Các đặc tính cơ của vải dệt sử dụng sợi aramid gia cường

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC CÁC ĐẶC TÍNH CƠ CỦA VẢI DỆT SỬ DỤNG SỢI ARAMID GIA CƯỜNG MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE ARAMID FABRIC REINFORCED PREFORMS Dương Tử Tiên1 Ngày nhận bài: 17/3/2015; Ngày phản biện thông qua: 25/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tạo các mẫu vật liệu là vải dệt sợi aramid thuần và vải aramid gia cường để xác định hiệu quả của vải dệt aramid gia cường đến các đặc tính cơ của vật liệu compozit. Các mẫu vải với mật độ dệt khác nhau được tạo ra khi giữ khoảng cách sợi dọc cố định còn khoảng cách sợi ngang thì thay đổi. Sử dụng nhựa urethane để làm nền cho các mẫu compozit cốt vải aramid. Sau đó các mẫu vải có và không gia cường được thử nghiệm cơ tính. Kết quả cho thấy: độ bền kéo, độ bền xé rách, độ bền đục thủng, tính chống đâm xuyên của vải có và không có gia cường nhựa urethan gia tăng theo độ tăng của mật độ sợi ngang. Các đặc tính cơ và tính chống đâm xuyên của vải có gia cường nhựa urethan tăng cao hơn loại thuần không có gia cường nhựa. Từ khóa: Vải aramid, sợi aramid, chống đâm xuyên, độ bền kéo, độ bền xé rách, độ bền đục thủng ABSTRACT In this study, we constructed aramid fabrics and the aramid fabric reinforced performs to investigate the effect of aramid fabric reinforcement on the mechanical performance of the composites. While the warp density is kept constant, the aramid fabrics were woven according to various weft densities. And the aramid fabric composite specimens were impregnated in urethane resin. Then mechanical properties of the aramid fabrics and their preforms were tested. The result shown that, tensile strength, tearing strength, bursting strength and stab resistance of the aramid fabrics and their preforms increased according as the weft density increased. The mechanical properties of preforms were higher than those of the pure aramid fabric. Keywords: Aramid fabric, aramid fiber, stab resistance, tensile strength, tearing strength, bursting strength I. ĐẶT VẤN ĐỀ hơn; trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống đôi Cùng với sợi cacbon, aramid là loại sợi có nhiều khi cần vật liệu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại tính năng cơ-nhiệt vượt trội, chúng đã được chế tạo ngoài đặc tính cơ nhiệt tốt thì còn phải chịu được thương mại và được ứng dụng rất rộng rãi ngày nay cắt hay xuyên thủng Cấu trúc vải dệt dùng sợi đặc [2, 3]. Độ bền riêng của sợi aramid (độ bền trên khối biệt cùng với gia cường nhựa nền nhiệt dẻo là một lượng riêng) gấp khoảng 5 lần thép cacbon và 1,3 lần trong các giải pháp chính để thực hiện [6, 7]. sợi cacbon [4]. Giá của sợi aramid tuy có rẻ hơn sợi Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn nhựa cacbon nhưng cũng vẫn còn khá cao so với các loại nền nhiệt dẻo urethan để gia cường cho cấu trúc dệt sợi kỹ thuật khác (gấp khoảng 5 lần sợi thủy tinh) [1]. sợi aramid. Vải dệt với các mật độ dệt khác nhau Các loại compozit gia cường sợi aramid với đặc cho cả hai loại thuần và gia cường nhựa được chế tính về cơ-nhiệt