Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ điền đầy trong chế tạo bộ khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN THỊ NGÂN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ ĐIỀN ĐẦY TRONG CHẾ TẠO BỘ KHUÔN SILICONE VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA

RUNG SIÊU ÂM

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Trần Anh Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Dương Huyền Lynh Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phạm Sơn Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Lưu Thanh Tùng – Chủ tịch

2 TS Lê Thanh Long – Thư ký

3 TS Dương Huyền Lynh – Phản biện 1

4 PGS.TS Phạm Sơn Minh – Phản biện 2

5 PGS.TS Lê Thanh Danh – Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Lưu Thanh Tùng

TRƯỞNG KHOA KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đầy khuôn silicone

Nghiên cứu giải pháp rung siêu âm giúp nâng cao chất lượng khuôn silicone

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN ANH SƠN

Tp HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS TRẦN ANH SƠN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

Trang ii Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới:

Trường Đại học Bách Khoa TPHCM , khoa Cơ khí cùng các giảng viên đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Anh Sơn, người hướng dẫn và cũng là người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp

TPHCM, ngày 19 tháng 12 năm 2020

Học viên thực hiện

TRẦN THỊ NGÂN

Trang iii Kỹ thuật khuôn đúc silicone đã và đang được phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới, công nghệ này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu và phát triển năng lực công nghiệp nhằm cung cấp sản xuất hàng loạt nhỏ với chất lượng tốt Trong khi đó, ở Việt Nam, việc ứng dụng khuôn silicone trong sản xuất còn hạn chế, chưa có nhiều công bố nghiên cứu khoa học về lĩnh vực này Luận văn này trình bày một số kết quả nghiên cứu về công nghệ đúc khuôn silicone và nghiên cứu nâng cao độ điền đầy của khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, luận văn đã xác định được các thông số công nghệ rung siêu âm và đặc tính silicone ảnh hưởng đến khả năng điền đầy của khuôn silicone Với mô hình rung siêu âm của luận văn, kết quả thực nghiệm tối ưu với khuôn silicone điền đầy đạt hiệu quả cao, sai lệch thể tích khuôn thực nghiệm so với nguyên mẫu đạt ± 0.01 ml Kết quả này sẽ là kết quả tham khảo tốt cho việc phát triển khuôn silicone sau này Bên cạnh đó, sự thành công của nghiên cứu tạo tiền đề phát triển sản xuất và nghiên cứu khuôn silicone tại Việt Nam

Trang iv Silicone molding technique has been developed in many countries around the world, this technology is widely used to research and develop industrial capacity to provide small batch production with good quality Meanwhile, in Vietnam, the application of silicone molds in production is still limited, there have not been many scientific research publications in this field This dissertation presents some research findings on silicone mold casting technology and research on improving the filling of silicone molds with the help of ultrasonic vibration Through research and experimentation, the dissertation identified the ultrasonic vibration technology parameters and silicone properties that affect the filling capacity of silicone molds With the ultrasonic vibration model of the thesis, the optimal experimental results with filled silicone molds achieved high efficiency, the deviation of the volume of the experimental mold compared to the prototype reached ± 0.01 ml This result will be a good reference result for the development of silicone molds later In addition, the success of the research creates a premise for the development of silicone mold production and research in

Vietnam

Trang v Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ điền đầy trong chế tạo bộ khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm” là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

TPHCM, ngày 19 tháng 12 năm 2020

Học viên thực hiện

TRẦN THỊ NGÂN

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang vi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

1.7 Bố cục luận văn 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Lịch sử phát triển khuôn silicone 5

2.2 Vật liệu silicone 6

2.2.1 Tính chất chung của silicone 7

2.2.2 Phản ứng đóng rắn của silicone 16

2.2.3 Các chất phụ gia trong silicone 20

2.2.4 Các loại silicone trong gia công khuôn 21

2.2.5 Ứng dụng của cao su silicone 25

2.3 Khuôn silicone 26

2.3.1 Quá trình tạo khuôn silicone 26

2.3.2 Cấu tạo khuôn silicone 27

2.3.3 Ưu nhược điểm của khuôn silicone 34

2.3.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 35

2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đầy khuôn silicone 37

2.5 Sóng âm 39

2.5.1 Định nghĩa 39

2.5.2 Phân loại 40

2.5.3 Sự truyền âm của sóng âm 40

2.5.4 Những đặc trưng vật lý của sóng âm 41

2.5.5 Những đặc trưng sinh lý của sóng âm 45

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang vii

2.5.6 Rung siêu âm 45

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50

3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 50

3.2 Mô hình và thiết bị thực nghiệm 51

3.2.1 Thiết kế và chế tạo nguyên mẫu 52

3.2.2 Thiết kế khuôn silicone 54

3.2.3 Thiết kế mô hình truyền rung siêu âm 55

3.2.4 Nguyên liệu dùng trong thực nghiệm 61

3.2.5 Các thiết bị khác dùng trong thực nghiệm 62

3.3 Quy trình thực hiện thí nghiệm 66

3.4 Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm 68

3.4.1 Xác định các thông số thực nghiệm 68

3.4.2 Phương pháp thực nghiệm 70

3.5 Phương pháp kiểm tra độ điền đầy 74

3.6 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 76

3.6.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ chất đóng rắn đến độ điền đầy khuôn silicone 82

3.6.2 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến độ điền đầy khuôn silicone 82

3.6.3 Ảnh hưởng của tần số rung siêu âm đến độ điền đầy khuôn silicone 83

3.7 Tối ưu hóa các thông số thực nghiệm 84

3.7.1 Lựa chọn thuật toán tối ưu 84

3.7.2 Kết quả tối ưu 85

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang viii

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Khuôn silicone và sản phẩm Medusa [1] 5

Hình 2.2 Khuôn Silicone và sản phẩm được chế tạo từ khuôn silicone [1] 6

Hình 2.3 Cấu trúc phân tử các hợp chất silicone 7

Hình 2.4 Octamaleamic acid-POSS [4] 8

Hình 2.5 Nguồn gốc, chức năng, lĩnh vực ứng dụng của các đơn vị cấu trúc silicone [5] 9

Hình 2.6 Khả năng chịu nhiệt của các loại silicone ở điều kiện nhiệt độ cao và thấp [6] 11

Hình 2.7 Đồ thị thể hiện độ tương quan giữa độ trương của cao su với chỉ số hòa tan của dung môi [6] 14

