Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy der 331 và tro bay phế thải ứng dụng trong kỹ thuật điện 1
- 138 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ HƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
TỪ NHỰA EPOXY DER 331 VÀ TRO BAY PHẾ THẢI
ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Hà Nội – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ HƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
TỪ NHỰA EPOXY DER 331 VÀ TRO BAY PHẾ THẢI
ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN
Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Bạch Trọng Phúc
2. PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm
Hà Nội – 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận án là do tôi
thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme -
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nào của các nhóm nghiên cứu khác.
Hà Nội, ngày…….tháng……năm 2016
Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh
PGS.TS Bạch Trọng Phúc PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm Phạm Thị Hường
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Bạch
Trọng Phúc và PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm đã hướng dẫn, giúp đỡ tận tình và
động viên thực hiện thành công luận án tiến sĩ này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Lãnh đạo nhà trường, Ban Lãnh đạo khoa
Khoa học Cơ bản và các bạn đồng nghiệp trong khoa - Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Nam Định luôn ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời
gian đi học và hoàn thành luận án.
Xin cảm ơn rất nhiều tới các anh, các chị và các bạn sinh viên tại Trung tâm Nghiên
cứu Vật liệu Polyme đã chia sẻ những khó khăn và hỗ trợ tác giả trong suốt quá
trình thực hiện công trình khoa học này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, chị gái đã luôn ở bên cạnh,
cảm thông, chia sẻ và khuyến khích rất nhiều về công việc, tinh thần để tác giả tự
tin thực hiện tốt luận án tiến sĩ.
Tác giả luận án
Phạm Thị Hường
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ……………………………
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ………………………………………………..
DANH MỤC CÁC HÌNH………………………………………………………..
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………. 1
1. TỔNG QUAN 3
1.1 Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt vô 3
cơ ……………………………………………………………………...
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit……………………………….. 3
1.1.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt 6
vô cơ ……………………………………………………...........
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme 7
compozit……………………………………………………….
1.2.Nhựa nền nhiệt rắn epoxy…………………………………………...... 9
1.2.1. Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy ………………………………... 9
1.2.2. Một số loại nhựa epoxy………………………………………… 10
1.2.3. Tính chất của nhựa epoxy……………………………………… 12
1.2.4. Các chất đóng rắn và cơ chế đóng rắn nhựa epoxy…………….. 13
1.2.5. Ứng dụng của nhựa epoxy……………………………………... 17
1.3. Tro bay và những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống 18
1.3.1. Thành phần và đặc điểm cấu trúc của tro bay………………….. 18
1.3.2. Những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống của tro bay.. 21
1.3.2.1. Ứng dụng của tro bay trên thế giới…………………… 21
1.3.2.2. Ứng dụng của tro bay tại Việt Nam…………………... 25
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu polyme compozit trên 27
cơ sở nền polyme và tro bay phế thải trong và ngoài nước.......................
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme 27
compozit.....................................................................................
1.4.2. Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay....................... 31
1.4.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ ............... 31
1.4.2.2. Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic...................... 32
1.4.2.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan…….. 33
2. THỰC NGHIỆM............................................................................................... 38
2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất…………………………………………...... 38
2.1.1. Tro bay………………………………………………………… 38
2.1.2. Nhựa nền epoxy DER 331…………………………………….. 38
2.1.3. Chất đóng rắn amin…………………………………………….. 38
2.1.4. Các hóa chất dùng để xử lý biến tính tro bay………………….. 39
2.2. Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay………………… 40
2.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ…………………. 40
2.2.2. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan……………... 40
2.2.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic ……………………. 40
2.3. Thiết bị và phương pháp xác định đặc tính vật liệu………………... 41
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)……………………………. 41
2.3.2. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF)…………………... 41
2.3.3. Phương pháp xác định giản đồ phân bố và kích thước hạt…….. 42
2.3.4. Phương pháp BET……………………………………………… 42
2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ……………………… 42
2.3.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) …………………………… 43
2.3.7. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)……………… 43
2.3.8. Phương pháp xác định góc tiếp xúc của hạt rắn………………... 44
2.3.9. Phương pháp xác định độ nhớt…………………………………. 45
2.4. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu polyme compozit………………. 45
2.5. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu polyme 45
compozit……………………………………………………………….
2.5.1. Phương pháp xác định độ bền nén…………………………... 45
2.5.2. Phương pháp xác định độ bền uốn……………………………... 46
2.5.3. Phương pháp xác định độ bền kéo…………………………….. 46
2.5.4. Phương pháp xác định độ bền va đập Izod……………………. 46
2.6. Phương pháp xác định tính chất điện của vật liệu polyme compozit 47
2.6.1. Phương pháp xác định điện trở suất bề mặt và điện trở suất 47
khối……………………………………………………………
2.6.2. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi …………………. 49
2.6.3. Phương pháp xác định độ bền điện…………………………….. 51
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………………….. 53
3.1. Khảo sát các đặc tính kỹ thuật của tro bay ban đầu………………. 53
3.2. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng các hóa 57
chất vô cơ………………………………………………………..........
3.2.1. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đối với tro bay đến phân bố kích thước 57
và diện tích bề mặt của tro bay…………………………………
3.2.2. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đối với tro bay đến thành phần hóa học 60
3.3. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng axit 61
stearic…………………………………………………………............
3.3.1. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng axit stearic 61
3.3.2. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng axit stearic…………… 64
3.3.3. Xác định mức độ axit stearic hóa tro bay bằng phân tích nhiệt 64
3.4. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng các hợp 66
chất silan……………………………………………………………….
3.4.1. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng các hợp chất silan…… 67
3.4.2. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng hợp chất 68
silan……………………………………………………………
3.4.3. Xác định mức độ silan ghép trên bề mặt tro bay bằng phân tích 71
nhiệt…………………………………………………………..
3.5. Khảo sát các tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ 73
nhựa epoxy DER 331 và tro bay …………………………………….
3.5.1. Khảo sát sự thay đổi độ nhớt, thời gian đóng rắn và hàm lượng 73
phần gel của hệ epoxy/tro bay khi thay đổi hàm lượng tro bay…
3.5.2. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy/tro bay 74
theo hàm lượng tro bay………………………………………….
3.5.3. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 77
epoxy và tro bay xử lý bằng dung dịch kiềm…………………..
3.5.4. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 79
epoxy và tro bay biến tính bằng axit stearic……………………
3.5.5. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 81
epoxy và tro bay đã biến tính bằng các hợp chất
silan……………………………………………………………..
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay biến tính bề mặt đến cấu trúc 85
hình thái của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay……………
3.7. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay biến tính bề mặt đến độ bền nhiệt 86
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay………………...
3.8. Khảo sát các tính chất điện của vật liệu polyme compozit từ nhựa 91
epoxy DER 331 và tro bay……………………………………………
3.8.1. Điện trở suất……………………………………………………. 91
3.8.2. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi…………………... 96
3.8.3. Độ bền điện………………………………………………....... 99
KẾT LUẬN............................................................................................................ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….. 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ……………………………... 115
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ABS Acrylonitrile butadiene styrene Acrylonitrin butadien styren
A-186 -(3,4- Epoxycyclohexyl) -(3,4- Epoxycyclohexyl)
ethyltrimethoxysilane etyltrimetoxy silan
A-1100 3- Aminopropyltriethoxy silane 3- Aminopropyl trietoxy silan
AEAPS N-(2-Aminoethyl)-3- N-(2-Aminoetyl)-3-Aminopropyl
Aminopropylsilantriol silantriol
APTMS - Aminopropyltrimethoxyl silane - Aminopropyl trimetoxyl silan
CFB Circulating fluidized bed Lò hơi tầng sôi tuần hoàn
DETA Diethylenetriamine Dietylen triamin
DPP Diphenylolpropane Diphenylolpropan
ECH Epiclohydrin Epiclohydrin
EEW Epoxide equivalent weight Đương lượng gam epoxy
EP Epoxy Epoxy
EVA Ethylene vinylacetat copolymer Etylen vinylaxetat đồng trùng hợp
Fly ash Fly ash Tro bay
GF80 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane 3- Glycidoxypropyltrimetoxysilan
GF82 3- Glycidoxypropyltriethoxysilane 3- Glycidoxypropyltrietoxysilan
HDPE High density polyethylene Polyetylen tỉ trọng cao
HLE Hàm lượng nhóm epoxy
IR Infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại
KLPT Khối lượng phân tử
LDPE Low density polyethylene Polyetylen tỉ trọng thấp
MKN Mất khi nung
PC Polymer composite Polyme compozit
PE Polyethylene Polyetylen
PEPA Polyethylene polyamine Polyetylen polyamin
PKL Phần khối lượng
PP Polypropylene Polypropylen
PET Polyethylenterephtalat Polyetylenterephtalat
SA Stearic acid Axít stearic
SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét
SSA Surface Sphere Area Diện tích bề mặt
TETA Triethylenetetramine Trietylentetra amin
TGA Thermal Gravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng
XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X
XRF X-ray fluorescence Phổ huỳnh quang tia X
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
UFA Tro bay chưa xử lý
FAN Tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH
FAC Tro bay xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2
FASA Tro bay biến tính bằng axit stearic
FAS Tro bay biến tính bằng silan
FAS1100 Tro bay biến tính bằng silan A1100
FAS186 Tro bay biến tính bằng silan A186
FASGF80 Tro bay biến tính bằng silan GF80
FASGF82 Tro bay biến tính bằng silan GF82
EP/FA Vật liệu compozit epoxy/tro bay
EP/UFA Vật liệu compozit epoxy/tro bay chưa xử lý
EP/FAN Vật liệu compozit epoxy/tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH
EP/FAC Vật liệu compozit epoxy/tro bay xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2
EP/FASA Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng axit stearic
EP/FAS Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan
EP/FAS1100 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan A1100
EP/FAS186 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan A186
EP/FASGF80 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan GF80
EP/FASGF82 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan GF82
Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa
tan Tang góc tổn hao điện môi
e Hằng số điện môi
s Điện trở suất mặt
v Điện trở suất khối
Góc tiếp xúc
Eđt Điện áp đánh thủng
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ ECH và DPP đến tính chất của nhựa epoxy…………… 7
Bảng 1.2: Một số công ty sản xuất và tên thương mại của nhựa epoxy.......................... 9
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của tro bay tại hai nhà máy nhiệt điện khác nhau của 19
Malaysia ………………………………………………………………………..
Bảng 1.4: Thành phần hóa học của tro bay tại các nước khác nhau……………………. 20
Bảng 1.5: Nhu cầu về lượng tro bay sử dụng trong công nghiệp xi măng tại Ấn Độ ..... 22
Bảng 1.6: Nhu cầu sử dụng tro bay trong công nghiệp xi măng tại Việt Nam………… 25
Bảng 1.7: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay loại F đến tính chất của vật liệu compozit 28
nền PET………………………………………………………………………...
Bảng 1.8: Sự biến đổi thành phần hóa học chính của tro bay trước và sau xử lý ……… 32
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật ban đầu của nhựa epoxy DER 331 .................................... 38
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay ban đầu và tro bay đã xử lý……………… 60
Bảng 3.2: Các pic đặc trưng của phổ hồng ngoại tro bay ban đầu và tro bay sau khi biến 63
tính bằng axit stearic 2%.................................................................................
Bảng 3.3: Góc tiếp xúc của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit stearic 2% trong 64
các môi trường……………………………………………………………
Bảng 3.4: Góc tiếp xúc của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng các hợp chất silan 67
khác nhau với cùng hàm lượng 2% trong các môi trường lỏng……………….
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến khối lượng riêng, độ nhớt, thời gian gel 74
hóa và hàm lượng phần gel của hệ epoxy DER 331/tro bay………………
Bảng 3.6: Đặc trưng TGA của EP/UFA, EP/FASGF80 2% và EP/FAS1100 2%........... 90
Bảng 3.7: So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay đến độ 90
bền cơ học của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………..
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 92
epoxy DER 331/tro bay …………………………………………….
Bảng 3.9: Hằng số điện môi của một số chất tại nhiệt độ phòng ………………………… 96
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến hằng số điện môi và tổn hao điện môi 97
của vật liệu compozit nền epoxy DER 331…………………………………..
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền điện của các mẫu vật liệu 100
compozit epoxy DER 331/tro bay……………………………………………
Bảng 3.12: Ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân biến tính đến độ bền điện của các mẫu vật 101
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………..
i
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc thành phần của vật liệu compozit…………………………………… 3
Hình 1.2: Phân bố sản phẩm compozit ứng dụng trong các lĩnh vực tại Việt Nam - 2011 5
Hình 1.3: Một số sản phẩm ứng dụng của vật liệu compozit …………………………… 5
Hình 1.4: Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và năng lượng bề mặt theo công thức Young 8
Hình 1.5: Một số ứng dụng của epoxy……………………………………………………. 18
Hình 1.6: Màu sắc và hình thái cấu trúc của tro bay…………………………………….. 21
Hình1.7: Sản lượng tiêu thụ tro bay qua các năm tại Israel………………………………. 23
Hình 1.8: Sản phẩm ứng dụng của tro bay trong xây dựng................................................ 26
Hình 1.9: Một số sản phẩm ứng dụng tro bay trong vật liệu compozit………………….. 26
Hình 1.10: Độ bền va đập của mẫu compozit nylon 6/tro bay và ảnh SEM tro bay phân 28
tán trong nền nylon 6…………………………………………………………….
Hình 1.11: Ảnh SEM bề mặt hạt tro bay ban đầu và tro bay sau khi đã xử lý …………... 31
Hình 1.12: Cơ chế hình thành liên kết giữa tro bay và axit stearic……………………… 33
Hình 1.13: Cơ chế biến tính bề mặt tro bay bằng hợp chất silan.......................................... 34
Hình 1.14: Ảnh hưởng của việc xử lý tro bay bằng silan đến sự phân tán của tro bay trong 35
nhựa nền epoxy ………………………………………………………………..
Hình 1.15: Phản ứng hóa học của tro bay và silan Si69………………………………….. 36
Hình 2.1: Thiết bị đo nhiễu xạ tia X………………………………………………………. 41
Hình 2.2: Thiết bị phổ kế huỳnh quang tia X……………………………………………. 41
Hình 2.3: Thiết bị đo giản đồ phân bố kích thước hạt…………………………………… 42
Hình 2.4: Thiết bị đo diện tích bề mặt hạt……………………………………………….. 42
Hình 2.5: Thiết bị hiển vi điện tử SEM……………………………………………………. 43
Hình 2.6: Thiết bị đo phổ IR………………………………………………………………. 43
Hình 2.7: Phương pháp đo góc tiếp xúc Wilhelmy……………………………………… 44
Hình 2.8: Thiết bị đo góc tiếp xúc………………………………………………………… 45
Hình 2.9: Thiết bị đo độ bền kéo............................................................................................ 46
Hình 2.10: Thiết bị đo độ bền va đập..................................................................................... 47
Hình 2.11: Thiết bị đo điện trở suất khối và điện trở suất bề mặt......................................... 47
Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất khối……………………………………… 48
Hình 2.13: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất bề mặt…………………………………… 49
Hình 2.14: Đồ thị vectơ dòng và áp của điện môi……………………………………….. 50
Hình 2.15: Thiết bị đo điện dung và tổn hao điện môi………………………………….. 50
ii
Hình 2.16: Hiện tượng đánh thủng điện môi…………………………………………….. 51
Hình 2.17: Mẫu đo và thiết bị đo cường độ đánh thủng…………………………………. 52
Hình 3.1: Cấu trúc hình thái hạt tro bay………………………………………………….. 53
Hình 3.2: Giản đồ phân bố kích thước hạt tro bay………………………………………. 54
Hình 3.3: Hình ảnh XRF xác định thành phần hóa học của tro bay……………………… 54
Hình 3.4: Giản đồ XRD của tro bay Phả Lại …………………………………………….. 55
Hình 3.5: Phổ IR của mẫu tro bay ban đầu………………………………………… 55
Hình 3.6: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của mẫu tro bay ban đầu……………………….. 56
Hình 3.7: Giản đồ phân bố kích thước của tro bay ban đầu và tro bay đã xử lý kiềm……….. 57
Hình 3.8: Ảnh SEM của tro bay đã xử lý kiềm……………………………………………. 58
Hình 3.9: Ảnh SEM của tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH và Ca(OH)2 ……………… 59
Hình 3.10: Phổ IR của axit stearic…………………………………………………………. 62
Hình 3.11: Phổ IR của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit stearic 2%................. 63
Hình 3.12: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit 65
stearic 2%............................................................................................................
Hình 3.14: Phổ IR của hợp chất silan A1100……………………………………………... 68
Hình 3.14: Phổ IR của hợp chất silan GF80……………………………………………… 69
Hình 3.15: Phổ IR của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng silan 2%........................ 70
Hình 3.16: Giản đồ TGA/ DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng 71
silan A1100 với hàm lượng 2%.....................................................................
Hình 3.17: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng 72
silan GF80 với hàm lượng 2%..........................................................................
Hình 3.18: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền kéo đứt của vật liệu compozit 75
epoxy DER 331/tro bay………………………………………………………..
Hình 3.19: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền uốn và % biến dạng của vật liệu 75
compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………………….
Hình 3.20: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền nén và độ bền va đập của vật 76
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay ……………………………………….
Hình 3.21: Ảnh SEM bề mặt gẫy mẫu compozit epoxy DER 331/ tro bay………………… 77
Hình 3.22: Ảnh hưởng của xử lý tro bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền va đập của vật liệu 78
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.23: Ảnh hưởng của xử lý tro bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền kéo đứt, uốn, nén 78
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………
Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền uốn và modun uốn của vật liệu 79
iii
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………………
Hình 3.25: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền kéo đứt và modun kéo của vật 80
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.26: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền va đập và độ bền nén của vật 80
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………………
Hình 3.27: Ảnh hưởng của loại silan đến độ bền nén, độ bền uốn và độ bền kéo đứt của vật 81
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.28: Ảnh hưởng của loại silan đến độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy DER 82
331/tro bay 40PKL……………………………………………………………..
Hình 3.29: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền kéo đứt và modun kéo của vật 83
liệu com pozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.30: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền uốn và modun uốn của vật liệu 83
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.31: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền nén và độ bền va đập của vật 84
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………………..
Hình 3.32: Ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu compozit epoxy DER 331 với tro bay biến 85
tính và chưa biến tính…………………………………………………………..
Hình 3.33: Giản đồ TGAvà DrTGA của nhựa nền epoxy DER 331 và mẫu compozit 87
epoxy DER 331/tro bay chưa biến tính với 40PKL…………………………..
Hình 3.34: Giản đồ TGA và DrTGA của mẫu compozit epoxy DER 331/tro bay chưa biến 88
tính (EP/UFA) và mẫu compozit epoxy DER 331/tro bay biến tính bằng axit stearic 2%
(EP/FASA2%) ……………………………………………………..
Hình 3.35: Giản đồ TGA của các mẫu compozit nền epoxy với tro bay biến tính silan 2% 89
và tro bay chưa biến tính với cùng hàm lượng 40PKL………………………..
Hình 3.36: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 91
epoxy DER 331/tro bay……………………………………………………….
Hình 3.37: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất mặt của vật liệu compozit 93
epoxy DER 331/tro bay……………………………………………………….
Hình 3.38: Ảnh hưởng của tro bay xử lý kiềm đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 94
epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………………………….
Hình 3.39: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu 94
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.40: Ảnh hưởng của hàm lượng silan và hàm lượng axit stearic biến tính tro bay 95
đến điện trở suất khối của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL
iv
Hình 3.41: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính và chưa biến tính đến hằng số 98
điện môi của vật liệu compozit nền epoxy DER 331………………………….
Hình 3.42: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính và chưa biến tính đến độ bền điện 99
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………
Hình 3.44: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến độ bền điện của vật liệu 101
compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL………………..
Hình 3.45: Ảnh hưởng của tro bay xử lý bằng dung dịch kiềm đến độ bền điện của vật 103
liệu compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL……………
Hình 3.46: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến độ bền điện của vật liệu 104
compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL………………..
v
MỞ ĐẦU
Tro bay được biết đến là sản phẩm phế thải từ các nhà máy nhiệt điện trong quá
trình đốt than nhiên liệu. Nó tồn tại ở trạng thái rắn và có kích thước hạt rất nhỏ, vì
thế nó có thể bay tự do trong không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi
trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và đời sống sinh hoạt của nhân dân. Ngoài ra,
tro bay còn gây thiệt hại kinh tế đáng kể khi phải sử dụng một diện tích khá lớn ao
hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này.
Gần đây, Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) đã đưa ra báo cáo về tình trạng ô
nhiễm không khí dựa trên số liệu về mức độ ô nhiễm của 1600 thành phố trên khắp
19 quốc gia thì các nước Pakistan, Ấn Độ, Ai Cập, Quatar, Bangladesh được xếp
vào danh sách các nước có bầu không khí ô nhiễm nhất thế giới. Tình trạng này xảy
ra là do quá trình khai thác và sử dụng nguồn nguyên liệu cho các nhà máy nhiệt
điện, các công trình xây dựng, các nhà máy công nghiệp… [113]. Điều này cho thấy
ô nhiễm không khí đang là mối đe dọa ở rất nhiều các quốc gia, trong đó có cả Việt
Nam.
Do đó, việc đặt ra mục tiêu thu hồi và xử lý tro bay thế nào là một vấn đề cấp
thiết đối với tất cả các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Trong một vài năm trở lại đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu về thành phần và
đặc tính kỹ thuật của tro bay và nhận thấy thành phần hóa học chính của tro bay
gồm nhiều oxit kim loại rất bền, có độ bền nhiệt cao, trong khi hạt tro bay có trọng
lượng nhẹ, kích thước nhỏ. Điều này rất phù hợp để lựa chọn tro bay làm phụ gia
cho bê tông hoặc làm chất độn gia cường cho các loại vật liệu khác.
Theo các số liệu thống kê trên thế giới và trong nước, hiện nay tro bay đã được
ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như trong ngành xây
dựng, ngành giao thông vận tải, trong nông nghiệp và trong vật liệu polyme
compozit. Trong đó, tro bay ứng dụng nhiều nhất phải kể đến là trong lĩnh vực xây
dựng. Nhiều công trình xây dựng lớn đã thành công khi đưa tro bay vào bê tông để
cải thiện độ bền và kết cấu như bê tông tro bay ở thành phố Marina (Chicago), bê
tông tro bay ở tháp Sears –thành phố River (Chicago)…[112].
1
Hiện tại, ở nước ta cũng đang phát triển những nghiên cứu đưa tro bay vào ứng
dụng trong cầu đường, trong xây dựng thủy điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh…[7]
và có thể phát triển ứng dụng tro bay vào một số sản phẩm như sơn, cao su, vật liệu
polyme compozit. Các nghiên cứu bước đầu đã giảm được giá thành sản phẩm,
nâng cao một số đặc tính kỹ thuật, từ đó đem lại những lợi ích kinh tế đáng kể…
Để phát triển và mở rộng tính ứng dụng của tro bay, tác giả tập trung vào nghiên
cứu tro bay ứng dụng trong công nghệ cao, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điện bởi
vật liệu compozit nền epoxy có tính cách điện tốt. Vì thế đề tài “Nghiên cứu chế tạo
vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng
trong kỹ thuật điện” đã được lựa chọn làm chủ đề cho luận án tiến sĩ.
Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro
bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa
epoxy DER 331, từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong kỹ thuật điện.
Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu
sau:
- Khảo sát hàm lượng tro bay đưa vào vật liệu nền epoxy DER 331.
- Nghiên cứu các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay bằng các hóa
chất vô cơ, axit hữu cơ và các hợp chất silan.
- Đánh giá khả năng gia cường của tro bay biến tính và không biến tính đến
tính chất cơ- nhiệt của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy DER 331.
- Nghiên cứu khả năng cách điện của vật liệu polyme compozit với tro bay
biến tính và không biến tính.
2
1. TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt vô cơ
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit
Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác
nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính
năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần. Trong đó, vật liệu compozit phổ biến
gồm hai thành phần chính là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Vật liệu gia cường
(gián đoạn) phân bố trong thành phần vật liệu nền (liên tục) [2].
Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong compozit nhằm tạo nên một sản
phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính
chất vật lý như tính dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng,
nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện
môi…), tính chất quang học, tính cách âm…[4].
Tính chất của vật liệu compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các pha
thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà thường lựa chọn trong đó những tính chất
tốt và phát huy thêm.
Hình 1.1: Cấu trúc thành phần của vật liệu compozit
Trong hai thành phần chính của vật liệu compozit thì vật liệu nền đóng vai trò
liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên một sản phẩm liên tục. Dưới tác dụng
ngoại lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính
chất cơ lý cao hơn vật liệu nền. Ngược lại, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất
sang vật liệu gia cường. Ngoài ra, vật liệu nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia
cường dưới tác dụng của môi trường hay quyết định đến độ bền nhiệt và khả năng
gia công của vật liệu compozit.
3
Do vật liệu compozit có nhiều thành phần khác nhau tạo nên, vì thế lượng sản
phẩm tạo thành là rất đa dạng. Trong khoa học, để phân loại compozit thường căn
cứ vào hai đặc điểm sau:
- Phân loại theo bản chất vật liệu nền.
- Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường.
Với cấu trúc vật liệu gia cường, compozit được phân thành 3 nhóm chính:
compozit gia cường sợi (compozit cốt sợi), compozit gia cường hạt (compozit cốt
hạt) và compozit cấu trúc. Compozit gia cường sợi có thể là sợi thủy tinh, sợi tự
nhiên…, sợi dài, sợi ngắn…còn compozit cốt hạt có thể có nhiều hình dạng khác
nhau: cốt dạng hình cầu, hình que, hình vẩy…hoặc kích cỡ hạt khác nhau như bột
gỗ, than đen, tro bay, talc, cao lanh, sắt, đồng, nhôm, vẩy mica…v.v [16].
Theo bản chất vật liệu nền, compozit cũng được chia thành 3 nhóm chính sau:
compozit nền polyme, compozit nền kim loại, compozit nền ceramic. Trong đó,
compozit nền polyme thường sử dụng rộng rãi hơn nhờ ưu điểm dễ gia công, tạo ra
những sản phẩm phức tạp và kích thước lớn. Compozit nền kim loại thì có ưu điểm
là khả năng chịu nhiệt cao hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất
lỏng hữu cơ tốt hơn. Đối với compozit nền ceramic thì ít được sử dụng do nhược
điểm giá thành khá cao [2].
Nhờ các tính chất ưu việt hơn so với các vật liệu truyền thống như gỗ, sắt,
thép…mà ngày nay vật liệu compozit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: từ
lĩnh vực giao thông, xây dựng, hàng không, trang trí nội ngoại thất đến lĩnh vực thể
thao và công nghiệp dân dụng.
Hiện nay trên thế giới, ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu compozit vào
chế tạo cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các
hãng như Boeing 757, 676 Airbus 310…Theo thống kê của hãng máy bay Boeing,
chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50% compozit trên toàn bộ trọng lượng.
Đó là do vật liệu compozit có tính ưu việt như giảm trọng lượng, tăng độ chịu ăn
mòn, giảm độ rung, giảm tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc [111]. Vật
liệu compozit cũng được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch, các linh
kiện trong ngành công nghiệp điện tử hoặc phục vụ cho ngành công nghiệp đóng
tàu, xuồng; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả..)[111].
4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ HƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
TỪ NHỰA EPOXY DER 331 VÀ TRO BAY PHẾ THẢI
ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Hà Nội – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM THỊ HƯỜNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
TỪ NHỰA EPOXY DER 331 VÀ TRO BAY PHẾ THẢI
ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN
Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Bạch Trọng Phúc
2. PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm
Hà Nội – 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận án là do tôi
thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme -
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nào của các nhóm nghiên cứu khác.
Hà Nội, ngày…….tháng……năm 2016
Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh
PGS.TS Bạch Trọng Phúc PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm Phạm Thị Hường
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Bạch
Trọng Phúc và PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm đã hướng dẫn, giúp đỡ tận tình và
động viên thực hiện thành công luận án tiến sĩ này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Lãnh đạo nhà trường, Ban Lãnh đạo khoa
Khoa học Cơ bản và các bạn đồng nghiệp trong khoa - Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Nam Định luôn ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời
gian đi học và hoàn thành luận án.
Xin cảm ơn rất nhiều tới các anh, các chị và các bạn sinh viên tại Trung tâm Nghiên
cứu Vật liệu Polyme đã chia sẻ những khó khăn và hỗ trợ tác giả trong suốt quá
trình thực hiện công trình khoa học này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, chị gái đã luôn ở bên cạnh,
cảm thông, chia sẻ và khuyến khích rất nhiều về công việc, tinh thần để tác giả tự
tin thực hiện tốt luận án tiến sĩ.
Tác giả luận án
Phạm Thị Hường
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ……………………………
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ………………………………………………..
DANH MỤC CÁC HÌNH………………………………………………………..
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………. 1
1. TỔNG QUAN 3
1.1 Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt vô 3
cơ ……………………………………………………………………...
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit……………………………….. 3
1.1.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt 6
vô cơ ……………………………………………………...........
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme 7
compozit……………………………………………………….
1.2.Nhựa nền nhiệt rắn epoxy…………………………………………...... 9
1.2.1. Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy ………………………………... 9
1.2.2. Một số loại nhựa epoxy………………………………………… 10
1.2.3. Tính chất của nhựa epoxy……………………………………… 12
1.2.4. Các chất đóng rắn và cơ chế đóng rắn nhựa epoxy…………….. 13
1.2.5. Ứng dụng của nhựa epoxy……………………………………... 17
1.3. Tro bay và những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống 18
1.3.1. Thành phần và đặc điểm cấu trúc của tro bay………………….. 18
1.3.2. Những ứng dụng thực tế trong khoa học, đời sống của tro bay.. 21
1.3.2.1. Ứng dụng của tro bay trên thế giới…………………… 21
1.3.2.2. Ứng dụng của tro bay tại Việt Nam…………………... 25
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu polyme compozit trên 27
cơ sở nền polyme và tro bay phế thải trong và ngoài nước.......................
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong vật liệu polyme 27
compozit.....................................................................................
1.4.2. Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay....................... 31
1.4.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ ............... 31
1.4.2.2. Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic...................... 32
1.4.2.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan…….. 33
2. THỰC NGHIỆM............................................................................................... 38
2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất…………………………………………...... 38
2.1.1. Tro bay………………………………………………………… 38
2.1.2. Nhựa nền epoxy DER 331…………………………………….. 38
2.1.3. Chất đóng rắn amin…………………………………………….. 38
2.1.4. Các hóa chất dùng để xử lý biến tính tro bay………………….. 39
2.2. Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay………………… 40
2.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ…………………. 40
2.2.2. Biến tính bề mặt tro bay bằng các hợp chất silan……………... 40
2.2.3. Biến tính bề mặt tro bay bằng axit stearic ……………………. 40
2.3. Thiết bị và phương pháp xác định đặc tính vật liệu………………... 41
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)……………………………. 41
2.3.2. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF)…………………... 41
2.3.3. Phương pháp xác định giản đồ phân bố và kích thước hạt…….. 42
2.3.4. Phương pháp BET……………………………………………… 42
2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ……………………… 42
2.3.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) …………………………… 43
2.3.7. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)……………… 43
2.3.8. Phương pháp xác định góc tiếp xúc của hạt rắn………………... 44
2.3.9. Phương pháp xác định độ nhớt…………………………………. 45
2.4. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu polyme compozit………………. 45
2.5. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu polyme 45
compozit……………………………………………………………….
2.5.1. Phương pháp xác định độ bền nén…………………………... 45
2.5.2. Phương pháp xác định độ bền uốn……………………………... 46
2.5.3. Phương pháp xác định độ bền kéo…………………………….. 46
2.5.4. Phương pháp xác định độ bền va đập Izod……………………. 46
2.6. Phương pháp xác định tính chất điện của vật liệu polyme compozit 47
2.6.1. Phương pháp xác định điện trở suất bề mặt và điện trở suất 47
khối……………………………………………………………
2.6.2. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi …………………. 49
2.6.3. Phương pháp xác định độ bền điện…………………………….. 51
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………………….. 53
3.1. Khảo sát các đặc tính kỹ thuật của tro bay ban đầu………………. 53
3.2. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng các hóa 57
chất vô cơ………………………………………………………..........
3.2.1. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đối với tro bay đến phân bố kích thước 57
và diện tích bề mặt của tro bay…………………………………
3.2.2. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đối với tro bay đến thành phần hóa học 60
3.3. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng axit 61
stearic…………………………………………………………............
3.3.1. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng axit stearic 61
3.3.2. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng axit stearic…………… 64
3.3.3. Xác định mức độ axit stearic hóa tro bay bằng phân tích nhiệt 64
3.4. Các đặc tính kỹ thuật của tro bay sau khi biến tính bằng các hợp 66
chất silan……………………………………………………………….
3.4.1. Góc tiếp xúc của tro bay biến tính bằng các hợp chất silan…… 67
3.4.2. Phân tích phổ hồng ngoại của tro bay biến tính bằng hợp chất 68
silan……………………………………………………………
3.4.3. Xác định mức độ silan ghép trên bề mặt tro bay bằng phân tích 71
nhiệt…………………………………………………………..
3.5. Khảo sát các tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ 73
nhựa epoxy DER 331 và tro bay …………………………………….
3.5.1. Khảo sát sự thay đổi độ nhớt, thời gian đóng rắn và hàm lượng 73
phần gel của hệ epoxy/tro bay khi thay đổi hàm lượng tro bay…
3.5.2. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu compozit epoxy/tro bay 74
theo hàm lượng tro bay………………………………………….
3.5.3. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 77
epoxy và tro bay xử lý bằng dung dịch kiềm…………………..
3.5.4. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 79
epoxy và tro bay biến tính bằng axit stearic……………………
3.5.5. Khảo sát tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa 81
epoxy và tro bay đã biến tính bằng các hợp chất
silan……………………………………………………………..
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay biến tính bề mặt đến cấu trúc 85
hình thái của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay……………
3.7. Khảo sát ảnh hưởng của tro bay biến tính bề mặt đến độ bền nhiệt 86
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay………………...
3.8. Khảo sát các tính chất điện của vật liệu polyme compozit từ nhựa 91
epoxy DER 331 và tro bay……………………………………………
3.8.1. Điện trở suất……………………………………………………. 91
3.8.2. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi…………………... 96
3.8.3. Độ bền điện………………………………………………....... 99
KẾT LUẬN............................................................................................................ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….. 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ……………………………... 115
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ABS Acrylonitrile butadiene styrene Acrylonitrin butadien styren
A-186 -(3,4- Epoxycyclohexyl) -(3,4- Epoxycyclohexyl)
ethyltrimethoxysilane etyltrimetoxy silan
A-1100 3- Aminopropyltriethoxy silane 3- Aminopropyl trietoxy silan
AEAPS N-(2-Aminoethyl)-3- N-(2-Aminoetyl)-3-Aminopropyl
Aminopropylsilantriol silantriol
APTMS - Aminopropyltrimethoxyl silane - Aminopropyl trimetoxyl silan
CFB Circulating fluidized bed Lò hơi tầng sôi tuần hoàn
DETA Diethylenetriamine Dietylen triamin
DPP Diphenylolpropane Diphenylolpropan
ECH Epiclohydrin Epiclohydrin
EEW Epoxide equivalent weight Đương lượng gam epoxy
EP Epoxy Epoxy
EVA Ethylene vinylacetat copolymer Etylen vinylaxetat đồng trùng hợp
Fly ash Fly ash Tro bay
GF80 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane 3- Glycidoxypropyltrimetoxysilan
GF82 3- Glycidoxypropyltriethoxysilane 3- Glycidoxypropyltrietoxysilan
HDPE High density polyethylene Polyetylen tỉ trọng cao
HLE Hàm lượng nhóm epoxy
IR Infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại
KLPT Khối lượng phân tử
LDPE Low density polyethylene Polyetylen tỉ trọng thấp
MKN Mất khi nung
PC Polymer composite Polyme compozit
PE Polyethylene Polyetylen
PEPA Polyethylene polyamine Polyetylen polyamin
PKL Phần khối lượng
PP Polypropylene Polypropylen
PET Polyethylenterephtalat Polyetylenterephtalat
SA Stearic acid Axít stearic
SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét
SSA Surface Sphere Area Diện tích bề mặt
TETA Triethylenetetramine Trietylentetra amin
TGA Thermal Gravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng
XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X
XRF X-ray fluorescence Phổ huỳnh quang tia X
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
UFA Tro bay chưa xử lý
FAN Tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH
FAC Tro bay xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2
FASA Tro bay biến tính bằng axit stearic
FAS Tro bay biến tính bằng silan
FAS1100 Tro bay biến tính bằng silan A1100
FAS186 Tro bay biến tính bằng silan A186
FASGF80 Tro bay biến tính bằng silan GF80
FASGF82 Tro bay biến tính bằng silan GF82
EP/FA Vật liệu compozit epoxy/tro bay
EP/UFA Vật liệu compozit epoxy/tro bay chưa xử lý
EP/FAN Vật liệu compozit epoxy/tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH
EP/FAC Vật liệu compozit epoxy/tro bay xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2
EP/FASA Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng axit stearic
EP/FAS Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan
EP/FAS1100 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan A1100
EP/FAS186 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan A186
EP/FASGF80 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan GF80
EP/FASGF82 Vật liệu compozit epoxy/tro bay biến tính bằng silan GF82
Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa
tan Tang góc tổn hao điện môi
e Hằng số điện môi
s Điện trở suất mặt
v Điện trở suất khối
Góc tiếp xúc
Eđt Điện áp đánh thủng
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ ECH và DPP đến tính chất của nhựa epoxy…………… 7
Bảng 1.2: Một số công ty sản xuất và tên thương mại của nhựa epoxy.......................... 9
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của tro bay tại hai nhà máy nhiệt điện khác nhau của 19
Malaysia ………………………………………………………………………..
Bảng 1.4: Thành phần hóa học của tro bay tại các nước khác nhau……………………. 20
Bảng 1.5: Nhu cầu về lượng tro bay sử dụng trong công nghiệp xi măng tại Ấn Độ ..... 22
Bảng 1.6: Nhu cầu sử dụng tro bay trong công nghiệp xi măng tại Việt Nam………… 25
Bảng 1.7: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay loại F đến tính chất của vật liệu compozit 28
nền PET………………………………………………………………………...
Bảng 1.8: Sự biến đổi thành phần hóa học chính của tro bay trước và sau xử lý ……… 32
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật ban đầu của nhựa epoxy DER 331 .................................... 38
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay ban đầu và tro bay đã xử lý……………… 60
Bảng 3.2: Các pic đặc trưng của phổ hồng ngoại tro bay ban đầu và tro bay sau khi biến 63
tính bằng axit stearic 2%.................................................................................
Bảng 3.3: Góc tiếp xúc của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit stearic 2% trong 64
các môi trường……………………………………………………………
Bảng 3.4: Góc tiếp xúc của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng các hợp chất silan 67
khác nhau với cùng hàm lượng 2% trong các môi trường lỏng……………….
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến khối lượng riêng, độ nhớt, thời gian gel 74
hóa và hàm lượng phần gel của hệ epoxy DER 331/tro bay………………
Bảng 3.6: Đặc trưng TGA của EP/UFA, EP/FASGF80 2% và EP/FAS1100 2%........... 90
Bảng 3.7: So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay đến độ 90
bền cơ học của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………..
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 92
epoxy DER 331/tro bay …………………………………………….
Bảng 3.9: Hằng số điện môi của một số chất tại nhiệt độ phòng ………………………… 96
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến hằng số điện môi và tổn hao điện môi 97
của vật liệu compozit nền epoxy DER 331…………………………………..
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền điện của các mẫu vật liệu 100
compozit epoxy DER 331/tro bay……………………………………………
Bảng 3.12: Ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân biến tính đến độ bền điện của các mẫu vật 101
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………..
i
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc thành phần của vật liệu compozit…………………………………… 3
Hình 1.2: Phân bố sản phẩm compozit ứng dụng trong các lĩnh vực tại Việt Nam - 2011 5
Hình 1.3: Một số sản phẩm ứng dụng của vật liệu compozit …………………………… 5
Hình 1.4: Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và năng lượng bề mặt theo công thức Young 8
Hình 1.5: Một số ứng dụng của epoxy……………………………………………………. 18
Hình 1.6: Màu sắc và hình thái cấu trúc của tro bay…………………………………….. 21
Hình1.7: Sản lượng tiêu thụ tro bay qua các năm tại Israel………………………………. 23
Hình 1.8: Sản phẩm ứng dụng của tro bay trong xây dựng................................................ 26
Hình 1.9: Một số sản phẩm ứng dụng tro bay trong vật liệu compozit………………….. 26
Hình 1.10: Độ bền va đập của mẫu compozit nylon 6/tro bay và ảnh SEM tro bay phân 28
tán trong nền nylon 6…………………………………………………………….
Hình 1.11: Ảnh SEM bề mặt hạt tro bay ban đầu và tro bay sau khi đã xử lý …………... 31
Hình 1.12: Cơ chế hình thành liên kết giữa tro bay và axit stearic……………………… 33
Hình 1.13: Cơ chế biến tính bề mặt tro bay bằng hợp chất silan.......................................... 34
Hình 1.14: Ảnh hưởng của việc xử lý tro bay bằng silan đến sự phân tán của tro bay trong 35
nhựa nền epoxy ………………………………………………………………..
Hình 1.15: Phản ứng hóa học của tro bay và silan Si69………………………………….. 36
Hình 2.1: Thiết bị đo nhiễu xạ tia X………………………………………………………. 41
Hình 2.2: Thiết bị phổ kế huỳnh quang tia X……………………………………………. 41
Hình 2.3: Thiết bị đo giản đồ phân bố kích thước hạt…………………………………… 42
Hình 2.4: Thiết bị đo diện tích bề mặt hạt……………………………………………….. 42
Hình 2.5: Thiết bị hiển vi điện tử SEM……………………………………………………. 43
Hình 2.6: Thiết bị đo phổ IR………………………………………………………………. 43
Hình 2.7: Phương pháp đo góc tiếp xúc Wilhelmy……………………………………… 44
Hình 2.8: Thiết bị đo góc tiếp xúc………………………………………………………… 45
Hình 2.9: Thiết bị đo độ bền kéo............................................................................................ 46
Hình 2.10: Thiết bị đo độ bền va đập..................................................................................... 47
Hình 2.11: Thiết bị đo điện trở suất khối và điện trở suất bề mặt......................................... 47
Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất khối……………………………………… 48
Hình 2.13: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất bề mặt…………………………………… 49
Hình 2.14: Đồ thị vectơ dòng và áp của điện môi……………………………………….. 50
Hình 2.15: Thiết bị đo điện dung và tổn hao điện môi………………………………….. 50
ii
Hình 2.16: Hiện tượng đánh thủng điện môi…………………………………………….. 51
Hình 2.17: Mẫu đo và thiết bị đo cường độ đánh thủng…………………………………. 52
Hình 3.1: Cấu trúc hình thái hạt tro bay………………………………………………….. 53
Hình 3.2: Giản đồ phân bố kích thước hạt tro bay………………………………………. 54
Hình 3.3: Hình ảnh XRF xác định thành phần hóa học của tro bay……………………… 54
Hình 3.4: Giản đồ XRD của tro bay Phả Lại …………………………………………….. 55
Hình 3.5: Phổ IR của mẫu tro bay ban đầu………………………………………… 55
Hình 3.6: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của mẫu tro bay ban đầu……………………….. 56
Hình 3.7: Giản đồ phân bố kích thước của tro bay ban đầu và tro bay đã xử lý kiềm……….. 57
Hình 3.8: Ảnh SEM của tro bay đã xử lý kiềm……………………………………………. 58
Hình 3.9: Ảnh SEM của tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH và Ca(OH)2 ……………… 59
Hình 3.10: Phổ IR của axit stearic…………………………………………………………. 62
Hình 3.11: Phổ IR của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit stearic 2%................. 63
Hình 3.12: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng axit 65
stearic 2%............................................................................................................
Hình 3.14: Phổ IR của hợp chất silan A1100……………………………………………... 68
Hình 3.14: Phổ IR của hợp chất silan GF80……………………………………………… 69
Hình 3.15: Phổ IR của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng silan 2%........................ 70
Hình 3.16: Giản đồ TGA/ DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng 71
silan A1100 với hàm lượng 2%.....................................................................
Hình 3.17: Giản đồ TGA/DTA/DrTGA của tro bay ban đầu và tro bay biến tính bằng 72
silan GF80 với hàm lượng 2%..........................................................................
Hình 3.18: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền kéo đứt của vật liệu compozit 75
epoxy DER 331/tro bay………………………………………………………..
Hình 3.19: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền uốn và % biến dạng của vật liệu 75
compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………………….
Hình 3.20: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền nén và độ bền va đập của vật 76
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay ……………………………………….
Hình 3.21: Ảnh SEM bề mặt gẫy mẫu compozit epoxy DER 331/ tro bay………………… 77
Hình 3.22: Ảnh hưởng của xử lý tro bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền va đập của vật liệu 78
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.23: Ảnh hưởng của xử lý tro bay bằng dung dịch kiềm đến độ bền kéo đứt, uốn, nén 78
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………
Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền uốn và modun uốn của vật liệu 79
iii
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………………
Hình 3.25: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền kéo đứt và modun kéo của vật 80
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.26: Ảnh hưởng của hàm lượng axit stearic đến độ bền va đập và độ bền nén của vật 80
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………………
Hình 3.27: Ảnh hưởng của loại silan đến độ bền nén, độ bền uốn và độ bền kéo đứt của vật 81
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.28: Ảnh hưởng của loại silan đến độ bền va đập của vật liệu compozit epoxy DER 82
331/tro bay 40PKL……………………………………………………………..
Hình 3.29: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền kéo đứt và modun kéo của vật 83
liệu com pozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………….
Hình 3.30: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền uốn và modun uốn của vật liệu 83
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.31: Ảnh hưởng của hàm lượng silan GF80 đến độ bền nén và độ bền va đập của vật 84
liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL………………………………..
Hình 3.32: Ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu compozit epoxy DER 331 với tro bay biến 85
tính và chưa biến tính…………………………………………………………..
Hình 3.33: Giản đồ TGAvà DrTGA của nhựa nền epoxy DER 331 và mẫu compozit 87
epoxy DER 331/tro bay chưa biến tính với 40PKL…………………………..
Hình 3.34: Giản đồ TGA và DrTGA của mẫu compozit epoxy DER 331/tro bay chưa biến 88
tính (EP/UFA) và mẫu compozit epoxy DER 331/tro bay biến tính bằng axit stearic 2%
(EP/FASA2%) ……………………………………………………..
Hình 3.35: Giản đồ TGA của các mẫu compozit nền epoxy với tro bay biến tính silan 2% 89
và tro bay chưa biến tính với cùng hàm lượng 40PKL………………………..
Hình 3.36: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 91
epoxy DER 331/tro bay……………………………………………………….
Hình 3.37: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến điện trở suất mặt của vật liệu compozit 93
epoxy DER 331/tro bay……………………………………………………….
Hình 3.38: Ảnh hưởng của tro bay xử lý kiềm đến điện trở suất khối của vật liệu compozit 94
epoxy DER 331/tro bay 40PKL……………………………………………….
Hình 3.39: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến điện trở suất khối của vật liệu 94
compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL…………………………………….
Hình 3.40: Ảnh hưởng của hàm lượng silan và hàm lượng axit stearic biến tính tro bay 95
đến điện trở suất khối của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL
iv
Hình 3.41: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính và chưa biến tính đến hằng số 98
điện môi của vật liệu compozit nền epoxy DER 331………………………….
Hình 3.42: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính và chưa biến tính đến độ bền điện 99
của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay…………………………………
Hình 3.44: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến độ bền điện của vật liệu 101
compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL………………..
Hình 3.45: Ảnh hưởng của tro bay xử lý bằng dung dịch kiềm đến độ bền điện của vật 103
liệu compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL……………
Hình 3.46: Ảnh hưởng của loại silan biến tính tro bay đến độ bền điện của vật liệu 104
compozit nền epoxy DER331 với hàm lượng tro bay 40PKL………………..
v
MỞ ĐẦU
Tro bay được biết đến là sản phẩm phế thải từ các nhà máy nhiệt điện trong quá
trình đốt than nhiên liệu. Nó tồn tại ở trạng thái rắn và có kích thước hạt rất nhỏ, vì
thế nó có thể bay tự do trong không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi
trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và đời sống sinh hoạt của nhân dân. Ngoài ra,
tro bay còn gây thiệt hại kinh tế đáng kể khi phải sử dụng một diện tích khá lớn ao
hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này.
Gần đây, Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) đã đưa ra báo cáo về tình trạng ô
nhiễm không khí dựa trên số liệu về mức độ ô nhiễm của 1600 thành phố trên khắp
19 quốc gia thì các nước Pakistan, Ấn Độ, Ai Cập, Quatar, Bangladesh được xếp
vào danh sách các nước có bầu không khí ô nhiễm nhất thế giới. Tình trạng này xảy
ra là do quá trình khai thác và sử dụng nguồn nguyên liệu cho các nhà máy nhiệt
điện, các công trình xây dựng, các nhà máy công nghiệp… [113]. Điều này cho thấy
ô nhiễm không khí đang là mối đe dọa ở rất nhiều các quốc gia, trong đó có cả Việt
Nam.
Do đó, việc đặt ra mục tiêu thu hồi và xử lý tro bay thế nào là một vấn đề cấp
thiết đối với tất cả các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Trong một vài năm trở lại đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu về thành phần và
đặc tính kỹ thuật của tro bay và nhận thấy thành phần hóa học chính của tro bay
gồm nhiều oxit kim loại rất bền, có độ bền nhiệt cao, trong khi hạt tro bay có trọng
lượng nhẹ, kích thước nhỏ. Điều này rất phù hợp để lựa chọn tro bay làm phụ gia
cho bê tông hoặc làm chất độn gia cường cho các loại vật liệu khác.
Theo các số liệu thống kê trên thế giới và trong nước, hiện nay tro bay đã được
ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như trong ngành xây
dựng, ngành giao thông vận tải, trong nông nghiệp và trong vật liệu polyme
compozit. Trong đó, tro bay ứng dụng nhiều nhất phải kể đến là trong lĩnh vực xây
dựng. Nhiều công trình xây dựng lớn đã thành công khi đưa tro bay vào bê tông để
cải thiện độ bền và kết cấu như bê tông tro bay ở thành phố Marina (Chicago), bê
tông tro bay ở tháp Sears –thành phố River (Chicago)…[112].
1
Hiện tại, ở nước ta cũng đang phát triển những nghiên cứu đưa tro bay vào ứng
dụng trong cầu đường, trong xây dựng thủy điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh…[7]
và có thể phát triển ứng dụng tro bay vào một số sản phẩm như sơn, cao su, vật liệu
polyme compozit. Các nghiên cứu bước đầu đã giảm được giá thành sản phẩm,
nâng cao một số đặc tính kỹ thuật, từ đó đem lại những lợi ích kinh tế đáng kể…
Để phát triển và mở rộng tính ứng dụng của tro bay, tác giả tập trung vào nghiên
cứu tro bay ứng dụng trong công nghệ cao, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điện bởi
vật liệu compozit nền epoxy có tính cách điện tốt. Vì thế đề tài “Nghiên cứu chế tạo
vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy DER 331 và tro bay phế thải ứng dụng
trong kỹ thuật điện” đã được lựa chọn làm chủ đề cho luận án tiến sĩ.
Mục tiêu nghiên cứu của Luận án là đánh giá được khả năng gia cường của tro
bay tới tính chất cơ nhiệt, tính chất điện của vật liệu polyme compozit trên nền nhựa
epoxy DER 331, từ đó định hướng cho việc ứng dụng tro bay trong kỹ thuật điện.
Để thực hiện mục tiêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu
sau:
- Khảo sát hàm lượng tro bay đưa vào vật liệu nền epoxy DER 331.
- Nghiên cứu các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay bằng các hóa
chất vô cơ, axit hữu cơ và các hợp chất silan.
- Đánh giá khả năng gia cường của tro bay biến tính và không biến tính đến
tính chất cơ- nhiệt của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy DER 331.
- Nghiên cứu khả năng cách điện của vật liệu polyme compozit với tro bay
biến tính và không biến tính.
2
1. TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền polyme và chất độn hạt vô cơ
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit
Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác
nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính
năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần. Trong đó, vật liệu compozit phổ biến
gồm hai thành phần chính là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Vật liệu gia cường
(gián đoạn) phân bố trong thành phần vật liệu nền (liên tục) [2].
Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong compozit nhằm tạo nên một sản
phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính
chất vật lý như tính dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng,
nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện
môi…), tính chất quang học, tính cách âm…[4].
Tính chất của vật liệu compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các pha
thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà thường lựa chọn trong đó những tính chất
tốt và phát huy thêm.
Hình 1.1: Cấu trúc thành phần của vật liệu compozit
Trong hai thành phần chính của vật liệu compozit thì vật liệu nền đóng vai trò
liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên một sản phẩm liên tục. Dưới tác dụng
ngoại lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính
chất cơ lý cao hơn vật liệu nền. Ngược lại, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất
sang vật liệu gia cường. Ngoài ra, vật liệu nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia
cường dưới tác dụng của môi trường hay quyết định đến độ bền nhiệt và khả năng
gia công của vật liệu compozit.
3
Do vật liệu compozit có nhiều thành phần khác nhau tạo nên, vì thế lượng sản
phẩm tạo thành là rất đa dạng. Trong khoa học, để phân loại compozit thường căn
cứ vào hai đặc điểm sau:
- Phân loại theo bản chất vật liệu nền.
- Phân loại theo cấu trúc vật liệu gia cường.
Với cấu trúc vật liệu gia cường, compozit được phân thành 3 nhóm chính:
compozit gia cường sợi (compozit cốt sợi), compozit gia cường hạt (compozit cốt
hạt) và compozit cấu trúc. Compozit gia cường sợi có thể là sợi thủy tinh, sợi tự
nhiên…, sợi dài, sợi ngắn…còn compozit cốt hạt có thể có nhiều hình dạng khác
nhau: cốt dạng hình cầu, hình que, hình vẩy…hoặc kích cỡ hạt khác nhau như bột
gỗ, than đen, tro bay, talc, cao lanh, sắt, đồng, nhôm, vẩy mica…v.v [16].
Theo bản chất vật liệu nền, compozit cũng được chia thành 3 nhóm chính sau:
compozit nền polyme, compozit nền kim loại, compozit nền ceramic. Trong đó,
compozit nền polyme thường sử dụng rộng rãi hơn nhờ ưu điểm dễ gia công, tạo ra
những sản phẩm phức tạp và kích thước lớn. Compozit nền kim loại thì có ưu điểm
là khả năng chịu nhiệt cao hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất
lỏng hữu cơ tốt hơn. Đối với compozit nền ceramic thì ít được sử dụng do nhược
điểm giá thành khá cao [2].
Nhờ các tính chất ưu việt hơn so với các vật liệu truyền thống như gỗ, sắt,
thép…mà ngày nay vật liệu compozit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: từ
lĩnh vực giao thông, xây dựng, hàng không, trang trí nội ngoại thất đến lĩnh vực thể
thao và công nghiệp dân dụng.
Hiện nay trên thế giới, ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu compozit vào
chế tạo cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các
hãng như Boeing 757, 676 Airbus 310…Theo thống kê của hãng máy bay Boeing,
chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50% compozit trên toàn bộ trọng lượng.
Đó là do vật liệu compozit có tính ưu việt như giảm trọng lượng, tăng độ chịu ăn
mòn, giảm độ rung, giảm tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc [111]. Vật
liệu compozit cũng được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch, các linh
kiện trong ngành công nghiệp điện tử hoặc phục vụ cho ngành công nghiệp đóng
tàu, xuồng; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả..)[111].
4