LUẬN văn CÔNG NGHỆ hóa CÔNG NGHỆ GIA CÔNG vật LIỆU COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP VACUUM BAG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CÔNG NGHỆ GIA CÔNG VẬT LIỆU
COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VACUUM BAG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

TS. Trương Chí Thành

Nguyễn Thanh Tùng
MSSV: 2064036
Ngành: Công nghệ Hóa học - Khóa 32

Tháng 11/2010


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. vi
Chương 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
2 Mục tiêu đề tài .................................................................................................. 2

Chương 2: TỔNG QUAN........................................................................................ 3
2.1 Vật liệu composite ......................................................................................... 3
2.1.1 Định nghĩa [3] ......................................................................................... 3
2.1.2 Đặc tính chung [3, 9] ............................................................................... 3
2.1.3 Phân loại [3, 4] ........................................................................................ 4
2.1.3.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu cốt ................................................. 4
2.1.3.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần ....................................... 4
2.2 Các phương pháp gia công composite [5, 6, 7, 12] ......................................... 5
2.2.1 Phương pháp gia công đắp tay (Hand Lay-up) ......................................... 5
2.2.1.1 Ưu điểm ............................................................................................ 5
2.2.1.2 Nhược điểm ...................................................................................... 5
2.2.2 Phương pháp phun bắn (Spray Lay-up).................................................... 5
2.2.2.1 Ưu điểm ............................................................................................ 6
2.2.2.2 Nhược điểm ...................................................................................... 6
2.2.3 Phương pháp RTM (Resin transfer moulding) ......................................... 6
2.2.3.1 Ưu điểm ............................................................................................ 7
2.2.3.2 Nhược điểm ...................................................................................... 7
2.2.4 Phương pháp túi chân không (Vacuum bag) ............................................ 7
2.2.4.1 Ưu điểm ............................................................................................ 8
2.2.4.2 Nhược điểm ...................................................................................... 8
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ ....................... 9
3.1 Phương pháp .................................................................................................. 9
3.2 Vật liệu thành phần của composite ................................................................. 9

i


3.2.1 Vật liệu nền ............................................................................................. 9
3.2.1.1 Nhựa polyester [3] ............................................................................ 9
3.2.1.2 Chất đóng rắn [2] ............................................................................ 11

3.2.2 Vật liệu gia cường [1, 2, 3] .................................................................... 12
3.2.2.1 Sợi thủy tinh.................................................................................... 12
3.2.2.2 Sợi xơ dừa [1,3, 13, 14]................................................................... 13
3.3 Thiết bị ........................................................................................................ 14
3.3.1 Thiết bị gia công composite bằng phương pháp Vacuum bag ................ 14
3.3.2 Thiết bị RTM......................................................................................... 15
3.3.3 Thiết bị đo cơ tính ................................................................................. 16
3.3.3.1 Đo kéo ............................................................................................ 16
3.3.3.1 Đo uốn ............................................................................................ 17
3.3.4 Máy ép nóng .......................................................................................... 18
Chương 4: CÔNG NGHỆ GIA CÔNG VẬT LIỆU COMPOSITE
BẰNG PHƯƠNG PHÁP VACUUM BAG............................................................ 19
4.1 Nguyên liệu [1, 6, 7, 9] ................................................................................ 19
4.1.1 Vật liệu gia cường ................................................................................. 19
4.1.2 Vật liệu nền ........................................................................................... 19
4.1.3 Chất đóng rắn ........................................................................................ 20
4.1.4 Phụ gia .................................................................................................. 20
4.1.4.1 Màu................................................................................................. 20
4.1.4.2 Một số loại phụ gia khác ................................................................. 20
4.2 Dụng cụ và trang thiết bị [1, 3, 10] ............................................................... 20
4.2.1 Khuôn.................................................................................................... 22
4.2.1.1 Khuôn phẳng ................................................................................... 22
4.2.1.2 Khuôn cong..................................................................................... 23
4.2.2 Chất tách khuôn ..................................................................................... 24
4.2.3 Băng dính .............................................................................................. 24
4.2.3 Vải tách ................................................................................................. 25
4.2.4 Lớp rút khí............................................................................................. 26
4.2.5 Lớp trích khí .......................................................................................... 26
4.2.6 Túi chân không ...................................................................................... 27
SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

ii


4.2.7 Ống dẫn ................................................................................................. 28
4.2.8 Máy bơm ............................................................................................... 28
4.2.9 Các dụng cụ khác................................................................................... 29
4.3 Quy trình thực hiện [14, 15] ......................................................................... 30
4.4 Các vấn đề gặp phải khi thực hiện, nguyên nhân và cách khắc phục............. 33
Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 34
5.1 Kết quả về phương pháp gia công này .......................................................... 34
5.2 Khả năng ứng dụng của phương pháp vacuum bag....................................... 37
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 39
6.1 Kết luận ....................................................................................................... 39
6.2 Kiến nghị ..................................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phụ lục 1
Phụ lục 2

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

iii


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1 Sản phấm composite được gia công bằng các phương pháp .................... 2
Hình 2.1 Cấu tạo vật liệu composite ...................................................................... 3
Hình 2.2 Kỹ thuật gia công composite bằng phương pháp đắp tay ......................... 5
Hình 2.3 Kỹ thuật phun bắn ................................................................................... 6

Hình 3.4 Kỹ thuật RTM......................................................................................... 7
Hình 3.5 Kỹ thuật Vacuum bag ............................................................................. 8
Hình 3.1 Chất đóng rắn MEKP ............................................................................ 12
Hình 3.2 Công thức cấu tạo MEKP...................................................................... 12
Hình 3.2 Tấm mat thủy tinh ................................................................................. 13
Hình 3.3 Sợi xơ dừa ............................................................................................ 13
Hình 3.4 Tấm mat sợi xơ dừa .............................................................................. 14
Hình 3.5 Kỹ thuật Vacuum bag ........................................................................... 15
Hình 3.6 Thiết bị RTM tại Khoa Công nghệ ........................................................ 16
Hình 3.7 Máy kéo nén Zwick tại Khoa Công nghệ .............................................. 17
Hình 3.8 Đo kéo .................................................................................................. 17
Hình 3.9 Đo uốn .................................................................................................. 18
Hình 3.8 Máy ép nóng PANSTONE .................................................................... 18
Hình 4.1 Làm kín khí bằng phương pháp hút hai mặt .......................................... 21
Hình 4.2 Một số thiết bị dùng trong công nghệ hút chân không ........................... 22
Hình 4.2 Một loại khuôn phẳng ........................................................................... 23
Hình 4.3 Mẫu khuôn cái ........................................................................................ 2
Hình 4.4 Khuôn sử dụng trong đề tài ................................................................... 23
Hình 4.5 Bôi chất tách khuôn .............................................................................. 23
Hình 4.6 Một loại chất tách khuôn ....................................................................... 24
Hình 4.7 a) Cao su ............................................................................................... 25
SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

iv


b) Vị trí băng dính giữa màng và khuôn ................................................ 25
Hình 4.8 Vải tách khí........................................................................................... 25
Hình 4.9 Sơ đồ các lớp màng ............................................................................... 26
Hình 4.10 Màng rút khí ....................................................................................... 26

Hình 4.11 Vật liệu trích khí ................................................................................. 26
Hình 4.12 Phủ tấm lưới lên trên tấm laminate...................................................... 27
Hình 4.13 Dùng tấm nhựa PE làm màng phủ ....................................................... 27
Hình 4.14 a), b) Một số loại ống dẫn ................................................................... 28
Hình 4.15 Máy hút chân không............................................................................ 29
Hình 4.16 Một số loại con lăn.............................................................................. 29
Hình 4.17 Một số dụng cụ khác ........................................................................... 30
Hình 4.18 Sơ đồ công nghệ Vacuum bag ............................................................. 30
Hình 4.19 Kỹ thuật dùng chân không bơm nhựa điền đầy khuôn ......................... 31
Hình 4.20 Sản phẩm sau khi đóng rắn.................................................................. 32
Hình 5.1 Sản phẩm composite được gia công bằng phương pháp vacuum bag ..... 33
Hình 5.2 Đồ thị so sánh Mođun đàn hồi kéo giữa composite được gia công bằng ...
phương pháp đắp tay, Vacuum bag và RTM ................................................ 34
Hình 5.3 Đồ thị so sánh độ bền kéo giữa composite được gia công bằng phương ...
pháp đắp tay, Vacuum bag và RTM............................................................. 35
Hình 5.4 Đồ thị so sánh độ bền uốn giữa composite được gia công bằng phương ...
pháp đắp tay, Vacuum bag và RTM............................................................. 36
Hình 5.5 Một số sản phẩm được gia công bằng phương pháp vacuum bag ......... 37
Hình 5.6 Vỏ tàu được gia công bằng phương pháp vacuum bag .......................... 38

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

v


DANH MỤC BẢNG
Trang

Bảng 3.1 Các đặc tính cơ bản của nhựa polyester không no ................................ 10
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của sợi xơ dừa ..................................................... 14

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của thiết bị RTM tại Khoa Công nghệ ................ 15
Bảng 3.4 Kích thước mẫu đo cơ tính ................................................................... 16
Bảng 5.1 Kết quả đo kéo ..................................................................................... 35
Bảng 5.2 Kết quả đo uốn .................................................................................... 36

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

vi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần
khác nhau, nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những vật
liệu thành phần ban đầu. Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng thiết kế
các kết cấu và vật liệu theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn.
Các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao còn vật liệu nền là
thành phần liên kết các phần từ cốt tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và
chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Đặc tính
nổi bật của vật liệu composite là nhẹ, dễ lắp đặt, độ bền riêng cao, chịu môi trường,
bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp. Khi chế
tạo composite ở một nhiệt độ, áp suất nhất định thì dễ triển khai bằng các phương
pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.
Thời đại ngày nay với sự ra đời của hàng loạt các sản phẩm kỹ thuật công nghệ
đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Song cùng với quá trình
phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp
trong những thập niên gần đây, đã làm phát sinh nhiều vấn đề nguy cơ và thách thức
to lớn trong việc tìm ra các phương pháp gia công composite có những tính năng
phù hợp với yêu cầu sản phẩm, đồng thời bảo vệ sức khỏe của người lao động khi

gia công vật liệu.
Hiện nay có nhiều phương pháp gia công composite khác nhau như đắp tay
(Hand Lay-Up), RTM (Resin Transfer Molding), phun (Spray Lay-up)…(Hình 1.1).
Mỗi phương pháp có những khuyết điểm, ưu điểm riêng và tùy vào từng mục đích
sử dụng sản phẩm ta chọn các phương pháp gia công thích hợp. Tuy nhiên phần lớn
các phương pháp gia công composite được thực hiện trong khuôn hở nên gây ra ô
nhiễm môi trường và đặc biệt là ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động. Việc gia
công vật liệu composite đã và đang là chủ đề được quan tâm nghiên cứu rất nhiều.
Do vậy đề tài “Công nghệ gia công vật liệu composite bằng phương pháp
Vacuum bag” được tiến hành nhằm mục đích nghiên cứu phương pháp gia công và
đưa ra quy trình công nghệ cụ thể để có thể chế tạo ra được vật liệu có tính cơ học
cao đồng thời có thể hạn chế được ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và môi
trường trong quá trình gia công, chế tạo vật liệu composite.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-1-


Chương 1: MỞ ĐẦU

b)

a)

c)

Hình 1.1 Sản phấm composite được gia công bằng các phương pháp
Đắp tay (a), Vaccum bag (b), RTM (c)

2 Mục tiêu đề tài
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và đưa ra quy trình công nghệ cụ thể để chế tạo
vật liệu composite bằng phương pháp Vacuum bag sử dụng sợi thủy tinh và sợi xơ
dừa trên nền nhựa polyeste nhằm nâng cao năng suất, chất lượng, hạ giá thành sản
phẩm, bảo vệ môi trường và sức khỏe người lao động.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-2-


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Vật liệu composite
2.1.1 Định nghĩa [3]
Vật liệu composite hay composite theo định nghĩa là vật liệu tổ hợp từ hai hay
nhiều loại vật liệu có bản chất khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới có đặc tính
cơ, lý hay hóa trội hơn đặc tính của vật liệu thành phần (Hình 2.1).
VL Gia cường

VL Nền

Hình 2.1 Cấu tạo vật liệu composite
Trong đó, vật liệu nền đảm bảo cho việc liên kết các vật liệu cốt lại với nhau,
tạo môi trường truyền lực cơ học vào vật liệu cốt và bảo vệ cho vật liệu cốt tránh
các tác động trực tiếp từ bên ngoài. Vật liệu cốt giúp cho vật liệu nền tăng độ cứng,
độ bền, khả năng chịu va đập và chịu mõi, cải thiện tính dẫn điện, chịu nhiệt, khả
năng chống mài mòn, khả năng dẫn nhiệt, giảm giá thành cho sản phẩm. Trong
composite, hàm lượng của vật liệu cốt thường chiếm khoảng 40 – 50%.
Ưu điểm nổi bật nhất của composite là có thể thay đổi được cấu trúc hình học,

sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có cơ tính đáp ứng
được yêu cầu. Do đó, composite có khả năng đáp ứng được những yêu cầu rất khắc
khe của nền kỹ thuật hiện đại như nhẹ, cơ tính cao, có khả năng chịu nhiệt độ cao.
Vì vậy, vật liệu composite đã và đang giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về
vật liệu mới.
2.1.2 Đặc tính chung [3, 9]
Do composite được tạo thành từ hai hay nhiều vật liệu riêng biệt nên cơ tính
của nó phụ thuộc vào:
- Cơ tính của vật liệu thành phần.
- Tỉ lệ giữa các vật liệu thành phần.
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần (đặc tính của liên diện).

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-3-


Chương 2: TỔNG QUAN

- Tỉ lệ bọt khí trong vật liệu.
- Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu composite (ngẫu nhiên hay có
định hướng, phân bố đồng đều hay không đồng đều, hình thái kiến trúc của tổ hợp
vật liệu cốt…).
- Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt.
- Kỹ thuật gia công.
Sự kết hợp giữa vật liệu nền và vật liệu cốt phụ thuộc vào yêu cầu của người
thiết kế vật liệu để thỏa mãn một hoặc nhiều yêu cầu sử dụng như cơ tính, khả năng
chịu nhiệt, khả năng cách nhiệt, giá thành sản phẩm….
2.1.3 Phân loại [3, 4]
2.1.3.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu cốt

- Vật liệu composite cốt sợi (fiber-reinforcement composite) là vật liệu
composite được gia cường bởi sợi có độ bền riêng và mođun đàn hồi cao như
composite sợi thủy tinh, cacbon, xenlulozơ,…Vật liệu composite cốt sợi thường có
hai loại là sợi liên tục và sợi gián đoạn. Sợi liên tục có tỉ lệ chiều dài và đường kính
(L/D) rất cao (L/D > 1000). Sợi gián đoạn có tỉ lệ chiều dài và đường kính nhỏ hơn,
nằm trong khoảng 5 < L/D <1000.
- Vật liệu composite cốt hạt (sphere-reinforcement composite) là vật liệu
composite được gia cường bởi các hạt với các dạng và kích cỡ khác nhau như bê
tông, gỗ ép,… Một số cốt hạt dùng làm vật liệu composite thường gặp là vảy mica,
hạt cao lanh, CaCO3 bột hoặc vảy sắt, đồng, nhôm, bột gỗ,… Composite cốt hạt cải
thiện các tính chất của vật liệu nền như tăng độ cứng (stiffness), tăng khả năng chịu
nhiệt (thermal resistance), chịu mòn (abrasion resistance), giảm độ co ngót
(shrinkage resistance),…
2.1.3.2 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần
- Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ có thể chịu được nhiệt độ dưới 3000C.
Trong đó vật liệu nền thường được làm bằng nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn,
còn vật liệu cốt có thể dùng sợi khoáng (thủy tinh, carbon,…), sợi kim loại (Bo,
nhôm, thép,…), sợi hữu cơ (polyamit,…).
- Vật liệu composite nền kim loại có thể chịu nhiệt độ đến 6000C. Có thể dùng
hợp kim nhôm, hợp kim titan để làm vật liệu nền, vật liệu cốt có thể sử dụng sợi
kim loại (Bo,…), sợi khoáng (carbon, SiC,…).
- Vật liệu composite nền gốm có thể chịu nhiệt độ lên đến 1.0000C. Vật liệu
nền là gốm, vật liệu cốt thường dùng là sợi kim loại (Bo,..), hạt kim loại, hạt gốm…

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-4-


Chương 2: TỔNG QUAN

2.2 Các phương pháp gia công composite [5, 6, 7, 12]
2.2.1 Phương pháp gia công đắp tay (Hand Lay-up)
Đây là công nghệ chế tạo theo khuôn hở, các công đoạn từ hòa trộn nguyên liệu
đến lấy sản phẩm ra từ khuôn được thực hiện hoàn toàn bằng tay (Hình 2.2). Khuôn
sau khi được làm sạch được phủ một lớp tác nhân tách khuôn giúp dễ lấy sản phẩm ra
khỏi khuôn. Dùng cọ phủ lên bề mặt khuôn một lớp gel coat với bề dày thích hợp.
Sau đó trải lớp vật liệu gia cường lên phủ kín bề mặt khuôn trên lớp gel coat. Dùng
cọ hoặc con lăn thấm nhựa đã hòa xúc tác để trải nhựa lên lớp vật liệu gia cường,
đồng thời ấn nhẹ cọ hoặc con lăn trong khi lăn ép để nhựa thấm ướt vào vật liệu gia
cường và loại bọt khí. Khi lớp thứ nhất đông đặc và đóng rắn gần như hoàn toàn (khô
nhưng còn hơi dính, không ăn ra tay) thì tiếp tục làm lớp thứ hai. Quá trình được lập
đi lập lại đến khi sản phẩm đạt chiều dày mong muốn. Sản phẩm sau đóng rắn hoàn
toàn được tách ra khuôn.

Hình 2.2 Kỹ thuật gia công composite bằng phương pháp đắp tay
2.2.1.1 Ưu điểm
Công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí đầu tư thiết bị thấp, khả năng thay đổi vật
liệu gia cường cao, gia công được các chi tiết có hình dạng phức tạp, không đòi hỏi
trình độ công nhân cao.
2.2.1.2 Nhược điểm
Sản phẩm có cơ tính không cao do xuất hiện nhiều bọt khí, năng suất thấp, bề
dày sản phẩm không đều, sản phẩm chỉ bóng láng một mặt, phải xử lý cơ học sau
khi lấy sản phẩm, ảnh hưởng sức khỏe con người lao động và môi trường do dung
môi bay hơi trong quá trình gia công, đòi hỏi công nhân phải có tay nghề cao.
2.2.2 Phương pháp phun bắn (Spray Lay-up)
Loại khuôn sử dụng là khuôn hở, quá trình gia công vật liệu được cơ giới hóa
một phần giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm (Hình 2.3). Quá trình chuẩn

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-5-


Chương 2: TỔNG QUAN

bị khuôn, đóng rắn sản phẩm và tách khuôn giống phương pháp Hand Lay-up.Trong
phương pháp này, quá trình phủ gel coat, vật liệu gia cường và vật liệu nền lên
khuôn được thực hiện bằng súng phun. Nhựa, sợi và các chất xúc tác được đo lường
đúng tỉ lệ và được đưa đồng thời lên súng phun. Sợi sau khi được cắt ngắn sẽ được
hòa trộn với nhựa dưới tác dụng của khí nén qua họng súng được phun bắn lên bề
mặt khuôn đã được phủ gel coat. Bằng cách này tuần tự tạo ra các lớp cho đến khi
đạt được chiều dày sản phẩm yêu cầu. Sau khi đạt được chiều dày, kết thúc việc tạo
lớp thì dùng con lăn lăn ép bề mặt sau cùng đề làm phẳng nhựa và các đầu sợi nhô
lên để bề mặt sản phẩm trở nên phẳng đẹp.
Sợi
Chất xúc tác
Gel coat
Khí nén và nhựa

Súng phun

Hình 2.3 Kỹ thuật phun bắn
2.2.2.1 Ưu điểm
Quá trình tạo lớp hoàn toàn tự động, người vận hành chủ yếu điều khiển súng
phun hướng về mặt khuôn ở khoảng cách thích hợp, có hiệu quả với các loại bề mặt
khuôn uốn lượn, cong, phẳng,… Năng suất cao hơn hẳn so với đắp tay, tiết kiệm
nhân công, tiết kiệm nhựa và sợi, nâng cao chất lượng sản phẩm.
2.2.2.2 Nhược điểm
Khả năng thay thế các loại vật liệu gia cường thấp, bề dày sản phẩm không

đồng đều, sản phẩm có cơ tính không cao do sợi gia cường phải cắt ngắn lại, sản
phẩm chỉ bóng láng một mặt, đòi hỏi công nhân vận hành phải được đào tạo huấn
luyện và hiểu biết kỹ mỗi loại thiết bị phun khi sử dụng, ảnh hưởng không tốt đến
sức khỏe công nhân và ô nhiễm môi trường do dung môi bay hơi.
2.2.3 Phương pháp RTM (Resin transfer moulding)
RTM theo lý thuyết nghĩa là sự chuyển nhựa từ hệ thống này đến một hệ thống
khác trong khi gia công sản phẩm bằng cách đúc khuôn. Sợi gia cường được xếp vào
khuôn, sau đó khuôn được đóng lại. Nhựa được bơm từ một bình chứa vào khuôn kín