Hình 2.8 Các phân tử Peroxide 17

Hình 2.9 Phân loại sản phẩm và công nghệ chế tạo khuôn silicone [7] 21

Hình 2.10 Công nghệ ép phun silicone lỏng [7] 22

Hình 2.11 Đúc hợp kim nhiệt độ thấp bằng khuôn silicone [1] 25

Hình 2.12 Thiết bị túi khí 26

Hình 2.13 Bố trí đúc khuôn silicone một mảnh 27

Hình 2.14 Khuôn một mảnh và nguyên mẫu 27

Hình 2.15 Đổ nửa khuôn đầu của khuôn silicone hai mảnh 28

Hình 2.16 Đổ nửa khuôn còn lại của khuôn silicone hai mảnh 28

Hình 2.17 Khuôn hai mảnh hoàn thiện 29

Hình 2.18 Bước 1 trong quy trình đúc khuôn găng tay đổ 30

Hình 2.19 Bước 2 trong quy trình đúc khuôn găng tay đổ 30

Hình 2.20 Bước 3 quy trình đúc khuôn găng tay đổ 31

Hình 2.21 Bước 4 quy trình đúc khuôn găng tay đổ 31

Hình 2.22 Bước 5 quy trình đúc khuôn găng tay đổ 31

Hình 2.23 Hình chiếu mô hình khuôn găng tay đổ 32

Hình 2.24 Khuôn găng tay và nguyên mẫu 32

Hình 2.25 Bước 1 trong quy trình đúc khuôn găng tay quét 33

Hình 2.26 Bước 2 trong quy trình đúc khuôn găng tay quét 33

Hình 2.27 Bước 3 quy trình đúc khuôn găng tay quét 33

Hình 2.28 Bước 4 quy trình đúc khuôn găng tay quét 34

Hình 2.29 Một hệ thống tích hợp [11] 36

Hình 2.30 Sai lệch kích thước của những nguyên mẫu có độ phức tạp cao [16] 38

Hình 2.31 Mô tả tần số âm thanh cao (trên) và thấp (dưới) [18] 42

Hình 2.32 Dải tần số của âm thanh 46

Hình 2.33 Sơ đồ hệ thống UIM [21] 47

Hình 2.34 Transducer [22] 48

Hình 2.35 Phương pháp rung siêu âm [22] 49

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 50

Hình 3.2 Sơ đồ quá trình thực nghiệm 51

Hình 3.3 Nguyên mẫu và những phân tích trong bài báo [16] 52

Hình 3.4 Bản vẽ sản phẩm thực nghiệm 52

Hình 3.5 Nguyên mẫu được chế tạo bằng công nghệ in 3D 53

Hình 3.6 Thiết kế khuôn silicone hai mảnh 54

Hình 3.7 Hình dạng khuôn âm được thiết kế trên phần mềm CAD 54

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang ix

Hình 3.8 Thiết kế mô hình chế tạo khuôn trên phần mềm CAD 55

Hình 3.9 Hệ thống siêu âm hỗ trợ làm sạch [24] 56

Hình 3.10 Mô tả dao động và tần số của hệ thống rửa siêu âm [25] 56

Hình 3.11 Máy phát sóng siêu âm Aquatron - 625 57

Hình 3.12 Transducer dùng trong thực nghiệm 57

Hình 3.13 Cấu trúc transducer [26] 58

Hình 3.14 Mô hình Butterworth-Van Dyke [26] 59

Hình 3.15 Bố trí cơ cấu truyền rung siêu âm trên phần mềm 60

Hình 3.16 Hình ảnh thực tế bố trí các transducer 60

Hình 3.17 Máy phát siêu âm và bộ transducer 60

Hình 3.18 Sơ đồ truyền rung siêu âm 61

Hình 3.19 Nguyên liệu Silicone dùng trong thực nghiệm 61

Hình 3.20 Nguyên liệu chất đóng rắn K – 2# dùng trong thực nghiệm 61

Hình 3.21 Máy bơm hút chân không Ulvac GCD – 051X và các buồng hút chân không 63

Hình 3.22 Máy biến áp Skawa 63

Hình 3.23 Cân tiểu ly 64

Hình 3.24 Thiết bị scan 3D HSCAN771 Handheld 3D Scanner 64

Hình 3.25 Sơ đồ quy trình thực hiện thí nghiệm 66

Hình 3.33 Kết quả phân tích sai lệch mẫu thử nghiệm 1 với nguyên mẫu 71

Hình 3.34 Kết quả phân tích sai lệch mẫu thử nghiệm 2 với nguyên mẫu 72

Hình 3.35 Công tác chuẩn bị mẫu 75

Hình 3.36 Thực hiện scan mẫu 75

Hình 3.37 Xuất file mẫu scan 76

Hình 3.38 Mẫu sản phẩm thực nghiệm 2 77

Hình 3.39 Đồ thị quan hệ giữa Vs với các thông số R và Tu khi Fu = 20kHz 80

Hình 3.40 Đồ thị quan hệ giữa Vs với các thông số R và Fu khi Tu = 5 phút 80

Hình 3.41 Đồ thị quan hệ giữa Vs với các thông số Tu và Fu khi R = 1,75% 80

Hình 3.42 Phân tích S/N (V) trên phần mềm Minitab 81

Hình 3.43 Pareto Chart với mức ý nghĩa a=0,05 81

Hình 3.44 Mối quan hệ giữa sai lệch thể tích với tỉ lệ chất đóng rắn trên Minitab 82

Hình 3.45 Mối quan hệ giữa sai lệch thể tích với thời gian rung siêu âm trên Minitab 83

Hình 3.46 Mối quan hệ giữa sai lệch thể tích với tần số rung siêu âm trên Minitab 84

Hình 3.47 Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu Vs trên phần mềm Minitab 86

Bảng 2.5 Độ thấm khí của một số loại vật liệu so với cao su thiên nhiên 15

Bảng 2.6 Các chất đóng rắn Peroxide điển hình [7] 17

Bảng 2.7 Các tính chất tiêu biêu của RTV silicone [7] 24

Bảng 2.8 Một số âm thanh phổ biến với ước tính về cường độ và mức decibel của chúng [18] 44

Bảng 3.1 Bảng liệt kê các thành phần buồng cách ly và nguyên mẫu 55

Bảng 3.2 Thông tin và đặc điểm của nguyên liệu dùng trong thực nghiệm [27] 62

Bảng 3.3 Thông số máy HSCAN771 Handheld 3D Scanner 65

Bảng 3.4 Thông số đúc thử nghiệm 70

Bảng 3.5 Thực nghiệm ảnh hưởng của rung siêu âm đến độ điền đầy khuôn silicone 73

Bảng 3.6 Kết quả kiểm tra mẫu thí nghiệm 76

Bảng 3.7 Kết quả thực nghiệm 77

Bảng 3.8 Bảng kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phương sai quan hệ Vs với R, Tu và Fu trên Minitab 78

Bảng 3.9 Kết quả tối ưu hoá hàm mục tiêu Vs trên phần mềm Minitab 85

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng hàm mục tiêu Vs 86

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang xi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CAD – Computer Aided Design

ABS – Acrylonitrile Butadiene Styrene

MMM – Multifrequency, Multimode, Modulated Sonic & Ultrasonic Vibrations RTV silicones – Room Temperature Vulcanization Silicones

HTV silicones – High Temperature Vulcanization Silicones RP – Rapid prototyping

FDM – Fused Deposition Molding VC – Vacuum casting

UIM – Ultrasonic Injection Molding

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ ĐIỀN ĐẦY TRONG CHẾ TẠO BỘ KHUÔN SILICONE VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG SIÊU ÂM”

1.1 Đặt vấn đề

Cùng nhu cầu phát triển của xã hội thì khoa học công nghệ cũng ngày một phát triển nhanh chóng Các phương pháp sản xuất không ngừng đổi mới và phát triển để đáp ứng các yêu cầu sản phẩm ra đời phải đáp ứng cả về chất lẫn về lượng trong thời đại khoa học – công nghệ hiện nay Sản xuất hàng loạt là phương pháp sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc mang lại những cải tiến về chi phí, chất lượng, số lượng và sự đa dạng của hàng hóa sẵn có mà dân số toàn cầu lớn nhất trong lịch sử hiện đang duy trì ở mức sống chung cao nhất

Khuôn là một trong những phương pháp sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc giảm đáng kể chi phí sản xuất của các chi tiết phức tạp với khối lượng lớn Thiết bị khuôn được biết đến lần đầu tiên vào năm 1838 với mục đích phục vụ phương pháp in sắp chữ cho ngành in Từ đó khuôn ngày càng trở nên phổ biến, chiếm một phần lớn trong thị phần sản xuất hàng loạt, sử dụng rộng rãi để tạo ra các bản sao có hiệu quả của một hình dạng sản phẩm với chi phí tương đối thấp Ngoài ra, khuôn cũng không ngừng đổi mới và phát triển mạnh mẽ khi ứng dụng sản xuất cho đa dạng sản phẩm từ đơn giản đến phức tạp một cách nhanh chóng nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu chất lượng cao Nhiều hàng hóa hàng ngày, chẳng hạn như bao bì, đồ nội thất bằng nhựa, thực phẩm và đồ trang sức, được tạo ra bằng cách tạo hình vật liệu bằng cách sử dụng khuôn

Với sự phức tạp về hình học trong sản phẩm ngày càng tăng, số lượng khuôn cứng hoặc mảnh khuôn cũng tăng lên, làm cho các khuôn truyền thống không thực tế đối với các đối tượng phức tạp Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị khuôn như khuôn kim loại, khuôn cứng truyền thống đòi hỏi chi phí vốn cao dẫn đến hạn chế quá trình sản xuất khối lượng lớn Để khắc phục những hạn chế của khuôn cứng, một thế hệ kỹ thuật mới đã cho phép tạo ra các khuôn linh hoạt để dễ dàng trong quá trình chiết

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 2 xuất, kỹ thuật khuôn chân không sử dụng silicone ra đời Các kỹ thuật này đã làm tăng đáng kể phạm vi của các hình dạng có thể tái tạo một khuôn đơn mảnh, mỏng và linh hoạt có thiết kế cắt được điều khiển bởi mô phỏng vật lý của quá trình chiết xuất

Kỹ thuật khuôn Silicone đã và đang được phát triển ở hầu hết các quốc gia châu Âu, công nghệ này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu và phát triển năng lực công nghiệp nhằm cung cấp sản xuất hàng loạt với chất lượng tốt Trong khi đó, ở Việt Nam, việc ứng dụng khuôn chân không silicone trong sản xuất còn khá hạn chế và chưa xuất hiện nhiều Theo xu hướng phát triển cùng với những ưu điểm mà khuôn silicone mang lại, đây chắc hẳn là công nghệ đáng nghiên cứu cho các doanh nghiệp trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng

Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất khuôn silicone vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề, đặc biệt là các vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng khuôn như đặc tính của sản phẩm, chất lượng bề mặt, độ chính xác về kích thước cũng như khả năng điền đầy của khuôn silicone Trong đó khả năng điền đầy ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm về kích thước, hình dạng khuôn và sản phẩm

Trên thới giới đã có nhiều công trình nghiên cứu các vấn đề về chất lượng khuôn silicone và có những giải pháp liên quan đến thành phần hòa trộn các chất, nhiệt độ, thời gian đóng rắn, thiết kế khuôn, chế tạo khuôn, v.v Tuy nhiên, các công trình công bố chưa có nghiên cứu chuyên sâu đánh giá chất lượng hình học khuôn silicone, đảm bảo khả năng điền đầy khuôn trong một số trường hợp cụ thể Các bộ giải pháp nâng cao chất lượng khuôn vẫn ít được công bố, đặc biệt là ở Việt Nam

Do đó nghiên cứu nâng cao độ điền đầy khuôn silicone và đưa ra bộ giải pháp phù hợp là cần thiết góp phần tạo ra các bộ khuôn silicone có chất lượng tốt hơn để nâng cao hơn nữa chất lượng sản phẩm từ khuôn silicone

Với mong muốn phát triển công nghệ khuôn silicone và mang công nghệ này tiếp cận hơn tại Việt Nam, vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ điền đầy trong chế tạo bộ khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm” làm luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật Cơ khí

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 3

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu các yếu tố giúp nâng cao chất lượng khuôn silicone

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Chất lượng khuôn silicone thông qua tiêu chí đánh giá về khả năng điền đầy và chất lượng bề mặt khuôn silicone

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Nguyên liệu chế tạo khuôn silicone: RTV - 2822 Rung siêu âm theo phương Z

Tần số siêu âm tối đa: 25kHz (giới hạn bởi thiết bị thí nghiệm)

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết các vấn đề gây ảnh hưởng đến chất lượng khuôn silicone với tiêu chí đánh giá là độ điền đầy khuôn silicone

Nghiên cứu lý thuyết về giải pháp nâng cao độ điền đầy khuôn silicone Nghiên cứu lý thuyết các thông số của rung siêu âm ảnh hưởng đến chất lượng khuôn silicone về độ điền đầy và chất lượng bề mặt

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo khuôn silicone với mô hình có sự hỗ trợ của rung siêu âm

Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ của các thông số ảnh hưởng của rung siêu âm đến độ điền đầy khuôn silicone

Quá trình nghiên cứu sử dụng máy đo kiểm tra kết quả Tổng quan tài liệu

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và tổng quan tài liệu khoa học, luận văn xác định được độ nhớt của silicone gây ảnh hưởng dòng chảy silicone trong quá trình đúc khuôn Bên cạnh đó, những nghiên cứu về rung siêu âm cho thấy những rung động tần số cao có khả năng tác động đến dòng chảy silicone, là cơ sở cho quá trình sử dụng rung siêu âm hỗ trợ đúc khuôn silicone, nâng cao độ điền đầy khuôn

Tiến hành thực nghiệm xây dựng được hàm quan hệ phụ thuộc giữa độ điền đầy khuôn silicone và thông số công nghệ rung siêu âm là tần số rung siêu âm và thời

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 4 gian rung siêu âm, từ đó giải bài toán tối ưu hóa hàm đơn mục tiêu, xác định được bộ thông số tần số rung và thời gian rung siêu âm hợp lý để nâng cao độ điền đầy khuôn silicone cho mô hình

Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình đúc khuôn silicone và lựa chọn thông số công nghệ để nâng cao độ điền đầy khuôn silicone

1.7 Bố cục luận văn

Bố cục của luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: Kết luận

Hình 2.1 Khuôn silicone và sản phẩm Medusa [1]

Vào khoảng những năm 70 của thế kỉ XX, người Nhật đã mua kỹ thuật này và đã ứng dụng nó vào sản xuất công nghiệp các bộ phận ô tô Vài năm sau đó, công nghệ này đã được giới thiệu lại ở Châu Âu và nó được sử dụng rộng rãi trên khắp lục địa

Năm 1980 là năm ra đời của nhựa nhiệt rắn vào quy trình khuôn chân không Những loại nhựa này có thể bắt chước một cách hoàn hảo các đặc tính và thể hiện việc sử dụng vật liệu trong sản xuất hàng loạt Kể từ đó, nhiều cải tiến hơn đã đạt được, kết hợp thêm việc sử dụng CAD (Computer Aids Design) hiện đại đã cho phép khuôn chân không được thực hiện nhanh hơn, rẻ hơn và chính xác hơn

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 6

Hình 2.2 Khuôn Silicone và sản phẩm được chế tạo từ khuôn silicone [1]

Hiện nay ở hầu hết các quốc gia châu Âu, công nghệ này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu và phát triển năng lực công nghiệp nhằm cung cấp sản xuất hàng loạt với sản phẩm được yêu cầu chất lượng tốt

Dưới chiếu xạ gamma, silicone có ba loại được chia theo dạng liên kết phân tử, bao gồm: chuỗi tuyến tính của polysiloxan, chất đàn hồi polysiloxane liên kết chéo và siloxan tuần hoàn [2] Tùy thuộc vào loại monomer được sử dụng, các hợp chất cao su silicone được biết đến rộng rãi trong sản xuất như methyl silicone, vinyl methyl silicone, phenyl methyl silicone, fluoroankeyl methyl silicone

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 7

Hình 2.3 Cấu trúc phân tử các hợp chất silicone

2.2.1 Tính chất chung của silicone

v Tính chất hóa học: [3] [4]

−𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝑆𝑖 −

Silicone hoặc polysiloxanee là một polyme được tạo thành từ siloxane (− R2Si − O − SiR2 –, trong đó R = nhóm hữu cơ) Chúng thường là dầu không màu hoặc các chất giống như cao su

Chính xác hơn khi gọi là siloxane polyme hóa hoặc polysiloxanee, silicone bao gồm chuỗi xương sống silicone – oxy vô cơ (⋯ −Si − O − Si − O − Si − O− ⋯) với hai nhóm hữu cơ gắn vào mỗi tâm silicone, thường là metyl

Bằng cách thay đổi độ dài chuỗi −Si – O−, nhóm bên và liên kết chéo, silicone có thể được tổng hợp với nhiều đặc tính và thành phần khác nhau Chúng có thể thay đổi về độ đặc từ lỏng sang gel, cao su đến nhựa cứng Siloxane phổ biến nhất là polydimethylsiloxane tuyến tính (PDMS), một loại dầu silicone Nhóm vật liệu silicone lớn thứ hai dựa trên nhựa silicone, được hình thành bởi các oligosiloxane dạng lồng và phân nhánh

Cấu trúc polymer có thể được mô tả bằng cách sử dụng các chữ cái M, D, T và Q để chỉ định các đơn vị monome Chất lỏng silicone tuyến tính được cấu tạo chủ yếu từ các đơn vị D Các polyme cơ bản cho chất đàn hồi silicone hoặc cao su silicone bao gồm các đơn vị là các nhóm liên kết ngang Đặc điểm cấu trúc chính của nhựa silicone phân nhánh cao là các đơn vị T, thường được kết hợp với các đơn vị D để làm cho nhựa linh hoạt hơn Nhựa silicon cũng có thể chứa các đơn vị Q và M [5]

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 9

Hình 2.5 Nguồn gốc, chức năng, lĩnh vực ứng dụng của các đơn vị cấu trúc silicone [5]

Vì silicone có mạch chính là một chuỗi các nguyên tử Si và O sắp xếp xen kẽ luân phiên nhau, thay vì liên kết C-C như các loại cao su khác Điều này tạo nên những tính chất đặc trưng riêng biệt cho silicone Do đó, khi so sánh với polymer hữu cơ thông thường thì silicone có tính chịu nhiệt cao hơn, ổn định hóa học hơn và cách điện tốt hơn

v Đặc trưng vật lý [4] [6]

Độ nhớt cao: Độ nhớt của silicone phụ thuộc vào trọng lượng phân tử của hợp chất silicone Mức độ trùng hợp càng lớn, trọng lượng phân tử càng cao và trọng lượng phân tử càng cao, polymer càng dài Polyme càng dài thì độ nhớt càng cao và độ nhớt càng cao, polymer sẽ chảy càng chậm Vật liệu silicone thể hiện các hành vi lưu biến Newton khi chúng có trọng lượng phân tử thấp và chúng không phụ thuộc vào tốc độ cắt được áp dụng trong quá trình xử lý Độ nhớt có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến tính chất hóa học của cao su silicon, nhưng nó ảnh hưởng đến đặc tính dòng chảy và độ hòa tan

Sự gia tăng nhiệt độ của các silicon đó tạo ra hai hiệu ứng khác nhau về độ nhớt: Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm, nhưng khi phản ứng đóng rắn bắt đầu, độ nhớt

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 10 trở nên cao hơn do sự gia tăng trọng lượng phân tử của silicone, được tạo ra bởi các liên kết chéo Do đó, khi quá trình đóng rắn diễn ra, độ nhớt silicone cũng bắt đầu tăng lên gây cản trở dòng chảy silicone

Một minh họa về cách các tính chất vật lý thay đổi theo độ nhớt và trọng lượng phân tử được đưa ra trong Bảng 2.2 đối với chất lỏng methylpolysiloxane

Bảng 2.2 Tính chất vật lý gần đúng ở 25 ° C của chất lỏng methylpolysiloxane

Độ nhớt ở 25°C,

cSt (mm2/s)

Hệ số nhớt/nhiệt

độ

Hệ số giãn nở

từ 25 đến 100°C

Trọng lượng riêng ở

25°C

Điểm đóng rắn,

°C

Sức căng bề

mặt ở 25°C, mN/m

Áp suất hơi ở 200 °C,

mbar

0.65 NA 1,34.10-3 0.760 2.67 15.9 NA 3 NA 1,16.10-3 0.890 2.80 18.9 NA 5 0.55 1,15.10-3 0.910 2.65 19.7 NA 20 0.59 1,07.10-3 0.950 2.60 20.6 1,33.10-2

0.62 0,95.10-3 0.973 2.45 21.1 1,33.10-2

- Tính ổn định cao với nhiệt độ: Silicone có tính ổn định của các đặc tính trong phạm vi nhiệt độ rộng từ −100°C đến 250°C (duy trì mức 200°C trong vòng 10000 giờ)

- Khả năng chống chịu thời tiết và bức xạ: silicone có tính chịu thời tiết rất đặc biệt Hầu hết các loại cao su hữu cơ thông thường đều nhanh chóng bị làm

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 11 hỏng bởi Ozone nhưng lại không ảnh hưởng đến silicone Silicone không chứa các liên kết đôi trong mạch chính nên nó có tính kháng lão hóa rất tốt với các yếu tố môi trường nhớt Có thể tiếp xúc trực tiếp với gió mưa, ánh sáng và tia UV trong thời gian dài mà hầu như không thay đổi tính chất vật lý của nó

Hình 2.6 Khả năng chịu nhiệt của các loại silicone ở điều kiện nhiệt độ cao và thấp [6] Bảng 2.3 Kết quả kiểm tra phơi nhiễm ngoài trời dài hạn nhiều loại cao su khác nhau [6]

Loại cao su

Điều kiện

Thời gian cho đến khi các vết nứt trên bề mặt lần đầu

tiên xuất hiện (năm)

Thời gian tiếp xúc với ánh sáng mặt trời cho đến khi độ

giãn dài bằng 1/2 giá trị ban đầu (năm)

Panama Rock Island Panama Rock Island

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 12 Silicone

(methyl vinyl) Hơn 10 năm Hơn 10 năm Hơn 10 năm

Trên 10 năm giảm xuống 75% Silicone

(methylphenyl) – – Hơn 10 năm Hơn 10 năm Fluorosilicone

Ethylene

giảm xuống 75% Fluorine 10 10 Trên 10 năm giảm xuống 90%

- Khả năng chịu dầu, dung môi và phản ứng hóa học thấp: Đặc tính này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi silicone trong ngành xây dựng (ví dụ như lớp phủ, chống cháy, con dấu bằng kính) và ngành công nghiệp ô tô (miếng đệm bên ngoài, trang trí bên ngoài)

Bảng 2.4 Khả năng kháng dầu và các hóa chất của Vinyl methyl silicone thông thường [6]

Loại dầu/hóa chất

Điều kiện

°C x h

Điểm độ cứng

Trọng lượng

%

Thể tích %

Giới hạn bền

kéo %

Độ giãn dài %

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 13 Motor oil (SAE

Phân hủy

Phân hủy

Phân hủy 10% Sulfuric

10%

Hydrochloric acid

2% Sodium hydroxide solution

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 14

3% Hydrogen peroxide solution

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 15 Khả năng chống cháy và độc tính thấp: silicone không dễ dàng bắt cháy nhưng sẽ bốc cháy nếu liên tục được đốt nóng Hầu như không sinh ra khói đen, khí độc trong suốt quá trình cháy bởi chúng không chứa các hợp chất halogen hữu cơ điển hình Khi thêm một lượng nhỏ chất chống cháy ta có thể tăng khả năng chống bắt cháy hoặc tự dập tắt ngọn lửa Khi được trộn với các chất chống cháy và những chất độn, silicone dạng xốp có khả năng chống cháy cao hơn nhiều so với các loại xốp PU với tỷ lệ phần rắn không cháy (chủ yếu là SiO2 trơ) trên tới 65%

Tính thấm khí cao: ở nhiệt độ phòng (25°C), tính thấm của silicone đối với các khí như oxy xấp xỉ 400 lần so với cao su butyl, làm cho silicone hữu ích cho các ứng dụng y tế với mong muốn tăng cường độ thoáng khí Ngược lại, silicone không thể được sử dụng ở những nơi cần thiết bị bịt kín khí như phớt chặn khí áp suất cao hoặc chân không cao

Bảng 2.5 Độ thấm khí của một số loại vật liệu so với cao su thiên nhiên

Không khí

Cao su thiên nhiên

𝑃 𝑥 10!𝑐𝑐 ∙ 𝑐𝑚𝑐𝑚"∙ 𝑠𝑒𝑐 ∙ 𝑎𝑡𝑚

37.4 17.7 6.1 99.6 - 100 100 100 100 100

Cao su nitril

Độ nitril

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 16 v Tính chất cơ học: [4] [6]

Độ bền kéo và bền xé: Silicone có tính kháng mài mòn, độ bền kéo và độ bền xé kém, nhưng chúng duy trì những tính chất cơ học này ở nhiệt độ cao tốt hơn rất nhiều so với các loại cao su khác Độ bền kéo phụ thuộc nhiều vào chất độn nhưng khó vượt qua 15 Mpa Tại nhiệt độ cao thì khả năng duy trì độ bền kéo của silicone tốt hơn so với NR hay cao su tổng hợp Độ bền xé khoảng 9,8 kN/m, cao su chịu lực có độ bền xé lên đến khoảng 29,4 – 49 kN/m bằng cách biến tính polyme hoặc thêm chất độn và chất đóng rắn

