Nâng cao hiệu quả bài học lịch sử Việt Nam lớp 12 trường trung học phổ thông các tỉnh miền núi phía Bắc

Header Page 1 of 89.
A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học của luận án
Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan
tâm nhiều trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng các
công trình khoa học, các bằng phát minh sáng chế và số các công ty có
liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng nhanh chóng. Nhiều
trường Đại học, Viện nghiên cứu, Trung tâm nghiên cứu và các công ty
lớn đang tập trung nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ nano với mục đích
tìm ra các loại vật liệu mới và ứng dụng trong các lĩnh vực như: chế tạo
công cụ hỗ trợ cho lực lượng Công an (áo giáp chống đạn, khiên chống
đạn, khiên chống va đập, lá chắn chống đạn, lá chắn chống va đập…), chế
tạo vật liệu chịu được môi trường ăn mòn hóa chất, chất lỏng xâm
thực….
Nhựa epoxy là loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành kỹ thuật nhờ những tính chất ưu việt của nó như khả năng bám
dính cao với nhiều loại vật liệu khác, trơ với nhiều hóa chất ăn mòn, ít
co ngót khi đóng rắn. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như
giòn, chịu va đập kém. Vì vậy, các nghiên cứu cải thiện tính chất epoxy
như một vật liệu nền cho compozit được phát triển mạnh mẽ. Một trong
những hướng nghiên cứu được phát triển mạnh gần đây là đưa vào
epoxy các chất độn nano trong đó có nanoclay.
Nanoclay là một loại phụ gia được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật
liệu polyme-nanocompozit. Nhờ khả năng đem lại sự cải thiện nhiều
tính chất với hàm lượng nhỏ, vật liệu nanocompozit chứa nanoclay được
sử dụng rộng rãi và thị phần của nó vẫn tiếp tục tăng lên.
Việc đưa nanoclay vào epoxy làm cải thiện nhiều tính chất của vật
liệu này. Chẳng hạn độ bền dai hoặc độ dai phá hủy tăng rõ rệt. Mức độ
thấm nước của nanocompozit epoxy-nanoclay giảm mạnh. Hệ epoxynanoclay khi được sử dụng như nền cho compozit cốt sợi (FRP) cho
thấy nanoclay có ảnh hưởng tích cực đến tính chất FRP. Compozit
epoxy-nanoclay gia cường sợi cacbon (CFRP) có độ bền mỏi cao hơn

hệ CFRP nền epoxy nguyên sinh tới 74%. Độ bền nén của CFRP cũng
được tăng lên khi sử dụng nền là hệ epoxy-nanoclay do cơ chế phá hủy
chuyển từ giòn sang tách lớp dẻo hơn.
Ở Việt Nam hiện nay hướng nghiên cứu, chế tạo chế tạo vật liệu
nanocompozit trên cơ sở nhựa epoxy và nanoclay đã và đang được triển
khai nghiên cứu ở nhiều đơn vị như: Trung tâm Nghiên cứu vật liệu
polyme - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách
khoa
Thành
Footer
Page
1 ofphố
89.Hồ Chí Minh, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
1


Header Page 2 of 89.
Việt Nam, Viện Kỹ thuật Hóa Sinh và Tài liệu nghiệp vụ Bộ Công an…
Các công trình nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng nanoclay đã làm
tăng cường một số tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở
epoxy-nanoclay so với nhựa epoxy. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu một
cách hệ thống và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn của vật liệu
nanocompozit trên cơ sở epoxy-nanoclay.
Luận án góp phần làm rõ ảnh hưởng của nanoclay I28E đến sự cải
thiện các tính chất cơ - lý của hệ nhựa nền epoxy đóng rắn nóng bằng
MHHPA. Trên cơ sở đó đã chế tạo được vật liệu compozit nền epoxynanoclay gia cường bằng sợi thủy tinh với các tính chất cơ học, bền môi
trường vượt trội so với vật liệu compozit epoxy - sợi thủy tinh.
2. Mục tiêu của luận án
- Làm rõ ảnh hưởng của nanoclay đến tính chất của nhựa nền
epoxy và tương tác epoxy-clay sợi thủy tinh

- Chế tạo vật liệu compozit nền epoxy-nanoclay gia cường sợi
thuỷ tinh.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu nền epoxy và nanoclay.
- Nghiên cứu các tính chất hệ epoxy-nanoclay đóng rắn bằng
MHHPA.
- Chế tạo vật liệu compozit từ vật liệu nền epoxy và sợi thủy tinh.
- Khảo sát các tính chất của compozit trên cơ sở epoxy-nanoclay
gia cường bằng sợi thủy tinh.
4. Đóng góp mới của luận án
- Đã làm sáng tỏ ảnh hưởng tích cực của nanoclay I28E đến tính
chất cơ học của nhựa nền epoxy DER 331- nanoclay I28E.
- Dựa trên kết quả nghiên cứu về độ bám dính sợi thủy tinh –
nhựa nền epoxy có và không có nanoclay và khả năng chống lại sự
phát triển của vết nứt của nanoclay trong hệ vật liệu nanoclay-epoxy
compozit đã giải thích một cách hợp lý sự vượt trội tính chất cơ học
của hệ vật liệu trên so với hệ vật liệu không có nanoclay.
5. Cấu trúc luận án
Luận án có khối lượng 130 trang, gồm các phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan 41 trang; chương 2: Nguyên vật liệu và
phương pháp nghiên cứu 9 trang; chương 3: Kết quả và thảo luận 67
trang và 114 tài liệu tham khảo.
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƢƠNG
VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Footer
Page 22:ofNGUYÊN
89.

2


Header Page 3 of 89.
2.1 Nguyên vật liệu
- Nhựa epoxy DER-331 của hãng Dow Chemicals (Mỹ).
- Chất đóng rắn anhydrit 4–metylhexahydrophtalic (MHHPA) của
công ty Jiaxing Alpharm (Trung Quốc).
- Chất xúc tác đóng rắn 1-metylimidazol (NMI) của hãng BASF
(Singapo).
- Nanoclay I28E của hãng Nanocor (Mỹ) sử dụng chất biến tính
trimetyl stearyl amonium chiếm 35%.
- Sợi thủy tinh dùng trong luận án là loại WR 360 của Trung
Quốc. Đây là loại thủy tinh E, có khối lượng diện tích 360 g/m2, độ
ẩm dưới 4,5%.
2.2 Phƣơng pháp chế tạo
2.2.1 Phương pháp chế tạo nhựa nền
Trộn đều nhựa epoxy DER-331 (có hoặc không có nanoclay) với
chất đóng rắn MHHPA và xúc tác NMI theo các tỷ lệ nghiên cứu.
Mẫu nhựa nền được đổ vào các khuôn định hình phù hợp cho việc
xác định các tính chất cơ học (năng lượng phá hủy K IC, độ bền kéo,
nén, uốn, va đập) theo tiêu chuẩn. Trước khi đổ mẫu, khuôn được
làm sạch và chống dính.
2.2.2 Phương pháp khuấy cơ học phân tán nanoclay vào nhựa
epoxy
Trước khi bắt đầu quá trình khuấy, nanoclay được sấy ở 130oC
kết hợp hút chân không trong thời gian 3 giờ để loại bỏ ẩm. Quá
trình phân tán nanoclay vào nhựa epoxy được tiến hành như sau: trộn
nanoclay vào nhựa epoxy, ủ trong 24 giờ trong tủ sấy ở nhiệt độ
80oC, sau đó tiếp tục khuấy cơ học trong 5 - 10 giờ với tốc độ khuấy

khoảng 2000 vòng/phút. Hỗn hợp sau khi khuấy cơ học được rung
siêu âm trong khoảng thời gian là 5 - 10 giờ bằng máy rung siêu âm
ultrasonic clearner DC400H – mrc.
2.2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit epoxy/sợi thủy tinh
bằng phương pháp ép nóng trong khuôn
Nhựa nền epoxy hoặc epoxy-nanoclay được chế tạo theo mục
2.2.1.
Vải thủy tinh được cắt thành tấm hình chữ nhật có kích thước
(150x200) mm sau đó được đặt từng lớp vào trong khuôn và được đổ
nhựa lên. Phân bố nhựa cho thấm vào vài bằng ru lô và chổi lông.
Tấm compozit được chế tạo mẫu tùy theo kích thước yêu cầu của các
thử nghiệm. Khuôn sau khi lăn ép được đóng rắn nóng ở các điều kiện
khảo
sát. 3 of 89.
Footer
Page
3


Header Page 4 of 89.
2.3 Phƣơng pháp đặc trƣng tính chất
2.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel
Hàm lượng phần gel của nhựa epoxy DER-331 đóng rắn bằng
MHHPA có mặt xúc tác NMI và nanoclay I28E là cơ sở để đánh giá
mức độ đóng rắn của nhựa nền. Sử dụng dung môi axeton trích ly 0,1
÷ 0,2g nhựa epoxy DER-331 đã đóng rắn bằng MHHPA có hoặc
không có xúc tác NMI và nanoclay I28E trong thiết bị soxhlet nhằm
hòa tan phần khối lượng chất chưa đóng rắn và các tạp chất khác. Từ
đó xác định hàm lượng phần khối lượng vật liệu đã đóng rắn. Hàm
lượng phần gel (%) được xác định theo các công thức sau:

Gn =

(g2 - g0 )

(g1 - g0)

. 100 %

Trong đó: g0 là khối lượng giấy lọc khô (g);
g1 là khối lượng giấy lọc khô + mẫu trước khi trích ly (g);
g2 là khối lượng giấy lọc khô + mẫu sau khi trích ly (g).
G: hàm lượng phần gel (%).
2.3.2 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X
Khoảng cách cơ sở d của nanoclay I28E khi chưa phân tán và sau
khi phân tán vào nhựa nền epoxy DER-331 đóng rắn bằng MHHPA
có mặt xúc tác NMI được xác định bằng XRD.
Mẫu vật liệu nanoclay I28E dạng bột mịn, nhựa nền DER-331nanoclay/MHHPA/NMI được chế tạo ở dạng khối mặt nhẵn. Nguồn
phát xạ bức xạ là CuK, điện thế 40 kV, cường độ 30 mA, góc 2
bằng 0,50 -100. Khoảng cách cơ sở (d) giữa các lớp nanoclay, giữa
các mặt của tinh thể được xác định theo định luật Bragg: n =
2d.sin. Trong đó:  là bước sóng của tia X (0,154 nm); n là số đặc
trưng cho mức độ nhiễu xạ;  là góc giữa chùm tia đến và mặt phẳng
mạng tính thể.
2.3.3 Phương pháp xác định độ hấp thụ môi trường thử nghiệm lỏng
Độ hấp thụ chất lỏng (nước, dung dịch axit HCl 10% và dung
dịch NaOH 10%) của nhựa nền và vật liệu compozit được xác định
theo tiêu chuẩn ASTM D5229/D5229M-92 (2004).
Độ hấp thụ môi trường thử nghiệm lỏng M (%) được tính theo
công thức:
Wi - W0

.100%
M =
W0
Trong đó: W0 là khối lượng mẫu ban đầu (g); Wi là khối lượng

Footer
4 trong
of 89.môi trường sau một khoảng thời gian xác định (g).
mẫuPage
ngâm
4


Header Page 5 of 89.
2.3.4 Phương pháp xác định hệ số khuếch tán nước
Hệ số khuếch tán Dz (cm2/s) được xác định theo tiêu chuẩn
ASTM D5229/D 5229M-92 (2004)
2.3.5 Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield
Độ nhớt Brookfield được xác định theo tiêu chuẩn DIN 53018.
Phép đo được thực hiện trên máy nhiệt kế Brookfield của Mỹ.
2.3.6 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua
Mẫu vật liệu epoxy- nanoclay I28E được cắt mỏng trong môi
trường nitơ lỏng sau đó đưa vào chụp với hiệu điện thế gia tốc 80
kV, độ phóng đại 100.000 lần. Thực hiện trên thiết bị kính hiển vi
điện tử truyền qua GAM1010 của hãng JEOL (Nhật Bản).
2.3.7 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
Để nghiên cứu bề mặt phá hủy của vật liệu đã dùng phương pháp:
kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị hiển vi điện tử quét phân
giải cao Model JSM 7600F; hãng JEOL ở các độ phóng đại khác
nhau. Mẫu được phủ một lớp mỏng platin trước khi quan sát trên

kính hiển vi điện tử.
2.3.8 Phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X
Thành phần nguyên tố hóa học epoxy-nanoclay được xác định trên
thiết bị Detector phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) Model
X-Max-50, hãng Oxford Instruments (Anh).
2.3.9 Phương pháp chụp phổ hồng ngoại
Phổ hồng ngoại của nanoclay I28E, nhựa epoxy, nhựa nền epoxynanoclay I28E được thực hiện trên thiết bị Nicolet 6700, Thermo, Mỹ
với dải sóng từ 4000 – 500 cm-1.
2.3.10 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng
Khả năng chịu nhiệt đánh giá bằng phân tích nhiệt khối lượng
TGA. Môi trường thử nghiệm là khí nitơ, tốc độ tăng nhiệt 10
K/phút, nhiệt độ khảo sát 25 – 700oC.
2.3.11 Phương pháp xác định tính chất cơ - nhiệt động
Mẫu xác định tính chất cơ nhiệt động được xác định trên thiết bị
phân tích cơ - động - lực DMA-8000 của hãng Perkin Elmer (Mỹ).
Cách đo: Uốn đơn (single cantilever bending), quét theo thời gian và
nhiệt độ, dải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 200oC, tốc độ nâng
nhiệt 3oC/phút, tần số dao động 1Hz.
2.3.12 Phương pháp xác định độ lão hóa nhiệt
Vật liệu compozit được thử nghiệm độ bền lão hóa nhiệt theo tiêu
chuẩn ASTM D3045-92 (2003). Các mẫu vật liệu compozit được chế
tạo Page
như các
mẫu
Footer
5 of
89.để xác định tính chất cơ học sau đó thử nghiệm độ bền
5

Header Page 6 of 89.
lão hóa nhiệt ở 155oC trong các khoảng thời gian 48 - 768 giờ theo mức
D của tiêu chuẩn. Sau các khoảng thời gian thử nghiệm, mẫu được xác
định tính chất cơ học để đánh giá sự suy giảm.
2.3.13 Phương pháp xác định tính chất vật liệu sau khi thử nghiệm
trong môi trường nước
Các mẫu vật liệu compozit epoxy - sợi thủy tinh được chế tạo như
các mẫu để xác định tính chất cơ học sau đó ngâm trong môi trường
chất lỏng theo các khoảng thời gian khảo sát. Tính chất cơ học của
vật liệu được xác định sau các khoảng thời gian khảo sát để đánh giá
sự suy giảm.
2.4 Phƣơng pháp thử nghiệm tính chất
2.4.1 Phương pháp xác định cường độ ứng suất tới hạn của vật liệu
Cường độ ứng suất tới hạn KIC của vật liệu theo tiêu chuẩn ISO
13586 (2000) trên máy LLoyd 500 N (Anh) mẫu đo uốn 3 điểm có
khía hình chữ V (SENB), tốc độ đặt lực 10 mm/phút.
2.4.2 Phương pháp xác định độ bền uốn
Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 trên
máy Instron 5582-100 kN, tốc độ uốn 2 mm/phút.
2.4.3 Phương pháp xác định độ bền kéo
Độ bền kéo xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1:2012 trên máy
Instron 5582-100 kN, tốc độ kéo 2 mm/phút.
2.4.4 Phương pháp xác định độ bền va đập
Độ bền va đập theo tiêu chuẩn ISO 179:2010 trên máy Radmana
ITR-2000 (Úc), tốc độ 3,5 m/giây.
2.4.5 Phương pháp xác định độ bền nén
Độ bền nén xác định theo tiêu chuẩn ISO 604:2002 trên máy
Instron 5582-100 kN, tốc độ nén 2 mm/phút.
2.4.6 Phương pháp xác định độ bền mài mòn
Độ bền mài mòn theo tiêu chuẩn ISO 9352:2012 trên máy Taber

Type Abrasion Tester của hãng Chun Yen testing Machines Co.ltd,
bánh mài CS10, số chu kỳ 1000. Độ bền mài mòn xác định theo công
thức: M = m0 - ms. Trong đó: M: độ mài mòn (mg); m0: khối lượng
ban đầu (mg); ms: khối lượng sau khi mài được 1000 vòng (mg).
2.4.7 Phương pháp xác định độ bền liên kết sợi nhựa
Độ bám dính của sợi thủy tinh với nhựa epoxy (có nanoclay và
không có nanoclay) được đo trên máy LLOYD 500 N của Anh, tốc
độ kéo 2 mm/phút.
2.4.8 Phương pháp xác định độ bền dai phá hủy tách lớp của vật liệu
Độ bền
dai89.
phá hủy tách lớp của vật liệu được xác định theo tiêu
Footer Page
6 of
6


Header Page 7 of 89.
chuẩn ASTM D5528-01.
2.4.9 Phương pháp xác định độ bền mỏi động
Độ bền mỏi động xác định theo tiêu chuẩn ASTM D3479-96
(2007) trên thiết bị đo MTS 810 (Material Test System 810) của Mỹ,
lực kéo đặt vào mẫu tương đương 70 % độ bền kéo của vật liệu, tần
số dao động 2 Hz.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phân tán nanoclay vào nhựa epoxy
3.1.1. Ảnh hưởng của phương pháp phân tán
3.1.1.1. Khuấy cơ học
Đã tiến hành chụp phổ XRD của nanoclay I28E, kết quả được
trình bày trong hình 3.1.

Hình 3.1 Phổ XRD của nanoclay I28E
Nanoclay trên được đưa vào nhựa epoxy và khuấy cơ học với tốc
độ 2000 vòng/phút trong 5 giờ và 10 giờ, sau đó đóng rắn bằng
MHHPA. Kết quả chụp phổ XRD xác định khoảng cách cơ sở (d)
của nanoclay khi phân tán trong nhựa epoxy theo thời gian khuấy cơ
học được trình bày trong hình 3.2.
b

a

Hình 3.2 Phổ XRD của nanoclay I28E sau khi khuấy cơ học
(a) 5 giờ
(b) 10 giờ
Kết quả trên cho thấy đã có sự xen kẽ - tách lớp rõ rệt của
Footer
Page 7 of 89.
nanoclay.
7


Header Page 8 of 89.
3.1.1.2 Khuấy cơ học kết hợp rung siêu âm
Theo các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra, muốn nanoclay phân tán tốt
trong nhựa epoxy thì sau khi khuấy cơ học phải tiến hành khuấy rung siêu
âm. Đã tiến hành khảo sát nghiên cứu ảnh hưởng của khuấy rung siêu âm
theo thời gian rung siêu âm. Hỗp hợp nhựa epoxy-nanoclay sau khi khuấy
cơ học 10 giờ tiếp tục được khuấy rung siêu âm bằng máy rung siêu âm
ultrasonic clearner DC400H – mrc trong thời gian 5 giờ và 10 giờ. Kết quả
chụp phổ XRD của hỗn hợp nhựa epoxy-nanoclay I28E sau khi khuấy cơ

học kết hợp rung siêu âm được biểu diễn trên hình 3.3.

b

a

Hình 3.3 Phổ XRD của nanoclay I28E sau khi khuấy cơ học
10 tiếng và rung siêu âm (a- 5 giờ ; b- 10 giờ )
Theo kết quả chụp phổ XRD cho thấy hỗn hợp nhựa epoxynanoclay sau khi khuấy cơ học 10 giờ tiếp tục được rung siêu âm
trong 5 giờ thì khoảng cách cơ sở của nanoclay tăng từ 48,66 Å lên
58,72 Å. Sau đó tiếp tục tăng thời gian rung siêu âm lên 10 giờ thì
khoảng cách cơ sở tăng lên 66,41 Å (xấp xỉ 2,5 lần so với ban đầu).
Qua đó có thể thấy khi rung siêu âm có tác dụng phân tán nanoclay
vào nhựa epoxy rất tốt.
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu khảo sát nêu trên đã rút ra
qui trình phân tán nanoclay vào nhựa epoxy như sau: ủ nanoclay vào
trong nhựa epoxy trong thời gian 24 giờ ở nhiệt độ 80oC, sau đó khuấy
cơ học hỗn hợp trong thời gian 10 giờ, hỗn hợp thu được tiếp tục được
khuấy rung siêu âm trong 10 giờ, tại điều kiện này thì khoảng cách cơ
sở của nanoclay I28E thay đổi từ 26,58 Å lên 66,41 Å.
3.1.2 Nghiên cứu hình thái cấu trúc của nanoclay khi phân tán trong
nhựa epoxy.
Để khẳng
Footer Page
8 ofđịnh
89. nanoclay có cấu trúc bóc lớp khi phân tán trong
8


Header Page 9 of 89.

nhựa epoxy đã chụp ảnh TEM các mẫu epoxy-nanoclay. Ảnh TEM
của hỗn hợp epoxy-nanoclay được trình bày trên hình 3.4.

Hình 3.4 Ảnh TEM của mẫu epoxy-nanoclay I28E - 2 pkl (độ phóng
đại X100.000)
Kết quả trên cho thấy các mạch đại phân tử nhựa epoxy đã chèn
vào giữa các lớp clay và phần lớn các lớp clay bị bóc lớp.
Khi phân tán nanoclay vào nhựa epoxy ngoài các hạt nanoclay
được phân tán với cấu trúc dạng xen kẽ - bóc lớp thì cũng tồn tại các
hạt có kích thước vài chục nanomet. Kết quả xác định cấu trúc dạng
hạt được chụp ảnh SEM trong hình 3.5.

Hình 3.5 Ảnh SEM chụp bề mặt phá hủy epoxy-nanoclay (độ phóng
đại X100.000)
Như vậy, bên cạnh cấu trúc xen kẽ - bóc lớp, còn tồn tại các cấu
trúc nano dạng tập hợp với kích thước khoảng vài chục nanomet.

Footer Page 9 of 89.
9


Header Page 10 of 89.

Cƣờng độ ứng suất tới hạn
KIC (MPa m1/2)

3.2. Nghiên cứu tính chất hệ epoxy-nanoclay
3.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất cơ học
3.2.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến sự thay đổi cường
độ ứng suất tới hạn KIC

Việc phân tán nanoclay nhựa epoxy nhằm mục đích chế tạo vật liệu
nanocompozit có khả năng giảm sự phát triển vết nứt của vật liệu khi
chịu tác động của ngoại lực cơ học. Một trong phương pháp chứng
minh hiệu quả của việc ngăn chặn sự phát triển vết nứt là xác định
cường độ ứng suất tới hạn KIC của vật liệu thu được. Kết quả xác định
cường độ ứng suất tới hạn KIC với các phụ gia nano I28E được trình
bày trong hình 3.6.
2
1.5
1
0.5
0
0

1
2
3
4
Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

5

6

Hình 3.6 Sự thay đổi cường độ ứng suất tới hạn KIC theo hàm lượng
nanoclay
Theo hình 3.6, cường độ ứng suất tới hạn KIC tăng khi phân tán
nanoclay I28E vào trong nhựa epoxy và đạt giá trị lớn nhất khi hàm
lượng nanoclay I28E phân tán trong nhựa epoxy là 2 pkl, sau đó tiếp
tục tăng hàm lượng nanoclay I28E lên trên 2 pkl thì cường độ ứng

suất tới hạn giảm dần. Điều này chứng tỏ khi đưa nanoclay I28E vào
epoxy với hàm lượng thích hợp (khoảng 2 pkl) đã hạn chế được sự
phát triển vết nứt của hệ vật liệu khi chịu tác động của ngoại lực. Tuy
nhiên khi hàm lượng nanoclay lớn hơn 2 pkl thì tác dụng ngăn chặn
giảm có thể là khi hàm lượng nanoclay lớn sẽ tạo thành các tập hợp
nanoclay lớn dẫn đến khả năng ngăn chặn sự phát triển vết nứt giảm.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ bền kéo của vật liệu
Tính chất kéo của vật liệu được đánh giá qua sự thay đổi: độ bền
kéo, mođun kéo, độ giãn dài khi đứt. Kết quả xác định sự thay đổi độ
bền kéo của vật liệu nanocompozit epoxy-nanoclay theo hàm lượng
nanoclay
được
Footer
Page 10
of thể
89. hiện trong đồ thị hình 3.7.
10


Độ bền kéo (MPa)

Header Page 11 of 89.
80
60
40
20
0

0

1

2
3
4
Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

5

6

Độ bền uốn (MPa)

Hình 3.7 Sự thay đổi độ bền kéo theo hàm lượng nanoclay
Từ hình 3.7 cho thấy, khi phân tán cả hai loại nanoclay vào nhựa nền
epoxy DER 331 thì độ bền kéo của vật liệu tăng rõ rệt. Tuy nhiên, mức độ
tăng cường tính chất là không đồng đều: Sự gia cường tính chất đạt mức
độ cao nhất với hàm lượng 2 pkl. Với hàm lượng 3 - 4 pkl, độ bền vật liệu
giảm đi nhưng vẫn cao hơn so với vật liệu epoxy không có nanoclay. Còn
khi hàm lượng nanoclay lên tới 5 pkl, độ bền vật liệu nanocompozit lại
thấp hơn cả epoxy ban đầu. Điều này có thể giải thích là khi hàm lượng
nanoclay 5 pkl phân tán trong nhựa epoxy tạo ra nhiều tập hợp hạt
nanoclay với kích thước lớn làm cho tác dụng gia cường bị giảm, không
còn tác dụng ngăn chặn sự phát triển các vết nứt tế vi.
3.2.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ bền uốn của vật liệu
Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ bền uốn của vật liệu cũng
được xác định thông qua sự thay đổi: độ bền uốn, mođun uốn, độ biến
dạng khi uốn của vật liệu. Kết quả được thể hiện trên hình 3.8.
135
120

105
90
75
60
45
30
15
0
0

1

2

3

4

5

Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

Hình 3.8 Sự thay đổi độ bền uốn theo hàm lượng nanoclay
Các kết quả xác định độ bền uốn của vật liệu nanocompozit trên
cơ sở nhựa epoxy-nanoclay cho thấy tính chất uốn của vật liệu thay
đổi mạnh khi có nanoclay phân tán trong nhựa epoxy. Độ bền uốn
Footer
11so
of với
89. nhựa epoxy khi có 1 - 2 pkl nanoclay phân tán

tăngPage
mạnh
11


Header Page 12 of 89.

Độ bền va đập (kJ/m2)

trong nhựa epoxy và đạt giá trị cao nhất khi hàm lượng là 2 pkl
nanoclay. Khi tiếp tục tăng hàm lượng nanoclay phân tán trong nhựa
epoxy thì độ bền uốn giảm mạnh.
3.2.1.4 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ bền va đập của vật liệu
Kết quả khảo sát độ bền va đập của vật liệu nanocompozit được
trình bày trên hình 3.9.
30
20

10
0
0

1

2

3

4

5

6

Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

Độ bền nén (MPa)

Hình 3.9 Sự thay đổi độ bền va đập theo hàm lượng nanoclay
Hình 3.9 cho thấy, nanoclay có ảnh hưởng đến sự thay đổi độ bền
va đập tương tự như sự thay đổi độ bền kéo, độ bền uốn. Khi hàm
lượng nanoclay tăng thì độ bền va đập tăng mạnh và đạt giá trị lớn
nhất khi có 2 pkl nanoclay phân tán trong nhựa epoxy. Nhưng khi
hàm lượng nanoclay tăng 4 – 5 pkl thì độ bền giảm.
3.2.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất nén của vật liệu
Ngoài tính độ bền kéo, bền uốn, bền va đập của vật liệu thì nanoclay
cũng có ảnh hưởng đến độ bền nén. Kết quả xác định độ nén của vật
nanocompozit epoxy-nanoclay được trình bày trong hình 3.10.
400
200
0
0

1

2

3

4

5

6

Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

Hình 3.10 Sự thay đổi độ bền nén theo hàm lượng nanoclay
Kết quả trong các mẫu được khảo sát, mẫu với hàm lượng
nanoclay là 2 pkl có độ bền nén cao nhất. Trái lại, mẫu có 5 pkl
nanoclay có độ bền nhỏ hơn vật liệu epoxy ban đầu. Thậm chí, mô
đun nén của epoxy-nanoclay 5 pkl chỉ còn xấp xỉ 50 % so với epoxy
Footer
of 89.
banPage
đầu, 12
chứng
tỏ vật liệu “bở” đi đáng kể.
12


Header Page 13 of 89.

Độ mài mòn (mg)

3.2.1.6 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến khả năng chịu mài mòn
Độ bền mài mòn đặc trưng cho khả năng chống lại sự phá hủy trên
bề mặt vật liệu do ma sát và biến dạng cục bộ. Việc đưa nanoclay vào
nền nhựa epoxy có thể cải thiện tính chất này cho vật liệu. Trong hình
3.11 là ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến mức độ mài mòn của

vật liệu.
40
30
20
10
0
0

1

2

3

4

5

6

Hàm lƣợng nanoclay (pkl)

Hình 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ mài mòn của vật liệu
Có thể thấy, cũng như các tính chất cơ học khác, mức độ mài mòn
của vật liệu epoxy-nanoclay nhỏ nhất khi hàm lượng nanoclay là 2 pkl.
Nhìn chung, trong khoảng hàm lượng nanoclay 1 – 3 pkl mức độ mài
mòn của vật liệu nanocompozit nhỏ hơn vật liệu ban đầu. Nhưng khi
hàm lượng nanoclay đạt 4 - 5 pkl thì độ mài mòn tăng lên, vượt quá giá
trị này của vật liệu epoxy ban đầu.
Nguyên nhân của sự cải thiện tính chất có mặt nanoclay là do tăng

cường tương tác giữa nhựa epoxy với các phần tử nanoclay ở trạng thái
xen kẽ hoặc bóc lớp. Ngoài ra, sự có mặt của nanoclay có thể ngăn chặn
sự phá hủy của bề mặt epoxy khi có lực tác dụng từ bên ngoài, ngăn
ngừa sự phát triển các vết nứt tế vi. Tuy nhiên, khi hàm lượng nanoclay
tăng cao hơn, sẽ xuất hiện các tập hợp nanoclay trong vật liệu làm tác
dụng gia cường kể trên sẽ giảm đi. Điều này cũng phù hợp với kết quả
xác định năng lượng phát triển vết nứt KIC của hệ vật liệu này.
3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ hấp thụ nước
Ở phần trên khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nanoclay đến tính
chất cơ học của hệ epoxy-nanoclay thì ứng với hàm lượng nanoclay
2 pkl có các tính chất cơ học tốt nhất. Các giá trị hàm lượng nanoclay
cao hơn dẫn đến sự suy giảm tính chất do sự hình thành các tập hợp
hạt trong nền nhựa epoxy. Tuy nhiên, khi khảo sát độ hấp thụ nước
đã quan sát thấy sự giảm liên tục độ hấp thụ chất lỏng khi hàm lượng
nanoclay tăng đến 5 pkl.

Footer Page 13 of 89.
13


Header Page 14 of 89.

Độ tăng khối lƣợng (%)

Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay I28E đến độ hấp
thụ nước đã tiến hành chế tạo mẫu nhựa epoxy-nanoclay I28E, hàm
lượng nanoclay phân tán trong nhựa epoxy từ 0 - 5 pkl. Mẫu được
ngâm trong nước để xác định sự thay đổi khối lượng theo thời gian
đến khi đạt trạng thái bão hòa.
Kết quả xác định độ hấp thụ nước được trình bày trong hình 3.12.

1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

nanoclay 0 (pkl)
nanoclay 1 (pkl)
nanoclay 2 (pkl)
nanoclay 3 (pkl)
nanoclay 4 (pkl)
nanoclay 5 (pkl)
0

20

40

60

Thời gian ngâm (ngày)

Hình 3.12 Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ hấp thụ nước
Kết quả trên hình 3.12 cho thấy trong khoảng 15 ngày đầu tiên
mẫu hấp thụ nước rất mạnh, sau đó mức hấp thụ giảm dần đến khi
bão hòa. Khi hàm lượng nanoclay I28E phân tán trong nhựa epoxy
tăng lên thì độ hấp thụ nước giảm dần, mức độ hấp thụ nước chỉ thật

sự giảm mạnh khi hàm lượng nanoclay khoảng 4- 5 pkl.
Sau 45 ngày ngâm độ hấp thụ nước của vật liệu đạt trạng thái bão hòa
của nhựa epoxy là 1,28%, vật liệu epoxy-nanoclay chứa: 1- 5 pkl
nanoclay I28E có độ hấp thụ nước lần lượt là: 1,12%; 0,94%; 0,82%;
0,61% và 0,46%.
Mức độ hấp thụ chất lỏng của vật liệu nanocompozit giảm dần đối với
tất cả chất lỏng được khảo sát cho thấy mặc dù có thể tạo ra các tập hợp
hạt khi hàm lượng nanoclay tăng nhưng khả năng che chắn của compozit
có nanoclay vẫn tăng. Có thể giải thích điều này là ở các hàm lượng
nanoclay lớn, các hạt kích thước vài chục nanomet có thể liên kết với
nhựa nền, giảm độ linh động của mạch epoxy nhờ đó việc thâm nhập của
các phân tử chất lỏng khó khăn hơn.
Một nguyên nhân khác có thể làm giảm độ hấp thụ chất lỏng là việc
đưa nanoclay vào nhựa nền làm tăng góc thấm ướt của chất lỏng đối với
nhựa epoxy, nghĩa là mức độ kỵ nước của vật liệu tăng lên.
Nhìn chung,
khi đưa nanoclay vào nhựa epoxy thì độ hấp thụ môi
Footer Page
14 of 89.
trường của vật liệu giảm mạnh, hàm lượng nanoclay càng tăng thì độ hấp
14


Header Page 15 of 89.
thụ môi trường càng giảm. Độ hấp thụ nước của vật liệu khi có 5 pkl
nanoclay I28E giảm khoảng 3,32 lần so với vật liệu không có nanoclay.
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất cơ - nhiệt
của vật liệu
3.2.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến khả năng chịu nhiệt
của vật liệu

Độ bền nhiệt của vật liệu epoxy-nanoclay được xác định thông
qua mức độ mất khối lượng khi tăng nhiệt. Kết quả xác định ảnh
hưởng của hàm lượng nanoclay đến khả năng chịu nhiệt của vật liệu
được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các nhiệt độ phân hủy của vật liệu epoxy-nanoclay
Mẫu
Nhiệt độ Nhiệt
độ Nhiệt
độ Mất khối
bắt
đầu phân hủy phân hủy lượng ở
phân hủy, mạnh nhất, hoàn toàn, Tmax, (%)
T0 (oC)
Tmax (oC)
Te (oC)
epoxy
320
415
700
52,991
Epoxy- 1 pkl
360
415
700
46,626
nanoclay I28E
Epoxy- 2 pkl
360
415
700

41,537
nanoclay I28E
Epoxy- 3 pkl
300
415
700
55,86
nanoclay I28E
Có thể thấy rằng nanoclay có ảnh hưởng mạnh nhất đến thời điểm
bắt đầu phân hủy: nhiệt độ T0 tăng 40oC khi đưa nanoclay vào nền
epoxy. Độ bền nhiệt tốt nhất quan sát thấy được khi hàm lượng
nanoclay là 2 pkl với T0 bằng 360oC. Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất
của compozit với các hàm lượng clay khác nhau bằng nhau, nhưng
độ mất khối lượng ở nhiệt độ này rất khác nhau: phân hủy ít nhất là
tại hàm lượng 2 pkl. Tốc độ phân hủy chậm hơn của mẫu vật liệu với
2 pkl nanoclay có thể là do số lượng liên kết epoxy-nanoclay trong
mẫu này lớn nhất do mức độ phân tán của nanoclay tốt nhất. Điều
này cũng phù hợp với kết quả xác định tính chất cơ học, khi hàm
lượng nanoclay 2 pkl cho tính chất cơ học của vật liệu tốt nhất. Kết
quả nghiên cứu cũng chỉ ra khi dùng nanoclay I28E thì độ bền nhiệt
của vật liệu tốt hơn khi dùng nanoclay I30E.
3.2.3.2. Ảnh hưởng nanoclay đến của tính chất cơ nhiệt động của vật liệu
Tính chất cơ - nhiệt động được đánh giá qua mođun trữ (E’) và
Footer
Page
15 of
tan góc tổn
hao89.cơ học (tan) cũng như nhiệt độ Tg của vật liệu
15

Header Page 16 of 89.
epoxy ban đầu và epoxy-nanoclay 2 pkl. Kết quả được trình bày trên
hình 3.13 và 3.14.
a

b

Hình 3.13 Sự thay đổi mođun trữ (E’) theo nhiệt độ
(a) Vật liệu nanocompozit; (b) Nhựa epoxy

a

b

Hình 3.14 Sự thay đổi tan theo nhiệt độ
(a) vật liệu nanocompozit; (b) epoxy)
Có thể nhận thấy từ hình 3.13, E’ của mẫu epoxy DER 331nanoclay I28E cao hơn mẫu epoxy nguyên sinh. Nhiệt độ Tg ứng với
điểm tổn hao cơ học cực đại của mẫu epoxy DER 331-nanoclay I28E
(140,7oC) cũng cao hơn mẫu không có clay (132,4oC). Có thể giải thích
điều này do tương tác giữa nanoclay và nền epoxy, bao gồm cả liên kết
hóa học giữa bề mặt tấm silicat lẫn cơ chế interlocking của các hạt làm
mạng không gian của epoxy cứng hơn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn Tg,
một số liên kết nanoclay và epoxy cũng như liên kết vật lý giữa các hạt có
thể bị phá hủy do các liên kết này thường yếu hơn liên kết hóa học trong
mạng epoxy nguyên sinh. Do đó đã quan sát thấy E’của mẫu epoxy DER
331-nanoclay
I28E
Footer
Page 16 of

89.nhỏ hơn đáng kể so với mẫu epoxy nguyên sinh.
16


Header Page 17 of 89.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trên có thể rút ra một số nhận xét
như sau: Trong các hàm lượng đã khảo sát, hàm lượng nanoclay 2 pkl so
với 100 pkl epoxy có khả năng đem lại các tính chất cơ – lý tốt nhất cho
hệ nhựa nền epoxy. Trong khi đó khả năng chịu môi trường lỏng của hệ
epoxy – nanoclay tăng dần theo hàm lượng nanoclay mà không có giá trị
tối ưu. Điều này được cho là do các ảnh hưởng khác nhau của các cấu trúc
nano (xen kẽ - tách lớp và cấu trúc hạt nano) đến các tính chất khác nhau
của vật liệu. Vì vậy, trong các nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit
cốt sợi thủy tinh tiếp theo, đã sử dụng hệ nền epoxy DER 331 đóng rắn
bằng MHHPA với 2 pkl phụ gia nanoclay loại I28E.
3.3. Chế tạo compozit trên cơ sở epoxy-nanoclay gia cƣờng sợi thủy tinh
3.3.1. Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo
3.3.1.1. Ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất cơ học của vật liệu
Chế độ ép trong quá trình chế tạo mẫu có ảnh hưởng lớn đến tính chất
cơ học của vật liệu PC. Đã tiến hành khảo sát chế độ ép đến tính chất cơ
học của vật liệu. Chế độ ép được khảo sát theo hai chế độ như sau:
Chế độ ép một giai đoạn: Hỗn hợp epoxy/MHHPA/NMI tối ưu đã
khảo sát ở phần 3.1.1 được lăn ép bằng tay trong khuôn chế tạo mẫu PC
với sợi thủy tinh theo tỷ lệ sợi:nhựa ban đầu là 60:40 (w/w), sau đó được
đóng rắn ở nhiệt độ 110oC trong thời gian 90 phút, áp lực ép là 90
kgf/cm2. Mẫu PC sau khi đóng rắn được bảo quản và chế tạo mẫu để xác
định tính chất cơ học (độ bền kéo, bền uốn).
Chế độ ép hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: hỗn hợp epoxy DER 331/MHHPA/NMI tối ưu đã khảo
sát ở phần 3.1.1 được lăn ép bằng tay trong khuôn chế tạo mẫu compozit

với sợi thủy tinh theo tỷ lệ sợi:nhựa ban đầu là 60:40 (w/w), sau đó được
đóng rắn sơ bộ ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 60 phút, quá trình này
không đặt áp lực ép.
Giai đoạn 2: Khuôn ép được nâng nhiệt lên 110oC, áp lực ép được
nâng lên 90 kg/cm2 chế độ duy trì trong thời gian 90 phút. Mẫu compozit
sau khi đóng rắn được bảo quản và chế tạo mẫu để xác định tính chất cơ
học (độ bền kéo, bền uốn).
Kết quả đo tính chất cơ học của hai mẫu được chế tạo theo hai
quy trình trên được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất cơ học của vật liệu
Chế độ đóng rắn
Độ bền uốn (MPa)
Độ bền kéo (MPa)
Một giai đoạn
252
321,5
Hai giai đoạn
398,75
416,67

Footer Page 17 of 89.
17


Header Page 18 of 89.
Từ kết quả thực nghiệm ở bảng 3.2 cho thấy với chế độ đóng rắn hai
giai đoạn thì vật liệu PC có tính chất cơ học vượt trội, cụ thể độ bền uốn
của chế độ đóng rắn 2 giai đoạn cao hơn 1,58 lần so với chế độ một giai
đoạn, trong khi đó độ chênh lệch tương ứng của độ bền kéo là 1,29 lần.
Tính chất cơ học của vật liệu compozit được chế tạo theo chế độ hai giai

đoạn tốt hơn so với chế độ một giai đoạn được giải thích như sau: với
chế độ một giai đoạn mẫu được đóng rắn ở 110oC và áp lực ép là 90
kgf/cm2 làm cho nhựa bị chảy làm hao hụt nhựa dẫn đến tính chất cơ
học của vật liệu giảm. Còn với chế độ hai giai đoạn thì ở giai đoạn 1
nhựa epoxy được đóng rắn sơ bộ ở 80oC và không có áp lực ép, ở nhiệt
độ này phản ứng đóng rắn nhựa epoxy đã bắt đầu xảy ra tạo ra được các
một số liên kết ngang. Khi chuyển sang giai đoạn 2 nâng nhiệt độ lên
110oC và tăng áp lực ép lên 90 kgf/cm2 thì nhựa không bị trào khuôn do
đó tỷ lệ sợi nhựa vẫn đảm bảo dẫn đến tính chất cơ học của vật liệu cao
hơn chế độ ép một giai đoạn. Như vậy có thể nói đóng rắn 2 giai đoạn là
thích hợp để chế tạo vật liệu compozit. Sử dụng chế độ ép nóng này để
thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.
3.3.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu
Các mẫu vật liệu compozit được đóng rắn theo hai giai đoạn đã
nghiên cứu ở phần 3.3.1.1 với tỷ lệ nhựa - sợi khác nhau được chế
tạo để xác định tính chất cơ học. Kết quả được trình bày ở bảng 3.3.
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu
Tỷ lệ epoxy/sợi thủy
Độ bền uốn
Độ bền kéo
tinh (khối lượng)
(MPa)
(MPa)
35/65
298,23
312,42
40/60
367,75
404,67
45/55

306,45
385,45
50/50
278,65
305,67
55/45
213,24
287,89
Từ kết quả trên ta thấy, với tỉ lệ epoxy/sợi thủy tinh là 40/60 (w/w)
thì vật liệu có các thông số đặc trưng cho tính chất bền uốn và tính chất
bền kéo lớn nhất. Vì vậy, đã lựa chọn tỷ lệ này cho các nghiên cứu tiếp
theo. Nguyên nhân của việc thay đổi tính chất cơ học khi thay đổi tỷ lệ
sợi: nhựa được giải thích là: ở tỷ lệ 35% nhựa và 65% sợi thủy tinh thì
hàm lượng nhựa không đủ để thấm tốt sợi thủy tinh dẫn đến vật liệu
compozit thu được có nhiều khuyết tật làm cho tính chất của vật liệu
giảm. Còn vật liệu với các tỷ lệ nhựa/sợi trên tính chất cơ học của
Footer
Page 18
ofdần
89.là do sợi thủy tinh- thành phần chịu lực- giảm đi.
compozit
giảm
18


Header Page 19 of 89.
3.3.1.3. Ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chất cơ học của vật liệu
Chế tạo các mẫu vật liệu compozit ép nóng theo chế độ hai giai
đoạn, với tỉ lệ nhựa/sợi là 40/60 (w/w), đã tiến hành ép mẫu ở các áp lực
ép khác nhau. Sau đó, mẫu được mang đi đo tính chất cơ học của vật

liệu, kết quả được trình bày ở bảng 3.4 như sau.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chất cơ học của vật liệu
Áp
lực
ép Độ bền uốn (MPa)
Độ bền kéo (MPa)
(kgf/cm2)
60
209,34
245,65
70
276,67
307,98
80
312,34
348,89
90
398,75
416,67
100
345,67
365,45
110
308,72
312,42
Từ kết quả ở bảng 3.4 cho thấy, với áp lực ép là 90 kgf/cm2, thì
vật liệu có tính chất cơ học tốt nhất (độ bền uốn đạt 398,75 MPa và
độ bền kéo đạt 416,67 MPa).
Ảnh hưởng của áp lực ép đến tính chất của vật liệu có thể được
giải thích như sau: khi ép mẫu ở áp lực ép dưới 90 kgf/cm2 thì áp lực

ép chưa đủ lớn để làm nhựa và sợi thủy tinh tạo liên kết bền chặt dẫn
đến vật liệu compozit thu được có nhiều khuyết tật. Do đó tính chất
cơ học của vật liệu giảm. Còn với áp lực trên 90 kgf/cm2 thì khi áp
lực quá lớn lại làm cho nhựa bị chảy tràn khuôn dẫn đến tỷ lệ nhựa:
sợi của vật liệu bị hao hụt cũng làm cho tính chất cơ học của vật liệu
giảm.
Từ các kết quả khảo sát trên, đã lựa chọn chế độ gia công
compozit epoxy-sợi thủy tinh là:
- Tỉ lệ khối lượng epoxy/sợi thủy tinh: 40/60 (w/w);
- Áp lực ép: 90 kgf/cm2;
- Chế độ ép nóng hai giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: nhiệt độ 80oC, thời gian 60 phút, không ép;
+ Giai đoạn 2: nhiệt độ 110oC, thời gian 90 phút, áp suất ép 90
kgf/cm2.
3.3.2 Ảnh hưởng của nanoclay đến tính chất cơ học của vật liệu
compozit
Tương tác nền epoxy có và không có nanoclay với sợi thủy tinh
được xác định bằng phương pháp mô tả trong 2.4.7 kết quả trình bày
trong bảng 3.5.

Footer Page 19 of 89.

19


Header Page 20 of 89.
Bảng 3.5 Mức độ liên kết với sợi thủy tinh của nhựa nền
Nhựa nền
Độ bám dính sợi thủy tinh (IFSS), MPa
Nhựa epoxy

17,04
Epoxy-nanoclay
29,08
Kết quả trên cho thấy, nền epoxy có nanoclay có độ bám dính với
sợi thủy tinh cao hơn hẳn, tới 70%, so với nền epoxy ban đầu.
Như vậy, việc đưa nanoclay vào nhựa nền epoxy đã làm tăng liên
kết nhựa – sợi thủy tinh nhờ tăng khả năng thấm ướt sợi của nhựa
nền đồng thời hạn chế được sự phát triển các vết nứt tại vùng tiếp
xúc hai pha.
3.3.2.2 Ảnh hưởng của nanoclay đến khả năng chống tách lớp
compozit epoxy - sợi thủy tinh
Khả năng chống tách lớp của vật liệu compozit được xác định bởi
năng lượng tách lớp, còn gọi là độ bền dai phá hủy GIC. Giá trị GIC
được tính cho thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt (GIC-O) và giai đoạn
phát triển vết nứt (GIC-P). Kết quả được trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6 Giá trị GIC trung bình của vật liệu compozit sợi thủy tinh
Nhựa nền
GIC-O, J/m2
GIC-P, J/m2
Epoxy/sợi thủy tinh
435,3
632,7
Epoxy-nanoclay/sợi thủy tinh
768,3
945,3
Kết quả trên bảng 3.6 cho thấy, năng lượng tách lớp trung bình
của compozit nền epoxy-nanoclay cao hơn so với compozit nền
epoxy rõ rệt, cả thời điểm xuất hiện vết nứt lẫn trong quá trình phát
triển vết nứt. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả xác định độ
bám dính nhựa – sợi thủy tinh ở trên (bảng 3.5).

3.3.2.3. Ảnh hưởng của nanoclay đến độ bền mỏi
Kết quả xác định độ bền mỏi của vật liệu compozit sợi thủy tinh
nền epoxy DER 331 có nanoclay I28E và không có nanoclay I28E
được trình bày trong bảng 3.7 được xác định ở giá trị 70% độ bền
kéo của vật liệu compozit tương ứng.
Bảng 3.7 Độ bền mỏi của compozit sợi thuỷ tinh nền epoxy có và
không có nanoclay
Nhựa nền
Lực kéo tối
Độ bền mỏi (chu
đa (MPa)
kỳ)
Epoxy/sợi thủy tinh
292,36
46.673
Epoxy-nanoclay/sợi thủy tinh
401,52
102.456

Footer Page 20 of 89.

20


Header Page 21 of 89.

Độ bền uốn (MPa)

Kết quả trong bảng 3.7 cho thấy độ bền mỏi thử kéo của compozit
với nền epoxy DER 331-nanoclay I28E cao hơn so với compozit nền

không có nanoclay I28E tới 2,2 lần. Điều này có thể được giải thích
bởi hai nguyên nhân:
- Nhựa nền epoxy-nanoclay có độ bám dính với sợi thủy tinh cao
hơn so với epoxy không có nanoclay.
- Nanoclay I28E có khả năng phân bố ứng suất phá hủy trên bề
mặt tiếp xúc nhựa – sợi thủy tinh, đồng thời ngăn chặn sự phát triển
vết nứt lớn trong nền nhựa.
3.3.3. Sự thay đổi độ bền cơ học trong môi trường nước
Sự hấp thụ chất lỏng xét trên cho thấy khả năng của vật liệu
compozit chịu được tác động môi trường. Để nghiên cứu sâu hơn về
khả năng chịu môi trường đã đánh giá sự thay đổi độ bền cơ học của
vật liệu theo thời gian ngâm trong nước.
Trong hình 3.15 là đồ thị sự thay đổi độ bền uốn của vật liệu
compozit nền epoxy có và nanoclay gia cường sợi thủy tinh sau
những khoảng thời gian khác nhau.
a
595
510
425
340
255
170
85
0

b
0

20

40

60

80

Thời gian ngâm (ngày)

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước đến độ bền uốn
(a) epoxy DER 331-nanoclay I28E/sợi thủy tinh;
(b) epoxy DER 331/sợi thủy tinh
Kết quả xác định sự suy giảm tính chất uốn cho thấy sự suy giảm
tính chất bền uốn của vật liệu trong khoảng thời gian 10 ngày đầu
của cả hai loại vật liệu compozit gần như không đổi. Sau 60 ngày
ngâm thì độ bền uốn của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia
cường sợi thủy tinh là 2,2% trong khi đó với vật liệu compozit trên
cơ sở epoxy-nanoclay gia cường sợi thủy tinh là 1,2%. Điều đó
chứng tỏ nanoclay đã giúp cải thiện tính chất của vật liệu compozit
khi ngâm trong nước.

Footer Page 21 of 89.

21


Header Page 22 of 89.
3.3.4 Ảnh hưởng nanoclay đến mức độ lão hóa nhiệt của vật liệu
3.3.4.1 Ảnh hưởng của nanoclay đến khả năng chịu nhiệt của vật liệu
Từ giản đồ TGA, phân tích khả năng chịu nhiệt của vật liệu
compozit được trình bày trong bảng 3.8.

Bảng 3.8 Khả năng chịu nhiệt của vật liệu compozit
Vật liệu PC

Nhiệt độ Nhiệt
độ
bắt
đầu phân hủy
phân hủy mạnh nhất,
T0(oC)
Tmax (oC)

epoxynanoclay gia
cường
sợi
thủy tinh
Nhựa epoxy
gia cường sợi
thủy tinh

Nhiệt độ Mất khối
kết
thúc lượng
ở
phân hủy Tmax (%)
Te (oC)

360

400

700

30,83

380

420

700

18,75

Quá trình phân hủy của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy
DER 331 gia cường bằng sợi thủy tinh và epoxy DER 331 –nanoclay
I28E gia cường sợi thủy tinh chi thành 3 giai đoạn: giai đoạn bắt đầu
phân hủy khi nhiệt độ đạt 360oC, giai đoạn phân hủy mạnh nhất khi
nhiệt độ trong khoảng từ 400oC đến 420oC, giai đoạn kết thúc phân
hủy khi nhiệt độ phân hủy đạt 700oC. Tại nhiệt độ phân hủy mạnh
nhất thì độ tổn hao khối lượng của vật liệu compozit trên cơ sở
epoxy DER 331-nanoclay I28E gia cường sợi thủy tinh là 18,75%
trong khi đó vật liệu compozit trên cơ sở epoxy/sợi thủy tinh giảm
30,83% chứng tỏ vật liệu compozit có mặt nanoclay đã làm tăng khả
năng bền nhiệt của vật liệu.
3.3.4.2 Ảnh hưởng của nanoclay đến độ bền uốn
Ảnh hưởng của nanoclay I28E đến khả năng chịu lão hóa nhiệt
của compozit epoxy DER 331 – sợi thủy tinh được khảo sát thông
qua sự thay đổi độ bền uốn theo thời lão hóa nhiệt. Trong hình 3.16
là sự thay đổi tính chất uốn của compozit với nền epoxy DER 331 có
và không có nanoclay I28E.

Footer Page 22 of 89.
22


Độ bền uốn (MPa)

Header Page 23 of 89.
600
epoxy/sợi thủy tinh

400
200

epoxy-nanoclay/sợi thủy
tinh

0
0

24

48

96 192 384 768

Thời gian lão hóa nhiệt (giờ)

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian lão hóa nhiệt đến độ bền uốn
Kết quả trên cho thấy, sau khoảng 48 giờ lão hóa nhiệt ở 155oC độ
bền uốn của vật liệu thay đổi không nhiều. Cụ thể sau 48 giờ lão hóa

nhiệt độ bền uốn của vật liệu compozit có nanoclay giảm 0,52%, với
vật liệu không có là nanoclay giảm 1,12%. Tính chất uốn của vật liệu
compozit chỉ thực sự giảm mạnh sau khoảng 192 giờ thử nghiệm, cụ
thể độ bền uốn của vật liệu compozit có nanoclay giảm 3,56% trong
khi đó đối với vật liệu không có nanoclay là 5,49%. Kết quả thực
nghiệm sau 768 giờ lão hóa nhiệt của vật liệu compozit có nanoclay
I28E và không có nanoclay I28E như sau: độ bền uốn giảm tương
ứng là 11,2% và 13,43%.
Kết quả cũng chỉ ra ảnh hưởng của thời gian lão hóa nhiệt đến các
tính chất cơ học của vật liệu là khác nhau. Trong đó, độ bền va đập
của vật liệu giảm mạnh nhất, trong khi đó sự chênh lệch về độ giảm
của tính chất bền uốn, tính chất bền kéo của vật liệu không nhiều.
Độ bền lão hóa nhiệt của vật liệu có mối quan hệ tương ứng với
khả năng chịu nhiệt phân tính bằng phương pháp TGA. Kết quả cũng
chứng tỏ vai trò của nanoclay trong việc ngăn chặn sự phát triển các
vết nứt của vật liệu compozit khi tác dụng của ngoại lực từ đó làm
cho tính chất của vật liệu được tăng cường so với vật liệu compozit
không có sử dụng nanoclay.

Footer Page 23 of 89.
23


Header Page 24 of 89.
KẾT LUẬN
1. Bằng phương pháp khuấy cơ học kết hợp rung siêu âm đã phân tán thành công
nanoclay biến tính hữu cơ vào nền nhựa epoxy. Các cấu trúc nano được hình
thành từ nanoclay có hai dạng:
- Cấu trúc xen kẽ - tách lớp với khoảng cách giữa các lớp đạt 2 – 6 nm và
- Các tập hợp hạt với kích thước vài chục nanomet.

2. Nanoclay có ảnh hưởng tích cực đến tính chất cơ học và mài mòn của hệ nhựa
nền epoxy DER 331 đóng rắn bằng MHHPA. Trong khoảng hàm lượng được xét
(1-5 pkl), các tính chất cao nhất đạt được tại hàm lượng nanoclay 2 pkl. Cụ thể là,
so với hệ nhựa nền tương ứng không có nanoclay, hệ epoxy-nanoclay có các tính
chất: Cường độ ứng suất tới hạn KIC tăng 158%, đạt 1,7 MPa.m1/2; Độ bền kéo
tăng 36%, đạt 68,7 MPa; Độ bền uốn tăng 72%, đạt 124,7 MPa; Độ bền va đập
tăng 76%, đạt 15,8 KJ/m2; Độ bền nén tăng 50%, đạt 304,2 MPa; Độ mài mòn
giảm 50%, đạt 9,4 mg. Ảnh hưởng tích cực này được cho chủ yếu là do sự hình
thành cấu trúc nano dạng xen kẽ – bóc lớp của nanoclay I28E trong nền epoxy.
3. Kết quả nghiên cứu độ thẩm thấu và hệ số khuếch tán một số chất lỏng trong
nền epoxy DER 331 đóng rắn bằng MHHPA cho thấy, việc đưa nanoclay I28E
vào đã làm tăng khả năng che chắn của nhựa epoxy. Hàm lượng clay càng tăng
thì mức độ thẩm thấu và hệ số khuếch tán càng giảm cho đến hàm lượng 5 pkl
nanoclay I28E. Nguyên nhân hiện tượng này chủ yếu là do các phần tử nanoclay
dạng hạt trong nền epoxy, cũng như sự giảm mức độ thấm ướt của chất lỏng đối
với hệ epoxy-nanoclay I28E.
4. Đã xác định được rằng so với nhựa epoxy ban đầu, hệ epoxy DER 331nanoclay I28E có khả năng bám dính với thủy tinh cao hơn hẳn. Cụ thể độ bền
nhựa-sợi thủy tinh tăng 70% so với nhựa epoxy ban đầu. Đây là yếu tố rất quan
trọng để tăng cường tính chất vật liệu compozit epoxy-sợi thủy tinh có sử dụng
nanoclay I28E.
5. Đã xác định được điều kiện chế tạo vật liệu nanocompozit nền epoxy DER
331-nanoclay I28E gia cường bằng sợi thủy tinh như sau: Hàm lượng I28E trong
nền epoxy: 2 pkl; Tỷ lệ nền: sợi thủy tinh (w/w): 40/60; Chế độ gia công hai giai
đoạn: Giai đoạn 1: hỗn hợp epoxy DER 331/MHHPA/NMI tối ưu đã khảo sát ở
phần 3.1.1 được lăn ép bằng tay trong khuôn chế tạo mẫu, sau đó được đóng rắn
sơ bộ ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 60 phút, quá trình này không đặt áp lực ép.
Giai đoạn 2: khuôn ép được nâng nhiệt lên 110oC, áp lực ép được nâng lên 90
kgf/cm2 chế độ duy trì trong thời gian 90 phút.
6. Vật liệu nanocompozit nền epoxy DER 331-nanoclay I28E gia cường sợi thủy
tinh chế tạo được có các tính chất vượt trội so với compozit epoxy gia cường sợi

thủy tinh thông thường tương ứng: Độ bền va đập tăng 36,6%, đạt 94,1 kJ/m2; Độ
bền uốn tăng 28,9%, đạt 513,9 MPa; Độ bền kéo tăng 37,7%, đạt 573,6 MPa; Độ
bền mỏi tăng xấp xỉ 2,2 lần, đạt 102.456 chu kỳ; Độ bền dai tách lớp (GIC) tăng
1,7 lần, đạt 768,3 J/m2. Bên cạnh đó, khả năng chịu lão hóa nhiệt và lão hóa trong
môi trường chất lỏng xâm thực (nước, HCl 10%, NaOH 10%) của vật liệu
Footer
Page 24 of
89.
nanocompozit
cũng
tăng đáng kể so với compozit không có nanoclay.

24