Ta lựa chọn các kết quả cho giá trị độ bền cao của tác giả Lê Anh Phương, đồng thời ta đem các mẫu xơ dừa được tách bằng máy xử lý NaOH giống như đề tài trước ở các mức xử lý 3% - 4ngày, 3% -1ngày,5% -2 ngày và không xử lý. Sau đó ta thử thí nghiệm kéo, uốn và va đập để so sánh độ bền của chúng với nhau. Từ đó đánh giá xem việc tách sợi bằng máy có ảnh hưởng nhiều đến cơ tính của vật liệu hay không?
Đối với phương pháp gia công tấm mat ta sẽ sử dụng các sợi chỉ xơ dừa rối và phân bố chúng bằng tay đều trong khuôn. Sau đó ta sẽ đem các sợi đã phân bố
này vào máy ép nóng, nhờ lực ép và nhiệt độ làm việc của máy ép nóng mà ta sẽ ép các sợi xơ dừa dính với nhau tạo thành tấm mat theo yêu cầu.
Với việc tạo ra các tấm mat xơ dừa để sử dụng làm vật liệu gia cường, ta khảo sát khả năng thay thế sợi thủy tinh bằng cách thêm sợi xơ dừa ở các mức 6%, 12%, 18%, 24% sợi xơ dừa mà vẫn đảm bảo 30% sợi trong vật liệu composite. Ta so sánh, đánh giá khả năng thay thế sợi thủy tinh bằng thí nghiệm kéo.
Đối với ảnh hưởng của hình dạng sợi, ta sẽ thực hiện thí nghiệm kéo, uốn và va đập giữa các vật liệu composite sợi đồng phương không xử lý, sợi đan thảm không xử lý và tấm mat xơ dừa không xử lý. Qua kết quả ta sẽ so sánh, đánh giá được độ bền của các vật liệu trên.
Hai phương pháp gia công vật liệu composite được sử dụng trong đề tài này là phương pháp gia công khuôn kín RTM (Resin Transfer Moulding) và phương pháp gia công khuôn hở đắp tay (hand-lay up).
+ Công việc trước tiên khi thao tác với máy RTM là ta phải vệ sinh khuôn (làm bóng hai bề mặt khuôn) bằng wax. Kế đến ta đặt sợi gia cường vào trong khuôn và tiến hành đóng khuôn siết chặt bằng các bulông. Sau đó ta bơm nhựa vào khuôn, gia nhiệt. Sau cùng tiến hành tháo khuôn ta sẽ được sản phẩm composite.
+ Đối với phương pháp đắp tay trước tiên ta quét phủ một lớp gelcoat lên khuôn bằng cọ mềm. Kế đến ta trải vật liệu cốt lên bề mặt khuôn đã phủ gelcoat. Quét thấm ướt nhựa đã hòa xúc tác lên vật liệu cốt, đồng thời lăn ép bằng các con lăn bông để liên kết chúng lại với nhau. Trải một lớp vật liệu kế tiếp lên khuôn và tiếp tục lăn ép cho đến khi đạt chiều dày vật liệu như mong muốn thì ngưng. Sau khi nhựa đã đóng rắn thì ta tách sản phẩm ra khỏi khuôn.
THỰC NGHIỆM 4.1. Chuẩn bị vật liệu cốt
4.1.1. Cốt xơ dừa đẳng phương:
Nguyên liệu sợi xơ dừa sử dụng trong thí nghiệm này là sợi xơ dừa được tách bằng máy ở các xí nghiệp sản xuất xơ dừa ở Bến Tre. Để đảm bảo cho vật liệu composite chứa 30% sợi thì ta cần khoảng 100 g cho ½ khuôn. Như vậy khối lượng sợi xơ dừa cần đem đi xử lý với xút khoảng 150 g cho mỗi loại. Xơ dừa được ngâm trong các thau nhựa với các mức nồng độ NaOH là 3% và 5% về khối lượng và các mức thời gian là 1 ngày,2 ngày và 4 ngày. Sau khi xử lý với NaOH xong ta đem sấy các mẫu xơ dừa này trong tủ sấy khoảng 800C trong vòng 1 ngày đêm. Sợi xơ dừa sau khi sấy sẽ khô cứng, dính vào nhau và tương đối dài nên cần phải chải các xơ cho thẳng và cắt ngắn sao cho phù hợp với kích thước khuôn dễ dàng sắp xếp chúng theo một hướng nhất định.
Hình 4.1 Xử lý sợi xơ dừa
thẳng tách bằng máy với NaOH
4.1.2. Cốt sợi thảm xơ dừa.
Nguyên liệu xơ dừa là các sợi rối được tách bằng máy, chúng đã được xe lại thành những sợi to hơn. Từ các sợi này ta đan chúng xen kẽ nhau và xếp chúng càng sít nhau càng tốt, ta sẽ tạo được các tấm thảm xơ dừa với hai chiều đan vuông góc nhau. Mỗi tấm sẽ được đan theo kích thước của ½ khuôn RTM của phòng thí
nghiệm. Tuy nhiên, đối với cách đan này tỉ lệ sợi giữa hai phương còn chênh lệch nhau nhiều. Do đó, cơ tính hầu như chỉ thể hiện đặc biệt ở phương nhiều sợi nhất.
Hình 4.2 Sợi xơ dừa đan thảm tại phòng thí nghiệm Polymer-Composite, Khoa Công Nghệ
4.1.3. Cốt tấm mat xơ dừa.
Nguyên liệu trong trường hợp này là các sợi chỉ xơ dừa dạng rối được tách bằng máy, chiều dài các sợi chỉ này trong khoảng từ….. Tấm mat xơ dừa bao gồm các sợi chỉ rối xơ dừa được phân bố đồng đều ở mọi phương và ta chủ động sử dụng lực ép để ép các sợi chỉ rối này dính lại với nhau. Tấm mat khi này có bề dày rất mỏng, chúng có dạng giống như các tấm mat sợi thủy tinh.
Để thực hiện một tấm mat xơ dừa, hai yếu tố quan trọng cần phải đạt được là làm sao để rãi đồng đều xơ dừa lên khuôn và làm sao để kết dính các sợi này với nhau. Với phát hiện này khả năng ứng dụng tấm mat sợi xơ dừa trong lĩnh vực composite là rất cao và có thể được dùng để thay thế cho sợi thủy tinh. Đồng thời với nhu cầu phát triển composite như hiện nay người ta sẽ nghĩ đến hướng phải tạo ra số lượng tấm mat nhiều hơn hay nói cách khác chúng sẽ được sản xuất trên quy mô công nghiệp.
Vấn đề trên bước đầu đã được thực hiện bằng cách ngâm các chỉ xơ dừa trong nước để chúng phân tán đều ra trong nước. Sau đó, sẽ vớt chúng ra khỏi nước và đem phơi ở ngoài trời cho ráo nước và đưa vào máy ép nóng để ép thành các tấm
mat xơ dừa. Tuy nhiên, phương pháp này mất rất nhiều thời gian thực hiện vì phải trãi qua nhiều công đoạn như ngâm nước, phơi…
Một cách khác để có thể phân bố chỉ xơ dừa trong phòng thí nghiệm là phân bố một khối lượng nhất định bằng tay vào trong khuôn có sẵn. Sau đó, ta đem mẫu đã phân bố ép trong máy ép nóng ta cũng tạo được tấm mat hoàn chỉnh, chúng không khác gì nhiều so với phương pháp đã nói ở trên. Phương pháp này tiết kiệm được rất nhiều thời gian và khắc phục được nhược điểm đối với phương pháp trên. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự kiên trì, khéo léo của người lao động để có thể phân bố các sợi xơ dừa một cách đều đặn.
Hình 4.3 Sợi xơ dừa rối được phân bố trong khung
Một yếu tố quan trọng hơn là làm sao để có thể kết dính các chỉ xơ dừa lại với nhau. Thiết bị mà ta sử dụng để ép tạo tấm mat xơ dừa là thiết bị ép nóng PANSTONE của Đài Loan. Hai thông số đáng lưu ý trong quá trình ép đó là nhiệt độ và áp suất để ép tạo các tấm mat. Như vậy, ở nhiệt độ và áp suất bao nhiêu là phù hợp để ta có thể tạo ra các tấm mat xơ dừa đạt yêu cầu sử dụng và đảm bảo được tuổi thọ của các thiết bị cơ khí. Ngoài ra, từ những thông số trên cũng có thể tạo điều kiện cho người nông dân có khả năng đầu tư công nghệ phù hợp để tạo nguồn mat xơ dừa cung cấp cho ngành công nghiệp.
Hình 4.4 Máy ép nóng PANSTONE của Đài Loan
Qua khảo sát việc ép chỉ xơ dừa ở các mức nhiệt độ và áp suất khác nhau từ 400C – 1600C và từ 30 kg/cm2 – 150 kg/cm2, ta rút ra được ở khoảng nhiệt độ 700C và áp lực 70 kg/cm2 là phù hợp để tạo tấm mat xơ dừa thỏa mãn những yêu cầu nêu trên. Áp lực ở đây chính là áp lực cần thiết cung cấp cho dầu để đẩy khuôn dưới của máy ép nóng lên ép chỉ xơ dừa.
Qua các lần thử nghiệm với máy ép nóng ta rút ra nhận xét các chỉ xơ dừa chủ yếu liên kết được với nhau là do yếu tố áp suất nhiều hơn là yếu tố nhiệt độ. Nếu ta ép xơ dừa ở áp suất thấp và nhiệt độ cao (<2000C) thì bằng cảm quan ta có thể nhận thấy các chỉ xơ dừa không hề kết dính lẫn nhau. Đó có thể là do ở nhiệt độ cao các chất sáp trong xơ dừa chảy ra tuy nhiên chúng còn thiếu lực ép để kết dính chúng lại với nhau. Nếu ta ép ở mức áp suất cao hơn, thì các chỉ xơ dừa vẫn liên kết chặt với nhau. Có thể là do các chất sáp ở nhiệt độ tương đối thấp đã có thể chảy ra, lúc này chính lực ép cao đã làm cho chúng phân bố rộng rãi ở khắp nơi để kết dính chúng lại với nhau.
Do hiểu được nguyên nhân này và qua các lần thí nghiệm đánh giá bằng cảm quan ta rút ra được mức tối tưu để ép một tấm mat xơ dừa ở nhiệt độ 700C và áp suất 70 kg/cm2.
Hình 4.5 Tấm mat sợi xơ dừa
4.2. Gia công vật liệu composite.
Do composite là vật liệu được chế tạo nên từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nên quá trình chế tạo chúng và các kết cấu từ composite là sự kết hợp của rất nhiều quá trình công nghệ khác nhau. Đặc trưng chung của công nghệ chế tạo các kết cấu-sản phẩm từ composite nền nhựa gồm những thao tác cơ bản sau: chuẩn bị vật liệu nền và cốt (bao gồm cả việc kiểm tra chất lượng và tính chất của chúng xem có phù hợp với yêu cầu kỹ thuật không, xử lý bề mặt các cốt sợi để tăng độ bền kết dính, loại bỏ các chất bẩn và tạp chất, sấy khô….), kết dính vật liệu nền và các cốt, tạo dáng kết cấu, làm đông rắn nhựa nền trong kết cấu composite, xử lý cơ khí sau cùng các sản phẩm và khâu cuối cùng là thử nghiệm, kiểm tra chất lượng.
Cho đến nay đã có rất nhiều quá trình sản xuất để chế tạo các kết cấu, chi tiết từ composite nền nhựa với những hình dạng, cấu trúc và mục đích sử dụng khác nhau. Với mỗi quá trình công nghệ có những nét đặc trưng riêng, những ưu điểm và nhược điểm cũng như những khả năng tạo các kết cấu, chi tiết từ composite ở mức hạn chế (nhiệt độ, áp lực, tốc độ tạo hình dáng,…). Những giới hạn của các phương
pháp công nghệ, một mặt là do khả năng có hạn của phương pháp công nghệ mà chúng ta đã chọn, mặt khác cũng do những hạn chế của máy móc, trang thiết bị.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp phổ biến để gia công vật liệu composite tùy theo yêu cầu sử dụng như phương pháp đắp tay (hand-lay up), phương pháp RTM (Resin Transfer Moulding), phương pháp phun (spray up). Bảng sau đây sẽ trình bày một số ưu nhược điểm của một số phương pháp gia công composite.
Quá trình công nghệ Ưu điểm Nhược điểm
1. Phương pháp đắp tay
- Tạo được sản phẩm lớn có kết cấu phức tạp.
- Điều khiển được hàm lượng và chiều định hướng của sợi.
- Giá thành khuôn và sản phẩm thấp.
- Tốn chi phí nhân công. - Kỹ năng, kinh nghiệm của người công nhân phải cao.
- Ô nhiễm môi trường do gia công khuôn hở.
2. Phương pháp RTM
- Gia công khuôn kín nên hạn chế ô nhiễm môi trường.
- Sản phẩm đẹp, không có đường cắt bavia.
- Thời gian điền một khuôn sản phẩm nhanh.
- Chi phí khuôn cao.
- Muốn tăng năng suất phải gia nhiệt và dùng nhiêu khuôn.
- Cần điều chỉnh tỉ lệ xúc tác chính xác.
3. Phương pháp phun
- Nhựa dùng trong phương pháp này là nhựa dùng cho mục đích thông thường.
- Lớp nhựa dẻo có khả năng chịu thời tiết tốt, chịu va đập mài mòn. - Ít phải dùng con lăn để khử khí.
- Nhựa dùng trong kỹ thuật này phải cho vào các chất phụ gia tăng độ bám dính.
- Vấn đề kết dính bề mặt khó khăn.
- Kích thước của lớp nhựa dẻo không chính xác, bề dày khác nhau.
Bảng 4.1 Bảng ưu-nhược điểm của một số phương pháp gia công composite thông dụng Nguồn ([16]).
4.2.1. Phương pháp đúc chuyển nhựa RTM (Resin Transfer Moulding)4.2.1.1. Giới thiệu: 4.2.1.1. Giới thiệu:
RTM theo lý thuyết nghĩa là sự chuyển nhựa từ một hệ thống này đến một hệ thống khác trong khi gia công sản phẩm bằng cách đúc khuôn. Nó khắc phục được những khuyết điểm giữa phương pháp đắp tay đòi hỏi nhiều nhân công và phương pháp ép khuôn đòi hỏi nhiều chi phí. Phương pháp RTM có ba quá trình căn bản sau: (1) tạo nên những dạng preform và đặt chúng trong khuôn, (2) thấm nhựa vào các preform, và (3) đóng rắn cấu trúc composite trong khuôn. Một yêu cầu đối với các dạng preform là nó phải giữ được hình dạng trong suốt quá trình thấm nhựa. Các sợi khô có thể được trãi ra theo một hướng mong muốn và sau đó được dính lại với nhau bởi nhựa. Một vài nghiên cứu phát triển gần đây tập trung vào các dạng preform tết bím đối với phương pháp RTM. Quá trình thấm nhựa thường dùng bơm để bơm nhựa vào trong khuôn. Độ nhớt của nhựa phải đủ thấp để cho phép nhựa thấm được đều len lỏi vào giữa các vật liệu gia cường, và không đóng rắn nhanh để nhựa có đủ thời gian điền đầy khuôn. Cả nhựa polyester và epoxy đã được ứng dụng thành công trong phương pháp RTM. Quá trình đóng rắn được kèm theo nhiệt trước hoặc sau khi thấm nhựa. Thông thường bơm chân không được áp dụng đối với khuôn trong suốt quá trình thấm nhựa và đóng rắn để hỗ trợ dòng chảy của nhựa đồng thời để rút các bọt khí có trong nhựa [11].
Các ưu điểm của kỹ thuật RTM bao gồm [15]:
- Giá gia công để hoàn thiện sản phẩm tương đối thấp. - Tiết kiệm nhân công.
- Gia công trong khuôn kín nên hạn chế gây ô nhiễm môi trường. - Cơ tính sản phẩm cao do hạn chế được bọt khí.
- Sản phẩm đẹp, hai mặt bóng láng và không có đường cắt bavia. - Thời gian điền khuôn một sản phẩm nhanh.
4.2.1.2. Gia công composite bằng phương pháp RTM tại Khoa Công Nghệ. Nghệ.
Trên thực tế, tấm composite được gia công bởi thiết bị RTM tại Khoa Công Nghệ có nguyên tắc hoạt động như sau:
- Trước hết ta cần bôi một lớp wax lên hai nửa khuôn, rồi dùng giẻ mềm (bằng sợi bông), thoa đều khắp bề mặt khuôn.
- Trải các sợi xơ dừa theo hướng yêu cầu của sản phẩm, đồng thời sắp xếp các sợi thủy tinh dọc theo chiều dài và chiều rộng của khuôn để tạo điều kiện rút chân không trong quá trình thực hiện.
- Sau khi trải sợi xong ta phủ lên trên một màng mỏng PET để tránh nhựa dính vào bề mặt khuôn trên bằng mica. Sau đó ta ghép hai nửa khuôn lại và siết chặt bằng các bulông tạo ra một khuôn kín.
- Sau đó dùng khí nén để tạo áp lực ép nhựa đã hòa xúc tác vào khuôn. Sau khi đóng rắn thì ta tháo 2 nửa khuôn để lấy sản phẩm ra.
Sợi gia cường
1. Đặt sợi gia cường vào
trong khuôn 2. Đóng khuôn
3. Bơm nhựa vào khuôn 4. Tháo sản phẩm ra khỏi khuôn
P
Nhựa
Hình 4.6 Quy trình thực hiện gia công composite bằng thiết bị RTM (Nguồn [6])
Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật của thiết bị RTM tại Khoa Công Nghệ (Nguồn [6])
Kích thước khuôn
Chiều dài 500 mm
Chiều rộng 300 mm
Chiều dày 3/4/5 mm
Nhiệt độ Tối đa 1800C
Chân không Tối đa 760 mmHg
Áp suất Tối đa 5 kg/cm2
Thiết bị gia nhiệt Môi chất Dầu gia nhiệt
Hình 4.7 Thiết bị gia công composite bằng phương pháp RTM tại phòng thí nghiệm polymer-composite tại Khoa Công Nghệ.
Đối với việc đánh giá ảnh hưởng của việc tách sợi bằng máy, các sợi xơ dừa sau khi xử lý với NaOH xong ta cắt ngắn sợi sao cho chúng có độ dài khoảng 240 mm, đồng thời dùng lược chải để chúng tơi ra để dễ dàng phân bố chúng đều vào khuôn dưới. Do ta chỉ cần thực hiện 4 nghiệm thức nên ta bố trí cho mỗi nghiệm