Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến độ nhám bề mặt lớp gelcoat trong kết cấu composite

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 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; Ngày 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 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công nghệ chế tạo composite dạng tiếp Gelcoat là một loại nhựa polyester đặc biệt xúc khuôn, lớp gelcoat được trát đầu tiên lên bề với các thành phần xúc biến nhằm tăng độ nhớt mặt khuôn. Về mặt lý thuyết, sau khi tách khuôn, và chống lún. Đây là một trong những thành phần độ nhám bề mặt lớp gelcoat gần tương đương với quan trọng của vật liệu composite, quyết định đến bề mặt khuôn. Tuy nhiên, thực tế, việc phủ gelcoat khả năng sử dụng, độ bền, đẹp của sản phẩm. lên bề mặt của vật liệu composite sao cho hợp lý, Gelcoat có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng sản phẩm đạt được chất lượng tốt, đảm bảo tính khá ng nướ c, chịu thời tiế t, khả năng chố ng hầ u hà, năng khi sử dụng không phải là vấn đề đơn giản. tạ o mà ng bó ng đẹ p, chịu bức xạ mặt trời, kháng Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tay nghề hóa chất, dễ tạo màu sắc theo ý muốn, [5]. Nó công nhân, các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ được ứng dụng làm lớp bề mặt cho nhiều sản phẩm ẩm, hoặc một số yếu tố công nghệ khác trong composite sử dụng trong hàng không, hàng hải, thể quá trình chế tạo như hàm lượng chất đông rắn, thao, nội thất, lưu lượng phun, 1 TS. Phạm Thanh Nhựt: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Tùy theo các điều kiện khác nhau mà sau khi 2. Phương pháp nghiên cứu hình thành, trên bề mặt lớp gelcoat có thể xuất hiện Trên cơ sở lý thuyết qui hoạch thực nghiệm, các vết nứt, nhăn, rỗ ở dạng vĩ mô (có thể quan tiến hành lựa chọn tổng số mẫu cần thiết. Các mẫu sát bằng mắt thường) hoặc dạng rỗ vi mô. Trong thí nghiệm được chế tạo bằng súng phun trên bề nghiên cứu này, các mẫu gelcoat được chế tạo mặt khuôn, với sự thay đổi của các điều kiện chế bằng phương pháp phun nên một trong những yếu tạo là nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T(0C), tố quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng của hàm lượng chất đóng rắn dùng để pha trộn với chúng đó chính là độ nhám bề mặt dạng vi mô. gelcoat F(%) và lưu lượng phun Q(ml/phút). Các Đã có nhiều công trình nghiên cứu về nguyên giá trị và hình ảnh độ nhám bề mặt của mẫu Ra, nhân và cách khắc phục hiện tượng rỗ bề mặt Rz được dùng làm kết quả chính để đánh giá. Bên lớp gelcoat ở cả dạng vĩ mô (nhìn thấy bằng mắt cạnh đó, các giá trị độ nhám bề mặt cũng được dự thường) và vi mô [1], [3]. Tuy nhiên, các nghiên cứu báo dựa vào phương trình hồi qui thực nghiệm nhờ đó chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của cấu trúc các lớp phần mềm xử lý thống kê SPSS. Phương trình hồi quy đa biến dạng tổng quát [2]: bên trong đến chất lượng bề mặt lớp gelcoat theo các phương pháp chế tạo mẫu khác nhau. Trong (1) nghiên cứu này, các yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến Trong đó: độ nhám bề mặt ngay trong quá trình hình thành lớp y là các biến phụ thuộc (Ra và Rz). gelcoat được xem xét, đó là nhiệt độ môi trường, x1, x2,, xk là các biến độc lập, ở đây ta xét 3 hàm lượng chất đóng rắn và lưu lượng phun. biến độc lập: 0 x1 = nhiệt độ môi trường tại thời điểm phun T, C; II. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU x2 = hàm lượng chất đóng rắn F, %; VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM x3 = lưu lượng phun Q, ml/phút. là phần xác định của 1. Đối tượng nghiên cứu mô hình bài toán. Độ nhám bề mặt lớp gelcoat được khảo sát, đo b xác định sự phân bố của các biến độc lập x. đạc và đánh giá theo hai thông số: i i e là sai số ngẫu nhiên. + Sai lệch trung bình số học của biên dạng (Ra); + Chiều cao mấp mô trung bình (Rz). 3. Tổ chức thực nghiệm Gelcoat có xuất xứ từ Hàn Quốc với các đặc Các biến độc lập được chia thành các mức xem tính cơ bản được thể hiện ở bảng 1. Chất đóng xét bố trí thí nghiệm theo điều kiện khí hậu và sản rắn được sử dụng là loại MEKP-925 (Methyl ethyl xuất thực tế. Yếu tố nhiệt độ chia theo dãy nhiệt độ ketone peroxide). Khuôn để chế tạo các mẫu đặc trưng của Việt Nam là khoảng 250C - 350C với 0 0 0 gelcoat là tấm kính 10x10x0.5cm, có độ nhám bề 3 mức: 25 C, 30 C và 35 C. Yếu tố hàm lượng chất đóng rắn được chia dựa vào khuyến cáo của nhà mặt Ra = 0.1mm và Rz = 1.2mm; bao gồm 9 khuôn đảm bảo đủ cho một lượt chế tạo. Thiết bị phun sản xuất (~1%), cụ thể gồm 3 mức: 0.5%, 1% và (súng phun) tương tự như súng phun sơn thông 1.5% (vì nếu hàm lượng này quá thấp sẽ mất nhiều thường nhưng áp lực phun được điều chỉnh trong thời gian thi công, nếu quá cao sẽ gây khó khăn khoảng 6 – 7 bar. Hai thông số độ nhám bề mặt cho thi công và giảm chất lượng sản phẩm). Yếu tố được đo trên kính hiển vi đồng tiêu chuyên dụng lưu lượng phun cũng gồm 3 mức 100ml/p, 150ml/p KEYENCE tại phòng Thí nghiệm vật liệu và kết cấu và 200ml/p nhằm phù hợp với dãi nhiệt độ và hàm composite, Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc. lượng đóng rắn nêu trên. Như vậy, tổng số mẫu thử nghiệm là N = 33 = 27 mẫu thể hiện ở bảng 2. * Bảng 1. Đặc tính cơ bản của gelcoat 27 mẫu gelcoat được chia thành 3 đợt chế Thông số Đơn vị Giá trị tạo, mỗi đợt chế tạo 9 mẫu (hình 1). Dụng cụ chứa Màu - Trắng gelcoat là cốc nhựa có vạch chia thể tích và chứa Tỷ trọng g/cm3 1.2-1.3 chất đóng rắn là xilanh loại 5ml. Lưu lượng phun Độ nhớt tại 250C poise 120-160 được đo và vạch dấu sẵn tương ứng với 3 mức trên Thời gian lên gel tại 250C phút 12-15 ốc điều chỉnh gắn trên súng phun. Tỷ lệ đóng rắn (MEKP-925) % ~1 + Đợt 1: Chọn thời điểm nhiệt độ môi trường là Mô đun Young MPa 2500 250C, chia thành 3 ngày, mỗi ngày chế tạo 3 mẫu Hệ số Poisson - 0.35 tương ứng với 1 hàm lượng đóng rắn và 3 mức lưu o -5 Hệ số giản nở nhiệt 1/ C 5x10 lượng, chiều dày xấp xỉ 0.5mm (vì mỗi lần phun cho 3 * Số liệu do nhà sản xuất cung cấp mẫu mất khoảng 12-15 phút nên nhiệt độ môi trường 44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 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 nghiệm F, Q, Ký hiệu