NGHIÊN cứu THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG hạt NIX đã QUA sử DỤNG (xỉ ĐỒNG) THAY THẾ hạt sỏi TRONG vật LIỆU bê TÔNG POLYMER

Ứng dụng này đã mở ra cho ngành vật liệu một hướng đi mới vô cùng khả quan vì những tính năng mà bê tông polymer đạt được: Với nội dung “Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng hạt NIX

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN HỮU THÂN

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG HẠT NIX ĐÃ

QUA SỬ DỤNG (XỈ ĐỒNG) THAY THẾ HẠT SỎI TRONG

VẬT LIỆU BÊ TÔNG POLYMER

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy

Mã số: CH07TT03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT TÀU THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS QUÁCH ĐÌNH LIÊN

Nha Trang – 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng

hạt NIX đã qua sử dụng (xỉ đồng) thay thế hạt sỏi trong vật liệu bê tông polymer”

là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực Các số liệu có nguồn

trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công

trình nghiên cứu khác

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy Cô trường Đại học Nha Trang đã truyền

đạt cho tôi kiến thức trong suốt những năm học ở trường Đặc biệt, tôi xin chân

thành cảm ơn PGS.TS Quách Đình Liên đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt

luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn Liên hiệp khoa học sản xuất địa chất_Địa vật lý

(GSP), Viện nghiên cứu hạt nhân TP Đà Lạt, Viện nghiên cứu chế tạo tàu

thủy_trường Đại học Nha Trang, Trường Cao đẳng nghề Nha Trang đã tạo điều kiện

cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Nha Trang, ngày 1 tháng 12 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Thân

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trên thế giới đã và đang ứng dụng bê tông polymer (mineral casting) dùng để thay thế vật liệu gang trong việc đúc các bệ máy tiện, phay vạn năng; máy tiện, phay CNC…

Thành phần cấu tạo của bê tông polymer bao gồm: nhựa EPOXY, cát hạt lớn, và hạt sỏi, được pha trộn theo một tỷ lệ nhất định

Ứng dụng này đã mở ra cho ngành vật liệu một hướng đi mới vô cùng khả quan vì những tính năng mà bê tông polymer đạt được:

Với nội dung “Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng hạt NIX đã qua sử dụng (xỉ đồng) thay thế hạt sỏi trong vật liệu bê tông polymer” Luận văn của tôi gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông polymer, hạt NIX, nhựa EPOXY

Chương 2: Quy hoạch thực nghiệm và chế tạo mẫu

Chương 3: Kết quả thí nghiệm, kết luận và kiến nghị

Sau một thời gian được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo - PGS.TS Quách Đình Liên, đến nay luận văn của tôi đã hoàn thành

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn và các thầy cô giáo đã trực tiếp giảng dạy cũng như hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các kỹ sư Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân, các anh chị tại thuộc chi nhánh Địa Chất_Địa Vật Lý Miền Trung, cũng như

Bộ môn CTM&KNS_Trường Cao đẳng nghề Nha Trang đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn

Học viên: Nguyễn Hữu Thân

Mục lục

Phụ bìa

Lời cam đoan 3

Lời nói đầu 4

Mục lục 5

Danh mục ký hiệu chữ viết tắt 7

Chương mở đầu 8

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 3 Nội dung thực hiện CHƯƠNG 1: Tổng quan về bê tông polymer, hạt NIX, nhựa EPOXY 10

