giới thiệu về Compozit nen PEKN

Đặc điểm gia công của vâât liêâu nền So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn Trước gia công, nhựa thường ở trạng thái lỏng Trạng thái rắn

VẬT LIỆU THÀNH PHẦN CỦA POLYME cOMPOsITe

Sợi cacbon

Sợi Thủy tinh Gốm Kim loại

2.1.2 Yêu cầu đối với vâât liêâu nền

 Tính chất cơ học tốt (chịu tải trọng)

 Tính chống ngấm ẩm, kết dính tốt (truyền hiệu quả tải trọng)

 Bền dẻo dai tốt (chống lại sự phát triển vết nứt)

 Bền dưới tác dụng phá huỷ của môi trường (nước, các tác nhân từ môi trường, đặc biệt môi

trường nước biển)

2.1.3 Phân loại vâât liêâu nền

 Polymer = poly (nhiều) + mer (phần, đơn vị) Ví dụ nhựa PVC

 Polyme là những hợp chất mà phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng liên kết hoá học và lặp di lặp lại nhiều lần tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn

Polyme

Nhựa nhiêât cứng Nhựa nhiêât dẻo

Kết tinh Vô định hình

Cao su

2.1.3 Phân loại vâât liêâu nền …

 Một vài điểm khác biệt giữa nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn và cao su

Mạch thẳng hoặc nhánh Mạch thẳng, giữa các mạch có rất ít liên kết ngang Mạng lưới, mật độ nối ngang dày đặc, từ 10

đến 1000 lần cao hơn cao su

• Có khả năng nóng chảy nhiều lần

• Có khả năng hoà tan

nhiều lần

- Không có khả năng nóng chảy

- Không có khả năng hoà tan

- Có khả năng trương

- Không có khả năng nóng chảy

- Không có khả năng hoà tan

PP, PE, PVC,… Cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp: BR, ABR,… EP, UPE, PF, UF,…

2.1.3 Phân loại vâât liêâu nền …

 So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến vâ ât liêâu nền

 Bản chất hoá học, sự phân bố các nhóm chức, độ phân cực,…

 Phân tử lượng, độ phân nhánh, độ đa phân tán

 Trạng thái pha: tinh thể hay vô định hình

 Điều kiện đóng rắn (nhựa nhiệt rắn):

 Loại chất đóng rắn

 Nhiệt độ

 Thời gian

2.1.4 Đặc điểm gia công của vâât liêâu nền

 So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn

Trước gia công, nhựa

thường ở trạng thái lỏng

Trạng thái rắn trước gia công (do khối lượng phân tử cao)

Trong quá trình gia công

→ trạng thái rắn, với cấu

trúc mạng lưới không gian 3 chiều nhờ các phản ứng

hoá học

Gia công ở nhiệt độ chảy mềm (ở trạng thái nóng chảy với độ nhớt cao) để tạo hình dạng và sản phẩm được hoá rắn nhờ làm nguội

Thời gian gia công dài hơn nhựa nhiệt dẻo Các sản phẩm đúc có thể được gia công thay đổi hình dạng đó

là ưu điểm → hiệu quả kinh tế

http://www.hungvietcomposite.com/

2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE)

2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE)

 Là loại nhựa phổ biến nhất, đặc biệt trong công nghiệp hàng hải (thân tàu, cánh buồm…)

 Tính chất chung của nhựa UPE

 Cơ lý tính cao

 Dễ gia công ở điều kiện thường

 Giá thành thấp

 Polyester có nhiều loại (các acid, glycol và monomer), mỗi loại có những tính chất khác nhau

phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng); Phương pháp tổng hợp; Trọng lượng phân tử; Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến) và Hệ chất độn

2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE) …

 Có 2 loại polyester chính thường sử dụng cho VLC

1. Nhựa orthophthalic - tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi

2. Nhựa isophthalic có khả năng kháng nước rất cao -> là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là

hàng hải

 Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có

thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào

2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE) …

 Đóng rắn nhựa UPE

+ styren

 Xúc tác thêm vào → thay đổi màu của nhựa UPE

 Quá nhiều xúc tác → thời gian gel hoá quá nhanh

 Quá ít xúc tác → quá trình đóng rắn không hoàn toàn

 Trong quá trình đóng rắn, co ngót nhiều (4-8%) gây biến dạng, tạo những tiềm năng gây hư hỏng trong vật liệu

2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE) …

 Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất.

 Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian

Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp

polyester để ngăn ngừa hiện tượng này

 Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất Quá trình đóng rắn hay tạo

kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa

2.2.2 Nhựa Epoxy

 Là loại nhựa được xem là có tính năng cao nhất

 Gồm 2 thành phần: nhựa lỏng và chất đóng rắn (hoặc chất xúc tác), nhiệt độ đóng rắn từ 5oC

đến 150oC tuỳ thuộc chất đóng rắn, xúc tác

 Nhựa lỏng không màu → nâu, ở nhiệt độ thường có thể tồn tại nhiều năm trong bình chứa khô

mà không phản ứng với nhau

 Bền cơ học (cứng, dẻo dai), nhiệt tốt

 Bền hoá chất, cách điện tốt

2.2.2 Nhựa Epoxy

N,N,N’,N’,- tetraglycidyl metylendianilinPolyglycidylete của nhựa PF NovolacDiglycidylete của bisphenol F (DGEBF)

2.2.3 Nhựa Vinylester

 Giống nhựa polyester, nhưng vị trí nhóm phản ứng nằm ở cuối mạch và ít nhóm ester hơn

 Bền nước và hoá chất hơn UPE do có ít nhóm ester hơn → được dùng nhiều trong sản xuất

đường ống và các thùng chứa hoá chất, tàu thuyền

 Nhựa Vinylester đóng rắn bền hơn UPE đóng rắn → dùng làm lớp phủ cho composite nhựa

UPE

So sánh tính chất ba loại nhựa

Tính chất cơ học trung bình

 Styren thoát ra nhiều trong khuôn mở

 Co ngót khi đóng rắn cao

 Giới hạn thời gian làm việc

Vinylester

Bền hoá chất và môi trường rất cao

Tính chất cơ học cao hơn UPE

 Yêu cầu đóng rắn hoàn toàn (Postcure) trường hợp yêu cầu tính năng cao

 Giá thành cao hơn UPE (2-4 euro/kg)

 Co ngót khi đóng rắn cao

Epoxy

 Tính chất cơ lý, nhiệt cao

 Bền nước cao

Bền nhiệt 1400C(ướt)/ 2200C(khô)

 Co ngót khi đóng rắn thấp

Đắt hơn nhựa Vinylester (3-15 euro/kg)

2.2.4 Nhựa Phenolic – Giới thiệu

 Là một trong những nhựa nhiệt rắn được sử dụng rộng rãi nhất, chủ yếu là nhựa

Phenol-formaldehyt (PF) Ngoài ra còn có nhựa: phenol-fufural, resorcinol-Phenol-formaldehyt,…

 Có sẵn trên thị trường ở dạng dung dịch nước, dung dịch trong dung môi hữu cơ hoặc ở dạng

bột

 Được đóng rắn nhờ gia nhiệt và áp suất, không sử dụng xúc tác hoặc chất đóng rắn

2.2.4 Nhựa Phenolic – Quá trình đóng rắn

Nhựa Phenolic

Resol (trang thái A)

Resitol (trang thái B)

Rezit (trang thái C)

Giai đoạn 1 Nhiệt

Nhựa có khả năng nóng chảy và hòa tan

Nhựa rắn, nóng chảy và hòa tan kém

Nhựa rắn không hoà tan, không nóng chảy, bền hoá chất

Giai đoạn 2 Nhiệt

Giai đoạn 3 Nhiệt

Dưới tác dụng nhiệt phản ứng ngưng tụ xảy ra, có tạo sản phẩm phụ (nước, HCHO)

2.2.4 Nhựa Phenolic – ưu nhược điểm

 Chống cháy tốt

 Duy trì tính chất ở nhiệt độ cao trong thời gian dài

 Bền hoá chất tốt đặc biệt đối với nhiều axit

 Tính chất điện tốt, bền nhiệt rất tốt và độ bền cơ học

 Rẻ hơn nhựa UPE

 Nhược điểm

 Quá trình đóng rắn ở nhiệt độ cao có thoát bay hơi (nước và formaldehyt) nên sản phẩm có nhiều lỗ bọt và vết hỏng bề mặt, độc hại

 Giòn, dùng chất hoá dẻo ảnh hưởng đến quá trình đóng rắn

 Áp suất đóng rắn cao, thời gian đóng rắn dài hơn nhựa UPE, thời gian sống ngắn (Khoảng 90 ngày ở dạng lỏng)

2.2.5 Nhựa chịu nhiệt

 Gồm những polyme dị vòng thơm như họ chựa polyimit thơm (phổ biến, Tg>3160C),

bis-maleimit và một vài nhựa nhiệt dẻo vòng thơm

 Có độ cứng cao (Tg cao), duy trì tính chất cơ học ở nhiệt độ cao

 Điển hình: Polyimit PMR-15 (polymerization of Monomeric Reactants)

 Phản ứng không tạo sản phẩm phụ bay hơi → không tạo lỗ bọt và vật liệu lớp có tính chất tốt.

 Gia cường bởi sợi thuỷ tinh E hoặc sợi graphit → Composite có độ bền cao ở nhiệt độ phòng và duy trì tính chất đến giới hạn 288-3160C

2.3.1 Ưu điểm của composite nhựa nhiệt dẻo

 Gia công nhanh hơn composite nhựa nhiệt rắn, gồm các công đoạn: gia nhiệt, tạo hình, làm

nguội, không có phản ứng đóng rắn xảy ra

 Độ bền tách lớp cao, độ hấp thụ ẩm thấp và bền hoá chất của polyme kết tinh một phần rất tốt

 Dưới ánh sáng của môi trường, composite nhựa nhiệt dẻo cú những ưu điểm: độ độc hại rất

thấp, do không chứa các tác nhân phản ứng, thời gian sống vô hạn

 Có thể được tái sinh do có khả năng nóng chảy và hoà tan trở lại

2.3.2 Ứng dụng composite nhựa nhiệt dẻo

 Trong ngành hàng không, đang thay thế dần nhựa nhiệt rắn do:

 Chi phí sản xuất composite nhựa nhiệt dẻo rẻ hơn

 Tốc độ bay cao yêu cầu khả năng chịu nhiệt của vật liệu cao hơn (nhựa nhiệt rắn polyimit đáp ứng yêu cầu này nhưng do nhược điểm là giải phóng khí trong quá trình gia công và giòn, nên composite nhựa nhiệt dẻo đang được thu hút)

 Trong sản xuất ô tô, Composite nhựa nhiệt dẻo đang được sử dụng rộng rãi, chủ yếu là

composite nhựa polypropylen gia cường sợi thuỷ tinh (GF/PP) do

 Chu trình gia công nhanh đối với những sản phẩm khá lớn

2.3.3 Phân loại nhựa nhiệt dẻo

Nhựa nhiệt dẻo

Nhựa nhiệt dẻo

Ví dụ:

Polyvinyl clorua (PVC) Polystyren (PS)

Polycacbonat (PC) Acrylic (PMMA) Polyphenylen oxit (PPO) Polyamit imit, polyete imit,

So sánh tính chất của các loại sợi cacbon

Morphology (hình thái), mức độ KT có thể thay đổi dựa vào thay đổi

chế độ (nhiệt độ/thời gian) của quá trình gia công, tốc độ gia công

2.3.5 Đặc điểm gia công các loại nhựa nhiệt dẻo

 Khó tạo hình dạng với những sản phẩm có cấu trúc hình dáng phức tạp

 Nên gia công bán thành phẩm trước khi tạo thành phẩm

 Các phương pháp gia công: Injection molding, Extrusion, Press-moulding, Pultrusion, resin

Injection,

2.4.1 Yêu cầu đối với Vật liệu gia cường

 Tính gia cường cơ học tốt

 Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ tốt

 Tỷ trọng bé

 Phân tán vào nhựa tốt (tính tương thích)

 Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

 Thuận lợi cho quá trình gia công

 Giá thành hạ

 Giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường

Tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm cụ thể mà chọn lựa vật liệu gia cường thích hợp

2.4.2 Phân loại sợi

Sợi

Sợi tự nhiên

2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất sợi

 Đường kính sợi

 Định hướng của mạch phân tử trong sợi

 Chiều dài sợi

 Kiểu đan, dệt vải

Sự định hướng của mạch phân tử

Các dạng vật liệu gia cường

Dệt đơn (Plain weave)

Dệt đôi (Twlil weave)

Vải đơn hướng (Unidirectional cloth) Vải thô (thuỷ tinh)

Vải lụa (thuỷ tinh)

Các dạng vật liệu gia cường

Hướng phân bố của sợi trong VLC

2.5.1 Sợi cacbon

 Cấu trúc tinh thể, gồm những lớp cacbon dạng lục diện;

 Có thể được sản xuât từ PAN (phổ biến nhất), rayon hoặc nhựa (Pitch), loại nguyên liệu ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc và tính chất của sợi cacbon;

 Nhẹ, khả năng ổn định kích thước cao, khá dòn;

 Duy trì tính chất trong môi trường khắc nghiệt (Nhiệt độ cao, tiếp xúc với dung môi và các chất lỏng, môi trường ẩm ướt);

 Composite nền polyme có độ cứng và độ bền cao, nhẹ;

 Composite sợi cacbon/nền cacbon chịu nhiệt cao, dùng làm đĩa phanh, chi tiết lò nhiệt, ống gió, VL phủ chống oxy hoá, compozit nền nhựa (Epoxy) dùng trong ngành hàng không, vũ trụ;

 Giá thành khá cao.

So sánh tính chất của các loại sợi cacbon

(ksi)

Khối lượng riêng (g/cm3)

Đường kính sợi (µm)

Sản xuất sợi cacbon

Cacbon hoá Oxy hoá

Graphit hoá

250-25000C

1500-30000C 200-4000C

Xử lý bề mặt Sấy khô

Kéo sợi từ cuộn (PAN )

Xử lý nhiệt nguyên liệu

thô có chứa cacbon, thường là sợi polyme

Kéo sợi từ pitch nóng chảy

Cuộn sợi Cacbon/ Graphit

2.5.2 Sợi thuỷ tinh

 Phổ biến, đa dạng, rẻ

 Là loại VL gia cường được sử dụng rộng rãi nhất

 Khả năng gia cường cơ lý tính cho VL nền cao

 Tỷ số cơ lý tính/giá cả rất cao hơn các loại sợi khác, tính chất va đập tốt

 Biến dạng phá huỷ cao hơn sợi cacbon

 Tương đối nặng

 Có khuynh hướng hấp thụ ẩm

2.5.2 Sợi thuỷ tinh - Sơ đồ sản xuất sợi

2.5.2 Sợi thuỷ tinh - Một số loại sợi thuỷ tinh

 TT E - Bền, cứng, chịu thời tiết, dùng cho VL cách đIện (chiếm tỉ lệ cao nhất)

 TT A - Có hàm lượng kiềm cao, kháng ẩm kém

 TT S - Modun và độ bền kéo cao, dùng cho mục đích đặc biệt (hàng không, kết cấu có độ bền

cơ học cao)

 TT C - Bền hoá chất, phủ chi tiết máy, kết cấu chống ăn mòn hoá học

 YM-31A- trên cơ sở sợi TT E, dùng cải thiện độ mềm dẻo cho vật liệu

2.5.3 Sợi Aramic

 Bền kéo, bền cắt cao - độ bền nén, uốn khá thấp – nhẹ

 Bền hoá học cao

 Có khuynh hướng hấp thụ nước

 Ổn định kích thước tốt

 Giãn nở nhiệt thấp, chống cháy tốt

 Độ bền ở bề mặt tiếp xúc với VL nền không cao

Dùng hỗn hợp Thuỷ tinh - kevlar, cacbon - kevlar chế tạo thiết bị chống phóng xạ, chống nhiệt và dụng cụ thể thao

2.5.4 So sánh tính chất vật liệu của một số VL

2.5.4 So sánh tính chất vật liệu của một số VL

2.5.4 So sánh tính chất vật liệu của một số VL