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

Tiều luận: Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh trình bày tổng quan về vật liệu polyme compozit, phân loại, tính chất của vật liệu polyme compozit, compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh, nguyên liệu gia,...Mời bạn đọc cùng tham khảo.

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

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

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

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

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

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

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), …

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

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

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

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…

- 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

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

 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

- 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

 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

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

- Trùng hợp và đồng trùng hợp các hợp chất epoxy không no

a) Nguyên liệu đầu:

Bisphenol A được tạo ra từ phản ứng của axeton và phenol trong môi trường axit mạnh ở 10 - 500C :

(1)

Phenol và axeton là những nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A được sản xuất dễ dàng Điều đó giải thích tại sao nhựa epoxy lại được sử dụng rộng rãi hơn các loại nhựa khác Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn tại bột màu trăng, không tan trong nước, tan trong axeton và rươu, có nhiêt độ nóng chảy 153 - 1550C

Epiclohidrin, hợp chất có giá thành cao hơn và rất độc, được tổng hợp từ các phản ứng sau:

b) Phản ứng tạo thành nhựa epoxydian

Phản ứng ngưng tụ của bisphenol A với epiclohidrin để tạo nhựa epoxy thường

sử dụng xúc tác kiềm theo hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: là giai đoạn kết hợp, nhóm epoxy của epiclohidrin tác dụng với nhóm hydroxyl của bisphenol A, phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60-700C và tỏa nhiệt (H

= -17Kcal/mol):

CH2 - CH - CH2 - Cl O

(7)

Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chậm và thu nhiệt (H=29Kcal/mol):

NaOH 2

Diglyxydylete(DGE) nhận được với tỷ lệ mol epiclohidrin và bisphenol A (DPP)

là 2/1 Tuy nhiên, thực nghiệm chỉ ra rằng khi tỷ lệ 2/1 thì hiêu suất tạo DGE<10% Do

đó thực tế tỷ lệ mol ECH/DPP<2

Tiếp theo phát triển mạch do DPP cộng hợp vào nhóm epoxy của olygome DGE

DGE + DPP NaOH CH2 - CH - CH2 - O - R - O - CH2 - CH - CH2 - O - R - OH

OH O

Cấu trúc của nhựa epoxydian có dạng:

CH3

CH3

O-CH2-CH-CH2OH O

2.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy

Hàm lượng nhóm epoxy (HLE) : là khối lượng của nhóm epoxy có trong 100g nhựa

Đương lượng epoxy (ĐLE) là lượng nhựa tính theo gam chứa một đương lượng oxyepoxit

ĐLE= ∙ ∙

Trong đó: M là khối lượng amin mạch thẳng; n là số Hidro; K là hệ số điều chỉnh:

1 - 1,1; E là hàm lượng nhóm epoxy (tính theo %); 43 là khối lượng nhóm epoxy

Giá trị epoxy (GTE): là đương lượng gam của oxy epoxit có trong 100g nhựa:

16

HLOE

43

16

HLE

Sự liên quan giữa hàm lượng nhóm epoxy (HLE) và đương lượng epoxy (ĐLE) theo công thức sau:

HLE =

Chú thích: 43- khối lượng phân tử của nhóm epoxy

Ngoài ra còn một vài thông số kỹ thuật khác thường được giới thiệu cho một loại nhựa epoxy như: độ nhớt, chỉ số khúc xạ, đương lượng hydroxy

2.3 Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy

a) Tính chất

Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn tồn tại ở dạng tiền polyme, tùy thuộc khối lượng phân tử mà nhựa epoxy ở dạng lỏng (M<450), đặc(M<800) đến rắn (M>800); có thể tan tốt trong các dung môi hữu cơ xeton, hydrocacbon

Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ: xeton, axetat, hydrocacbon clo hóa, dioxan… Nhựa epoxy không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng (white spirit,xăng, ).Có khả năng phối trộn với các nhựa khác như ure focmandehyt, polyeste, nitroxelulo, hoặc các epoxy khác

Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, có trọng lượng phân tử cao hơn, có tính chất cơ lý tốt hơn, khi tác dụng với các chất đóng rắn phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao Nhựa epoxy đã đóng rắn cứng và giòn, nhưng độ bền của nhựa phụ thuộc vào chiều dài, bản chất của đoạn mạch polyme nằm giữa hai nhóm epoxy; polyme có mạch dài sẽ bền hơn so với polyme

có mạch ngắn hơn cùng loại, tuy nhiên lại có mật độ liên kết ngang thấp hơn, nhạy hơn đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệt kém hơn

Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là epoxy và hydroxyl, có thể tham gia vào nhiều phản ứng khác nhau Nhóm epoxy rất dễ dàng phản ứng với các tác nhân

LE

43 100

D

(nucleophin) Với các tác nhân ái điện tử (electrophin), phản ứng xảy ra thuận lợi khi

có mặt xúc tác như rượu, phenol, axit Do nhóm hydroxyl hoạt động kém hơn nhóm epoxy, nên phản ứng tiến hành phải có xúc tác hoặc nhiệt độ cao (trừ phản ứng với nhóm xyanat)

b) Ứng dụng

Nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền với dung môi, khả năng chịu nhiệt cao hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác, nên thường được ứng dụng làm các lớp phủ chất lượng cao, sơn, keo dán, tấm lót cho tàu thuyền, làm vật liệu bảng điện, trang trí…

Nhựa epoxy có ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp chế tạo vật liệu compozit Nhờ các nhóm phân cực, epoxy có khả năng bám dính tốt với sợi tăng cường,

do đó làm tăng độ bền của compozit Vật liệu compozit từ nhựa epoxy có chất lượng cao, thường được ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ

2.4 Đóng rắn nhựa epoxy

Nhựa epoxy từ trạng thái tiền polyme chuyển thành trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấu trúc mạng lưới không gian 3 chiều khi tác dụng với chất đóng rắn Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy Vì chất đóng rắn tham gia vào cấu trúc mạng lưới polyme làm thay đổi cấu trúc của chúng, nên quá trình đóng rắn là yếu tố quan trọng để hình thành vật liệu epoxy

Hoạt tính cao của nhóm epoxy với tác nhân (nucleophin) cho phép sử dụng các

hệ đóng rắn khác nhau có khả năng phản ứng trong một khoảng nhiệt độ rộng từ 00C đến 2000C

Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các chất chứa nguyên tử hoạt động và trùng hợp của nhóm epoxy theo cơ chế ion Cả hai phản ứng đều dẫn tới hình thành polyme có khối lượng phân tử cao hơn Xuất phát từ cơ chế tác dụng của nhựa epoxy, các chất đóng rắn cũng được phân thành hai nhóm chính:

- Đóng rắn nhờ theo cơ chế cộng hợp: các hợp chất đa chức hoạt động như các

amin bậc 1, bậc 2, anhydrit của axit hữu cơ

- Đóng rắn theo cơ chế trùng hợp: trên cơ sở của các bazo và axit Lewis

Khi dùng chất đóng rắn loại amin có nhóm - NH2 thì nguyên tử H của nhóm amin sẽ tạo thành với O của nhóm epoxy những nhóm hydroxyl mới như sau:

Cấu tạo của nhựa epoxy sau khi đóng rắn bằng amin như sau:

Trong đó R là:

Đặc điểm của quá trình đóng rắn này là không sinh ra sản phẩm phụ, các chất bay hơi Các chất đóng rắn amin thực tế có khả năng đóng rắn tất cả các dạng nhựa epoxy, ngoại trừ epoxy este và epoxy vòng béo (xycloaliphatic epoxy), trong vùng nhiệt

độ từ 00C đến 1500C

Mặc dù có hoạt tính cao, một vài chất đóng rắn amin, khi đóng rắn ở nhiệt độ thấp (00C-200C) thường phải bổ sung chất xúc tiến như rượu, mercaptan, phenol, axit cacboxylic

O - CH2 - CH - CH2C

Đặc điểm của quá trình đóng rắn bằng amin mạch thẳng:

- Quá trình đóng rắn xảy ra rất nhanh ngay ở nhiệt độ thường và tỏa nhiệt nên chỉ có thể đưa chất đóng rắn vào nhựa epoxy ngay trước khi sử dụng:

 Lượng amin cho vào phải chính xác, làm sao cho một nguyên tử hydro hoạt động của nhóm amin tương ứng với một nhóm epoxy, vì nếu dư hay thiếu sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Khi cho dư amin thì các nhóm epoxy sẽ kết hợp với các amin nay và hạn chế khả năng tạo cấu trúc không gian, và nếu thiếu amin thì cấu trúc tạo lưới cũng kém chặt chẽ

 Các loại amin này độc và có tác dụng ăn mòn kim loại nên việc sử dụng chúng bị hạn chế nhiều

 Nhựa sau khi đóng rắn có độ mềm dẻo không cao do sự phân bố các nhóm hoạt tính quá gần nhau dẫn tới khoảng cách của các mắt xích rất nhỏ, làm giảm độ linh động

b) Chất đóng rắn axit và anhydrit axit

Vật liệu chế tạo từ nhựa epoxy glyxydylete đóng rắn bằng axit, anhydrit axit có tính chất cơ học, điện, bền nhiệt cao hơn hẳn so với hệ epoxy-amin Trong công nghệ vật liệu epoxy đóng rắn bằng axit và anhydrit axit có thể sử dụng xúc tác hoặc không

N - CH2 - CH2 - CH2 - NH2

C2H5

C2H5

xúc tác.Tùy vào điều kiện có hoặc không có xúc tác, cơ chế phản ứng đóng rắn sẽ khác nhau

ion cacboxylat (I)

O

(22)