TỔNG QUAN
VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu composite [2]
Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều thành phần khác nhau, có nguồn gốc từ từ "composite" trong tiếng Anh, mang ý nghĩa vật liệu hỗn hợp Loại vật liệu này đã được con người sử dụng từ xa xưa, ví dụ như người Hy Lạp cổ đã pha trộn mật ong với đất, đá và cát để làm vật liệu xây dựng Hơn 3000 năm trước, người Ai Cập đã sử dụng đất sét gia cường bằng trấu để tạo ra những bức tường kiên cố Tại Việt Nam, truyền thống làm "nhà tranh, vách đất" với bùn trộn rơm băm đã được áp dụng từ lâu, tạo ra những bức tường cứng chắc, giúp nhà mát mẻ vào mùa hè và ấm áp vào mùa đông.
Mặc dù composite là vật liệu có từ lâu đời, ngành khoa học về vật liệu composite vẫn còn non trẻ, bắt đầu phát triển từ những năm 50 của thế kỷ XX với sự xuất hiện đầu tiên trong công nghệ tên lửa tại Mỹ Kể từ đó, khoa học công nghệ vật liệu composite đã có bước tiến vượt bậc không chỉ ở Mỹ mà còn ở Nga, Trung Quốc, và các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản Hiện nay, composite đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông vận tải, xây dựng đến các ngành công nghiệp nặng như chế tạo máy, khai thác dầu khí, đóng tàu, điện lực và hóa chất, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ.
1.1.2 Tổng quan về vật liệu composite
Composite là vật liệu tổ hợp bao gồm ít nhất hai thành phần cơ bản: vật liệu nền và cốt gia cường Mục tiêu của việc kết hợp này là tạo ra một vật liệu mới với tính năng vượt trội hơn hẳn từng thành phần khi được xem xét riêng lẻ.
Thành phần cơ bản của vật liệu composite:
Nền (matrix) là thành phần chính trong vật liệu composite, đóng vai trò gắn kết các phần cốt lại với nhau, giúp đảm bảo tính liền khối của sản phẩm Nó quyết định khả năng chịu nhiệt và chịu ăn mòn của vật liệu, đồng thời ảnh hưởng đến phương thức chế tạo sản phẩm composite.
Cốt gia cường (reinforced) là một loại pha không liên tục, được phân bố theo hai hướng đẳng hướng hoặc dị hướng, bao gồm các dạng như sợi và hạt với cấu trúc đa dạng Thành phần cốt này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ cứng và độ bền cơ học của vật liệu composite.
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào:
Cơ tính của các vật liệu thành phần
Phân bố hình học của vật liệu cốt
Tác dụng tương hỗ, lực liên kết giữa các vật liệu thành phần
1.1.2.2 Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite đƣợc phân loại theo hình dạng và bản chất của các vật liệu thành phần a Phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt gia cường
Vật liệu composite cốt sợi:
Sợi gia cường ở dạng liên tục hay gián đoạn (cắt ngắn, vụn) Cơ – lý tính vật liệu composite phụ thuộc vào:
Bản chất của vật liệu thành phần
Tỉ lệ của các vật liệu tham gia
Vật liệu composite cốt hạt:
Hạt được sử dụng để cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu, như tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn và giảm độ co ngót Ngoài ra, hạt còn giúp giảm giá thành sản phẩm Phân loại hạt có thể dựa trên bản chất vật liệu thành phần.
Kết hợp với vật liệu cốt có dạng:
- Sợi hữu cơ : polyamit, kevlar
- Sợi khoáng : thủy tinh cacbon
- Sợi kim loại : Bo, nhôm
Kết hợp với vật liệu cốt có dạng:
Kết hợp với vật liệu cốt có dạng:
- Hạt kim loại: chất gốm kim
Trong lĩnh vực polymer, vật liệu composite là sự kết hợp giữa nhựa (chất nền) và cốt gia cường (dạng hạt, dạng sợi, ) với tính chất cơ lý hóa vượt trội hơn nhựa nền Cốt gia cường không chỉ nâng cao tính năng mà còn có thể giảm giá thành sản phẩm Ở Việt Nam, vật liệu composite chủ yếu được biết đến qua ứng dụng của polyme composite, do đó, thuật ngữ "vật liệu composite" thường được hiểu là polyme composite.
