Nghiên cứu, xác định các thông số làm việc hợp lý cho quá trình ép gạch lót sàn từ vật liệu composite gỗ nhựa

Để tạo ra một sản phẩm vật liệu composite gỗ nhựa hoàn chỉnh phải trải qua hai công đoạn chính, đó là công đoạn trộn tạo hạt và công đoạn ép vật liệu thành phẩm trong đó công đoạn trộn t

VƯƠNG HỒNG CHÍNH

NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CHO QUÁ TRÌNH ÉP GẠCH LÓT SÀN TỪ VẬT

LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

Đồng Nai, 2014

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành gỗ Việt Nam đã đạt được trong những năm qua là có tốc độ phát triển cao, và là một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nước Chỉ trong

12 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng trên 20 lần, từ

219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 4,5 tỷ USD năm 2012 Với kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ trong những năm qua; Việt Nam đang khẳng định vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam Á về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ Khi chế biến

gỗ có tạo ra một lượng phế liệu gỗ lớn như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn… Để tận dụng triệt để nguồn phế liệu này chúng ta có thể nghiền tạo thành dạng bột kết hợp với chất kết dính để tạo ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt; vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa có thể đáp ứng và giải quyết được vấn đề này

Vật liệu phức hợp gỗ nhựa (Wood –Plastic Composites, viết tắt WPC)

là một loại vật liệu mới là sự kết hợp giữa sợi gỗ và vật liệu nhựa, sự kết hợp giữa vật liệu sợi gỗ và vật liệu nhựa mang lại tính năng ưu việt cho sản phẩm phức hợp gỗ nhựa như:

Bền khi sử dụng, tuổi thọ của sản phẩm cao, có bề ngoài mang chất liệu

gỗ, có độ cứng cao hơn so với vật liệu nhựa, không có Formaldehyde Có nhiều tính chất tốt ví dụ so với vật liệu gỗ như có kích thước ổn định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, có thể gia công lần thứ 2 giống như vật liệu gỗ, dễ dàng cắt gọt, dùng keo để kết dính, có thể dùng đinh hoặc ốc vít để liên kết, cố định, quy cách hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễ dàng gia công, tạo hình, thông thường có thể gia công theo mẫu đặt sẵn hoặc có thể gia công theo yêu cầu cụ thể, có khả năng ứng dụng rộng Tính năng hóa học tốt, chịu được độ PH, chịu được hóa chất, chịu được nước mặn, có thể sử dụng được ở

nhiệt độ thấp, không bị biến đổi hình dạng khi hút ẩm Có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, có lợi ích trong bảo vệ môi trường

Hiện nay nhu cầu sử dụng vật composite gỗ nhựa trong nước là rất lớn, tuy nhiên việc đáp ứng nhu cầu này chủ yếu dựa vào nhập khẩu Còn tình hình sản xuất trong nước chưa phát triển, nguyên nhân của việc này xuất phát

từ lý do đó là chưa có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ, hoặc việc nhập công nghệ và máy móc thiết bị về Việt Nam có chi phí rất lớn

Để sản xuất trong nước được phát triển thì việc nghiên cứu về công nghệ, máy móc thiết bị, nguyên vật liệu phù hợp với đặc điểm phát triển ở trong nước là rất cần thiết và quan trọng

Để tạo ra một sản phẩm vật liệu composite gỗ nhựa hoàn chỉnh phải trải qua hai công đoạn chính, đó là công đoạn trộn tạo hạt và công đoạn ép vật liệu thành phẩm trong đó công đoạn trộn tạo hạt là công đoạn rất quan trọng,

có ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm do sản phẩm được sản xuất từ nhựa WPC chưa được phổ biến ở Việt Nam nên các công trình nghiên cứu về máy trộn hạt nhựa gỗ chưa được quan tâm

Xuất phát từ những vấn đề trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là:

“Nghiên cứu, xác định các thông số làm việc hợp lý cho quá trình ép gạch lót sàn từ vật liệu composite gỗ nhựa”

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về vật liệu gỗ nhựa

1.1.1 Giới thiệu chung

Nhựa Gỗ (WPC – Wood Plastic Composite) là một loại nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa Ngoài nhựa và bột gỗ, WPC còn có thể chứa một số chất phụ gia làm đầy có gốc cellulose hoặc vô cơ Do đó, WPC còn có thể được gọi là vật liệu composite nhựa sợi tự nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa

Hình 1.1: Nguyên liệu chính hình thành nên WPC

Trong những năm gần đây, WPC được nghiên cứu thành công tại Mỹ và

đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thụy điển, Nga, Trung Quốc WPC có nhiều ứng dụng trên thị trường, đặc biệt là sử dụng làm vật liệu thô Nhựa gỗ được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình ngoài trời như lãnh vực ván sàn ngoài trời, ngoài ra còn

có thể ứng dụng làm lan can, hàng rào ngoài trời, gỗ trang trí, tấm chắn, ghế công viên, khung bao cửa và cửa sổ, hoặc có thể làm đồ gỗ nội ngoại thất Các nhà sản xuất khẳng định nhựa gỗ thân thiện môi trường hơn, và tốn ít chi phí bảo trì hơn các loại gỗ rắn xử lý khác Ngoài bị nứt nẻ, bị rạn, các loại gỗ rẵn xử lý này còn có thể bị mối mọt, mục rữa nhanh do môi trường ẩm ướt bên ngoài Những lợi thế của WPC so với các vật liệu khác như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng

Hình 1.2: Ứng dụng WPC trang trí ngoài trời

Hình 1.3: Ứng dụng WPC lót nền

Hình 1.4: Ứng dụng WPC hàng rào lang can

Hình 1.5: Ứng dụng WPC làm ghế

Hình 1.6: Ứng dụng WPC trang trí nội thất Nhựa gỗ hiện vẫn là một loại vật liệu rất mới so với lịch sử phát triển lâu dài của gỗ tự nhiên trong ứng dụng làm vật liệu xây dựng, nhưng nó có thể thay thế gỗ trong hầu hết trường hợp không chịu lực (non-structural) Nhựa gỗ được hình thành từ gỗ, (như mùn cưa, sợi bột giấy, vỏ đậu phộng, tre nứa, trấu, ) và nhựa (có thể sử dụng nhựa HDPE, PVC, PP, ABS,

PS, ) Bột nhựa gỗ được trồn đều, đồng nhất, sau đó được đùn hoặc ép thành các hình dạng theo yêu cầu Các phụ gia như chất tạo màu, chất tạo nối, chất

ổn định, chất gia cường, chất tạo nổi, sẽ giúp cho sản phẩm cuối cùng phù hợp cho nhiều hướng ứng dụng

Hình 1.7: Hỗn hợp nhựa WPC

Một lợi thế lớn của gỗ - nhựa so với gỗ là khả năng có thể tạo hình thành hầu hết các hình dạng không gian theo yêu cầu Nó dễ dàng uốn, và cố định để tạo thành các đường cong lớn Do sự kết hợp trong quá trình sản xuất, nhựa gỗ vừa có tính chất như gỗ: Có thể gia công bằng các công cụ mộc truyền thống Đồng thời, nhựa gỗ vừa có tính chất như nhựa: Khả năng chống

ẩm và chống mục nát, mặc dù độ cứng chắc không bằng gỗ thường, và có thể hơi biến dạng trong môi trường thời tiết cực nóng

Sản xuất các vật liệu thành phần bao gồm bột gỗ và nhựa là bước đầu trong quá trình hình thành sản phẩm WPC Trong bước tiếp theo, bột gỗ hoặc sợi gỗ được kết hợp với nhiệt dẻo nóng chảy để tạo nên một hỗn hợp đồng nhất Hai phương pháp phổ biến để sản xuất WPC là đùn và đúc áp lực

1.1.2 Ưu – nhược điểm của composite gỗ - nhựa

1.1.2.1 Ưu điểm

+ Dễ bảo quản - có thể được sơn hoặc nhuộm màu (nếu cần thiết) + Khả năng chống ẩm tốt

+ Bền hơn (nghĩa là không thể bẻ cong hoặc tách)

+ Thân thiện với môi trường - sử dụng vật liệu tái chế và bản thân chúng có thể tái chế được

+ Có thể được gia công và lắp ghép giống như gỗ

+ Không cần bảo trì thường xuyên

+ Bị lão hóa bởi tia cực tím khi ứng dụng ngoài trời

1.2 Tình hình sản xuất và phát triển của ngành công nghiệp gỗ nhựa

1.2.1 Trên thế giới

Composite gỗ nhựa đã được sử dụng ở Mỹ từ lâu Mặc dù, nó chỉ mới phát triển mạnh trong những năm gần đây Trong đó, tấm panel trước của xe hơi bằng WPC là một trong những ứng dụng đầu tiên của loại vật liệu này Trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay thì việc bảo vệ rừng là việc làm chung của cả thế giới Muốn bảo vệ rừng hiệu quả thì chúng ta cần phải tìm ra một vật liệu có thể thay thế được cho gỗ tự nhiên và WPC là sự thay thế tốt nhất

Vào những trước năm 90, thị trường WPC ở Mỹ đã phát triển một cách

ấn tượng với tốc độ tăng trưởng gấp đôi hàng năm do những đặc tính về chi phí bảo dưỡng thấp, chống lại sự tác động của môi trường, chi phí sản xuất thấp hơn, …

Hiện nay, WPC vẫn chỉ chiếm một phần nhỏ trong ngành công nghiệp

gỗ nhưng nó vẫn đang phát triển với tốc độ rất nhanh Do giá thành sản xuất giảm và đặc tính của WPC không ngừng được nâng cao ngày càng có thể thay thế gần như hoàn toàn gỗ tự nhiên Hiện nay, WPC được sử dụng ở nhiều quốc gia như: Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Trung Quốc, … Mà điển hình là thị trường Mỹ

Bảng 1.1 Nhu cầu WPC ở Mỹ (USD)

thường chiếm tỷ trọng từ 45-63% thể tích nguyên liệu Như vậy có thể thấy lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu gỗ này nhằm nâng cao tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu đồng thời bảo vệ được môi trường

Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của đồ dùng trong sinh hoạt rất đa dạng và phong phú Phế liệu này chủ yếu có nguồn gốc từ Polypropylen (PP), Polyethylene (PE) và Polyvinyl cloride (PVC) Số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải trong toàn quốc chưa được thực hiện, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của viện vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội là khá cao (từ 7 đến 8%) Nếu tính lượng rác thải trung bình của Hà Nội là 18.000 tấn/ngày thì mỗi ngày Hà Nội thải ra khoảng trên 120 tấn nhựa phế thải

Nguồn nguyên liệu (phế liệu chất dẻo và phế liệu gỗ) để sản xuất vật liệu WPC có tiềm năng rất lớn Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu WPC ở Việt Nam còn ít được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất Do đó việc nghiên cứu tạo vật liệu WPC ở nước ta có ý nghĩa khoa học và thực tiễn,

mở ra xu hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ và tạo vật liệu mới thay thế gỗ tự nhiên trong xây dựng và nội thất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường

1 3 Các công trình nghiên cứu về gỗ - nhựa

1.3.1 Trên thế giới

Tại một số quốc gia, vật liệu phức hợp gỗ nhựa được đưa vào ứng dụng

từ những năm giữa thế kỷ 20 Thập niên 80 của thể kỷ 20 Italia tạo vật liệu hỗn hợp sử dụng 50% bột gỗ và 50% nhựa pp được gọi là wood-stock Vật liệu phức hợp gỗ nhựa có các ưu thế như giá thành rẻ, cường độ tốt, độ cứng cao, được hãng ôtô Ford sử dụng trong đồ nội thất ô tô, đến nay đã được sử

dụng rộng rãi Năm 2004 khi mà châu âu và Nhật bản đóng cửa rừng thì sản phẩm gỗ nhựa là sản phẩm thay thế số 1 cho vật liệu gỗ tự nhiên Những năm

90 của thế kỷ 20 thì sợi thực vật kết hợp với vật liệu nhựa hình thành lên vật liệu phức hợp gỗ nhựa là sản phẩm lựa chọn hàng đầu, đây là giai đoạn đưa sản phẩm ứng dụng vào thực tế, nhưng sản phẩm chủ yếu được ứng dụng vào tạo ván, đóng thùng…Những năm gần đây trên thế giới kỹ thuật sản xuất các sản phẩm từ vật liệu gỗ nhựa phát triển lên một tầm cao mới, bổ xung phát triển thành phần bột gỗ làm biến tính vật liệu nhựa Tại Nhật bản sản phẩm nổi tiếng là “Tình yêu với gỗ” là một ví dụ cụ thể; công ty Xiede của canada phát triển và sản xuất các sản phẩm từ vật liệu phức hợp gỗ nhựa(sử dụng phương pháp phun và phương pháp nén áp); tại Autralia, Hàn quốc đều có các công ty sản xuất từ vật liệu này Vật liệu phức hợp gỗ đã trở thành một ngành công nghiệp phát đạt tại châu Âu, điển hình là sử dụng nội thất xe hơi, như tại

Mỹ có tập Ford, GM; tại Đức thì có Volkswagen; Audi, Nhật bản có Toyota, Honda, Nisan các hãng xe đều sử dụng vật liệu phức hợp gỗ nhựa trong làm ván cửa trước, cửa sau và làm giá đỡ, hộp đựng hành lý với những ứng dụng khác nhau Năm 2004, chỉ tính riêng tại Mỹ vật liệu WPC sử dụng trong xây dựng đã chiếm tỷ lệ 15% -20% trong tổng số các loại vật liệu gỗ Lĩnh vực sử dụng vật liệu composite gỗ-nhựa rất rộng rãi: làm ván sàn, ván ốp tường, ván phủ mặt, khung cửa sổ, cửa đi, đồ dùng ngoài trời, sàn tàu, khung cửa sổ, cửa

đi, các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao…

Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo

sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm) Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình

là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre

chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, dạ

là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội

Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không

no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong

các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv

Các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu composite gỗ - nhựa cho thấy có thể tạo ra các sản phẩm vật liệu composite gỗ - nhựa có chiều dày khác nhau từ 4mm đến 40mm, khối lượng thể tích từ 0.65g/cm3 đến 1.2g/cm3

và có nhiều ưu điểm so với sản phẩm gỗ truyền thống Vật liệu có thể tái tạo,

ít bị khuyết tật, khả năng cách nhiệt tốt hơn so với chất dẻo; tính năng giống như gỗ nhưng có độ bền uốn rất cao tính ổn định kích thước cao hơn gỗ; tính

ổn định kích thước cao, khả năng hút ẩm thấp; Có khả năng chống nấm mốc, sinh vật hại gỗ; có thể sản xuất với các hình dạng khác nhau; không bị nứt

toác hoặc tách khả năng gia công tốt, và thân thiện với môi trường

Những lợi thế của vật liệu composite gỗ - nhựa so với các vật liệu khác như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng Công nghệ và thiết bị đáp ứng được yêu cầu của công nghệ và thiết bị hệ tiên tiến và có chất lượng cao khi sử dụng hầu hết phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải Trong thành phần của vật liệu composite gỗ-nhựa bao gồm một số thành phần như sau: Bột gỗ được nghiền nhỏ, kết hợp

với nhựa nguyên sinh, chất tăng cường để nâng cao tính chất công nghệ và sử

dụng của sản phẩm

Sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa có thể thực hiện bằng các phương pháp ép đùn, ép trong khuôn kín Công nghệ ép đùn có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng (Profile) khác nhau ở dạng đặc, rỗng Hình dạng sản phẩm phụ thuộc vào khuôn ép trục vít ở trong máy ép đùn Công nghệ ép đùn được xem là loại hình công nghệ tiên tiến, hiện đại trong việc tạo ra các sản phẩm

có nhiều ưu điểm và thân thiện với môi trường có khả năng thay thế vật liệu

gỗ truyền thống

Công nghệ tạo vật liệu composite trong khuôn ép kín bao gồm các công đoạn: tạo bột gỗ, nhựa nguyên sinh hoặc nhựa phế thải, trộn hỗn hợp, trải trên khuôn ép, ép trong khuôn kín, làm nguội Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ đơn giản, đầu tư thấp, hiệu quả cao phù hợp với điều kiện sản xuất nhỏ Nhược điểm là kích thước sản phẩm bị hạn về chiều dài, chiều rộng và chiều dày thường mỏng Năng suất và mức độ tự động hoá không cao so với

Hiện nay, ở nước ta mới chỉ phát triển một số loại hình công nghệ tạo vật liệu composite trên nền nhựa Epoxy, Polyester, Vinyleste kết hợp với sợi thủy tinh bao gồm sợi dài, vải và mạt dùng để chế tạo các sản phẩm: ống dẫn

có đường kính lớn, tấm lợp lấy ánh sáng, bồn tắm, đá nhân tạo, bàn bếp, khung cửa, các loại cano, thuyền cứu sinh, hộp công tơ điện, ghế ngồi sân vận động… Khoảng 98% vật liệu polyme composite bán ra thị trường và được chấp nhận có chứa các loại sợi gia cường như thủy tinh, cacbon và aramit Trong công nghiệp chế biến gỗ ở nước ta đã thành công trong việc sản xuất các loại ván dăm, ván ép định hình từ bột gỗ kết hợp với nhựa nhiệt rắn

PF, UF và ứng dụng vào thực tế sản xuất Các loại chất dẻo phế thải PP, PE, PVC và chất thải khác chiếm khối lượng lớn trong thực tế từ các đồ dùng bằng nhựa trong cuộc sống đã được tái sử dụng bằng cách băm nghiền nhựa

và tạo ra các hạt nhựa tái sinh để sử dụng trong công nghệ sản xuất các sản phẩm nhựa mới Rất nhiều cơ sở làng nghề đã thu gom nhựa phế thải và thực hiện việc tái chế theo hướng này Một số công trình nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme đã đề cập đến việc sử dụng sợi thực vật (bột tre) kết hợp với ba loại nhựa nhiệt rắn có nguồn gốc polyeste không no, epoxy, vinyleste để tạo ra vật liệu composite Vật liệu composite trên nền nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc polypropylen gia cường bằng hệ sợi lai tạo tre, luồng - thuỷ tinh đã được nghiên cứu thử nghiệm thành công

Nhận xét: Có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu composite gỗ

nhựa ở trên thế giới và ở trong nước, song các công trình trên chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tối ưu tỷ lệ trộn giữa gỗ và nhựa, rất ít công trình nghiên cứu tối ưu thông số của quá trình ép Do vậy đề tài " Nghiên cứu xác định một

số thông số tối ưu cho quá trình ép gạch lót sàn bằng vật liệu composite gỗ nhựa" là rất cần thiết

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định một số thông số tối ưu cho quá trình ép gạch lót sàn từ vật liệu composite gỗ nhựa

2.2 Đối tượng nghiên cứu

2.2.1 Vật liệu nghiên cứu

- Vật liệu composite gỗ nhựa

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy ép phun W-120B

Thông tin tổng quan

2 Kích thước (Dài-Rộng-Cao) 4.8 x 1.3 x 1.65 (m)

3 Tốc độ dòng nước 20 (l/min)

4 Dầu thuỷ lực American ESSO – 68 (350L)

5 Dầu bôi trơn ESSO 3 – Mobil No 3 (2L)

3 Lưu lượng phun 131 (cm3/sec)

4 Năng suất chảy dẻo 74 (kg/hour)

4 Công suất nung 4.6 (KW)

5 Điều khiển nhiệt độ (0 ~ 399) x 4 (set)

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Trên cơ sở hướng nghiên cứu đã xác định, với khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp Cao học và điều kiện thực hiện, đối tượng nghiên cứu của đề tài này được lựa chọn là máy ép phun W-120B của công ty Shine Well Machinery co., LTD Đặt tại trường ĐH sư phạm kỹ thuật TP HCM

Đề tài không có điều kiện nghiên cứu nhiều loại vật liệu mà chỉ tập trung vào loại vật liệu composite gỗ nhựa

Do hạn chế về quy mô đề tài và thời gian làm luận văn tốt nghiệp, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của độ kéo dãn và uốn của vật liệu để xác định các thông số tối ưu cho quá trình ép

2.4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã trình bày ở trên, chúng tôi thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Phân tích đặc điểm, cấu trúc và thành phần hóa học của vật liệu composite gỗ nhựa

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tạo sản phẩm từ vật liệu gỗ nhựa

- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép vật liệu gỗ nhựa

- Tính toán thiết kế khuân ép gạch lót sàn bằng vật liệu composite gỗ nhựa

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu của quá trình ép gạch lót sàn bằng vật liệu composite gỗ nhựa

2.5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đề tài đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu như sau:

2.5.1 Phương pháp kế thừa

Kế thừa có chọn lọc tài liệu và các công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới có liên quan đến vấn đề nghiên cứu

2.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý và tính chất cơ học của nguyên liệu trong luận văn này được tiến hành theo các tiêu chuẩn VN, và được tiến hành trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn quốc gia của Trường Đại học Lâm nghiệp (Vilas 309)

- Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong luận văn được thực hiện theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện Nội dung của phương pháp cũng như việc xử lý các kết quả thực nghiệm được trình bày trong các tài liệu [10], [11], [13]

Việc tổ chức và tiến hành thí nghiệm xác định độ bền cơ học, và năng suất được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học và phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm, việc lập kế hoạch và tổ chức thực nghiệm cũng như xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày rõ trong các tài liệu [7], [10], [11], [12], [13] Do vậy, ở đây cũng chỉ trình bày việc áp dụng các kết luận

đó vào các bài toán cụ thể Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu nêu trên

sẽ được trình bày cụ thể ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung

2.6 Kiểm tra kết quả thí nghiệm

* Tiêu chuẩn kiểm tra

Các mẫu thí nghiệm được gia công theo các tiêu chuẩn của ISO về xác định các tính chất vật lý, cơ học của composite Kích thước và tiêu chuẩn thử được trình bày ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Kích thước và tiêu chuẩn mẫu xác định các tính chất

Tính chất

Kích thước mẫu, mm

Tiêu chuẩn thử

Dài (mm)

Rộng (mm)

Dày (mm)

3.2 Chức năng của các bộ phận trong khuôn

- Vít lục giác: liên kết các tấm khuôn và tạo tính thẩm mỹ

- Vòng định vị: định tâm giữa bạc cuống phun và vòi phun

- Bạc cuống phun: dẫn nhựa từ máy ép phun vào các kênh dẫn nhựa

- Khuôn cái: tạo hình cho sản phẩm

- Bạc định vị: đảm bảo vị trí tương quan giữa khuôn đực và khuôn cái

- Tấm kẹp trước: giữ chặt phần cố định của khuôn vào máy ép nhựa

- Võ khuôn cái và khuôn đực: thường được làm bằng vật liệu rẻ tiền hơn

so với khuôn cái nên giúp giảm giá thành khuôn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế của khuôn

- Chốt hồi: hồi hệ thống đẩy về vị trí ban đầu khi khuôn đóng

- Chốt định vị: chui vào bạc định vị khi khuôn đóng, giúp khuôn đực và khuôn cái liên kết một cách chính xác

- Tấm đỡ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun

- Gối đỡ: tạo khoảng trống để tấm đẩy hoặt động

- Tấm giữ: giữ các chốt đẩy

- Tấm đẩy: đẩy các chốt đẩy để lói sản phẩm rời khỏi khuôn

- Tấm kẹp sau: giữ chặt phần di động của khuôn trên máy ép nhựa

- Gối đỡ phụ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun

3.3 Vật liệu làm khuôn

Việc lựa chọn đúng vật liệu làm khuôn là yếu tố quyết định, sử dụng vật liệu không phù hợp có thể làm ảnh hướng đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ của khuôn Vì vậy, vật liệu làm khuôn phải có những yêu cầu sau:

- Khả năng chịu nhiệt và chịu mài mòn tốt

- Chịu mỏi tốt

- Có khả năng dẫn nhiệt tốt

- Khả năng chống ăn mòn Nhưng trên thực tế thì hầu như không có vật liệu nào đáp ứng tất cả các yêu cầu trên Do đó, phải dựa vào điều kiện cụ thể mà ta chọn vật liệu phù hợp cũng như đảm bảo tính kinh tế là yêu cầu vô cùng cần thiết

 Một số loại vật liệu thường dùng hiện nay

a Tiêu chuẩn: 1730 , AISI – 1045, JIS -S45C

- Đặc điểm: gia công tiện phay tốt, chống mài mòn, bền cơ học tốt, cấu trúc hạt mịn

Kênh chính Kênh

nhánh

Đuôi nguội chậm

Cổng phun

Sản phẩm

3.5.1 Cuống phun

Cuống phun nối trực tiếp với vòi phun của máy ép phun để đưa nhựa vào kênh dẫn qua miệng phun và vào các lòng khuôn Thực tế người ta ít gia công lỗ cuống phun liền trên khuôn mà người ta dùng bạc cuống phun

để tiện việc gia công và thay thế

Chọn loại bạc cuống phun dựa vào:

Hình 3.5 Các trường hợp khi sử dụng bạc cuống phun [6]

3.5.2 Kênh dẫn nhựa

Kênh dẫn nhựa là cầu nối giữa các miệng phun và cuống phun Chúng làm nhiệm vụ đưa nhựa vào các lòng khuôn Vì thế khi thiết kế chúng cần

phải tuân thủ một số nguyên tắc kỹ thuật để đảm bảo chất lượng hầu hết sản

phẩm Sau đây là một số nguyên tắc mà ta cần phải tuân thủ:

- Giảm đến mức tối thiểu sự thay đổi tiết diện kênh dẫn

- Nhựa kênh dẫn phải thoát khuôn dễ dàng

- Chiều dài kênh dẫn nên càng ngắn nếu có thể để tránh mất áp và mất nhiệt trong quá trình điền đầy

- Mặt cắt kênh dẫn phải đủ lớn để đảm bảo sự điền đầy cho toàn

bộ sản phẩm mà không làm thời gian chu kỳ quá dài, tốn nhiều vật liệu và lực kẹp lớn

Có hai loại kênh dẫn nhựa:

- Kênh dẫn nóng

- Kênh dẫn nguội

miệng cuống phun

Lỗ phun lớn hơn nhiều

so với miệng cuống

phun

3.5.2.1 Kênh dẫn nóng

Kênh dẫn nóng được dùng cho những sản phẩm có kích thước lớn (vỏ tivi, vi tính, các chi tiết trên xe hơi…) , mỏng hoặc làm bằng nhựa cần phải duy trì nhiệt chảy dẻo như: HDPE, LDPE, POM, PBT, PC…Bên trong kênh dẫn nhựa sẽ luôn được duy trì trạng thái chảy dẻo để đảm bảo sản phẩm được điền đầy đồng bộ Có 2 loại kênh dẫn nóng : kênh dẫn nóng cách ly và kênh dẫn nóng gia nhiệt

Hình 3.6 – Một số hệ thống kênh dẫn nóng [6]

3.5.2.2 Kênh dẫn nguội

Các kênh dẫn nhựa là cầu nối giữa miệng phun và cuống phun, chúng làm nhiệm vụ đưa nhựa vào lòng khuôn Vì thế, khi thiết kế chúng cần phải tuân thủ một số nguyên tắc kỹ thuật đề đảm bảo yêu cầu của sản phẩm Sau đây là một số nguyên tắc mà ta cần phải tuân thủ:

- Giảm đến mức tối thiểu sự thay đổi nhiệt độ

- Nhựa kênh dẫn phải thoát khuôn dễ dàng

- Chiều dài kênh dẫn nên càng ngắn càng tốt để tránh mất áp và mất

nhiệt trong quá trình điền đầy

- Mặt cắt kênh dẫn phải đủ lớn để đảm bảo điền đầy cho toàn bộ sản

phẩm

Hình 3.7 Tiết diện ngang một số loại kênh dẫn

Để so sánh các loại kênh dẫn ta thường dùng chỉ số đường kính thuỷ lực Khi đường kính thuỷ lực càng lớn thì sự cản dòng càng bé

Trong đó:

Dh : đường kính thuỷ lực

A : diện tích mặt cắt ngang

P : chu vi

Bảng 3.1 Ưu nhược điểm của các loại tiết diện ngang của kênh dẫn

Hình tròn

- Tỉ lệ thể tích qua mặt cắt ngang là lớn nhất

- Mất nhiệt và tốn nhiều vật liệu hơn kênh dẫn tròn

Hình thang

- Dễ gia công

- Mất nhiệt nhiều hơn so với hình thang hiệu chỉnh

Hình hộp

- Dễ gia công

- Làm nhỏ mặt cắt ngang

- Làm giảm khả năng truyền tải

- khó thoát khuôn Hình bán nguyệt

- Dễ gia công

- Diện tích mặt cắt ngang nhỏ nhất

- Truyền áp rất tệ

- Ma sát lớn

3.5.2.3 Kênh dẫn phụ

Mỗi lần rẽ nhánh kích thước kênh dẫn nhánh nên nhỏ hơn kên dẫn chính vì ít vật liệu hơn sẽ mang lại tính kinh tế hơn

