CHƯƠNG III VẬT LIỆU CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI
II. Vật liệu chất dẻo có cốt sợi
2. Các nhóm chất liệu được sử dụng trong vật liệu CDCCS
2.2. Nhóm chất liệu nhựa
Nhiệm vụ chính của nhựa là truyền ứng suất giữa các sợi chịu lực, đóng vai trò như một lớp keo để liên kết các sợi lẫn
nhau, bảo vệ sợi tránh khỏi các tác nhân phá hoại cơ học hoặc môi trường. Lớp nhựa được chia làm hai nhóm chính là nhóm nhựa nhiệt cứng và nhóm nhựa nhiệt dẻo.
Nhóm nhựa nhiệt dẻo sẽ trở nên mềm đi khi gặp nhiệt, do đó có thể định hình hoặc đúc khuôn ở giai đoạn nhiệt nóng chảy và sẽ trở nên cứng lại khi được làm nguội đi.
Ngược lại, nhóm nhựa nhiệt cứng thì thường hóa lỏng hoặc đông đặc ở điểm nóng chảy thấp. Khi được sử dụng để sản xuất ra thành phẩm, nhóm nhựa nhiệt cứng này sẽ được xử lý bằng chất xúc tác, bằng nhiệt, hoặc kết hợp cả hai phương pháp. Một khi đã được xử lý, nhóm nhựa nhiệt cứng không thể trở lại trạng thái lỏng ban đầu. Không giống như nhóm nhựa nhiệt dẻo, nhóm nhựa nhiệt cứng đã được xử lý sẽ không bị chảy ra nhưng sẽ trở nên mềm đi khi gặp nhiệt (giảm bớt độ cứng); đồng thời một khi đã được tạo hình thì nhóm nhựa này sẽ không thể được định hình trở lại. Nhiệt độ chảy và nhiệt độ hóa gương được dùng để định lượng độ mềm hóa của nhựa đã được xử lý.
Nhựa sử dụng trong vật liệu CDCCS cần phải có tính chất cơ học cao, dính kết tốt, tính dai và khả năng chống chịu phá hoại của môi trường.
Những loại nhựa nhiệt dẻo và nhiệt cứng được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp CDCCS là những nhóm nhựa có nhóm polyester, epoxy và vinylester chưa bão hòa. Cần phải hiểu rõ những khác biệt giữa các nhóm nhựa này để có thể sử dụng đúng loại nguyên liệu cho một ứng dụng cụ thể nào đó. Ưu điểm và nhược điểm của các loại nhựa polyester, epoxy và vinylester như sau :
Nhựa polyester: là loại nhựa không bão hòa trùng hợp của các ester, được sử dụng chiếm khoảng 75% tổng số các loại nhựa đang sử dụng trong công nghiệp CDCCS.
Nhựa polyester được chế tạo bằng cách polymer hoá hoá đặc của các axit mà chứa hai nhóm “–COOH” và các rượu hai chức năng glycol CnH2n(OH)2. Ngoài ra, nó còn chứa một axít chưa bão hòa như axit maleic anhydride C4H2O3 hoặc axit fumaric C4H4O4, là một phần hợp thành của axit chứa hai nhóm “–COOH”. Polymer cuối cùng được hoà tan trong các đơn phân tử hoạt động để trở thành dung dịch có độ nhớt thấp. Khi nhựa được bảo dưỡng, các đơn phân tử hoạt động tác dụng với các phần chưa bão hòa của polymer biến đổi thành cấu trúc rắn.
Các tính chất của nhựa polyester:
Khả năng chịu kéo: 35 ~ 104MPa.
Mô đun đàn hồi kéo: 2,1 ~ 4,1GPa.
Độ dãn dài: < 5,0.
Tỷ trọng: 1,10 ~ 1,46g/cc.
Độ co: 5 ~ 12%.
Nhựa vinylester: là loại nhựa phát triển dựa trên sự kết hợp giữa những ưu điểm của nhựa epoxy với đặc tính thuận lợi (thao tác bằng tay dễ hơn, bảo dưỡng nhanh hơn) của loại nhựa polyester chưa bão hòa. Do đó, loại nhựa này có khả năng xử lý nhanh và tốt hơn các loại nhựa khác. Nhựa vinylester được sản xuất bằng cách cho nhựa epoxy phản ứng với axít acrylic C3H4O2 hoặc axít methacrylic C4H6O2. Phản ứng này cung cấp cho nhựa một gốc chưa bão hòa, rất giống với việc sử dụng maleic anhydride C4H2O3 trong quá trình sản xuất nhựa polyester. Vật liệu tạo thành được làm tan trong dung dịch styrene C17H35(COO)3C3H5 để có được một chất lỏng tương tự như nhựa polyester. Vinylester có tính bền cơ học cao và khả năng chống co rất tốt.
Những đặc tính này có thể đạt được mà không cần phải thông qua quy trình xử lý phức tạp giống như thường phải làm đối với nhựa epoxy. Nhựa vinylester thường được sử dụng trong các vật liệu đòi hỏi có tính bền cao hoặc tính chống hóa chất cao.
Tuy nhiên, loại nhựa này không có khả năng chịu mỏi cao như nhựa epoxy. Bởi vì vinylester có một phần tính chất giống như polyester, cho nên vinylester cũng có vấn đề về mùi.
Các tính chất của nhựa vinylester:
(Hình 3.6)
Cấu trúc hóa học nhựa polyester.
Khả năng chịu kéo: 73 ~ 81MPa.
Mô đun đàn hồi kéo: 3,0 ~ 3,5GPa.
Độ dãn dài: 3,5 ~ 5,5.
Tỷ trọng: 1,12 ~ 1,32g/cc.
Độ co: 5 ~ 12%.
Nhựa epoxy: là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng của vật liệu CDCCS, trong sửa chữa kết cấu bê tông. Cấu trúc của nhựa có thể được điều chỉnh khi sản xuất để có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau với nhiều cấp độ thể hiện khác nhau. Lợi ích chính của nhựa epoxy so với các loại nhựa gốc polyester chưa bão hòa đó là có độ co thấp (1 ~ 5%). Nhựa epoxy còn có thể được pha trộn với những loại vật liệu hoặc các loại nhựa khác để đạt được những tính chất đặc biệt theo yêu cầu.
Chúng ta có thể điều chỉnh thời gian đông cứng của nhựa epoxy bằng sử dụng hợp lý loại chất xúc tác hoặc chất làm cứng. Thông thường, nhựa epoxy được xử lý bằng cách cho thêm một trong hai loại chất anhydride hoặc chất làm cứng amine. Với mỗi loại chất làm cứng khác nhau, với lượng chất làm cứng cho vào khác nhau, ta sẽ có các sản phẩm CDCCS có đặc tính khác nhau.
Nhựa epoxy được sử dụng chủ yếu trong việc chế tạo CDCCS chất lượng cao với các tính năng cơ học cao, khả năng chống hóa chất ăn mòn và chống chịu tác động của môi trường, cách điện tốt, chịu được nhiệt độ cao, kết dính tốt với phần nền … Tuy nhiên nhựa epoxy không có khả năng chống tia cực tím tốt. Bởi vì độ nhớt của nhựa epoxy thì cao hơn rất nhiều so với các loại nhựa polyester, do đó nó đòi hỏi phải có quá trình hậu xử lý (ở nhiệt độ cao) để đạt được những đặc tính cơ học cuối cùng.
Điều này làm cho nhựa epoxy khó sử dụng hơn. Tuy nhiên, nhựa epoxy để lại ít mùi hơn so với các loại nhựa polyester.
Các tính chất của nhựa epoxy:
Khả năng chịu kéo: 55 ~ 130MPa.
Mô đun đàn hồi kéo: 2,8 ~ 4,1GPa.
Độ dãn dài: 3,0 ~ 10,0.
Tỷ trọng: 1,2 ~ 1,3g/cc.
Độ co: 1 ~ 5%.
(Hình 3.7)
Cấu trúc hóa học nhựa Vinylester.
Các loại nhựa thuộc nhóm nhựa CDCCS nhiệt dẻo có những tính chất rất quan trọng trong quá trình định tính và định hình sản phẩm. Một trong những thế mạnh lớn của vật liệu CDCCS chính là có nhiều loại nhựa để lựa chọn trong thiết kế. Để sử dụng có hiệu quả những lựa chọn này, các nhà thiết kế và các nhà sản xuất phải hiểu rõ những đặc tính, ưu điểm và hạn chế của từng loại nhựa CDCCS thông dụng. Người ta thường dùng số liệu từ các phòng thí nghiệm của các nhà sản xuất nhựa để quyết định lựa chọn loại nhựa thích hợp nhất khi sử dụng.
Một số loại nhựa khác cũng được sử dụng trong sản xuất vật liệu CDCCS là nhựa phenolic (là loại nhựa chịu nhiệt, cách nhiệt, cách âm, chống ăn mòn) và nhựa polyurethane (là loại nhựa có tính bền cao, dẻo, chống hóa chất, xử lý nhanh, dễ tạo hình).
Bảng 3.1. So sánh các loại nhựa polyester, epoxy, vinylester.
Ưu điểm Nhược điểm
Nhựa polyester Dễ sử dụng.
Có giá thành thấp nhất trong các loại nhựa thông dụng.
Các tính chất cơ học không cao.
Styrene C17H35(COO)3C3H5 bò bay hôi nhiều khi đúc bằng khuôn hở miệng.
Co nhiều khi đông cứng.
Thời gian sử dụng bị giới hạn.
Nhựa vinylester
Khả năng chống chịu ăn mòn của hóa chất và môi trường rất cao.
Các tính chất cơ học cao hơn nhựa polyester.
Lượng styrene C17H35(COO)3C3H5 khá cao.
Giá thành cao hơn polyester (gấp đôi).
Co nhiều khi đông cứng
Cần phải xử lý nhiều sau khi chế biến.
Nhựa epoxy
Các tính chất cơ học và nhiệt cao.
Có khả năng chống thấm tốt.
Thời gian sử dụng lâu dài.
Có thể làm việc trong môi trường nhiệt độ cao (140oC khi ướt và 220oC khi khô), độ co thấp khi đông cứng.
Đắt hơn nhựa vinylester nhiều Cần pha trộn nhiều
Có chứa tác nhân bị ăn mòn.
(Hình 3.8)
Cấu trúc hóa học nhựa epoxy.