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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
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 thuỷ 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
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 .33
2.2.1.3 Phương pháp phân tán nanoclay I.30E vào epoxy Epikote 240 34
2.2.1.4 Phương pháp phân tán MWCNTs vào epoxy Epikote 240 . 34
2.2.1.5 Phương pháp phân tán nanoclay I.30E /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 . 36
2.3.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . 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 37
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 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
3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chống cháy đến tính chất của vật
liệu 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 cứu 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 55
3.2.1 Khảo sát quá trình đóng rắn của hỗn hợp epoxy E 240/ELO đóng rắn
bằng DETA 55
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 57
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
và không có mặt chất chống cháy 59
3.2.4.2 Tính chất cơ học và độ chống cháy của vật liệu PC trên nền epoxy
E 240/ELO gia cường bằng vải thủy tinh có và không có mặt chất chống cháy . 61
3.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC 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 I.30E 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 67
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 . 70
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 70
3.3.2.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy cơ học tính chất cơ học và độ chậm cháy
của vật liệu nanocompozit epoxy E 240/I.30E 71
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 72
3.3.3.1 Khảo sát hình thái cấu trúc và X-ray của vật liệu nanocompozit epoxy
E 240/I.30E 72
3.3.3.2 Ảnh hưởng 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
3.3.4 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 75
3.3.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy cơ học đến sự phân tán
I.30E trong nhựa epoxy E 240 . 75
3.3.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy cơ học đến tính chất cơ học và độ chậm
cháy của vật liệu nanocompozit epoxy Epikote 240/I.30E . 77
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 . 78
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 . 78
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 . 80
3.3.6 Vật liệu PC trên nền epoxy E 240/ELO/I.30E gia cường bằng vải thủy tinh . 83
3.3.6.1 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của nanocompozit trên nền epoxy
E 240/ELO/I.30E có chất chậm cháy 83
3.3.6.2 Tính chất cơ học và độ chậm cháy của PC trên nền
epoxy E 240/ELO /I.30E gia cường bằng vải thủy tinh có và không có chất chậm
cháy 86
3.4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC nền epoxy Epikote 240 có ống nano các bon đa
tường (MWCNTs: Multi-walled carbon nanotubes) gia cường bằng vải thủy tinh 90
3.4.1 Nghiên cứu phương pháp phân tán MWCNTs vào epoxy bằng kỹ thuật
rung siêu âm . 90
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 90
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 MWCNTs/epoxy nanocompozit 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 trên nền epoxy có bổ sung I.30E
và MWCNTs 99
3.4.3.1 Phân tán I.30E và MWCNTs vào epoxy E 240 . 99
3.4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng 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 I.30E, MWCNTs và chất chậm cháy . 111
3.4.5. Tính chất cơ học và độ chậm cháy của vật liệu nanocompozit nền epoxy
E 240 có mặt MWCNTs và I.30E có và không có chất chậm cháy gia cường bằng
vải thủy tinh 116
KẾT LUẬN 121
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 124
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 [55]. 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