Trang chủ Bằng phát minh, sáng chế • Liên hệ     • Giới thiệu     • Tài liệu hướng dẫn

Quy trình sản xuất vật liệu composit có cấu trúc lõi xốp và sản phẩm sản xuất được bằng quy trình đó

Cập nhật Thứ sáu - 22/01/2016 11:51 In bài viết

1. Tên sáng chế, phát minh, giải pháp:
Quy trình sản xuất vật liệu composit có cấu trúc lõi xốp và sản phẩm sản xuất được bằng quy trình đó
2. Số bằng,ký hiệu: 1-0006066
3. Thuộc lĩnh vực KH&CN Công nghệ vật liệu mới (Sáng chế)
4. Ngày công bố 26/02/2007
5. Ngày cấp 26/02/2007
6. Chủ sở hữu chính PHẠM HÙNG SINH
7. Tác giả PHẠM HÙNG SINH
8. Điểm nổi bật
Sáng chế đề xuất quy trình sản xuất sản phẩm composit có cấu trúc lõi xốp với vỏ bao ngoài là vật liệu composit gồm chất dẻo nhiệt rắn được tăng cường bằng sợi và lõi là vật liệu rẻ tiền như trấu, mạt cưa. Quy trình này bao gồm các bước chế tạo lõi xốp, chuẩn bị lớp vỏ, dùng lớp vỏ bao phủ lõi, tạo lỗ thoát khí qua lớp composit, ép nóng để đóng rắn lớp composit và hoàn thiện. Sáng chế còn đề cập đến sản phẩm sản xuất được bằng quy trình sản xuất này.
9. Mô tả về sáng chế, phát minh, giải pháp
Lĩnh vực kỹ thuật được đề cập
Sáng chế liên quan đến lĩnh vực tạo hình sản phẩm bằng cách định hình lõi xốp và bao bọc lõi xốp bằng vật liệu composit hệ polyeste không no nhiệt rắn và sợi thiên nhiên. Cụ thể, sáng chế liên quan đến vật liệu composit có cấu trúc lõi xốp mà có thể được sử dụng trong xây dựng với tính năng cơ lý và màu sắc theo yêu cầu, độ chính xác cao về kích thước. Tình trạng kỹ thuật sáng chế
Cho đến nay cửa các loại (cửa đi, cửa sổ, v.v.) được làm bằng gỗ có giá thành rất cao do gỗ tự nhiên ngày càng khan hiếm trong khi các loại gỗ nhân tạo như ván dăm, ván ép, v.v. không đáp ứng được các yêu cầu về độ bền và tính dễ gia công. Cửa sắt tuy có độ bền cao và dễ gia công nhưng bất tiện trong thi công và sử dụng do chúng rất nặng, đồng thời gỉ sét nhanh trong điều kiện khí hậu nóng ẩm và đặc biệt ở vùng ven biển. cửa nhôm đáp ứng được yêu cầu về tỉ trọng và tính kháng gỉ sét nhưng có độ cách nhiệt kém và giá thành cao. Cửa nhựa PVC có lõi bằng thép có tuổi thọ không cao do nhanh bị lão hóa trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Chính vì vậy, có một nhu cầu cao về một loại cửa làm bằng một vật liệu thích hợp, cụ thể là vật liệu có cấu trúc composit, đặc biệt là composit với chất dẻo nhiệt rắn vốn có độ cứng, độ bền uốn, bền nhiệt, độ cách điện cao, màu sáng, không cong vênh, tuổi thọ cao.
Hiện nay, phương pháp phổ biến để tạo hình cấu trúc composit là lần lượt phủ các lớp sợi và chất dẻo lên khuôn hoặc lõi có hình dạng tương tự như sản phẩm cuối cùng như đã được đề cập trong đơn sáng chế quốc tế số PCT/AU2004/000661 (của Duncan, Andrew Martin). Đặc điểm chính của giải pháp đó là sử dụng các lõi có sẵn, do đó không thể tùy ý lựa chọn lõi thích hợp để sản phẩm cuối cùng có độ bền và khối lượng như ý muốn.
