1.3.1. Phương pháp nghiên cứu
Tổng thể phương pháp nghiên cứu là thực nghiệm.
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
Trong nội dụng đề tài chúng tôi là vật liệu composite lai với thành phần sợi thủy tinh cắt ngắn, nhựa epoxy, bột TiO2.
1.3.3. Mục tiêu nghiên cứu
-Xác định cơ tính của vật liệu composite (nhựa epoxy/sợi thủy tinh cắt ngắn) khi độn bột titan đioxit.
-Kiểm tra trạng thái ma sát và mòn.
-Kiểm tra độ hấp thụ nươc.
1.3.4. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ đề tài, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ vật liệu gia cường bột titan đioxit khi độn vào vật liệu composite nền epoxy cốt sợi thủy tinh cắt ngắn.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM BẰNG COMPOSITE [7][25] 2.1.1. Công nghệ bằng tay (Hand lay up) 2.1.1. Công nghệ bằng tay (Hand lay up)
Đây là công nghệ chế tạo tạo sản phẩm theo khuôn hở, hoàn toàn bằng tay ở tất cả các công đoạn. Quy trình tóm tắt như sau: Khuôn → Quét gelcoat lên khuôn → Trải vải thủy tinh → Thấm → Lăn ép resin → Sản phẩm. Phù hợp cho chế tạo: tàu thuyền, bồn chứa, nhà cửa, panel hoặc các sản phẩm lớn khác đòi hỏi chịu lực cao.
Hình 2.1. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp lăn tay
Ưu điểm
- Thông dụng, phổ biến, dễ làm, ít đầu tư.
- Gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp, góc cạnh, có kích thước lớn. - Thay đổi cấu trúc sản phẩm dễ dàng.
- Dễ dàng đưa và ghép các chi tiết vào sản phẩm.
Nhược điểm
- Năng suất thấp, lao động nặng. - Sản phẩm chỉ láng đẹp một mặt.
- Chất lượng sản phẩm không đồng đều, phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người gia công.
- Thời gian gel phải kéo dài, nhựa cần có độ nhớt thấp do ảnh hưởng đến cơ tính nếu sử dụng chất pha loãng.
- Styren bay hơi ảnh hưởng đến sức khỏe của người gia công và môi trường. - Phế liệu nhiều và khó xử lý: bavia, mài, xử lý cơ học.
2.1.2. Công nghệ phun bắn (Spray up)
Trong phương pháp này, quá trình phun phủ gelcoat trên khuôn và tạo ra các lớp gia cường đều hoàn toàn bằng thiết bị gọi là súng (gun) hoặc súng phun. Sợi được cắt ngắn trong súng cầm tay và gắn bình phun chứa nhựa đã có chất xúc tác sau đó phun vào khuôn, vật liệu sẽ đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Dùng chế tạo sản phẩm lớn như: tàu thuyền, bồn chứa, bể bơi, v.v…
Hình 2.2. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp phun bắn
Ưu điểm
- Năng suất cao, sử dụng thiết bị đơn giản, giá thấp. - Sản phẩm bóng, láng một mặt.
Nhược điểm
- Sản phẩm có tỉ lệ nhựa/sợi cao, chỉ có sợi ngắn mới có khả năng kết hợp và khả năng tăng cơ tính không nhiều.
- Nhựa cần có độ nhớt thấp để có thể phun, thường ảnh hưởng đến tính chất cơ nhiệt của composite. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.1.3. Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Tranfer Molding)
Đây là công nghệ trung gian giữa công nghệ bằng tay và đúc nén nhanh, sử dụng nguyên liệu tẩm sẵn resin (prepeg): SMC và BMC. Khuôn gồm hai nửa và thực hiện theo hai cách:
- Gelcoat được phủ trên hai bề mặt của hai nửa khuôn bằng phun hoặc quét tay và để khô; vải thủy tinh được trải tay trên khuôn rồi lăn thấm resin, ngay sau đó ghép hai nửa khuôn và xiết chặt bằng bu lông để tạo lực ép nén. Sau khi đóng rắn, tháo bu lông lấy sản phẩm (Hình 2.3a).
- Sau khi trải vải thủy tinh thì ghéo hai nửa khuôn lại và tạo ra một khuôn kín. Sau đó dùng bơm phun dưới áp lực để phun resin đã hòa xúc tác vào khuôn. Sau khi đóng rắn, tháo 2 hai nửa khuôn để lấy sản phẩm ra (Hình 2.3b).
a) b)
Hình 2.3. Gia công vật liêu FRP bằng phương pháp RTM
a) Khuôn hở b) Khuôn kín
Ưu điểm
- Chất lượng sản phẩm tốt, dung sai nhỏ. - Bề mặt sản phẩm láng đẹp cả hai mặt.
- Thời gian tạo sản phẩm ngắn, tốn ít lao động. - Phù hợp cho số lượng sản xuất trung bình.
Nhược điểm
- Vốn đầu tư lớn.
- Có thể gặp khó khăn trong việc nhựa thấm ướt hoàn toàn sợi. - Không kinh tế nếu sản xuất với số lượng nhỏ sản phẩm.
2.1.4. Công nghệ quấn sợi (Filament winding)
Phương pháp chủ yếu làm các sản phẩm rỗng hình tròn hoặc oval như ống, thùng,… Sợi liên tục lội qua hỗn hợp nhựa trước khi quấn vào trục theo nhiều hướng khác nhau được điều chỉnh bằng một cơ cấu dẫn sợi.
Hình 2.4. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp quấn sợi
Ưu điểm
- Nhanh, năng suất cao, phương pháp có tính kinh tế để gia công vật liệu. - Lượng nhựa có thể điều chỉnh được.
- Sản phẩm có độ bền cao, chịu áp lực lớn.
Nhược điểm
- Chỉ có thể làm được các sản phẩm có hình dạng lồi. - Giá trục cao có thể làm sản phẩm lớn.
- Bề mặt ngoài không có khuôn do đó không đẹp. - Dùng nhựa có độ nhớt thấp.
2.1.5. Công nghệ ép phun (Injection Molding)
Nguyên liệu chính là chất dẻo nhiệt (ví dụ hạt PA), tạo sợi cắt ngắn và sợi roving được nạp đồng thời vào hệ thống đùn – ép phun để tạo ra sản phẩm.
Đối với nhựa nhiệt rắn: sợi ngắn được định hình trước nếu cần, đặt vào khuôn; khuôn được đóng lại, kẹp chặt và nhựa được phun vào từ đầu cuộn.
Hình 2.5. Gia công vật liệu FRP bằng phương pháp ép phun
Ưu điểm
- Dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh tỉ lệ nguyên liệu chính xác. - Chế tạo được các sản phẩm có khuôn phức tạp với sản lượng lớn.
Nhược điểm
- Vốn đầu tư ban đầu lớn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Đòi hỏi trình độ kỹ thuật của người thợ cao.
2.1.6. Công nghệ đúc kéo (Pultrusion)
Đây là công nghệ để sản xuất các sản phẩm có tiết diện không đổi như: gậy, sào, dầm, các ống, v.v… Sợi được kéo qua bể nhựa và sau đó qua đầu tạo hình được gia nhiệt. Đầu tạo hình có tác dụng làm sợi thấm ướt hoàn toàn nhựa, điều chỉnh tỉ lệ nhựa sợi, đóng rắn nhựa và tạo hình dạng mong muốn. Thanh composite được cắt theo kích thước yêu cầu.
Ưu điểm
- Năng suất cao, hiệu quả kinh tế khi gia công lượng sản phẩm lớn. - Có thể điều chỉnh được tỉ lệ nhựa sợi.
- Giá thành hạ do sử dụng sợi ở dạng thô.
- Bể tẩm nhựa có thể được đóng kín nên hạn chế chất bay hơi.
Nhược điểm
- Mỗi đầu tạo hình chỉ dùng cho một loại sản phẩm. - Giá của đầu tạo hình cao.
2.1.7. Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM ( Reinforced Reaction Injection Molding) Molding)
Đây là công nghệ chất dẻo nhiệt rắn, hỗn hợp chất dẻo đóng rắn được ép phun ở nhiệt độ thấp vào khuôn gia nhiệt được gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Nhờ có áp lực và nhiệt độ cao, phản ứng đóng rắn xảy ra toàn phần và đóng rắn trong khuôn.
Hình 2.7. Công nghệ đúc ép – phun phản ứng RRIM
Ưu điểm
- Chi phí khuôn không cao, áp lực đúc thấp, thiết kế linh hoạt.
- Chế tạo được sản phẩm phức tạp có đặc tính cơ học bền va đập cao với sản lượng lớn, ví dụ các chi tiết có cấu kiện lồng vào nhau hoặc bao bọc các cấu kiện hình trụ chịu lực cao.
Nhược điểm
Với đối tượng nghiên cứu được trình bày ở phần mở đầu của đề tài, nên trong phần cơ sở lý thuyết này, chúng ta tìm hiểu kỹ hơn về sợi thủy tinh, nhựa epoxy và bột gia cường titan đioxit (TiO2).
2.2. SỢI THỦY TINH
2.2.1. Thành phần và tính chất
Sợi thủy tinh là chuỗi silica trùng hợp có tính ion được giữ lại với nhau bằng những ion kim loại. Tuy nhiên, silica tinh khiết (thạch anh) đòi hỏi hình thành ở nhiệt độ cao trước khi nó có thể chảy và kéo thành sợi. Vì thế, các thành phần hóa học khác được thêm vảo để giảm độ nhớt và nhiệt độ nóng chảy, làm đồng nhất loại bỏ bọt khí và kéo thành sợi. Tính chất của sợi nhận được thay đổi theo loại và hàm lượng chất bổ sung. O Si M+ O- O- O- O- M+ O Si O- O Si O- O Si O- O- O- O- O Si O- O Si O- M+
Cấu trúc hóa học của sợi thủy tinh
Theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2078 có 6 loại sợi thủy tinh chủ yếu, được phân loại theo đặc tính cơ lý trội [1], mang ký hiệu:
- E (Electriacl glass): có đặc tính cách điện cao. - A (Alkali glass): thủy tinh kiềm.
- C (Chemical glass): thủy tinh chịu axit.
- R, S: có cường độc cơ học cao, kể cả nhiệt độ cao tới 2500C. - D: có tính điện môi tốt nên thẩm thấu các sóng điện tử rất cao.
Bề mặt sợi thủy tinh được xử lý với chất liên diện để chống ẩm cho sợi, giảm sức căng bề mặt của nhựa, tăng cường khả năng trương hợp, tạo thành hệ đồng nhất nhựa và sợi.
Từ những sợi đơn sau khi tẩm, kết dính tạo thành sợi cơ bản gọi là “Tao sợi”; nhiều tao sợi thành sợi “Roving”; nhiều sợi đan xoắn tạo thành sợi chỉ.
Ký hiệu sợi thủy tinh
Ký hiệu thương phẩm sợi thủy tinh phải nói nên được các vấn đề: loại thủy tinh, đường kính sợi đơn, khối lượng dài theo đơn vị quy ước “Tex”, chiều xoắn, số vòng xoắn trên mét dài, loại chất tẩm và kiểu uốn.
Ví dụ: EC 10 40S 20 T3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Có nghĩa là: sợi thủy tinh E liên tục, đường kính sợi đơn là 10 µm, khối lượng 40 Tex (1Tex = 1g/km), chiều xoắn trái, số vòng xoắn 20, loại tẩm T3.
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của sợi thủy tinh [1]
Thành phần hóa học E A C R S D
Tên Công thức Tỉ lệ %
Oxit silic SiO2 53÷54 70÷72 60÷65 60 62÷65 73÷74 Oxit nhôm Al2O3 14÷16 0÷2,5 2÷6 25 20÷25 -
Vôi CaO 20÷24 5÷9 14 6 - 0,5÷0,6
Oxit magiê MgO 20÷24 4÷1 1÷3 9 10÷15 -
Oxit bo B2O3 6,5÷9 0÷0,5 2÷7 - 0÷1,2 22÷23
Flo F 0÷0,7 - - - - -
Oxit natri Na2O - 12÷15 8÷10 - 0÷1,1 1,3
Oxit kali K2O - 1 - - - 1,5
Oxit sắt Fe2O3 ≤ 1 - - - - -
Bảng 2.2. Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh [1]
Đặc tính Đơn vị Loại sợi thủy tinh
E A C R S D Trọng lượng riêng g/cm3 2,56 2,45 2,45 2,58 2,49 2,89 Ứng suất kéo GN/m2 3,6 3,3 - 4,4 4,5 3,4 Modul đàn hồi GN/m2 75,9 69,0 - 84,8 86,2 110,4 Điểm nóng chảy 0C 850 700 690 990 - Hệ số giãn nở nhiệt 4,9 x 10-9 Hệ số dẫn nhiệt W/m0C 1,04 Ghi chú: 1 GN = 109 N
Bảng 2.3. Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) [1]
Loại sợi thủy tinh Đơn vị đo
Inches x 10-5 µm E 25÷29,9 6,35÷7,62 A - - C 15÷19,9 3,81÷5,08 R 80÷84,9 20,32÷21,59 S 85÷89,9 21,59÷22,86 D 20÷24,9 5,08÷6,35
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi thủy tinh
2.2.2.1. Tính chất sợi
Vai trò của sợi gia cường là làm tăng tính chất cơ lý cho hệ nhựa. Tất cả các loại sợi khác nhau dùng trong composite có tính chất khác nhau và vì vậy ảnh hưởng khác nhau đến tính chất composite.
Hình 2.8. Độ bền kéo của một số loại vật liệu [21]
Đ ộ b ền k éo ( M P a ) 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0
Woods Al. Alloys Titanium Steels E-glass Composite S-glass Composite Aramid Composite HS Carbon Composite IM Carbon Composite
Hình 2.9. Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi
2.2.2.2. Tính chất nhựa nền
Hình 2.10 miêu tả đường cong ứng suất và biến dạng của một hệ nhựa lý tưởng. Đường cong cho một loại nhựa chỉ ra độ bền cao nhất, độ cứng cao nhất (xác định bởi độ dốc ban đầu) và độ biến dạng cho đến khi vật liệu bị phá hủy. Điều này có nghĩa nhựa ban đầu thì cứng sau đó sẽ thể hiện tính chảy nhớt.
Hình 2.10. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hệ lý tưởng
HS Carbon Biến dạng (%) Aramid S – Glass E – Glass Ứ n g su ất k éo ( M P a) 3000 2000 1000 1 2 3 4 5 6 Nhựa Epoxy Độ bền kéo
giới hạn Biến dạng dẻo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
B iế n d ạn g d ẻo Phá hủy Biến dạng phá hủy Biến dạng (%) Ứ n g su ất k éo ( M P a)
Việc kết hợp được các tính chất như: khả năng kết dính, tính dẻo dai, tính chịu môi trường của hệ nhựa và độ dãn dài của sợi gia cường rất quan trọng. Nó đảm bảo tốt sự lan truyền của lực và chống lại sự nứt vỡ cho vật liệu composite.
2.2.2.3. Tỉ lệ giữa nhựa/sợi
Khi FRP kết hợp một loại nhựa nền và một loại sợi nó sẽ mang tính chất trung gian giữa nhựa và sợi.
Hình 2.11. Ứng suất kéo của nhựa nền, sợi gia cường và vật liệu FRP [21]
Vật liệu composite có tính chất thay đổi trong một khoảng rộng. Ngay cả đối với cùng một loại sợi, tính chất composite có thể thay đổi 10 lần do tỉ lệ nhựa thay đổi và sự định hướng của sợi.
Cơ tính của sợi cao hơn nhựa, do đó tỉ lệ thể tích của sợi càng cao, cơ tính của composite càng cao. Tuy nhiên, nó cũng có một giới hạn nhất định. Sợi cần phải được phủ nhựa tốt, nhựa phải lấp kín được các lỗ rỗng để có được hiệu quả truyền tải ứng suất cao. Thêm vào đó quá trình gia công kết hợp nhựa và sợi gặp phải nhiều khuyết tật. Thông thường, giới hạn tỉ lệ của sợi khoảng 30 ÷ 40%. Để tăng cơ tính, trong công nghiệp chế tạo máy, tỉ số thể tích sợi có thể tới 50 ÷ 60%.
2.2.2.4. Sắp xếp hình học và định hướng của sợi trong FRP
Hình dạng của sợi trong composite cũng quan trọng, sợi có cơ tính cao nhất theo chiều dài của nó lớn hơn chiều ngang, điều này dẫn đến tính chất không đẳng hướng cao của composite. Ở đây không giống như kim loại, cơ tính của composite
Sợi FRP Composite Nhựa Biến dạng (%) Ứ n g su ất k éo ( M P a)
phải xem xét kỹ lưỡng về thiết kế, cả về cường độ và phương diện của lực áp đặt. Khi tính toán, dùng những tính chất không đẳng hướng này rất có lợi nếu chỉ cần đặt vật liệu vào đúng nơi có tải trọng và vì vậy vật liệu dư thừa được giảm xuống.
2.2.2.5. Chế độ và quy trình gia công
Tính chất của composite thay đổi còn do phương pháp gia công: tính chất sản phẩm thấp do phương pháp gia công đơn giản, thiết bị đơn giản như phương pháp lăn tay. Tính chất cao như phương pháp đúc, ép trong công nghệ máy bay hoặc chế tạo các chi tiết quan trọng khác.
2.3. NHỰA EPOXY [3] 2.3.1. Khái niệm 2.3.1. Khái niệm
Epoxy là loại nhựa có gắn nhóm epoxy ở cuối mạch phân tử nhựa. Nhựa epoxy được tổng hợp vào năm 1927 tại Mỹ, sau đó đến năm 1930 tại Thụy Sĩ và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực nhờ các tính chất ưu việt của nó, như:
- Kết dính cao hầu hết với các loại vật liệu. - Độ bền cơ lý cao, chống mài mòn lớn. - Độ co thể tích thấp.
- Dung sai tạo lớp nhỏ, thích hợp cho các sản phẩm cần độ chính xác cao. - Độ bền hóa học và môi trường cao.
- Thẩm thấu vào sợi, vải rất tốt.
- Rất thích hợp khi sản phẩm đòi hỏi nhẹ mà sức bền cao. Nhược điểm của nhựa epoxy:
- Thời gian polymer hóa dài, nên tốn thời gian chế tạo. - Dễ bị nứt.
- Giá thành cao (thường gấp 2,5 lần so với UPE).
2.3.2. Tổng hợp nhựa epoxy
Nhựa epoxy phổ biến và quan trọng nhất là nhựa được tạo thành từ phản ứng trùng ngưng giữa bisphenol A (hợp chất polyhydroxy) và epychlohydrine (C3H5OCl).
Phản ứng xảy ra gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn 1:
Là phản ứng kết hợp vòng epoxy của epychlohydrine với nguyên tử hydro của bisphenol A, phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60 ÷ 700C, tỏa nhiệt mạnh (H = - 17,09