Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun có thành mỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VIỆT HÀO

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY CHO SẢN PHẨM NHỰA ÉP PHUN CÓ THÀNH MỎNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH 12-2019

Luận văn được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh

Ngày …tháng ….năm ……

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

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

Trang ii

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY CHO SẢN PHẨM NHỰA ÉP PHUN CÓ THÀNH MỎNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu ứng dụng mô phỏng của phần mềm Ansys và Moldflow

- Tiến hành mô phỏng, thí nghiệm quá trình gia nhiệt lòng khuôn vật liệu nhôm bằng khí nóng, từ đó xác định nhiệt độ lòng khuôn

- Đưa ra mối quan hệ giữa nhiệt độ khuôn với nhiệt độ khí gia nhiệt và thời gian phun khí nóng để gia nhiệt

- Tiến hành mô phỏng, thí nghiệm quá trình ép phun nhựa vào lòng khuôn Từ đó xác định khả năng điền đầy của dòng nhựa trong lòng khuôn

- Đưa ra mối quan hệ giữa nhiệt độ khuôn với độ điền đầy của dòng nhựa nóng - Phân tích kết quả và thảo luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: /12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN ANH SƠN

Tp Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

Trang iii

Trong thời gian học tập và nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.HCM, em đã học tập, tiếp thu được nhiều kiến thức quý báu, rất cần thiết cho công việc chuyên môn của mình Với đề tài của luận văn thạc sĩ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để giải quyết một vấn đề trong thực tế Đề tài của em là nghiên cứu và giải quyết vấn đề cần thiết trong lĩnh vực khuôn mẫu, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với làm thực nghiệm, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS Trần Anh Sơn cùng với sự chỉ bảo tận tâm của các thầy cô trong Khoa Cơ Khí và sự hỗ trợ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp Cho đến thời điểm này luận văn của em cơ bản đạt được những kết quả như mong muốn

Đến đây, cho phép em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến:

- Thầy TS Trần Anh Sơn - Khoa Cơ Khí - trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.HCM Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình hoàn thành luận văn cao học của em

- Quý thầy cô trong khoa Khoa Cơ Khí - trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.HCM Thầy, cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức bổ ích, quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường

- Thầy TS Phạm Sơn Minh Khoa Cơ Khí - trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM cùng nhóm nghiên cứu thí nghiệm đã tạo điều kiện, giúp đỡ để em thực hiện quá trình thí nghiệm trong nội dung luận văn

- Gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, hỗ trợ chân tình của tất cả mọi người

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 Học viên thực hiện

Nguyễn Việt Hào

Trang iv

Đề tài: Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun là đề tài còn mới cần nghiên cứu ở Việt Nam Phương pháp gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng có ưu điểm hơn so với các phương pháp gia nhiệt khác như gia nhiệt bằng nước, gia nhiệt bằng điện, điện từ bởi vì nó có tốc độ gia nhiệt nhanh hơn Quá trình giải nhiệt nhanh, kết cấu bộ phận gia nhiệt đơn giản, dễ vận hành và tự động hoá Đề tài đã được thực hiện trong thời gian từ tháng 06/2019 đến 12/2019 Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về lý thuyết khuôn mẫu, vật liệu nhựa polyme, trao đổi nhiệt và tiến hành thí nghiệm gia nhiệt khuôn, ép thử nhựa tại phòng thí nghiệm máy ép nhựa, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

Nội dung luận văn đã trình bày một cách ngắn gọn mà đầy đủ lý thuyết về khuôn mẫu, vật liệu nhựa polyme, trao đổi nhiệt, thu được nhiều kết quả từ quá trình mô phỏng trên phần mềm Ansys CFX, Moldflow Plastic Insight kết hợp với đo đạt trực tiếp từ các thí nghiệm gia nhiệt lòng khuôn và ép nhựa đối với 2 loại nhựa là Polyetylen (PE) và Polypropylene (PP) ở các nhiệt độ bề mặt lòng khuôn khác nhau được gia nhiệt bằng phương pháp khí nóng (50°C, 80°C, 110°C,140°C) với độ dày của sản phẩm nhựa là 0,5 mm theo biên dạng xoắn

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng điền đầy khi ép phun nhựa có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo như; Mối quan hệ của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép phun nhựa, nghiên cứu các bộ thông số tối ưu cho từng dạng sản phẩm cụ thể

Kết quả thực nghiệm của đề tài hoàn toàn có thể triển khai vào sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa

Trang v

Research solutions to improve the filling capacity of plastic injection molding products is a new topic to be studied in Vietnam The method of heated cavity by heating air has advantages compared to other heating methods such as water heating, electric heating, electromagnetic because it has a faster heating rate Fast cooling process, structure of heating element is simple, easy to operate and automate The topic was implemented in the period from June 2019 to December 2019 The research methods of the topic are researches on mold plastic, polymer materials, heat transfer, and conduction molding and plastic injection experiments at the plastic injection laboratory, Ho Chi Minh University of Technology and Education

The content of the thesis presented briefly but fully the theory of molds, polymer materials, heat transfer, obtained many results from the simulation process on Ansys CFX and Moldflow Plastic Insight software combined with direct measurements from cavity heating and plastic injection tests for two types of plastics: Polyethylene (PE) and Polypropylene (PP) at different die surface temperatures, heated by hot air method (50°C, 80°C, 110°C, 140°C) with a plastic product thickness of 0.5 mm in a helical profile

Research results of the effect of temperature on the ability to fill when plastic injection molding can be used for further studies such as; The relationship of technological parameters to product quality when plastic injection molding, research optimal sets of parameters for each specific product type Experimental results of the project can be fully deployed into production to improve product quality in plastic injection molding technology.

Key words: injection moulding, flow length, preheating method, heating air, gas – assissted, mould temperature

Trang vi

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 12 năm 2019

Nguyễn Việt Hào

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

I.TỔNG QUAN 1

1.1 Công nghệ ép phun (Injection molding) 1

1.2 Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm nhựa trong công nghệ ép phun 2

1.2.1 Tốc độ phun 2

1.2.2 Áp suất phun 3

1.2.3 Nhiệt độ 3

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 4

1.4 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài 11

1.5 Nội dung và giới hạn nghiên cứu của đề tài 11

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Khuôn ép phun 13

2.1.1 Khái niệm về khuôn 13

2.1.2 Phân loại khuôn ép phun 13

2.3 Lý thuyết truyền nhiệt 25

2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt 25

Trang viii

III.PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG 31

3.1 Bộ phận gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng 32

3.1.1 Nhiệm vụ 32

3.1.2 Cấu tạo Modun gia nhiệt 32

3.2 Bộ khuôn thí nghiệm: 36

3.2.1 Kiểu khuôn thí nghiệm: 36

3.2.2 Kết cấu khuôn thí nghiệm 37

3.2.3 Bộ khuôn hoàn chỉnh 41

IV.TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 42

4.1 Tính toán mô phỏng gia nhiệt trên phần mền ANSYS 42

4.1.1 Giới thiệu modun phân tích gia nhiệt ANSYS CFX 42

4.1.2 Trình tự cần thực hiện khi tính toán mô phỏng với ansys CFX 43

4.2 Tính toán mô phỏng điền đầy lòng khuôn ép phun nhựa trên phần mềm moldflow plastis insight 48

4.2.1 Giới thiệu phần mền moldflow plastis insight 48

4.2.2 Trình tự cần thực hiện khi tính toán mô phỏng với Moldfow plastis Insig…… 48

4.3 Thực nghiệm 51

4.3.1 Thí nghiệm gia nhiệt lòng khuôn 51

4.3.2 Thí nghiệm ép nhựa 53

V.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55

5.1 Kết quả, phân tích của mô phỏng và thí nghiệm gia nhiệt lòng khuôn 55

5.1.1 Mô phỏng gia nhiệt lòng khuôn 55

5.1.2 Thí nghiệm gia nhiệt lòng khuôn 62

5.1.3 Phân tích, đánh giá, nhận xét kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm gia nhiệt lòng khuôn 67

5.2 Kết quả, phân tích của mô phỏng và thí nghiệm ép nhựa 73

5.2.1 Mô phỏng và thí nghiệm ép nhựa trên nhựa PE 73

5.2.2 Mô phỏng và thí nghiệm ép nhựa trên nhựa PP 74

Trang ix

VI.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

6.1 Kết quả đạt được: 76

6.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 77

6.3 Hướng phát triển của đề tài 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 80

Trang x

Hình 1.1 Máy ép phun nhựa 2

Hình 1.2 Hiện tượng khuôn không được điền đầy trong mô phỏng và thực tế 4

Hình 1.3 So sánh các thay đổi nhiệt độ khi gia nhiệt bằng khí và nước nóng 5

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa nhiệt độ nhựa, nhiệt độ khuôn và chiều dài dòng chảy 6

Hình 1.5 Chiều dài dòng nhựa khi thí nghiệm với tốc độ phun thay đổi từ 100 mm/s đến 1400 mm/s 7

Hình 1.6 Chất lượng bề mặt tương ứng với thời gian giữ áp suất trong khuôn….8 Hình 1.7 So sánh một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí và bằng nước giải nhiệt 9

Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng 9

Hình 1.9 Mô hình hệ thống gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng 11

Hình 1.10 Sơ đồ nhiệm vụ thực hiện đề tài 12

Hình 2.1 Khuôn ép phun nhựa 13

Hình 2.2 Bộ khuôn 2 tấm 14

Hình 2.3 Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn khi mở 15

Hình 2.4 Kết cấu của 1 bộ khuôn cơ bản 16

Hình 2.5 Cấu tạo phân tử nhựa PP 22

Hình 2.6 Cấu tạo phân tử nhựa PE 24

Hình 2.7 Nguyên lý dẫn nhiệt 26

Hình 2.8 Tỏa nhiệt đối lưu 27

Hình 2.9 Truyền nhiệt bức xạ 28

Hình 2.10 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống 30

Hình 2.11 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 30

Hình 3.1 Nguyên lý phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng 31

Hình 3.2 Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng trong thực tế 32

Hình 3.3 Mô hình thực và mô phỏng của khối gia nhiệt 33

Hình 3.4 Tấm gia nhiệt phía trên 34

Hình 3.5 Tấm gia nhiệt ở giữa 34

Hình 3.6 Tấm gia nhiệt dưới 35

Hình 3.7 Cây điện trở gia nhiệt công suất 200W 35

Hình 4.1 Giới thiệu Ansys CFX 42

Hình 4.2 Sáu bước thực hiện khi tính toán mô phỏng với ansys CFX 43

Hình 4.3 Khởi động phần mềm Ansys 2015 43

Hình 4.4 Khởi động mudul CFX 44

Hình 4.5 Mô hình bài toán phân tích nhiệt 44

Hình 4.6 Chia lưới để phân tích mô hình bài toán 45

Hình 4.7 Bài toán sau khi được thiết lập 46

Hình 4.8 Bài toán sau khi phân tích trên phần mềm 47

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trên phần mềm 47

Hình 4.10 Giới thiệu moldflow insight 48

Hình 4.11 Khởi động phần mềm Moldflow Insight 2012 48

Hình 4.12 Mô hình bài toán phân tích quá trình điền đầy 49

Hình 4.13 Chia lưới để phân tích mô hình bài toán 49

Hình 4.14 Thiết lập các thông số của ép phun 50

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng quá trình ép phun trên phần mềm 50

Hình 4.16 Thiết bị đo nhiệt độ bằng dây cảm biến 51

Hình 4.17 Máy ép nhựa dùng trong thí nghiệm 51

Hình 4.18 Vị trí của khuôn và khối gia nhiệt trong thí nghiệm 52

Hình 4.19 Vị trí đặt 5 cảm biến đo nhiệt độ P1, P2, P3, P4, P5 52

Hình 4.20 Biên dạng mẫu xoắn dùng trong thí nghiệm có độ dày 0.5mm 53

Hình 5.1 Biểu đồ nhiệt độ tại 5 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt khi Ttg= 200°C 64

Hình 5.2 Biểu đồ nhiệt độ tại 5 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt khi Ttg= 250°C 65

Hình 5.3 Biểu đồ nhiệt độ tại 5 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt khi Ttg= 300°C 65

Hình 5.4 Biểu đồ nhiệt độ tại 5 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt khi Ttg= 350°C 66

Hình 5.5 Biểu đồ nhiệt độ tại 5 điểm gia nhiệt lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt khi Ttg= 400°C 66

Hình 5.6 So sánh nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng khi gia nhiệt ở 200°C 70

Trang xii

70 Hình 5.8 So sánh nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng khi gia nhiệt ở 300°C 71 Hình 5.9 So sánh nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng khi gia nhiệt ở 350°C 71 Hình 5.10 So sánh nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng khi gia nhiệt ở 400°C 72 Hình 5.11 Biểu đồ chiều dài dòng chảy nhựa trong mô phỏng và thực nghiệm 75

Trang xiii

Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng[3] 19

Bảng 2.2 Bảng tra hệ số co rút của một số loại nhựa[3] 20

Bảng 2.3 Chiều dài các dạng ức xạ[4] 29

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy nén khí thí nghiệm 33

Bảng 4.1 Thông số mô phỏng trên phần mềm 46

Bảng 4.2 Thông số mô phỏng ép phun 50

Bảng 5.1 Kết quả mô phỏng nhiệt độ lòng khuôn khi gia nhiệt ở 200°C 56

Bảng 5.2 Kết quả mô phỏng nhiệt độ lòng khuôn khi gia nhiệt ở 250°C 57

Bảng 5.3 Kết quả mô phỏng nhiệt độ lòng khuôn khi gia nhiệt ở 300°C 58

Bảng 5.4 Kết quả mô phỏng nhiệt độ lòng khuôn khi gia nhiệt ở 350°C 59

Bảng 5.5 Kết quả mô phỏng nhiệt độ lòng khuôn khi gia nhiệt ở 400°C 60

Bảng 5.6 Kết quả mô phỏng nhiệt tại 5 vị trí bề mặt lòng khuôn 61

Bảng 5.7 Kết quả đo nhiệt độ thực tế tại 5 vị trí (Hình 3.32) trên bề mặt lòng khuôn 62

Bảng 5.8 Tổng hợp số liệu giữa mô phỏng và thí nghiệm thực tế 67

Bảng 5.9 Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa PE khi phân tích trên moldflow plastic insight 73

Bảng 5.10 Kết quả chiều dài mẫu xoắn khi thí nghiệm ép phun nhựa PE 73

Bảng 5.11 Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa PP khi phân tích trên moldflow plastic insight 74

Bảng 5.12 Kết quả chiều dài mẫu xoắn khi thí nghiệm ép phun nhựa PP 74

Bảng 5.13 So sánh chiều dài mẫu xoắn khi mô phỏng thí nghiệm ép phun nhựa PP 75

PET Poly Ethylene Terephthalate

Trang 1

I TỔNG QUAN

Trong vòng mười năm trở lại đây, ngành nhựa trở thành ngành có tốc độ tăng trưởng nhanh trong cả nước Sản phẩm nhựa Việt Nam đã có mặt trên 40 quốc gia và vẫn không ngừng tăng trưởng Sản phẩm nhựa có thể được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó phổ biến nhất là công nghệ ép phun Công nghệ này mang lại hiệu quả kinh tế cao, tốn ít thời gian tạo ra sản phẩm, thích hợp cho sản xuất hàng loạt Hiện nay, ngành công nghệ ép phun có nhiều phát triển vượt bậc, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của việc ứng dụng CAD/CAM/CNC-CAE vào thiết kế và lập quy trình sản xuất, ngành công nghiệp nhựa đang dần khẳng định được vị trí của mình trong nền công nghiệp nước nhà

1.1 Công nghệ ép phun (Injection molding)

Công nghệ ép phun là công nghệ phun nhựa nóng chảy, được định lượng chính xác vào trong lòng một khuôn đóng kín với áp lực cao, tốc độ nhanh, sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình và sản phẩm được lấy ra ngoài Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, thời gian định hình sản phẩm, lấy sản phẩm

ra khỏi khuôn, đóng khuôn lại gọi là một chu kỳ của một lần ép phun sản phẩm Ngoài những đặc điểm trên, công nghệ ép phun còn có những đặc điểm sau:

Sản phẩm gia công có độ chính xác cao (vì được tạo hình trong khuôn kín) Quá trình bao gồm: hoá lỏng nhựa trong xylanh và tạo hình sản phẩm nhựa trong khuôn đúc Quá trình tạo hình sẽ tiến hành sau khi khuôn được ráp khít kín lại với nhau Tùy vào nguyên liệu đúc, chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau Năng suất của công nghệ ép phun tương đối cao, tùy theo kích thước và hình dạng của sản phẩm mà chu kỳ ép phun có thể thay đổi từ vài giây đến vài phút

 Ưu điểm:

 Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp

 Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao

 Khả năng tự động hóa cao

 Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc đẹp, độ bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại

 Phù hợp cho sản xuất hàng hàng khối

 Nhược điểm:

 Máy ép, thiết bị và các thiết bị phụ trợ đắt (chi phí cao)

 Khó kiểm soát nhiệt độ, độ nhớt, áp suất trong quá trình ép phun

 Điều khiển quá trình phức tạp

Trang 2

Hình 1.1 Máy ép phun nhựa

Từ những nhược điểm trên, chúng ta có thể thấy rằng ngoài những vấn đề về kinh tế, thì công nghệ ép phun đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu kỹ các thông số công nghệ của máy như: áp suất phun, độ nhớt, vận tốc phun, nhiệt độ …Vì chỉ có như thế chúng ta mới có thể hoàn toàn làm chủ được công nghệ để tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao [1]

