VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY TINH

TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY TINH JUNE 1, 2014 Lời mở đầu Nhân loại bước vào kỷ nguyên bùng nổ khoa học công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn ứng dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải… Xã hội ngày phát triển nhu cầu vật liệu lớn đòi hỏi ngày nhiều vật liệu có tính lý kĩ thuật cao ưu việt Ngành công nghiệp vật liệu compozit có lịch sử từ lâu đời, nhiên thực phát triển mạnh mẽ có nhiều phát triển vượt bậc vào khoảng 50 năm trở lại đây, đặc biệt vật liệu compozit polyme Vật liệu compozit ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đặc tính ưu việt so với loại vật liệu truyền thống giá thành hợp lí, tính tốt… Vật liệu polyme compozit loại vật liệu tạo thành từ hai loại cấu tử nhựa polyme sợi gia cường Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng cho vật liệu polyme compozit sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit Một vật liệu compozit polyme đời sớm sử dụng nhiều compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh, có giá thành rẻ, tính cao, tính chất hóa lí tốt Tuy nhiên vấn đề xử lí phế thải loại vật liệu khó khăn, khả tái tạo, khả phân hủy Do vật phết thải từ chúng sau trình sử dụng bị thải gây ô nhiễm môi trường cách nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người phát triển bền vững xã hội Chính vậy, năm gần ngày có nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu, nhà sản xuất chế tạo vật liệu có khả phân hủy phân hủy tác động vi sinh vật Như loại vật liệu sau sử dụng hạn chế ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, vấn đề giá thành yếu tố quan trọng để mở rộng khả ứng dụng vật liệu Để đáp ứng yêu cầu trên, vật liệu polyme compozit gia cường sợi thực vật đặc biệt quan tâm số ưu điểm trội sợi thực vật so với sợi gia cường truyền thống là: có khả phân hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ có độ bền riêng tốt Trong tiểu luận đề cập cách tổng quan vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh như: Nguyên liệu chế tạo, phương pháp gia công, ứng dụng… Nhóm sinh viên thực MỤC LỤC Trang Chương I Tổng quan vật liệu compozit I Giới thiệu chung vật liệu polyme compozit (PC) Lịch sử phát triển Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1 Khái niệm 2.2 Thành phần vật liệu PC 2.3 Cơ chế gia cường vật liệu PC… 2.4 Phân loại ……………………………………………………………9 Tính chất phạm vi ứng dụng 10 3.1.Tính chất chung vật liệu PC 10 3.2.Phạm vi ứng dụng 10 II Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền vật liệu compozit 11 Sự định hướng sợi 11 Tương tác sợi 12 Lượng sợi có vật liệu 13 Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn 13 Kĩ thuật gia công 13 Chương II Vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh 14 I Nguyên liệu 14 Vật liệu compzit epoxy gia cường sợi thủy tinh 14 Nhựa epoxy 15 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy …………………………………………… 15 2.2 Các thông số quan trọng nhựa epoxy 20 2.3 Tính chất ứng dụng nhựa epoxy 20 2.4 Đóng rắn nhựa epoxy …………………………………………… 21 Sợi thủy tinh 31 Phụ gia chất độn 37 II Các phương pháp gia công 39 Lăn ép tay 39 Lăn ép phun 41 Đúc kéo 41 Quấn ống 42 Bơm nhựa vào khuôn 44 Đúc chân không 44 Hỗ trợ chân không hay gọi phương pháp túi chân không 46 III Ứng dụng 47 IV Giải thích đường ống nước sông đà lại bị vỡ 52 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 Chương I Tổng quan vật liệu compozit I Giới thiệu chung vật liệu polyme compozit (PC) Lịch sử phát triển Vật liệu PC xuất cách hàng nghìn năm người sử dụng hiệu sống 5000 năm trước công nguyên người cổ đại thêm đá nghiền nhỏ vật liệu nguồn gốc hữu vào đất sét để giảm độ co ngót nung gạch, đồ gốm Tại Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên, người ta làm vỏ thuyền lau sậy đan tẩm tubin Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta với mùn cưa thí dụ vật liệu PC Mặc dù hình thành sớm việc chế tạo vật liệu PC thực ý khoảng 60 năm trở lại Năm 1942 sản xuất vật liệu PC sở nhựa polyeste không no Năm 1944, sản xuất hàng nghìn chi tiết PC cho máy bay tàu phục vụ đại chiến giới lần thứ hai Năm 1950, chất lượng vật liệu PC nâng cao nhiều có đời nhựa eposy hàng loạt sợi gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợi silic… Từ năm 1970 đến nay, chi tiết chế tạo từ compozit chất dẻo sợi tăng cường có độ bền cao sử dụng rộng rãi công nghiệp đóng tàu, chế tạo chi tiết chịu lực ô tô, vật liệu xây dựng… Tuy đạt thành tựu vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mòn… mở rộng lĩnh vực sử dụng PC đặt Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệu có khả phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường yêu cầu cấp thiết Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 2.1 Khái niệm Vật liệu PC tạo thành từ kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác nhau, tạo vật liệu có tính chất đặc biệt mà vật liệu thành phần ban đầu Vật liệu PC nói chung cấu tạo từ hai thành phần cốt nền, có số loại chất phụ gia khác : chất độn, chất màu, chất chống lão hóa, chống co ngót… 2.2 Thành phần vật liệu PC polyme Vật liệu PC vật liệu kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác có tính chất mà vật liệu thành phần ban đầu Thành phần vật liệu PC polyme vật liệu tăng cường dạng hạt hay dạng sợi (cốt) Ngoài có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn số phụ gia cần thiết Vật liệu Polyme (chiếm 90%), kim loại, ceramic Vật liệu gia cường 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 epoxy gia cường sợi thủy tinh 2.3 Cơ chế gia cường vật liệu PC Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường có tính cao nhiều so với nền, lượng ngoại lực tác động chuyển sang chất gia cường Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt vật liệu gia cường dạng hạt, ứng suất điểm sợi phân bố toàn chiều dài, điểm chịu ứng suất nhỏ so với vật liệu gia cường dạng hạt tác dụng ngoại lực Khả truyền lượng ngoại lực tác động từ vật liệu lên vật liệu gia cường phụ thuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu vật liệu gia cường Hình 3: Lý thuyết kết dính bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu 2.4 Phân loại Tùy thuộc vào chất vật liệu thành phần, vật liệu PC đươc phân loại sau: 2.4.1 Theo chất vật liệu - Nền polyme chiếm 90% tổng số loại compozit - Nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim tital…) với vật liệu gia cường dạng sợi kim loại, sợi khoáng - Nền gốm thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi hạt kim loại - Nền cacbon/graphit: vật liệu chịu nhiệt tốt cứng 2.4.2 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường a) Compozit cốt hạt: Có cấu tạo gồm phần tử cốt hạt đẳng trục phân bố Các phần tử cốt đa dạng: loại khoáng tự nhiên, oxit, cacbit, nitrit… Compozit cốt hạt đa dạng: cốt hạt thô cốt hạt mịn Compozit cốt hạt mịn thường có kim loại hợp kim, cốt hạt có kích thước nhỏ (< 0, 1mm) thường vật liệu bền cứng, có tính ổn định nhiệt cao Compozit cốt hạt thô thường có kim loại, polyme gốm Gốm thường 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 5cm Compozit cốt sợi ngắn thường gia công phương pháp gia công nhựa thông thường đúc đùn, đúc phun Sợi ngắn thường dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn có khối lượng phân tử lớn đóng rắn lợi 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 lớn Phương pháp gia công thường sử dụng phương pháp ướt d) Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay gọi sợi liên tục thường gia cường cho nhựa nhiệt rắn Compozit cốt hạt thường chế tạo với vô cơ, gốm kim loại Tính chất phạm vi ứng dụng 3.1 Tính chất chung vật liệu PC Tính chất vật liệu PC tổ hợp tính chất cấu tử có mặt vật liệu Nó phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, tính chất thành phần cấu thành vật liệu, điều kiện gia công Đối với vật liệu PC cần quan tâm tới số tính chất sau: modun xé rách đặc trưng cho khả chịu biến dạng vật liệu Độ bền kéo, nén cho biết khả chịu tải trọng vật liệu Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho thay đổi kích thước tác dụng kích thước tải trọng Vật liệu PC mang số tính chất chung sau: - Khối lượng riêng nhỏ so với vật liệu truyền thống - Giá thành hợp lí so với tính năng, có tính chịu môi trường, kháng hóa chất, không tốn bảo quản chống ăn mòn, không cần sơn bảo vệ 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 ưu việt khối lượng riêng thấp, có độ bền cao, chịu môi trường tốt, điều khiển tính chất vật liệu theo hướng khác cách dễ dàng… Được ứng dụng chủ yếu lĩnh vực sau: - Giao thông vận tải: vỏ ca nô, tàu biển… - Vật liệu điện: ấm cách điện, vỏ thiết bị điện… 10 - Vật liệu xây dựng: kết cấu nhà lắp ghép, đá ốp lát, lợp… - Vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân… - Vật liệu gia dụng:bàn, ghế, giá, trần, cách âm… - Vật liệu PC cao cấp:dùng hàng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp… II Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền vật liệu compozit Sự định hướng sợi Hình 4: Ảnh SEM mô cách xếp sợi compozit Sự định hướng sợi có ảnh hưởng lớn tới tính chất vật liệu compozit Thông thường chế tạo vật liệu compozit người ta bố trí lớp gia cường có góc lệch với nhằm đạt tính chất cao hướng Trên hình H.3 hình mô định hướng sợi vật liệu compozit công trình nghiên cứu GS David cộng Đại Học Califoria, Hoa Kì Ông cộng nghiên cứu để tìm cách định hướng sợi cho vật liệu đạt tính chất cao Và trình nghiên cứu, ông cộng tìm hiểu đề tôm tít (hay Việt Nam gọi bề bề) lại có khả chịu lực lớn, lớn 11 khoảng 1000 lần so với trọng lượng tôm Nhóm phát tạo thành từ nhiều lớp cuticle chồng chất lên với lớp endocuticle bên Cấu trúc thực chất xếp xoắn ốc thớ khoáng chất xơ Từng lớp đan xen xếp xoáy tròn hướng vào hình thành nên vòng xoắn ốc Chính cấu trúc hình xoắn ốc giúp hấp thụ phản lực búng Dựa cấu trúc tôm tít, nhà nghiên cứu chế tạo nên cấu trúc xoắn ốc tương tự vật liệu sợi tổng hợp carbon epoxy Mỗi lớpsợi xếp thành nhóm sợi đặt với góc độ khác từ 10 đến 25 độ Lớp nối tiếp lớp khác tạo thành cấu trúc xoắn ốc hoàn chỉnh Sau đó, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm loại vật liệu với loại vật liệu chuyên dụng khác loại vật liệu mang so sánh chế tạo thành lớp xếp song song xen kẽ Cả loại vật liệu thông qua hệ thống kiểm tra xung kích thường dùng ngành công nghiệp máy bay Kết cho thấy loại vật liệu có cấu trúc song song đan xen bị thiệt hại nặng hư hại hoàn toàn Trong đó, nhóm nghiên cứu cho biết loại vật liệu lấy cảm hứng từ tôm tít, dù bị hư hại số sợi carbon, có mức độ hư hại chung 20% so với loại vật liệu so sánh Tương tác sợi  Mức độ tương hợp: Sợi có độ tương hợp cao tính chất vật liệu cao, hạn chế phát triển, hình thành vết nứt dẫn tới tách lớp, gãy sợi, hay phát hủy kết vật liệu bị phá hủy  Độ thấm ướt: Độ thấm ướt lên sợi cao tương tác sợi lớn, hạn chế tồn rỗ khí, khoảng trống vật liệu dẫn tới vật liệu bền 12  Diện tích tiếp xúc: Sợi có tiết diện nhỏ diện tích tiếp xúc sợi lớn, từ tính chất sợi nâng cao Tuy nhiên, tiết diện sợi nhỏ gây khó khăn cho trình thấm ướt sợi Lượng sợi có vật liệu Khi chế tạo người ta cố gắng nâng cao tỉ lệ sợi vật liệu, tỉ lệ sợi cao tính vật liệu tăng Tuy nhiên lượng sợi phải hợp lí nhựa thấm ướt lên sợi, tránh tình trạng nhựa không đủ dẫn tới nhựa, kết dính, tồn khuyết tật 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 nhựa nền, nhiệm vụ tạo mạng không gian ba chiều đơn mà giúp biến tính nhựa Bởi vậy, việc lựa chọn chất đóng rắn quan trọng chế tạo compozit Các chất đóng rắn khác nhau, có yêu cầu nhiệt độ, thời gian đóng rắn khác Ngay với chất đóng rắn việc thay đổi nhiệt độ, thời gian đóng rắn có ảnh hưởng lớn tới tính chất vật liệu Nếu thời gian đóng rắn ngắn dẫn tới co ngót, cong vênh sản phẩm, thiếu hụt… không đủ thời gian gia công, chất bốc không kịp thoát ra…Đối với nhiệt độ vậy, nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian đóng rắn Nói chung, tùy vào yêu cầu kĩ thuật vật liệu mà ta có lựa chọn chất đóng rắn, nhiệt độ, thời gian đóng rắn cho phù hợp Kĩ thuật gia công Hiển nhiên kĩ thuật gia công có ảnh hưởng quan trọng tới tính chất sản phẩm, nhiều trường hợp coi bí công nghệ tạo nên khác biệt lớn tính chất sản phẩm công ty sản xuất Nhưng nói chung gia công thường người ta cố gắng đảm bảo số yếu tố sau đây: - Hạn chế tối diện bọt khí lòng vật liệu - Đảm bảo đồng nhựa 13 - Đảm bảo xếp bố trí sợi theo thiết kế - Đảm bảo môi trường gia công phù hợp Chương II Vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh I Nguyên liệu Vật liệu compzit epoxy gia cường sợi thủy tinh Là loại vật liệu compozit cao cấp, có pha nhựa Epoxy pha gia cường sợi thủy tinh Bảng 1: Tính chất GRE so với hợp kim nhôm-magie Chú thích: GRE Glass fiber reinforce epoxy resin  Một số tính chất GRE - Độ bền kéo, bền va đập, độ cứng cao - Khả chịu dung môi, hóa chất, môi trường tốt - Nhiệt độ chịu tối đa 1800C, áp suất chịu tối đa 10-20 bar - Khả in phun, kết dính tốt 14  Nhược điểm GRE : khó khăn đề xử lí phế thải GRE, có nhiều sợi gia cường có khả phân hủy nghiên cứu Nhựa epoxy Nhựa epoxit (được biết đến tên nhựa epoxy, gọi nhựa etoxylin) đặc trưng có nhiều nhóm 1,2-epoxy phân tử polyme Nhóm thường nằm cuối mạch Phần phi epoxy phân tử hydrocacbon no, hidrocacbon mạch vòng no hydrocacbon thơm Nhựa epoxy-dian chiếm 80-90% tổng sản lượng epoxy Khoảng 25% số sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu compozit có độ bền cao 2.1 Tổng hợp nhựa epoxy Nhựa epoxy-dian chủ yếu tổng hợp từ epyclohydrin với hợp chất cho proton nhóm epoxy đầu mạch với hợp chất cho proton (chẳng hạn bisphenol A) Đó phản ứng nối tiếp song song tạo oligome có độ trùng hợp n=2, 3, 4… Công thức tổng quát nhựa epoxy-dian có dạng: CH2-CH-CH2 O O C CH3 (10) CH3 CH3 O O-CH2-CH-CH2 OH C CH3 O-CH2-CH-CH2 O n Tùy thuộc tỷ lệ đương lượng Epyclohidrin bis-phenol A, thời gian, nhiệt độ nồng độ NaOH sử dụng, nhựa epoxy nhận có khối lượng phân tử khác Ngoài tổng hợp theo hai phương pháp khác: - Epoxy hóa hợp chất không no tác nhân cung cấp oxy 15 - Trùng hợp đồng trùng hợp hợp chất epoxy không no a) Nguyên liệu đầu: Bisphenol A tạo từ phản ứng axeton phenol môi trường axit mạnh 10 - 500C : + HO CH3 C=O + xt OH CH3 C HO (1) OH + H2 O CH3 CH3 Phenol axeton nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A sản xuất dễ dàng Điều giải thích nhựa epoxy lại sử dụng rộng rãi loại nhựa khác Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn bột màu trăng, không tan nước, tan axeton rươu, có nhiêt độ nóng chảy 153 - 1550C Epiclohidrin, hợp chất có giá thành cao độc, tổng hợp từ phản ứng sau: + CH2 = CH CH2 = CH Cl2 H Cl (2) CH2 - Cl CH3 + CH = CH + H2 O / Cl2 Cl - CH2 - CH - CH2 - Cl H Cl (3) OH CH2 - Cl Cl - CH2 - CH - CH2 - Cl + + NaOH CH2 - CH - CH2 - Cl + NaCl + H2 O (4) O OH Ngoài propylen, epiclohidrin (ECH) tạo từ glyxerin qua hai giai đoạn: clo hóa đóng vòng epoxy: 16 + CH2 - CH - CH2 H Cl (khÝ) xt Cl OH OH OH CH2 - CH - CH2 Cl + NaOH + CH2 - CH - CH2 (5) H2 O OH Cl Cl - CH2 - CH - CH2 + NaCl + H2 O (6) O OH Cl ECH chất lỏng không màu, mùi hắc, tỷ trọng 1,18 (g/ml), nhiệt độ sôi 117 1180C b) Phản ứng tạo thành nhựa epoxydian Phản ứng ngưng tụ bisphenol A với epiclohidrin để tạo nhựa epoxy thường sử dụng xúc tác kiềm theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: giai đoạn kết hợp, nhóm epoxy epiclohidrin tác dụng với nhóm hydroxyl bisphenol A, phản ứng xảy nhanh nhiệt độ 60-700C tỏa nhiệt (H = -17Kcal/mol): CH3 Cl - CH2 - CH - CH2 + HO O OH C + CH2 - CH - CH2 - Cl O CH3 CH3 Cl - CH2 - CH - CH2 - O OH C CH3 (7) O - CH2 - CH - CH2 - Cl OH Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy chậm thu nhiệt (H=29Kcal/mol): 17 CH3 O - CH2 - CH - CH2 - Cl C Cl - CH2 - CH - CH2 - O OH + 2NaOH OH CH3 CH3 O - CH2 - CH - CH2 C CH2 - CH - CH2 - O O + NaCl + (8) H2 O O CH3 Diglyxydylete Diglyxydylete(DGE) nhận với tỷ lệ mol epiclohidrin bisphenol A (DPP) 2/1 Tuy nhiên, thực nghiệm tỷ lệ 2/1 hiêu suất tạo DGE