Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng trong kỹ thuật điện

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

88
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa epoxy DER 331, từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong kỹ thuật điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng trong kỹ thuật điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ HƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TỪ NHỰA EPOXY DER 331 VÀ TRO BAY PHẾ THẢI ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hơp Mã số: 62440125 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2016
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bạch Trọng Phúc PGS.TS. Nguyễn Thanh Liêm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm 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 Tro bay được biết đến là sản phẩm phế thải từ các nhà máy nhiệt điện trong quá trình đốt than nhiên liệu. Nó tồn tại ở trạng thái rắn và có kích thước hạt rất nhỏ, vì thế nó có thể bay tự do trong không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và đời sống sinh hoạt của con người. Ngoài ra, tro bay còn gây thiệt hại kinh tế đáng kể khi phải sử dụng một diện tích khá lớn ao hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này. Do đó, việc đặt ra mục tiêu thu hồi và xử lý tro bay thế nào là một vấn đề cấp thiết. Hiện nay có một số nhà khoa học đã nghiên cứu về tro bay và phân tích thấy thành phần hóa học chính của nó gồm nhiều oxit kim loại bền có khả năng chịu nhiệt cao, trong khi hạt tro bay lại có trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ. Điều này rất phù hợp để lựa chọn tro bay làm phụ gia cho bê tông, xi măng phục vụ cho ngành xây dựng, cầu đường và làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme compozit. Các ứng dụng ban đầu đã giảm được giá thành sản phẩm, nâng cao một số đặc tính kỹ thuật, từ đó đem lại những lợi ích kinh tế đáng kể. Tuy nhiên, hiện tại ở nước ta, phần lớn tro bay được sử dụng trong xây dựng, những ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực vật liệu compozit còn hạn chế, chủ yếu là làm chất độn cho nhựa nhiệt dẻo PE, PP, EVA và cao su. Để phát triển và mở rộng tính ứng dụng của các hạt này, tác giả tập trung vào nghiên cứu tro bay ứng dụng trong công nghệ cao, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điện bởi vật liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn epoxy có tính cách điện tốt. Vì thế đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay ứng dụng trong kỹ thuật điện” đã được lựa chọn làm chủ đề cho luận án tiến sĩ. 1
2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa epoxy DER 331, từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong kỹ thuật điện. Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu sau:  Khảo sát hàm lượng tro bay đưa vào vật liệu nền epoxy DER 331.  Nghiên cứu các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ, axit hữu cơ và các hợp chất silan.  Đánh giá khả năng gia cường của tro bay biến tính và không biến tính đến tính chất cơ- nhiệt của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy DER 331.  Nghiên cứu khả năng cách điện của vật liệu polyme compozit với tro bay biến tính và không biến tính. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Xác định được lượng tro bay thích hợp đưa vào làm chất độn cho nhựa nền epoxy DER 331 để đảm bảo được điều kiện gia công và độ bền cơ nhiệt của vật liệu compozit. Lựa chọn được phương pháp và điều kiện xử lý, biến tính tốt nhất cho tro bay để cải thiện khả năng tương tác pha giữa tro bay và epoxy. Từ đó nâng cao được độ bền cơ học, độ bền nhiệt của vật liệu. Xác định được các yếu tố làm ảnh hưởng đến tính chất cách điện của vật liệu compozit epoxy/tro bay. Trên cơ sở khoa học đạt được có thể làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo và chế tạo được các sản phẩm cách điện phục vụ cho thực tiễn. 4. Điểm mới của luận án Mặc dù hiện nay một số các nghiên cứu đã triển khai ứng dụng tro bay làm chất độn cho nhựa nhiệt dẻo để chế tạo đế giầy, nâng cao tính chất cơ học cho vật liệu cao su nhưng chưa có nghiên cứu nào đưa tro bay vào nền nhựa nhiệt rắn và khảo 2
sát độ cách điện của vật liệu để ứng dụng cho ngành kỹ thuật điện. Đây là nghiên cứu mới lần đầu tiên được trình bày trong luận án. 5. Cấu trúc của luận án Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 115 trang, trong đó có 21 bảng biểu, 78 hình và đồ thị, 113 tài liệu tham khảo. Luận án gồm phần Mở đầu (2 trang), phần Tổng quan (35 trang), phần Thực nghiệm (14 trang), phần Kết quả nghiên cứu và thảo luận (50 trang), phần Kết luận (2 trang). Phần lớn kết quả của luận án đã được công bố trong 3 bài báo khoa học ở Tạp chí Hóa học và 1 bài báo ở Hội nghị 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 compozit, nhựa nền, chất độn và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. 2. Nhựa nền nhiệt rắn epoxy: Phản ứng tổng hợp, tính chất hóa lý của epoxy. Các chất đóng rắn, cơ chế đóng rắn và ứng dụng của epoxy trong các lĩnh vực. 3. Tro bay: giới thiệu về đặc điểm thành phần, cấu trúc và các ứng của tro bay trong các ngành khác nhau. 4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme compozit trong và ngoài nước, các phương pháp xử lý và biến tính bề mặt tro bay. Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy việc đưa tro bay làm chất độn cho nhựa nhiệt rắn epoxy chưa được nghiên cứu nhiều đặc biệt là điều kiện xử lý, biến tính bề mặt tro bay trước khi trộn hợp với nhựa epoxy. Epoxy có tính cách điện tốt vì thế việc nghiên cứu sản phẩm compozit từ epoxy DER 331 và tro bay có thể ứng dụng trong kỹ thuật điện là vấn đề mới và chưa có ở Việt Nam. Vì vậy đề tài tập trung đi vào nghiên cứu điều 3
kiện chế tạo, ảnh hưởng của thành phần, đặc tính của tro bay biến tính đến tính chất cơ, nhiệt và tính cách điện của vật liệu. Phần 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất - Tro bay được cung cấp từ Công ty Cổ phần Sông Đà 12- Cao Cường. Đây là sản phẩm được tuyển tách từ bụi thu được của nhà máy nhiệt điện Phả Lại. - Nhựa nền epoxy DER 331 hãng Dow Chemicals- Hoa Kỳ. - Chất đóng rắn amin DETA hãng Dow Chemicals – Hoa Kỳ. - Các hóa chất dùng để xử lý, biến tính bề mặt tro bay  NaOH, Ca(OH)2 (Trung Quốc)  4 loại silan: + Silan Silquest A-186: hãng Momentive (Đức). ( - (3, 4- Epoxycyclohexyl) etyl trimetoxysilan) + Silan Silquest A-1100: hãng Momentive (Đức). (3- Amino propyl trietoxy silan) + GF80: hãng Wacker (Đức) (3- Glycidoxypropyl trimetoxysilan) + GF82: hãng Wacker (Đức) (3- Glycidoxypropyl trietoxysilan)  Axit stearic: CH3-(CH2)16-COOH (Trung Quốc)  Các hóa chất khác: axeton tinh khiết 99%; etanol 96%; axit axetic 99,5%; toluen 99,5% (Trung Quốc). 2.2. Các phương pháp xử lý, biến tính tro bay 2.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ  Xử lý bằng dung dịch NaOH Tro bay được trộn với dung dịch NaOH 3M theo tỷ lệ 1(g) tro bay:15ml dung dịch NaOH trong bình cầu 3 cổ. Sau đó được gia nhiệt và khuấy trộn đều liên tục trong 6h ở 90oC. Dung dịch sau xử lý đem làm lạnh đến nhiệt độ phòng, lọc, rửa nhiều lần bằng nước cất cho tới khi pH =7. Tiếp tục sấy khô mẫu ở > 100oC trong 12 giờ. Sau xử lý tro bay được kí hiệu là FAN.  Xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2 4
Tro bay được trộn hợp với Ca(OH)2 theo tỉ lệ khối lượng 3:1. Hỗn hợp chất rắn được khuấy trộn đều với nước cất với tỉ lệ 1(g) hỗn hợp rắn: 7ml H2O và được gia nhiệt, khuấy trộn liên tục trong 6h ở 100oC. Sau đó, dung dịch được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và trung hòa lượng Ca(OH)2 dư. Cuối cùng, khối vật liệu được lọc, rửa nhiều lần cho tới khi pH = 7 và sấy khô ở > 100oC trong 12h. Tro bay sau khi xử lý bằng Ca(OH)2 được kí hiệu là FAC. 2.2.2. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan Hợp chất silan được thủy phân trong 100ml etanol (bổ sung axit axetic để tạo môi trường pH = 4) ở nhiệt độ 50oC trong vòng 30 phút, sau đó lấy 100 gam tro bay thêm vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy trộn đều trong 4h ở 50oC. Hàm lượng silan được lấy theo lượng tro bay cần biến tính. Hỗn hợp sau phản ứng để khô tự nhiên rồi đem sấy tiếp ở nhiệt độ 60oC, sau đó lọc, rửa để loại bỏ lượng silan dư. Sản phẩm tro bay sau khi biến tính được kí hiệu là FAS. 2.2.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic Axit stearic có khối lượng lần lượt là 2, 3, 5 gam được trộn đều với 100ml hỗn hợp axeton và toluen với tỉ lệ thể tích 3:1. Toàn bộ hỗn hợp được khuấy trộn đều trong 30 phút. Sau đó cho 100 gam tro bay vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy trộn đều 30 phút. Khối vật liệu thu được để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 24h rồi đem lọc, rửa và sấy khô ở 100oC. Sản phẩm tro bay sau biến tính được kí hiệu là FASA. 2.3. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu polyme compozit Tro bay được trộn hợp với nhựa nền epoxy DER 331 và khuấy trộn đều trong 30 phút, sau đó để ổn định ở nhiệt độ phòng. Hệ nhựa và tro bay được trộn hợp với chất đóng rắn và đổ khuôn tạo hình vật liệu. Mẫu được đóng rắn ở nhiệt độ phòng trong 1 ngày và đóng rắn sâu ở 80oC trong vòng 3h. Sau khi tháo khuôn, mẫu để ổn định 1 tuần rồi đem kiểm tra các tính chất đặc trưng của vật liệu. 2.4. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu: phương pháp BET, phương pháp phân tích phổ hồng ngoại, kính hiển vi điện 5
tử quét (SEM- Nhật Bản), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phương pháp nhiếu xạ tia X (XRD), thiết bị xác định thành phần hóa học, thiết bị xác định giản đồ phân bố kích thước hạt (Horiba –Hoa Kỳ), thiết bị đo góc tiếp xúc, xác định tính chất cơ học Instron-5582 KN (Hoa Kỳ), xác định tính chất điện theo tiêu chuẩn ASTM D149, D150, D257. Phần 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát các đặc tính kỹ thuật của tro bay ban đầu Cấu trúc hình thái và giản đồ phân bố kích thước của hạt tro bay ban đầu (UFA) được trình bày ở hình 3.1 và 3.2 cho thấy tro bay có dạng hình cầu, trơn nhẵn và mịn. Kích thước các hạt khá đa dạng, dao động từ 1µm đến 100 µm. Trong đó, kích thước trung bình (mean) là 30,13 µm, kích thước giữa (median) là 21,98 µm và kích thước trội (mode) là 27,96 µm. Bên trong những hạt tro bay lớn là tập hợp rất nhiều các hạt vi cầu có kích thước khác nhau. Hình 3.1: Cấu trúc hình thái Hình 3.2: Giản đồ phân bố kích hạt tro bay thước hạt tro bay Khi phân tích XRF xác định % khối lượng của từng thành phần oxit có trong mẫu tro bay thì thu được thành phần chính là các oxit nhôm, oxit silic và oxit sắt. Tổng hàm lượng các oxit kim loại bền (Al2O3, SiO2 , Fe2O3) đạt tương đối cao, chiếm 86,01% tổng thành phần. Ngoài ra còn có một số oxit axit, oxit bazơ khác như P2O5, SO3, CaO, MgO, MnO…nhưng chiếm một tỉ lệ nhỏ. Diện tích bề mặt (SSA) của tro bay ban đầu cũng đã được xác định bằng phương pháp BET dựa trên hiện tượng hấp phụ 6
đa nguyên tử với N2 ở 77K, kết quả ghi nhận được là 2,66 m2/g. Quan sát phổ hồng ngoại của tro bay ở hình 3.5 với dải sóng từ 400-4000cm-1 cũng cho thấy xuất hiện vạch phổ pic tại số sóng 3648 cm-1 đặc trưng cho liên kết –OH tự do không tạo liên kết và pic phổ mạnh tại số sóng 1072 cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-O của tro bay. Điều đó chứng tỏ trên bề mặt tro bay có các nhóm OH hoạt động. Ngoài ra, còn xuất hiện pic tại số sóng 1635cm-1 thể hiện nhóm OH của H2O có trong mẫu. Các pic đặc trưng cho các oxit vô cơ xuất hiện tại các số sóng 794cm-1, 551cm-1 chứng tỏ sự hiện diện của quartz và dao động của liên kết O-Fe. Hình 3.5: Phổ IR của mẫu tro bay ban đầu 3.2. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi xử lý bằng hóa chất vô cơ 3.2.1. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đến phân bố kích thước và diện tích bề mặt của tro bay Tro bay sau khi xử lý bằng dung dịch NaOH và Ca(OH)2 lần lượt được kí hiệu là FAN và FAC. Kết quả phân tích giản đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu sau xử lý được trình bày ở hình 3.7 cho thấy cả hai mẫu FAN và FAC đều cho độ phân bố hẹp hơn, kích thước các hạt đồng đều hơn so với mẫu tro bay chưa xử lý. Điều đó có thể thấy khi xử lý bằng dung dịch kiềm các hạt tro bay có kích thước lớn được bào mòn một phần tạo thành các hạt có kích thước nhỏ hơn. 7
(a) (b) (c) Hình 3.7: Giản đồ phân bố kích thước của tro bay ban đầu và tro bay đã xử lý kiềm a)UFA ; b) FAN ; c) FAC Hình ảnh cấu trúc bề mặt hạt tro bay sau xử lý bằng dung dịch NaOH và dung dịch Ca(OH)2 được thể hiện ở hình 3.8. (a) (b) Hình 3.8: Ảnh SEM của tro bay đã xử lý kiềm a)FAN ; b) FAC Với mẫu FAN (hình 3.8a) bề mặt của một số hạt tro bay xử lý thấy thô ráp, xù xì hơn so với mẫu UFA, đôi chỗ bề mặt còn bị nứt ra nhưng không đủ phá vỡ tập hợp hạt cầu bên trong. Trong khi đó, mẫu tro bay FAC (hình 3.8b) xung quanh bề mặt hạt cầu thấy xuất hiện các hạt nhỏ. Đó có thể là các tinh thể canxi silicat hoặc canxisunfat...được sinh ra trong quá trình bào mòn, khi dung 8
dịch Ca(OH)2 phản ứng với một số oxit có trong thành phần tro bay. Kết quả phân tích diện tích bề mặt (SSA) cũng chỉ ra SSA của UFA là 2,66m2/g, trong khi đó SSA của mẫu FAN là 9,91m2/g và mẫu FAC có SSA là 18,63m2/g. Như vậy, trong điều kiện xử lý, diện tích bề mặt của tro bay đã tăng từ 510 lần so với diện tích bề mặt của tro bay ban đầu. Điều này rất có ý nghĩa trong việc tăng khả năng tiếp xúc giữa chất độn vô cơ và nhựa nền hữu cơ. 3.2.2. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đối với tro bay đến thành phần hóa học Để xác định sự biến đổi về thành phần hóa học của tro bay ban đầu và tro bay xử lý, đề tài đã tiến hành kiểm tra XRF các mẫu với cùng khối lượng. Kết quả được trình bày ở bảng 3.1. Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay ban đầu và tro bay xử lý Thành phần UFA FAN FAC % khối lượng 23,61 Al2O3 26,56 20,95 50,51 86,01% SiO2 48,96 87,89% 46,08 78,96% 11,89 Fe2O3 12,37 11,93 1,22 MgO 1,77 1,25 1,06 CaO 1,59 9,70 1,30 TiO2 1,75 1,27 5,73 K2O 2,05 4,18 0,12 MnO 0,21 0,13 Các thành phần oxit khác như Cr2O3; CuO; ZnO; P2O5; SO3; NiO; Rb2O3; SrO; ZrO2 0,52 0,70 0,47 Hàm lượng than chưa cháy: 4,04% Từ bảng 3.1 cho thấy, nếu xét về % khối lượng các oxit chính trong tổng thể 100% của mẫu FAN với thành phần oxit này trong mẫu UFA thì thấy hàm lượng Al2O3 từ 23,61% tăng lên 26,56% (tăng lên 2,95%), hàm lượng SiO2 từ 50,51% giảm xuống 48,96% (giảm 1,55%), còn hàm lượng Fe2O3 từ 11,89% tăng lên 12,37% (tăng 0,38%). Tuy nhiên nếu so sánh về lượng của mẫu trước và sau xử lý thì có sự suy giảm khối lượng. 9
Theo tính toán trong 20 gam tro bay ban đầu (khối lượng mỗi mẻ đem xử lý dung dịch kiềm) khối lượng của các oxit chính lần lượt là: Al2O3 4,72 gam; SiO2 10,10 gam; Fe2O3 2,38 gam. Sau khi đã xử lý khối lượng các oxit này còn lại (khối lượng sau khi đã lọc, rửa, trung hòa và sấy khô là 17 gam) lần lượt là: Al2O3 4,52 gam (giảm 0,2 gam); SiO2 8,32 gam (giảm 1,78 gam); Fe2O3 2,11 gam (giảm 0,27 gam). Tổng khối lượng mất mát của 3 oxit chính là 2,25 gam chiếm 11,25%, còn lại là các oxit khác. Khi đưa khối lượng của các oxit trong mẫu FAN tính trong 20 gam thì Al2O3 chiếm 22,60%; SiO2 chiếm 41,67% còn Fe2O3 là 10,55%. Như vậy, sau quá trình xử lý một số oxit như Al2O3, SiO2 đã bị suy giảm về mặt khối lượng. Điều này có khả năng là do một phần các oxit lưỡng tính có phản ứng hóa học với dung dịch kiềm đặc, nóng. Mặc dù vậy ở tất cả các mẫu, tổng hàm lượng các oxit bền (Al2O3 + SiO2 + Fe2O3) đều cao, với mẫu UFA, FAN và FAC lần lượt là 86,01%; 87,89% và 78,96%. Đó là do tro bay có cấu trúc và thành phần khá bền vững. Các oxit trong thành phần tro bay có thể liên kết và hình thành một khối tinh thể aSiO2.bAl2O3.cFe2O3 bền. 3.3. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng axit stearic 3.3.1. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng axit stearic Tro bay sau biến tính bằng axit stearic được kí hiệu là FASA. Hiệu quả của phương pháp biến tính được đánh giá định tính thông qua các pic đặc trưng của các nhóm chức sẽ xuất hiện trên phổ hồng ngoại của tro bay biến tính. Lượng axit stearic sử dụng là 2%. Kết quả ghi nhận phổ hồng ngoại của mẫu tro bay ban đầu và tro bay biến tính được thể hiện ở hình 3.11 cho thấy phổ hồng ngoại của tro bay sau khi biến tính xuất hiện các pic đặc trưng mới tại số sóng 2919 cm-1 và 2851 cm-1 và pic tại số sóng 1704 cm-1. Đây chính là pic đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm CH2 và CH3 và nhóm C=O trong 10
phân tử axit stearic mà tro bay ban đầu không có. Điều này chứng tỏ sự có mặt của axit stearic trên bề mặt tro bay. Như vậy, có thể thấy trong điều kiện thực nghiệm, axit stearic đã tương tác vật lý với các hạt tro bay. Hình 3.11: Phổ IR của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit stearic 3.3.2. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng axit stearic Mục đích của phương pháp biến tính tro bay bằng axit stearic là làm tăng hoạt tính của bề mặt hạt hoặc làm tăng khả năng thấm ướt của hạt với nền polyme. Khi đó các hạt tro bay có khả năng bám dính, liên kết tốt hơn với nhựa nền hữu cơ. Vì thế đề tài đã tiến hành đo góc tiếp xúc của mẫu tro bay UFA và FASA 2% trong 2 môi trường nước và dietylenglycol để đánh giá sự thay đổi bề mặt hạt. Kết quả ghi nhận góc tiếp xúc của mẫu FASA2% đều gia tăng ở cả hai môi trường phân cực so với mẫu tro bay ban đầu. Trong môi trường nước từ 77,62o tăng lên 102,42o, trong môi trường dietylenglycol từ 61,66o lên 100,69o. Đó là nhờ nhóm cacboxyl trong phân tử axit stearic đã tạo liên kết hiđro với nhóm hydroxyl trên bề mặt tro bay làm cho bề mặt tro bay vốn ưa nước chuyển sang bề mặt ghét nước (do có mạch phân tử hữu cơ không phân cực có trong axit). Do đó góc tiếp xúc của tro bay biến tính tăng. Như vậy, việc biến tính tro bay bằng axit stearic đã cải thiện được khả năng thấm ướt của tro bay. Điều này sẽ giúp cho quá trình trộn hợp giữa nhựa nền epoxy và tro bay tốt hơn. Khi đó nhựa nền có thể bao bọc và thấm đều bề mặt chất độn. Đó là 11
một trong các yếu tố tích cực ảnh hưởng đến quá trình gia công và tính chất cơ học của vật liệu compozit. 3.3.3. Xác định mức độ axit stearic hóa tro bay bằng phân tích nhiệt Để xác định hàm lượng axit stearic có trên bề mặt hạt tro bay, đề tài tiến hành phân tích TGA của mẫu tro bay UFA và FASA2% với cùng khối lượng và điều kiện phân tích (từ nhiệt độ phòng tới 800oC trong môi trường không khí). Sau khi phân tích sự thay đổi khối lượng trong từng giai đoạn tính toán xác định được lượng axit stearic hấp phụ trên bề mặt tro bay là 1,08% theo khối lượng so với tro bay. 3.4. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng các hợp chất silan 3.4.1. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng hợp chất silan Kết quả đo góc tiếp xúc của các mẫu tro bay sau biến tính bằng 4 loại silan được trình bày ở bảng 3.4. Bảng 3.4: Góc tiếp xúc của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng các hợp chất silan khác nhau (với 2%) trong môi trường lỏng Môi trường chất lỏng Tro bay Nước Dietylenglycol UFA 77,62o 61,66o o FAS186 99,42 82,39o o FAS1100 103,37 90,47o o FASGF80 109,95 100,64o FASGF82 108,60o 96,77o Từ bảng 3.4 cho thấy, tất cả các mẫu tro bay đã biến tính bằng hợp chất silan đều có góc tiếp xúc cao hơn so với mẫu tro bay ban đầu ngay cả trong môi trường nước và môi trường dietylenglycol. Đặc biệt trong số các silan biến tính thì mẫu FASGF80 cho góc tiếp xúc lớn hơn cả. Hầu hết các góc tiếp xúc gia tăng đều lớn hơn 90o, chứng tỏ tro bay biến tính không ưa các môi trường phân cực, tăng tính ghét nước. Điều này sẽ giúp cho các hạt vô cơ vốn trơn nhẵn có khả năng thấm ướt tốt hơn trong nhựa nền polyme. 12
3.4.2. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng các hợp chất silan Trên cơ sở đo góc tiếp xúc các mẫu tro bay biến tính silan đề tài đã lựa chọn ra hai loại silan là A1100 và GF80 để so sánh. Đây là 2 loại silan đặc trưng cho 2 dòng có loại nhóm chức nổi bật: silan có nhóm epoxy (GF80) và silan có nhóm chức amin (A1100). Phương pháp phổ hồng ngoại đã xác định được sự có mặt của silan trên bề mặt tro bay khi xuất hiện pic mới đặc trưng cho dao động biến dạng của nhóm hydrocacbon có trong các phân tử silan. Ngoài ra còn có các pic đặc trưng cho nhóm chức amin của silan A1100 tại số sóng 1562 cm-1; 1408cm-1 và 2 pic có cường độ yếu tại số sóng 1907cm-1; 1727cm-1 của silan GF80 cũng xuất hiện trên đường phổ.Tuy pic hấp thụ có cường độ không mạnh nhưng cũng đã chứng tỏ được sự có mặt phân tử silan trên bề mặt tro bay. 3.4.3. Xác định mức độ silan ghép trên tro bay bằng phân tích nhiệt Mức độ ghép silan GF80 và silan A1100 trên bề mặt tro bay đã được đo và phân tích qua giản đồ TGA. Ở vùng nhiệt độ khảo sát từ 25oC đến 800oC mẫu tro bay biến tính FAS1100 và FASGF80 đã bị suy giảm khối lượng lần lượt là 5,8% và 6,05%. Theo tính toán lượng silan hấp phụ trên bề mặt tro bay khi biến tính bằng silan A1100 và silan GF80 đã xác định được lần lượt là 1,18% và 1,44% theo khối lượng tro bay. 3.5. Khảo sát các tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit 3.5.2. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy/tro bay theo hàm lượng tro bay. Các mẫu compozit được chế tạo theo tiêu chuẩn và để ổn định trước khi đem xác định các tính chất cơ học. Việc đưa tro bay vào vật liệu compozit nền nhựa epoxy đã cải thiện được một số tính chất cơ học của vật liệu như độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền nén. Đặc biệt giá trị độ bền gia tăng khi tăng hàm lượng tro bay và đạt giá trị lớn nhất ở 40 PKL. Tuy nhiên, 13
khi tiếp tục tăng lượng tro bay lên 50 đến 60 PKL thì các tính chất lại suy giảm. Điều này có thể giải thích là do lượng tro bay đưa vào quá lớn làm độ nhớt của hỗn hợp nhựa nền epoxy và tro bay gia tăng, gây cản trở cho quá trình gia công. 3.5.3. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu PC từ nhựa epoxy và tro bay xử lý bằng dung dịch kiềm. Tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy DER 331 với tro bay được xử lý bằng dung dịch kiềm thì độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén và độ bền va đập (hình 3.22 và 3.23) đều gia tăng đáng kể so với mẫu compozit có tro bay chưa xử lý. Đặc biệt ở mẫu FAN, cụ thể độ bền kéo tăng 11,78%, độ bền uốn tăng 14%, độ bền va đập tăng 19,3%, độ bền nén tăng ít hơn chỉ tăng 3,73% so với mẫu UFA. Điều đó cho thấy tro bay sau xử lý có độ phân bố kích thước hạt đồng đều hơn và việc gia tăng được diện tích bề mặt hạt đã làm tăng được sự tiếp xúc của hạt tro bay với nhựa nền nên đã cải thiện được các tính chất cơ học của vật liệu compozit và việc xử lý bề mặt hạt tro bay đã đem lại hiệu quả nhất định. Hình 3.22: Ảnh hưởng của xử lý tro Hình 3.23: Ảnh hưởng của xử lý tro bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy kéo đứt, uốn, nén của vật liệu DER 331/tro bay 40PKL compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL 3.5.4. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu PC từ nhựa epoxy và tro bay biến tính bằng axit stearic 14
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic biến tính tro bay đến tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay, đã tiến hành gia công các mẫu compozit có 2, 3 và 5% tro bay biến tính. Các mẫu được gia công ở cùng điều kiện và cùng hàm lượng tro bay đưa vào nhựa nền epoxy DER 331 là 40 PKL. Kết quả thu nhận được ở tất cả các mẫu compozit có tro bay biến tính bằng axit stearic độ bền uốn và độ bền kéo cao hơn so với mẫu compozit tro bay chưa xử lý. Cụ thể với mẫu FASA3% độ bền uốn gia tăng từ 62,8MPa lên 69,8MPa, tức là tăng 11,15% so với mẫu không có axit stearic (hình 3.24). Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng Hình 3.26: Ảnh hưởng của hàm axit stearic đến độ bền uốn và modun lượng axit stearic đến độ bền va đập uốn của vật liệu compozit epoxy DER và độ bền nén của vật liệu compozit 331/tro bay 40PKL epoxy DER 331/tro bay 40PKL Hình 3.26 đo độ bền nén và độ bền va đập cho thấy khi tăng hàm lượng axit stearic cả 2 giá trị độ bền này đều gia tăng hơn so với mẫu tro bay chưa biến tính, giá trị độ bền va đập lớn nhất tại mẫu EP/FASA2% là 6,9 (KJ/m2), tăng 21% so với mẫu EP/FASA0%, còn độ bền nén đạt giá trị lớn nhất tại mẫu EP/FASA3% là 155MPa, tăng 15,67% so với mẫu EP/FASA0%. Trên cơ sở các giá trị độ bền và modun cơ học, đề tài đã lựa chọn được hàm lượng axit stearic biến tính tro bay phù hợp là 2% hoặc 3%. 15
3.5.5. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và tro bay đã biến tính bằng các hợp chất silan Trong số các silan biến tính tro bay thì mẫu EP/FASGF80 cho độ bền cơ học tốt hơn hẳn so với các mẫu biến tính khác. Cụ thể độ bền kéo của vật liệu đạt giá trị lớn nhất tại mẫu EP/FASGF80 là 42,3 MPa, độ bền uốn đạt 77,8 MPa và độ bền nén đạt 164 MPa (hình 3.27). Qua khảo sát biến tính tro bay với các hàm lượng silan khác nhau đến tính chất cơ học của vật liệu compozit cho thấy hàm lượng silan đưa vào sử dụng phù hợp nhất là 2% (hình 3.31). Tại 2% silan biến tính độ bền cơ học đạt được là tốt nhất. Hình 3.27: Ảnh hưởng của loại silan đến Hình 3.31: Ảnh hưởng của hàm độ bền nén, độ bền uốn và độ bền kéo đứt lượng silan GF80 đến độ bền nén của vật liệu compozit epoxy DER và độ bền va đập của vật liệu 331/tro bay 40PKL compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL Như vậy, việc hình thành những tương tác, liên kết vật lý của silan với nhóm OH trên bề mặt hạt cầu tro bay cũng đã góp phần nâng cao được độ bền cơ học của vật liệu. Việc biến tính 16
tro bay bằng phương pháp này đã khắc phục được đặc tính giòn của vật liệu nền epoxy. 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay biến tính đến cấu trúc hình thái vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay Cấu trúc hình thái của các mẫu vật liệu compozit được khảo sát bằng phương pháp chụp SEM và được thể hiện ở hình 3.32. Compozit EP/UFA (40PKL) Compozit EP/FASA (40PKL) Compozit EP/FAGF80 (40PKL) Compozit EP/FAS1100 (40PKL) Hình 3.32: Ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu compozit epoxy DER 331 với tro bay biến tính và chưa biến tính Quan sát hình 3.32 nhận thấy mẫu compozit có tro bay chưa biến tính có các hạt tro tồn tại tương đối độc lập, ít liên kết với 17
nhựa nền epoxy. Nhưng với các mẫu có biến tính đặc biệt là biến tính bằng silan GF80 và A1100, các hạt tro bay được bao phủ bởi nhựa và phân bố trong nhựa nền đều đặn hơn. Tương tác pha giữa tro bay với nhựa nền epoxy tốt hơn là nhờ các nhóm chức hoạt tính của silan trên bề mặt tro bay làm cho sức căng bề mặt giữa hai pha giảm. Điều này cũng lý giải cho sự gia tăng độ bền cơ học của vật liệu compozit khi tro bay được biến tính bằng axit stearic và silan. 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay đến độ bền nhiệt của vật liệu compozit Kết quả khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu compozit có tro bay biến tính và chưa biến tính bằng phương pháp TGA đã chứng tỏ được việc đưa tro bay vào nhựa nền epoxy đã cải thiện được đáng kể độ bền nhiệt của vật liệu. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy và nhiệt độ phân hủy mạnh nhất đều gia tăng. 3.8. Khảo sát các tính chất điện của vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay 3.8.1. Điện trở suất Giá trị điện trở suất khối của các mẫu compozit được thể hiện ở hình 3.36 và 3.41. Hình 3.36: Ảnh hưởng của hàm Hình 3.41: Ảnh hưởng của loại silan lượng tro bay đến điện trở suất biến tính tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu PC khối của vật liệu PC 18