1.3. Vật liệu dùng làm áo bảo hộ cản xạ
1.3.1. Màng composite cản xạ trên áo bảo hộ cản xạ
1.3.1.1. Đặc tính cơ lý của màng composite cản xạ trên áo bảo hộ cản xạ
Có thể định nghĩa vật liệu composite là vật liệu được tạo thành từ hai vật liệu trở lên có bản chất khác nhau, gồm nhiều pha khác nhau về mặt hoá học hầu như không tan vào nhau và được phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Vật liệu được tạo thành có đặc tính ưu việt hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ (đó là đặc tính mềm, bền và cản xạ...). nhờ đó tận dụng được tính chất tốt trong từng pha của vật liệu. Ở một số loại composite cấu trúc gồm 2 pha, trong đó pha nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt (chất độn) là pha phân tán. Trong composite nền đóng vai trò ở các mặt như: liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành 1 khối composite thống nhất, tạo điều kiện để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế và che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do các tác động hoá học, cơ học và môi trường. Ngoài ra nền phải nhẹ và có độ dẻo cao. Cốt đóng vai trò tạo độ bền và modun đàn hồi cao cho composite hay thỏa mãn chức năng nào đó. Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho sự kết hợp các đặc tính tốt của 2 pha trên. Tính chất của composite phụ thuộc vào bản chất của nền, cốt, khả năng liên kết giữa nền và cốt và quá trình công nghệ sản xuất.
* Chất nền trong màng composite
Chất nền (polymer) quyết định phần lớn đặc tính cơ lý của màng composite.
Polymer được sử dụng phổ biến trong thực tế với tên gọi chung là Nhựa, nhưng polymer bao gồm 2 dạng chính là polymer thiên nhiên và polymer nhân tạo, gồm 3 loại:
Nhựa nhiệt dẻo: gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các liên kết Van der Waals yếu, liên kết hydro, tương tác giữa các nhóm phân cực và cả sự xếp chồng của các vòng thơm. Các chuỗi phân tử tuyến tính và phân nhánh. Mạch phân tử được ví như sợi mì ống. Ở nhiệt độ phòng, nhiệt dẻo thường khó hoặc thậm chí dễ gãy. Nhựa nhiệt dẻo là một loại nhựa chảy mềm thành chất lỏng dưới tác dụng
của nhiệt độ cao vật liệu đượclàm mềm hoặc là dẻo bởi vì các chuỗi phân tửtrượt qua nhau nhiều hơnmột cách dễ dàng và đóng rắn lại khi làm nguội, nhựa nhiệt dẻo là nhóm lớn nhất của Nhựa. Bốn nhựa nhiệt dẻo quan trọng nhất là PE, PP, PVC, PS đàn hồi. Nhựa nhiệt dẻo được chia thành 2 dạng chính là dạng nhựa thông dụng và nhựa kỹ thuật;
Nhựa thông dụng được phân thành các họ với các tính chất đặc trưng
+ Họ Olefin: Polyetylen (PE), Polymetylpenten (PMP), Polypropylen (PP), Polybutyl (PB), Polyizobutylen (PIB)
+ Họ Styren: Polystyren (PS), Acrylonitrin butadien styren (ABS), Styren - Acrylonitrin (SAN) , Styren - Butadien (SB)
+ Họ Vinyl: Polyvinyl clorua (PVC) Polyvinyl axetat (PVA) Etylen - Vinyl axetat (EVA) Etylen - Vinyl alcol (EVOH)
+ Các loại khác: Polymetyl metacrylat (PMMA), xenlulo.
Nhựa Kỹ thuật: Polyoxymetylen (POM), (Poly acetat), Polycacbonat (PC), Polyamit (PA), (Nylon) Polybutylen terephtalat (PBT), Polyetylen terephtalat (PET) Nhựa cứng (nhựa nhiệt rắn): các chuỗi phân tử nhựa nhiệt rắn được liên kết chặt chẽ hơn.Các liên kết chéo ít bị tác động bởinhiệt. Do đó, nhựanhiệt rắn không tan chảy. Các vật liệu nhựanhiệt rắncổ điển là Bakelite, vật liệu xây dựngcủađiện thoại trước đây và nhiều mặt hàng khác. Vật liệu hiện đại là polyester không bão hòa, polyurethan liên kếtvà nhựa epoxy.
Vật liệu đàn hồi: là các polyme được tạo ra từ các đại phân tử và liên kết ngang ba chiều. Các thuộc tính đàn hồi của các vật liệu này là kếtquả của liên kết chéo của các chuỗi polymer. Ngày nay, chất đàn hồithường gọi phổ biến là cao su, chính vì tính chất đàn hồi, với liên kết ba chiều, người ta thường sử dụng cao su làm vật liệu nền với chất độn là kim loại Pb làm màng composite cản xạ .
Hình 1.6 - Tính chất đặc trưng của polyme Nhựa nhiệt dẻo: Các
chuỗi đơn giản hay phân nhánh
Vật liệu đàn hồi: liên kết qua phạm vi rộng
Nhựa nhiệt rắn: liên kết chặt chẽ trong tất cả cáchướng
- Hầu hếtmềm
- Biến dạng dưới ảnh hưởng củanhiệt độ
- Quá trình biến dạng đượclặp lại
Polyethylene Polystyrene Polyamide Polyester
- Cấu trúc phân tử tương tự như một ống khói - Trương nở
- Dạng cao suđàn hồi Cao su
Silicone Polyurethane
- Cứng và dễ vỡ,
- Có khả năng chịu nhiệt độ - Không thể biến dạng - Không tan
Epoxy Polyester Phenolic Polyurethane
* Chất độn trong màng composite
Tùy theo mục đích hay yêu cầu sử dụng vật liệu composite mà người ta có thể đưa chất độn vào với các mục đích khác nhau, đưa chất độn với chức năng gia cường vật liệu, làm cho vật liệu cứng lên, bền cơ học hơn hay chịu nhiệt tốt hơn…tuy nhiên một số yêu cầu lại đưa chất độn vào để nhằm một số chức năng khác là cản xạ, chống nhiễu sóng, chống tia hồng ngoại, tử ngoại, sóng ra đa…
Với mục đích gia cường thì khi tăng hàm lượng chất độn hoạt tính trong hợp phần cao su đến một hàm lượng giới hạn nào đó các tính chất cơ học của vật liệu tăng lên. Nếu tiếp tục tăng hàm lượng chất độn lên thì trong hợp phần cao su sẽ xuất hiện hiện tượng giảm một số tính chất như độ bền kéo đứt, độ giãn dài tương đối, khả năng chống xé rách.
Đối với vật liệu sử dụng chất độn làm yếu tố chức năng riêng như cản xạ, nhiễu sóng thì người ta quan tâm tới khả năng của chức năng cản xạ, nhiễu sóng hơn là quan tâm tới yếu tố gia cường của vật liệu. Tuy nhiên để vật liệu sử dụng có hiệu quả thì người ta vẫn phải sử dụng các phụ gia để liên kết các pha lại với nhau để đảm bảo độ bền và một số đặc tính cơ lý, hóa lý phù hợp, người ta cũng vẫn phải nghiên cứu tỷ lệ chất độn chất nền phù hợp để đảm bảo vật liệu đó có tính tối ưu nhất trong sử dụng.
Như vậy đối với mỗi loại polymer và mỗi loại chất độn đều tồn tại một giới hạn tối ưu mà tại đó các tính chất cơ lý, tính năng kỹ thuật hay yếu tố chức năng nào đó của vật liệu là tốt nhất.
- Kích thước hạt độn
Kích thước hạt độn hay bề mặt riêng của hạt độn là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả quá trình gia cường. Hạt độn chiếm không gian trong hợp phần cao su nên nó gây ảnh hưởng đến mật độ mạng không gian của cao su, làm giảm số lượng liên kết cao su - cao su tức là làmgiảm mật độ mạng cao su. Hơn nữa mạch cao su phải uốn theo các hạt độn do đó tạo ra các vị trí có thể xuất hiện ứng suất nội.
Một yêu cầu cơ bản đối với chất độn gia cường cho cao su là kích thước hạt độn phải đủ nhỏ, dưới 1àm. Khi kớch thước hạt độn lớn hơn 1àm thỡ khụng đạt được hiệu quả gia cường hoặc hiệu quả rất nhỏ dù hạt độn có bất kỳ hình dáng nào hay liên kết giữa pha nền và chất độn là cực kỳ mạnh.
Đối với các chất có khối lượng phân tử nhỏ thì năng lượng liên kết vật lý nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết hóa học nên độ bền vật liệu sẽ do liên kết vật lý quyết định.
Khi kích thước hạt độn đủ nhỏ thì năng lượng liên kết vật lý lớn hơn năng lượng liên kết hóa học và tương tác vật lý đủ lớn để tạo ra trạng thái gia cường.
- Tương tác giữa cao su và chất độn
Mức độ tương tác giữa các phân tử cao su và bề mặt chất độn tùy thuộc vào bản chất hóa học của cao su và chất độn cũng như các đặc trưng bề mặt của chất độn
Tương tác giữa cao su và chất độn trong hợp phần cao su bao gồm các tương tác vật lý và tương tác hóa học, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền vật liệu và hiệu quả của quá trình gia cường. Trong quá trình cán luyện chất độn được phân tán đều vào cao su tạo một lớp cao su liên kết (là lớp cao su không bị tan ra và ổn định trong khi bịtrương nở hoặc trong khi chiết).
Trong quá trình lưu hóa xuất hiện các liên kết hóa học do nhiệt độ, các chất xúc tiến, chất lưu hóa… Ngoài ra trong hệ cao su - chất độn còn xuất hiện hệ tương tác xa và riêng đối với cao su thì hiện tượng này rất lớn và cùng bậc với khoảng cách hai hạt độn.
Nghiên cứu đặc tính cơ lý của màng cản xạ composite để chúng ta có thể xem xét các tiêu chí đánh giá độ bền vật liệu (độ bền kéo đứt, giãn dài, độ bền xá rách), tính tiện nghi trong sử dụng (độ dày, khối lượng, độ cứng, độ uốn...), ngoài ra còn phải xét các yếu tố do ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ lão hóa, tính ăn mòn kim loại (ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hóa)...Nhưng đề tài xin được giới hạn nghiên cứu sâu về tiêu chí đánh giá độ bền cơ học của vật liệu và một số chỉ tiêu đánh giá cho tính tiện nghi trong sử dụng. Cụ thể: đánh giá độ bền kéo đứt, giãn dài, độ bền xé rách, độ dày, khối lượng (khối lượng trên một đơn vị diện tích), độ cứng.
Trong khảo sát và nghiên cứu áo bảo hộ cản xạ của các hãng sản xuất, cho thấy màng composite cản xạ có nền là polymer, chúng có thể là các loại nhựa nhiệt dẻo PU, PVC hay cao su được trộn với chất độn là chì (Pb). Lớp màng cản xạ là lớp quyết định khả năng bảo vệ cản xạ của áo bảo hộ cản xạ. Theo tiêu chuẩn JIS Z4806 của Nhật [20], vật liệuphổ biến dùng để sản xuất áo cản xạ là chì (Pb) hoặc vật liệu composite có chì.
Tuy nhiên chì (Pb) là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con người.
Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ
enzym có nhóm hoạt động chứa hydro. Người bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy xương). Tuỳ theo mức độ nhiễm độc có thể bị đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp, tai biến não, nhiễm độc nặng có thể gây tử vong.
Đặc tính nổi bật là sau khi xâm nhập vào cơ thể, chì ít bị đào thải mà tích lũy theo thời gian rồi mới gây độc[14].
- Chì đi vào cơ thể con người qua tiếp xúc trực tiếp với da, nước uống, không khí và thức ăn bị nhiễm chì.
- Chì tích lũy ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hoá canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hoá vitamin D.
- Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống: £ 0,05 mg/ml.
Chính vì thế, khi sử dụng trang phục bảo hộ có chì người ta phải ngăn cản không cho chì tiếp xúc với cơ thể. Bên cạnh đó, người ta cũng đã đề xuất một số vật liệu khác thay thế chì như: tungsten (W), bithmus (Bi), antimony (Sb), tin (Sn).
Để dễ dàng trong việc tạo dáng sản phẩm, dễ dàng khi sử dụng, vật liệu đòi hỏi phải có sự mềm dẻo vì thế người ta thường trộn lẫn những vật liệu trên với cao su hoặc nhựa tạo ra vật liệu hỗn hợp. Tuy nhiên bên cạnh khả năng cản xạ cao, tungsten và bithmus (Bi) là vật liệu khá đắt dùng để thay thế chì (Pb). Antimony (Sb) và (Sn) thì có khả năng cản xạ không cao, vì thế để đạt được độ cản xạ mong muốn thì cần phải tăng bề dày vật liệu, điều này làm ảnh hưởng tới tính di động của sản phẩm, mặt khác antimony (Sb) cũng có hàm lượng độc hại không kém gì so với chì. Những phát minh hiện nay đã cung cấp những tấm chắn cản xạ vừa đảm bảo tính cản xạ cao, đảm bảo tính hiệu quả kinh tế, không gây ra những vấn đề về môi trường và không ảnh hưởng đến người sử dụng. Được làm từ polyme hữu cơ kết hợp với vật liệu cản xạ là bột oxyde chứa ít nhất một nguyên tố trong nhóm:
lathanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pm), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu) và gadolinium (Gd), những hạt oxydenày có kích thước trung bình từ 1 μm - 20 μm và tỷ lệ thể tích trong tấm chắn cản xạ là từ 40% - 80%. Kích
của vật liệu phải được điều chỉnh vào khoảng định trước, nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 40% thì khả năng cản xạ không bảo đảm, mặt khác nếu tỷ lệ này vượt quá 80% thì sẽ làm giảm độ bền cấu trúc của tấm cản xạ. Như vậy, tỷ lệ giữa chất độn (kim loại) và chất nền (polymer) có ý nghĩa hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của áo bảo hộ cản xạ.
Với đặc thù áo bảo hộ cản xạ dùng trong môi trường làm việc có bức xạ và được sử dụng thường xuyên. Do đó tính tiện nghi trong sử dụng có ý nghĩa hết sức quan trọng, ngoài yếu tố thẩm mỹ, thì độ vừa vặn, tính mềm mại luôn là điều cần thiết, điều này cũng có nghĩa là áo bảo hộ phải có khối lượng và độ cứng, uốn, độ dày phù hợp. Với cấu trúc của chiếc áo bảo hộ cản xạ đã được phân tích ở trên, tính mềm mại, linh động của chiếc áo bị ảnh hưởng chủ yếu ở lớp màng cản xạ. Vì màng cản xạ là vật liệu composite có chì, màng thường là nặng và dày. Như vậy, việc kiểm tra độ cứng, độ bền, độ giãn của màng cản xạ là rất cần thiết trong việc lựa chọn vật liệu cũng như áo bảo hộ cản xạ và giúp cho ta đánh giá được tính tiện nghi sử dụng của áo bảo hộ.
Độ cứng, độ giãn đứt là các tính chất cơ lý quan trọng của vật liệu, thể hiện tính mềm mại và khả năng biến dạng màng cản xạ. Nếu độ cứng thấp, độ giãn cao thì cấu trúc vật liệu sẽ dễ bị thay đổi dưới tác động của biến dạng, nhưng nếu độ cứng cao, độ giãn thấp thì độ dẻo dai của vật liệu lại giảm. Các tính chất này cũng góp phần tạo nên tính tiện nghi của vật liệu may mặc. Bên cạnh đó, độ giãn dài còn ảnh hưởng đến độ ổn định mật độ của chì trong màng cản xạ, khi màng bị kéo giãn ra thì lớp chất độn cũng bị giãn ra theo, khi đó mật độ chì sẽ giảm xuống và khả năng cản xạ sẽkém đi .
Hình 1.7 - Mô tả tỷ lệ chất độn bịthay đổi khi bị kéo giãn
Trên áo bảo hộ cản xạ, lớp màng cản xạ được bảo vệ bởi 2 lớp vải bao phủ bên ngoài. Ngoài khu vực đường may, lớp màng composite cản xạ được treo tự do bên trong áo trong suốt quá trình sử dụng và bảo quản nên vật liệu có xu hướng luôn chịu lực kéo dưới tác dụng của chính trọng lượng của áo làm cho vật liệu luôn có xu hướng bị kéo giãn. Độ bền kéo xé nói lên khả năng chịu lực kéo của vật liệu.
Do áo bảo hộ được sử dụng thường xuyên, liên tục và chịu tác động do các vận động phức tạp của người sử dụng, với niên hạn sử dụng nhiều năm nên vật liệu phải đảm bảo độ bền cần thiết và là các tính chất quan trọng cần được kiểm tra.
1.3.1.2. Các tiêu chuẩn xác định đặc tính cơ lý của màng composite cản xạ của áo bảo hộ cản xạ
Việc lựa chọn các tiêu chuẩn kỹ thuật để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của màng composite có ý nghĩa hết sức quan trọng, trên thế giới có rất nhiều các hệ tiêu chuẩn khác nhau, như DIN của Đức, ASTM của tổ chức xây dựng tiêu chuẩn (SDOs) của Mỹ, EN của châu Âu, ISO của tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa...
Cùng với những tiêu chuẩn được lựa chọn để đánh giá đặc tính cơ lý của vật liệu của chính các hãng sản xuất, việc lựa chọn tiêu chuẩn để đánh giá sao cho phương pháp xác định, đánh giá các chỉ tiêu gần với phương pháp xác định, đánh giá của nhà sản xuất, tiện cho việc chuẩn bị mẫu, tiến hành thí nghiệm, dễ đánh giá, có độ chính xác cao. Vì vậy, mỗi đặc tính cần kiểm tra, có nhiều tiêu chuẩn có thể lựa chọn, ví dụ như: Xác định độ dày của vật liệu theo TCVN 7837 - 3:2007 (Vải tráng phủ cao su hoặc chất dẻo - Xác định đặc tính cuộn - Phần 3: phương pháp xác định độ dày), hay ISO 2286 - 3:1998. Xác định khối lượng tổng trên đơn vị diện tích theo TCVN 7837 - 2:2007 (Vải tráng phủ cao su hoặc chất dẻo - Xác định đặc tính cuộn - Phần 3 Phương pháp xác định khối lượng tổng trên đơn vị diện tích), hay ISO 2286 - 2:1998. Xác định độ bền kéo đứt, giãn dài theo TCVN 4509:2006 (Cao su, lưuhoá hoặc nhiệt dẻo. Xác định các tính chất ứng suất giãn dài khi kéo), hay ISO 37:2005 hoặc ASTM D 412 hay DIN EN ISO 8356. Xác định độ bền xé rách theo TCVN 1597-1:2006(Cao su, lưu hoá hoặc nhiệt dẻo. Xác định độ bền xé rách. Phần