ĐỘT PHÁ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TẠO CÁCH BIỆT

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
VẬT LIỆU COMPOSITE NHIỆT RẮN

I – ĐỊNH NGHĨA

– Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu thành phần có bản chất khác nhau. Vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của các vật liệu thành phần khi xét riêng lẻ.
– Vật liệu composite nhựa nhiệt rắn, gọi tắt là vật liệu composite được cấu thành từ nền nhựa nhiệt rắn, chất độn và một số phụ gia.

II – PHÂN LOẠI

– Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.

II.1 – Phân loại theo hình dạng

a. Vật liệu composite độn dạng sợi:

– Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền.

b. Vật liệu composite độn dạng hạt:

– Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên.

II.2 – Phân loại theo bản chất, thành phần

* Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

* Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)

* Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)

III – CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

III.1 – Polymer nền

* Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.

* Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.

* Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:

– Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC… độn được trộn với độn, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.

– Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay- up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.

III.2 – Chất độn

– Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

* Tính gia cường cơ học.
* Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
* Phân tán vào nhựa tốt.
* Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
* Thuận lợi cho quá trình gia công.
* Giá thành hạ, nhẹ.

– Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn:

0 Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…

0 Độn dạng hạt: thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau:

  • giảm giá thành
  • tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường.
  • dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
  • cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.

IV – ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT

– Vật liệu composite rất đa dạng, phong phú và được sử dụng rộng rãi trong các lãnh vực của cuộc sống do các đặc điểm ưu việt của nó:

  • Giá thành rẻ hơn thép không rỉ.
  • Tỉ số tính năng cơ lý/giá thành và tỉ số tính năng cơ lý/khối lượng cao hơn sắt thép rất nhiều.
  • Phương pháp gia công chế tạo đơn giản và đa dạng.
  • Dễ tạo hình, thay đổi va( sửa chữa.
  • Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.
  • Nhẹ hơn nhôm và chi phí thấp.

V – ỨNG DỤNG

  • Vật liệu gia dụng: bồn tắm, tấm cách nhiệt, cách âm, lavabo, tủ, giường…(có vật liệu composite đi từ sợi thực vật [sơ dừa, đay..] kết hợp nhựa tạo thanh chịu lực).
  • Vật liệu điện: vi mạch, board mạch có khả năng cách điện, chịu nhiệt, không nhiễu từ, hộp điện.
  • Thủy lợi, giao thông:
  • Khung xe hơi bằng sợi thủy tinh, khung xe đạp, xe máy bằng sợi carbon xe nhẹ, chịu va đập.
  • Tàu thủy: di chuyển nhanh, tiết kiệm năng lượng bảo vệ rừng.
  • Cửa thủy lợi, cửa đập: do nước ở cửa đập là nước lợ, nếu cửa làm bằng thép dễ bị rỉ sét. Nay thay bằng vật liệu composite bên trong có sườn là thép để chống mặn.
  • Hàng không: thân và cánh máy bay làm bằng vật liệu composite nhẹ.

CHƯƠNG 1: THÀNH PHẦN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

Thành phần chính của vật liệu composite là:

  • Polymer nền
  • Chất độn
  • Phụ gia: chất chống cháy, chống chảy, chống UV, tạo bọt.

I – NHỰA:

– Nhựa dùng trong vật liệu composite là vật liệu nền, là chất kết dính với sợi. Nhựa cần có tỷ trọng nhỏ để tạo cho vật liệu composite các tính năng cơ học cao. Các tính chất cần có của nhựa sử dụng trong vật liệu composite là:

  • Có tính chất cơ lý cao
  • Khả năng kết dính tốt
  • Độ cứng cao
  • Khả năng kháng môi trường cao.

I.1 – Một số đặc tính của nhựa:

I.1.1 – Tính cơ lý: Đường cong dưới đây cho thấy đặc tính của nhựa dưới tải trọng:

Untitled

Theo giản đồ, nhựa có độ bền cực đại cao, độ cứng cao (thể hiện ở độ dốc của đuờng cong). Ban đầu, độ cứng cao nhưng nó không duy trì được khi xuất hiện hiện tượng phá hủy.

I.1.2 – Tính kết dính:

– Bất cứ hệ nhựa nào cũng cần phải có sự kết dính tốt với vật liệu gia cường. Điều này sẽ đảm bảo khả năng chịu lực của vật liệu dưới tác dụng lực.

I.1.3 – Tính chất dai của vật liệu:

– Độ dai thể hiện khả năng phát triển vết nứt của vật liệu nhưng trong Composite tính chất này rất khó đo. Tuy nhiên, dựa vào đuờng cong ứng suất và biến dạng cũng có thể thấy được tính chất này.

I.1.4 – Tính chất chịu môi trường của hệ nhựa:

– Khả năng chịu môi trường, nước và các hoạt chất khác cùng với khả năng chịu được ứng suất tuần hoàn là đặc tính chủ yếu của các hệ nhựa. Những đặc tính này rất quan trọng khi sử dụng vật liệu trong môi trường biển.

– Có hai loại nhựa: nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.

I.2 – Phân loại nhựa:

I.2.1 – Nhựa nhiệt dẻo:

Nhựa nhiệt dẻo giống như kim loại, khi có nhiệt sẽ mềm và nóng chảy, và cứng trở lại khi nguội. Các loại nhựa nhiệt dẻo như PA, PP, ABS …có thể được gia cường với các loại sợi ngắn như sợi thủy tinh.

