Sợi thủy tinh là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Sợi thủy tinh là vật liệu vô cơ dạng sợi, sản xuất từ thủy tinh nóng chảy với thành phần chính là SiO₂ và oxit phụ trợ, có cấu trúc vô định hình siêu mịn. Với độ bền kéo cao, khối lượng nhẹ, cách điện và chịu nhiệt tốt, sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi trong compozit, xây dựng, hàng không và điện tử.

Giới thiệu chung về sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh (glass fiber) là vật liệu polymer vô cơ dạng sợi, chế tạo từ thủy tinh nóng chảy kéo thành các sợi có đường kính rất nhỏ (thông thường từ 5–25 µm). Nhờ tính chất nhẹ, độ bền kéo cao và khả năng cách điện tốt, sợi thủy tinh trở thành thành phần gia cường phổ biến trong các vật liệu compozit hiện đại.

Theo tiêu chuẩn công nghiệp, các chủng loại sợi thủy tinh chính bao gồm E-glass (electrical), S-glass (strength), C-glass (chemical), và D-glass (dielectric). Mỗi loại được điều chỉnh tỷ lệ các oxit nhằm tối ưu hóa tính chất cơ – điện hoặc khả năng chịu hóa chất.

  • E-glass: Ưu tiên cách điện và cách nhiệt, kháng hóa chất nhẹ.
  • S-glass: Tập trung độ bền kéo và độ dai va đập.
  • C-glass: Chịu môi trường hóa chất ăn mòn cao.
  • D-glass: Đặc tính điện môi cao, dùng trong viễn thông và điện tử.

Trong vật liệu compozit, sợi thủy tinh thường được kết hợp với ma trận nhựa (polyester, epoxy), kim loại (aluminium, thép) hoặc xi măng nhằm tạo ra sản phẩm có tính chất tổng hợp vượt trội về cơ – điện – nhiệt so với các vật liệu truyền thống.

Thành phần hóa học và cấu trúc vi mô

Cấu trúc chủ yếu của sợi thủy tinh bao gồm silica (SiO2) chiếm khoảng 50–60% khối lượng, cùng các oxit phụ trợ như Al2O3, MgO, CaO, B2O3, Na2O, và K2O. Thành phần này được điều chỉnh để cân bằng giữa độ ổn định nhiệt, độ bền kéo, và khả năng chống hóa chất.

Cấu trúc vi mô là dạng vô định hình (amorphous), không có mặt phẳng tinh thể. Các nguyên tử Si liên kết với oxy theo mạng Si–O–Si tạo thành hệ liên kết chéo với độ linh hoạt cao, giúp hấp thụ ứng suất và giảm nguy cơ nứt gãy khi có tải trọng tác động.

Tỷ lệ các oxit ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học:

  • Tăng tỷ lệ Al2O3 giúp nâng cao độ bền kéo và độ cứng.
  • Thêm MgO cải thiện khả năng chịu va đập và ổn định ở nhiệt độ cao.
  • Hàm lượng B2O3 kiểm soát nhiệt độ nóng chảy và độ nhớt của thủy tinh.

Quy trình sản xuất

Nguyên liệu sản xuất sợi thủy tinh bao gồm cát silica tinh khiết, dolomite, pyrophyllite, soda ash, và các oxit phụ trợ. Tất cả thành phần trộn đều và đưa vào lò nung ở nhiệt độ từ 1.400 đến 1.600 °C để thủy tinh hóa hoàn toàn.

Thủy tinh nóng chảy sau khi đạt độ đồng nhất cần được đưa qua khuôn kéo sợi (bushing plate) chứa hàng ngàn lỗ li ti. Dưới áp suất và lực hút, thủy tinh nóng được kéo thành sợi với đường kính kiểm soát rất chặt chẽ.

Sau khi kéo sợi, nhiệt độ và tốc độ làm mát được điều chỉnh để tránh ứng suất trong sợi. Tiếp đó, sợi được nhúng qua dung dịch sizing (hỗn hợp polymer và chất kết dính) nhằm cải thiện độ bám dính với ma trận nhựa và bảo vệ bề mặt sợi khỏi ẩm, tĩnh điện.

  • Form bushing: điều chỉnh số lượng và kích thước lỗ để kiểm soát tiết diện sợi.
  • Điều chỉnh tốc độ kéo: ảnh hưởng đến cơ tính và phân bố đường kính.
  • Quá trình sizing: chọn polymer tương thích với nhựa nền (e.g. epoxy, vinylester, polyester).

Các sản phẩm đầu ra có thể là:

  1. Sợi rời (chopped fiber) cho ứng dụng phun hoặc đùn compozit.
  2. Roving ( bó sợi liên tục ) dùng dệt vải hoặc gia cường dạng kéo sợi.
  3. Mat (màng sợi ngẫu nhiên) dùng làm tấm gia cường.

Các đặc tính vật lý – cơ học

Sợi thủy tinh nổi bật với độ bền kéo cao, thường nằm trong khoảng 2,5–4,5 GPa, vượt trội so với thép carbon trong khi khối lượng bằng một phần ba. Độ bền này được đo bằng phương pháp kéo theo tiêu chuẩn ASTM D2343.

Module đàn hồi của sợi (Ef) dao động 70–85 GPa, cho phép vật liệu compozit phát huy tối đa cường độ khi chịu tải. Theo quy tắc tổng hợp đơn giản:

Ec=EfVf+EmVmE_c = E_f V_f + E_m V_m

trong đó Ec là module của compozit, Vf và Vm lần lượt là thể tích tỷ lệ sợi và ma trận.

Đặc tính cơ học khác:

Chỉ tiêuGiá trị điển hìnhĐơn vị
Độ bền kéo (σb)2,5–4,5GPa
Module đàn hồi (Ef)70–85GPa
Độ giãn dài khi đứt2–5%
Khối lượng riêng≈2,5g/cm³

Do cấu trúc vô định hình và nhiệt độ làm việc, sợi thủy tinh duy trì ổn định cơ tính ở khoảng nhiệt độ từ –60 °C đến +500 °C, thích hợp cho nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Tính chất nhiệt và điện

Sợi thủy tinh có khả năng chịu nhiệt cao, duy trì tính cơ học và cấu trúc vô định hình ổn định trong khoảng nhiệt độ từ –60 °C đến 600 °C, tùy loại và lớp phủ sizing. Nhiệt độ làm việc giới hạn thường do thành phần B2O3 và CaO quyết định, ảnh hưởng đến nhiệt độ biến mềm và hệ số giãn nở nhiệt.

  • Hệ số giãn nở nhiệt (CTE): 5–10 ×10–6 K–1, thấp hơn nhiều so với polyme và thép.
  • Nhiệt độ biến mềm: 600–720 °C (E-glass: ~600 °C; S-glass: ~700 °C).

Chỉ số dẫn nhiệt của sợi thủy tinh rất thấp (k ≈ 0,3–1,0 W/m·K), giúp cải thiện khả năng cách nhiệt cho vật liệu compozit. Độ dẫn điện thì ngược lại, rất kém, với điện trở suất 1012–1014 Ω·cm, thích hợp làm vật liệu cách điện trong thiết bị điện tử và cáp quang (ScienceDirect).

Ứng dụng tiêu biểu

NgànhSản phẩm điển hìnhChú thích
Hàng không – vũ trụVỏ cánh quạt, ống dẫn nhiên liệuSử dụng S-glass để tối ưu độ bền và trọng lượng
Ô tô – vận tảiThân xe đua, thành vỏ xe busGiảm khối lượng, tăng tiết kiệm nhiên liệu (Owens Corning)
Xây dựngTấm lợp, thanh chịu lực, tấm ván sànKhả năng chống ăn mòn, dễ thi công
Điện – viễn thôngCáp quang, bảng mạch inCách điện cao, truyền dẫn tín hiệu ổn định
Thương mại – đồ gia dụngVỏ tủ lạnh, khay nhựa gia cốChi phí thấp, độ bền kéo vừa phải

Công nghiệp thể thao cũng khai thác sợi thủy tinh trong vợt tennis, ván trượt, áo bảo hộ để kết hợp tính bền và nhẹ. Các ứng dụng mới nổi bao gồm vật liệu cách âm trong ô tô và vật liệu cách nhiệt trong xây dựng xanh.

Ưu điểm và hạn chế

  • Ưu điểm:
    • Độ bền kéo cao so với khối lượng; khối lượng riêng ~2,5 g/cm³.
    • Cách điện và cách nhiệt tốt; chịu nhiệt đến 600 °C.
    • Chống ăn mòn và bền với hóa chất nhẹ (E-glass).
    • Chi phí sản xuất thấp hơn so với sợi carbon.
  • Hạn chế:
    • Tính giòn, dễ đứt gãy dưới va đập mạnh.
    • Khả năng chịu mài mòn kém, dễ mòn bề mặt.
    • Yêu cầu sizing và xử lý bề mặt phức tạp để tương thích với ma trận.
    • Khả năng tái chế hạn chế, chủ yếu ở dạng cấp thấp (downcycling).

Phương pháp kiểm tra chất lượng

Kiểm tra cấu trúc hóa học và hình thái sợi bằng phổ hồng ngoại FTIR và phổ Raman giúp xác định thành phần oxit và độ đồng nhất của thủy tinh (Spectroscopy Online).

  • Đo đường kính và phân bố kích thước sợi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Thử độ bền kéo và module đàn hồi theo ASTM D2343 hoặc ISO 10618.
  • Thử va đập Charpy để đánh giá độ dai va đập.

Kiểm tra sizing và khả năng ướt ướt bề mặt sợi bằng phương pháp đo góc tiếp xúc nước (contact angle) để đảm bảo độ ướt và bám dính với nhựa nền. Thử nghiệm nhiệt trọng lượng (TGA) xác định tỷ lệ kích thước phủ và tỷ lệ tạp chất trên sợi.

Xu hướng phát triển và cải tiến

  • Sizing thân thiện môi trường: chuyển đổi sang polymer phân hủy sinh học và chất kết dính không chứa styrene giảm phát thải VOC.
  • Sợi chức năng hóa: phủ nano-sensor giúp theo dõi biến dạng, nhiệt độ và tuổi thọ vật liệu trong thời gian thực.
  • Tái chế và circular economy: phát triển quy trình tách sợi và ma trận nhựa bằng phương pháp nhiệt phân và hóa học, tái sử dụng sợi thủy tinh ở cấp độ cao hơn.
  • Composites đa pha: kết hợp sợi thủy tinh và sợi carbon hoặc sợi tự nhiên tạo hybrid composites, tối ưu chi phí và cơ tính (Frontiers in Materials).

Tài liệu tham khảo

  • Hull, D., & Clyne, T. W. (1996). An Introduction to Composite Materials. Cambridge University Press. cambridge.org
  • Owens Corning. (2024). Glass Fibers: Technical Guide. owenscorning.com
  • ASM International. (2023). ASM Handbook, Volume 21: Composites. asminternational.org
  • “FTIR & Raman Analysis of Glass Fiber Composites.” Spectroscopy Online. spectroscopyonline.com
  • Zhu, J., & Kim, B. K. (2023). Hybrid Glass–Carbon Fiber Composites: Properties and Applications. Frontiers in Materials. frontiersin.org

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề sợi thủy tinh:

Chế tạo và tính chất quang học của sợi với lõi thủy tinh Al2O3-P2O5-SiO2 Dịch bởi AI
Inorganic Materials - Tập 45 - Trang 444-449 - 2009
Một quy trình đã được phát triển để chế tạo các cấu hình và sợi với lõi thủy tinh Al2O3-P2O5-SiO2, và các tính chất quang học của chúng đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy chỉ số khúc xạ và tổn thất quang của các loại thủy tinh được nghiên cứu là các hàm không cộng tính của nồng độ Al2O3 và P2O5 trong khoảng 0–20 mol %.
Mô hình sợi actin trong biểu mô thể thủy tinh chuột: Nghiên cứu ảnh hưởng của tuổi tác, chấn thương và di truyền Dịch bởi AI
Wiley - Tập 9 Số 1 - Trang 17-29 - 1988
Tóm tắtSử dụng chủ yếu là kính hiển vi huỳnh quang sau khi nhuộm rhodamine‐phalloidin, phân phối F‐actin trong biểu mô thể thủy tinh của chuột đã được nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của tuổi tác, dòng di truyền và chấn thương cơ học.Các nghiên cứu này đã cho thấy rằng ngoài việc liên kết với màng plasma, tổ chức cấu trúc của F‐actin trong biểu ...... hiện toàn bộ
TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘ BỀN TẤM PANEL CHẾ TẠO BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE POLYESTER - SỢI THỦY TINH
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM - Tập 40 Số 04 - 2020
Bài báo giới thiệu nghiên cứu tính toán và thực nghiệm xác định thông số độ bền cho tấm panel làm bằng vật liệu composite Polyeste- sợi thủy tinh kết cấu sandwich. Các thông số bao gồm ứng suất bền kéo (σk), module đàn hồi (E) của các thành phần cấu tạo nên tấm panel được tính dùng mô hình toán họcthực hiện trên phần mềm Mathworks MATLAB R2018a chạy trên MS Window 10 và được kiểm chứng bằng p...... hiện toàn bộ
#Frozon truck body #Composite material #Sandwich structure #Mechanical panel
Ứng dụng công nghệ ép phun nhựa-sợi thủy tinh trong chế tạo xe khách giường nằm ở Việt Nam
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 41-45 - 2015
Tại Việt Nam hiện nay, việc thay các chi tiết kim loại trên ô tô bằng các chi tiết nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật chưa đượ thực hiện. Và việc ứng dụng công nghệ ép phun cho các chi tiết ô tô lại càng chưa được chú trọng, điều này ảnh hưởng đến năng suất, giá thành, chất lượng sản xuất xe, nhất là xe khách giường nằm. Bài báo này giới thiệu ứng dụng công nghệ ép phun để sản xuất nội địa hóa các sản phẩm c...... hiện toàn bộ
#nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật #xe khách giường nằm #công nghệ ép phun #khuôn mẫu #kỹ thuật ngược
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TIỂU THUYẾT SINH THÁI TRONG VĂN HỌC ĐƯƠNG ĐẠI TRUNG QUỐC
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Hải Phòng: Giáo dục - Xã hội - Nhân văn - Số 49 - Trang 43 - 2021
Gần bốn thập niên đã qua tính từ thập niên 1980, tiểu thuyết sinh thái trong văn học đươngđại Trung Quốc trở thành một khuynh hướng tiểu thuyết khá hấp dẫn đã thu hút được sự quan tâm củacác nhà văn, các nhà nghiên cứu, phê bình. Bài viết này trên cơ sở tình hình phát triển của tiểu thuyếtsinh thái và hiện trạng nghiên cứu tiểu thuyết sinh thái trong văn học Trung Quốc đương đại khá sôinổi hiện na...... hiện toàn bộ
#Gần bốn thập niên đã qua tính từ thập niên 1980 #tiểu thuyết sinh thái trong văn học đương đại Trung Quốc trở thành một khuynh hướng tiểu thuyết khá hấp dẫn đã thu hút được sự quan tâm của các nhà văn #các nhà nghiên cứu #phê bình. Bài viết này trên cơ sở tình hình phát triển của tiểu thuyết sinh thái và hiện trạng nghiên cứu tiểu thuyết sinh thái trong văn học Trung Quốc đương đại khá sôi nổi hiện nay để tổng thuật #đánh giá các xu hướng của tiểu thuyết sinh thái đương đại cũng như tính đa chiều của nó từ các nghiên cứu của học giả Trung Quốc.
Phân Tích Nguyên Nhân Thất Bại Của Ống Nhựa Gia Cường Sợi Thủy Tinh Sản Xuất Bằng Kỹ Thuật Quấn Sợi Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - Trang 1-9 - 2023
Kỹ thuật quấn sợi là quy trình sản xuất composite phổ biến thứ hai trong các quy trình sản xuất cơ bản, cung cấp một kỹ thuật tự động hóa so với quy trình lắp ráp thủ công truyền thống. Quy trình quấn sợi liên tục là quy trình sản xuất ống polymer gia cường bằng sợi thủy tinh (GRP) từ sợi thủy tinh chảy liên tục được quấn trên một máy tự động. Đây là công nghệ nhanh chóng và đáng tin cậy để sản xu...... hiện toàn bộ
#quấn sợi #ống composite #polymer gia cường bằng sợi thủy tinh #phân tích thất bại #kiểm tra thủy tĩnh
Ảnh hưởng của độ căng sợi đến khả năng chống lại sự tháo cuốn của các lớp làm cứng bằng nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh Dịch bởi AI
Mechanics of Composite Materials - - 1975
Các đặc tính về độ dẻo gãy cắt của nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh được sử dụng để gia cố các bình áp lực kim loại đã được xác định thông qua việc thử nghiệm các vòng kim loại-GRP. Các đặc tính về độ dẻo gãy cắt được ước lượng thống kê cho GRP một chiều dựa trên độ căng khi quấn.
#nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh #kháng gãy #độ căng sợi #bình áp lực kim loại #lớp làm cứng
Các tác động khác nhau của ghép dây thần kinh thị giác và dây thần kinh tọa qua thủy tinh thể lên sự sống sót của tế bào hạch võng mạc và sự tái sinh của các sợi trục của chúng Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 30 - Trang 983-991 - 2001
Chúng tôi đã điều tra các tác động của ghép dây thần kinh tọa (SN) và/hoặc dây thần kinh thị giác (ON) qua thủy tinh thể lên sự sống sót và sự tái sinh sợi trục của tế bào hạch võng mạc (RGCs). Sau khi cắt đứt ON, khoảng 40% RGCs vẫn sống sót sau 7 ngày sau phẫu thuật (dpa). Kết quả cho thấy ghép ON qua thủy tinh thể thúc đẩy đáng kể sự sống sót của RGCs sau 7 dpa (39,063 so với 28,246). Tuy nhiên...... hiện toàn bộ
#dây thần kinh thị giác #dây thần kinh tọa #tế bào hạch võng mạc #tái sinh sợi trục #sống sót
Tính Chất Cơ Học của Các Vật Liệu T composite GF/pCBT và Các Mối Nối Liên Kết Nung Chảy của Chúng: Ảnh Hưởng Của Các Tham Số Quá Trình Dịch bởi AI
Strength of Materials - Tập 47 - Trang 41-46 - 2015
Độ nhớt cao trong quá trình chảy nóng chảy của các composite nhiệt dẻo không cho phép sử dụng một lượng lớn các tác nhân gia cường. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách polymer hóa tại chỗ một loại nhựa cyclic butylene terephthalate (CBT) có độ nhớt cực thấp. Các composite poly(cyclic butylene terephthalate) (GF/pCBT) được gia cường bởi sợi thủy tinh liên tục với lượng sợi cao đã được sản x...... hiện toàn bộ
#tính chất cơ học #composite #GF/pCBT #nhựa CBT #liên kết nung chảy #sợi thủy tinh
Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tiêm đến hướng sợi trong các mẫu ép đơn giản từ polypropylene chứa sợi thủy tinh ngắn Dịch bởi AI
Journal of Materials Science - Tập 13 - Trang 2497-2506 - 2013
Mô hình hướng sợi trong các dải polypropylene gia cố bằng sợi thủy tinh được ép phun đã được nghiên cứu bằng kỹ thuật vi quang tiếp xúc. Kết quả cho thấy rằng hướng sợi trong lõi của mẫu khuôn phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ tiêm. Tốc độ tiêm cao gây ra sự sắp xếp của các sợi vuông góc với hướng dòng chảy, trong khi với tốc độ rất thấp, các sợi sắp xếp song song với hướng dòng chảy. Các thay đổi li...... hiện toàn bộ
#hướng sợi #polypropylene #sợi thủy tinh #tốc độ tiêm #lưu biến học #kính hiển vi điện tử quét
Tổng số: 42   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5