Đồ án tốt nghiệp 1 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
KHOA HÓA
NGÀNH CÔNG NGHỆ POLYME
o0o o0o
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Lê Ngọc Thường.
Lê Thị Thu Trang.
Lớp: 04H4.
1. Tên đề tài
Nghiên cứu sử dụng chất độn vô cơ nhôm oxit nhằm nâng cao khả năng
chịu nhiệt cho vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường
bằng sợi thủy tinh.
2. Nội dung thuyết minh
Mở đầu
Chương 1: Lý thuyết tổng quan
- Vật liệu composite
- Vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyester gia cường bằng
sợi thủy tinh
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Nội dụng nghiên cứu
- Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ cần thiết
- Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận
Tài liệu tham khảo
3. Ngày giao nhiệm vụ: 15/2/2009
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/06/2009
Giáo viên hướng dẫn


1.1.1. Khái niệm vật liệu composite 3
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển 3
1.1.3. Đặc điểm tính chất của vật liệu composite 5
1.1.4. Phân loại vật liệu composite 7
1.1.5. Thành phần chính cấu tạo nên vật liệu composite polyme 9
1.1.6. Cơ chế gia cường của vật liệu composite 16
1.1.7. Các phương pháp gia công vật liệu composite 18
1.2. Vật liệu composite trên cơ sở nhựa UPE gia cường sợi thủy tinh 20
1.2.1. Tổng quan 20
1.2.2. Nhựa nền cho vật liệu composite –Polyeste không no 21
1.2.3. Gelcoat 34
1.2.4. Sợi thủy tinh 36
1.2.5. Chất độn Al
2
O
3
42
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46
2.1. Nội dung nghiên cứu 46
2.2. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị nghiên cứu 46
2.2.1. Nguyên liệu 46
2.2.2. Hóa chất 49
2.2.3. Dụng cụ và thiết bị 49
2.3. Phương pháp nghiên cứu 49
2.3.1. Phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite 49
2.3.2. Phương pháp xác định dộ bền cơ học 57
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 4 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
2.3.3. Phương pháp xác định độ bền môi trường 60
2.3.4. Phương pháp xác định độ bền nhiệt 61

3
74
3.4.4. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
4
75
3.4.5. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
5
75
3.4.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
6
76
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 5 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
3.4.7. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
7
76
3.4.8. Tối ưu hóa hàm mục tiêu y
8
77
3.5.So sánh tính chất cơ lý của mẫu không độn và mẫu có độn 77
3.5.1. So sánh độ bền cơ học của mẫu không độn và mẫu có độn 78
3.5.2. So sánh độ bền nhiệt của mẫu không độn và mẫu có độn 80
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền của vật liệu 82
3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường nước biển 82
3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường nước máy 83
3.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu
trong môi trường HCl 15% 84
3.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu

Oxit nhôm là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật cũng như
trong đời sống. Việc bổ sung chất độn Al
2
O
3
trong vật liệu composite là một
hướng đi nhằm khắc phục những nhược điểm của loại vật liệu này. Do đó nó
được chọn làm chất độn cho vật liệu composite trong đề tài nghiên cứu này,
góp phần cải thiện tính chịu nhiệt đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu này.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của chất độn vô cơ Al
2
O
3
đến tính chất cơ lý của vật
liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thủy tinh
và đánh giá chất lượng lớp gelcoat sử dụng các chất tạo màu khác nhau.
3.Nội dung nghiên cứu:
-Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, độn đến tính chất cơ lý của vật
liệu composite.
-Khảo sát độ bền trong các môi trường khác nhau của vật liệu composite.
-Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền của vật liệu composite.
- So sánh tính chất cơ lý của vật liệu composite không độn với loại vật liệu
composite có độn.
- Khảo sát cấu trúc bề mặt vật liệu và sự phân bố của độn trong thành phần
của composite dưới kính hiển vi điện tử.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 8 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
- Khảo sát ảnh hưởng của một số loại chất màu đến tính chất của lớp
gelcoat.

Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này đã
được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến
phục vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950 bước đột phá quan trọng
trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia
cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền
chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân
dụng, y tế, thể thao, quân sự vv [5]
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 10 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của vật liệu composite [10]
Năm Vật liệu
5000 Tr CN Cây cối giấy/nhựa thông (tàu thuyền)
1500 Tr CN Tấm trang trí bằng gỗ
1909 Composite nền phenolic
1928 Composite nền ure formaldehit
1938 Composite nền melamin formaldehit
1942 Polyeste gia cường sợi thủy tinh
1946 Composite nền nhựa epoxy
1946 Nylon gia cường sợi thủy tinh
1951 Polystyrene gia cường sợi thủy tinh
1956 Composite Phenolic-sợi khoáng amiăng
1964 Nhựa gia cường sợi cacbon
1965 Nhựa gia cường sợi bo
1969 Composite gia cường hỗn hợp sợi cacbon/thủy
tinh
1972 Nhựa gia cường sợi aramit
1975 Composite gia cường hỗn hợp sợi
aramit/cacbon
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được
nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp

trượt, máng trượt (cho công viên nước), bể bơi, bồn tắm, kiốt, trang trí nội thất,
ngoại thất, các công trình cho công viên, đồ chơi trẻ em, tấm lợp nhà máy, nhà
dân, các loại bể xí tự hoại, toilet lưu động phục vụ đô thị, nông thôn, công
trường, nhà máy. Các loại bồn chứa đặt dưới đất hoặc trên tháp cao với dung
tích hàng trăm mét khối. Chống thấm, dột, bọc vỏ tàu gỗ, v.v… [1]
1.1.3. Đặc điểm, tính chất của vật liệu composite:
Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm: [2]
 Là vật liệu nhiều pha. Các pha tạo nên composite thường khác
nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau
bằng ranh giới pha. Trong thực tế phổ biến là loại composite hai
pha. Pha liên tục trong toàn bộ khối vật liệu composite được gọi
là nền. Pha phân bố gián đoạn, được nền bao bọc gọi là cốt.
 Trong composite tỉ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân
bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước.
 Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính
chất chung của composite. Tuy nhiên tính chất của composite
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 12 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng
đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy
thêm.
Vật liệu composite rất phong phú, đa dạng và được sử dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống do các đặc điểm ưu việt của nó như
sau:
 Tỷ số tính năng cơ lý/giá thành và tỷ số tính năng cơ lý/khối
lượng cao hơn sắt thép rất nhiều lần.
 Nhẹ hơn nhôm.
 Phương pháp gia công chế tạo đơn giản, đa dạng.
 Dễ tạo hình, thay đổi, sửa chữa.
 Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.

)
Độ bền kéo riêng (kG/mm
2
)
Độ bền nhiệt (
o
C)
7,85
21100
61,2 – 209
12 – 28
11
2691,1
7,8 – 26,6
800
1,93
3873,6
70,45
1,8
11
2008,2
38,76
250
1,93
1019,4
2,243
0,2
-
-
-

Đồ án tốt nghiệp 14 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng

Dạng hạt Sợi cắt ngắn sắp Hỗn hợp sợi và hạt Dạng vảy và mảnh
xếp hỗn độn

Sợi ngắn sắp xếp Sợi đơn được quấn Sợi đơn được quấn Sợi dệt trơn và
định hướng đơn hướng theo hình trụ sợi dệt chéo

Dạng tấm Sợi hỗn hợp sắp xếp Sợi dệt hỗn hợp Cấu trúc mạng
hỗn độn lưới thâm nhập
1.1.4.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền:
Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu nền, vật liệu composite được chia thành
ba nhóm chính sau:
 Composite nền polymer cùng với vật liệu gia cường dạng:
- Sợi hữu cơ: polyamide, polyester
- Sợi khoáng: thủy tinh, cacbon…
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
 Composite nền kim loại (hợp chất Titan, hợp chất nhôm…) với vật
liệu gia cường dạng:
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
- Sợi khoáng: thủy tinh, cacbon…
 Composite gốm (ceramic) với vật liệu gia cường dạng:
- Sợi kim loại: Bo, nhôm…
- Hạt kim loại: chất gốm kim…
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 15 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Sợi thủy tinh:
Hình 1.3: Sợi thủy tinh [11]
Sợi cacbon:
Hình 1.4: Sợi cacbon [11]

lại
 Tuy nhiên nhựa nhiệt dẻo có cơ tính và khả năng chịu nhiệt thấp,
vì vậy trong công nghiệp người ta ít dùng nhựa nhiệt dẻo.
b. Nhựa nhiệt rắn:[5]
Các loại nhựa nhiệt rắn chính thường hay sử dụng trong vật liệu
composite là : nhựa polyeste không no, epoxy, vinyleste,…
 Nhựa UPE:
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 17 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau,
mỗi loại có những tính chất khác nhau. Chúng có thể rất khác nhau trong các
loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố :
+ Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ xúc tác sử dụng)
+ Phương pháp tổng hợp
+ Trọng lượng phân tử
+ Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)
+ Hệ chất độn
Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa
UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite:
Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa
isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem 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. 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

- Dễ bị nứt
- Độ co ngót cao
- Khả năng chịu hơi nước, nước nóng kém
- Bị hư hại dưới tác dụng của tia cực tím
- Dễ bắt lửa
- Chịu nhiệt độ trung bình (dưới 120
o
C)
 Nhựa Epoxy:
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 19 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nhựa
epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt.
Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất
cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt
tốt. Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng rắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất
đóng rắn sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra
phản ứng hoá học tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều.
Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp
xử lý bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn.
Hình 1.9: Sản phẩm composite nhựa nhiệt rắn trên cơ sở nhựa epoxy [16]
Nhựa epoxy có những ưu, nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Cơ tính cao hơn UPE
- Chịu được nhiệt độ cao
- Độ bền hóa học rất cao
- Độ co ngót thấp
- Thẩm thấu vào vào sợi, vải rất tốt
- Độ bám dính với kim loại cao
* Nhược điểm:

- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ.
- Khả năng phân tán nhựa.
- Khả năng truyền và giải nhiệt.
- Giá thành hạ, dễ kiếm, ít độc hại.
- Tỷ trọng thấp.
- Tính thuận lợi cho quá trình gia công.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 21 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Tùy thuộc vào yêu cầu đối với từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta
chọn vật liệu gia cường cho thích hợp, thường có hai dạng và dạng sợi.
a. Vật liệu gia cường dạng sợi:
Vật liệu gia cường dạng sợi có tính năng cơ lý cao hơn độn dạng hạt, tuy
nhiên giá thành cũng cao hơn và thường dùng để chế tạo vật liệu cao cấp.
Theo nguồn gốc có thể phân loại sợi như sau:
 Sợi tự nhiên:
- Sợi thực vật: thành phần chủ yếu là xenluloza. Ví dụ như sợi
bông, lanh, đay, dứa…
- Sợi gốc động vật: thành phần chủ yếu là protein. Ví dụ như
len, lụa, vải nỉ, lông lạc đà, sơi casein, sợi aliginat…
- Sợi gốc khoáng: sợi amiăng,
 Sợi tổng hợp:
- Sợi trên cơ sở polymer hữu cơ nhân tạo: tơ nhân tạo, sợi
vitxcô, sợi nitroxenluloza, sợi axetatxenluloza, sợi
triaxetatxenluloza…
- Sợi trên cơ sở polymer hữu cơ tổng hợp: sợi acrylic, sơi
nylon, sợi polyester, sợi polyvinylalcol, sợi aramide
- Sợi trên cơ sở các chất vô cơ: sợi thủy tinh, sợi gốm, sợi
cacbon, sợi Bo…
Chỉ có một vài loại sợi được sử dụng để chế tạo vật liệu
composite. Phổ biến nhất là sợi thủy tinh, ngoài ra còn có sợi

