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 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 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 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:
- Tổng hợp và phân tích hai loại nhựa: nhựa novolac và nhựa epoxy
cacdanol.
1
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44

- 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.
chơng I: tổng quan
2
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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 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:
3
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- 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
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 .
4
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- 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 tr-
ớc.
- 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:
+ 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.
5
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
+ 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 l-
ợng 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.
6
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Nhẹ, giá thành hạ, sẵn có.
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 phơng
song song với phơng sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phơng khác. Sợi gia c-
ờng 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]
7
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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

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,
8
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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 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.
9
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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]
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:
10
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- 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 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 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
11
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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 Độ bền kéo, Modun, Modun
12
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
riêng, kg/m
3
MPa GPa 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 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.

13
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- 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 c-
ờng bằng sợi tự nhiên.
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 tr-
ng 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

14
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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.
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
15
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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:
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.
16
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
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]:
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 th-
17
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
ờng, 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, rợu
mạch vòng, thuốc nhuộm
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.
18