Nhựa nền là chất kết dính quan trọng, giúp chuyển đổi cốt từ dạng rời rạc sang dạng liên tục, đồng thời tạo ra môi trường để truyền tải ứng suất từ cốt khi có ngoại lực tác động.
Người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn:
Nhựa nhiệt dẻo: PE, PVC,…
Nhựa nhiệt rắn: Phenol Formaldehyd (PF), Ure Formaldehyd (UF), epoxy, Polyeste không no (UPE), … b Cốt gia cường
Cốt gia cường đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì cốt có tính năng cơ lý, hóa cao hơn nhựa nền
Cốt gia cường được đánh giá qua các đặc điểm sau:
Tính gia cường cơ học
Tính kháng hóa chất , môi trường , nhiệt độ
Khả năng phân tán vào nhựa
Khả năng truyền nhiệt , giải nhiệt
Sự thuận lợi cho quá trình gia công
Tùy vào yêu cầu cho từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta lựa chọn vật liệu cốt thích hợp
Cốt dạng hạt: Composite tạo thành là composite hạt Các cốt dạng hạt thường dùng như:
+ Graphite, oxide sắt… làm tăng độ dẫn điện hay tạo ra những vật đúc có tính cảm ứng từ
+ Al 2 O 3 , bột kim loại,… tăng độ dẫn nhiệt của nhựa
+ Silica, TiO 2 , bột đá, CaCO 3 ,…
- Loại hữu cơ: PVC, parafin clo hóa,… làm hạn chế sự cháy cho nhựa Đặc điểm việc chọn cốt dạng hạt cho nhựa:
- Giảm giá thành sản phẩm
- Tăng thể tích cần thiết cho nhựa
- Tăng độ bền nén và mođun ban đầu
- Cải thiện một số tính chất cho nhựa: độ dẫn nhiệt, dẫn điện, chậm cháy, chậm chảy
- Giảm sự co rút thể tích
- Tạo mỹ quan cho bề mặt vật liệu
Tuy nhiên nếu dùng lƣợng quá nhièu sẽ làm giảm độ bền uốn, độ bền kéo
Composite sợi gia cường là loại vật liệu được tạo thành từ cốt dạng sợi, bao gồm các loại sợi như sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi bo, sợi amid, sợi bazan và sợi thiên nhiên như bông, đay, dứa dại.
Cốt dạng sợi là một loại vật liệu gia cường có khả năng cải thiện cơ lý tính vượt trội hơn so với cốt dạng hạt, mặc dù giá thành của nó cao hơn Loại cốt này thường được sử dụng trong việc chế tạo các sản phẩm vật liệu cao cấp.
Nghiên cứu cho thấy rằng trong composite sợi hoặc hạt, hàm lượng vật liệu cốt có giới hạn tối đa Nếu vượt quá giới hạn này, quá trình gia công sẽ gặp khó khăn và đặc tính cơ lý cũng như hóa tính của vật liệu composite sẽ bị suy giảm.
1.1.3.2 Đặc điểm tính chất và ứng dụng của vật liệu composite
Vật liệu composite là một loại vật liệu đa dạng và phong phú, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống nhờ vào những đặc điểm ưu việt của nó.
Tỷ số (tính năng cơ lý/giá thành) và tỷ số (tính năng cơ lý/khối lƣợng) cao hơn sắt thép rất nhiều
Rẻ hơn thép, không rỉ
Nhẹ hơn nhôm và hợp kim của nhôm
Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn
Phương pháp gia công, chế tạo đơn giản và đa dạng
Chi phí đầu tƣ thấp
Với các ƣu điểm nổi bật đó, vật liệu composite ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực và đời sống nhƣ:
- Vật liệu gia dụng: lavabo, bồn tắm, bàn ghế, tấm trần, tấm cách âm
- Vật liệu xây dựng: tấm lợp, cấu kiện nhà lắp ghép, dầm chịu lực, đá ốp lát
- Vật liệu điện: mạch in, tấm cách điện, vỏ bảo vệ các vi mạch cao tầng, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế
- Vật liệu chịu hoá chất: ống dẫn, bồn chứa, bể điện phân
- Giao thông vận tải: vỏ tàu, vỏ thân xe hơi
- Hàng không, vũ trụ: cánh, khung thiết bị đáp
Composite là vật liệu của tương lai, nó đang thay thế dần cho các vật liệu truyền thống nhƣ: gỗ, kim loại, gốm sứ
1.1.3.3 Lý thuyết kết dính bề mặt nhựa - sợi
Cốt là những điểm chịu ứng suất tập trung, giúp sản phẩm có tính chất cơ lý cao nhờ vào việc truyền tải ứng suất từ nhựa sang cốt Sự tương tác giữa bề mặt nhựa và cốt, bao gồm thành phần và cấu trúc bề mặt cốt cũng như bản chất của nhựa, quyết định hiệu quả truyền tải này Hình dạng và kích thước của cốt cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình này, trong đó cốt dạng sợi truyền tải ứng suất hiệu quả hơn cốt dạng hạt Khi ứng suất từ nhựa tác động lên sợi, nó được phân bố đều trên chiều dài sợi, dẫn đến ứng suất tại mỗi điểm nhỏ hơn so với cốt dạng hạt Do đó, bài viết chỉ tập trung vào cốt dạng sợi và phân tích các liên kết giữa bề mặt sợi và nhựa, bao gồm lực hấp thụ và thấm ướt.
Bề mặt sợi chứa các mao quản rỗng với số lượng và kích thước phụ thuộc vào bản chất và cách chế tạo sợi Nhựa lỏng thấm ướt bề mặt sợi nhờ lực vật lý và năng lượng liên kết bề mặt Quá trình thấm ướt diễn ra hiệu quả hơn khi sức cản giữa hai bề mặt thấp, trong khi độ ẩm và tạp chất có thể giảm khả năng thấm ướt Sau khi thấm, nhựa sẽ được hấp phụ vào các mao quản thông qua lực hấp phụ.
Bề mặt sợi có thể tích điện dương hoặc âm tùy thuộc vào thành phần và phương pháp xử lý Nhựa nền cũng có độ phân cực nhất định, dẫn đến tương tác tĩnh điện giữa sợi và nhựa, hình thành lớp điện tích kép trên bề mặt của hai vật liệu này Liên kết cơ học giữa chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
SỢI THIÊN NHIÊN - SỢI DỨA DẠI (SISAL)
1.2.1 Giới thiệu về cellulose sợi thiên nhiên
Sợi thiên nhiên chủ yếu được cấu thành từ cellulose, và ứng dụng của chúng trong vật liệu composite đang thu hút sự chú ý đáng kể Nghiên cứu về bản chất và tính chất của các loại sợi thiên nhiên đang ngày càng được mở rộng, từ đó phát triển kỹ thuật ứng dụng một cách hiệu quả hơn.
1.2.2 Nguồn gốc và phân loại sợi thiên nhiên [11]
Sợi có thể được phân loại theo nhiều cách, nhưng phân loại phổ biến nhất dựa trên vị trí của sợi trên cây Theo cách này, sợi được chia thành ba loại chính: sợi từ hạt (quả), sợi từ vỏ và sợi từ lá Ví dụ điển hình của sợi từ hạt là sợi bông và xơ dừa; trong khi đó, sợi đay và sợi lanh là hai loại quan trọng từ thân cây Cuối cùng, sợi từ lá tiêu biểu nhất là sợi sisal và abaca (cây chuối abaca).
Cách phân loại sợi thứ hai dựa trên tiêu chuẩn chức năng Sợi có diện tích mặt cắt ngang nhỏ thường ít uốn cong và có độ cứng khi xoắn thấp, tạo ra sản phẩm mềm mại và dai, được gọi là sợi mềm, như bông Ngược lại, sợi thô hơn có độ uốn cong và độ cứng khi xoắn cao, mang lại cảm giác thô ráp khi chạm vào, được gọi là sợi cứng, với ví dụ điển hình là sợi sisal và abaca.
