Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10972-5:2015 Phương pháp chế tạo tấm thử - Quấn sợi

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 10972-5:2015

ISO 1268-5:2001

CHẤT DẺO GIA CƯỜNG SỢI - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO TẤM THỬ - PHẦN 5: QUẤN SỢI

Fibre-reinforced plastics - Methods of producing test plates - Part 5: Filament winding

CHẤT DẺO GIA CƯỜNG SỢI - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO TẤM THỬ - PHẦN 5: QUẤN SỢI

Fibre-reinforced plastics - Methods of producing test plates - Part 5: Filament winding

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp chế tạo tấm thử chất dẻo gia cường bằng cách quấn sợi; sử dụng sợi roving thủy tinh và nhựa nhiệt rắn (không bao gồm các sợi tẩm trước).

Tiêu chuẩn này quy định việc chế tạo các tấm gia cường đơn hướng trong các điều kiện công nghiệp tối ưu để từ đó có thể cắt các mẫu thử sử dụng cho các phép thử cơ học tĩnh khác.

Tiêu chuẩn này được xây dựng cho chất dẻo gia cường sợi thủy tinh đi từ nhựa polyeste hoặc epoxy nhưng cũng có thể mở rộng cho các loại nhựa và chất gia cường khác.

Tiêu chuẩn này phải được áp dụng cùng với TCVN 10972-1 (ISO 1268-1).

CHÚ THÍCH Để giúp cho việc hiểu rõ phương pháp này, từ "roving" được sử dụng trong toàn bộ tiêu chuẩn và bao gồm cả cho sợi bó, trừ khi được đề cập ngược lại.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi.

TCVN 10972-1 (ISO 1268-1), Chất dẻo gia cường sợi - Phương pháp chế tạo tấm thử - Phần 1: Điều kiện chung.

3  Sức khỏe và an toàn

Xem TCVN 10972-1 (ISO 1268-1).

4  Nguyên tắc

Roving (hoặc một số sợi roving) đã tẩm nhựa được quấn thành một số lớp liên tiếp theo yêu cầu trên một khuôn tạo hình.

Độ dày cuối yêu cầu của tấm đạt được bằng cách lắp các tấm khuôn ngoài lên khuôn tạo hình. Quá trình polyme hóa có thể được thực hiện bằng các bàn gia nhiệt hoặc tủ sấy.

Phương pháp này chế tạo đồng thời hai tấm giống nhau.

5  Vật liệu

5.1  Roving

Phương pháp này áp dụng cho tất cả các roving có mật độ sợi tuyến tính từ 200 tex đến 4 800 tex. Đối với các mật độ thấp hơn, sử dụng kết hợp một số sợi roving đến giá trị mật độ tuyến tính từ 200 tex đến 4 800 tex (ví dụ, 10 sợi 22 tex sẽ được 220 tex).

5.2  Hệ nhựa

Nên sử dụng hệ nhựa (polyeste hoặc epoxy + xúc tác hoặc hệ hóa rắn) có các đặc tính sau:

- độ nhớt: nhỏ hơn 0,4 Pa.s ở nhiệt độ quấn;

- thời gian sống tối thiểu: thời gian sống tối thiểu của hệ nhựa tại nhiệt độ tiến hành phải đảm bảo sao cho mức tăng độ nhớt của nhựa khi kết thúc quá trình quấn nhỏ hơn 40 % giá trị ban đầu.

Nếu chọn một hệ nhựa không có các đặc tính nêu trên, độ nhớt và thời gian sống tối thiểu của hệ nhựa sử dụng phải được nêu trong báo cáo chế tạo tấm thử (Điều 11).

6  Kích thước tấm

Kích thước tấm được chế tạo phải có chiều dài 300 mm và chiều rộng 220 mm.

7  Hàm lượng vật liệu gia cường

Hàm lượng thủy tinh phải theo quy định của người yêu cầu chế tạo tấm: Hàm lượng thủy tinh của loại tấm nhiều lớp này thường bằng 70 % phần khối lượng.

CHÚ THÍCH Hàm lượng thủy tinh bằng 70 % phần khối lượng tương ứng với 52 % phần thể tích.

8  Thiết bị, dụng cụ

8.1  Guồng quay (tùy chọn)

Guồng quay phải được lắp với hệ thống kéo căng, cho phép điều chỉnh độ căng của roving từ 0 N đến 15 N (độ căng được xác định trước khi cho roving vào bể tẩm).

8.2  Máy quấn (xem Hình 1)

Máy quấn phải có các đặc tính sau

- tốc độ trục quay: có thể thay đổi liên tục từ 0 r/min đến 70 r/min;

- bước quấn: điều chỉnh được từ 0,5 mm đến 5 mm (bước này phải tương ứng với hành trình của trục dẫn hướng khi khuôn tạo hình hoàn thành một chu kỳ hoàn chỉnh);

- khi cần thiết, sử dụng tấm bức xạ nhiệt để có thể quấn roving lên khuôn tạo hình ở nhiệt độ không đổi.

CHÚ DẪN

1  Trục dẫn ra

2  Dụng cụ khử bọt

3  Trục dẫn sợi (loại có lỗ)

4  Roving

5  Bể tẩm có thành kép

6  Trục dẫn hướng có khía

7  Trục dẫn hướng phẳng

8  Tấm bức xạ

9  Khuôn tạo hình

10  Bể tẩm

11  Tay đòn có thể tháo rời

12  Máy quấn

13  Hệ thống điều chỉnh độ căng

14  Cuộn hoặc kiện roving

Hình 1 - Bể tẩm và máy quấn

8.3  Thiết bị tẩm

8.3.1  Quy định chung

Có thể sử dụng một trong các thiết bị tẩm được mô tả trong 8.3.2 và 8.3.3. Nếu sử dụng hệ thống khác thì chi tiết phải được nêu trong báo cáo chuẩn bị tấm thử (Điều 11).

8.3.2  Bể tẩm (xem Hình 1)

Nhiệt độ của hệ nhựa trong bể phải được kiểm soát để duy trì độ nhớt (xem 5.2) càng không thay đổi càng tốt để đảm bảo tẩm roving được đồng đều và hoàn toàn.

Do đó bể tẩm nên có thành kép để có thể tuần hoàn một chất lỏng điều nhiệt và kích thước bể phải đảm bảo chiều dài tẩm ít nhất là 400 mm và chứa được khoảng 1 L nhựa.

Loại bể được đưa ra trong Hình 1 là một ví dụ. Bể nên có các đặc tính sau:

- trục dẫn sợi có lỗ ở đầu vào để tránh mài mòn (ví dụ làm bằng polytetrafluoroetylen hoặc kim loại mạ crom);

- trục dẫn sợi ở đầu ra đảm bảo việc tẩm hoàn thành mà không bị khô;

- dụng cụ khử bọt trong nhựa;

- các trục dẫn hướng nằm dưới bề mặt nhựa (xen kẽ loại phẳng và có rãnh).

8.3.3  Trục tẩm (xem Hình 2)

Trục này phải bền ăn mòn và bền mài mòn. Trục phải quay tự do và có đường kính tối thiểu là 120 mm. Chiều dài của diện tích tiếp xúc giữa roving và trục không được nhỏ hơn 20 % chu vi trục và trục phải được ngâm trong nhựa ở độ sâu xấp xỉ 20 % đến 30 % đường kính của nó. Sử dụng một lưỡi gạt để kiểm soát lượng nhựa trên trục. Khoảng cách giữa lưỡi gạt và trục có thể thay đổi từ 0 mm đến 3 mm. Việc cài đặt lưỡi gạt phải được xác định từ các phép thử sơ bộ. Sử dụng một dao cạo để loại bỏ nhựa không ngấm vào roving.

CHÚ DẪN

Hình 2 - Trục tẩm

8.4  Khuôn tạo hình (xem Hình 3)

Khuôn bao gồm một khung tạo hình, được mài phẳng ở cả hai mặt, mà trên đó roving được quấn vào và các tấm khuôn ngoài được thiết kế để đặt lên cả hai mặt quấn và ép lên cạnh của khuôn tạo hình, do đó sẽ xác định chính xác độ dày của phần quấn. Bề mặt của các tấm khuôn ngoài phải rất phẳng và song song với mặt của khuôn tạo hình.

