Luận án nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng trong kỹ thuật điện

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa epoxy DER 331, từ đó địn

1

MỞ ĐẦU

Tro bay được biết đến là sản phẩm phế thải từ các nhà máy nhiệt điện trong quá trình đốt than nhiên liệu Nó tồn tại ở trạng thái rắn và có kích thước hạt rất nhỏ, vì thế nó có thể bay tự do trong không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và đời sống sinh hoạt của nhân dân Ngoài ra, tro bay còn gây thiệt hại kinh tế đáng kể khi phải sử dụng một diện tích khá lớn ao

hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này

Gần đây, Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) đã đưa ra báo cáo về tình trạng ô nhiễm không khí dựa trên số liệu về mức độ ô nhiễm của 1600 thành phố trên khắp

19 quốc gia thì các nước Pakistan, Ấn Độ, Ai Cập, Quatar, Bangladesh được xếp vào danh sách các nước có bầu không khí ô nhiễm nhất thế giới Tình trạng này xảy

ra là do quá trình khai thác và sử dụng nguồn nguyên liệu cho các nhà máy nhiệt điện, các công trình xây dựng, các nhà máy công nghiệp… [113] Điều này cho thấy

ô nhiễm không khí đang là mối đe dọa ở rất nhiều các quốc gia, trong đó có cả Việt Nam

Do đó, việc đặt ra mục tiêu thu hồi và xử lý tro bay thế nào là một vấn đề cấp thiết đối với tất cả các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Trong một vài năm trở lại đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu về thành phần và đặc tính kỹ thuật của tro bay và nhận thấy thành phần hóa học chính của tro bay gồm nhiều oxit kim loại rất bền, có độ bền nhiệt cao, trong khi hạt tro bay có trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ Điều này rất phù hợp để lựa chọn tro bay làm phụ gia cho bê tông hoặc làm chất độn gia cường cho các loại vật liệu khác

Theo các số liệu thống kê trên thế giới và trong nước, hiện nay tro bay đã được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như trong ngành xây dựng, ngành giao thông vận tải, trong nông nghiệp và trong vật liệu polyme compozit Trong đó, tro bay ứng dụng nhiều nhất phải kể đến là trong lĩnh vực xây dựng Nhiều công trình xây dựng lớn đã thành công khi đưa tro bay vào bê tông để cải thiện độ bền và kết cấu như bê tông tro bay ở thành phố Marina (Chicago), bê tông tro bay ở tháp Sears –thành phố River (Chicago)…[112]

Để phát triển và mở rộng tính ứng dụng của tro bay, tác giả tập trung vào nghiên cứu tro bay ứng dụng trong công nghệ cao, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điện bởi vật liệu compozit nền epoxy có tính cách điện tốt Vì thế đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng trong kỹ thuật điện” đã được lựa chọn làm chủ đề cho luận án tiến sĩ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa epoxy DER 331, từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong kỹ thuật điện

Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu sau:

- Khảo sát hàm lượng tro bay đưa vào vật liệu nền epoxy DER 331

- Nghiên cứu các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ, axit hữu cơ và các hợp chất silan

- Đánh giá khả năng gia cường của tro bay biến tính và không biến tính đến tính chất cơ- nhiệt của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy DER 331

- Nghiên cứu khả năng cách điện của vật liệu polyme compozit với tro bay biến tính và không biến tính

Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong compozit nhằm tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính chất vật lý như tính dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện môi…), tính chất quang học, tính cách âm…[4]

Tính chất của vật liệu compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà thường lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm

Hình 1.1: Cấu trúc thành phần của vật liệu compozit

Trong hai thành phần chính của vật liệu compozit thì vật liệu nền đóng vai trò liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên một sản phẩm liên tục Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền Ngược lại, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất sang vật liệu gia cường Ngoài ra, vật liệu nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia cường dưới tác dụng của môi trường hay quyết định đến độ bền nhiệt và khả năng gia công của vật liệu compozit

4

Do vật liệu compozit có nhiều thành phần khác nhau tạo nên, vì thế lượng sản phẩm tạo thành là rất đa dạng Trong khoa học, để phân loại compozit thường căn

cứ vào hai đặc điểm sau:

- Phân loại theo bản chất vật liệu nền

- Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường

Với cấu trúc vật liệu gia cường, compozit được phân thành 3 nhóm chính: compozit gia cường sợi (compozit cốt sợi), compozit gia cường hạt (compozit cốt hạt) và compozit cấu trúc Compozit gia cường sợi có thể là sợi thủy tinh, sợi tự nhiên…, sợi dài, sợi ngắn…còn compozit cốt hạt có thể có nhiều hình dạng khác nhau: cốt dạng hình cầu, hình que, hình vẩy…hoặc kích cỡ hạt khác nhau như bột

gỗ, than đen, tro bay, talc, cao lanh, sắt, đồng, nhôm, vẩy mica…v.v [16]

Theo bản chất vật liệu nền, compozit cũng được chia thành 3 nhóm chính sau: compozit nền polyme, compozit nền kim loại, compozit nền ceramic Trong đó, compozit nền polyme thường sử dụng rộng rãi hơn nhờ ưu điểm dễ gia công, tạo ra những sản phẩm phức tạp và kích thước lớn Compozit nền kim loại thì có ưu điểm

là khả năng chịu nhiệt cao hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất lỏng hữu cơ tốt hơn Đối với compozit nền ceramic thì ít được sử dụng do nhược điểm giá thành khá cao [2]

Nhờ các tính chất ưu việt hơn so với các vật liệu truyền thống như gỗ, sắt, thép…mà ngày nay vật liệu compozit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: từ lĩnh vực giao thông, xây dựng, hàng không, trang trí nội ngoại thất đến lĩnh vực thể thao và công nghiệp dân dụng

Hiện nay trên thế giới, ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu compozit vào chế tạo cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757, 676 Airbus 310…Theo thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50% compozit trên toàn bộ trọng lượng

Đó là do vật liệu compozit có tính ưu việt như giảm trọng lượng, tăng độ chịu ăn

mòn, giảm độ rung, giảm tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc [111] Vật liệu compozit cũng được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch, các linh kiện trong ngành công nghiệp điện tử hoặc phục vụ cho ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả )[111]

5

Tại Việt Nam, vật liệu compozit đã và đang được ứng dụng và phát triển ở hầu hết các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như sử dụng vào việc chế tạo các bồn chứa hóa chất, các linh kiện trong ô tô, xe lửa, vòm che máy bay quân sự, các bộ phận cấy ghép trong cơ thể, các thiết bị của ngành giáo dục, giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng…[13]

Sản phẩm ứng dụng của vật liệu compozit trong các lĩnh vực khác nhau tại Việt Nam được trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2: Phân bố sản phẩm compozit ứng dụng trong các lĩnh vực tại Việt Nam -2011

[110]

Hình 1.3: Một số sản phẩm ứng dụng của vật liệu compozit [110, 111]

Với compozit có nền là nhựa nhiệt dẻo, sản phẩm thường có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo là khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm

dễ thực hiện, có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu khi gia công lại Tuy nhiên, nhược điểm chính của nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao và thiết bị gia công sản phẩm thường đắt tiền Trong khi đó, nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn khi gia nhiệt (có hoặc không có xúc tác) Sản phẩm sau đóng rắn với cấu trúc không gian thường có tính chất ưu việt hơn hẳn như độ bền nhiệt, tính chất cơ lý cao hơn so với nhựa nhiệt dẻo [4]

Các tính chất của nhựa nền polyme như bản chất hóa học, độ bền, nhiệt độ thủy tinh hóa và hệ số giãn nở nhiệt có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và tính chất hóa học của sản phẩm Do đó, nền polyme phải đáp ứng được các yêu cầu sau: + Khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt chất gia cường để tạo sự tiếp xúc tối đa + Khả năng làm tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính

+ Khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra

do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ

+ Chứa các nhóm chức hoạt động hóa học

+ Phù hợp với điều kiện gia công thông thường

+ Bền với môi trường sử dụng vật liệu compozit

Đối với nhựa nhiệt rắn, do có cấu trúc không gian khi đóng rắn nên phân tử không có khả năng trượt với nhau, dẫn đến vật liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn thường cứng và giòn Khi đưa chất độn dạng hạt vào nhựa nhiệt rắn thì ngoài tác dụng làm giảm lượng nhựa sử dụng, nó còn làm giảm độ giòn, làm tăng chất lượng

bề mặt cũng như tăng độ cứng Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ học của vật liệu gia cường dạng hạt phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết dính của nó với nhựa nền tại bề mặt ranh giới phân chia pha [2]

Sự có mặt của các vật liệu gia cường dạng hạt đặc biệt là các hạt vô cơ ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất của compozit Ảnh hưởng đó được thể hiện như sau:

- Làm thay đổi cấu trúc và khoảng cách giữa các nút mạng sau khi đóng rắn

- Độn dạng hạt có thể hấp thụ nhiệt do quá trình đóng rắn tỏa ra, làm thay đổi động học quá trình đóng rắn và tốc độ đóng rắn Bề mặt chất độn còn hấp phụ và thay đổi những mạch polyme đang phát triển [2]

- Làm biến đổi tính chất compozit do sự hấp phụ những thành phần có khối lượng phân tử thấp như chất hóa dẻo

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme compozit

Các yếu tố đó là:

- Bản chất của các vật liệu thành phần (vật liệu gia cường và vật liệu nền)

- Độ bền liên kết tại bề mặt tiếp xúc vật liệu nền/vật liệu gia cường

- Hình dạng, kích thước của vật liệu gia cường

Khi vật liệu compozit chịu tác dụng của ngoại lực, tải trọng tác dụng lên vật liệu nền sẽ được truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc Nếu compozit yêu cầu có độ bền và độ cứng cao thì vật liệu gia cường phải liên kết bền vững với vật

8

liệu nền Tuy nhiên, một bề mặt tiếp xúc bền thì sẽ tạo compozit có độ cứng và độ

bền cao nhưng khả năng chống lại sự phát triển vết nứt kém do đặc tính giòn [2]

Khả năng kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tốt là nhờ tồn tại các

liên kết, tương tác tại bề mặt tiếp xúc Muốn các liên kết này phát triển thì trước hết

phải có sự thấm ướt tốt vật liệu nền lên bề mặt vật liệu gia cường Khả năng thấm

ướt được định nghĩa là mức độ phủ của chất lỏng lên một bề mặt rắn và thường

được đánh giá qua góc tiếp xúc  Góc tiếp xúc  có mối tương quan với năng

lượng bề mặt của các pha theo công thức Young (hình 1.4) [106]

γSV: Năng lượng bề mặt của chất rắn tiếp xúc chất khí, N.m-1

γLV: Năng lượng bề mặt của chất lỏng tiếp xúc chất khí, N.m-1

γSL: Năng lượng tại mặt tiếp giáp giữa chất rắn và chất lỏng, N.m-1

Nếu  = 0: Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn

Nếu 0< < 900: Chất lỏng thấm ướt không hoàn toàn bề mặt vật liệu gia cường rắn

Nếu 900<  < 1800: Chất lỏng không thấm ướt bề mặt vật liệu gia cường rắn

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, liên kết tại bề mặt tiếp xúc:

Trong quá trình gia công, cần điều chỉnh điều kiện gia công phù hợp để có sự

thấm ướt kết dính tốt giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường Các yếu tố giúp tạo

liên kết tốt tại bề mặt tiếp xúc [2]:

- Góc tiếp xúc nhỏ giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường

- Sức căng bề mặt vật liệu nền lỏng càng thấp càng tốt

- Độ nhớt vật liệu nền khi gia công thấp

9

- Tăng áp suất để giúp vật liệu nền chảy tốt

- Độ nhớt sau gia công của vật liệu nền cao (làm nguội, đóng rắn)

Như vậy, để nâng cao tính chất của sản phẩm hay cụ thể là nâng cao được các tính chất cơ học và độ bền nhiệt của vật liệu thì hạt vô cơ cần được xử lý hoặc biến tính nhằm cải thiện khả năng kết dính với nhựa nền polyme tại bề mặt phân chia pha Phương pháp xử lý hoặc biến tính này có thể làm tăng diện tính bề mặt riêng hoặc tăng hoạt tính bề mặt của độn vô cơ với nhựa nền hữu cơ

1.2 Nhựa nền nhiệt rắn epoxy

1.2.1 Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy

Nhựa epoxy là một loại nhựa nhiệt rắn và được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng trong đó nhựa epoxy phổ biến và quan trọng nhất là nhựa tạo thành từ phản ứng của diphenylolpropan (DPP) hay Bisphenol A và epiclohydrin (ECH) Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy xảy ra theo hai giai đoạn với xúc tác kiềm [47]

Giai đoạn 1: nhóm epoxy của epiclohydrin tác dụng với hydro của Bisphenol A Đây là giai đoạn kết hợp, phản ứng tỏa nhiệt mạnh, xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60 -

10

Sản phẩm epoxy trung gian tạo thành lại tiếp tục phản ứng với Bisphenol A khi

tỷ lệ mol epiclohydrin/Bisphenol A < 2 thì nhận được nhựa oligome có công thức tổng quát như sau:

Khối lượng phân tử nhựa epoxy dao động trong khoảng từ 300 -18000 tùy thuộc vào tỷ lệ mol epiclohydrin/Bisphenol A, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ NaOH đã sử dụng Ảnh hưởng của tỉ lệ mol này đến đương lượng gam và nhiệt độ chảy mềm của nhựa epoxy thể hiện ở bảng 1.1

Bảng 1.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ ECH và DPP đến tính chất của nhựa epoxy [47]

Tỉ lệ mol ECH/DPP

Đương lượng gam epoxy (EEW)

Điểm mềm hóa (oC)

1.2.2 Một số loại nhựa epoxy

- Nhựa epoxydian: được tổng hợp từ epiclohydrin và Bisphenol A

- Nhựa epoxy mạch vòng no: nhận được nhờ phản ứng epoxy hóa các hợp chất chứa nối đôi bằng peraxit axetic như 3,4-epoxy 6-metylxyclohexyl-metyl-3,4-epoxy 6-metyl xyclohexan cacboxylat(Unox Epoxy 201)

11

hay vinyl xyclohexan dioxit (Unox Epoxy 206)

- Nhựa epoxyeste là sản phẩm biến tính của nhựa epoxydian bằng axit béo

- Nhựa epoxyphenolic là sản phẩm trùng ngưng giữa phenolic và epiclohydrin

Phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp mà nhựa epoxy có nhiều loại khác nhau Lựa chọn loại epoxy cho các ứng dụng compozit thường dựa vào điều kiện sử dụng sản phẩm do sự khác nhau đáng kể giữa tính chất nhiệt và tính chất cơ lý của nó như: modun, biến dạng phá hủy, nhiệt độ thủy tinh hóa Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ sử dụng Tg thường cao đối với những epoxy giòn, nhưng Tg thấp hơn đối với nhựa epoxy dẻo dai Trên thế giới mỗi hãng sản xuất lại

có cách quy ước tên gọi và mã số tương ứng riêng cho các loại epoxy Cụ thể một

số tên thương mại của epoxy trình bày ở bảng 1.2 sau

12

Bảng 1.2: Một số công ty sản xuất và tên thương mại của nhựa epoxy [47, 68]

Công ty sản xuất Tên thương mại của nhựa epoxy

Dow Chemicals DER, DEN, DEH, Derakane, ERL

Ciba, Vantico Araldite, Aracast

Dainippon Ink & Chemicals

(DIC)

Epiclon

Japan Epoxy Resin (JER) Epikote

Sumitomo Chemicals Sumiepoxy

Shell Chemical Epon 1001, 1004, 1007, 1009

1.2.3 Tính chất của nhựa epoxy

Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn có màu từ vàng sáng đến trong suốt, ở dạng lỏng (M<450), dạng đặc (450<M<800) và dạng rắn (M>800), tùy thuộc vào khối lượng phân tử của nhựa

Epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ như axeton, axetat, hydrocacbon clo hóa, dioxan… nhưng không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng như ete, dầu mỏ, xăng [68]

Tính chất của nhựa epoxy phụ thuộc vào thành phần hóa học và quá trình đóng rắn Epoxy có thể cứng, bền và bền mỏi Điểm đặc biệt của epoxy là khả năng kết dính với hầu hết vật liệu, trong đó có kim loại và có độ co ngót thấp Ngoài ra, epoxy cũng có các tính chất điện tốt như hệ số tổn hao điện môi thấp [4]

Nhựa epoxy (EP) có thể được gia công theo nhiều phương pháp như ép phun, đúc khuôn và được đóng rắn ở nhiệt độ thấp hoặc cao Từ dạng lỏng EP dễ dàng chuyển sang trạng thái nhiệt rắn khi sử dụng các chất đóng rắn nóng như anhydrit phtalic, anhydrit maleic hay các chất đóng rắn nguội amin, polyamit, polyisoxyanat Vật liệu sau khi đóng rắn có rất nhiều ưu điểm như khả năng bám dính tốt hơn với nhiều vật liệu khác, bền hóa học và bền nhiệt [47]

13

Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là nhóm epoxy và hydroxyl, có thể tham gia nhiều loại phản ứng khác nhau Tuy nhiên, tùy thuộc vào KLPT của nhựa

mà nhựa thể hiện tính chất theo nhóm chức trội hơn

Khi n ≤ 3 (M ≤ 1200): số nhóm epoxy chiếm đa số nên phản ứng hóa học đặc trưng là nhóm epoxy

Khi 3 < n < 10 (1200 < M < 3000): tồn tại cả hai nhóm epoxy và hydroxyl với

số lượng tương đương nên phản ứng đặc trưng là của hai nhóm

Khi n ≥ 10 (M ≥ 3000): số nhóm hydroxyl chiếm đa số nên phản ứng hóa học đặc trưng là nhóm hydroxyl

Phản ứng đặc trưng của nhóm epoxy là cộng mở vòng với các tác nhân ái nhân (nucleophin) Với các tác nhân ái điện tử electrophin phản ứng xảy ra thuận lợi khi

có mặt xúc tác proton như rượu, phenol, axit… Do nhóm hydroxyl có hoạt tính kém hơn nhóm epoxy nên phản ứng tiến hành phải có xúc tác hoặc nhiệt độ cao, khi đó nhóm hydroxyl có thể tham gia vào phản ứng este hóa, ete hóa [47]

1.2.4 Các chất đóng rắn và cơ chế đóng rắn nhựa epoxy

Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều dưới tác dụng của chất đóng rắn Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy, đặc biệt là nhóm epoxy Các phản ứng chính của epoxy là cộng hợp với các hợp chất chứa nguyên tử H hoạt động và trùng hợp epoxy theo cơ chế ion Do vậy, các chất đóng rắn được phân thành hai nhóm chính: chất đóng rắn cộng hợp và chất đóng rắn trùng hợp

 Chất đóng rắn cộng hợp (chứa nguyên tử H hoạt động)[38]

- Chất đóng rắn amin bao gồm các hợp chất chứa nhóm amin: amin thẳng, amin thơm, dị vòng và các sản phẩm biến tính của amin

Các chất đóng rắn amin hầu như có thể đóng rắn được tất cả nhựa epoxy ngoại trừ epoxyeste vì không chứa nhóm epoxy

Cơ chế đóng rắn: H hoạt động của amin kết hợp với oxy của nhóm epoxy để

mở vòng tạo nhóm hydroxyl, sau đó nó tiếp tục phản ứng với các nhóm epoxy khác

14

Ví dụ, điamin kết hợp với các nhóm epoxy

Khi đóng rắn ở nhiệt độ nâng cao sẽ tạo mạng lưới không gian

15

Trong phản ứng đóng rắn epoxy bằng amin cần chú ý đến điều kiện đóng rắn cực đại Để có sự đóng rắn cực đại (phản ứng hoàn toàn) thì số đương lượng gam của epoxy (dựa trên số nhóm chức epoxy) phải bằng số đương lượng gam của amin (dựa trên số H linh động của amin) Nghĩa là cứ một nhóm epoxy sẽ phản ứng với một H linh động của amin Một cách tổng quát để phản ứng khâu mạch diễn ra được thì độ chức trung bình của hai tác nhân phải  2 và số nhóm chức trên mỗi chất là 

2

Một số chất đóng rắn amin thẳng hay dùng là dietylentriamin (DETA), trietylentetra amin(TETA), polyetylen polyamin (PEPA)….Tuy nhiên, nhược điểm của các amin thẳng là dễ hút ẩm, mùi khó chịu và độc Trong môi trường ẩm thường tạo cacbamat không hòa tan làm bề mặt vật liệu mờ đục

Ngoài ra còn có một số các amin thơm sau cũng hay được sử dụng để đóng rắn nhựa epoxy:

Cơ chế đóng rắn của anhydrit axit phức tạp hơn Đầu tiên là phản ứng mở vòng nhóm anhydrit bằng nhóm hydroxyl của rượu hoặc nước Sau đó có thể diễn ra bốn phản ứng, trong đó quan trọng nhất là phản ứng của nhóm cacboxyl với nhóm epoxy (phản ứng 2) và phản ứng của nhóm hydroxyl tạo thành với nhóm epoxy (phản ứng 3)

(3) Phản ứng 4:

17

 Chất đóng rắn trùng hợp

Chất đóng rắn trùng hợp có tác dụng xúc tác mở vòng để thực hiện phản ứng trùng hợp cation và anion

+ Trùng hợp cation: được khởi đầu bởi axit Lewis như BF3, TiCl4, phức

BF3O(C2H5)

Cơ chế trùng hợp: Đầu tiên chất khởi đầu tạo phức với oxi của vòng epoxy tạo thành phức không bền, sau đó phức này nhanh chóng chuyển thành ioncacboni hay oxoni (trung tâm tham gia phản ứng trùng hợp)

+ Trùng hợp anion: dễ điều khiển hơn so với trùng hợp cation, phản ứng được điều chỉnh bởi amin bậc 3

1.2.5 Ứng dụng của nhựa epoxy

Nhờ khả năng linh hoạt của các nhóm chức nên nhựa epoxy được ứng dụng rộng rãi trong một số ngành công nghiệp [68, 70] như:

- Công nghiệp sơn và màng phủ chống ăn mòn

- Vật liệu cách điện do khả năng chịu nhiệt và cách điện tốt

18

- Công nghệ chế tạo khuôn đúc

- Trong công nghiệp xây dựng như chất kết dính bê tông, chống thấm

- Chế tạo vật liệu polyme compozit

Keo epoxy Sơn epoxy Compozit epoxy Bảng mạch epoxy

Hình 1.5: Một số ứng dụng của epoxy

Compozit nền nhựa epoxy có nhiều ưu điểm như: co ngót thấp trong quá trình đóng rắn, chịu được hầu hết hóa chất và tính cách điện tốt Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như giòn nếu không có chất tăng dai và hạn chế chịu khí hậu ngoài trời kém nếu nhựa đi từ Bisphenol A [68]

1.3 Tro bay và những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống

1.3.1 Thành phần và đặc điểm cấu trúc của tro bay

Về thành phần:

Tro bay là sản phẩm phụ được thu hồi từ khí thải của các nhà máy nhiệt điện

do quá trình đốt than nhiên liệu Phần phế thải rắn sau quá trình đốt cháy than đá tồn tại dưới 2 dạng là phần xỉ và phần tro Trong đó, phần xỉ thu được từ đáy lò, còn phần tro gồm các hạt mịn bay theo các khí ống khói thoát ra Vì thế phần tro được gọi là “tro bay” Thông thường phần xỉ chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng phế thải rắn [9] Thành phần hóa học chủ yếu của tro bay là các oxit kim loại bền như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO…với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro Tuy nhiên, phần trăm khối lượng của các oxit trong tro bay và hàm lượng than chưa cháy phụ thuộc chính vào nguồn than đá đốt và điều kiện đốt cháy than trong các nhà máy nhiệt điện

Ví dụ ở Việt Nam, nguồn cung cấp than nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện

sử dụng thường là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 32%, thậm chí đến 45% nên các nhà máy nhiệt điện thải ra một lượng tro thải khá lớn, có thể từ 20-

19

30% lượng than sử dụng Đặc thù than antraxit của Việt Nam được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện có hàm lượng chất bốc thấp, chỉ từ 10-15% Trong khi đó, độ tro trong than đầu vào, hiệu suất của lò hơi đốt loại than này thường nhỏ, tro thải sau quá trình đốt than antraxit còn tồn tại khá lớn, hàm lượng than chưa cháy hết có thể lên đến 30% [7]

Tại Malaysia, do nguồn than đốt của hai nhà máy nhiệt điện Manjung- Perak và Kapar- Selangor khác nhau nên thành phần hóa học của các oxit có trong tro bay cũng có sự thay đổi rõ rệt Sự biến đổi thành phần hóa học của tro bay tại hai nhà máy nhiệt điện này được trình bày ở bảng 1.3

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của tro bay tại hai nhà máy nhiệt điện khác nhau của Malaysia [53]

Thành

phần

Tro bay (Manjung- Perak), (%)

Tro bay (Kapar- Selangor), (%)

có trong tro bay của nhà máy nhiệt điện Manjung Điều đó cho thấy việc sử dụng nguồn gốc than đốt là rất quan trọng

Để phân loại tro bay, hiện nay trên thế giới thường phân loại dựa theo tiêu chuẩn ASTM C618, theo đó, tro bay được phân thành hai loại chính là loại F và loại C Cơ sở của sự phân loại này phụ thuộc vào tổng hàm lượng các oxit (SiO2,

Al2O3, Fe2O3) có trong tro bay Nếu tổng hàm lượng các oxit này lớn hơn 70% là

20

loại F, còn nhỏ hơn là loại C [9] Cụ thể, sự phân loại tro bay tại 3 nước Malaysia, Thái Lan và Ả Rập Saudi được ghi nhận ở bảng 1.4

Bảng 1.4: Thành phần hóa học của tro bay tại các nước khác nhau [53]

Nguồn Phần trăm thành phần hóa học chính (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O Mất khi

nung Malaysia

tro bay loại F

Tuy nhiên, tại một số nước, tro bay không được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618 mà có thể phân loại theo yêu cầu đặc điểm ứng dụng riêng Sự phân loại này phụ thuộc vào mục đích sử dụng của từng nước và trong từng lĩnh vực ứng dụng như làm vật liệu điền lấp cho các kết cấu đường hỏng, cho nông nghiệp hay làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng: xi măng, bê tông…v.v

Tại Việt Nam, theo nghiên cứu của tác giả Phạm Huy Khang [24] ,tro bay được phân thành hai loại theo hàm lượng CaO Nếu hàm lượng CaO  5% là loại C và thường là 15  35% Đó là sản phẩm đốt than linhit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2% Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn Tro bay Phả Lại được xếp vào loại F, do đốt không tốt nên hàm lượng than chưa cháy khá cao Tuy nhiên, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại không lấy trực tiếp từ bộ lọc ở ống khói, mà tro được thải ra hồ rồi được vớt lên và xử lý than chưa cháy (tuyển nổi), sau đó mới sấy khô và đưa đi sử dụng Do bản chất tro tuyển Phả Lại cũng giống tro bay nước ngoài về cấu trúc hạt và nhẹ nên tro bay được đưa vào tiêu chuẩn của nước ta và được viết theo tiêu chuẩn của Mỹ ASTM C618-94A

Hình 1.6: Màu sắc và hình thái cấu trúc của tro bay

Loại tro bay và kích cỡ của hạt tro bay là yếu tố quan trọng quyết định đến các ứng dụng của nó Tro bay có kích thước nhỏ cỡ nm thường được sử dụng làm chất độn cho vật liệu polyme compozit ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ cao Trong khi tro bay có kích thước lớn cỡ vài chục m lại được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp, xây dựng…[81]

1.3.2 Những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống của tro bay

1.3.2.1 Ứng dụng của tro bay trên thế giới

Hiện nay, vấn đề nguồn nguyên liệu khan hiếm và bảo vệ môi trường đang là mối quan tâm của toàn cầu Việc tìm kiếm, khai thác nguồn nguyên vật liệu mới hay hạn chế sự phát thải, tái sử dụng các chất phế thải từ các hoạt động công nghiệp là việc làm rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học Trong khi nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng gia tăng cùng với sự phát triển kinh tế, xã hội thì nhiều nguồn cung cấp điện mới cũng đã phát triển như năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng gió…Tuy nhiên các nguồn năng lượng này mới được phát

22

triển ở các nước tiên tiến và nó còn một số nhược điểm về độ an toàn cũng như những khó khăn trong công nghệ và chi phí Do đó, nguồn năng lượng tạo điện năng chính vẫn là từ các nhà máy nhiệt điện

Ví dụ, tại Ấn Độ để đạt được sự tăng trưởng kinh tế lên 8- 9% thì nhu cầu về tổng nguồn than dự kiến tăng 730 triệu tấn trong năm 2010-2011 lên xấp xỉ 2000 triệu tấn năm 2031-2032 Trong đó, 75% nguồn than này nhằm cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện [71] Điều này đồng nghĩa với việc lượng tro thải ra môi trường ngày càng nhiều

Tính trên toàn thế giới lượng tro bay thải ra là hàng trăm triệu tấn mỗi năm và phần khối lượng được tái sử dụng sau những nỗ lực cũng chỉ mới chiếm trên 50% Trong đó, phần lớn lượng tro bay được tái sử dụng trong ngành xây dựng và cầu đường

Tại Ấn Độ, tro bay được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp xi măng Cụ thể nhu cầu về lượng tro bay sử dụng trong công nghiệp này được thống kê ở bảng 1.5 sau

Bảng 1.5: Nhu cầu về lượng tro bay sử dụng trong công nghiệp xi măng tại Ấn Độ [71]

Số Năm Lượng tro bay (triệu tấn)

Từ bảng 1.5 cho thấy, trong tương lai nhu cầu sử dụng tro bay trong công nghiệp

xi măng tại Ấn Độ càng ngày càng gia tăng Tính trung bình cứ 5 năm nhu cầu tro bay sử dụng trong ngành này tăng 20 triệu tấn Điều này rất có ý nghĩa trong việc cải thiện môi trường và đem lại lợi ích kinh tế cho nhiều ngành

23

Tại Israel, lượng tro bay thải ra cũng được sử dụng nhiều trong các ngành khác nhau Theo số liệu thống kê được trình bày ở hình 1.7 cho thấy, mức tiêu thụ tro bay tại Israel là khá lớn và sản lượng tiêu thụ qua các năm ngày càng gia tăng Gần đây nhất năm 2012, tổng lượng tro bay sử dụng trong các lĩnh vực là 1,2 triệu tấn Trong

đó phần lớn tro bay được tiêu thụ trong sản xuất bê tông, xi măng để phục vụ cho ngành xây dựng

Hình 1.7: Sản lượng tiêu thụ tro bay qua các năm tại Israel [109]

Theo thống kê của nhiều nước trên thế giới, tro bay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau [48, 55, 60]:

Tro bay ứng dụng trong sản xuất xi măng và bê tông: do các hạt tro bay có

dạng hình cầu, kích thước nhỏ, độ hoạt tính lớn cùng với lượng SiO2 nhiều nên khi kết hợp với xi măng tạo ra sản phẩm bê tông có độ cứng vượt trội, có khả năng chống thấm cao, có tính bền sulfat, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt và làm giảm tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể [104] Tro bay có thể thay thế tới 20% xi măng tùy thuộc vào kích thước hạt và chất lượng của hạt [96] Tính đến nay đã có nhiều công trình xây dựng lớn được hoàn thành khi sử dụng tro bay, đem lại nhiều lợi ích kinh tế như công trình Đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ những năm 1950 đã sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng Tại Trung Quốc, tro bay được đưa vào công trình xây dựng đập thủy điện từ những năm

24

1980; công trình Azure trị giá 100 triệu USD hoàn thành năm 2005 đã sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng [112]

 Tro bay ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng [91]: làm nền đường và lấp các

lỗ hổng của các mỏ sau khi không còn khai thác để hạn chế và phòng tránh sự sụt lún nền đất của công trình Hơn nữa, tro bay được trộn với nước vôi và các vật liệu liên kết khác tạo thành vật liệu mới có thể làm đường bền và cứng hơn đất tự nhiên, đặc biệt đối với loại đường asphalt [112]

 Tro bay ứng dụng trong công nghệ xử lý chất thải: nhờ phản ứng puzolan của tro bay khi kết hợp với xi măng nên nó được sử dụng để làm rắn chất thải lỏng, bùn công nghiệp và bùn sinh học trong quá trình xử lý nước thải Phản ứng này làm giảm khả năng rò rỉ các chất độc hại trong bùn thải, đặc biệt là các chất thải có chứa kim loại nặng nhờ việc làm khô đóng bánh chất thải [3, 23]

 Tro bay ứng dụng trong quá trình cải tạo đất nông nghiệp: trong nông nghiệp đất có chất lượng xấu sẽ được trộn với tro bay để tăng cường các đặc tính thoát nước và giữ nước, tăng cường khả năng tăng trưởng của thực vật nhờ trong tro bay có chứa một số chất mà thực vật cần Tro của lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) còn được sử dụng trong xử lý các vấn đề môi trường vì tro từ lò có thành phần CaO lớn giúp trung hòa mức axit tại các mỏ than bỏ đi Với ưu điểm đó, tro của lò CFB được sử dụng để làm tường, vách hoặc lấp các hầm lò không sử dụng, hạn chế tối

đa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và đất do thay đổi độ pH từ các mỏ gây ra [8]

 Tro bay ứng dụng trong lĩnh vực khác như: làm chất kích thích tăng trưởng cho cây trồng, khi kết hợp tro bay/zeolit có thể khử hiệu quả các cation kim loại nặng hoặc sử dụng để xử lý chất thải chứa thuốc nhuộm bazơ (xanh – metylen, xanh-malichit) Phương pháp trao đổi ion hoặc hấp phụ trên tro bay rất hiệu quả với nồng độ ô nhiễm thấp [1]

Tro bay ứng dụng trong công nghiệp nhựa, sơn và cao su: Với kích thước nhỏ,

tro bay được sử dụng làm chất độn cho nhiều vật liệu nền polyme để chế tạo vật liệu compozit hoặc sơn Những tro bay có tỷ trọng nhỏ, cấu tạo rỗng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất ống và cáp điện nhằm làm giảm trọng lượng của sản phẩm, đặc biệt là các tấm chắn chịu nhiệt cuả xe máy đua, vật liệu chịu lửa và các sản phẩm ốp lát trang trí trong xây dựng, công nghệ đúc nhôm Ưu điểm nổi bật của

25

chúng là loại vật liệu có tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, bền nhiệt, chịu hóa chất và gía thành rẻ [98, 100] Tại Anh, công ty Rock Tron đã đưa vào vận hành dây chuyền sản xuất sử dụng bột tro nhẹ nghiền mịn làm chất độn cho cao su trong sản xuất lốp xe Việc sử dụng tro bay thay cho bột talc trong sản xuất lốp giúp giảm chi phí sản xuất, giảm trọng lượng lốp, hỗ trợ cho các nhà sản xuất ô tô giảm mức phát thải khí và tăng tỷ lệ vật liệu tái chế được sử dụng trong chế tạo

Một số sản phẩm ứng dụng của tro bay được trình bày ở hình 1.8 và 1.9

Tro bay làm đường Bê tông từ tro bay ở tháp Sears (Chicago) Gạch từ tro bay

Hình1.8: Sản phẩm ứng dụng của tro bay trong xây dựng

Bàn coffee từ tro bay và nylon 6 Ghế từ tro bay Ống từ tro bay

Hình 1.9: Một số sản phẩm ứng dụng tro bay trong vật liệu compozit

1.3.2.2 Ứng dụng của tro bay tại Việt Nam

Cũng giống như các nước trên thế giới, tại Việt Nam, phần lớn tro bay được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng cầu đường, các công trình thủy điện Tuy nhiên tro bay tại Việt Nam không được thu hồi và sử dụng trực tiếp từ các nhà máy nhiệt điện

do lượng than chưa cháy còn cao mà được vớt lên từ các hồ chứa thải, sau đó tro bay được tuyển nổi rồi mới đưa vào sử dụng

26

Ứng dụng nhiều nhất của tro bay là làm phụ gia cho bê tông để đáp ứng nhu cầu xây dựng cho các công trình thủy điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2…v.v Khi đó tro bay trộn vào xi măng với tỷ lệ trung bình 10  20% với mục đích giảm giá thành

và cải thiện một số tính chất của xi măng (làm bê tông khối lớn, chống thấm nước, chống giãn nở nhiệt và nhẹ hơn bê tông thường) Trong tương lai nhu cầu sử dụng tro bay làm phụ gia cho sản xuất xi măng tại Việt Nam là khá lớn (bảng 1.6)

Bảng 1.6: Nhu cầu sử dụng tro bay trong công nghiệp xi măng tại Việt Nam [7]

Tro bay (triệu tấn) 7 10 12

Ngoài ra, tro bay cũng được sử dụng làm chất liên kết để gia cố vật liệu cát, đá làm mặt đường Hỗn hợp 80% tro bay và 20% vôi dùng làm chất liên kết để gia cố đường cho độ bền cơ học khá cao [12] Khi làm mặt đường thường sử dụng hỗn hợp: đá + vôi + tro bay ẩm; tro bay ẩm + xi măng hoặc tro bay ẩm + vôi + thạch cao Ứng dụng của tro bay làm đường giao thông rất có triển vọng

Đối với sản xuất gạch không nung, lượng tro bay được sử dụng khá lớn, chiếm đến 70% khối lượng Khi đó tro bay đóng vai trò là thành phần chính được trộn hợp với xi măng, vôi, thạch cao và bột nhôm.Việc sử dụng gạch xây không nung cho các nhà cao tầng đem lại hiệu quả kinh tế cao [7]

Bên cạnh đó, tro bay còn được ứng dụng để làm chất xử lý ô nhiễm môi trường hay cải tạo đất khi chuyển hóa thành dạng zeolit [15]

Việc tận dụng tro bay của các nhà máy nhiệt điện làm nguyên liệu sản xuất vừa

là giải pháp kinh tế hiệu quả vừa giảm bớt những tác hại của nó đối với môi trường

Vì thế, gần đây ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme compozit và trong lĩnh vực sơn, cao su đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và triển khai thực tế với mong muốn có thể tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng phục vụ cho các ngành công nghiệp và dân dụng Những nghiên cứu chính của tro bay trong lĩnh vực vật liệu compozit sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo

27

1.4 Nghiên cứu ứng dụng vật liệu compozit nền polyme và tro bay trong

và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme compozit

Mặc dù tro bay được tái sử dụng chính trong lĩnh vực xây dựng, nhưng trên thế giới và cả tại Việt Nam đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng tro bay vào vật liệu polyme compozit nhằm thay thế các loại vật liệu độn thông thường và cải thiện một số tính chất của vật liệu như độ bền cơ học, độ bền nhiệt và khả năng chống cháy Trong đó, nhựa nền polyme có thể là nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn

 Trên thế giới

Tác giả D.C.D Nath và các cộng sự [40] đã sử dụng tro bay có kích thước hạt

từ 5m  60m với hàm lượng lên đến 60% để kết hợp với nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP) tạo ra vật liệu compozit Kết quả cho thấy, trong điều kiện khí quyển, nhóm OH hoặc ion trên bề mặt kim loại hoặc oxit kim loại như tro bay có vai trò quan trọng trong việc hình thành các liên kết vật lý giữa bề mặt tro bay với nền polyme

Năm 2012, tác giả Jitendra Gummadi cùng các cộng sự [62] có khảo sát ảnh hưởng của tro bay đến tính chất uốn của vật liệu compozit nền polypropylen Nguyên liệu tro bay được cung cấp từ nhà máy nhiệt điện Vijayawada - Ấn Độ có kích thước hạt khá lớn từ 53m đến 300m Khối lượng tro bay đưa vào vật liệu compozit biến đổi từ 0%  25% tổng khối lượng nhựa nền Kết quả mẫu compozit

có tro bay gia cường đã cải thiện độ bền uốn và modun uốn của vật liệu Đặc biệt, với hạt tro bay kích thước nhỏ hơn cho tính chất cơ học tốt hơn so với mẫu tro bay kích thước lớn

Theo tác giả Saroja Devi [87] việc sử dụng tro bay làm chất độn cho nhựa polyeste không no để thay thế cho bột CaCO3 cho sản phẩm compozit có modun uốn cao hơn Trong khi đó, tro bay làm chất độn cho nhựa nền polyetylenterephtalat (PET) với hàm lượng lên tới 50% khối lượng để chế tạo vật liệu compozit khuôn đúc có tác dụng làm hạn chế quá trình phân hủy nhiệt của PET, độ co ngót của vật liệu trong quá trình đúc khuôn giảm từ 3,9% (với nhựa nền) xuống 0,54% khi có 50% tro bay (bảng 1.7) Giá trị độ bền nén của vật liệu cũng gia tăng khi tăng hàm

Tỷ trọng Độ bền nén

(MPa)

Độ hấp thụ nước (%)

Hình 1.10: Độ bền va đập và độ bền điện của mẫu compozit nylon 6/tro bay[93]

Kết quả từ hình 1.10 cho thấy, khi tăng hàm lượng tro bay đưa vào gia cường cho nylon 6 từ 0 tới 40 PKL thì cả độ bền điện và độ bền va đập của vật liệu compozit đều giảm ở cả hai kích thước hạt Với kích thước hạt tro bay 60m, độ bền va đập và độ bền điện của mẫu compozit đều giảm so với mẫu có tro bay kích thước 8m xét ở cùng hàm lượng

29

Ngoài ra, hai tác giả Manoj Singla và Vikas Chawla [69] cũng đã nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu compozit từ nhựa epoxy và tro bay Nhựa nền epoxy thương mại Araldite –LY-554 đóng rắn bằng HY-951 Tỉ lệ trộn 100 phần nhựa, 10 phần chất đóng rắn, sợi thủy tinh gia cường loại E-300 Kết luận chỉ ra việc đưa tro bay vào vật liệu compozit nền epoxy giúp gia tăng độ bền nén, đặc biệt khi compozit được gia cường sợi thủy tinh

Ngoài các nghiên cứu ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme compozit trên còn

có rất nhiều nhà khoa học khác cũng đã nghiên cứu tro bay làm chất độn gia cường cho các vật liệu polyme khác như nhựa nền vinylancol [40], vinyleste [42, 66], polyisopren [45], polyuretan [61], polypropylen [63], poly este không no [78, 87], polystyren [83], polyetylen teraphtalat [89]…v.v Đây được coi là một xu hướng phát triển mới rất có ý nghĩa trong khoa học và thực tiễn

 Tại Việt Nam

Bên cạnh những ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực xây dựng các công trình thủy điện và xây dựng đường giao thông, hiện nay tại Việt Nam một số nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và triển khai các ứng dụng mới khi sử dụng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam làm chất độn cho vật liệu compozit Vừa qua, Viện

Kỹ thuật Nhiệt đới đã có đề tài cấp bộ “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ một

số nhựa nhiệt dẻo (PE/PP/EVA)/tro bay nhà máy nhiệt điện và ứng dụng một số sản phẩm dân dụng” Nghiên cứu đã xác định được thành phần hóa học của 3 loại tro bay đầu lò, trung lò và silo của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Khi biến tính tro bay bằng tác nhân ghép nối vinyl trimetoxy silan (V) và 3-glycido propyl trimetoxy silan (G) thì trên bề mặt tro bay hình thành một lớp màng silan hữu cơ rất mỏng [30] Tro bay chưa biến tính và biến tính được kí hiệu lần lượt là OFA và MFA Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về tính chất cơ lý, khả năng chống cháy, độ bền nhiệt…đề tài đã tìm ra được thành phần thích hợp để chế tạo vật liệu compozit PE,

PP và EVA Theo đó vật liệu PE với thành phần PE/15% hỗn hợp OFA/MFA (1% V) ở tỷ lệ 70/30 PKL; vật liệu PP với thành phần PP/15-20% hỗn hợp OFA/MFA (1% G hoặc 1% V) ở các tỷ lệ 70/30 hoặc 80/20 PKL và vật liệu EVA có thành phần EVA/10% OFA/MFA (1% G) ở các tỷ lệ 80/20 hoặc 70/30 PKL đều cho độ bền kéo đứt lớn hơn 15 MPa, độ dãn dài khi đứt lớn hơn 160% [30] Các vật liệu

30

này đáp ứng được yêu cầu chế tạo một số sản phẩm kỹ thuật và dân dụng như ống gân xoắn PE/hỗn hợp tro bay, tấm trải sàn tập thể thao và đế giầy dép từ EVA/hỗn hợp tro bay/chất phụ gia của các doanh nghiệp

Bên cạnh đó, tác giả Ngô Kế Thế và các cộng sự cũng đã nghiên cứu khả năng gia cường của tro bay biến tính bề mặt cho vật liệu cao su tự nhiên [10] Tro bay được xử lý bằng các tác nhân ghép nối silan AEAPS, APTMS có nhóm hoạt tính amin và silan A-189, Si69 có nhóm hoạt tính mercapto và sulfit Kết quả bước đầu cho thấy tất cả các mẫu cao su có tro bay biến đổi bề mặt đều có độ bền kéo đứt lớn hơn, đặc biệt là đối với Si69 và ở hàm lượng silan 2% (độ bền kéo đứt tăng 30% so với mẫu tro bay chưa xử lý) Như vậy, khi tro bay xử lý đã có sự cải thiện hơn về tính chất cơ học của vật liệu cao su

Gần đây một số công trình nghiên cứu khác lần lượt được công bố trên các Tạp chí Hóa học, Tạp chí Khoa học và Công nghệ như: “Độ bền oxy hóa nhiệt, tính chất điện và khả năng chống cháy của vật liệu compozit trên cơ sở hỗn hợp HDPE-LLDPE/tro bay” [27], “Kết hợp tro bay biến tính silan và oxit sắt trong chế tạo màng sơn epoxy bảo vệ chống ăn mòn thép cacbon” [28], “Nghiên cứu tăng cấu trúc xốp của tro bay bằng biến tính hóa học trong điều kiện mềm” [29]

Nhìn chung, những nghiên cứu trong và ngoài nước của các nhà khoa học đã đem lại ý nghĩa thực tiễn lớn cho ngành vật liệu compozit: vừa tái sử dụng phế thải, tiết kiệm nguyên liệu vừa đem lại lợi ích kinh tế Các chất độn thông thường được thay thế bằng nguồn nguyên liệu phế thải của nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, trong các nghiên cứu, nhiều tác giả cũng cho rằng tro bay ban đầu có bề mặt khá trơn, nhẵn nên sự phân tán và kết dính của tro bay với nhựa nền polyme tại bề mặt phân chia pha còn hạn chế Vì vậy, trước khi chế tạo vật liệu compozit các tác giả thường

sử dụng phương pháp xử lý hoặc biến tính bề mặt tro bay với mục đích cải thiện diện tích bề mặt, tăng độ hoạt hóa, giúp cho chất độn vô cơ này có thể phân tán tốt hơn trong nhựa nền polyme Một số tác giả nghiên cứu biến tính tro bay bằng các hóa chất vô cơ như dung dịch axit, dung dịch kiềm Trong khi đó có tác giả lại sử dụng phương pháp biến tính hạt cầu tro bay bằng các tác nhân ghép nối silan hoặc axit hữu cơ Đây là những phương pháp phổ biến trong việc xử lý, biến tính các

31

chất độn dạng hạt Cách xử lý, biến tính bề mặt tro bay và hiệu quả của nó đem lại cho vật liệu compozit được trình bày chi tiết tại 1.4.2 sau

1.4.2 Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay

1.4.2.1 Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ

Với mục đích làm giảm kích thước và gia tăng diện tích bề mặt hạt nhằm cải thiện khả năng phân tán của tro bay trong nhựa nền polyme, nhiều nhà khoa học đã

nghiên cứu xử lý bề mặt tro bay bằng dung dịch axit và dung dịch kiềm Năm 2008,

tác giả P Pengthamkeerati, et al [76] đã công bố nghiên cứu của nhóm khi xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH và dung dịch HCl Sau xử lý, cấu trúc hình thái của hạt tro bay có sự biến đổi rõ rệt Bề mặt hạt tro bay trở nên sần sùi và thô ráp, không còn trơn nhẵn như lúc chưa xử lý (hình 1.11)

Hình 1.11: Ảnh SEM bề mặt hạt tro bay ban đầu và tro bay sau khi đã xử lý

(a, b: tro bay ban đầu – c, d: tro bay xử lý axit HCl – e,f: tro bay xử lý kiềm NaOH) [76]

32

Điều đó lý giải vì sao diện tích bề mặt của tro bay gia tăng đáng kể, từ 3,39m2

/g với mẫu chưa xử lý lên 61,84 m2/g ở mẫu xử lý kiềm và tăng lên 35,38m2/g với mẫu

xử lý bằng axit [76] Thành phần hóa học của tro bay sau xử lý cũng có sự thay đổi Phần trăm khối lượng oxit SiO2 gia tăng ở cả hai mẫu có xử lý Trong khi phần trăm khối lượng của thành phần CaO lại bị giảm nhiều ở mẫu xử lý bằng axit Sự thay đổi này được trình bày ở 1.8

Bảng 1.8: Sự biến đổi thành phần hóa học chính của tro bay trước và sau xử lý [76]

1.4.2.2 Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic

Tác giả Shubhalakshmi Sengupta, et al [92] đã sử dụng axit stearic để biến tính

bề mặt tro bay gia cường cho vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nền polypropylen Tro bay sử dụng là loại F (theo tiêu chuẩn ASTM C618), có giản đồ phân bố kích thước hạt 42% khối lượng là hạt có kích thước 104-152m, 25% khối lượng là hạt có kích thước 76-104m Tro bay được trộn hợp với PP theo tỉ lệ phần khối lượng 50:50 Kết quả nghiên cứu cho thấy các mẫu compozit có tro bay đã biến tính bằng axit stearic cho độ bền nhiệt cao hơn so với mẫu có tro bay chưa được biến tính Đặc biệt, cao nhất tại mẫu tro bay được biến tính với 1% axit stearic Kết quả này đạt được là nhờ nhóm chức phân cực COOH của axit stearic tạo cầu nối với nhóm OH trên bề mặt tro bay và mạch hidrocacbon của nhựa nền

33

làm cho cấu trúc chặt chẽ hơn Đây là bước nghiên cứu khởi đầu cho việc thay thế biến tính tro bay bằng tác nhân ghép nối có giá trị kinh tế

Hình 1.12: Cơ chế hình thành liên kết giữa tro bay và axit stearic

1.4.2.3 Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan

Ngoài phương pháp xử lý bề mặt và biến tính bề mặt tro bay nêu trên, các tác giả còn dùng chất hoạt động bề mặt để biến tính tro bay, tiêu biểu trong số các chất

đó là hợp chất silan.Đây là phương pháp phổ biến để tăng độ chức hóa bề mặt cho các chất độn vô cơ Bởi vì phần lớn các chất vô cơ có bề mặt ưa nước, trong khi nền polyme lại kỵ nước, vì vậy khả năng tương hợp giữa hai pha rất kém Việc sử dụng tác nhân ghép nối chính là nhằm khắc phục những nhược điểm này [11]

Công thức tổng quát của các hợp chất silan là X-Si(OR)3 Trong đó, X là nhóm phân tử hữu cơ kỵ nước, có khả năng tương tác với polyme và OR là nhóm ưa nước,

có thể thủy phân để tạo thành silanol (Si –OH) Các hợp chất silan có khả năng phản ứng với bề mặt chất vô cơ tạo nên các liên kết siloxan (Si-O-Si) hoặc liên kết hydro (O H) Khi đó bằng sự chuyển hóa một bề mặt ưa nước (bề mặt chất độn vô cơ) sang bề mặt kị nước, tính tương hợp của các hạt vô cơ nói chung và của tro bay nói riêng với polyme được nâng cao Điều này dẫn đến sự phân tán của các chất độn vào nhựa nền polyme đồng đều và dễ dàng hơn [11]

Theo nhiều tài liệu nghiên cứu về biến tính [30, 45, 54, 65, 73, 77, 89, 101] thì phản ứng giữa các hợp chất silan với tro bay có thể xảy ra theo hai cơ chế sau:

Cơ chế 1: gồm 4 giai đoạn (hình 1.13)

- Giai đoạn 1: Thủy phân hợp chất silan tạo thành nhóm silanol

- Giai đoạn 2: Ngưng tụ silanol thành oligome

- Giai đoạn 3: Hình thành liên kết hiđro giữa các oligome với nhóm OH trên

bề mặt tro bay

- Giai đoạn 4: Hình thành các liên kết cộng hóa trị bền vững giữa tro bay và

hợp chất silan

34

Cơ chế 2: gồm 2 giai đoạn

- Giai đoạn 1: Thủy phân hợp chất silan tạo thành các silanol

- Giai đoạn 2: Nhóm silanol phản ứng trực tiếp với nhóm OH trên bề mặt tro

bay

Hình 1.13: Cơ chế biến tính bề mặt tro bay bằng hợp chất silan

Năm 2007, tác giả T Chaowasakoo và N Sombatsompop [95] đã có công trình công bố về nghiên cứu tính chất cơ học và hình thái của vật liệu polyme compozit epoxy/tro bay khi sử dụng phương pháp đóng rắn nhiệt thông thường và đóng rắn vi sóng Epoxy sử dụng cho nghiên cứu là diglyxidyl ete Bisphenol A (DGEBA), tro bay sử dụng có kích thước 50m -100m, thành phần chính SiO2 chiếm khoảng 40% tổng khối lượng tro Lượng tro bay đưa vào vật liệu polyme compozit từ 0 

80 PKL Silan biến tính tro bay là N-2-(Aminoetyl)-3-aminopropyltrimetoxysilan

và được khảo sát ở các nồng độ lần lượt là 0,5; 1 và 1,5% Kết quả thực nghiệm cho thấy modun uốn và modun kéo của compozit epoxy/tro bay tăng cùng với hàm lượng tro bay đưa vào Lượng silan biến tính tro bay cho tính chất cơ học tốt nhất như độ bền kéo đứt, độ bền uốn và độ bền nén tại 0,5% Tại hàm lượng tối ưu này thấy xuất hiện liên kết giữa epoxy và tro bay nhờ phản ứng hóa học giữa silan với

bề mặt hạt tro bay và liên kết giữa nguyên tố N của amino silan với C của epoxy Phương pháp đóng rắn vi sóng cho thời gian đóng rắn nhanh hơn và độ bền va đập tốt hơn, trong khi phương pháp đóng rắn thông thường lại cho modun kéo, uốn của compozit cao hơn

Theo tác giả S.M.Kulkarni và Kishore [84] nghiên cứu về ảnh hưởng của việc

xử lý bề mặt tro bay và kích thước hạt đến độ bền nén của vật liệu compozit từ nhựa epoxy thì vật liệu polyme compozit với nhựa nền epoxy DGEBA và tro bay loại C

đã được biến tính bằng amino silan cho độ bền và modun nén cao hơn hẳn so với

35

mẫu tro chưa được xử lý ở tất cả phần khối lượng Đặc biệt, giá trị độ bề nén và modun nén gia tăng khi tăng hàm lượng tro bay Sự phân tán của tro bay ban đầu và tro bay đã được biến tính trong nhựa nền epoxy được thể hiện ở hình 1.14

Hình 1.14: Ảnh hưởng của việc xử lý tro bay bằng silan đến

sự phân tán của tro bay trong nhựa nền epoxy [84]

Quan sát ảnh SEM (hình 1.14) có thể thấy tro bay đã biến tính phân tán đồng đều hơn trong nền nhựa epoxy, không thấy xuất hiện các hạt rời rạc như trong mẫu chưa biến tính Điều đó chứng tỏ tro bay biến tính đã cải thiện được khả năng bám dính của nó với nhựa nền Vì thế, mà độ bền nén của vật liệu compozit đã gia tăng Năm 2012, tác giả Sateesh Bonda, et al [88] cũng đã nghiên cứu các phương pháp biến tính tro bay để cải thiện khả năng tương tác pha của tro bay với nhựa nền ABS Trong 3 phương pháp lựa chọn để biến tính có phương pháp biến tính tro bay bằng tác nhân ghép nối silan bis (3-trietoxysilylpropyl) terasulfane (Si69) với nồng

độ 2% Tro bay ban đầu được cung cấp từ nhà máy nhiệt điện Talcher – Ấn Độ, có kích thước trung bình là 9m và được khảo sát với hàm lượng biến đổi từ 0  50 PKL Theo số liệu ghi nhận được, modun kéo của compozit nền ABS có tro bay cao hơn hẳn so với nhựa nền ABS và gia tăng khi tăng hàm lượng tro bay Với mẫu compozit có tro bay biến tính silan thì độ bền kéo và độ bền va đập đều gia tăng so với mẫu chưa biến tính Cụ thể với mẫu compozit tro bay chưa biến tính độ bền kéo

36

và độ bền va đập đạt được lần lượt là 34(MPa) và 2,33 (kJ/m2), nhưng sau khi tro bay biến tính bằng silan Si69 hai giá trị độ bền này đạt được là 37 (MPa) và 2,94 (kJ/m2) Kết quả này có được là nhờ vào việc hình thành liên kết C-S và liên kết Si-O-Si của silan Si69 với bề mặt tro bay Các liên kết trên được thể hiện ở hình 1.15

Hình 1.15: Phản ứng hóa học của tro bay và silan Si69 [88]

Tác giả Seena Joseph [89] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hợp chất silan đến tính chất cơ học của vật liệu compozit nền PET Hạt tro bay sử dụng có giản đồ phân bố kích thước khá rộng và được chia làm 3 vùng: vùng kích thước nhỏ hơn 45m, vùng 45m -63m và vùng 63m- 90m Hàm lượng tro bay khảo sát là 5%

 40% khối lượng Hai tác nhân ghép nối silan là 3- aminopropyltrimetoxysilan và vinyltrimetoxysilan được sử dụng để biến tính tro bay với nồng độ thay đổi từ 0,5%

 2% Kết quả thu được ở hàm lượng tro bay 15% khối lượng, giá trị độ bền kéo và

độ bền uốn đạt được là cao nhất ở tất cả các kích thước Cả amino silan và vinyl silan đều có tác dụng làm tăng độ bền cơ học của vật liệu compozit so với mẫu chưa biến tính với cùng hàm lượng tro bay Trong đó, amino silan có nồng độ 1% và vinyl silan có nồng độ 0,5% là tối ưu nhất Việc xử lý tro bay bằng các hợp chất silan đã cải thiện đáng kể khả năng tương tác pha giữa nền và chất độn hạt Điều đó cho thấy việc lựa chọn tro bay để gia cường cho nhựa PET là một lựa chọn hoàn toàn phù hợp

Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu khác đều sử dụng phương pháp biến tính tro bay bằng hợp chất silan với mục đích cải thiện khả năng tương tác pha của chất

37

độn vô cơ với nền polyme như PP, PE, PET, PEKN, PVA, EP…và cả với cao su như ABS, NR Cho dù có hình thành phản ứng hóa học hay chỉ là liên kết hiđro giữa bề mặt tro bay và silan thì các hợp chất silan đều đã có tác dụng nâng cao được một số độ bền cơ học của vật liệu so với lúc chưa biến tính

Từ những nghiên cứu trên cho thấy khả năng ứng dụng của tro bay rất đa dạng Nhiều đề tài đã tập trung khai thác đặc tính của tro bay, biến tính tro bay để đưa vào ứng dụng trong các sản phẩm polyme compozit Các phương pháp xử lý và biến tính tro bay cũng cải thiện được diện tích bề mặt, khả năng tương tác pha của hạt vô

cơ tro bay với nhựa nền polyme và đã đạt được một số kết quả tốt Cùng với đó việc đưa tro bay vào chế tạo vật liệu compozit không chỉ góp phần giải quyết đáng kể sự ảnh hưởng của hạt phế thải này đối với môi trường, giảm tải được sự khan hiếm về nguồn nguyên vật liệu, mà còn mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế Song việc nghiên cứu nhằm đưa tro bay vào nhựa nhiệt rắn và tạo ra các sản phẩm polyme compozit có thể ứng dụng trong kỹ thuật điện là chưa nhiều, đặc biệt là ở Việt Nam Trên thế giới, những nghiên cứu chế tạo compozit epoxy/tro bay có khảo sát các tính chất điện của vật liệu này tập trung chủ yếu vào vật liệu có gia cường cả sợi thủy tinh nhưng số nghiên cứu triển khai sản phẩm thực tế cũng chưa nhiều Trong khi đó ở Việt Nam hiện nay, nghiên cứu về tính chất điện của vật liệu compozit có chất độn tro bay đang tập trung chủ yếu ở vật liệu nền HDPE Đề tài nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [27] Bên cạnh đó, tác giả Nguyễn Hữu Kiên [17] cũng có nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến tính chất điện môi của vật liệu compozit dùng trong máy biến áp điện lực Trong đó, vật liệu compozit này có nền là nhựa epoxy

và cốt là sợi thủy tinh Sản phẩm đang được chế tạo và dùng làm các vách ngăn trong máy biến áp tại Công ty cổ phần thiết bị điện Đông Anh Tuy nhiên, các sản phẩm bằng vật liệu compozit dùng trong ngành kỹ thuật điện hiện nay tại Việt Nam hầu hết vẫn phải nhập từ nước ngoài, chi phí cao, trong khi nhu cầu thì rất lớn Vì vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit nền epoxy DER 331 và tro bay nhằm phát triển sản phẩm ứng dụng trong kỹ thuật điện là việc cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.1.2 Nhựa nền epoxy DER 331

Nhựa nền epoxy DER 331 của hãng Dow Chemicals – Hoa Kỳ

Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật ban đầu của nhựa epoxy DER 331

- Khối lượng phân tử mmol/kg 5260 – 5420

- Khối lượng riêng ở 25oC g/cm3 1,16

Công thức cấu tạo của DETA: H2N(CH2NH(CH2)2NH2

KLPT: 103; Khối lượng riêng ở 25oC: 0,95g/cm3; Nhiệt độ sôi: 207oC

Lượng amin cần thiết để đóng rắn nhựa epoxy được xác định từ hàm lượng nhóm epoxy (HLE) của nhựa và đương lượng hydrogen hoạt động của amin

Công thức xác định hàm lượng amin cần dùng là:

M

K E n

a =

4 3 Trong đó:

a: Lượng chất đóng rắn amin cần dùng cho 100 g nhựa epoxy, (g)

K: Hệ số (giá trị lấy từ 1 1,1)

E: Hàm lượng nhóm epoxy, (%)

39

M: Khối lượng phân tử của amin n: Số nguyên tử H hoạt động trong chất đóng rắn amin

2.1.4 Các hóa chất dùng để xử lý, biến tính tro bay

 NaOH, Ca(OH)2 (Trung Quốc)

 4 loại silan:

1 Silan Silquest A-186: Hãng Momentive (Đức)

( - (3, 4- Epoxycyclohexyl) etyl trimetoxysilan)

Công thức: C6H9 (O)-CH2-CH2-Si-(O-CH3)3

Mw: 246.1, d: 1.065g/cm3, điểm bắt cháy: 113oC, điểm sôi 310oC

2 Silan Silquest A-1100: Hãng Momentive (Đức)

(3- Amino propyl trietoxy silan)

Công thức: NH2-CH2-CH2-CH2-Si-(O-CH2-CH3)3

d: 0.900g/cm3, điểm bắt cháy: 96oC, điểm sôi 220o

C

3 GF80 : hãng Wacker (Đức) (3- Glycidoxypropyl trimetoxysilan) Công thức: C9H20O5Si

d: 1,07 g/cm3, điểm bắt cháy: 122oC, điểm sôi 248oC

Hàm lượng nhóm epoxy 17,5%

4 GF82: hãng Wacker (Đức) (3- Glycidoxypropyl trietoxysilan) Công thức: C12H26O5Si

d: 1,01 g/cm3, điểm bắt cháy: >100oC, điểm sôi 143oC

Hàm lượng nhóm epoxy 15% Độ nhớt: 3mPa.s

 Axit stearic: CH3-(CH2)16-COOH (Trung Quốc) d: 0,8390 g/cm3, M = 284,48;

Nhiệt độ nóng chảy 69,6oC, nhiệt độ sôi 361,1oC, dễ cháy

 Các hóa chất khác + Axeton tinh khiết 99% (Trung Quốc) + Etanol 96% (Việt Nam)

+ Axit axetic 99,5% (Trung Quốc)

+ Toluen 99,5% (Trung Quốc)

40

2.2 Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay

Tro bay ban đầu được rửa sạch bằng axeton và sấy khô cho tới khối lượng không đổi trước khi được xử lý bằng các dung dịch

2.2.1 Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ

 Xử lý bằng dung dịch NaOH

Các hạt tro bay được trộn với dung dịch NaOH 3M theo tỷ lệ 1(g) FA:15ml dung dịch NaOH trong bình cầu 3 cổ Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt và khuấy trộn đều liên tục trong vòng 6h ở 90oC Dung dịch sau xử lý được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và lọc, rửa nhiều lần bằng nước cất cho tới khi pH =7 Tro bay đã xử lý bằng dung dịch NaOH được sấy khô trong tủ sấy ở 100oC trong 12 giờ và được kí hiệu là FAN [88]

 Xử lý bằng dung dịch Ca(OH) 2

Tro bay được trộn hợp với Ca(OH)2 theo tỉ lệ khối lượng 3:1 Hỗn hợp chất rắn được khuấy trộn đều với nước cất với tỉ lệ 1(g) hỗn hợp rắn: 7ml H2O và được gia nhiệt, khuấy trộn liên tục trong 6h ở 100oC Sau đó, dung dịch được làm lạnh đến nhiệt

độ phòng và trung hòa lượng Ca(OH)2 dư Cuối cùng, khối vật liệu được lọc, rửa nhiều lần cho tới khi pH = 7 và sấy khô ở 100oC trong 12h Tro bay sau khi xử lý bằng Ca(OH)2 được kí hiệu là FAC [88]

2.2.2 Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan

Các hợp chất silan lần lượt được thủy phân trong 100ml etanol (có bổ sung axit axetic để tạo môi trường pH = 4) ở nhiệt độ 50oC trong vòng 30 phút, sau đó lấy

100 gam tro bay thêm vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy trộn đều trong 4h ở 50oC Hàm lượng silan được lấy theo lượng tro bay cần biến tính Hỗn hợp sau phản ứng để khô

tự nhiên rồi đem sấy tiếp ở nhiệt độ 60oC, sau đó lọc, rửa để loại bỏ lượng silan dư Sản phẩm tro bay sau khi biến tính được kí hiệu là FAS [88]

2.2.3 Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic

Axit stearic có khối lượng lần lượt là 2, 3, 5 gam được trộn đều với 100ml hỗn hợp của axeton và toluen với tỉ lệ thể tích 3:1 Toàn bộ hỗn hợp được khuấy trộn đều trong 30 phút Sau đó cho 100 gam tro bay vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy trộn đều 30 phút Khối vật liệu thu được để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 24h rồi đem lọc, rửa và sấy khô trên 100oC Sản phẩm tro bay sau biến tính được kí hiệu là FASA [92]