Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa nền polyeste không no và phụ gia tro bay

Luận văn tốt nghiệp

Lời cảm ơn
Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ quý báu từ các thầy cô,
các cán bộ và nhân viên trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện
luận văn tốt nghiệp tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme & Compozit Tr-
ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới
TS. Bạch Trọng Phúc vì sự hớng dẫn nhiệt tình, tận tâm và chu đáo của Thầy
để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2009
Sinh viên thực hiện

Tóm tắt nội dung
Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp ở nớc ta trong những năm gần đây
kéo theo sự gia tăng về chất thải, đặc biệt là ngành công nghiệp năng lợng. Tại nớc ta có
1
Luận văn tốt nghiệp
rất nhiều nhà máy nhiệt điện sử dụng đốt than và hàng năm lợng tro xỉ phế thải thải ra rất
nhiều (khoảng 4 triệu tấn/năm) và không ngừng đợc tăng lên. Đây là lợng phế thải rất lớn
gây trở ngại về diện tích chứa cũng nh ảnh hởng tới môi trờng. Vì vậy, việc tìm ra các giải
pháp công nghệ để xử lý nguồn phế thải làm giảm thiểu ô nhiễm môi trờng tạo ra những
sản phẩm hữu ích cho xã hội là một việc làm rất có ý nghĩa. Trong thời gian gần đây đã có
một số một số công trình nghiên cứu trong nớc và hợp tác với Quốc tế về khả năng ứng
dụng của chúng nh: công trình nghiên cứu của Viện Công nghệ Vật liệu Xây dựng và gần
đây nhất, tro xỉ đợc sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình thuỷ điện
Sơn La. Nhng lợng tro xỉ đã sử dụng này so với số lợng tro xỉ còn tồn đọng tại các hồ chứa
của các nhà máy thuỷ điện là khá nhỏ. Để tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu quý này,
hiện nay ngời ta đang tìm ra những hớng đi mới cho loại phụ gia này mà một trong những
hớng đi mới đầu tiên là việc sử dụng tro bay làm phụ gia trong vật liệu compozit.
Trên cơ sở đó, đã đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu chính sau: Lựa chọn tỷ lệ hệ khởi
đầu xúc tiến; lựa chọn tỷ lệ chất liên kết tối u; lựa chọn tỷ lệ nhựa nền và chất gia cờng

dạng bột thích hợp.
Sau quá trình khảo sát về thời gian gel, hàm lợng phần gel của nhựa polyeste không no
(dạng octo) với các tỷ lệ khác nhau về xúc tác, xúc tiến cũng nh ảnh hởng của chất liên kết
đến độ nhớt của hỗn hợp nhựa/bột gia cờng đề tài đã tìm đợc các tỷ lệ tối u để chế tạo vật
lệu polyme compozit (PC). Các kết quả nghiên cứu về độ bền cơ học và độ bền trong các
môi trờng hoá chất mạnh (Axit sunfuric 30%, NaOH 10%, NaCl 3%, xăng A92, dầu
điezen và nớc cất) cho thấy vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền polyeste không no 2508PT-
WV dạng octo (của Hàn Quốc) gia cờng bằng phụ gia tro bay có độ bền tơng đối ổn định.
Khi tiến hành ngâm mẫu compozit trong các môi trờng hoá chất trên, sau 16 ngày thì tính
chất cơ lý của mẫu thay đổi tơng đối ít.
Mục lục
Tóm tắt nội dung.........................................................................................................................................1
Mục lục........................................................................................................................................................ 2
Lời nói đầu...................................................................................................................................................5
2
Luận văn tốt nghiệp
PH N I: T NG QUAN ...............................................................................................................................7
I.1.giới thiệu về vật liệu compozit.....................................................................................................................7
i.1.1.lịch sử phát triển ....................................................................................................................................7
I.1.3. Đặc điểm và phân loại vật liệu compozit [3,4]...................................................................................8
I.1.3.1. Các đặc điểm chung [4]....................................................................................................................8
I.2.Thành phần của vật liệu PC..........................................................................................................................9
I.2.1.Nhựa nền.................................................................................................................................................9
I.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cờng)........................................................................................................18
I.2.3. Phụ gia và chất độn.............................................................................................................................23
I.2.3.1. Phụ gia..............................................................................................................................................23
I.2.3.2. Chất độn...........................................................................................................................................24
I.3. Một số phơng pháp gia công vật liệu PC [4]............................................................................................31
I.3.1. Phơng pháp lăn ép bằng tay...............................................................................................................31
I.3.2. Phơng pháp phun sợi..........................................................................................................................32

I.3.3. Công nghệ đúc kéo.............................................................................................................................32
I.3.4. Công nghệ quấn sợi............................................................................................................................33
I.3.5. Công nghệ bơm nhựa vào khuôn.......................................................................................................33
I.3.6. Công nghệ hút chân không................................................................................................................34
I.4. Tính chất của vật liệu PC...........................................................................................................................35
I.5. ng dụng của vật liệu PC. ........................................................................................................................37
PH N II: các ph ơng pháp nghiên cứu......................................................................................................39
và thực nghiệm..........................................................................................................................................39
II.1. các phơng pháp phân tích nguyên liệu đầu.............................................................................................39
II.1.1. Nguyên liệu và hóa chất...................................................................................................................39
II.1.2. Phơng pháp xác định tỷ trọng...........................................................................................................39
II.1.3. Phơng pháp xác định độ nhớt Brookfield ...................................................................................40
II.1.4. Phơng pháp xác định chỉ số axit......................................................................................................40
II.1.5. Phơng pháp xác định thời gian gel hóa. .........................................................................................41
II.1.6. Phơng pháp xác định hàm lợng phần gel ......................................................................41
II.2. các Phơng pháp xác định độ bền của vât liệu PC...................................................................................42
II.2.1. Phơng pháp xác định độ bền nén.....................................................................................................42
II.2.2. Phơng pháp xác định độ bền uốn.....................................................................................................43
II.2.3. Phơng pháp xác định độ bền va đập................................................................................................44
II.2.4. Phơng pháp xác định độ bền kéo ..................................................................................................44
3
Luận văn tốt nghiệp
II.2.5. Phơng pháp xác định sự thay đổi khối lợng trong môi trờng hoá chất.........................................45
II.2.6. Phơng pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM).........................................................................46
II.2.7. Phơng pháp xác định độ hấp thụ nớc...............................................................................................46
II.2.8. Phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng TGA (Thermo Gravimetric Analysis).............................46
Phần iII. KếT QUả nghiên cứu Và THảO LUậN.....................................................................................47
iiI.1. phân tích nguyên liệu đầu.......................................................................................................................47
iiI.1.1. Đặc tính của nguyên liệu đầu..........................................................................................................47
III.1.1.1. Nhựa nền PEKN............................................................................................................................47

