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 />