I.2.2 – Nhựa nhiệt rắn:

Nhựa nhiệt rắn đuợc tạo hình bằng các phản ứng hóa học; nhựa cùng với chất đóng rắn được trộn chung và trải qua các phản ứng không thuận nghịch do vậy nhựa trở nên cứng không nóng chảy được. Trong một vài nhựa nhiệt rắn, như nhựa Phenolic, các chất bay hơi được coi như là các sản phẩm phụ (phản ứng trùng ngưng). Các loại nhựa nhiệt rắn khác như Polyster, Epoxy đóng rắn bằng các cơ chế không tạo ra sản phẩm phụ nào.

Các loại nhựa nhiệt rắn thường sử dụng trong công nghệ vật liệu composite:

  • Nhựa polyester không no: Nhựa iso, nhựa ortho, v.v…
  • Nhựa vinylester
  • Nhựa epoxy.

– Trong đó, nhựa polyeste là loại nhựa thông dụng nhất được sử dụng để chế tạo vật liệu composite.

I.3 – Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

I.3.1 – Polyester

– Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thông thường người ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester.

– Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:

  • Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng)
  • Phương pháp tổng hợp
  • Trọng lượng phân tử
  • Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)
  • Hệ chất độn

– Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.

– Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite. Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải.

– Hình minh họa dưới đây cho thấy cấu trúc hoá học lý tưởng của một polyester. Chú ý vị trí của nhóm ester (CO-O-C) và những vị trí phản ứng (C*=C*) trong mạch phân tử.

Untitled

– Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene. Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công. Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần dùng áp suất.

– Polyester có thời gian tồn trữ ngắn, do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian. Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.

– Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có thêm một số phụ gia. Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng thêm chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.

– Hình dưới đây minh họa mạch phân tử polyester khi chưa đóng rắn, B là vị trí phản ứng trong phân tử.

Untitled

– Khi cho thêm styrene S, cùng với xúc tác, Styrene sẽ nối các mạch phân tử của polymer tại vị trí phản ứng tạo ra cấu trúc mạng không gian ba chiều như hình sau:

Untitled

– Sau khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay tạo liên kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn.

– Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng việc thêm xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.

Untitled

* Các loại nhựa polyester:

  • Nhựa ortophtalic: Sự có mặt của anhidrid bão hòa làm giảm số nối đôi và giảm sự kết mạng với monomer vì vậy có thể thay đổi mức độ dẻo hóa của nhựa.
  • Nhựa chịu va đập: Anhidrid orthophtalic được thay thế bằng acid mạch thẳng (adipic, succinic) và thay PPG bằng PEG, DPG. Loại nhựa này ít dùng một mình mà phải pha với các loại nhựa khác để tăng tính dẻo và chịu sốc của vật liệu.
  • Nhựa isophtalic: Có nhiều ưu điểm so với các loại nhựa khác (độ bền cơ, độ bền lão hóa, bền nhiệt, bền hóa), được dùng nhiều trong công nghệ thực phẩm.
  • Nhựa terephtalic: Chịu bền lão hóa tốt hơn ở nhiệt độ cao, chịu được các sản phẩm dầu mỏ.

* Tính chất cơ lý của một số loại nhựa polyester thông dụng:

– Nhựa đắp cho mục đích thường SHCP 268

Untitled

– Nhựa polyester dùng để bọc SHCP 261

Untitled

I.3.2 – Vinylester

– Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có liên kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn sàng chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất.

– Hình dưới đây là cấu trúc lý tưởng của vinylester. Chú ý vị trí của nhóm ester và vị trí phản ứng (C*=C*) trong mạch phân tử.

Untitled

– Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinyl ester ít hơn, nghĩa là vinyl ester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân. Thường dùng vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng rắn của vinyl ester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn.

Untitled

I.3.3 – Epoxy

– Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat.

– Epoxy đơn giản nhất có cấu trúc vòng gọi là -epoxy hay 1,2-epoxy. Cấu trúc lý tưởng được biểu diễn bởi hình vẽ dưới đây, có thể dễ dàng xác định nó trong bất kỳ phân tử epoxy phức tạp nào.

Untitled

– Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt.

– Đây là cấu trúc điển hình của epoxy, chú ý là không có nhóm ester trong mạch phân tử.

Untitled

– Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất đóng rắn ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học. Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn không đúng, nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn.

– Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng.

– Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công.

– Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường thêm bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.

– Ứng dụng của epoxy rất đa dạng: keo dán, hỗn hợp trám xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.

II – XÚC TÁC – XÚC TIẾN

II.1 – Xúc tác

– Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.

– Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.

– Chất xúc tác gồm các loại sau :

II.1.1 – Xúc tác Peroxide:

* Peroxide : thông dụng nhất là benzoil-peroxide

Untitled

– Nó là loại bột trắng, tồn tại ở ba dạng: khô (khoảng 5% ẩm), paste trong nước (khoảng 25% nước), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide). Nó được dùng để đóng rắn nhựa polyester  (ở nhiệt độ khoảng trên 80oC) và thường được dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa. Khi cho vào nhựa nó thường ở dạng paste vì ở dạng khô nó không phân tán đều vào nhựa.

Ngoài ra các chất xúc tác thuộc loại peroxide còn có:

  • Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3
  • Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3
  • Hydroperoxide :
  • t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH
  • + Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH

Hai loại MEKP và HCH được dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester.

* MEKP là tên viết tắt của metyl ethyl keton peroxide, nó thực chất là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Theo Karnojitzki nó gồm các hợp chất chính sau đây:

Untitled

– MEKP thường được sử dụng ở dạng dung dịch 50-60% trong dimetyl pthalate với lượng từ 0,1 – 0,2%. Nó là chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi.

– HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide và được gọi tên là cyclo-hexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke)

Untitled

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

Mây thẻ

%d bloggers like this: