Giáo trình Kỹ thuật vật liệu compozit - Đoàn Thị Thu Loan

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật vật liệu compozit - Đoàn Thị Thu Loan

1. Kü THUËT VËT LIÖU COMPOZIT TS. §oµn ThÞ Thu Loan Khoa Ho¸ - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt - §¹i häc §µ N½ng 1
2. Taìi liãûu tham khaío 1. Tráön Êch Thënh, “Váût liãûu compozit ”, nhaì xuáút baín giaïo duûc, 1994 2. Ronald F. Gibson, “Principles of composite material mechanics ”, Wayne State University Detroit, Michigan, 1994 3. S. T. Peters, “Handbook of composites ”, Process Research, Mountain View, Calfornia, USA, second edition 1998. 4. Nicholas P. Cheremisinoff and Paul N. Cheremisinoff, “Fibreglass reinforced plastics ”, Published in the United States of America by Noyes Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey 07656, 1995 5. Doan Thi Thu Loan, Doctor thesis “Investigation on jute fibres and their composites based on polypropylene and epoxy matrices”, Technischen Universitaet Dresden (TU Dresden), Germany, 2006 2
3. CH ƯƠ NG 1 GIíI THIÖU CHUNG 3
4. 1.1. Kh¸i niÖm: VËt liÖu compozit lµ vËt liÖu tæ hîp (møc ®é vÜ m«) cña hai hay nhiÒu vËt liÖu (VL) thµnh phÇn nh»m t¹o ra VL míi cã tÝnh chÊt tréi h¬n tÝnh chÊt cña tõng VL thµnh phÇn. Tæ hîp c¸c tÝnh chÊt Sîi thuû tinh + Nhùa polyeste = GRP (bÒn) (kh¸ng ho¸ chÊt) (bÒn vµ kh¸ng ho¸ chÊt) T¹o tÝnh chÊt míi Sîi thuû tinh + Nhùa polyeste = GRP (gißn) (gißn) (dÎo dai - tough ) *GRP: Glass Reinforced Plastic 4
5. VD1: Gç (xenlulo/lignin), x−¬ng(collagen/protein+muèi canxi phèt ph¸t), VD2: V¸n Ðp, g¹ch ®én trÊu hoÆc sîi thùc vËt, VD3: Compozit nhùa (UPE, epoxy, ) vµ sîi thuû tinh,sîi cacbon, Hîp kim Cã ph i lµ vËt liÖu compozit ? Hçn hîp polyme 5
6. 1.2. Thµnh phÇn cña VL compozit: VËt liÖu compozit VËt liÖu nÒn + VËt liÖu gia c−êng Polyme Sîi cacbon Kim lo i Sîi thuû tinh Ceramic Sîi Aramic (VD: Kevlar) Sîi, ht kim lo¹i (VD: Ti, Al) VL gia c−êng VL nÒn VL compozit gåm mét hay nhiÒu pha gi¸n ®o¹n (VL gia c−êng) ph©n bè trong pha liªn tôc (VL nÒn) 6
7. *Vai trß cña c¸c vËt liÖu thµnh phÇn VËt liÖu nÒn VËt liÖu gia c−êng -Liªn kÕt VL nÒn -§ãng vai trß lµ c¸c ®iÓm chÞu -ChuyÓn øng suÊt sang ®én khi cã øng suÊt tËp trung ngo¹i lùc t¸c dông lªn VL. -Th−êng cã tÝnh chÊt c¬ lý ho¸ -B¶o vÖ sîi khái bÞ h− háng do tÊn c«ng cña m«i tr−êng cao h¬n VL nÒn. -Ngoµi ra cßn ®ãng gãp mét vµi tÝnh chÊt cÇn thiÕt nh−: tÝnh c¸ch ®iÖn, ®é dÎo dai, 7
8. 1.3. C¬ chÕ gia c−êng cña vËt liÖu compozit C¬ chÕ gia c−êng: d−íi t¸c dông cña ngo¹i lùc, vËt liÖu gia c−êng (VLGC) sÏ lµ nh÷ng ®iÓm chÞu øng suÊt tËp trung do m¹ng nhùa truyÒn sang -VLGC d¹ng sîi truyÒn t¶i øng suÊt tèt h¬n VLGC d¹ng h¹t, do øng suÊt t¹i mét ®iÓm bÊt kú trªn sîi ®−îc ph©n bè ®Òu trªn toµn bé chiÒu dµi, do ®ã t¹i mçi ®iÓm sÏ chÞu øng suÊt nhá h¬n nhiÒu so víi VLGC d¹ng h¹t d−íi t¸c dông ngo¹i lùc nh− nhau. -Kh nng truy n ti tr ng t VL nÒn sang VL gia c−êng ph thuéc: VL nn, VL gia cưng, kÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc cña VL nn vµ VL gia cưng. 8
9. Lý thuyÕt kÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc VL gia c−êng/VL nÒn KÕt dÝnh t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc cña VL nÒn vµ VL gia c−êng ®−îc h×nh Vïng tiÕp xóc VL gia c−êng/VL nÒn thµnh trªn cë së: + Lùc hÊp thô vµ thÊm −ít VL gia c−êng + Lùc tÜnh ®iÖn + Lùc t−¬ng t¸c c¬ häc + Lùc liªn kÕt ho¸ häc VL nÒn •Vïng tiÕp xóc rÊt nhá (bÒ mÆt tiÕp xóc pha) ®ãng vai trß quan träng trong quyÕt ®Þnh tÝnh chÊt c¬, lý cña VL compozit 9
10. 1.4. Ph©n lo¹i: 1.4.1. Ph©n lo¹i theo h×nh d¹ng vËt liÖu gia c−êng: gåm compozit cèt sîi vµ compozit cèt h¹t. * Compozit cèt sîi: lµ compozit ®−îc gia c−êng bëi sîi, nã cã ®é bÒn riªng vµ modun ®µn håi cao. VD: Compozit sîi thuû tinh, cacbon, xenlulo Sîi liªn tôc (sîi dµi, v¶i ): tØ lÖ chiÒu dµi / ®−êng kÝnh (l/d) Compozit cèt sîi rÊt cao, d =3-200 µm Sîi gi¸n ®o¹n (sîi ng¾n, vôn ): 5 < l/d < 1000, d = 0,02-100 µm Fibre aspect ratio: L/D 10
11. Sîi ng¾n s¾p Sîi ng¾n Sîi dµi ®¬n Sîi dµi ë xÕp hçn ®én ®Þnh h−íng h−íng d¹ng líp Mt s lo i compozit cèt sîi * Compozit cèt h¹t: lµ compozit ®−îc gia c−êng bëi c¸c h¹t víi c¸c d¹ng vµ cì kÝch kh¸c nhau. VD: Bª t«ng, gç Ðp Mét sè cèt h¹t nh−: v¶y mica, h¹t cao lanh, CaCO 3, bét hoÆc v¶y s¾t, ®ång, nh«m., bt g, 11
12. H¹t V¶y, m¶nh Compozit ct h¹t Môc ®Ých dïng h¹t lµm VL gia c−êng trong compozit: -§−îc dïng trong nh÷ng øng dông yªu cÇu vÒ ®é bÒn kh«ng cao th−êng ®−îc sö dông ®Ó lµm gi¶m gi¸ thµnh sn phÈm. -Trong mét sè tr−êng hîp h¹t ®−îc dïng ®Ó ci thiÖn mét sè tÝnh chÊt cña VL compozit nh−: tng kh nng chÞu nhiÖt, chÞu mµi mßn, gi m co ngãt -Kh¾c phôc mét sè khã kh¨n khi gia c«ng 12
13. 1.4.2. Ph©n lo¹i theo b¶n chÊt VL nÒn Compozit nÒn h÷u c¬ (nhùa): víi VL gia c−êng d¹ng -Sîi h÷u c¬: sîi polyamit, Kevlar, xenlulo -Sîi kho¸ng: sîi thuû tinh, cacbon, basalt -Sîi kim lo¹i: sîi bo, nh«m Compozit nÒn kim lo¹i (hîp kim nh«m, hîp kim titan ) víi VL gia c−êng d¹ng: -Sîi kim lo¹i: bo -Sîi kho¸ng: sîi cacbon Compozit nÒn gèm: víi VL gia c−êng d¹ng: -Sîi kim lo¹i: bo, * Kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt cña VL compozit -H¹t kim lo¹i: chÊt gèm kim . -nÒn h÷u c¬: ®Õn kho¶ng 300 0C -nÒn kim lo¹i: ®Õn 600 0C -nÒn gèm: trªn 1000 0C 13
14. 1.5. TÝnh chÊt chung cña vËt liÖu compozit -Khèi l−îng riªng bÐ do vËy tÝnh n¨ng c¬ lý riªng cao h¬n thÐp vµ c¸c VL truyÒn thèng kh¸c (thu tinh, gm s, g, ) rÊt nhiÒu -Gi¸ thµnh kh«ng cao -ChÞu m«i tr−êng, kh¸ng ho¸ chÊt cao, kh«ng tèn kÐm trong b¶o qu¶n vµ chèng ¨n mßn, kh«ng cÇn s¬n b¶o qu¶n nh− VL kim lo¹i, gç -C¸ch ®IÖn c¸ch nhiÖt tèt -BÒn l©u (thêi gian sö dông dµi h¬n VL kim lo¹i, gç 2-3 lÇn) -Gia c«ng chÕ t¹o ®¬n gi¶n, nhanh, ®a d¹ng, dÔ t¹o h×nh, thay ®æi vµ söa ch÷a -Chi phÝ ®Çu t− thiÕt bÞ gia c«ng thÊp 14
15. *C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh n¨ng gia c−êng -B¶n chÊt VL cèt Sîi -B¶n chÊt VL nÒn o Ð k t - §é bÒn liªn kÕt ë bÒ mÆt tiÕp xóc pha Ê u s g Compozit n -TØ lÖ VL gia c−êng/VL nÒn trong compozit ø Nhùa -H×nh d¹ng, kÝch th−íc cña VL gia c−êng BiÕn d¹ng -§Þnh h−íng, sù ph©n bè cña VL gia c−êng (nÕu lµ sîi) 15
16. Khèi l−îng riªng (Density) cña mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn 16
17. §é bÒn kÐo riªng (Specific Tensil Strength) cña mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn 17
18. M« ®un kÐo riªng (Specific Tensile Modulus) cña mét vµi vËt liÖu cÊu tróc phæ biÕn 18
19. 1.6. Ứng dông của vật li ệu compozit - Giao th«ng vËn ti: vá cano, tµu thuyÒn, xe h¬i, cabin, - VL x©y dùng: cÊu kiÖn nhµ l¾p ghÐp, g©n dÇm chÞu lùc, ®¸ èp l¸t, tÊm lp, - VL ®iÖn: tÊm c¸ch ®iÖn, vá c¸c thiÕt bÞ ®iÖn, m¸y biÕn thÕ, - VL chÞu ho¸ chÊt: bån chøa, èng dÉn, van, bÓ ®iÖn ph©n, - VL gia dông: bµn, ghÕ, tñ, gi¸, tÊm trÇn, bån t¾m, lavabo, tÊm c¸ch ©m, - å ch¬i -VL compozit cao cÊp: dïng trong hµng kh«ng, vò trô, dông cô thÓ thao cao cÊp Compozit lµ vËt liÖu cña ngµy mai, nã ®ang thay thÕ dÇn c¸c VL truyÒn thèng: kim lo¹i, gç, sø, 19
20. Ứng dông của vật li ệu compozit C¸c bé phËn lµm b»ng compozit trong m¸y bay Airbus A 380 20
21. Ứng dông của vật li ệu compozit C¸c bé phËn lµm b»ng compozit sîi Graphite/nhùa epoxy trong m¸y bay AV-8B 21
22. Ứng dông của vật li ệu compozit Compozit si lanh/nh a polypropylen thay th compozit si th y tinh trong mt s b ph n ph n th n ca xe hơi (Mercedes Benz A –Class) 22
23. Ứng dông của vật li ệu compozit Compozit sîi tù nhiªn dïng lµm nhµ l¾p ghÐp 24
24. Ứng dông của vật li ệu compozit Compozit sîi cãi dïng lµm gi¸, tñ 25
25. Ứng dông của vật li ệu compozit VËt liÖu x©y dùng tõ compozit sîi tù nhiªn 26
26. Ứng dông của vật li ệu compozit Gu ng trong thi t b xc th i trên c ơ Tàu ánh cá trên c s compozit si s compozit s i thu tinh và nh a epoxy thu tinh và nh a epoxy (Owens-Corning Fiberglas Corp.) 27
27. Ứng dông của vật li ệu compozit C¸c bé phËn lµm b»ng compozit sîi Kevlar/nhùa epoxy trong xe ch¹y trªn tuyÕt 28
28. Ứng dông của vật li ệu compozit Lp t ng ln t compozit si thu tinh dưi nưc 29
29. Ứng dông của vật li ệu compozit Mái chèo ca thuy n ua t Bo qu n mt s v tri n mßn ca ng compozit Kevlar/epoxy dn bng compozit thu tinh/epoxy 30
30. CH ƯƠ NG 2 VẬT LI ỆU THÀNH PH ẦN CỦA POLYME COMPOZIT 31
31. 2.1. Giíi thiÖu chung 2.1.1. Thµnh ph ần Polyme compozit Nhùa nÒn VL gia c−êng NhiÖt dÎo NhiÖt r¾n Sîi Sîi Sîi Ceramic Kim lo¹i polyme cacbon T.tinh PP EP Al PP -Modul cao TT E PE UPE Ti Aramic -Modul th p TT S PET PF Sîi tù nhiªn TT C PVAx UF 32
32. VËt liÖu nÒn 2.1.2. Yªu cÇu ®èi víi VL nÒn -TÝnh chÊt c¬ häc tèt (chÞu t¶i träng) -TÝnh chÊt thÊm −ít, kÕt dÝnh tèt (truyÒn hiÖu qu¶ t¶i träng) -BÒn dÎo dai tèt (chèng l¹i sù ph¸t triÓn vÕt nøt) -BÒn d−íi t¸c dông ph¸ huû cña m«i tr−êng (n−íc, c¸c t¸c nh©n tõ m«i tr−êng, ®Æc biÖt m«i tr−êng n−íc biÓn) 33
33. VËt liÖu nÒn Polyme Nhùa nhiÖt Nhùa nhiÖt Cao su r¾n dÎo KÕt tinh V« ®Þnh h×nh Polymer = poly (nhiÒu) + mer (phÇn, ®¬n vÞ) VD: -CH 2-CHCl-CH 2-CHCl-CH 2-CHCl-CH 2-CHCl- (PVC) ViÕt t¾t: -CH 2-CHCl -n Polyme lµ nh−ng hîp chÊt mµ ph©n tö cña chóng gåm nh−ng nhãm nguyªn tö ®−îc nèi víi nhau b»ng liªn kÕt ho¸ häc vµ lÆp di lÆp l¹i nhiÒu lÇn t¹o thµnh nh−ng m¹ch dµi vµ cã khèi l−îng ph©n tö lín 34
34. Mét vµi ®iÓm kh¸c biÖt gi÷a nhùa nhiÖt dÎo, nhiÖt r¾n vµ cao su Nhùa nhiÖt dÎo Cao su Nhùa nhiÖt r¾n CÊu tróc: -m¹ch th¼ng hoÆc nh¸nh -m¹ch th¼ng, gi÷a c¸c -m¹ng l−íi, mËt ®é nèi m¹ch cã rÊt Ýt liªn kÕt ngang dµy ®Æc, tõ 10 ®Õn ngang 1000 lÇn cao h¬n trong cao su -Cã kh¶ n¨ng nãng ch¶y -Kh«ng cã kh¶ n¨ng nãng -Kh«ng cã kh¶ n¨ng nãng nhiÒu lÇn ch¶y ch¶y -Cã kh¶ n¨ng hoµ tan -Kh«ng cã kh¶ n¨ng hoµ -Kh«ng cã kh¶ n¨ng hoµ nhiÒu lÇn tan tan -Cã kh¶ n¨ng tr−¬ng PP, PE, PVC, -cao su thiªn nhiªn, cao EP, UPE, PF, UF, su tæng hîp: BR, ABR, 35
35. *So s¸nh mét vµi tÝnh chÊt c¬, nhiÖt cña nhùa nhiÖt dÎo vµ nhùa nhiÖt r¾n Nhùa nhiÖt Nhùa nhiÖt TÝnh chÊt r¾n dÎo M«®un ®µn håi (GPa) 1,3-9 1-4,8 BÒn kÐo (MPa) 20-180 40-190 BÒn va ®Ëp Gic (kJ/m 2) 0,02-0,2 0,7-6,5 NhiÖt ®é sñ dông tèi ®a ( OC) 50-450 25-230 36
