Vật liệu compozit được chế tạo từ polyme và sợi gia cường có tính chất hóa- lý nổi bật, tỷ lệ độ bền/khối lượng cao, độ bền mỏi và khả năng kháng chịu hóa chất tốt cũng như độ bền nhiệt cao. Các compozit chứa sợi gia cường đã được ứng dụng làm sàn cầu, dầm cầu, sợi dây văng, lan can, bồn chứa hóa chất, các sản phẩm dân dụng… Trong những năm gần đây, sợi gia cường cũng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, giao thông và điện tử.
Tuy nhiên, để tạo các vật liệu có tính chất phù hợp với các yêu cầu áp dụng, các loại sợi gia cường khác nhau đã được nghiên cứu thử nghiệm theo hướng nâng cao các tính chất như hấp phụ nước, tính chất nhiệt, độ mài mòn ma sát, tính chất cơ học. Sợi gia cường chịu ứng suất tập trung và có tính chất cơ học cao hơn nhựa. Người ta đánh giá sợi gia cường dựa trên các đặc điểm như: bền cơ học; bền hóa chất, môi trường; kết dính với nhựa nền, truyền nhiệt tốt; dễ gia công; giá thành hạ.
Ngoài ra, các yêu cầu cụ thể đối với từng loại sản phẩm là tiêu chí để lựa chọn loại sợi gia cường phù hợp. Các sợi được sử dụng phổ biến nhất là sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramid và sợi tự nhiên.
Sợi thủy tinh lần đầu được sử dụng để gia cường cho polyme vào năm 1930. Đến nay, nó đã trở thành một trong những sợi gia cường được sử dụng rộng rãi nhất với gần 90% các polyme compozit gia cường từ sợi thủy tinh.
Phân loại chính của các sợi thủy tinh và tính chất vật lí của chúng được trình bày trong bảng 1.5. Trong thời gian đầu, sợi thuỷ tinh A (hàm lượng kiềm cao) được sử dụng phổ biến nhưng đến nay đã được thay thế hoàn toàn bằng sợi thuỷ tinh E. Thủy tinh E là thủy tinh borosilicat chứa rất ít kiềm, có các tính chất cơ học, độ cách điện và chịu hoá chất tốt (hình 1.21). Ngoài ra, còn một số loại sợi thủy tinh khác như thủy tinh C có độ bền hóa chất cao, sợi thuỷ tinh R và S có độ bền cơ học cao. Sợi thủy tinh E là loại phổ biến và lâu đời nhất, các loại khác được sử dụng ít hơn và chỉ trong các ứng dụng riêng biệt.
Bảng 1.5: Tính chất vật lí của các loại sợi thủy tinh khác nhau [76]
STT Loại sợi thủy tinh Tính chất vật lí
1 Thủy tinh A Độ bền cao, cường độ và điện trở suất cao
2 Thủy tinh C Chống ăn mòn cao
3 Thủy tinh D Hằng số điện môi thấp
4 Thủy tinh E Điện trở suất và độ bền cao hơn
5 Thủy tinh AR Chịu kiềm tốt
6 Thủy tinh R Chống ăn mòn axit và độ bền cao hơn
7 Thủy tinh S Độ bền kéo đứt cao hơn
Hình 1.21. Sợi thủy tinh E dạng không dệt (a), tấm dệt (b)
Sợi thủy tinh [76]
Sợi thủy tinh đã được sử dụng ở các dạng khác nhau như: vải dệt, vải mát và dạng sợi ngắn, các loại thương mại có độ bền kéo đứt từ 2800 đến 4800 N/mm2, một số loại đặc biệt độ bền kéo đứt lên tới 7000 N/mm2 (bảng 1.6).
34
Bảng 1.6: Các tính chất cơ học của các sợi thủy tinh khác nhau [73]
Tính chất Đơn vị Vải dệt Sợi mat Sợi liên tục
Hàm lượng thủy tinh % 55 30 70
Độ bền kéo đứt N/mm2 300 100 800 Độ bền nén N/mm2 250 150 350 Độ bền uốn N/mm2 400 150 1000 Modun uốn N/mm2 15000 7000 40000 Độ bền va đập kJ/m2 150 75 250 Hệ số giãn nở nhiệt 10-6/oC 12 30 10 tuyến tính Độ dẫn nhiệt W/mK 0,28 0,20 0,29
1.8. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh E và hạt nanosilica