Tổng quan nghiên cứu

Nhựa epoxy là một loại nhựa nhiệt rắn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như xây dựng, điện tử, hàng không và y sinh nhờ đặc tính cơ lý cao, khả năng chống hóa chất và độ bền nhiệt tốt. Tuy nhiên, nhựa epoxy truyền thống vẫn tồn tại nhược điểm lớn là tính giòn, độ bền va đập thấp và khả năng chống nứt kém, làm hạn chế ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền dai cao. Theo ước tính, việc cải thiện độ bền dai của nhựa epoxy có thể mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của vật liệu composite nền epoxy trong công nghiệp hiện đại.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu nâng cao độ bền dai của nhựa epoxy thông qua biến tính bằng oligoester – một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nhựa polyester không no. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp thành công nhựa epoxy biến tính oligoester, đo lường các tính chất cơ lý của vật liệu sau biến tính và đánh giá hiệu quả biến tính trên vật liệu composite gia cố sợi thủy tinh. Nghiên cứu được thực hiện tại Nhà máy Hóa chất Phenikaa, Hà Nội, trong giai đoạn từ tháng 1/2023 đến tháng 6/2024.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cải thiện tính chất cơ học của nhựa epoxy mà còn góp phần xử lý hiệu quả sản phẩm phụ oligoester trong sản xuất nhựa polyester, đồng thời cung cấp dữ liệu kỹ thuật làm cơ sở cho việc sản xuất nhựa biến tính quy mô công nghiệp. Các chỉ số đánh giá như độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập Izod và độ bền dai phá hủy được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả biến tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến tính hóa học nhựa epoxy và lý thuyết cơ học vật liệu composite.

  1. Lý thuyết biến tính hóa học nhựa epoxy: Nhựa epoxy có cấu trúc mạng lưới ba chiều được tạo thành qua phản ứng đóng rắn nhóm epoxy với các chất đóng rắn amin hoặc anhydrit. Việc biến tính nhựa epoxy bằng oligoester dựa trên phản ứng cộng mở vòng nhóm epoxy với nhóm cacboxyl trong oligoester, làm thay đổi cấu trúc phân tử, giảm tính giòn và tăng độ bền dai. Các khái niệm chính bao gồm nhóm epoxy, nhóm cacboxyl, phản ứng cộng mở vòng, và mật độ liên kết ngang.

  2. Lý thuyết cơ học vật liệu composite: Vật liệu composite nền epoxy gia cố sợi thủy tinh được đánh giá dựa trên các chỉ số cơ học như độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và độ bền dai phá hủy tách lớp. Khái niệm về độ bền dai (fracture toughness), hệ số tập trung ứng suất tới hạn (KIC) và năng lượng phá hủy do tách lớp (GIC) được sử dụng để đánh giá khả năng chống nứt và chịu lực của vật liệu.

Các khái niệm chuyên ngành như phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phân tích cơ nhiệt động (DMTA), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cũng được áp dụng để phân tích cấu trúc hóa học và tính ổn định nhiệt của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nhựa epoxy YD-128 thương mại biến tính bằng oligoester thu hồi từ quá trình sản xuất nhựa polyester không no. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Nhà máy Hóa chất Phenikaa trong khoảng thời gian 18 tháng (01/2023 – 06/2024).

Phương pháp tổng hợp epoxy – oligoester (EOE) được tiến hành trong bình cầu 4 cổ với tỷ lệ khối lượng epoxy/oligoester = 1/1, ở nhiệt độ 130-150°C trong 6 giờ. Quá trình phản ứng được kiểm soát bằng cách đo hàm lượng nhóm epoxy và chỉ số axit theo tiêu chuẩn ASTM D1652-04 và BS EN ISO 2114:2000.

Phân tích tính chất cơ học bao gồm đo độ bền kéo (ASTM D638-14), độ bền uốn (ASTM D790-17), độ bền va đập Izod (ASTM D256-23) và độ bền dai phá hủy (ASTM 5045-14) trên các thiết bị chuyên dụng như Wance ETM-504C và Lloyd 500N.

Phân tích cấu trúc và tính chất nhiệt được thực hiện bằng phổ hồng ngoại FTIR, phân tích cơ nhiệt động DMTA, phân tích nhiệt quét vi sai DSC và phân tích nhiệt trọng lượng TGA. Độ bền dai phá hủy tách lớp của composite được xác định theo ASTM D5528-13.

Cỡ mẫu được lựa chọn đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy, với các mẫu nhựa epoxy và composite được chuẩn bị theo quy trình chuẩn, đảm bảo tính đồng nhất và kiểm soát các biến số phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu điều kiện tổng hợp EOE: Ở nhiệt độ 140°C và thời gian 5 giờ, hàm lượng nhóm epoxy giảm từ 11,41% xuống còn 7,50%, tương ứng tỷ lệ chuyển hóa nhóm epoxy đạt 34,2%. Chỉ số axit giảm từ 9,82 mgKOH/g xuống 0,25 mgKOH/g, tỷ lệ chuyển hóa nhóm cacboxyl đạt 97,4%. Đây là điều kiện tối ưu cho phản ứng biến tính, đảm bảo hiệu quả cao và ổn định sản phẩm.

  2. Cải thiện tính chất cơ học của nhựa epoxy biến tính: Độ bền va đập Izod của nhựa epoxy biến tính tăng đáng kể so với nhựa chưa biến tính, với mức tăng khoảng 20-30%. Độ bền kéo và độ bền uốn cũng được cải thiện lần lượt khoảng 15% và 18%, cho thấy sự gia tăng đáng kể về độ dai và khả năng chịu lực.

  3. Tăng độ bền dai phá hủy (KIC): Giá trị KIC của nhựa epoxy biến tính tăng từ khoảng 0,8 MPa·m^0.5 lên 1,2 MPa·m^0.5, tương đương mức tăng 50%, chứng tỏ khả năng chống nứt và chịu tải trọng va đập được nâng cao rõ rệt.

  4. Ảnh hưởng tích cực đến composite gia cố sợi thủy tinh: Độ bền dai phá hủy tách lớp (GIC) của composite tăng khoảng 35% khi sử dụng nhựa epoxy biến tính, đồng thời độ bền kéo và độ bền uốn của composite cũng tăng lần lượt 12% và 14%, cho thấy hiệu quả biến tính lan tỏa đến vật liệu composite.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ học là do phản ứng cộng mở vòng nhóm epoxy với nhóm cacboxyl trong oligoester tạo ra các mạch phân tử mềm dẻo hơn, giảm mật độ liên kết ngang quá mức và tạo ra pha kép trong cấu trúc polymer. Điều này làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng khi chịu tải trọng va đập, giảm tính giòn và tăng độ bền dai.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về biến tính epoxy bằng cao su lỏng CTBN hoặc nhựa nhiệt dẻo, oligoester cho thấy ưu điểm là không làm giảm đáng kể nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) và modun cơ học, đồng thời tận dụng được sản phẩm phụ trong sản xuất nhựa polyester, góp phần bảo vệ môi trường.

Dữ liệu phân tích FTIR xác nhận sự hình thành liên kết este mới, trong khi phân tích DMTA và TGA cho thấy nhựa biến tính giữ được tính ổn định nhiệt và cơ học ở nhiệt độ cao, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật đòi hỏi độ bền và độ bền nhiệt cao.

Biểu đồ so sánh độ bền va đập, độ bền kéo và KIC giữa nhựa epoxy chưa biến tính và biến tính có thể minh họa rõ ràng sự cải thiện tính chất cơ học, hỗ trợ cho các kết luận trên.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất nhựa epoxy biến tính oligoester quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình tổng hợp EOE ở 140°C trong 5 giờ, kiểm soát chặt chẽ hàm lượng nhóm epoxy và chỉ số axit để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất nhựa epoxy.

  2. Phát triển vật liệu composite gia cố sợi thủy tinh sử dụng nhựa biến tính: Tăng cường nghiên cứu phối hợp tỷ lệ oligoester trong nhựa epoxy để tối ưu hóa tính chất cơ học của composite, hướng tới ứng dụng trong ngành hàng không và ô tô. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất composite.

  3. Mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền dai cao: Khuyến khích sử dụng nhựa epoxy biến tính trong sản xuất keo dán kết cấu, lớp phủ bảo vệ chịu va đập và vật liệu điện tử chịu nhiệt độ cao. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghiệp và nhà thiết kế sản phẩm.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về cơ chế biến tính và ảnh hưởng của các yếu tố phụ trợ: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của kích thước pha, mức độ phân tán oligoester và các chất xúc tác đến tính chất cơ học và nhiệt của nhựa epoxy biến tính. Thời gian nghiên cứu 12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu khoa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về biến tính nhựa epoxy bằng oligoester, phương pháp phân tích và đánh giá tính chất vật liệu, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển đề tài mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất nhựa epoxy và composite: Thông tin về quy trình tổng hợp, điều kiện phản ứng và cải tiến tính chất cơ học giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng ứng dụng và giảm chi phí xử lý sản phẩm phụ.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không, điện tử: Nghiên cứu cung cấp giải pháp nâng cao độ bền dai của vật liệu composite, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cao trong các ngành này.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về công nghiệp vật liệu: Luận văn góp phần định hướng phát triển công nghệ sản xuất vật liệu mới thân thiện môi trường, tận dụng sản phẩm phụ công nghiệp, hỗ trợ chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Oligoester là gì và tại sao được chọn để biến tính nhựa epoxy?
    Oligoester là sản phẩm phụ thu hồi từ quá trình sản xuất nhựa polyester không no, chứa nhóm cacboxyl hoạt tính. Nó được chọn vì khả năng phản ứng cộng mở vòng nhóm epoxy, giúp cải thiện tính dai mà không làm giảm đáng kể tính ổn định nhiệt của nhựa.

  2. Phản ứng biến tính nhựa epoxy bằng oligoester diễn ra như thế nào?
    Phản ứng là sự cộng mở vòng nhóm epoxy với nhóm cacboxyl trong oligoester, tạo liên kết este mới trong mạng lưới polymer, làm tăng độ mềm dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng khi chịu lực.

  3. Điều kiện tối ưu để tổng hợp nhựa epoxy biến tính oligoester là gì?
    Nghiên cứu xác định nhiệt độ 140°C và thời gian 5 giờ là điều kiện tối ưu, đạt tỷ lệ chuyển hóa nhóm epoxy khoảng 34% và nhóm cacboxyl gần 97%, đảm bảo hiệu quả biến tính cao.

  4. Những tính chất cơ học nào được cải thiện sau biến tính?
    Độ bền va đập Izod tăng khoảng 20-30%, độ bền kéo và uốn tăng 15-18%, độ bền dai phá hủy (KIC) tăng 50%, đồng thời composite gia cố sợi thủy tinh cũng có độ bền tách lớp (GIC) tăng 35%.

  5. Ứng dụng thực tế của nhựa epoxy biến tính oligoester là gì?
    Nhựa biến tính phù hợp cho sản xuất keo dán kết cấu, lớp phủ chịu va đập, vật liệu composite trong ngành hàng không, ô tô và điện tử, nơi đòi hỏi độ bền dai và ổn định nhiệt cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nhựa epoxy biến tính oligoester với điều kiện tối ưu 140°C trong 5 giờ, đạt tỷ lệ chuyển hóa nhóm epoxy 34,2% và nhóm cacboxyl 97,4%.
  • Nhựa epoxy biến tính cho thấy cải thiện rõ rệt về độ bền va đập, độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền dai phá hủy, tăng từ 15% đến 50% so với nhựa chưa biến tính.
  • Composite gia cố sợi thủy tinh sử dụng nhựa biến tính cũng có độ bền tách lớp và cơ tính được nâng cao đáng kể.
  • Phân tích FTIR, DMTA và TGA xác nhận cấu trúc hóa học mới và tính ổn định nhiệt của vật liệu biến tính.
  • Đề xuất triển khai sản xuất quy mô công nghiệp và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu có độ bền dai cao.

Tiếp theo, cần tập trung nghiên cứu cơ chế biến tính chi tiết hơn và tối ưu hóa công thức composite để ứng dụng thực tế hiệu quả. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ này nhằm nâng cao giá trị vật liệu và bảo vệ môi trường.