NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ PHỤ GIA ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ PHỤ GIA ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN Kỹ sư.Lê Quốc Việt Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Thà

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

VÀ PHỤ GIA ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE

TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN

Kỹ sư.Lê Quốc Việt Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Thành phố Hồ Chí Minh (Điện thoại: 0932778297; E-mail: quocvietla1984@gmail.com)

TÓM TẮT

Polymers là loại vật liệu được dùng phổ biến hiện nay và dần thay thế các vật liệu kim loại trong các ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhờ vào đặc tính của chúng Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là cơ tính không cao.Vì vậy, việc tăng bền cho vật liệu này là rất cần thiết

Bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ và tỉ lệ thành phần khối lượng các phụ gia Na10MB3A (tên thương mại) đến sức bền kéo của polypropylen (PP).Kết quả cho thấy, khi tỉ lệ thành phần phụ gia tăng dần, sức bền kéo của polypropylen cũng tăng dần.Sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất ở một tỉ lệ phụ gia nhất định, sau đó giảm dần khi tỉ lệ thành phần phụ gia tiếp tục tăng vượt qua tỉ

lệ này

ABSTRACT

Nowadays, Polymers are the material popularly used and gradually replace the meatal materials in industrial and domestic applications thanks to their characteristics.However, their biggest drawback is mechanical property is not high Therefore, the increasing of strength for this material is very essential

The newspaper studies the influence of technological parameters and component mass ratio additives Na10MB3A (trade names) to the tensile strength of polypropylene (PP) The result shows that when the ratio of the additive increases, tensile strength of polypropylene is also increasing Tensile strength reaches the maximum value at a certain percentage of additives, then decreases as the ratio of additive components continues to increase over this ratio

1 Giới thiệu

Sức bền của vật liệu nhựa có thể được gia tăng bằng nhiều phương pháp Trong nghiên cứu này, các vi hạt phụ gia được sử dụng để tăng bền cho vật liệu nhựa Chúng được pha vào vật liệu nhựa với các tỉ lệ khác nhau và được ép phun để tạo ra các mẫu thí nghiệm khác nhau

Hình 1: Máy ép phun và khuôn ép mẫu thử

Đối với những chi tiết có kích thước nhỏ, hình dáng phức tạp ta nên dùng phương pháp ép phun để tạo sản phẩm

Chu kỳ ép phun gồm có 4 giai đoạn:

a) Giai đoạn kẹp: Lúc đầu cụm kìm đóng khuôn lại rất nhanh nhưng sau đó chậm dần cho đến khi khuôn đóng hoàn toàn Khi khuôn đã đóng cũng là lúc

áp lực kiềm rất lớn được tạo ra để chống lại áp suất cao từ dòng nhựa bắn vào khuôn

Hình 2: Giai đoạn kẹp

b) Giai đoạn phun: Nhựa nóng chảy được phun vào khuôn rất nhanh do trục vít tiến về phía trước Lòng khuôn gần như được điền đầy ( điền đầy khoảng 95% lòng khuôn) thì quá trình định hình sản phẩm diễn ra do lòng khuôn có nhiệt độ thấp hơn Nhựa nóng sẽ nguội dần và xảy ra hiện tượng co rút Do

đó, một lượng nhựa nữa ( khoảng 5%) sẽ tiếp tục được phun vào để bù trừ vào sự co rút cho đến khi miệng phun bị đặc cứng lại Gọi đây là quá trình kiềm, ngăn dòng chảy ngược của nhựa qua miệng phun

Hình 3: Giai đoạn phun

c) Giai đoạn làm nguội:Khuôn vẫn được đóng và nhựa nóng trong lòng khuổn được làm nguội cho đến khi đủ độ cứng để có thể đẩy được rời khổi khuôn Trong suốt giai đoạn này trục vít vẫn quay và lùi dần lại để chuẩn bị cho lần phun kế tiếp

Hình 4: Giai đoạn làm nguội

d) Giai đoạn đẩy: Trong giai đoạn này cụm kìm làm chức năng mở khuôn ra một cách nhanh chống và an toàn Lúc đầu, cụm kìm mở khuôn một cách chậm chạp và sau đó là nhanh dần cho đến lần cuối hành trình thì nó chuyển động chạm lại để tránh va đập mạnh Khi khuôn mở ra thì tấm đẩy của khuôn

bị cần đẩy của máy đẩy về phía trước để lói sản phẩm ra khỏi khuôn

Khi sản phẩm rời khổi khuôn thì cần đẩy sẽ hồi về để sẳn sàng cho một chu

kỳ ép phun kế tiếp

Hình 5: Giai đoạn đẩy

2 Thí nghiệm:

2.1 Vật liệu và mẫu thí nghiệm :

Trong nghiên cứu này, vật liệu PP lần lượt được pha chất phụ gia Na10MB3A với các tỉ lệ khác nhau và được trộn đều trước khi phun Các mẫu thí nghiệm với kích thước 160x20x4 mm (hình 6) được chế tạo từ khuôn và máy ép phun như trên hình 1 với cùng điều kiện (nhiệt độ khuôn: 600C, áp suất điền đầy: 200Mpa, tốc độ phun: 110cm3/s) trên máy ép phun Shine Well 120 WB thuộc khoa Cơ khí tại trường ĐHSPKT TPHCM

Hình 6.Mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP

2.2 Thiết bị và điều kiện thí nghiệm:

Hình 7:Máy đo độ bền kéo INSTRON 5582

Các thí nghiệm sức bền kéo được thực hiện trên máy thử kéo và uốn INSTRON

5582 ( hình 7) tại Trung tâm nghiên cứu chế biến lâm sản, giấy, bột giấy Đại Học Nông lâm TP.HCM theo tiêu chuẩn ISO 527 Trong quá trình kéo mẫu, toàn bộ dữ liệu diễn ra được ghi lại bởi máy vi tính kết nối với máy thử kéo

Điều kiện thí nghiệm :

+ Chiều dài kẹp: 110 mm

+ Tốc độ kéo: 5mm/phút

+ Độ ẩm môi trường: 75%

+ Nhiệt độ phòng: 250C

+ Để đảm bảo độ tin cậy 95%, theo tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cho mỗi tỉ lệ phụ gia trộn là 16 mẫu

2.3 Kết quả thí nghiệm :

2.3.1.Số lượng thí nghiệm:

- Thí nghiệm được tiến hành để đánh giá mức độ ảnh hưởng độc lập của các yếu tố đến sức bền kéo của vật liệu sau khi ép phun

- Kết quả của thí nghiệm thể hiện mối tương quan sự ảnh hưởng của nhiệt

độ, áp suất và tỉ lệ các chất phụ gia đối với sức bền kéo đứt của vật liệu sau khi pha trộn trong công nghệ ép phun

- Số thí nghiệm cần tiến hành:

0

n k 

Trong đó : k là số yếu tổ ảnh hường

n0 là các giá trị, n0 = 3,5,7………

Từ đó : Số lượng thí nghiệm là 7

Số lượng thí nghiệm lặp lại cần tiến hành cho mỗi mức thí nghiệm là bao nhiêu để có thể ước lượng năng suất trung bình trong khoảng  1 , 5MPa

với độ tin cậy 95%, độ lệch chuẩn là  3 Mpa

N: số lượng thí nghiệm cần lặp lại

Tra bảng 2: với hệ số ý nghĩa p=0.05 thì K =1,96

16

4 2

2







L

 Lập ma trận qui hoạch thực nghiệm:

thiên Mức trên Mức cơ sở Mức dưới

Bảng 2.1: Xác lập các yếu tố đầu vào và xác định các mức

60

210

190 0









P

t

N

Các yếu tố trong

hệ tọa độ tự nhiên

Các yếu tố hệ tọa độ mã hóa

Y

Bảng 2.2: Chuyển hệ trục tọa độ

2.3.2 Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm :

a Ở nhiệt độ t 190 0C,P 60kg.f :

Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.3:

Bảng 2.3: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 1900C và

áp suất 60kg.f :

II 104.426 107.519 110.092 112.055 111.404 109.318

Từ bảng 2.3, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3Ađược mô tả trên hình 8:

Hình 8:Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % Na10MB3A và sức bền kéo của PP

Nhận xét: Kết quả ở (hình 8) cho thấy sức bền kéo của vật liệu PP tăng nhanh khi tỉ

lệ phụ gia tăng từ 1% đến 2% , sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất và tăng bền khoảng 7.3% khi tỉ lệ phụ gia đạt khoảng 3% Khi tỉ lệ phụ gia Na10MB3A tăng lên hơn 3%, sức bền kéo giảm dần Khi tỉ lệ phụ gia tăng lên 7% thì sức bền kéo giảm mạnh

Tỉ lệ % Na10MB3A Hình 9 Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A

Y = - 4227.5X2 + 362.153X + 104.471

Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần đúng (hình 8) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:

Y = - 4227.5X2 + 362.153X + 104.471 [1]

Trong đó:

Y : là ứng suất trung bình [Kg.f]

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 10: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia

Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 1900C và áp suất 60kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn

b Ở nhiệt độ t 1900C,P 70kg.f :

Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.4:

Bảng 2.4: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 1900C và

áp suất 70kg.f :

Từ bảng 2.4, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3Ađược mô tả trên hình 11:

II 109.504 110.103 111.899 112.853 112.122 110.898

Hình 11: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % Na10MB3A và sức bền kéo của PP

Nhận xét: Kết quả ở ( hình 11) cho thấy sức bền kéo của vật liệu PP tăng nhanh khi

tỉ lệ phụ gia tăng từ 0% đến 1% và sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất và tăng bền khoảng 10.7% khi tỉ lệ phụ gia đạt khoảng 3% Khi tỉ lệ phụ gia Na10MB3A tăng lên hơn 3%, sức bền kéo sẽ giảm nhanh

Tỉ lệ % Na10MB3A Hình 12 Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A

Y = - 2065.5X2 + 167.032X +109.248

Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần đúng (hình 11) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:

Y = - 2065.5X2 +167.032X +109.248 [2]

Trong đó:

Y : là ứng suất trung bình [kg.f]

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A(%)

Hình 13: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia

Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 1900C và áp suất 70kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn

c Ở nhiệt độ t 2100C,P 60kg.f

Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.5:

Bảng 2.5: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2100C và

áp suất 60kg.f :

(II) 107.818 109.503 110.833 112.122 111.213 108.406

Từ bảng 2.5, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3Ađược mô tả trên hình 14:

Hình 14: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % Na10MB3A và sức bền kéo của PP

Nhận xét: Kết quả ở(hình 14) cho thấy sức bền kéo của vật liệu PP tăng nhanh khi

tỉ lệ phụ gia tăng từ 1% đến 2% và sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất và tăng bền khoảng 7.8% khi tỉ lệ phụ gia đạt khoảng 3% Khi tỉ lệ phụ gia Na10MB3A tăng đến 5%, sức bền kéo sẽ giảm dần và tỉ lệ phụ gia tăng đến 7%, sức bền kéo sẽ giảm rất nhanh

Tỉ lệ % Na10MB3A Hình 15 Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A

Y = - 3143.98X 2 + 230.037X + 107.693

Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần đúng (hình 15) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:

Y = -3143.98X2 + 230.037X + 107.693 [3]

Trong đó:

Y : là ứng suất trung bình [kg.f]

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 16: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia

Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2100C và áp suất 60kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn

d Ở nhiệt độ t 2100C,P 70kg.f

Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.6:

Bảng 2.6: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2100C và

áp suất 70kg.f :

II 106.629 108.106 111.829 112.059 110.754 107.843

Từ bảng 2.6, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3Ađược mô tả trên hình 17:

Hình 17: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % Na10MB3A và sức bền kéo của PP

Nhận xét: Kết quả ở (hình 17) cho thấy sức bền kéo của vật liệu PP tăng nhanh khi

tỉ lệ phụ gia tăng từ 1% đến 2% và sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất và tăng bền khoảng 6.1% khi tỉ lệ phụ gia đạt khoảng 3% Khi tỉ lệ phụ gia Na10MB3A tăng đến 5%, sức bền kéo sẽ giảm dần và tỉ lệ phụ gia tăng đến 7%, sức bền kéo sẽ giảm rất nhanh

Tỉ lệ % Na10MB3A Hình 18 Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A

Y = - 4099.54X2 + 303.944X + 106.431

Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần đúng (hình 18) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:

Y = -4099.54X2 + 303.944X + 106.431 [4]

Trong đó:

Y : là ứng suất trung bình [kg.f]

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 19: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia

Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2100C và áp suất 70kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn

e Ở nhiệt độ t 2000C,P 65kg.f :

Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.7:

Bảng 2.7: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2000C và

áp suất 65kg.f :

Từ bảng 2.7, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3Ađược mô tả trên hình 20:

II 106.753 109.205 110.187 110.532 109.987 108.293

Hình 20: Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % Na10MB3A và sức bền kéo của PP

Nhận xét: Kết quả ở(hình 20) cho thấy sức bền kéo của vật liệu PP tăng nhanh khi

tỉ lệ phụ gia tăng từ 1% đến 2% và sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất và tăng bền khoảng 6.8% khi tỉ lệ phụ gia đạt khoảng 3% Khi tỉ lệ phụ gia Na10MB3A tăng đến 5%, sức bền kéo sẽ giảm dần và tỉ lệ phụ gia tăng đến 7%, sức bền kéo sẽ giảm rất nhanh và nhỏ hơn so với sức bền kéo ở tỉ lệ phụ gia 1%

Tỉ lệ % Na10MB3A Hình 21 Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A

Y = - 2553.26X2 + 192.848X + 107.119

Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần đúng (hình 21) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:

Y = - 2553.26X2 + 192.848X + 107.119 [5]

Trong đó:

Y : là ứng suất trung bình [kg.f]

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 22: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia

Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2000C và áp suất 65kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn