Luận văn này sử dụng các dụng cụ và thiết bị sau đây:
Bảng 2.2: Các dụng cụ và thiết bị được sử dụng trong đồ án
STT DANH MỤC THƠNG SỚ HÌNH ẢNH
1 Máy khuấy Nguồn cung cấp: 220V / 50Hz Tốc độ khuấy: 0 – 3.000 vịng/phút Cơng suất: 100W 2 Tủ sấy Điện áp: 220V/50Hz 1 pha hoặc 380V/50Hz 3 pha
Buồng gia nhiệt: 400 x 400 x 330 mm:
33 3 Cân kỹ thuật Độ chia nhỏ nhất: 100mg
4 Beaker
Dung tích: 250 ml Vật liệu: thủy tinh Nguồn gốc: Germany 5 Máy hút chân không Mã hàng: GLD - 051 Tần số: 50/60 Hz Tốc độ hút: 50/60 l/min
34 7 Bình bẫy nhựa
Vật liệu: PVC
Hình trụ, bịt kín 2 đầu. Có 3 van trên nắp ống: - 1 van để gắn đồng hồ đo áp suất
- 1 van để gắn ống nối với máy hút chân không - 1 van để gắn ống hút khí từ hệ vào bình
8 Khn sấy Vật liệu: Nhơm
Kích thước: 16*16 cm
2.4 Quy trình thực nghiệm
2.4.1 Giai đoạn 1: Khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ chất hóa dẻo DOP đến tính chất cơ lý của vật liệu PVC gia công bằng phương pháp casting chất cơ lý của vật liệu PVC gia công bằng phương pháp casting
35 Hình 2.1: Sơ đờ quy trình thực nghiệm giai đoạn 1
Định lượng nguyên liệu Bột PVC
Bột kẽm
stearat Dầu DOP
Khuấy hỗn hợp
Hút chân không hỗn hợp
Đổ khuôn đem sấy hỗn hợp
Đo cơ tính
Hỗn hợp PVC dạng lỏng
36
2.4.1.1 Định lượng nguyên liệu
Chuẩn bị các nguyên liệu sau: Bột PVC-E, bột kẽm Stearate, dầu DOP. Các nguyên liệu này được đánh giá các thông số như kích thước hạt, khối lượng riêng, độ nhớt, cũng thơng qua đó kiểm tra chất lượng để đảm bảo kết quả nghiên cứu không bị ảnh hưởng do nguồn nguyên liệu đã bị hư hỏng.
Sau khi chuẩn bị đầy đủ nguyên liệu tiến hành tính toán, định lượng, thành lập đơn pha chế cho hỗn hợp bột PVC với tỷ lệ dầu hóa dẻo DOP khác nhau. Các tỷ lệ được chọn từ thấp đến cao cho mỗi hỗn hợp. Cố định khối lượng bột PVC và chất ổn định nhiệt kẽm stearate cho tất cả các hỗn hợp và thay đổi khối lượng dầu DOP theo các tỷ lệ so với khối lượng bột PVC từ thấp đến cao như sau:
Tiến hành cân 100g bột PVC, cứ mỗi 100g bột PVC thì khối lượng DOP cần thêm vào theo các tỷ lệ tăng dần lần lượt là:
Bảng 2.3: Khối lượng dầu DOP cần thêm vào hỗn hợp theo các tỷ lệ tương ứng
Tỷ lệ (%) 60 80 100 150 200
Khối lượng DOP (g) 60 80 100 150 200
Chất ổn định nhiệt kẽm stearate được chọn cố định tỷ lệ 2% cho tất cả các hỗn hợp [2]. Do đó các hỗn hợp thu được có khối lượng thành phần từng chất như sau:
Bảng 2.4: Khối lượng nguyên liệu thành phần trong từng hỗn hợp giai đoạn 1
Hỗn hợp 1 Hỗn hợp 2 Hỗn hợp 3 Hỗn hợp 4 Hỗn hợp 5
Tỷ lệ DOP (%) 60 80 100 150 200
Khối lượng PVC (g) 100 100 100 100 100
Khối lượng DOP (g) 60 80 100 150 200
Khối lượng kẽm
stearate (g) 2 2 2 2 2
Khối lượng hỗn hợp
(g) 162 182 202 252 302
37
a) b)
Khuấy lần lượt các hỗn hợp bằng máy khuấy cơ với tốc độ 300 vòng/phút trong 30 phút. Mục đích của việc khuấy là giúp các hạt PVC phân tán đều trong dầu DOP. Đối với hỗn hợp 60% và 80% DOP, do lượng DOP ít hơn so với bột PVC nên bột PVC khó phân tán trong DOP nên cần gia nhiệt nhẹ cho hỗn hợp khoảng 60oC trong quá trình khuấy.
