CHƯƠNG1 TỔNG QUAN
1.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt áp
1.1.1.2. Chất gia cường
Chất gia cường đóng vai trị chịu ứng suất tập trung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu. Cấu trúc, hàm lượng, hình dáng, kích thước, tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất và quyết định khả năng gia công của vật liệu PC [138]. Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất hố học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường. Liên kết bền được tạo thành khi giữa chất gia cường và nền polyme xuất hiện những liên kết hoá học hay lực bám dính [138].
Trong vật liệu PC, xét về mặt sắp xếp thì chất gia cường phân bố không liên tục. Về bản chất, chất gia cường có thể rất đa dạng tùy thuộc vào tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo. Sự định hướng của sợi gia cường trong vật liệu compozit là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế vật liệu compozit nhằm đạt những tính chất mong muốn. Một số ứng dụng chỉ yêu cầu vật liệu có độ bền cao theo một hướng, số khác lại đòi hỏi độ bền cao theo nhiều hướng khác nhau. Một trong những ưu điểm của vật liệu PC là với phương pháp gia cơng thích hợp, bằng việc điều chỉnh hướng sợi có thể điều chỉnh được tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá trị tối ưu theo một hướng hay nhiều hướng như yêu cầu [90, 94, 138].
Hiện nay, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các loại chất gia cường dạng tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm. Rất nhiều các loại sợi tự nhiên được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử lý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit. Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngơ, tre, gỗ…[112].
Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi.
a) Chất gia cường dạng sợi
Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột. Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành, các đặc tính và tính chất của sợi. Để sử dụng làm chất gia cường, sợi cần có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp…Vật liệu PC gia cường bằng sợi lai tạo là loại vật liệu mới trong đó chất gia cường gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác nhau. So với PC gia cường bằng sợi thông thường, PC gia cường bằng sợi lai tạo kết hợp được nhiều tính chất của các loại sợi, nên có các đặc tính tương đối tốt.
Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mat…). Một số cốt dạng sợi thường được sử dụng: sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sơi tre, sợi dừa…
Sợi thủy tinh
Xuất hiện lần đầu vào những năm 1950, sợi thủy tinh với nhiều tính chất quý: độ bền cao, modun cao, bền nhiệt, bền hóa chất…đã trở thành vật liệu gia cường chủ yếu cho các loại compozit cao cấp, ứng dụng trong chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, ô tô, tàu cao tốc, dụng cụ thể thao, các đường ống dẫn chất lỏng và nhiên liệu, cũng như ứng dụng làm vật liệu trong ngành xây dựng. Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được, có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối như: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn.
Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khống chất như: silic, nhôm, magiê…tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại sợi thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 10 %) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt [156].
Hình 1.2. Sợi thủy tinh (nguồn Internet).
Sợi thủy tinh thường sử dụng làm cốt gia cường cho các loại nhựa epoxy đã cải thiện đáng kể độ bền cơ và được sử dụng để chế tạo các lớp bọc lót bảo vệ thiết bị chống ăn mịn hóa chất [1, 5]. Thành phần và tính chất đặc trưng của một số loại sợi thủy tinh được trình bày trong bảng 1.1 và 1.2.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại sợi thủy tinh [115].
Thành phần, % Sợi thủy tinh E Sợi thủy tinh S SiO2 Al2O3 Al2O3 MgO Na2O B2O3 BaO 54,3 15,2 17,2 4,7 0,6 8,0 - 64,2 24,8 0,01 10,27 0,27 0,01 0,2
Bảng 1.2. Tính chất của một số loại sợi thuỷ tinh [115].
Tính chất, đơn vị Sợi thủy tinh-E Sợi thủy tinh-S
Khối lượng riêng, g/cm3 2,54 2,59
Độ bền kéo, MPa 3448 4585
Mođun đàn hồi, GPa 72,4 85,5
Đường kính, μm 3-20 8-13
Về bản chất, sợi thủy tinh có thể rất đa dạng tùy thuộc vào tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo như sợi dài liên tục, sợi ngắn, sợi mát, sợi dệt thành vải.
b) Chất gia cường dạng bột
Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trị chất gia cường, vừa đóng vai trị chất độn. Bản chất hố học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa bề mặt hạt và nhựa nền quyết định khả năng gia cường của chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá, quang…Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp phụ nhựa nền tốt trên tồn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp lý, dễ kiếm.
Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, điôxit silic, ôxit nhôm, hiđroxit nhôm [111].