Tính hất ơ họ ủa vật liệu ompozit trên ơ sở nhựa pekn gia ường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre hế tạo theo phương pháp rtm và hút hân không

Vật liệu PC đợc chế tạo theo nhiều phơng pháp gia công khác nhau nh: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc phun, đúc kéo, quấn sợi, … Trong đó phơng pháp lăn ép bằng tay đợc sử

-

luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa pekn gia cêng b»ng sîi thuû tinh vµ mat tre chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p rtm vµ hót ch©n kh«ng

Lời cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, GS TSKH NGND Trần Vĩnh Diệu, ngời đã hớng dẫn tận tình, chu đáo và nghiêm khắc để luận văn này đợc thành công tốt đẹp Xin cảm ơn PGS.TS Bùi Chơng và toàn thể Ban Giám

đốc Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để việc nghiên cứu luận văn này đợc diễn ra thuận lợi Xin cảm ơn tất cả các

đồng nghiệp của tôi tại Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme, những ngời

đã chia sẻ cùng tôi những khó khăn, tận tình giúp đỡ tôi trong những ngày qua Cảm ơn vợ và các con tôi, nguồn động viên tinh thần lớn nhất của tôi trong mọi thời điểm của cuộc sống

Lêi cam ®oan

T«i, Ph¹m Gia Hu©n, lµ c¸n bé nghiªn cøu t¹i Trung t©m Nghiªn cøu vËt liÖu polyme, Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi, lµ häc viªn líp Cao häc chuyªn ngµnh C«ng nghÖ VËt liÖu Ho¸ häc, kho¸ 2005 - 2007 xin cam ®oan bµi luËn v¨n nµy lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña chÝnh t«i vµ xin chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ toµn bé nh÷ng kÕt qu¶, sè liÖu nghiªn cøu ®a ra trong nµy

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

danh mục các chữ viết tắt 5

danh mục các Bảng biểu 6

danh mục video và ảnh động 6

danh mục các hình vẽ và đồ thị 7

Mở ĐầU 8

Phần I: Tổng quan 10

I.1 Giới thiệu chung về vật liệu compozit 10

I.1.1 Lịch sử phát triển 10

I.1.2 Khái niệm về vật liệu polyme compozit 10

I.1.3 Các phơng pháp gia công vật liệu PC 13

I.2 Các nguyên liệu chính sử dụng trong vật liệu polyme compozit 15

I.2.1 Nhựa nền 15

1.2.2 Sợi gia cờng 20

1 3 Các phơng pháp gia công vật liệu compozit đợc nghiên cứu 25

1.3.2 Phơng pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Molding - RTM) 25

1.3.2 Phơng pháp hút chân không (Vacuum Technique - VT) 34

Phần II: Các phơng pháp nghiên cứu 49

2.1 Thiết bị và nguyên liệu đầu 49

2.1.1 Thiết bị 49

2.1.1 Nguyên liệu 49

2.2 Các phơng pháp chế tạo mẫu 50

2.2.1 Làm mẫu thử theo phơng pháp RTM 50

2.2.2 Làm mẫu thử theo phơng pháp VIM 50

2.2.3 Làm mẫu thử theo phơng pháp VIB 51

2.2.4 Làm mẫu thử theo phơng pháp VAT 51

2.3 Các phơng pháp nghiên cứu tính chất của nguyên vật liệu 52

2.3.1 Phơng pháp xác định tỷ trọng vật liệu polyme compozit 52

2.3.2 Các phơng pháp xác định tính chất cơ lý vật liệu polyme compozit 52

Phần III: Kết quả và thảo luận 55

3.1 Thiết kế khuôn 55

3.2 Khảo sát mẫu theo phơng pháp RTM 56

3.3.1 Nghiên cứu bố trí đờng hút chân không cho phơng pháp VIM 57

3.3.2 Khảo sát tác dụng của lớp dẫn nhựa 59

3.3.3 Khảo sát phơng pháp VIB, VAT 60

3.3.4 Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cờng bằng sợi thuỷ tinh 61

3.3.5 Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cờng bằng sợi tre 65

Kết Luận 68

Tài liệu tham khảo 70

Tóm tắt đề tài luận văn 73

Abstract 74

danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t

HLU - Ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay (Hand Lay- Up)

PC - Polyme compozit

PEKN - Nhùa polyeste kh«ng no

RTM - Ph¬ng ph¸p b¬m nhùa vµo khu«n (Resin Transfer Molding)

VAT - Ph¬ng ph¸p t¹o h×nh b»ng tói ch©n kh«ng (Vacuum assisted

danh mục các Bảng biểu

Trang Bảng I.1 Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh 21 Bảng I.2 Hàm lợng các chất có trong sợi tre 22

Bảng I.4 Thông số kỹ thuật tiêu biểu của Megaject Pro và Megaject V 27 Bảng I.5 So sánh giữa RTM cổ điển và RTM tự động hoá 32

Bảng III.1 Độ thấm nhựa theo thời gian của mẫu 59 Bảng III.2 Các chỉ tiêu cơ học của vật liệu gia cờng bằng sợi thủy tinh 61 Bảng III.2 Các chỉ tiêu cơ học của vật liệu gia cờng bằng sợi tre 65

danh mục video và ảnh động

FlashI.1: Bơm nhựa vào khuôn, 45 giây, trang 30 Flash 1.2 Hút nhựa vào khuôn bằng chân không, 25 giây, trang 40 Video: Hút nhựa theo phơng pháp VIB, 8 phút, trang 59

danh mục các hình vẽ và đồ thị

Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình I.1 Thiết bị Megaject RTM Pro và Megaject V PlastechTM Machinery 26 Hình I.2 Khuôn RTM kích thớc lớn và hệ thống nâng đỡ đợc tự động hoá 28 Hình I.3 Sơ đồ một hệ thống bơm nhựa vào khuôn tiêu biểu 30 Hình I.4 Các sản phẩm tiêu biểu đợc chế tạo theo phơng pháp RTM 33 Hình I.5 Bộ gá cho khuôn hút nhựa bằng chân không 36 Hình I.6 Sơ đồ khuôn cho phơng pháp hút nhựa bằng chân không 39 Hình I.7 Sơ đồ hút nhựa bằng chân không 40 Hình I.8 Sơ đồ khuôn cho phơng pháp tạo hình bằng túi chân không 41

Hình I.9 Sơ đồ bố trí hệ thống dẫn nhựa và hút chân không 45 Hình I.10 Sơ đồ bố trí đờng dẫn nhựa theo hình xơng cá 45 Hình I.11 hế tạo tàu thuỷ theo phơng pháp hút nhựa bằng C chân không của

Cty MaxiJena (Slovenia) theo quy trình của Cty PolyWorx 47 Hình I.12 Các sản phẩm đợc chế tạo theo phơng pháp hút nhựa vào khuôn 48 Hình I.13 Các sản phẩm chế tạo theo phơng pháp tạo hình trong túi CK 48 Hình II.1 Sơ đồ hệ thống hút chân không 51 Hình II.2 Các thiết bị thử nghiệm tính chất cơ học 54 Hình III.1 Các chi tiết khuôn RTM và VIM 55 Hình III.2 Hút nhựa vào khuôn theo phơng án 3 57 Hình III.3 Mẫu VIM theo 3 phơng án khác nhau 57 Hình III.5 Hút nhựa theo phơng pháp 5 (không có lớp dẫn nhựa) 59 Hình III.6 Hút nhựa theo phơng pháp VIB 60 Hình III 7 Độ bền kéo, nén, uốn của vật liệu 62 Hình III 8 Mô đun đàn hồi kéo, nén, uốn của vật liệu 62

Hình III 9 Độ bền va đập của vật liệu 63 Hình III 10 ảnh chụp mặt cắt ngang của vật liệu 64 Hình III 11 Độ bền kéo, nén, uốn của vật liệu gia cờng bằng sợi tre66 66 Hình III 12 Mô đun kéo, nén, uốn của vật liệu gia cờng bằng sợi tre 66 Hình III.13 Độ bền va đập của vật liệu gia cờng sợi tre 66 Hình III 14 ảnh chụp mặt cắt của vật liệu gia cờng bằng sợi tre 67

là lăn ép bằng tay, đến nay trên thị trờng đã xuất hiện các sản phẩm với công nghệ sản xuất cao cấp hơn nh các lọai vật liệu ép nóng trong khuôn với nguyên liệu đầu đợc chuẩn bị sẵn nh BMC, SMC, vật liệu sản xuất theo phơng pháp quấn sợi, các profile dài vô tận đợc sản xuất theo phơng pháp

đúc kéo

Với việc đầu t các thiết bị sản xuất nh máy đúc kéo, máy trộn BMC, máy chế tạo bán thành phẩm SMC, máy quấn sợi chiều dài 6 m, …Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở đi tiên phong trong việc ứng dụng các công nghệ mới vào sản xuất vật liệu compozit Trên đà phát triển công nghệ đó, ung tâm đã đầu tTrthêm một dây chuyề thiết bị hiện đại hơn nữa là hệ thống sản xuất n vật liệu compozit bằng phơng pháp bơm nhựa vào khuôn (RTM - Resin Transfer Molding) hoạt động riêng biệt hoặc với sự trợ giúp của thiết bị hút chân không Để các thiết bị trên hoạt động đạt hiệu quả cao nhất, cần phải có một

sự đầu t chiều sâu vào việc nghiên cứu phát huy những tính năng của chúng

để tìm ra quy trình hoàn thiện nhất trong việc chế tạo vật liệu polyme

compozit Đề tài luận văn: "Tính chất cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PEKN gia cờng bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo phơng pháp RTM và hút chân không" là một trong những bớc khởi đầu cho việc hoàn thiện quy trình công nghệ hiện đại này

Đề tài này gồm các nội dung chính:

- Nghiên cứu thiết kế khuôn thử nghiệm cho các phơng pháp chế tạo vật liệu polyme compozit bằng RTM và hút chân không

- Chế tạo thử các mẫu sản phẩm theo các phơng pháp RTM và hút chân không thông dụng trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cờng sợi thủy tinh

- Khảo sát các tính chất của các mẫu chế tạo đợc

- ứng dụng các phơng pháp trên để chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nựa polyeste không no gia cờng bằng sợi tre

- Khảo sát tính chất của các mẫu gia cờng bằng sợi tre

Phần I: Tổng quan

I 1 Giới thiệu chung về vật liệu compozit

Từ hàng nghìn năm trớc đây, vật liệu compozit đã đợc sử dụng trong

đời sống ngời cổ đại một cách vô thức nh những ngôi nhà bằng rơm rạ trát bùn đất, các bình gốm có cốt bằng các loại sợi tự nhiên…., nhng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) để đa ra sử dụng rộng rãi chỉ mới

đợc phát triển thực sự vào những năm đầu thế kỉ trớc Vào năm 1938, vật liệu PC trên cơ sở polyeste gia cờng bằng sợi thủy tinh đã đợc sử dụng lần

đầu tiên trong ngành hàng không Đến năm 1950 vật liệu polyme compozit

đợc bổ sung thêm một lọat các nguyên liệu chính nữa khi nhựa epoxy đợc

ra đời và các loại vật liệu gia cờng mới nh sợi cacbon, sợi aramit, sợi silic…

đợc phát hiện và đa vào ứng dụng Kể từ đó đến nay vật liệu polyme compozit đợc phát triển, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đân dụng và công nghiệp từ những sản phẩm thông thờng nh các vật dụng chứa đựng, các bồn nuôi trồng thủy sản, các chi tiết ôtô, các tấm sàn và vách ngăn trong xây dựng, cho đến các sản phẩm công nghệ cao sử dụng trong các ngành công nghiệp iện tử, hàng không, vũ trụ đ …[4]

♦ Định nghĩa

Vật liệu compozit là một hệ thống gồm hai hay nhiều pha thờng rất khác nhau về bản chất, không hòa tan vào nhau, phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha Trong đó pha liên tục gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn

đợc bao bọc bởi pha nền gọi là pha gia cờng Pha nền trong vật liệu polyme

compozit (PC) là các loại polyme, còn pha gia cờng là các lọai sợi, vảy, hạt,

… [5]

Các pha thành phần đợc kết hợp lại để tạo nên vật liệu compozit nhng không vì thế mà tính chất của vật liệu compozit bao hàm tất cả tính chất của chúng Điểm đặc biệt ở đây là vật liệu compozit chỉ lựa chọn trong các pha thành phần những tính chất tốt và phát huy chúng, nhờ vào những công nghệ sản xuất tiên tiến

♦ Phân loại

Thông thờng vật liệu polyme compozit đợc phân lọai theo 2 cách dựa trên đặc điểm của hai pha:

 Theo pha nền polyme:

 Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn

 Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo

 Theo pha gia cờng:

 Chất gia cờng dạng phân tán (bột)

 Chất gia cờng dạng sợi ngắn hay vẩy

 Chất gia cờng dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh…)

 Độn không khí

 Chất gia cờng dạng blend polyme – polyme

Chất gia cờng dạng bột và sợi ngắn thờng đợc sử dụng để chế tạo các sản phẩm dạng khối có khả năng chịu va đập và chịu nén tốt Chất gia cờng dạng sợi dài đợc sử dụng nhiều nhất trong dân dụng cũng nh trong công nghiệp Các sản phẩm làm từ sợi dài thờng có độ chịu kéo theo chiều dọc sợi và chịu uốn tốt

♦ Tính chất chung của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit ang tính chất của các pha thành phần có mặt mtrong vật liệu, tuy nhiên nó không bao hàm tất cả tính chất của các pha thành phần mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt để phát huy thêm lên Tuy nhiên tính chất của vật liệu còn phụ thuộc vào thời gian, tần số biến dạng, tải trọng tác dụng lên, hàm lợng chất gia cờng, sự định hớng của sợi gia cờng Tính chất cơ học của nhựa nền thờng kém hơn sợi vì vậy khi tải trọng tác dụng vào vật liệu nhựa nền sẽ chuyển ứng suất lên sợi Để vật liệu compozit chịu tải trọng tốt thì độ dãn dài của sợi phải nhỏ hơn của nhựa nền, môđun của sợi phải lớn hơn của nhựa nền Ngoài ra đờng kính sợi cũng đóng vai trò quan trọng trong vật liệu compozit, nó ảnh hởng tới khả năng truyền ứng suất lên sợi, do đó phải lựa chọn đờng kính sợi sao cho phù hợp

Tính chất nổi bật của vật liệu polyme compozit là nhẹ, bền, chịu môi trờng, dễ gia công, có tính định hớng hay không định hớng tùy theo yêu cầu của vật liệu Nhợc điểm lớn nhất là tính chất dẫn điện, nhiệt kém hơn so với kim loại, và độ chịu nhiệt kém hơn so với vật liệu gốm

♦ ứng dụng

Vật liệu polyme compozit hiện nay đợc ứng dụng rộng rãi và phổ biến,

từ những sản phẩm đơn giản nh thùng chứa nớc, tấm lợp, vỏ thiết bị máy lạnh, ti vi… cho đến những sản phẩm có kết cấu phức tạp, đặc biệt trong hàng không, vũ trụ Vật liệu compozit đợc ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu ở các lĩnh vực sau:

- Ngành công nghiệp ôtô: đợc sử dụng trong các chi tiết, bộ phận của

ôtô có tác dụng làm giảm trọng lợng của xe, tiết kiệm nhiên liệu, chịu ăn mòn tốt, giảm chi phí sản xuất…

- Ngành công nghiệp đóng tàu: vật liệu compozit đợc sử dụng trong những chi tiết, kết cấu chịu lực đa dạng nh boong tàu, thùng chứa, cột buồm

- Ngành hàng không, vũ trụ: đợc sử dụng nhiều trong các chi tiết của máy bay, tàu vũ trụ [2, 3, 5]

Vật liệu PC đợc chế tạo theo nhiều phơng pháp gia công khác nhau nh: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc phun, đúc kéo, quấn sợi, … Trong đó phơng pháp lăn ép bằng tay đợc sử dụng phổ biến nhất bởi có nhiều u điểm nh: thao tác đơn giản, chi phí sản xuất thấp, dễ chế tạo vật liệu, có thể tạo các kết cấu vật thể từ nhỏ tới lớn… nhng phơng pháp này cũng có nhợc điểm là: chất lợng sản phẩm không ổn định và phụ thuộc nhiều vào tay nghề của ngời thợ, không tạo đợc các kết cấu phức tạp, gây ô nhiễm môi trờng

Các nhà sản xuất chia các phơng pháp gia công vật liệu PC ra làm 2 nhóm chính là gia công trên khuôn kín và gia công trên khuôn hở Các phơng pháp gia công trên khuôn hở thì chỉ sử dụng khuôn có một mặt, sản phẩm

đợc chế tạo trực tiếp trên khuôn này Nhựa nền cho các sản phẩm loại này chủ yếu là các hệ nhựa đóng rắn nguội ngoài không khí Phơng pháp này cho

ra sản phẩm chỉ có 1 bề mặt bóng, độ dày không đợc đông đều nhng đợc lợi thế là đơn giản trong gia công, có thể làm sản phẩm có kích thớc tuỳ ý mà giá thành tăng lên không nhiều do khấu hao cho khuôn ít khuôn sử dụng cho phơng pháp này có thể làm từ các vật liệu chắc chắn nh kim loại cho đến các vật liệu rẻ tiền nh thạch cao, cao su hay bằng chính compozit Phơng pháp gia công trong khuôn kín thì sử dụng khuôn có 2 mặt Vật liệu làm khuôn cho phơng pháp gia công này phần lớn làm từ kim loại và hệ nhựa nền

có thể sử dụng đóng rắn nóng hoặc nguội tuỳ ý Sản phẩm cho 2 bề mặt nhẵn,

có độ dày đồng đều hơn và có thể điều chỉnh đợc

♦ Các phơng pháp chế tạo vật liệu compozit trên khuôn hở thờng gặp:

- Lăn ép bằng tay: Các loại sơi gia cờng đợc đặt trực tiếp lên bề mặt khuôn rồi thấm nhựa lên, sau dđó ùng các con lăn chạy qua chạy lại cho nhựa thấm đều vào sợi Là phơng pháp cổ điển nhất nhng đến nay vẫn đợc sử dụng rộng rãi do đơn giản và chi phí ban đầu cho thiết bị thấp

- Phun sợi: Sử dụng sợi ngắn thấm nhựa rồi dùng súng phun hỗn hợp này lên bề mặt khuôn Hỗn hợp này chủ yếu đợc đóng rắn ngoài không khí

- Quay ly tâm: dùng chế tạo các sản phẩm dạng ống, nhẵn mặt ngoài Hỗn hợp sợi nhựa đã có chất đóng rắn đợc đa vào mặt trong của khuôn dạng ống rồi dùng lực ly tâm phân tán đều trên bề mặt khuôn Chỉ thích hợp cho sản xuất lớn với các sản phẩm có kích thớc cố định với quy mô lớn do mỗi khuôn chỉ cho ra một loại sản phẩm và đầu t ban đầu lớn

- Quấn sợi: cũng nh quay ly tâm phơng pháp quấn sợi cũng sử dụng để, chế tạo các sản phẩm dạng ống nhng khác biệt là các sản phẩm này nhẵn mặt trong Ngoài ra khi thay đổi góc quay, sử dụng phơng pháp này có thể chế tạo đợc các sản phẩm có thiết diện khác nhau h hình elip, ôvan và cả hình thoi cũng nh các sản phẩm không đối xứng nh các bình chứa gas ở áp suất cao

♦ Các phơng pháp chế tạo vật liệu compozit trên khuôn kín thờng

- Bơm nhựa vào khuôn (RTM): sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hàng không và ô tô, trong đó nhựa và chất đóng rắn đợc trộn lẫn trong một thiết bị rồi dùng một lực tác động nhẹ bên ngoài để đa vào khuôn có chứa săn sợi gia cờng

- Phơng pháp hút chân không: có 2 phơng pháp hút chân không thờng gặp là: 1) dùng chân không để đa nhựa vào các lớp sợi gia cờng khô đợc sắp sẵn trong khuôn và 2) dùng chân không để tăng độ bền chặt của vật liệu

đợc chế tạo theo một phơng pháp t ông thờng khác nhằm làm tăng thêm h

độ bền cơ học và một số tính chất khác của vật liệu

Hai phơng pháp cuối đợc nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệ này và sẽ p

đợc trình bày cụ thể hơn trong phần sau.[5, 10, 34]

I.2 Các nguyên liệu chính sử dụng trong vật liệu polyme compozit

• Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình gia công

• Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do có hiện tợng co ngót thể tích

• Chứa các nhóm hoạt động hay phân cực

• Thích hợp với các phơng pháp gia công thông thờng

Nhựa nhiệt rắn có cấu trúc thẳng, nhánh, hay mạng không gian Một số

nhng một số hệ khác lại có thể gia công ở nhiệt độ thờng Nhựa nhiệt rắn thích hợp với nhiều loại chất gia cờng khác nhau về chủng loại cũng nh hình dạng, kích thớc Vật liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn đợc gia cờng bằng các loại sợi dài thờng sử dụng nhiều để chế tạo các sản phẩm đặc biệt trong công nghiệp ôtô, quân sự, hàng không, vũ trụ… Các lọai nhựa nhiệt rắn thờng đợc sử dụng là: polyuretan, phenolfocmandehit, nhựa epoxy, polyeste không no…

Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng, mạch nhánh, có thể hóa rắn khi làm lạnh Nhựa nhiệt dẻo có thể ở dạng tinh thể hoặc vô định hình, chịu dung môi, chịu nhiệt kém hơn so với nhựa nhiệt rắn Nền nhựa nhiệt dẻo có tính dai, bền, cứng nhng ở nhiệt độ cao tính bền của vật liệu sẽ bị mất đi Để tăng cờng tính chất của vật liệu ngời ta thờng sử dụng thêm chất gia cờng Vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo thờng gia công bằng phơng pháp đúc, ép đùn Các lọai nhựa nhiệt dẻo thờng sử dụng là: polyetylen, polypropylen, polystyren, polyamit…

Trong bài luận văn này ta chú trọng đến ba loại nhựa nhiệt rắn thờng

đợc dùng cho phơng pháp hút chân không và bơm nhựa vào khuôn là polyeste không no, epoxy và vinyleste [3]

