Tiều luận: Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh

TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU
COMPOZIT NỀN EPOXY GIA
CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY
TINH




JUNE 1, 2014

1




Lời mở đầu
Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với
hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao
thông vận tải… Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn đòi
hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kĩ thuật cao hơn ưu việt hơn. Ngành
công nghiệp vật liệu compozit có lịch sử từ rất lâu đời, tuy nhiên nó chỉ thực sự phát
triển mạnh mẽ và có nhiều phát triển vượt bậc vào khoảng 50 năm trở lại đây, đặc biệt
là vật liệu compozit nền polyme. Vật liệu compozit được ứng dụng cực kì rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực do các đặc tính ưu việt của nó so với loại vật liệu truyền thống như giá
thành hợp lí, cơ tính tốt…
Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu được tạo thành từ hai loại cấu tử chính
là nhựa nền polyme và sợi gia cường. Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng
cho vật liệu polyme compozit là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit. Một trong những
vật liệu compozit nền polyme ra đời sớm nhất và được sử dụng nhiều nhất là compozit
nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh, do nó có giá thành khá rẻ, cơ tính cao, tính

chất hóa lí tốt. Tuy nhiên vấn đề xử lí phế thải của loại vật liệu này là rất khó khăn, do
nó không có khả năng tái tạo, không có khả năng phân hủy . Do vật 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 180
0
C, 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
CH
3
CH
3
O-CH
2
-CH-CH
2
OH
O
n

CH
2

-CH-CH
2
O
O
C
CH
3
CH
3
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 - 50
0

C :
HO
OH
C = O
CH
3
CH
3
+
+
HO
C
CH
3
CH
3
OH
+
H
2
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 - 155
0
C.

Epiclohidrin,
hợp chất có giá thành cao hơn và rất độc, được tổng hợp từ các
phản ứng sau:
CH
2
= CH Cl
2
+
CH
3
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 - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
OH
+
NaOH
CH
2
- CH - CH
2
- Cl
+
NaCl
+
H
2
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 Cl
2
(khÝ)
CH
2
- CH - CH
2
Cl
OH
Cl
+
2
H

2
O
xt
(5)

CH
2
- CH - CH
2
Cl
OH
Cl
+
NaOH
Cl - CH
2
- CH - CH
2
O
+
NaCl
+
H
2
O
(6)

ECH là chất lỏng không màu, mùi hắc, tỷ trọng 1,18 (g/ml), nhiệt độ sôi 117 -
118
0

C.
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 60-70
0
C và tỏa nhiệt (H
= -17Kcal/mol):

CH
2
- CH - CH
2
- Cl
O
O
Cl - CH
2
- CH - CH
2
C
CH
3
CH
3
OH
HO
+
+

C
CH
3
CH
3
O - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
Cl - CH
2
- CH - CH
2
- O
OH
OH
(7)


Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chậm và thu nhiệt
(H=29Kcal/mol):
18


C
CH
3
CH
3

O - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
Cl - CH
2
- CH - CH
2
- O
OH
OH
NaOH
2
C
CH
3
CH
3
O - CH
2
- CH - CH
2
CH
2
- CH - CH
2
- O
O
O

NaCl
H
2
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
OH
O

(A)
C
CH
3
CH
3
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
CH
3
CH
3
OH
HO
CH
2
- CH - CH
2
- Cl
O
(n + 1)
(n + 2)
+

19


C
CH
3
CH
3
O-CH
2
-CH-CH
2
OH
O
n

CH
2
-CH-CH
2
O
O
C
CH
3
CH
3
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 (M<450), đặc(M<800) đến rắn (M>800); 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 0
0
C

đến 200
0
C .
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 - NH
2
thì nguyên tử H của nhóm
amin sẽ tạo thành với O của nhóm epoxy những nhóm hydroxyl mới như sau:
C
CH
3
CH

3
O - CH
2
- CH - CH
2
CH
2
- CH - CH
2
- R - O
O
OH
NH
(CH
2
)m
NH
C
CH
3
CH
3
O - CH
2
- CH - CH
2
CH
2
- CH - CH
2

- 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 0
0
C đến 150
0
C.
Mặc dù có hoạt tính cao, một vài chất đóng rắn amin, khi đóng rắn ở nhiệt độ
thấp (0
0
C-20
0
C) 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)

H
2
N – CH
2
– CH
2
– NH – CH
2
–CH
2
– NH
2
. . . - N - . . .
. . . - N - CH
2
- CH - CH
2
- R - N - CH
2
-CH - CH
2
- R - N - . . .
OH
OH
. . . - N - CH
2
- CH - CH
2
- R - N - CH
2

-CH - CH
2
- R - N - . . .
OH
OH
(CH
2
)m
(CH
2
)m
(CH
2
)m
. . . - N - . . .
(CH
2
)m
. . . N - . . .
O - CH
2
- CH - CH
2
C
CH
3
CH
3
O
OH

n

24


Trietylentetramin (TETA)
H
2
N – (CH
2
)
2
– NH – (CH
2
)
2
- NH – (CH
2
)
2
– NH
2

Dietylaminopropylamin (DEAP)


Polyetylenpolyamin
H
2
N – (CH

2
– CH
2 –
NH )
n
– CH
2
–CH
2
– NH
2
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
C
2
H
5
C
2
H
5