vật liệu composite

Vật liệu composite đã có mặt từ lâu trong hầu hết các lĩnh vực: từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, xây dựng, giao thông vận tải cho đến các ngành công nghiệp nặng (Đóng tàu, hóa chất, điện lực,…) và đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ. Vật liệu composite có nhiều ưu điểm nổi bật như khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, không dẫn điện, chịu hóa chất và bền khí hậu,… .Vì vậy composite được coi là vật liệu lý tưởng phù hợp với nhiều yêu cầu kỹ thuật mà các loại vật liệu truyền thống như: Kim loại, gỗ, bê tông,… không đáp ứng được. Ở Việt Nam, nhiều sản phẩm composite đã đi vào đời sống như các loại xuồng, tàu, bồn chứa, hộp công tơ điện, bàn ghế, máng trượt nước,… đem lại nhiều lợi ích và hiệu quả trong kinh tế.

1. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1. Định nghĩa vật liệu composite

Vật liệu composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu khác nhau tạo thành, sự kết hợp này nhằm hạn chế nhược điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo nên sản phẩm có cơ tính khác hẳn vật liệu ban đầu.

Vật liệu composite phải thỏa mãn 3 điều kiện:

-         Cả hai chất thành phần phải có tỉ lệ hợp lý ( tối thiểu phải > 5%).

-         Cơ tính vật liệu composite khác hẳn cơ tính của vật liệu thành phần.

-         Các thành phần trong vật liệu composite không được hòa tan vào nhau.

Về phương diện hoá học, composite có ít nhất hai thành phần được giới hạn bởi các mặt phân cách riêng biệt. Thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn trong composite được gọi là nền, nó là thành phần giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite, chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết hài hoà với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra các kết cấu composite, phân bố lại chịu tải khi một phần cốt bị đứt gẫy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu, chất liệu nền cũng quyết định một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu, và cũng chính vật liệu nền là cơ sở để xác định phương thức công nghệ chế tạo sản phẩm. Còn thành phần thứ hai là cốt, nó đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền cơ học cao.

Hiện nay, trên trên thế giới có nhiều loại vật liệu composite khác nhau như: Vật liệu composite polyme, composite cacbon - cacbon, composite gốm và vật liệu composite tạp lai, nhưng chỉ có vật liệu composite polyme là được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, hay nói cách khác là nó được sử dụng phổ biến nhất (chiếm hơn 90% vật liệu composite đang được sử dụng trên thế giới). Trong kỹ thuật, người ta gọi loại composite này là FRP (Fiber Reinforced Plastic). Do vậy, trong thực tế khi nói đến từ “Vật liệu composite” mà không giải thích gì thêm thì chúng ta hiểu đó là vật liệu composite có nền là nhựa Polyme, cốt là chất khoáng.

1.2. Phân loại vật liệu composite

Ø  Theo bản chất vật liệu:

§  Theo bản chất vật liệu nền:

·        Composite nền kim loại: Hợp kim nhôm, hợp kim Titan

·        Composite nền khoáng: Gốm

·        Composite nền polyme: Nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, cao su

§  Theo bản chất vật liệu cốt:

·        Cốt kim loại

·        Cốt khoáng: Thủy tinh, các bon, …

·        Cốt gốm

Ø  Theo hình dáng vật liệu cốt:

§  Cốt hạt: Hướng sắp xếp, hướng ngẫu nhiên

§  Cốt sợi: Sợi ngắn, sợi đồng phương, composite nhiều lớp

1.3. Các thành phần cơ bản của vật liệu composite polyme (FRP)

            Vật liệu composite polyme có ưu điểm là nhẹ, độ bền cơ lý cao, bền với những môi trường hoá học (chống ăn mòn tốt), độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp,… công nghệ chế tạo không phức tạp.

1.3.1. Hệ thống nhựa nền

Hệ thống nhựa nền trong composite polyme bao gồm hai loại chính: Nhựa nhiệt rắn (Polyester không no, nhựa cô đặc, nhựa epoxy,..) và nhựa nhiệt dẻo (Poly vinyl clorua (PVC), polyetylen, polyamit,…).

