BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN MẠNH KHẢI
NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU
POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM
Chuyên ngành : Xây dựng công trình ngầm và mỏ Mã số : 62.58.50.01
Có thể bạn quan tâm!
-
Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm - 2 -
Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm - 3
Xem toàn bộ 25 trang tài liệu này.
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2012
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Xây dựng công trình Ngầm và Mỏ, Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Người hướng dẫn khoa học:
GS. TS Nguyễn Quang Phích
Phản biện 1: PGS.TS. Bạch Trọng Phúc
Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Thị Xuân Hằng
Phản biện 3: TS. Phạm Mạnh Hào
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường tại trường Đại học Mỏ - Địa chất
Vào hồi ……… ngày ……. tháng …… năm 2012
Có thể tìm hiểu Luận án tại:
- Thư viện Quốc gia.
- Thư viện Khoa học kỹ thuật Trung ương.
- Thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất.
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Lê Văn Công (2012), “Một phương pháp thiết kế neo dính kết theo nguyên lý gia cố khối đá”. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 37, tr. 39-43.
2. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Vũ Tân Cảnh (2010), “Nghiên cứu lựa chọn khoáng vật sét để chế tạo thanh neo bằng vật liệu polyme-clay nanocompozit”. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 31, tr. 84-87.
3. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Văn Hậu (2003), “Một số kết quả nghiên cứu ban đầu về bê tông cốt sợi thực vật có thể sử dụng trong nghành mỏ”. Thông tin KHCN Mỏ - Viện KHCN Mỏ, số 4, tr. 11-13.
4. Phạm Minh Đức, Bùi Đình Cư, Nguyễn Mạnh Khải (2001), “Polyme- compozit sử dụng trong ngành Mỏ”. Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 6, tr.5-6.
5. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích (2001), “Nghiên cứu khảo sát khả năng bám dính của nhựa polyester không no và sợi thuỷ tinh trong vật liệu polyme-compozit”. Tuyển tập các công trình khoa học Đại Học Mỏ - Địa chất, số 23, tr. 55-57.
6. Phạm Minh Đức, Nguyễn Mạnh Khải (2000),“Chế tạo thử nghiệm một số sản phẩm từ vật liệu polyme-compozit sử dụng trong ngành Mỏ”. Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 14, Hà Nội, tr.87-92.
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Neo là một loại kết cấu chống được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ và xây dựng nói chung trên thế giới và trong nước. Thực tế cho thấy, neo với vai trò kết cấu chống tạm và chống cố định trong xây dựng công trình ngầm có hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao. Neo được coi là kết cấu chống "đa năng", có thể sử dụng với mọi công trình ngầm có hình dạng, kích thước khác nhau, trong những điều kiện địa cơ học khối đá từ tốt đến xấu. Ngoài ra, thực tế cũng đã chứng minh khả năng kết hợp rất tốt của kết cấu neo với các loại kết cấu chống khác như bê tông phun, lưới thép, khung thép tổ hợp cũng như vỏ bê tông cốt thép liền khối...
Để chống tạm trong quá trình thi công chia gương ở các công trình ngầm tiết diện lớn và “cược gương” khi khai đào trong khối đất, đá mềm yếu, kém ổn định hay gia cố tránh sập lở trong khai thác than, nếu sử dụng thanh neo bằng thép sẽ gặp trở ngại lớn trong giai đoạn thi công tiếp theo. Cụ thể là khi tiến hành đào tiếp để tiến gương, mở rộng hay khai thác than sử dụng máy đào, máy khai thác hoặc bằng phương pháp khoan nổ mìn thì các thanh neo bằng thép khó bị cắt đứt do khả năng kháng cắt của thép lớn, dễ gây sập lở do kéo tụt thanh neo, gây khó nhăn cho công tác xúc bốc vận chuyển khối đá sau khi phá nổ, do có lẫn các thanh neo. Ngoài ra nếu sử dụng các thanh neo bằng thép làm kết cấu chống cố định hay một bộ phận của vỏ chống cố định hỗn hợp thì trong môi trường ẩm ướt hay môi trường axit thanh cốt neo dễ có thể bị ăn mòn (điện hoá, hoá học), làm giảm tuổi thọ của công trình.. Mặt khác, do trọng lượng thanh neo thép lớn nên thường gây khó khăn, không đảm bảo cắm neo chính xác khi thi công thủ công.
Trong xu thế tăng cường xây dựng các hệ thống giao thông ngầm ở thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, khai thác than ở đồng bằng Bắc bộ trong các khối đất, đá mềm yếu, kết cấu neo sẽ có cơ hội được sử dụng ngày càng nhiều, tuy nhiên bằng vật liệu và các tính chất hợp lý.
Để khắc phục một số nhược điểm của neo cốt thép, trên thế giới đã chế tạo các thanh cốt neo bằng chất dẻo và cho các kết quả khả quan trong thực tế. Ở nước ta, công tác nghiên cứu cải thiện kết cấu neo cũng đã được tiến hành từ những năm 1996 đến nay tại Viện Khoa học Công nghệ mỏ. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc thay thế từ chất kết dính vô cơ bằng chất kết dính hữu cơ. Nghiên cứu thanh cốt neo thay cho thép đang sử dụng cũng đã được triển khai, nhưng bước đầu mới chỉ nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo từ vật liệu polyme- compozit cốt sợi thuỷ tinh và chưa được áp dụng thử nghiệm tại hiện trường. Các kết quả nghiên cứu này đã được trình bày trong luận văn Thạc sỹ kỹ thuật của NCS năm 2001.
Vật liệu polyme-clay nanocompozit là loại vật liệu lai tạo từ polyme (vật liệu nền) và khoáng sét (chất phân tán), đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong vài thập niên gần đây trên thế giới. Các kết quả nghiên cứu đều
cho thấy các đặc điểm vượt trội về cơ tính, hoá tính và lý tính của vật liệu polyme-clay nanocompozit so với vật liệu polyme-compozit thông thường, xuất phát từ sự tương hợp của polyme nền với khoáng sét và phát huy hiệu ứng cấu trúc nano của các lớp khoáng sét.
Ở Việt Nam, vật liệu polyme-clay nanocompozit cũng đã được một số đơn vị khoa học triển khai nghiên cứu như: Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự-Bộ quộc phòng
… Song các công trình nghiên cứu và sản phẩm này tập trung đáp ứng các yêu cầu sử dụng trong các lĩnh vực điện, điện tử, sơn chống ăn mòn và một số chế phẩm phục vụ đời sống dân sinh…
Các công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu polyme-clay nanocompozit nếu được tăng cường bằng sợi thủy tinh với hàm lượng hợp lý, sẽ cho ta vật liệu có độ bền kéo tăng khoảng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép. Vật liệu mới này cho phép tạo nên các sản phẩm có độ cứng cao và không bị ăn mòn, chịu mài mòn cao. Ngoài ra vật liệu này lại cho phép dễ gia công, xử lý để có kích thước phù hợp (dễ uốn dẻo, cưa cắt để có chiều dài tuỳ ý ở điều kiện bình thường…).
Luận án “Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm” được hình thành xuất phát từ các yêu cầu thực tế và các tiến bộ khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mục đích của công tác nghiên cứu là để tiếp cận công nghệ chế tạo và ứng dụng hệ vật liệu polyme-clay nanocompozit, từng bước nghiên cứu vật liệu thay thế thép làm thanh cốt neo với nguồn nguyên liệu clay trong nước, nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng của thực tiễn sản xuất trong ngành than, cũng như xây dựng công trình ngầm dân dụng nói chung và khẳng định vai trò nghiên cứu xu hướng hội nhập quốc tế.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết nêu trên, mục tiêu của luận án là tạo ra vật liệu tổ hợp có tính năng vượt trội cũng như khắc phục được các nhược điểm so với vật liệu thép khi sử dụng làm thanh cốt neo. Để đạt mục tiêu này, luận án đã tập trung nghiên cứu những vấn đề sau:
1- Hình thành được công nghệ thích hợp để chế tạo polyme-clay nanocompozit ở quy mô phòng thí nghiệm, trên cơ sở polyme là các chế phẩm sẵn có ở thị trường Việt Nam.
2- Nghiên cứu ảnh hưởng của claynano (nano sét) đến các tính chất cơ lý (độ bền kéo và độ bền cắt) của vật liệu polyme-clay nanocompozit.
3- Nghiên cứu, khảo sát để chế tạo thanh cốt neo từ nhựa nền polyme-clay nanocompozit được gia cường bằng sợi thuỷ tinh.
4- Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng thanh cốt neo đã được chế tạo so với thanh cốt neo bằng thép hiện đang chống giữ công trình ngầm, thông qua nghiên cứu triển khai áp dụng tại cùng địa điểm, theo cùng nguyên lý thiết kế, làm việc và với dây chuyền công nghệ thi công như nhau.
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án
Luận văn đã tập trung nghiên cứu các cơ sở khoa học phục vụ cho việc xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo trên cơ sở vật liệu epoxy-clay nanocompozit với mục đích ứng dụng trong thực tế và rút ra một số đóng góp mới như sau:
1- Đã phân tán thành công claynano được chế tạo từ bentonit Bình Thuận vào trong nền epoxy đến mức độ tách lớp hoàn toàn (expholiated) và xác định được các thông số chủ yếu của quá trình phân tán.
2- Đã xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh, trên cơ sở nhựa nền epoxy-claynano được gia cường bằng sợi thủy tinh, với tỷ lệ thành phần: 60% phần khối lượng sợi thủy tinh; 40% phần khối lượng nhựa nền epoxy-claynano (trong đó có 5% clay MMT).
3- Đã thử nghiệm thành công thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh tại mỏ than Hồng Thái với chất lượng tương đương cốt neo thép với cùng mục đích sử dụng.
Từ những đóng góp mới này, bước đầu luận án đã có một số ý nghĩa về lý luận và thực tiễn như sau:
Về lý luận: claynano chính là những hạt sét có kích thước nanomet, được đưa vào vật liệu polyme nhằm tạo ra một bước nhảy về tính chất cơ, lý của vật liệu. Polyme-clay nanocompozit có tính năng vượt trội so với vật liệu truyền thống có cùng mục đích sử dụng trong xây dựng công trình ngầm nói chung hay khoa học vật liệu nói riêng. Những kết quả nghiên cứu ban đầu này sẽ có giá trị tham khảo trong việc giảng dạy, đầu tư và phát triển lĩnh vực vật liệu mới, từng bước thay thế vật liệu truyền thống trong xây dựng công trình ngầm và mỏ.
Về thực tiễn: tạo ra một tổ hợp vật liệu mới với nguồn nguyên liệu chính là clay trong nước, có tính năng cơ lý vượt trội, sử dụng để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nhằm thay thế một phần nào đó vật liệu thép truyền thống về số lượng, cũng như phạm vi sử dụng về các yêu cầu chịu lực, song phải khắc phục được các nhược điểm của thép có cùng mục đích sử dụng.
Kết cấu của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, ba chương, phần kết luận, phần phụ lục. Toàn bộ nội dung của luận án được trình bày trong 117 trang, trong đó có 31 bảng, 50 hình và đồ thị với 152 tài liệu tham khảo. Phần lớn kết quả của luận án được công bố trong 6 bài báo và báo cáo tại các hội nghị trong nước.
NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO
1.1. NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM
1.1.1.Tình hình nghiên cứu và sử dụng neo trên thế giới
Neo đã có từ cuối thế kỷ XIX và trong 5 thập kỷ gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong công tác chống giữ các công trình ngầm trên thế giới. Hàng
năm tại Liên Xô (cũ) đã chống giữ khoảng 500 km đường lò đá bằng neo. Tại Mỹ hàng năm đưa vào sử dụng khoảng 20 triệu chiếc neo chất dẻo cốt thép, Tây Đức khoảng 1,5 triệu chiếc và neo cũng được sử dụng rộng rãi ở một số nước khác như Ba Lan, Pháp, Trung Quốc và Nhật Bản…
Cùng với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều kết cấu chống giữ bằng neo. Cho đến nay trên thế giới đã có hàng trăm loại neo ra đời, trong đó có neo polyme-compozit và đã được ứng dụng thành công. Để phân loại neo, người ta dựa vào tính năng kỹ thuật; khả năng mang tải; vật liệu làm neo như: gỗ, thép, polyme-compozit, hoặc cấu tạo neo như dạng: ống, thanh, sợi và nguyên lý liên kết làm việc như: liên kết cơ học, liên kết dính kết và liên kết hỗn hợp, như sơ đồ phân loại hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết
1.1.2. Neo và xu hướng sử dụng vật liệu polyme-compozit trong chống giữ công trình ngầm và mỏ ở Việt Nam
Xây dựng công trình ngầm và mỏ trong những năm gần đây đã và đang là một nhu cầu bức thiết bởi các yếu tố kinh tế, chính trị, giao thông vận tải và an ninh quốc phòng, đặc biệt là trong khai thác khoáng sản mỏ hầm lò. Từ những năm 80 của thế kỷ trước, các công trình như thuỷ điện Hoà Bình, thuỷ điện Yaly, hầm giao thông đèo Hải Vân, Đèo Ngang và khai thác than ở Quảng Ninh đã sử dụng neo để chống tạm; chống hỗn hợp cố định cho hàng trăm km đường hầm và đường lò, với nhiều loại hình neo phong phú và đa dạng như neo bê tông cốt thép, neo nêm chẻ, neo ống có rãnh hở, neo chất dẻo cốt thép.
Những loại neo này đã được sử dụng tuỳ thuộc vào từng điều kiện địa chất cụ thể và neo được sử dụng chủ yếu là neo dính kết, cụ thể là neo bê tông cốt thép và neo chất dẻo cốt thép, chúng khác nhau về chất kết dính (vô cơ và hữu cơ) - gọi chung là neo cốt thép. Bên cạnh những ưu điểm tuyệt vời của neo cốt thép, thì chính nó còn có không ít những hạn chế liên quan tới điều kiện sử dụng, tới môi trường khí hậu khắc nghiệt trong công trình ngầm nói chung, mỏ hầm lò nói riêng.
Từ những kết quả nghiên cứu ứng dụng trên thế giới cho thấy thanh cốt neo được làm từ vật liệu polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh có độ bền kéo tương đương thép, nhưng khắc phục được một số nhược điểm của thép như độ bền cắt
thấp hơn, chính yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi khi nổ mìn tiến gương, hoặc tổ hợp máy đào, máy khấu than cần tiến qua, đồng thời lại bền trong môi trường vi khí hậu nóng ẩm và trọng lượng bằng 1/4 trọng lượng của thép, cuối cùng là tính phù hợp về kích thước trong thi công của thanh cốt neo polyme-compozit tốt hơn thanh cốt neo thép rất nhiều. Như vây, có thể thấy rằng thanh cốt neo polyme- compozit cốt sợi thủy tinh có thể thay thế và khắc phục được một số nhược điểm của neo thép có cùng mục đích sử dụng.
Cũng theo những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng, nếu trong vật liệu polyme có chứa một hàm lượng thích hợp từ 0,5÷5% “clay” kích thước nanomet, thì sẽ tạo ra một bước nhảy vọt về tính chất cơ lý của vật liệu polyme- clay nanocompozit như độ bền kéo tăng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép, có thể cho phép tạo sản phẩm có độ cứng cao, bền nhiệt, nước và không bị ăn mòn điện hoá, hoá học, chịu mài mòn cao, ngoài ra tính phù hợp về kích thước rất cao như: uốn dẻo, cưa cắt dễ, chiều dài tuỳ ý. Vì vây, nó hoàn toàn có thể đáp ứng được là một vật liệu thay thế vật liệu thép làm cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung.
Song việc nghiên cứu ứng dụng về vật liệu polyme-compozit nói chung, cũng như thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh nói riêng trong chống giữ công trình ngầm ở nước ta chưa được đầu tư một cách thoả đáng, cho đến thời điểm hiện nay vẫn chỉ dừng ở khảo sát, thăm dò vật liệu kết dính là polyme-compozit. Do đó, việc nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh thay thế thanh cốt neo thép có cùng mục đích sử dụng không những đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, mà còn mang lại hiệu quả kinh tế trong chống giữ công trình ngầm nói chung ở nước ta là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng. Hình 1.3 là sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết làm việc, mà trong đó được bổ sung thêm bởi những kết quả nghiên cứu của NCS qua từng luận án.
Hình 1.3. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết được bổ sung bởi kết quả nghiên cứu của luận án
1.2.VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
1.2.1.Tình hình nghiên cứu công nghệ và chế tạo vật liệu nanocompozit ở Việt Nam
Từ giữ những năm 1990, ở nước ta đã tập trung nghiên cứu công nghệ và vật liệu nano. Trong những năm gần đây đã thu được một số thành tựu đáng kể trong lĩnh vực công nghệ này như đã chế tạo được than nano lỏng tổng hợp từ bột than, sản phẩm này dùng để chế tạo vi mạch cho chíp máy tính hoặc các linh kiện bán dẫn, bên cạnh đó một số tác giả thuộc Viện khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp được sợi nano cacbon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi, sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên.
Một số công ty sản xuất, kinh doanh ở trong nước cũng đã bắt đầu quan tâm đến vật liệu nano và những sản phẩm được chế tạo từ nanocompozit để ứng dụng trong công nghiệp điện tử, công nghiệp mỹ phẩm, công nghiệp làm màng bảo vệ... cũng đã được các Công ty này đưa vào và phân phối trên thị trường Việt Nam.
Vật liệu polyme-clay nanocompozit được chế tạo từ nguồn nguyên liệu cơ bản và quan trọng nhất đó claynano. Để có được nguyên liệu này thì phải xuất phát từ khoáng sét bentonit và ở nước ta nguồn tài nguyên này rất đa dạng và phong phú. Song, cho đến thời điểm hiện nay, tác giả luận án chưa tìm thấy tài liệu công bố của cá nhân hoặc đơn vị nào ở Việt Nam về việc đã chủ động được công nghệ chế tạo vật liệu claynano từ nguồn khoáng sét bentonit trong nước, để ứng dụng chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung.
Thanh cốt neo nghiên cứu chế tạo trong luận án có những thành phần vật liệu cơ bản sau đây:
- Nhựa nền: bao gồm nhựa polyme và claynano.
- Sợi thuỷ tinh gia cường.
- Một số chất phụ gia: chất pha loãng và đóng rắn…
Công nghệ chế tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trong luận án được thực hiện theo các bước như sau:
Lựa chọn vật liệu khoáng sét bentonit có chứa montmorillonit hàm lượng cao.
Hữu cơ hoá montmorillonit đã được lựa chọn.
Cho montmorillonit sau khi đươc hữu cơ hoá khuyếch tán vào polyme bằng phương pháp trộn hợp cơ học.
Tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trạng thái xen lớp đến tách lớp hoàn toàn (expholiated).
1.2.2. Khoáng sét bentonit
Bentonit là một loại khoáng tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit có công thức hóa học Mx(Al4-xMgx)Si8O20(OH)4 và một số khoáng sét khác như: saponit, nontronit, beidellit… Ngoài ra, người ta còn phát hiện thấy trong bentonit còn có một số khoáng chất khác nữa như: kaolinit, clorit, mica và một số khoáng phi sét như: canxit, pirit, thạch cao…, các muối kiềm và các chất hữu cơ. Bentonit thường được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit (viết tắt là mont.).
Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể lý tưởng của montmorillonit
Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp như hình 1.4, cấu trúc này bao gồm 2 tấm tứ diện chứa Si và 1 tấm bát diện chứa Al hoặc Mg bị kẹp giữa 2 tấm tứ diện. Các tấm này có chung các nguyên tử oxy ở đỉnh. Độ dày của mỗi lớp mont. khoảng 9,6A0. Cấu trúc tinh thể được cấu tạo từ hai mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ. Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tạo nên một mạng lưới không gian ba chiều của tinh thể montmorillonit. Chiều dày một lớp cấu trúc của mont. khoảng 9,6A0. Nếu kể cả lớp cation trao đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của một lớp khoảng 15A0. Bằng cách trao đổi ion. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng. Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách cơ bản, có thể thay đổi từ 10A0 đến 20A0 tuỳ thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp cấu trúc tinh thể. Khoảng cách này có thể tăng đến gần 30A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome hữu cơ… Trong luận án, NCS đã khảo sát, lựa chọn bentonit ở 4 tỉnh đó là Lâm Đồng, Bình Thuận, Thanh Hoá, Phú Yên và có so sánh với bentonit thương phẩm của 2 Công ty nước ngoài.
1.2.3. Polyme - nhựa epoxy
Polyme nói chung trên thế giới cũng như ở trong nước đã được sử dụng phổ biến làm nhựa nền trong chế tạo vật liệu compozit ở dạng nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của vật liệu, cũng như tính phổ biến, thông dụng trên thị trường và sự đơn giản khi điều chỉnh tốc độ phản ứng đóng rắn, để người ta lựa chọn polyme làm nhựa nền.
Như đã trình bày trong phần mở đầu, đó là thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit được nghiên cứu chế tạo cần có khả năng chịu kéo cao (tương đương với thép), song phải chịu cắt thấp hơn thép và bền trong môi trường vi khí hậu ẩm ướt và không bị ăn mòn điện hoá hay hoá học. Đồng thời thanh cốt neo
được nghiên cứu chế tạo từ claynano với sợi tăng cường trên cơ sở nhựa nền thương phẩm. Do đó, tác giả đã lựa chọn polyme nhựa nền là nhựa epoxy, vì:
- Epoxy được sử dụng nhiều trong công nghiệp compozit. Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra compozit có độ bền cao, phục vụ các ngành: chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa...
- Nhựa epoxy với những ưu điểm cơ bản như: tính chất cơ học cao (kéo, nén, uốn, va đập...); chịu được nhiệt độ đến 120C; độ bền hóa học cao; độ co ngót thấp (0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với kim loại cao. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như: ròn và giá thành cao.
Cụ thể trong luận án lựa chọn sử dụng Epicote-828; chất pha loãng Heloxy- 505 là một sản phẩm của Hãng Sell, đây là một loại polyepoxid có độ nhớt thấp, khi phối trộn với nhựa epoxy vừa làm giảm độ nhớt vừa tham gia quá trình đóng rắn của nhựa nên người ta còn gọi là chất pha loãng hoạt tính và lựa chọn chất đóng rắn với mã hiệu adduct epicure-3125, với tỷ lệ 1:1, đây cũng là một sản phẩm được hãng Sell sản xuất từ epoxy-828 với DETA (dietylentriamin). Nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trong quá trình đóng rắn.
1.2.4. Sợi gia cường - sợi thuỷ tinh
Sợi gia cường cho vật liệu polyme-compozit trên thực tế có rất nhiều loại sợi khác nhau như sợi cacbon, sợi thép, sợi gốm, sợi thuỷ tinh, sợi bông, sợi vải và cả sợi giấy…, những sợi tăng cường này được sử dụng tuỳ thuộc vào mục đích của vật liệu compozit.
Qua tham khảo các tài liệu cho thấy sợi thuỷ tinh là loại sợi phổ biến, thông dụng vì sợi thuỷ tinh dưới dạng khối rất giòn, dễ bị nứt. Ngược lại khi được gia công dưới dạng sợi đường kính nhỏ (vài chục micronmet), thuỷ tinh sẽ mất các tính chất trên và có nhiều ưu điểm trên phương diện cơ học. Tuỳ theo cấu tạo, người ta chế tạo được nhiều loại sợi thuỷ tinh khác nhau. Trong thực tế người ta thường sử dụng các loại sợi thuỷ tinh này với các mục đích cụ thể, như chọn các loại sợi R;S để chế tạo các kết cấu có độ bền cơ học cao, loại C làm các lớp phủ trên các chi tiết máy, loại E được ứng dụng chung. Các loại sợi thuỷ tinh luôn được phun phủ chất liên kết bề mặt ngay sau khi hình thành sợi, nhằm tạo nên một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polyme, với mục đích gia cuờng sự liên kết trong nội bộ sợi cốt và tạo ra các cầu nối bền vững về pha cốt và pha nền, như vậy người ta đã tạo ra liên kết hoá học cả pha cốt và pha nền.
Để có cùng hệ quy chiếu so sánh với các thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh do nước ngoài sản xuất và cũng là sự nghiên cứu phát huy kế thựa từ luận án thạc sỹ kỹ thuật của mình, nên NCS đã lựa chọn sợi thuỷ tinh E làm sợi tăng cường cho thanh cốt neo được nghiên cứu chế tạo trên nền nhựa epoxy-clay nanocompozit. Cụ thể ở đây là sợi thuỷ tinh E của Trung Quốc sản xuất có đường kính trung bình là 17µm.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
2.1. PHẦN THỰC NGHIỆM
2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu
Đã sử dụng phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation (TCVN 8466:2010) để lựa chọn khoáng sét bentonit cho nghiên cứu. Đã chế tạo nhựa nền, bằng phương pháp nghiền trộn cơ học để phân tán clay được hữu cơ hoá vào nhựa epoxy đến tách lớp hoàn toàn (expholiated). Để nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo đã sử dụng phương pháp kéo rút qua khuôn ở ba khoảng nhiệt độ (80, 120,1400C). Đã sử dụng các phương pháp hoá lý và vật lý như: phổ XRD, FT-IR, ảnh SEM, TEM, kính hiển vi kim tương và các phương pháp đo độ bền cơ học: độ bền kéo, độ bền cắt.
2.1.2. Phương pháp hữu cơ hóa khoáng sét
Bước 1: cân 20g Bentonit cho vào cốc thuỷ tinh, bổ xung 2000 ml nước cất ở 800C. Sử dụng máy khuấy từ khuấy trong vòng 15 phút, tiếp tục cho siêu âm trong vòng 2 đến 4 giờ ta được dung dịch huyền phù A.
Bước 2: cân 8,5g didecyl dimethyl amonnium clorua (DDAC-có công thức hoá học (C10H21)2(CH3)2NCl) cho vào cốc thủy tinh, bổ xung 800ml dung dịch nước cất và khuấy mạnh bằng máy khuấy từ, ta thu được dung dịch huyền phù B.
Bước 3: rót từ từ dung dịch B vào dung dịch A. Tiếp tục khuấy trộn mãnh liệt và siêu âm ở nhiệt độ 800C trong 6 giờ.
Bước 4: tách phần kết tủa bằng cách chắt bỏ phần nước ở phía trên (sau khi để qua đêm).
Bước 5: lọc, rửa kết tủa bằng nước cất 800C qua phễu lọc chân không, đến khi thử bằng dung dịch AgNO3 (5%) đến khi hết ion clorua tự do, để khô trong không khí, sau đó sấy trong chân không ở 500C÷550C trong 5 giờ (đến khi độ ẩm không đổi là 3%).
Bước 6: sản phẩm được nghiền trong cối nghiền bi sứ và rây qua rây 0,075 mm và bảo quản trong bình hút ẩm.
2.1.3. Phương pháp chế tạo nhựa nền
- Nhựa epoxy
+ Epicote-828 : 90 phần khối lượng
+ Chất pha loãng Heloxy-505 : 10 phần khối lượng
- Khoáng sét đã biến tính được điều chế từ bentonit của Lâm Đồng và Bình Thuận, theo tỷ lệ 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6% phần khối lượng so với epoxy.
- Phương pháp phân tán clay vào nhựa epoxy
Tổ hợp vật liệu được khuấy trộn ở nhiệt độ 900C, thời gian khoảng 30 phút. Được để nguội đến 250C. Tiếp tục nghiền trộn trên máy cán ba trục trong thời gian 3 đến 4 giờ.
2.1.4. Công nghệ chế tạo thanh cốt neo
Chùm sợi thuỷ tinh được kéo qua máng nhựa với tốc độ 5m/phút, qua khuôn để định dạng và loại bỏ nhựa dư. Khuôn được đặt ở ba vùng nhiệt độ 80 ÷ 120 ÷ 1400C, sản phẩm tiếp tục được ủ bảo dưỡng ở 800C trong 4 giờ và để ổn