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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời mở đầu Nhân loại bước vào kỷ nguyên bùng nổ khoa học công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn ứng dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp, giao thơng vận tải… Xã hội ngày phát triển nhu cầu vật liệu lớn đòi hỏi ngày nhiều vật liệu có tính lý kĩ thuật cao ưu việt Ngành công nghiệp vật liệu compozit có lịch sử từ lâu đời, nhiên thực phát triển mạnh mẽ có nhiều phát triển vượt bậc vào khoảng 50 năm trở lại đây, đặc biệt vật liệu compozit polyme Vật liệu compozit ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đặc tính ưu việt so với loại vật liệu truyền thống giá thành hợp lí, tính tốt… Vật liệu polyme compozit loại vật liệu tạo thành từ hai loại cấu tử nhựa polyme sợi gia cường Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng cho vật liệu polyme compozit sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit Một vật liệu compozit polyme đời sớm sử dụng nhiều compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh, có giá thành rẻ, tính cao, tính chất hóa lí tốt Tuy nhiên vấn đề xử lí phế thải loại vật liệu khó khăn, khơng có khả tái tạo, khơng có khả phân hủy Do vật phết thải từ chúng sau trình sử dụng bị thải gây nhiễm môi trường cách nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người phát triển bền vững xã hội Chính vậy, năm gần ngày có nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu, nhà sản xuất chế tạo vật liệu có khả phân hủy phân hủy tác động vi sinh vật Như loại vật liệu sau sử dụng hạn chế nhiễm mơi trường Bên cạnh đó, vấn đề giá thành yếu tố quan trọng để mở rộng khả ứng dụng vật liệu Để đáp ứng yêu cầu trên, vật liệu polyme compozit gia cường sợi thực vật đặc biệt quan tâm số ưu điểm trội sợi thực vật so với sợi gia cường truyền thống là: có khả phân LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ có độ bền riêng tốt Trong tiểu luận đề cập cách tổng quan vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh như: Nguyên liệu chế tạo, phương pháp gia cơng, ứng dụng… Nhóm sinh viên thực LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Trang Chương I Tổng quan vật liệu compozit I Giới thiệu chung vật liệu polyme compozit (PC) Lịch sử phát triển Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1 Khái niệm 2.2 Thành phần vật liệu PC 2.3 Cơ chế gia cường vật liệu PC… 2.4 Phân loại ……………………………………………………………9 Tính chất phạm vi ứng dụng 10 3.1.Tính chất chung vật liệu PC 10 3.2.Phạm vi ứng dụng 10 II Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền vật liệu compozit 11 Sự định hướng sợi 11 Tương tác sợi 12 Lượng sợi có vật liệu 13 Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn 13 Kĩ thuật gia công 13 Chương II Vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I Nguyên liệu 14 Vật liệu compzit epoxy gia cường sợi thủy tinh 14 Nhựa epoxy 15 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy …………………………………………… 15 2.2 Các thông số quan trọng nhựa epoxy 20 2.3 Tính chất ứng dụng nhựa epoxy 20 2.4 Đóng rắn nhựa epoxy …………………………………………… 21 Sợi thủy tinh 31 Phụ gia chất độn 37 II Các phương pháp gia công 39 Lăn ép tay 39 Lăn ép phun 41 Đúc kéo 41 Quấn ống 42 Bơm nhựa vào khuôn 44 Đúc chân không 44 Hỗ trợ chân khơng hay cịn gọi phương pháp túi chân không 46 III Ứng dụng 47 IV Giải thích đường ống nước sơng đà lại bị vỡ 52 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương I Tổng quan vật liệu compozit I Giới thiệu chung vật liệu polyme compozit (PC) Lịch sử phát triển Vật liệu PC xuất cách hàng nghìn năm người sử dụng hiệu sống 5000 năm trước công nguyên người cổ đại thêm đá nghiền nhỏ vật liệu nguồn gốc hữu vào đất sét để giảm độ co ngót nung gạch, đồ gốm Tại Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên, người ta làm vỏ thuyền lau sậy đan tẩm tubin Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta với mùn cưa thí dụ vật liệu PC Mặc dù hình thành sớm việc chế tạo vật liệu PC thực ý khoảng 60 năm trở lại Năm 1942 sản xuất vật liệu PC sở nhựa polyeste khơng no Năm 1944, sản xuất hàng nghìn chi tiết PC cho máy bay tàu phục vụ đại chiến giới lần thứ hai Năm 1950, chất lượng vật liệu PC nâng cao nhiều có đời nhựa eposy hàng loạt sợi gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợi silic… Từ năm 1970 đến nay, chi tiết chế tạo từ compozit chất dẻo sợi tăng cường có độ bền cao sử dụng rộng rãi cơng nghiệp đóng tàu, chế tạo chi tiết chịu lực ô tô, vật liệu xây dựng… Tuy đạt thành tựu vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mịn… mở rộng lĩnh vực sử dụng PC ln đặt Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệu có khả phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường yêu cầu cấp thiết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1 Khái niệm Vật liệu PC tạo thành từ kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác nhau, tạo vật liệu có tính chất đặc biệt mà vật liệu thành phần ban đầu khơng có Vật liệu PC nói chung cấu tạo từ hai thành phần cốt nền, ngồi cịn có số loại chất phụ gia khác : chất độn, chất màu, chất chống lão hóa, chống co ngót… 2.2 Thành phần vật liệu PC polyme Vật liệu PC vật liệu kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác có tính chất mà vật liệu thành phần ban đầu khơng có Thành phần vật liệu PC polyme vật liệu tăng cường dạng hạt hay dạng sợi (cốt) Ngồi cịn có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn số phụ gia cần thiết Vật liệu Polyme (chiếm 90%), kim loại, ceramic Vật liệu gia cường sợi cacbon, sợi aramid, sợi thủy tinh, sợi, hạt kim loại (Ti, Al), … LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vật liệu compozit Hình 2: Ảnh SEM chụp mắt cắt vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.3 Cơ chế gia cường vật liệu PC Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường có tính cao nhiều so với nền, lượng ngoại lực tác động chuyển sang chất gia cường Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt vật liệu gia cường dạng hạt, ứng suất điểm sợi phân bố toàn chiều dài, điểm chịu ứng suất nhỏ so với vật liệu gia cường dạng hạt tác dụng ngoại lực Khả truyền lượng ngoại lực tác động từ vật liệu lên vật liệu gia cường phụ thuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường Hình 3: Lý thuyết kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.4 Phân loại Tùy thuộc vào chất vật liệu thành phần, vật liệu PC đươc phân loại sau: 2.4.1 Theo chất vật liệu - Nền polyme chiếm 90% tổng số loại compozit - Nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim tital…) với vật liệu gia cường dạng sợi kim loại, sợi khoáng - Nền gốm thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi hạt kim loại - Nền cacbon/graphit: vật liệu chịu nhiệt tốt cứng 2.4.2 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường a) Compozit cốt hạt: Có cấu tạo gồm phần tử cốt hạt đẳng trục phân bố Các phần tử cốt đa dạng: loại khoáng tự nhiên, oxit, cacbit, nitrit… Compozit cốt hạt đa dạng: cốt hạt thô cốt hạt mịn Compozit cốt hạt mịn thường có kim loại hợp kim, cốt hạt có kích thước nhỏ (< 0, 1mm) thường vật liệu bền cứng, có tính ổn định nhiệt cao Compozit cốt hạt thơ thường có kim loại, polyme gốm Gốm thường đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mịn, độ ổn định kích thước, chịu nhiệt… b) Compozit cốt sợi ngắn: độ dài cốt sợi thường nhỏ 5cm Compozit cốt sợi ngắn thường gia công phương pháp gia công nhựa thông thường đúc đùn, đúc phun Sợi ngắn thường dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn có khối lượng phân tử lớn đóng rắn khơng có lợi 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 lớn Phương pháp gia công thường sử dụng phương pháp ướt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Sắp xếp vật liệu gia cường vào khuôn  Điền nhựa vào khuôn  Lăn ép đạt độ dày mong muốn Hình 7: Sơ đồ công nghệ lăn ép tay + Ưu điểm:  Đơn giản, thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi  Gia công sản phẩm lớn, phức tạp  Chi phí đầu tư thiết bị thấp, dụng cụ rẻ tiền + Nhược điểm:  Sản phẩm có bề mặt nhẵn  Thời gian đóng rắn thường dài  Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ thao tác bề mặt khuôn  Nhựa yêu cầu có độ nhớt thấp, ảnh hưởng đến tính chất có học, tính chất nhiệt cần phải có chất pha lỗng 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Cần ý đên an toàn sức khỏe Lăn ép phun  Nguyên tắc: sợi gia cường cắt ngắn súng phun sau bắn đồng thời với nhựa vào khuôn Dùng lăn lăn ép để lớp phải kết chặt thành khối Để đóng rắn hồn tồn trước tháo sản phẩm Hình 8: Sơ đồ cơng nghệ phương pháp lăn ép phun + Ưu điểm:  Nhanh  Dụng cụ rẻ tiền  Có thể chế tạo sản phẩm hai mặt nhẵn + Nhược điểm:  Tính chất lý sản phẩm không cao  Chỉ chế tạo compozit sợi ngắn  Cần phải có chất pha loãng để giảm độ nhớt Đúc kéo + Sợi thuỷ tinh trộn với nhựa kéo qua lõi có gia nhiệt, nhựa đơng rắn hồn tồn hay phần qua lõi tạo hình 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Có thể áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo nhiệt rắn + Dùng để chế tạo sản phẩm dạng hình thẳng uốn, với tiết diện không đổi + Sản phẩm thu có tính chất lý cao, tốc độ sản xuất cao, nhiên cần phải đầu tư lớn Hình 8: Sơ đồ cơng nghệ phương pháp đúc kéo Quấn ống  Các bước tiến hành: + Sợi gia cường kéo qua bể chứa nhựa + Kéo sợi gia cường tới khuôn quấn + Khuôn quay theo chiều khác để sợi quấn quanh khn + Để nhựa đóng rắn + Tháo khn lấy sản phẩm 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 9: Sơ đồ cơng nghệ quấn ống  Ưu điểm:  Phương pháp nhanh, hiệu kinh tế  Hàm lượng nhựa điều chỉnh sợi qua bể nhựa  Sợi cuộn liên tục tồn sản phẩm  Có thể chế tạo sản phẩm có độ dày lớn  Tính chất sợi tốt khống chế phương sợi phù hợp với tải trọng  Giá thành sợi giảm thiểu không qua công đoạn dệt sợi thành vải  Cần nhân cơng so với phương pháp khác  Nhược điểm:  Vốn đầu tư lớn  Hạn chế số dạng sản phẩm định (rỗng, mặt cắt tròn, oval, …)  Sợi khơng dễ dàng đặt xác dọc theo chiều dài sản phẩm  Bề mặt sản phẩm không tiếp xúc khuôn nên không hấp dẫn (không trơn, bóng)  Khó thay đổi hướng sợi 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hưởng đến tính chất học vấn đề an tồn sức khỏe Bơm nhựa vào khn Hình 10: Sơ đồ công nghệ bơm nhựa vào khuôn + Bơm nhựa pha xúc tác gia nhiệt vào khuôn áp suất để tẩm thấm vật liệu gia cường xếp trước khn kín + Quy trình thích hợp để chế tạo kết cấu có chiều sâu hình dạng phức tạp Đúc chân khơng Hình 11: Các thiết bị vật liệu công nghệ đúc chân không 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 12: Sơ đồ cơng nghệ đúc chân không + Nhựa polymer dạng bột hỗn hợp nhựa polymer vật liệu gia cường có chiều dài ngắn cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu máy đùn ép + Trục vít sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu phía trước trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa vật liệu ngồi + Trong q trình hịa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ hỗn hợp, lượng nhiệt làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước chuyển tới buồng phun ép Do q trình nén cắt trục vít, chiều dài sợi gia cường giảm + Dưới lực ép trục vít, vật liệu đùn ép vào khuôn, hệ thống van chiều sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa + Khi vật liệu nén vào khuôn, trục vít giữ ngun vị trí để trì áp suất khuôn Khi vật liệu đông kết khn, trục vít di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm  Ưu điểm:  Khả tự động hóa cao, suất lớn, hiệu cao  Phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn  Sử dụng để chế tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp  Nhược điểm: 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Cơ tính sản phẩm không cao tỷ lệ vật liệu gia cường thấp  Độ dài vật liệu gia cường ngắn  Tính đẳng hướng vật liệu khơng  chế tạo sản phẩm có kích thước khơng lớn với u cầu tính khơng cao Phương pháp túi chân khơng Hình 13 Sơ đồ cơng nghệ phương pháp túi chân không + Công nghệ hút chân khơng q trình đắp sợi, nhựa lõi lên khn, sau dán lên màng nhựa dẻo bao bọc kín xung quanh, dùng bơm chân khơng rút khí hình thành mơi trường chân khơng, tạo chênh áp ngồi màng; áp suất khí bên (tương đương bar) nén chặt lớp nhựa sợi lên khn đóng rắn  Ưu điểm: Kỹ thuật phát triển từ công nghệ đắp tay (hand lay-up) tạo chênh áp nén lớp nhựa sợi lên khuôn nhằm:  Cải thiện khả thấm ướt (có thể sử dụng lõi foam)  Khử bọt, loại lượng nhựa dung môi thừa  Giảm lượng nhựa sử dụng làm tỷ lệ sợi/nhựa cao hơn, sản phẩm cứng 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Tỷ lệ độ bền/khối lượng tốt  Tránh hít dung mơi bay thao tác  Sản phẩm đồng (kể hình dạng phức tạp)  Nhược điểm:  Kỹ thuật chân không đồng thời làm tăng chi phí lao động, màng phủ, màng rút khí, máy hút chân khơng, …  Địi hỏi cơng nhân kỹ thuật cao từ thao tác trộn nhựa sợi lắp đặt thao tác thiết bị chân không  Mặt cắt ngang nhỏ (do nén chặt hơn) III Ứng dụng  Vật liệu cách điện, cách nhiệt  Chống thấm  Làm ống (ứng dụng vật liệu FRP ngành cấp thoát nước), van  Vật liệu cách âm  Vật liệu xây dựng  Bể chứa hóa chất Hình14: Ống composite Hình15: Bàn hình chữ nhật để hiên 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 16: Bể chứa làm vật liệu GRE Hình 17: Các loại van GRE 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 18 Thang cáp ( thang dẫn dùng cho việc lắp đặt dây cáp điện nhà máy, chung cư, cao ốc ) Hình 19: Ống dẫn GRE (nước, dầu cáp điện) 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 20: Cano, xuồng cao tốc Hình 21: Cản xe 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com IV Giải thích đường ống nước sơng đà lại bị vỡ Có bốn nguyên nhân dẫn tới vỡ đường ống dẫn nước sông đà: Nguyên liệu làm ống - Nguyên liệu làm ống chủng loại hay chưa? Nguyên liệu nhà sản xuất nào, đáp ứng tiêu chuẩn hay chưa? 2.Thiết kế - Việc thiết kế có đảm bảo độ đồng tâm toàn hệ thống ống, độ lệch tối đa cho phép bệ đỡ ống, độ dốc tối đa ống so với đường kính tương ứng nó? Hình 22: Độ nghiêng ống 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Ống có đảm đủ để chịu áp lực nới thi công, lắp đặt ( áp lực đất, rung chấn )? - Thiết kế thống ống có phù hợp với lưu lượng nước bơm? - Kiểm tra, xử lí địa chất? 3.Thi cơng - Việc thi cơng có làm thiết kế hay không? - Độ nghiêng ống so với thiết kế? - Độ lệch trụ đỡ ống so với có nằm giới hạn cho phép? - Có xử lí địa chất thiết kế? Có đảm bảo chất lượng trụ đỡ Hình 23: Mặt cắt ngang ống Sử dụng - Có sử dụng kĩ thuật hay khơng? - Có bơm vượt lưu lượng nước cho phép ống? - Có kiểm tra, bảo trì ống định kì? 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Tiểu luận cho nhìn tổng quan vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh Nêu nguyên liệu để chế tạo vật liệu, số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất vật liệu, số phương pháp gia cơng chính, thơng dụng, dùng để chế tạo vật liệu compozit polyme nói chung vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh nói riêng 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Terry richardson, Composite, Industrial technology department northern stale college aberdean south dakota( January 1, 1987) http://www.gkchem.vn/7/119/EPOXY-cho-Cong-nghe-Composite.aspx http://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material Hoàng Thị Phương, lớp CN polyme, k49, Đồ án tốt nghiệp “Tính chất học vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxydian gia cường mát dứa dại” 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... trí sợi theo thiết kế - Đảm bảo môi trường gia công phù hợp Chương II Vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh I Nguyên liệu Vật liệu compzit epoxy gia cường sợi thủy tinh Là loại vật liệu. .. polyme sợi gia cường Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng cho vật liệu polyme compozit sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit Một vật liệu compozit polyme đời sớm sử dụng nhiều compozit epoxy. .. dạng sợi kim loại, sợi khoáng - Nền gốm thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi hạt kim loại - Nền cacbon/graphit: vật liệu chịu nhiệt tốt cứng 2.4.2 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường