Giới thiệu vật liệu compozit Vật liệu Compozit vật liệu chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Compozit cấu tạo từ thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Compozit có đặc tính học cần thiết vật liệu đảm bảo cho thành phần Compozit liên kết, làm việc hài hoà với Lịch sử hình thành phát triển: Vật liệu Compozit xuất từ lâu sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại biết vận dụng vật liệu compozit vào sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo dãn nở trình nung đồ gốm) Người Ai Cập biết vận dụng vật liệu Compozit từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình vỏ thuyền làm lau, sậy tẩm pitum sau thuyền đan tre chát mùn cưa nhựa thông hay vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ sản phẩm Compozit áp dụng rộng rãi đời sống xã hội Sự phát triển vật liệu compozit khẳng định mang tính đột biến vào năm 1930 mà stayer Thomat nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis Foster dùng gia cường cho Polyeste không no giải pháp áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng ngành vật liệu Compozit xuất nhựa Epoxy sợi gia cường Polyeste, Nylon,… Từ năm 1970 đến vật liệu compozit chất dẻo đưa vào sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp dân dụng,y tế, thể thao, quân vv… Ưu điểm: Tính ưu việt vật liệu Compozit khả chế tạo từ vật liệu thành kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác mà ta mong muốn, thành phần cốt Compozit có độ cứng, độ bền học cao, vật liệu đảm bảo cho thành phần liên kết hài hoà tạo nên kết cấu có khả chịu nhiệt chịu ăn mòn vật liệu điều kiện khắc nghiệt môi trường Một ứng dụng có hiệu Compozit polyme, vật liệu có nhiều tính ưu việt có khả áp dụng rộng rãi, tính chất bật nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với mơi trường ăn mịn hố học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo nhiệt độ áp suất định dễ vận dụng thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho trình sản xuất PHÂN LOẠI COMPOZIT: Vật liệu compozit phân loại theo hình dạng theo chất vật liệu thành phần - Phân loại theo hình dạng a Vật liệu compozit độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi compozit độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng lý tính cho polymer b Vật liệu compozit độn dạng hạt : Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer Hạt khác sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên - Phân loại theo chất, thành phần • Compozit hữu (nhựa, hạt) với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhơm…) • Compozit kim loại: kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)… • Compozit khống (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)… CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT 1) Polymer nền: Là chất kết dính, tạo mơi trường phân tán, đóng vai trị truyền ứng suất sang độn có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ chất hỗn hợp nhiều chất trộn lẫn cách đồng tạo thể liên tục Trong thực tế, người ta sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền: •Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn trộn với nhựa, gia công máy ép phun trạng thái nóng chảy •Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polyester khơng no tiến hành điều kiện thường, gia công tay (hand lay- up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có tính cao nhựa nhiệt dẻo •Một số loại nhựa nhiệt rắn thơng thường: Polyester: Nhựa polyester sử dụng rộng rãi công nghệ compozit, Polyester loại thường loại không no, nhựa nhiệt rắn, có khả đóng rắn dạng lỏng dạng rắn có điều kiện thích hợp Thơng thường người ta gọi polyester khơng no nhựa polyester hay ngắn gọn polyester Polyester có nhiều loại, từ acid, glycol monomer khác nhau, loại có tính chất khác Chúng khác loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: Thành phần nguyên liệu (loại 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 yếu tố trên, người ta tạo nhiều loại nhựa UPE có tính chất đặc biệt khác tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng Có hai loại polyester thường sử dụng cơng nghệ compozit Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, sử dụng rộng rãi Cịn nhựa isophthalic lại có khả kháng nước tuyệt vời nên xem vật liệu quan trọng công nghiệp, đặc biệt hàng hải Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường pha lỗng styrene Lượng styrene lên đến 50% để làm giảm độ nhớt nhựa, dễ dàng cho trình gia cơng Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang phân tử mà tạo thành sản phẩm phụ Polyester cịn có khả ép khn mà khơng cần áp suất Polyester có thời gian tồn trữ ngắn tượng tự đóng rắn sau thời gian Thông thường, người ta thêm vào lượng nhỏ chất ức chế trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa tượng Nhà sản xuất cung cấp nhựa dạng tự nhiên hay có dùng số phụ gia Nhựa sản xuất để cần cho xúc tác vào sử dụng Như đề cập trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn Tốc độ trùng hợp q chậm cho mục đích sử dụng, cần dùng chất xúc tác chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp nhựa khoảng thời gian Khi đóng rắn, polyester cứng có khả kháng hố chất Q trình đóng rắn hay tạo kết ngang gọi trình Polymer hóa Đây phản ứng hố học có chiều Cấu trúc không gian cho phép nhựa chịu tải mà khơng bị giịn Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước sử dụng Nhựa phụ gia khác phải phân tán trước cho xúc tác vào Phải khuấy cẩn thận để loại bỏ bọt khí nhựa ảnh hưởng trình gia cơng Điều quan trọng bọt khí cịn nhựa ảnh hưởng tính chất lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải ý việc dùng xúc tác xúc tiến với hàm lượng vừa đủ cho vật liệu tính chất tốt Nếu nhiều xúc tác làm q trình gel hố xảy nhanh hơn, ngược lại, xúc tác q trình đóng rắn bị chậm lại Vinylester: Vinylester có cấu trúc tương tự polyester, điểm khác biệt chủ yếu với polyester vị trí phản ứng, thường cuối mạch phân tử vinylester có kết đơi C=C hai đầu mạch mà thơi Tồn chiều dài mạch phân tử sẵn chịu tải, nghĩa vinylester dai đàn hồi polyester Vinylester có nhóm ester polyester, nhóm ester dễ bị thủy phân, tức vinylester kháng nước tốt polyester khác, thường ứng dụng làm ống dẫn bồn chứa hoá chất Khi so sánh với polyester số nhóm ester vinylester hơn, nghĩa vinylester bị ảnh hưởng phản ứng thủy phân Thường dùing vật liệu lớp phủ bên cho sản phẩm ngập nước, vỏ ngồi tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn vinylester có khuynh hướng dai polyester, để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn Epoxy: Epoxy đại diện cho số nhựa có tính tốt Nói chung, epoxy có tính lý, kháng mơi trường hẳn nhựa khác, loại nhựa sử dụng nhiều chi tiết máy bay Với tính chất kết dính khả kháng nước tuyệt vời mình, epoxy lý tưởng để sử dụng ngành đóng tàu, lớp lót cho tàu chất lượng cao lớp phủ bên vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân nước gelcoat Nhựa epoxy tạo thành từ mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng vị trí cuối mạch Nhựa epoxy khơng có nhóm ester, khả kháng nước epoxy tốt Ngồi ra, có hai vịng thơm vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất nhiệt tốt mạch thẳng, vậy, epoxy cứng, dai kháng nhiệt tốt Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng khơng gian ba chiều Chất đóng rắn ưa sử dụng amine, cho vào epoxy, lúc chúng xảy phản ứng hố học Thường nhóm epoxy phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo tỉ lệ định, yếu tố quan trọng việc trộn tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy hoàn tồn Nếu tỉ lệ trộn khơng nhựa chưa phản ứng chất đóng rắn cịn dư hỗn hợp ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn xác, nhà sản xuất thường cơng thức hố thành phần đưa tỉ lệ trộn đơn giản cách đo khối lượng hay thể tích chúng Cả nhựa epoxy lỏng tác nhân đóng rắn có độ nhớt thấp thuận lợi q trình gia cơng Epoxy đóng rắn dễ dàng nhanh chóng nhiệt độ phịng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn Một ưu điểm bật epoxy co ngót thấp đóng rắn Lực kết dính, tính chất lý epoxy tăng cường tính cách điện khả kháng hố chất Ứng dụng epoxy đa dạng, dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, keo trám, bột trét, sơn 2) Chất độn( cốt): Đóng vai trị chất chịu ứng suất tập trung độn thường có tính chất lý cao nhựa Người ta đánh giá độn dựa đặc điểm sau: • Tính gia cường học • Tính kháng hố chất, mơi trường, nhiệt độ • Phân tán vào nhựa tốt • Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt • Thuận lợi cho q trình gia cơng • Giá thành hạ, nhẹ Tuỳ thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà người ta chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn: • Độn dạng sợi: sợi có tính lý hoá cao độn dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide… • Độn dạng hạt: thường sử dụng : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả gia cường tính chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau: - Giảm giá thành - Tăng thể tích cần thiết độn trơ, tăng độ bền lý, hoá, nhiệt, điện, khả chậm cháy độn tăng cường - Dễ đúc khuôn, giảm tạo bọt khí nhựa có độ nhớt cao - Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đóng rắn, che khuất sợi cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt đóng rắn Cốt sợi sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bơng…), sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, sợi… Việc trộn thêm loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền học độ bền hoá học vật liệu PC : khả chịu va đập ; độ giãn nở cao; khả cách âm tốt; tính chịu ma sát - mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo độ kéo đứt cao; khả chịu mơi trường ăn mịn như: muối, kiềm, axít… Những khả chứng tỏ tính ưu việt hệ thống vật liệu PC so với loại Polyme thơng thường Và, tính ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC sử dụng rông rãi sản xuất đời sống 3) Chất pha lỗng: Tính chất cuả polyester phụ thuộc vào hàm lượng nối đôi nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà cịn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer Các monomer khâu mạch ngang dùng để đồng trùng hợp với nối đôi nhựa UPE, tạo kết ngang, thường chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên cịn có tác dụng làm giảm độ nhớt hỗn hợp, chúng cịn gọi chất pha lỗng Monomer pha lỗng phải thỏa mãn điều kiện sau: • Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm khơng đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất cuả sản phẩm, cịn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, bền • Monomer phải tạo hỗn hợp đồng với polyester, tốt dung mơi cho polyester Lúc hồ tan hồn tồn vào mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn tạo độ nhớt thuận lợi cho q trình gia cơng • Nhiệt độ sơi cao, khó bay q trình gia cơng bảo quản • Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp co rút • Ít độc Để đóng rắn polyester, người ta dùng monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … styrene sử dụng nhiều có tính chất ưu việt: • Có độ nhớt thấp • Tương hợp tốt với polyester, khả đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp • Đóng rắn nhựa nhanh • Sản phẩm chịu thời tiết tốt, lý tính cao, cách điện tốt • Khả tự bốc cháy thấp 4) Chất tách khn, chất làm kín phụ gia khác: • Chất tách khn - Chất tách khn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn - Chất tách khuôn dùng đắp tay loại chất róc khn ngoại bơi trực tiếp lên khn - Một số chất róc khn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo… • Chất làm kín: - Với khuôn làm từ vật liệu xốp gỗ, thạch cao cần phải bơi chất làm kín trước dùng chất róc khn - Các chất làm kín xâm nhập vào lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào - Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài… • Chất tẩy bọt khí - Bọt khí làm sản phẩm compozit bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết thẩm mỹ bề mặt - Lượng thường sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa - Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước dùng thành phần khác • Chất thấm ướt sợi: - Có tác dụng tăng khả thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều - Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn • Chất tăng độ phân tán • Chất ngăn thoát styrene 5) Xúc tác – Xúc tiến: • Xúc tác Các chất xúc tác cho vào nhựa trước gia cơng Vai trị chúng tạo gốc tự kích động cho q trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp Tác nhân kích thích cho tạo thành gốc tự chất xúc tiến, xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ Chất xúc tác gồm loại Xúc tác Peroxide Peroxide: thơng dụng benzoil-peroxide Nó loại bột trắng, tồn ba dạng: khô (khoảng 5% ẩm), paste nước (khoảng 25% nước), thông dụng paste tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide) Nó dùng để đóng rắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng 80Oc) thường dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa Ngoài chất xúc tác thuộc loại peroxide cịn 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 HCH dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester MEKP tên viết tắt cuả metyl ethyl keton peroxide, thực chất hỗn hợp số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất Nó chất oxi hố mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi HCH sản phẩm phản ứng hydroperoxide với cyclohexanol peroxide gọi tên cyclo-hexanol peroxide Tuy nhiên hỗn hợp hai bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg Becke) Xúc tác azo diazo Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5 Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-C2H5 • Chất xúc tiến Chất xúc tiến chất đóng vai trị xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự cuả chất xúc tác Dùng chất xúc tiến giảm nhiệt độ thời gian đóng rắn cách đáng kể đóng rắn nguội Gồm loại: Xúc tiến kim loại Xúc tiến kim loại muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri, … acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hoà tan tốt polymer Loại xúc tác thường dùng chung với chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH) Naphtheniccobalt loại thông dụng thường dùng Ngoài xúc tiến kim loại dạng muối, người ta cịn dùng dạng phức, ví dụ: Ferrocen, dạng phức dicyclopentadienyl cuả sắt dùng để xúc tiến cho cumen peroxit cần đóng rắn nhanh nhiệt độ khoảng 80oC Amin bậc ba Loại xúc tiến thường dùng với chất xúc tác peroxide, thuộc loại thường gặp Dimetyl-aniline ( DMA ) : C6H5N(CH3)2 Dietyl-aniline ( DEA ) : C6H5N(C2H5)2 Dimetyl-p-toluidin ( DMPT ) : CH3C6H5N(CH3)2 ỨNG DỤNG - Thế giới: Với lịch sử phát triển phong phú mình, vật liệu compozit nhiều nhà nghiên cứu khoa học giới biết đến Việc nghiên cứu áp dụng thành công vật liệu nhiều nước giới áp dụng Đại chiến giới thứ hai nhiều nước sản xuất mày bay, tàu chiến vũ phụ vụ cho chiến Cho đến vật liệu Compozit polyme sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa ưu đặc biệt giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng khơng vũ trụ sử dụng vật liệu vào việc cánh máy bay, mũi máy bay số linh kiện, máy móc khác hãng Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử sử dụng để sản xuất chi tiết, bảng mạch linh kiện Ngành cơng nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nơ; ngành dân dụng y tế (hệ thống chân, tay giả, giả, ghép sọ…, ngành thể thao, đồ dùng thể thao gậy gôn, vợt tennit… ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác - Việt Nam: Vật liệu compozit áp dụng hầu hết ngành, lĩnh vực kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit tiêu thụ Việt Nam khoảng 5.000 năm; Hà Nội có đề tài nghiên cứu compozit cấp thành phố tuyển trọn, theo vật liệu compozit sử dụng nhiều đời sống xã hội Tại khoa bệnh viện trung ương Quân đội 108 sử dụng vật liệu Compozit vào việc ghép thưa, ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng ghế ngồi, mái che nhà thi đấu, sân vận động trung tâm văn hoá…Việt Nam ứng dụng vật liều Compozit vào lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt sứ cách điện TẦM QUAN TRỌNG CỦA COMPOZIT Compozit ứng dụng rộng rãi trong: Trong giao thông vận tải: Thay loại sắt, gỗ, ván VD: càng, thùng trần loại xe oto, số chi tiết xe môtô Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu Trong ngành hàng không: Thay vật liệu sắt, nhôm máy bay dân dụng, quân Trong quân đội: Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu quân đội như: bồn chứa nước hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn Trong cơng nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat epoxy nhựa vinyleste) Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat epoxy) Trong dân dụng: Sản phẩm sơn mài: bình, tơ, chén, đũa Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn ... xuất PHÂN LOẠI COMPOZIT: Vật liệu compozit phân loại theo hình dạng theo chất vật liệu thành phần - Phân loại theo hình dạng a Vật liệu compozit độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi,... Chất làm kín: - Với khn làm từ vật liệu xốp gỗ, thạch cao cần phải bơi chất làm kín trước dùng chất róc khn - Các chất làm kín xâm nhập vào lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào - Một số chất làm kín:... Tính ưu việt vật liệu Compozit khả chế tạo từ vật liệu thành kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác mà ta mong muốn, thành phần cốt Compozit có độ cứng, độ bền học cao, vật liệu đảm bảo