Hình 3.8 Vị trí kênh dẫn nhánh [6]

3.5.2.4 Đuôi nguội chậm và cuống phun

Để cho phần vật liệu ở chỗ rẻ nhánh không bị đông đặc sớm không gây nghẽn dòng ta nên thiết thế thêm đuôi nguội chậm Đuôi nguội chậm sẽ giúp quá trình điền đầy diễn ra nhanh và tốt hơn

Hình 3.9 Kích thước thiết kế của đuôi nguội chậm [6]

3.5.3 Miệng phun cho kênh dẫn nguội

Là ngõ nối kênh dẫn vào lòng khuôn Miệng phuncó chức năng rất quan trọng là điền đầy nhựa lỏngvào lòng khuôn vì thế việc tính toán và bố trí miệng phun có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm

Hình 3.10 Vị trí của miệng phun trên khuôn [6]

3.5.3.1 Miệng phun cắt bằng tay

Miệng phun cắt bằng tay là loại miệng phun dính theo sản phẩm sau khi ép phun Do đó, với loại miệng phun này ta thường thiết kế nhỏ ở mức có thể để đảm bảo tính thẩm mỹ cho sản phẩm

Một vài lý do để dùng miệng phun cắt bằng tay:

- Sản phẩm cần miệng phun lớn đển điền đầy tốt

- Sản phẩm làm bằng vật liệu ít biến dạng

- Cần tiết diện rộng để có sự phân phối lưu lượng đồng thời, nhờ

đó mà các phân tử sợi đạt được sự định hướng đặc trưng

3.5.3.2 Miệng phun tự cắt

Miệng phun tự cắt là loại miệng phun tự rời sản phẩm sau khi khuôn

mở Điều này đạt được nhờ kết cấu cấu khuôn (khuôn 3 tấm) hoặc hệ thống cuống phun và sản phẩm

Một số lý đo để sử dụng cuống phun kiểu tự cắt

- Không phải thêm nguyên công cắt để hoàn thiện sản phẩm

- Tính thẩm mỹ của sản phẩm

- Giữ thời gian chu kỳ cần thiết không đổi qua các lần phun

3.5.4 Phân loại miệng phun cắt bằng tay

3.5.4.1 Miệng phun trực tiếp

Loại miệng phun trực tiếp thường dùng cho các khuôn có 1 lòng khuôn nơi mà vật liệu được điền đầy vào khuôn một cách trực tiếp mà không thông qua hệ thống kênh dẫn Vì vậy, việc mất áp trong quá trình điền đầy là rất bé

Tuy nhiên, nhược điểm của loại miệng phun này là để lại vết cắt lớn trên bề mặt sản phẩm Sự co rút được quyết định bởi bề dày của sản phẩm và đường kính miệng phun

Hình 3.11 Miệng phun trực tiếp và vết cắt của nó [6]

3.5.4.2 Miệng phun kiểu băng

Miệng phun kiểu băng thường dùng để làm giảm ứng suất trong lòng

khuôn và ngăn ngừa lỗi tạo đuôi cho chi tiết phẳng và mỏng Ứng suất sinh ra trong lòng khuôn sẽ tập trung ở băng và sẽ được cắt bỏ sau khi ép phun

Phun kiểu băng phù hợp cho các loại nhựa: PP, SAN, Acrylic

Hình 3.12: Miệng phun kiểu băng [6]

3.5.4.3 Miệng phun kiểu đĩa

Miệng phun kiểu đĩa thường dùng cho các chi tiết dạng trụ rỗng và có yêu cầu cao về độ đồng tâm và không có đường hàn

Hình 3.13: Miệng phun kiểu đĩa [6]

3.5.4.4 Miệng phun cạnh

Là loại miệng phun thông dụng có thể dùng cho nhiều loại sản phẩm bởi kết cấu rất đơn giản và không cần độ chính xác cao

Hình 3.14: Miệng phun kiểu cạnh [6]

3.5.4.5 Miệng phun kiểu màng

Miệng phun kiểu màng phù hợp cho các sản phẩm lớn và phẳng (đặc biệt là sản phẩm bằng nhựa acrylic) Vì nó giảm sự cong vênh cho sản phẩm

vì nó phân bố nhựa đồng đều

Hình 3.15: Miệng phun kiểu màng [6]

Ngoài cách kiểu miệng trên ta còn nhiều loại miệng phun khác được sử dụng trong thực tế tuỳ vào những trường hợp riêng biệt như: miệng phun kiểu gối, miệng phun kiểu quạt, miệng phun kiểu vòng, miệng phun kiểu nan hoa

3.6 Hệ thống làm nguội

Để điều khiển nhiệt độ khuôn và giảm thời gian làm nguội, cần phải thiết kế hệ thống làm nguội hợp lý Điều này rất quan trong vì thời gian làm

nguội chiếm 50 – 60% toàn bộ thời gian của chu kì ép phun Trong đó quá trình làm lạnh có hiệu quả có thể làm giảm thời gian của cả chu kỳ

Phải điều khiển nhiệt độ khuôn để có dòng nhựa êm chảy vào khuôn,

để tránh việc làm nguội quá nhanh nên giữa nhiệt độ khuôn cao ở cuối dòng chảy Bên cạnh đó cũng cần lưu ý những điểm sau:

- Kênh làm nguội phải càng gần mặt phân khuôn càng tốt nhưng phải chú ý đến bộ bền cơ học của khuôn

- Kênh gần nguội phải đạt gần nhau nhưng cũng phải chú ý đến bộ bền của khuôn

- Đường kính kênh làm phải lớn hơn hoặc bằng 8 mm và giữ nguyên như vậy để tránh tốc độ chảy của các dòng chất lỏng khác nhau

- G:Váchlàmnguội (Baffels)

- H:Bộ điềukhiển nhiệt(Temperaturecontrollers)

3.7 Thiết kế khuôn theo tiêu chuẩn

3.7.1 Ưu điểm của khuôn tiêu chuẩn

Hiện nay, chi tiết khuôn tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong ngành thiết kế khuôn Nhưng đôi việc thiết kế cho những mục đích riêng biệt ta cũng không thể sử dụng chi tiết tiêu chuẩn, do những chi tiết này không đảm đảo được yêu cầu

Khi sử dụng chi tiết tiêu có được những ưu điểm sau :

- Các chi tiết luôn có sẵn trên thị trường

- Đảm bảo chất lượng

- Các chi tiết có dung sai nhỏ nên việc thay thế là dễ dàng

- Kích thước và vật liệu của những chi tiết này rất đa dạng có thể đáp ứng hầu hết các nhu cầu kỹ thuật của khuôn

- Những chi tiết tiêu chuẩn thì có giá thành rẽ hơn là tự chế tạo

- Sử dụng các chi tiết tiêu chuẩn làm giảm đáng kể thời gian thiết

kế cũng như chế tạo Do đó người thiết kế có thể tập trung vào các quá trình quan trọng khác, làm tăng năng suất

- Dể dàng trong việc sử dụng và lắp láp, điều này tạo thuận lợi cho việc bảo trì bảo dưỡng khuôn

- Việc sử dụng chi tiết tiêu chuẩn tạo thuận lợi cho việc thiết kế bằng phần mềm CAD – CAM , do đó làm giảm thời gian thiết kế cũng như gia công

3.7.2 Khuôn tiêu chuẩn Futaba

Để tiêu chuẩn hóa các loại khuôn, người ta tính toán và đưa chúng vào những tiêu chuẩn nhất định Do đó, tùy theo loại khuôn và kích thước khuôn

mà cách bố trí các chi tiết khuôn như chốt, bạc, bulong… sẽ khác nhau.Ở đây

chúng ta sẽ áp dụng tiêu chuẩn FUTABA của Nhật, gồm có các loại sau:

- Kiểu S: bơm keo trực tiếp.Trong đó gồm có:

 SA: có tấm đỡ phía dưới tấm đực

 SB: có thêm tấm bửng để lói sản phẩm

 SC: giống SA,nhưng không có tấm đỡ

 SD: giống SB,nhưng không có tấm đỡ

 SE,SF: kiểu khuôn dùng cho việc lấy đuôi keo bằng Robot

- Kiểu D: bơm keo gián tiếp.Trong đó gồm có các loại

DA,DB,DC,DD,DE,DF giống kiểu S.Ngoài ra còn có các kiểu E,F… nhưng chúng rất ít sử dụng

Hình 3.17: Một số loại khuôn theo tiêu chuẩn Futaba

3.8 Lý thuyết về vật liệu composite gỗ-nhựa

3.8.1 Đặc tính của vật liệu

Composite là tên gọi chung của các vật liệu được tạo nên bởi sự pha trộn các thành phần riêng lẻ Những thành phần riêng lẻ này nếu chỉ mình nó thì đặc tính và công dụng hoàn toàn khác Nhưng khi chúng kết hợp với nhau trong một quy trình hợp lý thì sẽ tạo nên một loại vật liệu có đặc tính cơ lý cao hơn hẳn Đó chính là vật liệu composite Nói cách khác composite là loại

vật liệu đa thành phần

Theo Enikolopyan, vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau Trong đó pha liên tục còn gọi là pha nền (matrix) Pha thứ hai là pha gia cường được phân bố gián đoạn được bao bọc bởi nền

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt,

có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp

3.8.2 Phân loại composite gỗ-nhựa

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của

vật liệu thành phần

3.8.1.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường

Composite cốt sợi: là composite được gia cường dạng sợi, nó có độ bền riêng và mô đun đàn hồi cao Ví dụ : Composite sợi thủy tinh, cacbon,