Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và tro bay

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM THỊ HƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TỪ
NHỰA EPOXY VÀ TRO BAY

Chuyên ngành : KHOA HỌC & KỸ THUẬT
VẬT LIỆU PHI KIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. BẠCH TRỌNG PHÚC


H Ni Nm 2011

Mục lục
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu

1

Chương 1: tổng quan

3

1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit

3

1.1.1. Khái niệm

3

1.1.2. Lịch sử phát triển

3

1.1.3. Đặc điểm và phân loại vật liệu compozit

4

1.2. Cấu trúc cđa vËt liƯu polyme compozit

5

1.2.1. Nhùa nỊn

5

1.2.1.1. Polyme nỊn nhùa nhiệt dẻo

6

1.2.1.2. Polyme nền nhựa nhiệt rắn

7

1B

B
4

B
2
1

B
5
3


1.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cường)

7

1.2.2.1. Cốt dạng sợi

7

1.2.2.2. Cốt dạng hạt

9

1.2.3. Phụ gia và chất độn

10

1.2.3.1. Phụ gia

10

1.2.3.2. Chất độn

11

1.3. Nhựa epoxy

11

1.3.1. Lịch sử phát triển

11

1.3.2. Nguyên liệu để tổng hợp nhựa epoxy

11

1.3.3. Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy

12

1.3.4. Một số loại nhựa epoxy

14

1.3.5. Thông số kỹ thuật ®Ỉc tr­ng cđa nhùa epoxy

15

1.3.6. TÝnh chÊt cđa nhùa epoxy

16

1.3.7. Các chất đóng rắn và cơ chế đóng rắn cho nhùa epoxy

18

1.3.8. øng dơng cđa epoxy

23

1.4. Tro bay

24

B
3

1

B
6
3

B
7
3

B
4
1

B
5
1

B
6
1


1.5. Một số phương pháp gia công vật liệu PC

29

1.5.1. Phương pháp lăn ép bằng tay

29

1.5.2. Phương pháp phun sợi

30

1.5.3. Công nghệ đúc kéo.

30

1.5.4. Công nghệ quấn sợi

31

1.5.5. Công nghệ bơm nhựa vào khuôn

31

1.5.6. Công nghệ hút chân không

32

1.6. Tính chÊt cđa vËt liƯu PC

33

1.7. øng dơng cđa vËt liƯu PC

34

Chương 2: các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

36

2.1. Các phương pháp phân tích nguyên liệu đầu

36

2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất

36

2.1.2. Phương pháp xác định tỷ trọng

36

2.1.3. Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield

36

2.1.4. Phương pháp xác định thời gian gel hóa

37

2.1.5. Phương pháp xác định hàm lượng phần gel

37

2.2. Các phương pháp xác định độ bền cơ học của vât liệu PC

38

2.2.1. Phương pháp xác định độ bền nén

38

2.2.2. Phương pháp xác định độ bền uốn

39

2.2.3. Phương pháp xác định độ bền va đập

39

2.2.4. Phương pháp xác định độ bền kéo

40

2.2.5. Phương pháp xác định sự thay đổi khối lượng trong môi trường hoá chất

41

2.2.6. Phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

41

2.2.7. Phương pháp xác định độ hấp thụ nước

41

2.2.8. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA (Thermo Gravimetric

42

B
5

B
7
1

B
8
1

B
9
1

B
0
2

B
1
2

B
2

B

6

B
7

B
0

B
8

B
3
2

B
4
2

B
5
2

B
6
2

B
7
2

B
9

B
0
1

B
8
2

B
9
2

B
0
3

B
1
3

B
2
3

B
3

B
4
3

Analysis)
Chương 3: kết quả và bµn luËn

43


3.1. Phân tích nguyên liệu đầu

43

3.1.1. đặc tính của nguyên liệu đầu

43

3.1.1.1. Nhựa nền epoxy

43

3.1.1.2. Phụ gia tro bay

44

3.1.1.3. Chất đóng rắn amin

45

3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tíi tÝnh chÊt vËt lý, tÝnh

45

chÊt c¬ häc của vật liệu polymer compozit nền epoxy
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới cấu trúc của vật liệu PC

49

nền epoxy
3.4. Khảo sát ảnh hưởng của loại nhựa nền epoxy khác nhau đến tính chất

50

vật lý và độ bền cơ học của vật liệu PC
3.5. Khảo sát ®é bỊn nhiƯt cđa vËt liƯu PC trªn nỊn epoxy khác nhau khi

53

kết hợp với phụ gia tro bay
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của chất đóng rắn khác nhau đến mức độ đóng

53

rắn và độ bền cơ học của vật liệu PC
3.7. Khảo sát các tính chất cơ học, cấu tróc cđa vËt liƯu PC cã phơ gia tro

58

bay víi các bột độn thông thường
3.8. Khảo sát sự thay đổi khối lượng của vật liệu PC từ epoxy và tro bay

61

trong các môi trường khác nhau
3.9. Khảo sát độ hấp thụ của nước vào vật liệu PC

63

Kết luận

65

Kiến nghị

66

Các công trình đà công bố liên quan đến luận văn

67

B
1


Tài liệu tham khảo
B
2

Phụ lục
B
3

72


Danh mục các hình vẽ và đồ thị
1. Hình 3.1. Độ bền kéo của vật liệu PC theo hàm lượng tro bay.
T
9
3

39T

2. Hình 3.2. Độ bền uốn của vật liệu PC theo hàm lượng tro bay.
3. Hình 3.3. Độ bền nén của vật liệu PC theo hàm lượng tro bay.
4. Hình 3.4. Độ bền va đập của vật liệu PC theo hàm lượng tro bay.
5. Hình 3.5. Độ bền kéo của vật liệu PC với các chất đóng rắn amin.
6. Hình 3.6. Độ bền uốn của vật liệu PC với các chất đóng rắn amin.
7. Hình 3.7. Độ bền va đập của vật liệu PC với các chất đóng rắn amin.
8. Hình 3.8. Độ bền nén của vật liệu PC với các chất đóng rắn amin.
9. Hình 3.9. Độ bền kéo của vật liệu PC với các bột độn khác nhau.
10. Hình 3.10. Độ bền kéo của vật liệu PC với các bột độn khác nhau.
11. Hình 3.11. Độ hấp thơ n­íc cđa vËt liƯu PC theo thêi gian.


Lời cam đoan
T
9

3

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
T
9
3

trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào.

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011
T
9
3

Học viên thực hiện

T
9
3

T
9
3

Phạm Thị Hường


Lời cảm ơn
T

9
3

Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô,
39T

các cán bộ và nhân viên trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện
luận văn thạc sĩ tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme & Compozit Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Bạch
Trọng Phúc vì sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của Thầy để em hoàn thành tốt
luận văn thạc sĩ.


Danh mục các bảng
1. Bảng 3.1: Đặc tính kỹ thuật của nhựa DER 331.
2. Bảng 3.2: Các chỉ tiêu kỹ tht cđa phơ gia tro bay.
3. B¶ng 3.3: ¶nh h­ëng của hàm lượng tro bay tới các tính chất vật lý của hỗn hợp..
4. Bảng 3.4: ảnh hưởng của loại nhùa nỊn epoxy tíi c¸c tÝnh chÊt vËt lý cđa hỗn hợp.
5. Bảng 3.5: Sự thay đổi độ bền kéo của vật liệu PC khi thay đổi nhựa epoxy khác nhau
6. Bảng 3.6: Sự thay đổi độ bền uốn của vật liệu PC khi thay đổi nhựa epoxy khác nhau
7. Bảng 3.7: Sự thay đổi độ bền va đập của vật liệu PC khi thay đổi nhựa epoxy khác
nhau.
8. Bảng 3.8: Sù thay ®ỉi ®é bỊn nÐn cđa vËt liƯu PC khi thay đổi nhựa epoxy khác nhau
9. Bảng 3.9: ảnh hưởng của các chất đóng rắn tới thời gian gel hóa và hàm lượng phần
gel của vật liệu.
10. Bảng 3.11: Tính chất vật lý của hỗn hợp với các bột độn khác nhau.
11. Bảng 3.12: Sự thay đổi độ bỊn n cđa vËt liƯu PC khi thay ®ỉi bét độn khác nhau
12. Bảng 3.13: Sự thay đổi độ bền nÐn cđa vËt liƯu PC khi thay ®ỉi bét ®én khác nhau
13. Bảng 3.14: Sự thay đổi khối lượng của vật liệu PC trong các môi trường hoá chất

Danh mục các chữ viết tắt
39T

PC: Polyme compozit
T
9
3

KLPT: Khối lượng phân tử
T
9
3

HLE: Hàm lượng nhóm epoxy
T
9
3

ĐLE: Đương lượng gam epoxy
T
9
3

ĐLH: Đương lượng H hoạt động
T
9
3

ECH: Epiclohydrin

T
9
3

DPP: Bisphenol A
T
9
3

HLPG: hàm lượng phần gel
T
9
3

PTL: Phần trọng lượng
T
9
3

EDA: Etylen diamin
T
9
3

39T

UP: Monoxyan dietylen triamin
TETA: Trietylen tetramin
DETA: Dietylen triamin

Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

Mở đầu

1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây ngành công nghiệp của nước ta càng ngày càng phát
triển kéo theo sự gia tăng về chất thải, đặc biệt là ngành công nghiệp năng lượng.
Tại nước ta có rất nhiều nhà máy nhiệt điện sử dụng đốt than và hàng năm lượng tro
xỉ phế thải thải ra rất nhiều khoảng 4 triệu tấn/năm và không ngừng tăng lên. Điều
này gây trở ngại lớn về diện tích chứa cũng như ảnh hưởng của nó tới môi trường.
Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp công nghệ để xử lý được nguồn phế thải làm giảm
thiểu ô nhiễm và tạo ra những sản phẩm có ích cho xà hội là mét viƯc lµm rÊt cã ý
nghÜa vµ thiÕt thùc.
Víi kinh nghiệm tái sử dụng sản phẩm của quá trình đốt than đà được áp dụng ở
các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật và các nước Châu Âu cho thấy có
khoảng 60 70% lượng tro xỉ thải ra có thể sử dụng được cho các ngành công
nghiệp xây dựng, cầu đường, bê tông và làm phụ gia cho nhiều sản phẩm thương
mại khác.

Tại Việt Nam gần đây cũng đà có một số công trình nghiên cứu về vấn đề
này trong đó có công trình nghiên cứu của Viện Công nghệ Vật liệu Xây dựng và
công trình sử dụng tro xỉ làm phụ gia cho bê tông đập tràn của công trình thuỷ điện
Sơn La, nhưng lượng tro xỉ đà sử dụng này so với số lượng 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 người ta đang tìm ra những hướng đi mới cho loại
phụ gia này mà một trong những hướng đi đó là sử dụng tro bay làm phụ gia trong
vật liệu polyme compozit.

Trên cơ sở đó đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa
epoxy và tro bay ra đời nhằm giải quyết những khó khăn trên.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là chế tạo được vật liƯu polyme compozit tõ nhùa epoxy vµ
tro bay cã tÝnh năng và giá thành phù hợp với các loại nhựa polyme compozit kü
1


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

thuật. Loại polyme compozit này có thể được ứng dụng trong ngành giao thông,
dân dụng hoặc công nghiệp.
3. Nội dung của đề tài:
Để thực hiện được mục đích đó luận văn có đề ra các nhiệm vụ chính như sau:
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới tính chất vật lý, tính
chất cơ học và cấu trúc của vật liệu polyme compozit nền epoxy
Khảo sát ảnh hưởng của các loại nhựa nền epoxy khác nhau với tỷ lệ
phụ gia tro bay đà lựa chọn
Khảo sát ảnh hưởng của các chất đóng rắn khác nhau đối với nhựa nền
epoxy và tro bay được lựa chọn
Khảo sát các tính chất cơ học và cấu trúc của vËt liƯu polyme
compozit cã phơ gia tro bay so víi các bột độn thông thường
Khảo sát sự thay đổi khối lượng của vật liệu polyme compozit từ
epoxy và tro bay trong các môi trường hóa chất khác nhau
Khảo sát ảnh hưởng của môi trường hoá chất đến các ®é bỊn c¬ häc
cđa vËt liƯu polyme compozit tõ epoxy và tro bay
Khảo sát độ hấp thụ nước của vật liệu.
Khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp xác định các thông số kỹ thuật (tỷ trọng, độ nhớt)
Phương pháp xác định thời gian gel hóa và hàm lượng phần gel
Phương pháp xác định độ bền cơ học của PC
Phương pháp xác định sự thay đổi khối lượng của vật liệu trong các môi
trường
Phương pháp phân tích nhiệt
Phương pháp hiển vi điện tử quét

2


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị H­êng

Ch­¬ng 1: tỉng quan
1.1. Giíi thiƯu vỊ vËt liƯu compozit
1.1.1. Khái niệm
Vật liệu compozit là hệ thống hai hay nhiều pha thường khác nhau về vật chất
được phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha trong đó pha liên tục gọi là pha nền
(matrix) hay thành phần nền và pha gián đoạn gọi là thành phần cốt được bao bọc
bởi nền.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Cách đây hàng nghìn năm, vật liệu Compozit đà xuất hiện và được con người
sử dụng trong đời sống. Khoảng 5000 năm trước Công nguyên, người cổ đại đà biết
nghiền nhỏ đá và các vật liệu hữu cơ khác trộn vào đất sét để giảm độ co ngót, cong
vênh của gạch khi nung nóng. Tại Ai Cập khoảng 3000 năm trước công nguyên,
người ta đà làm thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm kỹ
thuật thì có thể coi ®ã lµ kü tht lµm tµu tõ vËt liƯu compozit hiện nay. Và ở Việt

Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với răm băm nhỏ để trát vách
nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông...
Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng vật liệu Compozit mới thực sự được
chú ý vào khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và Thomas được
cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh, sau đó được Ellis và Foster dùng
gia cường cho polyeste. Polyeste tăng cường bằng sợi thuỷ tinh được ứng dụng trong
ngành hàng không năm 1938 [6]. Năm 1944 đà có hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo
compozit cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế giới lần thứ II được sản
xuất. Năm 1950, chất lượng của vật liệu Compozit được cải thiện đáng kể nhờ sự ra
đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cường khác nh­ sỵi cacbon, sỵi polyeste,
nylon, aramit (Kevlar), sỵi silic... Tõ năm 1970 cho đến nay, các chi tiết chế tạo từ
vật liệu Compozit nền chất dẻo và sợi tăng cường được sử dụng rộng rÃi trong lĩnh
vực đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao như hàng
không, vũ trụ... [7].

3


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

1.1.3. Đặc điểm và phân loại vật liệu compozit [3,4]
Đặc điểm:
U

Trong compozit thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền
và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước.
Tính chất của các pha thành phần được 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.
Phân loại:
Để phân loại vật liệu compozit thường căn cứ vào hai đặc điểm sau:
a. Phân loại theo bản chất thành phần nền và cốt
+ Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ
(polyamide, kevlar...), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon...), sợi kim loại (Bo,
nhôm...)
+ Compozit nền kim loại :nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim nhôm,..)
cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C..)
+ Compozit nỊn kho¸ng (gèm) víi vËt liƯu cèt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt
kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua nito...)

b. Phân loại theo đặc điểm cấu trúc hoặc hình học của cốt

4


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

Compozit

Cốt hạt
Hạt thô

Cốt sợi
Hạt mịn

Liên tục

Compozit cấu trúc

Gián đoạn

Lớp

Tấm 3 líp

ong

Cã h­íng

NgÉu nhiªn

1.2. CÊu tróc cđa vËt liƯu polyme compozit
1.2.1. Nhựa nền
Nhựa nền là một trong những thành phần chính của vật liệu PC , nó là pha liên
tục, đóng vai trò bao bọc, liên kết các vật liệu gia c­êng víi nhau ®ång thêi nã
trun øng st sang ®én khi có ngoại lực tác dụng vào vật liệu. Ngoài ra, nền còn
có tác dụng bảo vệ chất gia cường dưới tác dụng của môi trường.
Các tính chất của nền polyme như bản chất hóa học, độ bền, nhiệt độ hãa thđy
tinh, hƯ sè gi·n në nhiƯt cã ¶nh h­ëng trực tiếp đến tính chất cơ học và tính chất hoá
học của sản phẩm. Ngoài ra nền polyme còn quyết định phương pháp gia công, công
nghệ và khả năng chịu môi trường làm việc của compozit. Do đó, nền polyme phải
đáp ứng các yêu cầu sau: [5]
+ Khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt chất gia cường 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 gi¶m øng st néi x¶y ra

do sù co ngãt thĨ tích khi thay đổi nhiệt độ.
+ Chứa các nhóm hoạt động hóa học hay nhóm chức là điều rất cần thiết
+ Phù hợp với các điều kiện gia công thông th­êng.
+ BỊn víi m«i tr­êng sư dơng vËt liƯu compozit.
Nhùa nền có thể tạo thành từ một chất hoặc nhiều chất được trộn lẫn một cách
đồng nhất tạo thể liên tơc. Vµ trong thùc tÕ ng­êi ta cã thĨ sư dơng nhùa nhiƯt r¾n
5

Tỉ


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền. 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.
1.2.1.1. Polyme nền nhựa nhiệt dẻo
Compozit nhựa nền nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy
sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp.
ã 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.
ã Nhược điểm chính của compozit nhựa nhiệt dẻo là không chiụ được nhiệt
độ cao. Hơn nữa tuy nó cho sản phẩm PC bền hơn nhưng lại đòi hỏi thiết bị để gia
công đắt tiền. Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang được 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 chưa được ứng dụng nhiều như nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương
lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn.[6]
ã Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền nh­: polyetylen

(PE), polyetylenterephtalat (PET), polypropylen (PP), polyvinylclorua (PVC)….
Nhùa nỊn nhiƯt rắn thường được gia cường bằng cốt sợi dài có tính chất cơ học
tốt hơn nên chúng được ứng dụng khá rộng rÃi. Trong khi đó, vật liệu PC trên cơ sở
nhựa nhiệt dẻo có độ bền va đập cao nhưng độ bền nhiệt và dung môi không cao. [7]
1.2.1.2. 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 vÊn ®Ị xư lý chóng sau khi
®· sư dơng 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 như : Epoxy (EP), Melaminformandehyt (MF),
Phenolformandehyt (PF), song phổ biến hơn cả vẫn là polyeste kh«ng no (PEKN).

6


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

1.2.2. Thành phần cốt (Chất gia cường)
Chất gia cường trong vËt liƯu PC cã t¸c dơng chiơ øng st tËp trung do nỊn
polyme chun ®Õn. Do vËy, chÊt gia c­êng làm tăng độ bền và mođun cho vật liệu.
Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau :
- Tính gia cường cơ học.
- Tính kháng hoá chất, môi trường, 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 người ta có thể chọn
loại vật liệu độn thích hợp. Có 2 loại cốt :

1.2.2.1. Cốt dạng sợi
Sợi gia cường được sử dụng dưới dạng liên tục (sợi dài, vải) hay gián đoạn
(sợi ngắn, vụn).

Sự phân bố và định hướng của sợi trong nền polyme ảnh hưởng nhiều
đến tính chất của vật liệu. Sự định hướng của sợi tạo cho vật liệu có tính dị
hướng rõ rệt. Vì vậy, khi lựa chọn sợi gia cường cần phải chú ý tới: Bản chất
của vật liệu thành phần, tỉ lệ các vật liệu tham gia và phương của sợi.
Việc trộn thêm các loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ
học cũng như độ bền hoá học của vât liệu PC như:
- Khả năng chiụ được va đập.
- Độ giÃn nở cao.
- Khả năng cách âm tốt.
- Tính chiụ ma sát, mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao.
- Khả năng chiụ được trong môi trường ăn mòn: muối, kiềm, axit. Những
khả năng đó đà chứng tỏ tính ­u viƯt cđa vËt liƯu PC míi so víi c¸c lo¹i polyme

7


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

thông thường và cũng chính vì những tính năng ưu việt trên mà hệ thống vật liệu PC
đà được sử dụng rộng rÃi trong sản xuất cũng như trong đời sống.

Sợi có tính năng cơ lý cao hơn cốt dạng hạt. Tuy nhiên, sợi có giá thành cao
hơn, thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp như : sỵi thủ tinh, sỵi cacbon, sỵi
Bo, cacbua silic, sỵi amid....
a. Sợi thuỷ tinh [6,15]
Sợi thuỷ tinh là loại sợi nhân tạo được sử dụng rất rộng rÃi và phổ biến. Các
sản phẩm được gia cường 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 như Al 2 O 3 ,
R

R

R

R

MgO, CaO.Sợi thuỷ tinh có cấu trúc vô định hình nên có tính chất đẳng hướng.
Sợi thuỷ tinh được kéo ra từ các loại thuỷ tinh kéo sợi được (thuỷ tinh dệt), có
đường kính nhỏ vài chục micromet. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của

thuỷ tinh khối như: giòn, dễ nứt gÃy và trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn.
b. Sợi cacbon [9]
Sợi cacbon là một loại sợi mới được 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 nhưng cách nhau một khoảng 3,35A0. Các nguyên tử
P

P

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 1,42A0. Sợi cacbon có cơ tính

P

P

tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thuỷ tinh, lại có khả năng chụi nhiệt
cực tốt
Sợi cacbon có thể được sản xuất từ PAN (phổ biến nhất), rayon hoặc nhựa
pitch, loại nguyên liệu ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc và tính chất cđa sỵi cacbon.
VËt liƯu PC gia c­êng b»ng sỵi cacbon có đặc điểm :
- Nhẹ
- Compzit nền polyme có độ cứng và độ bền cao
- 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)
- Dẫn ®iÖn, dÉn nhiÖt tèt

8


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

- ổn định kích thước
- Tương đối đắt
- Tương đối giòn
- Khả năng chống lại sự phá huỷ không cao lắm
c. Sợi aramit (kevlar) [9]
Stephanie Kwolek là người đầu tiên khám phá ra sợi aramit có tên thương mại
là Kevlar.
Năm 1972 Kwolek đà tổng hợp được một loạt polyamit thơm chủ yếu chứa

các đơn vị mạch vòng có đồng phân para. Nhờ sự gia công theo một quy trình đặc
biệt, từ dung dịch nhận được sợi có độ bền và môđun cao. Từ đây, loại sợi này được
phát triển nhanh ra quy mô toàn cầu trong vài năm.
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 4000C.
P

P

Nhược điểm cần lưu ý của sợi Kevlar là chịu tác động của tia tử ngoại kém và
độ bền giảm nhanh khi uốn liên tục.
1.2.2.2. Cốt dạng hạt [2, 4, 11, 13]
Cốt dạng hạt được sử dụng trong vật liệu PC với mục đích tạo cho vật liệu
có tính đẳng hướng và chơi øng st tËp trung.
Cèt gia c­êng d¹ng h¹t võa đóng vai trò là chất gia cường, 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 cường cần có kích
thước 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 cường dạng hạt thường được sử dụng [11,15]: Đất sÐt, cao
lanh, bét nhÑ, bét talc (3MgO.4SiO 2 .2H 2 O), SiO 2 , oxyt nhôm, amiăng.
R

R

R

R

R

R

Hình dáng, kích thước, bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt
trong vật liệu PC có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành.
Vật liệu PC gia cường 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 được yêu cầu của các sản phẩm PC sử dụng trong công nghiệp và
9


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

dân dụng. Đặc biệt về mặt giá cả là thấp hơn nhiều so với vật liệu PC gia cường
dạng sợi. Chính vì vậy, vật liệu PC gia cường dạng hạt ngày càng được các nhà khoa
học quan tâm.
1.2.3. Phụ gia và chất độn

1.2.3.1. Phụ gia
Phụ gia được thêm vào vật liƯu PC ®Ĩ thay ®ỉi mét sè tÝnh chÊt cđa vật liệu
như : độ nhớt, chống cháy, giảm độ co ngót và một số tính chất khác.
Các phụ gia thường thêm vào vật liệu PC như chất xúc tiến, chất chống
cháy, chất chống tia tử ngoại UV.
ã Chất xúc tiến
Chất xúc tiến là những chất có tác dụng làm giảm độ nhớt của vật liệu khi
gia công theo phương pháp lăn ép hoặc phun để chất lỏng linh động hơn, dễ thấm

vào sợi gia cường. Khi ngừng lăn ép thì cấu trúc gel lại làm cho nhựa nền không bị

cháy. Chất xúc tiến hay sử dụng là cacboxymetylxenlulo.
ã Chất chống cháy
Dưới tác dụng của trường nhiệt (dòng nhiệt) có cường độ đủ lớn và thời
gian đủ dài các PC hữu cơ đều bị phân huỷ nhiệt. Do vậy, chất chống cháy được
thêm vào hệ PC nhằm thay đổi thay đổi quá trình cháy theo các phương án sau :
- c chế quá trình cháy ở pha khí (đối với khí nhiên liệu)
- Thay đổi quá trình phân huỷ nhiệt bằng cách đưa vào một quá trình năng
lượng thấp có tác dụng kích thích ở pha rắn để dẫn đến cacbon hoá trên
bề mặt.
- Tạo thành lớp màng bao bọc lên vật liệu để ngăn chặn tác động của môi
trường 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 thường dùng là hợp chất chứa Clo, Brom; hợp chất
cơ phôt pho; hợp chÊt chøa Bo; Oxyt antimon (Sb 2 O 3 ); hydroxyt nh«m.
R

10

R

R

R


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

1.2.3.2. Chất độn
Chất độn là những chất được thêm vào vật liệu PC chủ yếu làm hạ giá thành
sản phẩm. Trong một số trường hợp, chất độn có thể làm thay ®ỉi mét sè tÝnh chÊt
kü tht cđa vËt liƯu trong quá trình gia công cũng như trong quá trình sư dơng.
Mét

sè

chÊt

®én

th­êng

dïng:

Bét

nhĐ

CaCO 3 ,
R

Bét

R

talc

3MgO.4SiO 2 .2H 2 O, Bét mica K 2 O.3Al 2 O 3 .6SiO 2 .2H 2 O; Bét barit BaSO 4 .

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

HiƯn nay ng­êi ta ®ang 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 xt vËt liƯu PC ë ViƯt Nam.
1.3. Nhùa epoxy
1.3.1. LÞch sử phát triển
Những công trình nghiên cứu đầu tiên về nhựa epoxy đà được trình bày trong
các bằng sáng chế vào những năm đầu của thế kỷ 20.
Năm 1909 nhà bác học người Nga Prilaschajen đà phát hiện ra phản ứng của
các olephin với peoxyt benzoic để tạo thành hợp chất epoxy
Năm 1934 nhà bác học người Đức là Schlack đà tổng hợp được nhựa epoxy từ
bisphenol A và epyclohydrin. Nhựa này có thể đóng rắn bằng đương lượng amin.
Song thời gian đó Schlack vẫn chưa thấy được hết giá trị của nó
Một vài năm sau, năm 1938 nhà bác học người Thụy Sĩ đà công bố sáng chế
mô tả phản ứng điều chế epoxy từ bisphenol A và epyclohydrin và đà phát hiện ra
khả năng bám dính tuyệt vời của nó đối với nhiều vật liệu khi đóng rắn bằng
anhydryt phtaleic.
Từ đó đến nay, khoảng hơn 50 năm, nhựa epoxy đà được thương mại hóa và
được sử dụng rộng rÃi trong rất nhiều ngành công nghiệp quý .
1.3.2. Nguyên liệu để tổng hợp nhựa epoxy
Nhựa epoxy phổ biến và quan trọng nhất là nhựa tạo thành từ sản phẩm phản
ứng của bisphenol A và epiclohydrin
- Bisphenol A được điều chế bằng cách cho axeton phản ứng với một lượng
dư phenol ở nhiệt độ 50oC trong môi trường axit mạnh nh­ axit sunfuric 75% hc
P

P

HCl:

11


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị H­êng

4,4’ – dioxydiphenylpropan (DPP hay bisphenol A)
P

P

Bisphenol A cã nhiÖt độ nóng chảy 155 - 157oC, không tan trong nước, dễ tan
P

P

trong rượu và axeton.
- Epiclohydrin được tổng hợp chủ yếu từ propylene bằng clo hóa tới
allylcloride, sau đó phản ứng với axit HOCl . Glyceroldiclorohydrin tạo ra sau đó
tách HCl bằng NaOH hoặc Ca(OH) 2 .
R

R

Epiclohydrin
Epiclohydrin là chất lỏng trong suốt, không màu, không tan trong nước, nhưng
tan trong benzene, toluen, axeton, rượu và các dung môi khác. Nhiệt ®é s«i: 116 –
117oC; tû träng ë 20oC: 1,1807 g/cm3
P

P

P

P

P

1.3.3. Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy
Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy xảy ra theo hai giai đoạn với xúc tác kiềm:
Giai đoạn 1: nhóm epoxy của epiclohydrin tác dụng với hydro của bisphenol A.
U

U

Đây là giai đoạn kết hợp, phản ứng tỏa nhiệt mạnh (H = - 17,09 kcal/mol), xảy ra
nhanh ë nhiƯt ®é 60 - 70oC.
P

P

12


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

Giai đoạn 2: sản phẩm của giai đoạn 1 tạo ra cã nhãm –OH bËc 2 ë vÞ trÝ α so

U

U

với nguyên tử Clo. ở vị trí như vậy, trong môi trường kiềm xảy ra phản ứng tách loại
HCl và tạo nhóm epoxy mới. Giai đoạn tách HCl phản ứng thu nhiƯt (∆H = 28,09
kcal/mol), x¶y ra chËm:

S¶n phÈm epoxy trung gian tạo thành lại tiếp tục phản ứng với bisphenol Akhi
tỷ lệ mol ECH/DPP <2 thì nhận được nhựa (oligome) có công thức tổng quát như
sau:

Khối lượng phân tử nhựa epoxy dao động trong khoảng 300 18.000 tùy thuộc
vào tỷ lệ mol giữa epyclohydrin và bisphenol A, nhiệt độ, thời gian phản ứng và
nồng độ NaOH đà sử dông.

13


Luận văn thạc sĩ KH&KT vật liệu Phi kim

Phạm Thị Hường

Bảng 1: ảnh hưởng của tỷ lệ ECH và DPP đến tính chất của nhựa epoxy
Tỷ lệ mol ECH/DPP

Đương lượng gam epoxy (EEW)

Nhiệt

độ

chảy

mềm
1.57:1.0

450 525

65 75

1.22:1.0

870 1025

95 105

1.15:1.0

1650 – 2050

125 – 135

1.11:1.0

2400 - 4000

145 - 155

1.3.4. Mét số loại nhựa epoxy

- Nhựa epoxydian: được tổng hợptừ epiclohydrin và bisphenol A
H3C CH3

O

H3C CH3

O

O

O

O
O

OH
n

- Nhựa epoxy mạch vòng no: nhận được nhờ phản ứng epoxy hóa các hợp chất
chứa nối đôi bằng peracid axetic như 3,4-epoxy 6-metylxyclohexyl-metyl-3,4-epoxy
6-metyl xyclohexan cacboxylat(Unox Epoxy 201)
O
H2
C O C
O

O
CH3 H3C

hay Vinyl xyclohexan dioxit (Unox Epoxy 206)

O

H
C CH2
O

- Nhựa epoxyeste là sản phẩm biến tính của nhùa epoxydian b»ng axit bÐo

14