Vật liệu composite là loại vật liệu được kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau, nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất đặc biệt mà các vật liệu ban đầu không có được.. Là chất kết d
Trang 1Lời nói đầu
Đề tài: “Chế tạo vật liệu (bán thấm nước) từ polymer composte - sợi vải vụn và sợi xơ dừa”
Mục tiêu của đề tài
o Chế tạo một số sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần nâng cao khả năng tái sử dụng của một số phế liệu
o Sử dụng sợi vải phế thải và xơ dừa tự nhiên để tạo nên sản phẩm
o Sản phẩm được chế tạo theo hướng bán thấm nước áp dụng trong trồng trọt
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết
Chế tạo loại chậu cây cảnh có những tính chất riêng biệt:
• Bền, nhẹ, nhiều màu sắc
• Sử dụng sợi vải phế liệu và xơ dừa tự nhiên
• Bước đầu thử nghiệm trồng thực vật thủy sinh
Những đánh chi tiết cần tiến hành tiếp tục trong thời gian, việc hiệu chỉnh các thành phần của vật liệu cho phù hợp với các loại cây khác nhau và điều chỉnh
tốc độ bán thấm của vật liệu
Trang 2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO
1.1 VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1.1 Khái niệm chung về vật liệu composite
Vật liệu composite là loại vật liệu được kết hợp của hai hay nhiều cấu tử
khác nhau, nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất đặc biệt mà các vật liệu ban đầu không có được Vật liệu polyme composite là hệ thống gồm hai hay nhiều pha Trong đó pha liên tục (maxtrix) là polyme Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác nhau (phụ gia) vật liệu composite được chia thành:
• Vật liệu có phụ gia phân tán
• Vật liệu được tăng cường bằng sợi ngắn hay vẩy
• Vật liệu được tăng cường bằng sợi liên tục
• Vật liệu độn khí hay xốp
• Vật liệu là hỗn hợp polyme-polyme
Trong lĩnh vực polyme, vật liệu composite là các vật liệu đi từ nhựa polyme (chất nền) được gia cường bằng các phụ gia (chất độn)
NHỰA (Chất nền - Pha liên tục)
Là chất kết dính, chuyển dạng rời rạc của vật liệu độn thành dạng liên tục
và đóng vai trò chuyển ứng suất tập trung cho phụ gia (chất độn) do phụ gia
có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nền Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công, vật liệu composite có nhựa nền polyme tốt phải đảm bảo yêu cầu sau:
Trang 3+ Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn, để làm giảm ứng suất nội
+ Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt phụ gia
+ Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hoá rắn trong quá trình kết dính
+ Chất kết dính có chứa nhóm hoạt động hay phân cực
Người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn làm nhựa polyme nền Nói chung nhựa nhiệt dẻo có tính chất cơ-lý-hoá thấp hơn nhựa nhiệt rắn
PHỤ GIA
Pha gián đoạn có vai trò tạo nên độ bền cao, modun đàn hồi cao cho composite, là các điểm chịu ứng suất tập trung trong vật liệu Dó đó chất độn phải có độ bền, modun đàn hồi cao, phải nhẹ để có độ bền riêng cao
Độn làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất độn hoạt tính Độn không làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là độn trơ
Chất độn được đánh giá dựa trên những đặc điểm sau:
• Độ bền hoá chất môi trường
• Tính gia cường cơ học (độ cứng, độ đàn hồi)
• Khả năng phân tán vào nhựa tốt
• Độ bền nhiệt, truyền nhiệt tốt
• Thuận lợi cho quá trình gia công
• Nhẹ, giá thành giảm, dễ kiếm
Tuỳ thuộc vào vật liệu polyme composite mà ta lựa chọn chất độn cho phù hợp Có hai loại chất độn:
Chất độn dạng bột và dạng hạt Composite tạo thành là composite hạt
Trang 4+ Loại độn hữu cơ: như PVC, parafin, clo hoá…Được dùng chủ yếu làm chậm khả năng bắt lửa cho nhựa
+ Bột kim loại: Sử dụng bột Fe, Al, Pb, Cu…tạo cho vật liệu một số tính chất đặc biệt chuyên dụng
+ SiO2 làm tăng độ bền ẩm, tăng tính cách điện và dễ gia công cho vật liệu + Tale (3MgO.4SiO2.2H2O): Trong bột tale thường có lẫn tạp chất CaO,
Al2O3 và oxyt sắt Tinh thể tale có dạng tấm, hình kim hoặc hình sợi Bột tale mềm và trơ hoá học có khả năng tăng độ bền ẩm, bền nhiệt và bền hoá
+ Bột nhẹ (CaCO3): Là chất độn phân bố ở nhiều dạng khác nhau: Dạng hạt, bột mịn, hạt sa lắng Có khả năng tăng độ ổn định kích thước, độ bền nhiệt và khả năng gia công của vật liệu
Bentonit (Al2O3.4SiO2.2H2O): Là chất độn bột phân tán tự nhiên có tác dụng chống nứt nẻ, tăng độ bền nhiệt
+ Silicat (MgO.2SiO2.2H2O)…tăng độ ổn định kích thước, độ bền nhiệt, bền hoá, độ cứng và các tính chất cách điện của vật liệu
Đặc điểm việc độn dạng bột cho nhựa
+ Giảm sự co rút thể tích
+ Giảm giá thành cho sản phẩm
+ Tăng thể tích cần thiết cho nhựa
+ Tăng độ bền nén và modun ban đầu
+ Cải thiện một vài tính chất (dẫn điện, dẫn nhiệt, chậm cháy, chậm chảy)
+ Tạo mỹ quan cho bề mặt gia cường bằng sợi
Trang 5Độn dạng sợi: Composite tạo thành là composite sợi gia cường Các loại sợi
thường được sử dụng như: sợi thuỷ tinh, sợi amian, sợi bo, sợi aramit, sợi thiên nhiên (sợi bông, sợi đay)…
Vật liệu polyme composite được tăng cường bằng chất độn dạng sợi có độ bền cơ học cao hơn rất nhiều so với tăng cường chất độn dạng bột
1.1.2 Đặc điểm kỹ thuật của vật liệu composite
+ Độ bền cơ lý tốt
+ Không bị gỉ sét
+ Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn
+ Chi phí đầu tư thấp
+ Phương pháp gia công và chế tạo đơn giản và đa dạng
1.1.3 Vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no
Polyeste không no là nhựa nhiệt rắn, do có nhiều nhóm chức trong mạch nên thường có sức căng bề mặt, là chất kết dính thích hợp cho chế tạo vật liệu composite Có tính năng cơ-lý-hoá cao hơn hẳn nhựa nhiệt dẻo Dễ gia công ở nhiệt độ thường, áp suất thường
Polyeste có độ phân cực trung bình, ít bị phân nhánh và có nhóm chức phân cực ở hai đầu Có độ kết tinh thấp, nên có khả năng tương tác tốt với và thấm ướt với phụ gia tốt Hơn nữa composite đi từ polyeste không no có giá thành giảm hơn (so với nhựa expoxy) và việc điều chỉnh quá trình gia công rất dễ dàng
1.1.4 Công nghệ chế tạo vật liệu composite
Có nhiều phương pháp gia công chế tạo vật liệu:
Gia công dưới áp suất
Trang 6Gia công đúc ép nóng: Nhựa hay sợi độn được trộn đều cho vào khuôn đúc
dưới áp suất và nhiệt độ cao Sản phẩm định hình ba chiều
Đúc ép nguội: Chất độn trộn với nhựa nạp liên tục và kéo qua lõi có gia
nhiệt, nhựa đóng rắn một phần hay hoàn toàn khi qua lõi tạo hình
Đúc tiêm: Độn cho vào khuôn rồi tiêm nhựa lỏng vào, sau đó gia nhiệt để
