TỔNG QUAN
Vật liệu composite [2,3]
Vật liệu composite là sản phẩm được tạo ra bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một loại vật liệu mới với những tính năng vượt trội hơn so với các vật liệu ban đầu khi chúng hoạt động độc lập.
1.1.2 Thành phần và cấu tạo
Mỗi vật liệu composite bao gồm một hoặc nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất, với pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrice) có nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn Pha gián đoạn, hay còn gọi là cốt hoặc vật liệu tăng cường (reinfort), được trộn vào pha nền nhằm nâng cao cơ tính, tính kết dính, khả năng chống mòn và chống xước của vật liệu.
Chất kết dính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo môi trường phân tán và truyền ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác động lên vật liệu Nó có thể được hình thành từ một chất đơn lẻ hoặc từ hỗn hợp nhiều chất được trộn đều, tạo ra một thể liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn làm polymer nền
- Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC
- Nhựa nhiệt rắn: PU, UF, UPE, Epoxy Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo
- Các kim loại được sử dụng nhiều như: nhôm, magie, berrili…
- Các kim loại chịu nhiệt độ cao như: titan, niken, niobi hoặc là dạng hợp kim…
- Pirocacbon - thu được do kết lắng từ luồng khí
- Thuỷ tinh cacbon - thu được do xử lý ở nhiệt độ cao các xenlulozo hoặc các polymer nhiệt rắn
- Nền cacbon - cốc của than đá hoặc dầu mỏ
Thành phần cốt là yếu tố quan trọng chịu ứng suất tập trung, với mạng nhựa truyền tải lực có tính chất cơ lý vượt trội hơn so với nhựa Vật liệu gia cường nổi bật với những đặc điểm chính sau đây.
- Tính gia cường cơ học
- Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ
- Phân tán vào nhựa tốt
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 2
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt
- Thuận lợi cho quá trình gia công
- Sợi tự nhiên: sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông, sợi dứa…
- Sợi nhân tạo: sợi thuỷ tinh, sợi vải, sợi poliamit, sợi bazan, sợi cacbon, sợi kevla…
- Sợi tổng hợp: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil
- Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon…
1.1.3.1 Phân loại theo bản chất của nền
- Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar ), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon ), sợi kim loại (bo, nhôm)…
- Compozit nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
- Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…
1.1.3.2 Phân loại theo hình dạng của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc
Hình 1.1 Phân loại vật liệu composite
❖ Vật liệu composite cốt sợi
Sợi gia cường có thể ở dạng liên tục hoặc gián đoạn, giúp tạo ra vật liệu với các tính chất cơ học khác nhau Điều này phụ thuộc vào bản chất của vật liệu thành phẩm, tỷ lệ các thành phần tham gia và hướng sợi.
❖ Vật liệu composite cốt hạt
Vật liệu composite cốt hạt được sử dụng để cải thiện các tính chất cơ lý của vật liệu nền, như tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn, đồng thời giảm độ co ngót Hạt cũng có thể được sử dụng để giảm giá thành sản phẩm Tuy nhiên, việc lựa chọn phương án gia cường phụ thuộc vào các tính chất cơ lý mong muốn, vì gia cường bằng dạng hạt thường cho kết quả yếu hơn so với dạng sợi.
Liên tục Gián đoạn hướngCó Ngẫu nhiên
1.1.4 Tương tác giữa nền và cốt [2]
Nền và cốt trong composite được kết hợp thành một khối thống nhất thông qua liên kết ở vùng ranh giới pha Trong điều kiện làm việc bình thường, không xảy ra hiện tượng khuếch tán hòa tan giữa nền và cốt Tuy nhiên, tùy thuộc vào quy trình công nghệ chế tạo, các yếu tố như nhiệt độ và áp suất cao có thể tạo điều kiện cho các tương tác khác nhau giữa nền và cốt.
1.1.4.1 Các dạng tương tác giữa nền và cốt
- Nền và cốt không hòa tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hóa học
Nền và cốt tương tác hình thành dung dịch rắn với độ hòa tan thấp và không tạo ra hợp chất hóa học, đặc biệt là trong các vật liệu composite nền kim loại.
- Nền và cốt phản ứng với nhau tạo hợp chất hóa học
Mối liên kết giữa nền và cốt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành độ bền của vật liệu Độ bền của vật liệu chịu ảnh hưởng lớn từ sự tương tác giữa cốt và nền, quyết định tính chất cơ lý của sản phẩm.
1.1.4.2 Các dạng liên kết giữa nền và cốt
- Liên kết nhờ hấp phụ và thấm ướt
Bề mặt sợi chứa các mao quản rỗng và liên kết hấp phụ, ảnh hưởng đến khả năng thấm ướt của chúng Nhựa lỏng thấm qua bề mặt sợi nhờ lực vật lý, với khả năng thấm ướt tốt hơn khi sức cản giữa hai bề mặt nhỏ Tuy nhiên, độ ẩm và tạp chất có thể làm giảm khả năng thấm ướt Sau khi thấm ướt, nhựa sẽ được hấp phụ vào các mao quản thông qua lực hấp phụ.
- Liên kết nhờ lực tĩnh điện
Bề mặt sợi có thể mang điện tích dương hoặc âm, tùy thuộc vào thành phần và quy trình xử lý bề mặt Nhựa nền cũng có độ phân cực nhất định, dẫn đến sự tương tác tĩnh điện giữa sợi và nhựa, tạo ra lớp điện tích kép trên bề mặt vật liệu.
Liên kết giữa sợi và nhựa được hình thành nhờ lực cơ học từ bề mặt gồ ghề Tuy nhiên, loại liên kết này rất yếu, yếu hơn nhiều so với liên kết hóa học.