mẫu % % 25oC 30oC 35oC 100 Ge-25-0.5-100 Ge-30-0.5-100 Ge-35-0.5-100 0.5 150 Ge-25-0.5-150 Ge-30-0.5-150 Ge-35-0.5-150 200 Ge-25-0.5-200 Ge-30-0.5-200 Ge-35-0.5-200 100 Ge-25-1.0-100 Ge-30-1.0-100 Ge-35-1.0-100 1.0 150 Ge-25-1.0-150 Ge-30-1.0-150 Ge-35-1.0-150 200 Ge-25-1.0-200 Ge-30-1.0-200 Ge-35-1.0-200 100 Ge-25-1.5-100 Ge-30-1.5-100 Ge-35-1.5-100 1.5 150 Ge-25-1.5-150 Ge-30-1.5-150 Ge-35-1.5-150 200 Ge-25-1.5-200 Ge-30-1.5-200 Ge-35-1.5-200 Hình 1. Chế tạo mẫu thí nghiệm Sau khi chế tạo ít nhất 24 giờ, tiến hành tách Kết quả cho thấy ở chế độ hàm lượng đóng rắn thấp mẫu khỏi khuôn, cắt bỏ ba via (kích thước mẫu cần (0.5%), giá trị độ nhám rất nhỏ, gần tiệm cận với độ thiết khoảng 40x40mm). Giá trị và hình ảnh về độ nhám của khuôn. Giá trị độ nhám Rz gấp khoảng nhám bề mặt của mẫu được đo và xuất trên kính 9-11 lần độ nhám Ra. Hình 2 thể hiện rằng độ nhám hiển vi đồng tiêu laser chuyên dụng KEYENCE. Mỗi tăng rất ít khi nhiệt độ tăng từ 250C lên 350C, nghĩa mẫu được đo tại 3 vị trí ngẫu nhiên và kết quả cuối là độ nhám bề mặt phụ thuộc không đáng kể vào cùng là giá trung bình của 3 điểm đo; hình ảnh độ nhiệt độ môi trường. Ở hình 4, khi lưu lượng phun nhám lấy tương ứng với vị trí đo có giá trị gần với tăng từ 100ml/p lên 200ml/p thì cả Ra và Rz đều tăng giá trị trung bình nhất. lên khoảng 1.2-1.5 lần. Như vậy, sự phụ thuộc của độ nhám vào lưu lượng phun là rõ ràng hơn. Trong III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN khi đó, hình 3 cho thấy sự phụ thuộc rất mạnh của 1. Giá trị độ nhám bề mặt độ nhám vào hàm lượng đóng rắn. Các giá trị độ Giá trị trung bình của hai thông số Ra và Rz nhám gia tăng rất đáng kể (1.9-2.2 lần) khi hàm được thể hiện ở bảng 3. Để thuận tiện cho việc đánh lượng đóng rắn tăng từ 0.5% lên 1.5%. Tất cả các giá, giá trị độ nhám cũng được thể hiện dưới dạng sự biến thiên của Ra và Rz hầu như tuyến tính theo đồ thị theo từng biến độc lập riêng lẽ (hình 2, 3, 4). 3 biến độc lập. Bảng 3. Kết quả đo giá trị độ nhám T, 0C F,% Q,ml/p 25 30 35 Ra Rz Ra Rz Ra Rz 100 0.110 1.215 0.127 1.822 0.170 2.389 0.5 150 0.193 1.868 0.249 2.870 0.317 2.848 200 0.267 2.456 0.318 2.849 0.379 3.335 100 0.236 2.223 0.284 2.956 0.327 3.298 1 150 0.351 2.541 0.389 3.384 0.432 3.942 200 0.423 3.391 0.476 3.853 0.517 4.503 100 0.404 3.443 0.439 3.941 0.508 4.330 1.5 150 0.515 3.898 0.556 4.416 0.593 5.230 200 0.622 4.792 0.684 5.388 0.727 5.916 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 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 mặt nhiệt này sinh ra do phản ứng lưu hóa nhựa gelcoat Cùng với các giá trị Ra và Rz, các hình ảnh dạng và nó sẽ tăng khi hàm lượng chất đóng rắn và nhiệt 3D với độ phóng đại 500% (5 lần) theo chiều cao độ môi trường tăng. Ở điện kiện chế tạo khắc nghiệt mấp mô cũng được xuất bởi thiết bị đo (hình 5). Các hơn (Q > 150ml/p, F > 1% và T > 250C), sự thô ráp hình ảnh 3D đã cho thấy ở chế độ lưu lượng phun thể hiện càng rõ hơn với diện tích hầu như lan rộng Q = 100ml/p, hàm lượng chất đóng rắn F = 0.5% và khắp bề mặt. Các vết lõm lớn cũng bắt đầu xuất nhiệt độ bất kỳ, bề mặt của mẫu là khá phẳng và hiện với số lượng và độ sâu tăng dần. Bề mặt mẫu trơn mịn, đặc biệt là tại 250C. Khi điều kiện chế tạo gần như bị phá hủy vi mô khi F và T lớn nhất. So tăng lên mức cao hơn (Q = 150ml/p, F = 1% và nhiệt với một kết quả nghiên cứu tương tự nhưng mẫu độ bất kỳ), trên bề mặt bắt đầu xuất hiện một vài được chế tạo bằng phương pháp quét cọ [5] thì sự khu vực có độ thô ráp cao hơn vì tại các vùng này phá hủy vi mô bề mặt có sự khác nhau (theo [5], có có sự tích tụ nhiệt cao hơn các vùng khác. Lượng sự xuất hiện các vết rạng nứt với độ sâu lớn hơn). 46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Q, F, T, oC ml/p % 25 30 35 0.5 1.0 100 45 1.5 0.5 1.0 150 1.5 0.5 1.0 200 1.5 Hình 5. Sự thay đổi trạng thái bề mặt theo các điều kiện chế tạo khác nhau TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 47 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 3. Xây dựng hàm dự báo kết quả các hệ số bi được chấp nhận nên có thể xây dựng Để dự báo độ nhám bề mặt ứng với điều kiện được hàm hồi quy đa biến dạng hàm mũ theo công chế tạo cụ thể, hoặc xác định được điều kiện chế thức (2), (3). Thay lại các giá trị đầu vào (T, F, Q) vào tạo ứng với độ nhám cho trước, hàm dự báo được hàm (2), (3) và so sánh với kết quả đo (Ra, Rz) cho xây dựng trên cơ sở xử lý thống kê bằng phần mềm thấy hầu hết sai số là khá nhỏ (<5%), chỉ có 2/27 sai SPSS (bảng 4). Bảng 4 cho thấy các hệ số tương số Ra và 2/27 sai số Rz là lớn hơn 5% (bảng 5), đây quan của cả Ra và Rz đều ở mức chặt chẽ và các có thể xem là vài điểm đột biến và hàm (2), (3) chấp mức ý nghĩa p đều rất nhỏ (gần như bằng 0) nên nhận được. Bảng 4. Kết quả phân tích hồi quy đa biến Yếu Ra Rz tố 2 2 βi β0 R R p βi β0 R R p T 0.1035 0.0000 1.2101 0.0000 F 0.3242 -1.3708 0.9951 0.9903 0.0000 0.1776 -10.6006 0.9885 0.9772 0.0000 Q 0.1660 0.0000 2.1891 0.0000 1/2 1/3 Ra = -1.3708 + 0.1035T + 0.3242F + 0.166Q (2) 1/2 1/3 Rz = -10.6006 + 1.2101T + 0.1776F + 2.1891Q (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 F Q Sai số Sai số T F Q Sai số Sai số T F Q Sai số Sai số 0 0 0 C % ml/p Ra, % Rz, % C % ml/p Ra, % Rz, % C % ml/p Ra, % Rz, % 25 0.5 100 28.332 3.879 30 0.5 100 -0.948 4.206 35 0.5 100 -2.120 4.713 25 1 100 -2.096 -1.774 30 1 100 -2.224 3.927 35 1 100 -2.665 -2.213 25 1.5 100 0.233 2.498 30 1.5 100 -3.058 0.166 35 1.5 100 2.003 -3.130 25 0.5 150 1.395 1.662 30 0.5 150 3.744 15.873 35 0.5 150 10.070 -3.423 25 1 150 -0.404 -15.368 30 1 150 -3.288 -3.694 35 1 150 -3.516 -2.487 25 1.5 150 0.091 -3.285 30 1.5 150 -1.421 -4.247 35 1.5 150 -2.749 1.824 25 0.5 200 -4.514 3.518 30 0.5 200 -3.277 -3.443 35 0.5 200 1.367 -4.292 25 1 200 -4.294 -2.157 30 1 200 -3.053 -4.896 35 1 200 -3.662 -1.548 25 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 LUẬN Sự 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 tạo để đạt được độ nhám cần thiết thông qua hàm hồi quy đa biến (2) và (3). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 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. 48 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG