Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu nâng cao tính chất nhựa epoxy dian GELR 128 bằng sản phẩm epoxy hóa dầu thực vật và phụ gia ống nano cacbon

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu nâng cao tính chất nhựa epoxy dian GELR 128 bằng sản phẩm epoxy hóa dầu thực vật và phụ gia ống nano cacbon" là nâng cao độ bền cơ học và độ bền dai của nhựa epoxy dian GELR 128 bằng dầu thực vật epoxy hóa và ống nano cacbon.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu nâng cao tính chất nhựa epoxy dian GELR 128 bằng sản phẩm epoxy hóa dầu thực vật và phụ gia ống nano cacbon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ HỮU HƯNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT NHỰA EPOXY GELR 128 BẰNG SẢN PHẨM EPOXY HÓA DẦU THỰC VẬT VÀ PHỤ GIA ỐNG NANO CACBON Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Bạch Trọng Phúc Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhựa epoxy là một loại nhựa nhiệt rắn, có khả năng bám dính tốt với nhiều vật liệu. Sau khi đóng rắn nhựa epoxy có thể chuyển sang trạng thái không gian 3 chiều nên có tính năng cơ, lý, hóa nổi trội so với các loại nhựa nhiệt rắn khác như độ bền cơ học tốt, bền thời tiết, chịu hóa chất và cách nhiệt, cách điện. Tuy nhiên, nhược điểm của nhựa epoxy là giòn, ở dạng màng mỏng dễ bị nứt, độ dẻo hóa thấp không đáp ứng được một số yêu cầu trong quá trình sử dụng lâu dài. Vì vậy, để khắc phục nhược điểm này một số công trình nghiên cứu đã biến tính nhựa epoxy hướng tới những sản phẩm được dẻo hóa như epoxy – phenol formandehyt, epoxy biến tính dầu thực vật, kế cả đóng rắn nhựa epoxy bằng polyamin. Tuy nhiên, khi độ dẻo hóa tăng thì độ bền cơ có xu hướng giảm. Do đó đề tài đã lựa chọn kết hợp cả hai phương pháp là sử dụng phụ gia ống nano cacbon đa tường và sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa để nâng cao cả độ bền cơ và độ bền dai của nhựa epoxy dian. Phương pháp thứ nhất sử dụng sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa để tăng độ dai hóa của nhựa, khắc phục đặc tính giòn. Dầu thực vật sử dụng là dầu hướng dương, dầu thầu dầu dầu và dầu hạt cải. Vì trong cấu tạo hóa học của các loại dầu này có chứa nhiều axit béo không no, có thể thực hiện được quá trình epoxy hóa để đưa nhóm epoxy vào trong dầu, có bản chất giống nhựa nền. Phương pháp thứ 2 là kết hợp nhựa nền epoxy GERL128 với phụ gia ống nano cacbon. Đây là chất phụ gia có kích thước rất nhỏ, có khả năng phân tán tốt trong nhựa nền và chịu ứng suất, nâng cao được độ bền cơ học cho nhựa nền. Cả hai phương pháp lựa chọn đều đang được các nhà khoa học quan tâm. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu nâng cao tính chất nhựa epoxy GELR128 bằng sản phẩm epoxy hóa dầu thực vật và phụ gia ống nano cacbon” là một hướng nghiên cứu mới, có giá trị khoa học cả về lý thuyết và thực tiễn. 3
