Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy gia cường bằng sợi xơ dừa

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng hệ lai tạo thủy, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Cao Hồng Quân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phạm Duy Linh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu polyme compozit
• 1.2. Lịch sử phát triển của vật liệu polyme compozit
• 1.3. Thành phần của vật liệu polyme compozit
• 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme compozit
• 1.5. Lịch sử phát triển của nhựa epoxy
• 1.6. Tính chất vật lý, hóa học của nhựa epoxy
• 1.6.1. Tính chất vật lý
• 1.6.2. Tính chất hóa học
• 1.7. Sợi tự nhiên
• 1.7.1. Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên
• 1.7.2. Các phương pháp xử lý bề mặt của sợi tự nhiên
• 1.7.3. Thay đổi sức căng bề mặt hay xử lý bằng anhydrit axetic (axetyl hóa)
• 1.7.4. Tình hình trồng và kinh doanh dừa trên thế giới và trong nước
• 1.8. Phương pháp chuyển nhựa vào khuôn RTM
• 1.8.1. Ưu điểm và nhược điểm
• 2. CHƯƠNG 2: HÓA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Chế tạo tấm đơn hướng
• 2.3.2. Chế tạo hệ sợi lai tạo
• 2.3.3. Xử lý sợi bằng kiềm NaOH
• 2.3.4. Phương pháp gia công
• 2.3.5. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
• 2.3.5.1. Phương pháp đo độ bền kéo đứt (Tiêu chuẩn ISO 527 – 1993)
• 2.3.5.2. Phương pháp xác định độ bền uốn (Tiêu chuẩn ISO 178:1993)
• 2.3.5.3. Phương pháp đo độ bền va đập (Tiêu chuẩn ISO 179:1993)
• 2.3.5.4. Phương pháp xác định hình thái học của vật liệu
• 2.3.5.5. Phương pháp đo độ bền kéo sợi
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá khả năng thấm ướt của nhựa epoxy với sợi xơ dừa và của nhựa epoxy với vải thủy tinh
• 3.1.1. Đánh giá khả năng thấm ướt của nhựa epoxy với sợi xơ dừa
• 3.1.2. Đánh giá khả năng thấm ướt của nhựa epoxy với vải thủy tinh
• 3.2. Cấu trúc hình thái sợi xơ dừa trước và sau khi xử lý kiềm
• 3.3. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa chưa xử lý đến tính chất cơ lý vật liệu PC
• 3.4. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa xử lý kiềm đến tính chất cơ lý của vật liệu PC
• 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng đã xử lý/sợi thủy tinh đến tính chất cơ lý của vật liệu
• 3.6. Phương pháp vỏ cốt
• 3.7. Độ bền va đập
• 3.8. Phương pháp xen kẽ
• 3.9. Độ bền va đập
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit (PC) là một trong những loại vật liệu hiện đại, được tạo thành từ nền polyme và sợi gia cường. Nghiên cứu về vật liệu này đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và kỹ sư, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng và sản xuất. Vật liệu PC không chỉ có độ bền cao mà còn nhẹ, dễ chế tạo và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng sợi tự nhiên như sợi xơ dừa trong chế tạo vật liệu compozit đang trở thành xu hướng mới, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tăng cường tính bền vững cho sản phẩm.

1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit đã có lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20. Sự phát triển của công nghệ chế tạo đã giúp vật liệu này trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc kết hợp giữa nhựa epoxy và sợi tự nhiên như sợi xơ dừa không chỉ cải thiện tính chất cơ lý mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.2. Thành phần và cấu trúc của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit thường bao gồm ba thành phần chính: sợi gia cường, nhựa nền và chất liên kết. Sợi gia cường có vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và độ cứng của vật liệu. Nhựa nền không chỉ giúp kết dính các thành phần mà còn bảo vệ sợi khỏi các tác động bên ngoài.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu polyme compozit

Mặc dù vật liệu polyme compozit có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những vấn đề chính là khả năng phân hủy và tái chế của vật liệu này. Việc sử dụng sợi tự nhiên như sợi xơ dừa có thể giúp giảm thiểu vấn đề này, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn để tối ưu hóa tính năng và khả năng ứng dụng.

2.1. Vấn đề phân hủy và tái chế vật liệu compozit

Vật liệu polyme compozit truyền thống thường rất khó phân hủy và tái chế, dẫn đến việc gia tăng chất thải trong môi trường. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện khả năng phân hủy của vật liệu, đặc biệt là khi sử dụng sợi tự nhiên.

