Nghiên cứu ban đầu về khả năng ứng dụng kế hợp vật liệu geopolyme composit chống cháy cho ngành đóng tàu vỏ composit

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KẾ HỢP VẬT<br /> LIỆU GEOPOLYME COMPOSIT CHỐNG CHÁY CHO NGÀNH ĐÓNG<br /> TÀU VỎ COMPOSIT<br /> PRELIMINARY STUDY OF APPLYING GEOPOLYMER COMPOSITES TO COMPOSITE<br /> SHIPBUILDING INDUSTRY<br /> Trần Doãn Hùng1, Petr Louda2 và Oleg Bortnovsky3<br /> 1<br /> Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang<br /> 2<br /> Khoa Cơ khí, Đại học Kỹ thuật Liberec, Cộng hòa Séc<br /> 3<br /> Viện Hóa học Vô cơ Usti nad Labem, Cộng hòa Séc<br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này chúng tôi trình bày kết quả của nghiên cứu ban đầu về tính chất nhiệt của vật liệu<br /> geopolyme composit dẫn xuất trên nền Silic đioxit nhiệt chứa khoảng 50% sợi thủy tinh gia cường. Cơ tính<br /> của vật liệu dạng tấm hybrid được tạo thành khi sử dụng kết hợp vật liệu geopolyme composit này với vật liệu<br /> composite thông dụng trong ngành đóng tàu trên nền polyeste không no (UPR) gia cường bằng sợ thủy tinh;<br /> Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo và loại vật liệu gia cường lên tính chất cơ và dạng hỏng của vật liệu<br /> được tạo thành. Kết quả cho thấy, vật liệu geopolyme composit được nghiên cứu có tính chất nhiệt tương tự<br /> vật liệu cách nhiệt Bakelit và một số phương pháp chế tạo cho ta vật liệu tấm có độ bền thỏa mãn tiêu chuẩn<br /> TCVN 6282: 2003.<br /> ABSTRACT<br /> This paper presents results of preliminary research about thermal properties of thermal silica based<br /> geopolymer composite reinforced by 50% glass fiber. Mechanical properties of hybrid laminates which<br /> were fabricated by combining the geopolymer composite with popular shipbuilding composites based on<br /> unsaturated polyester resin and glass fiber reinforcement; Effects of manufacturing methods on the mechanical<br /> properties and failure patterns of composite samples. The results show that the geopolymer composite has<br /> the same thermal properties of thermal insulator material Bakelite and in some cases of hybrid composite<br /> fabrication methods, the strength of materials meet the demands of standard TCVN 6282: 2003.<br /> Từ khóa: geopolyme, polyeste không no, tính chất nhiệt, độ bền cơ học<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> Vật liệu composit thông dụng và phổ biến nhất là<br /> <br /> Vật liệu composit với các tính năng vượt<br /> <br /> composit dựa trên nền polyme hữu cơ được gia<br /> <br /> trội so với nhiều chủng loại vật liệu kinh điển<br /> <br /> cường. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong<br /> <br /> như nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng<br /> <br /> các ngành công nghiệp, ở đó có nhiệt độ làm<br /> <br /> cao, dai, chống va đập khá tốt… đang ngày càng<br /> <br /> việc yêu cầu lớn hơn 200oC thì hầu hết các loại<br /> <br /> được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện<br /> <br /> vật liệu composit trên nền polyme hữu cơ không<br /> <br /> đại như hàng không, vũ trụ, ô tô, chế tạo máy,<br /> <br /> thể sử dụng [1-3]. Tính chất dễ bắt lửa của chính<br /> <br /> tàu thuyền… và cả trong đời sống hàng ngày.<br /> <br /> vật liệu này hạn chế khả năng triển khai ứng<br /> <br /> 94 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> dụng chúng cho ngành công nghiệp tàu thủy nói<br /> <br /> mặt làm chậm hoặc ức chế phản ứng nhiệt phân<br /> <br /> chung và tàu ngầm nói riêng [4].<br /> <br /> và phản ứng oxi hóa trên bề mặt của polyester.<br /> <br /> Vật liệu geopolyme đã được nghiên cứu và<br /> <br /> Theo hiểu biết chủ quan của chúng tôi thì hiện<br /> <br /> phát triển từ năm 1979 bởi giáo sư hóa học và<br /> <br /> nay trên thế giới chưa có công trình nào nghiên<br /> <br /> vật liệu học Joseph Davidovits, Viện Khoa học<br /> <br /> cứu thử nghiệm kết hợp composit trên nền<br /> <br /> Vật liệu Geopolyme, Cộng hòa Pháp [5]. Tuy<br /> <br /> polyme hữu cơ với composit trên nền geopolyme<br /> <br /> nhiên vật liệu geopolyme được ông sử dụng như<br /> <br /> để hình thành vật liệu có dạng hybrid nhằm<br /> <br /> vật liệu nền cho composit chỉ được bắt đầu từ<br /> <br /> tận dụng ưu điểm của chúng và sử dụng cho<br /> <br /> năm 1982 [6] và cho đến hiện nay geopolyme<br /> <br /> các ngành công nghiệp nói chung và tàu thủy<br /> <br /> composit đang thu hút được nhiều nhà khoa học<br /> <br /> composit nói riêng.<br /> <br /> trên thế giới. Theo nhiều tài liệu, vật liệu composit<br /> <br /> Ở đây chúng tôi nghiên cứu tính chất cơ<br /> <br /> trên nền geopolyme có các tính chất nổi bật sau:<br /> <br /> bản của vật liệu kết hợp composit trên nền<br /> <br /> cơ tính cao, nhẹ, chịu nhiệt tốt (có thể chịu nhiệt<br /> <br /> polyme hữu cơ thông dụng là polyeste không no<br /> <br /> độ lên đến 1200 C trong thời gian dài), không tạo<br /> <br /> và composit trên nền geopolyme có gốc từ silic<br /> <br /> khói, khí độc và có thể chịu được tác động của<br /> <br /> đioxyt nhiệt, gia cường bằng vải thủy tinh dạng<br /> <br /> hầu hết các loại hóa chất hữu cơ [1, 5, 7, 8]. Thêm<br /> <br /> mat 450g/m2 và dệt 850g/m2 với mong muốn<br /> <br /> vào đó vật liệu composit trên nền geopolyme<br /> <br /> bước đầu nghiên cứu sử dụng vật liệu dạng<br /> <br /> có thể được chế tạo ở ngay nhiệt độ thường<br /> <br /> hybrid này như là vật liệu kết cấu và chống cháy<br /> <br /> hoặc được đẩy nhanh quá trình đông rắn trong<br /> <br /> trên tàu composit.<br /> <br /> o<br /> <br /> lò có nhiệt độ không quá 150oC chỉ trong vài giờ<br /> [2, 7].<br /> Tàu thủy được coi như một công trình kiến<br /> <br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> II.1. Nguyên liệu và hóa chất<br /> <br /> trúc phức tạp, có giá trị lớn và hoạt động độc<br /> <br /> - Nhựa UPR có nhãn hiệu P:9509 NW -<br /> <br /> lập trên đại dương mênh mông; nguy cơ tiềm<br /> <br /> B.TT 3224, xuất xứ từ Malaysia, chứa 30-35%<br /> <br /> ẩn về khả năng xẩy ra hỏa hoạn là rất cao, trong<br /> <br /> styrene monomer, 0,5 % Nathtalene Cobalt; sử<br /> <br /> khi đó không gian hoạt động của con người trên<br /> <br /> dụng chất xúc tác quá trình đông rắn là Methyl -<br /> <br /> tàu lại hết sức nhỏ hẹp. Vật liệu composit được<br /> <br /> Ethyl - Kextonpeoxide (MEKPO - 808) sản xuất<br /> <br /> sử dụng để chế tạo tàu thủy chủ yếu dựa trên<br /> <br /> từ Indonasia với hàm lượng khoảng 1% khối<br /> <br /> nền polyeste không no, khi vật liệu này tiếp xúc<br /> <br /> lượng.<br /> <br /> với nguồn nhiệt do bức xạ, lửa, hoặc sự đối lưu<br /> <br /> - Bột Silic đioxyt nhiệt (thermal silica), xuất<br /> <br /> nhiệt đến điểm phân hủy thì những khí dễ cháy<br /> <br /> xứ từ Cộng hòa Pháp, có kích thước hạt nhỏ<br /> <br /> được tạo thành như hydrocarbon, hydrogen,<br /> <br /> hơn 3 mm.<br /> <br /> carbon monoxide và quá trình cháy xảy ra. Như<br /> vậy, sử dụng vật liệu làm chậm quá trình cháy<br /> và chống cháy vật liệu là một đòi hỏi không thể<br /> thiếu của kết cấu tàu.<br /> Việc sử dụng kết hợp composit trên nền<br /> geopolyme ở đây được xem như một lớp bề<br /> <br /> - Bột caolin, xuất xứ Cộng hòa Séc, có kích<br /> thước hạt nhỏ hơn 5 mm.<br /> - Dung dịch kích hoạt KOH 50% khối<br /> lượng, được điều chế từ KOH phiến mỏng khô<br /> được sản xuất ở Trung Quốc, có thành phần<br /> bảng 1.<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 95<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> Bảng 1. Thành phần KOH dạng rắn<br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> Thành phần<br /> <br /> Tỷ lệ %<br /> <br /> KOH<br /> Cl<br /> SO4<br /> N<br /> PO4<br /> <br /> ≥ 82<br /> 0,01<br /> 0.005<br /> 0.001<br /> 0.005<br /> <br /> SiO3<br /> K2CO3<br /> Na<br /> Al<br /> <br /> 0.02<br /> 2.0<br /> 2.0<br /> 0.005<br /> <br /> Ca<br /> Fe<br /> Ni<br /> Pb<br /> <br /> 0.005<br /> 0.001<br /> 0.0005<br /> 0.002<br /> <br /> - Vải thủy tinh dạng mat 450g/m2 (mat 450) và<br /> vải dệt 850 g/m2 (vải 850) do Trung Quốc sản xuất.<br /> - Các vật liệu khác: wax chống dính, tấm nilon…<br /> II.2. Điều chế vật liệu nền geopolymer<br /> - Nhằm tạo ra mạch liên kết sialate mạng<br /> 2D (–Si–O–Al–) trong cấu trúc của vật liệu nền<br /> geopolyme bền vững ở nhiệt độ cao và dung dịch<br /> nền có thời gian sống ở nhiệt độ thường ít nhất là<br /> 6 giờ. Dung dịch KOH, bột silic đioxyt nhiệt và bột<br /> caolin được định lượng có tỷ lệ khối lượng tương<br /> ứng là 1:1,5:0,25 [5].<br /> <br /> Hình 1. Điều chế vật liệu nền geopolymer<br /> <br /> - Đổ dung dịch KOH vào cốc thủy tinh, làm lạnh môi trường điều chế bằng túi đá (Hình 1), cho<br /> bột silic đioxyt với tốc độ vừa phải và khuấy đều khoảng 30 phút để đạt được dung dịch đạt độ đồng<br /> nhất; sau đó tiếp tục đổ bột caolin vào với tốc độ vừa phải để tránh vón cục, khuấy đều trong khoảng<br /> thời gian 5 - 10 phút (tốc độ tối đa trên cánh khuấy không quá 30 m/phút); Tăng vận tốc cánh khuấy<br /> lên 100 m/phút trong khoảng 30 giây. Cuối cùng đổ hỗn hợp vào bình chứa và cất giữ vào tủ lạnh<br /> đông sâu để sử dụng lâu dài.<br /> II.4. Quá trình chế tạo vật liệu composit<br /> Vật liệu composit được gia công bằng tay, đông rắn ở điều kiện thường. Tỉ lệ khối lượng sợi<br /> khoảng 50%. Đắp liên tục từng lớp nhựa và sợi, sử dụng phương pháp lăn tay (dùng con lăn để<br /> loại bọt khí) (hình 2) hoặc kỹ thuật chân không để đưa bọt khí và vật liệu nền thừa ra ngoài (hình 3).<br /> <br /> Hình 2. Kỹ thuật lăn tay chế tạo vật liệu hybrid<br /> <br /> 96 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 3. Kỹ thuật hút chân không chế tạo vật liệu<br /> hybrid<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> - 01 chủng loại mẫu để kiểm nghiệm tính<br /> chất nhiệt của composit trên nền geopolyme: 03<br /> lớp mat 450 và 02 lớp vải 850 + geopolymer (05<br /> lớp được lăn liên tục)<br /> - 06 chủng loại mẫu được chế tạo để kiểm<br /> nghiệm cơ tính như sau:<br /> Số 1: 03 lớp mat 450 + UPR (ngày thứ nhất)<br /> và 02 lớp mat 450 + geopolymer (ngày thứ hai)<br /> Số 2: 03 lớp mat 450 + UPR (ngày thứ nhất)<br /> và 02 lớp vải 850 + geopolymer (ngày thứ hai)<br /> Số 3: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + geopolymer (cả 05 lớp được đánh liên<br /> tục).<br /> Số 4: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp mat<br /> 450 + geopolymer (cả 05 lớp được lăn liên tục<br /> và sử dụng kỹ thuật hút chân không).<br /> Số 5: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + geopolymer (cả 05 lớp được lăn liên tục<br /> và sử dụng kỹ thuật hút chân không).<br /> Số 6: 03 lớp mat 450 + UPR và 02 lớp vải<br /> 850 + UPE. Loạt mẫu này được sử dụng như<br /> vật liệu đối chứng có cùng vật liệu ban đầu và<br /> phương pháp chế tạo.<br /> II.4. Thử nghiệm tính chất vật liệu<br /> - Thử nghiệm về tính chất nhiệt: độ dẫn<br /> nhiệt và cách nhiệt của composit được xác định<br /> trên máy đo Sweating Guarded Hotplate, model<br /> SGHP-8.2 (Hình 4), dựa theo bộ tiêu chuẩn ISO<br /> 11092. Nhiệt dung riêng của vật liệu này được<br /> <br /> Hình 5. Máy Kéo nén vạn năng (H50-K-S)<br /> <br /> xác đinh trên máy do IKA Calorimeter, model C<br /> 400, theo tiêu chuẩn của Đức DIN 51 900.<br /> - Thử nghiệm về cơ tính vật liệu: Độ bền<br /> kéo và uốn được xác định trên máy Kéo nén vạn<br /> năng (H50-K-S) của Anh với phạm vi đo 0-50kN<br /> (Hình 5). Sử dụng bộ tiêu chuẩn chuẩn hóa Anh<br /> - Châu Âu BS EN ISO 527-4:1997 BS 2782 Phương pháp 326F:1997 cho mẫu kéo và bộ<br /> tiêu chuẩn chuẩn hóa Anh - Châu Âu BS EN ISO<br /> 14125:1998 cho mẫu uốn để chọn thông số chế<br /> tạo mẫu và tính toán các thông số về cơ tính<br /> III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Chuỗi 5 mẫu được kiểm nghiệm đối với mỗi<br /> chủng loại vật liệu và kết quả giá trị trung bình<br /> được đưa ra ở bảng 2, bảng 3 và bảng 4.<br /> So sánh với một số vật liệu truyền thống<br /> thì vật liệu geopolyme composit gia cường sợi<br /> thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn của đồng<br /> (380 W/mK) là 12025 lần, của thép (54 W/mK) là<br /> 1708 lần, của vật liệu ceramic alumin (2 W/mK)<br /> là 64 lần, polyme Bakelit (0,23 W/mK) là 7 lần và<br /> so với gỗ nói chung (0,14 W/mK) là 5 lần. Trong<br /> công nghiệp bakelit được coi là vật liệu có độ<br /> dẫn nhiệt kém và thường được sử dụng như là<br /> một vật liệu cách nhiệt [9]. Thêm vào đó, chúng<br /> ta có thể so sánh nhiệt dung riêng của vật liệu<br /> geopolyme composit với nhiệt dung riêng của<br /> một số vật liệu thông dụng để có cái nhìn tổng<br /> thể như sau: so với đồng (390 J/kgK) lớn gấp<br /> <br /> Hình 4. Sweating Guarded Hotplate<br /> (model SGHP-8.2)<br /> <br /> 3,5 lần, so với gạch nung (1000 J/kgK) lớn gấp<br /> 1,4 lần và xấp xỉ với nhiệt dung riêng của vật liệu<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 97<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> bakelite trộn sợi amiăng (1380 J/kgK).<br /> Bảng 2. Tính chất nhiệt của composit trên nền geopolyme<br /> Vật liệu<br /> <br /> Hệ số dẫn nhiệt l (W/<br /> mK)<br /> <br /> Hệ số cách nhiệt R<br /> (m2K/W)<br /> <br /> Nhiệt dung riêng<br /> c (J/kgK)<br /> <br /> Geopolyme composit<br /> <br /> 0,0316<br /> <br /> 0,0696<br /> <br /> 1362<br /> <br /> Đối với các mẫu vật liệu kết hợp, nếu quá trình chế tạo composit được chia thành hai giai đoạn<br /> (loạt mẫu số 1 và số 2), tức là để cho các lớp vật liệu trên nền polyeste không no xẩy ra quá trình<br /> đông rắn hoàn toàn (ngày thứ nhất) và tiếp tục đắp lên các lớp vật liệu trên nền geopolyme (ngày<br /> thứ hai). Khi thử nghiệm uốn, dạng phá hủy của vật liệu xẩy ra quá trình tách lớp ngay trên bề mặt<br /> liên kết giữa hai vật liệu có nền khác nhau (Hình 5). Ngược lại, khi cả hai composit được thực hiện<br /> một cách liên tục (số 3, số 4 và số 5), kiểu phá hủy của mẫu khi khảo nghiệm có dạng xé rách và<br /> không xẩy ra hiện tượng tách lớp (Hình 6) và đây cũng là điều được kỳ vọng trong chế tạo vật liệu<br /> kết hợp nhiều lớp.<br /> Bảng 3. Độ bền kéo của composit kết hợp nền UPE and geopolymer dựa trên silic đioxyt<br /> Vật liệu kết hợp<br /> <br /> Độ dãn dài (%)<br /> <br /> Ứng suất kéo (MPa)<br /> <br /> Modun đàn hồi<br /> (GPa)<br /> <br /> No.1<br /> <br /> 3.46<br /> <br /> 53.39<br /> <br /> 3.86<br /> <br /> No.2<br /> <br /> 3.93<br /> <br /> 47.12<br /> <br /> 3.39<br /> <br /> No.3<br /> <br /> 4.59<br /> <br /> 91.87<br /> <br /> 5.76<br /> <br /> No.4<br /> <br /> 8.36<br /> <br /> 119.31<br /> <br /> 3.67<br /> <br /> No.5<br /> <br /> 4.09<br /> <br /> 93.79<br /> <br /> 5.55<br /> <br /> No.6<br /> <br /> 5.20<br /> <br /> 93.60<br /> <br /> 3.54<br /> <br /> Bảng 4. Độ bền uốn của composit kết hợp nền UPE and geopolymer dựa trên silic đioxyt<br /> Vật liệu kết hợp<br /> <br /> Ứng suất uốn phá<br /> hủy (MPa)<br /> <br /> Độ biến dạng tỷ đối<br /> (%)<br /> <br /> Modun đàn hồi (GPa)<br /> <br /> No.1<br /> <br /> 134.96<br /> <br /> 2.25<br /> <br /> 21.16<br /> <br /> No.2<br /> <br /> 144.03<br /> <br /> 2.39<br /> <br /> 11.67<br /> <br /> No.3<br /> <br /> 99.75<br /> <br /> 2.83<br /> <br /> 8.73<br /> <br /> No.4<br /> <br /> 159.40<br /> <br /> 2.32<br /> <br /> 9.23<br /> <br /> No.5<br /> <br /> 183.55<br /> <br /> 1.50<br /> <br /> 20.03<br /> <br /> No.6<br /> <br /> 213.46<br /> <br /> 4.61<br /> <br /> 9.84<br /> <br /> 98 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br />