Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như kim loại, ceramic, polymer khi đứng riêng lẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao. Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời mấy chục năm gần đây đã đáp ứng được các yêu cầu đó, đã đáp ứng, ứng dụng và phát triển tới trình độ cao trong quy luật kết hợp – một quy luật phổ biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và công nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: từ ô tô máy bay cho đến các vật liệu chỉnh hình và hiện phát triển đến mức nhiều người cho rằng thế kỉ 21 sẽ là văn minh của composite.
4.1.1.1 Khái niệm
Composite bao gồm Com từ Complex và -posite từ position nghĩa là thành phần. Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có đặt tính sức bền cơ lý hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi mà những vật liệu này làm việc riêng lẻ. Nói cách khác vật liệu composite là vật liệu đa thành phần.
Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học, độ cứng cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau, tạo nên các kết cấu có khả năng chịu sự ăn mòn, chịu nhiệt trong môi trường khắc nghiệt.
4.1.1.2 Lịch sử ra đời
Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc composite lý tưởng.
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 là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Hay người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 27
Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông...
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột phá 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 và ô tô, vv…
4.1.1.3 Đặc điểm
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại composite 2 pha :
Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền.
Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt.
Trong vật liệu composite tỷ lệ hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế. Tuy nhiên, tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite.
4.1.1.4 Ưu, nhược điểm
Ưu điểm
Có nhiều loại chất làm nền và cốt được sử dụng để chế tạo composite. Mỗi loại composite cụ thể có tính ưu việt riêng. Do đó, cần có sự lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để áp dụng phù hợp với mục đích sử dụng.
Vật liệu composite 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,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt.
Chịu hóa chất, không sét rỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này đặc biết thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển.
Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên rất bền.
Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao.
Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy.
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 28
Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo dáng dễ dàng, đầu tư thiết bị và tổ chức sản xuất không phức tạp, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao…
Không thấm nước, không độc hại. Nhược điểm
Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất.
Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phương pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi mất thời gian.
Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp. 4.1.1.5 Phân loại
Vật liệu composite được phân biệt theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần. 1.1.5.1. Theo bản chất vật liệu nền và cốt
Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao),..), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo,nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C.
Composite nền khoáng (gốm): bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).
1.1.5.2. Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền.
Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên.
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 29 4.2 Một số phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite
4.2.1.1 Công nghệ lăn tay
Kỹ thuật lăn tay được thực hiện bằng cách tẩm ướt sợi thủy tinh với nhựa lỏng (có thể đã được pha hoặc chưa pha chất đóng rắn). Sản phẩm làm từ quy trình này là những sản phẩm quá lớn không thể sản xuất từ những phương pháp khác. Kỹ thuật này dùng để sản xuất các sản phẩm với số lượng ít và có đầu tư cho sản xuất tháp. Ví dụ: tàu thuyền, bồn chứa hóa chất, thùng xe tải…
4.2.1.2 Công nghệ súng phun
Kỹ thuật súng phun được sử dụng thay thế cho kỹ thuật lăn tay, mặt dù chúng có một số điểm khác nhau. Kỹ thuật này thường được sử dụng cho khuôn quá lớn không chuẩn bị sợi gia cường vì quá nặng không thể dùng tay được. Với kỹ thuật súng phun sản phẩm được hoàn thành nhanh hơn kỹ thuật đắp tay và có thể dùng kèm theo phương pháp phủ và có thể tự động hóa. Ta cũng có thể dùng kỹ thuật súng phun để sửa chữa hoặc gia cường thùng chứa kim loại ở bên trong hoặc bên ngoài, hồ bơi và các cấu trúc chống ăn mòn. Súng phun còn có thể sản xuất các pano bảo vệ máy, bồn tắm,…
4.2.1.3 Công nghệ pulltrusion
Đây là kỹ thuật dùng để sản xuất các sản phẩm profile composite bằng cách kéo sợi qua bộ phận tẩm ứơt nhựa, định hình và đóng rắn. Nguyên liệu sử dụng là dạng thủy tinh sợi roving kết hợp với nhựa nhiệt rắn ở dạng lỏng như nhựa polyester hay nhựa epoxy. Ngày nay kỹ thuật pultrusion được dùng rộng rãi ở Nhật, Thụy Sĩ, Anh, Đức …Các sản phẩm của phương pháp này thường có dạng ống hay thanh, được dùng trong kỹ thuật điện và chống ăn mòn.
4.2.1.4 Công nghệ đúc nén
Công nghệ này dùng máy dưới áp lực và có gia nhiệt, khuôn gồm 2 nửa đực và cái. Dưới áp lực của lực nén và cùng với gia nhiệt tại khuôn, phản ứng đóng rắn diễn ra làm cho sản phẩm đóng rắn hoàn toàn. Công nghệ này ứng dụng khi sản xuất với số lượng lớn , sử dụng áp lực nén cao phù kợp cho sản xuất các chi tiết lớn theo module và cho sản phẩm nhẵn cả hai mặt, hình dạng chính xác theo khuôn. Ở Việt Nam, công nghệ này dường như chưa được áp dụng do đầu tư thiết bị còn cao.
4.2.1.5 Công nghệ quấn sợi
Sản xuất những thùng chịu áp suất hình trụ, hình cầu. Làm sản phẩm dạng ống, các ống dẫn Oxy, gas và khí khác. Làm vỏ động cơ phản lực, cánh máy bay trực thăng, các bộ phận của tàu vũ trụ. Những thùng chứa rất lớn đặt ngầm dưới đất (để chứa xăng, dầu, muối, acid, kiềm, nước v.v…) . Nâng cấp, thay thế và sửa chữa tất cả các đường ống
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 30
trong đô thị, ống bằng vật liệu composite làm việc lâu bền, không bị ăn mòn, giảm sự phá hủy đường ống ngay cả ở áp suất cao.
Trong bài tiểu luận này nhóm em xin được trình bày công nghệ đúc- ép phun phản ứng RRIM.
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 31
CHƯƠNG 5. NỘI DUNG CÔNG NGHỆ RRIM
5.1 Khái quát chung
5.1.1.1 Giới thiệu
Ép nhựa phản ứng (phản ứng ép phun gọi RIM), một quá trình đúc công nghiệp. Quá trình hình thành một phản ứng tiêm phương pháp đúc, phương pháp này không được sử dụng trong một loại vật liệu polymer, nhưng với hai hoặc nhiều monomer lỏng hoặc prepolymer, một tỷ lệ phần trăm nhất định của đầu trộn được thêm vào trong trộn dưới áp lực, và ngay lập tức tiêm vào khuôn kín, điền đầy trong khuôn, tạo hình.
RRIM (reaction reinforced injection molading) là phương pháp được cải tiến từ phương pháp RIM.Phương pháp RIM là phương pháp dùng áp suất cao phun hỗn hợp nhựa hai thành phần vào trong khuôn kín. Phương thức cải tiến hơn so với phương pháp RIM ở chổ là có sử dụng thêm sợi gia cường để tăng thêm đặc tính cơ lý của sản phẩm.
RRIM là một sự lựa chọn tuyệt vời khi ổn định thuộc tính các vật liệu là các yêu cầu kỹ thuật lớn. Một phần nhựa có thể khác nhau về kích thước giữa nhiệt độ đông và nóng chảy. Điều này là do các polyme có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (CLTE) gần chục lần thép. Điều đó có nghĩa là gắn một phần vào khung thép có thể gây ra warpage không mong muốn như nhựa mở rộng và hợp đồng. Sự thay đổi này cũng có thể nghiêm trọng ảnh hưởng đến chức năng thành phần khi kết thích hợp là một tính năng quan trọng như một bảng điều khiển cửa.
5.2 Đặc điểm
Công nghệ này áp dụng cho nhựa nhiệt rắn như FRP.
Hỗn hợp nguyên liệu ở nhiệt độ thấp, được ép phun vào khuôn gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Nhờ có áp lực và nhiệt độ cao ở khuôn, phản ứng đóng rắn thực hiện toàn phần trong khuôn.
Công nghệ này tiến hành đồng thời các thao tác vừa ép phun vừa tạo phản ứng đóng rắn hoàn hảo hơn.
5.3 Nguyên liệu
Phương pháp này yêu cầu sợi gia cường liên tục và hỗn hợp nhựa liên kết với nhau. Yếu tố lựa chọn nguyên liệu dựa vào:
Tính kinh tế
Ảnh hưởng môi trường
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 32
Trọng lượng giới hạn
Độ bền sản phẩm hình thành
5.3.1.1 Một số loại vật liệu gia cường
Vật liệu gia cố làm giảm sự co rút của vật liệu, làm giảm sự nở vì nhiệt của vật liệu và giảm droop và chảy xệ của vật liệu nhựa ở độ cao cao hơn. Chỉ dùng được sợi gia cường rất ngắn, dưới dạng bột, dạng hạt hay sợi ngắn để bảo đảm hổn hợp nhựa sợi không bị nghẹt trong đường đi của hệ thống nên tính cơ lý của sản phẩm trên công nghệ.
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:
Tính gia cường cơ học.
Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
Phân tán vào nhựa tốt.
Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
Thuận lợi cho quá trình gia công.
Giá thành hạ, nhẹ.
5.3.1.2 Một số loại nhựa
Vai trò là chất nền gắn kết mọi thứ lại với nhau, cung cấp một cơ cấu truyền tải giữa sợi. Ngoài ra còn cung cấp độ kháng ăn mòn, bảo vệ cho sợi khỏi bị phá hủy từ bên ngoài, tạo độ dai composite khi va đập bề mặt, cắt, mài mòn hay khi vận chuyển
Nhiều loại nhựa như epoxy, polyeste,và polyurethan đã được phát triển cho các ứng dụng RRIM.
Polyester: Độ bền nhiệt cao, chịu va đập cao, tính chất điện môi cao.
Epoxy: Độ bền tốt nhất, đóng rắn ở nhiệt độ cao, kháng hóa chất tốt, độ nhớt cao, giá thành cao hơn Polyester.
Polyurethane: độ bền tốt, giữ nhiệt tốt, kháng hóa chất tốt, chịu va đập.
5.4 Dụng cụ và thiết bị
Hệ thống gồm các cụm chức năng: - Máy đo lường chất rắn - Máy bơm chân không
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 33
- Hệ thống bồn chưá Polyol và Isocyanate (ngăn chứa) - Hệ thống bơm xylanh định lượng (bơm định lượng) - Hệ thống bơm trộn
- Đầu phun trộn
Được điều khiển bằng hệ thống máy tính nên tính tự động hoá cao.Hỗn hợp nguyên liệu được vi định lượng thêm một lần nữa tại đầu trộn.
- Khuôn và hệ thống đóng khuôn.
5.5 Quy trình công nghệ
-Polyol và Isocyanate được bảo quản riêng rẽ trong hai bồn chứa. -Sợi gia cường thường được trộn chung với Polyol.
-Khi bắt đầu phun, van mở trong mixhead và các chất lỏng vào một buồng trong mixhead ở áp suất cao (thường là giữa 1.500 và 3.000 psi) và tốc độ cao. Nhờ hệ thống bơm điều hoà áp lực và bơm định lượng mà lượng nhựa được đưa vào đầu trộn với lượng rất chính xác nhằm đảm bảo tỉ lệ hổn hợp phản ứng.
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 34
-Ở đây chúng được trộn bằng với vận tốc cao va đập. Từ buồng trộn, hỗn hợp chất lỏng chảy vào khuôn ở áp suất khí quyển và trải qua một phản ứng hóa học tỏa nhiệt, tạo thành một polymer trong khuôn.
Thời gian phản ứng thường được tính bằng giây. Đối với các bộ phận rất lớn thời gian phản ứng có thể được mở rộng để cho phép điền đúng của khuôn.
GVHD:Th.s Nguyễn Hưng Thủy 35
Sơ đồ 1. 2 Sơ đồ hệ thống nhựa vào khuôn
Sự lựa chọn hổn hợp nhựa hai thành phần cần phải đáp ứng tuân theo những điều kiện sau:
- Tốc độ phản ứng hay đóng rắn tương đối nhanh.
- Độ nhớt của sản phẩm tạo thành phải tương đối thấp và tăng nhanh theo thời gian.
- Tuân theo các ràng buộc về kinh tế, máy móc thiết bị. - Đạt độ bền cơ lý và tính thẩm mỹ nhất định.
- Chu kỳ sản phẩm tương đối ngắn để sản xuất số lượng nhiều.