Chương 1. Tổng quan về vật liệu compozit 1. Lịch sử phát triển Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành nền văn minh của nhân loại. Nhưng việc chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) mới được thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây.
Mục đích chế tạo vật liệu PC là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có được. Như vậy, có thể chế tạo vật liệu compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu. Khái niệm về vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit (PC) là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là polyme. Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác vật liệu PC được phân thành các loại [21]: - Vật liệu có phụ gia phân tán - Vật liệu được gia cường bằng sợi ngắn - Vật liệu được gia cường bằng sợi liên tục - Vật liệu độn khí hay xốp - Vật liệu là hỗn hợp polyme-polyme 1.
Thành phần của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là nền và chất gia cường, ngoài ra còn có một số chất khác như chất mầu, phụ gia chống dính, chất chống cháy. -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đối với vật liệu PC, khả năng liên kết của các thành phần với nhau là rất quan trọng. Vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết với nhau càng chặt chẽ. Nhựa nền Nhựa nền là pha liên tục, đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử gia cường thành một khối compozit thống nhất, che phủ, bảo vệ tránh tác động của môi trường bên ngoài đồng thời truyền ứng suất lên chúng.
Không những thế, nhựa nền còn tạo khả năng để gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo thiết kế. Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà còn đến các đặc tính sử dụng của compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lượng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trường bên ngoài… Do vậy, nhựa nền cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được sự kết hợp về hoá học với vật liệu gia cường. - Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do co ngót thể tích. - Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường được dùng để chế tạo vật liệu compozit theo ý muốn.
- Bền môi trường ở các điều kiện sử dụng của vật liệu PC. - Giá thành phù hợp [25, 20]. Trên thực tế có rất nhiều hệ nhựa được dùng làm nền cho vật liệu compozit. Chúng có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo.
Nhựa nhiệt rắn [9] Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóng (có hoặc không có xúc tác). Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian không thuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hoà tan. Một số nhựa nhiệt rắn thường -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy… Nhựa nhiệt dẻo [24] Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp. Ưu điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ 2… Nhược điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang được quan tâm nghiên cứu do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng. Một số nhựa nhiệt dẻo thường được dùng làm nền cho compozit: polyetylen, polypropylen. Chất gia cường Chất gia cường đóng vai trò chịu ứng suất tập chung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu. Cấu trúc, hàm lượng, hình dáng và kích thước, tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng gia công của vật liệu.
Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất hoá học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường. Liên kết bền được tạo thành khi giữa chất gia cường và nền polyme xuất hiện những liên kết hoá học hay lực bám dính [25]. Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi. Chất gia cường dạng sợi Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột.
Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi. Để sử dụng làm chất gia cường sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp… -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mạt…). Một số cốt dạng sợi thường được sử dụng: sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sợi tre, sợi dừa… Chất gia cường dạng bột Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trò chất gia cường, vừa đóng vai trò chất độn. Bản chất hoá học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa bề mặt hạt và nền quyết định khả năng gia cường của chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá, quang… Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp lý, dễ kiếm.
Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, điôxit silic, ôxit nhôm, hyđroxit nhôm [13]. Đặc điểm, tính chất của vật liệu polyme compozit 1. Đặc điểm của vật liệu polyme compozit Polyme compozit là vật liệu nhiều pha, các pha này thường khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha. Trong thực tế, phổ biến nhất là PC hai pha: pha liên tục (nền) và pha phân tán (cốt).
Trong compozit thì hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. Tính chất của vật liệu polyme compozit Tính chất của vật liệu PC chính là sự tổ hợp tính chất của các thành phần khác nhau có mặt trong vật liệu. Tuy nhiên tính chất của compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các cấu tử thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các phương pháp gia công Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu. Các thông số của quá trình gia công như: áp suất, nhiệt độ cũng như thời điểm gia nhiệt…là rất quan trọng đối với từng loại vật liệu. Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc kéo, quấn… 1. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu polyme compozit Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng vật liệu polyme compozit (PC) là hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp … cho đến những chi tiết và kết cấu phức tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ trụ.
Những ứng dụng quan trọng của vật liệu PC có thể quy về bốn lĩnh vực chính sau: - Việc dùng vật liệu PC trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất đã đem lại những hiệu quả: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí sản xuất, tăng độ chịu ăn mòn… - Vật liệu PC được sử dụng cho các kết cấu: boong tàu, cột buồm, thùng chứa, phao… trong công nghiệp đóng tàu dân dụng hay quân sự do chúng phối hợp được nhiều tính chất đặc biệt: độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền hoá, cách điện, độ dẫn nhiệt thấp… - Sử dụng vật liệu PC trong chế tạo máy bay và tàu vũ trụ có ưu điểm chính: hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm được tiêu hao năng lượng, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa. - Trong các công trình xây dựng, vật liệu PC được sử dụng khá rộng rãi để làm các mái nhà vòm có kết cấu và kích thước khác nhau. Ở Việt nam, từ năm 1995 đã chế tạo được các nhà vòm bằng vật liệu PC để bảo vệ máy bay chiến đấu. -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tổng quan về các tiền chất chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO3 Trong phần này, giới thiệu một vài nét tổng quan về các hợp chất và vật liệu cơ bản để chế tạo vật liệu PC gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài bao gồm: vật liệu nhựa nền trên cơ sở nhựa epoxy, sợi thủy tinh và hạt áp điện BaTiO3. Hệ nhựa nền epoxy 1. Giới thiệu chung về nhựa epoxy Nhựa epoxy được chế tạo từ năm 1938 và ngày nay chủ yếu được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu polyme compozit chất lượng cao [11, 14, 19, 23]. Nhựa này được hình thành từ phản ứng ngưng tụ dị thể epyclohyđrin và polyhyđroxyl, đó là các phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n = 1, 2, 3, 4…Trạng thái tồn tại của nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng rắn tùy thuộc vào khối lượng phân tử.
Trước khi đóng rắn, nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trở thành nhiệt rắn sau khi đã xảy ra phản ứng khâu mạch với các chất đóng rắn ở đây là amin mạch thẳng, amin thơm và các anhyđrit…Do đó, tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tùy thuộc vào việc sử dụng loại chất đóng rắn nào. Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hóa chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no. Đặc biệt là độ co ngót của nhựa này rất nhỏ: 0,25 ÷ 2% [12, 22]. Trong khoảng 25 năm trở lại đây sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng từ 30000 tấn/năm lên 1 triệu tấn/năm.