Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học và độ chậm cháy của compozit trên nền epoxy gia cường bằng vải thủy tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ CHẬM
CHÁY CỦA COMPOZIT TRÊN NỀN EPOXY GIA CƯỜNG
BẰNG VẢI THỦY TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐỘ CHẬM
CHÁY CỦA COMPOZIT TRÊN NỀN EPOXY GIA CƯỜNG
BẰNG VẢI THỦY TINH

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỠNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS BẠCH TRỌNG PHÚC
2. GS.TSKH TRẦN VĨNH DIỆU

Hà Nội - 2016

i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ ................................................................................... xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 3
1.1 Nhựa epoxy ..................................................................................................................... 3
1.1.1 Các loại nhựa epoxy................................................................................................. 3
1.1.2 Tính chất nhựa epoxy............................................................................................... 3
1.1.3 Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy ............................................................................... 4
1.2 Các giải pháp nâng cao tính chất cơ học và độ chậm cháy của compozit trên cơ
sở nhựa epoxy gia cường bằng vải thủy tinh..................................................................... 6
1.2.1 Phối trộn nhựa epoxy với dầu lanh epoxy hóa ........................................................ 6
1.2.2 Đưa nanoclay vào nhựa epoxy ................................................................................. 9
1.2.3 Đưa MWCNTs vào nhựa epoxy ............................................................................ 15
1.3 Các chất làm chậm cháy polyme ................................................................................ 22
1.3.1 Cơ chế cháy vật liệu polyme .................................................................................. 22
1.3.2 Cơ chế hoạt động của phụ gia chống cháy ............................................................ 26
1.3.3 Phụ gia chống cháy ................................................................................................ 27
1.4 Các loại vải thủy tinh thông thường và vải thủy tinh 3D......................................... 29
1.4.1 Vải thủy tinh thông thường .................................................................................... 29
1.4.2 Vải thủy tinh dệt 3D............................................................................................... 30
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 31
2.1 Nguyên liệu, thiết bị ..................................................................................................... 31
2.1.1 Nguyên liệu ............................................................................................................ 31

2.1.2 Thiết bị ................................................................................................................... 32


ii

2.2 Phương pháp chế tạo mẫu .......................................................................................... 32
2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu nhựa nền ...................................................................... 32
2.2.1.1 Phương pháp chế tạo mẫu epoxy Epikote 240 với các chất chống cháy ....... 32
2.2.1.2 Phương pháp chế tạo mẫu epoxy Epikote 240/dầu lanh epoxy hóa (ELO) ... 33
2.2.1.3 Phương pháp phân tán nanoclay vào epoxy Epikote 240 .............................. 33
2.2.1.4 Phương pháp phân tán MWCNTs vào epoxy Epikote 240 ............................ 34
2.2.1.5 Phương pháp phân tán nanoclay/MWCNTs vào epoxy Epikote 240 ............ 34
2.2.2 Chế tạo vật liệu polyme compozit nền epoxy Epikote 240 gia cường bằng vải
thủy tinh .......................................................................................................................... 35
2.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 35
2.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel........................................................... 35
2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)....................................................................... 35
2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA) ................................................... 36
2.3.4 Phương pháp xác định hình thái cấu trúc của vật liệu (FE-SEM, SEM) ............... 36
2.3.6 Phương pháp xác định tính chất cơ học ................................................................. 36
2.3.7 Các phương pháp khảo sát khả năng chống cháy của vật liệu ............................... 36
2.3.7.1 Phương pháp đo chỉ số oxy tới hạn (Limiting Oxygen Index -LOI) ............. 37
2.3.7.2 Phương pháp xác định tính dễ bốc cháy của vật liệu trên thiết bị UL 94 ...... 38
2.3.7.3 Phương pháp đo chỉ số tốc độ cháy................................................................ 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................... 42
3.1 Nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu polyme
compozit nền nhựa epoxy Epikote 240 (E240) ................................................................ 42
3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất đóng rắn amin khác nhau đến mức độ đóng
rắn, độ bền cơ học và độ chậm cháy của vật liệu polyme epoxy E 240 ......................... 42
3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vải thủy tinh đến tính chất cơ học và độ

chậm cháy của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy E 240 đóng rắn bằng DETA
............................................................................................................................................. 43


iii

3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chống cháy đến tính chất của vật liệu
nhựa epoxy E 240 đóng rắn bằng DETA ........................................................................ 44
3.1.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chống cháy đến độ chậm cháy của vật
liệu epoxy E 240......................................................................................................... 44
3.1.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chống cháy đến tính chất cơ học của
vật liệu epoxy E 240 ................................................................................................... 46
3.1.3.3 Hình thái cấu trúc của vật liệu epoxy E 240 có mặt các chất chống cháy
khác nhau ................................................................................................................... 47
3.1.3.4 Nghiên cưú ảnh hưởng của các chất chống cháy đến tính chất nhiệt của vật
liệu epoxy E 240......................................................................................................... 48
3.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa
đến độ chậm cháy và tính chất cơ học của vật liệu epoxy E 240 ................................... 49
3.1.5 Hình thái cấu trúc của vật liệu epoxy E240 có mặt hệ chất chống cháy
oxyt antimon và paraphin clo hóa ................................................................................... 52
3.1.6 Tính chất nhiệt của vật liệu epoxy E240 có mặt hệ chất chống cháy
oxyt antimon/paraphin clo hóa ....................................................................................... 53
3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC nền nhựa epoxy E 240 – dầu lanh epoxy
hóa (ELO) gia cường bằng vải thủy tinh ......................................................................... 56
3.2.1 Khảo sát quá trình đóng rắn của hỗn hợp epoxy E 240/ELO đóng rắn bằng
DETA .............................................................................................................................. 56
3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng ELO hóa đến tính chất cơ học và độ chậm cháy của
tổ hợp epoxy E 240/ELO đóng rắn bằng DETA............................................................. 56
3.2.3 Hình thái cấu trúc của vật liệu epoxy Epikote 240/dầu lanh epoxy hóa đóng rắn
bằng DETA ..................................................................................................................... 58

3.2.4 Tính chất cơ học và độ chậm cháy vật liệu PC trên nền epoxy E 240/ ELO gia
cường bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chống cháy .................................... 59
3.2.4.1 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của hỗn hợp epoxy E 240/ELO có


iv

và không có mặt chất chống cháy .............................................................................. 59
3.2.4.2 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu PC nền epoxy E 240/ELO
gia cường bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chống cháy .......................... 62
3.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC trên nền epoxy E 240 có nanoclay I.30E gia
cường bằng vải thủy tinh .................................................................................................. 66
3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất cơ học và khả
năng chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I30E ..................................... 66
3.3.1.1 Khảo sát hình thái cấu trúc và nhiễu xạ tia X của vật liệu
nanocompozit epoxy E 240/I.30E .............................................................................. 66
3.3.1.2 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy
E 240/I.30E ................................................................................................................ 68
3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến tính chất cơ học và khả
năng chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E .................................... 71
3.3.2.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy cơ học đến hình thái cấu trúc của vật
liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................................................... 71
3.3.2.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy cơ học đến tính chất cơ học và độ chậm cháy
của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E........................................................... 72
3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khuấy cơ học đến tính chất cơ học và
độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................... 74
3.3.3.1 Khảo sát hình thái cấu trúc của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E... 74
3.3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khuấy cơ học đến tính chất cơ học
và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E............................... 75
3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy cơ học đến tính chất cơ học và khả năng chậm

cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................................... 76
3.3.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy cơ học đến sự phân tán I.30E trong nhựa
epoxy E 240 ............................................................................................................... 76
3.3.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy cơ học đến tính chất cơ học và độ chậm


v

cháy của vật liệu nanocompozit epoxy Epikote 240/I.30E ........................................ 78
3.3.5 Nghiên cứu các điều kiện khuấy siêu âm ảnh hưởng đến tính chất cơ học và khả
năng chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E .................................... 79
3.3.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khuấy siêu âm đến tính chất cơ học và
độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ................................... 79
3.3.5.2. Ảnh hưởng của công suất làm việc của máy khuấy siêu âm đến tính chất
cơ học và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ................... 81
3.3.6 Vật liệu PC trên nền epoxy E 240/ELO/I.30E gia cường bằng vải thủy tinh ........ 84
3.3.6.1 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của nanocompozit trên nền epoxy
E 240/ELO/I.30E có gia chất chống cháy .................................................................. 84
3.3.6.2 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của PC trên nền epoxy E240/ELO/I.30E
gia cường bằng vải thủy tinh có và không có chất chống cháy ................................. 87
3.4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC nền epoxy Epikote 240 có ống nano các bon
đa tường (Multi Walled Carbon Nanotubes) gia cường bằng vải thủy tinh ................ 91
3.4.1 Nghiên cứu phương pháp phân tán MWCNTs vào epoxy bằng kỹ thuật rung siêu
âm.................................................................................................................................... 91
3.4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến mức độ phân tán, tính chất cơ
học và tính chất chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 ..... 91
3.4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ rung siêu âm đến tính chất cơ học và tính chất
chống cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 ............................... 94
3.4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs đến tính chất cơ học và tính chất
chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 ................................ 95

3.4.2 Nghiên cứu phương pháp phân tán MWCNTs vào epoxy bằng kỹ thuật khuấy cơ
học kết hợp rung siêu. ..................................................................................................... 97
3.4.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền epoxy E 240 có bổ sung nanoclay
I.30E và MWCNTs ......................................................................................................... 99
3.4.3.1 Phân tán nanoclay và MWCNTs vào epoxy .................................................. 99


vi

3.4.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng nanoclay I.30E và
MWCNTs đến tính chất của nhựa epoxy E 240 ...................................................... 103
3.4.4 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit nền nhựa
epoxy Epikote 240 phối hợp ELO có mặt phụ gia nanoclay I.30E, MWCNTs và chất
chống cháy .................................................................................................................... 112
3.4.5. Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit nền epoxy E 240
có mặt MWCNTs và nanoclay I.30E có và không có chất chống cháy gia cường bằng
vải thủy tinh .................................................................................................................. 117
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 125


vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CPC
DDM
DDS

Xetylpyridinum cloisite

4,4 diaminodiphenylmetan
4,4 diaminodiphenylsulfon

DETA

Dietylentriamin

DOP

Dioctylphtalat

E 240

Nhựa epoxy Epikote 240

E 600

Vải thủy tinh thô loại E 600 g/m2

EGL

Dầu lanh

EGS

Dầu đậu nành

ELO

Dầu lanh epoxy hóa

ESO
FE-SEM

Dầu đậu nành epoxy hóa
Field Emission Scanning Electron Microscopy

HMDA

Hexametylendiamin

LOI

Limit Oxygen Index

MGPs

Multi grapphene platelets

MMT

Montmorillonite

MWCNTs

Multi walled carbon nanotubes

NB

Nano cacbon (MWCNTs)

NC

Nanoclay I.30E

PC

Polyme compozit

PEKN

Nhựa polyeste không no

PEPA

Polyetylenpolyamin

PLA

Axit lactic

SEM

Scanning Electron Microscopy

TEM

Transmission Electron Microscopy

TETA

Trietylentetramin

XEDETA

Xyanetyldietylentriamin

XRD

X-rays sifraction


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Đặc tính của sợi thủy tinh .................................................................................... 29
Bảng 2.1 Tỷ lệ trộn hợp epoxy Epikote 240 với Sb2O3, paraphin clo hóa ......................... 33
Bảng 2.2 Tỷ lệ trộn hợp epoxy Epikote 240 và dầu lanh epoxy hóa .................................. 33
Bảng 2.3 Tỷ lệ trộn hợp nanoclay và MWCNTs vào epoxy ............................................... 34
Bảng 2.4 Các tiêu chuẩn trong phép thử UL-94 ................................................................. 39
Bảng 3.1 Ảnh hưởng của chất đóng rắn tới thời gian gel hóa, hàm lượng phần gel và khả
năng chống cháy của epoxy E 240 ...................................................................................... 42
Bảng 3.2 Tính chất chậm cháy của PC nền epoxy E 240 gia cường bằng các loại vải thủy
tinh44 UL 94HB cho vật liệu nhưa epoxy E 240 có mặt các chất chống cháy khác nhau
............................................................................................................................................. 46
Bảng 3.3 Tính chất cơ học của nhựa epoxy E 240 khi có mặt các chất chống cháy khác
nhau ..................................................................................................................................... 47
Bảng 3.4 Độ bền cơ học của vật liệu polyme epoxy E 240 có mặt và không có hệ chất
chống cháy oxyt antimon/paraphin clo hóa với các phần khối lượng khác nhau ................ 49
Bảng 3.5 Đánh giá khả năng chậm cháy của vật liệu epoxy E 240 có và không có mặt hệ

chất chống cháy oxyt antimon/parfin clo hóa với các tỷ lệ khác nhau ................................ 50
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng ELO đến hàm lượng phần gel và thời gian đóng rắn
của nhựa epoxy E 240/ELO................................................................................................. 56
Bảng 3.7 Tính chất cơ học của tổ hợp epoxy E 240/ELO................................................... 57
Bảng 3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ epoxy E 240/ELO đến tính chất cơ học và độ chậm cháy
của vật liệu ........................................................................................................................... 57
Bảng 3.9 Độ chậm cháy của các vật liệu epoxy Epikote 240/ELO/ Sb2O3/paraphin clo hóa
so với các vật liệu khác........................................................................................................ 61
Bảng 3.10 Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit (PC) nền epoxy gia cường bằng
vải thuỷ tinh đóng rắn bằng DETA ..................................................................................... 62


ix

Bảng 3.11 Tính chất cháy của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng vải thuỷ tinh,
sử dụng chất đóng rắn DETA .............................................................................................. 65
Bảng 3.12 Độ bền cơ học của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/nanoclay I.30E với các
hàm lượng nanoclay I.30E khác nhau ................................................................................. 68
Bảng 3.13 Tích chất cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/nanoclay I.30E với các
hàm lượng nanoclay khác nhau ........................................................................................... 70
Bảng 3.14 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến tính chất cơ học của vật liệu
nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................................................................... 73
Bảng 3.15 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến độ chậm cháy của vật liệu
nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................................................................... 73
Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khuấy cơ học đến tính chất cơ học của
vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E........................................................................... 75
Bảng 3.17 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khuấy cơ học đến độ chậm cháy của vật
liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ................................................................................ 75
Bảng 3.18 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy cơ học đến tính chất cơ học của vật liệu
nanocompozit epoxy E 240/I.30E ....................................................................................... 78

Bảng 3.19 Độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E .......................... 78
Bảng 3.20 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E ...................... 80
Bảng 3.21 Ảnh hưởng của thời gian khuấy siêu âm đến độ chậm cháy của vật liệu
nanocompozit epoxy Epikote 240 /I.30E ............................................................................ 81
Bảng 3.22 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E với công suất
khuấy siêu âm khác nhau ..................................................................................................... 83
Bảng 3.23 Ảnh hưởng của công suất khuấy siêu âm đến tính chất chậm cháy của vật liệu
epoxy/I.30E nanocompozit .................................................................................................. 83
Bảng 3.24 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/ELO/I.30E có mặt
chất chống cháy ................................................................................................................... 85
Bảng 3.25 Độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/ELO/I.30E có chất
chống cháy ........................................................................................................................... 86
Bảng 3.26 Tính chất cơ học của vật liệu epoxy/I.30E compozit có mặt ELO, chất chống
cháy gia cường bằng vải thủy tinh thường loại E 600g/m2 và thủy tinh dệt 3D ................. 88


x

Bảng 3.28 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 khi rung
siêu âm ở các thời gian: 4, 5, 6 và 7 giờ .............................................................................. 93
Bảng 3.31 Tính chất chậm cháy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E240 khi
rung siêu âm ở các nhiệt độ: 55, 60, 65 và 700C ................................................................. 95
Bảng 3.32 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 với các
hàm lượng MWCNTs khác nhau: 0,01%, 0,02%, 0,03% khối lượng ................................. 96
Bảng 3.33 Tính chất chậm cháy của các vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 với
hàm lượng MWCNTs 0,01%; 0,02%; 0,03% khối lượng. .................................................. 97
Bảng 3.34 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học và rung siêu âm đến tính chất cơ học
của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 ............................................................ 99
Bảng 3.35 Ảnh hưởng của thời gian khuấy cơ học đến tính chất chậm cháy của vật liệu
nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240 ............................................................................... 99

Bảng 3.36 Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit MWCNTs/nanoclay I.30E /epoxy E
240 khi rung siêu âm 6 giờ và khuấy cơ học ở các thời gian 7, 8, 9 giờ kết hợp rung siêu
âm 6 giờ ............................................................................................................................. 103
Bảng 3.37 Tỷ lệ % khối lượng của MWCNTs và nanoclay I.30E sử dung để chế tạo vật
liệu nanocompozit MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E 240 ............................................. 104
Bảng 3.38 Độ bền cơ học của vật liệu MWCNTs/nanoclay I.30E /epoxy E 240 ở các tỷ lệ
khối lượng khác nhau ........................................................................................................ 108
Bảng 3.39 Độ chậm cháy của vật liệu MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E 240 ở các tỷ lệ
khối lượng khác nhau ........................................................................................................ 109
Bảng 3.40 Các thí nghiệm và ký hiệu mẫu chế tạo vật liệu compozit .............................. 112
Bảng 3.41 Độ bền cơ học của các vật liệu nanocompozit MWCNTs/I.30E/epoxy E
240/ELO ............................................................................................................................ 114
Bảng 3.42 Độ chậm cháy của các vật liệu compozit nền epoxy có mặt nanoclay,
MWCMTs, ELO, chất chống cháy gia cường bằng vải thủy tinh ..................................... 115
Bảng 3.43 Ký hiệu mẫu và các tỷ lệ phối trộn các vật liệu compozit nền epoxy E 240 có
mặt ELO, MWCNTs, I.30E và chất chống cháy ............................................................... 117
Bảng 3.44 Độ bền cơ học của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC,
MWCNTs và nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh thường và thủy tinh dệt 3D . 119
Bảng 3.45 Độ chậm cháy của của các vật liệu PC nền epoxy E 240 có mặt ELO, CCC,
MWCNTs và nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh thường và thủy tinh dệt 3D . 120


xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Tính chất của nhựa epoxy epidian………………………………………………..4
Hình 1.2 Quá trình khâu mạch nhựa epoxy bằng diamin .................................................... 6
Hình 1.3 Phản ứng epoxy hóa dầu lanh .............................................................................. 7
Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của MMT .................................................................................. 10
Hình 1.5 Hình thành các epoxy / micro MMT compozit................................................... 10

Hình 1.6 Phổ XRD của mẫu epoxy clay/nanocompozit phân tán ở các nhiệt độ khác
nhau......................................................................................................................................11
Hình 1.7 Ảnh SEM của nhựa epoxy và 5% nanoclay-I.30E/epoxy.................................... 12
Hình 1.8 XRD của các vật liệu nanocompozit với các hàm lượng nanoclay khác nhau .. 14
Hình 1.9 Ảnh SEM của mẫu nanocompozit ....................................................................... 14
Hình 1.10 Cấu trúc buckyball ............................................................................................. 16
Hình 1.11 Ống nano cacbon đa tường ................................................................................ 17
Hình 1.12 Ảnh SEM bề mặt gãy của epoxy nguyên thể (a), phân tán MWCNTs trong
epoxy: 15 phút (b), 45 phút (c) và 135 phút (d) tại công suất khuấy siêu âm 50 W ........... 18
Hình 1.13 Ảnh SEM của MWCNTs phân tán trong epoxy: 15 phúta) 45 phút b) 135 phút
và (c) tại công suất khuấy siêu âm 50 W ............................................................................. 18
Hình 1.14 Ảnh SEM của các nanocompozit: (a) 1 % MWCNTs, 60,000

và (b) 0.5 %

MWCNTs, 110,000 ........................................................................................................... 19
Hình 1.15 Ảnh SEM của sự phân tán đều (a) và sự kết tụ (b) của vật liệu MWCNTs/epoxy
............................................................................................................................................. 20
Hình 1.16 Ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu compozit nền epoxy có mặt nano cácbon gia
cường băng sợi thủy tinh ..................................................................................................... 21
Hình 1.17 Ảnh SEM bề mặt gẫy sợi thủy tinh của các mẫu: (A và B) Epoxy/E-sợi thuỷ
tinh và (C và D) 0,3 % khối lượng v à (E và F) 0,4% khối lượng Compozit MWCNTs Ethủy tinh / epoxy .................................................................................................................. 22
Hình 1.18 Cơ chế cháy theo tam giác ngọn lửa .................................................................. 23


xii

Hình 1.19 Sự nhiêt phân và quá trình phân hủy của polyme ............................................. 23
Hình 1.20 Sơ đồ diễn biến quá trình đốt cháy polyme ....................................................... 24
Hình 1.21 Sơ đồ ngọn lửa lây lan trong quá trình cháy và polyme .................................... 24

Hình 1.22 Vải thủy tinh dệt 2D và vải thủy tinh dệt 3D ..................................................... 30
Hình 2.1 Thiết bị đo chỉ số oxy tối thiểu ............................................................................ 38
Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm kiểm tra khả năng cháy theo UL 94HB đốt cháy ngang và UL
94V đốt cháy thẳng đứng..................................................................................................... 38
Hình 2.3 Máy đo tốc độ cháy (Combustion resistance cod 614500) ................................. 40
Hình 3.1 Tính chất cơ học của vật liệu E 240 đóng rắn bằng các chất đóng rắn amin ....... 43
Hình 3.2 Tính chất cơ học của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng các loại vải
thủy tinh ............................................................................................................................... 43
Hình 3.3 Chỉ số oxy giới hạn và tốc độ cháy của các vật liệu epoxy E 240 có mặt các chất
chống cháy khác nhau.......................................................................................................... 45
Hình 3.4 Đánh giá khả năng chậm cháy theo phương pháp định tính dễ bốc cháy trên
thiết bị .................................................................................................................................. 46
Hình 3.5 Ảnh SEM của vật liệu epoxy E 240 có mặt các chất chống cháy: tris(1,3dichloro-iso-propyl)phosphat (a); oxyt antimon (b); amino phosphat (c); paraphin clo hóa
(d); epoxy Epikote 240 (e) ................................................................................................... 47
Hình 3.6 Giản đồ TGA của vật liệu epoxy E 240 có mặt các chất chống cháy: (A)-oxyt
antimon; (C)- paraphin clo hóa; (B)- amino phosphat;

(D)-tris(1,3-dichloro-iso-

propyl)phosphat ................................................................................................................... 48
Hình 3.7 Ảnh FE-SEM của nhựa epoxy E 240/DETA có mặt các chất chống cháy: Sb2O3
7 PKL/paraphin clo hóa 9 PKL(A,a); Sb2O3 7 PKL/ paraphin clo hóa 11PKL (B.b); Sb2O3
9 PKL/ paraphin clo hóa 9 PKL (C,c); Sb2O3 9 PKL / paraphin clo hóa 11PKL (D,d). ..... 52
Hình 3.8 Ảnh FE-SEM của nhựa epoxy E 240/DETA có mặt hệ chất chống cháy: Sb2O3 7
PKL / paraphin clo hóa 11PKL (E); Sb2O3 9 PKL / paraphin clo hóa 11PKL (F) ở độ phân
giải 10.000 lần. .................................................................................................................... 53
Hình 3.9 Giản đồ TGA của mẫu vật liệu polyme epoxy Epikote 240/ Sb2O3 7 PKL /
paraphin clo hóa 11 PKL ..................................................................................................... 54

xiii

Hình 3.10 Giản đồ TGA của mẫu vật liệu polyme epoxy Epikote 240/ Sb2O3 9 PKL /
paraphin clo hóa 11 PKL ..................................................................................................... 54
Hình 3.11 Ảnh FE-SEM của vật liệu epoxy E 240/ELO ở tỷ lệ phối trộn 90/10 phần khối
lượng lần lượt ở các độ phóng đại: 1000; 5000; 10.000; 20.000 lần ................................... 58
Hình 3.12 Ảnh FE-SEM của vật liệu epoxy E 240/ELO ở tỷ lệ phối trộn 90/10 PKL và
80/20 PKL phần khối lượng ở độ phóng đại 2500 lần ....................................................... 58
Hình 3.13 Độ bền cơ học của các vật liệu: epoxy E 240; epoxy E 240/ELO (tỷ lệ: 90/10
PKL)(EO); epoxy E 240/oxyt antimon 9 PKL/ paraphin clo hóa 11PKL (EAP); epoxy E
240/ ELO/ oxyt antimon 9 PKL/ paraphin clo hóa 11 PKL (EOAP) .................................. 60
Hình 3.14 Ảnh FE-SEM của bề mặt vật liệu PC sau khi cháy, được thử nghiệm bằng
phương pháp đo tốc độ cháy: epoxy E 240 (a); epoxy E 240/ELO/oxyt antimon/paraphin
clo hóa (b). ........................................................................................................................... 61
Hình 3.15 Ảnh SEM của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng vải thủy tinh có mặt
hệ chất chống cháy và ELO: vật liệu epoxy E 240/vải thủy tinh/paraphin clo hóa/ Sb2O3
(a); vật liệu epoxy E 240/ELO/vải thủy tinh/paraphin clo hóa/Sb2O3 (b). .......................... 63
Hình 3.16 Ảnh FE-SEM của vật liệu PC nền epoxy E 240 gia cường bằng vải thủy tinh ở
độ phóng đại khác nhau: epoxy/vải thủy tinh- PC 0 (a, C); epoxy E 240/ELO/CCC/vải thủy
tinh - PC3 (b, B). ................................................................................................................. 64
Hình 3.17 Hình ảnh thử tính chất cháy theo tốc độ cháy và LOI của các mẫu: epoxy E
240/CCC/vải thủy tinh loại E 600g/m2 (A); epoxy E 240 /CCC/vải thủy tinh loại E dệt 3D
600g/m2(B); epoxy E 240/ vải thủy tinh loại E 600g/m2 (C); epoxy E 240/CCC/ vải thủy
tinh loại E 600g/m2 (D) ....................................................................................................... 66
Hình 3.18 Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E với hàm lượng
nanoclay khác nhau ............................................................................................................. 67
Hình 3.19 Giản đồ XRD của nanoclay tinh khiết và các vật liệu nanocompozit epoxy E
240/I.30E. ............................................................................................................................ 67
Hình 3.20 Ảnh FE-SEM của các vật liệu nanocompozit epoxy E 240/ nanoclay I.30E .... 69
Hình 3.21 Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E với 2% nanoclay

I.30E khi khuấy cơ học ở 8h và 5h sau đó khuấy siêu âm 60 phút. .................................... 71


xiv

Hình 3.22 Ảnh SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit và nhựa nền epoxy
Epikote 240: (a) - khuấy cơ học 5h, (b)- khuấy cơ học 6h, (c) – khuấy cơ học 7h, (d) –
khuấy cơ học 8h, (e) – epoxy, (f) – khuấy cơ học 8h ở độ phóng đại 2000 lần .................. 72
Hình 3.23 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy các vật liệu epoxy nanocompozit khi khuấy cơ học ở
các nhiệt độ khác nhau......................................................................................................... 74
Hình 3.25 Ảnh FE-SEM của các mẫu nanocompozit epoxy E 240/I.30E khi khuấy ở các
vận tốc khác nhau: a-1500 vòng/phút; b-2000 vòng/phút, c-2500 vòng trên phút và d-3000
vòng/phút ............................................................................................................................. 77
Hình 3.26 FE-SEM của các vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E với thời gian khuấy
siêu âm khác nhau................................................................................................................ 79
Hình 3.28 Ảnh FE-SEM của các vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E với các công
suất khuấy siêu âm khác nhau ............................................................................................. 82
Hình 3.30 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E có
và không có chất chống cháy (CCC): (a)-NC.CCC phóng đại 500 lần; (b)-NC.CCC phóng
đại 10.000 lần ...................................................................................................................... 86
Hình 3.31 Ảnh FE-SEM bề mặt cháy của các mẫu vật liệu epoxy/MMT nanocompozit có
mặt và không có mặt chất chống cháy (CCC): (A)-nanocompozit epoxy E240/I.30E; (B)nanocompozit epoxy E 240/ELO/CCC/I.30E ..................................................................... 87
Hình 3.33 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E
240 ....................................................................................................................................... 91
Hình 3.34 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy E 240:
A-thời gian rung siêu âm 6h ở độ phóng đại 150.000 lần, B-thời gian rung siêu âm 4 giờ ở
độ phóng đại 120.000 lần .................................................................................................... 92
Hình 3.35 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit: 0,01% MWCNTs,
0,02% MWCNTs, 0,03% MWCNTs .................................................................................. 95
Hình 3.36 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu nanocompozit với 0,02% khối lượng

MWCNTs ỏ độ phóng đại 200.000 lần ............................................................................... 96
Hình 3.37 Ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo vật liệu nanocompozit MWCNTs/epoxy
E 240 với chế độ phân tán rung siêu âm 6 giờ sau đó khuấy cơ học 5 giờ : (A)-phóng đại
20.000 ngìn lần, (B)-phóng đại 50.000 ngìn lần .................................................................. 97


xv

Hình 3.38

Ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo các vật liệu nanocompozit

MWCNTs/epoxy E 240: A-khuấy cơ học 5 giờ, rung siêu âm 6 giờ; B- khuấy cơ học 6 giờ,
rung siêu âm 6 giờ; C- khuấy cơ học 7 giờ, rung siêu âm 6 giờ; D- khuấy cơ học 8 giờ,
rung siêu âm 6 giờ; E, F- khuấy cơ học 8 giờ ..................................................................... 98
Hình 3.39 Ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy mẫu kéo các vật liệu nanocompozit
MWCNTs/epoxy E 240: A-rung siêu âm 6 giờ; B- khuấy cơ học 7 giờ, rung siêu âm 6 giờ;
C- khuấy cơ học 8 giờ, rung siêu âm 6 giờ; D-khuấy cơ học 9 giờ, rung siêu âm 6 giờ .. 101
Hình 3.40 Giản đồ XRD của vật liệu nanocompozit MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E
240 khi được phân tán ở chế độ khuấy cơ học 8 giờ và rung siêu âm 6 giờ .................... 101
Hình 3.41 Chỉ số oxy của các vật liệu compozit: epoxy E 240 /nanoclay I.30E (EP/NC),
epoxy E 240/MWCNTs (EP/NB), EPNBNC (rung siêu âm 6 giờ), EPNBNC.7 (khuấy cơ
học 7 giờ, rung siêu âm 6 giờ), EPNBNC.8 (khuấy cơ học 8 giờ, siêu âm 6 giờ),
EPNBNC.9 (khuấy cơ học 9 giờ, siêu âm 6 giờ) .............................................................. 102
Hình 3.42 Tỷ lệ đốt cháy trong quá trình thử nghiệm UL94HB của các vật liệu
nanocompozit: epoxy E 240/nanoclay I.30E(EP/NC), epoxy E 240/MWCNTs (EP/NB),
EPNBNC (rung siêu âm 6 giờ), EPNCNB.7 (khuấy cơ học 7 giờ, rung siêu âm 6 giờ),
EPNCNB.8 (khuấy cơ học 8 giờ, siêu âm 6 giờ), EPNBNC.9 (khuấy cơ học 9 giờ, siêu âm
6 giờ).................................................................................................................................. 102
Hình 3.43 Ảnh FE-SEM của các mẫu: (A)- NB.NC1.1, (B)- NB.NC2.1, (C)- NB.NC3.1,

(D)-NB.NC1.2, (E)-NB.NC2.2, (F)-NB.NC3.2, (Q)-NB.NC1.3, (H)-NB.NC2.3, (I)NB.NC3.3 .......................................................................................................................... 105
Hình 3.44 Hình ảnh FE-SEM của bề mặt gẫy vật liệu MWCNTs/nanoclay I.30E /epoxy E
240: (a)-500 lần, (b)-100.000 lần, (c)-50.000 lần .............................................................. 106
Hình 3.45 Giản đồ XRD của các vât liệu MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E 240 với các
mẫu: I.30E; NB.NC.0,01.1; NB.NC.0.01.2; NB.NC.0.01.3 .............................................. 107
Hình 3.46 Giản đồ XRD của các vât liệu MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E 240 với các
mẫu: I.30E; NB.NC.0,02.1; NB.NC.0.02.2; NB.NC.0.02.3 .............................................. 107
Hình 3.47 Giản đồ XRD của các vât liệu MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy E 240 với các
mẫu: I.30E; NB.NC.0,03.1; NB.NC.0.03.2; NB.NC.0.03.3 .............................................. 108
Hình 3.48 Ảnh FE-SEM bề mặt cháy sau khi thử phương pháp UL 94HB của mẫu
MWCNTs/nanoclay/epoxy ................................................................................................ 110


xvi

Hình 3.50 Giản đồ TGA của các mẫu: NB0.02NC1, NB0.02NC2, NB0,02NC3 ............ 111
Hình 3.51 Giản đồ TGA của các mẫu: NB0.03NC1, NB0.03NC2, NB0,03NC3 ............ 111
Hình 3.52 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu: (a)-NB.CCC, (b)-NB.ELO, (c)NB.ELO.CC, (C)-NB.ELO.CC phóng đại ở 100.000 lần, (d)-NB.NC.CCC, (D)NB.NC.CCC phóng đại ở 50.000 lần ................................................................................ 113
Hình 3.53 Giản đồ XRD của các vât liệu I.30E; MWCNTs/nanoclay (NB.NC);
MWCNTs/nanoclay/ELO

(NB.NC.ELO);

MWCNTs/nanoclay/CCC

(NB.NC.CCC);

MWCNTs/nanoclay/ELO/CCC (NB.NC.CCC.ELO) ....................................................... 114
Hình 3.54 Ảnh FE-SEM bề mặt đốt cháy của các mẫu sau khi thử bằng phương pháp
LOI:(a)-NB.NC.CC, (b)-NB.NC.CCC.ELO, (c)- NB.NC.CC ở độ phân giải 30 lần, (d)NB.NC.CCC.ELO ở độ phân gải 30 lần ............................................................................ 116

Hình 3.55 Giản đồ TGA của các vật liệu: NB.CCC, NB.NC.CCC, NB.NC.ELO.CCC .. 117
Hình 3.56 Ảnh FE-SEM bề mặt gẫy của các vật liệu polyme compozit: (a)-PC.NB, ...... 118
(b)-PC.NB.CCC, (c)-PC.NB.ELO.CCC, (d)-PC.NB.NC, (e,f)-PC.NBNC.ELO.CCC ..... 118


1

MỞ ĐẦU
Polyme có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như cơ khí, giao thông, xây
dựng, điện, điện tử, hàng không vũ trụ và đồ gia dụng hàng ngày…[2]. Tuy nhiên, trong
nhiều ứng dụng, tính dễ cháy của polyme thông thường dẫn đến sự hạn chế sử dụng chúng.
Sản phẩm cháy của polyme thường gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con
người và môi trường. Ở Việt Nam, năm 2013 những vụ cháy liên quan đến nhà cao tầng,
chợ, trung tâm thương mại, khu chung cư có chiều hướng gia tăng. Riêng vụ nổ nhà máy
pháo hoa ở Phú Thọ đã làm chết 26 người và gần 100 người bị thương, toàn bộ nhà máy bị
san phẳng, thiệt hại 53 tỉ đồng. Theo thống kê của Cục phòng cháy chữa cháy và cứu nạn
cứu hộ, trong năm 2013, cả nước xảy ra gần 2.600 vụ cháy nổ, làm chết 124 người và bị
thương 349 người. Riêng tại Hoa Kỳ từ năm 1996 đến năm 2005, trung bình 3932 người
chết và 20.919 người khác bị thương (không bao gồm các sự kiện của ngày 11 tháng 9 năm
2001) đã được báo cáo hàng năm là kết quả của các vụ hỏa hoạn [41]. Ngoài ra, tất cả
những tai nạn cháy cũng liên quan đến mất mát tài sản đáng giá hàng triệu đô la. Vì vậy,
việc cải thiện tính chậm cháy của vật liệu polyme tiếp tục vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu
rất hấp dẫn cho các nhà hóa học và công nghệ vật liệu polyme. Trong số các phương pháp
khác nhau để cải thiện tính chậm cháy của vật liệu polyme, kết hợp các hóa chất chống
cháy là một trong các phương pháp thường được sử dụng nhất. Những hóa chất chống cháy
đó được gọi là chất làm chậm cháy, thực hiện một hoặc nhiều chức năng cụ thể nào đó
trong suốt quá trình đốt để có thể dập tắt ngọn lửa hoặc làm chậm lan truyền của nó.
Vì vậy chúng tôi đã lựa chọn đề tài của luận án: “Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ
học và độ chậm cháy của compozit trên nền epoxy gia cường bằng vải thủy tinh” và
hy vọng kết quả của luận án sẽ có đóng góp vào phát triển vật liệu compozit chậm cháy ở

nước ta.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
1. Nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu compozit trên cơ
sở nhựa epoxy Epikote 240 (lựa chọn chất đóng rắn, loại vải thủy tinh, chất
chống cháy và tỷ lệ thích hợp trong vật liệu compozit)
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ dầu lanh epoxy hóa (ELO) đến tính chất cơ học
và độ chậm cháy của vật liệu epoxy Epikote 240 - dầu lanh epoxy hóa
3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy Epikote 240 có mặt
nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh có và không có chất chống cháy


2

4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy Epikote 240 có mặt
ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) gia cường bằng vải thủy tinh có và
không có chống chậm cháy
5. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy Epikote 240 có mặt
MWCNTs/nanoclay I.30E gia cường bằng vải thủy tinh có và không có chất
chống cháy
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án:
Ý nghĩa khoa học
Các chất chống cháy bổ sung thường làm giảm tính chất cơ học của vật liệu compozit
và có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người và tác hại xấu đến môi trường. Trong luận án
này, đã sử dụng nanoclay I.30E kết hợp với ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) nên
tăng được tính chất cơ học và độ chậm cháy, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Các tác dụng phối hợp của nanoclay I.30E, MWCNTs và các chất chống cháy thông
thường như oxyt antimon và paraphin clo hóa cho hệ thống nhựa epoxy Epikote 240 sẽ
được thử nghiệm và nghiên cứu trong công trình này. Lợi thế của nanoclay I.30E trong
việc làm chậm cháy: không sinh khí độc hại (ngọn lửa có chất chống cháy cho màu xanh lá
cây) và không có sự đổi màu.

Các đóng góp mới của luận án:
- Xác định được tỷ lệ thích hợp epoxy Epikote 240/dầu lanh epoxy hóa tạo vật liệu có
độ bền cơ học cao và độ chậm cháy giữ ở mức quy định. Xác định được hàm lượng của các
chất chống cháy oxyt antimon/paraphin clo hóa, ở tỷ lệ này độ chậm cháy được nâng cao
so với nhựa epoxy Epikote 240 nguyên chất đồng thời độ bền cơ học vẫn giữ ở mức cao.
- Phân tán thành công nanoclay I.30E trong epoxy Epikote 240 đến mức độ tách lớp
hoàn toàn bằng kỹ thuật khuấy siêu âm kết hợp khuấy cơ học, độ bền cơ học và độ chậm
cháy của vật liệu được cải thiện.
- Phân tán MWCNTs vào epoxy Epikote 240 bằng kỹ thuật phân tán rung siêu âm và kỹ
thuật phân tán rung siêu âm kết hợp khuấy cơ học. Vật liệu chế tạo được là vật liệu
nanocompozit có tính chất cơ học và độ chậm cháy cao.
- Nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu nanocompozit trên cơ sở nhựa epoxy Epikote
240, MWCNTs và nanoclay I.30E. Vật liệu MWCNTs/nanoclay I.30E/epoxy Epikote 240
có tính cơ học và tính chất chống cháy vượt trội hoàn toàn, chứng tỏ được sự gia cường
của đồng thời MWCNTs và nanoclay
- Chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy Epikote 240 có MWCNTs và
nanoclay I.30E, chất chống cháy oxyt antimon và paraphin clo hóa gia cường bằng vải
thủy tinh thông thường và vải thủy tinh dệt 3D.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Nhựa epoxy
1.1.1 Các loại nhựa epoxy
Nhựa epoxy có nhiều loại song phổ biến nhất hiện nay là nhựa đi từ bisphenol A và một
phần ít hơn đi từ bis-phenol F [11, 14].
Nhựa epoxy từ bisphenol A có công thức như sau:

Sự có mặt của nhóm bisphenol A đã cung cấp cho loại nhựa này các đặc tính như độ

cứng cao, bền với môi trường hóa chất và nhiệt độ. Trong phân tử không chứa nhóm este
mà chỉ có nhóm ete và các liên kết giữa các cacbon, như vậy nó lại càng tăng khả năng
chống hóa chất cho nhựa này. Ngoài ra, các nhóm hydroxyl ở giữa mạch giúp nhựa có khả
năng thấm ướt và bám dính tốt cũng như có thể tham gia phản ứng với các nhóm chức
khác.
Nhựa epoxy từ bisphenol F có công thức hóa học nhưa sau:

Như vậy, nhựa epoxy đi từ bisphenol F có cấu trúc tương tự nhựa epoxy đi từ bisphenol
A, tuy nhiên chỉ có nhóm metylen nối hai vòng benzen thay cho nhóm isopropyl trong
bisphenol A, dẫn đến giảm kết tinh trong quá trình bảo quản và cho độ nhớt thấp hơn.
Nhựa epoxy đi từ bisphenol F khối lượng phân tử thấp có độ nhớt từ 3000 – 8000 cps
thấp hơn so với nhựa epoxy đi từ bisphenol A khối lượng phân tử thấp độ nhớt từ 11000 –
16000 cps. Với cầu nối metylen giữa hai nhóm phenolic thay cho nhóm isopropyl trong
nhựa epoxy đi từ bisphenol A, nhựa epoxy nền bisphenol F có khả năng tạo liên kết mạng
lưới cao hơn, làm cho nhựa này có nhiệt độ hóa thủy tinh, khả năng chịu nhiệt, khả năng
chống dung môi và hóa chất cao hơn.
1.1.2 Tính chất nhựa epoxy


4

Xét về cấu trúc hóa học, nhựa epoxy có một số tính chất điển hình trình bày ở hình 1.1
[12, 15].

Hình 1.1 Tính chất của nhựa epoxy epidian

- Các nhóm epoxy ở cả hai đầu cuối phân tử và các nhóm hydroxyl ở giữa phân tử là có
hoạt tính hóa học, cho phép ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ nâng cao phản ứng với chất đóng
rắn đóng rắn cộng hợp. Ngoài ra, nhựa được đóng rắn bằng cách phản ứng trùng hợp mở
vòng nhóm epoxy.

- Mối liên kết ete có trong mạch phân tử của nhựa epoxy có tác dụng nâng cao tính bền
hóa học của vật liệu epoxy
- Các vòng benzen trong bisphenol A đảm bảo độ bền hóa học, độ chịu nhiệt và tính
chất cách điện.
1.1.3 Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy
Nhựa epoxy chỉ được sử dụng hiệu quả sau khi đó chuyển sang trạng thái nhiệt rắn,
nghĩa là hình thành các liên kết ngang giữa các phân tử nhờ phản ứng với chất đóng rắn,
tạo ra cấu trúc không gian 3 chiều không nóng chảy và không hòa tan.
Cấu trúc nhựa epoxy, chất đóng rắn và điều kiện phản ứng quyết định đến nhiệt độ hóa
thủy tinh Tg, độ bền môi trường và tính chất cơ lý của nhựa epoxy. Việc lựa chọn sử dụng
chất đóng rắn tùy thuộc vào mục đích sử dụng và công nghệ gia công.
Các tác nhân đóng rắn nhựa epoxy rất đa dạng và sản phẩm đóng rắn có các tính chất
biến thiên trong một khoảng rộng đó là khả năng chịu nhiệt, chịu hóa chất, độ bền cơ lý…
[10]. Nhựa epoxy là một loại oligome đặc trưng bởi sự hiện diện của hai hoặc nhiều nhóm
epoxy trong cấu trúc phân tử. Giống như nhựa nhiệt rắn khác chúng cũng tạo thành một


5

mạng lưới trên liên kết với một loạt các chất đóng rắn như amin, anhydrit, thiol… Amin là
chất đóng rắn được sử dụng rộng rãi vì kiểm soát các phản ứng epoxy-amin khá dễ dàng.
Chất đóng rắn thường được sử dụng là:
-

Dietylentriamin (DETA)

-

Trietylentetramin (TETA)

-

4,4 diaminodiphenylmetan (DDM)

-

4,4 diaminodiphenyl sulfon (DDS)

-

Dietyl toluen diamin (DETDA)

-

Polypropyleteamin (Jeffamine)

Trong số đó, các amin bậc 1 và bậc 2 là những tác nhân đóng rắn sử dụng rộng rãi nhất
cho các loại nhựa epoxy [8]. Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy là phản ứng mở vòng oxyran
tạo thành cầu nối giữa các phân tử.
Phản ứng của nhóm epoxy với amin xẩy ra theo sơ đồ sau:

Các chất đóng rắn amin mạch thẳng gồm: Dietylentriamin (DETA), Trietylentetraamin
(TETA), Polyetylen polyamin (PEPA), Hexametylendiamin (HMDA).
Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy bằng amin được trình bày trên hình 1.2:


6

Phản ứng tạo thành mạng lưới không gian ba chiều:

Hình 1.2 Quá trình khâu mạch nhựa epoxy bằng diamin [26, 38]

Ưu điểm
- Quá trình đóng rắn không tạo ra sản phẩm phụ, vật liệu epoxy tạo thành có tính chất
cơ lý cao và độ co ngót thấp.
- Có thể đóng rắn ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ nâng cao.
Nhược điểm
- Hầu hết các amin mạch thẳng thấp phân tử dễ bay hơi, hút ẩm, độc nên ảnh hưởng đến
môi trường làm việc.

1.2 Các giải pháp nâng cao tính chất cơ học và độ chậm cháy của
compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng vải thủy tinh
1.2.1 Phối trộn nhựa epoxy với dầu lanh epoxy hóa
Nhựa epoxy có tầm quan trọng trong việc ứng dụng chế tạo các kết cấu, chi tiết thiết bị
cho các ngành kỹ thuật trong nhiều năm qua, do có tính chất cơ lý, tính chất điện, tính chất
nhiệt tốt. Tuy nhiên nhược điểm của nhựa epoxy sau khi khâu mạch là một vật liệu tương
đối dòn, độ mềm dẻo không cao nên đã hạn chế ứng dụng của epoxy trong những điều kiện
khắc nhiệt [14, 15].


7

Không giống như nhựa nhiệt dẻo, trong đó khả năng chống đứt gãy và khả năng gia
công cao có thể được cải thiện đáng kể khi pha trộn với một chất hóa dẻo thông thường
như dioctylphtalat, cao su lỏng hay các hợp chất có hoạt tính hóa học. Nhựa epoxy cũng có
thể được biến đổi hóa học để mở rộng độ dài giữa hai nhóm epoxy nghĩa là tăng khối
lượng phân tử giữa các liên kết ngang.
Dầu lanh epoxy hóa (ELO) có thể được sử dụng để cải thiện độ dòn của nhựa epoxy,
chủ yếu trong lĩnh vực vật liệu compozit và chất kết dính. Cách cải thiện này được thực
hiện bằng một phương pháp pha trộn vật lý đơn giản, cho nhựa epoxy [30].

Dầu lanh là một triglyxerit, thành phần chính của dầu lanh là các axit béo có một nối
đôi, hai nối đôi và các este của chúng có thể dễ dàng tham gia phản ứng epoxy hóa với các
peroxit axit như peroxitaxetic (CH3COOOH), peroxitbenzoic (C5H6OOOH), peroxitformic
(HCOOOH)… có khả năng tham gia phản ứng oxy hóa với các anken (hình 1.3).
O

O
H3C C

HO OH
OH

Axit axetic (AA)

hydro peroxyt

H3C C

O

OH

H2O

axit peraxetic

Dầu lanh epoxy hóa
Hình 1.3 Phản ứng epoxy hóa dầu lanh [59]

Do trong dầu lanh có axit lenolenic với hàm lượng rất cao (>50%). Sau khi dầu lanh

được qua các quá trình tinh chế thì tiến hành epoxy hóa. Bằng cách sử dụng các tác nhân
epoxy hóa là các peroxit trong điều kiện nhiệt độ từ 55- 600C.
Dầu lanh epoxy hóa được dùng làm chất hóa dẻo và chất ổn định trong vật liệu polyme
và cao su. ELO là một sản phẩm có nguồn gốc thiên nhiên, vô hại và có khả năng phân hủy
sinh học. ELO có tính chất ổn định, chống được các tác nhân phản ứng trong nước hoặc
trong dầu và sự chuyển vị gần như bằng không. Đối với việc sử dụng ELO như là chất hóa
dẻo, được pha trộn với PVC với những hàm lượng khác nhau trong điều kiện nhiệt độ tối
ưu là 2200C. Vật liệu mới này có tính ưu việt cao làm cho vật liệu có độ mềm dẻo.
Khi ELO hàm lượng ELO vào PVC làm cho sức đề kháng của vật liệu giảm. Đối 70 và
80 PKL chất làm dẻo giá trị các modun tương ứng là 4,9 và 4,3 Mpa. Tác dụng tương tự