Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện có kích thước nano

b N ội dung nghiên cứu: Chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện.. - Chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy gia cường bàng sợi thúy t

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

* * * * * * * * *

ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO

MÃ SỐ: QT- 09-25

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: ThS PHAN THỊ TUYÉT MAI

5 Đ Ạ ĨH Ọ C Q U Ố C G IA H A N Ọ Ĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

•kjeft'k'k'k'k'kTk

ĐÈ TÀI NGHIÊN CÚL KIiOA IIỢC CÁP DẠI HỌC QLOC GIA HÀ NỌI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẶT LIỆU COMPOZIT CHỬA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO

MÃ SÒ: QT- 09-25

CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: ThS PHAN THỊ TUYÉT MAI

ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUNG TAM ĨHONG tin 1HƯ VIỆN

QOOéữOQOO f 9

1) Tên đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện có kích thước nano”

M ã số: QT-09-252) C hủ trì: ThS Phan Thi Tuyết Mai

3) Người tham gia: CN: Vũ Thị Hải Ninh

4) Mục đích và nội dung nghiên cứu

a) M ục đích: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp

điện có kích thước nano sứ dụng làm vật liệu tự cảm biến

b) N ội dung nghiên cứu: Chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy gia

cường bằng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu thu được bằng phương pháp vật lý và hóa lý

- Chê tạơ vật liệu compozil nên nhựa cpox> cỏ chứa các hạt áp diện nano

B aT i0 3 Khảo sát tính chất n h iệ t điện môi cua vật liệu

- Ghép hạt áp điện nano BaTiOa lên bề mặt sợi thủy tinh

- Chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy gia cường bàng sợi thúy tinh

có chứa hạt áp điện nano B aT i03 , Khảo sát tính chất cơ học tính chất nhiệt và điện môi

5) Ket quả thu được:

a) N ội dung khoa học:

- Đã ghép thành công chất ghép nối silan lên bề mặt hạt áp điện nano BaTiOv

Đã tìm được tv lệ và điêu kiện tôi ưu cho phản ứng đóns ran nhụa epoxv với chát dóna răn DDM

Cụ thê: Ớ tv lệ phần khối lượng epoxv/DDM 100/23 Điều kiện nhiệt độ là 50°c trong 30 phút; 110°c trone 30 phút: 18()"c trorm 180 phút

- Đã tìm được tỷ lệ sợi thủy tinh gia cường tối ưu là 50% khối lượng

- Đã tìm được tỷ lệ hạt nano phân tán trong nhựa nền epoxy tối ưu là 5% khối lượng

bề mặt sợi thủy tinh, cụ thể là: Tốc độ nhúng lOmm/phút, thời gian nhúng là 10 phút, nồng độ hạt là 20mgBaTiCVinl etanol.

- Đã chế tạo được compozit nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh có chứa hạt nano BaTiƠ3

b) Báo cáo hội nghị khoa học:

P han Thi T uyet M ai, Lưu Văn Boi, Nguven Xuan Hoan, Ho Thi Anh

Pham Due Thang, Pascal Carriere Influence o f surface properties o f BaTiOỉ

particles on the dielectric behavior o f B a llOỰepoxy nanocomposites Poster

International Symposium on Nano-Materials, Technology and Applications,

HaNoi, 14-16 October 2009

c) K ết quả đào tạo:

Hỗ trợ đào tạo một học viên Cao học “ÉTUDE DE SYNTHÈSE ET

PROPRIÉTÉS DE COMPOSITES RENFORCES PAR DES FIBRES DE VERRE EN

PRESENCE DE PARTICƯLES PIÉZOÉLECTRIQUES DE BaTi03

Học viên Cao học: Vũ Thị H ải Ninh- Chương trình đào tạo thạc sỹ phối

họp giữa Trường đại học Toulon với Trường Đại học Khoa học Tự nhiên:

PGS TSKH Lưu Văn Bôi ThS Phan Thị Tuyết Mai

CO QUAN CHU TRÌ ĐẼ TÀI

wl^u T^ NG

1 Reaserching Project: "Study on Preparation o f composite material

piezoelectric nano particles "

Code: QT-09-25

2 H ead o f Subject: M.Sc Phan Thi Tuyet Mai

3 Participants: B.Sc: Vu thi Hai Ninh

4 Purpose and content o f research:

a Purpose: Study on Preparation o f composite material piezoelectric

nano particles, using it as sensors (smart m aterials).

b Content: Study on Preparation o f composite material piezoelectric

nano particles, using it as sensors Reseach characteristic o f properties by physic chemistry method

Detail:

s Preparation o f composite material based on epoxy resin reinforced by

glass fiber Res

s Grafted silane coupling agent y-APS on nanoBa 11O3 s 11.'face

s Preparation o f nanocomposite material nanoBaTiCVepoxy.

s Grafted nanoB aT i03 particles on glass fibers by dipcoating method

s Preparation o f composite material based on nanoBaTi03 epoxy resin

reinforced by glass fiber.

5 The obtained results

a The main results in science and technology

s Grafted silane coupling agent y-APS on nanoBaTiOl surface

Determined by FTIR and TGA

s Determined processing condition o f cured epoxy with curing agent

DDM: 50°c in 30 min; 110°c in 30 min; 180°c in 180 min

s Determined best radio glass fiber reinforced is 50%wt.

