Vật liệu Prepreg

Trong quá trình phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã không còn được tính bằng năm mà đã có thể nhận biết được qua hàng tháng, hàng ngày. Các ngành khoa học kỹ thuật phát triển vượt trội đòi hỏi nhiều tiến bộ công nghệ đi kèm để phát huy được các ưu điểm của chúng. Ngành khoa học vật liệu do đó đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong tiến bộ công nghệ của nhân loại. Các trang thiết bị ngày càng được vận dụng các sản phẩm vật liệu mới tiên tiến với yêu cầu có độ bền, dễ sản xuất và giá thành thích hợp. Trong số các loại vật liệu đang được sử dụng ngày nay thì vật liệu composite đóng vai trò rất lớn trong ứng dụng. Đối với vật liệu composite cao cấp từ vật liệu trung gian là prepreg có tính chất cơ lý vượt trội và có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
 

Hình 1: Vật liệu prepreg được định hình (Nguồn: www.easycomposites.co.uk)

Vật liệu Prepreg được cấu thành từ các sợi gia cường đã được phủ bởi phủ polymer và đã qua xử lý trước khi đưa vào sản xuất vật liệu composite. Lớp phủ này có thể được tạo thành từ nhiều loại vật liệu khác nhau như epoxy, nhựa phenolic hoặc các loại nhựa nhiệt dẻo kết hợp với cao su. Thực tế thường sử dụng nhựa nhiệt rắn vì tính chất cơ lý vượt trội. Đối với sợi thì thường sử dụng các loại sợi dệt và  mục đích sử dụng lớp phủ polymer để kết nối các lớp sợi với nhau. Lớp phủ polymer được xử lý một phần để dễ dàng gia công và vật liệu prepreg sau sản xuất lưu trữ trong môi trường nhiệt độ thấp (thường dưới 20 độ) để hạn chế việc đóng rắn (tạo mạng không gian) xảy ra. Mục đích chính của vật liệu prepreg là việc sử dụng các tính chất cơ lý bất đẳng hướng của sợi dệt sau khi lớp phủ polymer sẽ bổ trợ cho các tính chất cơ lý composite làm cho toàn bộ hệ trở thành một thể thống nhất.
Vật liệu prepreg cho phép các sợi được bao phủ lên trên một bề mặt phẳng hoặc quy trình đùn phủ được gia công nhiệt độ cao. Vật liệu prepreg có thể sản xuất từ rất nhiều các loại sợi và sử dụng nhiều loại polymer khác nhau. Do polymer trong vật liệu prepreg chưa đóng rắn nên cần lưu trữ nhiệt độ phù hợp để có thể xử lý tiếp công đoạn sau (một dạng bán thành phẩm của quy trình sản xuất). Quy trình sản xuất vật liệu prepreg có thể tốn nhiều thời gian tùy vào cách quy trình, giá trị của vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và quy trình xử lý vật liệu. 

Hình 2: Quy trình sản xuất Prepreg (Nguồn: https://partconsulting.com/manufacturing-part-consulting/)

Các loại vật liệu sử dụng trong vật liệu prepreg bao gồm:
1/ Polymer: Vai trò chính của lớp phủ polymer hoạt động như một chất kết dính, liên kết và cố định các sợi lại với nhau. Tuy nhiên, các loại nhựa cũng có thể được gia cường thêm các chất độn để tăng cường tính năng của chúng như tăng độ dẻo dai, khả năng chống va đập và khả năng kháng lửa. Về cơ bản, mỗi sợi được ngâm trong resin, resin hấp thụ lực tác động và phân phối lực tác động cho các sợi, làm cho khả năng phân bố tải trọng giữa các sợi đều. Như trong ngành công nghiệp Motorsport thì epoxy là loại nhựa được sử dụng phổ biến và đóng rắn bằng amin đa chức. Việc kết hợp hai thành phần này sẽ khơi màu một phản ứng hóa học tạo ra một chuỗi siêu phân tử có cấu trúc đều đặn hơn so với các polymer khác, chẳng hạn như vinylester. Pha liên tục của nhựa sử dụng trong quá trình sản xuất Prepreg thường là nhựa nhiệt rắn vì có tính chất cơ lý vượt trội. Các polymer này bao gồm các chuỗi phân tử ngắn có độ nhớt thấp khi chúng chưa đóng rắn, do đó có thể dễ dàng gia công bao phủ các sợi. Nguyên liệu thô của các thành phần polymer được trộn với nhau trong các máy trộn, sau đó phủ lên sợi. Các chất tạo mạch không gian sẽ được thêm vào trong quá trình trộn với mục đích để phản ứng tạo mạng không gian liên kết giữa các chuỗi polymer ngắn trong giai đoạn sản xuất composite. Điều này dẫn đến việc hình thành một mạng lưới "liên kết ngang" 3D vô cùng vững chắc.
2/ Sợi: Việc lựa chọn sợi bằng việc đánh giá tỉ lệ giữa tính chất cơ lý và giá thành. Có nhiều loại sợi khác nhau như: Sợi thủy tinh, sợi aramid và sợi carbon… Sợi khác nhau có tính chất cơ lý khác nhau, việc chọn loại sợi tùy thuộc vào mục tiêu ứng dụng, ví dụ: Trong sản xuất các chi tiết xe đua thể thao, sợi carbon thường được ưu tiên. Tuy nhiên, trên thị trường có rất nhiều loại sợi carbon khác nhau với tính chất và giá thành khác nhau. Chẳng hạn, một sợi quang 3K chứa 3.000 sợi trong mỗi sợi nhỏ, với một sợi nhỏ là một bó sợi. Việc tối ưu hóa tỷ lệ nhựa/sợi rất quan trọng và được tính toán tùy theo quy trình sản xuất và tùy theo loại sợi hay polymer.
Prepreg được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp ngày nay chẳng hạn như:
-    Chế tạo xe hơi.
-    Ứng dụng trong thiết bị du hành không gian.
-    Chế tạo các loại dụng cụ thể thao như gậy golf, sào nhảy cao.
-    Sử dụng trong các phương tiện hàng hải.
-    Công nghệ chỉnh hình trong việc chế tạo các bộ phận chi giả.
-    Trong kỹ thuật điện làm "lớp trung gian" trong bảng mạch nhiều lớp và làm vật liệu cách điện cho máy điện và máy biến áp.
-    Làm cánh quạt cho turbin gió. 

Hình 3: Dự đoán thị trường tiêu thụ của Prepreg hàng năm trong tương lai phân bổ theo các châu lục.

Vật liệu prepreg mang lại lợi ích trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ, xe hơi, dụng cụ thể thao. Việc sử dụng các sợi đã được ngâm tẩm bằng nhựa nhiệt rắn đã xử lý trước một phần mang lại các đặc tính cơ học phân bổ dọc theo sợi. Hơn nữa với tính chất của nền polymer đã điền đầy các sợi, sẽ tạo ra một hệ thống đồng nhất có độ bền và độ cứng cao. Prepreg cũng cho phép phủ sợi trên bề mặt phẳng, dễ xử lý và khả năng bảo quản dài ở nhiệt độ thấp trong thời gian dài. Tuy nhiên, cần có quy trình sản xuất vật liệu prepreg riêng và giá trị của vật liệu tùy thuộc vào nhiều yếu tố: Vật liệu nền, sợi, phương pháp gia công... Vật liệu prepreg là một dạng bán thành phẩm trong quy trình sản xuất vật liệu composite cao cấp vì vậy quy trình sản xuất, lựa chọn nguyên vật liệu để sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Giá thành của vật liệu prepreg khác nhau, tùy thuộc vào giá thành của sợi và polymer sử dụng. Tính chất của vật liệu composite hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất của các vật liệu thành phần và phương pháp gia công. Việc sản xuất các loại vật liệu composite cao cấp không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại.

Bộ môn Vật liệu hữu cơ – Khoa khoa học ứng dụng.