1.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ tính vật liệu composite[1], [2]
Cơ tính của vật liệu composite là một trong những yếu tố đƣợc quan tâm nhiều nhất khi nói đến tính chất của vật liệu composite. Cơ tính của vật liệu composite bị ảnh hƣởng chủ yếu bởi các yếu tố:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần - Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần
- Tác dụng tƣơng hỗ giữa các vật liệu thành phần - Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu nền - Hình dạng và kích thƣớc của vật liệu cốt
- Phƣơng pháp gia công
- Điều kiện môi trƣờng làm việc….
1.1.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của vật liệu composite[2],[19]
1.1.3.1. Ưu điểm của vật liệu composite
Vật liệu composite có thể thay đổi đƣợc cấu trúc hình học và luật phân bố của vật liệu gia cƣờng nên vật liệu composite có thể có tính dị hƣớng. Đây là một tính chất đặc biệt của vật liệu composite mà các vật liệu truyền thống khơng có đƣợc. Bên cạnh đó, vật liệu composite có thể đƣợc chế tạo đa dạng các kết cấu, sản phẩm đáp ứng đƣợc nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau nhƣ nhẹ, cơ tính cao, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt (composite nền gốm có thể chịu đƣợc nhiệt độ lên đến 1000oC), khả năng chống mài mịn,… Ngồi ra, vật liệu composite cũng dễ gia công tạo sản phẩm bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau.
Vật liệu nền Vật liệu cốt
1.1.3.2. Nhược điểm của vật liệu composite
Vật liệu composite lại có nhƣợc điểm là khó kiểm tra các khuyết tật, các vết nứt trong sản phẩm nên gây khó khăn trong việc kiểm tra, bảo dƣỡng sản phẩm. Bên cạnh đó, một số loại composite bị lão hóa bởi mơi trƣờng làm việc nhƣ polymer composite… Ngoài ra, một nhƣợc điểm khác đang là một vấn đề cấp thiết là ảnh hƣởng đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời trong q trình gia cơng và tiêu hủy.
1.1.4. Ứng dụng của vật liệu composite[1], [2],[19]
Với những tính chất vƣợt trội của mình thì vật liệu composite đang dần thay thế các loại vật liệu truyền thống ở hầu hết các lĩnh vực trong đời sống cũng nhƣ trong kỹ thuật. Vật liệu composite đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành hàng không, vũ trụ, y tế, quân sự, thể thao, các ngành dân dụng,… (Hình 1.3). Có thể nói rằng thế kỷ XXI là thế kỷ của composite.
a) Trong hàng không b) Trong quân sự Hình 1.3. Ứng dụng của vật liệu composite
Bên cạnh những loại vật liệu composite truyền thống, ngày nay các loại vật liệu composite có khả năng phân hủy sinh học và có thể tái sử dụng đang ngày càng đƣợc tập trung nghiên cứu, phát triển. Loại composite này cũng đã có nhiều ứng dụng trong các ngành kỹ thuật cũng nhƣ trong đời sống nhƣ trong xây dựng (dùng làm ván tƣờng, tấm lợp mái nhà, các thanh dầm định hình, vật liệu nội thất…), trong lĩnh vực ô tô (các thanh cản hấp thụ lực, sàn xe, các chi tiết bên trong xe…), trong giáo dục (bàn ghế, các thiết bị trƣờng học…),… Hình 1.4 là một số ứng dụng tiêu biểu của composite sợi tự nhiên.
a) Mũ bảo hiểm dùng sợi lanh b) Ván sàn tre Hình 1.4. Ứng dụng của composite sợi tự nhiên
1.1.5. Phƣơng pháp gia công vật liệu composite[2], [20], [21], [22] 1.1.5.1. Một số phương pháp gia công
a) Phƣơng pháp lăn tay (Hand lay-up)
Đây là công nghệ chế tạo theo khuôn hở, các cơng đoạn đƣợc thực hiện hồn tồn bằng tay từ hòa trộn nguyên liệu đến khi lấy sản phẩm ra từ khn (Hình 1.5).
Hình 1.5. Phƣơng pháp lăn tay
- Ƣu điểm: Công nghệ đơn giản, thơng dụng, dễ làm, có thể thay đổi cấu trúc
sản phẩm dễ dàng, chi phí đầu tƣ thiết bị thấp, khơng địi hỏi trình độ cơng nhân cao.
- Nhƣợc điểm: Chất lƣợng sản phẩm không đồng đều, sản phẩm chỉ láng bóng một mặt (mặt tiếp xúc với khn), địi hỏi cơng nhân phải có tay nghề cao, năng suất thấp. Dung môi cũng là nguyên nhân ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời lao động và môi trƣờng.
Đây cũng là công nghệ chế tạo sử dụng loại khuôn hở giống nhƣ phƣơng pháp Hand lay-up. Trong phƣơng pháp này, quá trình phủ gel-coat trên khuôn và tạo các lớp gia cƣờng đƣợc thực hiện bằng súng phun (Hình 1.6).
Hình 1.6. Phƣơng pháp phun bắn
- Ƣu điểm: Hiệu quả với các loại bề mặt khuôn uốn lƣợn, cong, phồng. Phƣơng pháp này đạt năng suất cao đồng thời tiết kiệm sợi, nhựa và nhân công. - Nhƣợc điểm: Phƣơng pháp này khơng thích hợp cho sản xuất các sản phẩm cần chính xác về kích thƣớc và sản xuất với số lƣợng nhiều. Địi hỏi cơng nhân phải lành nghề, ảnh hƣởng không tốt đến sức khỏe công nhân và ô nhiễm môi trƣờng.
c) Phƣơng pháp quấn (Filament Winding)
Phƣơng pháp này dùng để tạo các sản phẩm composite có cấu trúc dạng ống. Sợi đƣợc quấn quanh lỏi theo một góc nhất định. Đây là phƣơng pháp có khả năng tự động hóa cao (Hình 1.7).
Hình 1.7. Phƣơng pháp quấn
- Ƣu điểm: Là phƣơng pháp sử dụng vật liệu giá rẻ tạo nên sản phẩm có giá trị kinh tế cao, sợi đƣợc sắp xếp điều đặn hết lớp này đến lớp khác nên thích hợp tạo
Cuộn sợi Bể nhựa Trục quay Bộ bánh xe Con thoi Xúc tác Súng phun Gel- coat Sợi Dịng khí nén và nhựa
sản phẩm nhiều lớp. Do sợi đƣợc kéo căng nên sản phẩm cũng ít bị bọt khí, các sản phẩm nhƣ bình chịu áp chỉ có thể làm bằng phƣơng pháp này, có thể tự động hóa hồn tồn.
- Nhƣợc điểm: Chỉ giới hạn để tạo sản phẩm kín, bề mặt ngồi khơng láng, phải phụ thuộc vào góc quấn, khó lấy sản phẩm ra khỏi lỏi, khó khăn khi quấn dọc trục lõi, chi phí thiết bị cao.
d) Phƣơng pháp đúc kéo (Pultrusion)
Quy trình pultrusion là một quy trình liên tục, tự động dùng để sản xuất các sản phẩm dạng profile nhƣ thanh hình chữ U, hình chữ I, hình chữ O,… (Hình 1.8).
Hình 1.9. Phƣơng pháp đúc kéo
e) Phƣơng túi chân không f) Phƣơng pháp RTM g) Phƣơng pháp ép nóng
Hình 1.8. Phƣơng pháp đúc kéo
- Ƣu điểm: Sản xuất các profile có hình dạng phức tạp với độ dài liên tục, phân bố vật liệu gia cƣờng với vị trí chính xác, tỷ lệ phế liệu thấp, quy trình sản xuất có thể tự động hóa hồn tồn nên chi phí sản xuất thấp, hạ giá thành sản phẩm.
- Nhƣợc điểm: Chi phí đầu tƣ thiết bị tƣơng đối cao, khó khăn trong việc vệ sinh thiết bị, không sản xuất đƣợc các sản phẩm có hình dạng phức tạp, các sản phẩm có thành mỏng.
e) Phƣơng pháp túi chân không (Vacuum bag)
Vacuum bag là phƣơng pháp tạo sản phẩm composite đƣợc gia cƣờng bởi sợi trong khuôn đơn. Thiết bị làm cho sản phẩm tạo hình theo khn là một màng mềm dẻo. Phƣơng pháp này sử dụng bơm chân không tạo áp suất thấp để đƣa nhựa vào khuôn và đồng thời cũng có tác dụng loại bỏ bọt khí trong sản phẩm (Hình 1.9).
Các cuộn sợi
Bể nhựa
Định hình
- Ƣu điểm: Nhờ áp lực luôn đƣợc duy trì trong suốt thời gian định hình nên nhựa đƣợc giữ phân bố đều và khả năng thấm vào sợi tốt hơn. Việc khử bọt khí cũng dễ dàng hơn và an tồn cho sức khỏe ngƣời lao động, chi phí đầu tƣ thấp hơn các phƣơng pháp ép bằng áp lực khác.
- Nhƣợc điểm: Sản phẩm chỉ bóng láng một mặt nhƣ các phƣơng pháp dùng khuôn hở, chất lƣợng của sản phẩm thấp hơn sản phẩm gia công bằng phƣơng pháp đúc ép, quy trình sản xuất khơng liên tục nên sản phẩm có giá thành cao.
f) Phƣơng pháp RTM (Resin transfer moulding )
RTM là phƣơng pháp dùng áp suất thấp đƣa nhựa vào trong khn kín, tạo sản phẩm composite đƣợc kiểm soát chặt chẽ về hình dạng preform (hoặc sợi) và nhựa (Hình 1.10).
Hình 1.10. Phƣơng pháp RTM Lớp vải tách Lớp vải tách
Hình 1.9. Phƣơng pháp túi chân khơng Áp kế Áp kế Băng dính Van Gel- coat Sợi Bề mặt làm việc Lớp trích khí
- Ƣu điểm: Phƣơng pháp RTM có thể sản xuất các sản phẩm phức tạp, có kích thƣớc lớn và cơ tính cao. Sản phẩm thì ít bọt khí, khơng có đƣờng cắt bavia nên tiết kiệm đƣợc nguyên liệu. Do sử dụng khn kín nên sản phẩm có hai mặt bóng láng, ít ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời lao động và môi trƣờng.
- Nhƣợc điểm: Chi phí thiết bị cao, q trình gia cơng phức tạp địi hỏi cơng nhân phải có trình độ nhất định, thời gian gia công sản phẩm kéo dài, tốn năng lƣợng gia nhiệt cho nhựa đóng rắn, khó khăn trong việc vệ sinh thiết bị.
g) Phƣơng pháp ép nóng (Hot-press)
Là công nghệ chế tạo theo khn kín có thể gia cơng sản phẩm composite nền nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn. Phƣơng pháp này chủ yếu dùng để tạo sản phẩm dạng tấm (Hình 1.11).
Hình 1.11. Phƣơng pháp ép nóng
- Ƣu điểm: Thời gian gia cơng sản phẩm tƣơng đối nhanh, có tỷ lệ sợi cao. Do phƣơng pháp này gia công sản phẩm composite chủ yếu dùng nhựa nhiệt dẻo nên sản phẩm có khả năng tái chế, ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng.
- Nhƣợc điểm: Phƣơng pháp này chỉ hiệu quả để tạo các sản phẩm dạng tấm, sản phẩm dễ bị cong vênh, khó tạo sản phẩm có bề dày lớn.
1.1.5.2. Gia cơng vật liệu composite bằng phương pháp ép nóng
Phƣơng pháp gia công bằng cách ép khn đã có từ lâu, trƣớc các phƣơng pháp gia công khác. Phƣơng pháp ép nóng có thể áp dụng đƣợc cho cả composite nhựa nền nhiệt dẻo lẫn nhiệt rắn. Đây là phƣơng pháp gia công chủ yếu tạo sản phẩm composite nền nhựa nhiệt dẻo và là một trong những phƣơng pháp gia cơng có hiệu suất tƣơng đối cao.
Áp lực Khuôn đực
đƣợc gia nhiệt Khuôn cái đƣợc gia nhiệt
a) Nguyên lý
Đầu tiên, nhựa và sợi gia cƣờng (đã đƣợc gia nhiệt sơ bộ) đƣợc cho vào nửa dƣới của khuôn ép, khuôn đã đƣợc gia nhiệt trƣớc bằng các điện trở đặt bên trong. Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn ép cũng đã đƣợc gia nhiệt trƣớc bằng điện trở, nửa khuôn dƣới di chuyển lên tiến hành ép, nhựa chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục đƣợc duy trì để nhựa nóng chảy điền đầy khn. Sau đó, đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ đƣợc làm nguội đến nhiệt độ dƣới nhiệt độ kết tinh của nhựa để chuyển sang trạng thái rắn. Trong quá trình làm nguội, áp lực tác dụng vẫn đƣợc duy trì để cố định hình dáng sản phẩm, hạn chế tình trạng sản phẩm bị cong vênh. Kết thúc quá trình thì mở khn lấy sản phẩm và vệ sinh khn.
b) Cấu tạo máy ép nóng
Máy ép nóng cấu tạo có các bộ phận chính gồm máy ép, khuôn ép, hệ thống gia nhiệt - giải nhiệt, ….
- Máy ép: Dùng để tạo áp lực cho q trình ép. Có nhiều loại máy ép và hoạt động chủ yếu bằng thuỷ lực nhằm giúp cho thiết bị có cấu tạo và vận hành đơn giản. Đối với máy ép thủy lực, ngƣời ta thƣờng sử dụng 2 hệ thống áp suất: áp suất thấp để đóng khn ép nhanh (có giá trị thấp hơn hoặc bằng 8 kg/cm2
), áp suất cao để tạo áp suất đủ cho q trình ép (có giá trị biến thiên từ 20 ÷ 300 kg/cm2
).
- Khn ép: Có nhiều loại khn khác nhau và mỗi loại chỉ có thể dùng để ép một số nguyên liệu nhất định. Việc chọn khn phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, tính chất vật liệu, u cầu của quy trình cơng nghệ… Về cơ bản cấu tạo khn ép gồm chày ép và cối. Việc phân loại khn có thể theo nhiều cách khác nhau nhƣng cách phân loại thơng dụng là phân loại theo cách khép kín vùng tạo hình gồm khn hở, khn kín và nữa kín.
Ngồi ra, cịn có hệ thống gia nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho khn ép và giữ ở nhiệt độ gia cơng, thƣờng dùng điện trở vì nó hiệu quả, tiện lợi, dễ điều chỉnh. Hệ thống giải nhiệt thƣờng sử dụng nƣớc làm mát để giải nhiệt cho sản phẩm đến khi chuyển sang trạng thái rắn để nhằm cố định hình dạng sản phẩm. Đây là một trong những yếu quan trọng quyết định đến chất lƣợng sản phẩm đối với gia công composite nền nhựa nhiệt dẻo.
c) Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình gia cơng
- Nhiệt độ ép: Tùy vào mỗi loại vật liệu cụ thể mà khi gia công sản phẩm composite thì nhiệt độ gia cơng phải nằm trong một khoảng giới hạn nhiệt độ nhất định. Nếu vƣợt quá giới hạn trên của nhiệt độ, tính chất của sản phẩm sẽ suy giảm
do phản ứng phân hủy sợi hay nhựa xảy ra. Nhƣng nếu nhiệt độ nhỏ hơn giới hạn dƣới thì sản phẩm có kết cấu không chặt chẽ, khả năng thấm của nhựa vào sợi không tốt.
- Áp lực ép: Giúp khối vật liệu kết dính thành khối liên tục và tạo lực đẩy khối vật liệu lỏng lấp đầy vùng tạo hình của khn, loại bớt bọt khí trong q trình gia cơng. Khi có sự khiếm khuyết hình dạng của sản phẩm, sản phẩm có khối lƣợng riêng thấp thì một trong các ngun nhân có thể là áp suất ép khơng đạt. Trái lại, áp suất ép quá cao thƣờng tạo nhiều ba via trên sản phẩm và làm khuôn mau hƣ hỏng. Áp suất ép phụ thuộc vào tính chất vật liệu ở nhiệt độ gia cơng và hình dáng sản phẩm (sản phẩm càng phức tạp thì áp suất ép phải càng lớn).
- Thời gian lƣu sản phẩm trong khuôn: Là khoảng thời gian đƣợc tính từ lúc chày ép tiếp xúc với khối vật liệu trong khuôn đến khi lấy sản phẩm khỏi khuôn. Nếu vật liệu đƣợc gia nhiệt sơ bộ thì thời gian lƣu sẽ đƣợc rút ngắn rất nhiều. Thời gian lƣu sản phẩm có quan hệ mật thiết với nhiệt độ ép và thông thƣờng phụ thuộc vào bề dày của sản phẩm.
- Tốc độ giải nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm. Nếu tốc độ giải nhiệt quá nhanh thì tỷ lệ tinh thể kết tinh không cao, sản phẩm dể bị cong vênh dẫn đến tính chất cơ lý của sản phẩm không cao. Tốc độ giải nhiệt quá chậm thì sẽ ảnh hƣởng đến hiệu suất của q trình. Vì vậy, phải có tốc độ giải nhiệt phù hợp sao cho nhựa có thể kết tinh đƣợc tối đa lƣợng tinh thể. d) Lấy sản phẩm và vệ sinh khuôn ép
- Lấy sản phẩm: Việc lấy sản phẩm có thể tiến hành trong hoặc ngồi máy ép. Cơng đoạn này cần tiến hành nhanh để tránh khuôn bị nguội. Để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng thì phải lựa chọn phƣơng pháp lấy sản phẩm thích hợp. Cách lấy sản phẩm thông dụng nhất là dùng thanh đẩy, mâm trƣợt hay khí nén.
- Vệ sinh khn ép: Mục đích của cơng đoạn này là giúp cho bề mặt sản phẩm bóng đẹp. Mặt khác, khn ép sạch cũng giúp cho vật liệu dễ chảy vào khuôn ép. Việc làm sạch khn có thể tiến hành bằng tay, khí nén. Sau khi vệ sinh khn xong thơng thƣờng khn cịn đƣợc phủ thêm chất tách khn, chất làm kín để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
1.2 Sợi tự nhiên
Chúng ta đều biết rằng các sợi tự nhiên có thể đem lại cho vật liệu composite độ bền dai cao, cho cơ tính riêng nhƣ ý và hơn hết là khả năng phân hủy sinh học. Sợi tự nhiên thì dễ tìm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ. Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi tự nhiên đƣợc nhóm thành:
- Sợi lấy từ vỏ, thân cây nhƣ đay (jute), lanh (flax), bã mía (bagasse), gai dầu (hemp), dâm bụt (kenaf), lục bình (water hyacinth),…
- Sợi lấy từ lá nhƣ cọ (palm), si-dan (sisal), dứa (pineapple), cây thùa (henequen),….
- Sợi từ bông, hạt nhƣ sợi xơ dừa (coir), bông vải (cotton), bông gạo (kapok), cọ dầu (oil palm), ….
1.2.1. Tổng quan về sợi tự nhiên[3], [4], [23], [24], [25], [26]
1.2.1.1. Cấu trúc vi mơ và kích thước của sợi tự nhiên
a) Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có thể đƣợc xem nhƣ là composite của vi sợi cellulose đƣợc gắn kết với nhau trên nền vơ định hình chủ yếu gồm lignin và hemicellulose. Cellulose là thành phần polymer chính của sợi tự nhiên và chủ yếu có trong vách tế bào của sợi tự nhiên. Vách tế bào từ ngồi vào trong cơ bản cấu tạo gồm biểu bì, lớp sơ cấp,