Tóm tắt báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng: Nghiên cứu tổng hợp nhựa epoxy bằng phương pháp epoxy hóa dầu thực vật và ứng dụng làm vật liệu composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG<br /> <br /> BÁO CÁO TỔNG KẾT<br /> <br /> ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ<br /> CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NHỰA EPOXY BẰNG<br /> PHƢƠNG PHÁP EPOXY HÓA DẦU THỰC VẬT VÀ<br /> ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU COMPOSITE<br /> Mã số: Đ2014-02-104<br /> <br /> Chủ nhiệm đề tài: TS. Đoàn T<br /> <br /> Đà Nẵng, 12/2014<br /> <br /> 1<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI<br /> Với những tính năng ưu việt như nhẹ, bền và đặc biệt là độ bền cơ lý riêng cao, chịu môi trường,<br /> bền với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp và nhiều tính năng đặc biệt khác, loại<br /> vật liệu mới polymer-composite đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm<br /> nghiên cứu và đã ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực từ giao thông vận tải (chế tạo nhiều chi tiết,<br /> linh kiện ôtô, đóng tàu, xuồng, ca nô; dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm<br /> nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc), hàng<br /> không vũ trụ (cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boing<br /> 757, 676 Airbus 310, y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…), ngành công nghiệp điện tử (các<br /> chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện điện tử,…), thể thao (gậy gôn, vợt tennit,..), xây dựng đến nuôi<br /> trồng thủy hải sản, môi trường, ...<br /> Vật liệu polymer-composite có thể được chế tạo từ nhiều loại nhựa nền khác nhau, một trong<br /> những loại nhựa nền cao cấp được sử dụng là loại nhựa epoxy. Hiện nay trên thị trường có sẵn loại nhựa<br /> epoxydian, tuy nhiên sự sử dụng nhựa này hiện đang bị hạn chế do giá thành cao so với các loại nhựa<br /> khác như: polyester không no, vinylester…và phải nhập ngoại nên không chủ động nguồn nguyên liệu.<br /> Hơn nữa, ngoài những tính năng ưu việt như độ bền kéo, độ bền nhiệt, độ bám dính, chịu hóa chất, môi<br /> trường… thì nhựa epoxy còn có nhược điểm là tương đối dòn.<br /> Các polymer trên cơ sở dầu thực vật được xem là vật liệu mới có khả năng phân hủy sinh học<br /> và đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học [1], [2], [3]. Polymer trên cơ sở dầu<br /> thực vật đã có những ưu điểm nổi bậc về mặt môi trường và xã hội so với những polymer có nguồn gốc<br /> từ dầu mỏ truyền thống. Một số nhà nghiên cứu đã khảo sát chế tạo và đánh giá tính chất cơ học của<br /> nhựa epoxy biến tính bằng nhựa epoxy hóa từ dầu thực vật. Miyagawa và các cộng sự đã công bố kết quả<br /> nghiên cứu tính chất vật lý, tính chất nhiệt và độ bền va đập của nhựa epoxy chứa dầu lanh epoxy hóa<br /> [4], [5]. Nhóm nghiên cứu của tác giả Park SJ đã khảo sát tính chất cơ học của hệ epoxy bốn chức biến<br /> tính bằng dầu đậu nành epoxy hóa và hệ epoxy hai chức biến tính bằng dầu thầu dầu epoxy hóa [6], [7],<br /> [8]. Nói chung, các nghiên cứu hiện nay đối với loại nhựa epoxy thu được từ epoxy hóa dầu thực vật<br /> phần lớn dùng để làm chất biến tính cho composite epoxy. Các loại dầu được sử dụng để epoxy hóa<br /> thường là loại bán khô và khô như dầu đậu nành, dầu thầu dầu khử nước, dầu lanh…<br /> Ở Việt Nam, một số nghiên cứu đã thực hiện biến tính nhựa epoxy bằng cardanol từ dầu thầu dầu<br /> và sử dụng để biến tính nhựa polyester không no (UPE) hoặc sử dụng monoglyceride dầu lanh để biến<br /> tính nhựa UPE [9]. Các nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Việt<br /> Nam đã thực hiện các đề tài nghiên cứu sử dụng dầu thựa vật chứa nhóm epoxy, acrylate để biến tính cao<br /> su [10], [11]. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào loại dầu lanh. Nghiên cứu về epoxy hóa dầu đậu<br /> nành còn rất hạn chế.<br /> Ở nước ta đậu nành là cây trồng đang được Chính phủ ưu tiên phát triển trong những năm gần<br /> đây. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã đưa ra các chương trình nghiên cứu Khoa học Công<br /> nghệ phát triển cây có dầu ngắn ngày, phát triển các loại đậu đỗ ăn hạt đã được triển khai có kết quả.<br /> Trong đó, đậu nành là một trong những cây trồng chính quan trọng được phê duyệt chiến lược quốc gia<br /> sau thu hoạch đến năm 2020 (Quyết định 20/2007/QĐ-BNN). Chính vì vậy, nguồn nguyên liệu dầu đậu<br /> nành khá phong phú và có thể chủ động được ở trong nước. Về đặc điểm cấu trúc, dầu đậu nành là loại<br /> dầu bán khô rất thuận lợi cho quá trình epoxy hóa vì vậy chúng tôi đã lựa chọn cho nghiên cứu này.<br /> Nghiên cứu của chúng tôi nhằm tạo ra nhựa epoxy từ nguồn nguyên liệu trong nước nên có thể<br /> chủ động được nguồn nguyên liệu, đó là loại nhựa được tổng hợp bằng phương pháp epoxy hóa dầu dầu<br /> <br /> 2<br /> <br /> đậu nành. Mặt khác, nhu cầu sử dụng epoxy để chế tạo vật liệu composite trên thế giới cũng như ở trong<br /> nước ngày càng tăng nên định hướng của chúng tôi là nghiên cứu ứng dụng loại nhựa epoxy này nhằm<br /> thay thế một phần epoxy thương phẩm trong chế tạo vật liệu composite.<br /> Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp nhựa epoxy bằng phương pháp epoxy hóa dầu thực vật<br /> và ứng dụng làm vật liệu composite” rất cần thiết nhằm tạo ra loại nhựa epoxy từ nguồn nguyên liệu<br /> trong nước và cải thiện tính giòn của nhựa epoxy từ đó cải thiện tính chất của composite trên cơ sở nhựa<br /> epoxy thương phẩm và sợi thủy tinh.<br /> 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU<br /> Tổng hợp nhựa epoxy bằng phương pháp epoxy hoá dầu đậu nành để thay thế một phần nhựa epoxy<br /> thương phẩm trong chế tạo vật liệu composite từ nhựa epoxy thương phẩm và sợi thủy tinh.<br /> 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:<br /> - Phương pháp tổng hợp nhựa epoxy từ dầu đậu nành (epoxy hóa dầu đậu nành)<br /> - Phương pháp gia công chế tạo mẫu nhựa đúc, mẫu composite<br /> - Phương pháp đo mẫu: đo cơ lý, phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), FTIR…<br /> - Phương pháp khảo sát khả năng chịu nước và môi trường<br /> - Phương pháp phân tích xử lý số liệu bằng excel, oringin.<br /> 5. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI<br /> Ý nghĩa khoa học: Góp phần xây dựng cơ sở lý thuyết về phương pháp tổng hợp loại nhựa epoxy hóa từ<br /> dầu đậu nành (ESO) và vật liệu composite nền nhựa epoxy kết hợp với ESO.<br /> Ý nghĩa thực tiễn: Tạo sản phẩm mới có giá trị từ nguồn nguyên liệu trong nước, cải thiện tính chất của<br /> nhựa đúc cũng như composite từ nhựa epoxy thương phẩm.