Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu composite từ nhựa PEKN và sợi tre

Nghiên cứu tính hất của vật liệu composite từ nhựa pekn gia ường kết hợp sợi thuỷ tinh và mat tre qua phương pháp RTM và hút chân không.

• Tác giả: Phạm Gia Huấn
• Người hướng dẫn: GS. Trần Vĩnh Diệu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Polyme - Compozit
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Cơ Học Của Vật Liệu Composite Từ Nhựa PEKN Và Sợi Tre
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• Phần I. TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu compozit
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Khái niệm về vật liệu polyme compozit
• 1.4. Các phương pháp gia công vật liệu PC
• 1.5. Các nguyên liệu chính sử dụng trong vật liệu polyme compozit
• 1.5.1. Sợi gia cường
• 1.6. Các phương pháp gia công vật liệu compozit được nghiên cứu
• 1.6.1. Phương pháp bơm nhựa vào khuôn (Resin Transfer Molding - RTM)
• 1.6.2. Phương pháp hót chân không (Vacuum Technique - VT)
• Phần II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết bị và nguyên liệu đầu
• 2.2. Các phương pháp chế tạo mẫu
• 2.2.1. Làm mẫu thử theo phương pháp RTM
• 2.2.2. Làm mẫu thử theo phương pháp VIM
• 2.2.3. Làm mẫu thử theo phương pháp VIB
• 2.2.4. Làm mẫu thử theo phương pháp VAT
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của nguyên vật liệu
• 2.3.1. Phương pháp xác định tổ trạng vật liệu polyme compozit
• 2.3.2. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý vật liệu polyme compozit
• Phần III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát mẫu theo phương pháp RTM
• 3.2. Khảo sát mẫu theo phương pháp hót chân không
• 3.3. Nghiên cứu bề trí đường hót chân không cho phương pháp VIM
• 3.4. Khảo sát tác động của lớp dán nhựa
• 3.5. Khảo sát phương pháp VIB, VAT
• 3.6. Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cường bằng sợi thuỷ tinh
• 3.7. Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu gia cường bằng sợi tre
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Composite Nhựa PEKN Sợi Tre Giới Thiệu

Vật liệu composite đã trở nên quen thuộc, tuy nhiên, ứng dụng vật liệu composite nhựa PEKN gia cường bằng sợi tre còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác. Vật liệu composite sinh học này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như nhẹ, bền, dễ gia công, và tính chuyên dụng cao, dần thay thế vật liệu truyền thống. Sau hơn 30 năm phát triển, ngành công nghiệp vật liệu composite Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể. Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Đại học Bách Khoa Hà Nội, là đơn vị tiên phong trong ứng dụng công nghệ mới vào sản xuất. Phạm Gia Huân (2007) nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hoàn thiện quy trình công nghệ để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu composite. Bài viết này sẽ đi sâu vào tính chất cơ học vật liệu composite từ nhựa PEKN và sợi tre.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Vật Liệu Composite Truyền Thống

Vật liệu composite đã được sử dụng từ xa xưa, ví dụ như nhà tranh vách đất. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite một cách khoa học chỉ mới bắt đầu vào đầu thế kỷ 20. Năm 1938, composite nền polyeste gia cường sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng trong hàng không. Đến năm 1950, sự ra đời của nhựa epoxy và các loại sợi gia cường mới như sợi carbon, aramid đã mở ra một kỷ nguyên mới cho vật liệu composite. Từ đó, vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

1.2. Định Nghĩa và Phân Loại Vật Liệu Composite PEKN Sợi Tre

Vật liệu composite là hệ thống gồm hai hay nhiều pha khác nhau về bản chất, không hòa tan vào nhau và phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha. Trong đó, pha liên tục gọi là pha nền (nhựa PEKN), pha phân bố gián đoạn được bao bọc bởi pha nền gọi là pha gia cường (sợi tre). Sợi tre được kết hợp để tạo nên vật liệu composite mang những tính chất ưu việt hơn so với các thành phần riêng lẻ. Vật liệu composite được phân loại theo pha nền (nhựa nhiệt rắn/nhiệt dẻo) hoặc theo pha gia cường (dạng phân tán, sợi ngắn, sợi liên tục).

II. Thách Thức và Yêu Cầu Tính Chất Cơ Học Composite PEKN

Tuy vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn những thách thức cần giải quyết. Việc tối ưu hóa tỉ lệ pha trộn vật liệu composite là yếu tố then chốt để đạt được độ bền vật liệu composite mong muốn. Đồng thời, cần nghiên cứu các phương pháp xử lý bề mặt sợi tre để tăng cường khả năng bám dính giữa sợi tre và nhựa PEKN. Giá thành vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh trên thị trường. Việc nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất cơ học vật liệu composite, đặc biệt là khả năng chịu lực vật liệu composite, là vô cùng cần thiết.

2.1. Ảnh Hưởng Tỷ Lệ Pha Trộn Đến Độ Bền Composite PEKN Sợi Tre

Tỷ lệ pha trộn giữa nhựa PEKN và sợi tre có ảnh hưởng lớn đến độ bền vật liệu composite. Tỷ lệ sợi tre quá cao có thể dẫn đến khó khăn trong quá trình gia công và làm giảm độ cứng vật liệu composite. Ngược lại, tỷ lệ nhựa PEKN quá cao có thể làm giảm độ bền kéo vật liệu composite. Vì vậy, việc tìm ra tỷ lệ pha trộn tối ưu là rất quan trọng.

2.2. Tăng Cường Độ Bám Dính Sợi Tre và Nhựa PEKN

Độ bám dính giữa sợi tre và nhựa PEKN là yếu tố quyết định tính chất cơ học vật liệu composite. Bề mặt sợi tre thường không đồng nhất và có chứa các tạp chất, làm giảm khả năng bám dính với nhựa. Các phương pháp xử lý bề mặt sợi tre như xử lý hóa học, xử lý nhiệt có thể giúp cải thiện độ bám dính và tăng cường độ bền vật liệu composite.

2.3. Kiểm soát và tối ưu Giá Thành Vật Liệu Composite PEKN Sợi Tre

Để vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre cạnh tranh được trên thị trường, cần kiểm soát và tối ưu giá thành vật liệu composite. Giá thành phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giá nguyên liệu, chi phí gia công, chi phí năng lượng. Sử dụng các nguồn sợi tre địa phương, tối ưu hóa quy trình sản xuất có thể giúp giảm giá thành vật liệu composite.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Cơ Học Vật Liệu Composite

Nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu composite từ nhựa PEKN và sợi tre đòi hỏi phương pháp tiếp cận khoa học. Các phương pháp thử nghiệm cơ học như thử kéo, thử nén, thử uốn, thử va đập được sử dụng để đánh giá độ bền vật liệu composite, độ cứng vật liệu composite và khả năng chịu lực vật liệu composite. Ngoài ra, phân tích ứng suất biến dạng vật liệu composite cũng là một công cụ quan trọng để hiểu rõ cơ chế phá hủy của vật liệu. Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme trang bị đầy đủ các thiết bị thí nghiệm hiện đại phục vụ cho công tác nghiên cứu.

3.1. Thử Nghiệm Độ Bền Kéo Nén Uốn Vật Liệu Composite PEKN

Các thử nghiệm độ bền kéo, nén, uốn được thực hiện theo các tiêu chuẩn thử nghiệm vật liệu composite quốc tế. Các mẫu thử được chuẩn bị theo hình dạng và kích thước quy định. Kết quả thử nghiệm cho phép xác định các thông số quan trọng như giới hạn bền kéo, giới hạn bền nén, mô đun đàn hồi và độ dãn dài.

3.2. Thử Nghiệm Va Đập Đánh Giá Khả Năng Chịu Lực Vật Liệu Composite

Thử nghiệm va đập được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực tác động đột ngột của vật liệu composite. Các mẫu thử được đặt trong máy thử va đập và chịu tác động của một vật nặng rơi từ độ cao nhất định. Năng lượng hấp thụ trong quá trình va đập được ghi lại và sử dụng để đánh giá độ bền va đập.

3.3. Phân Tích Ứng Suất Biến Dạng Mô Phỏng Vật Liệu Composite

Phân tích ứng suất biến dạng vật liệu composite là một phương pháp quan trọng để hiểu rõ cơ chế làm việc và phá hủy của vật liệu. Sử dụng các phần mềm mô phỏng vật liệu composite, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán ứng suất vật liệu composite, biến dạng vật liệu composite và khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.

IV. Quy Trình Chế Tạo Vật Liệu Composite Nhựa PEKN Sợi Tre RTM

Quy trình chế tạo vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre bằng phương pháp RTM (Resin Transfer Molding) là một giải pháp hiệu quả. Phương pháp RTM cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp và độ chính xác cao. Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme đã đầu tư hệ thống thiết bị RTM hiện đại, cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số kỹ thuật trong quá trình sản xuất. Theo Phạm Gia Huân (2007), việc làm chủ công nghệ RTM là một bước tiến quan trọng trong phát triển vật liệu composite ở Việt Nam.

4.1. Chuẩn Bị Khuôn và Sợi Tre Gia Cường Trong Phương Pháp RTM

Khuôn RTM cần được thiết kế chính xác và có độ kín khít cao. Sợi tre được cắt và định hình theo yêu cầu, sau đó được đặt vào khuôn. Việc bố trí sợi tre trong khuôn ảnh hưởng đến tính chất cơ học vật liệu composite cuối cùng.

4.2. Bơm Nhựa PEKN Vào Khuôn và Quá Trình Đóng Rắn

Nhựa PEKN và chất xúc tác được trộn đều và bơm vào khuôn dưới áp suất. Quá trình bơm nhựa cần được kiểm soát để đảm bảo nhựa thấm đều vào sợi tre. Sau khi bơm đầy khuôn, nhựa được giữ ở nhiệt độ thích hợp để đóng rắn.

4.3. Hoàn Thiện Sản Phẩm và Kiểm Tra Chất Lượng Vật Liệu

Sau khi nhựa đóng rắn, sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn và gia công hoàn thiện. Kiểm tra chất lượng sản phẩm được thực hiện để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Các phương pháp kiểm tra bao gồm kiểm tra kích thước, kiểm tra khuyết tật và kiểm tra tính chất cơ học.

V. Ứng Dụng Thực Tế Vật Liệu Composite PEKN Sợi Tre Tiềm Năng

Ứng dụng vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre rất đa dạng và tiềm năng. Vật liệu composite thân thiện môi trường này có thể được sử dụng trong sản xuất đồ nội thất, vật liệu xây dựng, vỏ tàu thuyền và nhiều lĩnh vực khác. Việc sử dụng sợi tre làm vật liệu gia cường giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các vật liệu tổng hợp và góp phần bảo vệ môi trường. Theo nhiều nghiên cứu, vật liệu composite tre có tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống.

5.1. Ứng Dụng Vật Liệu Composite PEKN Sợi Tre Trong Xây Dựng

Vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre có thể được sử dụng để sản xuất các tấm vách ngăn, tấm lợp, cửa và các cấu kiện xây dựng khác. Ưu điểm của vật liệu composite so với các vật liệu truyền thống là nhẹ, bền, chịu nước và chống mối mọt.

5.2. Sản Xuất Đồ Nội Thất Từ Vật Liệu Composite Sợi Tre PEKN

Vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre có thể được sử dụng để sản xuất bàn, ghế, tủ và các đồ nội thất khác. Vật liệu composite tre mang lại vẻ đẹp tự nhiên và độ bền cao cho sản phẩm.

5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Giao Thông Vận Tải Vỏ Tàu Thuyền

Vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre có thể được sử dụng để sản xuất vỏ tàu thuyền. Vật liệu composite nhẹ giúp giảm trọng lượng của tàu thuyền, tiết kiệm nhiên liệu và tăng tốc độ di chuyển. Ngoài ra, vật liệu composite còn có khả năng chống ăn mòn tốt, giúp kéo dài tuổi thọ của tàu thuyền.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Composite Sợi Tre

Nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu composite từ nhựa PEKN và sợi tre mở ra nhiều triển vọng ứng dụng. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia cường vật liệu composite, tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu composite và mở rộng ứng dụng vật liệu composite nhựa PEKN sợi tre sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu composite Việt Nam. Cần chú trọng đến việc phát triển các vật liệu composite thân thiện môi trường và bền vững.

6.1. Nghiên Cứu Sâu Hơn Về Ảnh Hưởng Của Sợi Tre Đến Tính Chất Cơ Học

Cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của sợi tre đến tính chất cơ học vật liệu composite. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm loại sợi tre, kích thước sợi tre, phương pháp xử lý bề mặt sợi tre và tỷ lệ pha trộn.

6.2. Phát Triển Các Phương Pháp Gia Cường Vật Liệu Composite Mới

Cần phát triển các phương pháp gia cường vật liệu composite mới để nâng cao độ bền vật liệu composite, độ cứng vật liệu composite và khả năng chịu lực vật liệu composite. Các phương pháp gia cường có thể bao gồm sử dụng các loại sợi gia cường khác nhau, sử dụng các chất phụ gia và áp dụng các quy trình gia công tiên tiến.

6.3. Hướng Tới Vật Liệu Composite Thân Thiện Môi Trường Bền Vững

Việc phát triển các vật liệu composite thân thiện môi trường và bền vững là một xu hướng tất yếu. Sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất và tăng cường khả năng tái chế của vật liệu composite là những giải pháp quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vật liệu, vật liệu compozit ngày càng đóng vai trò quan trọng với khả năng kết hợp ưu điểm của nhiều thành phần khác nhau, tạo ra sản phẩm có tính năng vượt trội. Theo ước tính, sau hơn 30 năm phát triển, ngành sản xuất vật liệu compozit trong nước đã tăng trưởng mạnh mẽ về sản lượng và chất lượng, đặc biệt trong các lĩnh vực hàng không, ô tô, đóng tàu và xây dựng. Tuy nhiên, việc hoàn thiện quy trình sản xuất vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyeste không no (PEKN) gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi tre vẫn còn nhiều thách thức.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu compozit dựa trên nhựa PEKN gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi tre, được chế tạo theo phương pháp Resin Transfer Molding (RTM) kết hợp với kỹ thuật hút chân không. Mục tiêu cụ thể là thiết kế khuôn thí nghiệm, tạo mẫu sản phẩm, khảo sát và đánh giá các tính chất cơ học của vật liệu compozit, đồng thời so sánh hiệu quả của các phương pháp chế tạo khác nhau. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2005-2007 tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần hoàn thiện quy trình công nghệ hiện đại trong sản xuất vật liệu compozit, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu chi phí và ô nhiễm môi trường. Các chỉ số đánh giá như độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và mô đun đàn hồi được sử dụng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả của vật liệu và quy trình sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu compozit, đặc biệt là:

• Lý thuyết pha liên tục và pha rắn: Vật liệu compozit được cấu thành từ pha nền (nhựa PEKN) và pha gia cường (sợi thủy tinh, sợi tre), không hòa tan lẫn nhau, tạo thành hệ thống phân tách pha rõ ràng. Tính chất cơ học của vật liệu phụ thuộc vào sự tương tác giữa các pha này.

• Mô hình cơ học vật liệu compozit: Bao gồm các khái niệm về mô đun đàn hồi, độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập, ảnh hưởng của hàm lượng và loại sợi gia cường đến tính chất cơ học.

• Phương pháp gia công vật liệu compozit: Tập trung vào phương pháp Resin Transfer Molding (RTM) và kỹ thuật hút chân không (Vacuum Technique - VT), bao gồm các biến thể như Vacuum Infusion Molding (VIM), Vacuum Infusion Bagging (VIB), và Vacuum Assisted Technique (VAT).

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: nhựa polyeste không no (PEKN), sợi thủy tinh E-glass, sợi tre ligno-xenlulo, gelcoat, áp suất hút chân không, hàm lượng sợi gia cường, và các chỉ tiêu cơ học tiêu biểu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu vật liệu compozit được chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, sử dụng máy RTM Pro của hãng PlastechTM Machinery (Anh) và thiết bị hút chân không Marvag Scientific Mfg. (Đức).

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế và chế tạo khuôn mẫu theo kích thước tiêu chuẩn, đảm bảo độ kín khí và khả năng chịu áp lực trong quá trình bơm nhựa.

• Tạo mẫu vật liệu compozit bằng phương pháp RTM kết hợp hút chân không, sử dụng nhựa PEKN không no, sợi thủy tinh E-glass loại 300 g/m2 và sợi tre đã qua xử lý bề mặt.

• Đo đạc các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập, mô đun đàn hồi bằng các thiết bị thử nghiệm tiêu chuẩn.

• Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 24 tháng, từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, thiết kế khuôn, tạo mẫu đến phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm khoảng 30 mẫu vật liệu với các tỷ lệ sợi thủy tinh và sợi tre khác nhau, được lựa chọn ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo đến tính chất cơ học: Mẫu vật liệu compozit chế tạo bằng phương pháp RTM kết hợp hút chân không (VIM, VIB) có độ bền kéo trung bình tăng khoảng 15% so với phương pháp RTM truyền thống. Độ bền uốn và độ bền va đập cũng được cải thiện lần lượt 12% và 18%.

2. Tỷ lệ sợi gia cường và tính chất cơ học: Khi hàm lượng sợi thủy tinh đạt khoảng 70-75% khối lượng, vật liệu đạt mô đun đàn hồi cao nhất, khoảng 73,9 GPa đối với sợi thủy tinh E-glass. Sợi tre với hàm lượng xenlulo 46-48% góp phần tăng độ bền va đập lên đến 63,5 KJ/m2, cao hơn 20% so với mẫu chỉ sử dụng sợi thủy tinh.

3. Ảnh hưởng của xử lý bề mặt sợi tre: Sử dụng phương pháp xử lý bề mặt bằng kiềm giúp tăng khả năng bám dính giữa sợi tre và nhựa PEKN, làm tăng độ bền kéo của vật liệu lên khoảng 10% so với sợi tre chưa xử lý.

4. So sánh giữa các loại nhựa nền: Nhựa PEKN không no cho khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học tốt hơn so với nhựa epoxy trong điều kiện thử nghiệm, với độ nhớt khoảng 925 Cp và tỷ lệ styren 42% khối lượng, phù hợp cho quá trình bơm nhựa trong khuôn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp RTM kết hợp hút chân không giúp giảm thiểu lượng nhựa thừa, tăng độ đồng nhất của vật liệu, từ đó nâng cao tính chất cơ học. Điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong ngành vật liệu compozit, khẳng định ưu điểm của kỹ thuật hút chân không trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.

Hàm lượng sợi thủy tinh và sợi tre là yếu tố quyết định đến tính chất cơ học của vật liệu. Sợi thủy tinh E-glass với mô đun Young lên đến 73,9 GPa và độ bền kéo cao giúp tăng cường độ cứng và khả năng chịu lực. Trong khi đó, sợi tre với cấu trúc ligno-xenlulo tự nhiên, có độ bền va đập cao và khả năng hấp thụ năng lượng tốt, góp phần làm vật liệu dẻo dai hơn.

Việc xử lý bề mặt sợi tre bằng kiềm làm tăng khả năng liên kết với nhựa nền, giảm hiện tượng bong tróc và tăng độ bền kéo, phù hợp với các nghiên cứu về vật liệu compozit sinh học. So sánh giữa nhựa PEKN và epoxy cho thấy PEKN có ưu thế về độ nhớt và khả năng chịu nhiệt, thuận lợi cho quá trình sản xuất RTM.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập giữa các mẫu chế tạo bằng các phương pháp khác nhau, cũng như bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ học của vật liệu gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi tre.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình RTM kết hợp hút chân không: Đề nghị các đơn vị sản xuất áp dụng kỹ thuật hút chân không trong quy trình RTM nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng nhựa thừa và tăng năng suất. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do bộ phận kỹ thuật và sản xuất chịu trách nhiệm.

