B GIO DC V O TO
TRNG I HC
KHOA
Ti : Nghiờn cu ch to vt liu Polyme
Compozit trờn c s nha Wpoxy novolac Epoxy
Cacdanol gia cng bng si lanh
Ging viờn hng dn :
Sinh viờn thc hin :
Lp :
MSSV :
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 sống Một trong
những thành tựu đó là sự ra đời và phát triển của vật liệu compozit. Vật
liệu compozit ra đời đáp ứng đợc 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
1
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 công Những 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 lợng 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:
2
- 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.
3
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]
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
4
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.
5
- 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 ng ời 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 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]:
6
- 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.
7
+ 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 phơng pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phơng pháp này vật liệu PC
đợc chia thành ba nhóm:
+ 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 ph-
ơng pháp gia công.
I.1.3. Các thành phần chính của vật liệu PC
I.1.3.1. Cốt cho vật liệu PC
8
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 đ-
ợc 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 trờng 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.
9
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 cờng 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 cờng 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 ph-
ơng 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 c-
ờng 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
10
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.
- 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
11
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
12
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 c-
ờng để tạo nên một lớp 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
13
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
14
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]
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 dàng Vật liệu PC ngày càng đ ợc 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 lợng, 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 bay Ưu điểm
15
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 lý Các 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 đợc nhiều kim loại thông thờng, những vật liệu đã đợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh 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
16
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 l-
ợng 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.
17
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
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
18
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.
19
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 th ờng 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.
20
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.
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
21
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:
22
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, lignin chúng đ ợc 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
23
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]:
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 tr-
24
ơng 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, rợu mạch vòng, thuốc nhuộm
I.3.2.Nhựa epoxy - cacdanol [9]
25