Biến dạng nén: Tính kháng biến dạng dư sau nén và tính tưng nảy tốt ở cả nhiệt độ thấp và cao Trong khoảng nhiệt độ 0 – 50°C biến dạng nén của silicone tương đương cao su hữu cơ Trên 50°C biến dạng nén thấp hơn nhiều cao su hữu cơ Các tính chất khác: khả năng hấp thụ xung kém, có tính tương thích sinh học tốt, không có ảnh hưởng lên

2.2.2 Phản ứng đóng rắn của silicone

Đóng rắn silicone là phản ứng khâu mạch polysiloxanee tạo thành mạng không gian với 3 phương pháp chính: Đóng rắn bằng Peroxide, ngưng tụ và hydrosilyl Trong gia công khuôn silicone, tuỳ vào tính chất silicone và yêu cầu đặc tính sản phẩm mà lựa chọn phương pháp đóng rắn phù hợp

2.2.2.1 Đóng rắn bằng Peroxide

v Cơ sở hóa học:

Là phương pháp đóng rắn nóng với phản ứng khâu mạch polysiloxan dưới tác dụng của chất xúc tác ở nhiệt độ cao Các peroxit thường được sử dụng dưới dạng hồ hoạt tính, bột hoạt tính hay chất lỏng hoạt tính

Lựa chọn chất đóng rắn phụ thuộc vào yêu cầu về điều kiện và tốc độ đóng rắn Có thể sử dụng hỗn hợp nhiều loại peroxit để tăng tốc độ đóng rắn Các loại polyme chứa nhóm vinyl thường được bổ sung vào hỗn hợp chất xúc tác nhằm kiểm soát quá trình đóng rắn cũng như làm tăng tốc độ đóng rắn

Quá trình trộn hỗn hợp silicone và tác nhân đóng rắn thường được tiến hành sau cùng trên máy cán hai trục làm lạnh bằng nước nhằm tránh sự đóng rắn sớm của silicone

Perkadox ·

PD-50S-ps-a Luperox CST·

50% hồ 104 – 132°C

Đóng rắn dưới tác dụng của không khí nóng Benzoyl peroxide

BP-50 PekadoxTM2 L-50S-ps · 50% hồ 116 – 138°C

Đóng rắn dưới tác dụng của hơi nước

Di-cumyl peroxide DiCup 40C VaroxDCP 40 độ C

40% bột 154 – 177°C

Đúc sản phẩm dày, đóng rắn dưới tác dụng của hơi nước 2,5-Dimethyl-2,5-di

(t-butyl peroxy) hexan

Varox hoặc

DBPH-50 45-50% bột

166 – 182°C

Đúc sản phẩm dày, đóng rắn dưới tác dụng của hơi nước DBPH LuperoxTrigonox 101 101 92-95% chất lỏng

Hình 2.8 Các phân tử Peroxide

v Phương pháp gia công:

Phương pháp đúc áp lực: Hỗn hợp silicone được tạo hình và đóng rắn trong thiết bị đúc áp lực ở nhiệt độ 100 - 180°C và áp suất 5,5 - 10,3 MPa, quá trình đóng rắn diễn ra trong khoảng vài phút Các tác nhân tách khuôn thường được sử dụng để

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 18 giúp lấy sản phẩm ra được dễ dàng

Phương pháp đùn: Hỗn hợp silicone được gia công trong thiết bị đùn để tạo các sản phẩm ống, dây hay thanh liên tục hoặc dây dẫn bọc cách điện Sản phẩm sau khi đùn ra cần được đóng rắn bằng khí nóng hoặc hơi nước ở nhiệt độ 300 - 450°C và áp suất 276 - 690 kPa trong vài phút, sau đó được ổn định bằng không khí hoặc hơi nước trong 30 - 90 phút

Phương pháp sơn nhúng: silicone được hòa tan trong dung môi, sử dụng dung dịch này để tiến hành sơn nhúng cho vải thường hoặc vải thủy tinh, vải này sau đó được làm khô rồi tiến hành đóng rắn trong các tháp nhiệt Sản phẩm thu được là các loại ống và vòi nước silicone được gia cường

Phương pháp tạo cao su bọt: thành phần silicone được trộn hợp với các tác nhân thoát khí, thường là những chất có khả năng phân hủy tạo khí CO2 hoặc N2 trong điều kiện nhiệt độ đóng rắn Sản phẩm thu được là silicone xốp vách kín với tỷ trọng 0,4 – 1,0

v Điều kiện ngưng tụ:

Quá trình đóng rắn ngưng tụ silanol - axetoxysilan có thể diễn ra dưới tác dụng của không khí ẩm không cần xúc tác, tuy nhiên chất xúc tác vẫn được sử dụng nhằm tăng tốc độ phản ứng

Quá trình đóng rắn ngưng tụ silanol - metoxysilan không thể diễn ra dưới tác dụng của không khí ẩm trong điều kiện môi trường trung tính nên phải sử dụng chất xúc tác.Các chất xúc tác cho quá trình đóng rắn ngưng tụ bao gồm các dung dịch axit hay bazơ, các amin, các muối nhôm cacboxylat, các photphat este,

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 19 v Phương pháp gia công:

Phương pháp đúc: tạo hình đối với các công thức dạng lỏng có độ nhớt thấp Phương pháp quét: tạo hình đối với các công thức dạng keo xúc biến

2.2.2.3 Đóng rắn hydrosylil:

v Cơ sở hóa học:

Là phản ứng hydrosilyl giữa một nhóm silicon hydrit với một olefin để tạo thành cầu nối alkylen dưới tác dụng của chất xúc tác Trong đóng rắn cao su silicon, đây là phản ứng giữa một hợp chất silicon cao phân tử chứa nhiều nhóm hydrit với một hợp chất silicon cao phân tử chứa nhiều nhóm vinyl

Phản ứng cộng hợp nhóm hydrit vào olefin có thể xảy ra theo quy tắc Markovnikov hoặc theo quy tắc phản Markovnikov tùy thuộc vào loại olefin và xúc tác Xúc tác hay dùng là những hợp chất dạng phức của các kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm VIIIB mà thông dụng nhất là các phức của platin

v Phương pháp gia công:

Phương pháp ép phun cao su lỏng:

Hệ 2 thành phần và cho đóng rắn ở nhiệt độ cao: thành phần A (PDMS-vinyl chất gia cường, chất độn trơ, hệ xúc tác và ức chế xúc tác) và thành phần B: PDMS- hydrit, chất gia cường, chất độn trơ, bột màu, chất ổn định

Trộn tạo thành hỗn hợp lỏng có độ nhớt thấp, sau đó hỗn hợp này được đưa qua máy ép phun với áp lực thấp và phun vào khuôn Cao su lỏng được định hình và đóng rắn trong khuôn với nhiệt độ đống rắn 150-260 C

Phương pháp tạo hình cao su xốp:

Hệ gồm 2 thành phần và được đóng rắn ở nhiệt độ phòng: thành phần A (PDMS-vinyl chất gia cường, chất độn trơ, hệ xúc tác và ức chế xúc tác, nước và rượu) và thành phần B (PDMS- hydrit, chất gia cường, chất độn trơ, bột màu, chất ổn định.)

Hai thành phần trộn với nhau trong điều kiện thường Khi đó hỗn hợp sẽ diễn ra song song hai phản ứng là: Phản ứng thủy phân xúc tác của platin của nhóm hydrit trên PDMS trong nước hoặc rượu tạo hợp chất silano và khí Hydro Phản ứng khâu

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 20 mạng hydrosilyl làm tăng độ nhớt của hỗn hợp cho tới khi tạo thành sản phẩn phẩm khâu mạng hoàn chỉnh

2.2.3 Các chất phụ gia trong silicone

Các chất phụ gia thường được thêm vào silicone để thay đổi tính chất vật lý, hoá học của silicone nhằm phụ vụ cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Một số chất phụ gia thường được sử dụng như chất ức chế, chất ổn định, chất hoá dẻo, chất bám dính và các chất độn

Một số phụ gia khác bao gồm các loại oxit sắt và oxit đất hiếm nhằm tăngkhả năng bền nhiệt, platin để tăng khả năng chống cháy, các loại bột màu, v.v

v Chất độn:

Việc sử dụng chất độn không những có tác dụng làm giảm giá thành cho sản phẩm mà còn giúp tăng cường một số tính chất nhất định cho sản phẩm silicone Chất độn cho silicone được chia làm hai loại chính là: Chất độn gia cường và chất độn trơ

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 21 Chất độn gia cường được sử dụng nhằm tăng các tính chất cơ - lý cho sản phẩm silicone như độ bền kéo, độ bền xé, khả năng chống mài mòn, v.v Loại chất độn gia cường thông dụng nhất cho cao su silicon là chất độn silica, được sử dụng dưới nhiều dạng như silica khói, silica kết tủa, gel silica dehydrat hóa, mùn silica và silica tự nhiên nghiền mịn tinh

Chất độn trơ có tác dụng tác dụng chính là giúp làm giảm giá thành trên mỗi đơn vị sản phẩm, bên cạnh đó chúng còn có một số tác dụng khác như tăng độ bền nhiệt, tạo màu sắc hay tăng tính dẫn điện cho sản phẩm Các loại chất độn trơ bao gồm canxi cacbonat dạng bột, đất sét, các muối silicat và aluminat, các loại oxit titan, oxit nhôm, oxit kẽm dạng khói, v.v Các loại chất độn trơ thường dùng như bột màu oxit có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, khả năng chống oxy hóa trong môi trường nhiệt độ cao Chất độn trơ than đen được ứng dụng tăng tính dẫn điện và tạo màu Ngoài ra, còn thường sử dụng các chất độn trơ khác như bột CaCO3, đất sét, các muối silicat, v.v

2.2.4 Các loại silicone trong gia công khuôn

Hình 2.9 Phân loại sản phẩm và công nghệ chế tạo khuôn silicone [7]

Silicone được dùng phổ biến trong khuôn đúc có thể được chia thành hai loại theo đặc tính lưu hóa bao gồm: silicone lưu hoá nhiệt cao (HTV silicones – High Temperature Vulcanization Silicones) và silicone lưu hoá nhiệt độ phòng (RTV silicones – Room Temperature Vulcanization Silicones) [7] (hình 2.9)

Lưu hóa nhiệt độ cao

Silicone rắnHTV

PeroxideXúc tác Pt

Silicone lỏngLRS hoặc

phầnRTV - 2

Xúc tác Pt xúc tác SnNgưng tụ

Một thành phầnRTV - 1

Ngưng tụ xúc tác Sn

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 22

2.2.4.1 HTV silicones

Silicones lưu hóa ở nhiệt độ cao là một chất đàn hồi silicon chuỗi dài với các nhóm vinyl chứa đầy silica bốc khói hoặc kết tủa và các chất phụ gia khác để tạo ra các đặc tính cần thiết Các hợp chất đóng rắn ở nhiệt độ cao (100 - 200 °C) sau khi trộn với peroxide

Cao su silicon có độ đặc cao (HCR) thô hoặc không được khử trùng, được gọi là kẹo cao su, được cung cấp cho các nhà sản xuất phụ tùng ở trạng thái từ độ mềm đến độ đặc giống như bột tương đối cứng Trước khi rót, nước kẹo cao su thường cần được kết hợp trong các thiết bị trộn thích hợp (như máy nhào, máy đùn trục vít đôi, máy nghiền hai cuộn hoặc trong một máy trộn) với các chất lưu hóa, kéo dài và gia cố chất độn và các chất phụ gia đặc biệt để điều chỉnh các đặc tính của thành phẩm hoặc để chế tạo các sản phẩm đáp ứng các thông số kỹ thuật khác nhau của ngành

Các bộ phận cao su silicone có thể được sản xuất với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý cao su như nén, cán, đùn hoặc ép phun Do đó, có thể áp dụng cho khối lượng sản xuất lớn

Công nghệ ép phun được mô tả như hình 2.8 v Cơ chế đóng rắn:

Hình 2.10 Công nghệ ép phun silicone lỏng [7]

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 23 Sự đóng rắn của HTV silicones thường xảy ra với sự có mặt của các tác nhân lưu hóa peroxide ở nhiệt độ cao (bảng 2.6) Nhiệt độ đúc thay đổi từ 100 đến 180°C, tùy thuộc vào phương pháp xử lý được sử dụng và khối lượng thành phần chất đóng rắn

b RTV – 2

Hệ thống silicone RTV hai thành phần lợi thế hơn RTV – 1 là không cần độ ẩm để đóng rắn Khả năng đóng rắn của RTV – 2 không phụ thuộc vào độ mỏng trong mặt cắt ngang để hơi ẩm trong không khí xâm nhập

Hai thành phần silicone RTV – 2 cần được cân nhắc tỉ lệ thích hợp khi pha trộn với công thức có thể áp dụng Có hai loại phản ứng liên kết chéo khác nhau: bằng cách ngưng tụ hoặc bằng cách thêm vào Quá trình đóng rắn ngưng tụ đòi hỏi chất xúc tác organotin và luôn giải phóng các sản phẩm phụ

Các loại cao su silicon RTV-2 đặc biệt có thể được lưu hóa nhanh bằng đèn UV Thời gian lưu hóa có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh cường độ tia cực tím và thời gian tiếp xúc

v Cơ chế đóng rắn:

Các chất đóng rắn có thể hoán đổi cho nhau riêng biệt Thông thường, quá trình đóng rắn của RTV silicones được sử dụng với chất đóng rắn Dibutyl tin dilaurate (DBT) DBT đóng rắn ở tốc độ vừa phải và Stannous tin octoate (STO) ở tốc độ nhanh Về cơ bản, cả hai chất đóng rắn đều là chất lỏng không màu được thêm vào với một lượng rất nhỏ vào hợp chất cơ bản

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 24 Các tính chất RTV silicone được mô tả trên bảng 2.6 như sau:

Bảng 2.7 Các tính chất tiêu biêu của RTV silicone [7]

Thời gian đóng rắn (độ dày 1/8 in.) (giờ) 24 Tính chất vật lý 3 ngày, 25°C và 50% RH

Điện trở suất thể tích (ohm-cm) 4.7 3 1014

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 25

2.2.5 Ứng dụng của cao su silicone

Silicone có các đặc tính nổi bật so với các loại cao su khác như tính kháng nhiệt độ cao, khả năng uốn dẻo tốt, cách điện tốt, tính trong suốt, trơ hóa học và tương thích sinh học với cơ thể người Những tính chất này giúp silicone phù hợp cho nhiều lĩnh vực như:

Hình 2.11 Đúc hợp kim nhiệt độ thấp bằng khuôn silicone [1]

Gia công khuôn: khuôn silicone là một lĩnh vực tiềm năng với khả năng linh hoạt trong quá trình chiết xuất Các nghiên cứu về khuôn silicone được mong đợi giải quyết các sản phẩm có độ phức tạp về hình học và ứng dụng cho nhiều loại vật liệu sản phẩm Vật liệu khuôn silicone là hỗn hợp chất bao gồm silicone, chất đóng rắn và chất phụ gia được thêm vào để đạt được các tính chất cuối cùng tuỳ thuộc vào các yêu cầu đặt ra về độ nhớt, độ cứng, độ dẻo và tuổi thọ khuôn Hiện nay, khuôn silicone đã được ứng dụng nhiều để chế tạo các sản phẩm từ vật liệu nhiệt độ thấp như nhựa, cao su, thạch cao và hợp kim nhiệt độ thấp (hình 2.10) [1]

Thiết bị trong ô tô và phương tiện dưới nước: với khả năng chịu nhiệt, trọng lượng nhẹ và chịu thời tiết vượt trội, silicone được ứng dụng là các thành phần chất lỏng giãn nở, kết dính dẫn nhiệt, các bộ phận có trong ống tăng áp, hệ thống xả, hệ thống túi khí trên ô tô Thiết bị kiểm soát độ nổi nhỏ từ silicone lỏng cho các phương

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 26 tiện dưới nước để mô tả sai lệch thể tích của vật liệu giữa trạng thái rắn và lỏng để tạo ra sự thay đổi độ nổi

Hình 2.12 Thiết bị túi khí

Được ứng dụng nhiều trong điện và quang học: Silicone được sử dụng làm vật liệu dẫn điện và cách điện tuỳ thuộc vào tính chất và giá trị điện của chúng Ngoài ra, silicone còn ứng dụng trong các bộ hấp thụ sóng điện từ, triệt tiêu điện tích bề mặt trong vật liệu cách điện ngoài trời, các thiết bị tản nhiệt, pin mặt trời, cảm biến điện dung, v.v Silicone conf được sử dụng nhiều trong các thiết bị quang học, ảnh điện, diode phát sáng, v.v

Y tế: silicone được sử dụng nhiều trong các ứng dụng y tế như cảm biến Piezoresistant, cảm biến áp suất, mẫu que, thiết bị uốn, các vật liệu dụng cụ tái tạo vết thương, cấy ghép cơ thể, chỉ khâu, ống thông, v.v

Silicone còn có nhiều ứng dụng trong sinh học, mỹ phẩm, thực phẩm, các thiết bị gia dụng và trong nhiều lĩnh vực khác

2.3 Khuôn silicone

2.3.1 Quá trình tạo khuôn silicone

Tùy vào độ phức tạp của sản phẩm và phương pháp tạo khuôn silicone mà chi tiết quá trình tạo khuôn silicone cũng sẽ khác Tuy nhiên, về cơ bản, quá trình đúc khuôn silicone sẽ có các bước như sau: [8]

Bước 1: Lựa chọn silicone và chất đóng rắn

Bước 2: Chuẩn bị các thành phần phụ gia (nếu có) Bước 3: Trộn silicone và thêm các chất xúc tác Bước 4: Hút chân không, loại bỏ bọt khí

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 27 Bước 5: Đổ khuôn

Bước 6: Tách khuôn Bước 7: Làm sạch khuôn

Bước 8: Tạo phôi sản phẩm từ khuôn đúc silicone

2.3.2 Cấu tạo khuôn silicone

Theo nguyên lý quá trình đúc sản phẩm, khuôn đóng vài trò rất quan trọng quyết định trực tiếp đến hình dạng, chất lượng sản phẩm

Dựa trên số lượng mảnh khuôn, khuôn đúc silicone thông thường được chia thành 2 loại bao gồm: khuôn một mảnh và khuôn hai mảnh

2.3.2.1 Khuôn một mảnh

Khuôn một mảnh hay còn gọi là khuôn khối, được tạo ra bằng cách tạo thành một giá đỡ khuôn xung quanh nguyên mẫu (mold support) và đổ silicone để bao phủ chủ và lấp đầy giá đỡ khuôn (hình 2.13)

Hình 2.13 Bố trí đúc khuôn silicone một mảnh

Hình 2.14 Khuôn một mảnh và nguyên mẫu