Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Vì là một lĩnh vực nghiên cứu mới, số lượng công trình về ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến tính chất cơ học của vật liệu composite còn hạn chế Nghiên cứu này tổng hợp một số luận văn và công trình liên quan đến vấn đề này, được trình bày dưới đây.

1.1.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Huy Tùng và các cộng sự đã chỉ ra rằng số lớp vải gia cường có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu compozit sử dụng prepreg trên cơ sở nhựa phenolic và epoxy gia cường sợi thủy tinh và thủy tinh – Aramit Cụ thể, khi tăng số lớp vải từ 13 lên 17 lớp, tất cả các cơ tính đều có sự cải thiện rõ rệt: độ bền kéo tăng từ 164,6 MPa lên 205,2 MPa (tăng 24,6%), mô đun kéo cũng tăng từ 2,4 lên 2,7 GPa, và độ bền uốn tăng từ 97,0 MPa lên 115,3 MPa.

(tăng 18,8%) nhưng mô đun uốn lại giảm từ 9,0 xuống 8,1 GPa Độ bền va đập Izod tăng từ 186,5 KJ/m 2 lên 228,9 KJ/m 2 (tăng 22,7%)

Tác giả Trần Minh Hổ đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ vật liệu gia cường đến tính chất của vật liệu composite lai dựa trên nền nhựa polymer Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu cách mà các tỷ lệ khác nhau của vật liệu gia cường có thể tác động đến hiệu suất và tính chất của composite, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho việc phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực vật liệu.

Nghiên cứu đã phân tích tác động của tỷ lệ vật liệu gia cường và sợi thủy tinh đến cơ tính của vật liệu composite Các mẫu thử được khảo sát với 5 mức tỷ lệ khác nhau, bao gồm: 40% sợi thủy tinh kết hợp với 60% nhựa epoxy và 38% sợi thủy tinh, 60% nhựa epoxy cùng với 2% TiO2.

Các mẫu composite được thử nghiệm với tỷ lệ thành phần khác nhau: 35% sợi thủy tinh, 60% nhựa epoxy và 5% TiO2; 30% sợi thủy tinh, 60% nhựa epoxy và 10% TiO2; 25% sợi thủy tinh, 60% nhựa epoxy và 15% TiO2 Kết quả kiểm tra cơ tính cho thấy composite với thành phần 35% sợi thủy tinh đạt được hiệu suất tốt nhất.

2 sợi thủy tinh + 60% nhựa epoxy + 5% TiO 2 có tính chất cơ lý cao hơn so với các loại composite có chứa 2%, 10% và 20% bột TiO 2

Tác giả Phan Thị Minh Ngọc cùng các cộng sự [2] đã thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu Polyme compozit từ hệ nhựa Epoxy/DDS gia cường sợi thủy tinh có mặt vi sợi xenlulo cho thấy tỷ lệ khối lượng giữa nhựa epoxy và vải thủy tinh ảnh hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu Kết quả khảo sát các tỷ lệ vải thủy tinh/nhựa epoxy cho thấy tỷ lệ 70/30 mang lại cơ tính tối ưu, với độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi uốn cao nhất so với các tỷ lệ khác.

1.1.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Tác giả Ankuloriya & Rohit Rajvaidya [5] đã thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu về "Đặc tính của composite ABS gia cố bằng sợi thủy tinh ngắn" cho thấy độ cứng của vật liệu tăng theo tỷ lệ sợi thủy tinh từ 5% đến 30% Độ bền kéo đạt tối đa ở tỷ lệ 5% sợi thủy tinh, nhưng giảm khi tăng lên 10% và 20% Tuy nhiên, khi tỷ lệ sợi thủy tinh đạt 30%, độ bền kéo lại được cải thiện và có xu hướng tăng Sự gia tăng tỷ lệ sợi thủy tinh cũng cho thấy sự liên kết tốt hơn giữa ABS và sợi thủy tinh ngắn.

Nghiên cứu của tác giả Ota N và các cộng sự về "Ảnh hưởng kết hợp của nhiệt độ phun và tỷ lệ sợi trên tính chất của vật liệu composite polypropylene – sợi thủy tinh" cho thấy độ bền kéo và mô đun đàn hồi của vật liệu này tăng tuyến tính theo tỷ lệ khối lượng sợi thủy tinh Tuy nhiên, dữ liệu cũng chỉ ra rằng mô đun giảm khi nhiệt độ phun đạt 170°C với tỷ lệ 20% sợi thủy tinh, và khi nhiệt độ phun ở 230°C hoặc 250°C với tỷ lệ 30% sợi thủy tinh Đặc biệt, độ dai va đập của composite tăng khi tỷ lệ sợi thủy tinh gia tăng.

Nghiên cứu của tác giả Hiroshi Suzuki về “Phát triển độ bền va đập cao cho Polypropylene gia cường bằng sợi thủy tinh dài” đã chỉ ra rằng chiều dài và tỷ lệ sợi thủy tinh là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu Cụ thể, khi tăng tỷ lệ và chiều dài sợi thủy tinh, độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu đều tăng lên Bên cạnh đó, điều kiện ép phun cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự gãy sợi; điều kiện ép phun thích hợp sẽ duy trì mô đun đàn hồi và độ dai va đập của vật liệu.

Nghiên cứu của tác giả Attel Manjunath và Dr D V Girish về "Ảnh hưởng của việc gia cường bằng sợi thủy tinh ngắn lên đặc tính của ma trận polymer (polycarbonate)" đã chỉ ra rằng việc tăng tỷ lệ sợi thủy tinh gia cường cải thiện các tính chất cơ – lý của vật liệu composite polycarbonate Cụ thể, độ cứng bề mặt tăng lần lượt 24,3%; 28,6% và 30% với tỷ lệ sợi thủy tinh 10%, 20% và 30% Độ bền kéo cũng tăng tương ứng 29,15%; 58,25% và 73,38% Về tính chất hóa học, sau 7 ngày tiếp xúc với 10 chất phản ứng khác nhau, các mẫu composite không có sự thay đổi về độ bóng và màu sắc, nhưng có sự thay đổi nhẹ về trọng lượng và độ dày.

Hamdullah Çuvalci, Kadir Erbay, and Hüseyin Ipek conducted a study titled "Investigation of the Effect of Glass Fiber Content on the Mechanical Properties of Cast Polyamide." The authors observed that the density of the composite material increased with the glass fiber content, ranging from 5.5% to 54.9% Mechanical properties such as tensile strength and modulus of elasticity improved as the fiber content rose up to 34.3% However, these properties began to decline when the fiber content exceeded 34.3% Additionally, the elongation at break was also affected by the fiber ratio.

Khi tỷ lệ sợi tăng, độ dai va đập giảm, trong khi hệ số hiệu suất sợi của độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng lên đến 34,3% Tuy nhiên, sau mức tỷ lệ này, hiệu suất bắt đầu giảm khi tỷ lệ sợi tiếp tục gia tăng.

B V Lingesh, B M Rudresh và B N Ravikumar [7] đã thực hiện nghiên cứu

This study investigates the impact of short glass fibers on the mechanical properties of Polyamide 66 and Polypropylene (PA66/PP) thermoplastic blend composites The research focuses on a polymer blend consisting of 80 wt % Polyamide 66 and 20 wt % Polypropylene, with varying glass fiber loadings of 0 wt %, 5 wt %, 10 wt %, and 15 wt %.

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng sợi thủy tinh với tỷ lệ 25 wt % trong vật liệu composite mang lại hiệu suất cơ tính tối ưu, với độ bền kéo tăng khoảng 44% và độ bền uốn tăng khoảng 35% so với polyblend nguyên chất Tuy nhiên, độ dai va đập và độ dãn dài của vật liệu composite lại giảm khi tỷ lệ sợi thủy tinh tăng.

M S EL-Wazery, M I EL-Elamy và S H Zoalfakar [14] đã thực hiện nghiên cứu “Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Polyester Composites” Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo của vật liệu composite tăng từ 28,25 MPa đến 78,83 MPa, độ bền uốn tăng từ 44,65 MPa đến 119,23 MPa khi tỷ lệ trọng sợi thủy tinh tăng từ 15wt.% đến 60 wt.% Năng lượng va đập ở nhiệt độ phòng tăng từ 3,5 Joules đến 6,50 Joules với sự thay đổi tỷ lệ sợi thủy tinh từ 15wt.% đến 60 wt.% Ngoài ra, giá trị độ cứng cũng tăng đáng kể từ 31,5 BHN đến

Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của xã hội đã làm tăng nhu cầu về vật liệu với tính năng cơ lý kỹ thuật cao Vật liệu composite, với những ưu điểm như nhẹ, chắc, bền, không gỉ, chống ăn mòn và giá thành hợp lý, đang ngày càng được ưa chuộng Loại vật liệu này không chỉ khắc phục nhược điểm của vật liệu truyền thống mà còn có ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật chế tạo.

Ngành công nghiệp vật liệu composite đã có lịch sử lâu dài, nhưng chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ trong 50 năm qua, đặc biệt là với vật liệu composite nền polymer cốt sợi Loại vật liệu này nổi bật với nhiều ưu điểm như không gỉ, cường độ cao, trọng lượng nhẹ, và dễ gia công Gần đây, composite polymer cốt sợi đã được nghiên cứu rộng rãi như một vật liệu lý tưởng, hiệu quả và thân thiện với môi trường Vật liệu này được hình thành từ nhựa nền polymer và sợi gia cường, trong đó sợi thủy tinh, với giá thành rẻ, đang được sử dụng phổ biến trong sản xuất.

Composite nền polymer gia cường bằng sợi thủy tinh, đặc biệt là nylon-6 (PA6), đang được ưa chuộng nhờ vào giá thành hợp lý, cơ tính vượt trội và tính chất hóa lý ổn định.

Nghiên cứu về vật liệu composite, đặc biệt là composite polymer gia cường bằng sợi, đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới Tuy nhiên, việc đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite polymer gia cường bằng sợi thủy tinh vẫn còn mới mẻ, đặc biệt tại Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun là cần thiết, mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn nhằm củng cố lý thuyết và ứng dụng vào công nghệ chế tạo vật liệu composite polymer cốt sợi thủy tinh, phục vụ cho đời sống.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn trong công nghệ ép phun Nghiên cứu tập trung vào các chỉ tiêu như độ bền, mô đun đàn hồi kéo và uốn Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp phương trình hồi quy cho độ bền, mô đun đàn hồi kéo và uốn tương ứng với tỷ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0 đến 30%.

Với mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài này có các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

- Trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu composite, công nghệ ép phun, sợi thủy tinh và nhựa PA6 (Polyamide 6)

- Nghiên cứu và chế tạo mẫu thử

- Thực nghiệm kiểm tra độ bền uốn, độ bền kéo của vật liệu composite với tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn thay đổi từ 0 – 30%

- Xử lý số liệu thực nghiệm

- Đưa ra được ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn

Để nâng cao độ bền kéo và uốn của vật liệu composite nền nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn, cần đề xuất một số kiến nghị về tỷ lệ sợi thủy tinh Việc tối ưu hóa tỷ lệ này sẽ giúp cải thiện tính chất cơ học của composite, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.

1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

- Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm

- Phạm vi thời gian: Từ tháng 8 năm 2016 đến tháng 10 năm 2017

1.5 Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, khả năng và nguồn lực nên nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:

- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun

- Vật liệu composite sử dụng là composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn với kớch thước 2-4àm

- Chỉ nghiên cứu trên sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ 0 – 30%

- Phương pháp thu thập tài liệu:

+ Thu thập tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài và xử lý tài liệu + Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178 và 527

Phương pháp kế thừa là việc chọn lọc tài liệu và các công trình nghiên cứu liên quan từ trong nước và quốc tế, nhằm phục vụ cho vấn đề nghiên cứu một cách hiệu quả.

- Phương pháp thiết kế và gia công mẫu: Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp ISO 527 (ASTM D 638); ISO 178 (ASTM D 6272)

- Phương pháp thực nghiệm: Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

Số liệu thực nghiệm đã được xử lý bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố, sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong phân tích.

Phương pháp đánh giá được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn đến độ bền kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi của vật liệu composite trên nền nhựa PA6 Kết quả này sẽ cung cấp những thông tin quan trọng cho việc cải thiện tính chất cơ học của vật liệu composite.

Chương 1: Tổng quan – Khái quát về đề tài nghiên cứu

Chương 2: Giới thiệu – Giới thiệu những vấn đề liên quan đến nghiên cứu như vật liệu composite, sợi thủy tinh, công nghệ ép phun và nhựa polyamide (PA6)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết – Trình bày cơ sở lý thuyết của đề tài nghiên cứu như quy trình nghiên cứu, phương pháp xác định cơ tính mẫu thử và phương pháp chế tạo các mẫu thử

Chương 4: Mô tả thí nghiệm – Trình bày các thông số liên quan đến thí nghiệm và chế tạo mẫu thử

Chương 5: Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến cơ tính của mẫu thử - Nghiên cứu và trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền kéo, độ bền uốn, mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn của vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ sợi từ 0 – 30%

Chương 6: Kết luận và đề xuất – Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề xuất.

Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, khả năng và nguồn lực nên nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:

- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun

- Vật liệu composite sử dụng là composite nền nhựa PA6 (Polyamide 6) gia cường sợi thủy tinh ngắn với kớch thước 2-4àm

- Chỉ nghiên cứu trên sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ 0 – 30%.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu:

+ Thu thập tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài và xử lý tài liệu + Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178 và 527

Phương pháp kế thừa là việc lựa chọn tài liệu và các công trình nghiên cứu có liên quan từ cả trong nước và quốc tế, nhằm phục vụ cho vấn đề nghiên cứu đang được xem xét.

- Phương pháp thiết kế và gia công mẫu: Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp ISO 527 (ASTM D 638); ISO 178 (ASTM D 6272)

- Phương pháp thực nghiệm: Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến độ bền kéo và uốn của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

Phương pháp xử lý số liệu trong nghiên cứu này sử dụng quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố, được hỗ trợ bởi phần mềm Sigma Plot 11 để xử lý các số liệu thực nghiệm.

Phương pháp đánh giá được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh ngắn đến độ bền kéo, độ bền uốn và mô đun đàn hồi của vật liệu composite trên nền nhựa PA6 Kết quả này cung cấp những thông tin quan trọng về tính chất cơ học của vật liệu composite, giúp tối ưu hóa ứng dụng trong ngành công nghiệp.

Kết cấu đề tài

Chương 1: Tổng quan – Khái quát về đề tài nghiên cứu

Chương 2: Giới thiệu – Giới thiệu những vấn đề liên quan đến nghiên cứu như vật liệu composite, sợi thủy tinh, công nghệ ép phun và nhựa polyamide (PA6)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết – Trình bày cơ sở lý thuyết của đề tài nghiên cứu như quy trình nghiên cứu, phương pháp xác định cơ tính mẫu thử và phương pháp chế tạo các mẫu thử

Chương 4: Mô tả thí nghiệm – Trình bày các thông số liên quan đến thí nghiệm và chế tạo mẫu thử

Chương 5: Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến cơ tính của mẫu thử - Nghiên cứu và trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền kéo, độ bền uốn, mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn của vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh ngắn với tỷ lệ sợi từ 0 – 30%

Chương 6: Kết luận và đề xuất – Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề xuất.

GIỚI THIỆU

Vật liệu composite

2.1.1 Khái niệm và tính chất

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một loại vật liệu mới với các đặc tính vượt trội hơn hẳn so với từng thành phần riêng lẻ.

Vật liệu composite bao gồm hai thành phần chính: vật liệu nền và vật liệu cốt Vật liệu nền liên kết các cốt lại với nhau, tạo ra một cấu trúc nguyên khối và liên tục, giúp composite có độ bền nhiệt, bền hóa và khả năng chịu đựng khi có khuyết tật Các loại vật liệu nền thường gặp bao gồm polymer, kim loại, hợp kim, gốm và cacbon Trong khi đó, vật liệu cốt cung cấp cho composite độ bền cơ học và mô đun đàn hồi cao, với các dạng cốt như hạt ngắn, bột hoặc sợi như sợi thủy tinh, sợi polymer, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cacbon.

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:

Cơ tính của các vật liệu thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của vật liệu composite Khi các vật liệu thành phần có cơ tính tốt, vật liệu composite sẽ đạt được cơ tính vượt trội, vượt xa các đặc tính riêng lẻ của từng thành phần.

Luật phân bố hình học của vật liệu cốt cho thấy rằng khi vật liệu cốt không phân bố đồng đều, vật liệu composite sẽ dễ bị phá huỷ ở những khu vực có mật độ vật liệu cốt thấp.

Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu,

10 có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu

Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần là yếu tố quan trọng, trong đó vật liệu cốt và nền cần có sự liên kết chặt chẽ để tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau Chẳng hạn, sự kết hợp giữa cốt thép và xi măng trong bê tông minh chứng cho mối quan hệ này, giúp cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình.

2.1.2 Phân loại vật liệu composite

2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng

Khi phân loại theo hình dạng thì vật liệu composite bao gồm những loại sau: composite hạt, composite sợi, composite phiến, composite vảy, composite điền đầy (Hình 2.1)

Hình 2.1: Các loại vật liệu composite a) Composite hạt; b) Composite sợi; c) Composite phiến d) Composite vảy; e) Composite điền đầy

2.1.2.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần

Khi phân loại theo bản chất vật liệu thành phần, composite bao gồm những loại sau:

- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại

- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC

- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc kim loại hoặc hạt gốm

2.1.3 Vật liệu và thành phần của composite

- Nhựa polymer nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo

Vật liệu gia cường đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì vật liệu gia cường (cốt) thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa

Có ba dạng cốt cơ bản:

Cốt dạng sợi là loại vật liệu có chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều rộng và chiều cao, được phân bố gián đoạn trong vật liệu composite Trong khi chiều dài có thể ở dạng liên tục hoặc gián đoạn, các sản phẩm composite dân dụng thường được chế tạo từ loại vật liệu này, chủ yếu trên nền nhựa.

Cốt dạng hạt là loại vật liệu gián đoạn, không có kích thước ưu tiên như cốt sợi Bê tông, một trong những loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất, thường được gọi ngắn gọn là bê tông Do đó, khi nhắc đến composite, người ta thường nghĩ đến vật liệu composite cốt sợi.

Cốt dạng vải, hay còn gọi là cấu trúc, là sự kết hợp của bề mặt vật liệu cốt sợi, được tạo ra thông qua công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt truyền thống phổ biến bao gồm dệt lụa trơn, dệt xa tanh, và dệt vân chéo.

Vải mô đun cao với kiểu dệt đồng phương là một trong những kỹ thuật đan sợi tiên tiến Kiểu dệt này, còn được gọi là kiểu chéo sợi, mang lại độ bền và tính thẩm mỹ cho sản phẩm Bên cạnh đó, kỹ thuật dệt cao cấp còn bao gồm các kiểu dệt đa phương như bện, tết và kiểu dệt thể tích, tạo nên những loại vải đa dạng và phong phú.

2.1.3.3 Vùng chuyển tiếp trong composite

Vùng trung gian là khu vực kết nối giữa cốt và nền, đóng vai trò quyết định đến cơ tính và các thuộc tính khác của composite Đây là nơi truyền tải trọng từ nền sang cốt, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của vật liệu Nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp, trong đó tính thấm ướt là yếu tố quan trọng, yêu cầu pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn Tuy nhiên, sự liên kết giữa nền và cốt không phải lúc nào cũng lý tưởng do sự khác biệt về bản chất hóa lý của các vật liệu.

Là những vật liệu liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như:

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu, Al,… hoặc bi tráng kim loại

- Bôi trơn khi dỡ khuôn

Chất nền không những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà còn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên toàn bộ composite

Nhựa nền đóng vai trò quan trọng như chất kết dính, giúp tạo ra môi trường phân tán và truyền tải ứng suất đến cốt khi có ngoại lực tác động Nó có thể được hình thành từ một hoặc nhiều loại chất được trộn lẫn đồng nhất, tạo thành một thể liên tục.

Vật liệu composite nền kim loại, đặc biệt là kim loại màu, được ưa chuộng trong kỹ thuật nhờ vào những ưu điểm vượt trội như trọng lượng nhẹ, khả năng bền ở nhiệt độ cao và khả năng chịu mài mòn tốt hơn so với kim loại đen Hơn nữa, công nghệ chế tạo composite nền kim loại cũng đơn giản hơn, giúp tăng tính ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

- Composite nền nhôm cốt hạt

- Composite nền nhôm cốt sợi

- Composite nền đồng hạt thép

Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để khắc phục những nhược điểm của gốm nguyên khối, bao gồm tính dòn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế.

Vật liệu composite nền gốm được sử dụng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường khắc nghiệt như động cơ tên lửa, động cơ phản lực, và vỏ cách nhiệt của tàu không gian Những ứng dụng này yêu cầu khả năng chịu nhiệt cao, vì nhiệt độ làm việc rất lớn và khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường Thay thế siêu hợp kim bằng vật liệu gốm composite không chỉ giúp giảm khối lượng mà còn mang lại lợi ích quan trọng cho ngành hàng không vũ trụ.

Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là dạng không liên tục như hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn, hoặc dạng liên tục như sợi Khi sử dụng cốt gián đoạn, độ bền và độ dai va đập chỉ có thể được cải thiện đến một giới hạn nhất định, nhưng vẫn đủ cho ứng dụng Một ví dụ điển hình về composite nền gốm là SiC/Si3N4, trong đó SiC đóng vai trò là pha gia cường, còn Si3N4 là vật liệu nền.

2.1.7 Ứng dụng của vật liệu composite

2.1.7.1 Trong một số lĩnh vực của đời sống

- Giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván như: càng, thùng trần của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô

- Hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu

Công nghệ ép phun

Công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn để tạo hình Khi nhựa nguội và đông cứng, nó sẽ giữ hình dạng của khuôn, tạo ra sản phẩm cuối cùng.

15 mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy, trong quá trình này không có bất cứ một phản ứng hóa học nào

Sản phẩm nhựa hiện diện xung quanh chúng ta, từ dụng cụ học tập như thước và bút đến đồ chơi và các sản phẩm phức tạp như bàn ghế và máy tính Với màu sắc và hình dáng đa dạng, các sản phẩm nhựa không chỉ làm đẹp cho cuộc sống mà còn mang lại tiện nghi Công nghệ ép phun đã đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất những sản phẩm này, khiến chúng trở thành phần không thể thiếu trong đời sống hàng ngày.

Vật liệu nhựa, với đặc tính dẻo dai, khả năng tái chế và không phản ứng hóa học với không khí ở điều kiện bình thường, đang dần thay thế các vật liệu truyền thống như sắt, nhôm và gang, vốn ngày càng khan hiếm trong tự nhiên Hiện nay, công nghệ ép phun được hỗ trợ bởi nhiều loại máy ép phun hiện đại, đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao.

Hình 2.2: Sơ đồ vận hành của máy ép phun

 Nguyên lý vận hành như sau:

Nguyên liệu được đưa vào máy ép phun theo chu kỳ, sau khi hóa dẻo, sẽ được phun vào khuôn đã được kẹp chặt Hình dạng của khuôn quyết định hình dạng sản phẩm cuối cùng Sau khi định hình và làm nguội trong khuôn, quá trình mở khuôn sẽ diễn ra để lấy sản phẩm ra ngoài.

- Đặc điểm của công nghệ ép phun là quá trình sản xuất diễn ra theo chu kỳ

- Thời gian chu kỳ phụ thuộc vào trọng lượng của sản phẩm, nhiệt độ của nước làm nguội khuôn và hiệu quả hệ thống làm nguội khuôn

- Chất lượng và năng suất của sản phẩm phụ thuộc vào chất lượng máy ép phun, chất lượng của khuôn mẫu, vật liệu.

Sợi thủy tinh

Vật liệu thủy tinh đã có lịch sử sử dụng lâu dài, bắt đầu từ thời Ai Cập cổ đại khi người dân sử dụng thủy tinh trong đất sét để giảm co ngót sau khi nung Đến thế kỷ XVIII, sợi thủy tinh được áp dụng trong gấm thêu kim tuyến tại Pháp Sự ra đời của sợi thủy tinh E vào những năm 30 của thế kỷ XX đã đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc phát triển và thương mại hóa sợi thủy tinh.

Kể từ năm 1935, nhựa nhiệt rắn như polyester đã được ứng dụng để sản xuất vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh, đặc biệt là trong chế tạo máy che rada cho máy bay trong Thế chiến II Từ đó, vật liệu polymer composite dựa trên sợi thủy tinh và các sợi tăng cường khác như carbon và aramit đã phát triển mạnh mẽ Hiện nay, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giao thông vận tải (chế tạo thiết bị ô tô, tàu hỏa), xây dựng (panel, tấm chắn gió), cũng như trong ngành hàng không và vũ trụ.

Sợi thủy tinh được ứng dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm:

- Bền hóa, bền môi trường

- Độ bền, độ cứng cao

- Đa dạng, giá thành thấp

Sợi thủy tinh có nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại nhược điểm là khả năng hấp thụ nền kém, dẫn đến tính chất vật liệu không cao Đối với các vật liệu polymer composite yêu cầu độ bền cao và tỷ trọng thấp mà không chú trọng đến chi phí, sợi thủy tinh thường ít được sử dụng Việc lựa chọn vật liệu gia cường phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng sản phẩm.

2.3.2 Phân loại sợi thủy tinh

Theo tính chất, thành phần của sợi thủy tinh có thể phân loại thành các loại vải thủy tinh như sau:

- E – glass (Electrical glass): được sử dụng để chế tạo vật liệu cách điện

- A – glass (Alkaline glass): sợi thủy tinh chịu môi trường kiềm tốt

- C – glass (Chemicals glass): sợi thủy tinh chịu môi trường hóa chất

- S, R – glass: sợi thủy tinh có mô đun cao, độ bền cao

Bảng 2.1: Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh [4]

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2,58 2,44 2,52 2,46 2,54 Điểm nóng chảy ( 0 C) 846 705 750 1056 952 Độ bền kéo (MPa) 3400 3100 3100 4590 4400

Mô đun đàn hồi (GPa)

2.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi gia cường

- Sự sắp xếp của sợi

2.3.4 So sánh tính chất của một số loại vật liệu gia cường

Bảng 2.2: Tính chất của một số loại vật liệu gia cường

Vật liệu Mô đun (GPa) Độ bền (MPa) Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Nhựa Polyamide 6 (PA6)

PA6 hay còn được gọi là nylon-6 là một loại nhựa nhiệt dẻo thuộc nhóm polyamide polymer được hình thành bởi phản ứng cộng của các hợp chất vòng

Vì là một loại nhựa thuộc nhóm polyamide polymer nên nhựa PA6 có những tính chất chung của nhóm PA như sau:

- Chống thẩm thấu khí hơi rất tốt

- Có khả năng hấp thụ nước, hơi nước

- Có tính chống thấm khí O 2 , N 2 , CO 2 rất cao

- Có khả năng chịu được nhiều loại dầu, mỡ bôi trơn, nhiên liệu diesel và xăng, cách điện và nhiệt tốt

- Có tính bền cơ lý cao: chịu được va chạm, chống được sự trầy xước, mài mòn

- Dễ dàng gia công, dễ dàng hàn và kết dính

- Có khả năng in ấn tốt, không cần xử lý bề mặt trước khi in

Có thể áp dụng nhiều loại chất độn và phụ gia khác nhau nhằm nâng cao các tính chất cụ thể của nhựa PA6, đồng thời giảm thiểu những hạn chế của vật liệu gốc.

- Có thể áp dụng hầu như tất cả các phương pháp chế biến nhựa đối với nhựa PA6

- Không có tính cứng vững như polypropylene, do đó không dùng để chế tạo chai lọ

Bảng 2.3: Tính chất cơ lý của nhựa PA6

Tính chất Điều kiện Phương pháp Nhựa PA6

Khối lượng riêng của vật liệu đạt 1,14% theo tiêu chuẩn ISO 2577 Độ bền va đập IZOD ở nhiệt độ -30°C là 250 KJ/m² theo ISO 180-IC Biến dạng kéo danh nghĩa đạt 20% khi thử nghiệm với tốc độ 50 mm/phút theo ISO 527 Độ bền kéo là 50 MPa khi thử nghiệm ở tốc độ 5 mm/phút theo ISO 527 Ứng suất đàn hồi đạt 80 MPa với tốc độ 50 mm/phút theo ISO 527 Độ bền uốn là 110 MPa khi thử nghiệm ở tốc độ 5 mm/phút theo ISO 178 Độ bền va đập ở nhiệt độ 23°C là NB theo ISO 179-LeU Cuối cùng, độ giãn dài giới hạn đạt 35% khi thử nghiệm với tốc độ 5 mm/phút theo ISO 527.

Mô đun đàn hồi kéo (MPa) 1 mm/phút ISO 527 3200

Mô đun đàn hồi uốn (MPa) 2 mm/phút ISO 178 2900

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 10K/phút ISO 3146-C 222

Hệ số giãn nở tuyến tính (10 -4 /k) 23 0 C -55 0 C E 831 1,1

Hệ số giãn nở nhiệt (10 -4 /k) 23 0 C -55 0 C E 831 1 Nhiệt độ biến dạng nhiệt ( 0 C) 1,80 MPa ISO 75 -55

Nguồn: Plastic Chemical Co., Ltd Suzhou Langtai

2.4.3 Ứng dụng của nhựa PA6

Vì có nhiều ưu điểm nổi trội nên nhựa PA6 được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống:

Lĩnh vực ứng dụng của công nghệ bao gồm cơ khí, kỹ thuật ô tô, vận tải, công nghệ băng tải, máy móc dệt may, bao bì, máy móc chế biến giấy, máy in và các công nghệ liên quan.

21 thực phẩm, đồ uống pha chế máy móc, thiết bị trong nước, kỹ thuật điện, máy móc thiết bị xây dựng, máy móc nông nghiệp

Các sản phẩm phổ biến bao gồm bánh răng, vòng bi ma sát, hệ thống băng tải, trục các loại, hạt, đệm giảm chấn, đĩa giảm xóc, bánh xe đạp, bàn chải tóc, lược, dây khóa kéo, sợi, bu lông, ống áp lực, vỏ máy bơm, thiết bị thí nghiệm, phụ kiện nội thất và dụng cụ y tế.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các phương pháp xác định cơ tính mẫu thử

3.2.1 Độ bền kéo Độ bền kéo là đặc tính chịu được lực kéo đứt vật liệu Đơn vị tính thông thường là Kg/cm 2 , hay N/mm 2 (hay MPa) Độ bền kéo có thể được hiểu là khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt hoặc xuất hiện vết đứt Hay nói cách khác, độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xét Giá trị lực kéo giới hạn cho sự đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu là  t Độ bền kéo phụ thuộc vào những yếu tố sau: vật liệu kiểm tra, điều kiện kiểm tra như nhiệt độ, tốc độ kéo, độ ẩm, điều kiện mẫu trước kiểm tra,…Nhiệt độ

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu và chế tạo mẫu thử Ép nhựa mẫu thử đã chế tạo

Kiểm tra độ bền kéo và uốn của mẫu thử cho thấy tỷ lệ %GF có ảnh hưởng đáng kể đến cả độ bền kéo và độ bền uốn Cụ thể, khi tỷ lệ %GF tăng, độ bền kéo và uốn của mẫu thử cũng tăng theo Ngoài ra, tỷ lệ %GF còn ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi E, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa các yếu tố này Kết luận cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ %GF có thể cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.

23 và tốc độ kéo ảnh hưởng quan trọng đến độ bền kéo nên phải được kiểm soát trong quá trình kiểm tra

Hình 3.2: Mẫu thí nghiệm đo độ bền kéo

Phương pháp đo độ bền kéo được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 527 – 2012 sử dụng máy đo INTRON 3382 của Mỹ Thí nghiệm được tiến hành với tốc độ kéo 5 mm/phút, ở nhiệt độ 25 độ C và độ ẩm 65%.

Trong đó: F max : Lực kéo lớn nhất ghi được (N), 1 kgf = 9,8 (N)

A: Tiết diện ngang của mẫu (mm 2 )  t : Độ bền kéo (MPa) Ứng dụng: Độ bền kéo được ứng dụng rất nhiều cho các vật liệu trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xây dựng, khoa học vật liệu

3.2.2 Độ bền uốn Độ bền uốn của vật liệu hay điểm cong vênh là khái niệm dùng trong ngành cơ khí và khoa học vật liệu để chỉ trạng thái giới hạn bị cong vênh khi vật liệu đó chịu ứng suất uốn Trước khi đến giới hạn uốn, vật liệu sẽ bị biến dạng đàn

Khi vượt qua điểm cong vênh, một số tổ chức nhỏ sẽ xuất hiện biến dạng vĩnh viễn và không thể trở về trạng thái ban đầu khi tải trọng được loại bỏ.

Hiểu biết về độ bền uốn là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống chịu tải cho các công trình kết cấu như cầu, cần cẩu, và cầu trục, cũng như trong xây dựng và thủy lợi Nó hỗ trợ thiết kế các thiết bị gia công biến dạng như cán và uốn vật liệu Trong lĩnh vực xây dựng, hiện tượng cong vênh có thể dẫn đến biến dạng mềm của vật liệu, trừ khi vật liệu đó hoàn toàn bị sụp đổ.

Hình 3.3: Mẫu thí nghiệm đo độ bền uốn Độ bền uốn tĩnh: 3 max 2 b 2

F max : Lực uốn lớn nhất ghi được (N), 1 kgf = 9,8 (N) : Khoảng cách giữa tâm của các gối tựa (mm) b: Chiều rộng mẫu thử (mm) t: Chiều dày mẫu thử (mm)

25 Ứng dụng: Thiết kế các hệ thống chịu tải như cầu, cần cẩu, cầu trục, các hệ thống chịu tải trọng trong xây dựng và thuỷ lợi

3.2.3 Mô đun đàn hồi kéo

Với  t : Ứng suất kéo của vật liệu composite (MPa)

 : Biến dạng của vật liệu composite (mm) t : Mô đun đàn hồi kéo (MPa)

Thay công thức (3.1) và công thức (3.4) vào công thức (3.3) ta có: t t t t

3.2.4 Mô đun đàn hồi uốn

Với : Khoảng cách giữa tâm của các gối tựa (mm)

F: Lực uốn lớn nhất ghi được (N), 1 kgf = 9,8 (N) b: Chiều rộng mẫu thử (mm) t: Chiều dày mẫu thử (mm)  : Độ võng của mẫu thử (mm) : Mô đun đàn hồi uốn (MPa)

Tỷ lệ nền cốt của vật liệu composite

Tỷ lệ tương đối giữa vật liệu cốt và vật liệu nền là yếu tố quyết định cơ tính của vật liệu composite Tỷ lệ này có thể được thể hiện qua tỷ lệ thể tích hoặc tỷ lệ khối lượng Trong nghiên cứu này, tỷ lệ cốt được xác định dựa trên tỷ trọng của cốt nền và composite, với công thức cụ thể như sau:

Gọi M c là khối lượng của mẫu thử composite, M f là khối lượng của sợi, M m là khối lượng vật liệu nền, ta có [16]: c f m

- Với V c là thể tích của mẫu thử composite, V f là thể tích của sợi, V m là thể tích của vật liệu nền và V v là thể tích khoảng trống, ta có: c f m v

- Ta có công thức tính tỷ trọng như sau, với M là khối lượng, V là thể tích:

- Chia (3.8) cho V c ta được công thức về mối quan hệ của tỷ lệ sợi   v f , tỷ lệ vật liệu nền   v m và tỷ lệ khoảng trống   v v như sau:

- Ta có tỷ trọng của mẫu thử composite được tính như sau: f m f f m m c c f f m m c c c

Trong hầu hết các phương pháp chế tạo composite, tỷ lệ khoảng trống thường nhỏ hơn 1%, do đó trong quá trình tính toán, chúng ta có thể bỏ qua yếu tố này Kết quả là ta có thể sử dụng công thức: c m f f m v  .

M c : Khối lượng của mẫu thử composite, (g)

M m : Khối lượng của vật liệu nền, (g)

 c : Tỷ trọng của mẫu thử composite, (g/cm 3 )

 f : Tỷ trọng của sợi, (g/cm 3 )

 m : Tỷ trọng của vật liệu nền, (g/cm 3 )

V c : Thể tích của mẫu thử composite, (cm 3 )

V f : Thể tích của sợi, (cm 3 )

V m : Thể tích của vật liệu nền, (cm 3 )

V v : Thể tích của khoảng trống, (cm 3 ) v f : Tỷ lệ sợi v m : Tỷ lệ vật liệu nền v v : Tỷ lệ khoảng trống

MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

Tỷ lệ pha trộn của PA6 B30S (PA6-0%GF) và PA6 BKV (PA6-30%GF) 28 4.2 Thông số ép phun

Từ công thức (3.14) ta có: f c m c f  f m  m f m v    v   

Thay công thức (4.1) và (4.2) vào công thức (3.10) ta có: f f f c c f f f  f c f m  f m

Với  f 1,96 - khối lượng riêng của vật liệu cốt sợi thủy tinh ngắn (g/cm 3 )

  - khối lượng riêng của vật liệu nền PA6 (g/cm 3 ) [8]

Tiến hành với 7 lần ép với tỷ lệ 0% GF, 5% GF, 10% GF, 15% GF, 20%

Ta có 2 loại vật liệu PA6 B30S [12] có 0% GF và PA6 BKV [13] có 30%

GF cần pha trộn với nhau để được các tỷ lệ %GF theo yêu cầu thực nghiệm

1) Tỷ lệ 0% GF thì ta lấy 1000g PA6 B30S

2) Tỷ lệ 30% GF thì ta lấy 1000g PA6 BKV

Với v f 30%, áp dụng công thức (4.3) ta có:

Với M c 1000 - khối lượng của mẫu thử composite, (g) cho sẵn trước vào Với v f 5%, áp dụng công thức (4.3) ta có:

Quy đổi qua M f  30%  để dễ tính toán M m   5% và M f   5%

Ta thấy M f  30%   5,113 M f   5% trong M c 1000 g Để đạt được tỷ lệ 5% GF tính theo tỷ lệ 30% thì ta nhân thêm

Mà trong M c 1000gcủa PA6 BKV đã có M m 575, 758gthì ta chỉ cần thêm M m 4688, 723 575, 758 4112,965g

Vậy để đạt được tỷ lệ 5% GF thì ta trộn:

1000g PA6 BKV với 4112,965g PA6 B30S hoặc 195,58g PA6 BKV với 804,42g PA6 B30S

Với M c 1000 - khối lượng của mẫu thử composite, (g) cho sẵn trước vào Với v f  10%, áp dụng công thức (4.3) ta có:

Quy đổi qua M f  30%  để dễ tính toán M m  10%  và M f  10% 

Ta thấy M f  30% 2,645 M f  10% trong M c 1000g Để đạt được tỷ lệ 10% GF tính theo tỷ lệ 30% thì ta nhân thêm

Mà trong M c 1000gcủa PA6 BKV đã có M m 575, 758gthì ta chỉ cần thêm M m 2220, 761 575, 758 1645, 003  g

Tương tự với cách tính tỷ lệ 5% GF và 10% GF

Bảng 4.1: Thống kê khối lượng PA6 BKV và PA6 B30S thực nghiệm

STT Tỷ lệ PA6 B30S PA6 BKV

Bảng 4.2: Thông số máy ép phun Shinwell SW120B

Injection unit Hệ thống phun

1 Đường kính trục vít 80 mm 85 mm 90 mm

2 Áp lực phun 2083 Kg/cm 2 1845

3 Thể tích ép 2187 Cm 3 2468 Cm 3 2767 Cm 3

4 Trọng lượng ép 1837 Gram 2073 Gram 2325 Gram

5 Tỷ lệ ép 389 cm 3 /sec 439 cm 3 /sec 492 cm 3 /sec

6 Công suất khả năng tính dẻo 234 kg/hr 264 kg/hr 296 kg/hr

Dựa trên các nghiên cứu về thông số ép phun tối ưu cho vật liệu composite, nghiên cứu này đã áp dụng những thông số đó để tiến hành ép các sản phẩm thí nghiệm.

- Áp suất phun: 35 kg/cm 2 [11]

Clamping unit Hệ thống kẹp khuôn

9 Hành trình độ mở khuôn ép 860 mm

10 Khoảng cách giữa các thanh trụ 860 x 800 mm

11 Kích thước trục cuốn ép 1280 x 1260 mm

12 Chiều cao khuôn ép nhỏ - lớn 300- 900 mm

13 Hàng trình bộ phun ép 250 mm

16 Động cơ phun ép 80/59.68 HP/kw

17 Động cơ hệ thống sinh nhiệt 33.4 Kw

19 Dung tích thùng dầu 1100 U.S.gal

Bộ khuôn mẫu thử

Hình 4.1: Bộ khuôn hoàn chỉnh

Lò xo Tấm kẹp dưới Tấm giữ Tấm đẩy

Sản phẩm mẫu thử

Sau khi hoàn tất lắp ráp bộ khuôn, bộ khuôn được chuyển đến máy ép nhựa SW-120B để tiến hành ép thử sản phẩm theo thông số đã được chỉ định trong bảng 4.2 Kết quả của quá trình ép sản phẩm sẽ được trình bày sau đây.

Hình 4.2: Sản phẩm sau khi ép thử

Mẫu thử uốn tiêu chuẩn ISO 178

Bảng 4.3: Kết quả ép mẫu thử uốn ISO 178

Hình 4.3: Chiều dài mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Hình 4.4: Chiều rộng mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Hình 4.5: Bề dày mẫu thử uốn ISO 178 thực tế

Mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 527

Bảng 4.4: Kết quả ép mẫu thử kéo ISO 527

Chiều rộng 2 đầu 20 ± 0,2 20,22 Độ dày 4 ± 0,2 4,10

Hình 4.6: Chiều dài mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Hình 4.7: Chiều rộng phần hẹp mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Hình 4.8: Chiều rộng hai đầu mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Hình 4.9: Bề dày của mẫu thử kéo ISO 527 thực tế

Điều kiện thí nghiệm

Độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu composite được xác định bằng máy Instron Series 3367, như thể hiện trong Hình 4.10 Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu của Trường Đại học Nông lâm TP.HCM, tuân theo các tiêu chuẩn ISO 527 và ISO 178.

Tốc độ đo mẫu chịu uốn là 2 mm/phút

Tốc độ đo mẫu chịu kéo là 5 mm/phút

Thí nghiệm được thực hiện tại nhiệt độ phòng (25 0 C)

Mỗi loại mẫu thử được thực hiện tối thiểu 5 lần, sau đó tính giá trị trung bình

Các bề mặt đứt gãy do kéo và uốn của mẫu thử nghiệm đã được quan sát thông qua kính hiển vi điện tử JSM-6480LV, như thể hiện trong Hình 4.11, tại Viện Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP.HCM.

ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ SỢI THỦY TINH ĐẾN CƠ TÍNH CỦA MẪU THỬ

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu composite

5.1.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite

Ta có tiết diện ngang: A = 10,05 4,1 (mm 2 ) Áp dụng công thức (3.1), độ bền kéo được tính như trong Bảng 5.1

Bảng 5.1: Kết quả đo trung bình độ bền kéo của các mẫu thử

STT Loại nhựa TB Lực Kéo (kgf) (MPa)

Hình 5.1: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm trong Hình 5.1 cho thấy rằng độ bền kéo của vật liệu composite đã tăng từ 44,14 MPa lên 56,02 MPa khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 10%.

- Tuy nhiên độ bền kéo của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Độ bền kéo của vật liệu tăng lên đáng kể, đạt giá trị cao nhất 37,50 MPa khi tỷ lệ %GF đạt 30% Các mức %GF lần lượt là 15%, 20% và 25%, cho thấy sự tương quan tích cực giữa tỷ lệ %GF và độ bền kéo của vật liệu.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm độ bền kéo của vật liệu cũng thay đổi theo

5.1.2 Xử lí số liệu thực nghiệm

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền kéo của vật liệu composite Dựa vào hình dạng của biểu đồ, người dùng có thể chọn một phương trình phù hợp trong phần mềm để khớp với các điểm thực nghiệm.

Hình 5.2: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của độ bền kéo

Từ đó ta có phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm là phương trình sau:

  với độ tin cậy là 99,84%

5.1.3 Giải thích kết quả thực nghiệm

Trong quá trình gia công và trộn nhựa PA6, các sản phẩm polymer thường gặp phải khuyết tật Khi mẫu PA6 chịu lực, các phân tử ở mép khuyết tật chịu ứng suất lớn hơn, dẫn đến sự phá hủy mạch đại phân tử xung quanh Sự tập trung ứng suất này có thể gây ra sự phát triển khuyết tật và cuối cùng là sự phá hủy mẫu Do đó, việc gia cường sợi thủy tinh cho nhựa PA6 là cần thiết để lấp đầy các khoảng trống, từ đó tăng cường độ bền và độ ổn định của vật liệu.

Việc gia cường sợi thủy tinh cho nhựa PA6 tạo ra liên kết vững chắc giữa nền nhựa và sợi thủy tinh, giúp tăng cường độ bền của vật liệu bằng cách phân tán năng lượng tác động và giảm sự tập trung ứng suất Sự ảnh hưởng của việc gia cường này đến cơ tính của nhựa PA6 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước và sự đồng đều của sợi thủy tinh, cũng như tỷ lệ giữa sợi thủy tinh và nền nhựa Đặc biệt, tỷ lệ này có tác động đáng kể đến các đặc tính cơ học của vật liệu composite, làm tăng mô đun đàn hồi, độ cứng và độ bền của nhựa PA6.

Độ bền kéo không tăng tuyến tính với tỷ lệ sợi gia cường, mà thay vào đó tồn tại một tỷ lệ tối ưu mang lại độ bền cơ tính cao nhất Khi tỷ lệ sợi gia cường quá cao, có thể xảy ra hiện tượng tập hợp các sợi gia cường do liên kết giữa các sợi mạnh hơn liên kết giữa sợi và nền, dẫn đến tính chất cơ lý không đồng nhất.

43 tỷ lệ sợi gia cường thấp quá thì độ bền của vật liệu lại được cải thiện quá ít, không đạt được yêu cầu

Nghiên cứu cho thấy việc tăng tỷ lệ %GF từ 0% đến 10% cải thiện độ bền kéo của vật liệu composite, với độ bền kéo tăng từ 44,14 MPa lên 56,02 MPa Điều này xảy ra do sợi thủy tinh có khả năng chịu kéo cao hơn nhựa, giúp tăng khả năng chịu lực của vật liệu Khi tỷ lệ sợi thủy tinh chưa vượt quá mức tối ưu, sự phân tán và bám dính giữa sợi thủy tinh và nhựa PA6 đạt hiệu quả cao Tuy nhiên, độ bền kéo bắt đầu giảm khi tỷ lệ %GF tiếp tục tăng lên 15%, 20%, và 25%, đạt giá trị 37,50 MPa.

Tỷ lệ sợi thủy tinh (%GF) tối ưu cho độ bền kéo cao nhất trong nghiên cứu này là 10% Khi %GF vượt quá mức này, đặc biệt là ở 30%, sẽ xuất hiện khoảng trống làm giảm khả năng liên kết giữa nhựa PA6 và sợi thủy tinh Điều này dẫn đến sự phân tán không đồng đều của sợi thủy tinh trong nhựa PA6, khiến lớp nhựa bao phủ sợi thủy tinh trở nên mỏng manh Kết quả là, liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa PA6 trở nên yếu, tạo ra các điểm tập trung ứng suất và làm giảm độ bền kéo khi tỷ lệ %GF tăng lên 15%, 20%, 25% và 30%.

Các bề mặt đứt gãy do tác động kéo của các mẫu thử nghiệm được giải thích thông qua những bức ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Hình 5.3: Ảnh hiển vi điện tử của bề mặt đứt gãy do tác động kéo của vật liệu composite PA6 gia cường 0% GF

Hình 5.3 – 5.9 minh họa hình ảnh SEM của bề mặt đứt gãy dưới tác động kéo với các tỷ lệ khác nhau của sợi thủy tinh ngắn gia cường Khi tỷ lệ sợi thủy tinh là 0% (Hình 5.3), cấu trúc nhựa PA6 thể hiện sự đồng đều và có hình dạng gợn sóng, cho thấy sự hòa trộn tốt của chất nền trong nhựa PA6.

Cấu trúc biến dạng của sợi thủy tinh ngắn gia cường nhựa PA6 được thể hiện qua các hình ảnh SEM, cho thấy sự liên kết giữa sợi và nền là yếu tố quyết định độ bền kéo Hình ảnh cho thấy sự nứt của sợi và hư hại của chất nền, cùng với hiện tượng lệch sợi và khoảng trống giữa sợi và nền Với tỷ lệ sợi thủy tinh gia cường dưới 10%, mẫu bị phá hủy chủ yếu do sợi trượt trên khoảng trống của nền, trong khi với tỷ lệ trên 10%, sự đứt gãy của sợi trở thành nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hủy.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến mô đun đàn hồi E của vật liệu

composite đánh giá độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 527

5.2.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite

Ta có chiều dài mẫu thử: = 80 (mm)

Thay vào công thức (3.5) ta có:

Kết quả đo trung bình tương ứng của ứng suất và biến dạng các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.2

Bảng 5.2: Kết quả đo trung bình tương ứng của ứng suất và biến dạng các mẫu thử

STT Loại nhựa (mm) (MPa)

7 PA6 + 30% GF 4 33,0 Áp dụng công thức (5.1), kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi kéo E của các mẫu thử được trình bày trong Bảng 5.3

Bảng 5.3: Kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi kéo E của các mẫu thử

Hình 5.10: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite

Kết quả thực nghiệm trong Hình 5.10 cho thấy, khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% lên 30%, mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite tăng từ 350,09 MPa lên 660,52 MPa.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu cũng thay đổi theo

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11, chúng ta có thể xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite.

Từ dạng của biểu đồ ta có thể suy ra phương trình gần đúng có dạng: y = y 0 + ax

Hình 5.11: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của mô đun đàn hồi kéo E

Từ đó chọn phương trình gần đúng với biểu đồ là phương trình bậc 1:

Kết quả xác định mô đun đàn hồi kéo cho thấy khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%, mô đun đàn hồi kéo E của vật liệu composite tăng từ 350,09 MPa lên 660,52 MPa Sự gia tăng này là do ứng suất kéo tăng tại một điểm chuyển vị của biến dạng khi tỷ lệ sợi thủy tinh được tăng cường.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến độ bền uốn của vật liệu composite

5.3.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite

Ta có: = 70 (mm) b = 10,02 (mm) và t = 4,02 (mm) Áp dụng công thức (3.2), kết quả đo trung bình độ bền uốn của các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.4

Bảng 5.4: Kết quả đo trung bình độ bền uốn của các mẫu thử

STT Loại nhựa TB Uốn (kgf) (MPa)

Hình 5.12: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% lên 15%, độ bền uốn của vật liệu composite tăng từ 58,73 MPa lên 87,97 MPa.

- Tuy nhiên độ bền uốn của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Độ bền uốn của vật liệu đạt giá trị cao nhất 85,17 MPa khi tỷ lệ %GF là 30%, với các mức %GF 20% và 25% cũng cho thấy sự cải thiện Tuy nhiên, tỷ lệ %GF 15% là điểm tối ưu cho độ bền uốn.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm độ bền uốn của vật liệu cũng thay đổi theo

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 giúp xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và độ bền uốn của vật liệu composite Dựa vào hình dạng của biểu đồ, người dùng có thể lựa chọn một phương trình phù hợp trong phần mềm để khớp với các điểm dữ liệu thực nghiệm.

B en di ng S tr en g th (M P a)

Hình 5.13: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của độ bền uốn

Từ đó ta có phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm là phương trình sau:

   điều kiện  v f 0  với  0 là ứng suất của vật liệu PA6 v f  0  b  0

    điều kiện  v f 0  với độ tin cậy

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% lên 15%, độ bền uốn của vật liệu composite tăng từ 58,73 MPa lên 87,97 MPa Sự gia tăng này là do sợi thủy tinh có khả năng chịu lực tốt hơn so với nhựa, giúp tăng cường khả năng chịu uốn của vật liệu Khi tỷ lệ sợi thủy tinh chưa vượt quá mức tối ưu, sự phân tán sợi thủy tinh trong nhựa PA6 diễn ra đồng đều, nâng cao khả năng bám dính và bao bọc giữa hai thành phần này.

Tuy nhiên độ bền uốn của vật liệu bắt đầu giảm dần khi tiếp tục tăng tỷ lệ

Khi tỷ lệ sợi thủy tinh (%GF) đạt 15%, mẫu cho độ bền uốn tốt nhất với giá trị 87,97 MPa Tuy nhiên, khi %GF tăng lên 20% và 25%, độ bền uốn giảm xuống còn 85,17 MPa khi %GF là 30% Sự giảm sút này xảy ra do tỷ lệ sợi thủy tinh quá cao dẫn đến phân bố không đồng đều trong nhựa PA6, tạo ra các điểm tập trung ứng suất Hơn nữa, khi sợi thủy tinh vượt quá tỷ lệ tối ưu, nhựa không đủ để bao phủ, làm giảm tính liên tục của vật liệu và khả năng chịu lực, dẫn đến sự phá hủy sớm của mẫu.

Các bề mặt đứt gãy do tác động uốn của các mẫu thử nghiệm được giải thích thông qua những bức ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)

Hình 5.14: Ảnh hiển vi điện tử của bề mặt đứt gãy do tác động uốn của vật liệu composite PA6 gia cường 0% GF

Hình 5.14 – 5.20 trình bày các bức ảnh SEM của bề mặt đứt gãy do tác động uốn với các tỷ lệ khác nhau của sợi thủy tinh ngắn gia cường Các bức ảnh này minh họa sự gãy của sợi và hư hại của chất nền, đồng thời cho thấy tình trạng không thẳng hàng của các sợi và sự hình thành khoảng trống giữa sợi và chất nền.

Tỷ lệ %GF là 20, 25 và 30% cho thấy sợi thủy tinh có tính chất dòn và dễ bị biến dạng khi uốn Sự phá vỡ ở bề mặt sợi và biến dạng của vật liệu là nguyên nhân chính dẫn đến sự hư hỏng tại các tải trọng cao Tỷ lệ sợi thủy tinh cao tạo ra nhiều khoảng trống, làm giảm khả năng liên kết giữa các sợi và chất nền, từ đó dễ dẫn đến hiện tượng gãy vết nứt ở sợi và chất nền.

Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh đến mô đun đàn hồi E của vật liệu

composite đánh giá độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178

5.4.1 Quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite

Ta có: = 70 (mm) b = 10,02 (mm) t = 4,02 (mm) Thay vào công thức (3.6) ta có:

Kết quả đo trung bình tương ứng của lực uốn và độ võng các mẫu thử được tính như trong Bảng 5.5

Bảng 5.5: Kết quả đo trung bình tương ứng của lực uốn và độ võng các mẫu thử

STT Loại nhựa (mm) F (kgf)

7 PA6 + 30% GF 5 5,64 Áp dụng công thức (5.2), kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi uốn E của các mẫu thử như được trình bày trong Bảng 5.6

Bảng 5.6: Kết quả đo trung bình mô đun đàn hồi uốn E của các mẫu thử

Hình 5.21: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite tăng từ 583,52 MPa lên 1456,21 MPa khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%.

- Tỷ lệ %GF thay đổi làm mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu cũng thay đổi theo

Sử dụng phần mềm Sigma Plot 11 để xác định phương trình gần đúng cho mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite.

Từ dạng của biểu đồ ta có thể suy ra phương trình gần đúng có dạng: y = y 0 + ax

Hình 5.22: Phương trình gần đúng với các điểm thực nghiệm của mô đun đàn hồi uốn E

Từ đó chọn phương trình gần đúng với biểu đồ là phương trình bậc 1:

Kết quả xác định mô đun đàn hồi uốn cho thấy khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%, mô đun đàn hồi uốn E của vật liệu composite tăng từ 583,52 MPa lên 1456,21 MPa Sự gia tăng này là do ứng suất uốn tăng tại điểm chuyển vị của độ võng khi tỷ lệ sợi thủy tinh được nâng cao.

So sánh sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

Sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn với các tỷ lệ %GF khác nhau được thể hiện trong Bảng 5.7

Bảng 5.7: Sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

STT Loại nhựa (MPa) (MPa)

Experiment Tensile Strength Bending Strength

Hình 5.23: Biểu đồ so sánh sự thay đổi độ bền kéo và độ bền uốn

Khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 10%, độ bền kéo và độ bền uốn của nhựa PA6 tăng lên Tuy nhiên, khi tỷ lệ %GF vượt quá 10%, độ bền kéo bắt đầu giảm, và độ bền uốn giảm khi tỷ lệ %GF vượt quá 15%.

- Tốc độ giảm của độ bền kéo nhanh hơn độ bền uốn khi tỷ lệ %GF vượt quá tỷ lệ tối ưu

So sánh sự thay đổi mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn

Sự thay đổi mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn với các tỷ lệ %GF khác nhau được thể hiện trong Bảng 5.8

Bảng 5.8: Sự thay đổi mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn

STT Loại nhựa (MPa) (MPa)

Experiment Tensile modulus Bending modulus

Hình 5.24: Biểu đồ so sánh sự thay đổi mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn

- Mô đun đàn hồi kéo và mô đun đàn hồi uốn tăng khi tỷ lệ %GF tăng từ 0% đến 30%

- Mô đun đàn hồi uốn đạt giá trị cao hơn mô đun đàn hồi kéo.

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tỉ Lệ Sợi Đến Độ Bền Kéo Và Uốn Của Vật Liệu Composite Trong Công Nghệ Ép Phun
Tác giả	Nguyễn Tiến Khang
Người hướng dẫn	PGS.TS. Đỗ Thành Trung
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	136
Dung lượng	9,14 MB