FRP là gì?

FRP là gì?

Vật liệu FRP là vật liệu có cấu tạo gồm nhiều vật liệu khác tổng hợp thành. Trong đó, nhựa (plastic/ polymer) được gia cố bằng sợi (fiber) để cải thiện các tính chất cho vật liệu. Tên tiếng Anh của FRP là Fiber Reinforced Plastic hay Fiber Reinforced Polymer.

Các sợi gia cố thường là sợi thủy tinh (fiberglass). Ngoài ra, có thể sử dụng sợi từ nhóm khác như sợi carbon, sợi aramid. Các loại sợi ít phổ biến hơn là sợi xenlulo …Mỗi loại sợi có đặc trưng riêng về độ cứng, độ căng kéo góp phần tạo nên loại nhựa tổng hợp có tính chất khác nhau.

Sợi thủy tinh đa hướng (Mat, Roving, Sợi cuộn..)

Vật liệu FRP có nhiều loại như:

GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) hay viết tắt là FRP (Fiberglass Reinforced Plastic):Nhựa gia cố sợi thủy tinh
CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic):Nhựa gia cố sợi carbon
AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plastic):Nhựa gia cố sợi aramid

Do cách đọc và viết tắt, nhựa gia cố sợi thủy tinh có thể gọi là FRP hoặc GFRP. Thực tế, khi nói đến FRP, nhiều người cũng liên tưởng ngay đến nhựa gia cố sợi thủy tinh vì tính ứng dụng và sự phổ biến so với các loại nhựa gia cố sợi khác. Nhựa gia cố sợi thủy tinh (Fiberglass Reinforced Plastic) là vật liệu tổng hợp những ưu điểm của nhựa và sợi thủy tinh. Chất liệu mới này dần trở nên phổ biến trong sử dụng nguyên vật liệu ở thế kỷ 21.

Vật liệu FRP nhựa gia cố bằng sợi nói chung và FRP nhựa cốt sợi thủy tinh nói riêng có nhiều ưu điểm về độ bền, tỉ lệ trọng lượng trên cường độ, khả năng chống ăn mòn, được ứng dụng trong nhiều ngành và lĩnh vực cuộc sống như công nghiệp, hàng không, hàng hải, xây dựng…

Cấu tạo – Phân loại

Vật liệu composite có rất nhiều loại, phân loại theo chất nền và các loại sợi như bê tông gia cố, nhựa cốt sợi… FRP là vật liệu nhựa gia cố sợi, là một nhóm nhỏ trong tập hợp lớn vật liệu tổng hợp composite. Tuy vậy, nhựa tổng hợp gia cố sợi cũng rất phong phú chủng loại, nhờ vào sự kết hợp của chất nền nhựa với các loại sợi khác nhau.

Cấu tạo của FRP:

Vật liệu FRP có cấu tạo gồm 2 pha, mỗi pha có vai trò quan trọng giúp hình thành một vật liệu tổng hợp mới ưu việt hơn. Trong đó, “pha” là thuật ngữ chỉ vật liệu thành phần tham gia trong hỗn hợp.

Pha liên tục:Còn được gọi là vật liệu nền, chất nền hay chất kết dính. Với FRP, vật liệu nền ở đây là nhựa nhiệt rắn, nhựa epoxy, polyester, vinylester… Chất nền có vai trò liên kết các chất gia cường giúp tạo thành một khối thống nhất và kết dính với nhau.
Pha gián đoạn:Còn được gọi là vật liệu gia cường, chất gia cố. Với Fiber Reinforced Plastic, vật liệu gia cố là sợi (sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi gỗ…). có vai trò tăng cường các tính chất cơ – lý của vật liệu.

Phân loại FRP:

Nhựa gia cố sợi được phân loại dựa vào loại sợi như GFRP, CFRP, AFRP

GFRP (hay FRP) – Nhựa gia cố sợi thủy tinh:Đây là loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong các loại vật liệu tổng hợp gia cố sợi. Chất nền nhựa nhiệt rắn kết hợp với chất gia cường là sợi thủy tinh. Nhựa đóng vai trò kết dính sợi thủy tinh, kháng hóa chất và chống các tác động từ môi trường trong khi sợi thủy tinh tăng cường các tính chất như độ bền, độ ổn định kích thước, cách điện…
CFRP – Nhựa gia cố sợi carbon:Chất nền là nhựa kết hợp với chất gia cường cacbon dạng sợi. Đây là vật liệu nhựa nhẹ và cực kỳ bền, tỷ lệ cường lực trên khối luongj cao, độ cứng tốt. Hạn chế của CFRP là về chi phí. So với nhựa thủy tinh, nhựa gia cường sợi carbon có giá thành đắt hơn từ 5 đến 25 lần. Do đó, chúng thường được ứng dụng trong những lĩnh vực chuyên biệt, yêu cầu cao như hàng không vũ trụ, tàu thuyền, kỹ thuật hay các sản phẩm xa xỉ như ô tô.
AFRP – Nhựa gia cố sợi aramid:Nhựa gia cố sợi aramid có những ưu điểm vượt trội từ loại sợi này như độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt. Ngoài ra, nhựa aramid có khả năng dung môi hữu cơ, không bắt lửa và không dẫn điện. Năng lượng đứt gãy của sợi aramid cao nên các ứng dụng về mũ bảo hiểm hay áo chống đạn thường sử dụng loại nhựa gia cố ara mid để tăng hiệu quả.

Đặc điểm – tính chất của vật liệu FRP

Các đặc tính của vật liệu nhựa gia cường phụ thuộc vào đặc tính của chất sợi. Các yếu tố về thể tích, chiều dài của sợi cũng góp phần ảnh hưởng đến đặc tính chung của vật liệu.

Những đặc tính chung của nhựa gia cố sợi như:

Tỉ lệ độ bền trên trọng lượng cao: Vật liệu FRP có độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Các đặc tính cơ học như độ uốn, kéo và khả năng chống chịu va đập khá tốt. So với nhiều kim loại, nhựa composite sợi gia cường có thể mang lại độ bền cao trên một đơn vị trọng lượng giúp chúng vừa đạt hiệu suất tối ưu vừa dễ dàng di chuyển, lắp đặt. Ưu điểm này giúp vật liệu dần thay thế kim loại trong nhiều ứng dụng yêu cầu độ bền và trọng lượng.

Khả năng tùy chỉnh: Là một lợi thế so với kim loại. Trong khi các thành phần của kim loại không thể thay đổi thì đối với FRP, bạn có thể thay đổi thành phần chất gia cường (sợi thủy tinh hay sợi carbon, hay sợi aramid…) để mang lại một vật liệu nhựa cho tính chống mài mòn và tối ưu hơn theo yêu cầu sử dụng.

Các đặc tính khác như độ ổn định về kích thước, chống mỏi, chịu được các tác động của môi trường, khả năng cách nhiệt, chống cháy, không hỗ trợ bắt lửa, khả năng chống UV và kháng hóa chất ăn mòn cũng là những tính chất đặc trưng của vật liệu nhựa gia cố bằng sợi.

Các loại sợi khác nhau như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid khi tham gia làm chất gia cường cho vật liệu càng thể hiện rõ ràng những ưu điểm của loại sợi hơn cả.

Quy trình sản xuất FRP

Sản xuất vật liệu nhựa composite cốt sợi gồm sản xuất phôi sợi và gia cố những sợi này trong chất nền nhựa. Sợi có thể ở nhiều dạng như sợi, dệt, đan, bện. Bằng kỹ thuật và công nghệ tự động hóa, hàm lượng sợi được kiểm soát theo tỉ lệ yêu cầu.

Quy trình sản xuất FRP theo công nghệ Pultrusion hiện nay được áp dụng rộng rãi. Quy trình này chế tạo hình dạng, cấu trúc vật liệu một cách liên tục mà không thay đổi mặt cắt ngang bằng cách kéo nguyên liệu thô qua một khuôn tạo hình được gia nhiệt.

Thấm ướt gia cố

Các sợi gia cường được đặt trong miếng đệm sợi liên tục trước khi đưa vào tấm dẫn hướng và bể nhựa. Bể nhựa là nơi chứa chất nền nhựa, chất xúc tác, chất gia cường, chất tạo màu.

Định hình lại

Ở giai đoạn này, các tấm gia cố được định hình trước khi vào khuôn. Quá trình này rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu.

Xử lý hỗn hợp

Mặt cắt ngang của cốt được làm ướt sẽ lớn hơn khoang của khuôn để quá trình ép vào khuôn được chặt và tạo hình dạng, kích thước như mong muốn.

Làm nguội

Khi ra khỏi khoang, nhiệt độ vẫn còn rất cao nên cần được làm mát trước khi chuyển đến công đoạn kẹp chặt bằng một bộ kéo. Sử dụng phương pháp đối lưu tự nhiên (pittong hoặc bánh xích quay ngược) để làm nguội sản phẩm bằng cách ép nước hoặc không khí lạnh vào bộ phận chưa được bộ kéo kẹp chặt.

Cắt

Thành phẩm được đưa đến cưa để cắt theo kích thước chiều dài yêu cầu. Sau đó được chuyển đến các bộ phận xử lý thứ cấp khác hoặc đóng gói thành phẩm.

Ưu điểm của vật liệu FRP

Vật liệu FRP có những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu khác:

Độ bền cao
Trọng lượng nhẹ
Khả năng chịu tác động từ môi trường như điều kiện thời tiết (chống UV), môi trường hóa chất.
Không bắt lửa
Cách nhiệt
Tính đa dạng trong thành phần
Màu sắc vật liệu bắt mắt, khả năng tạo hình cao nên ứng dụng được nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật đến các ứng dụng đời sống.

Ứng dụng của vật liệu FRP trong đời sống và sản xuất

Vật liệu FRP được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và trọng lượng tương đối nhẹ, độ chống mài mòn cao, dung sai hạn chế và khả năng gia công chính xác.

Nhựa gia cố sợi thủy tinh được ứng dụng ở những lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp như: