Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến quá trình lưu biến của vật liệu compozit BMC (bulk molding compounds)

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ

Trang 1

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn

Vũ Văn Thông

Trang 2

2

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của Viện Đào tạo sau đại học, các Thầy cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu và các cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thái Hùng đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Ban Giám đốc Trung tâm Đo lường, đồng nghiệp đã tạo điều kiện về thời gian, cơ

sở vật chất và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Tác giả luận văn

Vũ Văn Thông

Trang 3

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 13

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13

1.1 Vật liệu compozit 13

1.1.1 Khái niệm - 13

1.1.2 Đặc điểm của vật liệu compozit - 13

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit - 14

1.2 Vật liệu compozit nền polyme 15

1.2.1 Khái niệm - 15

1.2.2 Đặc điểm - 16

1.2.3 Phân loại vật liệu compozit nền polyme - 18

1.2.4 Ưu nhược điểm của vật liệu compozit nền polyme - 20

1.2.5 Vật liệu compozit BMC - 20

1.2.5.1 Khái niệm - 20

1.2.5.2 Đặc điểm, tính chất vật liệu compozit BMC - 20

1.2.5.3 Sản phẩm ứng dụng của vật liệu compozit BMC - 21

1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu compozit BMC 23

1.3.1 Tình hình nghiên cứu compozit BMC trên thế giới - 23

1.3.2 Tình hình nghiên cứu compozit BMC trong nước - 24

1.4 Kết luận 25

CHƯƠNG 2 26

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT BMC 26

2.1 Tính chất, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC 26

Trang 4

4

2.1.1 Tính chất của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC - 26

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC - 28

2.2 Thành phần chế t o vật liệu compozit BMC 30

2.2.1 Nhựa nền - 30

2.2.2 Sợi thủy tinh - 31

2.2.3 Chất độn - 32

2.2.4 Xúc tác - 32

2.2.5 Chất ức chế - 33

2.2.6 Chất róc khuôn nội - 33

2.2.7 Chất làm dày - 34

2.2.8 Phụ gia giảm co ngót - 35

2.2.9 Các phụ gia khác - 36

2.3 Thiết bị dùng trong quá trình chế t o vật liệu compozit BMC và mẫu đo lưu biến 36

2.3.1 Cân điện tử - 36

2.3.2 Máy khuấy - 37

2.3.3 Máy trộn - 37

2.3.4 Máy ép thủy lực bằng tay - 39

2.3.5 Máy ép thủy lực - 39

2.3.6 Máy ép thủy lực lắp thiết bị đo lưu biến - 40

2.4 Quy trình chế t o vật liệu compozit BMC 40

2.4.1 Lưu đồ chế tạo vật liệu compozit BMC - 40

2.4.2 Giải thích lưu đồ chế tạo vật liệu compozit BMC - 41

2.5 Kết luận 42

CHƯƠNG 3 43

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THUỘC TÍNH LƯU BIẾN VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 43

3.1 Phương pháp đo lưu biến 43

3.2 Mô hình lưu biến 44

3.3 Nhận d ng mô hình thuộc tính lưu biến 46

3.4 Phân tích, đánh giá kết quả 49

3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ sợi 49

Trang 5

5

3.4.1.1 Dạng đường cong giữa lực và chuyển vị - 49

3.4.1.2 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 18 – 82 % - 50

3.4.1.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 23 – 77 % - 50

3.4.1.4 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là - 51 28 – 72 % - 51

3.4.1.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đến quá trình lưu biến của vật liệu BMC - 51

3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ biến dạng 52

3.4.2.2 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.1 s-1 - 53

3.4.2.5 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến quá trình lưu biến của vật liệu BMC 54 3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ 56

3.4.3.2 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 57 23 - 77 % tại nhiệt độ T = 20 oC - 57

3.4.3.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 57 23 - 77 % tại nhiệt độ T = 40 oC - 57

3.4.3.4 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 23-77 % tại nhiệt độ T = 60 oC - 58

3.4.3.5 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.01 s-1 và tỷ lệ sợi nền là 58 23 -77 % tại nhiệt độ T = 80 oC - 58

3.4.3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lưu biến của vật liệu BMC - 59

3.5 Kết quả nhận d ng thuộc tính lưu biến của vật liệu compozit BMC 60

3.5.1 Nhận dạng các hệ số của mô hình khi thay đổi tỷ lệ sợi - 60

3.5.2 Nhận dạng các hệ số của mô hình khi thay đổi tốc độ biến dạng - 61

3.5.3 Nhận dạng các hệ số của mô hình khi thay đổi nhiệt độ - 62

3.6 Kết luận 63

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 6

6

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

n Hệ số nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng

SMC Sheet Molding Compounds

Trang 7

ABS Acrylonitrin butadien styren

GFRP Glass fiber reinforced polyme

Trang 8

8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh sự khác biệt giữa nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và cao su 18

Bảng 1.2 Một số tính chất của vật liệu BMC [2] 21

Bảng 1.3 So sánh tính chất của vật liệu BMC với vật liệu kim loại 21

ản 2 1 Mộ ố n ấ ủ ản p m ậ ệ ompo M 26

ản 2 2 Bảng thành phần chế tạo ậ ệ ompo M ủ đề tài nghiên cứu 30 Bản 2 3 Mộ ố n ất của polyeste không no 31

Bản 2 4 Đặ n oại sợi thủy tinh 31

ản 2 5 Đặ n ề ợ ủy tinh nghiên cứu 32

ản 2 6 n ố ậ ủ ộ on O 3 ) 32

ản 2 7 n ố ậ ủ m ộn 38

Bản 3 1 Đ ều kiện thử nghiệm đổi tỷ lệ sợi 48

Bản 3 2 Đ ều kiện thử nghiệm đổi tố độ biến dạng 48

Bảng 3.3 Đ ều kiện thử nghiệm đổi nhiệ độ 48

Bảng 3.4 Thông số đặ ưn ủa vật liệu compozit BMC 56

Bảng 3.5 Giá trị của các thông số nhận dạng với các tỷ lệ sợi khác nhau 60

Bảng 3.6 Giá trị của các thông số nhận dạng với tố độ biến dạng khác nhau 61

Bảng 3.7 Giá trị của các thông số nhận dạng tại nhiệ độ khác nhau 62

Trang 9

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Vật liệu compozit 13

Hình 1.2 Nhu cầ ĩn ực sử d ng vật liệu compozit trên thế giới 14

Hình 1.3 Nhu cầ ĩn ực sử d ng vật liệu compozit tại Việt Nam 14

n 1 4 đ p n oạ ậ ệ ompo o n p ần nền 15

Hình 1.5 Một số loại sợ ùn để chế tạo vật liệu compozit 17

Hình 1.6 Chấ độn (bột CaCO 3 ) ùn để chế tạo vật liệu compozit 17

n 1 7 đ p n oạ ậ ệ nền po m 18

n 1 8 đ p n oạ ố 19

n 1 9 n M ấ ậ ệ ompo M 19

Hình 1.10 Một số chi tiết ứng d n on ĩn ự đ ện 22

Hình 1.11 Một số chi tiết ứng d ng trong ô tô 22

Hình 1.12 So sánh một số tính chất của chi tiết làm bằng nhôm và BMC 22

n 2 1 o n ệ ố n n n ệ ủ vật liệu M ớ ậ ệ 27

n 2 2 o n n ) ệ ấ ) ủ ật liệ ompo M ớ ậ ệ 27

n 2 3 o n ổ n n ật liệ M ớ ậ ệ 28

n 2 4 n đ ện ử 36

n 2 5 M ấ ) n ấ ạn đĩ ắ ) 37

Hình 2.6 Máy trộn 38

Hình 2.7 Máy ép thủy lực bằng tay 39

Hình 2.8 Máy ép thủy lực MTS 39

Hình 2.9 Hệ thống gia nhiệt và bàn ép 40

Hình 2.10 Lư đ chế tạo vật liệu compozit BMC 40

Hình 2.11 Hỗn hợp nền và cốt sau khi trộn trên máy trộn tr c Z 42

Hình 2.12 Khuôn ép mẫu BMC Hình 2.13 Mẫ đo ư ến BMC 42

n 3 1 đ n ép nén đ n 43

Hình 3.2 Mô hình tính toán 47

Hình 3.3 Mối quan hệ giữa lực nén và chuyển vị của mẫu BMC 49

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 và tỷ lệ sợi nền là 18 - 82 % 50

Trang 10

10

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 và tỷ lệ sợi nền

là 23 – 77 % 50

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 và tỷ lệ sợi nền là 28 – 72 % 51

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa ứng suất và tỷ lệ sợi tại  = 0.01 s -1 tại mứ độ biến dạng  = 0.5 52

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa lực ép và chuyển vị của mẫu BMC 52

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng với  = 0.1 s -1 53

Hình 3.13 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạn đổi  = (0.1, 0.01, 0.001) s -1 54

Hình 3.14 Mối quan hệ giữa tố độ biến dạng và ứng suất 55

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa lực ép và chuyển vị của mẫu BMC 56

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 và tỷ lệ sợi nền là 23 - 77 % nhiệ độ T =20 o C 57

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 và tỷ lệ sợi nền là 23 - 77 % nhiệ độ T = 40 o C 57

Hình 3.20 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại  = 0.01 s -1 đổi nhiệ độ ép của mẫu 59

Hình 3.21 Mối quan hệ giữa ứng suất và nhiệ độ tại  = 0.01 s -1 và tại mứ độ biến dạng  = 0.6 60

Hình 3.22 So sánh kết quả giữa mô hình và thực nghiệm tại  = 0.01 s -1 khi đổi tỷ lệ sợi 61

Hình 3.24 So sánh kết quả giữa mô hình và thực nghiệm với các  = (0.1 – 0.01 – 0.001) khác nhau tại tỷ lệ sợi 23 % 62

Hình 3.25 So sánh kết quả giữa mô hình và thực nghiệm với các nhiệ độ khác nhau 63

Trang 11

11

LỜI NÓI ĐẦU

Compozit là vật liệu cấu trúc được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng tốt hơn các vật liệu ban đầu Vật liệu compozit ngày nay được biết đến như là một vật liệu thay thế nhiều vật liệu truyền thống nhờ các tính chất và tính năng như: nhẹ, bền, không bị ăn mòn với môi trường, dễ gia công, độ cách điện cao và rất nhiều các tính năng ưu việt khác mà vật liệu truyền thống không có Hơn nữa nó cho phép điều chỉnh các tính chất mong muốn khi tổng hợp từ các vật liệu khác nhau Có thể tổng hợp được từ các vật liệu phế phẩm hoặc các vật liệu có sẵn và phổ biến trong tự nhiên Vật liệu compozit có thể chia ra là vật liệu compozit nền polyme, nền kim loại, nền ceramic và nền cacbon Trong đó vật liệu compozit nền polyme chiếm tỷ trọng lớn nhờ có quá trình chế tạo không quá phức tạp, gia công và đầu tư không lớn

Công nghệ gia công vật liệu polyme compozit (PC) là một trong ba nhánh chính của công nghệ gia công polyme (chất dẻo, cao su, polyme compozit) Mặc

dù phát triển muộn hơn khá nhiều so với hai nhánh kia, công nghệ gia công vật liệu PC đã có sự phát triển vượt bậc trong thời gian gần đây và trở nên không thể thiếu trong nhiều ngành kỹ thuật cao như chế tạo ô tô, tàu thủy, công nghiệp điện, dân dụng, hàng không vũ trụ v.v Các kỹ thuật chế tạo đã đạt trình độ cao về tự động hóa, cho phép chế tạo ra các sản phẩm chất lượng cao và số lượng lớn

Compozit nền polyme tồn tại chủ yếu dưới 02 loại chính: vật liệu compozit tấm SMC (Sheet Molding Compounds) và vật liệu compozit khối BMC (Bulk Molding Compounds) BMC và SMC được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu polyme nhiệt rắn tăng cường bởi sợi thủy tinh Trong nghiên cứu này tập trung vào phương pháp chế tạo và xem xét ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến ứng xử lưu biến của vật liệu compozit BMC

Nghiên cứu về lĩnh vực chế tạo vật liệu compozit nền polyme ở nước ta hiện nay chủ yếu tạo ra các chi tiết với nhựa phenolic Nhược điểm chính là thời gian ép lâu hơn và nhiệt độ cao hơn (160 - 180) 0

C so với vật liệu BMC Nhựa phenolic dễ bị hút ẩm trước khi gia công Trên thị trường, các sản phẩm từ nhựa phenolic hiện nay chủ yếu nhập khẩu từ Trung quốc, Hàn quốc, Nhật

Trang 12

Chính vì vậy, mục tiêu của luận văn với đề tài “Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến quá trình lưu biến của vật liệu compozit BMC (Bulk Molding Compounds)” là đưa ra được các thông số công nghệ ảnh hưởng đến ứng xử lưu

biến như nhiệt độ, tốc độ biến dạng, tỷ lệ sợi đến quá trình lưu biến của vật liệu compozit BMC

Luận văn được kết cấu thành 3 chương Chương 1 giới thiệu tổng quan về vật liệu compozit, qua đó cho thấy vai trò của vật liệu compozit nền polyme và sự cần thiết để chế tạo vật liệu compozit BMC Chương 2 tổng hợp phương pháp chế tạo vật liệu compozit BMC để tạo mẫu đo tính chất lưu biến Chương 3 trình bày phương pháp thực nghiệm xác định thuộc tính lưu biến (tóm tắt mô mình lưu biến, phương pháp nhận dạng mô hình) và phân tích, đánh giá các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến lưu biến của vật liệu BMC và kết quả nhận dạng mô hình lưu biến Cuối cùng là các kết luận

Trang 13

13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vật liệu compozit

1.1.1 Khái niệm

Compozit là vật liệu cấu trúc được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng nổi trội so với các vật liệu ban đầu Hình 1 cho thấy sự cấu thành vật liệu compozit từ chất nền và sợi

Hình 1.1 Vật liệu compozit

1.1.2 Đặc điểm của vật liệu compozit

Những đặc điểm chính của vật liệu compozit:

 Là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên vật liệu compozit rất khác nhau về bản chất, không hòa tan với nhau và được phân cách nhau bằng ranh giới pha

 Trong vật liệu compozit, tỷ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định của thiết kế đã ấn định

 Các tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu compozit tạo ra Tuy nhiên, tính chất của vật liệu compozit tạo ra không bao hàm tất cả các tính chất của mỗi pha thành phần khi đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm

Ưu điểm của vật liệu compozit

Ưu điểm lớn nhất của compozit là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại như (nhẹ, độ bền cao, chịu

Trang 14

Hình 1.2 Nhu cầu ĩn ực sử d ng vật liệu compozit trên thế giới

Hình 1.3 Nhu cầu ĩn ực sử d ng vật liệu compozit tại Việt Nam

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit

Trước đây người ta hay gọi vật liệu compozit theo tên các cốt sợi: vật liệu compozit cốt sợi thủy tinh, sợi bazan, sợi cacbon…Nhưng cho đến nay có rất nhiều loại cốt khác nhau như vật liệu compozit cốt sợi thủy tinh hoặc bazan trên nền epoxy Về cơ bản công nghệ chế tạo giống nhau hoặc cốt lai tạp sợi thủy tinh lẫn sợi cacbon lẫn sợi bazan…Thành phần cốt đảm bảo cho vật liệu compozit có

độ cứng, độ bền cơ học cao Thành phần nền không những đảm bảo cho các thành

Trang 15

15

phần của vật liệu compozit liên kết hài hòa với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra các kết cấu vật liệu compozit Vật liệu nền cũng quyết định một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu Về mặt công nghệ, người

ta phân loại compozit theo tính chất của vật liệu nền như hình 1.4

n 1 4 đ p n oạ ậ ệ ompozit o n p ần nền

Vật liệu compozit nền polyme: là vật liệu có nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…) hoặc sợi khoáng (sợi thủy tinh, cacbon…) hoặc sợi kim loại (Bo, nhôm…)

Vật liệu compozit nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…

Vật liệu compozit nền gốm với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

Vật liệu compozit cacbon - cacbon: có nền là cacbon và cốt sợi cacbon

Trong luận văn này tác giả đi sâu vào nghiên cứu về vật liệu compozit nền polyme sợi thủy tinh

1.2 Vật liệu compozit nền polyme

1.2.1 Khái niệm

Vật liệu compozit nền polyme (PC) là vật liệu kết hợp của hai hay nhiều cấu

tử thường rất khác nhau về bản chất và được phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha Pha liên tục trong toàn khối vật liệu compozit được gọi là pha nền, pha phân

bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là pha gia cường

Trang 16

16

1.2.2 Đặc điểm

* Polymer nền

 Bao bọc chất gia cường

 Bảo vệ chất gia cường khỏi tác dụng của môi trường

 Truyền ứng suất lên chất gia cường, phân bố ứng suất đều lên chất gia cường

 Nâng cao tính chất và tận dụng các ưu điểm của pha gia cường

 Tăng cường khả năng chịu va đập và chống rạn nứt của các thành phần

 Loại bỏ sự phát triển của vết nứt phát triển dọc theo pha gia cường bằng cách phân bố các đường rạn nứt theo bề mặt tiếp xúc giữa chất gia cường và nền

* Chất độn (cốt)

Đóng vai trò chịu ứng suất tập trung và có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người

ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

 Tính gia cường cơ học

 Tính kháng hóa chất, môi trường

 Phân tán vào nhựa tốt

 Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

 Thuận lợi cho quá trình gia công, giá thành thấp, nhẹ

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn:

 Độn dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide…(hình1.5) Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vật liệu PC như: khả năng chịu được va đập; độ giãn nở cao; khả năng cách

Trang 17

17

âm tốt; tính chịu ma sát - mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axít…

Hình 1.5 Một số loại sợi ùn để chế tạo vật liệu compozit

 Độn dạng hạt: thường được sử dụng là silica, CaCO3 (hình1.6), vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:

 Giảm giá thành

 Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường

 Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

 Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn

Hình 1.6 Chấ độn (bột CaCO 3 ) ùn để chế tạo vật liệu compozit

Trang 18

18

1.2.3 Phân loại vật liệu compozit nền polyme

a Phân loại vật liệu nền

Dựa vào pha nền có thể chia vật liệu polyme ra 3 trường hợp như sơ đồ hình 1.7

n 1 7 đ p n oạ ật ệ nền po m

Một số điểm khác biệt giữa nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và cao su được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh sự khác biệt giữa nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và cao su

Mạch thẳng, giữa các mạch

có rất ít liên kết ngang

Mạch thẳng hoặc nhánh

Mạng lưới, mật độ nối ngang dày đặc, từ 10 đến

1000 lần cao hơn cao su Không có khả năng nóng

chảy

Không có khả năng hoà tan

Có khả năng trương

Có khả năng nóng chảy nhiều lần

Có khả năng hoà tan nhiều lần

Không có khả năng nóng

chảy Không có khả năng hoà

tan Cao su thiên nhiên, BR, SBR PP, PE, PVC,… UPE, PF, UF, EP…

Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu nền:

 Bản chất hóa học, sự phân bố các nhóm chức, độ phân cực,

 Phân tử lượng, độ phân nhánh, độ đa phân tán

 Trạng thái pha: tinh thể hay vô định hình

 Điều kiện đóng rắn (nhựa nhiệt rắn): loại chất đóng rắn, nhiệt độ, thời gian

Trang 19

19

b Phân loại vật liệu cốt

Cốt sợi hiện nay chủ yếu được chia theo 2 nhóm là sợi tự nhiên và sợi hóa học Hình 1.8 là sơ đồ phân loại cốt sợi của vật liệu compozit nền polyme

n 1 8 đ p n loạ ố

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất sợi:

 Đường kính sợi

 Định hướng của mạch phân tử trong sợi

 Chiều dài sợi

 Kiểu đan, dệt vải

Hình 1.9 là ảnh chụp SEM sự phân bố giữa nền polyme và cốt sợi thủy tinh trong vật liệu compozit BMC

n 1 9 n M ấ ậ ệ ompozit BMC

Sợi

Hỗn hợp nền

Trang 20

 Thời gian sử dụng lâu dài

 Dễ dàng tạo hình, gia công

b N ượ đ ểm

 Nhiệt độ làm việc thấp

 Không ổn định về hình dạng, kích thước dưới điều kiện nhiệt độ cao

 Nhạy cảm với bức xạ năng lượng và độ ẩm

1.2.5 Vật liệu compozit BMC

1.2.5.1 K n ệm

Vật liệu compozit BMC (Bulk Moulding Compounds) là vật liệu compozit nền polyme nhiệt rắn tăng cường bởi sợi thủy tinh ngắn và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp điện để sản xuất các chi tiết có bề

mặt nhẵn bóng và hình dáng phức tạp

1.2.5.2 Đặ đ ểm, n ấ ậ ệ ompozit BMC

Cho đến nay, vật liệu compozit nền polymer nói chung và vật liệu BMC nói riêng đã được sử dụng rộng rãi để chế tạo rất nhiều chi tiết phục vụ đời sống xã hội cũng như ứng dụng trong các nghành công nghiệp ô tô, công nghiệp điện dựa trên những ưu điểm chính của BMC như:

 Chu kỳ sản phẩm nhanh

 Tuổi thọ khuôn cao

 Không phải gia công cắt gọt

 Trọng lượng giảm

 Giảm tiếng ồn

 Ổn định kích thước

 Tăng độ chịu ăn mòn, khả năng cách điện, độ bền cao

 Thiết kế linh hoạt

Trang 21

Bảng 1.2 Một số tính chất của vật liệu BMC [2]

Mođun đàn hồi, GPa

Hệ số giãn nở nhiệt, m/ m/ 0C

Trang 22

22

Hình 1.10 Một số chi tiết ứng d ng trong ĩn ự đ ện

 Ứng dụng của vật liệu compozit BMC trong ô tô được thể hiện ở hình 1.11

Hình 1.11 Một số chi tiết ứng d ng trong ô tô

Hình 1.12 So sánh một số tính chất của chi tiết làm bằng nhôm và BMC

Từ hình 1.12 ta nhận thấy với cùng một sản phẩm thì làm bằng vật liệu BMC tiết kiệm được tới 30 % chi phí so với làm bằng vật liệu nhôm

Trang 23

23

1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu compozit BMC

1.3.1 Tình hình nghiên cứu compozit BMC trên thế giới

Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu compozit đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến Việc nghiên cứu và ứng dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng Trong chiến tranh thế giới thứ 2, nhiều nước đã sử dụng vật liệu compozit để sản xuất máy bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc chiến này

Hiện nay trên thế giới, cùng với việc chế tạo vật liệu BMC truyền thống Nhiều tập đoàn đang quan tâm đến việc chế tạo vật liệu BMC thân thiện với môi trường (green BMC) chế tạo từ đậu tương, có thể kết hợp với việc gia cường với các loại sợi khác nhau như sợi tự nhiên (đay, dứa…), sợi cacbon hoặc đưa các hạt nano sử dụng gia cường thêm cho các sợi truyền thống Vật liệu compozit BMC

đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện ôtô dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ốn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc chế tạo đuôi, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác: Boing 757, 676, Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử, BMC được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, canô; Các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…), ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy golf, vợt tennis …và các ngành dân dụng, quốc tế dân sinh khác

Cho đến nay, có rất ít nghiên cứu liên quan đến lưu biến của BMC trong các giai đoạn điền đầy khuôn Nghiên cứu [3] đã xem xét dòng chảy BMC trong khuôn là kết hợp biến dạng hình dạng và biến dạng trượt Nghiên cứu [4,5] cho rằng BMC phụ thuộc vào quan hệ ứng xử giữa nhiệt độ-lớp biến dạng cắt Ngoài

ra, kích thước của thiết bị đo, của mẫu không đủ lớn so với kích thước chiều dài của sợi chứa trong BMC sẽ làm tăng sự không ổn định của kết quả thực nghiệm và không nhận biết hết được ứng xử của vật liệu [6]

Bên cạnh các nghiên cứu để chế tạo thành phần vật liệu hợp lý để giảm khối lượng, tăng độ bền, thân thiện với môi trường, các tính chất sử dụng và các

Trang 24

24

công nghệ chế tạo từ vật liệu BMC cũng được quan tâm nghiên cứu Như nghiên cứu của Hitoshi Takagi [7] đã đưa ra ảnh hưởng của chiều dài sợi đến tính chất cơ học của vật liệu compozit nền nhựa tăng cường bởi sợi tre ngắn

Tuy nhiên, sau khi chế tạo được vật liệu BMC chưa có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng lưu biến của vật liệu này khi điền đầy trong khuôn khi gia công trong các điều kiện thay đổi như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng, tỷ lệ sợi,…

Đây được xem là một trong những điều kiện rất quan trọng cần quan tâm khi xem ứng xử của vật liệu này dưới các tác động khác nhau khi hình thành sản phẩm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu compozit BMC trong nước

Vật liệu compozit được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xuất vật liệu compozit được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5000 tấn mỗi năm

Ở Việt Nam, các thuyền nan sơn đã được chế tạo từ rất lâu Năm 1973 vật liệu compozit đã được chế tạo để làm các ống dẫn dầu và sửa các chỗ thủng trong

hệ thống dẫn dầu Năm 1990, Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã chế tạo được các xuồng thể dục thể thao cho nhà thuyền

Hồ Tây bằng vật liệu PC Năm 1996 - 1999, 53 nhà vòm che máy bay bằng vật liệu compozit trên cơ sở nhựa UPE sợi thủy tinh đã được hoàn thành và đưa vào sử dụng

Hiện nay, vật liệu compozit là một trong những loại vật liệu mới rất được chú ý nghiên cứu và đưa vào sử dụng cho các mục đích dân dụng như tại khoa răng của bệnh viện Trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu compozit vào trong công nghiệp ghép răng giả, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng, ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hóa…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu compozit vào các lĩnh vực điện dân dụng, công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện… Các sản phẩm chuyên dụng cho ngành quốc phòng an ninh, xây dựng…

Trang 25

25

Các nghiên cứu về vật liệu BMC trong nước bước đầu đã tiếp cận nghiên cứu vật liệu compozit nền polyme tăng cường bởi sợi thủy tinh và sợi tre được nghiên cứu bởi GS Trần Vĩnh Diệu và cộng sự nhưng cũng mới chỉ dừng ở mức độ chế tạo vật liệu theo kinh nghiệm Việc nghiên cứu khả năng lưu biến của vật liệu compozit BMC ở Việt Nam chưa được xem xét Trong nước hiện nay có đề tài cấp

Thành phố Hà Nội mà tác giả đang tham gia nghiên cứu là “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit BMC (Bulk Molding Compounds) ứng dụng chế tạo các chi tiết kỹ thuật điện” do PGS.TS Lê Thái Hùng chủ trì [8]

1.4 Kết luận

Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu tổng quan và vai trò của vật liệu compozit BMC, mục tiêu đưa ra của nghiên cứu này là chế tạo ra vật liệu BMC và xem xét các thông số công nghệ ảnh hưởng đến lưu biến của vật liệu compozit nền polyme trong quá trình tạo hình

Trang 26

26

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT BMC

2.1 Tính chất, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC

2.1.1 Tính chất của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC

Một số tính chất của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC được chỉ ra trong bảng 2.1

ản 2 1 Mộ ố n ấ ủ ản p m ậ ệ compozit BMC

Một số tính chất của BMC Tiêu chuẩn Đơn vị Giá trị

Trang 27

27

n 2 1 o n ệ ố n n n ệ ủ vật liệu M ớ ậ ệ

Từ hình 2.1 có thể thấy được rằng sản phẩm chế tạo từ vật liệu compozit BMC có hệ số giãn nở nhiệt thấp, xấp xỉ bằng hệ số giãn nở nhiệt của một số kim loại như thép, đồng Thấp hơn khoảng 1,5 lần so với nhôm và thấp hơn tới gần 8,3 lần so với nhựa PA 6,6 GF33 (Polyamide Glass Fiber reinforced 33 % long strand)

vị thể tích Giá thành của BMC bằng một phần ba giá thành của PPS GF50

So sánh hệ số giãn nở nhiệt của một số vật liệu

USD đơn vị thể tích

Trang 28

28

(Polyphenylene sulfide Glass Fiber reinforced 50 long strand) hay bằng gần một nửa giá thành của PPA GF35 (Polyphthalamide Glass Fiber reinforced 35 long strand) cũng như PA4,6 GF40 (Polyamide Glass Fiber reinforced 40 long strand) bên cạnh đó BMC có tính năng cao gấp khoảng 2 lần nhưng lại có giá thành gần bằng 1,5 lần so với nhựa nhiệt dẻo

n 2 3 o n ổ khuôn khi gia công vật liệu M ớ ậ ệ

Từ biểu đồ hình 2.3 có thể thấy được rằng khuôn chế tạo sản phẩm compozit BMC có tuổi thọ lớn hơn gần 3 lần so với khuôn chế tạo sản phẩm Magiesium và gần 6,7 lần so với nhôm

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm từ vật liệu compozit BMC

a Yêu cầu vật liệu nền

Vật liệu nền có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu compozit Chính vì vậy, chúng phải đáp ứng được những yêu cầu về mặt công nghệ:

 Đảm bảo sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với các dạng đặt tải khác nhau, đảm bảo vật liệu bền vững khi chịu tải trượt…

 Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn, để làm giảm ứng suất nội

 Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt phụ gia

 Có khả năng tăng độ nhớt hoàn toàn lên bề mặt phụ gia

 Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính

 Chất kết dính có chứa nhóm hoạt động hay phân cực

Trang 29

29

b Yêu cầu vật liệu cốt

 Thành phần cốt luôn chiếm không quá (60 – 65) % thể tích của vật liệu compozit Nếu thành phần cốt chiếm quá nhiều thì giữa vật liệu compozit sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu

 Tính gia cường cơ học (độ cứng, độ đàn hồi) tốt

 Khả năng phân tán vào nhựa tốt

 Độ bền nhiệt, truyền nhiệt tốt

 Thuận lợi cho quá trình gia công

 Nhẹ, giá thành giảm, dễ kiếm

c Yêu cầu củ ản p m ật liệu BMC

 Độ bền cơ lý tốt

 Không bị gỉ sét

 Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn, không cần sơn bảo quản như

vật liệu kim loại, gỗ…

 Chi phí đầu tư thấp

 Phương pháp gia công và chế tạo đơn giản, đa dạng, dễ tạo hình, dễ thay đổi

và sửa chữa

 Giá thành không cao

 Cách điện, cách nhiệt tốt

Trang 30

GF (sợi thủy tinh)

Chiều dài sợi 25 mm Đường kính sợi 14 m

Tính chất chung của nhựa UPE

 Cơ lý tính cao

 Dễ gia công ở điều kiện thường

 Giá thành thấp

Trang 31

2.2.2 Sợi thủy tinh

Bảng 2.4 Đặ n oại sợi thủy tinh

Trọng lượng riêng, g/cm3 2,56 2,45 2,45 2,58 2,49 2,89 Ứng suất kéo, GN/m2

Do đó E-glass được sử dụng trong công nghệ BMC

Trang 32

Trong luận án của nghiên cứu này, chất độn được chọn dùng để nghiên cứu

là calci carbonate (CaCO3) công nghiệp có màu xám với giá thành rẻ, chịu nhiệt

độ cao, làm giảm độ co ngót của nhựa, cải thiện khả năng điền đầy khuôn bằng cách làm cho quá trình chảy tốt hơn và làm tăng chất lượng bề mặt sản phẩm

Độ cứng, Moh

Độ thấm dầu

Tốc độ phân hủy xúc tác cho ra gốc tự do tăng lên theo sự tăng nhiệt

độ xung quanh khuôn Tốc độ phân hủy của xúc tác được đo theo t1/2, là thời gian mà xúc tác phân hủy hết một nửa

Một loại xúc tác khác được sử dụng trong công nghệ BMC là các hợp chất azo Các xúc tác này ít nguy hiểm hơn các xúc tác peroxide so về mặt hoạt tính Đặc điểm đóng rắn của hệ nhựa - xúc tác thường được xác định bằng cách kiểm tra thời gian gel SPI Trong phương pháp kiểm tra này, 10 gam nhựa với

Trang 33

độ tăng lên 5,5 oC so với nhiệt độ của bồn nhiệt được xem như thời gian bắt đầu gel Một cách dùng để giảm thời gian đóng rắn của nhựa là trộn một lượng nhỏ xúc tác ở nhiệt độ thấp như TBPO với một lượng xúc tác ở nhiệt độ cao như TBPB Hệ xúc tác kép làm giảm đáng kể thời gian gel và thời gian đóng rắn

2.2.5 Chất ức chế

Chất ức chế được thêm vào hỗn hợp nhựa làm BMC với một lượng theo yêu cầu của sản phẩm nhằm mục đích ngăn hay giảm phản ứng đóng rắn có thể xảy ra trong quá trình trộn, ủ và lưu trữ Điều này làm tăng thời gian lưu của mẫu BMC trước khi đưa vào ép tạo hình sản phẩm Khi mẫu BMC được đặt vào trong khuôn nóng, phản ứng đóng rắn đầu tiên xảy ra chậm là do chất ức chế nhưng nó chỉ ảnh hưởng trong một thời gian ngắn kết quả là gốc tự do sinh

ra nhanh từ chất xúc tác Bởi vì nồng độ của chất ức chế giảm và vận tốc phản ứng được xúc tiến trong khuôn

Hydroquinon và parabenzoquinon là hai chất ức chế thường được dùng nhất trong công nghệ BMC Bởi vì chất ức chế làm giảm tốc độ đóng rắn và phù hợp với sự tăng độ nhớt ở giai đoạn đầu của quá trình ép khuôn, sự chảy trong khuôn

có thể điều khiển được bằng cách lựa chọn chất xúc tác và chất ức chế dùng chung với nhau

2.2.6 Chất róc khuôn nội

Chức năng của chất róc khuôn là ngăn sự kết dính giữa nhựa và bề mặt khuôn, vì thế có thể lấy sản phẩm từ khuôn mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Chất róc khuôn nội được trộn trong phase nhựa và thường cho hiệu quả tốt Tuy nhiên, đối với những chi tiết láng thì cần phải phun chất

Định dạng
Số trang	66
Dung lượng	2,06 MB