Tối ưu hóa các yếu tố công nghệ trong chế tạo vật liệu cốt Composite Polymer

Nội dung text: Tối ưu hóa các yếu tố công nghệ trong chế tạo vật liệu cốt Composite Polymer

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG TỐI ƯU HÓA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TRONG CHẾ TẠO VẬT LIỆU CỐT 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: Vật liệu cốt composite polymer có ưu Như vậy ba yếu tố công nghệ chính là tỷ lệ chất thế vượt trội là ứng suất kéo cao hơn thép truyền đóng rắn, tốc độ kéo sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng thống đến 1,5-2 lần, nhẹ hơn đến 5 lần, do đó có rắn. Các yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn đến chất thể dùng cho các công trình có yêu cầu đặc biệt. lượng của thanh cốt composite polymer. Chất lượng Mục tiêu nghiên cứu này là tối ưu hóa các yếu tố thanh thép được thể hiện thông qua đặc tính cơ lý công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật nói chung của sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là ứng liệu. Từ đó từng bước làm chủ công nghệ lõi và làm suất kéo. Như vậy chế độ công nghệ tối ưu sẽ là chủ hoàn toàn hệ thống dây chuyền sản xuất thép chế độ cho phép thu được ứng suất kéo cao nhất, cốt composite polymer tại Việt Nam. tức là tổ hợp của ba yếu tố công nghệ (tỉ lệ đóng rắn, tốc độ kéo và nhiệt độ đóng rắn) sao cho ứng 1. Mở đầu suất kéo đạt giá trị max. Chế độ công nghệ tối ưu Vật liệu sợi thủy tinh trong công nghệ chế tạo được nghiên cứu bằng mô hình quy hoạch thực thanh cốt composite polymer được nghiên cứu lựa nghiệm ba yếu tố: tỷ lệ chất đóng rắn, tốc độ kéo chọn là sợi E-Glass Tỷ lệ sợi thủy tinh trong thành sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng rắn trong ống gia phần cốt composite polymer trong trên thế giới phổ nhiệt trong tương quan của hàm mục tiêu là ứng biến ở mức 60-75%. Trong công nghệ này, các sợi suất kéo của thanh cốt composite polymer. thủy tinh được nhúng thấm đẫm nhựa epoxy. Một 2.Vật liệu và phương pháp nghiên cứu lượng chất đóng rắn được bổ sung vào mẻ liệu sao cho thời gian đông cứng phù hợp với các giai đoạn 2.1 Vật liệu và thiết bị tiếp theo. Do đó, việc nghiên cứu tỷ lệ chất đóng rắn  Vật liệu trong quá trình chế tạo vô cùng quan trọng. Chất - Sợi thủy tinh E-Glass; lượng thanh cốt composite polymer còn phụ thuộc vào tốc độ kéo sợi qua một buồng gia nhiệt dài. Tốc - Nhựa Epoxy; độ chậm sẽ không đảm bảo năng suất. Ngược lại, - Chất đóng rắn. nếu tốc độ kéo nhanh thì quá trình đóng rắn chỉ xảy  Thiết bị ra trên lớp bề mặt. Nhiệt độ trong ống gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trong suốt quá trình đóng Hệ thống dây chuyền sản xuất thanh cốt rắn của thanh cốt composite polymer. Nếu gia nhiệt composite polymer tại Viện Khoa học Công nghệ quá cao sẽ dẫn đến cháy hoặc bay hơi keo epoxy Xây dựng (Hệ thống dây chuyền là kết quả nghiên một cách cục bộ. Nếu gia nhiệt quá thấp thì thanh cứu của đề tài cơ sở cấp Viện tại Viện Khoa học thép composit sẽ mềm vì chưa kịp đóng rắn [1,2]. Công nghệ Xây dựng nghiệm thu tháng 6-2014). Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 37
