Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 Lịch sử phát triển ngành vật liệu Composite Vật liệu composite, còn gọi là vật liệu compozit hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Việc sử dụng vật liệu composite đã có từ rất lâu đời. Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Mà điển hình nhất chính là hợp chất dùng để ướp xác của người Ai Cập.
Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là than cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hòa ấy là thân cây vừa bền vừa dẻo, một cấu trúc composite lý tưởng. Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm về mùa đông… Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950.
Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới.2 Tình hình phát triển ngành vật liệu composite thế giới Vật liệu composite đã có từ rất lâu đời, tuy nhiên chỉ thật sự bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1960 ở Mỹ, những vật liệu này rất đa dạng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống: các ngành chế tạo máy, kỹ thuật hàng không, vũ trụ, kỹ thuật điện và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác có nhu cầu rất cao về các vật liệu có các cơ – lý tính cao (độ bền nhiệt, tỷ trọng thấp, độ chịu nhiệt…) mà các tính chất này không thể có được ở các vật liệu thông thường. Sự gia tăng SVTH: NGUYỄN ĐỨC KHOA 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN QUANG KHUYẾN trong việc sử dụng vật liệu composite ở mức gần như chúng thay thế các vật liệu truyền thống: thép, nhôm… Lượng sản phẩm composite của Mỹ vượt qua mức 1.5 triệu tấn vào năm 2001. Xu thế giảm giá thành, tăng chất lượng và tạo nhiều dạng sản phẩm composite cùng với sự phát triển vượt bật của nanocomposite sẽ là nhân tố then chốt thúc đẩy sự tang trưởng mạnh của ngành vật liệu composite.3 Tình hình phát triển ngành vật liệu composite ở Việt Nam Vật liệu composite đã phát triển từ rất lâu ở các nước phát triển, tuy nhiên với nước ta, thì vật liệu composite được coi là “Vật liệu mới”, chính vì thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi sử dụng vẫn chưa lâu.
Vật liệu composite sợi thủy tinh (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và áp dụng thử ở nước ta từ 1988, khởi đầu là canô, xuồng nhỏ với tư cách là loại “Vật liệu mới”. Đến đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, một vài đơn vị sản xuất composite đã hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước không lớn, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên composite thực sự bắt đầu được phát triển kể từ năm 1995 đến nay kể cả về số lượng các đơn vị sản xuất cũng như chất lượng và chủng loại sản phẩm. Hiện nay trong toàn quốc có khoảng 40 đơn vị lớn nhỏ, nhưng chỉ một số đơn vị chuyên sản xuất mặt hàng composite, còn lại là kết hợp với các sản phẩm nhựa khác.
Các mặt hàng đã mở rộng, đa dạng, phong phú cùng với chất lượng cao hơn như: ghe, thuyền, canô, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiên cứu hải dương, tàu đánh cá xa bờ, cầu trượt, máng trượt (cho công viên nước), bể bơi, bồn tắm, kiôt, trang trí nội thất, ngoại thất, các công trình cho công viên, đồ chơi trẻ em, tấm lợp nhà máy, nhà dân, các loại bể xí tự hoại, toilet lưu động phục vụ đô thị, nông thôn, công trường, nhà máy. Các loại bồn chứa đặt dưới đất hoặc trên tháp cao với dung tích hàng trăm mét khối. Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ… Cùng với sự phát triển trên là nhu cầu nhập nguyên liệu ngày càng tăng. Về công nghệ, ở nước ta chủ yếu vẫn là công nghệ trải tay (hand lay-up).
Công nghệ phun (spray) và các công nghệ tân tiến khác còn rất ít được áp dụng. Tuy nhiên, một điều ta có thể nói rằng là sản phẩm composite đã và đang có xu hướng phát triển ở nước ta với nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và công nghiệp. Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn đang bị hạn chế bởi các nguyên do chính là: nguyên liệu tất cả đều phải nhập khẩu từ bên ngoài dẫn đến giá thành sản phẩm khi SVTH: NGUYỄN ĐỨC KHOA 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN QUANG KHUYẾN hoàn thiện còn cao, chưa thực sự thu hút được đa số người sử dụng, bên cạnh đó những am hiểu về loại “vật liệu mới” này của người tiêu dùng, các nhà quản lý, lập dự án vẫn chưa thật sự sâu sắc.
Khả năng tuyên truyền, marketing thương hiệu vẫn chưa thật sự được đầu tư đúng mức. Bên cạnh đó, các nhà sản xuất, kinh doanh vẫn chưa mạnh dạn đầu tư các công nghệ tiên tiến, dẫn đến những hạn chế trong chất lượng, mẫu mã, chuẩn loại sản phẩm. Xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa càng cao, yêu cầu đặt ra là sự quan tâm nhiều hơn nữa của các nhà quản lý, thiết lập dự án. Với những điều kiện mà đất nước đang có: cát, mỏ dầu, nhà máy lọc hóa dầu đã đưa vào hoạt động, là tiền đề thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của các nhà máy sản xuất sợi thủy tinh và polyester cho công nghệ composite.
Nếu được sự quan tâm của các cấp quản lý vĩ mô, nếu các nhà sản xuất mạnh dạn đầu tư công nghệ tiên tiến, cùng với nguyên liệu sản xuất trong nước, thì chắc chắn vật liệu composite ở nước ta sẽ phát triển mạnh và trở thành một ngành vật liệu có ý nghĩa, đóng gióp cho sự phát triển kinh tế xã hội, là động lực thúc đẩy các ngành khác phát triển, giải quyết được việc làm cho người lao động [2].4 Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là tên gọi chung của bất cứ vật liệu nào được tạo nên bởi sự pha trộn các thành phần riêng lẻ trước khi sử dụng vào chế tạo sản phẩm cụ thể. Ví dụ: cát, sỏi đá, xi măng, nước được hòa trộn với nhau rồi cùng với cốt thép, đóng rắn lại thành bê tông, cho nên bê tông thực chất cũng là một dạng composite. Tên composite xuất phát từ gốc tiếng Anh compos có nghĩa là hợp chất nhiều thành phần, nhiều chất riêng lẻ tạo thành một cách hòa trộn chúng ngay trước khi sử dụng. Những thành phần riêng lẻ này nếu chỉ mình nó thì đặc tính và công dụng hoàn toàn khác.
Nhưng nếu chúng kết hợp với nhau trong một quy trình hợp lý thì sẽ cho ta loại vật liệu hoàn khác có đặc tính sức bền cơ lý hơn hẳn (bê tông là một ví dụ điển hình). Đó chính là vật liệu composite. Nói cách khác composite là vật liệu đa thành phần [2].5 Cấu tạo và phân loại vật liệu composite Composite có nhiều loại, được tạo ra tùy theo chất liệu thành phần và mục đích sử dụng. Ví dụ: trong công nghệ gốm sứ, công nghệ polymer…đều có vật liệu SVTH: NGUYỄN ĐỨC KHOA 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
NGUYỄN QUANG KHUYẾN được gọi là composite. Ta chỉ đề cập đến loại composite thuộc chất dẻo nhiệt rắn (thermosetting plastics). Thành phần của vật liệu composite gồm có: Thành phần phân bố liên tục trong toàn thể tích vật liệu gọi là nền. Thành phần phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu gọi là cốt.
Tuỳ theo bản chất của vật liệu nền người ta có thể chia vật liệu composite thành các loại khác nhau: Vật liệu composite nền polymer: PMC Vật liệu composite nền vô cơ ceramic: CMC Vật liệu composite nền kim loại: MMC Trong phần này ta chỉ đề cập đến loại PMC, vì đây là loại composite được nghiên cứu và ứng dụng rộng nhất trong công nghệ vật liệu composite. Ta tìm hiểu composite thuộc chất dẻo nhiệt rắn (Thermosetting plastics), bao gồm 2 thành phần chủ yếu là polyme và các loại sợi gia cường. Polyme: Polyeste, vinyleste, epoxy,… Các loại sợi: Thủy tinh, aramid, polyeste, cacbon,… Các chất: Xúc tiến (accelator), xúc tác (catalyst) và phụ gia khác tuy với tỷ lệ trọng lượng rất nhỏ nhưng không thể thiếu. Composite cấu tạo từ loại sợi nào thì mang tên loại sợi đó.
Ví dụ: composite cacbon với sợi cacbon; composite thủy tinh với sợi thủy tinh,…Sợi thủy tinh là loại sợi gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong vật liệu composite. Nó đóng vai trò gia cường (tăng sức bền) cho chất dẻo nên composite thủy tinh được viết tắt là FRP (Fibreglass reinforced plastics) hoặc GRP (Glass reinforced plastics). Trên thị trường cũng như trong sản xuất vật liệu này thường được gọi tắt là FRP, đôi khi ngắn gọn: sợi thủy tinh. Ví dụ: canô làm bằng sợi thủy tinh,… 1.6 Ưu điểm, nhược điểm chủ yếu của vật liệu composite Có nhiều loại polyeste, nhiều loại sợi gia cường được sử dụng để chế tạo các loại composite.
Mỗi loại polyeste và sợi lại có các chủng loại cụ thể với các đặc tính ưu tiên khác nhau. Do đó cần có sự lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng cho những sản phẩm có mục đích phù hợp. SVTH: NGUYỄN ĐỨC KHOA 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN QUANG KHUYẾN Trong điều kiện sử dụng các vật liệu đúng tiêu chuẩn, thì vật liệu composite nói chung có những ưu điểm chủ yếu sau đây: Nhẹ nhưng cứng vững, chịu va đập, uốn, kéo tốt, nhẹ hơn nhôm (nhẹ hơn 20- 50%) Chịu hoá chất, không sét gỉ, chống ăn mòn.
Đặc tính này đặc biệt thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển (tàu thuyền, các bồn chứa nước, dung môi, bể xí tự hoại, ống nước thải, cấu kiện nhà máy hoá chất, phòng thí nghiệm…). Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hoá nên rất bền (mái che, ghế sân vận động, các công trình ngoài trời,…). Chịu lạnh, chịu nhiệt, chống cháy (ống xả động cơ diesel, panel kho lạnh, xuồng cúư hoả,…). Cách điện, cách nhiệt tốt (thang cách điện, cấu kiện trong máy điện tử, vách cách nhiệt,…).