1.1 Bê tông polymer (khoáng sản đúc) 10

1.1.1 Lịch sử hình thành bê tông polymer 10

1.1.2 Tìm hiểu về khoáng sản đúc 13

1.1.2.1 Thành phần 13

1.1.2.2 Chất kết dính 14

1.1.2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu 16

1.1.2.4 Phản ứng tỏa nhiệt 19

1.1.2.5 Tiêu chuẩn 19

1.1.3 Đặc điểm khoáng sản đúc 20

1.1.3.1 Đặc điểm năng động 20

1.1.3.2 Giảm xóc 21

1.1.3.3 Giảm tiếng ồn 22

1.1.3.4 Quá trình nhiệt 22

1.1.3.5 Mô-đun đàn hồi 22

1.1.3.6 Chống rỉ 23

1.1.3.7 Môi trường 24

1.1.3.8 Độ dẫn điện 25

1.1.3.9 Độ co rút 25

1.1.4 Tình hình nghiên cứu bê tông polyme ở trong và ngoài nước 26

1.2 Hạt NIX 29

1.2.1 Hạt Nix chưa qua sử dụng 29

1.2.2 Hạt Nix đã qua sử dụng (hạt Nix phế thải) 30

1.3 Nhựa EPOXY 32

1.3.1 Khái niệm 32

1.3.2 Tổng hợp nhựa Epoxy 32

1.3.3 Lý tính của nhựa Epoxy 35

1.3.4 Hóa tính của nhựa Epoxy 36

1.3.4.1 Phản ứng của nhóm epoxy 36

1.3.4.2 Khả năng phản ứng của nhóm hydroxyl 37

1.3.5 Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 38

1.3.5.1 Hệ đóng rắn nguội 39

1.3.5.2 Hệ đóng rắn nóng 42

1.3.6 Ứng dụng của nhựa epoxy 42

Chương 2: Quy hoạch thực nghiệm và chế tạo mẫu 44

2.1 Quy hoạch thực nghiệm lựa chọn kết cấu vật liệu 44

2.1.1 Chọn tỷ lệ vật liệu thành phần 44

2.1.2 Chọn vật liệu nền 45

2.1.3 Mục đích thực nghiệm tạo vật liệu bê tông polymer 46

2.1.4 Các loại mác bê tông 50

2.1.5 Chọn áp lực thực nghiệm 51

2.2 Công nghệ chế tạo khuôn mẫu 52

2.3 Chế tạo mẫu bê tông polymer nguyên thủy ( không sử dụng hạt NIX) 54

2.4 Chế tạo mẫu bê tông polymer với 25% hạt Nix (thay thế hạt sỏi) 57

2.5 Chế tạo mẫu bê tông polymer với 50% hạt Nix (thay thế hạt sỏi) 58

2.6 Chế tạo mẫu bê tông polymer với 75% hạt Nix (thay thế hạt sỏi) 59

Chương 3 Kết quả thí nghiệm, kết luận và kiến nghị 61

3 Kết quả thực nghiệm 61

3.1 Cường độ nén 61

3.1.1 Máy thử cơ tính 61

3.1.2 Thí nghiệm mẫu 63

3.2 Độ dẫn điện 68

3.3 Độ phóng xạ 73

3.3.1 Phóng xạ tự nhiên và liều lượng bức xạ 73

3.3.2 Liều hiệu dụng trong nhà và tiêu chuẩn an toàn bức xạ đối với vật liệu xây dựng 74

3.3.2.1 Phương pháp xây dựng tiêu chuẩn 74

3.3.2.2 Tiêu chuẩn theo liều hiệu dụng chiếu ngoài 74

3.3.2.3 Tiêu chuẩn theo chỉ số hoạt độ chiếu ngoài và chiếu trong 75

3.3.2.4 Tiêu chuẩn đối với vật liệu khối và vật liệu lát bề mặt 76

3.3.2.5 Vai trò của bức xạ beta 77

3.3.2.6 Đánh giá thực tế độ phóng xạ của một số vật liệu xây dựng 77

3.4 Kiểm tra độ hấp thụ, trương nở trong nước biển và dầu DO 0,25S 79

3.4.1 Kiểm tra độ hấp thụ nước biển 79

3.4.2 Kiểm tra độ hấp thụ dầu DO 0.25S 81

3.4.3 Kiểm tra độ trương nở trong môi trường nước biển và dầu DO 0.25S 83

3.5 Thí nghiệm độ cứng 83

3.6 Thí nghiệm uốn 85

3.7 Kết luận và kiến nghị 88

Tài liệu tham khảo 90

Phụ lục 93

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Hiện nay trên thế giới đã và đang ứng dụng bê tông polymer dùng để thay thế vật liệu gang trong việc đúc các bệ máy tiện, phay vạn năng; máy tiện, phay CNC…

Thành phần cấu tạo của bê tông polymer bao gồm: nhựa EPOXY, cát hạt lớn,

và hạt sỏi, được pha trộn theo một tỷ lệ nhất định

Ứng dụng này đã mở ra cho ngành vật liệu một hướng đi mới vô cùng khả quan vì những tính năng mà bê tông polymer đạt được:

+ Dễ đúc + Không dẫn nhiệt + Cách điện (đảm bảo an toàn lao động cho người công nhân) + Giảm tải tài nguyên gang cho quốc gia

Hiện tại ở Việt Nam trong vài năm gần đây, các công ty sữa chữa và đóng mới tàu thủy phát triển với tốc độ rất nhanh ví dụ như: công ty TNHH Huyndai Vinashine Ninh Hòa, công ty đóng tàu Cam Ranh, công ty đóng tàu Nam Triệu…

Với công nghệ sữa chữa tàu thủy hiện nay là phải dùng hạt NIX để làm sạch

bề mặt thân tàu trước khi sơn, chính công nghệ này đã tạo ra một khối lượng xỉ đồng không nhỏ tại các nhà máy

Vật liệu nền của Bê tông Polymer là nhựa EPOXY được sử dụng phổ biến ở Việt Nam

Ứng dụng hạt NIX thay thế hạt sỏi trong vật liệu Bê tông Polymer tạo ra một vật liệu mới là một vấn đề thực sự có ý nghĩa khoa học thực tiễn cấp thiết, chúng tôi cũng đã thu được kết quả nghiên cứu rất khả quan Các nghiên cứu được tiến hành dưới sự chỉ đạo của PGS TS Quách Đình Liên; các thí nghiệm trong phòng được tiến hành do tác giả và các cộng sự

2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu:

- Mục đích: Thông qua việc nghiên cứu thành phần cấu tạo của bê tông polymer dẫn đến ứng dụng hạt NIX thay thế hạt sỏi đưa ra vật liệu mới với đầy đủ tính năng cần thiết.(độ nén cao, không dẫn điện và không nhiễm phóng xạ_

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thử nghiệm các tính chất của vật liệu để có thể ứng dụng trong kỹ thuật

3 Nội dung thực hiện:

Chương 1: Tổng quan về bê tông polymer (mineral casting) , hạt NIX, nhựa EPOXY

Chương 2: Quy hoạch thực nghiệm, chế tạo mẫu

Chương 3: Kết quả thí nghiệm, kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG POLYMER, HẠT NIX, NHỰA EPOXY

1.1 Bê tông polymer (tác giả Volker Jackisch_người Đức trong cuốn

“Khoáng sản đúc trong kỹ thuật cơ khí của nhà xuất bản công nghiệp”)

1.1.1 Lịch sử hình thành bê tông polymer

Khoáng sản đúc được định nghĩa như sau: Sử dụng nguyên liệu khoáng tự nhiên (ví dụ, sỏi và cát thạch anh) làm vật liệu làm đầy, sử dụng nhựa epoxy như chất kết dính, khuấy động các vật liệu làm đầy và chất kết dính trong một khuôn, và cuối cùng hình dạng hỗn hợp trong khuôn

Khoáng sản đúc thường được gọi là bê tông nhựa và cũng có thể gọi là đá granite nhân tạo So với gang (một máy cơ thể vật liệu truyền thống), khoáng sản đúc được đặc trưng bởi hiệu suất cao, hấp thụ tốt, cách nhiệt, dễ dàng chế tạo, thân thiện với môi trường, tiêu thụ điện năng và giá thành thấp Đến một mức độ nhất định, khoáng sản đúc có thể thay thế gang thép

Khoáng sản đúc đã được áp dụng rộng rãi trong hơn 30 năm qua trong ngành công nghiệp Thống kê cho thấy rằng trong những máy công cụ ở Châu Âu có sử dụng khoáng sản đúc như thân máy, nền móng máy, cột trụ đứng hoặc các bộ phận

cơ khí khác…

Khoáng sản đúc được sử dụng trong nhiều ngành, đặc biệt có sự đầu tư vào ngành công nghiệp cơ khí, với nguyên liệu là khoáng sản và chất kết dính sẽ tạo ra phản ứng nhựa bê tông polymer Phạm vi ứng dụng và hình dáng của sản phẩm phụ thuộc vào tỷ lệ nguyên liệu và chất kết dính

Cát vàng và hạt sỏi là vật liệu đặc biệt quan trọng, nguyên liệu trong ngành công nghiệp xây dựng cũng như trong sản xuất máy móc Vật liệu này được ứng dụng với nhựa epoxy trong ngành cơ khí Dùng để gia cường vào khung của máy,

do đó nó sẽ ảnh hưởng đến các cấu trúc, tính năng của máy (Hình 1.1) Các vật liệu khoáng sản công nghệ cao góp phần vào việc tạo khung máy, và nó sẽ mở rộng đến các ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác:

Hình 1.1: Sản phẩm được gia cường bởi vật liệu bê tông polymer

 Đảm bảo kiểu dáng của máy

 Đảm bảo khả năng chịu lực

Nói tóm lại bê tông polymer đảm bảo các tính năng cách nhiệt, cách âm thanh tối ưu ở trạng thái tĩnh cũng như ở trạng thái động

Ngành công nghiệp của châu Âu vào đầu thế kỷ 20, là một trong số những ngành đặc trưng của xã hội lúc bấy giờ Bởi tầm quan trọng này cộng với sự giá thành tăng đột biến của vật liệu sắt thép đúc và sự khan hiếm của kim loại Với những nhu cầu bức thiết đó thì vào năm 1917 Georg Schlesinger, một người Đức đã tìm ra một vật liệu có thể thay thế được gang, thép đó là vật liệu bê tông polymer với thành phần là nguyên liệu truyền thống (cát hạt lớn và hạt sỏi) và các dung môi

hỗ trợ (Hình 1.2)

Hình 1.2: Sản phẩm thay thế sắt đúc đầu tiên chiến tranh thế giới là giá đỡ máy công cụ với vật liệu được thay thế là bê tông polymer

Ý tưởng này đã có gặp những phản đối quyết liệt, nhưng trong chiến tranh thế giới lần thứ II do sự thiếu hụt về sắt, gang nên vào năm 1944 các nhà máy bắt đầu lấy ý tưởng của Georg Schlesinger làm cơ sở để đúc các bệ máy bằng bê tông polymer Trong vật liệu này là sự kết hợp giữ nguyên liệu truyền thống trong

bê tông xi măng là cát vàng và hạt sỏi với chất liên kết là nhựa, sau khi nén sẽ cho

ra một khung máy hoàn chỉnh Các bê tông polymer đáp ứng mọi tính năng của các vật liệu khác như gang, thép nhưng không ảnh hưởng đến độ chính xác của máy

Vào những năm 70 của thế kỷ 20 ngành công nghiệp hóa chất đã phát triển đột phá cho ra đời hệ thống nhựa lạnh (không cần yếu tố nhiệt độ vẫn đáp ứng các yêu cầu liên kết giữa các phần tử) Hóa chất đột phá này đáp ứng các yêu cầu về độ liên kết của vật liệu, chính điều này dẫn đến sản xuất được vật liệu bê tông polymer cho độ chính xác cao

Thực tế đã chứng minh, với sản phẩm là khung máy RTEU của công ty Studer (Thụy Sĩ), EPUCRET (Đức), đã được Viện quản lý sản xuất công nghệ và máy công cụ (PTW) và Đại học Công nghệ xác nhận rằng vật liệu này là phù hợp (Hình 1.3)

Hình 1.4: Khung máy RTEU Sau đó đã thử nghiệm với loại nhựa phản ứng bão hòa polyester (UP-methacrylate) và (MMA) có nhựa epoxy, mà ngày hôm nay là nhựa EP để sản xuất các polymer đúc Trong những năm thập niên 90 của thế kỷ 19 với những lợi ích mà

bê tông polymer tạo ra trong nghành công nghiệp đúc đã áp dụng cho ngành công nghiệp cơ khí, và số lượng của các sản phẩm khoáng sản đúc ở Đức tăng từng năm

và sẽ tăng gấp đôi dự kiến trong năm tiếp theo

1.1.2 Tìm hiểu về khoáng sản đúc

1.1.2.1 Thành phần

Khoáng sản đúc chủ yếu là các chất kết dính và vật liệu (cát vàng và sỏi hạt lớn), ngoài ra còn có các phụ gia khác (Hình 1.5)

Hình 1.5: Khai thác khoáng sản để đúc với thành phần

là nhựa epoxy và khoáng sản

• Thời gian xử lý nhanh

• Sinh học và các khía cạnh kinh tế

Yêu cầu quan trọng đối với khoáng sản đúc có mô đun đàn hồi cao và các đặc tính giảm xóc tốt Các nguyên vật liệu cũng được coi trọng, để không mất thời gian đòi hỏi có một khuôn chính xác cao thì hệ số giãn nở nhiệt thấp (hệ số giãn nở nhiệt của một vật liệu là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi kích thước

của vật liệu đó khi nhiệt độ thay đổi).Với đa số vật liệu, khi áp suất không đổi, thể tích hay kích thước của vật liệu tăng khi nhiệt độ tăng, chính vì thế khi ta cần nguyên liệu để tạo ra một vật liệu có kích thước thay đổi ít khi nhiệt độ tăng thì nguyên liệu đó phải có hệ số nở nhiệt thấp

