BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
LÊ NGỌC TÚ
NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU SẢN PHẨM
TRÊN CƠ SỞ CAO SU TỰ NHIÊN ĐỂ LÀM GỐI ĐỠ
GIẢM RUNG CHO ĐỘNG CƠ XE
Ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 9 44 01 14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2022
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Chu Chiến Hữu 2. PGS. TS. Nguyễn Huy Trưởng
Phản biện 1: GS. TS Bùi Chương Phản biện 2: PGS. TS Cao Hải Thường Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Mạnh Tường Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2022 Có thế tìm hiểu luận án tại: - - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Hiện nay trong quân đội đang có chương trình diesel hóa các xe quân sự trong đó nội dung chính là thay thế động cơ xăng bằng động cơ diesel nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu nhưng vẫn phải đảm bảo tính năng kỹ chiến thuật của xe. Tuy nhiên khi thay thế động cơ diesel vào các xe sử dụng động cơ xăng thì khi xe hoạt động đã gây ra hiện tượng rung động lớn, ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của động cơ cũng như sức khỏe của người lái. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng rung động lớn này là do đặc tính của gối đỡ động cơ xăng không phù hợp để chống rung cho động cơ diesel.
Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu vật liệu và công nghệ chống rung nói chung, các chi tiết chống rung cho xe ô tô nói riêng đã được đặt ra từ rất lâu và liên tục được phát triển, hoàn thiện. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, các patent được công bố liên quan đến nguyên lý thiết kế của vật liệu và công nghệ chống rung nói chung. Tuy nhiên, những công bố liên quan đến từng chi tiết chống rung cho từng loại máy móc, động cơ cụ thể nói riêng thì gần như không có.
Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu vật liệu và công nghệ chống rung mới chỉ được đặt ra trong khoảng vài chục năm trở lại đây. Mặc dù đã có một số thành tựu nhất định nhưng hầu hết các công trình chủ yếu tập trung vào thiết kế, chế tạo vật liệu và chi tiết chống rung theo mẫu sản phẩm của nước ngoài nhằm phục vụ quá trình sửa chữa, bảo dưỡng, thay thế bộ phận chống rung của các trang thiết bị, máy móc bị hư hỏng, xuống cấp trong quá trình sử dụng tại Việt Nam. Những công trình nghiên cứu bài bản, khép kín từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo mới các chi tiết chống rung cho các trang thiết bị, máy móc ở trong nước còn khá khiêm tốn.
Trong quân đội, hầu hết các loại xe ô tô đặc chủng sau một thời gian sử dụng, rất nhiều bộ phận trong đó có nhiều chi tiết, cụm chi tiết đóng vai trò giảm chấn, chống rung động bị hư hỏng, xuống cấp cần phải được thay thế. Tuy nhiên việc nhập khẩu các chi tiết, cụm chi tiết này rất khó khăn. Trong bối cảnh đó, vấn đề tự nghiên cứu thiết kế và chế tạo gối đỡ cao su chống rung cho động cơ diesel thay thế cho động cơ xăng của xe ô tô ZIL131 đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra thì một mặt sẽ góp phần vào thành công của Chương trình diesel hóa các xe ô tô trong quân đội, mặt khác sẽ mở ra khả năng tự thiết kế, chế tạo các loại chi tiết giảm chấn, chống rung cho nhiều loại trang bị vũ khí khác. Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu vật liệu và kết cấu sản phẩm
trên cơ sở cao su tự nhiên để làm gối đỡ chống rung cho động cơ xe” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn tốt. 2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu xác định bản chất hóa học, tỷ lệ thành phần và các chỉ tiêu kỹ thuật của cao su dùng để chế tạo gối đỡ của động cơ xăng trên xe ZIL131 và gối đỡ động cơ diesel. Từ kết quả nghiên cứu này, xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cần có đối với vật liệu chống rung cho động cơ diesel.
- Nghiên cứu tổng hợp nguyên liệu (biến tính nano silica, etylenglycol dimetacrylat) phục vụ xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su tự nhiên.
- Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu trên cơ sở cao su tự nhiên, cao su tổng hợp SBR và một số phụ gia ( bột than, nano silica, etylenglycol dimetacrylat) dùng để chế tạo gối đỡ chống rung phục vụ lắp đặt động cơ diesel lên khung xe ô tô ZIL131.
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm gối đỡ cho động cơ diesel dùng để thay thế cho động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 trên cơ sở đơn vật liệu cao su chống rung đã xây dựng được. 3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, gồm: lý thuyết về rung động, chống rung cho xe ô tô, cụ thể cho xe ô tô quân sự ZIL 131; tổng quan về vật liệu chống rung, vật liệu cao su chống rung. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để: Xây dựng, xác định đơn cao su, sử dụng các chất xúc tiến với hàm lượng khác nhau để chế tạo các mẫu thử nghiệm cũng như sản phẩm gối đỡ chống rung, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu cao su chống rung.
Các phương pháp đo kiểm, phân tích đánh giá mẫu vật liệu (độ cứng, độ bền kéo đứt, độ dãn dài đến đứt, độ dãn dư, độ trương nở...). Sử dụng phương pháp mô phỏng để thử nghiệm sản phẩm gối đỡ chống rung và phương pháp thử nghiệm trực tiếp trên xe để đánh giá chất lượng sản phẩm. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học:
- Luận án đã xác định được các tính chất cơ lý quan trọng và khả năng chống rung của vật liệu, tính toán tối ưu hóa các thông số thiết kế, từ đó đã hoàn toàn làm chủ từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo gối đỡ cho động cơ diesel lắp trên xe ô tô ZIL131.
- Luận án cũng đã tổng hợp và ứng dụng thành công hai loại phụ gia quan trọng (nano silica biến tính và etylenglycol dimetacrylat ) trong quá trình xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su tự
nhiên đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của gối đỡ chống rung cho động cơ diesel. Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu, chế tạo được gối đỡ chống rung cho động cơ diesel để thay thế cho động cơ xăng của xe ZIL131 một mặt góp phần vào thành công của Chương trình diesel hóa các loại xe ô tô sử dụng động cơ xăng trong quân đội, mặt khác có thể áp dụng để nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu giảm chấn, chống rung cho nhiều loại trang thiết bị, vũ khí, máy móc khác, góp phần chủ động, nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ an ninh quốc phòng. 5. Bố cục của luận án:
Luận án gồm 161 trang được phân bổ như sau: mở đầu 6 trang; chương 1 - Tổng quan, 54 trang; chương 2 - Thực nghiệm, 23 trang; chương 3 - Kết quả và thảo luận, 68 trang; kết luận 2 trang; danh mục các công trình khoa học đã công bố 1 trang và 91 tài liệu tham khảo.
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Rung động và các biện pháp chống rung động Đã giới thiệu về rung động, các biện pháp giảm rung động 1.2. Vật liệu chống rung: Yêu cầu cơ bản và phân loại
Đã giới thiệu về các yêu cầu cơ bản của vật liệu chống rung như: Tổn hao cơ học tanδ, môđun tổn hao và môđun lưu trữ; Phân loại vật liệu chống rung gồm có: vật liệu đàn hồi, kim loại, chất lỏng, nhựa đường. 1.3. Khả năng chống rung của vật liệu cao su
Đã giới thiệu về đặc điểm chống rung của các loại vật liệu cao su, cơ sở chống rung của cao su, các yếu tố ảnh hưởng như: Cấu trúc phân tử, sự lưu hóa, chất độn... và các phương pháp nâng cao khả năng chống rung của cao su, đó là: Trộn các polyme với nhau, cấy nhóm chức hữu cơ... 1.4. Cao su tự nhiên và ứng dụng của nó trong chế tạo vật liệu
chống rung Đã giới thiệu về đặc điểm của cao su tự nhiên, hợp phần lưu hóa cơ bản, nanosilica biến tính bis-(3-trietoxysilyl propyl) tetrasulphid (TESPT) và tổng hợp Ethylene glycol dimethacrylate (EGDM) làm phụ gia cho vật liệu chống rung trên cơ sở cao su tự nhiên. Phân tích đánh giá tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng vật liệu cao su có sử dụng 2 phụ gia này làm vật liệu chống rung.
1.5. Chống rung cho động cơ diesel trên xe ô tô ZIL131
Đã giới thiệu về chương tình diesel hóa trong quân đội, loại xe ZIL131, việc thay thế động cơ đi kèm với nó là thay thế gối đỡ. Nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu cao su chống rung để chế tạo gối đỡ này. Phương pháp tính toán tối ưu hóa gối đỡ động cơ trên xe ZIL131. Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất
Luận án sử dụng các loại nguyên liệu, hóa chất như: Cao su tự nhiên RSS1, SBR1502, S, Than N220, N330, N660, Nanosilica, Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfide (TESPT), Etylen glycol, keo dán Thixon p-21 và Thixon-256... 2.2. Tổng hợp và biến tính phụ gia cho cao su chống rung 2.2.1. Biến tính nanosilica bằng phản ứng ghép với Bis-(3- trietoxysilylpropyl) tetrasulfide (TESPT)
Quá trình biến tính nanosilica bằng TESPT được thực hiện theo quy trình như sau: 30 gam nanosilica được thêm vào bình cầu ba cổ 500ml có chứa 300 ml hỗn hợp butanol và axeton (tỷ lệ butanol/axeton = 1/1), khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng bằng máy khuấy siêu tốc với tốc độ 20.000 vòng/phút trong thời gian 10 phút trong môi trường khí nitơ. Tiếp theo, dung dịch được khuấy hồi lưu trên máy khuấy từ ở nhiệt độ 50oC trong 1 giờ, sau đó, tháo ống hồi lưu, khuấy để bay hơi khoảng 2/3 dung môi. Tiếp theo, nhỏ từ từ 20 ml dung dịch butanol có chứa 6 g tác nhân ghép silane TESPT vào dung dịch hỗn hợp trên (tỷ lệ TESPT/nanosilica là 12%). Sau khi nhỏ xong, hỗn hợp được khuấy bằng máy khuấy tốc độ cao với tốc độ 20.000 vòng/phút trong thời gian 10 phút và tiếp tục được khuấy hồi lưu trong 2 giờ, sau đó để tĩnh trong 1 giờ. Lọc thu chất rắn và rửa với axeton hai lần, sau đó sấy trong tủ sấy chân không ở 600C trong 6 giờ, nanosilica trước và sau khi biến tính được kiểm tra, đánh giá hiệu quả biến tính bằng các phương pháp phân tích phổ hồng ngoại, phổ EDX, kỹ thuật FE-SEM. 2.2.2. Tổng hợp Etylenglycol dimetacrylat (EGDM) Trong luận án này, etylenglycol dimetacrylat (EGDM) được tổng hợp theo phản ứng như sau:
Quy trình tổng hợp được tóm tắt lại: Phản ứng được tiến hành trong bình cầu 3 cổ nhám dung tích 250ml với tỷ lệ các chất phản ứng như sau: axit metacrylic: 94,6 g (1,1 mol); etylen glycol: 31,0 g (0,5 mol);
hydroquynon: 0,25 g (0,00227mol), axit sulfuric: 0,5%. Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 1100C, trong môi trường khí nitơ, bình phản ứng có lắp sinh hàn thẳng và bộ tách nước để theo dõi lượng nước tách ra. Tiến hành phản ứng đa tụ liên tục trong 6 giờ. Sản phẩm sau khi tổng hợp được rửa 3 lần bằng dung dịch Na2CO3 5% để trung hòa axit dư và xúc tác, sau đó rửa lại 2 lần bằng dung dịch NaCl 5% và cuối cùng là nước cất 2 lần. Làm khô dung dịch bằng 100g MgSO4 khan, lọc bỏ phần cặn và tiếp tục hút chân không sản phẩm tại 50oC trong 2 giờ. Kiểm tra, đánh giá chất lượng của sản phẩm EGDM thu được bằng các phương pháp phân tích công cụ. 2.3. Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu cao su chống rung 2.3.1. Khảo sát xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung
Khảo sát thành phần và tỷ lệ các chất tham gia vào đơn vật liệu cao su chống rung, bao gồm: NR(100-60pkl), SBR(0-40pkl), N220, N330, N660, m-nanosilica và EGDM. Nguyên tắc khảo sát để xác định được đơn vật liệu cao su chống rung tối ưu là chỉ thay đổi tỷ lệ của 1 cấu tử đồng thời phải giữ nguyên tỷ lệ của tất cả các thành phần khác để kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng của vật liệu tạo thành, từ đó rút ra được đơn vật liệu tối ưu nhất. 2.3.2. Quy trình chế tạo vật liệu cao su và gối đỡ chống rung
Quá trình cán luyện để tạo phôi nguyên liệu được thực hiện theo quy trình chế tạo vật liệu cao su thông thường, riêng công đoạn xuất tấm và công đoạn ép lưu hóa có sự điều chỉnh như sau: + Xuất tấm: Hỗn hợp cao su nhiệt luyện được xuất thành tấm trải phẳng đều và dùng tấm polyetylen mỏng bao kín để bảo quản. + Chuẩn bị cốt thép: Thép tấm (mác 40X) dày 4mm, được làm sạch, quét lớp keo Thixon p-21, để khô rồi quét tiếp lớp keo Thixon-256. + Ép lưu hóa: Các tấm cao su được cắt, định hình vào khuôn ép ở nhiệt độ thường. Tăng lực ép đến 12 kG/cm2 và gia nhiệt với tốc độ 20C/phút. Tới nhiệt độ 750C đến 800C thì nhả lực ép, thực hiện 3 lần liên tục, cách nhau 1 phút. Tăng lực ép đến 18 kG/cm2 và gia nhiệt cho khuôn ép lên 1420C và giữ nhiệt trong 45 phút. 2.4. Phương pháp nghiên cứu thành phần hóa học của cao su chống rung do nước ngoài chế tạo cho gối đỡ động cơ xăng và động cơ diesel - Phương pháp trực tiếp: Ghi phổ hồng ngoại và chụp EDX trực tiếp trên bề mặt của mẫu sản phẩm.
- Phương pháp nhiệt phân: Sử dụng năng lượng nhiệt để bẻ gãy hoặc phân hủy hoàn toàn mạch phân tử của các hợp chất hữu cơ và các hợp
chất cao phân tử trong môi trường khí trơ. Các hợp chất cao phân tử này sẽ có khả năng hòa tan trong một vài dung môi hoặc hỗn hợp dung môi. 2.5. Phương pháp phân tích, đo đạc bản chất hóa học, chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu
Để phân tích, đánh giá các tính chất của vật liệu tổng hợp được, đã sử dụng các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại như: FT-IR, SEM, FE- SEM, TGA, EDX, XPS, UV-Vis-DRS, DMA. 2.6. Tính toán và thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel
Căn cứ vào các yêu cầu đối với gối đỡ: Tần số cộng hưởng càng thấp hơn 47Hz, hình dáng kích thước đảm bảo lắp đặt phù hợp, độ cứng của gối đỡ được tối ưu hoá, đảm bảo đủ cứng vững. Sử dụng các công cụ mô phỏng tính toán trên máy tính để thực hiện các yêu cầu này. 2.7. Các phương pháp đánh giá khả năng chống rung của vật liệu cao su và gối đỡ - Đo rung bằng phương pháp gõ búa: Được thực hiện trên hệ thống đo rung, ồn, ứng suất-biến dạng LMS, tần số quét tối đa 120Hz. - Đo rung bằng bàn rung: Được thực hiện trên hệ thống thử rung LDS, tần số quét đến 3.000 Hz và gia tốc tới 75g.
- Đo rung trên giá thử: Sử dụng cảm biến rung được lắp trên các chân động cơ và trên giá thử, bằng tín hiệu của các cảm biến này, phần mềm sẽ tính toán, phân tích và đưa ra các chỉ số rung.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu về hệ thống gối đỡ của động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 và hệ thống gối đỡ của động cơ Diesel dùng để thay thế.
Kết quả nghiên cứu phân tích FT-IR, GC-MS, TG-TGA, EDX, đo đạc các chỉ tiêu kỹ thuật của gối đỡ cao su chống rung và nghiên cứu xác định bản chất vật liệu dùng để chế tạo gối đỡ cao su chống rung, đã xác định được vật liệu trong gối đỡ động cơ xăng xe ZIL131 và động cơ diesel thay thế đều được chế tạo bằng hệ vật liệu trên cơ sở cao su tự nhiên và một số phụ gia thông dụng trong công nghệ gia công cao su như chất hóa dẻo, bột than (C), ZnO, CaCO3, SiO2, lưu huỳnh. 3.2. Tổng hợp nguyên liệu phục vụ chế tạo gối đỡ động cơ 3.2.1. Nghiên cứu biến tính nanosilica bằng tác nhân TESPT
Tiến hành biến tính hạt nanosilica theo phương pháp gián tiếp: thủy phân TESPT trong dung môi ancol trước rồi thêm từ từ các hạt nanosilica có kích thước xác định vào dung dịch này, phần hữu cơ trong TESPT có thể ghép lên bề mặt hạt nanosilica để thu được nanosilica biến tính.
Hình 3.19 Mô tả phản ứng biến tính nano silica bằng TESPT Hình 3.20 Phổ hồng ngoại của các hạt nanosilica và m-nanosilica.
Kết quả đo phổ FT-IR các hạt nanosilica trước và sau khi biến tính
thể hiện trên hình 3.20 và được tổng hợp trong bảng 3.12. Bảng 3.12. Số sóng đặc trưng các nhóm nguyên tử trên phổ hồng ngoại của các hạt nanosilica và m-nanosilica
Vật liệu ν-CH2- ν-OH
ν-OH bd Nanosilica 3450 1632 m-nanosilica 3440 1635 Vị trí số sóng đặc trưng của nhóm chức, (cm-1) νSi-O-Si đx 806 811 νSi-O-Si kđx 1111 1110 δSi-O- Si 474 474 – 2979-2925
Phổ FT-IR của m-nanosilica cũng xuất hiện các pic ở 2979, 2925cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị và dao động biến dạng của nhóm CH2 trong TESPT, điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Hossein. Kết quả đo phổ EDX và hàm lượng các nguyên tố trên bề mặt mẫu nanosilica và m-nanosilica được trình bày trên hình 3.21 và tổng hợp tại bảng 3.13.
Hình 3.21 Giản đồ EDX trên bề mặt nanosilica (A), m-nanosilica (B).
Các mẫu nanosilica trước và sau khi biến tính đều chứa các nguyên tố C, Si và O. Tuy nhiên, hàm lượng C trong mẫu m-nanosilica tăng đáng kể đồng thời hàm lượng Si và O trong mẫu m-nanosilica cũng giảm so với mẫu nanosilica không biến tính là do TESPT đã được ghép lên bề mặt hạt nanosilica.
Bảng 3.13. Thành phần nguyên tố trong hạt nanosilica trước và sau biến tính
Hàm lượng (%)
Thành phần nguyên tố
Nanosilica
m-nanosilica
C O Si S Tổng
55,58 37,32 7,10 - 100
17,03 48,13 34,84 0 100 Bản đồ nguyên tử của các nguyên tố Si, C và O trên bề mặt mẫu
nanosilica sau khi biến tính thể hiện trên hình 3.22 và 3.23.
Hình 3.22 Bản đồ nguyên tử của các nguyên tố trong nanosilica Hình 3.23 Bản đồ nguyên tử của các nguyên tố trong m-nanosilica
Các nguyên tố C, Si và O phân bố đồng đều hơn trong mẫu nanosilica biến tính. Nguyên tố C phân bố đồng đều và xuất hiện ở các vị trí có Si và O. Kết quả này góp phần chứng tỏ đã có sự hình thành lớp TESPT trên bề mặt hạt nanosilica biến tính. Ảnh FE-SEM của các hạt nanosilica trước và sau biến tính thể hiện trên hình 3.24.
Hình 3.24 Ảnh FE-SEM hạt nanosilica (a, a1) và m-nanosilica (b, b1).
Có thể thấy rõ các hạt nanosilica có dạng hình cầu, xốp bông, kích thước hạt cơ bản khoảng 20-30 nm nhưng các hạt này kết tụ lại với nhau thành các hạt có kích thước khá lớn, cỡ vài trăm nanomet. Ngược lại, các hạt nanosilica biến tính có xu hướng phân tách và độ bông xốp giảm đáng kể (hình 3.24b). Sự phân tách các hạt nanosilica biến tính là nhờ sự phá vỡ liên kết hydro liên phân tử của các nhóm -OH trên bề mặt hạt nanosilica do các nhóm -OH này đã hình thành liên kết hóa học với TESPT, các hạt trở nên kị nước và tách rời nhau dễ dàng hơn. 3.2.2. Nghiên cứu tổng hợp chất phụ gia etylenglycol dimetacrylat
Bên cạnh việc sử dụng chất độn nano nanosilica, một trong những phương pháp hiệu quả để nâng cao tính năng chống rung cho vật liệu cao su là sử dụng phụ gia etylenglycol dimetacrylat (EGDM). Căn cứ vào điều kiện thực tế và tham khảo một số công trình nghiên cứu, lựa chọn phương pháp tổng hợp EGDM dựa trên phản ứng este hóa giữa etylenglycol (EG) và axit metacrylic (MA) khi có mặt xúc tác axit H2SO4 và sử dụng không khí khô sục vào khối phản ứng để hỗ trợ quá trình tách nước của phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng gồm: Nhiệt độ, hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol giữa EG và MA, thời gian phản ứng và lưu lượng khí đã được khảo sát để xác định được chế độ phản ứng thích hợp nhất tổng hợp EGDM. 3.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Kết quả khảo sát trên hình 3.25 cho thấy hiệu suất có xu hướng tăng khi tăng dần nhiệt độ phản ứng. Tuy nhiên, hiệu suất phản ứng tăng không rõ rệt khi nhiệt độ tăng quá 1200C. Ngoài ra, khi nhiệt độ ở cao hơn 1200C dễ gây ra phản ứng oxy hóa làm cho phẩm tạo thành có mầu sẫm. Khi nâng nhiệt lên 1400C hỗn hợp bị gel hóa nhanh chóng sau 2 giờ phản ứng. Như vậy, có thể xem 1200C là nhiệt độ thích hợp của phản ứng.
Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng
3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Kết quả tại bảng 3.14 cho thấy khi không sử dụng chất xúc tác phản ứng hoàn toàn không xảy ra mặc dù có kéo dài thời gian phản ứng lên đến 12 giờ. Khi có mặt xúc tác hiệu suất phản ứng có xu hướng tăng khi tăng hàm lượng chất xúc tác, tuy nhiên không ghi nhận sự tăng đáng kể của hiệu suất và sản phẩm bị sẫm màu nhanh chóng khi lượng axit sunfuric vượt quá 2%. Điều này cho thấy hàm lượng xúc tác phù hợp là 2%.
Hiệu suất, % Ghi chú
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hiệu suất phản ứng Lượng xúc tác, % 0 1 2 3 4 5 Không phản ứng Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu nâu sẫm Sản phẩm có màu nâu sẫm Sản phẩm có màu nâu sẫm 0 90,9 92,2 92,2 92,4 92,5 3.2.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu
Kết quả bảng 3.15 cho thấy trong khoảng tỷ lệ EG: MA khảo sát hiệu suất phản ứng có xu hướng tăng nhẹ khi tăng lượng MA, tại tỷ lệ EG: MA = 1: 2,3 phản ứng đạt hiệu suất 93,5 %. Khi lượng MA sử dụng tăng hơn 2,3 lần EG, hiệu suất phản ứng hầu như tăng không đáng kể, do phản ứng este hóa ở đây là một phản ứng cân bằng. Việc sử dụng dư lượng MA chỉ làm tăng giá thành và mất nhiều nguyên công tinh chế sản phẩm. Do đó, lựa chọn tỷ lệ mol EG: MA thích hợp là 1: 2,3. Bảng 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol EG:MAA đến hiệu suất phản ứng
Tỷ lệ EG: MA Hiệu suất, % Ghi chú
1: 2,1 1: 2,2 1: 2,3 1: 2,4 1: 2,5 82,4 92,6 93,5 93,6 93,7 Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu vàng sáng Sản phẩm có màu vàng sáng 3.2.2.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Trong 5 giờ đầu tốc độ phản ứng khá nhanh độ chuyển hóa đạt 72,6 %, sau 2 giờ tiếp theo tốc độ phản ứng giảm dần và đạt giá trị ổn định tại thời gian phản ứng là 8 giờ, tiếp tục tăng thời gian chỉ ghi nhận sự sự gia tăng rất nhỏ của hiệu suất (0,6 %) điều này cho thấy ở giai đoạn đầu nồng độ các cấu tử cao, tốc độ phản ứng este hóa vào 1 đầu của
etylenglycol xảy ra nhanh, tuy nhiên càng về sau khi phản ứng tạo monoeste hoàn thành, để ghép nhóm hydroxyl trong monoeste cần năng lượng hoạt hóa cao hơn nên làm giảm tốc độ của phản ứng. Sau 8 giờ là khoảng thời gian thích hợp để dừng phản ứng tinh chế sản phẩm.
Hình 3.26 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng 3.2.2.5 Ảnh hưởng của lưu lượng không khí
Kết quả tại hình 3.27 cho thấy, lưu lượng dòng khí ảnh hưởng khá lớn đến hiệu suất phản ứng. Độ chuyển hóa tăng dần và đạt giá trị ổn định tại tốc độ 2,0 L/phút, lớn hơn giá trị này ghi nhận thấy sự tăng không rõ rệt của hiệu suất. Điều này do không khí được sử dụng đóng vai trò tác nhân tải nước tạo ra trong phản ứng, giúp chuyển dịch cân bằng theo chiều tạo ra sản phẩm, khi lượng khí càng nhiều khả năng lôi quấn nước càng tốt làm tăng hiệu suất chuyển hóa và ngược lại. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng còn phụ thuộc chính vào nhiệt độ nên khi tiếp tục tăng lưu lượng khí đến 2,5 L/phút có thể dẫn đến giảm nhiệt độ cục bộ, làm hiệu suất tổng hợp giảm đáng kể.
Hình 3.27 Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang đến hiệu suất phản ứng
Như vậy, đã xây dựng được quy trình tổng hợp EGDM trên cơ sở phản ứng este hóa giữa etylenglycol và axit metacrylic khi có mặt xúc tác axit H2SO4 với các điều kiện phản ứng cụ thể như sau: Nhiệt độ phản ứng 1200C; thời gian phản ứng 8h; tỷ lệ mol MA:EG= 2,3:1,0; hàm lượng xúc tác H2SO4 là 2%; chất ức chế hydroquinon là 0,1%; lưu lượng không khí 2L/phút; hiệu suất phản ứng đạt 93,5%.
Sản phẩm EGDM tổng hợp được tinh chế và bảo quản ổn định sau 24 giờ trước khi chụp phổ hồng ngoại. Kết quả phổ hồng ngoại của EGDM tổng hợp ra được trình bày ở hình 3.28 so sánh tương đương với phổ hồng ngoại chuẩn của EGDM do hãng Sigma Aldrich công bố. Mẫu EGDM được chụp phổ 1H-NMR với dung môi CDCl3 trình bày trên hình 3.30
Hìn 3.28 Phổ hồng ngoại của EGDM tổng hợp
Hình 3.30 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR của EGDM được tổng hợp
Bảng 3.16. Tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR
Phân tích
Số proton 2 2 4 6
2 proton trong nhóm CH2 vị trí d 2 proton trong nhóm CH2 vị trí c 4 proton trong 2 nhóm –CH2 tại vị trí b 6 proton trong 2 nhóm –CH3 tại vị trí a
δ, ppm 6,021 5,652 4,356 1,867 Nghiên cứu cấu trúc phổ 13C-NMR của mẫu trình bày trên hình
3.31 và phân tích tại bảng 3.17.
Hình 3.31 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của EGDM được tổng hợp
Bảng 3.17. Tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR
Phân tích
δ, ppm 166,23 135,82 125,63 62,24 17,72
Số C 2 2 2 2 2
Cd của nhóm C=O Cb của nhóm C=C Ca của nhóm C=C Ce của nhóm CH2 Cc của nhóm CH3
Qua các phương pháp phân tích về FT-IR và NMR ta có thể khẳng định etylen glycol dimetacrylat tổng hợp được, phù hợp với công thức cấu tạo. 3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung để làm gối đỡ cho động cơ diesel 3.3.1. Xây dựng yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu cao su chống rung
Để nghiên cứu chế tạo gối đỡ mới cho động cơ động cơ diesel này, cần xây dựng bộ chỉ tiêu kỹ thuật của gối đỡ chống rung dựa trên căn cứ: Điều kiện làm việc thực tế của gối đỡ động cơ xe; kết quả nghiên cứu, đo đạc các đặc tính kỹ thuật của gối đỡ chống rung và kết quả phân tích xác định thành phần bản chất của vật liệu cao su. Các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu cao su dùng để chế tạo gối đỡ chống rung và gối đỡ chống rung được thể hiện trong bảng 3.19.
Bảng 3.19. Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu cao su và gối đỡ động cơ diesel lắp cho xe ZIL131
Thông số kỹ thuật
Đơn vị đo
Chỉ tiêu cần đạt Gối đỡ trước Gối đỡ sau
T T I Vật liệu cao su dùng để chế tạo gối đỡ chống rung > 15,0 1 Độ bền kéo đứt > 250,0 2 Độ dãn dài < 10 3 Độ dãn dư 45- 48 4 Độ cứng 5 Biến dạng nén dư (700C/24h) ≤ 8 30-40 6 Ứng suất nén
MPa % % ShoreA % kG/cm2
> 15,0 > 250,0 < 10 45- 48 ≤ 8 30-40
7
> 80
%
>80
Độ bền chống lão hóa nhiệt ở 700C (96h)
≥ 0,6
-
≥ 0,6
8 Tanδ II Gối đỡ cao su 9 Số lượng
1
2
10
≤ 28
Hz
≤ 28
Tần số cộng hưởng của gối đỡ, f0
11 Hệ số chống rung (Q) 12 Độ cứng của gối đỡ
- kN/m
≤ 18,0 150÷165
≤ 18,0 105÷120
3.3.2. Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu để chế tạo cao su chống rung Lựa chọn blend NR/SBR, tỷ lệ phần khối lượng thay đổi từ 100/0, 90/10, 80/20, 70/30 và 60/40 như bảng 3.20. Kết quả kiểm tra cơ tính và tính chất rung của mẫu cao su đơn N1 trình bày tại bảng 3.21. Bảng 3.20. Thành phần vật liệu của đơn vật liệu N1
Đơn N1 (pkl)
TT
Nguyên liệu
N1-2 N1-3 N1-4 N1-5
N1-1 100 0
SBR1502
60 40
70 30
80 20
90 10
1 NR (RSS1) 2 Các phụ gia khác: ZnO (5pkl), axit stearic (3pkl), Phòng lão RD (1pkl), Phòng lão 4020 (0,4pkl), parafin (0,3pkl), dầu Flexon (6pkl), S(2,2pkl), xúc tiến M,D(mỗi loại 0,5pkl), N330(30pkl) có trong hợp phần.
Kết quả ở bảng 3.21 cho thấy, sự có mặt của cao su SBR1502 có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học cũng như khả năng chống rung của vật liệu blend NR/SBR1502. Mẫu N1-3 đạt độ bền kéo đứt là 15,5MPa cao nhất so với các mẫu blend khác chứng tỏ rằng mẫu N1-3 có mức độ tương hợp giữa NR và SBR1502 cao nhất, mật độ đan lưới cao nhất và chính điều đó đã tạo cho mẫu N1-3 có độ dãn dài cao nhất, độ dãn dư thấp nhất.
Bảng 3.21. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của các mẫu tổ hợp chế tạo ở các tỷ lệ NR/SBR khác nhau
Kết quả đo
Độ bền kéo, MPa Độ dãn dài, % Độ cứng, ShoreA Tanδ Tần số cộng hưởng, Hz Hệ số chống rung (Q)
Mẫu vật liệu N1 N1-1 N1-2 N1-3 N1-4 N1-5 13,8 15,5 13,5 428 567 400 51 50 44 0,65 0,80 0,58 29,5 28,27 30,8 25,1 23,5 26,6
14,8 520 48 0,63 29,2 24,3
15,0 473 53 0,72 29,0 23,7
Nghiên cứu lựa chọn phụ gia nanosilica biến tính (m-nanosilica) với tỷ lệ phần khối lượng tương ứng là 1,2,3,4 PKL bổ sung vào thành phần đơn vật liệu N1-3 để hướng tới cải thiện, nâng cao độ bền kéo đứt của vật liệu. Bảng 3.24. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của vật liệu cao su chế tạo theo đơn N4-1-Y Mẫu vật liệu N4 Kết quả khảo sát
m-nanosilica, pkl Nanosilica, pkl N3- 10 0 - N2-0- 2 - 2 N4-1- 1 1 - N4-1- 2 2 - N4-1- 3 3 - N4-1- 4 4 -
12,6 12,9 14,1 14,9 14,0 14,4
385,5 24,5 46 365,5 21,7 46 330,6 318,9 12,2 16,6 46 46 306,4 11,4 48 305,0 11,1 49
92 95 95 95 95 95
0,73 0,75 0,73 0,75 0,76 0,76
24,8 27,5 25,2 25,5 27,1 26,9
22,4 21,6 22,0 18,43 21,8 21,2 Độ bền cơ học Độ bền kéo đứt, MPa Độ dãn dài, % Độ dãn dư, % Độ cứng, ShoreA Khả năng hồi phục sau 3h, % Khả năng chống rung Tanδ Tần số cộng hưởng, Hz Hệ số chống rung (Q)
So sánh khả năng chống rung của vật liệu tổ hợp trên cở sở blend NR/SBR có sử dụng và không sử dụng nanosilica biến tính ở bảng 3.24 cho thấy, so với vật liệu đơn N3-10, đơn vật liệu N4-1-2 có tần số cộng
hưởng thấp hơn, tanδ và hệ số chống rung cao hơn nhưng sự chênh lệch này không đáng kể dẫn đến vật liệu đơn N4-1-2 có khả năng chống rung cao hơn không nhiều so với đơn vật liệu N3-10. Tuy nhiên, để đạt được cả độ bền cơ lý và khả năng chống rung, thì vật liệu tổ hợp trên cơ sở blend NR/SBR và m-nanosilica cho hiệu quả tốt hơn hẳn. Do đó, hàm lượng nanosilica biến tính thích hợp cho chế tạo mẫu gối đỡ chống rung cho động cơ diesel được lựa chọn là 2 PKL. Có thể lý giải nguyên nhân nanosilica biến tính đã có tác dụng cải thiện tốt các chỉ tiêu độ bền cơ học cho vật liệu cao su theo mô hình trên hình 3.32 của một số tác giả khác trong các công bố. Trên bề mặt nanosilica có sự hiện diện của các nhóm silanol (Si-OH) làm cho silica có tính ưa nước, kém tương hợp với cao su tự nhiên. Khi biến tính nanosilica, số lượng nhóm nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt hạt nanosilica sẽ giảm và thay vào đó là các phân tử TESPT. Mạch phân tử của TESPT khá dài lại chứa các liên kết polysunphit vừa có khả năng tương tác vật lý, vừa có khả năng tương tác hóa học với mạch phân tử của cao su, giúp mật độ đan lưới trong vật liệu cao su tăng lên. Chính nguyên nhân này đã làm cho vật liệu cao su chứa m-nanosilica tăng được độ bền kéo đứt, giảm độ giãn dài đến đứt và độ giãn dư.
Hình 3.32 Mô hình tương tác của m-nanosilica và cao su
Nghiên cứu độ bền nhiệt và hình thái cấu trúc của các đơn vật liệu blend NR/SBR gia cường bằng N330, nanosilica và m-nanosilica. Hình 3.33 là giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu cao su gia cường bằng a) 10PKL N330, b) 10PKL N330 + 2PKL nanosilica và c)10PKL N330 + 2PKL m-nanosilica. Tổng hợp kết quả phân tích tại bảng 3.25.
a) c)
b) Hình 3.33 Giản đồ TG và DTG của vật liệu đơn N1-3 (a), đơn N4-0-2 (b) và đơn N4-1-2 (c)
Bảng 3.25. Tổng hợp kết quả phân tích nhiệt của các mẫu vật liệu cao su Kết quả Thông số
N4-0-2 N4-1-2
Nhiệt độ bắt đầu phân hủy giai đoạn 1, 0C Nhiệt độ phân hủy cực đại giai đoạn 2, 0C Nhiệt độ phân hủy giai đoạn 3, 0C Suy giảm khối lượng của 3 giai đoạn, % Lượng tro còn lại, %
N1-3 310 389,9 441,6 84,27 15,73
310 392,6 441,7 81,94 18,06
310 387,2 444,6 82,34 17,66
Mẫu tổ hợp chứa m-nanosilica suy giảm khối lượng lớn hơn so với mẫu chứa nanosilica là do phần hữu cơ TESPT trong m-nanosilica cũng bị phân hủy bởi nhiệt. Sự có mặt của nanosilica có và không biến tính trong mẫu có vai trò như rào chắn, ngăn cản sự xâm nhập của nhiệt vào trong cấu trúc vật liệu, nhờ đó hạn chế sự phân hủy của nền cao su.
Ảnh FE-SEM nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt cắt của các mẫu vật liệu tổ hợp trên cơ sở blend NR/SBR/phụ gia được trình bày trên các hình 3.37 đến 3.38.
Hình 3.37 Ảnh FE-SEM của vật liệu N4-0-2 Ảnh FE-SEM đơn vật liệu N4-0-2 trên hình 3.37 cho thấy ngoài các hạt N330, trong nền vật liệu còn xuất hiện thêm các hạt nanosilica với đường kính tương đương với đường kính của các hạt N330. Các hạt nanosilica và các hạt N330 cũng được phân tán khá đồng đều trong nền của đơn N4-0-2.
Hình 3.38 Ảnh FE-SEM của vật liệu N4-1-2
Ảnh FE-SEM của đơn N4-1-2 trên hình 3.38 không xuất hiện các hạt N330 hoặc các hạt nanosilica biến tính, bề mặt cắt của vật liệu khá đồng nhất. Điều này có thể là do giữa các hạt N330 và các hạt nanosilica biến tính đã xuất hiện các tương tác với nhau và đã làm cho chúng phân tán tốt hơn trong nền cao su. Chính vì vậy, nanosilica biến tính đã có tác dụng cải thiện độ bền cơ học của vật liệu như thảo luận ở trên.
Để đánh giá khả năng đồng khâu mạng của EGDM, xây dựng đơn vật liệu sử dụng đơn vật liệu như bảng 3.26. Các nguyên liệu, hóa chất khác có trong hợp phần gồm: NR(80%), SBR(20%), ZnO (5%), axit stearic (3%), Phòng lão RD (1%), Phòng lão 4020 (0,4%), parafin (0,3%), dầu Flexon (6%), S(2,2%), xúc tiến M,D(mỗi loại 0,5%).
TT
Nguyên liệu, hóa chất
N1-3E
N1-0E
N1-2E
N1-4E
EGDM
3
0
1
2
4
Bảng 3.26. Thành phần vật liệu của đơn N1-E Đơn vật liệu N1-E (pkl) N1- 1E 1 Kết quả phân tích các tính chất cơ học và độ trương của hệ vật liệu blend NR/SBR (80/20) khi thay đổi tỷ lệ phần khối lượng của EGDM từ 0 đến 4 thể hiện tại bảng 3.27.
Bảng 3.27. Tính chất cơ lý và độ trương của blend NR/SBR khi thay đổi tỷ lệ EGDM
TT
Tính chất
1
Độ bền kéo đứt, MPa
0 7,8
Tỷ lệ EGDM (PKL) 2 1 13,4 9,4
3 13,2
4 13,2
2
Độ cứng, ShoreA
42
44
46
46
46
3
583
546
516
520
526
trong dầu
4
192
162
128
137
146
Độ dãn dài khi đứt, % Độ trương (24h diesel), %
Từ bảng 3.27 cho thấy, khi sử dụng EGDM với 2PKL, độ bền kéo đứt tăng 71,8%, độ cứng đạt tăng 9,5%, độ dãn dài đạt giảm 11,4%, độ trương nở trong dầu diesel đạt giảm 33% so với mẫu không sử dụng EGDM. Điều này có thể giải thích như sau: Dưới tác dụng của nhiệt độ khi lưu hóa, các liên kết đôi trong phân tử EGDM bị mở ra, sẽ liên kết các mạch đại phân tử của NR và SBR làm cho cấu trúc của blend trở nên chặt chẽ hơn.
Từ kết quả khảo sát cho thấy, EGDM có khả năng tăng cường mật độ đan lưới khi tiến hành lưu hóa hệ vật liệu blend này. Vì thế đã sử dụng EGDM để tiếp tục nghiên cứu nâng cao độ bền kéo đứt, độ cứng của gối đỡ và giảm tần số cộng hưởng cho vật liệu cao su chống rung trên cơ sở hệ NR/SBR1502.
Sử dụng đơn N4-1-2 và bổ sung thêm thành phần chế tạo mẫu vật liệu với các tỷ lệ EGDM khác nhau để khảo sát. Kết quả đo kiểm được thể hiện tại bảng 3.28.
Bảng 3.28. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của các mẫu vật liệu với các tỷ lệ EGDM khác nhau
Mẫu vật liệu N5 Kết quả khảo sát N5-1 N5-2 N5-3 N5-4
N4-1- 2 0 3 1 4
15,8 15,5
11,2 46 95 10,3 48 95
EGDM, pkl Độ bền cơ học Độ bền kéo đứt, MPa Độ dãn dài đến đứt, % Độ dãn dư, % Độ cứng, ShoreA Khả năng hồi phục sau 3h, % Khả năng chống rung Tanδ Tần số cộng hưởng, Hz Hệ số chống rung 2 15,5 16,3 14,9 318,9 307,3 294,6 298,0 306,0 10,6 9,5 12,2 48 46 46 95 94 95 0,82 25,0 15,4 0,75 25,5 18,43 0,78 28,6 19,4 0,76 26,2 17,5 0,78 27,2 16,8
Từ bảng 3.28 cho thấy, khi đưa EGDM từ 0 đến 2 PKL vào thành phần đơn vật liệu, độ bền kéo đứt, tanδ của vật liệu tăng dần, độ dãn dài đến đứt, độ dãn dư, hệ số chống rung và tần số dao động riêng của vật liệu giảm dần và nếu tiếp tục tăng tỷ lệ EGDM từ 3 đến 4 PKL, độ bền kéo đứt, tanδ, hệ số chống rung lại có xu hướng giảm dần, độ dãn dài đến đứt, độ dãn dư và tần số dao động riêng của vật liệu lại có xu hướng tăng dần trong khi độ cứng của vật liệu gần như không thay đổi khi thay
đổi tỷ lệ của EGDM. So với vật liệu đơn N4-1-2 (không có EGDM), đơn vật liệu N5-2 với tỷ lệ của EGDM 2PKL có độ bền kéo đứt cao hơn và độ dãn dư thấp hơn (tương ứng 16,3 MPa và 9,5%) trong khi độ cứng vẫn không thay đổi (46 ShoreA). Điều đó chứng tỏ sự có mặt của EGDM đã tăng mật độ khâu mạch của đơn N5-2 cao hơn so với đơn N4-1-2, chính vì có mật độ khâu mạch cao nên khả năng chống rung của vật liệu được cải thiện đáng kể.
Ảnh chụp FE-SEM và phân tích nhiệt cũng góp phần chứng minh kết quả nêu trên. Trên hình 3.39 cho thấy đơn N5-2 có bề mặt đồng nhất, chặt khít hơn so với bề mặt của đơn N4-1-2 (hình 3.38). Điều đó cho thấy sự có mặt của EGDM đã giúp cho các hạt nanosilica biến tính và N330 phân tán đồng đều hơn trong nền cao su và tăng cường mật độ khâu mạng của hệ vật liệu khi tiến hành lưu hóa.
Hình 3.39 Ảnh FE-SEM của đơn N5-2
Hình 3.40 Giản đồ TG và DTG của đơn N5-2
Hình 3.40 cho thấy, mẫu đơn N5-2 vẫn tiếp tục bị suy giảm khối lượng ở nhiệt độ trên 5000C và hàm tro còn lại chỉ không thay đổi khi nhiệt độ khoảng 8500C với tổng khối lượng mẫu bị suy giảm trong khoảng nhiệt độ này là 16,1%. Như vậy, sự có mặt của EGDM đã góp phần làm tăng mật độ liên kết ngang cho đơn N5-2 so với đơn N4-1-2 và do đó đã nâng cao được độ bền nhiệt cho đơn N5-2. 3.4. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm gối đỡ cho động cơ diesel
Sử đụng đơn vật liệu N5-2 và quy trình công nghệ trình bày ở Chương 2, Mục 2.3.2 để chế tạo gối đỡ trước và sau theo thiết kế nêu trên. Hình 3.41 là ảnh của các gối đỡ chống rung trước và sau được chế tạo.
Hình 3.41 Gối đỡ chống rung trước và sau cho động cơ diesel 3.4.2. Kết quả đo đạc, thử nghiệm gối đỡ chống rung cho động cơ
Gối đỡ chống rung chế tạo bằng vật liệu đơn N5-2 theo thiết kế đạt yêu cầu đề ra về chỉ tiêu cơ lý và khả năng chống rung. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu đơn N5-2 ở bảng 3.29.
Bảng 3.29. Các đặc tính cơ lý và chống rung của gối đỡ chế tạo
Chỉ tiêu
Đơn vị
Gối sau
Gối trước
MPa % % ShoreA
17,6 296,7 9,4 46
17,2 292,1 2,5 45
%
97,0
96,0
% %
7,5 88
7,8 86
% Hz
0,82 3,5 26,1
0,82 3,8 25,0
Vật liệu cao su chống rung Độ bền kéo đứt Độ dãn dài đến đứt Độ dãn dư Độ cứng Khả năng hồi phục biến dạng nén sau 3h ở nhiệt độ phòng Biến dạng nén dư (700C/24h) Độ bền chống lão hóa nhiệt ở 700C (96h) Gối đỡ chống rung Hệ số tanδ Biến dạng nén dư (700C/24h) Tần số cộng hưởng của gối đỡ, f0
Chỉ tiêu
Đơn vị
Gối sau
Gối trước
Vật liệu cao su chống rung Hệ số chống rung Độ cứng gối đỡ
- kN/m
16,2 156
15,4 115
Để đánh giá hiệu quả chống rung của gối đỡ động cơ, tiến hành lắp đặt gối đỡ lên giá thử động cơ. Mỗi chân động cơ (nơi lắp gối đỡ) gắn một cảm biến rung. Thử nghiệm 3 loại gối đỡ tương ứng với 3 model: - Model 1: Gối đỡ nguyên bản của động cơ xăng xe ZIL131 - Model 2: Gối đỡ sản phẩm của luận án. - Model 3: Gối đỡ động cơ diesel D245.9E2 (gối đỡ này không lắp được trên xe ZIL131, nhưng lắp được trên giá thử động cơ). Tiến hành thử nghiệm cho động cơ diesel D245.9E2 chạy ở 5 chế độ thường xuyên.
Bảng 3.30. So sánh các giá trị quy ước
Model 1
Model 2
Model 3
Chế độ
Tốc độ động cơ (vòng/phút)
Gối sau bên phải
1 2 3 4 5
700 1600 2600 700-2600 0
Tổng hợp
3* 2* 1* 2* 3* 11*
2* 1* 3* 1* 2* 9*
1* 3* 2* 3* 1* 10*
Gối sau bên trái
1 2 3 4 5
700 1600 2600 700-2600 0
Tổng hợp
3* 2* 3* 2* 1* 11*
2* 1* 2* 1* 3* 9*
1* 3* 1* 3* 1* 10*
700 1600 2600 700-2600 0
Gối trước 1 2 3 4 5
Tổng hợp
3* 3* 2* 3* 2* 13*
1* 2* 1* 1* 1* 6*
2* 1* 3* 2* 3* 11*
Bằng các thuật toán phân tích ra giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang. Khi so sánh tương đối các model với nhau, giá trị quy ước càng nhỏ thể hiện dao động càng nhỏ, hay nói cách khác là chống rung tốt hơn. Với 3 model thử nghiệm, quy ước chống rung tốt nhất là 1*, chống rung tốt là 2* và chống rung kém hơn là 3*. Dựa vào giá trị quy ước, thiết lập so sánh kết quả tại bảng 3.30.
Từ bảng 3.30 cho thấy, model 2 (gối đỡ, sản phẩm của luận án) có khả năng chống rung tốt nhất, đặc biệt khi thử nghiệm tại gối trước ở các chế độ thử khác nhau, cho kết quả vượt trội so với các gối đỡ nguyên bản. Model 3 (gối đỡ nguyên bản của đông cơ diesel) có khả năng chống rung thấp hơn so với model 2, nhưng cao hơn so với model 1 (gối đỡ của động cơ xăng). Model 1 có khả năng chống rung kém nhất ở hầu hết các chế độ thử nghiệm, do đó không thể sử dụng cho động cơ diesel D245.9E2 được.
KẾT LUẬN
1- Bằng các phương pháp phân tích phổ hồng ngoại, phổ GC-MS, phân tích nhiệt TG, chụp quang phổ EDX, đã xác định được vật liệu dùng để chế tạo gối đỡ chống rung cho động cơ xăng ZIL131 nguyên bản do Nga sản xuất và gối đỡ động cơ của động cơ diesel D245.9E2 đều là hệ vật liệu blend trên cơ sở cao su thiên nhiên được gia cường bằng than và một số bột độn vô cơ khác. Qua nghiên cứu mối quan hệ giữa độ bền cơ học và khả năng chống rung của hai loại vật liệu này trên đối tượng cụ thể là động cơ xăng xe ZIL131 và động cơ diesel D245.9E2, đã xây dựng được bộ chỉ tiêu kỹ thuật thể hiện mối quan hệ hữu cơ giữa độ bền cơ học và khả năng chống rung của hệ vật liệu cần có khi thay thế động cơ xăng bằng động cơ diesel D245.9E2 để lắp trên xe ZIL131. Theo bộ chỉ tiêu kỹ thuật này, vật liệu cao su chống rung cần chế tạo mới phải có độ bền kéo đứt lớn hơn 15MPa, độ cứng đạt 45 đến 46ShoreA, hệ số chống rung Q nhỏ hơn 18 và tần số cộng hưởng nhỏ hơn hoặc bằng 28Hz.
2- Đã biến tính nanosilica bằng TESPT và tổng hợp phụ gia EGDM thành công để làm nguyên liệu đầu vào cho quá trình xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung. Nanosilica biến tính được thực hiện trong dung môi butanol ở 500C kết hợp khuấy siêu âm ở tốc độ 20.000 v/phút trong thời gian 10 phút với tỷ lệ nanosilica/ TESPT= 30g/6g. EGDM được tổng hợp bằng phản ứng este hoá giữa axit metacrylic và etylen glycol với các điều kiện phản ứng cụ thể như sau: Nhiệt độ phản ứng 1200C; thời gian phản ứng 8h; tỷ lệ mol MA:EG= 2,3:1,0; hàm lượng xúc tác
H2SO4 là 2%; chất ức chế hydroquinon là 0,1%; lưu lượng không khí 2L/phút. Nanosilica biến tính bằng TESPT và chất đồng khâu mạng EGDM có tác dụng hỗ trợ nhau rất tốt để nâng cao độ bền kéo đứt, giảm tần số dao động riêng nhưng không làm tăng độ cứng của hệ vật liệu blend giữa cao su NR và cao su SBR1502.
3- Đơn vật liệu N5-2 với tỷ lệ thích hợp của một số cấu tử chính gồm: NR/SBR1502/N330/m-nanosilica/EGDM= 80/20/10/2/2 đạt được toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật về độ bền cơ học và khả năng chống rung với vật liệu cao su chống rung cần có nhằm chế tạo được gối đỡ chống rung cho động cơ diesel D245.9E2 khi sử dụng động cơ này thay thế cho động cơ xăng của xe ô tô ZIL131. Vật liệu đơn N5-2 có độ bền kéo đứt đạt 16,3 MPa; độ cứng = 46 ShoreA; tanδ = 0,82; hệ số chống rung Q=15,4; tần số cộng hưởng = 25Hz.
4- Đã thiết kế được hình dạng, kết cấu và kích thước của gối đỡ trước và gối đỡ sau để quá trình lắp ráp thay thế động cơ xăng bằng động cơ diesel D245.9E2 được thuận lợi. Đơn vật liệu N5-2 đã được sử dụng để chế tạo gối đỡ trước và sau của động cơ diesel D245.9E2 khi lắp ráp động cơ này trên xe ô tô ZIL131. Các kết quả đo đạc thử nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật, thử nghiệm trên giá thử động cơ cho thấy, vật liệu cao su chống rung và gối đỡ chống rung chế tạo ra đều đạt và vượt các chỉ tiêu kỹ thuật cần có đề ra, chống rung động cho động cơ diesel D245.9E2 đạt yêu cầu kỹ thuật, góp phần đóng góp quan trọng cho thành công của chương trình diesel hóa các xe ô tô trong quân đội. Những đóng góp mới của luận án
1- Đã tổng hợp ở quy mô pilot và ứng dụng thành công EGDM trong chế tạo vật liệu cao su blend trên cơ sở cao su tự nhiên (NR) và cao su styren-butadien (SBR).
2- Đã chế tạo thành công vật liệu cao su chống rung trên cơ sở blend NR/SBR/EGDM gia cường nano silica phối hợp với than đen và các phụ gia khác.
3- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công gối đỡ động cơ diesel xe ZIL131. Xác định được các thông số kỹ thuật cơ bản của vật liệu cao su chống rung dùng cho các gối đỡ động cơ diesel đặt trên xe ZIL131.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1- Lê Ngọc Tú, Chu Chiến Hữu, Nguyễn Huy trưởng, Đặng Ngọc Sơn. “Một số kết quả nghiên cứu thăm dò khả năng chế tạo cao su chống rung cho gối đỡ động cơ Diesel phục vụ cải tiến ô tô ZIL131”. Tạp chí Hóa học (số đặc biệt tháng 11/2016).
2- Lê Ngọc Tú, Chu Chiến Hữu, Nguyễn Huy Trưởng, Nguyễn Thúy Chinh. “Nghiên cứu ảnh hưởng của nanosilica biến tính và chất đồng khâu mạng EGDM đến tính chất cơ lý và khả năng chống rung của cao su blend NR/SBR”. Tạp chí Hóa học, 57 (6 E1,2), 255-260 (2019).
3- Le Ngoc Tu, Chu Chien Huu, Nguyen Huy Truong, Dang Ngoc Son. “On the impact of silica and black carbon in improving the anti- vibration of the rubber blends based on natural rubber (NR) and styrene butadiene rubber (SBR)”. Journal of Science and Technology 56, Number 24 (2018).
4- Nguyễn Huy Trưởng, Lê Ngọc Tú. “Tính toán và tối ưu thông số gối đỡ động cơ diesel lắp trên xe ZIL131 cải tiến”. Tạp chí cơ khí (số đặc biệt tháng 9/2016).
5- Nguyen Huy Truong, Le Ngoc Tu, Dao Dinh Nam, Le Van Anh. “The method of vibration calculation of multi axle vehicles and parameter optimization of the elastic element in the suspension system”. The International Conference on Automotive Technology for Vietnam (ICAT 2015-030).
6- Le Ngoc Tu, Nguyen Huy Truong. “Method of calculating optimization of metal-rubber bearing parameters of engine by using Gomory graph”. The 5th World Conference on Applied Sciences, Engineering and Technology (5th WCSET 2016).
