MỤC LỤC Trang Chương 1........................................................................................................ 4 TỔNG QUAN ............................................................................................. 4 1.1. COMPOSIT COMPOSITE........................... E....................................................................... ......................................................... ............. 4 1.1.1. Vật liệu composite composite ...................................................................... ......................................................... ............. 4 1.1.2. Phân loại ..................................................................................... 4 1.1.2.1. Composite Composite nền polyme ......................................................... .................................................... ..... 4 1.1.2.2. Composite nền gốm .............................................................. 6 1.1.2.3. Composite Composite kim loại............................................................... loại.............................................. ................. 6 1.1.2.4. Composite cacbon cacbon - cacbon .................................................. ..................................... ............. 7 1.1.3. Tính chất vật liệu composit ......................................................... 8 1.1.3.1. Tính cơ học: ........................................................................ ................................... ..................................... 8 1.1.3.2. Tính quang học:.................................................................... 9 1.1.3.3. Tính nhiệt học: ..................................................................... 9 1.1.3.4. Tính hóa học:........................................................................ 9 1.1.3.5. Tính về điện: ........................................................................ 9 1.1.3.6. Tính bền lâu: ........................................................................ 9 1.1.3.7. Các tính khác ...................................................................... 10 1.1.4. Ứng dụng:................................................................................. 10 1.2. XƠ DỪA ........................................................................................ 10 Chương 2...................................................................................................... 13 NGUYÊN NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG DỤNG TRONG TRONG COMPOSITE COMPOSITE NỀN POLYME (NỀN POLYME LÀ NHỰA NHIỆT RẮN) .............................................. 13 2.1. NHỰA ............................................................................................ 13 2.1.1. Tính chất của nhựa.................................................................... 13 2.1.1.1. Tính cơ lý ........................................................................... 13 2.1.1.2. Tính kết dính ...................................................................... 13 2.1.1.3. Tính chất dai....................................................................... 13 2.1.1.4. Tính chất chịu môi trường của hệ nhựa............................... 13 2.1.2. Các lọai nhựa nhiệt rắn ............................................................. 14 2.1.2.1. Polyeste .............................................................................. 14 2.1.2.2. Nhựa Polyester bất bão hòa (chưa no): ............................... 15 2.1.2.2.1. Gelcoat ......................................................................... 15 2.1.2.2.2. Nhựa dùng để đắp đắp ........................................................ ..................................... ................... 18 2.1.2.3. Nhựa Epoxy ....................................................................... 24 2.2. XÚC TÁC – XÚC TIẾN ................................................................. 25 2.2.1. Xúc tác ..................................................................................... 25 2.2.1.1. Xúc tác Peroxide Peroxide ................................................................ ................................. ............................... 26 2.2.1.2. Xúc tác azo và diazo ........................................................... 27 2.2.2. Chất xúc tiến............................................................................. 27 2.2.2.1. Xúc tiến kim loại ................................................................ 28 Trang- 1 -
2.2.2.2. Amin bậc ba ....................................................................... 28 2.2.2.3. Mercaptan........................................................................... 28 2.3. CHẤT PHA LOÃNG ...................................................................... 28 2.3.1. Styrene...................................................................................... 29 2.3.2. Vinyl toluene ............................................................................ 30 2.3.3. Metyl meta acrylate acrylate .................................................................. ............................................... ................... 30 2.3.4. Diallyl phthalate ....................................................................... 30 2.4. CHẤT RÓC KHUÔN, CHẤT LÀM KÍN ....................................... 30 2.4.1. Chất róc khuôn ......................................................................... 31 2.4.2. Chất làm kín ............................................................................. 31 2.5. VẬT LIỆU GIA CƯỜNG CƯỜNG ............................................................... ................................................ ............... 31 2.5.1. Dạng sợi ................................................................................... 31 2.5.1.1. Sợi hữu cơ .......................................................................... 31 2.5.1.2. Sợi vô cơ (Sợi thuỷ tinh)..................................................... 33 2.5.1.3. Các loại sợi khác: ............................................................... 34 2.5.1.3.1. Gia cường bằng sợi thực vật:........................................ 34 2.5.1.3.2. Sợi khoáng amiăng ....................................................... 34 2.5.2. Dạng hạt ................................................................................... 34 2.5.2.1. Calci carbonate ................................................................... 35 2.5.2.2. Hạt thuỷ tinh....................................................................... 35 2.5.2.3.đất sét ................................................................................ 36 2.5.2.4. Nhôm hydroxide ................................................................. 36 Chương 3...................................................................................................... 37 KỸ THUẬT THUẬT ĐẮP Đ ẮP TAY (Hand (Hand Lay-Up) Lay-Up) ................................................... ............................ ....................... 37 3.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 37 3.2. PHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ............................................................................ ................................................. ........................... 37 3.3. NGUYÊN NGUYÊN VẬT LIỆU .................................................................... ............................. ....................................... 37 3.3.1. Chất róc khuôn và chất làm kín.............................. kín................................................. ................... 37 3.3.2. Một số loại gelcoat dùng trong hand lay-up .............................. 38 3.3.3. Nhựa dùng trong công nghệ hand lay-up .................................. ............................... ... 39 3.3.4. Hệ Đóng rắn .............................................................................. 39 3.4. THIẾT BỊ VÀ DỤNG DỤNG CỤ .............................................................. ............................... ............................... 39 3.4.1. Khuôn ....................................................................................... 39 3.4.2. Thiết bị trộn và chuẩn bị ........................................................... ........................................................ ... 40 3.5. QUY TRÌNH CÔNG CÔNG NGHỆ........................................................... NGHỆ.................................... ....................... 40 3.6. THUẬN LỢI VÀ HẠN CHẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP đắp TAY... 41 3.7. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA SẢN PHẨM đắp TAY ...................... 42 Chương 4...................................................................................................... 43 CÔNG CÔNG NGHỆ LÀM KHUÔN .................................................................. ....................................... ........................... 43 4.1. PHÂN LOẠI KHUÔN .................................................................... 43 4.1.1. Theo cách lấy khuôn ................................................................. 43 4.1.1.1. Khuôn đơn.......................................................................... 43 4.1.1.2. Khuôn nhiều mảnh ............................................................. 43
2.2.2.2. Amin bậc ba ....................................................................... 28 2.2.2.3. Mercaptan........................................................................... 28 2.3. CHẤT PHA LOÃNG ...................................................................... 28 2.3.1. Styrene...................................................................................... 29 2.3.2. Vinyl toluene ............................................................................ 30 2.3.3. Metyl meta acrylate acrylate .................................................................. ............................................... ................... 30 2.3.4. Diallyl phthalate ....................................................................... 30 2.4. CHẤT RÓC KHUÔN, CHẤT LÀM KÍN ....................................... 30 2.4.1. Chất róc khuôn ......................................................................... 31 2.4.2. Chất làm kín ............................................................................. 31 2.5. VẬT LIỆU GIA CƯỜNG CƯỜNG ............................................................... ................................................ ............... 31 2.5.1. Dạng sợi ................................................................................... 31 2.5.1.1. Sợi hữu cơ .......................................................................... 31 2.5.1.2. Sợi vô cơ (Sợi thuỷ tinh)..................................................... 33 2.5.1.3. Các loại sợi khác: ............................................................... 34 2.5.1.3.1. Gia cường bằng sợi thực vật:........................................ 34 2.5.1.3.2. Sợi khoáng amiăng ....................................................... 34 2.5.2. Dạng hạt ................................................................................... 34 2.5.2.1. Calci carbonate ................................................................... 35 2.5.2.2. Hạt thuỷ tinh....................................................................... 35 2.5.2.3.đất sét ................................................................................ 36 2.5.2.4. Nhôm hydroxide ................................................................. 36 Chương 3...................................................................................................... 37 KỸ THUẬT THUẬT ĐẮP Đ ẮP TAY (Hand (Hand Lay-Up) Lay-Up) ................................................... ............................ ....................... 37 3.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 37 3.2. PHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ............................................................................ ................................................. ........................... 37 3.3. NGUYÊN NGUYÊN VẬT LIỆU .................................................................... ............................. ....................................... 37 3.3.1. Chất róc khuôn và chất làm kín.............................. kín................................................. ................... 37 3.3.2. Một số loại gelcoat dùng trong hand lay-up .............................. 38 3.3.3. Nhựa dùng trong công nghệ hand lay-up .................................. ............................... ... 39 3.3.4. Hệ Đóng rắn .............................................................................. 39 3.4. THIẾT BỊ VÀ DỤNG DỤNG CỤ .............................................................. ............................... ............................... 39 3.4.1. Khuôn ....................................................................................... 39 3.4.2. Thiết bị trộn và chuẩn bị ........................................................... ........................................................ ... 40 3.5. QUY TRÌNH CÔNG CÔNG NGHỆ........................................................... NGHỆ.................................... ....................... 40 3.6. THUẬN LỢI VÀ HẠN CHẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP đắp TAY... 41 3.7. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA SẢN PHẨM đắp TAY ...................... 42 Chương 4...................................................................................................... 43 CÔNG CÔNG NGHỆ LÀM KHUÔN .................................................................. ....................................... ........................... 43 4.1. PHÂN LOẠI KHUÔN .................................................................... 43 4.1.1. Theo cách lấy khuôn ................................................................. 43 4.1.1.1. Khuôn đơn.......................................................................... 43 4.1.1.2. Khuôn nhiều mảnh ............................................................. 43
4.1.2. Theo yêu cầu sản phẩm............................................................. 43 4.1.2.1. Khuôn một mặt láng ........................................................... 43 4.1.2.2. Khuôn 2 mặt láng ............................................................... 43 4.1.3. Theo hình dạng khuôn .............................................................. 43 4.1.3.1. Khuôn ñực .......................................................................... 43 4.1.3.2. Khuôn cái ........................................................................... 44 4.1.3.3. Khuôn kết hợp (khuôn nén) ................................................ 44 4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU LÀM NGUỘI....... 44 4.2.1. Lựa chọn phương pháp ............................................................. 44 4.2.2. Vật liệu làm khuôn............................................. khuôn.................................................................... ....................... 47 4.2.2.1. Thạch cao ........................................................................... 47 4.2.2.2. Vật liệu polym liệu polymer er ................................................................. ................................................................. 47 4.2.2.3. Khuôn gỗ ............................................................................ 49 4.2.2.4. Kim loại ............................................................................. 49 4.2.2.4.1. Nhôm (Aluminum) (Aluminum) ....................................................... ............................ ........................... 49 4.2.2.4.2. đồng (Copper) ............................................................. 50 4.2.2.4.3. Kẽm (Zenic) (Zenic) ................................................................. .......................................... ....................... 50 4.2.2.4.4. Thép ............................................................................. 50 4.3. Qui trình làm khuôn composite ....................................................... 52 4.3.1. Lập bản vẽ sản phẩm ................................................................ 53 4.3.2. Làm mô hình sản phẩm............................................................. 53 4.3.3. Chép khuôn............................................................................... 54 4.3.3.1. Chuẩn bị Chuẩn bị ............................................................................. 54 4.3.3.2. Chép khuôn ........................................................................ 55 4.3.4. Bảo trì khuôn ............................................................................ 56 4.3.4.1. đánh bóng khuôn ............................................................... 56 4.3.4.2. Quét chất róc khuôn............................................................ 57 4.3.4.3. Sửa chữa............................................................................. 57 4.3.5. Xem xét việc làm khuôn ñặc biệt ñặc biệt .............................................. 57 4.3.5.1. Khuôn nhiều mảnh ............................................................. 57 4.3.5.2. Các phương pháp chép khuôn yêu cầu đặc biệt................... 58 4.3.6. Làm sản phẩm........................................................................... 58 4.3.6.1. Lựa chọn nguyên liệu ......................................................... 58 4.3.6.2. Quá trình thực hiện ............................................................. 59 4.3.7. Gia cố khuôn............................................................................. 62
Chương 1
TỔNG QUAN 1.1. COMPOSITE 1.1.1. Vật liệu composite Composite là vật liệu ñược tổng hợp từ 2 hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục ñích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban ñầu.Sản phẩm tạo ra có tính chất ñặc biệt mà các vật liệu ban ñầu không có ñược. Vật liệu composite bao gồm có nền và cốt: _ Vật liệu nền ñảm bảo cho việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, ñảm bảo cho composite có ñộ bền nhiệt, bền hóa học và khả năng chịu ñựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc cacbon. _ Vật liệu cốt ñảm bảo cho composite có các mô ñun ñàn hồi và ñộ bền cơ học cao. Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột hoặc các sợi cốt như sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi cacbon. Ưu ñiểm lớn nhất của composite là có thể thay ñổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần ñể tạo ra một vật liệu mới có ñộ bền theo mong muốn. 1.1.2. Phân loại Căn cứ tính chất của vật liệu nền, composit ñược chia ra làm 4 loại: Composite nền polyme Composite nền gốm. Composite nền kim loại và các hợp kim. Coposit cacbon - cacbon (cả nền và cốt sợi ñều là cacbon). 1.1.2.1. Composite nền polyme
Composite nền polyme ñược chế tạo hiện nay ñã có ñặc tính cơ lý cao hơn kim loại, nhẹ hơn kim loại, cách nhiệt, cách ñiện tốt hơn và rất bền với các tác nhân hóa học và môi trường. Ví dụ: một ống dẫn dầu khí d =100 mm, có trọng lượng khoảng 3 - 4 kg/m và có thể khai thác sử dụng từ 50 - 70 năm; trong khi ống thép cùng ñường kính và ñộ dày, nặng gấp 4 - 5 lần và chỉ sử dụng ñược từ 5 - 10 năm và rất hay bị gỉ. Vật liệu composite nền polyme ñang ñược thay thế cho kim loại ñể chế tạo các chi tiết của thân, vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ ñộng cơ, các khung, dầm, vách ngăn của máy bay.... Năm 1991, composite chỉ chiếm có 3% khối lượng, nhưng ñến năm 2000 ñã chiếm ñến 65% khối lượng của máy bay. Composite polyme còn ñược ứng dụng làm các ống dẫn dầu khí, hóa chất, thân vỏ và các chi tiết của ôtô và các thiết bị khác của ngành chế tạo máy. ðể nâng cao tính năng cơ lý và giảm trọng lượng của vật liệu, xu hướng dùng sợi cacbon làm cốt cho composite nền polyme ñang ñược áp dụng và phát triển rất rộng rãi. Composite polyme sợi cacbon có hệ số giãn nở nhiệt thấp, ñộ cứng cao nên ñược dùng ñể chế tạo những loại ăng ten cần sự ổn ñịnh cao về kích cỡ, hình dáng trong ñiều kiện bức xạ không ñều. Sợi cacbon tương thích rất tốt với các mô của cơ thể sống vì vậy composite polyme sợi cacbon còn ñược dùng chế tạo các bộ phận thay thế trong cơ thể người như xương, chất hàn răng, vỏ hộp sọ. Các loại vải cacbon khi băng các vết bỏng làm cho chúng mau lành và khi gỡ lại rất róc, không gây thương tổn. Loại vải cacbon dùng trong y học ñã ñược các nhà khoa học Việt Nam phối hợp với các nhà khoa học của Viện NIGRAPHIT (Liên bang Nga) sản xuất và ứng dụng thành công tại Việt Nam. Nhược ñiểm lớn nhất của composite polyme và ở các kết cấu chịu nhiệt ñộ cao có ñộ bền không lớn. Việc bổ sung các phụ gia như bột kim loại, bột
gốm, bột cacbon... vào nền polyme ñã nâng cao các ñặc tính cơ lý như ñộ bền, ñộ cứng, ñộ mài mòn của loại vật liệu composit này. 1.1.2.2. Composite nền gốm ðối với composite nền gốm: việc ñưa các cốt sợi như sợi kim loại góp
phần hạn chế tính giòn của gốm. Hiện nay vật liệu composite gốm cốt sợi kim loại và các oxit kim loại, sợi gốm, sợi cacbon phát triển rất mạnh. Composite nền gốm là vật liệu có ñộ cứng cao, bền nén cao, có tính cách nhiệt, cách ñiện cao, chịu mài mòn và bền hóa học nên ñược dùng phổ biến trong chế tạo máy và chịu ñược nhiệt ñộ lên tới 2.000 - 2.500 0K, như chế tạo ñệm chịu nhiệt của trục cánh quạt tua bin ñộng cơ các ăng ten ở mũi các vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở về trái ñất, mũi nắn dòng tên lửa,... 1.1.2.3. Composite kim loại Composite kim loại ñược ứng dụng và phát triển ngày càng mạnh mẽ, mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao trong cơ khí - chế tạo máy. Vật liệu composit kim loại có nền là kim loại hoặc hợp kim, còn phần cất có thể là kim loại hoặc phi kim loại. Cốt của composit kim loại là các loại sợi có ñộ bền cao hoặc mo ñun ñàn hồi cao nhằm làm tăng tính năng cơ lý cho composite. Composite kim loại có các chỉ tiêu cơ lý cao và ổn ñịnh, bền nhiệt trong khoảng nhiệt ñộ cao và thời gian lớn hơn nhiều so với nền polyme. Một ví dụ phổ biến nhất của composit kim loại là vật liệu nhôm - bo (nền nhôm, cốt sợi bo), ñược ứng dụng nhiều trong hàng không. Ở Mỹ, vật liệu này ñược sử dụng trong chế tạo máy bay F 106A, cho phép giảm trọng lượng của máy bay, tăng ñược 115% tải trọng hữu ích mà không hề ảnh hưởng ñến tốc ñộ và tầm bay. Việc dùng composite nhôm - bo trong máy bay IL-62 của Nga cho phép giảm ñược 17% trọng lượng, trong khi vẫn giữ ñược các tính năng bay khác. ðể chế tạo vật liệu composite kim loại nhẹ, người ta hay dùng sợi cacbon trên nền nhôm. Mặc dù composite nhôm - cacbon có ñộ bền không cao hơn nhiều so với những hợp kim nhôm tốt nhất nhưng lại nhẹ hơn và có ñộ cứng gấp 2,5 lần so với các hợp kim nhôm, có ñộ bền mỏi cao Trang- 6 -
(như titan, thép hợp kim) và có hệ số giãn nở nhiệt thấp trong khoảng 2936730K. ðây là vật liệu lý tưởng ñể chế tạo các chi tiết chịu tải lực và nhiệt cao
như vỏ tua bin, ống xả ñộng cơ máy bay và tên lửa. Sợi cacbon cũng ñược dùng làm cốt cho các kim loại nền như ñồng, chì, kẽm ñể chế tạo các chi tiết cho ngành cơ khí chế tạo máy ñòi hỏi lâu mòn, hệ số ma sát bé, tính dẫn ñiện, chịu nhiệt và có khả năng bảo toàn tính chất cơ lý khi nóng. Ví dụ, composite chì - cacbon có ñộ bền và mo ñun ñàn hồi cao gấp 10 lần chì thông thường. Composite kim loại nền ñồng hoặc bạc với các cốt vonfram hoặc molipñen có thể dùng ñể chế tạo các công tắc ñiện không mòn cho dòng ñiện mạnh, ñiện thể cao. Composit kim loại nền rôm và niken, cốt sợi kim loại phân tán là các oxit nhôm cũng như các composite kim loại khác với nền là những hợp kim bền nhiệt và cốt là các sợi kim loại khó nóng chảy là những vật liệu lý tưởng ñể chế tạo các chi tiết máy bền nhiệt của tua bin khí. Composite kim loại giữ vị trí rất quan trọng trong công nghiệp và quốc phòng. 1.1.2.4. Composite cacbon - cacbon Composite cacbon - cacbon là vật liệu có các cốt sợi cacbon trên cơ sở nền cacbon. Nền cacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tương tự như sợi cacbon nên khi kết hợp với sợi cacbon sẽ cho chúng ta một loại vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Thông thường, ñể ñưa ñược 1 kg lên vũ trụ tiêu tốn khoảng 20.000 30.000 USD, vì vậy việc phát triển và ứng dụng vật liệu cacbon - cacbon trong vũ trụ ñã trở thành xu hướng chủ ñạo trong các năm gần ñây. Năm 1985, việc phát hiện ra cacbon C60 (fulleren) ñã mở ra một chân trời mới trong lĩnh vực vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Một số nơi trên thế giới ñã thành công trong việc dùng C60 làm nền cho composite. Hy vọng rằng một ngày không xa, ngành khoa học và công nghệ sản xuất chế tạo vật liệu chiến lược này sẽ ñược ñầu tư xây dựng, ứng dụng và phát triển rộng rãi ở Việt Nam. Do có ưu ñiểm là rất bền trước các tác ñộng cơ lý và hóa học, lại có khả năng
Trang- 7 -
cách nhiệt, cách âm tốt... và nhẹ nên vật liệu composit ñược ứng dụng rất rộng rãi trong và chế tạo máy: Vật liệu composit ñược ứng dụng ñể chế tạo các ống dẫn hóa chất và chất thải. - Các bình chứa bằng vật liệu composite ñược dùng ñể chứa các hóa chất ñặc biệt (ñựng kiềm, axit, các hóa chất lỏng và khí...). Bông sợi composite (như bông sợi thủy tinh hoặc bazan...) ñược dùng ñể bảo ôn hoặc bảo hàn với mục ñích cách nhiệt và chống bức xạ nhiệt. Nhờ việc dùng vật liệu composite ñể chế tạo các lò phản ứng, lò nhiệt luyện, bình pha chế hóa chất có tính cách nhiệt rất tốt nên người ta có thể bỏ hẳn hoặc giảm một phần ñáng kể các bông khoáng bảo ôn, giảm chi phí và ñơn giản hóa trong việc lắp ñặt và bảo dưỡng thay thế, lại tăng ñược hiệu quả khai thác do giảm ñược tổn thất nhiệt ñến 10 - 20%. Composite bền với bức xạ và hấp thụ âm thanh tốt nên các tấm lợp, bê tông 3D composite có trộn các bông khoáng ñược dùng ñể xây dựng các nhà xưởng sản xuất, pha chế và bảo quản các hóa chất ñặc biệt. Các loại vải composite ñược dùng ñể may quần áo bảo hộ lao ñộng. Composite ñược dùng ñể chế tạo các màng lọc công nghiệp. Vật liệu composite xốp, chế tạo từ các bông, sợi khoáng ñược dùng ñể làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường. Ví dụ: composite bông sợi bazan có tính hút (ngậm) dầu rất cao: một kg tấm xốp như vậy có thể ngậm ñược 30 lít dầu mỏ, sau khi ép tách dầu lại có thể tái sử dụng thêm 8 lần nữa. Vì vậy chúng là các vật liệu lý tưởng ñể xử lý các sự cố tràn dầu trên biển và vùng ven bờ. 1.1.3. Tính chất vật liệu composit 1.1.3.1. Tính cơ học: ðặc tính sức bền kéo, uốn nén của vật liệu resin và sợi thủy tinh. ðặc
tính vật lý:
Trang- 8 -
Nhẹ hơn so với thép là 5 lần, so với bêtông là 1,5 ÷ 2 lần, so với vật liệu khác là 1,7 lần. Chịu ma sát. Tính giảm âm. 1.1.3.2. Tính quang học: Hầu hết vật liệu FRP với polyester, resin ña dụng ñều cho ánh sáng mờ qua , vì bản chất của nó có xu hướng khuếch tán và truyền ánh sáng. Vật liệu FRP luôn luôn ñược pha màu. Nhờ có ñặc tính quang học truyền ánh sáng, người ta chế tạo ra nhiều tấm lợp ñể lấy ánh sáng từ mái xuống. 1.1.3.3. Tính nhiệt học: Composite có hệ số dẫn nhiệt thấp 0,2 ÷ 0,35 W/m0C. Chịu nhiệt ñộ khá cao ñến 2600C. Hệ số dãn nở cao hơn thép. Nhờ có sợi thủy tinh nên tính chịu nhiệt ổn ñịnh cao hơn chất dẻo không gia cường sợi thủy tinh. Ứng suất kéo và môdun kéo ở nhiệt ñộ dưới 00C và rất thấp thì có xu hướng tăng cao. 1.1.3.4. Tính hóa học: Chịu hóa chất tốt và phụ thuộc vào nồng ñộ, loại hóa chất, lọai resin, sợi thủy tinh tạo ra FRP và nhiệt ñộ. Với nồng ñộ dưới 20% các hóa chất trong dung dịch. Nếu ở môi trường axit hay bazơ mạnh hoặc ở nhiệt ñộ dung dịch cao trên 600C thì phải sử dụng lọai resin ñặc biệt chịu hóa chất. Tính chống ăn mòn do hóa chất phụ thuộc vào lọai resin. Do vậy dù chỉ là một lớp mỏng chúng ta cũng phải lưu ý khi thực hiện. 1.1.3.5. Tính về ñiện: Cách ñiện rất tốt. Với resin phù hợp với FRP còn có thể cho sóng ñiện tử xuyên qua. 1.1.3.6. Tính bền lâu: Trang- 9 -
Chống chọi ñược với thời tiết trong thời gian bền lâu. Tuổi thọ của FRP liên quan ñến ba vấn ñề: môi trường, thời tiết và ứng suất ( hiện tượng mỏi). 1.1.3.7. Các tính khác Tạo dáng dễ dàng, ña dạng, màu sắc phong phú. Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng. ðáp ứng ñược nhiều mục ñích sử dụng khác nhau vì có nhiều lọai resin và
công nghệ ñể lựa chọn. Trong sản xuất không ñòi hỏi trình ñộ của người công nhân cao, thiết bị nói chung không nặng nề, phức tạp, không ô nhiễm môi trường. 1.1.4. Ứng dụng: Vật liệu gia công: bàn ghế, bồn tắm, thùng rác, cầu thang… Vật liệu xây dưng: tấm lợp, cấu kiện nhà lắp ráp, vách ngăn, buồng tắm… Dụng cụ thể thao: vợt tennis… Vật liệu ñiện: tấm cách ñiện, bộ góp ñiện, dụng cụ ñiện, ceramic, hệ thống rada, thang cách ñiện… Vật liệu cơ khí: bánh răng, cánh quạt, vỏ máy… Trong kỹ thuật vật liệu composite còn chiếm một vị trí quan trọng trong việc chế tạo máy bay, tàu thủy, xe hơi, các ống dẫn, các bồn chứa, bể nuôi tôm, cá… 1.2. XƠ DỪA Thành phần chủ yếu của xơ dừa là cellulose (khoảng 80%) và lignin (khoảng 18%) Xơ dừa là một vật liệu rẻ tiền và sẵn có ở nhiều vùng trong nước ta nên ñây có thể ñược coi như một hướng phát triển Xơ dừa ñược sử dụng rộng rãi trong các nghành môi trường về xử lý nước thải, trong nghành xây dựng hoặc chế tạo các vật dụng …với giá rẻ và cần ñộ cứng, bền… Trang- 10 -
ðối với xử lý nước thải thì xơ dừa là một vật liệu rẻ tiền, trọng lượng
nhẹ, không chiếm chỗ, không gây tắc nghẽn dòng chảy tạo thuận lợi cho việc xử lý ðối với trong xây dựng xơ dừa có thể làm thành phần chính trong vật
liệu bêtông. Với sự nghiện cứu người ta ñã tìm ra lọai bê tông OGAF với thành phần chính là xơ dừa cộng thêm chất tạo bọt và phụ gia là lignin- một chất chất thải của ngành công nghiệp giấy. Bê tông này có giá thành rẻ hơn 40% so với gạch gốm. Trong khi ñó, cường ñộ chịu lực của bêtông OGAF vẫn cao gấp 3 lần tường xây bằng gạch gốm. Việc sử dụng bê tông OGAF thay thế gạch gốm truyền thống còn giúp giảm ñáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải có hại cho môi trường, ñồng thời thay ñổi thói quen phá rừng lấy gỗ làm nhà của ñồng bào vùng sâu, vùng xa. Tuy nhiên nó vẫn còn nhược ñiểm là bị thấm nước. Ngòai ra xơ dừa còn dùng ñể chế tạo các tấm panel( vật liệu bê tông nhẹ). Các tấm vách, tấm lợp làm bằng bêtông cốt sợi xơ dừa này ñạt ñược yêu cầu là nhẹ, cách âm, cách nhiệt, bền, dễ lắp ñặt, giá thành thấp. Một phát minh gần ñây của Giáo sư M.Palil thuộc ðại học Kỹ thuật Melaka (Malaysia) ñã sáng chế một loại áo chống ñạn làm từ xơ dừa và sợi thủy tinh, với cùng công năng như áo chống ñạn thông thường. Ưu ñiểm lớn nhất của lọai áo này là nhẹ và rẻ hơn nhiều so với lọai áo chống ñạn dung . Áo của ông Palil chỉ nặng 3 kg, bằng 1/3 trọng lượng áo chống ñạn thông thường, và ñược bán với giá 590 USD/chiếc, trong khi giá áo chống ñạn thông thường lên ñến 4.700 USD/chiếc. Ở Philippines, giảng viên khoa nông nghiệp 56 tuổi ñã phát minh “lưới xơ dừa” giúp chống xói mòn và sạt lở ñất.Nó ñã qua mặt 456 phát minh khác từ 90 quốc gia giành thứ hạng cao nhất tại giải thưởng World Challenge 2005 Tóm lại:
Trang- 11 -
Biến một chất thải không còn giá trị sử dụng như xơ dừa thành những sản phẩm không những phục vụ cho ñời sống sinh họat sản xuất của mọi người mà trên hết nó giúp bảo vệ môi trường,bảo vệ sức khỏe cộng ñồng Những ứng dụng thực tế về xơ dừa này có ý nghĩa rất lớn trong việc mang lại hiệu quả kinh tế cao về kinh tế, xã hội ,môi trường và cải thiện ñời sống người dân
Trang- 12 -
Chương 2
NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG COMPOSITE NỀN POLYME (NỀN POLYME LÀ NHỰA NHIỆT RẮN) Thành phần chính của vật liệu composite nhựa nhiệt rắn(thermosetting plastics) bao gồm ba thành phần là polymer nền , chất ñộn và phụ gia _ Polymer : nhựa polyester , nhựa epoxy. _ Phụ gia: chất chống cháy, chống chảy, chống UV, tạo bọt. 2.1. NHỰA Nhựa cần có tỷ trọng nhỏ ñể tạo vật liệu composite các tình năng cơ học cao. Nhựa nguyên liệu là nhựa chưa qua quá trình làm cứng do sự liên kết phân tử. Nó ñóng vai trò là như một loại keo nhựa (resin) ñể liên kết các sợi thủy tinh hoặc sợi khác và với tác dụng của các chất xúc tác , xúc tiến các lớp này sẽ ñóng rắn trở thành vật liệu hoặc sản phẩm composite. Nhựa cần có tỷ trọng nhỏ ñể tạo vật liệu composite các tình năng cơ học cao. Các loại nhựa nguyên liệu sử dụng là loại vật liệu có trọng lượng phân tử thấp có thể tạo ra những liên kết phân tử với mạng lưới ba chiều. 2.1.1. Tính chất của nhựa 2.1.1.1. Tính cơ lý Nhựa có ñộ bền cực ñại cao, ñộ cứng cao nhưng nó không duy trì ñược khi xuất hiện tượng phá hủy. 2.1.1.2. Tính kết dính Bất cứ hệ nhựa nào cũng cần phải có sự kết dính tốt với vật liệu gia cường.ðiều này sẽ ñảm bảo khả năng chịu lực của vật liệu dưới tác dụng lực. 2.1.1.3. Tính chất dai ðộ dai thể hiện khả năng phát triển vết nứt của vật liệu nhưng trong
composite tính chất này rất khó ño.Tuy nhiên, dựa vào ñường cong ứng suất và biến dạngcũng có thể tính chất này. 2.1.1.4. Tính chất chịu môi trường của hệ nhựa Trang- 13 -
Khả năng chịu môi trường nước và các họat tính khác cùng với khả năng chịu ñược ứng suất tuần hòan là ñặc tính chủ yếu của các hệ nhựa. Những ñặc tính này rất quan trọng khi sử dụng vật liệu trong môi trường biển. 2.1.2. Các lọai nhựa nhiệt rắn 2.1.2.1. Polyeste Polyeste là một loại chất dẻo ,ñược tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ gốc cacbon, cụ thể là các hợp chất của axit hữu cơ với rượu. Polyeste ñược phân loại theo ba cách sau: + Phân loại theo chất dẻo . Chất dẻo nhiệt là loại chất dẻo có thể tạo dáng hoặc tạo sản phẩm bằng gia nhiệt và có thể tái sinh nhiều lần, vì chúng chỉ thay ñổi tính chất vật lý. Chất dẻo nhiệt rắn (Thermosetting plastics) khác biệt cơ bản với loại chất dẻo nhiệt là trong quá trình ñịnh hình và tạo dáng sản phẩm phải có phản ứng hóa học ñồng thời phải có nhiệt, nhiệt này sinh ra ngay trong phản ứng hóa học (hoặc có thể gia nhiệt thêm từ nguồn nhiệt bên ngoài). Sau khi sản phẩm ñịnh hình thì không thể tái sinh ñược nữa, vì quá trình trên ñã làm thay ñổi hẳn ñặc tính hóa học. + Phân loại theo polyme: Polyeste là loại polyme ñược tạo ra bởi sự kết nối các ñơn tử este lại với nhau. Este là sản phẩm cuối cùng của phản ứng hóa học giữa một axit hữu cơ với rượu có công thức hóa học tổng quát là R-COOR ’ (R,R ’ là các gốc ankyl), các polyeste ñược tạo ra từ các phản ứng hóa học khác nhau và có công thức hóa học tổng quát: -R-C-OR ’- . Axit hữu cơ có thể có một hoặc nhiều nhóm cacboxy. ðể chế tạo polyeste phải có nguyên liệu là axit hữu cơ và rượu có chứa hơn một nhóm caqcboxy và hơn một nhóm rượu. Thông thường polyeste ñược hình thành từ các axit hữu cơ có 2 nhóm cacboxy, mỗi nhóm ñều có thể phản ứng với nhóm rượu (glycol). Do ñó, polyeste này có chức năng kép (difuntional polyester).
Trang- 14 -
+ Phân loại theo khả năng phản ứng. Polyeste còn ñược phân loại thành loại no (bão hòa) hoặc chưa no (chưa bão hòa). Polyeste no (saturated polyester) còn gọi là polyeste bão hòa. Về mặt hóa học, nó khác với polyeste chưa no ở chỗ nó không còn khả năng tham gia phản ứng hóa học nữa. Sản phẩm ñiển hình của loại này là ankyd (sơn dầu oil basid paint) và các loại vải sợi tổng hợp (sợi, vải,…): Loại này không sử dụng trong công nghệ composite. Nó thuộc loại chất dẻo nhiệt nên có thể tái sinh nhiều lần vì chỉ thay ñổi tính chất vật lý. Polyeste chưa no (unsaturated polyester) : còn gọi là polyeste chưa bão hòa. Về mặt hóa học nó còn có khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học (liên kết) với các nhóm khác nhờ chất xúc tác, xúc tiến ñể tạo ra sản phẩm cuối cùng ñóng rắn. Quá trình phản ứng này sinh nhiệt (exothermic) và ñược gọi là phản ứng kết nối ngang (cross linking reaction) sẽ ñược trình bày ở phần sau. Polyeste này thuộc chất dẻo nhiệt rắn không tái sinh ñược vì sau phản ứng nó ñã thay ñổi bản chất hóa học. Polyeste chưa no ñược sử dụng trong công nghệ compozit – sợi thủy tinh. Polyeste chưa no cũng có nhiều loại. ðặc ñiểm ở ñây chỉ là ñóng rắn trong khuôn ñã ñịnh dạng sẵn. Tất cả
các polyeste chưa no ñều có thể ñóng rắn, còn các polyeste no thì không thể ñóng rắn thông qua phản ứng hóa học nêu trên. 2.1.2.2. Nhựa Polyester bất bão hòa (chưa no): 2.1.2.2.1. Gelcoat + Chức năng của gelcoat Gelcoat ñể chỉ loại resin(keo) có pha màu ñể phủ lên bề mặt khuôn và ñược chế tạo ñặc biệt với những tác nhân thixotropic ñể tăng ñộ nhớt, tính chống uốn, chống chảy, cùng với chất ñộn và phụ gia ñể ñảm bảo tính lưu chuyển,phủ kín, thời gian ñông và thời gian ñóng rắn. Khi sản xuất, gencoat ñược pha màu, chất xúc tác rồi ñược phun hoặc quét bằng chổi mềm lên bề
Trang- 15 -
mặt khuôn một lớp mỏng. Sau khi tách khuôn thì lớp gelcoat chính là áo ngòai của sản phẩm nhẵn bóng có màu sắc ña dạng. Lớp gelcoat có 3 chức năng chính : Tạo mặt ngòai nhẵn bóng có màu sắc làm nên vẻ ñẹp của sản phẩm. Bảo vệ các lớp gia cường bằng sợi thủy tinh bên trong. Vì gelcoat có ñặc tính cơ lý cao hơn, chống thẩm thấu nước, chống xây xát tốt hơn, v.v… Tách khuôn ñể lấy sản phẩm ra, do gelcoat có ñặc tính co ngót thích hợp và không có sợi thủy tinh. Gelcoat cho công nghệ quét tay và gelcoat cho công nghệ phun bằng thiết bị không nên dùng lẫn loan vì mỗi lọai ñược chế tạo với ñộ nhớt và ñặc tính khác nhau. Loại gelcoat cho quét tay bằng chổi mềm ñược chế tạo sao cho tránh ñược vết chổi, bọt khí và giữ ñược ñộ phẳng ñều. Gelcoat cho thiết bị phun ñược chế tạo sao cho dưới áp lực khí nén nó có thể phân tán phân tử tốt, và qua miệng súng phun tạo thành tia sương hạt mịn, phủ ñều trên bề mặt khuôn. + Yêu cầu chủ yếu ñối với gelcoat Gelcoat phải ñáp ứng ñược các yêu cầu sau ñây : Tính ñàn hồi tốt, dễ ổn ñịnh, dễ pha màu, sẵn sàng ñưa vào sử dụng ñược. Phải có ñặc tính không cong lõm, không chảy kể cả khi quét phun trên mặt ñứng nhờ ñặc tính thixotropic. Thời gian ñông và ñóng rắn phải chuẩn xác, ñảm bảo cho quy trình sản xuất ñúng với kế hoạch dự ñịnh, không bị chậm trễ nhiều . Thời gian ñông và ñóng rắn chính xác còn có tác dụng giảm tỷ lệ khuyết tật của sản phẩm, ñồng thời cho sản phẩm bóng ñẹp hơn. Chịu nước tốt tránh ñược rạn nứt, giộp bề mặt. Bề mặt lớp gelcoat phải chịu ñược cọ sát khi lau chùi, ñánh sáp ñể ñạt ñộ bóng cao. Tính phủ kín và vá ñắp tốt. Khi trộn với màu thì gelcoat phải có khả năng phủ kín trên bề mặt khuôn với chiều dày tiêu chuẩn 18 ± 2 mils (1 mil = Trang- 16 -
10-3 in ). Màu sáng thì tỉ lệ hàm lượng màu nhiều hơn ñể ñảm bảo tính phủ kín. Các màu vàng nhạt, vàng da cam, ñỏ, xanh ñậm, tính phủ kín lâu hơn một chút. Gelcoat phải có tính ứng dụng tốt mỗi khi phải vá, ñắp các khuyết tật trong sửa chữa, bảo trì. + ðặc tính cơ bản của gelcoat Tên ñặc tính
Chỉ số yêu cầu
ðộ nhớt (khác nhau tùy màu) (cps)
9.000 – 22.000
Tỷ trọng
1,1 ÷ 1,36
Chỉ số Thixotropic (Thixotropic index )
5÷7
ðộ võng uốn ở chiều dày tiêu chuẩn 18 ± 2 mils
ðáp ứng yêu cầu
Tính phủ kín ở chiều dày 18 ± 2 mils
Luôn kín hòan tòan bề mặt
Khả năng áp dụng cho phun
Rất tốt
Tuổi thọ (thời gian lưu trữ cho phép)
3 tháng ở 230C (730F)
Năng suất phủ bề mặt với chiều dày 18 ± 2 mils.
1 lil /1,5 m2
Ghi chú : - cps : ñơn vị ñộ nhớt – cm3/s - 1 mils = 10-3 in = 25,4 µm + Thời gian ñông ñặc của gelcoat Một gelcoat tiêu chuẩn phải ñạt thời gian ñông ñặc là 8 ÷ 15 phút ở nhiệt ñộ 250C. Khi sử dụng gelcoat ñều phải kiểm tra tại chỗ thời gian ñông ñặc. Cũng là MEKP, nhưng chỉ khác nhau về loại, nhãn hiệu, mức ñộ nước ngưng ñọng, tuổi thọ, nhiệt ñộ, v.v…cũng ñều có ảnh hưởng ñến thời gian ñông ñặc. + ðóng rắn Gelcoat cho công nghệ phun và quét tay có khác nhau. Phải sử dụng ñúng công nghệ, không lẫn lộn. gelcoat cho công nghệ phun thì sau khi hòa xúc tác 40 – 60 phút,vẫn có thể ñem sử dụng nhưng chỉ quét bằng tay, không ñược phun. Còn gelcoat cho quét tay sau 60 – 80 phút sẽ hòan toàn ñóng rắn Trang- 17 -
ta phải lọai bỏ. Thời gian này tùy thuộc vào nhiệt ñộ, ñộ nhuyễn của gelcoat, gió, lọai xúc tác và ñộ tập trung. Khi kiểm tra lớp gelcoat này bằng tay, nếu không dính vào tay thì có thể tiến hành tạo các lớp gia cường với sợi thủy tinh. Tốt nhất gelcoat ñược lưu trữ và sử dụng ở nhiệt ñộ chuẩn 250C. Tỷ lệ pha chế nhựa gelcoat Nhựa gelcoat có tính chất ưu việt hơn nhựa BQT nên ñược dùng làm nhựa phủ lên bề mặt sản phẩm composite. Nhựa gelcoat có các ưu ñiểm sau : ðộ bền hơn nhựa 268 BQT
Tính ñàn hồi cao hơn nhựa 268 BQT Nhựa gelcoat có chứa nhựa Styren làm dung môi ðể làm nhựa có ñộ lỏng thích hợp ta phải sử dụng dung môi nhưng vì
không có metan thay thế bằng aceton, aceton ở dạng hơi trong quá trình ñóng rắn và aceton không ảnh hưởng ñến cấu trúc nhựa gelcoat. 2.1.2.2.2. Nhựa dùng ñể ñắp Có trọng lượng phân tử thấp (1000 – 2000) có chứa những ñơn vị C=C trong chuỗi cho phép liên kết chéo bằng sự trùng hợp phân tử gốc tự do một gốc vinyl (thường là styren). Polyester bất bão hòa ñược hình thành từ phản ứng rượu ña chức: EG hay PG với hỗn hợp 2 acid 2 chức, acid maleic cung cấp nối ñôi không bão hòa và acid phtalic có công dụng kiểm soát quá trình liên kết phân tử và trong những trường hợp ñặc biệt tránh tạo ra những liên kết phân tử quá lớn. Công thức acid maleic: Công thức acid phtalic:
HOOC
COOH COOH
Trang- 18 -
CH2
CH2
COOH
Cấu trúc của Polyester: CH3
CH3 COO
OOC
CH2
CH
OCO
CH
CH2
CH …
Mỗi chuỗi co từ 10 – 20 mắc xích ester. Nhựa ñược ñặc trưng bằng trị số acid hơn bằng trọng lượng phân tử. Trị số acid giảm khi trọng lượng phân tử tăng, nhựa thường ñược sản xuất với trị số acid từ 20 – 50. Khi sự trùng hợp ñạt ñến một giai ñoạn mong muốn, nhựa ñược làm nguội ñến 800C và ñược pha loãng bằng polystyrene chứa 30% styren. ðể tránh sự trùng hợp trong quá trình bảo quản ở nhiệt ñộ phòng, một lương nhỏ chất làm bền (0.05%) ñược thêm vào ñể thời gian bảo quản kéo dài khoảng 6 tháng ở nhiệt ñộ phòng. Thường các chất ức chế sau: quinon, hyroquinon và alcohol… ñể tránh quá trình trùng hợp do ánh sáng, dung dịch ñược cất vào chỗ tối và ñựng trong thùng màu ñục. Khi có sự hiện diện của ion kim loại thích hợp thì quá trình thì quá trình oxy hóa khử xảy ra giữa ion và nhóm hyroxy ñể tạo ra gốc tự do xảy ra ở nhiệt ñộ phòng với tốc ñộ có thể chấp nhận ñược. Ion kim loại thông dụng nhất là Co(II) ở dạng coban napthenate hay octate. Nhựa polyester là loại nhựa nhiệt rắn ñược sử dụng nhiều nhất ñể làm vật liệu tổng hợp với sớ dài. Mặc dù tính kháng nhiệt và hóa chất có giới hạn tuy nhiên chúng thích hợp với hầu hết mọi ứng dụng chỉ trừ những ứng dụng ñòi hỏi những tính chất rất cao cấp. Chúng thích hợp với nhiều qui trình sản xuất và giá thành rẻ. Nhựa polyester phản ứng với styren cho phép sản phẩm có khả năng chịu lực tốt, khả năng chống thấm cao, ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết và hóa chất khác, vật liệu chịu nhiệt khá tốt (175 – 5000F). Nguyên liệu là hỗn hợp của nhựa polyester bất bão hòa styren có thể có hoặc không có chất xúc tác (tùy theo từng loại).
Thông dụng nhất là các loại SHCP : 268BQT – LSE, 268QTN – LSE, LP – 8P… Ý nghĩa các ký hiệu: B: có chất xúc tiến Q: ñóng rắn nhanh. T: chống chảy. N: không có sáp. Phân loại: SHCP 268BQT: là nhựa polyester bất bão hòa, ñóng rắn nhanh, có sáp và chất xúc tiến, thích hợp cho cả 2 phương pháp gia công là ñắp tay và súng phun. SHCP 268QTN: không có sáp và chất xúc tiến, nó ñược sử dụng cho lớp giữa, kết nối các lớp, không cần ñộ bóng. Với laoi5 nhựa chưa có chất xúc tiến thì nó sẽ ñược thêm vào sao cho phù hợp với thiế bị và qui trình công nghệ. SHCP 268LSE: ñộ bay hơi của styren thấp (5 – 15g/m 2 ở 200C trong 30 phút). Ứng dụng: Loại nhựa này sử dụng cho các sản phẩm ñượcgia cố băng sợi thủy tinh như: thuyền, cano, kệ xe buýt, buồng ñiện thoại, bồn tắm, thùng rác, bàn, ghế và nhiều vật dụng khác. Các sản phẩm khi ñược gia công bằng sợi thủy tinh có ñộ bền nhiệt, bền cơ học tốt. ðặc trưng:
_ Nhựa polyester 268BQT dạng lỏng có một số ñăc trưng sau: Màu sắc
Màu hồng
ðộ nhớt ở 300C
4 – 5
Chất xúc tiến (chứa 6% Co)
0.5%
Thời gian Gel hóa (ở 300C)
15 – 18 phút
Trang- 20 -
Thời gian ñóng rắn (ở 300C)
30 – 35 phút
Nhiệt ñộ nhựa tỏa nhiệt
130 – 1400C
ðộ ổn ñịnh trong tối dưới 250C
6 tháng
ðây là kết quả thử nghiệm ở cuối mẻ sản xuất sử dụng 1% xúc tác
BUTANOX M – 50 MEKP. Tính chất: Tính chất của nhựa SHCP 268 BQT polyester: Thông số
Giá trị
PP kiểm tra
ðộ hấp thụ nước (trong 7 ngày)
0.35%
ISO – G2 – 1980
ðộ cứng Barcol
48
ASTM D2583 – 67
Nhiệt ñộ biến dạng nhiệt
67.30C
ASTM D648 – 72
ðộ giãn ñứt
3.2%
ASTM D638 – 72
Trọng lượng riêng nhựa lỏng ở 1.13 kg/l
ASTM D1475
250C ðộ giảm thể tích khi ñóng rắn
9%
Specitific Gravity
Thành phần dễ bay hơi
35.6%
ASTM D3030
Lực ñàn hồi
8.4 Kgf/mm2
ASTM D970
Modul ñàn hồi
536.1 Kgf/mm2 ASTM D790
Sức căng bề mặt
3 Kgf/mm2
ASTM D638
ðộ bền va ñập
3.9 Kgf/mm2
ASTM D256
Tấm lót nhựa bằng nhựa polyester 268 BQT ñã gia cố bằng sợi thủy tinh có ñộ hấp thụ nước 0.192% trong 24 giờ và 0.28% trong 7 ngày phù hợp với tiêu chuẩn ISO – 62 – 1980 và các tính chất vật lý sau: Trong
tấm Trong
tấm PP kiểm tra
khô
ướt
Lực ñàn hồi (Mpa)
190.3
21.3
ASTM D790 – 71
Modul ñàn hồi (Mpa)
8.7
7.07
ASTM D790 – 71
Sức căng bề mặt (Mpa)
130.4
154
ISO 3268 - 1978
Sử dụng: Nhựa SHCP tạo sản phẩmñẹp khi nó ñóng rắn hoàn toàn. Muốn làm ñược như vậy cần phải trộn ñúng cách xúc tác và xúc tiến ở nhiệt ñộ phòng với thời gian vừa ñủ. Thông thường một xúc tác BUTANOX M – 50 MEKP kết hợp với 0.5% chất xúc tiến chứa 6% Co ñược dùng cho 268QT và 268QTN, còn ñối với 268BQT hoặc 268BQTN chỉ sử dụng 1% xúc tác là ñủ (vì ñã có sẵn chất xúc tiến). Lượng chất xúc tác và chất xúc tiên quyết ñịnh thời gian Gel hóa. Thông thường lượng xúc tác từ 0.5% - 2% khi chất xúc tiến giao ñộng trong khoảng 0.4 – 1% vì vậy cần phải ño chính xác. Chất xúc tiến phải ñược hòa tan trước khi cho xúc tác vào, tránh sựu hòa trộn trực tiếp sẽ gây nổ. Nếu ñộ nhớt của nhựa gia tăng khi thời gian lưu trữ kéo dài, phải thêm styren monomer ñể giảm ñộ nhớt xuống mức yêu cầu. Do ñiều kiện thực tế ở từng ñơn vị sản xuất khác nhau nên cần thực hiện các thí nghiệm kiểm tra các tính này cũng như các ñặc ñiểm sử dụng của từng loại nhựa. Bảo quản: Nhựa Polyester bất bão hòa SHCP ổn ñịnh khoảng 6 tháng nếu bảo quản ở chỗ tối dưới 250C. Nếu nhiệt ñộ tăng cao, làm giảm ñộ ổn ñịnh, ñặc biệt khi ñể trực tiếp ánh sáng mặt trời. Phải giữ nhựa ở tối và mát nên sử dụng tốt trong vòng 3 tháng. ðóng gói:
Nhựa polyester bất bão hòa SHCP ñược chứa trong thùng thép mới có trọng lương 220 Kg. Một số loại nhựa với tính năng và ứng dụng ñược trình bày trong bảng sau: Mã số
ðộ nhớt Thời gian Nhó
Tính chất
Ứng dụng
ở 300C gel hóa ở m (PS)
300C (phút) - ðộ bền cơ rất Các tốt.
sản
phẩm SRP:
- ðộ bền va thuyền, cano, Kệ
ñập và ñộ cứng trên
rất tốt.
xe
- ñộ bền thời buýt, buồng 268BQT
4 – 6
10 -15
Ortho gian rất tốt và ñiện thoại, lượng ghế
ngồi,
bồn
tắm,
- ðộ hấp thụ tháp
làm
268BQT
trọng
N
nhỏ.
nước thấp và nguội, ghế ñộ bền ăn mòn ngồi, bồn tắm,
rất cao.
tháp
làm nguội, lọ sườn
hoa, xe
hơi, thùng rác. - ðộ bền thời Như là một tiết rất tốt và trong nñộ bền màu những cao. -
phủ bề mặt Lớp
bóng, Gel coat
40 - 60
8 - 12
ISON cứng.
Trang- 23 -
chất
dai
phủ và làm ñẹp và bề mặt và làm tăng ñộ
(G3235T)
PG
- Bền tốt với bền
thời
nước và sự ăn gian ñối với mòn hóa học sản yếu.
phẩm
FRP, ví dụ
- ðược chứng làm
khuôn
nhận bởi hãng FRP
phủ
Eloyds
lên bề mặt
Register ngành thuyền. hàng hải trong sản
xuất
tàu
thuyền. 2.1.2.3. Nhựa Epoxy Nhựa Epoxy là polyme mạch thẳng (linear polymer), ñược tổng hợp bằng cách cô ñặc chất epichlorhydrin (C3H5OCl) với hợp chất polyhydroxy: T25 Màu của epoxy phụ thuộc vào ñộ tinh khiết của bis – phenolA. Nếu nó không không tinh khiết thì có màu hổ phách, ngược lại nó sẽ không màu. Trọng lượng phân tử của epoxy trên thị trường thay ñổi từ 340 – 4000 tùy thuộc vào trị số n = 0 tới n = 12, trọng lượng phân tử ñược kiểm soát bằng tỷ số những chất phản ứng trong công thức và ñiều kiện phản ứng. Nhựa có trọng lượng phân tử nhỏ hơn 400 là những chất lỏng có ñộ nhớt trong khoảng 40 -300P ở nhiệt ñộ phòng. Nhựa với trọng lượng phân tử trên 450 là chất rắn với ñiểm chảy từ 40 – 1500C. Nhựa epoxy có tính chất cách ñiện và kháng hóa chất tốt hơn polyester. Epoxy sau khi xử lí nhiệt kháng axit và kiềm tuy nhiên không băng amin. Chúng bị tác ñộng bởi hydrocacbon chlorinate và keton nhưng có tính kháng dung môi tốt.
Trang- 24 -
Nhựa epoxy không thông dụng vì giá thành cao (ñắt gấp 2.5 lần so với polyester) trong khi sức bền chỉ tương ñương polyeste và khó gia công. Người ta dùng vật liệu này ở những nơi thật cần thiết khi giá thành không cần quan tâm. Khi cần ñộ dai người ta tăng cường bằng sợi cacbon và aramid. Nhựa epoxy có ñộ bền hóa học cao và ít bị co rút cho bề mặt sản phẩm ñẹp, tuy nhiên nhựa epoxy phản ứng chậm hơn, ñộ bền nhiệt không cao và có giá thành cao hơn nên chỉ dùng nó ñể phủ một lớp mỏng bên ngoài. Nó thích hợp khi sản phẩm ñòi hỏi nhẹ mà sức bền cao, dung sai cho phép rất nhỏ như: các chi tiết máy bay, dụng cụ ñồ nghề. Nó không thích hợp với thiết bị phun có hòa trộn bên ngoài. Hơi epoxy ñộc hại, hại da nên cần có bảo hiểm khi sử dụng. Nói chung eppoxy áp dụng trong công nghệ khuôn có tiếp xúc có hiệu quả như polyeste resin. ðặc tính chủ yếu của hai loại resin này thể hiện trong bảng dưới: ðặc tính
ðơn vị
Polyeste ñóng rắn
Epoxy ñóng rắn
Trọng lượng riêng
Kg/dm3
1,10 – 1,46
1,11 – 1,40
ðộ cứng
Rockwell 70 – 115
Sức bền kéo
MN/m2
42 – 91
28 – 91
Môñun kéo
GN/m2
2 – 4,5
2,4
Sức bền nén
MN/m2
90 – 250
100 – 175
Nhiệt riêng (specific heat) Kj/g.0C Hệ số dẫn nhiệt W/m0C
0,3
0,25
0,21
0,21
Hệ số giãn nở dài
W/0C
(9,9 – 18).10-5
(8,1 – 11,7).10-5
Co ngót
%
0,004 – 0,008
0,001 – 0,004
Hệ số thấm nước
%
0,15 – 0,60
0,08 – 0,15
2.2. XÚC TÁC – XÚC TIẾN 2.2.1. Xúc tác
Trang- 25 -
80 – 110
Các chất xúc tác chỉ ñược cho vào nhựa trước khi gia công.Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích ñộng cho quá trình xúc tác phản ứng ñồng trùng hợp. Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngọai hay nhiệt ñộ. Chất xúc tác gồm các lọai sau: 2.2.1.1. Xúc tác Peroxide _ Peroxide thông dụng nhất là benzoil-peroxide C
O
C
O
O
O
Nó là lọai bột trắng, tồn tại ở 3 dạng: khô (khỏang 5% ẩm), paste trong nước (khỏang 25% nước), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl phosphonate hay dimetyl phthalate (khỏang 70% peroxide). Nó ñược dùng ñể ñóng rắn nhựa polyester(ở nhiệt ñộ khỏang trên 800C) và thường ñược dùng với tỉ lệ 0,5-2% so với nhựa.Khi cho vào nhựa nó thường ở dạng paste vì ở dạng khô nó không phân tán ñều vào nhựa. Khi phân hủy ở nhiệt ñộ cao sẽ xảy ra phản ứng: 0
70 – 80 C
R-CO-O-O-CO-R
2RCOO
2R + CO2
R: -C6H5 Ngoài ra các chất xúc tác thuộc lọai peroxidẽ còn có: + Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3 + Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3 _ Hydroperoxide: + T-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH + Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH
Trang- 26 -
Hai loại MEKP và HCH ñược dùng ñể ñóng rắn nguội cho nhựa polyester. MEKP là tên viết tắc của metyl ethyl keton peroxide, nó thựa chất là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, thành phần thay ñổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Theo Karnojitzki nó gồm các hợp chất chính sau: H5C2
OH H5C2
C
H3C
OH
C
H3C
H5C2 H3C
C
O
O
OH
HO
O
O
OOH
C2H5
C
CH3
C2H5
C
HOO
CH3
MEKP thường ñược sử dụng ở dạng dung dịch 50-60% trong dimetyl pthalate với lượng từ 0,1 – 0,2%. Nó là chất oxi hóa mạnh nên phải tránh tiếp xúc với oxi. HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide với cyclohexanol peroxide và ñược gọi tên là cyclo-hexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợp của ít nhất hai trong bốn chất sau( theo Criegree,Schorenberg và Becke)
O OOH
OH
O
OH
OH
O
O HO O
HO
O
OOH HOO
2.2.1.2. Xúc tác azo và diazo + Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5 + Dinitric của acid diizobutyric:NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN Trang- 27 -
+ Dimêtyl ester cùa acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-C2H5 2.2.2. Chất xúc tiến
Trang- 28 -
Chất xúc tiến là chất ñóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm ñược nhiệt ñộ, thời gian ñóng rắn một cách ñáng kể và có thể dùng ñể ñóng rắn nguội. Gồm các loại: 2.2.2.1. Xúc tiến kim loại Xúc tiến kim loại là muối của kim loại chuyển tiếp như: cobalt, chì, mangan,ceri,... và các acid như: naphthenic,linoleic,octonic,... hoà tan tốt trong polymer. Loại xúc tác này thường dùng chung với các chất xúc tác dạng hydroperoxide (MEKP,HCH). Naphthenic-cobalt là loại thông dụng nhất, thường dùng với lượng 0,002 – 0,02% cobalt kim loại so với nhựa Cơ chế xúc tiến của cobalt kim loại: RCOOH + Co2+ RCOOH + Co2+
RO• + Co3+ + OH− RO• + Co3+ + OH−
2RCOOH
RO• + ROO• + H2O
Ngoài xúc tiến kim loại ở dạng muối, người ta còn dùng dạng phức Ví dụ Ferrocen, dạng phức dicyclopentadienyl của sắt dùng ñể xúc tiến cho cumen peroxit khi cần ñóng rắn nhanh ở nhiệt ñộ khoảng 800C 2.2.2.2. Amin bậc ba Loại tiếp xúc này thường ñược dùng với các chất xúc tác peroxide,các loại thường gặp: + Dimetyl-aniline(DMA): C6H5 N(CH3)2 + Dietyl-aniline (DEA):C6H5 N(C2H5)2 + Dimetyl-p-toluidin (DMPT) :CH3C6H5 N(CH3)2 Lượng dùng khoảng 0,02 – 0,5% so với nhựa. 2.2.2.3. Mercaptan Lauryl Mercaptan có thể ñược dùng làm xúc tiến với lượng nhỏ, khi cần khống chế nhiệt ñộ, ñược dùng ñể ñúc nhựa cho sản phẩm biến màu. Tuy vậy nó ñóng rắn không hoàn toàn, làm cho cơ lý tính nhựa không tốt. 2.3. CHẤT PHA LOÃNG
Trang- 28 -
Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối ñôi và nhóm ete,vào mạch thơm hay mạch thẳng, mức ñộ ña tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất của tác nhân nối ngang – monomer. Các monomerkhâu mạch ngang ñược dùng ñể ñồng trùng hợp với các nối ñôi trong nhựa UPE, tạo liên kết ngang, thường là chất có ñộ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm ñộ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn ñược gọi là chất pha loãng. Monomer pha loãng phải thoả mãn các ñiều kiện sau: ðồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản
phẩm không ñồng nhất, làm ảnh hưởng ñến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền. Monomer phải tạo hỗn hợp ñồng nhất với polyestre, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc ñó nó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng ñóng rắn và tạo ñộ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công. Nhiệt ñộ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản. Nhiệt phản ứng ñồng trùng hợp thấp, sản phẩm ñồng trùng hợp ít co rút. Ít ñộc ðể ñóng rắn polyester, người ta dùng các monomer: styrene, metyl
meta acrylat(MMA), vinyl toluen, diallil phtalate, triallil xianuarat,... trong ñó syyrene ñược sử dụng nhiều nhất 2.3.1. Styrene CH
CH2
Có ñộ nhớt thấp Tương hợp tốt với polyester, khả năng ñồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp ðóng rắn nhựa nhanh.
Trang- 29 -
Sản phẩm chịu thời tiết tốt, cơ lý tính cao, cách ñiện tốt. Khả năng tự bốc cháy thấp, với 2.3.2. Vinyl toluene CH
CH2
CH3 Ít bay hơi hơn styrene nhưng khâu mạch không hoàn toàn, Sản phẩm tạo thành mềm dẻo và co ngót. 2.3.3. Metyl meta acrylate CH3 CH2
C COOCH3
Tạo nhựa có chiết suất thấp hơn và ñộ bền thời tiết cao hơn, ít bị ñổi màu hơn styrene. Tuy nhiên MMA khó tương hợp với UPE và tự trùng hợp cao nên chỉ dung UPE chung với styrene 2.3.4. Diallyl phthalate COO
CH2
CH
CH2
COO
CH2
CH
CH2
Có ưu ñiểm là kém bay hơi hơn, khi ñóng rắn tạo sản phẩm dai hơn và ñiểm chảy mềm cao hơn styrene( vì có sự tăng lên của mật ñộ lien kết ngang). Nhưng UPE với diallyl phthalate khó ñóng rắn ở nhiệt ñộ phòng mà chỉ ñóng rắn nóng. Trang- 30 -
2.4. CHẤT RÓC KHUÔN, CHẤT LÀM KÍN
Trang- 31 -
2.4.1. Chất róc khuôn Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn. Chất róc khuôn dung trong ñắp tay là loại chất róc khuôn ngoại ñược bôi trực tiếp lên khuôn Một chất róc khuôn:Wax, silicon,dầu mỡ, mỡ heo… 2.4.2. Chất làm kín _ Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín trước khi dung chất róc khuôn. _ Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám vào. _ Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon , stearic acid, nhựa furane, vecni, sơn mài… 2.5. VẬT LIỆU GIA CƯỜNG Vật liệu tăng cường (hay cốt) cung cấp cơ tính như:ñộ cứng, ñộ bền phá huỷ…và cũng cải thiện một số tính chất lý học: tính dẫn, chịu nhiệt ñộ, ñộ bền mòn, tính dẫn ñiện… cho vật liệu composite. ðối với vật liệu tăng cường, người ta quan tâm ñến những ñặc trưng sau: cơ tính phải cao, tỷ trọng nhỏ, tương thích với nhựa dễ gia công chế tạo, giá thành hạ … Tuỳ vào mục ñích sử dụng, vật liệu tăng cường có thể có dạng hạt hoặc sợi với các nguồn gốc khác nhau : hữu cơ, vô cơ, khoáng chất, nhân tạo tổng hợp… 2.5.1. Dạng sợi Vật liệu gia cường ở dạng sợi thường có dạng: Dạng dài( sợi mảnh(filament), bó sợi (strand), chỉ (yarn), Sợi thô roving …) Dạng vải (vải bình thường, matt…) Dạng nhiều phương (bện, tết, dệt phức tạp …) 2.5.1.1. Sợi hữu cơ Một số dạng sợi tự nhiên: cellulose là loại sợi quan trọng nhất, người ta hay dung loại sợinày ở dạng vải sợi cắt ngắn hay chỉ yarn, tốt tương ñương với sợi viscose tái tạo. Vải cellulose ở dạng dệt thường ñược dung cho vật liệu
tấm laminate. Trong các loại sợi thường, nylon ñược dung trong chất dẻo thay thế bộ phận cho người thuộc họ phenolic và sợi polypropylene ñược dung gia cường cho xi măng vô cơ. Sợi aramid có khối lượng riêng thấp, ñộ bền kéo cao, ñộ cứng (modul) cao, bền dai tốt và chịu áp lực nén ép như kim loại. ðộ bền dai của sợi góp phần cho thành tích chịu ñạn tuyệt vời và chịu sự phá huỷ. Sợi aramid có ñộ ổn ñịnh nhiệt cao, các tính chất ñiện môi thấp và kháng hoá chất tốt, mặc dù tính chất này bị giảm giá trị trong acid và bazo vô cơ mạnh. Sợi aramid ñược dung trong composite ñể tạo vật liệu cứng, cơ tính cao nhẹ ñặc biệt so với thuỷ tinh. Vật liệu composite có aramid thì kháng thiệt hại do mỏi va ñập, ñứt vỡ do lực kéo căng, có tính kháng mòn, ẩm ướt và rung ñộng cao. Chúng có nhiệt ñộ sử dụng từ -320 – 40000C và không dẫn ñiện. Sợi aramid ít sử dụng trong vật liệu composite vì ñộ bền nén, uốn, uốn dộc khá thấp và nó rất nhạy biến dạng cắt giữa các lớp ñó là liên kết sợi nhựa không chắc chắn. Trong kỹ thuật người ta sử dụng hỗn hợp sợi thuỷ tinh Keclar ñể chế tạo các thiết bị chống phản xạ, chống nhiệt và làm một số dụng cụ thể thao khác nhau. Sợi cacbon gia cường nhẹ, ñộ bền kéo cao có thể áp dụng trong nghành hang không vũ trụ và có thể dược dung như vật gia cườngcho kim loại cũng tốt như cho chất dẻo. Sợi này có thể ñược sản xuất từ những nguyên liệu ban ñầu khác nhau, nhưng hiện nay, sợi acrylic, tơ nhân tạo rayon cellulose và hắc ín thường sử dụng nhất.Với hướng ñi acrylic, tổng hợp sớm với sợi polyacrylonitrile tạo ra sợi cacbon tốt hơn ñi từ sợi cellulose. Chúng bị oxi hoá ở nhiệt ñộ thấp 200 – 2500C, cacbon hoá ở khoảng 10000C, và graphit hoá tại 20000C trong một lò luyện nhiệt hồ quang ñiện. Sợi polyeste (Tergal, Oracon, Terylen, …) có ñặc tính cơ học cao, bằng cách tổng hợp axit paraphtalat với rượu (glycol) ñể ñạt ñược chuỗi ñại phân tử (macromolecular) polyterephtalat. Công nghệ chế tạo sợi polyeste tương tự
như sợi nylon, nhưng ñạt ñộ bền tố hơn. Sức bền kéo R > 1.000 Mpa, môdun ñàn hồi E = 14.000 Mpa, tỷ trọng 1.300 kg/m3, dãn nở dài 12%. Trên thị trường sợi polyeste ñược cung cấp dưới dạng sợi, sợi cắt ngắn và vải dệt (tissue). Sợi polyeste là loại sợi gia cường nhẹ nhất, chịu va ñập tốt nhất nhưng kém cứng vững không phù hợp cho công nghệ ñúc. 2.5.1.2. Sợi vô cơ (Sợi thuỷ tinh) Người ta gọi tên thuỷ tinh dựa trên thành phần hoá học và tính năng của nó như: Loại
ðặc
tính chung
E
Ứng dụng chung, tính cách ñiện tốt
D
Tính dẫn ñiện cao
A
Hàm lượng kiềm cao
C
ðộ bền hoá học cao
R,S
ðộ bền cơ học cao
Thuỷ tinh E ñược sử dụng thông thường và chiếm tỷ lệ cao nhất. Thành phần ñặc trưng của thuỷ tinh E: Silica(SiO2)
: 55%
Oxit nhôm và sắt
: 15%
CaCO3 và MgCO3
: 22%
Oxit boric
: 7%
Na và K ở dạng oxit : 8% Ưu ñiểm chính của sợi thuỷ tinh : Tỷ số tính năng cơ lý / giá thành rất cao. Có nhiều dạng : vải dệt, matt, roving, … Kết dính tốt với tất cả các loại nhựa. Kháng nhiệt ñộ tốt Ít co giãn do nhiệt
Trang- 33 -
Một ñặc ñiểm ñáng chú ý của sợi thuỷ tinh giữ ñược các cơ tính ở nhiệt ñộ khá cao khoảng 2000C ñối với thuỷ tinh E và khoảng 2500C ñối với thuỷ tinh R. _ Truyền nhiệt kém _ Chống ẩm và chống ăn mòn tốt 2.5.1.3. Các loại sợi khác: Ngoài các loại sợi nêu trên còn khá nhiều loại sợi ñược ứng dụng. Với các loại sợi có cường ñộ và môdun ñàn hồi thấp thì ñược ứng dụng vào các mục ñích ít chịu lực như: - Các sản phẩm giá thành hạ. - Các sản phẩm cách nhiệt cao. - Các sản phẩm dẫn ñiện và dẫn nhiệt tốt. Sợi gia cường ñược phân loại theo tên của vật liệu gốc tạo ra sợi: 2.5.1.3.1. Gia cường bằng sợi thực vật: - Gỗ: ñược ứng dụng nhiều nhất dưới dạng: sợi ñịnh hướng, giấy ñược tẩm keo phenolic. Ngoài ra người ta cũng chế tạo gỗ thành các loại sản phẩm phân tầng ñể làm các ñồ gia dụng. - Sợi Sisal: Loại này ngày càng ít sử dụng và ñược thay thế bằng sợi thủy tinh. 2.5.1.3.2. Sợi khoáng amiăng ðây là sợi khoáng silicat:chrysotil, croxidolit và amoxit. Các loại sợi
