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

JUNE 1, 2014


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
chất hóa lí tốt. Tuy nhiên vấn đề xử lí phế thải của loại vật liệu này là rất khó khăn, do
nó không có khả năng tái tạo, không có khả năng phân hủy . Do vật các phết thải từ
chúng sau quá trình sử dụng bị thải ra đã gây ô nhiễm môi trường một cách nghiêm
trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của xã
hội. Chính vì vậy, trong những năm gần đây ngày càng có nhiều sự quan tâm từ các nhà
nghiên cứu, các nhà sản xuất chế tạo ra những vật liệu có khả năng phân hủy hoặc phân
hủy dưới tác động của vi sinh vật. Như vậy loại vật liệu này sau khi sử dụng hạn chế
được ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, vấn đề giá thành cũng là yếu tố quan trọng để

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
Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh .. 14
3


I. Nguyên liệu ................................................................................................. 14
1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh..................... 14
2. Nhựa nền epoxy ........................................................................................ 15
2.1 Tổng hợp nhựa epoxy …………………………………………….. 15
2.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy ......................................... 20
2.3. Tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy ........................................... 20
2.4. Đóng rắn nhựa epoxy …………………………………………….. 21
3. Sợi thủy tinh ............................................................................................... 31
4. Phụ gia và chất độn .................................................................................. 37
II. Các phương pháp gia công ...................................................................... 39
1. Lăn ép bằng tay ............................................................................... 39
2. Lăn ép phun ..................................................................................... 41
3. Đúc kéo ............................................................................................. 41
4. Quấn ống .......................................................................................... 42
5.. Bơm nhựa vào khuôn..................................................................... 44
6. Đúc chân không ............................................................................... 44
7. Hỗ trợ chân không hay còn gọi là phương pháp túi chân không . 46
III. Ứng dụng ................................................................................................. 47
IV. Giải thích vì sao đường ống nước sông đà lại bị vỡ ............................. 52
KẾT LUẬN .................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54

2. 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
ra vật liệu có tính chất đặc biệt mà mỗi vật liệu thành phần ban đầu không có được.
Vật liệu PC nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là cốt và nền, ngoài
ra còn có một số loại chất phụ gia khác : chất độn, chất màu, chất chống lão hóa, chống
co ngót…
2.2. Thành phần vật liệu PC nền polyme.
Vật liệu PC là vật liệu kết hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau và có những
tính chất mà vật liệu thành phần ban đầu không có.
Thành phần chính của vật liệu PC là nền polyme và vật liệu tăng cường dạng hạt
hay dạng sợi (cốt). Ngoài ra còn có chất đóng rắn (đối với nhựa nhiệt rắn), chất độn và
một số phụ gia cần thiết.
Vật liệu nền có thể là Polyme (chiếm 90%), kim loại, ceramic. Vật liệu gia cường
có thể là sợi cacbon, sợi aramid, sợi thủy tinh, sợi, hạt kim loại (Ti, Al), …

6


Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vật liệu compozit.

Hình 2: Ảnh SEM chụp mắt cắt vật liệu compozit nền epoxy gia cường
bằng sợi thủy tinh.

7


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 .

thường được đưa vào để cải thiện độ bền kéo, nén, uốn, độ chống mài mòn, độ ổn định
kích thước, chịu nhiệt…
b) Compozit cốt sợi ngắn: độ dài cốt sợi thường nhỏ hơn 5cm. Compozit cốt sợi
ngắn thường được gia công bằng phương pháp gia công nhựa thông thường như đúc
đùn, đúc phun. Sợi ngắn thường được dùng tăng cường cho nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt
rắn do có khối lượng phân tử lớn khi đóng rắn sẽ không có lợi khi dùng sợi ngắn.
c) Compozit cốt sợi có chiều dài trung bình: Độ dài sợi cốt từ 10 đến 100 mm,
thường dùng tăng cường cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn khá lớn. Phương pháp gia
công thường được sử dụng là phương pháp ướt.
9


d) Compozit cốt sợi dài: Sợi dài hay được gọi là sợi liên tục thường gia cường cho
nhựa nhiệt rắn .Compozit cốt hạt thường được chế tạo với cả nền vô cơ, gốm. kim loại.
3. Tính chất và phạm vi ứng dụng.
3.1. Tính chất chung của vật liệu PC.
Tính chất của vật liệu PC là tổ hợp tính chất của các cấu tử có mặt trong vật liệu.
Nó phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, tính chất của các thành phần cấu thành nền vật liệu,
điều kiện gia công.
Đối với vật liệu PC cần quan tâm tới một số tính chất sau: modun xé rách đặc
trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo, nén cho biết khả năng chịu
tải trọng của vật liệu. Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kích thước dưới tác
dụng của kích thước và tải trọng.
Vật liệu PC mang một số tính chất chung như sau:
- Khối lượng riêng nhỏ hơn so với vật liệu truyền thống.
- Giá thành hợp lí so với tính năng, có tính chịu môi trường, kháng hóa chất,
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.

hơn khoảng 1000 lần so với trọng lượng của cả con tôm. Nhóm đã phát hiện được rằng
chiếc càng được tạo thành từ nhiều lớp cuticle chồng chất lên nhau với các lớp
endocuticle bên trong. Cấu trúc này thực chất là sự sắp xếp xoắn ốc của các thớ khoáng
chất xơ. Từng lớp đan xen nhau và được xếp xoáy tròn hướng vào nhau hình thành nên
một vòng xoắn ốc. Chính cấu trúc hình xoắn ốc này đã giúp hấp thụ phản lực khi chiếc
càng được búng ra. Dựa trên cấu trúc càng của tôm tít, các nhà nghiên cứu đã chế tạo
nên một cấu trúc xoắn ốc tương tự bằng vật liệu sợi tổng hợp carbon epoxy. Mỗi lớpsợi
được xếp thành từng nhóm 3 sợi đặt với 3 góc độ khác nhau từ 10 đến 25 độ. Lớp này
nối tiếp lớp khác tạo thành một cấu trúc xoắn ốc hoàn chỉnh.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm của loại vật liệu mới với 2
loại vật liệu chuyên dụng khác. 2 loại vật liệu được mang ra so sánh cũng được chế tạo
thành từng lớp nhưng được xếp song song hoặc xen kẽ. Cả 3 loại vật liệu sẽ được thông
qua hệ thống kiểm tra xung kích thường dùng trong ngành công nghiệp máy bay.
Kết quả cho thấy loại 2 vật liệu có cấu trúc song song và đan xen bị thiệt hại nặng
hoặc hư hại hoàn toàn. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu cho biết loại vật liệu lấy cảm
hứng từ tôm tít, dù bị hư hại một số sợi carbon, nhưng vẫn có mức độ hư hại chung ít
hơn 20% so với 2 loại vật liệu so sánh.
2. Tương tác giữa nền và sợi
 Mức độ tương hợp: Sợi và nền càng có độ tương hợp cao thì tính chất của vật
liệu càng cao, do nó sẽ hạn chế được sự phát triển, hình thành các vết nứt dẫn tới
sự tách lớp, gãy sợi, hay phát hủy nền và kết quả là vật liệu sẽ bị phá hủy.
 Độ thấm ướt: Độ thấm ướt của nền lên sợi càng cao thì tương tác giữa nền và sợi
càng lớn, hạn chế được sự tồn tại các rỗ khí, khoảng trống trong vật liệu và dẫn tới
vật liệu càng bền.

12


 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


Chương II. Vật liệu compozit nền epoxy
gia cường bằng sợi thủy tinh

I. Nguyên liệu
1. Vật liệu compzit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh
Là một loại vật liệu compozit cao cấp, có pha nền là nhựa Epoxy và pha gia
cường là sợi thủy tinh.
Bảng 1: Tính chất của GRE so với hợp kim nhôm-magie.

Chú thích: GRE là Glass fiber reinforce epoxy resin.
 Một số tính chất của GRE
- Độ bền kéo, bền va đập, độ cứng cao.
- Khả năng chịu dung môi, hóa chất, môi trường tốt.
- Nhiệt độ chịu tối đa 1800C, áp suất chịu tối đa 10-20 bar.
- Khả năng in phun, kết dính tốt.
14


 Nhược điểm của GRE : khó khăn trong vẫn đề xử lí các phế thải GRE, do vậy
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.

n

Tùy thuộc tỷ lệ đương lượng giữa Epyclohidrin và bis-phenol A, thời gian, nhiệt
độ và nồng độ NaOH sử dụng, nhựa epoxy nhận được sẽ có khối lượng phân tử khác
nhau.
Ngoài ra còn tổng hợp theo hai phương pháp khác:
- Epoxy hóa các hợp chất không no bằng tác nhân cung cấp oxy.
15


- Trùng hợp và đồng trùng hợp các hợp chất epoxy không no.
a) Nguyên liệu đầu:

Bisphenol A được tạo ra từ phản ứng của axeton và phenol trong môi trường
axit mạnh ở 10 - 500C :

+

HO

CH3
C=O

+

xt

OH

CH3

(2)

CH2 - Cl

CH3

+

CH 2 = CH

+

H2 O / Cl2

Cl - CH2 - CH - CH2 - Cl

H Cl

(3)

OH

CH2 - Cl

Cl - CH2 - CH - CH2 - Cl

+

+


xt

Cl

OH OH OH

CH2 - CH - CH2
Cl

+

NaOH

+

CH2 - CH - CH2

(5)
2 H2 O

OH Cl

Cl - CH2 - CH - CH2

+

NaCl

+


CH2 - CH - CH2 - Cl
O

CH3
CH3

Cl - CH2 - CH - CH2 - O
OH

C
CH3

(7)
O - CH2 - CH - CH2 - Cl
OH

Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chậm và thu nhiệt
(H=29Kcal/mol):

17


CH3
O - CH2 - CH - CH2 - Cl

C

Cl - CH2 - CH - CH2 - O
OH


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
OH

C
CH3

(10)
O-CH2-CH-CH2
O

n

2.2. Các thông số quan trọng của nhựa epoxy
Hàm lượng nhóm epoxy (HLE) : là khối lượng của nhóm epoxy có trong 100g
nhựa.
Đương lượng epoxy (ĐLE) là lượng nhựa tính theo gam chứa một đương lượng
oxyepoxit.
∙ ∙

ĐLE=

Trong đó: M là khối lượng amin mạch thẳng; n là số Hidro; K là hệ số điều chỉnh:
1 - 1,1; E là hàm lượng nhóm epoxy (tính theo %); 43 là khối lượng nhóm epoxy.
Giá trị epoxy (GTE): là đương lượng gam của oxy epoxit có trong 100g nhựa:
1.100
GTE

HLE =

HLOE
16