Tổng quan về các vật liệu/hóa chất trong composite
Bài viết này nhằm nêu ra điểm khác biệt giữa Epoxy resin, Vinylester resin và Polyester resin; bao gồm về bản chất hóa học, tính năng, chi phí và bức tranh sơ bộ về thành phần của resin trong vật liệu Composite.
Composite – Với đặc tính không bị ăn mòn, ít bảo trì khi sử dụng, cung cấp giá trị sử dụng ưu việt và cực kì bền vững – đang dần được thay thế ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp. Do đặc tính dễ bị ăn mòn của kim loại, chỉ riêng đối với ngành công nghiệp ở Mỹ, chi phí xử lý ăn mòn được ước tính là 276 tỉ USD/năm, do đó Composite resin ngày càng được sử dụng thay thế cho kim loại và hợp kim, mang lại tính năng tốt và không bị ăn mòn.
Bài viết này nhằm so sánh các loại resin phổ biến hiện tại, nhưng sẽ tập trung vào việc so sánh mức độ sử dụng của Epoxy resin, Vinylester resin và Polyester resin (vốn không phù hợp để sử dụng cho những ứng dụng yêu cầu chịu ứng suất cao, loại đươc thiết kế dành riêng cho Epoxy và Vinylester resin).
1. Polyester resin (MERICAN 9709, Poly Hồng 8120…)
Polyester resin thường được sử dụng trong chế tạo ống, bồn và một số chi tiết yêu cầu tính năng cao trong ngành hàng hải và công nghiệp ô tô. Polyester được sử dụng rất phổ biến do dễ gia công, tương tự như Vinylester resin và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, do đăc thù hạn chế về cấu trúc phân tử, Polyester sẽ không phù hợp với những ứng dụng yêu cầu mật độ cấu trúc cao hoặc sử dụng trong những điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Do cấu trúc không bão hòa (nhiều liên kết đôi trong phân tử, đặc biệt là nhóm Ester), cơ tính của composite từ Polyester thông thường thấp hơn nhiều so với composite từ Epoxy resin hoặc Vinylester resin. Polyester có xu hướng liên kết với nước sau một khoảng thời gian sử dụng, tăng trọng lượng chỉ trong 1 vài ngày sau khi sản xuất do sự hấp thụ nước phản ứng với các liên kết đôi trên mạch Carbon chính của resin sau đó dần giảm trọng lượng do Polymer bị giảm cấp, tách khỏi composite và lần lượt bị thay bởi nước – điều này gây giảm cấp độ bền của vật liệu. Mặc dù với nhược điểm nhạy cảm với độ ẩm trên, những sản phẩm không yêu cầu cấu trúc cơ tính cao như sơn phủ tàu thuyền, Polyester được ưu tiên sử dụng hơn so vơi Vinylester resin bởi chi phí sản xuất thấp, đóng rắn nhanh dẫn đến hiệu quả sản xuất cao.
2. Vinylester resin (MFE 711, SW 901-3…)
Cấu trúc Vinylester resin được sản xuất đặc biệt hơn nhiều so với loại Polyester resin, do cấu trúc hỗn hợp của của Polyester resin được gia cường bổ sung bằng Epoxy resin. Với khả năng kháng chịu môi trường tuyệt vời, Vinylester resin đặc biệt mang lại hiệu quả khi sử dụng trong môi trường dung môi hữu cơ. Vinylester resin có khả năng chịu mức độ dao động tải lớn do nó có độ biến dạng kéo dãn lớn hơn Polyester resin, ít vỡ do ứng suất và khả năng hấp thụ tác động lớn mà không bị hư hại. Liên kết mạch trong Vinylester resin tương tự như Polyester resin với liên kết ngang bởi các nhóm thế dọc theo mạch Carbon chính. Vinylester resin hấp thụ ít nước hơn Polyester resin do cấu trúc liên kết xếp chặt hơn của các nhóm thế, do đó hạn chế không gian cho các phân tử nước tấn công mạch Carbon chính và len lỏi vào mạch nhánh. Tuy nhiên, Vinylester vẫn có mức độ hấp thụ nước nhất định, dẫn đến giảm cấu trúc của nhựa. Các liên kết ngang của mạch nhánh mang lại cho Vinylester khả năng ổn định nhiệt vượt trội.
Vinylester resin khó để kết dính với những cấu trúc nền có cấu trúc khác với chính nó (như Kevlar hoặc sợi Carbon) hoặc với chính nền Vinylester đã đóng rắn, dẫn đến việc sửa chữa sẽ khó thực hiện, dễ xuất hiện tách lớp phần nhựa sữa chữa (dù cho có chuẩn bị bề mặt để tăng mức độ bám dính của resin). Vinylester đặc biệt bền khi so sánh với Polyester resin và trong ngành hàng hải, Vinylester resin được sử dụng sản xuất cho du thuyền chất lượng cao thay cho Polyester để đảm bảo rằng các lớp laminate có độ bền cao và thời gian sử dụng lâu hơn. Vinylester resin cũng được sử dụng như lớp phủ ngoài cho lớp phủ Polyester để ngăn ngừa hiện tượng phồng rợp lớp Polyester do hiện tượng thẩm thấu.
Cả Vinylester resin và Polyester resin đều yêu cầu được pha loãng bằng cách bổ sung thêm styrene – một chất chất hữu cơ dễ bay hơi và độc hại. Chính Styrene là nguyên nhân dẫn dến phương pháp Hand lay- up Polyester và Vinylester bị cấm ở nhiều vùng ở Mỹ và là một thành phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính.
3. Epoxy resin (MERICAN 601-75, YD 128, YD 011X75…)
Epoxy resin nhìn chung có chất lượng vượt trội hơn so với Vinylester và Polyester resin, do đặc tính cấu trúc mạng của Epoxy. Cấu trúc mạch chính vẫn được giữ nguyên như Polyester tuy nhiên, trong mạch chính có chứa các nhóm chức thơm (cấu trúc vòng 6 carbon, hay còn được gọi là cấu trúc vòng Benzen), giúp cho Epoxy resin bền gấp 3 lần Vinylester resin, độ bền nhiệt tuyệt vời và có khả năng chịu lực tác động tốt hơn cả Vinylester mà không bị hư hại. Các nhóm thế ngoài mạch chính cũng có khả che chắn phân tử bên ngoài xâm nhập như nước tốt hơn do hiệu ứng che chắn lập thể của vòng Benzen và đồng thời đảm bảo cấu trúc duy trì được mức độ liên kết ngang lớn, đảm bảo khả năng chống va đập tốt và độ bền nhiệt. Epoxy resin cũng có khả năng chịu tác động khắc nghiệt của môi trường và không bị phồng rộp như khi Polyester và Vinylester resin khi tiếp xúc dài với nước. Một lý do nữa khiến Epoxy resin ưu việt hơn là khả năng chống thấm nước tốt và liên kết tốt trên sọi Kevlar, sợi Carbon, sợi Thuỷ tinh và hầu hết các bề mặt vật liệu. Vì không được hoà tan trong Styren, Epoxy resin cực kỳ ổn định trong suốt thời gian thi công sau thi công và suốt thời gian sử dụng.
4. Tổng kết
Polyester thích hợp cho các ứng dụng không yêu cầu cao về mặt cơ tính, giá thành rẻ và thời gian đóng rắn nhanh; từ đó tối ưu được lợi nhuận.
Vinylester là sự kết hợp Polyester resin và Epoxy. Điều này có làm nó phù hợp với phần lớn các ứng dụng yêu cầu cơ tính tốt và đặc biệt trong các điều kiện hoá học khắc nghiệt. tuy nhiên Vinylester vẫn hấp thụ hước ở một mức độ nhất định, khó sửa chữa. Về giá thành, Vinylester thường đắt hơn so với Polyester.
Epoxy phù hợp với những ứng dụng chịu tải trọng cao, chịu nước, ổn định với các yếu tố môi trường đồng thời với độ bền kéo và ổn định nhiệt cao. Epoxy resin không sử dụng Styrene do đó cũng thân thiện hơn với môi trường và an toàn hơn trong sản xuất. Epoxy liên kết tốt với hầu hết mọi vật liệu ổn định theo thời gian. Với đặc tính kể trên, Epoxy thường được sử dụng trong sản xuất linh kiện máy bay, hàng không vũ trụ, các linh kiện yêu cầu cơ tính cao và làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
