intTypePromotion=1

Nghiên cứu ban đầu về khả năng ứng dụng kế hợp vật liệu geopolyme composit chống cháy cho ngành đóng tàu vỏ composit

Chia sẻ: Danh Tuong Vi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

0
37
lượt xem
1
download

Nghiên cứu ban đầu về khả năng ứng dụng kế hợp vật liệu geopolyme composit chống cháy cho ngành đóng tàu vỏ composit

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày kết quả của nghiên cứu ban đầu về tính chất nhiệt của vật liệu geopolyme composit dẫn xuất trên nền Silic đioxit nhiệt chứa khoảng 50% sợi thủy tinh gia cường. Cơ tính của vật liệu dạng tấm hybrid được tạo thành khi sử dụng kết hợp vật liệu geopolyme composit này với vật liệu composite thông dụng trong ngành đóng tàu trên nền polyeste không no (UPR) gia cường bằng sợ thủy tinh.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ban đầu về khả năng ứng dụng kế hợp vật liệu geopolyme composit chống cháy cho ngành đóng tàu vỏ composit

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KẾ HỢP VẬT<br /> LIỆU GEOPOLYME COMPOSIT CHỐNG CHÁY CHO NGÀNH ĐÓNG<br /> TÀU VỎ COMPOSIT<br /> PRELIMINARY STUDY OF APPLYING GEOPOLYMER COMPOSITES TO COMPOSITE<br /> SHIPBUILDING INDUSTRY<br /> Trần Doãn Hùng1, Petr Louda2 và Oleg Bortnovsky3<br /> 1<br /> Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang<br /> 2<br /> Khoa Cơ khí, Đại học Kỹ thuật Liberec, Cộng hòa Séc<br /> 3<br /> Viện Hóa học Vô cơ Usti nad Labem, Cộng hòa Séc<br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này chúng tôi trình bày kết quả của nghiên cứu ban đầu về tính chất nhiệt của vật liệu<br /> geopolyme composit dẫn xuất trên nền Silic đioxit nhiệt chứa khoảng 50% sợi thủy tinh gia cường. Cơ tính<br /> của vật liệu dạng tấm hybrid được tạo thành khi sử dụng kết hợp vật liệu geopolyme composit này với vật liệu<br /> composite thông dụng trong ngành đóng tàu trên nền polyeste không no (UPR) gia cường bằng sợ thủy tinh;<br /> Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo và loại vật liệu gia cường lên tính chất cơ và dạng hỏng của vật liệu<br /> được tạo thành. Kết quả cho thấy, vật liệu geopolyme composit được nghiên cứu có tính chất nhiệt tương tự<br /> vật liệu cách nhiệt Bakelit và một số phương pháp chế tạo cho ta vật liệu tấm có độ bền thỏa mãn tiêu chuẩn<br /> TCVN 6282: 2003.<br /> ABSTRACT<br /> This paper presents results of preliminary research about thermal properties of thermal silica based<br /> geopolymer composite reinforced by 50% glass fiber. Mechanical properties of hybrid laminates which<br /> were fabricated by combining the geopolymer composite with popular shipbuilding composites based on<br /> unsaturated polyester resin and glass fiber reinforcement; Effects of manufacturing methods on the mechanical<br /> properties and failure patterns of composite samples. The results show that the geopolymer composite has<br /> the same thermal properties of thermal insulator material Bakelite and in some cases of hybrid composite<br /> fabrication methods, the strength of materials meet the demands of standard TCVN 6282: 2003.<br /> Từ khóa: geopolyme, polyeste không no, tính chất nhiệt, độ bền cơ học<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> Vật liệu composit thông dụng và phổ biến nhất là<br /> <br /> Vật liệu composit với các tính năng vượt<br /> <br /> composit dựa trên nền polyme hữu cơ được gia<br /> <br /> trội so với nhiều chủng loại vật liệu kinh điển<br /> <br /> cường. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong<br /> <br /> như nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng<br /> <br /> các ngành công nghiệp, ở đó có nhiệt độ làm<br /> <br /> cao, dai, chống va đập khá tốt… đang ngày càng<br /> <br /> việc yêu cầu lớn hơn 200oC thì hầu hết các loại<br /> <br /> được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện<br /> <br /> vật liệu composit trên nền polyme hữu cơ không<br /> <br /> đại như hàng không, vũ trụ, ô tô, chế tạo máy,<br /> <br /> thể sử dụng [1-3]. Tính chất dễ bắt lửa của chính<br /> <br /> tàu thuyền… và cả trong đời sống hàng ngày.<br /> <br /> vật liệu này hạn chế khả năng triển khai ứng<br /> <br /> 94 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> dụng chúng cho ngành công nghiệp tàu thủy nói<br /> <br /> mặt làm chậm hoặc ức chế phản ứng nhiệt phân<br /> <br /> chung và tàu ngầm nói riêng [4].<br /> <br /> và phản ứng oxi hóa trên bề mặt của polyester.<br /> <br /> Vật liệu geopolyme đã được nghiên cứu và<br /> <br /> Theo hiểu biết chủ quan của chúng tôi thì hiện<br /> <br /> phát triển từ năm 1979 bởi giáo sư hóa học và<br /> <br /> nay trên thế giới chưa có công trình nào nghiên<br /> <br /> vật liệu học Joseph Davidovits, Viện Khoa học<br /> <br /> cứu thử nghiệm kết hợp composit trên nền<br /> <br /> Vật liệu Geopolyme, Cộng hòa Pháp [5]. Tuy<br /> <br /> polyme hữu cơ với composit trên nền geopolyme<br /> <br /> nhiên vật liệu geopolyme được ông sử dụng như<br /> <br /> để hình thành vật liệu có dạng hybrid nhằm<br /> <br /> vật liệu nền cho composit chỉ được bắt đầu từ<br /> <br /> tận dụng ưu điểm của chúng và sử dụng cho<br /> <br /> năm 1982 [6] và cho đến hiện nay geopolyme<br /> <br /> các ngành công nghiệp nói chung và tàu thủy<br /> <br /> composit đang thu hút được nhiều nhà khoa học<br /> <br /> composit nói riêng.<br /> <br /> trên thế giới. Theo nhiều tài liệu, vật liệu composit<br /> <br /> Ở đây chúng tôi nghiên cứu tính chất cơ<br /> <br /> trên nền geopolyme có các tính chất nổi bật sau:<br /> <br /> bản của vật liệu kết hợp composit trên nền<br /> <br /> cơ tính cao, nhẹ, chịu nhiệt tốt (có thể chịu nhiệt<br /> <br /> polyme hữu cơ thông dụng là polyeste không no<br /> <br /> độ lên đến 1200 C trong thời gian dài), không tạo<br /> <br /> và composit trên nền geopolyme có gốc từ silic<br /> <br /> khói, khí độc và có thể chịu được tác động của<br /> <br /> đioxyt nhiệt, gia cường bằng vải thủy tinh dạng<br /> <br /> hầu hết các loại hóa chất hữu cơ [1, 5, 7, 8]. Thêm<br /> <br /> mat 450g/m2 và dệt 850g/m2 với mong muốn<br /> <br /> vào đó vật liệu composit trên nền geopolyme<br /> <br /> bước đầu nghiên cứu sử dụng vật liệu dạng<br /> <br /> có thể được chế tạo ở ngay nhiệt độ thường<br /> <br /> hybrid này như là vật liệu kết cấu và chống cháy<br /> <br /> hoặc được đẩy nhanh quá trình đông rắn trong<br /> <br /> trên tàu composit.<br /> <br /> o<br /> <br /> lò có nhiệt độ không quá 150oC chỉ trong vài giờ<br /> [2, 7].<br /> Tàu thủy được coi như một công trình kiến<br /> <br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> II.1. Nguyên liệu và hóa chất<br /> <br /> trúc phức tạp, có giá trị lớn và hoạt động độc<br /> <br /> - Nhựa UPR có nhãn hiệu P:9509 NW -<br /> <br /> lập trên đại dương mênh mông; nguy cơ tiềm<br /> <br /> B.TT 3224, xuất xứ từ Malaysia, chứa 30-35%<br /> <br /> ẩn về khả năng xẩy ra hỏa hoạn là rất cao, trong<br /> <br /> styrene monomer, 0,5 % Nathtalene Cobalt; sử<br /> <br /> khi đó không gian hoạt động của con người trên<br /> <br /> dụng chất xúc tác quá trình đông rắn là Methyl -<br /> <br /> tàu lại hết sức nhỏ hẹp. Vật liệu composit được<br /> <br /> Ethyl - Kextonpeoxide (MEKPO - 808) sản xuất<br /> <br /> sử dụng để chế tạo tàu thủy chủ yếu dựa trên<br /> <br /> từ Indonasia với hàm lượng khoảng 1% khối<br /> <br /> nền polyeste không no, khi vật liệu này tiếp xúc<br /> <br /> lượng.<br /> <br /> với nguồn nhiệt do bức xạ, lửa, hoặc sự đối lưu<br /> <br /> - Bột Silic đioxyt nhiệt (thermal silica), xuất<br /> <br /> nhiệt đến điểm phân hủy thì những khí dễ cháy<br /> <br /> xứ từ Cộng hòa Pháp, có kích thước hạt nhỏ<br /> <br /> được tạo thành như hydrocarbon, hydrogen,<br /> <br /> hơn 3 mm.<br /> <br /> carbon monoxide và quá trình cháy xảy ra. Như<br /> vậy, sử dụng vật liệu làm chậm quá trình cháy<br /> và chống cháy vật liệu là một đòi hỏi không thể<br /> thiếu của kết cấu tàu.<br /> Việc sử dụng kết hợp composit trên nền<br /> geopolyme ở đây được xem như một lớp bề<br /> <br /> - Bột caolin, xuất xứ Cộng hòa Séc, có kích<br /> thước hạt nhỏ hơn 5 mm.<br /> - Dung dịch kích hoạt KOH 50% khối<br /> lượng, được điều chế từ KOH phiến mỏng khô<br /> được sản xuất ở Trung Quốc, có thành phần<br /> bảng 1.<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 95<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> Bảng 1. Thành phần KOH dạng rắn<br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> KOH<br /> Cl<br /> SO4<br /> N<br /> PO4<br /> <br /> ≥ 82<br /> 0,01<br /> 0.005<br /> 0.001<br /> 0.005<br /> <br /> SiO3<br /> K2CO3<br /> Na<br /> Al<br /> <br /> 0.02<br /> 2.0<br /> 2.0<br /> 0.005<br /> <br /> Ca<br /> Fe<br /> Ni<br /> Pb<br /> <br /> 0.005<br /> 0.001<br /> 0.0005<br /> 0.002<br /> <br /> - Vải thủy tinh dạng mat 450g/m2 (mat 450) và<br /> vải dệt 850 g/m2 (vải 850) do Trung Quốc sản xuất.<br /> - Các vật liệu khác: wax chống dính, tấm nilon…<br /> II.2. Điều chế vật liệu nền geopolymer<br /> - Nhằm tạo ra mạch liên kết sialate mạng<br /> 2D (–Si–O–Al–) trong cấu trúc của vật liệu nền<br /> geopolyme bền vững ở nhiệt độ cao và dung dịch<br /> nền có thời gian sống ở nhiệt độ thường ít nhất là<br /> 6 giờ. Dung dịch KOH, bột silic đioxyt nhiệt và bột<br /> caolin được định lượng có tỷ lệ khối lượng tương<br /> ứng là 1:1,5:0,25 [5].<br /> <br /> Hình 1. Điều chế vật liệu nền geopolymer<br /> <br /> - Đổ dung dịch KOH vào cốc thủy tinh, làm lạnh môi trường điều chế bằng túi đá (Hình 1), cho<br /> bột silic đioxyt với tốc độ vừa phải và khuấy đều khoảng 30 phút để đạt được dung dịch đạt độ đồng<br /> nhất; sau đó tiếp tục đổ bột caolin vào với tốc độ vừa phải để tránh vón cục, khuấy đều trong khoảng<br /> thời gian 5 - 10 phút (tốc độ tối đa trên cánh khuấy không quá 30 m/phút); Tăng vận tốc cánh khuấy<br /> lên 100 m/phút trong khoảng 30 giây. Cuối cùng đổ hỗn hợp vào bình chứa và cất giữ vào tủ lạnh<br /> đông sâu để sử dụng lâu dài.<br /> II.4. Quá trình chế tạo vật liệu composit<br /> Vật liệu composit được gia công bằng tay, đông rắn ở điều kiện thường. Tỉ lệ khối lượng sợi<br /> khoảng 50%. Đắp liên tục từng lớp nhựa và sợi, sử dụng phương pháp lăn tay (dùng con lăn để<br /> loại bọt khí) (hình 2) hoặc kỹ thuật chân không để đưa bọt khí và vật liệu nền thừa ra ngoài (hình 3).<br /> <br /> Hình 2. Kỹ thuật lăn tay chế tạo vật liệu hybrid<br /> <br /> 96 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 3. Kỹ thuật hút chân không chế tạo vật liệu<br /> hybrid<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> - 01 chủng loại mẫu để kiểm nghiệm tính<br /> chất nhiệt của composit trên nền geopolyme: 03<br /> lớp mat 450 và 02 lớp vải 850 + geopolymer (05<br /> lớp được lăn liên tục)<br /> - 06 chủng loại mẫu được chế tạo để kiểm<br /> nghiệm cơ tính như sau:<br /> Số 1: 03 lớp mat 450 + UPR (ngày thứ nhất)<br /> và 02 lớp mat 450 + geopolymer (ngày thứ hai)<br /> Số 2: 03 lớp mat 450 + UPR (ngày thứ nhất)<br /> và 02 lớp vải 850 + geopolymer (ngày thứ hai)<br /> Số 3: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + geopolymer (cả 05 lớp được đánh liên<br /> tục).<br /> Số 4: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp mat<br /> 450 + geopolymer (cả 05 lớp được lăn liên tục<br /> và sử dụng kỹ thuật hút chân không).<br /> Số 5: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + geopolymer (cả 05 lớp được lăn liên tục<br /> và sử dụng kỹ thuật hút chân không).<br /> Số 6: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + UPE. Loạt mẫu này được sử dụng như<br /> vật liệu đối chứng có cùng vật liệu ban đầu và<br /> phương pháp chế tạo.<br /> II.4. Thử nghiệm tính chất vật liệu<br /> - Thử nghiệm về tính chất nhiệt: độ dẫn<br /> nhiệt và cách nhiệt của composit được xác định<br /> trên máy đo Sweating Guarded Hotplate, model<br /> SGHP-8.2 (Hình 4), dựa theo bộ tiêu chuẩn ISO<br /> 11092. Nhiệt dung riêng của vật liệu này được<br /> <br /> Hình 5. Máy Kéo nén vạn năng (H50-K-S)<br /> <br /> xác đinh trên máy do IKA Calorimeter, model C<br /> 400, theo tiêu chuẩn của Đức DIN 51 900.<br /> - Thử nghiệm về cơ tính vật liệu: Độ bền<br /> kéo và uốn được xác định trên máy Kéo nén vạn<br /> năng (H50-K-S) của Anh với phạm vi đo 0-50kN<br /> (Hình 5). Sử dụng bộ tiêu chuẩn chuẩn hóa Anh<br /> - Châu Âu BS EN ISO 527-4:1997 BS 2782 Phương pháp 326F:1997 cho mẫu kéo và bộ<br /> tiêu chuẩn chuẩn hóa Anh - Châu Âu BS EN ISO<br /> 14125:1998 cho mẫu uốn để chọn thông số chế<br /> tạo mẫu và tính toán các thông số về cơ tính<br /> III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Chuỗi 5 mẫu được kiểm nghiệm đối với mỗi<br /> chủng loại vật liệu và kết quả giá trị trung bình<br /> được đưa ra ở bảng 2, bảng 3 và bảng 4.<br /> So sánh với một số vật liệu truyền thống<br /> thì vật liệu geopolyme composit gia cường sợi<br /> thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn của đồng<br /> (380 W/mK) là 12025 lần, của thép (54 W/mK) là<br /> 1708 lần, của vật liệu ceramic alumin (2 W/mK)<br /> là 64 lần, polyme Bakelit (0,23 W/mK) là 7 lần và<br /> so với gỗ nói chung (0,14 W/mK) là 5 lần. Trong<br /> công nghiệp bakelit được coi là vật liệu có độ<br /> dẫn nhiệt kém và thường được sử dụng như là<br /> một vật liệu cách nhiệt [9]. Thêm vào đó, chúng<br /> ta có thể so sánh nhiệt dung riêng của vật liệu<br /> geopolyme composit với nhiệt dung riêng của<br /> một số vật liệu thông dụng để có cái nhìn tổng<br /> thể như sau: so với đồng (390 J/kgK) lớn gấp<br /> <br /> Hình 4. Sweating Guarded Hotplate<br /> (model SGHP-8.2)<br /> <br /> 3,5 lần, so với gạch nung (1000 J/kgK) lớn gấp<br /> 1,4 lần và xấp xỉ với nhiệt dung riêng của vật liệu<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 97<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> bakelite trộn sợi amiăng (1380 J/kgK).<br /> Bảng 2. Tính chất nhiệt của composit trên nền geopolyme<br /> Vật liệu<br /> <br /> Hệ số dẫn nhiệt l (W/<br /> mK)<br /> <br /> Hệ số cách nhiệt R<br /> (m2K/W)<br /> <br /> Nhiệt dung riêng<br /> c (J/kgK)<br /> <br /> Geopolyme composit<br /> <br /> 0,0316<br /> <br /> 0,0696<br /> <br /> 1362<br /> <br /> Đối với các mẫu vật liệu kết hợp, nếu quá trình chế tạo composit được chia thành hai giai đoạn<br /> (loạt mẫu số 1 và số 2), tức là để cho các lớp vật liệu trên nền polyeste không no xẩy ra quá trình<br /> đông rắn hoàn toàn (ngày thứ nhất) và tiếp tục đắp lên các lớp vật liệu trên nền geopolyme (ngày<br /> thứ hai). Khi thử nghiệm uốn, dạng phá hủy của vật liệu xẩy ra quá trình tách lớp ngay trên bề mặt<br /> liên kết giữa hai vật liệu có nền khác nhau (Hình 5). Ngược lại, khi cả hai composit được thực hiện<br /> một cách liên tục (số 3, số 4 và số 5), kiểu phá hủy của mẫu khi khảo nghiệm có dạng xé rách và<br /> không xẩy ra hiện tượng tách lớp (Hình 6) và đây cũng là điều được kỳ vọng trong chế tạo vật liệu<br /> kết hợp nhiều lớp.<br /> Bảng 3. Độ bền kéo của composit kết hợp nền UPE and geopolymer dựa trên silic đioxyt<br /> Vật liệu kết hợp<br /> <br /> Độ dãn dài (%)<br /> <br /> Ứng suất kéo (MPa)<br /> <br /> Modun đàn hồi<br /> (GPa)<br /> <br /> No.1<br /> <br /> 3.46<br /> <br /> 53.39<br /> <br /> 3.86<br /> <br /> No.2<br /> <br /> 3.93<br /> <br /> 47.12<br /> <br /> 3.39<br /> <br /> No.3<br /> <br /> 4.59<br /> <br /> 91.87<br /> <br /> 5.76<br /> <br /> No.4<br /> <br /> 8.36<br /> <br /> 119.31<br /> <br /> 3.67<br /> <br /> No.5<br /> <br /> 4.09<br /> <br /> 93.79<br /> <br /> 5.55<br /> <br /> No.6<br /> <br /> 5.20<br /> <br /> 93.60<br /> <br /> 3.54<br /> <br /> Bảng 4. Độ bền uốn của composit kết hợp nền UPE and geopolymer dựa trên silic đioxyt<br /> Vật liệu kết hợp<br /> <br /> Ứng suất uốn phá<br /> hủy (MPa)<br /> <br /> Độ biến dạng tỷ đối<br /> (%)<br /> <br /> Modun đàn hồi (GPa)<br /> <br /> No.1<br /> <br /> 134.96<br /> <br /> 2.25<br /> <br /> 21.16<br /> <br /> No.2<br /> <br /> 144.03<br /> <br /> 2.39<br /> <br /> 11.67<br /> <br /> No.3<br /> <br /> 99.75<br /> <br /> 2.83<br /> <br /> 8.73<br /> <br /> No.4<br /> <br /> 159.40<br /> <br /> 2.32<br /> <br /> 9.23<br /> <br /> No.5<br /> <br /> 183.55<br /> <br /> 1.50<br /> <br /> 20.03<br /> <br /> No.6<br /> <br /> 213.46<br /> <br /> 4.61<br /> <br /> 9.84<br /> <br /> 98 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2