TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU
COMPOZIT NỀN EPOXY GIA
CƯỜNG BẰNG SỢI THỦY
TINH

JUNE 1, 2014

1

Lời mở đầu
Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với
hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao
thông vận tải… Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn đòi
hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kĩ thuật cao hơn ưu việt hơn. Ngành
công nghiệp vật liệu compozit có lịch sử từ rất lâu đời, tuy nhiên nó chỉ thực sự phát
triển mạnh mẽ và có nhiều phát triển vượt bậc vào khoảng 50 năm trở lại đây, đặc biệt
là vật liệu compozit nền polyme. Vật liệu compozit được ứng dụng cực kì rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực do các đặc tính ưu việt của nó so với loại vật liệu truyền thống như giá
thành hợp lí, cơ tính tốt…
Vật liệu polyme compozit là loại vật liệu được tạo thành từ hai loại cấu tử chính
là nhựa nền polyme và sợi gia cường. Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng
cho vật liệu polyme compozit là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit. Một trong những
vật liệu compozit nền polyme ra đời sớm nhất và được sử dụng nhiều nhất là compozit
nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh, do nó có giá thành khá rẻ, cơ tính cao, tính


3MỤC LỤC
Trang
Chương I. Tổng quan về vật liệu compozit 5
I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC) 5
1. Lịch sử phát triển 5
2. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC 6
2.1. Khái niệm 6
2.2. Thành phần vật liệu PC 6
2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC… 8
2.4. Phân loại ……………………………………………………………9
3. Tính chất và phạm vi ứng dụng 10
3.1.Tính chất chung của vật liệu PC 10
3.2.Phạm vi ứng dụng 10

II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit 11
1. Sự định hướng của sợi 11
2. Tương tác giữa nền và sợi 12
3 .Lượng sợi có trong vật liệu 13
4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn . 13
5. Kĩ thuật gia công 13


I. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC)
1. Lịch sử phát triển
Vật liệu PC đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và được con người sử dụng
rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đã thêm đá
nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co ngót khi
nung gạch, đồ gốm. Tại Ai cập khoảng 3000 năm trước công nguyên, người ta đã làm
vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm tubin . Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát sơn ta với mùn
cưa cũng là một thí dụ về vật liệu PC.
Mặc dù hình thành sớm như vậy nhưng việc chế tạo vật liệu PC mới thực sự
được chú ý trong khoảng 60 năm trở lại đây. Năm 1942 đã sản xuất được vật liệu PC
trên cơ sở nhựa polyeste không no. Năm 1944, đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng PC
cho máy bay và tàu phục vụ đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, chất lượng vật
liệu PC được nâng cao rất nhiều khi có sự ra đời của nhựa eposy và hàng loạt các sợi
gia cường như: sợi cacbon, sợi polyeste, nilong, aramit (kevlar), sợi silic…
Từ những năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ compozit nền chất dẻo và
sợi tăng cường có độ bền cao đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế
tạo chi tiết chịu lực trong ô tô, vật liệu xây dựng…
Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng,
cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện, chịu ăn mòn… mở rộng được lĩnh vực sử
dụng PC luôn được đặt ra. Đặc biệt việc nghiên cưú chế tạo loại vật liệu mới có khả
năng phân hủy nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cấp thiết hiện nay. 62. Khái niệm, thành phần, phân loại vật liệu PC
2.1. Khái niệm
Vật liệu PC được tạo thành từ sự kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau, tạo

2.3. Cơ chế gia cường vật liệu PC
Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường có cơ tính cao hơn rất nhiều so
với nền, bởi vậy năng lượng do ngoại lực tác động sẽ chuyển sang chất gia cường .
Vật liệu gia cường dạng sợi chịu ứng suất tốt hơn vật liệu gia cường dạng hạt,
do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, do đó
tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn so với vật liệu gia cường dạng hạt dưới tác dụng
của ngoại lực như nhau.
Khả năng truyền năng lượng do ngoại lực tác động từ vật liệu nền lên vật liệu gia
cường phụ thuộc vật liệu nền, vật liệu gia cường, kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật
liệu nền và vật liệu gia cường.

Hình 3: Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc vật liệu gia cường/ vật liệu nền. 92.4. Phân loại
Tùy thuộc vào bản chất các vật liệu thành phần, vật liệu PC đươc phân loại như
sau:
2.4.1. Theo bản chất vật liệu nền
- Nền polyme chiếm 90% trong tổng số các loại compozit.
- Nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim tital…) với vật liệu gia cường dạng sợi
kim loại, sợi khoáng.
- Nền gốm và thủy tinh: với vật liệu gia cường dạng sợi và hạt kim loại .
- Nền cacbon/graphit: là vật liệu chịu nhiệt rất tốt và cứng.

2.4.2. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường.
a) Compozit cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phần tử cốt hạt đẳng trục phân bố đều
trong nền. Các phần tử cốt rất đa dạng: các loại khoáng tự nhiên, oxit, cacbit, nitrit…

không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn, không cần sơn bảo vệ như
vật liệu gỗ, kim loại…
- Cách điện cách nhiệt tốt.
- Gia công, chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng.
- Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp.
3.2. Phạm vi ứng dụng:
Nhờ có nhiều tính năng ưu việt như khối lượng riêng thấp, có độ bền cao, chịu
môi trường tốt, có thể điều khiển được tính chất của vật liệu theo các hướng khác nhau
một cách dễ dàng… Được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
- Giao thông vận tải: vỏ ca nô, tàu biển…
- Vật liệu điện: ấm cách điện, vỏ các thiết bị điện…
11- Vật liệu xây dựng: kết cấu nhà lắp ghép, đá ốp lát, tấm lợp…
- Vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, van, bể điện phân…
- Vật liệu gia dụng:bàn, ghế, giá, tấm trần, tấm cách âm…
- Vật liệu PC cao cấp:dùng trong hàng không, vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp…

II. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu compozit
1. Sự định hướng của sợi Hình 4: Ảnh SEM và mô phỏng một cách sắp xếp sợi trong compozit.

Sự định hướng của sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu compozit.
Thông thường khi chế tạo vật liệu compozit người ta sẽ bố trí các lớp gia cường có góc
lệch với nhau nhằm đạt tính chất cao nhất có thể về mọi hướng. Trên hình H.3 là một
hình mô phỏng về định hướng sợi trong vật liệu compozit trong công trình nghiên cứu
của GS. David cùng các cộng sự tại Đại Học Califoria, Hoa Kì. Ông cùng các cộng sự

càng lớn, hạn chế được sự tồn tại các rỗ khí, khoảng trống trong vật liệu và dẫn tới
vật liệu càng bền.

13 Diện tích tiếp xúc: Sợi có tiết diện càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nền và sợi
càng lớn, từ đó tính chất của sợi càng được nâng cao. Tuy nhiên, tiết diện sợi nhỏ
quá gây khó khăn cho quá trình thấm ướt sợi.
3. Lượng sợi có trong vật liệu
Khi chế tạo người ta sẽ cố gắng nâng cao tỉ lệ sợi trong vật liệu, tỉ lệ sợi càng cao
thì cơ tính của vật liệu càng tăng. Tuy nhiên lượng sợi phải hợp lí để cho nhựa nền có
thể thấm ướt đều lên sợi, tránh tình trạng nhựa không đủ dẫn tới không có nhựa, mất
kết dính, tồn tại khuyết tật.
4. Tỉ lệ chất đóng rắn, thời gian, nhiệt độ đóng rắn, loại chất đóng rắn
Chất đóng rắn tham gia trực tiếp vào cấu trúc, thành phần của nhựa nền, do vậy
nó không chỉ có nhiệm vụ là tạo mạng không gian ba chiều đơn thuần mà nó còn giúp
biến tính nhựa nền. Bởi vậy, việc lựa chọn chất đóng rắn là rất quan trọng trong chế tạo
compozit. Các chất đóng rắn khác nhau, có yêu cầu về nhiệt độ, thời gian đóng rắn khác
nhau. Ngay cả với cùng một chất đóng rắn thì việc thay đổi nhiệt độ, thời gian đóng rắn
có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của vật liệu. Nếu thời gian đóng rắn ngắn quá thì dẫn
tới sự co ngót, cong vênh sản phẩm, thiếu hụt… do không đủ thời gian gia công, các
chất bốc hơi không kịp thoát ra…Đối với nhiệt độ cũng vậy, hơn nữa nhiệt độ cũng có
ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian đóng rắn. Nói chung, tùy vào yêu cầu kĩ thuật của vật
liệu mà ta có sự lựa chọn chất đóng rắn, nhiệt độ, thời gian đóng rắn cho phù hợp.
5. Kĩ thuật gia công
Hiển nhiên là kĩ thuật gia công có ảnh hưởng cực kì quan trọng tới tính chất của
sản phẩm, trong nhiều trường hợp đó còn được coi như là một bí quyết công nghệ tạo
nên sự khác biệt rất lớn về tính chất của sản phẩm giữa các công ty sản xuất. Nhưng
nói chung trong gia công thường người ta cố gắng đảm bảo một số yếu tố sau đây:

hiện nay đang có rất nhiều các sợi gia cường có khả năng phân hủy đang được
nghiên cứu.

2. Nhựa nền epoxy
Nhựa epoxit (được biết đến cái tên nhựa epoxy, đôi khi còn gọi là nhựa etoxylin)
đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polyme. Nhóm này
thường nằm ở cuối mạch. Phần phi epoxy của phân tử có thể là hydrocacbon no,
hidrocacbon mạch vòng no hoặc hydrocacbon thơm.
Nhựa epoxy-dian chiếm 80-90% tổng sản lượng epoxy. Khoảng 25% trong số đó
được sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu compozit có độ bền cao.
2.1 Tổng hợp nhựa epoxy
Nhựa epoxy-dian chủ yếu được tổng hợp từ epyclohydrin với các hợp chất cho
proton và nhóm epoxy ở đầu mạch với hợp chất cho proton (chẳng hạn bisphenol A).
Đó là phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2, 3, 4… Công
thức tổng quát của nhựa epoxy-dian có dạng:
C
CH
3
CH
3
O-CH
2
-CH-CH
2
OH
O
n

CH
2

C :
HO
OH
C = O
CH
3
CH
3
+
+
HO
C
CH
3
CH
3
OH
+
H
2
O
xt
(1)

Phenol và axeton là những nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A được sản xuất dễ
dàng. Điều đó giải thích tại sao nhựa epoxy lại được sử dụng rộng rãi hơn các loại nhựa
khác. Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn tại bột màu trăng, không tan trong
nước, tan trong axeton và rươu, có nhiêt độ nóng chảy 153 - 155
0
C.

2
Cl - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
+
H Cl
OH
(3)

Cl - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
OH
+
NaOH
CH
2
- CH - CH
2
- Cl
+
NaCl
+
H
2
O

2
O
xt
(5)

CH
2
- CH - CH
2
Cl
OH
Cl
+
NaOH
Cl - CH
2
- CH - CH
2
O
+
NaCl
+
H
2
O
(6)

ECH là chất lỏng không màu, mùi hắc, tỷ trọng 1,18 (g/ml), nhiệt độ sôi 117 -
118
0

C
CH
3
CH
3
O - CH
2
- CH - CH
2
- Cl
Cl - CH
2
- CH - CH
2
- O
OH
OH
(7)Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chậm và thu nhiệt
(H=29Kcal/mol):
18C
CH
3
CH
3

NaCl
H
2
O
+
2
2
+ +
(8)

Diglyxydylete.
Diglyxydylete(DGE) nhận được với tỷ lệ mol epiclohidrin và bisphenol A (DPP)
là 2/1. Tuy nhiên, thực nghiệm chỉ ra rằng khi tỷ lệ 2/1 thì hiêu suất tạo DGE<10%. Do
đó thực tế tỷ lệ mol ECH/DPP<2.
Tiếp theo phát triển mạch do DPP cộng hợp vào nhóm epoxy của olygome DGE.
DGE
DPP
+
NaOH
CH
2
- CH - CH
2
- O - R - O - CH
2
- CH - CH
2
- O - R - OH
OH
O


19C
CH
3
CH
3
O-CH
2
-CH-CH
2
OH
O
n

CH
2
-CH-CH
2
O
O
C
CH
3
CH
3
O-CH
2

100.1
16
HLOE
43
16.HLE
20Sự liên quan giữa hàm lượng nhóm epoxy (HLE) và đương lượng epoxy (ĐLE)
theo công thức sau:
HLE =
Chú thích: 43- khối lượng phân tử của nhóm epoxy
Ngoài ra còn một vài thông số kỹ thuật khác thường được giới thiệu cho một loại
nhựa epoxy như: độ nhớt, chỉ số khúc xạ, đương lượng hydroxy.
2.3. Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy
a) Tính chất
Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn tồn tại ở dạng tiền polyme, tùy thuộc khối lượng
phân tử mà nhựa epoxy ở dạng lỏng (M<450), đặc(M<800) đến rắn (M>800); có thể
tan tốt trong các dung môi hữu cơ xeton, hydrocacbon.
Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ: xeton, axetat, hydrocacbon clo
hóa, dioxan… Nhựa epoxy không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng
(white spirit,xăng, ).Có khả năng phối trộn với các nhựa khác như ure focmandehyt,
polyeste, nitroxelulo, hoặc các epoxy khác.
Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, có trọng lượng
phân tử cao hơn, có tính chất cơ lý tốt hơn, khi tác dụng với các chất đóng rắn. phản
ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. Nhựa epoxy đã đóng
rắn cứng và giòn, nhưng độ bền của nhựa phụ thuộc vào chiều dài, bản chất của đoạn
mạch polyme nằm giữa hai nhóm epoxy; polyme có mạch dài sẽ bền hơn so với polyme
có mạch ngắn hơn cùng loại, tuy nhiên lại có mật độ liên kết ngang thấp hơn, nhạy hơn
đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệt kém hơn.

đến 200
0
C .
Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các chất chứa nguyên tử
hoạt động và trùng hợp của nhóm epoxy theo cơ chế ion. Cả hai phản ứng đều dẫn tới
hình thành polyme có khối lượng phân tử cao hơn. Xuất phát từ cơ chế tác dụng của
nhựa epoxy, các chất đóng rắn cũng được phân thành hai nhóm chính:
22- Đóng rắn nhờ theo cơ chế cộng hợp: các hợp chất đa chức hoạt động như các
amin bậc 1, bậc 2, anhydrit của axit hữu cơ.
- Đóng rắn theo cơ chế trùng hợp: trên cơ sở của các bazo và axit Lewis.
2.4.1 Chất đóng rắn cộng hợp
Là các chất có chứa nguyên tử hydro hoạt động như: polyaxit, polymecaptan,
polyphenol, amin….
a) Chất đóng rắn amin
Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ biến
nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy.
Chất đóng rắn amin bao gồm các chất khác nhau chứa các nhóm amin tự do:
amin thẳng, vòng, dị vòng và polyamin thơm, sản phẩm biến tính amin cũng như các
oligome amitamin có nhóm amin ở cuối mạch.
Khi dùng chất đóng rắn loại amin có nhóm - NH
2
thì nguyên tử H của nhóm
amin sẽ tạo thành với O của nhóm epoxy những nhóm hydroxyl mới như sau:
C
CH
3
CH

- R - O
O
OH

Cấu tạo của nhựa epoxy sau khi đóng rắn bằng amin như sau:
23
Trong đó R là:

Đặc điểm của quá trình đóng rắn này là không sinh ra sản phẩm phụ, các chất
bay hơi. Các chất đóng rắn amin thực tế có khả năng đóng rắn tất cả các dạng nhựa
epoxy, ngoại trừ epoxy este và epoxy vòng béo (xycloaliphatic epoxy), trong vùng nhiệt
độ từ 0
0
C đến 150
0
C.
Mặc dù có hoạt tính cao, một vài chất đóng rắn amin, khi đóng rắn ở nhiệt độ
thấp (0
0
C-20
0
C) thường phải bổ sung chất xúc tiến như rượu, mercaptan, phenol, axit
cacboxylic.
Một số chất đóng rắn amin điển hình gồm:
Polyamin mạch thẳng: Các polyamin mạch thẳng là sản phẩm phản ứng giữa
amoniac và dicloetan, được sử dụng rộng rãi để đóng rắn nhựa epoxy:
Đietylentriamin (DETA)

-CH - CH
2
- R - N - . . .
OH
OH
(CH
2
)m
(CH
2
)m
(CH
2
)m
. . . - N - . . .
(CH
2
)m
. . . N - . . .
O - CH
2
- CH - CH
2
C
CH
3
CH
3
O
OH

2
– CH
2 –
NH )
n
– CH
2
–CH
2
– NH
2
Đặc điểm của quá trình đóng rắn bằng amin mạch thẳng:
- Quá trình đóng rắn xảy ra rất nhanh ngay ở nhiệt độ thường và tỏa nhiệt nên
chỉ có thể đưa chất đóng rắn vào nhựa epoxy ngay trước khi sử dụng:
 Lượng amin cho vào phải chính xác, làm sao cho một nguyên tử hydro hoạt động
của nhóm amin tương ứng với một nhóm epoxy, vì nếu dư hay thiếu sẽ ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm. Khi cho dư amin thì các nhóm epoxy sẽ kết hợp với các
amin nay và hạn chế khả năng tạo cấu trúc không gian, và nếu thiếu amin thì cấu
trúc tạo lưới cũng kém chặt chẽ.
 Các loại amin này độc và có tác dụng ăn mòn kim loại nên việc sử dụng chúng bị
hạn chế nhiều.
 Nhựa sau khi đóng rắn có độ mềm dẻo không cao do sự phân bố các nhóm hoạt
tính quá gần nhau dẫn tới khoảng cách của các mắt xích rất nhỏ, làm giảm độ linh
động .
b) Chất đóng rắn axit và anhydrit axit
Vật liệu chế tạo từ nhựa epoxy glyxydylete đóng rắn bằng axit, anhydrit axit có
tính chất cơ học, điện, bền nhiệt cao hơn hẳn so với hệ epoxy-amin. Trong công nghệ
vật liệu epoxy đóng rắn bằng axit và anhydrit axit có thể sử dụng xúc tác hoặc không
N - CH
2