Chương 1: Tổng quan Xét quá trình thấm ướt của lớp chất lỏng (polymer) trên một bề mặt rắn (sợi gia cường): Toàn bộ bề mặt có năng lượng tương tác và năng lượng tự do trên đơn vị diện tích của liên diện rắn-khí, lỏng-khí và rắn-lỏng lần lượt là γSG, γLG ,γSL. dA: sự gia tăng diện tích bao phủ của chất lỏng, yêu cầu cung cấp thêm năng lượng để tạo ra vùng liên diện mới (rắn-lỏng và lỏng-khí). Năng lượng thêm (γRLdA+γLGdA)≤ γSGdA hay (γRL+γLG)≤ γSG Hệ số khuếch tán,SC, được định nghĩa: SC=γSG- (γRL+γLG) Nếu SC>0, quá trình thấm ướt xảy ra và nếu γSG ≤ γLG, quá trình thấm ướt không xảy ra. Năng lượng tự do của liên diện được đo bằng J/m2 và tương đương với sức căng bề mặt (N/m2).
Ta có γSG=γSL+γLGCosθ, với θ gọi là góc tiếp xúc thường dùng xác định mức độ thấm ướt. θ=180o: không xảy ra quá trình thấm ướt, giọt nước có dạng hình cầu. θ=0o: quá trình thấm ướt hoàn toàn. 0o<θ<180o: mức độ thấm ướt tăng khi θ giảm, thông thường chất lỏng không thấm ướt lên bề mặt rắn khi θ>90o.3: Mô hình xác định góc thấm ướt.
Liên diện giữa sợi và nhựa nền ảnh hưởng đến sự giảm cấp tính chất cơ lý của vật liệu composite. Vì vậy, tính chất liên diện tốt sẽ nâng cao khả năng sử dụng vật liệu composite. Để tạo liên diện tốt, biến tính hóa học bề mặt sợi là một phương pháp xử lý hiệu quả cao. Biến tính hóa học sợi thiên nhiên bao gồm nhiều cách khác nhau nhằm giảm số lượng nhóm hydroxyl (OH) hay tạo liên kết giữa sợi và nhựa nền.
Về cơ bản việc đưa vào vật liệu thứ ba (tác nhân tương hợp) với những tính Trang 5 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan chất trung gian sẽ đem lại khả năng tương hợp tốt giữa sợi phân cực và nhựa nền ít phân cực hoặc không phân cực. Liên diện giữa sợi-nhựa cũng được nghiên cứu giống như liên kết nền-cốt trong vật liệu composite nói chung và cũng tuân theo bốn liên kết sau: Lực hấp phụ và thấm ướt: nguyên tử hoặc phân tử của hai thành phần có thể xảy ra sự hấp phụ ở liên diện tạo nên liên kết hấp phụ. Ví dụ trong trường hợp polymer liên kết này do các phân tử quấn bện vào nhau. Liên kết tĩnh điện: sự bám dính của một polymer lên bề mặt vật liệu là do sự tích điện trái dấu trên bề mặt polymer với vật liệu tiếp xúc.
Liên kết hóa học: sự bám dính là do tương tác giữa các nhóm hóa học, sự phân cực được mang trên hai bề mặt tiếp xúc hay từ sự hình thành các liên kết hóa học giữa hai bề mặt. Liên kết cơ học: sự bám dính của polymer là do tác động cơ học, sự móc vào nhau giữa hai bề mặt của vật liệu khi vật liệu có các lỗ trống, khe nứt hoặc bề mặt gồ ghề. Để đạt được điều này yêu cầu polymer không những phải có độ nhớt thích hợp mà còn phải có tính chất lưu biến thích hợp để có thể chảy vào các lỗ rỗng bề mặt vật nền trong một khoảng thời gian thích hợp. Các phương pháp gia công vật liệu FRP a.
Phương pháp lăn tay (hand lay-up) Hình 1.4: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp lăn tay. Ưu điểm: ¾ Thông dụng, phổ biến, dễ làm, đầu tư ít. ¾ Gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp, góc cạnh, có kích thước lớn. ¾ Thay đổi cấu trúc sản phẩm dễ dàng.
Trang 6 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan ¾ Dễ dàng đưa và ghép các chi tiết vào sản phẩm. Nhược điểm: ¾ Năng suất thấp, lao động nặng. ¾ Sản phẩm chỉ láng đẹp có một mặt. ¾ Chất lượng sản phẩm không đồng đều phụ thuộc vào tay nghề của người gia công.
¾ Thời gian gel phải kéo dài, nhựa cần có độ nhớt thấp, do đó ảnh hưởng đến cơ tính nếu sử dụng chất pha loãng. ¾ Dung môi bay hơi ảnh hưởng đến sức khỏe của người gia công và gây ô nhiễm môi trường. ¾ Phế liệu nhiều và khó xử lý: bavia, mài, xử lý cơ học. Phương pháp phun (spray up) Hình 1.5: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp phun.
Sợi được cắt ngắn trong súng cầm tay và gắn vào bình phun chứa nhựa đã có chất xúc tác sau đó phun vào khuôn, vật liệu sẽ đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm: năng suất cao, sử dụng thiết bị đơn giản, giá thành thấp. Nhược điểm: ¾ Sản phẩm có tỷ lệ nhựa/sợi cao, chỉ có sợi ngắn mới có khả năng kết hợp. Tuy nhiên, sợi ngắn làm tăng cơ tính không nhiều.
¾ Nhựa cần có độ nhớt thấp để có thể phun, điều này ảnh hưởng đến tính chất cơ-nhiệt của composite. ¾ Hàm lượng dung môi (styren) trong phương pháp này cao gây ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường. Trang 7 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan c. Phương pháp quấn sợi (filament winding) Phương pháp này chủ yếu làm các sản phẩm rỗng hình tròn hoặc oval như ống, thùng,…sợi liên tục được kéo qua các bể nhựa trước khi quấn vào trục theo những hướng khác nhau đã được điều chỉnh và cài đặt sẵn.6: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp quấn.
Ưu điểm: ¾ Nhanh, năng suất cao, có tính kinh tế cao để gia công vật liệu. ¾ Lượng nhựa có thể điều chỉnh được. ¾ Sản phẩm có độ bền cao, chịu áp lực lớn. Nhược điểm: ¾ Chỉ có thể làm được các sản phẩm có hình dạng lồi.
¾ Giá thành của trục quấn cao khi làm sản phẩm có kích thước lớn. ¾ Bề mặt ngoài của sản phẩm không có khuôn nên không đẹp. ¾ Dùng nhựa có độ nhớt thấp. Phương pháp chuyển nhựa vào khuôn (RTM: resin tranfer molding) Hình 1.7: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp RTM.
Phương pháp chuyển nhựa vào khuôn gồm 5 giai đoạn cơ bản: 1. Tạo preform: sợi khô được tạo hình bằng cách đan, dập hoặc phun thành hình dạng giống sản phẩm. Xếp preform vào khuôn kín. Đóng khuôn và chuyển nhựa vào khuôn dưới áp suất thấp (<100psi).
Đóng rắn nhựa trong khuôn (thường kèm theo quá trình gia nhiệt để rút ngắn thời gian gel của nhựa). Trang 8 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan 5. Tháo khuôn và hoàn tất sản phẩm. Ưu điểm: ¾ Chất lượng sản phẩm tốt, dung sai nhỏ.
¾ Bề mặt sản phẩm láng đẹp ở tất cả các mặt. ¾ Thời gian tạo sản phẩm ngắn, tốn ít lao động. ¾ Sử dụng áp suất nhỏ. Nhược điểm: ¾ Vốn đầu tư lớn.
¾ Không phải tất cả các loại nhựa có độ nhớt thấp đều thích hợp cho phương pháp này. ¾ Có thể gặp khó khăn trong việc thấm ướt hoàn toàn sợi. ¾ Không kinh tế nếu sản xuất với lượng nhỏ sản phẩm.8: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép hút chân không.9: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép. Ưu điểm: ¾ Tỷ lệ nhựa/sợi có thể điều chỉnh chính xác (dùng phương pháp hút chân không).
¾ Tính vệ sinh và an toàn lao động cao hơn phương pháp lăn tay. ¾ Nhựa có thể tối ưu về cơ tính và tính chất nhiệt. ¾ Có khả năng tự động hóa. Trang 9 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan Nhược điểm: ¾ Có thể tồn tại bọt khí, để khắc phục phải ép theo chu kỳ, gia công theo từng giai đoạn, phải có giai đoạn mở khuôn để thoát khí hoặc có thể xẻ các đường rảnh để thoát khí.
Ngoài ra có thể vừa ép vừa hút chân không ở nhiệt độ thấp. ¾ Tính chất của sản phẩm phụ thuộc vào tay nghề của người gia công sản phẩm. Phương pháp đùn kéo (Pultrusion) Hình 1.10: Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp pultrusion. Sợi được kéo qua bể nhựa và sau đó qua bộ phận định hình được gia nhiệt.
Bộ phận tạo hình có tác dụng làm sợi thấm ướt hoàn toàn nhựa, điều chỉnh tỷ lệ nhựa/sợi, đóng rắn nhựa và tạo hình dạng mong muốn. Sản phẩm tạo ra sẽ được cắt theo kích thước được yêu cầu. Ưu điểm: ¾ Năng suất cao, hiệu quả kinh tế khi gia công lượng lớn sản phẩm. ¾ Có thể điều chỉnh tỷ lệ nhựa/sợi.
¾ Giá thành hạ do sử dụng sợi ở dạng thô. ¾ Bể tẩm nhựa có thể đóng kín nên hạn chế chất bay hơi. Nhược điểm: ¾ Mỗi đầu tạo hình chỉ dùng cho một loại sản phẩm. ¾ Giá của đầu tạo hình cao Nhờ có nhiều công nghệ khác nhau nên các nhà sản xuất dễ dàng lựa chọn công nghệ để tạo ra các sản phẩm như thiết kế mong muốn.
Nói chung, các công nghệ composite đều sử dụng động cơ điện, khí nén, không có nước thải, khí thải, không ồn ào, phế liệu chủ yếu là các bavia rắn cắt bỏ từ sản phẩm, cho nên không ảnh hưởng đến môi trường nhiều. Trang 10 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan 1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu FRP Vật liệu FRP rất phong phú, đa dạng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống nhờ vào các đặc điểm ưu việt của nó: Tỉ số (tính năng cơ lý/giá thành) và (tính năng cơ lý/khối lượng) cao hơn sắt thép rất nhiều. Giá thành hợp lý.
Dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa. Phương pháp gia công chế tạo đơn giản và đa dạng. Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn. Giảm năng lượng tiêu thụ do khối lượng thấp.
Có thể gia tăng hoặc giảm bớt tính dẫn điện, dẫn nhiệt. Tuy nhiên, vật liệu composite vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm như: Giá thành của nguyên vật liệu không rẻ. Chất lượng sản phẩm không ổn định. Mặc dù vậy vật liệu composite đang từng bước khẳng định vai trò của mình trong các lĩnh vực khoa học-đời sống và dần dần thay thế các vật liệu khác: Vật liệu gia dụng: lavabo, bồn tắm, bàn ghế, tấm trần, tấm cách âm,… Vật liệu xây dựng: tấm lợp, cấu kiện nhà lắp ghép, dầm chịu lực,… Vật liệu điện: mạch in, tấm cách điện, vỏ bảo vệ các vi mạch cao tầng, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế,… Vật liệu chịu hóa chất: ống dẫn, bồn chứa, bể điện phân,… Giao thông vận tải: vỏ tàu, vỏ thân xe hơi,… Hàng không, vũ trụ, quân sự: cánh, khung thiết bị đáp, súng, áo giáp chống đạn,… Vật liệu y học: răng, xương nhân tạo,… Trang 11 Thái Thị Hồng Loan Chương 1: Tổng quan 1.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu FRP a. Tính chất sợi Vai trò của sợi gia cường là làm tăng tính chất cơ lý cho hệ nhựa. Tất cả các loại sợi khác nhau dùng trong composite có tính chất khác nhau và vì vậy ảnh hưởng khác nhau đến tính chất composite.11: Ứng suất và biến dạng kéo của một số loại sợi và độ bền kéo riêng của một số loại vật liệu.
