- 1 - Lời nói đầu Đề tài: “Chế tạo vật liệu (bán thấm nước) từ polymer composte - sợi vải vụn và sợi xơ dừa”. Mục tiêu của đề tài . o Chế tạo một số sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần nâng cao khả năng tái sử dụng của một số phế liệu. o Sử dụng sợi vải phế thải và xơ dừa tự nhiên để tạo nên sản phẩm. o Sản phẩm được chế tạo theo hướng bán thấm nước áp dụng trong trồng trọt. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết. Chế tạo loại chậu cây cảnh có những tính chất riêng biệt: • Bền, nhẹ, nhiều màu sắc. • Sử dụng sợi vải phế liệu và xơ dừa tự nhiên. • Bước đầu thử nghiệm trồng thực vật thủy sinh. Những đánh chi tiết cần tiến hành tiếp tục trong thời gian, việc hiệu chỉnh các thành phần của vật liệu cho phù hợp với các loại cây khác nhau và điều chỉnh tốc độ bán thấm của vật liệu. - 2 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO . 1.1 VẬT LIỆU COMPOSITE. 1.1.1 Khái niệm chung về vật liệu composite. Vật liệu composite là loại vật liệu được kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau, nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất đặc biệt mà các vật liệu ban đầu không có được. Vật liệu polyme composite là hệ thống gồm hai hay nhiều pha. Trong đó pha liên tục (maxtrix) là polyme. Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác nhau (phụ gia) vật liệu composite được chia thành: • Vật liệu có phụ gia phân tán. • Vật liệu được tăng cường bằng sợi ngắn hay vẩy. • Vật liệu được tăng cường bằng sợi liên tục. • Vật liệu độn khí hay xốp. • Vật liệu là hỗn hợp polyme-polyme. Trong lĩnh vực polyme, vật liệu composite là các vật liệu đi từ nhựa polyme (chất nền) được gia cườ ng bằng các phụ gia (chất độn). NHỰA (Chất nền - Pha liên tục). Là chất kết dính, chuyển dạng rời rạc của vật liệu độn thành dạng liên tục và đóng vai trò chuyển ứng suất tập trung cho phụ gia (chất độn) do phụ gia có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nền. Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công, vật liệu composite có nhựa nền polyme tốt phải đả m bảo yêu cầu sau: - 3 - + Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn, để làm giảm ứng suất nội. + Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt phụ gia. + Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hoá rắn trong quá trình kết dính. + Chất kết dính có chứa nhóm hoạt động hay phân cực. Người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn làm nhựa polyme nền. Nói chung nhựa nhiệt dẻo có tính ch ất cơ-lý-hoá thấp hơn nhựa nhiệt rắn. PHỤ GIA. Pha gián đoạn có vai trò tạo nên độ bền cao, modun đàn hồi cao cho composite, là các điểm chịu ứng suất tập trung trong vật liệu. Dó đó chất độn phải có độ bền, modun đàn hồi cao, phải nhẹ để có độ bền riêng cao. Độn làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất độ n hoạt tính. Độn không làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là độn trơ. Chất độn được đánh giá dựa trên những đặc điểm sau: • Độ bền hoá chất môi trường. • Tính gia cường cơ học (độ cứng, độ đàn hồi). • Khả năng phân tán vào nhựa tốt. • Độ bền nhiệt, truyền nhiệt tố t. • Thuận lợi cho quá trình gia công. • Nhẹ, giá thành giảm, dễ kiếm. Tuỳ thuộc vào vật liệu polyme composite mà ta lựa chọn chất độn cho phù hợp. Có hai loại chất độn: Chất độn dạng bột và dạng hạt. Composite tạo thành là composite hạt - 4 - + Loại độn hữu cơ: như PVC, parafin, clo hoá…Được dùng chủ yếu làm chậm khả năng bắt lửa cho nhựa. + Bột kim loại: Sử dụng bột Fe, Al, Pb, Cu…tạo cho vật liệu một số tính chất đặc biệt chuyên dụng. + SiO 2 làm tăng độ bền ẩm, tăng tính cách điện và dễ gia công cho vật liệu. + Tale (3MgO.4SiO 2 .2H 2 O): Trong bột tale thường có lẫn tạp chất CaO, Al 2 O 3 và oxyt sắt. Tinh thể tale có dạng tấm, hình kim hoặc hình sợi. Bột tale mềm và trơ hoá học có khả năng tăng độ bền ẩm, bền nhiệt và bền hoá. + Bột nhẹ (CaCO 3 ): Là chất độn phân bố ở nhiều dạng khác nhau: Dạng hạt, bột mịn, hạt sa lắng. Có khả năng tăng độ ổn định kích thước, độ bền nhiệt và khả năng gia công của vật liệu. Bentonit (Al 2 O 3 .4SiO 2 .2H 2 O): Là chất độn bột phân tán tự nhiên có tác dụng chống nứt nẻ, tăng độ bền nhiệt. + Silicat (MgO.2SiO 2 .2H 2 O)…tăng độ ổn định kích thước, độ bền nhiệt, bền hoá, độ cứng và các tính chất cách điện của vật liệu. Đặc điểm việc độn dạng bột cho nhựa. + Giảm sự co rút thể tích. + Giảm giá thành cho sản phẩm. + Tăng thể tích cần thiết cho nhựa. + Tăng độ bền nén và modun ban đầu. + Cải thiện một vài tính chất (dẫn điệ n, dẫn nhiệt, chậm cháy, chậm chảy). + Tạo mỹ quan cho bề mặt gia cường bằng sợi. - 5 - Độn dạng sợi: Composite tạo thành là composite sợi gia cường. Các loại sợi thường được sử dụng như: sợi thuỷ tinh, sợi amian, sợi bo, sợi aramit, sợi thiên nhiên (sợi bông, sợi đay)… Vật liệu polyme composite được tăng cường bằng chất độn dạng sợi có độ bền cơ học cao hơn rất nhiều so với tăng cường chất độn dạng bột. 1.1.2. Đặ c điểm kỹ thuật của vật liệu composite + Độ bền cơ lý tốt. + Không bị gỉ sét. + Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn. + Chi phí đầu tư thấp. + Phương pháp gia công và chế tạo đơn giản và đa dạng. 1.1.3. Vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no Polyeste không no là nhựa nhiệt rắn, do có nhiều nhóm chức trong mạch nên thường có sức căng bề mặt, là chất kế t dính thích hợp cho chế tạo vật liệu composite. Có tính năng cơ-lý-hoá cao hơn hẳn nhựa nhiệt dẻo. Dễ gia công ở nhiệt độ thường, áp suất thường. Polyeste có độ phân cực trung bình, ít bị phân nhánh và có nhóm chức phân cực ở hai đầu. Có độ kết tinh thấp, nên có khả năng tương tác tốt với và thấm ướt với phụ gia tốt. Hơn nữa composite đi từ polyeste không no có giá thành giảm hơn (so với nhựa expoxy) và vi ệc điều chỉnh quá trình gia công rất dễ dàng. 1.1.4. Công nghệ chế tạo vật liệu composite. Có nhiều phương pháp gia công chế tạo vật liệu: Gia công dưới áp suất. - 6 - Gia công đúc ép nóng: Nhựa hay sợi độn được trộn đều cho vào khuôn đúc dưới áp suất và nhiệt độ cao. Sản phẩm định hình ba chiều. Đúc ép nguội: Chất độn trộn với nhựa nạp liên tục và kéo qua lõi có gia nhiệt, nhựa đóng rắn một phần hay hoàn toàn khi qua lõi tạo hình. Đúc tiêm: Độn cho vào khuôn rồi tiêm nhựa lỏng vào, sau đó gia nhiệt để đóng rắn. Cũng có thể trộn đều nhựa chấ t đóng rắn, độn rồi tiêm vào khuôn đồng thời phản ứng đóng rắn xảy ra. Phương pháp ép phun: Vât liệu được tăng cường bằng sợi xơ ngắn được định hình trước nếu cần, được đặt vào khuôn,sau đó khuôn được đóng lại kẹp chặt và nhựa được phun vào từ một đầu trộn. Phương pháp phun chân không: Nhựa được đưa vào khuôn bằng cách hút chân không. Phương pháp này tách bọt khí rất t ốt. Gia công áp suất thường. Gia công bằng tay: Dùng cọ hay con lăn quét nhựa lên khuôn đã phủ chất chống dính sau đó đặt vải lên rồi quét nhựa, dùng con lăn đuổi bọt khí và ép chặt, lần lượt đắp đến đạt bề dày yêu cầu. Phun phủ nhựa sợi: Sợi thô được cắt ngắn phun cùng một lúc với nhựa tuần tự cho đến khi đạt bề dày yêu cầu, dùng con lăn đ uổi bọt khí và ép chặt. Cuộn sợi: Sợi được kéo qua bể chứa nhựa cho thấm nhựa trước, sau đó cuộn phủ lên bề mặt khuôn. Túi chân không, túi áp suất: Xếp sợi đã được tẩm nhựa vào khuôn rồi phủ lên một lớp túi mềm dẻo. Hút chân không bên trong, các sợi sẽ ép vào trong, tách bọt ra sản phẩm hình thành gọi là phương pháp túi chân không. Ly tâm: Xếp sợi đã tẩm vào khuôn tròn sau đó quay ly tâm, lực ly tâm s ẽ định hình sản phẩm. - 7 - Phương pháp kết tủa: Áp dụng cho composite nền kim loại độn được gia cường kết hợp với nhựa nền bằng kết tủa hoá học. Ứng dụng của vật liệu composite Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu composite hết sức phong phú từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp… cho đến nhữ ng chi tiết và kết cấu phức tạp có yêu cầu đặc biệt trong máy bay hay tàu vũ trụ ứng dụng composite trong chế tạo chi tiết ôtô và các phương tiện giao thông trên mặt đất. Vật liệu composite được sử dụng phổ biến là chất dẻo thuỷ tinh. Mặc dù kém bền hơn chất dẻo cacbon nhưng rẻ tiền hơn nhiều. Vật liệu composite sử dụng trong chế tạo ô tô đem lại nhữ ng hiệu quả sau. + Giảm trọng lượng tiết kiệm nhiên liệu, tăng các thông số sử dụng. + Tăng độ lớn chi tiết, giảm chi phí sản xuất. + Giảm độ ồn và rung, tăng độ tiện nghi. + Giảm nguy hiểm cho con người khi xảy ra tai nạn. + Giảm số vốn đầu tư cho thiết bị sản xuất. Ứng dụng vật liệu composite trong đóng tàu: Được dùng làm vật liệu k ết cấu do phối hợp nhiều tính chất đặc biệt độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao bền với môi trường nước biển, đơn giản khi sử dụng và sửa chữa, không nhiễm từ, cách điện và độ dẫn nhiệt thấp hơn kim loại. Ngoài ra, các vật liệu đó còn cho phép sử dụng độ mềm dẻo của vật liệu vào các kết cấu mà những kim loạ i thông thường không có. Ứng dụng vật liệu composite trong công nghiệp hàng không. Khi sử dụng vật liệu composite trong lĩnh vực này, điều quan trọng nhất là giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy mà giảm được tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và bay tầm xa. - 8 - 1.2 NHỰA POLYESTE KHÔNG NO (UPE) Khái niệm Nhựa polyeste không no là sản phẩm của quá trình trùng ngưng của polyol với polyaxit, trong đó hoặc polyol hoặc polyaxit hoặc cả hai có chứa liên kết đôi, không no. Nhựa polyeste có khả năng tạo liên kết ngang với một monome không no. Nhựa polyeste không no dạng thương phẩm là sản phẩm tổng hợp bằng phản ứng giữa một glycol với một diaxit không no mà thông thường là axit meleic hoặc futaric. Nhựa polyeste chuyển sang trạng thái không hoà tan trong quá trình trùng hợp vớ i một monome không no thường là styren. Polyol: Dùng một hay hỗn hợp các loại: Propylene glycol: Có khuynh hướng kết tinh rất thấp nên tạo cho nhựa tương hợp tốt nhất với styren. Buthylene glycol: Tạo nhựa tương hợp tốt với styren, chịu ăn mòn, nhưng giá thành cao hơn. Diethylen glycol và Dipropylene glycol tạo ra nhựa tương hợp hoàn toàn với styren (vì không kết tinh) dẻo hơn và có nhiệt độ mềm cao hơn (khi đóng rắn) so với diol có cấu trúc đố i xứng. Tuy nhiên độ kháng nước của nó thấp hơn. Ethylene glycol, Trimethylene glycol, Tetramethylene glycol có khuynh hướng kết tinh lớn nên làm cho nhựa tương hợp kém với styren. Tuy nhiên nhựa từ các loại này chịu nén cao hơn, ít mất trọng lượng khi đun nóng và chịu được nhiệt cao hơn trước khi sự phân huỷ xảy ra. Rượu đa chức: Như glycerin, penthaerytriol, manitol, sorbitol. Được thêm vào một lượng rất ít và thường ở cuối quá trình tổng hợp để t ăng khả năng tạo - 9 - mạch nhánh, tăng độ nhớt, làm cho nhựa có nhiệt độ chảy mềm cao hơn và chịu nhiệt độ tốt hơn khi đã đóng rắn. Diol vòng thơm. Như các dẫn suất của bis phenol A, các loại này tạo ra nhựa có tính kháng hoá chất cao đặc biệt môi trường kiềm. Polyaxit Dùng riêng lẻ hay kết hợp để tạo cho nhựa đạt những tính chất mong muốn. Isophthalic axit: Tạo cho nh ựa dài hơn và ít mất những chất dễ bay hơi hơn so với Andehyphthalic khi đun nóng. Anhydridephthalic: Rất phổ biến và rẻ, được dùng để giảm hay tránh khả năng kết tinh dẫn đến tương hợp tốt với styren. Nó tạo cho nhựa sáng màu, bền nhiệt, bền môi trường và có những đặc tính thích hợp cho việc gia cường bằng sợi thuỷ tinh. Axit sebaric: Tạo nhựa mềm dẻo, dễ uốn, nh ưng kém chịu môi trường lửa. Axit rerephtalic: Tạo nhựa chịu nhiệt, kháng kiềm, tuy nhiên do có tạo ra nước nên phản ứng este hoá chậm. HET axit (hexachloro cyclo pentadiene) và tetrachlorophthalic axit : Làm giảm khả năng cháy của nhựa, tuy nhiên giá thành cao. Poly axit không no. Anhydride Maleic (AM): Rất phổ biến và rẻ, có khả năng phản ứng cao. Nhựa tạo ra tương hợp tốt với styren, kháng hoá chất và dung môi cao. Axit taconic: Tạo nhựa tương hợp tốt với styren và dẻo. Tuy nhiên, những este c ủa axit taconic có khuynh hướng tự động trùng hợp. Cho nên quá trình polyme hoá phải có chất kiềm hãm (hydroquinone). - 10 - Axit fumaric: Nhựa có khuynh hướng kết tinh và phản ứng có tạo ra nước dẫn đến sự este hóa chậm tạo ra nhựa có điểm chảy mềm lớn hơn. Monome khâu mạch ngang. Styren: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì: o Giá thành rẻ, dễ kiếm. o Dễ trùng hợp polyeste của meleic. o Nhựa vào styren đóng rắn nhanh và tạo ra sản phẩm chịu thời tiết tốt. o Có độ nhớt thấp. o Nhiệt độ sôi cao. Tuy nhiên: Styren rất dễ bị bay hơi (làm thất thoát), độc hại, tạo nhựa dễ bị biến màu, tạo nhựa có chiết xuất cao hơn thuỷ tinh. Methyl methacrylate: Tạo cho nhựa có chiết xuất thấp hơn, có độ bền thới tiết lớn và ít bị đổi màu hơn. Nhưng sự có mặt của methacrylate sẽ làm chậm quá trình đóng rắn cũng nh ư đóng rắn không hoàn toàn nhựa polyeste không no. Dichlostyren, Diallyl Benzenphosphale: Được dùng để làm giảm khả năng cháy của nhựa. Tuy nhiên vì giá thành cao nên bị giới hạn việc sử dụng. Dially phthalate : Có ưu điểm quan trọng là kém bay hơi hơn styren, khi đóng rắn tạo sản phẩm dai hơn so với dùng styren (vì có sự tăng mật độ liên kết ngang). Nhưng nhựa UPE với Dially phthalate khó đóng rắn ở nhiệt độ phòng - chỉ đóng rắn nóng. Etyl acrylate: Làm sản phẩm rất mềm và rất dễ uốn chỉ thích hợp sử dụng cho những loại nhựa polyeste cho nên rất cứng. Vinylacetate: Cũng được sử dụng nhưng không tương hợp với nhựa polyeste từ maleic