s Grafted nanoB aT i03 particles on glass fiber surface Observed by SEM

s Determined best radio nanoB aT i03 dispersed in epoxy resin is 50%wt

Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

bề mặt pha ba chiều Sự biến dạng này có thể đo được trực tiếp bằng cách đưa vào hệ các hạt áp điện có kích thước nano như những trung tâm cảm biến Từ đó tạo cơ sở dễ dàng điều chỉnh thành phần vật liệu nhằm tạo ra các loại polyme compozit bền vững trong môi trường ăn mòn và khí hậu nóng ấm Việt Nam là một quốc gia nhiệt đới, khí hậu nóng và ẩm Đặc điếm khí hậu này ảnh hưởng lớn đến độ bền của vật liệu nói chung và vật liệu polyme compozit nói riêng Polyme compozit là lựa chọn tốt nhất đe sán xuất vật liệu cho mọi công trình dân sinh và quốc phòng trong tương lai Do đó việc chế tạo, nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất cơ nhiệt, độ bền kết dính của vật liệu compozit sử dụng trong môi trường nóng ẩm, môi trường dễ bị ăn mòn như nước biển là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất cấp thiết

Đe thực hiện được ý tưởng trên trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành

“Nghiên cứu chê tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện có kích thước nano”

1

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

MỤC LỤC

MỞ ĐẦ U 1

CHƯƠNG I TỒNG QUAN VÈ VẬT LIỆU POLYME CO M PO ZIT 5

1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT (PC) 5

1.1.1 Lịch sử phát triển 5

1.1.2 Khái niệm về vật liệu PC 5

1.1.3 Thành phần của vật liệu PC 5

1.1.3.1 Nhựa nền epoxy 6

1.1.3.1.1 Nhựa nhiệt rắn .6

1.1.3.1.2 Nhựa nhiệt dẻo 8

1.1.3.2 Chất gia cường 7

1.1.3.2.1 Chất gia cường dạng sợi 9

1.1.3.2.2 Chất gia cường dạng bột 9

1.1.4 Đặc điểm, tính chất của vật liệu PC 10

1.1.4.1 Đ ặc điểm 10

L 1.4.2 Tính chất 1 0 1.1.5 Các phương pháp gia công .,10

1.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC 11

I.2.VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN N H ự A EPOXY GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN N A NO 12

1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài n ư ớ c 12

1.2.3.Thành phần 14

1.2.3.ỉ.N h ự a nền e p o x y 14

1.2.3.2.Chẩt đóng ran nhựa epoxy 15

1.2.3.3.Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy 16

1.2.3.4.Đặc điểm của nhựa epoxy 17

I.2.4.Sợi thủy tinh 17

1,2.5, Vật liệu perovskite B ơ T ì O ị 18

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 21 II 1 NGUYÊN LIỆU ĐÀU 21

11.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO POLYME COM POZIT 21

11.2.1.Phản ứng ghép silan lên bề mặt hạt nanoBaTiOs 22

11.2.2.Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh 22

11.2.3 Vật liệu PC nền nhựa epoxy chứa hạt nanoB aT i03 22

11.2.4.Ghép hạt nanoB aT i03 lên bề mặt sợi thủy tinh 22

11.2.5 Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt nanoB aT i03 23

II 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN TÍNH CHÁT CỦA VẬT LIỆU PC 23

11.3.1 Độ bền kéo 23

11.3.2 Độ bền uốn 23

11.3.3 Khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu 24

11.3.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 24

11.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA 24

11.3.6 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC 24

11.3.7 Phương pháp đo hằng số điện môi DEA 24

CHƯƠNG III KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

III 1.CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN N H ự A EPOXY GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH 25

III 1.1 Nen polyme và chế độ gia công 25

III 1.2.Tính chất cơ học của compozit nền nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh 26

111.2.CHÉ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN N H ự A EPOXY CHỨA HẠT NANO - BaTiOj 27

III.2 ỉ Ghép silan lên bề mặt hạt nano- B aT i0 3 27

111.2.1.1 Đặc trưng phổ hồng ngoại FTIR 27

111.2.1.2 Phân tích nhiệt TGA 29

111.2.2 Vật liệu composit nền nhựa epoxy chứa hạt áp điện nano B a T i0 3 30

3

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

111.2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nanơ đến khả năng phần tán trong

nền nhựa epoxy 31

111.2.2.2 Anh hưởng của sự biến tính bề mặt bằng hợp chắl y-APS đen phản ứng đóng rắn của hệ compozit nơ no Ba TiOj/epoxy 31

111.2.2.3 Anh hưởng của sự biến tính bể mặt hạt nano BaTiOỉ bâng hợp chai ghép noi y-APS đến độ chuyến h ó a 34

111.2.2.4 Tính chât nhiệt cùa vật liệu co m p o zit 36

111.2.2.5 Tỉnh chắt điện môi của vật liệu compozit 37

III.3 CHÉ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN N H ự A EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY TINH CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC N A N O 38

111.3.1 Ghép hạt áp điện nano B aT i03 lên bề mặt sợi thủy tinh 38

111.3.2 Nghiên cứu chế tạo composit nền nhựa epoxy gia cường bàng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện nano B aT i03 .39

111.3.2.1 Tính chất cơ học .39

111.3.2.2 Tỉnh chất n h iệ t 40

III.3.2.3 Tịnh chất điện m ô i 40

CHƯƠNG IV KÉT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

Báo cáo nghiệm thu để tài cấp ĐHQG - QT-09-25

CHƯƠNG I TỐNG QUAN VÈ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

1.1 LÝ THUYẾT CHƯNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

1.1.1 Lịch sử phát triển.

Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành nền văn minh của nhân loại [1] Nhưng việc chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) mới được thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây Mục đích chế tạo vật liệu

PC là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có được Như vậy, có thê chế tạo vật liệu compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thê đáp ứng được các yêu cầu đoi với vật liệu

1.1.2 Khái niệm về vật liệu PC.

Vật liệu PC là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là polyme Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác vật liệu PC được phân thành các loại [2]:

- Vật liệu có phụ gia phân tán

- Vật liệu được gia cường bằng sợi ngắn

- Vật liệu được gia cườna bàng sợi liên tục

5

Báo cáo nghiệm thu để tải cấp ĐHQG - QT-09-25

Đối với vật liệu PC, khả năng liên kết của các thành phần với nhau là rất quan trọng Vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết với nhau càng chặt

chẽ.

1.1.3.1 Nhựa nền.

Nhựa nền là pha liên tục, đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử gia cường thành một khối compozit thống nhất, che phú, bảo vệ tránh tác động của môi trường bên ngoài đồng thời truyền ứng suất lên chúng Không những thế, nhựa nền còn tạo khả năng để gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo thiết kế

Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà còn đến các đặc tính sử dụng của compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lượng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trường bên ngoài Do vậy, nhựa nền cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được sự kết hợp về hoá học với vật liệu gia cường

- Có khả năng biển dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy

1.1.3.1.1 Nhựa nhiệt ran

Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóna, (có hoặc không có xúc tác) Sản phẩm sau đóng ran có cấu trúc không gian không

Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

thuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hoà tan Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo

Một số nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy

a Nhựa phenolfomandehyt.

Nhựa phenolfomandehyt (phenolic) là nhựa nhiệt ran thuộc loại lâu đời nhất và được hình thành từ phản ứng trùng ngưng của phenol với fomandehyt Nhựa này có tính chống cháy rất tốt, tính dẫn nhiệt thấp và tính cách điện rât cao nên được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau Tuy nhiên, khả năng chịu bazơ không tốt Mức độ co ngót của nhựa phenolic khi đóng ran khoảng 8-^10%

b Nhựa polyeste không no.

Polyeste không no (PEKN) là một trong những loại polyme quan trọng nhất của vật liệu polyme compozit Nhựa này được biết đến từ những năm 1936 và được điều chế từ phản ứng este hoá các dicacboxylic axit không no với các diol thấp phân tử Ngay từ khi ra đời nhựa PHKN đã có ứng dụne rộng rãi trong vật liệu PC có chất lượng trung bình bới các đặc tính tôt như: khối lượng nhẹ có khả năng đóng rắn ngay ở nhiệt độ thường nhưng có nhược điểm là độ co ngót lớn (4-^7% về thể tích) và khả năng chịu môi trường hoá chất không cao [4],

c Nhựa epoxy.

Nhựa epoxv được chế tạo từ năm 1938 và ngàv nay chu yếu được sử dụne làm nhựa nền cho vật liệu PC chất lượng cao Nhựa này được hình thành từ phản ứng ngưng tụ epyclohydrin và polyhydroxyl Trạng thái tồn tại của nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng ran tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử Trước khi đóng rắn nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trờ thành nhiệt răn sau khi đã xảy ra phản ứna khâu mạch với các chất đórm rẳn chất đóng rắn ờ đây có thể là amin mạch thãng, amin thơm và các anhydrit Do đó

7

Báo cáo nghiệm thu đế tài cấp ĐHQG - QT-09-25

tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại chât đóng rắn nào Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hoá chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no Đặc biệt độ co ngót của nhựa này

rất nhỏ: 0,25+2% [4, 5].

1.1.3.1.2 Nhựa nhiệt dẻo [5]

Compozit nền nhựa nhiệt dẻo 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 nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá

trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ 2

Nhược điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được

nhiệt độ cao Tuy nhiên, nền poỉyme nhiệt déo đang được quan tâm nghiên cứu

do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng Hiện tại chúng chưa được ứng dụng nhiều như nhựa nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn

Một số nhựa nhiệt dẻo thường được dùng làm nền cho compozit: polyetylen, polypropylen

1.1.3.2 Chất gia cường.

Chất gia cường đóng vai trò chịu ứng suất tập chung trong vật liệu, làm tăng đáng kê độ bền của vật liệu, c ấ u trúc, hàm lượna hình dáne và kích thước, tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng eia công của vật liệu Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất hoá học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường Liên kết bền được tạo thành khi giữa chất gia cườnẹ và nền polyme xuất hiện những liên kết hoá học hay lực bám dính [3],

Báo cáo nghiệm thu để tài cấp ĐHQG - QT-09-25

Trong vật liệu compozit xét về mặt sắp xểp thì chất gia cường phân bô không liên tục v ề mặt bản chất, chất gia cường có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo Hình dáng, kích thước, hàm lượng

và sự phân bổ của chất gia cường là những yếu tố có ánh hường mạnh đến tính chất của compozit [3]

Sự định hướng của sợi gia cường trong vật liệu compozit là một yêu tô rât quan trọng trong thiết kế vật liệu compozit nhàm đạt những tính chất mong muốn Một số ứng dụng chỉ yêu cầu độ bền cao theo một hướng, số khác lại đòi hỏi vật liệu có độ bền cao theo nhiều hướng khác nhau Một trong những ưu điểm của vật liệu compozit là với phương pháp gia công thích hợp bằng việc điều chỉnh hướng sợi có thể điều chỉnh được tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá trị tối ưu theo một hướng hay nhiều hướng như yêu cầu [6]

Hiện nay, đê giảm thiêu ô nhiêm môi trường, các loại chât gia cường dạng

tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm Rất nhiều các loại sợi tự nhiên được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử tý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngô tre g ồ [7],

Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi

1.1.3.2.1 Chất gia cường dạng sợi

Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có

độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi Để sử dụng làm chất gia cường sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao tý trọn£ thấp V ật liệu PC gia cường băng sợi lai tạo là loại vật liệu mới trona đó chất eia cường gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác nhau So với PC gia cườna bằng sợi thông thường, PC gia cường bàng sợi lai tạo kết hợp được nhiều tính chất của các loại sợi nên có các đặc tính tương đối tốt

9

Báo cáo nghiệm thu đế tải cấp ĐHQG - QT-09-25

Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải ) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, m at ) Một số cốt dạng sợi thường được

sử dụng: sợi cac bon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sơi tre, sợi d ừ a

