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

- 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Tính cấp thiết của luận án 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 cùng với giá thành tương đối thấp.
- Tuy nhiên vật liệu này tương đối giòn sau khi đóng rắn, độ bền va đập thấp, tính mềm dẻo không cao nên hạn chế sử dụng trong những trường hợp đòi hỏi vật liệu phải có độ bền va đập cao.
- 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.
- 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 độ bền 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.
- 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 đồng thời 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.
- Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Mục đích 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 epoxy, 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.
- 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 và nhựa epoxy biến tính gia cường bằng sợi thuỷ tinh.
- 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, adduct tổng hợp trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331 đến 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 ghóp 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 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.
- 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.
- 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 được ứng dụng cho hệ thống bay không người lái.
- TỔNG QUAN Phần TỔNG QUAN giới thiệu về nhựa epoxy, các loại chất đóng rắn, các công trình nghiên cứu biến tính nâng cao tính dai cho nhựa epoxy, các cơ chế dai hóa trong nhựa epoxy biến tính, nâng cao tính dai và độ bền va đập cho vật liệu compozit, các loại chất tăng dai sử dụng trong luận án và tính chất điện từ của vật liệu compozit.
- Nguyên vật liệu và hóa chất Nhựa epoxy DER331 của hãng Dow Chemicals (Mỹ), có hàm lượng nhóm epoxy 22,9%.
- Cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá (ENR) do Viện hoá học vật liệu-Viện khoa học và Công nghệ Quân sự-BQP tổng hợp có % mol nhóm epoxy bằng 46%.
- Xác định mức độ đóng rắn Mức độ đóng rắn của nhựa epoxy DER-331 đóng rắn bằng DETA có mặt của các loại chất biến tính ENR, ELO, thiokol được thực hiện trên thiết bị soxhlet với dung môi axeton trong thời gian 16 giờ ở nhiệt độ phòng.
- Tổng hợp hóa học và quy trình chế tạo vật liệu 2.3.1.
- Tổng hợp adduct từ thiokol và nhựa epoxy DER331 Phản ứng tổng hợp được thực hiện trong bình cầu ba cổ có lắp máy khuấy cơ học, sinh hàn hồi lưu, nhiệt kế thuỷ ngân để theo dõi nhiệt độ.
- Quy trình chế tạo pha nền Từng chất biến tính như dầu lanh epoxy hoá (ELO), cao su tự nhiên lỏng epoxy hoá (ENR), Thiokol, adduct được trộn hợp riêng rẽ với nhựa epoxy DER331 theo các tỉ lệ nghiên cứu ở nhiệt độ 50-600C trong bình cầu ba cổ có gắn nhiệt kế và cánh khuấy cơ học khoảng 1 giờ để nhận được hỗn hợp đồng nhất.
- Mẫu vật liệu sau khi đã đóng rắn được để ổn định một tuần ở nhiệt độ phòng trước khi được đem đi xác định các tính chất cơ lý.
- Qúa trình lăn ép được tiến hành cho đến khi mẫu vật liệu đạt được chiều dày 4 mm.
- Vật liệu compozit đóng rắn ở nhiệt độ thường trong 1 ngày.
- Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu 2.4.1.
- Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel-GPC Khối lượng phân tử của: nhựa epoxy DER331, Thiokol, cao su tự nhiên lỏng epoxy hóa ENR, adduct tổng hợp từ Thiokol và nhựa epoxy DER331 được xác định khối lượng phân tử trên máy sắc ký thầm thấu gel GPC (Shimadzu) sử dụng dung môi hòa tan là THF.
- Các phương pháp xác định các tính chất cơ học của vật liệu 2.5.1.
- Độ bền kéo 2.5.2.
- Độ bền uốn 2.5.3.
- Độ bền va đập Izod 2.5.4.
- Phương pháp xác định tính chất điện từ của vật liệu compozit 2.6.1.
- 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 tính chất cơ lý của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thuỷ tinh 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 Trong nghiên cứu này hàm lượng ENR, ELO sử dụng thay đổi từ 5-20 PKL, Thiokol thay đổi từ 3-9 PKL so với 100 PKL nhựa epoxy.
- Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng ENR đến mức độ đóng rắn, thời gian gel hoá và độ nhớt của nhựa epoxy Hàm lượng ENR (PKL Mức độ đóng rắn.
- Thời gian gel hoá (phút Độ nhớt (Pa.s Bảng 3.2: Ảnh hưởng của hàm lượng ELO đến mức độ đóng rắn, thời gian gel hoá và độ nhớt của nhựa epoxy Hàm lượng ELO (PKL Mức độ đóng rắn.
- Thời gian gel hoá (phút Độ nhớt (Pa.s Bảng 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng Thiokol đến mức độ đóng rắn, thời gian gel hoá và độ nhớt của nhựa epoxy Hàm lượng Thiokol (PKL Mức độ đóng rắn.
- Thời gian gel hoá (phút Độ nhớt (Pa.s Sự có mặt của ENR, ELO, thiokol đều làm giảm mức độ đóng rắn, tăng thời gian gel hóa của nhựa epoxy DER331.
- Nhựa epoxy có độ nhớt tăng khi tăng hàm lượng của ENR, Thiokol trong khi đó độ nhớt của nhựa epoxy là không đổi trong trường hợp sử dụng ELO.
- Độ bền kéo Hình trình bày ảnh hưởng của các chất: ENR, ELO và thiokol đến tính chất kéo của nhựa epoxy DER331 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 Hàm lượng ENR, ELO, thiokol (PKL) Độ bền kéo (MPa) Hàm lượng ENR, ELO, thiokol (PKL) Môđun kéo (GPa) Hàm lượng ENR, ELO, thiokol (PKL) Biến dạng kéo.
- 8 Các kết quả trên hình cho thấy việc tăng hàm lượng ENR, ELO và thiokol trong nền nhựa epoxy đều làm giảm độ bền kéo, môđun kéo và tăng độ biến dạng.
- Thiokol có khả năng làm giảm mạnh hơn độ bền kéo và mođun kéo của nhựa epoxy tuy nhiên lại cho mức độ tăng độ biến dạng cao hơn khi so sánh với ảnh hưởng của ENR và ELO.
- Độ bền uốn Đồ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy với hàm lượng ENR, ELO, thiokol khác nhau được thể hiện ở hình dưới đây.
- Hình 3.7: Đồ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1-EP).
- nhựa epoxy bổ sung: 5 PKL ENR (2-EP.ENR5).
- 20 PKL ENR (7-EP.ENR20) Hình 3.8: Độ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1-EP).
- nhựa epoxy bổ sung: 5 PKL ELO (2- EP.ELO5).
- 9 PKL ELO (3-EP.ELO9) Hình 3.9: Độ thị độ bền uốn-biến dạng của nhựa epoxy (1- EP).
- nhựa epoxy bổ sung: 3 PKL thiokol (2- EP.T3).
- Độ bền uốn (MPa) Biến dạng.
- Độ bền uốn (MPa) 9 Đồ thị độ bền uốn-biến dạng thể hiện trên các hình cho thấy nhựa epoxy nguyên thể có đường đặc trưng là đường thẳng với độ dốc lớn cho thấy đây là vật liệu giòn với môđun uốn lớn, vật liệu bị phá huỷ với mức độ biến dạng thấp.
- Với mẫu nhựa epoxy có bổ sung 5- 20 PKL ENR, ELO và 3-9 PKL thiokol đồ thị đặc trưng độ bền uốn-biến dạng là đường cong, trước khi bị phá huỷ vật liệu trải qua quá trình biến dạng lớn.
- Độ biến dạng lớn nhất đạt được ở hàm lượng 10 PKL ENR, 9 PKL ELO và 9 PKL Thiokol trong nền nhựa epoxy.
- Độ bền va đập IZOD 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 mẫu không khía của nhựa epoxy DER331 Kết quả xác định độ bền va đập IZOD của mẫu nhựa epoxy không khía được thể hiện trên hình 3.14 cho thấy độ bền va đập tăng đến giá trị thích hợp 21,7.
- 23,2 kJ/m2 tương ứng việc bổ sung 7 PKL ENR, 9 PKL ELO và 5 PKL thiokol trong nền nhựa epoxy.
- 93,3% so với mẫu nhựa epoxy nguyên thể cho thấy ảnh hưởng tích cực của việc sử dụng ENR, Thiokol và ELO.
- Hệ số ứng suất tập trung tới hạn KIC Sự thay đổi độ bền dai phá huỷ đặc trưng bởi hệ số tập trung ứng suất KIC theo hàm lượng ENR, ELO và Thiokol khác nhau được trình bày ở hình 3.15 Hình 3.15: Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR (1-EP.ENR).
- ELO (2-EP.ELO) và thiokol (3-EP.T) tới hệ số tập trung ứng suất KIC của nhựa epoxy DER331 Hàm lượng ENR, ELO, thiokol (PKL) Độ bền va đập IZOD (kJ/m2) Hàm lượng ENR, ELO, thiokol (PKL) 10 Việc bổ sung ENR, ELO, Thiokol vào nền nhựa epoxy làm tăng giá trị KIC đến giá trị thích hợp là 7 PKL ENR, 9 PKL ELO và 5 PKL Thiokol.
- Để hiểu rõ hơn cơ chế dai hoá hình thành trong nền nhựa epoxy có bổ sung ENR, ELO và Thiokol đã tiến hành chụp ảnh FESEM bề mặt phá huỷ mẫu đo KIC.
- Hình 3.16: Ảnh FESEM bề mặt phá huỷ của nhựa epoxy (EP).
- nhựa epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (EP.ENR7).
- Ảnh SEM của mẫu nhựa epoxy biến tính với 7 PKL ENR (Hình 3.16 D), 9 PKL ELO (Hình 3.16 F), 5 PKL Thiokol (Hình 3.16 H) có cấu tạo hai pha với sự hiện diện của các hạt phân tán trên bề mặt nhựa epoxy, pha thứ cấp tách ra từ nền nhựa epoxy sau quá trình đóng rắn.
- Phân tích cơ nhiệt động DMTA Đặc trưng tính chất cơ nhiệt động (tanδ) theo nhiệt độ của nhựa epoxy và nhựa epoxy bổ sung 7 PKL ENR, 9 PKL ELO và 5 PKL Thiokol được trình bày trên hình 3.18 .
- Hình 3.18: Sự phụ thuộc 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) và 5 PKL Thiokol (4-EP.T5) Từ đồ thị hình 3.18 nhận thấy nhựa epoxy cho pic xung quanh giá trị 1400C, đây chính là nhiệt độ hoá thuỷ tinh của nhựa epoxy nguyên thể.
- Sự có mặt của 7 PKL ENR làm đỉnh pic chuyển dịch về vị trí có nhiệt độ thấp hơn, nhiệt độ hoá thuỷ tinh của nhựa epoxy biến tính giảm xuống còn 1330C.
- Phân tích nhiệt trọng lượng TGA Hình 3.21: Giản đồ phân tích nhiệt của nhựa epoxy (EP).
- nhựa epoxy bổ sung: 7 PKL ENR (EP-ENR7).
- 5 PKL Thiokol (EP-T5) đóng rắn bằng DETA Từ hình 3.21 nhận thấy nhựa epoxy đóng rắn bằng DETA trải qua quá trình phân huỷ một trạng thái.
- Các mẫu vật liệu nhựa nền thể hiện trạng thái phân huỷ ngắn ở nhiệt độ xung quanh 2000C đến 2300C đây là quá trình phân hủy của các phần nhựa epoxy chưa đóng rắn và các tạp chất chứa trong nhựa epoxy.
- Qúa trình phân huỷ chính diễn ra trong khoảng 352-3590C do sự phân huỷ nhiệt của mạng lưới nhựa epoxy.
- Các mẫu nhựa epoxy biến tính đều có nhiệt độ bắt đầu phân hủy thấp hơn so với nhựa epoxy không biến tính.
- Vật liệu compozit epoxy có bổ sung ENR, ELO, thiokol gia cường bằng sợi thuỷ tinh a.
- Ảnh hưởng của hàm lượng: ENR, ELO và Thiokol tới tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh Hình 3.26 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng ENR, ELO và Thiokol đến độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh.
- Các kết quả trên hình 3.26 cho thấy vật liệu compozit có bổ sung chất biến tính đều có độ bền va đập cao hơn so với vật liệu compozit không biến tính.
- Ở hàm lượng 7 PKL ENR, 9 PKL ELO và 5 PKL Thiokol độ bền va đập đạt giá trị 115,2 kJ/m2.
- 46% và 119% so với mẫu compozit nền nhựa epoxy không biến tính.
- 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 b.
- Năng lượng phá hủy tách lớp GIC, GIP Hình 3.33: Độ bền dai phá hủy GIC (A).
- 20 PKL ENR (PC-EP-ENR20) Hình 3.34: Độ bền dai phá hủy GIC (A).
- 20 PKL ELO (PC-EP-ELO20) Độ bền va đập IZOD (kJ/m2) Độ bền va đập IZOD (kJ/m2) Độ bền va đập IZOD (kJ/m2) GIP (J/m2) GIC (J/m2) GIP (J/m2) GIC (J/m2) 13 Hình 3.35: Độ bền dai phá hủy GIC (A).
- 9 PKL Thiokol (PC-EP-T9) Ảnh hưởng của hàm lượng cao su tự nhiên lỏng epoxy hóa-ENR, dầu lanh epoxy hóa-ELO và Thiokol đến độ bền dai phá hủy tách lớp tại thời điểm xuất hiện vết nứt GIC và trong quá trình vết nứt phát triển GIP thể hiện trên các hình 3.33.
- Ở các hàm lượng này độ bền dai phá hủy tại thời điểm xuất hiện vết nứt GIC tăng 26,9%.
- giá trị độ bền dai phá hủy trong quá trình vết nứt phát triển GIP tăng 26,9%.
- 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 (PC-EP.ENR7).
- 9 PKL ELO (PC-EP.ELO9) và 5 PKL Thiokol (PC-EP.T5) Ảnh SEM bề mặt phá hủy khi tách lớp của vật liệu compozit được thể hiện trên hình 3.36.
- Vì vậy năng lượng cần thiết để xảy ra quá GIP (J/m2) GIC (J/m2) 14 trình phá hủy của vật liệu là thấp.
- Ngược lại sự có mặt của ENR, ELO và Thiokol ảnh hưởng mạnh lên độ bền dai phá hủy giữa các lớp của vật liệu compozit (hình 3.36 mẫu PC-EP.ENR7, PC-EP.ELO9, PC-EP.T5).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của adduct trên cơ sở thiokol và nhựa epoxy DER331 tới các tính chất cơ lý của nhựa epoxy DER331 và vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh Adduct tạo thành giữa Thiokol và nhựa epoxy được tổng hợp dựa trên phản ứng của nhóm chức mercaptan (SH) và epoxy với tỉ lệ mol giữa nhóm SH và epoxy thay đổi trong khoảng 0,6-0,8.
- Sản phẩm adduct tạo thành được phân tích cấu trúc hóa học bằng phổ hồng ngoại và xác định khối lượng phân tử bằng GPC đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng tới các tính chất cơ học của nhựa nền epoxy DER331 và vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh.
- Xác định các đặc trưng của adduct trên cơ sở Thiokol và nhựa epoxy DER331 a.
- Phổ hồng ngoại Hình 3.37 trình bày so sánh phổ hồng ngoại của Thiokol, nhựa epoxy DER331 và adduct TH.EP0,6 khi xét trong dải bước sóng 4000-2000 cm-1

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt