Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa nền epoxydian gia cường bằng mát dứa dại

Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từ nhựa nền epoxydian gia cường bằng mát dứa dại

LỜI CẢM ƠN

Qua một khoảng thời gian làm việc miệt mài em đã hoàn thành luận vănnghiên cứu tốt nghiêp đề tài “Tính chất cơ học của vật liệu polyme compozit từnhựa nền epoxydian gia cường bằng mát dứa dại”

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn cô giáoPGS.TS Phan Thị Minh Ngọc va TS Vũ Bích Thủy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

em trong suốt quá trình thực hiện

Nhân đây, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trung tâmnghiên cứu vật liệu polyme _ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè ngườithân tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành tốt luận văn tốtnghiệp nay

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2009

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit 1

1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Khái niệm,thành phần, phân loại

1.3 Tính chất và phạm vi ứng dụng

2 Vật liệu PC trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng sợi dứa

2.1 Nhựa epoxy

2.1.1.Tổng hợp nhựa epoxy

2.1.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy

2.1.3 tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy

2.2.3.2 Phương pháp hóa học

2.2.4 Ứng dụng của vật liệu PC sợi thực vật

3.Các phương pháp gia công vật liệu compozit:

3.1 Phương pháp lăn ép bằng tay

3.2 Phương pháp RTM

3.3 Phương pháp phun nhựa

3.4 Phương pháp quấn sợi

3.4 Phương pháp ép đúc

3.5 Phương pháp đúc đẩy

PHẦN 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu và hóa chất

2.1.1 Nhựa nền epoxy

2.1.2 Chất đóng rắn Epikure 207

2.1.3 Mát dứa

2.1.4 Một số tính chất khác\

2.2 Phương pháp xác định mức độ đóng rắn nhựa epoxydian

2.3 Phương pháp khảo sát độ bền bám dính sợi

2.4 Phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu PC

2.5 Khảo sát khả năng chịu ẩm của vật liệu

PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nguyên liệu đầu

3.2 Compozit từ mát dứa và nhựa epoxy Epikote 240

3.3 Khảo sát độ hút ẩm và độ suy giảm tính chất của vật liệu PC trong môi trường

ẩm có độ ẩm tương đối 63%, 95% theo thời gian

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA

LỜI MỞ ĐẦU

Nhõn loại đang bước vào kỷ nguyờn bựng nổ của khoa học và cụng nghệ vớihàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp,nụngnghiệp,giao thụng vận tải…Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệucàng lớn đòi hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kĩ thuật cao hơn u việthơn Do vậy, có thể nói sự ra đời của loại vật liệu mới polyme compozit là tất yếu

đã giải quyết đợc nhu cầu đó

Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu đợc tạo thành từ hai loại cấu tửchính là nhựa nền polyme và sợi gia cờng.Các loại sợi gia cờng truyền thống haydùng cho vật liệu polyme compozit là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit Tuynhiên các loại sợi này đợc tổng hợp từ nguồn nguyên liệu không tái tạo, không cókhả năng phân hủy kéo theo vật liệu polyme compozit từ chúng sau quá trình sửdụng bị thải ra đã gây ô nhiễm môi trờng một cách nghiêm trọng, gây phơng hạitrực tiếp đến sức khỏe con ngời 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 dớitác động của vi sinh vật Nh vậy loại vật liệu này sau khi sử dụng hạn chế đợc ônhiễm môi trờng Bên cạnh đó, vấn đề giá thành cũng là yếu tố quan trọng để mởrộng khả năng ứng dụng của vật liệu Để đáp ứng đợc yêu cầu trên, vật liệu polymecompozit gia cờng bằng sợi thực vật đang đợc đặc biệt quan tâm bởi một số u điểmnổi trội của sợi thực vật so với các sợi gia cờng truyền thống nh là: có khả năngphân hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ và có độ bền riêng tốt

Một số sợi tự nhiờn thụng dụng như:sợi đay.tre.dừa,dứa,sisal…Trong đú sợisisal được sử dụng rộng ró hơn cả do cú modun đàn hồi cao.độ bền riờng cao,độdẻo dai tốt và cú thể sử dụng làm chất gia cường cho vật liệu PC

Nhựa nền epoxy được ứng dụng trong cụng nghệ chế tạo vật liệu PC do cúmột số tớnh chất nổi bõt như:khả năng bỏm dinh tốt với sợi gia cường,chịu húa chất

và bền mài mũn Chớnh vỡ vậy em đó thực hiện đề tài luận văn: Tớnh chất cơ họccủa vật liệu polyme compozit trờn cơ sở nhựa nền epoxy gia cường bằng mỏt dứadại

I Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) [1,2]:

1 Lịch sử phát triển

Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và được con người sửdụng rất hiệu quả trong cuộc sống 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đãthêm 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 đantrát 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 sựđược 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 tiếtbằng PC cho máy bay và tàu phục vụ đại chiến thế giới lần thứ hai Năm 1950, chấtlượng vật liệu PC được nâng cao rất nhiều khi có sự ra đời của nhựa eposy và hàngloạt các sợi gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợisilic…

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 đóngtàu, 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 chấtlượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mòn… mở rộng đượclĩnh vực sử dụng PC luôn được đặt ra Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệumới có khả năng phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cấpthiết hiện nay

2.Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC.

2.1 Khái niệm [1]:

Vật liệu PC được tạo thành từ sự kết hợp của hai hay nhiều cấu tửkhác nhau, tạo ra vật liệu có tính chất đặc biệt mà mỗi vật liệu thành phần ban đầukhông có

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, chấtchống lão hóa, chống co ngót…

2.3 Cơ chế gia cường vật liệu PC:[2]

 Cơ chế gia cường:

Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường sẽ là những điểm chịuứng suất tập trung do nhựa truyền sang.

Vật liệu gia cường dạng sợi sẽ chịu ứng suất tốt hơn vật liệu gia cườngdạng hạt, do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toàn bộchiều dài, do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn so với vật liệu gia cườngdạng hạt dưới tác dụng của ngoại lực như nhau

Khả năng truyền tải trọng từ vật liệu nền lên vật liệu gia cường phụthuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệunền và vật liệu gia cường

2.4 Phân loại [1,2]:

Tùy thuộc vào bản chất các vật liệu thành phần,vật liệu PC đươc phânloại như sau:

2.4.1 Theo bản chất vật liệu nền:

- Nền polyme chiêm 90% trong tổng số các loại compozit

- Nền kim loại (hợp kim nhôm,hợp kim tital…) với vật liệu gia cườngdạng 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:

 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 cókích thước nhỏ (< 0,1mm) thường là các vật liệu bền cứng , có tính ổn định nhiệtcao

Compozit cốt hạt thô : nền có thể là kim loại , polyme hoặc gốm.Gốmthường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo , nén , uốn,độ chống mài mòn, độ ổnđịnh kích thước, chịu nhiệt…

 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 chonhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không

có lợi khi dùng sợi ngắn

 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

 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[1.3] :

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 trongvật liệu Nó phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, điều kiện gia công và tác dụng của tảitrọng

Đối với vật liệu PC cần quan tâm tới một số tính chất sau: modun xé ráchđặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu Độ bền kéo, nén cho biết khảnăng chịu tải trọng của vật liệu Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kíchthước dưới tác dụng của kích thước và tải trọng

Vật liệu PC mang một số tính chất chung như sau:

- Khối lượng riêng bé do vậy tính năng cơ lý riêng cao hơn thép và cácvật liệu truyền thống khác (thủy tinh, gốm, sứ, gỗ ) rất nhiều

- Giá thành không cao, chịu môi trường , kháng hóa chất, không tốnkém trong bảo quản và chống ăn mòn, không cần sơn bảo vệ như vật liệu gỗ, kimloại…

- 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 thaocao cấp…

II.VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SƠISISAL.

II.1 Nhựa epoxy [4]:

Nhựa epoxit (được biết đến cái tên nhựa epoxy, đôi khi còn gọi là nhựaetoxylin ) đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tửpolyme Nhóm này thường nằm ở cuối mạch Phần phi epoxy của phân tử có thể làhydrocacbon 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

II.1.1.Tổng hợp nhựa epoxy[4,5,6]:

Nhựa epoxy_dian chủ yếu được tổng hợp từ phản ứng Ngng tô cã xóct¸c (baz¬) gi÷a c¸c hîp chÊt epoxy (®iÓn h×nh lµ epiclohidrin) víi c¸c chÊt choproton (ch¼ng h¹n bisphenol A) Đó là phản ứng nối tiếp song song tạo ra cácoligome có độ trùng hợp n=2,3,4… Công thức tổng quát của nhựa epoxy dian códạng :

C

CH3

CH3

O-CH2-CH-CH2OH O

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 axitmạnh ở 10 - 500C :

(1)

Phenol và axeton là những nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A được sảnxuất dễ dàng.Điêu đó giải thích tại sao nhựa epoxy lại được sử dụng rộng rãi hơncác loại nhựa khác.Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn tại dạng bột màutrăng,không tan trong nước,tan trong axeton và rươu,có nhiêt độ nóng chảy 153 -

b.Phản ứng tạo thành nhựa epoxydian:

Phản ứng ngưng tụ của bisphenol A với epiclohidrin để tạo nhựa epoxythường sử dụng xúc tác kiềm theo hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: là giai đoạn kết hợp, nhóm epoxy của epiclohidrin tác dụng với nhómhydroxyl của bisphenol A, phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60-700C và tỏa nhiệt( H = -17Kcal/mol):

CH2 - CH - CH2 - Cl O

NaOH 2

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

OH O

II 1.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy

Hàm lượng nhóm epoxy (HLE) : là khối lượng của nhóm epoxy có trong100g nhựa

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

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

§LE =

GTE

100 1

Sự liên quan giữa hàm lượng nhóm epoxy (HLE) và đương lượng epoxy

(ĐLE) theo công thức sau:

HLE =

LE

43 100

D

ở đây 43- khối lượng phân tử của nhóm epoxy

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

II.1.3 tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy

a Tính chất [3,7]:

Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn là nhựa nhiệt dẻo, tùy thuộc khối lượng phân tử

mà nhựa epoxy ở dạng lỏng (M<450) đặc(M<800) đến rắn (M>800); có thể tan tốttrong các dung môi hữu cơ xeton, hydrocacbon

Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ : xeton, axetat, hydrocacbonclo hóa, dioxan… Nhựa epoxy không tan trong các dung môi hydrocacbon mạchthẳng (white spirit, xăng …) Có khả năng phối trộn với các nhựa khác như urefocmandehyt, polyeste, nitroxelulo,… Hoặc các epoxy khác

Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, cótrọng lượng phân tử cao hơn, có tính chất cơ lý tốt hơn , khi tác dụng với các chấtđóng rắn phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao.Nhựa epoxy đã đóng rắn cứng và ròn, nhưng độ bền của nhựa phụ thuộc vào chiềudài, bản chất của đoạn mạch polyme nằm giữa hai nhóm epoxy; polyme có mạchdài sẽ bền hơn so với polyme có mạch ngắn hơn cùng laoik, tuy nhiên lại có mật độliên kết ngang thấp hơn, nhạy hơn đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệtkém hơn

Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là epoxy và hydroxyl, có thể thamgia vào nhiều phản ứng khác nhau Nhóm epoxy rất dễ dàng phản ứng với các tácnhân (nucleophin) Với các tác nhân ái điện tử (electronphin) , phản ứng xảy rathuận lợi khi có mặt xúc tác như rượu, phenol, axit Do nhóm hydroxyl hoạt độngkém 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[3,7]:

nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền với dung môi, khả năng chịunhiệt cao hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác, nên thường được ứng dụng làm các

lớp phủ chất lượng cao, sơn, keo dán, tấm nót cho tàu thuyền, làm vật liệu bảngđiện, trang trí…

Nhựa epoxy có ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp chế tạo vật liệucompozit Nhờ các nhóm phân cực, epoxy có khả năng bám dính tốt với sợi tăngcường, do đó làm tăng độ bền của compozit Vật liệu compozit từ nhựa epoxy cóchất lượng cao , thường được ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ

II.1.4 Đóng rắn nhựa epoxy [4,5,6]:

Nhựa epoxy chỉ được sử dụng có hiệu quả khi đã chuyển sang trạngthái nhiệt rắn, nghĩa là hình thành các liên kết ngang giữa các phân tử nhờ phảnứng với các tác nhân đóng rắn, tạo cấu trúc không gian ba chiều, không nóng chảy,không hòa tan

Nhựa epoxy chuyển thành trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấutrúc mạng lưới không gian 3 chiều chỉ dưới tác dụng của chất đóng rắn Các chấtnày phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy Vì chất đóng rắn tham gia vàocấu 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 dụngcác 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 đềudẫn tới hình thành polyme có khối lượng phân tử cao hơn Xuất phát từ cơ chế tácdụng của nhựa epoxy , các chất đóng rắn cũng được phân thành hai nhóm chính:

- Đóng rắn nhờ các hợp chất đa chức hoạt động như các amin bậc 1, bậc

2, anhydrit của axit hữu cơ

- Đóng rắn theo cơ chế ion: trên cơ sở của các bazo và axit Liwis

II.1.4.1.Chất đóng rắn cộng hợp

Dưới tác dụng hóa học của chất đóng rắn dạng này có nhóm epoxy vàhydroxyl, nhựa epoxy chuyển thành polyme có cấu trúc không gian Thuộc vềnhóm này là các chất đóng rắn chứa nguyên tử hydro hoạt động như: polyme polyaxit, polymecaptan, polyphenol

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

Tổng quát mà nói có thể giải thiết cấu tạo của nhựa epoxy sau khi đóng rắnbằng amin như sau:

Trong đó R là:

O - CH2 - CH - CH2C

epoxy,ngoại trừ epoxy este và epoxy vòng béo (xycloaliphatic epoxy), trong vùngnhiệt độ từ 00C đến 1500C

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

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 tỏanhiệt nên chỉ có thể đưa chất đóng rắn vào nhựa epoxy ngay trướckhi sử dụng:

- Lượng amin cho vào phải chính xác làm sao cho một nguyên tử hydrohoạt động của nhóm amin tương ứng với một nhóm epoxy, vì nếu dư haythiếu đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Khi cho dư amin thì cácnhóm epoxy sẽ kết hợp với các amin nay và hạn chế khả năng tạo cấutrúc không gian, và nếu thiếu amin thì cấu trúc tạo lưới cũng kém chặtchẽ

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

- Nhựa sau khi đóng rắn có độ mềm dẻo không cao do sự phân bốcác nhóm hoạt tính quá gần nhau dẫn tới khoảng cách của các mắt xíchrất 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 côngnghệ vật liệu epoxy đóng rắn bằng axit và anhydrit axit có thể sử dụng xúc tác hoặckhông xúc tác.Tùy vào điều kiện có hoặc không có xúc tác, cơ chế phản ứng đóngrắn sẽ khác nhau

+ Phản ứng đóng rắn không có xúc tác:

Khi đóng rắn nhựa epoxy bằng axit polycacbonxylic, có thể xảy ra các phảnứng [ 14.15]:

ion cacboxylat (I)

O

(22)

ion cacboxylat (I) + CH

2 - CH - CH2 O

-C

C

N+R3

O O

O

CH2CHCH2 O (23)

ankoxit este (I) + anhydrit axit ion cacboxylat (II) (24)

_Xúc tác axit:

BF3 và các axit Lewis khác có khả năng xúc tiến phản ứng giữa anhydrit axit

và epoxy Điểm đặc biệt là phức phối trí của BF3 và anhydrit phản ứng với nhóm –

OH của epoxy ưu tiên hơn so với nhóm axit:

Epoxy

+ H+ + R2N( ): BF3

(27)

Để tăng hoạt tính của hệ epoxy-anhydrit, ngoài các xúc tác axit, bazo, còn có thể

sử dụng chất pha loãng hoạt tính

Từ các phản ứng giữa anhydrit axit với nhựa epoxy nhận thấy ,trước khi phảnứng, anhydrit axit cần được mở vòng nhờ:

- Nhóm hydroxyl trong nhựa epoxy

- Xúc tác amin bậc 3 hoặc axit Lewis

Đặc biệt, ở trường hợp đầu ( phản ứng không có xúc tác), ở nhiệt độ < 180Canhydrit axit phản ứng với epoxy như một hợp chất đơn chức, song ở nhiệt độ >180C thì lại là hai chức, do đó tùy thuộc vào chế độ nhiệt mà tính lượng chất đóngrắn cho phù hợp

Công thức tính lượng chất đóng rắn axit, anhydrit axit như sau:

X = E43.M,05.K

Trong đó : X- lượng chất đóng rắn cho 100 gam nhựa epoxy, g

M- khối lượng nhóm epoxy, %

K- hệ số thực nghiệm , 0,85 ÷ 1,2

Một số chất đóng rắn loại anhydrit axit và xúc tác:

Có rất nhiều chất đóng rắn loại anhydrit axit, trong đó một số chất đóng rắn điểnhình là ; [15,25]

CO

CO O

CO

CO O

Anhydrit phtalic

(AP)

Anhydrit tetrahydro phtalic (ATHP)

CO

CO O

Anhydrit hexahydro phtalic (AHHP)

CH2N(CH3)2(H3C)2NCH2

AP có thể đóng rắn không có xúc tác ở 120C - 130C trong 14-16 giờ, được sửdụng để chế tạo vật liệu đúc cách điện

II.1.4.2 đóng rắn nhờ tác dụng xúc tác.

Ngoài phản ứng cộng hợp với các chất đóng rắn có nguyên tử hydro linh động

để tạo ra các polyme liên kết mạng như mô tả ở phẩn trên, nhựa epoxy còn thamgia đóng rắn kiểu trùng hợp xúc tác Do vòng epoxy có sức căng lớn nên nhựaepoxy có sức căng lớn, nhựa epoxy có thể tham gia phản ứng trùng hợp ion,khơimào bởi các chất xúc tác mở vòng epoxy Xúc tác cho phản ứng trùng hợp nhựaepoxy thường dùng là các axit, bazo Lewis, các xúc tác phức và đặc biệt là các chấtnhạy quang có thể khởi đầu trùng hợp khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng

Mặc dù axit và bazo Lewis là xúc tác cho phản ứng trùng hợp cation và aniontương ứng, có cơ chế khởi đầu và phát triển mạch khác nhau, song đều tạo ra cấutrúc polyme trong nhựa epoxy sau khi đóng rắn.

II.2 Sợi Sisal

II.2.1 Sợi tự nhiên [8,9]:

a Tổng quan về sợi tự nhiên[9]:

Sợi tổng hợp như là sợi nylon, sợi aramit, sơi thủy tinh và sợi cacbon được

sử dụng rộng rãi làm chất gia cường cho vật liệu compozit nền polyme Tuy nhiênnhững sợi tổng hợp này lại không có khả năng phân hủy sinh học và có giá cao làmtăng giá thành sản xuất sản phẩm Bởi vậy, người ta ngay càng quan tâm tới khảnăng thay thế hoàn toàn hoặc một phần các loại sợi tổng hợp bởi các loại sợi tựnhiên Sợi tự nhiên có ưu điểm là có khả năng phân hủy sinh học, có giá rẻ, và cókhối lượng riêng thấp Hơn thế nữa, chúng còn thể hiện đặc tính cơ lý tương đối tốt,

là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo và sản phẩm không gây mài mòn thiết bị so vớisợi tổng hợp Những ưu điểm nổi trội này đã thu hút được nhiều sự quan tâm củanhiều nhà nghiên cứu và sản xuất vật liệu compozit nền polyme

