Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Phân tích khả năng cách nhiệt của vật liệu bằng phương pháp sử dụng đèn khò ôxi -axetylen
Hình ảnh thực nghiệm của hệ thống đo được thể hiện trên hình 3.17.Khả năng cách nhiệt của vật liệu được xác định dựa trên giản đồ hiển thị nhiệt độ mặt sau của mẫu thử theo thời gian tính từ thời điểm ngọn lửa của đèn khò ôxi - axetylen tác động vào mặt trước của mẫu thử.
Hình 3.17. Thử nghiệm thực tế mẫu vật liệu CCP dưới ngọn lửa đèn khò ôxi - axetylen
3.3.1. Phân tích ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng cách nhiệt của vật liệu
Hình ảnh các mẫu vật liệu compozit với thời gian ép mẫu khác nhau sau khi thử nghiệm được trình bày tại hình 3.18.
Hình 3.18. Hình ảnh các mẫu vật liệu CCP ép trong các khoảng thời giankhác nhau sau khi thử nghiệm
(thời gian ép tăng từ 40 đến 80 phút theo chiều từ trái qua phải)
Quan sát hình 3.18 nhận thấy các mẫu chế tạo ở các chế độ khác nhau cho hình ảnh trực quan vết xói mòn rất khác nhau. Với các mẫu ép trong khoảng thời gian ngắn (30 và 40 phút, 2 mẫu phía bên trái) và các mẫu ép trong khoảng thời gian dài (70 và 80 phút, 2 mẫu phía bên phải) đều có vết xói mòn lớn, lan rộng trên bề mặt mẫu, tổn hao khối lượng lớn đồng thời độ xói mòn cũng không đồng đều. Điều này chứng tỏ cấu trúc mẫu kém đặc chắc, độ liên kết giữa vải và nhựa chưa cao, mặc dù các mẫu đều được chế tạo từ vải đã qua xử lý axit, quy trình chế tạo như nhau. Mẫu CCP ép trong khoảng thời gian 60 phút co vết lõm xói mòn đều hơn, vùng xói mòn hẹp hơn và độ xói mòn cũng đều hơn. Do đó có thể kết luận mẫu ép trong 60 phút cho chất lượng cao nhất, độ đặc chắc cũng như độ liên kết giữa vải và nhựa là tốt nhất.
Kết quả xác định thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu và thời gian đánh thủng mẫu (được xác định là thời gian xuất hiện ngọn lửa tại mặt sau của mẫu) được thể hiện trên bảng 3.8 và hình 3.19. Tốc độ xói mòn của mẫu được tính bằng chiều sâu vết lõm hình thành khi ngọn lửa đèn khò ôxi - axetylen tác động vào mẫu trong khoảng thời gian 1 giây. Tốc độ xói mòn trung bình của mẫu được tính gần đúng bằng tỷ số chiều dày mẫu chia cho thời gian đánh thủng mẫu.
Bảng 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệt của vật liệu CCP
Mẫu
Thời gian ép
[phút]
Độ dầy [mm]
Tốc độ xói mòn
[mm/s]
Thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của
mẫu [s]
Thời gian đánh thủng
mẫu [s]
M1 40 6,00 0,178 30,54 33,67
M2 50 5,82 0,116 43,71 50,14
M3 60 5,82 0,104 48,50 55,83
M4 70 5,78 0,110 44,56 52,51
M5 80 5,70 0,123 40,44 46,35
Kết quả tại bảng 3.8 cho thấy tất cả các mẫu vật liệu compozit chế tạo được đều có khả năng bảo vệ nhiệt, cách nhiệt tốt. Khi tăng thời gian ép từ 40 lên 60 phút, khả năng bảo vệ nhiệt của vật liệu tăng rất mạnh, thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu tăng từ 30,54 giây lên 48,50 giây. Khi tăng thời gian ép đóng rắn từ 60 đến 80 phút, thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu có xu hướng giảm còn 40,44 giây.
Lý giải hiện tượng này có thể dựa vào cơ chế tải mòn cốc hóa của vật liệu CCP. Cơ chế này được mô tả như sau: Nhựa nền khi bị đốt nóng sẽ hấp thụ nhiệt cho đến khi bề mặt đạt đến nhiệt độ phân hủy tạo ra các sản phẩm khí và để lại lớp cốc hóa có cấu trúc cacbon xốp. Ở nhiệt độ 500 ÷ 800 K thì quá trình phân huỷ của nhựa ít phụ thuộc vào áp suất định xứ và tốc độ tải mòn. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, vùng phân huỷ nhiệt tiến sâu vào thể tích vật liệu và sự phân huỷ tiếp tục xảy ra ở lớp bề mặt phía dưới. Các sản phẩm khí sinh ra khuếch tán qua cấu trúc than xốp đến bề mặt vật liệu làm ngăn cản sự thấm vào của nhiệt và hấp thụ năng lượng của lớp than, sau đó có thể chuyển qua trạng thái phân huỷ sâu hơn thành các sản phẩm khí thấp phân tử và các mảnh ion tuỳ thuộc vào mức độ nhiệt phía ngoài vật liệu. Cuối cùng chúng thoát ra đi vào lớp biên và có thể xảy ra một số phản ứng hoá học với các khí có trong lớp biên giới này.
Do khi tăng thời gian ép thì các bọt khí sinh ra trong quá trình đóng rắn
nhựa sẽ thoát hết đi, tạo cho lớp nhựa đặc chắc và liên kết tốt với cốt vải cacbon, do đó các sản phẩm khí sinh ra khi nhựa phân hủy bởi dòng nhiệt có nhiệt độ cao sẽ khó thoát ra khỏi lớp bề mặt của mẫu vật liệu, giúp ngăn cản sự hấp thụ nhiệt và phân hủy của các lớp nhựa phía trong vật liệu. Đối với các mẫu ép trong thời gian lâu hơn (70 và 80 phút), cấu trúc mẫu đặc chắc hơn, do vậy khi nhựa bị phân hủy, các sản phẩm khí khó tồn tại được bên trong mẫu mà bị áp lực ngọn lửa thổi bay đi, do đó thời gian bảo vệ nhiệt lại có xu hướng giảm.
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệt của vật liệu CCP
3.3.2. Phân tích ảnh hưởng của áp lực ép mẫu đến khả năng cách nhiệt của vật liệu
Hình ảnh các mẫu vật liệu compozit với thời gian ép mẫu khác nhau sau khi thử nghiệm được trình bày tại hình 3.20.
40 50 60 70 80
0.00 0.05 0.10 0.15 10 20 30 40 50 60 70
0.00 0.05 0.10 0.15 10 20 30 40 50 60 70
0.178
0.116
0.104 0.11 0.123
30.54
43.71 48.5
44.56
40.44 33.67
50.14 55.83 52.51
46.35
Tốc độ xói mòn (mm/s)
Tốc độ xói mòn
Thời gian đạt 300oC ở mặt sau mẫu Thời gian đánh thủng mẫu
Thời gian (s)
Thời gian ép (phút)
Hình 3.20. Hình ảnh các mẫu vật liệu CCP chế tạo với các áp lực ép khác nhau sau khi thử nghiệm
(áp lực ép tăng từ 30 đến 70 kg/cm2 từ trái qua phải)
Kết quả xác định vận tốc tổn hao khối lượng, thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu và thời gian đánh thủng mẫu được thể hiện trên bảng 3.9 và hình 3.21.
Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của áp lực ép đến khả năng bảo vệ nhiệt của mẫu vật liệu CCP
Mẫu Áp lực ép [kg/cm2]
Độ dày [mm]
Tốc độ xói mòn [mm/s]
Thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu [s]
Thời gian đánh thủng
mẫu [s]
M6 30 5,34 0,163 29,34 32,70
M7 40 5,10 0,113 38,61 45,24
M8 50 4,96 0,088 47,80 56,33
M9 60 4,54 0,091 45,86 50,11
M10 70 4,48 0,095 39,94 47,35
Kết quả tại bảng 3.9 cho thấy các mẫu vật liệu compozit chế tạo được đều có khả năng bảo vệ nhiệt, cách nhiệt tốt. Khi tăng áp lực ép từ 30 lên 50 kg/cm2, khả năng bảo vệ nhiệt của vật liệu tăng rất mạnh, thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu tăng từ 29,34 giây lên 47,80 giây. Khi tăng áp lực ép đóng rắn từ 50 đến 70 kg/cm2, thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu giảm còn 39,94
giây.
Lý giải hiện tượng này cũng dựa vào cơ chế tải mòn cốc hóa của vật liệu CCP như đã trình bày ở trên. Do khi tăng áp lực ép thì các bọt khí sinh ra trong quá trình đóng rắn nhựa sẽ phải thoát hết đi, tạo cho lớp nhựa có độ đặc chắc nhất định và liên kết tốt với cốt vải cacbon, do đó các sản phẩm khí sinh ra khi nhựa phân hủy bởi dòng nhiệt có nhiệt độ cao sẽ nằm ổn định trong cấu trúc khung cacbon xốp bền vững, khó thoát ra khỏi lớp bề mặt của mẫu vật liệu, giúp ngăn cản sự hấp thụ nhiệt và phân hủy của các lớp nhựa phía trong vật liệu. Đối với các mẫu ép với áp lực ép cao hơn (60 và 70 kg/cm2), cấu trúc mẫu đặc chắc hơn, không những làm cho các sản phẩm khí khó tồn tại được bên trong mẫu mà còn làm giảm hàm lượng nhựa có trong mẫu thành phẩm do bị tràn ra ngoài khuôn trong quá trình ép, dẫn đến cấu trúc khung cacbon xốp mà nhựa tạo thành mỏng hơn, kém bền hơn,áp lực ngọn lửa bào mòn vật liệu sẽ nhanh hơn, do đó thời gian bảo vệ nhiệt có xu hướng giảm đi (từ 47,80 xuống còn 39,94 giây).
Hình 3.21. Ảnh hưởng của áp lực ép mẫu đến khả năng bảo vệ nhiệt
30 40 50 60 70
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 10 20 30 40 50 60 70
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 10 20 30 40 50 60 70
0.163
0.113
0.088 0.091 0.095
29.34
38.61
47.8 45.86
39.94 32.7
45.24
56.33
50.11 47.35
Tốc độ xói mòn (mm/s)
Thời gian (s)
Áp lực ép (kg/cm2)
Tốc độ xói mòn
Thời gian đạt 300oC ở mặt sau mẫu Thời gian đánh thủng mẫu
của vật liệu CCP
3.3.3. Phân tích ảnh hưởng của phương pháp xử lý vải đến khả năng cách nhiệt của vật liệu
Hình ảnh các mẫu M3, M8 chế tạo với vải cacbon đã xử lý axit và M11 từ vải chưa xử lý axit sau thử nghiệm khả năng cách nhiệt được minh họa trong hình 3.22.
Hình 3.22. Các mẫu CCP chế tạo với hai chế độ có xử lý vải trong axit (M3, M8) và không xử lý vải (M11)
Trên hình 3.22 ta thấy rõ sự khác biệt của vết xói mòn giữa mẫu CCP cóvà không xử lý vải. Vết xói mòn của mẫu không xử lý vải lõm sâu hơn, lan rộng hơn, đồng thời độ xói mòn thay đổi cũng không đều giữa các lớp vải.
Các thông số về khả năng cách nhiệt của các mẫu vật liệu được trình bày cụ thể trong bảng 3.10.
Bảng 3.10. Khảo sát khả năng cách nhiệt của các mẫu CCP chế tạo với hai chế độ có xử lý vải trong axit (M3, M8) và không xử lý vải (M11)
Tính chất Tên mẫu
M3 M8 M11
Độ dày [mm] 5,82 4,96 5,17
Hàm lượng nhựa sau chế tạo [%] 41,27 40,50 37,75
Tốc độ xói mòn [mm/s] 0,104 0,088 0,187
Thời gian đạt 300ºC ở mặt sau của mẫu [s] 48,50 47,80 37,34 Thời gian đánh thủng mẫu [s] 55,83 56,33 44,15
Kết quả bảng 3.10 phản ánh rõ sự suy giảm tính cách nhiệt của mẫu không xử lý vải. Các thông số về thời gian đạt 300oC ở mặt sau mẫu, thờn gian đánh thủng mẫu đều thấp hơn đáng kể so với mẫu có xử lý vải. Do đó mà tốc độ xói mòn tăng cao.
Các kết quả khảo sát trên cho thấy phương pháp xử lý vải trong axit HNO3 đóng vai trò quan trọng và cực kỳ hiệu quả trong việc nâng cao tính cách nhiệt của vật liệu.