BÀI THU HOẠCH Tìm hiểu về vật liệu composites Sinh viên : Trịnh Việt Hòa MSSV
: 11110710025
Lớp HP : 43D
Chuyên đề : 1. Các vấn đề liên quan đến vật liêu polymer - Các loại polyme thông dụng sử dụng cho vật liệu composite nền - Bản chất hóa học - Công nghệ, phương pháp, nguyên lý - Tính chất, phạm vi ứng dụng 2. Các loại sợi tìm hiểu các loại sợi trong vật liệu composite - Các loại sợi, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng - Cấu tạo, kiến trúc của sợi - Phương pháp chế tạo
Trình bày : 1.Các vấn đề liên quan đến vật liệu polymer
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
Vật liệu nền polyme gồm có :
- Nhựa nhiệt cứng - Nhựa nhiệt dẻo ,gồm có kết tinh và vô định hình - Cao su Các vật liệu polymer thong dụng cho vật liệu nền : - Polyme nhiệt rắn : Epoxy ,Upe ,Phenolics , Melamines , PF , PU - Polyme nhiệt dẻo : PE , PS ,PA , PVC, PP , POM Sau đây ta sẽ nghiên cứu cụ thể một số loại vật liệu thông dụng trong các nhóm trên ,về bản chất hóa học ,công nghệ ,phương pháp ,nguyên lý ,tính chất và phạm vi ứng dụng Polyme nhiệt dẻo:
Polyethylene (PE)
Polyethylene có nguồn gốc từ hoặc khí thiên nhiên thay đổi (methane, ethane, propane trộn) hoặc từ cracking xúc tác của dầu thô thành xăng. Trong polyethylene thương mại, số lượng monomer đơn vị lặp lại khoảng từ 1000 đến 10 000 (phạm vi trọng lượng phân tử từ 28 000 đến 280 000). - Bản chất hóa học:
Polyetylen là một hợp chất hữu cơ ( poly) gồm nhiều nhóm etylen CH2-CH2 liên kết với nhau bằng các liên kết hydro no
- Công nghệ ,phương pháp chế tạo PE
- Tính chất và phạm vi ứng dụng
PE màu trắng, hơi trong, không dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí thấm qua.Tùy thuộc vào loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg ≈ -100 °C và nhiệt độ nóng chảy Tm ≈ 120 °C. PE màu trắng, hơi trong, không dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí thấm qua.Tùy thuộc vào loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg ≈ -100 °C và nhiệt độ nóng chảy Tm ≈ 120 °C. - Ưng dụng : Polyetylen được dùng bọc dây điện Bọc hàng, làm màng mỏng che mưa, chai lọ. Chế tạo thiết bị trong ngành sản xuất hóa học.
Polystyrene (PS)
- Bản chất hóa học: Về hóa học, polystyrene là một chuỗi dài hydrocarbon trong đó trung tâm carbon xen kẽ là gắn liền với nhóm phenyl (tên cho các vòng thơm benzen công thức hóa học Polystyrene của là (C 8 H 8) n;. nó có chứa các hóa chất thành phần carbon và hydro .
- Công nghệ ,phương pháp chế tạo Công nghệ sản xuất PS của NSCC : Quy trình sản xuất polystyren của Công ty Nippon Steel Chemical (NSCC) hiện đang được áp dụng tại 2 nhà máy của Nhật Bản với tổng công suất 200.000 tấn/năm. Với quy trình này, người ta sản xuất ra hơn 50 cấp độ sản phẩm polystyren khác nhau. Sản phẩm phổ biến nhất là GPPS
(poly-styren dạng trong, vô định hình, được sử dụng rộng rãi làm bao bì thực phẩm và đã CD,...). Quy trình bao gồm một quá trình polyme hóa liên tục nguyên liệu styren dưới tác dụng của các tác nhân nhiệt và hóa chất. Ở kiểu thiết kể điển hình, thường có 2 dòng phản ứng riêng cho GPPS và HIPS. Dòng phản ứng GPPS có khả năng tạo ra nhiều cấp độ khác nhau của sản phẩm GPPS - từ loại phân tử lượng thấp, độ chảy cao, đến loại phân tử lượng cao, bền nhiệt. Dòng phản ứng HIPS có một thiết bị phản ứng được thiết kế thích hợp, cho phép điều chỉnh sự phân phối cao su trên mạng polystyren. Sự phân phối tết hơn của cao su sẽ tạo cho polyme sản phẩm có độ bền cao hơn, đồng thớt giảm định mức tiêu hao cao su. Quá trình này cũng cho phép khống chế cỡ hạt cao su với độ chính xác dưới 1 micron. Các hạt cao su nhỏ sẽ tạo ra bề mặt trơn nhẵn cho sản phẩm làm từ nhựa HIPS với độ bền cao, các tính năng cơ học và hoàn thiện bề mặt vượt trội so với sản phẩm làm từ nhựa ABS. Mỗi dòng phản ứng GPPS và HIPS đều có các thiết bị polyme hóa đặt theo dãy, các dây chuyền bay hơi hai bậc và tạo hạt. Thiết bị bay hơi được thiết kế để sản xuất ra sản phẩm polystyren với tổng dư lượng các chất dễ bay hơi thấp hơn 100 ppm (trọng lượng). Thiết bị thông thường còn gồm có các bộ phận chuẩn bị nguyên liệu, thu hồi monome styren, khử nước và bốc dỡ nhựa khối lớn. - Tính chất và ứng dụng Tính chất :
Tính chất vật lý : PS là loại nhựa cứng trong suốt, không có mùi vị, cháy cho ngọn lửa không
ổn định. PS không màu và dễ tạo màu, hình thức đẹp, dễ gia công bằng phương pháp ép và ép phun ( nhiệt độ gia công vào khoảng 180 - 200oC).
Tính chất cơ học :
Tính chất cơ học của PS phụ thuộc vào mức độ trùng hợp. PS có trọng lượng phân tử thấp rất dòn và co độ bền kéo thấp. Trọng lượng phân tử tăng lên thì độ bền cơ và nhiệt tăng, độ dòn giảm đi. Nếu vượt quá mức độ trùng hợp nhất định thì tính chất cơ học lại giảm. Giới hạn bền kéo sẽ giảm nếu nhiệt độ tăng lên.Độ giãn dài tương đối sẽ bắt đầu tăng khi đạt tới nhiệt độ 80oC. Vượt quá nhiệt độ đó PS sẽ trở lên mềm và dính như cao su. Do đó PS chỉ được dùng ở nhiệt độ thấp hơn 80 0C Ứng dụng : Bọt polystyrene là chất cách điện tốt, nhiệt và do đó thường được sử dụng như vật liệu xây dựng cách nhiệt, chẳng hạn như trong xây dựng hệ thống kết cấu cách điện bảng điều khiển. Nó cũng được sử dụng cho công trình kiến trúc mang trọng lượng nhẹ (chẳng hạn như trang trí trụ cột). PS bọt cũng sử là đặc tính giảm xóc, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong bao bì. Mở rộng polystyrene (EPS) là một bọt tế bào đóng cứng nhắc và khó khăn. Nó thường là màu trắng và hạt polystyrene mở rộng trước. Sử dụng quen thuộc bao gồm các tấm đúc cho xây dựng cách nhiệt và đóng gói vật liệu (" lạc ") để đệm các mặt hàng dễ vỡ bên trong hộp.
Polyvinyl clorua (PVC)
- Bản chất hóa học : PVC là một hợp chất hữu cơ gồm nhiều nhóm vinyl clorua monome liên kết với nhau bằng các liên kết hydro no - Công nghệ ,phương pháp chế tạo
Đầu tiên, nguyên liệu VCM là áp lực và hóa lỏng, và sau đó đưa vào lò phản ứng polyme, trong đó có nước và đình chỉ các đại lý trước. Thông qua kích động tốc độ cao trong lò phản ứng, các giọt nhỏ của VCM thu được. Tiếp theo, người khởi xướng cho polyme được đưa vào lò phản ứng, và PVC là sản phẩm của phản ứng theo một vài thanh tại 40 - 60 ° C. PVC thu được thông qua polyme đình chỉ lơ lửng trong nước như các hạt 50 ~ 200 micromet đường kính (trong bùn hình thức). Sau đó, bùn thải từ lò phản ứng đồng trùng hợp nhũ tương tước còn lại monomer, mất nước, khô và kích thước của hạt kiểm soát bằng cách kiểm tra năng suất PVC trong hình thức một loại bột trắng. Không phản ứng VCM là hoàn toàn phục hồi thông qua quá trình tước, và sau khi thanh lọc, tái chế làm nguyên liệu để tái sử dụng trong quá trình này. Sản xuất nhựa PVC thông qua quá trình này "đình chỉ" được gọi trong ngành công nghiệp sử dụng từ viết tắt S-PVC. Nhũ tương polyme và polyme số lượng lớn thay thế, ít rộng rãi sử dụng, công nghệ để sản xuất nhựa PVC. Nhũ tương polyme lớp nhựa tốt hơn có các hạt nhiều nhỏ hơn, được yêu cầu bởi các ứng dụng nhất định. Đây là loại nhựa đôi khi được
gọi là 'dán' PVC và được gọi trong ngành công nghiệp sử dụng chữ viết tắt P-PVC để phân biệt nó từ S-PVC -Tính chất và ứng dụng Tính chất :
PVC có dạng bột màu trắng hoặc màu vàng nhạt. PVC tồn tại ở hai dạng là huyền phù (PVC.S - PVC Suspension) và nhũ tương (PVC.E - PVC Emulsion).
PVC.S có kích thước hạt lớn từ 20 - 150 micron. PVC.E nhũ tương có độ mịn cao.
PVC không độc, nó chỉ độc bởi phụ gia, monome VC còn dư, và khi gia công chế tạo sản phẩm do sự tách thoát HCl ... PVC chịu va đập kém. Để tăng cường tính va đập cho PVC thường dùng chủ yếu các chất sau: MBS, ABS, CPE, EVA với tỉ lệ từ 5 - 15%.
PVC là loại vật liệu cách điện tốt, các vật liệu cách điện từ PVC thường sử dụng thêm các chất hóa dẻo tạo cho PVC này có tính mềm dẻo cao hơn, dai và dễ gia công hơn. Một trong những tính chất quan trọng của PVC là độ đa phân tán về khối lượng phân tử và đại lượng này tăng theo sự tăng mức độ biến đổi
Ứng dụng :
PVC ứng dụng trong công nghệ kháng sinh học và hóa học, sự lựa chọn cho hầu hết các hộ gia đình ống thoát nước và các ứng dụng đường ống khác, nơi mà sự ăn mòn sẽ hạn chế việc sử dụng kim loại . Nó cũng là một vật liệu thích hợp cho nhà kính, sân chơi nhà nhỏ, đồ gỗ, khung đồ chơi hồ bơi, vũ khí bọt, toppers xe tải tùy chỉnh, bộ xây dựng khổng lồ cho trẻ em.
Với sự bổ sung hợp các bổ từ tác động và ổn định, nó sẽ trở thành một loại vật liệu phổ biến cho các cửa sổ và cửa ra vào khung hình. Bằng cách thêm chất hoá dẻo, nó có thể trở nên linh hoạt, đủ để được sử dụng trong cáp ứng dụng như một dây cách điện. Nó cũng được sử dụng để làm đĩa nhựa
Polypropylen ( PP )
- Bản chất hóa học : PP là một hợp chất hữu cơ gồm nhiều nhóm Propylen monome liên kết với nhau -Công nghệ ,phương pháp chế tạo
-Tính chất và ứng dụng Tính chất :
Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.
Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ.
PP không màu không mùi,không vị, không độc. PP cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su.
Chịu được nhiệt độ cao hơn 100oC. Tuy nhiên nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao bì PP (140oC), cao so với PE - có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng. Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác.
Ưng dụng :
Được sử dụng trong một loạt các ứng dụng bao gồm cả bao bì , dệt may ( ví dụ , dây thừng, đồ lót nhiệt và thảm) , văn phòng phẩm, các bộ phận nhựa và các thùng chứa có thể tái sử dụng các loại, thiết bị phòng thí nghiệm, loa phóng thanh , linh kiện ô tô, và tiền giấy polymer. Một polymer Ngoài ra từ các monomer propylene , nó là chắc chắn và bất thường đề kháng với các dung môi, căn cứ và axit hóa học.
Polypropylene cũng được sử dụng như là một thay
thế cho polyvinyl clorua
(PVC) cách điện cho các loại cáp điện cho cáp LSZH trong môi trường thông gió thấp, chủ yếu là các đường hầm.
Nó cũng có thể được sản xuất ở dạng tấm, được sử dụng rộng rãi để sản xuất các thư mục văn phòng phẩm, đóng gói và hộp lưu trữ.
2. Tìm hiểu các loại sợi trong vật liệu composites Hiện nay có 5 loại sợi sử dụng phổ biến trong vật liệu composite. • Sợi thủy tinh • Sợi cacbon • Sợi ARAMIT cơ tính cao • Sợi tổng hợp ổn định nhiệt • Các loại sợi khác Cụ thể tìm hiểu từng loại sợi : Sợi thủy tinh: +Ưu điểm: - rẻ, nhẹ - độ bền riêng cao - gắn kết tốt giữa hai pha nền - cốt. Loại phổ biến nhất là polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến là nylon - sợi thủy tinh. +Nhược điểm: -không đủ độ cứng vững trong một số trường hợp yêu cầu (như khi làm kết cấu của máy bay, cầu...), - nhiệt độ làm việc thấp. + Phạm vi ứng dụng : Hiện composite polyme - sợi thủy tinh được dùng ngày càng nhiều trong các phương tiện vận tải đặc biệt là vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container chứa hàng, tấm lát sàn công nghiệp. + Phương pháp chế tạo sợi thủy tinh:
Sợi thuỷ tinh được chế tạo từ một nguồn nguyên liệu thuỷ tinh đủ sạch. Cùng với xúc tác để giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng độ dẻo hay tăng chiết suất thành phẩm ..., hỗn hợp được nung đến nhiệt độ tới hạn. Ở điểm nhiệt độ này, thuỷ tinh sẽ có độ dẻo cần thiết cho công nghệ kéo sợi. Thuỷ tinh nóng chảy được kéo sợi bằng phương pháp siêu thẩm thấu và hiệu ứng vi sợi qua mao dẫn. Công cụ kỹ thuật được dùng ở đây là máy ly tâm, nó loại trừ bọt khí trong sợi thuỷ tinh để chống gẫy đứt sản phẩm, sợi không quá ngắn. Sợi thuỷ tinh tạo ra sẽ làm nguội nhanh để tránh dính nhau, và được gom lại, trải và nén nhẹ không gia nhiệt thành tấm, thành dải hay các dạng khác như xe sợi và dệt v.v... theo kích cỡ và nhu cầu thị trường. Sợi cacbon + Ưu điểm: -Độ bền kéo cao -Modul đàn hồi cao -Nhiệt độ làm việc cao (khoảng 1500
)
-Chống oxy hóa tốt + Nhược điểm: -Có khuyết tật trong cấu trúc tinh thể bề mặt -Giá thành sản phẩm cao + Phạm vi ứng dụng: -Dùng làm các đĩa phanh -Dùng làm chi tiết lò nhiệt,.. -Dùng trong ngành hàng không. + Phương pháp chế tạo sợi cacbon:
Sợi cacbon được sản xuất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại oxy, nitơ, hydro để tạo thành sợi cacbon. Cơ tính sợi cacbon càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể và mức độ định hướng sợi, cũng như giảm các khuyết tật trên sợi. Cách tốt nhất để có được sợi cacbon định hướng cao là chọn sợi nguyên liệu định hướng cao, sau đó duy trì mức độ định hướng này trong quá trình ổn định và cacbon hóa. Sợi ARAMIT cơ tính cao: + Ưu điểm: -Độ bền kéo, độ bện cắt cao -Bền hóa học cao -Giãn nở nhiệt thấp, chống cháy tốt -Ổn định... + Nhược điểm: -Độ bền nén, độ bền uốn thấp. -Rất nhạy với biến dạng cắt giữa các lớp + Phạm vi ứng dụng: -Làm một số dụng cụ thể thao -Trong kỹ thuật người ta sử dụng hỗn hợp sợi thủy tinh-kevlar, cacbon-kevlar để chế tạo các thiết bị chống phóng xạ, chống nhiệt. + Phương pháp chế tạo sợi ARAMIT: Sợi được gia công nhờ phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp, sau đó kéo thành sợi trong dung dịch. Tiếp theo sợi được xử lý nhiệt để làm tăng modul đàn hồi. Sợi tổng hợp ổn định nhiệt: Nhờ phương pháp tổng hợp hóa học người ta thu được các loại sợi: - Sợi Kermel
-Sợi Nomex -Sợi Kynol -Sợi Apyeil Phương pháp chế tạo sợi tổng hợp ổn định nhiệt: Nhờ phương pháp tổng hợp hóa học, người ta thu được các sợi tổng hợp ổn định nhiệt. Kết hợp sợi này với nhựa ổn định nhiệt ta thu được vật liệu có cơ tính ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao.
