NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM. Neo là một loại kết cấu chống được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ và xây dựng nói...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN MẠNH KHẢI

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM

Chuyên ngành : Xây dựng công trình ngầm và mỏ

Mã số : 62.58.50.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012

Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Xây dựng công trình Ngầm và Mỏ,

Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường

tại trường Đại học Mỏ - Địa chất

Vào hồi ……… ngày …… tháng …… năm 2012

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Khoa học kỹ thuật Trung ương

- Thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1 Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Lê Văn

Công (2012), “Một phương pháp thiết kế neo dính kết theo nguyên lý

gia cố khối đá” Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 37, tr 39-43

2 Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Vũ Tân Cảnh (2010),

“Nghiên cứu lựa chọn khoáng vật sét để chế tạo thanh neo bằng vật liệu polyme-clay nanocompozit” Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 31,

tr 84-87

3 Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Văn Hậu (2003), “Một số kết quả nghiên

cứu ban đầu về bê tông cốt sợi thực vật có thể sử dụng trong nghành mỏ” Thông tin KHCN Mỏ - Viện KHCN Mỏ, số 4, tr 11-13

4 Phạm Minh Đức, Bùi Đình Cư, Nguyễn Mạnh Khải (2001),

“Polyme-compozit sử dụng trong ngành Mỏ” Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 6, tr.5-6

5 Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích (2001), “Nghiên cứu khảo

sát khả năng bám dính của nhựa polyester không no và sợi thuỷ tinh trong vật liệu polyme-compozit” Tuyển tập các công trình khoa học

Đại Học Mỏ - Địa chất, số 23, tr 55-57

6 Phạm Minh Đức, Nguyễn Mạnh Khải (2000),“Chế tạo thử nghiệm một

số sản phẩm từ vật liệu polyme-compozit sử dụng trong ngành Mỏ”

Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 14, Hà Nội, tr.87-92.

PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài luận án

Neo là một loại kết cấu chống được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác

mỏ và xây dựng nói chung trên thế giới và trong nước Thực tế cho thấy, neo với vai trò kết cấu chống tạm và chống cố định trong xây dựng công trình ngầm có hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao Neo được coi là kết cấu chống "đa năng", có thể

sử dụng với mọi công trình ngầm có hình dạng, kích thước khác nhau, trong những điều kiện địa cơ học khối đá từ tốt đến xấu Ngoài ra, thực tế cũng đã chứng minh khả năng kết hợp rất tốt của kết cấu neo với các loại kết cấu chống khác như bê tông phun, lưới thép, khung thép tổ hợp cũng như vỏ bê tông cốt thép liền khối

Để chống tạm trong quá trình thi công chia gương ở các công trình ngầm tiết diện lớn và “cược gương” khi khai đào trong khối đất, đá mềm yếu, kém ổn định hay gia cố tránh sập lở trong khai thác than, nếu sử dụng thanh neo bằng thép sẽ gặp trở ngại lớn trong giai đoạn thi công tiếp theo Cụ thể là khi tiến hành đào tiếp để tiến gương, mở rộng hay khai thác than sử dụng máy đào, máy khai thác hoặc bằng phương pháp khoan nổ mìn thì các thanh neo bằng thép khó

bị cắt đứt do khả năng kháng cắt của thép lớn, dễ gây sập lở do kéo tụt thanh neo, gây khó nhăn cho công tác xúc bốc vận chuyển khối đá sau khi phá nổ, do

có lẫn các thanh neo Ngoài ra nếu sử dụng các thanh neo bằng thép làm kết cấu chống cố định hay một bộ phận của vỏ chống cố định hỗn hợp thì trong môi trường ẩm ướt hay môi trường axit thanh cốt neo dễ có thể bị ăn mòn (điện hoá, hoá học), làm giảm tuổi thọ của công trình Mặt khác, do trọng lượng thanh neo thép lớn nên thường gây khó khăn, không đảm bảo cắm neo chính xác khi thi công thủ công

Trong xu thế tăng cường xây dựng các hệ thống giao thông ngầm ở thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, khai thác than ở đồng bằng Bắc bộ trong các khối đất, đá mềm yếu, kết cấu neo sẽ có cơ hội được sử dụng ngày càng nhiều, tuy nhiên bằng vật liệu và các tính chất hợp lý

Để khắc phục một số nhược điểm của neo cốt thép, trên thế giới đã chế tạo các thanh cốt neo bằng chất dẻo và cho các kết quả khả quan trong thực tế Ở nước

ta, công tác nghiên cứu cải thiện kết cấu neo cũng đã được tiến hành từ những năm

1996 đến nay tại Viện Khoa học Công nghệ mỏ Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc thay thế từ chất kết dính vô cơ bằng chất kết dính hữu

cơ Nghiên cứu thanh cốt neo thay cho thép đang sử dụng cũng đã được triển khai, nhưng bước đầu mới chỉ nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo từ vật liệu polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và chưa được áp dụng thử nghiệm tại hiện trường Các kết quả nghiên cứu này đã được trình bày trong luận văn Thạc sỹ kỹ thuật của NCS năm 2001

Vật liệu polyme-clay nanocompozit là loại vật liệu lai tạo từ polyme (vật liệu nền) và khoáng sét (chất phân tán), đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong vài thập niên gần đây trên thế giới Các kết quả nghiên cứu đều

cho thấy các đặc điểm vượt trội về cơ tính, hoá tính và lý tính của vật liệu polyme-clay nanocompozit so với vật liệu polyme-compozit thông thường, xuất phát từ sự tương hợp của polyme nền với khoáng sét và phát huy hiệu ứng cấu trúc nano của các lớp khoáng sét

Ở Việt Nam, vật liệu polyme-clay nanocompozit cũng đã được một số đơn

vị khoa học triển khai nghiên cứu như: Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự-Bộ quộc phòng

… Song các công trình nghiên cứu và sản phẩm này tập trung đáp ứng các yêu cầu

sử dụng trong các lĩnh vực điện, điện tử, sơn chống ăn mòn và một số chế phẩm phục vụ đời sống dân sinh…

Các công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu polyme-clay nanocompozit nếu được tăng cường bằng sợi thủy tinh với hàm lượng hợp lý, sẽ cho ta vật liệu có độ bền kéo tăng khoảng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép Vật liệu mới này cho phép tạo nên các sản phẩm có độ cứng cao và không bị ăn mòn, chịu mài mòn cao Ngoài ra vật liệu này lại cho phép dễ gia công, xử lý để có kích thước phù hợp (dễ uốn dẻo, cưa cắt để có chiều dài tuỳ ý ở điều kiện bình thường…)

Luận án “Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh

cốt neo chống giữ công trình ngầm” được hình thành xuất phát từ các yêu cầu

thực tế và các tiến bộ khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam Mục đích của công tác nghiên cứu là để tiếp cận công nghệ chế tạo và ứng dụng hệ vật liệu polyme-clay nanocompozit, từng bước nghiên cứu vật liệu thay thế thép làm thanh cốt neo với nguồn nguyên liệu clay trong nước, nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng của thực tiễn sản xuất trong ngành than, cũng như xây dựng công trình ngầm dân dụng nói chung và khẳng định vai trò nghiên cứu xu hướng hội nhập quốc tế

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết nêu trên, mục tiêu của luận án là tạo ra vật liệu tổ hợp có tính năng vượt trội cũng như khắc phục được các nhược điểm so với vật liệu thép khi sử dụng làm thanh cốt neo Để đạt mục tiêu này, luận án đã tập trung nghiên cứu những vấn đề sau:

1- Hình thành được công nghệ thích hợp để chế tạo polyme-clay nanocompozit ở quy mô phòng thí nghiệm, trên cơ sở polyme là các chế phẩm sẵn có ở thị trường Việt Nam

2- Nghiên cứu ảnh hưởng của claynano (nano sét) đến các tính chất cơ lý (độ bền kéo và độ bền cắt) của vật liệu polyme-clay nanocompozit

3- Nghiên cứu, khảo sát để chế tạo thanh cốt neo từ nhựa nền polyme-clay nanocompozit được gia cường bằng sợi thuỷ tinh

4- Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng thanh cốt neo đã được chế tạo

so với thanh cốt neo bằng thép hiện đang chống giữ công trình ngầm, thông qua nghiên cứu triển khai áp dụng tại cùng địa điểm, theo cùng nguyên lý thiết kế, làm việc và với dây chuyền công nghệ thi công như nhau

Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án

Luận văn đã tập trung nghiên cứu các cơ sở khoa học phục vụ cho việc xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo trên cơ sở vật liệu epoxy-clay nanocompozit với mục đích ứng dụng trong thực tế và rút ra một số đóng góp mới như sau:

1- Đã phân tán thành công claynano được chế tạo từ bentonit Bình Thuận vào trong nền epoxy đến mức độ tách lớp hoàn toàn (expholiated) và xác định được các thông số chủ yếu của quá trình phân tán

2- Đã xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh, trên cơ sở nhựa nền epoxy-claynano được gia cường bằng sợi thủy tinh, với tỷ lệ thành phần: 60% phần khối lượng sợi thủy tinh; 40% phần khối lượng nhựa nền epoxy-claynano (trong đó có 5% clay MMT)

3- Đã thử nghiệm thành công thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh tại mỏ than Hồng Thái với chất lượng tương đương cốt neo thép với cùng mục đích sử dụng

Từ những đóng góp mới này, bước đầu luận án đã có một số ý nghĩa về lý luận và thực tiễn như sau:

Về lý luận: claynano chính là những hạt sét có kích thước nanomet, được

đưa vào vật liệu polyme nhằm tạo ra một bước nhảy về tính chất cơ, lý của vật liệu Polyme-clay nanocompozit có tính năng vượt trội so với vật liệu truyền thống có cùng mục đích sử dụng trong xây dựng công trình ngầm nói chung hay khoa học vật liệu nói riêng Những kết quả nghiên cứu ban đầu này sẽ có giá trị tham khảo trong việc giảng dạy, đầu tư và phát triển lĩnh vực vật liệu mới, từng

bước thay thế vật liệu truyền thống trong xây dựng công trình ngầm và mỏ

Về thực tiễn: tạo ra một tổ hợp vật liệu mới với nguồn nguyên liệu chính

là clay trong nước, có tính năng cơ lý vượt trội, sử dụng để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nhằm thay thế một phần nào đó vật liệu thép truyền thống về số lượng, cũng như phạm vi sử dụng về các yêu cầu chịu lực, song phải khắc phục được các nhược điểm của thép có cùng mục đích sử dụng

Kết cấu của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, ba chương, phần kết luận, phần phụ lục Toàn

bộ nội dung của luận án được trình bày trong 117 trang, trong đó có 31 bảng, 50 hình và đồ thị với 152 tài liệu tham khảo Phần lớn kết quả của luận án được công bố trong 6 bài báo và báo cáo tại các hội nghị trong nước

NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU

CHẾ TẠO THANH CỐT NEO 1.1 NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM

1.1.1.Tình hình nghiên cứu và sử dụng neo trên thế giới

Neo đã có từ cuối thế kỷ XIX và trong 5 thập kỷ gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong công tác chống giữ các công trình ngầm trên thế giới Hàng

năm tại Liên Xô (cũ) đã chống giữ khoảng 500 km đường lò đá bằng neo Tại

Mỹ hàng năm đưa vào sử dụng khoảng 20 triệu chiếc neo chất dẻo cốt thép, Tây Đức khoảng 1,5 triệu chiếc và neo cũng được sử dụng rộng rãi ở một số nước khác như Ba Lan, Pháp, Trung Quốc và Nhật Bản…

Cùng với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều kết cấu chống giữ bằng neo Cho đến nay trên thế giới đã có hàng trăm loại neo ra đời, trong đó có neo polyme-compozit và đã được ứng dụng thành công Để phân loại neo, người ta dựa vào tính năng kỹ thuật; khả năng mang tải; vật liệu làm neo như: gỗ, thép, polyme-compozit, hoặc cấu tạo neo như dạng: ống, thanh, sợi và nguyên lý liên kết làm việc như: liên kết cơ học, liên kết dính kết và liên kết hỗn hợp, như sơ đồ phân loại hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết

1.1.2 Neo và xu hướng sử dụng vật liệu polyme-compozit trong chống giữ công trình ngầm và mỏ ở Việt Nam

Xây dựng công trình ngầm và mỏ trong những năm gần đây đã và đang là một nhu cầu bức thiết bởi các yếu tố kinh tế, chính trị, giao thông vận tải và an ninh quốc phòng, đặc biệt là trong khai thác khoáng sản mỏ hầm lò Từ những năm 80 của thế kỷ trước, các công trình như thuỷ điện Hoà Bình, thuỷ điện Yaly, hầm giao thông đèo Hải Vân, Đèo Ngang và khai thác than ở Quảng Ninh đã sử dụng neo để chống tạm; chống hỗn hợp cố định cho hàng trăm km đường hầm

và đường lò, với nhiều loại hình neo phong phú và đa dạng như neo bê tông cốt thép, neo nêm chẻ, neo ống có rãnh hở, neo chất dẻo cốt thép

Những loại neo này đã được sử dụng tuỳ thuộc vào từng điều kiện địa chất cụ thể và neo được sử dụng chủ yếu là neo dính kết, cụ thể là neo bê tông cốt thép và neo chất dẻo cốt thép, chúng khác nhau về chất kết dính (vô cơ và hữu cơ) - gọi chung là neo cốt thép Bên cạnh những ưu điểm tuyệt vời của neo cốt thép, thì chính nó còn có không ít những hạn chế liên quan tới điều kiện sử dụng, tới môi trường khí hậu khắc nghiệt trong công trình ngầm nói chung, mỏ hầm lò nói riêng

Từ những kết quả nghiên cứu ứng dụng trên thế giới cho thấy thanh cốt neo được làm từ vật liệu polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh có độ bền kéo tương đương thép, nhưng khắc phục được một số nhược điểm của thép như độ bền cắt

thấp hơn, chính yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi khi nổ mìn tiến gương, hoặc tổ hợp máy đào, máy khấu than cần tiến qua, đồng thời lại bền trong môi trường vi khí hậu nóng ẩm và trọng lượng bằng 1/4 trọng lượng của thép, cuối cùng là tính phù hợp về kích thước trong thi công của thanh cốt neo polyme-compozit tốt hơn thanh cốt neo thép rất nhiều Như vây, có thể thấy rằng thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thủy tinh có thể thay thế và khắc phục được một số nhược điểm của neo thép có cùng mục đích sử dụng

Cũng theo những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng, nếu trong vật liệu polyme có chứa một hàm lượng thích hợp từ 0,5÷5% “clay” kích thước nanomet, thì sẽ tạo ra một bước nhảy vọt về tính chất cơ lý của vật liệu polyme-clay nanocompozit như độ bền kéo tăng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép, có thể cho phép tạo sản phẩm có độ cứng cao, bền nhiệt, nước

và không bị ăn mòn điện hoá, hoá học, chịu mài mòn cao, ngoài ra tính phù hợp

về kích thước rất cao như: uốn dẻo, cưa cắt dễ, chiều dài tuỳ ý Vì vây, nó hoàn toàn có thể đáp ứng được là một vật liệu thay thế vật liệu thép làm cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung

Song việc nghiên cứu ứng dụng về vật liệu polyme-compozit nói chung, cũng như thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh nói riêng trong chống giữ công trình ngầm ở nước ta chưa được đầu tư một cách thoả đáng, cho đến thời điểm hiện nay vẫn chỉ dừng ở khảo sát, thăm dò vật liệu kết dính là polyme-compozit Do

đó, việc nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh thay thế thanh cốt neo thép có cùng mục đích sử dụng không những đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, mà còn mang lại hiệu quả kinh tế trong chống giữ công trình ngầm nói chung ở nước ta là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng Hình 1.3 là sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết làm việc, mà trong đó được bổ sung thêm bởi những kết quả nghiên cứu của NCS qua từng luận án

Hình 1.3 Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết được bổ sung bởi kết quả nghiên cứu của luận án

1.2.VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1.2.1.Tình hình nghiên cứu công nghệ và chế tạo vật liệu nanocompozit

ở Việt Nam

Từ giữ những năm 1990, ở nước ta đã tập trung nghiên cứu công nghệ và vật liệu nano Trong những năm gần đây đã thu được một số thành tựu đáng kể trong lĩnh vực công nghệ này như đã chế tạo được than nano lỏng tổng hợp từ bột than, sản phẩm này dùng để chế tạo vi mạch cho chíp máy tính hoặc các linh kiện bán dẫn, bên cạnh đó một số tác giả thuộc Viện khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp được sợi nano cacbon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi, sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên

Một số công ty sản xuất, kinh doanh ở trong nước cũng đã bắt đầu quan tâm đến vật liệu nano và những sản phẩm được chế tạo từ nanocompozit để ứng dụng trong công nghiệp điện tử, công nghiệp mỹ phẩm, công nghiệp làm màng bảo vệ cũng đã được các Công ty này đưa vào và phân phối trên thị trường Việt Nam

Vật liệu polyme-clay nanocompozit được chế tạo từ nguồn nguyên liệu cơ bản và quan trọng nhất đó claynano Để có được nguyên liệu này thì phải xuất phát từ khoáng sét bentonit và ở nước ta nguồn tài nguyên này rất đa dạng và phong phú Song, cho đến thời điểm hiện nay, tác giả luận án chưa tìm thấy tài liệu công bố của cá nhân hoặc đơn vị nào ở Việt Nam về việc đã chủ động được công nghệ chế tạo vật liệu claynano từ nguồn khoáng sét bentonit trong nước, để ứng dụng chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung

Thanh cốt neo nghiên cứu chế tạo trong luận án có những thành phần vật liệu cơ bản sau đây:

- Nhựa nền: bao gồm nhựa polyme và claynano

- Sợi thuỷ tinh gia cường

- Một số chất phụ gia: chất pha loãng và đóng rắn…

Công nghệ chế tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trong luận án được thực hiện theo các bước như sau:

 Lựa chọn vật liệu khoáng sét bentonit có chứa montmorillonit hàm lượng cao

 Hữu cơ hoá montmorillonit đã được lựa chọn

 Cho montmorillonit sau khi đươc hữu cơ hoá khuyếch tán vào polyme bằng phương pháp trộn hợp cơ học

 Tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trạng thái xen lớp đến tách lớp hoàn toàn (expholiated)

1.2.2 Khoáng sét bentonit

Bentonit là một loại khoáng tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit có công thức hóa học Mx(Al4-xMgx)Si8O20(OH)4 và một số khoáng sét khác như: saponit, nontronit, beidellit… Ngoài ra, người ta còn phát hiện thấy trong bentonit còn có một số khoáng chất khác nữa như: kaolinit, clorit, mica và một số khoáng phi sét như: canxit, pirit, thạch cao…, các muối kiềm và các chất hữu cơ Bentonit thường được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit (viết tắt là mont.)

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể lý tưởng của montmorillonit

Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp như hình 1.4, cấu trúc này bao gồm 2 tấm tứ diện chứa Si và 1 tấm bát diện chứa Al hoặc Mg bị kẹp giữa 2 tấm tứ diện Các tấm này có chung các nguyên tử oxy ở đỉnh Độ dày của mỗi lớp mont khoảng 9,6A0 Cấu trúc tinh thể được cấu tạo từ hai mạng lưới

tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tạo nên một mạng lưới không gian ba chiều của tinh thể montmorillonit Chiều dày một lớp cấu trúc của mont khoảng 9,6A0 Nếu kể cả lớp cation trao đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của một lớp khoảng 15A0 Bằng cách trao đổi ion Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách cơ bản, có thể thay đổi từ 10A0

đến 20A0 tuỳ thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp cấu trúc tinh thể Khoảng cách này có thể tăng đến gần 30A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome hữu cơ… Trong luận án, NCS đã khảo sát, lựa chọn bentonit ở 4 tỉnh đó là Lâm Đồng, Bình Thuận, Thanh Hoá, Phú Yên và có so sánh với bentonit thương phẩm của 2 Công ty nước ngoài

1.2.3 Polyme - nhựa epoxy

Polyme nói chung trên thế giới cũng như ở trong nước đã được sử dụng phổ biến làm nhựa nền trong chế tạo vật liệu compozit ở dạng nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của vật liệu, cũng như tính phổ biến, thông dụng trên thị trường và sự đơn giản khi điều chỉnh tốc độ phản ứng đóng rắn, để người ta lựa chọn polyme làm nhựa nền

Như đã trình bày trong phần mở đầu, đó là thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit được nghiên cứu chế tạo cần có khả năng chịu kéo cao (tương đương với thép), song phải chịu cắt thấp hơn thép và bền trong môi trường vi khí hậu ẩm ướt và không bị ăn mòn điện hoá hay hoá học Đồng thời thanh cốt neo

được nghiên cứu chế tạo từ claynano với sợi tăng cường trên cơ sở nhựa nền thương phẩm Do đó, tác giả đã lựa chọn polyme nhựa nền là nhựa epoxy, vì:

- Epoxy được sử dụng nhiều trong công nghiệp compozit Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra compozit có độ bền cao, phục vụ các ngành: chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa

- Nhựa epoxy với những ưu điểm cơ bản như: tính chất cơ học cao (kéo, nén, uốn, va đập ); chịu được nhiệt độ đến 120C; độ bền hóa học cao; độ co ngót thấp (0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với kim loại cao Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như: ròn và giá thành cao

Cụ thể trong luận án lựa chọn sử dụng Epicote-828; chất pha loãng

Heloxy-505 là một sản phẩm của Hãng Sell, đây là một loại polyepoxid có độ nhớt thấp, khi phối trộn với nhựa epoxy vừa làm giảm độ nhớt vừa tham gia quá trình đóng rắn của nhựa nên người ta còn gọi là chất pha loãng hoạt tính và lựa chọn chất đóng rắn với mã hiệu adduct epicure-3125, với tỷ lệ 1:1, đây cũng là một sản phẩm được hãng Sell sản xuất từ epoxy-828 với DETA (dietylentriamin) Nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trong quá trình đóng rắn

1.2.4 Sợi gia cường - sợi thuỷ tinh

Sợi gia cường cho vật liệu polyme-compozit trên thực tế có rất nhiều loại sợi khác nhau như sợi cacbon, sợi thép, sợi gốm, sợi thuỷ tinh, sợi bông, sợi vải

và cả sợi giấy…, những sợi tăng cường này được sử dụng tuỳ thuộc vào mục đích của vật liệu compozit

Qua tham khảo các tài liệu cho thấy sợi thuỷ tinh là loại sợi phổ biến, thông dụng vì sợi thuỷ tinh dưới dạng khối rất giòn, dễ bị nứt Ngược lại khi được gia công dưới dạng sợi đường kính nhỏ (vài chục micronmet), thuỷ tinh sẽ mất các tính chất trên và có nhiều ưu điểm trên phương diện cơ học Tuỳ theo cấu tạo, người ta chế tạo được nhiều loại sợi thuỷ tinh khác nhau Trong thực tế người ta thường sử dụng các loại sợi thuỷ tinh này với các mục đích cụ thể, như chọn các loại sợi R;S để chế tạo các kết cấu có độ bền cơ học cao, loại C làm các lớp phủ trên các chi tiết máy, loại E được ứng dụng chung Các loại sợi thuỷ tinh luôn được phun phủ chất liên kết bề mặt ngay sau khi hình thành sợi, nhằm tạo nên một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polyme, với mục đích gia cuờng sự liên kết trong nội bộ sợi cốt và tạo ra các cầu nối bền vững về pha cốt và pha nền, như vậy người ta đã tạo ra liên kết hoá học cả pha cốt và pha nền

Để có cùng hệ quy chiếu so sánh với các thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh do nước ngoài sản xuất và cũng là sự nghiên cứu phát huy kế thựa từ luận án thạc sỹ kỹ thuật của mình, nên NCS đã lựa chọn sợi thuỷ tinh E làm sợi tăng cường cho thanh cốt neo được nghiên cứu chế tạo trên nền nhựa epoxy-clay nanocompozit Cụ thể ở đây là sợi thuỷ tinh E của Trung Quốc sản xuất có đường kính trung bình là 17µm

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO

VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

2.1 PHẦN THỰC NGHIỆM

2.1.1 Các phương pháp nghiên cứu

Đã sử dụng phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation (TCVN 8466:2010) để lựa chọn khoáng sét bentonit cho nghiên cứu Đã chế tạo nhựa nền, bằng phương pháp nghiền trộn cơ học để phân tán clay được hữu cơ hoá vào nhựa epoxy đến tách lớp hoàn toàn (expholiated) Để nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo đã sử dụng phương pháp kéo rút qua khuôn ở ba khoảng nhiệt độ (80, 120,1400C) Đã sử dụng các phương pháp hoá lý và vật lý như: phổ XRD, FT-IR, ảnh SEM, TEM, kính hiển vi kim tương và các phương pháp đo độ bền

cơ học: độ bền kéo, độ bền cắt

2.1.2 Phương pháp hữu cơ hóa khoáng sét

Bước 1: cân 20g Bentonit cho vào cốc thuỷ tinh, bổ xung 2000 ml nước

cất ở 800C Sử dụng máy khuấy từ khuấy trong vòng 15 phút, tiếp tục cho siêu

âm trong vòng 2 đến 4 giờ ta được dung dịch huyền phù A

Bước 2: cân 8,5g didecyl dimethyl amonnium clorua (DDAC-có công thức

hoá học (C10H21)2(CH3)2NCl) cho vào cốc thủy tinh, bổ xung 800ml dung dịch nước cất và khuấy mạnh bằng máy khuấy từ, ta thu được dung dịch huyền phù B

Bước 3: rót từ từ dung dịch B vào dung dịch A Tiếp tục khuấy trộn mãnh

liệt và siêu âm ở nhiệt độ 800C trong 6 giờ

Bước 4: tách phần kết tủa bằng cách chắt bỏ phần nước ở phía trên (sau

khi để qua đêm)

Bước 5: lọc, rửa kết tủa bằng nước cất 800

C qua phễu lọc chân không, đến khi thử bằng dung dịch AgNO3 (5%) đến khi hết ion clorua tự do, để khô trong không khí, sau đó sấy trong chân không ở 500

C÷550C trong 5 giờ (đến khi độ ẩm không đổi là 3%)

Bước 6: sản phẩm được nghiền trong cối nghiền bi sứ và rây qua rây

0,075 mm và bảo quản trong bình hút ẩm

2.1.3 Phương pháp chế tạo nhựa nền

- Nhựa epoxy

+ Epicote-828 : 90 phần khối lượng + Chất pha loãng Heloxy-505 : 10 phần khối lượng

- Khoáng sét đã biến tính được điều chế từ bentonit của Lâm Đồng và Bình

Thuận, theo tỷ lệ 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6% phần khối lượng so với epoxy

- Phương pháp phân tán clay vào nhựa epoxy

Tổ hợp vật liệu được khuấy trộn ở nhiệt độ 900C, thời gian khoảng 30 phút Được để nguội đến 250C Tiếp tục nghiền trộn trên máy cán ba trục trong thời gian 3 đến 4 giờ

2.1.4 Công nghệ chế tạo thanh cốt neo

Chùm sợi thuỷ tinh được kéo qua máng nhựa với tốc độ 5m/phút, qua khuôn để định dạng và loại bỏ nhựa dư Khuôn được đặt ở ba vùng nhiệt độ 80 ÷

120 ÷ 1400C, sản phẩm tiếp tục được ủ bảo dưỡng ở 800C trong 4 giờ và để ổn

định 24 giờ tại nhiệt độ phòng 250

C Để có cơ tính cao, các nhà sản xuất thường điều chỉnh hàm lượng sợi hợp lý Vì vậy, NCS lựa chọn khảo sát 5 loại tỷ lệ sợi thủy tinh theo khối lượng nhựa là 30%; 40%; 50%; 60% và 70% để khảo sát độ bền cơ học của của vật liệu

2.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.2.1 Khảo sát và lựa chọn khoáng sét bentonit

Với khuôn khổ của luận án, đã thực hiện lấy một số mẫu khoáng sét bentonit để xác định dung lượng trao đổi cation tại các mỏ Bình Thuận, Lâm Đồng, Phú Yên, Thanh Hóa và có so sánh với hai mẫu bentonit thương phẩm của nước ngoài Kết quả như sau:

- Bentonit Bình Thuận: 106,87 mgđl/100 g

- Bentonit Lâm Đồng: 35,94 mgđl/100 g

- Bentonit Thanh Hóa: 13,31 mgđl/100 g

- Bentonit của hãng Southerm clay Co: 110 mgdl/100 g

- Bentonit của hãng Merck : 100 mgdl/100 g Dựa vào kết quả này NCS chọn bentonit của Bình Thuận và Lâm Đồng là đối tượng nghiên cứu Bentonit Bình Thuận do Công ty Trách nhiệm hữu hạn Minh Hà - KCN Phan Thiết cung cấp Bentonit Lâm Đồng do Công ty cổ phần Hiệp Phú - Đà Lạt cung cấp Việc lấy mẫu hoàn toàn ngẫu nhiên

2.2.2 Xác định cấu trúc hình thái cơ bản của khoáng sét bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và khi hữu cơ hóa

2.2.2.1 Dung lượng trao đổi cation sau khi hữu cơ hóa

- Bentonit Lâm Đồng là 11,40 mgđl/100gam (giảm 65,28%)

- Bentonit Bình Thuận là 13,30 mgđl/100gam (giảm 87,55%)

2.2.2.2 Phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

Hình 2.6 là phổ đồ nhiễu xạ tia X của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi biến tính

- Peak nằm trong khoảng 2 =1070 đặc trưng cho montmorillonit, khoảng cách cơ bản của mont Lâm Đồng d001 = 26,103 A0 với cường độ bước sóng 500Cps, còn của mont Bình Thuận d001 = 27,784 A0 với cường độ bước sóng 720Cps Điều này chứng tỏ khả năng phản ứng với didecyl dimethylamonnium clorua của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit Lâm Đồng

Hình 2.6 Cộng phổ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận

trước và sau khi hữu cơ hóa biến tính

2.2.2.3 Phân tích bằng phổ hồng ngoại (FT-IR)

Từ phổ đồ hồng ngoại hình 2.7 đều xuất hiện vệt phổ tại vùng 2800÷2950

cm-1, đây là đặc trưng của nhóm hữu cơ có mặt trên bề mặt của bentonit Tuy nhiên cường độ phổ của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn nhiều, điều đó chứng

tỏ khả năng phản ứng của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit Lâm Đồng

Hình 2.7 Phổ hồng ngoại của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và

sau khi hữu cơ hóa

Kết hợp giữa các số liệu phân tích với phổ kế tia X và hồng ngoại (IR) có thể sơ bộ rút ra nhận xét: khả năng phản ứng với muối amin của bentonit Bình Thuận lớn hơn bentonit Lâm Đồng

2.2.3 Khảo sát cấu trúc bề mặt của bentonit Lâm Đồng, Bình Thuận trước và sau khi hữu cơ hóa bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Chụp ảnh SEM mẫu bentonit của Lâm Đồng và Bình Thuận được thực hiện trên thiết bị 5410 LV (Nhật Bản) của Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lí, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội

- Mẫu bentonit của Bình Thuận là bentonit kiềm, nên ở trong nước có độ trương phồng lớn, hạt nhỏ mịn, hạt phân tán cao

- Bentonit Lâm Đồng thuộc loại bentonit kiềm thổ, khả năng trương phồng kém, dễ bị sa lắng trong nước, khi khô các tinh thể bentonit ít bị co ngót, kích thước hạt lớn hơn và bề mặt phẳng hơn so với bentonit kiềm Điều này thể hiện rất rõ ở hình 2.8 và hình 2.9

Hình 2.8 Ảnh SEM của bentonit

Lâm Đồng và Bình Thuận trước khi hữu cơ hóa

Hình 2.9 Ảnh SEM của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận sau khi hữu cơ hóa