đóng rắn Cũng có thể trộn đều nhựa chất đóng rắn, độn rồi tiêm vào khuôn đồng thời phản ứng đóng rắn xảy ra
Phương pháp ép phun: Vât liệu được tăng cường bằng sợi xơ ngắn được
định hình trước nếu cần, được đặt vào khuôn,sau đó khuôn được đóng lại kẹp chặt và nhựa được phun vào từ một đầu trộn
Phương pháp phun chân không: Nhựa được đưa vào khuôn bằng cách hút
chân không Phương pháp này tách bọt khí rất tốt
Gia công áp suất thường
Gia công bằng tay: Dùng cọ hay con lăn quét nhựa lên khuôn đã phủ chất
chống dính sau đó đặt vải lên rồi quét nhựa, dùng con lăn đuổi bọt khí và ép chặt, lần lượt đắp đến đạt bề dày yêu cầu
Phun phủ nhựa sợi: Sợi thô được cắt ngắn phun cùng một lúc với nhựa
tuần tự cho đến khi đạt bề dày yêu cầu, dùng con lăn đuổi bọt khí và ép chặt
Cuộn sợi: Sợi được kéo qua bể chứa nhựa cho thấm nhựa trước, sau đó
cuộn phủ lên bề mặt khuôn
Túi chân không, túi áp suất: Xếp sợi đã được tẩm nhựa vào khuôn rồi
phủ lên một lớp túi mềm dẻo Hút chân không bên trong, các sợi sẽ ép vào trong, tách bọt ra sản phẩm hình thành gọi là phương pháp túi chân không
Ly tâm: Xếp sợi đã tẩm vào khuôn tròn sau đó quay ly tâm, lực ly tâm sẽ
định hình sản phẩm
Trang 7Phương pháp kết tủa: Áp dụng cho composite nền kim loại độn được gia
cường kết hợp với nhựa nền bằng kết tủa hoá học
Ứng dụng của vật liệu composite
Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu composite hết sức phong phú từ những
sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp… cho đến những chi tiết và kết cấu phức tạp có yêu cầu đặc biệt trong máy bay hay tàu vũ trụ ứng dụng composite trong chế tạo chi tiết ôtô và các phương tiện giao thông trên mặt đất
Vật liệu composite được sử dụng phổ biến là chất dẻo thuỷ tinh Mặc dù kém bền hơn chất dẻo cacbon nhưng rẻ tiền hơn nhiều Vật liệu composite sử dụng trong chế tạo ô tô đem lại những hiệu quả sau
+ Giảm trọng lượng tiết kiệm nhiên liệu, tăng các thông số sử dụng
+ Tăng độ lớn chi tiết, giảm chi phí sản xuất
+ Giảm độ ồn và rung, tăng độ tiện nghi
+ Giảm nguy hiểm cho con người khi xảy ra tai nạn
+ Giảm số vốn đầu tư cho thiết bị sản xuất
Ứng dụng vật liệu composite trong đóng tàu: Được dùng làm vật liệu kết
cấu do phối hợp nhiều tính chất đặc biệt độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao bền với môi trường nước biển, đơn giản khi sử dụng và sửa chữa, không nhiễm từ, cách điện và độ dẫn nhiệt thấp hơn kim loại Ngoài ra, các vật liệu đó còn cho phép sử dụng độ mềm dẻo của vật liệu vào các kết cấu mà những kim loại thông thường không có
Ứng dụng vật liệu composite trong công nghiệp hàng không
Khi sử dụng vật liệu composite trong lĩnh vực này, điều quan trọng nhất là giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy mà giảm được tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và bay tầm xa
Trang 81.2 NHỰA POLYESTE KHÔNG NO (UPE)
Khái niệm
Nhựa polyeste không no là sản phẩm của quá trình trùng ngưng của polyol
với polyaxit, trong đó hoặc polyol hoặc polyaxit hoặc cả hai có chứa liên kết đôi, không no Nhựa polyeste có khả năng tạo liên kết ngang với một monome không no Nhựa polyeste không no dạng thương phẩm là sản phẩm tổng hợp bằng phản ứng giữa một glycol với một diaxit không no mà thông thường là axit meleic hoặc futaric Nhựa polyeste chuyển sang trạng thái không hoà tan trong quá trình trùng hợp với một monome không no thường là styren
