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

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

TS. Trương Chí Thành

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

Tháng 11/2010


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

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

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

iv


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

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

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

vi


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

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

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-2-


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

VL Nền

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

- Vật liệu composite cốt sợi (fiber-reinforcement composite) là vật liệu
composite được gia cường bởi sợi có độ bền riêng và mođun đàn hồi cao như
composite sợi thủy tinh, cacbon, xenlulozơ,…Vật liệu composite cốt sợi thường có
hai loại là sợi liên tục và sợi gián đoạn. Sợi liên tục có tỉ lệ chiều dài và đường kính
(L/D) rất cao (L/D > 1000). Sợi gián đoạn có tỉ lệ chiều dài và đường kính nhỏ hơn,
nằm trong khoảng 5 < L/D

-5-


Chương 2: TỔNG QUAN

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

Súng phun

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

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

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

-7-


Chương 2: TỔNG QUAN

Áp kế
Van
Máy hút chân không

Lớp trung gian

Sợi gia cường
Gel coat

Lớp trích khí
Lớp vải tách

Màng

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

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

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

-

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

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

Biến dạng phá hủy kéo

2–5%

Biến dạng phá hủy uốn

7–9%

Độ bền nén

90 -200 MPa

Độ bền cắt

10 – 20 MPa

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

60 – 1000C

Chất lượng đúc

Khá

Khả năng gia công cơ khí

Tốt

Tính quang học



- 10 -


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

-

Chống môi trường hóa học khá tốt.

-

Giá thành không quá cao.

+ Nhược điểm
-

Dễ bị nứt, đặc biệt là do va đập.

-

Độ co ngót cao (khoảng 8 – 10%).

-

Bị phá hủy dưới tác dụng của tia cực tím.

-

Dễ bị bắt lửa.

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

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

Hàm lượng (% khối lượng)
45,84

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

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

Tro

2,22

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 13 -




Hình 3.5 Kỹ thuật Vacuum bag

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 14 -


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

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

Kích thước khuôn

Chiều dài

500 mm

Chiều rộng


SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 15 -


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

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

Dài

Rộng

Dày

Đo kéo (mm)

250

25



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

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

Hình 3.8 Đo kéo

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

SVTH: Nguyễn Thanh Tùng

- 17 -


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