BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH QUYÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE DÀI ĐƠN HƯỚNG Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu phi kim LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS BÙI CHƯƠNG Hà Nội - Năm 2012 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT 1.3 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE 10 1.3.1 Vật liệu polypropylen [21] 10 1.3.2 Sợi thực vật gia cường 14 1.3.3 Sợi tre 21 1.3.3.1 Cấu trúc sợi tre 22 1.3.3.2 Thành phần hoá học tre 23 1.3.3.3 Tính chất học sợi tre 28 1.3.3.4 Tính chất bề mặt sợi tre 29 1.4 TƯƠNG TÁC PHA NỀN - CỐT TĂNG CƯỜNG TRONG VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 30 CHƯƠNG 32 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ XỬ LÝ BỀ MẶT SỢI 32 2.1.1 Các phương pháp tách sợi 32 2.1.1.1 Phương pháp học 32 2.1.1.2 Phương pháp tách nổ nước.[15] 33 2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 34 2.2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất sợi 34 2.2.2.1 Phương pháp xác định độ phân bố sợi 34 2.2.2.2 Phương pháp xác định độ bền kéo sợi 34 2.2.3 Phương pháp xác định tính chất học vật liệu 35 2.2.3.1 Độ bền kéo compozit: 35 2.2.3.2 Độ bền uốn compozit: 36 2.2.3.3 Phương pháp xác định độ bền nén 37 2.2.3.4 Xác định độ bền va đập Charpy vật liệu compozit: 37 2.2.3.5 Xác định độ hấp thụ nước mơi trường hố chất compozit:38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39 3.1 KHẢO SÁT NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ ĐIỀU KIỆN GIA CÔNG VẬT LIỆU POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE 39 3.1.1 Xác định đường kính trung bình sợi 40 3.1.2 Xác định độ bền kéo sợi 42 3.1.3 Cấu trúc hình thái học loại sợi tre 43 3.1.4 Xác định độ hấp thụ ẩm sợi ảnh hưởng đến độ bền sợi 44 3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng việc xử lý tre đến khả bám dính với nhựa PP 45 3.1.6 Chế tạo vật liệu sở nhựa PP với sợi tre 46 3.3 Nghiên cứu chế tạo compozit Polypropylen cốt sợi tre (PP/BF) 48 3.3.1 Ảnh hưởng việc tạo Prepreg đến tính chất Compozit PP/BF 48 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian áp suất ép lên tính chất vật liệu compozit PP/BF 49 3.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PP/BF 51 3.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến độ hấp thụ nước PP/BF 51 3.4.2 Ảnh hưởng mơi trường hóa chất khác tới tính chất vật liệu PP/BF 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Nhân loại bước vào kỷ nguyên bùng nổ khoa học công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn ứng dụng rộng dãi công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, kinh tế đời sống xã hội v.v Một thành tựu đời phát triển vật liệu compozit Loại vật liệu có khả kết hợp tính chất mà vật liệu truyền thống riêng rẽ khơng có được, tạo cho có nhiều tính chất ưu việt như: bền, nhẹ có nhiều tính chất chun dụng, dễ gia cơng v.v Những vật liệu thay vật liệu truyền thống trước sắt, thép, gỗ để chế tạo chi tiết máy kết cấu, kể kết cấu chịu tải trọng lớn sản phẩm dân dụng v.v Tuy nhiên, vấn đề quan tâm hàng đầu ngành công nghiệp vấn đề môi trường Một sản phẩm sinh học từ nguyên liệu tái tạo có khả tái sinh phân huỷ sinh học bắt buộc (ổn định thời gian sống định phân huỷ tổ hợp điều kiện) có triển vọng thương mại không ảnh hưởng xấu đến môi trường gọi sản phẩm sinh học bền vững [5, 8] Các compozit sinh học (còn gọi compozit xanh) thường cấu tạo từ sợi thực vật chất dẻo sinh học từ nguồn nguyên liệu tái tạo Các chất dẻo từ nguồn nguyên liệu tái tạo khơng phân huỷ sinh học cịn phụ thuộc vào cấu trúc phản ứng đóng rắn q trình gia cơng So với nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo có khả tái sinh nên ảnh hưởng xấu tới môi trường Hơn nữa, sản phẩm sinh học nhận từ nguồn nguyên liệu tái tạo có khả cân đioxit cacbon Hầu hết polyme sinh học khó cạnh tranh kinh tế tình hình phát triển cơng nghiệp polyme sở hoá dầu chiếm ưu thế, vấn đề ô nhiễm môi trường sản phẩm dầu mỏ lại vấn đề nóng bỏng cần giải quyết, mặt khác, dầu mỏ tài ngun vơ tận Do đó, việc thiết kế áp dụng kỹ thuật phù hợp tạo nên compozit sinh học thân thiện với môi trường đem lại sức hấp dẫn với thị trường mở ngành công nghiệp phù hợp với nhu cầu rộng lớn người _ “công nghiệp xanh” Ở Hoa Kỳ hàng năm có 10 – 11 triệu phương tiện vận tải hết hạn sử dụng, hệ thống thu gom thiết bị nghiền phục vụ cho khoảng 96% xe cũ gần 25% trọng lượng xe ô tô bao gồm chất dẻo, sợi, xốp, thuỷ tinh cao su chất thải Phương án đơn giản để xử lý chúng đem chon vật liệu thải phân huỷ nhờ vi sinh vật, đâu áp dụng phương án Gần đây, nghiên cứu đưa vào phần bên ô tô làm từ nhựa polypropylene gia cường sợi thực vật phần bên sử dụng nhựa polyester không no gia cường sợi thực vật Nhiều hãng sản xuất tơ tìm kiếm vật liệu có khả cách âm giảm trọng lượng để tiết kiệm nhiên liệu nhiều nghiên cứu 75% lượng tiêu tốn ô tô liên quan trực tiếp đến trọng lượng ô tô, điều đòi hỏi nhà sản xuất tiếp tục đổi công nghệ tạo loại ô tơ nhẹ, an tồn giá thành hạ, đó, sợi thực vật có khả hấp thụ âm tuyệt vời chống phá vỡ tốt Trong sản xuất chi tiết ô tô, so với compozit sợi thuỷ tinh, compozit sợi thực vật giảm khối lượng chi tiết nên làm giảm tới 80% lượng cần thiết cho sản xuất Để giảm trọng lượng ô tô, nhà sản xuất giảm bớt thép hợp kim thay nhôm hợp kim, chất dẻo compozit Trong tương lai gần, chất dẻo polyme compozit chiếm 15% trọng lượng ô tô polyme compozit sinh học đề cử xứng đáng loại vật liệu thân thiện môi trường[23,25] Tre loại sẵn có rừng nhiệt đới, có khả tăng trưởng nhanh, dễ trồng gần khơng phải chăm sóc Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit sở cốt tre nhiều nước quan tâm Xuất phát từ nhu cầu thực tế như: cạnh tranh nguồn nguyên liệu, vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu, khả tái sinh vấn đề mơi trường, độ bền tính sử dụng vật liệu chế tạo nên nội dung chủ yếu đề tài : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sinh tọc sở nhựa polyetylen gia cường sợi tre dài đơn hướng” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC Trong giai đoạn nay, xuất phát từ vấn đề như: bảo vệ môi trường, yêu cầu phát triển sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, nhu cầu tiêu thụ nước giới nên có nhiều cơng trình nghin cứu khoa học tập trung vào lĩnh vực polyme compozit sinh học Có ba vấn đề chung cần đề cập đến là: Vấn đề mơi trường: Cơng nghiệp hố dầu phát triển mạnh, theo cơng nghệ gia cơng sản phẩm từ nhựa nhiệt dẻo để sản xuất loại bao bì, hàng hóa tiêu dùng khơng ngừng phát triển Cùng với xuất khối lượng lớn loại sản phẩm chế tạo từ polyme tồn lượng không nhỏ phế liệu, phế thải sau sử dụng, ước tính 40 đến 50 triệu tấn/năm (toàn giới năm 2007) Những vật liệu sau sử dụng thải môi trường hàng chục, hàng trăm năm, khó phân huỷ, gây nhiễm nặng nề Đã có vài phương án xử lý, hiệu xử lý không cao Khi chon lấp chúng mặt tốn diện tích, mặt khác cịn gây nhiễm nguồn nước đất Nếu đốt tốn cịn sản sinh lượng CO2 đioxin có hại cho người môi trường Nếu dùng phương pháp tái sinh sản phẩm sau tái sinh có chất lượng không cao giá thành chúng không thấp[5, 22,26] Vấn đề phát triển sản phẩm mới: Thực tế đặt đòi hỏi nhà khoa học công nghệ giới nghiên cứu chế tạo sản phẩm có tính chất ưu việt thân thiện mơi trường Do đó, cần nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học ứng dụng chúng công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu đòi hỏi Vấn đề tiêu thụ: Ngày nay, nhu cầu vật liệu polyme phân huỷ sinh học giới ngày tăng sức ép bảo vệ mơi trường Những nước có cơng nghiệp phát triển Mỹ, Canada, Đức, Nhật, Thuỵ Điển, Hà Lan, … nước đầu việc sử dụng polyme phân huỷ sinh học để thay dần polyme truyền thống khó phân huỷ Tại nước này, nhu cầu sử dụng vật liệu polyme sinh học chiếm 11 – 15% tổng số nhựa nhiệt dẻo khó phân huỷ Xu hướng giới thay dần 30% polyme khó phân huỷ vào năm 2010 Trung Quốc, phủ có sách mạnh mẽ bảo vệ môi trường, tâm xây dựng thành phố “xanh”, sử dụng 100% bao bì túi đựng tự phân huỷ[5] Theo định nghĩa khái quát, compozit sinh học loại vật liệu có chứa nguồn nguyên liệu có khả tái tạo sợi tự nhiên, gọi sợi sinh học Loại sợi phân huỷ điều kiện xác định Cịn cho compozit từ nhựa có hay khơng có khả phân huỷ sinh học hay phân huỷ môi trường Việc nghiên cứu polyme phân huỷ sinh học nhiệm vụ cấp bách đặt nước ta Một số nghiên cứu ban đầu thành công, tạo công nghệ chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học: Công nghệ tạo hạt, công nghệ chế tạo màng mỏng có khả tự phân huỷ Sản phẩm dạng màng phủ nông nghiệp bầu ươm giống chế tạo với số lượng lớn ứng dụng nông nghiệp cho kết tốt + Trong lĩnh vực nông nghiệp: Màng mỏng polyme tự phân huỷ dùng để che phủ luống lạc, ngô, đậu tương … có tác dụng giữ ẩm, giữ nhiệt cho đất, ngăn chặn cỏ dại, trừ sâu bệnh, chống sói mịn, lưu giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất … Tổng diện tích trồng hoa màu nước ước tính đạt 300 000 ha, chủ yếu tỉnh Hòa Bình, Thái Ngun, Bắc Kạn, Nghệ An, Thanh Hố Nhu cầu màng phủ nông nghiệp khoảng 60 000 tấn/2 vụ + Trong lĩnh vực công nghiệp: Một số công nghiệp như: Bông, café, chè, thuốc … cần che phủ thời gian sinh trưởng chúng Phần lớn cơng nghiệp thích nghi với vùng đồi như: Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hà Giang, Đắc Lắc, Ninh Thuận, Gia Lai, Kon Tum Đây nơi cần giữ nước, giữ ẩm cho trồng, nơi cần chống sói mịn, cần giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất Tổng diện tích riêng loại cơng nghiệp ước tính 420 000 ha, có nhu cầu cỡ 40 000 màng phủ/ 1năm Đó chưa kể số lượng diện tích trồng rừng chương trình triệu rừng nhà nước Điều cho thấy nhu cầu màng mỏng che phủ giữ ẩm cho công nghiệp lớn + Trong đời sống hàng ngày: Ngành nhựa nước ta gia công đồ dùng nhựa nhiệt dẻo với số lượng năm 2007 800 000 tấn, cơng nghiệp chế tạo bao bì loại chiếm 30% tương đương 540 000 Nếu tạm tính thay 30% bao bì vật liệu polyme tự phân huỷ phải cần cỡ 162 000 nhựa tự huỷ năm Như vậy, riêng lĩnh vực chính, hàng năm nhu cầu nhựa màng mỏng tự phân huỷ 260 000 đến 280 000 tấn/năm Để chế tạo compozit sinh học bền vững, với việc sử dụng polyme sinh học thương mại xenlulo axetat, chất dẻo tinh bột, polyester vi khuẩn polylactic axit, nhà khoa học nghiên cứu phát triển polyme sinh học từ protein đậu nành dầu thảo mộc thông qua công nghệ đổi Sức hấp dẫn đáng kể sợi sinh học giá thành thấp Không dùng dung môi hữu xử lý bề mặt mà dùng phương pháp phủ keo tan nước, xử lý kiềm xử lý silan để biến tính bề mặt sợi Tính chất học số compozit gia cường sợi thực vật trình bảy bảng Bảng 1: Tính chất học số compozit gia cường băng sợi thực vật Compozit Hàm lượng Độ bền Mođun Độ bền Mođun Độ bền thể tích kéo kéo uốn uốn va đập (%) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (kJ/m2) 50 47,1 12 900 80,4 370 - 50 24,5 810 - 16 150 - 40 37 500 266 15 930 - 51 33,79 489 19 225 88 49 43,14 802 42 507 100 Dứa dại/polyeste Dứa dại/CNSL Dứa dại/epoxy Vải cottonbơng gịn/CNSL Vải cottonbơng gịn/polyeste 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT Nhiều thập niên qua, nhà khoa học quan tâm nghiên cứu loại vật liệu polyme gia cường sợi thực vật Chất gia cường cho vật liệu compozit thường sợi aramit, sợi cacbon sợi thuỷ tinh Vật liệu compozit loại ứng dụng làm nội thất máy bay, công nghiệp ô tô, xây dừng thiết bị thể thao địi hỏi có độ bền cao Hiện nay, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật hướng nghiên cứu quan tâm trọng khía cạnh sinh thái học khả tái tạo sản phẩm thân thiện với môi trường phủ nhiều nước quan tâm xúc tiến với nhiều dự án lớn Xu hướng sử dụng compozit sợi thực vật thay vật liệu compozit sợi thuỷ tinh ứng dụng lựa chọn Ngồi ra, chi tiết tơ trước làm compozit sợi thuỷ tinh sản xuất vật liệu compozit sợi thực vật ảnh hưởng tới môi trường[18,19,22] Hạn chế sợi thực vật hấp thụ ẩm cao, làm cho sợi trương bảo đảm độ ổn định kích thước compozit Có thể giảm độ hút nước sợi thực vật cách tăng cường khả bao bọc sợi polyme hay axetyl hóa số nhóm hydroxyl sợi Sử dụng chất trợ tương hợp để tăng độ bám dính sợi polyme làm giảm tốc độ lượng nước compozit hấp thụ Mặc dù tính chất học sợi tự nhiên thấp sợi thuỷ tinh, đặc trưng chúng đặc biệt độ bền kéo so với giá trị cao sợi thuỷ tinh chúng nhẹ sợi thuỷ tinh khoảng 50% giá thành thấp nhiều so với sợi thuỷ tinh Do vậy, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật sử dụng ngày nhiều ngành cơng nghiệp Loại vật liệu có khối lượng riêng thấp, độ bền va đập cao, hấp thụ âm tốt số công ty giới sử dụng * Ứng dụng vật liệu compozit gia cường sợi thực vật Với ưu điểm so với sợi thuỷ tinh độ bền riêng cao, giá thành thấp, nguồn nguyên liệu dồi có khả phân huỷ sinh học điều kiện xác định Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật biết đến vật liệu compozit xanh thân thiện với mơi trường Vật liệu compozit có polyme nhiệt rắn nhiệt dẻo gia cường sợi thực vật ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp giới Chúng chế tạo dạng vải, tấm, mat… tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật chủ yếu có ứng dụng lĩnh vực như[22,23,25,27]: - Làm vật liệu thay gỗ: mỏng, lát sàn nhà, panel, ván ghép … - Trong xây dựng: compozit dùng để lát sàn, panel, vách ngăn, cửa chính, cửa sổ … - Trong giao thơng: thuyền bè, nội thất ô tô… - Đồ gia dụng: dụng cụ nhà bếp, đồ trang trí… SEM ta thấy rõ vết nhỏ lấm bề mặt sợi TK1 khơng cịn xuất bề mặt sợi TK2 Điều cho thấy điều kiện xử lý sợi TK2 tốt hẳn so với điều kiện xử lý sợi lại 3.1.4 Xác định độ hấp thụ ẩm sợi ảnh hưởng đến độ bền sợi Sợi tre loại sợi tự nhiên có độ hút ẩm cao, hút ẩm, trở nên trương nở làm cho kích thước compozit khơng ổn định Việc xác định độ hấp thụ ẩm sợi làm sở để khảo sát độ hấp thụ ẩm độ hút nước compozit, yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ bền compozit PP gia cường sợi thực vật môi trường có độ ẩm cao Việt Nam Các loại sợi TK0, TK1, TK2 sấy khô đến nhiệt độ khơng đổi (gọi sợi khơ), sau cho vào mơi trường ẩm tính tốn chênh lệch khối lượng theo thời gian (theo thí nghiệm mục 2.2.2.3) Độ hấp thụ ẩm tính theo cơng thức: %H2O hấp thụ = m2 − m1 100 m1 Trong đó: m1: Khối lượng sợi sấy đến khối lượng không đổi, g M2: Khối lượng sợi sau khoảng thời gian xác định, g Hình 3.4 kết tính toán độ hấp thụ ẩm sợi theo thời gian Hình 3.4 Độ hút ẩm sợi theo thời gian 44 Hình 3.5 Độ bền kéo sợi theo thời gian mơi trường ẩm Kết cho thấy vịng 10 ngày đầu tiên, khối lượng loại sợi tre tăng đáng kể hấp thụ nước tre khơ, đến ngày thứ 20 khối lượng loại sợi không thay đổi nhiều khơng có thay đổi khối lượng ngày thứ 30 Độ hấp thụ ẩm sợi TK2 thấp loại sợi thành phần sợi TK2 chứa chủ yếu xenlulo nên làm giảm phân tử liên kết hidro với nước Tiến hành đo độ bền kéo sợi TK0, TK1, TK2 theo thời gian Kết hình 3.5 cho thấy độ bền kéo sợi giảm 10 ngày đầu tiên, tương ứng với độ hút ẩm tăng Sau thời gian đó, độ hút ẩm tăng khơng đáng kể độ bền kéo sợi giảm khơng đáng kể Như vậy, hút ẩm làm sợi trương nở giảm độ bền kéo, 10 ngày đầu tiên, hút ẩm sợi tre lớn, sau khoảng 30 ngày trở độ hút ẩm tre đạt ngưỡng cực đại 3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng việc xử lý tre đến khả bám dính với nhựa PP Sợi tre sau xử lý sấy khô đến trọng lượng không đổi cho hạt nhựa bám dính lên sợi tre, đường kính hạt nhựa ≈ 2mm, sau đem đo độ bám dính keo sợi tre (hình 3.6): 45 Hình 3.6: Độ bám dính sợi nhựa PP Kết cho thấy sợi tre xử lý kiềm mẫu TK2 cho độ bền bám dính sợi tre PP cao (Độ bám dính trung bình đạt 11,45 Mpa) Sợi sau xử lý kiềm làm cho bề mặt hơn, hàm lượng lignin hemixenlulo bề mặt sợi giảm xuống khả bám dính sợi với nhựa tăng lên rõ rệt Sợi xử lý kiềm nồng độ 1N có độ bám dính sợi – nhựa (11,45Mpa) gấp đơi sợi xử lý nguội (5,09Mpa) 1,2 lần sợi không qua xử lý kiềm _ TK1 (9,66Mpa) Từ kết cho thấy sợi TK2 có tính chất vượt trội so với sợi TK0 TK1, đó, chọn sợi tre TK2 với điều kiện sấy khô tới khối lượng không đổi cho khảo sát 3.1.6 Chế tạo vật liệu sở nhựa PP với sợi tre Bản chất nhựa có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật liệu PC nhận Sợi tự nhiên ưa nước chứa nhiều nhóm –OH phân tử, nhựa PP lại kỵ nước Để liên kết hai vật liệu khác chất này, sử dụng chất trợ tương hợp anhydrite maleic (MA) Có nhiều phương pháp để ghép MA lên PP như: phương pháp ghép dung dịch, phương pháp ghép nóng chảy, phương pháp ghép thể rắn Tuy nhiên phương pháp ghép nóng chảy có công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp nên thương sử dụng Phản ứng ghép MA lên PP tiến hành máy trộn hai trục vít nhiệt độ 1900C PP ghép MA (PP-MA) tạo từ phản ứng trình bày sơ đồ đây: 46 Hình 3.7: Ghép MA lên PP Khi MA tiếp xúc với sợi nhựa nhiệt độ cao, nhóm anhydrite phản ứng với nhóm hydroxyl bền mặt sợi tạo cầu este Tuy nhiên, hàm lượng MA ghép lên phải phù hợp để tạo nhiều mối liên kết với sợi, có q nhiều MA, hàm lượng MA tự ảnh hưởng đến tính chất vật liệu[1] Nhiều nghiên cứu cho thấy bổ xung hàm lượng MA vào, độ bền kéo vật liệu PC sở nhựa PP gia cường mat tre tăng 151% so với vật liệu PP không chứa MA.[17] Nhiều nghiên cứu gần cho thấy hàm lượng MA từ tới 3% làm cho vật liệu có ứng lực phá hủy cao [21] Do đó, nghiên cứu này, vật liệu PC sở PP gia cường sợi tre đơn hướng từ PP có bổ xung 1% khối lượng MA Để chọn điều kiện gia cơng thích hợp, trước hết nhựa PP-MA đem phân tích nhiệt để tìm khoảng nhiệt độ nóng chảy từ giá trị nhiệt độ mà nhựa nóng chảy hồn tồn chọn làm nhiệt độ gia cơng compozit Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt PP-MA 47 Theo giản đồ cho thấy vùng nhiệt độ 1500C, PP-MA bắt đầu chảy mềm đến nhiệt độ 190oC nóng chảy hồn tồn, phân hủy nhiệt nhiệt độ 2500C Chính chọn nhiệt độ gia công cho nhựa PP nhiệt độ 1900C phù hơp, tiếp đó, khảo sát nhiệt độ thích hợp để gia công chế tạo vật liệu 3.3 Nghiên cứu chế tạo compozit Polypropylen cốt sợi tre (PP/BF) Từ kết khảo sát sợi nhựa trình bày trên, sợi tre (BF) xử lý kiềm TK2 nhựa PP – MA lựa chọn để chế tạo vật liệu compozit sở nhựa Polypropylen gia cường với sợi tre dài đơn hướng Các hạt nhựa PP-MA ban đầu tạo thành màng mỏng, có bề dày khoảng 0,04 mm; sợi tre xếp thành lớp mỏng Ngoài chất nguyên vật liệu chủ yếu tạo compozit điều kiện gia cơng chế tạo vật liệu yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới tính chất vật liệu Do cần khảo sát điều kiện gia cơng tới tính chất vật liệu, từ xác định điều kiện gia cơng phù hợp để chế tạo vật liệu 3.3.1 Ảnh hưởng việc tạo Prepreg đến tính chất Compozit PP/BF Vật liệu PP/BF chế tạo theo hai phương pháp khác nhau: M11 mẫu xếp đan xen lớp PP với lớp tre vào khuôn M12 mẫu tạo thành qua bước tạo Prepreg PP/BF, sau xếp lớp prepreg PP/tre vào khuôn Tỷ lệ sợi /nhựa hai mẫu 40/60 auk hi gia công ép nhiệt độ ép là: 1900C thời gian ép 30phút, áp suất ép 50Kg/cm2 Quan sát ngoại quan hai mẫu vật liệu M11 M12 sau chế tạo cho thấy bề mặt compozit M1 xuất bọt trắng nhỏ li ti; bề mặt compozit tạo từ prepreg (M2) bọt Chứng tỏ việc tạo prepreg giúp cho trình đuổi khí gia cơng ép lớp tốt Các lớp bọt ảnh hưởng không nhỏ đến tính chất lý vật liệu thể bảng 3.1: 48 Bảng 3.1: Tính chất lý hai compozit M11 M12 chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: Mẫu đo Bền kéo (Mpa) UỐn (Mpa) Va đập (KJ/m2) M11 178,80 158,3 32 M12 231,28 229,5 38 Theo kết thu thấy mẫu M2 cho tính lý cao so với mẫu M1 đặc biệt độ bền Va đập tăng 27% Chính luận văn lựa chọn công nghệ tạo prepreg cho lớp PP/BF để tạo compozit cho nghiên cứu 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian áp suất ép lên tính chất vật liệu compozit PP/BF Theo giản đồ mẫu phân tích nhiệt vi sai DSC keo, nhận thấy vùng 190OC nhựa hóa dẻo hồn tồn, luận án tiến hành nghiên cứu thử nghiệm ép mẫu vùng nhiệt độ 190OC với biên độ 5OC với mẫu khảo sát theo nhiệt độ là: 180OC, 185OC, 190OC, 195OC, 200OC, thời gian ép 30 phút, áp suất ép 50KG/cm2 Tính chất lý mẫu trình bảy bảng 3.2 Bảng 3.2: Ảnh hưởng nhiệt độ lên tính chất vật liệu: Nhiệt độ Bền kéo (Mpa) Uốn (Mpa) Va đập (KJ/m2) 180OC 200 207,05 28 185OC 210,15 215 31,3 190OC 231,28 229,5 38 195OC 231,5 228 37,8 200OC 230 228 37,5 Từ bảng cho thấy nhiệt độ ép 190OC cho tính chất lý cao nhất, với mẫu ép nhiệt độ 195OC 200OC nhận thấy độ bền lý vật liệu không tăng điều phù hợp với đường cong phân tích nhiệt vi sai DSC 195OC 49 200OC nhiệt độ vùng nhựa hóa dẻo hồn tồn, nhiệt độ cao sợi tre lúc có tượng bị rịn luận án lựa chọn nhiệt độ ép 190OC để khảo sát tiếp ảnh hưởng thời gian ép đến tính chất vật liệu Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian ép đến tính chất lý vật liệu mẫu chế tạo điều kiện gia công sau: mẫu cho vào nhiệt độ 190OC để mẫu khuôn 15 phút cho nhựa chẩy mềm, sau ép với áp suất 50KG/cm2, thời gian ép 10 phút, 15 phút, 20 phút, 25 phút 30 phút Mẫu ép xong để nguội đến nhiệt độ phòng để ổn định 24h sau đo cắt mẫu đo tính lý Kết đo lý vật liệu thể bảng 3.3 Bảng 3.3: Ảnh hưởng thời gian ép lên tính chất vật liệu: Bền kéo (Mpa) Uốn (Mpa) Va đập (KJ/m2) 10 198,73 192,87 29 15 203,15 197,27 33 20 231,28 229,5 38 25 232,06 231,3 38,1 30 231,14 230,8 37,5 Thời gian (phút) Từ kết bảng cho thấy thời gian ép 20 phút cho tính lý tốt, với mẫu 25 30 phút tính lý khơng tăng nữa, cịn với thời gian 10 15 phút tính lý thấp giải thích thời gian ép chưa đủ dài nhựa thẩm thấu hết vào sợi tre lớp tre Đối với việc gia cơng compozit cơng nghệ ép nóng áp suất ép đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng khơng nhỏ đến tính chất lý sản phẩm tạo thành Chính luận văn tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng áp suất ép đến tính lý compozit tr/PP Mẫu chế tạo theo phương pháp tạo lớp prepreg ép với áp lực là: 40 KG/cm2 , 45KG/cm2, 50KG/cm2, 55 KG/cm2, 60 KG/cm2 ép thời gian 20 phút với nhiệt độ ép 190OC lý thể bảng 3.4 50 auk hi để nguội tạo mẫu, đo kết Bảng 3.4: Ảnh hưởng áp suất lên tính chất vật liệu: Áp suất (KG/cm2) Bền kéo (Mpa) Uốn (Mpa) Va đập (KJ/m2) 40 215 210 33 45 225 227 35 50 231,28 229,5 38 55 232,8 228 38 60 232,05 229 37,5 Từ kết bảng 3.4 cho thấy việc lựa chọn áp suất ép 50KG/cm2 với thời gian ép 20 phút nhiệt độ ép 190OC hoàn tồn hợp lý, điều kiện gia cơng nhận tính lý vật liệu cao 3.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PP/BF 3.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến độ hấp thụ nước PP/BF Mẫu compozit PP/BF gia công điều kiện mục 3.3.2 cắt thành hình trịn có đường kính 40mm; chiều dày 4mm, bề mặt nhẵn, khơng có bọt khí bên Cân khối lượng ban đầu mẫu compozit PP/BF khối lượng m0, tiếp ngâm mơi trường nước cân khối lượng theo thời gian Độ hấp thụ nước vật liệu tính theo cơng thức: %H2O hấp thụ = mt − m0 100 m0 Trong đó: m0: Khối lượng sợi sấy đến khối lượng không đổi, g Mt: Khối lượng sợi sau khoảng thời gian xác định (t), g 51 Hình 3.9: Độ hấp thụ nước vật liệu PP/BF theo thời gian với hàm lượng sợi 30% ; 40%; 50% Hàm lượng sợi ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Sự thay đổi độ bền kéo vật liệu hàm lượng sợi thay đổi từ 30% đến 50% thể rõ theo thời gian mẫu ngâm nước Kết xác định độ hấp thụ nước độ bền kéo sợi theo thời gian thể hình 3.9 hình 3.10 Hình 3.10: Ảnh hưởng độ hấp thụ nước compozit PP/BF tới độ bền kéo vật liệu Ban đầu, ngâm vật liệu compozit nước, nước chuyển sang màu vàng, lần cân khối lượng mẫu thời gian định thay nước, sau 20 nước khơng chuyển sang màu vàng khối lượng mẫu không thay đổi Kết đo độ bền kéo hình 3.10 cho thấy tăng hàm lượng sợi tre độ bền kéo vật liệu PP/BF tăng, hàm lượng 50%, độ bền kéo vật liệu đạt 52 cao nhất, nhiên độ hút nước cao Khi thời gian ngâm nước dài độ bền kéo giảm Với hàm lượng 30%, nhựa thấm ướt sợi hoàn toàn, lượng nhựa dư phân bố không vật liệu nên tính chất lý vật liệu khơng cao, mặt khác, độ bền nhựa thấp độ bền sợi nên hàm lượng nhựa nhiều làm giảm độ bền compozit Khi hàm lượng sợi 50%, lượng sợi lúc lại nhiều nhựa không đủ để thấm ướt hoàn toàn bề mặt Do đó, có số sợi bị co cụm tạo nên khuyết tật vật liệu, làm giảm độ bền vật liệu, quan sát bề mặt gãy phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy rõ cụm sợi tách biệt hẳn với nhựa (hình 3.11) (b) (a) © (a) PP/BF = 30/70 (b)PP/BF = 40/60 (c) PP/BF = 50/50 Hình 3.11: Ảnh hiển vi điện tử quét vật liệu PP/BF Từ kết lựa chọn tỷ lệ sợi/nhựa 40/60 cho nghiên cứu 3.4.2 Ảnh hưởng mơi trường hóa chất khác tới tính chất vật liệu PP/BF Các mơi trường hóa chất ảnh hưởng nhiều đến tính chất vật liệu Nếu mơi trường tác động lên thời gian dài ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong, phá hủy mối liên kết bề mặt phân chia pha, làm giảm tính chất 53 vật liệu Q trình khuếch tán nước hóa chất mơi trường vào vật liệu theo chế khuếch tán qua bề mặt nhựa, xuyên thấm qua vết nứt tế vi co ngót hay khuyết tật đúc nhựa, cách mao dẫn dọc theo chiều dài sợi gia cường bề mặt phân chia pha sợi – nhựa Khảo sát ảnh hưởng hóa chất đến tính chất vật liệu cách ngâm mẫu mơi trường hóa chất Mẫu cắt thành tròn từ vật liệu chế tạo theo điều kiện mục 3.3.2, hàm lượng sợi 40%, mép cắt không che phủ Các môi trường hóa chất chọn Nước, dung dịch NaCl 10%; dung dịch HCl 10%; dung dịch NaOH 20% Mức độ ảnh hưởng mơi trường hóa chất tính thay đổi khối lượng Kết trình bày hình 3.12 Hình 3.12: Sự thay đổi khối lượng vật liệu mơi trường hóa chất Đối với môi trường quan sát thấy dung dịch ngâm bị vẩn đục sợi tiếp xúc với mơi trường nên phần bị hịa tan vào mơi trường hóa chất Tuy nhiên, tượng chấm dứt sau tuần Từ kết cho thấy với mơi trường khác nhau, khối lượng thay đổi vật liệu tương tự nhau, thay đổi khối lượng nhanh thời gian đầu sau tăng chậm khơng đáng kể, nên nói thay đổi khối lượng chủ yếu tượng mao dẫn Trong môi trường, thay đổi khối lượng hai trình trái ngược nhau: tăng khối lượng mao dẫn giảm khối lượng hòa tan Điều khẳng định giảm khối lượng sau sấy 54 KẾT LUẬN Đã nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp xử lý sợi tre: tre ngâm NaOH 1N 700C 24 giờ, sau tiến hành cào, tách sợi Ở điều kiện này, sợi tre có đường kính đồng nằm khoảng 150 µm đến 220 µm, độ bền kéo đạt giá trị cao (250MPa đến 400MPa) so với sợi xử lý điều kiện khác luận văn Độ bám dính với nhựa loại sợi đạt giá trị cao (11,45MPa) Đã khảo sát điều kiện gia công compozit PP/BF chọn chế độ gia công phù hợp 1900C; 50KG/cm2 với thời gian ép 20 phút cho tính lý vật liệu cao Đã chế tạo vật liệu polyme compozit sở nhựa PP gia cường sợi tre dài đơn hướng khảo sát yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PP/BF Trong mơi trường nước, độ hấp thụ nước vật liệu PP/BF tăng nhanh vịng 15 ngày, sau đó, khối lượng PP/BF không thay đổi Khảo sát ảnh hưởng mơi trường hóa chất khác nhau: HCl10%; NaOH 20%; NaCl 10% H2O Kết thu NaOH H2O có ảnh hưởng nhiều đến tính chất lý vật liệu PP/BF, độ bền kéo giảm khoảng 30% so với vật liệu PP/BF ban đầu 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bùi Chương: Hoá lý polyme Nxb Bách Khoa Hà Nội (2006) [2] Bùi Chương, Lê Bá Chi: Nghiên cứu ảnh hưởng sợi tre đến tính chất vật liệu compozit lai tạo ép nóng khn (BMC) Tạp chí Hố Học, T 40 (3A), 54 – 57 (2002) [17] Phạm Minh Hải, Nguyễn Trường Kỳ: Vật liệu phi kim công nghệ gia công Nxb Giáo Dục, 24 – 32 (2009) [5] Trần Vĩnh Diệu, Trần Trung Lê: Môi trường gia công chất dẻo compozit Nxb Bách Khoa Hà Nội (2006) [6] Trần Vĩnh Diệu, Phan Thị Minh Ngọc, Đoàn Thị Yến Oanh, Lê Cao Chiến, Vũ Minh Đức: Chế tạo vật liệu compozit sinh học nhựa polyvinylancol gia cường sợi nứa Tạp chí Hố Học, T 47 (4), 445 – 450 (2009) [7] Trần Vĩnh Diệu, Bùi Chương, Tạ Thị Phương Hoà, Nguyễn Huy Tùng: Nghiên cứu biến tính bề mặt số loại sợi tự nhiên Việt Nam Tạp chí Hố Học, T 48 (4A), 411 – 416 (2010) [8] Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái: Vật liệu compozit vấn đề khoa học phát triển ứng dụng Nxb Bách Khoa Hà Nội (1995) [9] Ta Thi Phuong Hoa, Nguyen Chau Giang, Nguyen Huy Tung, Bui Chuong: Materials based on micro fiber extracted from bamboo; I Exploratation on processing of microfibrillated cellulose from bamboo fiber, Proceedings –JSPS Asia-Africa Science Plattform on Neo-Fiber Technology- Seminar Series 5Development of Intelligent and Human-oriented FiberTechnology utilizing Suitainable Natural Resources 20-23/7/2009, Hanoi, pp 78-82 [3] Mai Văn Tiến, Phạm Thế Chinh, Nguyễn Hường Hảo: Polyme phân huỷ sinh học sở polyvinylancol với tinh bột sắn Tạp chí Hoá Học, T.48 (4A), 152 – 256 (2010) [4] Nguyễn Huy Tùng, Nguyễn Thị Thuỷ, Nguyễn Hồng Nhung, Bùi Chương: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit thân thiện môi trường từ nhựa poly(butylen 56 succinat) (PBS) gia cường sợi tự nhiên Tạp chí Hố Học, T 48 (4A), 406 – 410 (2010) Nước ngoài: [27]: Flávio de Andrade Silva, Barzin Mobasher, Romildo Dias de Toledo Filho Advances in Natural Fiber Cement Composites: A Material for the Sustainable Construction Industry [21]: Harutun G Karian, RheTech Handbook of polypropylene and polypropylene composite Whitmore Lake, Michigan, U.S.A (2003) [14] Hitoshi Takagi: Development of all-bamboo composites The second Joint Vietnam – Japan Workshop on Green Composite, November 25 – 27, 24 – 25 (2007) [25]: H Savastano JR, S.F Possantos and V Agopyan Sustainability of vegetable fibres in construction Woodhead publishing limited, Universadate de Sao Paulo Brazil [19]: K Ghavami, C S Rodrigues, S Paciornik Bamboo: Funtionally graded composite material Asisn journal of civil engineering (building and housing) vol 4, No (2003) pages -10 [20]: Kazuya Okubo, Toru Fujii, Naoya Yamashita Improvement of interfacial adhension in bamboo polymer composite enhances with micro-fibrillated cellulose JSME international journal Series A, vol 48, No.4, (2005) [10] L.Osorio, E.Trujillo, A.W Van Vuure, F Lens, J Ivens, I Verpoest: The relation between bamboo fiber microstructure and mechanical properties 14th EUROPEAN Conference on Composite materials 7-10 June 2010, Budapest, Hungary [23]: Mwaikambo, L Y Review of the history, properties and application of plant fibres African Journal of Science and Technology (AJST) Science and Engineering Series Vol 7, No 2, pp 120 – 133, (2006) 57 [11] Mohamed Malainine, Mostafa Mahrouz, Alain Dufresne: Thermoplastic nanocomposites based on cellulose microfibrils from Opuntia ficus-indica parenchyma cell Composites Science and Technology 65 (2005) 1520-1526 [13] Mohanty A.K., M Misra, G Hinrichsen: Biofiber, biodigradable polymers and biocomposites An Overview Macromol Mater Eng 276/277, – 24 (2000) [15] Ryoko Tokoro, Kazuya Okubo, Toru Fujii, Dieu Tran Vinh: Study on how to improve mechanical properties of PLA with bamboo fibers Proceeding of 12th Regional Symposium on Chemical Engineering November 30th – December 2nd, Hanoi, Vietnam Materials Science and Engineering, 246 – 252 (2005) [16] Ryoko Tokoro, Kazuya Okubo, Toru Fujii, Dieu Tran Vinh: Appropriate bamboo fiber shape to improve mechanical properties of polylactic acid under dry and high humidity condition Proceeding of 4th International Workshop on Green Composites September 14 – 15, Tokyo, Japan, 17 – 22 (2006) [26]: Roger M Rowell, Anand R, Sanadi, Daniel F Caul-field and Rodney E Jacobson Utilization of Natural Fibers in Plastic Composites: Problems and Opportunities (1997) [18]: Wei Zhang, Hailing Yang and Ronald Moffitt Bamboofiber reinforced eco-composites bay wetlay process and melt process Advanced and Applied Polymer Processing Institute Institute for Advanced Learning and Research 300 Ringgold Industrial Parkway, Danville, VA 24540 [22]: Xiaobo Li Physical, chemical, and mechanical properties of bamboo and its utilization potential for fiberboard manufacturing B.S Beijing Forestry University, (1999) 58 ... COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT 1.3 VẬT LIỆU... dụng vật liệu chế tạo nên nội dung chủ yếu đề tài : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sinh tọc sở nhựa polyetylen gia cường sợi tre dài đơn hướng? ?? CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ... 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT Nhiều thập niên qua, nhà khoa học quan tâm nghiên cứu loại vật liệu polyme gia cường sợi thực vật Chất gia cường cho vật liệu compozit thường sợi