Hiện nay các tấm composit bằng chất dẻo nhiệt rắn được tăng cường bằng sợi thủy tinh, sợi kim loại, sợi cacbonat, và kể cả các loại sợi polyme tổng hợp đã trở nên phổ biến. Chúng thường được bán dưới dạng tấm hoàn chỉnh, từ các tấm này có thể nung nóng và ép thành lớp phủ ngoài đồng thời tạo hình các sản phẩm cao cấp như thân xe hơi, thân tàu hoặc bồn các loại.
Mặc dù các sản phẩm được phủ lớp composit như nêu trên có độ bền rất cao nhờ độ bền của chất dẻo nhiệt rắn kết hợp với sợi, nhưng chúng chỉ được sử dụng một cách phổ biến trong công nghiệp hoặc chế tạo các sản phẩm đắt tiền, đòi hỏi độ bền cao như tàu thuyền, xe hơi do giá thành sản phẩm cao.
Trong quy trình sản xuất cấu trúc composit bằng cách phủ các lớp vật liệu lên khuôn hoặc lõi, thường là hệ chất dẻo + xúc tác đóng rắn ở nhiệt độ thấp được sử dụng vì khi nung nóng để đóng rắn ở nhiệt độ cao cần xử lý lõi hoặc khuôn để chống giãn nở do nhiệt, đồng thời tránh phồng rộp do hơi nước thoát ra từ lõi hoặc khuôn trong quá trình nung nóng lớp vỏ composit, đặc biệt là khi phải bọc kín hoàn toàn phần lõi.
Chính vì vậy, mặc dù có nhiều đặc điểm ưu việt hơn chất dẻo đóng rắn ở nhiệt độ thấp, nhưng các loại chất dẻo nhiệt rắn ít được sử dụng trong cấu trúc composit có lõi.
Một yếu tố khiến giá thành sản xuất các cấu trúc composit cao là do các loại sợi để gia cố chất dẻo khá đắt và cần phải có những thiết bị chuyên dụng để dệt thành tấm trước khi đưa vào chế tạo cấu trúc composit. Bản chất kỹ thuật của sáng chế
Sáng chế đề xuất quy trình sản xuất vật liệu composit khắc phục được các nhược điểm nêu trên.
Mục đích của sáng chế là đề xuất quy trình sản xuất vật liệu composit có lõi xốp làm bằng chất dẻo nhiệt rắn, tốt hơn là polyeste chưa no.
Một mục đích khác của sáng chế là đề xuất vật liệu composit bằng cách sử dụng vật liệu sợi rẻ tiền, không cần phải qua quá trình dệt phức tạp trước khi đưa vào sản xuất cấu trúc composit.
Một mục đích khác nữa của sáng chế là đề xuất vật liệu composit có khả năng thay thế các loại gỗ quí có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nắng, ẩm hoặc có độ bền cơ lý cao hay những nơi cần phải có tỷ trọng thấp.
Sáng chế đạt được các mục đích nêu trên bằng quy trình sản xuất vật liệu composit bao gồm các bước chế tạo lõi, chế tạo lớp vỏ composit, định hình, tạo lỗ thoát khí, ép nóng và hoàn thiện. Trong đó lớp vỏ là chất dẻo nhiệt rắn, tốt hơn là polyeste chưa no, được tăng cường bằng các loại sơ sợi, tốt hơn là sợi đay, tốt hơn nữa là sợi đay thứ phẩm với độ dài nằm trong khoảng từ 0,5 đến 3 cm, lõi là vật liệu xốp, tốt hơn là trấu, và bước tạo lỗ thoát khí được thực hiện ngay trước bước nung nóng để đóng rắn chất dẻo và định hình sản phẩm. Mô tả vắn tắt các hình vẽ
Các dấu hiệu, các lợi ích nêu trên cũng như các dấu hiệu, các lợi ích khác của sáng chế sẽ trở nên rõ ràng hơn từ phần mô tả sau đây với hình vẽ minh họa kèm theo, trong đó:
Fig. 1 là sơ đồ quy trình sản xuất vật liệu composit theo sáng chế. Mô tả chi tiết sáng chế
Như được thể hiện trên Fig.1, quy trình sản xuất vật liệu composit theo sáng chế bao gồm các bước: chế tạo lõi xốp; chế tạo lớp vỏ bằng cách pha trộn chất dẻo nhiệt rắn với các chất phụ gia, chất xúc tác thông thường đã biết và vật liệu sợi thành lớp composit, định hình sản phẩm bằng cách phủ lớp composit lên lõi; tạo lỗ thoát khí xuyên qua lớp composit; xử lý nhiệt sản phẩm đã được phủ lớp composit, và hoàn thiện. Nhờ đó, hơi ẩm từ lõi dễ dàng thoát ra theo lỗ thoát khí trong quá trình xử lý đóng rắn lớp composit, do đó không làm biến dạng hoặc phồng rộp lớp composit. Như vậy, quy trình sản xuất theo sáng chế có ưu điểm vượt trội là không cần phải xử lý lõi trước khi đưa vào sản xuất. Theo một phương án được ưu tiên, khi cấu trúc composit có hình dạng thanh dài, một đầu thanh được để hở (không phủ lớp composit), tạo thành lỗ thoát khí cho toàn bộ thanh. Khi sản xuất các sản phẩm dạng tấm, có thể đục một hoặc nhiều lỗ xuyên qua lớp composit ở các vị trí nhất định có thể được xác định dễ dàng bởi người có trình độ trung bình trong lĩnh vực này. Ngay sau khi nung nóng đóng rắn lớp composit, có thể bít kín các lỗ thoát bằng các loại chất dẻo đóng rắn nguội thông thường đã biết.
Trong quá trình phủ lớp composit và trong công đoạn xử lý nhiệt, một phần lớp composit xâm nhập vào khoảng trống giữa các hạt vật liệu rời của lõi và đóng rắn tại đó giúp lớp composit liên kết chặt chẽ với lõi. Nói cách khác, quy trình sản xuất cấu trúc composit theo sáng chế không cần các chất kết dính đặc biệt để liên kết giữa lõi và lớp composit.
Theo một phương án được ưu tiên khác, lõi xốp được chế tạo bằng cách trộn vật liệu rời với chất kết dính và ép thành khối có thể cho không khí đi qua dễ dàng. Có thể sử dụng các vật liệu rời thông thường đã biết như mạt cưa, bột gỗ, bã mía, tốt hơn là trấu. Với cấu trúc rỗng nhưng lại có bề mặt rắn, độ hút ẩm trở lại rất thấp và dạng có lông bề mặt, trấu là vật liệu đáp ứng rất tốt các yêu cầu của sáng chế, cụ thể là tạo cấu trúc lõi xốp trong đó có các lỗ nhỏ thông với nhau, tức là có thể cho không khí đi qua với trở lực tối thiểu, đồng thời giữ được lượng hơi ẩm tối thiểu trong cấu trúc của mình. Một đặc điểm ưu việt của lõi xốp được chế tạo từ trấu là độ giãn nở rất nhỏ giúp cấu trúc lõi xốp ổn định trong công đoạn xử lý nhiệt cấu trúc composit theo sáng chế. Giá thành rất thấp của trấu cũng là ưu điểm của phương án này vì nhờ đó chi phí sản xuất rất thấp. Có thể kết dính lõi bằng các loại chất kết dính thông dụng như hồ tinh bột, ure formanđehit, nhưng theo một phương án cụ thể, trấu được trộn với chất kết dính là alkyl phenol theo tỉ lệ giữa trấu và chất kết dính là khoảng 3:1 (khối lượng) và ép ở nhiệt độ bình thường với áp suất nằm trong khoảng từ 100 đến 2.000kPa để tạo thành lõi xốp có tỉ trọng nằm trong khoảng từ 0,20 đến 0,85kg/l và có độ cứng đủ lớn để lõi không biến dạng trong quá trình ép đóng rắn lớp vỏ composit ở nhiệt độ cao sau đó. Việc xác định các thông số gia công tương ứng bao gồm chất kết dính, tỉ lệ chất kết dính, áp suất ép, v.v ... tương ứng với một loại vật liệu rời nhất định có thể được thực hiện một cách dễ dàng đối với người có trình độ trung bình trong lĩnh vực này.
Trong quy trình sản xuất theo sáng chế, thành phẩm sẽ có kích thước và hình dạng gần như tương đương với kích thước và hình dạng của lõi. Thông thường, kích thước lõi nhỏ hơn sản phẩm khoảng từ 1 đến 10mm tính theo tất cả các chiều đo. Vì vậy, có thể chế tạo các khuôn ép lõi để sản xuất các sản phẩm có hình dạng và kích thước bất kỳ.
Có thể sử dụng vật liệu sợi được dệt thành tấm như đã biết trong lĩnh vực sản xuất sản phẩm composit, cụ thể là lần lượt phủ các tấm sợi xen kẽ với chất kết dính là chất dẻo nhiệt rắn để lớp composit có tổng độ dày nằm trong khoảng từ 0,1 đến 1,0cm. Tuy nhiên, theo một phương án thực hiện ưu tiên của sáng chế, vật liệu sợi là sợi ngắn có độ dài nằm khoảng từ 1 đến 3cm. Theo phương án này, vật liệu sợi được trộn với chất dẻo nhiệt rắn với tỉ lệ bất kỳ mà đáp ứng các yêu cầu về độ bền và giá thành sản xuất, tốt hơn là trong khoảng từ 10 đến 30%, sau đó cán thành lớp composit có độ dày nằm trong khoảng từ 1 đến 10mm. Ưu điểm của phương án này là sử dụng được các thứ phẩm sợi ở các nhà máy dệt, tức là sợi ngắn không thể xe sợi và dệt thành tấm hiện cần phải xử lý để tránh gây ô nhiễm môi trường. Một đặc điểm ưu việt của phương pháp này là có thể sử dụng các máy trộn để thực hiện quá trình tẩm chất dẻo và chất phụ gia vào sợi, sau đó dùng máy móc thiết bị phủ lớp composit lên lõi, tức là sản xuất hàng loạt thay vì phải phết keo và phủ từng tấm sợi dệt lên lõi một cách thủ công.
Quá trình xử lý đóng rắn lớp composit có thể được tiến hành trong khuôn ép có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 120 đến 160°c trong thời gian từ 2 đến 10 phút dưới áp suất ép từ 500 đến 3000kPa. Với các điều kiện khác nhau bao gồm loại chất dẻo nhiệt rắn, độ dày của lớp composit, công suất nhiệt của khuôn ép, loại và tỉ lệ chất xúc tác, một người thông thạo trong lĩnh vực này có thể điều chỉnh các thông số một cách tương ứng.
Sản phẩm sau khi xử lý nhiệt được hoàn thiện, nói chung là cắt theo kích thước đã định, đánh bóng (nếu cần).
Giống như các cấu trúc composit khác, cấu trúc composit theo sáng chế có các tính chất ưu việt về cường độ chịu lực và độ bền đối với các tác nhân bên ngoài. Điểm khác biệt là nhờ có lõi xốp, cấu trúc composit theo sáng chế có ưu điểm vượt trội về tỉ trọng và độ cách nhiệt, cách âm, nhờ đó có thể sử dụng để chế tạo các sản phẩm gia dụng cần độ bền cao như cửa, cổng, bàn ghế sử dụng ngoài trời, bàn ghế học sinh và bàn ghế nói chung, đặc biệt để chế tạo các loại nội thất cho tàu biển như vách ngăn, bàn ghế, sàn tàu v.v ... Bằng thực nghiệm, một người có trình độ trung bình trong lĩnh vực vật liệu composit có thể tính toán xác định độ dày của lớp composit và tỉ lệ giữa vật liệu dạng sợi và chất dẻo nhiệt rắn để sản phẩm đạt được các tính chất mong muốn. Ngoài ra, trước khi đóng rắn, có thể thêm vào lớp composit các phụ gia, chất độn tăng cường, chất chống cháy, chất chống bám dính khuôn để cải thiện đặc tính của sản phẩm, cụ thể là độ cứng, độ chống mài mòn, khả năng chống cháy, độ bóng v.v ...
Có thể dùng các vật liệu dạng sợi thông thường đã biết như sợi vô cơ (amiăng, sợi thủy tinh) hoặc sợi tổng hợp (polyeste, polyamit, v.v ...) trong quy trình sản xuất theo sáng chế. Tuy nhiên, theo một phương án được ưu tiên, sợi được sử dụng là sợi đay và sợi bông. Mặc dù có độ bền kém hơn so với các loại sợi khác, nhưng sản phẩm theo sáng chế trong đó có sử dụng sợi đay có các tính chất cơ lý tốt hơn cả vật liệu gỗ nhóm 1 (loại gỗ tốt nhất theo phân loại gỗ). Ví dụ thực hiện sáng chế
Các ví dụ dưới đây chỉ ra thành phần các chất tham gia vào vật liệu composit theo sáng chế và do đó chỉ nhằm mục đích minh hoạ, chứng minh các tính chất ưu việt của sản phẩm theo sáng chế, không có ý nghĩa giới hạn phạm vi yêu cầu bảo hộ.
Ví dụ 1 - Lớp vỏ gồm các thành phần:
Polyeste 1 phần (1kg)
CaCO3 2 phần (2kg)
Kaolin 0,5 phần (0,5kg)
Chất xúc tác đóng rắn điphenyl peroxit 0,01 phần (10g) Chất chống cháy SbO3+Al(OH)3 0,2 phần (0,2kg)
Chất chống bám dính khuôn Magiê stearat 0,05 phần (50g) được trộn thành bột nhão, bột nhão này được trộn thêm sợi đay có độ dài từ 1 đến 3cm theo tỉ lệ phần trăm khối lượng là 20%, sau đó cán thành lớp composit dày 3 mm.
Phần lõi bao gồm các thành phần:
Trấu 3 phần (3kg)
Keo alkyl phnol 1 phần (1kg) được trộn đều, sau đó trải thành tấm có kích thước 100 X 10 X 3cm (đầy khuôn hết 2,4kg), để khô tự nhiên ngoài không khí sau 24 giờ.
Lớp vỏ composit được phủ lên lõi có để hở một đầu (không phủ lớp composit) và được đưa vào khuôn ép nóng ở nhiệt độ 140°c trong 5 phút dưới áp suất ép 200kPa.
Sau khi hoàn thiện thu được vật liệu dạng thanh có kích thước: 100 X 10,5 X 3,5cm (khối lượng 3,4kg). Sản phẩm này là thích hợp cho các ứng dụng như: các loại cửa, nội thất trên tàu biển, bàn ghế học sinh, các thanh trong xây dựng, palet kê đồ trong các kho bãi, cột bắt giàn trong nông nghiệp, v.v.
Ví dụ 2: Lớp vỏ có thành phần như trên, nhưng thay sợi đay bằng sợi xơ dừa có cùng kích thước và thành phần. Sau khi ép nóng xong thêm công đoạn mài bề mặt đi một lớp dày khoảng 0,6mm. Sau khi mài, các sợi xơ dừa hiện ra tạo vân rất lạ cho sản phẩm. Sản phẩm này là thích hợp cho việc sản xuất đồ nội thất, mỹ nghệ v.v.
Ví dụ 3: Trước khi ép nóng sản phẩm như trong ví dụ 1, dùng gỗ lạng (chiều dày 0,5mm) bọc xung quanh mẫu và ép nóng. Lớp gỗ đủ mỏng do đó monome từ hỗn hợp lớp vỏ dưới tác động của nhiệt và áp suất có thể thấm vào toàn bộ thớ gỗ; làm cho lớp gỗ vừa gắn chặt vào khối vật liệu, vừa được tẩm thêm polyme nên các tính năng cơ lý được cải thiện nhiều. Sản phẩm này được dùng để làm đồ nội thất, đặc biệt là ván sàn, tủ trang trí, v.v.
Ví dụ 4: Cách làm như đối với sản phẩm 1, chỉ khác ở chỗ thay sợi đay bằng các hạt đá (màu sắc theo ý muốn) có kích thước nằm trong khoảng từ 1 đến 5 mm với thành phần 150%, lớp vỏ này có chiều dày 6mm. Sau khi ép nóng xong, mài bề mặt đi 2mm. Sản phẩm thu được có bề mặt như đá thiên nhiên. Sản phẩm này được dùng để sản xuất đồ nội thất, cửa, trong nhà tắm, bếp.
Sau đây là một số tính năng cơ lý của lớp vỏ và phần lõi của sản phẩm.
Phần lõi

Hiệu quả đạt được
Với tính năng vượt trội, màu sắt tùy theo ý muốn (không cần sơn phủ) và giá thành rẻ (tương đương gỗ nhóm 4), vật liệu composit có lõi xốp theo sáng chế có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản phẩm gia dụng trong và ngoài nhà, đặc biệt là các loại cửa, nội thất tàu biển v.v.
10. Nội dung có thể chuyển giao
11. Thị trường ứng dụng
12. Hình ảnh minh họa
In bài viết
Các phát minh, sáng chế khác
 
Banner
Banner home right