Bài tiểu luận: Một số vấn đề chất độn và nền polymer trong composite

Chia sẻ: Nguyen Van Dung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

330
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài tiểu luận: Một số vấn đề chất độn và nền polymer trong composite trình bày năm cơ chế phá hủy vật liệu composite, cách phá hủy, cấu trúc vi mô của hạt chất độn, những sự thay đổi trong nền dưới tác động, làm bền vật liệu. Mời bạn đọc cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tiểu luận: Một số vấn đề chất độn và nền polymer trong composite

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME Bài tiểu luận Một số vấn đề chất độn và nền polymer trong composite Nhóm sinh viên thực hiện: Họ & Tên SHSV Lớp. Nguyễn Văn Dũng 20103611 Polyme- k55 Nguyễn Đình Hiếu 20103216 Polyme- k55 Mai Đức Hiếu 20103124 Polyme- k55 HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 4/2014
I. Năm cơ chế phá hủy vật liệu composite. Độ bền phá hủy của một vật liệu phụ thuộc vào các tính chất của vật liệu, các tính chất bao gồm: bền kéo, ứng suất chảy, mô đun đàn h ồi, đ ộ b ền u ốn và độ bền phá hủy. Các tính chất này lại ph ụ thuộc vào t ỉ l ệ và lo ại ch ất đ ộn có trong vật liệu nền. Do đó, chất độn có vai trò quan trọng, quy ết đ ịnh đ ến độ bền phá hủy . Chỉ có những hiện tượng liên quan đến va đập, uốn, ứng suất kéo mới có thể gây ra sự phá hủy vật liệu. Tất cả các hiện tượng liên quan tới độ mỏi của vật liệu khi chịu tải trọng động được th ảo luận trong từng phần như sau.  Các cách phá hủy.  Các cơ chế phá hủy.  Cấu trúc vi mô của hạt chất độn.  Những sự thay đổi trong nền dưới tác động  Làm bền vật liệu.  Dự đoán và mô phỏng phương thức phá hủy vật liệu. Năm kiểu phá hủy quan sát được trong các thí nghiệm kéo. Ph ần l ớn các v ật liệu mềm, dễ uốn bị phá hủy trong lúc biến dạng cứng dẻo( kiểu A) hoặc phát triển cổ chai ( kiểu B). Kiểu C và kiểu D là hai ki ểu đi ển hình trong kiểu phá hủy tương tự phá hủy giòn. Kiểu C, một vùng mỏng được tạo ra trong quá trình hình thành cổ eo. Trong trường hợp này, ứng suất giảm đến ứng suất kéo. Trong kiểu D, phá hủy mẫu thông quá sự hình thành d ải băng. Các dải băng này cắt ngang qua mẫu và sự phá hủy xuất hiện khi vượt quá giới hạn đàn hồi. Kiểu E là phá hủy giòn, phát triển vuông góc với ph ương tác động lực. Sự phá hủy xuất hiện trước biến dạng đàn hồi. 2
H. Sơ đồ biểu diễn năm kiểu phá hủy vật liệu khi kéo Từ sơ đồ ta nhận thấy khi hàm lượng chất độn càng tăng thì s ự phát tri ển c ổ eo của mẫu khi chịu tác động của lực càng giảm, sự phá hủy tiến dần tới phá hủy giòn. Các mô tả trong các cơ chế phá hủy dưới đây được quan sát bằng SEM và nhựa nền là polyeste nhiệt dẻo với chất độn sử dụng là Canxi terephalat, Canxi cacbonat. 1.Cơ chế 1( cơ chế A). Vật liệu: có tỉ lệ chất độn thấp so với nền. Hình số 1 mô tả cơ chế phá hủy kiểu A. 3
H.1. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy theo cơ chế A. Dưới tác dụng của lực kéo , các vết nứt phát triển tạo nên vùng thô ráp trên bề mặt mẫu. Biến dạng cứng dẻo giúp mẫu không bị phá hủy dưới tác đ ộng của tải trọng. Tỉ lệ chất độn thấp, điều đó giúp có đủ polyme nền để mẫu không bị phá hủy dưới tác động của tải trọng bên ngoài. Bề mặt có 1 vùng rời ra (vị trí phá hủy ban đầu) và 1 vùng hình hoa h ầu nh ư tách r ời ra (n ơi m ở rộng vết xé xảy ra). Các đặc điểm hình thái học bao gồm : m ất k ết dính h ạt và kéo dài khoảng trống. Sự phá hủy xuất hiện khi ứng suất cục bộ trong các mạch phân tử polyme đạt tới ứng suất phá hủy của nền. Trong vật liệu cần có tỉ lệ chất độn thấp, thì “ hoa thị” mới có thể hình thành. Hi ện t ượng trên được giải thích như sau, khi ta tác động lực lên hai đầu của mẫu, mẫu biến dạng, do sự khác nhau về độ cứng nên dẫn tới sự khác nhau về bi ến d ạng giữa hạt độn và nền. Chính vì sự khác nhau giữa biến dạng giữa mẫu và nền, 4
các khoảng trống bắt đầu xuất hiện ( đây chính là các v ết n ứt t ế vi). Tuy nhiên tỉ lệ chất độn so với nền rất thấp nên các khoảng trống lúc nay không tập hợp lại được vớ nhau, độ bền của mẫu lúc này phụ thuộc chủ yếu vào độ bền của nhựa nền. Giả sử là các hạt chất độn đã lấp đầy được hết các khuyết tật của mẫu, thì khi lực tác động, nơi y ếu nhất trong mẫu chính là hai bên bề mặt của mẫu bởi vì với các phân tử bên trong lòng mẫu khi l ực tác động các phân tử đó được hai phân tử hai bền gánh bớt lực, còn với bên bề mặt ngoài mẫu thì các phân tử chỉ có được một sự trợ lực của phân tử bên cạnh, do vậy sự phá hủy mẫu sẽ xảy ra từ bề mặt ngoài của mẫu. 2. Cơ chế phá hủy B. Vật liệu: tỉ lệ chất độn cao hơn A. Hình 2 mô tả cơ chế phá hủy kiểu B. Sự hình thành và phát triển các khoảng trống tương tự như kiểu phá hủy A. Chỉ khác là ở kiểu này các kho ảng trống đó tập trung lại với nhau và sự phá hủy xảy ra khi các tập hợp h ạt độn tập kết tụ lại với nhau tạo khoảng trống lớn tối đa. Phá h ủy bắt đ ầu x ảy ra ở v ị trí bên ( bề mặt ngoài) như kiểu A , cả phá hủy từ bên trong mẫu và không có vùng hoa thị. Các bó sợi ngắn và nhỏ theo đường kính. H.2. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu theo cơ chế B. 5
Hiện tượng trên được giải thích như sau: khi ta càng kéo mẫu thì khoảng trống càng dài ra, do hàm lượng chất độn lớn nên các khoảng trống sẽ tập hợp lại với nhau theo chiều dọc. Ta càng kéo, chiều rộng của mẫu càng giảm, các khoảng trông lớn càng tiến lại gần nhau, khi chúng đủ gần, thì sẽ tập hợp lại với nhau và lúc đó vết phá hủy sẽ phát triển hướng ra bên ngoài bề mặt mẫu. Kết thúc quá trình là sự phá hủy mẫu. 3. Cơ chế phá hủy C. Vật liệu : tỉ lệ chất độn cao hơn B. Hình số 3 mô tả cơ chế phá hủy kiểu C. Không những có sự hình thành khoảng trống và kết tụ các hạt độn xảy ra bên trong mẫu mà còn cả hướng ra bề mặt ngoài của mẫu. Phá hủy bắt đầu trong lòng mẫu và có nhiều vết nứt thứ cấp. Kiểu phá hủy này là điển hình của phá hủy thể tích, các hạt chất độn đủ gần để kết tụ lại và dẫn tới làm giảm thể tích, hình thành một chút nhỏ cổ eo dẫn tới sự phá hủy vật liệu. Đây là kiểu phá hủy tương tự phá hủy giòn. 6