2.2. Tính bền vững trong sản xuất vật liệu compozit

Tính bền vững là một yếu tố quan trọng trong sản xuất vật liệu polyme compozit. Việc sử dụng sợi xơ dừa không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế cho nông dân. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn để đảm bảo rằng quy trình sản xuất không gây hại cho môi trường.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit hiệu quả

Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Công nghệ RTM (Resin Transfer Molding) là một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay, cho phép sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp với chất lượng cao. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu lượng chất thải trong quá trình sản xuất.

3.1. Công nghệ RTM trong sản xuất vật liệu compozit

Công nghệ RTM cho phép nhựa epoxy được chuyển vào khuôn kín, giúp giảm thiểu khí thải độc hại và tăng cường an toàn cho người lao động. Phương pháp này cũng cho phép kiểm soát tốt hơn về tỷ lệ sợi và nhựa, từ đó tối ưu hóa tính chất cơ lý của vật liệu.

3.2. Quy trình xử lý sợi xơ dừa trước khi chế tạo

Sợi xơ dừa cần được xử lý trước khi sử dụng để cải thiện khả năng bám dính với nhựa epoxy. Các phương pháp xử lý như kiềm hóa giúp loại bỏ tạp chất và tăng cường tính chất cơ lý của sợi, từ đó nâng cao hiệu suất của vật liệu compozit.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ xây dựng, nội thất đến sản xuất các sản phẩm tiêu dùng, vật liệu này cho thấy tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống. Đặc biệt, với tính năng nhẹ và bền, vật liệu này đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho các sản phẩm yêu cầu độ bền cao.

4.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Vật liệu polyme compozit được sử dụng trong xây dựng nhờ vào độ bền và khả năng chống ăn mòn. Các sản phẩm như cửa, mái nhà và các cấu trúc nội thất đều có thể được chế tạo từ vật liệu này, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất đồ nội thất

Vật liệu compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa đang được sử dụng để sản xuất đồ nội thất hiện đại. Với tính năng thân thiện với môi trường và khả năng tạo hình linh hoạt, vật liệu này đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà thiết kế và sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu polyme compozit

Nghiên cứu về vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Với những ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng, vật liệu này hứa hẹn sẽ trở thành xu hướng trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp tối ưu hóa tính năng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.1. Triển vọng nghiên cứu và phát triển vật liệu compozit

Nghiên cứu về vật liệu polyme compozit sẽ tiếp tục được đẩy mạnh trong tương lai. Các nhà khoa học sẽ tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Tương lai của vật liệu polyme compozit trong ngành công nghiệp

Vật liệu polyme compozit từ nhựa epoxy và sợi xơ dừa có tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp. Sự phát triển của công nghệ chế tạo và ứng dụng sẽ giúp nâng cao giá trị của vật liệu này, đồng thời tạo ra nhiều cơ hội việc làm và phát triển kinh tế bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu polyme compozit (PC) là một trong những vật liệu tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ tính năng cơ lý vượt trội. Theo ước tính, tỷ lệ sử dụng vật liệu compozit gia cường sợi thủy tinh chiếm phần lớn trong ngành công nghiệp chế tạo, tuy nhiên, sự gia tăng lượng chất thải khó phân hủy từ sợi tổng hợp đặt ra thách thức về môi trường. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu sợi tự nhiên như xơ dừa rất dồi dào, đặc biệt ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long với diện tích trồng dừa khoảng 150.000 ha, trong đó Bến Tre chiếm 35% diện tích cả nước. Sợi xơ dừa có đặc tính chắc, bền, khả năng giãn dài tốt và giá thành thấp, là lựa chọn tiềm năng để thay thế một phần sợi thủy tinh trong vật liệu compozit.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng hệ lai tạo sợi thủy tinh và sợi xơ dừa đơn hướng, ứng dụng công nghệ Resin Transfer Molding (RTM). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh và xử lý bề mặt sợi xơ dừa bằng kiềm đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ vật liệu Polyme – Compozit & Giấy, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2022.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên sẵn có, giảm chi phí sản xuất, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng sợi tổng hợp khó phân hủy. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu compozit thân thiện môi trường, có tính ứng dụng cao trong các ngành công nghiệp nhẹ, xây dựng và nội thất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu compozit: Vật liệu polyme compozit gồm ba cấu tử chính: sợi gia cường, nhựa nền và chất liên kết. Mối liên kết giữa các cấu tử ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của vật liệu. Sợi gia cường chịu lực kéo, nhựa nền truyền tải trọng và bảo vệ sợi khỏi tác động môi trường.

• Tính chất nhựa epoxy: Nhựa epoxy nền bisphenol A (DGEB A) được sử dụng do có độ bền cơ học, khả năng bám dính tốt và chịu hóa chất cao. Các phương pháp đóng rắn nhựa epoxy bằng amin, axit cacboxylic, anhydrit và axit Lewis được xem xét để tối ưu hóa tính chất vật liệu.

• Xử lý bề mặt sợi tự nhiên: Phương pháp xử lý kiềm NaOH nhằm loại bỏ lignin, hemixenlulo và sáp trên bề mặt sợi xơ dừa, tăng độ nhám và khả năng bám dính với nhựa epoxy. Xử lý này cải thiện tính thấm ướt và truyền ứng suất giữa sợi và nhựa nền.

• Công nghệ RTM: Phương pháp Resin Transfer Molding sử dụng áp suất cao để chuyển nhựa epoxy vào khuôn kín chứa sợi gia cường, tạo sản phẩm compozit có tỷ lệ sợi cao (40-60%) và bề mặt sản phẩm chất lượng cao.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập, tính thấm ướt của nhựa với sợi, và ảnh hưởng của tỷ lệ sợi lai tạo đến tính chất cơ lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu compozit chế tạo tại phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ vật liệu Polyme – Compozit & Giấy, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cỡ mẫu gồm các tấm compozit đơn hướng với tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh khác nhau, được xử lý bề mặt bằng dung dịch NaOH 5% trong thời gian 1 giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đo độ bền kéo đứt theo tiêu chuẩn ISO 527 – 1993.
• Xác định độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:1993.
• Đo độ bền va đập theo tiêu chuẩn ISO 179:1993.
• Quan sát hình thái học bề mặt sợi và mặt cắt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
• Đánh giá khả năng thấm ướt của nhựa epoxy với sợi xơ dừa và vải thủy tinh qua thời gian thấm ướt và hệ số thấm ướt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo mẫu, xử lý bề mặt, đến phân tích tính chất cơ lý và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của xử lý kiềm lên bề mặt sợi xơ dừa: Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt sợi xơ dừa sau xử lý kiềm có độ nhám tăng rõ rệt, loại bỏ lớp lignin và hemixenlulo bám trên bề mặt. Thời gian thấm ướt của nhựa epoxy với sợi xơ dừa giảm từ khoảng 120 giây xuống còn 80 giây, hệ số thấm ướt tăng 25%, cho thấy khả năng thấm ướt và bám dính được cải thiện đáng kể.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh đến tính chất cơ lý: Khi tăng tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng đã xử lý kiềm từ 0% đến 50% thay thế sợi thủy tinh, độ bền kéo giảm nhẹ từ 320 MPa xuống còn 280 MPa (giảm khoảng 12,5%), trong khi độ dãn dài tăng từ 2,5% lên 3,8%. Độ bền uốn giảm từ 210 MPa xuống 180 MPa, độ bền va đập tăng 15% so với vật liệu chỉ gia cường sợi thủy tinh.

3. So sánh tính chất vật liệu compozit với sợi xơ dừa chưa xử lý và đã xử lý: Vật liệu compozit sử dụng sợi xơ dừa chưa xử lý có độ bền kéo trung bình 230 MPa, thấp hơn 20% so với vật liệu sử dụng sợi đã xử lý kiềm (280 MPa). Độ bền va đập của vật liệu với sợi chưa xử lý thấp hơn 18% so với vật liệu với sợi xử lý.

4. Phân tích hình thái học bề mặt phá hủy: Ảnh SEM cho thấy vật liệu compozit với sợi xơ dừa xử lý kiềm có bề mặt phá hủy mịn, ít khe hở giữa sợi và nhựa nền, trong khi vật liệu với sợi chưa xử lý có nhiều khe hở và bong tách, làm giảm khả năng truyền ứng suất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ lý khi sử dụng sợi xơ dừa xử lý kiềm là do loại bỏ các thành phần không tương thích như lignin và hemixenlulo, làm tăng độ nhám bề mặt và số nhóm hydroxyl hoạt động, từ đó tăng cường liên kết hóa học và cơ học giữa sợi và nhựa epoxy. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về xử lý bề mặt sợi tự nhiên nhằm nâng cao tính tương hợp với nhựa nền.

Việc thay thế một phần sợi thủy tinh bằng sợi xơ dừa giúp giảm chi phí nguyên liệu và trọng lượng sản phẩm, đồng thời tăng độ dãn dài và độ bền va đập, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tính năng chống va đập cao. Tuy nhiên, độ bền kéo và uốn giảm nhẹ do tính chất cơ học của sợi xơ dừa thấp hơn sợi thủy tinh, điều này cần được cân nhắc trong thiết kế sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo, uốn và va đập theo tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh, cũng như ảnh SEM minh họa sự khác biệt bề mặt sợi trước và sau xử lý kiềm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng xử lý kiềm NaOH cho sợi xơ dừa: Đề xuất sử dụng dung dịch NaOH 5% trong 1 giờ để xử lý bề mặt sợi xơ dừa nhằm tăng cường khả năng bám dính với nhựa epoxy, nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu compozit. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất vật liệu compozit, thời gian áp dụng trong quy trình sản xuất.

2. Tối ưu tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh: Khuyến nghị tỷ lệ thay thế sợi thủy tinh bằng sợi xơ dừa đơn hướng trong khoảng 30-50% để cân bằng giữa chi phí, trọng lượng và tính năng cơ lý. Thời gian nghiên cứu và điều chỉnh trong vòng 6 tháng.

3. Phát triển công nghệ RTM cho vật liệu compozit lai tạo: Khuyến khích ứng dụng công nghệ RTM để sản xuất vật liệu compozit với tỷ lệ sợi chính xác, đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu khí thải độc hại. Chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit, thời gian triển khai 12 tháng.

4. Nghiên cứu bổ sung các phương pháp xử lý bề mặt khác: Đề xuất nghiên cứu thêm các phương pháp xử lý như axetyl hóa để giảm tính hút ẩm của sợi xơ dừa, nâng cao độ bền và độ ổn định kích thước của vật liệu compozit. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu polyme compozit, công nghệ RTM và xử lý bề mặt sợi tự nhiên, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit và nhựa epoxy: Thông tin về công nghệ chế tạo, xử lý sợi và tối ưu tỷ lệ sợi giúp cải tiến quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Ngành công nghiệp chế tạo ô tô, xây dựng và nội thất: Vật liệu compozit lai tạo sợi thủy tinh/xơ dừa có thể ứng dụng trong sản xuất linh kiện nhẹ, vật liệu trang trí, cửa và mái nhà, giúp giảm trọng lượng và tăng tính bền vững.

4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và phát triển bền vững: Nghiên cứu góp phần thúc đẩy sử dụng nguyên liệu tái tạo, giảm lượng chất thải nhựa khó phân hủy, hỗ trợ các chương trình phát triển vật liệu thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn nhựa epoxy nền bisphenol A làm nhựa nền?
   Nhựa epoxy DGEB A có độ bền cơ học cao, khả năng bám dính tốt, chịu hóa chất và nhiệt độ, phù hợp với yêu cầu vật liệu compozit gia cường sợi lai tạo. Độ nhớt thấp giúp dễ dàng phối trộn với sợi và chất phụ gia.

2. Xử lý kiềm NaOH có tác dụng gì đối với sợi xơ dừa?
   Xử lý kiềm loại bỏ lignin, hemixenlulo và sáp trên bề mặt sợi, tăng độ nhám và số nhóm hydroxyl hoạt động, từ đó cải thiện khả năng thấm ướt và bám dính với nhựa epoxy, nâng cao tính chất cơ lý của compozit.

3. Tỷ lệ sợi xơ dừa thay thế sợi thủy tinh tối ưu là bao nhiêu?
   Theo kết quả nghiên cứu, tỷ lệ 30-50% sợi xơ dừa đơn hướng thay thế sợi thủy tinh mang lại sự cân bằng tốt giữa chi phí, trọng lượng và tính năng cơ lý, đặc biệt tăng độ dãn dài và độ bền va đập.

4. Công nghệ RTM có ưu điểm gì trong sản xuất vật liệu compozit?
   RTM cho phép kiểm soát chính xác tỷ lệ sợi và nhựa, tạo sản phẩm có bề mặt bóng đẹp, giảm khí thải độc hại nhờ khuôn kín, tăng năng suất và có thể tự động hóa, phù hợp với sản xuất vật liệu compozit phức tạp.

5. Vật liệu compozit lai tạo có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Vật liệu này thích hợp cho ngành xây dựng (cửa, mái nhà), nội thất trang trí, công nghiệp ô tô và hàng không, nơi yêu cầu vật liệu nhẹ, bền, chịu va đập và thân thiện môi trường.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng hệ lai tạo sợi thủy tinh/xơ dừa đơn hướng ứng dụng công nghệ RTM.
• Xử lý kiềm NaOH cho sợi xơ dừa cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt và tính chất cơ lý của vật liệu compozit.
• Tỷ lệ thay thế sợi thủy tinh bằng sợi xơ dừa trong khoảng 30-50% là tối ưu để cân bằng chi phí và hiệu năng.
• Vật liệu compozit lai tạo có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ và thân thiện môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu các phương pháp xử lý bề mặt khác và mở rộng ứng dụng công nghệ RTM trong sản xuất vật liệu compozit.

Để phát triển tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn, đánh giá tính ổn định lâu dài và mở rộng ứng dụng trong thực tế. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu compozit bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vật liệu polyme compozit 1. Lịch sử phát triển của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit (VLPC) đã được ra đời, hình thành và phát triển rất sớm từ khi bắt đầu có nền văn minh nhân loại. Từ lâu con người đã biết chế tạo và sử dụng vật liệu compozit phục vụ đời sống như dùng bùn đất trộn rơm trát lên các vách tre đan để làm tường nhà hay vỏ thuyền làm bằng lau, sậy trát nhựa thông…[1].

Nhưng mãi đến đầu thế kỷ 20, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì vật liệu compozit trở thành một cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống ở những mục đích khác nhau. Vật liệu truyền thống có một số nhược điểm như: nặng (bê tông, gạch, sắt thép…), dễ vỡ (sành, sứ), mối mọt…Với những nhược điểm này đã làm hạn chế trong việc sử dụng và cần tìm loại vật liệu khác thay thế. Do vậy, với những ưu điểm nổi bật của mình, vật liệu compozit có thể khắc phục được những nhược điểm của vật liệu truyền thống [2]. Khái niệm, phân loại Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu được tạo nên từ 2 hay nhiều cấu tử khác nhau có tính chất nổi trội hơn các cấu tử thành phần.

Hay nói một cách khác, vật liệu compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong một thể tích lớn nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản chất. Tùy thuộc vào bản chất cũng như thành phần cấu tạo, vật liệu polyme compozit có thể chia ra thành các loại chính như sau: – VLPC có phụ gia phân tán. – VLPC được gia cường bằng sợi ngắn. – VLPC được gia cường bằng sợi liên tục.

– VLPC được độn khí hay xốp. Thành phần của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit là một hệ thống cấu trúc của polyme gia cường bằng sợi, thường gồm ba cấu tử như hình 1. 1 Sợi gia cường Bề mặt phân chia pha sợi/chất liên kết Vùng phân chia Chất liên kết pha Bề mặt phân chia pha chất liên kết/polyme Nền polyme Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu polyme compozit 1. Cấu tử thứ nhất là vật liệu sợi làm nhiệm vụ gia cường và truyền lực vào vật liệu lớp.

Cấu tử thứ hai là phần nhựa nền (polyme) có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo. Cuối cùng, cấu tử thứ ba là chất liên kết có tác dụng làm tăng độ bám dính giữa sợi và nhựa. → Mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu polyme compozit. Sợi hay nhựa đứng riêng biệt đều không dùng được cho vật liệu kỹ thuật.

Tuy nhiên, nhựa là chất kết dính tuyệt vời truyền lực tốt đến các sợi gia cường. Nhựa nền là vật liệu đẳng hướng (isotropic) cho phép chuyển tải trọng giữa các sợi. Ngoài ra, nhựa nền còn bảo vệ cho sợi khỏi bị mài mòn, ngăn chặn tác động của ẩm, hoá chất và oxy hoá. Nhựa nền còn đóng vai trò chủ đạo trong việc bảo đảm tính chất chịu nén, ứng suất trượt và ứng suất cắt.

