TỔNG QUAN
Tổng quan về vật liệu polyme compozit
1.1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu polyme compozit
Vật liệu polyme compozit (VLPC) đã được ra đời, hình thành và phát triển rất sớm từ khi bắt đầu có nền văn minh nhân loại
Từ xa xưa, con người đã chế tạo và sử dụng vật liệu compozit trong đời sống hàng ngày, như việc trộn bùn đất với rơm để xây tường nhà hoặc sử dụng lau, sậy kết hợp với nhựa thông để làm vỏ thuyền.
Vào đầu thế kỷ 20, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã mang lại cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật liệu, với vật liệu compozit nổi lên như một sự thay thế ưu việt cho các vật liệu truyền thống Những nhược điểm của vật liệu truyền thống như trọng lượng nặng (bê tông, gạch, sắt thép), tính dễ vỡ (sành, sứ) và khả năng bị mối mọt đã hạn chế khả năng sử dụng của chúng Vật liệu compozit, với những ưu điểm vượt trội, đã khắc phục hiệu quả những hạn chế này, mở ra nhiều ứng dụng mới trong xây dựng và sản xuất.
Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu được tạo nên từ 2 hay nhiều cấu tử khác nhau có tính chất nổi trội hơn các cấu tử thành phần
Vật liệu compozit là loại vật liệu đồng nhất được hình thành từ việc kết hợp nhiều thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau, tạo nên một khối lượng lớn với các đặc tính vượt trội.
Tùy thuộc vào bản chất cũng như thành phần cấu tạo, vật liệu polyme compozit có thể chia ra thành các loại chính như sau:
– VLPC có phụ gia phân tán
– VLPC được gia cường bằng sợi ngắn
– VLPC được gia cường bằng sợi liên tục
– VLPC được độn khí hay xốp
1.1.3 Thành phần của vật liệu polyme compozit
Vật liệu polyme compozit là một hệ thống cấu trúc của polyme gia cường bằng sợi, thường gồm ba cấu tử như hình 1.1 [3]
Bề mặt phân chia pha sợi/chất liên kết
Bề mặt phân chia pha chất liên kết/polyme
Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu polyme compozit
1 Cấu tử thứ nhất là vật liệu sợi làm nhiệm vụ gia cường và truyền lực vào vật liệu lớp
2 Cấu tử thứ hai là phần nhựa nền (polyme) có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo
3 Cuối cùng, cấu tử thứ ba là chất liên kết có tác dụng làm tăng độ bám dính giữa sợi và nhựa
→ Mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu polyme compozit
Sợi và nhựa riêng lẻ không phù hợp cho vật liệu kỹ thuật, nhưng nhựa là chất kết dính tuyệt vời giúp truyền lực hiệu quả đến các sợi gia cường Nhựa nền, với tính chất đẳng hướng (isotropic), cho phép chuyển tải trọng giữa các sợi và bảo vệ chúng khỏi mài mòn, ẩm, hóa chất và oxy hóa Ngoài ra, nhựa nền còn đảm bảo các tính chất chịu nén, ứng suất trượt và ứng suất cắt Các loại nhựa nền phổ biến bao gồm polyester không no, epoxy và vinylester epoxy.
Vật liệu sợi hay cốt gia cường đóng vai trò tạo độ bền và modun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho compozit
Vật liệu polyme compozit dựa trên nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm nổi bật như độ bền cao, trọng lượng nhẹ, khả năng co ngót thấp, tính chống ăn mòn tốt và dễ gia công Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung vào việc phát triển vật liệu compozit epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh, hóa rắn bằng hợp chất titan, nhằm ứng dụng trong các lĩnh vực vật liệu bền nhiệt và cách điện.
1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme compozit
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu PC gia cường bằng các loại sợi:
– Bản chất của các vật liệu thành phần (vật liệu gia cường và vật liệu nền) – Độ bền, độ ổn định hóa học của nhựa nền
– Độ bền liên kết tại bề mặt tiếp xúc vật liệu nền/vật liệu gia cường
– Hình dạng, kích thước của vật liệu gia cường (dạng hạt, sợi không liên tục, liên tục)
Khi vật liệu PC chịu tác động của ngoại lực, tải trọng sẽ được truyền từ vật liệu nền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc Sợi gia cường thường có độ bền cơ học cao hơn nhựa nền, dẫn đến sự xuất hiện của vết nứt trên bề mặt nhựa khi chịu tải Để đạt được độ bền và độ cứng cao cho compozit, vật liệu gia cường cần liên kết chắc chắn với vật liệu nền Tuy nhiên, mặc dù bề mặt tiếp xúc bền giúp tăng cường độ cứng và độ bền cho vật liệu PC, nhưng khả năng chống lại sự phát triển vết nứt lại kém do tính chất giòn của nó.
Khả năng kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường được cải thiện nhờ các liên kết và tương tác tại bề mặt tiếp xúc Hợp chất silan đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp như là chất liên kết Việc lựa chọn hợp chất liên kết phù hợp phụ thuộc vào loại nhựa nền sử dụng.
1.2.1 Lịch sử phát triển của nhựa epoxy
Những thử nghiệm thương mại đầu tiên trong sản xuất nhựa epoxy từ epiclohydrin diễn ra tại Hoa Kỳ vào năm 1927 Năm 1936, Pierre Castan (Thụy Sĩ) và S O Greenlee (Hoa Kỳ) đã nổi tiếng khi tổng hợp thành công nhựa epoxy dựa trên bisphenol A.
Công trình của Castan đã được Ciba (Thụy Sĩ) đăng ký bản quyền sáng chế, giúp Ciba trở thành một trong ba nhà sản xuất nhựa epoxy hàng đầu thế giới Vào năm 1990, công việc kinh doanh nhựa epoxy đã được chuyển nhượng, hiện nay thuộc về Huntsman Corporation (Hoa Kỳ), một đơn vị chuyên cung cấp vật liệu tiên tiến.
Công trình của Greenlee hỗ trợ cho hãng Devoe-Reynolds tại Hoa Kỳ, nơi mà Devoe-Reynolds đã bắt đầu sản xuất nhựa epoxy một cách tích cực Sau đó, công ty này đã chuyển nhượng quyền sản xuất cho Shell Chemicals, hiện nay được biết đến với tên gọi Hexion.
1.2.2 Tính chất vật lý, hóa học của nhựa epoxy
❖ Cấu trúc tổng quát của nhựa epoxy:
Trong đó R1, R2, R3: hydro hoặc gốc hydrocacbon
Về mặt cấu tạo hóa học, nhựa epoxy có ba phần chính: mạch hydrocacbon, nhóm epoxy, các nhóm định chức khác
Tùy thuộc vào từng loại nhựa, mạch hidrocacbon của nhựa epoxy có thể có mạch vòng hoặc mạch thẳng
Phân tích đặc điểm cấu trúc của nhóm epoxy ta thấy đây là nhóm có hoạt tính hóa học cao, điều này được thể hiện ở các đặc điểm sau:
Nhóm epoxy là một vòng ba cạnh gồm hai nguyên tử cacbon và một nguyên tử oxy, có sức căng lớn Các liên kết trong vòng này không có sự xen phủ cực đại của liên kết σ mà mang bản chất của liên kết π, dẫn đến tính bền kém và hoạt tính hóa học cao Nguyên tử oxy trong nhóm epoxy còn có cặp electron tự do chưa tham gia liên kết, do đó dễ dàng mở vòng khi phản ứng với các hợp chất có hydro linh động.
– Các nhóm định chức khác
Các loại nhựa epoxy có thể chứa các nhóm định chức khác nhau, mỗi nhóm mang những phản ứng đặc trưng riêng Nhiều nhựa epoxy có chứa nhóm hydroxyl và liên kết đôi trong cấu trúc phân tử của chúng.
+ Do sự chênh lệch về độ âm điện giữa nguyên tử oxy và nguyên tử hydro nên liên kết O – H bị phân cực mạnh và tạo ra H linh động
+ Nguyên tử oxy còn cặp electron chưa tham gia liên kết nên dễ dàng tham gia phản ứng nucleophin
Nhựa epoxy chưa đóng rắn có thể là trong suốt hoặc màu vàng sáng, với trạng thái phụ thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT): lỏng (KLPT < 450), đặc (450 < KLPT < 800), và rắn (KLPT > 800) Khối lượng phân tử quyết định tính chất của sản phẩm sau khi đóng rắn; nhựa KLPT thấp thường được sử dụng làm keo dán và vật liệu đúc, trong khi nhựa KLPT cao thường được dùng làm sơn sau khi biến tính Nhựa epoxy rắn có khối lượng phân tử cao, sau khi đóng rắn vẫn giữ được tính dẻo do mật độ liên kết ngang không cao và các liên kết nằm cách xa nhau Sản phẩm sau khi đóng rắn không tạo bọt khí và rỗ, đồng thời vẫn còn nhiều nhóm -OH trong mạch, giúp tăng cường tính bám dính với nhiều loại vật liệu Liên kết ete trong nhựa cũng nâng cao độ bền hóa học và độ bám dính của sản phẩm.
Nhựa epoxy nổi bật với khả năng bền hóa học, bám dính tốt và chịu được nhiều loại hóa chất, bao gồm kiềm đặc, chất tẩy rửa và dung dịch axit như HCl 20%, H2SO4 70%, HNO3 10%, và CH3COOH 1% Nó cũng có khả năng chịu ẩm cao, mang lại độ cứng và chắc chắn Độ cứng của màng sơn và vecni từ nhựa epoxy dao động trong khoảng 0,2÷0,9 Sản phẩm sau khi đóng rắn có hằng số điện môi thấp và khả năng cách điện tốt Tuy nhiên, độ bền thời tiết của nhựa epoxy phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc hóa học của từng loại, và trong môi trường nóng ẩm, các tính chất của nhựa epoxy có thể bị suy giảm.
Các nhựa epoxy dian tan tốt trong các dung môi hữu cơ như xeton, ancol, ete, xetoancol, dioxan…và không tan trong các hydro cacbon mạch thẳng
Nhựa epoxy có thể phối trộn với các loại nhựa khác như phenol formaldehyt, uremelamin formaldehyt, polyamit, polyeste nhưng không trộn được với ete và ete xenlulo
1.2.2.2 Tính chất hóa học Đối với nhựa epoxy, hai nhóm định chức quyết định tính chất hóa học của nhựa là nhóm epoxy và nhóm hydroxyl Tuy nhiên, tùy thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT) của nhựa mà nhựa thể hiện tính chất theo nhóm chức trội hơn [5, 6]
Khi n ≤ 3 (KLPT ≤1200): số nhóm epoxy chiếm đa số nên phản ứng hóa học đặc trưng là nhóm epoxy
Khi 3
