1.2. Vật liệu compozit cacbon- phenolic
1.2.2. Phân tích và chế tạo vật liệu compozit cacbon-phenolic
a)Phân tích nhựa nền phenolic dạng novolac
Trong quá trình chế tạo vật liệu compozit, nhựa nền novolac xảy ra phản ứng polyme hóa, khâu mạch không gian, giải phóng các hợp chất phân tử lượng thấp như H2O, NH3,... Quá trình đóng rắn xảy ra sự biến đổi trạng thái pha của nhựa novolac theo nhiệt độ, do đó cần có sự phân tích, xác định tính chất của nhựa nền. Mẫu tẩm nhựa nền được xác định quá trình biến đổi trên máy phân tích nhiệt TGA, từ đó rút ra kết luận quy trình chế tạo vật liệu.
b) Phân tích tính chất vải cacbon
Tính chất của vải cacbon phụ thuộc nguyên liệu ban đầu và các yếu tố của quá trình công nghệ, trong đó quan trọng nhất là nhiệt độ của quá trình xử lý nhiệt.
Sự liên kết giữa bề mặt CFs với PF phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc nguyên tử xen giữa hai bề mặt và sự ảnh hưởng lẫn nhau của chúng. Bề mặt liên kết tốt là yếu tố quan trọng trong việc truyền tải trọng từ nhựa nền sang sợi, giúp giảm sự tập trung ứng suất và tăng cơ tính cho vật liệu compozit [24]. Tuy nhiên, sợi cacbon có đặc tính không phân cực, độ bền cao, bề mặt sau khi được graphit hóa nhẵn bóng khiến chúng khó có các tương tác vật lý và hóa học nếu không được biến tính bề mặt [26,30].
Do vậy, xử lý bề mặt CFs để tăng liên kết của CFs với nhựa nền là yếu tố không thể bỏ qua khi nghiên cứu và chế tạo hệ vật liệu này. Đã có nhiều công
trình công bố đưa ra phương pháp xử lý bề mặt sợi khác nhau như: ôxi hoá trong pha khí (O2, O3, ...), trong pha lỏng, ôxi hoá bằng phương pháp điện hoá [23], xử lý bằng nhiệt độ, dòng tia plasma. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và ứng dụng vào từng mục đích cụ thể. Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu và dựa vào điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm, nhóm chúng tôi quyết định phương án xử lý vải cacbon bằng phương pháp hóa học, sử dụng các chất ôxi hóa mạnh để biến tính bề mặt vải cacbonnhư axit HNO3 65%, H2SO4 98%,...
Tiến hành khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình xử lý vải như nồng độ axit, thời gian, nhiệt độ xử lý,...
Vải sau xử lý được kiểm tra cấu trúc bề mặt bằng các phương pháp phân tích hiện đại, từ đó rút ra kết luận và lựa chọn phương án tối ưu để chế tạo vật liệu CCP.
1.2.2.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit a)Phương pháp lăn ép bằng tay
Phương pháp lăn ép bằng tay là phương pháp đơn giản nhất của chế tạo compozit. Phương pháp này thường được dùng chế tạo các vật liệu chịu hóa chất: như bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân… hay vật liệu cách điện như:
tấm cách điện, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế…
Hạn chế của phương pháp này là vì dùng khuôn hở nên chất lượng bề mặt sản phẩm không đồng đều. Lăn ép thủ công nên chất lượng sản phẩm sau khi hoàn thành không đồng đều về chất lượng và năng suất chế tạo không cao.
Vì vậy, đối với những sản phẩm đơn chiếc hoặc các loạt sản phẩm số lượng nhỏ có thể áp dụng sử dụng phương pháp này để gia công [1].
b) Phương pháp phun sợi - nhựa
Phương pháp phun sợi - nhựa có thể coi là sự mở rộng của phương pháp lăn ép bằng tay. Trong phương pháp này người ta sẽ sử dụng súng phun để phun hỗn hợp nhựa polyme và vật liệu gia cường vào khuôn.Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp compozit tương tự như trong phương pháp lăn ép
bằng tay. Phương pháp phun hỗn hợp compozit có thể kiểm soát tốt tỷ lệ của nhựa polyme và vật liệu gia cường trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm [1].
c) Phương pháp đúc kéo và quấn sợi
Công nghệ đúc kéo là quy trình liên tục, tự động, dùng để sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp với độ dài liên tục, tỷ lệ phế liệu thấp, sự phân bố của vật liệu gia cường với vị trí chính xác, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu gia cường và nhiều loại nhựa trong sản xuất.
Quấn sợi là quá trình quấn từ dải sợi liên tục (sợi đan hoặc sợi xe) đã được tẩm nhựa lên trên bề mặt của một lõi quay đã được tạo hình chính xác, sau đó được lưu hóa ở nhiệt độ phòng hoặc gia nhiệt để đóng rắn tạo sản phẩm.
Sợi được quấn lên bề mặt lõi được định vị chính xác nhờ một đầu cấp sợi. Lõi quấn có thể là hình trụ, hình tròn hoặc bất kì hình dạng nào mà không bị gồ ghề lượn sóng.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: sản phẩm có độ bề cao, hàm lượng sợi lớn, kích thước ổn định, đa dạng, năng suất lớn. Tuy nhiên cần có chi phí đầu tư lớn, sản phẩm tạo thành bị hạn chế về hình dạng do đặc thù của công nghệ. Phương pháp chủ yếu được ứng dụng trong sản xuất một số sản phẩm công nghiệp như: bể chứa hóa chất, ống nước ngầm, các loại bình chứa khí, dụng cụ thể thao,... [1].
d) Phương pháp ép nóng trong khuôn và làm bán thành phẩm
Phương pháp này chủ yếu chỉ để gia công các loại nhựa nhiệt rắn và hỗn hợp cao su. Các loại nhựa nhiệt rắn thường được gia công bằng phương pháp này là: phenol formandehit, urea formandehit, melamin. Các sợi độn gia cường thường dùng như sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi kevlar,...
Bán thành phẩm là những nguyên liệu đã qua những bước công đoạn ban đầu: Các loại vải sợi gia cường đã được tẩm sẵn nhựa (chất kết dính), các phụ gia và các loại xúc tác. Các bán thành phẩm này sau đó trở thành nguyên liệu cho công nghệ đúc nén có gia nhiệt để tạo ra các sản phẩm compozit.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: lượng vật liệu dư thải bỏ trong quá trình ép rất thấp, không có sự văng ra của vật liệu thừa vào rãnh ngang khuôn đúc; không có sự bào mòn lỗ đúc khuôn hay rãnh ngang khuôn đúc;
áp suất nén được trải đều trên vật liệu đúc, ứng suất bên trong và hợp lực gây cong vênh rất thấp; việc làm lạnh hay đun nóng phôi có thể được tiến hành một cách tự động; sự co ngót chi tiết sau đúc rất thấp [1].
Từ các tìm hiểu trên đây, luận văn đã lựa chọn phương pháp ép nóng trong khuôn và làm bán thành phẩm, kết hợp với các kỹ thuật gia nhiệt, ép nóng ở áp suất cao, hút chân không trong các quá trình chế tạo phôi và quá trình ép,...
Quy trình cụ thể sẽ được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo.