Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) trên cơ sở nhựa vinyl ester và sợi vải gia cường, ứng dụng chống ăn mòn các thiết bị hoá chất

VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM







BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU
POLYME-COMPOZIT (PC) TRÊN CƠ SỞ NHỰA VINYL-
ESTER VÀ SỢI VẢI GIA CƯỜNG, ỨNG DỤNG
CHỐNG ĂN MÒN CÁC THIẾT BỊ HOÁ CHẤT


CNĐT : LÊ THỊ THU HÀ











9019

HÀ NỘI – 2011

1

MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp hóa chất hiện nay có vai trò quan trọng trong công cuộc
công nghiệp hóa - hiện đại hóa của nước ta. Việc đổi mới công nghệ tại các cơ sở
đang sản xuất và vấn đề đầu tư xây dựng các nhà máy hóa chất mới có liên quan chặt
chẽ và đòi hỏi những công nghệ sản xuất tiên tiến hơn.
Đặc trưng của công nghiệp hóa chất là các dây chuyền sản xuất liên tục và rất
phức tạp, các điều kiện phản ứng được khống chế nghiêm ngặt, môi trường hóa chất
khắc nghiệt. Vì thế, để đáp ứng được năng suất cũng như đảm bảo an toàn cho quá
trình sản xuất cần phải nghiên cứu ra những loại vật liệu đáp ứng được nhu cầu của
ngành.
Trước đây, ngành công nghiệp hóa chất cũng như các sản phẩm dùng cho mục
đích chịu môi trường thường sử dụng loại thép không rỉ hoặc thép có bọc nhựa. Vào
những 1950, bước đột phá quan trọng của ngành vật liệu compozit đó là sự xuất hiện
nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật
liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, ngành hàng không, vũ trụ, quân sự…
Tại Việt Nam, vật liệu compozit đã được nhiều các nhà khoa học tại các cơ sở
nghiên cứu như trường đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam….nghiên cứu và chế tạo ra nhiều sản
phẩm như xuồng cứu sinh, giải phân cách di động, biển báo giao thông…. Các loại
sản phẩm compozit thường được nghiên cứu trên cơ sở nhựa epoxy, polyeste không
no, vinyleste… , sợi gia cường và chất độn. Những loại sản phẩm này đã được nghiên
cứu thử nghiệm và mục đích sử dụng chủ yếu là cho ngành dân dụng.
Trên thị trường hiện nay, các công ty trong nước và nước ngoài sản xuất rất

nhiều các sản phẩm dạng compozit như: thùng chứa nước sạch tanoval của Công ty
Hoàng Anh compozit; sản phẩm ống sợi thủy tinh của Công ty Cổ phần Ống sợi
Thủy tinh Nghi Sơn; vật liệu compozit lót sàn, nền cho các khu công nghiệp lớn của
công ty Việt Quang chemical; bồn, bể, thùng (chứa nước thải, nước tẩy nhuộm, lưu
trữ xăng dầu) của công ty Vinatank; sản phẩm của công ty Plasmate là các loại vật
liệu có mã số 890-CSM600, 899-CSM900, 932-S2QD1200/PB có thể chống ăn mòn,
chống lửa và chống đạn; ….Tuy nhiên các sản phẩm sản xuất trong nước đều sử dụng
cho dân dụng và sử dụng nguyên liệu nhập ngoại, các sản phẩm cao cấp hơn thì nhập
ngoại hoàn toàn nên giá thành rất cao. Vì vậy, đề tài ”Nghiên cứu công nghệ chế tạo
vật liệu polyme – compozit (PC) trên cơ sở nhựa Vinyl – ester và sợi vải gia cường,
ứng dụng chống ăn mòn các thiết bị hóa chất” là vấn đề cần thiết, có ý nghĩa ứng
2

dụng trong các dây chuyền sản xuất hóa chất cho ngành công nghiệp hóa chất nói
chung.
Mục tiêu của đề tài là tạo ra công nghệ chế tạo vật liệu polyme – compozit trên
cơ sở nhựa vinyl – este và sợi vải gia cường, ứng dụng để bọc lót bảo vệ thiết bị
ngành công nghiệp hóa chất.
Từ mục tiêu trên, đề tài được thực hiện với những nội dung sau:
- Tổng hợp nhựa vinyl – este. Phân tích tính chất của nhựa.
- Lựa chọn loại vải gia cường (chất liệu, độ dày, kích thước lỗ vải…)
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme – compozit trên cơ sở nhựa vinyl – este
và sợi vải lựa chọn.
- Tối ưu hóa các điều kiện chế tạo mẫu (tỷ lệ các thành phần, điều kiện công nghệ
chế tạo).
- Sản xuất thử 50m
2
.
- Thử nghiệm sản phẩm ở điều kiện thực tế và đánh giá chất lượng sản phẩm.
- Đề xuất phương án sản xuất quy mô pilot.

3


PHẦN 1: TỔNG QUAN
1. 1.Các phương pháp tổng hợp nhựa vinyleste.
1.1.1. Nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa epoxy sử dụng chất xúc tác là muối amin
bậc bốn.
Để kết hợp những ưu điểm của nhựa epoxy như tính năng cơ lý, khả năng chịu
nhiệt tốt, quá trình thao tác đơn giản với khả năng đóng rắn nhanh, giá thành rẻ của
nhựa polyeste, Siva.P cùng cộng sự … đã nghiên cứu tổng hợp ra loại nhựa vinyleste.
Ảnh hưởng của styren và α-metyl styren đến quá trình đóng rắn của loại nhựa tổng hợp
cũng đã được nghiên cứu. Nhựa vinyleste được tổng hợp từ methacrylic axit và nhựa
epoxy có cấu tạo như sau:

Hình 1.1: Cấu trúc của nhựa vinyl este đã tổng hợp
Nghiên cứu cho thấy nhựa vinyl este tổng hợp có độ bền cơ, lý, hóa cao phù
hợp để chế tạo tấm compozit với sợi thủy tinh gia cường.
Các tác giả đã nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ gel hóa và thời gian đối
với 5 loại nhựa vinyleste tổng hợp được (A, B, C, D, E). Kết quả là tại nhiệt độ tạo
gel càng cao thì thời gian tạo gel càng ngắn.
Lượng dung môi sử dụng ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn và đỉnh tỏa nhiệt
của nhựa tổng hợp. Nghiên cứu với dung môi là styren cho thấy, khi tăng hàm lượng
từ 30–50 % phần trọng lượng nhựa thì thời gian gel hóa giảm từ 18 phút xuống 11
phút, đỉnh tỏa nhiệt tăng từ 56
0
C lên đến 80
0
C.
Khi sử dụng α-methyl styren cùng với nhựa vinyl este đã styren hóa cho thấy,

thời gian gel hóa bị chậm lại rất nhiều và nhiệt độ ở đỉnh tỏa nhiệt giảm. Với lượng α-
methyl styren sử dụng là 10% trọng lượng và styren 40% nhựa thời gian gel hóa là
hơn 8 giờ, đỉnh tỏa nhiệt không xác định.

4


Thời gian (phút)
Hình 1.2: Đỉnh gel hóa của nhựa vinyl este với hàm lượng % styren khác nhau.
Nghiên cứu cho thấy loại nhựa vinyleste phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm
vật liệu polyme compozit cách nhiệt, chịu môi trường [1].

1.1.2. Nhựa vinyl este trên cơ sở poly(etylen terephlata) thải.
Người ta cũng tiến hành tổng hợp nhựa vinyleste đi từ Poly(etylen terepthalat)
(PET) theo các bước sau:
-Bước 1: Depolyme hóa PET với sự có mặt một lượng dư tetraetylen glycol (TEG);
có sử dụng mangan acetat làm xúc tác.
-Bước 2: Phản ứng giữa oligome tạo thành với epichlohydrin để tạo thành nhựa
epoxy; sử dụng xúc tác NaOH.
-Bước 3: Nhựa vinyleste được tạo thành bởi phản ứng giữa các nhóm epoxid nối
mạch với AA hoặc MAA.
Chu trình phản ứng xảy ra như sau:
5




Hình 1.3: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este [2]
6

1.1.3. Nhựa vinyl este trên cơ sở diglycidyl ete của bisphenol A với axit metacrylic.
Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở diglycidyl ete của bisphenol A
với axit metacrylic có sử dụng xúc tác loại amin (nhóm imido) hoặc chất crom càng
cua (cromium diisopropyl salicylat) đã được nghiên cứu tại Pháp.
Một lượng diglycidyl ete của bisphenol A cùng với hydroquinon được đưa vào
bình phản ứng thủy tinh 3 cổ 1 lít, hỗn hợp được khuấy đều và nâng nhiệt độ lên
100
0
C. Sau xúc tác được đưa vào một lượng vừa đủ, phản ứng duy trì tiếp tục trong
vòng 3 giờ. Quá trình phản ứng phụ thuộc vào việc xác định nhóm epoxy ở từng thời
điểm khác nhau của phản ứng. Sản phẩm cuối có màu xanh lá cây nhạt với loại xúc
tác là cromium diisopropyl salicylat và có màu hổ phách đối với chất xúc tác loại
amin.


Hình 1.4: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa diglycidyl ete
của bisphenol A với axit metacrylic.
7

Qua quá trình tổng hợp nhựa vinyl este với hai loại xúc tác các nhà nghiên cứu
đã đưa ra kết luận: phản ứng tổng hợp nhựa vinyl este trên cơ sở nhựa diglycidyl ete
của bisphenol A với axit metacrylic có sử dụng xúc tác là cromium diisopropyl
salicylat xảy ra nhanh hơn phản ứng sử dụng xúc tác là amin.
Sản phẩm có khả năng làm chất nền cho vật liệu polyme compozit chống ăn
mòn cho các thiết bị hóa chất [3].
1.1.4. Nhựa vinyl este trên cơ sở dầu đậu nành.
Nhựa vinyl este tổng hợp từ dầu đậu nành epoxi hóa với axit metacrylic ở nhiệt
độ 130
0

C đã được nghiên cứu tại khoa Công nghệ Vật liệu – Đại học Bách khoa- Đại
học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai đã được sử dụng trong nghiên cứu để đánh
giá ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào metyl etyl keton peroxit (MEKP) và
chất xúc tiến Co
2+
khác nhau đến khả năng đóng rắn của nhựa vinyl este đã tổng hợp.
Nhựa vinyl este này cũng được khảo sát đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Trong
trường hợp này, lượng monome chưa tham gia phản ứng của nhựa cũng được xác định
trên thiết bị đo nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry – DSC).
Qua quá trình tổng hợp, khảo sát khả năng đóng rắn của nhựa và tạo vật liệu
compozit trên cơ sở nhựa vinyl este nhóm đề tài đã đưa ra kết luận:
+ Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyl este bền hóa chất, chịu môi trường ăn mòn
hóa học tốt, phù hợp để sản xuất vật liệu compozit chống ăn mòn hóa chất.
+ Nhựa đóng rắn ở nhiệt độ phòng (có mặt chất xúc tác và chất xúc tiến) [4].
1.1.5. Nhựa vinyl este epoxy trên cơ sở nhựa epoxy epikot 828.
Với mục đích tạo ra loại vật liệu polyeste không no mới có khả năng chịu kiềm
tốt, tính chất cơ lý cao, khả năng thấm sợi tốt, các nhà khoa học trường đại học Bách
khoa đã nghiên cứu loại nhựa vinyl este epoxy.
Loại nhựa này được tổng hợp từ nhựa epoxy lỏng (epikot 828) và axit
metacrylic, có sử dụng xúc tác. Phản ứng mở vòng nhóm epoxy bằng axit cacboxylic
không no có nối đôi đầu mạch diễn ra như sau:

Hình 1.5: Phản ứng mở vòng nhóm epoxy bằng axit cacboxylic không no.
8

Dưới xúc tác của amin bậc ba cơ chế phản ứng xảy ra theo cơ chế sau:
- Phản ứng theo cơ chế 1:
Amin bậc ba sẽ hoạt hóa nhóm axit tạo thành anion axit và anion này sẽ tấn
công vào các nhóm epoxy ở đầu mạch.

Hình 1.6: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyleste trên cơ sở nhựa epoxy và axit
cacboxylic không no có nối đôi ở đầu mạch theo cơ chế 1.
- Phản ứng theo cơ chế 2:
Amin bậc ba hoạt hóa nhóm epoxy tạo thành anion alkoxit trước, anion này
tiếp tục tác dụng với axit.

Hình 1.7: Phản ứng tổng hợp nhựa vinyleste trên cơ sở nhựa epoxy và axit
cacboxylic không no có nối đôi ở đầu mạch theo cơ chế 2.
Sản phẩm là một loại nhựa vinyl este epoxy có màu vàng sáng, trong. Nhựa có
độ nhớt cao ở nhiệt độ thường và độ nhớt sẽ giảm khi tăng nhiệt độ hay tăng hàm
lượng monome tương hợp. Khác với nhựa polyeste không no thương phẩm, nhựa vinyl
este epoxy có khả năng tương hợp rất cao với styren và tạo ra khả năng dễ điều chỉnh
độ nhớt của hệ nhựa thuận lợi khi gia công. Mật độ liên kết ngang của nhựa tổng hợp
này phù hợp với yêu cầu để chế tạo vật liệu compozit chịu ăn mòn hóa chất [5].
9


1.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste.
1.2.1.Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste có gia cường bằng sợi thủy tinh.
Các nhà nghiên cứu Ấn Độ đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở
nhưa vinyleste được gia cường bằng sợi thủy tinh. Các tấm mẫu vật liệu PC chế tạo ra
được phân tích cấu trúc bề mặt. Hình 1.8 trình bày ảnh SEM của mẫu vật liệu PC dạng
tấm được chế tạo từ nhựa vinyleste với sợi thuỷ tinh dạng rối.

Hình 1.8: Ảnh SEM cho thấy sợi bị kéo ra của một tấm compozit vinyleste-vải thủy tinh
Độ bền va đập của các mẫu vật liệu PC được xác định bằng thiết bị con lắc, mô
tả trong hình 1.9 dưới đây:

Hình 1.9: Sơ đồ thiết bị con lắc.

h: con lắc tay búa (một cái búa hình trụ); vật mẫu S
10

Vât liệu PC nêu trên được chế tạo từ sợi thủy tinh dạng E có khối lượng riêng
2,56 g/cm
3
và modun đàn hồi 72,35 GPa, trong khi nhựa vinyleste của hãng Bakelit
Hylam loại HPR 8171 có khối lượng riêng 1,21g/cm
3
, modun đàn hồi 2,5 – 4 MPa, có
sử dụng MEKP, cobalt naphthalen và N,N-dimethyl anilin làm chất xúc tác, chất khơi
mào phản ứng và chất trợ phân tán. Nhìn chung, đã có nhiều hãng sản xuất nhựa PC
trên cơ sở nhựa vinyleste gia cường bằng vải sợi thuỷ tinh với các chỉ tiêu nguyên liệu
đầu vào rất khác nhau, đồng thời chất lượng sản phẩm đầu ra cũng rất đa dạng. Bảng
1.1 là một ví dụ:
Bảng 1.1: Đặc tính cơ học của vật liệu có tỷ lệ 63,5% là vải thủy tinh
và 36,5 là nhựa vinyleste cùng phụ gia
Độ bền kéo đứt
(MPa)
Modun kéo
(GPa)
Năng lượng bẻ gãy
(J)
Độ bền va đập
(kJ/m
2
)
623.2
21.37
0.9762

34.54
Sau thử nghiệm cho thấy, loại vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste và sợi
thủy tinh sau 1000 chu kỳ mới bắt đầu bị ảnh hưởng [6].
Khả năng chịu môi trường của loại vật liệu này cũng được nghiên cứu tại trường
đại học Konkuk (Hàn Quốc).

Hình 1.10: Mô tả sự phân hủy của vật liệu compozit trong môi trường kiềm
Những tấm vật liệu mẫu được bảo quản ở 22
0
C, độ ẩm đạt 50%.
Môi trường thử nghiệm đối với kiềm: KOH, NaOH, NH
4
OH, Ca(OH)
2
ở nhiệt
độ 20, 40, 60 và 80
0
C trong 300 ngày. Môi trường thử nghiệm đối với nước: những
tấm vật liệu mẫu được để ngay dưới vòi nước chảy liên tục 100 ngày ở 20
0
C.
11



Hình 1.11: Bề mặt của vật liệu sau 60, 300 ngày trong dung dịch kiềm ở 20
0
C
Kết quả nghiên cứu cho thấy:
- Trong môi trường kiềm độ bền kéo của vật liệu giảm đáng kể khi tăng thời

gian tiếp xúc và tăng nhiệt độ môi trường.
- Trong môi trường nước độ bền kéo của vật liệu giảm không đáng kể [7].


Hình 1.12: Bề mặt của vật liệu sau 60, 300 ngày trong dung dịch kiềm ở 60
0
C
Ngoài ra, hỗn hợp nhựa vinyl-este gia cường bằng sợi thuỷ tinh khi kết hợp với
tác nhân chống cháy aluminum trihydrat (15%), tạo ra một loại vật liệu có khả năng
chống cháy và chống ăn mòn cao.
Giá thành của sản phẩm được tính toán là phù hợp và sản phẩm đã được ứng dụng
trong công nghệ sản xuất thiết bị phục vụ ngành hàng hải [8].
1.2.2. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste có gia cường bằng sợi đay.
Vật liệu compozit trên cơ sở nhưa vinyleste được gia cường bằng sợi đay đã
được nghiên cứu. Các sợi đay đã được xử lý qua dung dịch NaOH 5% sau 0, 2, 4, 6 và
8 giờ ở 30
0
C.
12



Hình 1.13: Sự phân tán của sợi đay trong nhựa vinyleste
a, sợi đay thô; b, sợi đay đã được sử lý bằng dung dịch NaOH 5% sau 2 giờ.
Thí nghiệm cho thấy, độ phân tán của sợi đay sau khi đã được xử lý bằng dung
dịch NaOH 5% trong nhựa vinyleste tốt hơn khi chưa xử lý. Các tính năng độ bền của
vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste cũng được cải thiện khi sử dụng sợi đay đã
qua xử lý để gia cường [9].
Bảng 1.2: Đặc tính cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste –
sợi đay thô và đã qua xử lý.

Tỉ lệ sợi
(%)
Kiểu sợi
(đã xử lý-giờ)
Modul
(GPa)
Độ bền uốn
(MPa)
Năng lượng
bẻ gãy (J)
Độ bền
va đập
(kJ/m
2
)
35
0
11,890
199,10
0,5543
22,10
2
12,700
205,20
0,4570
18,55
4
14,690
238,90
0,5695

21,92
6
14,890
232,00
0,5678
23,05
8
12,320
204,20
0,5099
19,97
1.2.3. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste gia cường bằng sợi thủy tinh và sử
dụng chất độn vô cơ.
Usman.A.S và Rorathia.M.C thuộc hải quân Mỹ đã nghiên cứu vật liệu compozit
trên cơ sở các loại nhựa như vinyleste, epoxy và phenolic có gia cường bằng sợi thủy
tinh và các chất độn vô cơ.
13

Các tấm vật liệu được nghiên cứu trên cơ sở: nhưa vinyleste/sợi thủy tinh/ lớp phủ
gốm; nhựa epoxy/grafit/ lớp phủ gốm và nhựa phenolic/grafit/ lớp phủ gốm.
Tính chất của các loại compozit đã chế tạo được đánh giá thông qua phép đo độ
bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D-790, khả năng bắt cháy và cách nhiệt theo ASTM E-
1354, chỉ số bắt lửa theo ASTM E-162, khói và khí độc được xác định theo ASTM E-
662.
Kết quả cho thấy khả năng chịu nhiệt của các loại vật liệu đã nghiên cứu là trên
450
0
F.
Với nguồn nhiệt bức xạ có công suất 25 kW/m
2

, tấm vật liệu trên cơ sở nhựa
vinyleste/sợi thủy tinh/, lớp phủ gốm chỉ mất 1% phần trọng lượng, nhưng tấm vật liệu
nhựa epoxy/grafit/ lớp phủ gốm và nhựa phenolic/grafit/, lớp phủ gốm mất đến 4% trọng
lượng.
Khi nguồn bức xạ tăng lên đến 100 kW/m
2
, tấm compozit trên cơ sở nhưa
vinyleste/sợi thủy tinh/, lớp phủ gốm mất trọng lượng nhiều nhất.
Tuy nhiên, các loại compozit đã nghiên cứu được đánh giá là loại vật liệu chịu
nhiệt tốt có thể sử dụng cho ngành hải quân [10].
1.2.4. Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa vinyleste gia cường bằng sợi aramit.
Sợi aramit là một loại sợi tổng hợp trên cơ sở polyamit. Sợi aramit có chứa đến
85% liên kết -CO-NH- gắn trực tiếp giữa hai vòng thơm. Loại sợi tổng hợp này có khả
năng chịu nhiệt cao và rất bền, chúng được nghiên cứu làm gia cường cho vật liệu
compozit trên cơ sở nhựa vinyleste.

Hình 1.14: Một phần cấu trúc sợi para - aramit.
Nhựa vinyleste loại XSR-10 đã styren hóa và sợi aramit của Hàn Quốc được sử
dụng trong nghiên cứu này có các thông số như sau:
14


Bảng 1.3: Tính chất vật lý của sợi aramit và nhựa vinyleste
Tính chất vật lý
Sợi aramit
Nhựa vinyleste
Tỷ trọng (g/cm
3
)
1,44

1,15
Modun kéo (GPa)
62,00
3,71
Độ bền kéo (MPa)
2760
63
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lực đến mẫu vật liệu compozit trên cơ sở
nhựa vinyleste gia cường bằng sợi aramit có độ dày khác nhau cho thấy:
- Khả năng hấp thụ lực tác động vào vật liệu có độ dày khác nhau thì khác
nhau.
- Khả năng hấp thụ lực thay đổi rõ rệt ở loại vật liệu compozit có 3 lớp hỗn
hợp và 4 lớp hỗn hợp.
- Với một nguồn năng lượng 91,37 (J) và 110,73 (J) truyền qua loại vật liệu
compozit có 3 lớp hỗn hợp và 4 lớp hỗn hợp, bề mặt vật liệu không thay đổi
[11].
1.3.Vải sợi thủy tinh.
Nhìn chung, mỗi vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm
trong cấu trúc của vật liệu compozit.
Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha
gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforcement)
được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước…
Các loại sợi gia cường có tầm quan trọng đặc biệt, làm cho vật liệu polyme
compozit có độ bền cơ lý cao đồng thời tăng độ chịu nhiệt, chịu lửa, cải thiện hệ số
giãn nở, chịu mài mòn và cách điện
Các nhóm sợi được sử dụng làm gia cường cho vật liệu compozit phổ biến
gồm: nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm…; nhóm sợi tổng hợp
ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil.
Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi

đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi
15

nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép,
đồng, nhôm,
Vải thủy tinh là loại vải rất hay được sử dụng làm vật liệu gia cường cho vật
liệu compozit do có kết cấu đa dạng. Sản phẩm compozit có gia cường bằng sợi vải
thủy tinh thì sản phẩm được cải thiện nhiều về tính năng cơ, lý…
Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hoá
sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn điện thấp. Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: sợi
dài (dạng chỉ) và sợi ngắn. Thông thường chúng có dạng hình tròn, ngoài ra cũng gặp
sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông, hình lục giác
Công nghệ để sản xuất tất cả các loại sợi thuỷ tinh là kéo sợi từ dung dịch nóng
chảy. Có ba phương pháp chính để sản xuất ra sợi thuỷ tinh: kéo sợi từ dung dịch
nóng chảy qua khuôn, kéo sợi từ những phôi thuỷ tinh được sấy nóng, nhận được các
sợi ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi không khí, hơi
Sợi thuỷ tinh nhận được dưới dạng sản phẩm sợi thô, thường được dùng để
xoắn bện thành chỉ, dệt thành vải cho các công đoạn gia công tiếp theo. Những sợi
thô thường được chuốt qua parafin có bổ xung thêm một số phụ gia khác để tăng độ
kết dính giữa polyme với chúng.
Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của sợi thuỷ tinh
Tính chất cơ lý
Loại sợi
STT magie
nhôm silicat
STT nhôm
borsilicat
STT có tính ổn
định cao với
môi trường

Khối lượng riêng,kg/m
3

2480
2540
2490
Độ bền kéo (MPa)
22
0
C
371
0
C
533
0
C

4585
3768
2413

3448
2620
1724

3033


Modun đàn hồi kéo E
1

+
,
MPa ở 22
0
C
85,5
72,4
69,0
Hệ số dãn nở nhiệt,
.10
6

5,6
5,0
7,2
Hệ số dẫn nhiệt 
(W/mK)

10,4

Nhiệt độ nóng chảy,
0
C

841
749
16

Sợi thuỷ tinh có ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ, chúng được sử dụng rộng rãi
trong sản xuất vật liệu PC, để chế tạo các tàu tải trọng nhỏ, thuyền, xuồng, canô,

thuyền buồm thể thao, thân vỏ ô tô, các ống dẫn dầu … và rất nhiều các sản phẩm
phục vụ đời sống hàng ngày [12].
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại vải thủy tinh của các hãng khác nhau
như: Vải thủy tinh được chế tạo từ các sợi thủy tinh và sợi bazan của công ty TNHH
Hưng Vượng [13]; vải thủy tinh chế tạo từ những sợi thủy tinh rất mỏng có thể gia
cường cho các loại nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn [14]; vải thủy tinh của công ty
cổ phần công nghệ và vật liệu nhựa cao cấp Plasmate; vải thủy tinh cách âm, chống
cháy của công ty Đông Á, có đường kính sợi 16m và đã được xử lý bề mặt …
1.3.1. Vải thủy tinh bề mặt mỏng.
Vải thủy tinh có bề mặt mỏng và vải màn bằng vải thủy tinh, được thiết kế dùng
làm lớp bề mặt cho các sản phẩm compozit gia cường bằng sợi thủy tinh yêu cầu bề mặt
đẹp, chất lượng cao trong khi không cần dùng đến lớp màng polyme bảo vệ.
Các vải chất lượng này có thể ngăn cản sự rạn nứt của màng phủ, ngăn chặn sự
thâm nhập của nước cũng như kéo dài tuổi thọ của bề mặt sản phẩm thêm nhiều năm.

Hình 1.15: Vải thủy tinh bề mặt mỏng.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng phù hợp với công nghệ lăn ép tay. Các chất liên kết
trên cơ sở styren-acrylic giúp cho vải này có thể tương thích với tất cả các loại nhựa
như vinyl este, polyeste và nhựa epoxy.
Bên cạnh đó, các vải thủy tinh dạng mỏng, mịn còn dùng để sửa chữa các vết
nứt vỡ trên tường bằng cách sử dụng như vật liệu gia cường cho các hệ sơn trên
tường trong và ngoài nhà, nơi mà các rạn nứt như sợi tóc thường xuất hiện.
Các vải thủy tinh có bề mặt mỏng, mị này đáp ứng được các tiêu chuẩn:
+Tiêu chuẩn của Anh “BS4994”
17

(Thiết kế và xây dựng các thùng, bình chứa lớn trên cơ sở chất dẻo gia cường)
+Tiêu chuẩn của Mỹ “ASME/ANSI RPT-1-1989”
(Thiết bị chống ăn mòn trên cơ sở nhựa nhiệt rắn được gia cường).
+Tiêu chuẩn của Đức: DIN12116 (axit cấp 1), DIN52322: kiềm cấp 2 và DIN12111:

nước cấp 3.
1.3.2. Vải thủy tinh dạng mỏng, mịn cho công nghệ tạo khuôn.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng cho công nghệ tạo khuôn, được sử dụng để tạo ra
bề mặt có nhiều nhựa được gia cường đối với các sản phẩm composite gia cường
bằng vải thủy tinh theo phương pháp lăn ép bằng tay hoặc kỹ thuật ép khuôn
nóng/nguội.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn này thường là mềm, cho phép tạo hình theo
từng đường nét trên khuôn mẫu sản phẩm, chẳng hạn như làm ván lướt sóng, các
thuyền nhỏ, đồ nội thất và nắp thùng cho xe ô tô.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn cho công nghệ tạo khuôn đảm bảo một bề mặt
có chất lượng cao, chống ăn mòn, kéo dài tuổi thọ cho sản phẩm. Chúng đáp ứng
được các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn của Anh “BS4994” (Thiết kế và xây dựng các thùng,
bình chứa lớn trên cơ sở chất dẻo gia cường) và tiêu chuẩn của Mỹ “ASME/ANSI
RPT-1-1989”.
Khối lượng của loại vải này từ 22 – 40g/m
2
; chiều dày từ 0,02 – 0,05 mm;
đường kính sợi 16m, phù hợp dùng trong công nghệ ép khuôn nóng hoặc khuôn
nguội.
1.3.3. Vải thủy tinh dạng mỏng, mịn cho công nghệ quấn sợi.
Vải thủy tinh bề mặt mỏng, mịn cho công nghệ quấn sợi được phục vụ trong
công nghệ quấn sợi. Loại vải thủy tinh này được chế tạo với chất liên kết acrylic đã
được biến tính để đảm bảo cho chúng phù hợp với các máy quấn sợi tự động, kể cả các
phương pháp lăn ép bằng tay cũng như phương pháp ép khuôn. Chất liên kết được tăng
cường cho phép từng dải vải mỏng chạy vào máy tự động một cách trơn tru.
Tùy theo chiều dày cũng như chiều dài khách hàng yêu cầu mà các vải mỏng
này được cung cấp sao cho phù hợp với nhu cầu ứng dụng. Các vải tissue này đáp
ứng được các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn của Anh “BS4994” (Thiết kế và xây dựng các
thùng, bình chứa lớn trên cơ sở chất dẻo gia cường) và tiêu chuẩn của Mỹ
“ASME/ANSI RPT-1-1989”.

Loại vải này có khối lượng 23g/m
2
; chiều dày 0,04 – 0,045mm; đường kính sợi
12,5m. Vải có độ bền cao, phù hợp với máy quấn sợi cao tốc.
18

1.3.4. Các loại vải thủy tinh khác.
Hiện nay trên thị trường Việt Nam có nhiều loại vải thủy tinh của Trung Quốc
do các công ty nhập khẩu về. Sau đây là một số loại vải thủy tinh do công ty cổ phần
công nghệ và vật liệu nhựa cao cấp Plasmate nhập khẩu [15].



Hình 1.16: Một số loại vải thủy tinh nhập khẩu của Trung Quốc.
1.4. Nhựa epoxy
Nhựa epoxy là loại nhựa có nhiều đặc tính tốt như khả năng bám dính cao, có
khả năng chịu hóa chất tốt, vì vậy nó có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
và đời sống. Loại nhựa này được biết đến vào năm 1927 và chúng được sản xuất theo
một quy trình tổng hợp ổn định vào năm 1936 tại Mỹ do tiến sĩ S.O.Greenlee (Mỹ) và
tiến sĩ Pierre Castan (Thụy sĩ). Ngày nay, ba hãng sản xuất lớn trên toàn cầu là
Hexion, the Dow Chemical company và Huntsman Corporation’S Advanced Material
business Unit. Hình 1.17 giới thiệu cấu trúc nhóm epoxy:
CH
2
CH
O

Hình 1.17: Cấu trúc nhóm epoxy -α

Nhựa epoxy được điều chế từ epiclohydrin và bisphenol A bằng phản ứng

ngưng tụ, đóng rắn nhựa bằng diamin hoặc polyamin. Sản phẩm biến tính có tính
năng cơ, lý, hóa tốt và chịu được môi trường tốt hơn các loại nhựa tổng hợp khác như
phenolformaldehyt, polyuretan, polyeste, vinyleste…Một số loại nhựa epoxy thương
mại được trình bày trong bảng 1.5:


19

Bảng 1.5: Một số nhựa epoxy và nhựa epoxy biến tính
thương mại
Loại nhựa
Đương lượng epoxy
(EEW)
Tên thương mại
(công ty)
Epoxy mạch thẳng
140 – 160
150 – 205
DER 736 (DOW)
Epoxy mạch thẳng
230 – 280
Araldit 6040 (Ciba)
Epon 834 (Shell)
Epoxy mạch thẳng
1500 – 2000
Araldit 6097 (Ciba)
Epon 1007 (Shell)
Epoxy novolac
175 – 185
DER – 438 (DOW)

Epoxy novolac
210 – 245
Epon 1031 (Shell)
Cao su epoxy
140
EP 206 (Union Carbide)
Cao su epoxy
232
FMC-2002 (Ciba)
Epoxy chịu lửa
240 – 270
Epotuf 37-200 (Shell)

Để nâng cao những khả năng của nhựa epoxy, người ta đã biến tính nhựa epoxy
với rất nhiều loại nhựa và các sản phẩm khác như các khoáng chất. Kết quả đem đến là
khi trộn hợp với bột bạc, cho ra sản phẩm có tính dẫn điện cao, khi gia cường với các
loại sợi như sợi cacbon, sợi thủy tinh tạo ra những tấm compozit có độ bền cơ lý cao,
còn khi biến tính với nhựa novolac cho ra một sản phẩm nhựa có khả năng chịu nhiệt,
chịu môi trường và có khả năng bám dính cao hơn nhựa epoxy thông thường.

OH
OH
O
CH
2
CH
2
OH
CH
2

CH
CH
2
O

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

Hình 1.18: Phản ứng biến tính của nhựa epoxy

20

Ngày nay, nhựa epoxy cũng như các sản phẩm đã biến tính của nhựa epoxy
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: chế tạo sơn, véc ni, chất kết dính, vật

liệu compozit trong lĩnh vực điện và hệ thống thông tin điện tử, trong lĩnh vực tạo ra
vật liệu tiêu dùng… [16].
1.5. Phương pháp chế tạo vật liệu compozit.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp để chế tạo ra vật liệu compozit.
Mỗi phương pháp sản xuất lại có các đặc thù riêng liên quan đến chất lượng của sản
phẩm tạo thành.
Các phương pháp gia công chế tạo vật liệu compozit bao gồm:
- Phương pháp lăn ép bằng tay.
- Phương pháp phun trên khuôn.
- Phương pháp ép khuôn.
- Phương pháp RTM.
- Phương pháp đúc-kéo.
- Phương pháp quấn sợi.
- Phương pháp chân không.
- Phương pháp khuếch tán nhựa.
1.5.1. Phương pháp lăn ép bằng tay.
Phương pháp lăn ép bằng tay vật liệu compozit là một phương pháp cơ bản. Vật
liệu compzit được chế tạo bằng cách đặt từng lớp vải gia cường lên bề mặt khuôn và
quét nhựa lên từng lớp đó (bằng chổi) cho đến khi đạt được chiều dày sản phẩm như
mong muốn.
Đây là phương pháp chế tạo vật liệu compozit tiêu tốn nhiều thời gian nhất cũng
như sử dụng nhiều sức lao động.
Chất lượng sản phẩm cuối phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề người gia công. Việc
không loại bỏ được hoàn toàn bọt khí trong sản phẩm khi gia công đã làm ảnh hưởng
lớn đến độ bền của sản phẩm. Tuy nhiên, phương pháp này có tính linh động cao khi
sản xuất các sản phẩm có hình dáng bất kỳ hay có thể sắp xếp các sợi gia cường theo
một hướng dễ dàng.
1.5.2. Phương pháp phun trên khuôn.
Phương pháp phun compozit yêu cầu ít nhân lực hơn nhiều so với phương pháp
lăn ép bằng tay, do sử dụng súng phun và các loại sợi ngắn gia cường. Vì thế chỉ các

21

vật liệu compozit gia cường bằng sợi ngắn mới chế tạo theo phương pháp này. Các
sợi gia cường dài cần phải được cắt ngắn đến kích thước theo quy định của phương
pháp.
Về nguyên tắc, các sợi ngắn này sẽ được phun lên khuôn cùng với nhựa và
chất xúc tác thông qua các ống dẫn khác nhau. Hỗn hợp nhựa và sợi sau khi phun lên
khuôn sẽ sớm đóng rắn tại nhiệt độ thường và sản phẩm hình thành ngay trên khuôn.
Điểm mạnh của phương pháp này chính là có thể dễ dàng sản xuất các sản phẩm có
hình dạng phức tạp.
1.5.3. Phương pháp ép khuôn.
Phương pháp ép khuôn sử dụng lực ép tác động lên hỗn hợp nhựa/vải, hoặc
từng lớp đã được đặt lên khuôn. Phương pháp này có thể thao tác bằng tay hoặc máy
và đóng rắn ở nhiệt độ cao tùy thuộc vào nguyên liệu.
Dưới tác dụng của lực nén ép, thể tích của các bọt khí lưu lại trong sản phẩm giảm
đi đáng kể so với sản phẩm sản xuất bằng các phương pháp gia công khác.
1.5.4. Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Moulding).
Phương pháp bơm nhựa vào khuôn tương tự như các phương pháp ép phun
khác nhưng sự khác biệt chính là ở chỗ các vải sợi gia cường đã được đặt vào trong
khuôn trước khi nhựa nền được bơm vào.
Hình dạng của vật liệu compozit đã tạo hình trước, bằng cách cho các vải sợi
gia cường vào khuôn định hình.

Hình 1.19.Khuôn chế tạo vật liệu compozit theo phương pháp
bơm nhựa vào khuôn
Ưu điểm của phương pháp này là vải sợi gia cường có thể sử dụng ở cả dạng
sợi ngắn và sợi dài liên tục.
22

Tiêu chuẩn của các loại vải sợi này phải đảm bảo chịu được áp lực ép hình

thành khi nhựa được bơm vào để tránh tình trạng nén dồn ép các sợi trong suốt quá
trình điền nhựa để tránh hiện tượng sợi gia cường bị phân bố không đồng đều.
1.5.5. Phương pháp đúc-kéo.
Phương pháp đúc-kéo thường được sử dụng trong sản xuất các polyme
compozit sản lượng lớn. Một bó các sợi thô hoặc vải sợi có kích thước nhất định
được đưa qua một bể nhựa để thấm ướt, rồi được ép lại theo dạng hình thiết kế, sau
đó, chạy qua một khuôn nóng và đóng rắn tạo thành sản phẩm compozit.

Hình 1.20.Khuôn chế tạo vật liệu compozit theo phương pháp đúc kéo
Các compozit được cứng hóa, điển hình được gia cường theo một hướng bằng
các sợi dài liên tục hay đôi khi là vải gia cường theo 2 hướng, đều được kéo bằng một
đầu kéo để liên tục cấp các phần chưa đóng rắn của sợi đã tẩm nhựa đi vào khuôn
nóng, do đó mà được gọi là công nghệ “đúc-kéo”. Đây là một trong số rất ít các
phương pháp sản xuất liên tục tạo nên các sản phẩm compozit gia cường bằng sợi dài
liên tục. Tuy nhiên, chỉ có tiết diện của sản phẩm có thể thay đổi tùy thuộc vào từng
thiết kế trong khi chiều dài đạt theo ý muốn.
1.5.6.Phương pháp quấn sợi.
Đây là phương pháp rất đặc biệt để sản xuất compozit đi từ các sợi gia cường
dài liên tục. Các sợi đã ướt nhựa được quấn xung quanh một tang trống nhờ sử dụng
các đầu dẫn phụ.

23


Hình 1.21.Khuôn chế tạo vật liệu compozit theo phương pháp quấn sợi.
Tang trống (trục), sau đó, được đặt vào trong lò và đóng rắn tạo thành
compozit cứng. Do kiểu quấn được kiểm soát và điều khiển nên thể tích sợi trong sản
phẩm có thể đạt rất cao để tạo nên các sản phẩm có tính chất cơ học cao nhất. Quá
trình quấn sợi thường tiêu tốn thời gian và là nguyên nhân làm giảm sản lượng của
quy trình. Tuy nhiên, do tính chất cơ học rất cao của sản phẩm thu được cùng với quy

trình tự động hóa cao, nên phương pháp này được ứng dụng nhiều trong ngành hàng
không [17].
1.6.Ứng dụng của vật liệu polyme - compozit.
Do đặc tính vượt trội so với các vật liệu truyền thống, vật liệu compozit được
sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không, vận tải, xây dựng, đóng tàu,
dân dụng…
Compozit là vật liệu được tạo thành từ sự kết hợp giữa hai hoặc nhiều loại vật
liệu khác nhau. Đây là loại vật liệu mới có tính năng kế thừa các đặc tính của vật liệu
cấu thành.
Vật liệu compozit là sự kết hợp của các vật liệu nhằm phát huy các ưu điểm về
tính năng kỹ thuật của các vật liệu cấu thành. Vật liệu này có khả năng chịu lực và độ
cứng trên trọng lượng lớn, là loại vật liệu nhẹ so với các loại vật liệu truyền thống
khác. Đây là loại vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng trong tương lai, đặc biệt trong
các ngành công nghệ cao như công nghệ vũ trụ. Vật liệu compozit thu hút được sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu và giới khoa học trong và ngoài nước, được ứng
dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới.
1.6.1.Trên thế giới.
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu compozit đã được nhiều
nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành
24

công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai
nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này.
Cho đến nay thì vật liệu Compozit polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều
chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng,
tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên
liệu cho máy móc.
Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay,
mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boing 757, 676
Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết,

các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các
ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao,
các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng khác.
1.6.2.Tại Việt Nam.
Vật liệu compozit được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh
tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit được tiêu thụ ở Việt
Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; theo đó vật liệu composite được sử dụng nhiều
trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử
dụng vật liệu Compozit vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục,
bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng
trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các
trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Compozit vào các lĩnh
vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.

Vật liệu composite trong hàng không
Trong những năm gần đây, compozit được sử dụng chế tạo các bộ phận trên
máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng Theo
thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50%
compozit trên toàn bộ trọng lượng.
Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu
này trong ngành Hàng không là độ bền và độ cứng tương đối trên trọng lượng riêng
của composite lớn. Điều này làm giảm tự trọng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu,
giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh doanh. Compozit còn được sử dụng
để chế tạo các chi tiết hình dáng phức tạp, góp phần làm giảm số lượng chi tiết trên
máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm.
Vật liệu compozit cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc
tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó còn được sử dụng nhiều trong
công nghệ vũ trụ.