Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở hỗn hợp nhựa nhiệt rắn kết hợp điều khiển cấu trúc pha

T¹p chÝ Hãa häc, T. 44 (3), Tr. 290 - 294, 2006<br /> <br /> <br /> <br /> NGHI£N CøU CHÕ T¹O VËT LIÖU COMPOZIT TR£N C¥ Së HçN<br /> HîP NhùA NHIÖT R¾N kÕt hîp §IÒU khiÓn CÊU TRóC PHA<br /> §Õn Tßa so¹n 12-5-2005<br /> Ho ng Anh S¬n<br /> ViÖn Khoa häc vËt liÖu, ViÖn KH&CN ViÖt Nam<br /> <br /> <br /> summary<br /> Composite materials are based on biphase mixes thermosetting resins with adjustable phase<br /> structure have been studied. At change of the contents of components in a mix (during 40 - 60%<br /> vol.) the inverse of phase occours. Filling the selective filler only to the one phase without<br /> changing of filler content followed by the total volume of mixture. The research on the<br /> dependence of composite material charateristics on the component of mixture which is shown<br /> that, increasing filler content leads to increase the elastic modul of filled phase and that mean<br /> increase total mixture modul and as well as other characterisics.<br /> <br /> <br /> I - ®Æt vÊn ®Ò Ph¸p) v nhùa PN-1 (PN-1; Nga).<br /> *Hçn hîp cña Viapal vup 4777 v nhùa<br /> C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cÊu tróc v tÝnh chÊt Cristics 196 (C-196; Anh).<br /> cña vËt liÖu compozit trªn c¬ së hçn hîp nhùa<br /> ChÊt kh¬i m o metyletyl xeton peroxit.<br /> nhiÖt r¾n ®+ chØ ra r»ng khi ®ãng r¾n mét dung<br /> dÞch polyme hai cÊu tö cã thÓ nhËn ®6îc hçn 2. Hçn hîp nhùa epoxy: nhùa E§-20 (Nga)<br /> hîp kh©u m¹ch cã cÊu tróc pha kh¸c nhau bao v nhùa EIS-1 (Estonhia).<br /> gåm mét hoÆc hai pha. C¸c cÊu tróc kh¸c nhau ChÊt ®ãng r¾n trietylen tetramin - TETA.<br /> cña vËt liÖu compozit ®én phô thuéc v o ph6¬ng<br /> 3. ChÊt ®én<br /> ph¸p ®én v ®©y chÝnh l c¬ së cña viÖc nghiªn<br /> cøu chÕ t¹o vËt liÖu compozit kÕt hîp ®iÒu khiÓn *Bét th¹ch anh SiO2, h m l6îng 20% theo<br /> cÊu tróc pha v lùa chän pha ®én. Trªn c¬ së thÓ tÝch chung cña hçn hîp.<br /> ph6¬ng ph¸p n y, lÇn ®Çu tiªn ®+ thiÕt lËp ®6îc *Bét graphit, h m l6îng 8% ®èi víi hçn hîp<br /> sù phô thuéc cña c¸c tÝnh chÊt cña vËt liÖu c¸c polyeste kh«ng no v 16% - hçn hîp epoxy.<br /> compozit v o th nh phÇn, b¶n chÊt cña hçn hîp<br /> c¸c nhùa (hçn hîp mét pha hay hçn hîp hai 2. Ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> pha) v o sù ph©n bè chÊt ®én trong hçn hîp §é nhít cña c¸c hçn hîp ch6a ®ãng r¾n<br /> (ph©n bè ®Òu theo c¸c pha hay ph©n bè chän läc ®6îc nghiªn cøu bëi nhít kÕ Brookfield, c¸c<br /> v o chØ mét pha). tÝnh chÊt c¬ häc cña hçn hîp ®+ ®ãng r¾n nh6<br /> ®é bÒn kÐo ®øt, bÒn nÐn v bÒn va ®Ëp ®6îc ®o<br /> II - thùc nghiÖm trªn c¸c thiÕt bÞ ®o Instron-1122 (Mü). Vi cÊu<br /> tróc cña hçn hîp ®6îc nghiªn cøu b»ng kÝnh<br /> 1. Nguyªn liÖu, hãa chÊt hiÓn vi quang häc MBY-6. TÝnh dÉn ®iÖn riªng<br /> 1. Hçn hîp nhùa polyeste kh«ng no: cña hçn hîp ®6îc nghiªn cøu b»ng ph6¬ng ph¸p<br /> tæng trë.<br /> *Hçn hîp cña Viapal vup 4777 (V-47;<br /> 290<br />  III - KÕt qu¶ v th¶o luËn Nghiªn cøu tÝnh chÊt l6u biÕn cña hçn hîp<br /> ch6a ®ãng r¾n c¸c nhùa polyeste V-47 & PN-1<br /> Sù h×nh th nh cÊu tróc trong c¸c hçn hîp (h×nh 1) – ®6êng biÓu diÔn sù phô thuéc cña ®é<br /> polyme ph©n tö l6îng cao b¾t ®Çu tõ sù tËp hîp nhít v o th nh phÇn hçn hîp nh6 l mét ®6êng<br /> c¸c ®¹i ph©n tö riªng biÖt, c¸c th¨ng gi¸ng dÞ tuyÕn tÝnh. Nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt c¬ häc cña<br /> pha v sù ph©n líp tiÕp theo do hiÖn t6îng ®Èy hçn hîp ®+ ®6îc ®ãng r¾n n y (h×nh 2) cho<br /> c¸c ph©n tö ngo¹i lai lªn ranh giíi cña cÊu tróc nh÷ng nhËn xÐt t6¬ng tù. Tõ c¸c kÕt qu¶ n y nãi<br /> ®ang ®6îc h×nh th nh. Khi h m l6îng polyme lªn hçn hîp c¸c nhùa V-47 & C-196 ch6a v ®+<br /> thø hai t6¬ng ®èi thÊp nã sÏ xuÊt hiÖn d6íi d¹ng ®ãng r¾n l hçn hîp mét pha. VËt liÖu compozit<br /> pha ph©n t¸n trong pha nÒn (matrix) chÝnh l trªn c¬ së hçn hîp mét pha n y víi chÊt ®én<br /> polyme thø nhÊt cã h m l6îng lín h¬n trong d¹ng bét ph©n t¸n (SiO2) cã chØ sè modul ® n<br /> hçn hîp. Thay ®æi h m l6îng cña c¸c polyme håi, ®é cøng t¨ng, ng6îc l¹i c¸c chØ sè ®é bÒn<br /> trong hçn hîp cã thÓ dÉn ®Õn sù ®¶o pha. PhÇn (kÐo ®øt, va ®Ëp v bÒn nÐn) gi¶m. ChÊt ®én<br /> ph©n bè ®Òu theo c¸c pha v ®én chän läc v o<br /> lín c¸c nhùa nhiÖt r¾n kh¸c biÖt nhau bëi kÝch<br /> chØ mét pha cña hçn hîp ®6îc tiÕn h nh theo<br /> th6íc ph©n tö, v× vËy, sù nhanh chãng ph©n t¸n<br /> c¸c ph6¬ng ph¸p sau: (1) chÊt ®én ®6îc ®én v o<br /> lÉn nhau cã thÓ bÞ mÊt ®i khi cã sù t¨ng ®é d i<br /> mçi pha víi h m l6îng thÓ tÝch tÝnh theo thÓ<br /> m¹ch khi ®ãng r¾n. Qu¸ tr×nh ph©n chia pha tÝch cña pha ®ã, b»ng h m l6îng tÝnh theo thÓ<br /> trong c¸c tr6êng hîp n y cã thÓ ®6îc x¸c ®Þnh tÝch chung cña c¶ hçn hîp, trén ®Òu, sau ®ã<br /> bëi ®éng nhiÖt häc, bëi h m l6îng thÓ tÝch, bëi khuÊy trén c¸c pha víi nhau. ChÊt ®én khi ®ã sÏ<br /> ®é nhít… v c¸c mèi t6¬ng quan lÉn nhau trong ®6îc ph©n bè ®Òu theo c¸c pha cña hçn hîp; (2)<br /> qu¸ tr×nh ®ãng r¾n. Tãm l¹i, ®Ó dù ®o¸n cÊu tróc chÊt ®én ®6îc ®én chän läc v o chØ pha thø nhÊt<br /> mét pha hoÆc hai pha cho mét hçn hîp nhùa cña hçn hîp; v (3) ®én chän läc chÊt ®én v o<br /> nhiÖt r¾n bÊt kú l rÊt khã. chØ pha thø hai cña hçn hîp.<br /> <br /> <br /> 6 8<br /> <br /> 5<br /> 1 6<br /> 4 1<br /> 2<br /> 2<br /> Ek®,GPa<br /> Ek®,GPa<br /> , .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> , Pa.s<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3 4<br /> 3<br /> 2 4 4<br /> 1 2<br /> <br /> 0<br /> 0 20 40 60 80 100 0<br /> 0 20 40 60 80 100<br /> 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0<br /> <br /> V-47 C-196 V-47 C-196<br /> H×nh 1: Sù phô thuéc cña ®é nhít v o th nh H×nh 2: Sù phô thuéc cña modul ® n håi khi kÐo<br /> phÇn cña hçn hîp ®øt v o th nh phÇn hçn hîp<br /> 1. hçn hîp kh«ng ®én; 2. hçn hîp ®én víi sù ph©n bè ®Òu cña chÊt ®én theo c¸c pha<br /> 2. hçn hîp víi sù ®én chän läc v o chØ pha V-47; 4. ®én chän läc v o chØ pha C-196<br /> <br /> §èi víi hçn hîp mét pha, mÆc dï víi c¸c Nghiªn cøu sù phô thuéc cña ®é nhít còng nh6<br /> ph6¬ng ph¸p ®én kh¸c nhau nh6ng sù thay ®æi c¸c tÝnh chÊt c¬ häc v o th nh phÇn cña hçn hîp<br /> c¸c tÝnh chÊt cña vËt liÖu gÇn nh6 nhau (quan s¸t polyeste kh«ng no V-47 & PN-1 cho thÊy nh÷ng<br /> c¸c ®6êng phô thuéc 2, 3 v 4 trªn h×nh 1 v 2). kÕt qu¶ kh¸c h¼n, nh÷ng ®6êng biÓu diÔn l<br /> 291<br /> nh÷ng ®6êng kh«ng tuyÕn tÝnh thÓ hiÖn tÝnh cho d¹ng ®å thÞ tÝnh chÊt lo¹i n y l c¸c dung<br /> chÊt hai pha cña hçn hîp (h×nh 4a). §Æc tr6ng dÞch huyÒn phï cã cÊu tróc “giät” (h×nh 3).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a b<br /> H×nh 3: CÊu tróc hçn hîp V-47&PN-1 kh«ng ®én qua ¶nh chôp tõ kÝnh hiÓn vi.<br /> a. Hçn hîp d6 V-47; b. Hçn hîp d6 PN-1<br /> <br /> XuÊt ph¸t tõ tÝnh chÊt hai pha cña hçn hîp v tiÕp tôc t¨ng (tèi ®a 45% theo tÝnh to¸n)<br /> cho phÐp trªn c¬ së c¸c hçn hîp n y cã thÓ chÕ khi cã sù thay ®æi th nh phÇn cña hçn hîp, h m<br /> t¹o vËt liÖu compozit kÕt hîp ®iÒu khiÓn cÊu tróc l6îng cña pha ®6îc ®én trong hçn hîp gi¶m ®i.<br /> pha. Gi¸ trÞ modul ® n håi cña vËt liÖu t¨ng khi Møc ®é t¨ng thùc cña h m l6îng chÊt ®én dÉn<br /> ®én ph©n bè ®Òu chÊt ®én theo thÓ tÝch hçn hîp ®Õn sù t¨ng modul ® n håi pha ®én, cã nghÜa l<br /> hai pha V-47 & PN-1, tuy vËy sù thay ®æi cña t¨ng modul ® n håi cña c¶ hçn hîp. DÔ d ng<br /> c¸c ®6êng biÓu diÔn tÝnh chÊt cña vËt liÖu trong nhËn thÊy modul ® n håi cã gi¸ trÞ lªn ®Õn 10<br /> tr6êng hîp n y gièng nh6 mét sù tÞnh tiÕn lªn GPa khi ®én chän läc v o pha V-47 (®6êng<br /> trªn, ®iÒu n y ho n to n dÔ hiÓu v kh«ng cã g× cong trªn 3 h×nh 4b) so víi 6,5 GPa nÕu chÊt<br /> míi mÎ (®6êng cong 1 v 2 h×nh 4a, 4b). ®én ph©n bè ®Òu trong c¶ hai pha (®6êng cong 2<br /> §én chän läc v o chØ mét pha cña hçn hîp trªn h×nh 4b). Nghiªn cøu cÊu tróc vËt liÖu<br /> cho thÊy sù thay ®æi bÊt th6êng ë c¸c tÝnh chÊt kh¼ng ®Þnh: chÊt ®én ph©n bè chØ trong pha m<br /> c¬ häc cña vËt liÖu. H m l6îng chÊt ®én theo chóng ®+ ®6îc ®én v o v hçn hîp cã cÊu tróc<br /> thÓ tÝch chung hçn hîp l kh«ng ®æi (20%) “giät ®én trong pha nÒn kh«ng ®én” hoÆc “giät<br /> nh6ng khi chÊt ®én ®6îc ®én v o chØ mét pha, kh«ng ®én trong pha nÒn ®én” (h×nh 5).<br /> h m l6îng thùc cña chÊt ®én trong pha t¨ng lªn<br /> <br /> 6 12<br /> <br /> 5 10<br /> <br /> 4 1 8 1<br /> Ek®,GPa<br /> ,, Pa.s<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2 2<br /> ,<br /> .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3 6<br /> 3 3<br /> 2 4 4 4<br /> <br /> 1 2<br /> <br /> 0 0<br /> 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100<br /> <br /> 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0<br /> PN-1 V-47 PN-1 V-47<br /> H×nh 4a: Sù phô thuéc cña ®é nhít v o th nh H×nh 4b: Sù phô thuéc cña modul ® n håi khi<br /> phÇn hçn hîp kÐo ®øt v o th nh phÇn hçn hîp<br /> 292<br />  a. V-47/PN-1 (1:1), ®én v o pha V-47 b - V-47/PN-1 (1:1) ®én v o pha PN-1<br /> H×nh 5: ¶nh chôp qua kÝnh hiÓn vi cña hçn hîp hai pha c¸c nhùa V-47& PN-1 víi<br /> sù ph©n bè chän läc cña chÊt ®én trong chØ mét pha cña hçn hîp<br /> <br /> Nghiªn cøu t6¬ng tù hçn hîp c¸c nhùa nhau cña c¸c nhùa gi¶m ®i, hçn hîp trë lªn<br /> epoxy E§-20 & EIS-1 cho thÊy ë tr¹ng th¸i kh«ng t6¬ng thÝch dÉn ®Õn h×nh th nh hçn hîp<br /> kh«ng ®ãng r¾n sù phô thuéc cña ®é nhít l6u hai pha. Sù phô thuéc cña modul ® n håi khi kÐo<br /> biÕn v o th nh phÇn cña hçn hîp l nh÷ng ®6êng ®øt v o th nh phÇn cña hçn hîp EIS-1 & E§-20<br /> tuyÕn tÝnh (h×nh 6a), hçn hîp nhùa cã cÊu tróc (h×nh 6b) biÓu thÞ l mét d¹ng ®6êng cong S ®Æc<br /> mét pha. Sau khi ®ãng r¾n hçn hîp cã cÊu tróc tr6ng ®iÓn h×nh cho tÝnh chÊt hai pha cña hçn<br /> hai pha. Cã thÓ gi¶i thÝch nh6 sau: Do ®é nhít hîp. ViÖc ®iÒu khiÓn cÊu tróc pha cã ¶nh h6ëng<br /> cña nhùa EIS-1 rÊt cao (> 3500 Pa.c) cho nªn râ rÖt ®Õn tÝnh chÊt cña vËt liÖu compozit ®én.<br /> nhùa n y rÊt chËm ho tan v o hçn hîp, qu¸ Modul ® n håi cña vËt liÖu khi ®én chän läc v o<br /> tr×nh ®ãng r¾n tiÕp theo diÔn ra rÊt nhanh (15 - chØ mét pha t¨ng ®Õn 50% so víi còng th nh<br /> 30 phót ë nhiÖt ®é phßng) v khi ®ãng r¾n khèi phÇn hçn hîp n y nh6ng chÊt ®én ph©n bè ®Òu<br /> l6îng ph©n tö t¨ng lªn, kh¶ n¨ng ph©n t¸n lÉn theo c¸c pha (9 GPa so víi 6 GPa, h×nh 6b).<br /> <br /> <br /> <br /> 9 10<br /> 8<br /> <br /> 7<br /> 8<br /> <br /> 6 1 1<br /> 6<br /> 2<br /> 5 2<br /> Ek®,GPa,<br /> , Pa.s<br /> , .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> 4 3 4<br /> 4<br /> 3 4<br /> 2<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> 0<br /> 0 0 20 40 60 80 100<br /> 0 20 40 60 80 100<br /> <br /> 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0<br /> <br /> <br /> E§-20 EIS-1 E§-20 EIS-1<br /> H×nh 6a: Sù phô thuéc cña ®é nhít v o th nh H×nh 6b: Sù phô thuéc cña modul ® n håi v o<br /> phÇn cña hçn hîp th nh phÇn cña hçn hîp<br /> <br /> 293<br />  Nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ tÝnh dÉn ®iÖn v o chØ pha PN-1 còng cho hiÖu øng trªn tuy<br /> cña c¸c hçn hîp hai pha sau ®©y ®+ bæ sung v kh«ng cao b»ng lý do bëi tÝnh dÉn ®iÖn cña nhùa<br /> l m râ nÐt h¬n hiÖu qu¶ cña viÖc ®iÒu khiÓn cÊu n y khi cã mÆt bét graphit ®+ t6¬ng ®èi cao<br /> tróc pha trong nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu (h×nh 7a).<br /> compozit. TÝnh dÉn ®iÖn cña hçn hîp hai pha c¸c nhùa<br /> Hçn hîp c¸c polyeste V-47 & PN-1 kh«ng epoxy kh«ng t¨ng m¹nh nh6 cña hçn hîp<br /> ®én cã tÝnh dÉn ®iÖn rÊt kÐm. TiÕn h nh ®én polyeste PN-1&V-47 khi ®én chän läc bét<br /> chän läc v o chØ pha V-47 (h m l6îng garaphit graphit v o chØ mét pha cña hçn hîp, tuy vËy nã<br /> 8%) tÝnh dÉn ®iÖn cña hçn hîp t¨ng mét c¸ch còng t¨ng mét c¸ch ®¸ng kÓ ~ 104 lÇn (h×nh 7b).<br /> bÊt th6êng (~ 108 lÇn), t6¬ng tù ®én chän läc<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100<br /> -2 -2<br /> <br /> -4 1<br /> <br /> lgK[ [Om. m]<br /> 1<br /> lgK [Om.m]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> ]<br /> . ]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2 2<br /> -6<br /> 3 3<br /> lg [<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -6<br /> lg<br /> <br /> <br /> 4 4<br /> -8<br /> <br /> -8<br /> -10<br /> <br /> <br /> -12 -10<br /> 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0<br /> <br /> <br /> PN-1 V-47 E§-20 EIS-1<br /> H×nh 7a: Sù phô thuéc cña tÝnh dÉn ®iÖn v o tØ H×nh 7b: Sù phô thuéc cña tÝnh dÉn ®iÖn v o tØ<br /> lÖ th nh phÇn cña hçn hîp V-47 v PN-1 lÖ th nh phÇn cña hçn hîp E§-20 v EIS-1<br /> <br /> IV - kÕt luËn 1. . . !"#$ , Hoang Anh Son, . .<br /> %&'()* , +. ,. '(&- &*. .&-$/"<br /> §iÒu khiÓn cÊu tróc pha víi ph6¬ng ph¸p !)0( !)* XXII 1$23)-$'2 3) #&)()4$$.<br /> ®én chän läc chÊt ®én v o chØ mét pha cña hçn + (! 5-2004. 6. 7,81 9:,, /. 64.<br /> hîp hai pha c¸c nhùa nhiÖt r¾n l ý t6ëng míi 2. . . !"#$ , +. ,. '(&- &*, . .<br /> trong c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu compozit. %&'()* , Hoang Anh Son. .&-$/"<br /> Nghiªn cøu ®+ chØ ra r»ng khi chÊt ®én ph©n bè !)0( !)* IX 6&;!' #)! )5<br /> chän läc chØ trong pha nÒn (matrix) mÆc dï víi<br /> 0) $2$$ $