phần mở đầu, tài liệu tham khảo và phụ lục. xi do an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về vật liệu composite 1. Khái niệm Vật liệu composite là vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu.
Sự kết hợp này nhằm khắc phục khuyết điểm của vật liệu này bằng ƣu điểm của vật liệu kia, tạo ra vật liệu có những tính chất đặc biệt mà các vật liệu ban đầu không có đồng thời hạ giá thành sản phẩm [1]. Vật liệu composite đƣợc cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm bảo đảm cho composite có đƣợc các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết hài hòa với nhau. Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu composite 1. Thế giới Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến.
Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới lần thứ hai, nhiều nƣớc đã sản xuất máy bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu composite đã đƣợc sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện ô tô, máy bay, dựa trên những ƣu điểm đặc biệt nhƣ giảm trọng lƣợng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, chịu hóa chất, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc [2]. Bên cạnh đó cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về các loại vật liệu composite thân thiện với môi trƣờng, thay thế sợi gia cƣờng truyền thống bằng các loại sợi có nguồn gốc thiên nhiên.
Năm 2008, Kim Sam Jung và các cộng sự của mình tiến hành so sánh tính chất cơ học của vật liệu composite trên nền nhựa polypropylene đƣợc gia cƣờng bởi sợi gỗ và sợi 1 do an bông [3]. Đồng thời, họ đã sử dụng polypropylene ghép anhydride (MAPP) làm chất tƣơng thích để tăng khả năng thấm ƣớt giữa nhựa và sợi. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng % trọng lƣợng của sợi gỗ thì độ bền kéo của vật liệu composie PP/sợi gỗ giảm, trong khi đó của vật liệu PP/sợi bông thì ngƣợc lại. Năm 2014, Ramirez N Flores cùng với các cộng sự của mình đã chế tạo vật liệu composite đi từ sợi lục bình kết hợp với nhựa UPE theo những tỷ lệ sợi khác nhau (5, 10, 15 và 20% khối lƣợng) [4].
Kết quả cho thấy cơ tính của vật liệu đạt hiệu quả tốt nhất khi hàm lƣợng sợi lục bình nằm trong khoảng từ 5 đến 10% khối lƣợng. Ngoài ra, việc nghiên cứu tính chất nhiệt và xác định cấu trúc của vật liệu cũng đƣơc thực hiện bằng phƣơng pháp đo FTIR và DSC.Vinayagamoorthy đã tiến hành nghiên cứu các đặc trƣng về vật liệu composite có cấu trúc sanwich trên nền nhựa UPE và lõi đi từ các loại sợi thiên nhiên nhƣ xơ mƣớp, đay [5]. Từ đó đƣa ra những nhận định về cơ tính của từng loại, kết quả cuộc nghiên cứu chỉ ra rằng bằng cách lựa chọn thích hợp sợi tự nhiên và nhựa nền sẽ quyết định đến tính chất cơ học của vật liệu composite. Năm 2016, Prasad Nirupama và các cộng sự của mình đã chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa polyetylene tỉ trọng thấp (LDPE) kết hợp với sợi chuối [6] bằng kỹ thuật đúc nén với các tỷ lệ sợi khác nhau (10, 15, 20, 25 và 30% trọng lƣợng).
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite với thành phần 25% sợi chuối đƣợc xem là tối ƣu nhất trên cơ sở phân hủy sinh học và tính chất cơ học. Bên cạnh đó việc xử lý bề mặt sợi chuối bằng kiềm và acid acrylic cũng cải thiện một phần đáng kể về cơ tính của vật liệu. Mohana Krishnudu đã chế tạo vật liệu composite đƣợc gia cƣờng từ xơ mƣớp với tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau [7]. Sau đó chỉ ra những tính chất nổi bật cũng nhƣ là so sánh cơ tính về độ bền kéo, độ va đập so với các mẫu vật liệu truyền thống.
Kết quả thu đƣợc cho thấy vật liệu composite cốt sợi tự nhiên này có thể thay thế cho các mẫu vật liệu cốt sợi tổng hợp. Trong nước Tính đến thời điểm hiện nay, chúng ta đã có nhiều nghiên cứu chế tạo vật liệu composite đi từ nền nhựa nhiệt dẻo kết hợp với các phế phẩm nông nghiệp nhƣ là mùn cƣa, trấu hay là tre, luồng,… Năm 2007, Nguyễn Hữu Niếu và các cộng sự của mình đã nghiên cứu một số thay đổi về tính chất sợi dứa Việt Nam bằng phƣơng pháp xử lý trong dung dịch sodium hydroxide (NaOH) [8]. Mục đích của nghiên cứu nhằm sử dụng sợi dứa đã đƣợc xử lí để chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa polyolefin. Ngoài ra, một số tính chất liên quan nhƣ tỷ trọng, độ hút ẩm và khảo sát hồng ngoại của sợi dứa cũng đƣợc thực hiện.
Đoàn Thị Thu Loan đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite đi từ nhựa vinylester và sợi đay [9]. Bằng cách áp dụng phƣơng pháp gia công “đúc chuyển nhựa dƣới chân không” làm giảm đáng kể lƣợng bọt khí trong sản phẩm và tăng khả năng tiếp xúc giữa nhựa và sợi, tạo nên sản phẩm có tính năng tốt hơn phƣơng pháp gia công truyền thống “đắp tay”. Năm 2012, tác giả Phạm Thị Phƣơng Dung đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ trấu và nhựa polypropylene [10]. Với phƣơng pháp biến tính nhựa nền bằng cách sử dụng tác nhân tƣơng hợp MAPP loại polybond 3200, một loại polypropylene maleat hóa để xác định điều kiện gia công và đơn phối liệu tối ƣu cho mẫu vật liệu composite.
Năm 2016, tác giả Trần Thị Thu Hằng đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa polyetylene và mùn cƣa [11]. Để cải thiện độ bám dính của nhựa nền với mùn cƣa, tác giả chọn chất tƣơng hợp MAPE và sử dụng các phụ gia ổn định nhiệt (songnox 1010) để ngăn cản sự oxy hóa trong quá trình gia công. Cũng trong năm 2016, tác giả Đỗ Thị Nhi cùng các cộng sự của mình trực thuộc trƣờng Đại học khoa học Tự nhiên TP.HCM đã tiến hành khảo sát tính chất của vật liệu polyurethane xốp đƣợc gia cƣờng bởi sợi tre [12]. Kết quả cho thấy composite PU xốp/sợi tre với 5% sợi có độ bền nén cao hơn PU xốp.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn xác định một số tính chất khác nhƣ độ bền nhiệt bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA), xác định hình thái cấu trúc xốp bằng phƣơng pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). Mục đích sử dụng vật liệu composite Việc sử dụng vật liệu composite nhằm các mục đích sau [1]: - Chi phí thấp: chi phí về vật liệu xây dựng chiếm đến 40 - 60% tổng chi phí xây dựng. Tùy theo tính năng và quy mô của công trình, việc lựa chọn vật liệu đóng vai trò quyết định đối với chất lƣợng và giá thành sản phẩm. - Trọng lƣợng nhẹ: với hàng triệu bọt khí li ti có thể có trong kết cấu, composite có trọng lƣợng rất nhẹ (từ 900 kg/m3 đến 1400 kg/m3), so với gạch đỏ truyền thống và bê tông thông thƣờng (từ 1800 kg/m3 đến 2400 kg/m3).
Lợi thế về trọng lƣợng nhẹ, chất lƣợng tốt, bền vững theo thời gian giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí trong các công trình xây dựng. - Cƣờng độ nén cao: tỉ trọng của composite nhẹ rất đa dạng từ 900 kg/m3 đến 1400 kg/m3, với cƣờng độ nén tƣơng ứng là 4,0 đến 12,5 N/mm2. - Khả năng cách âm tốt: vật liệu composite nhẹ có khả năng cách âm tuyệt vời là giải pháp tối ƣu trong các công trình có yêu cầu cao về cách âm nhƣ: bệnh viện, trƣờng học, khách sạn,… - Khả năng chống thấm cực tốt: composite có kết cấu bê tông với hàng triệu bọt khí li ti tạo nên một hệ thống lỗ tổ ong kín với kích thƣớc siêu nhỏ, ngăn sự thẩm thấu của nƣớc. Do đó, khả năng chống thấm cao, thƣờng đƣợc sử dụng trong thi công bể bơi, bồn chứa, sàn chống thấm,… - Khả năng giảm thiểu ảnh hƣởng của động đất: với trọng lƣợng nhẹ, vật liệu composite có khả năng kháng lại sức tàn phá của động đất, giảm thiểu tối đa tỉ lệ thƣơng vong và thiệt hại về tài sản.
- Khả năng cách nhiệt và chống cháy: so với các loại vật liệu khác, gạch bê tông bọt siêu nhẹ có khả năng cách nhiệt và chông cháy rất hiệu quả, giúp giảm đáng kể chi phí điều hòa nhiệt độ trong các công trình xây dựng. - Dễ thi công: với hình khối chữ nhật, gạch bê tông siêu bọt có thể dễ dàng sản xuất theo các hình thức khác nhau. Trọng lƣợng nhẹ giúp công tác thi công trở nên dễ dàng, và tốn ít nhân lực hơn. - Chất lƣợng vững bền theo thời gian: composite nhẹ vững bền theo thời gian trong mọi điều kiện thời tiết, không bị mối mọt và chống cháy cao.
4 do an - Tiết kiệm chi phí vật liệu xây dựng: sử dụng vật liệu composite giúp giảm hơn 50% chi phí xây dựng so với vật liệu truyền thống. Theo hình dạng Phân loại theo hình dạng, vật liệu composite chia làm 2 loại: vật liệu composite độn dạng sợi và vật liệu composite độn dạng hạt [2]. Vật liệu composite độn dạng sợi : Khi vật liệu gia cƣờng là các sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cƣờng tăng cơ lý tính cho polymer nền. Sợi đƣợc sử dụng có thể dƣới dạng liên tục hoặc gián đoạn.
Ta có thể điều chỉnh sự phân bố phƣơng của sợi để có đƣợc vật liệu định hƣớng theo mong muốn và để tạo ra vật liệu có cơ tính khác nhau cần chú ý tới: - Bản chất của vật liệu thành phần. - Tỉ lệ vật liệu. Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu gia cƣờng có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thƣớc ƣu tiên.
Hạt thƣờng đƣợc sử dụng để cải thiện một số cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót. Theo thành phần Dựa theo bản chất vật liệu nền, vật liệu composite chia làm 3 loại: composite nền hữu cơ, composite nền kim loại và composite nền khoáng [2].