News

Vật liệu COMPOSITE

I. KHÁI NIỆM
1. Khái niệm
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau.

2. Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống ( ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, dạ là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; 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 thức 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…

3. Ưu điểm
Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khả được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.

II. PHÂN LOẠI COMPOSITE
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
1 - Phân loại theo hình dạng
a. Vật liệu composite độn dạng sợi:
Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền.
b. Vật liệu composite độn dạng hạt :
Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên.
2 - Phân loại theo bản chất, thành phần
•Composite nền hữu cơ ( nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng ( thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)
•Composite nền kim loại: nền kim loại ( hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…
•Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

III. CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE
1 – Polymer nền
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:
•Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.
•Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay- up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
•Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:
Polyester
Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này thường là loại không no, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp. Thông thường người ta gọi polyester không no là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester.
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 tác chất 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 trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này.
Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia. Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được. Như đã đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đóng rắn. Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó.
Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn.
Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công. Điều này rất quan trọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại.
Vinylester
Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất.
Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinyl ester ít hơn, nghĩa là vinyl ester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân. Thường dùing vật liệu này như là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng rắn của vinyl ester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng rắn.
Epoxy
Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat.
Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. 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 ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học. Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp. Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đóng rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đóng rắn.
Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng.
Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công. Epoxy đóng rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chất đóng rắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đóng rắn. Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất.
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.
2 – Chất độn( cốt)Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:
•Tính gia cường cơ học.
•Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
•Phân tán vào nhựa tốt.
•Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
•Thuận lợi cho quá trình gia công.
•Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn:
•Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…
•Độn dạng hạt: thường được sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:
- Giảm giá thành
- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường.
- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn.
Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau : sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….
Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu PC như : khả năng chịu được va đập ; độ giãn nở cao ; khả năng cách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao ; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như : muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu PC mới so với các loại Polyme thông thường. Và, cũng chính vì những tính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống.
3 – Chất pha loãng
Tính chất cuả polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm ete, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer.
Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng. Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:
•Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất cuả sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.
•Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc đó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công
•Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản.
•Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút.
•Ít độc.
Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … trong đó styrene được sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt:
•Có độ nhớt thấp.
•Tương hợp tốt với polyester, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
•Đóng rắn nhựa nhanh.
•Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.
•Khả năng tự bốc cháy thấp.
4 – Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác
•Chất róc khuôn
- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn.
- Chất róc khuôn dùng trong đắp tay là loại chất róc khuôn ngoại được bôi trực tiếp lên khuôn.
- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…
•Chất làm kín:
- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín trước khi dùng chất róc khuôn.
- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào.
- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơn mài…
•Chất tẩy bọt khí
- Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu thời tiết và thẩm mỹ bề mặt.
- Lượng thường sử dụng: 0.2-0.5% lượng nhựa.
- Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành phần khác.
•Chất thấm ướt sợi:
- Có tác dụng tăng khả năng thấm ướt sợi giúp sử dụng độn nhiều hơn.
- Lượng dùng: 0.5-1.5% so với độn.
•Chất tăng độ phân tán
•Chất ngăn thoát hơi styrene
5 – Xúc tác – Xúc tiến
•Xúc tác
Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.
Chất xúc tác gồm các loại
Xúc tác Peroxide
Peroxide : thông dụng nhất là benzoil-peroxide
Nó là loại bột trắng, tồn tại ở ba dạng : khô (khoảng 5% ẩm), paste trong nước (khoảng 25% nước), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng 70% peroxide). Nó được dùng để đóng rắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng trên 80Oc) và thường được dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa. Khi cho vào nhựa nó thường ở dạng paste vì ở dạng
Ngoài ra các chất xúc tác thuộc loại peroxide còn có:
Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3
Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3
Hydroperoxide :
t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH
Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH
Hai loại MEKP và HCH được dùng để đóng rắn nguội cho nhựa polyester.
MEKP là tên viết tắt cuả metyl ethyl keton peroxide, nó thực chất là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Nó là chất oxi hoá mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi.
HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide và được gọi tên là cyclo-hexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke)

Xúc tác azo và diazo
Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5
Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN
Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-C2H5
•Chất xúc tiến
Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội. Gồm các loại:
Xúc tiến kim loại
Xúc tiến kim loại là muối cuả kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan, ceri, … và các acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hoà tan tốt trong polymer. Loại xúc tác này thường dùng chung với các chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH). Naphthenic-cobalt là loại thông dụng nhất thường dùng
Ngoài xúc tiến kim loại ở dạng muối, người ta còn dùng dạng phức, ví dụ: Ferrocen, dạng phức dicyclopentadienyl cuả sắt dùng để xúc tiến cho cumen peroxit khi cần đóng rắn nhanh ở nhiệt độ khoảng 80oC.
Amin bậc ba
Loại xúc tiến này thường được dùng với các chất xúc tác peroxide, thuộc loại này thường gặp
Dimetyl-aniline ( DMA ) : C6H5N(CH3)2
Dietyl-aniline ( DEA ) : C6H5N(C2H5)2
Dimetyl-p-toluidin ( DMPT ) : CH3C6H5N(CH3)2

Ứng dụng
- Thế giới
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 dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phụ vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu Composite polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác.
- Việt Nam
Vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố được tuyển trọn, theo đó vật liệu composite được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liều Composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.

Tẩm quan trọng của composite

Composite được ứng dụng rộng rãi trong:

1. Trong giao thông vận tải:
Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... VD: càng, thùng trần của các loại xe oto, một số chi tiết của xe môtô.
2. TRong hàng hải:
Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
3. Trong ngành hàng không:
Thay thế vật liệu sắt, nhôm... trong máy bay dân dụng, quân sự
4. Trong quân đội:
Những phương tiện chiến đấu: tàu, cano, máy bay, phi thuyền...
Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội như: bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn....
5. Trong công nghiệp hóa chất:
Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste)
Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat bằng epoxy)
6. Trong dân dụng:
Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa...
Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn...
Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn

Molding Fiberglass

Composites offer tremendous possibilities for part fabrication once a few basic concepts are understood. The key lies in understanding the different materials available, their applications, and the best ways to handle them.

This brochure is intended to be a general overview of composite fabrication, with an emphasis placed on the fabrication of parts in molds. The broad scope of this brochure limits the amount of detail included about basic fundamentals and mold construction. Fibre Glast Developments offer brochures, which delve into specific aspects of these areas in more detail.

Terminology
The best place to start when learning about composites is an understanding of the vocabulary used in this field. The following terms are often used in describing the composite fabrication process:
Piece: The finished product, which you are making.
Plug: The actual item to be duplicated in fiberglass or other composite materials, which is used to construct the mold. The plug can be the actual part or a custom-fabricated shape, made from virtually any type of material.
Mold: The item from which the piece will be made. There are two main types of molds, male and female. A male mold is identical to the item being duplicated, and the piece is made over the mold. A female, or cavity, mold is the reverse of the item to be duplicated, and the piece is made inside the mold. The word can also be used to describe the composite fabrication process: Molding a part.
Laminate: A solid part constructed from a combination of resin and reinforcing fabric. This term can also be used to describe the process of laying up a part: Laminating a part.
Gel Coat (or Surface Coat): The term gel coat is often used generically to describe any resin-based surface coating, but the term technically applies to polyester-based materials. The term surface coat can be used to describe either epoxy or polyester materials. Surface coats are specially formulated, thickened versions of resins which can be applied to the surface of a mold or piece to serve as a cosmetic and protective coating.
Release Agent: Any of a number of materials applied to the mold surface before part fabrication, in order to aid in the release of the piece from the mold. These could be waxes, oils or specialty release coatings such as PVA .
Flange/Parting Dam: A temporary fixture attached to the plug when building multiple-piece molds. This generally creates a surface for materials to be molded against, perpendicular to the parting plane of symmetry. The flange aids in clamping or bolting the mold sections together, as well as serving as a mounting point during vacuum bagging operations.
Materials
Once you know the “key words” of composites, the next step is learning about the different resin and reinforcement options available when working with composites. The first portion of this section deals with the three main resins used for most composite structures, while part two deals with the most common reinforcements.

Part 1: Resins
A composite structure consists of a thermosetting resin used in conjunction with some type of reinforcement, such as woven fiberglass cloth. The three main types of room-temperature-curing resins used in composite fabrication are polyester, vinyl ester and epoxy resins.

Polyester resin is a general-purpose resin suitable for a wide variety of applications.c Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP) must be used as the catalyst to begin the curing process. Catalyzation rates can be varied with polyester resins, environmental conditions. In thin laminations or when gel coat is sprayed as a topcoat, the surface may remain tacky and not cure properly if left exposed to the air. To get a complete cure, thin laminations or top coats must contain either styrene wax solution of have a coat of polyvinyl alcohol (PVA) solution sprayed over them to seal out the air. With the former, the wax “floats” to the surface as the resin cures, acting as a barrier to the air. Styrene wax must be sanded off after curing, but PVA can be rinsed off with warm water.

Epoxy resins are not as forgiving in their measurement as polyester resins, but epoxies provide a greater part strength and dimensional stability. They also adhere to other materials better than polyester resins. Epoxy hardener ratios can’t be varied, and adequate temperatures (at least 70 degrees F) must be maintained during the curing process. Epoxy resin systems tend to cost more than polyester resins, but they are a virtual necessity in some repair applications, such as with Sheet Molded Compound (SMC). Epoxy resins are also highly recommended for use with Kevlar® and carbon fiber.

The third type of resin, vinyl ester , possesses qualities that fall between polyester and epoxy resins for the most part. It excels above both, however, in the areas of corrosion resistance, temperature resistance (it’s good to 300 degrees F), and toughness. Common uses include boat hull repair, full tank construction and chemical storage tank linings. Like polyester resin, it is catalyzed with MEKP, but vinyl ester has as shorter three-month shelf life.

Part 2: Fabrics
There are many reinforcing fabrics available that are used with the resins discussed. The three types of reinforcing fabrics most commonly used are fiberglass, Kevlar® (Aramaids) and carbon fiber (graphite). Each possesses different qualities and advantages. All three are usually available at tows or rovings, veil mats and woven fabrics. Additionally, fiberglass is available as a chopped strand mat, which consists of short, randomly oriented fibers held together by a binder.

Carbon fibers costs the most to purchase, but it offers exceptionally high strength and stiffness, in combination with extremely lightweight. Kevlar® also offers lightweight, along with excellent abrasion resistance. It is, however, difficult to cut and wet out with resin. For finishing purposes, fabricators often use a surface layer of lightweight fiberglass cloth in Kevlar® laminates, because Kevlar ® is virtually
impossible to sand once cured. Most general-purpose applications utilize fiberglass cloth. Although it lacks the light weight and strength of carbon fiber or Kevlar®, it is considerably cheaper to purchase. Fiberglass cloth comes in a wide variety of styles and weights, making it ideal for many applications. High-strength weave styles are available, and these could be considered cost effective alternatives to the more advanced fabrics.

Mold Construction
The first step in mold making consists of plug construction and/or preparation. The plug may be constructed of nearly anything, as long as its surface can be finished well enough to give a suitable mold surface. As stated previously, the plug can either be an existing item or something fabricated specifically for the mold-making process. Some of the materials commonly used in plug construction include wood, plaster, metal and polyurethane foam. The latter comes either as pre-formed sheets or as a two-part “mix and pour” system that chemically reacts to form the foam. The “mix and pour” foam will conform to the shape of any cavity into which the ingredients are poured.

The surface of the plug must be finished at least as well as the desired surface on the part to be produced. In most applications, the preferred plug surface would be a perfectly smooth and polished class “A” finish. If a particular texture or pattern is desired on the finished part, it can be incorporated into the plug surface. A high quality, sandable surfacing primer such as the Duratec Grey Surfacing Primer (#1041-B), works well as the finish coat on the plug. Incorporate flanges and any necessary parting dams onto the plug at this point (see “Special Mold Construction Considerations.)

Before beginning construction of the mold, a release agent must be applied to the plug. This is the most important step in the process, because if the release agent fails to perform, the mold can’t be removed without damaging it and the plug. A little extra effort at this point is better than hours spent trying to correct damage to the plug and mold. The release agent can either be a combination of parting wax and PVA, or a one-step release agent such as FibRelease .

When using wax, apply four coats, waiting one hour between the second and third coats. After the final wax coat has been buffed, spray three thin mist coats of PVA and allow it to dry for 30-45 minutes. FibRelease can be wiped or misted onto the plug, and allowed to dry for 30 minutes. Be sure to apply the release agent to the surface of any flanges and parting dams.

For most molds, polyester resin and 1.5 oz/sq. ft chopped strand mat yield satisfactory results. Mold strength and thickness can be built up more rapidly by adding woven roving or tooling fabric. With polyester molds, the first step in making the mold is the application of the tooling gel coat, which is distinguishable by its bright orange color. Prior to its application, be sure to catalyze the gel coat at the proper ratio. For best results, the tooling gel coat should be sprayed onto the plug with a gel coat cup gun in three passes of seven to eight mils each, building to a total thickness of 20-25 mils.

The surface coat should be stabilized with an initial layer of mat within one and a half to five hours, in order to prevent the gel coat from shrinking or lifting off the plug surface. Apply a coat of resin to the surface and lay the mat into the resin. Using a bristle brush, apply the resin to the mat, coaxing the mat into the various contours of the plug. A dabbing motion is much more effective than a painting motion,
as long strokes tend to pull the mat around.

All trapped air pockets must be worked out so that the mat is tight against the plug surface, and it must be uniformly saturated with resin. Air bubbles and dry areas will appear milky against the tooling gel coat . Use a bristle roller to work air pockets out of the mat and a grooved saturation roller to help compact the laminate. Watch for bridging (lifting) of the fibers across sharp corners and in textured areas. Any air bubbles remaining after the resin gels must be carefully cut out with a sharp utility knife and a match patch laminated in place.

Once the initial layer has cured, lightly sand it in preparation for additional layers, following the same procedure as with the initial layer. Most molds utilize 8-10 layers, but do not apply more than three to four layers at a time to minimize heat generation (exotherm). After the third layer of mat, a layer of woven roving or tooling fabric can be added to more rapidly build thickness. In general, a mold should be a minimum of twice the thickness of the part it is to produce.

Allow the completed mold to cure for at least 24 hours before attempting removal. Any support structures should be laminated to the back of the mold prior to releasing it from the plug. Release wedges can be inserted around the perimeter of the mold, between the mold and the plug, and gently driven into place in a progressive fashion. Air injection wedges, which attach to an air compressor, can be used to coax stubborn sections apart.

Once the mold is released, wash off any residue from the release agent with warm water and inspect the surface. Any imperfections must be ground out and repaired. You’re then ready to begin prepping the mold for part production.

Mold Maintenance
Before any part can be made in a new mold, it must be wet sanded and polished to a Class “A” finish. Wet sand the mold in a progressive manner, using 400, 600, and finally 1000-grit sandpaper. Be sure to change the water in your bucket and rinse the mold surface when changing to a finer paper to insure none of the coarser grit remains. For polishing Fibre Glast Development Co. recommends using a two step polishing compound and a high-speed buffer. The first stage removes the sanding scratches, while the second polishes the surface to the desired finish.

After polishing the mold, apply a release agent to it, following the procedures outlined
for prepping the plug. A new mold is often given an extra coat of the release agent as added insurance.
In the event a part doesn’t release properly and damages the mold, repair will be necessary. Any loose or damaged material must be removed by sanding or grinding, and new tooling gel coat applied to that area. A coat of PVA or wax paper placed over the repair will be necessary for proper curing. Once cured, the repair can be sanded and buffed as previously described.

Special Mold Construction Considerations
Part 1: Multiple Piece Molds
In some instances, the shape of the plug may require a multiple-piece mold so that the mold can be removed from the plug and subsequent parts removed from the mold. When making a multiple piece mold, start by constructing a temporary dam on the plug, along the desired parting line. This dam may be constructed of masonite or a similar material, and held in place with clay. A sharp corner without a radius must be maintained on the portion to be molded first. Any locating keys or dowels for realignment of the mold pieces should be added to the parting dam. With multiple piece molds, construct the entire mold before releasing any part of the mold, in order to avoid realignment problems. After the first portion of the mold cures, remove the temporary dam and use the completed portion of the flange to form the parting dam for the next half. Apply release agent to this surface before continuing the mold construction.

Part 2: Alternate Construction Methods
If durability and dimensional stability are important factors in mold construction, epoxy resin can be used in place of polyester resin . The procedure for this is much the same as with polyester resin, except that mat cannot be used with epoxy, as the binder that holds the mat together is not compatible with epoxy resins. Start with two or four ounce fabric to minimize prints through of the weave pattern. Then switch to a 7-10 ounce fabric. Be sure to place some layers on a 45-degree angle for good stiffness. Epoxy surface coats should be brushed onto the plug for best results. Because epoxies are less prone to shrinkage than polyester materials, immediate application of a stabilizing reinforcement layer over the surface coat isn’t critical.

If exceptionally rigid molds are required, carbon fiber can be used in place of fiberglass cloth. We recommend using epoxy resin with carbon fiber, and a flexible
rubber squeegee works best for distributing resin through the fabric.

Molding Parts: Selecting Materials
Once the mold has been properly polished and coated with a release agent, you can begin making parts! The first stage in the process of molding parts is determining which resin and reinforcements will be used. Having previously discussed the merits of the three main resins, we will concentrate here on the specifics of reinforcement selection.

After choosing the type of reinforcement to be used, the biggest factor becomes choosing the style (weave) and weight of fabric best suited to a given application. The three main fabric styles are plain weave, twill weave, and satin weave. In addition, fiberglass is available in ounces per square yard, with the exception of mat, which is expressed in ounces per square foot.

When fabrics are woven, the fibers are bundled into yarns running a 0 (warp yarn) and 90 (fill yarn) degrees. Plain weaves use an “over-under” pattern, while in a satin weave one filling yarn floats over three to seven warp threads before beingstitched under another warp thread, and twill weaves are a “2x2” pattern. Plain weaves are the least expensive and are good general purpose fabrics, but they don’t offer the strength of satin and twill weave fabrics, but it is equally strong in all directions.

The lighter the fabric weight, the easier it will drape over contours and the less resin it will take to wet it out. Lightweight fabrics are most commonly used for surfacing and radio-control (R/C) hobby applications. Medium weight fabrics are most commonly used in repair and fabrication work. The heaviest fabrics are generally used for rapid thickness build up, such as in boat hulls and mold making. Fabrics are sold by the running yard, generally in widths of 38, 50 and 60 inches, although not every fabric will be available in all of those widths. For a given project, choose a width that most closely approximates the width of the part to be made. The idea is to use as few separate pieces of fabric as possible per layer. The amount of resin needed will depend on the weight of the fabric selected. Fabric to resin ratios for most woven fiberglass and Kevlar® are about 50:50, while carbon fiber is 60:40. Fiberglass mat will require about twice as much resin as woven fiberglass for proper saturation.Extra strength can be built into parts by means of sandwich core construction. This process involves utilizing a core material, such as end grain balsa wood , polyurethane foam, vinyl foam, or honeycomb, between to laminate skins. Some core materials come in a variety of thickness, depending on the needs of a particular application. The strength and stiffness of a part can be increased significantly, with very little extra weight added to the part.

Molding Parts: The Fabrication Process
With the fabric and resin selected, you’re ready to begin molding the part. As stated
previously, when using a mold for the first time, add an extra coating of release agent to insure a proper release. While the release agent is drying, take the time to cut the reinforcement to the proper size and number of pieces and stack the pile near your work area. If using mat, tear it into workable sized pieces instead of cutting it. The frayed edges of the pieces will intermix as they are placed in the mold, giving a stronger bond than when two cut edges are butted together. With woven fabrics, determine where the part’s strength needs to be the greatest and orient the fibers accordingly. With plain weave fabrics, a more uniform strength can be achieved by alternating the fiber orientation between 0/90 and 45/45 degrees.

The part fabrication process is similar to the steps followed in making the mold. When working with a female mold, start by applying the appropriate surface coat to the mold surface. This step isn’t absolutely necessary when fabricating parts, but a much better cosmetic appearance for the finished part will be achieved if it is used. Applying the first layer of resin and fabric directly to the mold surface can result in surface irregularities, pinholes, and print-through of the fabric weave pattern if a heavier fabrics is used. These blemishes can be corrected once the part is removed from the mold, but it will require tedious sanding and filling. Use of a lightweight fabric, such as two-ounce or four-ounce, as the first layer can minimize these problems if a gel coat or surface coat isn’t used. As an alternative to gel coat, Duratec Surfacing Primer can be sprayed into the mold, providing a durable surface finish.

Polyester gel coats come in either white or clear form, which is pigmented to a variety of colors. Clear gel coats reproduce colors very accurately, while white gel coats yield pastel colors. Epoxy surface coat is white in color, and can also be pigmented.

When applying gel coat to the mold, the best results will be achieved by spraying unthinned gel coat with a cup gun , in much the same manner as tooling gel coatis applied in mold construction. Slowly build up the gel coat in three passes, to a thickness of 15-20 mils. A gel coat thickness gauge is the best tool to use for determining the thickness. Check in several locations on the part to make certain an even coat is being applied. Too much of too little in some areas can cause wrinkling or distortion when the gel coat cures. When using an epoxy surface coat, it should be brushed into the mold.

Adhering to the guidelines in the mold construction section of the brochure, follow the gel coat with an initial stabilizing layer of reinforcement. If you’ve pigmented the gel coat and want the same color throughout the part, the resin can also be pigmented to match.

When laying up the reinforcement, try to utilize a single, uncut piece of fabric for each layer. Unfortunately, this is not always possible. Sometimes a part is too large to be covered by as single piece of fabric, so two or more pieces must be used. When two separate pieces must be joined together in a mold, it is best to overlap the pieces by one-half to one inch, as opposed to butting the pieces tougher. Butt two pieces together to form a seam only when maintaining constant thickness is necessary.

The contours and shapes of a part may also make it difficult to get good adhesion using a single piece of fabric. Indentations and sharp angles, in particular, present this kind of problem. Composites can be formed into many shapes, but it is very difficult to achieve sharp angles (90 degrees or sharper) with continuous pieces of fabric. The fabric will tend to lift in these areas, resulting in air bubbles and weak spots in the laminate. If a sharp angle is required in a part, the best way to approach it is by butting two cut pieces of fabric together at the turn. For added strength at these butt joints, mix a small amount of resin with milled glass fibers to form structural putty filler. Apply this to the joint before lying in the fabric. With indentations, it’s better to cut a smaller piece of fabric to fit the indentation rather than trying to force a larger piece of fabric down into it.

As with mold construction, use rollers and squeegees to thoroughly saturate the fabric, work air pockets out of the laminate and compacts the layers as much as possible. This will help avoid weak spots and delamintion problems into the finished part. As the layers of reinforcement fit into the mold, pay attention to the orientation of the fibers if using woven cloth, alternating the orientation by layer to increase part strength.

If a sandwich core construction is going to be utilized, determine which type of core material best suits the application. Polyurethane foam is very rigid and doesn’t conform well to contours, whereas vinyl foam can be heated and formed to a variety of shapes. Balsa, which generally consists of small end grain blocks held together by a scrim of fabric, can conform to mild curves. Honeycomb core materials
are very flexible and will bend to a variety of shapes.

Several steps must be taken to prep core material, in order to get a strong piece. After cutting and shaping the core material to the contours of the part, bevel the edges of the core’s perimeter to a 45-degree angle to smooth fabric transition. Mix a portion of resin with glass microspheres to a slurry consistency, and use this to fall any gaps, as well as splice multiple pieces or core material together. Pretreat open-celled foams and honeycomb cores with this slurry mix, in order to fill the open cells with something lighter than pure resin. Once these steps are completed, the core can be bonded in place.

When dealing with multiple-piece molds, almost always assemble the pieces of the mold before laying up a part. Laying up a part and then assembling the mold pieces will make it difficult to get a good bond between the pieces and a smooth cosmetic finish. The exception to this rule would be an enclosed item, such as a fuel tank, which would be impossible to lay up if the mold was assembled in advance.

If a compression mold is being used, the other half of the mold can be clamped to the first half once all of the reinforcing layers are in place. If a compression mold is not being used, but a smooth surface is desired on both sides of the part, a surface coat can be applied over the final layer of reinforcement. When the laminate reaches the “leathery” semi-cured stage, trim the edges with a sharp utility
knife. Doing this now will significantly reduce finishing time and dust generation down the road.

Once the part has cured, remove it from the mold in much the same manner as the mold was removed from the plug. Any residue from the release agent can be rinsed off the part, and it can be finished in whatever manner is necessary. Finishing usually involves sanding down any seams and sanding the edges of the part.

Inspect the mold for any damage or dulling of the mold surface. If everything is fine, reapply the release agent when you’re ready to build the next part. If repairs or buffing are necessary, carry out those operations as previously described.

By carefully following the guidelines in this and our other brochures, you can produce molds and finished parts that meet or exceed your expectations. If something does go wrong, nearly any damage or problems can be repaired. Remember that working with composites is like any other new skill you learn: the more you work at it and practice honing your abilities, the better the results will be. Once you have mastered the basics, and then refined those skills, nearly anything is possible.