Tính chất cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa pekn gia cường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo phương pháp RTM và hút chân không

Tính chất cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa pekn gia cường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo phương pháp RTM và hút chân không Nghiên cứu thiết kế khuôn thử nghiệm cho các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit bằng RTM và hút chân không, chế tạo thử các mẫu sản phẩm, khảo sát các tính chất của các mẫu chế tạo được.

-

luận văn thạc sĩ khoa học

Tính chất cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa pekn gia cường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo

Lời cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, GS TSKH NGND Trần Vĩnh Diệu, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và nghiêm khắc để luận văn này được thành công tốt đẹp Xin cảm ơn PGS.TS Bùi Chương và toàn thể Ban Giám

đốc Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để việc nghiên cứu luận văn này được diễn ra thuận lợi Xin cảm ơn tất cả các

đồng nghiệp của tôi tại Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme, những người

đã chia sẻ cùng tôi những khó khăn, tận tình giúp đỡ tôi trong những ngày qua Cảm ơn vợ và các con tôi, nguồn động viên tinh thần lớn nhất của tôi trong mọi thời điểm của cuộc sống

Lời cam đoan

Tôi, Phạm Gia Huân, là cán bộ nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là học viên lớp Cao học chuyên ngành Công nghệ Vật liệu Hoá học, khoá 2005 - 2007 xin cam đoan bài luận văn này là công trình nghiên cứu của chính tôi và xin chịu trách nhiệm về toàn bộ những kết quả, số liệu nghiên cứu đưa ra trong này

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

danh mục các chữ viết tắt 5

danh mục các Bảng biểu 6

danh mục video và ảnh động 6

danh mục các hình vẽ và đồ thị 7

Mở ĐầU 8

Phần I: Tổng quan 10

I.1 Giới thiệu chung về vật liệu compozit 10

I.1.1 Lịch sử phát triển 10

I.1.2 Khái niệm về vật liệu polyme compozit 10

I.1.3 Các phương pháp gia công vật liệu PC 13

I.2 Các nguyên liệu chính sử dụng trong vật liệu polyme compozit 15

I.2.1 Nhựa nền 15

1.2.2 Sợi gia cường 20

1 3 Các phương pháp gia công vật liệu compozit được nghiên cứu 25

1.3.2 Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Molding - RTM) 25

1.3.2 Phương pháp hút chân không (Vacuum Technique - VT) 34

Phần II: Các phương pháp nghiên cứu 49

2.1 Thiết bị và nguyên liệu đầu 49

2.1.1 Thiết bị 49

2.1.1 Nguyên liệu 49

2.2 Các phương pháp chế tạo mẫu 50

2.2.1 Làm mẫu thử theo phương pháp RTM 50

2.2.2 Làm mẫu thử theo phương pháp VIM 50

2.2.3 Làm mẫu thử theo phương pháp VIB 51

2.2.4 Làm mẫu thử theo phương pháp VAT 51

2.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất của nguyên vật liệu 52

2.3.1 Phương pháp xác định tỷ trọng vật liệu polyme compozit 52

2.3.2 Các phương pháp xác định tính chất cơ lý vật liệu polyme compozit 52

Phần III: Kết quả và thảo luận 55

3.1 Thiết kế khuôn 55

3.2 Khảo sát mẫu theo phương pháp RTM 56

3.3.1 Nghiên cứu bố trí đường hút chân không cho phương pháp VIM 57

3.3.2 Khảo sát tác dụng của lớp dẫn nhựa 59

3.3.3 Khảo sát phương pháp VIB, VAT 60

3.3.4 Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cường bằng sợi thuỷ tinh 61

3.3.5 Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cường bằng sợi tre 65

Kết Luận 68

Tài liệu tham khảo 70

Tóm tắt đề tài luận văn 73

Abstract 74

danh mục các chữ viết tắt

HLU - Phương pháp lăn ép bằng tay (Hand Lay- Up)

PEKN - Nhựa polyeste không no

RTM - Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Molding)

VAT - Phương pháp tạo hình bằng túi chân không (Vacuum assisted

danh mục các Bảng biểu

Trang

Bảng I.4 Thông số kỹ thuật tiêu biểu của Megaject Pro và Megaject V 27

Bảng III.2 Các chỉ tiêu cơ học của vật liệu gia cường bằng sợi thủy tinh 61

danh mục video và ảnh động

FlashI.1: Bơm nhựa vào khuôn, 45 giây, trang 30 Flash 1.2 Hút nhựa vào khuôn bằng chân không, 25 giây, trang 40 Video: Hút nhựa theo phương pháp VIB, 8 phút, trang 59

danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình I.1 Thiết bị Megaject RTM Pro và Megaject V PlastechTM Machinery 26 Hình I.2 Khuôn RTM kích thước lớn và hệ thống nâng đỡ được tự động hoá 28

Hình I.11 Chế tạo tàu thuỷ theo phương pháp hút nhựa bằng chân không của

Hình I.12 Các sản phẩm được chế tạo theo phương pháp hút nhựa vào khuôn 48

là lăn ép bằng tay, đến nay trên thị trường đã xuất hiện các sản phẩm với công nghệ sản xuất cao cấp hơn như các lọai vật liệu ép nóng trong khuôn với nguyên liệu đầu được chuẩn bị sẵn như BMC, SMC, vật liệu sản xuất theo phương pháp quấn sợi, các profile dài vô tận được sản xuất theo phương pháp

đúc kéo

Với việc đầu tư các thiết bị sản xuất như máy đúc kéo, máy trộn BMC, máy chế tạo bán thành phẩm SMC, máy quấn sợi chiều dài 6 m, …Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở đi tiên phong trong việc ứng dụng các công nghệ mới vào sản xuất vật liệu compozit Trên đà phát triển công nghệ đó, Trung tâm đã đầu tư thêm một dây chuyền thiết bị hiện đại hơn nữa là hệ thống sản xuất vật liệu compozit bằng phương pháp bơm nhựa vào khuôn (RTM - Resin Transfer Molding) hoạt động riêng biệt hoặc với sự trợ giúp của thiết bị hút chân không Để các thiết bị trên hoạt động đạt hiệu quả cao nhất, cần phải có một

sự đầu tư chiều sâu vào việc nghiên cứu phát huy những tính năng của chúng

để tìm ra quy trình hoàn thiện nhất trong việc chế tạo vật liệu polyme

compozit Đề tài luận văn: "Tính chất cơ học của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PEKN gia cường bằng sợi thuỷ tinh và mat tre chế tạo theo phương pháp RTM và hút chân không" là một trong những bước khởi đầu cho việc hoàn

thiện quy trình công nghệ hiện đại này

Đề tài này gồm các nội dung chính:

- Nghiên cứu thiết kế khuôn thử nghiệm cho các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit bằng RTM và hút chân không

- Chế tạo thử các mẫu sản phẩm theo các phương pháp RTM và hút chân không thông dụng trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh

- Khảo sát các tính chất của các mẫu chế tạo được

- ứng dụng các phương pháp trên để chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nựa polyeste không no gia cường bằng sợi tre

- Khảo sát tính chất của các mẫu gia cường bằng sợi tre

Phần I: Tổng quan

I.1 Giới thiệu chung về vật liệu compozit

I.1.1 Lịch sử phát triển

Từ hàng nghìn năm trước đây, vật liệu compozit đã được sử dụng trong

đời sống người cổ đại một cách vô thức như những ngôi nhà bằng rơm rạ trát bùn đất, các bình gốm có cốt bằng các loại sợi tự nhiên…., nhưng việc nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) để đưa ra sử dụng rộng rãi chỉ mới

được phát triển thực sự vào những năm đầu thế kỉ trước Vào năm 1938, vật liệu PC trên cơ sở polyeste gia cường bằng sợi thủy tinh đã được sử dụng lần

đầu tiên trong ngành hàng không Đến năm 1950 vật liệu polyme compozit

được bổ sung thêm một lọat các nguyên liệu chính nữa khi nhựa epoxy được

ra đời và các loại vật liệu gia cường mới như sợi cacbon, sợi aramit, sợi silic…

được phát hiện và đưa vào ứng dụng Kể từ đó đến nay vật liệu polyme compozit được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đân dụng và công nghiệp từ những sản phẩm thông thường như các vật dụng chứa đựng, các bồn nuôi trồng thủy sản, các chi tiết ôtô, các tấm sàn và vách ngăn trong xây dựng, cho đến các sản phẩm công nghệ cao sử dụng trong các ngành công nghiệp điện tử, hàng không, vũ trụ…[4]

I.1.2 Khái niệm về vật liệu polyme compozit

♦ Định nghĩa

Vật liệu compozit là một hệ thống gồm hai hay nhiều pha thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan vào nhau, phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha Trong đó pha liên tục gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn

được bao bọc bởi pha nền gọi là pha gia cường Pha nền trong vật liệu polyme

compozit (PC) là các loại polyme, còn pha gia cường là các lọai sợi, vảy, hạt,

… [5]

Các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên vật liệu compozit nhưng không vì thế mà tính chất của vật liệu compozit bao hàm tất cả tính chất của chúng Điểm đặc biệt ở đây là vật liệu compozit chỉ lựa chọn trong các pha thành phần những tính chất tốt và phát huy chúng, nhờ vào những công nghệ sản xuất tiên tiến

♦ Phân loại

Thông thường vật liệu polyme compozit được phân lọai theo 2 cách dựa trên đặc điểm của hai pha:

 Theo pha nền polyme:

 Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn

 Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo

 Theo pha gia cường:

 Chất gia cường dạng phân tán (bột)

 Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vẩy

 Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh…)

 Độn không khí

 Chất gia cường dạng blend polyme – polyme

Chất gia cường dạng bột và sợi ngắn thường được sử dụng để chế tạo các sản phẩm dạng khối có khả năng chịu va đập và chịu nén tốt Chất gia cường dạng sợi dài được sử dụng nhiều nhất trong dân dụng cũng như trong công nghiệp Các sản phẩm làm từ sợi dài thường có độ chịu kéo theo chiều dọc sợi và chịu uốn tốt

♦ Tính chất chung của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit mang tính chất của các pha thành phần có mặt trong vật liệu, tuy nhiên nó không bao hàm tất cả tính chất của các pha thành phần mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt để phát huy thêm lên Tuy nhiên tính chất của vật liệu còn phụ thuộc vào thời gian, tần số biến dạng, tải trọng tác dụng lên, hàm lượng chất gia cường, sự định hướng của sợi gia cường Tính chất cơ học của nhựa nền thường kém hơn sợi vì vậy khi tải trọng tác dụng vào vật liệu nhựa nền sẽ chuyển ứng suất lên sợi Để vật liệu compozit chịu tải trọng tốt thì độ dãn dài của sợi phải nhỏ hơn của nhựa nền, môđun của sợi phải lớn hơn của nhựa nền Ngoài ra đường kính sợi cũng đóng vai trò quan trọng trong vật liệu compozit, nó ảnh hưởng tới khả năng truyền ứng suất lên sợi, do đó phải lựa chọn đường kính sợi sao cho phù hợp

Tính chất nổi bật của vật liệu polyme compozit là nhẹ, bền, chịu môi trường, dễ gia công, có tính định hướng hay không định hướng tùy theo yêu cầu của vật liệu Nhược điểm lớn nhất là tính chất dẫn điện, nhiệt kém hơn so với kim loại, và độ chịu nhiệt kém hơn so với vật liệu gốm

♦ ứng dụng

Vật liệu polyme compozit hiện nay được ứng dụng rộng rãi và phổ biến,

từ những sản phẩm đơn giản như thùng chứa nước, tấm lợp, vỏ thiết bị máy lạnh, ti vi… cho đến những sản phẩm có kết cấu phức tạp, đặc biệt trong hàng không, vũ trụ Vật liệu compozit được ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu ở các lĩnh vực sau:

- Ngành công nghiệp ôtô: được sử dụng trong các chi tiết, bộ phận của

ôtô có tác dụng làm giảm trọng lượng của xe, tiết kiệm nhiên liệu, chịu ăn mòn tốt, giảm chi phí sản xuất…

- Ngành công nghiệp đóng tàu: vật liệu compozit được sử dụng trong những chi tiết, kết cấu chịu lực đa dạng như boong tàu, thùng chứa, cột buồm

- Ngành hàng không, vũ trụ: được sử dụng nhiều trong các chi tiết của máy bay, tàu vũ trụ [2, 3, 5]

I.1.3 Các phương pháp gia công vật liệu PC

Vật liệu PC được chế tạo theo nhiều phương pháp gia công khác nhau như: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc phun, đúc kéo, quấn sợi, … Trong đó phương pháp lăn ép bằng tay được sử dụng phổ biến nhất bởi có nhiều ưu điểm như: thao tác đơn giản, chi phí sản xuất thấp, dễ chế tạo vật liệu, có thể tạo các kết cấu vật thể từ nhỏ tới lớn… nhưng phương pháp này cũng có nhược điểm là: chất lượng sản phẩm không ổn định và phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người thợ, không tạo được các kết cấu phức tạp, gây ô nhiễm môi trường

Các nhà sản xuất chia các phương pháp gia công vật liệu PC ra làm 2 nhóm chính là gia công trên khuôn kín và gia công trên khuôn hở Các phương pháp gia công trên khuôn hở thì chỉ sử dụng khuôn có một mặt, sản phẩm

được chế tạo trực tiếp trên khuôn này Nhựa nền cho các sản phẩm loại này chủ yếu là các hệ nhựa đóng rắn nguội ngoài không khí Phương pháp này cho

ra sản phẩm chỉ có 1 bề mặt bóng, độ dày không được đông đều nhưng được lợi thế là đơn giản trong gia công, có thể làm sản phẩm có kích thước tuỳ ý mà giá thành tăng lên không nhiều do khấu hao cho khuôn ít khuôn sử dụng cho phương pháp này có thể làm từ các vật liệu chắc chắn như kim loại cho đến các vật liệu rẻ tiền như thạch cao, cao su hay bằng chính compozit Phương pháp gia công trong khuôn kín thì sử dụng khuôn có 2 mặt Vật liệu làm khuôn cho phương pháp gia công này phần lớn làm từ kim loại và hệ nhựa nền

có thể sử dụng đóng rắn nóng hoặc nguội tuỳ ý Sản phẩm cho 2 bề mặt nhẵn,

♦ Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit trên khuôn hở thường gặp:

- Lăn ép bằng tay: Các loại sơi gia cường được đặt trực tiếp lên bề mặt khuôn rồi thấm nhựa lên, sau đó dùng các con lăn chạy qua chạy lại cho nhựa thấm đều vào sợi Là phương pháp cổ điển nhất nhưng đến nay vẫn được sử dụng rộng rãi do đơn giản và chi phí ban đầu cho thiết bị thấp

- Phun sợi: Sử dụng sợi ngắn thấm nhựa rồi dùng súng phun hỗn hợp này lên bề mặt khuôn Hỗn hợp này chủ yếu được đóng rắn ngoài không khí

