Phân loai và ung dung composite - Khoa hoa DH CN thuc pham HCM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC BỘ MƠN CỒNG NGHỆ HỐ HỌC -o0o - ĐỀ TÀI: PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE GVHD : TS Nguyễn Học Thắng SVTH : Trƣơng Thành Công MSSV: 2204150056 Trƣơng Lê Duy MSSV: 2204150058 (NT) Nguyễn Thị Cẩm Hân MSSV: 2204150061 Lâm Thị Quế Minh MSSV: 2204150069 Ngô Ánh Nguyệt MSSV: 2204150073 Lê Thị Phƣợng MSSV: 2204150079 Mai Thị Phƣơng Thảo MSSV: 2204150083 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 201 LỜI NĨI ĐẦU Vật liệu compozit đơn giản có từ xa xƣa Khoảng 5000 năm trƣớc công nguyên ngƣời biết trộn viên đá nhỏ vào đất trƣớc làm gạch để tránh bị cong vênh phơi nắng Và điền hình compozit hợp chất đƣợc dùng để ƣớp xác ngƣời Ai Cập Chính thiên nhiên tạo cấu trúc composite trƣớc tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợixenlulo dài đƣợc kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo- cấu trúc composite lý tƣởng Ngƣời Hy Lạp cổ biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và Việt Nam, ngày xƣa truyền lại cách làm nhà bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khô tạo lớp vật liệu cứng, mát mùa hè ấm vào mùa đông Mặc dù composite vật liệu có từ lâu, nhƣng ngành khoa học vật liệu composite hình thành gắn với xuất công nghệ chế tạo tên lửa Mỹ từ năm 1950 Từ đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite phát triển tồn giới có thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite" Composite đƣợc áp dụng nhiều lĩnh vực nhóm tìm hiều phân loại nhƣ số ứng dụng composite lĩnh vực xây dựng, giao thông vận tải số ứng dụng khác có điều sơ xót mong bạn thầy thông cảm.! Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng CHƢƠNG GIỚI THIỆU VÀ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE Sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp đại dẫn đến nhu cầu to lớn loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà vật liệu nhƣ kim loại, ceramic, polymer đứng riêng lẽ khơng có đƣợc mà bật loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mịn cao Composite (hay gọi vật liệu kết hợp) đời chục năm gần đáp ứng đƣợc yêu cầu đó, đáp ứng, ứng dụng phát triển tới trình độ cao quy luật kết hợp – quy luật phổ biến tự nhiên Ngành khoa học cơng nghệ composite có nhiều sản phẩm dùng lĩnh vực: từ ô tơ máy bay vật liệu chỉnh hình phát triển đến mức nhiều ngƣời cho kỉ 21 văn minh composite 1.1.1 Khái niệm Composite bao gồm Com từ Complexvà -posite từ position nghĩa thành phần Vật liệu Composite vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm mục đích tạo vật liệu có đặt tính sức bền lý hẳn vật liệu ban đầu, mà vật liệu làm việc riêng lẻ Nói cách khác vật liệu composite vật liệu đa thành phần Hình 1.1: Cấu trúc Polymer Vật liệu composite đƣợc cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có đƣợc đặc tính học, độ cứng cần thiết vật liệu đảm bảo cho thành phần composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên kết cấu có khả chịu ăn mịn, chịu nhiệt mơi trƣờng khắc nghiệt CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng 1.1.2 Lịch sử đời Chính thiên nhiên tạo cấu trúc composite trƣớc tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài đƣợc kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo - cấu trúc composite lý tƣởng Vật liệu Composite xuất từ lâu sống, khoảng 5.000 năm trƣớc Công nguyên ngƣời cổ đại biết vận dụng vật liệu composite vào sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo dãn nở trình nung đồ gốm) Ngƣời Ai Cập biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trƣớc Cơng ngun, sản phẩm điển hình vỏ thuyền làm lau, sậy tẩm pitum sau thuyền đan tre chát mùn cƣa nhựa thông hay vách tƣờng đan tre chát bùn với rơm sản phẩm composite đƣợc áp dụng rộng rãi đời sống xã hội Hay ngƣời Hy Lạp cổ biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và Việt Nam, ngày xƣa truyền lại cách làm nhà bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khô tạo lớp vật liệu cứng, mát mùa hè ấm vào mùa đông Sự phát triển vật liệu composite đƣợc khẳng định mang tính đột phá vào năm 1930 mà Stayer Thomat nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis Foster dùng gia cƣờng cho Polyeste không no giải pháp đƣợc áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến giới lần thức hai Năm 1950 bƣớc đột phá quan trọng ngành vật liệu Composite xuất nhựa Epoxy sợi gia cƣờng nhƣ Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến vật liệu composite chất dẻo đƣợc đƣa vào sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp dân dụng,y tế, thể thao, quân ô tô, vv… 1.1.3 Đặc điểm Vật liệu composite vật liệu nhiều pha: pha rắn khác chất, khơng hịa tan lẫn phân cách với ranh giới pha Phổ biến loại composite pha:  Pha liên tục toàn khối gọi  Pha phân bố gián đoạn đƣợc bao quanh gọi cốt Trong vật liệu composite tỷ lệ hình dáng, kích thƣớc, phân bố cốt tuân theo quy luật thiết kế Tuy nhiên, tính chất pha thành phần đƣợc kết hợp lại để tạo nên tính chất chung composite CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng 1.1.4 Ưu, nhược điểm a Ưu điểm: Có nhiều loại chất làm cốt đƣợc sử dụng để chế tạo composite.Mỗi loại composite cụ thể có tính ƣu việt riêng Do đó, cần có lựa chọn tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng Vật liệu composite vật liệu có nhiều tính ƣu việt có khả áp dụng rộng rãi: - Tính chất bật nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt - Chịu hóa chất, khơng sét rỉ, chống ăn mịn Đặc tính đặc biết thích hợp cho biển khí hậu vùng biển - Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên bền - Dễ lắp đặt, có độ bền riêng đặc trƣng đàn hồi cao - Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy - Cách điện, cách nhiệt tốt - Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tƣ thiết bị tổ chức sản xuất không phức tạp, chi phí vận chuyển sản xuất khơng cao… - Không thấm nƣớc, không độc hại Sau bảng so sánh ngắn thể tính ƣu việt vật liệu composite Công ty cổ phần đầu tƣ phát triển vật liệu composite Sao Đỏ, giới thiệu sản phẩm bể chứa composite BỂ THÉP BỂ COMPOSITE - Bể thép thƣờng xuyên bị rỉ sét, mọt - Bể com posite hồn tồn ngƣợc lại bơng tróc lớp sơn bảo vệ - Không cần sơn mà đẹp - Chất lƣợng mối hàn khơng đảm - Có thể lựa chọn màu sắc tuỳ ý bảo, hệ số an tồn thấp - Khi cần tháo ra, lắp lại dễ - Thời gian gia cơng lâu, khó khăn dàng - Trọng lƣợng nặng, hình thức xấu - Thƣờng khơng có rốn bể, dẫn đến cặn bẩn bị quấn vào hệ thống sử dụng BỂ NHỰA BỂ COMPOSITE - Tuổi thọ kém, chịu áp suất, chịu hố - Bể composite hồn tồn ngƣợc lại chất kém, sớm lão hóa dƣới ánh mặt trời, tính kém, kích thƣớc giới hạn CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng b Nhược điểm: - Vật liệu composite khó tái chế khơng sử dụng phế phẩm q trình sản xuất - Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite cao Phƣơng pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi thời gian - Việc phân tích mẫu vật liệu composite cơ, lý hóa tính phức tạp 1.2 THÀNH PHẦN VẬT LIỆU COMPOSITE 1.2.1 Cấu tạo vật liệu composite a Chất (pha nền) Là chất kết dính, tạo mơi trƣờng phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang độn có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ chất hỗn hợp nhiều chất đƣợc trộn lẫn cách đồng tạo thể liên tục Nền có vai trị sau đây:  Liên kết tồn phần tử cốt thành khối composite thống  Tạo khả để tiến hành phƣơng pháp gia công vật liệu composite thành chi tiết thiêt kế  Che phủ, bảo vệ cốt tránh hƣ hỏng tác dụng môi trƣờng  Vật liệu (pha nền) cấu trúc vật composite không chịu trực tiếp tải trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu Nó đóng vai trị trung gian truyền dẫn ứng suất hay tải trọng vào bên cho vật liệu đóng vai trị chất độn (pha cốt) Tuy nhiên, việc chọn lựa chọn lựa vật liệu làm đóng vai trị quan trọng định hình nên tính chất hóa học lý vật liệu composite Sự hòa hợp pha pha cốt nhân tố quan trọng việc thiết kế cấu trúc composite Trong thực tế, ngƣời ta sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:  Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)…độn đƣợc trộn với nhựa, gia công máy ép phun trạng thái nóng chảy  Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dƣới áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polyester khơng no tiến hành điều kiện thƣờng, 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 thơng thƣờng: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng  Polyester: Nhựa polyester đƣợc sử dụng rộng rãi công nghệ composite, Polyester loại thƣờng loại không no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thông thƣờng ngƣời 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)  Phƣơng pháp tổng hợp  Trọng lƣợng phân tử  Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)  Hệ chất độn Bằng cách thay đổi yếu tố trên, ngƣời ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng Có hai loại polyester thƣờng sử dụng cơng nghệ composite.Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, đƣợc sử dụng rộng rãi.Cịn nhựa isophthalic lại có khả kháng nƣớc tuyệt vời nên đƣợc xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thƣờng đƣợc pha lỗng styrene Lƣợng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho trình gia cơng.Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà khơng có tạo thành sản phẩm phụ nào.Polyester cịn có khả ép khn mà khơng cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn tƣợng tự đóng rắn sau thời gian Thông thƣờng, ngƣời ta thêm vào lƣợng nhỏ chất ức chế trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa tƣợng Nhà sản xuất cung cấp nhựa dạng tự nhiên hay có dùng số phụ gia Nhựa đƣợc sản xuất để cần cho xúc tác vào sử dụng đƣợc.Nhƣ đề cập trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn.Tốc độ trùng hợp 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 đƣợc gọi q trình Polymer hóa Đây CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng phản ứng hố học có chiều.Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải đƣợc mà khơng bị giịn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trƣớc sử dụng.Nhựa phụ gia khác phải đƣợc phân tán trƣớc cho xúc tác vào.Phải khuấy cẩn thận để loại bỏ bọt khí nhựa ảnh hƣởng q trình gia cơng Điều quan trọng bọt khí cịn nhựa ảnh hƣởng tính chất lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải ý việc dùng xúc tác xúc tiến với hàm lƣợng vừa đủ cho vật liệu tính chất tốt nhất.Nếu nhiều xúc tác làm trình gel hố xảy nhanh hơn, ngƣợc lại, xúc tác q trình đóng rắn bị chậm lại  Vinylester Vinylester có cấu trúc tƣơng tự nhƣ polyester, nhƣng điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thƣờng cuối mạch phân tử vinylester có kết đơi C=C hai đầu mạch mà thơi Tồn 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 nƣớc tốt polyester khác, thƣờng đƣợc ứng dụng làm ống dẫn bồn chứa hố chất Khi so sánh với polyester số nhóm ester vinylester hơn, nghĩa vinylester bị ảnh hƣởng phản ứng thủy phân.Thƣờng dùng vật liệu nhƣ lớp phủ bên cho sản phẩm ngập nƣớc, nhƣ vỏ tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn vinylester có khuynh hƣớng 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 mơi trƣờng hẳn nhựa khác, loại nhựa đƣợc sử dụng nhiều chi tiết máy bay Với tính chất kết dính khả kháng nƣớc tuyệt vời mình, epoxy lý tƣởng để sử dụng ngành đóng tàu, lớp lót cho tàu chất lƣợng cao lớp phủ bên vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân nƣớc gelcoat Nhựa epoxy đƣợc tạo thành từ mạch phân tử dài, có cấu trúc tƣơng tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nhựa epoxy khơng có nhóm ester, khả kháng nƣớc epoxy tốt Ngồi ra, có hai vịng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng, vậy, epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều Chất đóng rắn ƣa sử dụng amine, đƣợc cho vào epoxy, lúc chúng xảy phản ứng hoá học Thƣờng 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 hồn tồn Nếu tỉ lệ trộn khơng nhựa chƣa phản ứng chất đóng rắn cịn dƣ hỗn hợp ảnh hƣởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thƣờng cơng thức hố thành phần đƣa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lƣợng 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 5-1500C, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một ƣu điểm bật epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy đƣợc tăng cƣờng tính cách điện khả kháng hố chất Ứng dụng epoxy đa dạng, đƣợc dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn b Pha cốt Đóng vai trị chất chịu ứng suất tập trung độn thƣờng có tính chất lý cao nhựa Ngƣời ta đánh giá chất độn dựa đặc điểm sau:  Tính gia cƣờng học  Tính kháng hố chất, mơi trƣờng, nhiệt độ  Phân tán vào nhựa tốt  Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt  Thuận lợi cho q trình gia cơng  Giá thành hạ, nhẹ Trong tồn khối compsite cốt phân bố không liên tục đa dạng, phụ thuộc vào loại composite cần chế tạo Với loại composite kết cấu: cốt kim loại bền nhiệt độ thƣờng nhiệt độ cao, có mơđun đàn hồi lớn, khối lƣợng riêng nhỏ Các loại vật liệu cốt: Kim loại (thép không rỉ, W, B, Mo … ), chất vơ (các bon, thủy tinh, gốm) Hình dạng, kích thƣớc, hàm lƣợng phân bố cốt ảnh hƣởng mạnh đến tính chất composite Tuỳ thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà ngƣời ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page Vật liệu đại cương TS.Nguyễn Học Thắng Có hai dạng độn:  Độn dạng sợi:sợi có tính lý hố cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thƣờng dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp nhƣ: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…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 ngƣời ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, sợi… Hình 1.3: Một số dạng composite cốt sợi Một số sợi thông dụng - Sợi thuỷ tinh:Sợi thủy tinh, đƣợc kéo từ loại thủy tinh kéo sợi đƣợc (thủy tinh dệt), có đƣờng kính nhỏ vài chục micro mét Khi sợi nhƣợc điểm thủy tinh khối, nhƣ: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ƣu điểm thủy tinh dệt chứa thêm khống chất nhƣ: silic, nhôm, magiê, học Thành phần tạo loại sợi thủy tinh khác nhƣ: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lƣợng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R sợi thủy tinh S (độ bền học cao) Loại thủy tinh E loại phổ biến, loại khác thƣờng (chiếm 1%) đƣợc sử dụng ứng dụng riêng biệt - Sợi hữu cơ: Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cao phân tử aramit, đƣợc gia công phƣơng pháp tổng hợp nhiệt độ thấp (-100C), đƣợc kéo thành sợi dung dịch, cuối đƣợc sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợi kenvlar tất sợi làm từ aramit khác nhƣ: Twaron, Technora, có giá thành thấp sợi thủy tinh nhƣ tính lại thấp hơn: loại sợi aramit thƣờng có độ bền nén, uốn thấp dễ biến dạng cắt lớp - Sợi Cacbon: Sợi cacbon sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành lớp liên kết với nhau, nhƣng cách khoảng 3,35 A° Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách nguyên tử lớp CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Page ... vật liệu có từ lâu, nhƣng ngành khoa học vật liệu composite hình thành gắn với xuất công nghệ chế tạo tên lửa Mỹ từ năm 1950 Từ đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite phát triển tồn giới... trúc composite trƣớc tiên, thân gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài đƣợc kết nối với licnin Kết liên kết hài hoà thân vừa bền dẻo - cấu trúc composite lý tƣởng Vật liệu Composite. .. composite BỂ THÉP BỂ COMPOSITE - Bể thép thƣờng xuyên bị rỉ sét, mọt - Bể com posite hồn tồn ngƣợc lại bơng tróc lớp sơn bảo vệ - Không cần sơn mà đẹp - Chất lƣợng mối hàn khơng đảm - Có thể lựa chọn