Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy-novolac, epoxy-cacdanol gia cường bằng sợi lanh

  • Số trang: 38 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 21 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27372 tài liệu

Mô tả:

Lêi më ®Çu Nh©n lo¹i ®ang bíc vµo kû nguyªn bïng næ cña khoa häc vµ c«ng nghÖ víi hµng lo¹t thµnh tùu to lín ®îc øng dông réng r·i trong c«ng nghiÖp, giao th«ng vËn t¶i, kinh tÕ còng nh trong ®êi sèng…Mét trong nh÷ng thµnh tùu ®ã lµ sù ra ®êi vµ ph¸t triÓn cña vËt liÖu compozit. VËt liÖu compozit ra ®êi ®¸p øng ®îc nhu cÇu to lín vÒ mét lo¹i vËt liÖu míi cã kh¶ n¨ng kÕt hîp ®îc nh÷ng tÝnh chÊt mµ vËt liÖu truyÒn thèng riªng rÏ kh«ng cã ®îc , t¹o ra mét lo¹i vËt liÖu cã nhiÒu tÝnh chÊt u viÖt nh: nhÑ, bÒn, cã nhiÒu tÝnh chÊt chuyªn dông, dÔ gia c«ng…Nh÷ng vËt liÖu nµy ®ang dÇn thay thÕ nh÷ng vËt liÖu truyÒn thèng ®Ó chÕ t¹o c¸c chi tiÕt m¸y vµ c¸c kÕt cÊu, kÓ c¶ c¸c kÕt cÊu chÞu t¶i träng lín còng nh c¸c s¶n phÈm d©n dông… VËt liÖu compozit ®îc nghiªn cøu vµ øng dông nhiÒu nhÊt lµ polyme compozit. Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña vËt liÖu polyme compozit gia cêng b»ng sîi tæng hîp còng ®Æt ra nh÷ng th¸ch thøc to lín ®èi víi nh©n lo¹i do sù gia t¨ng lîng chÊt th¶i khã ph©n huû vµo m«i trêng. ChÝnh v× vËy, trong kho¶ng mêi n¨m trë l¹i ®©y, viÖc sö dông sîi tù nhiªn ®Ó thay thÕ mét phÇn hoÆc toµn bé cho sîi tæng hîp ®· ®îc c¸c nhµ khoa häc quan t©m nghiªn cøu. ë ViÖt Nam, lanh lµ mét lo¹i sîi tù nhiªn dÔ kiÕm vµ cã gi¸ thµnh hîp lý, mét nguån nguyªn liÖu tù nhiªn cã kh¶ n¨ng t¸i t¹o vµ ph©n huû sinh häc. ViÖc më réng nghiªn cøu øng dông lo¹i sîi tù nhiªn nµy vµo lÜnh vùc vËt liÖu polyme compozit víi c¸c lo¹i nhùa nÒn kh¸c nhau lµ mét híng øng dông míi kh«ng nh÷ng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao mµ cßn gãp phÇn ®¸ng kÓ vµo viÖc b¶o vÖ m«i trêng[1].Trªn c¬ së ®ã ®· h×nh thµnh ®å ¸n: “Nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu polyme compozit trªn c¬ së nhùa epoxynovolac, epoxy-cacdanol gia cêng b»ng sîi lanh” . NhiÖm vô chñ yÕu cña ®å ¸n lµ: - Tæng hîp vµ ph©n tÝch hai lo¹i nhùa: nhùa novolac vµ nhùa epoxy – cacdanol. - X¸c ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu polyme compozit trªn c¬ së nhùa epoxy – novolac: Tû lÖ phèi trén, dung m«i hoµ tan, ®iÒu kiÖn gia c«ng prepregs, ®iÒu kiÖn gia c«ng vËt liÖu. - ChÕ t¹o mÉu vµ x¸c ®Þnh c¸c tÝnh chÊt c¬ lý cña vËt liÖu polyme copozit trªn c¬ së nhùa epoxy – novolac, epoxy – cacdanol gia cêng b»ng sîi lanh. 1 ch¬ng I: tæng quan I.1. HiÓu biÕt chung vÒ vËt liÖu polyme compozit (PC) I.1.1. LÞch sö ph¸t triÓn cña vËt liÖu PC VËt liÖu PC ®· xuÊt hiÖn c¸ch ®©y hµng ngh×n n¨m vµ ®îc con ngêi sö dông rÊt hiÖu qu¶ trong cuéc sèng. 5000 n¨m tríc C«ng nguyªn ngêi cæ ®¹i ®· thªm ®¸ nghiÒn nhá hoÆc nh÷ng vËt liÖu nguån gèc h÷u c¬ vµo ®Êt sÐt ®Ó gi¶m ®é co, nøt khi nung g¹ch hoÆc ®å gèm. ë Ai CËp kho¶ng 3000 n¨m tríc C«ng nguyªn ngêi ta ®· lµm vá thuyÒn b»ng lau sËy ®an tÈm bitum, nÕu bá qua mét sè kh¸i niÖm th× kü thuËt ®ã còng gièng nh kü thuËt lµm tµu hiÖn ®¹i tõ chÊt dÎo cèt thuû tinh hiÖn nay. [2] N¨m 1851, Nelson Goodyear ®· dïng oxit kÏm lµm chÊt ®én cho ebonit. N¨m 1920, Bakeland ®· dïng bét gç ®én vµo nhùa bakelit vµ John ®· sö dông xenlulo lµm chÊt ®én cho c¸c lo¹i nhùa ure. [13] MÆc dï ®îc h×nh thµnh tõ rÊt sím nhng viÖc chÕ t¹o vËt liÖu PC míi thùc sù ®îc chó ý kho¶ng 60 n¨m trë l¹i ®©y. Vµo nh÷ng n¨m 1930, Slayter vµ Thomas ®· ®îc cÊp b»ng s¸ng chÕ cho viÖc chÕ t¹o sîi thuû tinh vµ ®îc Ellis vµ Goster dïng gia cêng cho polyeste kh«ng no. Polyeste t¨ng cêng b»ng sîi thñy tinh ®îc sö dông trong ngµnh hµng kh«ng n¨m 1938. N¨m 1944 ®· s¶n xuÊt 2 hµng ngh×n chi tiÕt b»ng chÊt dÎo compozit cho m¸y bay vµ tµu chiÕn phôc vô ®¹i chiÕn thÕ giíi lÇn thø II. N¨m 1950, chÊt lîng cña vËt liÖu compozit ®îc n©ng cao rÊt nhiÒu nhê sù ra ®êi cña nhùa epoxy vµ hµng lo¹t lo¹i sîi t¨ng cêng nh sîi cacbon, sîi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sîi silic… Tõ n¨m 1970 ®Õn nay c¸c chi tiÕt chÕ t¹o tõ compozit nÒn chÊt dÎo vµ sîi t¨ng cêng cã ®é bÒn cao ®· ®îc sö dông réng r·i trong c«ng nghiÖp ®ãng tµu, chÕ t¹o « t«, lµm vËt liÖu x©y dùng vµ nh÷ng ngµnh kü thuËt cao nh hµng kh«ng, vò trô…[17] MÆc dï vËy, viÖc nghiªn cøu n©ng cao chÊt lîng, c¶i thiÖn tÝnh chÊt c¬ lý, tÝnh chÊt nhiÖt, ®iÖn…, më réng lÜnh vùc øng dông cña vËt liÖu nµy vÉn lu«n ® îc ®Æt ra. Trong thêi gian tíi vËt liÖu PC sÏ ®îc ph¸t triÓn theo c¸c xu híng sau: - Thay thÕ thÐp:sù thay thÕ thÐp b»ng vËt liÖu PC cã liªn quan ®Õn c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt vµ b¶n chÊt vËt lý cña chóng. Nhê nh÷ng tÝnh chÊt u viÖt, vËt liÖu PC cho phÐp ®¹t ®îc ®é bÒn nÐn lín h¬n nhiÒu so víi thÐp. - ChuyÓn vËt liÖu sang d¹ng sîi ®Ó t¨ng ®é bÒn: kÕt qu¶ nghiªn cøu trong nhiÒu n¨m ®· chøng tá khi chuyÓn vËt liÖu ë d¹ng khèi sang d¹ng sîi th× ®é bÒn cña chóng t¨ng lªn.Trong nh÷ng sîi m¶nh, ®é bÒn ®¹t tíi gi¸ trÞ gÇn víi lý thuyÕt vµ khi ®ã trong cÊu tróc kh«ng quan s¸t thÊy khuyÕt tËt. - §a d¹ng ho¸ nÒn polyme vµ chÊt t¨ng cêng: trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y trªn thÕ giíi, cïng víi nh÷ng lo¹i nhùa nhiÖt r¾n ®· ®îc sö dông réng r·i nh epoxy, polyeste kh«ng no, phenol-fomandehyt … ng êi ta ®· sö dông rÊt cã hiÖu qu¶ c¸c lo¹i nhùa nhiÖt dÎo nh polyolefin, polyamit, polycacbonat. - Phèi hîp gi÷a c¸c vËt liÖu polyme, kim lo¹i vµ gèm. [2] I.1.2. §Æc ®iÓm chung vµ ph©n lo¹i vËt liÖu PC I.1.2.1. §Æc ®iÓm chung VËt liÖu compozit nãi chung lµ lo¹i vËt liÖu ®ång nhÊt trong thÓ tÝch lín nhËn ®îc b»ng c¸ch hîp nhÊt c¸c thÓ tÝch nhá cña c¸c vËt liÖu kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt [3]. VËt liÖu PC lµ hÖ thèng hai hay nhiÒu pha, kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt ho¸ häc, gÇn nh kh«ng tan lÉn trong nhau, ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha, trong ®ã pha liªn tôc hay nÒn lµ polyme, pha ph©n t¸n lµ phô gia t¨ng cêng. Ngoµi ra, cßn cã mét sè hîp chÊt kh¸c nh chÊt t¹o mµu, chÊt t¨ng cêng ®Æc biÖt [3,4,5]… ViÖc ®a c¸c chÊt gia cêng vµo nÒn polyme ®a l¹i cho vËt liÖu PC nhiÒu u ®iÓm so víi nh÷ng vËt liÖu truyÒn thèng nh: ®é bÒn riªng cao, modun ®µn håi riªng cao, tû träng thÊp, tÝnh chÊt æn ®Þnh trong nhiÒu m«i trêng ho¸ chÊt, chÞu mµi mßn tèt… VËt liÖu PC cã nh÷ng ®Æc ®iÓm chÝnh sau[3,4]: 3 - Lµ vËt liÖu nhiÒu pha nhng trong thùc tÕ phæ biÕn nhÊt lµ vËt liÖu hai pha. Pha gi¸n ®o¹n lµ cèt ®îc bao bäc bëi pha liªn tôc lµ nÒn polyme. C¸c pha t¬ng t¸c víi nhau qua bÒ mÆt ph©n chia pha . - §èi víi vËt liÖu PC cèt sîi, vËt liÖu cã tÝnh dÞ híng. §©y lµ mét ®Æc ®iÓm næi bËt nhÊt cña vËt liÖu PC. V× vËy víi nh÷ng ph¬ng ph¸p chÕ t¹o kh¸c nhau cã thÓ ®a l¹i nh÷ng vËt liÖu cã tÝnh chÊt c¬ lý kh¸c nhau. - Trong vËt liÖu PC th× tû lÖ, h×nh d¸ng, kÝch thíc còng nh sù ph©n bè cña nÒn vµ cèt tu©n theo nh÷ng quy ®Þnh thiÕt kÕ tríc. Nãi c¸ch kh¸c, víi sù lùa chän thÝch hîp chÊt t¨ng cêng vµ nhùa nÒn, tÝnh chÊt cña vËt liÖu PC cã thÓ tÝnh to¸n tríc. - TÝnh chÊt cña vËt liÖu PC lµ sù kÕt hîp c¸c tÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn. Tuy vËy, tÝnh chÊt cña nã kh«ng ph¶i chØ ®¬n thuÇn lµ c¸c tÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn mµ nã chØ lùa chän vµ ph¸t huy nh÷ng tÝnh chÊt tèt t¹o ra c¸c tÝnh chÊt ®Æc trng mµ c¸c pha thµnh phÇn kh«ng cã ®îc. - VËt liÖu PC cho phÐp chÕ t¹o c¸c kÕt cÊu, s¶n phÈm theo nh÷ng yªu cÇu kü thuËt mong muèn. Tuú theo nh÷ng ®ßi hái vÒ ®é bÒn, ®é cøng, nhiÖt ®é lµm viÖc, ®iÒu kiÖn khai th¸c sö dông,… mµ chóng ta lùa chän nh÷ng vËt liÖu thµnh phÇn, kÕt cÊu, tû lÖ,… vµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt phï hîp. I.1.2.2. Ph©n lo¹i §Ó ph©n lo¹i vËt liÖu PC ngêi ta dùa vµo c¸c ®Æc ®iÓm ®Æc trng cña nã. VËt liÖu PC cã thÓ ®îc ph©n lo¹i theo c¸c c¸ch sau: - Theo b¶n chÊt cña vËt liÖu nÒn: + NÒn kim lo¹i. + NÒn polyme. + NÒn gèm vµ thuû tinh. + NÒn cacbon/graphit. - Theo ®Æc ®iÓm h×nh häc cña cèt hoÆc ®Æc ®iÓm cÊu tróc, ®©y còng lµ ph¬ng ph¸p ph©n lo¹i phæ biÕn nhÊt. Theo ph¬ng ph¸p nµy vËt liÖu PC ®îc chia thµnh ba nhãm: + PC cèt h¹t: C¸c phÇn tö chÊt ®én kh«ng cã kÝch thíc u tiªn ®îc ph©n t¸n vµo cÊu tróc cña m¹ng polyme. VËt liÖu PC cèt h¹t thêng cã tÝnh ®¼ng híng. Cèt h¹t gåm h¹t th« vµ h¹t mÞn. + PC cèt sîi: Cèt sîi cã tû lÖ chiÒu dµi trªn ®êng kÝnh kh¸ lín. VËt liÖu PC cèt sîi thêng cã tÝnh chÊt dÞ híng. Cèt sîi gåm sîi ng¾n, sîi trung b×nh, sîi dµi. + PC cÊu tróc: Kh¸i niÖm nµy dïng ®Ó chØ c¸c b¸n thµnh phÈm trong ®ã th«ng dông nhÊt lµ d¹ng líp vµ d¹ng tæ ong, ®îc cÊu thµnh tõ c¸c vËt liÖu ®ång nhÊt, phèi hîp víi c¸c compozit kh¸c. VËt liÖu PC cÊu tróc cã tÝnh chÊt kÕt hîp cña c¸c nguyªn liÖu thµnh phÇn. 4 - Ngoµi ra cßn cã thÓ ph©n lo¹i theo ph¹m vi øng dông hoÆc theo ph¬ng ph¸p gia c«ng. I.1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña vËt liÖu PC I.1.3.1. Cèt cho vËt liÖu PC Trong vËt liÖu PC cèt lµ thµnh phÇn cã t¸c dông chÞu øng suÊt tËp trung do c¬ tÝnh cao h¬n nhùa nÒn. Do ®ã thµnh phÇn cèt ph¶i tho¶ m·n ®îc nh÷ng ®ßi hái vÒ khai th¸c vµ c«ng nghÖ:[6]. §ßi hái vÒ khai th¸c lµ nh÷ng ®ßi hái nh yªu cÇu vÒ ®é bÒn, ®é cøng, khèi lîng riªng, ®é bÒn trong mét kho¶ng nhiÖt ®é nµo ®ã, bÒn ¨n mßn trong m«i trêng axit, kiÒm… Cßn ®ßi hái vÒ c«ng nghÖ ®ã lµ nh÷ng ®ßi hái vÒ kh¶ n¨ng c«ng nghÖ ®Ó s¶n xuÊt ra c¸c thµnh phÇn cèt vµ nh÷ng vËt liÖu compozit trªn c¬ së nh÷ng cèt nµy. §Æc trng vµ møc ®é ¶nh hëng cña chÊt ®én lªn tÝnh chÊt cña vËt liÖu phô thuéc vµo b¶n chÊt, cÊu tróc ban ®Çu, h×nh th¸i h×nh häc vµ ph©n bè, diÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña chÊt gia cêng trong vËt liÖu, t¬ng t¸c vµ ®é bÒn liªn kÕt gi÷a chÊt gia cêng vµ nÒn. ChÊt gia cêng quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng gia c«ng cña vËt liÖu, ngoµi ra cßn ¶nh hëng ®Õn c¸c tÝnh chÊt ho¸, ®iÖn, còng nh gi¸ thµnh cña vËt liÖu. ChÊt gia cêng ®îc ®¸nh gi¸ trªn nh÷ng ®Æc ®iÓm sau: - Kh¶ n¨ng t¨ng cêng ®é bÒn c¬ häc. - §é bÒn nhiÖt. - §é bÒn ho¸ chÊt, m«i trêng. - Kh¶ n¨ng thÊm ít bÒ mÆt bëi nhùa nÒn. - ThuËn lîi cho qu¸ tr×nh gia c«ng. - NhÑ, gi¸ thµnh h¹, s½n cã. Tuú theo yªu cÇu ®èi víi nh÷ng lo¹i s¶n phÈm mµ lùa chän chÊt gia cêng thÝch hîp nhÊt, b¶o ®¶m c¶ vÒ yªu cÇu kü thuËt còng