2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là nâng cao độ bền cơ học và độ bền dai của nhựa epoxy dian GELR 128 bằng dầu thực vật epoxy hóa và ống nano cacbon. Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã tiến hành nghiên cứu các nội dung chủ yếu sau:  Nghiên cứu quá trình epoxy hóa dầu thực vật (dầu hướng dương, dầu hạt cải, dầu thầu dầu)  Nghiên cứu chế tạo blend giữa nhựa epoxy dian GELR 128 và sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa.  Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon  Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 blend dầu thực vật epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon 3. .Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Chế tạo được vật liệu epoxy compozit mới có các tính năng cao hơn vật liệu epoxy nguyên bản, đặc biệt cải thiện được tính giòn của nhựa epoxy. Đồng thời góp phần trong việc tạo ra vật liệu có tính chất thân thiện môi trường, thúc đẩy việc sử dụng nguyên liệu có tính chất tái tạo. 4. Điểm mới của luận án  Tổng hợp 3 sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa mới là: dầu hướng dương, dầu hạt cải và dầu thầu dầu.  Khắc phục độ giòn, cải thiện đáng kể độ dẻo hóa của nhựa nền epoxy GELR 128 bằng sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa khi chế tạo vật liệu blend.  Nâng cao cả độ bền cơ và độ bền dai của nhựa nền epoxy dian GELR 128 khi kết hợp đồng thời ống nano cacbon đa tường và dầu thực vật epoxy hóa trong chế tạo vật liệu epoxy nanocompozit. 4
5. Cấu trúc của luận án Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 105 trang, trong đó có 24 bảng biểu, 49 hình và đồ thị, 92 tài liệu tham khảo. Luận án gồm phần Mở đầu (3 trang), phần Tổng quan (30 trang), phần Thực nghiệm (10 trang), phần Kết quả nghiên cứu và bàn luận (61 trang), phần Kết luận (1 trang). Phần lớn kết quả của luận án đã được công bố trong 1 bài báo đăng trên Tạp chí Hóa học và 3 bài báo đăng trên Tạp chí Quốc tế. NỘI DUNG LUẬN ÁN Phần 1: TỔNG QUAN Trình bày tổng quan về những vấn đề sau: 1. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit, nhựa nền epoxy dian, chất độn và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. 2. Dầu thực vật epoxy hóa: thành phần hóa học và tính chất của dầu hướng dương, dầu thầu dầu và dầu hạt cải. Phản ứng tổng hợp dầu thực vật epoxy hóa, các phương pháp đánh giá hiệu quả của quá trình. 3. Cấu trúc, phân loại và ứng dụng của ống nano cacbon trong vật liệu nanocompozit. 4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp nâng cao độ bền dai và độ bền cơ học của nhựa nền epoxy bằng sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa và ống nano cacbon. Phương pháp biến tính nhựa epoxy và cải thiện độ bền dai của nhựa epoxy bằng dầu thực vật epoxy hóa đã được một số nhà khoa học nghiên cứu và cho hiệu quả với dầu đậu nành và dầu lanh. Nghiên cứu sử dụng phụ gia ống nano cacbon gia cường cho nhựa epoxy cũng đã được thực hiện và cho kết quả khả thi khi nâng cao được độ bền cơ học của nhựa nền. Tuy nhiên, mỗi phương pháp tập trung vào nâng cao một tính chất của nhựa nền mà chưa có nghiên cứu kết hợp đồng thời 2 phương pháp để nâng cao 5
được cả độ bền dai và độ bền cơ của nhựa. Đặc biệt đối với 3 loại dầu thực vật: hướng dương, thầu dầu và hạt cải. Vì vậy, đề tài tập trung đi vào nghiên cứu các điều kiện chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sửa nhựa nền epoxy dian GERL128 blend dầu thực vật epoxy hóa có gia cường phụ gia ống nano cacbon. Phần 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất  Dầu hướng dương Simply – Việt Nam, chỉ số Iot: 118  141  Dầu hạt cải Simply – Việt Nam, chỉ số Iot: 105  120  Dầu thầu dầu - Ấn Độ, chỉ số Iot: 82  88  Nhựa epoxy dian GELR 128 xuất xứ Trung Quốc.  Ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) của hãng Showa Denko (Nhật Bản)  Chất đóng rắn amin biến tính Kingcure K–11 của công ty SANHO Chemical.  Chất đóng rắn amin thơm 4,4’- diaminodiphenyl- methane (DDM) của hãng Aladdin Industrial Corporation Shanghai – Trung Quốc.  Chất đóng rắn amin thẳng Diethylenetriamine (C4H13N3) DETA của hãng Dow Chemical (USA).  Các hóa chất khác: Axit bromic 33% của hãng Sigma Aldrich, benzene xuất xứ Trung Quốc. Axit axetic 99,5% của hãng Sigma Aldrich. Hydro peroxit 30% của Merck (Đức). Xúc tác K2640 của hãng Lanxess Energizing Chemistry. Xúc tác IR 120 của hãng Hãng Sigma-Aldrich. Thuốc thử tinh thể tím của Merck (Đức). 2.2. Các phương pháp thực nghiệm 2.2.1. Phương pháp xác định đặc tính ban đầu của nguyên vật liệu (xác định chỉ số axit, chỉ số Iot, tỷ trọng, độ 6
nhớt và thành phần hóa học ban đầu của 3 loại dầu: hướng dương, hạt cải, thầu dầu) 2.2.2. Phương pháp epoxy hóa dầu thực vật Cho 200 g dầu thực vật, 50,4 gam axit axetic, 50ml toluene vào bình cầu 3 cổ khuấy trộn ở 50oC trong 25 phút. Sau đó cho từ từ H2O2 (nồng độ 30%) vào hỗn hợp, duy trì nhiệt độ 50, 55 và 60oC trong 6h, 7h, 8h và 9h. Sản phẩm sau đó được rửa 2 lần bằng dung dịch Na2CO3 (5% khối lượng) và rửa lại bằng nước cất. Làm khô bằng Na2SO4. Tách toluene bằng cách sấy dầu thực vật epoxy hóa dưới nhiệt độ 70oC thời gian 8h trong môi trường chân không. Sản phẩm thu được sau quá trình tổng hợp được kiểm tra đánh giá hàm lượng nhóm epoxy và độ chuyển hóa nối đôi. 43N.(V1-V2) HLE = 10.m Trong đó: + HLE: hàm lượng nhóm epoxy + N: Nồng độ HBr trong axit axetic, N + V1: Thể tích dung dịch HBr chuẩn mẫu thực, ml + V2: Thể tích dung dịch HBr chuẩn mẫu trống, ml + m: khối lượng mẫu, g Độ chuyển hóa nối đôi của dầu thực vật: CIDTV - CIDTVE DCH = .100% , (%) CIDTV Trong đó: + DCH: Độ chuyển hóa nối đôi + CIDTV: chỉ số Iot của dầu thực vật + CI DTVE: chỉ số Iot của dầu thực vật epoxy hóa 2.2.3. Phương pháp chế tạo vật liệu blend epoxy dian/dầu thực vật epoxy hóa Vật liệu blend giữa epoxy dian và dầu thực vật epoxy hóa được trộn hợp theo hai phương pháp: phương pháp 1 giai đoạn và phương pháp 2 giai đoạn. 7
 Phương pháp 1 giai đoạn: Trộn đều hỗn hợp gồm nhựa epoxy dian GELR 128 + dầu thực vật epoxy hóa + chất đóng rắn bằng máy khuấy cơ học, Hỗn hợp được đổ vào khuôn định hình theo tiêu chuẩn xác định độ bền cơ học.  Phương pháp 2 giai đoạn: Đầu tiên trộn đều dầu thực vật epoxy hóa và chất đóng rắn trước bằng máy khuấy từ trong một khoảng thời gian để dầu thực vật epoxy hóa đóng rắn một phần. Sau đó mới bổ sung nhựa epoxy dian GELR 128 vào hỗn hợp trên, tiếp tục khuấy đều bằng đũa thủy tinh. Sau khi khử bọt khí, hỗn hợp được đổ vào khuôn định hình theo tiêu chuẩn. 2.2.4. Phương pháp chế tạo vật liệu polyme- nanocompozit  Chế tạo mẫu trống + Dùng máy khuấy tốc độ cao, khuấy đều hỗn hợp gồm nhựa epoxy GELR 128 và ống nano cacbon trong 9h, gia nhiệt ở nhiệt độ 50oC ÷ 80oC. Sau khi khử bọt khí, cho chất đóng rắn vào hỗn hợp trên và được khuấy đều bằng đũa thủy tinh. Hỗn hợp (nano, nhựa, chất đóng rắn) được đổ vào các khuôn định hình theo tiêu chuẩn. Sau 24h, cho mẫu vào sấy 2h ở nhiệt độ 80oC và tháo mẫu, để mẫu ổn định 7 ngày sau đó đem đi xác định độ bền cơ học.  Chế tạo vật liệu nanocompozit có bổ sung dầu thực vật epoxy hóa + Dùng máy khuấy từ khuấy đều dầu thực vật epoxy hóa với chất đóng rắn trong vòng 24h ổn nhiệt 40oC (1). + Dùng máy khuấy tốc độ cao, khuấy hỗn hợp gồm nhựa epoxy dian GELR 128 và ống nano cacbon trong vòng 9h, được gia nhiệt ở nhiệt độ 80oC, sau đó được hút chân không để khử bọt khí (2) + Trộn hỗn hợp (1) và hỗn hợp (2) khuấy đều bằng đũa thủy tinh. Hỗn hợp trên được đổ vào các khuôn định hình. Sau 8
24h, cho mẫu vào sấy 2h ở nhiệt độ 80oC và tháo mẫu, để mẫu ổn định 7 ngày sau đó đem đi xác định độ bền cơ học. 2.2.5. Các phương pháp xác định độ bền cơ học của vật liệu polyme compozit Độ bền cơ học của vật liệu như độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập, độ bền dai phá hủy lần lượt đươc xác định theo các tiêu chuẩn trên thiết bị Instron-5582 KN (Hoa Kỳ) của TTNCVL Polyme- Trường ĐHBKHN. 2.2.6. Phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu Hình thái cấu trúc, độ bền nhiệt và phổ hồng ngoại của các mẫu được xác định trên các thiết bị kính hiển vi điện tử quét FESEM, thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và phổ hồng ngoại FTIR. Phần 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu quá trình epoxy hóa dầu thực vật 3.1.1. Nghiên cứu các đặc tính của dầu thực vật Cả ba loại dầu thực vật (dầu hướng dương, hạt cải - Việt Nam, thầu dầu- Ấn Độ) trước khi thực hiện quá trình epoxy hóa được tiến hành phân tích các đặc tính ban đầu của chúng như tỷ trọng, độ nhớt, thành phần hóa học, chỉ số Iot và chỉ số axit. Các đặc tính này được sử dụng làm cơ sở để đánh giá chất lượng của các loại dầu và hiệu suất của quá trình thực hiện epoxy hóa chúng. Kết quả cho thấy, thành phần chính trong dầu thầu dầu là axit rixinoleic. Đây là một axit béo có chứa liên kết đôi, hàm lượng chiếm 88,21% trên tổng số các axit có trong dầu thầu dầu. Các axit no và không no khác chiếm tỷ lệ rất nhỏ. Trong dầu hạt cải thành phần chủ yếu là axit oleic và axit linoleic, cả 2 axit này có tổng chiếm hơn 70% tổng hàm lượng các axit có trong dầu hạt cải, còn lại là các axit no khác như axit stearic axit, axit panmitic. Đặc biệt, trong dầu hạt cải không chứa axit rixinoleic như trong dầu thầu dầu, thành phần và tỷ lệ các axit béo không no thấp hơn so với dầu thầu dầu, 9
thành phần các axit béo no nhiều hơn. Với dầu hướng dương, axit linoleic (có 2 liên kết đôi) và axit oleic (trong công thức có chứa 1 liên kết đôi) là thành phần chủ yếu. Các axit béo khác chỉ chiếm phần thứ yếu (
Hình 3.8. Cấu trúc của dầu hướng dương trước và sau khi thực hiện quá trình epoxy hóa Kết quả quá trình dầu thực vật epoxy hóa thu được cho thấy:  Quá trình epoxy hóa dầu thực vật bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiệt độ, tỷ lệ nguyên liệu đầu vào (tỷ lệ dầu thực vật/axit axetic/H2O2), tốc độ khuấy và xúc tác.  Độ chuyển hóa nối đôi của các loại dầu sau 10h thực hiện phản ứng ở các điều kiện ảnh hưởng đều đạt ~99%.  Hàm lượng axit béo không no trong các loại dầu thực vật là khác nhau. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng epoxy hóa. Ở điều kiện phản ứng 70oC, tốc độ khuấy2000 vòng/phút, sau 6h thực hiện phản ứng, hàm lượng nhóm epoxy (HLE) thu được của 3 loại dầu thực vật nghiên cứu nằm trong khoảng 917 %.  Do cấu trúc hóa học và tính chất vật lý ưu việt của K2620 phù hợp cho phản ứng dị thể epoxy hóa nên xúc tác K2620 cho độ chuyển hóa nối đôi và hàm lượng nhóm epoxy cao hơn xúc tác IR 128. 11
Từ các kết quả thu được ở trên tìm được điều kiện tối ưu để tiến hành thực hiện quá trình epoxy hóa dầu thực vật như sau: tỷ lệ dầu thực vật: CH3COOH: H2O2 là 1:1:2,5, xúc tác K2620 hàm lượng 10%, nhiệt độ thực hiện phản ứng 70oC, trong 6 giờ với tốc độ khuấy 2000 vòng/phút. 3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu blend epoxy dian GELR 128/dầu thực vật epoxy hóa 3.2.1. Nghiên cứu mức độ đóng rắn của nhựa epoxy dian GELR 128 và mức độ đóng rắn của dầu thực vật epoxy hóa Trước khi chế tạo vật liệu blend giữa nhựa nền epoxy dian GELR 128 và dầu thực vật epoxy hóa, đề tài đã tiến hành khảo sát lần lượt mức độ đóng rắn của nhựa epoxy và mức độ đóng rắn của dầu thực vật epoxy hóa, vì cả hai có hàm lượng nhóm epoxy trong phân tử là khác nhau. Đối với nhựa nền hàm lượng nhóm epoxy lớn, trong khi dầu thực vật epoxy hóa có hàm lượng nhóm epoxy tạo thành nhỏ hơn nhiều. Chính vì vậy tốc độ đóng rắn cho từng vật liệu trong blend có thể khác nhau và có thể xảy ra sự ưu tiên, chiếm vị thế hơn của một chất nào đó. Dầu thực vật epoxy hóa được lựa chọn để nghiên cứu mức độ đóng rắn là dầu hướng dương epoxy hóa vì dầu hướng dương có hàm lượng nhóm epoxy hóa lớn nhất (HLE đạt 17 %). Chất đóng rắn để khảo sát là 3 loại amin khác nhau gồm: amin thẳng DETA, amin thơm DDM và amin biến tính Kingcure – K11. Cơ chế đóng rắn của cả 3 amin: Kingcure K11; DDM và DETA với nhóm epoxy của nhựa nền hay nhóm epoxy có trong dầu thực vật epoxy hóa đều do các H hoạt động có trong nhóm chức amin. Mức độ đóng rắn của DHDE được xác định số mol epoxy còn lại có trong DHDE sau khi đóng rắn bằng phương pháp chuẩn độ NaOH/metanol. Kết quả cho thấy Nhựa nền epoxy đóng rắn nhanh hơn rất nhiều so với dầu hướng dương epoxy hóa, thời gian đóng rắn của nhựa gần như hoàn toàn chỉ mất 3 giờ, trong khi đó dầu hướng dương epoxy hóa cần 16 giờ để đóng rắn hết. Chất đóng rắn Kingcure-K11 có tốc độ đóng rắn nhanh và hiệu quả hơn so với DDM và DETA khi đóng rắn 12
cả nhựa nền epoxy và đóng rắn DHDE. 3.2.2. Nghiên cứu chế độ trộn hợp blend giữa nhựa nền epoxy dian GELR 128 và dầu thực vật epoxy hóa Để xác định tìm ra chế độ trộn hợp tốt nhất cho vật liệu blend epoxy dian GELR 128/dầu thực vật epoxy hóa, đề tài lựa chọn hệ vật liệu ban đầu gồm dầu hướng dương epoxy hóa (DHDE) với 5 phần khối lượng (PKL), đóng rắn bằng amin Kingcure-K11 để nghiên cứu. Sản phẩm blend sau khi tạo thành được kiểm tra, xác định độ bền cơ học theo tiêu chuẩn. Kết quả thu được đối với cả 2 mẫu đo theo hai phương pháp được thể hiện ở bảng 3.10. Bảng 3.10. Độ bền cơ học của vật liệu blend giữa nhựa nền epoxy dian GELR 128/ DHDE 5PKL đóng rắn bằng Kingcure–K11 Độ bền dai Độ bền Độ bền Độ bền phá hủy Phương pháp uốn, va đập, kéo, MPa KIC, tạo blend MPa 2 kJ/m 1/2 MPa.m Mẫu nhựa epoxy 63,08 103,4 21,74 1,46 dian GELR 128 1 giai 53,48 94,5 25,68 2,02 Nhựa đoạn epoxy/ 2 DHDE giai 52,17 71,9 35,01 2,58 đoạn Từ bảng kết quả 3.10 cho thấy khi có mặt dầu hướng dương epoxy hóa, độ bền va đập và độ bền dai đều gia tăng ở cả hai phương pháp 1 giai đoạn và 2 giai đoạn. Điều này cho thấy dầu hướng dương epoxy hóa đã gia cường, làm tăng độ dẻo và độ dai hóa của nhựa epoxy ban đầu. Đặc biệt, mẫu blend được trộn hợp theo phương pháp 2 giai đoạn cho kết quả đạt được là tốt nhất. Điều này có thể giải thích dựa vào mức độ đóng rắn khác nhau của nhựa nền và dầu hướng dương epoxy hóa đã được khảo sát ở phần 3.2.1. Ở phương pháp một giai đoạn, cả 13
hai vật liệu được trộn hợp đồng thời với chất đóng rắn, nhưng tốc độ đóng rắn của nhựa nền nhanh hơn so với dầu hướng dương epoxy hóa nên chất đóng rắn sẽ ưu tiên phản ứng với nhóm epoxy của nhựa nền, sau đó mới đến nhóm epoxy của dầu hướng dương epoxy hóa. Như vậy về mặt lý thuyết, khi 2 polyme trộn hợp với nhau, polyme thứ nhất đã đóng rắn thì polyme thứ hai sẽ bị đẩy ra, khi đó độ tương hợp giữa 2 vật liệu này sẽ kém hoặc có thể xảy ra sự tách pha (hai hệ riêng rẽ). Chính vì vậy, độ bền va đập và độ bền dai phá hủy của mẫu đạt được kém hơn. Do đó, phương pháp phù hợp nhất là cho 2 polyme cùng đóng rắn thì độ tương hợp sẽ tốt hơn hẳn. 3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của DHDE đến tính chất của vật liệu blend Để xác định loại dầu thực vật epoxy hóa nào cải thiện được nhiều tính chất cho epoxy dian GELR 128, đề tài tiến hành chế tạo vật liệu blend giữa nhựa nền epoxy với lần lượt 3 loại dầu epoxy hóa DHDE, DHCE và DTDE với cùng hàm lượng 5PKL. Phương pháp lựa chọn tạo vật liệu blend là phương pháp 2 giai đoạn (đã được khảo sát ở mục 3.2.2) và chất đóng rắn là amin Kingcure -K11. Kết quả đo độ bền cơ học cho thấy DHDE cho độ bền cơ học của vật liệu blend lớn nhất với cả 4 giá trị độ bền va đập, độ bền dai phá hủy, độ bền kéo và uốn đều lớn hơn so với các vật liệu blend khác. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả đánh giá ở phần 3.1 khi dầu hướng dương epoxy hóa có độ chuyển hóa tốt nhất và hàm lượng nhóm epoxy đạt được là cao nhất. Hàm lượng nhóm epoxy của DHDE là 17, trong khi đó hàm lượng nhóm epoxy của DTDE và DHCE chỉ đạt được HLE là 9 và 13. 3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng DHDE và loại chất đóng rắn đến tính chất của vật liệu blend Đế lựa chọn được hàm lượng DHDE và loại chất đóng rắn phù hợp cho epoxy dian GELR 128, đề tài đã nghiên cứu các hàm lượng DHDE từ 0 đến 30 PKL với 3 loại chất đóng rắn 14
khác nhau là DETA (amin thẳng), DDM (amin thơm) và Kingcure K11 (amin biến tính) ở cùng điều kiện trộn hợp. Hiệu quả của quá trình được đánh giá thông qua độ bền cơ học của vật liệu blend đạt được. Hình 3.16. Ảnh hưởng của hàm lượng DHDE và chất đóng rắn đến độ bền dai phá hủy của vật liệu blend nhựa epoxy dian GELR 128 Kết quả cho thấy mẫu đóng rắn Kingcure ở hàm lượng DHDE 5PKL có độ bền dai lớn nhất, vượt trội hơn tất cả các mẫu khác. Tại đây, Kic đạt được là 2,58 MPa.m1/2, tăng 77% so với mẫu trống (không có DHDE). Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng DHDE vào thì Kic lại có chiều hướng suy giảm dần. Điều này có thể do Kingcure đóng rắn nhanh nên khi đưa nhiều DHDE vào GELR 128, chúng cũng bị khâu mạch nhiều, dẫn đến sự tương hợp giữa nhựa nền epoxy với DHDE bị cản trở. Trong khi đó, đối với mẫu đóng rắn bằng DDM và DETA, độ bền dai phá hủy tăng khi tăng hàm lượng DHDE và đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng DHDE là 15PKL. Khi quá 15PKL DHDE, giá trị độ bền dai phá hủy của các vật liệu này giảm dần. Như vậy, có thể thấy với chất đóng rắn Kingcure, hàm lượng DHDE 5PKL là tốt ưu để tạo vật liệu blend. 15
3.2.5. Một số dặc trưng về cấu trúc và tính chất của blend nhựa epoxy dian GELR 128 và dầu thực vật epoxy hóa. a) Hình thái cấu trúc của vật liệu blend Hình 3.19: Ảnh SEM bề mặt gẫy của mẫu blend đóng rắn bằng Kingcure–K11 mức phóng đại 1000 lần Quan sát ảnh bề mặt gãy của vật liệu ở các độ phóng đại khác nhau cho thấy hỗn hợp GELR 128 và DHDE 5 PKL phân bố đồng đều vào nhau, vật liệu thu được khá đồng nhất và không thấy có sự pha, khác hẳn với bề mặt gẫy của các mẫu có DHDE còn lại. Điều đó chứng tỏ DHDE ở hàm lượng 5PKL đã tương hợp khá tốt với nhựa epoxy dian GELR 128. b) Tính chất nhiệt của vật liệu blend Độ bền nhiệt của nhựa epoxy và blend của nó với dầu hướng dương được epoxy hóa có thể được đánh giá bằng sử dụng phương pháp phân tích nhiệt – khối lượng (TGA). Hình 3.20 biểu diễn các đồ thị TG và DTG của nhựa epoxy GELR 128 (Epoxy) và vật liệu blend nhựa epoxy GELR 128/DHDE 5PKL (B-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure K11. Quan 16
sát giản đồ cho thấy, mẫu trống epoxy dian GELR 128 đóng rắn bằng Kingcure K11 trải qua quá trình phân hủy nhiệt 3 giai đoạn. Giai đoạn đầu, từ nhiệt độ phòng đến 280oC ứng với mất khối lượng do quá trình bay hơi của hơi ẩm và các chất dễ bay hơi có trong mẫu với nhiệt độ xảy ra bắt đầu ở khoảng 90oC. Giai đoạn này, lượng mẫu mất khá ít, khoảng 7,2% (bảng 3.13). Giai đoạn 2 và giai đoạn 3 là giai đoạn phân hủy chủ yếu của vật liệu với khối lượng mẫu bị mất đến hơn 90%. Trong đó, giai đoạn 2 trong khoảng từ 280 đến 560 oC có liên quan đến sự phân hủy của các phần nhánh không chứa vòng thơm, còn giai đoạn 3 (trên 560oC) là sự phân hủy của các phần chứa vòng thơm còn lại. DTG, %khối lượng/phút TG, %khối lượng Nhiệt độ, oC Hình 3.20. Giản đồ TG và DTG của nhựa epoxy GELR 128 (Epoxy) và vật liệu blend nhựa epoxy GELR 128/DHDE 5PKL (B-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure K11 Khi đưa thêm 5PKL DHDE, đường TG của vật liệu blend thu được được nằm ở trên trong giai đoạn đầu và nửa đầu giai đoạn 2 nhưng sau đó nằm bên dưới so với đường TG của nhựa epoxy ban đầu. Nghĩa là ở giai đoạn đầu và nửa đầu giai đoạn 2, vật liệu blend bị mất khối lượng ít hơn, cho thấy sự phân hủy nhiệt của vật liệu này xảy ra chậm hơn. Để đánh giá mức độ tương thích, tương hợp giữa nhựa epoxy GELR 128 và dầu hướng dương được epoxy hóa, luận án sử dụng phương pháp 17
phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) để xác định nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) của nhựa epoxy và vật liệu blend epoxy/DHDE. Nhiệt lượng, mW 65.44 59.98 Nhiệt độ, oC Hình 3.21. Giản đồ DSC của nhựa epoxy GELR 128 (Epoxy) và vật liệu blend nhựa epoxy GELR 128/DHDE 5PKL (B-DHDE5) được đóng rắn bằng Kingcure -K11 Như vậy, dầu hướng dương epoxy hóa là phù hợp nhất trong 3 loại dầu đã được epoxy hóa để cải thiện tính chất nhựa epoxy vì có hàm lượng epoxy lớn nhất. Trong 3 chất đóng rắn DETA, DDM và Kingcure, Kingcure -K11 được lựa chọn làm chất đóng rắn do dễ điều khiển phản ứng hơn và cho độ bền vật liệu ổn định. Trộn hợp blend theo phương pháp 2 giai đoạn tốt hơn phương pháp 1 giai đoạn. Hàm lượng dầu hướng dương epoxy hóa tốt ưu phụ thuộc vào chất đóng rắn sử dụng. Tương ứng với các chất đóng rắn Kingcure, DDM, DETA, hàm lượng DHDE phù hợp lần lượt là 5, 15 và 15 PKL. Dầu hướng dương epoxy hóa có sự tương hợp một phần với nhựa epoxy. 18
3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở nhựa nền epoxy dian GELR 128 có gia cường bằng ống nano cacbon 3.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu nano compozit epoxy dian GELR 128/ MWCNTs Các yếu tố nhiệt độ, thời gian và tốc độ khuấy đều ảnh hưởng đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit, trong đó tốc độ khuấy có ảnh hưởng mạnh nhất. Các kết quả thu được cho thấy điều kiện phù hợp để chế tạo vật liệu nanocompozit như sau: nhiệt độ khuấy 70 oC, tốc độ khuấy 14.000 vòng/phút và thời gian khuấy 6 giờ. Hình 3.24. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit đóng rắn bằng Kingcure–K11 a. Độ bền kéo b.Độ bền uốn c. Độ bền va đập d. Độ bền dai K IC 3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng ống nano cacbon đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 đóng rắn bằng Kingcure –K11 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs 19
đến độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit được thể hiện ở hình 3.26 cho thấy, độ bền cơ học của các nanocompozit khi có MWCNTs đều được cải thiện rõ rệt so với nhựa epoxy ban đầu. Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền dai phá hủy KIC đều tăng khi tăng hàm lượng MWCNTs. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng MWCNTs đến 0,03%, độ bền cơ học bắt đầu giảm nhẹ. Ở hàm lượng MWCNTs 0,02%, các giá trị độ bền cơ học đạt được lớn nhất, cụ thể độ bền kéo đạt 76,73 MPa (tăng 21,64 % so với mẫu trống), độ bền uốn 126,58 MPa (tăng 22,41%), độ bền va đập 35,95 KJ/m2 (tăng 64%), độ bền dai phá hủy 1,82 MPa.m1/2 (tăng 24,66%). Hình 3.26. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs đến độ bền cơ học của vật liệu nano compozit đóng rắn bằng Kingcure–K11 a. Độ bền kéo b.Độ bền uốn c. Độ bền va đập d. Độ bền KIC Để xác định công suất rung siêu âm nào thích hợp cho quá 20