Đ m b o cho sự liên kết và làm việc hài hòa giữa các thành phần c a composite l i với nhau.Nền ph i giữ đúng vị trí các sợ c a nó, làm thay đổi và truyền ng su t t i trọng tới pha tăng c ng và b o vệ bề mặt c a pha tăng c ng. Ngoài ra ch t liệu nền cũng quyết định một phần lớn kh năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn c a vật liệu, và cũng chính vật liệu nền là cơ s để xác định ph ơng th c công nghệ chế t o s n phẩm.
2.2.3.1. Vật liệu nền polymer nhiệt rắn:
Vật liệu nền nhiệt rắn có tính dính kết cao, dễ n u ch y và đông rắn l i khi nung nóng. Sau khi đung nóng, ch t liệu nền nhiệt rắn th ng tr nên không nóng ch y và không hòa tan, t c là chúng đư hóa rắn không thuận nghịch. Trong quá trình s n xu t các kết c u từ composite, ng i ta r t hay sử dụng phenolic, phenolfomandehit, polyester, nhựa cơ silic, epoxy, hoặc polymit.
Nhựa phenolic:
Nhóm này bao gồm một l ợng lớn các vật liệu nhựa đ ợc dẫn xu t từ quan trình ng ng tụ phenol hoặc đồng đẳng c a nó (nh Cresol, xylenol...) hoặc các lo i phenol thay thế với andehit chẳng h n nh foocmandehit, acetalandehit... B n ch t các s n phẩm thay đổi tùy theo các điều kiện khác nhau trong đó thực hiện ph n
Do vậy, nhóm này bao gồm:
a. Nhựa (Phenol-Foomandehit), chúng th ng dễ nóng ch y vàtan hoàn tán trong r ợu hoặc các dung môi hữu cơ và chúng đ ợc điều chế môi tr ng a xit. Chúng đ ợc sử dụng để điều chế vecni và bột đúc...
b. Nhựa phenolic ph n ng nhiệt, chúng thu đ ợc d ới môi tr ng kiềm. Trong quá trình điều chế thì thu đ ợc một lo t các s n phẩm kế tiếp nhau. Tr ớc tiên là các resol d ng l ng, d ng bột nhưo hoặc d ng rắn, chúng đ ợc sử dụng nh các ch t cơ b n c a vecni, các ch t th m... Tiếp theo, các là resitol chúng d ng bột đúc và cu i cùng sau khi ph n ng kết thúc, ph n ng là các resite, thông th ng đa s chúng d ng thành phẩm chẳng h n nh d ng đĩa, t m, que, ng hoặc các s n phẩm khác.
c. Nhựa phenolic tan trong dầu (tan trong các lo i dầu khô) đ ợc điều chế từ butylphenol, Amyphenol, Parahydroxy diphenyl hoặc các hợp ch t phenol thế khác, chúng đ ợc sử dụng ch yếu trong s n xu t vecni.
d. Các s n phẩm dựa trên các lo i nhựa liên quan tới các lo i nhựa thuộc mục a, b và bị thay đổi nh nêu trên bằng cách đ a vào hợp ch t colofan hoặc các lo i nhựa tự nhiên khác, các lo i nhựa tổng hợp khác (đặc biệt là nhựa alkyld) các lo i dầu thực vật, r ợu, a xit hữu cơ và các hóa ch t khác mà nó có tác động đến kh năng hòa tan c a chúng trong dầu khô, các s n phẩm này đ ợc sử dụng trong điều chế vecni và các lo i sơn, nh các ch t ph bề mặt hoặc các ch t th m.
Nhựa phenolfomandehit ( PF )
Đây là tên gọi chung c a các nhựa tổng hợp từ 2 ch t là Phenol (C6H5OH ) hoặc dẫn su t c a Phenol nh Crezol (CH3C6H4OH ), Xilenol [(CH3)2C6H5OH ] Resorsin [C6H4(OH)2] và Formaldehyd (CH2O). Tùy vào tỉ lệ Phenol và Formaldehyd mà nhựa t o thành khác nhau:
Khi tỉ lệ Phenol/formaldehyd >1, có độ PH < 7 (môi tr ng axit) polyme t o thành là nhựa novolac có tính nhiệt dẻo, công th c chung:
Khi tỉ lệ Phenol/formaldehyde < 1, có độ PH > 7 (môi tr ng kiềm) polyme t o thành là nhựa rezol có tính nhiệt rắn, công th c chung:
H –[- C6H2 (OH) - CH2 -]m [- C6H3(OH)CH2-]n –OH CH2OH
a)Tính chất của nhựa phenol formaldehyd đóng rắn ở nhiệt độ cao:
Lo i keo này đ ợc sử dụng rộng rưi trong công nghiệp s n xu t: ván dán, ván chịu n ớc, ván ép lớp, ván bao bì…Keo đóng rắn nóng th ng là nhựa tan trong n ớc hoặc trong r ợu. Nhiệt độ đóng rắn có thể dao động trong một giới h n lớn. Nh ng cần chú ý rằng mu n gi m th i gian ép cần ph i tăng nhiệt độ ép. Ví dụ: Nếu nhiệt độ 1300C nhựa phenol đóng rắn trong th i gian 13 phút, 1550C th i gian đóng rắn c a nhựa có 3 phút, vì vậy mu n nâng cao năng su t máy ép thì ph i thực hiện nhiệt độ đóng rắn cao hơn. Nếu nhiệt độ cao quá (t0
>1600C) th ng x y ra quá trình phân h y nhựa dẫn đến nhựa giòn và cháy.Đ i với vật liệu dán là gỗ và sử dụng keo phenol đóng rắn nóng thì nhiệt độ thích hợp nh t lầ 140 -1500C.
Trong khi s n xu t ván dán độ ẩm c a ván m ng W = 1 –3%, nếuđộ ẩm ván m ng lớn hơn W = 6 – 8% sẽ dẫn đến hiện t ợng bong keo. Ch t độn để pha keo thông th ng là những ch t ch a albumin nh máu bột, bột gỗ, bột v dừa, bột mì. Ván dán có tính chịu n ớc cao thì sử dụng keo (C-35), (C-2), (CK-2).Gỗ ép lớn sử dụng các lo i nhựa (CBC-1), CKC (C77-1) và dán bao bì đựng thực phẩm sử dụng keo nhựa CbT.
b) Tính chất của nhựa phenol formaldehyd đóng rắn ở nhiệt độ thấp (đóng
rắn ngỐội):
Trong s n xu t ván dán th ng dùng keo đóng rắn nóng.
Ng ợc l i trong s n xu t đồ mộc th ng dùng keo đóng rắn nguội.Sự đóng rắn nguội là gi m độ pH về phía độ axit cao (t c là đóng rắn với axit).Đ i với lo i keo đóng rắn nguội th ng sử dụng axit hữu cơ m nh b i vì nếu sử dụng axit vô cơ m nh th ng dẫn đến hiện t ợng giêlatin hóa keo nhanh, phần lớn axit P.Toluen sulfo hòa tan trong methanol hoặc acetil có khi trộn với axit sulfuric.
Đóng rắn axit là quá trình xúc tác, quá trình s y ph i xúc tiến ngay sau khi axit ng m vào nhựa. Theo k.Hultszch thì axit chỉ có tác dụng nh là một ch t m ng protin t c là ion H+
đ ợc gi i phóng tự do đi vào ph n ng trùng ng ng c a nhựa axit cũng đ ợc c u t o vào nhựa, mọt phần dùng để trung hòa và một phần khác để thành lập các mu i bên trong. Tuy vậy vẫn còn 30 – 40% sẽ l i tự do sau khi keo đư đóng rắn d ới những điều kiện b t lợi t c là khí ẩm xâm nhập và nhiệt độ tăng m i dán dây xu t hiện nồng độ axit cao là tiền đề đ a đến việc th y phân tế bào sợi gỗ. Quá trình khuếch tán tác dụng phân h y tiến sâu vào gỗ.E.Plath cũng đư ch ng minh rằng màng keo dày cũng sẽ xu t hiện ng su t chùng (co) đáng kể trong nội t i màng keo và cũng là nguyên nhân dẫn đến làm gi m độ bền dán dính c a màng keo. Biện pháp nhằm h n chế tác h i c a axit cũng đư đ ợc E.Plath đề cập tới và cho h ớng sử dụng dung dịch b o vệ, dung dịch này nhiệt độ cao sẽ t o nên một thành phần ch t có tính kiềm c a việc phân h y c a nó và dĩ nhiên ng i ta cũng có thể sử dụng thành phần ch t đóng rắn th p. Th i gian đóng rắn c a keo khi cho ch t đóng rắn vào đa phân tử 5 – 25 gi , kh năng s ng c a keo không quá 8 gi , vì vậy ng i ta thêm ch t đóng rắn vào tr ớc khi sử dụng.Các lo i keo đóng rắn nguội không biến tính dùng để dán gỗ, ván, ván nhân t o, ván đựng thực phẩm, ch t dẻo và các vật liệu khác.Lo i keo này có tính chịu n ớc lớn. Nh ợc điểm: th ng th y phân celuloza tính độc m nh.
Nhựa Polyester:
Nhựa polyester đ ợc sử dụng rộng rưi trong công nghệ composite, Polyester lo i này th ng là lo i không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có kh năng đóng rắn d ng l ng hoặc d ng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thông th ng ng i ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester.
Nhựa polyester là nhựa trùng ng ng c a axit nhiều g c và r ợu nhiều nguyên tử.Ph n ng sinh ra s n phẩm phụ là n ớc.Khi trùng ng ng axit hai g c với r ợu 2 nguyên tử sẽ t o ra polimer m ch thẳng có tính ch t c a nhựa nhiệt dẻo.Mu n t o thành nhựa nhiệt rắn, một trong hai thành phần tham gia ph n ng ph i có từ 3 nhóm ch c tr lên.
Nhựa polyester tổng hợp đ ợc là do trùng ng ng c a axit 2 g c (alhydric falic) trùng ng ng với r ợu 2 hoặc 3 nguyên tử (etilen glycol, glyxerin), ng i ta gọi đó là polyester no đ ợc dùng làm sơn ph . Khi trùng ng ng axit no hoặc không no hai g c và r ợu 2 nguyên tử t o ra nhựa polyester không no, nhựa này là một lo i nhựa quý trong các ngành công nghiệp.Nhựa polyester không no dùng để s n xu t sơn trang trí hàng mộc hoặc nhựa để dán gỗ với các vật liệu khác.
Nhựa polyester maleicnat do trùng ng ng dietilen glycol hoặc etilen glycol với anhydric maleic theo ph n ng sau:
CH – CO
HOCH2– CH2OH + O HOCH2– CH2OOC – CH= CH – COOH
CH – CO
HOCH2CH2OOCCH=CHCOOH+HOCH2CH2OH
HOCH2CH2OOCCH=CHCOOCH2CH2OH + H2O v..v.. Cho đến khi hình thành:
HOCH2CH2(OOCCH=CHOOCH2CH2)nOOCCH=CHCOOH
Nhựa này giòn nên khi trùng ng ng ng i ta ph i cho thêm axit no khác nh axit ftalic. Đóng rắn nhựa polyester không no bằng các monome n i đôi nh styrol hoặc metimetacrilat. T c độ đóng rắn tăng nhanh do nh h ng c a nhiệt độ và l ợng ch t đóng rắn.
Nhựa silic hữu c :
Đây là lo i polyme hữu cơ phần tử trong đó m ch chính c a đ i phân tử gồm Si và O, n i với các nguyên tử Si là các g c hữu cơ nh : - CH3, -C2H5, - C6H5….
Liên kết Si – O làm cho vật liệu c ng, chắc, chịu nhiệt t t( có thể lên đến 250oC ), tính chịu nhiệt phụ thuộc vào các nhóm ch c n i các nguyên tử silic. Silic hữu cơ ch a nhóm -CH3 chịu nhiệt đến 200o
C, -C2H5 chịu 140o
C, -C3H7 chịu 120oC, C6H5 chịu 250o
C. Nhóm -CH3 và -C2H5 dễ bị Oxi hóa –C6H5 bền hơn. Còn các liên kết C - C, C - O, C - N, C - S trong nhiều tr ng hợp làm cho vật liệu có độ mềm và độ dẻo cao.
Ch t đông c ng nhựa silic hữu cơ là r ợu. Th ng dùng r ợu butylic hay isobutylic đư đ ợc làm l nh. Khi đóng rắn, nhựa silic hữu cơ có u điểm là: có kh năng làm việc trong d i nhiệt độ r t rộng (-200 đến 350℃); bền với các tác động c a các dung môi hữu cơ và axit vô cơ; tính cách điện cao. Nh ợc điểm c a chúng là đặc tính cơ học th p hơn so với các lo i nhựa khác nhiệt độ d ới 100℃. Việc chế t o các chi tiết bằng nhựa cơ silic th ng ph i xử lý d ới áp lực khá cao và quá trình đóng rắn khá dài.
Nhựa epoxy:
Đây là lo i nhựa có tính phân cực cao. Trong c u t o m ch c a polyepoxi có nhóm epoxy. B n thân nó là một lo i nhựa nhiệt dẻo có màu từ
vàng đến nâu d ng từ l ng nhớt đến rắn giòn.
Nhựa epoxy có r t nhiều u điểm và đ ợc sử dụng r t rộng rưi để chế t o composite có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều lo i c t, tiện lợi khi xử lý công nghệ, t o dáng các kết c u và có thể giữ lâu tr ng thái ch a đóng rắn, tiện lợi cho việc chế t o kết c u composite và các bán thành phẩm. Độ co ngót r t th p và bền với tác động c a nhiều lo i dung môi và những môi tr ng độc h i, độ hút ẩm th p và có thểsử dụng trong môi tr ng nhiệt độ từ 150-250C.
Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó kh năng kháng n ớc c a epoxy r t t t. Ngoài ra, do có hai vòng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ng su t cơ và nhiệt nó t t hơn m ch thẳng. Do vậy, epoxy r t c ng, dai và kháng nhiệt t t. Nh ợc điểm c a epoxy là chịu nhiệt t ơng đ i th p, đặc tr ng cơ học bị gi m đi r t nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ th y tinh hóa polymer.
Nhựa epoxy đóng rắn nhiệt độ th ng và nhiệt độ cao không lo i ra s n phẩm phụ và có tính co rút th p, s n phẩm cu i cùng có tính cơ lý cao, trị s điện môi cao và bám dính r t t t với nhiều lo i vật liệu. Những tính ch t đó cho phép ng i ta sử dụng nhựa Epoxy r t rộng rưi để điều chế keo dán dính kim lo i, gỗ, th y tinh, s ,...và các mục đích khác trong nhiều ngành công nghiệp.
ng dụng c a epoxy r t đa d ng, nó đ ợc dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.
2.2.3.2. Vật liệu nền polyme nhiệt dẽo:
Nền nhựa nhiệt dẻo là các polyme m ch thẳng, khi nung nóng sẽ ch y dẻo ra, nếu sau đó làm nguội l i sẽ c ng l i. Composite có vật liệu nền trên cơ s polymer nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, b i vì m c độ ng su t d n y sinh trong những gi đầu tiên ngay sau khi t o thành s n phẩm r t th p. u điểm nữa là về mặt công nghệ: Gi m đi công đo n đóng rắn, kh năng thicông, t o dáng s n phẩm dễ thực hiện, có thể áp dụng nhiều công nghệ khác nhau nh : dập, đùn, u n, hàn…, có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình s n xu t và tận dụng phế liệu hoặc gia công l i lần th 2…
Composite nền nhiệt dẻo có giá thành th p, trong khi đó những đặc tr ng cơ lý c a chúng cũng không thua kém vật liệu composite nền nhiệt rắn, còn những đặc tr ng khác nh độ bền hóa học và độ kín l i hơn hẳn. Nh ợc điểm chính c a composite nền nhiệt dẻo là không chịu đ ợc nhiệt độ cao (trừ nhữngtr ng hợp nền đ ợc chọn từ những vật liệu chịu nhiệt đặc biệt) và khi xử lý công nghệ gặp khó khăn do độ nhớt c a các dung dịch nóng ch y khá cao.
Nhựa Polyetylen (PE)
Nhựa polyetylen (PE) đ ợc tổng hợp từ etylen có công th c phân tử nh sau:
Phân lo i
PE có 6 lo i chính Tỷ tr ng (g/cm3)
LDPE (Low density polyetylen) 0.910 0.925
LLDPE (Linearlow density polyetylen) 0.915 0.925
HDPE (High density polyetylen) 0.941 0.965
VLDPE ( Very low density polyetylen) 0,880 0,915
MDPE (Mium density polyetylen) 0,9260,940
UHMWPE (Ultra high molecular weigh polyetylen) 0,9350,965
B ng 2.1: Phân lo i PE (ốật liệỐ phi kim)
Ngoài ra còn có PE-X (PE khâu m c) hay HDXLPE (PE khâu m ch tỷ trọng cao)
Hình 2.2: Các d ng m ch PE
Cấu t o c a polymer
Phân tử PE có c u t o m ch thẳng, dài gồm những nhóm metylen, ngoài ra còn có những m ch nhánh.Nếu m ch nhánh càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém.PE kết tinh nhanh vì các mắc xích có chiều dài không lớn và có độ đ i x ng cao.
LDPE ch a 5565% pha kết tinh, MDPE ch a 6373% pha kết tinh, HDPE 7495%. Độ kết tinh c a PE nhiệt độ th ng có nh h ng trực tiếp đến nhiều tính ch t c a nó: Tỷ trọng, độ c ng bề mặt, modul đàn hồi khi u n, giới h n bền và ch y, độ hòa tan và tr ơng trong các dung môi hữu cơ, độ th m khí và hơi.
Tính chất vật lí
PE là nhựa bán kết tinh, tỷ lệ giữa các pha kết tinh và vô định hình phụ thuộc vào ph ơng pháp s n xu t polymer. PE có độ c ng t ơng đ i không cao, không mùi vị, cháy chậm.
Tính chất hóa học
PE là polymer không cực nên có tính cách điện cao.
Độ bền hóa học: nhiệt độ th ng, PE không tan trong dung môi nh ng axit H2SO4 và HNO3 đậm đặc, hỗn hợp nitro hóa, xăng và axit Cromic thì tác dụng m nh. Nhiệt độ trên 700C, PE tan yếu trong toluen, xilen, amin acetate, dầu thông, paraffin… 90 -1000C, H2SO4 và HNO3