Đồ án tốt nghiệp Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình với nhựa Polypropylene

Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo vật liệu composite từ việc thu gom rác thải nhựa PP trong sinh hằng ngày và đời sống như ly nhựa sử dụng một lần kết hợp với sợi gia cường là sợ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

GVHD: TS TRẦN THANH TÂM SVTH: TRẦN NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM SỢI TỪ CÂY LỤC BÌNH VỚI NHỰA POLYPROPYLENE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM SỢI TỪ

CÂY LỤC BÌNH VỚI NHỰA POLYPROPYLENE

GVHD: TS TRẦN THANH TÂM SVTH: TRẦN NHẬT HUY

MSSV: 19130024 Kho ́ a: 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM SỢI TỪ

CÂY LỤC BÌNH VỚI NHỰA POLYPROPYLENE

GVHD: TS TRẦN THANH TÂM SVTH: TRẦN NHẬT HUY

MSSV: 19130024 Kho ́ a: 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 3 năm 2024

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thanh Tâm

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường Đại Học Tài Nguyên Và

Môi Trường Thành Phố Hồ Chí Minh

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Huy MSSV: 19130024

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu và phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình với nhựa polypropylene

2 Nội dung chính của khóa luận:

Tổng quan về tình hình nghiên cứu sợi lục bình trong và ngoài nước

Nghiên cứu quy trình chế tạo composite cốt sợi lục bình

Phân tích và đánh giá đặc tính của vật liệu composite cốt sợi lục bình

3 Các sản phẩm dự kiến:

Tấm composite cốt sợi lục bình khảo sát ở các điều kiện chế tạo khác nhau

Kết quả đánh giá đặc tính tấm composite cốt sợi lục bình ảnh hưởng

bởi các thông số khác nhau

4 Ngày giao đồ án: 10/10/2023

5 Ngày nộp đồ án: 26/8/2024

6 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh   Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Đô ̣c lâ ̣p – Tự do – Ha ̣nh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Trần Nhật Huy MSSV: 19130024

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tên đề tài:

Nghiên cứu và phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình với nhựa polypropylene

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Thanh Tâm

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn:

Trường Đại Học Tài Nguyên Và Môi Trường Thành Phố Hồ Chí Minh

Địa chỉ: 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiê ̣n:

Đạt yêu cầu về nội dung và khối lượng đề ra

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên: Chịu khó, siêng năng, tinh thần học hỏi cao

3 Ưu điểm: Nghiên cứu và đánh giá đặc tính của loại cốt sợi và composite từ nhựa tái chế

4 Khuyết điểm: Phân tích thêm một số đặc tính lý khác

5 Đề nghị cho bảo vê ̣ hay không? Đồng ý bảo vệ

6 Điểm: 9 (Bằ ng chữ: chín) Tp Hồ Chi ́ Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên hướng dẫn

(Ky ́ & ghi rõ họ tên)

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Đô ̣c lâ ̣p – Tự do – Ha ̣nh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Trần Nhật Huy MSSV: 19130024

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tên đề tài:

Nghiên cứu và phát triển sản phẩm sợi từ cây lục bình với nhựa polypropylene

Họ và tên Giáo viên phản biê ̣n:

Cơ quan công tác của GV phản biện:

Địa chỉ:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiê ̣n:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Kiến nghị và câu hỏi:

5 Đề nghị cho bảo vê ̣ hay không?

6 Điểm: (Bằ ng chữ: )

Tp Hồ Chi ́ Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên phản biê ̣n

(Ky ́ & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Khoa Học Ứng Dụng Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tâm truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm cho em trong suốt quãng đường đại học Cảm ơn Khoa đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho em để hoàn thành khóa luận trong suốt thời gian vừa qua Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Thanh Tâm, người

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách thuận lợi và hoàn thiện nhất Thầy luôn đưa ra những giải pháp mới, giải đáp những thắc mắc gặp phải và định hướng đi tốt cho em Em rất biết ơn thầy vì những điều đó

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình và người thân đã luôn bên cạnh động viên và ủng hộ tinh thần cho em trong khoảng thời gian dài thực hiện khóa luận cũng như trong suốt những năm học vừa qua Cảm ơn mọi người đã giúp

đỡ để em có thể vượt qua khó khăn và hoàn thành khóa luận đúng hạn

Mặc dù có nhiều sự cố gắng cũng như giúp đỡ của mọi người, nhưng do còn những hạn chế về mặt kiến thức, kinh nghiệm cũng như thời gian nên khó tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện khóa luận Em rất mong nhận được sự nhận xét và góp ý chân thành từ Thầy, Cô để bài khóa luận có thể hoàn thiện hơn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Thanh Tâm Kết quả trình bày trong khóa luận tốt nghiệp được trích dẫn dựa trên kết quả thực nghiệm của tôi Số liệu và kết quả trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố ở trên bất kì công trình nào khác Kết quả nghiên cứu của khóa luận tốt nghiệp thuộc về giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện chỉ sử dụng kết quả này cho mục đích bảo vệ khóa luận tốt nghiệp trước hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Tình hình nghiên cứu sợi lục bình và composite cốt sợi trong và ngoài nước 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Cây lục bình ở Việt Nam và thế giới 7

2.1.1 Ở Việt Nam 7

2.1.2 Cây lục bình trên thế giới 9

2.1.3 Đặc điểm của cây lục bình 10

2.1.4 Thành phần hóa học của cây lục bình 11

2.1.5 Những tác động của cây lục bình 16

2.1.6 Ứng dụng của cây lục bình 19

2.2 Giới thiệu về nhựa polypropylene 20

2.2.1 Nguồn gốc 20

2.2.2 Mô tả cơ bản về polypropylene 20

2.3 Giới thiệu về composite cốt sợi lục bình 23

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 26

3.1 Thiết bi ̣, du ̣ng cu ̣, hóa chất và nguyên liệu 26

3.1.1 Thiết bi ̣ 26

3.1.2 Du ̣ng cụ 29

3.1.3 Ho ́ a chất và nguyên liệu 30

3.2 Quy trình thư ̣c hiê ̣n 31

3.2.1 Quy trình chế tạo sợi lục bình 31

3.2.2 Quy trình chế tạo composite cốt sợi lục bình 35

3.3 Ca ́ c phương pháp phân tích 38

3.3.1 Phương pháp tính hiệu suất tổng hợp sợi 38

3.3.2 Ki ́nh hiển vi quang ho ̣c (OM) 38

3.3.3 Phổ hồng ngoại FTIR (Fourier Transform Infrared) 38

3.3.4 Phương pháp đánh giá cơ tính 39

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

4.1 Kết quả chế tạo sợi lục bình 42

4.1.1 Kết quả đánh giá ngoại quan 42

4.1.2 Kết quả tính hiệu suất thu hồi sợi 43

4.1.3 Kết quả kính hiển vi quang học 43

4.1.4 Kết quả quang phổ hồng ngoại (FT-IR) 45

4.1.5 Kết quả cơ tính sợi 46

4.2 Kết quả chế tạo composite cốt sợi lục bình 49

4.2.1 Kết quả đánh giá ngoại quan 49

4.2.2 Kết quả kính hiển vi quang học 53

4.2.3 Kết quả cơ tính composite cốt sợi lục bình 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing and Materials

FT-IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy

LLDPE Linear Low-Density Polyethylene Plastic

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Thành phần hóa học của cây lục bình [15] 12

Bảng 3 1 Một số thiết bi ̣ 26

Bảng 3 2 Một số du ̣ng cụ 29

Bảng 3 3 Một số hóa chất 30

Bảng 3 4 Nguyên liệu 30

Bảng 3 5 Tỉ lệ pha trộn theo khối lượng PP và sợi lục bình theo khảo sát 37

Bảng 4 1 Cơ tính các mẫu sợi 47

Bảng 4 2 So sánh tính chất cơ học của sợi tự nhiên [25] 48

Bảng 4 3 Cơ tính của các mẫu composite 62

Bảng 4 4 So sánh tính chất cơ học của sợi thiên nhiên –composite không xử lí hóa chất [26] 64

DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Tiêu thụ nhựa bình quân đầu người giai đoạn 1990-2015 (Kg) [1] 3

Hình 2 1 Cây lục bình ở trên sông Gò Công Đông, Tiền Giang 8

Hình 2 2 Sự phân bố lục bình trên toàn cầu [13] 9

Hình 2 3 Hình thái và thành phần chính của cây lục bình [14] 11

Hình 2 4 Sự sắp xếp các sợi nhỏ, vi sợi và xenluloza trong thành tế bào thực vật [16] 13

Hình 2 5 Cấu trúc của hemicellulose [16] 14

Hình 2 6 Cấu trúc hóa học của lignin [16] 15

Hình 2 7 Tác động của cây lục bình [17] 16

Hình 2 8 Ứng dụng của cây lục bình 19

Hình 2 9 Sơ đồ biểu diễn các đồng phân lập thể của polypropylen [19] 21

Hình 2 10 Hạt nhựa polypropylene [19] 22

Hình 2 11 Phân loại vật liệu composite [21] 25

Hình 3 1 Sơ đồ quy trình chế tạo sợi lục bình 31

Hình 3 2 Xử lí cây lục bình 32

Hình 3 3 Tuốt sợi 32

Hình 3 4 Phơi khô 33

Hình 3 5 Xử lí bằng NaOH 33

Hình 3 6 Xử lí bằng H2O2 34

Hình 3 7 Phơi khô sợi lục bình 34

Hình 3 8 Sơ đồ quy trình chế tạo composite cốt sợi lục bình 35

Hình 3 9 Sản phẩm composite 36

Hình 3 10 Kính hiển vi quang học 38

Hình 3 11 Máy quang phổ hồng ngoại FT-IR Bruker Alpha II 39

Hình 3 12 Chuẩn bị mẫu đo kéo sợi lục bình đơn 40

Hình 3 13 Kích thước để cắt mẫu [23] 41

Hình 3 14 Mẫu composite cốt sợi được cắt theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại 1 41

Hình 4 1 Hình ảnh trực quan các mẫu màng a) sợi thô, b) sợi tinh 42

Hình 4 2 Hình ảnh sợi lục trước và sau khi xử lí hóa chất a) sợi thô, b) sợi tinh 43

Hình 4 3 Hình và biểu đồ phân bố đường kính sợi 44

Hình 4 4 Quang phổ hồng ngoại FT-IR của sợi lục bình trước và sau khi xử lí 45

Hình 4 5 Sợi đơn trước và sau khi đo cơ tính 46

Hình 4 6 Đồ thị lực và giãn dài của sợi đơn 46

Hình 4 7 Đồ thị độ bền kéo và biến dạng của sợi đơn 47

Hình 4 8 Mẫu composite cốt sợi lục bình với kích thước sợi là 5 mm

a) M5-3, b) M5-5, c) M5-7 49

Hình 4 9 Mẫu composite cốt sợi lục bình với kích thước sợi là 10 mm

d) M10-3, e) M10-5, f) M10-7 50

Hình 4 10 Mẫu composite cốt sợi lục bình với kích thước sợi là 15mm

g) M15-3, h) M15-5, i) M15-7 51

Hình 4 11 Mẫu composite cốt sợi với kích thước sợi là 5mm

j) M0, k) MTT, l) MT 52

Hình 4 12 Kính hiển vi quang học của 3 mẫu a) M5-3, b) M5-5, c) M5-7 53

Hình 4 13 Kính hiển vi quang học của 3 mẫu d) M10-3, e) M10-5, f) M10-7 54

Hình 4 14 Kính hiển vi quang học của 3 mẫu g) M15-3, h) M15-5, i)M15-7 55

Hình 4 15 Kính hiển vi quang học của 3 mẫu i) M0, h) MT, i) MTT 56

Hình 4 16 Mẫu composite trước khi đo cơ tính 57

Hình 4 17 Mẫu composite sau khi đo cơ tính 57

Hình 4 18 Mẫu M5-3, M5-5, M5-7 sau khi đo kéo 58

Hình 4 19 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M5-3 58

Hình 4 20 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M5-5 58

Hình 4 21 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M5-7 58

Hình 4 22 Mẫu M10-3, M10-5, M10-7 sau khi đo kéo 59

Hình 4 23 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M10-3 59

Hình 4 24 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M10-5 59

Hình 4 25 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M10-7 59

Hình 4 26 Mẫu M15-3, M15-5, M15-7 sau khi đo kéo 60

Hình 4 27 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M15-3 60

Hình 4 28 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M15-5 60

Hình 4 29 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M15-7 60

Hình 4 30 Mẫu M0, MT, MTT sau khi đo kéo 61

Hình 4 31 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu M0 61

Hình 4 32 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu MT 61

Hình 4 33 Đồ thị lực và giãn dài của mẫu MTT 61

Hình 4 34 Đồ thị độ bền kéo và độ biến dạng của các mẫu composite 62

Hình 4 35 Bề mặt ngang của các mẫu a) M5-3, b) M5-5, c) M5-7 đứt gãy sau khi đo cơ tính 65

Hình 4 36 Bề mặt ngang của các mẫu d) M10-3, e) M10-5, f) M10-7 đứt gãy sau khi đo cơ tính 66

Hình 4 37 Bề mặt ngang của các mẫu g) M15-3, h) M15-5, i) M15-7 đứt gãy sau khi đo cơ tính 67

Hình 4 38 Bề mặt ngang của các mẫu j) M0, k) MT, l) MTT đứt gãy sau khi đo cơ tính 68

MỞ ĐẦU

Tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, đô thị hóa và thay đổi lối sống ở Việt Nam

đã dẫn đến cuộc khủng hoảng ô nhiễm nhựa từ rác thải sinh hoạt hằng ngày và đời sống lớn Lượng rác này được xử lý bằng phương pháp chôn lấp, trong đó chỉ số ít là được chôn lấp hợp vệ sinh Lượng rác chôn lấp không hợp vệ sinh đang ngày càng nghiêm trọng gây ô nhiễm cho môi trường đất, môi trường nước và không khí Vấn

đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng ở các thành phố lớn Ngoài ra, phần lớn ở các khu vực người dân thường đốt tiêu hủy bằng cách đốt rác thủ công, gây khói bụi ô nhiễm không khí và hỏa hoạn

Sau mùa thu hoạch, đối với các loại cây trồng như chuối, khóm, lục bình…có chứa nhiều cấu trúc sợi tự nhiên như cellulose, hầu hết phụ phẩm từ lá, thân, rễ cây,…được người dân phơi khô rồi đốt hoặc vứt ra đường, ra bờ ao, sông, suối gây ô nhiễm môi trường và tắc dòng chảy Còn đối với lục bình sự phát triển nhanh chóng

và sinh sôi nảy nở của nó đã gây ra những thảm họa đối với hệ sinh thái nghiêm trọng

và tác động đến sự phát triển kinh tế xã hội trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Tái chế rác thải nhựa và tận dụng phụ phẩm nông nghiệp để làm composite cốt sợi thiên nhiên thay thế composite cốt sợi nhân tạo hiện tại là mục tiêu của đề tài

Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo vật liệu composite từ việc thu gom rác thải nhựa PP trong sinh hằng ngày và đời sống như ly nhựa sử dụng một lần kết hợp với sợi gia cường là sợi lục bình đã qua xử lý Với quy trình đơn giản không cần nhiều thiết bị phức tạp để chế tạo và chi phí thấp mà vẫn có thể đạt đến cơ tính cao là một bước tiến để các nhà nghiên cứu hiện nay trên thế giới chú ý đến

Vì những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài khóa luận:” nghiên cứu phát triển sản phẩm sợi lục bình với nhựa polypropylene”

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Rác thải nhựa là mối đe dọa môi trường toàn cầu, có tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trường sống, sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia Cùng với các nước trên thế giới, Việt Nam đang nỗ lực loại bỏ ô nhiễm do rác thải nhựa gây ra Theo phân tích của các chuyên gia, rác thải nhựa là những chất không thể phân hủy trong nhiều môi trường, trong đó có nhiều loại chai, túi, đồ chơi

đã qua sử dụng… Rác thải nhựa gồm các vật dụng trong sinh hoặc đời sống bằng polypropylene (PP), sau khi sử dụng sẽ trở thành rác thải Có nhiều loại nhựa khác trong rác thải sinh hoạt, trong đó nhựa PP chiếm tỷ lệ chủ yếu

Phần lớn rác thải nhựa không được xử lý đúng cách mà được chôn lấp hoặc vứt xuống biển Trên thực tế, nguồn rác thải nhựa phát sinh trong môi trường chúng ta rất đa dạng, từ lối sống hiện đại con người ưa chuộng sử dụng các sản phẩm tiện ích như cốc nhựa dùng một lần, chai nhựa, ống hút, túi nhựa Vì vậy, rác thải nhựa có thể đến từ rác thải sinh hoạt của người dân, khách du lịch, chợ, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà hàng Hơn 50% nhựa tiêu thụ hàng ngày là sản phẩm nhựa dùng một lần Nó lại là tác nhân đẩy môi trường đến nguy cơ thảm họa ô nhiễm [1]

Tại Việt Nam, theo báo cáo của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, năm 2015, Việt Nam sản xuất và tiêu thụ khoảng 5 triệu tấn nhựa, trong đó, khoảng 80% nguyên liệu nhập khẩu được sử dụng từ nhựa phế liệu Chỉ số tiêu thụ nhựa bình quân đầu người ở Việt Nam tăng nhanh từ 3,8kg/năm/người năm 1990 lên 41kg/năm/người năm 2015 (Hình 1.1) Ước tính ở Việt Nam mỗi năm có hơn 1,8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra nhưng chỉ có 27% trong số đó được tái chế Việt Nam cũng đang đối mặt với nguy cơ trở thành bãi rác toàn cầu với tỷ lệ rác thải nhựa tăng 200% trong những năm qua [1] Theo Báo cáo thường niên năm 2018 của Môi Trường Liên Hợp Quốc, mỗi năm

có khoảng 500 tỷ túi nhựa được sử dụng và 40% nhựa được sản xuất để đóng gói trên toàn thế giới Lượng rác thải nhựa đủ để bao phủ gấp 4 lần diện tích bề mặt Trái đất, trong đó 13 triệu tấn rác thải nhựa đổ ra đại dương [1]

Hình 1 1 Tiêu thụ nhựa bình quân đầu người giai đoạn 1990-2015 (Kg) [1]

Điều đó đã đặt ra vấn đề cho chúng tôi nghiên cứu về những sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và có những tính năng tốt để

có thể đưa vào ứng dụng và sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của con người và dần thay thế cho sản phẩm composite cốt sợi nhân tạo khó phân hủy và tốn kém Nhưng hiện nay những sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên còn gặp nhiều khó khăn trong việc ứng dụng vào đời sống con người do những mặt hạn chế về cách chế tạo và các tính chất cơ học của sản phẩm

Xuất phát từ những lí do trên, đề tài này nhằm mục đích tạo ra sản phẩm composite cốt sợi thiên nhiên có khả năng phân hủy cao hơn so với cốt sợi nhân tạo

và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cụ thể ở đây là composite từ nhựa PP kết hợp với cốt sợi lục bình được phối trộn với những thành phần khối lượng và kích thước khác nhau để tăng cơ tính và có đủ khả năng đưa vào ứng dụng trong đời sống

1.2 Tình hình nghiên cứu sợi lục bình và composite cốt sợi trong và ngoài nước

Nhu cầu về vật liệu và sản phẩm bền vững đang ngày càng trở nên quan trọng trên toàn cầu Dân số ngày càng tăng, nguồn tài nguyên thiên nhiên giảm sút và các mối lo ngại về sức khỏe do sử dụng và thải bỏ các sản phẩm dựa trên polymer tổng hợp khiến việc tìm kiếm các vật liệu tái tạo, bền vững và rẻ tiền trở nên cần thiết Mặc dù có sẵn một lượng lớn sinh khối tái tạo nhưng rất khó để xử lý và phát triển các sản phẩm từ sinh khối, đặc biệt là phế thải nông nghiệp chứa cellulose Hầu hết sinh khối không dẻo, không dễ hòa tan và cũng là sự kết hợp của cellulose, hemicellulose và lignin khiến chúng khó xử lý Lục bình là một loại sinh khối độc đáo và các thành phần của nó đã được sử dụng để nghiên cứu và phát triển vô số sản phẩm Sự tăng trưởng nhanh chóng, chi phí tiềm năng thấp và tính chất tái tạo của chúng khiến lục bình rất hấp dẫn làm nguyên liệu thô cho nhiều nguồn khác nhau

Mặc dù tính khả thi của việc sử dụng lục bình cho các ứng dụng khác nhau đã được chứng minh, nhưng hầu hết các nghiên cứu đều được thực hiện vì mục đích học thuật

và hiện tại rất ít hoặc không có sản phẩm hoặc công nghệ làm từ lục bình nào có sẵn trên thị trường Cho đến nay, lục bình chủ yếu được nghiên cứu làm nguồn nhiên liệu, chất hấp thụ kim loại và thuốc nhuộm, vật liệu composite và các loại khác Việc tạo

ra sợi lục bình là một nghiên cứu đầy mới mẽ và tiềm năng

 Trên thế giới

Hiện nay việc tạo ra sợi lục bình và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

đã thu hút sự quan tâm đáng kể với nhiều công trình nghiên cứu được công bố như: Ảnh hưởng của các phương pháp chiết khác nhau đến một số tính chất của sợi lục bình (Effects of different extraction methods on some properties of water hyacinth fiber) [10] Đặc tính vật lý của lục bình thô cho thấy tất cả các sợi được chiết xuất bằng máy móc từ cây đều là những bó sợi đan chặt có thể cho luồng không khí lưu thông Các sợi này cũng nhẹ nên cây có khả năng nổi trên mặt nước Các sợi được tạo ra bằng các phương pháp chiết xuất khác nhau có kết cấu bề mặt khác nhau Khai thác cơ học phương pháp mang lại độ giãn dài cao nhất, trong khi phương pháp chiết xuất hóa học tạo ra kết cấu đồng đều và có số lần phân tách sợi cao nhất [2]

Chiết xuất và xác định đặc tính của sợi từ thân lục bình bằng máy tuốt sợi (Extraction and Characterization of Fibers from Water Hyacinth Stem Using a Custom-Made Decorticator) [3] Máy tuốt sợi lục bình trong nghiên cứu này có thể tiêu thụ 18–20 kg thân cây mỗi giờ Sợi lục bình có năng suất và độ bền tương đối kém hơn so với các loại sợi lignocellulose phổ biến khác Tuy nhiên, chúng rất giàu hàm lượng cellulose Phân tích FTIR và thành phần hóa học xác nhận đặc tính lignocellulose của sợi lục bình Hình ảnh SEM cho thấy các sợi đơn thay vì cấu trúc dạng chùm hoặc dạng lưới Việc xử lý kiềm làm tăng chỉ số kết tinh lên tới 80,45% Kết luận rằng sợi được chiết xuất từ lục bình có thể có tiềm năng sử dụng trong dệt may và các ứng dụng liên quan [3]

Lục bình: Nguồn cellulose nghèo Lignin bền vững để sản xuất sợi nano cellulose (Water Hyacinth: A Sustainable Lignin-Poor Cellulose Source for the Production of Cellulose Nanofibers) [4] Thành phần hóa học của lục bình được sử dụng trong nghiên cứu này chủ yếu bao gồm 57% cellulose, 25.6% hemicellulose và 4.1% lignin,

có tiềm năng thay thế gỗ và phế thải nông nghiệp làm nguồn cellulose để sản xuất CNF [4]

Mối đe dọa môi trường nghiêm trọng Lục bình (Eichhornia crassipes) sợi tự nhiên thực vật: Các phương pháp chiết xuất khác nhau và đặc tính hình thái cho các ứng dụng tổng hợp polymer (Serious Environmental Threat Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) Plant Natural Fibers: Different Extraction Methods and Morphological Properties for Polymer Composite Applications) Nghiên cứu chỉ ra phương pháp chiết cơ học được đo bằng độ bền kéo của sợi luôn vượt trội hơn phương pháp kia về các tính chất vật lý [5]

Hỗn hợp Polypropylene đa năng chứa chất thải sau in (Versatile Polypropylene Composite Containing Post-Printing Waste) [6] Việc đưa vào chất thải sau in sẽ gây

ra sự suy giảm các đặc tính của vật liệu thu được, nhưng mức giảm này hoàn toàn có thể chấp nhận được xét về mặt ứng dụng theo kế hoạch của vật liệu tổng hợp mới Vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi gai dầu: Ảnh hưởng của việc xử lý vật liệu ( Hemp fiber reinforced polypropylene composites: The effects of material treatments) [7] Nghiên cứu này nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử

lý vật liệu đến đặc tính kéo và uốn của vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi gai dầu Xử lý sợi kiềm hoặc bổ sung chất liên kết cải thiện độ bám dính bề mặt giữa sợi và nền trong hỗn hợp PP gia cố bằng sợi gai dầu và tăng đặc tính uốn và kéo của nó

Sự phát triển gần đây về vật liệu tổng hợp polypropylene được gia cố bằng sợi

tự nhiên (Recent Development in Natural Fiber Reinforced Polypropylene Composites) [8] Các tính chất hóa học, cơ học và vật lý của sợi tự nhiên có những đặc tính riêng biệt; hàm lượng cellulose của các loại sợi này thay đổi tùy theo từng loại sợi Độ ẩm làm giảm tính chất cơ học Tính chất cơ học của vật liệu composite

bị ảnh hưởng chủ yếu bởi độ bám dính giữa nền và sợi Như trong trường hợp sợi thủy tinh, đặc tính bám dính có thể được thay đổi bằng cách xử lý trước sợi

Nghiên cứu tính chất cơ học của sợi lục bình/Polyester với vật liệu composite bột nhôm ( Investigation of Mechanical Behavior of Water Hyacinth Fiber/Polyester with Aluminium Powder Composites) [9] Với 7 tỷ lệ trọng lượng khác nhau của vật liệu tổng hợp từ sợi lục bình, bột nhôm và nhựa polyester được điều chế bằng cách

sử dụng phương pháp ngâm tẩm dung dịch và xử lý nóng Từ đó, mẫu 3 (30% sợi lục bình tự nhiên và 70% nhựa polyester) và 5 (20% lục bình NF, 5% bột nhôm và 75% nhựa polyester) là thành phần tốt nhất

 Trong nước:

Vật liệu thân thiện với môi trường của vật liệu tổng hợp polyme dựa trên sợi lục bình (Eco-friendly Materials of Polymer Composites Based on Water Hyacinth Fibers/Roving) Nghiên cứu đã ứng dụng lục bình làm nguyên liệu sản xuất vật liệu composite xanh Sản phẩm đã tiến hành thí nghiệm trên hai loại sợi: lục bình chưa qua xử lý và lục bình đã qua xử lý bằng dung dịch NaOH Các tính chất cơ học như

độ bền uốn và cường độ nén của các mẫu tổ hợp được gia cố bằng sợi lục bình có sự cải thiện rõ rệt sau khi xử lý sợi lục bình [10]

Hiện nay tình hình nghiên cứu sợi lục bình trong nước đầy mới mới mẽ và tiềm năng để phát triển các ứng dụng khác nhau Sản phẩm sợi thiên nhiên chúng tôi đã làm ra đáp ứng các tiêu chí: thân thiện với môi trường, dễ dàng phân hủy sinh học, giảm hút ẩm tăng độ bền, màu trắng sáng, bền chắc Composite từ cốt sợi lục bình bền, chắc và đáp ứng đầy đủ các khả năng ứng dụng cao

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án này bao gồm:

Đề xuất quy trình chiết tách sợi lục bình

Nghiên cứu hiệu suất tổng hợp, cấu trúc, thành phần, đường kính, cơ tính, của sợi lục bình trước và sau khi xử lí bằng hóa chất NaOH và H2O2

Nghiên cứu ảnh hưởng giữa phần trăm khối lượng nhựa PP, khối lượng sợi và kích thước sợi lục bình đến cơ tính của sản phẩm, đề xuất ra tỉ lệ phù hợp từ đó cải tiến sản phẩm composite sợi thiên nhiên

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cây lục bình ở Việt Nam và thế giới

Khi lục bình chết, sinh khối phân hủy có thể dẫn đến muỗi sinh sản và suy giảm chất lượng nước cũng như đời sống thủy sinh Bằng cách che phủ mặt nước, lục bình cản ánh sáng mặt trời và giảm tiếp xúc với không khí, điều này có thể dẫn đến giảm nồng độ oxy hòa tan và nhiệt độ trong nước thấp hơn Thực vật phù du, động vật phù

du, thực vật ngập nước và động vật thủy sinh bị ảnh hưởng bởi thảm lục bình, từ đó tác động đến chuỗi thức ăn và đa dạng sinh học thủy sinh Ngược lại, với những đặc điểm nêu trên lục bình còn là tác nhân tuyệt vời để kiểm soát ô nhiễm nguồn nước

Do khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm mạnh mẽ từ vùng nước bị ô nhiễm, khả năng thích ứng cao, thu hoạch tương đối dễ dàng và không cần nuôi trồng

so với các loài thực vật ngập nước hoặc nổi lên khác, lục bình là ứng cử viên xuất sắc

để xử lý để tạo ra chỉ sợi lục bình

Lục bình có tốc độ tăng trưởng cao Trên cơ sở các điều kiện mà nó chiếm ưu thế, lục bình được cho là tăng gấp đôi trọng lượng của nó trong 6-28 ngày và tái tạo trong 4−58 ngày Năng suất có thể lên tới 17,5 tấn/ha/ngày Các nghiên cứu khác cho thấy rằng sản lượng lục bình thay đổi từ 60 đến 150 tấn/ha với khối lượng khô khoảng 6−10 tấn/ha Do những đặc điểm này, lục bình có xu hướng thay đổi nhanh chóng về phạm vi và phân bố không gian, đặc biệt là trong các hệ thống sông, do đó cần phải

quan sát thường xuyên để theo dõi chính xác và kịp thời Các nghiên cứu xác nhận động lực không gian-thời gian cao của lục bình trên toàn bộ vùng nước ngọt Ước tính mức độ bao phủ của lục bình ở sông Sài Gòn trong ba năm (2018–2020) tại Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam, đã tiến hành khảo sát sơ bộ về tính thời vụ của lục bình với các biến số khí tượng thủy văn bao gồm lượng mưa, thời gian nắng, tỷ

lệ độ ẩm và nhiệt độ không khí [12]

Các ước tính hàng tháng về độ che phủ lục bình cho thấy một chu kỳ rõ ràng theo mùa của độ che phủ lục bình Thời kỳ có độ phong phú cao được quan sát thấy trong các tháng khô (tháng 12 - tháng 5), sau đó là thời kỳ có độ phong phú giảm dần

và thấp trong mùa mưa (tháng 6 - tháng 11) Thời kỳ lục bình có nhiều lục bình nhất thường xảy ra từ tháng 2 đến tháng 5 và đạt đỉnh điểm vào tháng 2 Từ tháng 6 đến tháng 11, độ che phủ của lục bình trung bình thấp hơn, mặc dù độ che phủ tăng nhẹ

đã được xác định vào tháng 7 Từ tháng 12 trở đi, lục bình lại dồi dào, độ bao phủ lục bình cũng được phát hiện là có mối tương quan nghịch mạnh với lượng mưa và độ

2.1.2 Cây lục bình trên thế giới

Lục bình là một loài thực vật có mạch lớn, thuộc họ Pontederiaceae Đây là một loài ngoại lai có tính xâm lấn cao được điều tra chuyên sâu và có tác động toàn cầu lớn đến các hệ thống sinh thái và kinh tế xã hội Ban đầu loài này được ghi nhận từ năm 1816 ở Brazil, nó được đưa vào làm cây cảnh ở Bắc Mỹ vào cuối những năm

1800, tới Châu Phi vào đầu những năm 1900 và hiện nay đã được nhập tịch ở Trung

Mỹ, Châu Phi, Châu Á, Úc và New Zealand Lục bình xuất hiện ở ít nhất 62 quốc gia, gây ra những vấn đề cực kỳ nghiêm trọng ở các khu vực từ 40° Bắc đến 45° Nam

Nó được coi là loài cỏ dại thủy sinh nổi gây hại nặng nhất trên toàn thế giới, với số tiền lớn được chi cho các nỗ lực kiểm soát Sự phân bố của lục bình chủ yếu bị hạn chế bởi nhiệt độ tồn tại trong mùa đông (khoảng 7°C), chúng có thể chịu đựng được một thời gian ngắn tiếp xúc với nhiệt độ 5°C Do đó, môi trường sống tự nhiên không chỉ nằm trong đường đẳng nhiệt nước 7°C mà còn mở rộng sang các khu vực lạnh hơn (Hình 1.2) Lục bình có thể bắt đầu phát triển ở nhiệt độ 10°C và chịu được nhiệt

độ cao tới 43°C [13]

Hình 2 2 Sự phân bố lục bình trên toàn cầu [13]

2.1.3 Đặc điểm của cây lục bình

Lục bình là loài thực vật sống dưới nước, thân thảo và lâu năm thuộc họ Pontederiaceae Chi Eichhornia bao gồm một số loài khác, tất cả đều sống dưới nước, nhưng chỉ có E crassipes là trở thành cỏ dại nghiêm trọng Lá lục bình có phiến lá nhẵn, bóng, hình tròn (đường kính khoảng 10-20 cm) và cuống lá phồng lên, xốp Cuống lá chứa không khí, làm cho cây nổi trên mặt nước Thân cây phát triển theo chiều ngang để tạo ra cây con từ chồi cuối Hoa lưỡng tính có màu tím xanh với tâm màu vàng và mọc trên một cành đơn có chiều dài lên tới 60 cm Hoa có thể tự thụ phấn Khoảng 50% sinh khối lục bình bao gồm rễ dài, có dạng sợi (dài 10-30 cm), giống như lông vũ và thường có màu sẫm [14]

Lục bình có sự biến đổi đáng kể ở cả dạng lá và hoa Cuống lá thay đổi từ dài

và mảnh đến phồng lên hoặc hình củ hành Hình dạng của cuống lá ảnh hưởng đến lượng không khí chứa trong đó và do đó khả năng nổi của cây Theo đó, cuống lá mảnh hơn là đặc trưng của thực vật xuất hiện trong vùng đông đúc, trong khi cuống

lá hình củ hành hơn là đặc điểm của cây ở vùng nước thoáng hoặc rìa vùng nước thoáng

Cụm hoa có từ 8 đến 15 hoa màu tím và vàng Mỗi chùm hoa tạo ra 3000-4500 hạt, hạt giống có thể tồn tại trong 5-20 năm Hạt chìm xuống sau khi thoát ra khỏi vỏ hạt và sau đó có thể nảy mầm khi mực nước thay đổi Hạt lục bình nảy mầm ở những vùng nước đọng, trong mương, kênh và những môi trường sống ẩm ướt khác Cây con phát triển thành cây có hệ thống lá và rễ riêng trong vòng 40 ngày sau khi nảy mầm Sau một thời gian, thực vật tách ra khỏi bùn và trôi nổi tự do rồi sinh sôi nảy

nở và tạo thành thảm nổi Sinh sản sinh dưỡng là một hình thức nhân giống phổ biến

và chịu trách nhiệm chính cho sự gia tăng và lan rộng nhanh chóng của lục bình sang các khu vực mới Các cây con sinh ra từ các thân ngang phát triển rễ riêng và sau đó tách khỏi cây mẹ Những cây này dễ dàng phân bố theo dòng chảy gió, lưới đánh cá

và tàu thủy [14]

Hình 2 3 Hình thái và thành phần chính của cây lục bình [14]

Sự phát triển sinh dưỡng nhanh chóng thông qua mọc xen kẽ là bí quyết chính

để lục bình phát triển nhanh chóng thành những tấm thảm dày đặc và cứng cáp Những thảm lục bình nổi thường đủ chắc chắn để có thể đi qua chúng và ngăn chặn tàu thuyền Sự tăng trưởng tối ưu của lục bình xảy ra trong nước ngọt tĩnh lặng hoặc chuyển động chậm trong điều kiện độ ẩm tương đối cao, phơi nắng lâu, nhiệt độ nước 28-30°C và nguồn nitơ, phốt pho và kali dồi dào Lục bình có thể chịu được sự dao động mực nước cực đoan, sự thay đổi theo mùa về tốc độ dòng chảy và các điều kiện khắc nghiệt đối với chất dinh dưỡng sẵn có, pH, nhiệt độ và các chất độc, cây cũng

có thể chịu được sương giá, mặc dù thời tiết lạnh kéo dài có thể giết chết chúng trong khi hạt vẫn tồn tại

2.1.4 Thành phần hóa học của cây lục bình

Tiềm năng sử dụng sinh khối lục bình làm nguyên liệu thô trong nhiều ứng dụng khác nhau mang lại cơ hội hấp dẫn cho việc quản lý bằng cách sử dụng quy mô lớn Lục bình chứa hàm lượng lignin thấp và hàm lượng cellulose và hemicellulose cao khiến nó trở thành nguồn sinh khối hấp dẫn Hàm lượng cellulose và hemicellulose của lục bình lần lượt dao động từ 18 đến 31% và 18 đến 43% và hàm lượng lignin dao động từ 7 đến 26% Thành phần hóa học trung bình của lục bình được trình bày chi tiết ở bảng 2.1

Bảng 2 1 Thành phần hóa học của cây lục bình [15]

về hình dạng chỉ ra rằng cellobiose chứ không phải glucose là đơn vị cấu trúc cơ bản của phân tử cellulose Cellulose có cấu trúc tuyến tính và có xu hướng hình thành liên kết hydro nội phân tử hoặc liên phân tử mạnh mẽ Các liên kết hydro này cùng với lực của Vander Waal làm cho cấu trúc cellulose trở nên phức tạp với các phân tử cellulose riêng lẻ được sắp xếp thành các bó gọi là vi sợi thúc đẩy sự kết tụ thành các vùng tinh thể, có trật tự cao Mỗi microfibril chứa khoảng 40 phân tử cellulose riêng

lẻ

Hình 2 4 Sự sắp xếp các sợi nhỏ, vi sợi và xenluloza trong thành tế bào thực vật

[16]

2.1.4.2 Hemicelluloses

Hemicellulose là chất dị thể phân nhánh phức tạp bao gồm các pentose khác nhau như d-xyloza, d-arabinose và hexose như d-mannose, d-glucose và axit d-glucuronic Hemicellulose có các nhánh với chuỗi bên ngắn bao gồm các loại đường, axit đường và este acetyl khác nhau Các nhóm axit và este này làm cho hemicellulose

có bản chất không kết tinh hoặc kém kết tinh nên chúng tồn tại ở dạng gel hơn là ở dạng sợi Hemicellulose cũng có mức độ trùng hợp thấp hơn và dễ bị thủy phân hơn cellulose Hemicellulose hòa tan hơn cellulose và thường phân nhánh với mức độ trùng hợp 100–200 Hemicellulose được phân loại dựa trên đường đơn phân có trong mạch chính của polyme, ví dụ: mannan (mannose liên kết với β-1,4) hoặc hemicellulose xylan (xyloza liên kết với β-1,4) trong đó hemicellulose xylan có nhiều nhất trong tự nhiên (Hình 2.5)

Hình 2 5 Cấu trúc của hemicellulose [16]

2.1.4.3 Lignin

Lignin là một trong những polymer tự nhiên phức tạp và khó tính nhất xét về cấu trúc và thành phần hóa học của nó Nó là một thành phần cấu trúc polyphenolic không chứa carbohydrate, bền chắc, không chứa carbohydrate của thành tế bào của tất cả các thực vật có mạch, xen kẽ với hemicellulose và do đó giữ cho cellulose bị khóa trong giới hạn cấu trúc của thành tế bào Lignin có khả năng chống lại sự phân hủy của enzyme rất cao do độ phức tạp về cấu trúc của nó được tạo ra bởi sự liên kết oxy hóa của monolignols (monolignin, tiền chất monome), ba loại rượu hydroxycinnamyl chính: rượu p-coumaryl, coniferyl và sinapyl như trong Hình 2.6 Các đơn vị phenylpropanoid tương ứng trong polyme lignin được gọi lần lượt là các đơn vị p-hydrophenyl (H), guaiacyl (G) và syringyl (S), dựa trên sự thay thế methoxy trên các vòng thơm Khả năng chống lại sự phân hủy của vi sinh vật cũng là do liên kết ngang rộng rãi giữa các thành phần polyphenolic và liên kết ether ổn định về mặt sinh học Lignin chịu trách nhiệm cung cấp độ bền nén cho thành tế bào thực vật trong khi cellulose cung cấp độ bền linh hoạt cho cây Các liên kết este giữa nhóm

carboxyl tự do của hemicellulose và nhóm benzyl của phân tử lignin dẫn đến sự hình thành phức hợp lignin-carbohydrate (LCC) gắn vào cellulose, do đó cung cấp cho nó khả năng chống lại sự phân hủy của vi sinh vật và hóa học [16]

Nồng độ lignin cao nhất thường hiện diện ở vùng màng giữa (giữa tế bào) của cây, nơi lignin giữ các tế bào thực vật lại với nhau, do đó cung cấp bền và độ cứng cho cây, mang lại sự hỗ trợ về cấu trúc, tính không thấm nước và khả năng chống lại

sự tấn công của vi khuẩn và sự oxy hóa Trong quá trình sinh tổng hợp lignin, các tiền chất được biến đổi thông qua các phản ứng khử hydro bằng enzyme thành các gốc phenoxy, sau đó được polyme hóa để tạo thành gốc cuối cùng

Hình 2 6 Cấu trúc hóa học của lignin [16]

Lục bình có giá trị dinh dưỡng cao, được dùng làm thức ăn chăn nuôi và làm phân bón Tỷ lệ khoáng chất và hàm lượng nước cao rất hữu ích cho thức ăn chăn nuôi Để làm phong phú thêm dinh dưỡng, tốt nhất nên trộn với cám để bổ sung thêm carbohydrate Hơn nữa, ngoài thức ăn chăn nuôi, nó còn có tác dụng làm phân bón hữu cơ, loài thực vật thủy sinh này chứa nhiều phốt pho, nitơ và kali, được xử lý dưới dạng phân trộn trước khi chúng ta sử dụng làm phân bón

Lục bình còn được sử dụng làm nguồn năng lượng tự nhiên Nhà máy có thể xử

lý cây lục bình dưới dạng năng lượng sinh học, một loại nhiên liệu được tạo ra từ các nhà máy chế biến (sinh khối) Nó tạo ra khí sinh học có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh hoạt Loại cây này được xử lý thành khí sinh học vì nó chứa lượng hemicellulose và cellulose khá lớn khoảng 43% và 17% Quá trình thủy phân của chúng tạo ra khí metan và carbon dioxide Nó cũng được lên men, với tỷ lệ hàm lượng nước cao lên tới 95% và cấu trúc mô rỗng tạo ra khí [18]

2.1.5.2 Tác động tiêu cực

Ảnh hưởng quan trọng của lục bình bắt nguồn từ khả năng nó gây ra những hậu quả tiêu cực đối với chất lượng sản xuất và môi trường sống của các vùng nước cũng như đối với các cộng đồng phụ thuộc vào chúng

 Tác động xã hội

Vấn đề nước là vấn đề của sự sống Ở Châu Phi, Ấn Độ và Sir Lanka, lục bình cản trở các hoạt động nông nghiệp bằng cách chặn các hệ thống tưới tiêu và thoát nước cũng như làm tăng lượng nước thất thoát Thảm cản ánh sáng xuyên qua nước sông, gây ra những thay đổi trong hệ thực vật và động vật bên dưới, đôi khi cản trở sản xuất cá và dẫn đến thất nghiệp, giảm thu nhập và lương thực cho cộng đồng ven sông Nước đọng do tác dụng cản trở của cỏ dại đã tạo ra nơi sinh sản và môi trường sống cho một số vật truyền bệnh như muỗi, ruồi, ốc sên và các sinh vật khác liên quan đến bệnh tật ở người, bao gồm sốt rét, bệnh sán máng, viêm não, bệnh giun chỉ và bệnh tả Những tác động này đặt ra, đặc biệt là ở các nước kém phát triển nhất, thêm gánh nặng đối với các dịch vụ và cơ sở y tế hạn chế dành cho cộng đồng nông thôn [18]

Nhiều công trình thủy điện lớn đang chịu ảnh hưởng của lục bình Việc sản xuất điện trở nên đắt đỏ hơn do nỗ lực ngăn chặn tình trạng tắc nghẽn các tuabin do thảm

cỏ dại gây ra Sự phá hoại dày đặc của lục bình làm hạn chế dòng nước chảy trong sông và kênh tưới tiêu, cản trở hoạt động của thiết bị tưới tiêu và được biết là nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu cầu Lưu lượng tưới giảm có thể gián tiếp gây tổn thất cho cây trồng trên đồng ruộng nhưng cũng có thể gây tổn thất trực tiếp cho cây lúa do ức chế cây trồng, ức chế sự nảy mầm và cản trở việc thu hoạch [18]

 Tác động môi trường

Thảm lục bình chặn các kênh rạch, sông ngòi dẫn đến lũ lụt Hiệu ứng này càng trầm trọng hơn đối với người dân ven sông có ít khả năng tự bảo vệ mình khỏi lũ lụt cũng như các tác động liên quan đến lũ lụt Một khi sinh sôi nảy nở trong một vùng nước, lục bình làm thay đổi đáng kể hệ sinh thái và điều này thường dẫn đến suy thoái môi trường và giảm đa dạng sinh học Một số lưu ý rằng ở nhiều vùng nước và vùng đất ngập nước, sự xâm lấn của lục bình đã làm suy giảm hoặc loại bỏ thảm thực vật

tự nhiên, thực vật và động vật địa phương mất môi trường sống Nhà máy có thể tác động tiêu cực đến một số loài động vật không xương sống, cá, chim và thực vật bản địa, thảm lục bình gây bất lợi cho một số loài động vật, số lượng cá giảm đáng kể do nồng độ oxy giảm, nguyên nhân là do lục bình tái xuất hiện Sự tắc nghẽn đường thủy

do lục bình làm tăng quá trình bồi lắng và cản trở các hoạt động như bơi lội, đánh cá

và khai thác cát Chất lượng nước uống, nấu ăn, giặt giũ ngày càng suy giảm do lục bình chết dẫn đến ô nhiễm nguồn nước

2.1.6 Ứng dụng của cây lục bình

Ở trong tự nhiên, lục bình loại thuỷ sinh có khả năng hấp thụ mạnh các chất dinh dưỡng, phân giải và đồng hoá các chất bẩn trong môi trường nước nhờ vi sinh vật bám trên thân và rễ của chúng, có tác dụng hấp thụ những kim loại nặng (như chì, thủy ngân và strontium) và vì thế có thể dùng để khử trừ ô nhiễm môi trường

Lục bình được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, thức ăn cho cá, động vật thủy sinh, dùng ủ nấm rơm thay thế cho rơm rạ, làm phân bón hữu cơ cho cây trồng Cây lục bình còn có công dụng thủ công nghiệp Xơ lục bình phơi khô có thể chế biến để dùng bện thành dây, thành thừng rồi dệt thành chiếu, hàng thủ công, hay bàn ghế Than đốt còn có thể làm từ lục bình được phát triển có thể được sử dụng làm nhiên liệu ở các vùng nông thôn và việc sản xuất nó có thể giúp can thiệp và giảm bớt các vấn đề môi trường do loài cỏ dại xâm lấn mạnh này gây ra trong các vùng nước Ngoài ra lục bình còn là ứng cử viên tiềm năng trong việc còn được ứng dụng trong ngành dệt may và công nghiệp ô tô

Hình 2 8 Ứng dụng của cây lục bình

2.2 Giới thiệu về nhựa polypropylene

2.2.1 Nguồn gốc

Polypropylen tinh thể được phát hiện vào đầu những năm 1950 và sản xuất thương mại bắt đầu vào năm 1957 tại Ý, Đức và Mỹ Kể từ khởi đầu khiêm tốn đó, polypropylene đã trở thành một trong những loại polymer tổng hợp quan trọng nhất được con người sản xuất, chỉ đứng thứ hai sau polyethylene (Trên thực tế, polypropylene đứng đầu vì polyethylene được chia thành nhiều loại khác nhau, ví dụ: HDPE, LLDPE, LDPE, EVA, v.v.) Các ước tính cho thấy khoảng 55 triệu tấn polypropylene đã được sản xuất trên toàn cầu vào năm 2011 [19]

2.2.2 Mô tả cơ bản về polypropylene

Propylene (còn gọi là propene) có công thức phân tử C3H6 Khác với ethylene,

nó là loại anken đơn giản nhất, nhưng theo cách nói của ngành công nghiệp polypropylen thì nó thường được gọi là olefin Propylene có thể được polymer hóa thông qua hoạt động của chất xúc tác Để thu được lượng polypropylene điều hòa lập thể thỏa đáng, quá trình trùng hợp phải được tiến hành trong điều kiện thích hợp bằng cách sử dụng chất xúc tác kim loại chuyển tiếp và chất xúc tác alkyl kim loại Các chất xúc tác khác (gốc tự do, cation, v.v.) thường tạo ra polypropylen vô định hình

có trọng lượng phân tử thấp và có giá trị thương mại hạn chế

Không giống như phản ứng trùng hợp ethylene, khả năng hóa trị và hóa học lập thể tồn tại trong phản ứng trùng hợp propylene Nguyên tử cacbon methyne trong cấu

CH3 catalyst

trúc polymer là nguyên tử bất đối tạo ra nhiều khả năng đồng phân lập thể Cấu hình của nhóm methyl trong chuỗi polymer biểu thị cái được gọi là “tacticity” (tính linh hoạt) của polymer Nếu các nhóm methyl chủ yếu định hướng theo cùng một hướng thì polymer được gọi là "isotactic", một danh pháp bắt nguồn từ từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "giống nhau" hoặc "có trật tự" do Natta đề xuất Isotactic polypropylene cho đến nay là dạng polypropylene công nghiệp phổ biến nhất và chứa hàm lượng tinh thể cao Nếu nhóm methyl xen kẽ đồng đều từ bên này sang bên kia dọc theo chuỗi polymer thì dạng đồng phân lập thể được gọi là "syndiotactic" và giống như isotactic, cũng chứa hàm lượng tinh thể đáng kể Nếu nhóm methyl được định hướng ngẫu nhiên thì polymer được gọi là "atactic" và là vật liệu dẻo, vô định hình, dính, thường được coi là không mong muốn Tuy nhiên, ít nhất một công ty cố tình sản xuất atactic polymer, loại vật liệu được sử dụng làm chất kết dính, cùng với các ứng dụng khác

Ba dạng đồng phân lập thể phổ biến nhất được minh họa dưới dạng sơ đồ trong hình 2.9

Hình 2 9 Sơ đồ biểu diễn các đồng phân lập thể của polypropylen [19]

Đặc tính nóng chảy của nhiều dạng polypropylene khác nhau đã được nghiên cứu Tuy nhiên, điểm nóng chảy (Tm) của polypropylene isotactic là thường nằm trong khoảng 160-170°C Tm có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tính linh hoạt, trọng lượng phân tử và lịch sử nhiệt Copolyme có Tm thấp hơn và độ kết tinh thấp hơn

Mặc dù polyethylene là loại polymer tổng hợp ít tốn kém nhất, nhưng polypropylene có Tm thấp hơn và cứng hơn (mô đun và độ bền kéo cao hơn) và có thể được sử dụng trong các ứng dụng mà các thuộc tính này làm cho polypropylene trở thành vật liệu được lựa chọn trong nghiên cứu này Giống như polyethylene, polypropylene điều hòa lập thể là một loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng kháng hóa chất và độ bền tuyệt vời và có thể được xử lý theo nhiều cách khác nhau Ép phun,

ép đùn sợi và ép đùn màng là các phương pháp chế tạo chiếm gần 90% tổng số ứng dụng polypropylen

Do có nguyên tử carbon bậc ba, polypropylene đặc biệt dễ bị oxy hóa trong không khí xung quanh, thường được gọi là "sự tự oxy hóa" Để giảm thiểu sự phân hủy do oxy hóa, polymer thô thường được nấu chảy ngay sau khi sản xuất và đưa chất chống oxy hóa vào (Các chất phụ gia rất cần thiết để cải thiện tính ổn định và nâng cao tính chất của polypropylene) Sản phẩm nóng chảy được định hình thành các viên trong suốt và được cung cấp ở dạng này cho các nhà chế biến Việc tạo hạt làm tăng mật độ khối nhựa dẫn đến việc đóng gói hiệu quả hơn và giảm chi phí vận chuyển

Polypropylene là vật liệu nhựa nhiệt dẻo Nghĩa là, nó có thể được nấu chảy và tạo hình thành một dạng mà sau đó có thể được nấu chảy lại và tạo hình (tái chế) thành các dạng khác

Hình 2 10 Hạt nhựa polypropylene [19]

2.3 Giới thiệu về composite cốt sợi lục bình

Composite là một hỗn hợp được tạo ra bằng cách kết hợp vật lý hai hoặc nhiều vật liệu (thành phần) để tạo ra sự kết hợp (pha trộn) các đặc tính cấu trúc không có trong bất kỳ thành phần riêng lẻ nào, là một trong những vật liệu đặc biệt và linh hoạt nhất mà con người từng biết đến Các vật liệu thường được kết hợp ở cấp độ vĩ mô

và không hòa tan với nhau Các vật liệu này có thể được gia cố như các hạt hoặc sợi được bao quanh bởi vật liệu nền hoặc lamina (một lớp) được xếp chồng lên nhau với nhiều lamina hơn để tạo thành một lớp mỏng Vật liệu nền composite cũng có thể chứa chất độn có thể làm giảm trọng lượng nhưng không được coi là có tác dụng gia

cố Một số vật liệu composite có thể không có vật liệu nền và bao gồm các tấm sợi dệt Vật liệu composite có thể không đẳng hướng, có các tính chất vật lý khác nhau theo các hướng khác nhau Hầu hết các vật liệu composite được thiết kế đều được phát triển để có trọng lượng nhẹ và có độ bền theo hướng tải lớn hơn so với các vật liệu đẳng hướng của chúng

Vật liệu có niên đại từ năm 1500 trước Công Nguyên khi người Lưỡng Hà sử dụng kết hợp bùn và rơm để xây dựng các công trình Chuyển nhanh đến ngày nay, vật liệu tổng hợp đã cho thấy sự hiện diện của chúng trong các bộ phận cấu trúc và khung của tàu vũ trụ hoạt động trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt và dễ bay hơi Từ

ô tô đến giao thông vận tải và cơ sở hạ tầng, thể thao đến hàng không vũ trụ, y sinh đến chăm sóc sức khỏe, vật liệu tổng hợp có thể nhìn thấy ở khắp mọi nơi Lý do chính đằng sau sự ưa thích của vật liệu composite là chúng thể hiện tỷ lệ chắc chắn

và trọng lượng vượt trội cùng với độ cứng tuyệt vời Ví dụ, vật liệu tổng hợp sợi carbon bền hơn thép gấp 5 lần trong khi có trọng lượng nhẹ hơn 20% Hơn nữa, vật liệu composite sợi tự nhiên có ưu điểm là rẻ hơn vật liệu tổng hợp, có khả năng phân hủy sinh học, sẵn có, có thể tái tạo và nhẹ Sợi tự nhiên có nguồn gốc từ ba nguồn, đó

là thực vật, động vật và khoáng chất Việc sử dụng sợi lục bình tự nhiên trong vật liệu composite còn có thể giải quyết một số vấn đề khác như tiêu thụ năng lượng vừa phải trong quá trình sản xuất, hầu như không để lại lượng khí thải carbon và giảm các vấn

đề về xử lý

Việc sử dụng vật liệu composite trong kỹ thuật đã trở nên tất yếu do tính chất phong phú, giảm giá thành sản xuất và phù hợp với nhiều ứng dụng Các tính năng của vật liệu composite polymer chủ yếu phụ thuộc vào sự lựa chọn và thành phần cốt sợi gia cường Chất gia cố bằng sợi sinh học đã khẳng định những đặc tính, ứng dụng

và chi phí tuyệt vời trong tình hình hiện nay Khả năng tiếp cận và sẵn có tuyệt vời

của sợi lục bình là động lực chính để phát triển sự chú ý mới trong công nghệ và hướng tới phát triển bền vững

Những tiến bộ công nghệ và sự phát triển của nó đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới phát triển và kết hợp các vật liệu mới, thân thiện với môi trường

và có thể tái tạo Những điều này đã dẫn đến sự gia tăng việc mở rộng các vật liệu tổng hợp sợi tự nhiên Được biết đến rộng rãi với tên gọi “composite sinh học”, sợi lục bình được chiết xuất từ các nguồn tự nhiên và được sử dụng dưới dạng chất gia

cố hoặc chất độn trong vật liệu tổng hợp polymer Vật liệu tổng hợp polymer gia cố bằng sợi bao gồm sợi tự nhiên và sợi tổng hợp Sợi tổng hợp hoặc sợi nhân tạo từ lâu đang thống trị thị trường vật liệu tổng hợp polymer nhờ độ bền vượt trội và độ cứng Sợi thủy tinh hoặc sợi carbon đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, nơi độ ổn định nhiệt, hóa học và cơ học là hết sức quan trọng Tuy nhiên, khả năng không tái chế và không phân hủy sinh học cùng với chi phí ban đầu

và chi phí xử lý cao khiến sợi lục bình trở thành vật liệu thay thế hấp dẫn cho sợi nhân tạo Nguồn cung dồi dào, độ bền cơ học khá cao, khả năng tái chế và khả năng tái sử dụng đã khiến các nhà nghiên cứu thích vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi

tự nhiên hơn vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi tổng hợp [20]

Việc lai các sợi thành một ma trận cho phép khắc phục những hạn chế của các sợi đơn lẻ trong khi vẫn giữ được lợi ích của chúng Cùng với việc cung cấp các đặc tính được cải thiện, kỹ thuật này còn giúp giảm đáng kể chi phí bằng cách cắt giảm nhu cầu sử dụng vật liệu bổ sung Khi so sánh với vật liệu composite sợi tổng hợp và vật liệu composite sinh học mang lại đặc tính nhẹ do sự hiện diện của sợi tự nhiên có mật độ thấp Những điều này làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là trong các ứng dụng giao thông vận tải Bằng cách tập trung vào việc cải thiện các tính chất cơ học, các vật liệu tổng hợp sinh học lai này cũng có thể đóng một vai trò to lớn trong các ứng dụng kết cấu Việc lựa chọn vật liệu tổng hợp sinh học lai sợi bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như chiều dài và hướng của sợi, hàm lượng, sự bám dính giữa sợi và nền, cùng với thành phần hóa học của từng sợi Bằng cách cân bằng giữa chi phí và hiệu suất, các vật liệu tổng hợp này

có thể được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, hàng hải, hàng không vũ trụ và giao thông vận tải

 Phân loại:

Vật liệu composite có thể được phân loại theo pha gia cường ma trận (matrix)

và loại vật liệu gia cường của chúng Chất nền thường là polymer, gốm, cacbon hoặc

kim loại và liên kết với nhau, có thể bảo vệ khỏi môi trường bên ngoài, truyền tải trọng đến vật liệu gia cường và góp phần tạo nên các tính chất cơ học của vật liệu composite Vật liệu composite cũng có thể được phân loại dựa trên ứng dụng hoặc quy trình sản xuất của chúng Việc phân loại phổ biến nhất của vật liệu composite dựa trên loại cốt thép chẳng hạn như vật liệu composite được gia cố bằng hạt, được gia cố bằng sợi hoặc được gia cố theo cấu trúc

Vật liệu composite được gia cố bằng hạt được xác định bởi kích thước hạt và

độ phân tán của các hạt trong nền Vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi được dựa trên tính liên tục của sợi và cách các sợi được định hướng trong ma trận Một hỗn hợp được gia cố về mặt cấu trúc là một tấm nhiều lớp, có nhiều lớp với các đặc tính khác nhau hoặc cấu trúc bánh sandwich Cấu trúc bánh sandwich có hai tấm mặt, có thể là các lớp mỏng, kẹp một tổ ong, bọt hoặc lõi khác Các vật liệu tổng hợp được gia cố bằng hạt và được gia cố bằng sợi có thể tạo thành các lớp trong hỗn hợp nhiều lớp hoặc nhiều lớp [21]

Vật liệu composite được thiết kế cũng có thể sử dụng sợi tự nhiên (sợi gai dầu, sợi kenaf và sợi đay) hoặc sợi tổng hợp (sợi thủy tinh và carbon) và ma trận tự nhiên (lignin trong gỗ) hoặc ma trận kỹ thuật (polymer, gốm sứ, carbon và kim loại) Vật liệu composite ma trận polymer được gia cố bằng sợi tự nhiên đang thu hút được sự quan tâm trong ngành công nghiệp ô tô vì lợi ích môi trường của chúng trong quá trình sử dụng và tái chế Vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi tự nhiên dựa trên gốm đã được ứng dụng hạn chế trong kỹ thuật sinh học Vật liệu tổng hợp được gia

cố bằng sợi tự nhiên dựa trên kim loại đã tìm thấy ứng dụng làm thành phần kết cấu, chẳng hạn như dầm và tấm cho các ứng dụng xây dựng