1.2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sợi thiên nhiên [6] Để đƣa đƣợc sợi thiên nhiên vào sử dụng trong các ứng dụng khác nhau nhằm tăng giá trị cho sợi và đặc biệt là có thể sử dụng sợi thiên nhiên nhƣ một vật liệu gia cường cho nền nhựa trong tổ hợp composite có công dụng cao đòi hỏi chúng ta phải có kiến thức sâu về quá trình trồng trọt, phân bón, thu hoạch, xử lý tự nhiên sơ bộ tại nông trường, xử lý vật lý, hoá học và quá trình gia công a Yếu tố nông nghiệp Đó là việc kiểm soát sự phát triển cây trồng và kỹ thuật chế biến sợi Quá trình sinh học của sự phát triển cây trồng tùy thuộc vào một số yếu tố nhƣ yếu tố di truyền, thời tiết, vùng lãnh thổ, điều kiện đất đai, mật độ trồng trọt, mức độ và loại phân bón sử dụng… Qua nhiều kết quả nghiên cứu đã cho thấy giữa điều kiện trồng trọt và kết quả chất lƣợng sợi thiên nhiên là hai yếu tố liên quan chặt chẽ với nhau b Yếu tố chế biến
Bước đầu tiên trong quá trình chế biến sợi là tách sợi ra khỏi thân cây hoặc lá bằng các phương pháp cơ học, phụ thuộc vào độ tuổi và mức độ phân rã sinh học của cây Quá trình này cho ra các loại sợi từ mịn đến thô Tiếp theo, sợi sẽ được làm mịn hơn bằng phương pháp cơ học, trong đó khả năng tách sợi mịn hơn từ bó sợi mà không làm hỏng sợi cũng bị ảnh hưởng bởi quá trình phân rã sinh học trước đó Sau khi có sợi mịn, chúng sẽ được xử lý qua các giai đoạn vật lý và hóa học tiếp theo để đáp ứng yêu cầu sử dụng.
1.2.2.2 Một số tính chất đặc trƣng sợi thiên nhiên [6] a Tính chất cơ học của sợi
Sợi thiên nhiên có tính chất cơ học đa dạng và thay đổi rất rộng, khác với sợi tổng hợp, khiến cho việc tổng hợp kết quả để đại diện cho tính chất của sợi thiên nhiên trở nên khó khăn Bên trong một cây, sợi có nhiều hình thái khác nhau do sự phân bố không đồng đều chất lượng trong cây.
Cấu trúc vĩ mô, vi mô và tiểu vi mô của sợi phụ thuộc vào điều kiện phát triển của cây Sợi là một composite phức tạp, với tính chất bị ảnh hưởng bởi độ trùng hợp của cellulose, sự sắp xếp của sợi mịn, độ kết tinh, hàm lượng và thành phần hóa học của các vật liệu phi cellulose như hemicellulose, lignin, pectin và sáp.
Do sự biến đổi lớn trong tính chất của sợi, việc xác định giá trị đại diện cho sợi đơn là rất khó khăn Vì vậy, để đánh giá chính xác từng tính chất của sợi, cần thực hiện nhiều phép đo trên nhiều sợi trong các bó sợi Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả tính chất của sợi là
Khuyết tật trên trục sợi do xay xát, trầy xướt … nên cả độ bền kéo và module của sợi tùy thuộc vào chiều dài sợi làm mẫu đo
Diện tích mặt cắt ngang của sợi nhỏ nên khả năng chịu lực của sợi tương đối thấp c Tính chất hóa học
Hoạt tính hóa học của sợi chịu ảnh hưởng từ điều kiện gia công và quá trình biến tính Trong số các tính chất hóa học, độ phân cực và khả năng hút ẩm của sợi là những yếu tố quan trọng nhất được nghiên cứu.
1.2.2.3 Cấu trúc vật lý của sợi thiên nhiên [6,11,18]
Hình 1.11: Cấu trúc của sợi
Sợi thực vật tự nhiên bao gồm các hệ thống đơn bào và đa bào, trong đó sợi bông và bông gạo là những ví dụ tiêu biểu cho hệ thống đơn bào Các loại sợi khác thường xuất hiện dưới dạng các bó đa bào, được gọi là sợi đa bào.
Các hệ thống đa bào trong các bó được kết nối với nhau thông qua các polymer tự nhiên, có thể là nhựa, gum hoặc xi măng, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
Hệ thống đa bào hình thành nhờ sự sắp xếp chặt chẽ của các tế bào theo dạng đa giác ở mặt cắt ngang và sự định hướng dọc theo bó sợi Kích thước tế bào, bao gồm chiều dài và đường kính, có sự biến đổi lớn tùy thuộc vào loài thực vật, độ trưởng thành, vị trí trong cây và quy trình chiết tách.
Sợi thiên nhiên từ thực vật bao gồm nhiều tế bào, được hình thành từ các vi sợi kết tinh dựa trên cellulose, kết nối với nhau nhờ hemicellulose và lignin vô định hình Tính chất cơ học của sợi thiên nhiên phụ thuộc vào góc xoắn và hàm lượng cellulose, cùng với tỷ lệ sợi mịn kết tinh và định hướng của chúng.
Nhiều tác giả đã nỗ lực mô tả các giá trị cơ học đặc trưng của sợi thiên nhiên dựa trên cấu trúc của chúng Các nghiên cứu lý thuyết hiện tại chủ yếu tập trung vào hai thông số quan trọng: hàm lượng cellulose và góc xoắn của sợi mịn.
Độ bền của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào độ dai mà còn bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật trong cấu trúc của chúng Cụ thể, độ bền của sợi tỷ lệ thuận với hàm lượng cellulose và tỷ lệ nghịch với góc xoắn theo trục của sợi.
NHỰA POLYESTE KHÔNG NO (UNSATURATED POLYESTERS:UPE) 53 1 Khái niệm
UPE là một loại polymer được tạo ra thông qua phản ứng trùng ngưng giữa polyol và polyacid, trong đó chứa các nối đôi có khả năng trùng hợp và đồng trùng hợp Những nối đôi này thường được đưa vào từ polyacid.
1.3.2 Phản ứng tổng hợp UPE
Phản ứng tổng hợp UPE là phản ứng trùng ngƣng – đa tụ qua 2 giai đoạn và tùy thuộc vào tỷ lệ giữa các chất [7]
Chọn tỷ lệ phản ứng EG/AM/AP = 2/1/1
Hình 1.34: Phản ứng tạo monoesther
CH 2 OOC CH CH COO
Hình 1.35: Phản ứng trùng ngƣng đa tụ polyesther 1.3.3 Đóng rắn UPE
Nhựa UPE có thể đóng rắn bằng phản ứng đồng trùng hợp với monomer khi có mặt chất khơi mào Phản ứng cơ bản nhƣ sau [7] :
ROOR' Co(5) 2+ R OOR' RO OR' ROO R' R
O CH 2 CH 2 OOC CH COO CH 2 CH 2 O C O
O CH 2 CH 2 OOC CH CH COO CH 2 CH 2 O C O
O CH 2 CH 2 OOC CH CH COO CH 2 CH 2 O C O
CH CH 2 x (7) x có thể từ 1 ÷ 3
Hình 1.36: Phản ứng đóng rắn UPE
1.3.4 Tính chất của UPE và ứng dụng
UPE sau khi được tổng hợp có dạng lỏng nhớt, màu vàng hoặc hồng, với độ nhớt từ 1800 đến 2800 cp Thời gian chảy qua cup 4 dao động từ 120 đến 160 giây, tùy thuộc vào cấu trúc và hàm lượng monomer tương hợp Dưới điều kiện bảo quản không tiếp xúc với không khí và ở nhiệt độ thường, UPE có thể duy trì chất lượng từ 6 đến 8 tháng mà không bị gel Tuy nhiên, khi tiếp xúc với không khí và nhiệt độ cao, thời gian bảo quản sẽ giảm.
UPE sau khi đóng rắn sở hữu độ bền cơ tính cao, làm cho nó trở thành vật liệu composite lý tưởng với khả năng chịu lực tốt và biến dạng đàn hồi cao UPE có khả năng chống chịu tốt với môi trường dung môi, sương muối, tia tử ngoại, và đặc biệt là khả năng chịu acid HCl 15% và HNO3 7% Tuy nhiên, UPE lại kém chịu NaOH trên 2%.
UPE đƣợc sử dụng chủ yếu làm vật liệu composite, sản phẩm đúc… Trong môi trường không khí, composite UPE có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ 35 ÷
VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ SỢI SISAL VÀ NHỰA UPE
Sợi thiên nhiên là một polymer phức tạp, bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin và các chất trích ly Cellulose, với công thức phân tử (C6H10O5)n, là thành phần cơ bản và là một trong những polysaccarit phổ biến nhất trong tự nhiên Độ trùng hợp n của cellulose thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp xử lý sợi.
Mạch cellulose, với nhiều nhóm hydroxyl linh động, là một polyme phân cực, và khả năng tham gia phản ứng của nó chủ yếu phụ thuộc vào các nhóm OH Trong khi đó, nhựa polyesther không no là polyme phân cực trung bình, do đó, để tạo liên diện tốt cho vật liệu composite gia cường bằng sợi sisal, cần thực hiện quy trình xử lý hóa học và biến tính bề mặt sợi.
Hình 1.37: Công thức cấu tạo phân tử UPE
Quá trình xử lý hóa học bằng dung dịch NaOH không chỉ giúp loại bỏ lignin và các chất trích ly phi cellulose mà còn tạo ra bề mặt sần sùi và cấu trúc lỗ xốp, từ đó cải thiện khả năng bám dính của sợi với nhựa nền Để tăng cường liên kết và đảm bảo sợi thấm ướt tốt với nhựa trong quá trình gia công, cần thực hiện biến tính bề mặt sợi theo hai hướng.
Biến bề mặt sợi bằng các tác nhân tương hợp làm tăng độ phân cực giữa bề mặt sợi và nhựa nền, từ đó tạo ra liên kết vật lý Liên kết này giúp sợi thấm nhựa dễ dàng hơn, tạo ra liên diện bền chắc hơn.
Biến tính bề mặt sợi bằng các tác nhân tương hợp như silanes có nối đôi vinyl giúp tạo ra liên kết hóa học bền vững, từ đó cải thiện sự liên kết giữa sợi và nhựa nền, nâng cao cơ tính của vật liệu composite.
Có nhiều phương pháp xử lý biến tính bề mặt sợi thiên nhiên được sử dụng sau khi đã qua xử lý NaOH [18] :
Sợi sisal acetylated không sử dụng chất xúc tác được xử lý bằng cách trung hòa NaOH, rửa sạch và sấy khô Sau đó, sợi được ngâm trong dung dịch acid acetic 50% pha với nước trong 5 phút, tiếp theo là rửa sạch bằng nước và sấy khô Tuy nhiên, do không có chất xúc tác trong quá trình phản ứng, mức độ acetyl hóa chỉ đạt ở cấp độ thấp.
Sợi sisal được acetyl hóa bằng cách sử dụng chất xúc tác, bắt đầu bằng việc xử lý sợi bằng xút Sau đó, sợi được cho vào axit acetic và khuấy trộn trong quá trình reflux Hỗn hợp này được gia nhiệt lên 100 độ C, sau đó thêm iodine để xúc tác phản ứng Quá trình khuấy trộn tiếp tục cho đến khi hỗn hợp chuyển sang màu nâu tối, rồi hạ nhiệt độ về nhiệt độ phòng Cuối cùng, iodine trong phản ứng được trung hòa bằng dung dịch sodium thiosulfate bão hòa, tiếp tục khuấy trộn cho đến khi đạt được trạng thái mong muốn.
COOCH 2 CH 2 OCOCH = CHCOOCH 2 CH 2 O –
CO hợp không màu Tiếp tục cho vào ethanol khuấy trộn trong 20 phút sau đó lọc rửa và sấy đến khi khối lƣợng không đổi
Hình 1.38: Phản ứng acetylated cellulose sử dụng Iodine làm chất xúc tác
Sợi sisal được biến tính bằng acrylonitril thông qua quy trình xử lý xút, trong đó sợi được ngâm trong dung dịch 4% sodium hydroxide và sodium thiocyanate trong 30 phút Sau khi ngâm, sợi được làm ráo nước và cho vào bình đáy tròn để phản ứng với acrylonitril theo tỷ lệ 1:3 trong 1 giờ ở nhiệt độ 40 – 45 độ C Sau phản ứng, dung dịch acid acetic được sử dụng để trung hòa đến pH 6-7, và cuối cùng, sợi được rửa sạch bằng nước và dung dịch cồn 95%.
Sử dụng chất tương hợp amino silane (A-1100 gamma-amine propyl triethoxysilane) là một phương pháp hiệu quả để xử lý sợi Sau khi được xử lý bằng xút, sợi sẽ được ngâm trong dung dịch amino silane trong cồn 95% Quá trình này giúp silane thực hiện phản ứng thủy phân, cải thiện tính tương hợp của sợi.
Hình 1.39: Phản ứng thủy phân Amino Silanes
Sau đó tiến hành sấy sợi để thực hiện phản ứng giữa các nhóm OH của silane với các nhóm OH của cellulose:
Hình 1.40: Phản ứng giữa các nhóm OH của silane với các nhóm
Sử dụng chất tương hợp silane có chứa nhóm vinyl có khả năng tạo liên kết hóa học với nhựa nền: A-151, A-171, A-2171
Hình 1.41: Công thức cấu tạo các Vinyl Silanes
Phản ứng thủy phân Vinyl Silane trong môi trường cồn:
Hình 1.42: Phản ứng tạo nhóm OH của Vinyl Silanes
Sau đó tiến hành sấy sợi để thực hiện phản ứng giữa các nhóm OH của silane với các nhóm OH của cellulose:
Hình 1.43: Phản ứng giữa nhóm OH của Vinyl Silanes với nhóm OH của sợi
Tác dụng của chất khơi mào lên gốc Vinyl:
ROOR' Co (5) 2+ R OOR' RO OR' ROO R' R
Hình 1.44: Phản ứng tạo gốc tự do của Vinyl
Phản ứng tạo liên kết hóa học với nhựa UPE:
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SỢI SISAL
1.5.1 Các nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới
Năm 2004, sản lượng sợi sisal toàn cầu ước đạt khoảng 300.000 tấn, trong đó Brazil dẫn đầu với 199.000 tấn, xuất khẩu 65.000 tấn với giá từ 900 đến 1.000 USD/tấn Kenya sản xuất 40.000 tấn và xuất khẩu 31.000 tấn, trong khi Tanzania có 28.000 tấn, xuất khẩu 18.000 tấn Madagascar cũng đóng góp với 20.000 tấn và xuất khẩu 9.000 tấn.
Về nhập khẩu, năm 2000 Trung Quốc nhập khoảng 5.000 tấn, năm 2002 khoảng 25.000 tấn và năm 2003 là 35.00 tấn; năm 2000 Châu Âu nhập khẩu 40.000 tấn, năm 2002 là 30.000 tấn, năm 2003 là 35.000 tấn;
Tại Ấn Độ, sợi sisal được sử dụng để sản xuất vật liệu composite từ nhựa PP, đồng thời sợi sisal cũng được áp dụng như một giải pháp thay thế cho amiăng trong việc chế tạo tấm lợp fibrô.
Theo nguồn tài liệu của FAO, vật liệu composite trên cơ sở sợi sisal và nhựa
PP được sử dụng để sản xuất nhiều cấu kiện dạng profile trong ngành xây dựng, bao gồm pano cửa, tấm phân cách, cửa đi, mặt bàn, ghế và các dụng cụ dân dụng khác.
Sợi dứa, với đặc tính không thấm nước, chịu lực kéo tốt và khả năng chống mặn, thường được sử dụng để làm dây thừng, dây chão cho các hoạt động trên biển Ngoài ra, sợi này còn được dùng để đan võng, sản xuất bao bì và thảm Đặc biệt, nhờ khả năng bắt màu tốt, sợi sisal cũng rất được ưa chuộng trong việc đan túi xách tay và dệt thảm.
Nhà khoa học Marsin cùng các cộng sự tại Brasil đã áp dụng phương pháp plasma để biến tính sợi sisal, nhằm cải thiện khả năng tương hợp với nhựa HDPE Nhờ đó, tính chất cơ học của vật liệu được nâng cao đáng kể.
Các nhà khoa học Brazil, nơi nổi tiếng với cây dứa dại, đã tiến hành nghiên cứu sâu về cấu tạo, cấu trúc và tính chất của sợi sisal, cũng như các đặc điểm vật lý của chúng.
Sợi sisal được sử dụng để sản xuất vật liệu composite kết hợp với các loại nhựa nhiệt dẻo như PE, PP, và PVC, giúp cải thiện một phần các tính chất cơ lý như độ bền kéo và va đập Mặc dù mức tăng không lớn, nhưng giá trị mô đun đàn hồi và độ cứng được cải thiện đáng kể, tạo ra khả năng ứng dụng cao cho vật liệu này.
Nhựa nhiệt rắn epoxy composite kết hợp với sợi sisal có độ bền kéo từ 200 đến 300 MPa Mặc dù chỉ bằng một nửa so với vật liệu composite sợi thủy tinh – epoxy, nhưng nhựa này lại có khối lượng riêng và giá thành thấp hơn đáng kể.
Satya Narayana đã nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu composite từ sợi MAT sisal và polyester, với giá trị Modun đạt tới 1,9 GPa, gần bằng 2,71 GPa của vật liệu sợi thủy tinh – polyester.
Ngoài ra, một số nhà khoa học nhƣ Coran, năm 1995 cũng đã dùng sợi sisal để chế tạo vật liệu composite trên nền cao su
Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang tập trung nghiên cứu các tính chất và khả năng ứng dụng của sợi sisal trong việc chế tạo vật liệu composite.
1.5.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong nước
Cây dứa dại không chỉ cung cấp sợi sisal có giá trị kinh tế cao mà còn có nhiều ứng dụng khác như thức ăn cho gia súc và nước giải khát từ nước ép Ngoài ra, cây dứa còn có khả năng chống xói mòn và ngăn cháy hiệu quả Tuy nhiên, việc khai thác và ứng dụng các lợi ích này vẫn chưa được chú trọng, dẫn đến sự suy giảm đáng kể của cây dứa ở Việt Nam, đặc biệt ở các tỉnh miền Trung và miền núi phía Bắc Tại Ninh Thuận và Bình Thuận, cây dứa mọc hoang và được người dân khai thác để sản xuất võng, dây thừng và túi xách Mặc dù một số cơ sở nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu về sợi sisal, nhưng tiến trình này vẫn chưa đủ mạnh mẽ, cho thấy chúng ta đang bỏ lỡ một nguồn nguyên liệu quý giá.
Sản lượng sợi sisal của nông dân Ninh Thuận - Bình Thuận ước tính đạt khoảng 10-20 tấn mỗi năm Nếu được quy hoạch và chăm sóc đúng cách, giá trị của sợi sisal sẽ tăng lên đáng kể Thêm vào đó, thị trường quốc tế đang tiêu thụ sợi sisal với nhu cầu cao.
Những định hướng và đề tài nghiên cứu:
Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polymer thuộc Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã đề xuất với Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Ninh Thuận nghiên cứu quy hoạch trồng 2 ha cây dứa Mục tiêu của đề tài là tính toán hiệu suất, đầu tư và giá cả, nhằm phục vụ cho quy hoạch lâu dài về cây công nghiệp này.
Trong bốn năm qua, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polymer thuộc Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tiến hành nghiên cứu nhằm ứng dụng sợi sisal Sợi sisal thô được khai thác và cung cấp bởi người dân Ninh Thuận.
Trung tâm đã tiến hành nghiên cứu các thành phần trong sợi và áp dụng quy trình xử lý hóa học để loại bỏ lignin và hemicellulose Bước tiếp theo là biến tính bề mặt sợi bằng hệ chất liên diện MA-g-PP nhằm chế tạo vật liệu composite từ nhựa PP và PE, với kết quả ban đầu cho thấy triển vọng khả quan.
Trung tâm cũng đã bước đầu nghiên cứu ứng dụng sợi sisal để chế tạo vật liệu composite nền nhựa polyester không no
![Bảng 1.8: Kết qủa TG của sợi dứa cĩ và khơng xử lý nhiệt.[16] - Vật liệu composite trên cơ sở sợi sisal và nhựa polyesther không no](https://media.store123doc.com/figures/002/701/bang-ket-qua-soi-dua-khong-xu-nhiet-2701248.png)