Vai trò của vật liệu gia cường dạng hạt cũng như dạng sợi là những điểm
chịu ứng suất tập trung do nhựa truyền sang khi có ngoại lực tác dụng. vì thế
vật liệu gia cường thường có cơ lý tính cao hơn vật liệu nền rất nhiều, nên làm
cho tính năng của vật liệu composite được cải thiện đáng kể.
Vấn đề đạt ra ở đây là phải có sự truyền tải ứng suất từ nhựa lên vật liệu
gia cường cho tốt. Điều đó quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt vật liệu gia
cường và nền.
Trong đó thành phần, cấu trúc bề mặt vật liệu gia cường, thành phần và
bản chất của nền là những yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tương tác đó.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 23 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Hình dạng, kích thước vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể. Đối với vật liệu
gia cường dạng sợi, sự truyền tải ứng suất xảy ra dễ dàng hơn so với dạng hạt.
điều này là vì ứng suất nhựa truyền đến một điểm bất kỳ trên chiều dài sợi sẽ
được phân bố đều trên khoảng chiều dài tới hạn, nên mỗi điểm sẽ chịu ứng suất
nhỏ hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng hạt khi cùng chịu chung một
tác dụng như vậy.
Với giả thiết vật liệu composite gia cường dạng sợi như sau:
 Nhựa và sợi là vật đàn hồi.
 Bề mặt tiếp xúc là một lớp vô cùng bé.
 Vật liệu tăng cường là vật liệu đẳng hướng, đồng nhất về lực tác
dụng.
 Sợi được tách ra ở dạng sơ cấp.
Dựa trên lý thuyết kết dính cho thấy giữa sợi và nhựa tồn tại những mối
liên kết như sau:
+ Liên kết cơ học: Liên kết cơ học giữa nền và cốt thực hiện nhờ lực lực
ma sát do sự mấp mô bề mặt của nền và cốt hoặc do lực ma sát.
Composite có liên kết dạng nền thường kém bền khi chịu lực nén dọc
hoặc kéo ngang sợi cốt.
+ Liên kết thấm ướt: Liên kết này thực hiện nhờ sức căng bề mặt đối với

a. Gia công bằng tay (hand lay- up)
Phương pháp này ra đời sớm và đơn giản nhất. Khuôn dùng có thể lồi
hoặc lõm. Đầu tiên quét lớp chống dính. Dùng cọ quét nhựa lên khuôn. Tiếp
đến đặt vải lên. Sau đó dùng con lăn lèn chặt. Lần lượt đắp các lớp vải, sợi cho
đến khi đạt yêu cầu.
Hình 1.11. Gia công bằng phương pháp lăn tay [18]
b. Đúc bắn đồng thời (spray-up)
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4
Đồ án tốt nghiệp 25 GVHD: ThS. Phan Thị Thúy Hằng
Sợi được cắt ngắn và phun cùng với nhựa tuần tự cho đến khi đạt chiều
dày theo yêu cầu. Phương pháp này sử dụng cho sợi dạng cắt ngắn hoặc dạng
vụn. Do đó tính chất cơ lý của vật liệu composite không cao.
Hình 1.12. Gia công bằng phương pháp phun bắn đồng thời [19]
c. Đúc chân không
+ Đúc chân không dạng túi (vaccum bag)
Khuôn được làm bằng vật liệu cứng. Trước tiên tạo lớp lót. Sau đó đặt
vải và cấp nhựa. Đóng khuôn đúc và cho bơm chân không hoạt động làm cho
áp suất giảm giúp cho nhựa được trải đều và đẩy bọt khí ra khỏi nhựa.
Hình 1.13. Gia công bằng phương pháp đúc chân không [2]
+ Đúc chân không dạng hút
Khuôn đúc được phủ các lớp cốt. Sau đó nhựa được hút vào khoảng hai
chi tiết của khuôn đúc: khuôn trên và khuôn dưới, làm cho lớp sợi sát vào
khuôn và đẩy bọt khí ra.
1.1.7.2. Gia công dưới áp suất
a. Đúc phun nhựa
Trong các phương pháp gia công vật liệu nhựa nhiệt dẻo có cốt thì
phương pháp đúc phun là phổ biến nhất.
SVTH: Lê NgọcThường – Lê Thị Thu Trang _04H4

Trích đoạn Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi, hàm lượng độn đến So sánh độ bền cơ học của mẫu không độn và mẫu có độn So sánh độ bền nhiệt của mẫu không độn và mẫu có độn Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ bền vật liệu

---