Tối ưu hóa các yếu tố công nghệ trong chế tạo vật liệu cốt Composite Polymer

VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 37 
TỐI ƯU HÓA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TRONG 
CHẾ TẠO VẬT LIỆU CỐT COMPOSITE POLYMER 
ThS. BÙI THỊ THU PHƯƠNG 
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 
PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG 
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng 
TS. NGUYỄN THẾ HÙNG 
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 
Tóm tắt: Vật liệu cốt composite polymer có ưu 
thế vượt trội là ứng suất kéo cao hơn thép truyền 
thống đến 1,5-2 lần, nhẹ hơn đến 5 lần, do đó có 
thể dùng cho các công trình có yêu cầu đặc biệt. 
Mục tiêu nghiên cứu này là tối ưu hóa các yếu tố 
công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật 
liệu. Từ đó từng bước làm chủ công nghệ lõi và làm 
chủ hoàn toàn hệ thống dây chuyền sản xuất thép 
cốt composite polymer tại Việt Nam. 
1. Mở đầu 
Vật liệu sợi thủy tinh trong công nghệ chế tạo 
thanh cốt composite polymer được nghiên cứu lựa 
chọn là sợi E-Glass Tỷ lệ sợi thủy tinh trong thành 
phần cốt composite polymer trong trên thế giới phổ 
biến ở mức 60-75%. Trong công nghệ này, các sợi 
thủy tinh được nhúng thấm đẫm nhựa epoxy. Một 
lượng chất đóng rắn được bổ sung vào mẻ liệu sao 
cho thời gian đông cứng phù hợp với các giai đoạn 
tiếp theo. Do đó, việc nghiên cứu tỷ lệ chất đóng rắn 
trong quá trình chế tạo vô cùng quan trọng. Chất 
lượng thanh cốt composite polymer còn phụ thuộc 
vào tốc độ kéo sợi qua một buồng gia nhiệt dài. Tốc 
độ chậm sẽ không đảm bảo năng suất. Ngược lại, 
nếu tốc độ kéo nhanh thì quá trình đóng rắn chỉ xảy 
ra trên lớp bề mặt. Nhiệt độ trong ống gia nhiệt 
đóng vai trò quan trọng trong suốt quá trình đóng 
rắn của thanh cốt composite polymer. Nếu gia nhiệt 
quá cao sẽ dẫn đến cháy hoặc bay hơi keo epoxy 
một cách cục bộ. Nếu gia nhiệt quá thấp thì thanh 
thép composit sẽ mềm vì chưa kịp đóng rắn [1,2]. 
Như vậy ba yếu tố công nghệ chính là tỷ lệ chất 
đóng rắn, tốc độ kéo sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng 
rắn. Các yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn đến chất 
lượng của thanh cốt composite polymer. Chất lượng 
thanh thép được thể hiện thông qua đặc tính cơ lý 
nói chung của sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là ứng 
suất kéo. Như vậy chế độ công nghệ tối ưu sẽ là 
chế độ cho phép thu được ứng suất kéo cao nhất, 
tức là tổ hợp của ba yếu tố công nghệ (tỉ lệ đóng 
rắn, tốc độ kéo và nhiệt độ đóng rắn) sao cho ứng 
suất kéo đạt giá trị max. Chế độ công nghệ tối ưu 
được nghiên cứu bằng mô hình quy hoạch thực 
nghiệm ba yếu tố: tỷ lệ chất đóng rắn, tốc độ kéo 
sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng rắn trong ống gia 
nhiệt trong tương quan của hàm mục tiêu là ứng 
suất kéo của thanh cốt composite polymer. 
2.Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 
2.1 Vật liệu và thiết bị 
 Vật liệu 
- Sợi thủy tinh E-Glass; 
- Nhựa Epoxy; 
- Chất đóng rắn. 
 Thiết bị 
Hệ thống dây chuyền sản xuất thanh cốt 
composite polymer tại Viện Khoa học Công nghệ 
Xây dựng (Hệ thống dây chuyền là kết quả nghiên 
cứu của đề tài cơ sở cấp Viện tại Viện Khoa học 
Công nghệ Xây dựng nghiệm thu tháng 6-2014). 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
38 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 
Hình 1. Hệ thống dây chuyền sản xuất thanh cốt composite polymer 
2.2 Phương pháp nghiên cứu 
a. Nghiên cứu lý thuyết 
Theo yêu cầu của bài toán, các yếu tố đầu vào được chọn ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của vật liệu 
gồm: tỷ lệ chất đóng rắn - 1X (%), tốc độ kéo sợi thủy tinh - 2X (m/ph), nhiệt độ đóng rắn - 3X (
oC). Hàm hồi 
quy được chọn là ứng suất kéo của vật liệu. 
Hình 2. Mô hình qui hoạch thực nghiệm chế tạo cốt composite polymer 
Để mô tả quá trình thực nghiệm tương thích 
bằng những mặt phi tuyến, chúng tôi tiến hành 
qui hoạch thực nghiệm cấp II nhằm cung cấp tối 
đa các thông tin để người nghiên cứu đạt được 
kết quả tốt nhất nhanh nhất và tiết kiệm nhất. 
Phương án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 
II được dùng để xác định giá trị tối ưu của hàm 
mục tiêu. Hàm mục tiêu có dạng: 
  1 2 3Y X ,X ,X . Ứng suất kéo phải tiến đến giá 
trị Max trong khi điều chỉnh các yếu tố công nghệ 
X1, X2 và X3 [3]. Do đó dẫn đến việc giải bài toán 
tối ưu: xác định cực trị của hàm mục tiêu: 
  1 2 3Y max max Y X ,X ,X
b.Nghiên cứu thực nghiệm 
 Sơ đồ công nghệ chế tạo cốt composite polymer 
tổng quát 
Chế tạo cốt composite polymer từ sợi thủy tinh 
E-Glass và nhựa Epoxy bao gồm ba công đoạn 
chính như hình 3: 
1X - Chất đóng rắn(% ) 
2X - Tốc độ kéo sợi thủy tinh(m/p) 
3X - Nhiệt độ đóng rắn (
o
 C) 
Dây chuyền công 
nghệ chế tạo 
thanh cốt 
composite 
polymer 
Ứng suất kéo (N/mm2) 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 39 
Hình 3. Sơ đồ công nghệ tổng quát chế tạo thanh thép thủy tinh 
 Mô tả công nghệ: 
Công nghệ chế tạo cốt composite polymer là 
công nghệ kéo liên tục các bó sợi thủy tinh đã tẩm 
epoxy qua một dây chuyền công nghệ chuyên dụng. 
Trong thực nghiệm này, các mẫu thanh cốt 
composit polymer có đường kính 10, được chế 
tạo qua 3 giai đoạn: 
Giai đoạn 1: Hòa trộn nhựa epoxy với sợi 
thủy tinh. Để chế tạo cốt composit polymer 10 
cần 10 cuộn phôi sợi thủy tinh được phân phôi bằng 
bánh xích và lô kéo sợi. Sợi thủy tinh được thấm 
đẫm keo nhựa trong thùng chứa keo epoxy có pha 
trộn chất đóng rắn với tỉ lệ có thể điều chỉnh được. 
Giai đoạn 2: Định hình về kích thước. Để 
định hình kích thước thanh thép đường kính 10, 
thực nghiệm của chúng tôi sử dụng khuôn định hình 
có dạng lỗ hình trụ đường kính từ 10. Khuôn định 
hình dạng trụ có độ dài 50mm. 
Giai đoạn 3: Hóa cứng nhanh trong ống gia 
nhiệt. Công nghệ composit có sử dụng epoxy 
thường được đóng rắn chậm. Có nghĩa là màng 
epoxy sẽ được đóng rắn ở nhiệt độ thường (25-
35C) và kéo dài vài ngày. Việc đóng rắn chậm 
thường áp dụng với các loại bình bể kích thước lớn, 
vì không thể chế tạo các buồng gia nhiệt lớn. Tuy 
nhiên, thanh cốt composite polymer là một vật có 
kích thước nhỏ theo mặt cắt ngang. Vì vậy có thể 
kéo nó qua một ống gia nhiệt nhỏ, nhưng đủ dài. 
Như thế ta có thể tiến hành hóa cứng nhanh epoxy. 
Chế độ hóa cứng được điều chỉnh bởi nhiệt độ của 
ống gia nhiệt và thời gian mà thanh cốt thủy tinh còn 
mềm dẻo được di chuyển trong lòng ống gia nhiệt. 
Tốc độ kéo bó sợi trong ống gia nhiệt quyết định 
thời gian hóa cứng. 
3. Thực nghiệm 
3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của quá trình 
thực nghiệm 
Mục tiêu thực nghiệm này là xác định tỷ lệ chất 
đóng rắn trong thùng chứa keo epoxy, tốc độ kéo 
sợi thủy tinh đi qua thùng chứa keo và nhiệt độ 
đóng rắn trong ống gia nhiệt [4]. Các thông số thí 
nghiệm như bảng 1. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật cơ bản trong thực nghiệm 
TT Thông số kỹ thuật Giá trị 
1 Tỷ lệ trộn sợi thủy tinh, nhựa epoxy 65/35 
3 Quan hệ số bó sợi và đường kính thanh composit sợi thủy tinh 10 bó sợi 
4 Đường kính lỗ hình trụ 10 
5 Chiều dài ống gia nhiệt 12000 mm 
6 Phương pháp gia nhiệt Tự động 
7 Tốc độ di chuyển của thanh composit trong ống gia nhiệt 1 m/ph 
8 Công suất mô tơ 1,1 kW 
3.2 Mô hình hóa bài toán theo quy hoạch trực 
giao cấp II 
Để xây dựng mô tả toán học cho quá trình chế 
tạo vật liệu cốt composit polymer từ các nghiên cứu 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
40 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 
lý thuyết, các thí nghiệm thăm dò và kết quả quy 
hoạch thực nghiệm trực giao cấp I chúng tôi tiếp tục 
tiến hành qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp II. 
Với số lượng yếu tố công nghệ k=3, thì số thí 
nghiệm ở phương án trực giao toàn phần là 2k=8, 
số thí nghiệm thực hiện tại tâm n0=3, số thí nghiệm 
thực hiện ở điểm sao (*) trên trục tọa độ 2k=6. Như 
vậy tổng số thí nghiệm phải làm trong phương án 
trục giao cấp II là N=2k+2k+n0=17. Điểm sao là điểm 
cách tâm thực một khoảng bằng  gọi là cánh tay 
đòn và được tính theo công thức: 
   2 k 2 k 1N.2 2 (1) 
Từ đó tính được:     2 1,831 1,35 
Để ma trận thực nghiệm có thể trực giao ta đổi 
biến Xj
2 thành các biến phụ Xj
’ được tính theo công 
thức: 
     
k 2
2 2
j j j
2 2
X X X 0,686
N
 (2) 
Các mức yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức 
dưới, mức (*) được thể hiện ở bảng 2. 
Bảng 2. Mức các yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II 
Các mức 
Các yếu tố ảnh hưởng 
Tỷ lệ chất đóng rắn X1 ( 
%) 
Tốc độ kéo 
sợi thủy tinh 
X2 (m/ph) 
Nhiệt độ đóng rắn 
X3 (oC) 
Mức trên (+1) 12 1,2 150 
Mức cơ sở (0) 10 1 125 
Mức dưới (-1) 8 0,8 100 
Khoảng biến thiên 2 0,2 25 
Alpha (cánh tay đòn) +/- 1,35 +/- 1,35 +/- 1,35 
Khi đó phương trình hồi quy cấp II có dạng: 
    
 

0 1 1 2 2 3 3 12 1 2 23 2 3 13 1 3
2 2 2
11 1 22 2 33 3
Y b b X b X b X +b X X +b X X +b X X +
 b X b X b X
 (3) 
Sau khi mã hóa các biến và tiến hành thí nghiệm, kết quả thực nghiệm như bảng 3. 
Bảng 3. Ma trận thực nghiệm trực giao cấp II 
N Biến mã Biến phụ 
Ứng suất kéo 
đo được 
(N/mm2) 
X1 X2 X3 X12-0,686 X22-0,686 X32-0,686 Y 
2k 
1 1 1 1 0,314 0,314 0,314 545 
2 1 1 -1 0,314 0,314 0,314 564 
3 1 -1 1 0,314 0,314 0,314 541 
4 1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 530 
5 -1 1 1 0,314 0,314 0,314 541 
6 -1 1 -1 0,314 0,314 0,314 531 
7 -1 -1 1 0,314 0,314 0,314 539 
8 -1 -1 -1 0,314 0,314 0,314 558 
2k 
9 -1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 561 
10 1,35 0 0 1,1365 -0,686 -0,686 554 
11 0 -1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 535 
12 0 1,35 0 -0,686 1,1365 -0,686 552 
13 0 0 -1,35 -0,686 -0,686 1,1365 524 
14 0 0 1,35 -0,686 -0,686 1,1365 549 
no 
15 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 544 
16 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 546 
17 0 0 0 -0,686 -0,686 -0,686 545 
Các số liệu được xử lý bằng phần mềm MS 
Excel và phần mềm mô phỏng SciLab nhằm phân 
tích các hệ số của phương trình hồi quy cấp II, bề 
mặt đáp ứng và tối ưu hóa hàm hồi quy. Kiểm tra sự 
có nghĩa của các hệ theo chuẩn Student và sự 
tương thích của các phương trình hồi quy so với 
thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher [5,6]. Kết quả 
chúng tôi thu được hàm hồi quy như sau: 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 41 
      
 

1 2 3 1 2
2 2 2
1 2 3
Y 544,64 1,4X 1,06X 3,69X 3,7X X
 4,59X 0,92X 3,69X
 (4) 
Ứng suất kéo của thanh cốt composit polymer 
được mô tả bởi phương trình (4). Phương trình này 
thể hiện sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 
lên ứng suất kéo của vật liệu. 
4. Kết quả và thảo luận 
Để tìm được các giá trị tối ưu của các yếu tố 
công nghệ cần xét lần lượt mức độ ảnh hưởng của 
tương tác cặp đôi giữa hai yếu tố lên hàm hồi quy. 
Ảnh hưởng của tương tác cặp đôi giữa các yếu tố 
(khi yếu tố còn lại giữ ở mức trung tâm) lên ứng 
suất kéo thể hiện trên bề mặt đáp ứng như hình 4. 
Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy cho thấy giá trị 
cao nhất nằm ở vùng màu đỏ đậm nhất tại vị trí uốn 
cong của bề mặt. 
- Phương trình (4) cho thấy yếu tố X1 - % chất 
đóng rắn có tác động lớn nhất đến hàm hồi quy, hay 
tỉ lệ chất đóng rắn ảnh hưởng lớn đến ứng suất kéo 
của thanh cốt composit polymer. Hai yếu tố còn lại 
ảnh hưởng ít hơn, do đó dẫn đến xuất hiện tối ưu 
của giá trị hàm hồi quy tại giá trị X2=-0,576, X3=-0,5 
(hình 4a, 4b) tương ứng với giá trị thực tốc độ kéo 
sợi thủy tinh là 0,46 m/ph và nhiệt độ gia nhiệt đạt 
112,5 0C. Như vậy dễ dàng tìm được giá trị tối ưu 
của yếu tố X2 - Tốc độ kéo sợi thủy tinh và X3 - Nhiệt 
độ đóng rắn. 
a) b) 
c) d) 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
42 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 
 e) f) 
Hình 4. Bề mặt đáp ứng của hàm hồi quy 
- Hình 4c,d,e,f cho thấy khi nhiệt độ tăng trong 
vùng khảo sát từ -1 đến 1 và hai yếu tố còn lại ở 
mức tối ưu thì giá trị hàm hồi quy có xu hướng tăng 
chậm. Để tìm giá trị tối ưu cho yếu tố công nghệ còn 
lại chúng tôi tiếp tục thực nghiệm thay đổi tỉ lệ chất 
đóng rắn với bước nhảy 0,5% tính từ tâm khảo sát. 
Giá trị thực nghiệm ứng suất kéo được thể hiện như 
hình 5. 
Hình 5. Mối quan hệ giữa tỉ lệ chất đóng rắn và ứng suất kéo của vật liệu khi tốc độ kéo 
sợi thủy tinh và nhiệt độ đóng rắn ở mức tối ưu 
Kết quả thu được trên hình 5 cho thấy với 
10,5% chất đóng rắn (tức biến mã X1 = 0,25) thì 
ứng suất kéo đạt giá trị cao nhất đạt 553,1 N/mm2. 
Để kiểm tra tính phù hợp của các thông số tối ưu 
tìm được theo phương trình hồi qui và từ thực 
nghiệm, thay các giá trị tối ưu của yếu tố đầu vào X1 
= 0,25, X2 = -0,576, X3 vào phương trình hồi qui (4), 
ta được: Y 545,97 N/mm2. Kết quả thu được 
trong thực tế giá trị ứng suất kéo 553,1 N/mm2 sai 
lệch với lý thuyết tối ưu (545,97) khoảng 1,3%. Độ 
sai lệch giữa lý thuyết và thực tế là tương đối phù 
hợp. 
 Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử 
quét bề mặt (SEM) các mẫu thanh cốt composit 
polymer ở các chế độ công nghệ tối ưu cho thấy 
các sợi thủy tinh phân bố và hòa quyện với lớp keo 
epoxy đồng đều như được trình bày trên hình 6. 
VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 43 
Hình 6. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của thanh cốt composit polymer ở điều kiện tối ưu 
với tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 0C 
5. Kết luận 
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực 
giao cấp II đã tìm được giá trị tối ưu của các yếu tố 
công nghệ trong chế tạo thanh cốt composit 
polymer: tỷ lệ chất đóng rắn 10,5 %, tốc độ kéo sợi 
thủy tinh 0,46 m/ph, nhiệt độ đóng rắn 112,5 0C. 
Các kết quả tối ưu này đã được sử dụng chế tạo 
thực nghiệm các thanh cốt composit polymer có 
ứng suất kéo khá cao là 553,1 N/mm2. Giá trị ứng 
suất kéo này lớn hơn 1,5 lần thép CB240-T (CI) 
cùng đường kính. 
- Dây chuyền công nghệ chế tạo các thanh cốt 
composit polymer nên được thiết kế, điều chỉnh 
trong phạm vi các thông số công nghệ tối ưu nêu 
trên. Từ đó có thể dần dần làm chủ công nghệ chế 
tạo hệ thống dây chuyền thiết bị, cũng như làm chủ 
công nghệ chế tạo vật liệu cốt composit polymer 
trên cơ sở sử dụng các dây chuyền thiết bị hoàn 
toàn nội địa hóa đó. Điều đó cũng cho phép mở ra 
hướng nghiên cứu hoàn thiện công nghệ hơn nữa 
để tăng khả năng ứng dụng của loại vật liệu mới 
này trong các công trình thủy lợi, công trình biển, đê 
kè, hầm ngầm, bến cảng,... và trong các công trình 
xây dựng đặc thù khác. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Hoàng Xuân Lượng (2003), Cơ học vật liệu 
composite, Nhà Xuất bản Học viện Kỹ thuật Quân 
sự, Hà Nội. 
[2]. Nguyễn Huy Tùng (2010), Hóa lý polymer, 
Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polymer, Đại học 
Bách khoa Hà Nội. 
[3]. Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực 
nghiệm, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 
[4] Nguyễn Trâm (2012), Hội nghị Khoa học Vật liệu, 
kết cấu và công nghệ xây dựng, “Về vật liệu xây 
dựng mới - chất dẻo cốt sợi Composite FRP”, 
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, tr 212-215. 
[5]. Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực 
nghiệm trong kỹ thuật, Nhà Xuất bản Khoa học 
và Kỹ Thuật. 
[6]. Montgomery, Douglas C., Design and Analysis 
of Experiments (4th edition), New York John 
Wiley & Sons. 
Ngày nhận bài:15/8/2016. 
Ngày nhận bài sửa lần cuối:10/10/2016.