Vật liệu sợi thủy tinh trong công nghệ chế tạo thanh cốt composite polymer được nghiên cứu lựa chọn là sợi E-Glass… Tỷ lệ sợi thủy tinh trong thành phần cốt composite [r]
(1)TỐI ƯU HĨA CÁC YẾU TỐ CƠNG NGHỆ TRONG CHẾ TẠO VẬT LIỆU CỐT COMPOSITE POLYMER
ThS. BÙI THỊ THU PHƯƠNG
Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam
PGS.TS. NGUYỄN VÕ THƠNG
Viện Khoa học Cơng nghệ Xây dựng
TS. NGUYỄN THẾ HÙNG
Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tóm tắt: Vật liệu cốt composite polymer có ưu thế vượt trội ứng suất kéo cao thép truyền thống đến 1,5-2 lần, nhẹ đến lần, có thể dùng cho cơng trình có u cầu đặc biệt Mục tiêu nghiên cứu tối ưu hóa yếu tố cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình chế tạo vật liệu Từ bước làm chủ cơng nghệ lõi làm chủ hồn tồn hệ thống dây chuyền sản xuất thép cốt composite polymer Việt Nam.
1 Mở đầu
Vật liệu sợi thủy tinh công nghệ chế tạo cốt composite polymer nghiên cứu lựa chọn sợi E-Glass… Tỷ lệ sợi thủy tinh thành phần cốt composite polymer giới phổ biến mức 60-75% Trong công nghệ này, sợi thủy tinh nhúng thấm đẫm nhựa epoxy Một lượng chất đóng rắn bổ sung vào mẻ liệu cho thời gian đông cứng phù hợp với giai đoạn Do đó, việc nghiên cứu tỷ lệ chất đóng rắn q trình chế tạo vơ quan trọng Chất lượng cốt composite polymer phụ thuộc vào tốc độ kéo sợi qua buồng gia nhiệt dài Tốc độ chậm không đảm bảo suất Ngược lại, tốc độ kéo nhanh q trình đóng rắn xảy lớp bề mặt Nhiệt độ ống gia nhiệt đóng vai trị quan trọng suốt q trình đóng rắn cốt composite polymer Nếu gia nhiệt cao dẫn đến cháy bay keo epoxy cách cục Nếu gia nhiệt thấp thép composit mềm chưa kịp đóng rắn [1,2]
Như ba yếu tố cơng nghệ tỷ lệ chất đóng rắn, tốc độ kéo sợi thủy tinh nhiệt độ đóng rắn Các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng cốt composite polymer Chất lượng thép thể thơng qua đặc tính lý nói chung sản phẩm cuối cùng, đặc biệt ứng suất kéo Như chế độ công nghệ tối ưu chế độ cho phép thu ứng suất kéo cao nhất, tức tổ hợp ba yếu tố cơng nghệ (tỉ lệ đóng rắn, tốc độ kéo nhiệt độ đóng rắn) cho ứng suất kéo đạt giá trị max Chế độ công nghệ tối ưu nghiên cứu mơ hình quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố: tỷ lệ chất đóng rắn, tốc độ kéo sợi thủy tinh nhiệt độ đóng rắn ống gia nhiệt tương quan hàm mục tiêu ứng suất kéo cốt composite polymer
2.Vật liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu thiết bị
Vật liệu
- Sợi thủy tinh E-Glass;
- Nhựa Epoxy;
- Chất đóng rắn
Thiết bị
(2)
Hình Hệ thống dây chuyền sản xuất cốt composite polymer
2.2 Phương pháp nghiên cứu a Nghiên cứu lý thuyết
Theo yêu cầu toán, yếu tố đầu vào chọn ảnh hưởng đến đặc tính lý vật liệu gồm: tỷ lệ chất đóng rắn -X1(%), tốc độ kéo sợi thủy tinh -X2(m/ph), nhiệt độ đóng rắn -X3(oC) Hàm hồi quy chọn ứng suất kéo vật liệu
Hình Mơ hình qui hoạch thực nghiệm chế tạo cốt composite polymer Để mơ tả q trình thực nghiệm tương thích
bằng mặt phi tuyến, tiến hành qui hoạch thực nghiệm cấp II nhằm cung cấp tối đa thông tin để người nghiên cứu đạt kết tốt nhanh tiết kiệm Phương án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp II dùng để xác định giá trị tối ưu hàm mục tiêu Hàm mục tiêu có dạng:
1 2 3
Y X , X , X Ứng suất kéo phải tiến đến giá trị Max điều chỉnh yếu tố công nghệ X1, X2 X3 [3] Do dẫn đến việc giải tốn tối ưu: xác định cực trị hàm mục tiêu:
1 2 3
Y m ax m ax Y X , X , X b.Nghiên cứu thực nghiệm
Sơ đồ công nghệ chế tạo cốt composite polymer tổng quát
Chế tạo cốt composite polymer từ sợi thủy tinh E-Glass nhựa Epoxy bao gồm ba cơng đoạn hình 3:
1
X - Chất đóng rắn(% )
2
X - Tốc độ kéo sợi thủy tinh(m/p)
3
X - Nhiệt độ đóng rắn (o C)
Dây chuyền công nghệ chế tạo
thanh cốt composite
polymer
(3)Hình Sơ đồ công nghệ tổng quát chế tạo thép thủy tinh
Mô tả công nghệ:
Công nghệ chế tạo cốt composite polymer công nghệ kéo liên tục bó sợi thủy tinh tẩm epoxy qua dây chuyền công nghệ chuyên dụng Trong thực nghiệm này, mẫu cốt composit polymer có đường kính 10, chế tạo qua giai đoạn:
Giai đoạn 1: Hòa trộn nhựa epoxy với sợi thủy tinh Để chế tạo cốt composit polymer 10 cần 10 cuộn phôi sợi thủy tinh phân phôi bánh xích lơ kéo sợi Sợi thủy tinh thấm đẫm keo nhựa thùng chứa keo epoxy có pha trộn chất đóng rắn với tỉ lệ điều chỉnh
Giai đoạn 2: Định hình kích thước Để định hình kích thước thép đường kính 10, thực nghiệm chúng tơi sử dụng khn định hình có dạng lỗ hình trụ đường kính từ 10 Khn định hình dạng trụ có độ dài 50mm
Giai đoạn 3: Hóa cứng nhanh ống gia nhiệt Cơng nghệ composit có sử dụng epoxy thường đóng rắn chậm Có nghĩa màng
epoxy đóng rắn nhiệt độ thường (25-35C) kéo dài vài ngày Việc đóng rắn chậm thường áp dụng với loại bình bể kích thước lớn, khơng thể chế tạo buồng gia nhiệt lớn Tuy nhiên, cốt composite polymer vật có kích thước nhỏ theo mặt cắt ngang Vì kéo qua ống gia nhiệt nhỏ, đủ dài Như ta tiến hành hóa cứng nhanh epoxy Chế độ hóa cứng điều chỉnh nhiệt độ ống gia nhiệt thời gian mà cốt thủy tinh mềm dẻo di chuyển lòng ống gia nhiệt Tốc độ kéo bó sợi ống gia nhiệt định thời gian hóa cứng
3 Thực nghiệm
3.1 Các thơng số kỹ thuật q trình thực nghiệm
Mục tiêu thực nghiệm xác định tỷ lệ chất đóng rắn thùng chứa keo epoxy, tốc độ kéo sợi thủy tinh qua thùng chứa keo nhiệt độ đóng rắn ống gia nhiệt [4] Các thơng số thí nghiệm bảng
Bảng 1. Thông số kỹ thuật thực nghiệm
TT Thông số kỹ thuật Giá trị
1 Tỷ lệ trộn sợi thủy tinh, nhựa epoxy 65/35 Quan hệ số bó sợi đường kính composit sợi thủy tinh 10 bó sợi Đường kính lỗ hình trụ 10 Chiều dài ống gia nhiệt 12000 mm Phương pháp gia nhiệt Tự động Tốc độ di chuyển composit ống gia nhiệt m/ph Công suất mô tơ 1,1 kW
3.2 Mô hình hóa tốn theo quy hoạch trực giao cấp II
(4)lý thuyết, thí nghiệm thăm dị kết quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp I tiếp tục tiến hành qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp II Với số lượng yếu tố cơng nghệ k=3, số thí nghiệm phương án trực giao toàn phần 2k=8, số thí nghiệm thực tâm n0=3, số thí nghiệm thực điểm (*) trục tọa độ 2k=6 Như tổng số thí nghiệm phải làm phương án trục giao cấp II N=2k+2k+n0=17 Điểm điểm cách tâm thực khoảng gọi cánh tay địn tính theo cơng thức:
2 N.2k 2k (1) Từ tính được: 2
1,831 1,35
Để ma trận thực nghiệm trực giao ta đổi biến Xj2 thành biến phụ Xj’ tính theo cơng thức:
k
2
j j j
2
X X X 0,686
N (2)
Các mức yếu tố (mức sở, mức trên, mức dưới, mức (*) thể bảng
Bảng Mức yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II
Các mức
Các yếu tố ảnh hưởng Tỷ lệ chất đóng rắn X1 (
%)
Tốc độ kéo sợi thủy tinh X2 (m/ph)
Nhiệt độ đóng rắn X3 (oC)
Mức (+1) 12 1,2 150
Mức sở (0) 10 125
Mức (-1) 0,8 100
Khoảng biến thiên 0,2 25
Alpha (cánh tay đòn) +/- 1,35 +/- 1,35 +/- 1,35 Khi phương trình hồi quy cấp II có dạng:
0 1 2 3 12 23 13
2 2
11 22 33
Y b b X b X b X +b X X +b X X +b X X +
b X b X b X (3) Sau mã hóa biến tiến hành thí nghiệm, kết thực nghiệm bảng
Bảng Ma trận thực nghiệm trực giao cấp II
N Biến mã Biến phụ
Ứng suất kéo đo (N/mm2) X1 X2 X3 X12-0,686 X22-0,686 X32-0,686 Y
2k
1 1 0,314 0,314 0,314 545 1 -1 0,314 0,314 0,314 564 -1 0,314 0,314 0,314 541 -1 -1 0,314 0,314 0,314 530 -1 1 0,314 0,314 0,314 541 -1 -1 0,314 0,314 0,314 531 -1 -1 0,314 0,314 0,314 539 -1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 558
2k
9 -1,35 0 1,1365 -0,686 -0,686 561 10 1,35 0 1,1365 -0,686 -0,686 554 11 -1,35 -0,686 1,1365 -0,686 535 12 1,35 -0,686 1,1365 -0,686 552 13 0 -1,35 -0,686 -0,686 1,1365 524 14 0 1,35 -0,686 -0,686 1,1365 549 no
15 0 -0,686 -0,686 -0,686 544 16 0 -0,686 -0,686 -0,686 546 17 0 -0,686 -0,686 -0,686 545 Các số liệu xử lý phần mềm MS
Excel phần mềm mô SciLab nhằm phân tích hệ số phương trình hồi quy cấp II, bề mặt đáp ứng tối ưu hóa hàm hồi quy Kiểm tra
(5)
1
2 2
1
Y 544,64 1,4X 1,06X 3,69X 3,7X X
4,59X 0,92X 3,69X (4) Ứng suất kéo cốt composit polymer
được mơ tả phương trình (4) Phương trình thể ảnh hưởng yếu tố công nghệ lên ứng suất kéo vật liệu
4 Kết thảo luận
Để tìm giá trị tối ưu yếu tố công nghệ cần xét mức độ ảnh hưởng tương tác cặp đôi hai yếu tố lên hàm hồi quy Ảnh hưởng tương tác cặp đôi yếu tố (khi yếu tố lại giữ mức trung tâm) lên ứng suất kéo thể bề mặt đáp ứng hình Bề mặt đáp ứng hàm hồi quy cho thấy giá trị
cao nằm vùng màu đỏ đậm vị trí uốn cong bề mặt
- Phương trình (4) cho thấy yếu tố X1 - % chất đóng rắn có tác động lớn đến hàm hồi quy, hay tỉ lệ chất đóng rắn ảnh hưởng lớn đến ứng suất kéo cốt composit polymer Hai yếu tố lại ảnh hưởng hơn, dẫn đến xuất tối ưu giá trị hàm hồi quy giá trị X2=-0,576, X3=-0,5 (hình 4a, 4b) tương ứng với giá trị thực tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,46 m/ph nhiệt độ gia nhiệt đạt 112,5 0C Như dễ dàng tìm giá trị tối ưu yếu tố X2 - Tốc độ kéo sợi thủy tinh X3 - Nhiệt độ đóng rắn
a) b)
(6)e) f)
Hình Bề mặt đáp ứng hàm hồi quy
- Hình 4c,d,e,f cho thấy nhiệt độ tăng vùng khảo sát từ -1 đến hai yếu tố lại mức tối ưu giá trị hàm hồi quy có xu hướng tăng chậm Để tìm giá trị tối ưu cho yếu tố cơng nghệ cịn
lại chúng tơi tiếp tục thực nghiệm thay đổi tỉ lệ chất đóng rắn với bước nhảy 0,5% tính từ tâm khảo sát Giá trị thực nghiệm ứng suất kéo thể hình
Hình Mối quan hệ tỉ lệ chất đóng rắn ứng suất kéo vật liệu tốc độ kéo
sợi thủy tinh nhiệt độ đóng rắn mức tối ưu
Kết thu hình cho thấy với 10,5% chất đóng rắn (tức biến mã X1 = 0,25) ứng suất kéo đạt giá trị cao đạt 553,1 N/mm2 Để kiểm tra tính phù hợp thơng số tối ưu tìm theo phương trình hồi qui từ thực nghiệm, thay giá trị tối ưu yếu tố đầu vào X1 = 0,25, X2 = -0,576, X3 vào phương trình hồi qui (4), ta được:Y 545,97 N/mm2 Kết thu thực tế giá trị ứng suất kéo 553,1 N/mm2 sai
lệch với lý thuyết tối ưu (545,97) khoảng 1,3% Độ sai lệch lý thuyết thực tế tương đối phù hợp
(7)
Hình 6 Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) cốt composit polymer điều kiện tối ưu với tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 0C
5 Kết luận
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II tìm giá trị tối ưu yếu tố công nghệ chế tạo cốt composit polymer: tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 0C Các kết tối ưu sử dụng chế tạo thực nghiệm cốt composit polymer có ứng suất kéo cao 553,1 N/mm2 Giá trị ứng suất kéo lớn 1,5 lần thép CB240-T (CI) đường kính
- Dây chuyền công nghệ chế tạo cốt composit polymer nên thiết kế, điều chỉnh phạm vi thông số cơng nghệ tối ưu nêu Từ làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống dây chuyền thiết bị, làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu cốt composit polymer sở sử dụng dây chuyền thiết bị hoàn toàn nội địa hóa Điều cho phép mở hướng nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ để tăng khả ứng dụng loại vật liệu cơng trình thủy lợi, cơng trình biển, đê kè, hầm ngầm, bến cảng, cơng trình xây dựng đặc thù khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Xuân Lượng (2003), Cơ học vật liệu composite, Nhà Xuất Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội
[2] Nguyễn Huy Tùng (2010), Hóa lý polymer, Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polymer, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3] Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Trâm (2012), Hội nghị Khoa học Vật liệu,
kết cấu công nghệ xây dựng, “Về vật liệu xây dựng - chất dẻo cốt sợi Composite FRP”, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, tr 212-215 [5] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực
nghiệm kỹ thuật, Nhà Xuất Khoa học và Kỹ Thuật
[6] Montgomery, Douglas C., Design and Analysis of Experiments (4th edition), New York John Wiley & Sons
Ngày nhận bài:15/8/2016