Compusite trong đóng tàu

Chia sẻ: Nguyễn Văn Tân Tân | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

177
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong số polymer thông dụng được dùng trong công nghiệp,nhựa epoxy và nhựa polyester được ứng dụng làm các kết cấu có độ bền cao như vỏ xe ô tô, các chi tiết máy, các cụm chi tiết chị lực trên máy bay, tàu hỏa, tàu thủy . Đặc tính chính của hai nhóm nhựa này như sau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Compusite trong đóng tàu

Vật liệu Vật liệu nền : nhựa epoxy và nhựa polyester I. Trong số polymer thong dụng được dung trong công nghiệp,nhựa epoxy và nhựa polyester được ứng dụng làm các kết cấu có độ bền cao như vỏ xe ô tô, các chi tiết máy, các cụm chi tiết chị lực trên máy bay, tàu hỏa, tàu thủy . Đặc tính chính của hai nhóm nhựa này như sau. Epoxy. Phân tử đơn của epoxy có cấu trúc của ether lien kết với oxy theo dạng chung R-O-R. Điểm khác nhau rõ rệt giữa epoxy và các polymer khác là, giải chiueef dài lien kết phân tử của epoxy ngắn hoặc rất ngắn. Khi đông cứng do quá trình phản ứng, các phân tử lien kết với nhau dưới dạng chồng chéo, móc xích ; các chất phụ trong phản ứng trở thành bộ phận không tách rời của kết cấu. Các dạng liên kết phân tử của các polymer có thể chia làm 3 nhóm sau : lien kết thẳng ( Hình 1a ) , liêm kết theo nhánh ( H 1b ) và lien kết chồng chéo, móc xích. Liên kết các phân tử epoxy khi đông cứng thuộc dạng thứ ba. Hình Với cấu trúc như trên, sự thay đổi kích thước sau quá trình polymer hóa của epoxy không đáng kể. Chất hòa tan, các chất độn nằm lại trong thành phần kết cấu vật liệu. Độ co dãn kích thước chỉ nằm trong giới hạn 1 : 10 000. Nhờ tính chất này độ bám dính của epoxy đối với vật liệu tiếp xúc, với các thành phần tăng bền hòa trong nó tăng cao rõ rệt. Đặc tính cơ học của epoxy nằm trong giới hạn sau : Trọng lượng riêng : 1,20 – 1,30 kg/l Giới hạn bền khi chịu uốn 8000 – 1300 kG/ cm2 ; chịu nén 1100 – 1500 kG/ cm2; Modul đàn hồi 2,5 – 3,0 x 104 kG/ cm2 H 1c Liên kết dạng chồng chéo, móc xích. Hiện nay có chừng 25 mã hiệu thương mại dành cho nhựa epoxy. Giữa chúng có sự khác nhau về cấu trúc phân tử. Chúng đòi hỏi chất xúc tác khác nhau. Epoxy chỉ có thể chuyển sang rắn khi tác động với chất xúc tác khác nhau. Epoxy chỉ có thể chuyển sang thể rắn sau khi tác động với chất xúc tác hoặc chất tăng tốc. Vật liệu compusit trên nền epoxy có trong kết cấu ít nhất hai thành phần. Quá trình polymer hóa chỉ bắt đầu từ khi trộn lẫn các thành phần vất liệu đã định. Polymer hóa có thể xảy ra giừa hai loại polymer, giữa hai epoxy với nhóm vật liệu tăng bền.Một số phản ứng được kích thích bằng catalyst, số khác có thể do phản ứng hóa học của các thanh phần hòa tan. Tính chất hóa , lý của vật liệu compusit thay đổi theo thành phần, tỉ lệ của nhóm epoxy được dung, của chất làm đông cứng. Chất độn được sử dụng làm thay dổi cơ, lý tính của vật liệu khi đưa chúng vào epoxy với tỉ lệ thích hợp. Thí dụ cao su đưa vào epoxy làm tăng tính deo, bột kim loại góp phần tăng độ cứng, tăng tính dẫn điệ, dẫn nhiêtj. Một vài nhóm epoxy có khả năng đông cứng ở nhiệt độ thường khi bị catalyst kích hoạt, nhiều nhóm khác chỉ có thể chuyển sang trạng thái đông cứng, cấu trúc phân tử chuyển sang lien kết chồng chéo, móc xích ở nhiệt độ cao. Độ đậm đặc của epoxy khác nhau giữa các nhóm : có nhóm epoxy ở trạng thái loãng nước song có nhóm đặc sền sệc. Phạm vi sử dụng của chúng tùy thuộc vào cả độ đậm đặc này.
Sử dụng epoxy cần nhớ nguyên tắc sau. Phản ứng polymer hóa , trong đó có sự tham gia của epoxy hoặc polyester, là phản ứng tỏa nhiệt. Pha chế epoxy với chất dông cứng phải tiến hành đúng quy trình, tránh tình trạng bén lửa gây tai nạn. Polyester không no. Ester là sản phẩm sau phản ứng giữa acid hữu cơ va rượu. Ngoài ester sau phản ứng còn thu được nước. Acid + Rượu  Ester + nước Trong ngành chế tạo cơ khí, tàu thủy, tên gọi ‘’ polyester’’ được hiểu như cách hiểu về tên gọi ‘’ thép’’. Nếu thép có nhiều mã hiệu, tên gọi, công dụng khác nhau, “polyester” cunbgx có nhiều mã hiệu, tên gọi đi theo mã hiệu, kí hiệu đó. Trong kỹ thuật làm vỏ tàu chúng ta sử dụng polyester không no có khả năng tái sinh, tham gia phản ứng ở nhiệt độ thường ( nhiệt độ trong phòng ). Nhóm nhựa này thuộc nhóm thermoset. Nhóm thứ hai có tên gọi thermoplastic , tham gia phản ưng trong những điều kiện phức tạp hơn , ở nhiệt độ cao, trong môi trường áp suất lớn ( trình bày ở phần tiếp theo của tài liệu ). Nói chính xác hơn trong kỹ thuật làm vỏ tàu chúng ta chỉ sử dụng “ polyester không no “ ( unsaturated polyester ). Ester này được tạo ra từ than đá và dầu. NÓ là sản phẩm phụ của công nghiệp hóa dầu. Phản ứng trực tiếp để có ester không no là phản ứng giữa acid maleic và rượu ethylene glycol. Sau phản ứng ester không no có dạng như ở H.2 dưới đây. Hình Từ không no có nguyên cớ của nó . Ester này luoon có khả năng và luôn đòi hỏi đượcthực hiện khả năng lien kết với các polymer khác, thậm chí với cả vật liệu khác qua hai nhánh hấp thụ, bắt nguồn từ nguyên tử các bon. Thí dụ ngược với trường hợp trên đây là hóa chất thuộc nhóm polyester “no” có tên gọi Terylene. Terylen đơn thuàn là chất dẻo, là vật liệu vô cơ, không có khả năng lien kết vừa nêu trên đây. Sau khi đông cứng các phân tử polyester liên kết với nhau ở dạng chồng chéo, móc xích như miêu tả ở hình H1.c. Nhựa polyester được sử dụng làm vật liệu nền khi tạo vật liệu compusit. Nếu them vào nhựa chất tăng bền, ví dụ sợi thủy tinh, ta được vật liệu có tên gọi chất dẻo được tăng bền, viết theo tiếng anh là Reimforced Thermoset Plastic – RTP. Năm 1980 trên thế giới đã sử dụng 100.000 tấn nhựa nhóm RTP làm bình chứa, mui ô tô, vỏ tàu, máy bay, tàu hỏa và các kết cấu khác Nhựa polyester nhóm thermoset ở dạng lỏng, tồn tại ở nhiệt độ thường. Nó chỉ phản ứng và chuyển sang thể cứng khi có chất xúc tác ( catalyst ) hoặc chất tăng tốc ( accelerator ). Nhựa lỏng có thể bảo quản hang năm không bị biến chất. Còn thời gian phản ứng để chuyển sang trạng thái đông cứng nhờ catalyst hoặc accelerator có thể chỉ từ một vài phút đến vài giờ, thậm chí vài chục giờ tùy thuộc số lượng và thành phần các chất nêu trên. Polyester có nhiều công dụng khác nhau. Một số nhóm vật liệu thương mại chuyên giải quyết các vấn đề sau:
-(a) Nhựa dung với vật liệu tăng bền ( RTP), chủ yếu là soeij thủy tinh, tạo thành vật liệu có độ bền cao dung trong chế tạo máy, ô tô, máy bay, tàu thủy. Nhựa dung làm kết cấu vỏ tàu có các đặc trưng sau đây : + Chỉ hấp thụ lượng nước rất nhỏ + Độ bền cơ học cao + Độ bám dính cao + Chịu được tác động của tia cực tím, của điều kiện môi trường mà nó làm việc : độ ẩm cao, nước mặn … + Không gây độc hại cho hang hóa tiếp xúc với nó. - (b) Nhựa làm vật liệu phủ bên ngoài các kết cấu ( gelcoat ) có thành phần hóa học không khác nhiều so với polyester vừa nêu. Nhờ bổ sung các phụ gia phù hợp nên tính chất cơ, lý của nhựa này tăng lên đáng kể. Độ bền cơ học cao hơn nhựa thông thường, độ cứng cũng cao hơn hẳn nhựa thông thường. Bề mặt sau gia công của gelcoat nhẵn, bong có khả năng che chắn các tác động phá hoại của môi trường. - (c) Nhựa làm khuôn - (d) Nhựa làm các panel trang trí - (e) Nhựa có độ dẻo cao - (f) Nhựa chậm bawnts lửa dung làm các két tránh lửa, xuồng cứu sinh - (g) Nhựa có độ dính cao dung để dán nhựa với nhựa, nhựa với kim loại, kim loại với kim loại. - (h) Nhựa chịu nhiệt, chịu acid , không rỉ. Tính chất cơ , lý của polyester nằm trong giới hạn sau: Trọng lượng riêng ở nhiệt độ 250 C : 1,15 đến 1,30 kg/ lít Giới hạn nhiệt độ bền kéo, nén : 400-6000 kG/cm2; Modul đàn hồi E = 29000 – 45000kG/ cm2 Vật liệu tăng bền II. Vật liệu tăng bền chiếm chừng 25% đến 40% trọng lượng của vật liệu compusit. Nhóm này đa dạng, bao gồm cả chất hữu cơ và vô cơ. Ngày nay các loại sợ thủy tinh, sợi các bon , kim loại, amian, gốm, graphit vải, sợi thực vật, gỗ và cả polymer đều được sử dụng làm vật liệu tăng bền. Trong kết cấu tấm, vỏ các vật liệu thong dụng sau đây đang chiếm vị trí đầu bảng. Thủy tinh : Hằng ngày chúng ta đã quen nhìn thấy, sử dụng thủy tinh. Chúng xuất hiện ở dạng các tấm kính, gương , cốc , lọ … Thủy tinh làm vật liệu tăng bền có cùng gốc với thủy tinh dân dụng nêu trên song được chế biến thoe quy trình công nghệ khác. Vật liệu này ra đời vào những năm ba mươi. Tên thương mại ghép từ hai chữ “sợi” và “thủy tinh” , được dung rộng rãi dưới tên gọi thủy tinh ( Fibreglass ). Thủy tinh được nung chảy và kéo thành sợi hết sức nhỏ : đường kính mỗi sợi chỉ từ 0,008 mm đến 0.014 mm. Quy trình sản xuất sợi thủy tinh được giới thiệu trên H 3. Có ba nhóm thủy tinh đang được dung làm chất tăng bền, kí hiệu bằng các chữ cái sau đây : A, E , S. Giá thành của ba nhóm này khác nhau đáng kể. Ở miền nhiệt đới chúng ta sử dụng thủy tinh nhóm E làm vật liệu compusit trong chế tạo tàu. Cần nhắc lại cách
gọi vật liệu này. Vật liệu compusit có nền epoxy hoặc polyester và thủy tinh làm vật liệu tăng bền có tên gọi là chất dẻo được tăng bền bằng sợi thủy tinh. Từ kỹ thuật trong sách báo nước ngoài thường diễn đạt tên gọi trên như sau. Theo cách viết của Mỹ thuật ngữ này sẽ là Fibreglass Reinforced Plastic – FRP, còm các nước dung tiếng Anh ngoài Mỹ thường dung cụm từ viết tắt GRP – Glass Reinforced Polyester. Sợi thủy tinh được lien kết thành các sản phẩm sau :  Bó sợi ( Strand ) gồm nhiều sợi đơn kết hợp.  Sợi thủy tinh dưới dạng bong ( Chopped Starnd )  Vải sợi thủy tinh vô hướng ( Chopped Strand Mat – CSM ) được dệt từ các nhóm sợi thủy tinh có chiều dài hạn chế, chừng 50 mm, sắp xếp ngẫu nhiên. Gần đây vải thủy tinh loại này được dệt theo độ dày tiêu chuẩn, phân loại theo tr ọng lượng riêng trên mỗi m2 . Bốn loại vải đang có trên thị trường là 300, 450, 600, và 900 g/m2. Người ta có bó vải thành từng gói 30-50 kg, chiều rộng vải chừng 1m. Cần lưu ý hai mặt của tấm vải có độ nhám khác nhau, có công dụng khác nhau khi sử dụng. H.3 Sản suất sợi thủy tinh  Lưới ( vải ) thủy tinh ( Woven glass, weaves … ) được tạo bằng cách đan thủy tinh thành lưới, thành các tấm vải. Phần lớn vải là tấm hai chiều. Dùng vải loại này khi tạo vật liệu compusit chúng ta được vật liệu đẳng hướng. Ngày nay các nhà sản xuất đang tạo them các tấm 3 chiều để sản xuất vật liệu đồng hướng.  Nếu ta dung nhiều sợi thủy tinh dài, lien tục và kết hợp chúng lại để được một sợi lớn hơn cũng liên tục, ta được day thủy tinh ( Continuous roving ). Thông thường ngày nay mỗi dây có chừng 60 đến 120 bó sợi. Chúng ta hay gặp các cuộn dây liên tục này trong khi dung sung phun nhựa làm kết cấu tấm.  Nếu dung các aay thủy tinh trên để dệt thành vải chúng ta nhaank được các tấm có tên gọi Woven Roving. Trên thị trường đang có bán các loại vải tiêu chuẩn sau : loại 18 oz trên một yard vuông ( 600g/m2 ) và loại 24 oz trên 1 yard vuông ( 80g/ m2 )  Vải thủy tinh ( Glass Cloth ). Thực ra vải thủy tinh không khác vật liệu woven roving vừa nêu trên. Nó có kích cỡ nhỏ hơn, chiều rộng các tấm dưới 25 mm. Bề mặt chúng min hơn, độ bền cao hơn chút ít. Trọng lượng riêng các tấm nằm trong phạm vi từ 110 – 400 g/m2. Sợi các bon : Sợi các bon có độ bền cao, được đưa vào sử dụng làm vật liệu tăng bền giống như sợi thủy tinh. Có hai nhóm chính đang được giới thiệu trên thị trường. Theo cách gọi của người Pháp hai nhóm đó có tên gọi như sau: (1) Nhóm HT ( haute tenaceté ) với , modul đàn hồi E = 200.000 MPa. (2) Nhóm HM ( haute module ) với và E = 400.000 đến 700.000 MPa Giá thành sợi các bon hiện nay còn cao, do đó nó còn bị hạn chế trong sử dụng. Sợi hóa học : Trong nhóm này có thể kể đến sợi bore ( B), sợi bore-carbure ( B + B4C ), sợi carbure của silic ( B + SiC ). Độ bền kéo nến của nhóm sợi này rất cao từ 3.300 MPa đến 3.900 MPa, còn modul đàn hồi từ 400.000 MPa trở lên. Quy trình sản xuất sợi khá phức tạp và chậm chạp. Giá thành còn quá cao. Giá sợi bore cao hơn giá sợi thủy tinh khoảng 200 lần.
KEVLAR là nhóm sợi aramid, ánh vàng. Sợi nhóm này hết sức nhẹ, song giá thành vẫn còn quá cao. Trung bình giá cao hơn 10 lần so với sợi thủy tinh. Người ta phân biệt hai nhóm sau : Nhóm Kevlar 29 với E = 70.000 MPa, còn nhóm Kevlar 49 có E = 130.000 MpPa. So với sợi thủy tinh vật liệu Kevlar không chỉ nhẹ hơn mà còn bền hơn , dẻo hơn. Người ta đã chế thử một cano nhỏ có chiều dài 5,10 m làm bằng các tấm Kevlar chỉ nặng 80 kg. Kim loại : Kim loại là vật liệu tăng bền khá tốt trong vật liệu compusit. Đã có những công trình nghiên cứu dùng bột bạc, nhôm, thậm chí cả vàng làm vật liệu tăng bền. Thông thường bột kim loại được trộn với nhựa làm vật liệu compusit trong kỹ thuật điện, điện tử. Ngoài tính năng tăng bền, kim loại còn có các tính năng quan trọng khác như tính dẫn điện, dẫn nhiệt. H5 Trong các kết cấu, vỏ mỏng kim loại được làm thành các tấm lưới tổ ong, phủ nhựa bên ngoài. Kết quả chúng ta được những tấm , vỏ kết cấu 3 lớp. Một số phương án sử dụng kim loại làm vật liệu tăng bền cho compusit được trình bày trên H.5. Kim loại phổ biến cho nhóm này là nhôm. Kết cấu này có mặt trong ngành chế tạo máy bay, ô tô dưới dạng các panel, lát sàn, cửa ra vào … Vật liệu cao phân tử : Trong các tài liệu nước ngoài người ta dung từ Polymer để gọi tên nhóm vật liệu này. Thuật ngữ có nguồn gốc từ châu Âu. Trong tiếng Hy= lạp poly có nghĩa là nhiều, còn meras có nghĩa phần. Nhựa cao phân tử có cấu trúc chỗi vô tận, nghĩa là có vô vàn phân tử liên kết với nhau.Thí dụ polymer với tên gọi polyethylene C2H4 nối với nhau theo sơ đồ sau Kết cấu nguyên tử của polyethylene có dạng như ở H.6a. trong thực tế sơ đồ trên được hiểu như H.6b. Chúng ta thử tìm hiểu một vài polymer ít nhiều liên quan đến vật liệu đóng tàu. Polyethylene ( PE ) : Xuất hiện trên thị trường từ năm 1940. PE chiếm tỉ lệ lớn trên thị trường thế giới. Nó là sản phẩm phụ của ngành hóa dầu. Những năm bốn mươi năm mươi người ta chưng cất PE trong môi trường khá phức tạp : áp lực 207 Mpa, nhiệt độ đến 4000C. Ở môi trường có thể chế tạo được PE nhẹ, tỉ trọng nằm trong phạm vi 0,91 đến 0,95 g/cm3. Ngày nay nhờ tiến bộ công nghệ chúng ta có thể chế tạo vật liệu có mật độ cao hơn : 0,94 – 0,95 g/cm3, trong môi trường ít phức tạp hơn : áp suất thấp hơn, nhiệt độ phản ứng thấp hơn. Loại PE nhẹ được dung làm túi mỏng, giấy bao bì, vỏ bọc dây điện. Loại PE nặng hơn dùng ép khuôn làm chai lọ, vỏ cáp ngầm. Loại nặng nhất dùng làm các chi tiết chịu lực trong ngành chế tạo máy. PE khác các polymer ở hai điểm : có khả năng chịu tác động của hóa chất và độ dẻo cao. Nó có thể chịu tác động của nhiều loại acid hoặc kiềm. Độ bền cơ học của PE không cao và không có khả năng chịu nhiệt độ cao. Polybutylene (PB) : Thay vào vị trí nguyên tử hydro còn lại của phân tử PP nêu trên cũng bằng nhóm CH3 chúng ta có polymer PB. Ứng dụng chính của PB là làm cao su nhân tạo dưới tên gọi cao su butyl. PB lỏng hòa tan trong dầu dùng phủ lên bề mặt kết cấu làm lớp bảo vệ. Suw dụng PB trong compusit làm tăng tính dẻo.
Polyvinyl chloride (PVC) : Thông thường người ta chỉ gọi polymer này với tên viết tắt PVC. PVC là sản phẩm sau phản ứng giữa C2H2 với acid hydrochloric trong môi trường có chất xúc tác. Chúng ta dùng PVC ở hai dạng khác nhau