nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy-novolac, epoxy-cacdanol gia cường bằng sợi lanh

Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Lời mở đầu
Nhân loại đang bớc vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ
với hàng loạt thành tựu to lớn đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, giao
thông vận tải, kinh tế cũng nh trong đời sốngMột trong những thành tựu đó là
sự ra đời và phát triển của vật liệu compozit. Vật liệu compozit ra đời đáp ứng đ-
ợc nhu cầu to lớn về một loại vật liệu mới có khả năng kết hợp đợc những tính
chất mà vật liệu truyền thống riêng rẽ không có đợc , tạo ra một loại vật liệu có
nhiều tính chất u việt nh: nhẹ, bền, có nhiều tính chất chuyên dụng, dễ gia
côngNhững vật liệu này đang dần thay thế những vật liệu truyền thống để chế
tạo các chi tiết máy và các kết cấu, kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng nh
các sản phẩm dân dụng
Vật liệu compozit đợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất là polyme
compozit. Sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu polyme compozit gia cờng bằng sợi
tổng hợp cũng đặt ra những thách thức to lớn đối với nhân loại do sự gia tăng l-
ợng chất thải khó phân huỷ vào môi trờng. Chính vì vậy, trong khoảng mời năm
trở lại đây, việc sử dụng sợi tự nhiên để thay thế một phần hoặc toàn bộ cho sợi
tổng hợp đã đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. ở Việt Nam, lanh là
một loại sợi tự nhiên dễ kiếm và có giá thành hợp lý, một nguồn nguyên liệu tự
nhiên có khả năng tái tạo và phân huỷ sinh học. Việc mở rộng nghiên cứu ứng
dụng loại sợi tự nhiên này vào lĩnh vực vật liệu polyme compozit với các loại
nhựa nền khác nhau là một hớng ứng dụng mới không những đem lại hiệu quả
kinh tế cao mà còn góp phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trờng[1].Trên cơ sở đó
đã hình thành đồ án:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy-
novolac, epoxy-cacdanol gia cờng bằng sợi lanh .
Nhiệm vụ chủ yếu của đồ án là:
- Tổng hợp và phân tích hai loại nhựa: nhựa novolac và nhựa epoxy
cacdanol.
- Xác định các điều kiện để chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở

nhựa epoxy novolac: Tỷ lệ phối trộn, dung môi hoà tan, điều kiện gia công
prepregs, điều kiện gia công vật liệu.
- Chế tạo mẫu và xác định các tính chất cơ lý của vật liệu polyme copozit
trên cơ sở nhựa epoxy novolac, epoxy cacdanol gia cờng bằng sợi lanh.
1
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
chơng I: tổng quan
I.1. Hiểu biết chung về vật liệu polyme compozit (PC)
I.1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu PC
Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và đợc con ngời sử
dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trớc Công nguyên ngời cổ đại đã
thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm
độ co, nứt khi nung gạch hoặc đồ gốm. ở Ai Cập khoảng 3000 năm trớc Công
nguyên ngời ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số
khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống nh kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt
thuỷ tinh hiện nay. [2]
Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho ebonit.
Năm 1920, Bakeland đã dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụng
xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa ure. [13]
2
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Mặc dù đợc hình thành từ rất sớm nhng việc chế tạo vật liệu PC mới thực
sự đợc chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và
Thomas đã đợc cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh và đợc Ellis và
Goster dùng gia cờng cho polyeste không no. Polyeste tăng cờng bằng sợi thủy
tinh đợc sử dụng trong ngành hàng không năm 1938. Năm 1944 đã sản xuất
hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo compozit cho máy bay và tàu chiến phục vụ
đại chiến thế giới lần thứ II. Năm 1950, chất lợng của vật liệu compozit đợc nâng

cao rất nhiều nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt loại sợi tăng cờng nh sợi
cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic Từ năm 1970 đến nay các
chi tiết chế tạo từ compozit nền chất dẻo và sợi tăng cờng có độ bền cao đã đợc
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo ô tô, làm vật liệu xây dựng
và những ngành kỹ thuật cao nh hàng không, vũ trụ[17]
Mặc dù vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lợng, cải thiện tính chất cơ lý,
tính chất nhiệt, điện, mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn đợc
đặt ra.
Trong thời gian tới vật liệu PC sẽ đợc phát triển theo các xu hớng sau:
- Thay thế thép:sự thay thế thép bằng vật liệu PC có liên quan đến các tính
chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng. Nhờ những tính chất u việt, vật liệu
PC cho phép đạt đợc độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép.
- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền: kết quả nghiên cứu trong
nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền
của chúng tăng lên.Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết
và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật.
- Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng: trong những năm gần đây
trên thế giới, cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã đợc sử dụng rộng rãi nh
epoxy, polyeste không no, phenol-fomandehyt ngời ta đã sử dụng rất có hiệu
quả các loại nhựa nhiệt dẻo nh polyolefin, polyamit, polycacbonat.
- Phối hợp giữa các vật liệu polyme, kim loại và gốm. [2]
I.1.2. Đặc điểm chung và phân loại vật liệu PC
I.1.2.1. Đặc điểm chung
Vật liệu compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn
nhận đợc bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản
chất [3]. Vật liệu PC là hệ thống hai hay nhiều pha, khác nhau về bản chất hoá
học, gần nh không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, trong
3
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44

đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cờng. Ngoài ra,
còn có một số hợp chất khác nh chất tạo màu, chất tăng cờng đặc biệt [3,4,5]
Việc đa các chất gia cờng vào nền polyme đa lại cho vật liệu PC nhiều u
điểm so với những vật liệu truyền thống nh: độ bền riêng cao, modun đàn hồi
riêng cao, tỷ trọng thấp, tính chất ổn định trong nhiều môi trờng hoá chất, chịu
mài mòn tốt
Vật liệu PC có những đặc điểm chính sau[3,4]:
- Là vật liệu nhiều pha nhng trong thực tế phổ biến nhất là vật liệu hai pha.
Pha gián đoạn là cốt đợc bao bọc bởi pha liên tục là nền polyme. Các pha tơng
tác với nhau qua bề mặt phân chia pha .
- Đối với vật liệu PC cốt sợi, vật liệu có tính dị hớng. Đây là một đặc điểm
nổi bật nhất của vật liệu PC. Vì vậy với những phơng pháp chế tạo khác nhau có
thể đa lại những vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau.
- Trong vật liệu PC thì tỷ lệ, hình dáng, kích thớc cũng nh sự phân bố của
nền và cốt tuân theo những quy định thiết kế trớc. Nói cách khác, với sự lựa chọn
thích hợp chất tăng cờng và nhựa nền, tính chất của vật liệu PC có thể tính toán
trớc.
- Tính chất của vật liệu PC là sự kết hợp các tính chất của các pha thành
phần. Tuy vậy, tính chất của nó không phải chỉ đơn thuần là các tính chất của các
pha thành phần mà nó chỉ lựa chọn và phát huy những tính chất tốt tạo ra các
tính chất đặc trng mà các pha thành phần không có đợc.
- Vật liệu PC cho phép chế tạo các kết cấu, sản phẩm theo những yêu cầu
kỹ thuật mong muốn. Tuỳ theo những đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm
việc, điều kiện khai thác sử dụng, mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành
phần, kết cấu, tỷ lệ, và công nghệ sản xuất phù hợp.
I.1.2.2. Phân loại
Để phân loại vật liệu PC ngời ta dựa vào các đặc điểm đặc trng của nó.
Vật liệu PC có thể đợc phân loại theo các cách sau:
- Theo bản chất của vật liệu nền:
+ Nền kim loại.

+ Nền polyme.
+ Nền gốm và thuỷ tinh.
+ Nền cacbon/graphit.
- Theo đặc điểm hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, đây cũng là ph-
ơng pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phơng pháp này vật liệu PC đợc chia
thành ba nhóm:
4
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
+ PC cốt hạt: Các phần tử chất độn không có kích thớc u tiên đợc phân tán
vào cấu trúc của mạng polyme. Vật liệu PC cốt hạt thờng có tính đẳng hớng. Cốt
hạt gồm hạt thô và hạt mịn.
+ PC cốt sợi: Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đờng kính khá lớn. Vật liệu PC
cốt sợi thờng có tính chất dị hớng. Cốt sợi gồm sợi ngắn, sợi trung bình, sợi dài.
+ PC cấu trúc: Khái niệm này dùng để chỉ các bán thành phẩm trong đó
thông dụng nhất là dạng lớp và dạng tổ ong, đợc cấu thành từ các vật liệu đồng
nhất, phối hợp với các compozit khác. Vật liệu PC cấu trúc có tính chất kết hợp
của các nguyên liệu thành phần.
- Ngoài ra còn có thể phân loại theo phạm vi ứng dụng hoặc theo phơng
pháp gia công.
I.1.3. Các thành phần chính của vật liệu PC
I.1.3.1. Cốt cho vật liệu PC
Trong vật liệu PC cốt là thành phần có tác dụng chịu ứng suất tập trung do
cơ tính cao hơn nhựa nền. Do đó thành phần cốt phải thoả mãn đợc những đòi
hỏi về khai thác và công nghệ:[6].
Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi nh yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối
lợng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi tr-
ờng axit, kiềm
Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để
sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu compozit trên cơ sở những cốt

này.
Đặc trng và mức độ ảnh hởng của chất độn lên tính chất của vật liệu phụ
thuộc vào bản chất, cấu trúc ban đầu, hình thái hình học và phân bố, diện tích bề
mặt riêng của chất gia cờng trong vật liệu, tơng tác và độ bền liên kết giữa chất
gia cờng và nền. Chất gia cờng quyết định khả năng gia công của vật liệu, ngoài
ra còn ảnh hởng đến các tính chất hoá, điện, cũng nh giá thành của vật liệu.
Chất gia cờng đợc đánh giá trên những đặc điểm sau:
- Khả năng tăng cờng độ bền cơ học.
- Độ bền nhiệt.
- Độ bền hoá chất, môi trờng.
- Khả năng thấm ớt bề mặt bởi nhựa nền.
- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Nhẹ, giá thành hạ, sẵn có.
5
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Tuỳ theo yêu cầu đối với những loại sản phẩm mà lựa chọn chất gia cờng
thích hợp nhất, bảo đảm cả về yêu cầu kỹ thuật cũng nh hiệu quả kinh tế.
Chất gia cờng làm thay đổi đặc trng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia c-
ờng hoạt tính, chất gia cờng không làm thay đổi đặc trng cơ bản của vật liệu gọi
là chất gia cờng trơ. Tuy nhiên, chất gia cờng hoạt tính hay không hoạt tính phụ
thuộc rất nhiều vào bản chất của nhựa nền. Các chất gia cờng trơ chủ yếu nhằm
mục đích giảm giá thành của vật liệu, trong một số trờng hợp còn cải thiện khả
năng gia công.
Dựa trên hình thái hình học, chất gia cờng đợc chia thành nhiều loại,
trong đó chủ yếu là chất gia cờng dạng bột và dạng sợi.
Chất gia cờng dạng bột là loại phụ gia phân tán đồng đều trong toàn thể
tích vật liệu. Vật liệu trên cơ sở chất gia cờng dạng bột có tính chất đẳng hớng.
Ngoài ra, còn có một số loại chất gia cờng bột khác nh chất tạo màu, chất chống
tác dụng của tia cực tím, chống lão hoá Các hợp chất này thờng có tỷ lệ nhỏ, ở

dạng bột mịn và đợc đa vào nh một thành phần của nhựa nền [5] . Các chất gia c-
ờng dạng bột thờng gặp là bột gỗ, bột talc, bột CaCO3.
Vật liệu gia cờng bằng cốt dạng sợi có tính dị hớng. Độ bền theo phơng
song song với phơng sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phơng khác. Sợi gia
cờng thờng đợc xử lý bề mặt trớc khi sử dụng nhằm tăng cờng khả năng liên kết
giữa cốt và nhựa nền. Phơng pháp xử lý bề mặt phổ biến nhất là dùng chất liên
kết đóng vai trò chất trung gian liên kết giữa nền và cốt. Nói chung chất liên kết
phải có khả năng phản ứng với nhựa nền trong quá trình đóng rắn và phản ứng
với các nhóm chức hoạt động trên bề mặt cốt. Xu hớng hiện nay trong vật liệu
PC là chuyển sang sử dụng chất gia cờng dạng sợi. Trong những sợi mảnh, độ
bền gần đạt tới giá trị lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy
khuyết tật. Sợi sử dụng làm cốt gia cờng trong vật liệu PC có thể là dạng sợi liên
tục, sợi cacbon, sợi aramit hay sợi Kevlar, sợi Bo, sợi có nguồn gốc thực vật
I.1.3.2. Nền cho vật liệu PC [3,4,5,6,14]
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu
compozit. Trong vật liệu PC nền polyme đóng những vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất.
- Tạo khả năng gia công vật liệu PC thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các phá huỷ cơ học và hoá học, duy trì tính
toàn vẹn và hình dạng của các thành phần.
- Truyền ứng suất tập trung lên chất độn thờng có cơ tính cao hơn, nhờ đó
làm giảm độ nhạy cảm với quá tải cục bộ do tập trung ứng suất. Nh vậy hệ số an
toàn khi sử dụng vật liệu PC nói chung cao hơn vật liệu truyền thống.
6
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- Nền còn ảnh hởng lớn tới các đặc tính sử dụng của vật liệu PC nh : nhiệt
độ làm việc, độ bền mỏi, khối lợng riêng, độ bền riêng, khả năng chống lại tác
dụng của môi trờng ngoài
Nhựa nền đợc lựa chọn cho vật liệu PC phải thoả mãn các yêu cầu nhiều

khi mâu thuẫn với nhau. Do đó, việc chế tạo và lựa chọn một loại nhựa nền tối u
luôn phải dung hoà các thông số về độ bền, độ mềm dẻo, khả năng gia công và
các tính chất khác. Nhựa nền đợc lựa chọn trên cơ sở sau:
- Yêu cầu của sản phẩm, chủ yếu là các đặc tính cơ lý và độ bền nhiệt,
ngoài ra độ bền hoá, khả năng làm chậm cháy, đặc tính điện cũng là những yếu
tố quan trọng.
- Phơng pháp gia công.
- Giá thành
Đối với compozit polyme, vật liệu nền thờng sử dụng là nhựa nhiệt rắn và
nhựa nhiệt dẻo.
Vật liệu nền nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn lại khi nung
nóng (có hoặc không có chất xúc tác) và sau khi đóng rắn tạo thành cấu trúc
mạng lới không thuận nghịch (không hoà tan và không nóng chảy tiếp đợc nữa).
Nhựa nhiệt rắn thờng đợc sử dụng là nhựa phenol-fomandehyt, polyeste không
no, epoxy,vinyleste, ure-fomandehyt, melamin-fomandehyt,
Vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo là các polyme mạch thẳng, khi nung nóng sẽ
chảy dẻo ra, nếu sau đó làm nguội sẽ cứng lại và chúng có trạng thái thuận
nghịch. Nhựa nhiệt dẻo hay đợc sử dụng là PP, PE,
I.1.3.3 Liên kết giữa nền và cốt trong PC
Độ bền liên kết giữa nhựa nền và chất tăng cờng có ảnh hởng đến hiệu quả
truyền ứng lực qua vùng phân chia pha. Sự tơng tác pha ảnh hởng đến độ bền
liên kết giữa các cấu tử trong vật liệu compozit, do đó ảnh hởng đến các tính chất
đặc trng của vật liệu. Vì vậy, điều khiển quá trình này là một khâu quan trọng
trong việc hình thành các tính chất của vật liệu.
Trong nhiều năm gần đây, hoá học vùng phân chia pha, tầm quan trọng
của hiệu ứng tách lớp giữa các pha và đứt gãy trong vật liệu compozit đợc thảo
luận rất nhiều. Tuy nhiên, nhiều vấn đề về các hiện tợng biên vẫn còn ở giai đoạn
nghiên cứu và có nhiều ý kiến khác nhau về các vấn đề đó.
Cho đến gần đây, một hớng giải quyết đợc đề nghị khá nhiều là sử dụng
sợi hai lớp hay phủ lên chất tăng cờng một lớp đệm mềm dẻo. Thông thờng các

chất gia cờng dạng bột và sợi đều đợc xử lý bề mặt trớc khi sử dụng. Phổ biến
nhất là xử lý bằng các chất liên kết lên bề mặt chất gia cờng để tạo nên một lớp
7
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
chuyển tiếp giữa chúng và nền polyme. Mặc dù vấn đề này còn nhiều tranh luận
nhng nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chất liên kết là chất chứa một loại nhóm
chức có khả năng phản ứng với nền polyme trong quá trình đóng rắn và chứa một
loại nhóm chức khác có khả năng phản ứng với các nhóm hoạt động trên bề mặt
chất gia cờng, ví dụ nhóm OH trên bề mặt thuỷ tinh.[2]
I.1.4. Tính chất và ứng dụng của vật liệu PC
I.1.4.1. Tính chất
Tính chất chung của vật liệu PC là sự chọn lọc và phát huy những tính
chất của các pha thành phần. Tính chất của cấu tử polyme trong vật liệu PC phụ
thuộc vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác
dụng lên. Tính đàn nhớt của polyme cũng tạo nên đặc tính của compozit nh tính
rão, hồi phục ứng suất và sự tiêu tán năng lợng có thể dẫn tới sự sinh nhiệt bên
trong vật liệu. Đối với vật liệu PC cần quan tâm một số tính chất sau: modun xé
rách và hệ số Poisson đặc trng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền
kéo, nén cho biết khả năng chịu tải của vật liệu. Hệ số dãn nở nhiệt đặc trng cho
sự thay đổi kích thớc dới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Ngoài các yêu cầu
về tính chất cơ lý còn cần phải biết các thông số nh: độ dẫn nhiệt, điện, độ thấm
chất lỏng hoặc khí, hệ số khuyếch tán
Tính chất nổi bật của các polyme compozit so với các vật liệu khác nói
chung là nhẹ, bền, chịu môi trờng, dễ lắp ráp, có tính đẳng hớng hay không đẳng
hớng chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, tính chịu nhiệt vẫn là điểm
yếu hơn so với kim loại hoặc gốm.
Tính chất cơ lý của vật liệu PC phụ thuộc và đợc quyết định bởi các yếu tố
sau:
- Tính chất cơ lý của sợi tăng cờng.

- Sự thay đổi hàm lợng sợi-nhựa, hình học cốt sợi.
- Sự kết hợp giữa pha nhựa và sợi. Điều này đợc quyết định không chỉ bởi
độ bền liên kết tại bề mặt phân chia pha nhựa/sợi mà còn về độ nhạy cảm khác
nhau đối với những thay đổi của môi trờng ngoài của nhựa và sợi. Ví dụ, sự
không tơng ứng về hệ số dãn nở nhiệt của sợi và pha nhựa nền có thể gây ra sự
phát triển ứng suất gần bề mặt phân chia pha nhựa/sợi khi compozit phải chịu sự
thay đổi nhiệt độ lớn, thờng xảy ra trong quá trình gia công.
- Các khuyết tật và tính không liên tục của nhựa nền. [16]
8
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
I.1.4.2. ứng dụng
Nhờ có nhiều tính chất u việt nh có khối lợng riêng thấp, có độ bền cao,
chịu môi trờng tốt, có thể điều khiển đợc tính chất của vật liệu theo các hớng
khác nhau một cách dễ dàngVật liệu PC ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi, chủ
yếu trong một số lĩnh vực sau:
- Ngành chế tạo ôtô: chủ yếu sử dụng vật liệu PC chất lợng cao chế tạo các
chi tiết, bộ phận cho ôtô, đặc biệt là ô tô thể thao và các phơng tiện giao thông
trên mặt đất. Hiệu quả nhận đợc khi sử dụng các vật liệu này là: giảm trọng l-
ợng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn Ngày nay, vật liệu PC đang đợc
nghiên cứu để chế tạo các bộ phận phải chuyển động qua lại, chuyển động quay
nhằm làm giảm các rung động, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc.
- Ngành hàng không, vũ trụ: vật liệu PC chất lợng cao đợc ứng dụng rộng
rãi để chế tạo máy bay cả quân sự lẫn dân sự từ khá sớm. Các ứng dụng chính
bao gồm: mũi máy bay, cánh gập, các bộ phận ổn định của máy bay, bánh lái độ
cao, đuôi ngang máy bay, cánh máy bayƯu điểm khi sử dụng vật liệu PC là
cho hiệu quả kinh tế cao, giảm đợc trọng lợng kết cấu, nhờ vậy giảm tiêu hao
nhiên liệu, tăng khối lợng vận chuyển và tầm bay xa. Việc sử dụng vật liệu PC
trong máy bay dân dụng mới nh Boing 757,767 và Airbus310 đã làm giảm 5%
tổng khối lợng.

- Trong các ngành công nghiệp nói chung: vật liệu PC chủ yếu đợc sử
dụng để chế tạo các sản phẩm yêu cầu độ bền cơ lý cao, bền hoá chất, có các
tính chất điện, điện tử
- Dụng cụ thể thao: nh gậy đánh gol, vợt tennit, cần câu, tàu lợn, cột
buồm, các thiết bị bắn cung
- Vòm che máy bay.
- Chế tạo vệ tinh: nh vệ tinh viễn thông, truyền hình, dự báo thời tiết, địa
lýCác vật liệu PC chế tạo các thiết bị này cần có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ
dẫn nhiệt cao, tỷ trọng thấp, modun cao để cấu trúc có độ cứng cao, chịu đợc các
chấn động mạnh, chịu đợc môi trờng laze[16]
I.2. Vật liệu PC gia cờng bằng sợi tự nhiên [17]
I.2.1. Giới thiệu chung
Trải qua rất nhiều năm con ngời đã nhận ra rằng polyme có thể thay thế đ-
ợc nhiều kim loại thông thờng, những vật liệu đã đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh
9
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
vực. Đó là do vật liệu polyme có nhiều u điểm nổi bật hơn nhiều vật liệu truyền
thống. Ưu điểm quan trọng nhất của việc sử dụng polyme là dễ gia công, năng
suất cao và giá thành thấp. Đặc biệt vật liệu polyme compozit gia cờng bằng sợi
có nhiều u việt so với các vật liệu thông thờng và nó đợc ứng dụng rất rộng rãi kể
cả trong lĩnh vực hàng không.
Những năm gần đây, sợi tự nhiên đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học
và sự phát triển của vật liệu PC trên cơ sở sợi tự nhiên đã trở thành đề tài rất đợc
quan tâm. Sợi tự nhiên có nhiều u điểm nh có khối lợng riêng thấp, giá thành
thấp, và chúng có những tính chất rất đặc trng mà các loại sợi khác không có đợc
nh có khả năng phân huỷ sinh học và khả năng chịu mài mòn rất lớn. Ngoài ra,
sợi tự nhiên là nguồn nguyên liệu sẵn có, dồi dào và có khả năng tái tạo.
Tuy nhiên, mặt hạn chế lớn nhất của sợi tự nhiên là nó không tơng hợp
nền polyme kỵ nớc, có xu hớng kết hợp với nhau trong quá trình gia công và khả

năng chống ẩm kém. Những nhợc điểm này làm giảm những tính năng tốt của
sợi tự nhiên khi sử dụng để gia cờng cho polyme. Do đó, trớc khi sử dụng ngời ta
thờng xử lý bằng nhiều phơng pháp khác nhau nh xử lý với kiềm , axetyl hoá hay
ghép các monome
I.2.2.Sợi tự nhiên sử dụng trong PC [17]
I.2.2.1.Phân loại sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên đợc chia làm ba loại chính là:sợi từ hạt, sợi từ vỏ và sợi từ lá.
Ví dụ:
Sợi từ hạt: sợi bông, xơ dừa, bông gòn đây là những loại sợi có liên quan
đến cây ăn quả, cây có hạt.
Sợi từ vỏ: sợi gai, sợi đay, sợi lanh
Sợi từ lá: sợi chuối, xơ sisal
Trong đó, sợi gai, sợi đay, sợi lanh và xơ sisal là các sợi đợc sử dụng nhiều
nhất trong vật liệu PC. Sợi tự nhiên ở dạng bột gỗ cũng thờng đợc sử dụng trong
vật liệu PC. Một số tính chất của các sợi này đợc biểu diễn dới đây.
Bảng 1. Một số tính chất cơ học của sợi tự nhiên
Sợi Trọng lợng
riêng, kg/m
3
Độ bền kéo,
MPa
Modun,
GPa
Modun
riêng
Sợi đay 1,3 393 55 38
Xơ sisal 1,3 510 28 22
Sợi lanh 1,5 344 27 50
Sợi dứa 1,56 170 62 40
Sợi thuỷ tinh 2,5 3400 72 28

10
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44

I.2.2.2.Đặc điểm của sợi tự nhiên
Khi nghiên cứu và sử dụng sợi tự nhiên cần lu ý một số đặc điểm quan
trọng của sợi là: độ bền nhiệt, hàm ẩm, phân huỷ sinh học và độ phân tán của sợi
vào chất nền.
- Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp của
các hợp chất hữu cơ. Quá trình xử lý nhiệt dẫn đến sự thay đổi đa dạng các tính
chất vật lý và hoá học. Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên có thể đợc nghiên cứu bằng
việc phân tích nhiệt học.
Sự phân huỷ nhiệt của sợi tự nhiên là một quá trình gồm hai giai đoạn.
Giai đoạn một có nhiệt độ từ 220-280
o
C . Giai đoạn hai có nhiệt độ từ 280-
300
o
C. Quá trình phân huỷ ở nhiệt độ thấp là quá trình kết hợp với sự phân huỷ
của hemixenlulo, còn quá trình phân huỷ ở nhiệt độ cao là nhờ lignin. Để tăng
độ bền nhiệt của sợi ngời ta có thể tạo ra một lớp vỏ bảo vệ sợi hoặc có thể ghép
sợi với các monome.
- Hàm ẩm của sợi: Sợi tự nhiên có thể hút nớc do đó có chứa ẩm. Hàm ẩm
của sợi có thể thay đổi từ 5-10%. Điều này dẫn đến sự thay đổi kích thớc của
compozit và cũng ảnh hởng đến tính chất cơ học của compozit. Đối với quá trình
gia công compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo thì hàm ẩm làm giảm khả năng gia
công và làm cho sản phẩm bị xốp. Xử lý sợi tự nhiên với hoá chất hoặc ghép
monome có thể làm giảm hàm ẩm của sợi.
- Phân huỷ sinh học và phân huỷ quang của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên bị
phân huỷ bởi sinh vật, điều này đợc nhận biết nhờ các polyme hydratcacbon ở

trên thành của tế bào. Lignoxenlulo khi để ở ngoài trời sẽ bị phân huỷ quang hoá
bởi ánh sáng tử ngoại.
- Độ phân tán của sợi vào chất nền: Khi sợi đợc phân tán vào nền thì do
trong sợi có liên kết hydro nên độ phân tán của sợi vào nền giảm vì các liên kết
này liên kết các sợi lại với nhau. Bằng phơng pháp xử lý sợi hoặc nhờ những tác
động của việc gia công mà ta có thể làm giảm bớt khả năng liên kết giữa các sợi
nghĩa là tăng độ phân tán của sợi vào nền.
I.2.3.Nền cho vật liệu PC gia cờng bằng sợi tự nhiên.
Pha nền có vai trò chủ yếu quyết định tính năng của vật liệu PC. Cả nhựa
nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn đều đợc sử dụng làm vật liệu nền cho vật liệu PC gia
cờng bằng sợi tự nhiên.
11
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Đối với compozit nhiệt rắn, việc thành lập công thức rất phức tạp vì nó
chứa nhiều thành phần nh: nhựa, chất đóng rắn, chất xúc tác và chất hỗ trợ gia
công Vật liệu PC này thờng đợc xử lý hoá học tạo ra các liên kết ngang và cấu
trúc mạng không gian ba chiều. Cấu trúc này làm cho vật liệu có khả năng chịu
dung môi tốt, dai và bền rão. Các loại nhựa nhiệt rắn thờng đợc sử dụng là
polyeste không no, epoxy, phenolic
Nền nhựa nhiệt dẻo có u điểm hơn. Một trong những u điểm của vật liệu
PC với nền nhựa nhiệt dẻo là giá thành thấp và dễ gia công với những chi tiết
phức tạp. Các nhựa nhiệt dẻo thờng sử dụng là PP, PE, PVC
I.3.Vật liệu PC từ nhựa epoxy - novolac, epoxy - cacdanol gia cờng
bằng sợi lanh
I.3.1.Sợi lanh gia cờng cho vật liệu PC [11,12]
I.3.1.1.Giới thiệu về sợi lanh
Sợi lanh đợc cấu tạo từ 10ữ40 sợi nhỏ tạo thành những bó sợi. Một nét đặc
trng cơ bản của sợi thiên nhiên là chúng không đồng nhất về cấu trúc hình học và
sợi lanh cũng không là một ngoại lệ. Các sợi lanh đặc thù là hình nhiều cạnh(5

ữ7 cạnh). Trên ảnh SEM thấy sợi lanh không đồng nhất theo chiều dài, các sợi
dầy hơn ở gần gốc và mỏng hơn ở gần ngọn. Nếu tính trung bình, một sợi có
chiều dài là 33 mm và rộng là 19 àm. Kích thớc chiều ngang và chiều dọc có thể
nằm trong khoảng 5ữ76àm và 4ữ77mm.
Do trong các sợi thiên nhiên có các liên kết trong các cấu trúc xốp nên việc
xác định một khối lợng riêng chính xác cho nó là một việc phức tạp. Khi sợi lanh
ở dạng xốp là 10% thì khối lợng riêng là 1,54 g/cm
3
. Khi chúng ta đo theo thể
tích với etanol làm dung môi thì khối lợng riêng tìm đợc là 1,53 g/cm
3
.
Để có thể lấy sợi ngời ta phải xử lý tách bẹ, tách pectin, lignin và các xơ có
mạch ngắn vì các xơ này là thành phần hút ẩm và lignin gây ra sự dính kết các
mạch xơ với nhau làm giảm độ liên kết trong vật liệu compozit cốt dệt. Sau khi
làm sạch tạp chất (có hoặc không có xử lý hoá học) xơ đợc ngâm ép với nhựa
nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo bằng công nghệ đúc áp lực hoặc đúc chân không
tạo vật liệu cốt dệt theo mong muốn. Ngoài ra, với nhựa nhiệt rắn có thể sử dụng
phơng pháp lăn ép bằng tay để tạo những vật liệu có hình dáng đơn giản.
12
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Bảng 2. Tính chất của một số loại sợi tự nhiênvà sợi tổng hợp
Loại sợi Khối lợng
riêng,
g/cm
3
Độ dãn dài,
%
Độ bền kéo,

MPa
Modun đàn
hồi, GPa
Lanh 1,5 1,55 2,7 3,2 345 1035 27,6
Bông 1,5 1,6 7,0 8,0 287 597 5,5 12,6
Đay 1,3 1,5 1,8 393 773 26,5
Gai dầu 1,5 1,6 690 27,6
Gai 1,5 3,6 3,8 400 938 61,4 128
Sisal 1,5 2,0 2,5 511 635 9,4 22,0
Dừa 1,2 30,0 175 4,0 6,0
Tổng hợp 1,2 22,4 593 11,0
Thuỷ tinh(E) 2,5 2,5 2000- 3500 70,0
Thuỷ tinh(S) 2,5 2,8 4570 86,0
Từ số liệu trên thấy rằng độ bền của sợi lanh tơng đối cao và có thể so sánh
đợc với sợi thuỷ tinh (E). Độ bền kéo và modun đàn hồi cao hơn hẳn các sợi
khác.
Trong phần đồ án lần này, em đã sử dụng các sợi lanh sau khi xe lại thành
cốt vải có khối lợng là 245 g/m
2
.
Dới đây là hình ảnh chụp SEM của sợi lanh:
13
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Hình 1. Bề mặt sợi lanh
I.3.1.2.Thành phần hoá học của sợi lanh
Cùng với các loại sợi khác, sợi lanh có thành phần chủ yếu là xenlulo,
hemi-xenlulo, ligninchúng đợc tóm tắt ở bảng sau:
Bảng 3: Thành phần hoá học của một số loại sợi thực vật.
Thành phần Lanh Bông Đay Gai Sisal

Xenlulo, % 64,1 82,7 64,6 68,8 65,8
Hemi-xenlulo,% 16,7 5,5 12,0 13,1 12,0
Pectin, % 1,8 5,7 0,2 1,9 0,8
Lignin, % 2,0 5,7 11,8 0,6 9,9
Tan trong nớc,
%
3,9 1,0 1,1 5,5 1,2
Sáp, % 1,5 0,6 0,5 0,3 0,3
Hàm ẩm, % 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0
Nh vậy, hàm lợng xenlulo trong lanh không thua kém nhiều so với các sợi
thực vật ở trên nên cũng có thể sử dụng nó để gia cờng cho vật liệu polyme
compozit.
* Xenlulo [7,14]:
14
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Xenlulo đợc coi là một polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không
phân nhánh,có công thức phân tử là (C6H10O5)n . Các mắt xích cơ bản liên kết
với nhau qua liên kết 1,4- - glucozit.
Xenlulo là một polyme và có những tính chất riêng của nó. Trung bình
mỗi phân tử xenlulo có chứa 3000 mắt xích cơ bản,trong một số phân tử xenlulo
đặc biệt có thể chứa đến 26000 phân tử glucoza.
Đại phân tử xenlulo kỹ thuật có thể có cả mắt xích là các monosacarit
khác nh hecxoza, pentoza và axit uronic. Đặc điểm và thành phần của xenlulo
phụ thuộc vào điều kiện tổng hợp nó trong tự nhiên.
Xenlulo có cấu trúc gồm những phần tinh thể định hớng cao và những
phần vô định hình. Tính chất cơ lý của phần tinh thể cao hơn phần vô định hình.
Ranh giới giữa các phần này là không rõ ràng. Xenlulo có nguồn gốc khác nhau
thì tỷ lệ phần tinh thể và vô định hình là khác nhau. Sự hình thành liên kết hydro
hạn chế khả năng hoà tan của xenlulo. Xenlulo không tan trong nhiều dung môi

thông thờng, bị trơng nở trong dung dịch ZnCl
2
, H
2
SO
4
, xút loãng. Trong quá
trình hoà tan, xenlulo bị trơng trớc rồi mới bị hoà tan. Sự trơng nở trong nớc là sự
trơng ở phần tinh thể.
Xenlulo là nguyên liệu trong nhiều ngành công nghiệp: giấy, dệt may, chất
dẻo, sơn, sợi,
* Lignin [7,8]:
Lignin là một polyme thơm tự nhiên, hỗn hợp phức tạp của nhiều polyme
dạng phenolic, có cấu tạo không gian ba chiều. Trong thực vật, lignin là chất liên
kết giữa các tế bào, làm cho thành tế bào cứng hơn, chịu va đập, nén, bền dới tác
dụng của vi sinh vật. Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lợng phân tử từ
4000-10000. Liên kết giữa lignin và xenlulo trong gỗ khá bền vững. Lignin làm
giảm độ hút nớc của gỗ, chống tác dụng của vi khuẩn
Lignin đợc dùng để nấu nhựa dạng phenol-fomandehyt (PF), hoặc dùng
nh một thành phần hỗn hợp đúc với nhựa PF, làm keo dán, làm chất gia cờng cho
bê tông
* Hemixenlulo: hay còn gọi là hydrat cacbon polysacarit, khi thuỷ phân
cho đờng pentoza có chứa 5 nguyên tử cacbon trong cấu trúc phân tử và có thể
tạo ra axit polyuronic. Pentoza có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo, cấu trúc phân tử
có thể có mạch nhánh.Trong thực vật pentoza làm tăng độ bền cơ học cho gỗ và
là chất dự trữ dinh dỡng cho cây.
* Thành phần tan trong nớc: chủ yếu là tinh bột, pectin, các muối vô cơ, r-
ợu mạch vòng, thuốc nhuộm
15
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh

Polyme- K44
I.3.2.Nhựa epoxy - cacdanol [9]
I.3.2.1.Tổng hợp
* Nhựa epoxy:
Phổ biến nhất và quan trọng nhất là nhựa tạo thành từ sản phẩm phản ứng
của Bisphenol A và epiclohydrin.
Phản ứng tạo nhựa xảy ra qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Là giai đoạn kết hợp, phản ứng toả nhiệt, xảy ra nhanh ở
nhiệt độ 60 70
0
C.
CH
3
2 CH
2
- CH CH
2
+ OH C OH
Cl O CH
3

CH
3
CH
2
- CH CH
2
-O C OCH
2
- CH CH

2
Cl OH CH
3
OH Cl
- Giai đoạn 2: Là giai đoạn tách HCl, phản ứng thu nhiệt, xảy ra chậm.
CH
3
CH
2
- CH CH
2
-O C OCH
2
- CH CH
2
+ 2 NaOH
Cl OH CH
3
OH Cl

CH
3
CH
2
- CH CH
2
-O C OCH
2
- CH CH
2

O CH
3
O
Nhựa epoxy khi cha đóng rắn là loại nhựa nhiệt dẻo không màu hay có
màu vàng sáng. Tuỳ thuộc vào khối lợng phân tử mà nhựa epoxy có thể ở dạng
lỏng (M<450), đặc (M<800) và rắn (M>800).
Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ: xeton, axetat,
hydrocacbon clo hoá, dioxanNhựa epoxy không tan trong các dung môi
hydrocacbon mạch thẳng (white spirit, xăng).
Nhựa epoxy có thể phối trộn với các loại nhựa khác nh: phenol-
fomanđehyt, nitroxenlulo, polyeste, polysunfit
Nhựa epoxy có thể chuyển sang mạng lới không gian ba chiều khi sử dụng
các chất đóng rắn nóng nh anhydrit phtalic, anhydrit maleichay các chất đóng
rắn nguội nh polyamin mạch thẳng, polyamit
16
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Nhựa epoxy sau khi đóng rắn có một loạt các tính chất quí nh bám dính
tốt với nhiều loại nền khác nhau, bền hoá học, đặc biệt với kiềm, độ bền cơ học
cao, cách điện tốt, ít co ngót và bền nhiệt đến 160-260
o
C.
Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là epoxy và hydroxyl, có thể
tham gia vào nhiều loại phản ứng khác nhau. Nhóm epoxy rất dễ dàng phản ứng
với các tác nhân ái nhân.Với các tác nhân ái điện tử phản ứng xảy ra thuận lợi
khi có mặt xúc tác proton nh rợu, phenol, axitdo nhóm hydroxyl hoạt động
kém hơn nhóm epoxy nên phản ứng tiến hành phải có xúc tác hay ở nhiệt độ cao
(trừ phản ứng với nhóm xyanat).
* Cacdanol:
Cacdanol nhận đợc từ dầu vỏ hạt đào lộn hột. Cây đào lộn hột hay còn gọi

là cây điều có nguồn gốc từ Braxin và hiện nay có nhiều ở ấn Độ, Philippin,
miền nam Việt NamTừ hạt đào lộn hột nhận đợc hai loại dầu: dầu từ nhân và
dầu từ vỏ hạt, có thành phần tuỳ thuộc vào cách khai thác. Bằng phơng pháp sắc
ký lớp mỏng đã tìm thấy thành phần chủ yếu của dầu vỏ hạt đào lộn hột tự nhiên
gồm 4 cấu tử: axit anacacdic, cacdanol, cacdol và 2-metylcacdol. Hàm lợng của
từng cấu tử thay đổi tuỳ thuộc vào phơng pháp gia công cũng nh nguồn gốc.
Cacdanol chỉ có một lợng nhỏ trong dầu vỏ hạt điều . Nó nhận đợc bằng
cách chng cất dầu vỏ hạt điều trong chân không 5-10 mmHg và ở nhiệt độ
2455
o
C. Trong quá trình chng cất axit anacacdic có nhiều nhất sẽ biến đổi
thành cacdanol (quá trình decacboxyl hoá).
Cacdanol có công thức cấu tạo nh sau:


oh
R'
Trong đó: R là C
15
H
x
.
Mạch hydrocacbon thế trong cacdanol không phải là một mạch đồng nhất
mà bao gồm một hỗn hợp các olefin có độ không no khácnhau.
Cấu tạo hoá học của cacdanol thể hiện các khả năng phản ứng hoá học
khác nhau, biến đổi hoá học tơng tự nh phenol hoặc biến đổi nh các hợp chất
không no nhờ nhánh hydrocacbon.
*Phơng trình tổng hợp epoxy - cacdanol:
17
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh

Polyme- K44


oh
R'
ch
2
ch r ch ch
2

- -
-
+
-
O
O
R'
och
2
ch r ch ch
2

O
oh
- -
- -
I.3.2.2.Tính chất và ứng dụng
* Nhựa epoxy sau khi biến tính bằng cacdanol có nhiều tính chất tốt nh
khả năng bám dính cao,bền hoá, bền cơ học, bền nhiệt, đặc tính điện tốt
* Nhựa epoxy- cacdanol có nhiều ứng dụng quan trọng:

- Làm sơn phủ cách điện.
- Làm chất nền trong vật liệu PC gia cờng bằng sợi.
Ngoài ra, epoxy hoá dầu thực vật là một vấn đề đang đợc quan tâm. Dầu
epoxy hoá đã và đang đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh làm chất tạo màng,
làm phụ gia cho các tổ hợp nhựa.
I.3.3. Nhựa epoxy - novolac
Nhựa novolac là một dạng của nhựa phenolic. Nó đợc tổng hợp từ phenol
(P) có hai hoặc ba vị trí hoạt động và fomandehyt (F). Nếu sử dụng phenol có ba
vị trí hoạt động thì tỷ lệ mol P/F >1 (thờng là 7/6, 6/5) và xúc tác axit. Khi P/F
càng lớn thì nhựa thu đợc càng có khối lợng phân tử lớn, hiệu suất phản ứng,
nhiệt độ chảy mềm thấp. Nhựa thu đợc cần phải rửa, sấy để loại bỏ các hợp chất
cha tham gia phản ứng (phenol, fomanđehit d, xúc tác) và để phản ứng tiến hành
triệt để.
Xúc tác thờng sử dụng để tổng hợp nhựa novolac là axit clohydric, axit
sunfuric, axit oxalic và axit fomicTuỳ thuộc vào loại xúc tác mà màu sắc của
sản phẩm thay đổi từ màu vàng nhạt tới nâu sẫm. Trong công nghiệp thờng dùng
xúc tác là axit clohydric.
Phản ứng tổng hợp nhựa novolac trong môi trờng axit:
18
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
OH
H
+
OH
CH
2
CH
2
OH

CH
2
OH
+ (n-1)CH
2
O + (n-1)H
2
O
n-2
Nhựa phenolic có nhiều tính chất cơ lý tốt nh: khối lợng riêng thấp, độ bền
nhiệt cao, độ chịu mài mòn cao, bền hoá và bền môi trờng. Bên cạnh đó, nó có
những hạn chế nh: độ bền va đập thấp, độ cứng cao, độ co ngót của sản phẩm
cao, nhất là sản phẩm có kích thớc lớn và hình dạng phức tạp nên trong công
nghiệp thờng sử dụng nhựa phenolic biến tính, biến tính dựa trên phản ứng của
nhựa với các hợp chất không no tự nhiên hoặc tổng hợp nh axit béo, cao su,
polyme tổng hợp.
Biến tính nhựa epoxy bằng phenolic (novolac) là một biện pháp có nhiều u
điểm nh: tạo cho vật liệu có nhiều tính chất tốt (bền hoá, bền nhiệt, bền kiềm,
màu đẹp, độ bền điện tốt) và thời gian đóng rắn ngắn
Biến tính bằng phenolic do tác dụng của nhóm hydroxyl và metylol trên
nhân phenol với nhóm epoxy và hydroxyl của nhựa epoxy ở 150-180
o
C. Để tăng
sự tơng hợp với nhựa epoxy thì trớc khi trộn hợp nhựa phenolic đợc butanol hoá.
Phản ứng tổng hợp epoxy- novolac nh sau:
OH OH
CH
2
+ CH
2

- CH - CH
2

O
O CH
2
CH CH
2
O CH
2
CH CH
2
O O
CH
2



Kết quả của sự biến tính tạo ra nhiệt độ làm việc của vật liệu vợt quá
260
0
C (đối với nhựa epoxy không biến tính chỉ tới 120
0
C).
Tổ hợp epoxy novolac đợc ứng dụng rất nhiều để chế tạo các loại sơn,
màng phủ bề mặt
Màng phủ bề mặt trên cơ sở tổ hợp epoxy novolac có độ bền và độ đàn
hồi đáng kể, ngoài ra còn có độ bám dính cao và độ bền với môi trờng kiềm. Nó
19
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh

Polyme- K44
thờng đợc sử dụng để bảo vệ các lò lu hoá và các thiết bị của nhà máy chế biến
dầu mỏ.
Do tính đa chức của mình nên nhựa epoxy novolac khi đóng rắn bằng
các tác nhân đóng rắn thì các sản phẩm này có nhiều liên kết ngang, bền nhiệt,
bền hoá và bám dính hơn nhựa epoxy dian.
I.4.Các phơng pháp gia công vật liệu PC từ epoxy - novolac, epoxy
- cacdanol với sợi lanh
Trong đồ án này sử dụng các phơng pháp gia công vật liệu PC là lăn ép
bằng tay, chế tạo prepregs, ép nóng.
* Phơng pháp lăn ép bằng tay:
Trớc khi tạo hình bề mặt khuôn phải đợc phủ và làm nhẵn đồng đều để đạt
đợc độ nhẵn bóng cho sản phẩm. Phun một lớp chống dính lên bề mặt khuôn.
Sau khi chất chống dính khô hoàn toàn thì quét hay phun lên trên đó một lớp
gelcoat.
Quá trình tạo hình đợc thực hiện theo các bớc sau:
- Dùng chổi sơn phủ nhựa đã pha chất xúc tác lên bề mặt khuôn.
- Sợi gia cờng đợc sắp xếp trong khuôn. Sử dụng các loại gia cờng khác
nhau cho các phần khác nhau của kết cấu.
- Sau đó tẩm nhựa lên sợi gia cờng rồi lăn ép bằng con lăn để loại bỏ hết
không khí nằm trong sợi.
- Sử dụng kỹ thuật nh trên, tiếp tục bồi lên từng lớp ớt cho đến khi đạt
chiều dày sản phẩm cần thiết.
- Tiến hành tách sản phẩm khỏi khuôn sau một thời gian nhất định, thời
gian này cần thiết cho sản phẩm đóng rắn (thờng sau khoảng 10 giờ).
- Tiếp tục đóng rắn sau vài tuần trong không khí. Quá trình này có thể
tăng tốc bằng cách gia nhiệt.
Sau khi đóng rắn hoàn toàn kết thúc tạo hình.
Đây là phơng pháp đơn giản nhất để chế tạo vật liệu PC, yêu cầu tối thiểu
về máy móc thiết bị, do đó vốn đầu t ở mức thấp nhất.

* Phơng pháp chế tạo prepregs (bán thành phẩm):
Prepregs là loại bán thành phẩm của vật liệu PC đợc chế tạo bằng cách
tẩm hệ nhựa (nhựa + chất đóng rắn + chất xúc tác) lên vải (chất tăng cờng).
Có hai phơng pháp tẩm là phơng pháp dung môi và phơng pháp nóng
chảy: Phơng pháp dung môi là hoà tan hệ nhựa lên vải, còn phơng pháp nóng
chảy là gia nhiệt cho hệ nhựa nóng chảy thành hệ đồng nhất rồi tẩm lên vải.
20
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Đặc điểm của phơng pháp dung môi là vải không bị ảnh hởng khi tẩm, hệ
nhựa không bị gel hoá cao do tẩm ở nhiệt độ thờng nhng vì có dung môi nên ảnh
hởng đến môi trờng. Còn ở phơng pháp nóng chảy thì vải bị ảnh hởng khi tẩm,
bề dày của prepregs không thay đổi trong suốt quá trình đến sản phẩm cuối cùng
do không bay hơi dung môi.
Prepregs sau khi chế tạo đợc bảo quản ở điều kiện thích hợp, tuỳ thuộc vào
hệ nhựa. Prepregs có thể bảo quản trong khoảng thời gian lâu từ 5 6 tháng,
đây cũng là u điểm của prepregs. Ngoài ra, prepregs còn tiện lợi cho việc gia
công và tạo hình sản phẩm cuối cùng.
* Phơng pháp tạo hình ép nóng:
Đây là một trong những qui trình hiệu quả kinh tế nhất để sản xuất trên
qui mô lớn các kết cấu có kích thớc nhỏ đến trung bình. Chế tạo sản phẩm bằng
máy ép thuỷ lực và khuôn kim loại đợc gia nhiệt.
Sợi gia cờng đợc sắp xếp vào trong khuôn gia nhiệt đã đợc phủ một lớp
chống dính. Nhựa có chất xúc tác đợc rót lên sợi gia cờng. Khuôn đợc đóng và
mở dới sự điều khiển chính xác về tốc độ, theo thời gian trùng hợp nhựa, nghĩa là
phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của nhựa và độ dày của kết cấu compozit.
Quá trình ép nóng cho phép đạt tỷ lệ vật liệu gia cờng cao, do vậy sản
phẩm có tính chất cơ lý tốt. áp suất làm việc thờng 0,5-15 MPa phụ thuộc vào
kích thớc sản phẩm. Nhiệt độ khuôn thờng từ 80-170
o

C. Năng suất có thể đạt từ
15-30 sản phẩm/giờ. Tuy nhiên phải đầu lớn về nhà xởng, máy thuỷ lực và
khuôn.
chơng II: Các phơng pháp nghiên cứu
II.1.Các phơng pháp phân tích nguyên liệu đầu và sản phẩm
[9,10]
II.1.1.Phơng pháp phân tích hàm lợng phenol
Hàm lợng phenol đợc xác định theo phơng pháp Koppesa: dựa vào phản
ứng của phenol với brom tạo thành tribromphenol. Lợng brom d cho tác dụng với
KI để giải phóng iot tự do. Định phân iot tự do tạo thành, nhờ đó xác định đợc
hàm lợng phenol.
Quá trình thực nghiệm đợc tiến hành nh sau:
Cân 1g phenol (với độ chính xác 0,0001g) hoà tan trong nớc cất, cho vào
bình định mức 500 ml và cho thêm nớc cất đến ngấn bình. Lấy 10 ml cho vào
21
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
bình tam giác 250 ml có nút nhám, cho 25 ml dung dịch Bromit-Bromat 0,1N và
5 ml axit HCl đậm đặc (d = 1,19 g/cm
3
). Đậy nút, lắc đều, giữ ở nhiệt độ phòng
khoảng 15 phút. Sau đó, cho thêm 10 ml dung dịch KI 10%, để yên vài phút.
Chuẩn lợng iot tách ra bằng dung dịch Na
2
S
2
O
3
0,1N, với hồ tinh bột 1% làm
chất chỉ thị. Chuẩn tơng tự với mẫu kiểm tra.

Hàm lợng phenol tính theo công thức:
x =
(%)100
.500.001568,0).(
21
a
Kvv
Trong đó:
v
1
: Thể tích dung dịch Na
2
S
2
O
3
0,1N dùng định phân mẫu kiểm tra, ml.
v
2
: Thể tích dung dịch Na
2
S
2
O
3
0,1N dùng định phân mẫu nghiên cứu, ml.
0,001568 là khối lợng phenol tơng ứng với 1 ml dung dịch thiosunfat natri
0,1N, g.
a: Khối lợng mẫu, g.
K: Hệ số hiệu chỉnh của dung dịch chuẩn.

II.1.2.Phơng pháp phân tích hàm lợng fomandehyt
Nguyên tắc của phơng pháp là dựa trên phản ứng của fomandehyt với
hydroxylamin hydroclorua NH
2
OH.HCl tạo thành HCl.
Dùng bình tam giác 250 ml chứa 20 ml rợu, cho vào đó 1 ml dung dịch
nghiên cứu, 3 giọt chất chỉ thị và tiến hành trung hoà dung dịch đến trung tính.
Thêm vào 14 ml dung dịch hydroxylamin hydroclorua 10% trong nớc, lắc đều,
để yên 15 phút ở 30
0
C. Định phân bằng dung dịch NaOH 0,5 N với chỉ thị
bromphenol xanh.
Hàm lợng fomandehyt tính theo công thức:
%CH
2
O =
g
Nba 003,3.).(
Trong đó:
a: Thể tích dung dịch NaOH 0,5 N dùng định phân mẫu nghiên cứu, ml.
b: Thể tích dung dịch NaOH 0,5 N dùng định phân mẫu kiểm tra, ml.
N: Nồng độ thực của dung dịch NaOH.
g: Khối lợng mẫu, g.
II.1.3.Phơng pháp phân tích hàm lợng nhóm epoxy
Phơng pháp này tiến hành dựa vào phản ứng của nhóm epoxy với HCl, và
tác dụng của ion Hg
2+
trong Hg(NO
3
)

2
với ion clorua của HCl d, tạo ra hợp chất
phân ly yếu. Sau khi đạt điểm đơng lợng, trong dung dịch còn ion Hg
2+
tự do, ion
22
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
này cùng với chất chỉ thị tạo thành hợp chất phức có màu đặc trng và dễ dàng
quan sát đợc.
Các bớc thực hiện:
1.Chuẩn bị dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N
Dùng bình định mức 1 lít, cân 17 g muối Hg(NO
3
)
2
.1/2 HO
2
, bổ sung 20 ml
axit HNO 6N, cho nớc cất đến vạch. Sau đó lắc cẩn thận dung dịch này và để sau
1- 2 ngày mới sử dụng. Trớc khi dùng xác định hệ số K theo chất chuẩn NaCl.
2.Chuẩn bị dung dịch HCl 0,2N trong dioxan
Dioxan đợc làm khô trớc bằng NaOH rắn hoặc CaCl
2
trong 3 ngày đêm rồi
đem chng lại và đựng vào chai có nút nhám.

Cho vào ống lờng có nút nhám 100 ml dioxan, dùng pipet 2 ml lấy 1,6
1,8 ml axit HCl 37% và cho vào dioxan. Đậy kín ống lờng rồi lắc mạnh cho đến
khi HCl tan hoàn toàn vào dioxan.
3.Xác định hệ số K (hệ số hiệu chỉnh của dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N
Xác định hệ số K bằng dung dịch NaCl 0,1N pha từ ống chuẩn. Dùng pipet
hút 10 ml dung dịch NaCl 0,1N cho vào bình tam giác nhám và chuẩn bằng dung
dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N có chất chỉ thị là dung dịch diphenylcacbazon. Quá trình
chuẩn kết thúc khi mầu dung dịch chuyển từ da cam sang tím.
4. Xác định hàm lợng nhóm epoxy
Dùng cân phân tích có độ chính xác 0,1 mg cân vào 3 bình tam giác dung
tích 100 ml mỗi bình 0,1 0,2 g nhựa epoxy. Dùng pipet cho vào mỗi bình 10
ml dung dịch HCl trong dioxan, đậy kín, lắc đều cho tan hết nhựa, để yên ở nhiệt
độ phòng trong 2 giờ. Chuẩn HCl d bằng dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N có mặt chất
chỉ thị diphenylcacbazon. Kết thúc quá trình định phân khi mầu dung dịch
chuyển từ tím sang hồng nhạt. Quá trình đợc thực hiện tơng tự với mẫu trống.
Hàm lợng nhóm epoxy đợc tính theo công thức:
E=
(%)100

0043,0)(
21
ì
ìì
g
Kvv
Trong đó:
v
1
: Thể tích dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N dùng để chuẩn mẫu trống, ml.
v
2
: Thể tích dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N dùng để chuẩn mẫu thực, ml.
K: Hệ số điều chỉnh dung dịch Hg(NO
3
)
2
0,1N.
g: Khối lợng mẫu nhựa, g.
0,0043: Số lợng gam nhóm epoxy tơng đơng với 1ml dung dịch Hg(NO
3
)

2
0,1N.
23
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
II.1.4.Phơng pháp xác định hàm lợng phenol tự do trong nhựa novolac
Cân khoảng 4-5 g nhựa (chính xác đến 0,0001g) cho vào bình cầu dung
tích 500 ml, cho vào 20 25 ml rợu etylic để hoà tan, thêm vào 40 50 ml n-
ớc cất để tạo dung dịch nhũ tơng. Chng cất bằng hơi nớc bão hoà cho đến khi n-
ớc chng ra không còn phenol (kiểm tra bằng cách lấy 2 3 giọt nớc brôm theo
thành ống nghiệm. Nếu hỗn hợp không còn bị vẩn đục thì kết thúc quá trình ch-
ng cất).
Cho sản phẩm chng cất vào bình định mức 1000 ml, thêm nớc cất đến ngấn
bình và lắc đều. Tiến hành định phân giống nh ở phần II.2.1.
Hàm lợng phenol tự do đợc tính theo công thức:
x =
(%)100
.25
1000 001568,0).(
21
g
Kvv
Trong đó:
v
1
: Thể tích dung dịch Na
2
S
2
O

3
0,1 N dùng định phân mẫu kiểm tra, ml.
v
2
: Thể tích dung dịch Na
2
S
2
O
3
0,1 N dùng định phân mẫu nghiên cứu, ml.
K: Hệ số hiệu chỉnh.
g: Lợng nhựa, g.
II.1.5.Phơng pháp xác định hàm lợng phần gel
Phần gel là phần tạo thành mạng lới không gian không bị trích ly bởi
axeton trong dụng cụ Xoxlet với thời gian 15-20 giờ.
Quá trình xác định:
Giấy lọc trớc khi cân phải trích ly bằng axeton trên dụng cụ Xoxlet khoảng
3 giờ. Lấy ra sấy khô đến khối lợng không đổi và để trong bình hút ẩm.
Cân trên cân phân tích giấy lọc (c), khối lợng mẫu cộng giấy lọc (b) trớc
khi trích ly trong axeton. Sau đó cho vào dụng cụ Xoxlet để trích ly với thời gian
15-20 giờ. Khi đã đạt thời gian trích ly lấy ra và sấy khô đến khối lợng không
đổi và để vào bình hút ẩm. Cân xác định khối lợng mẫu sau khi trích ly (a).
Hàm lợng phần gel đợc tính theo công thức:
X =
(%)
cb
ca

Trong đó: a- Khối lợng mẫu sau khi trích ly, g.
b- Khối lợng mẫu và giấy lọc trớc khi trích ly, g.
c- Khối lợng giấy lọc, g.
24
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
II.2.Các phơng pháp phân tích các tính chất cơ lý của vật liệu PC
[9,10]
II.2.1.Phơng pháp xác định độ bền uốn
Độ bền uốn đợc xác định theo tiêu chuẩn ISO 178 1993 (E) trên máy
INSTRON 100 KN (Mỹ).
Tốc độ đo: 2 mm/phút.
Kích thớc mẫu: 100ì15ì4 mm.
Độ bền uốn đợc tính theo công thức sau:

u
=
)(
2
3
2
MPa
bh
FL
Trong đó: F: Lực tác dụng lên mẫu, N.
L: Khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm.
b: Chiều rộng của mẫu, mm.
h: Chiều dày của mẫu, mm.
II.2.2.Phơng pháp xác định độ bền kéo
Độ bền kéo đợc xác định theo tiêu chuẩn ISO 527 1 trên máy INSTRON

100 KN (Mỹ).
Tốc độ kéo: 2 mm/phút.
Kích thớc mẫu: mẫu dạng hình mái chèo, có dạng nh hình vẽ:
Mẫu đo độ bền kéo
Độ bền kéo đợc xác định theo công thức sau:

k
=
)(MPa
A
F
Trong đó: F: Lực tác dụng, N.
A: Diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu, mm
2
.
25