Vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, đóng tàu, ô tô và hàng không. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, composite thường gặp phải các vấn đề như lỗ khí, co ngót, phân lớp, nứt nẻ và cong vênh. Sử dụng bột đá CaCO3 làm chất độn có thể khắc phục các vấn đề này. Nó cải thiện tính cơ lý, lưu biến của vật liệu và giảm chi phí bằng cách giảm lượng nhựa nguyên sinh.
Bài viết này sẽ giải thích chi tiết vai trò của bột đá CaCO3 trong sản xuất vật liệu composite và các tác dụng kỹ thuật, lợi ích kinh tế mà nó mang lại.
Vật liệu composite
Vật liệu composite hay còn gọi là compozit là loại nhựa được tổng hợp từ 2 phần: phần cốt (sợi thủy tinh, sợi hữu cơ, bột đá CaCO3…) và phần nền (nền polymer nhựa rắn, nền polymer nhựa dẻo, nền kim loại, nền gốm…)
Composite là loại vật liệu mới có nhiều nổi bật hơn so với vật liệu riêng lẻ, dòng này đang được nhiều yêu thích bởi tính chất: bền khi sử dụng, trọng lượng nhẹ, độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, dễ thi công và sửa chữa, không xuất hiện vết rạn nứt…
Có 2 loại vật liệu nhựa composite:
– Vật liệu cốt bột gỗ (WPC): Thành phần chủ yếu là nhựa PE, PVC… và bột gỗ nên gỗ nhựa có những đặc tính nổi bật của nhựa và gỗ. Điển hình là khả năng chống ẩm, chịu nhiệt và lực tốt và độ bền cao theo thời gian. Mặc dù độ cứng gỗ nhựa coposite không cao bằng gỗ tự nhiên, nhưng nó vẫn là lựa chọn thay thế tối ưu trong nhiều công trình lớn nhỏ.
– Nhựa composite cốt bột đá (SPC): Sở hữu thành phần chủ yếu chất nền là nhựa kết hợp với cốt bột đá CaCO3. Vật liệu này có tính năng chống nước cao nhờ đặc tính của nhựa và nổi bật với vẻ đẹp mộc mạc mà sang trọng với các vân đá hoặc vân gỗ gần giống với tự nhiên.
Vật liệu nhựa composite thường được ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng là thành các sản phẩm như ván sàn, lan can, cầu thang, hàng rào ngoài trời, tấm ốp trang trí, khung bao cửa và cửa sổ,…hoặc có thể làm đồ gỗ nội thất trang trí.
Bột đá CaCO3 composite
Bột đá CaCO3 phổ biến và được biết đến nhiều nhất là từ các mỏ đá vôi. Một loại trầm tích thường được hình thành gần các suối nước và thác nước. Chúng được khai thác và đưa vào sản xuất thành dạng bột đá. Trên thị trường hiện nay bột CaCO3 chia làm 2 loại: CaCO3 dạng mịn và CaCO3 dạng kết tủa.
Bột đá CaCO3 mịn là chất độn phổ biến nhất trong ngành nhựa, nó được sản xuất bằng cách nghiền nhỏ đá vôi thô thành dạng bột. Tùy vào kích thước và độ mịn khác nhau, bột sẽ được gia công tùy theo yêu cầu của khách hàng. Hỗn hợp gồm: bột đá CaCO3, nhựa nguyên sinh, bột gỗ và phụ gia là những thành phần chính cấu tạo nên nhựa composite.
Vai trò của bột đá CaCO3 trong sản xuất vật liệu composite
Làm chất độn
Bột đá CaCO3 được sử dụng làm chất độn chủ yếu trong sản xuất vật liệu composite, giúp giảm bớt nhu cầu về nhựa nguyên sinh và gỗ, hai nguồn tài nguyên tự nhiên đang dần khan hiếm. Điều này giúp hạ chi phí sản xuất mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Thêm bột đá vào hỗn hợp nhựa composite giúp tăng thể tích mà không ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ lý, từ đó làm giảm giá thành sản phẩm một cách hiệu quả.
Tăng cường tính chất cơ học
Khi bổ sung bột đá CaCO3 với hàm lượng phù hợp, cấu trúc của vật liệu composite trở nên đồng nhất hơn, từ đó cải thiện các tính chất cơ học. Nhờ vậy, bột đá giúp tăng cường độ kéo, độ uốn, độ bền và khả năng chịu va đập của composite.
Tăng cường tính chất vật lý
CaCO3 sẽ làm thay đổi một số thông số vật lý của vật liệu composite như: khối lượng riêng, độ hấp thụ nước. Bột đá CaCO3 sử dụng có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bột gỗ nên trong quá trình trộn hợp, nó sẽ phân tán đồng đều giúp bù vào những khoảng trống nhỏ giữa các sợi gỗ, làm cấu trúc trở nên chặt chẽ hơn và tăng khối lượng riêng của vật liệu. Ngoài ra, việc sử dụng bột đá ở một hàm lượng thích hợp sẽ làm giảm độ hấp thụ nước.
Tăng cường tính chất lưu biến
Trong chế tạo vật liệu composite, tính chất lưu biến có ảnh hưởng đến quá trình gia công cũng như tính chất của vật liệu. Bổ sung bột đá CaCO3 sẽ kiểm soát nhựa chảy không quá nhanh trong quá trình đổ khuôn hoặc ép khuôn. Dễ dàng cho điền đầy khuôn và định hình sản phẩm có độ đồng nhất, độ bền cơ học cao.
Tác dụng của bột đá CaCO3 dùng trong composite
Chất độn hỗ trợ phân tán chất liệu cốt trong nền composite
Các sợi gia cường như sợi thủy tinh, sợi bột gỗ thường có cấu trúc xốp tự nhiên hoặc tạo ra các khoảng trống nhỏ khi trộn với nhựa nền. Các khoảng trống này nếu không được phủ đầy nhựa có thể tạo ra các khuyết tật như lỗ khí, lỗ ngót hoặc dẫn đến sự phân lớp trong composite.
Thêm chất độn bột đá CaCO3 giúp tạo ra một môi trường ổn định hơn cho các sợi gia cường phân tán đều trong nền nhựa, lấp đầy khoảng trống nói trên. Từ đó, tránh tình trạng kết tụ của sợi hoặc phân bố không đều.
Giảm thấm hút nước
Độ hấp thụ nước của vật liệu composite giảm khi hàm lượng bột đá CaCO3 sử dụng thích hợp, trộn bột đá làm tăng độ đặc chắc của composite, giảm thiểu khoảng trống mà nước có thể xâm nhập. Ngoài ra, bột đá CaCO3 vẫn giữa tính chất kỵ nước cơ bản, ở dạng thành phẩm có tráng phủ hay không tráng phủ ứng dụng trong vật liệu composite vẫn tạo ra một rào cản ngăn chặn sự xâm nhập của nước.
Giảm độ co ngót khi đóng rắn và ổn định kích thước
– Hạn chế độ co ngót: Bột đá CaCO3 hoạt động làm chất độn giúp giảm lượng nền nhựa cần sử dụng, đồng thời vẫn tăng cường cấu trúc ổn định cho vật liệu composite. Nhờ đó, nhựa không phải chịu toàn bộ sự thay đổi về thể tích khi đóng rắn hoặc nguội, giúp giảm hiện tượng co ngót.
– Ổn định kích thước: Với cấu trúc ổn định, khi nhựa composite được làm nóng chảy và đúc, hiện tượng nứt nẻ hay biến dạng do co ngót sẽ ít xảy ra. Điều này giúp tăng độ cứng và khả năng giữ hình dạng của vật liệu, cải thiện chất lượng sản phẩm.
Hỗ trợ thoát khí
Sử dụng bột đá CaCO3 làm giảm độ nhớt của nhựa nền trong composite, tạo điều kiện cho khí thoát ra dễ dàng hơn trong quá trình đổ khuôn và đóng rắn. Điều này giúp giảm thiểu các khuyết tật như lỗ khí, cải thiện chất lượng bề mặt và tính toàn vẹn của vật liệu composite.
Tạo độ bóng cho sản phẩm
Với độ trắng sáng tự nhiên lên đến 98%, bột đá CaCO3 làm chất tạo màu cho nhựa composite đạt được độ trắng cao mà không cần đến chất tẩy trắng. Làm trắng hay phôi màu cho sản phẩm cũng dễ dàng hơn (thường vật liệu sẽ có màu giả gỗ để trang trí nội thất). Đồng thời, hạt bột tạo ra bề mặt mịn, composite sẽ phản xạ ánh sáng tốt hơn, tạo cảm giác bề mặt bóng đẹp và sang trọng.
Truyền nhiệt và giả nhiệt tốt
– Truyền nhiệt: CaCO3 có trúc tinh thể ổn định nên tính dẫn nhiệt tương đối tốt, nghĩa là vật liệu composite chứa bột đá CaCO3 thì khi làm nóng hoặc làm nguội nó sẽ truyền nhiệt phân bố đều trong toàn khối vật liệu composite.
– Giả nhiệt tốt: Khi gia công composite, chẳng hạn như đúc khuôn hoặc ép nhiệt, bột đá CaCO3 với khả năng chịu nhiệt cao giúp hấp thụ một phần nhiệt từ nhựa nền và các chất gia cường. Điều này giúp quá trình làm mát của composite diễn ra nhanh hơn, từ đó giảm thiểu nguy cơ xuất hiện các vết nứt hoặc rỗ khí trên bề mặt thành phẩm.
Tăng tính kháng hóa chất, nhiệt độ
– Kháng hóa chất: CaCO3 có tính chất hóa học ổn định trong nhiều môi trường hóa chất. Khi thêm bột đá CaCO3 vào composite, giúp vật liệu này tăng cường khả năng kháng lại tác nhân hóa học từ môi trường xung quanh (ví dụ trong môi trường axit nhẹ hoặc kiềm), nơi composite có thể phân hủy hoặc suy yếu.
– Nhiệt độ: Điểm phân hủy nhiệt độ của CaCO3 chỉ xảy ra ở khoảng 835 độ C, tức là rất cao so với loại polymer và nhựa nền khác nên bột đá CaCO3 giúp duy trì tính chất ổn định khi composite tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Nguyên liệu giá rẻ, giảm chi phí sản xuất
CaCO3 là một khoáng sản có trữ lượng lớn trong đá vôi. Quá trình khai thác và chế biến chúng khá dễ nên chi phí sản xuất thấp. Các nhà sản xuất có thể sử dụng với số lượng lớn mà không lo ngoại về chi phí.
Thân thiện với môi trường
– Giảm phát thải: Bột đá CaCO3 làm chất độn làm giảm lượng nhựa cần dùng, từ đó tiết kiệm tài nguyên hóa thạch và giảm phát thải CO2 trong quá trình sản xuất, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
– Tăng tái chế: Nhờ tính ổn định nhiệt và hóa học, CaCO3 giúp nhựa composite nhựa composite có chứa CaCO3 có thể tái chế nhiều lần mà vẫn giữ được tính chất cơ học khá ổn định so với các loại nhựa không có chất độn này. Điều này giúp làm tăng tính bền vững và khả năng tái sử dụng của sản phẩm.
Ứng dụng bột đá CaCO3 composite trong các ngành công nghiệp
Ngành xây dựng
– Ứng dụng:
- Tấm ốp tường và trần nhà: Ứng dụng trong sản xuất tấm ốp tường, trần nhà nhờ khả năng chống ẩm, bền và chịu được các điều kiện khắc nghiệt của môi trường.
- Vật liệu lót sàn: Bột đá CaCO3 giúp tăng độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn cho các loại vật liệu lót sàn.
- Ống nước và ống dẫn: Composite được ứng dụng làm ống dẫn nước, ống thoát nước và hệ thống cống ngầm.
– Lợi ích: Tăng cường khả năng chịu lực và chống thời tiết và chi phí thấp và tuổi thọ cao.
Ngành ô tô
– Ứng dụng:
- Vỏ xe và linh kiện nội thất: Composite gia tăng độ bền cho các bộ phận nhựa nội thất như: bảng điều khiển, cửa xe, hay các chi tiết ngoại thất như cản trước, cản sau của xe.
- Cản va chạm: Ứng dụng làm cản xe, giúp bảo vệ phương tiện và người ngồi trong khi xảy ra va chạm.
- Tấm cách âm và cách nhiệt: Ứng dụng làm lớp lót trong xe ô tô để giảm tiếng ồn và cách nhiệt.
– Lợi ích: Giảm trọng lượng xe trong khi vẫn đảm bảo độ bền và chịu lực tốt. Tăng khả năng cách âm, cách nhiệt và tính thẩm mỹ của các bộ phận xe hơi.
Ngành hàng không
– Ứng dụng:
- Vỏ máy bay và các chi tiết kết cấu: Composite ứng dụng trong các chi tiết không yêu cầu tính chịu lực cao như vỏ ngoài của máy bay, giúp giảm trọng lượng và tăng khả năng chống mài mòn.
- Vật liệu cách nhiệt và cách âm: Ứng dụng để cách nhiệt và giảm tiếng ồn cho các khoang hành khách và khoang hàng hóa trong máy bay.
– Lợi ích: Giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt trong thiết kế kết cấu máy bay. Giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và khả năng tiết kiệm chi phí cho ngành hàng không.
Công nghiệp điện tử
– Ứng dụng:
- Vỏ và linh kiện điện tử: Composite trong sản xuất vỏ của các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại và các thiết bị gia dụng nhờ khả năng chống va đập và cách điện tốt.
- Bảng mạch in: Ứng dụng trong các lớp vật liệu cách điện và bảo vệ cho bảng mạch in, giúp bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hoặc môi trường.
– Lợi ích: Giảm trọng lượng và chi phí cho các thiết bị điện tử. Tăng khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn cho các chi tiết nhỏ trong thiết bị điện tử.
Đóng tàu
– Ứng dụng:
- Vỏ tàu và boong tàu: Composite làm vật liệu cho vỏ tàu và boong tàu, giúp tăng độ bền và khả năng chống ăn mòn từ nước biển.
- Cánh quạt và chân vịt: Composite sử dụng để sản xuất các bộ phận như cánh quạt, chân vịt, nơi yêu cầu độ bền cao và khả năng chịu được môi trường nước.
– Lợi ích: Chống mài mòn và ăn mòn tốt trong môi trường biển. Giảm trọng lượng tổng thể của tàu, từ đó tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Công nghiệp Quốc phòng
– Ứng dụng:
- Bộ phận trong các hệ thống quân sự: Composite sử dụng để sản xuất các bộ phận trong máy bay quân sự, xe quân sự và các hệ thống vũ khí.
- Thiết bị bảo vệ và cản va đập: Composite dùng để sản xuất các vật liệu chống va đập, như giáp bảo vệ và các thiết bị bảo hộ quân sự.
– Lợi ích: Tăng cường khả năng bảo vệ trong môi trường khắc nghiệt. Giảm trọng lượng, tăng hiệu quả sử dụng trong các phương tiện quân sự và hàng không.
Những lưu ý khi sử dụng bột đá CaCO3 trong vật liệu composite
Kiểm soát hàm lượng
Cần kiểm soát hàm lượng bột đá CaCO3 kỹ càng trước khi đưa vào phối trộn với nguyên liệu khác trong composite. Nếu vượt mức cho phép sẽ làm cho vật liệu composite có dấu hiệu tăng độ hấp thụ nước trở lại. Hơn nữa, lượng bột CaCO3 không đồng đều có thể dẫn đến hiện tượng kết tụ, tạo ra khuyết tật trong vật liệu và từ đó làm giảm cường độ uốn và độ bền kéo.
Tính tương thích với nhựa nền
Bột đá CaCO3 cần tương thích tốt với nhựa nền như PP, PE, PVC để đảm bảo độ kết dính cao, tránh phân lớp. Sự tương thích này giúp nhựa composite giữ được tính chất cơ học tốt, nâng cao khả năng chịu lực và chống mài mòn
Kết luận
Tóm lại, sử dụng bột đá CaCO3 trong sản xuất vật liệu composite là giải pháp rất quan trọng giúp giảm chi phí sản xuất và đồng thời nâng cao tính chất cơ lý, lưu biến của sản phẩm. Góp phần vào thúc đẩy sự phát triển của vật liệu nhân tạo composite, và đây cũng là sản phẩm được nhiều ngành công nghiệp tiên tiến như hàng không, ô tô và đóng tàu sử dụng nhiều ngày này.
Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ, ngành công nghiệp bột đá CaCO3 đã và đang sản xuất ra các loại bột siêu nhẹ và siêu mịn, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
