Tổng quan về các vật liệu đã sửa đổi
Định nghĩa và phân loại
Vật liệu sửa đổi là vật liệu trong đó vật liệu cơ bản được xử lý bằng các phương tiện vật lý hoặc hóa học để cải thiện tính chất của nó hoặc cung cấp cho nó các chức năng mới. Việc sửa đổi các vật liệu này có thể là điều chỉnh vi cấu trúc hoặc thay đổi thành phần hóa học.
Theo các phương pháp sửa đổi, các vật liệu được sửa đổi chủ yếu được phân loại thành các vật liệu biến đổi vật lý và vật liệu biến đổi hóa học. Sửa đổi vật lý thường liên quan đến làm đầy, pha trộn, tăng cường tổng hợp và các phương tiện khác; Sửa đổi hóa học có thể bao gồm copolyme hóa, ghép, liên kết chéo và các phương tiện hóa học khác.
Theo loại vật liệu, các vật liệu được sửa đổi có thể được phân loại thành các polyme biến đổi, kim loại biến đổi, gốm sứ sửa đổi, v.v. Mỗi loại vật liệu sửa đổi có các khu vực ứng dụng cụ thể và yêu cầu hiệu suất.
Mục đích sửa đổi và lĩnh vực ứng dụng
Mục đích của các vật liệu được sửa đổi là đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng cụ thể và cải thiện hiệu suất của vật liệu, bao gồm nhưng không giới hạn ở tính chất cơ học, tính chất nhiệt, tính chất điện, độ ổn định hóa học, v.v.
Các vật liệu biến đổi polymer có các đặc điểm của các tính chất cơ học, cải thiện tính chất nhiệt và cải thiện khả năng chống thời tiết và các quy trình bao gồm sửa đổi chất độn, sửa đổi dẻo, sửa đổi pha trộn, sửa đổi ghép, v.v. , Thiết bị điện và điện tử, và các thiết bị y tế.
Các vật liệu được sửa đổi kim loại với các tính chất cơ học nâng cao, tăng cường khả năng chống ăn mòn, cải thiện đặc điểm độ dẫn điện, quá trình sửa đổi hợp kim, sửa đổi bề mặt, điều chỉnh nhiệt, sửa đổi pha tạp, v.v. được sử dụng rộng rãi.
Các vật liệu biến đổi bằng gốm có các đặc điểm của các tính chất cơ học, cải thiện tính chất nhiệt, cải thiện tính chất điện và chức năng cung cấp, và quá trình này có biến đổi tổng hợp, sửa đổi bề mặt, điều chỉnh thiêu kết, sửa đổi pha tạp, v.v. Thiết bị y tế, vật liệu chịu lửa, và vật liệu xây dựng.
Thông qua sửa đổi, các vật liệu có thể thích nghi tốt hơn với môi trường làm việc của họ, cải thiện độ tin cậy và độ bền của các sản phẩm, đồng thời giúp thúc đẩy sự phát triển của công nghệ vật liệu mới.
Công nghệ và phương pháp sửa đổi
Công nghệ sửa đổi vật lý
Công nghệ sửa đổi vật lý là một phương pháp cải thiện các tính chất vật liệu bằng các phương tiện vật lý, không liên quan đến những thay đổi trong cấu trúc phân tử của vật liệu.
Các kỹ thuật sửa đổi vật lý phổ biến bao gồm:
Sửa đổi điền vào: Bằng cách thêm các chất độn khác nhau, chẳng hạn như sợi thủy tinh, sợi carbon, bột Talcum, v.v., vào vật liệu ma trận để cải thiện độ cứng, cường độ và điện trở của vật liệu. Ví dụ, nhựa với việc bổ sung các sợi thủy tinh có thể cải thiện đáng kể cường độ cơ học và khả năng chống nhiệt độ.
Sửa đổi pha trộn: Pha trộn hai hoặc nhiều vật liệu polymer theo kỳ vọng có được một vật liệu mới với tính chất tổng thể tốt hơn. Ví dụ, pha trộn polypropylen với polyvinyl clorua có thể cải thiện tính kháng hóa học và tính chất xử lý của vật liệu.
Củng cố tổng hợp: Sự hình thành các vật liệu tổng hợp có tính chất cơ học cao hơn bằng cách kết hợp một vật liệu gia cố, chẳng hạn như sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, với vật liệu ma trận. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng không vũ trụ và ô tô.
Sửa đổi bề mặt: Thay đổi tính chất hóa học và vật lý của bề mặt vật liệu thông qua xử lý plasma, lớp phủ, v.v., để cải thiện khả năng chống mài mòn, kháng ăn mòn và độ bám dính của vật liệu.
Công nghệ sửa đổi hóa học
Công nghệ sửa đổi hóa học liên quan đến việc điều chỉnh hoặc thay đổi cấu trúc phân tử của vật liệu để có được các tính chất mới hoặc cải tiến.
Các kỹ thuật sửa đổi hóa học chính bao gồm:
Sửa đổi copolyme hóa: Bằng cách đưa các monome khác nhau vào phản ứng copolyme hóa, copolyme có tính chất mới được hình thành. Ví dụ, copolyme acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) có đặc tính cơ học và xử lý tốt.
Sửa đổi ghép: Giới thiệu các nhóm chức năng mới hoặc chuỗi ngắn vào chuỗi polymer để cải thiện sự phân cực, khả năng tương thích hoặc khả năng phản ứng của vật liệu. Sửa đổi ghép thường được sử dụng để cải thiện tính chất kết dính của polyme hoặc khả năng tương thích với các vật liệu khác.
Sửa đổi liên kết ngang: Sự hình thành các liên kết hóa học giữa các chuỗi polymer thông qua các phản ứng liên kết ngang để cải thiện khả năng chống nhiệt, cường độ cơ học và độ ổn định hóa học của vật liệu. Vulcanization là một ví dụ điển hình về sửa đổi liên kết ngang của cao su.
Sửa đổi clo: Việc giới thiệu các nguyên tử clo thành polyme thông qua các phản ứng clo giúp cải thiện khả năng chống cháy, kháng dầu và kháng hóa chất của vật liệu. Sửa đổi clo của polyvinyl clorua (PVC) là một trong những ứng dụng phổ biến.
Sửa đổi plasma: Sử dụng các hạt hoạt động trong huyết tương để phản ứng hóa học với bề mặt vật liệu, giới thiệu các nhóm chức năng mới để thay đổi độ phân cực, độ ẩm và khả năng tương thích sinh học của bề mặt vật liệu. Công nghệ sửa đổi huyết tương có một loạt các ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu y sinh.
Các loại vật liệu chính được sửa đổi
Nhựa được gia cố để cải thiện các tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của nhựa bằng cách thêm các vật liệu gia cố khác nhau.
Tùy thuộc vào các vật liệu gia cố, chúng có thể được phân loại như sau:
Nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh (GFRP): với sợi thủy tinh làm vật liệu gia cố, nó có độ bền và độ cứng cao, và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử và xây dựng.
Nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP): sử dụng sợi carbon làm cốt thép, nó có tính chất cơ học tuyệt vời và các đặc tính nhẹ và thường được sử dụng trong hàng thể thao hàng không vũ trụ và cao cấp.
Nhựa gia cố bằng sợi aramid (AFRP): Với khả năng chịu nhiệt và va chạm tuyệt vời, nó phù hợp với nhiệt độ cao và các khu vực đòi hỏi sức mạnh cao và mô đun cao.
Nhựa dẻo dẻo dẻo chủ yếu được sử dụng để cải thiện khả năng kháng tác động của nhựa bằng cách thêm các chất tăng cường, các tác nhân tăng cường phổ biến bao gồm:
Tác nhân cứng cao su: chẳng hạn như cao su ethylene propylene diene (EPDM), bằng cách phân tán trong ma trận nhựa để tạo thành cấu trúc đảo, hấp thụ hiệu quả năng lượng tác động.
Các chất làm cứng copolyme lõi: copolyme có cấu trúc vỏ lõi, chẳng hạn như ABS, để cải thiện độ bền của vật liệu thông qua vai trò giao thoa giữa lõi và vỏ.
Các chất làm cứng hạt nano: như nanoclay và ống nano carbon, thông qua sự tương tác với ma trận nhựa để cải thiện sự phân tán và độ bền của vật liệu.
Nhựa chống cháy Flame Fasticsflame-Retardants chủ yếu được chia thành hai loại: phụ gia và phản ứng, bằng cách thêm chất chống cháy để cải thiện hiệu suất lửa của vật liệu:
Chất làm chậm ngọn lửa phụ gia: such như nhôm hydroxide (ATH) và antimon trioxide (ATO), bằng cách phân tán vật lý trong nhựa, khi được làm nóng, tạo ra một lớp cách nhiệt bảo vệ, làm chậm quá trình đốt của vật liệu.
Chất làm chậm ngọn lửa phản ứng: bonded đến các chuỗi nhựa phân tử thông qua các phản ứng hóa học, chẳng hạn như các hợp chất chứa phốt pho và nitơ, để cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu và khả năng tạo thành lớp than trong quá trình đốt cháy.
Chất làm chậm loại ngọn lửa kiểu giãn nở: expand khi được làm nóng để tạo thành một lớp than bọt để phân lập oxy và truyền nhiệt, chẳng hạn như ammonium polyphosphate (APP) và melamine.
Đặc điểm hiệu suất của vật liệu sửa đổi
Tính chất cơ học
Các tính chất cơ học của vật liệu biến đổi thường được tăng cường đáng kể bằng cách củng cố các sợi, chất độn hoặc kỹ thuật pha trộn. Ví dụ, độ bền kéo và độ uốn của nhựa gia cố sợi thủy tinh (GFRP) có thể được tăng lên nhiều lần so với nhựa không biến đổi, do đó đáp ứng nhu cầu của vật liệu cấu trúc.
Sợi gia cố: Sợi thủy tinh là vật liệu gia cố được sử dụng phổ biến nhất và sự bổ sung của chúng thường nằm trong khoảng từ 10% đến 30%, có thể làm tăng hiệu quả độ cứng và cường độ của vật liệu.
Sửa đổi điền: Bằng cách thêm chất độn vô cơ như canxi cacbonat và Talc, không chỉ có thể cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu, mà còn làm giảm chi phí.
Điều chỉnh nano: Việc bổ sung vật liệu nano, chẳng hạn như ống nano carbon và nanoclay, có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của vật liệu với số lượng bổ sung thấp hơn.
Tính chất nhiệt
Các tính chất nhiệt của các vật liệu được sửa đổi có thể được tối ưu hóa bằng cách thêm các chất phụ gia cụ thể hoặc thay đổi cấu trúc vật liệu cho phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
Tính ổn định nhiệt: Cải thiện tính ổn định và an toàn của vật liệu ở nhiệt độ cao bằng cách thêm chất ổn định nhiệt, chẳng hạn như chất chống oxy hóa và chất chống cháy ngọn lửa.
Độ dẫn nhiệt: Một số vật liệu được sửa đổi như polyme chứa đầy carbon có độ dẫn nhiệt cao và phù hợp cho các ứng dụng quản lý nhiệt như tản nhiệt.
Điện trở nhiệt: Nhiệt độ dịch vụ dài hạn của vật liệu được tăng lên thông qua việc kết hợp các sợi gia cố hoặc các chất phụ gia chịu nhiệt, chẳng hạn như nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.
Kháng hóa chất
Điện trở hóa học của vật liệu biến đổi được tăng cường bằng cách bổ sung các chất phụ gia kháng hóa học hoặc bằng cách thay đổi cấu trúc hóa học của vật liệu để nó vẫn ổn định trong môi trường hóa học khắc nghiệt.
Điện trở axit và kiềm: Khả năng kháng của vật liệu đối với axit, kiềm và các hóa chất khác được cải thiện bằng cách thêm chất độn hoặc lớp phủ chống axit và kiềm.
Điện trở dung môi: Một số loại nhựa được sửa đổi vẫn ổn định trong môi trường dung môi bằng cách bổ sung các thành phần kháng dung môi, chẳng hạn như polytetrafluoroetylen (PTFE), cho các ứng dụng như con dấu.
Kháng oxy hóa: Cải thiện cuộc sống vật chất trong môi trường oxy hóa thông qua việc bổ sung chất chống oxy hóa hoặc sử dụng chất nền kháng oxy hóa