1.1.3.2.2 Chất gia cường dạng bột.

Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trò chất gia cường, vừa đóng vai trò chất độn Bản chất hoá học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa bề mặt hạt và nền quyết định khả năng gia cường của chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá, quang Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều phân tán tốt

có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp

và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước

1.1.4.2 Tính ch ấ t

Tính chất của vật liệu PC chính là sự tổ hợp tính chất của các thành phần khác nhau có mặt trong vật liệu Tuy nhiên tính chất của compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các cấu tử thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG — QT-09-25

Mặc dù nhẹ, bền, chịu môi trường tốt, dễ lắp ráp và thuộc loại vật liệu

“mềm dẻo” nhưng tính chịu nhiệt vẫn là yếu điểm cúa vật liệu PC so với kim loại hay gốm [2]

1.1.5 Các phương pháp gia công.

Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu Các thông số của quá trình gia công như: áp suất, nhiệt độ cũng như thời điêm gia nhiệt là rất quan trọng đối với từng loại vật liệu

Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép bàng tay, ép nóng trong khuôn, đúc kéo, quấn

1.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC.

Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC là hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp cho đến những chi tiết và kết cấu phức tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu

vũ trụ Những ứng dụng quan trọng của vật liệu PC có thể quy về bốn lĩnh vực chính sau:

- Việc dùng vật liệu PC trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thôngtrên mặt đất đã đem lại những hiệu quả: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiênliệu, giảm chi phí sản xuất, tăng độ chịu ăn m ò n

- Vật liệu PC được sử dụng cho các kết cấu: boong tàu cột buồm, thùngchứa, p h a o trong công nehiệp đóng tàu đản dụna hav quân sự do chủng phối hợp được nhiều tính chất đặc biệt: độ bền riêng lớn tuổi thọ cao, bền hoá, cách điện, độ dẫn nhiệt th ấp

- Sử dụng vật liệu PC trong chế tạo máy bay và tàu vũ trụ có ưu điểm chính: hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm được tiêu hao năng lượng, tăng khối lượna vận chuyến và tầm bay xa

11

Báo cáo nghiệm thu đế tài cấp ĐHQG - QT-09-25

- Trong các công trình xây dựng, vật liệu PC được sử dụng khá rộng rãi đê

làm các mái nhà vòm có kết cấu và kích thước khác nhau Ở Việt nam, từ năm 1995 đã chế tạo được các nhà vòm bằng vật liệu PC để bảo vệ máy bay chiến đấu [2],

1.2 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT NỀN N H ựA EPOXY GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN CÓ KÍCH THƯỚC NANO

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay ở Việt Nam tại các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu như Viện nghiên cứu về khoa học vật liệu (ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội), khoa Vật lý kĩ thuật và Công nghệ nano (Trường ĐH Công nghệ, ĐHQG

Hà Nội), Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Khoa hóa học thuộc trường

ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã có nhiều nghiên cứu chế tạo vật liệu

áp điện ở dạng màng mỏng, dạng hạt nano, nhưng chủ yếu để sử dụng trong các

hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems-MEMS), các thiết bị

mô phỏng sinh h ọ c .Việc đưa hạt áp điện vào như các trung tâm cảm biên trong nền một vật liệu khác đến nay gân như chưa được nghiên cứu

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay vật liệu polyme compozit được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trong lĩnh vực sử dụng như các vật liệu chức năng (functional material) hay vật liệu thông minh (smart material) Các vật liệu này kết họrp tính mềm dẻo của nền polyme với các tính chất đặc trưng của chất độn Ví dụ như compozit của polyme với các chất độn dẫn điện như sợi cacbon [9-10] có thể được sử dụng làm các vật liệu cảm biển biến dạng, cảm biến nứt gãy hay cảm biến nhiệt độ Việc tạo nên các vật liệu có khả năng tự cảm biến này sẽ làm giảm thiểu việc phải sử dụng các sensor để đánh giá hoặc đo các tính chất của vật liệu Nhờ đó

có thể giảm được chi phí sử dụne, đồng thời lại có thê tãne cường được độ bền của vật liệu, đặc biệt là độ bền cơ học Các vật liệu có khả năng tự cảm biến như trên được xếp vào loại vật liệu thông minh, dựa trên khả năng tự cảm nhận và đáp ứng lại một tác động nào đó, tương tự như cơ thể con người Vật liệu thông

Báo cảo nghiệm thu đề tải câp ĐHQG - QT-09-25

minh có một số nét chung là nhạy cảm với một số tham biến cúa môi trường như nhiệt độ, độ truyền nhiệt, truyền điện, truyền âm thanh, phản xạ v à chúng có khả năng phản ứng với các tham biến đó, do vậy có được một tổ hợp thiết bị dò tìm, ghi nhận sự thay đổi của môi trường hay đặc tính của vật liệu, một hệ thống

xử lý dữ liệu cho phép tạo ra phản ứng ở vật liệu

Vật liệu gốm áp điện từ trước đến nay vẫn được xem là các sensor đo biến dạng rất tốt Tuy nhiên do độ cứng và độ giòn cao, khi các sensor làm bàng vật liệu này được gắn trên bề mặt các vật liệu như polyme sẽ tạo ra sự không tương thích và làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học của toàn hệ và do đó sẽ làm giảm

độ chính xác của phép đo Một giải pháp được đưa ra là đưa vật liệu áp điện này vào trong long vật liệu cần đo (polyme) Các compozit này vừa giữ được khả năng cám biến của vật liệu áp điện vừa đảm bảo được tính tương thích với nền vật liệu xung quanh [16]

Có nhiều cách đe tạo compozit giữa polyme và vật liệu áp điện Vật liệu áp điện có thể được đưa vào dưới dạng sợi, dạng thanh (độ nối kết 1-3) hoặc dạng hạt (độ nối kết 0-3) phân bổ trong nền polyme Tuy dạng 1-3 có tính chất áp điện tốt hơn, nhưng quy trình chế tạo lại phức tạp và đắt tiền Dạng 0-3 ngược lại dễ tạo hơn, có chi phí thấp hơn và dễ tạo thành dạng màng móng hơn Để tăng cường sự kết dính aiữa các hạt áp điện với polyme, cần phái cùng các tác nhân xử lý bề mặt ví dụ như các tác nhân tạo liên kết (coupling agent) đế chức hóa các hạt áp điện hoặc các chất hoạt động bề mặt để chống sự kểt tụ của các hạt áp điện Các chất hoạt động bề mặt được dùng có thể là phosphat este và các tác nhân tạo liên kết có thể là các hợp chất silan như KH550[9], APTS (3-

amino-propyl-triethoxysilane)[18]

Đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ áp điện/polymer compozit đế ứng dụng làm các thiết bị nghe dưới nước (hydrophone), vật liệu phát sóng âm (acoustic emission), trong các thiết bị y tế như đầu đò siêu âm [19-20], Nhưng việc biến các vật liệu này thành các sensor đê đánh ẹiá quá trình lão hóa cua chính vật liệu, từ đó đ ư a ra các giải ph áp ngăn chặn v à khăc phục là m ột V tư ơ n g tươns.

Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

đối mới, không chỉ có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ vật liệu mà còn có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu điều chỉnh và tạo ra các tính chât tôt cho vật liệu

Cho đến nay, vật liệu polyme compozit chứa các hạt B aT i03 được sử dụng làm các trung tâm cảm biến mới chỉ có một vài nhóm tác giả trên thế giới quan tâm nghiên cứu trên cơ sở nền polyamide, nhựa epoxy, hay eompozit sợi thủy tinh/epoxy, PVDF, P(VDF-TrFE) copolymer [11,12,21,22] Các kết quả khoa học chỉ tập trung nghiên cứu đưa ra các tham số liên quan đến tính chất điện môi khi đưa các hạt áp điện vào sử dụng trên các nền polymer [13,14,15], Đây là một tham số quan trọng nhất trong quá tình nghiên cứu đưa các hạt áp điện vào sử dụng trên nền polymer compozit làm các trung tâm cảm biến Chính vì thế, các thông số nghiên cứu sự biến đổi các tính chất cơ lý của polymer khi đưa các hạt

áp điện vào làm trung tâm cảm biến chưa được cône bố một cách chính thức.1.2.3 THÀNH PHẦN

1.2.3.1 Nhựa nền epoxy.

Nhựa epoxy được chế tạo từ năm 1938 và ngày nay chủ yếu được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu PC chất lượng cao Nhựa này được hình thành từ phản ứng ngưng tụ epyclohydrin và polyhydroxyl Trạng thái tồn tại của nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhót đến dạng rắn tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử Trước khi đóng rắn, nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trở thành nhiệt rắn sau khi đã xảy ra phản ứng khâu mạch với các chất đóng rắn Chất đóng rắn ở đây có thể là amin mạch thăng, amin thom và các anhydrit Do

đó, tính chất của nhựa epoxy thay đôi rất lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại chất đóng ran nào Epoxy có độ bền cao chịu môi trườna hoá chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tôt hơn hăn polyeste không no Đặc biệt độ co ngót của nhựa này rất nhỏ: 0,25^2% [23,24]

Khoảng 25 năm trở lại đây sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng từ

30000 tấn/ năm lên 1 triệu tấn/ năm Epoxy - dian chiếm 90-92% tổng sản lượng

Báo cáo nghiệm thu dề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

epoxy Khoảng 25% trong số đó được dùng làm chất kết dính cho vật liệu compozit độ bền cao

Nhựa epoxy - dian được tạo thành từ phản ứng ngưng tụ dị thê giữa epiclohidrin (EP) và diphenylol propan (bis phenol A), đó là các phản ứng nôi tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2,3,4 Công thức tông quát của nhựa epoxy đian có dạng:

1.2.3.2 Chất đóng rắn nhựa epoxy

Chất đónz rắn amin thơm

Chất đóng rắn amin thơm ỉà chất đóng ran có họat tính thấp nhất trong các chất đóng rắn amin, do đó chi đóng rắn ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài Quá trình đóng rắn xảy ra rất chậm và chỉ có khả năng xảy ra ở nhiệt độ cao Nhựa epoxv đóng răn băng amin thơm có nhiệt độ hóa thuy tinh và độ bên hóa chất rất cao Khi đóng rắn ở nhiệt độ cao thì màng sơn chịu nhiệt, bền cơ học và cách điện tốt hơn là đóng rắn bằng amin mạch thẳng ở nhiệt độ thường

Các chất đóng rắn amin thơm quan trọng gom có: m - phenylendiamin (MPD); 4,4 -diaminodiphenylmetan (DDM); 4,4 - diaminodiphenylsunfon (DDS)

Ở nhiệt độ thường, các amin thơm này đều ở dạng rắn có nhiệt độ nóng chảy khá cao nên khó trộn hợp với nhựa epoxy (MPD có Tnc bằng 63°C; DDM

có Tnc khoảng 90°C; DDS có Tnc bằng 170-180°C)

Do có tính bazơ thấp hơn amin thắng, ở nhiệt độ thường phản ứng đóng rắn epoxy - amin thơm xảy ra rất chậm, hầu như không có sự tòa nhiệt và chi tiêu hao 30% nhóm epoxy Ở trạng thái này hỗn họp dạng rắn có khá năng bị hòa tan, chảy mềm và duy trì được 4 tuần Tuy nhiên phán ứng có thê được xúc tiến bởi các ancol phenol, axit Lewis (BF3) bazơ Mannich và octoat thiếc Phản ứng đóng răn epoxỵ băng amin thơm chi xảy ra hòan toàn ở nhiệt độ cao, cao hơn nhiệt độ hóa thủy tinh của hệ epoxy - amin thơm

15

Báo cáo nghiệm thu đé tài cấp ĐHQG - QT-09-25

Khi đóng rắn bằng amin thơm, nhựa epoxy có nhiều ưu điêm hơn so với amin thẳng:

- Có thời gian sống dài hơn (ở nhiệt độ thường)

- Có tính chất cơ lý cao hơn

- Độ bền hóa chất trội hơn hẳn

- Đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao hơn, nói cách khác là có nhiệt độ Tg cao

Đặc điểm của nhựa epoxy đóns rắn với P P M

Vật liệu ép đúc từ nhựa epoxy và DDM có độ bền cơ học cao, khả năng duy tri tính cách điện ở độ ẩm cao nên được sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử

I.2.3.3 Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy

Phản ứng đóng ran nhựa epoxy là một phản ứng cộng, do đó lượng chấtđóng rắn phải được tính toán chính xác Lượng đóns rắn thừa hoặc thiếu sẽ chomàng đóng răn không tôt, với tính chát cơ lý kém, chịu dung môi yếu

Trong thực tế, lượng chất đóng rắn dùng thường gần đúng, Khi lượng amin hơi thừa màng sẽ chịu nước và dung môi kém nhất, nếu lượng chất đóng rắn hơi thiếu thời gian sống sẽ dài hơn Nhìn chung nhóm epoxy thừa ít nguy hiểm hơn

là thừa nhóm amin

Nhóm epoxy rất nhạy với các chất có chứa hiđro hoạt tính ở nhiệt độ thường như amin a x ii phenol và tiol Các chất này mở vòng epoxy tạo thành nhóm hiđroxyl, nhóm này có thể phản ứng với các nhóm epoxy khác

Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ biến nhất và đươc ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy Phản ứng đóng rắn bằng amin có thể có hoặc không có xúc tác

Trong đa số trường họp, phản ứng xảy ra không có xúc tác nhờ nguyên tứ hydro linh đông ở nhóm amin cộng hợp vào oxy epoxy tạo thành nhóm hydroxyl bậc 2

Amin bậc 2 mới hình thành này có khả năng phản ứng tiếp tục với nhóm epoxy khác

0H

Báo cáo nghiệm thu đẻ tài cấp ĐHQG - QT-09-25

Tùy từng điều kiện, các amin bậc 3 có thể khởi đầu trùng hợp nhựa epoxy Các nhóm hydroxyl bậc 2, ở nhiệt độ thường không phản ứng với nhóm epoxy nhưng cố thể xúc tiến đáng kể phản ứng giữa amin và nhóm epoxy

Phản ứng giữa amin và epoxy là phản ứng không xúc tác

Song song với phản ứng epoxy - amin xảy ra phán ứng ete hóa giữa nhóm epoxy và nhóm hydroxyl trong sản phẩm trong một sổ điều kiện nhât định:

1.2.3.4 Đặc điểm của nhựa epoxy [25,26,27],

ưu điểm

Nhựa epoxy có rất nhiều ưu điếm và được sử dụng rộng rãi đế chế tạo compozit có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại chất gia cường, tiện lợi khi xứ lý công nahệ, tạo dáng các kết cấu và có thẻ eiữ lâu ớ trạng thái chưa đóng rắn nên thuận lợi cho việc chế tạo kết cấu compozit và các bán thành phẩm Quá trình đóng rắn nhựa epoxy có dải nhiệt độ rộng và không kéo theoviệc thoát ra các chất dễ bay hơi, độ co ngót thấp, bền với tác động của nhiềuloại dung môi và những môi trường độc hại, độ hút âm thấp

Nhươc điêm

Nhược điểm của nhựa epoxy là chịu nhiệt tương đối thấp Đặc trưng cơ học của nhựa epoxy bị giảm đi rất nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuv tinh của polyme

1.2.4 Sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đườne kính nhó vài chục micromét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điếm của thúy tinh khối như: aiòn dề nút 2,ãy mà trờ nén có nhiều ưu điếm cơ học hơn Thành phân của thủy tinh dệt có thê chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, m agiê Tạo ra các loại sợi thúy tinh khác nhau như: Sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh c (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thúy tinh s (độ bên cơ học cao) Loại sợi thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiêm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt

17 ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘM

TRUNG TAM t h õ n g tin ĨHƯ v ệ n

0 0 0 6 0 0 0 0 0 ^ 3

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

1.2.5 Vật liệu perovskite BaTi0 3

Cẩu trúc văt liêu BaTiOí m —■ rj_

Một trong các hợp chất quan trọng của nhóm perovskite là BaTiCV Đây

là chất áp điện đầu tiên thu được dưới dạng gốm và có hàng sổ điện môi lớn nên được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các điện trở nhiệt, và các thiết bị quang điện [2 0]

Bari titanat có hai dạng thù hình chính Dạng lục phương không có tính áp

điện (nhóm đôi xứne PAmm a - 3.994 Ả c =4.034 Ả) và dạng lập phương có tính áp điện (nhóm đối xứng Pni-3m a = 4.0177 Ấ) Tuỳ thuộc vào điều kiện

tổng họp mà có thể thu được các dạng cấu trúc khác nhau của perovskite

B aT i03

Một điều đặc biệt nữa là cấu trúc perovskite có thể tạo thành dung dịch rắn thay thế với nhau trong một giới hạn rất lớn Ví dụ: P b T i0 3, S rT i03, BaZrƠ3, BaSnƠ3 KNbOí, có thể tạo thành dãy dung dịch rắn không hạn chế với BaTi0 3- Sự thay thế Ba2+, Ti4+ trong bari titanat bằng các cation hoá trị hai và bằng Zr4+ có thể cải thiện nhiều tính chất vật lý của gốm áp điện bari titanat Gốm PZT (P b Z r0 3) là một loại dung dịch rắn như vậy Ở đây Pb2+ thay thế Ba còn Zr4+ thay thế Ti4+ [21]

Báo cáo nghiệm thu dề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

Electrical C u rre n t O ff Electrical C u rre n t O n

Hình 3 Hiệu ứng áp điện thuận Sự biến dạng dưới tác động của điện trường

Các vật liệu áp điện đều có chung một đặc điểm là có cấu trúc bất đối xứng Hiệu ứng áp điện có thể thấy trong các vật liệu vô cơ như thạch anh (S1O2), BaTiÓ3, PZT, oxit kẽm, (ZnO), nhôm nitrid (A1N), hay trong các vật liệu hữu cơ như polyvinilydene difluoride ((CH2F2)n hay PVFi) và thậm chí trong các đối tượng sinh học như tóc và xương

ử n s duns của vât liêu BaTiOĩ

Các vật liệu BaTiƠ3 PZT, ZnO là các vật liệu áp điện được sử dụng phố biến nhất Dựa vào hiệu ứng thuận và nghịch của các vật liệu áp điện, người ta

có thể chế tạo ra các cảm biến dùng trong nhiều lĩnh vực như: cảm biển thu phát sóng siêu âm trong các máy dò độ sâu sông biên, dò khuyêt tật trong kim loại và

bê tông, máy liên lạc trong các tàu ngầm, máy phát điện và xác định tọa độ của các đối tượng di chuyến trong nước, các thiết bị khám và điều trị bệnh, các ngòi

nổ áp điện, dùng làm các bộ lọc tần số trong vô tuyến, bộ nhớ trong các máy tính Ngoài ra, hiện tượng áp điện còn được ứng dụng rộng rãi đê phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như trong bật lửa các cảm biến, máy siêu âm bộ phận phun mực in trong máy in, động cơ p iezo

Vật liệu BaTiƠ3 được sử dụng trong nhiều ứng dụng dân dụng Dựa vàotrạng thái tồn tại cúa vật liệu, chúng ta có thể chia ra làm hai nhóm chính: vật liệu dạng bột và vật liệu dạng lớp màna mong

a) Dưới dang bôt

Do sự phát triển của kỹ thuật tông họp vật liệu và yêu cầu thực tiễn, các hạt

B aT i03 được tổng hợp với kích thước hạt ngày càng nhỏ, cho đến nay nó đã đạt được đến kích cỡ khoảng chục nanomet Nó làm đối tượng đê sản xuất các lớp mỏng để chế tạo các thiết bị điện tử, điện tử hiệu năne cao Hạt áp điện BaTiOj

ở kích cỡ nanomet được phân tán trone nền polime đê chế tạo các sensơ cảm

19

Báo cáo nghiệm thu đề tải cấp ĐHQG - QT-09-25

biến nhiệt hoặc khí Với loại hạt có kích cỡ mao quản trung bình (mesoporeous)

nó còn được sử dụng để làm vật liệu xúc tác

b) Dưới dang lớp mỏng

Vật liệu BaTiƠ3 được nghiên cứu chủ yếu để sử dụng trong các hệ thống vi

cơ điện tử ( Micro ElectroMechanical - MENS ); chế tạo tụ điện cho bộ nhớ máy tính: bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DRAM ( Dvnamic Random Access Memory ), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên FRAM (1-erroelctric Random Access Memory) và RAM điện tử sẳt từ không dề thay đổi NVRAM (Non Volatile Random Access Memory)

Bên cạnh đó nó còn được sử dụng làm các vách ngăn cho các lóp màng phát quang được sử dụng trong các thiết bị quang điện, sử dụng làm lóp điện môi (do có độ thấm điện môi, điện áp đánh thủng rất cao) trong công nghệ chế tạo tụ điện gồm nhiều lớp ( MLC - Multilayer Ceramic Chip capacitor )

Do có hiệu ứng nhiệt điện trở, nên nó còn được sử dụng để chế tạo các điện trở nhiệt

Một trong những ứng dụng của vật liệu màng B aT i03 có tính áp điện xếp xen kẽ trên nền các polime có thể được sử dụng trong tương lai để sản xuất các vật liệu sinh y học (biomedical)

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u

II 1 NGUYÊN LIỆU ĐẰƯ

I I l.l Nhựa epoxy DGEBA

- Tên: DGEBA Epon 828 (Diglycidyl ether of Bisphenol A)

- Xuất xứ: Sell Chemicals Co, Mỹ

- Khối lượng phân tử trung bình: Mn = 385 g/mol; dạng lỏng

- Khối lượng riêng: 1,16 g/cm3

Cấu trúc phân tử của nhựa epoxy và chất đóng rắn được trình bày trong hình 4

Hình 4: c ấ u trúc hóa học phân tử nhựa epoxy và chất đóng rắn D D M

II.1.3 Sợi th ủ y tinh

- Loại sợi thủy tinh đã được ghép silan y - APS lên bề mặt

- Khối lượng riêng: 2,5 g/cm3

- Đường kính trune bình : 19 |im

II.Ỉ.4 Hạt áp điện có kích thước nano BaTiOỉ

- Hạt B aT i03 cung cấp bởi Sigma Aldrich

- Khối lượng riêng : 6.08 g/cm3

- Đường kính trung bình 50nm

- Cấu trúc của hạt nano BaTiO}: Lập phương, chửa 2 % B a C 03

II.1.5 Chất ghép nối silan Ỵ - aminopropỵl trimethosysilane ( y - APS)

- Sản phẩm của Sigma Aldrich

- Khối lượng phân tử: M n - 179,29 g/mol

- Khối lượng riêng : 1,027 g/ml

Cô ne thức phân tử:

21

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

O C H 3

1

H2N — CH2 — C H 2 — CH 2 — S Ĩ - O C H 3

IOCH3Hình 2: c ấ u trúc hóa học phân tứ y APS

II.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

11.2.1 Phản ứng ghép silan lên bề mặt hạt nano BaTiƠ3.

Ghép silan lên bề mặt hạt nano B aT i03: Chuẩn bị hỗn hợp etanol-nước với tỷ lệ thể tích là 95/5, khuấy đều trên máy khuấy từ trong 15 phút ở nhiệt độ phòng Sau đó cho silan vào khuấy tiếp khoảng 10 phút ở nhiệt độ phòng để thực hiện quá trình thủy phân Tiếp đó, cho hạt nano B aT i03 vào khuấy đều trong 2 đến 3 phút rồi khuấy tăng tốc bàng rung siêu âm trong 30 phút để tránh hiện tượng kết tụ Tiếp theo, hỗn hợp được khuấy đều trong 60 phút ở nhiệt độ

60°c Cuối cùng là tách bỏ etanol dư bàng máy li tâm và sấy sản phẩm ở 50°c

trong 60 phút để loại bỏ hoàn toàn etanol

11.2.2 Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh

Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng sợi thủy tinh thay đổi từ 0 đến 55% Tất cả các mâu compozit đêu được chuân bị theo chu trinh sau:

- Khuôn thép được làm sạch, đánh bóne

- Hỗn hợp nhựa nền bao gồm nhựa epoxy và chất đóng rắn DDM được phối trộn với tỷ lệ phần khối lượng chính xác như nhau DGEBA/DDM = 100/23.174 Hỗn hợp ban đầu được khuấy ở nhiệt độ 110°c cho đến khi DDM hòa tan hoàn toàn tạo thành dung dịch trong suốt

- Một nửa hỗn hợp nhựa được rót vào khuôn, tiếp đó đặt sợi thủy tinh vào và

đố nốt phần nhựa còn lại lên trên Tiến hành hút chân không trong 60 phút đế đuổi hết bọt khí Sau đó đóng rắn mẫu ở điều kiện 30 phút ở 50°c ; 30 phút ở 110°c và 180 phút ở 180uc Cuối cùng làm lạnh mẫu tự nhiên đến nhiệt độ phòng rồi lấy ra

11.2.3 Vật liệu PC nền nhựa epoxy chứa các hạt áp điện nano B a T i0 3

Hạt nano B aT i03 được đưa vào etanol rung siêu âm khoảng 30 phút, sau

đó hạt được đưa vào nhựa epoxy khuấy 1 h trên máy khuấy từ và tiếp tục rung siêu âm 1 h Tiếp theo, hồn hợp trên được khuấy trên bếp từ và tăng nhiệt độ đến 110°c và đưa chất đóng rắn DDM vào khuấy đều đến khi hòa tan hoàn toàn Cuối cùng hồn hợp được đưa lên lamen kính tạo màng mỏng bàng cách sứ dụng thanh barcoating và tiến hành đóng rắn màng trong điều kiện nhiệt độ là 50°c trong 30 phút, 110°c trong 30 phút và 180°c trong 3h

11.2.4 Ghép hạt nano BaTiOj lên bề mặt sợi thủy tinh

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG - QT-09-25

Chuẩn bi duns dỉch chứa hat áp điên nano -B aTiO i.

Khối lượng hạt áp điện dung để ghép lên bề mặt sợi được tính toán theo công thức lý thuyết sau: Tổng diện tích bề mặt sợi = tổng diện tích bề mặt hạt tiếp xúc trên bề mặt sợi

Cho hạt nano vào dung môi etanol theo nồng độ tính theo mg BaTiCVml etanol, khuấy đều và rung siêu âm

Quá trình nhúng.

Nhúng sợi vào dung dịch đã chuẩn bị ở trên với tốc độ nhúng 1 Omm/phút và thời gian nhúng là 10 phút Sau đó sợi được làm kho ngay bàng gió ở nhiệt độ phòng

II.2.5 Vật liệu PC nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện nano BaTiƠ3

Quy trình công nghệ giong phần 11,2.3 ớ trên chỉ thay sợi thủy tinh bàng sợi thủy tinh đã mang hạt nano B aT i0 3

III.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN TÍNH CHÁT CỦA VẬT LIỆU PC

Trong đó: F: tác dụng lên mẫu, N

s p: diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu mm

11.3.2 Độ bền uốn.

Mầu đo có hình khối thanh, kích thước theo tiêu chuân quốc tế ISO 178-

1993 Đo trên máy INSTRON 5582-100KN của Mỹ Tốc độ uốn 5mm/phút

Độ bền uốn ơu được xác định theo cône thức:

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp ĐHQG — QT-09-25

L: khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm b: chiều rộng của mẫu, mm

h: chiều dày của mẫu, mm

11.3.3 Khảo sát cấu trúc hình thái của vât liêu.• •

Thực hiện bằng phương pháp chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JMS 6360 LV của Nhật Bản

11.3.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR).

Tất cả các mẫu được đo trên máy Perkin Elmer GX spectrophotometer với

độ phân giải 4 cm' 1 và 4 lần quét

11.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA.

Tất cả các mẫu được phân tích trên máy TA instruments model SETRAM

Q -600, với chương trình nhiệt tăng từ 30°c đến 800°c, tốc độ gia nhiệt là 10°c/phút trong môi trường nitơ và không khí với tốc độ dòng khí lOOml/phút, khối lượng mỗi mẫu trung bình từ 10-15 mg

11.3.6 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC.

Các mẫu được đo trên máy TA instruments model SE TRAM DSC Q-10 với chương trình nhiệt tăng từ 30°c đến 800°c, tốc độ gia nhiệt là 10°c/phút, trong dòng khí nito và không khí với tốc độ lOOml/phút, khối lượng mẫu từ 10-15 mg

11.3.7 Phương pháp đo hằng số điện môi DEA

Hằng số điện môi và tổn hao điện môi được đo trên máv TA instruments

TA 2980 trong dải tần số từ 10 Hz đến 100kHz Chương trình nhiệt tăng từ nhiệt

độ phòng đến 140°c với tốc độ tăng nhiệt là 4°c/phút Các mẫu được chuẩn bị với kích thước đường kính 1 cm lực ép 5 kN