Tóm tắt Luận án Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyamit 6, nhựa polycacbonat và ống cacbon nano đa tường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hà Văn Thức KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA VẬT LIỆU POLYME NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYAMIT 6, NHỰA POLYCACBONAT VÀ ỐNG CACBON NANO ĐA TƯỜNG Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hoá lý Mã số: 9 44 01 19 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Hà Nội – 2019 Luận án được hoàn thành tại: Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam –«— Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Thị Thanh Vân 2. TS. Lê Văn Thụ DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Hà Văn Thức, Trần Thị Thanh Vân, Ngô Cao Long, Lê Văn Thụ, Nghiên cứu chế tạo vật liệu PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy, Phần 1: Chế tạo masterbatch, Tạp chí Hoá học, số 56, 07-2018, tr. 145-149. 2. Hà Văn Thức, Trần Thị Thanh Vân, Ngô Cao Long, Lê Văn Thụ, Nghiên cứu chế tạo vật liệu PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy, Phần 2: Tối ưu hoá các thông số gia công, Tạp chí Hoá học, số 56, 07-2018, tr. 150-154. 3. Huỳnh Anh Hoàng, Lê Văn Thụ, Hà Văn Thức, Biến tính và khảo sát tính chất ống cacbon nano tổng hợp từ khí dầu mỏ hóa lỏng Việt Nam, Tạp chí Hóa học, T.52 (6), tr. 717-722. 4. Hà Văn Thức, Trần Thị Thanh Vân, Ngô Cao Long, Lê Văn Thụ, Khảo sát ảnh hưởng của ống cacbon nano đến tính chất của vật liệu blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA, Tạp chí Phân tích Hoá, Lý và Sinh học, tập 23, số 3/2018, tr 89-93. 5. Hà Văn Thức, Trần Thị Thanh Vân, Ngô Cao Long, Lê Văn Thụ, Nâng cao hiệu quả tương hợp giữa polyamide 6 và polycarbonate trên cơ sở sử dụng chất trợ tương hợp SEBS và SEBS-g-MA, Tạp chí Phân tích Hoá - Lý và Sinh học, đã được chấp nhận đăng. 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án - Tính cấp thiết của luận án: Ngày nay, phát triển vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở các nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn gia cường các vật liệu nano nhằm tạo ra sản phẩm chịu va đập tốt luôn được quan tâm nghiên cứu. Trong thực tế, các nhựa nhiệt dẻo polyamit 6 (PA6), polycacbonat (PC) đã được sử dụng làm vật liệu để sản xuất nhiều thiết bị chống va đập, đặc biệt trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, ví dụ như mũ, áo, các bộ ốp che cơ thể. Các trang bị cho người lính đó đòi hỏi khả năng chịu va đập tốt, bền, nhẹ. PA6 có một số tính chất ưu việt như bền với dung môi hidrocacbon, chịu mòn, mỏi tốt, dẻo dai, ổn định nhiệt cao, dễ gia công. PC có đặc tính nổi bật là độ trong suốt quang học cao, chịu va đập tốt hơn hầu hết các nhựa nhiệt dẻo khác. Trong số các vật liệu nano gia cường hiệu quả cao cho nhựa nhiệt dẻo thì ống cacbon nano (CNT) là một tác nhân điển hình. CNT có độ bền cơ lý rất cao và nhẹ. Vì vậy, nếu PA6, PC, CNT được kết hợp vào trong một polyme nanocompozit thì có thể tạo ra một vật liệu đầy tiềm năng để sản xuất các trang thiết bị chống va đập cho lực lượng vũ trang. - Mục đích: Chế tạo thành công polyme nanocompozit trên cơ sở các nhựa nhiệt dẻo PA6, PC và chất gia cường CNT nhằm ứng dụng hiệu quả hệ vật liệu vào sản xuất các trang bị bảo vệ cơ thể cho lực lượng vũ trang. 2. Nội dung nghiên cứu của luận án (1) Chế tạo blend PA6/PC trên cơ sở sử dụng hai chất tương hợp là SEBS và SEBS-g-MA. (2) Biến tính CNT sau đó chế tạo polyme nanocompozit trên cơ sở CNT biến tính với blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA. (3) Tối ưu hóa các thông số gia công và xác định trình tự phối trộn phù hợp để chế tạo polyme nanocompozit. (4) Sản xuất thử nghiệm một số sản phẩm chống va đập (bộ ốp che tay, mũ bảo hiểm) từ vật liệu polyme nanocompozit đã chế tạo. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án 2 - Đánh giá mức độ phân tán, khả năng tương tác giữa các thành phần và sự thay đổi các tính chất cơ lý của polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA và polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT. - Xây dựng được quy trình phối trộn và các thông số công nghệ phù hợp để chế tạo polyme nanocompozit. - Sản xuất thử nghiệm một số sản phẩm chống va đập dùng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng đáp ứng tốt được các tiêu chuẩn sản phẩm của ngành. 4. Bố cục của luận án Luận án có 138 trang bao gồm 6 phần: Mở đầu 2 trang; Chương 1- Tổng quan 38 trang; Chương 2–Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 14 trang; Chương 3-Kết quả và thảo luận 61 trang; Danh mục công trình của tác giả 1 trang; Tài liệu tham khảo 11 trang; Phụ lục 10 trang. B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tác giả đã tập hợp được 103 tài liệu tham khảo về các nội dung và đối tượng nghiên cứu của luận án gồm: Các đặc điểm và ứng dụng của PA6, PC và một số nhựa nhiệt dẻo khác. Tổng quan về tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các polyme blend của các nhựa nhiệt dẻo với các chất tương hợp, cũng như các polyme nanocompozit với nền là nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là PA6, PC với chất gia cường là CNT. Từ đó có các kết luận sau được rút ra: - PA6, PC được sử dụng phổ biến để chế tạo các polyme blend và polyme nanocompozit như PA6/PP, PA6/PE, PA6/PC, PA6/CNT, PC/CNT. Các loại compozit và blend phần lớn đã cải thiện độ bền va đập, độ dãn dài, độ bền kéo đứt, CNT có khả năng gia cường hiệu quả tính chất cơ lý cho nhiều polyme nanocompozit. Tuy nhiên hiệu quả tích cực của CNT chỉ được phát huy rõ rệt khi được biến tính để làm suy giảm hiện tượng co cụm, tăng khả năng phân tán và kết nối với nhựa nền. 3 - Nhiều polyme khối, polyme ghép được sử dụng để làm chất tương hợp giữa các polyme trong polyme blend, polyme nanocompozit. Điển hình là các copolyme ghép như PE-g-MA, PP-g-MA, EPR-g-MA, SEBS-g-MA, CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất PA6: MFI 10 g/10 phút (230 0C, 2,16 kg), 1,36 g/cm3. PC: MFI 10,5 g/10 phút (300 0C, 1,2 kg), 1,2 g/cm3. SEBS: Kraton 1652, 0,91 g/cm3, 20000u. SEBS-g-MA: SEBS 2 % maleic anhidrit, Kraton 1901, 20000u, 29 % Styren. MWCNT: CVD, d = 10÷ 80 nm, l = 10 ÷ 50 µm, độ sạch > 95 %. 2.2. Thiết bị Bể rung siêu âm SW60H Elma 38 kHz. Máy trộn 2 trục vít Brabender. Máy ép phun SM210, máy trộn kín SHR super mixer, máy trộn nóng chảy Coperion Keya, máy ép phun tạo mẫu đo cơ lý M-70A-DM. Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR IMPACT-410. Máy đo phổ nhiễu xạ tia X D8 Advance Bruker. Máy phân tích nhiệt lượng vi sai quét DSC, nhiệt khối lượng TGA Labsys Stearam. Kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi S4800. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM JEM-1010. Máy kéo nén uốn đa năng Tinius Olsen H100KT và máy đo độ bền va đập Radmana ITR 2000. 