Sử dụng các miếng chặn đầu dạng thanh bằng cao su silicon để bịt kín khe hở giữa khuôn tạo hình và tấm khuôn ngoài để ngăn thất thoát nhựa trong quá trình đóng rắn.

CHÚ DẪN

1 Khung tạo hình

2 Tấm khuôn ngoài

3 Trục quay

4 Rãnh

5 Độ dày quấn

6 Miếng chặn bằng cao su silicon

7 Roving

Hình 3 - Khuôn quấn và đóng rắn

8.5  Máy ép có bàn gia nhiệt

Máy ép phải có các đặc tính sau:

- lực tối thiểu: 20 kN;

- nhiệt độ điều chỉnh được theo chu kỳ đóng rắn yêu cầu theo nhựa và hệ xúc tác.

Nếu không có máy ép có bàn gia nhiệt thì có thể sử dụng thay thế như sau:

- một hệ thống kẹp các tấm khuôn ngoài vào đúng vị trí;

- một tủ sấy có thể duy trì nhiệt độ chu kỳ đóng rắn yêu cầu theo hệ nhựa.

9  Cách tiến hành

Trừ khi có quy định khác, roving phải được gia công mà không cần điều hòa trước.

Gắn khuôn tạo hình lên trục quay của máy quấn. Khi bể tẩm được giữ ở nhiệt độ lớn hơn 50 ^oC, khuôn tạo hình nên được duy trì ở một nhiệt độ càng không đổi càng tốt (ví dụ bằng cách sử dụng tấm bức xạ nhiệt).

Điều chỉnh tốc độ của trục quay để đạt được tốc độ roving từ 5 m/min đến 15 m/min; tốc độ này phải được chọn sao cho việc quấn có thể hoàn thành trong khoảng thời gian sống của nhựa (xem 5.2).

Chọn thông số quấn như sau:

- bước quấn, p : 0,5 mm < p < 4 mm

- số lớp: n : 2 ≤ n ≤ 12

Ví dụ về các thông số quấn thích hợp xem trong Phụ lục A và cách tính toán xem trong Phụ lục B, nếu cần.

Đặt một kiện roving vào guồng tháo nếu có thể.

Tháo một chiều dài roving thích hợp theo phương tiếp tuyến hoặc hướng lên phía trên, cho sợi chạy qua hệ thống kéo căng, qua các trục dẫn hướng bên trong bể và qua trục dẫn sợi rồi gắn vào khuôn tạo hình.

Bằng cách sử dụng hệ thống kéo căng, điều chỉnh độ căng của roving để đảm bảo roving sẽ được quấn đều lên khuôn tạo hình.

Đổ nhựa vào trong bể tẩm.

Duy trì nhiệt độ của bể tại nhiệt độ đã lựa chọn.

Phủ tấm khuôn ngoài bằng chất chống dính ổn định ở nhiệt độ vận hành hoặc phủ bằng màng chịu nhiệt.

Nếu sử dụng một khuôn tạo hình không khía để cắt tấm quấn, gắn ở mỗi đầu của khuôn tạo hình một thanh nhựa để dễ dàng tháo tấm ra và ngăn chặn hư hỏng khuôn tạo hình khi cắt tấm quấn.

Đặt các miếng chặn đầu bằng cao su silicon vào mỗi đầu của hai cạnh khuôn tạo hình như trong Hình 3. Các miếng này được sử dụng để giữ roving căng trong khi quấn và tránh làm thất thoát nhựa ở trong khuôn. Vị trí và đường kính của miếng này phải đảm bảo sao cho phần quấn ở giữa chúng phẳng.

Phủ tấm khuôn ngoài bằng một lớp nhựa mỏng.

Quấn một lớp roving. Nếu cần, loại bỏ nhựa có trên bề mặt bằng một cái bay mềm hoặc bằng một con lăn. Lặp lại với từng lớp quấn.

Khi tấm quấn đã được hoàn thành, lắp tấm khuôn ngoài lên khuôn tạo hình (xem Hình 3).

Đặt tổ hợp này vào giữa các bàn gia nhiệt của máy ép hoặc trong tủ sấy với tấm khuôn ngoài được gắn đúng vị trí.

Đóng rắn khuôn ở nhiệt độ và thời gian được khuyến cáo đối với hệ nhựa sử dụng.

Tiếp tục quá trình sau đóng rắn của vật đúc (điều này có thể được thực hiện khi có hoặc không có tấm khuôn ngoài).

Để nguội đến nhiệt độ phòng

Tách riêng các tấm bằng cách cưa như cho trong Hình 4.

CHÚ DẪN

1  Trục quay của cưa vòng

2  Lưỡi cưa vòng

3  Chỗ khía

4  Tấm thử

5  Khuôn tạo hình

Hình 4 - Cách lấy tấm thử ra khỏi khuôn tạo hình

Cắt gọt tấm đến chiều dài và chiều rộng yêu cầu. Để tránh phá hủy mép, nên dùng cưa kim cương.

Mẫu thử được dùng cho các phép thử cơ học phải được lấy từ các tấm này và được cắt đến kích thước yêu cầu trong các tiêu chuẩn thử tương ứng.

10  Đánh giá đặc tính của các tấm thu được

10.1  Hàm lượng sợi

Xem TCVN 10972-1 (ISO 1268-1).

Hàm lượng sợi không được sai khác nhiều hơn 2 % so với giá trị quy định.

10.2  Độ rỗng

Xem TCVN 10972-1 (ISO 1268-1).

10.3  Ngoại quan và độ tẩm nhựa

Sau khi đúc, ngoại quan và chất lượng tẩm của tấm phải được kiểm tra để khẳng định rằng tấm nhiều lớp có chất lượng phù hợp.

10.4  Kích thước của tấm

Đo độ dày, chiều rộng và chiều dài của tấm

11  Báo cáo chế tạo mẫu thử

a) Viện dẫn tiêu chuẩn này;

b) Thời gian và địa điểm chế tạo tấm thử;

c) Chi tiết số lớp và bước quấn, tính theo mm;

d) Mô tả vật liệu sử dụng (bao gồm loại vật liệu gia cường, loại nhựa, loại chất độn nếu có và hệ xúc tác đóng rắn, v.v....);

e) Mô tả thiết bị tẩm sử dụng (bể, con lăn hoặc loại khác);

f) Điều kiện vận hành (nhiệt độ hệ nhựa, theo ^oC và tốc độ roving, theo m/min);

g) Sử dụng máy ép hay tủ sấy;

h) Kích thước của tấm được chế tạo;

i) Hàm lượng sợi và hàm lượng chất độn, nếu có;

j) Chất lượng của tấm thử (ngoại quan, độ tẩm nhựa);

k) Thông tin bất kỳ cần thiết để chế tạo lại tấm một cách chính xác;

l) Bất kỳ sai khác nào so với tiêu chuẩn này.

Phụ lục A

(tham khảo)

Ví dụ về thông số quấn

Bảng A.1 đưa ra các thông số dùng để chế tạo các tấm đơn hướng dày 3 mm có hàm lượng thủy tinh cuối cùng gần 70 % khối lượng khi sử dụng nhựa có khối lượng riêng 1,2 g/cm³.

Hàm lượng thủy tinh có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng lớp hoặc giảm bước quấn và giảm đi bằng phương pháp ngược lại.

Phụ lục B

(tham khảo)

Cách tính toán thông số quấn để chế tạo tấm đơn hướng bằng phương pháp quấn

B.1  Số lượng các lớp

trong đó

n là số lượng các lớp quấn;

ρ là khối lượng riêng của thủy tinh, tính bằng gam trên centimet khối;

φ là hàm lượng thủy tinh, biểu thị bằng phần trăm thể tích;

ρ_l là mật độ sợi tuyến tính của roving, tính bằng tex;

h là độ dày của tấm thử, tính bằng milimét.

Số lượng các lớp quấn phải là một số nguyên. Khi cần, làm tròn kết quả đến số nguyên gần nhất hoặc số chẵn gần nhất.

B.2  Bước quấn

trong đó

p là bước quấn, tính bằng milimét

các ký hiệu khác theo B.1.