosilica K200 (H) được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng theo phương trình sau [82]:
H = (mbt.750 – mbd.750)/ mo
Trong đó: mbt.750 là khối lượng SiO2 sau khi biến tính ở 750oC.
mbd.750 là khối lượng SiO2 chưa biến tính ở 750oC.
mo là khối lượng SiO2 ban đầu.
2.2.2. Xác định kích thước hạt và thế zeta của nanosilica trước và sau biến tính Phân bố kích thước hạt và thế zeta của nanosilica trước và sau khi biến tính được xác định trên máy Zetasizer Nano ZS (Malvern-UK) bằng phương pháp tán xạ laze, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện HLKHCNVN.
41
2.2.3. Xác định hàm lượng phần gel của các mẫu nhựa
Hàm lượng phần gel của các mẫu sau khi đóng rắn được xác định bằng chiết Soxhlet. Đầu tiên, nghiền mẫu nhựa thành các hạt nhỏ và cân khoảng 2g nhựa, gói trong giấy Whatman N˚1, sau đó sử dụng dung môi axeton để trích ly phần nhựa không tan, trong thời gian 48 giờ trên thiết bị chiết Soxhlet. Hàm lượng phần gel (%) phản ánh lượng nhựa đã khâu mạng không gian được tính theo công thức sau:
GC = 100. (m1/m0)
Trong đó: m0 là khối lượng mẫu ban đầu (g); m1 là khối lượng mẫu còn lại sau khi trích ly (g); GC: hàm lượng phần gel (%).
2.2.4. Phương pháp xác định độ nhớt
Độ nhớt của nhựa epoxy và epoxy/m-nanosilica được xác định trên nhớt kế Brookfield Model RVT- Series 93412 (Mỹ), nhiệt độ 25 oC theo tiêu chuẩn DIN 53018 [83], tại Viện Hóa học-Vật liệu, Viện KHCNQS.
2.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Được sử dụng để xác định phân bố của các hạt nanosilica trong nhựa epoxy sau khi đóng rắn. Ảnh TEM được ghi trên thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 của hãng JEOL (Nhật Bản), tại Viện Vệ sinh Dịch tễ. Mẫu vật liệu được cắt thành các lớp siêu mỏng kích thước 50-60 nm ở nhiệt độ phòng bằng dao cắt lưỡi kim cương chuyên dụng Leica Ultracut S microtome, sau đó đặt trên lưới đồng 200 mesh rồi đưa vào chụp TEM với hiệu điện thế gia tốc 80 kV.
2.2.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét tán xạ trường (FE-SEM)
Phương pháp SEM được sử dụng để nghiên cứu hình thái học bề mặt sau khi phá hủy của vật liệu, thực hiện trên thiết bị hiển vi điện tử quét phân giải cao Model HITACHI S-4800, Nhật Bản với các độ phóng đại khác nhau. Mẫu được phủ một lớp mỏng platin để tăng độ dẫn điện trước khi chụp, hiệu điện thế gia tốc 5 kV, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện HLKHCNVN.
Hình 2.1. Thiết bị phân tích kính hiển vi điện tử quét
42
2.2.7. Phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X
Thành phần nguyên tố trong các mẫu nghiên cứu được xác định trên thiết bị phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) Model HORIBA 7593H (Anh), mẫu được chuẩn bị dạng tấm với điện thế gia tốc 20 kV, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện HLKHCNVN.
2.2.8. Phương pháp phổ hồng ngoại
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để xác định cấu trúc nanosilica biến tính, nhựa epoxy, nanocompozit epoxy/m-nanosilica… được ghi bởi máy TENSOR II (Brucker) với số sóng từ 4000 cm-1 đến 400 cm-1 ở nhiệt độ phòng, tại Viện Hóa học-Vật liệu, Viện KHCNQS.
2.2.9. Phương pháp phân tích nhiệt
* Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Được sử dụng để đánh giá sự biến đổi khối lượng của vật liệu theo nhiệt độ ở các môi trường khác nhau (nitơ và không khí), tốc độ gia nhiệt 10 oC/ phút, khoảng nhiệt độ khảo sát 30-800
oC, trên thiết bị NETSZSCH STA 409 PC/PG (Đức).
* Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét (DSC): Được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của m-nanosilica đến động học quá trình đóng rắn của nhựa epoxy bằng TBuT. Được thực hiện trên thiết bị Netsch DSC 204F1, trong môi trường khí nitơ, nhiệt độ khảo sát 30–300 oC với tốc độ gia nhiệt 5, 10, 15, và 20 oC/phút, tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện HLKHCNVN.
Hình 2.2. Thiết bị phân tích nhiệt vi sai quét Netsch DSC 204F1 2.2.10. Phương pháp xác định tính chất cơ học động
Tổn hao cơ động học của mẫu theo nhiệt độ được xác định trên thiết bị phân tích cơ-động lực DMA-8000 (Perkin Elmer, Hoa Kỳ) theo phương pháp uốn đơn.
43
Mẫu được chuẩn bị với kích thước 30 x 7 x 1 mm3. Mô đun tích trữ (E’), mô đun tổn hao (E’’) và tan tổn hao cơ học được ghi lại trong suốt quá trình đo với tốc độ gia nhiệt 4 oC/ phút, nhiệt độ khảo sát 30-200 oC, tần số dao động 1 Hz, tại Viện Hóa học-Vật liệu, VIện KHCNQS.
Hình 2.3. Thiết bị phân tích cơ động lực DMA 8000
2.2.11. Phương pháp xác định độ bền dai và năng lượng phá hủy của vật liệu Độ bền dai phá hủy của nhựa nền epoxy và nanocompozit được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5045-99 [84] thực hiện trên thiết bị LLoyd 500 N (Anh), mẫu được tạo theo phương pháp uốn ba điểm có khía với kích thước như hình 2.4, tốc độ đặt lực 10 mm/phút ở nhiệt độ phòng, tại Trung tâm NCVL Polyme, Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hình 2.4. Mẫu xác định độ bền dai phá hủy của nhựa nền
Độ bền dai phá hủy đặc trưng bằng cường độ ứng suất tới hạn KIC và được xác định theo công thức:
1 ( )
W 2 Q IC
K P f x
B
=
(1)
( ) 12 3 2
2
1,99 (1 )(2,15 3,93 2,7 ) 6
(1 2 )(1 )
x x x x
f x x
x x
− − − +
= + − (2)
0,45 ≤ a/W ≤ 0,55
Trong đó: KIC: Cường độ ứng suất tới hạn, MPa.m1/2; PQ - lực, N; a - chiều dài vết nứt, cm;
44
B - chiều dày mẫu, cm; W - chiều rộng mẫu, cm
Năng lượng phá hủy (GIC) của vật liệu được tính toán từ KIC và mô đun đàn hồi E theo phương trình [85].
GIC = 𝐾𝐼𝐶2 [(1 - à2)]/E ( 3) Trong đú E là mụ đun đàn hồi kộo, à là hệ số Poisson.
trans axial
= −
(4)
ɛtrans là biến dạng theo chiều dọc; ɛaxial là biến dạng của mẫu theo chiều ngang được xác định bằng cảm biến.
2.2.12. Phương pháp xác định độ bền uốn
Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 trên máy Instron 5582-100 kN (Anh), tại Trung tâm NCVL Polyme, ĐH Bách khoa Hà Nội, tốc độ uốn 5 mm/phút. Mẫu đo 6 lần và lấy kết quả trung bình.
2.2.13. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt
Độ bền kéo đứt được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1:2012 trên thiết bị đo cơ học đa năng Zwick (Đức) với tốc độ kéo 5 mm phút, nhiệt độ 25 oC, độ ẩm 70%. Mỗi mẫu được đo 6 lần và lấy kết quả trung bình, tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện HLKHCNVN.
2.2.14. Phương pháp xác định độ bền va đập
Độ bền va đập Charpy: mẫu được cắt vừa với khuôn chứa mẫu của máy, có dạng hình chữ nhật không khía. Độ bền va đập Charpy của các mẫu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D6110 trên máy Ray Ran (Mỹ), tại Trung tâm kỹ thuật 1, tại Tổng cục TC-ĐL-CL. Mỗi mẫu được đo 6 lần và lấy kết quả trung bình.
2.2.15. Phương pháp xác định độ bền điện
Độ bền điện hay điện áp đánh thủng của mẫu được xác định trên thiết bị AII- 70 (Liên Xô, nay là Liên bang Nga) theo tiêu chuẩn ASTM D149 với điện áp xoay chiều 50 Hz, tốc độ tăng điện áp 1 kV/giây, ở nhiệt độ phòng, độ ẩm không khí 60 %. Kích thước mẫu 100x100x2 mm, tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện HLKHCNVN.
2.2.16. Phương pháp xác định độ cứng Brinell và độ bền mài mòn
Độ cứng Brinell được xác định theo tiêu chuẩn EN 1534 (2000), được thực
45
hiện trên thiết bị 751N Wilson Wolpert (Anh), tại Viện Máy mỏ. Sử dụng bi thép hình cầu đường kính 10 mm, lực ấn 29.42 kN trong 10 giây sau đó đo xác định lại đường kính ấn lõm bằng kính hiển vi quang học. Độ cứng Brinell được tính theo công thức:
BHN = P/π * D/2 * (D - √𝐷2− 𝑑2 ) (5)
P là áp lực ấn kN, D là đường kính bi thép, d là đường kính ấn lõm mm.
Độ bền mài mòn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM G99-04 sử dụng thiết bị TE97 Friction and Wear Demonstractor. Mẫu được chuẩn bị dạng hình trụ với kích thước 5 mm (đường kính) x 50mm (chiều dài), xác định khối lượng của mẫu lúc đầu và sau 30 chu kỳ để tính toán độ bền mài mòn.
2.2.17. Phương pháp xác định độ bền liên kết sợi-nhựa
Độ bám dính của nhựa epoxy có và không có m-nanosilica lên bề mặt sợi thủy tinh được xác định trên máy INSTRON 3369 của Anh, tốc độ kéo 0,5 mm/phút. Mô hình thử nghiệm được trình bày trên hình 2.5.
Hình 2.5. Mô hình xác định độ bền liên kết nhựa-sợi
Độ bám dính của nhựa epoxy lên bề mặt sợi thủy tinh được xác định theo công thức:
𝐼𝐹𝐹𝑆 = 𝐹 𝜋. 𝑑. 𝑙 Trong đó: IFFS là độ bền bám dính, MPa;
F: Lực rút sợi, N;
d: Đường kính sợi thủy tinh, mm;
l: Độ dài sợi được bọc nhựa epoxy, mm
2.2.18. Phương pháp xác định độ bền dai phá hủy tách lớp của compozit Được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 5528-01 [85], trên thiết bị Lloyd 500
46
N (Anh) với tốc độ kéo tách lớp 2 mm/phút, tại Trung tâm NCVL Polyme, ĐH Bách khoa Hà Nội. Mẫu thử được chuẩn bị như hình 2.3.
Hình 2.3. Mẫu xác định độ bền dai tách lớp GIC Độ bền dai tách lớp được tính toán theo công thức:
Trong đó:
+ GIC: độ bền dai phá hủy tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt, J/mm2. + P: lực kéo, N; δ: độ dịch chuyển trong phép đo kéo, mm.
+ a: chiều dài vết nứt, mm; : hệ số điều chỉnh chiều dài vết nứt.
+ b: chiều rộng mẫu, mm;
+ N: hệ số điều chỉnh cho khối đặt lực; C = δ/P.
+ A1: độ dốc của đường thẳng biểu diễn quan hệ giữa a/h và C1/3 + F: hệ số hiệu chỉnh cho δ.
2.2.19. Phương pháp xác định góc tiếp xúc
Ảnh hưởng của m-nanosilica đến khả năng thấm ướt của nhựa epoxy với sợi thủy tinh được xác định bằng phương pháp đo góc tiếp xúc. Thực nghiệm được tiến hành trên bề mặt sợi thủy tinh K8 có thành phần giống sợi thủy tinh E. Cho giọt nhựa cú thể tớch khoảng 0,5 àL thấm trờn mặt thủy tinh để trỏnh ảnh hưởng của trọng lực lên góc tiếp xúc, để ổn định giọt nhựa trong 30 giây ở điều kiện nhiệt độ 30 oC, độ ẩm 60%. Chụp lại ảnh giọt nhựa sau đó chuyển sang máy tính và dùng phần mềm Young-Laplace để xác định góc tiếp xúc, thực hiện tại Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện HLKHCNVN.