Hình 2.2: Quá trình khuấy hỗn hợp PVC để tạo hỗn hợp đồng nhất a) khuấy không gia nhiệt b) khuấy có gia nhiệt a) khuấy khơng gia nhiệt b) khuấy có gia nhiệt
Hỗn hợp sau khi trộn ở pha lỏng,hơi sánh, đồng nhất, không mùi, màu trắng đục, có thể dễ dàng rót khn, tuy nhiên bên trong hỗn hợp cịn tờn tại nhiều bọt khí xuất hiện trong q trình khuấy nên cần tiến hành hút chân khơng hỗn hợp để loại bỏ những bọt khí này.
Hình 2.3: Cách bố trí hệ thống hút chân khơng hỗn hợp nhựa PVC
Hỗn hợp sau khi đã hút chân khơng khơng cịn xuất hiện những bọt khí bên trong nữa, hỗn hợp sánh, đờng nhất, có thể rót khn.
2.4.1.3 Đổ khn và sấy hỗn hợp
Hỗn hợp dạng lỏng, đảm bảo đủ điều kiện rót khn dễ dàng, tiến hành rót từ từ hỗn hợp vào khuôn kim loại chuẩn bị sẵn và đặt trong tủ sấy ở 150oC. Do PVC
38 là polyme nhạy nhiệt nên cần quan sát liên tục hỗn hợp trong suốt q trình sấy, nếu khơng khi tiếp xúc quá lâu với nhiệt độ cao, cấu trúc PVC sẽ bị phá hủy, biểu hiện bằng việc mẫu sẽ chuyển sang màu nâu đen.
Các hỗn hợp thường sẽ hóa rắn sau 25-30 phút, sản phẩm là những tấm hình vng có kích thước như khn kim loại có độ dày tùy thuộc vào khối lượng hỗn hợp ở bảng 2.4. Bề mặt tiếp xúc với khn có phần láng mịn và đều hơn bề mặt không tiếp xúc.
2.4.1.4 Tạo mẫu và đo cơ tính
Từ những tấm nhựa sau khi sấy tiến hành cắt thành mẫu thành hình dạng có kích thước theo đúng tiêu chuẩn cần đo cơ tính kéo.
Hình 2.4: Mơ hình mẫu đo cơ tính
Thu thập số liệu, đánh giá cơ tính và kết luận mối quan hệ giữa tỷ lệ chất hóa dẻo DOP và cơ tính của PVC.
2.4.2 Giai đoạn 2: Khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ chất đợn CaCO3 đến tính chất cơ lý của vật liệu PVC gia công bằng phương pháp casting
Sau khi có kết quả cơ tính của những mẫu ở giai đoạn 1, chọn cố định một tỷ lệ chất hóa dẻo phù hợp để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của chất độn CaCO3 đến cơ tính của PVC ở tỷ lệ đó. Như đã nói ở mục 2.4.1.2 khuấy hỗn hợp và hút chân không, các tỷ lệ 60% và 80% DOP, lượng DOP thấp hơn PVC nên PVC khó phân
tán đều trong hỗn hợp. Do đó để tạo điều kiện thuận lợi, dễ dàng trong quá trình gia cơng cụ thể là q trình khuấy trộn thì ta chọn tỷ lệ 100% DOP, ở tỷ lệ này việc độn thêm CaCO3 và trộn là vô cùng dễ dàng, giúp tiết kiệm tương đối thời gian gia cơng.
39 Hình 2.5: Sơ đờ quy trình thực nghiệm giai đoạn 2
Định lượng nguyên liệu
Bột PVC Bột kẽm
stearat Dầu DOP
Khuấy hỗn hợp
Hút chân không hỗn hợp
Đổ khuôn đem sấy hỗn hợp
Đo cơ tính
Hỗn hợp PVC dạng lỏng
Mẫu đo cơ tính
40 Các thao tác tiến hành tương tự như ở giai đoạn 1, nhưng ta cần chú ý đến bước định lượng nguyên liệu ở phần tỷ lệ CaCO3 thêm vào. Chọn lượng PVC ban đầu cũng là 100g, do tỷ lệ dầu hóa dẻo DOP được chọn cố định là 100% nên khối lượng DOP cũng cố định là 100g cho tất cả các hỗn hợp.
Lượng CaCO3 cũng được thêm vào theo tỷ lệ từ thấp đến cao cụ thể như sau: Bảng 2.5: Khối lượng đá vôi – CaCO3 cần thêm vào hỗn hợp
Tỷ lệ (%) 50 100 200 250 300
Khối lượng CaCO3 (g) 50 100 200 250 300
Ở tỷ lệ 300% CaCO3 hỗn hợp bắt đầu đặc và khó khăn trong việc rót khn nên không trộn thêm ở tỷ lệ cao hơn được nữa. Tương tự như ở giai đoạn 1, chất ổn định nhiệt kẽm stearate được chọn cố định tỷ lệ 2% cho tất cả các hỗn hợp. Do đó các hỗn hợp thu được có khối lượng thành phần từng chất như sau:
Bảng 2.6: Khối lượng nguyên liệu thành phần trong từng hỗn hợp giai đoạn 2
Hỗn hợp 1 Hỗn hợp 2 Hỗn hợp 3 Hỗn hợp 4 Hỗn hợp 5
Khối lượng CaCO3
(g) 50 100 200 250 300
Khối lượng PVC (g) 100 100 100 100 100
Khối lượng DOP (g) 100 100 100 100 100
Khối lượng kẽm
stearate (g) 2 2 2 2 2
Khối lượng hỗn hợp
(g) 252 302 402 452 502
2.5 Phương pháp đánh giá cơ tính PVC theo tiêu chuẩn ASTM D638 – 00
Độ bền kéo là ứng suất kéo cực đại của mẫu trong quá trình đo kéo. Khi ứng suất cực đại xảy ra tại điểm yeild (điểm đầu tiên trên đường cong ứng suất - biến dạng mà tại đó có sự gia tăng độ biến dạng mà khơng có sự gia tăng ứng suất), thì độ bền kéo được ghi nhận tại điểm yeild. Khi ứng suất cực đại xảy ra tại điểm đứt, độ bền kéo sẽ được ghi nhận là độ bền kéo đứt.
Module kéo (mô đun đàn hồi) là thước đo độ cứng hoặc khả năng chống biến dạng đàn hồi của vật liệu dưới tải. Nó liên quan đến ứng suất (lực trên một đơn vị diện tích) đến biến dạng (biến dạng tỷ lệ) dọc theo một trục hoặc đường thẳng.
Độ dãn dài (còn gọi là độ biến dạng tỉ đối) là phần trăm dài ra của vật liệu khi chịu tác dụng của lực kéo.
41 Cách tạo mẫu:
Mẫu kéo được gia cơng tạo hình với kích thước của Type IV trong tiêu chuẩn D 638 - 00 được thể hiện ở hình và bảng dưới đây:
Hình 2.6: Hình ảnh minh họa của mẫu quả tạ theo tiêu chuẩn ASTM D638 - 00 [19]
Bảng 2.7: Thông số kích thước của mẫu quả tạ theo tiêu chuẩn ASTM D638 – 00 [19]
Ký hiệu trên mẫu Kích thước
W: Bề rộng phần hẹp (mm) 6 ± 0,25
L: Chiều rộng phần hẹp (mm) 33 ± 1,30
WO: Chiều rộng mẫu (mm) 19 ± 0,75
LO: Chiều dài mẫu (mm) 115 ± 4,5
G: Độ dài đo (mm) 25 ± 1,00
D: khoảng cách giữa các ngàm kẹp (mm) 65 ± 2,5
R: Bán kính góc lượn (mm) 14 ± 0,56
RO: Bán kính ngồi (mm) 25 ± 1,00
Tiến hành thí nghiệm:
Đo bề rộng (WC) và bề dày (T) tại nhiều điểm trên khu vực eo của mẫu, sau đó lấy giá trị trung bình.
Khởi động thiết bị và cài đặt thông số thiết bị yêu cầu như tiêu chuẩn đo, kích thước mẫu đo (dài x rộng x dày), tốc độ kéo: 20 mm/phút.
Đặt mẫu vào hai ngằm kẹp của thiết bị và tiến hành đo mẫu.
Ghi nhận số liệu: lực kéo (tại điểm yeild hoặc đứt), module/slope, ứng suất kéo yeild, ứng suất kéo đứt và tiến hành xử lý số liệu.
42 Xử lý số liệu: Độ bền kéo: σk = F A (MPa) Trong đó:
• F là lực kéo tại điểm yeild hoặc đứt khi mẫu bị đứt (N)
• A là tiết diện tại vùng eo của mẫu. A = 𝑊𝐶 × T (mm2) Module kéo:
M = Slope × LO
𝑊𝐶 × T (MPa) Trong đó:
• Slope là tỉ số giữa sự thay đổi ứng suất và độ biến dạng ở đoạn tuyến tính của đường cong ứng suất - biến dạng.
• LO là chiều dài mẫu (mm)
• Độ biến dạng- độ dãn dài
ε = (l - lo) lo (%) Trong đó:
• l là chiều dài mẫu sau khi biến dạng (mm).
43
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Đánh giá ngoại quan sản phẩm
3.1.1 Sản phẩm chưa độn CaCO3
Sản phẩm sau khi được tách ra khỏi khn có đặc điểm:
Đối với hỗn hợp chỉ có bột PVC, DOP và chất ổn định nhiệt kẽm stearate, sản phẩm có màu trắng đục và trong dần theo độ tăng tỷ lệ DOP. Bề mặt tiếp xúc với khuôn kim loại có phần láng mịn và đồng đều hơn bề mặt không tiếp xúc với khuôn.
Bề mặt không tiếp xúc với khuôn khi chưa hút chân khơng có hiện tượng xuất hiện các lỗ khí, bề mặt khơng đều, mẫu khơng đảm bảo đủ điều kiện để tạo hình đo cơ tính, nhưng đối với hỗn hợp đã hút chân khơng thì bề mặt sản phẩm có đặc điểm láng, đều, độ thẩm mỹ cao, đủ điều kiện tiến hành tạo hình mẫu đo cơ tính.
Hình 3.1: Sản phẩm nhựa PVC chưa độn CaCO3 gia công bằng phương pháp casting
3.1.2 Sản phẩm đã đợn CaCO3
Đối với hỗn hợp có trộn thêm CaCO3, sản phẩm màu trắng đục hơn hỗn hợp khơng có CaCO3. Màu trắng của sản phẩm là do màu của bột PVC và CaCO3, đây là đặc điểm vô cùng quan trọng trong ứng dụng của nghiên cứu. Sản phẩm có màu trắng nên khơng cần thêm chất tẩy trắng trong q trình gia cơng, giúp tiết kiệm được chi phí cho chất tẩy trắng.
Bề mặt sản phẩm đối với hỗn hợp đã hút chân khơng cũng có đặc điểm tương tự như trên: láng, đều, độ thẩm mỹ cao, đủ điều kiện để tạo hình mẫu đo cơ tính.
44 Hình 3.2: Sản phẩm nhựa PVC có độn CaCO3 gia cơng bằng phương pháp casting
Những mẫu đủ điều kiện để đo cơ tính được cắt tạo hình thành những mẫu để đo độ bền kéo, module kéo và độ dãn dài theo tiêu chuẩn đo cơ tính như hình 3.3.
Các mẫu có độ dày tương tự nhau dao động trong khoảng 2-3mm. Phần rìa cắt bởi khn có đặc điểm thẳng, láng, mẫu có hình dạng và kích thước đúng với tiêu chuẩn.
Hình 3.3: Mẫu đo độ bền kéo, module kéo và độ dãn dài được gia cơng tạo hình theo tiêu chuẩn đo cơ tính
45
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ chất hóa dẻo DOP đến tính chất cơ lý của vật liệu PVC gia công bằng phương pháp casting vật liệu PVC gia cơng bằng phương pháp casting
Hình 3.4: Đờ thị độ bền kéo trung bình (MPa) của vật liệu PVC với các tỷ lệ chất hóa dẻo DOP khác nhau
Hình 3.5: Đờ thị module kéo trung bình (MPa) của vật liệu PVC với các tỷ lệ chất hóa dẻo DOP khác nhau
2.37830 2.01140 1.89700 1.56140 0.67780 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 100/60 100/80 100/100 100/150 100/200
Tỷ lệ phần trăm khối lượng PVC so với DOP
Độ bền kéo (MPa) 13.3224 9.1420 6.0534 2.9185 1.5543 0.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 100/60 100/80 100/100 100/150 100/200
Tỷ lệ phần trăm khối lượng PVC so với DOP
Mod
ule
kéo
(MPa
46 Hình 3.6: Đờ thị độ dãn dài trung bình (%) của vật liệu PVC với các tỷ lệ chất hóa
dẻo DOP khác nhau Nhận xét:
Qua bảng số liệu 3.2 và các đồ thị hình 3.4, 3.5, ta thấy cả độ bền kéo và module kéo đều giảm dần theo tỷ lệ phần trăm khối lượng dầu hóa dẻo DOP tăng dần. Độ bền kéo và module kéo của PVC cao nhất đạt được lần lượt là 2,378 Mpa và 13,224 Mpa, ở tỷ lệ phần trăm khối lượng DOP đều là 60%, tức là phần trăm khối lượng hóa dẻo thấp nhất trong thí nghiệm, sau đó độ bền kéo và module kéo giảm dần và có giá trị thấp nhất lần lượt là 0,677 Mpa và 1,554 Mpa, ở tỷ lệ phần trăm khối lượng DOP là 200%.
Cịn thơng qua bảng số liệu 3.3 và đồ thị hình 3.6, ta thấy độ dãn dài của PVC tăng dần và đạt cực đại ở giá trị 81,99% ở tỷ lệ phần trăm khối lượng dầu DOP là 150%, sau đó lại giảm khi phần trăm khối lượng hóa dẻo DOP tăng. Độ dãn dài tăng giảm thuận nghịch.
Giải thích và kết luận:
Chất hóa dẻo DOP ảnh hưởng đến cơ tính của PVC theo nồng độ thêm vào. Điều này đúng với lý thuyết gel trong cơ chế hóa dẻo: chất hóa dẻo DOP đi vào trong phân tử PVC làm các hạt PVC trương lên, hỗ trợ cho sự di chuyển của phân tử PVC, làm các phân tử PVC dễ dàng di chuyển và suy yếu liên kết giữa các phân tử PVC với nhau, làm tăng độ mềm dẻo của mạch, từ đó độ bền kéo và module kéo giảm. Điều này cũng đúng với lý thuyết về hiệu suất hóa dẻo được trình bày ở mục 1.6.2.4
Ở những nờng độ hóa dẻo DOP thấp, PVC có tính đàn hời tốt, biểu hiện qua việc độ dãn dài tăng dần do trong hỗn hợp sản phẩm xuất hiện thêm liên kết giữa
28.82 37.39 61.77 81.99 63.58 0 20 40 60 80 100 100/60 100/80 100/100 100/150 100/200
Tỷ lệ phần trăm khối lượng PVC so với DOP
Độ
dãn
dài
(%
47 hóa dẻo và polyme giúp PVC đàn hời hơn nhưng khi nờng độ hóa dẻo tiếp tục tăng, lúc này liên kết giữa hóa dẻo với hóa dẻo chiếm ưu thế và PVC khơng cịn đàn hời