2.3.1. Định nghĩa và phân loại
Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu. Sự kết hợp này nhằm hạn chế nhược điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo nên sản phẩm có cơ tính khác hẳn các vật liệu ban đầu. Nói cách khác composite là vật liệu đa thành phần. [11]
Về phương diện hóa học, composite có ít nhất hai pha được giới hạn bởi các mặt phân cách riêng biệt.
Thành phần thứ nhất là thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn trong composite được gọi là nền. Theo quan điểm thông thường, các đặc tính của nền được cải thiện nhờ sự phối hợp với thành phần khác để tạo nên vật liệu composite. Composite có thể có nền là gốm, kim loại hoặc polymer. Cơ tính của ba loại nền đó khác nhau đáng kể. Các polymer có sức bền và môđun đàn hồi thấp, gốm cứng vững và dòn, kim loại có sức bền và môđun đàn hồi trung tính, có tính dễ kéo sợi.
Thành phần thứ hai được gọi là cốt, hay còn gọi là pha gia cường, có tác dụng làm tăng cơ tính cho vật liệu nền. Thông thường, cốt cứng hơn, khỏe hơn và có độ cứng vững cao hơn vật liệu nền. Đặc trưng hình học của pha gia cường là một trong những thông số chính để xác định tính có hiệu quả của vật liệu gia cường. Nói cách khác, cơ tính của vật liệu composite là một hàm của hình dáng và kích thước sợi vật liệu gia cường. Vật liệu gia cường thường ở dạng sợi hay hạt.
Vật liệu composite được phân loại theo hai tiêu chí: - Theo bản chất vật liệu nền, gồm một số dạng sau:
+ Composite nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim Titan). + Composite nền khoáng (gốm).
+ Composite nền polymer (nhựa, cao su,…).
- Theo hình dáng vật liệu cốt: có thể phân loại theo sơ đồ hình 2.11.
Hình 2.11 Sơ đồ phân loại vật liệu Composite
Hướng sắp xếp Composite
Cốt sợi
Composite 1 lớp Composite nhiều lớp
Cốt sợi liên tục Cốt sợi không liên tục
Sợi đồng phương Hai hướng vuông góc
Cốt hạt
Hướng ngẫu nhiên
Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ nhau theo mọi hướng. Dạng của hạt gia cường có thể là cầu, khối hay bất cứ dạng nào khác. Sự sắp xếp các hạt gia cường có thể là ngẫu nhiên hay theo một hướng định trước. Đa số vật liệu composite cốt hạt, hướng của hạt là ngẫu nhiên.
Vật liệu gia cường dạng sợi được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa chiều dài sợi và diện tích mặt cắt ngang. Tuy nhiên, tỷ
số này (được gọi là tỷ số bề mặt) có thể biến đổi đáng kể. Vật liệu composite là lớp sợi dài với tỷ số bề mặt cao cho ta vật liệu được gọi là composite có sợi gia cường liên tục, ngược lại composite sợi không liên tục được chế tạo từ các sợi ngắn với tỷ số bề mặt thấp. Hướng thường gặp trong
composite sợi liên tục là dạng đồng phương và hai hướng vuông góc. Dạng hạt, sợi và hướng sắp xếp được thể hiện trên hình 2.12.
Composite nhiều lớp là thuật ngữ khác của composite cốt sợi. Loại này thường ở dạng tấm là những kết cấu phẳng được tạo nên bằng cách sắp xếp các lớp theo một sự nói tiếp đặc biệt. Một tấm điển hình có thể có từ (4 40) lớp và hướng sợi thay đổi trong từng lớp theo một quy luật xuyên suốt chiều dày tấm.
Hiện nay vật liệu composite với nền là nhựa polymer và cốt dạng chất khoáng thủy tinh được sử dụng phổ biến nhất. Trong kỹ thuật, người ta gọi loại composite này là FRP (Fiber Reinforced Plastic), hay còn gọi là composite sợi thủy tinh. Danh từ vật liệu composite nói chung thường được dùng để chỉ về loại này. Do vậy trong thực tế khi nói đến từ “vật liệu composite” mà không giải thích gì thêm, chúng ta có thể ngầm hiểu rằng đó là vật liệu composite có nền là nhựa polymer, cốt gia cường là sợi thủy tinh.
2.3.2. Cấu trúc vật liệu composite
Trên hình 2.13 minh họa mặt cắt của một tấm composite cấu tạo theo lớp:
Hình 2.13 Cấu trúc vật liệu composite
Trên hình 2.13 thể hiện Cấu trúc cơ bản của vật liệu composite bao gồm 03 lớp: 1 - Lớp gelcoat ngoài cùng (vật liệu nền); 2 - Các lớp gia cường bên trong, hay còn gọi là laminate (vật liệu cốt); 3 - Lớp gelcoat trong cùng (vật liệu nền)
1 - Lớp gelcoat ngoài cùng: đây là lớp pha màu, bóng láng và là lớp mặt ngoài của sản phẩm.
Đây là lớp gelcoat pha màu sắc, tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt khuôn, không có sợi thủy tinh và là mặt ngoài của sản phẩm: nhẵn bóng, màu sắc đẹp. Lớp gelcoat không chỉ tạo vẻ đẹp mà còn có chức năng bảo vệ các lớp gia cường bên trong, chống xây xát,... Lớp gelcoat được phủ trên bề mặt khuôn bằng cách quét tay bằng chổi lông mềm hoặc bằng cách phun. Chất lượng của lớp gelcoat phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng khuôn và kỹ năng quét, phun, đồng thời quyết định giá trị phần lớn sản phẩm.
2 - Các lớp gia cường bên trong
Các lớp gia cường bên trong, hay còn gọi là các laminate, được gia cường bằng sợi thủy tinh, ở dạng sợi hoặc vải dệt thủy tinh. Chúng tạo ra chiều dày sản phẩm; chịu ứng lực và đảm bảo độ bền của sản phẩm. Các lớp sợi thủy tinh: MAT, ROVING dệt được tuần tự trải sau lớp gelcoat ngoài cùng và được thấm, lăn ép với keo nhựa hòa xúc tác cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm. Căn cứ chiều dày sản phẩm để định ra số lượng lớp cần thiết. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3 - Lớp gelcoat trong cùng: là lớp bên trong sản phẩm, lớp này không nhẵn bóng nếu thực hiện phương pháp chế tạo đúc tiếp xúc (trình bày ở mục 2.3.3).
Là lớp kết thúc trong cùng của sản phẩm, lớp này chỉ tương đối phẳng, không bóng. Vì là lớp bên trong sản phẩm nên lớp này chịu được tác động của chất chứa khi tiếp xúc để bảo vệ các lớp gia cường bên trong.
Với bất cứ sản phẩm nào, vật liệu composite cũng bao gồm các thành phần cơ bản sau: Vật liệu nền, vật liệu cốt, các chất xúc tác và các chất phụ khác,
2.3.4.1. Vật liệu nền (resin)
Vật liệu nền hay còn gọi là resin, đóng vai trò như một loại keo nhựa để liên kết các sợi thủy tinh (hoặc các sợi khác) và với tác dụng của các chất xúc tác, xúc tiến, các lớp này sẽ đóng rắn tạo thành sản phẩm composite
Hầu hết các loại resin dùng ở Việt nam được sử dụng chất gia tốc và chất xúc tác với hàm lượng thích hợp khoảng (0,5 2)%. Từ đó, trong hỗn hợp sẽ xảy ra các phản ứng hóa học sinh nhiệt để kích thích các phân tử hoạt động và liên kết với nhau thành chuỗi để tạo nên chất dẻo ở trạng thái rắn. Quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng chất xúc tác, chất gia tốc, nhiệt độ môi trường và khí hậu.
Sau khi polyester cơ bản được tạo ra, các nhà sản xuất sẽ tiến hành chuyển đổi các đặc tính của nhựa để phù hợp với từng ứng dụng riêng biệt.
1) Resin tạo lớp
Nhựa tạo lớp là loại nhựa kỵ khí, nghĩa là nó không đông cứng hoàn toàn trong môi trường không khí. Khi đó các lớp nhựa sau sẽ dễ dàng liên kết với lớp nhựa trước. Vì thế loại nhựa này rất thích hợp khi gia công các công trình lớn như đóng tàu.
Các đặc tính của nhựa tạo lớp: - Có khả năng chống thấm nước. - Bền.
- Khả năng dính kết.
- Khả năng chống phản xạ, tia cực tím và thời tiết. - Có khả năng kết hợp với các loại vật liệu khác.
Để đảm bảo độ cứng chắc chúng ta nên sử dụng nhựa tạo lớp đã pha sẵn chất xúc tác và chất gia tốc.
2) Resin bề mặt
Là loại nhựa dùng để tạo lớp bề mặt sau cùng, nó không có tính kỵ khí. Loại này thường có chứa sáp hay các loại chất có tính năng tương tự, khi quá trình biến
cứng xảy ra, sáp sẽ chảy loãng và tráng lên bề mặt một lớp mỏng làm cho nhựa đông cứng hoàn toàn.
Trong thực tế sản xuất người ta thường tạo ra nhựa bề mặt bằng cách pha paraphin vào nhựa tạo lớp với hàm lượng khoảng 1 (%). Nhựa bề mặt thường cứng hơn nhựa tạo lớp, có khả năng chịu ăn mòn hóa học và chịu tác động của môi trường tốt hơn.
3) Gelcoat
Gelcoat la một loại resin được chế tạo đặc biệt với những tác nhân thixotropic để tăng độ nhớt, tính chống uốn, chảy, cùng với chất độn và phụ gia để đảm bảo tính lưu chuyển, phủ kín, thời gian đông và thời gian đóng rắn. Khi sản xuất, gelcoat được pha màu, chất xúc tác rồi được phun hoặc quét bằng chổi mềm lên bề mặt khuôn một lớp mỏng. Sau khi lớp gelcoat này đóng rắn thì người ta trải vải thủy tinh lên trên nó và thấm lăn resin để tạo các lớp gia cường cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm. Sau khi tách khuôn thì lớp gelcoat chính là áo ngoài cùng của sản phẩm. Như vậy gelcoat có 03 chức năng:
- Tạo mặt ngoài nhẵn bóng có màu sắc làm nên vẻ đẹp của sản phẩm.
- Bảo vệ các lớp gia cường bằng sợi thủy tinh bên trong. Vì gelcoat có đặc tính cơ lý cao hơn, chống thẩm thấu nước, chống xây xát tốt hơn,...
- Tách khuôn để lấy sản phẩm ra.
Khi quét hoặc phun gelcoat lên bề mặt khuôn thì mặt tiếp xúc với bề mặt khuôn đóng rắn nhanh vì không có không khí, trong khi mặt ngoài tiếp xúc với không khí nên đóng rắn chậm hơn. Khi mặt ngoài khô (không dính tay) thì các lớp gia cường bằng sợi thủy tinh được thực hiện lên trên nó tạo thành chiều dày sản phẩm. Sau khi hoàn toàn đóng rắn và nguội hẳn thì sản phẩm được tách khuôn để lấy ra.
Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng một số loại nhựa polyester không no phổ biến như: 268BQTN, Dynopol 2116, G3253T, NORPOL, ISO,...
2.3.4.2. Vật liệu cốt (vật liệu gia cường)
Đây là lớp vật liệu kết hợp với resin tạo thành lớp gia cường.
Các sản phẩm gia cường bằng sợi thủy tinh đều được chế tạo từ các tao sợi, roving và chỉ với nhiều loại vải dệt, kiểu dệt khác nhau.
Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo các sợi thủy tinh
Các loại sản phẩm thủy tinh gia cường thông dụng được ứng dụng đại trà có thể kể đến như sau:
- MAT cắt ngắn (CSM) - MAT liên tục (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Rovimat (Roving - MAT kết hợp) - Vải Roving dệt (Woven Roving - WR)
1) MAT cắt ngắn - CSM
Là sản phẩm cấu tạo từ các tao sợi cắt ngắn từ 50 mm được liên kết với nhau bằng chất tẩm dính (không dệt), và phân bổ ngẫu nhiên theo chiều hướng khác nhau chứ không theo chiều hướng nào cụ thể. Sau đó các tấm sợi này được sưởi nóng để loại trừ chất tẩm không phù hợp với resen (nếu có) và được ép xẹp lại gọi là MAT hay còn gọi là vải MAT CSM. MAT có độ bền cơ học trung bình, do phân bố ngẫu nhiên theo nhiều hướng khác nhau nên cường độ không ưu tiên cho hướng nào. MAT được sử dụng hầu hết cho các sản phẩm gia cường.
a - MAT khi cuộn tròn b - MAT Khi trải ra
Hình 2.15 MAT cắt ngắn CSM
2) MAT liên tục (Continuous Strand Mat)
Đây cũng là loại MAT không dệt được làm từ các tao sợi liên tục, chủ yếu được dùng cho các sản phẩm composite xoay và sử dụng cho các khuôn kín. Nó có sức bền cơ học cao. MAT liên tục có các lớp nhất quán đều nhau nên có đặc tính tạo khuôn tốt.
3) Rovimat (Roving - MAT kết hợp)
Loại sản phẩm này là sự kết hợp giữa roving và MAT để có đặc tính tốt hơn. Chúng có 2 dạng:
- FAB - MAT: gồm MAT được dính trên vải roving. Cũng có khi chỉ đan kết vào vải roving mà không dùng chất dính vào. Ví dụ: FAB-MAT 530/450, nghĩa là loại MAT 0,45 kg/m2 được đan kết trên vải roving 0,53 kg/m2.
- LINROV - MAT: gồm CSM được dính kết với vải roving một chiều.
Nếu so sánh với MAT cắt ngắn và vải roving riêng lẻ thì loại này có những ưu điểm sau:
+ Tiết kiệm được lao động trong các khâu: trải, quét resin, lăn, cắt vì resin được quét phủ cùng một lúc cả MAT lẫn vải roving.
+ Đặc tính cơ học cao hơn vì MAT giữ cho các sợi roving không bị xô dạt. + Tiết kiệm được resin
4) Vải ROVING dệt (WR - Woven roving)
So với các dạng vải thủy tinh khác, vải thô dày hơn do sợi dệt lớn hơn. Trọng lượng của vải thô vào khoảng (0,3 1,2) kg/m2. Loại vải roving có trọng lượng trên (0,5 1,2) kg/m2 thường được áp dụng cho sản phẩm lớn, lớp gia cường dày như: bồn chứa, tàu thuyền,... Trong vật liệu composite FRP, vải roving thường được kết hợp với MAT CSM để có cấu trúc chặt chẽ, độ cứng và độ bền kéo tốt. tăng cường độ chịu uốn và va đập.
2.3.4.3. Chất xúc tác
Chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên gel và biến cứng của nhựa (đây là giai đoạn cho phép gia công và hoàn thành sản phẩm FRP). Chất xúc tác có 2 loại: Chất đông rắn (Catalyst) và chất gia tốc (Acelerator).
1) Chất đông rắn
Chất đông rắn thông dụng nhất cho nhựa polyester không no ở nhiệt độ thường là MEK (Methyl Ethyl Peroxide). Trong thành phần polyester lỏng có chứa các liên kết cacbon nối đôi c = c, đây là liên kết không bền, nếu có một tác nhân nào đó tác động sẽ bẽ gãy các liên kết c = c thành liên kết cacbon nối đơn c - c, tức là tạo nên quá trình polyester hóa, làm cho nhựa lỏng biến cứng, đó chính là chức năng của chất đông rắn. Thông thường hàm lượng chất đông rắn chiếm từ (0,55) % khối lượng nhựa nền (hàm lượng thường sử dụng là 1%).
2) Chất gia tốc
Chất xúc tác có chức năng thúc đẩy quá trình biến cứng của nhựa mà không ảnh hưởng đến tính chất của nó. Chất gia tốc thường sử dụng là các loại muối kim loại nặng như: Octoate Cobalt, Vezinat cobalt, Naptenat cobalt.
Hàm lượng chất gia tốc luôn ít hơn hàm lượng chất đông rắn, chỉ chiếm khoảng (0,20,5) % khối lượng nhựa. Khi sử dụng, chất gia tốc phải được hòa tan trong nhựa trước khi thêm chất đông rắn vào.
2.3.4.4. Các chất phụ khác
Ngoài các chất xúc tác nói trên, để nâng cao chất lượng sản phẩm vật liệu composite thì khi chế tạo thường bổ sung các chất phụ sau:
1) Chất làm bóng khuôn
Cho đến nay, vật liệu đánh bóng thông dụng nhất là sáp carnauba wax (thường gọi tắt là Wax). Độ bóng của hầu hết các bề mặt được tạo ra nhờ sự có mặt của loại sáp quý này. Wax được bán trên thị trường ở dạng lỏng hoặc kem đựng trong hộp (giống như xi đánh giày).
Ngoài Wax, người ta còn dùng sáp silicon để tạo độ bóng. Tuy nhiên, loại này ít sử dụng vì nó có thể tạo ra một số phản ứng không kiểm soát được với lớp gelcoat.
Khi cần tạo độ bóng cho bề mặt sản phẩm, người ta bôi lên bề mặt khuôn một lớp sáp mỏng và đều trước khi chế tạo.
Chất chống dính được sử dụng khi cần tách khuôn. Hiện nay, hai loại chất chống dính thông dụng nhất là polyvinyl alcohol (PVA) và sáp paraphin (còn gọi là sáp đèn cầy). Trong đó, PVA thường được pha loãng trong nước hoặc rượu methyl, không màu còn sáp paraphin được chế tạo ở dạng thỏi rắn có màu trắng đục. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3) Chất chống chảy
Thông thường nhựa gelcoat và các loại nhựa nền đã pha trộn sẵn chất chống chảy. Trong trường hợp nhựa mua về thuộc nhóm không có tính chống chảy có thể pha thêm các chất chống chảy như dầu castor chứa hydro hoặc keo silica aerogel và bột aerosil với tỷ lệ khoảng 5%. Khi pha trộn phải cẩn thận vì bản thân các chất này ít nhiều có gây hại đến sức khoẻ.
2.3.3. Công nghệ chế tạo composite
Khác với các công nghệ chế tạo vật liệu truyền thống, trong công nghệ chế tạo composite nhất thiết phải có khuôn. Sau khi tách khỏi khuôn thì sản phẩm có bề mặt (một hoặc cả hai mặt) bóng láng, màu sắc đa dạng, hoàn chỉnh không phải sơn phủ hay trang trí gì thêm đồng thời rất bền màu. Khuôn là yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng, vẻ đẹp của sản phẩm.
Phương pháp chế tạo vật liệu composite điển hình được áp dụng rộng rãi nhất là