MỞ ĐẦU Vật liệu polyme compozit gia cường bằng sợi cacbon hoặc thuỷ tinh đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do chúng có độ bền và mođun cao. Nhưng vật liệu compozit trên nền nhựa nhiệt rắn rất khó và hầu như không tái sinh được. Rác thải từ vật liệu compozit phần lớn được chôn mặc dù bản thân nó không tự phân huỷ được ở dưới đất. Đốt là một phương pháp tái tạo năng lượng để xử lý môi trường.
Tuy nhiên, khi đốt vật liệu polyme compozit gia cường bằng sợi thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh bị nóng chảy và tạo thành khối làm tắc lò. Còn sợi tự nhiên do có khả năng cháy hoàn toàn nên giải quyết được vấn đề này. Trong những năm gần đây, nguồn sợi tự nhiên đã được chý ý đến do chúng phát triển rất nhanh, có khả năng phân huỷ sinh học. Trong đó, tre chỉ mất vài năm để phát triển và là nguồn tự nhiên dồi dào, phong phú ở châu Á và miền nam châu Mỹ.
Ở Việt nam cũng vậy, tre có rất nhiều chủng loại và mọc khắp nơi từ đồng bằng đến miền núi trung du. Tre có độ bền riêng lớn nhất là theo chiều dọc sợi và tỉ trọng nhỏ nên còn được gọi là “sợi thuỷ tinh tự nhiên”. Do đó việc ứng dụng sợi tre sẽ đem lại nhiều lợi nhuận. Nhưng trên thực tế việc sử dụng sợi tre làm vật liệu gia cường vẫn còn gặp nhiều khó khăn như độ hút ẩm lớn, liên kết sợi nhựa không được chặt chẽ và phụ thuộc nhiều vào tính chất bề mặt sợi… Chính vì vậy chế tạo sợi, biến tính sợi và ứng dụng làm thành phần gia cường cho vật liệu polyme compozit là những hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học và công nghệ quan tâ m.
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre - luồng. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT I.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT I.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 [1]. 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 PC. Vật liệu 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 [2]: - 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 I. Thành phần của vật liệu PC. Vật liệu PC 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. 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 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 [2, 3].
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. 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. Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo. 4 Một số nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy… a. Nhựa phenolfomandehyt (phenolic) là nhựa nhiệt rắn thuộc loại lâu đời nhất và được hình thành từ phản ứng trùng ngưng của phenol với fomandehyt.
Nhựa này có tính chống cháy rất tốt, tính dẫn nhiệt thấp và tính cách điện rất cao nên được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau. Tuy nhiên, khả năng chịu bazơ không tốt. Mức độ co ngót của nhựa phenolic khi đóng rắn khoảng 8÷10% [4]. Nhựa polyeste không no.
Polyeste không no (PEKN) là một trong những loại polyme quan trọng nhất của vật liệu polyme compozit. Nhựa này được biết đến từ những năm 1936 và được điều chế từ phản ứng este hoá các dicacboxylic axit không no với các diol thấp phân tử. Ngay từ khi ra đời, nhựa PEKN đã có ứng dụng rộng rãi trong vật liệu PC có chất lượng trung bình bởi các đặc tính tốt như: khối lượng nhẹ, có khả năng đóng rắn ngay ở nhiệt độ thường nhưng có nhược điểm là độ co ngót lớn (4÷7% về thể tích) và khả năng chịu môi trường hoá chất không cao [4]. Nhựa epoxy được chế tạo từ năm 1938 và ngày nay chủ yếu được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu PC chất lượng cao.
Nhựa này được hình thành từ phản ứng ngưng tụ epyclohydrin và polyhydroxyl. Trạng thái tồn tại của nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng rắn tuỳ 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 chất đóng rắn ở đây có thể là amin mạch thẳng, amin thơm và các 5 anhydrit…Do đó, tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại chất đóng rắn nào. Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hoá chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no.
Đặc biệt độ co ngót của nhựa này rất nhỏ: 0,25÷2% [4, 5]. Nhựa nhiệt dẻo [5]. 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. Hiện tại chúng chưa được ứng dụng nhiều như nhựa nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn. 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 [3].
6 Trong vật liệu compozit xét về mặt sắp xếp thì chất gia cường phân bố không liên tục. Về mặt bản chất, chất gia cường có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo. Hình dáng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của chất gia cường là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của compozit [3]. Sự định hướng của sợi gia cường trong vật liệu compozit là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế vật liệu compozit nhằm đạt những tính chất mong muốn.
Một số ứng dụng chỉ yêu cầu độ bền cao theo một hướng, số khác lại đòi hỏi vật liệu có độ bền cao theo nhiều hướng khác nhau. Một trong những ưu điểm của vật liệu compozit là với phương pháp gia công thích hợp bằng việc điều chỉnh hướng sợi có thể điều chỉnh được tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá trị tối ưu theo một hướng hay nhiều hướng như yêu cầu [6]. Hiện nay, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các loại chất gia cường dạng tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm. Rất nhiều các loại sợi tự nhiên được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử lý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit.
Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngô, tre, gỗ…[7]. 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…Vật liệu PC gia cường bằng sợi lai tạo là loại vật liệu mới trong đó chất gia cường gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác nhau.