Báo cáo Chất chống dính khuôn cho vật liệu composite

Đề tài: Chất chống dính khuôn cho vật liệu composite Lớp VL05Po Nhóm 6: Lê Minh Phương V0504205 Huỳnh Thuận Thảo V0502637 Nguyễn Chánh Tín V0502953 Nguyễn Tiến Lực V0504157 Nguyễn Thụy yên Chi V0504019 Trần Quốc Cường V0504033 Tạ Đức Tuân V0504307 Nguyễn Quang Vĩnh V0503569 Trần Tiến Dũng V0504047 Trần Thị Quỳnh Uyển V0503470 Nguyễn Ngô Phúc Thịnh V0504264 1/Giới thiệu về chất chống dính khuôn: Chất chống dính là gì ? Chất chống dính, dưới các tên gọi khác nhau: dầu, chất chống dính, chất chống dính khuôn, chất giúp tách rời là chỉ chung các chất giúp phân tách sản phẩm ra từ khuôn. Mặc dù không có các thông số kỹ thuật như ACI ATSM để định nghĩa từng lọai chất chống dính riêng biệt trên, nhưng từ những tên gọi riêng thông dụng chúng ta cũng có thể phân biệt được sự khác nhau giữa chúng. Ví dụ như dạng dầu là chỉ dầu diesel, dầu đốt dân dụng còn chất chống dính là chỉ các vật liệu thích hợp có thành phần kết hợp hóa học với cement,… Tại sao giai đoạn chống dính khuôn cần thiết ? Khi gia công sản phẩm composite trên các loại khuôn, do cấu trúc của bề mặt khuôn luôn có các mao quản tạo lực hút nên sau khi sản phẩm hoàn thành (nếu không chống dính khuôn), sản phẩm sẽ bị dính vào khuôn và không lấy ra được. Tuỳ theo các loại khuôn mà giai đoạn gia công chống dính và hoá chất chống dính sẽ khác nhau. Vd: khuôn gỗ hoặc khuôn silicate có nhiều lỗ mao quản, kết quả sẽ bám dính mạnh với nhựa của composite, nên cần phải gia công chống dính kỹ, còn khuôn kim loại do cấu trúc không có các lỗ mao quản nên bám dính yếu đối với nhựa của composite nên chỉ cần gia công chống dính đơn giản. 2/Nguyên lý chất chống dính khuôn: Vì chất chống dính dùng để giảm kết dính ngoại giữa 2 bề mặt ên hiển nhiên cơ chế kết dính ngoại và những tính chất ảnh hưởng đến nó sẽ là chìa khoá để hiểu hiện tượng chống dính. Cơ chế chính là: phản ứng hoá học xảy ra giữa 2 bề mặt, sự khuếch tán, lực hút tĩnh điện, năng lượng bề mặt, khả năng thấm ướt và liên kết cơ học. Tính chất bề mặt và mặt phân giới bao gồm: địa hình bề mặt, cấu trúc bề mặt, năng lượng bề mặt, tính bám dính hay thấm ướt, và công nhiệt động của sự bám dính. Những tính chất then chốt cho bề mặt phân giới pha bao gồm khả năng để tạo thành một chất kết dính nội sau khi thấm ướt lên nền và sự đáp ứng đàn nhớt đối với biến dạng phụ thuộc vào những yếu tố như độ kết tinh, khối lượng phân tử, sự phân bố và số lượng nối ngang và sự có mặt của chất độn. Nếu không có những lớp biên yếu, sự kết dính ngoại của 2 pha sẽ tốt hơn. Ngược lại với những nguyên lý để kết dính trên thì chất chống dính sẽ hoạt động theo các nguyên lý sau: Tạo một lớp hàng rào để chống lại liên kết cơ học. Ngăn chặn sự khuếch tán. Hấp phụ kém và không phản ứng với ít nhất một trong 2 bề mặt. Sức căng bề mặt kém dẫn đến sự thấm ướt kém. Công nhiệt động của quá trình kết dính ngoại thấp. Lực liên phân tử kém qua bề mặt. Thể hiện tương tác kết dính nội kém ngay bên trong pha chống dính. Tạo ra một lớp biên yếu. Các nguyên lý kể trên cũng có liên quan đến nhau. Bột talc là một loại chống dính điển hình làm việc theo nguyên lý tạo hàng rào chống liên kết cơ học và chống khuếch tán. Nó cũng làm giảm vùng tiếp xúc thông qua lực tương tác liên phân tử tầm gần. Sức căng bề mặt và công nhiệt động kết dính có liên quan đến nhau, sẽ được trình bày trong các biểu thức dưới đây, và cũng liên quan đến lực liên phân tử nên cũng ảnh hưởng đến sự hấp phụ và liên kết hoá học. Công kết dính ngoại WA là sự thay đổi năng lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt khi hai pha tiếp xúc nhau: WA = s1 + s2 - s12 với s1, s2 là năng lượng bề mặt của 2 bề mặt, và s12 là năng lượng tương tác giữa 2 bề mặt. Nếu chất kết dính ngoại là pha 1, lớp phủ chống dính là pha 2 thì hệ số trải rộng S của pha 1 trên pha 2 được cho bởi biểu thức: S = s1 - s2 - s12 Do công kết dính nội WC của pha kết dính là 2s1, nên ta có: WA – WC = S Vì thế khi lực kết dính ngoại bé hơn lực kết dính nội, tức WA bé hơn WC, hệ số trải rộng sẽ âm làm cho tách rời hai bề mặt (điều mong muốn của ứng dụng chất chống dính) Ngược lại khi hệ số trải rộng dương, sẽ xuất hiện sự tách rời trong bản thân pha kết dính hoặc pha lớp phủ chống dính. Đơn giản là yêu cầu của sự chống dính: năng lượng bề mặt của lớp phủ chống dính phải bé hơn năng lượng bề mặt của pha kết dính. Có 3 loại lực liên phân tử cho quá trình kết dính nội & ngoại là: Lực cơ lượng tử, lực tĩnh điện và lực phân cực. Lực cơ lượng tử xem như là lực liên kết cộng hoá trị. Lực tương tác tĩnh điện bao gồm lực Coulomb giữa các ion tích điện, lực lưỡng cực vĩnh cửu và lực tứ cực. Lực phân cực xuất hiện khi momen lưỡng cực tạm thời gây ra do cảm ứng từ các phân tử kế cận khi chúng tiến đến gần nhau. Một cách lý tưởng, lực tương tác trên bề mặt chống dính nên thấp nhất nếu có thể. Loại lực phân cực này được gọi là lực phân tán London do tương tác của lưỡng cực tạm thời tạo bởi dao động của mật độ điện tử. Nó xảy ra với mọi vật chất và khoảng năng lượng từ 0.1 đến 40kJ/mol. Những bề mặt rắn với lực tương tác phân tán thấp nhất bao gồm: hydrocacbon mạch thẳng và flourocacbon nên đa số các loại chất chống dính đều bắt nguồn từ 2 loại chất này. 3/Phân loại chất chống dính khuôn Chất chống dính khuôn gọi là hiệu quả khi nó giúp cho vật liệu được tách ra khỏi khuôn một cách nhanh chóng và hiệu quả. Chất chống dính có thể giúp giai đoạn hoàn tất sản phẩm giảm được thời gian lấy sản phẩm, giảm các khuyết điểm trên bề mặt sản phẩm, và việc đánh bóng cũng dễ dàng hơn. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại chất chống dính cho các loại khuôn, ta có thể phân loại chúng như sau : Phân loại theo thời gian sử dụng: a)Chất chống dính chỉ dùng 1 lần: Loại này được phủ lên khuôn mỗi lần sử dụng, sau khi lấy sản phẩm ra thì lớp phủ chống dính cũng bị bong ra khỏi thành khuôn, và sẽ không sử dụng lại nữa. Loại chống dính này người ta thường dùng là silicone. b)Chất chống dính bán vĩnh cửu: người ta dùng loại này để phủ lên làm lớp lót dưới lớp sơn bảo vệ cho sản phẩm, thường dùng thêm các chất hoạt tính như polysiloxane. c)Chất chống dính vĩnh cửu: loại này được sử dụng nhiều nhất, có nhiều loại như PTFE ( Teflon ), nhà cung cấp khuôn đã phủ sẵn lớp PTFE trên khuôn, khi ta mua khuôn về sử dụng sẽ giảm bớt được thời gian để thao tác phủ PTFE, nhưng đôi lúc cũng sẽ bị tổn hại nếu dùng khuôn sai qui cách. Phân loại theo cách thức sử dụng: a)Chống dính nội ( Internal Mold Release Agent – IMR ) - Chất chống dính nội là những loại chất chống dính được cho vào giai đoạn trộn hỗn hợp nhựa. Sau khi hoàn thành, nền nhựa của composite sẽ trở nên ít dính và thoát khuôn dễ dàng. Chất chống dính nội thường bao gồm những chất hoạt động bề mặt như alcohol béo/amide, este và wax, chúng sẽ di chuyển từ bề mặt này sang bề mặt khác. - Khi hòa tan IMR sẽ tạo hỗn hợp resin, hỗn hợp này tan tốt trong các loại dung môi như styren, dùng như một loại chống dính. Trong quá trình bảo quản sản phẩm, do ảnh hưởng của sự co thể tích, áp suất không khí và nhiệt độ môi trường nên các hạt này sẽ dần bị trồi ra khỏi hỗn hợp rồi trồi lên bề mặt sản phẩm. - Chất chống dính nội còn có thể dùng để phủ lên bề mặt của sản phẩm và thực hiện chức năng chống dính. Ngay cả sau khi rửa đi, những chất hoạt động bề mặt trong thành phần của chất chống dính nội vẫn có xu hướng tiết ra lên bề mặt của nhựa. - Các chỉ tiêu và đặc tính của IMR : • Khả năng tan tốt • Tối thiểu hóa khả năng hóa cứng • Tối thiểu hóa ảnh hưởng của màu sắc • Có tính chất cơ lý cao • Không có silicone, muối stearat hay các loại sáp tự nhiên, vì những loại này gây ảnh hưởng xấu khi sơn hay dán ghép các vật liệu • Các chất cặn bã sẽ làm nghẹt khuôn khi quét lớp chống dính quá dày • Trong 1 chu kỳ có thể sẽ giảm kích thước - Tuy nhiên vẫn phải đọc kĩ hướng dẫn sử dụng trước khi dùng IMR, vì mỗi loại chất chống dính đều có cách sử dụng riêng của nó. Một lần bôi IMR có thể dùng cho nhiều lần sau. Nhưng sau mỗi lần sử dụng thì IMR sẽ sinh ra cặn để lại trong khuôn ( chất cặn này sinh ra trong quá trình đùn sản phẩm ). IMR rất thường được dùng cho các thiết bị sản xuất, vì khi trải lên khuôn nó sẽ khỏa lấp tất cả mọi chỗ trên khuôn. - Đặc điểm của IMR là khi sử dụng nó sẽ không gây ảnh hưởng cho sản phẩm hay khuôn, vì vậy mà năng suất sản xuất cao – trong khi chống dính từ bên ngoài đòi hỏi kĩ năng thao tác cao. 2. Chống dính ngoại ( External Mold Release Agent – EMR ) : - Chất chống dính ngoại là loại chất chống dính mà thành phần chủ yếu là silicone và hợp chất flourocarbon. Chúng sẽ tạo ra một lớp ngăn cách tạm thời ngăn cản nhựa nền dính chặt vào các lỗ, rỗ và khiếm khuyết trên bề mặt khuôn. - Loại này được phủ lên bề mặt khuôn và phải được theo dõi cẩn thận trong suốt quá trình ứng dụng, đảm bảo cho lớp chống dính được hoàn tất. - Việc sử dụng loại chất chống dính này cũng tùy thuộc từng loại khuôn. Đối với các loại khuôn có bề mặt rỗ hay nhiều khiếm khuyết, ERM được bôi vào khuôn 1 lần cho nhiều lần sử dụng sau. Với các khuôn nhám hay nhẵn thì phải bôi EMR sau mỗi lần sử dụng. - Các chỉ tiêu và đặc tính của EMR : • Dễ ứng dụng mà không cần thành phần phức tạp • Không sử dụng dung môi có hại • Thấm ướt tốt với mọi bề mặt nên không bị dúm lại khi sử dụng • Sức căng bề mặt phù hợp cho ứng dụng tạo màng • Mau khô • Dễ đánh bóng • Dễ tháo sản phẩm khỏi khuôn • Có thể dự đoán được khả năng nhả khuôn - Chất chống dính dạng sáp thường được dùng với hàm lượng thấp, sử dụng riêng biệt và không phải theo một điều kiện nghiêm ngặt. Loại bán vĩnh cửu thường dùng với hàm lượng cao hơn - Trong các quá trình sản xuất công nghệ cao như RTM thì việc sử dụng hệ thống chống dính bán vĩnh cửu trong thị trường rất rộng rãi, vì đặc tính chống dính mà không ảnh hưởng đến sản phẩm hay khuôn của nó. 4/Quy trình công nghệ chống dính khuôn cho composite: Cách gia công chất chống dính: có 2 cách +Chống dính lên khuôn trước khi hình thành sản phẩm. +Chống dính lên bề mặt sản phẩm sau khi hình thành sản phẩm. Ở đây bàn đến chống dính lên khuôn trước khi hình thành sản phẩm. Đây là công đoạn đầu tiên của công nghệ dùng khuôn tiếp xúc. Công nghệ chống dính cho khuôn bao gồm 3 bước chính: rửa bền mặt khuôn, bôi trơn bề mặt khuôn và bôi chất chống dính cho bề mặt khuôn. Trước khi thực hiện các bước này, cần phải làm cho bề mặt khuôn đạt độ nhẵn, phẳng cần thiết bằng nhiều cách. Và phải lưu ý đến góc mở để có thể lấy sản phẩm dễ dàng, góc mở càng lớn lấy sản phẩm càng dễ. Việc chọn lựa và hiệu quả của chất chống dính sẽ được quy định bởi các yếu tố sau: - Chất liệu của khuôn, và nhựa nền sẽ polyme hoá theo phương pháp nhiệt rắn hay nhiệt dẻo. - Mức độ nhẵn bóng của bề mặt sản phẩm, cần thiết hay không cần thiết những quy trình công nghệ riêng tiếp theo (vd sơn bề mặt) - Thời gian làm khô bề mặt lớp chống dính so với thời gian thi công trên khuôn. Ví dụ công đoạn chống dính cho sản phẩm composite nền UPE, cốt sợi thủy tinh ở trung tâm polymer theo trình tự các bước: -Trét Mattit ( hỗn hợp của bột nhẹ và nhựa UPE + đóng rắn ) ở những chỗ lõm trên bề mặt khuôn để đạt được độ phẳng. -Mài, dũa các góc cạnh hoặc bề mặt khuôn để đạt được độ nhẵn cần thiết. -Lau những vết bẩn trên khuôn. -Quét lên bề mặt khuôn lớp sáp ( sáp cục nấu ra hoà với xăng ), đây chính là lớp bôi trơn bề mặt khuôn. -Chà lên một lớp bột talc (do sáp không có tính bám dính với chất chống dính ở bước sau) -Quét hỗn hợp dung dịch chống dính ( PVA + nước + alcol ) lên. -Đợi cho lớp chống dính khô ( có thể phơi ngoài nắng ) Sau đó đã có thể trát lớp bảo vệ ngoài (gelcoat) lên khuôn và trải sợi thuỷ tinh & phết nhựa để làm composite. Sau mỗi lần sử dụng, khuôn đều phải được đánh bóng lại. Sau một số lần sử dụng nhất định, tuỳ thuộc vào chất liệu và cách thức sử dụng của chất chống dính, cần phải bôi thêm chất chống dính lên khuôn. 5/Các loại chất chống dính hiện nay: Trên thực tế có rất nhiều loại chất chống dính khuôn: +Họ sáp (wax): -Sáp từ dầu mỏ: tiêu biểu là sáp parafin. -Sáp từ thực vật: tiêu biểu là sáp carnauba ( một loại cọ braxin ). -Sáp từ động vật: tiêu biểu là sáp mỡ lông cừu. -Sáp tổng hợp: tiêu biểu là sáp polyetylen. +Họ xà phòng kim loại-axit béo: -Muối stearat: tiêu biểu là Magie stearat. -Loại khác: tiêu biểu là Canxi ricinoleat. +Họ dẫn xuất alkyl mạch dài: -Ester: tiêu biểu là Dietylen glycol monostearat. -Amide & amine: tiêu biểu là Etylen bis (stearamide). -Axit & alcohol: tiêu biểu là Axit oleic. +Họ polymer: -Polyolefin: tiêu biểu là polypropylen. -Silicone: tiêu biểu là Polydimetylsiloxane. -Floropolymer: tiêu biểu là Polytetrafloroetylen. -Polymer tự nhiên: tiêu biểu là Cellophane. -Loại khác: tiêu biểu là Poly Vinyl Alcohol. +Họ hỗn hợp Florinat: -Axit béo Florinat: tiêu biểu là Axit Perflorolauric. +Họ vật liệu vô cơ: -Silicate: tiêu biểu là bột Talc. -Đất sét: tiêu biểu là Cao lanh. -Loại khác: tiêu biểu là Graphit. Trong đó, các loại chống dính khuôn thường dùng cho vật liệu composite Loại chống dính, hình thức sử dụng chúng khi trát tẩm và đặc điểm bề mặt sản phẩm: a)Parafin: -Dạng sệt bột nhão hoặc dạng nước. Đặc điểm: mặt bóng, tái sản xuất mọi chi tiết trên khuôn, số lượng sản phẩm lớn. b)Cồn polyvinyl: -Dạng nước hoặc bụi phun. Đặc điểm: hoà tan trong nước, chỉ sử dụng được một lần, rửa được từ khuôn và sản phẩm nhận được; là vật liệu chống dính lý tưởng, cho phép dễ sơn bề mặt sản phẩm. c)Flo hoá hydrocacbon (silan, silocsan): -Dạng nước hoặc bụi phun. Đặc điểm: hệ số ma sát thấp, không cho bề mặt có độ bóng; đắt tiền. d)Các loại giấy đệm, lót và các tấm mỏng chống dính: -Giấy có lớp mạ xelophan, tấm mỏng chống dính từ cồn polyvinyl. Đặc điểm: Chỉ sử dụng một lần, tạo dáng các tấm phẳng. e)Bôi trơn bằng những lớp chống dính trong: -Dạng lỏng ( thấm vào từ lớp nền ngoài cùng ). Đặc điểm: Mặt bóng nhẵn, giữ được dáng mọi chi tiết, cho phép dễ sơn thêm lớp ngoài bề mặt sản phẩm. 6/Kết luận Qua quá trình nghiên cứu về chống dính cho khuôn và cho vật liệu composit có thể rút ra được một số kết luận sau đây: + quá trình chống dính cho khuôn và cho bề mặt sản phẩm(chủ yếu là chống dính cho khuôn) là một quá trình cần thiết và không thể thiếu trong quá trình sản xuất,thậm chí quá trình phải được thực hiện đầu tiên(quá trình chống dính cho khuôn). +quy trình chống dính gồm 3 bước chính: -rửa bề mặt - bôi trơn bề mặt - bôi chất chống dính +các chất chống dính thường dùng như:parafin,cồn polyvinyl,silan,silocsan,và các loại giấy đệm,lót,tấm mỏng chống dính…v.v.. Xu hướng phát triển về các chất chống dính hiện nay là:bên cạnh các chất chống dính thông thường hiện nay thì cần nghiên cứu,tìm ra những chất chống dính mới sao cho đáp ứng được các yêu cầu cho chống dính,hóa chất dễ tìm dễ tổng hợp,dễ thao tác,có thể sử dụng nhiều lần để giảm chi phí và thời gian,có hiệu quả kinh tế càng cao càng tốt và một vấn đề quan trọng là ít độc hại ô nhiễm môi trường.Tuy nhiên để đảm bảo đạt được hết các yêu cầu trên là vấn đề không thể vì thế chúng ta phải cân bằng một cách hài hòa giữa các chỉ tiêu trên theo hướng có lợi nhất. Cuối cùng xin cảm ơn thầy và các bạn đã chú tâm theo dõi bài thuyết trình của nhóm mình. Tài liệu tham khảo: “Release Agent” - Michael J. Owen (Dow Corning Corporation) “Release Agent. What are they ? How they work?” - George Baty and Rick Reynolds(Cresset Chemical Company) “Vật liệu Composite Cơ học & Công nghệ” – Nguyễn Hoa Thịnh & Nguyễn Đình Đức (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật) (Chemical Release Limited company) Và một số trang web của các nhà sản xuất như Hurontech, Chemtrend….