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

Nội dung text: 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

1. 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 STUDY OF EFFECT OF ADDITIVES, REINFORCES TO FLEXURAL STRENGTH, IMPACT STRENGTH OF COMPOSITE MATERIAL IN INJECTION MOLDING TECHNOLOGY Lê Hiếu Giang, Phạm Văn Nghĩa Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Vật liệu composite có những tính chất ưu việt từ những vật liệu thành phần. Việc sử dụng phụ gia, chất độn để tăng bền trong công nghệ ép phun là cần thiết. Bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần khối lượng các phụ gia Na10MB3A (tên thương mại) và bột calcium cacbonate CaCO3 đến độ bền uốn, độ dai va đập của vật liệu composite nền nhựa polypropylen (PP). Kết quả cho thấy, khi tỉ lệ thành phần phụ gia tăng dần, độ bền của vật liệu cũng tăng dần. Độ bền 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 Composite materials have the best properties from it’s material ingredients. The use of additives, reinforces to improve strength in injection molding technology is necessary. The paper focuses the effect of ratio of filler (Na10MB3A and CaCO3 ) on the flexural strength and impact strength of composite material-PP. The results see that the flexural strength and impact strength of material increases gradually when ratio of fillers increase. The strength reaches the maximum value at a certain ratio of fillers, then the strength goes down when ratio of fillers continues raising. 1.GIỚI THIỆU Mẫu thử độ bền uốn được chế tao bằng công nghệ ép phun theo tiêu chuẩn ISO 178: 2010 với kích thước như hình 1. Hình 2. Thiết kế của mẫu đo độ dai va đập Hình 1. Thiết kế của mẫu đo độ bền uốn. 2. THÍ NGHIỆM 2.1. Vật liệu và mẫu thí nghiệm Mẫu thử độ dai va đập được chế tạo bằng công nghệ ép phun theo tiêu chuẩn Trong nghiên cứu này, vật liệu PP lần ISO 179: 2010 với kích thước như hình 2. lượt được pha chất (phụ gia Na10MB3A, chất độn CaCO3) với các tỉ lệ khác nhau và 1
2. được trộn đều trước khi phun. Mẫu thử được chế tạo tại khoa cơ khí, trường Bảng 2: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và độ ĐHSPKT TP HCM. Các thông số ép phun bền uốn (II) được ghi trong bảng 1. Bảng 1: Tổng hợp thông số ép phun I 2% 3% 5% 7% 9% II 35.869 36.276 36.758 36.338 33.210 Số liệu Thông số kỹ thuật máy ép phun phân Bảng 3: Tỉ lệ chất độn CaCO3 (I) và độ bền tích uốn (II). Áp suất điền đầy 200 MPa Lực kẹp 70 tấn I 4% 6% 10% 12% 14% Áp suất đẩy khuôn 150MPa Tốc độ phun 110cm3/s II 28.255 29.458 28.835 28.089 26.060 Thời gian điền đầy 4.3 s Bảng 4: Tỉ lệ phụ gia Na10MB3A (I) và độ 0 Nhiệt độ khuôn 60 C dai va đập (II) Nhiệt độ làm nguội 320C Thời gian làm nguội 30s I 2% 3% 5% 7% 9% Trọng lượng nhựa cho một lần phun 360 gr Khoảng mở khuôn cần thiết 50mm II 3.103 3.180 3.381 3.469 3.313 Bảng 5: Tỉ lệ phụ gia CaCO (I) và độ dai 3 va đập (II). 2.2. Thiết bị và điều kiện thí nghiệm Các thí nghiệm đo độ bền uốn được thực I 4% 6% 10% 12% 14% hiện trên máy Instron 5582 và các thí II 3.098 3.313 3.493 3.459 3.268 nghiệm đo độ dai va đập được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật liệu, trường ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM. Trong quá trình đo, 3. XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ toàn bộ dữ liệu được ghi lại Từ bảng 2, mối quan hệ giữa độ bền Điều kiện thí nghiệm đo độ bền uốn: uốn và tỉ lệ thành phần phụ gia - Độ ẩm: 55% Na10MB3A được mô tả trên hình 3: - Nhiệt độ phòng - Khoảng cách 2 gối đỡ: 60 mm - Tốc độ uốn: 2 mm/phút Điều kiện thí nghiệm đo độ dai va đập: - Độ ẩm: 55% - Nhiệt độ phòng - Khoảng cách 2 gối đỡ: 62 mm Hình 3. Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % - Khối lượng búa: 1.09625 kg Na10MB3A và độ bền uốn. - Tốc độ búa: v = 2.9 m/s Kết quả ở hình 3 cho ta thấy khi tỉ lệ 2.3. Kết quả thí nghiệm pha Na10MB3A từ 2% đến 5% thì độ bền Sau khi đo độ bền uốn, độ dai va đập, uốn tăng, độ bền uốn đạt giá trị cao nhất ở tỉ xử lý số liệu thực nghiệm với phần mềm lệ pha 5%. Khi tỉ lệ phụ gia từ 5% đến 9% Statgraphics với độ tin cậy γ = 95%, được thì độ bền uốn giảm. cho trong bảng 2, 3, 4, 5 2
3. Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm ta tìm được mối quan hệ giữa tỉ lệ Na10MB3A và độ bền uốn là: Y^2=1076.33+125.22*X- 13.4532*X^2 Trong đó: Y: độ bền uốn [ N/mm2 ] X: tỉ lệ pha Na10MB3A [%] Từ bảng 3, mối quan hệ giữa độ bền uốn và tỉ lệ pha CaCO3 được mô tả trên hình 4: Hình 5. Biểu đồ mối quan hệ giữa độ dai va đập và tỉ lệ Na10MB3A. Kết quả ở hình 5 cho ta thấy khi tỉ lệ % Na10MB3A từ 2% đến 5% thì độ dai va đập tăng gần như tuyến tính, từ 5% đến 7% thì độ dai va đập tăng chậm, độ dai va đập đạt giá trị cao nhất ở tỉ lệ pha 7%, khi tỉ lệ pha từ 7% đến 9% thì độ dai va đập giảm. Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, ta tìm được mối quan hệ giữa độ dai va đập và Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa tỉ lệ % CaCO3 tỉ lệ pha Na10MB3A là: và độ bền uốn. Y = 2.68718 + 0.229128*X- 0.017534*X^2 Kết quả ở hình 4 cho ta thấy khi tỉ lệ Trong đó: Y: độ dai va đập [ KJ/mm2 ] % CaCO3 từ 4% đến 6% thì đọ bền uốn tăng gần như tuyến tính, độ bền uốn đạt giá X: tỉ lệ pha Na10MB3A [%] trị cao nhất ở tỉ lệ pha 6%, khi tăng tỉ lệ pha từ 6% đến 10% thì độ bền uốn giảm chậm, Từ bảng 5, mối quan hệ giữa độ dai va đập khi tỉ lệ pha từ 10% đến 14% thì độ bền uốn và tỉ lệ pha CaCO3 được mô tả trên hình 6: giảm nhanh. Sau khi Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, ta tìm được mối quan hệ giữa độ bền uốn và tỉ lệ pha CaCO3 là: Y= 24.3989 +1.33184*X+0.0865034*X^2 Trong đó: Y: độ bền uốn [N/mm2] X: tỉ lệ pha trộn CaCO3 [%] Hình 6: Biều đồ mối quan hệ giữa độ dai va Từ bảng 4, mối quan hệ giữa độ dai đập và tỉ lệ CaCO3. va đập và tỉ lệ pha Na10MB3A được mô tả Kết quả ở hình 6 cho ta thấy khi tỉ lệ % trên hình 5: CaCO3 từ 4% đến 10% thì độ dai va đập tăng chậm, khi tăng từ 10% đến 12% thì độ dai va đập tăng nhanh, độ dai va đập đạt giá trị cao nhất ở tỉ lệ pha 12%, ở tỉ lệ pha từ 12% đến 16% thì độ dai va đập giảm nhanh. Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm, ta tìm được mối quan hệ giữa độ dai va đập và tỉ lệ pha CaCO3 là: 3
4. x Quá trình tăng bền, thực chất là quá y 0.434045 0.200398*xx 0.0046244* ^ 2 trình làm cho bản thân vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng từ bên ngoài, và vì vậy năng lượng tác động vào bề mặt gãy đứt bị Trong đó: giảm đi. Quá trình tăng bền cho polymer y: độ dai va đập trung bình [KJ/mm2 ] liên quan đến sự tập trung ứng suất, sự bong tách của polymer trên bề mặt các hạt x: tỉ lệ CaCO [%] 3 phụ gia, và sự hình thành các dải ứng suất trượt [2,3]. Đầu tiên, các hạt vô cơ hoạt Ta thấy rằng khi sử dụng hạt phụ gia, động như là một nơi tập trung ứng suất chất độn có thể giúp tăng bền cho vật liệu trong nền polymer trong suốt quá trình biến nền PP. Sức bền của composite có thể đạt dạng do sự khác biệt về ứng xử đàn hồi giá trị lớn nhất ở một tỉ lệ phụ gia nhất giữa phụ gia và polymer, có nghĩa là môđun định. Nếu tỉ lệ phụ gia vượt qua giá trị này, đàn hồi khác nhau của mỗi phụ gia. Do ảnh sức bền của vật liệu giảm đáng kể do vật hưởng của sự tập trung ứng suất, trạng thái liệu trở nên dòn. ứng suất ba chiều hiện hữu quanh các hạt Lý giải về cơ chế tăng bền của vật liệu, phụ gia. Sự bong tách polymer trên bề mặt trước hết ta cần tìm hiểu cơ chế phá hủy của các hạt hấp thụ năng lượng tác động từ bên vật liệu này. ngoài, giải phóng trạng thái ứng suất này, A tạo thành các bề mặt và làm cho quá trình B chịu lực của của vật liệu thuận lợi. Sau cùng, các dải ứng suất trượt mà chúng là các cơ chế biến dạng bên trong của vật liệu polymer được tạo ra dẫn đến việc hấp thụ Nền polymer năng lượng cao trong quá trình biến dạng Hạt phụ gia hình 7 [1] Hình 7. Cơ chế phá hủy trên bề mặt gãy 4. KẾT LUẬN đứt của PP có trộn phụ gia: [1] Việc sử dụng phụ gia, chất độn trong A. Sự bong tách của polymer và hạt công nghệ ép phun có ảnh hưởng đến độ phụ gia bền uốn, độ dai va đập của sản phẩm. Độ B. Sự biến dạng và phá hủy của nền bền uốn và độ dai va đập có thể đạt giá trị polymer lớn nhất ở một tỉ lệ nhất định, nếu tỉ lệ này Cơ chế phá hủy vật liệu composite gia vượt qua giá trị này thì sức độ bền uốn, độ cường bằng hạt được mô tả trên hình 7; bao dai va đập của vật liệu giảm đáng kể do vật gồm sự bong tách của polymer trên bề mặt liệu trở nên dòn. Nghiên cứu này cho thấy hạt phụ gia, và biến dạng phá hủy của nền được ảnh hưởng của phụ gia Na10MB3A polymer. So với cơ chế phá hủy của và chất độn CaCO3 đối với độ bền uốn, độ composite sợi ngắn nền polymer cơ chế này dai va đập của vật liệu composite như các đơn giản hơn [1]. công thức ở trên. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hieu Giang Le, Shyh-Chour Huang, Van Son Nguyen, Thanh-Phong Dao, Investigation on the effect of micro-fillers on the strength reinforcement of polypropylene, Adv. Mat. Lett. 2014, 5(10), 593-597 [2] Tjong SC, Structural and mechanical properties of polymer nanocomposites, Materials Science and Engineering R. 2006, (53): 73-197. [3] Zuiderduim WCJ, Westzaan C, Huétink J and Gaymans RJ, Toughening of polypropylene with calcium carbonate particles, Polymer-200, 44(1): 261-275. 4
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.