Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh có độ bền va đập cao và trong suốt điện từ ứng dụng cho hệ thống bay không người lái
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.02 MB, 149 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT EPOXY GIA CƯỜNG
BẰNG SỢI THỦY TINH CÓ ĐỘ BỀN VA ĐẬP CAO VÀ TRONG SUỐT
ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Hà Nội-2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Vũ Mạnh Cường
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT EPOXY GIA CƯỜNG
BẰNG SỢI THỦY TINH CÓ ĐỘ BỀN VA ĐẬP CAO VÀ TRONG SUỐT
ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN THANH LIÊM
2. TS. NGUYỄN VIỆT THÁI
Hà Nội-2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận án này là của tôi và hoàn
toàn trung thực, không sao chép, trùng lặp với bất kì ai khác. Các kết quả nghiên cứu
này cũng chưa được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Giáo viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Thanh Liêm
TS. Nguyễn Việt Thái
Tác giả
Vũ Mạnh Cường
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới GS. TSKH Trần Vĩnh
Diệu đã giúp tôi định hướng tên đề tài, đề cương chi tiết, Thầy đã không quản ngại
tuổi tác hướng dẫn tôi những kiến thức, kĩ năng quan trọng ngay từ những ngày đầu
bỡ ngỡ.
Tôi xin gửi những lời tri ân sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Thanh Liêm và TS.
Nguyễn Việt Thái, các Thầy đã tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng, tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành luận án này.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu Trường Học
viện Kỹ thuật Quân sự, các Thầy Cô khoa Hoá-Lý Kỹ thuật-Học viện Kỹ thuật Quân
sự, các Thầy Cô Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polyme-Trường đại học Bách khoa
Hà Nội.
Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn sự động viên và khích lệ của bạn bè,
người thân và đặc biệt là gia đình đã tạo niềm tin giúp tôi phấn đấu học tập và hoàn
thành công trình khoa học này.
Tác giả
Vũ Mạnh Cường
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
i
DANH MỤC CÁC BẢNG
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
vi
MỞ ĐẦU
1
1. TỔNG QUAN
4
1.1. Nhựa nền epoxy
4
1.1.1. Giới thiệu chung
4
1.1.2. Các đặc trưng của nhựa epoxy
4
1.1.3. Đóng rắn nhựa epoxy
5
1.1.4. Biến tính tăng tính dai cho nhựa epoxy
1.2. Nâng cao tính dai và độ bền va đập cho vật liệu compozit
13
20
1.3. Một số loại nguyên liệu có khả năng nâng cao tính dai và độ bền va đập
cho vật liệu polyme compozit
21
1.3.1. Cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá
21
1.3.2. Dầu lanh epoxy hoá
23
1.3.3. Thiokol
27
1.4. Tính chất điện từ của vật liệu compozit gia cường bằng sợi thuỷ tinh
2. THỰC NGHIỆM
29
31
2.1. Nguyên vật liệu và hóa chất
31
2.2. Phân tích hóa học và hóa lý
33
2.2.1. Phân tích hàm lượng nhóm epoxy
33
2.2.2. Phân tích hàm lượng nhóm mecaptan SH
34
2.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng chất đóng rắn DETA
35
2.2.4. Xác định mức độ đóng rắn
35
2.2.5. Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield
36
2.3. Tổng hợp hóa học và quy trình chế tạo vật liệu
36
2.3.1. Tổng hợp adduct từ thiokol và nhựa epoxy DER331
36
2.3.2. Quy trình chế tạo pha nền
36
2.3.3. Quy trình chế tạo vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh 37
2.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu
37
2.4.1. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi
phát xạ trường (FESEM)
37
2.4.2. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA
38
2.4.3. Phân tích cơ nhiệt động DMTA
38
2.4.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
39
2.4.5. Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC)
39
1
2.4.6. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân HNMR
2.5. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu
39
40
2.5.1. Độ bền kéo
40
2.5.2. Độ bền uốn
40
2.5.3. Độ bền va đập Izod
40
2.5.4. Hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC
40
2.5.5. Năng lượng phá hủy tách lớp GIC, GIP
42
2.6. Phương pháp xác định tính chất điện từ của vật liệu compozit epoxy gia
cường bằng sợi thủy tinh
2.6.1. Phương pháp xác định cường độ truyền qua sóng điện từ
45
45
2.6.2. Phương pháp xác định hằng số điện môi (ε), tổn hao điện môi (tanδ) của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh bằng tụ điện
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
46
48
3.1. Ảnh hưởng của các chất biến tính nhựa epoxy: cao su tự nhiên lỏng epoxy
hoá (ENR), dầu lanh epoxy hóa (ELO) và thiokol đến các tính chất cơ học của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
48
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO và thiokol đến mức độ đóng rắn,
thời gian gel hoá và độ nhớt của nhựa epoxy DER331
48
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO và thiokol đến các tính
chất cơ học nhựa epoxy DER331
50
3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO và thiokol tới tính chất nhiệt của
nhựa epoxy DER331
62
3.1.4. Vật liệu compozit epoxy có bổ sung chất biến tính ENR, ELO, thiokol gia
cường bằng sợi thuỷ tinh
67
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của adduct trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy
DER331 tới các tính chất cơ học của nhựa epoxy DER331 và vật liệu compozit
epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh
78
3.2.1. Xác định các đặc trưng của adduct trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy
DER331
79
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng adduct tới các tính chất cơ học của nhựa epoxy
DER331
82
3.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol mecaptan/Epoxy tổng hợp adduct khác nhau tới
các tính chất cơ học của nhựa epoxy DER331
85
3.2.4. Ảnh hưởng của adduct tới tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy
gia cường bằng sợi thủy tinh.
