so 1 2015 08 pham thanh nhut 9412

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2015 THÔNG BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT LỚP GELCOAT TRONG KẾT CẤU COMPOSITE STUDY ON THE MANUFACTURING CONDITIONS TO ROUGHNESS OF GELCOAT SURFACEIN COMPOSITE STRUCTURES Phạm Thanh Nhựt1 Ngày nhận bài: 03/9/2014; Ngày phản biện thông qua: 03/10/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015 TÓM TẮT Lớp gelcoat chế tạo nhằm cải thiện số tính chất bề mặt cho kết cấu composite Tuy nhiên, điều kiện chế tạo khơng phù hợp lớp bị rỗ, co nhăn Hiện tượng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm độ bền, tính thẩm mỹ,… Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá rỗ bề mặt lớp gelcoat cần thiết Ba yếu tố đầu vào (biến độc lập) để xét điều kiện chế tạo bao gồm nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất đóng rắn lưu lượng phun Yếu tố đầu (biến phụ thuộc) nhằm đánh giá chất lượng bề mặt hai thông số độ nhám bề mặt sử dụng phổ biến: sai lệch trung bình số học biên dạng (Ra) chiều cao mấp mô trung bình (Rz) Khảo sát thực nghiệm phân tích mơ hình hồi quy đa biến áp dụng nghiên cứu Từ khóa: gelcoat, bề mặt, độ nhám, hồi quy đa biến ABSTRACT Gelcoat layer is designed to improve the surface properties of composite structures However, the surface can occur a shrinkage, roughness or wrinkle if manufacturing conditions are not good This phenomenon affects the quality of products (strength, aesthetics, etc.) Therefore, investigation and evaluation of roughness phenomenon of gelcoat layer is necessary Three input factors (independent variables) for manufacturing conditions are temperature, hardener fraction and spraying flow Output factors (dependent variables) for evaluation of surface quality are arithmetic mean value of roughness (Ra) and mean height of profile irregularities of roughness (Rz) Experimental investigation and multiple regression analysis are used in this study Keywords: gelcoat, surface, roughness, multiple regression I ĐẶT VẤN ĐỀ Gelcoat loại nhựa polyester đặc biệt với thành phần xúc biến nhằm tăng độ nhớt chống lún Đây thành phần quan trọng vật liệu composite, định đến khả sử dụng, độ bền, đẹp sản phẩm Gelcoat có nhiều ưu điểm bật có khả kháng nước, chịu thời tiết, khả chống hầu hà, tạo màng bóng đẹp, chịu xạ mặt trời, kháng hóa chất, dễ tạo màu sắc theo ý muốn,… [5] Nó ứng dụng làm lớp bề mặt cho nhiều sản phẩm composite sử dụng hàng không, hàng hải, thể thao, nội thất,… Trong công nghệ chế tạo composite dạng tiếp xúc khuôn, lớp gelcoat trát lên bề mặt khuôn Về mặt lý thuyết, sau tách khuôn, độ nhám bề mặt lớp gelcoat gần tương đương với bề mặt khuôn Tuy nhiên, thực tế, việc phủ gelcoat lên bề mặt vật liệu composite cho hợp lý, sản phẩm đạt chất lượng tốt, đảm bảo tính sử dụng vấn đề đơn giản Điều phụ thuộc vào nhiều yếu tố tay nghề công nhân, yếu tố môi trường nhiệt độ, độ ẩm,… số yếu tố công nghệ khác q trình chế tạo hàm lượng chất đơng rắn, lưu lượng phun,… TS Phạm Thanh Nhựt: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Tùy theo điều kiện khác mà sau hình thành, bề mặt lớp gelcoat xuất vết nứt, nhăn, rỗ dạng vĩ mơ (có thể quan sát mắt thường) dạng rỗ vi mô Trong nghiên cứu này, mẫu gelcoat chế tạo phương pháp phun nên yếu tố quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng chúng độ nhám bề mặt dạng vi mơ Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ngun nhân cách khắc phục tượng rỗ bề mặt lớp gelcoat dạng vĩ mơ (nhìn thấy mắt thường) vi mơ [1], [3] Tuy nhiên, nghiên cứu quan tâm đến ảnh hưởng cấu trúc lớp bên đến chất lượng bề mặt lớp gelcoat theo phương pháp chế tạo mẫu khác Trong nghiên cứu này, yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt trình hình thành lớp gelcoat xem xét, nhiệt độ mơi trường, hàm lượng chất đóng rắn lưu lượng phun II ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM Đối tượng nghiên cứu Độ nhám bề mặt lớp gelcoat khảo sát, đo đạc đánh giá theo hai thông số: + Sai lệch trung bình số học biên dạng (Ra); + Chiều cao mấp mơ trung bình (Rz) Gelcoat có xuất xứ từ Hàn Quốc với đặc tính thể bảng Chất đóng rắn sử dụng loại MEKP-925 (Methyl ethyl ketone peroxide) Khuôn để chế tạo mẫu gelcoat kính 10x10x0.5cm, có độ nhám bề mặt Ra = 0.1mm Rz = 1.2mm; bao gồm khuôn đảm bảo đủ cho lượt chế tạo Thiết bị phun (súng phun) tương tự súng phun sơn thông thường áp lực phun điều chỉnh khoảng – bar Hai thông số độ nhám bề mặt đo kính hiển vi đồng tiêu chun dụng KEYENCE phịng Thí nghiệm vật liệu kết cấu composite, Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc Bảng Đặc tính gelcoat* Thông số Đơn vị Giá trị Màu Tỷ trọng Độ nhớt 250C Thời gian lên gel 250C Tỷ lệ đóng rắn (MEKP-925) Mơ đun Young Hệ số Poisson Hệ số giản nở nhiệt g/cm3 poise phút % MPa 1/oC Trắng 1.2-1.3 120-160 12-15 ~1 2500 0.35 5x10-5 * Số liệu nhà sản xuất cung cấp 44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Số 1/2015 Phương pháp nghiên cứu Trên sở lý thuyết qui hoạch thực nghiệm, tiến hành lựa chọn tổng số mẫu cần thiết Các mẫu thí nghiệm chế tạo súng phun bề mặt khuôn, với thay đổi điều kiện chế tạo nhiệt độ môi trường thời điểm phun T(0C), hàm lượng chất đóng rắn dùng để pha trộn với gelcoat F(%) lưu lượng phun Q(ml/phút) Các giá trị hình ảnh độ nhám bề mặt mẫu Ra, Rz dùng làm kết để đánh giá Bên cạnh đó, giá trị độ nhám bề mặt dự báo dựa vào phương trình hồi qui thực nghiệm nhờ phần mềm xử lý thống kê SPSS Phương trình hồi quy đa biến dạng tổng quát [2]: (1) Trong đó: y biến phụ thuộc (Ra Rz) x1, x2,…, xk biến độc lập, ta xét biến độc lập: x1 = nhiệt độ môi trường thời điểm phun T, 0C; x2 = hàm lượng chất đóng rắn F, %; x3 = lưu lượng phun Q, ml/phút phần xác định mơ hình tốn bi xác định phân bố biến độc lập xi e sai số ngẫu nhiên Tổ chức thực nghiệm Các biến độc lập chia thành mức xem xét bố trí thí nghiệm theo điều kiện khí hậu sản xuất thực tế Yếu tố nhiệt độ chia theo dãy nhiệt độ đặc trưng Việt Nam khoảng 250C - 350C với mức: 250C, 300C 350C Yếu tố hàm lượng chất đóng rắn chia dựa vào khuyến cáo nhà sản xuất (~1%), cụ thể gồm mức: 0.5%, 1% 1.5% (vì hàm lượng thấp nhiều thời gian thi cơng, q cao gây khó khăn cho thi công giảm chất lượng sản phẩm) Yếu tố lưu lượng phun gồm mức 100ml/p, 150ml/p 200ml/p nhằm phù hợp với dãi nhiệt độ hàm lượng đóng rắn nêu Như vậy, tổng số mẫu thử nghiệm N = 33 = 27 mẫu thể bảng 27 mẫu gelcoat chia thành đợt chế tạo, đợt chế tạo mẫu (hình 1) Dụng cụ chứa gelcoat cốc nhựa có vạch chia thể tích chứa chất đóng rắn xilanh loại 5ml Lưu lượng phun đo vạch dấu sẵn tương ứng với mức ốc điều chỉnh gắn súng phun + Đợt 1: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường 250C, chia thành ngày, ngày chế tạo mẫu tương ứng với hàm lượng đóng rắn mức lưu lượng, chiều dày xấp xỉ 0.5mm (vì lần phun cho mẫu khoảng 12-15 phút nên nhiệt độ mơi trường Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2015 xem không thay đổi, chế tạo tiếp mẫu cịn lại nhiệt độ khơng cịn mức 250C nữa) + Đợt 2: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường 300C, trình thực tương tự + Đợt 3: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường 350C, trình thực tương tự Bảng Quy hoạch mẫu thí nghiệm F, % Q, % 25oC 100 150 200 100 150 200 100 150 200 0.5 1.0 1.5 Ge-25-0.5-100 Ge-25-0.5-150 Ge-25-0.5-200 Ge-25-1.0-100 Ge-25-1.0-150 Ge-25-1.0-200 Ge-25-1.5-100 Ge-25-1.5-150 Ge-25-1.5-200 Ký hiệu mẫu 30oC Ge-30-0.5-100 Ge-30-0.5-150 Ge-30-0.5-200 Ge-30-1.0-100 Ge-30-1.0-150 Ge-30-1.0-200 Ge-30-1.5-100 Ge-30-1.5-150 Ge-30-1.5-200 35oC Ge-35-0.5-100 Ge-35-0.5-150 Ge-35-0.5-200 Ge-35-1.0-100 Ge-35-1.0-150 Ge-35-1.0-200 Ge-35-1.5-100 Ge-35-1.5-150 Ge-35-1.5-200 Hình Chế tạo mẫu thí nghiệm Sau chế tạo 24 giờ, tiến hành tách mẫu khỏi khn, cắt bỏ ba via (kích thước mẫu cần thiết khoảng 40x40mm) Giá trị hình ảnh độ nhám bề mặt mẫu đo xuất kính hiển vi đồng tiêu laser chuyên dụng KEYENCE Mỗi mẫu đo vị trí ngẫu nhiên kết cuối giá trung bình điểm đo; hình ảnh độ nhám lấy tương ứng với vị trí đo có giá trị gần với giá trị trung bình Kết cho thấy chế độ hàm lượng đóng rắn thấp (0.5%), giá trị độ nhám nhỏ, gần tiệm cận với độ nhám khuôn Giá trị độ nhám Rz gấp khoảng 9-11 lần độ nhám Ra Hình thể độ nhám tăng nhiệt độ tăng từ 250C lên 350C, nghĩa độ nhám bề mặt phụ thuộc khơng đáng kể vào nhiệt độ mơi trường Ở hình 4, lưu lượng phun tăng từ 100ml/p lên 200ml/p Ra Rz tăng lên khoảng 1.2-1.5 lần Như vậy, phụ thuộc độ nhám vào lưu lượng phun rõ ràng Trong III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN đó, hình cho thấy phụ thuộc mạnh độ nhám vào hàm lượng đóng rắn Các giá trị độ Giá trị độ nhám bề mặt nhám gia tăng đáng kể (1.9-2.2 lần) hàm Giá trị trung bình hai thơng số Ra Rz lượng đóng rắn tăng từ 0.5% lên 1.5% Tất thể bảng Để thuận tiện cho việc đánh giá, giá trị độ nhám thể dạng biến thiên Ra Rz tuyến tính theo đồ thị theo biến độc lập riêng lẽ (hình 2, 3, 4) biến độc lập Bảng Kết đo giá trị độ nhám F,% 0.5 1.5 Q,ml/p 100 150 200 100 150 200 100 150 200 Ra 0.110 0.193 0.267 0.236 0.351 0.423 0.404 0.515 0.622 25 Rz 1.215 1.868 2.456 2.223 2.541 3.391 3.443 3.898 4.792 Ra 0.127 0.249 0.318 0.284 0.389 0.476 0.439 0.556 0.684 T, 0C 30 Rz 1.822 2.870 2.849 2.956 3.384 3.853 3.941 4.416 5.388 Ra 0.170 0.317 0.379 0.327 0.432 0.517 0.508 0.593 0.727 35 Rz 2.389 2.848 3.335 3.298 3.942 4.503 4.330 5.230 5.916 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2015 Hình Sự thay đổi độ nhám theo nhiệt độ Hình Sự thay đổi độ nhám theo hàm lượng đóng rắn Hình Sự thay đổi độ nhám theo lưu lượng phun Hình ảnh 3D độ nhám bề mặt Cùng với giá trị Ra Rz, hình ảnh dạng 3D với độ phóng đại 500% (5 lần) theo chiều cao mấp mơ xuất thiết bị đo (hình 5) Các hình ảnh 3D cho thấy chế độ lưu lượng phun Q = 100ml/p, hàm lượng chất đóng rắn F = 0.5% nhiệt độ bất kỳ, bề mặt mẫu phẳng trơn mịn, đặc biệt 250C Khi điều kiện chế tạo tăng lên mức cao (Q = 150ml/p, F = 1% nhiệt độ bất kỳ), bề mặt bắt đầu xuất vài khu vực có độ thơ ráp cao vùng có tích tụ nhiệt cao vùng khác Lượng 46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG nhiệt sinh phản ứng lưu hóa nhựa gelcoat tăng hàm lượng chất đóng rắn nhiệt độ môi trường tăng Ở điện kiện chế tạo khắc nghiệt (Q > 150ml/p, F > 1% T > 250C), thô ráp thể rõ với diện tích lan rộng khắp bề mặt Các vết lõm lớn bắt đầu xuất với số lượng độ sâu tăng dần Bề mặt mẫu gần bị phá hủy vi mô F T lớn So với kết nghiên cứu tương tự mẫu chế tạo phương pháp quét cọ [5] phá hủy vi mơ bề mặt có khác (theo [5], có xuất vết rạng nứt với độ sâu lớn hơn) Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Q, ml/p F, % Số 1/2015 T, oC 25 30 35 0.5 1.0 100 1.5 0.5 1.0 150 1.5 0.5 1.0 200 1.5 Hình Sự thay đổi trạng thái bề mặt theo điều kiện chế tạo khác TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 47 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Xây dựng hàm dự báo kết Để dự báo độ nhám bề mặt ứng với điều kiện chế tạo cụ thể, xác định điều kiện chế tạo ứng với độ nhám cho trước, hàm dự báo xây dựng sở xử lý thống kê phần mềm SPSS (bảng 4) Bảng cho thấy hệ số tương quan Ra Rz mức chặt chẽ mức ý nghĩa p nhỏ (gần 0) nên hệ số bi chấp nhận nên xây dựng hàm hồi quy đa biến dạng hàm mũ theo công thức (2), (3) Thay lại giá trị đầu vào (T, F, Q) vào hàm (2), (3) so sánh với kết đo (Ra, Rz) cho thấy hầu hết sai số nhỏ (