Polyol: Dùng một hay hỗn hợp các loại:
Propylene glycol: Có khuynh hướng kết tinh rất thấp nên tạo cho nhựa tương hợp tốt nhất với styren
Buthylene glycol: Tạo nhựa tương hợp tốt với styren, chịu ăn mòn, nhưng giá thành cao hơn
Diethylen glycol và Dipropylene glycol tạo ra nhựa tương hợp hoàn toàn với styren (vì không kết tinh) dẻo hơn và có nhiệt độ mềm cao hơn (khi đóng rắn) so với diol có cấu trúc đối xứng Tuy nhiên độ kháng nước của nó thấp hơn
Ethylene glycol, Trimethylene glycol, Tetramethylene glycol có khuynh hướng kết tinh lớn nên làm cho nhựa tương hợp kém với styren Tuy nhiên nhựa từ các loại này chịu nén cao hơn, ít mất trọng lượng khi đun nóng và chịu được nhiệt cao hơn trước khi sự phân huỷ xảy ra
Rượu đa chức: Như glycerin, penthaerytriol, manitol, sorbitol Được thêm
vào một lượng rất ít và thường ở cuối quá trình tổng hợp để tăng khả năng tạo
Trang 9mạch nhánh, tăng độ nhớt, làm cho nhựa có nhiệt độ chảy mềm cao hơn và chịu nhiệt độ tốt hơn khi đã đóng rắn
Diol vòng thơm
Như các dẫn suất của bis phenol A, các loại này tạo ra nhựa có tính kháng
hoá chất cao đặc biệt môi trường kiềm
Polyaxit
Dùng riêng lẻ hay kết hợp để tạo cho nhựa đạt những tính chất mong muốn
Isophthalic axit: Tạo cho nhựa dài hơn và ít mất những chất dễ bay hơi hơn
so với Andehyphthalic khi đun nóng
Anhydridephthalic: Rất phổ biến và rẻ, được dùng để giảm hay tránh khả
năng kết tinh dẫn đến tương hợp tốt với styren Nó tạo cho nhựa sáng màu, bền nhiệt, bền môi trường và có những đặc tính thích hợp cho việc gia cường bằng sợi thuỷ tinh
Axit sebaric: Tạo nhựa mềm dẻo, dễ uốn, nhưng kém chịu môi trường lửa
Axit rerephtalic: Tạo nhựa chịu nhiệt, kháng kiềm, tuy nhiên do có tạo ra
nước nên phản ứng este hoá chậm
HET axit (hexachloro cyclo pentadiene) và tetrachlorophthalic axit : Làm
giảm khả năng cháy của nhựa, tuy nhiên giá thành cao
Poly axit không no
Anhydride Maleic (AM): Rất phổ biến và rẻ, có khả năng phản ứng cao Nhựa
tạo ra tương hợp tốt với styren, kháng hoá chất và dung môi cao
Axit taconic: Tạo nhựa tương hợp tốt với styren và dẻo Tuy nhiên, những
este của axit taconic có khuynh hướng tự động trùng hợp Cho nên quá trình polyme hoá phải có chất kiềm hãm (hydroquinone)
Trang 10Axit fumaric: Nhựa có khuynh hướng kết tinh và phản ứng có tạo ra nước
dẫn đến sự este hóa chậm tạo ra nhựa có điểm chảy mềm lớn hơn
Monome khâu mạch ngang
Styren: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì:
o Giá thành rẻ, dễ kiếm
o Dễ trùng hợp polyeste của meleic
o Nhựa vào styren đóng rắn nhanh và tạo ra sản phẩm chịu thời tiết tốt
o Có độ nhớt thấp
o Nhiệt độ sôi cao
Tuy nhiên: Styren rất dễ bị bay hơi (làm thất thoát), độc hại, tạo nhựa dễ bị biến màu, tạo nhựa có chiết xuất cao hơn thuỷ tinh
Methyl methacrylate: Tạo cho nhựa có chiết xuất thấp hơn, có độ bền thới
tiết lớn và ít bị đổi màu hơn Nhưng sự có mặt của methacrylate sẽ làm chậm quá trình đóng rắn cũng như đóng rắn không hoàn toàn nhựa polyeste không
no
Dichlostyren, Diallyl Benzenphosphale: Được dùng để làm giảm khả năng
cháy của nhựa Tuy nhiên vì giá thành cao nên bị giới hạn việc sử dụng
Dially phthalate : Có ưu điểm quan trọng là kém bay hơi hơn styren, khi
đóng rắn tạo sản phẩm dai hơn so với dùng styren (vì có sự tăng mật độ liên kết ngang) Nhưng nhựa UPE với Dially phthalate khó đóng rắn ở nhiệt độ phòng - chỉ đóng rắn nóng
Etyl acrylate: Làm sản phẩm rất mềm và rất dễ uốn chỉ thích hợp sử dụng
cho những loại nhựa polyeste cho nên rất cứng
Vinylacetate: Cũng được sử dụng nhưng không tương hợp với nhựa
polyeste từ maleic
Trang 11α-methyl styren: Làm giảm sự co rút của nhựa khi đóng rắn tạo nhựa có
tính mềm dẻo hơn styren Khả năng đồng trùng hợp với polyeste là rất chậm
Vinyltoluen: Trái với α-methyl styren khả năng đồng trùng hợp tốt với polyeste, cho thời gian đóng rắn ngắn hơn với styren
Ngoài ra còn các monome khác như vinyl 2-cloeytlen, Metyl-acrylat, tert-Butylacrylamin, Diallyfumarat, Dietullengglycolbis (allylcacbonat )
Monome phải thoả mãn một số yêu cầu sau:
+ Tham gia hoàn toàn vào cấu trúc mạng tạo sản phẩm đồng nhất
+ Monome tạo ra các cầu nối ngang giữa các phân tử polyeste khi dồng trùng hợp, đồng thời phải có hệ số tự trùng hợp thấp
+ Vận tốc bay hơi phải đủ nhỏ ở điều kiện gia công
+ Monome phải hoà tan polyeste tạo hỗn hợp lỏng Trong trường hợp đặc biệt sử dụng hệ rắn thì nhiệt độ nóng chảy phải nhỏ hơn nhiệt độ phân huỷ peroxyt
+ Tuỳ thuộc chế độ gia công nhựa, phải chọn được mmonome thích hợp
để quá trình đồng trùng hợp trở nên đơn giản, dễ thực hiện
+ Nhiệt độ sôi của monome phải đủ cao
Chất khởi đầu: (chất khơi mào)
Được cho vào để đóng rắn cho nhựa polyeste Sau đây là một số chất thường được sử dụng:
Metyletyl keton peroxyt (MEPK): Chất khơi mào này hoạt động ở nhiệt độ
thường và ở dạng dịch 50-60% trong dimethly phthalate
Benoxyl peroxyt: Là chất khơi mào khá bền, dùng để khơi mào cho nhựa
polyeste không no
Hai hệ chất khơi mào trên cho phép đóng rắn nhựa ở nhiệt độ phòng (đóng rắn nguội)
Trang 12Xúc tiến kim loại: Là các muối naphtenate, tetra acetat của các kim loại Co,
Pb, Fe… xúc tiến rất tốt cho hydroperoxyt nhưng rất ít hay không xúc tiến cho peroxyt
Xúc tiến amin bậc 3: Loại này chuyên dùng để xúc tiến cho peroxyt
o Dimetylaniline
o Dimetyl-p-toludine
o Diathylaniline
Chất ức chế
Là những chất cho vào nhựa polyeste không no trong quá trình tương hợp
và cuối quá trình tổng hợp vì các chất ức chế kết hợp với gốc tự do hoạt động
Trang 13tạo thành gốc kém tự do hoạt động ngăn chặn phản ứng trùng hợp (trong quá trình bảo quản)
Một số chất ức chế thường được sử dụng
o Polyphenol: hydro quinon, phenatra quinon
o Quinon: naphatha quinon, phenatra quinon
o Amin: pyridin, n-phenyl-naphtylamin
o Nitro thơm: axit piric
o Vô cơ: sunfua đồng, sunfua sắt, xyanua đồng
Đóng rắn polyeste không no
Phản ứng đóng rắn dựa trên khả năng đồng trùng hợp của nối đôi AM với các monome khâu mạch ngang Ở đây là styren để tạo mạng lưới không gian
ba chiều
Quá trình đóng rắn xảy ra theo cơ chế gốc chuỗi với sự có mặt của chất
khơi mào (MEPK), dùng thêm chất xúc tiến Co2+
Tuỳ theo yêu cấu sử dụng và thành phần nguyên liệu tổng hợp mà tạo ra các loại nhựa có đặc tính riêng cho phù hợp