này có ñặc tính ñiển hình là chống cháy. Vì vậy chúng ñược sử dụng kết hợp với chất dẻo nhiệt như phenolic ñể tạo ra các vật liệu compozit chống cháy (bọc các bình giảm âm và ống khí xả ñộng cơ diesel, tấm lợp amiăng, …). Gần ñây việc sử dụng các loại sợi ngắn amiăng cho một số mục ñích ñã bị cấm vì phát hiện chúng có thể gây ñộc hại cho sức khỏe. Cho nên việc sử dụng sợi thủy tinh rẻ tiền lại càng có ñiều kiện phát triển hơn. 2.5.2. Dạng hạt
Trang- 34 -
ðộn dạng hạt chịu nhiệt, chịu môi trường, chịu mài mòn, giá thành
thấp. ðộn dạng hạt có khả năng gia công dễ hơn, tạo bọt ít hơn so với sợi. Khi gia cường vật liệu chịu lực cao thì nên chọn vật liệu dạng sợi hoặc có thể dung một lớp sợi, một lớp hạt ñể bổ sung tính chất. 2.5.2.1. Calci carbonate Calci carbonate gồm : ðá phấn : dạng rời rạc, mịn, mềm, màu trắng, là hợp chất vôi trong vỏ sò ðá vôi : kết dính chặt hơn dạng ñá phấn, có trong hoá thạch của vỏ sò. ðá cẩm thạch : hình thành từ hiện tượng tái kết tinh ñá ở nhiệt ñộ 6000C, áp
suất cao trong lòng ñất. Do vậy cẩm thạch cứng, cấu trúc hạt to, thô. Calci carbonate là chất ñộn thông dụng trong ngành nhựa, chúng có tác dụng làm ñầy, giữ vai trò trong việc cân bằng giữa giá thành và duy trì tính chất cơ lý của vật liệu. Một số tính chất tiêu biểu: giảm co ngót, cải thiện chất lượng bề mặt, tăng ñộ bền va ñập, chịu nhiệt tốt. 2.5.2.2. Hạt thuỷ tinh Có hai dạng: ñặc và rỗng Tính chất: hạt ñặc có ñường kính 0.004-5mm, tốt nhất là từ 4-44µm, tỉ trọng:2.2g/cm3. Hạt rỗng nổi trên mặt nước, tỉ trọng khoảng 0.3-0.6 g/cm3, ñường kính khoảng 10-250µm. Sử dụng: Hạt thuỷ tinh ñược sử dụng làm chất ñộn cho cả nhựa nhiệt dẻo và nhiệt nhiệt rắn. Uu ñiểm của chúng là: có cùng hình dạng, trong suốt. kháng nén ép, ổn ñịnh nhiệt cao. Các ưu ñiểm mà hạt thuỷ tinh có ñược là do hình dạng cầu của nó. Chúng giống như những trái banh lăn trên trục, làm giảm khả năng chảy của dòng polymer nên có thể sử dụng ñược nhiều ñộn. Nó cũng cũng có thể cải thiện ứng suất cơ dưới tác dụng của tải. Do hạt cầu có bề mặt nhọ nhấtở thể tích cho trước nên lực trượt giữa polymer và ñộn thấp. ðộ hấp thụ dầu không chịu ảnh hưởng của dạng cầu. ðộn hạt thuỷ tinh sẽ làm tăng lực kéo, nén và modul uốn. Do có dạng
cấu, ứng suất nứt trong sản phẩm cuối ít hơn khi sử dụng ñộn vô cơ. Mặc dù
Trang- 35 -
có tỉ trọng thấp, hạt thuỷ tinh cũng làm giảm tính chất cơ lý. Chúng thường ñược sử dụng làm lõi, hạt ñặc chiếm khối lượng ít hơn hạt rỗng nhưng có thể tích lớn hơn. 2.5.2.3. ðất sét ðất sét là sản phẩm cuốicủa quá trình phong hoá ñá granite và feldspat, không ñòi hỏi ñộ tinh khiết. Kaolin còn có tên là ñất sứ hay ñất sét. Tính chất: Kaolin là hợp chất nhôm silicate ngậm nước có dạng tinh thể mắt cáo với cấu trúc lục giác. Thành phần hoá học ñiển hình của kaolin: Al2O3.SiO2.2H2O vớI Al2O3 (38,8%), SiO2 (45,4%), MgO, K 2O, Na2O, FeO. Kaolin có ñộ trắng cao, không dẫn ñiện, chịu hoá học rất tốt ngay cả với acid mạnh. Kaolin cứng và mềm : ngành công nghiệp giấy sử dụng khoảng 50% kaolin. Ngoài ra nó còn là chất ñộn quan trong thứ hai trong công nghiệp cao su carbon black. Trong công nghệ cao su, người ta phân biệt kaolin cứng hay mềm tuỳ theo sản phẩm cuối có modul cao hay thấp. Về mặt hình dạng, sự khác nhau giữa hai loại là kích thước: kaolin cứng có ít nhất 75% hạt có ñường kính nhỏ hơn 0.2µm còn kaolin mềm ở dạng thô. 2.5.2.4. Nhôm hydroxide Nhôm hydroxide thường ñược sử dụng do tính chống cháy của nó. Do nhôm hydroxide bắt ñầu phân huỷ ở nhiệt ñộ 2000C, nên vấn ñề khó khăn là phải gia công nhựa ở nhiệt ñộ lớn hơn nhiệt ñộ này. Cũng như các chất ñộn khác, ñộ cứng sẽ tăng khi lượng Al(OH)3 tăng, sử dụng thay thế các chất ñộn thông thường ñể chống cháy cho sản phẩm
Trang- 36 -
Chương 3
KỸ THUẬT ðẮP TAY (Hand Lay-Up) 3.1. GIỚI THIỆU Kỹ thuật hand lay-up dùng ñể sản xuất các sản phẩm gia cường, thường bao gồm việc tẩm ướt sợi thủy tinh với nhựa lỏng. Nhựa dùng trong công nghệ này là loại nhựa nhiệt rắn và ñóng rắn ở nhiệt ñộ phòng với áp suất thường. Sản phẩm gia cường làm từ quy trình hand lay-up là những sản phẩm quá lớn không thể sản xuất ñược từ những kỹ thuật khác, kỹ thuật này dùng ñể sản xuất các sản phẩm có số lượng ít và có ñầu tư cho sản phẩm thấp Ví dụ: tàu, thuyền, xe hơi, bồn chứa hóa chất, hồ bơi,… 3.2. PHƯƠNG PHÁP Phương pháp hand lay-up thường dùng khuôn ñơn, có thể là khuôn ñực hoặc khuôn cái. Khuôn có thể ñược quét gelcoat trước hoặc chỉ dùng chất róc khuôn. Các bước cần thiết trong kỹ thuật hand lay-up là chuẩn bị khuôn, quét khuôn, quét chất róc khuôn, chọn nhựa và chất gia cường thích hợp, ñặt sợi gia cường vào trong khuôn, quét nhựa lên, dùng con lăn ñể phân bố nhựa ñều và khử bọt khí, chờ cho ñóng rắn, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn và hòan tất sản phẩm 3.3. NGUYÊN VẬT LIỆU 3.3.1. Chất róc khuôn và chất làm kín Nhựa ñược dùng trong sản phẩm gia cường thường có tính chất bám dính tốt. Vì thế chúng ta phải ngăn chặn sự bám dính của nó vào khuôn bằng cách dùng tác nhân róc khuôn. Trong kỹ thuật hand lay-up, thường dùng chất róc khuôn ngoại quét lên khuôn chứ không dùng chất róc khuôn nội Khi sử dụng vật liệu xốp như gỗ hoặc thạch cao làm khuôn thì bề mặt thường có các lỗ li ti, vì vậy phải bịt kín các lỗ này trước khi róc khuôn. Các chất làm kín này thâm nhập sâu vào bề mặt gỗ và thạch cao, làm ñầy các lỗ, không cho nhựa bám vào, thường dùng vecni, sơn mài, dầu bong,… Một số chất làm kín cho khuôn gỗ và thạch cao: cellulose acetate, wax, silicon Trang- 37 -
Cẩn thận khi chọn lựa vật liệu dùng làm chất làm kín, một số vật liệu bị phân hủy ở nhiệt ñộ khuôn, stearate là một chất làm kín rất tốt, mặc dù nhôm stearate ngăn cản quá trình ñóng rắn của polyester. Với sản phẩm từ khuôn thạch cao thì phải chú ý: khi ñắp, nhựa ñóng rắn tiếp xúc với thạch cao, mặc dù chất làm kín ñược dùng trong khuôn thạch cao, nhưng sự hóa vôi và phân hủy thạch cao sẽ xảy ra ở nhiệt ñộ vượt quá 1200C 3.3.2. Một số loại gelcoat dùng trong hand lay-up Loại gelcoat
Tính chất
Lĩnh vực áp dụng
Gelcoat ñiều chế từ Có tính ñàn hồi, chịu va ñập, ðược dùng trong sản isophthalic
chịu thời tiết, chịu hóa chất xuất thuyền và cho mục tương ñối tốt và có ñộ bóng cao
ñích thông thường
Gelcoat ñiều chế từ Giống isophthalic nhưng có giá Thường dùng cho mục Orthophthalic Gelcoat
trị và ñộ bền va ñập thấp hơn
ñích thông thường
trong, Có ñộ trong rất tốt ở dạng màng Dùng cho mục ñích trang
không có màu
mỏng, màu sắc ít thay ñổi, có ñộ trí, là lớp có ñộ bóng cao bóng cao
phủ lên lớp Gelcoat màu
Gelcoat chịu hóa Là lọai gelcoat bền với acid, Dùng làm các bồn chứa chất Loại
kìềm và dung môi
hóa chất và nắp nồi hơi
isophthalic Là loại gelcoat ñàn hồi, chịu mài Dùng làm các thiết bị
chịu hóa chất cho mòn, có giá thành thấp hơn loại chịu hóa chất yếu các
chịu hóa chất
mục ñích thường Loại gelcoat không Công thức chứa từ 40-50% chất Làm tăng khả năng trang in hình sợi phía sau ñộn sợi thủy tinh trơ, không cho trí, dùng cho bàn ghế và thấy lớp sợi gia cường phía sau các mục ñích thường trên bề mặt gelcoat Loại
gelcoat
có Có bề mặt cứng
màu ñen hoặc xám
Kết hợp với nhựa ñắp ñể làm khuôn composite
Trang- 38 -
3.3.3. Nhựa dùng trong công nghệ hand lay-up Là loại nhựa nhiệt rắn ở dạng lỏng, ñóng rắn ở nhiệt ñộ phòng. Các loại nhựa thường dùng là polyester, vinyl este, và nhựa epoxy. Tùy vào mục ñích sử dụng mà ta có thể chọn lựa vật liệu thích hợp ñể ñạt ñược sản phẩm có tính năng cao. Các loại nhựa sử dụng cho công nghệ này ñòi hỏi thời gian ñóng rắn không ñược ngắn quá, ñộ nhớt không ñược quá cao vì sẽ ảnh hưởng ñến khả năng thấm ướt sợi gia cường 3.3.4. Hệ ñóng rắn Một số chất hữu cơ ñược hòa tan trong styrene, trong quá trình ñóng rắn chúng phân hủy sinh ra gốc tự do và tấn công vào liên kết ñôi của polyester Kỹ thuật hand lay-up ñược ñóng rắn ở nhiệt ñộ phòng, thường dùng xúc tác là MEKP và chất xúc tiến là cobalt napthenate, ngòai ra có thể dùng chất ức chế ñể làm chậm quá trình ñóng rắn 3.4. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 3.4.1. Khuôn Khuôn ñược làm từ nhiều loại vật liệu như kim loại, gỗ, ximăng, thạch cao,… Tránh vấn ñề khuôn bị biến dạng Một số loại lổi có thể thường gặp trong sản xuất: Hiện tượng không bằng phẳng hoặc gợn song Bề mặt xù xì: bề mặt không bóng thích hợp hoặc bề mặt không chuẩn bị ñúng, các tác chất không ñược áp dụng phù hợp, bề mặt bị bẩn trước khi phun và ñắp Các vết rạng trong quá trình ñắp: vật liệu ñắp quá cứng, quá mỏng, ứng suất va ñập trong quá trình sử dụng, biến dạng quá mức trong quá trình sử dụng, dùng nêm ñể lấy sản phẩm Hiện tượng in dấu sợi: do ñưa sợi ñắp vào quá sớm sau khi phun
Trang- 39 -
Hiện tượng giộp hoặc vỡ ñến lớp ñắp: các lỗ xốp hình thành trong quá trình sản xuất khuôn: do nhựa bị gel hóa quá nhanh ngăn cản quá trình bọt khí thóat ra, sự tỏa nhiệt quá cao gây ra bong bóng nhựa Sự cong vênh: quá nhiều lớp ñược ñặt một lần hoặc quá sớm khi lớp trước ñó ñược ñặt lên 3.4.2. Thiết bị trộn và chuẩn bị Nhiều vấn ñề có thể gây ra do nguyên nhân chính là các nhà sản xuất trộn nhựa bằng tay. Trong nhiều trường hợp, tuy nhiên trong gia công cần trộn chất xúc tác, chất xúc tiến, chất ñộn, màu, chất pha lõang và một số tác nhân khác cho hệ ñóng rắn, khi trộn phải tuân theo một số nguyên tắc như sau: Cân nhựa, ñộn sợi gia cường Cân chất xúc tác, một số phụ gia khác ñược tổ hợp lại vì chúng ñược sử dụng với một lượng rất nhỏ Mặc dù quy trình ñắp ở ñây là bằng tay nhưng cũng cần trang bị thêm cho người công nhân một số công cụ như: con lăn có các hình dáng dùng cho mặt phẳng và cong, con lăn sơn, bàn chải, cọ, dao,… 3.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Sau khi khuôn ñược làm xong cần ñặt lên giá ñỡ ñể tiện thao tác. Trong trường hợp khuôn có cốc khuôn rất sâu thì nên ñặt khuôn ñứng thẳng Chuẩn bị khuôn, dùng chất làm kín, chất tạo bóng, bước tiếp theo dùng chất róc khuôn. Trong công ñoạn này phải cẩn thận không ñược dùng quá nhiều chất róc khuôn vì nhựa dùng trong ñắp tay không bám dính tốt làm cho sản phẩm không giữ ñược trong khuôn. Trong từng vùng, diện tích bề mặt khuôn cần phải ñược ñánh chất róc khuôn ñều ñể sản phẩm khỏi dính vào khuôn gây hư hỏng bề mặt Bước tiếp theo là phun hoặc quét gelcoat lên bề mặt khuôn. Tùy thuộc vào loại khuôn, diện tích mà gelcoat có thể quét hoặc phun. Hàm lượng chất xúc tiến và xúc tác phù hợp ñóng rắn ở nhiệt ñộ phòng. ðiều này rất quan
Trang- 40 -
trọng, cần phải ñể cho lớp gelcoat ñược ñóng rắn hòan tòan nhằm ngăn cản sự xâm nhập của styren qua, làm cho lớp gelcoat bị nhíu Bắt ñầu quá trình ñắp, quét lớp nhựa ñắp lên trên bề mặt gelcoat, sau ñó ñặt lớp sợi gia cường lên, tiếp tục quét nhựa, dùng con lăn khử bọt khí,ñảm bảo lượng bọt khí tối thiểu và khả năng thấm ướt tối ña Giai ñọan ñóng rắn: có thể cho phép dùng nhiệt hoặc hoặc ñược xúc tiến bằng hơi nóng hoặc ánh sáng mặt trời. Cẩn thận trong việc ñìều khiển nhiệt ñộ, bởi vì nếu nhiệt ñộ cao quá mức thì sẽ gây ra sự sôi, nhanh chóng làm bốc hơi chất pha lõang và các phụ gia lỏng khác. Kết quả là hình thành bong bóng khí và biến dạng sản phẩm trong khi ñắp. Nếu dùng nhiệt ñộ cho quá trình ñóng rắn thì chỉ cần cho quá trình khơi mào phản ứng trùng hợp, còn sau ñó thì nhiệt ñộ sẽ tăng lên. Cần phải có sự thông gió tốt nhằm mục ñích loại bỏ các chất bay hơi như styrene vì nó có thể gây cháy và ñộc hại Khi sản phẩm có ñộ cứng phù hợp, nó ñược lầy ra khỏi khuôn. Có thể dùng nhiều kỹ thuật cho công ñọan quan trọng này nhằm tránh làm hư hỏng bề mặt sản phẩm như là dùng khí nén hoặc dùng áp lực của nước Sản phẩm nên ñược di chuyển ñến khu vực hòan tất nhằm mục ñích tránh bám bẩn Các dung môi dùng rửa dụng cụ là acetone, metyl isobutyl keton, ethylen chloride 3.6. THUẬN LỢI VÀ HẠN CHẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP ðẮP TAY Một số thuận lợi của phương pháp hand lay-up so với các công nghệ gia công chất dẻo gia cường khác là: Làm ñược các sản phẩm lớn, có kết cấu phức tạp mà không thể gia công bằng phương pháp ép khuôn hoặc phun ðộ bền của sản phẩm phụ thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh, ñộ bền
cao nhất có thể ñạt ñược ở lượng sợi là 60%. Sợi có thể chọn lựa hướng ñịnh hướng ñể phù hợp với yêu cầu ñộ bền
Trang- 41 -
Giá thành của khuôn và sản phẩm thấp, dễ thay ñổi kiểu cách và mẫu mã. Tuy nhiên bên cạnh ñó có một số bất lợi: Tốc ñộ sản xuất bị giới hạn, giá thành khuôn giảm thì tốn thêm chi phí nhân công vì dùng nhiều nhân công Kỹ năng và kinh nghiệm của người nhân công cần phải cao nếu như muốn làm các sản phẩm ñồng nhất giữa nhựa và sợi cũng như ñảm bảo chất lượng Tính chất ñôi khi phải hy sinh cho giá thành. Nếu ta làm sản phẩm có ñộ bền cao thì sợi chiếm tỷ lệ lớn do ñó không cần thiết 3.7. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA SẢN PHẨM ðẮP TAY Các số liệu sau ñây ñược ño từ mẫu gia công với hàm lượng sợi thủy tinh 30% Tính chất
Sợi mát
Sợi dạng vải dệt
Tỷ trọng( g/cm3)
1.4-1.8
1.6-2.0
ðộ bền kéo(psi)
16.000
40.000
ðộ bền uốn(psi)
24.000
60.000
ðộ bền nén(psi)
12.000
45.000
Modun ñàn hồi uốn(psi)
1.000.000
3.000.000
ðộ cứng barcol
40-50
40-50
Trang- 42 -
Chương 4
CÔNG NGHỆ LÀM KHUÔN 4.1. PHÂN LOẠI KHUÔN - Theo cách lấy khuôn: khuôn ñơn, khuôn nhiều mảnh - Theo yêu cầu sản phẩm: khuôn một mặt láng hay hai mặt láng - Theo hình dạng khuôn: khuôn ñực và khuôn cái 4.1.1. Theo cách lấy khuôn 4.1.1.1. Khuôn ñơn Sử dụng khuôn ñơn khi sản phẩm có hình dạng dễ tháo khuôn, tháo khuôn do có ñộ nghiêng tự nhiên. Ví dụ khuôn ñơn cho sản phẩm một mặt láng hình nón, hoặc sản phẩm một mặt láng dạng tấm phẳng 4.1.1.2. Khuôn nhiều mảnh Trong một số trường hợp hình dạng của sản phầm có thể ñòi hỏi khuôn nhiều mảnh ñể có thể tách khuôn ra khỏi mô hình sản phẩm khi chép khuôn và tháo sản phẩm ra từ khuôn sau này. Cần xem xét kỹ việc dự kíến các phần của khuôn. Vì phải tháo các chi tiết của khuôn ra nên phải ñảm bảo góc của các chi tiết không lớn hơn 900, nghĩa là vị trí mở khuôn là phần rộng nhất của khuôn 4.1.2. Theo yêu cầu sản phẩm 4.1.2.1. Khuôn một mặt láng Khi sản phẩm không có ñộ nghiêng thóat khuôn tự nhiên, yêu cầu một mặt láng: khuôn sẽ gồm nhiều mảnh khuôn ghép lại, có thể từ 2 ñến 6 mảnh. Ví dụ sản phẩm dạng cánh quạt, ống hình trụ rỗng,… 4.1.2.2. Khuôn 2 mặt láng Sản phẩm có ñộ thóat khuôn tự nhiên và ñòi hỏi hai mặt láng, yêu cầu khuôn cần dạng hai mảnh 4.1.3. Theo hình dạng khuôn 4.1.3.1. Khuôn ñực
Khuôn cái và khuôn ñực là hai loại khuôn cơ bản, tuy nhiên, chúng lại khác nhau ñáng kể về cách lấy sản phẩm. Với khuôn ñực thì gia công nhanh hơn, ít tốn kém hơn bằng cách bắt chước hình dạng của sản phẩm cần tạo hình bằng cách phủ lên bề mặt ngoài của khuôn. Cách làm này thực sự nhanh hơn, sản phẩm lấy ra thường có bề mặt ngoài gồ ghề, cần phải xử lý rất kỹ Với khuôn ñực, chú ý là phải khuôn nhỏ ñi một chút so với kích thuớc thật của sản phẩm ñể sản phẩm làm ra sẽ ñạt kích thước mong muốn vì sản phẩm sẽ bị co ngót trong quá trình ñắp. Khuôn ñực thường dùng cho sản xuất nhỏ từ 5-10 sản phẩm. Nếu sản phẩm nhiều hơn thì dùng khuôn cái sẽ tiết kiệm thời gian nhưng chi phí khuôn cao hơn 4.1.3.2. Khuôn cái Khuôn cái thường có chi phí cao hơn, thường ñược dùng khi sản xuất ñại trà. Thời gian hòan tất sản phẩm sẽ giảm ñáng kể do mỗi sản phẩm ñược ép với bề mặt khuôn trơn láng. Khuôn cái có thể dùng gia công sản phẩm có lõi vì lớp bên ngòai của sản phẩm lúc nào cũng trơn, láng không quan tâm ñến sự không ñồng nhất của các lõi bên trong. Mỗi loại khuôn có thể dùng cho thổi chân không, nhưng khuôn cái thường dễ hàn mà vẫn ñảm bảo tính chất bề mặt tốt. Khuôn cái dùng khi cần sản xuất lớn hơn 5-10 sản phẩm với yêu cầu bề mặt trơn láng 4.1.3.3. Khuôn kết hợp (khuôn nén) Bằng cách sử dụng cả dạng khuôn âm và khuôn dưong, người ta thực hiện khuôn nén. Với khuôn nén, việc hợp khuôn rất quan trọng khi sản xuất các phần chính xác. Các khuôn này thường ñược quét nhựa và gia công trước khi ñóng chặt lại. Nhựa dư ñược ép hết ra làm giảm các chỗ trống, sản phẩm sẽ bóng láng ở cả 2 mặt. Khuôn nén có thể biến ñổi ñể dùng bơm hoặc phun nhựa vào khuôn 4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU LÀM NGUỘI 4.2.1. Lựa chọn phương pháp
Trước khi thiết kế khuôn phải xem xét mức ñộ yêu cầu của nó. Việc thiết kế phải cân bằng các yếu tố như tính chất của khuôn, chi phí và thời gian chế tạo khuôn. Việc cân nhắc này sẽ làm giảm các phát sinh có thể có ñối với kết quả cuối cùng Khi lựa chọn vật liệu và phương pháp làm khuôn, cần phải xem xét các yếu tố như chiều dài của bộ khuôn và chất lượng bề mặt khuôn mong muốn. Thời gian và vật liệu rót vào khuôn lúc bắt ñầu sẽ quyết ñịnh là cần làm mấy phần và chất lượng của các phần này. Một số yếu tố cần xem xét nữa như việc gắn thêm các thiết kế phụ hỗ trợ ñể gia công như hút chân không, ép nén. Với khuôn có cạnh lớn thì việc gắn thêm phần phụ này sẽ dễ dàng hơn. Với khuôn phức tạp có nhiều mảnh ñòi hỏi phải thẳng hang, cần bắt chốt dọc theo cạnh khuôn và phải chú ý việc khuôn sẽ ñược giữ như thế nào trong lúc sử dụng; hoặc sử dụng một cấu trúc dạng khay ñựng trứng( egg-crate structure) ñể hỗ trợ và dễ ñiều khiển Cách tháo sản phẩm khỏi khuôn cũng có ảnh hưởng ñến việc thiết kế và chế tạo khuôn. Yếu tố ñầu tiên là góc lấy khuôn, là góc tạo ra giữa một cạnh của khuôn với nền của nó. Một khuôn có góc lấy khuôn bằng không nghĩa là cạnh của nó vuông góc với ñáy. Với khuôn có góc lấy khuôn dương, nghĩa là các cạnh rộng ra ở phía trên hơn là phía dưới ñáy( hình thang ngược), ñiều này sẽ giúp cho việc lấy khuôn dễ dàng hơn. Với góc lấy khuôn âm( dạng hình thang), việc lấy khuôn sẽ gặp nhiều khó khăn. Các hình dạng cần lấy với góc khuôn âm thì phải làm khuôn nhiều mảnh, lúc này mỗi mảnh có góc lấy khuôn dương ñể dễ tháo khuôn, cho dù khi kết hợp lại chúng lại là dạng lấy khuôn âm ðiểm mà các mảnh khuôn ghép lại với nhau ñược gọi là ñường ghép
khuôn, ñó là ñường thẳng hay mặt phẳng tưởng tượng chia góc lấy khuôn âm thành hai góc dương. Khuôn có thể có nhiều ñường ghép khuôn tùy theo yêu cầu
Trang- 45 -
ðường phân khuôn thường chạy dọc theo cạnh dài nhất hay rộng nhất
của mẫu. Khi ñịnh vị ñường này, có thể vẽ thử bằng bút dạ cho ñến khi thấy vừa ý hoặc có thể xem ñường hàn khuôn trên các mẫu ñồ chơi trẻ em ñể bắt chước Bằng cách này ta chia khuôn thành từng ñoạn trong quá trình chép. Giống như mẫu, các phần be ñược làm bằng vật liệu ít tốn kém mà vẫn có thể hỗ trợ quá trình ñóng rắn sau này. ðất sét, gỗ, ván, tấm kim loại mỏng hay giấy cứng ,.... ñều có thể dùng làm be ñược. Với mẫu có hình ñối xứng ñơn giản, hình dạng của be sẽ ñược làm bằng gỗ và dán lại bằng ñất sét. Với mẫu phức tạp có thể dùng ván mỏng hay tấm carton ñể làm, dùng kéo ñể cắt các ñường viền của be trước sau ñó dán lại Sản phẩm là khuôn lớn thì khó lấy khuôn, ngay cả khi các mép, rìa của chúng ñã ñược tách ra. Sự dính nhẹ giữa khuôn và sản phẩm ở các phần rộng và phẳng góp phần khó lấy khuôn. Trong trường hợp này ñể lấy khuôn dễ người ta khoan lỗ xuyên qua khuôn và gắn chốt khí vào phía sau, dùng ñất sét hoặc keo dán kín lại ñể nhựa không vào làm bít lỗ trong quá trình gia công. Cẩn thận vì khí nén rất nguy hiểm có thể làm nứt hoặc bể khuôn. Dùng áp suất thấp ñể hỗ trợ tháo khuôn. Sau khi lấy khuôn xong nhớ tắt khí nén. Nên ñể các chốt ở những vị trí sẽ cắt bỏ sau khi lấy khỏi khuôn. Bằng cách này ở những chỗ dán sẽ không cần phải mài và ñánh bóng Trong việc lựa chọn nhựa và sợi, phải xem vấn ñề là chế tạo khuôn hay tối thiểu chi phí. Gần như tất cả các vật liệu composite có thể dùng làm khuôn. Với nhiều sản phẩm, khuôn làm từ polyester ña dụng và sợi mát thủy tinh loại 1.5oz/sq.ft cắt ngắn sẽ có kết quả tốt. ðể làm giảm biến dạng có thể dùng nhựa loại isophthalic. Gelcoat lọai tốt dùng làm khuôn ñược phun với bề dày chính xác sẽ cho bề mặt khuôn tốt. Dùng gelcoat thường khi sản xuất không có yêu cầu cao về bề mặt hoặc khi lượng sản xuất nhỏ Một số sản phẩm ñòi hỏi khuôn có ñộ cứng cao ñể có kích thước chính xác hoặc ñể sử dụng lâu. Với yêu cầu này, dùng epoxy ñể phủ và quét vì loại Trang- 46 -
nhựa này ít co ngót. Không sử dụng mat với epoxy vì chúng không tương hợp. Có thể sử dụng sợi thủy tinh dạng vải dệt, cơ tính cao hoặc dùng sợi carbon cho khuôn cần ñộ cứng cao 4.2.2. Vật liệu làm khuôn 4.2.2.1. Thạch cao Thạch cao là loại phổ biến và rẻ tiền dùng ñể tạo mẫu và làm khuôn. Có nhiều loại thạch cao chịu lực có thể ñáp ứng yêu cầu lúc làm khuôn và gia công. Người ta có thể tăng ñộ cứng của chúng bằng sợi gia cường. Ngoài ra có thể dùng khung và nền kim loại ñể làm giá ñỡ vì loại này có ñộ cứng, ổn ñịnh kích thước, kháng ẩm cho thạch cao Có nhiều phương pháp làm khuôn nhưng phương pháp khuôn tấm mỏng( loft template method) ñược sử dụng nhiều. Trong phương pháp này, các mẫu khuôn ñược ghép lại và ghắn chắc vào nền. Kim loại, các vật liệu gia cường, hoặc ñộn ñược ñăt giữa các tấm khuôn mở. Sau ñó, láng hỗn hợp thạch cao lên các tấm mẫu, láng nhiều lớp cho ñến khi ñường mép của mẫu ñạt yêu cầu Khuôn ñực và khuôn cái có thể ñược chép từ một mô hình sản phẩm. Hỗn hợp ñược rót vào một góc của khung chắn ñể giảm thiểu lượng bọt khí hoặc các lỗ trống, khi hỗn hợp thạch cao chảy phủ kín mô hình. Rung mô hình khuôn ñể ñảm bảo sao chép ñầy ñủ, chính xác các chi tiết Mô hình sản phẩm thủ công ñược làm bằng cách tráng lớp thạch cao lên mẫu sản phẩm ñất sét, sáp, gỗ hay khung kim loại. Có thể dùng ñá ñể tạo hình chung tổng quát. Sau khi ñã phủ lớp thạch cao bên ngòai, lớp ñá ñược lấy ñi và thay vào ñó bằng nhựa gia cường hoặc khung kim loại( hình 3) loại này sử dụng rất hiệu quả Khuôn kín hoặc khuôn hai mảnh ñược làm bằng cách ñổ khuôn theo nửa phần trên và nửa phần dưới của mẫu, sau ñó xử lý từng mảnh( hình 4) 4.2.2.2. Vật liệu polymer
Trang- 47 -
Polymer (nhựa hay elastomers) ñược dùng như vật liệu làm khuôn, không chỉ dùng cho khuôn rỗng hoặc mà còn sử dụng làm mô hình sản phẩm, sản phẩm, khuôn chuyền, lõi khuôn tấm, khuôn kéo,ñồ gá lắp, mẫu thử,… Khuôn polymer có nhiều thuận lợi như giảm chi phí, kháng hóa chất, tiết kiệm thời gian, khối lượng thấp, ít sử dụng máy móc Polymer có ñộ ổn ñịnh, ñộ co ngót tốt, tuy nhiên chúng cần có kỹ thuật gia công ñặc biệt. Có thể dùng với gia cường hoặc ñộn cho các loại nhựa như epoxy, phenolic, polyester, polyurethane, polyamide, polyamide, silicone, silicone, acrylic, polyimide. polyimide. Nhôm và thép là loại ñộn thông dụng nhất dùng tăng cường ñộ dẫn nhiệt, tính gia công trên máy, ñộ bền và nhiệt ñộ làm việc Các khuôn epoxy gia cường có chiều dài lớn hơn 30m ñược dùng trong sản xuất thân tàu thủy. Sau khi sử lý bề mặt khuôn với chất chống dính và gelcoat, gia công theo phương pháp ñắp tay và súng phun. Các khuôn lớn này thuộc dạng ngược(láng ngoài), thường phải có khung và nển hỗ trợ. Khuôn phải có khả năng chịu chịu ñược nhiệt ñộ ñóng rắn khỏang khỏang 2000C Khuôn kết hợp thường dùng cho loại ñịnh sẵn, MBC, SMC. Tấm và cấu trúc sandwich cũng ñược làm theo cách này, xem hình minh họa 5 Phần lớn các chi tiết composite ñuợc sản xuất bằng elastomer hoặc nhựa theo phương pháp khuôn ngược. Elastomer (chủ yếu silicone và PU) có khả năng ñổ khuôn chính xác, mềm dẻo và tháo khuôn rất tốt. Vật liệu polymer có thể ñổ khuôn, nhúng hoặc quét lên gỗ, thạch cao, kim loại hoặc nhựa. Dùng chân không ñể lấy bọt khí trong hỗn hợp elastomer. Lớp ñóng rắn sau ñó ñược lấy ra bằng nhiều cách khác nhau. Xốp và tấm tổ ong dùng tăng ñộ cứng, nhẹ cho các khuôn lớn. Ngành nội thất dùng silicone và PU ñể chép các thiết kế gỗ. Yêu cầu là chúng phải dễ tháo khuôn và giữ ñược ñộ mềm dẻo ñể sử dụng lại Khuôn polymer có ñộ chính xác khi chép khuôn rất cao, khuôn composie có ñộ bền, cứng, nhẹ ñối với các thiết kế lớn. Polymer cũng ñược dùng ñể ñổ khuôn có lõi thạch cao, sáp và sứ Trang- 48 -
4.2.2.3. Khuôn gỗ Trước ñây người ta sử dụng khuôn gỗ nhiều ñối với khuôn chính, khung ñỡ, khuôn ñịnh hình, sản xuất theo phương pháp quét, nhưng hiện nay, chúng ñược thay thế bằng khuôn composite. Người ta phủ lớp kim loại hay lớp polymer ñể cải thiện bề mặt sản phẩm và khả năng ñúc khuôn 4.2.2.4. Kim loại Kim loại là vật liệu cần thiết trong chế tạo khuôn composite, nhất là các khuôn yêu cầu sản xuất lâu dài, bền, chắc. Khuôn kim loại dẫn nhiệt cao nên dễ dàng gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn trong quá trình gia công. Nó cũng chịu ñược khả năng mài mòn cao, vì vậy có thể sử dụng khuôn này ñể sản xuất liên tục mà vẫn ñảm bảo kích thước sản phẩm. Các kim loại thường dùng trong sản xuất khuôn là nhôm(Al), ñồng ( Cu), kẽm ( Zn), thép ( Sn)… Bảng 1. Tính chất nhiệt của một số vật liệu kim loạI Tính chất
Be
Nhiệt ñộ chảy (o C)
Mg
Al
Ti
1277 650
660
1668 1536 1083
Hệ số dẫn nhiệt(W/m.K)
146
222
171
Hệ số giãn nở nhiệt (µm/ o C) Nhiệt dung ri êng êng (J/kg.K)
0.29 0.68
153
0.59 0.21
1883 1046 900
519
Fe
Cu
75
393
0.30
0.41
460
385
4.2.2.4.1. Nhôm (Aluminum) Nhôm có hệ số giãn nở nhiệt tương tư ơng tự như vật liệu composite dạng tấm mỏng và gấp khoảng 2 lần so với thép. Khuôn Nhôm dễ bị ăn mòn hoá học khi sử dụng với PVC và một số chất tạo xốp. Nhôm là kim loại mềm dẻo, ñộ cứng không cao, do ñó trong một số trường hợp cần ñộ bền và ñộ cứng cao, người ta hay nhôm bằng thép. Ngoài ra, nhôm có thể hợp kim hoá với một số kim loại khác tạo thành AlZnMgCu có hệ số dẫn nhiệt lớn gấp 4 lần so với thép và có tỷ trọng 2.75 g/cm3. Trang- 49 -
Khuôn nhôm thường ñược sử dụng trong khuôn thổi, khuôn nhiệt ñịnh hình, khuôn mẫu. 4.2.2.4.2. ðồng (Copper) Hợp kim ñồng có thể sử dụng thay thế nhôm, các loại như ñồng – niken, ñồng – beri, ñược sử dụng chủ yếu trong khuôn thổi. Mặc dù có ñộ cứng cao hơn nhiều so với nhôm nhưng hợp kim ñồng vẫn không ñủ ñộ bền và khả năng chịu mài mòn như thép ñối với các khuôn sản xuất lâu dài trong ép phun vật liệu composite. 4.2.2.4.3. Kẽm (Zenic) Hợp kim kẽm với ñồng, nhôm, magie ñược dùng phổ biến ñể sản xuất các khuôn sử dụng trong thời gian ngắn. Loại này mềm, dễ uốn và các góc cạnh phải ñược bảo vệ bằng cách chèn vật vào ñể tránh ứng suất tập trung. Tính chất cơ học của hợp kim kẽm sẽ giảm nhiều ở nhiệt ñộ khoảng 100oC. Vì tính chất dễ gia công dễ làm khuôn nên hợp kim kẽm là vật liệu quan trọng dùng làm khuôn composite và khuôn ñúc. Khuôn kẽm ñược sử dụng vượt quá 500 ngàn lần tuỳ thuộc vào mức ñộ phức tạp của khuôn và sai số cho phép cho phép.. Hầu hết các kim loại như nhôm, ñồng, và hợp kim kẽm là những nguyên liệu rẻ tiền dùng cho các loại khuôn làm việc ở áp suất thấp và khuôn ñúc. Các loại khuôn thường thấy là: giãn nở hơi, bọt xốp hoá học, khuôn thổi, nhiệt ñịnh hình, ñắp tay, sung phun,… các kim loại này cũng ñược sử dụng cho một số phương pháp lắng kim loại trong làm khuôn. ðây là quá trình của sự lắng kim loại nóng chảy trên khuôn chính bằng thép hoặc trên trụ. Lớp phủ kế ñến ñược lấy ra và ñược làm nguội dần ñể tăng ñộ bền. Các khuôn và các trụ này ñược sử dụng lại ñể sản xuất nhiều khuôn giống nhau. 4.2.2.4.4. Thép Thép là loại vật liệu quan trọng, dùng làm các khuôn sản xuất lâu dài với ñộ chính xác cao, sản phẩm chất lượng, chịu ñược mài mòn và có ñộ bền nhiệt cao. Ta có thể lựa chọn các loại thép khác nhau dựa vào tính chịu mài
Trang- 50 -
mòn, chống sốc và khả năng gia công. Người ta thường phân biệt thép làm 3 loại: thép không hợp kim, thép hợp kim, và thép có công dụng ñặc biệt. Thép không hợp kim Là thép chỉ có các bon, hàm lượng cacbon trong thép rất khác nhau có thể lên tới 2%. Thông thường hàm lượng cacbon trong thép thấp thì thép có ñộ bền va ñập tốt, thép có nhiều cacbon chịu mài mòn cao. Thép hợp kim Là thép có thêm các nguyên tố hợp kim (hàm lượng các nguyên tố hợp kim thêm vào phải nhỏ hơn 5%.). Những nguyên tố này ñược thêm vào ñể khắc phục các khuyết ñiểm của thép cacbon. Thép nitril hoá ñược sử dụng chống lại sự mài mòn của vật liệu composite. Hơn nữa, chúng cũng chịu ñược ăn mòn và ổn ñịnh ở nhiệt ñộ 427oC. ðể cải thiện tính gia công của thép, ñôi khi người ta thêm các nguyên tố như lưu huỳnh, chì, mangan, ñồng thời kết hợp với quá trình ủ và thường hoá trong qúa trình gia công. Selen ñược cho vào thép không rỉ ñể cải thiện tính gia công và ñộ cứng. Bảng 2: Tác dụng của các loại thép hợp kim Kim loại
%
Tác dụng
Nhôm
<2
Hỗ trợ cho quá trình nitrát hoá, chất khử oxy hoá.
Crôm
0.3 – 4
Gia tăng ñộ cứng, chịu ñược mài mòn và chống ăn mòn.
Chì
0.05 – 0.3
Cải thiện khả năng gia công.
Mangan
0.3 – 2
Gia tăng ñộ cứng, chịu ñược mài mòn.
Molip ñen
0.1 – 0.5
Gia tăng ñộ cứng, tăng ñộ bền nhiệt, bền dẻo.
Niken
0.3 – 5
Tăng ñộ cứng, ñộ dẻo dai và chịu ñược mài mòn.
Photpho
0.05 – 0.15
Tăng khả năng gia công, ñộ cứng, chịu mài
Trang- 51 -
mòn. Silion
0.2 – 3
Tăng ñộ cứng, ñộ dẻo dai, chống ăn mòn.
Lưu huỳnh
0.07 – 0.3
Cải thiện khả năng gia công cùng với mangan.
Vanadium
0.1 – 0.3
Tăng ñộ cứng, ñộ dẻo dai và chịu ñược mài mòn.
Nói chung, thép có hàm lượng cacbon và crôm cao ñược dùng làm khuôn lồi (làm cốc khuôn), khuôn ép phun, khuôn ép nén, dao cắt kỹ thuật, ñầu ñùn. Thép ñặc biệt Cũng là thép hợp kim, trong ñó hàm lượng của một số nguyên tố hợp kim sẽ cao hơn trong thép hợp kim thông thường tuỳ theo mục ñích và công dụng riêng. Loại thép cứng, dễ gia công và dẻo dai thì thích hợp cho làm khuôn. Hai nguyên tố hợp kim ñược sử dụng nhiều trong loại thép ñặc biệt là crôm, mangan. ðối với thép làm khuôn cho composit ta nên chú ý loại thép ngoài chịu ñược ñộ cứng, ñộ bền phải chịu ñược ăn mòn hoá học. 4.3. Qui trình làm khuôn composite Trong tất cả các ưu ñiểm của vật liệu composite, có lẽ khả năng tạo khuôn có hình dạng phức tạp là thông dụng nhất. Gia công vật liệu composite ít tốn chi phí ngay cả khi sản xuất ñại trà các chi tiết nhựa. Khuôn phải có hình dạng rõ nét và tốn ít thời gian ñể hoàn tất sản phẩm. Dưới ñây sẽ mô tả các bước cần thiết ñể tạo khuôn sản xuất các chi tiết composit chính xác, chất lượng và ít bị biến dạng. ðiều này sẽ giúp cho những người mới vào nghề có thể ñạt kết quả tốt hơn. Trong khi tất cả các nguyên tắc ñã ñược biết ñến cũng giống nhau về các ñiều kiện kỹ thuật, cách này chỉ cần sử dụng xưởng nhỏ, garage ñể sản xuất. Các bước trong qui trình làm khuôn: • Lập bản vẽ sản phẩm. • Làm mô hình sản phẩm
Trang- 52 -
• Chép khuôn • Làm sản phẩm mẫu 4.3.1. Lập bản vẽ sản phẩm Phác thảo sơ bộ hình dạng sản phẩm, dự kiến sản phẩm làm bằng vật liệu gì, dự ñoán các biến dạng hình học của sản phẩm, ñộ co ngót khi gia công sản phẩm. Mô hình sản phẩm sẽ có kích thước bằng với kích thước thật của sản phẩm cộng với kích thước bị co ngót. Vật liệu composit UPE gia cường có ñộ co ngót 5 – 8%, sản phẩm ñúc bằng nhựa UPE có ñộ co rút 2 – 4%. 4.3.2. Làm mô hình sản phẩm Từ bản vẽ chi tiết sản phẩm, ñưa ra bản vẽ mô hình sản phẩm, trong ñó có tính ñến ñộ co ngót và công nghệ tiến hành. Các thông số này phải ñược thể hiện chi tiết trên bản vẽ 3 D của mô hình, ñể từ ñó xác ñịnh ñường phân khuôn. Mô hình sản phẩm có thể là một món hàng có sẵn hay một vật ñược tạo hình giống sản phẩm. Các cấu tạo hay kết cấu ñặc biệt muốn có trên sản phẩm thì phải có trên bề mặt mô hình sản phẩm. Thực hiện mô hình mẫu, cần chọn nguyên liệu làm mẫu thích hợp theo yêu cầu và tính chất, hình dạng sản phẩm ñơn giản hay phức tạp. Một trong những ñiều quan trọng trong chế tạo khuôn là giai ñoạn chuẩn bị mẫu, là bước ñầu tiên ñể tạo khuôn. Sau ñó là ñến các sản phẩm, bề mặt tốt nhất cho mẫu phải là loại A, nghĩa là nó có ñộ bóng cao, không bị trầy xước. Xử lý bề mặt mẫu tốt nhất sẽ cho bề mặt khuôn tốt và bền. Mô hình sản phẩm có thể ñược làm bằng bất cứ vật liệu gì có sẵn, miễn là bề mặt nó phù hợp với giai ñoạn làm khuôn kế tiếp. Một số vật liệu thông thường dùng tạo mô hình sản phẩm gồm có gỗ, vữa, kim loại và xốp PU: PU xốp có ưu ñiểm là dễ tạo hình sơ bộ nhưng mất thời gian trét kín lỗ xốp. Có hai cách tạo hình từ PU xốp: Cắt gọt tạo hình từ tấm PU xốp hoặc dùng hệ “ Trộn và rót” gồm hai thành phần phản ứng hoá học ñể tạo xốp trong cốc khuôn có hình dạng sản phẩm.
Trang- 53 -
So với PU xốp thì gỗ ñịnh hình tốt, cấu trúc vững, không cong vênh, dễ ñắp mặt và chà nhám, dễ sửa chữa. ðể tăng ñộ bền cho mô hình sản phẩm làm từ vật liệu xốp, gỗ, người ta
ñắp lớp nhựa - sợi thuỷ tinh lên mô hình sản phẩm sau khi hoàn tất việc tạo hình. Mô hình sản phẩm nên sơn một màu ñồng bộ (màu sáng) ñể dễ kiểm tra sai sót, làm cùng một loại vật liệu ổn ñịnh về thành phần hoá học, yêu cầu có ñộ bền cao ñể có thể dùng chép nhiều khuôn sau ñó. Sơn lót epoxy hoặc sơn lót loại dùng cho ôtô ñáp ứng ñược yêu cầu này. Phân bố các gờ nổi và một số mặt phân khuôn cần thiết trên mô hình sản phẩm. Chú ý là trước khi dán các chi tiết phụ lên mô hình hoặc trước khi phủ sơn lót lên bề mặt phải trà nhám ñể tạo ñộ bám dính. Sau ñó, chà mịn ñể tạo bề mặt phẳng, bóng láng cho mẫu. Như vậy, các bước tạo mô hình sản phẩm lần lượt như sau: Tạo hình ðắp mặt (nếu có)
Trét primer, mastic cho xe hơi ñể bịt kín các lỗ li ti và làm mịn bề mặt. Chà giấy nhám ñến khi bề mặt bóng láng như gương. 4.3.3. Chép khuôn 4.3.3.1. Chuẩn bị ðầu tiên, qúet chất róc khuôn lên mẫu. ðây là bước quan trọng nhất, vì
nếu có một chỗ nào ñó không ñược phủ chất róc khuôn, khi ñó không thể lấy khuôn và có thể làm hỏng bề mặt khuôn và mẫu. Chú ý qúet ñều và kỹ, nhất là ở các góc cạnh. Chất róc khuôn có thể hoặc kết hợp WAX (dùng cho sản phẩm) và PVA hoặc chất róc khuôn một giai ñoạn như Fibrelease. Khi dung WAX, quét bốn lớp, ñợi một giờ giữa hai lớp hai và ba. Sau khi lớp WAX cuối cùng ñược ñánh bóng, phun 3 lớp mỏng PVA và ñể cho khô trong 30 – 45 phút. Fibrelease có thể ñược lau bằng vải mềm hoặc phun lên mẫu, ñể khô 30 phút. Phải ñảm bảo phủ ñều chất róc khuôn ở bề mặt các gờ nổi và mặt phân khuôn. Trang- 54 -
4.3.3.2. Chép khuôn Với hầu hết các khuôn, thường sử dụng nhựa polieste và mat strand cắt ngắn 400 – 500 g/m2. Có thể tăng ñộ bền và bề dày khuôn bằng cách dùng sợi roving dệt hoặc các kết cấu tạo hình (chỉ dùng cho khuôn ñể tăng tính ổn ñịnh). Với khuôn polieste, ñầu tiên quét lớp gelcoat (loại ñặc biệt chỉ dùng cho khuôn, thường có màu vàng cam sáng) cho gelcoat ñúng tỷ lệ ñể ñạt kết quả tốt nhất. Nên dùng súng phun phun gelcoat (gelcoat cup gun) 3 lần, mỗi lần 0.1 – 0.2 mm ñể tạo bề dày tổng cộng 0.5- 0.6 mm. Sau khi lớp geloat khô trong 1.2 – 5 giờ ñắp một lớp mat ñể ổn ñịnh lớp gelcoat tránh bị co rút hoặc tách bề mặt mẫu. Quét một lớp nhựa lên trên lớp gelcoat, xong ñặt lớp mat lên, nhớ quét nhẹ ñể tránh hiện tượng làm trầy lớp gelcoat. Chú ý ñể lớp mat ép sát các ñường viền của mẫu, ñẩy tất cả bọt khí bị nhốt ra ngoài ñể lớp mat tỳ sát vào bề mặt mẫu và ñược thấm nhựa ñồng bộ. Vùng không có hoặc không ñủ nhựa và có bọt khí sẽ có màu trắng ñục trên nền gelcoat của khuôn. Dùng con lăn cứng ñể ñẩy bọt ra khỏi lớp mat và một con lăn tẩm nhựa có khía ñể giúp tẩm nhựa ñều. Chú ý các vùng góc nhọn và chỗ gồ ghề, sợi dễ bị phồng lên, không ôm sát bề mặt. Sau khi nhựa gel, những vùng còn bọt khí phải ñược cắt ra cẩn thận bằng dao chuyên dùng và thay vào ñó miếng vá dạng tấm vứa khớp. ðắp các miến băng lên các bờ rìa, dùng hỗn hợp nhựa xúc tác và sợi xay nhỏ trộn lại và quét lên ñể chống bọt khí. Ngay khi lớp mat ñầu này ñóng rắn, trộn các cát mịn với nhựa ñổ lên, sau ñó ñắp mat tương tự như lớp ñầu. ða số các khuôn có 8 – 10 lớp sợi, thường ñắp 3- 4 lớp trên 1 lần, tránh ñắp tại trung ñộ giảm thiểu nhiệt toả ra ảnh hưởng ñến khuôn. Sơn lớp mat thứ 3 một lớp roving dệt hoặc kết cấu dùng làm khuôn có thể ñược thêm vào ñể tạo ñộ dày cho khuôn. Thông thường, bề dày khuôn nên gấp ñôi bề dày sản phẩm. Trang- 55 -
Khuôn ñược ñể ñóng rắn ít nhất 24 h trước khi tháo khuôn. Một vài kết cấu ñỡ khuôn ñược gắn vào phía sau khuôn trước khi dỡ khuôn khỏi mẫu. Phần lơn khung gia cố làm bằng gỗ hoặc vật liệu không ñắt tiền. Cắt gỗ ñể tạo hình cho hợp với ñường viên khuôn, hoặc làm khung. Không ñể cho cấu trúc hỗ trợ này chạm ñến khuôn vì sẽ tạo vết trên khuôn. Sử dụng nhựa và sợi ñể liên kết với khuôn, sau khi ñóng rắn, chúng sẽ dính cứng vào khuôn. Gờ tách khuôn gắn ở xung quanh vòng ngoài khuôn, giữa khuôn và mẫu, tựa vào gờ, người ta tháo sản phẩm ra một cách nhẹ nhàng. Với gờ có rãnh dẫn không khí, ñược gắn với máy nén khí, dùng làm tách những vùng khó tách. Dùng cái nêm bằng nhựa ñể gỡ khuôn thì dễ hơn và không làm trầy bề mặt khuôn so với việc dùng vít hay dao. Gắn các cái nêm xung quanh khuôn và gõ nhẹ. Nếu phần nào khó gỡ thì dùng khí nén ñể gỡ. Nếu vẫn không gỡ ñược, dùng cái vồ bằng cao su rung cho tới khi tách ñược khuôn ra. ðừng có cố gỡ ra thì làm ảnh hưởng ñến bề mặt khuôn. Sau khi tháo khuôn, dùng nước ấm rửa sạch chất róc khuôn còn lại trên khuôn và kiểm tra lại bề mặt, các sai sót trên khuôn phải ñược xử lý bề mặt và sửa lại. Nhớ là các lỗi trên khuôn như các vết trầy xước, không thẳng hàng, kích thước không chính xác sẽ xuất hiện trên sản phẩm làm ra từ khuôn ñó. 4.3.4. Bảo trì khuôn 4.3.4.1. ðánh bóng khuôn Trước khi gia công sản phẩm trong một khuôn, khuôn phải ñược chà bong bằng giấy nhám (có cát) ướt và ñánh bóng ñến (loại A). Giấy nhám nước dùng theo số tăng dần, sử dụng 400, 600, và cuối cùng giấy nhám 1000. Mỗi lần thay giấy nhám mịn hơn, cần thay nước trong xô và rửa bề mặt khuôn ñể chắc chắn không còn các hạt thô hơn. ðánh bóng bằng vật ñệm quay tốc ñộ cao gồm 2 bước. Bước 1: xoá các vết trầy xước do cát. Bước 2: ñánh bóng bề mặt ñến mức mong muốn. Trang- 56 -
4.3.4.2. Quét chất róc khuôn Sau khi ñánh bóng khuôn, phải quét chất róc khuôn lên bề mặt giống như khi chuẩn bị mô hình sản phẩm. Khuôn mới khi chưa sử dụng thường ñược phủ một lớp tác nhân róc khuôn ñể bảo vệ, ñể 3 ngày cho khuôn ổn ñịnh. Cuối cùng trước khi sử dụng thoa lớp chóng dính cho khuôn. Bước này thực hiện giống như trong lúc làm khuôn. Một khuôn còn mới ñòi hỏi phải dùng nhiều chất róc khuôn và ñánh nhiều lần ñể ñảm bảo có thể gỡ khuôn tốt. 4.3.4.3. Sửa chữa Trong trường hợp phá khuôn không ñúng cách làm hỏng khuôn, phải sửa khuôn lại. Phần vật liệu bị hỏng hoặc bị mềm ñược loại bỏ bằng cách trà giấy nhám hoặc mài, giũa và quét gelcoat dùng cho khuôn lên vùng ñó, phủ lên vùng sửa chữa lớp giấy có WAX hoặc PVA ñể làm phẳng bề mặt vùng cần sửa. Sau khi ñóng rắn vùng sửa có thể ñược trà giấy nhám và ñánh bóng bằng vải mềm ñến ñộ bóng như trước. 4.3.5. Xem xét việc làm khuôn ñặc biệt 4.3.5.1. Khuôn nhiều mảnh Trong một số trường hợp, hình dạng của mẫu ñòi hỏi phải làm khuôn nhiều mảnh ñể tách khuôn và tháo sản phẩm dễ. Nên cân nhắc ñến các phần của khuôn, vì phải tháo các chi tiết của khuôn ra nên phải ñảm báo góc của các chi tiết không lớn hơn 90 oC nghĩa là vị trí mở khuôn là phần rộng nhất của khuôn. Khi làm khuôn nhiều mảnh, ñầu tiên, tạo một gờ trên mô hình mẫu ở nơi dự kiến chia khuôn ra thành nhiều mảnh , gọi là ñường phân khuôn mong (Parting dam). Gờ này ñượ làm bằng vật liệu xây dựng, kim loại hay nhựa (nhiệt rắn hay nhiệt dẻo), và ñược ñịnh vị bằng ñất sét. Các vị trí góc nhọn mà không có bán kính phải ñược ñặt trên ñường phân khuôn. Trên gờ phân khuôn, khoan các lỗ ñể bắt chốt ñịnh vị dùng ghép các mảnh khuôn lại. Gắn các chốt hay ñinh ốc mủ bằng nhỏ khoảng ¼ - ¾ inch Trang- 57 -
lên gờ phân khuôn. Sau khi làm nửa khuôn ñầu tiên (ñắp tràn sợi thuỷ tinh qua tấm phân khuôn tạo be của khuôn ), sẽ tạo những lỗ lõm (của ñinh hoặc chốt) trong nửa khuôn này sau khi phần khuôn ñầu tiên ñã ñóng rắn, gỡ gờ phân khuôn ñi và sử dụng mép phần khuôn ñã chép làm gờ phân khuôn cho nửa tiếp theo. Quét chất róc khuôn lên bề mặt này trước khi tiếp tục chép khuôn. Khi làm nữa khuôn kia nhựa sẽ ñi vào các lỗ này và tạo chốt trong nửa khuôn thứ 2 hoặc sau khi chép khuôn xong, trước khi tách các mảnh khuôn ra khỏi mô hình sản phẩm, ngưới ta khoan lỗ trên be ñể bắt ốc vít giữ 2 mảnh khuôn ghép chính xác vớI nhau khi làm sản phẩm thường làm theo cách này. Với khuôn nhiều mảnh, vẽ lại khuôn hoàn tất này trước khi tháo khuôn ñể tránh các sự cố khi ráp khuôn. 4.3.5.2. Các phương pháp chép khuôn yêu cầu ñặc biệt Nếu ñộ bền và ñộ ổn ñịnh kích thước là các yếu tố quan trọng trong việc làm khuôn, dùng nhựa epoxy thah cho polyester. Cách làm này cũng giống như với nhựa polyester ngoài trừ mat không dùng ñược với epoxy, do chất gắn dùng ñể giữ các sợi thuỷ tinh cắt ngắn với nhau thành tấm không tương hợp với nhựa epoxy vì vậy người ta dùng vải dệt. ðầu tiên, sử dụng vải dệt 2 hoặc 4 ounce (1 ounce =28.35 g) ñể hạn chế sự in dấu ra ngoài bề mặt. Sau ñó ñổi loại vải dệt 4 – 10 ounce. ðể có ñộ cứng tốt nên sắp xếp các lớp sao cho các hướng sợi hợp với nhau một góc 45 o. Dùng cọ quét epoxy lên mẫu (nếu phun phải pha loãng bằng monomer và như thế sẽ giảm ñộ bền lớp phủ ngoài – ND). Vì epoxy có ñộ co rút thấp hơn polyester, không quá cần lớp gia cường ổn ñịnh ngay trên bề mặt lớp phủ. Nếu ñòi hỏi khuôn ñặc biệt cứng, dùng sợi cacbon thah cho vải sợi thuỷ tinh. Nên dùng nhụa epoxy với sợi cacbon và một chổi quyét bằng cao su mềm ñể phân tán nhựa qua vải sợi tốt nhất. 4.3.6. Làm sản phẩm 4.3.6.1. Lựa chọn nguyên liệu
Trang- 58 -
Sau khi ñánh bóng và quét chất róc khuôn, tiến hành làm sản phẩm. Bước ñầu tiên của quá trình làm sản phẩm là xác ñịnh loại nhựa và sợi gia cường cần sử dụng. Phần trước ñã ñề cập tính chất 3 loại nhựa chính, phần này chúng ta sẽ tập trung chọn lựa sợi gia cường. Khi chọn gia cường thì yếu tố quan trọng nhất là dạng dệt và khối lượng của vải (sợi) vải có khối lượng càng nhẹ thì khá năng phủ qua các ñường viền càng dễ và cần ít nhựa ñể thấm ướt nó. Vải nhẹ sự dụng chủ yếu cho bề mặt. Vải có khối lượng trung bình dùng ñể sản xuất và sửa chữa. Vải nặng nhất dùng ñể tăng nhanh bề dày như làm khuôn và thân tàu. Lượng nhựa cần dùng phụ thuộc vào khối lượng vải ñược chọn. Tỷ lệ sợI nhựa cho hầu hết sợi thuỷ tinh dạng dệt và Kevlar R khoảng 50 : 50 trong khi sợi cacbon là 60:40 sợi thuỷ tinh dạng mat yêu cầu nhựa gấp 2 lần sợi ñể có thể thấm ướt sợi. Dùng thêm vật liệu làm lõi sandwich giữa các lớp sợi ñể tăng ñộ bền cho sản phẩm như gỗ nhẹ, xốp PU, xốp vinyl, tàn ong…Lõi có bề dày phụ thuộc vào ứng dụng. ðộ bền và và ñộ cứng sản phẩm tăng lên ñáng kể trong khi khối lượng chỉ tăng thêm rất ít. 4.3.6.2. Quá trình thực hiện Sau khi lựa chọn ñược nhựa và sợi, ta bắt ñầu làm sản phẩm. ðầu tiên, phủ một lớp róc khuôn. Trong khi chờ chất róc khuôn khô, cắt sợI theo kích thước và số lượng phù hợp, nếu dùng sợi mat thì xé thay vì cắt. Các phần bị xé có ñường biên bị xơ ra sẽ trộn lẫn vào nhau trong khuôn làm tăng ñộ bền liên kết thay vì cắt. Sử dụng sợi dệt tại các vị trí cần ñộ bền lớn nhất và ñịnh hướng. Với dạng dệt thông thường thì ñộ bền ñồng nhất hơn bằng cách chọn mức ñộ ñịnh hướng sợi 0/90 và 45/45. Qúa trình thực hiện tương tự như các bước làm khuôn. Khi làm ở khuôn cái thì ñầu tiên là phủ gelcoat lên bề mặt khuôn. Bước này không cần thiết trong quá trình sản xuất trừ khi sản phẩm cần ngoại quan ñẹp. Ngoài ra, nếu ñắp trực tiếp lớp nhựa/sợi ñầu tiên lên bề mặt khuôn thì có thể làm bề mặt
Trang- 59 -
không ñều, bị rổ, in vết bẩn khi vận chuyển, cầm nắm. ðể khắc phục, người ta ñắp 1 lớp sợi nhẹ trước rồi mới ñắp lớp nhựa/ sợi như bình thường. Cách sử dụng gelcoat tốt nhất là phun 1 lớp dày 0.375 – 0.5 mm quá nhiều hoặc quá ít sẽ làm sản phẩm bị nhăn hoặc biến dạng khi ñóng rắn. Nhưng khi phủ bề mặt bằng epoxy thì dùng cọ quét lên khuôn. ðể làm cứng các mép, ñường biên, sau khi phun gelcoat ngưới ta ñắp
lên lớp sợi gia cường. Nếu muốn sản phẩm cùng màu thì phải pha màu nhựa cùng màu với gelcoat. Khi ñắp sợi, nên sử dụng 1 tấm sợi nguyên cho sản phẩm nhỏ, nếu sản phẩm lớn thì dùng nhiều mảnh ghép lại. Khi ghép các mảnh này với nhau thì chúng phải phủ lên nhau khoảng 1 – 2 cm ñể ñan xen giữa các mảnh, còn nếu ghép dạng ñường hàn chỉ khi cần bề dày giống nhau. Sẽ khó lấy các ñường biên và chi tiết của sản phẩm nếu chỉ sử dụng mảnh vải ñơn, ñặc biệt là ñối với các vết lõm và góc cạnh. Khi dùng vải dệt liên tục, rất khó làm các sản phẩm có góc <= 90o . Sợi có khuynh khướng làm bề mặt vùng này nâng lên, tạo ra bọt khí và các ñiểm yếu trong lớp này. Nếu sản phẩm yêu cầu góc cạnh thì cách tốt nhất là ghép các mảnh sợi với nhau. ðể tăng ñộ bền các ñường nối thì trộn 1 lượng nhỏ nhựa với sới thuỷ tinh nghiền ñể tạo thành cấu trúc ñộn mattic. Trét hỗn hợp này lên mối ghép, góc cạnh trước khi ñắp nhựa/ sợi lên. ðối với các vết lõm thì cắt các mảnh nhỏ cho vừa với vết lõm, không cố ép lớp sơi xuống. Sau khi ñắp sợi lên khuôn, dùng con lăn và chổi quét ñể thêm nhựa vào sợi, ñẩy bọt khí và nén chặt các lớp lại. ðiều này sẽ chống ñược các ñiểm yếu và hiện tượng tách lớp ở sản phẩm. Nếu dùng vải dệt, khi ñắp phải chú ý ñịnh hướng các lớp ñể tăng ñộ bền sản phẩm. Nếu có sử dụng cấu trúc lõi sandwich cần xác ñịnh vật liệu cho phù hợp với ứng dụng. Xốp PU rất cứng và không thích hợp với các ñường viền trong khi lớp vinyl có thể ñược gia nhiệt và ñịnh hình theo các hình dạng khác nhau. Gỗ nhẹ dạng hạt hoặc bột ñược bọc trong vải lót, phù hợp với các dạng ñường cong. Vật liệu lõi tàn ong thì dẻo và uốn cong theo hình dạng. Trang- 60 -
Trộn một phần nhựa với hạt thuỷ tinh tạo thành khối hồ ñể trét các khe, các mối ghép từ nhiều mảnh hoặc lõi với nhau. Xốp có cấu trúc mở hoặc tàn ong thì dùng hồ này ñể trét kín lại sẽ làm cấu trúc lõi nhẹ hơn chỉ sử dụng nhựa. Sau các bước này thì lõi ñã ñược dán ñúng vị trí. Khi sử dụng khuôn nhiều mảnh thì ghép các mảnh khuôn lại với nhau trước khi ñắp sản phẩm. nếu ñắp sản phẩm sau ñó ghép khuôn thì rất khó ñể có mối dán tốt giữa các mảnh khuôn và bề mặt sản phẩm bóng láng. ðối với sản phẩm kín thì không áp dụng ñược quy luật này, như bồn ñựng dầu thì không thể ñắp nếu khuôn ghép trước. Nếu sử dụng khuôn nén thì nửa khuôn còn lại phải ñược giữ chặt trên nủa khuôn ñầu tiên ngay sau khi ñắp các lớp gai cường. Nếu không sử dụng khuôn nén nhưng sản phẩm cần 2 mặt láng thì người ta phủ lớp gelcoat lên lớp sợi cuối cùng . Cắt gọt lớp ñường biên khi nhự gel ñể giản thời gian hoàn tất sản phẩm và bớt bụi. Sau khi ñóng rắn, sản phẩm ñược tahó ra khỏI khuôn giống như khuôn ñược tách ra khỏi mô hình mẫu. sau ñó, sản phẩm ñược rửa xơ cho hết chất róc khuôn còn dính, ñánh bóng và chà nhám các mép , ñường biên. Kiểm tra lại khuôn xem coi bị khuýêt tật hay bề mặt mờ ñể sửa và ñánh bóng. Nếu không thì quét chất róc khuôn và qáu trình lập lại. Ví dụ: Khuôn 2 mảnh, sản phẩm láng mặt ngoài, rỗng bên trong: Mặt ngoài của sàn phẩm sẽ ñược làm trước trong khuôn lõm. Trước hết là phun gelcoat, quét lớp lót epoxy loại tốt hay ñơn giản là 1 lớp nhựa mỏng, tiếp theo là lớp vải sợi ñầu tiên ( thường dùng vải 2 oz 60 g/m2 ). Số các lớp ∼
tiếp theo phụ thuộc yêu cầu ñộ bền sản phẩm, thường dùng vải 4 – 6 oz. Có thể dùng sợi gia cường ñặc biệt như cacbon hay Kevlar, hoặc các thành phần khác ñóng vai trò lõi hoặc ổn ñịnh kích thước. Ở các vị trí góc hay mép nhọn, trong trường hợp vảisợi không làm ñầy ñược ñể tạo hình, sử dụng mattic (ñộn hàm lượng cao trộn cùng nhựa) ñể quét các góc trước khi phủ sợihoặc phải rạch vải sợi tại vị trí này ñể có thể ôm sát bề mặt. Trang- 61 -
Khi ñắp nhựa và sợi, chú ý loại bỏ bột khí và phải ôm sát bề mặt khuôn, có thể dùng ngón tay (có mang găng tay) hoặc bàn chảI ñể ép vải vào trong các góc. Trước khi ghép các nửa khuôn, ñợi nhựa gel biến dạng cao su, không còn ở dạng lỏng, thì cắt gọt phần vải dư ra ñến sát chu vi khuôn bằng dao sắc. Cẩn thận ghép chúng với nhau, dùng các chốt ñịnh vị hoặc gắn bulong qua các lỗ ñã khoan trước ñó trên be khuôn. Thấm nhựa vào hai băng sợI thuỷ tinh rộng 1 – 2 inch, cắt theo chiều dài khuôn. Cẩn thận ghép nó trên ñường phân khuôn, ép nó sát vào ñường ranh giới. Dùng một ít chất ñộn trộn cùng nhựa ñể ñiền ñấy các chỗ khuyết do cắt gọt bị lõm xuống. ðể nhựa ñóng rắn hoàn toàn rối mới lấy sản phẩm ra, nếu không sản phẩm sẽ bị biến dạng hoặc hư hỏng. Nên ñể sản phẩm trong khuôn khoảng hơn một ngày. 4.3.7. Gia cố khuôn Mục ñích gia cố khuôn: Làm tăng ñộ cứng chắc của khuôn, khuôn không bị cong vênh, ñảm bảo kích thước khuôn chính xác. Vật liệu gia cố gồm có: Kim loại, gỗ, PMMA, PVC xốp,… Nếu vật liệu gia cố kgông tương hợp với nhựa polyeste không no thì vật liệu ñó phải cứng hơn vật liệu composit (kim loại, gỗ). Nếu vật liệu tương hợp tốt với nhựa polyeste không no thì ta dùng PMMA, PVC xốp… (chất phân cực). Thực hiện gia cố như sau: Gia cố ñẻ bề mặt không bị biến dạng: Dùng vật liệu nhẹ, rẻ tiền như PVC xốp, PMMA, tấm ván ép, gỗ ván… ðể ñường thẳng của khuôn không bị cong vênh: Dùng thanh kim loại,
gỗ và thanh PMMA (nẹp xung quanh ñường thẳng). ðể góc của khuôn không bị biến dạng: Dùng sắt PVC và thanh eke ñể
nẹp. Tóm lại:
Trang- 62 -
