1.4.1. Các kết cấu cốt dệt dùng cho composite
Hiện nay vật liệu dệt đƣợc sử dụng rất nhiều để làm cốt cho vật liệu composite. Nhƣng chúng đƣợc phân loại theo những cách nhƣ sau:
- Cốt dệt 1 chiều: nhƣ các xơ trong sợi thô dùng làm cốt vải dệt kim - Cốt dệt 2 chiều: nhƣ các loại vải dệt thoi
- Cốt dệt 3 chiều: nhƣ các loại vải dệt thoi 3D, vải dệt kim
Các kết cấu cốt dệt dùng cho composite đƣợc tổng hợp nhƣ bảng dƣới theo Fukuta và các cộng sự
Hình 1.16. Hệ thống vải tổng hợp phân loại theo Fukuta et al 1.4.2. Kết cấu cốt vải dệt kim
1.4.2.1. Ưu nhược điểm của composite cốt vải dệt kim
Những ƣu điểm của vải dệt kim trong sản xuất vật liệu composite: - Tạo ra các loại hình dáng 3D phức tạp
45
- Cải thiện khả năng cán và đóng khuôn trong quá trình sản xuất - Dùng đƣợc các loại sợi nhƣ sợi thủy tinh, armid, PES
- Tốc độ sản xuất nhanh - Đặt sợi theo ý muốn.
1.4.2.2. Các kết cấu cốt vải dệt kim
Vải dệt kim 3D có thể chia làm 3 loại chính: - Vải nhiều lớp ( Multiaxial fabrics). - Vải 2 lớp
- Vải dệt kim với hình không gian
a. Vải nhiều lớp
- Đặc trƣng bởi nhiều lớp sợi đƣợc đặt theo các góc khác nhau và đƣợc gắn kết lại với nhau trong vải dệt kim đan dọc
- Vải nhiều lớp thƣờng dệt trên máy dệt kim đan dọc và sử dụng sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon.
- Các lớp sợi độc lập với nhau và các sợi đƣợc đặt dƣới các góc độ định sẵn: 00 ( sợi ngang), 900 ( sợi dọc) và các giá trị bất kỳ trong khoảng ± 300 cho đến ± 450
46 Vải đa trục dệt từ sợi thủy tinh với
độ bền chặt thấp
Vải đa trục dệt từ sợi thủy tinh với độ bền chặt cao
Hình 1.18. Vải đa trục dệt từ sợi thủy tinh
Vải đa trục làm từ sợi cacbon Vải đa trục làm từ sợi Kevlar
Hình 1.19. Vải đa trục làm từ sợi cacbon và sợi Kevlar
b. Vải dệt kim hình không gian
- Các loại vải dệt kim hình không gian đƣợc tạo ra dựa trên sự cần thiết để tạo các loại vải với hình dạng phức tạp giống với hình dạng của sản phẩm cuối cùng. - Tạo ra các loại hình dáng phức tạp nhƣ: + Hình ống + Hình cầu và bán cầu + Hình nón và nón cụt + Hình đa giác + Hình elip
- Phần mặt phẳng của vải 2D là một khu vực đặt thẳng góc, nơi các đƣờng dệt đƣợc đánh dấu để xác định hình dạng 3D cuối cùng của sản phẩm. Một loại vải 3D thu đƣợc bằng cách đặt nhiều đƣờng dệt với đặc điểm nhất định, lặp đi lặp lại
47
tạo thành các hình cơ bản trong vùng mặt phẳng hoặc không. Các đƣờng dệt có thể đƣợc xác định trên một vùng đƣợc dệt bằng một số kim, các vùng này tạo ra các hình không gian. Các đƣờng dệt này có 2 phần, tƣơng ứng với giảm số kim dệt hoặc tăng chúng.
Hình 1.20. Hàng dệt tạo hình trong chƣơng trình tạo vải dệt kim và trong vải thật
Hình 1.21. Mối tƣơng quan giữa hình dáng 3D và vải dệt kim 2D
- Một số ví dụ cụ thể trình bày về hình dạng 3D và mặt phẳng vải 2D
48
Hình 1.23. Hình ống cong
Hình 1.24. Hình đĩa
Hình 1.25. Hình hộp chữ nhật
Hình 1.26. Mũ bảo hiểm làm từ sợi aramid - theo lý thuyết, vải 2D và hình sản phẩm
49
c. Vải 2 lớp (sandwich)
Vải sandwich/spacer là một dạng cấu trúc 3D tạo bởi 2 lớp vải riêng biệt đƣợc liên kết với nhau bởi sợi dệt hoặc bằng lớp vải dệt kim
Độ dày của vải đƣợc xác định bởi chiều dài của sợi liên kết trên số lớp.
Hình 1.28. Lớp vải đệm làm bằng sợi thủy tinh
Hình 1.29. Đệm lƣới sử dụng cho dệt dày đặc
Có 3 cách chính để đa dạng hóa các loại vải sandwich và để có đƣợc các cấu trúc với hình dạng phức tạp
- Sử dụng các lớp liên kết có chiều dài khác nhau - Sử dụng các lớp liên kết có hình dạng khác nhau - Sử dụng các lớp vải ngoài riêng biệt
* Sử dụng các lớp liên kết có chiều dài khác nhau
Sự thay đổi chiều dài lớp vải liên kết sẽ làm thay đổi mặt cắt ngang của vải. Các hình dạng đƣợc tạo ra bởi các vị trí cụ thể của các sợi riêng biệt giữa các lớp liên tiếp.
Có 2 cách đƣợc đề cập:
+ Một là đƣa ra một thứ tự của các lớp vải liên kết với chiều dài khác nhau để xác định một hình xiên cho các lớp vải bên ngoài.
50
Hình 1.30. Vải sandwich với lớp kết nối có chiều dài thay đổi
+ Cách 2 là đƣa ra một chuỗi của hai lớp vải liên kết với độ dài khác nhau, kết hợp với lớp vải bên ngoài để tạo ra hiệu ứng góc vuông. Đây là trƣờng hợp với các vải có hình dạng chữ L và T.
Hình 1.31. Vải sandwich với hình chữ L
Hình 1.32. Vải sandwich với hình chữ T * Sử dụng các lớp liên kết có hình dạng khác nhau
Trong cách này hình dạng của vải đƣợc xác định trực tiếp dựa trên hình dạng của lớp liên kết.
51
Hình 1.34. Vải sandwich có lớp liên kết là hình thang chéo
Hình 1.35. Vải sandwich có lớp liên kết là hình elip
Hình 1.36. Vải sandwich có mặt cắt phức tạp * Sử dụng các lớp vải ngoài riêng biệt
- Dạng hoàn chỉnh của các lớp vải riêng biệt thu đƣợc bằng công nghệ giảm và tăng số kim làm việc, sử dụng giƣờng kim di chuyển.
52
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Từ những nghiên cứu tổng quan cho thấy:
Vật liệu composite cốt dệt đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng trên thế giới nhiều năm nay
Vật liệu composite cốt dệt có nhiều ƣu điểm vƣợt trội hơn so với vật liệu truyền thống nhƣ: Độ bền cơ học cao, kết cấu đa dạng, bền trong môi trƣờng hóa chất, công nghệ chế tạo không phúc tạp, nhẹ…
Composite cốt dệt có thể sử dụng ở dạng xơ, sợi, vải. Sợi các bon, thủy tinh đã đƣợc ứng dụng nhiều thực tế. Xơ, sợi, vải nguồn gốc thiên nhiên đã và đang đƣợc nghiên cứu nhiều hơn để ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp và gia dụng, từ đó cũng mở ra hƣớng phát triển mới cho các sản phẩm dệt.
Công nghệ chế tạo, nguyên liệu keo, kết cấu cốt để tạo ra vật liệu composite sẽ ảnh hƣởng nhiều tới các tính chất của vật liệu. Đặc biệt là khi sử dụng vải dệt kim làm cốt vật liệu composite
Do vậy trong đề tài này tác giả sẽ đi nghiên cứu ảnh hƣởng của kết cấu cốt đến một số tính chất của composite cốt vải dệt kim:
+ Chế tạo vật liệu composite cốt vải dệt kim đan dọc và keo nền polypropylen;
+ Nghiên cứu ảnh hƣởng kết cấu cốt đến tính chất cơ lý của vật liệu composite cụ thể là đo độ bền kéo đứt.
53
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu composite sử dụng nhựa nền polypropylen và cốt vải dệt kim đan dọc gia cƣờng từ nguyên liệu xơ polyeste.
Chế tạo composite cốt dệt với nhiều dạng kết cấu khác nhau: Vật liệu composite 2 lớp cốt, vật liệu composite 4 lớp cốt.
Để đánh giá đƣợc kết quả nghiên cứu, cần xác định khối lƣợng, đo độ dày, xác định độ bền kéo đứt.
Đánh giá ảnh hƣởng của kết cấu cốt đến tính chất vật liệu composite từ đó phân tích và đƣa ra kết luận.
2.2. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 2.2.1. Vải thí nghiệm 2.2.1. Vải thí nghiệm
Đề tài tập trung nghiên cứu vải dệt kim đan dọc sử dụng làm cốt để chế tạo vật liệu composite.
Kiểu dệt: Tricot 3 kim
Vật liệu sợi: Polyeste; loại sợi filament Mật độ dọc: 127 hàng vòng/100 mm Mật độ ngang: 125 cột vòng/100 mm Khối lƣợng vải: 65 g/m2
54
2.2.2. Nhựa polypropylen [10]
Nhựa polypropylen có cấu trúc hydrocacbon mạch thẳng, nó có nhiều đặc điểm giống polyetylen nhất là tính chất điện, nhƣng do có nhóm metyl trong mạch nên nó có nhiều tính chất khác nhƣ kém bền hơn với chất oxy hóa, nhiệt độ nóng chảy cao hơn khoảng 170OC, độ kết tinh cao hơn.
Nhận biết Polypropylen: cháy với ngọn lửa xanh nhạt có dòng chảy chất dẻo, có mùi cao su cháy (mùi xi gắn chai lọ). Không tan trong dung môi ở nhiệt độ thƣờng, chỉ tan trong dung môi Benzen (C6H6); Tetra cloruanetan (CCL4); Clorua fooc (CHCL3) ở nhiệt độ > 80oC.
Quá trình polyme hóa polypropylen đƣợc thực hiện dƣới dạng áp suất thấp: + Khối lƣợng phân tử Mw: 5000 g/mol
+ Nhiệt độ nóng chảy: 1700C
+ Khối lƣợng riêng: 0.855 g/m3
2.2.3. Vật liệu composite cốt vải dệt kim
Mẫu vật liệu composite sử dụng cốt vải dệt kim đan dọc và keo nền polypropylen với các kết cấu khác nhau:
+ Cắt màng PP và vải theo kích thƣớc 260 mm x 160 mm
+ Vật liệu composite gồm vải và màng PP đƣợc xếp xen kẽ nhau theo tỷ lệ phần khối lƣợng giữa vải và keo là: 45/55; 35/65; 25/75.
+ Sau khi tạo vật liệu xong đi thí nghiệm xác định mẫu vật liệu nào có độ bền đứt cao nhất thì tiến hành tạo vật liệu composite với 2 lớp cốt, 4 lớp cốt.
2.2.4. Thiết bị thí nghiệm
2.2.4.1. Thiết bị chế tạo vật liệu composite
Chế tạo vật liệu composite đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm dệt thoi C5_113, bộ môn công nghệ dệt, viện Dệt may da giầy và Thời trang - trƣờng ĐHBKHN.
55
Hình 2.2. Thiết bị tạo áp lực chế tạo vật liệu composite
Một số thông số kỹ thuật thiết bị:
- Kích thƣớc khuôn ép: 160 mm x 290 mm
- Đồng hồ đo áp lực nén: 0-3500 Psi hoặc 0-250 Kg/cm2 - Khoảng cách ban đầu 2 bàn ép: 85mm
- Sử dụng nguồn điện: 220v - Tốc độ gia nhiệt: 3oC/phút - Tốc độ giảm nhiệt: 2oC/phút
2.2.4.2. Thiết bị thử độ bền kéo giãn vật liệu
Thí nghiệm độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của vải và vật liệu composite đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm vật liệu dệt C5_115, bộ môn Vật liệu hóa dệt - viện Dệt may Da giầy và Thời trang - trƣờng ĐHBKHN trên thiết bị TENSILONRTC-1250A của hãng A&D Nhật Bản. Thiết bị đƣợc kết nối với máy tính và kết quả thí nghiệm vải và vật liệu composite đƣợc lƣu lại trong bộ nhớ máy tính (hình 2.3). Bàn gia nhiệt Thiết bị nâng bàn ép Đồng hồ đo áp lực Dụng cụ đo nhiệt độ (cảm biến nhiệt) Van khóa kích
56 Một số thông số của thiết bị:
- Tải trọng lớp nhất: 5 kN
- Tốc độ kéo lớn nhất: 1000 mm/phút - Độ chính xác đo lực: ±1%
- Độ chính xác đo tốc độ: ± 0.2% - Nguồn điện sử dụng: 220 v.
Hình 2.3. Thiết bị thử nghiệm độ bền kéo đứt
2.2.4.3. Thiết bị xác định khối lượng riêng
Thí nghiệm xác định khối lƣợng riêng của vải và vật liệu composite đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm dệt thoi C5_113, bộ môn công nghệ dệt, viện Dệt may Da giầy và Thời trang - Trƣờng ĐHBKHN trên thiết bị: Cân phân tích Mettler PM 6100 (Đức).
Một số thông số kỹ thuật: + Cân đo giá trị từ: 0,5 - 200 g + Độ chính xác: 0,1mg
57
Hình 2.4. Thiết bị thử nghiệm cân khối lƣợng
2.2.4.4. Thiết bị xác định độ dày
Thí nghiệm xác định độ dày của vải và vật liệu composite đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm, bộ môn công nghệ dệt, viện Dệt may Da giầy và Thời trang - trƣờng ĐHBKHN trên thiết bị: Máy đo độ dày Chuanlu (Trung Quốc)
+ Thang đo: 0 - 10 mm + Độ chính xác: 0,01 mm
58
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 2.3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Qua tìm hiểu, sƣu tập, phân tích và tổng hợp tƣ liệu về vật liệu composite nói chung và vật liệu composite cốt dệt nói riêng đã chỉ ra đƣợc khái niệm vật liệu composite, phân loại vật liệu composite, sự phát triển, công nghệ chế tạo và các ứng dụng vật liệu composite trong hầu hết các lĩnh vực từ đó mở ra hƣớng nghiên cứu mới về loại vật liệu này. Đặc biệt trong ngành dệt may đóng góp một phần không nhỏ trong quá trình tạo ra vật liệu composite.
Với mục tiêu đề tài chế tạo vật liệu composite cốt vải dệt kim đan dọc và keo nền polypropylen. Từ đó nghiên cứu ảnh hƣởng kết cấu cốt đến tính chất cơ lý của vật liệu composite cụ thể là đo độ bền kéo đứt. Tác giả cũng tìm hiểu các tính chất keo polypropylen và các tiêu chuẩn đánh giá một số tính chất vải dệt kim và vật liệu composite.
2.3.2. Phƣơng pháp thực nghiệm
Chế tạo vật liệu composite với tỷ lệ phần khối lƣợng giữa cốt vải và keo PP là: 45/55; 35/65; 25/75.
Chế tạo vật liệu composite với tỷ lệ có độ bền đứt cao nhất trong phạm vi đề tài nghiên cứu.
Xác định các tính chất vải dệt kim đan dọc và vật liệu composite cốt vải dệt kim theo các tiêu chuẩn ASTM, TCVN:
+ Xác định khối lƣợng (g/m2
): Sử dụng tiêu chuẩn TCVN 5793-1994. + Xác định độ dày: Sử dụng tiêu chuẩn TCVN 5071-2007.
+ Xác định độ bền kéo đứt: Vải dệt kim sử dụng tiêu chuẩn TCVN 5795- 1994. Vật liệu composite sử dụng tiêu chuẩn ASTM D3039.
2.3.3. Phƣơng pháp xử lý số liệu
Kết quả thu đƣợc sau thực nghiệm đƣợc tính toán theo công thức và đƣợc sử dụng phần mềm Microsof Office/ Excel vẽ biểu đồ, đồ thị và xử lý số liệu để so sánh các tính chất của vật liệu composite. Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này có thể chỉ ra rằng tỷ lệ cốt vải dệt kim nhƣ thế nào thì phù hợp và có ảnh hƣởng đến độ bền kéo đứt vật liệu.
59
2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.4.1. Chế tạo vật liệu composite 2.4.1. Chế tạo vật liệu composite
2.4.1.1. Chế tạo màng polypropylen
Bước 1. Chuẩn bị dụng cụ:
+ Giấy bóng, băng dính, dao trổ, kéo
+ Tấm kính đƣợc dán lớp giấy bóng tạo phẳng bề mặt, có kích thƣớc 25x35 cm + Xẻng gạt xơ bộ keo khi đƣợc đƣa lên tấm kính
+ Thanh trang keo tạo độ phẳng, đồng đều màng PP + Khay để keo thừa
Hình 2.6. Hình ảnh chuẩn bị dụng cụ tạo màng PP
Bước 2. Chế tạo màng
Công đoạn chế tạo màng PP là một công đoạn rất quan trọng vì nếu màng đƣợc chế tạo ra không đồng đều, khi ép vật liệu composite dẫn đến độ đồng nhất về tỷ lệ keo và vải ở những vùng khác nhau trên tấm composite là khác nhau. Điều này ảnh hƣởng lớn đến kết quả đo cơ tính cuối cùng.
Quy trình thực hiện:
+ Màng PP đƣợc chế tạo từ kéo polypropylene đƣợc đƣa lên tấm kính có dán lớp giấy bóng chống dính với một lƣợng vừa phải
+ Dùng xẻng gạt keo đều lên tấm kính sao cho cách đều mép kính 1-2 cm + Dùng thanh gạt keo sao cho tạo độ phẳng và độ dày keo trên bề mặt kính theo thiết kế.
60 + Keo thừa đƣợc gạt sang khay khác + Tiến hành đƣa vào tủ sấy.
Hình 2.7. Hình ảnh tạo màng PP
Bước 3. Đưa màng PP vào tủ sấy
Mục đính của việc sấy tạo ra tấm màng không bị dính vào tay và để phục vụ cho quá trình cắt mẫu, ép vật liệu composite.
Chọn điều kiện sấy:
+ Nhiệt độ sấy: 46oC
+ Thời gian sấy: 1 giờ
Với thời gian và nhiệt độ trên mẫu sấy đảm bảo yêu cầu: màng không dính vào tay, bề mặt phẳng, trong không xuất hiện bọt khí
Hình 2.8. Hình ảnh sấy màng PP
Bước 4. Cắt mẫu
Sau khi sấy màng xong để nguội và lấy mẫu ra tiến hành cắt mẫu theo kích