Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 361 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTER KHÔNG NO GIA CƢỜNG NANOCLAY VÀ SỢI THỦY TINH INVESTIGATION ON PROCESSING NANOCLAY/GLASS FIBRE REINFORCED UNSATURATED POLYESTER COMPOSITES SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Lớp 05H4, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS. Đoàn Thị Thu Loan Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Nanocomposite trên cơ sở nhựa polyester không no (UPE) và nanoclay với các hàm lượng 1%; 2%; 3% khối lượng (kl) nanoclay được chế tạo bằng phương pháp đổ khuôn. Bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), đo tính chất cơ lý đã xác định được hàm lượng nanoclay tối ưu là 2%kl. Nanocomposite với hàm lượng nanoclay tối ưu tăng 15,27% độ bền kéo và 17,01% độ bền uốn so với mẫu nhựa UPE. Sự có mặt nanoclay đã cải thiện đáng kể độ bền môi trường (nước máy, nước biển, NaOH, HCl) của vật liệu composite từ nhựa UPE và sợi thủy tinh. ABSTRACT Nanocomposites based on unsaturated polyester (UPE) and nanoclay (1; 2; 3 wt%) were prepared by casting method. By X-ray diffraction (XRD), mechanical testing, the optimal content of nanoclay in UPE nanocomposite determined is 2wt%. UPE nanocomposite with optimal content of nanoclay improved 15,27% tensile strength and 17,01% flexural strength comparing to pure UPE sample. Chemical resistance (seawater, seawater, acid HCl, NaOH) of glass fiber reinforced UPE composite significantly improved while adding 2 wt% nanoclay. 1. Đặt vấn đề Nước ta có nguồn nguyên liệu nanoclay khá phong phú, tại Nha Mé (BìnhThuận), Duy Linh (Lâm Đồng)…nên nhiều công ty đã khai thác đá bentonit để sản xuất nanoclay dưới dạng thương phẩm với giá rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu gia cường có kích thước nano khác và các nguồn nguyên liệu nano ngoại nhập. Tuy nhiên, các nghiên cứu liên quan tới vật liệu nanocomposite trên cơ sở nanoclay ở Việt Nam ta còn rất ít. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu nanoclay composite và khảo sát sự ảnh hưởng của nanoclay đến các tính chất của composite nền nhựa UPE gia cường sợi thủy tinh là rất cần thiết. 2. Thực nghiệm 2.1. Nguyên liệu Nhựa Polyester không no sử dụng loại 2117 sản xuất ở Singapor. Sợi thủy tinh dạng mat 300 g/m 2 do Trung Quốc sản xuất. Nanoclay được sản xuất tại Việt Nam bởi công ty TNHH Minh Hà, là loại bentonite ở dạng bột, có tỷ số SiO 2 /(Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) dao động từ 4,36 – 5,54, được biến tính bằng silan Chất xúc tác đóng rắn Methyl ethyl keton peroxide (MEKP), chất chống dính khuôn, NaOH (10%), HCl (10%), nước biển và nước cất. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 362 2.2. Phương pháp khảo sát các tính chất 2.1.1. Nanocomposite trên cơ sở nhựa UPE và nanoclay a. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian siêu âm đến sự phân tán nanoclay trong nhựa UPE Phân tán nanoclay (2% kl) trong nhựa UPE với các khoảng thời gian: 0,5h; 1h; 1,5h bằng máy siêu âm UTRASONIC PROCESSOR 750 WATT MODEL. Sau đó, lần lượt quan sát và chụp ảnh dưới kính hiển vi quang học OLYMPUS độ phóng đại 1000 lần tại Phòng thí nghiệm Vi Sinh, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. b. Khảo sát sự phân tán nanoclay trong nhựa UPE bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Đồng nhất siêu âm hỗn hợp nhựa và nanoclay (1% kl; 2% kl; 3% kl) ở thời gian tối ưu rồi tạo mẫu với kích thước 2100100 (mm 3 ) và cho đóng rắn trong 72h ở nhiệt độ phòng, đem đi sấy ở 70 0 C trong 3h để đóng rắn hoàn toàn. Sau đó đo XRD tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Polymer Composite, Đại học Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh. c. Khảo sát tính chất cơ lý của nanocomposite Đồng nhất siêu âm hỗn hợp nhựa và nanoclay (1% kl; 2% kl; 3% kl). Sau đó tạo mẫu với khuôn có kích thước ( 4200200 ) mm 3 , cho mẫu đóng rắn trong 72h ở nhiệt độ phòng và sấy ở 70 0 C trong 3h để đóng rắn hoàn toàn. Các mẫu được đo cơ lý: đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 3268, đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178-1975 bằng máy UH- 500 KNI SHIMADZU tại Phòng thí nghiệm Sức Bền Vật Liệu, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. 2.1.2. Khảo sát các tính chất của composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng sợi thủy tinh và nanoclay a. Gia công mẫu composite Mẫu nanocomposite UPE và nanoclay: Làm sạch bề mặt khuôn, phủ lớp chống dính lên khuôn. Sợi thủy tinh được cắt theo hình dạng khuôn và được sấy ở 105 0 C trong ít phút. Cân khối lượng nhựa và sợi theo tỷ lệ nhựa/sợi là 60/40 1 . Cân khối lượng nanoclay theo giá trị nanoclay tối ưu và chuẩn bị chất xúc tác đóng rắn với hàm lượng tối ưu đã khảo sát ở trên. Gia công mẫu composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng sợi thủy tinh: Sau khi chuẩn bị nhựa xong thì tiến hành trộn chất xúc tác đóng rắn vào nhựa. Tiến hành đắp lần lượt từng lớp sợi và lăn nhựa thật kỹ vào mỗi lớp để nhựa thấm ướt đều sợi và tránh sự tạo thành bọt khí. Sau khi lăn xong, cho mẫu đóng rắn trong 72h ở nhiệt độ phòng và sau đó sấy ở 70 0 C trong 3h. Mẫu composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng sợi thủy tinh và nanoclay: Đồng nhất siêu âm hỗn hợp gồm nhựa UPE và nanoclay với hàm lượng và thời gian tối ưu đã khảo sát. Qúa trình gia công tiến hành tương tự như gia công mẫu composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng sợi thủy tinh. b. Khảo sát độ bền của mẫu trong các môi trƣờng Các mẫu được ngâm trong môi trường: nước máy, nước biển, NaOH (10%), HCl Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 363 (10%) trong thời gian là 30 ngày ở nhiệt độ phòng. Sau đó tiến hành đo: độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 3268, độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178-1975 của các mẫu composite trước và sau khi ngâm. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Nanocomposite trên cơ sở nhựa UPE và nanoclay 3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến sự phân tán nanoclay trong nhựa UPE Hỗn hợp UPE và nanoclay sau khi đồng nhất siêu âm được quan sát dưới kính hiển vi thu được kết quả như sau (hình 3.1): (a) (b) (c) Hình 3.1. Ảnh chụp dưới kính hiển vi quang học (1000x) của hỗn hợp UPE và 2% nanoclay sau khi phân tán bằng sóng siêu âm với thời gian: 0,5h (a); 1h (b); 1,5h (c). Dựa vào các hình 3.1a, b, c cho thấy rằng thời gian siêu âm tối ưu là 1h. Khi siêu âm trong thời gian 0,5h thì các mạch phân tử nhựa UPE mới chỉ xen lẫn giữa các lớp nanoclay, các kết tụ vẫn còn nhiều. Khi siêu trong thời gian 1h thì dường như không còn các kết tụ nữa do đa số các lớp nanoclay đã được tách lớp, các mạch đại phân tử của nhựa UPE đã chèn vào giữa các lớp nanoclay. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng thời gian siêu âm thì sự phân tán nanoclay vào trong nhựa cũng không được cải thiện hơn nữa (hình 3.1c). 3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X của nanocomposite UPE/clay Kết quả XRD của các mẫu tương ứng với 1%; 2%; 3%kl nanoclay sau khi đồng nhất siêu âm với nhựa UPE và mẫu bột nanoclay đã được thể hiện ở hình 3.2. Hình 3.2. Phỗ nhiễu xạ tia X của bột nanoclay (a); nanocomposite UPE và nanoclay với các giá trị hàm lượng là: 3% (b); 2% (c); 1% kl (d). Trên phổ nhiễu xạ tia X của clay xuất hiện peak với khoảng cách cơ bản d 1,9 nm ở 2 = 4,20, sau khi phân tán trong nhựa UPE bằng phương pháp đồng nhất siêu âm thì peak này không còn nữa. Điều này cho thấy sự phân tán đã đạt được hiệu quả chèn tách Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 364 của nhựa UPE trong clay để tạo ra nanocomposite dạng cấu trúc phân lớp hoàn toàn. 3.1.3. Tính chất cơ lý của nanocomposite UPE/clay Độ bền kéo, độ bền uốn của nanocomposite UPE/clay ở các giá trị 1%; 2%; 3% kl nanoclay được thể hiện ở hình 3.3. Dựa vào hình 3.3 cho thấy rằng, hàm lượng nanoclay tối ưu là 2% kl và nanocomposite 2% kl nanoclay thì tăng 15,27% độ bền kéo và 17,01% độ bền uốn so với mẫu nhựa UPE . Điều này được giải thích là do ở giá trị 1% kl; 2% kl nanoclay thì sự chèn và tách lớp tốt của nanoclay vào trong nhựa nền nhưng với 1% kl nanoclay thì chưa đủ nhiều để làm tăng cao cơ tính cho vật liệu, nên với 2% kl nanoclay thì vừa đảm bảo sự phân tán tốt vừa đảm bảo tăng độ bền. Mẫu nanocomposite với 3% kl nanoclay thì độ nhớt tăng cao trong quá trình siêu âm và bọt khí hình thành nhiều trong sản phẩm nanocomposite nên độ bền của vật liệu giảm xuống. 3.2. Composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng nanoclay và sợi thủy tinh 3.2.1. Tính chất cơ lý Độ bền kéo, độ bền uốn của composite UPE/sợi thủy tinh và composite UPE + nanoclay/sợi thủy tinh được thể hện ở hình 3.4. Dựa vào hình 3.4 có thể thấy rằng composite UPE + nanoclay/sợi thủy tinh có độ bền kéo tăng 14,98%, độ bền uốn tăng 16,13% so với composite UPE/sợi thủy tinh, chứng tỏ sự có mặt của nanoclay đã cải thiện nhẹ độ bền cơ lý của composite UPE/sợi thủy tinh. 3.2.2. Độ bền môi trường Độ bền kéo, độ bền uốn của composite UPE/sợi thủy tinh và composite UPE + nanoclay/sợi thủy tinh được thể hiện ở hình 3.5. Hình 3.5. Độ bền kéo, độ bền uốn của composite UPE/sợi thủy tinh và composite UPE + nanoclay/sợi thủy tinh. Dựa vào hình 3.5 có thể thấy rằng độ bền của vật liệu composite giảm dần trong các môi trường: nước máy, nước biển, HCl, NaOH. Sự có mặt của nanoclay trong cấu trúc 0 50 100 150 200 250 300 Chưa ngâm Nước máy Nước biển NaOH HCl Môi trường Độ bền uốn (MPa) Nhựa-sợi Nhựa- nanoclay- sợi 0 20 40 60 80 100 120 140 Chưa ngâm Nước máy Nước biển NaOH HCl Môi trường Độ bền kéo (MPa) Nhựa-sợi Nhựa- nanoclay- sợi 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 Hàm lượng nanoclay (%) Độ bền (MPa) Độ bền kéo Độ bền uốn Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến độ bền kéo và độ bền uốn 0 50 100 150 200 250 300 UPE/s ợ i th ủ y tinh UPE +clay/s ợ i th ủ y tinh Composite Độ bền (MPa) Độ bền kéo Độ bền uốn Hình 3.4. Độ bền kéo, độ bền uốn của composite UPE/sợi thủy tinh và composite UPE+nanoclay/sợi thủy tinh Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 365 composite làm tăng đáng kể độ bền mẫu trong các môi trường. Bởi vì các lớp clay đóng vai trò là các tấm chắn sự thâm nhập của các thành phần thấp phân tử trong môi trường và do sự tương tác tốt của bề mặt các lớp clay với mạch phân tử nhựa nền nên làm tăng độ bền cho vật liệu. 4. Kết luận Đã chế tạo được vật liệu nanocomposite trên cơ sở nhựa UPE gia cường bằng sợi thủy tinh bằng phương pháp đồng nhất siêu âm. Với 2% kl nanoclay so với nhựa thì vật liệu nanoccomposite tạo thành có tính chất cơ lý tối ưu. Sự có mặt của nanoclay trong cấu trúc làm tăng độ bền môi trường cho vật liệu composite. 5. Kiến nghị Nếu có điều kiện và thời gian hơn nữa, em sẽ khảo sát thêm một số vấn đề: Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite phức hợp trên cơ sở nhựa polyester không no và epoxy gia cường bằng nanoclay và sợi thuỷ tinh. Khảo sát phương pháp khuấy cơ học để phân tán nanclay trong nhựa polyester không no. Khảo sát hàm lượng phụ gia chống bọt khí tối ưu cho nanocomposite. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Hằng (2009), “Đánh giá độ bền của vật liệu composite trên cơ sở nhựa Polyester không no gia cường bằng sợi thủy tinh trong môi trường nước biển”, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, tr. 38-40. . nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 361 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTER KHÔNG NO GIA CƢỜNG NANOCLAY VÀ SỢI THỦY TINH INVESTIGATION. liên quan tới vật liệu nanocomposite trên cơ sở nanoclay ở Việt Nam ta còn rất ít. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu nanoclay composite và khảo sát sự ảnh hưởng của nanoclay đến các. UPE /sợi thủy tinh và composite UPE + nanoclay/ sợi thủy tinh được thể hiện ở hình 3.5. Hình 3.5. Độ bền kéo, độ bền uốn của composite UPE /sợi thủy tinh và composite UPE + nanoclay/ sợi thủy