2.4.1. Quy chuẩn so sánh
Với mục tiêu nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite, do đó nghiên cứu sử dụng tài liệu QCVN 56: 2013/BGTVT là tài liệu làm cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu composite trong đóng tàu.
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân cấp và đóng tàu chất dẻo cốt sợi thủy tinh do cục đăng kiểm Việt Nam biên soạn, Bộ Khoa học và Công nghệ thẩm định, Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải ban hành theo Thông tư số 06/2013/TT- BGTVT ngày 02 tháng 05 năm 2013.
Kích thước các cơ cấu thân tàu quy định trong Quy chuẩn được áp dụng cho các tàu FRP tạo hình bằng sợi thủy tinh bao gồm tấm sợi băm và vải sợi thô có độ bền quy định:
(1) Độ bền kéo: 98 N/ mm2
(2) Môđun đàn hồi kéo: 6,86.103 N/ mm2
(3) Độ bền uốn: 150 N/ mm2
(4) Môđun đàn hồi uốn: 6,86.103 N/ mm2
2.4.2. Quy phạm chế tạo thử nghiệm
Ngoài Quy chuẩn sử dụng làm cơ sở để đánh giá thì nghiên cứu sử dụng các Quy phạm hiện hành để xác định kích thước mẫu thử và quy trình thử nghiệm của vật liệu composite: ASTM, ISO, TCVN.
2.5. Thiết bị thử nghiệm
a. Thử độ bền kéo, uốn, nén
Thử nghiệm cơ tính vật liệu về độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn được tiến hành trên máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS tại phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang.
Thông số kỹ thuật của máy: Nước sản xuất: Anh
Năm sản xuất: 1997
+ Lực tác dụng: Phạm vi: 50 – 50.000 N Độ chính xác: 0,1 N
+ Tốc độ thử: Phạm vi: 0,005 – 500 mm/phút Độ chính xác: 0,001mm/phút
Hình 2.23. Máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS [2]
b. Thử độ bền va đâp
Thử nghiệm cơ tính vật liệu về độ bền va đập được tiến hành trên máy đo sức bền va đập Tinius olsen tại phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang.
Thông số kỹ thuật của máy:Nước sản xuất: Mỹ Năm sản xuất: 1998
+ Lực hấp thụ: Phạm vi: 0 – 406 J Độ chính xác: 0,5 J
+ Loại vật liệu thử: thép, composite, các kim loại khác...
c. Thử độ mài mòn
Độ mài mòn được tiến hành trên máy Taber Abraser- 5131 (Mỹ).
Với bánh thử mài mòn Calibrase CS - 10. Tải trọng đặt lên 2 bánh xe thử mài mòn có thể thay đổi từ 250- 1000g. Thông thường với vật liệu Polymer composite chịu mài mòn thì tải trọng đặt lên 2 bánh xe là 1000 g. Tốc độ quay của máy 60 vòng/phút.
Môi trường đo không khí - nhiệt độ 25oC - độ ẩm 50 ±2%.
Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật lạnh- Trung tâm thí nghiệm- thực hành- Trường Đại học Nha Trang.
Hình 2.25. Máy Taber Abraser- 5131 (Mỹ)
d. Thử độ hấp thụ nước
Mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi và được để trong bình hút ẩm trong vòng 24 giờ. Cân mẫu trên cân phân tích với độ chính xác 10-4g rồi ngâm mẫu trong nước cất tại nhiệt độ phòng. Sau một thời gian nhất định lấy ra thấm khô bằng giấy lọc và cân lại, thời gian cân không quá 1 phút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Chuẩn bị mẫu- Trung tâm thí nghiệm- thực hành- Trường Đại học Nha Trang.
Cân phân tích AY200 - Xuất xứ: Shimadzu - Nhật - Thang cân tối đa: 220g - Độ chính xác: 0.0001g - Màn hình hiển thị LCD - Đơn vị cân: tlh, tls, tlt, lb, oz - Điện thế: 230V/50Hz
Tủ ấmINE500
- Xuất xứ: Memmert- Đức - Thể tích sử dụng: 108 lít - Thang nhiệt độ: 5oC – 70oC
- Cài đặt thời gian bằng điện tử từ 0 – 999h hoặc liên tục - Sai khác nhiệt độ: 0.05oC tại 37oC
- Giao động nhiệt độ: 0.7oC tại 37oC - Điện thế: 230V/50Hz
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Như đã được trình bày trong các phần trên, việc đánh giá khả năng sử dụng kiểu kết cấu vật liệu composite cốt sợi basalt trong đóng tàu được thực hiện dựa trên cơ sở so sánh các chỉ số về mặt cơ tính, tính kinh tế và tác hại đến môi trường so với vật liệu composite cốt sợi thủy tinh đang sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu thủy hiện nay.
Trên cơ sở đó đề xuất giải quyết vần đề đặt ra theo các nội dung chính như sau: 1. Lựa chọn loại vải sợi basalt dạng dệt trực hướng tương tự như sợi thủy tinh đang sử dụng trong đóng tàu composite, không sử dụng tấm mat gia cường.
2. Tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm theo hai phương: phương 1(theo chiều cuộn vải), phương 2(chiều vuông góc với cuộn vải) và so sánh theo tiêu chuẩn.
3. Sau thực nghiệm và tính toán đẩy đủ các thông số vật liệu composite cốt sợi basalt và vật liệu composite cốt sợi thủy tinh tiến hành sử lý số liệu, so sánh về tính chất cơ học, tính kinh tế của vật liệu và đưa ra kết luận về khả năng ứng dụng của sợi basalt trong công nghiệp đóng tàu composite.
3.1. Lựa chọn tổ hợp vật liệu 3.1.1. Vật liệu nền 3.1.1. Vật liệu nền
Với mục tiêu nghiên cứu đã trình bày, nhựa nền được sử dụng là nhựa polyester không no đang được sử dụng làm vỏ tàu composite tại Viên nghiên cứu và chế tạo Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang.
Phụ thuộc vào thời gian nghiên cứu và loại nhựa hiện có tại thời điểm làm thực nghiệm, nghiên cứu sử dụng hai loại nhựa cho hai lần chế tạo mẫu thí nghiệm:
(1) Nhựa 8201 sản xuất ở Malaysia: Được dùng chủ yếu làm các chi tiết gân gia cường hoặc các chi tiết khác không cần nhiều đến cơ tính cao.
(2) Nhựa Reversol P9509NW sản xuất ở Malaysia: Được dùng làm vỏ tàu do có cơ tính cao.
Ngoài ra còn sử dụng thêm các chất xúc tác: chất xúc tác đóng rắn MEPOXE, chất chống dính.
3.1.2. Vật liệu cốt
Vật liệu cốt sử dụng trong nghiên cứu là sợi basalt, sợi thủy tinh.
Sợi thủy tinh sử dụng hai loại sợi:
(1) Sợi thủy tinh WR800: là sợi có tỷ trọng 800 g/m2, sản xuất ở Trung quốc. Dạng vải dệt với hướng sợi là 00 /900 được phân bố đều nhau. Là loại vải sợi gia cường đang được sử dụng làm vỏ tàu composite hiện này.
(2) Sợi thủy tinh WR120: là sợi có tỷ trọng 120 g/m2, sản xuất ở Trung quốc. Dạng vải dệt với hướng sợi là 00 /900 được phân bố đều nhau. Là loại vải sợi gia cường đang được sử dụng bọc lớp ngoài cùng của vỏ tàu, dùng bọc vỏ tàu gỗ.
3.2. Chế tạo mẫu thử
Quá trình chế tạo mẫu thử thực hiện theo trình tự sau: 1. Xác định đặc điểm hình dạng và số lượng mẫu thử a. Đối với mẫu thử kéo, uốn
Đặc điểm hình dạng mẫu thử
Mẫu thử được thiết kế và chế tạo theo các tiêu chuẩn của Việt Nam [5]. Để thuận tiện cho việc so sánh tiến hành chế tạo các mẫu thử của các vật liệu composite cốt sợi basalt và composite cốt sợi thủy tinh có cùng kích thước. Mẫu có chiều dày t ≥ 3 mm.
Hình 3.1 giới thiệu kích thước của mẫu thử kéo (hình a) và mẫu thử uốn (hình b). Số lượng mẫu thử
Cắt các mẫu thử vật liệu theo các kích thước như hình 3.1. theo quy chuẩn đóng tàu, mỗi lần thử 5 mẫu và lấy giá trị trung bình.
số mẫu thử kéo: sợi basalt 3x5 mẫu + sợi glass 2x5 =25 mẫu Số mẫu thử uốn: 25 mẫu
Hình 3.1. Mẫu thử kéo (a) và uốn (b) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(b) (a)
b. Đối với mẫu thử nén và va đập
Mẫu thử được thiết kế và chế tạo theo các tiêu chuẩn ASTM D695 [13]tiêu chuẩn thử nén và ASTM D256 [12] tiêu chuẩn thử va đập . Để thuận tiện cho việc so sánh tiến hành chế tạo các mẫu thử thì chỉ chế tạo và thử nghiệm mẫu vật liệu composite cốt sợi basalt và so sánh với kết quả trước đó đã thử nghiệm tại Viện nghiên cứu. Mẫu thử có kích thước va đập 55 x 10 x 10 mm, mẫu thử nén có kích thước 65 x 10 x10 mm.
Số lượng mẫu thử
Cắt các mẫu thử vật liệu theo các kích thước trên, theo quy chuẩn đóng tàu, mỗi lần thử 5 mẫu và lấy giá trị trung bình.
Số mẫu thử nén: 5 mẫu Số mẫu thử va đập: 5 mẫu c. Đối với mẫu thử mài mòn Đặc điểm hình dạng mẫu thử
Độ mài mòn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1044 - 94 [12] hay theo tiêu chuẩn JIS K7204 - 1997.
Mẫu thử độ mài mòn hình chữ nhật kích thước 100 x 100 mm. Khoan lỗ15 ở giữa. Mẫu được mài nhẵn, mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi và được để trong bình hút ẩm trong vòng 24 giờ.
Số lượng mẫu thử
Cắt các mẫu thử vật liệu theo các kích thước trên, theo quy chuẩn đóng tàu, mỗi lần thử 5 mẫu và lấy giá trị trung bình.
số mẫu thử: sợi basalt 5 mẫu + sợi glass 5 =10 mẫu d. Đối với mẫu thử độ hập thụ nước
Đặc điểm hình dạng mẫu thử
Được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D570- 98 hay ISO 62: 1999 [17].
Mẫu có hình dạng tròn hoặc khối hộp vuông 50 x 50 x 3mm. Mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi và được để trong bình hút ẩm trong vòng 24 giờ. Cân mẫu trên cân phân tích với độ chính xác 10-4 g rồi ngâm mẫu trong nước cất tại nhiệt độ phòng. Sau một thời gian nhất định lấy ra thấm khô bằng giấy lọc và cân lại, thời gian cân không quá 1 phút.
Cắt các mẫu thử vật liệu theo các kích thước như trên, theo quy chuẩn đóng tàu, mỗi lần thử 5 mẫu và lấy giá trị trung bình.
số mẫu thử: sợi basalt 5 mẫu + sợi glass 5 =10 mẫu 2. Chế tạo mẫu thử
Gia công mẫu bằng tay, sau khi chuẩn bị vải sợi basalt và sợi thủy tinh theo mẫu, và nhựa polyester không no theo khối lượng tỉ lệ đã tính trước đó theo chiều dày mẫu và tỉ lệ nhựa sợi. Làm sạch và đánh bóng khuôn mẫu, bôi chất chống dính lên mặt khuôn, pha đông chất xúc tác đông rắn vào nhựa và bắt đầu gia công mẫu composite. Sau khi đắp hết sợi, để mẫu khô trong vòng 24h, sau đó tách khuôn cân kiểm tra lại sản phẩm. Tiếp theo gia công mẫu theo kích thước tiêu chuẩn để thử nghiệm.
Chọn tỉ lệ thường được sử dụng trong đóng tàu để chế tạo mẫu thử, tỉ lệ chọn là 60% sợi và 40% nhựa theo khối lượng. Tỉ lệ pha đông rắn 7 cc/1kg nhựa. Sử dụng chế tạo mẫu theo hai phương, phương 1 (phương cùng chiều với cuộn vải), phương 2 (phương vuông góc với chiều cuôn vải).
Đối với mẫu nén và va đập thì chiều dày mẫu tối thiểu lớn hơn 10 mm, do đó chia làm 3 lần đánh mẫu, mỗi lần đánh mẫu xong chờ khô mới đánh mẫu lần tiếp theo.
Hình 3.2. Hình gia công mẫu và tách mẫu cân kiểm tra
Sau khi mẫu khô, vạch dấu và gia công theo kích thước theo tiêu chuẩn, sử dụng máy cắt và dưỡng mẫu đễ gia công.
Hình 3.4. Mẫu kéo và mẫu uốn sau khi gia công
Hình 3.5. Mẫu nén và mẫu va đập sau khi gia công 3.3. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu
3.3.1. Độ bền kéo
Sau khi chuẩn bị mẫu xong, đánh số và đo lấy kích thước từng mẫu, khởi động máy, khởi động phần mềm, cài đặt chế độ đo, chỉnh khoảng cách hai ngàm bằng 115mm, khai báo các kích thước mẫu, đặt đơn vị đo. Đặt vận tốc chuyển động của máy 1mm/min,reset các đơn vị về giá trị không. Nhấn nút start để máy chạy, khi lực tăng lên đến giá trị cực đại tương ứng mẫu bị phá hủy khi đó lực giảm dần, xuất kết quả và đồ thị, tiến hành thử mẫu tiếp theo.
Trong thí nghiệm kéo đầu tiên, sử dụng vật liệu là sợi basalt phương 1, sợi thủy tinh WR800 phương 1, nhựa nền là nhựa polymal 8201. Chế tạo mẫu vật liệu và so sánh kết quả. Với chiều dày mẫu theo tiêu chuẩn t ≥ 3 mm, do đó số lớp mẫu composite cốt sợi bsalt có 18 lớp, mẫu composite cốt sợi thủy tinh WR800 có 4 lớp. Sau khi chế tạo và thử nghiệm 6 mẫu kéo với mỗi loại vật liệu, số liệu được xử lý tính toán bằng phần mềm excel. Việc kiểm tra, đánh giá chất lượng mẫu chế tạo thử nghiệm bằng sự biến dạng trên mẫu sau khi thử nghiệm và kết quả cho thấy sự tương
Kết quả thử nghiệm cho thấy độ bền kéo và modul đàn hồi kéo mẫu composite cốt sợi basalt nhỏ hơn so với mẫu composite cốt sợi thủy tinh và cả hai mẫu đều không đạt tiêu chuẩn về độ bền kéo đối với vật liệu composite theo quy chuẩn QCVN 56: 2013/BGTVT, điều này cho thấy được vật liệu sợi basalt tỷ trọng 175 g/m2 chưa thể ứng dụng vào làm vỏ tàu composite trên nền nhựa polyester không no hiện nay do cơ tính thấp hơn vật liệu composite cốt sợi thủy tinh 800 g/m2, và nhựa nền 8201 cũng không đáp ứng được về độ bền theo tiêu chuẩn.
Hình 3.6. Thử kéo vật liệu Bảng 3.1. Kết quả thử kéo lần 1 Vật liệu Lần thử nghiệm Kích thước mẫu (mm) Ứng suất kéo (σK)
Modul đàn hồi kéo (MK)
Dài Rộng KG/mm2 MPa KG/mm2 MPa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Glass 1 24.98 3.09 26.45 259.4 737.92 7236.5 2 24.77 3.09 28.88 283.2 766.06 7512.5 3 25.07 3.01 23.51 230.6 639.37 6270.1 4 24.78 2.94 27.24 267.1 582.54 5712.7 5 25.08 3.03 19.38 190.1 599.63 5880.3 6 25.27 2.95 27.94 274 584.29 5729.9 TB 26.29 257.8 651.63 6390.3 Basalt 1 24.9 3.58 21.49 210.7 441.18 4326.5 2 25.38 3.5 19.59 192.1 354.18 3473.3 3 25.31 3.58 20.82 204.2 631.32 6191.1 4 25.51 3.41 21.80 213.8 533.49 5231.7 5 25.1 3.45 19.38 190.1 440.40 4318.8 6 24.61 3.61 22.47 220.4 536.57 5261.9 TB 21.01 206 489.52 4800.5
a)
Trong lần thí nghiệm kéo thứ hai, sử dụng vật liệu là sợi basalt phương 1 và phương 2, sợi thủy tinh WR120 phương 2, nhựa nền là nhựa reversol P9509NW. Chế tạo mẫu vật liệu và so sánh kết quả. Với chiều dày mẫu theo tiêu chuẩn t ≥ 3 mm, do đó số lớp mẫu composite cốt sợi bsalt có 18 lớp, mẫu composite cốt sợi thủy tinh WR120 có 28 lớp. Sau khi chế tạo và thử nghiệm 6 mẫu kéo với mỗi loại vật liệu, số liệu được xử lý tính toán bằng phần mềm excel. Việc kiểm tra, đánh giá chất lượng mẫu chế tạo thử nghiệm bằng sự biến dạng trên mẫu sau khi thử nghiệm và kết quả cho thấy sự tương đồng giữa các mẫu. Kết quả trình bày ở bảng 3.3.
Kết quả thử nghiệm cho thấy độ bền kéo mẫu composite cốt sợi basalt lớn hơn nhiều so với mẫu composite cốt sợi thủy tinh, điều này cho thấy được khả năng thích ứng của sợi basalt trên nền nhựa polyester là tốt, và phù hợp với kết quả nghiên cứu đã công bố trước đó là sợi basalt còn tương thích với hầu hết các loại nhựa như epoxy, polyester, nhựa vinyl ester, phenolic, melamine, và hệ nhựa polyurethane [21].
Cả hai lần thử nghiệm mẫu composite gia cường bằng sợi basalt có modul đàn hồi kéo lớn hơn mẫu vật liệu composite cốt sợi thủy tinh và đều đạt tiêu chuẩn về độ bền kéo đối với vật liệu composite theo quy chuẩn QCVN 56: 2013/BGTVT. Và so về phương sợi thì vật liệu composite cốt sợi basalt theo phương 1 có độ bền kéo và modul đàn hồi kéo lơn hơn so với vật liệu composite cốt sợi basalt theo phương 2. Kết quả này có thể do sai khác trong quá trình gia công.
Hình 3.8. Mẫu bị phá hủy sau khi thử nghiệm
Bảng 3.2. Tỉ lệ % thực tế nhựa và sợi của mẫu sau khi khô