Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa nền polyeste không no (PEKN) và phụ gia tro bay

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ quý báu từ các thầy cô, các cán bộ và nhân viên trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme & Compozit Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Bạch Trọng Phúc vì sự hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm và chu đáo của Thầy để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2009 Sinh viên thực hiện

1

Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT NỘI DUNG Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp ở nước ta trong những năm gần đây kéo theo sự gia tăng về chất thải, đặc biệt là ngành công nghiệp năng lượng. Tại nước ta có rất nhiều nhà máy nhiệt điện sử dụng đốt than và hàng năm lượng tro xỉ phế thải thải ra rất nhiều (khoảng 4 triệu tấn/năm) và không ngừng được tăng lên. Đây là lượng phế thải rất lớn gây trở ngại về diện tích chứa cũng như ảnh hưởng tới môi trường. Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp công nghệ để xử lý nguồn phế thải làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tạo ra những sản phẩm hữu ích cho xã hội là một việc làm rất có ý nghĩa. Trong thời gian gần đây đã có một số một số công trình nghiên cứu trong nước và hợp tác với Quốc tế về khả năng ứng dụng của chúng như: công trình nghiên cứu của Viện Công nghệ Vật liệu Xây dựng và gần đây nhất, tro xỉ được sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình thuỷ điện Sơn La. Nhưng lượng tro xỉ đã sử dụng này so với số lượng tro xỉ còn tồn đọng tại các hồ chứa của các nhà máy thuỷ điện là khá nhỏ. Để tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu quý này, hiện nay người ta đang tìm ra những hướng đi mới cho loại phụ gia này mà một trong những hướng đi mới đầu tiên là việc sử dụng tro bay làm phụ gia trong vật liệu compozit. Trên cơ sở đó, đã đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu chính sau: Lựa chọn tỷ lệ hệ khởi đầu xúc tiến; lựa chọn tỷ lệ chất liên kết tối ưu; lựa chọn tỷ lệ nhựa nền và chất gia cường dạng bột thích hợp. Sau quá trình khảo sát về thời gian gel, hàm lượng phần gel của nhựa polyeste không no (dạng octo) với các tỷ lệ khác nhau về xúc tác, xúc tiến cũng như ảnh hưởng của chất liên kết đến độ nhớt của hỗn hợp nhựa/bột gia cường đề tài đã tìm được các tỷ lệ tối ưu để chế tạo vật lệu polyme compozit (PC). Các kết quả nghiên cứu về độ bền cơ học và độ bền trong các môi trường hoá chất mạnh (Axit sunfuric 30%, NaOH 10%, NaCl 3%, xăng A92, dầu điezen và nước cất) cho thấy vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền polyeste không no 2508PT-WV dạng octo (của Hàn Quốc) gia cường bằng phụ gia tro bay có độ bền tương đối ổn định. Khi tiến hành ngâm mẫu compozit trong các môi trường hoá chất trên, sau 16 ngày thì tính chất cơ lý của mẫu thay đổi tương đối ít.

2

Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC TểM TẮT NỘI DUNG ............................................................................................. 2 LỜI NểI ĐẦU ............................................................................................................ 6 PHẦN I: TỔNG QUAN ........................................................................................... 8 I.1.GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT....................................................... 8 I.1.1.Lịch sử phỏt triển ......................................................................................... 8 I.1.3. Đặc điểm và phõn loại vật liệu compozit .................................................. 9 I.1.3.1. Cỏc đặc điểm chung ............................................................................... 9 I.2.THÀNH PHẦN CỦA VẬT LIỆU PC ............................................................. 10 I.2.1.Nhựa nền .................................................................................................... 10 I.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cường) ............................................................. 19 I.2.3. Phụ gia và chất độn ................................................................................... 25 I.2.3.1. Phụ gia ................................................................................................... 25 I.2.3.2. Chất độn................................................................................................. 26 I.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CễNG VẬT LIỆU PC . ............................. 33 I.3.1. Phương phỏp lăn ộp bằng tay. .................................................................. 33 I.3.2. Phương phỏp phun sợi. ............................................................................. 34 I.3.3. Cụng nghệ đỳc kộo. .................................................................................. 35 I.3.4. Cụng nghệ quấn sợi. ................................................................................. 35 I.3.5. Cụng nghệ bơm nhựa vào khuụn. ............................................................. 36 I.3.6. Cụng nghệ hỳt chõn khụng. ...................................................................... 36 I.4. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC. ............................................................... 38 I.5. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PC. ............................................................... 40 PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU .............................................. 41 VÀ THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 41 II.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYấN LIỆU ĐẦU ...................... 41 II.1.1. Nguyờn liệu và húa chất.......................................................................... 41 3

Luận văn tốt nghiệp II.1.2. Phương phỏp xỏc định tỷ trọng ............................................................... 42 II.1.3. Phương phỏp xỏc định độ nhớt Brookfield ............................................. 42 II.1.4. Phương phỏp xỏc định chỉ số axit ........................................................... 43 II.1.5. Phương phỏp xỏc định thời gian gel húa. ............................................... 43 II.1.6. Phương phỏp xỏc định hàm lượng phần gel .......................................... 44 II.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN CỦA VÂT LIỆU PC .......... 45 II.2.1. Phương phỏp xỏc định độ bền nộn.......................................................... 45 II.2.2. Phương phỏp xỏc định độ bền uốn.......................................................... 46 II.2.3. Phương phỏp xỏc định độ bền va đập ..................................................... 47 II.2.4. Phương phỏp xỏc định độ bền kộo.......................................................... 47 II.2.5. Phương phỏp xỏc định sự thay đổi khối lượng trong mụi trường hoỏ chất ............................................................................................................................ 48 II.2.6. Phương phỏp chụp kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) ............................. 49 II.2.7. Phương phỏp xỏc định độ hấp thụ nước ................................................. 49 II.2.8. Phương phỏp phõn tớch nhiệt khối lượng TGA (Thermo Gravimetric Analysis) ............................................................................................................ 50 PHẦN III. KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 50 III.1. PHÂN TÍCH NGUYấN LIỆU ĐẦU ........................................................... 50 III.1.1. Đặc tớnh của nguyờn liệu đầu ............................................................... 50 III.1.1.1. Nhựa nền PEKN .................................................................................. 50 Cỏc kết quả phõn tớch được cho thấy, nhựa PEKN – 2508PT-WV (dạng octo) cú cỏc chỉ tiờu kỹ thuật đỏp ứng được yờu cầu làm nhựa nền cho vật liệu polyme compozit. ............................................................................................... 50 III.1.1.2. Phụ gia tro bay.................................................................................... 50 III.1.2. Khảo sỏt thời gian gel húa và hàm lượng phần gel ............................... 52 III.2. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ CHẤT LIấN KẾT ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT Lí VÀ CƠ HỌC VẬT LIỆU PC. ..................................................... 53 III.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT GIA CƯỜNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT Lí VÀ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU PC. ....................................................... 54 4

Luận văn tốt nghiệp III.6. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN HOÁ CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC TRONG CÁC MễI TRƯỜNG HOÁ CHẤT KHÁC NHAU THEO THỜI GIAN. ..................... 67 III.7. KHẢO SÁT ĐỘ HẤP THỤ CỦA NƯỚC VÀO VẬT LIỆU PC. .............. 71 III.8. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PC. ................................. 72 PHẦN IV. KẾT LUẬN .......................................................................................... 76 PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 77

5

Luận văn tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của các lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp và rất nhiều các ngành kinh tế khác ,vật liệu polyme compozit (PC) đã khẳng định được vai trò quan trọng của mình trong việc thay thế các vật liệu truyền thống. Vật liệu PC có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống(gỗ, sắt, thép) như: nhẹ, bền, không bị ăn mòn,dễ gia công, độ cách điện cao … và rất nhiều các tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có, vật liệu PC ngày càng mở rộng lĩnh vực sử dụng của mình. Từ những ứng dụng làm các dụng cụ thể thao, các chi tiết trong ôtô, tàu thuyền, các vật dụng trong đời sống hàng ngày cho đến làm khiên chống đạn trong lĩnh vực quân sự và rất nhiều các chi tiết khác trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, song song với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước thì nhu cầu về năng lượng cũng tăng cao. Vì vậy, lượng than đốt cần cho các nhà máy nhiệt điện hoạt động cũng theo đó mà không ngừng tăng lên. Kéo theo là sự phát sinh ngày càng gia tăng của chất thải. Chỉ tính riêng hai nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 và Phả Lại 2 mỗi ngày thải ra khoảng 6000 tấn tro xỉ, lấp đầy hai hồ chứa sâu mấy chục mét. Đây là lượng phế thải rất lớn gây trở ngại về diện tích chứa cũng như ảnh hưởng tới môi trường. Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp công nghệ để xử lý nguồn phế thải làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tạo ra những sản phẩm hữu ích cho xã hội là một việc làm rất có ý nghĩa. Với kinh nghiệm tái sử dụng sản phẩm của quá trình đốt than đã được áp dụng ở các nước tiên tiến trên Thế giới như Mỹ, Nhật và các nước Châu Âu cho thấy khoảng 60 – 70% lượng tro xỉ thải ra có thể sử dụng được cho các

6

Luận văn tốt nghiệp ngành công nghiệp xây dựng, cầu đường, bê tông và làm phụ gia cho nhiều sản phẩm thương mại khác. Việc tái sử dụng tro xỉ cũng đã được biết đến ở Việt Nam từ nhiều năm trước và đã có một số công trình nghiên cứu trong nước và hợp tác với Quốc tế về khả năng ứng dụng của chúng, trong đó các công trình nghiên cứu của Viện vật liệu xây dựng. Nhưng cho đến nay, số lượng và quy mô sử dụng loại chất thải này còn khá nhỏ lẻ phần lớn chỉ là các tư nhân đứng ra đấu thầu mua lại hoặc khai thác tự do để sử dụng làm gạch gia công hoặc than đóng bánh. Gần đây nhất, tro xỉ được sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình thủy điện Sơn La… Để tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu quý này, hiện nay người ta đang tìm ra những hướng đi mới cho loại phụ gia này mà một trong những hướng đi mới đầu tiên là việc sử dụng tro bay làm phụ gia trong vật liệu compozit. Trên cơ sở đó hình thành đề tài:″ Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa nền polyeste không no ( PEKN ) và phụ gia tro bay ″ ra đời nhằm giải quyết những khó khăn trên. Nhiệm vụ chính của đề tài bao gồm: Phân tích và đánh giá tro bay Khảo sát chế độ đóng rắn của nhựa nền Khảo sát tỷ lệ nhựa nền/chất gia cường Khảo sát ảnh hưởng của môi trường hoá chất đến các độ bền cơ học của vật liệu. Khảo sát độ hấp thụ nước của vật liệu.

7

Luận văn tốt nghiệp

PHẦN I: TỔNG QUAN I.1.GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT I.1.1.Lịch sử phát triển Cách đây hàng nghìn năm, vật liệu compozit đã xuất hiện và được con người sử dụng trong đời sống. Khoảng 5000 năm trước Công nguyên, người cổ đại đã biết nghiền nhỏ đá và các vật liệu hữu cơ khác trộn vào đất sét để giảm độ co ngót khi nung gạch. Ở Ai Cập khoảng 3000 năm trước Công nguyên, người ta đã làm thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm kỹ thuật thì có thể coi đó là kỹ thuật làm tàu từ vật liệu PC hiện nay. Ở Việt Nam, nhà làm từ hỗn hợp bùn trộn rơm, rạ và làm thuyền đan trát sơn ta là những ví dụ về vật liệu compozit [2]. Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng vật liệu PC mới thực sự được chú ý vào khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và Thomas được cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh, sau đó được Ellis và Foster dùng gia cường cho polyeste. Polyeste tăng cường bằng sợi thuỷ tinh được ứng dụng trong ngành hàng không năm 1938 [6]. Năm 1944 đã có hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo compozit cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế giới lần thứ II được sản xuất. Năm 1950, chất lượng của vật liệu PC được cải thiện đáng kể nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cường khác như sợi cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic… Từ năm 1970 cho đến nay, các chi tiết chế tạo từ vật liệu compozit nền chất dẻo và sợi tăng cường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ… [7].

8

Luận văn tốt nghiệp I.1.2. Xu hướng phát triển [2] Thay thế thép bằng vật liệu compozit. Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền. Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cường. Phối hợp giữa các vật liệu polyme, kim loại và gốm. I.1.3. Đặc điểm và phân loại vật liệu compozit [3,4] I.1.3.1. Các đặc điểm chung [4] • Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên compozit thường rất khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau, phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha. Pha liên tục trong toàn khối compozit được gọi là nhựa nền (matrix), pha phân bố gián đoạn, được nền bao bọc, quy định gọi là cốt. • Trong compozit thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. • Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của compozit. Tuy vậy, tính chất của compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. I.1.3.2. Phân loại [3] Để phân loại vật liệu compozit thường dựa vào các đặc điểm và đặc trưng của chúng, sau đây là hai cách phân loại thông dụng nhất. a. Theo bản chất. b. Theo đặc điểm cấu trúc hoặc hình học của cốt.

9

Luận văn tốt nghiệp

Compozit

Cốt hạt Hạt thô

Compozit cấu trúc

Cốt sợi Hạt mịn

Liên tục

Gián đoạn

Có hướng

Lớp

Tấm 3 lớp

Tổ ong

Ngẫu nhiên

I.2.THÀNH PHẦN CỦA VẬT LIỆU PC I.2.1.Nhựa nền Là một trong những thành phần chính của vật liệu PC , là pha liên tục, đóng vai trò chất kết dính,liên kết các vật liệu gia cường, chuyển ứng suất lên chúng. Ngoài ra, nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia cường dưới tác dụng của môi trường. Các tính chất của nền polyme có ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học và tính chất hoá học của sản phẩm. Bản chất của vật liệu nền sẽ quyết định phương pháp gia công, chế tạo và ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm. Do đó, nền polyme phải đáp ứng các yêu cầu sau: [5] - Khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt chất gia cường để tạo ra sự tiếp xúc tối đa. - Khả năng làm tăng độ nhớt hoặc hoá 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 hoạt động hay phân cực. - Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường. 10

Luận văn tốt nghiệp Việc lựa chọn nền cho vật liệu PC dựa trên nguyên tắc dung hoà các yếu tố độ bền, khả năng gia công và các tiêu chuẩn khác. Nhựa nền có thể tạo thành từ một chất hoặc nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Và trong thực tế người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền. I.2.1.1.Polyme nền nhựa nhiệt dẻo Compozit nhựa nền nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thàng sản phẩm rất thấp. • Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo là 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 hai. • Nhược điểm chính của compozit nhựa nhiệt dẻo là không chụi được nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi và khả năng tái sinh của chúng. Hiện tại chúng chưa được ứng dụng nhiều như nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn.[6] • Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền như: polyetylenterephtalat (PET), polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyvinylclorua (PVC)… Nhựa nền nhiệt rắn thường được gia cường bằng cốt sợi dài có tính chất cơ học tốt hơn nên chúng được ứng dụng khá rộng rãi. Trong khi đó, vật liệu PC trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo có độ bền va đập cao nhưng độ bền nhiệt và dung môi không cao. [7]

11

Luận văn tốt nghiệp I.2.1.2. Polyme nền nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóng (có hoặc không có xúc tác). Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian không thuận nghịch (không nóng chảy, không hoà tan). Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo nhưng vấn đề xử lý chúng sau khi đã sử dụng khá phức tạp và tốn kém. Trong vật liệu PC hiện nay chủ yếu sử dụng nền polyme là nhiệt rắn bao gồm một số loại thông dụng như : Epoxy (EP), Melaminformandehyt (MF), Phenolformandehyt (PF)… song phổ biến hơn cả vẫn là polyeste không no (PEKN). Polyeste không no (PEKN) • Lịch sử phát triển [12] So với nhựa alkyd, phenolic thì nhựa

PEKN ra đời muộn hơn.

Berzelisus đã chế tạo ra nhựa PEKN lần đầu tiên từ axit tactaric và glyxerin vào năm 1847. Đến năm 1863, Lozezo đã tìm ra nhựa polyetylen sucxinat khi đun nóng etylenglycol với axit sucxinic. Năm 1927, R.H.Kienle đã kết hợp axit béo với polyeste để cải thiện tính chất khô của nhựa. Công trình của ông được ghi nhận và sản phẩm có tên gọi “ankyd”. Sau đó Carolet là người đâu tiên tổng hợp polyeste theo cấu trúc mà ông dự kiến. Carolet đã trùng hợp polyeste từ etylenglycol với axit anhydrite maleic. Phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn : giai đoạn đầu thực hiện phản ứng ngưng tụ dưới áp suất thường, giai đoạn sau trong môi trường chân khômg có mặt khí trơ. 30 năm sau, Bradly cùng Kropa, Jonhton đã công bố rằng nhựa PEKN có thể chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan khi

“ khô” .Đồng thời trong thời gian này, Ellis khám phá ra tốc độ

đóng rắn của PEKN có thể tăng 30 lần khi có mặt monome không no. 12

Luận văn tốt nghiệp Năm 1941 nhựa PEKN được sử dụng trên quy mô công nghiệp. Cũng năm này viện Hoa Kỳ sử dụng để sản xuất vòm che máy bay. Ở Việt Nam bắt đầu sản xuất vòm che máy bay vào năm (1994 – 1995). Sau 1945 vật liệu PC bắt đầu được sử dụng trong dân dụng rất nhiều : ống, xuồng, tàu… Trong công nghiệp vật liệu PC, nhựa PEKN là loại nhựa phổ biến nhất chiếm 95% sản lượng nhựa nhiệt rắn trong công nghiệp hiện nay. • Nguyên liệu sản xuất nhựa PEKN [12,14] PEKN là sản phẩm của quá trình ngưng tụ polyol với polyaxit trong đó ít nhất một trong hai chất có chứa liên kết đôi không no. Nhựa PEKN dạng thương phẩm phổ biến là sản phẩm tổng hợp của một glycol và của một diaxit không no thường sử dụng là axit maleic hoặc fumaric. Tính chất của sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố : - Thành phần nguyên liệu (loại và tỉ lệ tác chất sử dụng) - Phương pháp tổng hợp - Trọng lượng phân tử - Hệ đóng rắn (monome, chất xúc tác, chất xúc tiến) - Hệ chất độn : Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tao ra nhiều loại nhựa PEKN có các tính chất đặc biệt khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng. Axit cacboxylic • Axit cacboxylic không no - Anhydrit malêic : giá rẻ tạo ra lượng nước ít trong quá trình ngưng tụ. O

13

Luận văn tốt nghiệp CH - C O CH - C O - Axit fumaric : ít sử dụng hơn do giá cao, tạo lượng nước trong sản phẩm lớn. Thường sử dụng khi yêu cầu sản phẩm có tính chất cao mà anhydrite maleic không đáp ứng được. • Axit cacboxylic no - Axit phtalic : được sử dụng nhiều do giá rẻ, đa dạng về chủng loại và cải thiện tính chất nhưa. O C O C O - Axit izophtalic : có tính ổn định nhiệt, tính chất cơ học và khả năng chụi hoá học tốt. O C O C O - Axit terephtalic : sử dụng cho nhựa cần độ bền cao, ổn định nhiệt, chụi thời tiết. 14

Luận văn tốt nghiệp O C O C O - Axit adipic : do có mạch cacbon mềm dẻo nên sử dụng để cải thiện tính cứng của nhựa. HOOC - CH2 - COOH 4 Hợp chất diol - Etylen glycol : giá rẻ, thường sử dụng kết hợp với các diol khác vì nó giảm sự kết hợp của nhựa với styren. HO - CH2 - CH2 - OH - Đietylen glycol: tăng tính mềm dẻo của nhựa nhưng lại làm tăng khả năng hấp thụ nước. CH3 – CH - CH – CH2 Đieylen glycol OH OH OH - Propylen glycol : chụi đàn hồi tốt. HO – CH2 – CH – OH CH3 - Bisphenol A : tạo cho nhựa có tính chụi nhiệt cao và chụi hoá học. CH3 HO

C

OH

CH3 • Monome tạo liên kết ngang cho nhựa PEKN 15

Luận văn tốt nghiệp Các hợp chất vinyl, ankyl và acrylic là những monome được sử dụng để tạo liên kết ngang cho nhựa PEKN. Trong đó thông dụng nhất là styren, styren vừa có tác dụng làm dung môi pha loãng, vừa là chất đồng trùng hợp với liên kết đôi trong mạch nhựa. Hàm lượng styren vào khoảng 25% - 40%. • Chất ổn định. Để tránh styren có trong nhựa PEKN đồng trùng hợp ở nhiệt độ phòng cần sử dụng chất ổn định để bảo quản nhựa.

Một số chất ức chế thường dung : - Polyphenol : hydroquinon, pyrogallon… - Quinon : naphta quinon, phenatra quinon. - Nitro thơm, axit piroic - Sunfua đồng, sunfua sắt, xianua đồng… • Hệ khởi đầu xúc tiến dùng đóng rắn PEKN [2]. Hai hệ khởi đầu cho phép đóng rắn ở nhiệt độ thường. - Metyl etyl keton peoxit ( MEKPO ) : là hỗn hợp của các đồng phân metyl etyl xeton peoxit. H5C

O

O

C

CH3 C

H5C O O C2H5 Chất xúc tiến thường sử dụng phổ biến là octoat coban : (C8H17COO)2Co. - Peoxyt benzoyl. O C

O O

O 16

C

Luận văn tốt nghiệp

Chất xúc tiến là amin bậc 3 : dimetyl aniline (DMA), dietyl aniline (DEA). NH2 H3C

NH2 CH3

H5C2

C2H5

Các hệ đóng rắn ở nhiệt độ cao. - Xyclohexanon peoxit - Terbutyl benzoyl peoxit - Benzoyl peoxit • Cơ chế đóng rắn PEKN [2] Cơ chế đóng rắn nhựa PEKN là sử dụng các chất tạo gốc tự do xúc tác cho phản ứng trùng hợp hoá các nối đôi của styren vào trong nhựa PEKN. Khi sử dụng hệ chất khởi đầu xúc tiến MEKPO và octoat coban để xúc tác cho phản ứng đóng rắn nhựa PEKN có cơ chế : Đầu tiên peoxit sẽ phản ứng với ion Co2+ tạo thành các gốc tự do. Sau đó các gốc tự do này sẽ khơi mào cho phản ứng trùng hợp các chất có nối đôi theo cơ chế trùng hợp gốc tạo thành các cầu nối không gian cho nhựa. Sản phẩm nhận được là nhựa có cấu trúc không gian không nóng chảy và không hoà tan trong dung môi. • Tổng hợp nhựa PEKN [14] PEKN thường được tổng hợp bằng phương pháp trùng ngưng axit dicacboxylic hoặc anhydrit với hợp chất diol: axit dicacboxylic được este hoá với hợp chất diol ở 1800C – 2300C và môi trường khí trơ, trong thiết bị phản ứng có bộ phận đun nóng.

17

Luận văn tốt nghiệp Qúa trình este hoá được thực hiện với hàm lượng diol dư 10%. Nước tạo ra trong quá trình phản ứng được chưng cất ra khỏi thiết bị. Kết thúc quá trình trùng ngưng khi ta đo chỉ số axit, độ nhớt đạt yêu cầu. Sản phẩm nóng chảy được làm lạnh và sau đó được trộn với styren đang sôi trong thiết bị trộn hợp có bộ phận làm lạnh. Nhựa PEKN thương mại có khối lượng phân tử vào khoảng 2.000 - 4.000 đvC. Phương trình phản ứng : nOH-CH2-CH2-OH + nHOOC-CH=CH-COOH + nHO-CH-CH2-OH + nHOOC

COOH

CH3 -O - CH2 - CH2 - O -C - CH = CH - C - O - CH - CH2 - O - C O

•

C–OO

+

2n H2O

n

Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của nhựa PEKN [12,14]

Ảnh hưởng của glycol Glycol ngoài ảnh hưởng đến đặc trưng cấu trúc của nhựa còn liên quan tới độ cứng và độ mềm dẻo của nhựa. Các nhóm thơm có xu hướng làm giảm độ mềm dẻo. Propylen glycol là glycol được sử dụng chủ yếu vì giá thành thấp và tạo nhựa có tính chất tương đối cao. Chúng được sử dụng đồng thời với các glycol khác để tạo độ mềm dẻo thích hợp hoặc thay thế một phần propylen glycol bằng bis phenol A tạo nhựa có khả năng chụi hoá học. Khi sử dụng các diol mạch dài, nhựa có độ bền cao. Nhựa có độ bền cao nhất khi sử dụng glycol mạch dài không phân nhánh. Ảnh hưởng của axit Axit sử dụng nhằm cung cấp liên kết đôi cần thiết cho quá trình đóng rắn. Thường sử dụng anhydrit maleic và axit fumaric tạo nhựa có chất lượng cao, giá thành thấp. Axit adipic dùng sản xuất nhựa có độ mềm dẻo. Các 18

Luận văn tốt nghiệp diaxit aliphtalic có tác dụng làm giảm sự thay đổi độ nhớt của nhựa theo nhiệt độ. Mạch aliphtalic càng dài độ cứng của nhựa càng thấp. Nhựa đi từ axit izophtalic có độ bền kéo lớn hơn so với nhựa đi từ axit phtalic. Độ bền uốn có xu hướng cực đại khi mật độ không no của nhựa khoảng 40% - 60%. Ảnh hưởng của monomer không no Monome sử dụng phổ biến là styren vì nó là dung môi có nhiệt độ cao (1460C) hoà tan tốt các chất, phản ứng trùng hợp nhựa xảy ra nhanh và giá rẻ. Nhìn chung độ bền của nhựa polyeste giảm khi nồng độ styren giảm. Độ bền kéo của nhựa tăng khi hàm lượng styren tăng. Độ bền uốn, độ cứng cũng phụ thuộc vào hàm lượng styren. Ngoài ra, độ bền cào xước, độ mài mòn, tính chất điện của sản phẩm tỷ lệ thuận với hàm lượng styren. Hàm lượng styren tối ưu vào khoảng 30% - 40%. • Ứng dụng Nhựa PEKN được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong sản xuất máy móc, ôtô, tàu thuyền, trong công nghiệp điện, trong xây dựng và sản xuất các dụng cụ hoá học. Ngoài ra nhựa PEKN còn được ứng dụng trong màng phủ [12]. I.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cường) Chất gia cường trong vật liệu PC có tác dụng chụi ứng suất tập trung do nền polyme chuyển đến. Do vậy, chất gia cường làm tăng độ bền và mođun cho vật liệu. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau : -

Tính gia cường cơ học.

