Khảo sát công nghệ chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa Polyeste không no gia cường sợi thủy tinh và sợi tre bằng phương pháp hút chân không và một số tính chất của sản phẩm

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (5A), Tr. 118 - 125, 2007 Kh¶o s¸t c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu polyme compozit trªn c¬ së nhùa PolyEste Kh«ng no gia c"êng sîi thuû tinh vµ sîi tre b»ng Ph"¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng vµ mét sè tÝnh chÊt cña s¶n phÈm §Õn Tßa so¹n 16-8-2007 TrÇn VÜnh DiÖu, Ph¹m Gia Hu©n Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr1êng §¹i häc B¸ch khoa H6 Néi Summary This paper present the results of research on designing mold for vacuum infusion technique for preparation the polymer composite material. Specimens of varrious methods of vacuum technique have been prepared and their mechanical and structural properties have been studied. The results show that material obtained from vacuum assisted technique have a preciously mechanical properties, increased in average 45% in comparison with hand lay up method. The scanning electronic microscopy has been used for investigation on void appearance of composite materials. The properties of composite materials based on unsaturated polyester reinforced by bamboo fibers and hybrid bamboo-glass system show that this kind of material can be successfully use for some industrial purpose. Keywords: vacuum, composite, bamboo fiber, unsaturated polyester. I - Më §ÇU ë níc ta vËt liÖu polyme compozit (PC) ® xuÊt hiÖn tõ nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû tríc v* cho ®Õn nay b¾t ®Çu h×nh th*nh mét ng*nh s¶n xuÊt ®éc lËp, tuy s¶n lîng cha cao. Tõ nh÷ng s¶n phÈm ban ®Çu ®îc s¶n xuÊt b»ng ph¬ng ph¸p th« s¬ nhÊt l* l¨n Ðp b»ng tay, ®Õn nay trªn thÞ trêng ® xuÊt hiÖn c¸c s¶n phÈm víi c«ng nghÖ s¶n xuÊt cao cÊp h¬n nh BMC, SMC, quÊn sîi, ®óc kÐo v* ®Æc biÖt l* ph¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng víi nh÷ng u ®iÓm næi tréi nh: gi¶m ®é « nhiÔm ®Õn møc tèi ®a do styren bay h¬i v* nhùa thõa g©y ra, gi¶m nh©n c«ng mét c¸ch ®¸ng kÓ, gi¶m khÊu hao khu«n mÉu do ®îc sö dông nhiÒu lÇn, t¨ng n¨ng suÊt v* gi¶m gi¸ th*nh cña s¶n phÈm. Ngo*i ra ®é bÒn cña vËt liÖu s¶n xuÊt theo ph¬ng ph¸p n*y gÇn nh cao nhÊt trong c¸c ph¬ng ph¸p hiÖn h*nh do gi¶m ®îc ®é rçng v* t¨ng h*m lîng sîi. Ph¬ng ph¸p n*y ®îc øng dông trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®Ó s¶n xuÊt c¸c kÕt cÊu vËt liÖu cho nhiÒu ng*nh c«ng nghiÖp nh: c«ng nghiÖp « t«, ®ãng t*u v* ®Æc biÖt l* trong h*ng kh«ng, vò trô.....V*o n¨m 1997, ngêi ta ® chÕ t¹o c¸nh qu¹t cèi xay giã v* n¨m 1999 sö dông ph¬ng ph¸p n*y ®Ó s¶n xuÊt c¸c kÕt cÊu trong ng*nh « t« nh: mui xe, néi thÊt trong xe. N¨m 2003 trë l¹i ®©y, ph¬ng ph¸p n*y ®îc dïng ®Ó s¶n xuÊt c¸c chi tiÕt trong h*ng kh«ng nh: ®u«i, c¸nh m¸y bay...[4, 5]. II - Ph¬ng ph¸p nghiªn cøu 1. C¸c ph¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng th«ng dông 118 a) Ph1¬ng ph¸p VIM (Vacuum Infusion Molding-Hót nhùa v6o khu«n) Nhùa ®îc ®a v*o khu«n kÝn chøa s½n sîi gia cêng nhê lùc hót ch©n kh«ng. Sîi gia cêng ®îc ®Æt v*o khu«n sao cho võa ®ñ chiÒu d*y khu«n. G¾n chÆt khu«n råi hót kh«ng khÝ trong khu«n. Nhùa v* chÊt ®ãng r¾n ®îc trén s½n trong thiÕt bÞ chøa, chê ®Õn khi ¸p suÊt trong khu«n ®¹t gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh th× hót nhùa v*o. Theo dâi ®Õn khi nhùa ®iÒn ®Çy khu«n th× ngõng hót nhùa, chê ®ãng r¾n ho*n to*n råi th¸o khu«n, lÊy s¶n phÈm. b) Ph1¬ng ph¸p VIB (Vacuum Infusion Bagging-Hót nhùa v6o tói ch©n kh«ng) Nh ph¬ng ph¸p trªn nhng mÆt trªn cña khu«n ®îc thay b»ng tói ch©n kh«ng. Ph¬ng ph¸p n*y cho s¶n phÈm cã ®é rçng thÊp h¬n v× ®îc lÌn chÆt. H×nh 1: S¬ ®å hót ch©n kh«ng c) Ph1¬ng ph¸p VAT (Vacuum Assisted Technique - Kü thuËt hç trî ch©n kh«ng) S¶n phÈm ®îc chÕ t¹o s¬ bé theo ph¬ng ph¸p truyÒn thèng råi bäc m*ng, d¸n kÝn v* hót ch©n kh«ng ®Ó t¨ng ®é nÐn, gi¶m bít nhùa thõa nh»m t¨ng h*m lîng sîi, nhê ®ã m* t¨ng c¸c tÝnh chÊt c¬ häc. 2. C¸c yÕu tè ¶nh hëng tíi qu¸ tr×nh t¹o vËt liÖu - §é nhít cña nhùa: NÕu ®é nhít cña nhùa qu¸ lín, khi hót ch©n kh«ng tèc ®é dßng ch¶y chËm dÉn tíi thêi gian ®iÒn ®Çy khu«n l©u, khi ®ã nÕu nhùa ® b¾t ®Çu gel hãa th× qu¸ tr×nh ®iÒn ®Çy khu«n nhùa sÏ diÔn ra khã kh¨n. - Styren: NÕu ®Ó tho¸t styren nhiÒu th× viÖc ®ãng r¾n nhùa trë nªn khã kh¨n h¬n v× thiÕu nh©n tè t¹o liªn kÕt ngang trong cÊu tróc ph©n tö cña nhùa. - Thêi gian gel hãa v* ®ãng r¾n cña nhùa: thêi gian ®iÒn ®Çy khu«n mÉu cña nhùa ph¶i thÊp h¬n so víi thêi gian gel hãa. Khi nhùa b¾t ®Çu gel hãa, qu¸ tr×nh kh©u m¹ch b¾t ®Çu x¶y ra, ®é nhít cña nhùa t¨ng lªn dÉn tíi tèc ®é dßng ch¶y chËm. - §é thÊm nhùa cña sîi: kh¶ n¨ng thÊm nhùa cña sîi c*ng cao th× mÉu cã tÝnh chÊt c¬ häc c*ng cao bëi trong khu«n kh«ng tån t¹i c¸c vïng nhùa