Những ngành công nghiệp kỹ thuật cao như hàng không vũ trụ, quốc phòng, hải quan, các hệ thống điện và điều khiển… luôn đòi hỏi vật liệu hiệu suất cao, đảm bảo độ bền cho các thành phần cáp, dây dẫn và giải pháp nhận diện.
Do đó, khoa học vật liệu giữ vai trò quan trọng trong việc cung cấp những vật liệu chống cháy, kháng hóa chất và chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao. Song song đó là các yêu cầu bổ sung về xây dựng vật liệu cơ bản, cải tiến sản phẩm, hiệu suất in và các giải pháp ứng dụng cho người dùng; nhu cầu về vật liệu nhẹ, linh hoạt, phù hợp và có thể thay thế cho cuộn dây dẫn. Các vật liệu cần được thử nghiệm hóa học và tuân theo các thông số kỹ thuật. Ngoài ra còn có những yêu cầu khác nhằm tăng hiệu suất thiết kế sản phẩm, cân nhắc về chi phí kinh doanh và chuỗi cung ứng…
Để tăng năng lực cạnh tranh, các công ty phải giải quyết thách thức, tìm giải pháp cải tiến sản phẩm tốt hơn và an toàn hơn. An toàn là ưu tiên hàng đầu, nhưng bền vững cũng quan trọng không kém. Báo cáo về môi trường của Boeing cho biết: “Khách hàng của chúng tôi muốn có thêm nhiều máy bay vận hành tiết kiệm nhiên liệu và ít hóa chất độc hại cho môi trường.” Ở góc nhìn vĩ mô, điều này giúp giảm giá thành và bảo vệ môi trường. Ở mức độ vi mô, nhà cung cấp cần cung cấp sản phẩm đáp ứng cả yêu cầu kỹ thuật trong ngành lẫn các tiêu chuẩn toàn cầu – từ việc lắp ráp quy mô lớn đến các thành phần nhỏ hơn đều cần được nhận diện rõ ràng.
Nhưng điều này liên quan gì đến vật liệu nhận diện?
Ngoài người dùng và nhà cung cấp, các tổ chức chính phủ như Cục quản lý hàng không liên bang (FAA) cũng đặc biệt quan tâm đến yếu tố an toàn, giảm thiểu và loại bỏ nguy cơ hỏa hoạn trong ngành hàng không. Theo FAA, một trong những nguy cơ gây hỏa hoạn trên máy bay đến từ ngọn lửa phát sinh ở vị trí đặt dây dẫn và nhãn cáp, do đó, cần sử dụng những vật liệu nhận diện cáp có độ an toàn cao. Vật liệu nhãn phải được thử nghiệm theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt, chống cháy, kháng hóa chất, có độ bền cao và đảm bảo thông tin luôn rõ ràng, dễ đọc.
Có nhiều lựa chọn nhãn để nhận diện như nhãn cách nhiệt, nhãn co nhiệt, nhãn cuộn. Bài viết này sử dụng nhãn cuộn làm cơ sở để phân tích. Có nhiều yêu cầu chi phối một thiết kế sản phẩm sau cùng, nhưng vật liệu cấu thành phải đảm bảo bốn đặc tính kỹ thuật sau nhằm phòng và chống cháy hiệu quả: chống cháy, kháng hóa chất, bền và dễ quấn, chịu nhiệt độ cao.
Bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ bốn đặc tính này, tầm quan trọng, các tiêu chuẩn, phương pháp thử nghiệm và đề xuất các giải pháp tiềm năng.
Chống cháy
Theo định nghĩa, vật liệu chống cháy có thể chịu được hỏa hoạn, bảo vệ tài sản an toàn trong một khoảng thời gian nhất định. Vật liệu chống cháy có thể khiến ngọn lửa cháy chậm hơn bằng cách tự làm nguội hoặc tạo ra lớp bảo vệ. Để in nhãn cho các ứng dụng này, ta cần các vật liệu chịu nhiệt, chịu lực, không gây độc tính và sinh khói.
Phương pháp thử nghiệm ASTM D1000 là một chuỗi các phương pháp thử nghiệm nhằm kiểm tra tính dễ cháy của vật liệu. Bọc một dải nhãn hẹp quanh một dây đo mỏng và hơ lửa trong 30 giây. Nếu vật liệu có tính chống cháy, lửa sẽ không lan rộng và tắt dần. Sử dụng vật liệu chống cháy để bọc dây dẫn giúp đảm bảo lửa không lan rộng và bảo vệ lớp dây dẫn bên trong.
Có 2 đặc điểm tạo nên khả năng chống cháy: carbon hóa (hóa than) và chỉ số oxy hạn chế (LOI).
Khi vật liệu bắt lửa, đặc tính này giúp giảm nhanh nhiệt độ, sinh khói để pha loãng oxy và không phát sinh khí độc. Những phản ứng này kết hợp nhau tạo nên một “lớp than carbon” bảo vệ các thành phần bên trong không bị ảnh hưởng bởi ngọn lửa.
Tính dễ cháy : chỉ số hạn chế oxy, hoặc LOI là phép đo về mức độ dễ cháy của một hợp chất polymer. Vật liệu Polyimide có chỉ số LOI cao hơn nhiều các loại polymer khác, vượt qua các đặc điểm kỹ thuật trong phép thử ASTM D 1000 (tắt lửa nhanh dưới 5 giây).
Nhãn cuộn B-472 chống cháy được làm từ vật liệu polyimide nên có khả năng kháng lửa. Thực tế, ngay khi cách ly khỏi lửa, nhãn sẽ nguội gần như lập tức. Nếu dùng vật liệu này để bọc cáp, lửa sẽ không lan vào bên trong và gây thêm thiệt hại. B-437/B-637 (Tedlar®) là một nhãn in có tính làm cháy chậm nhờ thiết kế hóa học và cơ khí của chính nó.
Kháng hóa chất
Quá trình thiết kế, sản xuất, lắp ráp và đóng thành phẩm đều phải tiếp xúc với nhiều loại dung môi và hóa chất. Ngoài ra, việc sửa chữa và bảo trì trên thực tế cũng khiến nhiều hóa chất ngẫu nhiên tiếp xúc với nhãn. Nhãn và thông tin trên nhãn phải đảm bảo rõ ràng suốt vòng đời sản phẩm. Do đó, các vật liệu in nhãn, lớp phủ ngoài cùng, chất kết dính… đều cần thử nghiệm tính kháng hóa chất.
Một giải pháp đáp ứng đặc tính này là sử dụng vật liệu có polymer nhiệt rắn như polyimide. Vật liệu này có cấu trúc hóa học là các polymer liên kết chéo, có thể rắn lại vĩnh viễn. Polymer nhiệt rắn giúp vật liệu kháng hóa chất, có thể tiếp xúc trực tiếp với các chất hóa học như dung môi, dầu, chất tẩy rửa và bôi trơn. Tính kháng hóa chất là kết quả của sự tương tác mạnh giữa các chuỗi polymer.
Một vật liệu khác là nhựa nhiệt dẻo như Tedlar. Loại vật liệu này được tạo nên bằng cách đun nóng chảy và để cứng lại, có tính kháng được một loạt hóa chất và dung môi.
Phương pháp thử nghiệm để xác định một vật liệu có thể kháng hóa chất trong quá trình sử dụng hay không: dán một số mẫu in vào các tấm nhôm phẳng và quấn xung quanh dây dẫn, sau đó nhúng các mẫu in này vào hóa chất trong 15 phút. Một số hóa chất thường dùng để kiểm tra gồm: nhiên liệu Jet-8, dầu MIL-H-5606, rượu Isopropyl, rượu methyl, nước khử ion, chất tẩy Alconox, dung môi làm sạch 5%, axit sulfuric 10% và xút NaOH 10%
Sau khi ngâm, các mẫu được đánh giá xem có bị ảnh hưởng bởi tác động hóa học không. Mọi dấu hiệu từ lớp phủ ngoài cùng bị mềm, độ dính của keo, các cạnh nhãn bị nhăn, độ bong tróc nhãn… đều phải xem xét kỹ lưỡng. Kế đến, các mẫu tiếp tục được chà xát 10 lần bằng bông gòn ngâm trong hóa chất tương ứng nhằm kiểm tra ảnh hưởng từ tác động chà xát hóa học.
Ngoài ra, có thể thử nghiệm bổ sung bằng cách ngâm 3 phút theo phương pháp MIL-STD-202 Method 215K. Với các điều kiện khắc nghiệt hơn, thử nghiệm có thể áp dụng ngâm trong 24 giờ. Mức độ kết quả sau cùng thường khá đa dạng: từ không bị ảnh hưởng, ảnh hưởng nhẹ, đến bị bong tróc hoàn toàn, phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu/dải nhãn/mức độ thử nghiệm.
Từ kết quả thử nghiệm 15 phút, các cuộn nhãn B-472 chống cháy được xác định không bị ảnh hưởng bởi hóa chất.
Bền và dễ uốn
Độ bền nhãn và cuộn quấn được đo bằng cách dùng lực kéo vật liệu căng đến mức tối đa. Yêu cầu quan trọng đối với cuộn quấn: dữ liệu phải rõ ràng, dễ đọc, không bị kéo giãn và hư hỏng. Khi kéo dây dẫn qua bó cáp hoặc các thiết bị, vật liệu in cần dính chặt trên dây dẫn và không bị xước, giãn hoặc bong tróc. Không chỉ dải nhãn mới cần độ bền và chịu lực tốt, mà cả chất kết dính nhãn vào cáp hoặc bó cáp cũng phải đảm bảo độ bền tương ứng.
Phương pháp thử nghiệm ASTM D1000, một dải vật liệu sẽ được bỏ vào máy thử nghiệm. Máy sẽ kéo căng vật liệu cho đến khi bị rách. Các thông tin được xuất ra máy tính để thu thập thành dữ liệu.
Chịu lực: kéo căng vật liệu để xem độ bền và khả năng vật liệu chịu được lực kéo dài trong bao lâu. Ta không thể sử dụng độ giãn nở để dự đoán khả năng chịu lực của vật liệu, vì trong thực tế, có các lưc tải đột ngột hoặc lặp lại. Vật liệu cần bền, chịu được áp lực cao nhưng vẫn đủ linh hoạt để quấn vào dây dẫn đường kính 0.125 inch một cách dễ dàng mà không bị bong tróc.
Chịu uốn cong: ngoài các tính chất cơ học tối ưu nhằm đảm bảo độ bền, nhãn còn cần linh hoạt cao khi sử dụng, đảm bảo độ toàn vẹn – không nhăn nheo hoặc biến dạng – bất kể bị uốn cong, xoắn hoặc bó chặt xung quanh cáp. Chất kết dính đi kèm cũng phải tuân thủ các yêu cầu trên trong suốt vòng đời nhãn.
Độ bền của vật liệu : giúp cáp và dây dẫn đạt được những đặc tính cơ học đặc thù, kết hợp thêm độ bền và linh hoạt. Cuộn nhãn B-472 chống cháy có độ mỏng hơn, 1 mil có độ bền bằng hoặc lớn hơn so với nhãn PVF tiêu chuẩn. Thực tế, chất dẻo chống cháy B-472 có cường độ kéo điển hình là 36 pound/inch khi kiểm tra theo ASTM1000. Điều này đồng nghĩa cần mất một lực 36 pounds để phá vỡ mẫu in rộng.
Kháng nhiệt độ cao
Vật liệu cần chịu được nhiệt độ cao mà không nóng chảy, mờ hoặc bong tróc, được đánh nhãn bằng nhựa dẻo chịu nhiệt cao. Khi dùng nhãn này ra, quá trình bảo dưỡng sẽ làm các chuỗi polymer tương tác nhau, tăng thêm khả năng chịu nóng chảy và nhiệt độ phân hủy của lớp màng bọc bên ngoài. Khi vật liệu được sản xuất thành thành phẩm sau cùng, nhiệt độ cao không thể nung nóng và khiến chúng chảy trở lại dạng lỏng nữa.
Vật liệu nhãn không chịu nhiệt độ cao sẽ dễ bị đổi màu và khó đọc thông tin, mất độ kết dính hoặc dễ giòn và nứt nẻ - những khuyết điểm này không thể chấp nhận được.
Vật liệu N-472 đủ mạnh để chịu trọng lượng ngang một quả bowling, nhưng vẫn đủ mềm dẻo để quấn quanh một đường kính 0.125 inch.
Phương pháp thử nghiệm sau đây thường được dùng để chứng minh vật liệu có chịu được nhiệt độ cao không:
Tạo một số mẫu in sẵn, dán vào tấm nhôm phẳng và quấn quanh dây dẫn, đặt trên bảng điều khiển rồi để 24 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó cho tiếp xúc nhiệt độ cao trong 30 ngày liên tục.
Sau 30 ngày, các mẫu sẽ được đánh giá xem có bị nhiệt độ tác động tiêu cực đến nhãn in hoặc vật liệu hay không, thông qua những biểu hiện nhỏ nhất: mờ, đổi màu, co giãn, mất độ bám dính, nứt lớp vật liệu hoặc lớp phủ ngoài.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, vật liệu B-472 chống lửa có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị bất kỳ tác động tiêu cực nào đến nhãn in hoặc vật liệu.
Vật liệu in nhãn chống cháy trên thị trường
Dưới đây là một số thông tin so sánh giữa các vật liệu hiệu suất cao đang có sẵn trên thị trường cho dây dẫn, cáp và bộ nhận diện.
Polyimide – vật liệu Polyimide có các lực liên phân tử cực mạnh giữa các chuỗi polymer, tạo nên tính ổn định nhiệt, kháng hóa chất tốt, đặc tính cơ học tuyệt vời và các đặc tính khác. Vật liệu polyimide đủ mạnh để sử dụng thay cho kim loại và thủy tinh trong nhiều ứng dụng khắc nghiệt của ngành công nghiệp điện tử, ô tô và hàng không.
PVF - Flouroplymer (Tedlar) có đặc điểm: độ bền cao, kháng hóa chất và chịu nhiệt. Các chuỗi polymer này có bổ sung flo và yếu tố điện giải, giúp ổn định nhiệt và năng lượng bề mặt thấp (LSE), hỗ trợ kết cấu hóa học của chất kết dính và lớp phủ cuối của vật liệu gắn chặt vào nhãn in.
Kết luận
Ngoài các yêu cầu nghiêm ngặt về thử nghiệm và thông số kỹ thuật, bạn cũng cần cân nhắc thêm loại vật liệu muốn chọn và nhà cung cấp đáng tin cậy. Hãy xem nhà cung cấp có được cấp chứng nhận ISO về tiêu chuẩn chất lượng, và có chuyên gia về khoa học vật liệu tham gia vào quá trình xây dựng giải pháp của họ hay không?
Ngoài những yêu cầu về tính chống cháy, chống ăn mòn từ lửa, hóa chất, ngoại lực và nhiệt độ cao, bạn cũng nên cân nhắc về chi phí. Việc bổ sung phần mềm, dải nhãn và máy in sẽ cho phép bạn có được một giải pháp hoàn chỉnh để chủ động công việc dễ dàng và giảm thiểu rắc rối.
Lâm Tấn Minh Tâm
Theo Brady
