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.