Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến độ nhám bề mặt lớp gelcoat trong kết cấu composite

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 2
download

Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến độ nhám bề mặt lớp gelcoat trong kết cấu composite

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lớp gelcoat được chế tạo nhằm cải thiện một số tính chất bề mặt cho các kết cấu composite. Tuy nhiên, nếu điều kiện chế tạo không phù hợp thì lớp này có thể bị rỗ, co và nhăn. Hiện tượng này ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm như độ bền, tính thẩm mỹ,…

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến độ nhám bề mặt lớp gelcoat trong kết cấu composite

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT LỚP GELCOAT TRONG KẾT CẤU COMPOSITE STUDY ON THE MANUFACTURING CONDITIONS TO ROUGHNESS OF GELCOAT SURFACEIN COMPOSITE STRUCTURES Phạm Thanh Nhựt1 Ngày nhận bài: 03/9/2014; Ngày phản biện thông qua: 03/10/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015 TÓM TẮT Lớp gelcoat được chế tạo nhằm cải thiện một số tính chất bề mặt cho các kết cấu composite. Tuy nhiên, nếu điều kiện chế tạo không phù hợp thì lớp này có thể bị rỗ, co và nhăn. Hiện tượng này ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm như độ bền, tính thẩm mỹ,… Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá hiện rỗ bề mặt lớp gelcoat là rất cần thiết. Ba yếu tố đầu vào (biến độc lập) để xét điều kiện chế tạo bao gồm nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất đóng rắn và lưu lượng phun. Yếu tố đầu ra (biến phụ thuộc) nhằm đánh giá chất lượng bề mặt là hai thông số độ nhám bề mặt được sử dụng phổ biến: sai lệch trung bình số học của biên dạng (Ra) và chiều cao mấp mô trung bình (Rz). Khảo sát thực nghiệm và phân tích mô hình hồi quy đa biến được áp dụng trong nghiên cứu này. Từ khóa: gelcoat, bề mặt, độ nhám, hồi quy đa biến ABSTRACT Gelcoat layer is designed to improve the surface properties of composite structures. However, the surface can occur a shrinkage, roughness or wrinkle if manufacturing conditions are not good. This phenomenon affects the quality of products (strength, aesthetics, etc.). Therefore, investigation and evaluation of roughness phenomenon of gelcoat layer is necessary. Three input factors (independent variables) for manufacturing conditions are temperature, hardener fraction and spraying ﬂow. Output factors (dependent variables) for evaluation of surface quality are arithmetic mean value of roughness (Ra) and mean height of proﬁle irregularities of roughness (Rz). Experimental investigation and multiple regression analysis are used in this study. Keywords: gelcoat, surface, roughness, multiple regression I. ĐẶT VẤN ĐỀ Gelcoat là một loại nhựa polyester đặc biệt với các thành phần xúc biến nhằm tăng độ nhớt và chống lún. Đây là một trong những thành phần quan trọng của vật liệu composite, quyết định đến khả năng sử dụng, độ bền, đẹp của sản phẩm. Gelcoat có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng kháng nước, chịu thời tiết, khả năng chống hầu hà, tạo màng bóng đẹp, chịu bức xạ mặt trời, kháng hóa chất, dễ tạo màu sắc theo ý muốn,… [5]. Nó được ứng dụng làm lớp bề mặt cho nhiều sản phẩm composite sử dụng trong hàng không, hàng hải, thể thao, nội thất,… 1 Trong công nghệ chế tạo composite dạng tiếp xúc khuôn, lớp gelcoat được trát đầu tiên lên bề mặt khuôn. Về mặt lý thuyết, sau khi tách khuôn, độ nhám bề mặt lớp gelcoat gần tương đương với bề mặt khuôn. Tuy nhiên, thực tế, việc phủ gelcoat lên bề mặt của vật liệu composite sao cho hợp lý, sản phẩm đạt được chất lượng tốt, đảm bảo tính năng khi sử dụng không phải là vấn đề đơn giản. Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tay nghề công nhân, các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm,… hoặc một số yếu tố công nghệ khác trong quá trình chế tạo như hàm lượng chất đông rắn, lưu lượng phun,… TS. Phạm Thanh Nhựt: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Tùy theo các điều kiện khác nhau mà sau khi hình thành, trên bề mặt lớp gelcoat có thể xuất hiện các vết nứt, nhăn, rỗ ở dạng vĩ mô (có thể quan sát bằng mắt thường) hoặc dạng rỗ vi mô. Trong nghiên cứu này, các mẫu gelcoat được chế tạo bằng phương pháp phun nên một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng của chúng đó chính là độ nhám bề mặt dạng vi mô. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về nguyên nhân và cách khắc phục hiện tượng rỗ bề mặt lớp gelcoat ở cả dạng vĩ mô (nhìn thấy bằng mắt thường) và vi mô [1], [3]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của cấu trúc các lớp bên trong đến chất lượng bề mặt lớp gelcoat theo các phương pháp chế tạo mẫu khác nhau. Trong nghiên cứu này, các yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ngay trong quá trình hình thành lớp gelcoat được xem xét, đó là nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất đóng rắn và lưu lượng phun. II. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 1. Đối tượng nghiên cứu Độ nhám bề mặt lớp gelcoat được khảo sát, đo đạc và đánh giá theo hai thông số: + Sai lệch trung bình số học của biên dạng (Ra); + Chiều cao mấp mô trung bình (Rz). Gelcoat có xuất xứ từ Hàn Quốc với các đặc tính cơ bản được thể hiện ở bảng 1. Chất đóng rắn được sử dụng là loại MEKP-925 (Methyl ethyl ketone peroxide). Khuôn để chế tạo các mẫu gelcoat là tấm kính 10x10x0.5cm, có độ nhám bề mặt Ra = 0.1mm và Rz = 1.2mm; bao gồm 9 khuôn đảm bảo đủ cho một lượt chế tạo. Thiết bị phun (súng phun) tương tự như súng phun sơn thông thường nhưng áp lực phun được điều chỉnh trong khoảng 6 – 7 bar. Hai thông số độ nhám bề mặt được đo trên kính hiển vi đồng tiêu chuyên dụng KEYENCE tại phòng Thí nghiệm vật liệu và kết cấu composite, Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc. Bảng 1. Đặc tính cơ bản của gelcoat* Thông số Đơn vị Giá trị Màu Tỷ trọng Độ nhớt tại 250C Thời gian lên gel tại 250C Tỷ lệ đóng rắn (MEKP-925) Mô đun Young Hệ số Poisson Hệ số giản nở nhiệt g/cm3 poise phút % MPa 1/oC Trắng 1.2-1.3 120-160 12-15 ~1 2500 0.35 5x10-5 * Số liệu do nhà sản xuất cung cấp 44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Số 1/2015 2. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở lý thuyết qui hoạch thực nghiệm, tiến hành lựa chọn tổng số mẫu cần thiết. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo bằng súng phun trên bề mặt khuôn, với sự thay đổi của các điều kiện chế tạo là nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T(0C), hàm lượng chất đóng rắn dùng để pha trộn với gelcoat F(%) và lưu lượng phun Q(ml/phút). Các giá trị và hình ảnh độ nhám bề mặt của mẫu Ra, Rz được dùng làm kết quả chính để đánh giá. Bên cạnh đó, các giá trị độ nhám bề mặt cũng được dự báo dựa vào phương trình hồi qui thực nghiệm nhờ phần mềm xử lý thống kê SPSS. Phương trình hồi quy đa biến dạng tổng quát [2]: (1) Trong đó: y là các biến phụ thuộc (Ra và Rz). x1, x2,…, xk là các biến độc lập, ở đây ta xét 3 biến độc lập: x1 = nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T, 0C; x2 = hàm lượng chất đóng rắn F, %; x3 = lưu lượng phun Q, ml/phút. là phần xác định của mô hình bài toán. bi xác định sự phân bố của các biến độc lập xi. e là sai số ngẫu nhiên. 3. Tổ chức thực nghiệm Các biến độc lập được chia thành các mức xem xét bố trí thí nghiệm theo điều kiện khí hậu và sản xuất thực tế. Yếu tố nhiệt độ chia theo dãy nhiệt độ đặc trưng của Việt Nam là khoảng 250C - 350C với 3 mức: 250C, 300C và 350C. Yếu tố hàm lượng chất đóng rắn được chia dựa vào khuyến cáo của nhà sản xuất (~1%), cụ thể gồm 3 mức: 0.5%, 1% và 1.5% (vì nếu hàm lượng này quá thấp sẽ mất nhiều thời gian thi công, nếu quá cao sẽ gây khó khăn cho thi công và giảm chất lượng sản phẩm). Yếu tố lưu lượng phun cũng gồm 3 mức 100ml/p, 150ml/p và 200ml/p nhằm phù hợp với dãi nhiệt độ và hàm lượng đóng rắn nêu trên. Như vậy, tổng số mẫu thử nghiệm là N = 33 = 27 mẫu thể hiện ở bảng 2. 27 mẫu gelcoat được chia thành 3 đợt chế tạo, mỗi đợt chế tạo 9 mẫu (hình 1). Dụng cụ chứa gelcoat là cốc nhựa có vạch chia thể tích và chứa chất đóng rắn là xilanh loại 5ml. Lưu lượng phun được đo và vạch dấu sẵn tương ứng với 3 mức trên ốc điều chỉnh gắn trên súng phun. + Đợt 1: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 250C, chia thành 3 ngày, mỗi ngày chế tạo 3 mẫu tương ứng với 1 hàm lượng đóng rắn và 3 mức lưu lượng, chiều dày xấp xỉ 0.5mm (vì mỗi lần phun cho 3 mẫu mất khoảng 12-15 phút nên nhiệt độ môi trường Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 xem như không thay đổi, nhưng nếu chế tạo tiếp 6 mẫu còn lại thì nhiệt độ không còn ở mức 250C nữa). + Đợt 2: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 300C, quá trình thực hiện tương tự như trên. + Đợt 3: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 350C, quá trình thực hiện tương tự như trên. Bảng 2. Quy hoạch mẫu thí nghiệm F, % Q, % 25oC 100 150 200 100 150 200 100 150 200 0.5 1.0 1.5 Ge-25-0.5-100 Ge-25-0.5-150 Ge-25-0.5-200 Ge-25-1.0-100 Ge-25-1.0-150 Ge-25-1.0-200 Ge-25-1.5-100 Ge-25-1.5-150 Ge-25-1.5-200 Ký hiệu mẫu 30oC Ge-30-0.5-100 Ge-30-0.5-150 Ge-30-0.5-200 Ge-30-1.0-100 Ge-30-1.0-150 Ge-30-1.0-200 Ge-30-1.5-100 Ge-30-1.5-150 Ge-30-1.5-200 35oC Ge-35-0.5-100 Ge-35-0.5-150 Ge-35-0.5-200 Ge-35-1.0-100 Ge-35-1.0-150 Ge-35-1.0-200 Ge-35-1.5-100 Ge-35-1.5-150 Ge-35-1.5-200 Hình 1. Chế tạo mẫu thí nghiệm Sau khi chế tạo ít nhất 24 giờ, tiến hành tách mẫu khỏi khuôn, cắt bỏ ba via (kích thước mẫu cần thiết khoảng 40x40mm). Giá trị và hình ảnh về độ nhám bề mặt của mẫu được đo và xuất trên kính hiển vi đồng tiêu laser chuyên dụng KEYENCE. Mỗi mẫu được đo tại 3 vị trí ngẫu nhiên và kết quả cuối cùng là giá trung bình của 3 điểm đo; hình ảnh độ nhám lấy tương ứng với vị trí đo có giá trị gần với giá trị trung bình nhất. Kết quả cho thấy ở chế độ hàm lượng đóng rắn thấp (0.5%), giá trị độ nhám rất nhỏ, gần tiệm cận với độ nhám của khuôn. Giá trị độ nhám Rz gấp khoảng 9-11 lần độ nhám Ra. Hình 2 thể hiện rằng độ nhám tăng rất ít khi nhiệt độ tăng từ 250C lên 350C, nghĩa là độ nhám bề mặt phụ thuộc không đáng kể vào nhiệt độ môi trường. Ở hình 4, khi lưu lượng phun tăng từ 100ml/p lên 200ml/p thì cả Ra và Rz đều tăng lên khoảng 1.2-1.5 lần. Như vậy, sự phụ thuộc của độ nhám vào lưu lượng phun là rõ ràng hơn. Trong III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN khi đó, hình 3 cho thấy sự phụ thuộc rất mạnh của độ nhám vào hàm lượng đóng rắn. Các giá trị độ 1. Giá trị độ nhám bề mặt nhám gia tăng rất đáng kể (1.9-2.2 lần) khi hàm Giá trị trung bình của hai thông số Ra và Rz lượng đóng rắn tăng từ 0.5% lên 1.5%. Tất cả các được thể hiện ở bảng 3. Để thuận tiện cho việc đánh giá, giá trị độ nhám cũng được thể hiện dưới dạng sự biến thiên của Ra và Rz hầu như tuyến tính theo đồ thị theo từng biến độc lập riêng lẽ (hình 2, 3, 4). 3 biến độc lập. Bảng 3. Kết quả đo giá trị độ nhám F,% 0.5 1 1.5 Q,ml/p 100 150 200 100 150 200 100 150 200 Ra 0.110 0.193 0.267 0.236 0.351 0.423 0.404 0.515 0.622 25 Rz 1.215 1.868 2.456 2.223 2.541 3.391 3.443 3.898 4.792 Ra 0.127 0.249 0.318 0.284 0.389 0.476 0.439 0.556 0.684 T, 0C 30 Rz 1.822 2.870 2.849 2.956 3.384 3.853 3.941 4.416 5.388 Ra 0.170 0.317 0.379 0.327 0.432 0.517 0.508 0.593 0.727 35 Rz 2.389 2.848 3.335 3.298 3.942 4.503 4.330 5.230 5.916 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Hình 2. Sự thay đổi độ nhám theo nhiệt độ Hình 3. Sự thay đổi độ nhám theo hàm lượng đóng rắn Hình 4. Sự thay đổi độ nhám theo lưu lượng phun 2. Hình ảnh 3D độ nhám bề mặt Cùng với các giá trị Ra và Rz, các hình ảnh dạng 3D với độ phóng đại 500% (5 lần) theo chiều cao mấp mô cũng được xuất bởi thiết bị đo (hình 5). Các hình ảnh 3D đã cho thấy ở chế độ lưu lượng phun Q = 100ml/p, hàm lượng chất đóng rắn F = 0.5% và nhiệt độ bất kỳ, bề mặt của mẫu là khá phẳng và trơn mịn, đặc biệt là tại 250C. Khi điều kiện chế tạo tăng lên mức cao hơn (Q = 150ml/p, F = 1% và nhiệt độ bất kỳ), trên bề mặt bắt đầu xuất hiện một vài khu vực có độ thô ráp cao hơn vì tại các vùng này có sự tích tụ nhiệt cao hơn các vùng khác. Lượng 46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG nhiệt này sinh ra do phản ứng lưu hóa nhựa gelcoat và nó sẽ tăng khi hàm lượng chất đóng rắn và nhiệt độ môi trường tăng. Ở điện kiện chế tạo khắc nghiệt hơn (Q > 150ml/p, F > 1% và T > 250C), sự thô ráp thể hiện càng rõ hơn với diện tích hầu như lan rộng khắp bề mặt. Các vết lõm lớn cũng bắt đầu xuất hiện với số lượng và độ sâu tăng dần. Bề mặt mẫu gần như bị phá hủy vi mô khi F và T lớn nhất. So với một kết quả nghiên cứu tương tự nhưng mẫu được chế tạo bằng phương pháp quét cọ [5] thì sự phá hủy vi mô bề mặt có sự khác nhau (theo [5], có sự xuất hiện các vết rạng nứt với độ sâu lớn hơn). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Q, ml/p F, % Số 1/2015 T, oC 25 30 35 0.5 1.0 100 1.5 0.5 1.0 150 1.5 0.5 1.0 200 1.5 Hình 5. Sự thay đổi trạng thái bề mặt theo các điều kiện chế tạo khác nhau TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 47