I. Nguyên liệu
3.Sợi thủy tinh
3.1. Tìm hiểu chung
Vật liệu thuỷ tinh đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước đây. Người Ai Cập cổ đại đã biết dùng thuỷ tinh cho vào đất sét để tránh sự co ngót của sản phẩm sau khi nung. Khoảng thế kỷ XVIII, sợi thuỷ tinh được sử dụng trong gấm thêu kim tuyến ở Pháp. Những năm 30 của thế kỷ XX, sợi thuỷ tinh E đã ra đời đánh dấu sự phát triển và thương mại hoá của sợi thuỷ tinh.
Năm 1935 người ta đã bắt đầu sử dụng nhựa nhiệt rắn như polyeste để sản xuất vật liệu compozit gia cường bằng sợi thuỷ tinh và ứng dụng nó để làm mái che rada trên máy bay trong suốt chiến tranh thế giới lần II. Từ đó đến nay, vật liệu PC trên cơ sở sợi thuỷ tinh và các sợi tăng cường khác (cácbon, aramit) ngày càng phát triển. Những năm gần đây, thị trường sợi thuỷ tinh rất phát triển với sản lượng khoảng 1, 8 đến 2 triệu tấn/năm. Ngày nay, vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giao thông vận tải (chế tạo các thiết bị ôtô, tàu hoả), trong xây dựng (panel, tấm chắn gió), ngành hàng
khơng và vũ trụ.
Sợi thuỷ tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm: - Khơng cháy.
- Bền hố, bền mơi trường. - Độ bền, độ cứng cao. - Cách điện rất tốt. - Ổn định kích thước. - Dễ tạo hình.
- Đa dạng, giá thành thấp.
Bên cạnh những ưu điểm sợi thuỷ tinh cịn có nhược điểm sau:
32
Đối với những vật liệu PC cần độ bền cao với tỷ trọng thấp mà không quan tâm đến giá thành người ta ít sử dụng sợi thuỷ tinh.
Tùy thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm cụ thể mà lựa chọn vật liệu gia cường thích hợp.
3.2. Phân loại sợi thuỷ tinh
Theo tính chất, thành phần của sợi thuỷ tinh có thể phân loại thành các loại vải thuỷ tinh như sau:
- E- glass (Electrical glass): được sử dụng để chế tạo vật liệu cách điện.
- A- glass (Alkaline glass): sợi thuỷ tinh chịu môi trờng kiềm tốt. - C- glass (Chemicals glass): sợi thuỷ tinh chịu mơi trờng hố chất. - S, R- glass: sợi thuỷ tinh có mơ đun cao, độ bền cao.
Thành phần của các loại sợi thuỷ tinh được trình bày ở bảng 2:
Bảng 2: Thành phần hoá học của các loại sợi thuỷ tinh.
TP A C E S SiO2 72 6, 5 52÷56 65 Al2O3 0, 6 4 12÷16 25 CaO 10 14 16÷25 10 MgO 2, 5 3 0÷6 - B2O3 - 6 8÷13 - Na2O, K2O 14, 2 8 0÷3 - TiO2 - - 0÷0, 4 - SO3 0, 7 - 0 -
33
Fe2O3 - - 0, 05÷0, 4 -
Bảng 3: Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh.
Tính chất
Loại thủy tinh
E A C S R
Khối lượng riêng, g/cm3 2, 56 2, 45 2, 45 2, 49 2, 49
Độ bền kéo, Mpa 3400 3100 3100 4590 4400
Modun đàn hồi, Mpa 73000 74000 71000 85500 86000
Điểm nóng chảy, oC 850 700 690 - 990
3.3. Công nghệ chế tạo sợi
Có hai phương pháp chế tạo sợi:
- Phương pháp một giai đoạn: nấu thuỷ tinh và kéo sợi cùng tiến hành trên một dây chuyền liên tục. Công nghệ này phù hợp với sản xuất ở quy mơ lớn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
34
Hình 5: Sơ đồ cơng nghệ chế tạo sợi thủy tinh một giai đoạn.
- Phương pháp hai giai đoạn: sản xuất ra bi thuỷ tinh trước và bán thành phẩm này được đưa vào lị nấu để nóng chảy, sau đó được qua bộ phận phun ở nhiệt độ cao để kéo thành sợi. Sợi được kéo căng đến kích thớc xác định và được làm lạnh sau khi đã gom thành bó.
Trong quá trình sản xuất sợi cần phải xử lý bề mặt sợi.
3.4. Xử lý bề mặt sợi
Mục đích của q trình xử lý sợi để chống ăn mịn sợi trong q trình kéo sợi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kéo sợi và làm tăng độ tương hợp của sợi với nhựa nền. Xử lý sợi bằng:
- Các hợp chất silan: là tác nhân liên kết giữa sợi và nhựa nền. - Polyvinylaxetat: Sử dụng dạng nhũ tương tạo lớp vỏ bảo vệ sợi. - Các farafin làm chất bôi trơn.
35
Sau khi xử lý bề mặt sợi, sợi được tiếp tục qua các công đoạn tiếp theo để sản xuất thành các vật liệu gia cường.
3.5. Các kiểu dệt sợi thuỷ tinh.
a) Mat (tấm rối):
- Mat sợi ngắn: được sản xuất bằng cách cắt chùm sợi đơn liên tục thành những đoạn có kích thước từ 25 đến 50 mm, rải đều chúng lên mặt băng tải. Chất kết dính dạng bột hoặc nhũ tương được bổ xung. Dạng bột thường sử dụng keo nóng chảy ở dạng blend, dạng nhũ tương sử dụng nhũ tương của polyamit có khối lượng phân tử trung bình. Sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy của bột hoặc nhũ tương, ép nhẹ rồi cuộn lại thành cuộn.
- Mat sợi liên tục bao gồm các sợi đơn đan xoắn vào nhau và liên kết bằng các chất kết dính như đối với mat sợi ngắn.
- Mat mỏng: sử dụng gia cường cho lớp bề mặt của vật liệu ép khuôn. - Tấm mat: sử dụng chế tạo tấm lợp.
Đặc điểm của mat:
- Độ thấm nhựa cao. - Giá thành hạ.
- Thường sử dụng xen kẽ với vải thô để kết hợp giữa giá thành và phân bố lực.
b) Lụa thuỷ tinh (cloth):
Được dệt từ những chùm sợi đơn (filament) xoắn hoặc khơng xoắn, tuỳ theo mục đích sử dụng mà có cách dệt khác nhau (dệt đơn giản, dệt chéo go). Để phân biệt các loại vải lụa dùng chỉ tiêu trọng lượng.
c) Vải dệt thô (woven roving): được dệt từ những chùm sợi có kích thước lớn hơn, cho bề mặt vật liệu phẳng.
36
d) Sợi bện (yarn): được sản xuất từ các sợi đơn bằng cách xoắn chúng lại với nhau. Sợi bện thường sử dụng gia cường cho cao su hoặc vật liệu cách điện.
e) Sợi ngắn (chopped strands): được sản xuất bằng cách cắt các sợi đơn, sử dụng làm chất gia cường cho nhựa nhiệt dẻo, chế tạo vật liệu BMC.
3.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi gia cường
- Đường kính sợi - Chiều dài sợi - Hình dạng sợi - Bề mặt sợi
- Sự sắp xếp của sợi
3.7. So sánh tính chất của một số loại vật liệu gia cường
Vật liệu Mô đun (GPa) Độ bền (MPa)
Khối lượng riêng (g/cm3)
Thép 203 600-2000 7, 8 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhôm 75 70-80 2, 6
Sợi C (mô đun
cao) 340 2500
1, 9
Sợi C (độ bền cao) 230 3200 1, 8
Sợi Aramit 124 2800 1, 45
37