Nghiên cứu chế tạo vật liệu SMC trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường vải cacbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME VÀ
COMPOZIT

======***======

ĐỒ ÁN KỸ SƯ
Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu SMC
trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường
vải cacbon

Giảng viên hướng dẫn

:

PGS.TS Nguyễn

Thanh Liêm
Sinh viên thực hiện
MSSV
Khóa

:
:
:

HÀ NỘI-2019

K59

Đồ án kỹ sư

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.........................................................................................3
PHẦN 1. TỔNG QUAN..................................................................4
1.1. Vật liệu Composite..............................................................4
1.1.1. Khái niệm........................................................................4
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển..................................4
1.1.3. Ưu điểm.......................................................................4
1.2. PHÂN LOẠI COMPOSITE.......................................................5
1.2.1 Phân loại theo hình dạng.............................................5
1.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần...........................5
1.3. Tính chất chung và ứng dụng của vật liệu compozit..........6
1.4. Vật liệu composite trên cơ sở polyeste không no gia cường
sợi cacbon...........................................................................................6
1.4.1. Polyme nền : polyeste không no..................................7
1.4.2. Sợi cacbon gia cường :...............................................16
1.5 Chế tạo vật liệu composite.................................................18
1.5.1. Cơ chế gia cường của vật liệu composite...................18
1.5.2. Công nghệ chế tạo vật liệu composite.......................20
PHẦN 2 : THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP..........................21
2.1. Tổng hợp polyeste không no.............................................21
2.1.1. Nguyên liệu................................................................21
2.1.2. Phương pháp tổng hợp...............................................22
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu Composite.................23

Trang 1


Đồ án kỹ sư

2.2.1. Ảnh hưởng tỉ lệ sợi/vật liệu của các dạng vải khác
nhau..............................................................................................23
2.2.2. Ảnh hưởng của loại vải...............................................23
2.2.3. Ảnh hưởng của cách sắp xếp vải...............................23
2.2.4. Ảnh hưởng của sự phân bố của vải thô......................24
2.3. Tính toán số liệu................................................................24
2.3.1 Chỉ số axit...................................................................24
2.3.2. Xác định độ nhớt của nhựa nền.................................25
2.3.3. Xác định hàm lượng gel.............................................25
2.3.4. Độ bền kéo.................................................................26
2.3.5. Độ bền va đập............................................................26
PHẦN 3 : ỨNG DỤNG VẬT LIỆU POLYME COMPOSITE..........27
3.1. Chế tạo tàu thuyền...........................................................27
3.2. Chế tạo một số sản phẩm gia dụng..................................27
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................28

Trang 2


Đồ án kỹ sư

MỞ ĐẦU
Vật liệu polyme compozit đuợc sử dụng để chế tạo những sản
phẩm từ đơn giản như thùng chứa nước, tấm lợp…đến những sản
phẩm chi tiết kết cấu phức tạp. chịu tải trọng lớn và có những yêu
cầu đặc biệt như các chi tiết trong thân máy bay, tàu vũ trụ…
Những công trình nghiên cứu về vật liệu mới đang ngày càng
được ứng dụng rộng rãi trong mọi mặt của đời sống kinh tế xã hội.
Điển hình là ra đời và phát triển của vật liệu mới – vật liệu polyme

compozit. Vật liệu polyme composite do có tính chất ưu việt như
nhẹ, bền, dễ gia công, có nhiều tính chất cơ lý hóa học nổi trội, giá
cả chấp nhận được nên đang dần thay thế các vật liệu truyền
thống như sắt, thép, gỗ,…

Trang 3


Đồ án kỹ sư

PHẦN 1. TỔNG QUAN

1.1. Vật liệu Compozit
1.1.1. Khái niệm
Vật liệu Compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai
hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu
mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu
Compozit được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo
cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu
nền đảm bảo cho các thành phần của Compozit liên kết, làm việc
hài hoà với nhau.

1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu Compozit đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống,
khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận
dụng vật liệu composite vào cuộc sống ( ví dụ: sử dụng bột đá
trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ
gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Compozit từ khoảng
3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ
thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan

bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre
chát bùn với rơm, dạ là những sản phẩm Compozit được áp dụng
rộng rãi trong đời sống xã hội. Sự phát triển của vật liệu
compozit đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những
năm 1930 khi mà stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng
thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho
Polyeste không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ
cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột phá
quan trọng trong ngành vật liệu Compozit đó là sự xuất hiện nhựa
Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970
Trang 4


Đồ án kỹ sư

đến nay vật liệu compozit nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể
thao, quân sự vv…

1.1.3. Ưu điểm
Tính ưu việt của vật liệu Compozit 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 Compozit có
độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các
thành phần liên kết hài hoà 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 Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là
Compozit polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả
năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu

môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi
cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn
điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển
khả được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản
xuất.

1.2. PHÂN LOẠI COMPOZIT
Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và theo
bản chất của vật liệu thành phần.

1.2.1 Phân loại theo hình dạng
a. Vật liệu compozit độn dạng sợi:
Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite
độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho
polyme nền.

Trang 5


Đồ án kỹ sư

b. Vật liệu compozit độn dạng hạt :
Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn
phân tán vào polyme nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích
thước ưu tiên.

1.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần
• Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có
dạng : sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh,
carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

• Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp
kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi ki loại (Bo), sợi khoáng (Si,
C)…

• Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim
loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

1.3. Tính chất chung và ứng dụng của vật liệu compozit
Tính ư u việt của vật liệu compozit 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 vật liệu compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật
liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà 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. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là compozit nền polyme,
đây là vật liệu có nhiều đặc tinh ư u việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính
chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các
đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học,…. 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. Những năm gần đây, nhờ nghiên cứu thành công
và đưa vào ứng dụng những hệ nhựa nền mới, vật liệu gia cường mới, và
phương pháp gia công mới mà phạm vi ứng dụng và sản lượng tiêu thụ của loại
vật liệu này không ngừng tăng lên. Ngoài những lĩnh vực ứng dụng truyền thống,
Trang 6


Đồ án kỹ sư

vật liệu polyme compozit đang được nghiên cứu ứng dụng trong những lĩnh vực
rất mới như vật liệu y sinh, vật liệu nano, pin mặt trời....

1.4. Vật liệu composite trên cơ sở polyeste không no
gia cường sợi cacbon
Vật liệu composite trên cơ sở nhựa nhiệt rắn cho các tính
chất

cơ

lý

hóa

hơn hẳn các họ nhựa nhiệt dẻo, đồng thời quá trình gia công, chế
tạo

đơn

giản

hơn, chi phí đầu tư thấp hơn. Do đó nhựa nhiệt rắn thường được dử
dụng

nhiều

hơn.
Chất độn dạng sợi được sử dụng nhiều hơn dạng hạt bởi vì
tính

gia

cường

cơ học cao hơn.
Do đó ở đây chỉ đề cập đến polyme nền là nhựa nhiệt rắn, đại
diện

là

polyeste không no và chất độn là sợi cacbon.

1.4.1. Polyme nền : polyeste không no
Trong các loại nhựa nhiệt rắn thì epoxy và polyme thường
hay

được

sử

dụng nhất, vì chúng có độ nhớt thấp, đóng rắn được ở nhiệt độ
phòng

và

áp

suất

khí quyển.
Nhựa epoxy mặc dù tính năng cơ lý có cao hơn polyeste
không

no,

nhưng

giá thành cao hơn rất nhều, do đó dẫn đến tỉ số tính năng cơ lý/giá
cả

thấp

hơn

nhựa polyeste không no cho nên ít được sử dụng hơn, thường chỉ
Trang 7


Đồ án kỹ sư

sử

dụng

cho

những mục đích đặc biệt.
Còn nhựa polyeste không no với tác nhân khâu mạch ngang
là

styren,

đồng thời là dung môi , do đó có những đặc điểm sau :
-

Để điều chỉnh độ nhớt thích hợp cho quá trình gia công
Đóng rắn nhiệt độ thường, áp suất thường, dễ dàng điều

-

chỉnh
Dễ dàng chỉnh cấu trúc nhựa ban đầu để tạo tính chất sản

-

phẩm theo ý muốn.
Giá thành hạ
Tính thấm ướt chất độn cao

1.4.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển
So với các sản phẩm thương mại hiện nay như nhựa phenol
hay alkyt thì PEKN được biết đến muộn hơn. Các công trình nghiên
cứu đầu tiên về PEKN được thực hiện bởi Bradley, Kropa và
Johnson vào những năm 1930. Tuy nhiên kết quả nghiên cứu còn
gặp nhiều hạn chế do thời gian khâu mạch còn tương đối dài. Cùng
khoảng thời gian đó thì Carleton Ellis đã tìm ra cách tổng hợp PEKN
từ phản ứng của glycol và anhydrit maleic và có thể sử dụng các
chất peroxit cho thời gian đóng rắn nhanh hơn. Năm 1937, Ellis
phát hiện ra rằng một số monome không no như vinyl axetat hay
styren giúp giảm thời than khâu mạch và giảm độ nhớt tạo điều
kiện thuận lợi cho quá trình gia công, từ đây phạm vi ứng dụng của
nhựa PEKN mới thực sự được mở rộng . Năm 1941, nhựa PEKN bắt

đầu được đưa vào thương mại hóa và có những ứng dựng mang
tính công nghiệp. Từ năm 1945, sau khi kết thúc chiến tranh thế
giới thứ 2, PEKN được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
chế tạo tàu thuyền, xây dựng dân dụng, giao thông vận tải, thiết bị
điện tử…sản lượng nhựa PEKN không ngừng tăng cao và cho đến
nay đã đạt đến hàng triệu tấn mỗi năm. Hiện nay có 2 công ty lớn
Trang 8


Đồ án kỹ sư

cung cấp nhựa PEKN đó là Dainippon Ink & Chemical, Ashland and
Alpha-Owens Corning, hai công ty này chiếm tới 36% sản lượng
PEKN khắp vùng Tây Âu và Bắc Mỹ. Trong công nghiệp vật liệu PC,
nhựa PEKN là loại nhựa nền phổ biến nhất, chiếm 95% sản lượng
nhựa nhiệt rắn. Đây là loại nhựa lâu đời và có giá thành tương đối
rẻ. Ở Việt Nam, đây cũng là loại nhựa nền được ứng dụng đầu tiên
và rộng rãi nhất hiện nay.
1.4.1.2 Tổng hợp nhựa PEKN
a. Nguyên liệu tổng hợp PEKN
Nhựa PEKN là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa các
polyaxit hay các anhydrit của chúng với các polyol. Liên kết đôi
của anhydrit không no tạo điều kiện cho nhựa PEKN có khả năng
khâu mạch tiếp theo để tao nhựa nhiệt rắn. Nhựa PEKN tạo thành
ở dạng rắn nhưng thường được sử dụng ở dạng dung dịch với
styren (30- 40%). Styren vừa là dung môi vừa là tác nhân khâu
mạch. Nhựa PEKN có thể gia công ở nhiệt độ thường không cần áp
suất và đây là một ưu điểm lớn trong công nghiệp.


Polyaxit
Để tổng hợp PEKN, người ta sử dụng các diaxit, thường là

axit/anhydryt
phtalic và các dẫn xuất của nó. Tính chất của các sản phẩm nhựa
PEKN

có

thể

thay đổi linh hoạt nhờ vào việc lựa chọn các axit/anhydryt thích
hợp.
Dưới đây là bảng tổng hợp một số loại axit/anhydryt thường
được sử dụng để tổng hợp nhựa PEKN cũng như tính chất đặc
trưng của các sản phẩm nhựa tương ứng.

Trang 9


Đồ án kỹ sư

Bảng 1.1. Một số loại axit/anhydryt thường được sử dụng để
tổng hợp nhựa PEKN
Công thức

Tên

Tính chất

Anhydrit
phtalic

Nhựa vàng sáng, trong.
Tính chất trung bình

Anhydrit
isophtalic

Nhựa vàng sáng, trong.
Chịu ăn mòn. Cơ tính
cao

Axit
terephtalic

Nhựa đục nhưng sáng.
Chịu nước, hơi ẩm ở
100°C. Chịu nhiệt tốt

Anhydrit
tetrahydro
phtalic

Không bị biến màu, cơ
lý cao, độ bền mỏi cao
nhưng kém hút ẩm

Anhydrit endic

Không bị biến màu, cơ
lý cao, chịu mỏi, chịu
ẩm tốt, độ ổn định nhiệt
cao
Ngoài các axit/anhydryt kể trên thì trong quá trình tổng hợp
PEKN, người ta còn bổ sung thêm các axit/anhydryt không no. Việc
lựa chọn loại axit/anhydryt không no và hàm lượng của nó cũng
ảnh hưởng lớn đến tính chất của nhựa. Thông thường thì anhydryt
maleic được sử dụng nhiều hơn cả do giá thành tương đối rẻ và
quá trình tổng hợp tạo ra ít nước. Trong những trường hợp đòi hỏi
tính chất đặc biệt có thể sử dụng một số hợp chất khác như axit
fumaric, axit metacrylic, axit acrylic, axit itaconic. Hàm lượng axit
không no sẽ quyết định hàm lượng nối đôi trong nhựa, tỷ lệ axit
no/axit không no trong khoảng từ 1/2 đến 2. Lượng nối đôi trong
nhựa càng cao thì nhựa đóng rắn càng nhanh tăng độ cứng của
Trang 10


Đồ án kỹ sư

sản phẩm compozit cuối cùng. Vì vậy, cần lựa chọn tỷ lệ cho phù
hợp, trong phần lớn các trường hợp tỷ lệ này là 1:1.
 Polyol
Nguyên liệu quan trọng thứ hai để tổng hợp PEKN là polyol,
thường là các diol. Giống như polyaxit, polyol cũng có nhiều loại
tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm mà lựa chọn nguyên liệu cho phù
hợp. Có thể là tăng cường cơ tính hoặc tăng độ bền thủy phân, khả
năng chịu hóa chất…
Bảng 1.2. Một số diol để tổng hợp PEKN và tính chất sản
phẩm nhựa tương ứng

Etylen glycol (EG)

Chịu nén tốt, độ
bền cao
Propylen glycol (PG) Độ đàn hồi và độ
bền uốn cao
Butylen glycol

Mềm dẻo, chịu ăn
mòn

Dietylen glycol
(DEG)

Mềm dẻo, độ giãn
dài lớn. Chịu va đập
tốt

Bisphenol A

Chịu kiềm rất tốt.
Ổn định nhiệt

1.4.1.3. Phương pháp tổng hợp nhựa PEKN
Giữa các diaxit hay anhydit và các diol xảy ra phản ứng este
hóa

tạo

thành

nhựa PEKN

Trang 11


Đồ án kỹ sư

Quá trình tổng hợp PEKN có thể xảy ra theo 1 hoặc 2 giai
đoạn
Phương pháp 1 giai đoạn tức là đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ
cao. Ưu điểm của là thời gian phản ứng giảm còn nhược điểm là
tổn thất nguyên liệu nhiều. Vì vậy phương pháp này ít được sử
dụng.
Phương pháp hai giai đoạn: Giai đoạn đầu: đun nóng hỗn hợp
ở nhiệt độ thấp 98-120˚C phần lớn là tạo ra các monoeste, giữ ở
một khoảng thời gian thích hợp. Giai đoạn sau: nâng nhiệt độ lên
đến 260-280˚C và giữ ở nhiệt độ này đến khi chỉ số axit còn 1-25
thì ngừng phản ứng. Cuối cùng làm lạnh đến nhiệt độ 150- 180˚C,
nếu dùng polyeste lỏng thì đem đóng thùng còn polyeste rắn thì
rót ra băng tải kim loại, làm nguội, đem đập, nghiền, sàng.
1.4.1.4 Phản ứng đóng rắn PEKN
Dưới tác dụng khởi đầu- xúc tiến hay các tia giàu năng lượng
(γ,

UV)

sẽ

xảy ra phản ứng trùng hợp giữa các nối đôi trong mạch PEKN và

styren

tạo

thành polyme có cấu trúc không gian theo phản ứng:
Trang 12


Đồ án kỹ sư

Liên kết ngang có x trung bình khoảng 1.5- 2.5 phân tử
styren.
Phản ứng trùng hợp giữa các chất có liên kết đôi thường tiến
hành theo cơ chế trùng hợp gốc dưới tác dụng của các chất khởi
đầu và để nâng cao tốc độ phản ứng phải dựa vào các chất xúc
tiến.
Hệ chất khởi đầu- chất xúc tiến là một hệ oxy hóa khử theo
cơ chế:
ROOH + Co2+ → RO• + OH‾ + Co3+
ROOH + Co3+ → ROO• + Co2+ + H+
RH + Co3+ → Co2+ + R• + H+
RH + O2 + R• → ROOH + R•
Các chất khởi đầu (còn gọi là chất xúc tác) có hai loại chất
khởi

đầu

cho

đóng rắn nóng và đóng rắn nguội.

Bảng 1.3 Bảng các chất khởi đầu thông dụng
Trang 13


Đồ án kỹ sư

Metyletylketonperoxyt
Xyclohexanonperoxyt

Benzoylperoxyt

Để đóng rắn nguội thường dùng metyletylketonperoxyt
(MEKPO)

hay

xyclohexanonperoxyt, thông dụng nhất là MEKPO. Lượng dùng rất
ít

1-2%

trọng lượng nhựa. Các chất ở nhiệt độ cao là benzoylperoxyt dùng
ở

hàm

lượng

1-2% dưới dạng bột nhão 55% trong crezylphotphat. Nhiệt độ đóng
rắn

nóng

thích hợp 100 - 110˚C.
Các chất xúc tiến:
+ Coban octoat: là dung dịch 6% coban, màu xanh lơ, được
dùng phối hợp với chất khởi đầu nêu trên.
+ Coban naphtenat: cũng là dung dịch 6% coban, sử dụng
như coban octoat.
Ngoài ra do PEKN sau khi tổng hợp thường tồn tại ở dạng
đậm đặc hoặc rắn (ở nhiệt độ phòng) nên người ta thường thêm
vào các monome: styren, metylmetacrylat (MMA), vinyl, triallil
xianuarat,… vừa có tác dụng pha loãng vừa là tác nhân khâu
mạch.
Trong đó styren được sử dụng nhiều nhất do có nhiều tính
chất ưu việt:
-Có độ nhớt thấp.
Trang 14


Đồ án kỹ sư

-Tương hợp với polyeste, khả năng đồng trùng hợp cao, tự
trùng hợp thấp.
- Đóng rắn nhanh.
- Sản phẩm chịu thời tiết tốt, có lý tính cao, cách điện tốt
- Khả năng tự bốc cháy thấp.

Hình 1.1. Sơ đồ mô tả nhựa PEKN sau khi đóng rắn
Sau khi đóng rắn, nhựa PEKN trở nên cứng và có khả năng

chịu

lực

cao.

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 lọa bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng tới quá trình gia
công.
Trong quá trình đóng rắn nhựa thường có hiện tượng co ngót
khoảng

4-

8% gây biến dạng tạo những biến dạng cho vật liệu do vậy trước
khi

gia

công

ta

cần cho thêm chất chống co ngót.
Cần lưu ý ở nhiệt độ bình thường, quá trình đóng rắn xảy ra
không

hoàn
Trang 15


Đồ án kỹ sư

toàn, do đó để nâng cao tính chất của vật liệu PC, sau khi đóng rắn
ở

nhiệt

độ

thường cần đóng rắn nóng tiếp 3-4 giờ ở nhiệt độ 80- 100˚C.
1.4.1.5. Tính chất và ứng dụng của nhựa PEKN
a) Tính chất
Tính chất của nhựa PEKN phụ thuộc vào thành phần nguyên
liệu

ban

đầu và điều kiện tổng hợp. Ở trạng thái không đóng rắn nhựa có

thể

có

độ

nhớt

thấp, trung bình hoặc cao, dễ thao tác với sợi cốt, có khả năng
đóng

rắn

trong

dải

nhiệt độ rộng và không cần dùng thêm áp lực. Ở trạng thái đóng
rắn

các

polyeste

này là vật liệu rắn, trong suốt hoặc không. Vật liệu trong suốt cho
92%

ánh

sáng

truyền qua. Khi tiếp xúc với ánh sang có bước sóng ngắn thì nhựa
sẽ

bị

vàng.

Trong môi trường không khí, compozit từ PEKN có thể làm việc
trong

khoảng

nhiệt độ 35-75˚C.
Polyeste sau đóng rắn bền axit, chịu được môi trường axit
HCl

15%,

HNO3 7%. dung dich muối axit và trung tính, các dung môi có cực,
chịu

sương

muối, tia tử ngoại nhưng không bền kiềm, xeton, anilin, CS2….
Nhược điểm của polyeste không no là có độ co ngót lớn,
khả

năng

chịu

nhiệt cũng như độ bền va đập không cao.

Trang 16


Đồ án kỹ sư

PEKN không chịu được nhiệt độ cao, dễ bốc cháy do vậy khi
gia

công

ta cần phải cho các phụ gia chống cháy vào như phụ gia hữu cơ,
vô

cơ

(paraffin)

có chứa clo, PVC, hợp chất có chứa polyplast.

Bảng 1.4. Tính chất của nhựa PEKN

Trang 17


Đồ án kỹ sư

b) Ứng dụng của nhựa PEKN
Nhựa PEKN được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
- Làm keo dính và xi măng (trộn cùng với oxyt silic và dioxyt
silic).
- Phủ bảo vệ: tạo ra lớp phủ dày 200-400 mm nên cứng vững
bề mặt, bền cơ cao, bền nhiệt, bền vững với sự thay đổi của thời
tiết, bền nước, rượu, xăng dầu, axit lỏng, kiềm và một loạt các
nhân tố hoạt hóa khác. Màng phủ có thể phủ lên tất cả các loại vật
liệu. chỉ có điều lớp phủ mỏng nên styren bay hơi rất nhanh, mất
nhiệt do phản ứng tạo ra. Vậy cần đưa một lượng lớn chất để tăng
nhanh quá trình đồng trùng hợp styren và PEKN, và ngăn cản tác
động của oxy trong không khí vào quá trình làm khô.
- Làm vật liệu ép.
- Làm vật liệu phân lớp.
- Quan trọng hơn cả là nhựa PEKN có vai trò rất quan trọng
đóng vai trò là nhựa nền trong công nghiệp chế tạo vật liệu
polyme compozit. Sản phẩm compozit đi từ nhựa PEKN được ứng
dụng rất nhiều vào công nghiệp chủ chốt như công nghệ đóng tàu,
ô tô, máy bay, xây dựng dân dụng…

1.4.2. Sợi cacbon gia cường :
Sợi cacbon là những sợi có đường kính khoảng 5 micrômet và
có thành phần chủ yếu là các nguyên tử carbon. Sợi cacbon được
cấu tạo từ 90% là nguyên tử cacbon C có khối lượng nguyên tử là
12g/mol nhẹ hơn 5 lần so với nguyên tử kim loại sắt.
Giống như kim cương và than chì cùng được cấu tạo từ 100%
là nguyên tố C nhưng cấu trúc mạng tinh thể khác nhau dẫn đến
tính chất vật lý khác nhau.

Trang 18

Đồ án kỹ sư

Sợi carbon có một số lợi thế bao gồm độ cứng cao, độ bền
kéo cao, trọng lượng thấp, kháng hóa chất cao, chịu được nhiệt độ
cao và giãn nở nhiệt thấp. Những đặc tính này đã làm cho sợi
carbon rất phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân
dụng, quân sự và thể thao, cùng với các môn thể thao cạnh tranh
khác. Tuy nhiên, đã hơn 50 năm trôi qua, sợi cacbon vẫn là một
loại vật liệu hết sức lạ lẫm với đời sống con người bởi giá thành
của nó rất đắt khi so sánh với các loại sợi tương tự, chẳng hạn như
sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa.

Hình 1.2. Cấu trúc bên trong của sợi cacbon
Để có thể tạo ra loại cacbon dùng để sản xuất sợi cacbon,
cần phải tiêu hao một nửa lượng nguyên liệu ban đầu dẫn đến sản
phẩm cuối theo đó sẽ có giá gấp đôi so với nguyên liệu đầu. Ngoài
ra chi phí sản xuất, khấu hao máy móc, nhân công cũng góp phần
vào làm cho giá thành sợi cacbon khá cao. Chính vì vậy việc “bình
dân hóa” loại nguyên liệu này cũng cần phải một khoảng thời gian
dài.

Trang 19


Đồ án kỹ sư

Hình 1.3. Vải cacbon gia cường
Tính chất sợi cacbon

 Cấu trúc tinh thể, gồm những lớp cacbon dạng lục diện.
 Có thể được sản xuất từ PAN (phổ biến nhất), rayon hoặc
nhựa (Pitch), loại nguyên liệu ảnh hưởng nhiều nhất đến
cấu trúc và tính chất của sợi cacbon.
 Nhẹ, khả năng ổn định kích thước cao, khá dòn.
 Duy trì tính chất trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ
cao, tiếp xúc với dung môi và các chất lỏng, môi trường
ẩm ướt).
 Composite nền polyme có độ cứng và độ bền cao, nhẹ.
 Composite sợi cacbon/nền cacbon chịu nhiệt cao, dùng
làm đĩa phanh, chi tiết lò nhiệt, ống gió, vật liệu phủ
chống oxy hóa, composite nền nhựa (Epoxy) dùng trong
ngành hàng không, vũ trụ.
 Giá thành cao.

Trang 20


Đồ án kỹ sư

Bảng 1.5. Tính chất của các loại sợi cacbon

1.5 Chế tạo vật liệu composite
1.5.1. Cơ chế gia cường của vật liệu composite
1.1.5.1 Lý thuyết kết dính trên bề mặt nhựa-sợi
Vai trò của chất độn dạng hạt cũng như dạng sợi là những
điểm chịu ứng suất tập trung do nhựa truyền đến khi có ngoại lực
tác dụng. Vì chất độn thường có tính năng cơ lý cao hơn nhựa rất
nhiều, do đó tính năng cơ lý của vật liệu được cải thiện hơn nhiều.
Đó là cơ chế gia cường của vật liệu composite.

Vấn đề đặt ra ở đây là phải có sự truyền tải ứng suất từ nhựa
lên

độn

cho

tốt, điều đó được quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt chất độn
và

nhựa

.

Mà

ở đó thành phần và cấu trúc bề mặt chất độn và thành phần và
bản

chất

của

nhựa

lại là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tương tác đó.
Ngoài ra còn có thể kể đến hình dạng, kích thước, chất độn.
Đối

với

chất

độn dạng sợi, sự truyền tải ứng suất xẩy ra dễ dàng hơn so với
chất

độn

dạng

hạt.
Trang 21


Đồ án kỹ sư

Bởi vì ứng suất do nhựa truyền tới tại một điểm bất kỳ trên
chiều dài sợi sẽ được phân bố đều trên khoảng chiều dài tới hạn,
do đó tại mỗi điểm sẽ phải chịu ứng suất nhỏ hơn rất nhiều so với
chất độn dạng hạt khi cùng chịu chung một tác dụng như vậy. Do
đó vật liệu độn dạng sợi sẽ cho tính năng cơ lý hóa cao hơn dạng
hạt. Ở đây chúng ta chỉ xét đến chất độn dạng sợi
- Nhựa và sợi là vật liệu đàn hồi
- Bề mặt tiếp xúc là một lớp vô cùng bé
- Liên kết xảy ra hoàn toàn ở trên bề mặt tiếp xúc
- Vật liêu tăng cường là vật liệu đẳng hướng , đồng nhất về
lực tác dụng
- Sợi được tách ra ở dạng sơ cấp
Phân tích các liên kết dựa trên lý thuyết kết dính ta nhận
thấy

giữa

sợi

và

nhựa có những lực liên kết sau :
- Lực hấp phụ và thấm ướt
- Lực tĩnh điện
- Liên kết cơ học
- Liên kết hóa học
1.1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng gia cường
a) Bản chất polymer nền
- Bản chất hóa học , phân bố các nhóm chức , độ phân
nhánh, độ phân cưc,…
- Độ đa phân tán và khối lượng phân tử
- Trạng thái pha : vô định hình hay tinh thể
- Điều kiện đóng rắn
Trang 22


Đồ án kỹ sư

Polyeste có độ phân cực trung bìn, thường không phân nhánh
và

các

nhóm

phân cực nằm ở 2 đầu mạch , độ kêt tinh thấp , do đó khả năng
tương

tác

với

sợi

cũng khá tốt.
b) tính chất bề mặt sợi
Bề mặt sợi ảnh hưởng lớn đến tính chất sản phẩm thông qua
việc

ảnh

hưởng đến sự liên kết giữa sợi – nhựa.
Bề mặt sợi thủy tinh gồm các oxyt phân bố ngẫu nhiên các
oxit

Fe2O3

,

AL2O3 và SiO2 không hút ẩm và các oxit khác thì hút ẩm và tạo bề
mặt

bị

hydrat hóa.

1.5.2. Công nghệ chế tạo vật liệu composite
Tùy thuộc vào yêu cầu, tính chất sản phẩm, đòi hỏi một đơn
pha

chế

và

công nghệ gia công thích hợp.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite rất phong phú, đa
dạng,

có

thể

tiến

hành theo các phương pháp sau :
 Gia công bằng áp suất thường:
+ Gia công bằng tay : Dùng cọ hay con lăn quét nhựa
lên khuôn đã phủ chống dính sau đó đặt vải lên, rồi quét
nhựa, dùng con lăn lăn đuổi bọt khí. Lần lượt đắp đến đạt bề
dày yêu cầu.
+ Phun nhựa – sợi : Sợi thô được cắt ngắn phun vào
cùng lúc với nhựa tuần tự cho đến khi đạt bề mặt dày, dùng
con lăn đuổi bọt khí và ép chặt.
Trang 23

Đồ án kỹ sư

+ Cuộn sợi : Cuộn sợi được kéo qua bể cho thấm nhựa
trước sau đó được cuộn phủ lên bề mặt khuôn, dùng để sản
xuất ống dẫn, thùng chứa nhỏ.
+ Túi chân không, túi áp suất, nồi hấp.
+ Ly tâm : Xếp sợi đã tẩm nhựa vào khuôn tròn, sau đó
quay ly tâm, lực ly tâm sẽ tạo hình sản phẩm.
 Gia công dưới áp suất:
+ Đúc ép nóng : Nhựa, sợi hay độn được trộn đều cho
vào khuôn đúc dưới áp suất và nhiệt độ cao.
+ Đúc ép nguội : Giống đúc ép nóng nhưng tiến hành ở
nhiệt độ thường.
+ Đùn kéo : Chất độn trộn với nhựa nạp liên tục và kéo
qua lõi có gia nhiệt, nhựa đóng rắn 1 phần hay hoàn toàn khi
qua lõi tạo hình.
+ Đúc tiêm : Độn cho vào khuôn, sau đó nhựa lỏng tiêm
vào khuôn, sau đó gia nhiệt để đóng rắn. Cũng có thể trộn
nhựa và đóng rắn, cùng độn trộn đều rồi tiêm vào khuôn
đồng thời phản ứng đóng rắn xảy ra.

PHẦN 2 : THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1. Tổng hợp polyeste không no
Phản ứng tổng hợp polyeste như sau :

Trang 24