Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Lời mở đầu
Nhân loại đang bớc vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với
hàng loạt thành tựu to lớn đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, giao thông
vận tải, kinh tế cũng nh trong đời sốngMột trong những thành tựu đó là sự ra đời
và phát triển của vật liệu compozit. Vật liệu compozit ra đời đáp ứng đợc nhu cầu
to lớn về một loại vật liệu mới có khả năng kết hợp đợc những tính chất mà vật
liệu truyền thống riêng rẽ không có đợc , tạo ra một loại vật liệu có nhiều tính chất
u việt nh: nhẹ, bền, có nhiều tính chất chuyên dụng, dễ gia côngNhững vật liệu
này đang dần thay thế những vật liệu truyền thống để chế tạo các chi tiết máy và
các kết cấu, kể cả các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng nh các sản phẩm dân dụng
Vật liệu compozit đợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất là polyme
compozit. Sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu polyme compozit gia cờng bằng sợi
tổng hợp cũng đặt ra những thách thức to lớn đối với nhân loại do sự gia tăng lợng
chất thải khó phân huỷ vào môi trờng. Chính vì vậy, trong khoảng mời năm trở lại
đây, việc sử dụng sợi tự nhiên để thay thế một phần hoặc toàn bộ cho sợi tổng hợp
đã đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. ở Việt Nam, lanh là một loại sợi
tự nhiên dễ kiếm và có giá thành hợp lý, một nguồn nguyên liệu tự nhiên có khả
năng tái tạo và phân huỷ sinh học. Việc mở rộng nghiên cứu ứng dụng loại sợi tự
nhiên này vào lĩnh vực vật liệu polyme compozit với các loại nhựa nền khác nhau
là một hớng ứng dụng mới không những đem lại hiệu quả kinh tế cao mà còn góp
phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trờng[1].Trên cơ sở đó đã hình thành đồ án:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy-
novolac, epoxy-cacdanol gia cờng bằng sợi lanh .
Nhiệm vụ chủ yếu của đồ án là:
- Tổng hợp và phân tích hai loại nhựa: nhựa novolac và nhựa epoxy
cacdanol.
1
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44

tạo từ compozit nền chất dẻo và sợi tăng cờng có độ bền cao đã đợc sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo ô tô, làm vật liệu xây dựng và những
ngành kỹ thuật cao nh hàng không, vũ trụ[17]
Mặc dù vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lợng, cải thiện tính chất cơ lý,
tính chất nhiệt, điện, mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn đợc
đặt ra.
Trong thời gian tới vật liệu PC sẽ đợc phát triển theo các xu hớng sau:
3
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
- Thay thế thép:sự thay thế thép bằng vật liệu PC có liên quan đến các tính
chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng. Nhờ những tính chất u việt, vật liệu PC
cho phép đạt đợc độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép.
- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền: kết quả nghiên cứu trong
nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền
của chúng tăng lên.Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết
và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật.
- Đa dạng hoá nền polyme và chất tăng cờng: trong những năm gần đây trên
thế giới, cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã đợc sử dụng rộng rãi nh epoxy,
polyeste không no, phenol-fomandehyt ngời ta đã sử dụng rất có hiệu quả các
loại nhựa nhiệt dẻo nh polyolefin, polyamit, polycacbonat.
- Phối hợp giữa các vật liệu polyme, kim loại và gốm. [2]
I.1.2. Đặc điểm chung và phân loại vật liệu PC
I.1.2.1. Đặc điểm chung
Vật liệu compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn
nhận đợc bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản
chất [3]. Vật liệu PC là hệ thống hai hay nhiều pha, khác nhau về bản chất hoá
học, gần nh không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, trong
đó pha liên tục hay nền là polyme, pha phân tán là phụ gia tăng cờng. Ngoài ra,
còn có một số hợp chất khác nh chất tạo màu, chất tăng cờng đặc biệt [3,4,5]