2.3. Phương pháp thực nghiệm 2.3.1. Chế tạo polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA Các mẫu PA6, PC, PA6/PC, PA6/PC/SEBS-g-MA, PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA được chuẩn bị với hàm lượng các thành phần thay đổi. Các mẫu được trộn nguội rồi được đưa đồng thời vào buồng trộn máy đùn 2 trục vít. 2.3.2. Chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT 2.3.2.1. Biến tính CNT: Hỗn hợp CNT và HNO3 (63%) được trộn lẫn, rung siêu âm, gia nhiệt và khuấy. Hỗn hợp được pha loãng bằng nước khử ion và lọc. Sấy mẫu trong tủ sấy chân không. 4 2.3.2.2. Chế tạo polyme nanocompozit : Polyme nanocompozit được chế tạo qua 2 giai đoạn: Sấy khô tách ẩm, trộn nóng chảy. 2.3.3. Xác định các thông số gia công chế tạo polyme nanocompozit Các nguyên liệu gồm PA6, PC, SEBS/SEBS-g-MA và CNT (đã biến tính) được trộn theo tỉ lệ tương ứng 80/20/10/10/1,5 (pkl). Các thông số gia công mẫu tối ưu được xác định gồm nhiệt độ, thời gian và tốc độ trục vít. 2.3.4. Chế tạo masterbatch của polyme nanocompozit 2.3.4.1. Quy trình 1: PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT tỉ lệ tương ứng 80/20/10/10/1,5 (pkl) được trộn đồng thời để chế tạo polyme nanocompozit. 2.3.4.2. Quy trình 2: Ở giai đoạn 1 chỉ bao gồm PA6/SEBS/SEBS-g- MA/CNT được trộn. Ở giai đoạn 2 PC được cho vào. 2.3.4.3. Quy trình 3: Ở giai đoạn 1 chỉ bao gồm PC/SEBS/SEBS-g- MA/CNT được trộn. Ở giai đoạn 2 PA6 được cho vào. 2.3.5. Sản xuất thử nghiệm 2.3.5.1. Sử dụng phương pháp mô phỏng số: Khả năng chống va đập của vật liệu polyme nanocompozit được đánh giá bằng phần mềm mô phỏng số Autodyn Ansys 12. 2.3.5.2. Sản xuất sản phẩm ốp che và mũ bảo hiểm: Bộ ốp che và mũ bảo hiểm sau khi được xác định độ dày và có khuôn sản phẩm, chúng được tiến hành sản xuất thử nghiệm. 2.4. Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất của mẫu và thử nghiệm sản phẩm Khảo sát vi cấu trúc mẫu: FT-IR, XRD, EDX, độ chảy nhớt của polyme, TGA và DSC. Khảo sát hình thái học SEM, TEM. Xác định tính chất cơ lý: độ bền kéo, độ dãn dài, độ bền va đập Charpy theo tiêu chuẩn ISO 179-1:2010. 5 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát cấu trúc và tính chất của polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 3.1.1. Khảo sát tính chất cơ lý của blend PA6/PC 3.1.2. Khảo sát tính chất cơ lý của blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 3.1.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của SEBS-g-MA đến tính chất cơ lý của PA6 và PC Lượng SEBS-g-MA vào khoảng 10 (pkl) trong blend với PA6/PC có thể là mức độ phù hợp để tạo thuận lợi cho sự kết nối pha PA6-PC, qua đó làm tăng tính chất cơ lý của blend so với các polyme ban đầu. 3.1.2.2. Khảo sát tính chất cơ lý của polyme blend PA6/PC/SEBS-g-MA Hình 3.3: Sự biến đổi độ bền va đập của các blend PA6/PC/SEBS-g-MA có tỉ lệ tương ứng x/100-x/y với y = 0 ÷ 20 (pkl) 0 50 100 150 200 80 50 20 Đ ộ bề n va đ ập (J .m -1 ) PA6 (x) Độ bền va đập và độ dãn dài của blend đều thấp hơn nhiều so với các polyme ban đầu do tính không tương hợp của PA6 và PC. Hình 3.1. Sự biến đổi độ bền va đập của blend PA6/PC theo tỉ lệ của các nhựa Hình 3.2: Sự biến đổi độ bền va đập của các blend PA6/SEBS-g- MA và PC/SEBS-g-MA khi hàm lượng SEBS-g-MA thay đổi 6 3.1.2.3. Khảo sát tính chất cơ lý của blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 3.1.3. Khảo sát vi cấu trúc của blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA Hình 3.5: Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của các mẫu blend: (a) PA6/PC 80/20, (b) PA6/PC/SEBS-g-MA 80/20/20 và (c) PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 80/20/10/10 (pkl) 3.1.4. Khảo sát mô men xoắn của các blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA Hình 3.4: Sự biến đổi tính chất cơ lý của blend PA6/PC/SEBS/SEBS- g-MA theo tỉ lệ SEBS/SEBS-g-MA (a) (b) (c) Hình 3.6: Mô men xoắn của các mẫu blend: mẫu 1: PA6/PC 80/20; mẫu 2: PA6/PC/SEBS-g-MA 80/20/20 và mẫu 3: PA6/PC/SEBS/SEBS-g- MA 80/20/10/10 7 3.1.5. Phân tích phổ hồng ngoại của các mẫu Hình 3.7: Phổ FTIR của các mẫu blend (a) PA6/PC/SEBS-g-MA; (b) PA6/PC Sự gia tăng cường độ các pic có thể do các tương tác hóa học xảy ra giữa PA6 và SEBS-g-MA. Các nhóm cuối amin (– NH2) của PA6 đã tương tác với phần anhidrit maleic (–MA) trong chất tương hợp để hình thành nên các nhóm imit. 3.1.6. Cơ chế tương tác và mô hình phân tán của các thành phần trong blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA Hình 3.8: Mô hình phân bố các thành phần trong blend, nhóm chất tương hợp SEBS/SEBS-g-MA có vai trò như cầu nối nhựa nền PA6 với PC Hình 3.9: Cơ chế tương tác để hình thành cầu nối giữa nền PA6 và PC của SEBS/SEBS-g-MA trong blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 8 3.2. Khảo sát cấu trúc và tính chất của polyme nanocompozit trên cơ sở polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA và chất gia cường CNT 3.2.1. Cấu trúc và tính chất của CNT trước và sau biến tính 3.2.1.1. Khảo sát vi cấu trúc CNT qua hình ảnh hiển vi điện tử Hình 3.10: Ảnh SEM các mẫu CNT: (a) trước và (b) sau biến tính (a) (b) Hình 3.11: Ảnh SEM mô tả trạng thái phân bố của CNT sau biến tính Hình 3.12: Ảnh SEM xác định kích thước các vi sợi CNT sau biến tính (a) (b) Hình 3.13: Ảnh TEM của các mẫu CNT: (a) trước và (b) sau biến tính 9 3.2.1.2. Phổ hồng ngoại và phổ tán sắc năng lượng tia X của CNT Hình 3.14: Phổ hồng ngoại của các mẫu CNT trước (a) và sau (b) biến tính CNT trước khi biến tính d (A0) CNT sau khi biến tính d (A0) Nguyên tố 3,423 3,409 C 2,096 2,104 Fe3C 2,021 2,024 Fe3C.n-Fe/C Hình 3.15: Biểu đồ nhiễu xạ tia X của CNT trước (a) và sau (b) biến tính (a) (a) (b) (b) 10 Mẫu CNT trước biến tính Mẫu CNT sau biến tính Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tử (%) Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tử (%) C 92,35 98,42 C 85,85 90,53 Fe 0,44 0,10 Fe 0,35 0,08 O 10,91 8,64 Hình 3.16: Kết quả đo phổ EDX các mẫu CNT trước và sau biến tính 3.2.1.3. Tính chất nhiệt của CNT trước và sau biến tính Hình 3.17: Kết quả phân tích nhiệt trong môi trường không khí của các mẫu CNT trước biến tính (a) và sau biến tính (b) 3.2.2. Cấu trúc và tính chất của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT 3.2.2.1. Ảnh hưởng của CNT đến tính chất cơ lý của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT (a) (b) Hình 3.18: Sự biến đổi tính chất cơ lý của polyme nanocompozit khi thay đổi hàm lượng CNT 11 3.2.2.2. Khảo sát tính chất nhiệt của các mẫu chế tạo 3.2.2.3. Khảo sát hình thái học của các mẫu chế tạo Nnb (a) (b) PA6/PC 80/20 PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 80/20/10/10 PA6/PC/SEBS/SEBS-g- MA/CNT 80/20/10/10/1,5 Hình 3.19: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu PA6/PC/SEBS/ SEBS-g-MA và PA6/PC/SEBS/ SEBS-g- MA/CNT Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt của các mẫu polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT có tỉ lệ tương ứng là 80/20/10/10/x với x lần lượt bằng (a) 0, (b) 1,5 và (c) 2,0 (pkl) (c) 12 3.3. Tối ưu hóa các thông số trong gia công chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp nóng chảy đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 3.3.1.1. Tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 3.3.1.2. Hình thái cấu trúc của polyme nanocompozit 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian trộn hợp nóng chảy đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 3.3.2.1. Tính chất cơ lý của polyme nanocompozit (b) (a) Hình 3.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn chảy đến tính chất cơ lý của polyme nanocompozit Hình 3.22: Ảnh SEM của các mẫu polyme nanocompozit được chế tạo ở nhiệt độ trộn: (a) 250 oC và (b) 260 oC Hình 3.23: Ảnh hưởng của thời gian trộn đến tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 13 3.3.2.2. Hình thái cấu trúc của polyme nanocompozit 3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ trục vít đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 3.3.3.1. Tính chất cơ lý của polyme nanocompozit 3.3.3.2. Hình thái cấu trúc của polyme nanocompozit 3.4. Chế tạo masterbatch của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT STT Vị trí Nhiệt độ (oC) Bảng 3.1: Nhiệt độ các khoang trong máy ép phun M-70A-DM khi ép phun chế tạo polyme nanocompozit 1 Đầu phun 260 2 T1 260 3 T2 257 4 T3 253 5 T4 250 (a) (b) (a) (b) Hình 3.24: Ảnh SEM bề mặt của các polyme nanocompozit được chế tạo với thời gian trộn là (a) 10 phút và (b) 15 phút Hình 3.25: Ảnh hưởng của tốc độ trục vít đến tính chất cơ lý của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT Hình 3.26: Ảnh SEM các polyme nanocompozit được chế tạo với tốc độ trộn: (a) 50 vòng/phút và (b) 70 vòng/phút 14 Hình 3.27: Các quy trình trộn vật liệu để chế tạo polyme nanocompozit 3.4.1. Khảo sát tính chất cơ lý của polyme nanocompozit được chế tạo theo các quy trình khác nhau 3.4.2. Khảo sát hình thái học của polyme nanocompozit được chế tạo theo các quy trình khác nhau Hình 3.29: Ảnh SEM các mẫu polyme nanocompozit được chế tạo bởi các quy trình tạo masterbatch khác nhau. 3.4.3. Khảo sát thời điểm trộn PA6 phù hợp vào masterbatch (1) (3) (2) Hình 3.28: Tính chất cơ lý của các mẫu polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g- MA/CNT chế tạo theo các quy trình khác nhau 15 3.5. Ứng dụng polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT vào sản xuất một số sản phẩm chống va đập 3.5.1. Kết quả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định độ dày tối ưu cho các sản phẩm 3.5.1.1. Kết quả tính toán mô phỏng số đối với mũ bảo hiểm a) Kết quả xây dựng mô hình hình học và chia lưới mô hình: Hình 3.31: Mô hình hình học mũ bảo hiểm 0,01 mm 0,02 mm 0,04 mm (a) (b) (c) Hình 3.30: Sự ảnh hưởng của thời điểm trộn PA6 vào masterbatch PC/CNT đến các tính chất cơ lý của polyme nanocompozit Hình 3.32: Kết quả chia lưới mô hình mũ bảo hiểm theo các phương pháp: (a) Tetrahedrons, (b) Dominant quad/tri, (c) Dominant All quad 16 b) Lựa chọn các thông số vật liệu và kết quả tính toán mô phỏng va đập 1 Phương trình trạng thái Shock Bảng 3.2: Mô hình vật liệu chuẩn polyme nanocompozit 2 Mô hình bền von Mises 3 Mô hình phá hủy Hydro (Pmin) Bảng 3.3: Các thông số của phương trình trạng thái Equation of State Shock Reference density 1.14000E+00 (g/cm3 ) Gruneisen coefficient 8.70000E-01 (none ) Parameter C1 2.29000E+03 (m/s ) Parameter S1 1.63000E+00 (none ) Strength von Mises Shear Modulus 3.68000E+06 (kPa ) Yield Stress 5.00000E+04 (kPa ) Failure Hydro (Pmin) Hydro Tensile Limit -1.00000E+06 (kPa ) Reheal Yes Erosion None Maximum Expansion 1.00000E-01 (none ) Minimum Density Factor (SPH) 2.00000E-01 (none ) Hình 3.33: Các đặc trưng biến đổi cấu trúc mũ bảo hiểm trong khi va chạm 17 Hình 3.34: Kết quả tính toán va chạm mô phỏng của mũ bảo hiểm: (a) ứng suất va đập ở tốc độ va chạm 10 m/s, (b) ứng suất va đập ở tốc độ va chạm 20 m/s, (c) độ biến dạng mũ c) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vật liệu chế tạo mũ Hình 3.35: Sự thay đổi năng lượng va đập trong quá trình va chạm của mũ làm từ các vật liệu khác nhau 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 Ứ ng su ất lớ n nh ất (M Pa ) Thời gian va đập (10-3s) 0 10 20 30 40 50 0 5 10 Ứ ng su ất lớ n nh ất (M Pa ) Thời gian va đập (10-3s) 0 20 40 60 0 2 4 6 8 10 Đ ộ bi ến d ạn g lớ n nh ất (m m ) Thời gian va đập (10-3s) (a) (b) (c) PA6 PA6/SEBS-g-MA PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA 18 d) Kết quả khảo sát độ dày của mũ Hình 3.36: Độ biến dạng của các mũ có độ dày khác nhau 3.5.1.2. Kết quả tính toán mô phỏng số đối với bộ ốp che a) Kết quả xây dựng mô hình hình học và chia lưới mô hình HexDominant quad/tri, 0,01 mm Hex Dominant quad/tri, 0,05 mm Tetrahedrons, 0,01 mm 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 Đ ộ bi ến d ạn g lớ n nh ất (m m ) Thời gian va chạm (10-3s) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm (a) (b) (c) 19 Hex Dominant quad/tri, 0,02 mm Hình 3.37: Mô hình hình học và phương pháp chia lưới phù hợp của bộ ốp che: (a) ốp vai, (b) ốp đòn tay, (c) ốp khuỷu tay, (d) ốp cánh tay b) Lựa chọn các thông số vật liệu và kết quả tính toán mô phỏng va đập Hình 3.38: Kết quả tính toán ứng suất và độ biến dạng khi va chạm của bộ ốp che tay: (a) tốc độ va chạm là 10 m/s, (b) tốc độ va chạm là 20 m/s d) Kết quả khảo sát độ dày của bộ ốp che 0 50 100 150 0 2 4 6 8 10 Ứ ng su ât lớ n nh ất (M Pa ) Thời gian va đập (10-3s) 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 Đ ộ bi ến d ạn g lớ n nh ất (m m ) Thời gian va đập (10-3s) 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 Ứ ng su ất lớ n nh ất (M Pa ) Thời gian va đập (10-3s) 0 10 20 30 00 02 04 06 08 10 Đ ộ bi ến d ạn g lớ n nh ất (m m ) Thời gian va đập (10-3s) (d) (a) (b) 20 Hình 3.39: Độ biến dạng của các bộ ốp che có độ dày khác nhau 3.5.2. Sản xuất thử nghiệm bộ ốp che tay và mũ bảo hiểm sử dụng vật liệu là polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT Bảng 3.4: Nhiệt độ tại các khoang gia nhiệt trong máy đùn trộn polyme nanocompozit Khoang trộn Đầu phun T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Nhiệt độ (oC) 260 260 258 258 256 256 254 254 252 252 250 Bảng 3.5: Nhiệt độ tại các khoang trong máy ép phun SM210 khi sản xuất thử nghiệm các bộ sản phẩm từ vật liệu polyme nanocompozit Đầu béc phun T1 T2 T3 T4 T5 260oC 258oC 256oC 254oC 252oC 250oC 0 5 10 15 20 25 30 00 02 04 06 08 10 Đ ộ bi ến d ạn g lớ n nh ất (m m ) Thời gian va chạm (10-3s) 1 mm 1,5 mm 2 mm 2,5 mm 3 mm 21 Hình 3.40: Các sản phẩm mũ bảo hiểm (a) và bộ ốp che tay (b) 3.5.3. Thử nghiệm thực tế về chất lượng các sản phẩm mũ và bộ ốp che tay 3.5.3.1. Thử nghiệm các tính chất cơ lý Hình 3.41: Tính chất cơ lý của các sản phẩm sản xuất thử nghiệm và vật liệu polyme nanocompozit chế tạo trong phòng thí nghiệm 3.5.3.2. Thử nghiệm chống gậy đập Bảng 3.6: Kết quả kiểm tra chống va đập của các sản phẩm sản xuất thử nghiệm Sản phẩm Kết quả Mũ bảo hiểm Bộ ốp che tay Hiện tượng nứt vỡ Không nứt vỡ, bị trầy xước Không nứt vỡ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài (%) Độ bền va đập (J/m) Nanocompozit Mũ bảo hiểm Ốp che tay (a) (b) 22 Kết cấu sản phẩm Độ đàn hồi tốt, không móp méo, hệ thống cầu mũ bên trong không thay đổi. Độ đàn hồi tốt, không móp méo 3.5.3.3. Thử nghiệm dao chống chém Bảng 3.7: Kết quả kiểm tra chống dao chém của sản phẩm sản xuất thử nghiệm Sản phẩm Kết quả Mũ bảo hiểm Bộ ốp che Hiện tượng nứt vỡ Không nứt vỡ, bị trầy xước Không nứt vỡ Kết cấu sản phẩm Độ đàn hồi tốt, không móp méo Độ đàn hồi tốt, không móp méo Độ sâu của vết chém 1,25 mm 1,05 mm 3.5.3.4. So sánh các chỉ tiêu sản phẩm chế tạo thử nghiệm so với sản phẩm tiêu chuẩn Bảng 3.8: Các chỉ tiêu cơ lý của sản phẩm chế tạo thử nghiệm so với tiêu chuẩn Sản phẩm Chế tạo thử Tiêu chuẩn Mũ bảo hiểm Độ bền kéo: 111 MPa Độ bền va đập: 787 J/m Khối lượng ≤ 0,5 kg Chống được gậy đập, dao chém theo tiêu chuẩn của Bộ Công an Độ bền kéo ³ 40 MP a Độ bền va đập ³ 400 J/m Khối lượng ≤ 0,65 kg Chống được gậy đập, dao chém theo tiêu chuẩn của Bộ Công an 23 Bộ ốp che tay Độ bền kéo: 111 MPa Độ bền va đập: 787 J/m Khối lượng ≤ 0,75 kg Chống được gậy đập, dao chém theo tiêu chuẩn của Bộ Công an Độ bền kéo ³ 38 MP a Độ bền va đập ³ 500 J/m Khối lượng ≤ 0,85 kg Chống được gậy đập, dao chém theo tiêu chuẩn của Bộ Công an KẾT LUẬN CHUNG 1) Polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA có tỉ lệ tương ứng là 80/20/10/10 (pkl) đã đạt được nhiều chỉ tiêu cơ lý vượt trội so với polyme blend PA6/PC. Độ bền va đập của polyme blend PA6/PC có và không có chất tương hợp lần lượt là 670,5 J/m và 50,2 J/m. 2) Polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT có tỉ lệ tương ứng 80/20/10/10/1,5 (pkl) có nhiều thay đổi về tính chất cơ lý so với polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA có cùng tỉ lệ. Độ bền va đập và độ bền kéo đứt của polyme nanocompozit có 1,5 (pkl) CNT tương ứng đạt 730,5 J/m và 92 MPa. Bột gia cường CNT có xu hướng phân tán vào nền PA6. Sự xuất hiện của CNT trong nhựa nhiệt dẻo còn làm tăng độ bền nhiệt một cách rõ rệt so với các nhựa nhiệt dẻo ban đầu, cũng như các polyme blend có tỉ lệ các thành phần tương tự. 3) Polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT được gia công với các thông số tối ưu: nhiệt độ trộn chảy 260 oC, tốc độ trộn 70 vòng/phút, thời gian trộn hợp 15 phút. Polyme nanocompozit chế tạo đạt được các tính chất cơ lý tốt nhất, độ bền va đập và độ bền kéo đứt tương ứng đạt 777 J/m và 98 MPa. 4) Trình tự phối trộn phù hợp nhất để chế tạo polyme nanocompozit là sử dụng masterbatch PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT trộn chảy với PA6. Tỉ lệ các thành phần tương ứng là 20/10/10/1,5 và 80 (pkl) PA6. Masterbatch 24 được trộn chảy trong 6 phút, polyme nanocompozit được trộn chảy trong 9 phút. 5) Tính toán mô phỏng số với mô hình hình học, phương pháp chia lưới phần tử và các thông số hóa lý của polyme nanocompozit bằng phần mềm Autodyn Ansys 12 đã xác định được kết cấu tối ưu của các sản phẩm sản xuất thử nghiệm (mũ bảo hiểm và bộ ốp che tay). Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy có sự phù hợp cao về các tính chất cơ lý của sản phẩm so với polyme nanocompozit được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Các sản phẩm thử nghiệm đáp ứng được những yêu cầu kĩ thuật theo quy chuẩn về mũ bảo hiểm và các bộ ốp che tay của Bộ Công an.