- Quay ly tâm: dùng chế tạo các sản phẩm dạng ống, nhẵn mặt ngoài Hỗn hợp sợi nhựa đã có chất đóng rắn được đưa vào mặt trong của khuôn dạng ống rồi dùng lực ly tâm phân tán đều trên bề mặt khuôn Chỉ thích hợp cho sản xuất lớn với các sản phẩm có kích thước cố định với quy mô lớn do mỗi khuôn chỉ cho ra một loại sản phẩm và đầu tư ban đầu lớn

- Quấn sợi: cũng như quay ly tâm, phương pháp quấn sợi cũng sử dụng để chế tạo các sản phẩm dạng ống nhưng khác biệt là các sản phẩm này nhẵn mặt trong Ngoài ra khi thay đổi góc quay, sử dụng phương pháp này có thể chế tạo được các sản phẩm có thiết diện khác nhau hư hình elip, ôvan và cả hình thoi cũng như các sản phẩm không đối xứng như các bình chứa gas ở áp suất cao

♦ Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit trên khuôn kín thường gặp:

- ép nóng trong khuôn: Các nguyên liệu đầu được trộn sẵn rồi đưa vào khuôn thép rồi gia nhiệt rồi đóng rắn trong đó Có thể sử dụng các nguyên liệu

ở dạng bán thành phẩm dạng tấm (SMC) hoặc dạng khối (BMC) Phương pháp này đơn giản trong gia công nhưng cho ra sản phẩm có độ bền không cao lắm, nhất là phương pháp sử dụng BMC

- Bơm nhựa vào khuôn (RTM): sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hàng không và ô tô, trong đó nhựa và chất đóng rắn được trộn lẫn trong một thiết bị rồi dùng một lực tác động nhẹ bên ngoài để đưa vào khuôn có chứa săn sợi gia cường

- Phương pháp hút chân không: có 2 phương pháp hút chân không thường gặp là: 1) dùng chân không để đưa nhựa vào các lớp sợi gia cường khô được sắp sẵn trong khuôn và 2) dùng chân không để tăng độ bền chặt của vật liệu

được chế tạo theo một phương pháp thông thường khác nhằm làm tăng thêm

độ bền cơ học và một số tính chất khác của vật liệu

Hai phương pháp cuối được nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp này và sẽ

được trình bày cụ thể hơn trong phần sau.[5, 10, 34]

I.2 Các nguyên liệu chính sử dụng trong vật liệu polyme compozit

• Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình gia công

• Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do có hiện tượng co ngót thể tích

• Chứa các nhóm hoạt động hay phân cực

• Thích hợp với các phương pháp gia công thông thường

Nhựa nhiệt rắn có cấu trúc thẳng, nhánh, hay mạng không gian Một số

nhưng một số hệ khác lại có thể gia công ở nhiệt độ thường Nhựa nhiệt rắn thích hợp với nhiều loại chất gia cường khác nhau về chủng loại cũng như hình dạng, kích thước Vật liệu compozit nền nhựa nhiệt rắn được gia cường bằng các loại sợi dài thường sử dụng nhiều để chế tạo các sản phẩm đặc biệt trong công nghiệp ôtô, quân sự, hàng không, vũ trụ… Các lọai nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng là: polyuretan, phenolfocmandehit, nhựa epoxy, polyeste không no…

Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng, mạch nhánh, có thể hóa rắn khi làm lạnh Nhựa nhiệt dẻo có thể ở dạng tinh thể hoặc vô định hình, chịu dung môi, chịu nhiệt kém hơn so với nhựa nhiệt rắn Nền nhựa nhiệt dẻo có tính dai, bền, cứng nhưng ở nhiệt độ cao tính bền của vật liệu sẽ bị mất đi Để tăng cường tính chất của vật liệu người ta thường sử dụng thêm chất gia cường Vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo thường gia công bằng phương pháp đúc, ép đùn Các lọai nhựa nhiệt dẻo thường sử dụng là: polyetylen, polypropylen, polystyren, polyamit…

Trong bài luận văn này ta chú trọng đến ba loại nhựa nhiệt rắn thường

được dùng cho phương pháp hút chân không và bơm nhựa vào khuôn là polyeste không no, epoxy và vinyleste [3]

Phản ứng trùng ngưng giữa anhydrit (axit) và diol xảy ra ở nhiệt độ 150

- 200 oC để tạo thành PEKN có công thức tổng quát:

Phản ứng đóng rắn nhựa thực chất là phản ứng trùng hợp gốc dưới tác nhân của hệ khởi đầu - xúc tiến

Các chất khởi đầu thông dụng:

O OH

Phản ứng tạo thành nhựa epoxy là sự kết hợp nối tiếp - luân phiên của nhóm epoxy (epyclohydrin) với nhóm hydroxyphenol (bisphenol A) và tái tạo nhóm epoxy nhờ khử clohydro để tạo thành nhựa có công thức tổng quát như sau:

CH3

CH3Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan,

có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều dưới tác dụng của chất đóng rắn Các chất này phản ứng với nhóm chức của nhựa epoxy, đặc biệt nhóm epoxy

Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các hợp chất chứa hydro hoạt động và trùng hợp nhóm epoxy theo cơ chế ion Do vậy, chất đóng rắn được phân thành 2 loại nhóm chính: chất đóng rắn cộng hợp và chất đóng rắn trùng hợp

Chất đóng rắn cộng hợp gồm có: các loại amin (thẳng, thơm, vòng, dị vòng…), axit cacboxylic và oligome Còn chất đóng rắn trùng hợp được sử dụng rộng rãi là các phức của triflobo, như BF3.O(C2H5)2

♦ Nhựa vinylesteepoxy

Nguyên liệu đầu để chế tạo vinylesteepoxy (VEE) là nhựa epoxy phân

tử thấp (chủ yếu trên cơ sở bisphenol A) và axit metacrylic Chính vì vậy, việc phát triển nhựa VEE có liên quan chặt chẽ với nhựa epoxy

1.2.2 Sợi gia cường

♦ Sợi thuỷ tinh

Sợi thủy tinh được sử dụng nhiều nhất để chế tạo vật liệu polyme compozit nhờ những tính chất ưu việt sau:

Sợi thủy tinh có nhiều loại nhưng cơ bản có các loại sau:

- E - glass: sợi thủy tinh cách điện tốt, tính chất lý hoá tốt, đa dạng và

được sử dụng rộng rãi

- A - glass: sợi thủy tinh chịu kiềm, nhẹ, bền nhưng chịu nước kém

- C - glass: sợi thủy tinh chịu hoá chất tốt, đặc biệt là với axit

- S - glass, R - glass: sợi thủy tinh sử dụng trong ngành hàng không, vũ trụ, chịu hoá chất, chịu nhiệt tốt

- Sợi thủy tinh môđun cao,

Trong số này thì ba loại đầu sử dụng nhiều hơn cả trong công nghiệp cũng như dân dụng do giá thành hạ hơn, dễ sử dụng Hai loại cuối là các loại sợi đặc chủng, giá thành cao nên chỉ dùng trong các trường hợp đặc biệt

b Tính chất

Tính chất của một số loại sợi thủy tinh được thể hiện ở bảng 1:

Bảng I.1.Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh.

♦ Sợi aramit (kevlar)

Sợi kevlar được phát minh năm 1972 và ngay lập tức trở thành nguyên liệu đặc chủng cho ngành công nghiệp compozit với những tính năng đặc biệt Sợi có độ bền và môđun cao, tỷ trọng thấp, tự dập tắt lửa, không nóng chảy và phân huỷ thành tro ở 400 oC Ngoài ra sợi còn một đặc tính nữa là tự bung ra thành các bó sợi nhỏ rất bền khi bị phá huỷ Nhờ đặc tính này mà vật liệu compozit làm từ aramit được sử dụng trong quân đội để làm áo chống đạn

Nhược điểm lớn nhất của aramit là kém bền với tia tử ngoại và độ bền mỏi

động thấp. [5, 10]

♦ Sợi tre

a Cấu tạo của tre

Tre thuộc họ Bambusoidecie, được coi là một ligno - xenlulo compozit

tự nhiên, trong đó các sợi xenlulo được bao bọc bởi nhựa nền lignin

Các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno - xenlulo có cấu trúc như một compozit bao gồm các sợi xenlulo cực nhỏ (đường kính khoảng 10 - 12 àm) trong nền vô định hình của lignin và hemixenlulo Các sợi này lại dược cấu thành từ các sợi nhỏ hơn chạy dọc theo chiều dài sợi Sợi nhỏ này có cấu trúc phức tạp và được tạo thành bởi một lớp sơ cấp mỏng bao quanh thành lớp thứ cấp dày Góc giữa trục của sợi và các sợi rất nhỏ gọi là góc sợi Góc sợi và hàm lượng xenlulo quyết định tính chất cơ học của tre [29, 1]

Ngoài ra, tre còn chứa một lượng nhỏ các thành phần khác như protit, nhựa, sáp, chất tạo màu…

Tre mang một số tính chất hóa học tương tự các hợp phần của nó nhưng không bao hàm tất cả các tính chất đó Tre có một số tính chất như: tác dụng với các chất halogen, tham gia phản ứng metyl hóa, có khả năng phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật và oxy không khí …[1,6]

c Tính chất cơ lý

Các chỉ tiêu cơ lý của tre đã được đề cập nhiều trong các công trình nghiên cứu, bảng dưới đây đưa ra thông số trung bình của các chỉ tiêu đó

Bảng I 3 Các chỉ tiêu cơ học của sợi tre

Độ bền kéo, nén, uốn của tre khô cao hơn nhiều so với tre tươi Độ bền của tre giảm dần từ gốc đến ngọn, từ ngoài vào trong theo chiều dày ống tre

Tính chất cơ lý của tre cũng phụ thuộc vào hàm lượng xenlulo trong sợi tre: khi hàm lượng xenlulo thay đổi từ 15 - 20% đến 60 - 65% thì độ bền kéo cũng biến động từ 100 - 600 MPa và môđun thay đổi từ 3 - 15 GPa [6]

• Phương pháp vật lý

Sợi được kéo căng, được cán, được xử lý nhiệt, plasma và tạo sản phẩm sợi mà không làm biến đổi thành phần hóa học của sợi mà chỉ làm thay đổi cấu trúc và tính chất bề mặt sợi

1 3 Các phương pháp gia công vật liệu compozit được nghiên cứu

1.3.2 Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Molding - RTM)

♦ Định nghĩa và lịch sử phát triển:

Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (RTM - Resin Transfer Molding) là tên gọi của phương pháp gia công vật liệu compozit mà nhựa và các chất đóng rắn được trộn trong một thiết bị bên ngoài rồi được đưa vào khuôn kín chứa sợi gia cường ở dạng khô nhờ một ngoại lực và đóng rắn trong đó

Ngay từ cuối những năm 40 cuả thế kỷ trước, ở Mỹ ngươì ta đã dùng phương pháp bơm nhưạ vào khuôn và tạo hình bằng chân không để chế tạo các xuồng cứu sinh và mặc dù vẫn chưa đạt được những sản phẩm như mong muốn nhưng đến đầu những năm 70 thì các sản phẩm này cũng đã xuất hiện nhiều trên thị trường Còn ở châu Âu thì vào lúc này người ta chưa dám sử dụng phương pháp này để chế tạo các sản phẩm có kích thước lớn do còn hạn chế trong việc sử dụng các hệ nhựa nền nhưng các chi tiết máy có kích thước

bé đã bắt đầu được chế tạo Và vào giữa những năm 70 thì phương pháp này

đã trở thành một trào lưu mới trong ngành công nghiệp compozit sợi thuỷ tinh

Đến những năm 90 thì RTM bắt đầu có được viễn cảnh sáng sủa Rút kinh nghiệm từ những thất bại trước đó do sử dụng không đúng loại nguyên liệu nên các nhà sản xuất đã nghiên cứu chế tạo ra các loại sợi và hệ nhựa nền phù hợp với phương pháp này hơn và đạt được những kết quả nhất định [10,

21, 23]

♦ Thiết bị:

Các thiết bị cơ bản trong công nghệ RTM chia làm 2 nhóm:

 Thiết bị trộn nhựa: Bao gồm các bộ phận chính là:

- thùng chứa nhựa

- thùng chứa dung môi rửa

- thiết bị tạo lực đẩy (thông thường dùng máy nén khí)

Machinery (Anh) [20]

Trên hình I.1 là hai thiết bị RTM tiêu biểu của hãng cung cấp thiết bị

hệ nhựa tiêu biểu khác nhau là hệ polyeste không no và hệ epoxy, trong đó

thiết bị RTM Megajet Pro dã được Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, đại học Bách khoa Hà Nội mua về để sử dụng Các thông số kỹ thuật của chúng

được đưa ra trong bảng I.4

Bảng I.4 Thông số kỹ thuật tiêu biểu của Megaject Pro và Megaject V

Loại nhựa sử dụng:

Tỷ lệ CĐR: - min

- max

200:1 22:1

200:1 1:1 Lưu lượng: - min

là kim loại hoặc compozit, trong trường hợp bằng compozit thì khuôn phải đủ

độ dày nhất định để chịu được lực ép do dòng nhựa tạo ra Yêu cầu nữa đối với khuôn là bề mặt phải nhẵn, đảm bảo độ dày của sản phẩm theo đúng yêu cầu đạt ra Hai mặt khuôn được gắn chặt vào nhau nhờ các ngàm kẹp hoặc bu

- lông Các khuôn cho sản phẩm có kích thước lớn thường dược gắn vào các hệ thống nâng đỡ được tự động hoá

a) b)

Hình I.2 Khuôn RTM kích thước lớn và hệ thống nâng đỡ được tự động hoá

♦ Các nguyên liệu

a Sợi gia cường:

- Sợi thuỷ tinh: Sợi thuỷ tinh có độ thấm nhựa tốt hơn các loại khác nên

được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ RTM Có thể sử dụng hầu hết các loại sợi thuỷ tinh khác nhau nhưng chỉ ở dạng tấm (có thể dệt hoặc không dệt)

do các loại sợi ngắn và sợi dài không thể cố định được trong khuôn và sẽ bị xê dịch khi nhựa được bơm vào khuôn Để cho nhựa được thấm đều vào sợi, nên

sử dụng kết hợp cả hai loại sợi dệt và không dệt xen kẽ nhau

- Sợi kevlar, cacbon: Để chế tạo các sản phẩm có độ bền cao người ta

sử dụng các loại sợi này nhưng phần lớn kết hợp với sợi thuỷ tinh để tạn dụng khả năng thấm ướt của sợi

Có thể sử dụng hầu hết các loại nhựa nhiệt rắn nhưng nguyên liệu được

sử dụng thường xuyên nhất vẫn là nhựa polyeste không no và vinyleste Epoxy cũng được sử dụng nhưng khi đó yêu cầu đối với thiết bị cần cao hơn Khi sử dụng các hệ nhựa nền khác nhau ngoài việc quan tâm đến tính năng kỹ thuật của chúng còn cần phải đặc biệt lưư ý đên khả năng tương thích với các thiết

bị được sử dụng (xem phần tính năng kỹ thuật của 2 loại máy RTM thông dụng nhất) Ngoài ra cũng cần lưu ý đến một thông số cực kỳ quan trọng của nhựa là độ nhớt vì chính thông số này quyết định đến tốc độ chảy của nhựa vào khuôn

c Các loại phụ gia:

Các chất phụ gia với hàm lượng thấp và kích thước bé như chất chống

UV, chất tạo mầu, chất chống lão hoá, …hoàn toàn có thể sử dụng được trong công nghệ RTM, nhưng riêng các chất phụ gia ở hàm lượng lớn và kích thước

đáng kể như các loại bột cacbonat, bột thạch anh thì khi sử dụng cần phải lưu

ý đến khả năng trôn hợp vào nhựa và nguy cơ bị lắng đọng trong máy, nhất là

ở bộ phận trộn và đầu phun Chúngvẫn được sử dụng nhưng ở hàm lượng được tính toán vừa phải và có biện pháp khuấy trọn tốt và liên tục [9, 20,23]

♦ Quy trình công nghệ:

Quá trình RTM được tiến hành qua các công đoạn sau:

- Chuẩn bị khuôn và đặt sợi: Khuôn được lau sạch, xử lý chống dính Tuỳ vào nhu cầu về sản phẩm cụ thể mà có thể sử dụng gelcoat hoặc không Sợi gia cường được tính toán và chuẩn bị theo kích thước của sản phẩm, trong một số trường hợp cần được ép sơ bộ trước cho phù hợp với cấu hình của khuôn Sau khi đặt sợi, khuôn được đậy nắp lại và ghép chặt lại Gắn đầu phun

- Chuẩn bị hệ nhựa nền: Nhựa và các hoá chất khác cần được chuẩn bị và

đưa vào các bình chứa nhiều hơn số lượng theo tính toán để phòng trường hợp

bị thiếu nhựa khi đang bơm, lượng nhựa thừa vẫn sử dụng được cho lần sau vì nhựa chỉ trộn hợp với đóng rắn trong đầu trộn ngay trước vòi bơm,

- Thiết lập các thông số kỹ thuật: Trên màn hình LCD của máy ta có thể thiết lập dược các thông số cơ bản của quá trình như tỷ lệ nhựa/ chất đóng rắn, tốc độ bơm nhựa vào khuôn, thời gian bơm nhựa, v.v…

- Khởi động máy, theo dõi khuôn, đến khi nhựa trào ra ở van thoát khí thì dừng máy, nếu là đóng rắn nóng thì đưa đi gia nhiệt, nếu đóng rắn nguội thì

đợi đến khi đóng rắn hoàn toàn thì tháo khuôn lấy sản phẩm và tiếp tục quy trình cho sản phẩm tiếp theo

(Flash: Bơm nhựa vào khuôn, 45 giây)

Hình I.3 và đoạn phim flash trình diễn một sơ đồ bơm nhựa vào khuôn

điển hình nhất [23]

♦ So sánh giữa RTM và các phương pháp sản xuất trên khuôn hở:

- Giảm độ ô nhiễm do styren bay hơi gây ra

- Tăng công suất sản xuất

- Sản phẩm cho hai bề mặt nhẵn

- Đôi khi không cần gelcoat vẫn tạo được bề mặt đẹp

- Giá thành sản xuất hạ với số lượng lớn

- Giảm nhân công đáng kể

♦ Ưu điểm của phương pháp RTM

- Chủng loại sản phẩm lớn: có thể sử dụng để chế tạo các loại sản phẩm khác nhau về kích thước, hình dạng cũng như đặc tính kỹ thuật

- Đa dạng trong thiết kế: Khuôn trong công nghệ RTM có thể sử dụng cho các phương pháp khác mà không cần phải sửa chữa gì nhiều

- Tiết kiệm nhân công: Do được tự động hoá ở một số công đoạn nên RTM có thể tiết kiệm nhân công đến mức tối đa

- Kích thước ổn định: Do là khuôn đóng và có các bộ gá chặt chẽ nên kích thước cho các lần chế tạo khác hau hầu như không bị thay đổi

- Bề mặt sản phẩm đẹp: Sản phẩm cho cả hai bề mặt bóng, dễ xử lý trong các công đoạn hoàn thiện

- Tiết kiệm thời gian: Thời gian chuẩn bị khuôn nhanh hơn nhiều so với các phương pháp lăn ép bằng tay, năng suất nhờ đó mà cũng tăng lên nhiều

- Không có lượng nhựa dư thừa vì nhựa và chất đóng rắn chỉ trộn với nhau ngay trước khi đưa vào khuôn, lượng nhựa dư trong bình vẫn sử dụng

được cho các lần tiếp theo

- Khấu hao khuôn: Khuôn dùng cho RTM có thể sử dụng được rất nhiều

- Hàm lượng sợi: Tuy hàm lượng sợi trong RTM không được cao lắm nhưng hoàn toàn có thể điều chỉnh được theo yêu cầu cụ thể đối với từng sản phẩm

- Tỷ lệ rỗng: Với RTM áp suất trung bình thì độ rỗng có thể giảm xuống

Bảng I.5 So sánh giữa RTM cổ điển và RTM tự động hoá

5 Cắm đầu bơm vào khuôn

6 Bơm nhựa vào khuôn

7 Tháo đầu bơm và các chi tiết khác

8 Xịt khí, rửa sạch đầu khuôn

9 Kiểm tra thời gian đóng rắn để tháo khuôn

- Bằng tay

- Bấm Start, các công đọan từ 2-

11 tự động vận hành

- Bằng tay

Từ bảng I.5 ta thấy ngoài việc đặt vải vào khuôn và lấy sản phẩm ra thì tất cả các công đoạn còn lại đều được tự động hoá, điều này càng làm cho việc tiết kiệm nhân công trở nên triệt để Đây là lợi thế lớn nhất để giảm giá thành cho các sản phẩm có kích thước lớn mà nếu sản xuất theo các phương pháp cổ

điển thì giá thành sẽ nâng lên cao nếu phải sử dụng nhân công trong toàn bộ quá trình Ngoài ra quá trình tự động hoá còn nâng cao tuổi thọ cho các thiết

bị, nhất là đầu bơm và các đầu khuôn vì khi quá trình vừa hoàn thành thì các chi tiết này được tự động rửa ngay, tránh được hiện tượng để lâu quá làm cho nhựa đóng rắn bên trong rất khó xử lý sau đó [9]

♦ ứng dụng

RTM được ứng dụng để sản xuất rất nhiều loại sản phẩm, từ những vật

có kích thước bé như các chi tiết máy đến các sản phẩm khổng lồ như tàu thuỷ, thành ô tô tải…[18, 22, 24]

1 Cánh mô-tơ, Umoe Mandal, Na Uy 2 Sườn máy bay, Aircraft Industries, Israel

3 Mái che, Công ty Kok & van Eghelen, Hà

Lan

4 Cánh lật của máy bay, British Airbus Ltd., Anh

♦ Phương pháp hút nhựa vào khuôn bằng chân không:

Có hai phương pháp hút nhựa vào khuôn bằng chân không thường gặp là:

1) Hút nhựa vào khuôn kín (Vacuum Infusion Molding - VIM) và

2) Hút nhựa vào khuôn với một mặt là khuôn, còn mặt thứ hai thì dùng túi bọc (Vacuum Infusion Bagging - VIB)

Về cơ chế hoạt động thì hai phương pháp này gần như hoàn toàn giống nhau, nguyên lý của chúng là dùng độ chênh lệch về áp suất của chân không

để đưa nhựa vào khuôn đã chứa sẵn sợi gia cường Khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là về sản phẩm làm ra và các thông số kỹ thuật của chúng Bảng I.6 kê ra cho chúng ta những khác biệt đó

Phương pháp hút chân không thời gian gần đây trở thành một trong những phương pháp sản xuất vật liệu compozit được sử dụng nhiều nhờ đặc tính có tính cấp thiết nhất là giảm thiểu ô nhiễm môi trường đến mức tối đa

cho vật liệu có tỷ lệ sợi / nhựa cao hơn hẳn, một số tính chất cơ học cũng vì thé mà vượt trội so với các phương pháp còn lại [7, 11, 37, 39]

Bảng I.6 Sự khác nhau cơ bản giữa VIM và VIB

Tỷ lệ sợi / nhựa Khống chế theo lượng sợi

đưa vào nhưng không cao

Đạt đến mức tối đa do sợi gia cường được nén chặt

thông thường khác

Cao hơn hẳn các phương pháp khác

đàu Phương pháp này rất hiệu quả đối với các sản phẩm có kích thước lớn, khi chúng không thể đưa vào ép trên các máy nén thông thường được Trong phương pháp này thì các nguyên liệu và hoá chất sử dụng như các phương pháp chế tạo sơ bộ, phần hút chân không được coi như phần hoàn thiện và các thíêt bị sử dụng cho công đoạn này như trong công nghệ hút nhựa bằng chân không nhưng đơn giản hơn nhiều

♦ Thiết bị:

Các thiết bị cần thiết trong công nghệ hút chân không:

 Bơm chân không: tạo chân không trong khuôn hoặc túi cần hút

 Khuôn: Khuôn cho phương pháp hút chân không có thể là loại khuôn kín (VIM), làm từ vật liệu cứng, có thể là khuôn hở, mặt khuôn phù hợp với biên dạng của sản phẩm (VIB, VAT),

 Bộ gá: Dùng để gắn chặt hai thân khuôn lại với nhau, cần phải đủ chắc chắn để đảm bảo độ kín khí của khuôn

Hình I.5 Bộ gá cho khuôn hút nhựa bằng chân không

 Các linh kiện phụ trợ khác:

- đường ống: ống hút chân không phải đảm bảo độ cứng để chịu được lực hút chân không và có độ bền hoá học cao, không bị dung môi có trong nhựa làm tan chảy

- áp kế: theo dõi sự thay đổi áp suất trong khuôn hoặc túi và kiểm tra độ kín khí của hệ

- Bẫy nhựa: để chứa nhựa bị hút ra theo bơm trong quá trình hút

- Máy dò: trong trường hợp nếu chân không trong hệ không giữ được khi

ta tắt máy bơm thì việc đầu tiên là tìm ra ngay chỗ hở để xử lý trước khi đưa nhựa vào