NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
VÀ PHỤ GIA ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE
TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN
Kỹ sư.Lê Quốc Việt
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Thành phố Hồ Chí Minh
(Điện thoại: 0932778297; E-mail: [email protected])
TÓM TẮT
Polymers là loại vật liệu được dùng phổ biến hiện nay và dần thay thế các vật
liệu kim loại trong các ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhờ vào đặc tính
của chúng. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là cơ tính không cao.Vì vậy,
việc tăng bền cho vật liệu này là rất cần thiết.
Bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ và tỉ lệ thành
phần khối lượng các phụ gia Na10MB3A (tên thương mại) đến sức bền kéo của
polypropylen (PP).Kết quả cho thấy, khi tỉ lệ thành phần phụ gia tăng dần, sức bền
kéo của polypropylen cũng tăng dần.Sức bền kéo đạt giá trị lớn nhất ở một tỉ lệ phụ
gia nhất định, sau đó giảm dần khi tỉ lệ thành phần phụ gia tiếp tục tăng vượt qua tỉ
lệ này.
ABSTRACT
Nowadays, Polymers are the material popularly used and gradually replace
the meatal materials in industrial and domestic applications thanks to their
characteristics.However, their biggest drawback is mechanical property is not high.
Therefore, the increasing of strength for this material is very essential.
The newspaper studies the influence of technological parameters and
component mass ratio additives Na10MB3A (trade names) to the tensile strength of
polypropylene (PP). The result shows that when the ratio of the additive increases,
tensile strength of polypropylene is also increasing. Tensile strength reaches the
maximum value at a certain percentage of additives, then decreases as the ratio of
additive components continues to increase over this ratio.

1



Hình 3: Giai đoạn phun
c) Giai đoạn làm nguội:Khuôn vẫn được đóng và nhựa nóng trong lòng khuổn
được làm nguội cho đến khi đủ độ cứng để có thể đẩy được rời khổi khuôn.
Trong suốt giai đoạn này trục vít vẫn quay và lùi dần lại để chuẩn bị cho lần
phun kế tiếp.

Hình 4: Giai đoạn làm nguội
d) Giai đoạn đẩy: Trong giai đoạn này cụm kìm làm chức năng mở khuôn ra
một cách nhanh chống và an toàn. Lúc đầu, cụm kìm mở khuôn một cách
chậm chạp và sau đó là nhanh dần cho đến lần cuối hành trình thì nó chuyển
động chạm lại để tránh va đập mạnh. Khi khuôn mở ra thì tấm đẩy của khuôn
bị cần đẩy của máy đẩy về phía trước để lói sản phẩm ra khỏi khuôn.

3


Khi sản phẩm rời khổi khuôn thì cần đẩy sẽ hồi về để sẳn sàng cho một chu
kỳ ép phun kế tiếp.

Hình 5: Giai đoạn đẩy

2. Thí nghiệm:
2.1. Vật liệu và mẫu thí nghiệm :
Trong nghiên cứu này, vật liệu PP lần lượt được pha chất phụ gia Na10MB3A
với các tỉ lệ khác nhau và được trộn đều trước khi phun. Các mẫu thí nghiệm với
kích thước 160x20x4 mm (hình 6) được chế tạo từ khuôn và máy ép phun như trên
hình 1 với cùng điều kiện (nhiệt độ khuôn: 600C, áp suất điền đầy: 200Mpa, tốc độ
phun: 110cm3/s) trên máy ép phun Shine Well 120 WB thuộc khoa Cơ khí tại trường
ĐHSPKT TPHCM.



2.3. Kết quả thí nghiệm :
2.3.1.Số lượng thí nghiệm:
- Thí nghiệm được tiến hành để đánh giá mức độ ảnh hưởng độc lập của
các yếu tố đến sức bền kéo của vật liệu sau khi ép phun.
- Kết quả của thí nghiệm thể hiện mối tương quan sự ảnh hưởng của nhiệt
độ, áp suất và tỉ lệ các chất phụ gia đối với sức bền kéo đứt của vật liệu
sau khi pha trộn trong công nghệ ép phun.
- Số thí nghiệm cần tiến hành:
n  2 k  n0

Trong đó : k là số yếu tổ ảnh hường
n0 là các giá trị, n0 = 3,5,7………..
Từ đó : Số lượng thí nghiệm là 7.
Số lượng thí nghiệm lặp lại cần tiến hành cho mỗi mức thí nghiệm là
bao nhiêu để có thể ước lượng năng suất trung bình trong khoảng  1,5MPa
với độ tin cậy 95%, độ lệch chuẩn là   3 Mpa.

N: số lượng thí nghiệm cần lặp lại.
Tra bảng 2: với hệ số ý nghĩa p=0.05 thì K =1,96.
N 4

2
L2

 16

 Lập ma trận qui hoạch thực nghiệm:
Các yếu tố đầu vào


5

Bảng 2.1: Xác lập các yếu tố đầu vào và xác định các mức

6

biến


190  t 0  210
60  P  70

Các yếu tố trong Các yếu tố hệ tọa độ mã hóa
N

hệ tọa độ tự nhiên

Y

Z1

Z2

X0

X1

X2


+

+

-

4

210

70

+

+

+

5

200

65

+

0

0


áp suất 60kg.f :
I
II

0%
104.426

1%
107.519

2%
110.092

3%
112.055

5%
111.404

7%
109.318

Từ bảng 2.3, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia
Na10MB3Ađược mô tả trên hình 8:

7


Sức bền kéo (Kg.f)
Hình 8:Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ %

đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng
suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị
nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn.
b. Ở nhiệt độ t  190 0 C, P  70kg. f :
Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin
cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.4:
Bảng 2.4: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 1900C và
áp suất 70kg.f :
I
II

0%
109.504

1%
110.103

2%
111.899

3%
112.853

5%
112.122

7%
110.898

Từ bảng 2.4, mối quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ thành phần phụ gia

X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A(%)

Hình 13: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các
mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia.
Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 1900C và áp suất
70kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không
đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng
suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị
nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn.
c. Ở nhiệt độ t  2100 C, P  60kg. f
Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin
cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.5:
Bảng 2.5: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2100C và
áp suất 60kg.f :
(I)
(II)

0%
107.818

1%
109.503

2%
110.833

3%
112.122

5%


Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2
gần đúng (hình 15) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:
Y = -3143.98X2 + 230.037X + 107.693 [3]
Trong đó:
Y : là ứng suất trung bình [kg.f].
X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 16: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các
mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia.
Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2100C và áp suất
60kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không
đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng
suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị
nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn.
d. Ở nhiệt độ t  2100 C, P  70kg. f
Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin
cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.6:
Bảng 2.6: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2100C và
áp suất 70kg.f :
I
II

0%
106.629

1%
108.106

2%


Tỉ lệ % Na10MB3A
Hình 18. Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối
quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A
14


Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2
gần đúng (hình 18) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:
Y = -4099.54X2 + 303.944X + 106.431 [4]
Trong đó:
Y : là ứng suất trung bình [kg.f]
X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 19: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các
mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia.
Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2100C và áp suất
70kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không
đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng
suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị
nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn.
e. Ở nhiệt độ t  2000 C, P  65kg. f :
Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý trên phần mềm Statgraphic với độ tin
cậy γ = 95%, được cho trong bảng 2.7:
Bảng 2.7: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và sức bền kéo (II) ở nhiệt độ 2000C và
áp suất 65kg.f :
I
II

0%

Tỉ lệ % Na10MB3A
Hình 21. Đường cong nội suy đa thức bậc 2 thể hiện mối
quan hệ giữa sức bền kéo của PP và tỉ lệ % Na10MB3A
16


Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, phương trình thực nghiệm đa thức bậc 2 gần
đúng (hình 21) biểu diễn mối quan hệ giữa sức bền kéo và tỉ lệ Na10MB3A là:
Y = - 2553.26X2 + 192.848X + 107.119 [5]
Trong đó:
Y : là ứng suất trung bình [kg.f]
X : là tỉ lệ thành phần phụ gia Na10MB3A (%)

Hình 22: Biểu đồ ứng xuất-biến dạng của các
mẫu thí nghiệm bằng nhựa PP có phụ gia.
Nhận xét: Khi pha trộn các thành phần phụ giaở nhiệt độ 2000C và áp suất
65kg.f , nhìn chung hình dạng và đặc tính của biểu đồ ứng suất-biến dạng là không
đổi, ở giai đoạn đầu, ứng suất tăng dần phi tuyến theo biến dạng, khi đạt giá trị ứng
suất lớn nhất, ứng suất kéo giảm dần tuyến tính, và khi biến dạng đạt đến một giá trị
nhất định ứng suất giảm đột ngột – đây là lúc mẫu bị phá hủy hoàn toàn.

17


Bảng tổng hợp tất cả các giá trị ứng suất kéo trung bỉnh qua mỗi thí nghiệm:
tt

a

b


3%

112.0550

112.8525

112.1218

112.0587

110.5316

5%

111.4044

112.1218

111.2131

110.7544

109.9873

7%

110.3175

110.8981

Na10MB3A 3% ở nhiệt độ 1900C và áp suất 70kg.f thì giúp cho Polypropylen (PP)
đạt được sức bền kéo tốt nhất ( đường cong b), ở nhiệt độ 2000C và áp suất 65kg.f
với tỉ lệ phụ gia Na10MB3A 3% thì làm cho Polypropylen (PP) có được sức bền
kéo thấp nhất ( đường cong h).
4. KẾT LUẬN
Việc sử dụng các hạt phụ gia nano có thể giúp tăng bền cho PP và polymer nói
chung. Sức bền kéo của PP có thể đạt giá trị lớn nhất ở một tỉ lệ phụ gia nhất
định. Nếu tỉ lệ phụ gia vượt qua giá trị này, sức bền của PP giảm đáng kể do vật
liệu trở nên dòn. Nghiên cứu này cho thấy sức bền kéo của PP có thể tăng 10.7%
khi sử dụng Na10MB3A ở tỉ lệ 3% với nhiệt độ 1900C và áp suất 70kg.f. Quá
trình tăng bền đối với vật liệu polymer độn hạt phụ gia nhờ vào quá trình hấp thụ
năng lượng tác động từ bên ngoài của bản thân vật liệu này, liên quan đến sự tập
trung ứng suất quanh hạt, quá trình bóc tách polymer trên bề mặt hạt, các dải ứng
suất trượt và bóc tách các lớp polymer trong quá trình biến dạng.

19


5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S.R. Reid, G. Zhou, Impact Behaviour of Fibre-Reinforced Composite Materials
and structures, ISBN 1 85573 423 0, October 2000.
[2] L.H. Giang, Z. Korinek, J. Steidl,Z. Jenikova, Temperature Effect on Dynamic
Fracture Parameters of Short Fiber Composites, SAMPE2003, Dayton-Ohio, USA,
28/09-02/10/2003.
[3] L.H. Giang, Z. Korinek, J. Steidl,Investigation of Moisture Effect on Dynamic
Fracture Parameters of Polymer Matrix Composites, Juniormat’03, Brno, Czech
Republic, 23-24/09/2003, p.156-157, ISPN 80-214-2462-1.
[4] K.Friedrich, Fractographic Analysis of Polymer composites, in „Applications of
Fracture Mechanics to Composite Materials“, edited by K. Friedrich, Elsevier
Science Publishers, B.V., 1989.