đề tài Tiểu luận Polyme

3.Các ưu điểm của composite: Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các

Tiểu luận Polyme I.Khái quát về composite:

1.Định nghĩa về composite:

Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật

liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ

2.Lịch sử:

Những vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điền hình về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ,

có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo-một cấu trúc composite lý tưởng

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát

về mùa hè và ấm vào mùa đông

Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite"

3.Các ưu điểm của composite:

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện

khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường

ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và

áp suất nhất định dễ triển khả được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

II.Thành phần cấu tạo của composite:

1.Thành phần cốt

Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,

- Sợi thuỷ tinh

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt),

có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều

ưu điểm cơ học hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao) Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt

- Sợi Bazan

- Sợi hữu cơ

Các loại sợi hữu cơ phổ biến:

• Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để

tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp

và dễ biến dạng cắt giữa các lớp

- Sợi Cacbon

Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A° Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A° Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt

- Sợi Bor

Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương

-Sợi Cacbua Silic

Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa

-Sợi kim loại

-Sợi ngắn và các hạt phân tán

- Cốt vải

Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết,

và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương

2.Vật liệu nền

-Chất liệu nền polyme nhiệt rắn

Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy

-Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo

Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,

- Chất liệu nền cacbon

- Chất liệu nền kim loại

Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110 GPa Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao Các kim loại được

sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng

III.Phân loại vật liệu composite:

1 – Polymer nền

Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:

•Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy

•Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành

ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay- up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

•Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

a.Polyester

Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester

loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp Thông thường người ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester

Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố :

+ Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng)

+ Phương pháp tổng hợp

+ Trọng lượng phân tử

+ Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)

+ Hệ chất độn

Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE

có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng

Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là

do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được Như đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và

có khả năng kháng hoá chất Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi

là quá trình Polymer hóa Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng Nhựa và các phụ gia khác

phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công Điều này rất quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại

b.Vinylester

Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy

nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinyl ester ít hơn, nghĩa là vinyl ester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân Thường dùing vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn của vinyl ester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn

c.Epoxy

Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác,

là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng

để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian

ba chiều Chất đóng rắn ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc

trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn

Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn

2 – Chất độn( cốt)Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn

thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

•Tính gia cường cơ học

•Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

•Phân tán vào nhựa tốt

•Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

•Thuận lợi cho quá trình gia công

•Giá thành hạ, nhẹ

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn:

•Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…

•Độn dạng hạt: thường được sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:

- Giảm giá thành

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu PC như : khả năng chịu được va đập ; độ giãn nở cao ; khả năng cách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao ; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như : muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu PC mới so với các loại Polyme thông thường Và, cũng chính vì những tính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống

3 – Chất pha loãng

Tính chất cuả polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer

Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:

•Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất cuả sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền

•Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công

•Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản

•Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.

Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … trong đó styrene được sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt:

•Có độ nhớt thấp

•Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp

•Đóng rắn nhựa nhanh

•Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt

•Khả năng tự bốc cháy thấp

4 – Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác

•Chất róc khuôn

- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn

- Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoại được bôi trực tiếp lên khuôn

- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…

•Chất làm kín:

- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín trước khi dùng chất róc khuôn

- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào

- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài…

•Chất tẩy bọt khí

- Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt

- Lượng thường sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa.

- Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác

•Chất thấm ướt sợi:

- Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn

- Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn

•Chất tăng độ phân tán

•Chất ngăn thoát hơi styrene

5 – Xúc tác – Xúc tiến

•Xúc tác

Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp

Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức

xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ

Chất xúc tác gồm các loại

a,Xúc tác Peroxide

+ Peroxide : thông dụng nhất là benzoil-peroxide

Nó là loại bột trắng, tồn tại ở ba dạng : khô (khoảng 5% ẩm), paste trong nước (khoảng 25% nước), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide) Nó được dùng

để đóng rắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng trên 80Oc) và thường được dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa Khi cho vào nhựa nó thường ở dạng paste

vì ở dạng

Ngoài ra các chất xúc tác thuộc loại peroxide còn có:

+ Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3+ Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)