Khảo sát ảnh hưởng của thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ Polyurethane hai thành phần

Download

Nghiên cứu khoa học công nghệ

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN CHẤT ĐÓNG RẮN

VÀ TỈ LỆ NCO/OH ĐẾN ĐỘ TRONG SUỐT ĐIỆN TỪ CỦA LỚP

PHỦ POLYURETHANE HAI THÀNH PHẦN

Phạm Thanh Hải^1*, Lê Văn Tâm¹, Trần Phương Chiến¹, Nguyễn Đình Chinh¹,

Phạm Hồng Thạch¹, Ngô Văn Hoành²

Tóm tắt: Lớp phủ polyurethane đã được các nước trên thế giới nghiên cứu ứng

dụng làm lớp phủ trong suốt điện từ. Tuy nhiên, ở nước ta chưa có công trình

nghiên cứu nào được công bố trong lĩnh vực này. Trong bài báo này, chúng tôi

khảo sát ảnh hưởng của thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đến độ trong

suốt điện từ của lớp phủ polyurethane hai thành phần. Kết quả cho thấy, độ trong

suốt điện từ của thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đều ảnh hưởng đến độ

trong suốt điện từ của lớp phủ. Khi thay đổi chất đóng rắn, độ trong suốt điện từ

nhìn chung giảm dần theo thứ tự Desmodur N-3390 > Desmodur L-75 > Desmodur

N-75. Khi thay đổi tỉ lệ NCO/OH từ 0,8 đến 1,2, các lớp phủ đóng rắn từ 3 loại trên

đạt độ trong suốt điện từ cao nhất ở các tỉ lệ lần lượt là 1,2, 0,8 và 0,9. Kết quả này

là cơ sở để nghiên cứu chế tạo lớp phủ trong suốt điện từ có tính năng tốt ứng dụng

cho các khí tài quân sự.

Từ khóa: Polyurethane; Sơn trong suốt điện từ; Tỉ lệ NCO/OH.

1. MỞ ĐẦU

Sơn trong suốt điện từ là loại sơn phủ chuyên dụng trong bảo quản anten của các thiết

bị thu và phát sóng vô tuyến, ngoài khả năng bảo quản, sơn trong suốt điện từ còn phải ít

ảnh hưởng đến chất lượng thu và phát sóng của thiết bị. Trong lĩnh vực quân sự, sơn trong

suốt điện từ thường được dùng để sơn phủ các khí tài như: Các loại máy thu phát sóng vô

tuyến, anten thu phát của ngòi nổ vô tuyến trên đầu đạn tên lửa, vòm che (randome) của

radar, ... Đây là các khí tài rất quan trọng, đặc biệt là trong thời đại của chiến tranh công

nghệ cao hiện nay, độ chính xác của các thiết bị này có ý nghĩa rất lớn trong tác chiến.

Chính vì vậy quân đội các nước trên thế giới đã và đang tiến hành nghiên cứu phát triển

các loại sơn trong suốt điện từ có tính năng tốt, ứng dụng trên các loại khí tài quân sự trên.

Trên thế giới việc nghiên cứu chế tạo sơn trong suốt điện từ bắt đầu từ những năm 50

của thế kỷ 20. Một số nước phát triển mạnh trong lĩnh vực này như Mỹ, Nga đã nghiên

cứu chế tạo ra nhiều loại sơn cho các loại radome của radar mặt đất, trên không, trên biển,

... Ở Mỹ, ban đầu họ sử dụng lớp phủ cao su neoprene, đến thập kỷ 60 bắt đầu sử dụng lớp

phủ polyurethane và sau đó đã phát triển đến lớp phủ fluorocarbon. Nga cũng đã phát triển

một số hệ sơn trên cơ sở cao su chứa chlorine, epoxy, ... Ngoài ra, Trung Quốc cũng đã

nghiên cứu chế tạo được sơn trong suốt điện từ để bảo vệ radome dựa trên cơ sở mô phỏng

theo các hệ sơn của Mỹ và Nga [1-4].

Ở nước ta các công trình nghiên cứu về sơn trong suốt điện từ còn ít. Năm 1996, tiến sĩ

Phạm Huy Quỳnh thuộc Viện Kỹ thuật PK-KQ đã chế tạo ra hệ sơn Epoxy-Cardanol-

Hexamine và được ứng dụng trên một số trang thiết bị quân sự [4]. Đề tài này đã chế tạo

được hệ sơn với độ trong suốt điện từ khá cao và các tính năng cơ lý tốt. Tuy nhiên, loại

sơn trên chỉ có độ trong suốt điện từ cao khi có độ dày thấp, nếu độ dày tăng lên 200 m

thì độ trong suốt điện từ sẽ giảm xuống dưới 90%. Mặt khác, qua khảo sát thực tế tại một

số đơn vị thuộc Quân chủng PK-KQ cho thấy, hiện nay các đơn vị đã không còn được

cung cấp loại sơn chuyên dụng này để bảo quản các loại khí tài có thu và phát sóng vô

tuyến. Khi lớp sơn phủ bảo vệ của các khí tài trên bị xuống cấp, việc khắc phục gặp rất

nhiều khó khăn, bởi đa phần các khí tài của quân đội được nhập từ các nước phát triển, các

135

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019

Hóa học & Kỹ thuật môi trường

loại sơn chuyên dụng lại không được nhà sản xuất cung cấp. Vì vậy, việc tiếp tục tự chủ

nghiên cứu chế tạo sơn trong suốt điện từ là hết sức cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.

Sơn polyurethane (PU) với nhiều tính năng ưu việt như độ trong suốt điện từ cao, độ

bền thời tiết tốt, ... đã được các nước nghiên cứu ứng dụng làm sơn trong suốt điện từ [1-

3]. Tuy nhiên ở nước ta vẫn chưa có công trình nghiên cứu cụ thể nào được công bố. Mặt

khác, sơn PU có rất nhiều chủng loại, yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của sơn rất đa dạng

và phức tạp. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của 2 yếu tố quan

trọng là thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ

PU hai thành phần. Từ đó làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo sơn trong suốt điện từ

trên cơ sở polyurethane hai thành phần.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Hóa chất thí nghiệm

Các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm được liệt kê ở bảng 1:

Bảng 1. Các hóa chất sử dụng để thí nghiệm.

STT

Tên hóa chất

Xuất sứ

Bayer - Đức

Tính chất

+ 60% trong xylene

+ %OH=1,6±0,3

+ %H₂O < 0,1

Desmophen A 160X

+ 75% trong EA

+ %OH=13,3±0,4

+ %HDI < 0,5

+ 75% trong n-BA

+ %OH=16,5±0,3

+ %HDI < 0,38

Bayer - Đức

Desmodur L-75

Desmodur N-75

Desmodur N-3390

+ 90% trong BA+SN tỉ lệ

1:1

+ %NCO=19,6 ±0,3

+ %HDI ≤ 0,15

Butyl Acetate

Xylene

Trung Quốc

Độ tinh khiết: AR

Phụ gia hóa dẻo

2.2. Quy trình chế tạo mẫu

Các mẫu lớp phủ được chế tạo tại phòng thí nghiệm Viện Nhiệt đới môi trường. Lớp

phủ PU được tổng hợp từ hai thành phần: Thành phần 1 bao gồm nhựa acrylic polyol với

tên thương mại là Desmophen A 160X của hãng Bayer, dung môi hỗn hợp Butyl Acetate

và Xylene với tỉ lệ 1:1, phụ gia hóa dẻo. Thành phần 2 là chất đóng rắn polyisocyanate.

Chúng tôi lựa chọn 3 loại chất đóng rắn có tên thương mại là Desmodur L-75, Desmodur

N-75 và Desmodur N-3390. Cấu trúc của 3 loại chất đóng rắn trên như sau:

NCO

CH₂

CH₃

NCO

(CH₂)_n

CH₂NCO

CH₃

NCO

CH₃

CH₃CH₂

OCN

CH₂

CH₂NCO

OCN

(CH₂)_n

(CH_{2 n}

)

NCO

CH₂

Desmodur L-75

Desmodur N-75

Desmodur N-3390

Hình 1. Cấu trúc phân tử của 3 loại chất đóng rắn.

136

P. T. Hải, …, N. V. Hoành, “Khảo sát ảnh hưởng … phủ polyurethane hai thành phần.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Desmodur L-75 được tổng hợp từ Toluene Diisocyanate (TDI), đây là loại

Diisocyanate có cấu trúc vòng benzen. Desmodur N-75 và N-3390 được tổng hợp từ

Hexamethylene Diisocyanate (HDI), đây là loại Diisocyanate có cấu trúc mạch thẳng.

Trong đó Desmodur N-3390 có cấu trúc đối xứng. Sự khác biệt về cấu trúc sẽ ảnh hưởng

đến tính năng của lớp phủ.

Quy trình chế tạo mẫu được thể hiện trong sơ đồ hình 2.

Hình 2. Sơ đồ quy trình tổng hợp lớp phủ PU hai thành phần.

2.3. Phương pháp đo độ trong suốt điện từ

Độ trong suốt điện từ được xác định dựa trên tiêu chuẩn TCQS 71:2016/VKHCNQS

do Viện Ra đa - Viện KHCN QS ban hành. Thử nghiệm được tiến hành ở dải tần X (8-12

GHz), trên máy phân tích mạng véc tơ N9918A của hãng Keysight Technologies tại Phòng

thí nghiệm Radar - Viện Radar, với sơ đồ đo như hình 3.

Hình 3. Sơ đồ và hình ảnh thực tế của hệ đo độ trong suốt điện từ.

137

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019

Hóa học & Kỹ thuật môi trường

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Với 3 loại chất đóng rắn và 5 tỉ lệ NCO/OH (0,8-1,2), chúng tôi tổng hợp được 15 mẫu

chất phủ khác nhau. Các mẫu chất phủ này được phủ lên tấm nền mica (nhựa Poly(methyl

methacrylate)) trong suốt với kích thước 1001001,310 (dàirộngdày, mm). Độ trong

suốt điện từ được đo ở dải tần X (8-12 GHz), sau đó tính giá trị trung bình. Độ trong suốt

điện từ của mẫu lớp phủ bằng độ trong suốt điện từ của mẫu lớp phủ trên nền mica chia

cho độ trong suốt điện từ của nền mica. Độ trong suốt điện từ của tấm nền mica là 94,16%.

Kết quả đo độ dày, tổn hao điện từ và độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ được

trình bày trong bảng 2.

Độ trong suốt điện từ được tính từ tổn hao điện từ theo công thức:

ꢃ

Δ = 10log ^ꢀ_ꢀ= 10log(_ꢄꢅꢅ)

ꢁ

ꢂ

Trong đó, Δ là tổn hao điện từ (số liệu thu được từ máy đo); P₁, P₂lần lượt là công

suất sóng điện từ truyền qua và công suất sóng điện từ tới, T là độ trong suốt điện từ.

Mặt khác, theo [4] tổn hao điện từ và độ dày có mối liên hệ theo công thức:

Δ=8,686.K.d

Đối với mỗi loại vật liệu đồng nhất, K là hằng số, vì vậy tổn hao điện từ (Δ) phụ thuộc

tuyến tính với độ dày (d) [4].

Để có sự so sánh tương đồng, chúng tôi tính toán tổn hao điện từ và độ trong suốt điện

từ của các mẫu lớp phủ với độ dày 200 m. Kết quả được thể hiện trong bảng 2.

Bảng 2. Kết quả đo độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ.

Mẫu Thành

phần

Tỉ lệ

NCO/OH

Độ

dày

(m)

Tổn

hao

điện từ

trung

bình

Độ trong

suốt điện

từ trung

bình (%)

Tổn hao

điện từ

trung

bình ở

200 m

(dB)

Độ trong

suốt điện

từ trung

bình ở

200 m

(%)

chất

đóng

rắn

(dB)

M10

M11

M12

M13

M14

M15

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

170

161

135

196

155

193

131

169

131

166

136

179

113

153

127

-0,0365

-0,0594

99,16

98,64

95,04

97,39

99,91

97,85

98,01

96,75

98,09

97,17

96,71

96,28

95,28

95,93

93,84

-0,0429

-0,0738

99,02

98,32

-0,2208

-0,1149

-0,0038

-0,0944

-0,0873

-0,1436

-0,0836

-0,1246

-0,1452

-0,1646

-0,2098

-0,1807

-0,2763

-0,3271

-0,1172

-0,0049

-0,0978

-0,1333

-0,1699

-0,1276

-0,1501

-0,2135

-0,1839

-0,3713

-0,2362

-0,4351

92,74

97,34

99,89

97,77

96,98

96,16

97,10

96,60

95,20

95,85

91,81

94,71

90,47

N-3390

L-75

N-75

Kết quả cho thấy độ trong suốt điện từ của các mẫu đều khá cao, mẫu thấp nhất đạt

90,47% (mẫu M15), mẫu cao nhất đạt 99,89% (mẫu M5). Mặt khác, từ kết quả cũng có thể

thấy được, thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đều ảnh hưởng đến độ trong suốt

điện từ của lớp phủ.

138

P. T. Hải, …, N. V. Hoành, “Khảo sát ảnh hưởng … phủ polyurethane hai thành phần.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

3.1. Ảnh hưởng của thành phần chất đóng rắn đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ

Chất đóng rắn là một trong hai thành phần chính của sơn PU hai thành phần. Nhiều

nghiên cứu cho thấy thành phần chất đóng rắn ảnh hưởng đến tính năng của lớp phủ PU

[5-6].

Hình 4 so sánh độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ từ 3 loại chất đóng rắn với

từng loại tỉ lệ NCO/OH.

Hình 4. Độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ.

Từ hình 4 có thể thấy được, đối với hầu hết các tỉ lệ NCO/OH thì độ trong suốt điện từ

của các mẫu lớp phủ giảm dần theo thứ tự N-3390>L-75>N-75. Chỉ duy nhất khi tỉ lệ

NCO/OH=1 thì độ trong suốt điện từ của mẫu M3 (92,74%, chất đóng rắn là N-3390) lại

nhỏ hơn độ trong suốt điện từ của mẫu M8 (96,16%, chất đóng rắn là L-75).

Độ trong suốt điện từ của vật liệu phụ thuộc vào tính chất điện môi của vật liệu, mà cụ

thể là hằng số điện môi và tổn hao điện môi của vật liệu càng nhỏ thì độ trong suốt điện từ

càng cao. Hai chỉ số trên lại phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu. Vật liệu có độ phân cực

và mật độ phân tử (độ sít chặt) càng nhỏ thì hằng số điện môi và tổn hao điện môi của vật

liệu càng nhỏ [4,7-9].

Độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ đóng rắn bằng N-3390 có độ trong suốt

điện từ cao bởi phân tử N-3390 có cấu trúc đối xứng, từ đó dẫn đến độ phân cực của phân

tử polymer sau khi đóng rắn thấp.

3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ NCO/OH đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ

Hình 5 thể hiện sự thay đổi của độ trong suốt điện từ khi thay đổi tỉ lệ NCO/OH từ 0,8

đến 1,2 đối với từng loại chất đóng rắn.

Đối với các mẫu lớp phủ đóng rắn bằng N-3390, khi NCO/OH<1 thì độ trong suốt

điện từ giảm dần khi tỉ lệ NCO/OH tăng từ 0,8 đến 1,0, khi NCO/OH>1 thì độ trong suốt

điện từ tăng dần khi tỉ lệ NCO/OH tăng từ 1,0 đến 1,2, và độ trong suốt điện từ đạt giá trị

cao nhất khi tỉ lệ NCO/OH=1,2 (99,89%, mẫu M5).

Các mẫu lớp phủ đóng rắn bằng L-75 có độ trong suốt điện từ thay đổi không nhiều

(96,16% - 97,77%) và đạt giá trị cao nhất khi tỉ lệ NCO/OH=0,8 (97,77%, mẫu M6)

Độ trong suốt điện từ của mẫu lớp phủ đóng rắn bằng N-75 đạt giá trị cao nhất khi tỉ lệ

NCO/OH=0,9 (95,85%, mẫu M12).

Một đặc điểm đáng lưu ý khi thay đổi tỉ lệ NCO/OH đó là độ trong suốt điện từ của

các mẫu lớp phủ ở tỉ lệ NCO/OH=1 khá thấp, đây có thể là do độ sít chặt của phân tử

polymer ở tỉ lệ NCO/OH=1 khá cao, vì ở tỉ lệ này tất cả các nhóm chức -NCO và -OH

139

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019

Hóa học & Kỹ thuật môi trường

được phản ứng hoàn toàn với nhau. Mà khi độ sít chặt càng cao thì hằng số điện môi và

tổn hao điện môi của vật liệu càng cao, độ trong suốt điện từ càng thấp [4,7-9].

Hình 5. Độ trong suốt điện từ của các mẫu lớp phủ.

4. KẾT LUẬN

Đã chế tạo và khảo sát độ trong suốt điện từ của lớp phủ PU hai thành phần trên cơ sở

nhựa polyacrylic polyol và ba loại chất đóng rắn khác nhau.

Các mẫu lớp phủ đều có độ trong suốt điện từ khá cao. Thành phần chất đóng rắn và tỉ

lệ NCO/OH đều ảnh hưởng đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ PU hai thành phần.

Khi thay đổi chất đóng rắn, độ trong suốt điện từ nhìn chung giảm dần theo thứ tự

Desmodur N-3390 > Desmodur L-75 > Desmodur N-75.

Khi thay đổi tỉ lệ NCO/OH từ 0,8 đến 1,2, các mẫu lớp phủ đóng rắn từ Desmodur N-

3390, Desmodur L-75 và Desmodur N-75 đạt độ trong suốt điện từ cao nhất ở các tỉ lệ lần

lượt là 1,2, 0,8 và 0,9.

Mẫu lớp phủ đóng rắng bằng Desmodur N-3390 với tỉ lệ NCO/OH=1,2 đạt độ trong

suốt điện từ cao nhất 99,89%.

Các kết luận trên là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu chế tạo lớp phủ trong suốt điện từ có

tính năng tốt ứng dụng cho các khí tài quân sự

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. J. F. Moraveck and P. W. Sherwood, New polyurethane coatings for radome

applications, Proceedings of the 14th Symposium on Electromagnetic Windows,

Georgia Institute of Technology, Atlanta (1978), pp. 147-152.

[2]. MIL-C-83231A, Coating, Polyurethane, Rain Erosion Resistant For Exterior Aircraft

And Missile Plastic Parts, (1981).

[3]. L. D. Yang, et al, “The New Protective Coating System Applied Technology for

Radome”, Modern Paint and Finishing, Vol. 18 (2015), pp. 18-22.

[4]. Phạm Huy Quỳnh, “Nghiên cứu chế tạo sơn trong suốt điện từ trên cơ sở nhựa Epoxy

- Cadanol - Hecxamin dùng trong bảo quản vũ khí trang bị quân sự”, Luận án tiến sĩ

Viện KH-CN Quân sự (1996).

[5]. Q. J. Zhou, “Study on Preparation and Performances of two-component elastic

polyurethane coatings”, MSc thesis (2014).

[6] S. Desai, et al, “Effect of polyols and diisocyanates on thermo-mechanical and

morphological properties of polyurethanes”. European Polymer Journal, Vol. 36, No.

4 (2000), pp. 711-725.

140

P. T. Hải, …, N. V. Hoành, “Khảo sát ảnh hưởng … phủ polyurethane hai thành phần.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

[7]. Ahmad, Zulkifli, “Polymeric dielectric materials”, Dielectric Material (2012), pp. 3-26.

[8]. Kozakoff, J. Dennis, “Analysis of radome-enclosed antennas”, Artech House (2010).

[9]. H. S. Lee, et al, “Low dielectric materials for microelectronics”, INTECH Open

Access Publisher (2012).

ABSTRACT

EFFECT OF CURING AGENT AND NCO/OH RATIO

ON THE ELECTROMAGNETIC TRANSMITTANCE

OF TWO-COMPONENT POLYURETHANE COATING

Polyurethane coatings have been studied and used as the electromagnetic

transparent coating in the world. However, there are no publications in this area in

Vietnam. In this paper, we investigated the effect of curing agent and NCO/OH ratio

on the electromagnetic transmittance of two-component polyurethane coating. The

results show that the curing agent and NCO/OH ratio both affect the

electromagnetic transmittance of the coating. When changing curing agent,

electromagnetic transmittance generally decreases in Desmodur N-3390>

Desmodur L-75> Desmodur N-75. When changing the NCO/OH ratio from 0.8 to

1.2, the coating samples of above three curing agent types achieved the highest

electromagnetic transmittance at the rates of 1.2, 0.8, and 0.9 respectively. These

results make the basis on preparing good-quality electromagnetic transparent

coatings for military application.

Keywords: Polyurethane; Electromagnetic transparent coating; NCO/OH ratio.

Nhận bài ngày 01 tháng 5 năm 2018

Hoàn thiện ngày 09 tháng 7 năm 2018

Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019

Địa chỉ: ¹Viện Nhiệt đới môi trường;

²Viện Hóa học Vật liệu.

^*Email: [email protected].

141

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019

7 trang Mãnh Khiết 13/01/2024 21120 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "Khảo sát ảnh hưởng của thành phần chất đóng rắn và tỉ lệ NCO/OH đến độ trong suốt điện từ của lớp phủ Polyurethane hai thành phần", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

khao_sat_anh_huong_cua_thanh_phan_chat_dong_ran_va_ti_le_nco.pdf