CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỢI CARBON (LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT) 1. Giới thiệu chung 1. Sợi carbon – Vai trò và ứng dụng trong công nghệ composite Lưới Sợi cacbon (hay còn gọi là lưới địa kỹ thuật) là vật liệu có độ bền rất cao, là loại sợi chứa ít nhất 90% nguyên tử cacbon được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình nhiệt phân sợi nguyên liệu ban đầu. Còn sợi graphite là sợi có trên 99% nguyên tố cacbon.
Có nhiều loại sợi khác nhau dùng làm nguyên liệu sản xuất sợi cacbon như sợi polyacrylonitrile (PAN), sợi xenlulo (viscose rayon, cotton), dầu mỏ, than đá hoặc một số loại sợi phenolic. Lưới địa kỹ thuật đã được thương mại từ 1960 trong hàng không, không quân và các yêu cầu ứng dụng vật liệu nhẹ. Hiện nay, lưới địa kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, công nghiệp và giao thông. Lưới địa kỹ thuật tối ưu về độ bền, độ cứng, nhẹ và kháng nứt, nhiệt độ cao, là chất trơ hóa.
Sợi carbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10 μm được cấu tạo từ khoảng 30. Các sợi đơn gồm những tấm graphit mỏng thẳng, xoắn hoặc cuộn vào nhau. Tính chất của sợi phụ thuộc vào sự định hướng của các tấm graphit đó Nói vậy không có nghĩa sợi carbon không có nhược điểm, sợi carbon dòn và có thể dẫn điện và tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn điện hoá kim loại. 1 Vì vậy, các các chi tiết làm từ sợi carbon thường có lớp vật liệu khác như nhựa tráng phủ bên ngoài.1 thống kê lượng lưới địa kỹ thuật được sử dụng trên thế giới.000 Hiện nay, Mỹ sử dụng gần 60% sản lượng lưới địa kỹ thuật và Nhật sản xuất ra gần 50% sản lượng lưới địa kỹ thuật trên toàn thế giới, lớn nhất là Toray Industries.
Trong đó lưới địa kỹ thuật Pitch hầu như sản xuất ở Nhật. Theo Công ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), một công ty chuyên sản xuất sợi carbon, lượng sợi carbon ứng dụng trong các mặt hàng liên quan tới thể thao trên toàn thế giới đã đạt ngưỡng 5. Tóm lại, sợi carbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật tự. Những lợi ích mang lại từ loại sợi carbon là quá rõ ràng: nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng lại có độ bền lớn hơn nhiều so với thép.
Ngoài ra, những lợi ích quan trọng của sợi carbon còn phải kể đến như sức khả năng chịu kéo giãn lớn, tính đàn hồi thấp. 2 Chính những yếu tố này đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm. Trong tương lai, chắc hẳn sợi carbon vẫn là một loại vật liệu nhẹ đáng tin cậy cho rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới. Vấn đề bây giờ cần giải quyết là giá cả cho loại vật liệu ưu việt này vẫn ở mức quá cao khiến nó chưa được áp dụng thực sự phổ biến trong nhiều lĩnh vực.2 Quá trình sản xuất lưới địa kỹ thuật Lưới địa kỹ thuật (lưới sợi carbon) được sản xuất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại oxy, nitơ, hydro để tạo thành sợi carbon.
Cơ tính sợi carbon càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể và mức độ định hướng sợi, cũng như giảm các khuyết tật trên sợi. Cách tốt nhất để có được sợi carbon định hướng cao là chọn sợi nguyên liệu định hướng cao, sau đó duy trì mức độ định hướng này trong quá trình ổn định và carbon hóa.3 Phân loại sợi cacbon: Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu, sợi carbon được phân ra: - Sợi carbon PAN. - Sợi carbon Rayon. - Sợi carbon Pitch.
Sợi carbon PAN: việc chuyển từ sợi PAN thành sợi carbon qua 3 giai đoạn chính: • Ổn định oxy hóa: sợi PAN được kéo căng và oxy hóa đồng thời ở nhiệt độ 200 - 300°C, chuyển sợi PAN nhựa nhiệt dẻo sang dạng có cấu trúc lặp lại nhưng không còn tính chất nhựa nhiệt dẻo. • Carbon hóa: sau khi oxy hóa, sợi được carbon hóa ở 1000°C, không cần kéo căng trong môi trường khí trơ vài giờ. Trong quá trình này, những nguyên tố không phải carbon bị tách ra và bay hơi để hình thành sợi carbon, lúc này khối lượng chỉ còn 50% so với khối lượng sợi PAN ban đầu. • Graphite hóa: sợi được xử lý nhiệt 1500 - 3000°C sẽ cải thiện trật tự, mức độ định hướng của tinh thể.
Sợi carbon Rayon • Ổn định: là một quá trình oxy hóa xảy ra theo các bước: 5 ♦ Nhiệt độ 25 - 150°C: khử vật lý nước. ♦ Nhiệt độ 150 - 240°C: khử nước trong phân tử xenlulo. ♦ Nhiệt độ 240 - 400°C: tách liên kết vòng thơm, cắt các liên kết ester và một số liên kết C-C theo cơ chế gốc tự do. • Carbon hóa: nhiệt độ 400 - 700°C, lượng carbon còn lại sẽ chuyển thành lớp giống graphite.
• Graphite hóa: nhiệt độ 700 - 2700°C, kéo căng tạo ra sợi có mođun cao do định hướng tốt theo chiều dọc. Sợi cacbon Pitch (từ dầu mỏ, than đá) • Chuẩn bị nguyên liệu: điều chỉnh khối lượng phân tử, độ nhớt, định hướng cố kết. • Kéo sợi và se sợi: Pitch được chuyển thành sợi, một số đã có sắp xếp thẳng hàng, định hướng. • Ổn định: duy trì hình dáng sợi khi nhiệt phân, nhiệt độ 250 - 400°C.
• Carbon hóa: nhiệt độ carbon hóa 1000 - 1500°C.4 Tại sao sợi carbon nhẹ và bền? Sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon (hơn 90%) và các nguyên tố carbon này nhẹ hơn nguyên tố kim loại. Kim cương, than củi, than hoạt tính và graphite (than chì) đều được cấu thành từ những nguyên tử carbon và sợi cacbon cũng thuộc nhóm này và có tính chất giống kim cương. Kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi graphite mềm và trơn. Sự khác nhau này là do cấu trúc tinh thể khác nhau.
Than củi mềm là do cấu trúc tinh thể sắp xếp không theo trật tự trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền. 6 Kim cương có cấu trúc carbon 3 chiều, sợi carbon có cấu trúc mạng lưới 2 chiều với các nguyên tố carbon sắp xếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau. Tóm lại, sợi carbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật tự.5 Sự khác nhau giữa sợi carbon và các vật liệu carbon khác Cả sợi carbon và than củi đều thuộc nhóm vật liệu carbon. cả hai có cấu trúc tinh thể của graphite nhưng trật tự sắp xếp và cách sắp xếp thẳng hàng khá khác nhau.
Với sợi carbon, nguyên tử carbon sắp xếp thẳng hàng và trật tự, tạo thành cấu trúc mặt lưới, các lớp xếp chồng và quấn vào nhau. Trong khi than củi, lớp cấu trúc này vô định hình, không trật tự và không quấn lấy nhau nên vật liệu này có độ bền thấp hơn. Graphite cũng có cấu trúc giống than củi nhưng sắp xếp có trật tự hơn. Graphite tự nhiên chủ yếu được sản xuất ở Trung Quốc, Ấn Độ.6 Tính chất và ứng dụng của sợi carbon PAN và sợi PITCH a.
Sợi carbon PAN: Là một khối tập hợp của sợi liên tục (sợi đơn), đường kính 5 - 7 micron và tỷ trọng 1. Sản phẩm tập hợp nhiều loại sợi đơn khác nhau tạo thành bó sợi như 1K (1000 filaments), 3K (3000 filaments), 6K (6000 filaments), 12K (12000 filaments) và 24K (24000 filaments, được ứng dụng chính trong ngành hàng không, thể thao do tỷ trọng thấp, độ bền kéo và mođul đàn hồi cực cao. Sợi carbon PAN đóng vai trò chính sợi carbon trên thị trường, loại bó sợi dày (trên 40K) hoặc loại có độ bền kéo thấp hơn chủ yếu ứng dụng trong công nghiệp. 7 Sợi carbon PAN phân loại theo mođun đàn hồi: mođun đàn hồi tiêu chuẩn (240 MPa), mođun đàn hồi trung gian (300MPa) và mođun đàn hồi cao (350MPa).
Sợi carbon PITCH: Có hai loại: sợi liên tục và không liên tục tương ứng quá trình se sợi. Sợi carbon PITCH cũng được phân loại thành loại đẳng hướng (graphite hóa nghiêm ngặt) và loại bất đẳng hướng (graphite hóa dễ dàng). Loại sợi carbon PITCH đẳng hướng thường là sợi không liên tục, đường kính 12-18 micron, tỷ trọng 1.6 g/cm3 và có mođun thấp (40GPa), độ bền và tính dẫn nhiệt thấp do sự định hướng và kết tinh thấp của các nguyên tố carbon. Với giá thành cạnh tranh, sợi carbon PITCH đẳng hướng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp khối lượng nhẹ, ổn định hóa chất.
kháng nhiệt và kháng mài mòn. Mặt khác, sợi carbon PITCH không đẳng hướng được xem như sợi carbon PITCH pha trung gian, thường là sợi liên tục, đường kính 7- 10 micron. Các chuẩn sợi này là 1K, 2K, 3K, 6K và 12K. Mođun đàn hồi thấp từ 6GPa tới 53GPa trong khi sợi cacbon PAN không thể đạt được giá trị này.
Loại có mođun đàn hồi cao (trên 350 MPa) có khả năng gia công rất tốt do độ bền kéo cao (hơn 2.5GPa) và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, thể thao do độ cứng cao hơn sắt và khối lượng nhẹ (nhẹ hơn 50% so với sắt). Loại sợi carbon có mođun đàn hồi cực cao (trên 600GPa) có độ cứng rất cao, dẫn nhiệt tương đương hoặc cao hơn kim loại và nhẹ.7 Sợi carbon có tái chế được không? Hiện nay có thể xay sản phẩm composite sợi carbon thành bột độn vào sản phẩm mới nhằm giảm giá thành và giảm hiện tượng oxy hóa. Ngoài ra, phương pháp nhiệt phân sản phẩm composite sợi carbon cũng đang được nghiên cứu.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng lưới địa kỹ thuật trên thế giới và trong nước.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay, ở Mỹ sử dụng gần 60% sản lượng lưới sợi carbon và Nhật sản xuất ra gần 50% sản lượng sợi carbon trên toàn thế giới, lớn nhất là Toray Industries, trong đó sợi cacbon Pitch hầu như sản xuất ở Nhật. Theo Công ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), một công ty chuyên sản xuất sợi carbon, lượng sợi carbon ứng dụng trong các mặt hàng liên quan tới thể thao trên toàn thế giới đã đạt ngưỡng 5.
9 Lamborghini làm bằng sợi Carbon 10 Gia cố cột nhà, giá đỡ, đà ngang, đà dọc làm bằng bê tông cốt sắt trong xây dựng 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Lưới Sợi carbon hiện nay tại Việt Nam đang được sử dụng chủ yếu vào các lĩnh vực như: gia cố công trình bằng sợi carbon, tăng khả năng chịu lực của dầm, tăng khả năng chịu kéo, có sức kháng nứt cao. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu nào về ứng dụng lưới sợi carbon tăng khả năng chịu lực của kết cấu mặt đường bê tông asphalt.