Các kết quả phân tích đợc cho thấy, nhựa PEKN 2508PT-WV (dạng octo) có các chỉ tiêu kỹ thuật
đáp ứng đợc yêu cầu làm nhựa nền cho vật liệu polyme compozit..........................................................48
III.1.1.2. Phụ gia tro bay..............................................................................................................................48
III.1.2. Khảo sát thời gian gel hóa và hàm lợng phần gel ........................................................................49
III.2. Khảo sát ảnh hởng của tỷ lệ chất liên kết đến tính chất vật lý và cơ học vật liệu PC........................50
III.3. Khảo sát ảnh hởng của bột gia cờng đến tính chất vật lý và cơ học của vật liệu PC.........................52
III.6. khảo sát độ bền hoá chất của vật liệu PC trong các môi trờng hoá chất khác nhau theo thời gian..64
III.7. Khảo sát độ hấp thụ của nớc vào vật liệu PC........................................................................................68
III.8. Khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu PC...................................................................................................70
Phần iv. Kết luận.......................................................................................................................................73
Phần v: Tài liệu tham khảo.......................................................................................................................74
4
Luận văn tốt nghiệp

Lời nói đầu
Ngày nay, cùng với sự phát triển nh vũ bão của các lĩnh vực: công nghiệp,
nông nghiệp và rất nhiều các ngành kinh tế khác ,vật liệu polyme compozit
(PC) đã khẳng định đợc vai trò quan trọng của mình trong việc thay thế các vật
liệu truyền thống. Vật liệu PC có rất nhiều u điểm vợt trội so với các vật liệu
truyền thống(gỗ, sắt, thép) nh: nhẹ, bền, không bị ăn mòn,dễ gia công, độ
cách điện cao và rất nhiều các tính năng khác mà vật liệu truyền thống
không có, vật liệu PC ngày càng mở rộng lĩnh vực sử dụng của mình. Từ những
ứng dụng làm các dụng cụ thể thao, các chi tiết trong ôtô, tàu thuyền, các vật
dụng trong đời sống hàng ngày cho đến làm khiên chống đạn trong lĩnh vực
quân sự và rất nhiều các chi tiết khác trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
ở Việt Nam, trong những năm gần đây, song song với quá trình công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc thì nhu cầu về năng lợng cũng tăng cao. Vì
vậy, lợng than đốt cần cho các nhà máy nhiệt điện hoạt động cũng theo đó mà
không ngừng tăng lên. Kéo theo là sự phát sinh ngày càng gia tăng của chất
thải. Chỉ tính riêng hai nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 và Phả Lại 2 mỗi ngày

thải ra khoảng 6000 tấn tro xỉ, lấp đầy hai hồ chứa sâu mấy chục mét. Đây là l-
ợng phế thải rất lớn gây trở ngại về diện tích chứa cũng nh ảnh hởng tới môi tr-
ờng. Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp công nghệ để xử lý nguồn phế thải làm
giảm thiểu ô nhiễm môi trờng tạo ra những sản phẩm hữu ích cho xã hội là một
việc làm rất có ý nghĩa.
5
Luận văn tốt nghiệp
Với kinh nghiệm tái sử dụng sản phẩm của quá trình đốt than đã đợc áp
dụng ở các nớc tiên tiến trên Thế giới nh Mỹ, Nhật và các nớc Châu Âu cho
thấy khoảng 60 70% lợng tro xỉ thải ra có thể sử dụng đợc cho các ngành
công nghiệp xây dựng, cầu đờng, bê tông và làm phụ gia cho nhiều sản phẩm
thơng mại khác.
Việc tái sử dụng tro xỉ cũng đã đợc biết đến ở Việt Nam từ nhiều năm trớc
và đã có một số công trình nghiên cứu trong nớc và hợp tác với Quốc tế về khả
năng ứng dụng của chúng, trong đó các công trình nghiên cứu của Viện vật
liệu xây dựng. Nhng cho đến nay, số lợng và quy mô sử dụng loại chất thải này
còn khá nhỏ lẻ phần lớn chỉ là các t nhân đứng ra đấu thầu mua lại hoặc khai
thác tự do để sử dụng làm gạch gia công hoặc than đóng bánh. Gần đây nhất,
tro xỉ đợc sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình thủy điện
Sơn La
Để tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu quý này, hiện nay ngời ta đang tìm
ra những hớng đi mới cho loại phụ gia này mà một trong những hớng đi mới
đầu tiên là việc sử dụng tro bay làm phụ gia trong vật liệu compozit.
Trên cơ sở đó hình thành đề tài: Nghiờn cu ch to vt liu polyme
compozit t nha nn polyeste khụng no ( PEKN ) v ph gia tro bay
ra đời nhằm giải quyết những khó khăn trên.
Nhiệm vụ chính của đề tài bao gồm:
Phân tích và đánh giá tro bay
Khảo sát chế độ đóng rắn của nhựa nền
Khảo sát tỷ lệ nhựa nền/chất gia cờng

Khảo sát ảnh hởng của môi trờng hoá chất đến các độ bền cơ học của
vật liệu.
Khảo sát độ hấp thụ nớc của vật liệu.
6
Luận văn tốt nghiệp
PHN I: TNG QUAN
I.1.giới thiệu về vật liệu compozit
i.1.1.lịch sử phát triển
Cách đây hàng nghìn năm, vật liệu compozit đã xuất hiện và đợc con ngời
sử dụng trong đời sống. Khoảng 5000 năm trớc Công nguyên, ngời cổ đại đã
biết nghiền nhỏ đá và các vật liệu hữu cơ khác trộn vào đất sét để giảm độ co
ngót khi nung gạch. ở Ai Cập khoảng 3000 năm trớc Công nguyên, ngời ta đã
làm thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm kỹ thuật
thì có thể coi đó là kỹ thuật làm tàu từ vật liệu PC hiện nay. ở Việt Nam, nhà
làm từ hỗn hợp bùn trộn rơm, rạ và làm thuyền đan trát sơn ta là những ví dụ
về vật liệu compozit [2].
Mặc dù đợc hình thành từ rất sớm nhng vật liệu PC mới thực sự đợc chú ý
vào khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và Thomas đợc
cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh, sau đó đợc Ellis và Foster
dùng gia cờng cho polyeste. Polyeste tăng cờng bằng sợi thuỷ tinh đợc ứng
dụng trong ngành hàng không năm 1938 [6]. Năm 1944 đã có hàng nghìn chi
tiết bằng chất dẻo compozit cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế
giới lần thứ II đợc sản xuất. Năm 1950, chất lợng của vật liệu PC đợc cải thiện
đáng kể nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cờng khác nh sợi
cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic Từ năm 1970 cho đến
nay, các chi tiết chế tạo từ vật liệu compozit nền chất dẻo và sợi tăng cờng đợc
sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng và
những ngành kỹ thuật cao nh hàng không, vũ trụ [7].
I.1.2. Xu hớng phát triển [2]
7

Luận văn tốt nghiệp
Thay thế thép bằng vật liệu compozit.
Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền.
Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng.
Phối hợp giữa các vật liệu polyme, kim loại và gốm.
I.1.3. Đặc điểm và phân loại vật liệu compozit [3,4]
I.1.3.1. Các đặc điểm chung [4]
Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên compozit thờng rất khác nhau về
bản chất, không hoà tan lẫn nhau, phân cách nhau bằng bề mặt phân
chia pha. Pha liên tục trong toàn khối compozit đợc gọi là nhựa nền
(matrix), pha phân bố gián đoạn, đợc nền bao bọc, quy định gọi là cốt.
Trong compozit thì tỷ lệ, hình dáng, kích thớc cũng nh sự phân bố của
nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trớc.
Tính chất của các pha thành phần đợc kết hợp để tạo nên tính chất chung
của compozit. Tuy vậy, tính chất của compozit không bao hàm tất cả các
tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa
chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.
I.1.3.2. Phân loại [3]
Để phân loại vật liệu compozit thờng dựa vào các đặc điểm và đặc trng của
chúng, sau đây là hai cách phân loại thông dụng nhất.
a. Theo bản chất.
b. Theo đặc điểm cấu trúc hoặc hình học của cốt.
8
Compozit
Cốt sợi Compozit cấu trúc
Cốt hạt
Luận văn tốt nghiệp
Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn Lớp Tấm 3 lớp Tổ ong

Có hớng Ngẫu nhiên

I.2.Thành phần của vật liệu PC
I.2.1.Nhựa nền
Là một trong những thành phần chính của vật liệu PC , là pha liên tục,
đóng vai trò chất kết dính,liên kết các vật liệu gia cờng, chuyển ứng suất lên
chúng. Ngoài ra, nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia cờng dới tác dụng của
môi trờng.
Các tính chất của nền polyme có ảnh hởng nhiều đến tính chất cơ học và
tính chất hoá học của sản phẩm. Bản chất của vật liệu nền sẽ quyết định phơng
pháp gia công, chế tạo và ảnh hởng đến độ bền của sản phẩm. Do đó, nền
polyme phải đáp ứng các yêu cầu sau: [5]
- Khả năng thấm ớt tốt trên bề mặt chất gia cờng để tạo ra sự tiếp xúc tối đa.
- Khả năng làm tăng độ nhớt hoặc hoá rắn trong quá trình kết dính.
- Khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy
ra do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ.
- Chứa các nhóm hoạt động hay phân cực.
- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thờng.
Việc lựa chọn nền cho vật liệu PC dựa trên nguyên tắc dung hoà các yếu
tố độ bền, khả năng gia công và các tiêu chuẩn khác.
Nhựa nền có thể tạo thành từ một chất hoặc nhiều chất đợc trộn lẫn một
cách đồng nhất tạo thể liên tục. Và trong thực tế ngời ta có thể sử dụng nhựa
nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền.
9
Luận văn tốt nghiệp
I.2.1.1.Polyme nền nhựa nhiệt dẻo
Compozit nhựa nền nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất d nảy
sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thàng sản phẩm rất thấp.
Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo là giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi
công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết
tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ
hai.

Nhợc điểm chính của compozit nhựa nhiệt dẻo là không chụi đợc nhiệt
độ cao. Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang đợc các nhà khoa học
quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi và khả năng tái
sinh của chúng. Hiện tại chúng cha đợc ứng dụng nhiều nh nhiệt rắn nh-
ng dự đoán trong tơng lai sẽ vợt nhựa nhiệt rắn.[6]
Một số loại nhựa nhiệt dẻo đợc sử dụng làm nhựa nền nh:
polyetylenterephtalat (PET), polyetylen (PE), polypropylen (PP),
polyvinylclorua (PVC)
Nhựa nền nhiệt rắn thờng đợc gia cờng bằng cốt sợi dài có tính chất cơ học
tốt hơn nên chúng đợc ứng dụng khá rộng rãi. Trong khi đó, vật liệu PC trên cơ
sở nhựa nhiệt dẻo có độ bền va đập cao nhng độ bền nhiệt và dung môi không
cao. [7]
I.2.1.2. Polyme nền nhựa nhiệt rắn
Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóng
(có hoặc không có xúc tác). Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian
không thuận nghịch (không nóng chảy, không hoà tan). Nhìn chung nhựa nhiệt
rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo nhng vấn đề xử lý
chúng sau khi đã sử dụng khá phức tạp và tốn kém.
Trong vật liệu PC hiện nay chủ yếu sử dụng nền polyme là nhiệt rắn bao
gồm một số loại thông dụng nh : Epoxy (EP), Melaminformandehyt (MF),
10
Luận văn tốt nghiệp
Phenolformandehyt (PF) song phổ biến hơn cả vẫn là polyeste không no
(PEKN).
Polyeste không no (PEKN)
Lịch sử phát triển [12]
So với nhựa alkyd, phenolic thì nhựa PEKN ra đời muộn hơn. Berzelisus
đã chế tạo ra nhựa PEKN lần đầu tiên từ axit tactaric và glyxerin vào năm
1847. Đến năm 1863, Lozezo đã tìm ra nhựa polyetylen sucxinat khi đun nóng
etylenglycol với axit sucxinic.

Năm 1927, R.H.Kienle đã kết hợp axit béo với polyeste để cải thiện tính
chất khô của nhựa. Công trình của ông đợc ghi nhận và sản phẩm có tên gọi
ankyd. Sau đó Carolet là ngời đâu tiên tổng hợp polyeste theo cấu trúc mà
ông dự kiến. Carolet đã trùng hợp polyeste từ etylenglycol với axit anhydrite
maleic. Phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn : giai đoạn đầu thực hiện phản ứng
ngng tụ dới áp suất thờng, giai đoạn sau trong môi trờng chân khômg có mặt
khí trơ. 30 năm sau, Bradly cùng Kropa, Jonhton đã công bố rằng nhựa PEKN
có thể chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan khi
khô .Đồng thời trong thời gian này, Ellis khám phá ra tốc độ đóng rắn của
PEKN có thể tăng 30 lần khi có mặt monome không no.
Năm 1941 nhựa PEKN đợc sử dụng trên quy mô công nghiệp. Cũng năm
này viện Hoa Kỳ sử dụng để sản xuất vòm che máy bay.
ở Việt Nam bắt đầu sản xuất vòm che máy bay vào năm (1994 1995).
Sau 1945 vật liệu PC bắt đầu đợc sử dụng trong dân dụng rất nhiều : ống,
xuồng, tàu
Trong công nghiệp vật liệu PC, nhựa PEKN là loại nhựa phổ biến nhất
chiếm 95% sản lợng nhựa nhiệt rắn trong công nghiệp hiện nay.
Nguyên liệu sản xuất nhựa PEKN [12,14]
11
Luận văn tốt nghiệp
PEKN là sản phẩm của quá trình ngng tụ polyol với polyaxit trong đó ít
nhất một trong hai chất có chứa liên kết đôi không no. Nhựa PEKN dạng thơng
phẩm phổ biến là sản phẩm tổng hợp của một glycol và của một diaxit không
no thờng sử dụng là axit maleic hoặc fumaric.
Tính chất của sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố :
- Thành phần nguyên liệu (loại và tỉ lệ tác chất sử dụng)
- Phơng pháp tổng hợp
- Trọng lợng phân tử
- Hệ đóng rắn (monome, chất xúc tác, chất xúc tiến)
- Hệ chất độn :

Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, ngời ta sẽ tao ra nhiều loại nhựa PEKN
có các tính chất đặc biệt khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Axit cacboxylic
Axit cacboxylic không no
- Anhydrit malêic : giá rẻ tạo ra lợng nớc ít trong quá trình ngng tụ.
O
CH - C
O
CH - C
O
- Axit fumaric : ít sử dụng hơn do giá cao, tạo lợng nớc trong sản phẩm
lớn. Thờng sử dụng khi yêu cầu sản phẩm có tính chất cao mà anhydrite
maleic không đáp ứng đợc.
Axit cacboxylic no
- Axit phtalic : đợc sử dụng nhiều do giá rẻ, đa dạng về chủng loại
và cải thiện tính chất nha.
12
Luận văn tốt nghiệp
O
C
O
C
O
- Axit izophtalic : có tính ổn định nhiệt, tính chất cơ học và khả năng chụi
hoá học tốt.
O
C
O
C
O

- Axit terephtalic : sử dụng cho nhựa cần độ bền cao, ổn định nhiệt, chụi
thời tiết.
O
C
O
C
O
- Axit adipic : do có mạch cacbon mềm dẻo nên sử dụng để cải thiện tính
cứng của nhựa.
HOOC - CH
2
- COOH
4
Hợp chất diol
13
Luận văn tốt nghiệp
- Etylen glycol : giá rẻ, thờng sử dụng kết hợp với các diol khác vì nó
giảm sự kết hợp của nhựa với styren.
HO - CH
2
- CH
2
- OH
- Đietylen glycol: tăng tính mềm dẻo của nhựa nhng lại làm tăng khả năng
hấp thụ nớc.
CH
3
CH - CH CH
2

Đieylen glycol
OH OH OH
- Propylen glycol : chụi đàn hồi tốt.
HO CH
2
CH OH
CH
3
- Bisphenol A : tạo cho nhựa có tính chụi nhiệt cao và chụi hoá học.
CH
3
HO C OH
CH
3
Monome tạo liên kết ngang cho nhựa PEKN
Các hợp chất vinyl, ankyl và acrylic là những monome đợc sử dụng để tạo
liên kết ngang cho nhựa PEKN. Trong đó thông dụng nhất là styren, styren vừa
có tác dụng làm dung môi pha loãng, vừa là chất đồng trùng hợp với liên kết
đôi trong mạch nhựa. Hàm lợng styren vào khoảng 25% - 40%.
Chất ổn định.
Để tránh styren có trong nhựa PEKN đồng trùng hợp ở nhiệt độ phòng cần
sử dụng chất ổn định để bảo quản nhựa.

Một số chất ức chế thờng dung :
- Polyphenol : hydroquinon, pyrogallon
14
Luận văn tốt nghiệp
- Quinon : naphta quinon, phenatra quinon.
- Nitro thơm, axit piroic
- Sunfua đồng, sunfua sắt, xianua đồng

Hệ khởi đầu xúc tiến dùng đóng rắn PEKN [2].
Hai hệ khởi đầu cho phép đóng rắn ở nhiệt độ thờng.
- Metyl etyl keton peoxit ( MEKPO ) : là hỗn hợp của các đồng phân
metyl etyl xeton peoxit.
H
5
C O O CH
3
C C
H
5
C O O C
2
H
5
Chất xúc tiến thờng sử dụng phổ biến là octoat coban : (C
8
H
17
COO)
2
Co.
- Peoxyt benzoyl.
O O

C O O C

Chất xúc tiến là amin bậc 3 : dimetyl aniline (DMA), dietyl aniline (DEA).
NH
2

NH
2

H
3
C CH
3
H
5
C
2
C
2
H
5


Các hệ đóng rắn ở nhiệt độ cao.
- Xyclohexanon peoxit
- Terbutyl benzoyl peoxit
- Benzoyl peoxit
Cơ chế đóng rắn PEKN [2]
15
Luận văn tốt nghiệp
Cơ chế đóng rắn nhựa PEKN là sử dụng các chất tạo gốc tự do xúc tác cho
phản ứng trùng hợp hoá các nối đôi của styren vào trong nhựa PEKN.
Khi sử dụng hệ chất khởi đầu xúc tiến MEKPO và octoat coban để xúc tác
cho phản ứng đóng rắn nhựa PEKN có cơ chế :
Đầu tiên peoxit sẽ phản ứng với ion Co
2+

tạo thành các gốc tự do. Sau đó
các gốc tự do này sẽ khơi mào cho phản ứng trùng hợp các chất có nối đôi theo
cơ chế trùng hợp gốc tạo thành các cầu nối không gian cho nhựa. Sản phẩm
nhận đợc là nhựa có cấu trúc không gian không nóng chảy và không hoà tan
trong dung môi.
Tổng hợp nhựa PEKN [14]
PEKN thờng đợc tổng hợp bằng phơng pháp trùng ngng axit dicacboxylic
hoặc anhydrit với hợp chất diol: axit dicacboxylic đợc este hoá với hợp chất
diol ở 180
0
C 230
0
C và môi trờng khí trơ, trong thiết bị phản ứng có bộ phận
đun nóng.
Qúa trình este hoá đợc thực hiện với hàm lợng diol d 10%. Nớc tạo ra
trong quá trình phản ứng đợc chng cất ra khỏi thiết bị. Kết thúc quá trình trùng
ngng khi ta đo chỉ số axit, độ nhớt đạt yêu cầu. Sản phẩm nóng chảy đợc làm
lạnh và sau đó đợc trộn với styren đang sôi trong thiết bị trộn hợp có bộ phận
làm lạnh. Nhựa PEKN thơng mại có khối lợng phân tử vào khoảng 2.000 -
4.000 đvC.
Phơng trình phản ứng :
nOH-CH
2
-CH
2
-OH + nHOOC-CH=CH-COOH + nHO-CH-CH
2
-OH + nHOOC COOH

CH

3

-O - CH
2
- CH
2
- O -C - CH = CH - C - O - CH - CH
2
- O - C C O - + 2n H
2
O

O O n
Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của nhựa PEKN [12,14]
ảnh hởng của glycol
16
Luận văn tốt nghiệp
Glycol ngoài ảnh hởng đến đặc trng cấu trúc của nhựa còn liên quan tới độ
cứng và độ mềm dẻo của nhựa. Các nhóm thơm có xu hớng làm giảm độ mềm
dẻo. Propylen glycol là glycol đợc sử dụng chủ yếu vì giá thành thấp và tạo
nhựa có tính chất tơng đối cao. Chúng đợc sử dụng đồng thời với các glycol
khác để tạo độ mềm dẻo thích hợp hoặc thay thế một phần propylen glycol
bằng bis phenol A tạo nhựa có khả năng chụi hoá học.
Khi sử dụng các diol mạch dài, nhựa có độ bền cao. Nhựa có độ bền cao
nhất khi sử dụng glycol mạch dài không phân nhánh.
nh hởng của axit
Axit sử dụng nhằm cung cấp liên kết đôi cần thiết cho quá trình đóng rắn.
Thờng sử dụng anhydrit maleic và axit fumaric tạo nhựa có chất lợng cao,
giá thành thấp. Axit adipic dùng sản xuất nhựa có độ mềm dẻo. Các diaxit
aliphtalic có tác dụng làm giảm sự thay đổi độ nhớt của nhựa theo nhiệt độ.

Mạch aliphtalic càng dài độ cứng của nhựa càng thấp.
Nhựa đi từ axit izophtalic có độ bền kéo lớn hơn so với nhựa đi từ axit
phtalic. Độ bền uốn có xu hớng cực đại khi mật độ không no của nhựa khoảng
40% - 60%.
nh hởng của monomer không no
Monome sử dụng phổ biến là styren vì nó là dung môi có nhiệt độ cao
(146
0
C) hoà tan tốt các chất, phản ứng trùng hợp nhựa xảy ra nhanh và giá rẻ.
Nhìn chung độ bền của nhựa polyeste giảm khi nồng độ styren giảm. Độ bền
kéo của nhựa tăng khi hàm lợng styren tăng. Độ bền uốn, độ cứng cũng phụ
thuộc vào hàm lợng styren. Ngoài ra, độ bền cào xớc, độ mài mòn, tính chất
điện của sản phẩm tỷ lệ thuận với hàm lợng styren. Hàm lợng styren tối u vào
khoảng 30% - 40%.
ng dụng
17
Luận văn tốt nghiệp
Nhựa PEKN đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh trong sản
xuất máy móc, ôtô, tàu thuyền, trong công nghiệp điện, trong xây dựng và sản
xuất các dụng cụ hoá học. Ngoài ra nhựa PEKN còn đợc ứng dụng trong màng
phủ [12].
I.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cờng)
Chất gia cờng trong vật liệu PC có tác dụng chụi ứng suất tập trung do nền
polyme chuyển đến. Do vậy, chất gia cờng làm tăng độ bền và mođun cho vật
liệu.
Ngời ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau :
- Tính gia cờng cơ học.
- Tính kháng hoá chất, môi trờng, nhiệt độ.
- Phân tán vào nhựa tốt.
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.

- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Gía thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà ngời ta có thể chọn
loại vật liệu độn thích hợp. Có 2 loại cốt :
I.2.2.1. Cốt dạng sợi
Sợi gia cờng đợc sử dụng dới dạng liên tục (sợi dài, vải) hay gián đoạn (sợi
ngắn, vụn).
Sự phân bố và định hớng của sợi trong nền polyme ảnh hởng nhiều đến
tính chất của vật liệu. Sự định hớng của sợi tạo cho vật liệu có tính dị hớng rõ
rệt. Vì vậy, khi lựa chọn sợi gia cờng cần phải chú ý tới : Bản chất của vật liệu
thành phần, tỉ lệ các vật liệu tham gia và phơng của sợi.
Việc trộn thêm các loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền
cơ học cũng nh độ bền hoá học của vât liệu PC nh:
18
Luận văn tốt nghiệp
- Khả năng chụi đợc va đập.
- Độ giãn nở cao.
- Khả năng cách âm tốt.
- Tính chụi ma sát, mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao.
- Khả năng chụi đợc trong môi trờng ăn mòn : muối, kiềm, axitNhững
khả năng đó đã chứng tỏ tính u việt của vật liệu PC mới so với các loại
polyme thông thờng và cũng chính vì những tính năng u việt trên mà hệ
thống vật liệu PC đã đợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng nh trong
đời sống.
Sợi có tính năng cơ lý cao hơn cốt dạng hạt. Tuy nhiên, sợi có giá thành
cao hơn, thờng dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp nh : sợi thuỷ tinh, sợi
cacbon, sợi Bo, cacbua silic, sợi amid
Vật liệu PC gia cờng bằng sợi có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng
trong công nghiệp hiên nay.
a. Sợi thuỷ tinh [6,15]

Sợi thuỷ tinh là loại sợi nhân tạo đợc sử dụng rất rộng rãi và phổ biến. Các
sản phẩm đợc gia cờng bằng sợi thuỷ tinh có mặt ở khắp nơi và trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Sợi thuỷ tinh có cấu tạo từ oxit silic và các loại oxit khác
nh Al
2
O
3
, MgO, CaOSợi thuỷ tinh có cấu trúc vô định hình nên có tính chất
đẳng hớng [14].
Sợi thuỷ tinh đợc kéo ra từ các loại thuỷ tinh kéo sợi đợc (thuỷ tinh dệt), có
đờng kính nhỏ vài chục micromet. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhợc điểm
của thuỷ tinh khối nh : Giòn, dễ nứt gãy và trở nên có nhiều u điểm cơ học
hơn.
Phân loại sợi thuỷ tinh
Phân loại sợi thuỷ tinh theo từng thành phần
19
Luận văn tốt nghiệp
Tuỳ thuộc vào loại oxit có trong thành phần của sợi mà ngời ta phân chia
thành các loại sợi nh : sợi thuỷ tinh loại A, C, E,S, R,Nhìn chung, sợi thuỷ
tinh E là loại sợi đợc sử dụng nhiều nhất do nó có giá thành thấp, tính chất cơ
học tốt. Loại này có tính đa dạng, chất lợng cao và thích hợp với hầu hết các
ứng dụng. Một loại thuỷ tinh phổ thông khác là thuỷ tinh A hay thuỷ tinh
kiềm, nhẹ hơn và tơng đối bền nhng chụi nớc kém hơn nhiều so với thuỷ tinh
E. Tất cả những loại thuỷ tinh khác đều thuộc loại đặc biệt và đợc sản xuất với
khối lợng hạn chế ở dạng sợi. Thuỷ tinh C là loại đặc biệt chịu hoá chất, thuỷ
tinh S và thuỷ tinh R là những loại độ bền cao và chỉ sử dụng trong những tr-
ờng hợp đặc biệt, thí dụ kỹ thuật hàng không và vũ trụ [2].
Phân loại sợi thuỷ tinh theo kích thớc
Tuỳ theo kích thớc của sợi mà có các loại sau :
Sợi ngắn : Kích thớc sợi khoảng 6 50 mm. Nhìn chung, sợi có

chiều dài tăng thì độ bền cơ học tăng. Do vậy, chúng chủ yếu đợc dùng để gia
công cho vật liệu BMC.
Sợi bện : sợi đợc sản xuất bằng cách xoắn 20 - 40 vòng/m trớc khi
quấn vào cuộn để dệt vải thuỷ tinh.
Sợi thô : Sợi ở dạng bó hình trụ làm từ xơ sợi chập lại, không xoắn.
Thờng đợc sử dụng ở dạng mat dùng cho ép phun và phơng pháp đúc.
Mat sợi ngắn : là loại thuỷ tinh đựơc cắt ngắn và xếp lộn xộn rồi tạo
thành mat. Ngời ta sử dụng chất kết dính để liên kết các sợi lại, ép phẳng, tạo
tấm vải mat.
Phơng pháp sản xuất sợi thuỷ tinh
Sợi thuỷ tinh đợc tạo thành nhờ phơng pháp kéo sợi từ pha nóng chảy,
các sợi to đợc tạo thành do các sợi nhỏ quấn lại với nhau.
b. Sợi cacbon [9]
20
Luận văn tốt nghiệp
Sợi cacbon là một loại sợi mới, đợc chú ý phát triển trong vài chục năm
gần đây.
Sợi cacbon chính là sợi grafit (than chì) có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo
thành các lớp liên kết với nhau nhng cách nhau một khoảng 3,35A
0
. Các
nguyên tử cacbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng thành mạng tinh thể
hình lục lăng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42A
0
. Sợi
cacbon có cơ tính tơng đối cao, có loại gần tơng đơng với sợi thuỷ tinh, lại có
khả năng chụi nhiệt cực tốt
Sợi cacbon có thể đợc sản xuất từ PAN (phổ biến nhất), rayon hoặc nhựa
pitch, loại nguyên liệu ảnh hởng nhiều đến cấu trúc và tính chất của sợi
cacbon.

Vật liệu PC gia cờng bằng sợi cacbon có đặc điểm :
- Nhẹ
- Compzit nền polyme có độ cứng và độ bền cao
- Duy trì tính chất trong môi trờng khắc nghiệt (nhiệt độ cao, tiếp xúc
với dung môi và các chất lỏng, môi trờng ẩm ớt)
- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt
- ổn định kích thớc
- Tơng đối đắt
- Tơng đối giòn
- Khả năng chống lại sự phá huỷ không cao lắm
c. Sợi aramit (kevlar) [9]
Stephanie Kwolek là ngời đầu tiên khám phá ra sợi aramit có tên thơng
mại là Kevlar.
Năm 1972 Kwolek đã tổng hợp đợc một loạt polyamit thơm chủ yếu chứa
các đơn vị mạch vòng có đồng phân para. Nhờ sự gia công theo một quy trình
21
Luận văn tốt nghiệp
đặc biệt, từ dung dịch nhận đợc sợi có độ bền và môđun cao. Từ đây, loại sợi
này đợc phát triển nhanh ra quy mô toàn cầu trong vài năm.
Trong các aramit do Kwolek tổng hợp ra đợc có hai hợp chất nổi tiếng
nhất là :

HN CO Poly ( p benzamit )
n
HN NH CO CO
n
Poly ( p phenylentere phtalamit
)

Kevlar có độ bền cao hơn thép 5 lần và nhẹ hơn sợi thuỷ tinh. Nó có khả

năng tự dập tắt lửa, không nóng chảy và phân huỷ thành tro ở 400
0
C.
Nhợc điểm cần lu ý của sợi Kevlar là chụi tác động của tia tử ngoại kém
và độ bền giảm nhanh khi uốn liên tục.
I.2.2.2. Cốt dạng hạt [2, 4, 11, 13]
Đợc sử dụng trong vật liệu PC với mục đích tạo cho vật liệu có tính đẳng
hớng và chụi ứng suất tập trung.
Cốt gia cờng dạng hạt vừa đóng vai trò là chất gia cờng, vừa đóng vai trò là
chất độn. Chúng có khả năng: tăng độ cứng, giảm độ co ngót thể tích, tăng độ
bền, tăng khả năng chống cháy, bền hoá, bền điện Chất gia cờng cần có kích
thớc bề mặt nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên
toàn bộ bề mặt, rẻ tiền, dễ kiếm [4].
Một số chất gia cờng dạng hạt thờng đợc sử dụng [11,15]: Đất sét, cao
lanh, bột nhẹ, bột talc (3MgO.4SiO
2
.2H
2
O), SiO
2
, oxyt nhôm, amiăng.
Hình dáng, kích thớc, bản chất của hạt gia cờng và sự phân bố của hạt
trong vật liệu PC có ảnh hởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành.
22
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu PC gia cờng dạng hạt có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng
trong công nghiệp hiện nay do chế độ gia công đơn giản, năng suất gia công
lớn, có khả năng đáp ứng đợc yêu cầu của các sản phẩm PC sử dụng trong
công nghiệp và dân dụng. Đặc biệt về mặt giá cả là thấp hơn nhiều so với vật
liệu PC gia cờng dạng sợi. Chính vì vậy, vật liệu PC gia cờng dạng hạt ngày

càng đợc các nhà Khoa học quan tâm.
I.2.3. Phụ gia và chất độn
I.2.3.1. Phụ gia
Phụ gia đợc thêm vào vật liệu PC để thay đổi một số tính chất của vật liệu
nh : độ nhớt, chống cháy, giảm độ co ngót và một số tính chất khác.
Các phụ gia thờng thêm vào vật liệu PC nh chất xúc tiến, chất chống cháy,
chất chống tia tử ngoại UV
Chất xúc tiến
Có tác dụng làm độ nhớt của vật liệu giảm khi gia công theo phơng pháp
lăn ép hoặc phun để chất lỏng linh động hơn, dễ thấm vào sợi gia cờng. Khi
ngừng lăn ép thì cấu trúc gel lại làm cho nhựa nền không bị cháy. Chất xúc
tiến hay sử dụng là Cacboxymetylxenlulo.
Chất chống cháy
Dới tác dụng của trờng nhiệt (dòng nhiệt) có cờng độ đủ lớn và thời gian
đủ dài các PC hữu cơ đều bị phân huỷ nhiệt. Do vậy, chất chống cháy đợc thêm
vào hệ PC nhằm thay đổi thay đổi quá trình cháy theo các phơng án sau :
- c chế quá trình cháy ở pha khí (đối với khí nhiên liệu)
- Thay đổi quá trình phân huỷ nhiệt bằng cách đa vào một quá trình
năng lợng thấp có tác dụng kích thích ở pha rắn để dẫn đến cacbon hoá
trên bề mặt.
23
Luận văn tốt nghiệp
- Tạo thành lớp màng bao bọc lên vật liệu để ngăn chặn tác động của
môi trờng nhiệt bên ngoài.
Đối với quá trình phân huỷ nhiệt mà thiếu oxy là quá trình nhiệt phân, khi
thừa oxy là quá trình nhiệt oxy hoá.
Những chất chống cháy thờng dùng là hợp chất chứa Clo, Brom; hợp chất
cơ phôt pho; hợp chất chứa Bo; Oxyt antimon (Sb
2
O

3
); hydroxyt nhôm.
I.2.3.2. Chất độn
Chất độn là những chất đợc thêm vào vật liệu PC chủ yếu làm hạ giá thành
sản phẩm. Trong một số trờng hợp, chất độn có thể làm thay đổi một số tính
chất kỹ thuật của vật liệu trong quá trình gia công cũng nh trong quá trình sử
dụng.
Một số chất độn thờng dùng: Bột nhẹ CaCO
3
, Bột talc 3MgO.4SiO
2
.2H
2
O,
Bột mica K
2
O.3Al
2
O
3
.6SiO
2
.2H
2
O; Bột barit BaSO
4
.
Hiện nay ngời ta đang nghiên cứu và thử nghiệm việc sử dụng kết hợp chất
phế thải Tro bay (có tên tiếng anh là Fly ash) của nhà máy nhiệt điện và
nền polyme để sản xuất vật liệu PC ở Việt Nam.

Với kinh nghiệm tái sử dụng sản phẩm của quá trình đốt than đã đợc áp
dụng ở các nớc tiên tiến thế giới nh Mỹ, Nhật và các nớc Châu Âu cho thấy
khoảng 60 70% lợng tro xỉ thải ra có thể sử dụng đợc cho các ngành công
nghiệp xây dựng, cầu đờng, bê tông và làm phụ gia cho nhiều sản phẩm thơng
mại khác.
Việc tái sử dụng tro xỉ cũng đã đợc biết đến ở Việt Nam từ nhiều năm trớc
và đã có một số công trình nghiên cứu trong nớc và hợp tác với Quốc tế về khả
năng ứng dụng của chúng, trong đó các công trình nghiên cứu của Viện Vật
liệu Xây dựng. Nhng cho đến nay, số lợng và quy mô sử dụng loại chất thải
này còn khá nhỏ lẻ phần lớn chỉ là các t nhân đứng ra đấu thầu mua lại hoặc
khai thác tự do để sử dụng làm gạch gia công hoặc hoặc than đóng bánh. Gần
24
Luận văn tốt nghiệp
đây nhất, tro xỉ đợc sử dụng làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình
thủy điện Sơn LaCâu hỏi Tại sao việc tiêu thụ loại sản phẩm phụ này còn
rất hạn chế tại Việt Nam nơi có lợng tiêu thụ than hàng năm khá lớn ? đang là
câu hỏi cần đợc các ngành các cấp trả lời.
Sản phẩm cháy của quá trình đốt than gồm tro bay, tro đáy lò, tro của lò
tầng sôi (CFB) có chứa chất tạo tầng sôi, xỉ than, xỉ từ hệ thống khí hóa than,
thạch cao từ hệ thống khử SO
2
trong khói thải, tro có chứa Amoniac do sử
dụng để khử NO
x
trong khói thải. Sản phẩm phụ tạo ra từ quá trình đốt than
này có đặc tính u việt mà các vật liệu khác không có, giá thành rẻ, nên khả
năng ứng dụng rất đa dạng và làm giảm giá thành sản phẩm rất nhiều.
Khả năng sử dụng các sản phẩm phụ từ quá trình đốt than phụ thuộc nhiều vào
thành phần hoá học, đặc tính lý học của từng loại.
Đặc tính của loại vật liệu này phù hợp để sử dụng cho các mục đích khác

nhau. Đặc tính của chúng chịu ảnh hởng bởi chế độ vận hành lò hơi nh thời
gian và nhiệt độ của than trong lò hơi, phụ thuộc vào phơng thức thải tro xỉ khô
hay ớt. Riêng sản phẩm phụ của quá trình khử SO
2
trong khói thải lò hơi có
khác hơn, có chứa thêm các chất kiềm. Đặc tính của sản phẩm phụ từ quá trình
khử SO
2
trong khói thải lò hơi phụ thuộc nhiều vào chất khử đợc sử dụng, nhiệt
độ, áp lực và khả năng ôxy hoá xảy ra trong buồng khử, số lợng nớc đợc sử
dụng. Từ các đặc tính này, có thể tìm ra khả năng sử dụng từng loại sản phẩm
này trong thực tế.
Một số ứng dụng thực tế của sản phẩm từ quá trình đốt than mà Mỹ đang
sử dụng do Hiệp Hội Tro Than của Mỹ thống kê đợc nêu dới đây sẽ là thông
tin cần thiết cho các nhà sản xuất, quản lý và hoạch định chính sách trong tơng
lai.
ứng dụng của tro bay trong công nghệ sản xuất xi măng và bê tông: do sự
phân bố kích thớc các hạt của tro bay giống xi măng, nhng hạt tro bay còn có
25