Các loại nhựa nền phổ biến nhất là polyeste không no, epoxy và vinyleste epoxy [4]. Vật liệu sợi hay cốt gia cường đóng vai trò tạo độ bền và modun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho compozit. Hiện nay, vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh được ứng dụng rất rộng rãi do chúng có nhiều ưu điểm vượt trội như: độ bền cao, nhẹ, co ngót ít, có tính chống ăn mòn cao, dễ dàng gia công chế tạo… Một số công trình trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit epoxy, gia cường bằng sợi thủy tinh, hóa rắn bằng hợp chất cơ titan ứng dụng rất nhiều trong vật liệu bền nhiệt và cách điện. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu polyme compozit Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu PC gia cường bằng các loại sợi: – Bản chất của các vật liệu thành phần (vật liệu gia cường và vật liệu nền).

– Độ bền, độ ổn định hóa học của nhựa nền. – Độ bền liên kết tại bề mặt tiếp xúc vật liệu nền/vật liệu gia cường. – Hình dạng, kích thước của vật liệu gia cường (dạng hạt, sợi không liên tục, liên tục). Khi vật liệu PC chịu tác dụng của ngoại lực, tải trọng tác dụng lên vật liệu nền sẽ được truyền sang vật liệu gia cường qua bề mặt tiếp xúc.

Thông thường sợi gia cường có độ bền cơ học lớn hơn nhựa nền nên dưới tác dụng của tải trọng, vết nứt sẽ xuất hiện trên bề mặt nhựa nền. Nếu compozit yêu cầu có độ bền và độ cứng cao thì vật liệu gia cường phải liên kết bền vững với vật liệu nền. Tuy nhiên, một bề mặt tiếp xúc bền thì sẽ tạo cho vật liệu PC có độ cứng và độ bền cao nhưng khả năng chống lại sự phát triển vết nứt kém do đặc tính giòn. Khả năng kết dính giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tốt là nhờ tồn tại các liên kết, tương tác tại bề mặt tiếp xúc.

Các hợp chất silan là chất liên kết có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp. Tùy thuộc vào loại nhựa nền mà chúng ta sẽ lựa chọn hợp chất liên kết tương ứng cho phù hợp. Lịch sử phát triển của nhựa epoxy Những thử nghiệm đầu tiên mang tính thương mại trong việc chế tạo nhựa epoxy từ epiclohydrin được tiến hành ở Hoa Kỳ vào năm 1927. Pierre Castan (Thuỵ Sĩ) và S.

Greenlee (Hoa Kỳ) đã trở nên nổi tiếng do lần đầu tiên tổng hợp được nhựa epoxy trên cơ sở bisphenol A vào năm 1936. Công trình của Castan đã được hãng Ciba (Thuỵ Sĩ) đăng ký bản quyền sáng chế và Ciba trở thành một trong ba nhà sản xuất chính nhựa epoxy trên thế giới. Sau đó công việc kinh doanh nhựa epoxy được chuyển nhượng vào năm 1990 và hiện là một đơn vị kinh doanh vật liệu tiên tiến của Huntsman Corporation (Hoa Kỳ). 3 Công trình của Greenlee phục vụ cho hãng Devoe-Reynolds (Hoa Kỳ).

Trong thời gian đầu Devoe-Reynolds tích cực sản xuất nhựa epoxy, sau đó chuyển nhượng cho Shell Chemicals (hiện là Hexion). Tính chất vật lý, hóa học của nhựa epoxy ❖ Cấu trúc tổng quát của nhựa epoxy: Trong đó R1, R2, R3: hydro hoặc gốc hydrocacbon Về mặt cấu tạo hóa học, nhựa epoxy có ba phần chính: mạch hydrocacbon, nhóm epoxy, các nhóm định chức khác. – Mạch hydrocacbon Tùy thuộc vào từng loại nhựa, mạch hidrocacbon của nhựa epoxy có thể có mạch vòng hoặc mạch thẳng. – Nhóm epoxy Phân tích đặc điểm cấu trúc của nhóm epoxy ta thấy đây là nhóm có hoạt tính hóa học cao, điều này được thể hiện ở các đặc điểm sau: + Nhóm epoxy là vòng ba cạnh gồm có hai nguyên tử cacbon và một nguyên tử oxy có sức căng lớn.

Các liên kết của vòng không có sự xen phủ cực đại của liên kết σ mà mang bản chất của liên kết π nên kém bền, có hoạt tính hóa học cao. + Nhóm epoxy có nguyên tử oxy còn cặp electron tự do chưa tham gia liên kết nên dễ mở vòng khi cộng hợp với các hợp chất có hydro linh động. – Các nhóm định chức khác Các loại nhựa epoxy có thể chứa những nhóm định chức khác nhau và những nhóm đó có phản ứng đặc trưng của nó. Nhiều nhựa epoxy trong phân tử có nhóm hydroxyl, liên kết đôi.

– Nhóm hydroxyl + Do sự chênh lệch về độ âm điện giữa nguyên tử oxy và nguyên tử hydro nên liên kết O – H bị phân cực mạnh và tạo ra H linh động. + Nguyên tử oxy còn cặp electron chưa tham gia liên kết nên dễ dàng tham gia phản ứng nucleophin. Tính chất vật lý 4 Nhựa epoxy chưa đóng rắn trong suốt hoặc có màu vàng sáng. Tùy thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT) mà nhựa epoxy này có thể ở các trạng thái khác nhau như lỏng (KLPT < 450), đặc (450 < KLPT < 800), rắn (KLPT > 800).

Khối lượng phân tử quyết định tính chất của sản phẩm đóng rắn. Thực tế cho thấy rằng nhựa khối lượng phân tử thấp dùng làm keo dán, chế tạo các vật liệu đúc và các loại tấm ép, còn nhựa khối lượng phân tử cao thường dùng làm sơn sau khi biến tính. Nhựa epoxy rắn có khối lượng phân tử cao, sau khi đóng rắn có mật độ liên kết ngang không cao và các liên kết này nằm cách xa nhau vì vậy nhựa sau khi đóng rắn vẫn còn có tính dẻo nhất định. Sản phẩm sau khi đóng rắn không tạo bọt khí và rỗ.

Ngoài ra, sản phẩm sau khi đóng rắn vẫn còn nhiều nhóm -OH trong mạch làm cho nhựa có tính bám dính tốt với nhiều loại vật liệu. Liên kết ete làm cho nhựa có độ bền hóa học cao và có cực, đồng thời cũng làm tăng độ bám dính của sản phẩm. Hầu hết nhựa epoxy đều bền hóa học, bám dính tốt, chịu hóa chất tốt (nhựa đóng rắn chịu được kiềm đặc, chất tẩy rửa, dung dịch muối, dung dịch axit: HCl 20%, H2SO4 70%, HNO3 10%, CH3COOH 1%), chịu môi trường có độ ẩm cao, cứng, chắc. Độ cứng tương đối của màng sơn, vecni trên cơ sở nhựa epoxy vào khoảng 0,2÷0,9.

Sản phẩm đóng rắn có hằng số điện môi thấp, cách điện tốt. Tùy thuộc vào bản chất và cấu tạo hóa học mà mỗi loại nhựa có độ bền thời tiết khác nhau. Trong môi trường nóng ẩm các tính chất của nhựa epoxy đều bị suy giảm. Các nhựa epoxy dian tan tốt trong các dung môi hữu cơ như xeton, ancol, ete, xetoancol, dioxan…và không tan trong các hydro cacbon mạch thẳng.

Nhựa epoxy có thể phối trộn với các loại nhựa khác như phenol formaldehyt, uremelamin formaldehyt, polyamit, polyeste nhưng không trộn được với ete và ete xenlulo. Tính chất hóa học Đối với nhựa epoxy, hai nhóm định chức quyết định tính chất hóa học của nhựa là nhóm epoxy và nhóm hydroxyl. Tuy nhiên, tùy thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT) của nhựa mà nhựa thể hiện tính chất theo nhóm chức trội hơn [5, 6]. Khi n ≤ 3 (KLPT ≤1200): số nhóm epoxy chiếm đa số nên phản ứng hóa học đặc trưng là nhóm epoxy.

5 Khi 3<n<10 (1200<KLPT<3000): tồn tại cả hai nhóm epoxy và hydroxyl với số lượng tương đương nên phản ứng đặc trưng là của hai nhóm. Khi n ≥ 10 (KLPT ≥ 3000): số nhóm hydroxyl chiếm đa số nên phản ứng hóa học đặc trưng là nhóm hydroxyl. Nhóm epoxy dễ dàng tham gia phản ứng với các tác nhân nucleophin. Với các tác nhân ái điện tử (electrophin), phản ứng xảy ra thuận lợi khi có mặt xúc tác proton như rượu, phenol, axit.