cao, tuy nhẹ hơn khoảng (30÷40)% tạo để tìm hiểu ảnh hưởng của thông số kỹ thuật dệt so với sợi thủy tinh khi có cùng độ bền, nhưng do đến các tính chất. Mục đích nghiên cứu là tìm cấu cấu thành từ sợi aramid gia cường và tỷ lệ khá cao trúc mỏng, nhẹ, mềm dẻo nhưng có cơ tính tốt nên nền nhựa nhiệt rắn để hình thành nên hình dạng chúng tôi chọn một số các tính chất đặc thù như độ của sản phẩm, do vậy vật liệu thường có tỉ khối cao bền kéo, bền xé rách và đục thủng cùng tính chống (dày đặc, nặng) và cứng [4]. Yêu cầu về môi trường đâm xuyên để đánh giá tính chất của các cấu trúc và điều kiện làm việc ngày càng cao và đa dạng vải dệt và compozit của nó. 1 TS. Dương Tử Tiên: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 II. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP và loại có gia cường bằng cách cho thêm nhựa NGHIÊN CỨU urethan loại UW-250 và chất đóng rắn Cat-64 do 1. Chế tạo vật liệu hãng Snogen (Hàn Quốc) chế tạo. Sợi aramid và Vật liệu tạo mẫu thử nghiệm các tính chất là nhựa urethan sử dụng tạo các mẫu vải dệt có các hai loại vải dệt sợi aramid thuần của hãng Dupond thông số kỹ thuật như trong bảng 1. Bảng 1. Nguyên liệu thô dùng chế tạo mẫu vật liệu thực nghiệm Kích thước sợi 200de Sợi aramid Số sợi đơn 600 Hình thức bên ngoài Không màu, trong mờ Nhựa urethan PH (10%) 6±1 Ion Không ion Hình 1. Thiết bị tạo mẫu thử a) Máy dệt băng ; b) Hệ thống ép nóng Các mẫu vải được tạo ra ở nghiên cứu này trên dệt khác nhau, nhằm mục đích xác định ảnh hưởng máy dệt băng, sau đó thấm nhựa urethan. Chúng tôi của mật độ dệt đến các tính chất cần khảo sát. Để thay sử dụng hệ thống ép nóng có kiểm soát nhiệt độ và đổi mật độ dệt, chúng tôi giữ cố định mật độ sợi dọc thời gian để làm khô nhựa. Hình 1 là máy dệt băng và (số nút trên 1cm chiều dài) là 16,5 ends/cm, còn mật hệ thống ép nóng sử dụng để tạo mẫu thử. Các mẫu độ sợi ngang của vải thì thay đổi ở ba mức là 4,2 picks/ thử là vải được dệt theo kiểu vân điểm với các mật độ cm, 6,3 picks/cm, 8,4 picks/cm trong quá trình dệt. Bảng 2. Các loại mẫu và thông số kỹ thuật vật liệu thử nghiệm Mật độ sợi dọc Mật độ sợi ngang Tỷ lệ vải nhựa Mẫu vật liệu (ends/cm) (picks/cm) (vải : nhựa) A 4,2 4,2 A 6,3 16,5 6,3 Vải thuần không có A 8,4 8,4 nhựa AU 4,2 4,2 AU 6,3 16,5 6,3 4:1 AU 8,4 8,4 Mẫu thử có gia cường nhựa urethan chính là các mẫu vải thuần trên sau khi dệt được tẩm nhựa urethan với tỉ lệ vải: nhựa là 4:1. Chúng tôi căn cứ vào mục đích sử dụng của vật liệu là che phủ và bảo vệ cơ thể người, tham khảo các công trình trước đó và hãng cung cấp nguyên liệu nhựa Snogen để chọn tỉ lệ vải: nhựa [5, 6]. Mẫu vải sau khi tẩm nhựa được làm khô qua hai quá trình sau: Làm khô tạm thời (1200C, 3 phút) để loại bỏ các chất bẩn và Hình 2. Mẫu thử nghiệm với các mật độ dệt khác nhau độ ẩm từ nhựa urethan, và quá trình làm khô a) Vải thuần ; b) Vải gia cường nhựa urethan (1700C, 1 phút 30 giây) để làm cứng nhựa lại. 60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Kết quả sau khi làm khô nhựa urethan, ta thu được vật liệu compozit gia cường nhựa nhiệt dẻo urethan là vật liệu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại gần như vải thuần, nhưng khá bền vì sử dụng một lượng nhỏ nhựa nền nhiệt dẻo urethan. Bảng 2 trình bày thông số kỹ thuật của các mẫu vải dệt và tỉ lệ của vải dệt và gia cường nhựa cho các mẫu vật liệu compozit. Hình 2 trình bày hình chụp các mẫu vải có và không có gia cường nhựa urethan ở các tỉ lệ khác nhau. 2. Phương pháp thử nghiệm Các tính chất cơ của vải có và không có gia cường nhựa urethan được chọn xác định qua thử nghiệm là các tính chất như độ bền kéo, độ bền xé rách và độ bền xuyên thủng trên máy thử Instron 4202 tải trọng tối đa 10 KN cùng các đồ gá và dụng cụ thích hợp theo Tiêu chuẩn thử nghiệm thông Hình 3. Thiết bị thử tính chống đâm dụng ghi ở bảng 3. Ảnh chụp ; (b) Thông số kích thước Bảng 3. Tiêu chuẩn thử nghiệm Độ bền (Lực kéo lúc đứt) ASTM D-638M ASTM D5733 Độ bền xé rách (Lực kéo rách) (Trapezoid type) ASTM D751 Độ bền xuyên thủng (Áp lực xuyên thủng) (Mullen type) Tính chống đâm xuyên (Lượng vật liệu cần thiết để bảo vệ) NIJ Standard–0115.00 Đặc tính chống đâm xuyên được xác định thông các mức bảo vệ (mức năng lượng đâm). Trong nghiên qua thử nghiệm đâm xuyên tại tháp thử rơi (hình 3) cứu này chúng tôi chọn dao S1 và mức năng lượng theo Tiêu chuẩn NIJ Standard–0115.00 của Mỹ [5]. 24J để thí nghiệm khả năng chịu đâm xuyên của tất Phương pháp thử này mô phỏng vụ đâm trong thực cả các mẫu vật liệu. So sánh tính chống đâm xuyên tế khi sử dụng một khối có gắn lưỡi dao Tiêu chuẩn của các mẫu vật liệu chính là so sánh số lớp vật liệu được thả rơi ở độ cao nhất định. Độ sâu xuyên thủng phải sử dụng để có thể đáp ứng vụ đâm mô phỏng (ĐSXT) qua vật liệu là khoảng cách từ mũi dao đến với ĐSXT xấp xỉ 7mm nghĩa là lượng vật liệu tối mặt sau của vật liệu khi nó xuyên qua, ĐSXT nhỏ thiểu cần thiết đủ để thỏa Tiêu chuẩn chống đâm hơn 7mm được xem như đạt Tiêu chuẩn NIJ ứng với xuyên NIJ. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ­ ­ Hình. 4 Độ bền xé rách theo mật độ dệt (a): lực xé theo phương sợi ngang ; (b): lực xé theo phương sợi dọc Từ hình 4 đến hình 7 trình bày kết quả tính chất gia cường nhựa urethan theo mật độ dệt khác nhau. cơ gồm có: độ bền xé rách, độ bền kéo, độ bền xuyên Vì vật liệu 1 lớp vải dệt cũng như compozit dùng 1 thủng, tính chống đâm của hai loại vải có và không lớp vải dệt gia cường có mật độ sợi theo 2 phương TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 dệt khác nhau nên các tính chất như xé rách và xếp chồng lên nhau thành mẫu thử cũng như hướng kéo đứt được thử theo 2 phương là phương sợi dọc của dao khi thử đâm xuyên là ngẫu nhiên nên kết quả và phương sợi ngang khi dệt. Đầu tạo tác động áp thử nghiệm độ bền xuyên thủng và chống đâm không lực khi thử xuyên thủng là hình trụ; Các lớp vải khi phân biệt theo phương sợi dệt. Hình. 5 Độ bền kéo theo mật độ dệt (a): lực kéo theo phương sợi ngang ; (b): lực kéo theo phương sợi dọc Hình 4 cho thấy kết quả độ bền xé rách của các Do đặc điểm của đầu tác dụng áp lực khi thử độ loại mẫu vật liệu vải ở cùng một mật độ dệt theo cả bền xuyên thủng và do cách sắp xếp các lớp vải là 2 phương sợi ngang (hình 4a) và sợi dọc (hình 4b), ngẫu nhiên khi thử nghiệm tính chống đâm, nên kết loại có nhựa gia cường thì cao hơn loại vải thuần. quả không phân biệt theo phương tác động là phương Khi tăng mật độ dệt độ bền xé rách cũng tăng theo dọc hay ngang của sợi dệt. Kết quả thử nghiệm độ bền với cả hai loại có và không có gia cường. Tuy nhiên xuyên thủng thể hiện trên hình 6 còn tính chống đâm phương sợi dọc tăng nhiều còn phương sợi ngang xuyên thể hiện trên hình 7 cho thấy ảnh hưởng về mật thì tăng rất ít, đó là do mật độ sợi dọc cố định, còn độ dệt và nhựa gia cường là tương tự như độ bền kéo mật độ sợi ngang của vải dệt thì thay đổi. Đặc biệt và xé rách ở trên. Đối với mẫu vật liệu vải dệt sợi aramid độ bền xé rách tăng gần gấp đôi khi so sánh giữa thuần (A4,2; A6,3; A8,4) và compozit của nó (AU4,2; AU6,3; AU8,4) có mật độ dệt từ thấp đến cao (4,2; 6,3; loại vải thuần thử theo phương sợi ngang và loại có 8,4 picks/cm) thì mẫu vật liệu có mật độ dệt cao và có nhựa thử theo phương sợi dọc. nhựa gia cường sẽ có độ bền xuyên thủng cao hơn loại Tương tự như kết quả thử nghiệm độ bền xé mật độ dệt thấp không có gia cường nhựa. Các mẫu có rách. Hình 5 cũng cho thấy độ bền kéo thể hiện qua mật độ dệt cao và có nhựa gia cường cần số lớp ít hơn lực kéo lúc đứt của các loại mẫu vật liệu vải đều tăng loại mật độ dệt thấp không có gia cường nhựa khi thỏa theo mật độ dệt với cả 2 phương sợi ngang (hình 5a) mãn Tiêu chuẩn chống dâm NIJ. Bởi vậy khả năng chống và sợi dọc (hình 5b); Loại có nhựa gia cường thì kết đâm sẽ được nâng cao ở những mẫu vật liệu vải dệt sợi quả thử nghiệm có giá trị cao hơn loại vải thuần. Đặc aramid có mật độ dệt cao và được gia cường nhựa. Điều biệt giá trị độ bền kéo tăng gần gấp đôi khi so sánh này có thể giải thích như sau: Mật độ dệt liên quan chặt giữa loại vải thuần thử theo phương sợi ngang và loại chẽ đến cấu trúc của vải dệt, nghĩa là sự uốn lượn của có nhựa phương sợi dọc. Tuy nhiên ảnh hưởng của sợi dọc ngang qua các điểm của các sợi ngang, ngoài phương sợi đến mức độ tăng thì khác với kết quả thử ra liên kết giữa sợi và nền nhựa đã làm cho cấu trúc xé rách; Theo phương sợi dọc tăng ít còn phương chặt chẽ hơn ảnh hưởng lớn đến độ bền xuyên thủng sợi ngang thì tăng nhiều. Điều này có thể giải thích và tính chống đâm xuyên. Hình 8 là vết đâm của hai loại như sau: Các sợi dệt theo phương kéo tham gia chịu mẫu vật liệu sử dụng vải aramid có (a) và không có (b) lực kéo là chính, khi có nhựa urethane gia cường thì gia cường nhựa urethane khi bị dao S1 xuyên qua. hiệu quả sẽ càng lớn hơn và ngược lại. Qua đây cho thấy, các lớp vật liệu sau khi bị phá hủy cũng vẫn còn góp phần tham gia vào ma sát tiêu tốn năng lượng để cản trở sự đi sâu vào trong các lớp vật liệu tiếp theo. Hình 7. Số lớp vật liệu tối thiểu cần thiết của mỗi loại đáp Hình 6. Độ bền xuyên thủng theo mật độ dệt ứng mức độ bảo vệ (24J) theo Tiêu chuẩn NIJ 62 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Hình 8. Vết đâm của hai loại vải có (a) và không có (b) gia cường nhựa urethane Vải dệt nói chung và với loại sử dụng tao sợi gồm mềm dẻo trên được so sánh với nhau trên cơ sở kết nhiều sợi liên tục aramid như trên thì ta sẽ thu được quả thử nghiệm các tính chất như độ bền kéo, độ cấu trúc vật liệu dạng tấm phẳng rất mềm dẻo và khá bền xé rách, độ bền xuyên thủng và tính chống đâm bền chắc. Tuy nhiên cấu trúc vải dệt sẽ có sự mấp mô xuyên theo Tiêu chuẩn quốc tế thông dụng. và nhiều khoảng trống do các sợi uốn lượn lên nhau, Kết quả chỉ ra rằng mật độ dệt có ảnh hưởng nên khả năng chịu lực sẽ bị hạn chế. Với những mẫu rất lớn đến tính chất cơ của vải dệt thuần cũng như vải dệt có nhựa nhiệt dẻo urethane, thì nhựa nền sẽ compozit của nó khi thêm nhựa gia cường (urethan). lấp đầy những khoảng trống, tạo liên kết giữa các sợi Khi tăng mật độ dệt thì tất cả các tính chất cơ như: chặt chẽ hơn, tạo thành một khối vật liệu, làm cho lực độ bền kéo, độ bền xé rách, độ bền xuyên thủng và truyền đi đều hơn trên toàn bộ thể tích vật liệu. Điều tính chống đâm xuyên đều tăng đáng kể. Hiệu quả này giải thích cho sự gia tăng đáng kể về các tính chất này càng được tăng thêm khi có thêm nhựa nhiệt cơ học vừa thử nghiệm ở trên. Do chỉ sử dụng một dẻo urethan gia cường. Các tính chất cơ như độ lượng nhỏ (25%) và với tính chất đặc thù của nhựa bền kéo và độ bền xé rách còn bị ảnh hưởng nhiều nhiệt dẻo urethane lên vật liệu compozit thu được là bởi phương của lực kéo hay xé theo phương sợi dệt sự kết hợp của nhựa nền urethane và cốt là vải sợi dọc hay phương sợi dệt ngang. aramid vẫn giữ được tính mềm dẻo cần thiết. Từ kết quả ban đầu trên cho thấy giải pháp dùng cấu trúc vải dệt với sợi aramid cùng sự gia IV. KẾT LUẬN cường nhựa nền nhiệt dẻo urethan có thể tạo được Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo các vật liệu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại với các được các loại vải sợi aramid có và không gia cường đặc tính cơ đặc thù có vai trò quan trọng trong một nhựa nhiệt dẻo urethan với các mật độ dệt khác số lĩnh vực kỹ thuật như làm vật liệu kết cấu che phủ nhau. Tính chất của vật liệu dạng tấm mỏng, nhẹ, hay bảo vệ cơ thể người. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Anna W. Crull, Richard D. Hooker, Business opportunity report - GB-142V: Protective Clothing and Gear: Body/Vehicle Armor, Fire, Chem/Bio, ISBN: 1-59623-126-2, 2005. 2. James S. Johnson and S. Z. Mansdorf, Performance of Protective Clothing: Fifth Volume ASTM Publication Code Number (PCN): 04-012370-55, 1996. 3. Lee Woo Il, Fiber Reinforced Composites and Their Application to Automotive Industry, Korea Society Automotive & Engineering (KSAE), Vol.9, No.6, pp. 8-13, 1987. 4. Nguyễn Đăng Cường, Compozit sợi thủy tinh và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. 5. N.I.J., Stab Resistance of Personal Body Armor NIJ Standard–0115.00. 6. Project report: Hi-tech Stab-Resisting material, product and development, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan, Korea, 2007 – 2009. 7. Project report: Manufacturing technology of the ultra light stab armor with the good air permeability, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan, Korea, 2009 – 2010. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 63