<br /> <br /> 3<br /> <br /> CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT<br /> 1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE NHỰA EPOXY/SỢI THỦY TINH<br /> 1.1.1. Sợi thủy tinh<br /> 1.1.2 Nhựa Epoxy<br /> a. Nhựa Epoxydian<br /> b. Nhựa polyepoxy<br /> c. Nhựa Epoxy tổng hợp từ dầu thực vật<br /> 1.2. TỔNG HỢP NHỰA EPOXY BẰNG PHƢƠNG PHÁP EPOXY HOÁ DẦU THỰC VẬT<br /> 1.2.1. Giới thiệu chung về dầu thực vật<br /> 1.2.2. Phân loại dầu<br /> 1.2.3. Một số phản ứng hóa học của dầu<br /> 1.2.4. Dầu đậu nành<br /> 1.2.5. Tổng hợp epoxy từ dầu đậu nành<br /> 1.3. ĐÓNG RẮN NHỰA EPOXY [12]<br /> Nhựa epoxy có thể chuyển sang trạng thái không hòa tan, không nóng chảy khi sử dụng chất<br /> đóng rắn hoặc xúc tác ở điều kiện nhiệt độ phù hợp. Các chất đóng rắn thường sử dụng là các loại amine,<br /> các acid và một số hợp chất đóng rắn khác.<br /> 1.3.1. Đóng rắn bằng amin<br /> 1.3.2. Đóng rắn bằng axit<br /> 1.3.3. Đóng rắn bằng các chất đóng rắn khác<br /> 1.4. TÍNH CHẤT CỦA NHỰA EPOXY<br /> 1.5. BIẾN TÍNH NHỰA EPOXY<br /> 1.5.1. Cơ sở hóa lý của quá trình biến tính polymer<br /> 1.5.2. Thay đổi nguyên liệu tổng hợp nhựa<br /> 1.5.3. Sử dụng các chất làm biến đổi cấu trúc<br /> 1.5.4. Thay đổi cấu trúc nhựa<br /> 1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG COMPOSITE NHỰA EPOXY/SỢI THỦY TINH<br /> 1.6.1. Phƣơng pháp lăn ƣớt (Hand lay- up)<br /> 1.6.2. Phƣơng pháp phun (Spray up)<br /> 1.6.3. Phƣơng pháp túi chân không (Vaccum bagging)<br /> 1.6.4. Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa có sự trợ giúp của chân không (VARTM)<br /> 1.7. ỨNG DỤNG<br /> 1.7.1. Nhựa epoxy ứng dụng làm sơn<br /> 1.7.2. Nhựa epoxy ứng dụng làm keo dán<br /> 1.7.3. Nhựa epoxy ứng dụng làm vật liệu composite<br /> <br /> 4<br /> <br /> CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT<br /> 2.2. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM<br /> 2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> Quy trình nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ Hình 2.1.<br /> <br /> Dầu đậu nành<br /> Epoxy hóa<br /> Epoxydian<br /> <br /> Chất đóng rắn<br /> <br /> ESO<br /> Mẫu nhựa đúc<br /> <br /> Xác định nhiệt độ hóa<br /> thủy tinh<br /> Epoxydian<br /> <br /> Kết luận<br /> ESO<br /> <br /> Chất đóng rắn<br /> <br /> Khảo sát tính chất<br /> cơ lý<br /> Sợi thủy tinh<br /> <br /> Tạo mẫu composite<br /> Khảo sát độ bền môi<br /> trường<br /> <br /> Kết luận<br /> <br /> Khảo sát tính chất<br /> cơ lý<br /> <br /> Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu<br /> 2.4. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM<br /> 2.4.1. Tổng hợp nhựa ESO từ phản ứng epoxy hóa dầu đậu nành<br /> Chuẩn bị nguyên liệu: dầu đậu nành, acid acetic, hydro peroxide cùng các hoá chất khác.<br /> Lắp hệ thống như Hình 2.2.<br /> Cho 200g dầu đậu nành, 50.4g acid acetic, 50ml toluene vào bình cầu 3 cổ khuấy trộn trong 500C<br /> trong 25 phút. Sau đó cho 158.8g H2O2 (nồng độ 30%) cho vào từ từ, duy trì nhiệt độ 50, 55 và 60oC<br /> trong 6, 7, 8 và 9 giờ. Sản phẩm sau đó được rửa 2 lần bằng dung dịch Na2CO3 (5% khối lượng), sau đó<br /> rửa lại bằng nước cất, làm khô bằng Na2SO4. Tách toluene bằng cách sấy ESO dưới nhiệt độ 700C, 8 giờ<br /> trong môi trường chân không [27].<br /> 2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ ESO đến tính chất của mẫu nhựa đúc<br /> Để khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng ESO đến tính chất cơ lý của mẫu nhựa đúc từ epoxy<br /> thương phẩm, mẫu được tạo thành với các hàm lượng ESO khác nhau lần lượt là 0%, 5%, 7%, 9% và<br /> 11%.<br /> <br /> 5<br /> <br />