Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu 1.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong những thập niên gần đây, sự ra đời và phát triển của vật liệu composite đang chiếm một vị trí nổi trội trong các ngành công nghiệp chế tạo. Có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vật liệu PC, trong đó nổi trội là: - Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế tạo đến độ bền vật liệu polymer composite gia cường vải polyeste trên cơ sở nhựa phenolfomandehit”[1] năm 2009 – ĐH. Bách khoa Hà Nội. Đề tài được thực hiện vào năm 2009 của TS.
Nguyễn Nhật Trinh. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo như nhiệt độ, lực ép và tỉ phần vải nhựa nền đến độ bền cơ học của vật liệu polymer composite (PC) trên cơ sở nhựa phenolfomandehit (PF) được gia cường vải dệt thoi xơ polyeste (PET). Vải thí nghiệm: Vải làm cốt gia cường cho vật liệu PC là vải kỹ thuật kết cấu kiểu dệt thoi vân điểm do Công ty Hualon Việt Nam sản xuất, nguyên liệu 100% xơ polyeste philamăng (PET). Nhựa nền phenolfomandehit (PF) dạng novolac do Viện hóa Trung tâm ứng dụng Khoa học Kỹ thuật Quân sự sản xuất.
Đề tài trình bày kết quả thực nghiệm cho thấy các thông số công nghệ chế tạo nhiệt độ, lực ép và tỉ phần cấu tử ảnh hưởng đến độ bền cơ học vật liệu PC gia cường vải polyeste trên cơ sở nhựa PF. Sử dụng phần mềm toán học Design-Experts cho phép xác định nhanh và chính xác các thông số công nghệ chế tạo tối ưu nhằm đạt được độ bền vật liệu PC lớn nhất. - Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của vật liệu PC, dẫn đến yêu cầu về chất lượng cao và động thời giá thành hạ. Tận dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có, dồi dào trong nước, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa polyethylene và mùn cưa”[2] do TS.
Đào Thị Thu Loan – ĐH Đà Nẵng chủ trì và thực hiện năm -1- Luan van 2013. Đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ mùn cưa và nhựa polyethylene tỷ trọng cao và ảnh hưởng của điều kiện gia công đến tính chất sản phẩm composite. Nghiên cứu cải thiện độ bám dính giữa nhựa nền HDPE và mùn cưa nhằm cải thiện tính năng của vật liệu bằng cách sử dụng chất tương hợp MAPE. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa đến tính chất sản phẩm composite, ảnh hưởng của kích thước hạt mùn cưa đến tính chất sản phẩm composite và nồng độ phụ gia ổn định nhiệt gia công tối ưu ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm composite.
Bằng phương pháp thực nghiệm, người nghiên cứu đã chế tạo thành công composite nền nhựa HDPE độn trấu, mùn cưa bằng phương pháp tạo compound trong thiết bị ép đùn hai trục vít và tạo mẫu composite trong thiết bị đúc tiêm. Nhiệt độ ép đùn (vùng trộn) tối ưu là 160oC với tốc độ quay trục vít 50 vòng/phút. Nhiệt độ đúc tiêm tối ưu là 180oC ở áp suất 800 bar. Sử dụng chất tương hợp MAPE đã cải thiện độ tương hợp giữa nhựa nền và trấu, mùn cưa từ đó cải thiện các tính chất cơ lý của composite trấu, mùn cưa như độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập cũng như độ kháng nước.
- Khi chất lượng cuộc sống ngày càng cao thì yêu cầu của các sản phẩm từ PC ngày càng thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu hơn. Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo vật liệu composite trên cơ sở nhựa polylefin và bột gỗ, ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội - ngoại thất”[3] được TS. Nguyễn Vũ Giang - Viện Kỹ thuật nhiệt đới thực hiện năm 2013. Nguyễn Vũ Giang, ở trong nước cũng đã có một số công trình sử dụng vật liệu này để chế tạo vật liệu xanh thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, do bột gỗ chưa được xử lý trước, nên khả năng tương tác với nền nhựa chưa tốt, sản phẩm vẫn có độ hút nước cao. Nếu sử dụng phương pháp truyền thống (ép sâu, tạo lớp liên tục…), chỉ chế tạo được các vật liệu có hình dạng đơn giản, không chế tạo được các vật liệu có các hình dạng phức tạp: Mặt cong, độ rỗng, hay vật liệu trang trí nội thất, chi tiết phụ tùng ôtô và các vật liệu khác, như vỏ tivi.Đề tài đã sử dụng thành công khâu mạch, vật liệu nano gia cường, phụ gia, nano silica… làm tăng tính kết dính giữa 2 pha của vật liệu là bột gỗ và nhựa bằng những chất biến tính bề mặt, cho phép sản phẩm có thể điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng. Cùng với việc lưới hóa nhựa nền, hình thành các liên kết ngang giữa các -2- Luan van phân tử nhựa nền và bột gỗ, giúp tăng các tính chất của vật liệu composite và độ bền thời tiết của vật liệu. - Ngoài ra, còn có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu PC do các học viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM do PGS – TS.
Đỗ Thành Trung chủ trì và thực hiện như: “Nghiên cứu và phát triển nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite”, “Nghiên cứu và phát triển đòn treo trên bằng vật liệu composite”, “Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục”….2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Trong đó, tiêu biểu là : - Đề tài “Injection moulding simulation analysis of natural fiber composite window frame” - journal of materials processing technology 197 (2008) 22–30 [4]. Đề tài thực hiện bởi Wan Azizah Wan Abdul Rahman, Lee Tin Sin, Abdul Razak Rahmat.
Đề tài thực nghiệm nghiên cứu chế tạo khung cửa sổ với thiết kế rỗng bằng vật liệu composite. - Để năng cao chất lượng sản phẩm, ngoài việc nghiên cứu, pha trộn giữa hai thành phần chính là nền và cốt, các nhà chế tạo còn nghiên cứu đến quá trình phun ép chế tạo sản phẩm, đề tài “A 3D study on the effect of gate location on the cooling of polymer by injection molding”– International Journal of Heat and Fluid Flow [5], được thực hiện bởi Hamdy Hassan, Nicolas Regnier, Guy Defaye. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí các cổng làm lạnh đến năng suất, chất lượng sản phẩm trong quá trình ép phun. - Sau khi nghiên cứu phương pháp chế tạo nhằm năng cao chất lượng sản phẩm, các nhà khoa học còn nghiên cứu các ảnh hưởng của điều kiện sử dụng nhằm tối ưu hiệu quả sử dụng và đưa ra khuyến cáo để khai thác, sử dụng sản phẩm hiệu quả nhất.
Đề tài “Effect of temperature on tensile properties of injection molded short glass -3- Luan van fibre and glass bead filled ABS hybrids” [6] nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền kéo của vật liệu copomsite nền ABS cốt sợi ngắn thủy tinh và hạt thủy tinh. Đề tài được nghiên cứu bởi S. Hashemi - London Metropolitan Polymer Centre, London Metropolitan University, UK. - Ngoài ra, còn rất nhiều các đề tài, công trình nghiên cứu về tính chất, đặc điểm, phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật liệu PC như: “Description and modeling of fiber orientation in injection molding of fiber reinforced thermoplastics” - Michel Vincenta, T.
Eberhardtb Department of Physics and Astronomy, Molecular Physics and Instrumentation Group, University of Leeds; “Polymer Flow Length Simulation During Injection Mold Filling” - M. OSSWALD, Polymer Processing Research Group Department of Mechanical Engineering University of Wisconsin-Madison. Kết luận: Có rất ít công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và thời gian đến độ bền kéo của vật liệu polymer composite. Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ bền kéo của vật liệu composite cốt sợi ngắn thủy tinh sẽ nghiên cứu sự thay đổi về độ bền kéo của vật liệu PC khi làm việc trong môi trường có nồng độ kiềm khác nhau theo mức thời gian khác nhau.
Từ kết quả nghiên cứu ta có thể tìm ra nguyên nhân của quá trình đồng thời làm cơ sở để tìm ra phương pháp nhằm tăng thêm độ bền kéo của vật liệu PC.2 Tính cấp thiết của đề tài Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là sự phát triển mạnh mẽ của ngành vật liệu polymer, các nhà sản xuất đã đưa ra thị trường nhiều chủng loại chất dẻo với các tính chất hơn hẳn các loại vật liệu khác đó là nhẹ, bền, đẹp, dễ gia công,…Bên cạnh đó, trên thế giới nhu cầu sử dụng chất dẻo trong kỹ thuật cũng như dân dụng ngày càng tăng, nhiều sản phẩm được sản xuất từ vật liệu chất dẻo ngày càng đa dạng và phong phú về hình dáng, chủng loại, giá trị sử dụng của các loại sản phẩm này xâm nhập vào mọi lĩnh vực của nền kinh tế và dân dụng. -4- Luan van Cùng với sự phát triển của vật liệu polymer, vật liệu polymer composite (PC) ngày nay đang chiếm một vị trí nổi trội trong các ngành công nghiệp chế tạo. Với những ưu thế như độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi cao, khối lượng riêng nhỏ, công nghệ sản xuất đa dạng vật liệu PC đang được sử dụng rộng rãi thay thế vật liệu truyền thống để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu máy. Với nhiều tính năng ưu việt của mình, vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi: Trên thế giới: Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu composite đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến.
Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất máy bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu Composite polymer đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo 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 ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện.