Tiểu luận Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh

TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY TINH JUNE 1, 2014 Lời mở đầu Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải… Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn đòi hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kĩ thuật cao hơn ưu việt hơn. Ngành công nghiệp vật liệu compozit có lịch sử từ rất lâu đời, tuy nhiên nó chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ và có nhiều phát triển vượt bậc vào khoảng 50 năm trở lại đây, đặc biệt là vật liệu compozit nền polyme. Vật liệu compozit được ứng dụng cực kì rộng rãi trong nhiều lĩnh vực do các đặc tính ưu việt của nó so với loại vật liệu truyền thống như giá thành hợp lí, cơ tính tốt… Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu được tạo thành từ hai loại cấu tử chính là nhựa nền polyme và sợi gia cường. Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng cho vật liệu polyme compozit là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit. Một trong những vật liệu compozit nền polyme ra đời sớm nhất và được sử dụng nhiều nhất là compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh, do nó có giá thành khá rẻ, cơ tính cao, tính chất hóa lí tốt. Tuy nhiên vấn đề xử lí phế thải của loại vật liệu này là rất khó khăn, do nó không có khả năng tái tạo, không có khả năng phân hủy . Do vật các phết thải từ chúng sau quá trình sử dụng bị thải ra đã gây ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của xã hội. Chính vì vậy, trong những năm gần đây ngày càng có nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất chế tạo ra những vật liệu có khả năng phân hủy hoặc phân hủy dưới tác động của vi sinh vật. Như vậy loại vật liệu này sau khi sử dụng hạn chế được ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, vấn đề giá thành cũng là yếu tố quan trọng để mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu. Để đáp ứng được yêu cầu trên, vật liệu polyme compozit gia cường bằng sợi thực vật đang được đặc biệt quan tâm bởi một số ưu điểm nổi trội của sợi thực vật so với các sợi gia cường truyền thống như là: có khả năng phân 1 hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ và có độ bền riêng tốt. Trong tiểu luận này sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh như: Nguyên liệu chế tạo, các phương pháp gia công, ứng dụng… Nhóm sinh viên thực hiện 2 MỤC LỤC Trang Chương I. Tổng quan về vật liệu compozit ................................................ 5 I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) ............................... 5 1. Lịch sử phát triển ...................................................................................... 5 2. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC ....................................... 6 2.1. Khái niệm 6 2.2. Thành phần vật liệu PC .................................................................... 6 2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC…....................................................... 8 2.4. Phân loại ……………………………………………………………9 3. Tính chất và phạm vi ứng dụng .............................................................. 10 3.1.Tính chất chung của vật liệu PC ....................................................... 10 3.2.Phạm vi ứng dụng ............................................................................. 10 II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit ................. 11 1. Sự định hướng của sợi ............................................................................. 11 2. Tương tác giữa nền và sợi ........................................................................ 12 3 .Lượng sợi có trong vật liệu ...................................................................... 13 4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn . 13 5. Kĩ thuật gia công ...................................................................................... 13 Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh .. 14 3 I. Nguyên liệu ................................................................................................. 14 1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh ..................... 14 2. Nhựa nền epoxy ........................................................................................ 15 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy …………………………………………….. 15 2.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy ......................................... 20 2.3. Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy ........................................... 20 2.4. Đóng rắn nhựa epoxy …………………………………………….. 21 3. Sợi thủy tinh ............................................................................................... 31 4. Phụ gia và chất độn .................................................................................. 37 II. Các phương pháp gia công ...................................................................... 39 1. Lăn ép bằng tay ............................................................................... 39 2. Lăn ép phun ..................................................................................... 41 3. Đúc kéo ............................................................................................. 41 4. Quấn ống .......................................................................................... 42 5.. Bơm nhựa vào khuôn..................................................................... 44 6. Đúc chân không ............................................................................... 44 7. Hỗ trợ chân không hay còn gọi là phương pháp túi chân không . 46 III. Ứng dụng ................................................................................................. 47 IV. Giải thích vì sao đường ống nước sông đà lại bị vỡ ............................. 52 KẾT LUẬN .................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54 4 Chương I. Tổng quan về vật liệu compozit I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) 1. Lịch sử phát triển Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và được con người sử dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co ngót khi nung gạch, đồ gốm. Tại Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên, người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm tubin . Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta với mùn cưa cũng là một thí dụ về vật liệu PC. Mặc dù hình thành sớm như vậy nhưng việc chế tạo vật liệu PC mới thực sự được chú ý trong khoảng 60 năm trở lại đây. Năm 1942 đã sản xuất được vật liệu PC trên cơ sở nhựa polyeste không no. Năm 1944, đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng PC cho máy bay và tàu phục vụ đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, chất lượng vật liệu PC được nâng cao rất nhiều khi có sự ra đời của nhựa eposy và hàng loạt các sợi gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợi silic… Từ những năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ compozit nền chất dẻo và sợi tăng cường có độ bền cao đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo chi tiết chịu lực trong ô tô, vật liệu xây dựng… Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mòn… mở rộng được lĩnh vực sử dụng PC luôn được đặt ra. Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệu mới có khả năng phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cấp thiết hiện nay. 5 2. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1. Khái niệm Vật liệu PC được tạo thành từ sự kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau, tạo ra vật liệu có tính chất đặc biệt mà mỗi vật liệu thành phần ban đầu không có được. Vật liệu PC nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là cốt và nền, ngoài ra còn có một số loại chất phụ gia khác : chất độn, chất màu, chất chống lão hóa, chống co ngót… 2.2. Thành phần vật liệu PC nền polyme. Vật liệu PC là vật liệu kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau và có những tính chất mà vật liệu thành phần ban đầu không có. Thành phần chính của vật liệu PC là nền polyme và vật liệu tăng cường dạng hạt hay dạng sợi (cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn và một số phụ gia cần thiết. Vật liệu nền có thể là Polyme (chiếm 90%), kim loại, ceramic. Vật liệu gia cường có thể là sợi cacbon, sợi aramid, sợi thủy tinh, sợi, hạt kim loại (Ti, Al), … 6 Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vật liệu compozit. Hình 2: Ảnh SEM chụp mắt cắt vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh. 7 2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường có cơ tính cao hơn rất nhiều so với nền, bởi vậy năng lượng do ngoại lực tác động sẽ chuyển sang chất gia cường . Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt hơn vật liệu gia cường dạng hạt, do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn so với vật liệu gia cường dạng hạt dưới tác dụng của ngoại lực như nhau. Khả năng truyền năng lượng do ngoại lực tác động từ vật liệu nền lên vật liệu gia cường phụ thuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường. Hình 3: Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu nền. 8 2.4. Phân loại Tùy thuộc vào bản chất các vật liệu thành phần, vật liệu PC đươc phân loại như sau: 2.4.1. Theo bản chất vật liệu nền - Nền polyme chiếm 90% trong tổng số các loại compozit. - Nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim tital…) với vật liệu gia cường dạng sợi kim loại, sợi khoáng. - Nền gốm và thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi và hạt kim loại . - Nền cacbon/graphit: là vật liệu chịu nhiệt rất tốt và cứng. 2.4.2. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường. a) Compozit cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phần tử cốt hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phần tử cốt rất đa dạng: các loại khoáng tự nhiên, oxit, cacbit, nitrit… Compozit cốt hạt rất đa dạng: cốt hạt thô và cốt hạt mịn. Compozit cốt hạt mịn thường có nền là kim loại hoặc hợp kim, cốt hạt có kích thước nhỏ (< 0, 1mm) thường là các vật liệu bền cứng, có tính ổn định nhiệt cao. Compozit cốt hạt thô thường có nền có thể là kim loại, polyme hoặc gốm. Gốm thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ ổn định kích thước, chịu nhiệt… b) Compozit cốt sợi ngắn: độ dài cốt sợi thường nhỏ hơn 5cm. Compozit cốt sợi ngắn thường được gia công bằng phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc đùn, đúc phun. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn. c) Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài sợi cốt từ 10 đến 100 mm, thường dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn khá lớn. Phương pháp gia công thường được sử dụng là phương pháp ướt. 9 d) Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay được gọi là sợi liên tục thường gia cường cho nhựa nhiệt rắn .Compozit cốt hạt thường được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm. kim loại. 3. Tính chất và phạm vi ứng dụng. 3.1. Tính chất chung của vật liệu PC. Tính chất của vật liệu PC là tổ hợp tính chất của các cấu tử có mặt trong vật liệu. Nó phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, tính chất của các thành phần cấu thành nền vật liệu, điều kiện gia công. Đối với vật liệu PC cần quan tâm tới một số tính chất sau: modun xé rách đặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo, nén cho biết khả năng chịu tải trọng của vật liệu. Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của kích thước và tải trọng. Vật liệu PC mang một số tính chất chung như sau: - Khối lượng riêng nhỏ hơn so với vật liệu truyền thống. - Giá thành hợp lí so với tính năng, có tính chịu môi trường, kháng hóa chất, không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn, không cần sơn bảo vệ như vật liệu gỗ, kim loại… - Cách điện cách nhiệt tốt. - Gia công, chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng. - Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp. 3.2. Phạm vi ứng dụng: Nhờ có nhiều tính năng ưu việt như khối lượng riêng thấp, có độ bền cao, chịu môi trường tốt, có thể điều khiển được tính chất của vật liệu theo các hướng khác nhau một cách dễ dàng… Được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau: - Giao thông vận tải: vỏ ca nô, tàu biển… - Vật liệu điện: ấm cách điện, vỏ các thiết bị điện… 10 - Vật liệu xây dựng: kết cấu nhà lắp ghép, đá ốp lát, tấm lợp… - Vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân… - Vật liệu gia dụng:bàn, ghế, giá, tấm trần, tấm cách âm… - Vật liệu PC cao cấp:dùng trong hàng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp… II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit 1. Sự định hướng của sợi Hình 4: Ảnh SEM và mô phỏng một cách sắp xếp sợi trong compozit. Sự định hướng của sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu compozit. Thông thường khi chế tạo vật liệu compozit người ta sẽ bố trí các lớp gia cường có góc lệch với nhau nhằm đạt tính chất cao nhất có thể về mọi hướng. Trên hình H.3 là một hình mô phỏng về định hướng sợi trong vật liệu compozit trong công trình nghiên cứu của GS. David cùng các cộng sự tại Đại Học Califoria, Hoa Kì. Ông cùng các cộng sự nghiên cứu để tìm ra cách định hướng sợi sao cho vật liệu đạt tính chất cao nhất. Và trong quá trình nghiên cứu, ông cùng các cộng sự đã tìm hiểu về vẫn đề tại sao càng con tôm tít (hay ở Việt Nam còn gọi là con bề bề) lại có khả năng chịu lực rất lớn, lớn 11 hơn khoảng 1000 lần so với trọng lượng của cả con tôm. Nhóm đã phát hiện được rằng chiếc càng được tạo thành từ nhiều lớp cuticle chồng chất lên nhau với các lớp endocuticle bên trong. Cấu trúc này thực chất là sự sắp xếp xoắn ốc của các thớ khoáng chất xơ. Từng lớp đan xen nhau và được xếp xoáy tròn hướng vào nhau hình thành nên một vòng xoắn ốc. Chính cấu trúc hình xoắn ốc này đã giúp hấp thụ phản lực khi chiếc càng được búng ra. Dựa trên cấu trúc càng của tôm tít, các nhà nghiên cứu đã chế tạo nên một cấu trúc xoắn ốc tương tự bằng vật liệu sợi tổng hợp carbon epoxy. Mỗi lớpsợi được xếp thành từng nhóm 3 sợi đặt với 3 góc độ khác nhau từ 10 đến 25 độ. Lớp này nối tiếp lớp khác tạo thành một cấu trúc xoắn ốc hoàn chỉnh. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm của loại vật liệu mới với 2 loại vật liệu chuyên dụng khác. 2 loại vật liệu được mang ra so sánh cũng được chế tạo thành từng lớp nhưng được xếp song song hoặc xen kẽ. Cả 3 loại vật liệu sẽ được thông qua hệ thống kiểm tra xung kích thường dùng trong ngành công nghiệp máy bay. Kết quả cho thấy loại 2 vật liệu có cấu trúc song song và đan xen bị thiệt hại nặng hoặc hư hại hoàn toàn. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu cho biết loại vật liệu lấy cảm hứng từ tôm tít, dù bị hư hại một số sợi carbon, nhưng vẫn có mức độ hư hại chung ít hơn 20% so với 2 loại vật liệu so sánh. 2. Tương tác giữa nền và sợi  Mức độ tương hợp: Sợi và nền càng có độ tương hợp cao thì tính chất của vật liệu càng cao, do nó sẽ hạn chế được sự phát triển, hình thành các vết nứt dẫn tới sự tách lớp, gãy sợi, hay phát hủy nền và kết quả là vật liệu sẽ bị phá hủy.  Độ thấm ướt: Độ thấm ướt của nền lên sợi càng cao thì tương tác giữa nền và sợi càng lớn, hạn chế được sự tồn tại các rỗ khí, khoảng trống trong vật liệu và dẫn tới vật liệu càng bền. 12  Diện tích tiếp xúc: Sợi có tiết diện càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nền và sợi càng lớn, từ đó tính chất của sợi càng được nâng cao. Tuy nhiên, tiết diện sợi nhỏ quá gây khó khăn cho quá trình thấm ướt sợi. 3. Lượng sợi có trong vật liệu Khi chế tạo người ta sẽ cố gắng nâng cao tỉ lệ sợi trong vật liệu, tỉ lệ sợi càng cao thì cơ tính của vật liệu càng tăng. Tuy nhiên lượng sợi phải hợp lí để cho nhựa nền có thể thấm ướt đều lên sợi, tránh tình trạng nhựa không đủ dẫn tới không có nhựa, mất kết dính, tồn tại khuyết tật. 4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn Chất đóng rắn tham gia trực tiếp vào cấu trúc, thành phần của nhựa nền, do vậy nó không chỉ có nhiệm vụ là tạo mạng không gian ba chiều đơn thuần mà nó còn giúp biến tính nhựa nền. Bởi vậy, việc lựa chọn chất đóng rắn là rất quan trọng trong chế tạo compozit. Các chất đóng rắn khác nhau, có yêu cầu về nhiệt độ, thời gian đóng rắn khác nhau. Ngay cả với cùng một chất đóng rắn thì việc thay đổi nhiệt độ, thời gian đóng rắn có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu. Nếu thời gian đóng rắn ngắn quá thì dẫn tới sự co ngót, cong vênh sản phẩm, thiếu hụt… do không đủ thời gian gia công, các chất bốc hơi không kịp thoát ra…Đối với nhiệt độ cũng vậy, hơn nữa nhiệt độ cũng có ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian đóng rắn. Nói chung, tùy vào yêu cầu kĩ thuật của vật liệu mà ta có sự lựa chọn chất đóng rắn, nhiệt độ, thời gian đóng rắn cho phù hợp. 5. Kĩ thuật gia công Hiển nhiên là kĩ thuật gia công có ảnh hưởng cực kì quan trọng tới tính chất của sản phẩm, trong nhiều trường hợp đó còn được coi như là một bí quyết công nghệ tạo nên sự khác biệt rất lớn về tính chất của sản phẩm giữa các công ty sản xuất. Nhưng nói chung trong gia công thường người ta cố gắng đảm bảo một số yếu tố sau đây: - Hạn chế tối đã sự hiện diện của bọt khí trong lòng vật liệu. - Đảm bảo sự đồng đều của nhựa. 13 - Đảm bảo sự sắp xếp bố trí sợi đúng theo thiết kế. - Đảm bảo môi trường gia công phù hợp. Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh I. Nguyên liệu 1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh Là một loại vật liệu compozit cao cấp, có pha nền là nhựa Epoxy và pha gia cường là sợi thủy tinh. Bảng 1: Tính chất của GRE so với hợp kim nhôm-magie. Chú thích: GRE là Glass fiber reinforce epoxy resin.  Một số tính chất của GRE - Độ bền kéo, bền va đập, độ cứng cao. - Khả năng chịu dung môi, hóa chất, môi trường tốt. - Nhiệt độ chịu tối đa 1800C, áp suất chịu tối đa 10-20 bar. - Khả năng in phun, kết dính tốt. 14  Nhược điểm của GRE : khó khăn trong vẫn đề xử lí các phế thải GRE, do vậy hiện nay đang có rất nhiều các sợi gia cường có khả năng phân hủy đang được nghiên cứu. 2. Nhựa nền epoxy Nhựa epoxit (được biết đến cái tên nhựa epoxy, đôi khi còn gọi là nhựa etoxylin) đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polyme. Nhóm này thường nằm ở cuối mạch. Phần phi epoxy của phân tử có thể là hydrocacbon no, hidrocacbon mạch vòng no hoặc hydrocacbon thơm. Nhựa epoxy-dian chiếm 80-90% tổng sản lượng epoxy. Khoảng 25% trong số đó được sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu compozit có độ bền cao. 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy Nhựa epoxy-dian chủ yếu được tổng hợp từ epyclohydrin với các hợp chất cho proton và nhóm epoxy ở đầu mạch với hợp chất cho proton (chẳng hạn bisphenol A). Đó là phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2, 3, 4… Công thức tổng quát của nhựa epoxy-dian có dạng: CH (10) CH3 3 O-CH -CH-CH O C O-CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 O C 2 2 O O OH CH CH3 3 n Tùy thuộc tỷ lệ đương lượng giữa Epyclohidrin và bis-phenol A, thời gian, nhiệt độ và nồng độ NaOH sử dụng, nhựa epoxy nhận được sẽ có khối lượng phân tử khác nhau. Ngoài ra còn tổng hợp theo hai phương pháp khác: - Epoxy hóa các hợp chất không no bằng tác nhân cung cấp oxy. 15 - Trùng hợp và đồng trùng hợp các hợp chất epoxy không