Nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE tăng cường với hạt ZnO trong công nghệ ép phun

Nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE được tăng cường bằng hạt nano ZnO trong quá trình ép phun. Tìm hiểu ứng dụng và hiệu quả.

• Tác giả: Nguyen Hoang Thanh Long
• Người hướng dẫn: Ph.D Nguyen Van Thuc
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Cơ Học Của Composite HDPE Tăng Cường Với Hạt ZnO Trong Công Nghệ Ép Phun
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Overview of research in HDPE
• 1.2. Reason to choosing the topic
• 2. CHAPTER 2: OVERVIEW OF RESEARCH TOPIC
• 2.1. Introduction of HDPE (Polyethylene High-Density)
• 2.1.1. Define of HDPE
• 2.1.2. Physical properties of HDPE
• 2.1.3. Chemical properties of HDPE
• 2.1.4. Application of HDPE
• 2.2. Overview of nanoparticles
• 2.2.1. The structure of Zinc Oxide
• 2.2.2. Properties and applications of ZnO NPs / HDPE composite
• 2.2.3. Technical tested Figure of ZnO NPs / HDPE composite
• 2.2.3.1. Microhardness values for HDPE/nano-ZnO composite
• 2.3. Overview of injection molding technology
• 2.3.1. Injection molding machine
• 2.3.2. Plastic Injection Molding process
• 2.3.3. Injection molding parameters
• 2.3.4. Injection Molding Machine Haitian III
• 2.3.5. Advantages and disadvantages of Injection Molding Technology
• 2.4. ASTM D2240 standard and Shore hardness testing method
• 2.5. Surface inspection using SEM
• 2.5.1. Overview of SEM (Scanning Electron Microscope)
• 2.5.2. The history of Scanning Electron Microscope and EDS method
• 3. CHAPTER 3: EXPERIMENT AND SELECTION PROCESS
• 3.1. Classification and preservation
• 4. CHAPTER 4: ANALYSIS AND EVALUATION OF THE RESULT
• 4.1. Results before and after parameter selection
• 4.1.1. Before selection process
• 4.1.2. After selection process
• 4.2. Tensile testing analysis
• 4.2.1. Experimental chart effect of each percentage of ZnO-NPs to tensile strength
• 4.2.2. Effect of ZnO-NPs to the Ultimate Tensile Strength and Elastic Modulus of HDPE
• 4.3. Flexural strength analysis
• 4.3.1. Experimental chart effect of each percentage of ZnO-NPs to flexural strength
• 4.3.2. Effect of ZnO-NPs to the Elongation of HDPE
• 4.4. SEM and DSC analysis
• 4.5. Taguchi mehod analysis
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• REFERENCES OF INFORMATION
• REFERENCES OF FIGURE
• REFERENCES OF TABLE

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE

Nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE tăng cường với hạt ZnO trong công nghệ ép phun đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Composite HDPE, với khả năng kết hợp giữa tính bền và tính nhẹ, đã trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Việc tăng cường composite này bằng hạt ZnO không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Đặc điểm của composite HDPE và hạt ZnO

Composite HDPE là vật liệu được tạo ra từ polyethylene mật độ cao, có tính chất cơ học tốt. Hạt ZnO, với kích thước nano, được biết đến với khả năng cải thiện độ bền và tính năng chống tia UV cho composite.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hạt ZnO trong composite

Việc sử dụng hạt ZnO trong composite HDPE giúp tăng cường tính bền, khả năng chịu nhiệt và độ ổn định hóa học. Điều này làm cho sản phẩm cuối cùng có thể đáp ứng tốt hơn trong các điều kiện khắc nghiệt.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE

Mặc dù composite HDPE có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển nó cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như sự phân bố không đồng đều của hạt ZnO trong composite và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến tính chất cơ học là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề phân bố hạt ZnO trong composite

Sự phân bố không đồng đều của hạt ZnO có thể dẫn đến sự giảm sút tính chất cơ học của composite. Cần có các phương pháp tối ưu hóa để đảm bảo hạt ZnO được phân bố đồng đều trong HDPE.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến tính chất cơ học

Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của composite HDPE. Việc nghiên cứu các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của sản phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE

Để nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE tăng cường với hạt ZnO, các phương pháp thử nghiệm như kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn và phân tích nhiệt DSC được áp dụng. Những phương pháp này giúp đánh giá chính xác các tính chất cơ học của vật liệu.

3.1. Kiểm tra độ bền kéo của composite HDPE

Kiểm tra độ bền kéo được thực hiện để xác định khả năng chịu lực của composite. Các thông số như lực tối đa và độ giãn dài sẽ được ghi nhận để đánh giá tính chất cơ học.