H.3. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu kiểu C. 4. Phá hủy kiểu D. Vật liệu: tỉ lệ chất độn cao hơn C. Trường hợp D, do hàm lượng chất độn rất lớn, khi tác động lực vào hai đầu của mẫu, mẫu chưa kịp biến dạng thì trong mẫu đã xuất hiện các vết nứt, khi các vết nứt xuất hiện, cộng với hàm lượng polyme nền ít, các v ết nứt sẽ phát triển rất nhanh và kết thúc bằng sự phá hủy mẫu. Hình H.4 mô tả cơ chế phá hủy kiểu D. Phá h ủy bắt đ ầu t ừ m ột bên c ủa khối mẫu và phát triển theo một góc sang phía cạnh bên kia. Khi tốc đ ộ phát triển vết nứt tăng, sự phá hủy không phát triển theo hướng cũ nữa mà nó phát triển theo hướng vuông góc với phương chịu lực tác động. Kiểu D không xuất hiện hiện tượng Stress-whitening ( stress-whitening là hi ện t ượng khi ta tác động lực đủ lớn vào một thanh vật liệu polyme, t ại n ơi ch ịu ứng su ất l ớn nhất ta sẽ quan sát thấy chỗ đó có màu trắng, đó là do sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt tế vi) mà là phá hủy giòn. Các h ạt ch ất đ ộn trong m ẫu không kết tụ lại với nhau nhưng một số hạt sẽ bị vỡ. H.4. Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy vật liệu theo cơ chế D. Khi đó hình thành một dải băng hình được hình thành theo phương ngang với phương của lực ( nó hơi chéo chéo), dải băng đó chính là nơi mà mẫu ch ịu ứng suất lớn nhất và các đại phân tử bị dãn kéo căng ra, k ết thúc c ủa s ự dãn kéo căng này là mạch polymer sẽ bị đứt, do lực tác động vượt quá năng lượng 7
liên kết. Khi các vết nứt ( sự phá hủy) đầu tiên xuất hiện ở một c ạnh bên mẫu, thì nó nhanh chóng phát triển theo hướng góc mở sang cạnh đối diện, khi mà vết nứt này phát triển tới một giới hạn đủ lớn thì nó sẽ phát triển theo phương vuông góc với phương tác động của lực. Các vết nứt đó phát triển với tốc độ rát nhanh và kết thúc bằng sự phá hủy mẫu. Kiểu phá hủy này là kiểu phá hủy tương tự phá hủy giòn. 5. Cơ chế phá hủy E. Cơ chế phá hủy E. Trong cơ chế phá hủy E không có sự kết tụ của các hạt chất độn, mẫu cũng không có biến dạng mà thay vào đó cả chất đ ộn và n ền polyme đều bị phá hủy cùng nhau, đây là phá hủy giòn. Trong trường hợp E, do hàm lượng chất độn quá lớn, nên polyme nền không th ấm ướt ho ặc th ấm ướt một lớp rất mỏng lên hạt chất độn, nên liên kết giữa chất độn và nền yếu dẫn tới mẫu yếu. Khi có lực tác động, các v ệt nứt xu ất hi ện và phát triển sẽ cực kì nhanh, nhanh hơn ở trường hợp D. II.Sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ bền của compozit. Các sản phẩm polymer trong quá trình gia công, hay trong quá trình tổng h ợp luôn có những khuyết tật. Khi một mẫu polymer chịu tác động của một lực, thì các đại phân tử ở mép các khuyết tật sẽ chịu ứng suất lớn h ơn các đ ại phân tử khác, và chính sự chịu ứng xuất tập chung đó gây ra sự phá hủy mạch đại phân tử ở gần mép khuyết tật, cho dù lực tác động chưa cần vượt quá lực thực tế để phá hủy vật liệu. Sự phá hủy đó, các khuy ết t ật b ắt đ ầu phát triển rộng ra và kết thúc bằng sự phá hủy mẫu. Bởi vậy, người ta đưa h ạt chất độn vào, nhằm lấp đầy tối đa có th ể những ch ỗ trống đó. Khi ch ất đ ộn được đưa vào, các lực tương tác giữa nền và chất độn xảy ra, chính sự tương tác này đã giúp vật liệu bền hơn nhờ chất độn đã gánh bớt một ph ần năng lượng khi vật liệu chịu lực tác động và hơn nữa chất độn đã gi ảm bớt được rất nhiều sự tập chung ứng suất vào một hay một số đại phân tử nào đó.Việc một chất độn được đưa vào một polymer nền có ảnh hưởng tới sự thay đổi về tính chất, mà rõ nhất là tính chất cơ h ọc của polymer đó nh ư th ế nào ph ụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Sau đây là một vài yếu tố đó: bản ch ất hóa học của chất độn và polymer, kích thước hạt chất độn, sự đồng đều trong phân tán, tỉ lệ giữa chất độn và polymer, sự tương hợp giữa chất độn và nền polymer. Bảng dưới đây cho ta thấy sự ảnh hưởng của các một số loại chất độn ( kích cỡ, loại, tỉ tệ so với nền ) đến cơ chế phá hủy của vật liệu. 8
Bảng 1.1 Filler CaT-1 CaT-2 CaCO3-1 CaCO3-2 CaCO3-3 Vol % 0 2,4 Mode A 4,5 7,0 14,0 18,0 B 24,0 C 27,0 D 45,0 54,0 E Biểu đồ ảnh hưởng của của các loại chất độn và tỉ lệ chất độn đến các cơ chế phá hủy A, B, C, D. Từ bảng trên ta có thể thấy rằng, ví dụ ta xét trường hợp của CaT-1, CaT-2 ( calcium terephthalate) với cùng một lại chất độn nhưng lại có kích th ước khác nhau và cùng một kích thước nhưng có tỉ lệ so với n ền khác nhau thì c ơ chế phá hủy mẫu cũng khác nhau. CaT-1 có kích th ước nh ỏ h ơn CaT-2, khi t ỉ lệ chất độn-polymer là 14% thể tích thì cơ chế phá hủy mẫu của nền-CaT1 là cơ chế A, trong khí đó với mẫu nền-CaT2 là cơ chế B. Giờ ta lại đi xét cặp nền-CaT1 với CaCO3-3, ta cũng nhận thấy điều tương tự, CaT-1 thì có tính chất rất khác so với CaCO3-3, nó tương tác với nền tốt hơn, nó có kích th ước nhỏ hơn cho nên nó có hiệu quả tăng cường tính ch ất t ốt h ơn, còn v ới CaCO3-3 thì có hiệu quả tăng cường tính chất kém hơn, thậm chí là không có bởi nó có d=6,1μm, khi tỉ lệ độn nền là 14,0 thì với CaCO 3-3 đã phá hủy theo cơ chế tươn tự phá hủy giòn. Với CaCO 3, mẫu phá hủy theo cơ chế phá hủy giòn là do, mức độ tương tác giữa nền và chất độn tỉ lệ thuận với diện tích tiếp xúc pha, khi hạt chất độn càng to thì di ện tích ti ếp xúc pha càng nh ỏ, do vậy mà khi hạt chất độn to dần tới mẫu y ếu và khi ch ịu lực tác đ ộng, s ự phá hủy mẫu sẽ xảy ra theo cơ chế phá hủy giòn. 9
Độ tương hợp giữa nền và chất độn có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền phá hủy của vật liệu. Độ tương hợp tăng lên thì tính chất của vật liệu cũng đ ược tăng lên. Nếu độ tương hợp kém, khi có lực tác động ch ất đ ộn và n ền r ất d ễ tách ra khỏi này làm giảm tính chất của vật liệu. Mức đ ộ t ương h ợp ph ụ thuộc vào khá nhiều yếu tố như, hình dạng của h ạt chất độn ( hình c ầu, hình kim..), bản chất hóa học của nền và chất độn, bề mặt chất độn. Hình dạng hạt chất độn, ví dụ như bột tacl có cấu trúc hình kim( cấu trúc b ất đẳng hướng) gây giảm độ bền xé rách- độ bền theo chiều dọc các h ạt độn lớn hơn rất nhiều so với chiều ngang( định hướng của hạt trong quá trình gia công), nhưng với chất độn aramid thì lại làm tăng độ bền của vật li ệu đ ặc biệt là độ bền kéo lên rất nhiều. Bề mặt hạt chất độn, ví dụ nh ư ch ất độn CaCO3 chưa biến tính bề mặt trong PE làm giảm độ bền kéo, tuy nhiên khi biến tính photphate thì lại làm tăng độ bền kéo rất nhiều. Hay với ch ất đ ộn silica với cao su, nếu ra không biến tính bề mặt silica ( s ử d ụng silan) thì đ ộ tương hợp với nền rất kém, đưa vào sẽ làm giảm tính chất nền ( đ ộ ch ịu mài mòn, bền kéo, xé..). Hay về bản chất của chất độn và nền, nếu một chất độn mà không phân cực, hay không có các nhóm ch ức, nhóm ho ạt đ ộng ở b ề m ặt đưa vào một nền polymer phân cực như Epoxy thì sẽ làm giảm tính ch ất cơ lí của vật liệu do độ tương hợp rất thấp. Tuy nhiên không phải cứ độn tương hợp càng cao càng tốt, ta chần một độ tương hợp phù hợp với tính ch ất mà ta cần cải thiện, ví dụ như trường hợp chất độn Alumino-silicate với PVAc ( polyvinyl axetat) do sự tương tác quá mạnh dẫn tới độ cứng của vật li ệu tăng và làm giảm độ bền kéo – chọn cặp nền –độn phù hợp. Tỉ lệ chất độn với nền, độ bền, cụ thể là bền kéo không tăng tuy ến tính v ới tỉ lệ chất độn, mà nó sẽ có một tỉ lệ gọi là tỉ lệ tối ưu.Đó là tỉ lệ mà tại đó cho ta độ bền cơ lí và giá thành sản phấm phù hợp nhất. Tỉ lệ chất độn cao quá có thể dẫn tới sự tập hợp các hạt chất độn lại do khi đó t ương tac độn- độn cao hơn độn-nền, làm bất đồng nhất về tính chất cơ lí, thậm chí có th ể xảy ra đảo pha. Với tỉ lệ chất độn thấp quá thì đ ộ b ền c ủa v ật li ệu l ại đ ược cải thiện quá ít, không đạt được yêu cầu. Sự biến dạng của hạt chất độn theo chiều lực tác động, đi ều này khá quan trọng. Nếu khi có lực tác động vào vật liệu, làm n ền polymer bi ến d ạng, mà khi đó hạt chất độn không phần nào biến dạng theo, sẽ dần tới khác nhau về sức căng, liên kết độn-nền sẽ bị phá vỡ hoặc suy giảm, tạo điều ki ện cho vết nứt tế vi xuất hiện Nhưng phần lớn khả năng biến dạng của các chất độn vô cơ rất kém, điều này ngược lại hoàn toàn với khả năng biến dạng của các chất độn polymer.Với các chất độn là polymer thì sự biến dạng khi có l ực tác đ ộng không thành vấn đề, còn với chất độn vô cơ ta ph ải tìm cách kh ắc ph ục kh ả 10
Sực khác biệt giữa sử dụng hay không sử dụng cao su liên kết năng biến dạng của nó.Với chất độn vô cơ ta sử dụng polymer liên kết, polymer Trong trường hợp ta không này sẽ tạo một vỏ bọc bền ngoài hạt sử dụng cao su liên kết, chất độn, và nó tương hợp tốt với nền. nhận thấy rằng khi có lực Dưới đây là một vài ví dụ về sử dụng tác động đủ lớn, các hạt chất độn trong polymer và sự khác biệt talc không biến dạng, tạo giữa một polymer có sử dụng cao su liên điều kiện thuận lợi cho kết và một polymer không có. xuất hiện các vết nứt tế vi dẫn tới làm suy giảm tính chất của vật liệu. Nhưng trường hợp có sử dụng cao su liên kết, khi có lực tác động, một vùng đàn hồi sẽ hình thành xung quanh hạt được bao bọc bởi màng cao su liên kết, làm giảm thiểu a sự hình thành các vết nứt tế vi. b c H.5. Ba sơ đồ biểu diễn việc sử dụng chất độn trong nền polymer. X: chất độn, : hạt cao su. a. Sử dụng hỗ hợp cả chất độn vô cơ và cao su, cao su liên k ết trông n ền polymer. b. Sử dụng cao sư và chất độn vô cương một cách riêng biệt. c. Sử dụng cao su liên kết và chất độn vô cơ. 11
Mô hình biểu diễn sự khác biệt Giữa sử dụng và không sử dụng cao su Liên kết. Đưa các hạt cao su nhỏ, hay sử dụng cao su liên kết vào trong các polymer có tính giòn nhằm tăng độ bền va đập của vật liệu. Các hạt cao su, hay cao su liên kết sẽ hạn chế sự phát triển của các “ khoảng trống” từ đó gi ảm s ự hình thành vết nứt tế vi, điều đó xảy ra được là nh ờ chúng có kh ả đàn h ồi khi có lực tác động, nhờ đó sẽ định hướng lại ứng suất và chia đều ra trên một khoảng diện tích bề mặt rộng. Độ bền của một composite được tính như sau: Độ bền phá hủy có thể được tính toán từ phương trình Einstein: 12
Trong đó: là độ bền phá hủy của composite. là độ bền phá hủy của nền. là phần thể tích chất độn. Phương trình này phù hợp với những hệ thống không có sự kết dính giữa chất độn và nền. Phương trình này dự đoán rằng độ bền phá h ủy của composite bị giảm khi mà mật độ chất độn tăng lên. Với những vùng chứa các hạt cùng kích cỡ, lượng tự do, có phần thể tích chất độn tập trung là 0,56> >0, phương trình như sau: Phương trình này dự đoán sẽ có vài sự tăng nhẹ trong độ bền phá h ủy khi mà mật độ chất độn tăng lên. Với composite độn sợi , phương trình sau dưới đây được xây dựng nhờ những số liệu thực nghiệm. ∂c = ∂m ( 1 + 1.64.∅) Phương trình này giải thích tại sao sợi gia cường có vai trò quan trọng trong việc tăng khả năng chịu phá hủy. Những phương trình trên quan trọng v ới việc phân loại cơ bản của chất độn xét về mặt ảnh hưởng của chúng trên khả năng chịu phá hủy nhưng chúng không đủ khả năng trong việc miêu tả ảnh hưởng của nền và tương tác của chất độn. Một phương pháp được sử dụng là sự tính toán tốc độ năng lượng của tích phân J. Nó được thừa nhận rằng có 2 hằng số đánh giá một là ở điểm khởi đầu vết nứt, Jc, và cái khác ở điểm hư hỏng,Jr, được đưa ra bởi phương trình: Trong đó: 13
B là độ dày mẫu đo. Uc là năng lượng khởi đầu. a là chiều dài vết nứt. UT là tổng năng lượng phá hủy. Những giá trị của 2 năng lượng này có thể tìm thấy nhờ vẽ đồ thị U trên một đơn vị chiều dày (U/B) với a. Những giá trị J có th ể đ ược xác đ ịnh t ừ nh ững dốc của những đường thẳng. Vẽ đồ thị những giá trị J với phần thể tích ch ất độn cho thấy ảnh hưởng của chất độn với việc bắt đầu v ết n ứt và v ới năng lượng phá hủy. Những phương pháp khác của việc xử lí dữ liệu gồm tính toán c ường độ t ới hạn (độ bền phá hủy), tốc độ phát triển vết nứt, năng lượng phá hủy, và kh ả năng chịu phá hủy. Những mẫu này tiên đoán sự phân tán l ực và tính ch ất l ưu biến của nền xung quanh hạt. III. Độ bền ma sát và bền mài mòn trong vật liệu polymer. 1. Độ bền ma sát. Sự ma sát xuất hiện khi ta cho hai bề mặt vật li ệu trượt trên nhau, lúc này lực ma sát xuất hiện do sự cản trở dịch chuyển hai bề mặt bởi các ch ỗ lồi lõm trên bề mặt vật liệu hay do các lực bán dính của hai b ề mặt v ật li ệu tại các điểm tiếp xúc. Lực ma sát được đặc trưng bởi một hệ s ố, gọi là hệ số ma sát. Hệ số ma sát này phụ thuộc rất lớn vào tải trọng và nhiệt độ. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào tải trọng được tính như sau. µ = K.W0.3-0.4 Ở đây: 14
K – hệ số tỷ lệ W – Tải trọng Ở một nhiệt độ cố định, thì khi ta tăng tải trọng lên mẫu h ệ số ma sát s ẽ giảm, nếu tải trọng cố định và nhiệt độ tăng thì hệ số ma sát tăng. Khi thay đổi nhiệt độ và tốc độ trượt thì chất dẻo có thể thay đổi tính cách: chúng có thể như vật thể ở trạng thái thủy tinh, có thể là vật th ể m ềm cao hoặc vật thể dẻo. Quan sát quá trình ma sát trong đi ều ki ện đ ẳng nhi ệt là r ất khó vì trong vùng tiếp xúc giữa hai mặt phẳng luôn luôn có sự tỏa nhiệt. Ngoài ra có thể có hai loại tương tác của các vật liệu khi cọ xát v ới nhau. Loại thứ nhất là do các lực bám dính tại các điểm tiếp xúc gây ra. Các l ực này cản trở sự trượt, do đó sự trượt chỉ có th ể xảy ra khi phá v ỡ các liên k ết cục bộ tương ứng. Loại thứ hai là do các chỗ lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc mắc vào nhau và sự biến dạng nhiều lần của các chỗ lồi lõm đó khi trượt. Trong trường hợp này, công của lực ma sát sẽ tiêu thụ vào tổn hao trễ của các biến dạng nhiều lần. Đối với những vật liệu polymer sử dụng ch ất độn thì h ệ s ố ma sát còn ph ụ thuộc vào tỉ lệ chất độn, loại chất độn trong vật liệu. B ảng dưới đây cung cấp một số ví dụ về tỉ lệ chất độn ảnh hưởng tới hệ số ma sát trong vật liệu ( hệ số ma sát động) Bảng 2. Hệ số ma sát trong một số chất dẻo. Hệ số ma sát Polyme Chất độn Tỉ lệ, wt% Động Polycarbonate PTFE 10 0.12 Polycarbonate Aramid 15 0.15 Polycarbonate PTFE 15 0.10 PTFE 10 Polyoxymethylene Aramid 5 0.05 Silicone 3 Polybutyleneterephthalat PTFE 15 0.20 e Polyethyleneterephthalate PTFE 10 0.15 15
Polyamide-6 PTFE 15 0.23 PTFE 18 Polyamide-6 Silicone 2 0.11 PTFE 15 Polyamide-6,6 Glass fiber 30 0.26 PTFE 13 Polyamide-6,6 Glass fiber 30 0.14 Silicone 2 PTFE 15 Polyamide-6,6 Carbon fiber 30 0.11 Polyamide-11 PTFE 15 0.31 Polyamide-12 PTFE 20 0.20 Polyamide, amorphous PTFE 20 0.22 PTFE 15 Polypropylene Glass fiber 20 0.09 Polyurethane, thermoplastic PTFE 15 0.32 Từ bảng số liệu trên ta nhận thấy rằng, với cùng một nền polymer, khi t ỉ l ệ chất độn tăng lên ( tổng chất độn) thì h ệ số ma sát s ẽ giảm xu ống. V ới cùng một loại chất độn, cùng một tỉ lệ nhưng trên hai nền polymer khác nhau thì hệ số ma sát cũng khác nhau. 2. Độ bền mài mòn. Sự mài mòn của chất dẻo xảy ra khi có sự tương tác bám dính ch ất, s ự m ềm mỏi, biến dạng kéo lớn, tác động mài mòn tương tác nhiệt và tương tác nhi ệt oxy hóa, sự ăn mòn, sự tạo lỗ..v.v.. Th ể tích bị mài mòn c ủa v ật li ệu ch ất dẻo được tính bằng công thức: Ở đây: 16
K – Hằng số tỷ lệ µ - Hệ số ma sát P – Trọng lực E – Modun D – Khoảng cách trượt W – Tải trọng Is – Cường độ biến dạng giữa các lớp với nhau. Một chất độn được sử dụng như một phụ gia để làm giảm sự mài mòn bởi không hạ thấp sức căng cho phép, µP/E. Cả chất nền và chất độn đều góp phần làm tăng đ ộ b ền mài mòn. Một số Polyme điển hình sử dụng trong những ứng dụng chống mài mòn như: polyamit, polyaxetat, polybuten terePhtalat, và polycacbonnat. Những polymer này có những tính chất phù hợp như khả năng ma sát thấp, tính cơ học tốt, chịu va đập, độ ổn định hình khối. Việc lựa chọn chất độn thông qua hệ số ma sát sao cho ảnh hưởng ít nhất đến tính chất cơ học của nên và bám dính tốt với nền. Thường thì rất khó có được những chất độn theo tiêu chu ẩn như trên vì chất độn có hệ số ma sát thấp làm tiếp xúc với các ch ất khác không được tốt. Polyterafloetylen thường sử dụng làm phụ gia chống mài mòn , ví dụ ta thêm 20% PTFE vào polyamit 66 làm bền kéo xuống 40%. Đ ể kh ắc phục hiện tượng này PTFE thường được sử dụng cùng với với sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh làm tăng độ mài mòn của vật liệu nhưng cũng tăng cường tính chất cơ học cho vật liệu và do đó làm bù l ại nh ững khuy ết đi ểm nh ờ s ử dụng PTFE Một số chất độn điển hình sử dụng giúp tăng độ bền g ồm :PTFE, silicon, bột graphit, molipden, disunfit và chất độn aramit. Với hỗn hợp mica và oxit ziroconi cũng cho hiệu quả gia cường tương tự. Hình.6biểu di ễn tác d ụng tăng độ chịu mài mòn cho nền Epoxy của mica và mica trong hỗn hợp với oxit ziriconi. 17
H.6 Wear volume vs amount of filler. Hình.7 cho thấy, MoS2 kết hợp với PTFE có hiệu quả tăng chống mài mòn cho nền cao hơn là sử dụng Graphite kết hợp với PTFE. K ết qu ả này là gi ới hạn tới 1 dãy khá nhỏ của chất độn tập trung bởi vì PTFE không tương tác với chất độn và tính chất cơ học của nó bị giảm đi nhanh chóng nh ư vi ệc chất độn tập trung tăng lên. Việc thêm vào 40% ch ất đ ộn (graphit hay MoS 2) làm giảm độ dãn dài từ 240% về gần đến 0. Thêm vào ch ỉ 20% ch ất đ ộn cũng làm giảm độ dãn dài xuống khoảng không đầy một nửa giá trị. 18
H.7. Wear rate vs filler content Hình 7.9 minh họa ảnh hưởng của sự định hướng sợi trong tốc độ mài mòn. Sự bám dính của sợi tới nền và chất phân tán của chúng là nh ững thông số chủ yếu của sợi aramit. Diện tích bề mặt của sợi aramit tạo ra s ự bao bọc bề mặt phân chia cơ học và giới hạn phân tán của chúng trong nền. Một số chất độn có kích thước nhỏ làm tăng độ bám dính nhưng cũng khiến cho các sợi tạo bó, các bó này rất khó bị phá vỡ sau quá trình gia công cắt . Một loại dầu gia công đặc biệt được dùng để ngăn tạo bó. Mài mòn là sự phá hủy các lớp bề mặt polymer trong khi cọ xát.Trong quá trình mài mòn vật liệu bị tách khỏi bề mặt cọ xát. Sự mài mòn ch ất d ẻo x ảy ra theo các cơ chế khác nhau: cơ chế “giấy ráp”, cơ chế cọ xát và cơ ch ế k ết dính nội. Mài mòn kiểu “giấy ráp” xảy ra do sự cắt, cào b ề mặt v ật li ệu b ởi các mấu lồi cứng của vật liệu gay ra cọ xát. Dấu hiệu bên ngoài của mài mòn theo cơ chế này là các vạch đặc trưng trên bề m ặt sắp x ếp d ọc theo hướng chuyển động tương hỗ của hai vật cọ xát. Mài mòn do cọ xát xu ất hiện do lực ma sát của các điểm lôi kéo mạnh các lớp bề mặt chất dẻo. Vi vậy, vùng tiếp xúc sẽ chịu tải trọng động lien tục và kết quả là xảy ra phá hoại do mỏi. Tùy thuộc vào trạng thái của chất dẻo và điều kiện thử nghiệm, cơ chế mài mòn dạng này có thể chuyển sang dạng khác. Có 2 vấn đề sẽ được thảo luận là khả năng ch ống ch ịu của v ật li ệu và s ử dụng chất độn trong vật liệu ma sát. Cả 2 đều có nh ững đ ặc đi ểm riêng bi ệt và khác nhau. Thông thường, cao su có tính chống mài mòn th ấp do khả năng đàn h ồi của nó. Ta có thể tăng khả năng chống mài mòn bằng cách cho thêm silica và carbon đen. Đồ thị dưới đây cho ta thấy các mức độ mài mòn khác nhau khi cho carbon đen. Từ đó ta thấy khoảng cách liên hợp giảm thì độ mài mòn cũng giảm Một đồ thị khác dưới đây cho thấy việc tăng ch ất độn trong v ật li ệu làm giảm độ mài mòn. Do tương tác hóa học giữa gốc hydroxyl trong đất sét và liên kết ion trong EPDM, đất sét giúp giảm mài mòn tốt hơn carbon đen. 19
H.8. Abrasion loss of SBR containing different types of carbone balck Vs interaggregate distance. H.9. Abrasion loss EPDM vs filler content. Carbon black tạo sự tương tác yếu với mạch chính, tăng đ ộ bám dính gi ữa chất độn và nền góp phần làm tăng khả năng chống mài mòn. Dựa vào nghiên cứu cao su thiên nhiên với chất độn silica, ta có th ể cải thi ện kh ả năng k ết dính giữa chất độn và nền bằng 1 chất độn đa chức . Nh ư vậy n ồng đ ộ c ủa các chất độn tăng, sự mất mát mài mòn giảm. 20