Transcript 2.2. Nhựa nhiệt rắn - Đại học Thái Nguyên

CHƯƠNG 2
2.1. Giới thiệu chung
2.1.2. Thành phần
Polyme composite
Nhựa nền
Vật liệu gia cường
Nhiệt rắn
Nhiệt dẻo

PP


PE


PET

PVAx

…



EP
UPE
PF
UF
…
Sợi
polyme
Sợi
cacbon
Sợi
Thủy tinh
Gốm
Kim loại
2.1. Giới thiệu chung
2.1.2. Yêu cầu đối với vật liệu 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. Giới thiệu chung
2.1.3. Phân loại vật liệu nền
Polyme
Nhựa nhiệt cứng
Nhựa nhiệt dẻo
Kết tinh
Cao su
Vô định hình

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
2.1. Giới thiệu chung
2.1.3. Phân loại vật liệu nền …

Một vài điểm khác biệt giữa nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn
và cao su
Nhựa nhiệt dẻo
Cao su
Nhựa nhiệt rắn
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
- Không có khả năng nóng
chảy nhiều lần
chảy
• Có khả năng hoà tan - Không có khả năng hoà tan
nhiều lần
- Có khả năng trương
- Không có khả năng nóng
chảy
- Không có khả năng hoà
tan
PP, PE, PVC,…
EP, UPE, PF, UF,…
Cao su thiên nhiên, cao su
tổng hợp: BR, ABR,…
2.1. Giới thiệu chung
2.1.3. Phân loại vật liệu nền …

So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo
và nhựa nhiệt rắn
Tính chất
Nhựa nhiệt dẻo
Nhựa nhiệt rắn
1-4,8
1,3-9
Bền kéo (MPa)
40-190
20-180
Bền va đập Gic (kJ/m2)
0,7-6,5
0,02-0,2
Nhiệt độ sủ dụng tối đa (OC)
25-230
50-450
Môđun đàn hồi (GPa)
2.1. Giới thiệu chung
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu 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. Giới thiệu chung
2.1.4. Đặc điểm gia công của vật liệu nền

So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo
và nhựa nhiệt rắn
Gia công nhựa nhiệt cứng
Gia công nhựa nhiệt dẻo
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. Nhựa nhiệt rắn
2.2.1 Nhựa polyester không no (UPE)
2.2. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt rắn
2.2.2 Nhựa Epoxy
Diglycidylete của bisphenol F (DGEBF)
Polyglycidylete của nhựa PF Novolac
N,N,N’,N’,- tetraglycidyl metylendianilin
2.2. Nhựa nhiệt rắn
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
2.2. Nhựa nhiệt rắn
So sánh tính chất ba loại nhựa
2.2. Nhựa nhiệt rắn
So sánh tính chất ba loại nhựa
Ưu điểm
UPE
 Dễ sử dụng
 Rẻ (1-2 euro/kg)
Vinylester
 Bền hoá chất và môi trường rất cao
Tính chất cơ học cao hơn UPE
Epoxy
 Tính chất cơ lý, nhiệt cao
 Bền nước cao
 Bền nhiệt 1400C(ướt)/ 2200C(khô)
 Co ngót khi đóng rắn thấp
Nhược điểm
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
 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
Đắt hơn nhựa Vinylester (3-15 euro/kg)
2.2. Nhựa nhiệt rắn
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, resorcinolformaldehyt,…

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. Nhựa nhiệt rắn
2.2.4. Nhựa Phenolic – Quá trình đóng rắn
Nhựa Phenolic
Nhiệt
Giai đoạn 1
Resol (trang thái A)
Nhiệt
Giai đoạn 2
Resitol (trang thái B)
Nhiệt
Nhựa có khả năng nóng
chảy và hòa tan
Nhựa rắn, nóng chảy và hòa
tan kém
Giai đoạn 3
Rezit (trang thái C)
Nhựa rắn không hoà tan,
không nóng chảy, bền hoá chất
Dưới tác dụng nhiệt phản ứng ngưng tụ xảy ra, có tạo sản phẩm phụ (nước, HCHO)
2.2. Nhựa nhiệt rắn
2.2.4. Nhựa Phenolic – ưu nhược điểm

Ưu 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. Nhựa nhiệt rắn
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. Nhựa nhiệt dẻo
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. Nhựa nhiệt dẻo
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. Nhựa nhiệt dẻo
2.3.3 Phân loại nhựa nhiệt dẻo
Nhựa nhiệt dẻo
Nhựa nhiệt dẻo
kết tinh
Có chứa phần polyme có cấu
trúc tinh thể
Ví dụ:
Polypropylen (PP)
Poletylen (PE)
Polyamit (PA)
Axetal (POM)
Nhựa nhiệt dẻo
Vô định hình
Polyme có cấu trúc vô
định hình
Ví dụ:
Polyvinyl clorua (PVC)
Polystyren (PS)
Polycacbonat (PC)
Acrylic (PMMA)
Polyphenylen oxit (PPO)
Polyamit imit, polyete imit,..
2.3. Nhựa nhiệt dẻo
So sánh tính chất của các loại sợi cacbon
Nhựa nhiệt dẻo kết tinh
Nhựa nhiệt dẻo vô định hình
Có điểm nóng chảy rõ rệt
Có giới hạn chảy mềm rộng
Thường mờ đục
Thường trong suốt
Co ngót cao
Co ngót thấp
Bền hoá chất tốt hơn
Bền hoá chất kém
Chống mài mòn tốt
Chống mài mòn kém
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 thường thấp hơn
Dễ gia công, tốc độ gia công cao,
chi phí cho gia công thấp (đặc biệt
đối với composite sợi liên tục)
Độ cứng cao hơn, ở nhiệt độ t>tg khả
năng duy trì các tính chất cao hơn
Độ cứng thấp hơn, ở nhiệt độ t>tg
khả năng duy trì các tính chất thấp
hơn
2.3. Nhựa nhiệt dẻo
2.3.5 Đặc điểm gia công các loại nhựa nhiệt dẻo



Hàm lượng sợi thấp:

Gia công dễ dàng

Sản phẩm có độ cứng và độ bền thấp.
Hàm lượng sợi cao

Sản phẩm có độ cứng và độ bền cao

Gia công chậm

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. Vật liệu gia cường
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. Vật liệu gia cường
2.4.2 Phân loại sợi
Sợi
Sợi tự nhiên
Hữu cơ
Động vật
- Lông
- Tóc
- Tơ
Thực vật
- Cotton
- Đay
- Dứa
- Gỗ
Vô cơ
- Thủy
tinh tự
nhiên
- Sợi
khoáng
Sợi hóa học
Từ polyme
thiên nhiên
- Cao su
- Visco
- Axetat
xemlulo
- Ceramic
- Thủy tinh
- Baslt
Từ polyme
tổng hợp
- PP
- PA
- Teflen
- Polyeste
- Aramic
Phi
polyme
- Wolfram
- Al
- Thép
2.4. Vật liệu gia cường
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
2.4. Vật liệu gia cường
Sự định hướng của mạch phân tử
2.4. Vật liệu gia cường
Các dạng vật liệu gia cường
Dệt đơn
(Plain weave)
Vải thô (thuỷ tinh)
Vải lụa (thuỷ tinh)
Dệt đôi
(Twlil weave)
Vải đơn hướng
(Unidirectional
cloth)
2.4. Vật liệu gia cường
Các dạng vật liệu gia cường
2.4. Vật liệu gia cường
Hướng phân bố của sợi trong VLC
2.5 Sơ lược một số loại sợi
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.
2.5 Sơ lược một số loại sợi ...
So sánh tính chất của các loại sợi cacbon
Loại sợi
Môđun kéo
(Msi)
Độ bền kéo
(ksi)
Khối lượng
riêng
(g/cm3)
Đường
kính sợi
(m)
Cacbon
30 - 50
350 - 1000
1,75 - 1,9
4-8
25 - 110
200 - 450
1,9 - 2,15
8 - 11
6
150
1,6
8-9
từ PAN)
Cacbon
(từ pitch)
Cacbon
từ sợi Rayon
2.5 Sơ lược một số loại sợi ...
Sản xuất sợi cacbon
Kéo sợi từ cuộn
(PAN )
Kéo sợi từ pitch
nóng chảy
Oxy hoá
Cuộn sợi
Cacbon/ Graphit
Cacbon hoá
Graphit hoá
Sấy khô
Xử lý bề mặt
200-4000C
Xử lý nhiệt
nguyên liệu
250-25000C thô có chứa
cacbon,
thường là
1500-30000C sợi polyme
2.5 Sơ lược một số loại sợi
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 Sơ lược một số loại sợi
2.5.2 Sợi thuỷ tinh - Sơ đồ sản xuất sợi
Continuous strand roving
Woven roving
Chopped strands
Chopped strand mat
2.5 Sơ lược một số loại 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 Sơ lược một số loại sợi
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 Sơ lược một số loại sợi
2.5.4. So sánh tính chất vật liệu của một số VL
Vật liệu
Modun (GPa) Độ bền (MPa) KLR (g/cm3)
Thép
203
600-2000
7,8
Nhôm
75
70-80
2,6
Sợi C (modun cao)
340
2500
1,9
Sợi C (độ bền cao)
230
3200
1,8
Sợi Aramic
124
2800
1,45
76-86
1700
2,5
Sợi thuỷ tinh
2.5 Sơ lược một số loại sợi
2.5.4. So sánh tính chất vật liệu của một số VL
2.5 Sơ lược một số loại sợi
2.5.4. So sánh tính chất vật liệu của một số VL