+ Nền kim loại.
+ Nền polyme.
+ Nền gốm và thuỷ tinh.
+ Nền cacbon/graphit.
- Theo đặc điểm hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, đây cũng là ph-
ơng pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phơng pháp này vật liệu PC đợc chia
thành ba nhóm:
+ PC cốt hạt: Các phần tử chất độn không có kích thớc u tiên đợc phân tán
vào cấu trúc của mạng polyme. Vật liệu PC cốt hạt thờng có tính đẳng hớng. Cốt
hạt gồm hạt thô và hạt mịn.
5
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
+ PC cốt sợi: Cốt sợi có tỷ lệ chiều dài trên đờng kính khá lớn. Vật liệu PC
cốt sợi thờng có tính chất dị hớng. Cốt sợi gồm sợi ngắn, sợi trung bình, sợi dài.
+ PC cấu trúc: Khái niệm này dùng để chỉ các bán thành phẩm trong đó
thông dụng nhất là dạng lớp và dạng tổ ong, đợc cấu thành từ các vật liệu đồng
nhất, phối hợp với các compozit khác. Vật liệu PC cấu trúc có tính chất kết hợp
của các nguyên liệu thành phần.
- Ngoài ra còn có thể phân loại theo phạm vi ứng dụng hoặc theo phơng
pháp gia công.
I.1.3. Các thành phần chính của vật liệu PC
I.1.3.1. Cốt cho vật liệu PC
Trong vật liệu PC cốt là thành phần có tác dụng chịu ứng suất tập trung do
cơ tính cao hơn nhựa nền. Do đó thành phần cốt phải thoả mãn đợc những đòi hỏi
về khai thác và công nghệ:[6].
Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi nh yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối l-
ợng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trờng
axit, kiềm
Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để

dụng của tia cực tím, chống lão hoá Các hợp chất này thờng có tỷ lệ nhỏ, ở dạng
bột mịn và đợc đa vào nh một thành phần của nhựa nền [5] . Các chất gia cờng
dạng bột thờng gặp là bột gỗ, bột talc, bột CaCO3.
Vật liệu gia cờng bằng cốt dạng sợi có tính dị hớng. Độ bền theo phơng
song song với phơng sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phơng khác. Sợi gia c-
ờng thờng đợc xử lý bề mặt trớc khi sử dụng nhằm tăng cờng khả năng liên kết
giữa cốt và nhựa nền. Phơng pháp xử lý bề mặt phổ biến nhất là dùng chất liên kết
đóng vai trò chất trung gian liên kết giữa nền và cốt. Nói chung chất liên kết phải
có khả năng phản ứng với nhựa nền trong quá trình đóng rắn và phản ứng với các
nhóm chức hoạt động trên bề mặt cốt. Xu hớng hiện nay trong vật liệu PC là
chuyển sang sử dụng chất gia cờng dạng sợi. Trong những sợi mảnh, độ bền gần
đạt tới giá trị lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. Sợi
sử dụng làm cốt gia cờng trong vật liệu PC có thể là dạng sợi liên tục, sợi cacbon,
sợi aramit hay sợi Kevlar, sợi Bo, sợi có nguồn gốc thực vật
I.1.3.2. Nền cho vật liệu PC [3,4,5,6,14]
7
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu
compozit. Trong vật liệu PC nền polyme đóng những vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất.
- Tạo khả năng gia công vật liệu PC thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các phá huỷ cơ học và hoá học, duy trì tính toàn
vẹn và hình dạng của các thành phần.
- Truyền ứng suất tập trung lên chất độn thờng có cơ tính cao hơn, nhờ đó
làm giảm độ nhạy cảm với quá tải cục bộ do tập trung ứng suất. Nh vậy hệ số an
toàn khi sử dụng vật liệu PC nói chung cao hơn vật liệu truyền thống.
- Nền còn ảnh hởng lớn tới các đặc tính sử dụng của vật liệu PC nh : nhiệt
độ làm việc, độ bền mỏi, khối lợng riêng, độ bền riêng, khả năng chống lại tác
dụng của môi trờng ngoài

nhiều. Tuy nhiên, nhiều vấn đề về các hiện tợng biên vẫn còn ở giai đoạn nghiên
cứu và có nhiều ý kiến khác nhau về các vấn đề đó.
Cho đến gần đây, một hớng giải quyết đợc đề nghị khá nhiều là sử dụng sợi
hai lớp hay phủ lên chất tăng cờng một lớp đệm mềm dẻo. Thông thờng các chất
gia cờng dạng bột và sợi đều đợc xử lý bề mặt trớc khi sử dụng. Phổ biến nhất là
xử lý bằng các chất liên kết lên bề mặt chất gia cờng để tạo nên một lớp chuyển
tiếp giữa chúng và nền polyme. Mặc dù vấn đề này còn nhiều tranh luận nhng
nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chất liên kết là chất chứa một loại nhóm chức có
khả năng phản ứng với nền polyme trong quá trình đóng rắn và chứa một loại
nhóm chức khác có khả năng phản ứng với các nhóm hoạt động trên bề mặt chất
gia cờng, ví dụ nhóm OH trên bề mặt thuỷ tinh.[2]
I.1.4. Tính chất và ứng dụng của vật liệu PC
I.1.4.1. Tính chất
Tính chất chung của vật liệu PC là sự chọn lọc và phát huy những tính chất
của các pha thành phần. Tính chất của cấu tử polyme trong vật liệu PC phụ thuộc
vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác dụng lên.
9
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
Tính đàn nhớt của polyme cũng tạo nên đặc tính của compozit nh tính rão, hồi
phục ứng suất và sự tiêu tán năng lợng có thể dẫn tới sự sinh nhiệt bên trong vật
liệu. Đối với vật liệu PC cần quan tâm một số tính chất sau: modun xé rách và hệ
số Poisson đặc trng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo, nén cho
biết khả năng chịu tải của vật liệu. Hệ số dãn nở nhiệt đặc trng cho sự thay đổi
kích thớc dới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Ngoài các yêu cầu về tính chất cơ
lý còn cần phải biết các thông số nh: độ dẫn nhiệt, điện, độ thấm chất lỏng hoặc
khí, hệ số khuyếch tán
Tính chất nổi bật của các polyme compozit so với các vật liệu khác nói
chung là nhẹ, bền, chịu môi trờng, dễ lắp ráp, có tính đẳng hớng hay không đẳng
hớng chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, tính chịu nhiệt vẫn là điểm

quả kinh tế cao, giảm đợc trọng lợng kết cấu, nhờ vậy giảm tiêu hao nhiên liệu,
tăng khối lợng vận chuyển và tầm bay xa. Việc sử dụng vật liệu PC trong máy bay
dân dụng mới nh Boing 757,767 và Airbus310 đã làm giảm 5% tổng khối lợng.
- Trong các ngành công nghiệp nói chung: vật liệu PC chủ yếu đợc sử dụng
để chế tạo các sản phẩm yêu cầu độ bền cơ lý cao, bền hoá chất, có các tính chất
điện, điện tử
- Dụng cụ thể thao: nh gậy đánh gol, vợt tennit, cần câu, tàu lợn, cột buồm,
các thiết bị bắn cung..
- Vòm che máy bay.
- Chế tạo vệ tinh: nh vệ tinh viễn thông, truyền hình, dự báo thời tiết, địa
lýCác vật liệu PC chế tạo các thiết bị này cần có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ dẫn
nhiệt cao, tỷ trọng thấp, modun cao để cấu trúc có độ cứng cao, chịu đợc các chấn
động mạnh, chịu đợc môi trờng laze[16]
I.2. Vật liệu PC gia cờng bằng sợi tự nhiên [17]
I.2.1. Giới thiệu chung
Trải qua rất nhiều năm con ngời đã nhận ra rằng polyme có thể thay thế đợc
nhiều kim loại thông thờng, những vật liệu đã đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Đó là do vật liệu polyme có nhiều u điểm nổi bật hơn nhiều vật liệu truyền thống.
Ưu điểm quan trọng nhất của việc sử dụng polyme là dễ gia công, năng suất cao
11
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
và giá thành thấp. Đặc biệt vật liệu polyme compozit gia cờng bằng sợi có nhiều u
việt so với các vật liệu thông thờng và nó đợc ứng dụng rất rộng rãi kể cả trong lĩnh
vực hàng không.
Những năm gần đây, sợi tự nhiên đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học
và sự phát triển của vật liệu PC trên cơ sở sợi tự nhiên đã trở thành đề tài rất đợc
quan tâm. Sợi tự nhiên có nhiều u điểm nh có khối lợng riêng thấp, giá thành thấp,
và chúng có những tính chất rất đặc trng mà các loại sợi khác không có đợc nh có
khả năng phân huỷ sinh học và khả năng chịu mài mòn rất lớn. Ngoài ra, sợi tự

Sợi thuỷ tinh 2,5 3400 72 28

I.2.2.2.Đặc điểm của sợi tự nhiên
Khi nghiên cứu và sử dụng sợi tự nhiên cần lu ý một số đặc điểm quan trọng
của sợi là: độ bền nhiệt, hàm ẩm, phân huỷ sinh học và độ phân tán của sợi vào
chất nền.
- Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp của
các hợp chất hữu cơ. Quá trình xử lý nhiệt dẫn đến sự thay đổi đa dạng các tính
chất vật lý và hoá học. Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên có thể đợc nghiên cứu bằng
việc phân tích nhiệt học.
Sự phân huỷ nhiệt của sợi tự nhiên là một quá trình gồm hai giai đoạn. Giai
đoạn một có nhiệt độ từ 220-280
o
C . Giai đoạn hai có nhiệt độ từ 280-300
o
C. Quá
trình phân huỷ ở nhiệt độ thấp là quá trình kết hợp với sự phân huỷ của
hemixenlulo, còn quá trình phân huỷ ở nhiệt độ cao là nhờ lignin. Để tăng độ bền
nhiệt của sợi ngời ta có thể tạo ra một lớp vỏ bảo vệ sợi hoặc có thể ghép sợi với
các monome.
- Hàm ẩm của sợi: Sợi tự nhiên có thể hút nớc do đó có chứa ẩm. Hàm ẩm
của sợi có thể thay đổi từ 5-10%. Điều này dẫn đến sự thay đổi kích thớc của
compozit và cũng ảnh hởng đến tính chất cơ học của compozit. Đối với quá trình
gia công compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo thì hàm ẩm làm giảm khả năng gia
công và làm cho sản phẩm bị xốp. Xử lý sợi tự nhiên với hoá chất hoặc ghép
monome có thể làm giảm hàm ẩm của sợi.
- Phân huỷ sinh học và phân huỷ quang của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên bị
phân huỷ bởi sinh vật, điều này đợc nhận biết nhờ các polyme hydratcacbon ở trên
thành của tế bào. Lignoxenlulo khi để ở ngoài trời sẽ bị phân huỷ quang hoá bởi
ánh sáng tử ngoại.

14
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
là 33 mm và rộng là 19 àm. Kích thớc chiều ngang và chiều dọc có thể nằm trong
khoảng 5ữ76àm và 4ữ77mm.
Do trong các sợi thiên nhiên có các liên kết trong các cấu trúc xốp nên việc
xác định một khối lợng riêng chính xác cho nó là một việc phức tạp. Khi sợi lanh
ở dạng xốp là 10% thì khối lợng riêng là 1,54 g/cm
3
. Khi chúng ta đo theo thể tích
với etanol làm dung môi thì khối lợng riêng tìm đợc là 1,53 g/cm
3
.
Để có thể lấy sợi ngời ta phải xử lý tách bẹ, tách pectin, lignin và các xơ có
mạch ngắn vì các xơ này là thành phần hút ẩm và lignin gây ra sự dính kết các
mạch xơ với nhau làm giảm độ liên kết trong vật liệu compozit cốt dệt. Sau khi
làm sạch tạp chất (có hoặc không có xử lý hoá học) xơ đợc ngâm ép với nhựa nhiệt
rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo bằng công nghệ đúc áp lực hoặc đúc chân không tạo vật
liệu cốt dệt theo mong muốn. Ngoài ra, với nhựa nhiệt rắn có thể sử dụng phơng
pháp lăn ép bằng tay để tạo những vật liệu có hình dáng đơn giản.
Bảng 2. Tính chất của một số loại sợi tự nhiênvà sợi tổng hợp
Loại sợi Khối lợng
riêng,
g/cm
3
Độ dãn dài,
%
Độ bền kéo,
MPa
Modun đàn

Xenlulo, % 64,1 82,7 64,6 68,8 65,8
Hemi-xenlulo,% 16,7 5,5 12,0 13,1 12,0
Pectin, % 1,8 5,7 0,2 1,9 0,8
Lignin, % 2,0 5,7 11,8 0,6 9,9
Tan trong nớc, % 3,9 1,0 1,1 5,5 1,2
Sáp, % 1,5 0,6 0,5 0,3 0,3
Hàm ẩm, % 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0
Nh vậy, hàm lợng xenlulo trong lanh không thua kém nhiều so với các sợi
thực vật ở trên nên cũng có thể sử dụng nó để gia cờng cho vật liệu polyme
compozit.
* Xenlulo [7,14]:
Xenlulo đợc coi là một polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không
phân nhánh,có công thức phân tử là (C6H10O5)n . Các mắt xích cơ bản liên kết với
nhau qua liên kết 1,4- - glucozit.
Xenlulo là một polyme và có những tính chất riêng của nó. Trung bình mỗi
phân tử xenlulo có chứa 3000 mắt xích cơ bản,trong một số phân tử xenlulo đặc
biệt có thể chứa đến 26000 phân tử glucoza.
Đại phân tử xenlulo kỹ thuật có thể có cả mắt xích là các monosacarit khác
nh hecxoza, pentoza và axit uronic. Đặc điểm và thành phần của xenlulo phụ thuộc
vào điều kiện tổng hợp nó trong tự nhiên.
Xenlulo có cấu trúc gồm những phần tinh thể định hớng cao và những phần
vô định hình. Tính chất cơ lý của phần tinh thể cao hơn phần vô định hình. Ranh
giới giữa các phần này là không rõ ràng. Xenlulo có nguồn gốc khác nhau thì tỷ lệ
phần tinh thể và vô định hình là khác nhau. Sự hình thành liên kết hydro hạn chế
khả năng hoà tan của xenlulo. Xenlulo không tan trong nhiều dung môi thông th-
17
Đồ án tốt nghiệp Bùi Thị Oanh
Polyme- K44
ờng, bị trơng nở trong dung dịch ZnCl
2

của Bisphenol A và epiclohydrin.
Phản ứng tạo nhựa xảy ra qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Là giai đoạn kết hợp, phản ứng toả nhiệt, xảy ra nhanh ở
nhiệt độ 60 70
0
C.
18