Nghiên cứu tối ưu hóa yếu tố nhiệt độ trong chế tạo vật liệu cốt thủy tinh Composite Polymer

Nội dung text: Nghiên cứu tối ưu hóa yếu tố nhiệt độ trong chế tạo vật liệu cốt thủy tinh Composite Polymer

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA YẾU TỐ NHIỆT ĐỘ TRONG CHẾ TẠO VẬT LIỆU CỐT THỦY TINH COMPOSITE POLYMER ThS. BÙI THỊ THU PHƯƠNG Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng TS. NGUYỄN THẾ HÙNG Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tóm tắt: Công nghệ chế tạo vật liệu cốt khác nhau, khi vật liệu cốt composite polymer dịch composite polymer sử dụng nhựa nhiệt cứng epoxy chuyển trong suốt chiều dài của ống tương ứng với kèm chất đóng rắn được định hình theo phương ba khoảng nhiệt độ: nhiệt độ đóng rắn bề mặt, nhiệt pháp hóa cứng nhanh trong ống gia nhiệt đường độ đóng rắn thân lõi, nhiệt độ ổn định kết cấu. Quá kính nhỏ nhưng đủ dài. Nghiên cứu tối ưu yếu tố trình gia nhiệt này có ảnh hưởng rất lớn đến đặc nhiệt độ trong các phân đoạn khác nhau của ống tính cơ lý của sản phẩm, đặc biệt là ứng suất kéo. gia nhiệt là mục tiêu của nghiên cứu này. Điều đó Tối ưu hóa quá trình gia nhiệt hóa cứng được cho phép hoàn thiện hơn công nghệ chế tạo vật liệu nghiên cứu bằng mô hình quy hoạch thực nghiệm cốt composite polymer tại Việt Nam. ba yếu tố nhiệt độ trên trong tương quan của hàm Từ khóa: Reinforced polymer composite, sợi mục tiêu là ứng suất kéo của vật liệu cốt thủy tinh thủy tinh, quy hoạch thực nghiệm, composite. 1. Mở đầu 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chế độ hóa cứng vật liệu cốt composite 2.1 Vật liệu và thiết bị polymer thể hiện ở tốc độ gia nhiệt khi vật liệu di Vật liệu: Sợi thủy tinh E-Glass, nhựa Epoxy, chuyển trong ống gia nhiệt. Nhiệt độ gia nhiệt quá - chất đóng rắn (loại khâu mạch polyamin). cao sẽ dẫn đến cháy hoặc bay hơi keo epoxy một cách cục bộ. Nhiệt độ gia nhiệt quá thấp thì vật liệu - Thiết bị: Hệ thống dây chuyền chế tạo vật liệu sẽ mềm vì chưa kịp đóng rắn. Ống gia nhiệt của cốt thủy tinh composite tại Viện Khoa học Công thiết bị hiện tại dài 12m gồm ba phân đoạn gia nhiệt nghệ Xây dựng [7]. Hình 1. Hệ thống gia nhiệt trong chế tạo vật liệu cốt composite polymer tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng 2.2 Phương pháp nghiên cứu o độ đóng rắn thân lõi - X2 ( C), nhiệt độ ổn định kết o 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết cấu - X3 ( C). Hàm hồi quy Y được chọn là ứng suất Theo yêu cầu của bài toán, các yếu tố đầu vào kéo của vật liệu. Hàm mục tiêu có dạng: được chọn ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của vật YX,X,X 1 2 3 . Ứng suất kéo phải tiến đến giá trị o lớn nhất trong khi điều chỉnh các yếu tố công nghệ liệu gồm: nhiệt độ đóng rắn bề mặt - X1 ( C), nhiệt Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 49
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG X1, X2 và X3 [3]. Khi đó phương trình hồi quy cấp II có dạng:  Y b0 bX 11 bX 22 bX+bXX+bXX+bXX+ 33 1212 2323 1313 2 2 2 (1) b11 X 1 b 22 X 2 b 33 X 3 Phương án quy hoạch thực nghiệm trực giao 2 N.2 k 2 2 k 1 (2) cấp II được dùng để xác định giá trị tối ưu của hàm Từ đó tính được: 2 1,831 1,35 mục tiêu với số lượng yếu tố công nghệ k=3, thì số Để ma trận thực nghiệm có thể trực giao ta đổi thí nghiệm ở phương án trực giao toàn phần là 2 ’ k biến Xj thành các biến phụ Xj được tính theo công 2 =8, số thí nghiệm thực hiện tại tâm n0=3, số thí thức: nghiệm thực hiện ở điểm sao (*) trên trục tọa độ k 2 2k=6. Như vậy tổng số thí nghiệm phải làm là 22 2 2 k X j X j X j 0,686 (3) N=2 +2k+n0=17. Điểm sao là điểm cách tâm thực N một khoảng bằng gọi là cánh tay đòn và được Các mức các yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức tính theo công thức: dưới, mức (*) được thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Mức các yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II Các yếu tố ảnh hưởng Các mức Nhiệt độ đóng rắn Nhiệt độ đóng rắn Nhiệt độ ổn định X X X bề mặt - 1 ( oC) thân lõi - 2 ( oC) kết cấu - 3 (oC) Mức trên (+1) 85 115 123 Mức cơ sở (0) 80 110 120 Mức dưới (-1) 75 105 118 Khoảng biến thiên 5 5 3 Alpha (cánh tay đòn) +/- 1,35 +/- 1,35 +/- 1,35 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Mục tiêu thực nghiệm này là xác định các giá trị nhiệt độ tối ưu trong ống gia nhiệt [4]. Các thông số thí nghiệm như bảng 2. Bảng 2. Thông số kỹ thuật cơ bản trong thực nghiệm TT Thông số kỹ thuật Giá trị 1 Tỷ lệ trộn sợi thủy tinh, nhựa epoxy 65/35 3 Tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 % 4 Tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,915 m/ph 5 Quan hệ số bó sợi và đường kính vật liệu cốt composite polymer 10 bó sợi 6 Đường kính lỗ hình trụ 10 7 Chiều dài ống gia nhiệt 12000 mm 8 Phương pháp gia nhiệt Tự động 9 Tốc độ di chuyển của vật liệu cốt composite polymer trong ống gia nhiệt 1 m/ph 10 Công suất mô tơ 1,1 kW Giai đoạn hóa cứng nhanh trong ống gia nhiệt. nhiệt dày 5 mm được bọc bên ngoài vòng gia nhiệt Phương pháp gia nhiệt được sử dụng là phương để tránh thất thoát nhiệt ra bên ngoài. Nhiệt độ pháp gia nhiệt liên tục tự động trong từng khoang. được điều khiển bằng thiết bị điều khiển OMROM Gia nhiệt bằng các vòng dây điện trở. Bên ngoài EN5CN, độ chính xác ± 0,10C. vòng dây điện trở được bọc hai lớp cách nhiệt bằng 3. Thực nghiệm amiang dày 2 mm. Sau đó được cố định bằng các Sau khi mã hóa các biến và tiến hành thí tấm inox SUS 314. Lớp bảo ôn bằng bông cách nghiệm, kết quả thực nghiệm như bảng 3. 50 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng 3. Ma trận thực nghiệm trực giao cấp II Ứng suất kéo đo Biến mã Biến phụ 2 N được (N/mm ) 2 2 2 X1 X2 X3 X1 -0,686 X2 -0,686 X3 -0,686 Y 1 1 1 1 0,314 0,314 0,314 675 2 1 1 -1 0,314 0,314 0,314 663 3 1 -1 1 0,314 0,314 0,314 658 4 1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 639 2k 5 -1 1 1 0,314 0,314 0,314 685 6 -1 1 -1 0,314 0,314 0,314 641 7 -1 -1 1 0,314 0,314 0,314 682 8 -1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 687 9 -1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 694 10 1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 657 11 0 -1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 681 2k 12 0 1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 663 13 0 0 -1,35 -0,686 -0,686 1,1365 649 14 0 0 1,35 -0,686 -0,686 1,1365 652 15 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 641 no 16 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 645 17 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 647 Các số liệu được xử lý bằng phần mềm MS có nghĩa của các hệ theo chuẩn Student và sự Excel và phần mềm mô phỏng SciLab nhằm phân tương thích của các phương trình hồi quy so với tích các hệ số của phương trình hồi quy cấp II, bề thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher [5,6]. Kết quả mặt đáp ứng và tối ưu hóa hàm hồi quy. Kiểm tra sự chúng tôi thu được hàm hồi quy như sau:  Y 674,88 5,8X1 1,21X 2 6,15X 3 1,47X 2 X 3 2 2 2 (4) 1,755X1 3,175X 2 31,952X 3 Ứng suất kéo của vật liệu cốt composite hình 4. Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy cho thấy polymer được mô tả bởi phương trình (4). Phương thấy giá trị cao nhất nằm tại vị trí uốn cong của bề trình này thể hiện sự ảnh hưởng của các yếu tố mặt. công nghệ lên ứng suất kéo của vật liệu. - Phương trình (4) cho thấy yếu tố X2 có tác 4. Kết quả và thảo luận động lớn nhất đến hàm hồi quy, hay nhiệt độ đóng Trong quy hoạch trực giao cấp II ba yếu tố cần rắn thân lõi ảnh hưởng lớn đến ứng suất kéo của xét lần lượt mức độ ảnh hưởng của tương tác cặp vật liệu. Hai yếu tố còn lại ảnh hưởng ít hơn, do đó đôi giữa hai yếu tố lên hàm hồi quy để xác định giá dẫn đến xuất hiện tối ưu của giá trị hàm hồi quy tại trị tối ưu. Ảnh hưởng của tương tác cặp đôi giữa giá trị X1 = 1,652, X3= 1,575 (hình 4c, 4d) tương ứng các yếu tố (khi yếu tố còn lại giữ ở mức trung tâm) với giá trị thực nhiệt độ đóng rắn bề mặt đạt lên ứng suất kéo thể hiện trên bề mặt đáp ứng như 88,260C và nhiệt độ ổn định kết cấu đạt 124,7 0C. a) b) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 51
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG c) d) e) f) Hình 4. Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy - Giá trị tối ưu X1, X3 như hình 4c, 4d thu được đã giá trị tối ưu thì giá trị hàm hồi quy có xu hướng tăng khi nằm ngoài vùng khảo sát, thậm chí vượt mức sao X2 tăng từ mức trung tâm (0) đến mức sao (+1,35). Để (+1,35) khi X2 mức trung tâm. Nên để tìm giá trị tối ưu tìm giá trị tối ưu cho yếu tố X2 chúng tôi tiếp tục thực cho biến X2 về mặt lý thuyết cần xét giá trị X1, X3 trong nghiệm thay đổi dải nhiệt độ đóng rắn thân lõi X2 với khoảng từ mức sao (+1,35) đến giá trị tối ưu. Hình bước nhảy 10C tính từ tâm khảo sát. Giá trị thực 4a,b,e,f cho thấy khi X1, X3 tăng từ mức sao (+1,35) đến nghiệm ứng suất kéo được thể hiện như hình 5. Hình 5. Mối quan hệ giữa nhiệt độ đóng rắn thân lõi và ứng suất kéo của vật liệu khi nhiệt độ đóng rắn bề mặt và nhiệt độ ổn định kết cấu ở mức tối ưu 52 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Kết quả thu được trên hình 5 cho thấy tại nhiệt tử quét bề mặt (SEM) các mẫu vật liệu cốt 0 độ đóng rắn thân lõi đạt 113 C (tức biến mã X2 = composite polymer ở các chế độ công nghệ tối ưu 0,6) thì ứng suất kéo đạt giá trị cao nhất đạt 701,5 cho thấy các sợi thủy tinh phân bố và hòa quyện với N/mm2. Để kiểm tra tính phù hợp của các thông số lớp keo epoxy đồng đều như được trình bày trên tối ưu tìm được theo phương trình hồi qui và từ hình 6. Hình ảnh chụp hiển vi điện tử quét cũng cho thực nghiệm, thay các giá trị tối ưu của yếu tố vào thấy sự xếp chặt giữa các sợi thủy tinh. Các sợi này phương trình hồi qui (4), ta được: Y 687,77 được liên kết với nhau theo chiều dọc và gần như N/mm2. Kết quả thu được trong thực tế giá trị ứng tiếp xúc theo một đường tiếp tuyến. Sự sắp xếp này suất kéo 701,5 N/mm2 sai lệch với lý thuyết tối ưu gần đạt mức độ lý tưởng, tức là không tồn tại các (687,77) xấp xỉ 2%. Độ sai lệch giữa lý thuyết và vùng khuyết tật chứa đầy nhựa epoxy. Điều đó thực tế là tương đối phù hợp. chứng tỏ chế độ nhiệt độ trong quá trình hóa cứng Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện trong ống gia nhiệt đã đạt đến mức hoàn thiện. Hình 6. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu cốt composite polymer ở điều kiện tối ưu tại nhiệt độ đóng rắn bề mặt 88,260C, nhiệt độ đóng rắn thân lõi 1130C, nhiệt độ ổn định kết cấu 124,70C 5. Kết luận [2] Nguyễn Huy Tùng (2010), Hóa lý polymer, Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polymer, Đại học Bách khoa Hà Nội. - Nhiệt độ đóng rắn trong ống gia nhiệt được tối [3] Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, ưu cả ba giai đoạn: nhiệt độ đóng rắn bề mặt tại Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 88,260C, nhiệt độ đóng rắn thân lõi tại 1130C, nhiệt độ ổn định kết cấu tại 124,70C. Mức nhiệt độ tối ưu [4] Nguyễn Trâm (2012), Hội nghị Khoa học Vật liệu, kết cấu và công nghệ xây dựng, “Về vật liệu xây dựng mới này được áp dụng cho mẫu vật liệu cốt composite - chất dẻo cốt sợi Composite FRP”, Trường Đại học polymer đường kính 10 cho sản phẩm đạt ứng Kiến trúc Hà Nội, tr 212-215. suất kéo đạt 701,5 N/mm2 cao gấp 2 lần thép [5] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực nghiệm CB240-T (CI) cùng đường kính. trong kỹ thuật, NXB Khoa học và Kỹ Thuật. - Kết quả nghiên cứu này thu được dựa trên [6] Montgomery, Douglas C., Design and Analysis of những kết quả của các nghiên cứu trước giúp hoàn Experiments (4th edition), New York John Wiley &Sons. thiện gần như hoàn chỉnh công nghệ chế tạo vật [7] Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (2014), Báo cáo liệu cốt composite polymer tại Việt Nam. tổng kết đề tài Nghiên cứu chế tạo dây chuyền sản TÀI LIỆU THAM KHẢO xuất thanh composit sợi thủy tinh dùng để thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép, Hà Nội. [1] Hoàng Xuân Lượng (2003), Cơ học vật liệu Ngày nhận bài: 19/12/2016. composite, Nhà Xuất bản Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội. Ngày nhận bài sửa lần cuối:28/12/2016. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 53