Nghiên ứu quá trình khâu mạh quang ủa hệ nhựa epoxyđianao su thiên nhiên lỏng hứ hoá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
-----------------------------------------------

NGUYN ANH HIP

Nghiên cứu quá trình khâu mạch quang hệ nhựa
epoxy đian//cao su thiên nhiên lỏng chức hoá
LUN VN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội - 2008

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205212281000000


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
******************

NGUYN ANH HIP

Nghiên cứu quá trình khâu mạch quang hệ nhựa
epoxy đian//cao su thiên nhiên lỏng chức hoá

LUN VN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHÀNH : CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN THỊ VIỆT TRIỀU

HÀ NỘI 2008


-1-

Mục lục
Trang
4

Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Các ký hiệu
Tóm tắt
Abstract
Mở đầu
Phần I : Tổng quan

I. Khâu mạch bằng phơng pháp quang hoá
I.1 Sự phát triển và ứng dụng của phơng pháp khâu mạch quang
I.2. Ưu điểm và hạn chế của phơng pháp quang hoá
I.3. Nguyên lý quá trình khâu mạch quang
I.4. Các thành phần chủ yếu sử dụng để khâu mạch quang
I.5. Các nguồn sáng sử dụng để khâu mạch quang
I.5.1. Các loại nguồn sáng thờng sử dụng
I.5.2. Đặc điểm của một số nguồn sáng
I.6. Các yếu tố ảnh hởng tới sự khâu mạch quang
I.6.1. ảnh hởng của chiều dày màng
I.6.2. ảnh hởng của nồng độ chất khơi mào

I.6.3. ảnh hởng của oxy
I.6.4. ảnh hởng của cờng độ ánh sáng
I.6.5. ảnh hởng của nhiệt độ
I.7. Các yêu cầu để khâu mạch quang hiệu quả
I.8. Cơ chế phản ứng khâu mạch quang
I.8.1. Phản ứng khâu mạch quang dạng gốc
I.8.1.1. Các hệ nhựa có khả năng khâu mạch dạng gốc
I.8.1.2 Cơ chế phân quang dạng gốc
I.8.2. Phản ứng khâu mạch quang dạng cation
I.8.2.1. Nguyên lý khơi mào quang cation
I.8.2.3. Các kiểu nhóm chức có thể trùng hợp dạng cation
I.8.2.4. Ưu điểm và nhợc điểm của khâu mạch quạng dạng

cation
II. Nhựa epoxy
II.1. Cấu tạo hoá học của nhựa epoxy đian
II.2. Các chỉ số đặc trng và tính chất của nhựa epoxy
II.3. Cơ chế khâu mạch quang nhựa epoxy
III. Cao su thiên nhiên lỏng epoxy hóa (CSTNLE)
B
4

Luận văn cao học

5
6
7
8
9
10

9
10
10
10
10
10
13
14
14
15
16
17
18
20
23
23
23
23
24
25
25
26
26
26
26
26
26
27

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008

-2-

III.1. Vµi nÐt vỊ CSTNLE
III.2. TÝnh chÊt vËt lý vµ hãa lý cña CSTNLE
III.2.1. Mét sè tÝnh chÊt cña CSTNLE
III.2.2. CÊu tróc lËp thĨ cđa CSTNLE
III.2.3. NhiƯt ®é thđy tinh hóa (Tg)
III.2.4. Tính tan
III.2.5. Khối lợng phân tử
III.2.6. Độ ổn định khi bảo quản
III.3. Khả năng chế biến và ứng dụng thực tiễn của CSTNLE
III.4. Cơ chế khâu mạch quang CSTNLE
IV. Khái niệm chung về chất hoá dẻo và sự cần thiết hoá dẻo nhựa
epoxy đian
IV.1 Giới thiệu chung về hoá dẻo polyme
IV.1.1 Khái niệm chất hóa dẻo
IV.1.2. Các loại chất hóa dẻo
IV.1.3. Các hình thức hoá dẻo
IV.1.3.1. Hoá dẻo nội
IV.1.3.2. Hoá dẻo ngoại
IV.1.3.3. Các yêu cầu cần cho chất hoá dẻo
IV.2. ảnh hởng của chất hoá dẻo lên tính chất của polyme
IV.2.1. ảnh hởng của chất hoá dẻo lên nhiệt độ
IV.2.2. ảnh hởng của chất hoá dẻo lên các tính chất cơ học của
polyme
IV.2.3. ảnh hởng của chất hoá dẻo đến các tính chất điện môi
của polyme
IV.3. Cơ chế của quá trình hoá dẻo

IV.4. Sử dụng cao su để hoá dẻo nhựa epoxy
Phần II - Thực Nghiệm

I. Nguyên liệu và hoá chất
I.1. Nhựa epoxy đian
I.2. Cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá
I.3. Chất khơi mào quang
III. Phơng pháp phân tích
III.1. Khảo sát sự biến đổi hàm lợng của các nhóm chức trong hệ
khâu mạch quang
III.2. Xác định sự giảm chất khơi mào quang
III.3. Xác định phần gel và độ trơng
III.4. xác định các tính chất cơ học của sản phẩm sau khi khâu
mạch quang
III.4.1. Xác định độ cứng tơng đối
Luận văn cao học

27
27
27
27
28
28
28
28
29
29
29
29
29

30
30
30
30
30
31
31
31
33
33
33
33
40
42
42
42

44

44

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008


-3-

III.4.2. xác định độ bền va đập
III.4.3. xác định độ bền ép giÃn
III.4.4 Xác định độ bám dính
III.4.5. Xác định độ bền uốn

III.5. Xác định vi cấu trúc
III.6. Phân tích nhiệt

45
47
47
47
48
50

Phần III - Kết quả nghiên cứu

I. Nghiên cứu ảnh hởng của hàm lợng chất khơi mào quang TAS
đến quá trình khâu mạch quang của hệ nhựa epoxy đian Epon
828/CSTNLE.
II. Nghiên cứu ảnh hởng của hàm lợng CSTNLE đến quá trình
khâu mạch quang của hệ nhựa epoxy đian Epon 828/CSTNLE.
III. Nghiên cứu ảnh hởng của bản chất của các loại nhựa epoxy
đian đến quá trình khâu mạch quang của hệ nhựa epoxy
đian/CSTNLE.
IV. Nghiên cứu ảnh hởng của bản chất của chất hoá dẻo đến quá
trình khâu mạch quang của hệ nhựa epoxy đian Epon 828/CSTNLE.
V. Nghiên cứu khả năng khâu mạch của hệ khi để tối
VI. Nghiên cứu tính chất nhiƯt cđa hƯ nhùa
VII. Nghiªn cøu vi cÊu tróc cđa hệ nhựa
B
0

B
1

50
50

B
2

B
3

Phần IV - Kết luận

tài liệu tham khảo

Luận văn cao häc

52
54
71
73
75
81
82

Ngun Anh HiƯp - CNVL 2006 - 2008


-4-

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn tốt
nghiệp cao học, đợc sự giúp đỡ của các thầy cô, thuộc bộ môn vật liệu
Polyme trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và các ®ång nghiƯp ë viƯn kü tht
nhiƯt ®íi d· gióp em hoàn thanh luận văn. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin
chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô, đặc biệt là cô giáo hớng dẫn PGS.
TS Nguyênc thị Việt Triêug ÃÃ tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2006
Học viên

Nguyễn Anh Hiệp

Luận văn cao học

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008


-5-

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và cha từng có ai khác công bố trong
bất kỳ công trình nào.

Học viên

Nguyễn Anh Hiệp

Luận văn cao học

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008


-6-

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

CSTNLE: Cao su thiên nhiên lỏng epoxy hoá
CSTN: Cao su thiên nhiên

Luận văn cao häc

Ngun Anh HiƯp - CNVL 2006 - 2008


-7-

Tóm tắt
Luận văn tốt nghiệp với mục đích dùng cao su lỏng chức hoá nhằm nâng
cao tính chất của màng nhựa epoxy khâu mạch bằng phơng pháp quang hoá.
Bản luận văn gồm 4 phần chính: Phần mở đầu trình bày lý do và ý nghĩa thực
tiễn của luận văn; Phần tổng quan trình bày phơng pháp khâu mạch quang
cũng nh thành phần, cấu tạo hoá họcvà tính chất hoá học làm cơ sở để nghiên
cứu phần sau; Phần thực nghiệm trình bày các nguyên liệu, hoá chất, gia công
màng và những phơng pháp phân tích; Phần 4 trình bày kết quả nghiên cứu và
thảo luận. Trong luận văn đà sử dụng một sồ loại nhựa epoxy đian nh E-44,
Epon 828 còn chất hoá dẻo sử dụng nh DOP, CSTNLE.
Khi hệ nhựa Epoxy có mặt thêm CSTNLE làm tăng các tính chất cơ học

lên đáng kể. Trong luận văn này cũng tiến hành khảo sát và so sánh đợc bản
chất của chất hoá dẻo lên tính chất cơ học của hệ nhựa.
ĐÃ nghiên cứu đợc ảnh hởng của bản chất của nhựa đến quá trình
khâu mạch quang cũng nh tính chất cơ học của của hệ nhựa.
Luận văn cung đà nghiên cứu đợc ảnh hởng của bản chất của nhựa đến
quá trình khâu mạch quang của của hệ nhựa.
ĐÃ nghiên cứu đợc vi cấu trúc và tính chất nhiệt của các hệ.
Từ các kết quả nghiên cứu thấy rằng có thể sử dụng CSTNLE với mục đích chế
tạo đợc màng nhựa có tính chất cơ lý tơng đối tốt nhằm ứng dụng vào các
lĩnh vực đời sống.

Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


-8-

Abstract

The polymerization of epoxy group in the 20µm thick film of the system
containing 5% triarylsulfonium salt (TAS) and epoxy resin modified by
CSTNLE. The photopolymerization of the epoxy group in the 20µm thickness
film of the systems has been followed by IR spectroscopy. The fastest rate of
the reaction was observed in the system with the weight ratio Epon 828
/CSTNLE = 90/10 leading to epoxy convertion of the Epon 828 and CSTNLE
10% respectively after 2,4 seconds exposure under 110mW/cm2 intensity UVlamp. The influence of the film thickness studied in range from 10µm to 50µm
showed the decrease of the photocrosslinking rate with the increase of the film
thickness.
The themal curing behavior of epoxy resin modified by CSTNLE was

studied at 1500C, epoxy were measured by FT-IR spectroscopy. The polymerization
of epoxy group in the 20µm thick film of the system containing epoxy resin
modified by CSTNLE with different mol ratios epoxy/CSTNLE: 100/0; 98/2; ;
95/5; 90/10; 85/15; and 80/20 have been studied. The fastest rate of the
reaction was observed in the system with the mol ratio epoxy/CSTNLE = 90/10
leading to epoxy convertion of the Epon 828, CSTNLE 83% and 100%
respectively after 130 minutes at 1500C.

Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


-9-

Mở đầu
Trong những năm gần đây, phơng pháp khâu mạch quang phát triển
nhanh, do có những u điểm nổi bật của phơng pháp này nh phản ứng khâu
mạch xảy ra nhanh, tức thì, không sử dụng dung môi, hạn chế sự ô nhiễm môi
trờng, phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thờng, không cần tiêu tốn năng lợng.
Việc đóng rắn nhựa bằng phơng pháp quang hóa đợc thực hiện ở nhiệt độ
thờng nên khả năng d nội ứng suất sẽ không có hoặc rất thấp, điều này cải
thiện độ ổn định của nhựa.
Nhựa epoxy có độ cứng, độ bám dính cao, độ bền hóa học tốt, chịu mài
mòn và cách điện. Với những đặc tính kỹ thuật quý giá đó, nhựa epoxy ngày
càng đợc sử dụng rộng rÃi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh vật liệu bảo vệ
(sơn, véc ni), vËt liƯu compozit, keo d¸n, vËt liƯu kÕt cÊu…Tïy theo đối tợng
ứng dụng, ngời ta sử dụng các phơng pháp khâu mạch khác nhau nh khâu
mạch bằng phơng pháp quang, bằng vi sóng, bằng chùm tia điện tử hoặc sử
dụng tác nhân đóng rắn nhiệt và đóng rắn ở nhiệt độ thờng.

Do đặc điểm cấu tạo, một số hợp chất chứa nhóm epoxy sau khi đóng
rắn không đủ độ dẻo cần thiết đối với nhiều lĩnh vực sử dụng. Để khắc phục
nhợc điểm này ngời ta đa vào tổ hợp nhựa các chất dẻo thích hợp. Nh
chúng ta đà biết cao su là loại vật liệu vừa mềm dẻo vừa có độ bền cơ học cao
và khả năng biến dạng đàn hồi rất lớn. Trong đó cao su thiên nhiên lỏng epoxy
hoá tơng hợp tơng đối tốt với nhựa epoxy đian, có khả năng tham gia phản
ứng khâu mạch tạo ra nhựa epoxy có độ dẻo cao hơn nhựa epoxy đian thông
thờng. Sử dụng phơng pháp quang hóa để khâu mạch hệ nhựa epoxy/cao su
thiên nhiên lỏng epoxy hoá tạo các lớp phủ bảo vệ, keo dán, vật liệu compozít
là hớng đi có triển vọng, nội dung nghiên cứu của luận văn là: Nghiên cứu
quá trình khâu mạch quang hệ nhựa epoxy đian//cao su thiên nhiên lỏng
chức hoá.

Luận văn cao häc

Ngun Anh HiƯp - CNVL 2006 - 2008


- 10 -

Phần I : Tổng quan
I. Khâu mạch bằng phơng pháp quang hoá
I.1 Sự phát triển và ứng dụng của phơng pháp khâu mạch quang
Phơng pháp quang hóa khâu mạch polyme đà đợc loài ngời biết đến
từ rất sớm. Ngay từ thời Cổ đại ngời Ai cập cổ đà biết ứng dụng phơng pháp
quang hoá để tạo ra thuyền bè đi lại bằng cách tẩm vật liệu bitum rồi phơi dới
ánh nắng mặt trời. Đến cuối thế kỷ 19 nhà khoa học Niepce đà ứng dụng sự hấp
thụ ánh sáng của dầu trên cơ sở nhựa đờng trong kỹ nghệ tạo ảnh. Cũng trong
thời gian này, các nhà khoa học Pháp đà nghiên cứu sự khâu mạch bằng
phơng pháp quang hoá trong quá trình đóng rắn mực in [1]. Thời gian sau đó

để đáp ứng nhu cầu về vật liệu phủ bề mặt, phơng pháp quang hoá đà đợc
ứng dụng rộng rÃi. Tuy vậy, mÃi đến năm 1940 các nhà khoa học mới sử dụng
phơng pháp quang để tạo ra vật liệu polyme mạng lới không gian với sự khâu
mạch hệ styren-polyeste không no bằng cách sử dụng bức xạ tử ngoại tạo ra
một loại vật liệu có giá thành thấp nhng lại có những tính chất thích hợp với
việc sử dụng làm vật liệu phủ cho đồ gỗ [1, 2]. Vào những năm 1960, các hệ
nhựa có thể đóng rắn bằng bức xạ tử ngoại đợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực
gia công đồ gỗ. Năm 1971 quá trình đóng rắn mực in bằng phơng pháp quang
hoá phát triển mạnh ở Nhật bản [3]. Hiện nay, vật liệu đóng rắn bằng tia tử
ngoại và chùm điện tử nói chung và vật liệu bảo vệ, trang trí đóng rắn bằng tia
tử ngoại và chùm điện tử nói riêng là vật liệu tiên tiến có mức tăng trởng hàng
năm cao [4, 5]. Mức tăng trởng hàng năm của vật liệu đóng rắn bằng tia tử
ngoại, chùm điện tử năm 2000 ở một số khu vực trên thế giới đợc trình bày
trên bảng 1 [6].
Bảng 1. Mức tăng trởng hàng năm của vật liệu đóng rắn bằng tia tử ngoại,
chùm điện tử năm 2000 ở một số khu vực trên thế giới (%).

Luận văn cao học

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008


- 11 -

Bắc Mỹ

10

Malaysia

13

Tây Âu

8

Singapore

9

Nhật Bản

7

Indonexia

8

Trung Quốc

25

Australia

7

Đài Loan

7

New Zealan

8

Philipin

10

ấn Độ

7

Thái Lan

12

Hàn Quốc

9

Với ứng dụng ban đầu là lớp phủ bảo vệ, trang trí cho đồ gỗ, các lớp phủ
khâu mạch quang hóa đà nhanh chóng đợc ứng dụng rộng rÃi trong nhiều lĩnh
vực công nghiệp khác nh: in ấn, ô tô và điện tử,... Hiện nay, tổng giá trị của
lớp phủ khâu mạch quang đà đạt 1,325 tỷ USD năm 2006 và 1,410 năm 2007,
trong 5-7 năm tới đạt tăng trởng trung bình năm 8-13%, dự kiến năm 2012 sẽ
đạt khoảng 1,790 tỷ USD. Tình hình tiêu thụ và các lĩnh vực ứng dụng của sơn
và lớp phủ khâu mạch quang hóa trên thế giới đợc trình bày trên bảng 2, bảng
3 [7].
Bảng 2. Tình hình tiêu thụ sơn khâu mạch quang hóa trên thế giới
Năm 2006

Khu vực

Số lợng
(nghìn tấn)

Năm 2007

Giá trị

Số lợng

Giá trị

(triệu USD) (nghìn tấn) (triệu USD)

Tăng
trởng
(%)

Bắc Mỹ

51,872

485

54,100

505

4,1

Châu Âu

50,0

465

52,0

484

3,8

-

325

-

347

6,5

Phần còn lại

Bảng 3. Các lĩnh vực ứng dụng của lớp phủ khâu mạch bằng tia tử ngoại.

Luận văn cao häc

Ngun Anh HiƯp - CNVL 2006 - 2008

- 12 -

- Nghệ thuật tạo hình
- Hoàn thiện gỗ và chất độn
Xử lý bề mặt

- Lớp phủ trên kim loại
- Lớp phủ trên chất dẻo
- Vécni cho giấy
- Cảm quang âm
- Chất chống thấm (bao gói)
- Lớp phủ bảo vệ (sợi quang)

Điện tử

- Cấu hình (đĩa video)
- Đóng gói
- Mực đóng rắn bằng tia tử ngoại
Nhựa có bột màu

- VËt liÖu cho nha khoa
- VËt liÖu composite

ChÊt kÕt dÝnh

VËt liệu ép, cán, keo dán

Nhật Bản là nớc có tổng giá trị sản phẩm khâu mạch quang lớn nhất,

chiếm hơn một nửa tổng giá trị sản phẩm Châu á. Năm 1999, tổng khối lợng
sản phẩm khâu mạch quang của Nhật Bản ớc tính khoảng 37000 tấn. Trong đó
các lớp phủ chiÕm 38%, mùc in 22%, in lito quang 40%. ThÞ phần của lớp phủ
cho các đối tợng khác nhau nh sau (%):
Đồ gỗ

58,2

Sơn cứng

14,5

Sợi quang

14

PVC lót sàn

5,1

Kim loại

2,2

Đĩa quang 4,4
Phim

1,6

I.2. Ưu điểm và hạn chế của phơng pháp quang hoá

Phơng pháp khâu mạch quang hoá đợc ứng dụng nhiều trên thế giới
do có nhiều u điểm so với khâu mạch bằng phơng pháp gia nhiệt cổ điển [8,
9]:
- Tổ hợp khi khâu mạch quang không chứa dung môi, điều này làm giảm sự

Luận văn cao học

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008


- 13 -

ô nhiễm môi trờng.
- Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thờng, không cần gia nhiệt tiêu tốn năng
lợng, giảm giá thành.
- Phản ứng khâu mạch xảy ra nhanh trong vài giây hoặc vài phút ở điều kiện
thích hợp.
- Sản phẩm đà đợc khâu mạch quang có các tính chất cơ, lý, hoá tốt, tơng
đơng nh sản phẩm đợc khâu mạch bằng các phơng pháp gia nhiệt.
Tuy nhiên khâu mạch bằng phơng pháp quang hóa có một vài hạn chế
đối với một vài hệ:
- Khâu mạch quang hóa có khó khăn khi thực hiện ở lớp màng dầy và màng
có bột màu.
- Sự ức chế phản ứng do oxy có thể xảy ra.
I.3. Nguyên lý quá trình khâu mạch quang
Nguyên lí của phơng pháp khâu mạch quang cũng giống nh phơng
pháp khâu mạch bằng gia nhiệt. Sau khi polyme đợc khâu mạch, từ các
monome hoặc các oligome có nhiều nhóm chức hoạt tính sẽ tạo ra mạng lới
không gian ba chiều. Bản chất của các quá trình khâu mạch quang là tạo ra cầu
nối giữa các phân tử.

Quá trình khâu mạch xảy ra do sự phát triển mạch, đợc khơi mào bởi
các gốc sinh ra khi chiếu các tia tử ngoại. Thờng thì sự khâu mạch xảy ra rất
nhanh (tính bằng giây hoặc bằng phút tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng)
[10,12].
Dới tác dụng của các tia tử ngoại, hầu hết các monome đều khó tạo ra
các trung tâm khơi mào dạng gốc hoặc ion với hiệu suất đủ lớn. Vì vậy, cần
thiết phải đa vào hệ chất khơi mào quang - thành phần nhạy cảm với ánh sáng,
dễ phân quang, tạo ra các trung tâm hoạt tính [13,14].
Việc tạo ra các polyme không gian ba chiều bằng phơng pháp quang
hoá thực chất là do khâu mạch các hệ nhựa nhạy sáng. Tuỳ thuộc vào bản chất
của các hệ này mà cơ chế quá trình khâu mạch sẽ khác nhau: cơ chế ion hoặc
Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


- 14 -

cơ chế gốc [15].
Quá trình khâu mạch quang có thể biểu diễn theo sơ đồ sau:
Chất khơi
mo quang

Trung tâm
hoạt tính (gốc
hoặc ion)
Polyme mạng
lới không
gian ba chiều

Bức xạ tử
ngoại
Monome
hoặc oligome
đa chức

Khi thực hiện khâu mạch quang, chất khơi mo đóng vai trò quan trọng,
ảnh hởng tới vận tốc cũng nh cơ chế của quá trình khâu mạch. Tùy vào chất
khơi mào quang sử dụng, chúng có thể tạo ra trung tâm hoạt tính dạng gốc
hoặc dạng ion. Các chất khơi mào quang cần thỏa mÃn một số điều kiện sau
[13,10,16]:
- Hấp thụ tốt tia tử ngoại (khoảng 300-400 nm) víi hƯ sè hÊp thơ ε > 10 2
l.mol-1.cm -1.
- Thời gian sống ở trạng thái kích thích ngắn để tránh bị khử hoạt tính bởi
oxy thâm nhập vo hệ phản ứng.
- Trung tâm hoạt tính đợc tạo thnh có hoạt tính cao.
- ổn định tốt khi bảo quản trong bóng tối.
- Tan tốt trong nhựa.
- Không độc.
- Không lm có mu v mùi cho vật liệu.

Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


- 15 -

I.4. Các thành phần chủ yếu sử dụng để khâu mạch quang
Đa số các hệ có khả năng khâu mạch quang đợc sử dụng gồm các thành

phần chính [10, 14, 15]:
- ChÊt kh¬i mào quang : là chÊt có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng tới,
tạo ra các trung tâm hoạt tính khơi mo dạng gốc hoặc dạng ion.
- Monome hoặc oligome có chứa các nhóm chức: có tác dụng khâu
mạch khi tạo ra polymer mạng lới không gian ba chiều.
- Monome đơn chức hoặc đa chức: có tác dụng nh một chất pha loÃng
hoạt tính, đồng thời có thể tham gia vo phản ứng khâu mạch tạo mạng lới
không gian ba chiều.
Dới tác dụng của các tia tử ngoại, quá trình khâu mạch quang diễn ra
nhanh và từ dạng nhựa lỏng chuyển sang vật liệu rắn, không tan trong dung
môi hữu cơ. Các tính chất hoá, lí của các polyme đà khâu lới nhận đợc phụ
thuộc chủ yếu vào cấu trúc hoá học và độ chức hoá của monome, oligome.
I.5. Các nguồn sáng sử dụng để khâu mạch quang
Tốc độ của phản ứng khâu mạch quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong
đó có cờng độ và bớc sóng của tia bức xạ đợc sử dụng. Bøc x¹ tư ngo¹i (cã
bíc sãng 290-400nm chØ chiÕm 5% tổng bức xạ của ánh sáng mặt trời chiếu
xuống mặt đất) gây ra hầu hết sự phân huỷ các vật liƯu polyme bëi c¸c lÝ do
chÝnh [10, 17]:
- C¸c tia tử ngoại mang nhiều năng lợng so với ánh sáng nhìn thấy (300400 KJ. mol-1 )
- Các tia tử ngoại bị hấp thụ dễ dàng bởi các polyme vì các polyme thờng
hấp thụ các tia tử ngoại có bớc sóng nhỏ hơn 400 nm.
I.5.1. Các loại nguồn sáng thờng sử dụng
Có hai yếu tố chính để xác định sự lựa chọn nguồn sáng: sự phân bố của
nguồn sáng mà nó phát sóng và công suất của nó. Sự phân bố phải phù hợp với

Luận văn cao học

Nguyễn Anh Hiệp - CNVL 2006 - 2008

- 16 -

sự hấp thụ và hoạt tính của chất hoạt hoá, từ đó xác định dạng đèn sử dụng
[18].
Thông thờng, để tiến hành các phản ứng quang hoá hoặc kiĨm tra ®é
bỊn quang cđa polyme, ngêi ta thêng sư dụng nguồn sáng nhân tạo. Thiết bị
chiếu sáng phổ biến nhÊt lµ tđ xenon hay tđ khÝ hËu, chóng cã thể tạo ra nguồn
sáng giống ánh sáng tự nhiên nhng với cờng độ lớn gấp 10-20 lần. Xenon
đợc sử dụng vì quang phổ của nó phát ra giống ánh sáng tự nhiên chiếu lên
mặt đất.
Đèn huỳnh quang hay đèn thuỷ ngân phát ra bớc sóng nằm trong vùng
313-366 nm. Nguồn sáng đợc dùng phổ biến để khâu mạch quang là đèn thuỷ
ngân áp suất trung bình. Quang phổ của nó phát ra có thể chiếu sáng liên tục từ
248-278 nm với vạch cực đại ở 365,5 nm.
Trong một số ứng dụng đặc biệt chẳng hạn nh trong kỹ thuật vi điện tử,
tia laze đợc sử dụng để tạo nguồn sáng liên tục. Tia laze có thể cung cấp
nguồn năng lợng cùc lín tËp trung trong mét chïm hĐp do ®ã tốc độ khâu
mạch rất nhanh [19, 10].
I.5.2. Đặc điểm của một số nguồn sáng
Cờng độ và bớc sóng của một số nguồn sáng sử dụng phổ biến để
khâu mạch bằng phơng pháp quang đợc trình bày qua bảng sau [15]:
Bảng 4. Cờng độ và bớc sóng của một số nguồn sáng
Nguồn sáng
Đèn lọc Xenon
Đèn lọc thuỷ ngân
Đèn huỳnh quang
ánh sáng mặt trời
Đèn thuỷ ngân
ánh sáng Xenon
Tia laze (liên tục) Ar+

