IV.1. Giới thiệu về sợi thủy tinh[1]
Sợi thủy tinh đã được người Ai Cập cổ đại phát hiện ra từ trước Công nguyên. Nhưng đến cuối thế kỷ 18 sợi thủy tinh mới được ứng dụng như một nguyên liệu dệt. Vào thập kỷ 30 của thế kỷ 20, sợi thủy tinh bắt đầu được sản xuất mang tính công nghiệp và lần đầu tiên được sử dụng như một loại vật liệu cách điện. Tuy nhiên, đến thập nên 50 cùng với sự phát triển của ngành polyme, sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi làm vật liệu compozit. Sợi thủy tinh làm gia cường cho vật liệu polyme compozit sẽ tăng tính chất cơ học cao hơn hẳn.
Theo số liệu năm 1996 , trên thế giới đã tiêu thụ khoảng 400.000 tấn sợi thủy tinh, trong đó châu Âu 23.000 tấn, Nam Phi 5.000 tấn. Tại các nước Đông Á và Đông Nam Á đều có nhà máy sản xuất sợi thủy tinh phục vụ trong nước và xuất khẩu. Sợi thủy tinh là loại sợi được ứng dụng rộng rãi nhất[10].
So với các loại sợi gia cường khác, sợi thủy tinh ưa dùng nhất để chế tạo vật liệu compozit do có những tính chất ưu việt sau:
Không cháy, bền khí hậu và sinh học.
Khả năng tăng cường tính chất cơ học cao.
Phổ biến, đa dạng.
Tỉ số tính năng cơ học/giá thành cao hơn các loại cốt sợi tăng cường khác.
IV.2. Công nghệ chế tạo sợi thủy tinh
Nguyên liệu :
Nguyên liệu thô ban đầu là hỗn hợp silic : SiO2 và các chất phụ trợ, phụ gia để thủy tinh có được những đặc tính mong muốn về cơ, điện, và hóa học. Thông thường hỗn hợp silic bao gồm: 54% SiO2 ; 20% ( CaO + MgO ); 15% Al2O3 ; 8% B2O3 và 3% là các chất còn lại: F , Na2O , TiO2 , Fe2O3 , K2O3[7].
- Chế tạo sợi: Sản phẩm sợi thủy tinh có hai dạng cơ bản : dệt và bông ; với các qui trình sản xuất tương tự , và được chia làm 3 giai đoạn.
38
- Xử lý nguyên liệu đầu: Nguyên liệu được lưu trữ , cân , nghiền và pha trộn với tỉ lệ hợp lý .
- Nóng chảy và tinh chế: Đun nóng chảy thủy tinh ở nhiệt độ khoảng 1500-17000C , và được chuyển qua một chuỗi các phản ứng hóa học .
- Tạo sợi và hoàn thiện (với mỗi loại sợi là khác nhau): Thủy tinh nóng chảy được đưa vào khuôn để tạo ra sợi liên tục, sau đó được xử lý (thêm chất kết dính, sấy, cắt, và đóng gói) để tạo thành sản phẩm .
39 Nguyên liệu đầu
Lưu trữ nguyên liệu
Cân , nghiền, pha trộn
Nóng chảy và tinh chế Tạo thành bi Nhiệt luyện Lưu trữ và vận chuyển bi Nóng chảy bi Tạo hình Tạo hình Thêm chất kết dính Nén ép Lưu hóa lò Làm lạnh Cắt sợi Đóng gói
Đo kích thước,thêm kết dính
Cuốn Sấy lò Lưu hóa lò Cắt sợi Đóng gói Quy trình trực tiếp Quy trình gián tiếp Sợi thủy tinh bông Sợi thủy tinh dệt Xử lý nguyên liệu đầu Nóng chảy và tinh chế thủy tinh Tạo sợi và hoàn thiện
40
IV.3. Thành phần
Thủy tinh là vật liệu vô định hình, tồn tại ở dạng lỏng hoặc rắn. Thủy tinh được chế tạo từ oxit silic, oxit bo, và oxit phôtpho, lưu huỳnh, tellurium và selenium[26]. Sự sắp xếp phân tử hình thành lên mạng lưới không gian của khối tứ diện với nguyên từ silic ở trung tâm và liên kết với 4 nguyên tử oxy ở 4 đỉnh của khối tứ diện. Để hóa lỏng silic thì cần nhiệt độ rất cao. Do đó, các nguyên tố khác được cho thêm vào để làm giảm nhiệt độ và tạo ra độ nhớt cho thủy tinh nóng chảy.
Thành phần của sợi thủy tinh phụ thuộc vào tính chất yêu cầu của sợi. Bảng 3: Thành phần của sợi thủy tinh[19].
Thành phần hóa học Thủy tinh đa hóa trị Thủy tinh bền axit Thủy tinh cường độ cơ học cao Thủy tinh cách điện E A C R C D Tên Công thức Tỷ lệ %
Oxit silic SiO2 53-54 70-72 60-65 60 62-65 73-75 Oxit nhôm Al2O3 14-15,5 0-2,5 2-6 25 20-25
Vôi CaO 5-9 14 6 0,5-
0,6
Oxit magie MgO 4-1 1-3 9 10-15 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Oxit bo B2O3 6,5-9 0-0,5 2-7 0-1,2 22-23
Flo F 0-0,7
Oxit natri Na2O 12-15 8-10 0-1.1 1,3
Oxit zircon ZrO2 -
Oxit kali K2O 1 1,5
Oxit sắt Fe2O3 ≤ 1
E glass: Đặc tính cách điện cao, hàm lượng kiềm thấp, bền cơ học tốt. Giá thành rẻ, được sử dụng nhiều nhất trong các loại sợi thủy tinh.
41
A glass: Nhẹ hơn loại E một chút, độ bền gần tương tự, hút ẩm, được sử dụng cho compozit chịu kiềm.
C glass: Chịu hóa chất axit tốt, dùng cho mục đích chống ăn mòn.
R , S glass: Có tính chất cơ học cao, thời gian chịu mỏi và tuổi thọ rất cao. Được sử dụng cho mục đích đặc biệt như hàng không vũ trụ …
D glass: Có tính điện môi tốt, mức thẩm thấu các song điện tử rất cao. Dùng để chế tạo vật liệu, cấu kiện điện tử.
IV.4. Tính chất của sợi thủy tinh[26]
Dựa vào thành phần, sợi thủy tinh có các tính chất sau:
- Độ bền kéo cao: Sợi thủy tinh có độ bền kéo cao hơn so với các loại sợi khác. Tỉ lệ độ bền kéo so với khối lượng lớn hơn sợi thép trong một số ứng dụng.
- Chịu nhiệt: Do sợi thủy tinh là hợp chất vô cơ nên chịu nhiệt tốt.
- Chịu hóa chất: Sợi thủy tinh chịu hóa chất tốt và chịu được nấm, vi khuẩn hoặc côn trùng.
- Chống ẩm: Do sợi thủy tinh không hấp thụ nước nên không bị trương và không phân hủy. Sợi thủy tinh không bị mục và duy trì được tính chất cơ học trong môi trường ẩm.
- Tính chất nhiệt: Do hệ số giãn nở nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao, sợi thủy tính cho thấy có tính năng tốt trong môi trường nhiệt.
- Tính chất điện: Sợi thủy tinh không dẫn điện nên được sử dụng trong vật liệu cách điện.
42
Bảng 4: Đặc tính của các loại sợi[19]. Loại sợi thủy tinh
Đặc tính E A C R S D Trọng lượng riêng g/cm3 2,56 2,45 2,45 2,58 2,49 2,89 Ứng suất kéo GN/m2 3,6 3,3 - 4,4 4,5 3,4 Moodun đàn hồi GN/m2 75,9 69 - 84,8 86,2 110,4 Điểm nóng chảy 0C 850 700 690 990 - Hệ số giãn nở nhiệt 0C 4,9x10-6 Hệ số dẫn nhiệt W/m0C 1,04
IV.5. Phân loại vải thủy tinh[26]
IV.5.1.Vải thô
Vải thô thủy tinh gồm các bó sợi thủy tinh liên tục xếp song song. Vải thô thông dụng được sản xuất bằng cách cuộn các bó sợi đơn thành loại vải yêu cầu.
IV.5.2. Vải thô dệt
Một số vải thô được dệt lại thành các tấm có kích thước và khối lượng lớn để sử dụng làm chất gia cường trong compozit khi gia công trên một diện tích lớn.
IV.5.3. Vải mat
Là loại vải thủy tinh gồm các bó sợi sắp xếp ngẫu nhiên, bất đẳng hướng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
IV.5.4. Vải thủy tinh dạng tấm
Ảnh hưởng của vải thủy tinh đến tính chât của vật liệu compozit phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của tấm vải. Một số tấm vải thủy tinh:
- Đan bình thường: - Đan theo kiểu giỏ - Đan chéo
43
IV.5.5. Vải thủy tinh 3D[13]
Đây là một loại vải thủy tinh mới, vải thủy tinh 3D gồm 2 lớp vải dệt 2 chiều liên kết với nhau bởi các sợi dệt theo chiều dọc. Hai sợi hình chữ S đan với nhau để tạo nên sợi liên kết có hình số 8 theo theo chiều dọc và hình số 1 theo chiều ngang.
Vải mat Vải thô Vải 3D Hình 4: Một số vải thủy tinh
IV.6. Ứng dụng
Vải thủy tinh được sử dụng chủ yếu làm chất gia cường cho vật liệu compozit; Ứng dụng trong các ngành công nghiệp như: giao thông, xây dụng, điện, hóa chất, thể thao, giải trí….
44