1.2 Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm nhựa trong công nghệ ép phun

1.2.1 Tốc độ phun

a) Tầm quan trọng của tốc độ phun

 Quyết định khả năng điền đầy khuôn

 Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong lòng khuôn

 Các vùng chịu ảnh hưởng của tốc độ phun là: vùng xung quanh cổng phun, phần giao nhau và phần khuôn điền đầy sau cùng [1]

b) Các khuyết tật do tốc độ phun gây ra

 Hiện tượng tạo bọt khí, cong vênh do co rút

 Bề mặt không tốt tại vùng gần cổng phun [1]

Trang 3

1.2.2 Áp suất phun

Áp suất là một thông số chính trong quá trình ép phun nhựa, thông số này ảnh hưởng đến sự ổn định về hình dáng kích thước cũng như cơ tính của sản phẩm

 Khối lượng sản phẩm sẽ phụ thuộc vào áp xuất nén[1]

b) Áp suất duy trì và thời gian duy trì áp

 Áp suất duy trì là áp suất trong giai đoạn duy trì áp, sau khi áp suất nén đạt được

 Thời gian duy trì áp là thời gian từ lúc áp suất nén đạt cực đại đến khi cổng phun đông đặc[1]

c) Tầm quan trọng của áp suất phun

 Việc xác định áp suất phun giúp kiểm soát được sự đồng nhất cấu trúc vật liệu của sản phẩm

 Kiểm soát được khả năng điền đầy khuôn và độ nén chặt của vật liệu [1]

1.2.3 Nhiệt độ

a) Sự không đồng nhất của nhiệt độ

 Nhiệt độ của nhựa sẽ thay đổi trong suốt quá trình dòng nhựa di chuyển từ đầu phun máy ép cho đến lòng khuôn

 Quá trình thay đổi nhiệt độ là do ma sát giữa nhựa và khuôn; do nhiệt truyền ra các tấm khuôn và môi trường bên ngoài[1]

b) Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình ép phun

 Nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi độ nhớt của dòng nhựa từ đó ảnh hưởng đến khả năng điền đầy

 Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén ép vật liệu nhựa vào khuôn

 Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội sản phẩm [1]

Trang 4

Hình 1.2 Hiện tượng không điền đầy khuôn trong mô phỏng và thực tế [2] Những ảnh hưởng này tác động rất lớn đến chất lượng sản phẩm nhựa, nếu các thông số này không được nghiên cứu sẽ gây nên nhiều khuyết tật làm giảm chất lượng sản phẩm.Vì những lí do trên tôi xin chọn đề tài:

“Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun”

là đề tài rất thiết thực để làm nội dung nghiên cứu cho luận văn cao học của mình Trong số các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng điền đầy của sản phẩm nhựa ép phun, khả năng điền đầy sẽ tăng khi ta tăng vận tốc và áp suất phun [3],[4],[5] Trong luận văn này đề tài xin chọn yếu tố nhiệt độ để nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng điền đầy của sản phẩm nhựa ép phun, mà cụ thể là sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

Dưới đây là một số nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố liên quan đến việc nâng cao chất lượng, khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun, đặc biệt là các nghiên cứu về gia nhiệt khuôn ép

1 Nghiên cứu quá trình gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép tạo sản phẩm dạng lưới (Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Trần Minh Thế Uyên (Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM) và Lê Tuyên Giáo (Cao đẳng Nghề LILAMA 2)) Tạp chí KHGDKT, số 32/2015

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 5 giây đầu của quá trình gia nhiệt, sau đó sẽ tăng chậm trong 15 giây tiếp theo và ổn định sau 20 giây Với vùng gia nhiệt cục bộ, khi tăng nhiệt độ dòng khí nóng từ 200oC đến 400oC, nhiệt độ ổn định của lòng khuôn sẽ tăng từ 90oC đến 160oC Với phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS CFX, quá trình gia nhiệt bằng khí nóng có thể được dự đoán khá chính xác với sai lệch nhiệt độ nhỏ

2 Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, SuHsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen-An Chang Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin International Communications in Heat and Mass Transfer, vol 36 Page, pp 806-812, 2009)

Kết luận: Việc gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ tăng nhiệt bề mặt khuôn từ 600C lên 1200C trong vòng 2 giây ( nghĩa là tốc trung bình là 300C /giây) và cần 34 giây để trở về 600C Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 giây để thực hiện một chu trình

Hình 1.3 So sánh các thay đổi nhiệt độ khi gia nhiệt bằng khí và nước nóng (một chu kỳ nóng / làm mát)

3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến dòng chảy của nhựa lỏng trong khuôn phun ép nhựa ( Dương Thị Vân Anh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM)

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ khuôn từ 400C đến 700C, chiều dài dòng chảy tăng từ 251 mm lên 267 mm Với kết quả này, có thể dùng thông số nhiệt độ khuôn như một giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng không điền đầy lòng khuôn trong

Hình 1.4 Mối liên hệ nhiệt độ nhựa, nhiệt độ khuôn và chiều dài dòng chảy Ngoài ra, với công cụ mô phỏng Moldflow 6.0, khả năng điền đầy lòng khuôn có thể được dự đoán khá chính xác Điều này cho thấy với phương pháp mô phỏng, hoàn toàn có thể xác định thông số nhiệt độ khuôn cho quá trình phun ép nhằm thỏa mãn yêu cầu chính: nhựa được điền đầy lòng khuôn

4 Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen Numerical Study on Flow Length in Injection Molding Process with High-Speed Injection Molding International Journal of Mechanical Engineering and Applications Vol 2, No 5, 2014, pp 58-63

Kết luận: Trong cùng một điều kiện khi tăng tốc độ phun thì chiều dài dòng chảy nhựa sẽ tăng lên Trong nghiên cứu này với nhựa ABS, nhiệt độ nhựa là 2400𝐶, nhiệt độ khuôn 300𝐶 áp suất phun 343 MPa