36. 2.1.3 C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt vËt liÖu nÒn -B¶n chÊt ho¸ häc, sù ph©n bè c¸c nhãm chøc, ®é ph©n cùc, -Ph©n tö l−îng, ®é ph©n nh¸nh, ®é ®a ph©n t¸n -Tr¹ng th¸i pha: tinh thÓ hay v« ®Þnh h×nh -§iÒu kiÖn ®ãng r¾n (nhùa nhiÖt r¾n): +Lo¹i chÊt ®ãng r¾n + NhiÖt ®é + Thêi gian + 37
37. VËt liÖu nÒn 2.1.4 §Æc ®iÓm gia c«ng cña nhiÖt dÎo vµ nhùa nhiÖt r¾n Gia c«ng nhùa nhiÖt r¾n Gia c«ng nhùa nhiÖt dÎo - Tr−íc gia c«ng, nhùa -Tr¹ng th¸i r¾n tr−íc gia c«ng (do khèi l−îng th ưng ë tr¹ng th¸i láng ph©n tö cao) -Trong qu¸ tr×nh gia c«ng -Gia c«ng nhiÖt ®é ch¶y mÒm (ë tr¹ng th¸i → tr¹ng th¸i r¾n, víi cÊu nãng ch¶y víi ®é nhít cao) ®Ó t¹o h×nh d¹ng tróc m¹ng l−íi kh«ng gian vµ s¶n phÈm ®−îc ho¸ r¾n nhê lµm nguéi 3 chiÒu nhê c¸c ph¶n øng -C¸c s¶n phÈm ®óc cã thÓ ®−îc gia c«ng thay ho¸ häc ®æi h×nh d¹ng ®ã lµ −u ®iÓm → hiÖu qu¶ kinh tÕ - Thêi gian gia c«ng dµi -Chi phi ®Çu t− thiÕt bÞ gia c«ng t−¬ng ®èi cao h¬n nhùa nhiÖt dÎo. h¬n, tuy nhiªn gi¸ thµnh s¶n phÈm thÊp h¬n do thêi gian gia c«ng ng¾n h¬n nhùa nhiÖt r¾n 38
38. 2.2. Nhùa nhiÖt r¾n 2.2.1 Nhùa polyester kh«ng no (UPE) -Lµ lo¹i nhùa phæ biÕn nhÊt, ®Æc biÖt trong c«ng nghiÖp hµng h¶i (th©n tµu, c¸nh buåm ) -§−îc tæng hîp tõ c¸c polyacid vµ polyol kh¸c nhau → tÝnh chÊt thay ®æi kh¸ réng -Polyacid, polyol hoÆc c¶ hai cã chøa nèi ®«i -Lµ chÊt láng nhít, mµu s¸ng, ë d¹ng dung dich nhùa UPE trong monome (th−êng lµ Styren) 39
39. Nhùa nhiÖt r¾n §ãng r¾n nhùa UPE -Nhùa cã thêi gian b¶o qu¶n giíi h¹n (gel ho¸ qua thêi gian b¶o qu¶n l©u dµi) → th−êng ph¶i dïng chÊt øc chÕ -Nhùa tr−íc khi gia c«ng ph¶i thªm chÊt xóc t¸c, xóc tiÕn vµ c¸c phô gia thÝch hîp -ChÊt xóc tiÕn Ýt ¶nh h−ëng ®Õn nhùa trong tr−êng hîp kh«ng cã mÆt chÊt xóc t¸c → cho vµo ngay sau khi nhùa míi ®−îc s¶n xuÊt -ChÊt xóc t¸c cho vµo nhùa ngay tr−íc khi sö dông (gia c«ng compozit) ®Ó kh¬i mµo ph¶n øng kh©u m¹ch 40
40. Nhùa nhiÖt r¾n §ãng r¾n nhùa UPE §ãng r¾n + styren -L−îng chÊt xóc t¸c vµ xóc tiÕn ☛ ®o l−êng chÝnh x¸c - Xóc t¸c thªm vµo → thay ®æi mµu ca nhùa UPE -Qu¸ nhiÒu xóc t¸c → thêi gian gel ho¸ qu¸ nhanh ®ãng r¾n -Qu¸ Ýt chÊt xóc t¸c → qu¸ trÝnh ®ãng r¾n kh«ng hoµn toµn -Trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n, co ngãt nhiÒu (4-8%) g©y biÕn d¹ng, t¹o nh÷ng tiÒm n¨ng g©y hư háng trong vËt liÖu 41
41. Nhùa nhiÖt r¾n Phô gia, ®én dïng trong gia c«ng compozit nhùa UPE -Cho vµo tr−íc khi cho chÊt xóc t¸c vµ ph¶i khuÊy trén ®Òu → tr¸nh h×nh thµnh bät khÝ → ¶nh h−ëng ®Õn s¶n phÈm cuèi cïng. -Mc ®Ých sö dông ®én nh»m: •Gi¶m gi¸ thµnh •T¹o dÔ dµng cho qu¸ tr×nh gia c«ng •T¸c ®éng ®Õn mét vµi tÝnh chÊt cña s¶n phÈm •§én cã thÓ ®−îc thªm vµo ®Õn 50% so víi l−îng nhùa vµ sÏ ¸nh h−ëng ®Õn ®é bÒn uèn, kÐo cña s¶n phÈm •Trong mét sè tr−êng hîp ®én thªm vµo cßn t¨ng kh¶ n¨ng chèng ch¸y, ch¶y, cña s¶n phÈm 42
42. Nhùa nhiÖt r¾n TÝnh chÊt chung cña nhùa UPE -C¬ lý tÝnh cao -DÔ gia c«ng ë ®iÒu kiÖn th−êng -Gi¸ thµnh thÊp
    Th−êng dïng nhùa UPE trong dung m«I styren do: -Styren lµm gi¶m ®é nhít, dÔ ®IÒu chØnh ®é nhít thÝch hîp cho qu¸ tr×nh gia c«ng -Styren lµ t¸c nh©n kh©u m¹ch nhùa UPE kh«ng t¹o ra s¶n phÈm phô -§ãng r¾n ë nhiÖt ®é th−êng, ¸p suÊt th−êng nªn gäi lµ nhùa ‘¸p suÊt thÊp ’ -DÔ dµng ®IÒu chØnh qu¸ tr×nh ®ãng r¾n -Gi¸ thµnh thÊp -TÝnh thÊm −ít VL gia c−êng, ®én cao 43
43. TÝnh chÊt cña nhùa UPE tõ mét vµi nguyªn liÖu kh¸c nhau
    TÝnh chÊt thay ®æi réng phô tuéc vµo lo¹i nguyªn liÖu Nguyªn liÖu TÝnh chÊt cña UPE • DiaxÝt kh«ng no: -Anhydric tetra hydrophtalic -Kh«ng bÞ biÕn mµu ChÞu nhiÖt tèt §é bÒn c¬ lý cao BÒn m«i tr−êng -Anhydric Maleic -§é t−¬ng hîp víi styren tèt Kh¶ n¨ng ®ång trïng hîp cao •DiaxÝt no: -Anhydric hexahydro phtalic -RÊt bÒn l·o ho¸ BÒn m«i tr−êng ChÞu va ®Ëp tèt -AxÝt izophtalic -Nhùa trong, mµu vµng s¸ng ChÞu m«i tr−êng ¨n mßn -AxÝt terephtalic -Nhùa ®ôc, mµ s¸ng ChÞu nhiÖt 44 ChÞu n−íc vµ h¬i n−íc ë 100 oC
44. TÝnh chÊt cña nhùa UPE tõ mét vµi nguyªn liÖu kh¸c nhau Nguyªn liÖu TÝnh chÊt cña UPE • Diol -EG -Nhùa dßn th−êng dïng kÕt hîp víi PG -PG -Nhùa bÒn uèn tèt, t−¬ng hîp víi styren tèt -1,4 cyclohecxan dimetanol -§é bÒn c¬ lý cao, kh«ng biÕn mµu ChÞu ¨n mßn Gi¸ thµnh cao •Monome kh©u m¹ch -Styren -T−¬ng hîp tèt víi polyeste maleic §ãng r¾n nhanh, chÞu thêi tiÕt §é bÒn c¬ lý cao, c¸ch ®iÖn tèt -Vinyl toluen -Ýt bay h¬I h¬n styren Kh©u m¹ch kh«ng hoµn toµn MÒm dÎo vµ Ýt co ngãt -Diclo styren -Gi¶m tÝnh b¾t löa Gi¸ thµnh cao 45
45. Nhùa nhiÖt r¾n 2.2.2 Nhùa Epoxy CH3 CH2 CH CH2 O C O CH2 CH CH2 O O CH3 -lµ lo¹i nhùa ®−îc xem lµ cã tÝnh n¨ng cao nhÊt -Gåm 2 thµnh phÇn: nhùa láng vµ chÊt ®ãng r¾n (hoÆc chÊt xóc t¸c), nhiÖt ®é ®ãng r¾n tõ 5oC ®Õn 150 oC tuú thuéc chÊt ®ãng r¾n, xóc t¸c. -Nhùa láng kh«ng mµu → n©u, ë nhiÖt ®é th−êng cã thÓ tån t¹i nhiÒu n¨m trong b×nh chøa kh« mµ kh«ng ph¶n øng víi nhau -§é bÒn kÕt dÝnh cao -BÒn c¬ häc (cøng, dÎo dai), nhiÖt tèt. Do chøa c¸c vßng th¬m ë gi÷a m¹ch ph©n tö gióp hÊp thô øng suÊt c¬, nhiÖt tèt -BÒn ho¸ chÊt -C¸ch ®iÖn tèt 46
46. Nhùa nhiÖt r¾n Mét sè nhùa epoxy th«ng dông Diglycidyl ete cña bisphenol F (DGEBF) Triglycidyl p-amino phenol Polyglycidyl ete cña nhùa PF Novolac N,N,N ’,N ’,-tetraglycidyl metylendianilin ☛Vßng th¬m trong cÊu tróc t¹o ®é cøng, bền c¬ häc vµ æn ®Þnh nhiÖt cña epoxy m¹ng l−íi 47
47. Nhùa nhiÖt r¾n §ãng r¾n Nhùa Epoxy ChÊt ®ãng r¾n ChÊt xóc t¸c -L−îng dïng nhiÒu -L−îng dïng Ýt -Ph¶n øng víi nhùa epoxy t¹o -Xóc t¸c ph¶n øng x¶y ra trùc cÊu tróc m¹ng l−íi. tiÕp gi÷a c¸c ph©n tö epoxy (ph¶n øng homopolyme ho¸) -ChÊt ®ãng r¾n th−êng lµ c¸c amin th¼ng, th¬m, anhydric, 48
48. Nhùa nhiÖt r¾n §ãng r¾n Nhùa Epoxy Ph¶n øng ®ãng r¾n gi÷a nhùa epoxy vµ amin -Vßng epoxy ®−îc më t¹o liªn kÕt céng ho¸ trÞ víi chÊt ®ãng r¾n amin -L−îng chÊt ®ãng r¾n dïng thÝch hîp, nÕu kh«ng c©n ®èi → nhãm chøc kh«ng ph¶n øng sÏ tån t¹i, cÊu tróc m¹ng l−íi kh«ng ph¸t triÓn hoµn toµn. - So víi nhùa UPE, co ngãt khi ®ãng r¾n thÊp (1-5%) 49 -Trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n kh«ng th¶I ra s¶n phÈm phô
49. Nhùa Epoxy Mét sè chÊt ®ãng r¾n amin th«ng dông (DETA) Dietylentriamin (TETA) Trietylentriamin (TEPA) Tetraetylenpentamin (DDS) 4,4 ’- Diamindiphenylsulfo (DICY) Dicyandiamit M-Phenyldiamin (MPDA) 50
50. Nhùa Epoxy T¸c nh©n ®ãng r¾n anhydric Anhydric (xóc t¸c) • Ph¶n øng x¶y ra cã mÆt chÊt xóc tiÕn (cã thÓ yªu cÇu nhiÖt ®é cao) Epoxy láng •T¹o liªn kÕt este → æn ®Þnh tèt ë nhiÖt ®é cao vµ hÇu hÕt m«i tr−êng kh¾c nghiÖt (trõ m«I tr−êng kiÒm) •L−îng anhydric dïng ph¶i phï hîp ®Ó ph¸t triÓn hÖ thèng m¹ng Nhùa Epoxy ®ãng r¾n l−íi 51
51. Nhùa Epoxy Mét sè t¸c nh©n ®ãng r¾n anhydric th«ng dông Phtalic anhydric (PA) Nadic methyl anhydrric (NMA) 3,3 ’,4,4 ’-Benzophenol- tetracacboxylic dianhydric (BTDA) Dodecenyl succinic andydric (DDSA) 52
52. Nhùa Epoxy Nguyªn t¾c chän lùa hÖ chÊt ®ãng r¾n HÖ ®ãng r¾n m¹ch th¼ng HÖ ®ãng r¾n m¹ch vßng -§é linh ®éng (®é nhít) cña nhùa láng -§é linh ®éng cña nhùa láng thÊp h¬n cao h¬n -Kh¶ n¨ng ph¶n øng cao h¬n -Kh¶ n¨ng ph¶n øng thÊp h¬n (th−êng yªu cÇu nhiÖt ®é cao) -§é cøng cña nhùa ®ãng r¾n vµ nhiÖt -§é cøng cña nhùa ®ãng r¾n vµ nhiÖt ®é ho¸ thuû tinh (Tg) thÊp h¬n ®é ho¸ thuû tinh (Tg) cao h¬n -§é bÒn c¬ häc, nhiÖt cña s¶n phÈm -§é bÒn c¬ häc, nhiÖt cña s¶n phÈm thÊp h¬n cao h¬n 53
53. Nhùa Epoxy §ãng r¾n nhê chÊt xóc t¸c •Xóc t¸c lµ c¸c axit Lewis hoÆc baz¬ Lewis → t¹o c¸c cation (axit Lewis) hoÆc anion (baz¬ Lewis) •Ph¶n øng t¹o liªn kÕt ete → bÒn ë nhiÖt ®é cao vµ m«I tr−êng kh¾c nghiÖt 54
54. Nhùa Epoxy Mét sè xóc t¸c ®ãng r¾n th«ng dông Benzyldimetylamin (BDMA) Boron Trifluoric-monoetylen amin (BF 3MEA) 2,4,6-Tri (dimetyl amino metyl) phenol 2-etyl-4-metylimidazol (EMI)55
55. Nhùa Epoxy ChÊt pha lo·ng •Dïng trong mét vµi ph−¬ng ph¸p gia c«ng •Th−êng lµ c¸c chÊt láng cã ®é nhít thÊp, chøa nhãm epoxy, ®¬n chøc •Tuy nhiªn còng cã mét sè chÊt pha lo·ng tham gia tao m¹ng l−íi cña cÊu tróc nhùa Butyl glycidyl ete (BGE) Phenyl glycidyl ete (PGE) P-t-butyl phenyl glycidyl ete 56
56. Nhùa nhiÖt r¾n 2.2.3 Nhùa Vinylester -Gièng nhùa polyester, nh−ng vÞ trÝ nhãm ph¶n øng n»m ë cuèi m¹ch vµ Ýt nhãm ester h¬n -BÒn n−íc vµ ho¸ chÊt h¬n UPE do cã Ýt nhãm ester h¬n → ®−îc dïng nhiÒu trong s¶n xuÊt ®−êng èng vµ c¸c thïng chøa ho¸ chÊt, tµu thuyÒn -Nhùa Vinylester ®ãng r¾n bÒn h¬n UPE ®ãng r¾n → dïng lµm líp phñ cho compozit nhùa UPE 57
57. Nhùa Vinylester Vinylester ch−a ®ãng r¾n Vinylester ®ãng r¾n 58
58. Nhùa nhiÖt r¾n øng suÊt-biÕn d¹ng 59
59. So s¸nh tÝnh chÊt ba lo¹i nhùa UPE, Vinylester vµ epoxy ¦u ®iÓm Nh−îc ®iÓm UPE -DÔ sö dông -TÝnh chÊt c¬ häc trung b×nh -RÎ (1-2 euro/kg) -Styren tho¸t ra nhiÒu trong khu«n më -Co ngãt khi ®ãng r¾n cao -Giíi h¹n thêi gian lµm viÖc Vinylester -BÒn ho¸ chÊt vµ m«i tr−êng rÊt cao -Yªu cÇu ®ãng r¾n hoµn toµn (Postcure) -TÝnh chÊt c¬ häc cao h¬n UPE tr−êng hîp yªu cÇu tÝnh n¨ng cao -Hµm l−îng Styren cao -Gi¸ thµnh cao h¬n UPE (2-4 euro/kg) -Co ngãt khi ®ãng r¾n cao Epoxy -TÝnh chÊt c¬ lý, nhiÖt cao §¾t h¬n nhùa Vinylester (3-15 euro/kg) -BÒn n−íc cao -BÒn nhiÖt cã thÓ ®Õn 140 oC(−ít)/ 220 oC(kh«) 60 -Co ngãt khi ®ãng r¾n thÊp
60. Nhùa nhiÖt r¾n 2.2.4 Nhùa Phenolic -Lµ mét trong nh÷ng nhùa nhiÖt r¾n ®−îc sö dông réng r·i nhÊt, chñ yÕu lµ nhùa Phenol-formaldehyt (PF) n -Ngoµi ra cßn cã nhùa: phenol-fufural, resorcinol-formaldehyt, -Cã s½n trªn thÞ tr−êng ë d¹ng dung dÞch n−íc, dung dÞch trong dung m«i h÷u c¬ hoÆc ë d¹ng bét -§−îc ®ãng r¾n nhê gia nhiÖt vµ ¸p suÊt, kh«ng sö dông xóc t¸c hoÆc chÊt ®ãng r¾n 61
61. Nhùa nhiÖt r¾n §ãng r¾n nhùa Phenolic Nhùa phenolic -F/P 1 -Xóc t¸c axit + Phenol -Xóc t¸c kiÒm -Nhùa nhiÖt dÎo Novolac Resol -Nhùa nhiÖt r¾n Nhùa Phenolic Giai ®o¹n 1 NhiÖt Resol (trang th¸i A) Nhùa cã kh¶ n¨ng nãng ch¶y vµ hoµ tan Giai ®o¹n 2 NhiÖt Resitol ( tr¹ng th¸i B) Nhùa r¾n nãng ch¶y, hoµ tan kÐm Giai ®o¹n 3 NhiÖt Rezit (tr¹ng th¸I C) Nhùa r¾n kh«ng hoµ tan, kh«ng nãng ch¶y, bÒn ho¸ chÊt 62 * D−íi t¸c dông nhiÖt ph¶n øng ng−ng tô x¶y ra, cã t¹o s¶n phÈm phô (n−íc, HCHO)
62. Nhùa Phenolic *¦u ®iÓm: - Chèng ch¸y tèt - Duy tr× tÝnh chÊt ë nhiÖt ®é cao trong thêi gian dµi -BÒn ho¸ chÊt tèt ®Æc biÖt ®èi víi nhiÒu axit -TÝnh chÊt ®iÖn tèt, bÒn nhiÖt rÊt tèt vµ ®é bÒn c¬ häc cao (®Æc biÖt ®é cøng cao) -RÎ h¬n nhùa UPE *Nh−îc ®iÓm: -Qu¸ tr×nh ®ãng r¾n ë nhiÖt ®é cao cã tho¸t bay h¬i (n−íc vµ formaldehyt) nªn s¶n phÈm cã nhiÒu lç bät vµ vÕt háng bÒ mÆt, ®éc h¹i -Gißn, dïng chÊt ho¸ dÎo ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ®ãng r¾n -¸p suÊt ®ãng r¾n cao, thêi gian ®ãng r¾n dµi h¬n nhùa UPE, thêi gian sèng ng¾n (Kho¶ng 90 ngµy ë d¹ng láng) -Giíi h¹n mµu h¹n chÕ 63
63. 2.2.5 Nhùa chÞu nhiÖt -Gåm nh÷ng polyme dÞ vßng th¬m nh− hä chùa polyimit th¬m (phæ biÕn, Tg >316 0C), bis-maleimit vµ mét vµI nhùa nhiÖt dÎo vßng th¬m -Nh÷ng dÞ vßng th¬m t¹o tÝnh oxy ho¸ ë nhiÖt ®é cao -Cã ®é cøng cao (Tg cao), duy tr× tÝnh chÊt c¬ häc ë nhiÖt ®é cao PMDA/ODA Polyimit Polyimit NR 150 64 *(Pyromelitic dianhydric/4,4 ’-oxydianilin)
64. Polyimit PMR-15 (polymerization of Monomeric Reactants) -Ph¶n øng kh«ng t¹o s¶n phÈm phô bay h¬I → kh«ng t¹o lç bät vµ vËt liÖu líp cã tÝnh chÊt tèt. - Gia c−êng bëi sîi thuû tinh E hoÆc sîi graphit → Compozit cã ®é bÒn cao ë nhiÖt ®é phßng vµ duy tr× tÝnh chÊt ®Õn giíi h¹n 288-316 oC 2 mol NE 2 mol MDA 1 mol BTDE Dung dÞch PMR-15 NhiÖtNhiÖt PMR-15 oligome NhiÖt NhiÖtPMR-15 Oligome 65 PMR-15 cÊu tróc m¹ng l−íi
65. 2.3. Nhùa nhiÖt dÎo 2.3.1 ¦u ®iÓm cña compozit nhùa nhiÖt dÎo -Gia c«ng nhanh h¬n compozit nhùa nhiÖt r¾n, gåm c¸c c«ng ®o¹n: gia nhiÖt, t¹o h×nh, lµm nguéi, kh«ng cã ph¶n øng ®ãng r¾n x¶y ra -§é bÒn t¸ch líp cao, ®é hÊp thô Èm thÊp vµ bÒn ho¸ chÊt cña polyme kÕt tinh mét phÇn rÊt tèt -D−íi ¸nh s¸ng cña m«i tr−êng, compozit nhùa nhiÖt dÎo cã nh÷ng −u ®iÓm: ®é ®éc h¹i rÊt thÊp, do kh«ng chøa c¸c t¸c nh©n ph¶n øng, thêi gian sèng v« h¹n -Cã thÓ ®−îc t¸i sinh do cã kh¶ n¨ng nãng ch¶y vµ hoµ tan trë l¹i 66
66. Nhùa nhiÖt dÎo *Trong ngµnh hµng kh«ng -Compozit nhùa nhiÖt dÎo ®ang thay thÕ dÇn nhùa nhiÖt r¾n -Do s¶n xuÊt compozit nhùa nhiÖt dÎo rÎ h¬n -Do tèc ®é bay cao yªu cÇu kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt cña vËt liÖu cao h¬n ☛ nhùa nhiÖt r¾n polyimit ®¸p øng yªu cÇu nµy nh−ng do nh−îc ®iÓm lµ gi¶i phãng khÝ trong qu¸ tr×nh gia c«ng vµ gißn→compozit nhùa nhiÖt dÎo ®ang ®−îc thu hót. *Trong s¶n xuÊt « t« -Compozit nhùa nhiÖt dÎo ®ang ®−îc sö dông réng r·i, chñ yÕu lµ compozit nhùa polypropylen gia c−êng sîi thuû tinh (GF/PP) -¦u ®iÓm lµ chu tr×nh gia c«ng nhanh ®èi víi nh÷ng s¶n phÈm kh¸ lín. 67
67. 2.3.2. CÊu tróc cña nhùa nhiÖt dÎo kÕt tinh vµ v« ®Þnh h×nh Nhùa nhiÖt dÎo kÕt tinh (KT) Nhùa nhiÖt dÎo v« ®Þnh h×nh (V§H) -Cã chøa phÇn polyme cã cÊu tróc tinh -Polyme cã cÊu tróc v« ®Þnh h×nh thÓ (ph©n tö kh«ng cã kh¶ n¨ng s¾p xÕp (Ph©n tö cã kh¶ n¨ng s¾p xÕp theo trËt trËt tù) do c¸c ph©n tö kh«ng ®ång tù kh«ng gian ba chiÒu) nhÊt hoÆc cã nhãm thÕ lín Polyvinyl clorua (PVC) -Mét sè vÝ dô: Polystyren (PS) Polypropylen (PP) Polycacbonat (PC) Poletylen (PE) Acrylic (PMMA) Polyamit (PA) Polyphenylen oxit (PPO) Polyamit imit, polyete imit, Axetal (POM) 68
68. CÊu tróc cña polyme 69
69. Nhùa nhiÖt dÎo kÕt tinh, v« ®Þnh h×nh Cã kh¶ n¨ng kÕt Izotactic tinh R R Syndiotactic V« ®Þnh h×nh Atactic R Polypropylen (PP) CÊu tróc tinh thÓ Poletylen (PE) Polyvinyl clorua (PVC) CÊu tróc v« ®Þnh h×nh, do m¹ch cøng Polystyren (PS) hoÆc nhãm thÓ lín c¶n trë kh«ng gian 71
70. 2.3.4 So s¸nh mét vµi tÝnh chÊt cña nhùa nhiÖt dÎo KT vµ V§H Nhùa nhiÖt dÎo kÕt tinh (KT) Nhùa nhiÖt dÎo v« ®Þnh h×nh (V§H) -PhÇn tr¨m tinh thÓ phô thuéc lo¹i polyme, kh«ng bao giê ®¹t 100% tinh thÓ -Cã ®iÓm nãng ch¶y râ rÖt -Cã giíi h¹n ch¶y mÒm réng -Th−êng mê ®ôc -Th−êng trong suèt -Co ngãt cao -Co ngãt thÊp 72
71. So s¸nh mét vµi tÝnh chÊt cña nhùa nhiÖt dÎo KT vµ V§H Nhùa nhiÖt dÎo KT Nhùa nhiÖt dÎo V§H -BÒn ho¸ chÊt tèt h¬n -BÒn ho¸ chÊt kÐm -Chèng mµI mßn tèt -Chèng mµI mßn kÐm -Morphology (h×nh th¸I), møc ®é KT cã -DÔ gia c«ng, tèc ®é gia c«ng cao, thÓ thay ®æi dùa vµo thay ®æi chÕ ®é chi phÝ cho gia c«ng thÊp (®Æc biÖt (nhiÖt ®é/thêi gian) cña qu¸ tr×nh gia ®èi víi compozit sîi liªn tôc) c«ng, tèc ®é gia c«ng th−êng thÊp h¬n -§é cøng cao h¬n, ë nhiÖt ®é t>tg kh¶ -§é cøng thÊp h¬n, ë nhiÖt ®é t>tg n¨ng duy tr× c¸c tÝnh chÊt cao h¬n kh¶ n¨ng duy tr× c¸c tÝnh chÊt thÊp h¬n 73
72. §−êng cong c¬ nhiÖt cña c¸c lo¹i polyme Log E (N/m 2) Nhùa nhiÖt dÎo KT 9 MËt ®é m¹ng l−íi ↑↑↑ Nhùa nhiÖt r¾n 6 Nhùa nhiÖt dÎo V§H 3 KLPT ↑↑↑ NhiÖt ®é Tm •E: M« ®un 74
73. 2.3.5 Âàûc âiãøm gia cäng cuía nhæûa nhiãût deío *Hµm l−îng sîi thÊp -Gia c«ng dÔ dµng -S¶n phÈm cã ®é cøng vµ ®é bÒn thÊp. *Hµm l−îng sîi cao: -S¶n phÈm cã ®é cøng vµ ®é bÒn cao -Gia c«ng chËm -Khã t¹o h×nh d¹ng víi nh÷ng s¶n phÈm cã cÊu tróc h×nh d¸ng phøc t¹p. -Nªn gia c«ng b¸n thµnh phÈm tr−íc khi t¹o thµnh phÈm * C¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng: Injection molding, Extrusion, Press-moulding, Pultrusion, resin Injection, 75
74. 2.4. VËt liÖu gia c−êng 2.4.1 Yªu cÇu ®èi víi VËt liÖu gia c−êng -TÝnh gia c−êng c¬ häc tèt -TÝnh kh¸ng hãa chÊt, m«i tr−êng, nhiÖt ®é tèt -Tû träng bÐ -Ph©n t¸n vµo nhùa tèt (tÝnh t−¬ng thÝch) -TruyÒn nhiÖt, gi¶i nhiÖt tèt -ThuËn lîi cho qu¸ tr×nh gia c«ng -Gi¸ thµnh h¹ -¶nh h−ëng tèt ®Õn m«i tr−êng, vÊn ®Ò hiÖn nay rÊt ®−îc quan t©m Tuú thuéc vµo yªu cÇu cña tõng lo¹i s¶n phÈm cô thÓ mµ chän lùa VL ®é thÝch hîp 76
75. 2.4.2 Ph©n lo¹i sîi Sợi Sîi tù nhiªn Sîi hãa häc Hu cơ V« c¬ T polyme T polyme Kh«ng thiªn nhiªn tng hp ph¶i polyme ng vt Th c vt -L«ng -Coton -Cao su -PP -Wolfram -Tãc -ay -Visco -PA -Al -Thuû -T¬ -Da tinh tù -Axetat xenlulo -Teflon -ThÐp -G nhiªn -Ceramic -Polyeste (Basalt) -Thu ỷ tinh -Aramic -Sîi kho¸ng -Basalt (amiang) 77
76. 2.4.3 C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt sîi -§−êng kÝnh sîi -§Þnh h−íng cña m¹ch ph©n tö trong sîi -ChiÒu dµi sîi -KiÓu ®an, dÖt v¶i ¶nh h−ëng cña ®−êng kÝnh ®Õn ®é bÒn sîi 78
77. H×nh d¹ng mÆt c¾t ngang mét sè lo¹i sîi Sîi tæng hîp Sîi tù nhiªn 79
78. Sù ®Þnh h−íng cña m¹ch ph©n tö 80
79. C¸c d¹ng vËt liÖu gia c−êng Lôa tr¬n V¶i chÐo go V¶i ®¬n h−íng (Plain weave) (Twill weave) (Unidirectional cloth) V¶i lôa (thuû tinh) V¶i th« (thuû tinh) 81
80. Hướng ph©n bố của sợi trong vật li ệu compozit 83
81. 2.4.4 C¸c ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt sîi 84
82. 2.5 S¬ l−ît mét sè lo¹i sîi 2.5.1 Sîi cacbon •CÊu tróc tinh thÓ, gåm nh÷ng líp cacbon d¹ng lôc diÖn •Cã thÓ ®−îc s¶n xu©t tõ PAN (phæ biÕn nhÊt), rayon hoÆc nhùa (Pitch), lo¹i nguyªn liÖu ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña sîi cacbon •NhÑ •Compozit nÒn polyme cã ®é cøng vµ ®é bÒn cao •Duy tr× tÝnh chÊt trong m«i tr−êng kh¾c nghiÖt (NhiÖt ®é cao, tiÕp xóc víi dung m«i vµ c¸c chÊt láng, m«i tr−êng Èm −ít) •DÉn ®iÖn, dÉn nhiÖt tèt •æn ®Þnh kÝch th−íc •T−¬ng ®èi ®¾t •T−¬ng ®èi dßn •Kh¶ n¨ng chèng l¹i sù ph¸ huû kh«ng cao l¾m *Compozit sîi cacbon/nÒn cacbon chÞu nhiÖt cao, dïng lµm ®Üa phanh, chi tiÕt lß nhiÖt, èng giã, VL phñ chèng oxy ho¸, compozit nÒn nhùa (Epoxy) dïng trong ngµnh hµng kh«ng, vò trô 85
83. So s¸nh tÝnh chÊt cña c¸c lo¹i sîi cacbon M«®un kÐo §é bÒn Khèi l−îng §−êng Lo¹i sîi (Msi) kÐo (ksi) riªng kÝnh sîi (g/cm 3) (µµµm) Cacbon ( tõ PAN) 30-50 350 -1000 1,75-1,9 4-8 Cacbon( tõ pitch) 25-110 200-450 1,9-2,15 8-11 Cacbon tõ sîi Rayon 6 150 1,6 8-9 86
84. S¶n xuÊt sîi cacbon Cuén sîi PAN KÐo KÐo sîi tõ pitch nãng ch¶y Oxy ho¸ 200-400 oC •Xö lý nhiÖt nguyªn liÖu th« cã chøa cacbon, Cacbon ho¸ 250-2500 oC Cuén sîi th−êng lµ sîi polyme Cacbon/ Graphit Graphit ho¸ 1500-3000 oC Xö lý bÒ mÆt SÊy kh« 87
85. 2.5.2 Sîi thuû tinh •RÎ •Phæ biÕn, ®a d¹ng •Lµ lo¹i VL gia c−êng ®−îc sö dông réng r·i nhÊt •Kh¶ n¨ng gia c−êng c¬ lý tÝnh cho VL nÒn cao •Tû sè c¬ lý tÝnh/gi¸ c¶ rÊt cao h¬n c¸c lo¹i sîi kh¸c, tÝnh chÊt va ®Ëp tèt •DÉn ®iÖn thÊp •BiÕn d¹ng ph¸ huû cao h¬n sîi cacbon •T−¬ng ®èi nÆng •Cã khuynh h−íng hÊp thô Èm 88
86. S¬ ®å s¶n xuÊt sîi thuû tinh 89
87. Mét sè lo¹i sîi thuû tinh •TT E -BÒn, cøng, chÞu thêi tiÕt, dïng cho VL c¸ch ®IÖn (chiÕm tØ lÖ cao nhÊt) •TT A – Cã hµm l−îng kiÒm cao, kh¸ng Èm kÐm •TT S-Modun vµ ®é bÒn kÐo cao, dïng cho môc ®Ých ®Æc biÖt (hµng kh«ng, kÕt cÊu cã ®é bÒn c¬ häc cao) •TT C-BÒn ho¸ chÊt, phñ chi tiÕt m¸y, kÕt cÊu chèng ¨n mßn ho¸ häc •YM-31A- trªn c¬ së sîi TT E, dïng c¶i thiÖn ®é mÒm dÎo cho vËt liÖu 90
88. 2.5.3 Sîi Aramic • BÒn kÐo cao •Modun vµ ®é dÎo dai cao •NhÑ •DÉn ®iÖn thÊp •BÒn ho¸ häc cao •Gi·n në nhiÖt thÊp •æn ®Þnh kÝch th−íc tèt •BÒn c¾t cao •Chèng ch¸y tèt •Cã khuynh h−íng hÊp thô n−íc (−a n−íc) •§é bÒn nÐn, uèn kh¸ thÊp •§é bÒn ë bÒ mÆt tiÕp xóc víi VL nÒn kh«ng cao *Dïng hçn hîp Thuû tinh-kevlar, cacbon-kevlar chÕ t¹o TB chèng phãng x¹, chèng nhiÖt vµ dông cô thÓ thao 91
89. TÝnh chÊt vËt liÖu VËt liÖu Modun §é KLR (g/cm 3) (GPa) bÒn(MPa) ThÐp 203 600-2000 7,8 Nh«m 75 70-80 2,6 Sîi C (modun cao) 340 2500 1,9 Sîi C (§é bÒn cao) 230 3200 1,8 Sîi Aramic 124 2800 1,45 Sîi thuû tinh 76-86 1700 2,5 92
90. TÝnh chÊt vËt liÖu §å thÞ biÓu diÔn øng suÊt-biÕn d¹ng kÐo cña mét sè vËt liÖu 93
91. TÝnh chÊt vËt liÖu 94
92. CH¦¥NG 3 C¸C PH¦¥NG PH¸P GIA C¤NG 95
93. 4.1 Hand Lay-up (Ph−¬ng ph¸p gia c«ng b»ng tay) VL gia c−êng Gel coat Con l¨n Nhùa Khu«n L¨n b»ng tay Nhùa VL gia c−êng Khu«n 96
94. Hand Lay-up T¹o khu«n mÉu (gç, kim lo¹i, VL compozit ) Chèng dÝnh T¹o gel coat (Sîi thuû tinh, aramic, ) §¾p sîi (D¹ng mat, v¶i, sîi) (Epoxy, UPE, phenolic, vinylester, ) TÈm nhùa (Dïng chæi, con l¨n) §¾p nhùa, sîi ®Õn khi ®¹t chiÌu dµy §ãng r¾n Th¸o s¶n phÈm 97
95. Hand Lay-up *−u ®IÓm: -ThiÕt kÕ linh ®éng, dÔ dµng thay ®æi -GC s¶n phÈm phøc t¹p vµ lín -Chi phÝ ®Çu t− thiÕt bÞ thÊp, dông cô rÎ tiÒn -Hµm l−îng sîi cao vµ sîi dµi h¬n → c¬ tÝnh cao h¬n so víi ph−¬ng ph¸p phun *Nh−îc ®IÓm: -S¶n phÈm chØ cã mét bÒ mÆt nh½n -Thêi gian ®ãng r¾n th−êng dµi -ChÊt l−îng s¶n phÈm phô thuéc nhiÒu vµo kü n¨ng thao t¸c -VÊn ®Ò an toµn søc khoÎ, nhùa dïng trong pp nµy th−êng cã KLPT thÊp nªn møc ®é ®éc h¹i cao h¬n, dÔ thÊm vµo ¸o quÇn -Nhùa yªu cÇu cã ®é nhít thÊp, ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc, tÝnh chÊt nhiÖt do yªu cÇu l−îng chÊt pha lo·ng (VD: styren) thÝch hîp. 98
96. 4.2 Ph−¬ng ph¸p tói ch©n kh«ng (Vacuum bagging) -VL líp ®−îc gia c«ng b»ng tay theo PP −ít -Mµng chÊt dÎo (nilon) bäc lªn khu«n vµ kh«ng khÝ ®−îc th¸o ra nhê b¬m ch©n kh«ng -L−îng nhùa thõa ®−îc lo¹i bá d−íi t¸c dông cña b¬m ch©n kh«ng. 99
97. Ph−¬ng ph¸p tói ch©n kh«ng ¦u ®iÓm: -Hµm l−îng lç bät Ýt h¬n -ThÊm −ít cña nhùa lªn sîi tèt h¬n nhê ¸p su©t ch©n kh«ng, l−îng nhùa thõa sÏ ®−îc lo¹i bá , do vËy hµm l−îng sîi cao h¬n ph−¬ng ph¸p gia c«ng b»ng tay -An toµn cho søc khoÎ: tói ch©n kh«ng sÏ lµm gi¶m l−îng chÊt bay h¬i gi¶i phãng trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n Nh−îc ®IÓm: -Qu¸ tr×nh t¹o ch©n kh«ng lµm t¨ng gi¸ thµnh s¶n phÈm (nh©n c«ng, VL) -§ßi hái kü n¨ng thao t¸c cao h¬n 100
98. 4.3 Spray Lay-up (Phæång phaïp phun) Nguyãn tàõc : Såüi âæåüc càõt ngàõn trong suïng (giæî bàòng tay) âæåüc bàõn âäöng thåìi våïi nhæûa vaìo khuän. Âãø âoïng ràõn hoaìn toaìn træåïc khi thaïo saín pháøm 101
99. Spray Lay-up *Æu âiãøm: -Nhanh -Duûng cuû reí tiãön *Nhæåüc âiãøm: -Haìm læåüng nhæûa cao -Chè chãú taûo âæåüc compozit såüi ngàõn laìm giåïi haûn tênh cháút cå hoüc cuía saín pháøm -Nhæûa cáön phaíi coï âäü nhåït tháúp khi phun, laìm aính hæoíng âãún tênh cháút cå, nhiãût cuía saín pháøm -Haìm læåüng Styren cao nghéa laì tiãöm nàng gáy âäüüc haûi cao vaì âäü nhåït tháúp tàng khuynh hæåïng tháúm vaìo aïo quáön . 102
100. 4.4 Resin Transfer Moulding (§óc chuyÓn nhùa) Khu«n Nhùa vµo Khu«n VL gia c−êng 103
101. Resin Transfer Moulding -VL gia c−êng (mat, v¶ ) ®−îc ®Æt vµo khu«n, cã thÓ Ðp tr−íc ®Ó t¹o h×nh d¹ng khu«n vµ liªn kÕt víi nhau bëi chÊt kÕt dÝnh (Preform) -Khu«n ®−îc ®ãng, vµ nhùa ®−îc chuyÓn vµo kho¶ng trèng cña khu«n -Ch©n kh«ng ®−îc t¹o nªn ë kho¶ng trèng cña khu«n, gióp nhùa thÊm vµo VL gia c−êng -Khi l−îng nhùa ®ñ ®Ó thÊm VL gia c−êng, ng−ng cho nhùa vµo. -§ãng r¾n s¶n phÈm -Qu¸ tr×nh chuyÓn nhùa vµ ®ãng r¾n nhùa cã thÓ x¶y ra o nhiÖt ®é phßng hoÆc nhiÖt ®é cao -Nhùa: epoxy, UPE, vinylester, phenolic 104
102. Resin Transfer Moulding *Ưu ®iÓm: -VL líp ®−îc t¹o thµnh cã hµm l−îng sîi cao vµ hµm l−îng lç thÊp -An toµn ®èi víi søc khoÎ, khèng chÕ ®−îc vÊn ®Ò vÒ m«i tr−êng -Gi¶m nh©n c«ng lao ®éng ®Õn møc cã thÓ -Hai mÆt cña s¶n phÈm nh½n, cã h×nh d¹ng cña bÒ mÆt khu«n *Nh−îc ®IÓm: -Trang thiÕt bÞ ®¾t tiÒn -Giíi h¹n cho nh÷ng s¶n phÈm bÐ 105
103. 4.5 Ph−¬ng ph¸p ®óc chuyÓn nhùa cã sù trî gióp cña ch©n kh«ng (Vacuum Asisstant Resin Transfer Moulding-VARTM) Keo 2 Nhùa ch¶y mÆt qua VL gia ®Õn b¬m c−êng d−íi CK CK Tói CK VL gia Nhùa c−êng Khu«n Keo 2 mÆt TÊm phñ VL gia c−êng Nhùa vµo Khu«n Nhùa ra 106
104. Vacuum Asisstant Resin Transfer Moulding-VARTM Cãi kh« ®−îc ®Æt vµo khu«n VL ®−îc bäc kÝn t¹o ch©n kh«ng vµ nhùa ®−îc chuyÓn vµo d−íi 107 ch©n kh«ng
105. Vacuum Asisstant Resin Transfer Moulding-VARTM 108
106. Vacuum Asisstant Resin Transfer Moulding-VARTM Ưu ®iÓm: -Gièng ph−¬ng ph¸p RTM, nh−ng chØ mét mÆt s¶n phÈm cã h×nh d¹ng cña khu«n -Chi phÝ khu«n thÊp h¬n nhiÒu, yªu cÇu vÒ ®é bÒn khu«n kh«ng cao -Cã thÓ dïng s¶n xuÊt nh÷ng s¶n phÈm lín Nh−îc ®iÓm -Qu¸ tr×nh t¹o khu«n mÉu t−¬ng ®èi phøc t¹p -Yªu cÇu ®é nhít cña nhùa ph¶i rÊt thÊp, do vËy ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc 109
107. 4.6 Ph−¬ng ph¸p quÊn sîi (Filament Winding) Sîi ®−îc ®IÒu chØnh gãc cuèn thÝch hîp Trèng Trôc quay BÓ nhùa Cã kh¶ n¨ng di chuyÓn Sîi Quáún æåït Såüi Táøm nhæûa Quáún Âoïng ràõn Såüi âaî âæåüc -T táøm nhæûa Quáún khä cao, thæåìng 110
108. Ph−¬ng ph¸p quÊn sîi (Filament Winding) -Dïng s¶n xuÊt nh÷ng s¶n phÈm rçng, mÆt c¾t h×nh trßn hoÆc oval, nh− èng, thïng -Sîi ®i qua bÓ nhùa ®−îc quÊn vµo trèng (®iÒu chØnh c¬ chÕ quay, tèc ®é quay, ) -Nhùa: epoxy, UPE, phenolic, vinylester *¦u ®iÓm: -Ph−¬ng ph¸p nµy nhanh, hiÖu qu¶ kinh tÕ -Hµm l−îng nhùa cã thÓ ®−îc ®IÒu chØnh khi sîi ®i qua bÓ nhùa -Gi¸ thµnh sîi gi¶m thiÓu do kh«ng qua c«ng ®o¹n dÖt sîi thµnh v¶i -TÝnh chÊt cña s¶n phÈm tèt do cã thÓ kh«ng chÕ ph−¬ng cña sîi phï hîp víi t¶i träng 111
109. Ph−¬ng ph¸p quÊn sîi (Filament Winding) * Nh−îc ®iÓm: -H¹n chÕ ë mét sè d¹ng s¶n phÈm nhÊt ®Þnh (rçng, mÆt c¾t trßn, oval, ) -Sîi kh«ng dÔ dµng ®Æt chÝnh x¸c däc theo chiÒu dµi s¶n phÈm -Gi¸ thµnh trèng ®èi víi nh÷ng s¶n phÈm lín lµ rÊt cao -BÒ mÆt bªn ngoµi cña s¶n phÈm kh«ng tiÕp xóc khu«n nªn kh«ng hÊp dÉn (kh«ng tr¬n, bãng) -Yªu cÇu nhùa cã ®é nhít thÊp nªn ¶nh h−ëng tÝnh chÊt c¬ häc vµ vÊn ®Ò an toµn søc khoÎ 112
110. 4.7 Extrusion process (Phæång phaïp âuìn) Solid conveying Plasticating or melting Melt pumping -Trong qua trçnh âi qua truûc vêt, nhæûa noïng chaíy, tháúm æåït vaìo såüi, âæåüc càõt ngàõn -Häùn håüp nhæûa såüi âæåüc eïp qua âáöu taûo hçnh, aïp læûc âæåüc taûo nãn båíi quay truûc vêt -Thæåìng duìng âäúi våïi nhæûa nhiãût deío -Phæång phaïp saín xuáút liãn tuûc -Saín xuáút compound, compozit såüi ngàõn (táúm, thanh, äúng ) 113
111. Extrusion process (Phæång phaïp âuìn) Âuìn 1 truûc vêt Âuìn 2 truûc vêt -Thiãút bë âuìn 2 truûc vêt, quaï trçnh träün håüp, càõt såüi täút hån -Hai truûc vêt coï thãø quay cuìng chiãöu hoàûc ngæåüc chiãöu 114
112. Extrusion process (Phæång phaïp âuìn) -Âäúi våïi såüi keïm bãön nhiãût, nãn cho vaìo åí vuìng nhæûa noïng chaíy Polymer Fibre Extruder die Nozzle Cooling Product Schematic diagram of extrusion procedure Hçnh daûng âáöu taûo hçnh coï thãø laì: -Khe heûp Táúm phàóng -Hçnh truû Thanh -Hçnh khuyãn ÄÚng 115
113. 4.8 Injection moulding (Âuïc tiãm) Materials *Quaï trçnh: -Nguyãn liãûu (nhæûa + VLGC hoàûc haût compound) âæåüc naûp vaìo phiãùu -Truûc vêt chuyãøn nguyãn liãûu ràõn qua vuìng gia nhiãût, nhæûa noïng chaíy chuyãøn sang traûng thaïi loíng -Cháút loíng âæåüc eïp (tiãm) vaìo khuän, laìm nguäüi taûo daïng saín pháøm -Måí khuän vaì thaïo saín pháøm 116
114. Ënjection moulding (Âuïc tiãm) Khuän træåïc khi naûp liãûu Naûp liãûu vaìo khuän Thaïo saín pháøm 117
115. Ënjection moulding (Âuïc tiãm) -Nàng suáút låïn -Duìng âäúi våïi compozit nhæûa nhiãût deío -Saín xuáút compozit såüi ngàõn -Saín xuáút caïc saín pháøm coï hçnh daûng phæïc taûp 118
116. Ënjection moulding (Âuïc tiãm) *Nguyãn liãûu compound: -Træåìng håüp nhæûa vaì såüi khoï tháúm æåït vaìo nhau -Nguyãn liãûu cho Ënection moulding laì compound - Compound âæåüc taûo nãn bàòng phæång phaïp Extrusion hoàûc Mixer -Traïnh træåìng håüp maïy âuìn vaì âuïc quaï daìi Taûo compound 119
117. 4.9 Âuïc tiãm nhæûa (Resin Injection Moulding) Resin 120
118. Âuïc tiãm nhæûa -Âàût VL gia cæåìng giæîa 2 chi tiãút khuän âuïc (Khuän trãn vaì dæåïi) -Dæåïi aïp læûc nhæûa âæåüc phun vaìo khuän vaì tháúm vaìo VLGC -Âoïng ràõn coï thãø åí nhiãût âäü thæåìng hoàûc nhiãût âäü cao -Chãú taûo âæåüc caïc saín pháøm coï hçnh daûng phæïc taûp -Phæång phaïp naìy ti lãû VLGC cao nãn tênh nàng cå lyï cao -VLGC coï thãø laì vaíi, mat, såüi daìi, 121
119. Håüp cháút âuïc - baïn thaình pháøm 4.10 Sheet Moulding Compound (SMC) -Laì håüp cháút âuïc, baïn thaình pháøm åí daûng cuäün hoàûc daûng táúm, daìy khoaíng 3mm -Tè lãû såüi tháúp (30% khäúi læåüng), tè lãû haût trong nhæûa cao (50% khäúi læåüng) Mäüt säú loaûi håüp cháút âuïc SMC SMC-R SMC-D SMC-C -Såüi càõt ngàõn (25-50mm) -Såüi càõt ngàõn -Såüi daìi -Phán bäú ngáùu nhiãn -Âäöng phæång -Âäöng phæång -SMC häùn håüp: SMC-D/R, SMC-C/R -Håüp cháút âuïc coï tè lãû såüi cao (30-50%), coï cå tênh cao goüi laì HMC 122
120. Håüp cháút âuïc - baïn thaình pháøm Sheet Moulding Compound (SMC-R) -Váût liãûu gia cæåìng: såüi thuyí tinh, cacbon, kevlar -Nhæûa: thæåìng duìng nhæûa polyester 123
121. 4.11 Âuïc eïp (Press moulding) Saín pháøm -Nhæûa + såüi trän âãöu hoàûc baïn thaình pháøm âæåüc cho vaìo khuän -Dæåïi aïp suáút vaì nhiãût âäü, nhæûa hoaï loíng vaì âiãön âáöy khuän, saín pháøm âæåüc âënh hçnh theo 3 chiãöu -Coï thãø saín xuáút compozit nhæûa nhiãût deío såüi daìi 124
122. Âuïc eïp (Press moulding) 125
123. 4.12 Pultrusion process (Phæång phaïp keïo âënh hçnh) Såüi Bãø nhæûa Taûo hçnh Càõt Saín pháøm Såüi daìi Táøm nhæûa lãn såüi Mat, vaíi -Nhæûa âæåüc âoïng ràõn -Taûo hçnh daûng SP 126
124. Pultrusion process (Phæång phaïp keïo âënh hçnh) *Âàûc âiãøm cuía phæång phaïp keïo âënh hçnh -Sn xu t sn ph m daìi liãn tuûc, diãûn têch pháön càõt ngang khäng âäøi (Panel, táúm, dáy thæìng, ) -Gêa thaình tháúp, cháút læåüng täút, saín læåüng cao -Thåìi gian âoïng ràõn âæåüc âiãöu chènh båíi täúc âäü keïo -Thæåìng duìng âäúi våïi nhæûa nhiãût ràõn 127
125. Pultrusion process (Phæång phaïp keïo âënh hçnh) *Âäúi våïi nhæûa nhiãût deío -Vãö cå baín giäúng nhæûa nhiãût ràõn, coï mäüt säú âiãøm khaïc: Nhæûa nhiãût ràõn Nhæûa nhiãût deío -Nhiãût âäü gia cäng tháúp -Nhiãût âäü gia cäng cao (mäüt säú saín pháøm duìng (250-400 oF) trong ngaình haìng khäng âãún 750 oF) -Âäü nhåït tháúp (vaìi tràm cP) -Âäü nhåït cao > 1.10 6 cP, tháúm æåït khoï -Saín xuáút caïc táúm låïp tæì caïc táúm baïn thaình pháøm (prepreg sheets) ráút moíng trãn cå såí nhæûa nhiãût deío. -Laìm noïng chaíy bãö màût caïc táúm naìy, vaì eïp chuïng laûi våïi nhau dæåïi aïp læûc trong quaï trênh laìm nguäüi saín pháøm 128
126. Pultrusion process (Phæång phaïp keïo âënh hçnh) *Æu âiãøm: -Nhanh (táøm nhæûa vaì âoïng ràõn) do váûy kinh tãú -Haìm læåüng nhæûa âæåüc âiãöu chènh chênh xaïc -Tênh cháút saín pháøm låïp ráút täút, do såüi thàóng vaì haìm læåüng såüi cao -Vuìng táøm nhæûa kên, haûn chãú caïc cháút bay håi *Nhæåüc âiãøm: -Giåïi haûn âäúi våïi nhæîng saín pháøm coï diãûn têch pháön càt ngang khäng âäøi hoàûc gáön nhæ khäng âäøi -Chi phê âáöu tæ khuän (âáöu âënh hçnh) coï gia nhiãût cao 129