MỞ ĐẦU Epoxy là một loại nhựa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm cao cấp do các tính năng ưu việt của nó. Đặc biệt, epoxy được dùng làm vật liệu nền cho compozit ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp hóa chất, hàng không vũ trụ và kỹ thuật quân sự. Do đó, nhu cầu về nhựa epoxy là rất lớn. Theo số liệu thống kê mới nhất được thực hiện trên phạm vi toàn cầu cho thấy, nhu cầu tiêu thụ nhựa epoxy ngày một tăng và đặc biệt cao ở các nước phát triển.
Thị trường nhựa epoxy trên toàn thế giới sẽ đạt đến khoảng 27,5 tỷ USD vào năm 2020 và có thể tăng lên 37,3 tỷ USD vào năm 2025 [1]. Đặc trưng của nhựa epoxy là có khả năng tan tốt trong các dung môi hữu cơ và có thể trộn hợp tốt với nhiều loại nhựa khác để tạo nên vật liệu mới có tính ưu việt hơn như khả năng độ bám dính tốt, chịu được môi trường hóa chất, độ bền nhiệt và độ bền cơ học cao [2]. Vốn là một loại nhựa nhiệt rắn, nhựa epoxy sau khi đóng rắn có thể chuyển sang trạng thái không gian 3 chiều nên có tính năng cơ, lý, hóa nổi trội so với các loại nhựa nhiệt rắn khác như độ bền cơ học tốt, bền thời tiết, cách nhiệt, cách điện. Tuy nhiên, nhựa epoxy cũng có một số nhược điểm là: giòn, ở dạng màng mỏng dễ bị nứt, độ dẻo thấp không đáp ứng được một số yêu cầu trong quá trình sử dụng lâu dài.
Vì vậy, để khắc phục nhược điểm này đã có rất nhiều công trình nghiên cứu biến tính nhựa epoxy hướng tới những sản phẩm được dẻo hóa như epoxy – phenol formandehyt, epoxy biến tính dầu thực vật, kế cả đóng rắn nhựa epoxy bằng polyamin. Trong đó, phương pháp biến tính nhựa epoxy bằng sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa được quan tâm nhiều. Vì nguồn nguyên liệu dầu thực vật rất phong phú và được chiết xuất, chưng cất, tinh chế từ các bộ phận như hạt, hoa, lá, quả, thân… của cây có dầu: lạc, đậu nành, cải, bông, hướng dương, vừng, dừa, cọ, oliu. Theo thống kê, sản lượng dầu trên thế giới đều tăng hàng năm và trong các loại dầu thì dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt cải và dầu hướng dương là 4 loại dầu quan trọng nhất, chiếm hơn 80% thị trường thế giới [3].
Theo nghiên cứu gần đây cho thấy, hệ dầu đậu nành epoxy/anhydride/amin cải thiện được độ bền dai và độ bền uốn của nhựa epoxy [3]. Ngoài ra, để tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme nanocompozit, các loại ống nano cacbon đa tường cũng được sử dụng để gia cường cho nhựa nền epoxy [4,5]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ống nano cacbon làm tăng khả năng dẫn nhiệt từ 70- 125% [5]. 1 Tại nước ta, đã có một số đơn vị nghiên cứu về dầu thực vật, trong đó phải kể đến Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Các nghiên cứu tại đây tập trung vào các cơ chế khâu mạch của dầu thực vật phục vụ cho công nghiệp màng phủ [6] hay nghiên cứu sử dụng ống nano cacbon cho lớp phủ nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn bền thời tiết. Tuy nhiên, theo thống kê đến thời điểm hiện tại, việc nghiên cứu kết hợp cả phụ gia ống nano cacbon và sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa để nâng cao tính chất của nhựa epoxy dian GELR 128 (nâng cao cả độ bền cơ học và độ bền dai phá hủy của nhựa) vẫn chưa được nghiên cứu. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu nâng cao tính chất nhựa epoxy dian (GELR 128) bằng sản phẩm epoxy hóa dầu thực vật và phụ gia ống nano cacbon” là một hướng nghiên cứu mới, cần thiết, có giá trị khoa học cả về lý thuyết và thực tiễn. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.
Mục tiêu của đề tài: Nâng cao độ bền cơ học và độ bền dai của nhựa epoxy dian GELR 128 bằng dầu thực vật epoxy hóa và ống nano cacbon. Các nhiệm vụ nghiên cứu: 1. Nghiên cứu quá trình epoxy hóa dầu thực vật (dầu hướng dương, dầu hạt cải, dầu thầu dầu) + Ảnh hưởng của loại xúc tác đến quá trình epoxy hóa dầu thực vật + Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình epoxy hóa dầu thực vật + Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình epoxy hóa dầu vật + Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến quá trình epoxy hóa dầu thực vật 2. Nghiên cứu chế tạo blend giữa nhựa epoxy dian GELR 128 và sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa + Nghiên cứu blend giữa nhựa epoxy dian GELR 128 và sản phẩm dầu hướng dương epoxy hóa + Nghiên cứu blend giữa nhựa epoxy dian GELR 128 và sản phẩm dầu hạt cải epoxy hóa + Nghiên cứu blend giữa nhựa epoxy dian GELR 128 và sản phẩm dầu thầu dầu epoxy hóa 2 3.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon + Nghiên cứu chế độ phân tán ống nano cacbon vào nhựa epoxy dian GELR 128 + Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ ống nano cacbon đến tính chất của vật liệu epoxy-ống nano cacbon 4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 blend dầu thực vật epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon + Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa GELR 128 blend dầu hướng dương epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon + Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa GELR 128 blend dầu hạt cải epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon + Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền nhựa GELR 128 blend dầu thầu dầu epoxy hóa gia cường bằng phụ gia ống nano cacbon 3. Phương pháp nghiên cứu: - Sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học để epoxy hóa các loại dầu thực vật - Sử dụng các phương pháp phân tích hóa học: xác định chỉ số Iốt, chỉ số axit, hàm lượng nhóm epoxy, hàm lượng phần gel. - Sử dụng các phương pháp phân tích vật lý: tỷ trọng, độ nhớt, màu sắc.
- Sử dụng các phương pháp phân tích cấu trúc: phổ hồng ngoại FTIR, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi trường phát xạ FESEM, sắc kí khí phổ khối GC–MS. - Sử dụng các phương pháp xác định tính chất vật liệu: xác định độ bền cơ học (độ bền uốn, độ bền va đập, độ bền kéo, độ bền nén, độ bền dai phá hủy KIC), phân tích nhiệt trọng lượng TGA. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Tổng hợp được ba sản phẩm dầu thực vật epoxy hóa: dầu hướng dương, dầu thầu dầu và dầu hạt cải. Kết hợp phụ gia ống nano cacbon để chế tạo được vật liệu compozit nền nhựa epoxy dian GELR 128 blend dầu thực vật epoxy hóa có tính năng cao hơn nhựa nền, đặc biệt cải thiện được tính giòn của nhựa epoxy.
Đồng thời góp phần tạo ra vật liệu có tính chất thân thiện môi trường, thúc đẩy việc sử dụng nguyên liệu có tính chất tái tạo. Vật liệu polyme nanocompozit Vật liệu polyme 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 polyme compozit phổ biến gồm hai thành phần chính là vật liệu gia cường và vật liệu nền [7]. Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong polyme compozit nhằm tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm độ bền 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… [8].
Vật liệu polyme compozit đã được sử dụng rất rộng rãi và phục vụ cho nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau nhờ những tính năng kỹ thuật vượt trội. Tuy nhiên, khi xã hội ngày càng phát triển thì con người càng phải tìm tòi, khám phá, nghiên cứu ra các vật liệu mới hơn, ưu việt hơn. Và vật liệu polyme nanocompozit ra đời chính là một bước ngoặt lớn đánh dấu sự tiến bộ không ngừng của loài người trên con đường phát triển khoa học và công nghệ [9]. Đặc điểm của vật liệu polyme nanocompozit là một loại polyme compozit ‘mới’ mà trong đó các hạt độn (pha phân tán) trong mạng nền polyme có kích thước rất nhỏ.
Vật liệu có nền là copolyme hoặc polyme blend và pha gia cường là các hạt có kích thước nanomet [9]. Ưu điểm của vật liệu polyme nanocompozit là sự kết hợp tính ưu điểm của vật liệu vô cơ như tính cứng, bền nhiệt… và tính ưu điểm của vật liệu polyme hữu cơ như tính linh động, mềm dẻo. Ngoài ra, với tính chất đặc biệt của chất gia cường có kích thước nhỏ nanomet nên diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, tăng khả năng kết dính giữa hai vật liệu, cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu [9]. Đặc điểm của vật liệu polyme nanocompozit: Pha phân tán là các hạt có kích thước nanomet phân bố trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các pha với nhau dẫn đến tính chất khác hẳn với compozit thông thường.
Các phần tử nhỏ phân tán tốt vào pha nền, khi kết hợp với pha nền có thể tạo ra các liên kết vật lý có độ bền tương đương với liên kết hóa học làm tăng độ bền cơ 4 học của vật liệu đồng thời làm cho vật liệu ổn định ở nhiệt độ cao. Mô hình polyme nanocompozit ba pha gồm nền polyme, hạt độn gia cường và các hạt nano (nguồn: [10]) So với vật liệu polyme compozit truyền thống, vật liệu polyme nanocompozit có nhiều ưu điểm và lợi thế hơn như sau: + Vật liệu nano gia cường hiệu quả hơn các vật liệu gia cường phổ biến như đá vôi, bột talc, bột thạch anh…bởi kích thước của nó nhỏ, dẫn đến tính chất của vật liệu nền được cải thiện đáng kể. + Sự chuyển ứng suất từ vật liệu nền sang vật liệu gia cường hiệu quả hơn do diện tích bề mặt của chất gia cường lớn và khả năng bám dính bề mặt phân cách pha tốt [10]. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi trội thì vật liệu polyme nanocompozit cũng có mặt hạn chế.
Đó là việc sử dụng và thải bỏ chất độn nano có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và môi trường. Các hạt độn nano phá hủy bảo vệ tự nhiên của cơ thể, tạo thành các chất gây dị ứng.