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 1. Hệ thống dây chuyền sản xuất thanh cốt composite polymer 2.2 Phương pháp nghiên cứu a. Nghiên cứu lý thuyết Theo yêu cầu của bài toán, các yếu tố đầu vào được chọn ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của vật liệu o gồm: tỷ lệ chất đóng rắn - X1 (%), tốc độ kéo sợi thủy tinh - X2 (m/ph), nhiệt độ đóng rắn - X3 ( C). Hàm hồi quy được chọn là ứng suất kéo của vật liệu. X - Chất đóng rắn(% ) Dây chuyền công 1 nghệ chế tạo X - Tốc độ kéo sợi thủy tinh(m/p) thanh cốt 2 2 composite Ứng suất kéo (N/mm ) o polymer X3 - Nhiệt độ đóng rắn ( C) Hình 2. Mô hình qui hoạch thực nghiệm chế tạo cốt composite polymer Để mô tả quá trình thực nghiệm tương thích Ymax max Y X,X ,X bằng những mặt phi tuyến, chúng tôi tiến hành 1 2 3 qui hoạch thực nghiệm cấp II nhằm cung cấp tối đa các thông tin để người nghiên cứu đạt được b.Nghiên cứu thực nghiệm kết quả tốt nhất nhanh nhất và tiết kiệm nhất. Phương án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp Sơ đồ công nghệ chế tạo cốt composite polymer II được dùng để xác định giá trị tối ưu của hàm tổng quát mục tiêu. Hàm mục tiêu có dạng: YX,X,X 1 2 3 . Ứng suất kéo phải tiến đến giá Chế tạo cốt composite polymer từ sợi thủy tinh trị Max trong khi điều chỉnh các yếu tố công nghệ E-Glass và nhựa Epoxy bao gồm ba công đoạn X1, X2 và X3 [3]. Do đó dẫn đến việc giải bài toán tối ưu: xác định cực trị của hàm mục tiêu: chính như hình 3: 38 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 3. Sơ đồ công nghệ tổng quát chế tạo thanh thép thủy tinh Mô tả công nghệ: epoxy sẽ được đóng rắn ở nhiệt độ thường (25- 35C) và kéo dài vài ngày. Việc đóng rắn chậm Công nghệ chế tạo cốt composite polymer là thường áp dụng với các loại bình bể kích thước lớn, công nghệ kéo liên tục các bó sợi thủy tinh đã tẩm vì không thể chế tạo các buồng gia nhiệt lớn. Tuy epoxy qua một dây chuyền công nghệ chuyên dụng. nhiên, thanh cốt composite polymer là một vật có Trong thực nghiệm này, các mẫu thanh cốt kích thước nhỏ theo mặt cắt ngang. Vì vậy có thể composit polymer có đường kính 10, được chế kéo nó qua một ống gia nhiệt nhỏ, nhưng đủ dài. tạo qua 3 giai đoạn: Như thế ta có thể tiến hành hóa cứng nhanh epoxy. Giai đoạn 1: Hòa trộn nhựa epoxy với sợi Chế độ hóa cứng được điều chỉnh bởi nhiệt độ của thủy tinh. Để chế tạo cốt composit polymer 10 ống gia nhiệt và thời gian mà thanh cốt thủy tinh còn cần 10 cuộn phôi sợi thủy tinh được phân phôi bằng mềm dẻo được di chuyển trong lòng ống gia nhiệt. bánh xích và lô kéo sợi. Sợi thủy tinh được thấm Tốc độ kéo bó sợi trong ống gia nhiệt quyết định đẫm keo nhựa trong thùng chứa keo epoxy có pha thời gian hóa cứng. trộn chất đóng rắn với tỉ lệ có thể điều chỉnh được. 3. Thực nghiệm Giai đoạn 2: Định hình về kích thước. Để 3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của quá trình định hình kích thước thanh thép đường kính 10, thực nghiệm thực nghiệm của chúng tôi sử dụng khuôn định hình có dạng lỗ hình trụ đường kính từ 10. Khuôn định Mục tiêu thực nghiệm này là xác định tỷ lệ chất hình dạng trụ có độ dài 50mm. đóng rắn trong thùng chứa keo epoxy, tốc độ kéo Giai đoạn 3: Hóa cứng nhanh trong ống gia sợi thủy tinh đi qua thùng chứa keo và nhiệt độ nhiệt. Công nghệ composit có sử dụng epoxy đóng rắn trong ống gia nhiệt [4]. Các thông số thí thường được đóng rắn chậm. Có nghĩa là màng nghiệm như bảng 1. Bảng 1. 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 Quan hệ số bó sợi và đường kính thanh composit sợi thủy tinh 10 bó sợi 4 Đường kính lỗ hình trụ 10 5 Chiều dài ống gia nhiệt 12000 mm 6 Phương pháp gia nhiệt Tự động 7 Tốc độ di chuyển của thanh composit trong ống gia nhiệt 1 m/ph 8 Công suất mô tơ 1,1 kW 3.2 Mô hình hóa bài toán theo quy hoạch trực Để xây dựng mô tả toán học cho quá trình chế giao cấp II tạo vật liệu cốt composit polymer từ các nghiên cứu Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 39
