Đề tài nghiên cứu tính chất và thiết kế mô hình bằng polymer sợi thủy tinh

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 c

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊNBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ THIẾTKẾ MÔ HÌNH BẰNG POLYMER SỢI

THỦY TINH Giảng viên: Phạm Thị Kim Hằng

Sinh viên thực hiện

-M cụ Lụ

I Lời mở đầu 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

II Nội dung tiểu luận 3

1 Lịch sử hình thành và phát triển của polymer sợi thủy tinh 3

a Lịch sử hình thành 3

b Sự phát triển của sợi thủy tinh 3

2 Tính chất của polymer sợi thủy tinh 4

3 Quá trình sản xuất polymer sợi thủy tinh 5

4 Một số loại polymer sợi thủy tinh và ứng dụng 7

a Vải sợi thủy tinh: 7

b Thép composite cốt sợi thủy tinh: 8

c Bông thủy tinh: 9

I Lời mở đầu 1 Lý do chọn đề tài.

Nhân loại đã và đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ về khoa học, kỹ thuật và công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải Thế giới ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng vật liệu ngày càng cao đòi hỏi những vật liệu có tính năng kỹ thuật cao hơn Ngành công nghiệp vật liệu composite đã có lịch sử lâu đời và có những thành tựu nổi bật, đặc biệt là vật liệu composite trên polymer Vật liệu composite được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bởi những đặc tính vượt trội so với vật liệu truyền thống như giá thành hợp lý, tính năng tốt.

Vật liệu polyme compozit được tạo thành từ hai loại cấu tử chính là nhựa nền polyme và sợi gia cường Các loại sợi gia cường hay dùng cho vật liệu 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 Với những mặt tích cực thì sợi thủy tinh còn có những mặt tiêu cực là vấn đề xử lí phế thải của loại vật liệu này rất khó khăn, do nó không có khả năng tái tạo và không có khả năng phân hủy Trong tiểu luận này sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về vật liệu sợi thủy tinh và mô hình của nó.

2 Mục đích nghiên cứu.

Nghiên cứu cơ bản đặt tính của sợi thủy tinh, làm rõ về các tính chất như khả năng chiụ nhiệt, dẫn nhiệt, kháng hóa chất, tích điện, khả năng tương thích với na trận hữu cơ

Nghiên cứu các ứng dụng của polymer sợi thủy tinh.

Nghiên cứu đánh giá về mặt tích cực và tiêu cực của nó, đồng thời đưa ra những biện pháp khắc phục.

3 Phương pháp nghiên cứu.

Trong quá trình nghiên cứu nhóm chúng em đã dùng những phương pháp sau:

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn.

Phương pháp thu thập dữ liệu

Phương pháp thống kê

Phương pháp phân tích

Phương pháp đưa ra kết luận

Phương pháp mô hình hóa.

II Nội dung tiểu luận 1 Lịch sử hình thành và phát triển của polymer sợi thủy tinh.

a Lịch sử hình thành

Từ xa xưa, những người Ai Cập, Hy Lạp, Phoenicia cổ đại đã thấu hiểu được các cách thức để chế tác một món đồ bằng thủy tinh bằng cách thổi thủy tinh nóng chảy rồi định dạng hoặc kéo sợi Thế nhưng những việc này chỉ được làm thủ công nên những đồ thủy tinh và các món trang sức chỉ được sử dụng cho mục đích trang trí mà thôi.

Vào những năm 1800, ý tưởng cho việc thử nghiệm các kĩ thuật phức tạp hơn để chế tác thủy tinh đã mở rộng lúc bấy giờ Bằng sáng chế đầu tiên về sợi thủy tinh được trao cho Hermann Hammesfahr vào năm 1880 bởi phát minh của ông về sợi thủy tinh kết hợp với lụa Có thể nói ông là ông tổ trong việc chế tác sợi thủy tinh Bằng sáng chế của ông đã được mua lại bởi công ty Libbey Glass of Toledo, một công ty xản xuất chao đèn.

Ứng dụng đầu tiên của sợi thủy tinh là một chiếc váy được làm từ sợi thủy tinh với đường kính bằng một sợi tơ được chưng bày ở Hội chợ Thế giới năm 1893 ở Chicago Nhưng đây chưa phải là ứng dụng thương mại của sợi thủy tinh.

b Sự phát triển của sợi thủy tinh.

Trong năm 1932, do sự giảm mạnh về nhu cầu chai thủy tinh trên thế giới Nhận thấy điều đó, một kỹ sư tại Owens-Illinois, Games Slayter đã có một vài ý tưởng đột phá mới cho sợi thủy tinh Sau khi nhìn thấy Dale Kleist thử nghiệm nung chảy các khối thủy tinh bằng một khẩu súng ban đầu được thiết kế để phun đồng nóng chảy Tuy nhiên, khi anh ta cố gắng phun kính, khẩu súng phát ra một cơn mưa các sợi thủy tinh mịn Slayter đã ngay lập tức nhìn ra tiềm năng của sự phát hiện tình cờ này nên đã mài giũa quy trình sản xuất sợi thủy tinh một cách hiệu quả hơn, ông được cấp bằng sáng chế vào năm 1933 bởi phát minh của mình là một máy lọc không khí được tích hợp sợi thủy tinh và đây cũng là sản phẩm thương mại đầu tiên được làm bằng sợi thủy tinh.

4

Ý tưởng của Slayter và Kleist không phải là mới bởi vì vào năm 1907, nhà hóa học Leo Baekeland, người đã phát minh ra nhựa tổng hợp đầu tiên tên là Bakelite, đã sử dụng sợi amiăng để củng cố sản phẩm.

Trong việc sản xuất sợi thủy tinh hôm nay đã có một số thay đổi sáng kể từ phát hiện tình cờ của Slayter và Kleist, thay vì cho dòng thủy tinh nóng chảy vào không khí hoặc nới có áp suất cao thì các kỹ sư hiện nay buộc dòng thủy tinh nóng chảy qua các vòi phun nhỏ để tạo ra các sợi thủy tinh mịn rồi sau đó kéo vào một ống chỉ Nhưng phương pháp của Slayter và Kleist vẫn được áp dụng nhưng chỉ ở một mức độ nhỏ.

Tùy vào ứng dụng cho công việc thì có nhiều loại sợi thủy tinh được làm ra như một loại sợi thủy để cách nhiệt thì phải tạo ra bằng cách tạo thật nhiều bong bóng khí bên trong sợi thủy tinh nhưng không làm giảm đi độ dai của sợi Một số loại có độ bền kéo cao hơn hoặc một số loại chuyên dùng để chống lại một hóa chất hay môi trường nào đó.

Qua đó ta có thể thấy sợi thủy tinh ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành nghề.

2 Tính chất của polymer sợi thủy tinh

Như ta đã biết, thủy tinh là một chất liệu rất dễ vỡ Nhưng khi được nung chảy và kéo thành các sợi thủy tinh có đường kính bằng với sợi tóc thì sợi thủy tinh ấy lại mềm dẻo tựa như những sợi tơ và độ bền có thể vượt xa các loại sợi từ kim loại khác

Về cơ bản, sợi thủy tinh rất hữu dụng ở mọi lĩnh vực, ngành nghề trong đời sống phải kể đến như:

Độ bền cơ học cao: sợi thủy tinh có tỉ lệ độ bền trên khối lượng cao nên sợi thủy tinh thích hợp với các yêu cầu cần đến độ bền cao và trọng lượng tối thiểu.

Có tính ổn định về kích thước: sợi thủy tinh: Sợi thủy tinh rất ổn định về kích thước Nó không bị co lại hoặc dẫn ra khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc môi trường ẩm ướt.

Khả năng chống ẩm cực kỳ tốt: Sợi thủy tinh không bị thấm nước nên có thể ứng dụng để làm các vật liểu chống nước hay là làm lớp phủ chống nước bên ngoài vật liệu

Khả năng chống cháy: sợi thủy tinh bản chất là chất vô cơ có chứa gốc Dioxit Silicat (SiO ) nên có nhiệt độ nóng chảy cực kỳ cao và không là chất xúc tác làm2

cho ngọn lửa cháy mạnh hơn.

Có tính kháng hóa chất mạnh: thủy tinh có tính trung tính và không phản ứng với hầu hết các loại hóa chất và các dung dịch ăn mòn mạnh ngoại trừ acid HF thế nên sợi thủy tinh cũng có những tinhs chất tương tự như thế.

Dẫn truyền ánh sáng: Sợi thủy tinh có tính chất tương tự như thủy tinh nên có thể cho ánh sáng truyền qua Con người ứng dụng đặc tính này của thủy tinh vào những ciệc như chế tạo ống nội soi, tạo cáp quang có thể chuyền tín hiệu được dưới biển, Đây đều là những ứng dụng cực kì quan trọng ảnh hưởng to lớn đến đời sống con người của sợi thủy tinh.

Khả năng cách điện: Thủy tinh, gốm sứ là những chất có độ dẫn điện kẽm nên thường dùng để làm những trụ cách điện trên những tụ điện cao áp.

Dẫn nhiệt kém: ta có thể chế tác sợi thủy tinh với nhiều bong bóng khí bên trong làm cho độ dẫn nhiệt của nó rất ít Có thể được tận dụng làm lớp vỏ cách nhiệt bên trong ngôi nhà.

Khả năng kết hợp vật liệu khác: sợi thủy tinh có thế kết hợp với các vật liệu khác để tạo nên vật liệu có ưu điểm tổng hợp như: FRP, được ứng để để làm vũ khí trong chiến tranh Thế Giới thứ II hoặc được làm thành khung cho máy bay.

6

3 Quá trình sản xuất polymer sợi thủy tinh.

Trong ngành công nghiệp sợi hiện nay, con người ta đã tìm ra được vô vàn các loại sợi với các đặc tính, tính chất và ứng dụng khác nhau Có thể kể đến các loại sợi phổ biến hiện nay như sợi bông, sợi tằm thường dùng để làm nên các bộ quần, áo có tính thoáng mát hơn các loại cotton thường dùng để làm quần, áo công nghiệp Nổi bật hơn là sợi cacbon đang được ưa chuộng hiện nay, với sựu bền bỉ và chắc chắn cùng với trọng lượng nhẹ thì sợi cacbon được ưa chuộng bởi các hãng thể thao cũng, dệt may cũng như các hãng điện tử.

Nhưng đặc biệt hơn cả đó chính là sợi thủy tinh, mặc dù vẫn chưa được ứng dụng phổ biến trên các lĩnh vực khác nhau nhưng sợi thủy tinh đã chứng minh được vai trò cũng như tầm quan trọng của nó trong công cuộc phát triển và đổi mới nền Khoa học – Kỹ thuật con người Với những tính mềm dẻo nhưng lại rất chắc chắn, chống ẩm, cách nhiệt, dẫn điện kém cùng vô vàn những ưu điểm khác Bới thế, sợi thủy tinh đang ngày càng có chỗ đứng hơn trong ngành công nghiệp sợi hiện nay Vậy thì làm sao để ta có thể tạo ra sợi thủy tinh trong công nghiệp?

Để có thể chế tạo sợi thủy tinh trong công nghiệp có rất nhiều cách nhưng cách được dùng rộng rãi nhất là chế tác nóng chảy

Trong công đoạn chế tác thủy tinh nóng chảy sẽ có hai công đoạn riêng biệt nhau để tạo thành hai loại sợi thủy tinh khác nhau là bông thủy tinh và sợi thủy tinh dài Cả hai công đoạn đều bắt đầu bằng nguyên liệu là thủy tinh được nung chảy cùng với đá cẩm thạch rồi cắt thành từng viên bi, đóng hộp và vận chuyển tới các xưởng chuyên dụng để thực hiện lại thao tác nung chảy.

Chế tạo bông thủy tinh bằng cách thổi kính hoặc thổi bằng nhiệt hoặc hơi nước sau khi thoát khỏi máy hình thành Nhưng thông thường quy trình được sử dụng phổ biến nhất đó là đặt thủy tinh nóng chảy lên một chiếc đĩa và cho đĩa quay với một tốc độ lớn, đĩa quay sẽ tạo ra lực li tâm làm kéo dài các giọt thủy tinh nóng chảy ra thành các sợi mỏng Ta sẽ thu được các sợi thủy tinh ngắn ở phía dưới đĩa

Chế tạo sợi thủy tinh dài bằng cách cho thủy tinh nóng chảy chảy trực tiếp vào ống lót để hình thành các sợi thủy tinh Tấm lót ống lót giữ vai trò như một lò kim loại nhỏ chứa các vòi phun sợi luôn được đun nóng đến nhiệt độ để giữ cho thủy tinh nóng chảy suốt quá trình gia công Ống lót như là một bộ phận thu gom để thu gom các sợi thủy tinh và được làm nóng tới nhiệt độ để cho các giọt dài thủy tinh hình thành sợi Thứ cũng không kém phần quan trọng ảnh hưởng tới việc hình thành sợi thủy tinh là độ dày của các bức tường trong khu vực thoát hiểm Ngày nay, người ta thường thiết kế để vòi phun có độ dày tối thiểu ở lối ra Vòng hình khuyên của vòi phun càng nhỏ và tường càng mỏng khi thoát ra, tốc độ hình thành và rơi ra càng nhanh, và xu hướng làm ướt phần dọc của vòi càng thấp Tốc độ phun của vòi cũng rất quan trọng trong thiết kế vòi phun Mặc dù làm chậm tốc độ này có thể tạo ra sợi thô hơn, nhưng việc chạy ở tốc độ mà vòi phun không được thiết kế sẽ tiêu tốn nhiều chi phí hơn.

Tuy vẫn còn nhiều cách có thể sản xuất được sợi thủy tinh nhưng vì tính ứng dụng trong thực tế thấp và chi phí sản suất cao, giá thành sản phẩm lại được giữ nguyên thì phương pháp chế tạo sợi thủy tinh bằng cách nung chảy là tối ưu nhất, có thể ứng dụng trong công nghiệp, giá thành rẻ, có thể loại bỏ được các tạp chất bên trong thủy tinh cũng như thêm vài thành phần mong muốn.

4 Một số loại polymer sợi thủy tinh và ứng dụng

a Vải sợi thủy tinh:

Là vật liệu được cấu tạo từ những sợi thủy tinh rất mảnh và mịn với đường kính chỉ 16 µm được đan lại với nhau thành một tấm phẳng, do đó sản phẩm rất dễ để cuộn lại hoặc gấp vào Vải thủy tinh đã được xử lý bề mặt để tạo liên kết giữa các sợi thủy tinh và các chất gia cường như polymer cùng các chất liệu tổng hợp để tạo thành sợi thủy tinh gia cường polymer (GFRP) hay nhựa cốt thủy tinh (FRP), giúp cho bề mặt sản phẩm trở nên

8

cứng cáp và dẻo dai hơn Đi cùng với đó sẽ là khả năng cách âm, cách nhiệt tốt của sợi thủy tinh và khả năng chống ẩm vượt trội rất phù hợp để bọc các loại máy móc hay để làm tấm chắn nhiệt.

Do có tính ứng dụng cao bởi rất nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các loại vải khác, vải thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống như trang trí nội thất, điện – điện tử hoặc làm vật liệu gia cố.

Có lẽ, vải sợi thủy tinh thường được sử dụng rộng rãi nhất với tính chất cách nhiệt của nó Vải sợi thủy tinh được ứng dụng rất nhiều trong việc làm tấm cách nhiệt, chắn nhiệt khi có hỏa hoạn hoặc được ứng dụng vào việc bọc ngoài các bộ đồ của lính cứu hỏa giúp cho người tính an toàn hơn.

b Thép composite cốt sợi thủy tinh:

Trong giai đoạn của thế giới hiện nay, một trong những vấn đề mà con người buộc phải đối mặt là sự xuống cấp của cơ sở hạ tầng, được chủ yếu xây dựng trên nền móng là bê tông cốt thép Thép có thể cứng nhưng vẫn có thể bị bẻ cong với một lực lớn, dễ bị ăn mòn Bê tông chắc chắn nhưng lại dễ khô cứng, nứt vỡ

Thế nên các nước trên thế giới điển hình như Mỹ và Anh đã cân nhắc đến việc sử dụng vật liệu composite nhiều hơn không chỉ dùng để làm vỏ máy bay, tên lửa như trước kia

Giấy dán tường bằng vảisợi thủy tinhSilicon bọc vải sợi thủy

tinh

nữa, mà còn áp dụng vật liệu composite vào đời sống, thay thế từ từ những vật liệu như thép, sắt, gang thành vật liệu composite với những tính chất ưu việt hơn, chắc chắn hơn và tính áp dụng cao hơn.

Với mong muốn cải tiến các công trình xây dựng, tăng khả năng chịu ăn mòn, chịu xâm lấn, các kỹ sư đã thay các cốt thép bằng các cốt thép composite có hình dáng khá giống với thép truyền thống Thép composite sợi thủy tinh có cấu tạo với sợi thủy tinh chiếm tới 75% nên cũng thừa hưởng nhiều ưu điểm của sợi thủy tinh như độ bền cao, chống ăn mòn, dễ dàng sửa chữa, trọng lượng thấp, hệ số dãn nở thấp rất phù hợp với bê tông và có thể tùy chỉnh hình dạng, dễ dàng sửa chữa, thay thế.

Việc ứng dụng thép composite sợi thủy tinh vào cuộc sống vẫn chưa được áp dụng rộng rãi bởi vì vẫn có những ý kiến trái chiều về việc thay thế thép chuyền thống bằng thép composite cũng như sự thịnh hành của bê tông cốt thép là rất phổ biến trong cuộc sống hiện nay Song chúng ta cũng không thể chối bỏ các tính chất tuyệt vời mà thép composite mang lại và những lợi ích to lớn từ việc ứng dụng thép composite vào đời sống

c Bông thủy tinh:

Bông thủy tinh có thể được ra ra bằng cách để thủy tinh nóng chảy lên một chiếc dĩa có thể xoay Khi quay, chiếc dĩa tạo ra lực ly tâm kéo các giọt thủy tinh nóng chảy thành các

Thép composite cốt sợi thủy tinh

sợi mỏng và ngắn Ta hứng được các sợi thủy tinh ngắn ở dưới đĩa xoay Có một số trường hợp tương tự ta có thể gặp trong tự nhiên và khá giống với bông thủy tinh là Tóc Pele ( sợi thủy tinh dung nham) được hình thành do sự phun trào mạnh mẽ của núi lửa làm cho dung nham bị kéo thẳng, phun ra ngoài không khí tạo thành những dòng nhung nham nhỏ Gió sẽ cuốn những dòng dung nham đó đi và làm nguội hình thành Tóc Pele.

Bông thủy tinh có những tính chất giống như sợi thủy tinh như là cách nhiệt, lửa chống cháy lan, khả năng chống ẩm tốt, chống lại sự ăn mòn của các loại hóa chất cũng như môi trường, tính cách điện cao và có độ chịu lực tốt.

Bông thủy tinh thường được sản xuất ở dạng cuộn hoặc dạng tấm với các tính chất nhiệt và cơ học khác nhau Tùy vào mục đích sử dụng, bông thủy tinh có thể đem lại lợi ích to lớn cho đời sống con người Bông thủy tinh hiện nay được sử dụng rộng rãi trong việc cách nhiệt cho ngôi nhà, chống ẩm cho các công trình thi công, máy móc Tại những nơi có yêu cầu cao và đặc biệt về chất lượng âm thanh như các nhà hát, nhà thi đấu, rạp phim thì bông thủy tinh thường được chọn là vật liệu hút âm chính bởi độ hút âm của bông thủy tinh khá cao cũng như giá thành rẻ và dễ sử dụng, dễ lắp đặt

11