Tiểu luận : vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh

t các phết thải từ chúng sau quá trình sử dụng bị thải ra đã gây ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của xã hội. Chính vì vậy, trong những năm gần đây ngày càng có nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất chế tạo ra những vật liệu có khả năng phân hủy hoặc phân hủy dưới tác động của vi sinh vật. Như vậy loại vật liệu này sau khi sử dụng hạn chế được ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, vấn đề giá thành cũng là yếu tố quan trọng để mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu. Để đáp ứng được yêu cầu trên, vật liệu polyme compozit gia cường bằng sợi thực vật đang được đặc biệt quan tâm bởi một số ưu điểm nổi trội của sợi thực vật so với các sợi gia cường truyền thống như là: có khả năng phân 2 hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ và có độ bền riêng tốt. Trong tiểu luận này sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh như: Nguyên liệu chế tạo, các phương pháp gia công, ứng dụng… Nhóm sinh viên thực hiện 3 MỤC LỤC Trang Chương I. Tổng quan về vật liệu compozit ................................................ 5 I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) ............................... 5 1. Lịch sử phát triển ...................................................................................... 5 2. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC ....................................... 6 2.1. Khái niệm 6 2.2. Thành phần vật liệu PC .................................................................... 6 2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC…....................................................... 8 2.4. Phân loại ……………………………………………………………9 3. Tính chất và phạm vi ứng dụng .............................................................. 10 3.1.Tính chất chung của vật liệu PC ....................................................... 10 3.2.Phạm vi ứng dụng ............................................................................. 10 II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit ................. 11 1. Sự định hướng của sợi ............................................................................. 11 2. Tương tác giữa nền và sợi ........................................................................ 12 3 .Lượng sợi có trong vật liệu ...................................................................... 13 4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn . 13 5. Kĩ thuật gia công ...................................................................................... 13 Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh .. 14 4 I. Nguyên liệu ................................................................................................. 14 1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh ..................... 14 2. Nhựa nền epoxy ........................................................................................ 15 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy …………………………………………….. 15 2.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy ......................................... 20 2.3. Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy ........................................... 20 2.4. Đóng rắn nhựa epoxy …………………………………………….. 21 3. Sợi thủy tinh ............................................................................................... 31 4. Phụ gia và chất độn .................................................................................. 37 II. Các phương pháp gia công ...................................................................... 39 1. Lăn ép bằng tay ............................................................................... 39 2. Lăn ép phun ..................................................................................... 41 3. Đúc kéo ............................................................................................. 41 4. Quấn ống .......................................................................................... 42 5.. Bơm nhựa vào khuôn..................................................................... 44 6. Đúc chân không ............................................................................... 44 7. Hỗ trợ chân không hay còn gọi là phương pháp túi chân không . 46 III. Ứng dụng ................................................................................................. 47 IV. Giải thích vì sao đường ống nước sông đà lại bị vỡ ............................. 52 KẾT LUẬN .................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54 5 Chương I. Tổng quan về vật liệu compozit I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) 1. Lịch sử phát triển Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và được con người sử dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co ngót khi nung gạch, đồ gốm. Tại Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên, người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm tubin . Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta với mùn cưa cũng là một thí dụ về vật liệu PC. Mặc dù hình thành sớm như vậy nhưng việc chế tạo vật liệu PC mới thực sự được chú ý trong khoảng 60 năm trở lại đây. Năm 1942 đã sản xuất được vật liệu PC trên cơ sở nhựa polyeste không no. Năm 1944, đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng PC cho máy bay và tàu phục vụ đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, chất lượng vật liệu PC được nâng cao rất nhiều khi có sự ra đời của nhựa eposy và hàng loạt các sợi gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợi silic… Từ những năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ compozit nền chất dẻo và sợi tăng cường có độ bền cao đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo chi tiết chịu lực trong ô tô, vật liệu xây dựng… Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mòn… mở rộng được lĩnh vực sử dụng PC luôn được đặt ra. Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệu mới có khả năng phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cấp thiết hiện nay. 6 2. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1. Khái niệm Vật liệu PC được tạo thành từ sự kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau, tạo ra vật liệu có tính chất đặc biệt mà mỗi vật liệu thành phần ban đầu không có được. Vật liệu PC nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là cốt và nền, ngoài ra còn có một số loại chất phụ gia khác : chất độn, chất màu, chất chống lão hóa, chống co ngót… 2.2. Thành phần vật liệu PC nền polyme. Vật liệu PC là vật liệu kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau và có những tính chất mà vật liệu thành phần ban đầu không có. Thành phần chính của vật liệu PC là nền polyme và vật liệu tăng cường dạng hạt hay dạng sợi (cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn và một số phụ gia cần thiết. Vật liệu nền có thể là Polyme (chiếm 90%), kim loại, ceramic. Vật liệu gia cường có thể là sợi cacbon, sợi aramid, sợi thủy tinh, sợi, hạt kim loại (Ti, Al), … 7 Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vật liệu compozit. Hình 2: Ảnh SEM chụp mắt cắt vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh. 8 2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường có cơ tính cao hơn rất nhiều so với nền, bởi vậy năng lượng do ngoại lực tác động sẽ chuyển sang chất gia cường . Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt hơn vật liệu gia cường dạng hạt, do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn so với vật liệu gia cường dạng hạt dưới tác dụng của ngoại lực như nhau. Khả năng truyền năng lượng do ngoại lực tác động từ vật liệu nền lên vật liệu gia cường phụ thuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường. Hình 3: Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu nền. 9 2.4. Phân loại Tùy thuộc vào bản chất các vật liệu thành phần, vật liệu PC đươc phân loại như sau: 2.4.1. Theo bản chất vật liệu nền - Nền polyme chiếm 90% trong tổng số các loại compozit. - Nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim tital…) với vật liệu gia cường dạng sợi kim loại, sợi khoáng. - Nền gốm và thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi và hạt kim loại . - Nền cacbon/graphit: là vật liệu chịu nhiệt rất tốt và cứng. 2.4.2. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường. a) Compozit cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phần tử cốt hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phần tử cốt rất đa dạng: các loại khoáng tự nhiên, oxit, cacbit, nitrit… Compozit cốt hạt rất đa dạng: cốt hạt thô và cốt hạt mịn. Compozit cốt hạt mịn thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt hạt có kích thước nhỏ (< 0, 1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn định nhiệt cao. Compozit cốt hạt thô thường có nền có thể là kim loại, polyme hoặc gốm. Gốm thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ ổn định kích thước, chịu nhiệt… b) Compozit cốt sợi ngắn: độ dài cốt sợi thường nhỏ hơn 5cm. Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc đùn, đúc phun. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn. c) Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài sợi cốt từ 10 đến 100 mm, thường dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt. 10 d) Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay được gọi là sợi liên tục thường gia cường cho nhựa nhiệt rắn .Compozit cốt hạt thường được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm. kim loại. 3. Tính chất và phạm vi ứng dụng. 3.1. Tính chất chung của vật liệu PC. Tính chất của vật liệu PC là tổ hợp tính chất của các cấu tử có mặt trong vật liệu. Nó phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, tính chất của các thành phần cấu thành nền vật liệu, điều kiện gia công. Đối với vật liệu PC cần quan tâm tới một số tính chất sau: modun xé rách đặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo, nén cho biết khả năng chịu tải trọng của vật liệu. Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của kích thước và tải trọng. Vật liệu PC mang một số tính chất chung như sau: - Khối lượng riêng nhỏ hơn so với vật liệu truyền thống. - Giá thành hợp lí so với tính năng, có tính chịu môi trường, kháng hóa chất, không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn, không cần sơn bảo vệ như vật liệu gỗ, kim loại… - Cách điện cách nhiệt tốt. - Gia công, chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng. - Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp. 3.2. Phạm vi ứng dụng: Nhờ có nhiều tính năng ưu việt như khối lượng riêng thấp, có độ bền cao, chịu môi trường tốt, có thể điều khiển được tính chất của vật liệu theo các hướng khác nhau một cách dễ dàng… Được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau: - Giao thông vận tải: vỏ ca nô, tàu biển… - Vật liệu điện: ấm cách điện, vỏ các thiết bị điện… 11 - Vật liệu xây dựng: kết cấu nhà lắp ghép, đá ốp lát, tấm lợp… - Vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân… - Vật liệu gia dụng:bàn, ghế, giá, tấm trần, tấm cách âm… - Vật liệu PC cao cấp:dùng trong hàng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp… II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit 1. Sự định hướng của sợi Hình 4: Ảnh SEM và mô phỏng một cách sắp xếp sợi trong compozit. Sự định hướng của sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu compozit. Thông thường khi chế tạo vật liệu compozit người ta sẽ bố trí các lớp gia cường có góc lệch với nhau nhằm đạt tính chất cao nhất có thể về mọi hướng. Trên hình H.3 là một hình mô phỏng về định hướng sợi trong vật liệu compozit trong công trình nghiên cứu của GS. David cùng các cộng sự tại Đại Học Califoria, Hoa Kì. Ông cùng các cộng sự nghiên cứu để tìm ra cách định hướng sợi sao cho vật liệu đạt tính chất cao nhất. Và trong quá trình nghiên cứu, ông cùng các cộng sự đã tìm hiểu về vẫn đề tại sao càng con tôm tít (hay ở Việt Nam còn gọi là con bề bề) lại có khả năng chịu lực rất lớn, lớn 12 hơn khoảng 1000 lần so với trọng lượng của cả con tôm. Nhóm đã phát hiện được rằng chiếc càng được tạo thành từ nhiều lớp cuticle chồng chất lên nhau với các lớp endocuticle bên trong. Cấu trúc này thực chất là sự sắp xếp xoắn ốc của các thớ khoáng chất xơ. Từng lớp đan xen nhau và được xếp xoáy tròn hướng vào nhau hình thành nên một vòng xoắn ốc. Chính cấu trúc hình xoắn ốc này đã giúp hấp thụ phản lực khi chiếc càng được búng ra. Dựa trên cấu trúc càng của tôm tít, các nhà nghiên cứu đã chế tạo nên một cấu trúc xoắn ốc tương tự bằng vật liệu sợi tổng hợp carbon epoxy. Mỗi lớpsợi được xếp thành từng nhóm 3 sợi đặt với 3 góc độ khác nhau từ 10 đến 25 độ. Lớp này nối tiếp lớp khác tạo thành một cấu trúc xoắn ốc hoàn chỉnh. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm của loại vật liệu mới với 2 loại vật liệu chuyên dụng khác. 2 loại vật liệu được mang ra so sánh cũng được chế tạo thành từng lớp nhưng được xếp song song hoặc xen kẽ. Cả 3 loại vật liệu sẽ được thông qua hệ thống kiểm tra xung kích thường dùng trong ngành công nghiệp máy bay. Kết quả cho thấy loại 2 vật liệu có cấu trúc song song và đan xen bị thiệt hại nặng hoặc hư hại hoàn toàn. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu cho biết loại vật liệu lấy cảm hứng từ tôm tít, dù bị hư hại một số sợi carbon, nhưng vẫn có mức độ hư hại chung ít hơn 20% so với 2 loại vật liệu so sánh. 2. Tương tác giữa nền và sợi  Mức độ tương hợp: Sợi và nền càng có độ tương hợp cao thì tính chất của vật liệu càng cao, do nó sẽ hạn chế được sự phát triển, hình thành các vết nứt dẫn tới sự tách lớp, gãy sợi, hay phát hủy nền và kết quả là vật liệu sẽ bị phá hủy.  Độ thấm ướt: Độ thấm ướt của nền lên sợi càng cao thì tương tác giữa nền và sợi càng lớn, hạn chế được sự tồn tại các rỗ khí, khoảng trống trong vật liệu và dẫn tới vật liệu càng bền. 13  Diện tích tiếp xúc: Sợi có tiết diện càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nền và sợi càng lớn, từ đó tính chất của sợi càng được nâng cao. Tuy nhiên, tiết diện sợi nhỏ quá gây khó khăn cho quá trình thấm ướt sợi. 3. Lượng sợi có trong vật liệu Khi chế tạo người ta sẽ cố gắng nâng cao tỉ lệ sợi trong vật liệu, tỉ lệ sợi càng cao thì cơ tính của vật liệu càng tăng. Tuy nhiên lượng sợi phải hợp lí để cho nhựa nền có thể thấm ướt đều lên sợi, tránh tình trạng nhựa không đủ dẫn tới không có nhựa, mất kết dính, tồn tại khuyết tật. 4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn Chất đóng rắn tham gia trực tiếp vào cấu trúc, thành phần của nhựa nền, do vậy nó không chỉ có nhiệm vụ là tạo mạng không gian ba chiều đơn thuần mà nó còn giúp biến tính nhựa nền. Bởi vậy, việc lựa chọn chất đóng rắn là rất quan trọng trong chế tạo compozit. Các chất đóng rắn khác nhau, có yêu cầu về nhiệt độ, thời gian đóng rắn khác nhau. Ngay cả với cùng một chất đóng rắn thì việc thay đổi nhiệt độ, thời gian đóng rắn có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu. Nếu thời gian đóng rắn ngắn quá thì dẫn tới sự co ngót, cong vênh sản phẩm, thiếu hụt… do không đủ thời gian gia công, các chất bốc hơi không kịp thoát ra…Đối với nhiệt độ cũng vậy, hơn nữa nhiệt độ cũng có ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian đóng rắn. Nói chung, tùy vào yêu cầu kĩ thuật của vật liệu mà ta có sự lựa chọn chất đóng rắn, nhiệt độ, thời gian đóng rắn cho phù hợp. 5. Kĩ thuật gia công Hiển nhiên là kĩ thuật gia công có ảnh hưởng cực kì quan trọng tới tính chất của sản phẩm, trong nhiều trường hợp đó còn được coi như là một bí quyết công nghệ tạo nên sự khác biệt rất lớn về tính chất của sản phẩm giữa các công ty sản xuất. Nhưng nói chung trong gia công thường người ta cố gắng đảm bảo một số yếu tố sau đây: - Hạn chế tối đã sự hiện diện của bọt khí trong lòng vật liệu. - Đảm bảo sự đồng đều của nhựa. 14 - Đảm bảo sự sắp xếp bố trí sợi đúng theo thiết kế. - Đảm bảo môi trường gia công phù hợp. Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh I. Nguyên liệu 1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh Là một loại vật liệu compozit cao cấp, có pha nền là nhựa Epoxy và pha gia cường là sợi thủy tinh. Bảng 1: Tính chất của GRE so với hợp kim nhôm-magie. Chú thích: GRE là Glass fiber reinforce epoxy resin.  Một số tính chất của GRE - Độ bền kéo, bền va đập, độ cứng cao. - Khả năng chịu dung môi, hóa chất, môi trường tốt. - Nhiệt độ chịu tối đa 1800C, áp suất chịu tối đa 10-20 bar. - Khả năng in phun, kết dính tốt. 15  Nhược điểm của GRE : khó khăn trong vẫn đề xử lí các phế thải GRE, do vậy hiện nay đang có rất nhiều các sợi gia cường có khả năng phân hủy đang được nghiên cứu. 2. Nhựa nền epoxy Nhựa epoxit (được biết đến cái tên nhựa epoxy, đôi khi còn gọi là nhựa etoxylin) đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polyme. Nhóm này thường nằm ở cuối mạch. Phần phi epoxy của phân tử có thể là hydrocacbon no, hidrocacbon mạch vòng no hoặc hydrocacbon thơm. Nhựa epoxy-dian chiếm 80-90% tổng sản lượng epoxy. Khoảng 25% trong số đó được sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu compozit có độ bền cao. 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy Nhựa epoxy-dian chủ yếu được tổng hợp từ epyclohydrin với các hợp chất cho proton và nhóm epoxy ở đầu mạch với hợp chất cho proton (chẳng hạn bisphenol A). Đó là phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2, 3, 4… Công thức tổng quát của nhựa epoxy-dian có dạng: C CH3 CH 3 O-CH 2 -CH-CH 2 OH O n CH 2 -CH-CH 2 O O C CH 3 CH3 O-CH 2 -CH-CH 2 O (10) Tùy thuộc tỷ lệ đương lượng giữa Epyclohidrin và bis-phenol A, thời gian, nhiệt độ và nồng độ NaOH sử dụng, nhựa epoxy nhận được sẽ có khối lượng phân tử khác nhau. Ngoài ra còn tổng hợp theo hai phương pháp khác: - Epoxy hóa các hợp chất không no bằng tác nhân cung cấp oxy. 16 - Trùng hợp và đồng trùng hợp các hợp chất epoxy không no. a) Nguyên liệu đầu: Bisphenol A được tạo ra từ phản ứng của axeton và phenol trong môi trường axit mạnh ở 10 - 500C : HO OHC = O CH3 CH3 + + HO C CH3 CH 3 OH + H2 O xt (1) Phenol và axeton là những nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A được sản xuất dễ dàng. Điều đó giải thích tại sao nhựa epoxy lại được sử dụng rộng rãi hơn các loại nhựa khác. Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn tại bột màu trăng, không tan trong nước, tan trong axeton và rươu, có nhiêt độ nóng chảy 153 - 1550C. Epiclohidrin, hợp chất có giá thành cao hơn và rất độc, được tổng hợp từ các phản ứng sau: CH2 = CH Cl2+ CH3 CH 2 = CH CH 2 - Cl + H Cl (2) CH 2 = CH CH 2 - Cl + H 2 O / Cl 2 Cl - CH 2 - CH - CH 2 - Cl + H Cl OH (3) Cl - CH2 - CH - CH2 - Cl OH + NaOH CH2 - CH - CH2 - Cl + NaCl + H2 O O (4) Ngoài propylen, epiclohidrin (ECH) còn có thể được tạo ra từ glyxerin qua hai giai đoạn: clo hóa và đóng vòng epoxy: 17 CH 2 - CH - CH 2 OH OH OH + H Cl2 (khÝ) CH2 - CH - CH2 Cl OH Cl + 2 H2 O xt (5) CH 2 - CH - CH 2 Cl OH Cl + NaOH Cl - CH2 - CH - CH2 O + NaCl + H2 O (6) ECH là chất lỏng không màu, mùi hắc, tỷ trọng 1,18 (g/ml), nhiệt độ sôi 117 - 1180C. b) Phản ứng tạo thành nhựa epoxydian Phản ứng ngưng tụ của bisphenol A với epiclohidrin để tạo nhựa epoxy thường sử dụng xúc tác kiềm theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: là giai đoạn kết hợp, nhóm epoxy của epiclohidrin tác dụng với nhóm hydroxyl của bisphenol A, phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60-700C và tỏa nhiệt (H = -17Kcal/mol): CH2 - CH - CH2 - Cl OO Cl - CH 2 - CH - CH 2 C CH 3 CH3 OHHO+ + C CH 3 CH3 O - CH 2 - CH - CH 2 - ClCl - CH2 - CH - CH2 - O OHOH (7) Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chậm và thu nhiệt (H=29Kcal/mol): 18 C CH3 CH3 O - CH2 - CH - CH2 - ClCl - CH2 - CH - CH2 - O OHOH NaOH2 C CH 3 CH 3 O - CH 2 - CH - CH 2CH2 - CH - CH2 - O O O NaCl H2 O + 2 2+ + (8) Diglyxydylete. Diglyxydylete(DGE) nhận được với tỷ lệ mol epiclohidrin và bisphenol A (DPP) là 2/1. Tuy nhiên, thực nghiệm chỉ ra rằng khi tỷ lệ 2/1 thì hiêu suất tạo DGE<10%. Do đó thực tế tỷ lệ mol ECH/DPP<2. Tiếp theo phát triển mạch do DPP cộng hợp vào nhóm epoxy của olygome DGE. DGE DPP+ NaOH CH 2 - CH - CH 2 - O - R - O - CH 2 - CH - CH 2 - O - R - OH OHO (A) C CH 3 CH3 R : (9) Nhóm phenol tự do của hợp chất A phản ứng với ECH tương tự kiểu phản ứng (7), đóng vòng epoxy theo phản ứng (8), tạo ra olygome epoxy có độ trùng hợp n=1. Phát triển mạch theo hệ thống phản ứng (7) - (9), sẽ tạo ra các olygome có n= 2.3.4. Cấu trúc của nhựa epoxydian có dạng: C CH3 CH 3 OHHO CH2 - CH - CH2 - Cl O (n + 1) (n + 2)+ 19 C CH3 CH 3 O-CH 2 -CH-CH 2 OH O n CH 2 -CH-CH 2 O O C CH 3 CH3 O-CH 2 -CH-CH 2 O (10) 2.2. Các thông số quan trọng của nhựa epoxy Hàm lượng nhóm epoxy (HLE) : là khối lượng của nhóm epoxy có trong 100g nhựa. Đương lượng epoxy (ĐLE) là lượng nhựa tính theo gam chứa một đương lượng oxyepoxit. ĐLE= ∙∙ Trong đó: M là khối lượng amin mạch thẳng; n là số Hidro; K là hệ số điều chỉnh: 1 - 1,1; E là hàm lượng nhóm epoxy (tính theo %); 43 là khối lượng nhóm epoxy. Giá trị epoxy (GTE): là đương lượng gam của oxy epoxit có trong 100g nhựa: HLE = GTE = Trong đó hàm lượng oxyepoxit (HLOE) được xác định: HLOE = GTE 100.1 16 HLOE 43 16.HLE 20 Sự liên quan giữa hàm lượng nhóm epoxy (HLE) và đương lượng epoxy (ĐLE) theo công thức sau: HLE = Chú thích: 43- khối lượng phân tử của nhóm epoxy Ngoài ra còn một vài thông số kỹ thuật khác thường được giới thiệu cho một loại nhựa epoxy như: độ nhớt, chỉ số khúc xạ, đương lượng hydroxy. 2.3. Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy a) Tính chất Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn tồn tại ở dạng tiền polyme, tùy thuộc khối lượng phân tử mà nhựa epoxy ở dạng lỏng (M800); có thể tan tốt trong các dung môi hữu cơ xeton, hydrocacbon. Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ: xeton, axetat, hydrocacbon clo hóa, dioxan… Nhựa epoxy không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng (white spirit,xăng,... ).Có khả năng phối trộn với các nhựa khác như ure focmandehyt, polyeste, nitroxelulo,... hoặc các epoxy khác. Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, có trọng lượng phân tử cao hơn, có tính chất cơ lý tốt hơn, khi tác dụng với các chất đóng rắn. phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. Nhựa epoxy đã đóng rắn cứng và giòn, nhưng độ bền của nhựa phụ thuộc vào chiều dài, bản chất của đoạn mạch polyme nằm giữa hai nhóm epoxy; polyme có mạch dài sẽ bền hơn so với polyme có mạch ngắn hơn cùng loại, tuy nhiên lại có mật độ liên kết ngang thấp hơn, nhạy hơn đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệt kém hơn. Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là epoxy và hydroxyl, có thể tham gia vào nhiều phản ứng khác nhau. Nhóm epoxy rất dễ dàng phản ứng với các tác nhân LE 43.100 D 21 (nucleophin). Với các tác nhân ái điện tử (electrophin), phản ứng xảy ra thuận lợi khi có mặt xúc tác như rượu, phenol, axit. Do nhóm hydroxyl hoạt động kém hơn nhóm epoxy, nên phản ứng tiến hành phải có xúc tác hoặc nhiệt độ cao (trừ phản ứng với nhóm xyanat). b) Ứng dụng Nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền với dung môi, khả năng chịu nhiệt cao hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác, nên thường được ứng dụng làm các lớp phủ chất lượng cao, sơn, keo dán, tấm lót cho tàu thuyền, làm vật liệu bảng điện, trang trí… Nhựa epoxy có ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp chế tạo vật liệu compozit. Nhờ các nhóm phân cực, epoxy có khả năng bám dính tốt với sợi tăng cường, do đó làm tăng độ bền của compozit. Vật liệu compozit từ nhựa epoxy có chất lượng cao, thường được ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ. 2.4. Đóng rắn nhựa epoxy Nhựa epoxy từ trạng thái tiền polyme chuyển thành trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấu trúc mạng lưới không gian 3 chiều khi tác dụng với chất đóng rắn. Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy. Vì chất đóng rắn tham gia vào cấu trúc mạng lưới polyme làm thay đổi cấu trúc của chúng, nên quá trình đóng rắn là yếu tố quan trọng để hình thành vật liệu epoxy. Hoạt tính cao của nhóm epoxy với tác nhân (nucleophin) cho phép sử dụng các hệ đóng rắn khác nhau có khả năng phản ứng trong một khoảng nhiệt độ rộng từ 00C đến 2000C . Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các chất chứa nguyên tử hoạt động và trùng hợp của nhóm epoxy theo cơ chế ion. Cả hai phản ứng đều dẫn tới hình thành polyme có khối lượng phân tử cao hơn. Xuất phát từ cơ chế tác dụng của nhựa epoxy, các chất đóng rắn cũng được phân thành hai nhóm chính: 22 - Đóng rắn nhờ theo cơ chế cộng hợp: các hợp chất đa chức hoạt động như các amin bậc 1, bậc 2, anhydrit của axit hữu cơ. - Đóng rắn theo cơ chế trùng hợp: trên cơ sở của các bazo và axit Lewis. 2.4.1 Chất đóng rắn cộng hợp Là các chất có chứa nguyên tử hydro hoạt động như: polyaxit, polymecaptan, polyphenol, amin…. a) Chất đóng rắn amin Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy. Chất đóng rắn amin bao gồm các chất khác nhau chứa các nhóm amin tự do: amin thẳng, vòng, dị vòng và polyamin thơm, sản phẩm biến tính amin cũng như các oligome amitamin có nhóm amin ở cuối mạch. Khi dùng chất đóng rắn loại amin có nhóm - NH2 thì nguyên tử H của nhóm amin sẽ tạo thành với O của nhóm epoxy những nhóm hydroxyl mới như sau: C CH3 CH 3 O - CH 2 - CH - CH 2CH2 - CH - CH2 - R - O OOHNH (CH2)m NH C CH 3 CH3 O - CH 2 - CH - CH 2CH2 - CH - CH2 - R - O O OH Cấu tạo của nhựa epoxy sau khi đóng rắn bằng amin như sau: 23 Trong đó R là: Đặc điểm của quá trình đóng rắn này là không sinh ra sản phẩm phụ, các chất bay hơi. Các chất đóng rắn amin thực tế có khả năng đóng rắn tất cả các dạng nhựa epoxy, ngoại trừ epoxy este và epoxy vòng béo (xycloaliphatic epoxy), trong vùng nhiệt độ từ 00C đến 1500C. Mặc dù có hoạt tính cao, một vài chất đóng rắn amin, khi đóng rắn ở nhiệt độ thấp (00C-200C) thường phải bổ sung chất xúc tiến như rượu, mercaptan, phenol, axit cacboxylic. Một số chất đóng rắn amin điển hình gồm: Polyamin mạch thẳng: Các polyamin mạch thẳng là sản phẩm phản ứng giữa amoniac và dicloetan, được sử dụng rộng rãi để đóng rắn nhựa epoxy: Đietylentriamin (DETA) H2N – CH2 – CH2 – NH – CH2 –CH2 – NH2 . . . - N - . . . . . . - N - CH2 - CH - CH2 - R - N - CH2 -CH - CH2 - R - N - . . . OH OH . . . - N - CH2 - CH - CH2 - R - N - CH2 -CH - CH2 - R - N - . . . OH OH (CH2)m (CH2)m (CH2)m . . . - N - . . . (CH2)m . . . N - . . . O - CH2 - CH - CH2C CH3 CH3 O OH n 24 Trietylentetramin (TETA) H2N – (CH2)2 – NH – (CH2)2 - NH – (CH2)2 – NH2 Dietylaminopropylamin (DEAP) Polyetylenpolyamin H2N – (CH2 – CH2 – NH ) n – CH2 –CH2 – NH2 Đặc điểm của quá trình đóng rắn bằng amin mạch thẳng: - Quá trình đóng rắn xảy ra rất nhanh ngay ở nhiệt độ thường và tỏa nhiệt nên chỉ có thể đưa chất đóng rắn vào nhựa epoxy ngay trước khi sử dụng:  Lượng amin cho vào phải chính xác, làm sao cho một nguyên tử hydro hoạt động của nhóm amin tương ứng với một nhóm epoxy, vì nếu dư hay thiếu sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Khi cho dư amin thì các nhóm epoxy sẽ kết hợp với các amin nay và hạn chế khả năng tạo cấu trúc không gian, và nếu thiếu amin thì cấu trúc tạo lưới cũng kém chặt chẽ.  Các loại amin này độc và có tác dụng ăn mòn kim loại nên việc sử dụng chúng bị hạn chế nhiều.  Nhựa sau khi đóng rắn có độ mềm dẻo không cao do sự phân bố các nhóm hoạt tính quá gần nhau dẫn tới khoảng cách của các mắt xích rất nhỏ, làm giảm độ linh động . b) Chất đóng rắn axit và anhydrit axit Vật liệu chế tạo từ nhựa epoxy glyxydylete đóng rắn bằng axit, anhydrit axit có tính chất cơ học, điện, bền nhiệt cao hơn hẳn so với hệ epoxy-amin. Trong công nghệ vật liệu epoxy đóng rắn bằng axit và anhydrit axit có thể sử dụng xúc tác hoặc không N - CH 2 - CH 2 - CH 2 - NH 2 C2H5 C2H5 25 xúc tác.Tùy vào điều kiện có hoặc không có xúc tác, cơ chế phản ứng đóng rắn sẽ khác nhau. + Phản ứng đóng rắn không có xúc tác: Khi đóng rắn nhựa epoxy bằng axit polycacbonxylic, có thể xảy ra các phản ứng [ 14.15]: RCOOH + CH2 - CH - CH2 - RCOOCH2 - CH - CH2 - O OH xt (13) RCOOH + RCOOCH2 - CH - CH2 - OH RCOOCH2 - CH - CH2 - O + H2 O O = C - R (14) RCOOCH2 - CH - CH2 - OH + CH2 - CH - CH2 - O RCOOCH2-CH-CH2- O CH2-CH(OH)-CH2- (15) H2 O + CH2 - CH - CH2 - O CH2(OH) - CH - CH2 - OH (16) Anhydrit axit phản ứng với nhựa epoxy theo hai giai đoạn. Đầu tiên, nhóm hydroxyl của nhựa epoxy mở vòng anhydrit axit tạo thành este axit: CH - OH + CO CO O CO - O - CH CO - OH (17) Sau khi nhóm cacboxyl mới sinh sẽ phản ứng với nhóm epoxy tạo ra hợp chất dieste: 26 CO - O - CH COOH + CH2 - CH - CH2 - O CO - O - CH CO-O-CH2CH(OH)CH2- (18) Nhóm hydroxyl tạo thành từ phản ứng (18) lại mở vòng anhydrit axit, tạo nên nhóm axit mới và phản ứng tiếp với nhựa epoxy ở chu kỳ tiếp theo. + Phản ứng đóng rắn có xúc tác: - Xúc tác bazo: Phản ứng đóng rắn có xúc tác bazo (B) là dãy tuần hoàn mà trong một chu kỳ gồm các phản ứng (19), (20), (21) và tác nhân phản ứng là anion cacboxylat: RCOOH B [RCOOH ... B] RCOO + BH + (19)+ RCOO + CH2 - CH - CH2 - O RCOOCH 2 - CH - CH 2 - O (20) RCOOCH2 - CH - CH2 - O + RCOOH RCOOCH2CHCH2- OH + RCOO (21) Với chất đóng rắn là axit polycacboxylic, xúc tác bazo thường là hydroxyt kim loại, còn đối với anhydrit axit thì xúc tác bazo là amin bậc 3 và imidazol. CO CO O + R3N C C N + R3 O O ion cacboxylat (I) O (22) 27 ion cacboxylat (I) + CH2 - CH - CH2 - O C C N + R3 O O O CH2CHCH2 - O (23) ankoxit este (I)+ anhydrit axit ion cacboxylat (II) (24) - Xúc tác axit: BF3 và các axit Lewis khác có khả năng xúc tiến phản ứng giữa anhydrit axit và epoxy. Điểm đặc biệt là phức phối trí của BF3 và anhydrit phản ứng với nhóm –OH của epoxy ưu tiên hơn so với nhóm axit: R 2 NH : BF 3 H + + R2N : BF3 ( ) (25) CO CO O + H + + R2N : BF3 ( ) COOH C + BF3 : N ( ) R 2 O Phøc (26) Phøc + HO - Epoxy COOH C - O O Epoxy + H + + R2N : BF3 ( ) (27) Để tăng hoạt tính của hệ epoxy-anhydrit, ngoài các xúc tác axit, bazo, còn có thể sử dụng chất pha loãng hoạt tính. Từ các phản ứng giữa anhydrit axit với nhựa epoxy nhận thấy, trước khi phản ứng, anhydrit axit cần được mở vòng nhờ: 28 - Nhóm hydroxyl trong nhựa epoxy. - Xúc tác amin bậc 3 hoặc axit Lewis. Đặc biệt, ở trường hợp đầu (phản ứng không có xúc tác), ở nhiệt độ <180C anhydrit axit phản ứng với epoxy như một hợp chất đơn chức, song ở nhiệt độ >180C thì lại là hai chức, do đó tùy thuộc vào chế độ nhiệt mà tính lượng chất đóng rắn cho phù hợp. Công thức tính lượng chất đóng rắn axit, anhydrit axit như sau: X = 05,43 .. KME Trong đó: X- lượng chất đóng rắn cho 100 gam nhựa epoxy, g. M- khối lượng nhóm epoxy, %. K- hệ số thực nghiệm, 0,85 ÷ 1, 2. Một số chất đóng rắn loại anhydrit axit và xúc tác: Có rất nhiều chất đóng rắn loại anhydrit axit, trong đó một số chất đóng rắn điển hình là: CO CO O CO CO O Anhydrit phtalic (AP) Anhydrit tetrahydro phtalic (ATHP) CO CO O Anhydrit hexahydro phtalic (AHHP) 29 CH2N(CH3)2(H3C)2NCH2 OH CH2N(CH3)2 Anhydrit metyl nadic (AMN) 2,4,6 - tri (dimetylaminometyl) phenol (DMP - 30) CH CH2 CH CH CH CH2 CH2 C C O O O CH3 AP là chất rắn (tnc=128C), rẻ tiền, dễ thăng hoa ở nhiệt độ cao và khó hòa tan trong nhựa epoxy. Do đó AP được trộn hợp vào nhựa epoxy ở 120C đến khi tan hoàn toàn thì hạ nhiệt độ và duy trì ở 60C để tránh kết tủa AP. Tổ hợp nhựa epoxy-AP có thể đóng rắn không có xúc tác ở 120C - 130C trong 14-16 giờ, được sử dụng để chế tạo vật liệu đúc cách điện. 2.4.2. Đóng rắn trùng hợp Ngoài phản ứng cộng hợp với các chất đóng rắn có nguyên tử hydro linh động để tạo ra các polyme liên kết mạng như mô tả ở phẩn trên, nhựa epoxy còn tham gia đóng rắn kiểu trùng hợp xúc tác. Do nhóm epoxy có độ hoạt động cao nên nhựa epoxy có thể tham gia phản ứng trùng hợp ion, khơi mào bởi các chất xúc tác mở vòng epoxy. Xúc tác cho phản ứng trùng hợp nhựa epoxy thường dùng là các axit, bazo Lewis, các xúc tác phức và đặc biệt là các chất nhạy quang có thể khởi đầu trùng hợp khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng. Mặc dù axit và bazo Lewis là xúc tác cho phản ứng trùng hợp cation và anion tương ứng, có cơ chế khởi đầu và phát triển mạch khác nhau, song đều tạo ra cấu trúc polyme trong nhựa epoxy sau khi đóng rắn. 30 a) Trùng hợp cation: b) Trùng hợp anion: Ancogolat kim loại kiềm: RO-ME+ Amin bậc 3: 31 3. Sợi thủy tinh 3.1. Tìm hiểu chung Vật liệu thuỷ tinh đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước đây. Người Ai Cập cổ đại đã biết dùng thuỷ tinh cho vào đất sét để tránh sự co ngót của sản phẩm sau khi nung. Khoảng thế kỷ XVIII, sợi thuỷ tinh được sử dụng trong gấm thêu kim tuyến ở Pháp. Những năm 30 của thế kỷ XX, sợi thuỷ tinh E đã ra đời đánh dấu sự phát triển và thương mại hoá của sợi thuỷ tinh. Năm 1935 người ta đã bắt đầu sử dụng nhựa nhiệt rắn như polyeste để sản xuất vật liệu compozit gia cường bằng sợi thuỷ tinh và ứng dụng nó để làm mái che rada trên máy bay trong suốt chiến tranh thế giới lần II. Từ đó đến nay, vật liệu PC trên cơ sở sợi thuỷ tinh và các sợi tăng cường khác (cácbon, aramit) ngày càng phát triển. Những năm gần đây, thị trường sợi thuỷ tinh rất phát triển với sản lượng khoảng 1, 8 đến 2 triệu tấn/năm. Ngày nay, vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giao thông vận tải (chế tạo các thiết bị ôtô, tàu hoả), trong xây dựng (panel, tấm chắn gió), ngành hàng không và vũ trụ. Sợi thuỷ tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm: - Không cháy. - Bền hoá, bền môi trường. - Độ bền, độ cứng cao. - Cách điện rất tốt. - Ổn định kích thước. - Dễ tạo hình. - Đa dạng, giá thành thấp. Bên cạnh những ưu điểm sợi thuỷ tinh còn có nhược điểm sau: - Hấp phụ nền kém dẫn đến tính chất của vật liệu không cao. 32 Đối với những vật liệu PC cần độ bền cao với tỷ trọng thấp mà không quan tâm đến giá thành người ta ít sử dụng sợi thuỷ tinh. Tùy thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm cụ thể mà lựa chọn vật liệu gia cường thích hợp. 3.2. Phân loại sợi thuỷ tinh Theo tính chất, thành phần của sợi thuỷ tinh có thể phân loại thành các loại vải thuỷ tinh như sau: - E- glass (Electrical glass): được sử dụng để chế tạo vật liệu cách điện. - A- glass (Alkaline glass): sợi thuỷ tinh chịu môi trờng kiềm tốt. - C- glass (Chemicals glass): sợi thuỷ tinh chịu môi trờng hoá chất. - S, R- glass: sợi thuỷ tinh có mô đun cao, độ bền cao. Thành phần của các loại sợi thuỷ tinh được trình bày ở bảng 2: Bảng 2: Thành phần hoá học của các loại sợi thuỷ tinh. TP A C E S SiO2 72 6, 5 52÷56 65 Al2O3 0, 6 4 12÷16 25 CaO 10 14 16÷25 10 MgO 2, 5 3 0÷6 - B2O3 - 6 8÷13 - Na2O, K2O 14, 2 8 0÷3 - TiO2 - - 0÷0, 4 - SO3 0, 7 - 0 - 33 Fe2O3 - - 0, 05÷0, 4 - Bảng 3: Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh. Tính chất Loại thủy tinh E A C S R Khối lượng riêng, g/cm3 2, 56 2, 45 2, 45 2, 49 2, 49 Độ bền kéo, Mpa 3400 3100 3100 4590 4400 Modun đàn hồi, Mpa 73000 74000 71000 85500 86000 Điểm nóng chảy, oC 850 700 690 - 990 3.3. Công nghệ chế tạo sợi Có hai phương pháp chế tạo sợi: - Phương pháp một giai đoạn: nấu thuỷ tinh và kéo sợi cùng tiến hành trên một dây chuyền liên tục. Công nghệ này phù hợp với sản xuất ở quy mô lớn. 34 Hình 5: Sơ đồ công nghệ chế tạo sợi thủy tinh một giai đoạn. - Phương pháp hai giai đoạn: sản xuất ra bi thuỷ tinh trước và bán thành phẩm này được đưa vào lò nấu để nóng chảy, sau đó được qua bộ phận phun ở nhiệt độ cao để kéo thành sợi. Sợi được kéo căng đến kích thớc xác định và được làm lạnh sau khi đã gom thành bó. Trong quá trình sản xuất sợi cần phải xử lý bề mặt sợi. 3.4. Xử lý bề mặt sợi Mục đích của quá trình xử lý sợi để chống ăn mòn sợi trong quá trình kéo sợi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kéo sợi và làm tăng độ tương hợp của sợi với nhựa nền. Xử lý sợi bằng: - Các hợp chất silan: là tác nhân liên kết giữa sợi và nhựa nền. - Polyvinylaxetat: Sử dụng dạng nhũ tương tạo lớp vỏ bảo vệ sợi. - Các farafin làm chất bôi trơn. 35 Sau khi xử lý bề mặt sợi, sợi được tiếp tục qua các công đoạn tiếp theo để sản xuất thành các vật liệu gia cường. 3.5. Các kiểu dệt sợi thuỷ tinh. a) Mat (tấm rối): - Mat sợi ngắn: được sản xuất bằng cách cắt chùm sợi đơn liên tục thành những đoạn có kích thước từ 25 đến 50 mm, rải đều chúng lên mặt băng tải. Chất kết dính dạng bột hoặc nhũ tương được bổ xung. Dạng bột thường sử dụng keo nóng chảy ở dạng blend, dạng nhũ tương sử dụng nhũ tương của polyamit có khối lượng phân tử trung bình. Sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy của bột hoặc nhũ tương, ép nhẹ rồi cuộn lại thành cuộn. - Mat sợi liên tục bao gồm các sợi đơn đan xoắn vào nhau và liên kết bằng các chất kết dính như đối với mat sợi ngắn. - Mat mỏng: sử dụng gia cường cho lớp bề mặt của vật liệu ép khuôn. - Tấm mat: sử dụng chế tạo tấm lợp. Đặc điểm của mat: - Độ thấm nhựa cao. - Giá thành hạ. - Thường sử dụng xen kẽ với vải thô để kết hợp giữa giá thành và phân bố lực. b) Lụa thuỷ tinh (cloth): Được dệt từ những chùm sợi đơn (filament) xoắn hoặc không xoắn, tuỳ theo mục đích sử dụng mà có cách dệt khác nhau (dệt đơn giản, dệt chéo go). Để phân biệt các loại vải lụa dùng chỉ tiêu trọng lượng. c) Vải dệt thô (woven roving): được dệt từ những chùm sợi có kích thước lớn hơn, cho bề mặt vật liệu phẳng. 36 d) Sợi bện (yarn): được sản xuất từ các sợi đơn bằng cách xoắn chúng lại với nhau. Sợi bện thường sử dụng gia cường cho cao su hoặc vật liệu cách điện. e) Sợi ngắn (chopped strands): được sản xuất bằng cách cắt các sợi đơn, sử dụng làm chất gia cường cho nhựa nhiệt dẻo, chế tạo vật liệu BMC. 3.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi gia cường - Đường kính sợi - Chiều dài sợi - Hình dạng sợi - Bề mặt sợi - Sự sắp xếp của sợi 3.7. So sánh tính chất của một số loại vật liệu gia cường Vật liệu Mô đun (GPa) Độ bền (MPa) Khối lượng riêng (g/cm3) Thép 203 600-2000 7, 8 Nhôm 75 70-80 2, 6 Sợi C (mô đun cao) 340 2500 1, 9 Sợi C (độ bền cao) 230 3200 1, 8 Sợi Aramit 124 2800 1, 45 Sợi Thủy tinh 76-86 1700 2, 5 37 4. Phụ gia và chất độn 4.1. Phụ gia Phụ gia: là những chất được đưa vào vật liệu polyme compozit một lượng nhỏ và nó làm thay đổi rất tích cực các tính chất của vật liệu polyme compozit. Ví dụ: Chất liên kết, chất chống co ngót, chất hóa dẻo, chất xúc tiến, chất chống cháy, chất chống tia tử ngoại, chất chống oxy hóa… 4.1.1. Chất liên kết Chất liên kết đưa vào nhằm nâng cao mức độ tương tác giữa nền và sợi thông qua cầu nối là chất liên kết. Chúng thương có hai nhóm chức, một nhóm liên kết với sợi, nhóm còn lại liên kết với nền. Một số chất liên kết thông dụng dùng cho epoxy và sợi thủy tinh. 38 Hình 6. Chất liên kết dạng silosan. 4.1.2. Chất hóa dẻo Đưa vào nhằm giảm độ co ngót, cải thiện tính dẻo của vật liệu trong một số trường hợp cần thiết, hàn gắn vết nứt, khuyết tật trong lòng vật liệu. Chất hóa dẻo có thể lấy từ tự nhiên như một số sản phẩm dầu mỏ: bitum, parafin, dầu mazut, nhựa đường. Cũng có thể sử dụng chất hóa dẻo tổng hợp như : Butyoleat C17H33COOC4H9, dioctinphtalate. 4.1.3. Chất chống co ngót Sau quá trình gia công, sản phẩm có thể bị co ngót dẫn tới cong vênh, thiếu hụt, ảnh hướng tới tính chất sử dụng của vật liệu sau này. Một số chất chống co ngót: Oxit kim loại, Chất hoạt động bề mặt ( (CH2CH2OH)3N- triethanol Amin, Dibutyl Amin (C4H9)2N), chât độn. 4.1.4. Chất chống oxy hóa Đưa vào vật liệu nhằm kéo dài tuổi thọ sản phẩm, do trong quá trình sử dụng, hay quá trình gia công một số yếu tố như, nhiệt độ, ánh sáng…làm sản phẩm bị lão hóa. Các chất chống oxy hóa là các chất có khả năng cho proton, nhận điện tử tự do và tạo 39 ra gốc tự do mới không hoặc kém hoạt động. Một số chất chống oxy hóa như: phenol, amin thơm.. 4.1.5. Chất chống tia UV Đưa vào nhằm hạn chế, ngăn cản sự ảnh hưởng của tia UV tới vật liệu. 4.1.6. Chất chống cháy Khả năng chống cháy của vật liệu compozit nền polyme thường không tốt, do vậy khi chết tạo người ta thường đưa thêm vào các chất chống cháy như : PVC, cao su clopren, SiO2, parafin clo hóa…. Đặc điểm chung của các chất này là khi nhiệt độ cao, chúng phân hủy ra các chất khí không duy trì sự cháy như HCl.. nhờ đó ngọn lửa bị dập tắt. 4.2. Chất độn Chất độn: là những chất đưa vào vật liệu polyme compozit tương đối nhiều, trước hết làm giảm giá thành sản phẩm, sau đó sẽ làm tăng một số tính chất nào đó. Ví dụ: CaCO3, bột tall, bột mica, SiO2, BaSO4, … II. Các phương pháp gia công 1. Lăn ép bằng tay + Các bước tiến hành:  Chuẩn bị bề mặt khuôn.  Quét gelcoat vào khuôn. 40  Sắp xếp vật liệu gia cường vào khuôn.  Điền nhựa vào khuôn.  Lăn ép cho đến khi đạt độ dày mong muốn. Hình 7: Sơ đồ công nghệ lăn ép bằng tay. + Ưu điểm:  Đơn giản, thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi.  Gia công được những sản phẩm lớn, phức tạp.  Chi phí đầu tư thiết bị thấp, dụng cụ rẻ tiền. + Nhược điểm:  Sản phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn.  Thời gian đóng rắn thường dài.  Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác và bề mặt khuôn.  Nhựa yêu cầu có độ nhớt thấp, ảnh hưởng đến tính chất có học, tính chất nhiệt do cần phải có chất pha loãng. 41  Cần chú ý đên an toàn sức khỏe. 2. Lăn ép phun Hình 8: Sơ đồ công nghệ phương pháp lăn ép phun. + Ưu điểm:  Nhanh.  Dụng cụ rẻ tiền.  Có thể chế tạo được sản phẩm hai mặt nhẵn. + Nhược điểm:  Tính chất cơ lý của sản phẩm không cao.  Chỉ chế tạo được compozit sợi ngắn.  Cần phải có chất pha loãng để giảm độ nhớt. 3. Đúc kéo + Sợi thuỷ tinh trộn với nhựa và kéo qua lõi có gia nhiệt, nhựa sẽ đông rắn hoàn toàn hay một phần qua lõi tạo hình.  Nguyên tắc: sợi gia cường được cắt ngắn trong súng phun sau đó được bắn đồng thời với nhựa vào khuôn. Dùng con lăn lăn ép để từng lớp phải được kết chặt thành khối. Để đóng rắn hoàn toàn trước khi tháo sản phẩm. 42 + Có thể áp dụng cho cả nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn. + Dùng để chế tạo các sản phẩm dạng hình thẳng hoặc uốn, với tiết diện không đổi. + Sản phẩm thu được có tính chất cơ lý rất cao, tốc độ sản xuất cao, tuy nhiên cần phải đầu tư lớn. Hình 8: Sơ đồ công nghệ của phương pháp đúc kéo. 4. Quấn ống  Các bước tiến hành: + Sợi gia cường được kéo qua bể chứa nhựa. + Kéo sợi gia cường tới khuôn quấn. + Khuôn được quay theo các chiều khác nhau để sợi quấn quanh khuôn. + Để nhựa đóng rắn. + Tháo khuôn lấy sản phẩm. 43 Hình 9: Sơ đồ công nghệ quấn ống.  Ưu điểm:  Phương pháp này nhanh, hiệu quả kinh tế.  Hàm lượng nhựa có thể điều chỉnh khi sợi đi qua bể nhựa.  Sợi được cuộn liên tục trong toàn bộ sản phẩm.  Có thể chế tạo sản phẩm có độ dày lớn.  Tính chất của sợi tốt do có thể khống chế phương của sợi phù hợp với tải trọng.  Giá thành sợi được giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải.  Cần ít nhân công hơn so với các phương pháp khác.  Nhược điểm:  Vốn đầu tư lớn.  Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval, …).  Sợi không dễ dàng đặt chính xác dọc theo chiều dài sản phẩm.  Bề mặt ngoài của sản phẩm không tiếp xúc khuôn nên không được hấp dẫn (không trơn, bóng).  Khó thay đổi hướng cuốn sợi. 44  Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vấn đề an toàn sức khỏe. 5. Bơm nhựa vào khuôn Hình 10: Sơ đồ công nghệ bơm nhựa vào khuôn. + Bơm nhựa pha xúc tác được gia nhiệt vào khuôn dưới áp suất để tẩm thấm vật liệu gia cường đã được sắp xếp trước trong khuôn kín. + Quy trình này thích hợp để chế tạo các kết cấu có chiều sâu và hình dạng phức tạp. 6. Đúc chân không Hình 11: Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không. 45 Hình 12: Sơ đồ công nghệ đúc chân không. + Nhựa polymer dưới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép. + Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra ngoài. + Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồng phun ép. Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm. + Dưới lực ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa. + Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn. Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo.  Ưu điểm:  Khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn, hiệu quả cao.  Phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn.  Sử dụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp.  Nhược điểm: 46  Cơ tính của sản phẩm không cao do tỷ lệ vật liệu gia cường thấp.  Độ dài của vật liệu gia cường ngắn.  Tính đẳng hướng của vật liệu không đều.  chế tạo các sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu về cơ tính không cao. 7. Phương pháp túi chân không Hình 13. Sơ đồ công nghệ phương pháp túi chân không. + Công nghệ hút chân không là quá trình đắp sợi, nhựa và lõi lên khuôn, sau đó dán lên một màng nhựa dẻo bao bọc kín xung quanh, dùng bơm chân không rút khí ra hình thành môi trường chân không, tạo sự chênh áp trong và ngoài màng; khi đó áp suất khí quyển bên ngoài (tương đương 1 bar) sẽ nén chặt lớp nhựa sợi lên khuôn khi đóng rắn.  Ưu điểm: Kỹ thuật này phát triển từ công nghệ đắp tay (hand lay-up) là tạo sự chênh áp nén lớp nhựa sợi lên khuôn nhằm:  Cải thiện khả năng thấm ướt (có thể sử dụng được cả lõi foam).  Khử bọt, loại lượng nhựa và dung môi thừa.  Giảm được lượng nhựa sử dụng làm tỷ lệ sợi/nhựa cao hơn, sản phẩm cứng chắc hơn. 47  Tỷ lệ độ bền/khối lượng tốt hơn.  Tránh hít dung môi bay hơi khi thao tác.  Sản phẩm đồng nhất (kể cả hình dạng phức tạp).  Nhược điểm:  Kỹ thuật chân không đồng thời cũng làm tăng chi phí lao động, màng phủ, màng rút khí, máy hút chân không, …  Đòi hỏi công nhân kỹ thuật cao hơn từ thao tác trộn nhựa sợi cho đến lắp đặt và thao tác thiết bị chân không.  Mặt cắt ngang nhỏ hơn (do được nén chặt hơn). III. Ứng dụng  Vật liệu cách điện, cách nhiệt  Chống thấm  Làm ống (ứng dụng vật liệu FRP trong ngành cấp thoát nước), van  Vật liệu cách âm  Vật liệu xây dựng  Bể chứa hóa chất Hình14: Ống composite Hình15: Bàn hình chữ nhật để ngoài hiên. 48 Hình 16: Bể chứa làm bằng vật liệu GRE. Hình 17: Các loại van GRE. 49 Hình 18. Thang cáp ( thang dẫn dùng cho việc lắp đặt dây và cáp điện trong các nhà máy, chung cư, cao ốc...). Hình 19: Ống dẫn GRE (nước, dầu hoặc cáp điện). 50 Hình 20: Cano, xuồng cao tốc. Hình 21: Cản xe hơi. 51 IV. Giải thích vì sao đường ống nước sông đà lại bị vỡ Có bốn nguyên nhân cơ bản có thể dẫn tới vỡ đường ống dẫn nước sông đà: 1. Nguyên liệu làm ống - Nguyên liệu làm ống đã đúng chủng loại hay chưa? Nguyên liệu của nhà sản xuất nào, đã đáp ứng được tiêu chuẩn hay chưa? 2.Thiết kế - Việc thiết kế có đảm bảo về độ đồng tâm trong toàn hệ thống ống, độ lệch tối đa cho phép giữa các bệ đỡ ống, độ dốc tối đa của ống so với đường kính tương ứng của nó? Hình 22: Độ nghiêng của ống. 52 - Ống có đảm đủ để chịu áp lực nới thi công, lắp đặt ( áp lực của đất, các rung chấn..)? - Thiết kế hê thống ống có phù hợp với lưu lượng nước bơm? - Kiểm tra, xử lí địa chất? 3.Thi công - Việc thi công có làm đúng thiết kế hay không? - Độ nghiêng của ống so với thiết kế? - Độ lệch các trụ đỡ ống so với nhau có nằm trong giới hạn cho phép? - Có xử lí địa chất như thiết kế? Có đảm bảo chất lượng các trụ đỡ Hình 23: Mặt cắt ngang của ống. 4. Sử dụng - Có sử dụng đúng kĩ thuật hay không? - Có bơm vượt quá lưu lượng nước cho phép của ống? - Có kiểm tra, bảo trì ống định kì? 53 KẾT LUẬN Tiểu luận cho chúng ta cái nhìn tổng quan nhất về vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh. Nêu ra các nguyên liệu cơ bản để chế tạo vật liệu, một số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu, một số phương pháp gia công chính, thông dụng, dùng để chế tạo vật liệu compozit nền polyme nói chung cũng như vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh nói riêng. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Terry richardson, Composite, Industrial technology department northern stale college aberdean south dakota( January 1, 1987). 2. 3 . 4. Hoàng Thị Phương, lớp CN polyme, k49, Đồ án tốt nghiệp “Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa nền epoxydian gia cường bằng mát dứa dại”.