Mặc dù có nhiều ưu điểm, song sợi thực vật không thể thay thế hoàn toàn sợitổng hợp trong nhiều ứng dụng có những đòi hỏi cao về tính chất sản phẩm Do bởisợi thực vật còn một số khuyết điểm cần khắc phục đó là: độ hút ẩm lớn, tính chất

cơ lý sợi thực vật không ổn định ,dễ bị phá hủy dưới tác động của thời tiết, sinh vật

và thường có độ bền liên kết bề mặt sợi-nền kém đã gây hạn chế việc ứng dụngrộng rãi sợi thực vật làm chất gia cường cho vật liệu polyme compozit

Để giải quyết những vấn đề về môi trường, tìm giải pháp cho vấn đề khủnghoảng năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ) cần thiết phải tìm cách nâng caotính chất ,mở rộng ứng dung của sợi tự nhiên Ngày nay, đã áp dụng nhiều phươngpháp để nâng cao chất lượng sợi thu được như: lựa chọn phương pháp và côngđoạn sản xuất sợi Xử lý bề mặt sợi, lai tạo giữa sợi tự nhiên và sợi tổng hợp.

Nhiều sợi thực vật như xơ dừa, sợi sisal, sợi đay, sợi chuối, sợi dứa, sợi gaidầu đã có những ứng dụng làm nguyên liệu thô cho sản xuất công nghiệp

Tính chất của sợi thực vật phụ thuộc vào chủng loại sợi, môi trường trồng,tuổi của cây và phương pháp thu hoạch sợi cũng như phương pháp để xác định cáctính chất đó

b Phân loại sợi tự nhiên[8]:

Sợi tự nhiên được chia làm ba loại chính sau

 Sợi thực vật ( `xenlulozo va liginxenlulozo) được lấy từ các nguồn

- Quả: xơ dừa…

- Hạt: bông gạo, bông…

- Sợi vỏ: sợi gai dầu, sợi đay, sợi cây gai…

- Lá: sợi dứa, tơ chuối, cây thùa sợi, sisal…

- Sợi thân: hạt lúa mì, bắp, lúa mạch, yến mạch,…

- Sợi gỗ: bã mía, tre, lứa…

● Sợi động vật: len cừu, lông dê, long bờm ngựa, sơi tơ tằm,…

● Sợi khoáng: amiang, bruxit…

c Thành phần của một số loại sợi tự nhiên [8]:.

(%)

Hemixenlulozo (%)

Ligin (%)

Pectin (%)

Nước (%)

Chất sáp (%)

d Cấu tạo tế bào sợi[8,9]:

sơ đồ phác họa của tế bào sợi

trên hình có thể thấy, thành tế bào chứa vài lớp cấu trúc sợi tạo thành từ cácsợi mảnh Trong thành thư nhất sợi mảnh có cấu trúc mắt lưới Trong thành thứ haiphía ngoài (S1) nằm liền ngay thành thứ nhất thì sợi mảnh lại có cấu trúc xoắn ốcvới góc nghiêng xoắn ốc bằng 400 so với chiều dọc trục sợi Thành thứ hai phíatrong có độ dốc thay đổi từ180-250 lớp thứ thứ ba mỏng sát trong cùng nhất có cấutrúc sợi song song và bao bọc lấy Lumen

Sợi mỏng được cấu tạo từ vi sợi với chiều dày khoảng 20nm Đến lượt mình,các vi sợi lại được cấu tạo từ các chuỗi phân tử xenlulo với chiều dày khoảng0,7nm và chiều dài khoảng vài µm.

e.Tính chất cơ lý của một số loại sợi [7]:

Sợi Khối lượng

riêng(g/cm3)

Đườngkính (µm)

Độ bềnkéo

đứt(MPa)

Mô đunđàn

hồi(MPa)

Độ giãndài

II.2.2 Sợi sisal:

II.2.2.1.Đặc điểm và phân loại [8,9,10,11]:

Sợi sisal được thu nhận từ lá cây Agave sisalana có nguồn gốc từ Mexico và

Indonexia ở Việt Nam Nó được trồng rộng rãi,chủ yếu phân bố ở các tỉnh miềntrung và nam bộ Sợi sisal được xếp vào nhóm “ sợi cứng” có độ bền lớn hơn hailần sợi chuối abaca.

Cây sisal là cây có một thân mà các lá đâm ra từ thân nó Cây có thân caokhoảng 1,2m, đường kính thân khoảng 20cm Lá cây có hình lưỡi giáo mọc ra từthân theo một hình hoa thị râm rạp; lá cây dày và cứng Có màu từ xám tới xanhđen, mỗi lá rộng khoảng 0,8-1,5 m, ở cuối lá rộng 7,6 cm, ở vị trí rộng nhất tren lárộng 10-16 cm, còn ở phần đỉnh lá thì chỉ còn như một gai nhọn

Cây sisal trưởng thành sau khi trồng từ 4 đến 8 năm, từ thân cây mọc ra mộtthân hoa khi đó chiều cao cây có thể đạt từ 4 đến 6 mét Hoa sisal có màu vàng dàikhoảng 6cm, mọc thành cụm dày ở đầu của thân hoa, có mùi hương không dễ chịulắm Khi hoa bắt đầu héo đi các chòi non đâm ra từ cuống hoa, khi đó thân hoa pháttriển thành cây nhỏ và tạo rễ dưới mặt đất Các cây chết đi khi hoa đã nảy chồi

Sisal có mặt ở các vùng mà nhiệt độ khoảng và lượng mưa hàng năm khoảng, chúng thích nghi tốt với các vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, chịu đượckhô hạn kéo dài và nhiệt độ cao Các cây non được nhân giống từ rễ dưới mặt đấtcủa các cây trưởng thành Các rễ này được giữ trong vườn ươm từ 12-18 tháng đầutiên, đến đầu mùa mưa các cây non được đưa đến cánh đồng để trồng với khoảngcách các cây la 1-2 m

 thu hoạch sợi [10,11].

Sợi sisal được thu hoach thủ công bằng tay hay có sự hỗ trợ bằng máy xay Sợiđược thu hoạch từ lá bằng các cách khác nhau như: giầm lá để tách sợi,nạo lớp vỏ biểu

bì để lấy sợi hoặc trước khi nạo có thể dầm nát để quá trình nạo được dễ dàng hơn ởmột vài nơi người ta còn sử dụng máy tách sợi, máy này thực chất là một may xaydùng để nạo hết lớp biểu bì để thu hồi sợi

Cây sisal có thời gian thu hoạch ngắn một cây sisal tốt có thể thu hoạch đượckhoảng 200 lá với mỗi lá chứa khoang 4% khối lượng sợi, 0,75% biểu bì, 8% các chấtkhô khác và 87,25% là nước do vậy, một lá trung bình có trọng lượng khoảng 600gthì sẽ thu được khoảng 3% khối lượng sợi tương ứng mỗi lá chứa khoảng 1000 sợi.đường kinh sợi thu được dao động từ 100 µm -300 µm

 Vai trò, ứng dụng của sợi sisal

Từ xa xưa con người đã biết thu hái và sử dụng sợi sisal cho nhiều mục đíchkhác nhau Những người thổ dân da đỏ Maya đã sử dụng sợi sisal để làm ra nhiều sảnphẩm phục vụ đời sống và sản xuất từ sợi sisal họ sử dụng để bện dây thừng, chão,dây bện đôi, thảm, lưới đánh cá và cả quần áo mặc ngày nay, sợi sisal còn được dùng

để làm bao tay,túi xách, các sản phẩm mỹ nghệ đa dạng

Tuy nhiên, việc sử dụng sợi sisal cho các mục đích sản xuất hàng gia dụngkhông mang lại hiệu quả kinh tế cao Ngày càng cớ nhiều sự quan tâm cho việc sửdụng sợi sisal vào mục đích làm nguyên liệu cho công nghiệp, tiêu biểu là chất giacường cho vật liệu compozit

Sợi dứa sử dụng trong công nghiệp có ba loại: