Embed Size (px)
Citation preview
CÔNG NGHỆ PULTRUSION
I. Giới thiệu chung :
1) Sơ lược về công nghệ pultrusion :
Công nghệ Pultrusion là một quy trình gia công vật liệu composite liên tục,
tự động, dùng để sản xuất các sản phẩm có dạng profile (Ví dụ : thanh hình chữ U,
chữ I, chữ O, chữ L,...) bằng cách kéo liên tục các sợi cốt được tẩm nhựa nền qua
khuôn nhiệt.
Công nghệ Pultrusion có qui trình gần giống như công nghệ extrusion, nhưng
nếu như lực ép đẩy vật liệu qua khuôn tạo dáng trong công nghệ extrusion là áp
lực được tạo ra từ trong máy đúc ép thì trong công nghệ pultrusion lại sử dụng lực
kéo được tạo ra từ thiết bị kéo để kéo vật liệu chuyển động liện tục qua khuôn định
hình và khuôn nhiệt..
Quy trình công nghệ cơ bản :
Sản phẩm được sản xuất từ công nghệ pultrusion có được các tính chất vật ly,
tính chất hóa học tốt và có khả năng thay thế các sản phẩm profile làm từ các vật
liêu truyền thống như sắt thép, nhôm, gỗ,...
2) Những đặc trưng của phương pháp pultrusion :
2.1 Ưu điểm :
- Thích hợp với nhiều loại hơn so với phương pháp layup.
- Khả năng nạp liệu lớn.
- Có thể sử dụng với lượng nhựa lớn.
- Sản xuất liên tục, năng suất cao, dễ cơ khí hóa, tự động hóa.
- Sản phầm bền kéo và bền uốn tốt, kháng va đập tốt.
- Thích hợp cho các sản phẩm có dạng profile.
- Tỷ lệ phế liệu thấp ( hiệu suất 95%, trong khi của layup là 75% ).
- Sự phân bố của vật liệu gia cường với vị trí chính xác.
- Bề mặt sản phẩm trơn láng cả hai mặt.
- Hàm lượng sợi tăng cường có thể sử dụng nhiều ( 50% về thể tích, 70% về
khối lượng ).
2.2 Nhược điểm :
- Sản phẩm phải có tiết diện không đổi.
- Khâu gom sợi cũng như khâu kéo có thể làm tăng sự ma sát, làm sợi và nhựa bị
nén, gây gãy đứt,…
- Khi nhựa thừa sẽ làm giảm độ bền của sản phẩm.
- Hệ đóng rắn nhanh sẽ làm giảm độ bền.
- Kháng xé kém.
- Do sản xuất liên tục nên đòi hỏi các thiết bị phải gia công chính xác, các khâu
phải hoạt động đồng bộ.
II. Nguyên liệu sử dụng trong công nghệ pultrusion :
Vật liệu composite làm theo phương pháp pultrusion gồm 2 thành phần chính là - sợi gia cường : cung cấp cho vật liệu các tính chất cơ học như độ cứng , kéo
và va đập
- nhựa nền : cung cấp cho vật liệu các tính chất vật lý như tính kháng cháy , môi trường , tia UV và tác nhân ăn mòn hóa học .
Vật liệu gia cường : Ba tính chất của sợi gia cường cần được quan tâm khi lựa chọn là :
- loại sợi ( sợi thủy tinh, sợi cacbon , sợi aramid , … ) - hình thức của sợi ( roving , mat , … ) - định hướng của sợi
Sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi nhất vì nó dễ ứng dụng và khá rẻ so với các loại sợi khác .
Sợi thủy tinh : hay sử dụng 3 loại : - loại E ( electrical grade ) : từ thủy tinh borosilicate , loại sợi thủy tinh được sử
dụng nhiều nhất .- loại S ( strenght ) : thủy tinh Mg-Al-Si , độ bền kéo rất lớn , sử dụng cho các
ứng dụng đặc biệt cần độ bền kéo cao .- loại A : thủy tinh vôi NaCO3 , giống với loại thủy tinh làm các loại chai , kính
thủy tinh , có độ chịu hóa chất kém hơn các loại trên .Sử dụng làm lớp mat ở bề mặt .
Trọng lượng riêng ( g/cm3)
Bền kéo (MPa) Modun kéo (GPa)
E glass 2.58 3450 72.5S glass 2.48 4590 86A glass 2.52 3033 72
Sợi cacbon : là sản phẩm của quá trình oxi hóa và cacbon hóa các nguyên liệu hữu cơ và không có cấu trúc graphite . Thường sử dụng trong công nghệ hàng không . Có độ bền cao nhưng trọng lượng riêng thấp hơn sợi thủy tinh . Có thể chia sợi cacbon theo tính năng như trong bảng :
Trọng lượng riêng ( g/cm3)
Bền kéo (MPa) Modun kéo (GPa)
HS1 1.75 3.31 228HS2 1.80 5.0 248IM 1.74 4.50 296HM1 1.81 2.41 393HM2 1.96 1.52 483UHM 2.15 2.24 724H : high , S : strength , M : module , U : ultra
Sợi aramid : là từ viết tắt của aromatic polyamid , là loại sợi hữu cơ tổng hợp có độ chịu nhiệt và độ bền kéo rất cao . Nó cũng có đặc tính chống va đập cao nên sử dụng làm vật liệu chống đạn .
So sánh tính chất của các sản phẩm đùn kéo ( pultruded profiles) khi sử dụng các loại sợi khác nhau :
Trọng lượng riêng (g/cm3)
Bền kéo (MPa) Modun kéo (GPa)
Sợi thủy tinh
1.9 - 2.0 38 - 45 800 - 1200
Sợi cacbon 1.5 - 1.6 80 - 400+ 1500 - 3000+Sợi aramid 1.3 70 - 75 800 - 1500
Nhựa nền : Để sử dụng theo phương pháp pultrusion thì nhựa nền cần các yêu cầu :
- đóng rắn ở nhiệt độ cao - thời gian sống ở điều kiện nhiệt độ thường dài để nhựa chết trước khi gia công - thời gian đóng rắn đủ nhanh để định hình trước khi ra khỏi khuôn tạo hình - độ nhớt khoảng 500cP , quá cao sẽ khó gia công ( phải trộn thêm chất tương hợp
để giảm độ nhớt ) , quá thấp thì nhựa không thể bám lên sợi dẫn đến thiếu nhựa .
Polyester không no : Là loại thông dụng nhất sử dụng theo phương pháp pultrusion . Thường sử dụng nhựa tổng hợp từ orthophthalic , isophthalic acid hoặc anhydrides + maleic anhydride + một số loại rượu đa chức .
Nhựa polyester có khả năng chống ăn mòn tốt với : hydrocarbon mạch thẳng , nước , acid và kiềm loãng nhưng rất kém bền khi đặt vào các môi trường : hydrocarbon thơm , ketone , và acid đậm đặc . Độ không no trong mạch phân tử polyester càng cao thì độ co rút sau khi đóng rắn càng lớn , có thể lên đến 7% . Nhiệt độ sử dụng không quá 80oC .
Vinyl ester : là loại nhựa kết hợp được những tính chất tốt của nhựa polyester và epoxy , khả năng chống ăn mòn hóa chất ( đặc biệt là trong môi trườn acid và kiềm ) và giữ được cơ tính khi hoạt động ở điều kiện nhiệt độ cao tốt hơn UPE nhưng giá thành thì đắt hơn 75% . Nhiệt độ sử dụng tối đa là 90-150oC .
Epoxy : một loại nhựa rất đắt tiền . Nó thích hợp cho sản phẩm hoạt động liên tục ở môi trường nhiệt độ cao ( đến 150oC ) .Tính chất điện và chống ăn mòn của loại nhựa này cực tốt nên thích hợp cho các ứng dụng cần vật liệu có tính chất tốt ở nhiệt độ cao . Độ bền uốn và bền kéo của sản phẩm từ epoxy cao hơn nhiều so với hệ đóng rắn từ UPE và VE . Có một nhược điểm là tốc độ đóng rắn của epoxy rất chậm nên ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của công nghệ pultrusion .
Arcrylic : nền methyl methacrylat , đắt hợn UPE , thường sử dụng để gia tăng các thuộc tính đặc biệt như : tăng cơ tính , độn nhiều vì có độ nhớt thấp , tốc độ sản xuất cao , bề mặt sản phẩm láng , tăng tính chậm bắt cháy và chịu môi trường .
Phenolic : cũng được sử dụng vì có độ bền nhiệt cao , chậm bắt cháy và ít khói khi cháy .
Nhựa nhiệt dẻo : được sử dụng khi cần vật liệu có độ dai cao . Tẩm nhựa lên sợi bằng phương pháp nóng chảy hoặc hòa tan nhựa trong dung môi .
Phụ gia : Độn : sử dụng nhiều nhất là Calcium carbonate , alumina trihydrat
Calcium carbonate : độn tăng thể tích và giảm giá thành dùng làm vật liệu ở vị trí không cần tính năng caoAlumina trihydrat : giúp ngăn cản quá trình cháy và bốc khói
Một số phụ gia đặc biệt như : Chất hấp phụ tia UV , chống lão hóa ở điều kiện ngoài trời Chất màuPhụ gia tăng độ nhẵn bề mặt sản phẩmPhụ gia tăng khả năng tách khuôn ( metallic stearat hoặc organic phosphate ester )
III. Quy trình công nghệ pultrusion :
Thiết bị bao gồm 5 bộ phận chính : bộ phận cấp sợi, bộ phận thấm nhựa,
khuôn định hình- khuôn gia nhiệt, bộ phận kéo, bộ phận cắt.
1) Bộ phận cấp sợi :
Bộ phận cấp sợi là phần đầu cũa quy trình pultrusion, làm nhiệm vụ dự trữ và
cung cấp các loại sợi cho hệ thống.
Có 2 loại kệ nạp sợi : dạng bàn và dạng kệ sách.
Tại đây các loại sợi được kéo qua các thiết bị dẫn hướng. Vì quy trình là liên
tục nên các loại sợi thường được cung cấp dưới các dạng cuộn từ 15-25kg. Mỗi kệ
nạp sợi có thể chứa từ 15-45 cuộn sợi.
Cách nạp sợi : có 2 cách nạp sợi.
Nạp sợi từ trong tâm cuộn :
+ Có thể dễ dàng chuyển từ cuộn sợi này sang cuộn sợi khác để nạp sơi được
liên tục và có hiệu suất sản xuất cao.
+ Tổn thất sợi nhỏ.
+ Kệ đơn giản và không yêu cầu cao về độ căng của sợi khi kéo.
+ Sợi nạp có một độ xoắn khi kéo ra khỏi cuộn.
Nạp sợi từ biên của cuộn :
+ Không thể chuyển từ cuộn đang nạp sang cuộn thay thế , tốn thêm thời gian
sản xuất.
+ Phải bỏ lõi cuộn sợi sau khi sử dụng ( lõi cuốn theo Phuong pháp tâm có thể
quấn lại cuộn mới và nạp tiếp).
+ Tốn nhiều sợi hơn.
+ Cần các lõi quay được chế tạo rieng cho phương pháp này.
+ Cần biện pháp và thiết bị phức tạp để khống chế lực căng sợi để tránh sự kéo
căng không đồng đều và cọ sát giữa các sợi.
+ Sợi kéo không bị xoắn.
Kệ nạp vải matt : giống như kệ nạp sợi, tuy nhiên phải chú ý tới kích thước
và không gian kệ nạp do cuộn màng lớn hơn nhiều. Đòi hỏi không gian để chứa
cuộn thay thế và không gian để thực hiện việc thay thế lớn hơn. Nếu không đáp
ứng được không gian này thì phải thực hiện việc nạp màng gián đọan và mất thời
gian, giảm năng suất đáng kể do việc thay cuộn màng rất tốn thời gian.
2) Bộ phận thấm nhựa :
Có 2 cách thấm nhựa :
2.1 Dùng bể nhựa ( dip bath ) :
Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Trong bộ phận này, sợi được
dẫn qua một chuỗi các trục lăn hoặc thanh nhằm làm cho sợi được kéo căng và dàn
trải đều trên bề mặt trục. Sự kéo căng giúp sợi không bị chùn xuống, sợi cũng
không bị rối vào nhau và cũng để dễ điều chỉnh hướng sợi. Sự dàn trải giúp diện
tích bề mặt sợi tiếp xúc nhựa nhiều hơn giúp nhựa dễ thấm vào sợi. Ngoài ra các
trục này còn tác dụng nén ép sợi giúp nhựa thấm sâu vào bên trong sợi cũng như
không cho nhựa thấm quá nhiều vào sợi. Tốc độ thấm ướt phụ thuộc vào việc xử
ly bề mặt sợi và loại nhựa nền sử dụng.
Ưu điểm : đơn giản.
Nhược điểm :
- Giới hạn về thời gian sống của nhựa.
- Bay hơi, độc hại.
- Khi tăng tốc độ kéo sẽ bị cản trở thủy lực bởi độ nhớt của nhựa.
2.2 Dùng phương pháp injection pultrusion :
Nhựa được đưa trực tiếp vào khuôn dưới áp suất
Ưu điểm :
- Khắc phục được nhược điểm của bể nhựa: ko bị bay hơi, không bị giới hạn về
thời gian sống của nhựa ( do chất đóng rắn và nhựa tách biệt nhau ).
- Không có sự cản thủy lực của bể nhựa.
Khuyết điểm :
- Khuôn có cấu tạo phức tạp, nhiều biến số phải kiểm soát.
- Sự thâm nhập của nhựa khó khăn hơn.
3) Khuôn định hình- khuôn gia nhiệt :
Có 2 loại khuôn được sử dụng trong pultrusion là khuôn định hình và khuôn
gia nhiệt.
3.1 Khuôn định hình ( preform ) :
- Sợi sau quá trình tẩm nhựa sẽ qua khuôn định hình.
- Trong pp RIM Pultrusion thì sợi được tẩm nhựa ngay trong khuôn định hình.
- Thường đặt gần cổng vào khuôn gia nhiệt.
- Thường làm bằng Teflon, polyethylene, thép hợp kim, thép không gỉ,…
Mục đích :
- Loại ra phần nhựa thừa
- Kết khối nhựa và sợi thành hình dạng giống với profile trong khuôn gia nhiệt
- Tăng sự thoát khí và thấm ướt
- Giảm áp lực lên khuôn gia nhiệt.
3.2 Khuôn gia nhiệt ( heated die ) :
Có 3 yếu tố cần lưu ý trong thiết kế và sử dụng khuôn là :
- Vị trí đặt và cố định khuôn trong suốt quá trình : Khuôn gia nhiệt phải được
đặt vững chắc trên khung của máy pultrusion để chống lại lực kéo. Lực kéo
thường trong khoảng 6-8 tấn, tuy nhiên những máy sản xuất các bộ phận rộng
1,52m cao 0,6m có thể yêu cầu lực kéo lên đến 8-20 tấn; khuôn phải được lắp ráp
thẳng hàng đúng tâm lực kéo.
- Phương pháp gia nhiệt cho khuôn : sự điều khiển nhiệt độ khuôn là thông số
quan trọng nhất trong qui trình pultrusion, ảnh hưởng đến tốc độ polymer hóa của
hệ thống nhựa và vị trí của điểm gel đối với khuôn.
+ Nhiệt độ ở đầu khuôn nhỏ sau đó tăng dần.
+ Có thể gia nhiệt bằng điện hoặc dầu nóng.
+ Hạn chế :
Thép công cụ làm khuôn có độ truyền nhiệt kém.
Phải có thời gian để nhiệt truyền từ bề mặt vào trong sản phẩm.
Sản phẩm thành dày thì khâu gia nhiệt chậm,giảm năng suất.
Khó tăng nhiệt độ vì dễ làm quá nhiệt bề mặt.
+ Cải tiến : Sử dụng bộ phận gia nhiệt sơ bộ bằng sóng cao tần ( ko sử dụng
được cho sợi cacbon ).
- Cấu trúc và vật liệu làm khuôn :
+ Có thể sử dụng khuôn một hoặc nhiều lổ rổng.
+ Vật liệu làm khuôn có thể là thép công cụ, hoặc thép hợp kim đã được tôi
cứng.
+ Phải có thành dày để gia nhiệt được đồng đều hơn và tránh sự biến dạng khi
gia nhiệt.
+ Bề mặt trong phải cứng vì phải chịu đựng sự mài mòn do kéo sản phẩm
xuyên qua khuôn.
4) Bộ phận kéo :
Khoảng cách giữa lỗ thoát khuôn và thiết bị kéo phải lớn hơn hoặc bằng 3m để
cho sản phẩm khi ra có thể nguội đi đáp ứng vừa đủ độ bền để chống lại lực kẹp.
Có các loại thiết bị kéo :
- Thiết bị kẹp gián đoạn chuyển động qua lại:
+ 1 hàm kẹp.
+ Gồm các bước kẹp – kéo – thả – trở lại.
+ Trong suốt khoảng thời gian trở lại, phần sản phẩm kéo sẽ đứng yên cho tới
khi hàm kẹp trở lại vòng kẹp và kéo.
- Thiết bị kẹp liên tục chuyển động qua lại : ( được dùng nhiều nhất )
+ Các bước kẹp – kéo – thả – trở lại được đồng bộ giữa 2 hàm kẹp để tạo 1
chuyển động kéo liên tục.
- Thiết bị kéo dây đai liên tục:
+ 2 dây đai chuyển động liên tục
+ Vùng tiếp xúc giữa dây đai kéo nói chung dài hơn thiết bị kẹp, giúp cho việc
phân bố đều ứng suất trên sản phẩm.
Các vấn đề cần quan tâm trong máy kéo là lực kéo và tốc độ kéo. Tốc độ kéo
nhanh thì tốc độ của qui trình nhanh, tuy nhiên tốc độ kéo còn phụ thuộc nhiều vào
quá trình đóng rắn của nhựa trong khuôn.
5) Bộ phận cắt :
Máy cắt làm nhiệm vụ cắt sản phẩm thành từng đoạn có kích thước theo yêu
cầu. Để đảm bảo tốc độ của qui trình bộ phận cắt sẽ di chuyển cùng với tốc độ kéo
của qui trình.
Các bộ phận cắt :
- Lưỡi cắt.
- Bàn trượt.
- Kẹp.
- Bộ phận kéo bàn trượt về.
IV. Các sản phẩm sản xuất từ công nghệ pultrusion :
Sản phẩm pultrusion có dạng profile được sử dụng nhiều trong các lĩnh vựa như xây dựng, chế tạo các thanh chịu lực trong ôtô, máy bay, …
Các thanh profile : Các thanh profile này được sử dụng để làm thang leo; các thanh lan can, tay vịn; các thanh dầm chịu lực sử dụng trong xây dựng.
Thang :
Các sản phẩm gia dụng :
Các thanh dầm:
Các thanh profile được sản xuất bằng phương pháp pultrusion rồi ghép lại. Sử dụng sợi gia cường là sợi thủy tinh
Cánh quạt của các turbine gió :
Phần nối ra các cánh quạt thường được sản xuất theo phương pháp pultrusion kết hợp với phương pháp quấn để tăng độ bền đảm bảo an toàn khi vận hành trong điều kiện gió bão mạnh.
Cầu Aberfeldy:
Đây là cây cầu đi bộ hoàn toàn bằng composite trên thế giới. Cây cầu này được xây dựng ở vương quốc Anh. Khối lượng vật liệu composite sử dụng khoảng 14,5 tấn composite các loại trong đó phần lớn được sản xuất theo phương pultrusion với sợi gia cường là sợi thủy tinh.
V. So sánh công nghệ Pultrusion với các công nghệ khác :
So sánh về chu kỳ sản xuất : chu kỳ sản xuất của pultrusion ngắn
So sánh về giá thành : giá thành sản xuất của pultrusion thấp.
So sánh về khả năng ứng dụng :
Tài liệu tham khảo :
1. Nguyễn Hoa Thịnh- Nguyễn Đình Đức. Vật liệu Composite-cơ học và công
nghệ. NXB Khoa học và kỹ thuật.
2. ( Không rõ tác giả ). Công nghệ vật liệu composite.
3. www. pultrusions .org