2. Phát triển vật liệu compozit sinh học: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng sợi tre đã qua xử lý bề mặt làm vật liệu gia cường thay thế một phần sợi thủy tinh, nhằm giảm chi phí và tăng tính thân thiện môi trường. Thời gian triển khai dự kiến 18 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

3. Đào tạo nhân lực kỹ thuật cao: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ RTM và kỹ thuật hút chân không cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành máy móc, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn. Thời gian đào tạo 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo thực hiện.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu compozit: Khuyến nghị mở rộng nghiên cứu ứng dụng vật liệu compozit PEKN gia cường sợi thủy tinh và sợi tre trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không và xây dựng, nhằm tận dụng tối đa tính năng ưu việt của vật liệu. Thời gian nghiên cứu 24 tháng, do các viện nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu compozit, phương pháp chế tạo RTM và kỹ thuật hút chân không, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit: Thông tin về quy trình sản xuất, thiết bị và nguyên liệu giúp doanh nghiệp cải tiến công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

3. Các kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm: Hiểu rõ về tính chất cơ học và ảnh hưởng của các yếu tố gia cường giúp thiết kế sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển ngành vật liệu compozit, thúc đẩy đổi mới công nghệ và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp RTM kết hợp hút chân không có ưu điểm gì so với RTM truyền thống?
   Phương pháp này giúp giảm lượng nhựa thừa, tăng độ đồng nhất vật liệu, nâng cao tính chất cơ học và giảm ô nhiễm môi trường. Ví dụ, độ bền kéo tăng khoảng 15% so với RTM truyền thống.

2. Tại sao sử dụng sợi tre trong vật liệu compozit?
   Sợi tre có cấu trúc ligno-xenlulo tự nhiên, nhẹ, bền và thân thiện môi trường. Khi xử lý bề mặt bằng kiềm, sợi tre tăng khả năng bám dính với nhựa, cải thiện tính cơ học của vật liệu.

3. Nhựa PEKN có đặc điểm gì nổi bật trong sản xuất compozit?
   PEKN có độ nhớt khoảng 925 Cp, tỷ lệ styren 42%, chịu nhiệt tốt và có khả năng gel hóa phù hợp với quy trình RTM, giúp tạo sản phẩm có độ bền cao và ổn định.

4. Làm thế nào để tối ưu hàm lượng sợi gia cường trong vật liệu?
   Nghiên cứu cho thấy hàm lượng sợi thủy tinh khoảng 70-75% khối lượng đạt mô đun đàn hồi cao nhất, kết hợp với sợi tre giúp cân bằng độ cứng và độ dẻo dai.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm compozit là gì?
   Bao gồm loại và hàm lượng nhựa, loại sợi gia cường, xử lý bề mặt sợi, áp suất hút chân không, kích thước khuôn mẫu và quy trình gia công. Kiểm soát tốt các yếu tố này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công khuôn mẫu thí nghiệm cho phương pháp RTM kết hợp hút chân không, tạo ra các mẫu vật liệu compozit PEKN gia cường sợi thủy tinh và sợi tre với tính chất cơ học vượt trội.
• Phương pháp RTM kết hợp hút chân không giúp tăng độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu so với RTM truyền thống, đồng thời giảm lượng nhựa thừa và ô nhiễm môi trường.
• Sợi tre sau xử lý bề mặt bằng kiềm cải thiện đáng kể khả năng liên kết với nhựa, góp phần nâng cao tính cơ học của vật liệu compozit.
• Nhựa PEKN không no là lựa chọn phù hợp cho quy trình RTM nhờ đặc tính nhớt và khả năng chịu nhiệt tốt.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển công nghệ sản xuất vật liệu compozit nhằm nâng cao năng lực sản xuất và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Tiếp theo, cần triển khai các đề xuất về tối ưu quy trình, đào tạo nhân lực và nghiên cứu ứng dụng mở rộng để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất. Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu này nhằm phát triển ngành vật liệu compozit trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o trêng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi --------------------------------------- luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa pekn gia cêng b»ng sîi thuû tinh vµ mat tre chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p rtm vµ hót ch©n kh«ng ngµnh : c«ng nghÖ ho¸ häc chuyªn ngµnh: C«ng nghÖ vËt liÖu polyme - compozit8 Ph¹m gia hu©n Ç Hµ Néi 2007 17061131787071000000 -1- Lêi c¶m ¬n Xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy gi¸o, GS. TrÇn VÜnh DiÖu, ngêi ®· híng dÉn tËn t×nh, chu ®¸o vµ nghiªm kh¾c ®Ó luËn v¨n nµy ®îc thµnh c«ng tèt ®Ñp. Bïi Ch¬ng vµ toµn thÓ Ban Gi¸m ®èc Trung t©m Nghiªn cøu vËt liÖu polyme ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn tèt nhÊt ®Ó viÖc nghiªn cøu luËn v¨n nµy ®îc diÔn ra thuËn lîi. Xin c¶m ¬n tÊt c¶ c¸c ®ång nghiÖp cña t«i t¹i Trung t©m Nghiªn cøu vËt liÖu polyme, nh÷ng ngêi ®· chia sÎ cïng t«i nh÷ng khã kh¨n, tËn t×nh gióp ®ì t«i trong nh÷ng ngµy qua.

C¶m ¬n vî vµ c¸c con t«i, nguån ®éng viªn tinh thÇn lín nhÊt cña t«i trong mäi thêi ®iÓm cña cuéc sèng. Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -2- Lêi cam ®oan T«i, Ph¹m Gia Hu©n, lµ c¸n bé nghiªn cøu t¹i Trung t©m Nghiªn cøu vËt liÖu polyme, Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi, lµ häc viªn líp Cao häc chuyªn ngµnh C«ng nghÖ VËt liÖu Ho¸ häc, kho¸ 2005 - 2007 xin cam ®oan bµi luËn v¨n nµy lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña chÝnh t«i vµ xin chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ toµn bé nh÷ng kÕt qu¶, sè liÖu nghiªn cøu ®a ra trong nµy. Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -3- Môc lôc Lêi c¶m ¬n. 1 Lêi cam ®oan.

3 danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t. 5 danh môc c¸c B¶ng biÓu. 6 danh môc video vµ ¶nh ®éng. 6 danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ®å thÞ.

8 PhÇn I: Tæng quan. Giíi thiÖu chung vÒ vËt liÖu compozit. LÞch sö ph¸t triÓn. Kh¸i niÖm vÒ vËt liÖu polyme compozit.

C¸c ph¬ng ph¸p gia c«ng vËt liÖu PC. C¸c nguyªn liÖu chÝnh sö dông trong vËt liÖu polyme compozit. Sîi gia cêng. C¸c ph¬ng ph¸p gia c«ng vËt liÖu compozit ®îc nghiªn cøu.

Ph¬ng ph¸p b¬m nhùa vµo khu«n (Resin Transfer Molding - RTM). Ph¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng (Vacuum Technique - VT). 34 PhÇn II: C¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu. ThiÕt bÞ vµ nguyªn liÖu ®Çu.

C¸c ph¬ng ph¸p chÕ t¹o mÉu. Lµm mÉu thö theo ph¬ng ph¸p RTM. Lµm mÉu thö theo ph¬ng ph¸p VIM. Lµm mÉu thö theo ph¬ng ph¸p VIB.

Lµm mÉu thö theo ph¬ng ph¸p VAT. C¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu tÝnh chÊt cña nguyªn vËt liÖu .1 Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tû träng vËt liÖu polyme compozit. C¸c ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ lý vËt liÖu polyme compozit. 52 PhÇn III: KÕt qu¶ vµ th¶o luËn.

Kh¶o s¸t mÉu theo ph¬ng ph¸p RTM. Kh¶o s¸t mÉu theo ph¬ng ph¸p hót ch©n kh«ng. 57 Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -4- 3. Nghiªn cøu bè trÝ ®êng hót ch©n kh«ng cho ph¬ng ph¸p VIM.

Kh¶o s¸t t¸c dông cña líp dÉn nhùa. Kh¶o s¸t ph¬ng ph¸p VIB, VAT. Kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu kü thuËt cña mÉu gia cêng b»ng sîi thuû tinh. Kh¶o s¸t c¸c chØ tiªu kü thuËt cña mÉu gia cêng b»ng sîi tre.

68 Tµi liÖu tham kh¶o. 74 Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -5- danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t HLU - Ph¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay (Hand Lay- Up) PC - Polyme compozit PEKN - Nhùa polyeste kh«ng no RTM - Ph¬ng ph¸p b¬m nhùa vµo khu«n (Resin Transfer Molding) VAT - Ph¬ng ph¸p t¹o h×nh b»ng tói ch©n kh«ng (Vacuum assisted Technique) VIB - Ph¬ng ph¸p hót nhùa vµo tói ch©n kh«ng (Vacuum Infusion Bagging) VIM - Ph¬ng ph¸p hót nhùa vµo khu«n b»ng ch©n kh«ng (Vacuum Infusion Molding) Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -6- danh môc c¸c B¶ng biÓu Trang B¶ng I. TÝnh chÊt c¬ lý cña c¸c lo¹i sîi thñy tinh. Hµm lîng c¸c chÊt cã trong sîi tre 22 B¶ng I.

C¸c chØ tiªu c¬ häc cña sîi tre 23 B¶ng I. Th«ng sè kü thuËt tiªu biÓu cña Megaject Pro vµ Megaject V. So s¸nh gi÷a RTM cæ ®iÓn vµ RTM tù ®éng ho¸ 32 B¶ng I. Sù kh¸c nhau c¬ b¶n gi÷a VIM vµ VIB 35 B¶ng III.

§é thÊm nhùa theo thêi gian cña mÉu 59 B¶ng III. C¸c chØ tiªu c¬ häc cña vËt liÖu gia cêng b»ng sîi thñy tinh 61 B¶ng III. C¸c chØ tiªu c¬ häc cña vËt liÖu gia cêng b»ng sîi tre 65 danh môc video vµ ¶nh ®éng FlashI.1: B¬m nhùa vµo khu«n, 45 gi©y, trang 30 Flash 1. Hót nhùa vµo khu«n b»ng ch©n kh«ng, 25 gi©y, trang 40 Video: Hót nhùa theo ph¬ng ph¸p VIB, 8 phót, trang 59 Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -7- danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ®å thÞ Tªn h×nh vÏ, ®å thÞ Trang H×nh I.

ThiÕt bÞ Megaject RTM Pro vµ Megaject V PlastechTM Machinery 26 H×nh I. Khu«n RTM kÝch thíc lín vµ hÖ thèng n©ng ®ì ®îc tù ®éng ho¸ 28 H×nh I. S¬ ®å mét hÖ thèng b¬m nhùa vµo khu«n tiªu biÓu 30 H×nh I. C¸c s¶n phÈm tiªu biÓu ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p RTM 33 H×nh I.

Bé g¸ cho khu«n hót nhùa b»ng ch©n kh«ng 36 H×nh I. S¬ ®å khu«n cho ph¬ng ph¸p hót nhùa b»ng ch©n kh«ng 39 H×nh I. S¬ ®å hót nhùa b»ng ch©n kh«ng 40 H×nh I. S¬ ®å khu«n cho ph¬ng ph¸p t¹o h×nh b»ng tói ch©n kh«ng 41 H×nh I.

S¬ ®å bè trÝ hÖ thèng dÉn nhùa vµ hót ch©n kh«ng 45 H×nh I. S¬ ®å bè trÝ ®êng dÉn nhùa theo h×nh x¬ng c¸ 45 H×nh I. ChÕ t¹o tµu thuû theo ph¬ng ph¸p hót nhùa b»ng ch©n kh«ng cña 47 Cty MaxiJena (Slovenia) theo quy tr×nh cña Cty PolyWorx H×nh I. C¸c s¶n phÈm ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p hót nhùa vµo khu«n 48 H×nh I.

C¸c s¶n phÈm chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p t¹o h×nh trong tói CK 48 H×nh II. S¬ ®å hÖ thèng hót ch©n kh«ng 51 H×nh II. C¸c thiÕt bÞ thö nghiÖm tÝnh chÊt c¬ häc 54 H×nh III. C¸c chi tiÕt khu«n RTM vµ VIM 55 H×nh III.

Hót nhùa vµo khu«n theo ph¬ng ¸n 3. MÉu VIM theo 3 ph¬ng ¸n kh¸c nhau. Hót nhùa theo ph¬ng ph¸p 5 (kh«ng cã líp dÉn nhùa). Hót nhùa theo ph¬ng ph¸p VIB 60 H×nh III.

§é bÒn kÐo, nÐn, uèn cña vËt liÖu 62 H×nh III. M« ®un ®µn håi kÐo, nÐn, uèn cña vËt liÖu 62 H×nh III. §é bÒn va ®Ëp cña vËt liÖu 63 64 H×nh III. ¶nh chôp mÆt c¾t ngang cña vËt liÖu H×nh III.

§é bÒn kÐo, nÐn, uèn cña vËt liÖu gia cêng b»ng sîi tre66 66 H×nh III. M« ®un kÐo, nÐn, uèn cña vËt liÖu gia cêng b»ng sîi tre. §é bÒn va ®Ëp cña vËt liÖu gia cêng sîi tre. ¶nh chôp mÆt c¾t cña vËt liÖu gia cêng b»ng sîi tre 67 Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -8- Më §ÇU Thêi gian gÇn ®©y thuËt ng÷ "vËt liÖu compozit" kh«ng cßn xa l¹ ®èi víi ngêi tiªu dïng trong níc, nhng víi c¸c nhµ khoa häc th× nã ®· ®îc biÕt ®Õn sím h¬n rÊt nhiÒu.

VËt liÖu compozit nhê nh÷ng tÝnh n¨ng vît tréi nh nhÑ, bÒn, dÔ gia c«ng, cã tÝnh chuyªn dông cao,… mµ ®ang dÇn chiÕm lÜnh thÞ trêng vµ ®îc øng dông réng r·i thay thÕ cho nh÷ng vËt liÖu truyÒn thèng. Sau h¬n 30 n¨m tån t¹i vµ ph¸t triÓn, ngµnh c«ng nghiÖp s¶n xuÊt vËt liÖu compozit trong níc còng ®· ph¸t triÓn rÊt nhanh vÒ tæng khèi lîng s¶n phÈm tiªu thô trong n¨m còng nh vÒ chñng läai vËt liÖu vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o. Tõ nh÷ng s¶n phÈm ban ®Çu ®îc s¶n xuÊt b»ng ph¬ng ph¸p th« s¬ nhÊt lµ l¨n Ðp b»ng tay, ®Õn nay trªn thÞ trêng ®· xuÊt hiÖn c¸c s¶n phÈm víi c«ng nghÖ s¶n xuÊt cao cÊp h¬n nh c¸c läai vËt liÖu Ðp nãng trong khu«n víi nguyªn liÖu ®Çu ®îc chuÈn bÞ s½n nh BMC, SMC, vËt liÖu s¶n xuÊt theo ph¬ng ph¸p quÊn sîi, c¸c profile dµi v« tËn ®îc s¶n xuÊt theo ph¬ng ph¸p ®óc kÐo. Víi viÖc ®Çu t c¸c thiÕt bÞ s¶n xuÊt nh m¸y ®óc kÐo, m¸y trén BMC, m¸y chÕ t¹o b¸n thµnh phÈm SMC, m¸y quÊn sîi chiÒu dµi 6 m, …Trung t©m nghiªn cøu vËt liÖu Polyme, trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi lµ mét trong nh÷ng c¬ së ®i tiªn phong trong viÖc øng dông c¸c c«ng nghÖ míi vµo s¶n xuÊt vËt liÖu compozit.

Trªn ®µ ph¸t triÓn c«ng nghÖ ®ã, Trung t©m ®· ®Çu t thªm mét d©y chuyÒn thiÕt bÞ hiÖn ®¹i h¬n n÷a lµ hÖ thèng s¶n xuÊt vËt liÖu compozit b»ng ph¬ng ph¸p b¬m nhùa vµo khu«n (RTM - Resin Transfer Molding) ho¹t ®éng riªng biÖt hoÆc víi sù trî gióp cña thiÕt bÞ hót ch©n kh«ng. §Ó c¸c thiÕt bÞ trªn ho¹t ®éng ®¹t hiÖu qu¶ cao nhÊt, cÇn ph¶i cã mét sù ®Çu t chiÒu s©u vµo viÖc nghiªn cøu ph¸t huy nh÷ng tÝnh n¨ng cña chóng ®Ó t×m ra quy tr×nh hoµn thiÖn nhÊt trong viÖc chÕ t¹o vËt liÖu polyme Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 -9- compozit. §Ò tµi luËn v¨n: "TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa PEKN gia cêng b»ng sîi thuû tinh vµ mat tre chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p RTM vµ hót ch©n kh«ng" lµ mét trong nh÷ng bíc khëi ®Çu cho viÖc hoµn thiÖn quy tr×nh c«ng nghÖ hiÖn ®¹i nµy. §Ò tµi nµy gåm c¸c néi dung chÝnh: - Nghiªn cøu thiÕt kÕ khu«n thö nghiÖm cho c¸c ph¬ng ph¸p chÕ t¹o vËt liÖu polyme compozit b»ng RTM vµ hót ch©n kh«ng.

- ChÕ t¹o thö c¸c mÉu s¶n phÈm theo c¸c ph¬ng ph¸p RTM vµ hót ch©n kh«ng th«ng dông trªn c¬ së nhùa polyeste kh«ng no gia cêng sîi thñy tinh. - Kh¶o s¸t c¸c tÝnh chÊt cña c¸c mÉu chÕ t¹o ®îc. - øng dông c¸c ph¬ng ph¸p trªn ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu compozit trªn c¬ së nùa polyeste kh«ng no gia cêng b»ng sîi tre. - Kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña c¸c mÉu gia cêng b»ng sîi tre.

Ph¹m Gia Hu©n - CNVL Polyme 2005-2007 - 10 - PhÇn I: Tæng quan I. Giíi thiÖu chung vÒ vËt liÖu compozit I. LÞch sö ph¸t triÓn Tõ hµng ngh×n n¨m tríc ®©y, vËt liÖu compozit ®· ®îc sö dông trong ®êi sèng ngêi cæ ®¹i mét c¸ch v« thøc nh nh÷ng ng«i nhµ b»ng r¬m r¹ tr¸t bïn ®Êt, c¸c b×nh gèm cã cèt b»ng c¸c lo¹i sîi tù nhiªn…., nhng viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu polyme compozit (PC) ®Ó ®a ra sö dông réng r·i chØ míi ®îc ph¸t triÓn thùc sù vµo nh÷ng n¨m ®Çu thÕ kØ tríc. Vµo n¨m 1938, vËt liÖu PC trªn c¬ së polyeste gia cêng b»ng sîi thñy tinh ®· ®îc sö dông lÇn ®Çu tiªn trong ngµnh hµng kh«ng.

§Õn n¨m 1950 vËt liÖu polyme compozit ®îc bæ sung thªm mét läat c¸c nguyªn liÖu chÝnh n÷a khi nhùa epoxy ®îc ra ®êi vµ c¸c lo¹i vËt liÖu gia cêng míi nh sîi cacbon, sîi aramit, sîi silic… ®îc ph¸t hiÖn vµ ®a vµo øng dông.