Tính chất cơ lý và vật lý của PC/STN kém hơn nhiều so với vật liệu PC/STT. Để hạn chế nhược điểm này, người ta tiến hành chế tạo vật liệu PC lai tạo STT với
STN. Ngoài việc cải thiện tính chất cơ lý, khả năng chịu hơi ẩm của vật liệu cũng được tăng lên do STT không thấm nước, đồng thời gia công dễ dàng hơn so với PC/STN. Một yếu tố quan trọng quyết định đến tính chất của loại vật liệu này, đó là cấu trúc lai tạo của PC. Một số cấu trúc lai tạo giữa STT và STN điển hình là: vỏ ngoài là STT, lõi trong là STN; hoặc vỏ ngoài là STT, lõi trong là xen kẽ một lớp STT rồi đến một lớp STN tùy vào yêu cầu ứng dụng vật liệu để chế tạo.
20
Hình 1.13: Hai tấm mẫu STN dạng
sandwich dùng trong xây dựng
Hình 1.14: Cano làm từ compozit gia
cường từ sợi lanh
Hình 1.15: Mẫu xe Premacy Hydrogen RE Hybrid của hãng Mazda được trang bị
nội thất cao cấp ứng dụng STN (a) và gia cường bình cầu PVC với vải sợi đay bằng
phương pháp lăn tay tại Guatemala (b) 1.4.4. Các phương pháp gia công vật liệu compozit [1, 5, 14]
Trong công nghiệp có nhiều phương pháp gia công vật liệu PC tùy theo loại vật liệu gia cường, nhựa nền, kích thước, hình dáng sản phẩm, số lượng, tính năng sử dụng và giá thành sản phẩm mà lựa chọn công nghệ thích hợp. Sau đây là một số phương pháp gia công vật liệu PC phổ biến.
a. Công nghệ lăn ép bằng tay (hand lay-up)
Đây là loại công nghệ xuất hiện rất sớm và khá đơn giản nên được áp dụng nhiều trong chế tạo PC như: tạo xuồng, canô, tàu, thùng chứa hóa chất…
Sợi thường được dùng ở dạng lụa, vải thô và mat. Vật liệu được đặt lên một khuôn tạo hình, sau đó phân bố nhựa cho thấm vào vật liệu gia cường bằng dao bả hoặc ru lô hoặc chổi lông. Tiếp tục làm như vậy cho đến khi đạt được độ dày theo yêu cầu. Để có bề mặt tốt thì người ta phải phủ một lớp gelcoat trên bề mặt khuôn trước khi đặt sợi.
Công nghệ lăn ép bằng tay có đặc điểm sau:
- Hàm lượng sợi đạt khoảng 50%.
21
- Có khả năng tạo sản phẩm có chiều dày tùy ý.
- Cần có kinh nghiệm để điều chỉnh, và là công nghệ có giá thành hạ với số lượng sản phẩm ít.
b. Công nghệ phun sợi - nhựa
Trong công nghệ này sử dụng sợi ở dạng cuộn cho đi qua một cơ cấu cắt nhỏ để có thể phun đồng thời với nhựa lên bề mặt khuôn. Sau khi phun sợi-nhựa thì
dùng ru-lô lăn để khử bọt.
Ưu điểm của công nghệ phun sợi-nhựa này là cho năng suất cao hơn phương pháp lăn ép bằng tay nhưng tính chất cơ lý của sản phẩm chỉ ở mức trung bình. Nếu khối lượng sản xuất không lớn sẽ kếm hiệu quả vì tổn hao nhựa, dung môi lau rửa
máy và tiêu tốn thời gian phụ sẽ cao khi tính quy cho một đơn vị trọng lượng sản phẩm.
c. Công nghệ túi chân không (vaccum bagging)
Đây là phương pháp sử dụng lực chân không để hỗ trợ lực ép sau khi mẫu đã được lăn ép sơ bộ bằng tay. Thiết bị bao gồm các phụ kiện sau:
- Khuôn: tấm kính phẳng. - Chất chống dính: Wax8.
- Lớp vải chống dính: là lớp vải dệt dày khoảng 0,01-0,02 mm, được phủ silicon hoặc vật liệu không dính khác như màng PP (polypropylen). Nó có tác dụng ngăn cách không có các lớp màng phía trên dính vào sảnh phẩm sau khi đóng rắn. Lượng nhựa có thể xuyên qua lớp vải này và được tách ra sau khi đóng rắn.
- Lớp vải rút khí: khi hút chân không đồng thời là lực ép của khí quyển bên ngoài có khuynh hướng làm màng ép tự làm kín gây cản trở cho dòng khí bên trong
di chuyển đến những lỗ hút chân không. Kết quả là làm cho túi bị rúm lại và tại các vị trí này màng không ép chặt được sản phẩm. Để hạn chế vệc này, một lớp trung gian được đặt giữa lớp vật liệu và màng. Chúng được xem như vật liệu rút khí và
cho phép khí được rút trích ra qua chúng và không cho màng tự làm kín.
- Lớp vải trích khí: hay lớp vải trích có tác dụng gia tăng khoảng cách giữa túi và lớp sợi vì vậy không khí từ tất cả các bộ phận của phần được bao phủ có thể di chuyển tới các ống dẫn.
22
khuôn. Đồng thời cũng có thể làm kín những nơi bị rò rì và nó dễ dàng được loại bỏ
sau khi sử dụng.
Chất chống dính Wax8
Hình 1.16: Hình ảnh hộp chất chống dính wax8 và băng keo cao su (a)
và vị trí băng dính giữa màng và khuôn (b)
(a) (b) (c)
Hình 1.17: Hình ảnh lớp vải tách (a), lớp rút khí (b), lớp trích khí (c)
Hình 1.18: Sơ đồ các lớp trong quá trình gia công
- Túi chân không: túi chân không có nhiệmvụbao bọccả hệ thống trên trong quá trình hỗ trợ hút chân không và có tác dụng giữ kín, không cho không khí vào bên trong để duy trì áp suất bên trong túi. Túi chân không thường được làm bằng các loại nhựa trong để dễ quan sát vật liệu bên trong túi trong quá trình gia công và
23
chân không luôn rộng hơn khuôn và đủ để áp sát hết chiều sâu của khuôn. Túi chân không thường dùng trên thị trường gồm:
6 mil polyethylen plastic (PE).
Wrinkle film công ty Guangdong Film Technology.
Vacuum Bag Film 882 của West System cho nhiệt độ cao đến 176oC.
- Ống dẫn: hệ thống ống dẫn cung cấp đường dẫn khí đ từ màng phủ đến máy bơm, nó giúp cho máy bơm có thể rút không khí và giảm áp suất bên trong màng
phủ. Ống dẫn có hai loại là loại cứng và loại mềm.
- Bẫy nhựa: là hộp nối giữa ống dẫn từ mẫu và ống dẫn vào bơm để khi lượng nhựa dư thừa không bị hút vào bơm. Trên ống dẫn ở máy bơm có van chỉnh áp và đồng hồ đo áp suất chân không trong ống.
- Máy bơm: máy bơm có nhiệm vụ tạo áp suất chân không và hút nhựa dư thừa ra khỏi mẫu.
(a)
(b)
Hình 1.19: Ống nhựa (a) và bơm chân không (b)
- Dụng cụ khác: lô lăn ép, đồng hồ đo áp suất, các co nối ống.
Hình 1.20: Hình ảnh các dụng cụ khác
24
Hình 1.21: Sơ đồ phương pháp túi chân không (Vacuum bagging)
Sau khi lăn ép sơ bộ bằng tay, ta thực hiện việc hút ép hỗ trợ chân không cho mẫu bằng cách bọc túi bóng kín bên ngoài khuôn. Nối đường ống của bơm chân không với túi bóng. Trước khi hút cần kiểm tra đường ống, vị trí các ống nối và cả bẫy nhựa.
Hình 1.22: Chế tạo vật liệu bằng phương pháp túi chân không
Trong phương pháp này, quá trình lăn ép đóng một vai trò vô cùng quan trọng, bởi nó quyết định đến sự phân bố nhựa lên bề mặt sợi, đòi hỏi cao ở kỹ năng, thao tác. Nhựa phân bố đều và dàn trải thì sản phẩm mới cho độ bền cơ cao. Ngoài ra, quá trình còn phụ thuộc vào hai yếu tố quan trọng nữa là thời gian hút chân không cũng như thời điểm sử dụng lực hút chân không. Việc thiết kế đúng vị trí đặt ống hút cũng rất quan trọng, nhất là đối với những sản phẩm lớn.
Đặc điểm của công nghệ:
25
- Đóng rắn ở nhiệt độ thường hay trong buồng sấy tùy theo nhựa nền. - Tách bọt khí tốt hơn, lấp kín hơn các khe hẹp.
- Có thể dùng nhiều phụ gia hơn.
- Sử dụng khi số lượng sản phẩm ít nhưng đòi hỏi chất lượng cao.
d. Công nghệ bơm nhựa vào khuôn (RTM)
Công nghệ này đã được áp dụng từ những năm 50. Để thực hiện tốt công
nghệ RTM, nhựa nền phải có độ nhớt thấp và thời gian đóng rắn thích hợp. Công
nghệ này thường được áp dụng để chế tạo các sản phẩm có kích thước trung bình và lớn với hàm lượng sợi đạt trên 50%. Công nghệ RTM được thực hiện qua 5 bước: Trải vật liệu gia cường vào khuôn, đóng khuôn, bơm nhựa, đóng rắn và mở khuôn lấy sản phẩm.
Đặc điểm của công nghệ:
- Có bề mặt đẹp ở cả hai mặt của sản phẩm.
- Có thể tiến hành bán tự động hoặc tự động hóa hoàn toàn. Thích hợp cho sản xuất hàng loạt, năng suất cao.
- Cho phép đặt lõi rỗng và các chi tiết gia cường khác. - Ít độc hại và có chi phí sản xuất thấp.
e. Công nghệ đúc đẩy (pultrusion)
Công nghệ đúc đẩy áp dụng để sản xuất các loại sản phẩm hình bằng cách kéo liên tục hoặc đẩy liên tục vật liệu qua một khuôn có tiết diện xác định. Sợi, mat hay vải thô được lấy ra khỏi khuôn boobin và chạy qua một bể chứa nhựa đã bổ sung xúc tác và tẩm ở đó rồi kéo qua khuôn có gia nhiệt.
Sản phẩm sản xuất theo công nghệ này có tính chất cơ lý rất cao. Ví dụ với thủy tinh có: độ bền kéo lớn hơn 1.000 MPa, độ bền uốn lớn hơn 800Mpa.
f. Công nghệ ép nóng trong khuôn
Sản phẩm được ép nóng trong khuôn dưới một áp suất nhất định và đóng rắn ở nhiệt độ cao. Sản phẩm có độ bóng cả hai mặt và chất lượng đồng đều. Thời gian cần thiếtcho một chu kỳ gia công khá ngắn (từ vài phút đến vài chục phút).
Có hai kỹ thuật ép: khuôn ép phẳng và khuôn âm-dương.
- Khi khuôn phẳng, hai nửa khuôn được ép lại đến một áp suất nhất định để đạt được tỷ lệ gia cường mong muốn, phần nhựa thừa được ép ra ngoài.
26
- Đối với khuôn âm-dương, hai nửa khuôn được ép khớp vào nhau để lượng nhựa tràn ra là tối thiểu. công nghệ ép nóng trong khuôn rất thích hợp cho sản xuất bán thành phẩm dạng SMC (Sheet Molding compound) và BMC (Bulk molding
compound). SMC là hỗn hợp của các sợi xếp ngẫu nhiên (dài từ 25-50mm) với nhựa và chất tăng cường ở dạng tấm.BMC là hỗn hợp của sợi ngắn (cỡ 6mm) phối trộn với nhựa và chất tăng cường thô.
g. Kĩ thuật prepreg
Kĩ thuật này tách quá trình thấm nhựa và quá trình gia công ra làm hai công
đoạn khác nhau. Prepreg là dạng sợi hoặc vải được tẩm nhựa chưa phản ứng. Một số đặc điểm của kỹ thuật prepreg:
- Độ nhớt thấp để thấm được vào sợi và tránh có bọt khí tích tụ lại trong nhựa dẫn đến các khuyết tật sau này của sản phẩm.
- Vải, sợi gia cường sau khi đã tẩm nhựa được đóng rắn sơ bộ và bảo quản ở nhiệt độ thấp.
- Thời gian sống của prepreg phụ thuộc vào điều kiện bảo quản, nhiệt độ và bản chất của nhựa nền. Sau đó prepreg thường được gia công bằng phương pháp ép.
- Có thể định lượng sợi một cách chính xác, độ chắc chắn của công việc cao, ứng dụng cho việc chế tạo các chi tiết hàng loạt.
27
PHẦN 2 - HÓA CHẤT, THIẾT BỊVÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên liệu
2.2.1. Nhựa Polyeste không no (PEKN)
Thí nghiệm sử dụng nhựa PEKN loại 268 BQTN (Singapore), với các thông số kỹ thuật sau:
- Độ nhớt ở 30oC : 400-600 mPa.s - Thời gian gel hóa ở 30oC : 8-5 phút
- Thời gian gia công : 14-25 phút
- Chỉ số axit : 20-40 mg KOH/g nhựa
2.2.2. Sợi gia cường
a. Mat sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh gia cường được dùng là loại mat 360 g/m2, xuất xứ Trung Quốc.
b. Mat sợi tre
Sợi tre dùng ở dạng mat, tỷ trọng khoảng 190 g/m2, kích thước sợi trung bình từ 150-200 µm, được chế tạo bằng phương pháp cào tách sợi đã qua xử lý kiềm, tại TT NCVL PC của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Mat tre có sử dụng chất định hình và liên kết mat.
Mat thủy tinh 360g/m2 Mat tre 190 g/m2
28
2.2.3. Chất đóng rắn Trigonox V388
Trigonox V388 của hãng sản xuất Akzol Nobel, là dung dịch của metyl-etyl-
keton peroxit trong dung môi, với các thông số kỹ thuật sau:
- Khối lượng riêng: 1,120 g/cm3
- Thời gian gel hóa ở 20oC:
2 PKL Trigonox V388 + 0,5 PKL octoat coban: 13 phút 2 PKL Trigonox V388 + 1,0 PKL octoat coban: 7 phút
2.2.4. MFC đi từ phế thải của cây nứa (thuộc họ của tre)
Phân họ Tre (danh pháp khoa học: bambusoideae) là một phân họ trong họ
Hòa thảo (poaceae). Phân họ này được chia thành hai nhóm: nhóm lúa (oryzodae) và Tre (bambusodae). Trong nhóm Tre gồm có 3 tông; 3 tông chia thành 9 phân tông và chi nứa (neohouzeaua) nằm trong phân tông melocanninae.
Nguồn phế thải của tre sử dụng là phế thải của cây nứa tại làng nghề làm
tăm. Xã Lãng Ngâm, Huyện Gia Bình, Tỉnh Bắc Ninh là nơi tập trung các hộ gia
đình làm tăm thủ công đã nhiều năm nay. Tuy nhiên đây không phải là làng nghề chuyên làm tăm. Tìm hiểu về quy trình sản xuất tăm, bao gồm các công đoạn sau: Cắt ngắn cây nứa Chẻ Thanh Chẻ Nan Tách sợi Tuốt sợi Sợi tăm dài Sợi tăm ngắn
Hình 2.2. Quy trình làm tăm từ cây nứa
Trong khâu thứ nhất và khâu thứ 2 được thực hiện trên máy. Để chẻ từ các thanh nứa sang nan nứa, ban đầu các thanh nứa được qua máy tách ruột, mắt nứa và các phần ngoài của cây nứa, đồng thời tạo thành các nan nhỏ và mỏng đem phân
phối vào các làng thuê nhân công làm tăm.
Người dân ở xã Lãng Ngâm nhận các nan của cây nứa về nhà bắt đầu làm từ
khâu tách sợi đến sợi tăm ngắn. Phế thải của cây nứa được thu lại sau khâu tuốt sợi. Phế thải này bình thường được người dân phơi khô và làm nguyên liệu đun nấu, hiện tại chưa có công ty mua loại phế thải này.
29
Dưới đây là sơ đồquá trình làm tăm và hình ảnh phế thải của cây nứa tại xã Lãng Ngâm:
Hình 2.3: Công đoạn tuốt sợi và phế thải của cây nứa
Hình 2.4: Hình ảnh phế thải của cây nứa
Phế thải của cây nứa thu gom được ở dạng phơi khô, đem đi phân tích các
thành phần hóa học và nấu bột giấy tại Viện Công nghiệp Giấy và xenlulo, nấu thành bột giấy có hệ số Kappa=21.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu nứa và phế thải cây nứa
Cây nứa và phế thải của cây nứa được phơi khô gió ở ngoài không khí, được gọi là nguyên liệu đầu. Đem nguyên liệu đầu đi tiến hành xác định thành phần các chất và độ ẩm rồi tiến hành nấu bột giấy và xác định thành phần hóa học các chất trong bột giấy tại Viện Công nghiệp Giấy và Xenlulo.
30
a. Phương pháp chuẩn bị nguyên liệu cho phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu đầu
-Bước 1: cây nứa và phế thải của cây nứa ở dạng phơi khô gió, được cắt thành những đoạn nhỏ 3-5cm.
- Bước 2: nghiền những đoạn nguyên liệu trên thành dạng bột trong máy nghiền chuyên dụng.
- Bước 3: tiến hành sàng chọn lấy sản phẩm nghiền có kích cỡ khoảng 0,1mm. Đồng thời dùng nam châm dò và loại mạt kim loại.
- Bước 4: đem bột thu được rãi đều trên giấy sạch, che đậy tránh bị và các vật thể khác, để khô tự nhiên trong 24 giờ. Sau đó bảo quản trong lọ thủy tinh khô có nắp. Đây là nguyên liệu cho quá trình phân tích thành phần hóa học.
b. Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu
- Bước 1: cân khoảng 2-3 g bột chính xác tới 0,1 miligam (cân trực tiếp bằng