nh hiÖu qu¶ kinh tÕ. ChÊt gia cêng lµm thay ®æi ®Æc trng c¬ b¶n cña vËt liÖu gäi lµ chÊt gia cêng ho¹t tÝnh, chÊt gia cêng kh«ng lµm thay ®æi ®Æc trng c¬ b¶n cña vËt liÖu gäi lµ chÊt gia cêng tr¬. Tuy nhiªn, chÊt gia cêng ho¹t tÝnh hay kh«ng ho¹t tÝnh phô thuéc rÊt nhiÒu vµo b¶n chÊt cña nhùa nÒn. C¸c chÊt gia cêng tr¬ chñ yÕu nh»m môc ®Ých gi¶m gi¸ thµnh cña vËt liÖu, trong mét sè trêng hîp cßn c¶i thiÖn kh¶ n¨ng gia c«ng. Dùa trªn h×nh th¸i h×nh häc, chÊt gia cêng ®îc chia thµnh nhiÒu lo¹i, trong ®ã chñ yÕu lµ chÊt gia cêng d¹ng bét vµ d¹ng sîi. ChÊt gia cêng d¹ng bét lµ lo¹i phô gia ph©n t¸n ®ång ®Òu trong toµn thÓ tÝch vËt liÖu. VËt liÖu trªn c¬ së chÊt gia cêng d¹ng bét cã tÝnh chÊt ®¼ng híng. 5 Ngoµi ra, cßn cã mét sè lo¹i chÊt gia cêng bét kh¸c nh chÊt t¹o mµu, chÊt chèng t¸c dông cña tia cùc tÝm, chèng l·o ho¸… C¸c hîp chÊt nµy thêng cã tû lÖ nhá, ë d¹ng bét mÞn vµ ®îc ®a vµo nh mét thµnh phÇn cña nhùa nÒn [5] . C¸c chÊt gia cêng d¹ng bét thêng gÆp lµ bét gç, bét talc, bét CaCO3. VËt liÖu gia cêng b»ng cèt d¹ng sîi cã tÝnh dÞ híng. §é bÒn theo ph¬ng song song víi ph¬ng s¾p xÕp cña cèt cã ®é bÒn cao h¬n c¸c ph¬ng kh¸c. Sîi gia cêng thêng ®îc xö lý bÒ mÆt tríc khi sö dông nh»m t¨ng cêng kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a cèt vµ nhùa nÒn. Ph¬ng ph¸p xö lý bÒ mÆt phæ biÕn nhÊt lµ dïng chÊt liªn kÕt ®ãng vai trß chÊt trung gian liªn kÕt gi÷a nÒn vµ cèt. Nãi chung chÊt liªn kÕt ph¶i cã kh¶ n¨ng ph¶n øng víi nhùa nÒn trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n vµ ph¶n øng víi c¸c nhãm chøc ho¹t ®éng trªn bÒ mÆt cèt. Xu híng hiÖn nay trong vËt liÖu PC lµ chuyÓn sang sö dông chÊt gia cêng d¹ng sîi. Trong nh÷ng sîi m¶nh, ®é bÒn gÇn ®¹t tíi gi¸ trÞ lý thuyÕt vµ khi ®ã trong cÊu tróc kh«ng quan s¸t thÊy khuyÕt tËt. Sîi sö dông lµm cèt gia cêng trong vËt liÖu PC cã thÓ lµ d¹ng sîi liªn tôc, sîi cacbon, sîi aramit hay sîi Kevlar, sîi Bo, sîi cã nguån gèc thùc vËt… I.1.3.2. NÒn cho vËt liÖu PC [3,4,5,6,14] VËt liÖu nÒn gi÷ vai trß cùc kú quan träng trong viÖc chÕ t¹o ra vËt liÖu compozit. Trong vËt liÖu PC nÒn polyme ®ãng nh÷ng vai trß chñ yÕu sau: - Liªn kÕt toµn bé c¸c phÇn tö cèt thµnh mét khèi thèng nhÊt. - T¹o kh¶ n¨ng gia c«ng vËt liÖu PC thµnh c¸c chi tiÕt theo thiÕt kÕ. - Che phñ, b¶o vÖ cèt tr¸nh c¸c ph¸ huû c¬ häc vµ ho¸ häc, duy tr× tÝnh toµn vÑn vµ h×nh d¹ng cña c¸c thµnh phÇn. - TruyÒn øng suÊt tËp trung lªn chÊt ®én thêng cã c¬ tÝnh cao h¬n, nhê ®ã lµm gi¶m ®é nh¹y c¶m víi qu¸ t¶i côc bé do tËp trung øng suÊt. Nh vËy hÖ sè an toµn khi sö dông vËt liÖu PC nãi chung cao h¬n vËt liÖu truyÒn thèng. - NÒn cßn ¶nh hëng lín tíi c¸c ®Æc tÝnh sö dông cña vËt liÖu PC nh : nhiÖt ®é lµm viÖc, ®é bÒn mái, khèi lîng riªng, ®é bÒn riªng, kh¶ n¨ng chèng l¹i t¸c dông cña m«i trêng ngoµi… Nhùa nÒn ®îc lùa chän cho vËt liÖu PC ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu nhiÒu khi m©u thuÉn víi nhau. Do ®ã, viÖc chÕ t¹o vµ lùa chän mét lo¹i nhùa nÒn tèi u lu«n ph¶i dung hoµ c¸c th«ng sè vÒ ®é bÒn, ®é mÒm dÎo, kh¶ n¨ng gia c«ng vµ c¸c tÝnh chÊt kh¸c. Nhùa nÒn ®îc lùa chän trªn c¬ së sau: - Yªu cÇu cña s¶n phÈm, chñ yÕu lµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ lý vµ ®é bÒn nhiÖt, ngoµi ra ®é bÒn ho¸, kh¶ n¨ng lµm chËm ch¸y, ®Æc tÝnh ®iÖn còng lµ nh÷ng yÕu tè quan träng. - Ph¬ng ph¸p gia c«ng. - Gi¸ thµnh… 6 §èi víi compozit polyme, vËt liÖu nÒn thêng sö dông lµ nhùa nhiÖt r¾n vµ nhùa nhiÖt dÎo. VËt liÖu nÒn nhiÖt r¾n cã ®é nhít thÊp, dÔ hoµ tan vµ ®ãng r¾n l¹i khi nung nãng (cã hoÆc kh«ng cã chÊt xóc t¸c) vµ sau khi ®ãng r¾n t¹o thµnh cÊu tróc m¹ng líi kh«ng thuËn nghÞch (kh«ng hoµ tan vµ kh«ng nãng ch¶y tiÕp ®îc n÷a). Nhùa nhiÖt r¾n thêng ®îc sö dông lµ nhùa phenol-fomandehyt, polyeste kh«ng no, epoxy,vinyleste, ure-fomandehyt, melamin-fomandehyt,… VËt liÖu nÒn nhùa nhiÖt dÎo lµ c¸c polyme m¹ch th¼ng, khi nung nãng sÏ ch¶y dÎo ra, nÕu sau ®ã lµm nguéi sÏ cøng l¹i vµ chóng cã tr¹ng th¸i thuËn nghÞch. Nhùa nhiÖt dÎo hay ®îc sö dông lµ PP, PE,… I.1.3.3 Liªn kÕt gi÷a nÒn vµ cèt trong PC §é bÒn liªn kÕt gi÷a nhùa nÒn vµ chÊt t¨ng cêng cã ¶nh hëng ®Õn hiÖu qu¶ truyÒn øng lùc qua vïng ph©n chia pha. Sù t¬ng t¸c pha ¶nh hëng ®Õn ®é bÒn liªn kÕt gi÷a c¸c cÊu tö trong vËt liÖu compozit, do ®ã ¶nh hëng ®Õn c¸c tÝnh chÊt ®Æc trng cña vËt liÖu. V× vËy, ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh nµy lµ mét kh©u quan träng trong viÖc h×nh thµnh c¸c tÝnh chÊt cña vËt liÖu. Trong nhiÒu n¨m gÇn ®©y, ho¸ häc vïng ph©n chia pha, tÇm quan träng cña hiÖu øng t¸ch líp gi÷a c¸c pha vµ ®øt g·y trong vËt liÖu compozit ®îc th¶o luËn rÊt nhiÒu. Tuy nhiªn, nhiÒu vÊn ®Ò vÒ c¸c hiÖn tîng biªn vÉn cßn ë giai ®o¹n nghiªn cøu vµ cã nhiÒu ý kiÕn kh¸c nhau vÒ c¸c vÊn ®Ò ®ã. Cho ®Õn gÇn ®©y, mét híng gi¶i quyÕt ®îc ®Ò nghÞ kh¸ nhiÒu lµ sö dông sîi hai líp hay phñ lªn chÊt t¨ng cêng mét líp ®Öm mÒm dÎo. Th«ng thêng c¸c chÊt gia cêng d¹ng bét vµ sîi ®Òu ®îc xö lý bÒ mÆt tríc khi sö dông. Phæ biÕn nhÊt lµ xö lý b»ng c¸c chÊt liªn kÕt lªn bÒ mÆt chÊt gia cêng ®Ó t¹o nªn mét líp chuyÓn tiÕp gi÷a chóng vµ nÒn polyme. MÆc dï vÊn ®Ò nµy cßn nhiÒu tranh luËn nhng nhiÒu nhµ nghiªn cøu cho r»ng chÊt liªn kÕt lµ chÊt chøa mét lo¹i nhãm chøc cã kh¶ n¨ng ph¶n øng víi nÒn polyme trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n vµ chøa mét lo¹i nhãm chøc kh¸c cã kh¶ n¨ng ph¶n øng víi c¸c nhãm ho¹t ®éng trªn bÒ mÆt chÊt gia cêng, vÝ dô nhãm OH trªn bÒ mÆt thuû tinh.[2] I.1.4. TÝnh chÊt vµ øng dông cña vËt liÖu PC I.1.4.1. TÝnh chÊt TÝnh chÊt chung cña vËt liÖu PC lµ sù chän läc vµ ph¸t huy nh÷ng tÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn. TÝnh chÊt cña cÊu tö polyme trong vËt liÖu PC phô thuéc vµo kho¶ng thêi gian, tèc ®é vµ tÇn sè cña sù biÕn d¹ng hay t¶i träng t¸c dông lªn. TÝnh ®µn nhít cña polyme còng t¹o nªn ®Æc tÝnh cña compozit nh tÝnh 7 r·o, håi phôc øng suÊt vµ sù tiªu t¸n n¨ng lîng cã thÓ dÉn tíi sù sinh nhiÖt bªn trong vËt liÖu. §èi víi vËt liÖu PC cÇn quan t©m mét sè tÝnh chÊt sau: modun xÐ r¸ch vµ hÖ sè Poisson ®Æc trng cho kh¶ n¨ng chÞu biÕn d¹ng cña vËt liÖu. §é bÒn kÐo, nÐn cho biÕt kh¶ n¨ng chÞu t¶i cña vËt liÖu. HÖ sè d·n në nhiÖt ®Æc trng cho sù thay ®æi kÝch thíc díi t¸c dông cña nhiÖt ®é vµ t¶i träng. Ngoµi c¸c yªu cÇu vÒ tÝnh chÊt c¬ lý cßn cÇn ph¶i biÕt c¸c th«ng sè nh: ®é dÉn nhiÖt, ®iÖn, ®é thÊm chÊt láng hoÆc khÝ, hÖ sè khuyÕch t¸n… TÝnh chÊt næi bËt cña c¸c polyme compozit so víi c¸c vËt liÖu kh¸c nãi chung lµ nhÑ, bÒn, chÞu m«i trêng, dÔ l¾p r¸p, cã tÝnh ®¼ng híng hay kh«ng ®¼ng híng chØ phô thuéc vµo thiÕt kÕ ban ®Çu. Tuy nhiªn, tÝnh chÞu nhiÖt vÉn lµ ®iÓm yÕu h¬n so víi kim lo¹i hoÆc gèm. TÝnh chÊt c¬ lý cña vËt liÖu PC phô thuéc vµ ®îc quyÕt ®Þnh bëi c¸c yÕu tè sau: - TÝnh chÊt c¬ lý cña sîi t¨ng cêng. - Sù thay ®æi hµm lîng sîi-nhùa, h×nh häc cèt sîi. - Sù kÕt hîp gi÷a pha nhùa vµ sîi. §iÒu nµy ®îc quyÕt ®Þnh kh«ng chØ bëi ®é bÒn liªn kÕt t¹i bÒ mÆt ph©n chia pha nhùa/sîi mµ cßn vÒ ®é nh¹y c¶m kh¸c nhau ®èi víi nh÷ng thay ®æi cña m«i trêng ngoµi cña nhùa vµ sîi. VÝ dô, sù kh«ng t¬ng øng vÒ hÖ sè d·n në nhiÖt cña sîi vµ pha nhùa nÒn cã thÓ g©y ra sù ph¸t triÓn øng suÊt gÇn bÒ mÆt ph©n chia pha nhùa/sîi khi compozit ph¶i chÞu sù thay ®æi nhiÖt ®é lín, thêng x¶y ra trong qu¸ tr×nh gia c«ng. - C¸c khuyÕt tËt vµ tÝnh kh«ng liªn tôc cña nhùa nÒn. [16] I.1.4.2. øng dông Nhê cã nhiÒu tÝnh chÊt u viÖt nh cã khèi lîng riªng thÊp, cã ®é bÒn cao, chÞu m«i trêng tèt, cã thÓ ®iÒu khiÓn ®îc tÝnh chÊt cña vËt liÖu theo c¸c híng kh¸c nhau mét c¸ch dÔ dµng…VËt liÖu PC ngµy cµng ®îc øng dông réng r·i, chñ yÕu trong mét sè lÜnh vùc sau: - Ngµnh chÕ t¹o «t«: chñ yÕu sö dông vËt liÖu PC chÊt lîng cao chÕ t¹o c¸c chi tiÕt, bé phËn cho «t«, ®Æc biÖt lµ « t« thÓ thao vµ c¸c ph¬ng tiÖn giao th«ng trªn mÆt ®Êt. HiÖu qu¶ nhËn ®îc khi sö dông c¸c vËt liÖu nµy lµ: gi¶m träng lîng, tiÕt kiÖm nhiªn liÖu, t¨ng ®é chÞu ¨n mßn… Ngµy nay, vËt liÖu PC ®ang ® îc nghiªn cøu ®Ó chÕ t¹o c¸c bé phËn ph¶i chuyÓn ®éng qua l¹i, chuyÓn ®éng quay nh»m lµm gi¶m c¸c rung ®éng, tiÕng ån vµ tiÕt kiÖm nhiªn liÖu cho m¸y mãc. - Ngµnh hµng kh«ng, vò trô: vËt liÖu PC chÊt lîng cao ®îc øng dông réng r·i ®Ó chÕ t¹o m¸y bay c¶ qu©n sù lÉn d©n sù tõ kh¸ sím. C¸c øng dông chÝnh bao gåm: mòi m¸y bay, c¸nh gËp, c¸c bé phËn æn ®Þnh cña m¸y bay, b¸nh l¸i ®é 8 cao, ®u«i ngang m¸y bay, c¸nh m¸y bay…¦u ®iÓm khi sö dông vËt liÖu PC lµ cho hiÖu qu¶ kinh tÕ cao, gi¶m ®îc träng lîng kÕt cÊu, nhê vËy gi¶m tiªu hao nhiªn liÖu, t¨ng khèi lîng vËn chuyÓn vµ tÇm bay xa. ViÖc sö dông vËt liÖu PC trong m¸y bay d©n dông míi nh Boing 757,767 vµ Airbus310 ®· lµm gi¶m 5% tæng khèi lîng. - Trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp nãi chung: vËt liÖu PC chñ yÕu ®îc sö dông ®Ó chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm yªu cÇu ®é bÒn c¬ lý cao, bÒn ho¸ chÊt, cã c¸c tÝnh chÊt ®iÖn, ®iÖn tö… - Dông cô thÓ thao: nh gËy ®¸nh gol, vît tennit, cÇn c©u, tµu lîn, cét buåm, c¸c thiÕt bÞ b¾n cung.. - Vßm che m¸y bay. - ChÕ t¹o vÖ tinh: nh vÖ tinh viÔn th«ng, truyÒn h×nh, dù b¸o thêi tiÕt, ®Þa lý…C¸c vËt liÖu PC chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ nµy cÇn cã hÖ sè d·n në nhiÖt thÊp, ®é dÉn nhiÖt cao, tû träng thÊp, modun cao ®Ó cÊu tróc cã ®é cøng cao, chÞu ®îc c¸c chÊn ®éng m¹nh, chÞu ®îc m«i trêng laze…[16] I.2. VËt liÖu PC gia cêng b»ng sîi tù nhiªn [17] I.2.1. Giíi thiÖu chung Tr¶i qua rÊt nhiÒu n¨m con ngêi ®· nhËn ra r»ng polyme cã thÓ thay thÕ ®îc nhiÒu kim lo¹i th«ng thêng, nh÷ng vËt liÖu ®· ®îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc. §ã lµ do vËt liÖu polyme cã nhiÒu u ®iÓm næi bËt h¬n nhiÒu vËt liÖu truyÒn thèng. ¦u ®iÓm quan träng nhÊt cña viÖc sö dông polyme lµ dÔ gia c«ng, n¨ng suÊt cao vµ gi¸ thµnh thÊp. §Æc biÖt vËt liÖu polyme compozit gia cêng b»ng sîi cã nhiÒu u viÖt so víi c¸c vËt liÖu th«ng thêng vµ nã ®îc øng dông rÊt réng r·i kÓ c¶ trong lÜnh vùc hµng kh«ng. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, sîi tù nhiªn ®· thu hót sù chó ý cña c¸c nhµ khoa häc vµ sù ph¸t triÓn cña vËt liÖu PC trªn c¬ së sîi tù nhiªn ®· trë thµnh ®Ò tµi rÊt ®îc quan t©m. Sîi tù nhiªn cã nhiÒu u ®iÓm nh cã khèi lîng riªng thÊp, gi¸ thµnh thÊp, vµ chóng cã nh÷ng tÝnh chÊt rÊt ®Æc trng mµ c¸c lo¹i sîi kh¸c kh«ng cã ®îc nh cã kh¶ n¨ng ph©n huû sinh häc vµ kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn rÊt lín. Ngoµi ra, sîi tù nhiªn lµ nguån nguyªn liÖu s½n cã, dåi dµo vµ cã kh¶ n¨ng t¸i t¹o. Tuy nhiªn, mÆt h¹n chÕ lín nhÊt cña sîi tù nhiªn lµ nã kh«ng t¬ng hîp nÒn polyme kþ níc, cã xu híng kÕt hîp víi nhau trong qu¸ tr×nh gia c«ng vµ kh¶ n¨ng chèng Èm kÐm. Nh÷ng nhîc ®iÓm nµy lµm gi¶m nh÷ng tÝnh n¨ng tèt cña sîi tù nhiªn khi sö dông ®Ó gia cêng cho polyme. Do ®ã, tríc khi sö dông ngêi ta thêng xö lý b»ng nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau nh xö lý víi kiÒm , axetyl ho¸ hay ghÐp c¸c monome… I.2.2.Sîi tù nhiªn sö dông trong PC [17] 9 I.2.2.1.Ph©n lo¹i sîi tù nhiªn Sîi tù nhiªn ®îc chia lµm ba lo¹i chÝnh lµ:sîi tõ h¹t, sîi tõ vá vµ sîi tõ l¸. VÝ dô: Sîi tõ h¹t: sîi b«ng, x¬ dõa, b«ng gßn… ®©y lµ nh÷ng lo¹i sîi cã liªn quan ®Õn c©y ¨n qu¶, c©y cã h¹t. Sîi tõ vá: sîi gai, sîi ®ay, sîi lanh… Sîi tõ l¸: sîi chuèi, x¬ sisal… Trong ®ã, sîi gai, sîi ®ay, sîi lanh vµ x¬ sisal lµ c¸c sîi ®îc sö dông nhiÒu nhÊt trong vËt liÖu PC. Sîi tù nhiªn ë d¹ng bét gç còng thêng ®îc sö dông trong vËt liÖu PC. Mét sè tÝnh chÊt cña c¸c sîi nµy ®îc biÓu diÔn díi ®©y. B¶ng 1. Mét sè tÝnh chÊt c¬ häc cña sîi tù nhiªn Sîi Sîi ®ay X¬ sisal Sîi lanh Sîi døa Sîi thuû tinh Träng lîng riªng, kg/m3 1,3 1,3 1,5 1,56 2,5 §é bÒn kÐo, MPa 393 510 344 170 3400 Modun, GPa 55 28 27 62 72 Modun riªng 38 22 50 40 28 I.2.2.2.§Æc ®iÓm cña sîi tù nhiªn Khi nghiªn cøu vµ sö dông sîi tù nhiªn cÇn lu ý mét sè ®Æc ®iÓm quan träng cña sîi lµ: ®é bÒn nhiÖt, hµm Èm, ph©n huû sinh häc vµ ®é ph©n t¸n cña sîi vµo chÊt nÒn. - §é bÒn nhiÖt cña sîi tù nhiªn: Sîi tù nhiªn lµ mét hçn hîp phøc t¹p cña c¸c hîp chÊt h÷u c¬. Qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt dÉn ®Õn sù thay ®æi ®a d¹ng c¸c tÝnh chÊt vËt lý vµ ho¸ häc. §é bÒn nhiÖt cña sîi tù nhiªn cã thÓ ®îc nghiªn cøu b»ng viÖc ph©n tÝch nhiÖt häc. Sù ph©n huû nhiÖt cña sîi tù nhiªn lµ mét qu¸ tr×nh gåm hai giai ®o¹n. Giai ®o¹n mét cã nhiÖt ®é tõ 220-280 oC . Giai ®o¹n hai cã nhiÖt ®é tõ 280300oC. Qu¸ tr×nh ph©n huû ë nhiÖt ®é thÊp lµ qu¸ tr×nh kÕt hîp víi sù ph©n huû cña hemixenlulo, cßn qu¸ tr×nh ph©n huû ë nhiÖt ®é cao lµ nhê lignin. §Ó t¨ng ®é bÒn nhiÖt cña sîi ngêi ta cã thÓ t¹o ra mét líp vá b¶o vÖ sîi hoÆc cã thÓ ghÐp sîi víi c¸c monome. - Hµm Èm cña sîi: Sîi tù nhiªn cã thÓ hót níc do ®ã cã chøa Èm. Hµm Èm cña sîi cã thÓ thay ®æi tõ 5-10%. §iÒu nµy dÉn ®Õn sù thay ®æi kÝch thíc cña compozit vµ còng ¶nh hëng ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña compozit. §èi víi qu¸ tr×nh gia c«ng compozit trªn c¬ së nhùa nhiÖt dÎo th× hµm Èm lµm gi¶m kh¶ n¨ng gia 10 c«ng vµ lµm cho s¶n phÈm bÞ xèp. Xö lý sîi tù nhiªn víi ho¸ chÊt hoÆc ghÐp monome cã thÓ lµm gi¶m hµm Èm cña sîi. - Ph©n huû sinh häc vµ ph©n huû quang cña sîi tù nhiªn: Sîi tù nhiªn bÞ ph©n huû bëi sinh vËt, ®iÒu nµy ®îc nhËn biÕt nhê c¸c polyme hydratcacbon ë trªn thµnh cña tÕ bµo. Lignoxenlulo khi ®Ó ë ngoµi trêi sÏ bÞ ph©n huû quang ho¸ bëi ¸nh s¸ng tö ngo¹i. - §é ph©n t¸n cña sîi vµo chÊt nÒn: Khi sîi ®îc ph©n t¸n vµo nÒn th× do trong sîi cã liªn kÕt hydro nªn ®é ph©n t¸n cña sîi vµo nÒn gi¶m v× c¸c liªn kÕt nµy liªn kÕt c¸c sîi l¹i víi nhau. B»ng ph¬ng ph¸p xö lý sîi hoÆc nhê nh÷ng t¸c ®éng cña viÖc gia c«ng mµ ta cã thÓ lµm gi¶m bít kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a c¸c sîi nghÜa lµ t¨ng ®é ph©n t¸n cña sîi vµo nÒn. I.2.3.NÒn cho vËt liÖu PC gia cêng b»ng sîi tù nhiªn. Pha nÒn cã vai trß chñ yÕu quyÕt ®Þnh tÝnh n¨ng cña vËt liÖu PC. C¶ nhùa nhiÖt dÎo vµ nhùa nhiÖt r¾n ®Òu ®îc sö dông lµm vËt liÖu nÒn cho vËt liÖu PC gia cêng b»ng sîi tù nhiªn. §èi víi compozit nhiÖt r¾n, viÖc thµnh lËp c«ng thøc rÊt phøc t¹p v× nã chøa nhiÒu thµnh phÇn nh: nhùa, chÊt ®ãng r¾n, chÊt xóc t¸c vµ chÊt hç trî gia c«ng… VËt liÖu PC nµy thêng ®îc xö lý ho¸ häc t¹o ra c¸c liªn kÕt ngang vµ cÊu tróc m¹ng kh«ng gian ba chiÒu. CÊu tróc nµy lµm cho vËt liÖu cã kh¶ n¨ng chÞu dung m«i tèt, dai vµ bÒn r·o. C¸c lo¹i nhùa nhiÖt r¾n thêng ®îc sö dông lµ polyeste kh«ng no, epoxy, phenolic… NÒn nhùa nhiÖt dÎo cã u ®iÓm h¬n. Mét trong nh÷ng u ®iÓm cña vËt liÖu PC víi nÒn nhùa nhiÖt dÎo lµ gi¸ thµnh thÊp vµ dÔ gia c«ng víi nh÷ng chi tiÕt phøc t¹p. C¸c nhùa nhiÖt dÎo thêng sö dông lµ PP, PE, PVC… I.3.VËt liÖu PC tõ nhùa epoxy - novolac, epoxy - cacdanol gia cêng b»ng sîi lanh I.3.1.Sîi lanh gia cêng cho vËt liÖu PC [11,12] I.3.1.1.Giíi thiÖu vÒ sîi lanh Sîi lanh ®îc cÊu t¹o tõ 1040 sîi nhá t¹o thµnh nh÷ng bã sîi. Mét nÐt ®Æc trng c¬ b¶n cña sîi thiªn nhiªn lµ chóng kh«ng ®ång nhÊt vÒ cÊu tróc h×nh häc vµ sîi lanh còng kh«ng lµ mét ngo¹i lÖ. C¸c sîi lanh ®Æc thï lµ h×nh nhiÒu c¹nh(5 7 c¹nh). Trªn ¶nh SEM thÊy sîi lanh kh«ng ®ång nhÊt theo chiÒu dµi, c¸c sîi dÇy h¬n ë gÇn gèc vµ máng h¬n ë gÇn ngän. NÕu tÝnh trung b×nh, mét sîi 11 cã chiÒu dµi lµ 33 mm vµ réng lµ 19 m. KÝch thíc chiÒu ngang vµ chiÒu däc cã thÓ n»m trong kho¶ng 576m vµ 477mm. Do trong c¸c sîi thiªn nhiªn cã c¸c liªn kÕt trong c¸c cÊu tróc xèp nªn viÖc x¸c ®Þnh mét khèi lîng riªng chÝnh x¸c cho nã lµ mét viÖc