CHƯƠNG 5 VẬT LIỆU POLYME
5.2. Gia công vật liệu polyme
5.2.1. Tính chất gia công của vật liệu polyme
5.2.1.1. Tính chất cơ học vật liệu polyme
Độbền phá hủy của vật liệu polyme tương đối thấp so với kim loại và gốm. Nhìn chung sự phá hủy của polyme nhiệt rắn là giòn. Trong quá trình phá hủy hình thành các vết nứt ởnhững nơi tập trungứng suất.
Polyme nhiệt dẻo có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn và sốlớn polyme loại này có khả năng chuyển từdạng dẻo sang giòn. Các yếu tốlàm thuận lợi cho phá hủy giòn là: nhiệt độ thấp, tốc độbiến dạng lớn, các vết nứt có sẵn, chiều dày của mẫu lớn.
Các loại nhựa nhiệt dẻo giống thủy tinh, giònở nhiệt độ tương đối thấp, khi nhiệt độ tăng, nó trởnên dẻoở nhiệt độgần với nhiệt đột thủy tinh hóa và có biến dạng dẻo trước khi phá hủy.
Một hiện tượng tham gia vào quá trình phá hủy của các polyme nhiệt dẻo là sự rạn nứt giống như trong thủy tinh. Các vết nứt tếvi hình thànhở những vùng chịuứng suất cao, nơi có các hạt tạp chất và các vết xước. Hiện tượng này xảy ra theo chiều vuông góc với lực tác dụng. Đồng thời với hiện tượng rạn nứt, có những vùng chảy cục bộ đưa đến việc hình thành các mạch định hướng và những lỗ rỗ nhỏ. Chiều dày của các vết nứt tếvi này khoảng 5 µm hoặc nhỏ hơn.
Khác với các vết nứt vĩ mô, vết nứt tế vi cũng vẫn có thểchịu lực. Đương nhiên lực tác dụng phải nhỏ hơn giá trị khi vật liệu chưa rạn nứt. Nếu lực tác dụng đủ lớn, các vết nứt sẽ hình thành từ các vết nứt tếvi do cấu trúc bị phá hủy và các lỗ rỗphát triển. Dưới tác dụng tiếp của lực, vật liệu sẽbịphá hủy dọc theo các vết nứt này.
a. Độ dai va đập
Khả năng chịu tác dụng va đập của vật liệu polyme có liên quan đến một số ứng dụng. Cũng như kim loại, polyme có thểbị phá hủy dẻo hoặc giòn trongđiều kiện tác dụng của lực va đập, phụ thuộc vào nhiệt độ, kích thước mẫu, tốc độ biến dạng, cách tác dụng lực. Polyme tinh thể và vô định hình giònở nhiệt độthấp và cả hai có độdai va đập tương đối thấp. Chúng có sự chuyển tiếp từ dẻo sang giòn ở khoảng nhiệt độ tương đối hẹp. Tất nhiên, độ dai va đập giảm dầnởnhiệt độ cao hơn vì polyme bắt đầu mềm. Thông thường, độ dai va đập cao ở nhiệt độphòng và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo- giòn thấp hơn nhiệt độ phòng.
b. Độbền mỏi
Polyme có thể bị phá hủy do mỏi khi lực tác dụng theo chu kỳ. Cũng như kim loại, mỏi xảy ra ở ứng suất tương đối thấp so với giới hạn bền kéo. Thử nghiệm mỏi vật liệu polyme không phổ cập như vật liệu kim loại. Tuy nhiên, hiện tượng mỏi của cả hai loại gần giống nhau và đường biểu diễn có cùng dạng. Một số polyme có giới hạn mỏi, đó là trị số ứng suất màở đó ứng suất phá hủy trở nên độc lập với sốchu kỳ tác dụng lực, một sốkhác lại không có giới hạn này. Tất nhiên, độbền và giới hạn mỏi của vật liệu polyme nhỏ hơn của kim loại nhiều.
c. Độbền xé và độcứng
Các tính chất này đôi khi có ảnh hưởng đến việc lựa chọn polyme trong một số ứng dụng đặc biệt. Độ bền xé rách là một tính chất quan trọng của một số loại chất dẻo, nhất là loại dùng ở dạng màng mỏng như bao bì. Độ bền xé là năng lượng cần thiết đểxé rách một mẫu có kích thước chuẩn. Độbền kéo và xé rách có liên quan với nhau. Cũng như kim loại, độcứng của vật liệu nói lên khả năng chống cọ xước, xuyên qua. Đa số phương pháp đo độ cứng đều dựa trên nguyên lý tương tự như dùng cho kim loại.
5.2.1.2. Phương pháp gia công vật liệu polyme
Đa số vật liệu polyme thông dụng được gia côngở trạng thái nóng chảy, sau đó làm lạnh. Do vậy, để kiểm tra và điều chỉnh các bước gia công, người ta thường sử dụng các đại lượng không có thứ nguyên như độ đùn, khả năng điền khuôn, khả năng kéo sợi, khả năng định hướng. Những đại lượng này được thể hiện qua các thông số thực tế(chỉsốchảy, chỉsố điền khuôn,…)
Mục đích của gia công là biến đổi vật liệu polyme ở dạng xuất xưởng (hạt, bột, chất lỏng nhớt, …) thành dạng sản phẩm để sử dụng. Thông thường trong gia công thường kèm theo các biến đổi vật lý, nhưng cũng có nhiều biến đổi hóa học của vật liệu có thểxảy ra.
Có thể chia các phương pháp gia công thành mấy nhóm sau:
tấm, các profile khác nhau hoặc bọc các loại cáp.
Đùn kìm theo một công đoạn xử lý, sau khi vật liệu đầu đùn cần có một công đoạn xửlý tiếp theo để định hình sản phẩm, ví dụthổi màng, thổi khuôn, kéo sợi, kéo màng có xửlý nhiệt…
Tạo hình trong khuôn, vật liệu được đưa vào khuôn để định hình bằng cách ép phun hoặc ép áp lực.
Gia công tạo hình, là tập hợp các phương pháp định hình sản phẩn như tạo hình bằng chân không, cán ép, đúc quay, tạo xốp….
Có ba vấn đề đặc biệt quan trọng cần chú ý khi xét đến việc gia công polyme là khả năng gia công (hoặc tái sinh) của polyme, khả năng kiểm tra được quá trình, ảnh hưởng của quá trìnhđến tính chất sản phẩm.
5.2.2. Tạo hình không phoi vật liệu polyme
Tạo hình không phoi sản phẩm polyme có thể hiểu là các quá trình công nghệ chế tạo ra sản phẩm từ nguyên liệu đầu không qua giai đoạn tạo phôi và gia công cơ khí. Các quá trình công nghệnày có thể tóm tắt ngắn gọn là “ tạo hình và định hình”. Chúng bao gồm một sốkỹthuật chung sau đây:
Phương pháp 1 tạo hìnhởthểnóng chảy–dùng cho cảpolyme nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Nhóm này bao gồm ép đùn, ép phun, ép khuôn, cán tráng. Đây là nhóm công nghệquan trọng nhất.
Phương pháp 2 tạo hình polyme ở trạng thái mềm cao: bao gồm tạo hình chân không tạo hình áp suất và ép áp lực.
Phương pháp 3 tạo hình từdung dịch. Phương pháp 4 tạo hình từnhũ tương.
Phương pháp 5 tạo hình từ các polyme phân tử lượng thấp hoặc tiền polyme để tạo hình sản phẩm có phân tử lượng cao hơn.
Các phương pháp thứ 3 và thứ 4 thường kèm theo công đoạn tách dung môi hoặc làm khô sau khi tạo hình sản phẩm. Phương pháp thứ 5 được hoàn thành trong quá trìnhđồng trùng hợp các nguyên liệu đầu.
a. Tạo hình không phoi nhựa nhiệt dẻo
Những nguyên tắc cơ bản nhất của quá trình tạo hình polyme nhiệt dẻo bao gồm ép đùn, ép phun, thổi chai, cán tráng.
Đểnâng cao tối đa hiệu suất sửdụng của từng phương pháp cần xét đến một loạt các yếu tố như khả năng hút ẩm của polyme, đặc tính của hạt, các tính chất nhiệt có ảnh hưởng đến sự nóng chảy và làm lạnh polyme, độ bền nhiệt, tính chất chảy, khả năng kết tinh, khả năng định hướng.
b. Tạo hình không phoi polyme nhiệt rắn
học, còn gọi là khâu mạch (đóng rắn). Phương pháp gia công hay được sửdụng nhất là ép trong khuôn, tuy nhiên một số phương pháp khác như ép đùn, đúc, … cũng được sửdụng.
Sau khi vật liệu polyme phân tử lượng thấp được đưa vào khuôn, vật liệu bắt đầu quá trình đóng rắn. Điều quan trọng nhất là vật liệu phải chảy đầy khuôn trước khi phản ứng đóng rắn (khâu mạch) phát triển đến mức sự chảy bị ngừng lại. Do độ dẫn nhiệt kém, nhiệt độtrong khối vật liệu tại các điểm khác nhau sẽkhông giống nhau, do đó cả độ nhớt lẫn tốc độ đóng rắn vật liệu cũng sẽ thay đổi tại các điểm khác nhau. Ngoài ra các yếu tố khác như nhiệt sinh ra do ma sát khi chảy, mức độ sấy nóng sơ bộ của vật liệu… cũng có ảnh hưởng đến độ nhớt và tốc độ đóng rắn. Đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của tất cảcác yếu tố trên đến sựchảy của polyme là rất phức tạp.
Trong các phương pháp gia công polyme nhiệt rắn, sự đóng rắn không bao giờ xảy ra hoàn toàn, nghĩa là không phải tất cả các vị trí hoạt động trong phân tử đều tham gia phản ứng khâu mạch. Vì vậy tính chất của sản phẩm cũng sẽ thay đổi tùy thuộc vào mức độ khâu mạch của vật liệu. Một số tính chất sẽ tăng lên, một số tính chất giảm hoặc đi qua điểm cực đại khi mức độ khâu mạch tăng lên. Vì vậy việc lựa chọn mức độ đóng rắn tối ưu cần căn cứ vào việc tính chất nào của sản phẩm là quan trọng nhất trong khi sửdụng.
5.2.3. Cắt
Việc cắt gọt vật liệu polymethường được sửdụng trong giai đoạn hoàn thiện sản phẩm, ví dụloại bỏcác vị trí thừa vật liệu, tạo các lỗhoặc các profil khác, gia công bề mặt… Việc cắt cũng rất cần khi một sốchi tiết đòi hỏi sai sốnhỏ.
Các phương pháp cắt (cắt, tiện, khoan…) khởi đầu được áp dụng đểgia công kim loại, vì vậy khi áp dụng cho vật liệu polyme cần tính đến một số khác biệt giữa kim loại và polyme.
Trước hết cần tính đến sựkhác biệt vềtính chất nhiệt. Chất dẻo có hệsố giãn nở nhiệt lớn hơn kim loại nhiều (có thể10 lần). Điều này có thểlàm sai sốcủa sản phẩm chất dẻo bị thay đổi khi nóng lên (khi cắt) và nguội đi (sau khi cắt) nhiều hơn so với sản phẩm kim loại. Bên cạnh đó, độ dẫn nhiệt của chất dẻo cũng kém hơn nhiều, dẫn đến sự tỏa nhiệt trong khi gia công bị kém đi và làm sản phẩm chảy mềm hoặc biến dạng. Do đó quá trình gia công cắt cần phải tiến hành ngắt quãng để giảm bớt lượng nhiệt sinh ra. Đối với kim loạikhi lượng nhiệt tỏa ra lớn quá người ta thường sửdụng chất lỏng làm mát. Tuy nhiên với vật liệu polyme cần thận trọng khi sửdụng vác chất làm mát này vì một sốchất lỏng làm mát có thể tương tác với chất dẻo, thúc đẩy sự ăn mòn hoặc phát triển các vết nứt, nhất là các vết nứt bềmặt sinh ra trong quá trình cắt gọt.
Ngoài ra, sau khi gia công việc tẩy sạch các chất lỏng làm mát khỏi chi tiết chất dẻo nhiều khi cũng rất khó khăn. Một trong những phương pháp đơn giản nhất đểgiảm lượng nhiệt tỏa ra khi gia công là kéo dài thời gian cắt và giảm lượng vật liệu đưa vào
cho một lần cắt (giảm tốc độcấp liệu). Tốc độ cấp liệu của kim loại mềm (ví dụ đồng) hoặc gỗ thường cũng dùng được cho polyme.
Tốc độ quay của dụng cụ cắt cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến sự tích nhiệt của sản phẩm chất dẻo, trong khi cắt tốc độcắt của dụng cụ càng cao thì sựtích nhiệt của sản phẩm lại giảm đi, với điều kiện là tốc độ cấp liệu phải nhỏ. Đôi khi chất dẻo cần được tôi lại khi cắt.
Cần đặc biệt lưuý khi cắt vật liệu polyme compozit. Do đây là sự kết hợp giữa vật liệu nền có tính giòn và cốt tăng cường rất dai, các lưỡi cắt bằng thép dụng cụ bị mòn rất nhanh. Vì vậy trong trường hợp này phải dùng lưỡi cắt đặc biệt với bề mặt được làm cứng hoặc bằng kim cương.
Một số phương pháp cắt không truyền thống.
Cắt bằng tia nước áp lực cao, trong phương pháp này tia nước áp suất cao qua một lỗ đường kính rất nhỏ được hướng vào bề mặt cần cắt. Đa số vật liệu, kể cả compozit có thể cắt được bằng phương pháp này. Lượng vật liệu bị mất và ứng suất trong mẫu khi cắt cũng chỉ tương tựkhi cắt bằng phương pháp cơ học thông thường.
Cắt bằng laze, khi chiếu chùm tia laze năng lượng cao vào vật liệu, nó sẽ gây cháy vật liệu tại điểm bị chiếu và tạo thành vết cắt hoặc lỗ khoan. Ưu điểm của phương pháp này là tia laze có thểlàm vật liệu bố hơi tại chỗ do đó hầu như không để lại phoi trên bềmặt được cắt. Kích thước và độ sau của lỗcó thể điều chỉnh chính xác bằng cách thay đổi tiêu cự của luồng ánh sáng laze. Một ưu điểm nữa là dao cắt dùng tia laze thì không bị cùng. Nhược điểm của phương pháp này là khi cắt vật liệu polyme, sự đốt nóng vật liệu sẽtạo ra nhiều khói độc hại, vì vậy cần phải có thông gió thích hợp. Ngoài ra, tại rìa các vết khoan cắt, bề mặt sẽ không được phẳng nhẵn do bị đốt nóng vàbay hơi.
Cắt bằng dây điện trở, phương pháp này thường áp dụng cho các chất dẻo và vật liệu xốp có điểm nóng chảy thấp. Dây điện trở được đốt nóng bằng dòngđiện có thể làm nóng chảy vật liệu tại điểm cắt và cắt vật liệu ra làm nhiều phần. Tuy nhiên sẽ có sựphân hủy vật liệu và bốc khói khi cắt, do đó cũng cần có sựthông gió thích hợp.
5.2.4. Ghép
Việc ghép các sản phẩn từ vật liệu polyme có thể thực hiện theo ba cách : ghép cơ học, ghép bằng keo dán và ghép không keo.
a. Ghép cơ học
Các phương pháp ghép cơ học truyền thống có thể được sửdụng rộng rãi cho vật liệu polyme, ví dụ như ri vê, bulông. Ngoài ra còn có những phương pháp ghép không truyền thống chỉ áp dụng cho vật liệu polyme. Các phương pháp không truyền thống này dựa trên tính dẻo – đàn hồi của vật liệu polyme và cho phép chúng gắn vào nhau mà không cần các liên kết bổsung.
Các chi tiết ghép (ri vê, vít, bulong…) bằng chất dẻo có một số ưu điểm so với chi tiết kim loại tương tự. Chúng thường nhẹ hơn, không rỉ, đàn hồi, cách nhiệt, cách điện tốt và thường có giá rẻ. Hệsốgiãn nở nhiệt của chúng tương tự các vật liệu được ghép, do đó có thể hạn chế được ứng suất xảy ra do nhiệt tại điểm ghép. Nhược điểm của chúng là có độ bền, đặc biệt là bền cắt, bền xoắn và chịu nhiệt kém hơn kim loại.
b. Ghép bằng keo dán
Không phải tất cảcác loại chất dẻo đều có thể dán dễdàng bằng keo. Sựkhác biệt vềkhả năng dán được của các loại vật liệu polyme là dựa trên các đặc trưng bề mặt của chúng. Khả năng một chất nền có thể dán được bởi một polyme lỏng phụthuộc vào việc chất lỏng đó có thấm ướt được bềmặt nền không, mà điều này được quyết định bởi tương quan năng lượng bềmặt giữa chúng. Nếu như năng lượng bềmặt của keo (chất lỏng) nhỏ hơn năng lượng bềmặt của nền, keo sẽthấm ướt được nền. Ngược lại, khi năng lượng bề mặt của keo cao hơn, nó sẽkhông thấm ướt nền và liên kết dán sẽkhông thểhình thành. Vì vậy, trong nhiều trường hợp, khi năng lượng bềmặt của nền nhỏ hơn, người ta phải xử lý bềmặt nền để nâng cao năng lượng bềmặt của nó.
c. Liên kết ghép không dùng keo dán
Ghép không dùng keo dán dựa trên khả năng nóng chảy của chất dẻo và liên kết với nhau ở trạng thái này. Sự khác nhau của các phương pháp cụ thể chỉ là cách thức đót nóng vật liệu polyme đến trạng thái chảy mềm.
Ghép nóng chảy, trong phương pháp nóng chảy, các phần vật liệu được ghép sẽ được đốt nóng đến chảy mềm và ép lại với nhau. Do đó cần rất chú ý sao cho chỉ có phần được ghép là bị đốt nóng và ép, nếu không sẽ xảy ra biến dạng cả phần không được ghép. Để đạt hiệu quả tốt, phương pháp này chỉ nên áp dụng với vật liệu có khoảng nhiệt độ nóng chảy rộng và độbềnở thể nóng chảy cao. Nếu khoảng nhiệt độ nóng chảy hẹp, vật liệu có thểnhanh chóng bịchảy và trào ra khỏi khu vực được ghép. Nó được sửdụng rộng rãi trong cácống dẫn khí nhờkhả năng dễdàng ghép nóng chảy