Cơ chế liên kết hóa học cho rằng lực liên kết hóa học hình thành qua giao diện và đóng vai trò quan trọng trong việc kết dính Liên kết hóa học này có độ bền cao nhất, phụ thuộc vào số lượng và loại liên kết.
1.1.5 Sự định hướng của cốt sợi [3]
Sợi thường có chiều dài lớn hơn nhiều lần so với đường kính, dẫn đến tỷ số hướng rất cao Các sợi liên tục thường có chỉ số hướng dài và được định hướng, trong khi các sợi không liên tục có chỉ số hướng ngắn hơn.
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang Sợi có thể được phân thành hai loại chính: sợi liên tục và sợi không liên tục Sợi liên tục bao gồm dạng đơn hướng, dạng dệt và dạng quấn, trong khi sợi không liên tục có dạng băm nhỏ và dạng mat Đối với sợi đơn hướng, độ bền của vật liệu theo chiều vuông góc với trục cốt rất thấp, do đó thường được tạo thành tấm đơn và xếp theo hướng khác nhau để đảm bảo tính cơ lý đồng đều Sợi có độ bền cao nhờ đường kính nhỏ và ít khuyết tật bề mặt.
Hình 1.2 Các dạng định hướng sợi
1.1.6 Công nghệ chế tạo vật liệu composite [3,10]
Nhựa Urea-formaldehyde [7,8,9,11]
Nhựa Amino là nhựa nhiệt rắn được tổng hợp từ phản ứng giữa aldehyde và các hợp chất amin hoặc amidic Hai loại nhựa amino phổ biến nhất là urea-formaldehyde và melamine-formaldehyde, trong đó urea-formaldehyde là chất kết dính quan trọng và được sử dụng rộng rãi.
Nhựa urea-formaldehyde (UF) được tổng hợp từ hai nguyên liệu là urea (NH2CONH2) và formaldehyde (CH2O)
❖ Ưu điểm của chất kết dính UF
- Độ tan trong nước của chúng (điều này cho thấy chúng phù hợp với sản xuất số lượng lớn và tương đối rẻ)
- Không có màu trong các polyme đã được xử lý
- Khả năng thích ứng dễ dàng với nhiều điều kiện bảo dưỡng khác nhau
❖ Nhược điểm của chất kết dính UF:
Những bất lợi chính của nhựa amin là sự suy giảm liên kết do nước và độ ẩm, gây ra bởi quá trình thủy phân của liên kết aminomethylenic Vì lý do này, chất kết dính UF chỉ phù hợp cho các ứng dụng nội thất.
1.2.2 Nguyên liệu tổng hợp nhựa UF
Nhựa UF được sản xuất từ hai monome chính là urê và formaldehyde, cả hai đều có nguồn gốc từ khí tự nhiên.
Hình 1.10 Nguyên liệu thô cho nhựa UF
Urea, với công thức phân tử (NH2)2CO, là một hợp chất hữu cơ được tổng hợp từ amoni cyanate, do Friedrich Wühler phát hiện vào năm 1828 Đây là hợp chất hữu cơ đầu tiên được tạo ra từ hóa chất vô cơ Urea tồn tại dưới dạng tinh thể màu trắng, có tính kiềm, dễ tan trong nước, nhưng kém bền trong dung dịch acid và bazơ loãng Nó tan tốt trong methanol và glyxerin, nhưng ít tan trong ete.
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 10
Hình 1.11 Mô hình cấu trúc hóa học của urê
Urê được sản xuất công nghiệp lần đầu tiên thông qua quá trình hydrat hóa canxi cyanamide Tuy nhiên, sự xuất hiện của amoniac đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ amoniac/carbon dioxide Quá trình này diễn ra qua hai bước, trong đó amoniac và carbon dioxide phản ứng để tạo ra amoni cacbonat, sau đó amoni cacbonat được khử nước để sản xuất urê.
Trong quá trình tổng hợp urê từ amoniac và carbon dioxide, phản ứng diễn ra ở nhiệt độ 180-210°C và áp suất 150 bar, tạo ra hỗn hợp gồm amoniac, amoni cacbonat và urê Amoniac được loại bỏ ban đầu, sau đó dung dịch đi qua một số chất phân hủy ở áp suất thấp hơn, nơi amoni cacbonat phân hủy thành amoniac và carbon dioxide, trong khi dung dịch urê được cô đặc thông qua quá trình bay hơi hoặc kết tinh.
Formaldehyde, hay còn gọi là methanal, là một trong những hợp chất hữu cơ phong phú nhất trong vũ trụ với công thức hóa học HCHO Được phát hiện vào năm 1867 bởi Wilhelm Von Hofmann và Alexander Butlerov, formaldehyde chỉ được cô lập vào năm 1892 bởi Friedrich Von Stradonitz, người đã giới thiệu khái niệm liên kết hóa học Hợp chất này được hình thành thông qua quá trình oxy hóa methanol và có thời gian bán hủy ngắn trong không khí Formaldehyde là khí không màu, có mùi hắc và gây kích thích niêm mạc, dễ hòa tan trong nước, cồn và methanol Với khối lượng riêng 0,8153 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy -92 °C và nhiệt độ sôi -21 °C, formaldehyde có tính chất hóa học đặc trưng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Tồn tại dạng dung dịch 37% trong nước (dung dịch Formalin) nhiệt độ sôi khoảng
Trong quá trình bảo quản ở 97 độ C, một phần chất chuyển đổi thành acid và tự trùng hợp ở nhiệt độ phòng, dẫn đến sự hình thành parafoor Tuy nhiên, parafoor có khả năng phân hủy dễ dàng ở nhiệt độ 70 độ C trong môi trường kiềm.
Hình 1.12 Mô hình cấu trúc hóa học của formaldehyde
Trong ngành công nghiệp, formaldehyde được tạo ra thông qua quá trình oxy hóa xúc tác methanol, với các chất xúc tác phổ biến là kim loại bạc hoặc hỗn hợp oxit sắt với molypden và vanadi Phương pháp Formox, sử dụng oxit sắt, là quy trình phổ biến nhất trên toàn cầu Quá trình này diễn ra khi methanol và oxy phản ứng ở nhiệt độ từ 250°C đến 400°C, tạo ra formaldehyde theo một phản ứng hóa học cụ thể.
Phản ứng hóa học 2CH3OH + O2 → 2HCHO + 2H2O diễn ra với sự tham gia của chất xúc tác dựa trên bạc, thường hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao khoảng 650°C Hai phản ứng đồng thời này không chỉ tạo ra formaldehyde mà còn bao gồm cả phản ứng khử hydro.
Hơn nữa quá trình oxy hóa formaldehyde trong quá trình sản xuất thường tạo ra axít formic
1.2.3 Cơ sở hóa học phản ứng tổng hợp nhựa urea-formaldehyde
Phản ứng giữa urê và formaldehyde tạo ra một quá trình hóa học phức tạp, dẫn đến sự hình thành các polyme tuyến tính, phân nhánh và mạng lưới ba chiều của nhựa sau khi đóng rắn Sự kết hợp này xảy ra nhờ vào bốn nguyên tử hydro trong urê và hai nguyên tử hydro trong formaldehyde, mặc dù urê thực chất chỉ có tính năng trifunctional do tetramethylolurea chưa được phân lập.
Hình 1.13 Ảnh hưởng của pH lên phản ứng cộng và ngưng tụ
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 12
Trong môi trường kiềm phản ứng từ urê và formaldehyde, và từ mono- và dimethylolurea, là như sau:
Hình 1.14 Phản ứng cộng của urea và formaldehyde trong môi trường kiềm
Mặt khác, trong môi trường axit mạnh phản ứng của urea và formaldehyde hoặc từ methylolureas, sản phẩm là methyleneureas có trọng lượng phân tử thấp và uron
Hình 1.15 Các phản ứng ngưng tụ của urê và formaldehyde để tạo thành methylolureashình thành methyleneureas và uron
Chúng chứa các nhóm cuối methylol, qua đó có thể tiếp tục phản ứng để làm rắn nhựa
Phản ứng xảy ra trong môi trường acid yếu Các methylol sẽ trùng ngưng tạo polymer Urea formaldehyde
Hình 1.16 Phản ứng ngưng tụ trong môi trường axit yếu
1.2.4 Quy trình sản xuất nhựa urê formaldehyde (UF)
Thông thường việc sản xuất được thực hiện với một lò phản ứng có thể tích khoảng
Lò phản ứng sản xuất nhựa UF có dung tích từ 20 đến 40 m³, được trang bị máy khuấy cơ học cùng hệ thống gia nhiệt và làm mát để kiểm soát nhiệt độ hiệu quả Hình 1.17 minh họa sơ đồ của lò phản ứng điển hình này.
Hình 1.17 Sơ đồ lò phản ứng sản xuất nhựa UF
- Bước 1: Methylol hóa ở môi trường kiềm
- Bước 2: Ngưng tụ ở điều kiện có tính axit (pH khoảng 5 - 6)
- Bước 3: Trung hòa (pH> 7,5) của sản phẩm và bổ sung một lượng cuối cùng urê để có được tỷ lệ formaldehyde/urê thấp mong muốn
- Bước 1: Ngưng tụ urê và formaldehyde trong một môi trường axit mạnh (pH=1)
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 14 với một lượng dư lớn của formaldehyde
- Bước 2: methylol hóa ở môi trường kiềm
- Bước 3: Ngưng tụ ở pH thấp (khoảng 5) đến khi đạt được độ nhớt mong muốn
- Bước 4: Trung hòa (pH> 7,5) và làm mát nhanh; bổ sung lượng urê cuối cùng để thu được tỷ lệ mol F/U thấp quy định
1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và chất lượng nhựa Urea- formaldehyde
Các yếu tố quan trọng xác định tính chất sản phẩm bao gồm tỷ lệ mol tương đối của urê và formaldehyde, nhiệt độ phản ứng và giá trị pH tại đó sự ngưng tụ xảy ra Những yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ tăng trọng lượng phân tử của nhựa, từ đó tác động đến độ hòa tan, độ nhớt, khả năng giữ nước và tỷ lệ đóng rắn của chất kết dính.
1.2.5.1 Tỉ lệ mol giữa urea và formaldehyde
Sự khác biệt giữa các loại nhựa urea-formaldehyde chủ yếu nằm ở hàm lượng formaldehyde tự do và mật độ liên kết ngang khi nhựa được đóng rắn Tỷ lệ giữa hai thành phần này ảnh hưởng đáng kể đến độ bền và các tính chất cơ lý của sản phẩm nhựa cuối cùng, cũng như lượng formaldehyde tự do có trong hỗn hợp nhựa.
Quá trình sản xuất monomethylol urea không hoàn tất do phản ứng thuận nghịch Sự dư thừa formaldehyde sẽ làm thay đổi cân bằng của methylol urea, do đó tỷ lệ giữa formaldehyde (F) và urea (U) thường nằm trong khoảng từ 2 đến 3.
Tổng quan về cây dừa và xơ sợi dừa [14]
Cây dừa (Cocos nucifera) thuộc họ Cau (Arecaceae) và là loài duy nhất trong chi Cocos Đây là cây lớn với thân đơn trục, thường được gọi là nhóm thân cau dừa Dừa rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới, đặc biệt là trên các đảo và khu vực ven biển.
Dừa có nguồn gốc từ đảo Andaman, vịnh Bengan, Ấn Độ, với các chứng cứ hóa thạch ở Rajasthan và Maharashtra cho thấy loài cây này đã xuất hiện hơn 15 triệu năm trước.
1.3.2 Đặc điểm sinh học chủ yếu
Cây có rễ chùm bất định, không có giác hút, với phần rễ mới xuất hiện có màu trắng đục, sau đó chuyển sang màu nâu đỏ Rễ cây trưởng thành có bán kính khoảng 1.5-2m, trong đó 50% số lượng rễ tập trung ở độ sâu 0.5m, và một số rễ có thể ăn sâu tới 4m hoặc hơn.
Thân dừa là một thân gỗ lớn, hình trụ, mọc thẳng và không có nhánh, với chiều cao trung bình từ 15 đến 20 mét, có thể đạt đến 30 mét trong điều kiện lý tưởng Cây dừa phát triển từ đỉnh sinh trưởng, do đó, nếu đỉnh này bị tấn công, cây sẽ không thể sống sót.
Mỗi cây trưởng thành có từ 25-40 tàu lá, với chiều dài trung bình của mỗi tàu lá từ 4-6m, được chia thành phần cuống và phần mang lá Khi tàu lá rụng, chúng để lại sẹo trên thân cây mịn màng, và tuổi thọ trung bình của mỗi tàu lá là 5 năm Tuy nhiên, các tàu lá khô sẽ mất nhiều thời gian hơn để rụng nếu cây gặp phải tình trạng khô hạn và thiếu nước.
Hoa dừa là loài tạp tính (có cả hoa đực, hoa cái và hoa lưỡng tính) và phải mất 30-
Hoa dừa cần khoảng 40 tháng để hình thành và nở, với sự thụ phấn chủ yếu từ gió và côn trùng, đặc biệt là ong mật Sau khoảng 3 tuần sau khi đậu quả, dừa bắt đầu rụng quả non, hiện tượng này kéo dài đến hết tháng thứ sáu Nguyên nhân gây rụng quả non có thể do nhiều yếu tố khác nhau.
- Thiếu dinh dưỡng (đạm, kali, )
- Điều kiện môi trương khắc nghiệt
- Nguyên nhân sinh lý do sự thành lập tầng rời
Dừa thuộc loại quả khô đơn độc hay quả hạch có xơ-nhân cứng
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 18
Hình 1.20 Cấu tạo quả dừa
- Ngoại quả bì: Phần vỏ ngoài được phủ cutin
- Trung quả bì: Phần xơ
- Nội quả bì: Gồm gáo, cơm và nước dừa
Bảng 1.2 Tỉ lệ khối lượng trung bình của các thành phần trong một quả dừa [13]
Vỏ dừa có độ dày từ 1-5cm, tùy thuộc vào giống, trong khi phần cuống có thể dày tới 10cm Cấu trúc của vỏ dừa gồm 30% xơ dừa và 70% bụi xơ dừa Đặc biệt, bụi xơ dừa nổi bật với khả năng hút ẩm và giữ ẩm cao, đạt từ 400-600% thể tích của nó.
Gáo dừa có độ dày từ 3-6mm và hình dạng khác nhau tùy vào giống, thường có hình hơi tròn, dẹt ở phần đáy và thuôn nhọn ở phần đầu Quá trình hình thành gáo dừa bắt đầu sau khi thụ phấn, với màu sắc chuyển từ trắng đục sang nâu và cứng hơn, đạt tiêu chuẩn sau tám tháng Trên gáo dừa có ba lỗ mắt, từ đó mầm cây sẽ mọc ra sau khi trồng Nước dừa xuất hiện sau ba tháng thụ phấn và đạt thể tích lớn nhất vào tháng thứ tám, chủ yếu bao gồm nước, đường và muối khoáng; thể tích nước sẽ giảm dần khi quả chín.
Cơm dừa được hình thành từ tháng thứ 5 sau khi thụ phấn, phải mất thêm 7 tháng để cơm dừa khô và đạt trọng lượng lớn nhất
Tỉ lệ khối lượng so với quả (%) Vỏ Gáo Cơm dừa Nước
1.3.3 Tổng Quan Về Sợi Xơ Dừa [10,14]
Xơ dừa là phần thớ vỏ giữa nằm trong lớp vỏ ngoài dai và gáo cứng, chiếm khoảng 35% trọng lượng của quả dừa già Đặc điểm của lớp xơ này có sự khác biệt rõ rệt tùy thuộc vào từng giống dừa.
Xơ dừa được phân thành bốn loại:
Sợi 1-tie, loại xơ sợi dài nhất và cứng nhất được tách ra từ vỏ dừa, là sợi cơ bản của sợi Bristle (sợi thô) Sau khi được làm sạch và chải bằng lược thép để thẳng các sợi và loại bỏ phần sợi ngắn hơn, chúng sẽ được phân loại thành 2 tie và 3 tie, từ đó được sử dụng để sản xuất bàn chải, lưới và sợi có độ bền cao.
- Sợi không chải - 1 tie: với chiều dài trung bình là 135 mm
- Sợi chải - 2 tie: sợi có chiều dài lớn hơn 221 mm chiếm 65% khối lượng bó sợi
- Sợi chải - 3 tie: sợi có chiều dài lớn hơn 221 mm chiếm 70% khối lượng bó sợi
Loại sợi có chiều dài trung bình từ 70-135 mm
Sợi Omat được chia thành 2 nhóm:
Sợi Omat thường có các quy định về chiều dài và khối lượng như sau: chiều dài trên 200 mm chiếm tối thiểu 23% khối lượng bó sợi; chiều dài từ 101-200 mm tối thiểu 38% khối lượng; và chiều dài dưới 100 mm tối đa 25% khối lượng bó sợi.
Sợi Omat cao cấp được phân loại theo chiều dài: với chiều dài trên 200 mm, tối thiểu chiếm 38% khối lượng bó sợi; chiều dài từ 101-200 mm, tối thiểu 45% khối lượng; và chiều dài dưới 100 mm, tối đa chiếm 25% khối lượng bó sợi.
❖ Sợi nhồi nệm (mattress coir)
Có chiều dài trung bình từ 30 đến 69 mm Sợi này được chia thành hai nhóm:
Sợi nhồi nệm thường có đặc điểm với 2% bó xơ theo khối lượng có chiều dài trên 200 mm, ít nhất 33% có chiều dài từ 101 đến 200 mm, và 60% còn lại có chiều dài dưới 100 mm.
Nệm cao cấp được định nghĩa bởi tỷ lệ sợi, trong đó tối thiểu 11% khối lượng bó sợi có chiều dài trên 200 mm, 40% có chiều dài từ 101 đến 200 mm, và tối đa 48% các bó sợi có chiều dài dưới 100 mm.
Có chiều dài trung bình từ 36-119 mm
1.3.3.3 Một số đặc tính của sợi xơ dừa [10]
Chất lượng của các bó sợi xơ dừa phụ thuộc vào quá trình tách xơ sợi, được đánh giá qua các tính chất vật lý, cơ học và hóa học Những đặc điểm này quyết định công dụng thương mại của xơ dừa trong các ứng dụng khác nhau.
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 20 chẳng hạn như màu sắc, kết cấu, độ bền phá hủy, chiều dài, mật độ tuyến tính, độ mịn và độ ẩm
Tính khoa học của đề tài
❖ Một số nghiên cứu về nhựa urea fromaldehyde
- Năm 2013, Byung-Dae Park, Charles R Frihart, Yan Yu, Adya P Singh Khảo sát cơ tính của nhựa urea-formaldehyde với các tỷ lệ mol formaldehyde/urea khác nhau
In 2006, researchers Cheng Xing, S Y Zhang, James Deng, and Siqun Wang conducted a study examining how pH levels, solid content, and catalysts influence the gel time of Urea-Formaldehyde resin Their findings contribute valuable insights into the formulation and optimization of this type of resin for various applications.
❖ Một số nghiên cứu về sợi xơ dừa ở trong và ngoài nước
- Năm 2013, R Hari Setyanto, Kuncoro Diharjo, I Made Miasa & Prabang Setyono
Nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của xử lý kiềm đến các đặc tính vật lý và cơ học của xơ dừa
- Năm 2010, Majid Ali Xơ dừa một vật liệu đa năng và ứng dụng của nó trong kỹ thuật
Nghiên cứu về composite sợi tự nhiên tại Việt Nam đã được chú trọng trong những năm gần đây, đạt được một số thành tựu ban đầu Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại vẫn chưa có tính hệ thống Do đó, việc nghiên cứu một cách hệ thống về vật liệu composite sợi xơ dừa và composite sợi tự nhiên là rất cần thiết trong bối cảnh hiện tại.
Một số nghiên cứu tiêu biểu:
- Năm 2011, Trương Thị Anh Ngân Khảo sát cơ lý tính của vật liệu composite trên nền nhựa urea formaldehyde gia cường bằng sợi sisal
- Năm 2008, Nguyễn Phước Duy Khảo sát cơ lý tính của vật liệu composite trên nền nhựa polyester không no gia cường bằng sợi xơ dừa
- Năm 2008, Nguyễn Hữu Tân Composite nhựa nền polypropylen gia cường bằng sợi xơ dừa
Phân viện Khoa học vật liệu tại TP Hồ Chí Minh, thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, đã hoàn thành nghiên cứu và sản xuất tấm composite từ các phế thải như nhựa phế liệu và mạt cưa trong phòng thí nghiệm.
- Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chế tạo composite sợi đay, mùn cưa…
Nghiên cứu vật liệu composite gia cường bằng sợi xơ dừa trên nền nhựa ure-formaldehyde là cần thiết để tạo ra vật liệu mới từ phế phẩm nông nghiệp, cụ thể là vỏ quả dừa Việc này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do lượng vỏ dư thừa mà còn chủ động hơn về nguồn nguyên liệu, đồng thời giảm thiểu nạn phá rừng và khai thác gỗ bừa bãi.
THỰC NGHIỆM
Tổng hợp nhựa [1,5,7,9]
Bảng 2.1 Nguyên liệu được xử dụng trong tổng hợp nhựa
- Mùi: Mùi hăng nồng, có thể phát hiện ở nồng độ 1 ppm
- Tính tan: Dễ tan trong nước
- Nguồn gốc: xuất xứ Trung Quốc
- Độ tan trong nước : + 51,8 g/100 ml (20°C)
❖ Dung dịch tạo đệm pH 7,5-8
Dung dịch NH4OH 25% trong nước pha thêm NaOH 10% tỷ lệ 5/1 theo thể tích
❖ Dung dịch tạo đệm pH 4,5-5
Dung dịch NH4Cl 20% pha thêm một ít HCOOH
Theo lý thuyết, một phân tử ure có khả năng kết hợp với hai phân tử formaldehyde do quá trình phản ứng tạo ra monomethylol ure, dẫn đến sự dư thừa formaldehyde Vì vậy, tỷ lệ mol nguyên liệu tổng hợp keo UF được xác định là n = F/U.
Chọn tỷ lệ giữa formaldehyde và ure là n = 1,5 và thực hiện quy trình kiềm-axit Khối lượng lượng mẻ tổng hợp là M (g)
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 28
Phản ứng : Ure + nFormaldehyde→ Nhựa + H2O
Khối lượng tổng hợp cho một mẻ là M(g), khi đó:mure = M.60
Bảng 2.2 Dụng cụ sử dụng trong tổng hợp nhựa
STT Tên dụng cụ Số lượng
2.1.4 Quy trình tổng hợp nhựa
Hình 1.29 Quy trình tổng hợp nhựa UF
Phân hủy paraford t o = 70 o C Ổn định pH=7,5-8
Thử độ tan Ổn định sản phẩm
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 30
Trong quá trình phân hủy paraford, dung dịch Formalin trong bình cầu được duy trì ở nhiệt độ 70°C trong khoảng 60 phút Để ổn định pH, sử dụng dung dịch đệm từ hỗn hợp NaOH và NH4OH theo tỉ lệ 1/5, điều chỉnh pH về mức 7.5-8 Trong khi phân hủy, dung dịch được thêm từ từ qua ống nhỏ giọt, kiểm tra pH mỗi 3 phút bằng giấy đo pH Giai đoạn này tiếp tục cho đến khi pH ổn định trong vòng 1 giờ.
Sau khi pH ổn định U1 được cho vào bình cầu theo đường cổ phụ để tiến hành tạo methylol ở nhiệt độ 80-85 o C Thời gian phản ứng 1,5-2h
Khi kết thúc giai đoạn tạo methylol, giảm nhiệt độ xuống 70-75 oC và từ từ thêm đệm pH=4,5-5, kiểm tra pH cho đến khi ổn định Tiếp theo, gia nhiệt lên 80-85 oC để thực hiện phản ứng trùng ngưng trong 1,5-2 giờ Sau 1,5 giờ, cần kiểm tra độ tan của polymer bằng cách cho 1 giọt UF vào 200ml nước trong cốc thủy tinh 250ml Nếu UF có tỷ trọng cao hơn, giọt UF sẽ chìm xuống đáy cốc và phân tán theo hướng thẳng xuống hoặc ngang Ngược lại, nếu UF chưa đạt độ trung ngưng, giọt UF sẽ phân tán theo phương ngang mà không chìm xuống đáy.
Sau khi đạt được pH từ 7 đến 7,5 bằng cách sử dụng NH4OH, tiến hành thêm lượng U2 vào để trung hòa lượng formaldehyde dư thừa trong quá trình phản ứng trước đó Sau đó, sản phẩm cần được quấy đều trong 30 phút để ổn định trước khi dừng và kết thúc phản ứng.
Xử lý sợi
Chỉ sơ dừa được mua ở huyện Mỏ Cày Nam, tỉnh Bến Tre Được sản xuất bằng máy dập tước liên hoàn với quy mô lớn
Bảng 2.3 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng
STT Nguyên Liệu Suất xứ Nồng độ
3 Acid sunphuric (H2SO4) Trung quốc 72%
4 Kali permanganat (KMnO4) Trung quốc 0.02M±0.01M
6 Kali Iodua (KI) Trung quốc 1M
7 Chỉ thị hồ tinh bột Trung quốc 5 g/l
2.2.2 Quy trình xử lý sợi
Hình 2.1 Quy trình xử lý sợi
Lựa sợi và mụn ra riêng
(loại bỏ bớt tạp chất)
Phơi khô sợi 2 ngày tại nhiệt độ phòng
Thời gian ngâm NaOH: 4h và 8h
Sợ thô khi mua về
Rửa sợi và phơi khô
Xác định độ ẩm Nghiền thành bột mịn
Sợi đã xử lý NaOH
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 32
Tạo composit
Tẩm nhựa vào sợi là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất composite, vì nếu quá trình này không đồng đều, tỷ lệ nhựa và sợi ở các vùng khác nhau sẽ không nhất quán Sự không đồng nhất này có thể ảnh hưởng lớn đến các kết quả đo cơ tính cuối cùng của sản phẩm.
Tính toán khối lượng nhựa, sợi cho mỗi lần tẩm là công việc đầu tiên của quá trình Kích thước của mẫu ép: 13.85x13.85x0.6 (cm) Vậy Vmẫu = 115 cm 3
Khối lượng riêng của nhựa UF đã đóng rắn ρnhựa = 1,27 g/cm 3 Hàm lượng rắn của nhựa là 50%
Khối lượng riêng sợi xơ dừa chưa xử lý kiềm ρsợi= 0.43 g/cm 3
Khối lượng riêng trung bình của cả tấm composite theo tỷ lệ nhựa:sợi (7:3) là:
➔ ρcomposite = 0,8 g/cm 3 Vậy khối lượng của tấm composite: mcomposite = ρcomposite.Vmẫu = 115.0,8 = 92 (g)
Phương pháp đánh giá và phân tích vật liệu
Hàm lượng rắn của nhựa tổng hợp được xác định theo các bước sau:
- Sấy đĩa betri, cân khối lượng đĩa không, m0
- Cân nhựa vào đĩa betri, ghi lại khối lượng toàn nhựa và đĩa m1 Sau đó đưa vào tủ sấy nhiệt độ 80 o C khoảng 2 giờ
- Sau đó tăng nhiệt độ tủ sấy lên 100 o C, cân khối lượng của đĩa cho đến khi khối lượng của đĩa không đổi m2
- Hàm lượng rắn của nhựa: %Nhựa= 𝑚 2 −𝑚 0
Kết hợp ASTM và ISO:
Dùng H2SO4 đậm đặc để phá huỷ cellulozo có trong sợi
Để xác định chính xác tỷ lệ lignin trong sợi, cần nghiền sợi thành bột mịn, vì nếu để nguyên sợi đã cắt nhỏ, màu vàng của lignin vẫn còn giữ lại.
Giai đoạn 1: Chuẩn mẫu trắng (không có bột xơ dừa)
Hình 2.2 Quy trình chuẩn mẫu trắng
Ghi nhận giá trị thể tích Na2S2O3 đã chuẩn
Lặp lại thí nghiệm 3 lần, lấy giá trị trung bình (Vtrắng)
Vtrắng phụ thuộc vào nồng độ của H2SO4, KMnO4, KI Vì vậy nên chuẩn lại mẫu trắng khi pha lại hoá chất
530 ml nước cất vào cốc 1000ml
Thêm 15ml H 2 SO 4 72%, thêm nước cất để nồng độ acid còn 3%
Khuấy hỗn hợp trong 10 phút ±15 giây với tốc độ được quy định như chuẩn ISO Thêm 10ml KI
Chuẩn hỗn hợp bằng dung dịch
Thêm vài giọt chất chỉ thị tinh bột vào Tiếp tục quá trình chuẩn
Hỗn hợp H2SO4 loãng và KMnO4 có màu tím đậm
Hỗn hợp H2SO4, KMnO4 và KI (hỗn hợp có màu đỏ trong suốt)
Hỗn hợp chuyển dần sang màu vàng nhạt
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 34
Giai đoạn 2: Chuẩn mẫu có sợi
Cân 0.1g bột xơ dừa cho vào lọ bi
Khuấy bằng cá từ 3 giờ, t° ≤20°C
Thêm nước cất vào để nồng độ acid còn 3%
Nung nóng hỗn hợp trong 45 phút Để nguội hỗn hợp, bắt đầu chuẩn lignin
Khuấy bằng máy cơ với tốc độ khuấy như quy định của ISO
Thời gian khuấy: 10 phút ± 15 giây
Thêm 10ml KI (Hỗn hợp có màu đỏ trong suốt) Bắt đầu chuẩn lignin bằng dung dịch Na2S2O3
Thêm vài giọt chất chỉ thị tinh bột vào
Hỗn hợp chuyển từ màu vàng nhạt sang màu xanh đen nhạt
Tiếp tục quá trình chuẩn đến khi hỗn hợp trở nên trong suốt
Hình 2.3 Quy trình chuẩn mẫu có sợ
Hỗn hợp bột – acid đậm đặc
Hỗn hợp bột – acid loãng
Hỗn hợp bột – acid loãng và KMnO 4 (Hỗn hợp có màu tím đậm)
Hỗn hợp chuyển từ màu đỏ dần dần sang màu vàng cam
Chuẩn đến khi hỗn hợp có màu vàng nhạt
Ghi nhận giá trị thể tích Na 2 S 2 O 3 đã chuẩn (V 2 , ml)
Giai đoạn 1: Chuẩn mẫu trắng
- Cho khoảng 530ml nước cất vào cốc 1000ml
- Dùng pipet hút 15ml acid H2SO4 72% cho vào cốc trên Thêm nước cất vào sao cho nồng độ của acid còn 3%
Sử dụng pipet để hút 50ml dung dịch KMnO4 và cho vào dung dịch acid loãng Hỗn hợp thu được sẽ có màu tím đặc trưng của KMnO4.
Hình 2.4 Màu sắc của mẫu khi chứa dung dịch KMnO 4
- Khuấy hỗn hợp trên với tốc độ được xác định theo tiêu chuẩn ISO, thời gian khuấy
- Dùng pipet hút 10ml KI cho vào hỗn hợp trên Hỗn hợp chuyển sang màu đỏ trong suốt Bắt đầu quá trình chuẩn với dung dịch Na2S2O3
Hình 2.5 Màu sắc của mẫu khi thêm dung dịch KI
- Trong quá trình chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3, màu sắc của hỗn hợp thay đổi liên tục và đến khi hỗn hợp có màu vàng nhạt (màu vàng chanh)
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 36
Hình 2.6 Màu sắc của mẫu khi chuẩn bằng Na 2 S 2 O 3
- Thêm vài giọt chất chỉ thị tinh bột vào Ngay lập tức hỗn hợp chuyển sang màu xanh đen
Hình 2.7 Màu sắc của mẫu khi nhỏ vài giọt tinh bột
- Tiếp tục quá trình chuẩn cho đến khi hỗn hợp trở nên trong suốt
Hình 2.8 Màu sắc của mẫu khi đến điểm tương đương
- Ghi nhận giá trị thể tích Na2S2O3 đã chuẩn Lặp lại thí nghiệm 3 lần, lấy giá trị trung bình Ta được giá trị Vtrắng
Giai đoạn 2: Chuẩn mẫu có sợi
- Cân 0.1g bột sợi cho vào lọ bi
- Dùng pipet hút 15ml acid H2SO4 72% cho vào lọ bi, dùng cá từ để khuấy mẫu trong 3 giờ tại nhiệt độ ≤ 20°C
Hình 2.9 Quá trình khuấy mẫu
- Sau 3 giờ, cho hỗn hợp bột – acid 72% ra cốc 1000ml, dùng nước nóng để tráng sạch và lấy hết mẫu bột trong lọ bi
- Cho khoảng 530ml nước cất vào cốc 1000ml sao cho nồng độ của acid còn 3%
Tiếp tục nung cốc có chứa hỗn hợp tại nhiệt độ 70°C trong 45 phút Sau đó để nguội và bắt đầu quá trình chuẩn lignin
Sử dụng pipet để hút 50ml dung dịch KMnO4 và cho vào dung dịch acid loãng Hỗn hợp tạo thành sẽ có màu tím đậm đặc trưng của KMnO4.
- Khuấy hỗn hợp trên với tốc độ được xác định theo tiêu chuẩn ISO, thời gian khuấy
10 phút ± 15 giây Chỉ trong vài phút sau khi khuấy, hỗn hợp dần dần chuyển sang màu nâu tím
Hình 2.10 Màu sắc của mẫu chứa xơ dừa khi chứa dung dịch KMnO 4
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 38
- Dùng pipet hút 10ml KI cho vào hỗn hợp trên Hỗn hợp chuyển sang màu đỏ trong suốt Bắt đầu quá trình chuẩn với dung dịch Na2S2O3
Trong quá trình chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3, hỗn hợp sẽ liên tục thay đổi màu sắc Khi hỗn hợp chuyển sang màu vàng nhạt, tương đương với màu vàng chanh, chúng ta cần thêm vài giọt chất chỉ thị tinh bột vào.
- Tiếp tục quá trình chuẩn cho đến khi hỗn hợp trở nên trong suốt
- Ghi nhận giá trị thể tích Na2S2O3 đã chuẩn Lặp lại thí nghiệm 3 lần, lấy giá trị trung bình Ta được giá trị V2
❖ Tính %lignin, chỉ số Kappa:
+ Va: thể tích Na2S2O3 dùng để chuẩn (ml)
+ d: phụ thuộc vào Va, thừa số hiệu chỉnh 50% (khối lượng/khối lượng) KMnO4 tiêu thụ
+ m: khối lượng sợi dùng để chuẩn (g) (độ chính xác: 0.001g)
Bảng 2.4 Giá trị d từ 0 đến 10
Bảng 2.5 Giá trị d từ 10 đến 30
Bảng 2.6 Giá trị d từ 30 đến70
2.4.3 Kiểm tra độ ẩm của mẫu
- Sấy khô mẫu tại nhiệt độ 105⁰C trong 2 giờ đến khi khối lượng mẫu không đổi
- Tiếp tục sấy khô mẫu trong 1giờ
- Đặt mẫu trong bình hút ẩm để cân bằng áp suất, nhiệt độ
- Cân lại khối lượng mẫu sau cùng m’còn lại (g)
- Phần trăm độ ẩm của mẫu được tính như sau:
2.4.4 Phương pháp đánh giá tính chất tấm composite Để đánh giá Composite (UF + sợi dừa) cần đo nhiều tính chất, nhưng trong luận văn này mong muốn chế tạo composite thay cho ván ép để ứng dụng trong dân dụng, nên ta chỉ đo 4 tính chất cơ bản nhất mà trong quá trình sử dụng vật liệu chịu tác dụng nhiều nhất
Bảng 2.7 Bảng các tiêu chuẩn đo cơ lý mẫu composite
STT Tính chất Tiêu chuẩn đo
2.4.4.1 Đo Độ bền uốn – Modul uốn: Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D790
Máy đo cơ tính hiệu Lloyd 30K, phòng đo cơ tính Trung tâm vật liệu Polymer
Số lượng mẫu thử: 3 mẫu Điều kiện nhiệt độ: Nhiệt độ phòng khoảng 30 0 C
Vận tốc uốn: 1,3 mm/phút
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 40
Hình 2.11 Mô hình mẫu đo độ bền uốn Ứng suất uốn: 𝜎 𝑢 = 3𝑃𝐿
Trong đó: + P: lực cực đại,
Bảng 2.8 Kích thước mẫu đo giá trị uốn
Kích thước thanh uốn Đơn vị (mm)
2.4.4.2 Đo Độ bền nén – Modul nén: Độ bền nén được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D695
Máy đo cơ tính hiệu Lloyd 30K, phòng đo cơ tính Trung tâm vật liệu Polymer
Hình 2.12 Mô hình mẫu đo độ bền nén
Số lượng mẫu thử : 3 mẫu Điều kiện nhiệt độ: nhiệt độ phòng khoảng 30 0 C
Vận tốc nén: 1,3 mm/phút Ứng suất nén: 𝜎 𝑛 = 𝑃
Bảng 2.9 Kích thước mẫu đo giá trị nén
Kích thước mẫu đo nén Đơn vị đo (mm)
2.4.4.3 Đo độ bền kéo- Modul kéo
Hình 2.13 Mô hình mẫu đo độ bền kéo Đo độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D638
Máy đo cơ tính hiệu Lloyd 30K, phòng đo cơ tính Trung tâm vật liệu Polymer Điều kiện đo:
Số lượng mẫu thử : 3 mẫu Điều kiện nhiệt độ : nhiệt độ phòng khoảng 30 0 C
Vận tốc kéo: 5 mm/phút Ứng suất kéo: 𝜎 𝑘 = 𝑃
𝑏×𝑑 P: lực kéo cực đại, b: chiều rộng, d: chiều dày
Bảng 2.10 Kích thước mẫu đo kéo
Kích thước mẫu đo kéo Đơn vị đo (mm)
GVHD: Th.S Nguyễn Ngọc Kim Tuyến Trang 42