87
3.3. Ảnh hưởng của các loại chất biến tính nhựa epoxy: ENR, ELO, thiokol và
adduct tới các tính chất điện từ của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng
sợi thủy tinh
90
3.3.1. Ảnh hưởng của chiều dầy tới các tính chất điện từ của vật liệu compozit
epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh
90
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng các chất biến tính tới các tính chất điện từ của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh
95
3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng
sợi thủy tinh cho hệ thống bay không người lái
105
KẾT LUẬN
107
TÀI LIỆU THAM KHẢO
109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
119
PHỤ LỤC
120
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AEP
1-(2-aminoetyl)piperazin
ASTM
American Society for Testing and Materials: Hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm Mỹ
CDCl3
Deuterated chloroform
CFRP
Carbon Fiber Reinforced Plastics : Vật liệu compozit gia cường bằng
sợi cacbon
CP/CTBN
Vật liệu compozit epoxy/CTBN theo phương pháp biến tính trước
đóng rắn bằng piperidin
CTBN
Carboxyl-terminated
butadiene-acrylonitrile :
Cao
su
butadien
acrylonitril có nhóm cacboxyl ở cuối mạch
CTBN1
Cao su CTBN có khối lượng phân tử 2000–3000 g/mol và hàm lượng
acrylonitril là 25%
DDS
Diamino diphenyl sulphone
DER
Dow Epoxy Resin
DETA
Dietylenetriamin
DGEBA
Diglycidyl Ether bis-phenol A
DICY
Dicyanodiamit
DMTA
Dynamic mechanical thermal analysis: Phân tích cơ nhiệt động
DSC
Differential scanning calorimetry: Nhiệt vi sai quét
DTG
Derivative Thermogravimetric Analysis
EDA
1, 2 diaminoetan
ELO
Epoxidized Linseed Oil: Dầu lanh epoxy hoá
ECO
Epoxidized castor oil: Dầu hạt cải dầu epoxy hóa
EM
Electromagnetic: Điện từ
ENR
Epoxidized Natural Rubber: Cao su tự nhiên epoxy hoá
ESO
Epoxidized soybean oil: Dầu đậu nành epoxy hóa
EP
Kí hiệu nhóm epoxy của nhựa epoxy
ETPB
Epoxy terminated polybutadiene: Cao su butadien có nhóm epoxy
cuối mạch
FESEM
Field emission scanning electron microscopy: Kính hiển vi điện tử
quét phát xạ trường
FRP
Fiber Reinforced Plastics: Chất dẻo gia cường bằng sợi
i
FTIR
Fourier transform infrared spectroscopy: Phổ hồng ngoại Fourier
GPC
Gel Permeation chromatography: Sắc kí thẩm thấu gel
GIC, GIP
Năng lượng phá hủy tách lớp tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt
và trong quá trình phát triển vết nứt
1
HNMR
Hydrogen-1 nuclear magnetic resonance: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
hydro
HPLC
High-performance liquid chromatography: Sắc kí lỏng hiệu năng cao
HTPB
Hydroxyl-terminated polybutadiene: Cao su butadien có nhóm
hydroxyl ở cuối mạch
IDT
Initial decomposition temperature: Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ
ISO
International Organization for Standardization: Tổ chức tiêu chuẩn
hóa quốc tế
KIC
Hệ số ứng suất tập trung tới hạn
LP
Liquid polysunfide: Polysulfit lỏng
MDA
Methylene di aniline
MF
Melamin-formandehit
Mn
Number average molercular weight: Khối lượng phân tử trung bình số
Mw
Weight Average Molecular Weight: Khối lượng phân tử trung bình
khối
MPDA
Meta phenylene diamine
MTHPA
Methyltetrahydrophthalic Anhydride
NBR
Nitrile butadiene rubber: Cao su butadien nitril
PC
Vật liệu compozit
PCL
Polycaprolacton
PES
Polyether sulphone
PEK
Poly etherketone
PEEK
Poly etherether ketone
PEI
Polyetherimide
PF
Phenol-formandehit
PKL
Phần khối lượng
PIP
Polyisoprene
PDI
Polydispersity index: Chỉ số phân tán
PS
Polysulphone
SENB
Single edge notch bend: Uốn ba điểm có khía
ii
SEM
Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét
T
Kí hiệu thiokol
Tanδ
Tổn hao điện môi
TDI
Toluen diisocyanat
TEA
Trietyl amin
TEM
Transmission electron microscopy: Kính hiển vi điện tử truyền qua
TETA
Trietylene tetramin
Tg
Glass-transition temperature: Nhiệt độ hóa thủy tinh
TGA
Thermal gravimetric analysis: Nhiệt trọng lượng
TGAP
Triglycidyl para amino phenol
TGDDM
Tetraglycidyl diamino diphenyl methane
Tmax
Temperature of the maximum rate of degradation: Nhiệt độ tại đó tốc
độ phân huỷ đạt cực đại
TH.EP.0,6
Kí hiệu adduct hình thành từ thiokol và nhựa epoxy với tỉ lệ mol nhóm
mercaptan:epoxy=0,6
TH.EP.0,7
Kí hiệu adduct hình thành từ thiokol và nhựa epoxy với tỉ lệ mol nhóm
mercaptan:epoxy=0,7
TH.EP.0,8
Kí hiệu adduct hình thành từ thiokol và nhựa epoxy với tỉ lệ mol nhóm
mercaptan:epoxy=0,8
T%
Cường độ truyền qua
UF
Urê formandehit
UV
Ultraviolet: Tử ngoại
WRE300
Woven roving E-glass: Vải thủy tinh E loại thô tỉ trọng 300 g/m
ε
Hằng số điện môi
ε”
Hệ số tổn hao
3
2
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
Bảng 1.1
Một số chất đóng rắn amin thương mại
Bảng 1.2
Một số chất đóng rắn anhydrit thương mại
Bảng 1.3
Ảnh hưởng của hàm lượng cao su butadien có nhóm epoxy ở cuối
mạch lên hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC
Bảng 1.4
Thành phần của dầu lanh từ Rumani
Bảng 1.5
Hằng số điện môi ε và tổn hao điện môi tanδ của vật liệu compozit
epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh E theo góc nghiêng khác nhau tại
tần số 10 GHz
Bảng 2.1
Chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa epoxy DER331
Bảng 2.2
Chỉ tiêu kỹ thuật của chất đóng rắn DETA
Bảng 2.3
Chỉ tiêu kỹ thuật của Thiokol
Bảng 2.4
Khối lượng phân tử trung bình số Mn, khối lượng phân tử trung
bình khối Mw và chỉ số phân tán PDI của thiokol
Bảng 2.5
Chỉ tiêu kỹ thuật của trietylamin
Bảng 2.6
Khối lượng phân tử trung bình số Mn, khối lượng phân tử trung bình
khối Mw và chỉ số phân tán PDI của cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá
Bảng 3.1
Ảnh hưởng của hàm lượng ENR đến mức độ đóng rắn, thời gian gel
hoá và độ nhớt của nhựa epoxy DER331
Bảng 3.2
Ảnh hưởng của hàm lượng ELO đến mức độ đóng rắn, thời gian gel
hoá và độ nhớt của nhựa epoxy DER331
Bảng 3.3
Ảnh hưởng của hàm lượng thiokol đến mức độ đóng rắn, thời gian
gel hoá và độ nhớt của nhựa epoxy DER331
Bảng 3.4
Giá trị khối lượng đoạn mạch giữa các nút mạng
Bảng 3.5
Tính chất nhiệt của nhựa epoxy (EP) và nhựa epoxy bổ sung: 7 PKL
ENR (EP-ENR7); 10 PKL ELO (EP-ELO10); 5 PKL thiokol (EP-T5)
Bảng 3.6
Hàm lượng nhóm epoxy của adduct theo tỉ lệ mol phản ứng TH/EP
khác nhau
Bảng 3.7
Khối lượng phân tử trung bình số Mn, khối lượng phân tử trung bình
khối Mw và chỉ số phân tán PDI của adduct TH.EP0,6
Bảng 3.8
Độ nhớt của thiokol, nhựa epoxy DER 331 và adduct (TH.EP0,6) ở
0
25 C
4
Bảng 3.9
Tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy (PC-EP) và vật liệu
compozit epoxy biến tính với 10 PKL adduct TH.EP0,7 (PC-EPTH.EP0,7)
Bảng 3.10
Ảnh hưởng của chiều dầy tới cường độ truyền qua T% của vật liệu
compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh trong dải tần số 4-8 GHz
Bảng 3.11
Ảnh hưởng của hàm lượng ENR tới cường độ truyền qua T% của vật
liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh trong dải tần số 4-8
GHz
Bảng 3.12
Ảnh hưởng của hàm lượng ELO tới cường độ truyền qua T% của vật
liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh trong dải tần số 4-8
GHz
Bảng 3.13
Ảnh hưởng của hàm lượng thiokol tới cường độ truyền qua T% của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh trong dải tần số
4-8 GHz
Bảng 3.14
Ảnh hưởng của hàm lượng ENR tới hằng số điện môi ε và tổn hao
điện môi tanδ của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy
tinh
Bảng 3.15
Ảnh hưởng của hàm lượng ELO tới hằng số điện môi ε và tổn hao
điện môi tanδ của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy
tinh
Bảng 3.16
Ảnh hưởng của hàm lượng thiokol tới hằng số điện môi ε và tổn hao
điện môi tanδ của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy
tinh
Bảng 3.17
Tính chất điện từ của vật liệu compozit epoxy (PC-EP); vật liệu
compozit epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (PC-ENR7); 9 PKL ELO (PCEP.ELO9); 5 PKL thiokol (PC-EP.T5)
Bảng 3.18
Tính chất điện từ của vật liệu compozit epoxy (PC-EP) và vật liệu
compozit epoxy bổ sung 10 PKL adduct TH.EP0,7 (PC-EP-TH.EP0,7)
Bảng 3.19
So sánh tính chất cơ học và khả năng trong suốt điện từ của compozit
trên nền DER331/10TH.EP0,7/DETA với compozit trên nền Epikote
828/6CTBN/XEDETA gia cường bằng sợi thủy tinh
5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình
Tên hình
Hình 1.1
Cấu tạo nhóm epoxy
Hình 1.2
Sơ đồ phản ứng của nhựa epoxy với bazơ Lewis
Hình 1.3
Phản ứng giữa amin với nhựa epoxy
Hình 1.4
Sơ đồ phản ứng giữa axit cacboxylic với nhựa epoxy
Hình 1.5
Phản ứng giữa nhựa epoxy với anhydrit axit
Hình 1.6
Sơ đồ phản ứng giữa phenolformandehit với nhựa epoxy
Hinh 1.7
Ảnh hưởng của loại và hàm lượng cao su butadien acrylonitril khác
nhau tới độ bền va đập của nhựa epoxy
Hình 1.8
Ảnh hưởng của hàm lượng cao su tự nhiên lỏng và tốc độ thử nghiệm
lên hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC
Hình 1.9
Phản ứng epoxy hoá cao su tự nhiên bởi axit hữu cơ và H2O2
Hình 1.10
Cấu trúc của một triglyxerit điển hình
Hình 1.11
Cơ chế phản ứng epoxy hoá dầu thực vật từ peraxit hình thành insitu
Hình 1.12
Phản ứng epoxy hoá với sự có mặt xúc tác enzym của axit linoleic.
Hình 1.13
Cấu trúc hoá học của dầu lanh epoxy hoá
Hình 1.14
Sự thay đổi độ bền va đập IZOD theo hàm lượng dầu lanh epoxy
hóa-ELO với chất đóng rắn amin và anhydrit
Hình 1.15
Ảnh hưởng của hàm lượng dầu đậu nành epoxy hóa tới độ bền va đập
IZOD của nhựa epoxy: (1) biến tính trước (2) không biến tính trước
Hình 2.1
Thiết bị phân tích cơ nhiệt động DMA8000
Hình 2.2
Mẫu đo độ bền dai phá huỷ của nhựa nền theo kiểu uốn ba điểm có
khía (SENB)
Hình 2.3
Hình ảnh phép đo độ bền dai phá huỷ của nhựa nền
Hình 2.4
Mẫu đo độ bền dai phá huỷ giữa các lớp của vật liệu compozit epoxy
gia cường bằng sợi thuỷ tinh
1/3
Hình 2.5
Đồ thị xác định Δ từ mối quan hệ C
với chiều dài vết nứt a
Hình 2.6
Hình ảnh xác định L’ và t
Hình 2.7
Hình ảnh phép đo độ bền dai phá huỷ giữa các lớp của vật liệu
compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Hình 2.8
Thiết bị PNA-8362B-Aligent (Mỹ)
6
Hình 2.9
Xác định hệ số truyền qua (S21) và hệ số phản xạ (S11) của mẫu vật
liệu phẳng chiều dầy d
Hình 2.10
Thiết bị Digital C-TgΔ METER mod 0194 C
Hình 3.1
Đồ thị độ bền kéo- biến dạng của nhựa epoxy (1-EP); nhựa epoxy bổ
sung: 5 PKL ENR (2-EP.ENR5); 7 PKL ENR (3-EP.ENR7); 10 PKL
ENR (4-EP.ENR10); 13 PKL ENR (5-EP.ENR13); 15 PKL ENR (6EP.ENR15); 20 PKL ENR (7-EP.ENR20)
Hình 3.2
Đồ thị độ bền kéo-biến dạng của nhựa epoxy (1-EP); nhựa epoxy bổ
sung: 5 PKL ELO (2-EP.ELO5); 10 PKL ELO (3-EP.ELO10); 15
PKL ELO (4-EP.ELO15); 20 PKL ELO (5-EP.ELO20)
Hình 3.3
Đồ thị độ bền kéo-biến dạng của nhựa epoxy (1-EP); nhựa epoxy bổ
sung: 3 PKL thiokol (2-EP.T3); 5 PKL thiokol (3-EP.T5); 7 PKL
thiokol (4-EP.T7); 9 PKL thiokol (5-EP.T9)
Hình 3.4
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) đến độ bền kéo của nhựa epoxy DER331
Hình 3.5
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) đến mođun kéo của nhựa epoxy DER331
Hình 3.6
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
Thiokol (3-EP.T) đến biến dạng kéo của nhựa epoxy DER331
Hình 3.7
Đồ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1) và nhựa epoxy bổ
sung: 5 PKL ENR (2); 7 PKL ENR (3); 10 PKL ENR (4); 13 PKL
ENR (5); 15 PKL ENR (6); 20 PKL ENR (7)
Hình 3.8
Đồ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1) và nhựa epoxy bổ
sung 5 PKL ELO (2); 9 PKL ELO (3)
Hình 3.9
Đồ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1) và nhựa epoxy bổ
sung 3 PKL thiokol (2); 5 PKL thiokol (3); 7 PKL thiokol (4); 9PKL
thiokol (5)
Hình 3.10
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) đến độ bền uốn của nhựa epoxy DER331
Hình 3.11
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) đến môđun uốn của nhựa epoxy DER331
Hình 3.12
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) đến biến dạng uốn của nhựa epoxy DER331
vii
Hình 3.13
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) tới độ bền va đập IZOD có khía của nhựa epoxy
DER331
Hình 3.14
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) tới độ bền va đập IZOD không khía của nhựa epoxy
DER331
Hình 3.15
Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR); ELO (2-EP.ELO) và
thiokol (3-EP.T) tới hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC của nhựa
epoxy DER331
Hình 3.16
Ảnh SEM bề mặt phá huỷ của nhựa epoxy (EP); nhựa epoxy bổ sung:
7 PKL ENR (EP.ENR7); 9 PKL ELO (EP.ELO9); 5 PKL thiokol
(EP.T5)
Hình 3.17
Hiện tượng tập hợp hạt trong nhựa epoxy bổ sung 15 PKL ENR và
nhựa epoxy bổ sung 15 PKL ELO
Hình 3.18
Sự phụ thuộc của Tanδ vào nhiệt độ của nhựa epoxy (1-EP) và nhựa
epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (2-EP.ENR7); 9 PKL ELO (3-EP.ELO9);
5 PKL thiokol (4-EP.T5)
Hình 3.19
Sự phụ thuộc của môđun dự trữ vào nhiệt độ của nhựa epoxy (1-EP)
và nhựa epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (2-EP.ENR7); 9 PKL ELO (3EP.ELO9); 5 PKL thiokol (4-EP.T5)
Hình 3.20
Mô tả khối lượng đoạn mạch giữa các nút mạng của nhựa epoxy (A)
và nhựa epoxy bổ sung chất biến tính ENR, ELO, thiokol (B)
Hình 3.21
Giản đồ phân tích nhiệt của nhựa epoxy (EP), nhựa epoxy bổ sung: 10
PKL ENR (EP-ENR10); 5 PKL thiokol (EP-5T); 9 PKL ELO (EP9ELO)
Hình 3.22
Ảnh hưởng của hàm lượng ENR tới tính chất kéo và tính chất uốn của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Hình 3.23
Ảnh hưởng của hàm lượng thiokol tới tính chất kéo và tính chất uốn
của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Hình 3.24
Ảnh hưởng của hàm lượng ELO tới tính chất kéo và tính chất uốn của
vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Hình 3.25
Ảnh SEM bề mặt phá huỷ kéo đứt của vật liệu compozit epoxy (A);
vật liệu compozit epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (B); 9 PKL ELO (C); 5
PKL thiokol (D) gia cường bằng sợi thuỷ tinh
8
Hình 3.26
Ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO và thiokol tới độ bền va đập
IZOD của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Hình 3.27
Đồ thị lực-độ dịch chuyển trong phép đo độ bền dai phá hủy tách lớp
của vật liệu compozit epoxy bổ sung ENR với hàm lượng khác nhau
gia cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.28
Đồ thị lực-độ dịch chuyển trong phép đo độ bền dai phá hủy tách lớp
của vật liệu compozit epoxy bổ sung ELO ở hàm lượng khác nhau gia
cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.29
Đồ thị lực-độ dịch chuyển trong phép đo độ bền dai phá hủy tách lớp
của vật liệu compozit epoxy bổ sung thiokol ở hàm lượng khác nhau
gia cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.30
Đồ thị kháng tách lớp của vật liệu compozit epoxy bổ sung ENR với
hàm lượng khác nhau gia cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.31
Đồ thị kháng tách lớp của vật liệu compozit epoxy bổ sung ELO với
hàm lượng khác nhau gia cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.32
Đồ thị kháng tách lớp của vật liệu compozit epoxy bổ sung thiokol với
hàm lượng khác nhau gia cường bằng sợi thủy tinh
Hình 3.33
Độ bền dai phá hủy GIC (A); GIP (B) của vật liệu compozit epoxy (PCEP) và vật liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ENR(PC-EP-ENR5);
7 PKL ENR(PC-EP-ENR7); 10 PKL ENR (PC-EP-ENR10); 13 PKL
ENR (PC-EP-ENR13); 15 PKL ENR (PC-EP-ENR15); 20 PKL ENR
(PC-EP-ENR20)
Hình 3.34
Độ bền dai phá hủy GIC (A); GIP (B) của vật liệu compozit epoxy (PCEP) và vật liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ELO(PC-EP-ELO5);
9 PKL ELO(PC-EP-ELO9); 10 PKL ELO (PC-EP-ELO10); 15 PKL
ELO (PC-EP-ELO15); 20 PKL ELO (PC-EP-ELO20)
Hình 3.35
Độ bền dai phá hủy GIC (A); GIP (B) của vật liệu compozit epoxy (PCEP) và vật liệu compozit epoxy bổ sung: 3 PKL thiokol (PC-EP-T3); 5
PKL thiokol (PC-EP-T5); 7 PKL thiokol (PC-EP-T7); 9 PKL thiokol
(PC-EP-T9)
Hình 3.36
Ảnh SEM bề mặt phá hủy khi tách lớp của vật liệu compozit epoxy
(PC-EP) và vật liệu compozit epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (PCEP.ENR7); 9 PKL ELO (PC-EP.ELO9); 5 PKL thiokol (PC-EP.T5)
9
Hình 3.37
Phổ hồng ngoại của thiokol, nhựa epoxy và adduct trong dải bước
sóng 4000-2000 cm
Hình 3.38
Phổ hồng ngoại của thiokol, nhựa epoxy và adduct trong dải bước
sóng 1000-400 cm
Hình 3.39
-1
-1
Cơ chế tạo thành adduct từ thiokol và nhựa epoxy DER331 với sự có
mặt của xúc tác trietylamin
Hình 3.40
So sánh A-Đồ thị độ bền kéo-biến dạng; B-độ bền kéo ; C-mô đun kéo
và D-biến dạng kéo của nhựa epoxy (1-EP); nhựa epoxy biến tính với:
5 PKL adduct TH.EP0,6 (2-5TH.EP0,6); 10 PKL adduct TH.EP0,6 (310TH.EP0,6); 15 PKL adduct TH.EP0,6 (4-15TH.EP0,6); 20 PKL
adduct TH.EP0,6 (5-20TH.EP0,6)
Hình 3.41
So sánh A-độ bền uốn, B-mô đun uốn, C-độ bền va đập IZOD không
khía và D-hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC của nhựa epoxy (EP) và
nhựa epoxy biến tính với: 5 PKL adduct TH.EP0,6 (5TH.EP0,6); 10
PKL adduct TH.EP0,6 (10TH.EP0,6); 15 PKL
adduct TH.EP0,6
(15TH.EP0,6); 20 PKL adduct TH.EP0,6 (20TH.EP0,6)
Hình 3.42
Ảnh SEM bề mặt phá hủy của nhựa epoxy (EP); nhựa epoxy biến tính
với: 5 PKL adduct TH.EP0,6 (EP-TH.EP0,6-5); 10 PKL adduct
TH.EP0,6 (EP-TH.EP0,6-10); 15 PKL adduct TH.EP0,6 (EPTH.EP0,6-15); 20 PKL adduct TH.EP0,6 (EP-TH.EP0,6-20)
Hình 3.43
Ảnh hưởng của tỉ lệ mol TH/EP tổng hợp adduct đến: A-đồ thị độ bền
kéo-biến dạng; B-độ bền kéo; C-mô đun kéo; D-độ biến dạng kéo của
nhựa epoxy DER331
Hình 3.44
Ảnh hưởng của tỉ lệ mol TH/EP tổng hợp adduct đến: A- độ bền uốn;
B-mô đun uốn của nhựa epoxy DER331
Hình 3.45
Ảnh hưởng của tỉ lệ mol TH/EP tổng hợp adduct đến: A- độ bền va
đập IZOD; B-hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC của nhựa epoxy
DER331
Hình 3.46
Đồ thị lực-độ dịch chuyển vật liệu compozit epoxy (1-PC-EP) và vật
liệu compozit epoxy biến tính với 10 PKL adduct TH.EP0,7 (2-PCEP-TH.EP0,7)
Hình 3.47
Ảnh SEM bề mặt phá hủy tách lớp của vật liệu compozit epoxy (PCEP) và vật liệu compozit epoxy biến tính với 10 PKL adduct
TH.EP0,7 (PC-EP-TH.EP0,7)
10
Hình 3.48
Độ bền dai phá hủy GIC (A); GIP (B) của vật liệu compozit epoxy (1PC-EP) và vật liệu compozit epoxy biến tính với 10 PKL adduct
TH.EP0,7 (2-PC-EP-TH.EP0,7) tính theo phương pháp MBT
Hình 3.49
Hệ số truyền qua S21 của không khí trong dải tần số 4-8 GHz
Hình 3.50
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/DETA gia cường
bằng sợi thủy tinh với chiều dầy: 0,49 mm trong dải tần số 4-8 GHz
Hình 3.51
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/DETA gia cường
bằng sợi thủy tinh với chiều dầy: 2,52 mm trong dải tần số 4-8 GHz
Hình 3.52
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/DETA gia cường
bằng sợi thủy tinh với chiều dầy: 3,4 mm trong dải tần số 4-8 GHz
Hình 3.53
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua S21 vào tần số của vật liệu
compozit DER331/DETA gia cường bằng sợi thủy tinh với độ dầy
khác nhau: 0,49 mm (1); 1,01 mm (2); 2,52 mm (3); 3,4 mm (4)
Hình 3.54
Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ truyền qua T% vào tần số của vật
liệu compozit DER331/DETA gia cường bằng sợi thủy tinh với độ
dầy khác nhau: 0,49 mm (1); 1,01 mm (2); 2,52 mm (3); 3,4 mm (4)
Hình 3.55
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/5ELO/DETA gia
cường bằng sợi thủy tinh với chiều dầy~ 0,5 mm trong dải tần số 4-8
GHz
Hình 3.56
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/20ELO/DETA
gia cường bằng sợi thủy tinh với chiều dầy~ 0,5 mm trong dải tần số
4-8 GHz
Hình 3.57
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/5ENR/DETA gia
cường bằng sợi thủy tinh với chiều dầy~ 0,5 mm trong dải tần số 4-8
GHz
Hình 3.58
Hệ số truyền qua S21 của vật liệu compozit DER331/20ENR/DETA
gia cường bằng sợi thủy tinh với chiều dầy~ 0,5 mm trong dải tần số
4-8 GHz
Hình 3.59
Hệ số truyền qua S21 vật liệu compozit DER331/3thiokol/DETA gia
cường bằng sợi thủy tinh dầy ~0,5 mm trong dải tần 4-8 GHz
Hình 3.60
Hệ số truyền qua S21 vật liệu compozit DER331/9thiokol/DETA gia
cường bằng sợi thủy tinh dầy ~0,5 mm trong dải tần 4-8 GHz
11
Hình 3.61
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua S21 vào tần số của vật liệu
compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ELO (1); 10 PKL ELO (2); 15 PKL
ELO (3); 20 PKL ELO (4)
Hình 3.62
Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ truyền qua T% vào tần số của vật
liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ELO (1); 10 PKL ELO (2); 15
PKL ELO (3); 20 PKL ELO (4)
Hình 3.63
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua S21 vào tần số của vật liệu
compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ENR (1); 10 PKL ENR (2); 15 PKL
ENR (3); 20 PKL ENR (4)
Hình 3.64
Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ truyền qua T% vào tần số của vật
liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL ENR (1); 10 PKL ENR (2); 15
PKL ENR (3); 20 PKL ENR (4)
Hình 3.65
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua S21 vào tần số của vật liệu
compozit epoxy bổ sung: 3 PKL thiokol (1); 5 PKL thiokol (2); 7 PKL
thiokol (3); 9 PKL thiokol (4)
Hình 3.66
Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ truyền qua T% vào tần số của vật
liệu compozit epoxy bổ sung: 3 PKL thiokol (1); 5 PKL thiokol (2); 7
PKL thiokol (3); 9 PKL thiokol (4)
Hình 3.67
Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao ε’’ vào tần số của vật liệu compozit
epoxy (đường màu tím); vật liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL
thiokol (đường màu đỏ); 9 PKL ELO (đường màu xanh) và 7 PKL
ENR (đường màu đen).
Hình 3.68
Sự phụ thuộc của hằng số điện môi ε vào tần số của vật liệu compozit
epoxy (đường màu tím); vật liệu compozit epoxy bổ sung: 5 PKL
thiokol (đường màu đỏ); 9 PKL ELO (đường màu xanh) và 7 PKL
ENR (đường màu đen).
Hình 3.69
Xác định đường đặc trưng hệ số truyền qua của vật liệu compozit
DER331/10TH.EP0,7/DETA gia cường bằng sợi thủy tinh có độ dầy
~0,5 mm
xii
MỞ ĐẦU
Vật liệu compozit được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng công nghiệp như
ô tô, xây dựng, giao thông vận tải…do kết hợp độ cứng và độ bền cùng với tỉ trọng
thấp.
Nhựa epoxy là một trong những nhựa nền được sử dụng rộng rãi trong chế tạo
vật liệu compozit do có các ưu điểm như: tính chất cơ học cao, bền nhiệt, bền hoá
chất, dễ dàng gia công, khả năng tương hợp tốt với hầu hết các loại sợi gia cường.
Tuy nhiên vật liệu này tương đối giòn sau khi đóng rắn, độ bền va đập thấp, tính
mềm dẻo không cao nên bị hạn chế sử dụng trong những trường hợp đòi hỏi vật liệu
phải có độ bền va đập cao.
Vấn đề nâng cao khả năng chịu đựng của vật liệu trong quá trình phát triển vết
nứt hay ngăn chặn tốc độ phát triển vết nứt là những yêu cầu quan trọng đặc biệt hữu
ích trong thiết kế và phân tích các cấu trúc compozit [68]. Vật liệu compozit nền
nhựa epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh dễ dàng bị phá huỷ bởi các vết nứt ngang,
vết nứt dọc và sự bóc tách giữa các lớp của vật liệu do tính giòn của nền nhựa epoxy.
Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng các cơ chế phá huỷ bên trong vật liệu compozit
có thể từng bước được kiểm soát.
Nhiều nghiên cứu đã nỗ lực cải thiện độ bền dai phá huỷ giữa các lớp, độ bền
va đập của vật liệu compozit bằng cách tăng dai cho nhựa nền epoxy. Nhựa epoxy
thông thường được dai hóa bằng một trong ba cách sau: thêm các hạt vô cơ cứng,
thêm các loại cao su lỏng hay nhựa nhiệt dẻo [64]. Trong thiết kế chế tạo hệ thống
bay không người lái sử dụng vật liệu compozit do ănten thu phát được đặt trong hệ
thống nên ngoài việc chú ý tới độ bền, vật liệu compozit phải có tính trong suốt điện
từ nhằm đảm bảo việc thu phát tín hiệu được liên tục từ hệ thống điều khiển dưới mặt
đất. Sử dụng cao su tự nhiên lỏng epoxy hóa, dầu lanh epoxy hoá, thiokol và đặc biệt
adduct được tổng hợp trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy nhằm biến tính nhựa epoxy,
ứng dụng chế tạo vật liệu compozit và nghiên cứu ảnh hưởng của chúng lên các tính
chất cơ học và các tính chất điện từ của vật liệu compozit là một hướng nghiên cứu
mới có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Vì vậy đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
chế tạo vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh có độ bền va đập
cao và trong suốt điện từ ứng dụng cho hệ thống bay không người lái”.
1
Mục đích của luận án
Biến tính nâng cao độ bền va đập, độ bền dai phá hủy của nhựa epoxy bằng
cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá, dầu lanh epoxy hoá, thiokol và adduct tổng
hợp
trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331.
Nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit sử dụng epoxy biến tính gia cường
bằng sợi thuỷ tinh có độ bền va đập, độ bền dai phá huỷ giữa các lớp cao và
có tính
trong suốt điện từ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu:
Nhựa epoxy DER331 biến tính bằng cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá
(ENR), dầu lanh epoxy hoá (ELO), thiokol và adduct tổng hợp trên cơ sở
thiokol và
nhựa epoxy DER331.
Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy bổ sung chất biến tính gia cường
bằng sợi thuỷ tinh.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO, thiokol và adduct tổng
hợp
trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331 đến các tính chất cơ học và tính chất
nhiệt của nhựa epoxy DER331.
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO, thiokol và adduct tổng
hợp
trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331 đến các tính chất cơ học và tính chất
điện từ của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh.
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án
Vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh là loại
vật liệu tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo thiết bị
công nghiệp hóa chất, chế biến thực phẩm, vật liệu cách điện, bọc lót chống ăn
mòn…Tuy nhiên, nhựa epoxy thường có nhược điểm tương đối giòn sau khi đóng
rắn bằng các chất đóng rắn amin mạch thẳng, do vậy gây khó khăn trong việc chế tạo
các sản phẩm compozit cần có độ bền va đập cao. Để cải thiện, nâng cao độ bền va
đập, độ bền dai phá hủy thường sử dụng các phương pháp biến tính nhựa epoxy bằng
cao su lỏng hoặc các chất dai hóa khác.
2
Luận án sử dụng ENR, ELO, thiokol và adduct giữa thiokol và nhựa epoxy
DER331 để biến tính nhựa epoxy nhằm nâng cao độ bền va đập đồng thời nghiên
cứu ảnh hưởng của chúng tới tính chất điện từ của vật liệu compozit gia cường bằng
sợi thủy tinh ứng dụng trong hệ thống bay không người lái có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn. Các đóng góp mới của luận án bao gồm:
Đã tổng hợp được adduct từ thiokol và nhựa epoxy DER331 với tỉ lệ mol
nhóm
chức mecaptan/epoxy (TH/EP) khác nhau với lượng dư nhóm epoxy sử dụng
làm chất tăng dai cho tổ hợp nhựa epoxy.
Đã chế tạo được vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền epoxy DER331
gia
cường bằng sợi thủy tinh biến tính với các chất tăng dai khác nhau: ENR, ELO,
thiokol và adduct trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331 có độ bền va đập
cao và cải thiện độ bền dai phá hủy. Loại vật liệu này có tính chất trong suốt
điện từ và thích hợp khi ứng dụng cho hệ thống bay không người lái.
3
1. TỔNG QUAN
1.1. Nhựa nền epoxy
1.1.1. Giới thiệu chung
Nhựa epoxy là loại nhựa nhiệt rắn phổ biến trên thị trường hiện nay, chúng
được đặc trưng bởi sự hiện diện của nhóm epoxy trong mạch đại phân tử. Nhóm
epoxy hay còn gọi là vòng oxiran có cấu trúc gồm ba cạnh (Hình 1.1), chúng có thể
nằm giữa mạch đại phân tử nhưng thông thường chúng nằm ở hai đầu mạch. Nhóm
epoxy có khả năng tham gia phản ứng với nhiều chất khác nhau đặc biệt là với sự có
+
mặt của proton H .
C
C
O
Hình 1.1: Cấu tạo nhóm epoxy
Năm 1909, N. Prileschajew phát hiện ra rằng olefin có thể phản ứng với axit
peroxybenzoic tạo thành hợp chất chứa nhóm epoxy [58]. Năm 1939, Schlack công
bố loại vật liệu polyme trên cơ sở các amin với các hợp chất epoxide đa chức [48].
Trong quá trình tìm kiếm các vật liệu nha khoa, Castan công bố quá trình hình thành
diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA). Một loại vật liệu tương tự nhưng có khối
lượng phân tử lớn hơn được phát minh bởi Greenlee [58]. Năm 1947, các loại nhựa
epoxy được cung cấp ở dạng thương mại và được sử dụng chủ yếu làm màng phủ.
Theo báo cáo của MarketsandsMarkets công bố 08/2014, thị trường nhựa epoxy toàn
cầu đạt giá trị khoảng 6 tỷ USD năm 2013 và dự kiến đạt 9,2 tỷ USD vào năm 2019
[53].
1.1.2. Các đặc trưng của nhựa epoxy
Nhựa epoxy dạng diglycidyl ete được đặc trưng bởi các thông số: độ nhớt,
đương lượng nhóm epoxy, đương lượng nhóm hydroxyl, khối lượng phân tử trung
bình và phân bố khối lượng, mức độ biến dạng nhiệt của nhựa sau đóng rắn và nhiệt
độ nóng chảy (với nhựa epoxy dạng rắn) [55]. Ngoài ra màu sắc, tỉ trọng…cũng là
những thông số quan trọng xác định đặc trưng của nhựa epoxy.
4
a. Độ nhớt
0
Độ nhớt của nhựa epoxy lỏng được xác định bằng nhớt kế Brookfield ở 25 C.
Nhựa epoxy dạng lỏng nhớt điển hình có khối lượng phân tử trung bình khoảng 370,
0
độ nhớt ở 25 C là 11,000-15,000 mPa.s.
b. Đương lượng epoxy
Hàm lượng nhóm epoxy của nhựa epoxy lỏng có thể được định nghĩa như là
khối lượng nhựa chứa một đương lượng epoxy. Với nhựa diglycidyl ete tinh khiết
chứa 2 nhóm epoxy ở cuối mạch, đương lượng epoxy là nửa khối lượng phân tử.
Hàm lượng nhóm epoxy có thể được xác định theo phương pháp nitrat thủy ngân với
dung dịch HCl/dioxan [108].
c. Đương lượng hydroxyl
Đương lượng hydroxyl là khối lượng nhựa chứa một đương lượng khối lượng
nhóm hydroxyl. Thông thường đương lượng hydroxyl được xác định bằng phản ứng
giữa nhựa epoxy với axetyl clorua. Khi khối lượng phân tử của nhựa epoxy trên cơ
sở bisphenol A tăng thì hàm lượng nhóm epoxy giảm trong khi đó hàm lượng nhóm
hydroxyl tăng.
d. Khối lượng phân tử
Khối lượng phân tử và phân bố khối lượng phân tử có thể được xác định bằng
phương pháp GPC.
1.1.3. Đóng rắn nhựa epoxy
Việc lựa chọn chất đóng rắn phụ thuộc vào phương pháp gia công, điều kiện và
tính chất của sản phẩm cần đạt được.
Có hai dạng chất đóng rắn được sử dụng phổ biến là : Chất đóng rắn kết hợp và
chất đóng rắn trùng hợp [6].
a. Chất đóng rắn trùng hợp
Các bazơ Lewis chứa cặp electron chưa chia có xu hướng tấn công vào các vị
trí có mật độ electron thấp. Các amin bậc ba được sử dụng cho phản ứng đóng rắn
5
nhựa epoxy, trong quá trình phản ứng tạo thành ion lưỡng cực. Ion này mở vòng một
nhóm epoxy mới tạo thành một ion khác.
O
R3N:
CH2
CH
R3N CH2
CH
O
O
R3N CH2
CH
CH2
R3N
CH
O
CH2
CH
O
CH2 CH
O
Hình 1.2: Sơ đồ phản ứng của nhựa epoxy với bazơ Lewis
Đối với nhựa diglycidyl ete phản ứng này diễn ra tại hai đầu mạch phân tử.
Nhóm epoxy cũng có thể phản ứng với nhóm hydroxyl. Nhóm hydroxyl có mặt ở
nhựa DGEBA có khối lượng phân tử cao hoặc chúng được tạo thành sau phản ứng
mở vòng nhựa epoxy.
Các axit Lewis như BF3 do sự thiếu hụt electron nên thường có xu hướng tấn
công vào các vị trí có mật độ electron cao. BF3 phản ứng với nhựa epoxy làm phản
ứng gel hoá diễn ra trong vài phút. Phối hợp giữa BF3 với amin sẽ tăng tốc độ phản
ứng.
b. Chất đóng rắn kết hợp
Các amin bậc một và bậc hai được sử dụng rộng rãi làm chất đóng rắn cho
nhựa epoxy.
6