Ø  Nhựa Polyester không no:

Là dung dịch trong đó dung môi là stylen chiếm khoảng 40%, khi có sự xuất hiện của chất xúc tác thì nó sẽ chuyển từ thể lỏng sang rắn với thời gian chuyển phụ thuộc vào nồng độ chất xúc tác. Khi chuyển từ trạng thái thể lỏng sang thể rắn sẽ có sự co lại từ 5-8% thể tích ban đầu. Thời gian sử dụng từ 6-12 tháng sau khi xuất xưởng, phụ thuộc vào điều kiện bảo quản.

Nhựa Polyester không no có ưu điểm là giá thành vừa phải, độ bền hóa học cao, khả năng thấm vào sợi và nhựa cao, dễ sử dụng,…

Ø  Nhựa epoxy:

Nhựa này cũng được sử dụng nhiều (sau polyester không no) trong công nghiệp composite. Là nhựa có cơ tính và khả năng chịu nước cao nhất trong các loại nhựa nền, độ co ngót thấp (0,5-1%) nhưng giá thành lại cao nhất. Do đó, chỉ sử dụng làm vật liệu nền cho các sản phẩm composite yêu cầu khả năng làm việc cao.

Ø  Nhựa vinylester:

Là nhựa có ưu điểm chịu nước và hoá chất rất tốt, duy trì được sức bền và độ cứng ở nhiệt độ cao, độ dẻo dai cao và độ biến dạng lớn. Tuy nhiên, do giá thành cao nên khả năng ứng dụng hạn chế.

Ø  Nhựa phenol:

Là loại nhựa có từ lâu, loại quen thuộc là bakelit. Nhựa phenol có ưu điểm là độ ổn định kích thước cao, chịu nhiệt tốt và khả năng chống từ biến cao, độ bền hoá học và cơ học cao, độ co ngót thấp và giá thành vừa phải. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là cần đến áp lực cao để tạo hình nên ảnh hưởng đến nhịp độ chế tạo và không được sử dụng trong các thiết bị thực phẩm.

Ø  Nhựa nhiệt dẻo:

Là các polyme được làm mềm ở nhiệt độ cao, và có thể tạo dáng hay mối ghép ở trạng thái dẻo. Chất gia cường trong nhựa nhiệt dẻo thường là sợi thuỷ tinh ngắn với chiều dài từ 3÷12(mm) và tỷ lệ trọng lượng từ 0,2÷0,5 (Kg/m²). Trong nhựa nhiệt dẻo người ta ít sử dụng sợi gia cường loại dài. Ưu điểm lớn nhất của nhựa nhiệt dẻo là khả năng tái sinh của nó, giá thành hạ nhưng lại có nhược điểm là cơ tính và khả năng chịu nhiệt thấp. Trong công nghiệp vật liệu composite, người ta ít sử dụng nhựa nhiệt dẻo.

1.3.2. Sợi gia cường

Có nhiệm vụ truyền tải trọng trong các kết cấu composite, với sự có mặt của sợi có tác dụng làm kìm hãm vết nứt tế vi, biến nhựa giòn thành composite dẻo dai. Về sức bền thì tỷ lệ sợi càng cao thì composite càng bền, nhưng trên thực tế thì thành phần sợi luôn chiếm không qúa 60%÷65% thể tích của vật liệu composite. Theo tính toán, nếu thành phần sợi chiếm quá liều lượng trên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu.

Ø  Sợi thuỷ tinh :

Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme. Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá tốt, ổn định với các tác động sinh – hoá, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp. Sợi thuỷ tinh có các loại là sợi thuỷ tinh E, S, D, A,… trong đó:

Sợi E là loại được sử dụng nhiều nhất trong môi trường biển, nó được cấu tạo bởi silic và một số thành phần Al, Ca, … được chế tạo dưới dạng sợi có đường kính d = 4÷20µm, bằng cách rót thuỷ tinh đang nóng chảy. Là loại sợi có khả năng cách điện tốt, sức bền khá cao, môđun đàn hồi thấp và giá thành thấp.

Sợi thuỷ tinh S thì có cơ tính rất cao nhưng giá thành thì lại rất đắt, gấp 20÷30 lần sợi E.

Ø  Sợi cacbon:

Là loại sợi có độ bền kéo và mô đun đàn hồi rất cao, có khả năng chịu nhiệt cực tốt, cụ thể là cơ tính của sợi không hề thay đổi ở nhiệt độ gần 1500⁰C, tuy nhiên giá thành loại sợi này lại rất cao.

Ø  Sợi Aramid (Kevlar):

Có đặc điểm là sức bền kéo riêng rất cao, sức bền uốn và nén rất thấp nên được ứng dụng làm dây kéo.

1.4. Vật liệu composite dùng trong đóng tàu (GRP)

Vật liệu composite GRP (Glassfiber Reinforced Polyester) là dạng phổ biến nhất của vật liệu composite hiện nay, được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành tàu thuyền. GRP là composite dựa trên cơ sở cốt sợi thuỷ tinh (Glassfiber) và nền là nhựa Polyester không no.

1.4.1. Vật liệu nền

Ø  Nhựa dùng tạo lớp:

Nhựa tạo lớp là loại nhựa kỵ khí, khi có mặt của không khí nó không biến cứng hoàn toàn, bề mặt biến cứng thô, đây là yếu tố quan trọng khi sản xuất, khi đó các lớp nhựa thêm vào sau sẽ dễ dàng liên kết với lớp trước, phù hợp việc sản xuất những chi tiết có độ dày lớn (như vỏ tàu).

Các đặc tính của nhựa tạo lớp:

§  Có khả năng chống thấm nước.

§  Khả năng dính kết.

§  Khả năng chống phản xạ, tia cực tím và thời tiết.

§  Có khả năng kết hợp với các loại vật liệu khác.

§  Bền.

Để đảm bảo độ cứng chắc, chúng ta nên sử dụng nhựa tạo lớp đã pha sẵn chất xúc tác và chất gia tốc.

Ø  Nhựa bề mặt:

Là loại nhựa dùng tạo lớp bề mặt ngoài cùng khi kết thúc thi công, có tính không kỵ khí, nó vẫn biến cứng hoàn toàn khi gặp không khí. Loại này thường chứa sáp hay các hoạt chất có tính tương tự. Khi nhựa cùng với chất xúc tác được sử dụng, sáp sẽ lan ra trên toàn bộ bề mặt, ngăn cản không khí để cho lớp nhựa bên dưới biến cứng hoàn toàn. Kết quả ở thành phẩm, nếu dùng tay sờ vào về mặt lớp ta sẽ thấy hoàn toàn khô, không có hiện tượng rít ở tay như khi sử dụng nhựa tạo lớp.

Trong thực tế sản xuất, người ta thường tạo ra nhựa bề mặt bằng cách pha Paraphin vào nhựa tạo lớp với hàm lượng khoảng 1%. Nhựa bề mặt thường cứng hơn nhựa tạo lớp, có khả năng chịu ăn mòn hoá học và chịu tác động của môi trường tốt hơn.

Ø  Nhựa Polyester dùng làm lớp bao phủ (Gel coat):

Lớp bao phủ có vai trò rất quan trọng đối với các sản phẩm chế tạo từ GRP, nhất là tàu thuyền. Do đó, nhựa dùng làm lớp bao phủ được chế tạo đặc biệt nhằm đảm bảo có đầy đủ tính chất của lớp bảo vệ như: chống được tia cực tím, chống hà bám, tạo độ bóng bề mặt, dễ dàng nhuộm màu để tạo nên màu sắc như ý muốn.

Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng một số loại nhựa Polyester không no phổ biến như: 268BQTN, Dynopol 2116, G3253T, Norpol,…

1.4.2. Vật liệu cốt

Vật liệu cốt trong GRP là sợi thuỷ tinh (GlassFiber), bao gồm các loại chính:

Ø  Mat:

Mat được chế tạo bằng cách tạo ngẫu nhiên các sợi thuỷ tinh trên bề mặt phẳng. Sau đó dùng chất liên diện để liên kết các sợi lại với nhau, tạo thành một vật liệu giống như dạ. Trọng lượng khô của mat từ (0,2÷0,9)Kg/m², tính theo trọng lượng thì mat là vật liệu gia cường có giá thành thấp nhất. GRP làm từ mat có hàm lượng sợi thuỷ tinh thấp (từ (25÷35)%) và hàm lượng nhựa lớn nên vật liệu này có tính kín nước tốt. Mặt khác, do tính phân bố hỗn loạn của các sợi làm cho mat có tính đẳng hướng trong mặt phẳng của nó mà vật liệu GRP có độ bền liên kết bên trong tốt. Trong sử dụng, mat thường được dùng như một lớp trung gian liên kết các lớp GRP với nhau, nếu chỉ sử dụng mat thì do hàm lượng nhựa cao nên GRP có độ bền và mô đun đàn hồi thấp. Trong gia công, mat dễ dàng cho nhựa thấm vào và dễ tạo góc uốn.

Ø  Vải thô (WR – Woven roving):

Vải là một tổ hợp mặt các sợi, các mớ,…, được thực hiện nhờ kỹ thuật dệt. So với các dạng vải thuỷ tinh khác, vải thô dày hơn do dệt lớn hơn, trọng lượng vải thô vào khoảng 0,3÷1,2 (Kg/m²). Trong vật liệu GRP, vải thô thường đuợc dùng xen kẽ với các lớp mat giúp cho vật liệu GRP có cấu trúc chặt chẽ, độ cứng và độ bền kéo tốt. Vải thô có một số đặc điểm sau:

§  Tạo chiều dày nhanh.

§  Khó thấm ướt và hấp thụ nhựa, đòi hỏi phải sử dụng loại nhựa thích hợp.

§  Không tạo được bề mặt GRP phẳng.

§  Tấm GRP chế tạo từ vải thô thường có hàm lượng thuỷ tinh khoảng 45% đến 55%.

 

1.3.4.3. Chất xúc tác

Chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên gel và biến cứng của nhựa (đây là giai đoạn cho phép gia công và hoàn thành sản phẩm GRP). Chất xúc tác có hai loại: Chất đông rắn (Catalyst) và chất gia tốc (Acelerator).

Ø  Chất đông rắn:

Chất đông rắn thông dụng nhất cho nhựa Polyester không no ở nhiệt độ thường là MEK (Methyl Ethyl Peroxide). Trong thành phần Polyester lỏng có chứa các liên kết cacbon nối đôi C=C, đây là liên kết không bền, nếu có một tác nhân nào đó tác động sẽ bẻ gãy các liên kết C=C thành liên kết cacbon nối đơn C-C, tức là tạo nên quá trình Polyester hoá, làm cho nhựa lỏng biến cứng, đó chính là chức năng của chất đông rắn. Thông thường hàm lượng chất đông rắn chiếm từ 0,5÷5(%) khối lượng so với nhựa nền, hàm lượng thường sử dụng là 1%.

Ø  Chất gia tốc:

Chất gia tốc có chức năng thúc đẩy quá trình biến cứng của nhựa mà không ảnh hưởng đến tính chất của nó. Chất gia tốc thường sử dụng các loại muối kim loại nặng như Octoate cobalt, Vezinat cobalt, Naptenat cobalt.

Hàm lượng chất gia tốc luôn ít hơn hàm lượng chất đông rắn, chỉ chiếm khoảng 0,2÷0,5(%) về khối lượng so với nhựa. Khi sử dụng chất gia tốc phải được hoà tan sẵn trong nhựa trước khi thêm chất đông rắn vào.