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-6-


Chương 2: TỔNG QUAN

có chứa sợi gia cường. Sau khi nhựa điền đầy khuôn, sợi và nhựa được giữ trong
khuôn đến khi nhựa đóng rắn. Sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn sau khi đã đóng rắn
(Hình 2.4).
Phương pháp này được ứng dụng để sản xuất những kết cấu chịu lực cao như
các chi tiết trên máy bay, thân xe hơi, thân tàu thủy..., sản phẩm tiêu dùng như đồ đạc
trong nhà, nhạc cụ, trần xe tải, cấu kiện xây dựng…

Hình 3.4 Kỹ thuật RTM
2.2.3.1 Ưu điểm
Sản phẩm có hai mặt nhẵn, khống chế được bề dày, cơ tính cao, ổn định do ít
bọt khí, thời gian điền đầy khuôn nhanh, tiết kiệm nguyên vật liệu, ít ảnh hưởng sức
khỏe công nhân và hạn chế ô nhiễm môi trường.
2.2.3.2 Nhược điểm
Thiết bị phức tạp, năng suất thấp, khó chế tạo các sản phẩm có dạng cong, chi

phí đầu tư thiết bị cao do phải cần đến hai mặt khuôn và các thiết bị khác.
2.2.4 Phương pháp túi chân không (Vacuum bag)
Kỹ thuật hút chân không là phương pháp tạo sản phẩm composite được gia
cường bởi sợi trong khuôn đơn cho cả khuôn đực hay khuôn cái. Thiết bị làm cho
sản phẩm tạo hình theo khuôn là một màng mềm dẻo. Khi hút hết không khí trong
không gian giữa màng và khuôn thì áp suất khí quyển sẽ tạo áp lực đều lên bề mặt
ngoài làm cho nhựa, sợi định hình trong khuôn. Áp suất tạo ra nhờ một máy hút
chân không có áp lực khoảng 0,068 – 0,1 MPa là đủ để ép chặt và định hướng sợi
tốt hơn so với phương pháp đắp tay.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-7-


Chương 2: TỔNG QUAN

Áp kế
Van
Máy hút chân không

Lớp trung gian

Sợi gia cường
Gel coat

Lớp trích khí
Lớp vải tách

Màng

Hình 3.5 Kỹ thuật Vacuum bag

2.2.4.1 Ưu điểm
Giảm được lượng nhựa sử dụng làm tăng tỷ lệ sợi nên sản phẩm cứng và bền
hơn so với phương pháp đắp tay, an toàn cho sức khỏe người lao động do túi chân
không làm giảm lượng chất bay hơi giải phóng trong quá trình đóng rắn. Do có áp
lực được duy trì trong suốt thời gian định hình trong khuôn, do luôn bị ép nên nhựa
dễ loang đều và khả năng thấm ướt của nhựa lên sợi và cơ tính của sản phẩm tốt
hơn nhờ áp suất chân không. Ngoài ra lượng nhựa thừa sẽ được loại bỏ, việc khử
bọt khí dễ dàng hơn so với đắp tay làm cho sản phẩm tốt ngay cả khi công nhân có
tay nghề thấp.
2.2.4.2 Nhược điểm
Kỹ thuật chân không làm tăng giá thành sản phẩm (vật liệu, trang thiết bị), đòi
hỏi công nhân phải có hiểu biết về thiết bị, sản phẩm chỉ bóng láng một mặt, chất
lượng sản phẩm thấp hơn so với sản phẩm được gia công bằng phương pháp RTM.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-8-


Chương 3
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ
3.1 Phương pháp
- Qui trình được tìm hiểu qua tham khảo tài liệu và tìm các nguyên liệu, vật tư
và thiết bị, hiện có ở thị trường Việt Nam để sử dụng cho công nghệ vacuum bag.
- Việc xây dựng qui trình gia công, các bước thực hiện và khảo sát các yếu tố
ảnh hưởng như độ chân không, tỉ lệ sợi được thực hiện bằng cách gia công mẫu
bằng phương pháp Vacuum bag.

- Thực hiện tạo mẫu bằng 3 phương pháp vacuum bag, đắp tay và RTM và đo
cơ tính kéo, uốn nhằm so sánh cơ tính của composite gia công bằng vacuum bag với
composite được gia công bằng phương pháp đắp tay và RTM để có cơ sở đánh giá
ảnh hưởng của công nghệ gia công này đến cơ tính của sản phẩm.
- Tạo một số mẫu composite hoàn chỉnh được gia công bằng công nghệ
vacuum bag để đánh giá khả năng ứng dụng của công nghệ.

3.2 Vật liệu thành phần của composite
3.2.1 Vật liệu nền
3.2.1.1 Nhựa polyester [3]
Polyester, vinyl và epoxy là các loại nhựa thường được sử dụng để làm vật liệu
nền của composite, bên cạnh đó một số nhựa khác cũng được dùng làm vật liệu nền
như phenol resol, polyurethane và polyimide. Trong đó polyester là loại nhựa được
sử dụng nhiều nhất để làm vật liệu nền trong vật liệu composite vì có những đặc
tính sau (Bảng 3.1).
Polyester là một loại chất dẻo được tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ gốc
cacbon, cụ thể là các hợp chất của axit hữu cơ với rượu, được chia làm 2 loại:
-

Polyester no (polyester bão hòa) là loại polyester không còn khả năng tiếp
tục tham gia phản ứng hóa học nữa.

-

Polyester không no (polyester chưa bão hòa) là các polyester còn có khả
năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học với các nhóm khác để đóng rắn.
Phản ứng hóa học này tỏa nhiệt, được gọi là phản ứng kết nối ngang hay
phản ứng đóng rắn.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-9-


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

Bảng 3.1 Các đặc tính cơ bản của nhựa polyester không no
Giá trị

Các đặc tính
Khối lượng riêng

1200 kg/m 3

Mođun đàn hồi kéo

2,8 – 3,5 GPa

Mođun đàn hồi uốn

3 – 4 GPa

Ứng suất phá hủy kéo/ Độ bền kéo

50 – 80 MPa

Ứng suất phá hủy uốn/ Độ bền uốn

90 – 130 MPa

Biến dạng phá hủy kéo

2–5%

Biến dạng phá hủy uốn

7–9%

Độ bền nén

90 -200 MPa

Độ bền cắt

10 – 20 MPa

Nhiệt độ uốn dưới tải trọng (1.8 MPa) (HDT)

60 – 1000C

Chất lượng đúc

Khá

Khả năng gia công cơ khí

Tốt

Tính quang học

Trong suốt

Tính chống cháy

Khá

Bị ảnh hưởng bởi tia mặt trời

Tia màu vàng

Nhựa polyester với đặc tính là độ nhớt thấp, độ cứng cao sau khi đóng rắn. Dễ
sử dụng và rẻ là những nguyên nhân quan trọng làm cho nhựa polyester không no là
loại nhựa nhiệt rắn được sử dụng phổ biến trong công nghệ chế tạo vật liệu
composite. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này thì polyester không no được sử
dụng làm vật liệu nền cho cả 3 phương pháp gia công vật liệu composite là Vacuum
bag, RTM và đắp tay. Polyester không no có các ưu điểm và khuyết điểm sau:
+ Ưu điểm
-

Độ cứng cao.

-

Khả năng thấm nhựa vào vật liệu cốt cao.

-

Dể sử dụng.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 10 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

-

Chống môi trường hóa học khá tốt.

-

Giá thành không quá cao.

+ Nhược điểm
-

Dễ bị nứt, đặc biệt là do va đập.

-

Độ co ngót cao (khoảng 8 – 10%).

-

Bị phá hủy dưới tác dụng của tia cực tím.

-

Dễ bị bắt lửa.

-

Chịu nhiệt trung bình dưới 1200C (trên 900C thì khả năng chịu tải kém).

3.2.1.2 Chất đóng rắn [2]
Chất đóng rắn (chất xúc tác) là hợp chất hóa học được hòa tan vào nhựa chưa
no với tỷ lệ phù hợp để kích hoạt (khởi xướng) phản ứng kết nối ngang xảy ra một
cách nhanh chóng và mãnh liệt. Từ đó, tạo ra các gốc tự do đủ để làm cho nhựa
đông và đóng rắn hoàn toàn. Việc hòa chất xúc tác được tiến hành ngay trước khi
nhựa được bơm vào khuôn. Các chất xúc tác peroxide thường được dùng trong công
nghệ composite vì nó có thể polyester đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Hai chất xúc tác
được sử dụng phổ biến trong công nghệ composite là MEKP (Methyl ethyl keton
peroxide) và HCH (cyclo-hexanol peroxide), trong đó MEKP là chất đã được chọn
làm chất xúc tác trong đề tài này.
MEKP là tên viết tắt của metyl ethyl keton peroxide, nó thực chất là hỗn hợp
của một số hợp chất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất.
MEKP là chất xúc tác được sử dụng nhiều trong công nghệ composite. MEKP là
chất oxy hóa mạnh và có khả năng ăn mòn chất khác, dễ phát nổ, dễ cháy do đó bảo
quản phải hết sức thận trọng (Hình 3.1; 3.2)

Hình 3.1 Chất đóng rắn MEKP
SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

Hình 3.2 Công thức cấu tạo của MEKP
- 11 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

Chất xúc tác MEKP được sử dụng trong công nghiệp composite ở nhiệt độ
phòng, có tác dụng tạo ra phản ứng đóng rắn theo các bước:
- Trong nhựa nhiệt rắn có sẵn chất xúc tiến cobalt và chất hãm. Khi hòa
MEKP vào thì nó tác dụng ngay với chất xúc tiến để tạo ra gốc tự do ban đầu. Gốc
tự do này lại phản ứng kết nối ngang với các nhóm chưa bão hòa trong nhựa để tạo
ra gốc tự do mới… Cứ như vậy, phản ứng dây chuyền này làm các chuỗi polyester
ngày càng nhiều hơn, dài hơn, làm chuyển động của nhựa giảm dần, quánh dần đến
mức không chuyển động được nữa: đó là thời điểm đông đặc.
- Nhưng lúc này vẫn còn nhiều nhóm chưa bão hòa và chưa bị phản ứng. Cho
đến khi các gốc tự do không thể kết nối ngang được nữa, vì chuỗi đã trở nên dày
đặc: đó là thời điểm đóng rắn nhưng chưa hoàn toàn.
- Do đó nhiệt lượng tiếp tục sinh ra trong phản ứng, cấp thêm nguồn lực đẩy
các gốc tự do xuyên ngang đến các nhóm chưa bão hòa còn lại để phản ứng với
chúng. Lúc này phản ứng kết nối ngang mới thật sự kết thúc toàn phần: nghĩa là
nhựa đã đóng rắn hoàn toàn.
3.2.2 Vật liệu gia cường [1, 2, 3]
3.2.2.1 Sợi thủy tinh
+ Tính chất
- Độ bền kéo cao: sợi thủy tinh có độ bền kéo (3500MPa) cao hơn độ bền kéo
của thép (2000MPa).
- Khả năng chịu nhiệt và chịu lửa: vì sợi thủy tinh là chất vô cơ nên nó không
cháy hay hỗ trợ sự cháy.
- Độ bền hóa học: sợi thủy tinh có độ bền rất tốt với hầu hết các hóa chất và trơ
với sự ăn mòn của nấm, vi khuẩn và côn trùng.
- Tính chống ẩm: vì thủy tinh không hút nước, nên nó không phồng, nở hay
phân hủy. Sợi thủy tinh không dễ bị thối rửa và liên tục duy trì độ bền cơ học của nó
trong những môi trường ẩm ướt.
- Tính chất nhiệt: nhờ có hệ số giãn nở nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao, sợi
thủy tinh thừa hưởng những tính năng ưu việt trong môi trường nhiệt.
- Tính chất điện: sợi thủy tinh không dẫn điện là sự lựa chọn tốt cho việc cách

điện mà người thiết kế có thể sử dụng tính chất độ bền điện môi cao và độ giảm
điện môi thấp.
- Trong nhiều ứng dụng, vật liệu gia cường là thủy tinh được chọn bởi vì nó
cho phép vật liệu composite giữ được những tính chất tốt nhất trong môi trường có

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 12 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

độ ẩm cao. Sợi thủy tinh loại E là vật liệu được chọn vì tính chống tan trong nước
ưu việt của nó (chỉ mất 1-7% khối lượng khi được đặt trong môi trường hơi nước
trong 1 giờ). Tính chất này giúp sợi thủy tinh giữ được những tính chất đặc trưng về
cơ và điện của vật liệu composite ngay cả khi làm việc với áp suất nước trong thời
gian dài.
- Sợi được dùng làm vật liệu gia cường trong đề tài này là thủy tinh dạng mat
sợi ngẫu nhiên 300g/m2 do Trung Quốc sản xuất (Hình 3.2), ngoài ra còn dùng tấm
mat sợi xơ dừa (Hình 3.3).

Hình 3.2 Tấm mat thủy tinh

Hình 3.3 Sợi xơ dừa

3.2.2.2 Sợi xơ dừa [1,3, 13, 14]
+ Giới thiệu
Sợi xơ dừa có chiều dài từ 15 đến 35 cm, đường kính thay đổi từ 0,1 đến 1,5
mm. Sợi xơ dừa có thể kéo dài ra được 30 % so với chiều dài ban đầu. Mặc dù sợi
xơ dừa có độ bền kéo (175 MPa) không bằng sợi thủy tinh (3500MPa) nhưng độ

dãn dài cao hơn sợi thủy tinh (2,5 %). Bảng 3.2 trình bày thành phần hóa học chủ
yếu của sợi xơ dừa. Ở nước ta hiện nay các phương pháp được sử dụng phổ biến để
tách xơ dừa là phương pháp thủ công truyền thống, phương pháp bán cơ khí và
phương pháp hiện đại cơ khí hóa hoàn toàn.
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của sợi xơ dừa [9]
Thành phần
Lignin

Hàm lượng (% khối lượng)
45,84

Cellulose
Hemicellulose
Pectin và những hợp chất liên quan
Độ hòa tan trong nước

43,44
0,25
0,3
5,25

Tro

2,22

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 13 -

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

+ Tấm mat từ xơ dừa [9]
Hiện nay một loại vật liệu cốt mới đã được nghĩ đến để thay thế cho những
preform xơ dừa vừa dày vừa khó sử dụng, đó là các tấm mat xơ dừa. Với ưu điểm
mỏng nên khả năng thấm nhựa tốt, dễ lượn theo các hình dạng khuôn phức tạp, dễ
sử dụng, được sử dụng phổ biến trong công nghệ vật liệu composite. Đồng thời
phương pháp để tạo nên tấm mat xơ dừa cũng đơn giản hơn các dạng preform khác
(Hình 3.4).

Hình 3.4 Tấm mat sợi xơ dừa

3.3 Thiết bị
3.3.1 Thiết bị gia công composite bằng phương pháp Vacuum bag
Công nghệ gia công composite bằng phương pháp Vacuum bag cần có một số
dụng cụ cũng như trang thiết bị sau: khuôn, bơm chân không, thiết bị làm màng,
thiết bị rút trích khí, kẹp và cơ cấu kẹp, vật liệu nền, vật liệu gia cường, chất đóng
rắn MEKP, chất tháo khuôn như wax,…(Hình 3.5).
Các dụng cụ cũng như trang thiết bị này sẽ được nói rõ hơn ở chương sau.
Áp kế
Van
Lớp trung gian
Lớp trích khí
Lớp vải tách

Máy hút chân không
Sợi gia cường
Gel coat

Màng

Hình 3.5 Kỹ thuật Vacuum bag

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 14 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

3.3.2 Thiết bị RTM
Thiết bị RTM tại Khoa Công nghệ có cấu tạo gồm các bộ phận sau (Hình 3.6).
+ Khuôn gồm có khuôn trên và khuôn dưới. Khuôn trên làm bằng vật liệu
mica trong suốt. Khuôn dưới được làm bằng nhôm. Trong quá trình gia công
composite, khuôn dưới sẽ được gia nhiệt. Khuôn trên và khuôn dưới được ghép sau
khi bố trí sợi gia cường vào bằng những bulong.
+ Bình chứa nhựa dùng để chứa nhựa. Có thể sử dụng chân không và áp
suất cho bình chứa nhựa. Chân không được dùng để hút nhựa, loại bỏ khí trong
nhựa. Áp suất dùng để chuyển nhựa qua khuôn.
+ Thiết bị gia nhiệt được dùng để gia nhiệt cho khuôn. Môi chất được sử
dụng truyền nhiệt là dầu.
Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của thiết bị RTM tại Khoa Công nghệ

Kích thước khuôn

Chiều dài

500 mm

Chiều rộng

300 mm

Chiều dày

3/4/5 mm

Nhiệt độ

Tối đa 1800C

Chân không

Tối đa 760mmHg

Áp suất

Tối đa 5kg/cm2

Thiết bị gia nhiệt

Môi chất

Dầu gia nhiệt

Nhiệt độ

Tối đa 1800C

Hình 3.6 Thiết bị RTM tại khoa Công nghệ

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 15 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

3.3.3 Thiết bị đo cơ tính
Các sản phẩm composite gia cường bằng sợi thủy tinh trên nền nhựa polyester
được gia công bằng phương pháp RTM, vacuum bag và đắp tay có dạng tấm phẳng.
Chúng được đặt vào tủ sấy ở 800C trong một giờ. Năm mẫu theo tiêu chuẩn cho mỗi
phép đo ứng với từng phương pháp gia công được cắt ra từ các tấm phẳng. Kích
thước theo tiêu chuẩn ASTM D3039/D 3039M (đo kéo) và tiêu chuẩn ASTMD 79003 (đo uốn). Các mẫu sau khi được cắt phải dùng giấy nhám mịn làm nhẵn ở các
cạnh để loại bỏ khuyết tật nhằm tránh hiện tượng tập trung ứng suất, tạo sự đồng
đều về mặt cơ tính. Mẫu đo có kích thước như được trình bày ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Kích thước mẫu đo cơ tính
Kí hiệu

Dài

Rộng

Dày

Đo kéo (mm)

250

25

3

Đo uốn (mm)

45

15

3

3.3.3.1 Đo kéo
Thí nghiệm kéo được thực hiện trên máy kéo nén Zwick (Hình 3.7). Trước
tiên, hai ngàm kẹp mẫu kéo được lắp vào máy. Sau đó, khởi động phần mềm đo kéo.
Thí nghiệm đo cơ tính kéo của mẫu composite được tiến hành theo tiêu chuẩn
ASTM D3039/ D 3039M . Các thông số thiết lập cho phần mềm máy đo kéo như
sau:
- Tốc độ kéo: 40 mm/ phút
- Khoảng cách giữa hai ngàm kẹp: 150 mm
- Ngưỡng kết thúc lực: 80%Fmax
Dùng thước kẹp đo và nhập vào phần mềm các giá trị chiều dày và chiều rộng
mẫu. Sau khi đo kích thước, mẫu đo được kẹp vào ngàm kẹp của máy kéo và siết
chặt. Một mẫu giấy nhám mịn được đặt vào hai đầu mẫu tại vị trí tiếp xúc với ngàm
kẹp để tránh hiện tượng trượt và phá hủy mẫu tại ngàm (Hình 3.8).
Bắt đầu đo mẫu, theo dõi đồ thị biểu diễn trên màn hình. Phép đo kết thúc khi
mẫu bị phá hủy. Lặp lại thí nghiệm cho các mẫu còn lại.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 16 -

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

3.3.3.2 Đo uốn
Hình 3.7 Máy kéo nén Zwick
tại khoa Công nghệ

Hình 3.8 Đo kéo

3.3.3.1 Đo uốn
Thí nghiệm uồn được thực hiện trên máy kéo nén Zwick. Lắp bộ phận đo uốn
vào máy đo cơ tính. Khởi động phần mềm, chọn chế độ uốn ba điểm. Thí nghiệm đo
uốn được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM D790M/ 84. Các thông số thiết lập cho
phần mềm đo uốn:
- Khoảng cách giữa hai gối đỡ: L = 32 mm
- Tốc độ uốn: 4mm/ phút
- Độ giãn dài tối đa: 7%
Đo và nhập vào giá trị chiều dày, chiều rộng của mẫu và khoảng cách giữa hai
gối đỡ. Đặt mẫu lên hai gối đỡ sao cho trục tác dụng lực nằm ngay trung điểm của
mẫu (Hình 3.9). Bắt đầu đo mẫu, theo dõi đồ thị trên màn hình. Phép đo kết thúc khi
mẫu bị phá hủy hoặc độ giãn dài đạt 7%. Lặp lại thí nghiệm cho các mẫu còn lại.

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 17 -


Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ

Hình 3.9 Đo uốn
3.3.4 Máy ép nóng
Thiết bị dùng để ép các sợi để tạo thành tấm mat là máy ép nóng PANSTONE
của Đài Loan. Hai thông số quan trọng nhất của máy ép nóng là áp suất và nhiệt độ.
Hai thông số áp suất và nhiệt độ dùng trong thí nghiệm có giá trị lần lượt là:
50kg/cm2 và 500C (Hình 3.10).

Hình 3.8 Máy ép nóng PANSTONE

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 18 -