Tia laze (gián đoạn) ArF
KRF
XeCl
XeF

Luận văn cao học

Bớc sóng (nm)
>300
>300
280 ữ 370
>290

Cờng độ (w/m2)
50
30
30
30 ữ 50

>250
>250
351 ữ 363
193
248
308
351

5.105
10
104 ữ 106

3

10 11

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


- 17 -

I.6. Các yếu tố ảnh hởng tới sự khâu mạch quang
Tốc độ trùng hợp của sự nhạy quang phụ thuộc vào các thông số chủ yếu
sau đây:
- Khả năng hấp thụ tia tử ngoại và sinh ra các gốc hoạt tính của chất khơi
mào.
- Mức độ hoạt tính của các nhóm chức và nồng độ của nó trong hệ.
- Độ nhớt của hệ và cấu trúc của monome và oligome .
Mức độ trùng hợp, khâu mạch quang hoá phụ thuộc vào ba yếu tố chính
[20, 21]:
- Bản chất của khơi mào.
- Bản chất của monome và oligome.
- Các yếu tố thực nghiệm:
+ Cờng độ ánh sáng chiếu.
+ Chiều dày của màng.
+ Nồng độ monome và của các chất khơi mào trong hệ.
+ Sự có mặt của oxi trong hệ.
+ Nhiệt độ của môi trờng.
+ Độ dài bớc sóng.
I.6.1. ảnh hởng của chiều dày màng
Trong cùng một điều kiện, chiều dày màng ảnh hởng đến tốc độ khâu

mạch quang. Đối với hệ không bị ức chế bởi oxy không khí, ở một giới hạn
chiều dầy nhất định, tốc độ khâu mạch quang tăng khi độ dày màng tăng.
Ngợc lại, ở hệ bị ức chế bởi oxy không khí và hệ có bột mầu trắng, tốc độ
khâu mạch quang giảm khi độ dày màng tăng. Trong khi đó, khâu mạch quang
trong điều kiện khí N2, chiều dầy màng không làm ảnh hởng đến vận tốc khâu
mạch quang của hệ [22]. Ngời ta đà nghiên cứu và thấy rằng, ở những hệ bị ức
chế bởi oxy, khi có mặt của oxy, hiƯu øng néi läc (inner filter effect) ë mµng
dµy lµm hạn chế sự khâu mạch do sự kém hấp thụ ánh sáng tới của lớp bên

Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008


- 18 -

dới màng [1, 22]. ở những hệ này, ảnh hởng của chiều dày màng đến hằng
số vận tốc phân hủy chất khơi mào quang đợc trình bày nh sau [23]:
Log [PA]t / [PA] 0
0

Chiều dày
(m)
70

-1
55
35
6

9

14

43

24

-2
2

4

6

8

Thời gian chiếu (giây)
Từ góc nghiêng của đờng thẳng trên đồ thị có thể tính hằng số vận tốc
phân hủy chất khơi mào. ở một giới hạn chiều dày nhất định, hằng số vận tốc
phân hủy chất khơi mào tăng khi chiều dày màng giảm.
Hiệu ứng nội lọc với sự có mặt của chất khơi mào quang liên quan trực
tiếp đến sự hấp thụ A của màng theo phơng trình sau:
A = . l . [PA]
ε : HƯ sè hÊp thơ (l.mol-1. cm-1).
l : Chiều dày mẫu đợc ánh sáng truyền qua (cm).
[PA] : Nồng độ chất khơi mào (mol. l-1).
Phơng trình trên phù hợp với chiều dày màng mỏng, tăng chiều dày
màng sẽ làm giảm sự trùng hợp ở lớp bên dới, lớp này nhận đợc ít ánh sáng
hơn lớp trên bề mặt đợc tia UV chiếu trực tiếp.

Luận văn cao học

Nguyễn Anh HiÖp - CNVL 2006 - 2008