Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện có kích thước nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA H À NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
*********
ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT
CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO
MÃ SỐ: QT- 09-25
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: ThS. PHAN THỊ TUYÉT MAI
HẢ NỘ I-2010
5 Đ Ạ ĨH Ọ C QUỐC GIA H A N Ọ Ĩ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
•kjeft'k'k'k'k'kTk
ĐÈ TÀI NGHIÊN CÚL KIiOA IIỢC CÁP DẠI HỌC QLOC GIA HÀ NỌI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẶT LIỆU COMPOZIT
CHỬA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO
MÃ SÒ: QT- 09-25
CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: ThS. PHAN THỊ TUYÉT MAI
ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUNG TAM ĨHONG tin 1HƯ VIỆN
QOOéữOQOO f 9
Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25
MỞ ĐẦU
Vật liệu polyme compozit gia cường bàng sợi thuỷ tinh đã và đang được
ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do chúng có độ bền và mođun cao. Mặc dù
đã đạt được một số kết quả trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo polyme compozit,
việc khảo sát tìm mối tương quan giữa thảnh phần pha, cấu trúc, sự tương hợp,
cơ chế kết dính, tính chất cơ nhiệt, của vật liệu compozit còn thiểu hệ thống.
Ngoài ra, việc đánh giá độ bền cơ nhiệt trong môi trường khí hậu nóng ẩm đòi
hỏi phải dùng đến những phép đo cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc
biệt, cần nhiều thời gian và công sức. Việc chế tạo vật liệu thông minh có thể tự
cảm biến được quá trình lão hóa của vật liệu trước khi vật liệu hỏng hóc là một

giải pháp rất hữu hiệu để khắc phục tình trạng trên. Như ta đã biết, sự lão hóa,
rạn nứt của vật liệu chủ yếu gây ra do sự phá hủy bề mặt giữa các pha trong vật
liệu compozit. Sự phá hủy bề mặt pha này lại gây ra do ứng suất biến dạng trong
bề mặt pha ba chiều. Sự biến dạng này có thể đo được trực tiếp bằng cách đưa
vào hệ các hạt áp điện có kích thước nano như những trung tâm cảm biến. Từ đó
tạo cơ sở dễ dàng điều chỉnh thành phần vật liệu nhằm tạo ra các loại polyme
compozit bền vững trong môi trường ăn mòn và khí hậu nóng ấm. Việt Nam là
một quốc gia nhiệt đới, khí hậu nóng và ẩm. Đặc điếm khí hậu này ảnh hưởng
lớn đến độ bền của vật liệu nói chung và vật liệu polyme compozit nói riêng.
Polyme compozit là lựa chọn tốt nhất đe sán xuất vật liệu cho mọi công trình
dân sinh và quốc phòng trong tương lai. Do đó việc chế tạo, nghiên cứu nhằm
cải thiện tính chất cơ nhiệt, độ bền kết dính của vật liệu compozit sử dụng trong
môi trường nóng ẩm, môi trường dễ bị ăn mòn như nước biển là đề tài có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn rất cấp thiết.
Đe thực hiện được ý tưởng trên trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành
“Nghiên cứu chê tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện có kích thước
nano”.
1
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I. TỒNG QUAN VÈ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

5
1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT (PC) 5
1.1.1 Lịch sử phát triển 5
1.1.2. Khái niệm về vật liệu PC 5
1.1.3. Thành phần của vật liệu PC 5
1.1.3.1. Nhựa nền epoxy 6
1.1.3.1.1. Nhựa nhiệt rắn 6

1.1.3.1.2. Nhựa nhiệt dẻo 8
1.1.3.2. Chất gia cường 7
1.1.3.2.1. Chất gia cường dạng sợi
9
1.1.3.2.2. Chất gia cường dạng bột 9
1.1.4. Đặc điểm, tính chất của vật liệu PC 10
1.1.4.1. Đặc điểm 10
L 1.4.2. Tính chất 10
1.1.5. Các phương pháp gia công
.,10
1.1.6 . Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC 11
I.2.VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN NH ựA EPOXY GIA CƯỜNG
SỢI THỦY TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN NANO

12
1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 12
1.2 .2.Tình hình nghiên cứu ngoài n ư ớ c 12
1.2 .3.Thành phần 14
1.2.3.ỉ.Nhựa nền ep o xy 14
1.2.3.2.Chẩt đóng ran nhựa epoxy
15
1.2.3.3.Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy
16
1.2.3.4.Đặc điểm của nhựa epoxy 17
I.2.4.Sợi thủy tinh 17
1,2.5, Vật liệu perovskite BơTìOị 18
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 21
II. 1 NGUYÊN LIỆU ĐÀU
21
11.2. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO POLYME COMPOZIT

21
11.2.1.Phản ứng ghép silan lên bề mặt hạt nanoBaTiOs
22
11.2.2.Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh
22
11.2.3. Vật liệu PC nền nhựa epoxy chứa hạt nanoBaTi03

22
11.2.4.Ghép hạt nanoBaTi03 lên bề mặt sợi thủy tinh
22
11.2.5. Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt
nanoBaTi03 23
II .3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN TÍNH CHÁT CỦA VẬT LIỆU PC

23
11.3.1. Độ bền kéo 23
11.3.2. Độ bền uốn 23
11.3.3. Khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu
24
11.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

24
11.3.5. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA 24
11.3.6. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC 24
11.3.7. Phương pháp đo hằng số điện môi DEA 24
CHƯƠNG III. KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
24
III. 1.CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN NH ựA EPOXY
GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH

25
III. 1.1 .Nen polyme và chế độ gia công 25
III. 1.2.Tính chất cơ học của compozit nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy
tinh 26
111.2.CHÉ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN NHựA EPOXY
CHỨA HẠT NANO - BaTiOj 27
III.2.ỉ. Ghép silan lên bề mặt hạt nano- BaTi03

27
111.2.1.1. Đặc trưng phổ hồng ngoại FTIR 27
111.2.1.2. Phân tích nhiệt TGA 29
111.2.2. Vật liệu composit nền nhựa epoxy chứa hạt áp điện nano
BaT i03 30
____________
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG — QT-09-25
____________
3
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
111.2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanơ đến khả năng phần tán trong
nền nhựa epoxy

.
31
111.2.2.2. Anh hưởng của sự biến tính bề mặt bằng hợp chắl y-APS đen
phản ứng đóng rắn của hệ compozit nơ no Ba TiOj/epoxy

31
111.2.2.3. Anh hưởng của sự biến tính bể mặt hạt nano BaTiOỉ bâng hợp
chai ghép noi y-APS đến độ chuyến hóa 34
111.2.2.4. Tính chât nhiệt cùa vật liệu compozit

36
111.2.2.5. Tỉnh chắt điện môi của vật liệu compozit
37
III.3. CHÉ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN NHựA EPOXY GIA CƯỜNG
BẰNG SỢI THỦY TINH CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC
NAN O


38
111.3.1. Ghép hạt áp điện nano BaTi03 lên bề mặt sợi thủy tinh

38
111.3.2. Nghiên cứu chế tạo composit nền nhựa epoxy gia cường bàng sợi
thủy tinh chứa các hạt áp điện nano BaTi03 39
111.3.2.1. Tính chất cơ học


39
111.3.2.2. Tỉnh chất n hiệt 40
III.3.2.3. Tịnh chất điện m ô i 40
CHƯƠNG IV KÉT LUẬN 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
4
Báo cáo nghiệm thu để tài cấp ĐHQG - QT-09-25
CHƯƠNG I. TỐNG QUAN VÈ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
1.1 LÝ THUYẾT CHƯNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
1.1.1 Lịch sử phát triển.
Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành
nền văn minh của nhân loại [1]. Nhưng việc chế tạo vật liệu polyme compozit

(PC) mới được thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây. Mục đích chế tạo vật liệu
PC là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có
được. Như vậy, có thê chế tạo vật liệu compozit từ những cấu tử mà bản thân
chúng không thê đáp ứng được các yêu cầu đoi với vật liệu.
1.1.2. Khái niệm về vật liệu PC.
Vật liệu PC là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là
polyme. Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác vật liệu PC được phân thành các
loại [2]:
- Vật liệu có phụ gia phân tán
- Vật liệu được gia cường bằng sợi ngắn
- Vật liệu được gia cườna bàng sợi liên tục
- Vật liệu độn khí hay xốp
- Vật liệu là hỗn hợp polyme-polyme
1.1.3. Thành phần của vật liệu PC.
Vật liệu PC nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là nền và
chất gia cường, ngoài ra còn có một số chất khác như chất mầu, phụ gia chống
dính, chất chống cháy
5
Báo cáo nghiệm thu để tải cấp ĐHQG - QT-09-25
Đối với vật liệu PC, khả năng liên kết của các thành phần với nhau là rất
quan trọng. Vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết với nhau càng chặt
chẽ.
1.1.3.1. Nhựa nền.
Nhựa nền là pha liên tục, đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử gia
cường thành một khối compozit thống nhất, che phú, bảo vệ tránh tác động của
môi trường bên ngoài đồng thời truyền ứng suất lên chúng. Không những thế,
nhựa nền còn tạo khả năng để gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo
thiết kế.
Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà
còn đến các đặc tính sử dụng của compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối

lượng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trường bên ngoài Do vậy, nhựa
nền cần đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được sự kết hợp về hoá học với vật
liệu gia cường.
- Có khả năng biển dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy
ra do co ngót thể tích.
- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường được đùng để chế tạo
vật liệu compozit theo ý muốn.
- Ben môi trường ở các điều kiện sử dụng cúa vật liệu PC.
- Giá thành phù hợp [2, 3].
Trên thực tê có rất nhiều hệ nhựa được dùng làm nền cho vật liệu compozit.
Chúng có thế là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo.
1.1.3.1.1. Nhựa nhiệt ran.
Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóna, (có
hoặc không có xúc tác). Sản phẩm sau đóng ran có cấu trúc không gian không
6
Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25
thuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hoà tan. Nhìn chung nhựa
nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
Một số nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ
compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy
a. Nhựa phenolfomandehyt.
Nhựa phenolfomandehyt (phenolic) là nhựa nhiệt ran thuộc loại lâu đời
nhất và được hình thành từ phản ứng trùng ngưng của phenol với fomandehyt.
Nhựa này có tính chống cháy rất tốt, tính dẫn nhiệt thấp và tính cách điện rât cao
nên được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau. Tuy nhiên, khả năng chịu
bazơ không tốt. Mức độ co ngót của nhựa phenolic khi đóng ran khoảng 8-^10%
b. Nhựa polyeste không no.
Polyeste không no (PEKN) là một trong những loại polyme quan trọng nhất
của vật liệu polyme compozit. Nhựa này được biết đến từ những năm 1936 và

được điều chế từ phản ứng este hoá các dicacboxylic axit không no với các diol
thấp phân tử. Ngay từ khi ra đời. nhựa PHKN đã có ứng dụne. rộng rãi trong vật
liệu PC có chất lượng trung bình bới các đặc tính tôt như: khối lượng nhẹ. có
khả năng đóng rắn ngay ở nhiệt độ thường nhưng có nhược điểm là độ co ngót
lớn (4-^7% về thể tích) và khả năng chịu môi trường hoá chất không cao [4],
c. Nhựa epoxy.
Nhựa epoxv được chế tạo từ năm 1938 và ngàv nay chu yếu được sử dụne
làm nhựa nền cho vật liệu PC chất lượng cao. Nhựa này được hình thành từ phản
ứng ngưng tụ epyclohydrin và polyhydroxyl. Trạng thái tồn tại của nhựa thay
đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng ran tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử.
Trước khi đóng rắn. nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trờ
thành nhiệt răn sau khi đã xảy ra phản ứna khâu mạch với các chất đórm rẳn chất
đóng rắn ờ đây có thể là amin mạch thãng, amin thơm và các anhydrit Do đó.
7
Báo cáo nghiệm thu đế tài cấp ĐHQG - QT-09-25
tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại chât
đóng rắn nào. Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hoá chất rất tốt và khả năng
bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no. Đặc biệt độ co ngót của nhựa này
rất nhỏ: 0,25+2% [4, 5].
1.1.3.1.2. Nhựa nhiệt dẻo [5].
Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư
nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp. Ưu
điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo
dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá
trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ 2
Nhược điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được
nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nền poỉyme nhiệt déo đang được quan tâm nghiên cứu
do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng. Hiện tại chúng
chưa được ứng dụng nhiều như nhựa nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ
vượt nhựa nhiệt rắn.

Một số nhựa nhiệt dẻo thường được dùng làm nền cho compozit:
polyetylen, polypropylen
1.1.3.2. Chất gia cường.
Chất gia cường đóng vai trò chịu ứng suất tập chung trong vật liệu, làm
tăng đáng kê độ bền của vật liệu, cấu trúc, hàm lượna. hình dáne và kích thước,
tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng
ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng eia công của vật
liệu. Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất
hoá học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường. Liên kết
bền được tạo thành khi giữa chất gia cườnẹ và nền polyme xuất hiện những liên
kết hoá học hay lực bám dính [3],
8
Báo cáo nghiệm thu để tài cấp ĐHQG - QT-09-25
Trong vật liệu compozit xét về mặt sắp xểp thì chất gia cường phân bô
không liên tục. v ề mặt bản chất, chất gia cường có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào
tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo. Hình dáng, kích thước, hàm lượng
và sự phân bổ của chất gia cường là những yếu tố có ánh hường mạnh đến tính
chất của compozit [3].
Sự định hướng của sợi gia cường trong vật liệu compozit là một yêu tô rât
quan trọng trong thiết kế vật liệu compozit nhàm đạt những tính chất mong
muốn. Một số ứng dụng chỉ yêu cầu độ bền cao theo một hướng, số khác lại đòi
hỏi vật liệu có độ bền cao theo nhiều hướng khác nhau. Một trong những ưu
điểm của vật liệu compozit là với phương pháp gia công thích hợp bằng việc
điều chỉnh hướng sợi có thể điều chỉnh được tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá
trị tối ưu theo một hướng hay nhiều hướng như yêu cầu [6 ].
Hiện nay, đê giảm thiêu ô nhiêm môi trường, các loại chât gia cường dạng
tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm. Rất nhiều các loại sợi tự nhiên
được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử tý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường
cho compozit. Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngô. tre. gồ [7],
Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi.

1.1.3.2.1. Chất gia cường dạng sợi.
Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có
độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột. Việc lựa chọn
loại sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi. Để sử dụng
làm chất gia cường sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao. tý trọn£ thấp Vật
liệu PC gia cường băng sợi lai tạo là loại vật liệu mới trona đó chất eia cường
gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác nhau. So với PC gia cườna bằng sợi thông
thường, PC gia cường bàng sợi lai tạo kết hợp được nhiều tính chất của các loại
sợi nên có các đặc tính tương đối tốt.
9
Báo cáo nghiệm thu đế tải cấp ĐHQG - QT-09-25
Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài,
vải ) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mat ). Một số cốt dạng sợi thường được
sử dụng: sợi cac bon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sơi tre, sợi dừa
1.1.3.2.2. Chất gia cường dạng bột.
Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trò chất gia cường, vừa đóng vai
trò chất độn. Bản chất hoá học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa bề
mặt hạt và nền quyết định khả năng gia cường của chúng: làm tăng độ cứng,
giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá,
quang Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều. phân tán tốt.
có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp
lý, dễ kiếm.
Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ,
mica, bột talc, diôxit silic, ôxit nhôm, hydroxit nhôm [8].
1.1.4. Đăc điểm, tính chất của vât liêu PC.
• > mm
1.1.4.1. Đặc điểm.
PC là vật liệu nhiều pha, các pha này thường khác nhau về bản chất,
không hoà tan lan nhau và phân cách nhau băng bê mặt phân chia pha. Trong
thực tể, phô biển nhất là PC hai pha: pha liên tục (nền) và pha phân tán (cốt).

Trong compozit thì hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền
và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước.
1.1.4.2. Tính chất
Tính chất của vật liệu PC chính là sự tổ hợp tính chất của các thành phần
khác nhau có mặt trong vật liệu. Tuy nhiên tính chất của compozit không bao
hàm tất cả các tính chất của các cấu tử thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà
chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.
10
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG — QT-09-25
Mặc dù nhẹ, bền, chịu môi trường tốt, dễ lắp ráp và thuộc loại vật liệu
“mềm dẻo” nhưng tính chịu nhiệt vẫn là yếu điểm cúa vật liệu PC so với kim
loại hay gốm [2].
1.1.5. Các phương pháp gia công.
Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu. Các
thông số của quá trình gia công như: áp suất, nhiệt độ cũng như thời điêm gia
nhiệt là rất quan trọng đối với từng loại vật liệu.
Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép bàng tay, ép nóng trong
khuôn, đúc kéo, quấn
1.1.6. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC.
Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC là hết sức phong phú, từ
những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp cho đến
những chi tiết và kết cấu phức tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu
vũ trụ. Những ứng dụng quan trọng của vật liệu PC có thể quy về bốn lĩnh vực
chính sau:
- Việc dùng vật liệu PC trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông
trên mặt đất đã đem lại những hiệu quả: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên
liệu, giảm chi phí sản xuất, tăng độ chịu ăn m òn
- Vật liệu PC được sử dụng cho các kết cấu: boong tàu. cột buồm, thùng
chứa, phao trong công nehiệp đóng tàu đản dụna hav quân sự do chủng
phối hợp được nhiều tính chất đặc biệt: độ bền riêng lớn. tuổi thọ cao, bền

hoá, cách điện, độ dẫn nhiệt thấp
- Sử dụng vật liệu PC trong chế tạo máy bay và tàu vũ trụ có ưu điểm
chính: hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm
được tiêu hao năng lượng, tăng khối lượna vận chuyến và tầm bay xa.
11
Báo cáo nghiệm thu đế tài cấp ĐHQG - QT-09-25
- Trong các công trình xây dựng, vật liệu PC được sử dụng khá rộng rãi đê
làm các mái nhà vòm có kết cấu và kích thước khác nhau. Ở Việt nam, từ
năm 1995 đã chế tạo được các nhà vòm bằng vật liệu PC để bảo vệ máy
bay chiến đấu [2],
1.2. VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN NHựA EPOXY GIA CƯỜNG
SỢI THỦY TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay ở Việt Nam tại các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu như
Viện nghiên cứu về khoa học vật liệu (ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà
Nội), khoa Vật lý kĩ thuật và Công nghệ nano (Trường ĐH Công nghệ, ĐHQG
Hà Nội), Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Khoa hóa học thuộc trường
ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã có nhiều nghiên cứu chế tạo vật liệu
áp điện ở dạng màng mỏng, dạng hạt nano, nhưng chủ yếu để sử dụng trong các
hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems-MEMS), các thiết bị
mô phỏng sinh học .Việc đưa hạt áp điện vào như các trung tâm cảm biên trong
nền một vật liệu khác đến nay gân như chưa được nghiên cứu.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay vật liệu polyme compozit được quan tâm nghiên cứu rất nhiều
trong lĩnh vực sử dụng như các vật liệu chức năng (functional material) hay vật
liệu thông minh (smart material). Các vật liệu này kết họrp tính mềm dẻo của nền
polyme với các tính chất đặc trưng của chất độn. Ví dụ như compozit của
polyme với các chất độn dẫn điện như sợi cacbon [9-10] có thể được sử dụng
làm các vật liệu cảm biển biến dạng, cảm biến nứt gãy hay cảm biến nhiệt độ.
Việc tạo nên các vật liệu có khả năng tự cảm biến này sẽ làm giảm thiểu việc

phải sử dụng các sensor để đánh giá hoặc đo các tính chất của vật liệu. Nhờ đó
có thể giảm được chi phí sử dụne, đồng thời lại có thê tãne cường được độ bền
của vật liệu, đặc biệt là độ bền cơ học. Các vật liệu có khả năng tự cảm biến như
trên được xếp vào loại vật liệu thông minh, dựa trên khả năng tự cảm nhận và
đáp ứng lại một tác động nào đó, tương tự như cơ thể con người. Vật liệu thông
12
Báo cảo nghiệm thu đề tải câp ĐHQG - QT-09-25
minh có một số nét chung là nhạy cảm với một số tham biến cúa môi trường như
nhiệt độ, độ truyền nhiệt, truyền điện, truyền âm thanh, phản xạ và chúng có
khả năng phản ứng với các tham biến đó, do vậy có được một tổ hợp thiết bị dò
tìm, ghi nhận sự thay đổi của môi trường hay đặc tính của vật liệu, một hệ thống
xử lý dữ liệu cho phép tạo ra phản ứng ở vật liệu.
Vật liệu gốm áp điện từ trước đến nay vẫn được xem là các sensor đo biến
dạng rất tốt. Tuy nhiên do độ cứng và độ giòn cao, khi các sensor làm bàng vật
liệu này được gắn trên bề mặt các vật liệu như polyme sẽ tạo ra sự không tương
thích và làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học của toàn hệ và do đó sẽ làm giảm
độ chính xác của phép đo. Một giải pháp được đưa ra là đưa vật liệu áp điện này
vào trong long vật liệu cần đo (polyme). Các compozit này vừa giữ được khả
năng cám biến của vật liệu áp điện vừa đảm bảo được tính tương thích với nền
vật liệu xung quanh [16].
Có nhiều cách đe tạo compozit giữa polyme và vật liệu áp điện. Vật liệu áp
điện có thể được đưa vào dưới dạng sợi, dạng thanh (độ nối kết 1-3) hoặc dạng
hạt (độ nối kết 0-3) phân bổ trong nền polyme. Tuy dạng 1-3 có tính chất áp
điện tốt hơn, nhưng quy trình chế tạo lại phức tạp và đắt tiền. Dạng 0-3 ngược
lại dễ tạo hơn, có chi phí thấp hơn và dễ tạo thành dạng màng móng hơn. Để
tăng cường sự kết dính aiữa các hạt áp điện với polyme, cần phái cùng các tác
nhân xử lý bề mặt ví dụ như các tác nhân tạo liên kết (coupling agent) đế chức
hóa các hạt áp điện hoặc các chất hoạt động bề mặt để chống sự kểt tụ của các
hạt áp điện. Các chất hoạt động bề mặt được dùng có thể là phosphat este. và các
tác nhân tạo liên kết có thể là các hợp chất silan như KH550[9], APTS (3-

amino-propyl-triethoxysilane)[18].
Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ áp điện/polymer compozit đế ứng dụng
làm các thiết bị nghe dưới nước (hydrophone), vật liệu phát sóng âm (acoustic
emission), trong các thiết bị y tế như đầu đò siêu âm [19-20], Nhưng việc biến
các vật liệu này thành các sensor đê đánh ẹiá quá trình lão hóa cua chính vật
liệu,
từ đó đưa ra các giải pháp ngăn chặn và khăc phục là một V tương tươns.
Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25
đối mới, không chỉ có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ vật liệu mà còn có ý
nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu điều chỉnh và tạo ra các tính chât tôt cho
vật liệu.
Cho đến nay, vật liệu polyme compozit chứa các hạt BaTi03 được sử dụng
làm các trung tâm cảm biến mới chỉ có một vài nhóm tác giả trên thế giới quan
tâm nghiên cứu trên cơ sở nền polyamide, nhựa epoxy, hay eompozit sợi thủy
tinh/epoxy, PVDF, P(VDF-TrFE) copolymer [11,12,21,22]. Các kết quả khoa
học chỉ tập trung nghiên cứu đưa ra các tham số liên quan đến tính chất điện môi
khi đưa các hạt áp điện vào sử dụng trên các nền polymer [13,14,15], Đây là một
tham số quan trọng nhất trong quá tình nghiên cứu đưa các hạt áp điện vào sử
dụng trên nền polymer compozit làm các trung tâm cảm biến. Chính vì thế, các
thông số nghiên cứu sự biến đổi các tính chất cơ lý của polymer khi đưa các hạt
áp điện vào làm trung tâm cảm biến chưa được cône bố một cách chính thức.
1.2.3. THÀNH PHẦN
1.2.3.1. Nhựa nền epoxy.
Nhựa epoxy được chế tạo từ năm 1938 và ngày nay chủ yếu được sử dụng
làm nhựa nền cho vật liệu PC chất lượng cao. Nhựa này được hình thành từ phản
ứng ngưng tụ epyclohydrin và polyhydroxyl. Trạng thái tồn tại của nhựa thay
đổi từ dạng lỏng, lỏng nhót đến dạng rắn tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử.
Trước khi đóng rắn, nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trở
thành nhiệt rắn sau khi đã xảy ra phản ứng khâu mạch với các chất đóng rắn.
Chất đóng rắn ở đây có thể là amin mạch thăng, amin thom và các anhydrit Do

đó, tính chất của nhựa epoxy thay đôi rất lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại
chất đóng ran nào. Epoxy có độ bền cao. chịu môi trườna hoá chất rất tốt và khả
năng bám dính sợi tôt hơn hăn polyeste không no. Đặc biệt độ co ngót của nhựa
này rất nhỏ: 0,25^2% [23,24].
Khoảng 25 năm trở lại đây sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng từ
30000 tấn/ năm lên 1 triệu tấn/ năm. Epoxy - dian chiếm 90-92% tổng sản lượng
14
Báo cáo nghiệm thu dề tải cấp ĐHQG - QT-09-25
epoxy. Khoảng 25% trong số đó được dùng làm chất kết dính cho vật liệu
compozit độ bền cao.
Nhựa epoxy - dian được tạo thành từ phản ứng ngưng tụ dị thê giữa
epiclohidrin (EP) và diphenylol propan (bis phenol A), đó là các phản ứng nôi
tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2,3,4 Công thức tông
quát của nhựa epoxy đian có dạng:
h2c—ch—ch2—o
V
■c—(\ /)— O—ch2—hc—h2c —o
OH
ch3
CH
3
\ — i _ r ° - HCỹ CH2
CH,
Hình 1: cấu trúc phân từ epoxy
Nguyên nhựa epoxy là nhiệt dẻo không thể tự nó chuyển hóa sang trạng
thái không nóng chảy, không hòa tan được. Cũng có phần tương tự như cao su
sau khi lưu hóa, nhựa epoxy sau khi đóng rắn sẽ trở thành những phẩm vật đàn
hồi, bền và có nhiều tính chất đặc biệt.
1.2.3.2. Chất đóng rắn nhựa epoxy
Chất đónz rắn amin thơm

Chất đóng rắn amin thơm ỉà chất đóng ran có họat tính thấp nhất trong các
chất đóng rắn amin, do đó chi đóng rắn ở nhiệt độ cao. trong khoảng thời gian
dài. Quá trình đóng rắn xảy ra rất chậm và chỉ có khả năng xảy ra ở nhiệt độ cao.
Nhựa epoxv đóng răn băng amin thơm có nhiệt độ hóa thuy tinh và độ bên hóa
chất rất cao. Khi đóng rắn ở nhiệt độ cao thì màng sơn chịu nhiệt, bền cơ học và
cách điện tốt hơn là đóng rắn bằng amin mạch thẳng ở nhiệt độ thường.
Các chất đóng rắn amin thơm quan trọng gom có: m - phenylendiamin
(MPD); 4,4 -diaminodiphenylmetan (DDM); 4,4 - diaminodiphenylsunfon
(DDS).
Ở nhiệt độ thường, các amin thơm này đều ở dạng rắn. có nhiệt độ nóng
chảy khá cao nên khó trộn hợp với nhựa epoxy. (MPD có Tnc bằng 63°C; DDM
có Tnc khoảng 90°C; DDS có Tnc bằng 170-180°C).
Do có tính bazơ thấp hơn amin thắng, ở nhiệt độ thường phản ứng đóng
rắn epoxy - amin thơm xảy ra rất chậm, hầu như không có sự tòa nhiệt và chi
tiêu hao 30% nhóm epoxy. Ở trạng thái này hỗn họp dạng rắn có khá năng bị
hòa tan, chảy mềm và duy trì được 4 tuần. Tuy nhiên phán ứng có thê được xúc
tiến bởi các ancol. phenol, axit Lewis (BF3). bazơ Mannich và octoat thiếc.
Phản ứng đóng răn epoxỵ băng amin thơm chi xảy ra hòan toàn ở nhiệt độ cao,
cao hơn nhiệt độ hóa thủy tinh của hệ epoxy - amin thơm.
15
Báo cáo nghiệm thu đé tài cấp ĐHQG - QT-09-25
Khi đóng rắn bằng amin thơm, nhựa epoxy có nhiều ưu điêm hơn so với
amin thẳng:
- Có thời gian sống dài hơn (ở nhiệt độ thường)
- Có tính chất cơ lý cao hơn
- Độ bền hóa chất trội hơn hẳn
- Đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao hơn, nói cách khác là có nhiệt độ Tg
cao.
Đặc điểm của nhựa epoxy đóns rắn với P P M
Vật liệu ép đúc từ nhựa epoxy và DDM có độ bền cơ học cao, khả năng

duy tri tính cách điện ở độ ẩm cao nên được sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử.
I.2.3.3. Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy
Phản ứng đóng ran nhựa epoxy là một phản ứng cộng, do đó lượng chất
đóng rắn phải được tính toán chính xác. Lượng đóns rắn thừa hoặc thiếu sẽ cho
màng đóng răn không tôt, với tính chát cơ lý kém, chịu dung môi yếu.
Trong thực tế, lượng chất đóng rắn dùng thường gần đúng, Khi lượng amin
hơi thừa màng sẽ chịu nước và dung môi kém nhất, nếu lượng chất đóng rắn hơi
thiếu thời gian sống sẽ dài hơn. Nhìn chung nhóm epoxy thừa ít nguy hiểm hơn
là thừa nhóm amin.
Nhóm epoxy rất nhạy với các chất có chứa hiđro hoạt tính ở nhiệt độ thường
như amin. axii phenol và tiol. Các chất này mở vòng epoxy tạo thành nhóm
hiđroxyl, nhóm này có thể phản ứng với các nhóm epoxy khác.
Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ
biến nhất và đươc ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy. Phản ứng đóng rắn
bằng amin có thể có hoặc không có xúc tác.
Trong đa số trường họp, phản ứng xảy ra không có xúc tác. nhờ nguyên tứ
hydro linh đông ở nhóm amin cộng hợp vào oxy epoxy. tạo thành nhóm
hydroxyl bậc 2 .
Amin bậc 2 mới hình thành này có khả năng phản ứng tiếp tục với nhóm epoxy
khác
/ ° \
—CH2 c v/wv
OH
ư\í\r\ c
H
CH2 + H N

H
H
H

OH
.0.
, C H 2 — C H ^ W
vA/VX 0
H
/
I
H
H
'CH2—CH-rưv
0H
16
Báo cáo nghiệm thu đẻ tài cấp ĐHQG - QT-09-25
Tùy từng điều kiện, các amin bậc 3 có thể khởi đầu trùng hợp nhựa epoxy.
Các nhóm hydroxyl bậc 2, ở nhiệt độ thường không phản ứng với nhóm epoxy
nhưng cố thể xúc tiến đáng kể phản ứng giữa amin và nhóm epoxy.
Phản ứng giữa amin và epoxy là phản ứng không xúc tác.
Song song với phản ứng epoxy - amin. xảy ra phán ứng ete hóa giữa nhóm
epoxy và nhóm hydroxyl trong sản phẩm trong một sổ điều kiện nhât định:
A „ k3
/W'CH

CH2 + kA/\CH'/v'

► ^w\CH—CH,—o—CH-'W'-
I 1 . I
O H O H <
/ ° \ k3'
.nn/'CH

CH2 + H—o—R— *- >AAACH—CH2 — o R
OH
Phản ứng ete hóa là phản ứng xúc tác của nhóm hydroxyl và amin bậc 3.
1.2.3.4. Đặc điểm của nhựa epoxy [25,26,27],
ưu điểm
Nhựa epoxy có rất nhiều ưu điếm và được sử dụng rộng rãi đế chế tạo
compozit có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại chất gia cường, tiện
lợi khi xứ lý công nahệ, tạo dáng các kết cấu và có thẻ eiữ lâu ớ trạng thái chưa
đóng rắn nên thuận lợi cho việc chế tạo kết cấu compozit và các bán thành
phẩm. Quá trình đóng rắn nhựa epoxy có dải nhiệt độ rộng và không kéo theo
việc thoát ra các chất dễ bay hơi, độ co ngót thấp, bền với tác động của nhiều
loại dung môi và những môi trường độc hại, độ hút âm thấp.
Nhươc điêm
Nhược điểm của nhựa epoxy là chịu nhiệt tương đối thấp. Đặc trưng cơ
học của nhựa epoxy bị giảm đi rất nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuv tinh
của polyme.
1.2.4. Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh
dệt), có đườne kính nhó vài chục micromét. Khi đó các sợi này sẽ mất những
nhược điếm của thúy tinh khối như: aiòn. dề nút 2,ãy. mà trờ nén có nhiều ưu
điếm cơ học hơn. Thành phân của thủy tinh dệt có thê chứa thêm những khoáng
chất như: silic, nhôm, magiê Tạo ra các loại sợi thúy tinh khác nhau như: Sợi
thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm
lượng kiềm cao), sợi thủy tinh c (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thúy
tinh s (độ bên cơ học cao). Loại sợi thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác
thường ít (chiêm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.
17
ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘM
TRUNG TAM t h õ n g tin ĨHƯ v ệ n
0

0 0 6 0 0 0 0 0 ^ 3
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
1.2.5. Vật liệu perovskite BaTi0 3
Cẩu trúc văt liêu BaTiOí
m —■ rj_
Một trong các hợp chất quan trọng của nhóm perovskite là BaTiCV Đây
là chất áp điện đầu tiên thu được dưới dạng gốm và có hàng sổ điện môi lớn nên
được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các điện trở nhiệt, và các thiết bị quang
điện [
20].
Bari titanat có hai dạng thù hình chính. Dạng lục phương không có tính áp
điện (nhóm đôi xứne PAmm. a - 3.994 Ả. c =4.034 Ả) và dạng lập phương có
tính áp điện (nhóm đối xứng Pni-3m. a = 4.0177 Ấ). Tuỳ thuộc vào điều kiện
tổng họp mà có thể thu được các dạng cấu trúc khác nhau của perovskite
BaTi03.
Một điều đặc biệt nữa là cấu trúc perovskite có thể tạo thành dung dịch
rắn thay thế với nhau trong một giới hạn rất lớn. Ví dụ: PbTi03, SrTi03,
BaZrƠ3, BaSnƠ3. KNbOí, có thể tạo thành dãy dung dịch rắn không hạn chế với
BaTi0 3 - Sự thay thế Ba2+, Ti4+ trong bari titanat bằng các cation hoá trị hai và
bằng Zr4+ có thể cải thiện nhiều tính chất vật lý của gốm áp điện bari titanat.
Gốm PZT (PbZr03) là một loại dung dịch rắn như vậy. Ở đây. Pb2+ thay thế Ba
còn Zr4+ thay thế Ti4+ [21].
2+
Hĩnh 2. Tế bào mạng BũTìOị (câu true cubic).
Hiệu ứns áp điện
Vật liệu áp điện là vật liệu có khả năng tạo ra một áp điện ( dòne điện) dưới
tác dụng của một ứng suất cơ học (kéo hoặc nén) làm biến đôi kích thước của
vật liệu (hiệu ứng áp điện thuận, xem hình 3). Naược lại. tác động của điện
trường sẽ tạo nên một biến dạng cơ học cua vật liệu (hiệu ứng áp điện nghịch).
18

Báo cáo nghiệm thu dề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
Electrical Current O ff Electrical Current O n
Hình 3. Hiệu ứng áp điện thuận. Sự biến dạng dưới tác động của điện trường
Các vật liệu áp điện đều có chung một đặc điểm là có cấu trúc bất đối
xứng. Hiệu ứng áp điện có thể thấy trong các vật liệu vô cơ như thạch anh
(S1O2), BaTiÓ3, PZT, oxit kẽm, (ZnO), nhôm nitrid (A1N), hay trong các vật liệu
hữu cơ như polyvinilydene difluoride ((CH2F2)n hay PVFi) và thậm chí trong
các đối tượng sinh học như tóc và xương.
ửns duns của vât liêu BaTiOĩ
Các vật liệu BaTiƠ3 PZT, ZnO là các vật liệu áp điện được sử dụng phố
biến nhất. Dựa vào hiệu ứng thuận và nghịch của các vật liệu áp điện, người ta
có thể chế tạo ra các cảm biến dùng trong nhiều lĩnh vực như: cảm biển thu phát
sóng siêu âm trong các máy dò độ sâu sông biên, dò khuyêt tật trong kim loại và
bê tông, máy liên lạc trong các tàu ngầm, máy phát điện và xác định tọa độ của
các đối tượng di chuyến trong nước, các thiết bị khám và điều trị bệnh, các ngòi
nổ áp điện, dùng làm các bộ lọc tần số trong vô tuyến, bộ nhớ trong các máy
tính. Ngoài ra, hiện tượng áp điện còn được ứng dụng rộng rãi đê phục vụ cho
cuộc sống hàng ngày như trong bật lửa. các cảm biến, máy siêu âm. bộ phận
phun mực in trong máy in, động cơ piezo
Vật liệu BaTiƠ3 được sử dụng trong nhiều ứng dụng dân dụng. Dựa vào
trạng thái tồn tại cúa vật liệu, chúng ta có thể chia ra làm hai nhóm chính: vật
liệu dạng bột và vật liệu dạng lớp màna mong
a). Dưới dang bôt
Do sự phát triển của kỹ thuật tông họp vật liệu và yêu cầu thực tiễn, các hạt
BaTi03 được tổng hợp với kích thước hạt ngày càng nhỏ, cho đến nay nó đã đạt
được đến kích cỡ khoảng chục nanomet. Nó làm đối tượng đê sản xuất các lớp
mỏng để chế tạo các thiết bị điện tử, điện tử hiệu năne cao. Hạt áp điện BaTiOj
ở kích cỡ nanomet được phân tán trone nền polime đê chế tạo các sensơ cảm
19
Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

biến nhiệt hoặc khí. Với loại hạt có kích cỡ mao quản trung bình (mesoporeous)
nó còn được sử dụng để làm vật liệu xúc tác.
b). Dưới dang lớp mỏng
Vật liệu BaTiƠ3 được nghiên cứu chủ yếu để sử dụng trong các hệ thống vi
cơ điện tử ( Micro ElectroMechanical - MENS ); chế tạo tụ điện cho bộ nhớ
máy tính: bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DRAM ( Dvnamic Random Access
Memory ), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên FRAM (1-erroelctric Random Access
Memory) và RAM điện tử sẳt từ không dề thay đổi NVRAM (Non Volatile
Random Access Memory).
Bên cạnh đó nó còn được sử dụng làm các vách ngăn cho các lóp màng
phát quang được sử dụng trong các thiết bị quang điện, sử dụng làm lóp điện
môi (do có độ thấm điện môi, điện áp đánh thủng rất cao) trong công nghệ chế
tạo tụ điện gồm nhiều lớp ( MLC - Multilayer Ceramic Chip capacitor ).
Do có hiệu ứng nhiệt điện trở, nên nó còn được sử dụng để chế tạo các điện
trở nhiệt.
Một trong những ứng dụng của vật liệu màng BaTi03 có tính áp điện xếp
xen kẽ trên nền các polime có thể được sử dụng trong tương lai để sản xuất các
vật liệu sinh y học (biomedical).
20
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u
II. 1 NGUYÊN LIỆU ĐẰƯ.
II.l.l. Nhựa epoxy DGEBA
- Tên: DGEBA Epon 828 (Diglycidyl ether of Bisphenol A)
- Xuất xứ: Sell Chemicals. Co, Mỹ
- Khối lượng phân tử trung bình: Mn = 385 g/mol; dạng lỏng
- Khối lượng riêng: 1,16 g/cm3
II.1.2. Chất đóng rắn DDM
- Tên: DDM (Diamino diphenyl metan)
- Xuất xứ: Fluka.Co,
- Khối lượng phân tử trung bình: Mn 198.27 g/mol; dạng rắn

