KỸ THUẬT HÚT CHÂN KHÔNG

MỞ ĐẦU

Với nhiều tính năng ưu việt, vật liệu composite được sử dụng ngày càng rộng rãi, trong rất nhiều lĩnh vực: Hàng không, ô tô, tàu thủy… Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ ít nhất 2 thành phần. Một thành phần phải “khoẻ” và cứng (gọi là cốt), thành phần thứ hai (“nền”)  phải ít cứng hơn và bao quanh các hạt khoẻ với sự liên kết chặc chẽ. Nói chung, vật liệu composite làm việc tốt nhất khi có tỉ lệ phần khoẻ lớn nhất và lượng nền ít nhất, chỉ đủ để làm ướt sợi và điền đầy các lỗ trống. Khi đó vật liệu composite sẽ có sức bền và các tính năng xấp xỉ với chỉ riêng vật liệu cốt. Phương pháp thi công đóng vai trò quyết định đến tỉ lệ nền – cốt của vật liệu composite. Bài viết này giới thiệu với bạn đọc một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả để tạo nên vật liệu composite có độ bền cao: Phương pháp hút chân không.

I. GIỚI THIỆU

Hầu hết những sản phẩm composite thương mại sử dụng đều sử dụng nền Polymer với sợi gia cường là sợi thủy tinh, sợi aramid hoặc sợi carbon.

Kỹ thuật cung cấp nhựa với sự trợ giúp của chân không đã trở nên phổ biến trong chế tạo vật liệu composite có độ bền cao. Phương pháp cung cấp nhựa bằng chân không được biết dưới những tên gọi khác nhau:

- VARTM: Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding

- VARIM: Vacuum Assisted Resin Infusion Moulding

- VBRTM: Vacuum Bag Resin Transfer Moulding

- VARI: Vacuum Assisted Resin Infusion process

H1

Tất cả các phương pháp trên đều đòi hỏi cùng kỹ thuật, miêu tả sự thấm ướt vật liệu gia cường (khô) bằng nhựa lỏng nhiệt rắn dưới áp lực chân không. Quy trình công nghệ chế tạo composite được thực hiện với sự trợ giúp của chân không được gọi là VARIM. Theo quy trình này nhựa được đưa vàơ khuôn nhờ sử dụng phương pháp chân không. Phương pháp này trở thành kỹ thuật chế tạo composite cao cấp hiệu quả nhất hiện nay, do: dụng cụ thi công có giá thành thấp và khả năng chế tạo những sản phẩm có kích thước lớn (như thân tàu), hàm lượng bọt khí bên trong sản phẩm đúc ít, giảm mùi bốc ra, và ít phế liệu hơn so với kỹ thuật gia công khác.

II. MÔ TẢ PHƯƠNG PHÁP VARIM

VARIM là quy trình công nghệ composite để chế tạo những sản phẩm có kích thước lớn, chất lượng cao. Trong quy trình này, sợi khô được đặt vào trong khuôn mở và túi nhựa hút chân không được gắn lên khuôn. Một phía của khuôn được nối với nguồn nhựa và bơm chân không. Nhựa lỏng được truyền vào trong vật liệu gia cường từ đầu đến cuối khuôn (hình 2).

H2      H3

Các bước chính của quy trình hút chân không:

Bước 1: Khuôn

- Chuẩn bị khuôn

- Lựa chọn vật liệu gia cường

- Lựa chọn môi trường truyền nhựa hoặc vật liệu lõi

Bước 2: Đường dẫn nhựa và chân không

- Lựa chọn ống dẫn nhựa

- Lựa chọn ống dẫn chân không

Bước 3: Bao chân không

- Đóng bao chân không

Bước 4: Bơm chân không

- Đảm bảo bơm phù hợp

- Gắn bơm

Bước 5: Chuẩn bị chất lỏng

- Lựa chọn nhựa

- Bố trí thùng đựng nhựa

Bước 6: Truyền nhựa

- Pha chất xúc tác vào nhựa

- Mở khóa ống dẫn nhựa

Bước 7: Thí nghiệm và kiểm tra để cải tiến

- Lợi ích của việc cung cấp nhựa bằng phương pháp truyền chân không

- Sự khác biệt điển hình trong việc lắp đặt hệ thống hút chân không

III. THIẾT BỊ HÚT CHÂN KHÔNG

  1. Bơm chân không

Bơm chân không là trái tim của hệ thống chân không, bơm chân không giống như máy nén khí, nhưng làm việc theo chiều ngược với chiều nén (hút), không khí được hút từ hệ thống kín và rút ra ngoài đến áp suất khí quyển. Bơm chân không được thiết kế có khả năng tạo: áp lực chân không “Hg tối đa” (Hg là ký hiệu hóa học của Thủy ngân); Độ dịch chuyển của không khí được tính bằng đơn vị ft3/ph (CFM) và công suất yêu cầu truyền động đến bơm.

  1. Áp suất chân không

Bơm có mức Hg max là mức chân không tối đa của bơm (được đo bằng inches thủy ngân). Mức chân không này biến thành tổng áp lực ép chặt, áp suất không khí với 2 inches Hg (2’’Hg) = 1 pound/inches2 (1psi) = 6894,75 N/m2 (1 atm = 29,92 inches Hg = 14,7 psi = 101352,93 N/m2). Nếu đóng bao chân không tấm dát lớp 1ft2 với độ chân không 20’’Hg sẽ mang lại lực ép chặt 10 psi hoặc 1440 pounds (6405 N) lực ép chặt trên toàn bộ diện tích dát lớp. Nếu dát tấm có kích thước 4’ x 8’ với cùng độ chân không 20’’Hg (10 psi) sẽ mang lại lực ép chặt lớn hơn 46000 pounds trải rộng trên toàn bộ tấm.

  1. Độ dịch chuyển không khí

Thể tích không khí bơm có khả năng hút được tính bằng tốc độ dịch chuyển không khí ft3/ph (viết tắt CFM), thông số này rất quan trọng để cân nhắc lựa chọn bơm. Nếu hệ thống chân không (bơm, khuôn, túi chân không, hệ ống, tất cả đường nối và mối nối) là tuyệt đối kín khí, bất kỳ bơm cỡ nào cũng sẽ kéo được độ chân không cực đại với khả năng của nó bất chấp kích cỡ hệ thống. Tuy nhiên, để tạo ra hệ thống chân không kín hoàn hảo gần như không thể, đặc biệt khi hệ thống lớn hơn và hình dáng phức tạp. Bộ phận khép kín của bơm có thể đạt được độ chân không tối đa và duy trì lực ép thích hợp khi tốc độ CFM lớn hơn chống lại độ lọt khí tích lũy trong hệ thống. Một bơm chân không có tốc độ CFM cao sẽ đạt được lực ép chặt nhanh chóng, hiệu quả hơn. Đây là điều đáng quan tâm nếu thời gian kết dính là giới hạn hoặc yêu cầu đủ lực ép chặt đảm bảo liên kết tốt giữa các lớp.

  1. Công suất và hiệu suất

Công suất yêu cầu của máy bơm là chỉ thị cho thấy bơm hoạt động hiệu quả và sự phù hợp của bơm với kỹ thuật đóng bao chân không. Khi lựa chọn bơm, sử dụng thông số “Hg tối đa” và CFM như là một chỉ dẫn chứ không phải là công suất. Bơm nhỏ hơn được thiết kế cho ứng dụng riêng, có thể bỏ hoặc mức chân không hoặc CFM phù hợp cho từng công việc riêng biệt. Thông thường, để có được cả hai thông số cao: “Hg tối đa” và CFM, việc thêm công suất là cần thiết. Bơm có phạm vi từ ¼ đến 2 HP hữu ích cho kỹ thuật hút chân không những xưởng đóng tàu vừa, đối với những hoạt động sản xuất lớn bơm có thể lớn bằng 20HP hoặc 30HP.                              5. La chọn bơm

Kích cỡ và hình dáng khuôn, kiểu và số lượng của vật liệu đang được thi công sẽ xác định những yêu cầu tối thiểu của bơm. Nếu dát Panel phẳng gồm: vài lớp thủy tinh, gỗ dán phẳng hoặc vật liệu lõi, cần áp suất 5” – 6” Hg (2,5-3 Psi) cung cấp đủ áp lực ép chặt cho liên kết tốt giữa tất cả các lớp. Nếu diện tích của panel được giới hạn tới vài ft2, một bơm có hệ số CFM bằng 1 hoặc 2 sẽ thích hợp duy trì áp lực ép chặt. Khi diện tích panel tăng, yêu cầu CFM tăng tương ứng. Dung tích bơm 3,5 CFM thích hợp cho Panel có diện tích đến 14’. Đối với những công việc lớn hơn, bơm với dung tích 10 CFM hoặc hơn có thể được sử dụng. Những mối nối (của hệ thống ống, lớp bao chân không) có lớp đệm khó kín khí, sẽ yêu cầu bơm có công suất lớn hơn để duy trì đủ áp lực chân không. Hệ thống kín khí hơn cần bơm có công suất nhỏ hơn. Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ hút không khí và mức chân không – Làm cơ sở cho việc lựa chọn công suất bơm theo yêu cầu hút chân không;

                                      H4
 
Bơm có hệ số “Hg tối đa” lớn hơn sẽ được yêu cầu nếu cần thêm áp lực ép chặt đến lực ép thích hợp với khuôn có hình dáng phức tạp. Khuôn có độ cong hoặc khuôn ghép hoặc dát lớp với nhiều lớp ván ép cứng hoặc vật liệu lõi yêu cầu độ chân không ít nhất là 20-28” Hg để cung cấp lực ép chặt thích hợp. Mặt khác, nếu kích cỡ Panel được giới hạn vài ft2, bơm có thông số 1 hoặc 2 CFM với độ chân không cao sẽ được sử dụng, nếu lớp bao kín khí. Tuy nhiên, Panel hay vỏ tàu lớn lấy bơm tối thiểu 10 CFM để đạt và duy trì đủ lực ép chặt, nén tất cả những lớp dát đến sát biên dạng khuôn và tạo vật đúc thành khối đồng nhất. Nói chung, bơm tốt nhất cho kỹ thuật hút chân không là bơm có khả năng hút khối lượng không khí lớn, tạo áp lực chân không đạt yêu cầu tại công suất hợp lý.

IV. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN

Để đánh giá đúng, đầy đủ kỹ thuật truyền nhựa với sự hỗ trợ của chân không, nhất thiết phải hiểu nguyên lý cơ bản và ảnh hưởng của các thông số:

  1. Thời gian điền đầy t

 Thời gian điền đầy t của việc cấp nhựa cho một tấm hình chữ nhật có thể được tính theo phương trình (1)

 PT1                                 

Trong đó:

φ:   Tỉ lệ thể tích (độ xốp) của vật liệu gia cường
K:   Độ thấm của vật liệu gia cường.
η :   Độ nhớt của nhựa
xf:   Khoảng cách chảy (chiều dài của tấm)
ΔP: Độ chênh áp suất (hằng số trong suốt quá trình truyền nhựa)

Phương trình (1) cho thấy ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến thời gian điền đầy. Những thông số này được phân ra cho đặc trưng vật liệu, sản phẩm và quy trình thực hiện:

- Đặc trưng vật liệu:

Độ nhớt của nhựa: Độ nhớt của nhựa thường thường được giới hạn từ 100 đến 500mPa. Thời gian điền đầy có liên quan trực tiếp đến độ nhớt (xem phương trình 1).

 Độ xốp và độ thấm của vật liệu gia cường: hầu hết độ xốp của vật liệu gia cường từ 0,5-0,8. Tuy nhiên, độ thấm của vật liệu gia cường có sự khác biệt lớn. Để tối ưu thời gian điền đầy cần cung cấp thêm ống dẫn nhựa tạo độ thấm cao cho vật liệu.

- Đặc trưng sản phẩm: Kích cỡ, thể tích và khoảng cách truyền nhựa
- Đặc tính quá trình:

Độ chênh lệch áp suất: Với những sản phẩm lớn chế tạo bằng phương pháp hút chân không, để đảm bảo chất lượng, độ chênh áp lớn nhất xấp xỉ bằng 1 bar, do đó đòi hỏi khuôn chắc chắn, giá trị đầu tư cao.

Thực hiện quá trình truyền (ảnh hưởng khoảng cách chảy): việc truyền nhựa và hình dạng sản phẩm ảnh hưởng đến khoảng cách chảy và tính nhạy của quá trình chảy rối. Tổng quát, thời gian điền đầy ảnh hưởng bởi:

+ Khoảng cách truyền

+ Tỉ lệ giữa chiều dài dòng truyền và chiều dài phía trước dòng chảy. Đối với sản phẩm lớn, áp dụng một hướng chảy chính và vài nhánh chảy hướng còn lại

  1. Lưu lượng nhựa được truyền: được tính theo biểu thức (2)
                                          PT2                     Trong đó:

Q: Lưu lượng nhựa                                      

ν : Vận tốc  di chuyển của chất lỏng        

A= h*w: Diện tích hút MCN          

φ: Tỉ lệ thể tích sợi                                                  

K: Độ thấm               

ΔP: Áp suất chênh lệch      

η : Độ nhớt               

s : Khoảng cách nhựa phía trước

  1. Vận tốc chảy của nhựa (3)

PT3  (3)  

 H5  

PT45

 V. QUY TRÌNH THI CÔNG

Quá trình thi công bằng phương pháp hút chân không như sau: Một khối lượng lớn vật liệu khô được dát đặt trong khuôn kín. Lớp màng dẻo kín khí (thường là túi hút chân không) được đặt trên tấm nhiều lớp và được dán lên khuôn ngoài đường bao của tấm. Lớp màng được đúc và có thể dùng lại được. Túi chân không thực hiện tối thiểu hai nhiệm vụ: Một là cho phép loại bỏ không khí giữa túi chân không và khuôn; hai là cho phép dung dịch nhựa chảy vào. Nhựa được truyền qua các ống dẫn, và thấm vào lớp cốt sợi với tốc độ phụ thuộc áp suất hút. Quá trình bao gồm các bước:

  1. Ống dẫn nhựa vào tạm thời đóng, khoang giữa túi chân không và khuôn được tạo chân không nhờ bơm hút chân không. Mức chân không cần thiết sẽ thay đổi phụ thuộc vào độ thấm của vật liệu (nghĩa là không khí và nhựa sẽ dễ dàng lưu thông suốt vật liệu), vào độ phức tạp và vào chất lượng mong muốn của sản phẩm cuối cùng. Kết quả tốt nhất sẽ đạt được khi bơm chân không đạt 95% độ chân không cực đại của bơm, ngoại trừ những tấm có thể bị hư hại bởi lực nén quá mức (ví dụ: lõi foam mật độ thấp).
  2. Sau khi đạt độ chân không (giữa túi chân không và khuôn) sẽ ngắt bơm chân không và duy trì mức chân không trong hệ thống, quan sát đồng hồ chân không. Nếu mức chân không duy trì hằng số (hằng số chấp nhận lọt khí), tiếp tục thực hiện bước tiếp theo. Tuy nhiên, nếu mức chân không giảm nhanh hơn mức chấp nhận, không khí đang bị lọt qua khoang chân không và quá trình sẽ không tiếp tục. Trong trường hợp này, khe hở phải được tìm thấy và đánh giá trước khi tiếp tục thực hiện thêm. Tốc độ rò khí chấp nhận sẽ thay đổi phụ thuộc vào kích cỡ sản phẩm và chất lượng dát tấm mong muốn. Đối với những sản phẩm lớn chẳng hạn như vỏ tàu, tốc độ rò khí ít hơn 3mbar/ph (xấp xỉ 1’’Hg trong 10 phút) sẽ được chấp nhận. Đối với sản phẩm nhỏ, hoặc những bộ phận quan trọng tốc độ rò khí chấp nhận có thể là 10% giá trị trên: 3mbar trong 10 phút hoặc 0,1’’Hg trong 10 phút.
  3. Khi thỏa mãn mức kín khí, đường nối với bơm chân không được mở. Thùng cung cấp nhựa được đổ đầy với nhựa đã pha đông rắn và ống cung cấp nhựa được mở ra. Dung dịch nhựa sẽ được hút vào chi tiết đúc nhờ sự chênh lệch áp suất giữa khí quyển và mức chân không trong chi tiết, cộng hoặc trừ áp suất tĩnh của cột nhựa xuất hiện từ chiều cao tương đối cung cấp nhựa đến chi tiết. Nếu ống cấp nhựa và ống chân không đã được đặt đúng vị trí trên hoặc quanh tấm vật liệu gia cường khô trước khi túi chân không được lắp đặt, dung dịch nhựa sẽ thấm và truyền suốt toàn bộ tấm.
  4. Phụ thuộc vào loại nhựa sử dụng, mức chân không trong suốt quá trình truyền có thể phải được điều chỉnh cho đúng với mức thấp hơn khả năng của bơm chân không. Đặc biệt khi áp dụng cho nhựa chứa dung môi dễ bay hơi có thể sôi dưới áp suất chân không. Cả hai loại nhựa Polyester và Vinylester thường thường phải được truyền tại mức nhỏ hơn độ chân không cực đại.
  5. Khi nhựa nhiệt rắn được sử dụng, lưu ý đến khoảng thời gian cho phép nhựa lưu hóa sau khi quá trình dát lớp đã được truyền nhựa hoàn thành. Thời gian này có thể thay đổi từ vài phút đến vài giờ phụ thuộc vào loại nhựa và kích cỡ của chi tiết chế tạo.
  6. Sau khi nhựa đã được hóa rắn hoàn toàn, túi chân không và chi tiết hút có thể được loại bỏ khỏi khuôn. Sản phẩm sẽ là một cấu trúc đồng nhất với tất cả các thành phần được liên kết nhau trong nền nhựa.

VI. ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA

Sự bốc hơi và thăng hoa trong chân không được gọi là hiện tượng thoát khí. Chất lỏng có áp suất hóa hơi nhỏ, và hiện tượng thoát khí trở thành hệ trọng khi áp suất chân không giảm xuống dưới áp suất hóa hơi. Trong công nghệ hút chân không, thoát khí có tác dụng tương tự như rò khí và hạn chế mức chân không có thể đạt được.

H5-1

Hơi nước thường là nguyên nhân vô hình của các trục trặc về bơm chân không. Nó bắt nguồn từ nước trong khí quyển. Hơi nước được hấp thụ vào trong các loại vải, trên bề mặt của khuôn và màng nhựa hút chân không. Dưới những điều kiện nhất định của chân không và nhiệt độ môi trường xung quanh như trong biểu đồ sôi của nước (hình 5), nước sẽ bốc hơi từ các vật liệu và chuyển đến bơm chân không. Đặc biệt nếu bơm lạnh, hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước trên ống xả của bơm chân không. Nước có thể tuần hoàn với dầu bơm và trong một số trường hợp điều này có thể gây hại cho bơm. Nó sẽ chuyển đổi trở lại thành một khối lượng lớn hơi nước trên cửa vào của bơm chân không và sự hiện diện của nó sẽ làm giảm hiệu suất của bơm. Nước trong bơm sẽ gây ăn mòn chi tiết khi bơm ngừng hoạt động trong một khoảng thời gian dài.

Một vài dạng hóa hơi nước sẽ có mặt trong hầu hết mọi trường hợp chân không, sẽ có một sự gia tăng lớn thể tích khi nước bắt đầu sôi. Nước sẽ sôi ở nhiệt độ giảm khi tăng độ chân không. Bất kỳ sự kết hợp của nhiệt độ và độ chân không trên  đường cong điểm sôi sẽ tạo ra một lượng lớn hơi nước cho đến khi tất cả nước đã đun sôi hết. Suy giảm hiệu suất bơm chân không cũng nên được dự kiến ​​cho bơm để loại bỏ hơi nước và thải ra từ ống xả của bơm.

Nguồn hóa hơi khác có thể là dung môi của nhựa. Đặc biệt nhựa Polyeste và Vinylesters sẽ thải khí dưới áp suất chân không. Mức độ chân không cho hiệu ứng này diễn ra phụ thuộc vào áp suất hóa hơi của dung môi có trong các loại nhựa. Những nhà cung cấp nhựa sẽ có thể tư vấn áp suất hóa hơi và mức độ chính xác của chân không được áp dụng vào cuối của quá trình truyền nhựa để tránh thoát khí ra không cần thiết của dung môi yêu cầu cho quá trình lưu hóa.

Vì vậy, việc sử dụng nhựa đặc biệt truyền trong chân không không chỉ có độ nhớt thấp, mà còn ngăn ngừa vấn đề thoát khí. Hầu hết các loại nhựa epoxy tránh được vấn đề này. Một số loại foam được biết có khí thoát ra, ​​một trong những lý do tại sao chọn CoreCell làm lõi trong các chi tiết composite và thân tàu.

Để tránh vấn đề hóa hơi nước, cần giữ cho nguyên liệu khô trong suốt quá trình lưu trữ (tách ẩm khu vực lưu trữ) và giữ cho khu vực làm việc khô. Để ngăn ngừa vấn đề hóa hơi, nhựa sử dụng là loại nhựa phù hợp và điều chỉnh mức độ chân không sau khi truyền bằng cách duy trì một mức độ chân không xấu hơn một chút so với áp suất hóa hơi của dung môi nhựa.

H6    

Nếu chất lượng chân không tiếp cận tới miền xấu (xuất hiện bất thường – hình 6) mặc dù tất cả các rò rỉ đã được dán kín cẩn thận, áp suất hóa hơi cao có thể là thủ phạm. Khi kiểm tra rò rỉ, thực hiện việc tăng áp hoặc kiểm tra rò rỉ tại một chân không xấu hơn (hoặc áp suất tuyệt đối cao hơn) áp lực điểm sôi. Ví dụ, khi kiểm tra rò rỉ một túi chân không ở nhiệt độ môi trường xung quanh 30°C (86°F) bắt buộc tăng áp suất hoặc kiểm tra rò rỉ tại một chân không xấu hơn 95% chân không hoặc áp suất tuyệt đối cao hơn 50 mbar.

VII. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ THI CÔNG VỎ TÀU BẰNG CÔNG NGHỆ HÚT CHÂN KHÔNG TẠI UNINSHIP

Trải vải 1
Trải vải trước khi hút chân không
bước trải vải 1
Trải vải 

Nối ống cấp và hút 2
Nối ống cấp đầu hút chân không
quá trình hút 2
Hệ thống ống và đầu hút
Bỏ lớp vải tách khuôn và lớp lưới 2
Bỏ lớp phủ sau khi hút

sản phẩm sau khi hút
 Sản phẩm sau khi hút chân không

VII. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

  1. Kết quả kiểm tra sức bền vật liệu composite thi công theo phương pháp hút chân không cho thấy các chỉ tiêu đồ bền và mô đun đàn hồi đều lớn hơn khoảng 40-50% so với cùng loại vật liệu nhưng thi công theo phương pháp trát lớp bằng tay;
  2. Bề mặt vỏ tàu khi thi công bằng phương pháp VARIM có độ phẳng và độ đồng đều tốt hơn hẳn so với phương phát trát bằng tay;
  3. Trang bị phục vụ công nghệ VARIM không nhiều, chi phí thi công chỉ tăng khoảng 10% so với phương pháp thông thường;
  4. Các sản phẩm composite cao cấp (vỏ tàu cao tốc, nội thất máy bay, nội thất ô tô, các chi tiết cần tính thẩm mỹ và độ bền cao…) nên thi công theo phương pháp VARIM

VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Manufacturing of polymer matrix composites using vacuum assisted resin infusion molding – A. Goren, C. Atas

[2] Guide to resin infusion

[3] Vacuum infusion – The equipment and process of resin infusion

[4] Resin infusion – Michael Hau

[5] Vacuum bagging techniques – Published by Gougeon Brothers Inc.

[6] Understanding vacuum

Trưởng phòng Kiểm nghiệm UNINSHIP 
Th.S Phạm Văn Thu