B GIO DC V O TO TRNG I HC KHOA Ti : Nghiờn cu ch to vt liu Polyme Compozit trờn c s nha Wpoxy novolac Epoxy Cacdanol gia cng bng si lanh Ging viờn hng dn : Sinh viờn thc hin : Lp : MSSV : Lời mở đầu Nhân loại đang bớc vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, giao thông vận tải, kinh tế cũng nh trong đời sống Một trong những thành tựu đó là sự ra đời và phát triển của vật liệu compozit. Vật liệu compozit ra đời đáp ứng đợc nhu cầu to lớn về một loại vật liệu mới có khả năng kết hợp đợc những tính chất mà vật liệu truyền thống riêng rẽ 1 không có đợc , tạo ra một loại vật liệu có nhiều tính chất u việt nh: nhẹ, bền, có nhiều tính chất chuyên dụng, dễ gia công Những vật liệu này đang dần thay thế những vật liệu truyền thống để chế tạo các chi tiết máy và các kết cấu, kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng nh các sản phẩm dân dụng Vật liệu compozit đợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất là polyme compozit. Sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu polyme compozit gia cờng bằng sợi tổng hợp cũng đặt ra những thách thức to lớn đối với nhân loại do sự gia tăng lợng chất thải khó phân huỷ vào môi trờng. Chính vì vậy, trong khoảng mời năm trở lại đây, việc sử dụng sợi tự nhiên để thay thế một phần hoặc toàn bộ cho sợi tổng hợp đã đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. ở Việt Nam, lanh là một loại sợi tự nhiên dễ kiếm và có giá thành hợp lý, một nguồn nguyên liệu tự nhiên có khả năng tái tạo và phân huỷ sinh học. Việc mở rộng nghiên cứu ứng dụng loại sợi tự nhiên này vào lĩnh vực vật liệu polyme compozit với các loại nhựa nền khác nhau là một hớng ứng dụng mới không những đem lại hiệu quả kinh tế cao mà còn góp phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trờng[1].Trên cơ sở đó đã hình thành đồ án: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy-novolac, epoxy-cacdanol gia cờng bằng sợi lanh . Nhiệm vụ chủ yếu của đồ án là: 2 - Tổng hợp và phân tích hai loại nhựa: nhựa novolac và nhựa epoxy cacdanol. - Xác định các điều kiện để chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy novolac: Tỷ lệ phối trộn, dung môi hoà tan, điều kiện gia công prepregs, điều kiện gia công vật liệu. - Chế tạo mẫu và xác định các tính chất cơ lý của vật liệu polyme copozit trên cơ sở nhựa epoxy novolac, epoxy cacdanol gia cờng bằng sợi lanh. 3 chơng I: tổng quan I.1. Hiểu biết chung về vật liệu polyme compozit (PC) I.1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu PC Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và đợc con ngời sử dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trớc Công nguyên ngời cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co, nứt khi nung gạch hoặc đồ gốm. ở Ai Cập khoảng 3000 năm trớc Công nguyên ngời ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống nh kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay. [2] Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho ebonit. Năm 1920, Bakeland đã dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa ure. [13] Mặc dù đợc hình thành từ rất sớm nhng việc chế tạo vật liệu PC mới thực sự đợc chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và Thomas đã đợc cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh 4 và đợc Ellis và Goster dùng gia cờng cho polyeste không no. Polyeste tăng cờng bằng sợi thủy tinh đợc sử dụng trong ngành hàng không năm 1938. Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo compozit cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế giới lần thứ II. Năm 1950, chất lợng của vật liệu compozit đợc nâng cao rất nhiều nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt loại sợi tăng cờng nh sợi cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic Từ năm 1970 đến nay các chi tiết chế tạo từ compozit nền chất dẻo và sợi tăng cờng có độ bền cao đã đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo ô tô, làm vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao nh hàng không, vũ trụ [17] Mặc dù vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lợng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện , mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn đợc đặt ra. Trong thời gian tới vật liệu PC sẽ đợc phát triển theo các xu hớng sau: - Thay thế thép:sự thay thế thép bằng vật liệu PC có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng. Nhờ những tính chất u việt, vật liệu PC cho phép đạt đợc độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép. - Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền: kết quả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên.Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. 5 - Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng: trong những năm gần đây trên thế giới, cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã đợc sử dụng rộng rãi nh epoxy, polyeste không no, phenol-fomandehyt ng ời ta đã sử dụng rất có hiệu quả các loại nhựa nhiệt dẻo nh polyolefin, polyamit, polycacbonat. - Phối hợp giữa các vật liệu polyme, kim loại và gốm. [2] I.1.2. Đặc điểm chung và phân loại vật liệu PC I.1.2.1. Đặc điểm chung Vật liệu compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn nhận đợc bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản chất [3]. Vật liệu PC là hệ thống hai hay nhiều pha, khác nhau về bản chất hoá học, gần nh không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, trong đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cờng. Ngoài ra, còn có một số hợp chất khác nh chất tạo màu, chất tăng cờng đặc biệt [3,4,5] Việc đa các chất gia cờng vào nền polyme đa lại cho vật liệu PC nhiều u điểm so với những vật liệu truyền thống nh: độ bền riêng cao, modun đàn hồi riêng cao, tỷ trọng thấp, tính chất ổn định trong nhiều môi trờng hoá chất, chịu mài mòn tốt Vật liệu PC có những đặc điểm chính sau[3,4]: 6 - Là vật liệu nhiều pha nhng trong thực tế phổ biến nhất là vật liệu hai pha. Pha gián đoạn là cốt đợc bao bọc bởi pha liên tục là nền polyme. Các pha tơng tác với nhau qua bề mặt phân chia pha . - Đối với vật liệu PC cốt sợi, vật liệu có tính dị hớng. Đây là một đặc điểm nổi bật nhất của vật liệu PC. Vì vậy với những phơng pháp chế tạo khác nhau có thể đa lại những vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau. - Trong vật liệu PC thì tỷ lệ, hình dáng, kích thớc cũng nh sự phân bố của nền và cốt tuân theo những quy định thiết kế trớc. Nói cách khác, với sự lựa chọn thích hợp chất tăng cờng và nhựa nền, tính chất của vật liệu PC có thể tính toán trớc. - Tính chất của vật liệu PC là sự kết hợp các tính chất của các pha thành phần. Tuy vậy, tính chất của nó không phải chỉ đơn thuần là các tính chất của các pha thành phần mà nó chỉ lựa chọn và phát huy những tính chất tốt tạo ra các tính chất đặc trng mà các pha thành phần không có đợc. - Vật liệu PC cho phép chế tạo các kết cấu, sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Tuỳ theo những đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sử dụng, mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu, tỷ lệ, và công nghệ sản xuất phù hợp. I.1.2.2. Phân loại Để phân loại vật liệu PC ngời ta dựa vào các đặc điểm đặc trng của nó. Vật liệu PC có thể đợc phân loại theo các cách sau: - Theo bản chất của vật liệu nền: + Nền kim loại. 7 + Nền polyme. + Nền gốm và thuỷ tinh. + Nền cacbon/graphit. - Theo đặc điểm hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, đây cũng là phơng pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phơng pháp này vật liệu PC đợc chia thành ba nhóm: + PC cốt hạt: Các phần tử chất độn không có kích thớc u tiên đợc phân tán vào cấu trúc của mạng polyme. Vật liệu PC cốt hạt thờng có tính đẳng hớng. Cốt hạt gồm hạt thô và hạt mịn. + PC cốt sợi: Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đờng kính khá lớn. Vật liệu PC cốt sợi thờng có tính chất dị hớng. Cốt sợi gồm sợi ngắn, sợi trung bình, sợi dài. + PC cấu trúc: Khái niệm này dùng để chỉ các bán thành phẩm trong đó thông dụng nhất là dạng lớp và dạng tổ ong, đợc cấu thành từ các vật liệu đồng nhất, phối hợp với các compozit khác. Vật liệu PC cấu trúc có tính chất kết hợp của các nguyên liệu thành phần. - Ngoài ra còn có thể phân loại theo phạm vi ứng dụng hoặc theo ph- ơng pháp gia công. I.1.3. Các thành phần chính của vật liệu PC I.1.3.1. Cốt cho vật liệu PC 8 Trong vật liệu PC cốt là thành phần có tác dụng chịu ứng suất tập trung do cơ tính cao hơn nhựa nền. Do đó thành phần cốt phải thoả mãn đ- ợc những đòi hỏi về khai thác và công nghệ:[6]. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi nh yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lợng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trờng axit, kiềm Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu compozit trên cơ sở những cốt này. Đặc trng và mức độ ảnh hởng của chất độn lên tính chất của vật liệu phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc ban đầu, hình thái hình học và phân bố, diện tích bề mặt riêng của chất gia cờng trong vật liệu, tơng tác và độ bền liên kết giữa chất gia cờng và nền. Chất gia cờng quyết định khả năng gia công của vật liệu, ngoài ra còn ảnh hởng đến các tính chất hoá, điện, cũng nh giá thành của vật liệu. Chất gia cờng đợc đánh giá trên những đặc điểm sau: - Khả năng tăng cờng độ bền cơ học. - Độ bền nhiệt. - Độ bền hoá chất, môi trờng. - Khả năng thấm ớt bề mặt bởi nhựa nền. - Thuận lợi cho quá trình gia công. - Nhẹ, giá thành hạ, sẵn có. 9 Tuỳ theo yêu cầu đối với những loại sản phẩm mà lựa chọn chất gia cờng thích hợp nhất, bảo đảm cả về yêu cầu kỹ thuật cũng nh hiệu quả kinh tế. Chất gia cờng làm thay đổi đặc trng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cờng hoạt tính, chất gia cờng không làm thay đổi đặc trng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cờng trơ. Tuy nhiên, chất gia cờng hoạt tính hay không hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của nhựa nền. Các chất gia cờng trơ chủ yếu nhằm mục đích giảm giá thành của vật liệu, trong một số trờng hợp còn cải thiện khả năng gia công. Dựa trên hình thái hình học, chất gia cờng đợc chia thành nhiều loại, trong đó chủ yếu là chất gia cờng dạng bột và dạng sợi. Chất gia cờng dạng bột là loại phụ gia phân tán đồng đều trong toàn thể tích vật liệu. Vật liệu trên cơ sở chất gia cờng dạng bột có tính chất đẳng hớng. Ngoài ra, còn có một số loại chất gia cờng bột khác nh chất tạo màu, chất chống tác dụng của tia cực tím, chống lão hoá Các hợp chất này thờng có tỷ lệ nhỏ, ở dạng bột mịn và đợc đa vào nh một thành phần của nhựa nền [5] . Các chất gia cờng dạng bột thờng gặp là bột gỗ, bột talc, bột CaCO3. Vật liệu gia cờng bằng cốt dạng sợi có tính dị hớng. Độ bền theo ph- ơng song song với phơng sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phơng khác. Sợi gia cờng thờng đợc xử lý bề mặt trớc khi sử dụng nhằm tăng c- ờng khả năng liên kết giữa cốt và nhựa nền. Phơng pháp xử lý bề mặt phổ biến nhất là dùng chất liên kết đóng vai trò chất trung gian liên kết giữa 10 [...]... dễ gia công với những chi tiết phức tạp Các nhựa nhiệt dẻo thờng sử dụng là PP, PE, PVC I.3 .Vật liệu PC từ nhựa epoxy - novolac, epoxy - cacdanol gia cờng bằng sợi lanh I.3.1 .Sợi lanh gia cờng cho vật liệu PC [11,12] I.3.1.1.Giới thiệu về sợi lanh Sợi lanh đợc cấu tạo từ 10ữ40 sợi nhỏ tạo thành những bó sợi Một nét đặc trng cơ bản của sợi thiên nhiên là chúng không đồng nhất về cấu trúc hình học và sợi. .. monome I.2.2 .Sợi tự nhiên sử dụng trong PC [17] I.2.2.1.Phân loại sợi tự nhiên Sợi tự nhiên đợc chia làm ba loại chính là :sợi từ hạt, sợi từ vỏ và sợi từ lá Ví dụ: Sợi từ hạt: sợi bông, xơ dừa, bông gòn đây là những loại sợi có liên quan đến cây ăn quả, cây có hạt 17 Sợi từ vỏ: sợi gai, sợi đay, sợi lanh Sợi từ lá: sợi chuối, xơ sisal Trong đó, sợi gai, sợi đay, sợi lanh và xơ sisal là các sợi đợc sử... nhờ những tác động của việc gia công mà ta có thể làm giảm bớt khả năng liên kết giữa các sợi nghĩa là tăng độ phân tán của sợi vào nền I.2.3.Nền cho vật liệu PC gia cờng bằng sợi tự nhiên Pha nền có vai trò chủ yếu quyết định tính năng của vật liệu PC Cả nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn đều đợc sử dụng làm vật liệu nền cho vật liệu PC gia cờng bằng sợi tự nhiên 19 Đối với compozit nhiệt rắn, việc thành... Kevlar, sợi Bo, sợi có nguồn gốc thực vật I.1.3.2 Nền cho vật liệu PC [3,4,5,6,14] Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu compozit Trong vật liệu PC nền polyme đóng những vai trò chủ yếu sau: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất - Tạo khả năng gia công vật liệu PC thành các chi tiết theo thiết kế - Che phủ, bảo vệ cốt tránh các phá huỷ cơ học... thay thế đợc nhiều kim loại thông thờng, những vật liệu đã đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Đó là do vật liệu polyme có nhiều u điểm nổi bật hơn nhiều vật liệu truyền thống Ưu điểm quan trọng nhất của việc sử dụng polyme là dễ gia công, năng suất cao và giá thành thấp Đặc biệt vật liệu polyme 16 compozit gia cờng bằng sợi có nhiều u việt so với các vật liệu thông thờng và nó đợc ứng dụng rất rộng rãi... dàngVật liệu PC ngày càng đ ợc ứng dụng rộng rãi, chủ yếu trong một số lĩnh vực sau: - Ngành chế tạo ôtô: chủ yếu sử dụng vật liệu PC chất lợng cao chế tạo các chi tiết, bộ phận cho ôtô, đặc biệt là ô tô thể thao và các phơng tiện giao thông trên mặt đất Hiệu quả nhận đợc khi sử dụng các vật liệu này là: giảm trọng lợng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn Ngày nay, vật liệu PC đang đợc nghiên cứu. .. số liệu trên thấy rằng độ bền của sợi lanh tơng đối cao và có thể so sánh đợc với sợi thuỷ tinh (E) Độ bền kéo và modun đàn hồi cao hơn hẳn các sợi khác Trong phần đồ án lần này, em đã sử dụng các sợi lanh sau khi xe lại thành cốt vải có khối lợng là 245 g/m2 Dới đây là hình ảnh chụp SEM của sợi lanh: 22 Hình 1 Bề mặt sợi lanh I.3.1.2.Thành phần hoá học của sợi lanh Cùng với các loại sợi khác, sợi lanh. .. nhiều liên kết ngang, bền nhiệt, bền hoá và bám dính hơn nhựa epoxy dian 31 I.4.Các phơng pháp gia công vật liệu PC từ epoxy - novolac, epoxy - cacdanol với sợi lanh Trong đồ án này sử dụng các phơng pháp gia công vật liệu PC là lăn ép bằng tay, chế tạo prepregs, ép nóng * Phơng pháp lăn ép bằng tay: Trớc khi tạo hình bề mặt khuôn phải đợc phủ và làm nhẵn đồng đều để đạt đợc độ nhẵn bóng cho sản phẩm... của nhựa epoxy ở 150180oC Để tăng sự tơng hợp với nhựa epoxy thì trớc khi trộn hợp nhựa phenolic đợc butanol hoá 30 Phản ứng tổng hợp epoxy- novolac nh sau: OH OH CH2 + CH2- CH - CH2 O O CH2 CH CH2 O CH2 CH CH2 O O CH2 Kết quả của sự biến tính tạo ra nhiệt độ làm việc của vật liệu vợt quá 2600C (đối với nhựa epoxy không biến tính chỉ tới 1200C) Tổ hợp epoxy novolac đợc ứng dụng rất nhiều để chế tạo. .. ch - ch2 oh chất và ứng dụng * Nhựa O R' epoxy sau khi biến tính bằng cacdanol có nhiều tính chất tốt nh khả năng bám dính cao,bền hoá, bền cơ học, bền nhiệt, đặc tính điện tốt * Nhựa epoxy- cacdanol có nhiều ứng dụng quan trọng: - Làm sơn phủ cách điện - Làm chất nền trong vật liệu PC gia cờng bằng sợi Ngoài ra, epoxy hoá dầu thực vật là một vấn đề đang đợc quan tâm Dầu epoxy hoá đã và đang đợc ứng