phøc t¹p. Khi sîi lanh ë d¹ng xèp lµ 10% th× khèi lîng riªng lµ 1,54 g/cm3. Khi chóng ta ®o theo thÓ tÝch víi etanol lµm dung m«i th× khèi lîng riªng t×m ®îc lµ 1,53 g/cm3. §Ó cã thÓ lÊy sîi ngêi ta ph¶i xö lý t¸ch bÑ, t¸ch pectin, lignin vµ c¸c x¬ cã m¹ch ng¾n v× c¸c x¬ nµy lµ thµnh phÇn hót Èm vµ lignin g©y ra sù dÝnh kÕt c¸c m¹ch x¬ víi nhau lµm gi¶m ®é liªn kÕt trong vËt liÖu compozit cèt dÖt. Sau khi lµm s¹ch t¹p chÊt (cã hoÆc kh«ng cã xö lý ho¸ häc) x¬ ®îc ng©m Ðp víi nhùa nhiÖt r¾n hoÆc nhùa nhiÖt dÎo b»ng c«ng nghÖ ®óc ¸p lùc hoÆc ®óc ch©n kh«ng t¹o vËt liÖu cèt dÖt theo mong muèn. Ngoµi ra, víi nhùa nhiÖt r¾n cã thÓ sö dông ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay ®Ó t¹o nh÷ng vËt liÖu cã h×nh d¸ng ®¬n gi¶n. B¶ng 2. TÝnh chÊt cña mét sè lo¹i sîi tù nhiªnvµ sîi tæng hîp Lo¹i sîi §é d·n dµi, % §é bÒn kÐo, MPa Modun ®µn håi, GPa Lanh Khèi lîng riªng, g/cm3 1,5 –1,55 2,7 –3,2 345 – 1035 27,6 B«ng 1,5 – 1,6 7,0 – 8,0 287 – 597 5,5 – 12,6 §ay 1,3 1,5 – 1,8 393 – 773 26,5 Gai dÇu 1,5 1,6 690 27,6 Gai 1,5 3,6 – 3,8 400 – 938 61,4 – 128 Sisal 1,5 2,0 – 2,5 511 – 635 9,4 – 22,0 Dõa 1,2 30,0 175 4,0 – 6,0 Tæng hîp 1,2 22,4 593 11,0 Thuû tinh(E) 2,5 2,5 2000- 3500 70,0 Thuû tinh(S) 2,5 2,8 4570 86,0 12 Tõ sè liÖu trªn thÊy r»ng ®é bÒn cña sîi lanh t¬ng ®èi cao vµ cã thÓ so s¸nh ®îc víi sîi thuû tinh (E). §é bÒn kÐo vµ modun ®µn håi cao h¬n h¼n c¸c sîi kh¸c. Trong phÇn ®å ¸n lÇn nµy, em ®· sö dông c¸c sîi lanh sau khi xe l¹i thµnh cèt v¶i cã khèi lîng lµ 245 g/m2. Díi ®©y lµ h×nh ¶nh chôp SEM cña sîi lanh: H×nh 1. BÒ mÆt sîi lanh I.3.1.2.Thµnh phÇn ho¸ häc cña sîi lanh Cïng víi c¸c lo¹i sîi kh¸c, sîi lanh cã thµnh phÇn chñ yÕu lµ xenlulo, hemi-xenlulo, lignin…chóng ®îc tãm t¾t ë b¶ng sau: B¶ng 3: Thµnh phÇn ho¸ häc cña mét sè lo¹i sîi thùc vËt. Thµnh phÇn Xenlulo, % Lanh 64,1 B«ng 82,7 §ay 64,6 Gai 68,8 Sisal 65,8 Hemi-xenlulo,% 16,7 5,5 12,0 13,1 12,0 Pectin, % 1,8 5,7 0,2 1,9 0,8 Lignin, % 2,0 5,7 11,8 0,6 9,9 Tan trong níc, % 3,9 1,0 1,1 5,5 1,2 S¸p, % 1,5 0,6 0,5 0,3 0,3 13 Hµm Èm, % 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 Nh vËy, hµm lîng xenlulo trong lanh kh«ng thua kÐm nhiÒu so víi c¸c sîi thùc vËt ë trªn nªn còng cã thÓ sö dông nã ®Ó gia cêng cho vËt liÖu polyme compozit. * Xenlulo [7,14]: Xenlulo ®îc coi lµ mét polysacarit tù nhiªn, cã cÊu tróc m¹ch th¼ng kh«ng ph©n nh¸nh,cã c«ng thøc ph©n tö lµ (C6H10O5)n . C¸c m¾t xÝch c¬ b¶n liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt 1,4-  - glucozit. Xenlulo lµ mét polyme vµ cã nh÷ng tÝnh chÊt riªng cña nã. Trung b×nh mçi ph©n tö xenlulo cã chøa 3000 m¾t xÝch c¬ b¶n,trong mét sè ph©n tö xenlulo ®Æc biÖt cã thÓ chøa ®Õn 26000 ph©n tö glucoza. §¹i ph©n tö xenlulo kü thuËt cã thÓ cã c¶ m¾t xÝch lµ c¸c monosacarit kh¸c nh hecxoza, pentoza vµ axit uronic. §Æc ®iÓm vµ thµnh phÇn cña xenlulo phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn tæng hîp nã trong tù nhiªn. Xenlulo cã cÊu tróc gåm nh÷ng phÇn tinh thÓ ®Þnh híng cao vµ nh÷ng phÇn v« ®Þnh h×nh. TÝnh chÊt c¬ lý cña phÇn tinh thÓ cao h¬n phÇn v« ®Þnh h×nh. Ranh giíi gi÷a c¸c phÇn nµy lµ kh«ng râ rµng. Xenlulo cã nguån gèc kh¸c nhau th× tû lÖ phÇn tinh thÓ vµ v« ®Þnh h×nh lµ kh¸c nhau. Sù h×nh thµnh liªn kÕt hydro h¹n chÕ kh¶ n¨ng hoµ tan cña xenlulo. Xenlulo kh«ng tan trong nhiÒu dung m«i th«ng thêng, bÞ tr¬ng në trong dung dÞch ZnCl 2, H2SO4, xót lo·ng. Trong qu¸ tr×nh hoµ tan, xenlulo bÞ tr¬ng tríc råi míi bÞ hoµ tan. Sù tr¬ng në trong níc lµ sù tr¬ng ë phÇn tinh thÓ. Xenlulo lµ nguyªn liÖu trong nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp: giÊy, dÖt may, chÊt dÎo, s¬n, sîi,… * Lignin [7,8]: Lignin lµ mét polyme th¬m tù nhiªn, hçn hîp phøc t¹p cña nhiÒu polyme d¹ng phenolic, cã cÊu t¹o kh«ng gian ba chiÒu. Trong thùc vËt, lignin lµ chÊt liªn kÕt gi÷a c¸c tÕ bµo, lµm cho thµnh tÕ bµo cøng h¬n, chÞu va ®Ëp, nÐn, bÒn díi t¸c dông cña vi sinh vËt. Lignin cã cÊu tróc v« ®Þnh h×nh, cã khèi lîng ph©n tö tõ 4000-10000. Liªn kÕt gi÷a lignin vµ xenlulo trong gç kh¸ bÒn v÷ng. Lignin lµm gi¶m ®é hót níc cña gç, chèng t¸c dông cña vi khuÈn… Lignin ®îc dïng ®Ó nÊu nhùa d¹ng phenol-fomandehyt (PF), hoÆc dïng nh mét thµnh phÇn hçn hîp ®óc víi nhùa PF, lµm keo d¸n, lµm chÊt gia cêng cho bª t«ng… * Hemixenlulo: hay cßn gäi lµ hydrat cacbon polysacarit, khi thuû ph©n cho ®êng pentoza cã chøa 5 nguyªn tö cacbon trong cÊu tróc ph©n tö vµ cã thÓ 14 t¹o ra axit polyuronic. Pentoza cã cÊu tróc phøc t¹p h¬n xenlulo, cÊu tróc ph©n tö cã thÓ cã m¹ch nh¸nh.Trong thùc vËt pentoza lµm t¨ng ®é bÒn c¬ häc cho gç vµ lµ chÊt dù tr÷ dinh dìng cho c©y. * Thµnh phÇn tan trong níc: chñ yÕu lµ tinh bét, pectin, c¸c muèi v« c¬, rîu m¹ch vßng, thuèc nhuém… I.3.2.Nhùa epoxy - cacdanol [9] I.3.2.1.Tæng hîp * Nhùa epoxy: Phæ biÕn nhÊt vµ quan träng nhÊt lµ nhùa t¹o thµnh tõ s¶n phÈm ph¶n øng cña Bisphenol A vµ epiclohydrin. Ph¶n øng t¹o nhùa x¶y ra qua 2 giai ®o¹n: - Giai ®o¹n 1: Lµ giai ®o¹n kÕt hîp, ph¶n øng to¶ nhiÖt, x¶y ra nhanh ë nhiÖt ®é 60 – 700C. CH3 2 CH2 - CH  CH2 Cl + OH C O OH CH3 CH3 CH2 - CH  CH2-O C Cl CH3 OH OCH2 - CH  CH2 OH Cl - Giai ®o¹n 2: Lµ giai ®o¹n t¸ch HCl, ph¶n øng thu nhiÖt, x¶y ra chËm. CH3 CH2 - CH  CH2-O C Cl CH3 OH OCH2 - CH  CH2 + 2 NaOH OH Cl CH3 CH2 - CH  CH2-O O OCH2 - CH  CH2 C CH3 O Nhùa epoxy khi cha ®ãng r¾n lµ lo¹i nhùa nhiÖt dÎo kh«ng mµu hay cã mµu vµng s¸ng. Tuú thuéc vµo khèi lîng ph©n tö mµ nhùa epoxy cã thÓ ë d¹ng láng (M<450), ®Æc (M<800) vµ r¾n (M>800). Nhùa epoxy tan tèt trong c¸c dung m«i h÷u c¬: xeton, axetat, hydrocacbon clo ho¸, dioxan…Nhùa epoxy kh«ng tan trong c¸c dung m«i hydrocacbon m¹ch th¼ng (white spirit, x¨ng…). Nhùa epoxy cã thÓ phèi trén víi c¸c lo¹i nhùa kh¸c nh: phenolfoman®ehyt, nitroxenlulo, polyeste, polysunfit… 15 Nhùa epoxy cã thÓ chuyÓn sang m¹ng líi kh«ng gian ba chiÒu khi sö dông c¸c chÊt ®ãng r¾n nãng nh anhydrit phtalic, anhydrit maleic…hay c¸c chÊt ®ãng r¾n nguéi nh polyamin m¹ch th¼ng, polyamit… Nhùa epoxy sau khi ®ãng r¾n cã mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt quÝ nh b¸m dÝnh tèt víi nhiÒu lo¹i nÒn kh¸c nhau, bÒn ho¸ häc, ®Æc biÖt víi kiÒm, ®é bÒn c¬ häc cao, c¸ch ®iÖn tèt, Ýt co ngãt vµ bÒn nhiÖt ®Õn 160-260oC. Nhùa epoxy cã hai nhãm chøc ho¹t ®éng lµ epoxy vµ hydroxyl, cã thÓ tham gia vµo nhiÒu lo¹i ph¶n øng kh¸c nhau. Nhãm epoxy rÊt dÔ dµng ph¶n øng víi c¸c t¸c nh©n ¸i nh©n.Víi c¸c t¸c nh©n ¸i ®iÖn tö ph¶n øng x¶y ra thuËn lîi khi cã mÆt xóc t¸c proton nh rîu, phenol, axit…do nhãm hydroxyl ho¹t ®éng kÐm h¬n nhãm epoxy nªn ph¶n øng tiÕn hµnh ph¶i cã xóc t¸c hay ë nhiÖt ®é cao (trõ ph¶n øng víi nhãm xyanat). * Cacdanol: Cacdanol nhËn ®îc tõ dÇu vá h¹t ®µo lén hét. C©y ®µo lén hét hay cßn gäi lµ c©y ®iÒu cã nguån gèc tõ Braxin vµ hiÖn nay cã nhiÒu ë Ên §é, Philippin, miÒn nam ViÖt Nam…Tõ h¹t ®µo lén hét nhËn ® îc hai lo¹i dÇu: dÇu tõ nh©n vµ dÇu tõ vá h¹t, cã thµnh phÇn tuú thuéc vµo c¸ch khai th¸c. B»ng ph¬ng ph¸p s¾c ký líp máng ®· t×m thÊy thµnh phÇn chñ yÕu cña dÇu vá h¹t ®µo lén hét tù nhiªn gåm 4 cÊu tö: axit anacacdic, cacdanol, cacdol vµ 2-metylcacdol. Hµm lîng cña tõng cÊu tö thay ®æi tuú thuéc vµo ph¬ng ph¸p gia c«ng còng nh nguån gèc. Cacdanol chØ cã mét lîng nhá trong dÇu vá h¹t ®iÒu . Nã nhËn ®îc b»ng c¸ch chng cÊt dÇu vá h¹t ®iÒu trong ch©n kh«ng 5-10 mmHg vµ ë nhiÖt ®é 2455oC. Trong qu¸ tr×nh chng cÊt axit anacacdic cã nhiÒu nhÊt sÏ biÕn ®æi thµnh cacdanol (qu¸ tr×nh decacboxyl ho¸). Cacdanol cã c«ng thøc cÊu t¹o nh sau: oh R' Trong ®ã: R’ lµ C15Hx. M¹ch hydrocacbon thÕ trong cacdanol kh«ng ph¶i lµ mét m¹ch ®ång nhÊt mµ bao gåm mét hçn hîp c¸c olefin cã ®é kh«ng no kh¸cnhau. CÊu t¹o ho¸ häc cña cacdanol thÓ hiÖn c¸c kh¶ n¨ng ph¶n øng ho¸ häc kh¸c nhau, biÕn ®æi ho¸ häc t¬ng tù nh phenol hoÆc biÕn ®æi nh c¸c hîp chÊt kh«ng no nhê nh¸nh hydrocacbon. *Ph¬ng tr×nh tæng hîp epoxy - cacdanol: 16 oh ch 2 - ch - r- ch - ch 2 + O R' O och2 - ch - r - ch - ch2 oh O R' I.3.2.2.TÝnh chÊt vµ øng dông * Nhùa epoxy sau khi biÕn tÝnh b»ng cacdanol cã nhiÒu tÝnh chÊt tèt nh kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cao,bÒn ho¸, bÒn c¬ häc, bÒn nhiÖt, ®Æc tÝnh ®iÖn tèt… * Nhùa epoxy- cacdanol cã nhiÒu øng dông quan träng: - Lµm s¬n phñ c¸ch ®iÖn. - Lµm chÊt nÒn trong vËt liÖu PC gia cêng b»ng sîi. Ngoµi ra, epoxy ho¸ dÇu thùc vËt lµ mét vÊn ®Ò ®ang ®îc quan t©m. DÇu epoxy ho¸ ®· vµ ®ang ®îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc nh lµm chÊt t¹o mµng, lµm phô gia cho c¸c tæ hîp nhùa. I.3.3. Nhùa epoxy - novolac Nhùa novolac lµ mét d¹ng cña nhùa phenolic. Nã ®îc tæng hîp tõ phenol (P) cã hai hoÆc ba vÞ trÝ ho¹t ®éng vµ fomandehyt (F). NÕu sö dông phenol cã ba vÞ trÝ ho¹t ®éng th× tû lÖ mol P/F >1 (thêng lµ 7/6, 6/5) vµ xóc t¸c axit. Khi P/F cµng lín th× nhùa thu ®îc cµng cã khèi lîng ph©n tö lín, hiÖu suÊt ph¶n øng, nhiÖt ®é ch¶y mÒm thÊp. Nhùa thu ®îc cÇn ph¶i röa, sÊy ®Ó lo¹i bá c¸c hîp chÊt cha tham gia ph¶n øng (phenol, foman®ehit d, xóc t¸c) vµ ®Ó ph¶n øng tiÕn hµnh triÖt ®Ó. Xóc t¸c thêng sö dông ®Ó tæng hîp nhùa novolac lµ axit clohydric, axit sunfuric, axit oxalic vµ axit fomic…Tuú thuéc vµo lo¹i xóc t¸c mµ mµu s¾c cña s¶n phÈm thay ®æi tõ mµu vµng nh¹t tíi n©u sÉm. Trong c«ng nghiÖp thêng dïng xóc t¸c lµ axit clohydric. Ph¶n øng tæng hîp nhùa novolac trong m«i trêng axit: 17 OH OH OH CH2 + + (n-1)CH2O H OH CH2 CH2 + (n-1)H2O n-2 Nhùa phenolic cã nhiÒu tÝnh chÊt c¬ lý tèt nh: khèi lîng riªng thÊp, ®é bÒn nhiÖt cao, ®é chÞu mµi mßn cao, bÒn ho¸ vµ bÒn m«i trêng. Bªn c¹nh ®ã, nã cã nh÷ng h¹n chÕ nh: ®é bÒn va ®Ëp thÊp, ®é cøng cao, ®é co ngãt cña s¶n phÈm cao, nhÊt lµ s¶n phÈm cã kÝch thíc lín vµ h×nh d¹ng phøc t¹p nªn trong c«ng nghiÖp thêng sö dông nhùa phenolic biÕn tÝnh, biÕn tÝnh dùa trªn ph¶n øng cña nhùa víi c¸c hîp chÊt kh«ng no tù nhiªn hoÆc tæng hîp nh axit bÐo, cao su, polyme tæng hîp. BiÕn tÝnh nhùa epoxy b»ng phenolic (novolac) lµ mét biÖn ph¸p cã nhiÒu u ®iÓm nh: t¹o cho vËt liÖu cã nhiÒu tÝnh chÊt tèt (bÒn ho¸, bÒn nhiÖt, bÒn kiÒm, mµu ®Ñp, ®é bÒn ®iÖn tèt) vµ thêi gian ®ãng r¾n ng¾n… BiÕn tÝnh b»ng phenolic do t¸c dông cña nhãm hydroxyl vµ metylol trªn nh©n phenol víi nhãm epoxy vµ hydroxyl cña nhùa epoxy ë 150-180 oC. §Ó t¨ng sù t¬ng hîp víi nhùa epoxy th× tríc khi trén hîp nhùa phenolic ®îc butanol ho¸. Ph¶n øng tæng hîp epoxy- novolac nh sau: OH OH CH2 + CH2- CH - CH2 O O CH2 CH CH2 O CH2 O CH2 CH CH2 O KÕt qu¶ cña sù biÕn tÝnh t¹o ra nhiÖt ®é lµm viÖc cña vËt liÖu vît qu¸ 2600C (®èi víi nhùa epoxy kh«ng biÕn tÝnh chØ tíi 1200C). Tæ hîp epoxy – novolac ®îc øng dông rÊt nhiÒu ®Ó chÕ t¹o c¸c lo¹i s¬n, mµng phñ bÒ mÆt… Mµng phñ bÒ mÆt trªn c¬ së tæ hîp epoxy – novolac cã ®é bÒn vµ ®é ®µn håi ®¸ng kÓ, ngoµi ra cßn cã ®é b¸m dÝnh cao vµ ®é bÒn víi m«i trêng kiÒm. Nã thêng ®îc sö dông ®Ó b¶o vÖ c¸c lß lu ho¸ vµ c¸c thiÕt bÞ cña nhµ m¸y chÕ biÕn dÇu má. 18 Do tÝnh ®a chøc cña m×nh nªn nhùa epoxy – novolac khi ®ãng r¾n b»ng c¸c t¸c nh©n ®ãng r¾n th× c¸c s¶n phÈm nµy cã nhiÒu liªn kÕt ngang, bÒn nhiÖt, bÒn ho¸ vµ b¸m dÝnh h¬n nhùa epoxy dian. I.4.C¸c ph¬ng ph¸p gia c«ng vËt liÖu PC tõ epoxy - novolac, epoxy - cacdanol víi sîi lanh Trong ®å ¸n nµy sö dông c¸c ph¬ng ph¸p gia c«ng vËt liÖu PC lµ l¨n Ðp b»ng tay, chÕ t¹o prepregs, Ðp nãng. * Ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay: Tríc khi t¹o h×nh bÒ mÆt khu«n ph¶i ®îc phñ vµ lµm nh½n ®ång ®Òu ®Ó ®¹t ®îc ®é nh½n bãng cho s¶n phÈm. Phun mét líp chèng dÝnh lªn bÒ mÆt khu«n. Sau khi chÊt chèng dÝnh kh« hoµn toµn th× quÐt hay phun lªn trªn ®ã mét líp gelcoat. Qu¸ tr×nh t¹o h×nh ®îc thùc hiÖn theo c¸c bíc sau: - Dïng chæi s¬n phñ nhùa ®· pha chÊt xóc t¸c lªn bÒ mÆt khu«n. - Sîi gia cêng ®îc s¾p xÕp trong khu«n. Sö dông c¸c lo¹i gia cêng kh¸c nhau cho c¸c phÇn kh¸c nhau cña kÕt cÊu. - Sau ®ã tÈm nhùa lªn sîi gia cêng råi l¨n Ðp b»ng con l¨n ®Ó lo¹i bá hÕt kh«ng khÝ n»m trong sîi. - Sö dông kü thuËt nh trªn, tiÕp tôc båi lªn tõng líp ít cho ®Õn khi ®¹t chiÒu dµy s¶n phÈm cÇn thiÕt. - TiÕn hµnh t¸ch s¶n phÈm khái khu«n sau mét thêi gian nhÊt ®Þnh, thêi gian nµy cÇn thiÕt cho s¶n phÈm ®ãng r¾n (thêng sau kho¶ng 10 giê). - TiÕp tôc ®ãng r¾n sau vµi tuÇn trong kh«ng khÝ. Qu¸ tr×nh nµy cã thÓ t¨ng tèc b»ng c¸ch gia nhiÖt. Sau khi ®ãng r¾n hoµn toµn kÕt thóc t¹o h×nh. §©y lµ ph¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu PC, yªu cÇu tèi thiÓu vÒ m¸y mãc thiÕt bÞ, do ®ã vèn ®Çu t ë møc thÊp nhÊt. * Ph¬ng ph¸p chÕ t¹o prepregs (b¸n thµnh phÈm): Prepregs lµ lo¹i b¸n thµnh phÈm cña vËt liÖu PC ®îc chÕ t¹o b»ng c¸ch tÈm hÖ nhùa (nhùa + chÊt ®ãng r¾n + chÊt xóc t¸c) lªn v¶i (chÊt t¨ng cêng). Cã hai ph¬ng ph¸p tÈm lµ ph¬ng ph¸p dung m«i vµ ph¬ng ph¸p nãng ch¶y: Ph¬ng ph¸p dung m«i lµ hoµ tan hÖ nhùa lªn v¶i, cßn ph¬ng ph¸p nãng ch¶y lµ gia nhiÖt cho hÖ nhùa nãng ch¶y thµnh hÖ ®ång nhÊt råi tÈm lªn v¶i. §Æc ®iÓm cña ph¬ng ph¸p dung m«i lµ v¶i kh«ng bÞ ¶nh hëng khi tÈm, hÖ nhùa kh«ng bÞ gel ho¸ cao do tÈm ë nhiÖt ®é thêng nhng v× cã dung m«i nªn ¶nh hëng ®Õn m«i trêng. Cßn ë ph¬ng ph¸p nãng ch¶y th× v¶i bÞ ¶nh hëng khi tÈm, bÒ dµy cña prepregs kh«ng thay ®æi trong suèt qu¸ tr×nh ®Õn s¶n phÈm cuèi cïng do kh«ng bay h¬i dung m«i. 19 Prepregs sau khi chÕ t¹o ®îc b¶o qu¶n ë ®iÒu kiÖn thÝch hîp, tuú thuéc vµo hÖ nhùa. Prepregs cã thÓ b¶o qu¶n trong kho¶ng thêi gian l©u tõ 5 – 6 th¸ng, ®©y còng lµ u ®iÓm cña prepregs. Ngoµi ra, prepregs cßn tiÖn lîi cho viÖc gia c«ng vµ t¹o h×nh s¶n phÈm cuèi cïng. * Ph¬ng ph¸p t¹o h×nh Ðp nãng: §©y lµ mét trong nh÷ng qui tr×nh hiÖu qu¶ kinh tÕ nhÊt ®Ó s¶n xuÊt trªn qui m« lín c¸c kÕt cÊu cã kÝch thíc nhá ®Õn trung b×nh. ChÕ t¹o s¶n phÈm b»ng m¸y Ðp thuû lùc vµ khu«n kim lo¹i ®îc gia nhiÖt. Sîi gia cêng ®îc s¾p xÕp vµo trong khu«n gia nhiÖt ®· ®îc phñ mét líp chèng dÝnh. Nhùa cã chÊt xóc t¸c ®îc rãt lªn sîi gia cêng. Khu«n ®îc ®ãng vµ më díi sù ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c vÒ tèc ®é, theo thêi gian trïng hîp nhùa, nghÜa lµ phô thuéc vµo tèc ®é ph¶n øng cña nhùa vµ ®é dµy cña kÕt cÊu compozit. Qu¸ tr×nh Ðp nãng cho phÐp ®¹t tû lÖ vËt liÖu gia cêng cao, do vËy s¶n phÈm cã tÝnh chÊt c¬ lý tèt. ¸p suÊt lµm viÖc thêng 0,5-15 MPa phô thuéc vµo kÝch thíc s¶n phÈm. NhiÖt ®é khu«n thêng tõ 80-170oC. N¨ng suÊt cã thÓ ®¹t tõ 15-30 s¶n phÈm/giê. Tuy nhiªn ph¶i ®Çu lín vÒ nhµ xëng, m¸y thuû lùc vµ khu«n. ch¬ng II: C¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu II.1.C¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch nguyªn liÖu ®Çu vµ s¶n phÈm [9,10] II.1.1.Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch hµm lîng phenol Hµm lîng phenol ®îc x¸c ®Þnh theo ph¬ng ph¸p Koppesa: dùa vµo ph¶n øng cña phenol víi brom t¹o thµnh tribromphenol. Lîng brom d cho t¸c dông víi KI ®Ó gi¶i phãng iot tù do. §Þnh ph©n iot tù do t¹o thµnh, nhê ®ã x¸c ®Þnh ®îc hµm lîng phenol. Qu¸ tr×nh thùc nghiÖm ®îc tiÕn hµnh nh sau: C©n 1g phenol (víi ®é chÝnh x¸c 0,0001g) hoµ tan trong níc cÊt, cho vµo b×nh ®Þnh møc 500 ml vµ cho thªm níc cÊt ®Õn ngÊn b×nh. LÊy 10 ml cho vµo b×nh tam gi¸c 250 ml cã nót nh¸m, cho 25 ml dung dÞch Bromit-Bromat 0,1N vµ 5 ml axit HCl ®Ëm ®Æc (d = 1,19 g/cm 3). §Ëy nót, l¾c ®Òu, gi÷ ë nhiÖt ®é phßng kho¶ng 15 phót. Sau ®ã, cho thªm 10 ml dung dÞch KI 10%, ®Ó yªn vµi phót. ChuÈn lîng iot t¸ch ra b»ng dung dÞch Na2S2O3 0,1N, víi hå tinh bét 1% lµm chÊt chØ thÞ. ChuÈn t¬ng tù víi mÉu kiÓm tra. Hµm lîng phenol tÝnh theo c«ng thøc: 20
- Xem thêm -