3.2. Phân tích nhiệt DSC trong nghiên cứu

Phân tích nhiệt DSC giúp xác định các thay đổi về tính chất vật lý của composite HDPE khi chịu tác động của nhiệt độ. Kết quả từ phân tích này cung cấp thông tin quan trọng về độ ổn định nhiệt của vật liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE

Kết quả nghiên cứu cho thấy composite HDPE tăng cường với hạt ZnO có tính chất cơ học vượt trội hơn so với HDPE thông thường. Các thử nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền kéo và độ bền uốn, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

4.1. Đánh giá độ bền kéo và uốn của composite

Kết quả thử nghiệm cho thấy composite HDPE với hạt ZnO có độ bền kéo cao hơn 20% so với HDPE nguyên bản. Điều này chứng tỏ rằng hạt ZnO có tác động tích cực đến tính chất cơ học của vật liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của composite HDPE

Composite HDPE tăng cường với hạt ZnO có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất đồ dùng gia đình, thiết bị công nghiệp và vật liệu xây dựng, nhờ vào tính chất cơ học vượt trội của nó.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về tính chất cơ học của composite HDPE tăng cường với hạt ZnO đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp tối ưu hóa các tính chất của composite, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng việc tăng cường composite HDPE bằng hạt ZnO mang lại nhiều lợi ích về tính chất cơ học. Điều này khẳng định tiềm năng của vật liệu trong ứng dụng thực tiễn.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện tính chất cơ học của composite HDPE bằng cách thử nghiệm với các loại hạt nano khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhựa Polyethylene tỷ trọng cao (High-Density Polyethylene - HDPE) là loại polymer nhiệt dẻo được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như đường ống dẫn nước, vật liệu bao bì, thiết bị gia dụng và các chi tiết kỹ thuật nhờ ưu điểm nhẹ, kháng hóa chất tốt và dễ gia công định hình. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp nhựa ghi nhận mức tăng trưởng trung bình từ 16% đến 18%/năm, với sự tham gia của các doanh nghiệp lớn như Nhựa Bình Minh, Nhựa Tiền Phong, Dekko và Tập đoàn Hoa Sen. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe về độ bền cơ học, khả năng kháng lão hóa và độ ổn định nhiệt trong môi trường làm việc khắc nghiệt, việc gia cường nền nhựa HDPE bằng các hạt nano vô cơ đang trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng.

Các công trình nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tiềm năng của việc kết hợp các chất phụ gia kích thước nano (từ 1 đến 100 nm) vào nền polymer:

• Nghiên cứu của Nguyễn Thụy Chinh và cộng sự (2019) về sự suy giảm đặc tính cấu trúc, hình thái học và cơ tính của ống HDPE sau 10 tháng ngâm trong môi trường nước biển tỉnh Nghệ An bằng các phép phân tích hồng ngoại (IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và phân tích nhiệt (TGA, DTA).
• Nghiên cứu của Qinglin Wu và cộng sự về hạt nano cấu trúc lõi-vỏ đồng/carbon (CCCSNs) kết hợp với sợi tre trong nền HDPE, giúp cải thiện độ bền uốn, mô đun đàn hồi và khả năng kháng mối mọt.
• Nghiên cứu của Ubair Abdus Samad và cộng sự về việc bổ sung hạt nano kẽm oxit (ZnO) vào màng phủ Epoxy/PANI, giúp gia tăng độ cứng nano và khả năng chống trầy xước lên đến 15%.
• Nghiên cứu về độ bền thời tiết nhân tạo của composite gỗ - HDPE khi bổ sung hạt nano ZnO với các tỷ lệ 0%, 1%, 2% và 3%, cho thấy nano ZnO làm giảm sự phát triển của vết nứt bề mặt và hạn chế sự suy giảm độ bền kéo dưới tác động của bức xạ quang hóa.

Nhằm tối ưu hóa công nghệ gia công ép phun và đánh giá toàn diện ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến cơ tính của sản phẩm hoàn thiện, đề tài tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (mã đề tài: CTM-52, mã lưu trữ: SKL012664) đã được thực hiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer nền HDPE, hạt nano ZnO và công nghệ gia công ép phun nhựa.
2. Thiết lập quy trình công nghệ phối trộn và ép phun để chế tạo các mẫu composite HDPE gia cường hạt nano ZnO với 4 mức tỷ lệ khối lượng: 0%, 1%, 2% và 3%.
3. Thực nghiệm khảo sát tính chất cơ học của mẫu đúc, bao gồm thử nghiệm kéo (độ bền kéo giới hạn, mô đun đàn hồi, độ giãn dài), thử nghiệm uốn (độ bền uốn, độ biến dạng) và đo độ cứng Shore D theo tiêu chuẩn ASTM D2240.
4. Phân tích hình thái vi cấu trúc bề mặt gãy và sự phân tán của hạt nano ZnO trong nền nhựa bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), đánh giá đặc tính nhiệt và độ kết tinh của vật liệu bằng phương pháp phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC).
5. Ứng dụng phương pháp Taguchi và phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hàm lượng hạt nano đến tính chất cơ lý của sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu composite nền nhựa HDPE nguyên sinh gia cường hạt nano ZnO (ZnO-NPs).
• Phương pháp tạo hình: Công nghệ ép phun nhựa trên máy ép phun thủy lực Haitian MARS III.
• Phạm vi khảo sát: Tỷ lệ hạt nano ZnO từ 0% đến 3% khối lượng; kích thước và hình học mẫu thử nghiệm kéo, uốn theo tiêu chuẩn cơ học nhựa dẻo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài dựa trên các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật sau:

• Vật liệu nhựa nền HDPE: Polymer mạch thẳng với công thức hóa học $(C_2H_4)_n$, khối lượng riêng tiêu chuẩn từ 930 đến 970 $\text{kg/m}^3$ (thông số thực tế trong nghiên cứu là 940 $\text{kg/m}^3$), nhiệt độ nóng chảy khoảng 130.8°C, nhiệt độ kết tinh 111.9°C, ẩn nhiệt nóng chảy 178.4 J/g và độ bền kéo gốc đạt xấp xỉ 38 MPa (vượt trội so với mức 21 MPa của LDPE). Nhựa có mã nhận dạng số 2.
• Phụ gia hạt nano ZnO: Vật liệu bán dẫn nhóm II-VI có vùng cấm rộng ($E_g = 3.37\text{ eV}$), năng lượng liên kết exciton cao ($60\text{ meV}$), độ cứng Mohs khoảng 4.5. Hạt có các cấu trúc không gian 1D (dây, que, ống), 2D (tấm nano) và 3D (hoa, quả cầu). ZnO mang lại khả năng hấp thụ tia cực tím (UVA, UVB), kháng khuẩn và cải thiện độ ổn định nhiệt cho nền polymer.
• Tiêu chuẩn đo lường: Tiêu chuẩn ASTM D2240 cho phép đo độ cứng Shore D; tiêu chuẩn ISO 1183 (phần 1 và 2) để xác định khối lượng riêng; các tiêu chuẩn cơ lý về thử kéo và thử uốn vật liệu nhựa dẻo.
• Công nghệ ép phun (Injection Molding): Quá trình định hình chu kỳ gồm 5 giai đoạn: Kẹp khuôn (Clamping), Phun nhựa (Injection), Làm nguội (Cooling), Hóa dẻo (Plasticization) và Đẩy sản phẩm (Ejection). Các thông số công nghệ cốt lõi được kiểm soát gồm: thời gian điền đầy (filling time), áp suất điền đầy (filling pressure), thời gian duy trì áp suất (packing time), áp suất nén giữ (packing pressure) và nhiệt độ nóng chảy (melt temperature).

Quy trình thực nghiệm:
[Phối liệu HDPE + ZnO-NPs (0%, 1%, 2%, 3%)] 
[Gia nhiệt & Trộn đùn tạo hạt feedstock] 
[Sấy hạt nhựa] 
[Ép phun trên máy Haitian MARS III] 
[Gia công/Xử lý mẫu chuẩn]
[Thử cơ tính]            [Phân tích vi cấu trúc]   [Tối ưu hóa thống kê]
- Kéo (Tensile)          - SEM                    - Taguchi (S/N ratio)
- Uốn (Flexural)         - DSC (Nhiệt/Kết tinh)   - ANOVA
- Độ cứng Shore D

Phương pháp nghiên cứu và thiết bị thực nghiệm

1. Chế tạo mẫu thử: Tính toán khối lượng phối liệu giữa hạt nhựa HDPE và bột ZnO-NPs. Phối liệu được gia nhiệt, phối trộn đồng nhất, sấy khô để loại bỏ độ ẩm trước khi cấp vào phễu chứa của máy ép phun. Máy ép phun sử dụng là model Haitian MARS III (lực kẹp khuôn 1200 kN, công suất động cơ bơm 18.5 kW, dung tích bồn dầu 170 lít, tổng trọng lượng máy xấp xỉ 4.35 tấn).
2. Kiểm tra cơ tính:
   • Thử kéo: Tiến hành trên máy kéo nén vạn năng (Universal Testing Machine). Mẫu thử có chiều dài 135 mm được gá kẹp chặt tại hai đầu, tác động lực kéo tăng dần đến khi đứt gãy để ghi nhận lực kéo cực đại, ứng suất kéo, mô đun đàn hồi và độ giãn dài.
   • Thử uốn: Sử dụng đồ gá uốn chuyên dụng (Bending jig) tích hợp trên máy thử nghiệm cơ lý để xác định ứng suất uốn và biến dạng uốn.
   • Đo độ cứng: Sử dụng thiết bị đo độ cứng Shore D theo tiêu chuẩn ASTM D2240.
3. Phân tích hình thái và nhiệt học:
   • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX) để quan sát sự phân bố của hạt nano ZnO trên bề mặt nền HDPE và cấu trúc bề mặt đứt gãy.
   • Phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) nhằm xác định nhiệt độ chuyển pha, nhiệt độ nóng chảy và độ kết tinh của mẫu composite theo các tỷ lệ phần trăm nano ZnO.
4. Xử lý số liệu: Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi (phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, phân tích giá trị trung bình Means, hồi quy tuyến tính và phân tích phương sai ANOVA) được sử dụng để xác định mức độ tác động của các yếu tố đến độ bền kéo và độ bền uốn.

Thông số kỹ thuật máy ép phun Haitian MARS III	Giá trị danh định (Trục vít A / B / C)
Đường kính trục vít (Screw Diameter)	36 / 40 / 45 mm
Thể tích phun lý thuyết (Calculated Injection Volume)	173 / 214 / 270 $\text{cm}^3$
Khối lượng phun tối đa (PS Injection Capacity)	157 / 194 / 246 g
Tốc độ phun (Injection speed rate)	125 / 154 / 195 g/s
Năng suất hóa dẻo (Plasticization Capacity)	18.8 g/s
Áp suất phun cực đại (Injection Pressure)	229 / 186 / 147 MPa
Hành trình trục vít (Injection Stroke)	170 mm
Tốc độ quay trục vít (Screw Speed)	0 – 285 vòng/phút
Lực kẹp khuôn (Clamping Force)	1200 kN
Công suất gia nhiệt (Heating Input Power)	11.75 kW
Khoảng cách giữa các thanh giằng (Space Between Tie-Bars)	$410 \times 410\text{ mm}$
Chiều cao khuôn khả dụng (Min - Max Die-Height)	150 – 450 mm
Hành trình mở khuôn (Mold Opening Stroke)	360 mm
Lực đẩy sản phẩm (Ejector Force) / Hành trình đẩy	33 kN / 120 mm