Nhựa Epoxy thích hợp để đạt được các yêu cầu này tốt nhất Trong một phản ứng được hình thành mà không phân cắt của một hợp chất có trọng lượng phân tử thấp là một mạng lưới ba chiều Để khắc phục điều này thường khó khăn hơn với một amin, một tỷ lệ trộn chính xác với các nhóm phản ứng của nhựa epoxy (epoxy

và các nhóm hydroxyl) phản ứng ở nhiệt độ phòng

Hình dáng của chi tiết hay tính chất làm việc của nó thì cho các phản ứng

và các chất phụ gia khác nhau vì phải phụ thuộc vào việc cải thiện dòng chảy, độ bám dính và lỗ thông hơi Để tối ưu chất kết dính trong một hệ thống kỹ thuật nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất để chế tạo các chi tiết đảm bảo hình dáng và tính năng làm việc của chúng, ta có thể kết hợp hoặc sửa đổi các loại phản ứng đó

Khoáng sản đúc áp dụng cho cơ khí dự kiến sẽ chủ yếu được thực hiện với nguyên liệu là các chất khoáng vô cơ hoàn toàn (thạch anh) và đá (đá granit và đá bazan) Tuy nhiên trong một số trường hợp ta cũng có thể dùng các vật liệu khác như nhôm, cacbua silic, sắt bột hoặc hạt thủy tinh Tiêu chí lựa chọn quan trọng cho các chất độn là:

• Môđun đàn hồi và cường độ nén cao

• Chống thấm cao

• Mật độ liên kết (diện tích tiếp xúc giữa các bề mặt của cát vàng, sỏi và chất độn) cao để giảm thiểu tiêu thụ các chất kết dính

• Các khía cạnh sinh lý học và kinh tế

Diện tích tiếp xúc giữa các bề mặt của các hạt khác nhau thì ảnh hưởng đến mật độ liên kết, phân bố kích thước hạt có thể làm giảm không gian sẽ được điền vào đến mức tối thiểu (khoảng trống mà các hạt tạo ra) và khi đó các khoáng sản đúc sẽ được tạo ra có chất lượng cao với lực nén nhỏ và chất kết dính ít nhất có thể Chính vì thế ta phải tối ưu mật độ liên kết giữa các hạt (Hình 1.6)

Hình 1.6: Tối ưu mật độ bằng cách phối hợp các kích thước hạt

Kích thước hạt dùng cho khoáng sản đúc được sử dụng trong phạm vi như sau:

- Dưới 0,1 mm đối với bột đá

- Khoảng 0,1-2 mm đối với cát

- Trong khoảng 2 đến 16mm đối với sỏi

1.1.2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu bê tông polymer

Ta chọn các thành phần và khối lượng của khoáng sản tùy theo từng sản phẩm tạo thành hỗn hợp, sau đó ta đổ vào khuôn và đầm

Để đạt được đặc tính vật liệu tái sản xuất, đặc biệt là các thành phần riêng lẻ của các chất kết dính (nhựa và chất làm cứng) và nguyên liệu hỗn hợp với độ chính xác cao, nhà sản xuất sẽ sử dụng hợp chất là khoáng sản có trọng lượng từ 90-93%

và chất kết dính 7-10%

Quá trình pha trộn diễn ra trong hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, kích thước hạt được phân phối theo tỉ lệ nghiên cứu, các thành phần phụ gia khác và chất kết dính trộn với nhau Việc duy trì các tính năng tối ưu của vật liệu khoáng sản đúc phụ thuộc mạnh vào việc bề mặt các hạt được làm ướt hoàn toàn bởi chất kết dính Kết quả sẽ tốt nhất nếu đáp ứng được các nguyên tắc sau đây có thể pha trộn:

• Hỗn hợp được trộn ở một máy trộn cưỡng bức

• Các máy trộn trục vít trộn liên tục

Cả hai phương pháp đều cho kết quả tốt nhất đáp ứng các yêu cầu về

trộn và làm ướt các bề mặt tiếp xúc Riêng đối với pha trộn tự động, thì khả năng đo

kiểm và tỉ lệ pha trộn chính xác đem đến thuận lợi là ta có thể kiểm soát các quá trình thực hiện (Hình 1.7)

Hình 1.7: Pha trộn hỗn hợp tự động Đối với chất kết dính là nhựa epoxy thì khoáng sản đúc được sử dụng sau khoảng 12-16 giờ Hỗn hợp pha trộn được đổ vào khuôn có thể làm bằng thủ công hoặc trực tiếp từ máy trộn (Hình 1.8), sản phẩm có khối lượng lớn có thể mất nhiều thời gian hơn trong việc hình thành, và thời gian chờ hình thành là khi đó trong các polymer diễn ra các phản ứng kết dính với nhau

Hình 1.8: Hỗn hợp pha trộn đổ vào khuôn trực tiếp từ máy trộn

Mục tiêu của quá trình nén nhằm tạo ra sản phẩm tốt nhất có thể của khoáng sản đúc Do có chuyển động tương đối của các hạt thành phần trong hỗn hợp pha trộn khi bị nén nên ngành công nghiệp tuân thủ áp dụng hai nguyên tắc của việc nén chặt khoáng sản đúc:

 Các khuôn mẫu được đặt dưới một máy nén

 Các khuôn mẫu được đặt trên một máy rung

Sự kết hợp của cả hai nguyên tắc là có thể Đặc biệt là khi nén các sản phẩm

có khối lượng lớn, với các tấm nặng nén chặt sẽ cho kết quả tốt hơn sau khi đã qua máy rung (Hình 1.9)

Hình 9: Sản phẩm được nén sau khi đã qua máy rung

(kết hợp hai nguyên tắc)

Sự ảnh hưởng của các thông số như tần số, biên độ khi rung; lực và thời gian nén chặt đến các thuộc tính khoáng sản đúc đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết

Trong thực tế các thông số này phụ thuộc với từng vật liệu, khối lượng, mức độ sử dụng của khoáng sản đúc

Cuối năm 70 thế kỷ 20 một tiêu chuẩn đã được soạn thảo bởi một ủy ban tiêu chuẩn DIN, viện nghiên cứu và các ngành công nghiệp khoáng sản, các tiêu chuẩn của vật liệu tiên tiến được ra đời Tháng 5 năm 1991 đã cho ra đời một phương pháp thử nghiệm thống nhất theo tiêu chuẩn DIN 51 290

Đối với máy nhà xây dựng thì thử nghiệm và đánh giá mẫu đặc biệt quan trọng, các mẫu được tạo ra phải có các thông số đặc tính với vật liệu thông thường như thép, gang theo bảng 1.1

Bảng 1.1: Đặc tính khoáng sản đúc so với vật liệu thông thường như thép, gang

1.1.3 Đặc điểm của khoáng sản đúc

1.1.3.1 Đặc điểm năng động

Thời gian hoàn thành sản phẩm nhanh, tỷ lệ nguyên vật liệu thay đổi dễ dàng dẫn đến những thay đổi nhằm tăng cường về mặt cơ học và hình dáng cấu trúc máy Ngoài việc tạo hình dáng dễ dàng thì khả năng phục hồi và độ cứng của khoáng sản đúc sẽ ảnh hưởng đáng kể đến chống rung của máy móc

Khoáng sản đúc là vật liệu tạo thành các khung máy trong 20 năm qua (Hình 1.10) Nó đóng góp quan trọng trong sự phát triển chế tạo các loại máy móc ở các ngành khác: máy chế biến gỗ, xây dựng….và cũng như thống trị ở các lĩnh vực khác như: bao bì, dệt may, năng lượng, điện tử, quang học…

Hình 1.10: Sản phẩm khoáng sản đúc ( làm các khung đỡ của máy)

Bảng 1.2: So sánh độ giảm xóc của khoáng sản đúc với gang, thép

Thực tế đã chứng minh máy công cụ sử dụng nguyên liệu khoáng sản đúc cho các tính chất sau:

• Giảm tần số dao động

• Thay đổi của dải tần số

• Giảm biên độ dao động cộng hưởng

• Triệt tiêu dao động nhanh hơn (Hình 1.11)

Hình 1.11: a.Dao động Gang b.Dao động Khoáng sản đúc

Bảng 1.3: So sánh ảnh hưởng nhiệt của khoáng sản đúc với các vật liệu gang, thép

Bảng 1.4: So sánh mô đun đàn hồi giữa các vật liệu

1.1.3.6 Chống rỉ

Trong máy công cụ có hệ thống làm mát bao giờ cũng hiệu quả hơn khi dùng dầu mỡ bôi trơn hoặc các chất lỏng khác Trái ngược với vật liệu kim loại thông thường, đế sẽ không gỉ khi làm bằng khoáng sản đúc Vì vậy, có thể tiết kiệm cả hai biện pháp bảo vệ chống ăn mòn, gây tốn kém và làm giá thành giảm xuống

Trong xi măng xảy ra hiện tượng trương phồng do hấp thụ độ ẩm theo chu

kỳ và nhưng với các mao mạch ở trong nhựa epoxy thì không có khả năng hấp thụ Ngoài ra epoxy kỵ nước mạnh hơn đá tự nhiên, nên sản phẩm khoáng sản đúc được

sử dụng cho các tấm đo lường chính xác cao Khoáng sản đúc có sức đề kháng hóa chất cao với chất bôi trơn, làm mát, chất tẩy rửa, dầu thủy lực, chất điện môi, do

đó đáp ứng các yêu cầu về ổn định lâu dài và độ chính xác cao trong cơ khí (Hình 1.14)

1.1.3.7 Môi trường

Sản xuất khoáng sản đúc có thể không cần nguồn cung cấp nhiệt trong khi pha trộn, nếu so sánh năng lượng cần tiêu thụ để nấu chảy gang hoặc thép so với khoáng sản đúc thì năng lượng tiêu thụ để làm ra một sản phẩm bê tông polymer ít hơn từ 20 đến 40% Các vật liệu trơ về mặt hóa học khi bê tông polymer xảy ra trạng thái nứt hoặc bị phá vỡ, chính vì thế không có ảnh hưởng sức khỏe (Theo quy định áp dụng tại Đức từ hiệp ước châu Âu 01/01/1999 cho các loại chất thải)

Ban công tác về chất thải (LAGA) dựa trên các luật và quy định các thông

số các chất gây ô nhiễm và xác định thành phần cấu tạo sản phẩm đã kết luận khoáng sản đúc ở trong thể loại tái chế 1,2

Trên cơ sở đó các nhà chức trách đã thiết lập quy trình xử lý khoáng sản đúc

và tái sử dụng các khoáng sản vào việc xây dựng Các khoáng sản đúc bị hư hỏng được đưa vào bộ phận nghiền khoáng sản trong các nhà máy để tạo thành các hạt nhỏ và lấy đó làm nguyên liệu tái sản xuất (hình 1.15)

Hình 1.15: Nghiền nhỏ các sản phẩm bê tông polymer thành các hạt nhỏ Chính vì khả năng có thể tái sử dụng tạo ra cân bằng năng lượng (không

có nguồn cung cấp nhiệt bên ngoài), dễ dàng xây dựng và hỗ trợ tái chế vật liệu xây dựng Đối với vật liệu gang, thép chúng ta cần một lượng năng lượng rất lớn để nấu chảy chúng nếu muốn tái sử dụng, còn khoáng sản đúc chỉ cần một phần năng lượng

để sử dụng máy nghiền, vì thế nó thân thiện với môi trường

Đậu rót là điểm trước khi độ co rút có thể xảy ra của hỗn hợp, tuy nhiên độ

co rút không xảy ra do các khoáng sản đúc vẫn còn lỏng để đổ vào khuôn Trong trường hợp của nhựa epoxy, có sự sụt giảm về khối lượng nhưng rất thấp (0,02-0,03% tính co rút trong đúc khoáng sản) Như vậy có thể tuân theo định luật bảo toàn khối lượng vì 0,02-0,03% là rất nhỏ Như vậy, thành phần khoáng sản đúc

được đúc chính xác phụ thuộc vào khả năng trong việc thiết kế khuôn mẫu mà không cần tính toán có không gian co rút trong khuôn mẫu

Trong gia công khuôn trong cơ khí cho việc đúc bê tông polymer thì đỡ tốn nguyên liệu so với gia công khuôn cho đúc gang vì phải tính tới độ cơ rút của gang Các biến dạng cũng như ảnh hưởng lực cơ học trong quá trình gia công có thể được giảm thiểu thông qua việc sử dụng bê tông polymer

1.1.4 Tình hình nghiên cứu bê tông polyme ở trong và ngoài nước

Các nhà khoa học đã nghiên cứu tạo ra một loại bê tông mới thay thế cho bê tông thông thường sử dụng xi măng Portland: Bê tông polyme Bê tông này không chỉ làm giảm khí nhà kính mà còn làm tăng độ bền của các công trình xây dựng lên nhiều lần

Bê tông là vật liệu xây dựng thông dụng nhất trên hành tinh chúng ta Hiện nay, khoảng 5-8% lượng CO2 do con người thải ra có nguồn gốc từ ngành công nghiệp sản xuất xi măng Portland, một chất kết dính không thể thiếu của bê tông thông thường

Xi măng Portland là một trong những vật liệu được sản xuất rộng rãi nhất trên Trái đất Sản lượng xi măng Portland trên toàn thế giới hiện tại đã vượt qua ngưỡng 2,6 tỉ tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5%

Để có thể kìm hãm tốc độ ô nhiễm đã lên tới mức cảnh báo như hiện nay,

TS Erez Allouche, trợ giảng về lĩnh vực thiết kế và xây dựng các công trình công cộng tại ĐH Công nghệ Louisiana (Hoa Kỳ) đồng thời là PGĐ Trung tâm Công nghệ Trenchless đang tiến hành một công trình nghiên cứu mang tính sáng tạo về bê tông polyme (geopolymer), sử dụng những sản phẩm phụ từ những nhà máy điện vận hành bằng than đá

Hình 1.16: Công trình nghiên cứu xi măng “xanh” đã

cho ra đời công nghệ bê tông polyme mới Đây là khối

xi măng 5000lb (453.6 grams = 1lbs) sử dụng “tro bay”

Loại bê tông polyme tổng hợp này sử dụng chất kết dính tận dụng từ “tro bay” (phế thải mịn thu được từ việc đốt cháy than cám ở các nhà máy nhiệt điện,

thành phần chủ yếu là các oxit của silic, nhôm, sắt, can xi, magie và lưu huỳnh Ngoài ra còn có một lượng than chưa cháy, không vượt quá 6% khối lượng tro bay) – một phụ phẩm công nghiệp vô cùng dồi dào – làm một chất thay thế cho xi măng Portland

Bê tông polyme có rất nhiều ưu điểm so với bê tông thông thường Trước

hết, về căn bản nó có khả năng “hạn chế” lượng khí thải CO2 đồng thời có thể tạo ra

một cơ sở hạ tầng có khả năng sử dụng qua hàng trăm năm Và bằng cách tận dụng

“tro bay” (fly ash), nó có thể giải phóng được một diện tích lớn đất hiện đang sử

dụng làm kho chứa những sản phẩm than đá dễ gây cháy và bảo vệ nguồn nước của chúng ta khỏi bị ô nhiễm bởi tro bay

So sánh với xi măng Portland thông thường (OPC), bê tông polyme (GPC)

có nhiều tính năng tốt hơn (khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt (tới 2400oF), chịu nén và có độ bền kéo, sự co ngót…)

Các nhà nghiên cứu cho rằng rằng, ưu điểm lớn nhất của bê tông polyme là khả năng làm giảm lượng khí nhà kính, khoảng 90% khi so sánh với OPC

Công nghệ này đang được xúc tiến để làm giảm nhu cầu năng lượng trong tương lai Nó sẽ được chú ý đặc biệt tại Hội nghị Hệ thống Công nghệ năng lượng Louisiana diễn ra vào tháng sau tại Trung tâm Chuyển giao Công nghệ ở Shreveport (Los Angeles, Mỹ) Theo http://www.khoahoc.com.vn/doisong/moi-truong/giai-phap /25422.Be-tong-polyme-giai-phap-be-tong-xanh-cho-Trai-dat.aspx

Ở trong nước ta đi đầu việc ứng dụng công nghề này là CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ & VẬT LIỆU CHUYÊN DỤNG - SPEMAT có sản phẩm vữa EPOXY (EPOXY MORTAR) với tính năng như sau:

Công dụng:

• EPOXY MORTAR dạng thixotropic, không bị chảy xệ

• Cho khả năng thi công tương đối kéo dài kể từ khi trộn 2 thành phần với nhau: trong vòng 60 phút trong điều kiện nhiệt độ dưới 35oC

• Hoàn toàn không co ngót khi đóng rắn

• Có độ bám dính rất lớn đối với thép, bê tông và các vật liệu khác

Các nguyên vật liệu để tạo ra bê tông polymer được tìm thấy dễ dàng tại Việt Nam nói chung và Khánh Hòa nói riêng

Hiện tại ở Việt Nam trong vài năm gần đây, các công ty sửa chữa và đóng mới tàu thủy phát triển với tốc độ rất nhanh ví dụ như: công ty TNHH Huyndai Vinashine Ninh Hòa, công ty đóng tàu Cam Ranh, công ty đóng tàu Nam Triệu…

Với công nghệ sữa chữa tàu thủy hiện nay là phải dùng hạt NIX để làm sạch

bề mặt thân tàu trước khi sơn, chính công nghệ này đã tạo ra một khối lượng xỉ đồng không nhỏ tại các nhà máy

Vì thế chúng ta có thể tận dụng hạt Nix để thay thế cho hạt sỏi được hay không? Để giải được bài toán này đầu tiên chúng ta tìm hiểu thế nào là hạt Nix

1.2 Hạt Nix

Hạt Nix là một loại vật liệu hạt hình thành từ sắt, đá vôi và silica trong quá trình luyện đồng Trong quá trình tinh luyện này, do đột ngột đông kết từ trạng thái nóng chảy bởi luồng khí lạnh thổi vào và được rữa bằng hơi nước áp lực cao tạo ra thành phẩm là xỉ đồng Xỉ đồng (hạt Nix) là một loại sản phẩm phụ của quá trình luyện đồng

- Nix chưa qua sử dụng là loại vật liệu hoàn toàn trơ và không phản ứng hoá học với nước mưa, nước biển, không khí và không có tác động xấu đến môi trường

- Nix sau khi sử dụng sẽ có lẫn thêm một số các tạp chất khác trong quá trình làm sạch vỏ tàu như gỉ sét vỏ tàu, sơn, cặn hầm tàu v.v…

Kết quả phân tích cho thấy hạt Nix qua sử dụng có các thành phần nguy hại như asenic, cadima, thủy ngân, chì… nhưng chưa vượt qua ngưỡng chất hại nguy hại theo tiêu chuẩn TCVN 6706: 2000.[19]

1.2.1 Hạt Nix chưa qua sử dụng

Hạt Nix chưa qua sử dụng có các tính chất vật lý và thành phần hoá học cơ bản như sau:

Tính chất vật lý:

- Trọng lượng riêng: 3,6 tấn/m

- Độ hút nước: 0,52

- Tỷ lệ làm sạch: 4,6%

Bảng 1.5: Thành phần hóa học của hạt NIX

1.2.2 Hạt Nix đã qua sử dụng (làm sạch vỏ tàu thủy)

a) Chỉ tiêu vật lý của hạt Nix phế thải

- Mô đun độ lớn trung bình: M = 2,10

- Khối lượng riêng lớn: ρ = 3,45 g/cm3, chưa sử dụng ρ = 3,60 g/cm3

- Khối lượng thể tích xốp lớn: ρν = 2,026 g/cm3

- Độ xốp trung bình: Xo = 41,33%

- Độ ẩm trung bình: W = 3,09%

- Hàm lượng bụi, bùn, sét trung bình: Sc = 1,30%

Kết quả xác định thành phần hạt của hạt Nix phế thải được giới thiệu ở bảng 1.6:

Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt mẫu

Kích thước mắt sàng (mm) Phần còn lại trên sàng

(%)

2,5 1,25 0,63 0,315 0,14

Lượng NIX Qua sàng 0.14mm Lượng sót riêng trên

mỗi sàng 0,37 5,15 36,8 27,32 20,33

Lượng sót tích lũy trên

sàng 0,74 5,89 42,69 70,01 90,34

9,66

b)Thành phần hoá học của hạt Nix phế thải

Bảng 1.7: Thành phần hóa học của hạt Nix phế thải.[20]

Ngoài ra còn có các thí nghiệm của Cục bảo vệ môi trường-Bộ tài nguyên và Môi trường đối với hạt Nix được lấy tại nhà máy Huyndai Vinashine, 01 Mỹ Giang, Ninh Hòa, Khánh Hòa Đây là 1 trong nhiều phiếu kết quả thí nghiệm:

1.3 Nhựa epoxy

1.3.1 Khái niệm O

Epoxy là loại nhựa có gắn nhóm epoxy (CH=CH) 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 với hầu hết các 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 là:

- Thời gian polyme hóa dài, nên tốn thời gian chế tạo

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 Kcal/mol) Sản phẩm tạo ra nhóm -OH bậc 2 ở vị trí α so với nguyên tử Clo

Ở vị trí này, trong môi trường kiềm sẽ xảy ra phản ứng tách loại khí HCl và tạo ra nhóm epoxy mới:

Khả năng chịu nhiệt của nhựa tăng lên, chịu được nhiều loại môi trường như: môi trường oxi hoá, axit, kiềm,… Tuy nhiên, nó rất giòn, cứng, độ nhớt cao nên gây khó khăn trong quá trình gia công

- Đưa vào sườn bisphenol A các dẫn xuất halogel:

Nhựa tạo thành sẽ tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống cháy, chịu mài mòn và chịu môi trường

- Thay sườn bisphenol A:

Thay sườn bisphenol A bằng các dạng mạch thẳng (aliphatic), cao su (tạo cao su - epoxy hoá) hay có thể thay bằng silicon - epoxy, dầu đậu nành epoxy hoá,…sẽ làm tăng khả năng mềm dẻo của nhựa, tăng độ bền uốn, chịu va đập, tuy nhiên độ bền kéo lại giảm

Hình 1.18 Cấu trúc epoxy resin

1.3.3 Lý tính của nhựa epoxy

Nhựa epoxy có màu từ vàng sáng đến trong suốt, ở dạng lỏng (M < 450), đặc (450 < M < 800) và rắn (M > 1000) tùy thuộc khối lượng phân tử của nhựa

Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ, như: xêton, axetat, hydrocacbon clo hoá,…; Không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng, như: ete dầu mỏ, xăng…

Tương hợp được với nhiều loại nhựa khác nhau, như: ure - fomaldehyt, melamin - fomaldehyt, phenol - fomaldehyt, nitrocellulo, polyeste, polysulfit…

Nhựa ở dạng lỏng và dễ dàng chuyển sang trạng thái đóng rắn, tạo mạng lưới không gian ba chiều không nóng chảy, không hòa tan khi sử dụng các chất đóng rắn

có kèm theo hiện tượng co ngót (tùy chất đóng rắn mà co ngót khoảng từ 0,5 ÷ 1%)

Nói chung, tính chất của các loại nhựa epoxy phụ thuộc vào khối lượng phân

tử và cấu tạo của nó

Bảng 1.8 Thông số kỹ thuật của một số nhựa epoxy thông dụng

n

Đương lượng theo nhóm epoxy

Đương lượng theo nhóm hydro xyl

Nhóm chức hydrox

yl

Nhiệt

độ nóng chảy (0C)

Độ nhớt

ở 250C (cps)

Bảng 1.9 Đặc tính chủ yếu của epoxy resin

1.3.4 Hóa tính của nhựa epoxy

Nhựa epoxy trên sườn bisphenol A có 2 nhóm chứa hoạt động là nhóm epoxy với nhóm hydroxyl Tùy theo khối lượng phân tử của nhựa mà thể hiện tính chất theo nhóm chức trội hơn:

- M < 1200: Số nhóm epoxy chiếm đa số → phản ứng hóa học đặc trưng là của nhóm epoxy

- 1200 < M < 3000: Cả hai loại nhóm chức này tương đương nhau → phản ứng hoá học đặc trưng là của hai loại nhóm chức này

- M > 3000: Số nhóm hydroxyl chiếm đa số → phản ứng hóa học đặc trưng là của nhóm hydroxyl

1.3.4.1 Phản ứng của nhóm epoxy

Phản ứng đặc trưng của nhóm epoxy là phản ứng cộng mở vòng epoxy; Khả năng phản ứng của nhóm epoxy tùy thuộc vào từng loại chất xúc tác

Với tác nhân ái nhân (nucleophin): HX, phản ứng xảy ra theo cơ chế SN2, tác nhân ái nhân tấn công vào cacbon có ít nhóm thế hơn của vòng Có các giả thiết về

H2CX

CH2

OH

1.3.4.2 Khả năng phản ứng của nhóm hydroxyl

So với nhóm chức của vòng epoxy, nhóm chức hydroxyl trong nhựa có hoạt tính yếu hơn, phản ứng thường xảy ra ở nhiệt độ cao, có xúc tác Nhóm hydroxyl có thể tham gia vào các phản ứng este hóa, ete hóa,…

- Với tác nhân ái điện tử (electrophin):

Phản ứng xảy ra khi có mặt proton H+:

H

+H

H

+H

H

O

H C

H

H C

H

+ H+

- Với tác nhân ái nhân (nucleophin):

+ Khi không có xúc tác: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao

-H2O

H

C OH

O

C

R-H2O

1.3.5 Chất đóng rắn cho nhựa epoxy

Nhựa nhiệt dẻo : Là loại nhựa khi gia nhiệt thì sẽ hóa dẻo, ví dụ như : PP,

chức có nguyên tử H+ linh động, ví dụ như các amin bậc 1, 2, 3, nhựa UF, PF, các axit, các anhydric, v.v…

Nhiệt độ của phản ứng đóng rắn phụ thuộc vào tác nhân đóng rắn

1.3.5.1 Hệ đóng rắn nguội

a Chất đóng rắn loại amin:

Đóng rắn bằng aliphatic amin không biến tính Các amin được sử dụng sớm nhất làm các chất đóng rắn cho nhựa epoxy là alkylene amin không biến tính, như: DETA (Dietylen triamin), TETA (Trietylen tetramin), TEPA (Tetraetylen pentamin)…

Công thức chung:

nBảng 2.8 Độ chức của một số loại amin [6, tr 9]

n Amin Amin bậc 1 Amin bậc 2 Tổng nhóm chức amin

Khi các amin tác dụng với nhựa epoxy thì phản ứng mở vòng epoxy tạo ra liên kết -NH-CH2-, đồng thời không tạo ra sản phẩm phụ nên độ co ngót nhỏ

Cơ chế đóng rắn của amin bậc 1, 2:

CH2 CHO

Khi đóng rắn bằng các amin này thì gặp những khó khăn như sau:

- Các amin này có tốc độ bay hơi cao, độ độc cao sẽ gây kích thích lên da và mặt

- Lượng chất đóng rắn sử dụng quá ít, cần phải cân thật chính xác, gây khó khăn cho thao tác gia công

- Các amin này có xu hướng tạo trên bề mặt của sản phẩm đóng rắn một lớp

mờ đục, nhớt do hiện tượng các amin trồi lên bề mặt sẽ tác dụng với hơi ẩm trong không khí và khí CO2 tạo cabamat (carbamate),…điều này sẽ làm giảm độ bóng của

bề mặt sản phẩm, làm dơ bề mặt, gây khó khăn cho việc gia công các màng nhiều lớp Nhiệt độ thấp, độ ẩm cao sẽ làm tăng sự hình thành lớp mờ đục trên bề mặt Sự hình thành hiện tượng cabamat do amin kết hợp với không khí ẩm ướt như sau:

- Trọng lượng phân tử thấp của các amin này khi đóng rắn sẽ tạo nên mật độ liên kết dày đặc nên sản phẩm có khả năng chịu nhiệt, chịu dung môi và hóa chất rất tốt Tuy nhiên, độ mềm dẻo và khả năng chịu va đập lại thấp

Vì những lý do nêu trên, ngày nay các aliphatic amin ít khi sử dụng như một chất đóng rắn mà thường kết hợp với các chất khác để tạo nên các hợp chất đóng

CarbamateCarbamic acidOCONH