Xemtailieu Tải về Nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ------------------------ MAI ĐÌNH NAM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỢI BASALT TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÁNH HÒA - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ------------------------ MAI ĐÌNH NAM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỢI BASALT TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60520116 Quyết định giao đề tài: 940/QĐ-ĐHNT ngày 26/9/2014 Quyết định thành lập HĐ: 01/12/2015 Ngày bảo vệ: Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN DOÃN HÙNG Chủ tịch Hội đồng: PGS. TS. TRẦN GIA THÁI Khoa sau đại học: KHÁNH HÒA - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: ‘‘nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite’’ là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này. Khánh Hòa, Ngày tháng năm Tác giả luận văn Mai Đình Nam i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này: Trước hết tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật giao thông niềm kính trọng, sự tự hào được học tập tại trường trong những năm qua. Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được dành cho TS. Trần Doãn Hùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Đặc biệt xin được ghi nhớ và chân thành cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Đạt – Viện trưởng, Viện nghiên cứu và chế tạo Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang cùng các cán bộ của Viện đã giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi về vật liệu, dụng cụ, trang thiết bị cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin được cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật giao thông, xưởng Cơ khí, Trung tâm Thí nghiệm Thực hành Trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi về thiết bị cho tôi trong suốt quá trình. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã tạo điều kiện, động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua cũng như thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, Ngày tháng năm Tác giả luận văn Mai Đình Nam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC KÍ HIỆU ...................................................................................................vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................................ix Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu ............................................................................1 1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vần đề đặt ra ..........................................................2 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................2 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................5 1.3. Mục tiêu, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu ...................................5 1.3.1. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu...................................................................5 1.3.2. Nôi dung nghiên cứu và bố cục của đề tài ......................................................5 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................6 1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................6 1.3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................................6 1.3.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu ........................................................................7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT BỊ ............................................................8 2.1. Vật liệu composite.................................................................................................8 2.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ..........................................................8 2.1.2. Định nghĩa và phân loại ..................................................................................8 2.1.3. Tính chất vật liệu composite .........................................................................10 2.1.4. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ..........................................................11 2.1.5. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu composite ........................18 2.1.6. Công dụng và ưu nhược điểm của vật liệu composite ..................................19 2.2. Vật liệu nền .........................................................................................................20 2.2.1. Phân loại .......................................................................................................20 2.2.1.1. Nhựa vinylester ......................................................................................20 2.2.1.2. Nhựa epoxy ............................................................................................ 20 iii 2.2.1.3. Nhựa phenolic ........................................................................................21 2.2.1.4. Nhựa nhiệt dẻo .......................................................................................21 2.2.1.5. Nhựa polyester .......................................................................................21 2.2.2. Nhựa polyester không no (UPR) ..................................................................22 2.2.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 22 2.2.2.2. Ứng dụng ................................................................................................ 23 2.3. Vật liệu cốt ..........................................................................................................23 2.3.1. Khái niệm chung ........................................................................................... 23 2.3.2. Một số vật liệu cốt ........................................................................................23 2.3.2.1. Sợi cácbon .............................................................................................. 23 2.3.2.2. Sợi aramid .............................................................................................. 24 2.3.3. Sợi thủy tinh ..................................................................................................24 2.3.3.1. Tìm hiểu chung về sợi thủy tinh ............................................................. 24 2.3.3.2. Phân loại sợi thủy tinh ............................................................................25 2.3.3.3. Công nghệ chế tạo sợi ............................................................................27 2.3.3.4. Xử lý bề mặt sợi .....................................................................................27 2.3.3.5. Các kiểu dệt sợi thủy tinh .......................................................................27 2.3.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi thủy tinh ........................... 28 2.3.4. Sợi basalt .......................................................................................................30 2.3.4.1. Định nghĩa .............................................................................................. 30 2.3.4.2. Phân loại .................................................................................................31 2.3.4.3. Nguồn nguyên liệu .................................................................................32 2.3.4.4. Ứng dụng của sợi basalt .........................................................................33 2.3.4.5. Sản xuất sợi basalt ..................................................................................34 2.4. Một số quy phạm, quy chuẩn hiện hành ............................................................. 37 2.4.1. Quy chuẩn so sánh ........................................................................................37 2.4.2. Quy phạm chế tạo thử nghiệm ......................................................................37 2.5. Thiết bị thử nghiệm ............................................................................................. 37 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................................................41 3.1. Lựa chọn tổ hợp vật liệu .....................................................................................41 3.1.1. Vật liệu nền ...................................................................................................41 3.1.2. Vật liệu cốt ....................................................................................................41 iv 3.2. Chế tạo mẫu thử ..................................................................................................42 3.3. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu...............................................45 3.3.1. Độ bền kéo ....................................................................................................45 3.3.2. Độ bền uốn ....................................................................................................51 3.3.3. Độ bền nén ....................................................................................................57 3.3.4. Độ bền va đập ............................................................................................... 59 3.3.5. Độ mài mòn ..................................................................................................60 3.3.6. Độ hấp thụ nước............................................................................................ 61 3.4. So sánh chỉ tiêu kinh tế .......................................................................................62 Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................64 4.1. Kết luận ...............................................................................................................64 4.1.1. Chỉ tiêu cơ tính ............................................................................................. 64 4.1.2. Chỉ tiêu kinh tế............................................................................................. 64 4.2. Kiến nghị .............................................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 65 v DANH MỤC KÍ HIỆU b: Chiều rộng H: Độ hấp thụ nước l: Chiều dài M: Độ mài mòn MK : Mô đun đàn hồi kéo MU : Mô đun đàn hồi uốn MN : Mô đun đàn hồi nén P1 : Phương 1 P2 : Phương 2 t: Chiều dày W: Khối lượng WR120 : Sợi thủy tinh trọng lượng 120 g/m2 WR800 : Sợi thủy tinh trọng lượng 800 g/m2 σK : Ứng suất kéo σU : Ứng suất uốn σN : Ứng suất nén vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT A: Alkali glass (Sợi thủy tinh kiềm) BGTVT : Bộ Giao thông vận tải C: Chemical glass (Sợi thủy tinh chịu axit) E: Electrical glass (Sợi thủy tinh có đặc tính cách điện cao) FRP : Fibreglass reinforced plastics (Chất dẻo cốt sợi thủy tinh) KQ : Kết quả QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TB: Trung bình TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TT : Thứ tự UPR : Unsaturated Polyester Resin (Nhựa Polyester không no) vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Sự so sánh về tính chất giữa các sợi thương phẩm khác nhau ................................... 3 Bảng 1.2. Các tính chất của các sợi gia cường ........................................................................... 4 Bảng 2.1. Thành phần hóa học của sợi thủy tinh ..................................................................... 26 Bảng 2.2. Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh ............................................................................... 26 Bảng 2.3. Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) ................................................................ 26 Bảng 2.4. Thành phần hóa học của những tảng đá thích hợp cho sản xuất sợi basalt ........................ 32 Bảng 3.1. Kết quả thử kéo lần 1 ............................................................................................... 46 Bảng 3.2. Tỉ lệ % thực tế nhựa và sợi của mẫu sau khi khô ..................................................... 48 Bảng 3.3. Kết quả thử kéo lần 2 ............................................................................................... 49 Bảng 3.4. Kết quả thử uốn lần 1 ............................................................................................... 52 Bảng 3.5. Kết quả thử uốn lần 2 ............................................................................................... 55 Bảng 3.6. Kết quả thử nén ........................................................................................................ 58 Bảng 3.7. Kết quả thử va đập ................................................................................................... 60 Bảng 3.8. Kết quả thử độ mài mòn ........................................................................................... 61 Bảng 3.9. Kết quả đo độ hấp thụ nước ..................................................................................... 62 viii DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ lăn ép bằng tay ...................................................................12 Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ phương pháp lăn ép phun ..................................................13 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ của phương pháp đúc kéo ..................................................14 Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ quấn ống ............................................................................14 Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ bơm nhựa vào khuôn .........................................................15 Hình 2.6. Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không.............................. 15 Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ đúc chân không ..................................................................16 Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ phương pháp túi chân không .............................................17 Hình 2.9. Cấu trúc hóa học sợi thủy tinh .......................................................................25 Hình 2.10. Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi ....................................28 Hình 2.11. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hệ lý tưởng ..........................29 Hình 2.12. Ứng suất kéo của nhựa nền, sợi gia cường và vật liệu FRP ........................29 Hình 2.13. Sợi balsalt ....................................................................................................30 Hình 2.14. Sợi basalt dạng xơ .......................................................................................31 Hình 2.15. Vải sợi basalt ............................................................................................... 31 Hình 2.16. Vảy basalt ....................................................................................................32 Hình 2.17. Đá basalt ......................................................................................................32 Hình 2.18: Mỏ đá basalt ................................................................................................ 33 Hình 2.19. Ứng dụng của sợi basalt ..............................................................................33 Hình 2.20. Ứng dụng của sợi basalt ..............................................................................34 Hình 2.21. Quy trình công nghệ sản xuất sợi basalt ......................................................35 Hình 2.22. Quy trình kéo sợi basalt ...............................................................................35 Hình 2.23. Máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS .........38 Hình 2.24. Máy đo sức bền va đập Tinius olsen ........................................................... 38 Hình 2.25. Máy Taber Abraser- 5131 (Mỹ) ..................................................................39 Hình 2.26. Cân phân tích AY200 ..................................................................................39 Hình 2.27. Tủ ấm INE500 ............................................................................................. 40 Hình 3.1. Mẫu thử kéo (a) và uốn (b) ............................................................................42 Hình 3.2. Hình gia công mẫu và tách mẫu cân kiểm tra ...............................................44 Hình 3.3. Vạch dấu cắt và gia công bằng dưỡng mẫu ...................................................44 Hình 3.4. Mẫu kéo và mẫu uốn sau khi gia công ..........................................................45 ix Hình 3.5. Mẫu nén và mẫu va đập sau khi gia công......................................................45 Hình 3.6. Thử kéo vật liệu ............................................................................................. 46 Hình 3.7. Đồ thị lực kéo lần 1 ( a- Glass, b- Basalt) .....................................................47 Hình 3.8. Mẫu bị phá hủy sau khi thử nghiệm .............................................................. 48 Hình 3.9. Đồ thị lực kéo lần 2 (a- glass, b- basalt(p2), c- basalt(p1)) ........................... 51 Hình 3.10. Thử uốn vật liệu ........................................................................................... 52 Hình 3.11. Đồ thị uốn lần 1 ( a- Glass, b- Basalt) .........................................................53 Hình 3.12. Mẫu bị phá hủy sau khi thử nghiệm uốn .....................................................54 Hình 3.13. Đồ thị lực uốn lần 2(a- glass, b- basalt(p2), c- basalt(p1)) ..........................57 Hình 3.14. Thử nén vật liệu ........................................................................................... 58 Hình 3.15. Đồ thị lực nén .............................................................................................. 59 Hình 3.16. Thử độ bền va đập vật liệu ..........................................................................60 Hình 3.17. Thử nghiệm độ mài mòn của vật liệu ..........................................................61 Hình 3.18. Thử nghiệm độ hấp thụ nước của vật liệu ...................................................62 x TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Trong ngành công nghiệp chế tạo tàu thủy bằng vật liệu composite, vật liệu gia cường được sử dụng phổ biến là sợi thủy tinh. Tuy nhiên, sợi thủy tinh được xem là vật liệu có rất nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của cán bộ kỹ thuật và thậm chí cho người sử dụng và ảnh hưởng đến môi trường. Gần đây sợi basalt đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, vì sợi basalt có một số ưu điểm hơn so với sợi thủy tinh như: độ cứng cao, khả năng chịu kéo cao, bền với hóa chất, nhiệt độ, sợi basalt có nguồn gốc từ tự nhiên nên thân thiện với môi trường và có giá thành hợp lý. Nhưng sợi basalt chưa được phổ biến tại nước ta và ngành công nghiệp đóng tàu composite hiện nay vẫn sử dụng sợi thủy tinh làm vật liệu gia cường. Vì vậy việc nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong ngành công nghiệp tàu thủy, nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm môi trường là cần thiết. Nghiên cứu này đã xác định độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén, độ bền va đập, độ mài mòn và độ hấp thụ nước để so sánh các tính chất cơ học của vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi basalt trên nền nhựa polyester không no. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy vật liệu composite gia cường bằng sợi basalt có cơ tính kém hơn vật liệu composite cốt sợi thủy tinh đang sử dụng làm vỏ tàu composite hiện nay, tuy nhiên vật liệu composite cốt sợi basalt đáp ứng được yêu cầu về Quy chuẩn hiện hành cho vật liệu ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu composite. Từ đó cho thấy khả tiềm năng ứng dụng của sợi basalt trong công nghiệp đóng tàu composite tại nước ta là có khả thi. Với kiến nghị cần nghiên cứu thêm về vật liệu composite cốt sợi basalt với nhiều loại khác nhau để đánh giá chính xác hơn về khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite. Từ khóa: sợi basalt, sợi thủy tinh, vật liệu composite, nhựa polyester không no. xi Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu Vật liệu và công nghệ vật liệu đóng một vai trò và ý nghĩa rất quan trọng của các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp tàu thủy nói riêng, nhất là khi tàu thủy làm việc trong môi trường phức tạp, chịu mức độ ăn mòn cao. Cho đến nay, vật liệu dùng chế tạo các loại tàu thông dụng phổ biến là vật liệu kim loại như thép, hợp kim nhôm hoặc vật liệu phi kim loại như gỗ [8]. Tuy nhiên, các loại vật liệu truyền thống này thường vẫn còn rất nhiều điểm hạn chế. Các vật liệu kim loại như thép đảm bảo được nhiệm vụ đặt ra, song thực tế sử dụng cho thấy thép rất dễ bị ăn mòn trong môi trường nước mặn, thường xuyên bị hàu, hà bám nên chi phí sơn sửa và bảo dưỡng tàu khá cao. Ngoài ra, thép là một trong những loại vật liệu có trọng lượng riêng lớn nhất nên tàu vỏ thép còn có nhược điểm là trọng lượng khá lớn, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu lớn, mặt khác gỉ sét và sơn chống gỉ vỏ tàu cũng gây ô nhiễm môi trường. Vật liệu hợp kim nhôm tuy có thể khắc phục được các nhược điểm của tàu vỏ thép nhưng giá thành đắt, công nghệ chế tạo phức tạp, cần có máy móc thiết bị hiện đại [8]. Gỗ là loại vật liệu đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đóng tàu ở nước ta hiện nay và chủ yếu là dùng đóng các loại tàu khai thác thủy sản và phục vụ du lịch tốc độ thấp. Tuy nhiên, hiện nay nguồn gỗ đang cạn kiệt, nếu đóng quá nhiều tàu bằng gỗ thì nguy cơ phá rừng càng cao, ảnh hường xấu tới môi trường. Cả hai loại vật liệu truyền thống (thép và gỗ) này khi làm vỏ tàu đòi hỏi quy trình bảo dưỡng rất nghiêm khắc. Tàu vỏ gỗ thì phải kéo lên bờ định kỳ, với chu kỳ hết sức ngắn tùy thuộc vào vùng biển, thông thường mỗi năm phải làm vỏ ít nhất hai lần. Yêu cầu thường xuyên đưa tàu vào ụ hoặc lên đà để bảo dưỡng. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn đến nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng riêng rẽ không thể có được. Vật liệu kết hợp hoặc vật liệu Composite ra đời năm 1950 đáp ứng được nhu cầu cấp bách đó, vật liệu Composite được sử dụng trong ngành công nghiệp tàu thủy là Fibreglass reinforced plastics (FRP). FRP là một tổ hợp giữa cốt sợi thủy tinh với nhựa polyester không no tỉ lệ trọng lượng nhựa trong thành phần vật liệu từ 50 đến 70% và sợi thủy tinh chiếm tỉ lệ trọng lượng từ 30 đến 50%. Vỏ tàu FRP có khả năng chống ăn mòn cao, ít bị hàu, hà bám bẩn nên chi phí bảo dưỡng thấp và dễ dàng [8]. 1 Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi trội, tàu chế tạo bằng vật liệu FRP hiện nay cũng có nhiều nhược điểm và nổi bật nhất là vật liệu cốt sợi thủy tinh khá độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe người thi công [19]. Theo các nghiên cứu của Hiệp hội về Phổi của Mỹ, bụi sợi thủy tinh là có hại đến hệ thống tuần hoàn, mắt và da, là tác nhân có thể gây ung thư phổi [9]. Thêm vào đó, thủy tinh là vật liệu rất trơ về môi trường, cho nên về lâu dài, nếu cứ tiếp tục phát triển tàu composite vỏ FRP sẽ tạo ra một loại rác công nghiệp có tác động xấu đến môi trường. Từ những trình bày trên đây nhận thấy, vật liệu Composite dùng trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy có rất nhiều ưu điểm và việc nghiên cứu tìm kiếm loại vật liệu hoặc kết cấu mới để khắc phục những nhược điểm nêu trên có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng. Sợi basalt là vật liệu có nguồn gốc từ tự nhiên. Theo các nghiên cứu mới đây, sợi basalt có tính chất vượt trội so với sợi thủy tinh về độ cứng, khả năng chịu kéo rất cao, bền với hóa chất, nhiệt độ, thân thiện với môi trường, và có một mức giá tương đối hợp lý [11], [18]. Bên cạnh đó, trên thế giới hiện có khá nhiều công trình nghiên cứu sợi basalt để thay thế sợi thủy tinh trong nhiều lĩnh vực, và có thể một tương lai không xa thay thế cả sợi thủy tinh. Điều này cho thấy đây là một loại vật liệu có tiềm năng rất lớn để nghiên cứu khả năng ứng dụng trong nghành công nghiệp tàu thủy, dẫn đến nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu. Từ đó chúng tôi mạnh dạn đề xuất nghiên cứu sử dụng loại vật liệu Composite mới là tổ hợp giữa cốt sợi basalt với nền nhựa polyester không no. Tuy nhiên, do đây là vật liệu mới nên để có thể sử dụng được trong đóng vỏ tàu thì cần giải quyết hàng loạt các vấn đề đặt ra về cơ tính, kích thước, tính kinh tế… Xuất phát từ lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài “nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite”. 1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vần đề đặt ra 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Được hình thành từ đá basalt núi lửa do đó sợi basalt có nhiều đặc tính có lợi. Bên cạnh có mô đun đàn hồi cao và chịu nhiệt độ cao, sợi basalt còn có tính cách âm và chống rung rất cao. Với nhiều đặc tính vượt trội thì việc nghiên cứu về ứng dụng sợi basalt được phát triển mạnh mẽ và vẫn là hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm. 2 Theo nghiên cứu của Anne Ross, 2006 thì sản phẩm composite cốt sợi basalt cho đặc tính tương tự như sợi S-2 glass và nó cũng có một mức giá tương đối hợp lý nằm giữa sợi S-2 glass và sợi E-glass [11]. Theo nghiên cứu của Dr. Richard Parnas và cộng sự, 2007 khi so sánh tính chất của các sợi thương phẩm phổ biến thì cho thấy sợi basalt có tính chất vượt trội so với sợi thủy tinh về độ cứng, khả năng chịu kéo rất cao, bền với hóa chất, nhiệt độ, thân thiện với môi trường [18]. Kết quả chi tiết thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Sự so sánh về tính chất giữa các sợi thương phẩm khác nhau [18] (R. Parnas, M. Shaw, and L. Qiang, “‘Basalt Fiber Reinforced Polymer Composites,’” no. 03, 2007.) Theo các nghiên cứu mới đây của Kamenny Vek, 2014 thì sợi basalt đơn hướng có một mô đun kéo cao hơn 15 % và độ bền kéo cao hơn 25 % so với E-glass và sợi Basalt còn tương thích với hầu hết các loại nhựa như epoxy, polyester, nhựa vinyl ester, phenolic, melamine, acrylate, và hệ nhựa polyurethane [21]. 3 Theo nghiên cứu của N.M. Chikhradze và cộng sự, 2012 khi so sánh các tính chất của sợi basalt và các sợi truyền thống khác, chẳng hạn như thủy tinh glass, sợi carbon thì sợi basalt có tính chất cơ học gần tương đương với sợi thủy tinh loại tốt. Kết quả thể hiện trong bảng 1.2 [15]. Bảng 1.2. Các tính chất của các sợi gia cường [15] (Chikhradze NM, Japaridze LA, Abashidze GS. Properties of Basalt Plastics and of Composites Reinforced by Hybrid Fibers in Operating Conditions. 2012;(Table 2):221–46.) Năm 2013 P. Amuthakkannan và các đối tác của mình nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều dài sợi và chất xơ sợi basalt trên tính chất cơ học của vật liệu composite chế tạo trên nền nhựa polyester, kết quả các đặc tính của các vật liệu tổng hợp cho thấy chiều dài sợi là có ảnh hưởng đáng kể trên các tính chất cơ học của vật liệu composite và cũng như hàm lượng xơ. Tỷ lệ trọng lượng chất xơ tối ưu của 68% sợi và chiều dài tối ưu của sợi 10 mm đã được khảo sát. Độ bền kéo của vật liệu composite sợi basalt cho thấy rằng với 68% chất xơ và 10 mm chiều dài của sợi có đặc tính tốt hơn so với độ dài khác của sợi. Độ bền uốn của vật liệu composite cũng cho thấy tính chất tốt hơn trong 68% chất xơ và 10 mm chiều dài của sợi [10]. Như đã đề cập ở trên, vật liệu gia cường sợi basalt là thân thiện môi trường và không độc hại. Sợi basalt liên tục được sản xuất từ đá basalt sử dụng nguyên liệu thành phần duy nhất bằng cách kéo cuộn sợi từ sự tan chảy. Một khi các sợi basalt liên tục đã được sản xuất, chúng sẽ được chuyển đổi thành một dạng phù hợp cho các ứng dụng cụ thể. Sợi basalt liên tục có thể được xử lý dạng sợi thô hoặc băm nhỏ sợi basalt. Ngoài ra sợi basalt thô có thể được chế tạo thành dạng vải sợi thô hoặc tấm gia cường [21]. Chính vì vậy, nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết. Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều lĩnh vực công nghệ được chú trọng trong đó có công nghệ vật liệu mới, nên đề tài này sẽ góp phần mở rộng nguồn 4 nguyên liệu làm vỏ tàu composite tại nước ta, nâng cao chất lượng của vật liệu nhằm thu hút người sử dụng. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, hiện nay các công trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng sợi basalt làm vật liệu gia cường cho vật liệu composite làm vỏ tàu ở nước ta vẫn chưa được công bố. Chính vì vậy, nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết. Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều lĩnh vực công nghệ được chú trọng trong đó có công nghệ vật liệu mới, nên đề tài này sẽ góp phần mở rộng nguồn nguyên liệu làm vỏ tàu composite tại nước ta, nâng cao chất lượng của vật liệu nhằm thu hút người sử dụng. 1.3. Mục tiêu, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu 1.3.1. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy tinh trong công nghiệp đóng tàu composite trên nền nhựa polyester không no, với mục đích tìm kiếm loại vật liệu mới nhằm thay thế vật liệu composite đang sử dụng trong đóng tàu vẫn còn nhiều hạn chế. 1.3.2. Nôi dung nghiên cứu và bố cục của đề tài Từ mục tiêu và mục đích nghiên cứu đã trình bày, nội dung đề tài tập trung vào việc chế tạo mẫu và thử nghiệm xác định các thông số vật liệu và các đặc tính cơ học của kết cấu vật liệu composite gia cường cốt sợi basalt như đề xuất và sử dụng các thông số vật liệu này để so sánh với vật liệu composite gia cường cốt sợi thủy tinh đang dùng trong công nghiệp đóng tàu hiện nay. Trên cơ sở đó rút ra kết luận về khả năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy tinh trong công nghiệp đóng tàu composite trên nền nhựa polyester không no. Từ những trình bày trên đây bố cục của đề tài được cấu thành như sau: Chương 1: Phần tồng quan Nội dung chương trình bày tổng thể về đề tài, lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan 5 đến đề tài luận văn đã được công bố trong và ngoài nước, xác định mục tiêu của đề tài, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết bị Nội dung chương sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết cần thiết liên quan đến việc thực hiện đề tài, lý luận và giả thuyết khoa học, tập trung vào các nội dung như giới thiệu về các vật liệu liên quan là composite, nhựa polyester, sợi thủy tinh, sợi basalt và các trang thiết bị phục vụ quá trình thử nghiệm vật liệu. Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận Đây là chương chính của đề tài trình bày quy trình thực nghiệm, những kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy tinh trong công nghiệp đóng tàu composite trên nền nhựa polyester không no theo quan điểm sức bền và kinh tế. Chương 4: Kết luận và kiến nghị 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trên cơ sở chế tạo mẫu và thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu đề xuất và ứng dụng các thông số vật liệu đã xác định xem xét khả năng ứng dụng, thay thế trong ngành công nghiệp tàu thủy. 1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết - Lý thuyết chung về vật liệu composite. - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu composite. - Nghiên cứu vật liệu nền là nhựa polyester không no. - Nghiên cứu vật liệu cốt là sợi thủy tinh và sợi basalt. - Nghiên cứu một số quy phạm, quy chuẩn hiện hành về vật liệu composite trong đóng tàu. 1.3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm - Chế tạo và thử nghiệm cơ tính các tổ hợp vật liệu composite cốt sợi basalt và composite cốt sợi thủy tinh. - Xác định độ bền kéo, nén, uốn trên máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng CHT 4206 và HOUNSFIELD Model H50KS. - Xác định độ bền va đập trên máy TINIUS OLSEN. - Xác định độ mài mòn, độ hấp thụ nước của vật liệu. 6 1.3.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu cơ học của vật liệu composite cốt sợi basalt. - Nghiên cứu lựa chọn các tổ hợp vật liệu composite cốt sợi basalt và sợi thủy tinh phù hợp. - Pha nền là nhựa polyester 9509, pha cốt là sợi basalt và sợi thủy tinh. - So sánh các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật sử dụng vật liệu composite cốt sợi basalt với vật liệu composite cốt sợi thủy tinh thông thường. 7 Tải về bản full