♦ Nhựa polyeste không no

Trong công nghiệp vật liệu polymer compozit, PEKN là loại nhựa nền phổ biến nhất, chiếm 95% sản lợng nhựa nền nhiệt rắn

gNguyên liệu đầu để tổng hợp nhựa PEKN ồm: các anhydrit (phtalic, maleic, izophtalic…) và diol (etylen glycol, proplen glycol)

Phản ứng trùng ngng giữa anhydrit (axit) và diol xảy ra ở nhiệt độ 150

- 200oC để tạo thành PEKN có công thức tổng quát:

HO C

O

O OCH2CH OC

Phản ứng đóng rắn nhựa thực chất là phản ứng trùng hợp gốc dới tác nhân của hệ khởi đầu - xúc tiến

Các chất khởi đầu thông dụng:

O OH

- Phản ứng tạo thành nhựa epoxy là sự kết hợp nối tiếp luân phiên của nhóm epoxy (epyclohydrin) với nhóm hydroxyphenol (bisphenol A) và tái tạo nhóm epoxy nhờ khử clohydro để tạo thành nhựa có công thức tổng quát nh sau:

Trong đó

CH3

CH3Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan,

có cấu trúc mạng lới không gian ba chiều dới tác dụng của chất đóng rắn Các chất này phản ứng với nhóm chức của nhựa epoxy, đặc biệt nhóm epoxy

Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các hợp chất chứa hydro hoạt động và trùng hợp nhóm epoxy theo cơ chế ion Do vậy, chất đóng rắn đợc phân thành 2 loại nhóm chính: chất đóng rắn cộng hợp và chất đóng rắn trùng hợp

Chất đóng rắn cộng hợp gồm có: các loại amin (thẳng, thơm, vòng, dị vòng ), axit cacboxylic và oligome Còn chất đóng rắn trùng hợp đợc sử …dụng rộng rãi là các phức của triflobo, nh BF3.O(C2H5)2

♦ Nhựa vinylesteepoxy

Nguyên liệu đầu để chế tạo vinylesteepoxy (VEE) là nhựa epoxy phân

tử thấp (chủ yếu trên cơ sở bisphenol A) và axit metacrylic Chính vì vậy, việc phát triển nhựa VEE có liên quan chặt chẽ với nhựa epoxy

OCH2CHCH2OH

1.2.2 Sợi gia cờng

♦ Sợi thuỷ tinh

Sợi thủy tinh đợc sử dụng nhiều nhất để chế tạo vật liệu polyme compozit nhờ những tính chất u việt sau:

Sợi thủy tinh có nhiều loại nhng cơ bản có các loại sau:

- E glass: sợi thủy tinh cách điện tốt, tính chất lý hoá tốt, đa dạng và -

đợc sử dụng rộng rãi

- A - glass: sợi thủy tinh chịu kiềm, nhẹ, bền nhng chịu nớc kém

- C glass: sợi thủy tinh chịu hoá chất tốt, đặc biệt là với axit -

- S glass, R glass: sợi thủy tinh sử dụng trong ngành hàng không, vũ - - trụ, chịu hoá chất, chịu nhiệt tốt

- Sợi thủy tinh môđun cao,

Trong số này thì ba loại đầu sử dụng nhiều hơn cả trong công nghiệp cũng nh dân dụng do giá thành hạ hơn, dễ sử dụng Hai loại cuối là các loại sợi đặc chủng, giá thành cao nên chỉ dùng trong các trờng hợp đặc biệt

b Tính chất

Tính chất của một số loại sợi thủy tinh đợc thể hiện ở bảng 1:

Bảng I.1 Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh.

♦ Sợi aramit (kevlar)

Sợi kevlar đợc phát minh năm 1972 và ngay lập tức trở thành nguyên liệu đặc chủng cho ngành công nghiệp compozit với những tính năng đặc biệt Sợi có độ bền và môđun cao, tỷ trọng thấp, tự dập tắt lửa, không nóng chảy và phân huỷ thành tro ở 400 oC Ngoài ra sợi còn một đặc tính nữa là tự bung ra thành các bó sợi nhỏ rất bền khi bị phá huỷ Nhờ đặc tính này mà vật liệu compozit làm từ aramit đợc sử dụng trong quân đội để làm áo chống đạn

Nhợc điểm lớn nhất của aramit là kém bền với tia tử ngoại và độ bền mỏi

động thấp. [5, 10]

♦ Sợi tre

a Cấu tạo của tre.

Tre thuộc họ Bambusoidecie, đợc coi là một ligno xenlulo compozit -

tự nhiên, trong đó các sợi xenlulo đợc bao bọc bởi nhựa nền lignin

Các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno xenlulo có cấu trúc nh một - compozit bao gồm các sợi xenlulo cực nhỏ (đờng kính khoảng 10 - 12 àm) trong nền vô định hình của lignin và hemixenlulo Các sợi này lại dợc cấu thành từ các sợi nhỏ hơn chạy dọc theo chiều dài sợi Sợi nhỏ này có cấu trúc phức tạp và đợc tạo thành bởi một lớp sơ cấp mỏng bao quanh thành lớp thứ cấp dày Góc giữa trục của sợi và các sợi rất nhỏ gọi là góc sợi Góc sợi và hàm lợng xenlulo quyết định tính chất cơ học của tre [29, 1]

Ngoài ra, tre còn chứa một lợng nhỏ các thành phần khác nh protit, nhựa, sáp, chất tạo màu…

hTre mang một số tính chất hóa học tơng tự các ợp phần của nó nhng không bao hàm tất cả các tính chất đó Tre có một số tính chất nh: tác dụng với các chất halogen, tham gia phản ứng metyl hóa, có khả năng phân hủy dới tác dụng của vi sinh vật và oxy không khí …[1,6]

c Tính chất cơ lý

Các chỉ tiêu cơ lý của tre đã đợc đề cập nhiều trong các công trình nghiên cứu, bảng dới đây đa ra thông số trung bình của các chỉ tiêu đó

Bảng I 3 Các chỉ tiêu cơ học của sợi tre

Các chỉ tiêu cơ học Đơn vị đo Giá trị

Độ bền kéo, nén, uốn của tre khô cao hơn nhiều so với tre tơi Độ bền của tre giảm dần từ gốc đến ngọn, từ ngoài vào trong theo chiều dày ống tre

Tính chất cơ lý của tre cũng phụ thuộc vào hàm lợng xenlulo trong sợi tre: khi hàm lợng xenlulo thay đổi từ 15 20% đến 60 65% thì độ bền ké- - o cũng biến động từ 100 - 600 MPa và môđun thay đổi từ 3 - 15 GPa.[6]

• Phơng pháp vật lý

Sợi đợc kéo căng, đợc cán, đợc xử lý nhiệt, plasma và tạo sản phẩm sợi mà không làm biến đổi thành phần hóa học của sợi mà chỉ làm thay đổi cấu trúc và tính chất bề mặt sợi

1 3 Các phơng pháp gia công vật liệu compozit đợc nghiên cứu

RTM)

♦ Định nghĩa và lịch sử phát triển:

Phơng pháp bơm nhựa vào khuôn (RTM - Resin Transfer Molding) là tên gọi của phơng pháp gia công vật liệu compozit mà nhựa và các chất đóng rắn đợc trộn trong một thiết bị bên ngoài rồi đợc đa vào khuôn kín chứa sợi gia cờng ở dạng khô nhờ một ngoại lực và đóng rắn trong đó

Ngay từ cuối những năm 40 cuả hế kỷ trớc, ở Mỹ ngơì ta đã dùng tphơng pháp bơm nhạ vào khuôn và tạo hình bằng chân không để chế tạo các xuồng cứu sinh và mặc dù vẫn cha đạt đợc những sản phẩm nh mong muốn nhng đến đầu những năm 70 thì các sản phẩm này cũng đã xuất hiện nhiều trên thị trờng Còn ở châu Âu thì vào lúc này ngời ta cha dám sử dụng phơng pháp này để chế tạo các sản phẩm có kích thớc lớn do còn hạn chế trong việc sử dụng các hệ nhựa nền nhng các chi tiết máy có kích thớc

bé đã bắt đầu đ ợc chế tạo Và vào giữa những năm 70 thì phơng pháp này 

đã trở thành một trào lu mới trong ngành công nghiệp compozit sợi thuỷ tinh

Đến những năm 90 thì RTM bắt đầu có đợc viễn cảnh sáng sủa Rút kinh nghiệm từ những thất bại trớc đó do sử dụng không đúng loại nguyên liệu nên các nhà sản xuất đã nghiên cứu chế tạo ra các loại sợi và hệ nhựa nền phù hợp với phơng pháp này hơn và đạt đợc những kết quả nhất định [10,

21, 23]

♦ Thiết bị:

Các thiết bị cơ bản trong công nghệ RTM chia làm 2 nhóm:

 Thiết bị trộn nhựa: Bao gồm các bộ phận chính là:

- thùng chứa nhựa

- thïng chøa dung m«i röa

- thiÕt bÞ t¹o lùc ®Èy (th«ng thêng dïng m¸y nÐn khÝ)

thiết bị RTM Megajet Pro dã đợc Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, đại học Bách khoa Hà Nội mua về để sử dụng Các thông số kỹ thuật của chúng

đợc đa ra trong bảng I.4

Megaject RTM-Pro Megaject V Thể tích bình chứa Trung bình Trung bình

Loại nhựa sử dụng:

Tỷ lệ CĐR: - min

- max

200:1 22:1

200:1 1:1 Lu lợng: - min

là kim loại hoặc compozit, trong trờng hợp bằng compozit thì khuôn phải đủ

độ dày nhất định để chịu đợc lực ép do dòng nhựa tạo ra Yêu cầu nữa đối với khuôn là bề mặt phải nhẵn, đảm bảo độ dày của sản phẩm theo đúng yêu cầu đạt ra Hai mặt khuôn đợc gắn chặt vào nhau nhờ các ngàm kẹp hoặc bu

- lông Các khuôn cho sản phẩm có kích thớc lớn thờng dợc gắn vào các hệ thống nâng đỡ đợc tự động hoá

a) b)

a) Sơ đồ b) Trên thực tế

♦ Các nguyên liệu

a Sợi gia cờng:

- Sợi thuỷ tinh: Sợi thuỷ tinh có độ thấm nhựa tốt hơn các loại khác nên

đợc sử dụng nhiều nhất trong công nghệ RTM Có thể sử dụng hầu hết các loại sợi thuỷ tinh khác nhau nhng chỉ ở dạng tấm (có thể dệt hoặc không dệt)

do các loại sợi ngắn và sợi dài không thể cố định đợc trong khuôn và sẽ bị xê dịch khi nhựa đợc bơm vào khuôn Để cho nhựa đợc thấm đều vào sợi, nên

sử dụng kết hợp cả hai loại sợi dệt và không dệt xen kẽ nhau

- Sợi kevlar, cacbon: Để chế tạo các sản phẩm có độ bền cao ngời ta

sử dụng các loại sợi này nhng phần lớn kết hợp với sợi thuỷ tinh để tạn dụng khả năng thấm ớt của sợi

b Nhựa nền:

Có thể sử dụng hầu hết các loại nhựa nhiệt rắn nhng nguyên liệu đợc

sử dụng thờng xuyên nhất vẫn là nhựa polyeste không no và vinyleste Epoxy cũng đợc sử dụng nhng khi đó yêu cầu đối với thiết bị cần cao hơn Khi sử dụng các hệ nhựa nền khác nhau ngoài việc quan tâm đến tính năng kỹ thuật của chúng còn cần phải đặc biệt l ý đên khả năng tơng thích với các thiết

bị đợc sử dụng (xem phần tính năng kỹ thuật của 2 loại máy RTM thông dụng nhất) Ngoài ra cũng cần lu ý đến một thông số cực kỳ quan trọng củanhựa là độ nhớt vì chính thông số này quyết định đến tốc độ chảy của nhựa vào khuôn

c Các loại phụ gia:

Các chất phụ gia với hàm lợng thấp và kích thớc bé nh chất chống

UV, chất tạo mầu, chất chống lão hoá, hoàn toàn có thể sử dụng đợc trong …công nghệ RTM, nhng riêng các chất phụ gia ở hàm lợng lớn và kích thớc

đáng kể nh các loại bột cacbonat, bột thạch anh thì khi sử dụng cần phải lu

ý đến khả năng trôn hợp vào nhựa và nguy cơ bị lắng đọng trong máy, nhất là

ở bộ phận trộn và đầu phun Chúngvẫn đợc sử dụng nhng ở hàm lợng đợc tính toán vừa phải và có biện pháp khuấy trọn tốt và liên tục [9, 20,23]

♦ Quy trình công nghệ:

Quá trình RTM đợc tiến hành qua các công đoạn sau:

- Chuẩn bị khuôn và đặt sợi: Khuôn đợc lau sạch, xử lý chống dính Tuỳ vào nhu cầu về sản phẩm cụ thể mà có thể sử dụng gelcoat hoặc không Sợi gia cờng đợc tính toán và chuẩn bị theo kích thớc của sản phẩm, trong một số trờng hợp cần đợc ép sơ bộ trớc cho phù hợp với cấu hình của khuôn Sau khi đặt sợi, khuôn đợc đậy nắp lại và ghép chặt lại Gắn đầu phun của máy vào van bơm trên khuôn

- Chuẩn bị hệ nhựa nền: Nhựa và các hoá chất khác cần đợc chuẩn bị và

đa vào các bình chứa nhiều hơn số lợng theo tính toán để phòng trờng hợp

bị thiếu nhựa khi đang bơm, lợng nhựa thừa vẫn sử dụng đợc cho lần sau vì nhựa chỉ trộn hợp vớ đóng rắn trong đầu trộn ngay trớc vòi bơmi ,

- Thiết lập các thông số kỹ thuật: Trên màn hình LCD của máy ta có thể thiết lập dợc các thông số cơ bản của quá trình nh tỷ lệ nhựa/ chất đóng rắn, tốc độ bơm nhựa vào khuôn, thời gian bơm nhựa, v.v…

- Khởi động máy, theo dõi khuôn, đến khi nhựa trào ra ở van thoát khí thì dừng máy, nếu là đóng rắn nóng thì đa đi gia nhiệt, nếu đóng rắn nguội thì

đợi đến khi đóng rắn hoàn toàn thì tháo khuôn lấy sản phẩm và tiếp tục quy trình cho sản phẩm tiếp theo

(Flash: Bơm nhựa vào khuôn, 45 giây)

Hình I và đoạn phim flash trình diễn một sơ đồ bơm nhựa vào khuôn 3

điển hình nhất [23]

♦ So sánh giữa RTM và các phơng pháp sản xuất trên khuôn ở:h

- Giảm độ ô nhiễm do styren bay hơi gây ra

- Tăng công suất sản xuất

- Sản phẩm cho hai bề mặt nhẵn

- Đôi khi không cần gelcoat vẫn tạo đợc bề mặt đẹp

- Giá thành sản xuất hạ với số lợng lớn

- Giảm nhân công đáng kể

♦ Ưu điểm của phơng pháp RTM

- Chủng loại sản phẩm lớn: có thể sử dụng để chế tạo các loại sản phẩm khác nhau về kích thớc, hình dạng cũng nh đặc tính kỹ thuật

- Đa dạng trong thiết kế: Khuôn trong công nghệ RTM có thể sử dụng cho các phơng pháp khác mà không cần phải sửa chữa gì nhiều

- Tiết kiệm nhân công: Do đợc tự động hoá ở một số công đoạn nên RTM có thể tiết kiệm nhân công đến mức tối đa

- Kích thớc ổn định: Do là khuôn đóng và có các bộ gá chặt chẽ nên kích thớc cho các lần chế tạo khác hau hầu nh không bị thay đổi

- Bề mặt sản phẩm đẹp: Sản phẩm cho cả hai bề mặt bóng, dễ xử lý trong các công đoạn hoàn thiện

- Tiết kiệm thời gian: Thời gian chuẩn bị khuôn nhanh hơn nhiều so với các phơng pháp lăn ép bằng tay, năng suất nhờ đó mà cũng tăng lên nhiều

- Không có lợng nhựa d thừa vì nhựa và chất đóng rắn chỉ trộn với nhau ngay trớc khi đa vào khuôn, lợng nhựa d trong bình vẫn sử dụng

đợc cho các lần tiếp theo

- Khấu hao khuôn: Khuôn dùng cho RTM có thể sử dụng đợc rất nhiều

- Hàm lợng sợi: Tuy hàm lợng sợi trong RTM không đợc cao lắm nhng hoàn toàn có thể điều chỉnh đợc theo yêu cầu cụ thể đối với từng sản phẩm

- Tỷ lệ rỗng: Với RTM áp suất trung bình thì độ rỗng có thể giảm xuống

Bảng I.5 So sánh giữa RTM cổ điển và RTM tự động hoá

Phơng pháp thao tác Các công đọan RTM cổ điển RTM tự động

5 Cắm đầu bơm vào khuôn

6 Bơm nhựa vào khuôn

7 Tháo đầu bơm và các chi tiết khác

8 Xịt khí, rửa sạch đầu khuôn

9 Kiểm tra thời gian đóng rắn để tháo khuôn

- Bằng tay

- Bấm Start, các công đọan từ 2-

11 tự động vận hành

- Bằng tay

Từ bảng I.5 ta thấy ngoài việc đặt vải vào khuôn và lấy sản phẩm ra thì tất cả các công đoạn còn lại đều đợc tự động hoá, điều này càng làm cho việc tiết kiệm nhân công trở nên triệt để Đây là lợi thế lớn nhất để giảm giá thành cho các sản phẩm có kích thớc lớn mà nếu sản xuất theo các phơng pháp cổ

điển thì giá thành sẽ nâng lên cao nếu phải sử dụng nhân công trong toàn bộ quá trình Ngoài ra quá trình tự động hoá còn nâng cao tuổi thọ cho các thiết

bị, nhất là đầu bơm và các đầu khuôn vì khi quá trình vừa hoàn thành thì các chi tiết này đợc tự động rửa ngay, tránh đợc hiện tợng để lâu quá làm cho nhựa đóng rắn bên trong rất khó xử lý sau đó [9 ]

♦ ứng dụng

RTM đợc ứng dụng để sản xuất rất nhiều loại sản phẩm từ những vật ,

có kích thớc bé nh các chi tiết máy đến các sản phẩm kh ng lồ nhổ tàu thuỷ, thành ô tô tải…[18, 22, 24]

1 Cánh mô-tơ, Umoe Mandal, Na Uy 2 Sờn máy bay, Aircraft Industries, Israel

3 Mái che, C ông ty Kok & van Eghelen, Hà

Lan

4 Cánh lật của máy bay, British Airbus Ltd., Anh

♦ Phơng pháp hút nhựa vào khuôn bằng chân không:

Có hai phơng pháp hút nhựa vào khuôn bằng chân không thờng gặp là:

1) Hút nhựa vào khuôn kín (Vacuum Infusion Molding VIM) và-

2) Hút nhựa vào khuôn với một mặt là khuôn, còn mặt thứ hai thì dùng túi bọc (Vacuum Infusion Bagging VIB) -

Về cơ chế hoạt động thì hai phơng pháp này gần nh hoàn toàn giống nhau, nguyên lý của chúng là dùng độ chênh lệch về áp suất của chân không

để đa nhựa vào khuôn đã chứa sẵn sợi gia cờng Khác nhau cơ bản giữa hai phơng pháp là về sản phẩm làm ra và các thông số kỹ thuật của chúng Bảng I.6 kê ra cho chúng ta những khác biệt đó

Phơng pháp hút chân không thời gian gần đây trở thành một trong những phơng pháp sản xuất vật liệu compozit đợc sử dụng nhiều nhờ đặc tính có tính cấp thiết nhất là giảm thiểu ô nhiễm môi trờng đến mức tối đa

cho vật liệu có tỷ lệ sợi / nhựa cao hơn hẳn, một số tính chất cơ học cũng vì thé mà vợt trội so với các phơng pháp còn lại [7, 11, 37, 39]

Bảng I.6 Sự khác nhau cơ bản giữa VIM và VIB

Tỷ lệ sợi / nhựa Khống chế theo lợng sợi

đa vào nhng không cao

Đạt đến mức tối đa do sợi gia cờng đợc nén chặt

Tính chất cơ học Cao hơn các phơng pháp

thông thờng khác

Cao hơn hẳn các phơng pháp khác

đàu Phơng pháp này rất hiệu quả đối với các sản phẩm có kích thớc lớn, khi chúng không thể đa vào ép trên các máy nén thông thờng đợc Trong phơng pháp này thì các nguyên liệu và hoá chất sử dụng nh các phơng pháp chế tạo sơ bộ, phần hút chân không đợc coi nh phần hoàn thiện và các thíêt bị sử dụng cho công đoạn này nh trong công nghệ hút nhựa bằng chân không nhng đơn giản hơn nhiều

♦ Thiết bị:

Các thiết bị cần thiết trong công nghệ hút chân không:

 Bơm chân không: tạo chân không trong khuôn hoặc túi cần hút

 Khuôn: Khuôn cho phơng pháp hút chân không có thể là loại khuôn kín (VIM), làm từ vật liệu cứng, có thể là khuôn hở, mặt khuôn phù hợp với biên dạng của sản phẩm (VIB, VAT , )

 Bộ gá: Dùng để gắn chặt hai thân khuôn lại với nhau, cần phải đủ chắc chắn để đảm bảo độ kín khí của khuôn

 Các linh kiện phụ trợ khác:

- đờng ống: ống hút chân không phải đảm bảo độ cứng để chịu đợc lực hút chân không và có độ bền hoá học cao, không bị dung môi có trong nhựa làm tan chảy

- áp kế: theo dõi sự thay đổi áp suất trong khuôn hoặc túi và kiểm tra độ kín khí của hệ

- Bẫy nhựa: để chứa nhựa bị hút ra theo bơm trong quá trình hút

- Máy dò: trong trờng hợp nếu chân không trong hệ không giữ đợc khi

ta tắt máy bơm thì việc đầu tiên là tìm ra ngay chỗ hở để xử lý trớc khi đa nhựa vào