Tài liệu 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

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 PGS.TS Bạch Trọng Phúc PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm Nghiên cứu sinh 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 vô cơ ……………………………………………………........... 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme compozit………………………………………………………. 1.2.Nhựa nền nhiệt rắn epoxy…………………………………………...... 6 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 7 9 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 compozit..................................................................................... 1.4.2. Các phương pháp xử lý, biến tính bề mặt tro bay....................... 27 1.4.2.1. Xử lý bề mặt tro bay bằng các hóa chất vô cơ ............... 31 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 epoxy và tro bay đã biến tính bằng các hợp 81 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 Hàm lượng nhóm epoxy HLE IR Infrared spectroscopy Khối lượng phân tử KLPT LDPE Phổ hồng ngoại Low density polyethylene Polyetylen tỉ trọng thấp Mất khi nung MKN PC Polymer composite Polyme compozit PE Polyethylene Polyetylen PEPA Polyethylene polyamine Polyetylen polyamin Phần khối lượng PKL 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 liệu compozit epoxy DER 331/tro bay………………………………….. i 101 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 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 …………... 28 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 31 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 iii 79 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 đến điện trở suất khối của vật liệu compozit epoxy DER 331/tro bay 40PKL iv 95 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