Vật liệu composite trên nền nhựa polyeste không no và thân cây lục bình

Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE [6],[7],[8],[9],
1.1. Khái niệm:[6]
Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay
nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra loại vật liệu mới có tính năng
ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composit được cấu tạo từ các thành
phần cốt nhằm bảo đảm cho composit có được các đặc tính cơ học cần thiết
và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composit liên kết hài hòa
với nhau.
1.2. Thành phần và cấu tạo:
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn
được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền
(matrice), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn
được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinfort) được trộn vào pha nền làm
tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước ...
1.2.1. Vật liệu nền:
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng
suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một
chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên
tục [8, 10].
• Nền nhựa:Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC... [8].
• Nhựa nhiệt rắn: PU, UF, UPE, Epoxy. Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật
liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo [8.9].
 Nền kim loại và nền carbon .v.v…

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 1


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

1.2.2. Vật liệu gia cường:
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì chúng thường có tính
chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau
-

Tính gia cường cơ học.

-

Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ.

-

Phân tán vào nhựa tốt.

-

Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.

-

Thuận lợi cho quá trình gia công.

-

Giảm giá thành.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại
vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn [10]:
 Gia cường dạng sợi:
Sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá
thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy
tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…
 Gia cường dạng hạt :
Thường được sử dụng là : silica, CaCO 3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn
khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia
cường cơ tính của chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau:
-

Giảm giá thành
Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện,

-

khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường.
Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất
sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 2

Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa,
xơ tre, bông, sợi dứa…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi
poliamit, sợi bazan, sợi cacbon, sợi kevla…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà
người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối,
dạng MAT….
Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng
độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu PC như : khả năng chịu
được va đập ; độ giãn nở cao ; khả năng cách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài
mòn ; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao ; khả năng chịu được trong môi
trường ăn mòn như : muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính
ưu việt của vật liệu PC mới so với các loại Polyme thông thường. Và, cũng
chính vì những tính năng ưu việt đó mà vật liệu PC đã được sử dụng rông rãi
trong sản xuất cũng như trong đời sống.
1.3. Phân loại composite:
Phân loại theo bản chất, thành phần [8, 10]:
 Composit nền hữu cơ (nhựa, hạt) kết hợp với vật liệu cốt có dạng:
-

Sợi hữu cơ: polyamid, kevla…

-

Sợi khoáng: thủy tinh, cacbon, bazan…

-

Sợi kim loại: Bo, nhôm…

 Composit nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al…) kết hợp với:
-

Sợi kim loại: Bo…

-

Sợi khoáng: Si, Cacbon…

 Composit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng:
-

Sợi kim loại: Bo…

-

Hạt gốm: cacbua, nitơ…

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 3


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

1.4. Đặc điểm, tính chất và ứng dụng của vật liệu composit:

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này
thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta
mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học
cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên
các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều
kiện khắc nghiệt của môi trường [8, 10]
1.4.1. Tính chất nổi bật của composite:
-

Nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường (bền vững với môi trường ăn mòn hoá

-

học), dễ lắp đặt.
Có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.
Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ

-

pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.
Giá thành thấp hơn một số vật liệu khác [8, 9,10].

1.4.2. Ứng dụng vật liệu composite:
 Thế giới [ 10]:
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được
nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp
dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại
chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi
phục vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu Composite polyme đã
được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những

ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn
mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc.
-

Ngành hàng không vũ trụ: cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số

-

linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757, 676 Airbus 310…
Trong ngành công nghiệp điện tử: các chi tiết, các bảng mạch và các linh
kiện.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 4


Luận Văn Thạc Sĩ
-

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô;
Các ngành dân dụng như y tế: hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…
Ngành thể thao: các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit…
Vật liệu gia dụng: bồn chứa nước, bàn ghế, tấm trần, tấm cách âm…
Vật liệu xây dựng: gỗ, dằm chịu lực, cấu kiện nhà lắp ghép, đá ốp lát, tấm
lợp…

 Việt Nam [9,10]:

Tại khoa răng của bệnh viện Trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật
liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục,
bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống
máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận
động và các trung tâm văn hoá…
Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Composite vào các lĩnh vực điện dân
dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện. ...
Vật liệu điện: mạch in, tấm cách điện, vỏ bảo vệ các vi mạch cao tầng, vỏ các
thiết bị điện, máy biến thế…
1.5. Công nghệ chế tạo vật liệu composite polymer:[6,8,10]
Công nghệ chế tạo vật liệu composite rất phong phú và đa dạng. Tùy
thuộc vào yêu cầu, tính chất của sản phẩm mà có thể thay đổi phù hợp.

1.5.1 Gia công bằng tay (hand lay up):
Dùng cọ hay con lăn quét nhựa lên bề mặt khuôn đã được chống dính,
đặt sợi lên rồi quét nhựa, sau đó dùng con lăn đuổi bọt khí và nén chặt liên
tục như vậy cho đến khi đạt bề dày yêu cầu.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 5


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Hình 1.1: Phương pháp handlay up
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp handlay up
•

Ưu điểm.
 Thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi
 Chi phí đầu tư dụng cụ, thiết bị thấp
 Hàm lượng sợi cao và phù hợp với sợi dài

•

Nhược điểm
 Sản phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn
 Thời gian đóng rắn thường dài
 Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác
 Vấn đề an toàn sức khoẻ, nhựa dùng trong phương pháp này thường
có khối lượng phân tử thấp nên mức độ độc hại cao hơn, dễ thấm vào
áo quần…
 Nhựa yêu cầu có độ nhớt thấp, ảnh hưởng đến tính chất cơ học, tính
chất nhiệt do yêu cầu lượng chất pha loãng (VD: styren) thích hợp.

1.5.2 Phương pháp phun:

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 6


Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 1.2:

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Phương pháp dùng súng phun

Sợi được cắt ngắn ngay trong súng phun, được phun đồng thời với nhựa lên
khuôn. Để sản phẩm đóng rắn hoàn toàn mới tháo khuôn.
•

Ưu điểm.
 Nhanh, chi phí dụng cụ thấp

• Nhược điểm
 Hàm lượng nhựa cao
 Chỉ chế tạo được composite sợi ngắn
 Nhựa cần có độ nhớt thấp khi phun, ảnh hưởng đến tính chất cơ nhiệt của
sản phẩm; cùng với hàm lượng styren cao, dễ ảnh hưởng đến điều kiện
làm việc của công nhân
1.5.3 Phương pháp hút chân không

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 7


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Hình 1.3 Phương pháp hút chân không
Vật liệu lớp được gia công bằng tay theo phương pháp ướt
Màng chất dẻo (nilon) bọc lên khuôn và không khí được tháo ra nhờ bơm

Lượng nhựa thừa được loại bỏ dưới tác dụng của bơm chân không.
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hút chân không
• Ưu điểm.
 Hàm lượng lỗ bọt ít
 Thấm ướt của nhựa lên sợi tốt hơn nhờ áp suât chân không, lượng
nhựa thừa sẽ được loại bỏ, do vậy hàm lượng sợi cao hơn phương
pháp gia công bằng tay
 An toàn cho sức khoẻ: Túi chân không sẽ làm giảm lượng chất bay hơi
giải phóng khi đóng rắn
• Nhược điểm
 Quá trình tạo chân không làm tăng giá thành sản phẩm
 Đòi hỏi kỹ năng thao tác cao hơn
1.5.4 Quấn sợi (filament winding):
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 8


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Cốt sợi được kéo qua bể chứa nhựa cho thấm nhựa trước, sau đó được
cuộn phủ lên bề mặt khuôn. Phương pháp này dùng để sản xuất ống và thùng
chứa…
Có hai phương pháp cuộn: cuộn khô và cuộn ướt.
1. Cuộn khô: quấn lên trục khuôn bán thành phẩm tức là quá trình tẩm nhựa
lên sợi đã được thức hiện trước đó rồi.
2. Cuộn ướt:quá trình tẩm nhựa lên sợi được diễn ra đồng thời với quá trình
quấn lên khuôn. Tức là sợi thô sau khi qua bể nó được quấn lên trục ngay.

Hình 1.4 Phương pháp quấn sợi
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp quấn sợi
• Ưu điểm:
 Nhanh, hiệu quả kinh tế cao
 Tỷ lệ sợi/nhựa có thể điều chỉnh được khi sợi đi qua bể nhựa
 Giá thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải
 Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phương của sợi phù hợp.
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 9


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

• Nhược điểm:
 Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval,..)
 Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm
 Giá thành đối với những sản phẩm lớn là rất cao
 Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng tính chất cơ học và vấn đề an
toàn sức khỏe.
1.5.5 Đúc ép nóng (hot moulding):
Nhựa cốt được phân bố đều mặt khuôn đúc dưới áp suất và nhiệt độ
cao. Sản phẩm được định hình theo ba chiều. kỹ thuật đúc ép được sử dụng
để tao những sản phẩm có kích thước lớn. Sản phẩm được định hình sau khi
làm nguội.
 Đúc ép nguội (cold press moulding): Tương tự như đúc ép nóng nhưng ở
nhiệt độ thường.

Hình 1.5 Phương pháp đúc ép
1.5.6 Ép phun ( injecting moulding):
-

Nhựa nhiệt dẻo: tạo hạt compound nhựa và sợi cắt hoặc nghiền, sau đó đưa
vào máy ép phun để tạo thành sản phẩm.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 10


Luận Văn Thạc Sĩ
-

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Nhựa nhiệt rắn: sợi ngắn được định hình trước nếu cần, được đặt vào khuôn,
sau đó đóng lại, kẹp chặt và nhựa được phun vào từ đầu trộn có độ khuấy
cao.

Hình 1.6 Phương pháp ép phun
1.5.7 Phương pháp đùn kéo:
Phương pháp này là phương pháp gia công liên tục để sản suất ra loại
composite dạng profile với bất cứ độ dài nào yêu cầu. Sợi tẩm sẳn được kéo
qua một lỗ (có lõi gia nhiệt), với hình dạng theo chiều cắt ngang bề mặt của
sản phẩm. Sản phẩm được định hình khi nhựa khô. Ưu điểm của phương
pháp này là sản xuất sản phẩm thành mỏng với đa dạng độ dài, bề mặt căt
ngang, dễ dàng tự động hóa. Nhược điểm của phương pháp này là hạn chế sự

thay đổi hình dạng sản phẩm theo chiều dài của sản phẩm là không thể.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 11


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Hình 1.7 Phương pháp đùn kéo

CHƯƠNG 2 :
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 12


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

TỔNG QUAN VỀ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO[6,10,13]

2.1. Giới thiệu về nhựa polyeste[ 10]
Nhựa polyeste không no gồm có hai thành phần chính: polyeste không
no và vinyl monomer. Phản ứng đóng rắn nhựa xảy ra bao gồm phản ứng
trùng hợp copolyme của vinyl monomer với liên kết đôi trên phân tử polyeste
tạo thành mạng lưới không gian 3 chiều. Nhựa polyeste là loại nhựa nhiệt

rắn.
Polyeste không no khác với nhựa polyeste không no. Polyeste không
no là polyeste không có chất pha loãng và chúng sẽ đông cứng trong bình
phản ứng. Loại này thường không được ứng dụng nhiều do chúng trở nên
dòn và cứng ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, mỗi khi nhựa polyeste chuẩn bị đông
cứng trong bình phản ứng, khi đó người ta sẽ phối trộn thêm vào một vinyl
monomer ở trạng thái lỏng. Vì thế hỗn hợp nhựa sẽ ở dạng chảy nhớt tại
nhiệt độ phòng, với hàm lượng styren khoảng 60%. Hỗn hợp giữa polyeste
không no và vinyl monomer theo nhiều tài liệu tham khảo thì gọi là nhựa
polyeste không no.
2. 2 Lịch sử:
Nhựa polyeste không no có nguồn gốc rất lâu về trước từ một vài loại
dầu từ tự nhiên là nhựa alkyde, nó sẽ trở nên cứng khi cho một vài chất vào
và được dùng để làm sơn. Quá trình đóng rắn là kết quả của quá trình trùng
hợp xảy ra giữa các phân tử ester. Ngoài ra, người ta cũng biết được rằng khi
thêm styren sẽ làm tăng tốc độ đóng rắn.
Nhựa polyeste không no được phát minh bởi Carleton Ellis (18761941). Bài báo đầu tiên được công bố trong khoảng từ năm 1938-1940. Nhựa

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 13


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

bắt đầu sản xuất công nghiệp vào năm 1941để làm composit, nhựa được gia
cường bởi sợi thủy tinh để làm nắp bọc ănten rada.
2.3 Nguyên liệu tổng hợp:[8,10]

Theo cấu tạo của nhựa polyeste không no, monomer có thể được
nhóm thành 2 loại chính, đó là các loại monomer cho cho polyeste và
monomer của vinyl monomer là chất pha loãng đồng thời là tác nhân khâu
mạch.
2.3.1 Hợp phần alcol
Hầu hết alcol được dùng là 1,2-propylen glycol (PG) và ethylen glycol
(EG), diethylen glycol (DEG), dipropylen glycol (DPG), neopentyl glycol
(NPG).

Hình 2.1 công thức các loại rượu
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 14


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Mỗi loại rượu có những đặc tính riêng và góp phần tạo cho polyeste có những
tính chất riêng.
Bảng 2.1 nhận xét về các loại rượu

2. 3.2 Hợp phần acid và anhydrid
Thông thường trong nhu cầu công nghiệp, polyeste không no được tạo
thành từ 1,2-propylen glycol, phtalic anhydrid và maleic anhydrid. Monome
vinyl phổ biến nhất được sử dụng là styren. Nếu chỉ có Maleic anhydrid mà
không có phtalic anhydrid trong hệ phản ứng, sẽ tạo ra polyeste có mật độ
nối đôi trong phân tử rất cao, và khi khâu mạng thì mật độ liên kết ngang
cũng rất cao, đó là nguyên nhân làm nhựa trở nên giòn. Vì vậy, trong thành

phần acid không no luôn luôn phải có một thành phần acid không có chứa nối
đôi trong phân tử. Chú ý rằng liên kết đôi trong vòng thơm sẽ không tham gia
vào quá trình trùng hợp với vinyl monome. Ví dụ lên kết đôi trong acid HET
sẽ không tham gia vào quá trình trùng hợp. Fumaric acid trùng hợp copolyme
rất tốt với styren, nhưng giá của Fumaric acid thì đắt hơn so với anhydric
acid. Vì vậy, anhydrid maleic được thích dùng trong tổng hợp polyeste không
no hơn. Mặt khác, acid Fumaric trong phản ứng trùng ngưng với diol sẽ cho
ra 2 mol nước, trong khi nếu dùng anhydrid maleic sẽ cho ra 1 mol nước.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 15


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Nên anhydric maleic được sử dụng nhiều hơn các loại acid tương tự khác bởi
vì hoạt tính cao hơn.

Hình 2.2 Công thức cấu tạo của các loại axit
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 16


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Bảng 2.2 Nhận xét về các loại axit

2.3.4 Vinyl monome
Vinyl monome được dùng như một chất pha loãng cho polyeste và
giảm độ nhớt của nó. Ngoài ra, nó là tác nhân copolyme hóa trong quá trình
trùng hợp. vinyl monome dùng cho nhựa polyeste không no được trình bày
trong bảng
Bảng 2.3 Nhận xét về các loại monomer dùng pha loãng

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 17


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Styren
Styren là loại vinyl monomer được dùng rộng rãi nhất cho polyeste
không no. Tuy nhiên styren là chất gây ung thư, vì vậy việc thay thế styren
bằng một vinyl monome khác đã được bàn luận trong nhiều năm qua. Với
một hàm lượng lớn styren thì độ bền vật liệu có thể được tăng lên. αMethylstyren tạo thành một dạng gốc tự do ít hoạt tính, vì thế làm chậm lại
quá trình phản ứng. Vinyl monome phân cực như vinyl pyridine, làm tăng sự
kết dính giữa polyeste và sợi thủy tinh, được dùng trong việc hạn chế sự tách
lớp trong composite sợi thủy tinh.
Acrylats and Metacrylats
Acrylat làm tăng độ bền của nhựa khi ở bên ngoài trời. Metyl
metacrylat làm tăng tính quang học. Chỉ số khúc xạ của vật liệu có thể được

đa dạng hóa với viêc phối trộn giữa styren với metyl methacrylat, vì vậy vật
liệu trong suốt hoàn toàn có thể được sản xuất.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 18


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Hình 2.3: Công thức của các monomer dùng pha loãng Vinyl Ete
Các loại vinyl khác và divinyl ete có thể được thay thế cho styren.
Divinyl ete với polyeste không no được sử dụng cho các kết cấu trong môi
trường bức xạ và sơn phủ. Ngoài ra, trietylen glycol divinyl ete có thể được
dùng cho lớp phủ gel (gel coat).
Propenyl ete thì được dùng phổ biến hơn so với các vinyl ete khác.
Propenyl ete thì đơn giản trong phản ứng đồng phân hóa so với các allyl ete
khác. Bởi vì hiệu ứng không gian của những nhóm methyl trong các phân tử
propenyl ete, chúng được cho rằng là làm giảm hoạt tính nhiều hơn so với
các viny Ete tương tự khác
2.4 Phản ứng tổng hợp

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 19


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Glycol được cho vào hệ phản ứng ở nhiệt độ phòng, lượng cho vào
vượt quá so với lượng cần thiết một chút để bù cho lượng bay hơi và các
phản ứng phụ có thể xảy ra trong quá trình phản ứng. Anhydrid maleic và
anhydrid phtalic được thêm vào hệ với tỷ lệ: 1 mol maleic anhydrid, 1 mol
phtalic anhydrid, và 1.1 mol 1,2-propylen glycol. Ngoài ra, các chất xúc tác
có thể được cho vào hệ.
Hệ phản ứng tiến hành trong môi trường nitrogen và tốc độ nâng nhiệt
chậm. Ở nhiệt độ 90oC anhydrid phản ứng với glycol, đây là một phản ứng
tỏa nhiệt. Đây là giai đoạn khơi mào cho quá trình đa phản ứng. Kết thúc các
phản ứng tỏa nhiệt thì xúc tác cho phản ứng trùng ngưng có thể được thêm
vào.

Hình 2.4 Phản ứng giữa anhydrit maleic và 1,2- propylen glycol
Xúc tác như PbO2, p-toluenesulfonic acid và kẽm acetate ảnh hưởng
đến màu sắc của sản phẩm cuối của polyeste và động học của phản ứng.
Nhiệt độ phản ứng là 200oC. Quá trình phản ứng không được có sự hiện diện
của khí oxy, vì nếu có mặt oxy nó có thể oxy hóa nối đôi làm cho sản phẩm
cuối có thể có màu, ngoài ra làm giảm mật độ nối đôi có thể ảnh hưởng đến
tính chất cơ lý của nhựa. Vì vậy sự thổi khí nitrogen vào hệ có tác dụng ngăn
chặn sự hiện diện của oxy trong hệ, đồng thời loại bỏ được nước trong hệ.

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 20


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Hình 2.5: Phản ứng tạo polyeste
Hệ phản ứng được theo dõi bằng cách theo dõi và đánh giá chỉ số acid.
Chỉ số acid được xác định bằng cách chuẩn độ hỗn hợp với dung dịch KOH.
Chỉ số acid được xác định là số miligam KOH trên một gam nhựa. Thông
thường chỉ số acid của nhựa khoảng 50 mg/g nhựa, tương đương với phân tử
lượng của nhựa là khoảng 1000 Dalton là đạt yêu cầu. Sau khi đạt được chỉ
số acid như vậy, hệ được làm nguội và đồng thời bắt đầu khuấy trộn với
styren. Trong bất kỳ trường hợp nào,nhiệt độ khuấy trộn styren cũng chỉ nên
nhỏ hơn nhiệt độ bay hơi của vinyl monome một chút, bởi vì nếu nhiệt độ
cao quá thì sẽ làm bay hơi styren và nhựa sẽ mau gel lại, bên cạnh đó nếu
nhiệt độ hạ thấp quá thì polyeste không no sẽ có độ nhớt rất cao và rất khó
khuấy trộn với styren.
Quá trình khuấy trộn có nhiều cách: polyeste được rót vào styren đang
khuấy mạnh hay khi quá trình phản ứng xong, polyeste vẫn còn được khuấy
liên tục và cho styren vào khuấy trộn (được áp dụng trong phòng thí nghiệm).
Sau khi khuấy trộn xong, nhựa polyeste được làm nguội tới nhiệt độ
phòng nhanh nhất có thể. Cuối cùng, chất xúc tiến Cobalt được thêm vào
nhựa để hoàn tất quá trình tổng hợp nhựa polyeste. Một nhựa polyeste không
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 21


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

no không bao giờ trộn hợp được hoàn toàn với tất cả các tỷ lệ styren. Nếu
một lượng lớn styren được thêm vào thì sự tách pha tạo ra một hệ 2 pha sẽ
xuất hiện.
Nhựa sẽ có màu vàng nhẹ. Nếu cần thiết sản phẩm cuối có thể được
lọc, giai đoạn cuối cùng là rót vào bình chứa
Thông số kỹ thuật về một loại polyester:
polyester không no là loại polymer có mang orthophtalic trong mạch
chính, có 30-35% styrene monomer, pha sẵn 0,5 % chất xúc tiến Cobalt
nathtalene, dùng đóng rắn là methylethylketoneperoxide (MEKPO- loại 55%)
với lượng 1%.
Các thông số kỹ thuật khác của nó trước khi dùng :
• Chỉ số acid : 20-28 KOHml/g
• Hàm lượng chất bốc: 35-40 %
• Màu: hồng đục ( loại có pha parafin wax), trong ngã tím ( không parafin wax
nhưng có pha sẵn chất xúc tiến)
• Thời gian gel ( ở nhiệt 30oC, ẩm RH=60%, với 1% xúc tác MEKPO ): 30 phút
Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong
styrene. Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ
dàng cho quá trình gia công. Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo
liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào.
Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất.
Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một
thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong
quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia.
Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 22

Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp
quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến
để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.
Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình
đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng
hoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được
mà không bị giòn.
Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia
khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn
thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất
quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc
sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm
lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ
làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng
rắn sẽ bị chậm lại.

CHƯƠNG 3:
TỔNG QUAN VỀ SỢI THIÊN NHIÊN[11,12,13]

3.1. Giới thiệu về sợi thiên nhiên :[11,12]
Sợi thiên nhiên ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng làm những
sản phẩm composite thay thế các loại sợi đắt tiền, giảm giá thành sản phẩm
và chế biến các sản phẩm thân thiện với môi trường.
Sợi thiên nhiên có tính hút ẩm do dẫn xuất từ lignocellulose, có chứa nhóm
hydroxyl phân cực mạnh. Giới hạn trong việc sử dụng sợi thiên nhiên gia

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 23


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

cường cho vật liệu composit là sự kết dính bề mặt kém giữa sợi có cực và
nhựa nền không phân cực, và sự thấm ướt kém của sợi với nhựa nền.
Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composit gia
cường sợi thiên nhiên bao gồm các yếu tố sau:
-

Hệ số co (dài/dày) ảnh hưởng rất lớn đến tính chất composit, vì vậy nó
quan trọng bảo tồn chiều dài sợi như trong quá trình làm composit. Hệ số
co của sợi phải nằm trong khoảng 100 – 200 là tối ưu nhất. Nguồn gốc sợi

-

ảnh hưởng đáng kể đến tính chất composit.
Một hệ số khác là sự phân tán sợi. Sợi phân tán kém do các sợi ôm chặt
hoặc tạo thành bó thì khả năng gia cường thấp hơn sợi đơn. Thêm vào đó,
các bó sợi cho độ bền thấp vì chúng kết dính kém. Bó sợi ngăn cản sự

-

truyền ứng suất, kết quả là làm giảm tính chất composit.
Tăng độ bền của composit phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc. Bề mặt tiếp xúc

giữa sợi/nhựa trong composit có nhiệm vụ truyền ngoại lực tác dụng lên
sợi. Lực tác dụng trực tiếp tại bề mặt của composit được truyền qua sợi
gần đó và tiếp tục từ sợi qua sợi thông qua nhựa nền và bề mặt tiếp xúc.
Nếu bề mặt tiếp xúc kém, hiệu quả phân bố lực không tốt và cơ tính
composit bị giảm. Nói cách khác, bề mặt tiếp xúc tốt có thể đảm bảo rằng
composit có thể chịu được tải trọng , thậm chí lực có thể truyền nguyên
vẹn đến sợi bị gãy tốt như sợi không bị gãy. Bề mặt tiếp xúc kém là một
hạn chế, bởi vì sợi và nhựa nền khác nhau về giản nở nhiệt, sự phá hủy
sớm có thể xảy ra tại những bề mặt tiếp xúc kém khi composit chịu ứng
suất về nhiệt. Vì vậy, kết dính giữa sợi và nhựa nền là hệ số chính trong
việc xác định đáp ứng của bề mặt tiếp xúc và khả năng của nó dưới ứng
suất. Tối ưu bề mặt tiếp xúc giữa sợi thiên nhiên và nhựa nền (nhiệt dẻo
và nhiệt rắn) đã trở thành trọng tâm của hàng loạt cuộc nghiên cứu trong
suốt hai thập kỉ qua.

3.2 Phân loại sợi thiên nhiên:[12]
Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 24


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

Nhìn chung sợi có thể chia làm 4 loại chính :
• Sợi từ vỏ cây: đay, lanh, gai, ramie, kenaf, china jute, isora, kudzu, nettle,
roselle, sun hemp, cadillo/urena, wood...
• Sợi từ lá: dứa dại, chuối, palf, henequen, abaca, cantala, caroa, curaua, date
palm,

istle,

mauritius,

piassava,

pineapple,

phormium,

sansevieria

(browstring hemp)...
• Sợi từ bông: cotton...
• Sợi từ trái: dừa, dầu cọ, bông gạo, sponge gourd...
3.3. Cấu trúc của sợi thiên nhiên:[11,12]
Sợi thiên nhiên có thể được coi như là composit của sợi cellulose rỗng
được giữ bởi lignin và hemicellulose . Tường tế bào của sợi là tường không
đồng nhất. Tường tế bào sợi gồm hai lớp cơ bản - lớp sơ cấp tương đối mỏng
(P) và lớp thứ cấp dày hơn (S). Lớp sơ cấp có tính chất bao bọc lấy chất
nguyên sinh trong mỗi tế bào. Lớp thứ cấp được hình thành từ ba lớp phụ:
tường thứ cấp ngoài (S1), tường thứ cấp giữa (S 2) và tường thứ cấp trong (S 3).
Lớp S3 có khi còn được gọi là tường tam cấp (T) . Các lớp này khác nhau về
bề dày (lớp S2 dày nhất), về sự định hướng của các thành phần hóa học. Lớp
thứ hai xác định cơ tính của sợi, chúng chứa chuỗi xoắn ốc của vi sợi
cellulose hình thành từ phân tử cellulose chuỗi dài. Góc định hướng giữa sợi
và vi sợi được gọi là góc vi sợi (microfibril angle). Giá trị của góc vi sợi của
mỗi sợi khác nhau thì khác nhau. Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo
những phương khác nhau, hoặc về phía phải (đường xoắn ốc Z), về phía trái

(xoắn ốc trái S).

Vật Liệu Composite trên nền nhựa UPE và Thân Lục Bình

Trang 25