- Hàm lượng: 97%
- Khối lượng riêng: 1,16 g/cm3
- Nhiệt độ nóng chảy: 110°c
Cấu trúc phân tử của nhựa epoxy và chất đóng rắn được trình bày trong hình 4
____________
Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25
__________
DGEBA n = 0,16 DDM
Hình 4: cấu trúc hóa học phân tử nhựa epoxy và chất đóng rắn DDM
II.1.3. Sợi thủy tinh
- Loại sợi thủy tinh đã được ghép silan y - APS lên bề mặt
- Khối lượng riêng: 2,5 g/cm3
- Đường kính trune bình : 19 |im
II.Ỉ.4. Hạt áp điện có kích thước nano BaTiOỉ
- Hạt B aTi03 cung cấp bởi Sigma Aldrich
- Khối lượng riêng : 6.08 g/cm3
- Đường kính trung bình 50nm
- Cấu trúc của hạt nano BaTiO}: Lập phương, chửa 2 % B aC 03
II.1.5. Chất ghép nối silan Ỵ - aminopropỵl trimethosysilane ( y - APS)
- Sản phẩm của Sigma Aldrich
- Khối lượng phân tử: Mn - 179,29 g/mol
- Khối lượng riêng : 1,027 g/ml
Cô ne thức phân tử:
21
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
O C H 3
1
H2N — CH2 — C H 2— CH2 — S Ĩ - O C H 3
I
OCH3

Hình 2: cấu trúc hóa học phân tứ y APS
II.2. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT.
11.2.1. Phản ứng ghép silan lên bề mặt hạt nano BaTiƠ3 .
Ghép silan lên bề mặt hạt nano BaTi03: Chuẩn bị hỗn hợp etanol-nước
với tỷ lệ thể tích là 95/5, khuấy đều trên máy khuấy từ trong 15 phút ở nhiệt độ
phòng. Sau đó cho silan vào khuấy tiếp khoảng 10 phút ở nhiệt độ phòng để
thực hiện quá trình thủy phân. Tiếp đó, cho hạt nano BaTi03 vào khuấy đều
trong 2 đến 3 phút rồi khuấy tăng tốc bàng rung siêu âm trong 30 phút để tránh
hiện tượng kết tụ. Tiếp theo, hỗn hợp được khuấy đều trong 60 phút ở nhiệt độ
60°c. Cuối cùng là tách bỏ etanol dư bàng máy li tâm và sấy sản phẩm ở 50°c
trong 60 phút để loại bỏ hoàn toàn etanol.
11.2.2. Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh
Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng sợi thủy tinh thay đổi từ 0 đến 55%. Tất cả
các mâu compozit đêu được chuân bị theo chu trinh sau:
- Khuôn thép được làm sạch, đánh bóne
- Hỗn hợp nhựa nền bao gồm nhựa epoxy và chất đóng rắn DDM được
phối trộn với tỷ lệ phần khối lượng chính xác như nhau DGEBA/DDM =
100/23.174. Hỗn hợp ban đầu được khuấy ở nhiệt độ 110°c cho đến khi DDM
hòa tan hoàn toàn tạo thành dung dịch trong suốt.
- Một nửa hỗn hợp nhựa được rót vào khuôn, tiếp đó đặt sợi thủy tinh vào và
đố nốt phần nhựa còn lại lên trên. Tiến hành hút chân không trong 60 phút đế
đuổi hết bọt khí. Sau đó đóng rắn mẫu ở điều kiện 30 phút ở 50°c ; 30 phút ở
110°c và 180 phút ở 180uc. Cuối cùng làm lạnh mẫu tự nhiên đến nhiệt độ
phòng rồi lấy ra.
11.2.3. Vật liệu PC nền nhựa epoxy chứa các hạt áp điện nano BaT i03
Hạt nano BaTi03 được đưa vào etanol rung siêu âm khoảng 30 phút, sau
đó hạt được đưa vào nhựa epoxy khuấy 1 h trên máy khuấy từ và tiếp tục rung
siêu âm 1 h. Tiếp theo, hồn hợp trên được khuấy trên bếp từ và tăng nhiệt độ đến
110°c và đưa chất đóng rắn DDM vào khuấy đều đến khi hòa tan hoàn toàn.
Cuối cùng hồn hợp được đưa lên lamen kính tạo màng mỏng bàng cách sứ dụng

thanh barcoating và tiến hành đóng rắn màng trong điều kiện nhiệt độ là 50°c
trong 30 phút, 110°c trong 30 phút và 180°c trong 3h
11.2.4. Ghép hạt nano BaTiOj lên bề mặt sợi thủy tinh
22
Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25
Chuẩn bi duns dỉch chứa hat áp điên nano -BaTiOi.
Khối lượng hạt áp điện dung để ghép lên bề mặt sợi được tính toán theo công
thức lý thuyết sau: Tổng diện tích bề mặt sợi = tổng diện tích bề mặt hạt tiếp
xúc trên bề mặt sợi
Cho hạt nano vào dung môi etanol theo nồng độ tính theo mg BaTiCVml etanol,
khuấy đều và rung siêu âm
Quá trình nhúng.
Nhúng sợi vào dung dịch đã chuẩn bị ở trên với tốc độ nhúng 1 Omm/phút và
thời gian nhúng là 10 phút. Sau đó sợi được làm kho ngay bàng gió ở nhiệt độ
phòng.
II.2.5. Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa các
hạt áp điện nano BaTiƠ3
Quy trình công nghệ giong phần 11,2.3 ớ trên chỉ thay sợi thủy tinh bàng sợi thủy
tinh đã mang hạt nano B aTi03.
III.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN TÍNH CHÁT CỦA VẬT LIỆU PC.
11.3.1. Độ bền kéo.
Mầu đo có hình mái chèo, kích thước theo tiêu chuân ISO 527-1. Đo trên
máy INSTRON 5582-100KN cúa Mỹ. Tốc độ kéo 5 mm/phút. Độ bền kéo đứt
ơk tính theo công thức:
F
ơ , = —— MPa
s 0
Trong đó: F: tác dụng lên mẫu, N
s p: diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu. mm
11.3.2. Độ bền uốn.

Mầu đo có hình khối thanh, kích thước theo tiêu chuân quốc tế ISO 178-
1993. Đo trên máy INSTRON 5582-100KN của Mỹ. Tốc độ uốn 5mm/phút.
Độ bền uốn ơu được xác định theo cône thức:
3 FL
<7 = MPa
h 2b
Trong đó: F: lực tác dụng lên mẫu, N
23