tÝch tô, liªn kÕt gi÷a pha nÒn v* pha gia cêng lín t¹o vËt liÖu cã ®é bÒn t¬ng ®èi cao [1]. - TÝnh chÊt c¸c lç xèp: trong sîi cã c¸c lç xèp t¹o ®iÒu kiÖn cho dßng nhùa ch¶y xuyªn qua dÔ d*ng t¹o ®é thÊm sîi tèt. MËt ®é v* kÝch thíc c¸c lç xèp cña sîi l* mét trong nh÷ng nh©n tè quan träng ¶nh hëng tíi tèc ®é dßng ch¶y cña nhùa. Trong ph¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng, ®Ó t¨ng mËt ®é lç xèp ngêi ta hót bät khÝ cã trong sîi [3, 5]. - Ph¬ng ph¸p xö lý sîi: sîi qua xö lý bÒ mÆt cã ®é th« r¸p nhÊt ®Þnh t¹o ®iÒu kiÖn kÕt dÝnh víi nhùa tèt. 119 - Gãc tiÕp xóc gi÷a sîi v* nhùa: gãc tiÕp xóc gi÷a sîi v* nhùa c*ng nhá th× kh¶ n¨ng thÊm sîi c*ng tèt. - ¸p suÊt hót ch©n kh«ng: ¸p suÊt hót ch©n kh«ng l* yÕu tè quyÕt ®Þnh tíi tèc ®é dßng ch¶y v*o cña nhùa. NÕu ¸p suÊt hót ch©n kh«ng nhá th× tèc ®é dßng ch¶y v*o khu«n chËm, thêi gian ®iÒn ®Çy khu«n lín sÏ ¶nh hëng tíi qu¸ tr×nh gia c«ng. Tuy nhiªn nÕu ¸p suÊt hót ch©n kh«ng qu¸ cao th× tèc ®é dßng ch¶y qu¸ lín nhùa sÏ bÞ hót hÕt ra ngo*i khu«n, ®é thÊm nhùa kÐm v× vËy tÝnh chÊt cña s¶n phÈm thÊp. Do ®ã ¸p suÊt hót ch©n kh«ng l*m viÖc tèi u kho¶ng tõ 0,4 -0,6 atm [2]. - §é lÌn chÆt cña sîi trong khu«n: §é lÌn chÆt cña sîi trong khu«n kh«ng chØ l* yÕu tè x¸c ®Þnh h*m lîng sîi m* cßn ¶nh hëng rÊt lín ®Õn tèc ®é ch¶y cña nhùa v*o khu«n [5]. III - Thùc nghiÖm 1. ThiÕt bÞ - M¸y b¬m ch©n kh«ng Marvag Scientific Mfg. (Mü), c«ng suÊt 1/2 HP; - ¸p kÕ ch©n kh«ng (§*i Loan); - BÉy nhùa 250 ml hng WEIY (Trung Quèc); - C¸c lo¹i khu«n thuû tinh; - C¸c lo¹i van, ®êng èng hót ch©n kh«ng v* èng dÉn nhùa. H×nh 2. S¬ ®å hÖ thèng hót ch©n kh«ng 2. Nguyªn liÖu v/ hãa chÊt Nhùa polyeste kh«ng no lo¹i 2211 (Singapore). HÖ xóc tiÕn: MEKPO (Trung Quèc). Sîi gia cêng: - Sîi thñy tinh d¹ng mat kh«ng dÖt E-glass läai 300 g/ m2 ; - Sîi thñy tinh dÖt th« lo¹i 300 g/m2; - Sîi tre d¹ng tÊm mat, chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p t¸ch næ h¬i níc. V¶i thÊm hót: V¶i kh«ng dÖt (ViÖt Nam). M*ng thÊm nhùa: M*nh dÖt tõ sîi PP (ViÖt Nam). 120 M*ng chèng dÝnh: M*ng polyetylen d¹ng th¬ng phÈm. Tói ch©n kh«ng: Tói polyetylen d¹ng th¬ng phÈm. 3. C¸c ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt vËt liÖu a) C¸c ph1¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ lý vËt liÖu - §é bÒn kÐo ®o theo tiªu chuÈn ISO-572 trªn m¸y INSTRON 5582-100 KN (Mü). Kho¶ng c¸ch l*m viÖc cña mÉu 65 mm, tèc ®é kÐo 5 mm/phót. - §é bÒn nÐn ®o theo tiªu chuÈn ISO180:1993 E, trªn m¸y INSTRON 5582-100 KN (Mü). Tèc ®é nÐn 2 mm/phót. - §é bÒn uèn ®o theo tiªu chuÈn ISO 178: 1993 trªn m¸y INSTRON 5582-100 KN (Mü). Kháang c¸ch hai gèi ®ì 80 mm, tèc ®é uèn 5mm/ phót. - §é bÒn va ®Ëp Charpy ®o theo tiªu chuÈn ISO 179:1993 trªn m¸y RADMANA. Tèc ®é ®Ëp 3,5 m/s. b) Ph1¬ng ph¸p kh¶o s¸t cÊu tróc vËt liÖu CÊu tróc cña vËt liÖu ®îc kh¶o s¸t trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt JEOL JSM 6360 LV víi ®é phãng ®¹i 25 lÇn trªn mÉu kÝch thíc 4x5 mm. IV - KÕt qu¶ v, th¶o luËn 1. Nghiªn cøu bè trÝ ®êng hót ch©n kh«ng cho ph¬ng ph¸p VIM Bíc 1: Thùc hiÖn ph¬ng ph¸p VIM theo 3 ph¬ng ¸n: - Hót ch©n kh«ng ë ®Çu khu«n v* hót nhùa v*o ë ®Çu ®èi diÖn (mÉu 1). - Hót ch©n kh«ng ë gi÷a, nhùa v*o 2 ®Çu (mÉu 2). - Hót ch©n kh«ng ë hai ®Çu v* hót nhùa v*o ë gi÷a (mÉu 3). (1) (2) (3) (4) H×nh 4: MÉu VIM theo 3 ph¬ng ¸n kh¸c nhau Tõ h×nh 4 nhËn thÊy, c¸c mÉu ®Òu cßn chøa c¸c ®iÓm m*u tr¾ng, ®ã l* do c¸c sîi vÉn cha thÊm nhùa ®îc ®Õn møc tèi ®a, mét phÇn sîi vÉn cßn cha ®ñ thêi gian ®Ó thÊm nhùa tríc khi nhùa bÞ ®ãng r¾n ho*n to*n. Ngo*i ra, mÉu 1 v* 2 ®Òu cã hiÖn tîng bÞ thiÕu nhùa ë gÇn ®Çu hót ch©n kh«ng, v* viÖc ®iÒn ®Çy c¸c khu«n n*y khã kh¨n h¬n nhiÒu so víi trong trêng hîp mÉu 3. ChÝnh v× vËy m* 2 ph¬ng ¸n n*y kh«ng ®îc sö dông nhiÒu trong thùc tiÔn. Tuy nhiªn, thêi gian ®iÒn ®Çy khu«n cña mÉu 3 còng cßn kh¸ cao (gÇn 30 phót) nªn cÇn ph¶i cã biÖn ph¸p thay ®æi trong c¸ch bè trÝ ®êng èng hót ch©n kh«ng. Bíc 2: Thùc hiÖn ph¬ng ph¸p VIM theo ph¬ng ¸n 4: - Hót ch©n kh«ng ë hai ®Çu b»ng c¸c ®êng èng ch¹y däc biªn v* hót nhùa v*o ë gi÷a (mÉu 4). KÕt qu¶ l* nhùa ch¶y v*o khu«n dÔ h¬n v* thêi gian ®iÒn ®Çy khu«n gi¶m xuèng chØ cßn 22 phót. H*m lîng sîi tÝnh theo lîng nhùa sö dông l* 43,72%. Ph¬ng ¸n n*y ®îc chän ®Ó l*m mÉu thö c¸c tÝnh chÊt (mÉu VIM-G). 2. Kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu kü thuËt cña mÉu gia cêng b»ng sîi thuû tinh a) ChÕ t¹o mÉu TiÕn h*nh chÕ t¹o c¸c mÉu theo ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay (mÉu HLU-G): 2 mÉu song song víi sè lîng nhùa v* sîi gia cêng nh nhau. Mét mÉu ®îc ®a v*o hót ch©n kh«ng ®Ó lo¹i bít nhùa d v* gi¶m bät khÝ (mÉu VAT-G). H*m lîng sîi cña mÉu l¨n Ðp b»ng tay l* 43,0%. H*m lîng sîi cña mÉu sau khi hót l* 52,6%. §Æt v¶i nh trong c¸c ph¬ng ¸n trªn lªn khu«n ph¼ng, g¾n c¸c ®êng èng hót v* dÉn 121 nhùa v*o, bäc to*n bé b»ng tói ch©n kh«ng råi tiÕn h*nh hót nh m« t¶ ë trªn (mÉu VIB-G). Sau 20 phót nhùa thÊm hÕt to*n bé sîi gia cêng. H*m lîng sîi cña mÉu thu ®îc l* 56,70%. MÉu cã bÒ mÆt díi ®Ñp nhng mÆt trªn vÉn kh¸ gå ghÒ. b) TÝnh chÊt c¬ häc C¸c mÉu thö sau khi chÕ t¹o ®îc ®Ó æn ®Þnh sau 1 tuÇn råi ®em ®i t¹o mÉu ®Ó x¸c ®Þnh c¸c chØ tiªu vÒ kÐo, nÐn, uèn v* va ®Ëp. KÕt qu¶ ®îc biÓu thÞ trªn c¸c h×nh 5 v* 6. Tõ c¸c ®å thÞ ta nhËn thÊy mÉu ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p VAT cho ta vËt liÖu cã tÝnh chÊt c¬ häc cao h¬n c¶, so víi ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay th× ®é bÒn kÐo ®îc c¶i thiÖn lªn 30%, ®é bÒn nÐn thËm chÝ cßn t¨ng lªn ®Õn 40%, m« ®un ®*n håi uèn v* nÐn t¨ng 45% v* m« ®un ®*n håi kÐo t¨ng lªn ®Õn 55%. Cßn ph¬ng ph¸p VIB v* nhÊt l* VIM th× hÇu nh kh«ng cã sù c¶i thiÖn nhiÒu so víi l¨n Ðp b»ng tay, thËm chÝ ®é bÒn uèn cßn thÊp h¬n. §iÒu n*y cã thÓ lý gi¶i l* do trong ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay th× sîi gia cêng cã thêi gian v* chÞu t¸c ®éng c¬ häc (lùc l¨n Ðp cña con l«) nªn thÊm nhùa ®Òu h¬n cßn trong hai ph¬ng ph¸p n*y th× thêi gian thÊm nhùa ng¾n h¬n m* kh«ng chÞu t¸c ®éng c¬ häc. Trªn bÒ mÆt c¸c mÉu ta còng ph¸t hiÖn ®îc nh÷ng vÕt m*u tr¾ng trªn sîi chØ ra ®é thÊm nhùa cña sîi vÉn cha ®¹t ®îc møc tèi ®a. Cßn ph¬ng ph¸p VAT do cã ®îc u thÕ l* mÉu tríc khi ®a v*o hót ch©n kh«ng ® cã thêi gian v* ®iÒu kiÖn ®Ó thÊm ®Òu nhùa ngay tõ khi l¨n Ðp, l¹i thªm lùc Ðp ch©n kh«ng nÐn chÆt l¹i nªn mÉu cã ®îc kÕt qu¶ cao nhÊt. 450 400 k, MPa 385.5 u, MPa 80 75.92 73.97 72.3 70 67.56 350 300 250 200 150 100 50 0 n, MPa 276.1 289.8 235.3 215.7 152.2 325.8 306.8 276.6 219.4 170.5 162.4 60 50 40 30 20 10 HLU.G VAT.G VIB.G VIM.G 0 Tªn mÉu (a) HLU.G VAT.G VIB.G VIM.G Tªn mÉu (b) H×nh 5: §é bÒn kÐo, nÐn, uèn (a) v* va ®Ëp (b) cña vËt liÖu c) CÊu tróc cña vËt liÖu Quan s¸t trªn h×nh chôp SEM cã thÓ nhËn thÊy hai mÉu ®îc thùc hiÖn theo ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay vÉn cßn mét v*i lç rçng cña bät khÝ. ThËm chÝ trªn mÉu theo ph¬ng ph¸p VAT vÉn cßn nh÷ng bät khÝ cã kÝch thíc kh¸ lín. C¸c bät khÝ n*y ®îc tån t¹i tõ khi l¨n Ðp v* khi hót do n»m kh¸ xa c¸c biªn nªn cha kÞp tho¸t ra ®îc. Cßn c¸c mÉu hót nhùa trùc tiÕp v*o víi sîi th× tû lÖ rçng thÊp h¬n, nhng chóng ta còng cã thÓ quan s¸t ®îc c¸c sîi c¾t ngang vÉn cßn lé ra nhiÒu h¬n, chøng tá ®é thÊm nhùa cha tèt b»ng khi l¨n Ðp. 122 ... - tailieumienphi.vn