Vật liệu polyme composite gồm có hai thành phần chính là nhựa nền và vật liệu gia cường. Nhựa nền gồm có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, vật liệu gia cường gồm sợi polyme, sợi cacbon, sợi thủy tinh, ceramic, kim loại.
EP UPE UPE PF UF … Modul cao Modul thấp TT E TT S TT C … Polyme composite Nhựa nền VL gia cường Nhiệt dẻo Nhiệt rắn Sợi Polyme Sợi cacbon Sợi T.tinh Ceramic Kim Loại PP PE PET PVAx … Al Ti … PP Aramic Sợi tự nhiên
3.8.2.1. Chất gia cường
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung. Chất gia cường thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá Chất gia cường dựa trên các đặc điểm sau:
- Tính gia cường cơ học.
- Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ. - Phân tán vào nhựa tốt.
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho quá trình gia công. - Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu gia cường cho thích hợp. Có hai dạng chất gia cường:
- Chất gia cường dạng sợi - Chất gia cường dạng hạt a. Chất gia cường dạng sợi
Sợi phải dài và mảnh, tỷ lệ chiều dài trên đường kính phải lớn hơn 100 thì sợi đó mới có khả năng sử dụng làm sợi gia cường. Sợi thường được sử dụng ở dạng liên tục hoặc gián đoạn và có thể điều chỉnh được sự phân bố, phương nhằm tăng cường cơ tính cho vật liệu.
Các loại sợi gia cường sử dụng phổ biến như: sợi tổng hợp (sợi thủy tinh, sợi cácbon), sợi aramit (sợi kevlar), sợi thực vật (sợi đay, tre, dứa…).
* Sợi thực vật
Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi thực vật được chia thành các nhóm: - Sợi lấy từ vỏ, thân cây: sợi đay, sợi lanh, sợi tre, sợi nứa, sợi gỗ. - Sợi lấy từ lá: sợi dứa, sợi sisal, sợi dứa dại.
Không như các sợi truyền thống có một phạm vi tính chất xác định như sợi thủy tinh, sợi aramit, sợi cacbon, các sợi thực vật có tính chất thay đổi không xác định rõ. Trong sợi thực vật, ngoài thành phần chính xenlulo, sợi còn chứa các hợp chất thiên nhiên khác như lignin, sáp. Các sợi hình thành từ các vi sợi đơn. Các vi sợi đơn gắn kết nhau nhờ lignin. Tính chất vật lý của sợi như hàm lượng xenlulo, độ trùng hợp, sự định hướng mạch polyme, và khả năng kết tinh bị ảnh hưởng cơ bản bởi cấu trúc hóa học. Các tính chất này thay đổi theo các điều kiện trong suốt quá trình sinh trưởng của thực vật. Ngoài ra, tính chất hóa lý của sợi tự nhiên cũng bị tác động thay đổi bởi phương pháp lấy sợi ra từ cây, trái, bông, chất lượng cây trồng.
Xenlulo là thành phần polyme chính của sợi thực vật. Đơn vị lặp lại của xenlulo là anhydro-D-gluco-pyranozo chứa 3 nhóm hydroxyl (–OH). Các nhóm hydroxyl này hình thành các liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân tử. Do đó, tất cả các sợi thực vật đều mang bản chất ưa nước cao.
Do cấu trúc hóa học của xenlulo có nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo tương tác với nước thông qua việc tạo liên kết hydro. Trong khi sợi thủy tinh chỉ có hiện tượng hấp thụ nước trên bề mặt thì sợi xenlulo tương tác với nước không chỉ trên bề mặt mà còn cả bên trong bó sợi. Lượng phân tử nước bị hấp thụ phụ thuộc và cân bằng theo độ ẩm tương đối của không khí.
- Hàm lượng xenlulo trong sợi thực vật. Ví dụ sợi sisal chưa rửa kiềm có mức độ hấp thụ nước ít gấp hai lần so với sợi sisal sau rửa kiềm.
- Mức độ kết tinh: tất cả các nhóm hydroxyl trong pha vô định hình là đều tương tác với nước trong khi chỉ vài số ít các nhóm hydroxyl (–OH) trong vùng kết tinh có tương tác với nước. Các sợi thực vật có các vùng vô định hình và vùng kết tinh, đồng thời có mức độ tổ chức cao. Tỷ lệ vùng kết tinh với vùng vô định hình tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ của sợi thực vật. Sợi bông, đay và cây gai có mức độ kết tinh cao nhất (65-70%) nhưng sự kết tinh của xenlulo chỉ ở mức 35-40%. Sự loại trừ dần dần các phần ít trật tự bởi sự hoà tan trong dung môi hay tấn công của vi khuẩn sẽ làm các xenlulo trong vi sợi gia tăng sự trật tự sắp xếp dẫn đến kết tinh cao gần 100%. Sợi thực vật khi ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như: nước, dimetylforamit, dimetylsulfoxyt, tetrahydrofuran, pyridin thì sẽ bị trương nở. Các nhóm hydroxyl trong mạch xenlulo của sợi đang trương nở vẫn còn có thể sử dụng tiếp cho phản ứng hóa học khác nhưng các phân tử dung môi phân cực thì bị giữ lại bên trong cấu trúc xenlulo. Ngược lại, các môi trường không phân cực như benzen, toluen, xăng thì buộc các nhóm hydroxyl quay vào bên trong cấu trúc của mạch xenlulo. Các phân tử dung môi không phân cực này có khả năng thay thế dần dần phân tử dung môi phân cực đang bị giữ lại bên trong bó sợi xenlulo chuyển môi trường từ phân cực sang phân cực thấp hơn. Nhờ vậy, nó tạo và duy trì được một môi trường không phân cực bên trong sợi đang trương nở.
Sợi thực vật có nhiều khuyết tật như những khúc gấp trên bề mặt sợi và ở những điểm nối kết. Khuyết tật có từ sự xoắn bện các bó mạch xenlulo. Một thông số quan trọng của kết cấu hình học là tỷ số kích thước (chiều dài/ đường kính) là một yếu tố có ảnh hưởng đến vật liệu composite. Yếu tố này bị
thay đổi mạnh do sự chà xát trong suốt quá trình gia công chế biến sợi (đùn, phun).
Ưu điểm của sợi thực vật: có thể tạo ra vật liệu composite tính bền dai cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng thấp và khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa sợi thực vật dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ và triển khai với vốn đầu tư thấp, dễ gia công, không gây kích thích da, không ăn mòn thiết bị. Tuy nhiên ở nước ta việc sử dụng nguồn tài nguyên có thể tái sinh này trong vật liệu PC còn hạn chế. Do sự không tương hợp giữa sợi thực vật và các nhựa: sợi thực vật thì ưa nước trong khi đó hầu hết các nhựa sử dụng làm nền thì kỵ nước.
Nhược điểm chính của sợi thực vật: là bản chất phân cực cao làm chúng không tương thích với các polyme không phân cực. Ngoài ra, sự dễ hút ẩm làm cho họ sợi này khó dùng cho các vật liệu composite sử dụng ngoài trời. Hiện tại, có một số loại polyme làm nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên:
- Nhựa nhiệt rắn: PEKN, EP, phenolformaldehyt, melaminformaldehyt. -Nhựa nhiệt dẻo: polyvinylclorua, polyetylen, polystyren, polypropylen.
Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học của chúng. Ái lực này liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi.
Sự truyền ứng suất ở bề mặt giữa hai pha sợi-nền nhựa được xác định bởi mức độ kết dính. Sự kết dính mạnh nhựa-sợi ở bề mặt là cần thiết để truyền hiệu quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua bề mặt. Do đó, để có một cơ tính tốt của vật liệu composite này, sự cải thiện và kiểm soát tính kết dính ở bề mặt phân chia pha trở thành mối quan tâm đầu tiên của các nghiên cứu ứng dụng sợi thực vật. Theo hướng này, bề mặt sợi sẽ được bọc phủ một màng chất liệu có tính tương thích với nhựa nền. Màng chất liệu
chứa các tác chất gắn kết đóng vai trò như một cầu nối hóa học trung gian giữa nhựa nền và sợi.
Việc biến tính cho sợi có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học.
Hình 3.22: Một số loại sợi thực vật b. Chất gia cường dạng hạt
Được sử dụng trong vật liệu polyme composite với mục đích tạo cho vật liệu có tính đẳng hướng và chịu ứng suất tập trung. Hình dáng, kích thước, bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt trong vật liệu polyme composite có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành.
Chất gia cường dạng hạt được sử dụng trong những ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao thường được sử dụng để làm giảm giá thành sản phẩm. Trong một số trường hợp dạng hạt được dùng để cải thiện một số tính chất của vật liệu PC như: tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót.
Một vài chất gia cường dạng hạt như: bột cao lanh, bột kim loại, vảy mica, bột gỗ…
3.8.2.2. Nền polyme
Nền polyme là một trong những cấu tử chính của vật liệu polyme composite, nó đóng vai trò là pha liên tục có nhiệm vụ là chất kết dính, liên kết các chất gia cường với nhau và truyền ứng suất tập trung lên chất gia cường là thành phần chính chịu tác động của ngoại lực. Ngoài ra nền polyme
còn bảo vệ cho sợi gia cường khi bị mài mòn, ngăn chặn tác động của ẩm, hóa chất và oxy hóa.
Yêu cầu của nhựa nền:
- Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt chất gia cường để tạo ra diện tích tiếp xúc tối đa.
- Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính. - Có khả năng tương hợp với chất gia cường.
- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ.
- Có chứa các nhóm hoạt động hoặc nhóm phân cực. - Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường. - Bền với môi trường vật liệu làm việc.
- Giá thành phải phù hợp.
Trong đề tài đã sử dụng nhựa nền là nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa mà dưới tác dụng của nhiệt độ thì chuyển sang trạng thái mềm cao hay chảy mềm và khi hạ nhiệt độ xuống nhỏ hơn nhiệt độ hóa thủy tinh thì chuyển sang trạng thái rắn ban đầu và quá trình này có khả năng lặp lại.
Composite nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh sau khi tạo sản phẩm rất thấp. Ưu điểm của vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo là thời gian gia công tạo sản phẩm ngắn, tạo hình dạng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất, tận dụng được phế liệu nhờ khả năng tái sinh của vật liệu này. Nhược điểm, chi phí đầu tư thiết bị cao, gia công ở nhiệt độ cao. Nhưng nhược điểm chính của vật liệu này là không chịu được nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, ngày nay vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi, sản phẩm đa dạng và khả năng tái sinh của chúng.
Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo:
- Nguyên liệu sẵn có, giá rẻ.
- Dễ gia công hàng loạt theo phương pháp đúc phun, đúc đùn, chu kỳ gia công ngắn, năng suất cao nên giá thành rẻ.
- Độ độc hại thấp, không chứa các tác nhân phản ứng.
- Độ bền va đập cao, độ hấp thụ ẩm thấp, độ bền hóa chất của polyme kết tinh một phần rất tốt.
- Có thể thu hồi và tái sinh phế liệu do có khả năng nóng chảy và hòa tan trở lại.
- Sản phẩm dễ bảo quản, thời gian sử dụng dài. Nhựa nhiệt dẻo (NND) có thể chia làm hai loại:
- Loại NND kết tinh (hàm lượng tinh thể lớn) như PP, PE. Có đặc điểm: điểm chảy mềm rõ rệt, màu mờ đục và độ co ngót cao.
- Loại NND vô định hình (polyme có cấu trúc vô định hình là chủ yếu) như PVC, PS, PC, PMMA. Đặc điểm chung của loại này có giới hạn chảy mềm rộng, màu thường trong suốt, độ co ngót thấp và các tính chất bền cơ, hóa thấp hơn loại NND tinh thể.
Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền như: polyetylen (PE), polypropylen (PP).
a. Polyetylen (PE)
PE là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng nhất ứng dụng trong đời sống như các sản phẩm loại màng, ống dẫn nước, chai lọ. Polyetylen là một hợp chất hữu cơ (poly) gồm nhiều nhóm CH2-CH2 liên kết với nhau bằng các liên kết hydro no. Polyetylen được điều chế bằng phản ứng trùng hợp các monome etylen (C2H4) chủ yếu dùng để sản xuất ống dẫn nước, thùng chứa, chai lọ, túi nilon,…
Công thức cấu tạo của PE:
Hiện nay, ở nước ta việc nghiên cứu và ứng dụng nhựa nhiệt dẻo PE làm nhựa nền cho vật liệu composite đang là hướng đi mới mở rộng lĩnh vực sử dụng vật liệu composite. Ưu điểm của nhựa PE: rẻ, độ độc hại thấp .
b. Polypropylen (PP)
PP là sản phẩm của phản ứng trùng hợp khí propylen. Tùy vào điều kiện trùng hợp, loại xúc tác khác nhau mà ta thu được nhựa có cấu trúc khác nhau điều hòa hay không điều hòa.
Khi trùng hợp propylen với xúc tác Ziegler-Natta thu được polyme điều hòa phần lớn là isotactic, một phần nhỏ syndiotactic và atactic. PP isotactic có tỷ khối không lớn (0,842÷0,914g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao (160÷1700C) phụ thuộc vào mức độ kết tinh.
Công thức cấu tạo của PP:
Mỗi mắt xích của PP có một nhóm –CH3 nên mạch cứng hơn PE vì thế độ bền cơ, bền nhiệt lớn hơn PE.
Nhựa PP có nhiều loại nhưng nói chung có tính năng cơ lý cao hơn PE. Loại đặc biệt chuyên dùng cho chi tiết sản phẩm công nghiệp, chi tiết nhựa trong xe máy, ôtô, điện tử, máy giặt… các loại khác có ứng dụng tương tự PE.