cấu tạo vật liệu composite

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: Polyester

cấu tạo vật liệu composite – Polymer Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ chất hỗn hợp nhiều chất trộn lẫn cách đồng tạo thể liên tục Trong thực tế, người ta sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền: •Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn trộn với nhựa, gia công máy ép phun trạng thái nóng chảy •Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polyester khơng no tiến hành điều kiện thường, gia công tay (hand lay- up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có tính cao nhựa nhiệt dẻo •Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường: Polyester Nhựa polyester sử dụng rộng rãi công nghệ composite, Polyester loại thường loại không no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thơng thường người ta gọi polyester không no nhựa polyester hay ngắn gọn polyester Polyester có nhiều loại, từ acid, glycol monomer khác nhau, loại có tính chất khác Chúng khác loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố : + Thành phần nguyên liệu (loại 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 yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng Có hai loại polyester thường sử dụng cơng nghệ composite Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường pha lỗng styrene Lượng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho trình gia cơng Ngồi ra, styrene làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà khơng có tạo thành sản phẩm phụ Polyester có khả ép khn mà khơng cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn tượng tự đóng rắn sau thời gian Thông thường, người ta thêm vào lượng nhỏ chất ức chế trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa tượng Nhà sản xuất cung cấp nhựa dạng tự nhiên hay có dùng số phụ gia Nhựa sản xuất để cần cho xúc tác vào sử dụng Như đề cập trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp q chậm cho mục đích sử dụng, cần dùng chất xúc tác chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp nhựa khoảng thời gian Khi đóng rắn, polyester cứng có khả kháng hố chất Q trình đóng rắn hay tạo kết ngang gọi trình Polymer hóa Đây phản ứng hố học có chiều Cấu trúc khơng gian cho phép nhựa chịu tải mà khơng bị giòn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước sử dụng Nhựa phụ gia khác phải phân tán trước cho xúc tác vào Phải khuấy cẩn thận để loại bỏ bọt khí nhựa ảnh hưởng q trình gia cơng Điều quan trọng bọt khí nhựa ảnh hưởng tính chất lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải ý việc dùng xúc tác xúc tiến với hàm lượng vừa đủ cho vật liệu tính chất tốt Nếu nhiều xúc tác làm q trình gel hố xảy nhanh hơn, ngược lại, xúc tác q trình đóng rắn bị chậm lại Vinylester Vinylester có cấu trúc tương tự polyester, điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thường cuối mạch phân tử vinyl ester có kết đơi C=C hai đầu mạch mà thơi Toàn chiều dài mạch phân tử sẵn chịu tải, nghĩa vinylester dai đàn hồi polyester Vinylester có nhóm ester polyester, nhóm ester dễ bị thủy phân, tức vinylester kháng nước tốt polyester khác, thường ứng dụng làm ống dẫn bồn chứa hoá chất Khi so sánh với polyester số nhóm ester vinyl ester hơn, nghĩa vinyl ester bị ảnh hưởng phản ứng thủy phân Thường dùing vật liệu lớp phủ bên cho sản phẩm ngập nước, vỏ tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn vinyl ester có khuynh hướng dai polyester, để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn Epoxy Epoxy đại diện cho số nhựa có tính tốt Nói chung, epoxy có tính lý, kháng môi trường hẳn nhựa khác, loại nhựa sử dụng nhiều chi tiết máy bay Với tính chất kết dính khả kháng nước tuyệt vời mình, epoxy lý tưởng để sử dụng ngành đóng tàu, lớp lót cho tàu chất lượng cao lớp phủ bên vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân nước gelcoat Nhựa epoxy tạo thành từ mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nhựa epoxy khơng có nhóm ester, khả kháng nước epoxy tốt Ngồi ra, có hai vòng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng, vậy, epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều Chất đóng rắn ưa sử dụng amine, cho vào epoxy, lúc chúng xảy phản ứng hố học Thường nhóm epoxy phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo tỉ lệ định, yếu tố quan trọng việc trộn tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy hoàn toàn Nếu tỉ lệ trộn khơng nhựa chưa phản ứng chất đóng rắn dư hỗn hợp ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thường cơng thức hố thành phần đưa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lượng hay thể tích chúng Cả nhựa epoxy lỏng tác nhân đóng rắn có độ nhớt thấp thuận lợi q trình gia cơng Epoxy đóng rắn dễ dàng nhanh chóng nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một ưu điểm bật epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy tăng cường tính cách điện khả kháng hoá chất Ứng dụng epoxy đa dạng, dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn – Chất độn( cốt) Đóng vai trò chất chịu ứng suất tập trung độn thường có tính chất lý cao nhựa Người ta đánh giá độn dựa đặc điểm sau: •Tính gia cường học •Tính kháng hố chất, mơi trường, nhiệt độ •Phân tán vào nhựa tốt •Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt •Thuận lợi cho q trình gia cơng •Giá thành hạ, nhẹ Tuỳ thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà người ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn: •Độn dạng sợi: sợi có tính lý hố cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide… •Độn dạng hạt: thường sử dụng : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả gia cường tính chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau: – Giảm giá thành – Tăng thể tích cần thiết độn trơ, tăng độ bền lý, hoá, nhiệt, điện, khả chậm cháy độn tăng cường – Dễ đúc khuôn, giảm tạo bọt khí nhựa có độ nhớt cao – Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đóng rắn, che khuất sợi cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt đóng rắn Cốt sợi sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bơng…), 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 : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, sợi… Việc trộn thêm loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền học độ bền hoá học vật liệu PC : khả chịu va đập ; độ giãn nở cao ; khả cách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo độ kéo đứt cao ; khả chịu mơi trường ăn mòn : muối, kiềm, axít… Những khả chứng tỏ tính ưu việt hệ thống vật liệu PC so với loại Polyme thơng thường Và, tính ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC sử dụng rông rãi sản xuất đời sống – Chất pha lỗng Tính chất cuả polyester phụ thuộc vào hàm lượng nối đơi nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer Các monomer khâu mạch ngang dùng để đồng trùng hợp với nối đôi nhựa UPE, tạo kết ngang, thường chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên có tác dụng làm giảm độ nhớt hỗn hợp, chúng gọi chất pha lỗng Monomer pha loãng phải thỏa mãn 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, sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, bền •Monomer phải tạo hỗn hợp đồng với polyester, tốt dung mơi cho polyester Lúc hồ tan hồn toàn vào mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn tạo độ nhớt thuận lợi cho q trình gia cơng •Nhiệt độ sơi cao, khó bay q trình gia cơng bảo quản •Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp co rút •Ít độc Để đóng rắn polyester, người ta dùng monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … styrene sử dụng nhiều có tính chất ưu việt: •Có độ nhớt thấp •Tương hợp tốt với polyester, khả đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp •Đóng rắn nhựa nhanh •Sản phẩm chịu thời tiết tốt, lý tính cao, cách điện tốt •Khả tự bốc cháy thấp – Chất tách khuôn, chất làm kín phụ gia khác •Chất róc khn – Chất róc khn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khn – Chất róc khn dùng đắp tay loại chất róc khn ngoại bôi trực tiếp lên khuôn – Một số chất róc khn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo… •Chất làm kín: – Với khn làm từ vật liệu xốp gỗ, thạch cao cần phải bơi chất làm kín trước dùng chất róc khn – Các chất làm kín xâm nhập vào 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 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 dùng thành phần khác •Chất thấm ướt sợi: – Có tác dụng tăng khả thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều – Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn •Chất tăng độ phân tán •Chất ngăn thoát styrene – Xúc tác – Xúc tiến •Xúc tác Các chất xúc tác cho vào nhựa trước gia cơng Vai trò chúng tạo gốc tự kích động cho q trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho tạo thành gốc tự chất xúc tiến, xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm loại Xúc tác Peroxide + Peroxide : thơng dụng benzoil-peroxide Nó loại bột trắng, tồn ba dạng : khô (khoảng 5% ẩm), paste nước (khoảng 25% nước), thông dụng paste tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide) Nó dùng để đóng rắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng 80Oc) thường dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa Khi cho vào nhựa thường dạng paste dạng Ngồi chất xúc tác thuộc loại peroxide có: + Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3 + Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3 + Hydroperoxide : + t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH + Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH Hai loại MEKP HCH dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester MEKP tên viết tắt cuả metyl ethyl keton peroxide, thực chất hỗn hợp số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất Nó chất oxi hố mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi HCH sản phẩm phản ứng hydroperoxide với cyclohexanol peroxide gọi tên cyclo-hexanol peroxide Tuy nhiên hỗn hợp hai bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg Becke) Xúc tác azo diazo + Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5 + Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN + Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2COO-C2H5 •Chất xúc tiến Chất xúc tiến chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự cuả chất xúc tác Dùng chất xúc tiến giảm nhiệt độ thời gian đóng rắn cách đáng kể đóng rắn nguội Gồm loại: Xúc tiến kim loại Xúc tiến kim loại muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri, … acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hoà tan tốt polymer Loại xúc tác thường dùng chung với chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH) Naphthenic-cobalt loại thông dụng thường dùng Ngoài xúc tiến kim loại dạng muối, người ta dùng dạng phức, ví dụ: Ferrocen, dạng phức dicyclopentadienyl cuả sắt dùng để xúc tiến cho cumen peroxit cần đóng rắn nhanh nhiệt độ khoảng 80oC Amin bậc ba Loại xúc tiến thường dùng với chất xúc tác peroxide, thuộc loại thường gặp + Dimetyl-aniline ( DMA ) : C6H5N(CH3)2 + Dietyl-aniline ( DEA ) : C6H5N(C2H5)2 + Dimetyl-p-toluidin ( DMPT ) : CH3C6H5N(CH3)2 ... người ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn: •Độn dạng sợi: sợi có tính lý hố cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như:... cháy độn tăng cường – Dễ đúc khn, giảm tạo bọt khí nhựa có độ nhớt cao – Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đóng rắn, che khuất sợi cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt đóng... muối, kiềm, axít… Những khả chứng tỏ tính ưu việt hệ thống vật liệu PC so với loại Polyme thông thường Và, tính ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC sử dụng rông rãi sản xuất đời sống – Chất pha lỗng