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG lý thuyết, các thí nghiệm thăm dò và kết quả quy 2 N.2 k 2 2 k 1 (1) hoạch thực nghiệm trực giao cấp I chúng tôi tiếp tục Từ đó tính được: 2 1,831 1,35 tiến hành qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp II. Với số lượng yếu tố công nghệ k=3, thì số thí Để ma trận thực nghiệm có thể trực giao ta đổi k 2 ’ nghiệm ở phương án trực giao toàn phần là 2 =8, biến Xj thành các biến phụ Xj được tính theo công số thí nghiệm thực hiện tại tâm n0=3, số thí nghiệm thức: thực hiện ở điểm sao (*) trên trục tọa độ 2k=6. Như 2k 2 2 vậy tổng số thí nghiệm phải làm trong phương án 2 2 X j X j X j 0,686 (2) k N trục giao cấp II là N=2 +2k+n0=17. Điểm sao là điểm cách tâm thực một khoảng bằng gọi là cánh tay Các mức yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức đòn và được tính theo công thức: dư ới, mức (*) được thể hiện ở bảng 2. Bảng 2. Mức các yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II Các yếu tố ảnh hưởng Tốc độ kéo Các mức Tỷ lệ chất đóng rắn X1 ( Nhiệt độ đóng rắn sợi thủy tinh o %) X3 ( C) X2 (m/ph) Mức trên (+1) 12 1,2 150 Mức cơ sở (0) 10 1 125 Mức dưới (-1) 8 0,8 100 Khoảng biến thiên 2 0,2 25 Alpha (cánh tay đòn) +/- 1,35 +/- 1,35 +/- 1,35 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 (3) b11 X 1 b 22 X 2 b 33 X 3 Sau khi mã hóa các biến và tiến hành thí nghiệm, kết quả thực nghiệm như bảng 3. Bảng 3. Ma trận thực nghiệm trực giao cấp II Ứng suất kéo Biến mã Biến phụ đo được N 2 (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 0,314 545 2 1 1 -1 0,314 0,314 0,314 564 3 1 -1 1 0,314 0,314 0,314 541 4 1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 530 2k 5 -1 1 1 0,314 0,314 0,314 541 6 -1 1 -1 0,314 0,314 0,314 531 7 -1 -1 1 0,314 0,314 0,314 539 8 -1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 558 9 -1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 561 10 1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 554 11 0 -1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 535 2k 12 0 1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 552 13 0 0 -1,35 -0,686 -0,686 1,1365 524 14 0 0 1,35 -0,686 -0,686 1,1365 549 15 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 544 no 16 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 546 17 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 545 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: 40 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG  Y 544,64 1,4X1 1,06X 2 3,69X 3 3,7XX 1 2 2 2 2 (4) 4,59X1 0,92X 2 3,69X 3 Ứng suất kéo của thanh cốt composit polymer cao nhất nằm ở vùng màu đỏ đậm nhất tại vị trí uốn được mô tả bởi phương trình (4). Phương trình này cong của bề mặt. thể hiện sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ - Phương trình (4) cho thấy yếu tố X1 - % chất lên ứng suất kéo của vật liệu. đóng rắn có tác động lớn nhất đến hàm hồi quy, hay 4. Kết quả và thảo luận tỉ lệ chất đóng rắn ảnh hưởng lớn đến ứng suất kéo của thanh cốt composit polymer. Hai yếu tố còn lại Để tìm được các giá trị tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng ít hơn, do đó dẫn đến xuất hiện tối ưu công nghệ cần xét lần lượt mức độ ảnh hưởng của của giá trị hàm hồi quy tại giá trị X2=-0,576, X3=-0,5 tương tác cặp đôi giữa hai yếu tố lên hàm hồi quy. (hình 4a, 4b) tương ứng với giá trị thực tốc độ kéo Ảnh hưởng của tương tác cặp đôi giữa các yếu tố sợi thủy tinh là 0,46 m/ph và nhiệt độ gia nhiệt đạt (khi yếu tố còn lại giữ ở mức trung tâm) lên ứng 112,5 0C. Như vậy dễ dàng tìm được giá trị tối ưu suất kéo thể hiện trên bề mặt đáp ứng như hình 4. của yếu tố X2 - Tốc độ kéo sợi thủy tinh và X3 - Nhiệt Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy cho thấy giá trị độ đóng rắn. a) b) c) d) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 41
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG e) f) Hình 4. Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy - Hình 4c,d,e,f cho thấy khi nhiệt độ tăng trong lại chúng tôi tiếp tục thực nghiệm thay đổi tỉ lệ chất vùng khảo sát từ -1 đến 1 và hai yếu tố còn lại ở đóng rắn với bước nhảy 0,5% tính từ tâm khảo sát. mức tối ưu thì giá trị hàm hồi quy có xu hướng tăng Giá trị thực nghiệm ứng suất kéo được thể hiện như chậm. Để tìm giá trị tối ưu cho yếu tố công nghệ còn hình 5. Hình 5. Mối quan hệ giữa tỉ lệ chất đóng rắn và ứng suất kéo của vật liệu khi tốc độ kéo sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng rắn ở mức tối ưu Kết quả thu được trên hình 5 cho thấy với lệch với lý thuyết tối ưu (545,97) khoảng 1,3%. Độ 10,5% chất đóng rắn (tức biến mã X1 = 0,25) thì sai lệch giữa lý thuyết và thực tế là tương đối phù ứng suất kéo đạt giá trị cao nhất đạt 553,1 N/mm2. hợp. Để kiểm tra tính phù hợp của các thông số tối ưu Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử tìm được theo phương trình hồi qui và từ thực quét bề mặt (SEM) các mẫu thanh cốt composit nghiệm, thay các giá trị tối ưu của yếu tố đầu vào X1 polymer ở các chế độ công nghệ tối ưu cho thấy = 0,25, X2 = -0,576, X3 vào phương trình hồi qui (4), ta được: Y 545,97 N/mm2. Kết quả thu được các sợi thủy tinh phân bố và hòa quyện với lớp keo trong thực tế giá trị ứng suất kéo 553,1 N/mm2 sai epoxy đồng đều như được trình bày trên hình 6. 42 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 6. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của thanh cốt composit polymer ở điều kiện tối ưu với tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 0C 5. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực [1]. Hoàng Xuân Lượng (2003), Cơ học vật liệu giao cấp II đã tìm được giá trị tối ưu của các yếu tố composite, Nhà Xuất bản Học viện Kỹ thuật Quân công nghệ trong chế tạo thanh cốt composit sự, Hà Nội. polymer: tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi 0 [2]. Nguyễn Huy Tùng (2010), Hóa lý polymer, thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 C. Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polymer, Đại học Các kết quả tối ưu này đã được sử dụng chế tạo Bách khoa Hà Nội. thực nghiệm các thanh cốt composit polymer có 2 ứng suất kéo khá cao là 553,1 N/mm . Giá trị ứng [3]. Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực suất kéo này lớn hơn 1,5 lần thép CB240-T (CI) nghiệm, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. cùng đường kính. [4] Nguyễn Trâm (2012), Hội nghị Khoa học Vật liệu, - Dây chuyền công nghệ chế tạo các thanh cốt kết cấu và công nghệ xây dựng, “Về vật liệu xây composit polymer nên được thiết kế, điều chỉnh dựng mới - chất dẻo cốt sợi Composite FRP”, trong phạm vi các thông số công nghệ tối ưu nêu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, tr 212-215. trên. Từ đó có thể dần dần làm chủ công nghệ chế [5]. Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực tạo hệ thống dây chuyền thiết bị, cũng như làm chủ nghiệm trong kỹ thuật, Nhà Xuất bản Khoa học công nghệ chế tạo vật liệu cốt composit polymer và Kỹ Thuật. trên cơ sở sử dụng các dây chuyền thiết bị hoàn toàn nội địa hóa đó. Điều đó cũng cho phép mở ra [6]. Montgomery, Douglas C., Design and Analysis th hướng nghiên cứu hoàn thiện công nghệ hơn nữa of Experiments (4 edition), New York John để tăng khả năng ứng dụng của loại vật liệu mới Wiley & Sons. này trong các công trình thủy lợi, công trình biển, đê Ngày nhận bài:15/8/2016. kè, hầm ngầm, bến cảng, và trong các công trình Ngày nhận bài sửa lần cuối:10/10/2016. xây dựng đặc thù khác. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 43