Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)

Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)Bài giảng vật liệu dẻo và composite (ĐHBKHN)

Bộ môn Cơ học vật liệu

Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Tài liệu mà bạn đang sử dụng được download tại website :

www.share99.net

Tài liệu vật liệu chất dẻo & Composite được giảng dạy tại đại học Bách Khoa

Hà Nội dành cho sinh viên khối ngành cơ khí – Được chia sẻ dưới định dạng PDF để đảm bảo hạn chế tối đa chỉnh sửa và gây sai sót không mong muốn so với ý đồ của tác giả

Tài liệu được cung cấp bởi thành viên của website !

Bạn có thể xem thêm một số tài liệu, giáo trình cho sinh viên cơ khí tại link sau :

Cơ khí chế tạo máy - cơ điện tử

CERAMIC

POLYMER

KIM LOẠI

Liên kết kim loại – kim loại Liên kết kim loại – phi kim

Liên kết phi kim – phi kim

Polymer là hợp chất hữu cơ được hình thành do sự liên kết hoá học bền vững giữa các đơn vị polymer với cấu trúc phân tử hoàn toàn giống nhau Các đơn vị này nối với nhau thành một chuỗi dài (mạch) chứa hàng ngàn đơn vị nên phân tử polymer được gọi là cao phân tử

TÍNH CHẤT CHUNG CỦA POLYMER

• Polymer nhẹ ( = 0,8 – 2,2 g/cm3)

• Polymer là vật liệu mềm dẻo (E nhỏ)

• Polymer có khả năng thấu quang tốt

• Polymer dễ bị thẩm thấu (bởi các chất khí)

• Polymer dẫn nhiệt kém (Độ dẫn nhiệt 4,2.10-2 – 4,2.10-1 W/m.K

 kém kim loại 3 lần)

• Polymer dẫn điện kém (Điện trở suất 1010 – 1018 cm

 kém kim loại 2.1022 lần)

• Polymer bền với hoá chất

• Polymer có khả năng tái sử dụng cao (tái sinh, chất đốt)

• Polymer có nhiệt độ gia công thấp (250 – 400 0C)

• Polymer được gia công bằng nhiều phương pháp (đùn, đúc phun, thổi, ép…)

PHỤ GIA TRONG POLYMER

• Chất độn trơ: Giảm giá thành sản phẩm…bột đá, đá phấn, đất sét, cao lanh

• Chất gia cường: Tăng tính chất cơ-lý…sợi thuỷ tinh, bột kim loại

• Chất hoá dẻo: Làm mềm sản phẩm, tăng khả năng gia công…DOP, dầu công

nghiệp

• Chất ổn định: Chống lại ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ, ánh sáng, môi trường…

• Chất tạo màu: Tạo màu sắc cho sản phẩm…Ôxit kim loại, bột màu hữu cơ

• Chất tạo xốp: Tạo ra vật liệu xốp…Chất tạo xốp vật lý (nhờ nhiệt độ), chất tạo xốp hoá học (nhờ phản ứng)

• Chất chống cháy: Cản trở khả năng cháy của sản phẩm…Hợp chất Clo, Brom

• Chất khâu mạch nhựa nhiệt dẻo

• Chất lưu hoá cao su

• Chất đóng rắn nhựa nhiệt rắn

Nối đôi

Monome radical

–C=C–

–C–O–H

–N–H H

–C–

O

–C–H O

–C–O–H O

Alken Rîu

Nhóm hoạt tính

trong vật liệu hữu cơ

H

CH2 O

CH2 O

CH2 O

Phenol

Formaldehyde Formaldehyde

H

OH CH2 CH2

CH2 H

OH OH

OH

CH2 CH2

CH2 OH

OH + 3

PHÂN LOẠI POLYMER

• Phân loại theo nguồn gốc

- Polymer tự nhiên: cao su thiên nhiên, cellulose

- Polymer tổng hợp: PP, PVC, cao su SBR, nhựa Epoxy

• Phân loại theo giá trị sử dụng

- Polymer phổ thông: PP, PE, PS, PVC

- Polymer kỹ thuật: PA, PC, POM

- Polymer bền nhiệt: PEEK, PES, PTFE, PI

- Polymer đặc chủng: cao su nhiệt dẻo, polymer phân huỷ sinh học

• Phân loại theo thành phần hoá học

- (Homo)polymer: PP, PS, PA, PI

- Copolymer: ABS, SBR, SBS, EPR

- Polymerblend: PP/PA, PPO/PS, PC/ABS, PS/SBS

- Polymercomposite: nền (PP, UP, Epoxy) + cốt (sợi, hạt, lai tạo)

• Phân loại theo cấu trúc mạch

- Mạch thẳng (+ Mạch nhánh): PP, PE, PMMA, PTFE

- Mạng lưới thưa: cao su thiên nhiên (đã lưu hoá)

- Mạng lưới dày: nhựa Epoxy (đã đóng rắn)

- Không gia công được

- Không có khả năng tái sinh

- Khó nóng chảy

- Chỉ trương nở trong dung môi

- Khó gia công

- Khó tái sinh

- Vô định hình: các mạch cao phân tử sắp xếp không có trật tự

- Bán tinh thể: các mạch cao phân tử sắp xếp theo một trật tự nhất định

a)

g)

e)

d) c)

b)

- mạch thẳng

- 4 đến 10 mạch nhánh ngắn trên 1000 nguyên tử C

- mạch nhánh dài

- mạch thẳng

- 10 đến 35 mạch nhánh ngắn trên 1000 nguyên tử C

H

CH

H

H

HC

H

H

n

Cấu trúc đại tinh thể trong polyethylene - TEM

0,1 m 0,1 m

Cấu trúc tinh thể trong polyethylene - TEM

Tính chất chung của PE

 Nhẹ, mềm dẻo, biến dạng tốt

 Cách điện rất tốt

 Rất ít hấp thụ nước, dễ bị thẩm thấu khí

 Khi tỷ trọng PE tăng, độ bền hoá chất tăng

 Nhiệt độ gia công thấp, dễ nhuộm màu

Ứng dụng chính

 Vỏ bọc cáp điện (PE-LD)

 Bạt phủ ngoài trời, màng co, túi mua hàng, chai lọ thực phẩm…

 Ống nước, ống dẫn khí (PE-HD)

Ứng dụng chính

Sản xuất sợi dệt,sợi đơn bện bao dệt Bao che phủ

Két bia - nước ngọt, thùng chứa các loại,kệ,sp gia dụng

Tạo xốp cách điện và cách âm

 Bình đựng xăng - dầu, bình ắc qui…

CH3

C H

H

C H C

100 m

LM

1 m

AFM TEM

Cấu trúc đại tinh thể và tinh thể trong polypropylene

Ứng dụng chính

 Các loại bao bì trong y tế, dân dụng và công nghiệp

Đồ chơi trẻ em, đồ dùng văn phòng

Ứng dụng chính

Màng BOPP

Phụ tùng, nội thất xe hơi

 Cánh quạt gió, vỏ hộp phụ tùng

Tính chất PE-HD PE-LD PP

Tỷ trọng (g/cm 3 ) 0,955 0,92 0,91

Ứng suất tại điểm duỗi (MPa) 20-30 8-10 30-35

Biến dạng tại điểm duỗi (%) 12 20 14

C H

H

H

C H

E: Emulsion – nhũ tương; S: Suspension – huyền phù; M: Mass – khối

Ứng dụng chính của PVC

 Ống dẫn nước (K ~ 68), ống chịu áp lực (71), ống cách điện (58-63), nẹp cửa sổ (65), đĩa hát (60), chai lọ trong suốt (57)… PVC-U

 Thảm trải sàn, vỏ dây điện, ống mềm, đế giày dép, vải giả da, khăn trải

bàn …  PVC-P (K ~ 70)

50 60 70 80

S

D rel 

Phương pháp

gia công

PVC-E Cứng Mềm

PVC-S Cứng Mềm

PVC-M Cứng Mềm

O O + O + O

O O ++ + + O

+ O

++ ++

++ O ++ +

O +

O O ++ O ++ O ++ +

Lựa chọn chủng loại PVC thích hợp cho từng loại hình công nghệ

++ Rất thích hợp + Thích hợp o Không thích hợp

H Batzer, ‘Polymere Werkstoffe, Band III: Technologie 2’, Georg Thieme Verlag Stuttgart New York 1984, pp 94

PVC là Polymer nhạy nhiệt: nhiệt độ gia công nằm gần nhiệt độ phân huỷ

Styrene

PS

SB

a) Đồng trùng hợp ngẫu nhiên c) Đồng trùng hợp khối

b) Đồng trùng hợp xen kẽ d) Đồng trùng hợp ghép cấy

M¹ch nh¸nh M¹ch chÝnh

Isotactic PS, kết tinh từ trạng thái

nóng chảy ở 220 °C sau 24 giờ

Isotactic PS, kết tinh trong dung dịch 0.5% chlorobenzene ở 130 °C sau 24 giờ

* Đo bằng phương pháp bi nhấn ** Xác định từ thí nghiệm kéo

Mô đun đàn hồi (MPa) ** 3500 3000 3800 1500-2500

Điểm hoá mềm Vicat ( 0 C) 95 85 100 90-98

Tính chất chung của PS

 Giòn, trong suốt, độ cứng bề mặt và độ cứng vững cao

 Độ ổn định kích thước cao, tính cách điện rất tốt

 Màng cách điện, bao bì thực phẩm, chi tiết trong tủ lạnh

 PS xốp được sử dụng rộng rãi làm bao bì bảo vệ trong vận tải, bao bì cách nhiệt

Tính chất chung của các đồng trùng hợp từ PS

 Mềm dẻo, có khả năng biến dạng cao hơn PS

 Độ bền va đập và bền cào xước cao hơn PS

 (Khi có mặt cao su), tính chất cơ học ở nhiệt độ thấp tốt hơn PS

Ứng dụng chính

 SB: Vỏ thiết bị điện dân dụng: đài, tivi, máy tính, vỏ băng cassette

Mắc quần áo, chi tiết trong tủ lạnh, đồ chơi, cốc đựng trong automat

 SAN: Bao bì thực phẩm, bao bì mỹ phẩm, hộp đựng băng video, cassette

Bình cách nhiệt, lưới lọc café, nút bấm điều khiển, vỏ đèn pha ô tô

 ABS: Vỏ thiết bị văn phòng, vỏ thiết bị điện tử - tin học, vali

Khung ảnh, mặt bàn, tay cầm của các dụng cụ, chi tiết kỹ thuật trong ô tô - xe máy, mô hình đồ chơi, chậu rửa trong WC…

Phản ứng trùng ngưng của acid amine

CH2 CH2

+ CH2

H2N

6

8 Sebacic acid

Tính chất chung của PA

 Tính chất cơ học tốt, vật liệu hầu như không có hiện tượng mỏi

 Hệ số ma sát thấp, chịu tải trọng động tốt

 Không bền với thời tiết, bền nhiệt độ, bền hoá chất

 Độ hấp thụ nước cao, độ thẩm thấu khí thấp

 Độ kết tinh phụ thuộc nhiều vào tốc độ làm nguội sản phẩm ( 40%)

Ứng dụng chính

 Bao bì thực phẩm cao cấp, bàn chải đánh răng, lưới đánh cá

 Bánh răng, ổ trượt, bu lông, ốc vít nhựa, vỏ thiết bị điện - điện tử

 Lưới lọc dầu, ống dẫn nhiên liệu, bình đựng dầu phanh, phao trong bình xăng ô tô - xe máy, vòi phun nhiên liệu, vỏ hộp chịu nhiệt trong buồng máy

 Cước cần câu, tóc búp bê, sợi vải dệt, puli căng dây cu roa …

Tính chất PA6 PA66 PA610 PA11 PA12 PA6T

Tỷ trọng (g/cm 3 ) 1,13 1,14 1,08 1,04 1,02 1,12

Ứng suất tại điểm duỗi (MPa) 40 65 40 50 45 85

Biến dạng tại điểm duỗi (%) 20 15 50 50 30 7

C H

H

C CH3

2 Độ bền va đập khía (kJ/m 2 ) 20

80 Giới hạn nhiệt độ sử dụng sản phẩm ( 0 C) 160

Tính chất chung của PMMA

 Độ cứng bề mặt, độ bền cào xước và độ bóng bề mặt cao

 Trong suốt, không nát vụn khi bị đập vỡ

 Cách điện tốt, bền với sự thay đổi nhiệt độ

 Rất bền thời tiết, bền với ánh sáng, chậm lão hoá

Ứng dụng chính

 Mắt kính, thấu kính, kính lúp, mặt đồng hồ, kính đèn chiếu

 Đèn đường, đui đèn, bảng phân phối điện, nút bấm điều khiển

 Đèn sau, đèn xi nhan ô tô – xe máy, đèn giao thông

 Kính xây dựng, kính hông ô tô, kính tàu hoả, kính máy bay

 Thiết bị WC: chậu rửa, chậu tắm, cánh cửa…

Tính chất chung của PC

 Khả năng biến dạng khá, độ bền cơ học (kéo, nén, uốn, va đập) cao

 Trong suốt, ít hấp thụ nước, cách điện tốt

 Rất bền thời tiết, bền nhiệt

 Khó cháy, có khả năng tự tắt khi dời xa ngọn lửa

Ứng dụng chính

 Vỏ các thiết bị điện - điện tử, thiết bị y tế, telephone

 Ống nhòm, thuỷ tinh an toàn, lớp ngoài đĩa CD

 Kính chống đạn, lá chắn chống bạo loạn

 Vỏ máy rút tiền tự động, kính bảo vệ các trạm điện thoại công cộng

 Kính xây dựng cao cấp, choá đèn, đèn ô tô – xe máy

n

C H

H C H

t L

Tính chất chung của PET

 Độ cứng vững rất cao, khả năng biến dạng tốt

 Bền thời tiết, không gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người

 Có khả năng ngăn cản tốt sự thẩm thấu của các chất khí

 Tốc độ kết tinh chậm, dễ tạo ra vật liệu bán tinh thể hay vô định hình

 Tính chất cơ học và quang học của PET dễ dàng thay đổi phụ thuộc vào độ định hướng của các mạch cao phân tử

Ứng dụng chính

 Bao bì nước uống có gas, nước khoáng, bao bì thực phẩm

 Sợi dệt vải, đan lưới, cỏ nhân tạo

 Chi tiết kỹ thuật chịu mài mòn, bánh xe, con lăn

 Vỏ hộp cách điện có độ trong suốt cao, chi tiết chịu va đập

POM Tính chất PTFE 1,42 Tỷ trọng (g/cm 3 ) 2,20

80 Độ kết tinh (%) 90

175 Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 327

3000 Mô đun đàn hồi (MPa) 400-700 0,9 Độ hấp thụ nước (%) < 0,05 -40 – 150 Giới hạn nhiệt độ sử dụng sản phẩm ( 0 C) -260 – 300

- Chịu thời tiết kém, nhạy nhiệt

- Chịu thời tiết rất tốt

Ứng dụng chính của POM

 Bánh răng, ổ trượt, chi tiết chịu lực, lò xo, van xả, vỏ hộp

 Băng tải, đinh vít, êcu, chi tiết trong máy bơm, rơle

 Tay gạt cho hộp số ô tô, cần gạt chuyển đèn tín hiệu

 Tay nắm cửa, bản lề, con lăn

Ứng dụng chính của PTFE

 Lớp mạ chống dính cho các chi tiết kỹ thuật và dụng cụ gia đình

 Bọc cáp điện trung và cao thế, màng cách điện

 Ổ trượt, vòng đệm chịu dầu, chịu nhiệt, chịu lực

 Nắp bộ chế hoà khí trong ô tô – xe máy

CH2 HO

HO OH

CH2OH HOCH2

tự trùng ngưng của Resole

H2O _ n

OH

+ 3

OH HOCH2 CH2OH

CH2OH

Resole

C O

H H

Tính chất chung của PF

(sau khi đóng rắn + chất gia cường)

 Độ cứng vững, độ cứng bề mặt và độ bền kéo cao

 Rất bền nhiệt (đến 150 0C), khó cháy, cách điện tốt

 Màu sẫm, mùi khó chịu

Ứng dụng chính

 Ổ cắm điện, hộp bọc bộ chuyển mạch, công tắc điện

 Tấm cách điện trong các thiết bị điện

 Bánh răng, ổ trượt, thanh nẹp chịu nhiệt của các loại bếp, lò điện

 Tay cầm của bàn là, xoong nồi, cán chảo, gạt tàn thuốc lá

H2O +

CH2 N

C O

N CH2

H2O +

N

N N

NH2

NH2 H2N

Melamine

+ CH2 OH

OH

N

N

N C

C C

CH2 CH2

N

Formaldehyde Melamine Formaldehyde

Tính chất chung của UF

(sau khi đóng rắn + chất độn)

 Độ cứng vững, độ cứng bề mặt và độ bền kéo cao

Tính cách điện rất tốt, độ bóng bề mặt cao, có màu sáng, bền màu

 Độ co ngót cao, không bền khi độ ẩm cao

 Không cho tiếp xúc với đồ ăn thức uống

Ứng dụng chính

 Phích cắm, công tắc điện, chuôi đèn, tấm cách điện

 Mặt bàn, lớp trang trí trong các toa xe, tàu hoả

 Sơn phủ, keo dán gỗ, vỏ các thiết bị âm thanh

 Độ cứng bề mặt và độ bền cào xước cao

 Độ bóng bề mặt cao, có màu sáng, bền nhiệt, bền với độ ẩm

 Bảng mạch điện tử, tấm cách điện trong các thiết bị điện - điên tử

 Công tắc, chuôi đèn, hộp bảo vệ bugi (chịu tia lửa điện)

 Chi tiết chịu nhiệt, cán chảo, xoong nồi (nhiều màu sắc)

 Nắp lọ mỹ phẩm, bát đĩa cao cấp, khay, gạt tàn thuốc lá

PF 31: độn bột gỗ, UF 131: độn xenlulo, MF152: độn xenlulo  Nhựa hạt

So sánh tính chất một số loại nhựa formaldehyde thông dụng

Fumaric acid

COOH COOH

ortho-Phthalic acid

HOOC (CH2)4 COOH Adipic acid

HO (CH2)2 OH

Ethylene glycol

HO (CH2)2 CH OH

CH3 1,3 Butylene glycol

Dicarboxylic acid không no

C O

O CH2 CH CH2 CH2 CH CH2

(pre-polymer hoạt tính cao,

có khả năng tự đóng rắn)

0 5 10 15 0

50 100 150 200

G: Thời gian gel hoá H: Thời gian đóng rắn

Tránh tiếp xúc trực tiếp với peroxid và chất xúc tiến

Quá trình tạo mạch lưới không gian

 SMC: Sheet Moulding Compound

• Prepreg dạng tấm (xếp lớp)

• Thành phần chính: UP, Styren, Chất đóng rắn,

Chất độn, Chất trợ gia công, Chất chống dính,

Chất cô đặc, Chất ổn định, Chất tạo màu + Sợi

gia cường (thuỷ tinh, aramide, cacbon)

 BMC: Bulk Moulding Compound

• Sản phẩm trộn, dạng khối, dễ gia công (ép phun được)

• Thành phần chính tương tự như SMC

• Có thể trộn thêm chất chống cháy không chứa halogen

hoặc một số loại sợi khác với SMC

 chưa gia cường, không có chất độn

 Nhựa gia cường dạng hạt

Tính chất chung của UP

 Cách điện rất tốt

 Bền hoá chất, bền thời tiết

 Giá rẻ, có khả năng thẩm thấu tốt lên các sợi gia cường

( thường được sử dụng làm chất nền cho composite)

Ứng dụng chính

 nhựa UP làm lớp phủ gelcoat cho tàu thuyền

SMC: độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao; khối lượng riêng nhỏ

• Hộp cầu dao điện, lớp kính bảo vệ buồng điện thoại

• Thanh chắn chống va đập trước ô tô, cửa sổ trần ô tô

• Khung gầm ghế ngồi chuyên dụng, thùng chịu áp lực máy hút bụi

 BMC: tính chất phụ thuộc nhiều vào phụ gia

• Các chi tiết cách điện, chịu nhiệt trong các thiết bị điện - điện tử

• Cửa sau ô tô du lịch, các chi tiết phản quang trong ô tô

• Vỏ tàu thuyền, ô tô, bể tắm hơi, vợt tennis

CH2Cl CH CH2

O

CH3 CH3

CH2 CH CH2

O

CH3 CH3

n < 1  Nhựa Epoxy lỏng n > 2  Nhựa Epoxy rắn

(n + 1) Epichlorhydrin + (n + 2) Bisphenol A  n Nhựa Epoxy

CH CH2

Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy bằng diamine

Đóng rắn nguội: aliphatic (mạch thẳng) và cycloaliphatic (mạch vòng) amine Đóng rắn nóng: aromatic (mạch thơm) amine và acid anhydride

Nhựa EP đóng rắn nóng có tính chất cơ-lý-hoá tốt hơn hẳn đóng rắn nguội

Tính chất chung của EP

 Độ bền cơ học, tính cách điện rất tốt

 Độ bền nhiệt và độ bền hoá chất tốt, bền thời tiết, độ co ngót thấp (phụ thuộc vào hệ đóng rắn)

 Có khả năng bám dính tốt vào hầu hết các loại vật liệu

 Có khả năng thẩm thấu tốt lên các sợi gia cường

Ứng dụng chính

 Tấm cách điện cao tần, ổ điện, công tắc, vỏ hộp điện

 Chi tiết máy cần độ bền cao: trục, khớp, thanh truyền, chi tiết gia cố

 Cách quạt máy, khuôn đúc, ghế ngồi, vách ngăn

 Ống dẫn hoá chất, bể chứa hoá chất

 Chi tiết trong và trên máy bay: cửa, cánh quạt, khoang hàng, cách

đuôi

Quá trình sản xuất tấm SMC

Máy trộn nguyên liệu BMC

Công nghệ ép

Tranfer molding

CÔNG NGHỆ ÉP PHUN NHỰA NHIỆT RẮN VÀ BMC

Sơ đồ đúc rót nhựa nhiệt rắn thủ công

Công nghệ ép phun nhựa nhiệt

rắn/BMC

Polymer

Nhựa nhiệt dẻo

(Thermoplastic)

Nhựa nhiệt rắn (Thermoset)

Cao su rubber / elastomer

(thưa) Lưu hoá