nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia, chất độn đến độ bền uốn, độ dai va đập của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

Tổng quan về hướng nghiên cứu

1.1.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước:

1.1.1.1 Đề tài “ Nghiên cứu vật liệu composite trên nền nhựa polyetylene tỉ trọng cao gia cường bằng sợi đay” năm 2008- ĐH Bách Khoa

Đề tài nghiên cứu vật liệu composite được thực hiện vào năm 2008 dưới sự hướng dẫn của TS Đào Thị Thu Loan, tập trung vào việc ép nóng vật liệu nền polyetylene tỉ trọng cao (HDPE) được gia cố bằng sợi đay.

Sợi đay được sử dụng để tạo ra vải và trải qua quá trình xử lý hóa chất Tấm nhựa và tấm sợi được xếp xen kẽ thành 6 lớp, bao gồm 6 lớp nhựa và 5 lớp sợi Sau đó, lớp vật liệu này được xử lý nhiệt trong khuôn ở nhiệt độ 160̊ C, tiếp theo là quá trình hạ nhiệt, làm nguội, cắt mẫu và tiến hành các thử nghiệm thực nghiệm.

Nghiên cứu cho thấy, với hàm lượng sợi 40%, nhiệt độ ép nóng 160̊ C và thời gian ép 25 phút, sản phẩm đạt độ bền cao nhất.

1.1.1.2 Đề tài “ Nghiên cứu vật liệu composite trên nền nhựa polyvinyl clorua với độn mùn cƣa, trấu” năm 2010- ĐH Bách Khoa

Đề tài nghiên cứu do TS Đào Thị Thu Loan hướng dẫn vào năm 2010 tập trung vào việc khảo sát và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và độ kháng nước của vật liệu composite nền nhựa polyvinyl clorua kết hợp với mùn cưa hoặc trấu Nghiên cứu này nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng ứng dụng của vật liệu composite trong các lĩnh vực khác nhau.

Mùn cưa và trấu được làm sạch, loại bỏ tạp chất, sau đó được xay nhỏ, phân loại và sấy khô Tiếp theo, hạt PVC SG660 được trộn với mùn cưa và trấu, cùng với chất dẻo DOP trên máy khuấy theo tỉ lệ 40% mùn cưa và 20% DOP Hỗn hợp này sau đó được xử lý để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

2 đƣợc đƣa vào khuôn ép thành tấm theo quy trình, sau đó cắt theo mẫu và kiểm nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 160̊ C và thời gian ép trong khuôn là 20 phút, kích cỡ hạt 0.5mm, vật liệu composite đạt độ bền cao nhất Tỉ lệ mùn cưa tối ưu cho độ bền tốt nhất là 50%, trong khi tỉ lệ trấu là 40% Ngoài ra, hàm lượng chất dẻo lý tưởng để đạt độ bền tối ưu là 10%.

1.1.1.3 Đề tài “Nghiên cứu tăng bền cho vật liệu nhựa và composite trong công nghệ ép phun” năm 2011-ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Năm 2011, PGS.TS Lê Hiếu Giang đã hướng dẫn một đề tài nghiên cứu về việc tăng cường độ bền cho vật liệu nhựa polypropylene (PP) bằng cách sử dụng phụ gia Na10MB3A và chất độn canxi cacbonat (CaCO3) Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học của nhựa PP, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp.

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc pha chế phụ gia Na10MB3A với tỉ lệ 3% giúp vật liệu tăng bền cao nhất, đạt mức tăng 13,51% Đồng thời, khi sử dụng chất độn CaCO3 với tỉ lệ 4%, vật liệu có sự cải thiện bền vững đáng kể, với mức tăng lên tới 21,46%.

1.1.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước:

1.1.2.1 Comparison of several closure approximations for evaluating the thermoeplastic properties of an injection molded short-fiber composite- composites Science and Technology, Volume 67, Issues 7 -8, June 2007, pages 1601-1610: đề tài nghiên cứu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính đàn hồi nhiệt độ của quá trình ép phun composite sợi ngắn

1.1.2.2 An experimental study of fiber orientation in injection moulded short glass fiber –reinforced polypropylene/prolyarylamide composites –Composites, volume 25, issue 2, February 1994, pages 147-153: đề tài thực nghiệm nghiên cứu sự định hướng của sợi thủy tinh trong quá tính ép phun composite gia cường polypropylene/polyarylamide

1.1.2.3 Studies on the combined effect of injection temperature and fiber content on the properties of the polypropylene –glass fiber composites- Composites Science and Technology, Volume 65, Issue, May 2005, Pages 873-881: đề tài nghiên c ứu sự tương tác c ủa nhiệt độ ép phun và thành phần sợi đến đặc tính c ủa composite –sợi thủy tinh

1.1.2.4 Influence of particle size and debonding damage on an elastic – plastic singular field around a crack-tip in particulate-reinforced composites –Acta Mechanical, Volume 225, Issue 4-5, Pages 1373- 1389: đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt và vết bong tách đến tính dẻo đàn hồi quanh vết nứt của vật liệu composite được gia cường bằng hạt

Kết luận, hiện chưa có nghiên cứu nào áp dụng phụ gia và chất độn để cải thiện độ bền uốn và độ dai va đập cho vật liệu composite trong công nghệ ép phun Do đó, nghiên cứu này đã tiến hành chế tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO 178:2010 và ISO 179:2010 nhằm kiểm nghiệm độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu.

Tính cấp thiết của đề tài

Sản phẩm công nghệ ép phun ngày càng được yêu cầu về chất lượng cao hơn, bền hơn, nhẹ hơn và giá thành rẻ hơn Việc pha trộn vật liệu nhựa truyền thống với phụ gia theo tỉ lệ hợp lý giúp tăng độ bền Tuy nhiên, với những lợi ích vượt trội từ vật liệu composite, việc áp dụng công nghệ này để cải thiện độ bền, nâng cao chất lượng và giảm giá thành cho sản phẩm nhựa là rất cần thiết Đồng thời, nghiên cứu tỉ lệ thành phần phụ gia hoặc gia cường để tối ưu hóa hiệu quả cũng đang trở thành xu hướng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật.

Các chất phụ gia đã được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp, nhưng thường chỉ theo hướng dẫn của nhà sản xuất hoặc dựa vào kinh nghiệm của các công ty gia công sản phẩm nhựa Việc đánh giá tổng quát tác động của các chất phụ gia này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng các thành phần gia cường và chất độn trong vật liệu composite, cần tiến hành nghiên cứu cụ thể nhằm đánh giá ảnh hưởng của chúng đến sức bền của vật liệu trước và sau khi pha trộn Nghiên cứu này đã thực hiện chế tạo mẫu thử để đo độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu composite trong công nghệ ép phun, qua đó đánh giá tác động của phụ gia và chất độn đến các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Sản phẩm của đề tài sẽ hỗ trợ nghiên cứu về độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu trong công nghệ ép phun.

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm phân tích và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần phụ gia và chất độn Qua đó, các biểu đồ thực nghiệm được xây dựng để phát triển các loại vật liệu mới có độ bền cao hơn và chất lượng tốt hơn cho công nghệ ép phun.

 Sản phẩm trực tiếp từ đề tài là mẫu thử đo độ bền uốn ISO 178: 2010, và mẫu thử đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179: 2010

Kết quả nghiên cứu này sẽ được ứng dụng vào thực tiễn trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đồng thời tạo nền tảng cho việc áp dụng hiệu quả công nghệ ép phun về cả kỹ thuật lẫn kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

- Chế tạo đƣợc mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO 178:2010, và mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO 179:2010

- Thực nghiệm kiểm tra độ bền uốn, độ dai va đập của vật liệu composite trong công nghệ ép phun

- Đưa ra được ảnh hưởng của phụ gia, chất độn đến độ bền uốn, độ dai va đập của vật liệu

- Các thông số đến quá trình ép phun

- Vật liệu nhựa PP và composite

- Phụ gia, chất độn sử dụng trong chế tạo vật liệu composite

- Các phụ gia, chất độn thường dùng

- Công nghệ ép phun, các thông số quá trình ép phun

- Tiêu chuẩn ISO 178: 2010, tiêu chuẩn ISO 179: 2010

Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Nhiệm vụ của đề tài:

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite

- Nghiên cứu công nghệ ép phun

- Nghiên cứu và thiết kế mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO 178:2010, mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO 179:2010

- Nghiên cứu chế tạo mẫu thử bằng công nghệ ép phun

- Thành lập trình tự tiến hành thí nghiệm

- Xử lý số liệu thực nghiệm

Vì giới hạn về thời gian và cơ sở nên đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các vấn đề sau:

- Chỉ nghiên cứu trong công nghệ ép phun

- Vật liệu nhựa sử dụng là nhựa polypropylene

- Sử dụng hai loại phụ gia Na10MB3A và chất độn CaCO 3

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu, xử lý tài liệu liên quan

- Nghiên cứu tiêu chuẩn ISO 178:2010, tiêu chuẩn ISO 179:2010

- Thiết kế mẫu thử trên phần mềm PRO/E

- Thiết kế các thiết bị, khuôn trên phần mềm PRO/E

- Phân tích CAE trên phần mềm Plastic Moldflow Insign

- Xử lý số liệu thực nghiệm bằng phần mềm STAT GRAPHICS

Vật liệu composite

2.1.1 Khái niệm và tính chất:

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một vật liệu mới với tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ Về cấu trúc, composite bao gồm một hoặc nhiều pha gián đoạn phân bố đều trong một pha nền liên tục Khi vật liệu có nhiều pha gián đoạn, nó được gọi là composite hỗn tạp, trong đó pha gián đoạn thường có tính chất ưu việt hơn so với pha liên tục.

Pha liên tục gọi là nền ( matrice) Pha gián đoạn gọi là cốt, chất độn hay vật liệu gia cường ( reinforced)

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:

Cơ tính của các vật liệu thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của vật liệu composite Khi các vật liệu thành phần có cơ tính tốt, vật liệu composite sẽ có cơ tính vượt trội, cải thiện đáng kể so với từng vật liệu riêng lẻ.

Luật phân bố hình học của vật liệu cốt ảnh hưởng lớn đến độ bền của composite, với việc vật liệu bị phá hủy trước tiên ở những khu vực có mật độ cốt thấp Đối với composite cốt sợi, phương sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, cho phép điều chỉnh tính chất này theo nhu cầu để phát triển vật liệu và công nghệ phù hợp.

Sự tương tác giữa các vật liệu thành phần, bao gồm vật liệu cốt và nền, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chúng liên kết chặt chẽ với nhau Điều này không chỉ giúp tăng cường tính năng mà còn bổ sung cho nhau, tạo ra một hệ thống vật liệu hoàn chỉnh và hiệu quả hơn.

8 sung tính chất cho nhau Ví dụ nhƣ liên kết giữa cốt thép và xi măng bê tông

2.1.2 Phân loại vật liệu composite:

2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng: a - composite hạt b - composite sợi c - composite phiến d - composite vảy e - composite đổ đầy

Hình 2 1 Phân loại composite theo hình dạng

2.1.2.2 Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần:

- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng, sợi kim loại

- Composite nền kim loại: nền là các kim loại nhƣ titan, nhôm, dồng và cốt thường là sợi kim lo ại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC

- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc kim lo ại, hoặc hạt gốm

2.1.3 Vật liệu và thành phần của composite:

- Chất liệu nền nhựa nhiệt rắn: nhựa polyeste, nhựa epoxy, nhựa amin…

- Chất liệu nền nhựa nhiệt dẻo: PVC, nhựa PE, nhựa PP, nhựa polyamit,…

- Chất liệu nền kim loại

2.1.3.2 Cốt (chất độn hay vật liệu gia cường): Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì cốt thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá cốt dựa trên các đặc điểm như sau:

- Tính gia cường cơ học

- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ

- Phân tán vào nhựa tốt

- Thuận lợi cho quá trình gia công

Có ba dạng cốt cơ bản:

Sợi là vật liệu có chiều dài lớn hơn nhiều so với hai chiều còn lại, được phân bố gián đoạn trong vật liệu composite Theo chiều dài, sợi có thể tồn tại dưới dạng liên tục hoặc gián đoạn Tên gọi của các loại cốt sợi thường gắn liền với tên của composite dạng sợi.

Việc bổ sung các loại cốt sợi vào composite giúp nâng cao độ bền cơ học và độ bền hóa học của vật liệu, bao gồm khả năng chịu va đập tốt, độ giãn nở cao, khả năng cách âm hiệu quả, và tính chống ma sát, mài mòn.

Cốt sợi sở hữu tính năng cơ lý hóa vượt trội, nhưng do giá thành cao, nên thường được sử dụng để sản xuất các vật liệu cao cấp như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi Bo.

Hạt là vật liệu gián đoạn không có kích thước ưu tiên như sợi, thường được sử dụng trong composite cốt hạt Các loại vật liệu phổ biến bao gồm silica, CaCO3 và vẩy mica.

Sử dụng hạt nhằm các mục đích:

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường

- Đễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng r ắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn

 Cốt dạng vải (cấu trúc):

Cốt vải là tổ hợp bề mặt của vật liệu cốt sợi, được tạo ra bằng công nghệ dệt Các kỹ thuật dệt truyền thống phổ biến bao gồm dệt lụa trơn, dệt xa tanh, dệt vân chéo, dệt mô đun cao và dệt đồng phương Kiểu dệt được hiểu là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi Ngoài ra, kỹ thuật dệt cao cấp còn bao gồm các kiểu dệt đa phương như bện, tết và kiểu dệt thể tích, tạo ra vải đa phương.

Chất nền không những là chất làm các sợi gia cố dính lại với nhau mà còn có tác dụng phân bố lực đồng đều trên toàn bộ composite

Nhựa nền đóng vai trò quan trọng như chất kết dính, giúp tạo ra môi trường phân tán và truyền tải ứng suất đến cốt vật liệu khi có ngoại lực tác động Nó có thể được hình thành từ một chất đơn lẻ hoặc từ sự kết hợp đồng nhất của nhiều chất, tạo thành một thể liên tục.

Các loại nhựa như epoxy, phenolformaldehyde và polyester có khả năng thấm ướt tốt với vật liệu gia cường hữu cơ, giúp quá trình trộn nhựa với cốt trở nên dễ dàng Tuy nhiên, đối với cốt vô cơ như sợi gốm, tính thấm ướt lại rất kém Đối với vải, có nhiều phương pháp chế tạo bán thành phẩm, chẳng hạn như nhúng tấm vải vào nhựa, xếp lớp và ép lại, hoặc trải từng lớp vải để tạo thành sản phẩm cuối cùng.

11 vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa, lại trải vải, lại quét nhựa… Lặp lại quy trình nhƣ vậy cho đến khi đạt chiều dày yêu cầu.

Nhựa Polypropylen (PP): [1]

Polypropylen là nhựa nhiệt dẻo, là sản phẩm của phản ứng trùng hợp propylen

Hình 2 2 Biểu tượng thương mại và liên kết mắt xích PP Độ nhớt: 10 (Poise) Nhiệt độ nóng chảy: 160 ÷ 170 (°C) Độ dai va đập: 3.28 ÷ 5.9 kJ/m 2

Polypropylene (PP) có tỉ trọng khác nhau, với PP vô định hình là 0.85 g/cm³ và PP tinh thể là 0.95 g/cm³ Về độ bền hoá học, ở nhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu cơ, chỉ trương nở khi tiếp xúc với cacbuahydro thơm và clo hoá Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 80°C, PP bắt đầu tan trong hai loại dung môi này Ngoài ra, PP cũng không hút nước, với mức hút ẩm dưới 0,01%.

- Trọ ng lƣợng phân tử nằm trong khoảng 80.000 ÷200.000

- Độ bền nhiệt (theo Vica) °C 5 ÷110

- Độ bền kéo đứt : σk (kG/cm2) = 300 ÷350 σn (kG/cm2) = 600 ÷700 σu (kG/cm2) = 900 ÷1200

- Nhiệt độ giòn gãy thấp hơn PE: (-5 °C) ÷ (-15 °C)

- Độ cứng Brinel: 6 ÷6,5 kg/cm2

- Chỉ số chảy từ 2 ÷60 gr/10phút Ứng dụng:

Loại nhựa thông thường được sử dụng để sản xuất các vật dụng hàng ngày, trong khi loại nhựa trùng hợp khối được ứng dụng để chế tạo các sản phẩm chất lượng cao như chi tiết công nghiệp, van và vỏ hộp acqui.

- Loại tính năng cơ lý cao: dùng s ản xuất các vật dụng chất lƣợng cao

- Loại đặc biệt: chuyên dùng cho chi tiết sản phẩm công nghiệp, chi tiết nhựa trong xe máy, ô tô, điện tử, hộp thực phẩm, máy giặt,…

Loại nhựa này được sử dụng rộng rãi trong bao bì y tế và thực phẩm, bao gồm xylanh, tiêm, CD và VCD Sản phẩm này có đặc điểm không mùi và bề mặt bóng cao, phù hợp cho các ứng dụng đặc biệt trong ngành thực phẩm.

Trong công trình nghiên cứu này đã dùng vật liệu nhựa PP để làm nền cho composite.

Phụ gia

Để nâng cao cơ tính của sản phẩm nhựa trong công nghệ ép phun, việc sử dụng phụ gia và chất độn là rất quan trọng, giúp cải thiện độ bền cho sản phẩm.

Các phụ gia thường được sử dụng là:

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi ho ặc vảy kim loại như

Fe, Cu, Al,… hoặc bi tráng kim loại

- Bôi trơn khi dỡ khuôn

- Phụ gia hỗ trợ gia công PPA

- Phụ gia tăng trong PE, PP

- Phụ gia chống tĩnh điện

- Phụ gia chất tạo xốp

- Phụ gia tăng cứng PP

- Phụ gia tẩy rửa trục

- Phụ gia chất phân hủy

- Phụ gia chống lão hóa

- Phụ gia tăng dai HDPE, LLDPE, PS

Các thành phần này được sử dụng trực tiếp trong sản xuất, với tỷ lệ pha trộn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người dùng.

Và để tăng bền cho vật liệu PP, có 3 phương pháp được sử dụng:

Phụ gia tăng bền Na10MB3A cho polypropylene (PP) được sản xuất dưới dạng hạt nhựa nhỏ, với màu sắc trong suốt, giúp giữ nguyên màu sắc của vật liệu Mặc dù mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện độ bền, nhưng giá thành của phụ gia này cao gấp ba lần so với các vật liệu thông thường.

Trong công nghệ ép phun, việc sử dụng sợi thủy tinh làm gia cường là cần thiết, nhưng do kích thước điểm phun nhỏ, không thể áp dụng sợi thông thường như trong các phương pháp chế tạo composite khác Thay vào đó, sợi được chế tạo dưới dạng hạt để pha trộn với nhựa Các nhà sản xuất sẽ điều chỉnh chiều dài và thành phần sợi theo yêu cầu cụ thể của khách hàng Để đảm bảo độ đồng đều của vật liệu, khối lượng pha trộn cho mỗi lần ép không được dưới 500 kg Hạt nhựa chứa chất gia cường cần được kết hợp với các vật liệu PP nguyên sinh trước khi ép phun vào khuôn.

Vật liệu PP pha sợi chỉ thường được sử dụng hạn chế do khó khăn về mặt kỹ thuật và giá cả vật liệu cao Khách hàng thường có yêu cầu cụ thể, trong khi vật liệu này không phải là lựa chọn tối ưu cho những sản phẩm cần độ trong cao.

Bột đá CaCO3 là một loại vật liệu rẻ tiền, chỉ bằng 1/3 giá thành so với hạt nhựa nguyên sinh, và được sử dụng dưới dạng viên nhỏ màu trắng đục Tuy nhiên, màu sắc trắng của bột đá có thể ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc sản phẩm sau khi ép phun Bột đá CaCO3 có các đặc tính của chất cacbonat, bao gồm khả năng phản ứng với axit mạnh để giải phóng điôxít cacbon.

- Tỷ trọng và pha: 2.83 g/cm 3 , rắn

- Độ hòa tan trong nước: không hòa tan

Trong công trình nghiên cứu này đã sử dụng hai loại: Na10MB3A và bột đá CaCO 3

Công nghệ ép phun

- Ép phun (đúc dưới áp suất hay đúc tiêm) là phương pháp gia công chủ yếu trong công nghiệp gia công polymer

- Các nhựa nhiệt dẻo thường được gia công bằng phương pháp này

- Phương pháp ép phun thuộc nhóm 1 theo cách phân nhóm trạng thái vật liệu

- Sản phẩm gia công có kích thước khá chính xác theo 3 chiều vì được tạo hình trong khuôn kín

- Quá trình gia công gồm 2 quá trình:

 Nhựa hoá trong xi lanh nguyên liệu

- Quá trình tạo hình chỉ tiến hành khi làm khít 2 nửa khuôn lại với nhau

- Tùy theo nguyên liệu đúc, chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau (nhựa nhiệt dẻo khác nhựa nhiệt rắn)

- Vật liệu chảy vào khuôn qua các rảnh, cửa tiết diện nhỏ

- Khi vùng tạo hình của khuôn đã đƣợc lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng của lực ép

- Năng suất cao, chu kỳ ngắn

- Gia công bằng phương pháp ép phun tiết kiệm được nhiều nguyên liệu Ít tốn công hoàn tất

Quá trình ép phun thường gặp phải sự không ổn định về nhiệt độ và áp suất, điều này gây ra nhiều khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng sản phẩm Sự biến động này ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

Các phương pháp xác định cơ tính mẫu thử

Độ bền uốn của vật liệu là khả năng chống lại sự tác động kết hợp của lực kéo và lực nén, thể hiện qua điểm cong vênh Khi vật liệu chịu ứng suất uốn, nó sẽ biến dạng đàn hồi và trở lại trạng thái ban đầu khi tải trọng được loại bỏ Tuy nhiên, khi vượt qua giới hạn uốn, vật liệu sẽ xuất hiện các tổ chức nhỏ gây ra biến dạng vĩnh viễn, không thể phục hồi trạng thái ban đầu.

Biểu đồ ứng suất uốn cho thấy ba mẫu thử khác nhau: mẫu thử gãy trước khi bị uốn, mẫu thử đạt giá trị cao nhất nhưng gãy trước khi đạt độ võng thông thường, và mẫu thử không đạt giá trị cao nhất nhưng cũng không gãy trước khi đạt độ võng thông thường.

Xác định độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178:2010

Chiều dài (Length), l: 80 mm ± 2 mm Chiều rộng (Width), b: 10 mm ± 0.2 mm Chiều dày (Thickness), h: 4 mm ± 0.2 mm

Hình 2 4 Mẫu thử độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178: 2010

Nguyên lý của thí nghiệm là mẫu thử được đặt trên hai vật hỗ trợ, với một lực tác dụng với tốc độ không đổi vào điểm giữa của mẫu, gây uốn cong cho đến khi bề mặt ngoài xuất hiện vết nứt hoặc đạt giá trị biến dạng lớn nhất 5% Trong suốt quá trình, lực và độ võng tại điểm tác dụng của mẫu được đo đạc liên tục.

Hình 2 5 Vị trí của mẫu tại điểm bắt đ ầu khi tiến hành

 Các thông số cần thiết:

- Bán kính chày tác dụng lực R 1= 5.0 mm ± 0.2 mm

- Bán kính hai điểm tựa hỗ trợ (supports) R 2 = 5.0 mm± 0.2mm

- Khoảng cách hai điểm tựa L= 64 mm

- Tốc độ đi xuống c ủa chày: 2 mm/phút

2.5.2 Độ dai va đập: Độ dai va đập là hiện tượng chống lại tải trọng của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đ ập Thực hiện trên thiết bị charpy- dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử đƣợc kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên một đơn vị diện tích mẫu thử Đơn vị kj/m2

1- Test specimen; F- lực tác dụng; R1- bán kính của chày tác dụng lực

R2- bán kính của 2 điểm tựa hỗ trợ (supports); h- chiều dãy mẫu l-chiều dài mẫu; L-khoảng cách hai điểm tựa

Xác định độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179 :2010 ( charpy impact test)

Hình 2 6 Máy đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179

Hình 2 7 Mẫu thử độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179:2010

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép phun.[1]

Hạt nhựa được cung cấp bởi nhà sản xuất có thành phần và màu sắc khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Trong quá trình ép phun, hạt nhựa được đưa vào phễu cấp liệu, sau đó được sấy khô trước khi vào hệ thống phun Tại đây, hạt nhựa sẽ được gia nhiệt và nóng chảy, sau đó được phun vào khuôn để tạo hình sản phẩm Cuối cùng, sản phẩm được làm nguội và lấy ra, trong suốt quá trình này không xảy ra phản ứng hóa học nào.

Hình 3 1 Kết cấu cơ bản của một máy ép phun

Toàn bộ quá trình từ hạt nhựa cho đến tạo hình sản phẩm là một quá trình phức tạp và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như sau:

- Nhiệt độ của vật liệu sẽ thay đổi trong suốt quá trình di chuyển từ phễu nạp cho đến khi tạo thành sản phẩm

- Quá trình thay đổi nhiệt độ là do ma sát, truyền nhiệt và làm nguội

- Nhiệt độ làm vật liệu nóng chảy, độ nhớt sẽ bị thay đổi

- Nhiệt độ sẽ làm thay đổi thời gian và quá trình nén ép sản phẩm, làm nguội

Nhiệt độ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhựa ở từng giai đoạn khác nhau Các giá trị nhiệt độ không phù hợp có thể dẫn đến khuyết tật trong sản phẩm nhựa.

3.1.2 Áp suất Áp suất là một trong những thông số chính trong quá trình ép phun, thông số này ảnh hưởng đến sự ổn định về mặt kích thước và cơ tính của sản phẩm

- Áp suất nén là áp suất tăng lên trong khuôn sau khi khuôn đƣợc điền đầy, ảnh hưởng đến tổng lượng vật liệu được phun vào trong khuôn

- Lƣợng nhựa đƣợc nén vào lòng khuôn sẽ bù vào sự co ngót trong quá trình làm nguội

- Khối lƣợng sản phẩm sẽ phụ thuộc vào áp suất nén

3.1.2.2 Áp suất duy trì và thời gian duy trì áp suất:

- Áp suất duy trì là áp suất trong giai đoạn duy trì áp, sau khi áp suất nén đ ạt đƣợc

- Thời gian duy trì áp là kho ảng thời gian đƣợc tính từ lúc áp suất nén cực đ ại đến khi cổng phun đông đặc

3.1.2.3 Sự thất thoát áp suất trong khuôn:

- Áp suất khuôn bị thất thoát là do dòng chảy bị giới hạn, rãnh dẫn cong và do ma sát

- Nguyên nhân thứ hai là do vật liệu bị nguội làm giảm khả năng chảy

- Hậu quả là sự co ngót không đều

- Dùng đường cong áp suất để cài đặt được thời gian chuyển sang trạng thái duy trì áp của quá trình ép

- Áp suất cực đại trong khuôn phụ thuộc vào áp suất cài trong giai đo ạn duy trì áp

- Quyết định khả năng điền đầy khuôn

- Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong cốc khuôn

- Các vùng chịu ảnh hưởng của tốc độ phun là: vùng xung quanh cổng phun, phần thành giao nhau và phần điền đầy sau cùng

- Tốc độ phun có thể gây ra các khuyết tật về rỗ khí và màu sắc trên sản phẩm.

Phương án chế tạo mẫu thử

Theo tiêu chuẩn ISO 178: 2010 về đo độ bền uốn và ISO 179: 2010 về đo độ dai va đập, mẫu thử cần được thiết kế phù hợp với các tiêu chí của quy trình đo lường.

Hình 3 2 Thiết kế của mẫu đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178: 2010

Hình 3 3 Thiết kế của mẫu đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179: 2010

Mẫu thử được tạo ra thông qua quá trình ép phun trực tiếp vật liệu nhựa, trong đó có thêm phụ gia hoặc chất độn vào lòng khuôn Công nghệ này sử dụng vật liệu polypropylen làm nền tảng cho khuôn ép, vì đây là một trong những loại vật liệu phổ biến nhất trong sản xuất các sản phẩm nhựa thông dụng trong đời sống hàng ngày.

Dựa vào tiêu chuẩn ISO 178: 2010, và tiêu chuẩn ISO 179: 2010, có các phương pháp chế tạo mẫu, có thể đưa ra 3 phương pháp:

24 a Phương án 1: ép đùn nguyên tấm và cắt mẫu

- Phương pháp thực hiện: ép đùn thành từng tấm mẫu lớn, sau đó từ các tấm mẫu cắt thành các mẫu thử

- Ƣu điểm: chế tạo khuôn ép dễ

Nhược điểm của phương pháp ép mẫu là không có ưu thế khi xét đến khả năng công nghệ và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu Đầu tiên, độ cong vênh lớn do ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình làm nguội, đặc biệt với sản phẩm kích thước lớn, khiến chúng dễ bị cong vênh hơn Thứ hai, sản phẩm dễ bị khuyết tật do vùng phun rộng, dẫn đến tình trạng thiếu nhựa hoặc đường hàn không chính xác, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mẫu đo Cuối cùng, để tuân thủ tiêu chuẩn hình dạng mẫu, cần phải có thêm thiết bị cắt phụ trợ.

- Ƣu điểm: ép phun trực tiếp một lần ra mẫu thử, hạn chế đƣợc các khuyết tật có thể xảy ra đối với hình dạng hình học của mẫu

- Nhược điểm: khó chế tạo khuôn ép hơn so với phương pháp trên

Sau khi nghiên cứu để kết hợp ưu điểm của hai phương án trước, công trình này đã lựa chọn phương án 3, cụ thể là ép ra mẫu đo độ bền kéo và cắt theo đúng kích thước.

- Ƣu điểm: o Tiết kiệm giá thành ( vì khuôn ép mẫu thử đo độ bền kéo đã có sẵn) o Hạn chế đƣợc các khuyết tật

- Nhƣợc điểm: o Phải có thêm thiết bị hỗ trợ: dao cắt,

Kết luận: dựa vào các tiêu chí đánh giá ở trên, phương án 3 đã được chọn để tính toán và chế tạo mẫu thử mẫu thử.

Phân tích các thông số của quá trình ép phun mẫu.[1]

Quá trình ép phun sản phẩm nhựa là một quy trình phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Trước khi chế tạo khuôn ép, sản phẩm cần được phân tích bằng phần mềm hỗ trợ (CAE - Computer Aided Analysis) Phần mềm này sẽ sử dụng dữ liệu hình học của mẫu thiết kế, thông số vật liệu và công suất máy ép phun để thực hiện phân tích và dự đoán kết quả.

- Các thông số kỹ thuật của quá trình ép phun: áp suất, nhiệt độ, vị trí điểm phun tốt nhất, thời gian điền đ ầy

Dự đoán chất lượng sản phẩm sau khi ép phun là rất quan trọng, bao gồm việc nhận diện các khuyết tật có thể xảy ra như cong vênh, rỗ khí, đường hàn, co ngót, phân bố ứng suất dư và ba via.

Các phần mềm đƣợc sử dụng phổ biến để thực hiện nhiệm vụ này nhƣ: Moldex 3D, Autodesk Moldflow Plastic Insigh, CADM OULD

Trong luận văn này, sản phẩm đƣợc phân tích trên phần mềm Mold Flow Plastic Insign 6 Sản phẩm được chia lưới tam giác với 13.597 phần tử

3.3.2 Phân tích vị trí của điểm phun tốt nhất (best gate location)

Vị trí và số lượng điểm phun nhựa đóng vai trò quan trọng trong quy trình ép phun Để xác định vị trí và số lượng điểm phun tối ưu, cần xem xét hình dạng, kết cấu, độ dày và khối lượng của sản phẩm.

Trong quá trình nhựa điền đầy vào lòng sản phẩm, dòng chảy nhựa với áp suất cao sẽ mất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng chảy và khuôn Mặc dù có thể gia nhiệt cho khuôn trước khi gia công, việc tăng nhiệt độ sẽ kéo dài thời gian làm nguội, dẫn đến giảm năng suất Do đó, việc thiết kế hệ thống làm nguội cho sản phẩm là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

26 nhiên tốc độ làm nguội càng tăng khì khả năng cong vênh càng lớn, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm

Quá trình mất nhiệt dẫn đến việc bề mặt các dòng chảy trở nên khô cứng và không hòa tan, gây ra hiện tượng đường hàn Mặc dù có thể tăng nhiệt độ gia công, nhưng nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép, vật liệu sẽ nhanh chóng bị lão hóa và có nguy cơ cháy, tạo ra các vết cháy xém trên bề mặt.

Vị trí điểm phun tối ưu cần đảm bảo quá trình điền nhựa đều đặn từ mọi hướng Mặc dù việc tăng số lượng điểm phun có thể rút ngắn thời gian phun, nhưng điều này cũng làm cho thiết kế và gia công trở nên phức tạp hơn Ngoài ra, việc tăng điểm phun có thể dẫn đến sự xuất hiện của đường hàn và vết tích tại vị trí phun, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tính thẩm mỹ của sản phẩm.

Tăng áp suất trong quá trình ép phun có thể giúp rút ngắn thời gian gia công, nhưng cần lưu ý rằng áp suất cao cũng làm tăng nguy cơ xuất hiện ba via trên sản phẩm.

Sản phẩm mẫu ép khối lượng nhẹ và dễ tạo hình khi phun, vì vậy điểm vào nhựa lý tưởng nên được đặt tại tâm chi tiết Trong ngưỡng nhiệt độ cho phép, quá trình điền đầy chi tiết được đảm bảo, đồng thời hạn chế các khuyết tật có thể xảy ra với sản phẩm.

Kết quả phân tích đã cho thấy điểm phun tốt nhất, và hình dạng của điểm phun sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Hình 3 4 Kết quả phân tích vị trí điểm phun

Phân tích cho thấy rằng vị trí điểm phun được xác định đảm bảo quá trình ép phun sản phẩm thành công, giúp dòng chảy được cân bằng và dự đoán không xảy ra khuyết tật trên sản phẩm sau khi ép.

3.3.3 Phân tích thời gian điền đầy sản phẩm (fill time):

Thời gian điền đầy trong quá trình ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố như áp suất, kích thước hệ thống kênh dẫn, kích thước điểm phun và nhiệt độ của quá trình ép phun.

- Thời gian điền đầy càng ngắn thì năng suất càng tăng, giảm khả năng phát sinh khuyết tật

Kết quả phân tích thời gian điền đầy được thể hiện trong hình 3.5, cho thấy thời gian tối đa tại các vị trí xa nhất trên sản phẩm là 4.333 giây Thời gian điền đầy và làm nguội sẽ được sử dụng để cài đặt thời gian đóng khuôn sau quá trình đóng khuôn và phun nhựa.

Hình 3 5 Kết quả phân tích thời gian điền đầy sản phẩm

3.3.4 Phân tích áp suất phun

Áp suất trong quá trình phun có tác động lớn đến tốc độ dòng chảy nhựa trong khuôn Khi áp suất thấp, thời gian ép sẽ kéo dài, trong khi áp suất cao có thể ảnh hưởng đến lực kẹp giữ khuôn Nếu áp suất vượt quá mức cho phép, có thể phát sinh ba via tại mặt phân khuôn và các điểm có khe hở như ti lói và thoát khí.

Kết quả phân tích áp suất phun được áp dụng để thiết lập thông số trên máy ép Áp suất cài đặt ban đầu sẽ thấp hơn kết quả phân tích và sẽ tăng dần cho đến khi đạt được hiệu quả tối ưu, đảm bảo sự cân bằng giữa thời gian ép và mức độ khuyết tật phát sinh.

- Kết quả phân tích áp suất tại cuống phun vào kho ảng 127 Mpa

3.3.5 Phân tích lực kẹp (Clamp Force):

Lực kẹp giữ cho hai nửa khuôn luôn đóng kín khi nhựa nóng được phun vào lòng khuôn Lực này đạt mức tối đa trong quá trình bão áp và được duy trì cho đến khi khuôn được mở ra để lấy sản phẩm.

Thiết kế khuôn chế tạo mẫu thử độ bền kéo

Bộ khuôn chế tạo mẫu thử độ bền kéo được chế tạo tại Trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật TP HCM năm 2011 [1]

Thiết kế mẫu thử độ bền uốn và độ dai va đập

4.2.1 Chế tạo mẫu thử độ bền uốn:

Sau khi dùng bộ khuôn chế tạo mẫu thử độ bền kéo để ép thì ta đƣợc sản phẩm là mẫu thử đo độ bền kéo nhƣ hình 4.1:

Hình 4 1 Kích thước thiết kế và mẫu đo độ bền kéo được chế tạo

Ta cắt mẫu thử kéo theo kích thước ISO 178:2010 qui định thì ta được mẫu thử đo độ bền uốn nhƣ hình 4.2:

4.2.2 Chế tạo mẫu thử độ dai va đập:

Sau khi hoàn thành việc chế tạo mẫu thử độ bền uốn, bước tiếp theo là cắt rãnh V theo kích thước quy định trong ISO 179: 2010 Quá trình này nhằm tạo ra mẫu thử dùng để đo độ dai va đập, như được thể hiện trong hình 4.3.

Hình 4 2 Kích thước thiết kế và mẫu đo độ bền uốn được chế tạo

Hình 4 3 Kích thước thiết kế và mẫu đo độ dai va đập được chế tạo

THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng

Trong ngành sản xuất nhựa, nhiều loại phụ gia và chất độn được áp dụng cho các sản phẩm nhựa với những ứng dụng cụ thể khác nhau.

 Phụ gia hỗ trợ gia công PPA

 Phụ gia tăng trong PE, PP

 Phụ gia chống tĩnh điện

 Phụ gia chất tạo xố p

 Phụ gia tăng cứng PP

 Phụ gia chất tẩy rửa trục

 Phụ gia chất phân hủy

 Phụ gia chống lão hóa

 Phụ gia tăng dai HDPE, LLDPE, PS

Các thành phần này được sử dụng trực tiếp trong sản xuất, với tỷ lệ pha trộn tùy thuộc vào kinh nghiệm người dùng Để nâng cao độ bền của vật liệu PP, có ba phương pháp chính được áp dụng.

Sử dụng phụ gia tăng bền Na10MB3A cho polypropylene (PP) giúp cải thiện độ bền mà không làm thay đổi màu sắc của vật liệu Phụ gia này được sản xuất và cắt nhỏ giống như hạt nhựa, với màu trong suốt, mang lại hiệu quả tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp.

38 mặt kinh tế thì giá thành của vật liệu này cao gấp kho ảng 3 lần vật liệu PP nguyên sinh

Trong công nghệ ép phun, việc sử dụng sợi thủy tinh làm gia cường gặp khó khăn do kích thước điểm phun nhỏ, yêu cầu phải sử dụng sợi được chế tạo dưới dạng hạt pha trộn vào nhựa Các nhà sản xuất cung cấp chiều dài và thành phần sợi theo yêu cầu khách hàng, với khối lượng pha trộn tối thiểu 500 kg cho mỗi lần ép để đảm bảo độ đồng đều Hạt nhựa chứa chất gia cường cần được pha trộn với vật liệu PP nguyên sinh để ép phun hoặc sử dụng trực tiếp với tỷ lệ thấp hơn Tuy nhiên, do giá thành cao và khó khăn kỹ thuật, vật liệu PP pha sợi thường chỉ được sử dụng hạn chế theo yêu cầu của khách hàng, và không tối ưu cho các sản phẩm đòi hỏi độ trong.

Bột CaCO3, hay bột đá, cần được pha trộn và ép thành viên nhỏ giống hạt nhựa màu trắng đục Ưu điểm nổi bật của vật liệu này là giá thành rẻ, chỉ bằng 1/3 so với hạt nhựa nguyên sinh Tuy nhiên, do bột đá có màu trắng, nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc của sản phẩm sau khi ép phun.

Trong nghiên cứu này, mẫu thử được chế tạo bằng cách sử dụng phụ gia theo phương pháp số 1 và chất độn theo phương pháp số 3 Các thí nghiệm đã được thực hiện nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các thành phần này đến tính chất của vật liệu polypropylene (PP) sau quá trình ép phun.

Thành lập các điều kiện tiến hành thí nghiệm

5.2.1 Xác định số lƣợng thí nghiệm.[1]

Thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng độc lập của các phụ gia và chất độn đến độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu sau khi được ép phun.

Kết quả thí nghiệm cho thấy mối tương quan giữa tỉ lệ các chất phụ gia và chất độn với độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu sau khi pha trộn trong công nghệ ép phun.

- Số thí nghiệm cần tiến hành: n=2 k +n 0 Trong đó: k là số yếu tố ảnh hưởng n 0 là mức, n 0 =3, 5, 7…

Thí nghiệm là thí nghiệm đơn yếu tố, nên k=1, chọn n 0 = 3

Từ đó, số lƣợng thí nghiệm là 5

Để đạt được độ tin cậy 95% với độ lệch chuẩn là 3, số lượng thí nghiệm lặp lại cần tiến hành cho mỗi mức thí nghiệm là rất quan trọng.

N: số lƣợng thí nghiệm cần lặp lại

Tra bảng 2: với hệ số ý nghĩa p=0.05 thì K  =1,96, do đó N [7]

5.2.2 Quy trình tiến hành thí nghi ệm.[1]

- Bước 1: Xác định tỉ lệ thành phần hạt nhựa nguyên sinh và thành phần phụ gia cần đƣợc pha trộn

Để tiến hành ép phun, bước 2 là pha trộn 500 gram cho mỗi tỉ lệ đã xác định Cần lưu ý rằng nòng máy ép có khả năng chứa tối thiểu 300 gram cho mỗi lần phun, do đó, khối lượng nhựa sử dụng cho mỗi lần ép sẽ là 500 gram.

Trong bước 3, tiến hành ép mẫu trên máy ép Với khối lượng nhựa đã chọn, mỗi lần ép có thể thực hiện trung bình 14 lần ép phun, tổng số mẫu thu được khoảng 56 mẫu Tuy nhiên, trong mỗi lần ép, có khoảng 8 mẫu hỏng do quá trình chuyển tiếp giữa các lần ép, đặc biệt là 2 lần ép phun cuối cùng do lượng nhựa trong nòng máy ép không đủ.

Khi thay đổi vật liệu, trục vít cần được làm sạch qua 4 lần tẩy nòng để đảm bảo không còn sót lại các thành phần của vật liệu trước đó, giúp quá trình ép kế tiếp diễn ra hiệu quả và chính xác hơn.

- Bước 4: gia công để đạt đúng theo kích thước mẫu

- Bước 5: Đánh dấu và mã hóa mẫu ép cho mỗi lần ép phun

- Bước 6: Đánh giá chất lượng của mẫu ép và lựa chọn mẫu ép để tiến hành thí nghiệm

- Bước 7: thu thập số liệu và xử lý số liệu thống kê.

Thí nghiệm đo độ dai va đập

Máy đo: tại phòng thí nghiệm vật liệu, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP HCM

Hình 5 1 Máy đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179

5.3.2 Điều kiện thí nghiệm: Độ ẩm: 55%

Khoảng cách 2 gối đỡ: 62 mm

5.3.3 Xử lý số liệu thống kê cho mẫu ép sử dụng phụ gia Na10MB3A: Bảng 5 1 Bảng kết quả thực hiện độ dai va đập khi pha Na10MB3A

- Xử lý kết quả trên phần mềm Statgraphic với độ tin cậy γ = 95%, chức năng One Sample Analysis nhƣ sau:

 Độ dai va đập trung bình 𝑋 0 : 2.8506

Bảng 5 2 Bảng tổng hợp giá trị trung bình độ dai va đ ập khi pha NA10MB3A

Tỉ lệ Na10MB3A 2% 3% 5% 7% 9% Độ dai va đập (TB) (KJ/mm 2 ) 3.1031 3.1806 3.3813 3.4694 3.3131

Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa tỉ lệ và độ dai va đập được xác định thông qua việc xây dựng biểu đồ.

Hình 5 2 Biểu đồ mối quan hệ giữa độ dai va đập và tỉ lệ Na10MB3A

Biểu đồ hình 5.2 cho thấy khi tăng tỉ lệ % pha Na10MB3A từ 2% đến 5%, độ dai va đập tăng gần như tuyến tính Tuy nhiên, từ 5% đến 7%, độ dai va đập tăng chậm hơn Độ dai va đập đạt giá trị cao nhất tại tỉ lệ 7%, nhưng sau đó, từ 7% đến 9%, độ dai va đập lại giảm.

 So sánh với các dạng biểu đồ thực nghiệm [7 ], dạng phương trình được chọn có dạng: y= ax 2 + bx+ c

 Sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm Statgrahics để phân tích số liệu, kết quả tổng hợp nhƣ công thức thực nghiệm:

 Y: là độ dai va đ ập [KJ/mm 2 ]

 X: là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A [%]

0 2 4 6 8 10 Độ dai va đập (TB) [KJ/mm2]

Tỉ lệ pha Na10MB3A [%]

Biểu đồ thực nghiệm (hình 5.2) minh họa mối quan hệ giữa tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A và độ dai va đập Trong biểu đồ, đường màu xanh biểu diễn dữ liệu thực nghiệm, trong khi các giá trị nằm giữa hai vùng màu đỏ cho thấy các giá trị phù hợp.

Hình 5 3 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn sự ảnh hưởng của thành phần phụ gia

Na10MB3A tới độ dai va đập

 Độ tin cậy: R 2 = 95.5493 %, (R 2 = 0.86 trở lên là kết quả đƣợc chấp nhận)

 Cực trị: 7%, giá trị: 3.4694 [KJ/mm 2 ], độ dai va đập tăng : 21.71% so với khi không pha Na10MB3A

Kết luận cho thấy rằng phụ gia Na10MB3A ảnh hưởng đáng kể đến độ dai va đập của vật liệu, theo phương trình bậc hai Y = 2.68718 + 0.229128*X - 0.017534*X^2 Tỉ lệ tối ưu để tăng độ dai va đập là 7%, dẫn đến sự gia tăng 21.71% trong độ dai va đập.

5.3.4 Xử lý số liệu thống kê cho mẫu ép sử dụng chất độn CaCO 3 :

Bảng 5 3 Kết quả thực hiện độ dai va đập khi pha CaCO 3

 Độ dai va đập trung bình 𝑋 0 : 2.8506

Bảng 5 4 Bảng Tổng hợp giá trị độ dai va đ ập trung bình khi pha CaCO 3

Tỉ lệ CaCO3 [%] 4% 10% 12% 14% 16% Độ dai va đập (TB) (KJ/mm 2 ) 3.0988 3.3138 3.4938 3.4594 3.2688

Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa tỉ lệ và độ dai va đập có thể được thể hiện qua biểu đồ Việc xây dựng công thức thực nghiệm là cần thiết để hiểu rõ hơn về sự tương tác này.

Hình 5 4 Biểu đồ mối quan hệ giữa độ dai va đập và tỉ lệ CaC0 3

Biểu đồ hình 5.4 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ % CaCO3 và độ dai va đập Khi tỷ lệ CaCO3 tăng từ 4% đến 10%, độ dai va đập tăng chậm Tuy nhiên, từ 10% đến 12%, độ dai va đập tăng nhanh và đạt giá trị cao nhất ở tỷ lệ 12% Ngược lại, khi tỷ lệ CaCO3 tăng từ 12% đến 16%, độ dai va đập lại giảm.

 So sánh với các dạng biểu đồ thực nghiệm [7 ], dạng phương trình được chọn có dạng: 𝑦 = 𝑥 ax 2 + bx + c Đặt 𝑍 = 𝑥

[x] Độ dai va đập trung bình

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Độ dai va đập TB [KJ/mm 2 ]

 Kết quả xử lý trên phần mềm thu mối quan hệ giữa z và x nhƣ sau: z = 0.434045 + 0.200398*x + 0.0046244*x^2

Từ đó ta tính đƣợc công thức thực nghiệm:

0.434045 + 0.200398 ∗ x + 0.0046244 ∗ x^2 Trong đó: y: độ dai va đập trung bình [KJ/mm 2 ] x: tỉ lệ pha trộn CaCO 3 [%]

 Độ tin cậy: R 2 = 99.5325%, (R 2 = 0.86 trở lên là kết quả đƣợc chấp nhận)

 Cực trị: 12%, giá trị: 3.4938, độ dai va đ ập tăng: 21,46%

Kết luận, chất độn CaCO3 ảnh hưởng đến độ dai va đập của vật liệu, với tỉ lệ tối ưu để tăng cường độ dai va đập là 12%, giúp tăng độ dai va đập lên 22,56%.

Thí nghiệm đo độ bền uốn

Thí nghiệm đƣợc thực hiện trên máy Instron 5582

5.4.2 Điều kiện thí nghiệm: Độ ẩm: 55%

Khoảng cách 2 gối đỡ: 60mm

Tốc độ uốn : 2 mm/phút

5.4.3 Xử lý số liệu thống kê cho mẫu ép sử dụng phụ gia Na10MB3A: Bảng 5 5 Kết quả thực hiện độ bền uốn khi pha Na10MB3A

- Xử lý kết quả trên phần mềm Statgraphics với độ tin cậy γ = 95%, chức năng One Sample Analysis nhƣ sau:

 Độ bền uốn trung bình 𝑋 0 : 26.5575

Bảng 5 6 Bảng tổng hợp giá trị độ bền uốn trung bình khi pha NA10MB3A

Tỉ lệ Na10MB3A (%) 2% 3% 5% 7% 9% Độ bền uốn TB (N/mm 2 ) 35.8694 36.2763 36.7588 36.3388 33.2106

Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa tỉ lệ và độ bền uốn được thể hiện rõ qua biểu đồ Việc tìm công thức thực nghiệm là cần thiết để hiểu rõ hơn về đặc tính vật liệu Thảo luận về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền uốn sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Hình 5 5 Biểu đồ mối quan hệ giữa độ bền uốn và tỉ lệ Na10MB3A

Biểu đồ hình 5.5 cho thấy rằng khi tỷ lệ % Na10MB3A được pha từ 2% đến 5%, độ bền uốn tăng chậm và đạt giá trị cao nhất tại tỷ lệ 5% Tuy nhiên, khi tỷ lệ pha tiếp tục tăng từ 5% đến 7%, độ bền uốn giảm chậm, và sự giảm này trở nên nhanh chóng khi tỷ lệ pha tăng từ 7% đến 9%.

 So sánh với các dạng biểu đồ thực nghiệm [7 ], dạng phương trình được chọn có dạng: y 2 = ax 2 + bx+ c Đặt Z = y 2 , xử lý số liệu: Ứng suất trung bình [y] Z=y 2

 Sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm Statgrahics thu đƣợc mối quan hệ giữa Z và tỉ lệ x :Z = 1076.33 + 125.22*tile-13.4532*tile^2

0 2 4 6 8 10 Độ bền uốn TB (N/mm 2 )

Tỉ lệ pha Na10MB3A [%]

Từ đó công thức thực nghiệm: Y^2 = 1076.33 + 125.22*X-13.4532*X^2

X: tỉ lệ pha trộn CaCO 3 [%]

 Cực trị: 5%, giá trị: 36.7588 N/mm 2 , độ bền uốn tăng : 38.41%

Phụ gia Na10MB3A có tác động tích cực đến độ bền uốn của vật liệu, được thể hiện qua phương trình Y^2 = 1076.33 + 125.22*X - 13.4532*X^2 Tỷ lệ tối ưu để đạt được độ bền uốn tốt nhất là 5%, với sự gia tăng độ bền uốn lên tới 38.41%.

5.4.4 Xử lý số liệu thống kê cho mẫu ép sử dụng chất độn CaCO 3 :

Bảng 5 7 Kết quả thực hiện độ bền uốn khi pha CaCO 3

 Độ bền uốn trung bình 𝑋 4 : 28.2556

Bảng 5 8 Bảng tổng hợp giá trị độ bền uốn trung bình khi pha CaCO3

Tỉ lệ CaCO3 (%) 4% 6% 10% 12% 14% Độ bền uốn TB (N/mm 2 ) 28.2556 29.4588 28.8350 28.0894 26.0606

Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa tỉ lệ và độ bền uốn được thể hiện qua biểu đồ, từ đó giúp xác định công thức thực nghiệm chính xác.

Hình 5 6 Biểu đồ mối quan hệ giữa độ bền uốn và tỉ lệ CaC0 3

Biểu đồ hình 5.6 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ % CaCO3 và độ bền uốn Khi tỷ lệ CaCO3 tăng từ 4% đến 6%, độ bền uốn tăng gần như theo tuyến tính Tuy nhiên, khi tỷ lệ này tiếp tục tăng từ 6% đến 10%, độ bền uốn giảm chậm Đặc biệt, khi tỷ lệ CaCO3 tăng từ 10% đến 14%, độ bền uốn giảm nhanh chóng.

 So sánh với các dạng biểu đồ thực nghiệm [7 ], dạng phương trình được chọn có dạng: y= ax 2 + bx+ c

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Độ bền uốn TB (N/mm2)

 Sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm Statgrahics để phân tích số liệu, kết quả tổng hợp nhƣ công thức thực nghiệm:

 Cực trị: 6%, giá trị: 29.4588 N/mm 2 , độ bền uốn tăng : 10.92%

Kết luận, chất độn CaCO3 có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền uốn của vật liệu, được mô tả bằng phương trình đường bậc hai: Y = 24.3989 + 1.33184*X - 0.0865034*X^2 Tỷ lệ tối ưu để tăng độ bền uốn là 6%, dẫn đến sự gia tăng độ bền uốn lên tới 10.92%.

Cơ chế tăng bền của vật liệu

Sử dụng hạt phụ gia và chất độn có thể tăng cường độ bền cho vật liệu nền polypropylene (PP) Composite đạt sức bền tối đa tại một tỉ lệ phụ gia nhất định; tuy nhiên, nếu tỉ lệ này vượt quá mức tối ưu, sức bền của vật liệu sẽ giảm đáng kể do tính dòn của nó.

Lý giải về cơ chế tăng bền của vật liệu, trước hết ta cần tìm hiểu cơ chế phá hủy của vật liệu này

Cơ chế phá hủy tại bề mặt gãy đứt của mẫu vật liệu PP trộn hạt phụ gia đƣợc

Hình 5 7 Cơ chế phá hủy trên bề mặt gãy đứt của mẫu PP có trộn phụ gia:

A Sự bong tách của polymer và hạt phụ gia,

B Sự biến dạng và phá hủy của nền polymer

Hạt phụ gia Nền polymer

Cơ chế phá hủy vật liệu composite gia cường bằng hạt được mô tả qua sự bong tách của polymer trên bề mặt hạt phụ gia và biến dạng phá hủy của nền polymer So với cơ chế phá hủy của composite sợi ngắn nền polymer, cơ chế này có sự đơn giản hơn.

Quá trình tăng bền của vật liệu polymer giúp tăng khả năng hấp thụ năng lượng từ bên ngoài, giảm thiểu năng lượng tác động lên bề mặt gãy đứt Điều này liên quan đến sự tập trung ứng suất, sự bong tách polymer trên bề mặt hạt phụ gia, và sự hình thành các dải ứng suất trượt Các hạt vô cơ hoạt động như nơi tập trung ứng suất trong nền polymer do sự khác biệt về ứng xử đàn hồi, dẫn đến trạng thái ứng suất ba chiều xung quanh các hạt này Sự bong tách polymer giúp hấp thụ năng lượng tác động, giải phóng trạng thái ứng suất và tạo ra bề mặt, từ đó cải thiện khả năng chịu lực của vật liệu Cuối cùng, các dải ứng suất trượt, là cơ chế biến dạng bên trong của polymer, góp phần vào việc hấp thụ năng lượng cao trong quá trình biến dạng.

Hình 5 8 Cơ chế tăng bền vật liệu polymer

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia, chất độn đến độ bền uốn, độ dai va đập của vật liệu composite trong công nghệ ép phun
Tác giả	Phạm Văn Nghĩa
Người hướng dẫn	PGS.TS. Lê Hiếu Giang
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	3,1 MB