-

Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.

19

Luận văn tốt nghiệp -

Phân tán vào nhựa tốt.

-

Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.

-

Thuận lợi cho quá trình gia công.

-

Gía thành hạ, nhẹ. Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể

chọn loại vật liệu độn thích hợp. Có 2 loại cốt : I.2.2.1. Cốt dạng sợi Sợi gia cường được sử dụng dưới dạng liên tục (sợi dài, vải) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn…). Sự phân bố và định hướng của sợi trong nền polyme ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu. Sự định hướng của sợi tạo cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt. Vì vậy, khi lựa chọn sợi gia cường cần phải chú ý tới : Bản chất của vật liệu thành phần, tỉ lệ các vật liệu tham gia và phương của sợi. Việc trộn thêm các loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vât liệu PC như: - Khả năng chụi được va đập. - Độ giãn nở cao. - Khả năng cách âm tốt. - Tính chụi ma sát, mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao. - Khả năng chụi được trong môi trường ăn mòn : muối, kiềm, axit…Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của vật liệu PC mới so với các loại polyme thông thường và cũng chính vì những tính năng ưu việt trên mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống.

20

Luận văn tốt nghiệp Sợi có tính năng cơ lý cao hơn cốt dạng hạt. Tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp như : sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi Bo, cacbua silic, sợi amid… Vật liệu PC gia cường bằng sợi có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hiên nay. a. Sợi thuỷ tinh [6,15] Sợi thuỷ tinh là loại sợi nhân tạo được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến. Các sản phẩm được gia cường bằng sợi thuỷ tinh có mặt ở khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sợi thuỷ tinh có cấu tạo từ oxit silic và các loại oxit khác như Al2O3, MgO, CaO…Sợi thuỷ tinh có cấu trúc vô định hình nên có tính chất đẳng hướng [14]. Sợi thuỷ tinh được kéo ra từ các loại thuỷ tinh kéo sợi được (thuỷ tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micromet. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thuỷ tinh khối như : Giòn, dễ nứt gãy và trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Phân loại sợi thuỷ tinh Phân loại sợi thuỷ tinh theo từng thành phần Tuỳ thuộc vào loại oxit có trong thành phần của sợi mà người ta phân chia thành các loại sợi như : sợi thuỷ tinh loại A, C, E,S, R,…Nhìn chung, sợi thuỷ tinh E là loại sợi được sử dụng nhiều nhất do nó có giá thành thấp, tính chất cơ học tốt. Loại này có tính đa dạng, chất lượng cao và thích hợp với hầu hết các ứng dụng. Một loại thuỷ tinh phổ thông khác là thuỷ tinh A hay thuỷ tinh kiềm, nhẹ hơn và tương đối bền nhưng chụi nước kém hơn nhiều so với thuỷ tinh E. Tất cả những loại thuỷ tinh khác đều thuộc loại đặc biệt và được sản xuất với khối lượng hạn chế ở dạng sợi. Thuỷ tinh C là loại đặc biệt chịu hoá chất, thuỷ tinh S và thuỷ tinh R là những loại độ bền cao và 21

Luận văn tốt nghiệp chỉ sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, thí dụ kỹ thuật hàng không và vũ trụ [2]. Phân loại sợi thuỷ tinh theo kích thước Tuỳ theo kích thước của sợi mà có các loại sau : Sợi ngắn : Kích thước sợi khoảng 6 – 50 mm. Nhìn chung, sợi có

•

chiều dài tăng thì độ bền cơ học tăng. Do vậy, chúng chủ yếu được dùng để gia công cho vật liệu BMC. Sợi bện : sợi được sản xuất bằng cách xoắn 20 - 40 vòng/m trước

•

khi quấn vào cuộn để dệt vải thuỷ tinh. Sợi thô : Sợi ở dạng bó hình trụ làm từ xơ sợi chập lại, không xoắn.

•

Thường được sử dụng ở dạng mat dùng cho ép phun và phương pháp đúc. Mat sợi ngắn : là loại thuỷ tinh đựơc cắt ngắn và xếp lộn xộn rồi tạo

•

thành mat. Người ta sử dụng chất kết dính để liên kết các sợi lại, ép phẳng, tạo tấm vải mat. Phương pháp sản xuất sợi thuỷ tinh Sợi thuỷ tinh được tạo thành nhờ phương pháp kéo sợi từ pha nóng chảy, các sợi to được tạo thành do các sợi nhỏ quấn lại với nhau. b. Sợi cacbon [9] Sợi cacbon là một loại sợi mới, được chú ý phát triển trong vài chục năm gần đây. Sợi cacbon chính là sợi grafit (than chì) có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau nhưng cách nhau một khoảng 3,35A0. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng thành mạng tinh thể hình lục lăng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42A0.

22

Luận văn tốt nghiệp Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thuỷ tinh, lại có khả năng chụi nhiệt cực tốt Sợi cacbon có thể được sản xuất từ PAN (phổ biến nhất), rayon hoặc nhựa pitch, loại nguyên liệu ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc và tính chất của sợi cacbon. Vật liệu PC gia cường bằng sợi cacbon có đặc điểm : - Nhẹ - Compzit nền polyme có độ cứng và độ bền cao - Duy trì tính chất trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, tiếp xúc với dung môi và các chất lỏng, môi trường ẩm ướt) - Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt - Ổn định kích thước - Tương đối đắt - Tương đối giòn - Khả năng chống lại sự phá huỷ không cao lắm c. Sợi aramit (kevlar) [9] Stephanie Kwolek là người đầu tiên khám phá ra sợi aramit có tên thương mại là Kevlar. Năm 1972 Kwolek đã tổng hợp được một loạt polyamit thơm chủ yếu chứa các đơn vị mạch vòng có đồng phân para. Nhờ sự gia công theo một quy trình đặc biệt, từ dung dịch nhận được sợi có độ bền và môđun cao. Từ đây, loại sợi này được phát triển nhanh ra quy mô toàn cầu trong vài năm. Trong các aramit do Kwolek tổng hợp ra được có hai hợp chất nổi tiếng nhất là : HN

CO

Poly ( p – benzamit ) 23

Luận văn tốt nghiệp n HN

NH CO

CO n Poly ( p – phenylentere – phtalamit

) Kevlar có độ bền cao hơn thép 5 lần và nhẹ hơn sợi thuỷ tinh. Nó có khả năng tự dập tắt lửa, không nóng chảy và phân huỷ thành tro ở 4000C. Nhược điểm cần lưu ý của sợi Kevlar là chụi tác động của tia tử ngoại kém và độ bền giảm nhanh khi uốn liên tục. I.2.2.2. Cốt dạng hạt [2, 4, 11, 13] Được sử dụng trong vật liệu PC với mục đích tạo cho vật liệu có tính đẳng hướng và chụi ứng suất tập trung. Cốt gia cường dạng hạt vừa đóng vai trò là chất gia cường, vừa đóng vai trò là chất độn. Chúng có khả năng: tăng độ cứng, giảm độ co ngót thể tích, tăng độ bền, tăng khả năng chống cháy, bền hoá, bền điện… Chất gia cường cần có kích thước bề mặt nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt, rẻ tiền, dễ kiếm [4]. Một số chất gia cường dạng hạt thường được sử dụng [11,15]: Đất sét, cao lanh, bột nhẹ, bột talc (3MgO.4SiO2.2H2O), SiO2, oxyt nhôm, amiăng. Hình dáng, kích thước, bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt trong vật liệu PC có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành. Vật liệu PC gia cường dạng hạt có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hiện nay do chế độ gia công đơn giản, năng suất gia công lớn, có khả năng đáp ứng được yêu cầu của các sản phẩm PC sử dụng trong công nghiệp và dân dụng. Đặc biệt về mặt giá cả là thấp hơn nhiều so

24

Luận văn tốt nghiệp với vật liệu PC gia cường dạng sợi. Chính vì vậy, vật liệu PC gia cường dạng hạt ngày càng được các nhà Khoa học quan tâm. I.2.3. Phụ gia và chất độn I.2.3.1. Phụ gia Phụ gia được thêm vào vật liệu PC để thay đổi một số tính chất của vật liệu như : độ nhớt, chống cháy, giảm độ co ngót và một số tính chất khác. Các phụ gia thường thêm vào vật liệu PC như chất xúc tiến, chất chống cháy, chất chống tia tử ngoại UV… • Chất xúc tiến Có tác dụng làm độ nhớt của vật liệu giảm khi gia công theo phương pháp lăn ép hoặc phun để chất lỏng linh động hơn, dễ thấm vào sợi gia cường. Khi ngừng lăn ép thì cấu trúc gel lại làm cho nhựa nền không bị cháy. Chất xúc tiến hay sử dụng là Cacboxymetylxenlulo. • Chất chống cháy Dưới tác dụng của trường nhiệt (dòng nhiệt) có cường độ đủ lớn và thời gian đủ dài các PC hữu cơ đều bị phân huỷ nhiệt. Do vậy, chất chống cháy được thêm vào hệ PC nhằm thay đổi thay đổi quá trình cháy theo các phương án sau : - Ức chế quá trình cháy ở pha khí (đối với khí nhiên liệu) - Thay đổi quá trình phân huỷ nhiệt bằng cách đưa vào một quá trình năng lượng thấp có tác dụng kích thích ở pha rắn để dẫn đến cacbon hoá trên bề mặt. - Tạo thành lớp màng bao bọc lên vật liệu để ngăn chặn tác động của môi trường nhiệt bên ngoài.

25

Luận văn tốt nghiệp Đối với quá trình phân huỷ nhiệt mà thiếu oxy là quá trình nhiệt phân, khi thừa oxy là quá trình nhiệt oxy hoá. Những chất chống cháy thường dùng là hợp chất chứa Clo, Brom; hợp chất cơ phôt pho; hợp chất chứa Bo; Oxyt antimon (Sb2O3); hydroxyt nhôm. I.2.3.2. Chất độn Chất độn là những chất được thêm vào vật liệu PC chủ yếu làm hạ giá thành sản phẩm. Trong một số trường hợp, chất độn có thể làm thay đổi một số tính chất kỹ thuật của vật liệu trong quá trình gia công cũng như trong quá trình sử dụng. Một số chất độn thường dùng: Bột nhẹ CaCO3, Bột talc 3MgO.4SiO2.2H2O, Bột mica K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O; Bột barit BaSO4. Hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm việc sử dụng kết hợp chất phế thải “ Tro bay” (có tên tiếng anh là Fly ash) của nhà máy nhiệt điện và nền polyme để sản xuất vật liệu PC ở Việt Nam. Với kinh nghiệm tái sử dụng sản phẩm của quá trình đốt than đã được áp dụng ở các nước tiên tiến thế giới như Mỹ, Nhật và các nước Châu Âu cho thấy khoảng 60 – 70% lượng tro xỉ thải ra có thể sử dụng được cho các ngành công nghiệp xây dựng, cầu đường, bê tông và làm phụ gia cho nhiều sản phẩm thương mại khác. Việc tái sử dụng tro xỉ cũng đã được biết đến ở Việt Nam từ nhiều năm trước và đã có một số công trình nghiên cứu trong nước và hợp tác với Quốc tế về khả năng ứng dụng của chúng, trong đó các công trình nghiên cứu của Viện Vật liệu Xây dựng. Nhưng cho đến nay, số lượng và quy mô sử dụng loại chất thải này còn khá nhỏ lẻ phần lớn chỉ là các tư nhân đứng ra đấu thầu mua lại hoặc khai thác tự do để sử dụng làm gạch gia công hoặc hoặc than đóng bánh. Gần đây nhất, tro xỉ được sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập 26

Luận văn tốt nghiệp tràn của công trình thủy điện Sơn La…Câu hỏi “ Tại sao việc tiêu thụ loại sản phẩm phụ này còn rất hạn chế tại Việt Nam nơi có lượng tiêu thụ than hàng năm khá lớn ?” đang là câu hỏi cần được các ngành các cấp trả lời. Sản phẩm cháy của quá trình đốt than gồm tro bay, tro đáy lò, tro của lò tầng sôi (CFB) có chứa chất tạo tầng sôi, xỉ than, xỉ từ hệ thống khí hóa than, thạch cao từ hệ thống khử SO2 trong khói thải, tro có chứa Amoniac do sử dụng để khử NOx trong khói thải. Sản phẩm phụ tạo ra từ quá trình đốt than này có đặc tính ưu việt mà các vật liệu khác không có, giá thành rẻ, nên khả năng ứng dụng rất đa dạng và làm giảm giá thành sản phẩm rất nhiều. Khả năng sử dụng các sản phẩm phụ từ quá trình đốt than phụ thuộc nhiều vào thành phần hoá học, đặc tính lý học của từng loại. Đặc tính của loại vật liệu này phù hợp để sử dụng cho các mục đích khác nhau. Đặc tính của chúng chịu ảnh hưởng bởi chế độ vận hành lò hơi như thời gian và nhiệt độ của than trong lò hơi, phụ thuộc vào phương thức thải tro xỉ khô hay ướt. Riêng sản phẩm phụ của quá trình khử SO2 trong khói thải lò hơi có khác hơn, có chứa thêm các chất kiềm. Đặc tính của sản phẩm phụ từ quá trình khử SO2 trong khói thải lò hơi phụ thuộc nhiều vào chất khử được sử dụng, nhiệt độ, áp lực và khả năng ôxy hoá xảy ra trong buồng khử, số lượng nước được sử dụng. Từ các đặc tính này, có thể tìm ra khả năng sử dụng từng loại sản phẩm này trong thực tế. Một số ứng dụng thực tế của sản phẩm từ quá trình đốt than mà Mỹ đang sử dụng do Hiệp Hội Tro Than của Mỹ thống kê được nêu dưới đây sẽ là thông tin cần thiết cho các nhà sản xuất, quản lý và hoạch định chính sách trong tương lai. Ứng dụng của tro bay trong công nghệ sản xuất xi măng và bê tông: do sự phân bố kích thước các hạt của tro bay giống xi măng, nhưng hạt tro bay 27

Luận văn tốt nghiệp còn có thêm dạng hình cầu, được nung chảy nhẹ trong lò hơi và được làm đặc đột ngột trong khói thải. Nên khi sử dụng trong công nghệ sản xuất bê tông, dạng hình cầu của tro bay đóng vai trò như quả bang mang khí trong hỗn hợp bê tông giúp giảm nhu cầu nước và nâng cao tính mềm dẻo, dễ tạo hình và dễ sử dụng của bê tông và tạo cho khối bê tông có cấu trúc tốt hơn và dễ tạo góc cạnh hơn. Thành phần hoá học của tro bay có lượng CaO thấp, do đó sẽ hạn chế được các phản ứng Pozzolanic là phản ứng tạo các hợp chất kết dính Ca(OH)2 khi tiếp xúc với nước, phá vỡ cấu trúc hoá học của bê tông gây mục rỗng bê tông. Khi thêm tro bay vào, phản ứng với vôi trong bê tống sẽ tạo hợp chất kết dính bền vững hơn làm tăng sức bền của bê tông. Ngoài ra thành phần hoá học của tro bay có sét hoặc phiến sét là vật liệu cung cấp cho sản xuất xi măng. Tỷ lệ tro bay được sử dụng phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ cacbon còn lại trong tro, tỷ lệ tro bay được sử dụng có thể lên đến > 30% phụ thuộc cả vào thành phần hoá học của tro bay. Ứng dụng của tro bay trong công tác xây dựng, 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. Mặt khác các sản phẩm từ quá trình đốt than còn có tỷ trọng thấp hơn đất tự nhiên, có thành phần giống đất sét nên nó được sử dụng rộng rãi trong công tác làm đường, đắp đập, đê, chin lấp cho các chỗ rỗng của công trình ống ngầm làm tăng độ kết dính, độ cứng của đường và giảm tải cho các công trình cần chèn lấp. Tro bay được trộn với nước vôi và các vật liệu liên kết khác thành vật liệu làm đường bền và cứng hơn đất tự nhiên, đặc biệt đối với loại đường asphalt. 90 – 95% tro bay trộn với cát, nước và xi măng thành vật liệu có thể sử dụng để lấp các khoảng trống của các mỏ, mạch nước ngầm, cống rãnh không còn sử dụng dưới lòng đất. Dung dich này sẽ được bơm vào mà không 28

Luận văn tốt nghiệp cần phải có công nhân trực tiếp thao tác. Mặt khác, vật liệu này dễ đào xới trong trường hợp công trình nào đó cần sử dụng. Đặc điểm này ưu việt hơn sử dụng xi măng thông thường. Ứng dụng trong công nghệ xử lý chất thải: nhờ phản ứng Pazzolanic của tro xỉ 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 hợp chất độc hại trong mùn thải, đặc biệt là các chất thải có chứa kim loại nặng nhờ việc làm khô đóng bánh chất thải. Ứng dụng trong quá trình cải tạo đất nông nghiệp: Đất chất lượng xấu sẽ được trộn với tro xỉ để tăng cường các đặc tính thoát và giữ nước và khả năng tăng trưởng của thực vật nhờ trong tro bay có chứa một số vi chất mà thực vật cần. Tro của lò CFB còn được sử dụng trong xử lý các vấn đề môi trường trong khai thác mỏ. Than cung cấp cho các nhà máy điện lò CFB thường là loại than chất lượng xấu và ở những địa điểm khó khăn nên giải quyết được vấn đề môi trường đối với loại than này. Mặt khác tro từ lò này có thành phần CaO lớn giúp trung hoà mức axit tại các mỏ than bỏ đi này. Với ưu điểm đó, tro của lò CFB được sử dụng để làm tường và vách hoặc lấp các hầm lò đã không còn sử dụng hạn chế tối đa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và đất do thay đổi độ pH từ các mỏ này gây ra. Tro bay còn được sử dụng trong công nghiệp nhựa và sơn nhờ cấu tạo rỗng của nó nhằm làm giảm trọng lượng của sản phẩm, sử dụng trong công nghệ sản xuất ống và cáp điện đặc biệt, các tấm chắn chịu nhiệt của xe máy đua, vật liệu chịu lửa và các sản phẩm ốp lát trang trí trong xây dựng, công

29

Luận văn tốt nghiệp nghiệp đúc nhôm. Ưu điểm nổi bật của chúng là loại vật liệu có tính năng đặc biệt và giá thành rẻ. Ngoài những ứng dụng như đã nói ở trên, xỉ đáy lò còn có thể sử dụng cho các mục đích khác như: được sử dụng để chống trơn ở các đường đóng băng vào mùa đông. Xỉ lò hơi còn sử dụng như các hạt sắt cứng để phun làm sạch sơn phủ bề mặt của thiết bị, đặc biệt là trong ngành công nghiệp sửa chữa tàu biển thay hạt Nix độc hại và các ngành công nghiệp khác. Đặc tính trơn nhẵn của xỉ là ưu điểm để sử dụng trong công nghiệp sản xuất tấm lợp. Những ứng dụng thông thường từ các sản phẩm cháy của than ở Mỹ sẽ được nên ra ở đây hy vọng thu hút được mối quan tâm của các nhà sản xuất và thúc đẩy việc sử dụng tro xỉ ở Việt Nam trong thời gian tới. Quan trọng hơn cả là với khối lượng lớn tro xỉ sử dụng cho các mục đích trên sẽ giải quyết được một số vấn đề nan giải của các nhà đầu tư và nhà quản lý cụ thể sẽ giảm được đáng kể quỹ đất chiếm dụng, giảm chi phí quản lý bãi thải và chống ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam các nhà nghiên cứu đã sản xuất tấm sóng và tấm phẳng xi măng cốt sợi theo phương pháp xeo từ các phụ gia Silica fume và tro bay của nhà máy nhiệt điện đã qua xử lý. Các kết quả nghiên cứu cho thấy sản phẩm này đều đạt tính chất về cường độ uốn, độ chống thấm nước và một số chỉ tiêu kỹ thuật khác. Tro bay là một phụ gia đặc biệt cho bê –tông, có thể thay thế 20% xi măng trong bê tông và giảm được 30% giá thành sản phẩm. Do cấu trúc mịn tro bay cũng làm tăng cường độ của bê tông và làm tăng độ nhớt của vữa, giúp bê tông chui vào các khe nỗ dễ dàng. Tại nhà máy chế biến tro bay nhiệt điện, tro xỉ được hút từ dưới hồ thải lên, qua trạm tuyển nổi để tách thành hai phần tro bay và than. Chỉ sau vài 30

Luận văn tốt nghiệp tiếng qua tuyển nổi, tro bay đã được đông đặc lại, được đưa sang hệ thống sấy đóng bao, đưa ra thành phẩm. Sấy bằng lò quay đốt trực tiếp hoặc gián tiếp. • Sơ đồ công nghệ tuyển nổi [1]. Bơm hoà Cấp H2O

Thải

Sàng rung Bể điều hoà Bơm hoà

Dầu M7

Thùng khuấy TX 1 Thùng khuấy TX 2 Thùng khuấy TX 3

Dầu thông

TB tuyển nổi

Dung dịch than

Dung dich tro bay Bể cô đặc tro bay

Bể cô đặc than Bơm hoà Bơm hoà 31

Róc nước, phơi tự nhiên

Luận văn tốt nghiệp

Kho có mái che Tro bay độ ẩm <20%

Bể chứa sản phẩm than

Chú thích: TX – tiếp xúc • Nguyên lý của công nghệ tuyển nổi tro bay Xưởng tuyển nổi được đặt ngay cạnh hồ chứa tro thải của nhà máy nhiệt điện. Nguyên liệu được bơm cùng với nước lên sàng rung. Tại đây phần hạt thô được loại ra, còn phần hạt mịn được đưa vào bể chứa điều hoà, nguyên liệu được khuấy nhẹ, nước trong tràn ra ở phía trên mức tràn được điều tiết sao cho tỷ lệ rắn/lỏng = 1/3 Tỷ lệ này được kiểm tra bằng phương pháp đo tỷ trọng của dung dịch huyền phù. Dung dịch huyền phù được bơm lên thùng khuấy tiếp xúc với sự tham gia của dầu M7 là chất thuốc tuyển 1 với hàm lượng 2 lít/tấn nguyên liệu. Sau đó, dung dịch được đưa vào hệ thống tuyển nổi gồm một cụm máy tuyển vét 4 ngăn với sự tham gia của thuốc tuyển 2 là dầu thông với hàm lượng 2 lít/ tấn nguyên liệu. Cả 2 loại thuốc tuyển này được khống chế một cách nghiêm ngặt cùng với việc ổn định tỷ trọng của dung dịch bằng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm bảo năng suất hoạt động của hệ thống tuyển nổi và hạn chế lượng dư thừa của thuốc tuyển. Phần nổi là than được gạt xuống máng dẫn và đưa về bể cô đặc than. Phần trìm là dung dịch tro bay được dẫn về bể cô đặc tro bay. Nước thoát ra từ các bể cô đặc được dẫn về bể chứa nước tái sử dụng, còn các sản phẩm tro bay và than sau khi được cô đặc với tỷ lệ rắn/lỏng là 50/50 sẽ được bơm lên hai bãi chứa khác nhau. Quá trình róc nước và phơi tự nhiên sẽ đưa độ ẩm xuống 20 – 22%. Sản phẩm chính tro bay có độ ẩm < 20% sẽ được chuyển vào kho có mái che, vào hệ thống sấy và thu sản phẩm. Tro bay có độ ẩm < 20% được đưa vào 32

Luận văn tốt nghiệp Bunke cấp liệu bằng máy xúc lật. Nguyên liệu được vận chuyển tiếp lên lò sấy bằng băng tải. Quá trình sấy được thực hiện trong lò sấy quay đốt trực tiếp bằng than. Qua hệ thống: lọc bụi sơ bộ, lọc bụi cấp hai, hệ thống lọc bụi túi vải, sản phẩm tro bay thu được có các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu đề ra. Cụ thể: SiO2 + Fe2O3 + Al2O3: 86% SO3 : 0,3% MKN < 5% Hàm lượng trên sàng 0,045 mm < 5% Độ đồng đều I : 2% Độ ẩm : 0,3% I.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG VẬT LIỆU PC [4]. Qúa trình gia công ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của vật liệu, do vây tuỳ từng trường hợp cụ thể phải lựa chọn phương pháp gia công để có đựơc sản phẩm phù hợp với yêu cầu. Thông thường vật liệu PC có thể gia công bằng một trong các phương pháp sau đây: I.3.1. Phương pháp lăn ép bằng tay.

33

Luận văn tốt nghiệp

Đây là phương pháp sử dụng rulô hay chổi quét có kích thước khác nhau để thấm nhựa lên bề mặt sợi (sợi ở tấm vải dệt hay dạng vải mat). Thấm và lăn rulô từng lớp một cho đến khi đạt độ dày yêu cầu của sản phẩm. Tuy nhiên sản phẩm có thể có bọt khí, khả năng thấm ướt không đồng đều và tuỳ thuộc vào tay nghề người thợ. Phương pháp gia công này đơn giản, vốn đầu tư thấp nên được ứng dụng rộng rãi và đặc biệt sử dụng cho những sản phẩm có kích thước lớn. I.3.2. Phương pháp phun sợi.

34

Luận văn tốt nghiệp Sản phẩm được làm từ sợi cắt nhỏ và nhựa sẽ được phun đồng thời lên bề mặt khuôn. Sợi thô được cho vào máy cắt nối liền với súng phun với độ dài theo ý muốn. Chế tạo sản phẩm bằng phương pháp lăn ép phun có chu kỳ ngắn, gía thành thấp. Do sợi gia cường chỉ sử dụng loại sợi ngắn nên tính chất cơ lý sản phẩm không cao. I.3.3. Công nghệ đúc kéo. Các sợi gia cường kéo, tẩm thấm qua bể nhựa, sau đó được đưa vào khuôn và gia nhiệt. Phương pháp gia công này có thời gian gia công ngắn, khả năng tự động hoá cao, sản phẩm thu được có tính chất cơ học rất cao, tuy nhiên, vốn đầu tư ban đầu lớn. I.3.4. Công nghệ quấn sợi.

Sử dụng các trục được chống dính, các sợi tẩm nhựa sẽ được quấn vào trục. Quấn sợi theo các góc khác nhau tuỳ theo yêu cầu và có thể lập chương trình trước. Có hai cách quấn : quấn vắt chéo và quấn song song. Phương pháp này được sử dụng để chế tạo các loại ống và thùng chứa. 35

Luận văn tốt nghiệp I.3.5. Công nghệ bơm nhựa vào khuôn. Tạo hình trong chân không bao gồm sử dụng đồng thời áp suất chân không và áp suất không khí. Khuôn được phủ lên một lớp nhựa và sợi bằng tay hoặc phun. Phương pháp này thích hợp để chế tạo các sản phẩm không thường xuyên và các kết cấu phức tạp. Sản phẩm có tính chất cơ lý cao do sự phân bố nhựa, sợi đồng đều, hai bề mặt nhẵn. Tuy nhiên, tốc độ sản xuất thấp, phải đầu tư lớn về nhà xưởng và máy thuỷ.

I.3.6. Công nghệ hút chân không.

36

Luận văn tốt nghiệp

Vật liệu lớp được gia công bằng tay theo phương pháp ướt. Màng chất dẻo (Nilon) bọc lên khuôn và không khí được tháo ra nhờ bơm chân không. Lượng nhựa thừa được loại bỏ dưới tác dụng của bơm chân không .

• Ưu điểm : - Hàm lượng lỗ bọt khí ít hơn. - Thấm ướt nhựa lên sợi tốt hơn nhờ áp suất chân không, lượng nhựa thừa sẽ loại bỏ, do vậy hàm lượng sợi cao hơn phương pháp gia công bằng tay. - An toàn cho sức khoẻ : Túi chân không sẽ làm giảm lượng chất bay hơi giải phóng trong quá trình đóng rắn. • Nhược điểm : - Qúa trình tạo chân không làm tăng giá thành sản phẩm (nhân công, vật liệu). - Đòi hỏi kỹ năng thao tác cao hơn. 37

Luận văn tốt nghiệp I.4. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC. Độ bền và độ chắc cao của vật liệu PC làm cho các chi tiết chuyển động như bánh xe, trục quay có khả năng hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với các chi tiết làm bằng hợp kim. Điều đó có nghĩa là năng lượng tích tụ trên một đơn vị trọng lượng cao hơn. Khác với các vật liệu truyền thống sự phá huỷ của vật liệu PC khi đạt đến tải trọng tới hạn không xảy ra tức thời, nghĩa là không xảy ra hư hỏng thảm hoạ. Vật liệu PC tiếp tục biến dạng mà vẫn duy trì được khả năng làm việc ở các tải trọng thấp hơn tải trọng phá huỷ. Một cơ chế phá huỷ như vậy của vật liệu PC gia cường bằng sợi đảm bảo cho các chi tiết làm việc với độ tin cậy cao. Khi sử dụng vật liệu PC gia cường bằng sợi có mođun cao sẽ giảm được momen quán tính ở tốc độ tới hạn của các trục quay và do đó giảm được số lượng các gối hay ổ đỡ trung gian, hoặc cho phép trục quay làm việc với tốc độ cao hơn. Tính chụi va đập bao gồm cả ứng suất dư và ứng suất phá huỷ của vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh và sợi aramit là tuyệt vời. Hơn nữa sợi aramit có thể kết hợp với sợi cacbon hoặc thuỷ tinh để tối ưu hoá nặng lượng hấp thụ và các yêu cầu khác, kể cả giá thành. Giảm tiêu hao năng lượng do độ bền và độ chắc được nâng cao cho phép các vợt tennis compozit sợi cacbon tạo cho quả bóng có vận tốc cao hơn. Chống ăn mòn là đặc tính của vật liệu PC dựa vào việc lựa chọn loại nhựa thích hợp. Tính ổn định kích thước của các kết cấu từ vật liệu PC là điều kiện rất quan trọng để ứng dụng trong thiết bị X- quang, máy công cụ, máy đo tế vi, cánh tay rôbốt, kính viễn vọng, thiết bị lạnh…

38

Luận văn tốt nghiệp Các chi tiết và liên kết tiêu chuẩn từ vật liệu PC có thể sản xuất nhanh và kinh tế hơn so với trường hợp dùng kim loại. Đồng thời dễ thay thế hơn. Độ giãn nở nhiệt của vật liệu PC có thể điều chỉnh cho phù hợp với các yêu cầu gia công đa dạng để giảm thiểu ứng suất nhiệt. Sợi cacbon và aramit có hệ số giãn nở nhiệt âm theo chiều dài, do đó phải chú ý điều chỉnh . Vật liệu PC có khả năng chụi khí hậu tốt trong môi trường biển. Nhờ độ bền và tính chống ăn mòn cao nên giảm được thời gian bảo hành so với các kết cấu gỗ hay kim loại. Tuy nhiên, cần có xử lý đặc biệt để vật liệu PC chụi được bức xạ tử ngoại. Có thể tạo nên vật liệu PC dẫn điện nếu sử dụng compozit sợi cacbon phủ Niken. Vật liệu PC có khả năng cách âm và giảm xóc tuyệt vời. Độ rung về âm thanh và cơ học có thể giảm 10% so với kim loại. Tính chất ma sát và mài mòn của vật liệu PC gia cường bằng sợi cacbon là rất tồt. Hệ số ma sát của compozit cacbon trên thép chỉ bằng 40% so với thép/thép có bôi trơn. Tính tích tụ nhiệt thấp của compozit cacbon-cacbon cùng với độ ổn định kích thước, nhẹ và hệ số ma sát cao cho phép sử dụng làm má phanh cho máy bay và cho ôtô đua. Dễ thao tác và vận chuyển nhanh do nhẹ. Giảm được phế liệu vì các chi tiết và kết cấu từ vật liệu PC thường được làm theo đúng hình dáng sản phẩm yêu cầu, chứ không phải bằng phương pháp phay, bào, tiện, khoan…như kim loại.

39

Luận văn tốt nghiệp I.5. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PC. Hiện nay vật liệu PC được ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau để thay thế cho các vật liệu truyền thống như : gỗ, kim loại… và đặc biệt là trong nghành giao thông vận tải. Trong nghành giao thông vận tải, vật liệu PC được dùng để chế tạo các thiết bị, các phương tiện như : Tàu, thuyền đi biển, thùng chứa nhiên liệu, ốp trần toa xe lửa, lốp các loại xe, lớp bọc lót phía trong thân máy bay, cầu… Ngày 8 – 7 – 1997, người ta đã lắp đặt một cây cầu hoàn toàn bằng vật liệu PC trên cơ sở nhựa isopolyeste kết hợp với cốt sợi thuỷ tinh. Sau một thời gian, người ta theo dõi và đã nhận thấy rằng bề mặt cầu không những có khả năng chống thấm mà nó còn không bị rạn nứt, han rỉ. Điều này cho phép tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể cho việc bảo dưỡng. Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã sử dụng vật liệu PC để lắp đặt và bố trí các thiết bị trong hệ thống hành lang an toàn giao thông: Dải phân cách, biển báo, cọc tiêu, biển phản quang… Đối với nghành công nghiệp sản xuất ôtô, việc sử dụng vật liệu PC sẽ mạng lại hiệu quả rất tích cực. Trọng lượng của ôtô sẽ giảm. Độ rung, tiếng ồn cũng sẽ giảm đi khoảng 10% . Không những thế với việc duy trì khả năng làm việc ngay cả khi bị biến dạng (ở mức trọng tải thấp hơn trọng tải phá huỷ), các thiết bị làm từ vật liệu PC sẽ góp phần hạn chế bớt những rủi ro khi tai nạn bất ngờ xảy ra. Vì vậy mà người ta thường dùng vật liệu này để chế tạo các bộ phận, chi tiết của ôtô như : Trục truyền động cơ, bình chứa nhiên liệu … Do có trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều so với kim loại, lại có khả năng chụi và hấp thụ được các cơn chấn động nên vật liệu PC được coi là loại vật

40

Luận văn tốt nghiệp liệu lý tưởng để xây dựng những toà cao ốc hoặc các công trình kiến trúc ở những vùng hay bị động đất (Mỹ, Nhật Bản, Thỗ Nhĩ Kỳ). Ngoài ra trong thể thao, nó được dùng để lắp đặt các thiết bị hoặc chế tạo các công cụ như : vợt tennis, bóng bàn, mái vòm ở sân vận động… Trong khoa học vật liệu PC được dùng để chế tạo : Máy X- quang, máy công cụ, kính viễn vọng, rôbốt… Về giá cả, nhìn chung chi phí cho vật liệu PC đắt hơn so với kim loại và một số vật liệu khác. Tuy nhiên, xét theo hiệu quả thì nó lại có giá trị kinh tế lâu dài. Bởi chi phí cho việc bảo dưỡng rất thấp và tính bền cơ học trong quá trình sử dụng.

PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM II.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN LIỆU ĐẦU II.1.1. Nguyên liệu và hóa chất Nhựa polyeste không no (PEKN) 41

Luận văn tốt nghiệp Nhựa PEKN 2508PT-WV(dạng octo) của Hàn Quốc. Chất xúc tác Chất xúc tác: Metyl etyl keton peoxit (MEKPO) của Hàn Quốc Chất xúc tiến Chất xúc tiến octoat coban: (C8H17COO)2Co Chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt : GENIOSIL (GF-31) CH3 (CH3O)3 – Si - (CH2)3 – O – C – C = CH2 O Phụ gia tro bay Có nguồn gốc: Được cung cấp bởi Công ty cổ phần Sông Đà 12 (Việt Nam). II.1.2. Phương pháp xác định tỷ trọng Tỷ trọng của của chất lỏng được xác định theo tiêu chuẩn DIN 53217 trên dụng cụ tỷ trọng kế (pycnomet) ERICHSEN model 290/ II có thể tích 30 cm3. Thường tỷ trọng được xác định ở 20oC. • Quá trình xác định: Sau khi ổn định ở 20oC, cân tỷ trọng kế (a) và điền đầy mẫu thử cũng ở 20oC sao cho không có bọt khí. Cân tỷ trọng kế chứa mẫu (b). • Hiệu số về khối lượng : (a – b) chia cho thể tích (V) của tỷ trọng kế chính là tỷ trọng của mẫu. II.1.3. Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield Độ nhớt Brookfield được xác định theo tiêu chuẩn DIN 53018 trên nhớt kế Brookfield dạng RVT. 42

Luận văn tốt nghiệp Quá trình xác định: Trước khi xác định, phải đặt chất lỏng trong phòng ở nhiệt độ : 25 ± 0,5oC qua 12 giờ. Rót chất lỏng vào 2/3 cốc thủy tinh, sau đó dìm phần gắn đĩa của trục quay vào mẫu sao cho không xuất hiện bọt khí. Gắn trục quay vào nhớt kế và điều chỉnh để mặt chất lỏng trùng với nấc khía trên trục quay. Bật máy và đọc trên đồng hồ. Điều chỉnh tốc độ và chọn trục quay sao cho số đọc nằm trên vạch chia của mặt đồng hồ. Kết hợp tốc độ, loại trục, số đọc và tra bảng sẽ tính được độ nhớt theo đơn vị xentipoa (Cp). II.1.4. Phương pháp xác định chỉ số axit Chỉ số axit đặc trưng bởi số mg KOH cần thiết để trung hoà nhóm cacboxyl có trong 1(g) mẫu thử. Chỉ số axit được xác định theo công thức: (V – V0) x k x 5,611 Av = g Trong đó: • V, V0: Thể tích dung dịch KOH trong rượu etylic tiêu tốn khi chuẩn mẫu thí nghiệm và mẫu trống (ml). • k: Hệ số điều chỉnh. • g: Khối lượng cân mẫu nhựa (g). • 5,611: Số mg KOH của 1ml KOH 0,1N.

