CÁC ĐẶC TÍNH CƠ CỦA VẢI DỆT SỬ DỤNG SỢI ARAMID GIA

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ CỦA VẢI DỆT SỬ DỤNG SỢI ARAMID GIA CƯỜNG

MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE ARAMID FABRIC REINFORCED PREFORMS

Dương Tử Tiên1

Ngày nhận bài: 17/3/2015; Ngày phản biện thông qua: 25/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015

TÓM TẮTTrong nghiên cứu này, chúng tôi đã tạo các mẫu vật liệu là vải dệt sợi aramid thuần và vải aramid gia cường để xác

định hiệu quả của vải dệt aramid gia cường đến các đặc tính cơ của vật liệu compozit. Các mẫu vải với mật đô dệt khác nhau được tạo ra khi giữ khoảng cách sợi dọc cố định còn khoảng cách sợi ngang thì thay đổi. Sử dụng nhựa urethane để làm nền cho các mẫu compozit cốt vải aramid. Sau đó các mẫu vải có và không gia cường được thử nghiệm cơ tính. Kết quả cho thấy: đô bền kéo, đô bền xé rách, đô bền đục thủng, tính chống đâm xuyên của vải có và không có gia cường nhựa urethan gia tăng theo đô tăng của mật đô sợi ngang. Các đặc tính cơ và tính chống đâm xuyên của vải có gia cường nhựa urethan tăng cao hơn loại thuần không có gia cường nhựa.

Từ khóa: Vải aramid, sợi aramid, chống đâm xuyên, đô bền kéo, đô bền xé rách, đô bền đục thủng

ABSTRACTIn this study, we constructed aramid fabrics and the aramid fabric reinforced performs to investigate the effect of

aramid fabric reinforcement on the mechanical performance of the composites. While the warp density is kept constant, the aramid fabrics were woven according to various weft densities. And the aramid fabric composite specimens were impregnated in urethane resin. Then mechanical properties of the aramid fabrics and their preforms were tested. The result shown that, tensile strength, tearing strength, bursting strength and stab resistance of the aramid fabrics and their preforms increased according as the weft density increased. The mechanical properties of preforms were higher than those of the pure aramid fabric.

Keywords: Aramid fabric, aramid fiber, stab resistance, tensile strength, tearing strength, bursting strength

1 TS. Dương Tử Tiên: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀCùng với sợi cacbon, aramid là loại sợi có nhiều

tính năng cơ-nhiêt vượt trôi, chúng đã được chế tạo thương mại và được ứng dụng rất rông rãi ngày nay [2, 3]. Đô bền riêng của sợi aramid (đô bền trên khối lượng riêng) gấp khoảng 5 lần thép cacbon và 1,3 lần sợi cacbon [4]. Giá của sợi aramid tuy có rẻ hơn sợi cacbon nhưng cũng vẫn còn khá cao so với các loại sợi kỹ thuật khác (gấp khoảng 5 lần sợi thủy tinh) [1].

Các loại compozit gia cường sợi aramid với đặc tính về cơ-nhiêt cao, tuy nhẹ hơn khoảng (30÷40)% so với sợi thủy tinh khi có cùng đô bền, nhưng do cấu thành từ sợi aramid gia cường và tỷ lê khá cao nền nhựa nhiêt rắn để hình thành nên hình dạng của sản phẩm, do vậy vật liêu thường có tỉ khối cao (dày đặc, nặng) và cứng [4]. Yêu cầu về môi trường và điều kiên làm viêc ngày càng cao và đa dạng

hơn; trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống đôi khi cần vật liêu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại ngoài đặc tính cơ nhiêt tốt thì còn phải chịu được cắt hay xuyên thủng… Cấu trúc vải dêt dùng sợi đặc biêt cùng với gia cường nhựa nền nhiêt dẻo là môt trong các giải pháp chính để thực hiên [6, 7].

Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn nhựa nền nhiêt dẻo urethan để gia cường cho cấu trúc dêt sợi aramid. Vải dêt với các mật đô dêt khác nhau cho cả hai loại thuần và gia cường nhựa được chế tạo để tìm hiểu ảnh hưởng của thông số kỹ thuật dêt đến các tính chất. Mục đích nghiên cứu là tìm cấu trúc mỏng, nhẹ, mềm dẻo nhưng có cơ tính tốt nên chúng tôi chọn môt số các tính chất đặc thù như đô bền kéo, bền xé rách và đục thủng cùng tính chống đâm xuyên để đánh giá tính chất của các cấu trúc vải dêt và compozit của nó.


60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

II. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Chế tạo vật liệu Vật liêu tạo mẫu thử nghiêm các tính chất là

hai loại vải dêt sợi aramid thuần của hãng Dupond

và loại có gia cường bằng cách cho thêm nhựa urethan loại UW-250 và chất đóng rắn Cat-64 do hãng Snogen (Hàn Quốc) chế tạo. Sợi aramid và nhựa urethan sử dụng tạo các mẫu vải dêt có các thông số kỹ thuật như trong bảng 1.

Bảng 1. Nguyên liệu thô dùng chế tạo mâu vật liệu thực nghiệm

Sợi aramidKích thước sợi 200de

Số sợi đơn 600

Nhựa urethanHình thức bên ngoài Không màu, trong mờ

PH (10%) 6±1Ion Không ion

Hình 1. Thiết bị tạo mẫu thửa) Máy dệt băng ; b) Hệ thống ép nóng

Các mẫu vải được tạo ra ở nghiên cứu này trên máy dêt băng, sau đó thấm nhựa urethan. Chúng tôi sử dụng hê thống ép nóng có kiểm soát nhiêt đô và thời gian để làm khô nhựa. Hình 1 là máy dêt băng và hê thống ép nóng sử dụng để tạo mẫu thử. Các mẫu thử là vải được dêt theo kiểu vân điểm với các mật đô

dêt khác nhau, nhằm mục đích xác định ảnh hưởng của mật đô dêt đến các tính chất cần khảo sát. Để thay đổi mật đô dêt, chúng tôi giữ cố định mật đô sợi dọc (số nút trên 1cm chiều dài) là 16,5 ends/cm, còn mật đô sợi ngang của vải thì thay đổi ở ba mức là 4,2 picks/cm, 6,3 picks/cm, 8,4 picks/cm trong quá trình dêt.

Bảng 2. Các loại mâu và thông số kỹ thuật vật liệu thử nghiệm

Mâu vật liệu Mật độ sợi dọc(ends/cm)

Mật độ sợi ngang (picks/cm)

Tỷ lệ vải nhựa(vải : nhựa)

A 4,216,5

4,2Vải thuân không có

nhưaA 6,3 6,3A 8,4 8,4

AU 4,216,5

4,24:1AU 6,3 6,3

AU 8,4 8,4

Hình 2. Mẫu thử nghiệm với các mật độ dệt khác nhaua) Vải thuân ; b) Vải gia cường nhưa urethan

Mẫu thử có gia cường nhựa urethan chính là các mẫu vải thuần trên sau khi dêt được tẩm nhựa urethan với tỉ lê vải: nhựa là 4:1. Chúng tôi căn cứ vào mục đích sử dụng của vật liêu là che phủ và bảo vê cơ thể người, tham khảo các công trình trước đó và hãng cung cấp nguyên liêu nhựa Snogen để chọn tỉ lê vải: nhựa [5, 6]. Mẫu vải sau khi tẩm nhựa được làm khô qua hai quá trình sau: Làm khô tạm thời (1200C, 3 phút) để loại bỏ các chất bẩn và đô ẩm từ nhựa urethan, và quá trình làm khô (1700C, 1 phút 30 giây) để làm cứng nhựa lại.



Kết quả sau khi làm khô nhựa urethan, ta thu được vật liêu compozit gia cường nhựa nhiêt dẻo urethan là vật liêu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại gần như vải thuần, nhưng khá bền vì sử dụng môt lượng nhỏ nhựa nền nhiêt dẻo urethan. Bảng 2 trình bày thông số kỹ thuật của các mẫu vải dêt và tỉ lê của vải dêt và gia cường nhựa cho các mẫu vật liêu compozit. Hình 2 trình bày hình chụp các mẫu vải có và không có gia cường nhựa urethan ở các tỉ lê khác nhau.

2. Phương pháp thử nghiệmCác tính chất cơ của vải có và không có gia

cường nhựa urethan được chọn xác định qua thử nghiêm là các tính chất như đô bền kéo, đô bền xé rách và đô bền xuyên thủng trên máy thử Instron 4202 tải trọng tối đa 10 KN cùng các đồ gá và dụng cụ thích hợp theo Tiêu chuẩn thử nghiêm thông dụng ghi ở bảng 3.

Hình 3. Thiết bị thử tính chống đâmẢnh chụp ; (b) Thông số kích thước

Bảng 3. Tiêu chuẩn thử nghiệmĐộ bền (Lực kéo lúc đứt) ASTM D-638M

Đô bền xé rách (Lực kéo rách) ASTM D5733(Trapezoid type)

Đô bền xuyên thủng (Áp lực xuyên thủng) ASTM D751(Mullen type)

Tính chống đâm xuyên (Lượng vật liêu cần thiết để bảo vê) NIJ Standard–0115.00

Đặc tính chống đâm xuyên được xác định thông qua thử nghiêm đâm xuyên tại tháp thử rơi (hình 3) theo Tiêu chuẩn NIJ Standard–0115.00 của Mỹ [5]. Phương pháp thử này mô phỏng vụ đâm trong thực tế khi sử dụng môt khối có gắn lưỡi dao Tiêu chuẩn được thả rơi ở đô cao nhất định. Đô sâu xuyên thủng (ĐSXT) qua vật liêu là khoảng cách từ mũi dao đến mặt sau của vật liêu khi nó xuyên qua, ĐSXT nhỏ hơn 7mm được xem như đạt Tiêu chuẩn NIJ ứng với

các mức bảo vê (mức năng lượng đâm). Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn dao S1 và mức năng lượng 24J để thí nghiêm khả năng chịu đâm xuyên của tất cả các mẫu vật liêu. So sánh tính chống đâm xuyên của các mẫu vật liêu chính là so sánh số lớp vật liêu phải sử dụng để có thể đáp ứng vụ đâm mô phỏng với ĐSXT xấp xỉ 7mm nghĩa là lượng vật liêu tối thiểu cần thiết đủ để thỏa Tiêu chuẩn chống đâm xuyên NIJ.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Hình. 4 Độ bền xé rách theo mật độ dệt (a): lực xé theo phương sợi ngang ; (b): lực xé theo phương sợi dọc

Từ hình 4 đến hình 7 trình bày kết quả tính chất cơ gồm có: đô bền xé rách, đô bền kéo, đô bền xuyên thủng, tính chống đâm của hai loại vải có và không

gia cường nhựa urethan theo mật đô dêt khác nhau. Vì vật liêu 1 lớp vải dêt cũng như compozit dùng 1 lớp vải dêt gia cường có mật đô sợi theo 2 phương


62 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

dêt khác nhau nên các tính chất như xé rách và kéo đứt được thử theo 2 phương là phương sợi dọc và phương sợi ngang khi dêt. Đầu tạo tác đông áp lực khi thử xuyên thủng là hình trụ; Các lớp vải khi

xếp chồng lên nhau thành mẫu thử cũng như hướng của dao khi thử đâm xuyên là ngẫu nhiên nên kết quả thử nghiêm đô bền xuyên thủng và chống đâm không phân biêt theo phương sợi dêt.

Hình. 5 Độ bền kéo theo mật độ dệt (a): lực kéo theo phương sợi ngang ; (b): lực kéo theo phương sợi dọc

Do đặc điểm của đầu tác dụng áp lực khi thử đô bền xuyên thủng và do cách sắp xếp các lớp vải là ngẫu nhiên khi thử nghiêm tính chống đâm, nên kết quả không phân biêt theo phương tác đông là phương dọc hay ngang của sợi dêt. Kết quả thử nghiêm đô bền xuyên thủng thể hiên trên hình 6 còn tính chống đâm xuyên thể hiên trên hình 7 cho thấy ảnh hưởng về mật đô dêt và nhựa gia cường là tương tự như đô bền kéo và xé rách ở trên. Đối với mẫu vật liêu vải dêt sợi aramid thuần (A4,2; A6,3; A8,4) và compozit của nó (AU4,2; AU6,3; AU8,4) có mật đô dêt từ thấp đến cao (4,2; 6,3; 8,4 picks/cm) thì mẫu vật liêu có mật đô dêt cao và có nhựa gia cường sẽ có đô bền xuyên thủng cao hơn loại mật đô dêt thấp không có gia cường nhựa. Các mẫu có mật đô dêt cao và có nhựa gia cường cần số lớp ít hơn loại mật đô dêt thấp không có gia cường nhựa khi thỏa mãn Tiêu chuẩn chống dâm NIJ. Bởi vậy khả năng chống đâm sẽ được nâng cao ở những mẫu vật liêu vải dêt sợi aramid có mật đô dêt cao và được gia cường nhựa. Điều này có thể giải thích như sau: Mật đô dêt liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của vải dêt, nghĩa là sự uốn lượn của sợi dọc ngang qua các điểm của các sợi ngang, ngoài ra liên kết giữa sợi và nền nhựa đã làm cho cấu trúc chặt chẽ hơn ảnh hưởng lớn đến đô bền xuyên thủng và tính chống đâm xuyên. Hình 8 là vết đâm của hai loại mẫu vật liêu sử dụng vải aramid có (a) và không có (b) gia cường nhựa urethane khi bị dao S1 xuyên qua. Qua đây cho thấy, các lớp vật liêu sau khi bị phá hủy cũng vẫn còn góp phần tham gia vào ma sát tiêu tốn năng lượng để cản trở sự đi sâu vào trong các lớp vật liêu tiếp theo.

Hình 6. Độ bền xuyên thủng theo mật độ dệt

Hình 4 cho thấy kết quả đô bền xé rách của các loại mẫu vật liêu vải ở cùng môt mật đô dêt theo cả 2 phương sợi ngang (hình 4a) và sợi dọc (hình 4b), loại có nhựa gia cường thì cao hơn loại vải thuần. Khi tăng mật đô dêt đô bền xé rách cũng tăng theo với cả hai loại có và không có gia cường. Tuy nhiên phương sợi dọc tăng nhiều còn phương sợi ngang thì tăng rất ít, đó là do mật đô sợi dọc cố định, còn mật đô sợi ngang của vải dêt thì thay đổi. Đặc biêt đô bền xé rách tăng gần gấp đôi khi so sánh giữa loại vải thuần thử theo phương sợi ngang và loại có nhựa thử theo phương sợi dọc.

Tương tự như kết quả thử nghiêm đô bền xé rách. Hình 5 cũng cho thấy đô bền kéo thể hiên qua lực kéo lúc đứt của các loại mẫu vật liêu vải đều tăng theo mật đô dêt với cả 2 phương sợi ngang (hình 5a) và sợi dọc (hình 5b); Loại có nhựa gia cường thì kết quả thử nghiêm có giá trị cao hơn loại vải thuần. Đặc biêt giá trị đô bền kéo tăng gần gấp đôi khi so sánh giữa loại vải thuần thử theo phương sợi ngang và loại có nhựa phương sợi dọc. Tuy nhiên ảnh hưởng của phương sợi đến mức đô tăng thì khác với kết quả thử xé rách; Theo phương sợi dọc tăng ít còn phương sợi ngang thì tăng nhiều. Điều này có thể giải thích như sau: Các sợi dêt theo phương kéo tham gia chịu lực kéo là chính, khi có nhựa urethane gia cường thì hiêu quả sẽ càng lớn hơn và ngược lại.

Hình 7. Số lớp vật liệu tối thiểu cần thiết của mỗi loại đáp ứng mức độ bảo vệ (24J) theo Tiêu chuẩn NIJ



Hình 8. Vết đâm của hai loại vải có (a) và không có (b) gia cường nhựa urethane

Vải dêt nói chung và với loại sử dụng tao sợi gồm nhiều sợi liên tục aramid như trên thì ta sẽ thu được cấu trúc vật liêu dạng tấm phẳng rất mềm dẻo và khá bền chắc. Tuy nhiên cấu trúc vải dêt sẽ có sự mấp mô và nhiều khoảng trống do các sợi uốn lượn lên nhau, nên khả năng chịu lực sẽ bị hạn chế. Với những mẫu vải dêt có nhựa nhiêt dẻo urethane, thì nhựa nền sẽ lấp đầy những khoảng trống, tạo liên kết giữa các sợi chặt chẽ hơn, tạo thành môt khối vật liêu, làm cho lực truyền đi đều hơn trên toàn bô thể tích vật liêu. Điều này giải thích cho sự gia tăng đáng kể về các tính chất cơ học vừa thử nghiêm ở trên. Do chỉ sử dụng môt lượng nhỏ (25%) và với tính chất đặc thù của nhựa nhiêt dẻo urethane lên vật liêu compozit thu được là sự kết hợp của nhựa nền urethane và cốt là vải sợi aramid vẫn giữ được tính mềm dẻo cần thiết.

IV. KẾT LUẬNTrong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo

được các loại vải sợi aramid có và không gia cường nhựa nhiêt dẻo urethan với các mật đô dêt khác nhau. Tính chất của vật liêu dạng tấm mỏng, nhẹ,

mềm dẻo trên được so sánh với nhau trên cơ sở kết quả thử nghiêm các tính chất như đô bền kéo, đô bền xé rách, đô bền xuyên thủng và tính chống đâm xuyên theo Tiêu chuẩn quốc tế thông dụng.

Kết quả chỉ ra rằng mật đô dêt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ của vải dêt thuần cũng như compozit của nó khi thêm nhựa gia cường (urethan). Khi tăng mật đô dêt thì tất cả các tính chất cơ như: đô bền kéo, đô bền xé rách, đô bền xuyên thủng và tính chống đâm xuyên đều tăng đáng kể. Hiêu quả này càng được tăng thêm khi có thêm nhựa nhiêt dẻo urethan gia cường. Các tính chất cơ như đô bền kéo và đô bền xé rách còn bị ảnh hưởng nhiều bởi phương của lực kéo hay xé theo phương sợi dêt dọc hay phương sợi dêt ngang.

Từ kết quả ban đầu trên cho thấy giải pháp dùng cấu trúc vải dêt với sợi aramid cùng sự gia cường nhựa nền nhiêt dẻo urethan có thể tạo được các vật liêu dạng tấm mỏng, nhẹ, mềm mại với các đặc tính cơ đặc thù có vai trò quan trọng trong môt số lĩnh vực kỹ thuật như làm vật liêu kết cấu che phủ hay bảo vê cơ thể người.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Anna W. Crull, Richard D. Hooker, Business opportunity report - GB-142V: Protective Clothing and Gear: Body/Vehicle Armor, Fire, Chem/Bio, ISBN: 1-59623-126-2, 2005.

2. James S. Johnson and S. Z. Mansdorf, Performance of Protective Clothing: Fifth Volume ASTM Publication Code Number (PCN): 04-012370-55, 1996.

3. Lee Woo Il, Fiber Reinforced Composites and Their Application to Automotive Industry, Korea Society Automotive & Engineering (KSAE), Vol.9, No.6, pp. 8-13, 1987.

4. Nguyễn Đăng Cường, Compozit sợi thủy tinh và ứng dung, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.5. N.I.J., Stab Resistance of Personal Body Armor NIJ Standard–0115.00.6. Project report: Hi-tech Stab-Resisting material, product and development, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan,

Korea, 2007 – 2009.7. Project report: Manufacturing technology of the ultra light stab armor with the good air permeability, Korea Institute of

Industrial Technology, Ansan, Korea, 2009 – 2010.

Documents

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ CỦA VẢI DỆT SỬ DỤNG SỢI ARAMID GIA