Nội dung chính theo từng chương

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu HDPE trong và ngoài nước. Trong nước, ngành nhựa duy trì tốc độ phát triển 16-18%/năm; các nghiên cứu như của Nguyễn Thụy Chinh (2019) đã bắt đầu đi sâu vào việc đánh giá độ bền của HDPE dưới tác động môi trường biển. Trên thế giới, xu hướng kết hợp công nghệ hạt nano (kích thước 1-100 nm) vào nền polymer nhiệt dẻo như HDPE đang mở rộng nhanh chóng nhằm tối ưu hóa các tính chất cơ học, khả năng kháng khuẩn, cản tia UV và nâng cao hiệu quả ép phun. Tác giả nêu rõ 4 lý do chọn đề tài (tiềm năng ngành composite, nhu cầu nâng cao chất lượng - giảm giá thành trong ép phun, khả năng ứng dụng trong y tế/năng lượng và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp). Mục tiêu trọng tâm là chế tạo và đánh giá các mẫu composite HDPE gia cường nano ZnO ở các tỷ lệ khác nhau, phân tích kết quả bằng phương pháp Taguchi.

CHAPTER 2: OVERVIEW OF RESEARCH TOPIC

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết chi tiết về:

• Cấu trúc phân tử, tính chất vật lý (khối lượng riêng 940 $\text{kg/m}^3$, nhiệt độ nóng chảy 130.8°C), tính chất hóa học và các ứng dụng điển hình của nhựa HDPE (bao bì, đường ống dẫn, chi tiết chịu lực nhẹ).
• Vật liệu hạt nano ZnO: Cấu trúc tinh thể, đặc tính nhiệt (độ dẫn nhiệt tăng khi kích thước hạt giảm từ micromet xuống nanomet nhờ hiệu ứng kích thước lượng tử), cơ tính, khả năng cản xạ UV và hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn S. aureus và E. coli.
• Composite ZnO-NPs/HDPE: Sự kết hợp giữa hạt vô cơ và nền polymer, hiện tượng tương tác liên kết bề mặt và ứng dụng làm vật liệu cản quang, bao bì thực phẩm.
• Công nghệ ép phun nhựa: Cấu tạo máy ép phun (hệ thống kẹp khuôn, hệ thống phun, hệ thống thủy lực, hệ thống điều khiển), các giai đoạn trong chu kỳ ép phun và vai trò của các thông số công nghệ (thời gian điền đầy, áp suất điền đầy, thời gian nén, áp suất nén, nhiệt độ nóng chảy).
• Giới thiệu chi tiết máy ép phun Haitian MARS III cùng bảng thông số kỹ thuật toàn diện; tiêu chuẩn đo độ cứng Shore D (ASTM D2240); nguyên lý phân tích bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

CHAPTER 3: EXPERIMENT AND SELECTION PROCESS

Chương 3 mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm tạo mẫu và thử nghiệm cơ tính:

• Chuẩn bị vật liệu: Tính toán định lượng khối lượng hạt nhựa HDPE và hạt nano ZnO (ZnO-NPs).
• Quy trình phối trộn và gia nhiệt: Trộn cơ học hạt nano vào hạt nhựa, sấy khô nguyên liệu để triệt tiêu độ ẩm, cấp liệu vào máy gia nhiệt để đồng nhất hóa dòng chảy.
• Quá trình ép phun: Cài đặt thông số trên bảng điều khiển máy Haitian MARS III, tiến hành ép thử khuôn, kiểm soát chu trình kẹp, điền đầy, duy trì áp suất và làm nguội để tạo ra các thanh mẫu thử nghiệm cơ tính chuẩn có chiều dài danh định 135 mm.
• Phân loại và bảo quản mẫu thử: Mẫu sau khi lấy khỏi khuôn được phân loại theo từng hàm lượng hạt nano (0%, 1%, 2%, 3%), kiểm tra khuyết tật bề mặt trước khi đưa vào các đồ gá thử kéo, uốn và đo độ cứng.

CHAPTER 4: ANALYSIS AND EVALUATION OF THE RESULT

Chương 4 tập trung phân tích, xử lý và đánh giá toàn diện các kết quả thực nghiệm thu được:

• Phân tích thử nghiệm kéo: Khảo sát biểu đồ ứng suất - biến dạng của các mẫu chứa 0%, 1%, 2% và 3% ZnO-NPs. Đánh giá sự biến thiên của giới hạn bền kéo cực đại (Ultimate Tensile Strength - UTS), mô đun đàn hồi (Elastic Modulus) và độ giãn dài tương đối (Elongation) theo từng tỷ lệ hạt nano.
• Phân tích thử nghiệm uốn: Phân tích biểu đồ ứng suất uốn (Flexural stress), độ bền uốn (Flexural strength), độ biến dạng uốn và mô đun đàn hồi khi uốn của các nhóm mẫu composite tương ứng.
• Phân tích hình thái vi cấu trúc SEM và phân tích nhiệt DSC: Ảnh chụp SEM thể hiện mức độ phân tán của các hạt nano ZnO trong mạng lưới polymer HDPE, nhận diện các vùng tập trung ứng suất và cấu trúc tinh thể bề mặt gãy. Phân tích đường cong DSC làm rõ sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ kết tinh và tỷ lệ phần trăm độ kết tinh của HDPE khi có mặt phụ gia ZnO-NPs.
• Phân tích tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi: Thiết lập bảng đơn biến và đa biến cho các mức thông số; tính toán hệ số hồi quy (Coefficients), tổng kết mô hình (Model Summary), phân tích phương sai ANOVA cho độ bền kéo và độ bền uốn; xây dựng bảng đáp ứng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Response Table for Signal to Noise - S/N) và bảng đáp ứng giá trị trung bình (Response Table for Means); thiết lập đồ thị hiệu ứng chính (Main Effects Plot for S/N ratios & Means); đưa ra dự báo (Predictions) và bộ thông số cài đặt tối ưu (Optimal Settings).
• Kết quả đo độ cứng Shore D: Đánh giá sự gia tăng độ cứng bề mặt theo thang đo Shore D giữa mẫu HDPE nguyên bản và các mẫu composite chứa 1%, 2%, 3% ZnO-NPs.

CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION

Chương 5 đúc kết các phát hiện thực nghiệm chính của đề tài về sự thay đổi cơ tính (độ bền kéo, độ bền uốn, độ cứng) và nhiệt tính (độ kết tinh, độ ổn định nhiệt) của composite HDPE khi gia cường bằng hạt nano ZnO trong điều kiện công nghệ ép phun. Đưa ra các đề xuất và khuyến nghị kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng gia công, hạn chế hiện tượng vón cục của hạt nano và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu composite trong sản xuất công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo mẫu composite HDPE/ZnO-NPs bằng công nghệ ép phun: Thiết lập được quy trình phối trộn, sấy liệu, gia nhiệt và ép phun trên hệ thống máy Haitian MARS III để tạo ra các mẫu thử chuẩn không bị rỗ khí hoặc biến dạng cục bộ.
2. Xác định ảnh hưởng của hàm lượng nano ZnO đến cơ tính:
   • Đánh giá có hệ thống 4 nhóm vật liệu: HDPE nguyên bản (0% ZnO) và composite chứa 1%, 2%, 3% ZnO-NPs.
   • Việc bổ sung nano ZnO làm thay đổi các chỉ tiêu cơ lý: giới hạn bền kéo, mô đun đàn hồi, độ bền uốn và độ cứng Shore D của vật liệu được cải thiện so với mẫu HDPE nguyên bản, trong khi độ giãn dài khi đứt có xu hướng biến đổi phản ánh tính dẻo và độ cứng vững của mạng lưới polymer.
3. Làm rõ đặc tính vi cấu trúc và nhiệt động học:
   • Ảnh chụp SEM chứng minh sự hiện diện và phân tán của hạt nano ZnO trên bề mặt gãy của mẫu HDPE.
   • Kết quả phân tích DSC xác định được ảnh hưởng của phụ gia nano ZnO đến nhiệt độ chuyển pha, quá trình kết tinh và tỷ lệ phần trăm độ kết tinh của nền HDPE.
4. Tối ưu hóa thông số công nghệ bằng phương pháp Taguchi:
   • Xây dựng thành công mô hình toán học và bảng phân tích phương sai ANOVA cho cả độ bền kéo và độ bền uốn.
   • Xác định được đồ thị hiệu ứng chính (Main Effects Plot) của tỷ số S/N và giá trị trung bình (Means), từ đó tìm ra tập thông số ép phun tối ưu giúp cực đại hóa cơ tính sản phẩm.

Đóng góp kỹ thuật và học thuật

• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện về cơ tính (kéo, uốn, độ cứng), nhiệt tính (DSC) và hình thái cấu trúc (SEM/EDS) của composite HDPE/ZnO-NPs được gia công trực tiếp bằng phương pháp ép phun công nghiệp.
• Ứng dụng thành công phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi vào bài toán công nghệ vật liệu polymer nhiệt dẻo tại xưởng thực nghiệm, cung cấp căn cứ định lượng để thiết lập thông số vận hành cho máy ép phun Haitian MARS III.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Nghiên cứu tập trung vào 4 mức tỷ lệ nano ZnO (0%, 1%, 2%, 3%) trong phạm vi công nghệ ép phun đơn trục vít tiêu chuẩn; chưa khảo sát dải tỷ lệ mịn hơn hoặc các phương pháp biến tính bề mặt hạt nano trước khi phối trộn.
• Đánh giá cơ tính tập trung vào độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng Shore D ở điều kiện nhiệt độ phòng; chưa thực hiện các thử nghiệm va đập (Charpy/Izod) hoặc thử nghiệm độ bền mỏi dài hạn.

Hướng nghiên cứu phát triển

• Khảo sát ảnh hưởng của chất trợ phân tán hoặc chất ghép nối (coupling agents) nhằm nâng cao độ phân tán của hạt nano ZnO trong nền HDPE, hạn chế hiện tượng vón cục ở nồng độ cao.
• Mở rộng đánh giá các tính chất chức năng khác của sản phẩm ép phun composite HDPE/ZnO-NPs, bao gồm khả năng kháng khuẩn đối với các chủng vi sinh vật, tính chất cản bức xạ tử ngoại (chống lão hóa quang học) và độ dẫn nhiệt.
• Thử nghiệm trên các khuôn định hình chi tiết thực tế có biên dạng phức tạp và độ dày thành không đồng đều để kiểm chứng sự phân bố hạt nano trong sản phẩm thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu và Công nghệ Ép phun: Cung cấp quy trình chi tiết từ khâu phối liệu, cài đặt thông số máy Haitian MARS III đến phương pháp thử nghiệm cơ tính và phân tích cấu trúc vật liệu.
• Kỹ sư vận hành và tối ưu hóa khuôn ép nhựa: Tham khảo cách ứng dụng phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA để khảo sát, tối ưu hóa các thông số ép phun (thời gian điền đầy, thời gian nén, áp suất, nhiệt độ).
• Các nhóm nghiên cứu về polymer composite: Nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích về sự tương tác giữa hạt nano vô cơ (ZnO) và nền nhựa bán kết tinh (HDPE) trong điều kiện gia công nóng chảy thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài khảo sát composite HDPE với những tỷ lệ phần trăm hạt nano ZnO nào?

Đề tài thực hiện khảo sát trên 4 nhóm mẫu vật liệu composite HDPE gia cường hạt nano ZnO tương ứng với các tỷ lệ khối lượng là 0% (HDPE nguyên bản), 1%, 2% và 3% ZnO-NPs.

2. Thiết bị ép phun chính được sử dụng trong nghiên cứu là loại máy nào?

Thiết bị ép phun thực nghiệm là máy ép phun thủy lực Haitian MARS III, với lực kẹp khuôn danh định 1200 kN, công suất nguồn gia nhiệt 11.75 kW, công suất bơm 18.5 kW và áp suất phun tối đa đạt từ 147 đến 229 MPa tùy theo loại trục vít sử dụng.

3. Những phương pháp phân tích vi cấu trúc và nhiệt học nào đã được áp dụng?

Đề tài sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX) để quan sát hình thái vi cấu trúc, sự phân bố hạt nano trên bề mặt gãy và phương pháp phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) để xác định nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ kết tinh và tỷ lệ độ kết tinh của mẫu.

4. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để kiểm tra độ cứng của mẫu composite?

Độ cứng của các mẫu composite HDPE/ZnO-NPs được đo lường bằng phương pháp đo độ cứng Shore D theo tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM D2240.

5. Phương pháp thống kê nào được sử dụng để tối ưu hóa thông số thực nghiệm trong đề tài?

Đề tài sử dụng phương pháp Taguchi, kết hợp phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise ratio - S/N), phân tích giá trị trung bình (Means) và phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố và tìm ra bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo cũng như độ bền uốn của sản phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tính chất cơ học của composite HDPE tăng cường hạt nano ZnO trong công nghệ ép phun" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thực nghiệm từ khâu phối trộn nguyên liệu, gia công ép phun trên máy Haitian MARS III đến đánh giá tính chất cơ lý, cấu trúc và nhiệt học của vật liệu composite. Kết quả phân tích kéo, uốn, độ cứng Shore D cùng ảnh SEM và đường cong DSC đã làm rõ vai trò gia cường của hạt nano ZnO (ở các hàm lượng 0%, 1%, 2%, 3%) đối với nền nhựa HDPE. Việc kết hợp phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA mang lại cơ sở dữ liệu định lượng khoa học, góp phần nâng cao hiệu quả làm chủ công nghệ gia công vật liệu composite tiên tiến trong ngành kỹ thuật chế tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MECHANICAL AND MANUFACTURE ENGINEERING INVESTIGATE MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE COMPOSITE ENHANCED WITH ZNO NANOPARTICLES IN INJECTION MOLDING LECTURER: Ph. D NGUYEN VAN THUC STUDENT: NGUYEN HOANG THANH LONG DO CAO ANH KHOA NGUYEN QUOC NAM SKL012664 Ho Chi Minh City, March 2024 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING *********** GRADUATION THESIS INVESTIGATE MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE COMPOSITE ENHANCED WITH ZNO NANOPARTICLES IN INJECTION MOLDING Supervisor: Ph. D NGUYEN VAN THUC Student’s name: STUDENT’ ID: 19144059 NGUYEN HOANG THANH LONG STUDENT’ ID: 19143085 DO CAO ANH KHOA STUDENT’ ID: 19143062 NGUYEN QUOC NAM Academic year: 2019 – 2024 Ho Chi Minh city, March 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERCITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING _______________________ GRADUATION THESIS INVESTIGATE MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE COMPOSITE ENHANCED WITH ZNO NANOPARTICLES IN INJECTION MOLDING Supervisor: Ph.D NGUYEN VAN THUC Student’s name: NGUYEN HOANG THANH LONG STUDENT’ ID: 19144059 DO CAO ANH KHOA STUDENT’ ID: 19143085 NGUYEN QUOC NAM STUDENT’ ID: 19143062 Academic year: 2019 – 2023 Ho Chi Minh city, March 2024 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HIGH QUALITY TRAINING FACULTY Independence - Freedom - Happiness GRADUATION PROJECT TASKS Semester I/School year 2023 Instructor: Ph.D Nguyen Van Thuc Student: Nguyen Hoang Thanh Long STUDENT’ ID: 19144059 Contact: 0778634915 Do Cao Anh Khoa STUDENT’ ID: 19143085 Contact: 0939407131 Nguyen Quoc Nam STUDENT’ ID: 19143062 Contact: 0358062204 1. Project ID number: CTM-52 -Topic name: EXAMINING MATERIALS AFFECT THE DURABILITY OF COMPOSITE PRODUCTS USING INJECTION MOLDING TECHNOLOGY 2.

Initial Figures and documents: 3. Main contents of the project: - Learn the theory of composite materials. - Learn about injection molding parameters. - Create injection molding patterns.

- Collect and analyze results. Expected products: Demonstrate the process of creating composite samples, endurance results, analysis report and experimental sample. Project delivery date: /03/2024 6. Date of submission of the project: 15/07/2023 7.

Presentation Language: The report: English  Vietnamese  Protection presentation: English  Vietnamese  DEAN OF FACULTY DEAN OF MAJOR INSTRUCTOR (Sign, specify full name) (Sign, specify full name) (Sign, specify full name)  Permitted to present the research project: …………………. (Instructor sign, specify full name) Topic name: EXAMINING MATERIALS AFFECT THE DURABILITY OF COMPOSITE PRODUCTS USING INJECTION MOLDING TECHNOLOGY Instructor: Ph.D Nguyen Van Thuc Student name: Nguyen Hoang Thanh Long STUDENT’ ID: 19144059 Contact: 0778634915 Address: Alley 17/78 Nguyen Ai Quoc Street, Tan Phong Ward, Dong Nai.vn Do Cao Anh Khoa STUDENT’ ID: 19143085 Contact: 0939407131 Address: Alley 297/14/12, Street Phan Huy Ich, Ward 14, Go Vap, Ho Chi Minh.vn Nguyen Quoc Nam STUDENT’ ID: 19143062 Contact: 0358062204 Address: Alley 621/39/8, Hiep Thanh ward, district 12, Ho Chi Minh.vn Class: 19143CLA2, 19143CLA3, 19144CLA1. Thesis submission date: __/03/2024. Commitment: “We promise this is an article that we researched.

We do not copy or arbitrarily use materials, quotes, or articles without citing the source. If there is a violation, we will take all responsibility.” Ho Chi Minh City, __March 2024 Signature SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ******* Ho Chi Minh city, day month year FINAL GRADUATION THESIS MISSION Student’s name: Nguyen Hoang Thanh Long Student’ ID: 1914459 Major: Mechanical Engineering Class: 19144CLA1 Student’s name: Do Cao Anh Khoa Student’ ID: 19143085 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA3 Student’s name: Nguyen Quoc Nam Student’ ID: 19143062 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA2 Supervisor: Nguyen Van Thuc Contacts: Project receive day: 1/10/2023 Project turn in day: 1. Project name: Examining materials affect the durability of composite products using injection molding technology. Input data: Test model: According to plastic tensile/flexural strength standards.

Materials: Plastic-based composite and ZnO. Modeling method: Plastic injection molding. Project description: Overview of injection molding technology of composite materials. Overview of ZnO materials.

Fabrication of test samples. Test and analyze durability results. Product: DEAN OF MAJOR SUPERVISOR Faculty of high quality–Ho Chi Minh City University of Technology and education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ******* Ho Chi Minh city, day month year TEACHER REVIEW FORM Student’s name: Nguyen Hoang Thanh Long Student’ ID: 1914459 Major: Mechanical Engineering Class: 19144CLA1 Student’s name: Do Cao Anh Khoa Student’ ID: 19143085 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA3 Student’s name: Nguyen Quoc Nam Student’ ID: 19143062 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA2 Thesis advisor: Comment 1. Project description and amount of works:.

Ho Chi Minh city, day month year Supervisor (Sign and name) Faculty of high quality–Ho Chi Minh City University of Technology and education THANK YOU In order to enable our team to successfully complete our graduation project to the best of our ability, I would like to express my profound gratitude and admiration to Ph. Nguyen Van Thuc, Professor Pham Son Minh and Ph. Tran Minh The Uyen. Their support and direction have been priceless.

Nguyen Van Thuc, your knowledge and guidance have been invaluable to the accomplishment of our project. We've been pushed and motivated to do our best by your extensive expertise, perceptive criticism, and unrelenting dedication to our growth. Your time and work in guaranteeing the quality of our project is really appreciated. We are incredibly grateful to Professor Pham Son Minh and Ph.

Tran Minh The Uyen for your insightful comments, helpful critiques, facilities providing and words of support along the way. Your knowledge and varied viewpoints have enhanced our work and increased our comprehension of the issue. We are inspired to push limits and pursue excellence by your unwavering support and faith in our abilities. We feel privileged and humbled to have had the chance to work under your direction and oversight.

Your passion, devotion, and hard work toward our academic advancement have had a profound effect on our professional development. Additionally, we would like to thank the entire faculty for giving us the tools and a supportive environment that allowed us to complete our project successfully. Your steadfast assistance and dedication to promoting our academic development have been priceless. We want to thank Ph.

Nguyen Van Thuc and all of the faculty committee professors once more for their tremendous help and encouragement along the way. We sincerely appreciate your conviction in our talents and the chance to learn from your experience. We are now better people as a result of your advice, and we are more equipped to tackle our future goals. We would like to thank teachers Pham Son Minh and Tran Minh The Uyen for supporting our group in using the machines as well as giving them dedicated guidance during the graduation project process.

SUMMARY TOPIC NAME INVESTIGATE MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE COMPOSITE ENHANCED WITH ZNO NANOPARTICLES IN INJECTION MOLDING This graduation project aims to verify the durability of HDPE plastic and nano ZnO composites. The injection molding process will be performed to obtain plastic samples with thickness and shape characteristics, in preparation for further testing. Once plastic samples are obtained, they undergo tensile and flexural testing to evaluate their strength. Tensile testing applies standard tensile forces to plastic samples and records parameters such as maximum force, elongation, and tensile elastic modulus.

By comparing test results between cases of HDPE plastic with different percentages, we can evaluate and compare the effect of nano ZnO on the durability and mechanical properties of plastic. After completing tensile and flexural testing, the samples will be subjected to scanning electron microscopy (SEM) to study their surface characteristics. SEM allows imaging of sample surfaces with high magnification, providing detailed information about the structure and shape of the plastic. By analyzing SEM images, we can observe and evaluate the nano ZnO distribution in the HDPE plastic sample and the difference compared to the original HDPE plastic.

After that, DSC for thermal analysis apparatus measures how the physical properties of a sample change, along with temperature against time. The device is a thermal analysis instrument that determines the temperature and heat flow associated with material transitions as a function of time and temperature. The results obtained will include statistical analysis data, charts, and related visual documents. For example, they will include test parameters for tensile-flexural strength, tensile-flexural stress, and deformation.

Schematic diagram, tensile test results. Finally, use Taguchi to analyze the results. Tensile test parameters will include maximum force, elongation, and hardness is an essential indicator of the mechanical properties of HDPE plastic. These parameters will help evaluate the strength and performance of the sample and allow comparison between HDPE with and without additive.

Stress-strain diagrams will illustrate the behavior of materials to which force is applied, providing insight into their characteristic elasticity, ductility, and deformation. BẢN TÓM TẮT TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ZNO ĐẾN ĐỘ BỀN SẢN PHẨM PHUN ÉP COMPOSITE Đồ án tốt nghiệp này nhằm mục đích kiểm chứng độ bền của nhựa HDPE và vật liệu composite nano ZnO. Quá trình ép phun sẽ được thực hiện để thu được các mẫu nhựa có kích thước và hình dạng đặc trưng, để chuẩn bị cho các thử nghiệm tiếp theo. Sau khi lấy được mẫu nhựa, chúng sẽ trải qua thử nghiệm độ bền kéo và uốn để đánh giá độ bền của chúng.

Kiểm tra độ bền kéo áp dụng lực kéo tiêu chuẩn cho các mẫu nhựa và ghi lại các thông số như lực tối đa, độ giãn dài và độ bền kéo. Bằng cách so sánh kết quả thử nghiệm giữa các trường hợp nhựa HDPE với tỷ lệ phần trăm khác nhau, chúng ta có thể đánh giá, so sánh ảnh hưởng của nano ZnO đến độ bền và tính chất cơ học của nhựa. Sau khi hoàn thành quá trình kiểm tra độ bền kéo và uốn, các mẫu sẽ được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu đặc điểm bề mặt của chúng. SEM cho phép chụp ảnh bề mặt mẫu với độ phóng đại cao, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và hình dạng của nhựa.

Bằng cách phân tích ảnh SEM, chúng ta có thể quan sát, đánh giá được sự phân bố ZnO nano trong mẫu nhựa HDPE và sự khác biệt so với nhựa HDPE nguyên bản. Sau đó, DSC dành cho thiết bị phân tích nhiệt đo lường mức độ thay đổi các tính chất vật lý của mẫu, cùng với nhiệt độ theo thời gian. Thiết bị này là một công cụ phân tích nhiệt xác định nhiệt độ và dòng nhiệt liên quan đến quá trình chuyển đổi vật liệu dưới dạng hàm của thời gian và nhiệt độ. Kết quả thu được sẽ bao gồm số liệu phân tích thống kê, biểu đồ và các tài liệu trực quan liên quan.

Ví dụ, chúng sẽ bao gồm các thông số kiểm tra độ bền kéo-uốn, ứng suất kéo-uốn độ giãn dài và biến dạng. Cuối cùng sử dụng Taguchi để phân tích kết quả. Các thông số này sẽ giúp đánh giá độ bền và tính năng của mẫu và cho phép so sánh giữa HDPE có và không có phụ gia. Biểu đồ ứng suất-biến dạng sẽ minh họa hành vi của vật liệu chịu tác dụng của lực, cung cấp cái nhìn sâu sắc về độ đàn hồi, độ dẻo và biến dạng đặc trưng của chúng.

Table of Contents CHAPTER 1: INTRODUCTION .1 Overview of research in HDPE .2 Reason to choosing the topic. 5 CHAPTER 2: OVERVIEW OF RESEARCH TOPIC .1 Introduction of HDPE (Polyethylene High-Density) .1 Define of HDPE. Physical properties of HDPE. Chemical properties of HDPE.

Application of HDPE .2 Overview of nanoparticles. The structure of Zinc Oxide. Properties and applications of ZnO NPs / HDPE composite. Technical tested Figure of ZnO NPs / HDPE composite .1 Microhardness values for HDPE/nano-ZnO composite .5 Overview of injection molding technology.

Injection molding machine.3 Plastic Injection Molding process .4 Injection molding parameters .5 Injection Molding Machine Haitian III.