Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới

Đã nghiên cứu chế tạo, khảo sát cấu trúc và đặc trưng tính chất của vật liệu PC nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO 3. Kết quả nghiên cứu cho th[r]

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

*********

Phan Thị Tuyết Mai

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội – 2012

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

*********

Phan Thị Tuyết Mai

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 62 44 31 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TSKH Lưu Văn Bôi

2 TS Nguyễn Xuân Hoàn

Hà Nội - 2012

5

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… vii

DANH MỤC CÁC BẢNG……… …… ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……… xi

MỞ ĐẦU……… ……… 1

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN ……… 5

1.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano…… 8

1.1.1 Thành phần của vật liệu polyme compozit……… ….8

1.1.1.1 Nhựa nền……… 8

1.1.1.2 Chất gia cường… ……… ……….… 13

1.1.1.3 Giới thiệu về BaTiO3 kích thước nano……… 16

1.1.2 Các kỹ thuật phân tán hạt nano áp điện vào trong vật liệu polyme compozit…… ……… …….…… ……….…… 21

1.1.2.1 Phân tán hạt nano áp điện vào nền polyme……….… 22

1.1.2.2 Ghép hạt nano áp điện lên bề mạt sợi gia cường… …26

1.1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt nano29 1.2 Các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano……… 29

1.2.1 Tính chất điện môi ……… …….30

1.2.2 Tính chất cơ học……….… 31

1.2.3 Độ bền nhiệt……… … 31

1.3 Những ứng dụng cơ bản……….… … 31

6

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM…….……… …… 32

2.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ.……….…….32

2.1.1 Hóa chất……… ……… 32

2.1.2 Thiết bị và dụng cụ……… ….….33

2.2 Chế tạo vật liệu……….……… 34

2.3.1 Chế tạo mẫu nhựa nền epoxy DGEBA đóng rắn bằng DDM….34 2.3.2 Biến tính hạt BaTiO3 bằng hợp chất γ–APS……… 34

2.3.3 Chế tạo polyme compozit nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO334 2.3.4 Ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh… 34

2.2.5 Chế tạo polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh ……… ….…….35

2.2.6 Chế tạo polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3……….…… 35

2.3 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá các đặc trưng và tính chất của vật liệu ……….………….……… 36

2.3.1 Phương pháp đánh giá đặc trưng…… ……… 36

2.3.1.1 Phương pháp đo phổ hồng ngoại FT-IR ………… 36

2.3.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét DSC …… 38

2.3.1.3 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA)…….…38

2.3.1.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)… ……… 39

2.3.2 Phương pháp đo tính chất điện môi ……… 39

2.3.3 Phương pháp đo thế zeta……….…… 40

2.3.4 Phương pháp phân tích cơ nhiệt động………… …… ………40

7

2.3.5 Các phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học…… ……… 41

2.3.5.1 Độ bền kéo……… …… ….41

2.3.5.2 Độ bền uốn… ……… … 41

2.3.5.3 Độ bền va đập……… 42

2.3.6 Phương pháp xác định độ tăng khối lượng mẫu………42

2.4 Chuẩn bị các môi trường theo dõi, khảo sát…… ……… 43

2.4.1 Điều kiện chiếu bức xạ tử ngoại…….… ……….…….43

2.4.2 Điều kiện nhiệt độ……… ………….43

2.4.3.Môi trường ẩm……… … 43

2.4.4 Môi trường độ mặn muối biển ……… 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…… ……….……….… 44

3.1 Nghiên cứu chế tạo nhựa nền epoxy ……….….…44

3.1.1 Đặc trưng nguyên liệu……… ……… ….… 44

3.1.1.1 Nhựa epoxy, diglyxidyl ete bis-phenol A (DGEBA)….44 3.1.1.2 Chất đóng rắn 4,4-diamino diphenyl metan, DDM.….46 3.1.2 Nghiên cứu phản ứng đóng rắn hệ nhựa EP……… 48

3.1.2.1 Xác định tỷ lệ phối trộn giữa DGEBA với DDM……49

3.1.2.2 Xác định điều kiện đóng rắn tốt nhất cho hệ EP… …51

3.2 Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3……….… 56

3.2.1 Biến tính hạt nano BaTiO3 bằng hợp chất γ–APS…….……… 56

3.2.1.1 Những đặc trưng của BaTiO3………… 56

3.2.1.2 Những đặc trưng của silan γ–APS………… 57

8

3.2.1.3 Nghiên cứu tìm điều kiện phản ứng tốt nhất… 58

3.2.2 Chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3……… …69

3.2.2.1 Ảnh hưởng của sự biến tính bề mặt hạt nano BaTiO3 bằng γ-APS lên các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit………69

3.2.2.2 Đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3……… … 75

3.3 Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh ……….80

3.3.1 Đặc trưng bề mặt sợi thủy tinh……… … 80 3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất của vật liệu polyme compozit…….……….………….……… … 81

3.3.3 Ảnh hưởng của sự biến tính bề mặt sợi thủy tinh bằng γ-APS đến

tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit 83

3.4 Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano BaTiO3 .85 3.4.1 Ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh… …… 85

3.4.1.1 Ảnh hưởng của hợp chất ghép nối silan γ-APS đến phản ứng ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh……… 85 3.4.1.2 Ảnh hưởng của dung môi……… 88 3.4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt nano BaTiO3 đến quá trình ghép lên bề mặt sợi thủy tinh ……… 89

3.4.2 Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 90

9

3.4.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh chứa hạt nano

BaTiO3 đến tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozi… 90

3.4.2.2 Ảnh hưởng của hạt nano BaTiO3 trên bề mặt sợi thủy tinh đến các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit 96

3.5 Nghiên cứu sự biến đổi tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3 trong một số điều kiện môi trường…….………… … …101

3.5.1 Ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại……… …… 101

3.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ……… …… 112

3.5.3 Ảnh hưởng của độ ẩm………….……… … … …119

3.5.3.1 Môi trường có độ ẩm tương đối 99 % 120

3.5.3.2 Môi trường có độ ẩm tương đối 80 % 124

3.5.3.3 Môi trường có độ ẩm tương đối 45 % 127

3.5.4 Ảnh hưởng của độ mặn muối biển………….…… … …129

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ………….……… ….133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN……… ………135

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……… …… 137

PHỤ LỤC……… ……… 155

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Polyme compozit (PC) là loại vật liệu có nhiều tính năng ưu việt như độ bền riêng, mođun đàn hồi cao, chống mài mòn tốt, bền trong các môi trường xâm thực và khả năng gia công dễ dàng…PC đã và đang được dùng để thay thế dần những vật liệu truyền thống như sắt, thép để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu chịu lực và chịu môi trường khắc nghiệt Tuy nhiên, vật liệu nào thì cũng đến lúc bị lão hóa, ăn mòn, hư hỏng Vậy, khi nào cần thay thế, khi nào phải rỡ bỏ, đó là câu hỏi đặt ra nhiều thách thức đối với các nhà khoa học và công nghệ Đã có nhiều ý tưởng đề xuất liên quan đến việc chế tạo vật liệu thông minh cho phép

dễ dàng phát hiện sự thay đổi cấu trúc thông qua một số thông số hóa lý của vật liệu Một trong những vật liệu đó là PC chứa hạt áp điện kích thước nano Cho đến nay, người ta đã chế tạo được PC trên cơ sở nhựa epoxy, polyanilin, polymetylmetacrylat, polyimit, polycyanat este… chứa hạt áp điện PZT, BaTiO3 kích thước nano Tuy nhiên, việc nghiên cứu mới bắt đầu, chưa có hệ thống, chưa tìm được mối liên hệ có tính quy luật giữa sự biến đổi cấu trúc với các thông số hóa lý của vật liệu Đặc biệt, kết quả nghiên cứu về sự tương tác pha và ảnh hưởng của nó đối với tính chất cơ nhiệt của vật liệu còn rất khiêm tốn

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu chế tạo PC chứa hạt áp điện BaTiO3

kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt của vật liệu trong điều kiện khí hậu nhiệt đới (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và độ mặn)”

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cấp thiết

Luận án là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài hợp tác Quốc tế

về Khoa học và Công nghệ theo Nghị định thư song phương giữa hai chính phủ Việt Nam và Cộng hòa Pháp giai đoạn 2008-2011

Mục đích của luận án

Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano; khảo sát mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc và tính chất của vật liệu; đánh giá ảnh hưởng của điều kiện môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và

độ mặn) đối với sự biến đổi cấu trúc và tính chất cơ nhiệt của vật liệu

4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1 Nghiên cứu tổng hợp nhựa nền trên cơ sở phản ứng đóng rắn epoxy diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA) bằng amin thơm 4,4–diamino diphenyl metan (DDM)

2 Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu PC nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3 không biến tính và biến tính

bằng γ–amino propyl trimetoxy silan (γ–APS)

3 Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh không biến tính và biến

tính bằng γ–APS

4 Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3

(cả hai đều được biến tính bằng γ–APS)

5 Nghiên cứu tương tác bề mặt pha, mối tương quan giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu PC bằng sự kết hợp hai phương pháp phổ FT-IR và phép đo hằng số điện môi (HSĐM)

6 Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện môi trường (ánh sáng, nhiệt

độ, độ ẩm và độ mặn) đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất cơ nhiệt của vật liệu PC

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

Chế tạo PC chứa hạt áp điện kích thước nano và ứng dụng để khảo sát sự biến đổi tính chất của vật liệu trong môi trường khí hậu nhiệt đới là một hướng nghiên cứu mới trên thế giới, lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam

Trong thời gian nghiên cứu, các nội dung của luận án đã được hoàn thành với những kết quả chính như sau:

1 Đã nghiên cứu phản ứng đóng rắn epoxy DGEBA bằng amin thơm DDM với độ chuyển hóa >99%; vật liệu thu được có các tính chất hóa

lý ổn định, thích hợp làm nhựa nền cho PC gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3

2 Đã nghiên cứu chế tạo được PC nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3 và khảo sát tương tác bề mặt pha của chúng Kết quả đã làm sáng tỏ được rằng, sự hình thành liên kết hóa học giữa các hạt nano BaTiO3 ghép nối γ-APS với nhựa epoxy làm tăng HSĐM và độ bền cơ

nhiệt của vật liệu

3 Đã nghiên cứu chế tạo được PC nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy

tinh biến tính bằng γ-APS và khảo sát tương tác bề mặt pha giữa chúng

Kết quả cho thấy, sự hình thành liên kết hóa học giữa sợi thủy tinh ghép

nối γ-APS với nhựa epoxy làm tăng đáng kể độ bền cơ học của vật liệu

4 Đã nghiên cứu chế tạo được vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3 biến tính bằng γ-APS

và khảo sát có hệ thống tương tác pha giữa các thành phần trong vật liệu Kết quả cho thấy, sự hình thành liên kết hóa học giữa hạt nano BaTiO3, sợi thủy tinh ghép nối γ-APS với nhựa epoxy làm tăng HSĐM

và độ bền cơ nhiệt của vật liệu

5 Đã khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và độ muối) đối với cấu trúc, độ bền cơ nhiệt của vật liệu PC nền epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 bằng phổ IR và đo HSĐM Kết quả nghiên cứu cho thấy, một mặt, vật liệu

PC bị lão hóa do sự oxi hóa tạo ra các nhóm cacbonyl và quá trình này được kích thích bởi nhiệt độ và ánh sáng, đặc biệt là ánh áng UV; mặt khác, khi tiếp xúc với môi trường ẩm, hoặc có chứa muối, các phân tử nước và các ion kim loại đã xâm nhập gây trương nở, thay đổi các liên kết hóa học, làm biến dạng cấu trúc và giảm độ bền cơ nhiệt của PC

6 Lần đầu tiên đã nghiên cứu áp dụng phương pháp mới, kết hợp phổ hồng ngoại với đo hằng số điện môi để khảo sát PC nền epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano Kết quả thu được cho thấy, đây là phương pháp hiệu quả, có độ tin cậy cao

để khảo sát các tương tác bề mặt pha, đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo và môi trường đối với sự biến đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu PC

Kết quả nghiên cứu của luận án đã mở ra khả năng sử dụng PC chứa hạt

áp điện BaTiO3 kích thước nano làm cảm biến để theo dõi sự biến đổi tính chất của vật liệu sử dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như sơn máy bay, tàu biển, tàu vũ trụ

Cấu trúc của luận án: Luận án gồm phần mở đầu và ba chương,

chương I: Tổng quan tài liệu; chương II: Thực nghiệm; chương III: Kết quả và thảo luận Ngoài ra còn có phần kết luận và tài liệu tham khảo Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 135 trang, trong đó có

19 bảng, 122 hình và đồ thị, 156 tài liệu tham khảo Phần lớn kết quả của luận án đã được công bố trong 7 (3 bài báo, 4 báo cáo hội nghị) trong nước và quốc tế

“thông báo” sự biến đổi cấu trúc thông qua một số thông số hóa lý của chúng Đã có một số công trình công bố việc tổng hợp, đặc trưng tính chất của vật liệu PC chứa hạt áp điện PZT kích thước nano Tuy nhiên, vật liệu này không được ứng dụng rộng rãi vì khó kiểm soát quá trình tổng hợp và sự độc hại đối với người sử dụng Những kết quả nổi bật thuộc về vật liệu PC chứa hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano Kết quả nghiên cứu của Oikonomou và Ramjo cho thấy, BaTiO3

là vật liệu gốm áp điện có thể làm “cảm biến” sự biến dạng

Nhiều nhóm tác giả trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo vật liệu

PC nền polyanilin, polyimit, polymetylmetacrylat, epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano và khảo sát tính chất điện môi của chúng Bước đầu, các kết quả thu được cho thấy, hằng số điện môi chịu ảnh hưởng bởi thành phần và cấu trúc của vật liệu Tuy nhiên, do việc nghiên cứu chưa có hệ thống nên các kết quả khảo sát mối liên quan giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu chưa thống nhất Hơn nữa, cho đến gần đây vẫn chưa tìm được phương pháp có hiệu quả

để khảo sát tương tác bề mặt pha và ảnh hưởng của nó đối với độ bền của vật liệu Chưa thấy có tài liệu nghiên cứu về mối liên quan giữa biến đổi cấu trúc với tính chất điện môi của vật liệu PC dưới tác động của môi trường, đặc biệt là điều kiện khí hậu nhiệt đới

Trong công trình này đã nghiên cứu chế tạo PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3, nghiên cứu định lượng mối quan hệ giữa một số tính chất hóa lý (phổ FT-IR, HSĐM) với cấu trúc và độ bền cơ nhiệt của vật liệu dưới tác động của điều kiện môi trường nhiệt đới (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và độ mặn)

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Phần thực nghiệm bao gồm các nội dụng chính sau:

1 Chế tạo nhựa nền trên cơ sở phản ứng đóng rắn epoxy diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA) bằng amin thơm DDM

2 Biến tính bề mặt hạt BaTiO3 kích thước nano bằng γ–amino propyl trimetoxy silan (γ–APS)

3 Chê tạo PC nền epoxy gia cường hạt BaTiO3 biến tính bằng γ–APS

và đo một số tính chất hóa lý của chúng bằng phổ FT-IR, hệ đo tính chất điện môi RLC Master PM3550 và Dielectric Analyzer,

4 Chế tạo và khảo sát một số tính chất hóa lý của PC nền epoxy gia

cường sơi thủy tinh, biến tính và không biến tính γ–APS

5 Chế tạo và đặc trưng tính chất cơ nhiệt của PC nền epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3 biến tính và không biến

tính bằng γ–APS

6 Xử lý các mẫu PC nền epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 bằng ánh sáng UV, nhiệt độ, hơi ẩm, hơi ẩm chứa muối và đo tính chất cơ nhiệt của chúng

Các phương pháp đã sử dụng trong quá trình thực hiện luận án:

1 Các phương pháp hóa học: polyme hóa, phản ứng ghép, chiết…

2 Phương pháp ép nóng trong khuôn để chế tạo vật liệu PC

3 Các phương pháp vật lý và hóa lý đặc trưng tính chất:

- Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) khảo sát các quá trình hóa học xảy ra trong PC

- Phương pháp đo HSĐM khảo sát tính áp điện của PC

- Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), phân tích nhiệt (TGA) đo hiệu ứng nhiệt của PC

- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát sự phân bố các thành phần trong PC

- Phương pháp khảo sát cơ nhiệt động (DMA), thế Zeta và các phương pháp đo độ bền cơ học (độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập)

8

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nghiên cứu chế tạo nhựa nền hệ DGEBA/DDM (EP)

Nhựa nền được chế tạo trên cơ sở đóng rắn epoxy DGEBA bằng DDM Sự chuyển hóa trong quá trình đóng rắn xảy ra theo sơ đồ sau:

Có thể thấy trong qúa trình đóng rắn các nhóm epoxy trong DGEBA và NH2 trong DDM phản ứng với nhau và sinh ra nhóm OH Độ

chuyển hóa (α) là sự tiêu thụ các nhóm epoxy, phụ thuộc chủ yếu vào ba

yếu tố, một là, hệ số tỷ lượng giữa DDM và nhựa epoxy DGEBA, chính

xác là tỷ lệ (r) giữa số liên kết N-H trong DDM cần thiết để mở một vòng

epoxy trong DGEBA; hai là nhiệt độ, và ba là thời gian đóng rắn Độ chuyển hóa có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ nhiệt của vật liệu Để chế tạo được loại PC ổn định, đã nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện đóng

rắn để đạt α tối đa Ảnh huởng của các điều kiện đóng rắn đến α được

khảo sát bằng phổ FT-IR, dựa vào sự biến thiên cường độ pic đặc trưng cho nhóm epoxy tại 913 cm-1 (hình 3.4)

Hình 3.4 Phổ FT-IR của hệ EP

theo thời gian phản ứng

Hình 3.6 Độ chuyển hóa của hệ EP

với r thay đổi xác định bằng

phương pháp phồ FT-IR

Theo lý thuyết (xem sơ đồ đóng rắn (3-1) và (3-2)), để hệ EP có

α đạt 100%, chỉ cần dùng hàm lượng các cấu tử sao cho r = 1 Tuy

nhiên trên thực tế, khi phản ứng giữa amin và epoxy tiến triển sẽ có một số nhóm chức bị khóa, không thể tham gia ứng Kết quả khảo sát

sự chuyển hóa của các hệ EP với r biến thiên từ 0,5 đến 1,2, được đưa

ra trên hình 3.6 cho thấy, để α đạt > 99%, phải sử dụng hàm lượng DGEBA và DDM với r = 1,1

Độ chuyển hóa α còn phụ thuộc vào nhiệt độ Để có hệ EP đạt α

cao, quá trình đóng rắn phải tiến hành ở những nhiệt độ khác nhau,

trước và sau nhiệt độ thủy tinh hóa T g Đã xác định T g của hệ EP bằng phương pháp DSC của quá trình đóng rắn từ 30 đến 3000C Kết quả đo hiệu ứng nhiệt đưa ra trên hình 3.7a cho thấy, phản ứng đóng rắn bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ khoảng 450C, tốc độ phản ứng bắt đầu tăng nhanh ở khoảng 1100C và đạt cực đại ở khoảng 1700C Theo hình

3.7b, đã xác định được T g là 1500C

Hình 3.7 Đường DSC của hệ EP: quét lần 1(a); quét lần 2 (b) Dựa vào sự biến thiên của hiệu ứng nhiệt, đã chọn các nhiệt độ nhỏ

hơn và bằng T g là 900C, 110 0C, 130 0C và 1500C với r = 1,1 và thời gian

90 phút để khảo sát sự biến thiên của α Kết quả đưa ra trên hình 3.9 cho thấy, sau 30 phút phản ứng, α đạt lần lượt là 0,56; 0,68, 0,69 và 0,7

10

Hình 3.9 Độ chuyển hóa của hệ

EP tại 4 nhiệt độ theo phản ứng

Hình 3.10 Độ chuyển hóa của hệ

EP đóng rắn theo hai giai đoạn

Để hệ EP có α cao hơn, đã tiếp tục tiến hành đóng rắn ở nhiệt độ

sau nhiệt độ hóa thủy tinh 4 mẫu EP sau khi đã ủ 30 phút ở 1100C tiếp tục nâng nhiệt lên đến các nhiệt độ lần lượt là 1600C, 1700C, 1800C và

1900C, ủ trong 60 phút Kết quả đưa ra trên hình 3.10 cho thấy, α đạt

cực đại bằng 0,96 ở 1800C Đến 1900C, α lại giảm đi, có lẽ do việc

tăng nhiệt độ nhanh và liên tục, một số nhóm chức đã bị “bẫy” trong

mạng lưới, không kịp phản ứng, kết quả là α giảm

Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng tại 1800C đến α

Kết quả cho thấy, mẫu EP ủ 30 phút ở 1100C và ủ 3 giờ ở 1800C, α đã

tăng lên đến 0,98, tuy nhiên, vẫn chưa tối đa

Để đạt α cao và ổn định, đã thực hiện đóng rắn hệ EP ở ba nhiệt độ

500C, 1100C và 1800C Ở 500C ủ 30 phút, ở 1100C ủ 30 phút và ở 1800C

ủ 3 giờ Đã sử dụng đồng thời 3 phương pháp phổ FT-IR, DSC và phương pháp xác định hàm lượng phần gel nhờ trích ly bằng axeton trong

bộ dụng cụ Shoxlet để xác định α Kết quả, α đạt tối đa là 0,995

Như vậy, điều kiện đóng rắn thích hợp nhất để hệ EP đạt độ

chuyển hóa tối đa (α > 0,99) là: r = 1,1; chu trình đóng rắn theo ba giai

đoạn: 500C/30 phút, 1100C/30 phút, 1800C/180 phút

Kết quả khảo sát cho thấy HSĐM của EP là 2,9 tai f = 100 kHz

3.2 Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu PC

Vật liệu được chế tạo bằng cách phân tán các hạt nano BaTiO3

trong hệ EP Để sự phân tán được đồng đều, tạo liên kết hóa học nhiều