Ống cao su có sợi tăng cường

Giới thiệu Ngay từ buổi ban đầu công dụng của cao su nói riêng và polymer nói chung đã được biết đến trong các lĩnh vực làm ống dùng trong kĩ thuật cũng như gia dụng. Kĩ thuật công nghệ ngày càng phát triển, càng đòi hỏi ống cao su có những tính năng đặc biệt hơn, làm việc trong những môi trường khắc nghiệt hơn. Đó là điều kiện cho ống cao su bọc sợi tăng cường ra đời và ngày càng phát triển. Chúng được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày như ống dẫn nước, dẫn khí hay trong kĩ thuật cao như ống dẫn khí lạnh, ống dẫn dầu v.v Trong phạm vi nhỏ hẹp của đề tài, chúng tôi chỉ đề cập và đưa ra một số lọai ống dẫn và cách sản xuất của chúng.

doc25 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 28/12/2012 | Lượt xem: 2249 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Ống cao su có sợi tăng cường, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ( ( ( ( Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh- Khoa Công Nghệ Vật Liệu Bài Báo cáo Đề Tài Cao Su Tên Đề Tài: Ống Cao Su Có Sợi Tăng Cường Giáo Viên Hướng Dẫn : Th.s Đỗ Thành Thanh Sơn Danh Sách Sinh Viên Thực Hiện Đề Tài : Nguyễn Bội An V05 Nguyễn Hoàng Anh V05 Nguyễn Thanh Bình V05 Hồ Châu Bảo V05 Đỗ Thanh Thùy Duyên V05 Giang Ngọc Hà V0500719 Đào Ngọc Lâm V05 Cao Phan Thùy My V05 Nguyễn Phú Ngọc V05 Bùi Quang Nam V05 Thang Phú Tân V05 Cao Võ Hoàng Thanh V05 Phan Đặng Phước Vĩnh V05 Phạm Vũ V05 Ngay từ buổi ban đầu công dụng của cao su nói riêng và polymer nói chung đã được biết đến trong các lĩnh vực làm ống dùng trong kĩ thuật cũng như gia dụng. Kĩ thuật công nghệ ngày càng phát triển, càng đòi hỏi ống cao su có những tính năng đặc biệt hơn, làm việc trong những môi trường khắc nghiệt hơn. Đó là điều kiện cho ống cao su bọc sợi tăng cường ra đời và ngày càng phát triển. Chúng được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày như ống dẫn nước, dẫn khí hay trong kĩ thuật cao như ống dẫn khí lạnh, ống dẫn dầu v.v.. Trong phạm vi nhỏ hẹp của đề tài, chúng tôi chỉ đề cập và đưa ra một số lọai ống dẫn và cách sản xuất của chúng.   I.Cấu trúc chung của ống gồm 3 phần :  Lớp vỏ(cover) : là phần ngoài cùng có thể nhìn thấy được , nó được thiết kế để chống lại sự mài mòn , thời tiết và sự phá hủy nói chung trong điều kiện làm việc thông thường Khung sườn(body) : lớp khung gia cường là cấu trúc hỗ trợ ống . Nó có thể từ đơn giản đến phức tạp bao gồm các loại sợi bằng kim loại hoặc sợi tổng hợp hoặc kết hợp của các loại vật liệu trên Ống , ruột(tube) : là phần trong cùng trong cái ống , và được tổng hợp để chống lại được vật liệu di chuyển bên trong .Với nhiều chủng loại cao su , ống có thể được chịu được vật liệu mài mòn , hóa học , dầu và một số lớn loại vật liệu khác . 4 dạng cơ bản của cấu trúc ống hay được sử dụng: 4 dạng này bao gồm những tính năng cơ bản khiến nó thích hợp với những chức năng nhất định . Loại 1 : ống bện vuông góc A : ống đùn liên tục B : lớp bện gia cường bằng sợi tổng hợp hoặc vật liệu khác được bện liên tục bằng máy bện tốc độ cao C : lớp cao su nằm giữa 2 lớp gia cường để tăng sự kết dính khi lưu hóa D : lớp phủ đùn liên tục Ưu điểm : Mềm dẻo . Kháng uốn và xoắn . Lớp phủ có thể trơn nhẵn hoặc được bọc. Sản xuất được ợ dạng ống dài liên tục . Ứng suất kéo rất tốt . Loại 2 : Ống xoắn Được làm bởi máy quấn sợi vải hay sợi kim loại gia cường được đặt mỗi lớp có góc xoắn cho trước sao cho đạt được độ ổn định kích thước tốt nhất A : ống đùn hoặc cán B : lớp gia cường bằng sợi kim loại, vải hoặc vật liệu khác C : lớp cao su nằm giữa 2 lớp gia cường để tăng sự kết dính D : lớp vỏ Ưu điểm : Rất mềm dẻo . Thành bên trong trơn láng . Độ bền cao với chiều dài lớn Loại 3 : ống xoắn làm bằng tay Lõi được làm bằng tay A : Cán , hoặc tạo hình ống để phù hợp với yêu cầu B : Làm riêng , bọc bằng sợi vải kiểu xoắn C : gia cường thêm sợi kim loại vào những chỗ cần thiết D : Lớp vỏ bọc quấn được lưu hóa Ưu điểm : Làm thủ công theo yêu cầu đặc biệt. Đa dạng về kích thước , cách xây dựng , và vật liệu . Ứng suất được định sẵn để phù hợp nhất với yêu cầu công việc : nối 2 phần , đầu mối nối , khớp nối , mép … . Có thể sử dụng chiều dài lên đến 50 feet , và kích thước tới 18inch . Loại 4 : ống đan A : đùn liên tục B : lớp áo bằng sợi được đan liên tục C : sợi kim loại gia cường đan lẫn vào nhau theo hình xoắn ốc ở chỗ nào cần D : Lớp áo được đùn liên tục . Tùy theo điều kiện làm việc mà hệ số an toàn của mỗi loại ống là khác nhau: Hệ số an toàn = Áp suất làm việc biểu kiến/ Áp suất phá hủy thực Hệ số an toàn của 1 số loại ống cơ bản ( những thí nghiệm này được thực hiện với điều kiện sản xuất bình thường và đa số các giá trị áp suất khi thí nghiệm là nhỏ hơn áp suất phá hủy thực. Phạm vi áp dụng  P1=Ptn/Plv  P2=Pthực/Plv   Dịch vụ ánh sáng  1.25  2.5   Một số mục đích thông thường  1.6  3.2   Ống thủy lực có gia cường bằng sợi hoặc vải  2  4   Dẫn khí (gồm cả không khí)  2.5  5   Dẫn hơi nước  4  10   II.Quy trình sản xuất : Quy trình sản xuất ống thường gồm các công đoạn được mô tả như sơ đồ bên dưới :  Trong đó : Lõi 50 được phủ lên 1 lớp cao su bằng những phương pháp cổ điển như đùn qua đầu tạo hình 52 Bán sản phẩm 51 được tiếp tục đưa vào máy quấn sợi 53 để phủ lên lớp sợi gia cường một hay nhiều lớp tùy vào loại sản phẩm Một lớp cao su khác được tiếp tục phủ lên trên lớp sợi gia cường bằng máy 54(máy đùn) Bán sản phẩm composite cao su- sợi qua giai đoạn phủ lớp cao su mặt 54 (máy đùn) sẽ được đưa vào giai đoạn lưu hóa 56 Sản phẩm cuối cùng 57 sau khi quá trình lưu hóa kết thúc Trên đây chỉ là quy trình khá tổng quát và đơn giản để làm ống cao su có sợi gia cường,bên dưới sẽ là một quy trình cụ thể và chi tiết hơn nhưng cơ bản là vẫn theo trình tự của các bước đã nói ở trên :  A.Lõi (Mandrel) : Mục đích là để chịu được kết cấu áp đặt lên ống trong quá trình gia công các lớp trong ống Có hai loại : Lõi cứng : Thường làm bằng thép.Được sử dụng trong các loại ống có sợi tăng cường bằng kim loại quấn theo hình xoắn ốc do có thể chịu được moment xoắn khi đặt các lớp sợi tăng cường này vào.Tuy nhiên lõi cứng lại giới hạn chiều dài của ống do giới hạn kích cỡ của thiết bị lưu hóa hiện có. Thông thường ,chiều dài ống khoảng từ 50 đến 100 feet đối với phương pháp sử dụng lõi cứng Lõi mềm : Thường làm bằng nhựa hoặc cao su mềm dẻo và có khả năng chịu nhiệt trong suốt thời gian gia công và lưu hóa như polyamid ,polyester đối với nhựa và cao su đã lưu hóa của các loại ethylene-propylene tertpolymer (EPT),cao su butyl(IIR).Lõi cuối cùng phải được lấy ra khỏi ống cao su nên nhất định phải được phủ một lớp chống dính như nhựa silicon hoặc nhựa fluoro Tuy nhiên đối với lõi mềm cần có sự cân bằng về lực trên toàn cấu trúc của ống .Mặt khác ống mềm có thể sản xuất được ống dài hơn với những thiết bị quấn sợi và lưu hóa hiện có Trong một số công nghệ người ta không dùng lõi để nâng đỡ kết cấu ống mà sử dụng nước bơm vào ống sau đó sẽ đông cứng cả ống lẫn nước trong ống rồi chuyển qua giai đoạn gia công tiếp theo.Do đó công nghệ này sẽ tiết kiệm được khâu lấy lõi ra khỏi ống sau khi đã lưu hóa B.Lớp cao su mặt trong của ống Ống cao su thường được tạo hình bằng phương pháp đùn. Ngoài ra trong một số loại ống ,cao su được cán tấm sau đó sẽ tạo hình ống bằng tay tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng được cho một số sản phẩm nối (coupling) vì chiều dài ống ngắn Loại cao su được sử dụng phụ thuộc vào ống sẽ dùng để chứa loại vật liệu gì,tính chất yêu cầu của ống: wire braid hose ở nhiệt độ thấp. Khả năng ống vẫn duy trì được sự mềm dẻo, bởi vậy vẫn sự dụng được, ở nhiện độ -50 0C hay -550C tùy theo khả năng mềm dẻo của cao su cấu thành. NBR hay polychloprene thì thường được sử dụng cho lớp đệm bên trong, nhưng những chất hóa dẻo đặc biệt ở nhiệt độ thấp sẽ tăng độ mềm dẻo ở nhiệt độ thấp. Trong trường hợp của NBR, lower acrylonitrile polymer thì được yêu cầu hơn cho hoses làm việc ở nhiệt độ thấp hơn -40 0C là cần thiết. Ống chống cháy có thể sản xuất bằng những thiết kế hỗn hợp Polymer đặc biệt. Polychloprene, CM, và CSM là những chất chống cháy tự nhiên bởi có chlorine nguyên tử và mạch chính. Những đặc tính của polymer chống cháy tự nhiên có thể đẩy mạnh hơn nữa bằng chính sử dụng những chất độn đặc biệt như là aluminum trihydrate, chất hóa dẻo ít cháy như là trixylyl phosphate, hay chlorinated paraffin và những phụ gia đặc biệt như là antimony trioxide. Với toàn bộ vật liệu chống cháy được thêm vào polychloroprene, nó có thể làm cho hose hoàn toàn khả năng tự tắt trong sự vắng mặt của nguồn cháy bên ngoài.Điểm bất lợi chính của polymer clo hóa là trong môi trường cháy nó sẽ phát ra một số lượng lớn hydrogen chloride gas, cái mà có tính acid mạnh gây nghẽn và có thể tấn công thiết bị thiết bị điện tử mỏng Lớp cao su bên trong ống thường được bọc lên một lõi cứng hoặc mềm . Lớp cao su này thường được lưu hóa sơ bộ hoặc xử lý bề mặt,làm lạnh,.. để lớp này có thể chịu được quá trình quấn sợi tiếp theo sau đó C.Quấn sợi : Bện (Braiding): Với lớp gia cường bằng vải tổng hợp: thường vải tổng hợp được cắt chéo vải nên khi quấn vào thân ống, góc xoắn của sợi vải sẽ xấp xỉ góc trung hòa Phương pháp này dùng cho những ống có đường kính trong nhỏ (xấp xỉ 50 mm), có khả năng chịu được áp suất trung bình – cao (Ví dụ: ống dùng trong bộ phận hãm phanh ô tô). Trong quá trình gia công, với 1 lõi phù hợp, lớp ống trong cùng sẽ được đùn sao cho bao bọc lõi này, sau đó sẽ được chuyển sang đầu bện.Ở đây, một số túi chứa sợi đã được sắp xếp sẵn và sẽ quay quanh ống, như “phương pháp bện cây nêu”, ta sẽ được kiểu bện như yêu cầu.Cuối cùng, để đảm bảo độ bền của ống, 1 lớp cao su ngoài cùng sẽ được đùn, bao bọc phần sợi đã bện.Tùy theo kích thước đường kính ống và phạm vi ứng dụng mà có thể có 1 hoặc nhiều lớp cao su bọc bên ngoài. Với những ống có đường kính trong nhỏ hơn (xấp xỉ 10 mm), loại lõi phù hợp là những thanh thép ngắn, chiều dài có thể đạt tới 15 m; hoặc với những vật liệu có độ dẻo phù hợp thì chiều dài thanh có thể đạt tới 500 m. Với lõi ngắn và cứng, ống composite chưa lưu hóa sẽ được bọc bởi tấm đệm lưu hóa _ thường là vải nylon, vải này sẽ co rút và định vị ống khi lưu hóa trong nồi hấp.Những ống dài thì sẽ được lưu hóa liên tục, áp suất phải được duy trì đủ để định hình ống (có thể dùng áp suất hơi nước _lưu hóa trong môi trường hơi nước hoặc điều áp bằng muối nóng chảy_lưu hóa trong môi trường muối nóng chảy) Sau khi lưu hóa, tấm đệm lưu hóa sẽ được tháo dỡ và ống cao su đã lưu hóa sẽ được lấy khỏi trục bằng cách bơm khí từ 1 đầu vào khe giữa lõi và ống cao su.Để đảm bảo việc tháo dỡ ống dễ dàng, tránh hiện tượng ống bám chặt vào lõi do sự co rút của sợi gia cường khi lưu hóa, thì loại sợi này phải có độ co rút nhỏ (tơ nhân tạo) hoặc có modul cao (polyester) Sợi dùng để gia cường sẽ được biến dạng nhiệt hoặc ngâm trong 1 chất lỏng phù hợp, để đạt các tính chất vật lý và độ dính cần thiết, sau đó sẽ được quấn vào các túi chứa sợi dạng cuộn chỉ hoặc trụ côn đơn hoặc trụ côn đôi tùy vào thiết kế của máy bện. Thông thường người ta dùng sợi có modul cao cho hầu hết các ứng dụng, chẳng hạn như sợi polyester và tơ nhân tạo, vì ống cao su sẽ không bị thay đổi kich thước nhiều, đồng thời truyền động lượng tốt khi chịu tác dụng của áp suất. Trong những trường hợp ống phải chịu được áp suất cực cao thì sẽ phải dùng sợi thép. Máy bơm xăng thường dùng những ống cao su đặc biệt được làm theo công nghệ bện.Với lớp trong là cao su chịu dầu như cao su nitrile mach cao phân tử, lớp ngoài là cao su chịu dầu, bền lão hóa, bền ozone như polychloprene. Cao su cũng có thể được làm compound để tăng tính dẫn điện, lúc này sợi gia cường là sợi thép. Ống cao su sẽ được nối giữa vòi bơm và máy bơm, đồng thời nối đất.Như vậy sẽ ngăn được hiện tượng tích điện_có thể gây ra xẹt lửa dẫn đến những hậu quả khó lường.   Quấn xoắn ốc (Spiralling): ᴥ Với lớp gia cường bằng sợi đơn xuyên suốt: các sợi này sẽ được quấn xoắn ốc theo thân ống. Tùy theo giá trị của góc xoắn mà hose sẽ có những phản ứng khác nhau dưới tác động của áp suất. θ:Góc xoắn *θ= 543/4˚ _góc trung hòa: ống ít bị thay đổi kích thước nhất dưới tác động của áp suất. *θ<543/4˚: ống chịu nén *θ>543/4˚: ống chịu kéo Phương pháp này gần giống phương pháp bện, dùng để sản xuất các ống chịu được áp suất cao với đường kính trong lớn hơn (50-200 mm). Thay vì các sợi tăng cường sẽ được bện chéo vào nhau thì chúng sẽ được quấn xoắn ốc, các sợi gia cường sẽ được đặt cạnh nhau, rồi quấn xoắn ốc theo trục sẽ tạo thành một lớp phủ hoàn hảo với góc quấn bằng với góc trung hòa.Để đạt cấu trúc cân bằng và hạn chế hiện tượng ống bị xoắn và cong vênh thì sẽ đắp lên ống số lớp chẵn, các lớp sẽ luôn được đắp xen kẽ nhau, cứ 1 lớp cao su sẽ xen kẽ với 1 lớp sợi gia cường. Thông thường những ống có đường kính trong lớn thay vì dùng lõi đỡ để duy trì sự cố định cần thiết thì 1 đầu ống sẽ được bịt kín, bơm nước vào, rồi bịt kín luôn đầu còn lại.Sau đó ống cao su chưa lưu hóa này sẽ được bọc chì bằng máy đùn chì hoặc máy ép chì. Cuối cùng đưa vào máy hấp để lưu hóa.Ở nhiệt độ lưu hóa, nước sẽ bốc hơi, tạo nên một áp suất lên thành trong của ống, làm cho ống ép sát vào vỏ bọc chì bên ngoài nhờ đó định hình ống.Sau lưu hóa, lớp vỏ chì sẽ được tháo dỡ và tiếp tục được sử dụng cho mẻ sản xuất kế tiếp. Nhiều máy thủy lực sử dụng ống sản xuất theo công nghệ xoắn ốc. Ống chịu áp suất cao thường sử dụng cách ống xoắn hơn ống đan. Hiệu quả sử dụng ống đan giảm rõ rệt khi đường kính sợi tăng lên. Giả sử nếu ở đường kính 0.25 mm khả năng tăng cường là 100%, thì khi sợi có đường kính 0.30 mm thì khả năng tăng cường là 90% và 0.38 là 70%. Một vấn đề khác khi dùng sợi có đường kính lớn hơn là sự bao phủ cao của sợi có thể đạt được vì hệ số uốn của sợi đòi hỏi cao hơn để cân bằng với bó sợi ( A further problem with larger diameter wire is that coverage of wire can be obtained because the higher bending modulus of the wire requires a larger … to pass under the opposing band of wire . Vì vậy, đường kính của các sợi đan bị giới hạn và đường sợi lớn nhất khoảng 0.4 mm. Khi thiết kế những ống chịu áp suất cao hơn thường sử dụng nhiều lớp sợi đan vào nhau hoặc sử sợi có độ bền cao hơn. Sử dụng nhiều lớp sợi đan hoặc sợi có dộ bền cao thì đem lại một vài lợi ích nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng truyền ứng suất giữa những lớp sợi đan và những sợi có độ bền cao thường cứng hơn. Để có thể chịu được ứng suất cao thường sử dụng cách quấn sợi theo cách xoắn thành từng lớp. Các lớp được phân cách bởi hỗn hợp cao su lưu hóa mỏng. Để làm ống, các lớp sợi được xoắn ngược hướng nhau giữa các lớp sợi. Trong các thiết bị thủy lực, bình thường xoắn khoảng 4 hoặc sáu lớp và đường kính sợi lên đén khoảng 1 mm. Ngoài tăng hiệu quả sử dụng của sự gia cường sợi, ống xoắn còn tăng độ bền mỏi (fatigue life) của ống dưới tác động động hơn so với ống đan. Lý do là do các sợi đan vào nhau khi tác dụng theo chu kì thì các sợi trong cùng 1 lớp sẽ tiếp xúc với nhau gây ra các vết mòn. Khi 1 hoặc 2 sợi ở cạnh của bó sợi bị đứt thì sẽ mất độ bền của ống và sẽ làm hư ống. Trong ống xoắn, các sợi không dệt lẫn nhau mà được tách thành từng sợi bởi lớp cao su mỏng. Sự tiếp xúc của các sợi không diễn ra khi mà những lớp cao su mỏng giữa các sợi vẫn còn. Ống xoắn tốt thì lớp cao su mỏng phải chịu được các tác động nhiệt và áp suất khi sử dụng và do đó độ bền mỏi của sản phẩm sẽ cao hơn. Bất lợi của ống xoắn so với ống đan là khó ( it is … dificult to attach end fittings successfuly without creating high stress levels at the … of the hose and fitting). Qua nhiều năm có nhiều thiết kế để fitting được đè ra cho ống xoắn nhưng có 2 kỹ thuật chình. The first is to remove a section of inner liner as well as cover and to swage the fitting directly onto the wire …, using a separate section of the fitting to give a hydraulic sealing area. The … main technique is to crimp the wire/rubber sandwich severely at one end of the … and form a seal at the other end of the fitting Ống cao su bọc (Wrapped hose): Phương pháp này dùng để sản xuất ống có đường kính trong lớn (từ 50 mm trở lên), được dùng cho mục đích bơm nước, bùn…, trong xây dựng hoặc bất cứ nơi nào cần phải hút chất lỏng trên mặt. Đầu tiên,lớp cao su được đùn ra ở dạng tấm,sau đó sẽ bọc quanh lõi đỡ, kế tiếp lớp vải gia cường sẽ được quấn vào.Vải gia cường có thể được cắt thành từng dải có bề rộng tương đối nhỏ, rồi quấn xoắn ốc vào trục. Hoặc có thể cắt chéo vải thành những dải có bề rộng lớn hơn rồi bọc trực tiếp lớp cao su trong cùng.Cả 2 cách trên đều nhằm làm cho góc quấn xấp xỉ góc trung hòa.Để tránh hiện tượng co dúm do chân không, những sợi cáp dày hơn sẽ được bọc theo kiểu xoắn ốc; hoặc là được đắp lên thành ngoài ống (thành trong ống sẽ trơn láng); hoặc là đắp lên thành trong ống (thành trong ống sẽ gồ ghề). Các ống này sẽ được bọc bằng tấm đệm lưu hóa bằng nylon và được lưu hóa trong máy hấp. Lưu hóa xong, các tấm đệm này sẽ được tháo dỡ và để lại những vết in hằn đặc trưng trên bề mặt ống.  Vải gia cường phải được dệt theo dạng vuông như hình trên để độ bền theo hướng dọc và hướng ngang là bằng nhau.Cotton là chất liệu được sử dụng đầu tiên và vẫn được tiếp tục được sử dụng cho tới ngày nay vì nó cho độ bền cao.Tuy nhiên hiện nay nó đã được thay thế bằng các chất liệu tổng hợp như tơ nhân tạo hoặc polyester; vì có thể dùng để sản những ống có đường kính trong lớn hơn do độ co rút nhỏ, modul lớn, đặc biệt là khả năng chịu ẩm. Sợi polyester sẽ được biến dạng nhiệt, ngâm trong chất lỏng phù hợp, làm tăng độ dính bằng isocyanate trong dung môi.Dù vậy nhưng chất liệu tổng hợp này lại được dần thay thế trở lại bằng chất liệu cũ vì yếu tố sức khỏe và môi trường. Ống cao su đan (Knitted hose): Loại ống này thường được dùng cho hệ thống làm lạnh, tản nhiệt của các phương tiện giao thông.Lớp trong cùng sẽ được đùn và lớp vải gia cường sẽ được đan, phủ trực tiếp lên lớp này, giống như phương pháp bện.Nhiều ống thuộc loại này có cấu tạo khá đặc biệt, thường là sự thay đổi đường kính trong của ống, những chỗ quanh co, uốn cong,… để có thể khít với các bộ phận khác của xe. Các ống đan thường được lưu hóa trong nồi hơi nước hở, và được phủ bột Talc để duy trì tiết diện tròn của ống đồng thời tránh hiện tượng chúng dính lại với nhau. Cotton vẫn là sợi gia cường truyền thống cho loại ống này, nhưng càng ngày polyester, thậm chí là aramid càng được dùng nhiều hơn; đặc biệt là ở những vùng có nhiệt độ cao như dưới nắp đậy của những chiếc xe hơn hiện đại. Ống hút & đẩy dầu (Oil suction & discharge hose): Đây là loại ống có đường kính trong lớn (hơn 600 mm), dùng để bơm và xả dầu từ tàu chở dầu qua các trạm.Với sự gia tăng kích thước tàu chở dầu, đặc biệt là các tàu chở dầu hiện đại, thường các tàu này sẽ bơm và xả dầu trong khi đang ở sâu dưới nước hơn là neo ở cầu tàu. Để cải thiện tính năng của các ống làm việc dưới các điều kiện này thì phải thêm các yếu tố giúp cho ống nổi, được thiết kế ngay trong ống.Do đó sẽ không cần các thiết bị bên ngoài hỗ trợ giúp cho ống nổi.  Cấu tạo cơ bản của ống là theo sơ đồ trên.Lớp trong cùng sẽ được gia cường bằng dây đơn xuyên suốt quấn xoắn ốc, thường dây này được bện từ sợi polyester như kiểu bện dây thừng, và có độ dày nhất định.Lớp kế tiếp là sợi cáp bằng thép, dày được quấn xoắn ốc để tránh hiện tượng ống bị co dúm do chân không.Bọc ngoài lớp này là lớp xốp kín trợ nổi_giúp cho ống có thể nổi, được vuốt thon ở các đầu để có thể lắp đế kim loại dễ dàng.Và ngoài cùng là lớp cao su mỏng được gia cường bằng lớp vải đan theo kiểu ‘leno’_cải thiện tính bền xé và bền cắt của bề mặt ống. Chỗ nào không cần lớp vành đai xốp kín trợ nổi, sẽ có thêm 1 lớp gia cường thứ hai bọc bên ngoài lớp sợi cáp bằng thép.Lớp này sẽ bằng sợi nylon dày; vì vậy khi lớp gia cường trong cùng bị phá hủy, những chất chứa bên trong ống sẽ được giữ lại bởi lớp nylon này, ngăn cản được sự rò ri; đồng thời do nylon có modul nhỏ hơn polyester nên ống sẽ bị phình to ra.Đó là dấu hiệu cho thấy đã đến lúc cần phải thay thế ống này. Một phạm vi ứng dụng khác của ống này là dùng trong các tàu nạo vét.Với lớp trong cùng có sức chịu mài mòn tốt, sự mềm dẻo của loại ống này so với loại ống thép trước kia, thì ở những vùng biển động việc sử dụng loại ống này là thích hợp hơn cả. Leno fabric:    Leno tubular polypropylen fabric Ống dệt vòng quanh: Loại ống này được dệt trực tiếp trên những khung cửi hẹp,dùng thoi dệt.Những sợi dọc được chia ra trên 4 trục; 2 trục đầu tiên sẽ dệt nửa trên của ống trong khi 2 trục còn lại sẽ dệt phần nửa ống còn lại.Hai phần nửa ống này sẽ được ghép lại với nhau bởi các sợi dệt ngang. Sau khi dệt xong, 1 lớp cao su sẽ được đùn, tạo thành lớp trong của ống.Các đầu của ống sẽ được bịt kín rồi bơm hơi nước vào, tạo sức ép để lớp cao su bám chặt vào lớp vải dệt; đồng thời lưu hóa lớp cao su này.Loại ống này được dùng trong lĩnh vực chữa cháy vì nó có thể được quấn phẳng, ít chiếm không gian hơn các loại ống khác. MỘT SỐ THÔNG SỐ: Góc xoắn:  P: Áp suất tác dụng lên thành trong ống. D: Đường kính của lớp sợi gia cường. L: Bước dịch chuyển theo chiều dài của sợi. Θ: Góc bện. R: Hợp lực của V và H. V: Lực tác dụng theo phương bán kính. H: Lực tác dụng theo phương chiều dài. Góc xoắn (góc bện) θ được tính theo công thức sau:  Khi θ đạt góc trung hòa thì ta có :  Từ phân tích lực tác dụng bởi ứng suất:   Vì  Nên  Mà  Ta có    Áp suất phá hủy (bursting pressure): Áp suất phá hủy có thể được tính toán cho hầu hết các loại ống; tùy thuộc vào độ bền của lớp sợi và phương pháp quấn sợi gia cường (bện, xoắn ốc, dệt …).Tuy nhiên những tính toán này chỉ là gần đúng, vì vậy luôn có những hệ số chuyển đổi giữa áp suất phá hủy thực và áp suất lý thuyết, để tính được giá trị áp suất chính xác và hợp lý.Thông thường hệ số chuyển đổi là 75-80 % cho hầu hết các cấu trúc ống. Ngành công nghiệp ống cao su và đa số các tiêu chuẩn của Anh, có liên quan đến ống cao su (khoảng hơn 20 tiêu chuẩn), thích sử dụng đơn vị áp suất là bar hơn Pascal  Áp suất làm việc của ống cao su được chia làm 3 khoảng: Áp suất thấp: nhỏ hơn 20 bar (< 2.0 Mpa) Áp suất trung bình: 20-70 bar (2.0-7.0 Mpa) Áp suất cao: hơn 70 bar (> 7.0 Mpa) • Độ bền của ống bện và xoắn ốc:  P: Áp suất phá hủy (bar) Θ: Góc bện, góc xoắn. NS: Tổng số sợi hoặc dây trên lớp vải bện hoặc xoắn ốc theo cả 2 hướng R: Độ bền kéo của sợi hoặc dây (N) D: Đường kính trung bình (cm) L: Bước dịch chuyển theo chiều dài của sợi (cm) • Độ bền của ống cao su bọc lớp:  P: Lực tác dụng theo phương bán kính D: Đường kính trung bình L: Chiều rộng đơn vị của lớp vải. Khi bọc vải theo góc θ:  S: Độ bền của vải trên 1 đơn vị chiều rộng (N) NW: Số lớp •Độ bền của ống cao su đan: Lớp gia cường bằng kiểu đan, tính toán như kiểu bện nhưng thay NS bằng C: số sợi đan. •Độ bền của ống dệt vòng quanh:  D: Đường kính trung bình của lớp sợi gia cường L: Chiều dài đơn vị của lớp vải. Tuy nhiên  NV: Tổng số sợi ngang trên đơn vị chiều dài RV: Độ bền của sợi ngang (N) Do đó:  D.Lưu hóa Có nhiều phương pháp và kỹ thuật lưu hóa ống khác nhau bao gồm: Cho sản phẩm vào buồng lưu hóa autoclave bằng hơi nước nhưng chỉ sử dụng được với sản phẩm kích thước bị giới hạn và quá trình lưu hóa không liên tục  Tạo hình ống quanh một trục có thể cứng hoặc mềm,phủ một lớp chì lên bề mặt mục đích là để tạo áp trong quá trình lưu hóa.Sau đó ,lớp chì này phải được tách ra,đồng thời cũng phải rút lõi ra khỏi ống sau khi quá trình lưu hóa hết thúc.Việc sử dụng chì bị giới hạn ,đòi hỏi thiết bị đắt tiền,vấn đề về môi trường ,chất thải chì Một phương pháp lưu hóa liên tục khác được sử dụng đó là cho ống đi qua một buồng hình ống với phương tiện để truyền nhiệt và tạo áp suất là chất lỏng.Điều này đồng nghĩa với việc nguy hiểm khi sử dụng một chất lỏng nóng với một áp suất cao Phương pháp lưu hóa bằng sóng điện từ sử dụng khuôn có rãnh đã khắc phục được nhược điểm phải sử dụng chất lỏng nóng,áp suất cao và chi phí thiết bị đắt đỏ của việc lưu hóa sử dụng lớp phủ chì.Phương pháp này được trình bày cụ thể hơn ở bên dưới Phương pháp lưu hóa liên tục sử dụng sóng điện từ(microwave UHF) :  Nguyên liệu được bỏ vào phểu nạp liệu 12 qua máy đùn 11 để tạo hình ống,qua một thiết bị 15 kéo ống di chuyển vào máy quấn sợi để tạo lớp sợi gia cường.Mặc dù ko được vẽ ở trên nhưng có thể có nhiều máy quấn và máy đùn để phủ lần lượt nhiều lớp cao su và lớp sợi lên để tăng khả năng chịu áp cho ống.Sau đó ,ống tiếp tục được cho vào thiết bị lưu hóa liên tục 25 bằng cặp băng tải 26,27.Di chuyển nhờ các trục quay Trên mỗi băng tải này có rãnh 50,51 và ghép lại thành hình ống như được mô tả ở hình bên dưới.Ống cao su sẽ nằm ở bên trong rãnh này  Khi băng tải chuyển ống vào trong buồng lưu hóa sẽ có 4 đĩa kẹp 40,41,42,43 mục đích là để duy trì áp trong suốt quá trình lưu hóa. Vật liệu làm băng tải và đĩa kẹp phải là những vật liệu không hoặc ít hấp thụ năng lượng sóng điện từ.Trong trường hợp này, băng tải được làm bằng silicone dẻo và các đĩa kẹp được làm bằng teflon Các thiết bị tạo UHF 45 được đặt dọc theo chiều dài của ống để tạo sóng điện từ, tăng nhiệt ống sản phẩm để tiến hành lưu hóa.Do băng tải và đĩa kẹp không hấp thu năng lượng sóng điện từ nên năng lượng được chuyển trực tiếp vào trong ống.Số lượng các thiết bị này phụ thuộc vào kích thước của sản phẩm muốn lưu hóa.Quá trình lưu hóa có thể được kiểm soát bằng số lượng thiết bị .Thêm nữa tốc độ di chuyển của băng tải có thể được duy trì ở một mức độ được chọn thích hợp Sản phẩm sa khi ra khỏi buồng lưu hóa thì được chuyển qua bộ phận làm nguội 54 nhờ băng tải 53 và cuối cùng được quấn thành cuộn ở 55 như trên hình. E.Lấy lõi ra khỏi ống: Trong quá trình sản xuất những ống cao su thông qua lõi,một trong những vấn đề khó khăn là rút được lõi ra khỏi ống đặc biệt là khi ống được sản xuất có chiều dài đáng kể và khi ống được gia cường bằng những lớp bện kim loại hoặc sợi coton.Có nhiều phương pháp để lấy lõi ra khỏi ống. Phương pháp lấy lõi khỏi ống bằng áp suất thủy lực:  Hình trên mô tả cấu tạo của ống và lõi: Ống cao su 10 được gia cường bằng lớp sợi 11,ống bọc trên lõi 12 . Lõi 12 có một đoạn ngắn cuối ống 120 liên kết với phần còn lại của lõi bằng hệ thống ren 14 sẽ ăn khớp với đoạn ren bên trong ống 15 để gắn chặt hai phần lại với nhau.Hai đầu của ống đều có hai đai ốc 16,17 để có thể siết vào hoặc nới lỏng đoạn ngắn 120.Mặc dù trên hình vẽ được mô tả là loại trục đặc nhưng có thể thiết kế ống có dạng rỗng ruột để tiết kiệm nguyên liệu chế tạo và trọng lượng của ống  Sau khi hoàn thành quá trình gia công ống ,bước đầu tiên là phải tháo rời phần cuối của lõi ra khỏi phần còn lại của nó như được mô tả ở hình trên.Do đây chỉ là một đoạn ngắn nên có thể được tiến hành từ từ bằng tay bằng cách đơn giản là vặn đai ốc 17,lực đẩy dọc trục khi tháo ren sẽ đẩy nó dần dần ra khỏi ống.  Đoạn cuối ống sau khi đã tháo rời phần cuối của lõi sẽ được lồng vào rãnh 18 là phần cuối của một đầu tạo áp suất 19 và được kẹp ở đó nhờ một thiết bị kẹp thích hợp 20 như mô tả ở hình 3. Áp suất thủy lực sẽ được đặt vào ống thông qua bộ phận tạo áp 19 sẽ đẩy ống tách khỏi lõi ,và làm ống và lõi trở nên lỏng lẻo hơn Để chống lại sự tổn thất áp suất khi áp suất được đặt vào trong quá trình lấy lõi ra người ta sử dụng một loại vòng bít  Vòng này bao gồm vòng da hoặc vòng cao su 22 bọc trên thân 23 của bulong 24.Vòng được gắn vào đoạn cuối 100 của ống,và bulong 24 được gắn vào trong ren 15 trong lõi.Vành 26 của vòng 22 có tác dụng cho phép vòng dãn ra và ép chặt vào ống từ đó có thể duy trì được áp suất có thể đầy vòng ra. Khi vòng bít trên được đặt vào bên trong ống ,đoạn cuối ống được kẹp lại vào trong đầu tạo áp suất 19  Trong giai đoạn đầu tạo áp suất khi chưa có vòng bít ,một phần nước hoặc chất lỏng khác còn lại sẽ nằm giữa ống và lõi do sự thất thoát áp suất.Lượng chất lỏng này sẽ đóng vai trò bôi trơn khi áp suất được đặt vào đẩy vòng bít đồng thời lõi ra khỏi ống Phương pháp lấy lõi dựa trên nguyên tắc sự dãn nở nhiệt: Giới thiệu: Đây là một trong những phương pháp rút lõi trong quá trình chế tạo ống cao su.Nguyên tắc là dựa trên hiện tuợng sai khác về đuờng kính của lõi và ống khi thay đổi nhiệt độ. Phương pháp này có những ưu điểm như sau: +Đây là một phương pháp có nguyên lý rất đơn giản và dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất. +Khác với các phương pháp khác , phương pháp này ko làm tổn hại đến cấu trúc của lớp vỏ composite của ống +Với phương pháp này ta có thể rút lõi của các ống dài hơn 15 feet +Với phương pháp này ta có thể rút lõi thủ công bằng tay mà không cần thêm thiết bị khác. +Chính vì vậy mà giá thành của quá trình sản xuất được hạ xuống. Nội dung phương pháp: Đầu tiên ta chọn lõi có đuờng kính thích hợp với ống cần chế tạo.Lõi này làm từ vật liệu có thành phần và hệ số nở nhiệt sao cho đáp ứng đựơc yêu cầu nở nhiệt khi ta nâng nó tới nhiệt độ cần thiết.Sau đó ta đốt nóng sơ lõi sao cho lõi nở ra .Lớp nhựa (cao su ) làm vỏ ống sau đó được quấn lên trên lõi ngay khi lõi trong tình trạng nở ra vì nhiệt.Quá trình lưu hóa được thực hiện sau khi lõi được quấn đầy các lớp cao su.Ta có thể sử dụng bất kỳ phương pháp lưu hóa nào mà không sợ làm ảnh hưởng đến lõi.Khi đã lưu hóa xong hoàn toàn, ta sẽ làm lạnh cả ống gồm lớp vỏ và lõi.Do sự co do giảm nhiệt độ, ống lõi sẽ co lại nhanh hơn và có đường kính nhỏ hơn lớp vỏ.Kết quả là ta có thể rút ống lõi dễ dàng.Trong thực tế ta có thể rút ống lõi bằng tay không mà không cần dùn gthêm bất kỳ thiết bị nào khác. Trong thực tế, ống lõi thường là ống rỗng và làm từ nhôm.Lớp vỏ được chọn từ các vật liệu có hệ số giản nở nhiệt thấp hơn nhôm. Bề mặt của ống lõi nhôm thường được anod hóa bằng các phương pháp anod thích hợp nhằm làm cho bề mặt cứng và bền hơn.Ngoài ra người ta còn phủ lên bề mặt này một lớp polyester hoăc DARCON ( Polyethylene terephthalate ) truớc khi phủ lớp polymer vỏ. Phưong pháp làm lạnh ống thường dùng là dẫn dung dịch lạnh qua phần rỗng của lõi nhôm, tiếp xúc với đường kính trong của lõi nhôm, chính dòng dung dịch này cũng là nơi thoát nhiệt. Ống lõi nhôm thừong đựoc làm nóng tới nhiệt độ tối thiểu là 1200F, thường là 120-4000F.Nhiệt độ được chọn nhiều nhất là khoàng 2000F vì có thể tận dụng nhiệt để lưu hóa nhanh lớp vỏ polymer. Hiện có một số lõi đươc làm bằng thép do lõi nhôm trong một số trướng hợp không đáp ứng được yêu cầu về ứng lực từ lớp vỏ cao su.Tuy nhiên lõi nhôm được ưa chuộng do hệ số nhiệt phù hợp , nhiệt độ giản nở thấp phù hợp cho cao su. F.Ống cao su cao áp dùng trong phanh xe(high pressure brake hose) : Một ống cao su có sợi tăng cường dùng trong bộ phận phanh xe thông thường gồm 5 lớp, 3 trong số đó là lớp cao su, 2 lớp còn lại là các sợi gia cường được quấn hoặc bện thích hợp. Ví dụ, lớp trong cùng là lõi cao su được tạo hình bằng phương pháp đùn có đường kính trong là 3,3mm, đường kính ngoài khoảng 5,1mm được làm từ hỗn hợp cao su có tính chất phù hợp với chất lỏng dùng trong phanh; kế tiếp là lớp sợi gia cường được quấn hoặc bện trên mặt ngoài của lớp lõi, một trong những nhiệm vụ của nó là chống lại sự trương phồng của ống cao su trong điều kiện làm việc ở áp suất cao, sợi gia cường có thể là tơ nhân tạo , glass, hay polyvinyl alcohol; tiếp đó là lớp cao su đệm được đùn bọc lên lớp sợi tăng cường, lớp cao su này được làm từ hỗn hợp cao su NR, cao su tổng hợp SBR, polycloropren hay EPDM; lớp tiếp theo là lớp sợi tăng cường tương tự như lớp sợi tăng cường thứ nhất, có thể là sợi nylon, rayon, glass hay polyvinyl alcohol; cuối cùng là lớp cao phủ ngoài cùng hay còn gọi là lớp bảo vệ được đùn phủ lên lớp sợi tăng cường thứ 2, lớp này có nhiệm vụ chống thấm nước, dầu hay chất bẩn từ môi trường làm việc, được làm từ cao su polychloropren, EPDM, chlorosulfonated polyethylene và các loại tương tự; đường kính ngoài của ống cao su thu được khoảng 10,5 đến 11mm. Sau đó ống cao su được cắt thành những đoạn có chiều dài thích hợp, đầu nối kim loại được gắn vào đầu mỗi đoạn, đây là phần sẽ tiếp xúc với các ống sắt trong bộ phận phanh, do đó ống cao su tạo thành một sự liến kết mềm giữa các phầncứng của hệ thống phanh với thắng ở bánh xe. Đơn pha chế của lớp lõi:  Điều cần chú ý ở đây là chúng ta sử dụng cao su EPDM có độ nhớt thấp và dung dich polymer EPDM. Ở đây chúng ta chọn vật liệu làm lõi là EPDM, như đã nói ở trên lớp lõi của ống cao su phải có tính tương thích hóa học với chất lỏng bên trong cũng như có khả năng chống thất thoát chất lỏng ra ngoài, EPDM là cao su đáp ứng được những điều kiện đó nên đã được lựa chọn Tất nhiên chúng ta cũng sử dụng chất độn than đen, và các thành phần cơ bản khác như ZnO, acid Stearat, lưu huỳnh và chất xúc tiến. hỗn hợp cao su trên sẽ được trộn trên máy cán rồi sẽ đươc cho vào máy đùn để tạo hình thánh lớp lõi có đường kính trong 3-3,5 mm và đường kính ngoài 5-5,1 mm. Lớp sợi tăng cường thứ nhất được bện lên ống cao su EPDM khi nó vẫn còn nằm trên lõi định hìmh. Sợi tăng cường được sử dụng ở đây là polyvinyl alcohol, mỗi sợi được tẩm chất kết dính không có nền nước mà trên nền hỗn hợp polyisocyanat trong styrene, ví dụ như chất kết dính Esterweld EP, tính chất đặc biệt của loại chất kết dính này là khan. Những sợi gia cường sau khi tẩm chất kết dính sẽ đươc bện với góc quấn 53,5-56,5o dọc theo chiều dài trục ống cao su. Nhiều năm liền chất kết dinh sử dụng trong việc sản xuất phanh xe là latex resorcinon formaldehyde (R-FL), tất nhiên đây là chất kết dính có chứa nước, chất kết dính này có khả năng cảm ứng nhiệt, nghĩa là khi đem ống cao su đã được quấn tăng cường đi lưu hóa thì dưới tác dụng của nhiệt chất kết dính này sẽ tạo ra các liên kết giữa nền cao su và các lớp sợi tăng cường. Qua nhiều năm sử dụng thì thực tế cho thấy đây chất kết dính có rẻ tiền, tuy nhiên chất kết dính R-FL có một nhược điểm nghiêm trọng làm ống cao su mau hỏng trong quá trình sử dụng cũng như làm giảm hiếuuất sử dụng của ống cao su và cả hệ thống phanh. Nhược điểm đó là R-FL vẫn con chứa 1 lượng nước nhỏ sau khi sản phẩm đã đăợc lưu hóa cũng như khi đem vào sử dụng, điều này khó có thể khắc phục dù cho sợi sau khi tẩm chất kết được đem sấy thì vẫn còn lượng nước rất nhỏ. Khi ống cao su làm viêc ở áp suất cao và nhiệt độ cao thì lượng nước này sẽ bị phân hủy gây nên những sai hỏng tế vi trong sản phẩm. do đó trong qui trình này chất kết dính được chọn sử dụng không có nền nước. Đơn pha chế của lớp đệm:  Sau khi lớp sợi tăng cường được định hình xong thì lớp cao su đệm sẽ được đùn phủ lên 2 phần trước, nguyên liệu cũng được trộn trên máy cán như lớp lõi rồi được nạp vào máy đùn để định hình, lớp đệm này có đường kính ngoài khoảng 8,75 mm. Ở đây cao su sử dụng cũng là EPDM . Tiếp theo, lớp sợi gia cường được quấn lên lớp cao su đệm, sợi gia cường sử dụng ở đây cũng có thể dùng cùng loại với lớp gia cường thứ nhất,tương tự như lớp thứ nhất các sợi gia cường cũng được phủ chất kết dính không dựa trên nền nước. các sợi gia cường được bện với góc quấn 54,3-57,5o theo hướng dọc trục. Đơn pha chế lớp phủ bên ngoài:  Như đã nói ở trên lớp phủ có nhiệm vụ chống thấm nước, dầu và các chất bẩn trong quá trình sử dụng. Đây là điều cần thiết, nếu vật liệu không có khả năng chống thấm nước thì trong quá trình sử dụng lượng nước thấm vào sẽ làm giảm nồng độ chất lỏng trong ốn, dẫn đến hạ nhiệt độ sôi của chất lỏng hay nói cách khác là giảm hiệu suất bơm. Vì lý do trên mà cao su EPDM tiếp tục được lựa chọn làm lớp bảo vệ và phương pháp tạo hình cũng là đùn phủ lên lớp sợi gia cường bên trong. Sauk hi lớp cao su cuối cùng được đùn tạo hình xong thì cả ống cao su và lõi tạo hình được đem lưu hóa trong nồi hấp hơi nước ở nhiệt độ 350oF thời gian 30 phút. Trong quá trình này dưới tác dụng của nhiệt độ, chất kết dính không dựa trên nền nước sẽ được hoạt hóa tạo thành lien kết giữa sợi và cao su. Sản phẩm cuối cùng được kiểm tra chất lượng theo chuẩn DOT3 (với chất lỏng sử dụng trong ống là ethylene glycol ether) và DOT4 (Borate ester). Các thí nghiệm để kiểm tra mẫu được thực hiện theo chuẩn ASTM D571 bao gồm thí nghiệm về sự giãn nở thể tích , whip test… khi làm việc dưới áp suất cao. Một vài kết quả kiểm tra: Độ dãn nở thể tích: DOT3 : 0,15cc/ft ở áp suất 1000psi DOT4: 0,2cc/ft ở áp suất 1500psi Whip live 360-600 giờ Tải trọng động: điều kiện thí nghiệm nhiệt độ 290oF, áp suất 1600-1650psi, thời gian bơm lại là 1 phút, kết quả thu nhận là số vòng mà ống có thể chịu được.  DOT3  DOT4   Chất kết dính khan  16000-18000 vòng  7000-11000 vòng   Chất kết dính nền nước  -  3600-5800 vòng  

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docỐng cao su có sợi tăng cường.doc