II.1.5. Phương pháp xác định thời gian gel hóa. • Chuẩn bị mẫu thử Cân chính xác 0,5 - 1 (g) nhựa vào hộp lồng và một đương lượng chất đóng rắn, trộn đều ở nhiệt độ phòng. 43

Luận văn tốt nghiệp • Bình thử nghiệm Một bình 3 cổ, thể tích 250 ml có lắp nhiệt kế sinh hàn hồi lưu, ở giữa có nút cao su khoan lỗ cho vào ống nghiệm thành mỏng. Để đáy ống nghiệm và bầu thủy ngân của nhiệt kế ngang nhau và cách bề mặt của dung môi bay hơi chừng 2 - 3 cm. Để cho nhiệt độ ổn định thường trước khi làm phải chưng cất loại ra chừng 10 - 20 ml dung môi cho đến lúc nhiệt độ sôi ổn định. • Quá trình xác định Mỗi lần lấy chừng 0,05(g) hỗn hợp nhựa cộng chất đóng rắn trên đầu tròn của que thủy tinh nhỏ, cho vào ống nghiệm đã ổn định. Khi vừa chạm đáy ống nghiệm thì bấm đồng hồ bấm giây để theo dõi. Thời gian gel hóa là thời gian kể từ khi hỗn hợp vừa chạm đáy ống nghiệm đến lúc hỗn hợp quánh lại khi nhấc que thủy tinh có sợi nhỏ kéo theo. Ở mỗi nhiệt độ thử nghiệm, xác định tối thiểu 3 lần và lấy giá trị trung bình. II.1.6. Phương pháp xác định hàm lượng phần gel Mức độ đóng rắn của nhựa PEKN theo thời gian được xác định bằng phương pháp xoxhlet trong axeton sau 24 giờ. Giấy lọc trước khi cân phải trích ly bằng axeton trong dụng cụ xoxhlet khoảng 3 giờ. Sau đó lấy ra sấy khô đến khối lượng không đổi và để trong bình hút ẩm. Pha trộn nhựa PEKN và chất đóng rắn theo tỷ lệ. Sau đó đưa lên giấy lọc một lượng khoảng 0,1 - 0,2 (g). Sau khi nhựa đóng rắn trong một khoảng thời gian xác định, cân mẫu và tiến hành trích ly trong axeton khoảng 24 giờ. Sau đó lấy mẫu ra cân lại. Hàm lượng phần gel được xác định theo công thức:

44

Luận văn tốt nghiệp g2 - g1 H=

x 100 ( % ) g1 – g0

Trong đó : g2 - Khối lượng mẫu sau khi trích ly, g g1 - Khối lượng mẫu trước khi trích ly, g g0 - Khối lượng giấy lọc khô, g. II.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN CỦA VÂT LIỆU PC II.2.1. Phương pháp xác định độ bền nén Độ bền nén của vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn GOST 4651-63. Mẫu đo độ bền nén có dạng khối chữ nhật với kích thước 10 x10 x15 mm Độ bền nén của mẫu được tính theo công thức: Pn бn = F Trong đó : бn - Độ bền giới hạn khi nén, Kg/cm2 Pn - Tải trọng phá hủy mẫu, Kg F - Diện tích thiết diện ngang, cm2 Yêu cầu: - Bề mặt mẫu phải bằng phẳng, trơn nhẵn, không bị phồng rộp. - Số lượng mẫu cho một kết quả thử là 3- 5. - Độ chính xác kích thước mẫu 0,05 mm. - Nén theo chiều dọc nếu là sợi. - Vận tốc nén 1mm/phút.

45

Luận văn tốt nghiệp II.2.2. Phương pháp xác định độ bền uốn Độ bền uốn của vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178-1993 trên máy INTRON của Mỹ. Tốc độ uốn 5mm/phút. Mẫu đo độ bền uốn có dạng khối thanh với kích thước : 100 x 15 x 4 mm 15 mm 4mm 100 mm

Độ bền uốn được xác định theo công thức : 3Fl δu =

, Mpa 2

2bh Trong đó:

F : Lực tác dụng lên mẫu, N l : Khoảng cách giữa 2 gối đỡ, mm b : Chiều rộng của mẫu, mm h : Chiều dày của mẫu, mm Yêu cầu: - Bề mặt mẫu phải bằng phẳng, trơn nhẵn, không phồng rộp. - Số lượng mẫu cho một kết quả thử: 3 – 5 - Tải trọng đặt ở điểm giữa của khoảng cách giữa 2 gối đỡ và trùng với điểm giữa của mẫu. - Vận tốc uốn 10mm/phút

46

Luận văn tốt nghiệp II.2.3. Phương pháp xác định độ bền va đập Độ bền va đập được xác định theo tiêu chuẩn ISO 179-1993 trên máy Radmana ITR – 2000 của Úc. Tốc độ đập 3,5 m/s. Kích thước chuẩn mẫu đo độ bền va đập: 120 x 15 x 4 mm. 15mm 4mm 120 mm

Độ bền va đập Charpy (avd) được xác định theo công thức : W avd = bh

x 10-3 , KJ/m2

Trong đó : W : Năng lượng phá hủy mẫu, J h : Độ dày của mẫu, mm b : Chiều rộng của mẫu, mm Yêu cầu : - Bề mặt mẫu phải bằng phẳng, trơn nhẵn, không phồng rộp. - Số lượng mẫu cho một kết quả thử: 3 – 5 - Hướng đặt tải trọng phải vuông góc với bề mặt mẫu. II.2.4. Phương pháp xác định độ bền kéo Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1993, trên máy INSTRON 5582 – 100 KN của Mỹ. Tốc độ kéo 5mm/phút ở nhiệt độ 250oC, độ ẩm 75% Mẫu có hình dạng mái trèo, kích thước được gia công theo tiêu chuẩn. 47

Luận văn tốt nghiệp 60 mm 10 mm

20mm

4 mm 150 mm Độ bền kéo đứt được xác định theo công thức sau: F бk =

, MPa A

Trong đó: F : Lực tác dụng , N A: Tiết diện ngang của mẫu, mm2 Yêu cầu: - Các mẫu phải có bề mặt nhẵn, bằng phẳng, không rỗ hay rộp. - Số lượng mẫu cho 1 kết quả thử: 3 – 5. - Chế độ gia công mẫu phải ở cùng điều kiện tiêu chuẩn. II.2.5. Phương pháp xác định sự thay đổi khối lượng trong môi trường hoá chất • Cách tiến hành Mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi, để nguội trong bình hút ẩm và cân chính xác đến 0,1 mg. Ngâm mẫu trong môi trường hoá chất, sau từng khoảng thời gian xác định lấy mẫu ra, dùng giấy lọc thấm khô bề mặt và cân lại. • Độ thay đổi khối lượng của mẫu PC được tính theo công thức: m2 – m1 T=

x 100 , % 48

Luận văn tốt nghiệp m2 Trong đó : T :

Độ thay đổi khối lượng, %

m1 : Khối lượng mẫu ban đầu, g m2 : Khối lượng mẫu sau một khoảng thời gian xác định, g II.2.6. Phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Chụp nghiên cứu cấu trúc vật liệu trên máy hiển vi điện tử quét JEOL JMS 6360 LV của Nhật Bản. II.2.7. Phương pháp xác định độ hấp thụ nước Mẫu nhựa đúc hình tròn có đường kính 50 mm, chiều dày 4 mm. Yêu cầu bề mặt phẳng nhẵn, không có bọt khí bên trong. Cách tiến hành: Mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi, để nguội trong bình hút ẩm và cân chính xác đến 0,1 mg. Ngâm mẫu trong nước, sau từng khoảng thời gian xác định lấy mẫu ra, dùng giấy lọc thấm khô bề mặt và cân lại. Độ hấp thụ nước được tính theo công thức: m2 – m1 T=

x 100 , % m2

Trong đó : T : Độ hấp thụ nước, % m1 : Khối lượng mẫu ban đầu, g m2 : Khối lượng mẫu sau một khoảng thời gian xác định, g

49

Luận văn tốt nghiệp II.2.8. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA (Thermo Gravimetric Analysis) Phân tích TGA được thực hiện trên máy Shimadzu TGA – 50H của Nhật.

PHẦN III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN III.1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LIỆU ĐẦU III.1.1. Đặc tính của nguyên liệu đầu III.1.1.1. Nhựa nền PEKN Đã sử dụng loại nhựa polyeste không no (dạng octo) loại 2508PT-WV. Là loại phổ biến trên thị trường, giá thành hạ. Các tính chất vật lý của nhựa được trình bày trong bảng III.1 như sau: Bảng III.1: Tính chất vật lý của nhựa nền PEKN - 2508PT-WV Tính chất

Đơn vị

Giá trị

Độ nhớt, ở 200C

Cp

925

Tỷ trọng, ở 200C

g/ml

1,056

Hàm lượng styren

% khối lượng

42

Chỉ số axit

Mg KOH/g nhựa

14

Các kết quả phân tích được cho thấy, nhựa PEKN – 2508PT-WV (dạng octo) có các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu làm nhựa nền cho vật liệu polyme compozit. III.1.1.2. Phụ gia tro bay Đã xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật của phụ gia tro bay được đưa ra trong bảng III.1 như sau: 50

Luận văn tốt nghiệp

Bảng III.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật của phụ gia tro bay ST T

Chỉ tiêu kỹ thuật

Đơn vị

Kết quả

Yêu cầu kỹ thuật

Phương pháp thử

1

Khối lượng riêng

g/cm3

0,868

2

Lượng sót trên sàng

%

27,4

≤ 34

ATSM C430-96

3

Lượng nước yêu cầu

%

95,2

≤ 115

ATSM C311-00

4

Độ ẩm

%

0,154

5

Hàm lượng mất khi nung

%

3,33

6

Hàm lượng SiO2

%

56,70

7

Hàm lượng Fe2O3

%

6,70

8

Hàm lượng Al2O3

%

26,26

≤ 6,0

SiO2+Fe2O3 +Al2O3 ≥ 70

9

Hàm lượng SO3

%

0,001

≤ 5,0

10

Tổng hàm lượng kiềm có hại

%

0,58

≤1,50

ASTM C311:20 00

Qua bảng kết quả phân tích được ở trên cho thấy, đây là loại bột rất mịn và nhẹ (khối lượng riêng là 0,868 g/cm3). Trong thành phần của tro bay có một lượng rất lớn SiO2 (56,70%). Đây là thành phần tương đối trơ về mặt hoá học, tạo cho vật liệu có khả năng chịu mài mòn rất tốt. Ngoài ra, còn có một hàm lượng Al2O3 (26,26%) cũng rất đáng chú ý, giúp cho vật liệu có khả năng chịu nước cao. Vì vậy, loại phụ gia này có thể dùng để chế tạo vật liệu PC.

51

Luận văn tốt nghiệp III.1.2. Khảo sát thời gian gel hóa và hàm lượng phần gel Đối với quá trình gia công vật liệu PC, một thông số rất quan trọng phải xác định là thời gian gel hoá. Đề tài đã sử dụng chất xúc tác MEKPO – Loại chất xúc tác khơi mào phản ứng trùng hợp gốc tự do nhựa polyeste không no với các tỷ lệ thay đổi từ 0,3 đến 1% so với nhựa nền. Quá trình khảo sát được thực hiện ngay tại nhiệt độ phòng ở 250C. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác MEKPO đến thời gian gel hoá và hàm lượng phần gel của nhựa polyeste được trình bày trên bảng III.3. Bảng III.3: Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác MEKPO đến thời gian gel và hàm lượng phần gel của nhựa nền PEKN STT

Hàm lượng MEKPO (%)

Thời gian gel hoá (phút)

Hàm lượng phần gel (%)

1

0,3

145

91,77

2

0,4

33

92,31

3

0,5

60

95,15

4

0,6

49

96,12

5

0,7

58

96,07

6

0,8

34

95,09

7

0,9

29

94,67

8

1,0

25

94,35

Dựa vào kết quả khảo sát được qua số liệu bảng III.3 cho thấy: Nhựa PEKN 2508PT-WV có hàm lượng phần gel tương đối cao và thời gian gel hoá phù hợp cho quá trình gia công vật liệu PC bằng các phương pháp thủ công. Từ đó, đề tài đã lựa chọn ra chế độ đóng rắn thích hợp nhất cho loại nhựa này như sau: Hàm lượng chất xúc tác MEKPO tối ưu cần dùng cho việc chế tạo vật liệu là 0,6% ứng với hàm lượng phần gel đạt giá trị cao nhất (96,12%) và thời gian gel hoá là 49 phút. 52

Luận văn tốt nghiệp III.2. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ CHẤT LIÊN KẾT ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC VẬT LIỆU PC. Chất liên kết (coupling agents): GENIOSIL GF 31 – hợp chất silan của hãng WACKER SINICONES (ĐỨC). Sử dụng tỷ lệ nhựa nền/bột độn = 100/50 phần khối lượng (PKL) Đề tài đã tiến hành khảo sát độ nhớt và tính chất cơ lý của hỗn hợp nhựa nền và bột độn khi đưa vào chất liên kết với các tỷ lệ khác nhau: 0%; 0,5%; 1,0%; 1,5% so với nhựa nền. Kết quả đo được trình bày trong bảng III.4. Bảng III.4:Ảnh hưởng của tỷ lệ chất liên kết đến tính chất vật lý của hỗn hợp nhựa và bột độn. STT

GF31 (%)

Khối lượng riêng (g/cm3)

Độ nhớt (Cp)

Thời gian gel (phút)

Hàm lượng phần gel (%)

1

0

1,2091

3000

73

90,04

2

0,5

1,2194

2900

67

91,13

3

1,0

1,2165

2700

60

92,37

4

1,5

1,2183

1800

52

93,25

5

2,0

1,2190

1700

39

91,14

Từ các kết quả thu được, nhận thấy khi có mặt chất liên kết thì các tính chất cơ lý hoá của hỗn hợp được cải thiện đáng kể. Độ nhớt của hỗn hợp giảm từ 3000 Cp xuống còn 1800 Cp khi cho thêm 1,5% chất liên kết vào trong hỗn hợp. Độ nhớt giảm là một điều kiện thuận lợi cho quá trình gia công vật liệu PC sau này.

53

Luận văn tốt nghiệp Tiến hành gia công mẫu PC với nhựa nền PEKN 2508PT-WV dạng octo, chất gia cường là phụ gia tro bay với sự có mặt của chất liên kết theo các tỷ lệ trên để đo tính chất cơ học. Kết quả khảo sát trình bày trong bảng III.5.

Bảng III.5:Ảnh hưởng của tỷ lệ chất liên kết đến tính chất cơ học của vật liệu GF31(%)

Độ bền kéo (MPa)

Độ bền uốn (MPa)

Độ bền va đập (KJ/m2)

Độ bền nén (MPa)

0

33,03

54,80

2,24

85,90

0,5

35,72

58,30

2,28

88,55

1,0

36,28

61,35

2,31

93,02

1,5

36,66

65,10

2,58

89,09

2,0

34,58

61,70

2,37

88,02

Các số liệu nghiên cứu được cho thấy chất liên kết có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của vật liệu PC. Khi có mặt của chất liên kết hầu hết các tính chất cơ học của vật liệu đều tăng lên và đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng chất liên kết GF31 = 1,5% (hàm lượng tối ưu). III.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT GIA CƯỜNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU PC. Khả năng gia cường của bột đạt hiệu quả cao nhất khi tỷ lệ giữa phụ gia và nhựa nền đạt giá tri tối ưu. Do đó, việc khảo sát tìm ra hàm lượng tro bay là rất cần thiết.

54

Luận văn tốt nghiệp Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất vật lý và cơ học của vật liệu đã tiến hành chế tạo mẫu với hàm lượng tro bay thay đổi 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90 và 100 (PKL). Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất vật lý của nguyên liệu trên cơ sở nhựa nền PEKN được trình bày ở bảng III.6.

Bảng III.6: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất vật lý của hỗn hợp nguyên liệu. STT

Hàm lượng tro bay (phần khối lượng)

Khối lượng riêng (g/cm3)

Độ nhớt (Cp)

1

30

1,0839

1050

2

40

1,1909

1400

3

50

1,2183

1800

4

60

1,1718

1150

5

70

1,1917

1175

6

80

1,1123

1350

7

90

1,2469

1600

8

100

1,2653

2000

Kết quả khảo sát được cho thấy: Khi tăng hàm lượng tro bay, do sự khuếch tán của các hạt tro bay vào nhựa làm cho độ nhớt của hỗn hợp tăng. Sau đó, nếu tiếp tục tăng hàm lượng tro bay lên 60 PKL so với nhựa nền thì do tỷ lệ 55

Luận văn tốt nghiệp nhựa/tro bay đạt được độ tương hợp tối ưu nên độ nhớt của hỗn hợp giảm xuống. Song khi hàm lượng tro bay quá cao, sự khuếch tán của tro bay vào nhựa nền có hiện tượng kết tụ lại làm cho độ nhớt của hỗn hợp tăng. Tiến hành gia công mẫu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN, với sự có mặt của chất liên kết GF 31 = 1,5%, được gia cường bằng phụ gia tro bay theo các tỷ lệ trên để đo tính chất cơ học.

Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất cơ học của vật liệu được PC được thể hiện qua các hình III.1; III.2; III.3 và III.4 dưới đây:

Từ kết quả hình III.1 cho thấy: Khi hàm lượng phụ gia tro bay tăng, độ bền kéo của vật liệu PC tăng. Do khả tiếp nhận ứng suất của bột gia cường tốt hơn của nhựa nền và độ bền kéo của vật liệu tăng và đạt giá trị lớn nhất (39,59 MPa) khi hàm lượng tro bay là 60 PKL. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng tro bay lớn hơn 60 PKL, lúc đó do lượng tro bay quá nhiều dẫn đến việc nhựa nền

56

Luận văn tốt nghiệp không đủ bao phủ. Do vậy, một phần bột không được thấm nhựa tạo nên các khuyết tật trong vật liệu làm cho độ bền của vật liệu giảm. 72

70,35

Độ bền uốn, MPa

70 68

67,05

66,40 65,10

66

63,85

63,20

64

61,95

62,20

90

100

62 60 58 56 30

40

50

60

70

80

Hµm l−îng tro bay, PKL Hinh III.2: Độ bền uốn của vật liệu PC theo hàm lượng tro bay

Từ kết quả hình III.2 cho thấy: Khi hàm lượng tro bay là 60 PKL, do độ tương hợp tốt giữa nhựa nền và bột gia cường mà độ bền uốn của vật liệu PC đạt giá trị lớn nhất (70,35 MPa).

57

Luận văn tốt nghiệp

Kết quả đo đạc độ bền nén và độ bền va đập được trình bày trên hình III.3 và hình III.4 cho thấy với hàm lượng tro bay là 60 PKL cho vật liệu có tính chất cơ học cao nhất: Độ bền nén 102,69 MPa, độ bền va đập 2,7 KJ/m2.

58

Luận văn tốt nghiệp Trên cơ sở các số liệu nhận được, tỷ lệ PEKN/tro bay tối ưu được chọn là 100/60 (khối lượng) cho các khảo sát tiếp theo. III.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI BỘT GIA CƯỜNG KHÁC NHAU ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU PC. Việc khảo sát ảnh hưởng của các loại bột khác nhau đến tính chất cơ học của vật liệu PC là rất quan trọng vì qua đó ta có thể đánh giá được khả năng tương hợp của nhựa nền PEKN so với các loại bột gia cường khác nhau. Đã tiến hành chế tạo mẫu vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN được gia cường bằng 3 loại bột khác nhau (bột barit, bột talc và phụ gia tro bay) với tỷ lệ nhựa/bột gia cường = 100/60 (khối lượng) để đo tính chất cơ học. Kết quả đo được trình bày trên các hình sau đây:

45 39,59

40

§é bÒn kÐo, MPa

35 30 25 20 12,76

15 10

7,39

5 0 Barit

Talc

Tro bay

Hµm l−îng bét gia c−êng, PKL H×nh III.5: ¶nh h−ëng cña bét gia c−êng ®Õn ®é bÒn kÐo

59

Luận văn tốt nghiệp 80 70,35 70 §é bÒn uèn, MPa

60 50 40 30 18,75

20 10

8,4

0 Barit

Talc

Tro bay

Hµm l−îng bét gia c−êng, PKL H×nh III.6: ¶nh h−ëng cña bét gia c−êng ®Õn ®é bÒn uèn

120 102,69

§é bÒn nÐn, MPa

100 80 60 40,76 40 19,54 20 0 Barit

Talc

Tro bay

Hµm l−îng bét gia c−êng, PKL H×nh III.7: ¶nh h−ëng cña bét gia c−êng ®Õn ®é bÒn nÐn

60

Luận văn tốt nghiệp 3

2,7

§é bÒn va ®Ëp, KJ/m2

2.5 1,91

2 1.5

1,4

1 0.5 0 Barit

Talc

Tro bay

Hµm l−îng bét gia c−êng, PKL H×nh III.8: ¶nh h−ëng cña bét gia c−êng ®Õn ®é bÒn va ®Ëp

Tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN, gia cường bằng các loại bột khác nhau được trình bày trên các hình II.5, II.6, II.7 và II.8 cho thấy: Tính chất cơ học của vật liệu PC được gia cường bằng phụ gia tro bay có tính chất cơ học cao hơn hẳn so với vật liệu PC gia cường bằng các loại bột khác (barit và talc). Độ tương hợp giữa nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay là tương đối tốt. III.5. KHẢO SÁT CẤU TRÚC VẬT LIỆU PC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM)

61

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.9. Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay khi kéo.

Hình III.10. Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ bột barit khi kéo

62

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.11. Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ bột talc khi kéo Quan sát các hình chụp cấu trúc bề mặt phá huỷ của mẫu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng các loại bột khác nhau cho thấy, trên bề mặt phá huỷ của mẫu gia cường bằng tro bay xuất hiện rất ít các vết rạn nứt giữa phần nhựa và phần tinh thể của hạt bột độn. Độ tương hợp giữa nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay là tương đối tốt. Kích thước hạt hình cầu, nhỏ, mịn là một trong những tính chất đáng quý của tro bay. Để thấy được sự thay đổi cấu trúc của vật liệu PC sau khi ngâm khảo sát trong các môi trường hoá chất ăn mòn khác nhau, đã tiến hành chụp ảnh SEM bề mặt gãy của từng mẫu. Kết quả có thể nhận thấy qua các hình chụp được sau đây:

63

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.12: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường kiềm NaOH

Hình III.13: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường muối NaCl 64

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.14: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường axit H2SO4

Hình III.15: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường nước cất 65

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.16: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường xăng A92

Hình III.17: Ảnh SEM bề mặt gãy của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay sau khi ngâm trong môi trường dầu điezen 66

Luận văn tốt nghiệp

Qua các hình III.12; III.13; III.14; III.15; III.16 và III.17 trên cho thấy vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay chịu nước, xăng và dầu khá tốt. Cấu trúc vật liệu bị biến đổi rất ít so với trước khi ngâm. Chịu muối, axit và kiềm kém hơn, cấu trúc vật liệu xuất hiện các lỗ phồng rộp giống như tổ ong. III.6. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN HOÁ CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG HOÁ CHẤT KHÁC NHAU THEO THỜI GIAN. Tiến hành gia công chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay với tỷ lệ PEKN/tro bay = 100/60 (khối lượng). Mẫu sau khi gia công đem sấy ở 800C trong 3 giờ, sau đó tiến hành ngâm khảo sát trong các môi trường hoá chất ăn mòn mạnh dùng, rồi xác định các tính chất cơ học (kéo, uốn, va đập và nén). Kết quả thu được trình bày ở bảng sau: Bảng III.7.Sự thay đổi độ bền kéo của vật liệu PC trong môi trường hoá chất Tính chất kéo Môi trường

Bền kéo, MPa

Modul, GPa

Biến dạng,%

Trống

39,59

2,02

3,21

H2SO4 30%

28,35

1,17

2,88

NaOH 10%

23,51

1,04

3,84

NaCl 3%

27,60

1,45

1,67

Nước cất

32,95

1,54

2,69

Xăng A92

33,29

1,52

2,65

Dầu điezen

34,81

2,06

2,95

67

Luận văn tốt nghiệp

Bảng III.8.Sự thay đổi độ bền uốn của vật liệu PC trong môi trường hoá chất Tính chất uốn Môi trường

Bền uốn, MPa

Modul, GPa

Biến dạng,%

Trống

70,35

3,01

2,7

H2SO4 30%

47,80

2,13

2,5

NaOH 10%

42,10

0,67

3,1

NaCl 3%

58,40

3,32

0,2

Nước cất

57,40

2,13

2,5

Xăng A92

60,1

3,00

2,7

Dầu điezen

56,7

2,84

2,8

Bảng III.9.Sự thay đổi độ bền va đập của vật liệu PC trong môi trường hoá chất Môi trường

Bền va đập, MPa

Trống

2,70

H2SO4 30%

2,14

NaOH 10%

1,76

NaCl 3%

1,84

Nước cất

2,47

Xăng A92

2,43

Dầu điezen

2,32

68

Luận văn tốt nghiệp

Bảng III.10.Sự thay đổi độ bền uốn của vật liệu PC trong môi trường hoá chất Tính chất nén Môi trường

Bền nén, MPa

Modul, GPa

Biến dạng,%

Trống

102,69

2,77

8,28

H2SO4 30%

92,59

1,67

24,18

NaOH 10%

82,95

0,68

27,10

NaCl 3%

81,44

0,47

28,99

Nước cất

90,45

0,65

22,56

Xăng A92

98,73

0,86

27,88

Dầu điezen

98,96

0,80

27,34

Căn cứ vào các kết quả trên, có thể nhận thấy vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng phụ gia tro bay có tính chất cơ học khá cao và có độ bền ổn định trong môi trường hoá chất ăn mòn mạnh, đặc biệt là trong 3 môi trường: nước, xăng và dầu. Cụ thể là khi ngâm mẫu trong môi trường hoá chất, sau 16 ngày, tính chất cơ học của vật liệu thay đổi như sau: + Trong môi trường dung dịch H2SO4 30%: Độ bền kéo giảm 28%, độ bền uốn giảm 32%, độ bền va đập giảm 21%, độ bền nén giảm 10%. + Trong môi trường dung dịch NaOH 10%: Độ bền kéo giảm 41%, độ bền uốn giảm 40%, độ bền va đập giảm 35%, độ bền nén giảm 19%.

69

Luận văn tốt nghiệp + Trong môi trường dung dịch NaCl 3%: Độ bền kéo giảm 30%, độ bền uốn giảm 17%, độ bền va đập giảm 31%, độ bền nén giảm 20%. + Trong môi trường nước cất: Độ bền kéo giảm 16%, độ bền uốn giảm 18%, độ bền va đập giảm 9%, độ bền nén giảm 12%. + Trong môi trường xăng A92: Độ bền kéo giảm 16%, độ bền uốn giảm 14%, độ bền va đập giảm 10%, độ bền nén giảm 4%. + Trong môi trường dầu điezen: Độ bền kéo giảm 12%, độ bền uốn giảm 19%, độ bền va đập giảm 14%, độ bền nén giảm 4%. Đề tài cũng đã tiến hành tạo mẫu để đo độ hấp thụ nước và độ tổn hao khối lượng trong môi trường hoá chất và đã thu được kết quả trong bảng III.11. Bảng III.11: Sự thay đổi khối lượng của vật liệu PC trong các môi trường hoá chất. Sự thay đổi khối lượng, % Thời gian (ngày)

H2SO4 30%

NaOH 10%

NaCl 3%

Nước cất

Xăng A92

Dầu điezen

2

+0,11

-0,34

+0,07

+0,24

+0,04

+0,14

4

+0,15

-1,00

+0,30

+0,25

-0,05

+0,17

6

+0,21

-1,66

+0,35

+0,38

+0,17

+0,11

8

+0,12

-2,29

+0,30

+0,42

-0,04

+0,12

10

+0,18

-2,23

+0,48

+0,45

-0,01

+0,08

12

+0,17

-2,31

+0,43

+0,50

-0,06

+0,11

14

+0,18

-2,27

+0,46

+0,55

-0,07

+0,07

16

+0,17

-2,17

+0,49

+0,56

-0,04

+0,08

Chú thích: 70

Luận văn tốt nghiệp Dấu " – ″: Sự suy giảm khối lượng Dấu " + ": Sự tăng khối lượng Kết quả nghiên cứu trong môi trường axit và kiềm mạnh cho thấy có sự suy giảm do nhựa nền PEKN sử dụng là loại octo có tính chất chịu hoá chất không được tốt lắm. Tuy nhiên, đây là khảo sát sơ bộ của đề tài về phụ gia độn tro bay, do đó khi làm việc trong môi trường khắc nghiệt thì có thể dùng loại nhựa nền khác. Trong các môi trường dung môi còn lại (NaCl, H2O, xăng A92, dầu điezen) sự trương nở, hoà tan các thành phần cấu tạo vật liệu là không đáng kể. III.7. KHẢO SÁT ĐỘ HẤP THỤ CỦA NƯỚC VÀO VẬT LIỆU PC. Một trong những tính chất sử dụng quan trọng của vật liệu là khả năng chịu nước. Để khảo sát đặc tính trên, đã tiến hành chế tạo vật liệu PC từ nhựa nền PEKN với 60 PKL tro bay. Mẫu được đúc hình tròn có đường kính 50 mm, chiều dày 4 mm. Mẫu đã được ngâm trong nước và được xác định khối lượng sau các khoảng thời gian nhất định.

71

Luận văn tốt nghiệp Kết quả xác định độ hấp thụ nước vật liệu PC được trình bày trên hình III.18

Hình III.18: Độ hấp thụ nước của vật liệu PC theo thời gian. Các số liệu trên hình III.18 cho thấy, độ hấp thụ nước của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN gia cường bằng bột tro bay là rất nhỏ và hấp thụ nhanh ở 72 giờ ngâm đầu tiên. Có thể là ở giai đoạn này nước thẩm thấu vào vật liệu theo cơ chế mao quản. Sau đó độ hấp thụ nước của vật liệu tăng rất chậm. Điều này có thể giải thích bởi tính kỵ nước của phụ gia tro bay. Hệ số khuếch tán của một chất lỏng xâm thực vào polyme là chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng bảo vệ của vật liệu polyme. III.8. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PC. Đề tài đã tiến hành khảo sát độ bền nhiệt của các mẫu vật liệu PC gia cường

bằng bột talc, bột barit và phụ gia tro bay với tỷ lệ nhựa nền/bột gia

72

Luận văn tốt nghiệp cường là

100/60 (khối lượng) theo phương pháp phân tích nhiệt khối

lượng (TGA). Kết quả thu được biểu diễn trên hình

Hình III.19: Đồ thị TGA mẫu PC (nhựa + bột barit) Kết quả phân tích được trên đồ thị III.19 cho thấy rằng, ở 2800C mẫu bị phân huỷ 4,30% khối lượng. Khi tăng nhiệt độ lên 4000C thì sự tổn hao khối lượng là 47,21%.

73

Luận văn tốt nghiệp

Hình III.20: Đồ thị TGA mẫu PC (nhựa + bột talc) Trên đồ thị hình III.20 thấy rằng ở nhiệt độ 2700C thì mẫu chỉ bị phân huỷ 4,43% khối lượng. Còn ở nhiệt độ 4000C thì sự tổn hao khối lượng là 49,46%.

74

Luận văn tốt nghiệp Hình III.21: Đồ thị TGA của mẫu PC (nhựa + bột tro bay) Trên đồ thị hình III.21 nhận thấy ở 2800C mẫu chỉ bị phân huỷ 4,31% khối lượng. Còn khi tăng nhiệt độ đến 4000C thì sự tổn hao khối lượng là 50,36%.

Hình III.22: Đồ thị TGA của các mẫu PC (nhựa + talc, tro bay, barit) Kết quả phân tích sự tổn hao khối lượng TGA của ba mẫu compozit khác nhau (nhựa + bột talc, tro bay, barit) cho thấy sự tổn hao khối lượng ở 2800C là tương đối nhỏ. Chỉ khi tăng nhiệt độ lên đến 4000C thì mẫu mới bị phân huỷ đáng kể. Như vậy, vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay có khả năng chịu nhiệt tương đối tốt, tương đương với vật liệu PC gia cường bằng bột barit và bột talc.

75

Luận văn tốt nghiệp PHẦN IV. KẾT LUẬN Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, đề tài đã rút ra các kết luận sau: 1. Đã tiến hành khảo sát thời gian gel và hàm lượng phần gel của nhựa PEKN, trên cơ sở đó đã tìm ra chế độ đóng rắn thích hợp cho quá trình gia công vật liệu PC. 2. Đã khảo sát sự ảnh hưởng của việc đưa chất liên kết vào thành phần của hỗn hợp nhựa và bột độn. Kết quả cho thấy khi cho thêm một lượng chất liên kết GF31 (1,5% theo nhựa nền) thì cấu trúc của vật liệu trở nên chặt chẽ hơn. Ngoài ra, tính chất cơ học của vật liệu cũng tăng lên đáng kể. Từ đó, đã tìm ra tỷ lệ tối ưu cho việc chế tạo vật liệu PC. Đề tài đã sử dụng 1,5% chất liên kết trong hỗn hợp nhựa và phụ gia tro bay. 3. Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN. Từ đó đã tìm ra tỷ lệ tối ưu PEKN/tro bay = 100/60 (khối lượng) để chế tạo vật liệu PC. 4. Đã khảo sát ảnh hưởng của môi trường hoá chất đến tính chất cơ học của vật liệu bằng cách tiến hành ngâm mẫu chế tạo trong 6 môi trường khác nhau: H2SO4 30%, NaCl 3%, NaOH 10%, nước cất, xăng A92 và dầu điezen. Qua một thời gian ngâm cho thấy khả năng chịu môi trường ăn mòn mạnh của vật liệu là khá tốt, đặc biệt là trong 3 mô trường: nước, xăng và dầu. 5. Đã khảo sát cấu trúc của vật liệu PC thông qua việc chụp ảnh SEM cho thấy độ tương hợp giữa nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay là tương đối tốt. 6. Đã khảo sát sự thay đổi khối lượng của vật liệu PC trong các môi trường hoá chất ăn mòn mạnh. 7. Đã khảo sát độ khuếch tán của nước vào vật liệu PC. 8. Đã khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PEKN và phụ gia tro bay và thấy rằng vật liệu có khả năng chịu nhiệt tương đối tốt. 76

Luận văn tốt nghiệp

PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Khoa học cà Công nghệ; Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam Kỷ yếu Lễ trao giải thưởng sáng tạo Khoa học Công nghệ Việt Nam và giải thưởng WiPO năm 2008. Hà Nội, tháng 4 năm 2009. [2] Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái. “ Vật liệu compozit, các vấn đề khoa học, hướng phát triển và ứng dụng”. Hội thảo quốc gia về vật liệu compozit. Nha Trang, 1995. [3] Chủ biên: Lê Công Dưỡng. Vật liệu học. Nhà xuất bản KHKT, 1997, chương 12, tr.531 – 556. [4] Nguyễn Châu Giang. Luận văn cao học. Hà Nội, 1999, tr.14 – 37. [5] Nghiêm Hùng, “Vật liệu học” Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Tr 227 – 291, 1999. [6] Nguyễn Thuý Hằng, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polypropylene gia cường bằng mat tre và lai tạo với mat thuỷ tinh”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007. [7] Phạm Gia Huân, “Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa PEKN gia cường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo phương pháp RTM và hút chân không”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006. [8] Nguyên Hữu Niếu, Trần Vĩnh Diệu, “Vật liệu polyme compozit”. [9] Đoàn Thị Loan, “Kỹ thuật vật liệu compozit”. Khoa Hoá- Trường Đại học Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng. [10] Composite Material, Vol. 3. Engineering Application of Composite Academic Press. NewYork and London, 1974.

77

Luận văn tốt nghiệp [11] Reymond B. Seymour. Polymer Composites. Utrecht, The Netherlands, 1990. [12] Pau F. Bruins. Unsaturated Polyester Technology. Polytechnic Institite of New York. Gordon and Breach Pulishers 1978. [13] Wiliam. C. Wake. Filler for Plastics. Prentice – Hall, NewJersey, 1996. [14] Mikael Skrifvars, “Synthetic modification and characterization of unsaturated polyesters”. Laboratory of Polymer Chemistry, University of Helsinki, Finland, 2000. [15] “Guide to Composites”. www.spsytems.com

78

Luận văn tốt nghiệp

79

Luận văn tốt nghiệp

80