nghiÊn cỨu Ảnh hƯỞng cỦa ĐiỀu kiỆn chẾ tẠo ĐẾn ĐỘ...

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT LỚP GELCOAT TRONG KẾT CẤU COMPOSITE

STUDY ON THE MANUFACTURING CONDITIONS TO ROUGHNESS OF GELCOAT SURFACEIN COMPOSITE STRUCTURES

Phạm Thanh Nhựt1

Ngày nhận bài: 03/9/2014; N gày phản biện thông qua: 03/10/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015

TÓM TẮT Lớp gelcoat được chế tạo nhằm cải thiện một số tính chất bề mặt cho các kết cấu composite. Tuy nhiên, nếu điều kiện

chế tạo không phù hợp thì lớp này có thể bị rỗ, co và nhăn. Hiện tượng này ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm như độ bền, tính thẩm mỹ,… Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá hiện rỗ bề mặt lớp gelcoat là rất cần thiết. Ba yếu tố đầu vào (biến độc lập) để xét điều kiện chế tạo bao gồm nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất đóng rắn và lưu lượng phun. Yếu tố đầu ra (biến phụ thuộc) nhằm đánh giá chất lượng bề mặt là hai thông số độ nhám bề mặt được sử dụng phổ biến: sai lệch trung bình số học của biên dạng (Ra) và chiều cao mấp mô trung bình (Rz). Khảo sát thực nghiệm và phân tích mô hình hồi quy đa biến được áp dụng trong nghiên cứu này.

Từ khóa: gelcoat, bề mặt, độ nhám, hồi quy đa biến

ABSTRACT Gelcoat layer is designed to improve the surface properties of composite structures. However, the surface can occur a

shrinkage, roughness or wrinkle if manufacturing conditions are not good. This phenomenon affects the quality of products (strength, aesthetics, etc.). Therefore, investigation and evaluation of roughness phenomenon of gelcoat layer is necessary. Three input factors (independent variables) for manufacturing conditions are temperature, hardener fraction and spraying fl ow. Output factors (dependent variables) for evaluation of surface quality are arithmetic mean value of roughness (Ra) and mean height of profi le irregularities of roughness (Rz). Experimental investigation and multiple regression analysis are used in this study.

Keywords: gelcoat, surface, roughness, multiple regression

1 TS. Phạm Thanh Nhựt: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀGelcoat là một loại nhựa polyester đặc biệt

với các thành phần xúc biến nhằm tăng độ nhớt và chống lún. Đây là một trong những thành phần quan trọng của vật liệu composite, quyết định đến khả năng sử dụng, độ bền, đẹp của sản phẩm. Gelcoat có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng khá ng nướ c, chị u thờ i tiế t, khả năng chố ng hầ u hà, tạ o mà ng bó ng đẹ p, chịu bức xạ mặt trời, kháng hóa chất, dễ tạo màu sắc theo ý muốn,… [5]. Nó được ứng dụng làm lớp bề mặt cho nhiều sản phẩm composite sử dụng trong hàng không, hàng hải, thể thao, nội thất,…

Trong công nghệ chế tạo composite dạng tiếp xúc khuôn, lớp gelcoat được trát đầu tiên lên bề mặt khuôn. Về mặt lý thuyết, sau khi tách khuôn, độ nhám bề mặt lớp gelcoat gần tương đương với bề mặt khuôn. Tuy nhiên, thực tế, việc phủ gelcoat lên bề mặt của vật liệu composite sao cho hợp lý, sản phẩm đạt được chất lượng tốt, đảm bảo tính năng khi sử dụng không phải là vấn đề đơn giản. Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tay nghề công nhân, các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm,… hoặc một số yếu tố công nghệ khác trong quá trình chế tạo như hàm lượng chất đông rắn, lưu lượng phun,…


44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Tùy theo các điều kiện khác nhau mà sau khi hình thành, trên bề mặt lớp gelcoat có thể xuất hiện các vết nứt, nhăn, rỗ ở dạng vĩ mô (có thể quan sát bằng mắt thường) hoặc dạng rỗ vi mô. Trong nghiên cứu này, các mẫu gelcoat được chế tạo bằng phương pháp phun nên một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng của chúng đó chính là độ nhám bề mặt dạng vi mô.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về nguyên nhân và cách khắc phục hiện tượng rỗ bề mặt lớp gelcoat ở cả dạng vĩ mô (nhìn thấy bằng mắt thường) và vi mô [1], [3]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của cấu trúc các lớp bên trong đến chất lượng bề mặt lớp gelcoat theo các phương pháp chế tạo mẫu khác nhau. Trong nghiên cứu này, các yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ngay trong quá trình hình thành lớp gelcoat được xem xét, đó là nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất đóng rắn và lưu lượng phun.

II. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

1. Đối tượng nghiên cứuĐộ nhám bề mặt lớp gelcoat được khảo sát, đo

đạc và đánh giá theo hai thông số: + Sai lệch trung bình số học của biên dạng (Ra);+ Chiều cao mấp mô trung bình (Rz).Gelcoat có xuất xứ từ Hàn Quốc với các đặc

tính cơ bản được thể hiện ở bảng 1. Chất đóng rắn được sử dụng là loại MEKP-925 (Methyl ethyl ketone peroxide). Khuôn để chế tạo các mẫu gelcoat là tấm kính 10x10x0.5cm, có độ nhám bề mặt Ra = 0.1mm và Rz = 1.2mm; bao gồm 9 khuôn đảm bảo đủ cho một lượt chế tạo. Thiết bị phun (súng phun) tương tự như súng phun sơn thông thường nhưng áp lực phun được điều chỉnh trong khoảng 6 – 7 bar. Hai thông số độ nhám bề mặt được đo trên kính hiển vi đồng tiêu chuyên dụng KEYENCE tại phòng Thí nghiệm vật liệu và kết cấu composite, Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc.

Bảng 1. Đặc tính cơ bản của gelcoat*

Thông số Đơn vị Giá trị

MàuTỷ trọngĐộ nhớt tại 250CThời gian lên gel tại 250CTỷ lệ đóng rắn (MEKP-925)Mô đun YoungHệ số Poisson Hệ số giản nở nhiệt

-g/cm3

poise phút%

MPa-

1/oC

Trắng1.2-1.3120-16012-15

~125000.35

5x10-5

* Số liệu do nhà sản xuất cung cấp

2. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở lý thuyết qui hoạch thực nghiệm,

tiến hành lựa chọn tổng số mẫu cần thiết. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo bằng súng phun trên bề mặt khuôn, với sự thay đổi của các điều kiện chế tạo là nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T(0C), hàm lượng chất đóng rắn dùng để pha trộn với gelcoat F(%) và lưu lượng phun Q(ml/phút). Các giá trị và hình ảnh độ nhám bề mặt của mẫu Ra, Rz được dùng làm kết quả chính để đánh giá. Bên cạnh đó, các giá trị độ nhám bề mặt cũng được dự báo dựa vào phương trình hồi qui thực nghiệm nhờ phần mềm xử lý thống kê SPSS.

Phương trình hồi quy đa biến dạng tổng quát [2]:

(1)Trong đó:y là các biến phụ thuộc (Ra và Rz).x1, x2,…, xk là các biến độc lập, ở đây ta xét 3

biến độc lập:x1 = nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T, 0C;x2 = hàm lượng chất đóng rắn F, %;x3 = lưu lượng phun Q, ml/phút.

là phần xác định của mô hình bài toán.

bi xác định sự phân bố của các biến độc lập xi. e là sai số ngẫu nhiên.

3. Tổ chức thực nghiệmCác biến độc lập được chia thành các mức xem

xét bố trí thí nghiệm theo điều kiện khí hậu và sản xuất thực tế. Yếu tố nhiệt độ chia theo dãy nhiệt độ đặc trưng của Việt Nam là khoảng 250C - 350C với 3 mức: 250C, 300C và 350C. Yếu tố hàm lượng chất đóng rắn được chia dựa vào khuyến cáo của nhà sản xuất (~1%), cụ thể gồm 3 mức: 0.5%, 1% và 1.5% (vì nếu hàm lượng này quá thấp sẽ mất nhiều thời gian thi công, nếu quá cao sẽ gây khó khăn cho thi công và giảm chất lượng sản phẩm). Yếu tố lưu lượng phun cũng gồm 3 mức 100ml/p, 150ml/p và 200ml/p nhằm phù hợp với dãi nhiệt độ và hàm lượng đóng rắn nêu trên. Như vậy, tổng số mẫu thử nghiệm là N = 33 = 27 mẫu thể hiện ở bảng 2.

27 mẫu gelcoat được chia thành 3 đợt chế tạo, mỗi đợt chế tạo 9 mẫu (hình 1). Dụng cụ chứa gelcoat là cốc nhựa có vạch chia thể tích và chứa chất đóng rắn là xilanh loại 5ml. Lưu lượng phun được đo và vạch dấu sẵn tương ứng với 3 mức trên ốc điều chỉnh gắn trên súng phun.

+ Đợt 1: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 250C, chia thành 3 ngày, mỗi ngày chế tạo 3 mẫu tương ứng với 1 hàm lượng đóng rắn và 3 mức lưu lượng, chiều dày xấp xỉ 0.5mm (vì mỗi lần phun cho 3 mẫu mất khoảng 12-15 phút nên nhiệt độ môi trường



Sau khi chế tạo ít nhất 24 giờ, tiến hành tách mẫu khỏi khuôn, cắt bỏ ba via (kích thước mẫu cần thiết khoảng 40x40mm). Giá trị và hình ảnh về độ nhám bề mặt của mẫu được đo và xuất trên kính hiển vi đồng tiêu laser chuyên dụng KEYENCE. Mỗi mẫu được đo tại 3 vị trí ngẫu nhiên và kết quả cuối cùng là giá trung bình của 3 điểm đo; hình ảnh độ nhám lấy tương ứng với vị trí đo có giá trị gần với giá trị trung bình nhất.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Giá trị độ nhám bề mặtGiá trị trung bình của hai thông số Ra và Rz

được thể hiện ở bảng 3. Để thuận tiện cho việc đánh giá, giá trị độ nhám cũng được thể hiện dưới dạng đồ thị theo từng biến độc lập riêng lẽ (hình 2, 3, 4).

Kết quả cho thấy ở chế độ hàm lượng đóng rắn thấp (0.5%), giá trị độ nhám rất nhỏ, gần tiệm cận với độ nhám của khuôn. Giá trị độ nhám Rz gấp khoảng 9-11 lần độ nhám Ra. Hình 2 thể hiện rằng độ nhám tăng rất ít khi nhiệt độ tăng từ 250C lên 350C, nghĩa là độ nhám bề mặt phụ thuộc không đáng kể vào nhiệt độ môi trường. Ở hình 4, khi lưu lượng phun tăng từ 100ml/p lên 200ml/p thì cả Ra và Rz đều tăng lên khoảng 1.2-1.5 lần. Như vậy, sự phụ thuộc của độ nhám vào lưu lượng phun là rõ ràng hơn. Trong khi đó, hình 3 cho thấy sự phụ thuộc rất mạnh của độ nhám vào hàm lượng đóng rắn. Các giá trị độ nhám gia tăng rất đáng kể (1.9-2.2 lần) khi hàm lượng đóng rắn tăng từ 0.5% lên 1.5%. Tất cả các sự biến thiên của Ra và Rz hầu như tuyến tính theo 3 biến độc lập.

xem như không thay đổi, nhưng nếu chế tạo tiếp 6 mẫu còn lại thì nhiệt độ không còn ở mức 250C nữa).+ Đợt 2: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 300C, quá trình thực hiện tương tự như trên.+ Đợt 3: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là 350C, quá trình thực hiện tương tự như trên.

Bảng 2. Quy hoạch mẫu thí nghiệmF,%

Q,%

Ký hiệu mẫu25oC 30oC 35oC

0.5100 Ge-25-0.5-100 Ge-30-0.5-100 Ge-35-0.5-100150 Ge-25-0.5-150 Ge-30-0.5-150 Ge-35-0.5-150200 Ge-25-0.5-200 Ge-30-0.5-200 Ge-35-0.5-200



Hình 1. Chế tạo mẫu thí nghiệm

Bảng 3. Kết quả đo giá trị độ nhám

F,% Q,ml/pT, 0C

25 30 35Ra Rz Ra Rz Ra Rz

0.5100 0.110 1.215 0.127 1.822 0.170 2.389150 0.193 1.868 0.249 2.870 0.317 2.848200 0.267 2.456 0.318 2.849 0.379 3.335

1100 0.236 2.223 0.284 2.956 0.327 3.298150 0.351 2.541 0.389 3.384 0.432 3.942200 0.423 3.391 0.476 3.853 0.517 4.503

1.5100 0.404 3.443 0.439 3.941 0.508 4.330150 0.515 3.898 0.556 4.416 0.593 5.230200 0.622 4.792 0.684 5.388 0.727 5.916



Hình 2. Sự thay đổi độ nhám theo nhiệt độ

Hình 3. Sự thay đổi độ nhám theo hàm lượng đóng rắn

Hình 4. Sự thay đổi độ nhám theo lưu lượng phun

2. Hình ảnh 3D độ nhám bề mặtCùng với các giá trị Ra và Rz, các hình ảnh dạng

3D với độ phóng đại 500% (5 lần) theo chiều cao mấp mô cũng được xuất bởi thiết bị đo (hình 5). Các hình ảnh 3D đã cho thấy ở chế độ lưu lượng phun Q = 100ml/p, hàm lượng chất đóng rắn F = 0.5% và nhiệt độ bất kỳ, bề mặt của mẫu là khá phẳng và trơn mịn, đặc biệt là tại 250C. Khi điều kiện chế tạo tăng lên mức cao hơn (Q = 150ml/p, F = 1% và nhiệt độ bất kỳ), trên bề mặt bắt đầu xuất hiện một vài khu vực có độ thô ráp cao hơn vì tại các vùng này có sự tích tụ nhiệt cao hơn các vùng khác. Lượng

nhiệt này sinh ra do phản ứng lưu hóa nhựa gelcoat và nó sẽ tăng khi hàm lượng chất đóng rắn và nhiệt độ môi trường tăng. Ở điện kiện chế tạo khắc nghiệt hơn (Q > 150ml/p, F > 1% và T > 250C), sự thô ráp thể hiện càng rõ hơn với diện tích hầu như lan rộng khắp bề mặt. Các vết lõm lớn cũng bắt đầu xuất hiện với số lượng và độ sâu tăng dần. Bề mặt mẫu gần như bị phá hủy vi mô khi F và T lớn nhất. So với một kết quả nghiên cứu tương tự nhưng mẫu được chế tạo bằng phương pháp quét cọ [5] thì sự phá hủy vi mô bề mặt có sự khác nhau (theo [5], có sự xuất hiện các vết rạng nứt với độ sâu lớn hơn).



Q,ml/p

F,%

T, oC25 30 35

100

0.5

1.0

1.5

150

0.5

1.0

1.5

200

0.5

1.0

1.5

45

Hình 5. Sự thay đổi trạng thái bề mặt theo các điều kiện chế tạo khác nhau



3. Xây dựng hàm dự báo kết quảĐể dự báo độ nhám bề mặt ứng với điều kiện

chế tạo cụ thể, hoặc xác định được điều kiện chế tạo ứng với độ nhám cho trước, hàm dự báo được xây dựng trên cơ sở xử lý thống kê bằng phần mềm SPSS (bảng 4). Bảng 4 cho thấy các hệ số tương quan của cả Ra và Rz đều ở mức chặt chẽ và các mức ý nghĩa p đều rất nhỏ (gần như bằng 0) nên

các hệ số bi được chấp nhận nên có thể xây dựng được hàm hồi quy đa biến dạng hàm mũ theo công thức (2), (3). Thay lại các giá trị đầu vào (T, F, Q) vào hàm (2), (3) và so sánh với kết quả đo (Ra, Rz) cho thấy hầu hết sai số là khá nhỏ (<5%), chỉ có 2/27 sai số Ra và 2/27 sai số Rz là lớn hơn 5% (bảng 5), đây có thể xem là vài điểm đột biến và hàm (2), (3) chấp nhận được.

Bảng 4. Kết quả phân tích hồi quy đa biến

Yếu tố

Ra Rz

βi β0 R R2 p βi β0 R R2 p

T 0.1035-1.3708 0.9951 0.9903

0.0000 1.2101-10.6006 0.9885 0.9772

0.0000F 0.3242 0.0000 0.1776 0.0000Q 0.1660 0.0000 2.1891 0.0000

Ra = -1.3708 + 0.1035T1/2 + 0.3242F + 0.166Q1/3 (2) Rz = -10.6006 + 1.2101T1/2 + 0.1776F + 2.1891Q1/3 (3)Hàm (2), (3) cho phép dự đoán được giá trị độ nhám bề mặt khi biết trước điều kiện chế tạo (T, F, Q) và

ngược lại. Thực tế, tùy theo công dụng mà yêu cầu về chất lượng bề mặt là khác nhau. Ví dụ, đối với tàu vỏ composite, yêu cầu về độ trơn láng bề mặt của vách ngăn là khá thấp nhưng của vỏ tàu và cabin là rất cao. Để đáp ứng các yêu cầu khác nhau đó, có thể điều chỉnh T hoặc F hoặc Q hoặc cả ba theo hàm hồi quy này. Trong đó, ảnh hưởng của F đến độ nhám là lớn nhất nên ưu tiên điều chỉnh thông số này.

Bảng 5. Kết quả đánh giá sai số T

0CF%

Qml/p

Sai số Ra, %

Sai số Rz, %

T0C

F%

Qml/p

Sai số Ra, %

Sai số Rz, %

T0C

F%

Qml/p

Sai số Ra, %

Sai số Rz, %

25 0.5 100 28.332 3.879 30 0.5 100 -0.948 4.206 35 0.5 100 -2.120 4.71325 1 100 -2.096 -1.774 30 1 100 -2.224 3.927 35 1 100 -2.665 -2.21325 1.5 100 0.233 2.498 30 1.5 100 -3.058 0.166 35 1.5 100 2.003 -3.13025 0.5 150 1.395 1.662 30 0.5 150 3.744 15.873 35 0.5 150 10.070 -3.42325 1 150 -0.404 -15.368 30 1 150 -3.288 -3.694 35 1 150 -3.516 -2.48725 1.5 150 0.091 -3.285 30 1.5 150 -1.421 -4.247 35 1.5 150 -2.749 1.82425 0.5 200 -4.514 3.518 30 0.5 200 -3.277 -3.443 35 0.5 200 1.367 -4.29225 1 200 -4.294 -2.157 30 1 200 -3.053 -4.896 35 1 200 -3.662 -1.54825 1.5 200 3.010 4.868 30 1.5 200 4.584 4.673 35 1.5 200 3.983 4.205

IV. KẾT LUẬNSự phụ thuộc giá trị độ nhám bề mặt lớp gelcoat Ra, Rz vào hàm lượng chất đóng rắn F là mạnh nhất và

nhiệt độ môi trường T là yếu nhất. Ở điều kiện chế tạo thấp (giá trị T, F, Q thấp), bề mặt lớp gelcoat khá trơn mịn. Khi tăng điều kiện chế tạo thì bề mặt trở nên thô ráp và gần như bị phá hủy vi mô nếu T, F, Q tăng lên mức cao nhất trong dãy thực nghiệm. Độ nhám bề mặt cũng có thể được dự báo trước ứng với điều kiện chế tạo cụ thể hoặc có thể lựa chọn điều kiện chế t ạo để đạt được độ nhám cần thiết thông qua hàm hồi quy đa biến (2) và (3).

TÀI LIỆU THAM KHẢO1. Kuo, Y. M., Lin, H. J., Lee, Y. H., and Lai, W. M., 2011. Study of the decrease in Print-through phenomenon on

Fiber-reinforced plastic material. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 24: 1989-2001.2. Lewis-Beck, M.S., 1993. Regression analysis. International Hanbooks of Quantitive Application in the Social Sciences, Vol. 2.3. Lin, H. J., Lai, W. M., Huang, H. D., and Kuo, Y. M., 2010. Discussion on the cause of Print-through phenomenon of FRP and

several improvement methods. Journal of Composite Materials, 17: 2111-2126. 4. Luc Averous and Gauvin, R., 1998. Surface analysis of phenolic composites obtained by RTM process. Journal of Reinforced

Plastics and Composites, 17: 1167–1184.5. Pham Thanh Nhut, Kim, T. H., and Yum, Y. J., 2012. Experimental investigation and evaluation of print-through phenomenon

of gelcoat layer. Proceedings of the KSPE 2012 Autumn Conference: 549-550.6. Shali, A., Granger, R., and Vergnaud, J.M., 1995. Modelling the cure of a gelcoat fi lm made of unsaturated polyester.

European Polymer Journal, 31: 419–424.

nghiÊn cỨu Ảnh hƯỞng cỦa ĐiỀu kiỆn chẾ tẠo ĐẾn ĐỘ...

Documents