Trang 7

Khi tốc độ phun tăng từ 100 mm/s lên 500 mm/s, chiều dài dòng chảy đã tăng 39,7% Tuy nhiên, với ép phun tốc độ cao, khi tốc độ phun tăng lên 1400 mm/s, chiều dài dòng chảy có thể đạt tới 91% dài hơn trường hợp 100 mm/s Với trường hợp 1400 mm/s tốc độ phun, chiều dài dòng chảy đến độ dày (L/t) đạt đến 640 Tỷ lệ này cho thấy một sự cải thiện đáng kể Ở tốc độ phun khác, thí nghiệm cho thấy tỷ lệ L/t là 335, 468, 605 và 640 với tốc độ phun 100 mm/s, 500 mm/s, 1000 mm/s, tương ứng 1400 mm/s

Hình 1.5 Chiều dài dòng nhựa trong thí nghiệm với tốc độ phun thay đổi từ 100 mm/s đến 1400 mm/s

Trong quá trình ép phun với các sản phẩm mỏng, năng lượng nhiệt nhanh chóng được chuyển từ dòng nhựa nóng chảy sang bề mặt khuôn

Trong thí nghiệm, khi tốc độ phun 1400 mm/s, chiều dài dòng chảy được cải thiện 91% với trường hợp 100 mm/s và tỷ lệ L/t là tăng từ 335 lên 640

Với hệ số truyền nhiệt vật liệu tăng cao hơn, kết quả mô phỏng cho L/t trở nên ngắn hơn Khi vận tốc phun vượt quá 1000 mm/s, hệ số truyền nhiệt nên được điều chỉnh 10000 W/m2 ° C là thích hợp

5 A.C Liou, R.H Chen, C.K Huang, C.H Su and P.Y Tsai, Development of a heat-generable mold insert and its application to the injection molding of microstructures Microelectronic Engineering, Vol117, 2014, pp 41-47

Trang 8

6 Cell nucleation in hight-pressure foam injection molding ,Raymond K.M Chu, Lun Howe Mark, and Chul B Park Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Toronto, Toronto, ON Canada

Kết quả: Áp lực bên trong khuôn cố định có thể giữ ở khoảng 20 MPa khi dùng 37,5 MPa áp lực phun Đối với các trường hợp có thể thấy rằng tỷ lệ giảm áp suất do làm mát và co ngót vật liệu tương đối thấp: từ khoảng 2,5 MPa/s cho trường hợp thời gian giữ 0 giây đến khoảng 0,5 MPa/s cho thời gian giữ > = 8 s Đi đôi với đó là chất lượng bề mặt được cải thiện tốt hơn

Hình 1.6 Chất lượng bề mặt tương ứng với thời gian giữ áp suất trong khuôn 7 S.-Y Yang, S.-C Nian, S.-T Huang and Y.-J Weng, A study on the

microinjection molding of multi-cavity ultra-thin parts, Polymers Advances Technologies, 2011

8 Development of Gas-Assisted Dynamic Mold Temperature Control System and Its Application for Micro Molding (Shia-Chung Chen, Jen-An Chang,Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh ANTEC Page, pp 2208-2212, 2008)

Kết quả: Việc gia nhiệt và giải nhiệt từ 600𝐶 đến 1000𝐶, 600𝐶 đến 110𝐶, 600𝐶 đến 1200𝐶 sau đó cả 3 trường hợp đều trở về 600𝐶 Thì gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ gia nhiệt và giải nhiệt nhanh hơn

Kết quả: Nhiệt độ khuôn cao hơn, nhiệt độ nhựa nóng chảy cao hơn và tốc độ phun nhanh hơn tất cả sẽ nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm ép phun Các độ nhám bề mặt của chi tiết đúc có thể được giảm từ 25μm đến 6.5μm với sự gia tăng nhiệt độ khuôn từ 1000C đến 1600C Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt đến một mốc quan trọng của giá trị khoảng 1800C, độ nhám trung bình bề mặt của một phần đúc tiến về mức khoảng 5μm Đồng thời, các phần bọt nhựa PC có thể được loại bỏ hoàn toàn nếu nhiệt độ khuôn cao hơn 1600C

Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng

So sánh hiệu quả giữa các phương pháp gia nhiệt khuôn ép phun nhựa Và kết quả cho thấy gia nhiệt bằng khí nóng thể hiện được nhiều ưu điểm về chi phí sản xuất, về hiệu quả ứng dụng, và đáp ứng bài toán kinh tế và năng suất trong công nghiệp sản xuất đồ nhựa hiện nay

Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt khuôn ép phun khi sử dụng các loại nhựa khác nhau, khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của từng mức nhiệt độ và chỉ ra các thông số phù hợp trong trường hợp vật liệu và biên dạng cụ thể

Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ tối ưu của quá trình ép phun nhựa như vận tốc, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, thời gian đến chất lượng sản phẩm Đồng thời đánh giá ảnh hưởng cũng như mối quan hệ của các thông số trên đến các tiêu chí đó

 Nhận xét:

Mặc dù đã được quan tâm và nghiên cứu từ vài thập niên gần đây nhưng phương pháp gia nhiệt khuôn ép phun ngày càng thể hiện được nhiều ứng dụng nhiều hơn với ưu thế lớn về chi phí, năng suất lao động, độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm trong nghành công nghiệp nhựa

Phương pháp gia nhiệt khuôn ép phun bằng khí nóng vẫn còn khá mới, cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu, những thực nghiệm khảo sát, đánh giá cụ thể để chứng minh phương pháp này có tính ứng dụng cao và xây dựng cơ sở dữ liệu Từ đó đóng góp những thống số công nghệ phù hợp ứng với các quá trình sản xuất trên từng loại vật liệu nhựa cũng như biên dạng của sản phẩm

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp gia nhiệt khuôn ép phun bằng khí nóng vẫn còn mới mẻ, cần được nghiên cứu kỹ hơn Với những lợi ích về kinh tế, chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và ý nghĩa khoa học mà phương pháp này mang lại, tác giả nhận thấy cần thiết khi nghiên cứu cụ thể hơn sự ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng đến chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa

Trang 11

1.4 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống gia nhiệt khuôn ép phun bằng khí nóng trên máy ép phun nhựa, từ đó khảo sát ảnh hưởng dòng khí nóng đến nhiệt độ lòng khuôn, ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn đến khả năng điền đầy của nhựa trong lòng khuôn, tiến hành tính toán, mô phỏng trên phần mềm Ansys, Moldflow plastic Insight và thực nghiệm đo đạt trên máy ép phun nhựa

Vật liệu nhựa được lựa chọn khảo sát là nhựa PP và nhựa PE, là hai loại nhựa rất phổ biến hiện nay

Đối tượng nghiên cứu là ảnh hưởng của gia nhiệt khí nóng tới nhiệt độ khuôn và ảnh hưởng nhiệt độ khuôn tới khả năng điền đầy của sản phẩm trong ép phun nhựa Trong đó các yếu tố như nhiệt độ, thời gian gia nhiệt, cách bố trí sẽ được xét tới

1.5 Nội dung và giới hạn nghiên cứu của đề tài

 Nghiên cứu tổng quan về tác động của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm ép phun nhựa

 Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của nhiệt độ, các phương pháp gia nhiệt khuôn, và sự ảnh hưởng của gia nhiệt khí nóng đến nhiệt độ khuôn, dòng chảy nhựa cũng như khả năng điền đầy trong khuôn đã được xây dựng

 Tiến hành mô phỏng gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng, sự ảnh hưởng của gia nhiệt lòng khuôn đến khả năng điền đầy nhựa trong khuôn bằng phần mềm Ansys và Moldflow plastic Insight

 Xây dựng hệ thống gia nhiệt khuôn bằng khí nóng để làm thực nghiệm trên máy ép phun nhựa, thực nghiệm, đo đạt thu thập kết quả và so sánh với kết quả mô phỏng

Hình 1.9 Mô hình hệ thống gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng Nhiệt độ lòng khuôn

t2 sẽ phụ thuộc Nhiệt độ

dòng khí t1

Thời gian gia nhiệt tg

Trang 12

Hình 1.10 Sơ đồ nhiệm vụ thực hiện đề tài

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm;

 Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, lựa chọn vấn đề nghiên cứu, tìm hiểu các lý thuyết liên quan, tiến hành tính toán mô phỏng

 Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm, đo đạc, đánh giá, kiểm nghiệm các giả thuyết, kết quả trong tính toán, mô phỏng

 Mô hình gia nhiệt khuôn được tính toán, thiết kế và đưa vào trong môi trường mô phỏng của phần mềm Ansys và Moldflow plastic Insight để xác định gia nhiệt lòng khuôn và sự ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn tới chiều dài dòng nhựa cũng như khả năng điền đầy của dòng nhựa trong khuôn

 Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm, ta sẽ thiết kế các trường hợp thực nghiệm phù hợp

 Tiến hành thực nghiệm gia nhiệt lòng khuôn và ép thử sản phẩm

 Thu thập kết quả thực nghiệm và so sánh với quá trình mô phỏng

Trang 13

 Đưa ra được mối quan hệ giữa nhiệt độ lòng khuôn với nhiệt độ khí gia nhiệt, thời gian gia nhiệt Nhiệt độ lòng khuôn với khả năng điền đầy nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khuôn ép phun

2.1.1 Khái niệm về khuôn

Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo

Khuôn bao gồm hai phần chính:

 Phần cavity ( Khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa

 Phần core ( Khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa

Hình 2.1 Khuôn ép phun nhựa [2]

2.1.2 Phân loại khuôn ép phun a Khuôn 2 tấm

Khuôn 2 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn nằm ngang mặt phân khuôn, cổng vào nhựa nằm ngang mặt sản phẩm và khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa Có thể thiết kế cổng vào nhựa sao cho sản phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời hoặc không tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa (xương keo) được lấy ra khỏi khuôn Khuôn 2 tấm được sử dụng rất thông dụng trong hệ thống khuôn ép phun Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng chỉ sử dụng khuôn 2 tấm cho những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa [1]

Trang 14

Hình 2.2 Bộ khuôn 2 tấm  Ưu điểm

 Khuôn 2 tấm tiết kiệm vật liệu hơn, do kênh dẫn nhựa ở bên hông

 So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn do không cần có tấm giựt cuống keo như khuôn 3 tấm, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn

 Thời gian để gia công và chế tạo khuôn cũng ngắn hơn

 Giá thành thấp hơn khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng  Nhược điểm

 Khuôn 2 tấm chỉ sử dụng được cho các chi tiết đòi hỏi có độ chính xác thấp

 Phải tốn nhiều nhiên liệu hơn so với kênh dẫn nóng vì phần xương keo không được sử dụng cho lần phun tiếp theo như trong kênh dẫn nóng

b Khuôn 3 tấm

Khái niệm

Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được bố trí trên 2 mặt phẳng, khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở khác để lấy kênh dẫn nhựa Sản phẩm và kênh dẫn luôn tự động tách rời nhau khi sản phẩm và kênh dẫn được lấy ra khỏi khuôn

Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng, cần nhiều miệng phun thì có thể sử dụng khuôn 3 tấm [1]

Trang 15

Hình 2.3 Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn khi mở [1]  Ưu điểm

 Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng

 Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng

 Có thể phù hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém

 Năng suất cao do hệ thống dẫn nhựa tự động tách ra khỏi sản phẩm khi mở khuôn

 Cho khả năng phân phối nhựa tốt hơn và đồng đều hơn do các nhánh kênh dẫn được bố trí cách đều nhau

Khuôn nhiều tầng có thể dùng cả kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng Hiện nay, khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh dẫn trên khuôn nhiều tầng quá dài, khó đảm bảo nhiệt độ và áp suất nếu dùng kênh dẫn nguội [1]

Trang 16  Ưu điểm

 Do 2 hay nhiều khuôn ghép lại nên năng suất cao

 Lợi nhuận cao

 Giảm số lượng máy, diện tích nhà xưởng  Nhược điểm

 Giá thành cao do kết cấu khuôn phức tạp

 Sử dụng máy ép chuyên dụng, cần lực ép lớn

 Hao tốn vật liệu do kênh dẫn dài

 Cần áp suất cao để điền đầy khuôn do kênh dẫn dài

2.1.3 Kết cấu 1 bộ khuôn

Ngoài khuôn cố định và khuôn di động thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn:

Hình 2.4 Kết cấu của 1 bộ khuôn cơ bản [1]

Hệ thống dẫn hướng và định vị: gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, chốt hồi, có nhiệm vụ giữ chính xác vị trí làm việc của hai phần khuôn khi ghép với nhau để tạo lòng khuôn chính xác

Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn: gồm bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa và miệng phun làm nhiệm vụ cung cấp nhựa từ đầu phun máy ép vào trong lòng khuôn

Trang 17

Hệ thống đẩy sản phẩm: gồm các chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tấm đẩy, tấm giữ, khối đỡ, lò xo hồi có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong

Hệ thống lõi mặt bên: gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xy lanh thủy lực, làm nhiệm vụ tháo những phần không thể tháo (undercut) ra được ngay theo hướng mở của khuôn

Hệ thống thoát khí: gồm có những rãnh thoát khí, có nhiệm vụ đưa không khí tồn đọng trong lòng khuôn ra ngoài, tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lòng khuôn dễ dàng và giúp cho sản phẩm không bị bọt khí hoặc bị cháy

Hệ thống làm nguội: gồm các đường nước, các rãnh, ống dẫn nhiệt, đầu nối,… có nhiệm vụ ổn định nhiệt độ khuôn và làm nguội sản phẩm một cách nhanh chóng [1]

2.2 Vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun

Vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng quyết định đến toàn bộ quá trình ép phun Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những yêu cầu kỹ thuật khác nhau, ví dụ: độ dẻo, độ cứng, độ bóng bề mặt, màu sắc, … Vì vậy, cần chọn loại vật liệu nhựa thích hợp để tránh những phế phẩm trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tính và thẩm mỹ của sản phẩm

2.2.1 Polymer

Polymer là những hợp chất mà trong phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn Trong mạch chính của polymer, những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần

Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8 C4H6-C3H3N]n, …[13]

2.2.2 Phân loại nhựa

Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp Dựa vào tính chất cơ lý: chất dẻo và chất đàn hồi Đây là cách phân loại phổ biến nhất

Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử có kích thước nhất định, mạch thẳng hay phân nhánh Có thể chuyển trạng thái rắn sang trạng thái dẻo bởi sự gia tang nhiệt độ và quá trình này thuận nghịch, có thể lặp đi lặp lại nhiều lần Trong quá trình tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra

Cao su, chất đàn hồi: là những polymer mạch thẳng có lực liên kết thứ cấp rất yếu, vật liệu ở dạng chất lỏng rất nhớt Để sử dụng, phải tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử để tạo mạng không gian ba chiều Đặc trưng của cao su là nó có khả năng dãn dài lên đến 1.000% (cao su tự nhiên lưu hóa) Tuy nhiên, do có liên kết ngang nên nó không thể tái sinh được

Dựa vào công dụng :

 Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, ABS, …

 Nhựa kỹ thuật: PA, Teflon …

 Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE,…[13]

 Độ bền kéo đứt: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bằng một lực xác định ở tốc độ kéo dãn xác định ra cho đến lúc đứt

 Độ bền uốn: là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn

Trang 19

 Độ bền nén: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén

 Giới hạn bền của polymer phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực nên khi so sánh độ bền các polymer với nhau phải so sánh ở cùng điều kiện thử nghiệm

 Độ biến dạng tương đối (e): là giá trị biến dạng tăng đến cực đại tại thời điểm đứt

 Độ biến dạng cực đại tương đối: cũng phụ thuộc loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ Nó phép suy luận vật liệu đang ở trạng thái nào khi đứt

Ví dụ: khi vật thể dòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài %, còn trạng thái mềm cao từ hàng trăm phần trăm đến phần ngàn Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt [13]

b Độ dai va đập

Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m2)

c Tỷ trọng của nhựa

 Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị:g/cm3

 Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0.9 – 2 (g/cm3)

 Tỷ trọng tăng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất tăng, ngược lại lực va đập và độ nhớt giảm

 Tỷ trọng phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng Loại nhựa Tỷ trọng,g/cm3 Loại nhựa Tỷ trọng, g/cm3

h Một số loại Polymer thường gặp

 Nhựa nhiệt dẻo

Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa chảy mềm thành chất lỏng dưới tác dụng của nhiệt độ cao và đóng rắn lại khi làm nguội Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân

Một số loại nhựa nhiệt dẻo hay sử dụng:

 PP (polypropylene): dẻo, mềm, có tính chất cơ học tốt (bền kéo), khá cứng vững, có thể kéo sợi Dùng làm các loại xô, thùng, các loại bao bì, bạt che mưa nắng,…

 PE (polyethylene): bề mặt bóng, mềm, dẻo, chống thấm tốt (nước, hơi nước), có tính giữ nhiệt Được dùng bọc dây điện, bọc hàng, màng lọc …

 PET (poly ethylene terephthalate – còn được gọi là PETE, PETP hay PET-P): trong suốt, độ bền cơ học cao, có khả năng chịu lực kéo và lực va chạm, độ cứng vững và chịu mài mòn tốt Được dùng để thổi chai nhựa đựng nước giải khát

 ABS (acrylonitrile butadiene styrene): độ dai cao, khả năng chịu va đập, ổn định dưới tải trọng tốt Dùng làm các chi tiết chịu tải, chịu va đập…

Ngoài ra còn có một số loại nhựa nhiệt dẻo khác như PA (poly amid), PS (poly styrene - nylon), POM (poly oxymethylene – acetal) …

 Nhựa nhiệt rắn

Loại nhựa mềm đi khi chịu nhiệt nhưng không tan chảy, nhưng khi đã cứng lại thì sẽ không mềm như cũ cho dù được nung nóng và có thể bị phá hủy NhựaTrang 26 nhiệt rắn đóng cứng chậm hơn do có phản ứng hóa học bời sự gia tăng nhiệt độ và không thể tái sinh

Một số loại nhựa nhiệt rắn thông dụng:

 Nhựa epoxy: sau khi đóng rắn có mật độ liên kết ngang không cao nên vẫn còn tính mềm dẻo, không tạo bọt khí và rỗ khí, bám dính tốt, chịu hóa chất, chịu được ẩm, có độ bền nhiệt, bến cơ học, độ cứng tương đối cao Được dùng làm sơn (sơn lót và sơn phủ), keo dán, làm chất cách điện bảo bệ thiết bị điện và điện tử…

 Vinyester: chống thấm nước rất tốt, dai hơn sau khi đóng rắn Thường được dùng làm ống dẫn và bồn nước hóa chất, dùng làm lớp phủ bên ngoài cho các sản phẩm ngập nước như vỏ tàu, thuyền…

 Polyester không no: có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, nhẹ,

Trang 22

khi đóng rắn rất cứng và có khả năng kháng hóa chất Dùng làm thuyền, thùng, ống và mũ bảo hiểm…

2.2.4 Nhựa sử dụng làm thí nghiệm a PP (Polypropylene)

Polypropylen là một loại polymer là sản phẩm của phản ứng trùng hợp Propylen Danh pháp : poly(1-methylethylene)

Hình 2.5 Cấu tạo phân tử nhựa PP [13]

 PP là sản phẩm cứng, không độc, không mùi

 Nhiệt độ nóng chảy cao ( 160 0C – 170 0C) Khi tiếp xúc với các tạp chất kim loại như đồng, mangan hoặc các hợp kim chứa kim loại sẽ ảnh hưởng

đến tính chịu nhiệt của PP

Trang 23

 Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ

 Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ

 Chịu được nhiệt độ cao hơn 100 0C Tuy nhiên nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao bì PP (140 0C) - cao so với PE - có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng

 Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác  Công dụng

 Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm, không yêu cầu chống oxy hóa một cách nghiêm ngặt

 Tạo thành sợi, dệt thành bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn

 PP cũng được sản xuất dạng màng phủ ngoài đối với màng nhiều lớp để tăng tính chống thắm khí, hơi nước, tạo khả năng in ấn cao, và dễ xé rách để mở bao bì (do có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ bóng cao cho bao bì

 PP có thể trộn với PE, PS và PVC để giảm độ chảy của chúng ở trạng thái chảy mềm và tăng một vài tính chất như chịu nhiệt, độ cứng.[13]

 Trong đề tài này chúng tôi sẽ sử dụng nhựa PP 6331 được nhập khẩu từ malaysia bởi công ty cổ phần Á Đông ADG phân phối

b PE (Polyetylen)

Polyetylen là một loại hạt nhựa dẻo, có cấu trúc tinh thể biến thiên Với tính chất chống dẫn điện, chống dẫn nhiệt và chống thấm nước, hạt nhựa PE có màu trắng trong nhưng tuỳ vào từng nhu cầu và ứng dụng mà hạt nhựa sẽ được thêm màu khác nhau

Hiện nay hạt nhựa PE được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến trên toàn thế giới Theo thống kế, mỗi năm tiêu thụ đến 60 triệu tấn

Xu hướng thị trường nhựa hiện nay là tạo ra các sản phẩm hạt nhựa tái sinh từ các phế liệu Việc tái sinh nhựa không chỉ góp phần tạo ra nguyên liệu cho công đoạn sản xuất tiếp theo mà còn có ý nghĩa đối với việc bảo vệ môi trường và tận dụng được nguồn phế thải

 Trong đề tài này chúng tôi sẽ sử dụng nhựa HDPE 2600J được nhập khẩu từ malaysia bởi công ty cổ phần Á Đông ADG phân phối

Trang 25

2.3 Lý thuyết truyền nhiệt

2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là Nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

Trao đổi nhiệt có thể được diễn ra qua ba phương thức cơ bản:

 Dẫn nhiệt

 Trao đổi nhiệt đối lưu

 Trao đổi nhiệt bức xạ

a) Dẫn nhiệt

Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hay các hạt nhỏ hơn (như electron) ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân cận (ở vùng lạnh hơn, dao đông chậm hơn), chuyển giao một số động năng của dao động nhiệt từ hạt dao động nhanh sang những hạt dao động chậm [14] Nói cách khác, sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng dao động và va chạm với nhau (trong hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự dịch chuyển của dòng proton), hoặc là bởi electron dao động nhanh di chuyển từ một nguyên tử khác (trong kim loại)

Dẫn nhiệt đóng góp lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc nhau Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao đổi năng lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng

Khi mật độ các hạt giảm, tức là khoảng cách giữa các hạt trở nên xa hơn, dẫn nhiệt giảm theo Điều này là do khoảng cách lớn giữa các nguyên tử gây ra việc có ít va chạm giữa các nguyên tử có nghĩa là chúng ít trao đổi nhiệt hơn Do đó, chất lỏng và đặc biệt là các loại khí ít dẫn nhiệt Với các chất khí, khi nhiệt độ hay áp suất tăng, các nguyên tử có xác suất va chạm nhau nhiều hơn, và do đó độ dẫn nhiệt cũng tăng theo

Tính chất dẫn nhiệt trong lòng vật liệu có thể khác với tính dẫn nhiệt ở bề mặt, nơi có thể tiếp xúc với vật liệu khác

Kim loại (ví dụ như đồng, platinum, vàng, ) thường là các vật liệu dẫn nhiệt tốt Điều này là do các điện tử tự do có thể chuyển nhiệt năng nhanh chóng trong