Nghiên cứu cấu trúc và các tính chất gia công của vật liệu polyme compozit từ nhựa nền polypropylen (pp) gia cường bằng sợi tre ngắn dùng trong xử lý nước thải

TỔNG QUAN

HIỂU BIẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU PC

Vật liệu compozit, có nguồn gốc từ cách đây khoảng 5000 năm, đã được tổ tiên chúng ta sử dụng để kết hợp nhiều nguyên vật liệu khác nhau nhằm tạo ra các sản phẩm hữu ích cho cuộc sống Tại Ai Cập cổ đại, việc ứng dụng vật liệu này đã góp phần quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm phục vụ nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.

Khoảng 3000 năm trước Công nguyên, con người đã sử dụng lau và sậy đan tẩm bi-tum để chế tạo thuyền Tuy nhiên, việc phát triển vật liệu PC, nhằm tạo ra loại vật liệu mới kết hợp các tính chất của nhiều thành phần, chỉ được chú ý trong khoảng 50 năm gần đây Vật liệu PC đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân nhờ vào giá thành hợp lý, tính chất cơ lý tốt và sự đa dạng của sản phẩm.

Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo phát triển muộn hơn so với vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn Tuy nhiên, dự đoán cho thấy tốc độ phát triển của vật liệu này sẽ tăng nhanh trong tương lai và có khả năng vượt qua vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn.

Vật liệu PC dựa trên epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh đã được sử dụng tại Việt Nam từ năm 1972-1973, bắt đầu tại Hà Nội Từ năm 1986 đến nay, vật liệu PC dựa trên polyeste không no (PEKN) gia cường bằng sợi thủy tinh đã phát triển mạnh mẽ trên toàn quốc, với các sản phẩm nổi bật như nhà vòm che máy bay, tàu đánh cá, bồn chứa và lớp bọc chống ăn mòn.

1.1.2 Khái niệm về vật liệu PC

Vật liệu compozit là hệ thống bao gồm hai hoặc nhiều pha khác nhau, được phân cách bởi bề mặt phân chia pha, trong đó pha liên tục là nhựa nền và pha phân bố gián đoạn là pha gia cường Mặc dù vật liệu compozit không chứa tất cả các tính chất của vật liệu thành phần, nhưng mục đích chính của việc chế tạo chúng là để kết hợp các tính chất ưu việt của từng loại vật liệu.

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Phạm Thị Lánh từ ĐHBKHN 13 đã chỉ ra rằng việc chế tạo vật liệu compozit có thể thực hiện từ những cấu tử không đáp ứng đủ yêu cầu về tính chất vật liệu ban đầu Điều này mở ra khả năng tạo ra các vật liệu mới với tính năng vượt trội.

Vật liệu compozit có thể được sản xuất thông qua các phương pháp cơ - nhiệt từ các thành phần ban đầu hoặc thông qua phản ứng hóa học Vật liệu PC có thể được chế tạo bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm đúc, ép, quấn ống và lăn ép bằng tay.

Thành phần chính của vật liệu PC bao gồm nền polyme, đóng vai trò là pha liên tục và chất kết dính Polyme không chỉ liên kết các loại vật liệu gia cường mà còn chuyển ứng suất lên chúng, góp phần tạo nên tính chất cơ lý của vật liệu.

Các tính chất của nền polyme đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính cơ học và hóa học của sản phẩm Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, nền polyme cần đáp ứng các yêu cầu cụ thể.

- Có khả năng thấm ướt tốt và tạo liên kết hóa học với vật liệu gia cường

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót thể tích

- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường

Nền polyme có hai loại là nền polyme nhiệt dẻo và nền polyme nhiệt rắn b) Chất gia cường

Chất ra cường giúp nâng cao khả năng chịu tải của sản phẩm và được chia thành hai loại chính: sợi dài (liên tục) và sợi ngắn Các đặc điểm về hình dạng, kích thước, cấu trúc và tính chất bề mặt của sợi có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của vật liệu.

Chất độn có tính chất bất đẳng hướng giúp giảm khả năng co ngót của sản phẩm, đồng thời tăng cường độ bền cơ học và bền nhiệt cho vật liệu PC.

Chất độn được sử dụng trong vật liệu PC không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn cải thiện khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt, đồng thời giảm chi phí sản phẩm.

Việc phân loại compozit có thể dựa vào bản chất pha nền hoặc pha gia cường:

[3] a) Dựa vào bản chất pha gia cường:

- Vật liệu có phụ gia phân tán

- Vật liệu PC gia cường bằng sợi ngắn hoặc dạng vẩy

- Vật liệu PC gia cường bằng sợi liên tục

- Vật liệu PC độn khí hoặc xốp

- Vật liệu hỗn hợp polyme – polyme blend b) Dựa vào bản chất pha nền:

- Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo

- Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt rắn

1.1.4 Đặc điểm của vật liệu PC [1]

Việc sử dụng các chất gia cường trong nền polyme mang lại cho vật liệu PC nhiều lợi thế vượt trội so với vật liệu truyền thống, bao gồm độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi cao, tỷ trọng nhẹ, ổn định tính chất trong nhiều môi trường hóa chất, và khả năng chống mài mòn tốt.

 Những đặc điểm chủ yếu của vật liệu PC: [3,5]

Vật liệu nhiều pha, đặc biệt là vật liệu polycarbonate (PC) hai pha, bao gồm pha gián đoạn là pha gia cường được bao bọc bởi pha liên tục là nền polyme.

- Trong vật liệu PC: tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và pha gia cường tuân theo các quy định thiết kế trước

- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu PC

- Có nhiều phương pháp gia công cho phép chế tạo nhiều dạng sản phẩm có đặc tính khác nhau

 Tuy nhiên vật liệu PC còn có một số nhược điểm sau đây: [5]

- Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thỏa mãn tất cả các yêu cầu của vật liệu rất khó

- Modun đàn hồi không cao

- Nhiệt độ làm việc tương đối thấp (so với kim loại và gốm)

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu PC [1,2,3]

Vật liệu PC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các sản phẩm đơn giản như bồn tắm và tấm lợp cho đến các chi tiết phức tạp trong máy bay và tàu vũ trụ Trong ngành công nghiệp ô tô và giao thông, vật liệu này giúp giảm trọng lượng, tiết kiệm nguyên liệu, kéo dài tuổi thọ, chịu mài mòn tốt, và giảm tiếng ồn, độ rung, đồng thời giảm thiểu nguy cơ cho người sử dụng trong trường hợp tai nạn Việc sử dụng vật liệu PC còn giúp giảm chi phí đầu tư cho thiết bị sản xuất trong ngành công nghiệp đóng tàu.

VẬT LIỆU PC GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT

Bảy mươi năm trước, hầu hết các sản phẩm tiêu dùng và ứng dụng công nghiệp đều sử dụng sợi tự nhiên Ngày nay, sợi tự nhiên chủ yếu được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, bao bì và nhiều lĩnh vực khác Sự gia tăng sử dụng vật liệu PC cốt sợi tổng hợp đã dẫn đến lượng chất thải rắn khó phân hủy Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang nghiên cứu ứng dụng sợi tự nhiên thay thế cho sợi tổng hợp Vật liệu PC cốt sợi thực vật mang lại nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi trường, thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia như Tây Âu, Nhật Bản và Ấn Độ.

Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm và lượng mưa dồi dào, sở hữu nguồn thực vật cho xơ sợi phong phú và dồi dào Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật đã đạt được nhiều thành công, đặc biệt là với các loại sợi như sợi tre, sợi đay và sợi dừa Các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng các loại nhựa nền như phenolic, polyetylen, polypropylen và polyeste không no.

Tre, một loại cây phổ biến ở Châu Á và đặc biệt là Việt Nam, vẫn chưa được khai thác một cách tối đa Với tiềm năng lớn và khả năng sinh trưởng nhanh chóng tương tự như các loại cây cỏ khác, tre đang trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong việc sử dụng làm vật liệu PC nhờ vào các đặc tính cơ học vượt trội của nó.

Nghiên cứu cho thấy độ bền kéo của sợi thủy tinh và các loại sợi nhân tạo vượt trội hơn so với sợi tự nhiên Mặc dù vậy, modun riêng của sợi tự nhiên, được tính theo tỷ lệ giữa modun và khối lượng riêng, vẫn có giá trị đáng chú ý.

Phạm Thị Lánh - ĐHBKHN 17 cho biết rằng sợi tự nhiên có độ bền cao hơn sợi thủy tinh, đây là một lợi thế quan trọng khi sử dụng để gia cường vật liệu PC nhằm giảm trọng lượng.

Vật liệu compozit, đặc biệt là PC sợi thực vật, đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhờ vào những đặc điểm nổi bật của chúng Sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này không chỉ mang lại tiềm năng ứng dụng cao mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

Khối lượng riêng thấp của sợi mang lại độ bền và độ cứng cao hơn so với sợi thủy tinh, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc thiết kế các chi tiết chịu uốn.

- Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào, quá trình sản xuất đòi hỏi ít năng lượng.

- Có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm hạ

- Dễ gia công, không gây mài mòn thiết bị, không gây dị ứng da

Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân hủy sinh học và dễ dàng phân hủy hoàn toàn bằng nhiệt, ngược lại với sợi thủy tinh rất khó xử lý Điều này giúp giảm thiểu tác động xấu đến môi trường sinh thái.

Mặc dù độ bền của vật liệu lai giữa sợi thực vật và sợi tổng hợp thấp hơn so với vật liệu PC sợi thủy tinh, nhưng có thể cải thiện độ bền của chúng thông qua quá trình lai tạo.

Sợi thực vật có khả năng hấp thụ ẩm, dẫn đến việc trương nở sợi và làm giảm độ bền cũng như tuổi thọ của sản phẩm Để khắc phục tình trạng này, việc xử lý bề mặt sợi là cần thiết.

- Nhiệt độ gia công chỉ hạn chế dưới 200 0 C

Gần đây, việc áp dụng kỹ thuật gia công chính xác, xử lý sợi và sử dụng các chất trợ tương hợp hoặc chất liên kết đã tạo ra vật liệu PC sợi thực vật với các tính chất tối ưu cho những ứng dụng đặc biệt.

1.2.2 Các loại nhựa nền thông dụng

1.2.2.1 Các loại nhựa nhiệt dẻo a) Polypropylen (PP) [21]

Polypropylen (PP) là một loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến và có giá trị thương mại cao Tính đến đầu thế kỷ 21, sản lượng sản xuất PP trên toàn cầu đã đạt hàng chục triệu tấn mỗi năm.

PP là một hydrocacbon mạch thẳng no, có thể chứa một lượng nhỏ không no Mặc dù có nhiều đặc điểm tương tự với PE, nhưng sự xuất hiện của nhóm metyl luân phiên trong chuỗi carbon đã làm thay đổi một số tính chất của nó.

- Tỷ trọng riêng thấp hơn (~ 0,90 g/cm 3 )

Điểm hóa mềm cao hơn của polypropylene (PP) cho phép sản phẩm chịu được nhiệt độ làm việc tối đa cao hơn, đồng thời khả năng chống chịu nước sôi và khử trùng cũng tốt hơn Trong khi đó, polyvinylclorua (PVC) cũng là một vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp.

PVC được sản xuất từ monome vinyl clorua thông qua quá trình trùng hợp gốc, sử dụng các phương pháp như trùng hợp huyền phù, nhũ tương, khối hoặc dung dịch Có hai loại PVC chính: loại cứng và loại mềm dẻo Dưới đây là bảng trình bày tính chất của một số loại PVC thương mại.

Bảng 1.1: Tính chất của một số PVC thương mại

Tính chất PVC cứng PVC mềm

Khối lượng riêng, g/cm3 1,03 – 1,58 1,16 – 1,35 Độ bền kéo, MPa 41,4 – 51,7 22,1 – 33,8

Modun kéo, GPa 2,41 – 4,14 1,79 – 3,24 Độ dãn dài khi đứt, % 2 – 80 13 – 50

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN 19 c) Polylactic axit (PLA) [3]

VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ PP GIA CƯỜNG BẰNG SỢI LUỒNG

1.3.1.1 Tính chất của nhựa PP [15,21]

PP là một loại nhựa có khối lượng riêng nhỏ nhất và độ bền cao Tính chất cơ lý của PP chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng izotactic trong thành phần của nó.

Tính chất nhiệt của polypropylene (PP) là một trong những đặc tính quan trọng nhất, với nhiệt độ nóng chảy cao từ 160°C đến 170°C, cho phép sử dụng ở nhiệt độ cao Độ nhớt của polyme nóng chảy giảm khi khối lượng phân tử giảm và khi nhiệt độ tăng PP bắt đầu kết tinh khi nhiệt độ dưới 120°C Nếu trong quá trình tạo hạt có sử dụng chất ổn định, PP sẽ không bị oxi hóa ở 300°C và chỉ bắt đầu phân hủy sau vài giờ khi bị đốt nóng trong không khí.

PP có độ bền ánh sáng kém, do đó việc ổn định ánh sáng là rất quan trọng trong gia công Để kéo dài thời gian sử dụng, cần bổ sung chất chống oxy hóa và chống lão hóa dưới tác động của ánh sáng Ở nhiệt độ thường, PP không hòa tan trong các dung môi hữu cơ, chỉ trương nở trong hydrocacbon thơm và hydrocacbon clo hóa Khi nhiệt độ vượt quá 80°C, cấu trúc tinh thể của PP bị phá vỡ, khiến nó có thể tan trong hai loại dung môi này PP cũng rất bền trong dung môi phân cực, dầu khoáng và dầu thực vật Về mặt hóa học, PP khá bền với H2SO4 80% ở nhiệt độ thường, nhưng khi tăng lên 90°C, PP sẽ chuyển màu tối, trở nên giòn và bị phân hủy sau 7 ngày Đối với HNO3 dưới 50%, PP cũng giữ được độ bền nhất định.

PP khá bền ở nhiệt độ thường nhưng với HNO3 đậm đặc thì kém bền, kém ổn định

Phạm Thị Lánh từ ĐHBKHN cho biết rằng PP (Polypropylene) có khả năng ổn định nhiệt đến 110 °C khi tiếp xúc với NaOH Đối với nước (H2O), PP thể hiện độ thấm nước rất thấp, chỉ khoảng 2%, cả trong dạng izotactic và atactic.

Độ ẩm môi trường không ảnh hưởng đến tính chất của PP, trong khi đó, vật liệu này lại có khả năng chịu nhiệt độ thấp kém.

1.3.1.2 Ghép anhydrit maleic lên nhựa PP [6] Để tăng cường khả năng bám dính của PP và sợi thực vật người ta thường sử dụng thêm chất trợ tương hợp là copolyme phép polypropylen - anhydrit meleic (MAPP) Chất này được tạo ra từ phản ứng ghép anhydrit maleic lên phân tử PP

Khi MAPP tiếp xúc với sợi và nhựa ở nhiệt độ cao, các nhóm anhydrit phản ứng với nhóm OH trên bề mặt sợi để tạo cầu este, trong khi các đoạn PP tham gia vào quá trình kết tinh với nhựa nền.

Hiệu quả của MAPP phụ thuộc vào phương pháp sử dụng và loại MAPP Hai yếu tố quan trọng nhất là hàm lượng MA ghép và khối lượng phân tử trung bình Hàm lượng MA ghép cần đủ lớn để tạo ra nhiều liên kết với bề mặt sợi, trong khi khối lượng phân tử trung bình tối ưu khoảng 20000-40000 để đảm bảo các đoạn mạch xâm nhập sâu vào nền PP và bám dính tốt Ngoài ra, thành phần MA tự do cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của MAPP; hàm lượng MA tự do càng thấp thì hiệu quả càng cao do độ linh động cao của chúng có thể chiếm ưu thế trong phản ứng với các nhóm -OH trên bề mặt sợi.

1.3.2.1 Lý do chọn luồng làm vật liệu gia cường cho vật liệu PC

Các loại sợi lingo-xenlulo như tre, luồng, đay và rơm đang ngày càng được chú ý vì vai trò là chất gia cường cho polymer Những sợi này có giá thành rẻ hơn so với sợi tổng hợp và thường được tìm thấy trong tự nhiên, mang lại lợi ích kinh tế Sợi lingo-xenlulo từ nguồn gốc tự nhiên không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn dễ dàng tiếp cận, làm cho chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn trong ngành công nghiệp vật liệu.

Phạm Thị Lánh từ ĐHBKHN cho biết rằng tre và luồng là hai loại sợi tự nhiên có cấu trúc bền vững, được công nhận và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kiến trúc và xây dựng dưới dạng thô.

Luồng là một tài nguyên quý giá chưa được khai thác triệt để, với tiềm năng lớn và được coi là vật liệu đa năng Loại cây này phát triển nhanh chóng, tương tự như các loại cây cỏ khác Tại Việt Nam, diện tích trồng luồng lớn và trữ lượng cao chủ yếu tập trung ở các tỉnh phía Bắc và Tây Nguyên.

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để sử dụng sợi luồng làm chất gia cường cho vật liệu compozit Trong khuôn khổ đề tài này, sợi luồng được lựa chọn là vật liệu nghiên cứu chính.

1.3.2.2 Phân bố, cấu trúc, phân loại và các tính chất của tre và luồng a) Nguồn gốc và phân bố của tre và luồng [12]

Cây họ tre rất phổ biến trên toàn cầu, chiếm từ 20-25% lượng thực vật trong rừng bán nhiệt đới với khoảng 1250 loài thuộc 80 họ Tại Đông Nam Á, có khoảng 200 loài thuộc 20 họ Ở Việt Nam, cây tre đã được người dân sử dụng từ lâu và rất quen thuộc Theo thống kê năm 1993, nước ta có khoảng 8,630,965 ha rừng, trong đó có 580,121 ha rừng tre nứa thuần loại và 316,721 ha rừng lai hóa, với tổng trữ lượng khoảng 4 tỷ cây.

Bảng 1.8: Sản lượng khai thác các loài tre Việt Nam giai đoạn 1986-1988

Tre luồng 440,2 triệu cây Bình quân 147 triệu cây/năm

Nứa 445,8 triệu cây 148 triệu cây/năm

Giang 26,2 triệu cây 8,7 triệu cây/năm

Trúc 266,5 triệu cây 88 triệu cây/năm

Măng tươi 74,4 nghìn tấn 25 nghìn tấn/năm

Măng khô 1771 nghìn tấn 590 nghìn tấn/năm

Bảng1.9: Trữ lượng và phân bố các loài tre ở Việt Nam năm 1991-1993

Bắc Trung Bộ 1304,8 216,2 118,4 Nứa, luồng Đông Nam Bộ 696,7 98,6 144,5 Lồ ô, tre

Trung Tâm 514,4 123,7 97,1 Vầu, tre, trúc

Duyên hải Trung Bộ 195,6 37,4 14,9 Tre, lồ ô

Tấy Bắc, Đông Bắc 154,6 15,65 5,7 Tre, mây

Nói chung, tre gồm có ba loại:

Tre phân bố rộng rãi trong rừng và nông thôn Việt Nam, chủ yếu ở vùng thấp, chiếm khoảng 80% tổng diện tích rừng tre của các nước Tre mọc thành cụm và có các bụi tách rời nhau Những loại tre phổ biến và có giá trị kinh tế cao nhất bao gồm tre nhà (Bambusa Vulgaris), tre gai (Bambusa Stenostachya) và tre lồ ô.

(Bambusa Procera), tre lộc ngộc (Bambusa Aundinceae), tre hoa (Bambusa Multiplex), hóp xào, hóp nước …

Luồng Thanh Hóa (Dendrocalamus Membranacesu) là loại cây nổi bật với diện tích khoảng 10.000 ha và đường kính đạt từ 10 đến 12 cm Loại cây này được sử dụng chủ yếu trong xây dựng, cầu, mảng và làm nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp giấy Bên cạnh đó, còn có các loại cây khác như mét thuộc chi luồng phân bố tại Nghệ An, bương (Dendrocalamus Flagellifer) và may gốc (Dendrocalamus Hamiltonnii).

ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN CỦA VẬT LIỆU PC

Lưu biến học là ngành khoa học nghiên cứu biến dạng và đặc tính chảy của vật liệu, đặc biệt là polyme Tính chất lưu biến của polyme được xác định bởi sự biến dạng và khả năng chảy, với mỗi loại polyme thể hiện những đặc tính lưu biến riêng biệt Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có lý thuyết hoàn chỉnh nào về lưu biến của các loại polyme.

Nghiên cứu lưu biến của các chất lỏng thấp phân tử tập trung vào việc xác định độ nhớt và các thông số liên quan Đối với loại chất lỏng này, độ nhớt chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh.

Tính chất lưu biến của các chất lỏng cao phân tử, dù có hay không có độn, thường rất phức tạp do chúng thể hiện đặc tính của chất lỏng không lý tưởng Các chất lỏng polyme không chỉ có độ nhớt phức mà còn thể hiện tính đàn hồi Những đặc tính này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ biến dạng, khối lượng phân tử, cấu trúc polyme, nồng độ phụ gia, chất độn và nhiệt độ Hơn nữa, ở một tốc độ biến dạng không đổi, ứng suất trượt còn phụ thuộc vào thời gian đặt ứng suất.

Nghiên cứu về lưu biến là một phần rất quan trọng đối với vật liệu polyme – compozit bởi 2 lý do: [27,29]

Sự chảy của vật liệu, đặc biệt là tính chất lưu biến của polyme lỏng, có ảnh hưởng lớn đến quá trình gia công và tạo hình sản phẩm Tính chất này xác định ứng suất trượt trong các quá trình như đùn, cán và thổi màng Ngoài ra, lưu biến cũng ảnh hưởng đến ứng suất dư và thời gian tái sinh trong gia công compozit như ép khuôn, thổi màng và đúc phun Do đó, việc mô tả định lượng lưu biến của polyme và compozit là cần thiết để nghiên cứu tính chất gia công và tối ưu hóa các quy trình này, đồng thời dự đoán sự xâm nhập.

Phạm Thị Lánh - ĐHBKHN 40 nghiên cứu về dòng chảy polyme không ổn định, nhấn mạnh tầm quan trọng của tính chất cơ học trong ứng dụng polyme Các tính chất cơ học này chịu ảnh hưởng lớn từ các đặc tính lưu biến, điều này làm nổi bật lý do cần thiết để nghiên cứu lưu biến Cụ thể, sự định hướng của các phần tử độn trong dòng chảy polyme ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của sản phẩm được tạo ra qua các phương pháp như ép khuôn, đùn, kéo sợi và tạo màng Đối với composite gia cường bằng sợi ngắn, sự định hướng của sợi cũng ảnh hưởng đến định hướng phân tử polyme trong hệ có độn Loại phân tử, kích thước và sự định hướng của sợi được xác định thông qua các đặc tính lưu biến và đặc tính chảy trong quá trình gia công polyme.

Plastisol là huyền phù của polyme lỏng, được ứng dụng rộng rãi trong các vật liệu hữu ích Lưu biến của polyme dạng bột đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, đặc biệt ở giai đoạn đầu của thiết bị đùn và đúc phun, trước khi polyme chuyển sang trạng thái lỏng Các phép đo lưu biến giúp khảo sát đặc tính trạng thái chuyển tiếp và trạng thái ổn định, từ đó kiểm soát chất lượng sản phẩm hiệu quả Những phép đo này cũng cho phép kiểm tra sự tương tác giữa các thành phần trong hệ đa pha và ảnh hưởng của chúng đến tính chất chảy cũng như các đặc tính khác của vật liệu.

1.4.2 Đặc tính vật liệu trong dòng chảy nhớt [27, 29]

Chảy trong các thiết bị đo lưu biến tiêu chuẩn là một dạng đặc biệt của dòng chảy nhớt, trong đó tất cả các chuyển động diễn ra dọc theo trục tọa độ x1 Tốc độ thay đổi dọc theo các trục x2 và x3 là trung lập Hình 1.5 minh họa quá trình này, trong đó chất lỏng được đặt giữa hai tấm phẳng với diện tích A và khoảng cách D Khi tấm phẳng phía trên di chuyển theo hướng x1 so với tấm bên dưới, chất lỏng sẽ bị trượt và lượng biến dạng γ được định nghĩa là γ = S.

D: Khoảng cách giữa hai tấm phẳng

Tốc độ trượt được định nghĩa là:

V: Vận tốc tương đối giữa hai tấm phẳng

Trong sơ đồ phép đo lưu biến, γ̇ được xem là gradien vận tốc hoặc tốc độ trượt Điều này cho thấy rằng tốc độ trượt không phụ thuộc vào thời gian, miễn là vận tốc trượt tương đối giữa tấm phẳng trên và tấm bên dưới giữ nguyên hằng số.

Lực F cần thiết để di chuyển tấm phẳng trên so với tấm bên dưới với vận tốc không đổi được gọi là lực trượt Khi tính trên một đơn vị diện tích, lực này được gọi là ứng suất trượt (τ).

Với chất lỏng Newton, τ tỷ lệ tuyến tính với γ  với tỷ lệ không đổi Tỷ lệ này được gọi là độ nhớt động học (ηη) γ v

Đối với chất lỏng Newton, đồ thị τ-γ̇ không phải là một đường thẳng mà là một đường cong, thể hiện sự không tuyến tính Tại giá trị γ̇ rất nhỏ, tồn tại một độ nhớt giới hạn η₀, được xác định bởi độ dốc của đường cong tại điểm bắt đầu Khi đường cong không tuyến tính, độ nhớt động học không còn là hằng số mà trở thành hàm của γ̇, và được định nghĩa là độ dốc của đường cong tại một giá trị γ̇ cụ thể.

Hình 1.6: Xác định độ nhớt từ đồ thị τ-γ [27]

Chất lỏng phi Newton Bingham có đặc điểm là đường cong τ-γ l tuyến tính nhưng không đi qua gốc tọa độ Giao điểm trên trục ứng suất của đường cong này được gọi là ứng suất biến dạng (yield stress) Độ dốc của đường cong tại một giá trị nhất định của γ được xác định là độ quánh (consistency).

Hệ đơn vị SI cho độ nhớt là Pa.s Các polyme tiêu biểu nhìn chung có độ nhớt trong khoảng 10 2 đến 10 3 Pa.s [27]

Độ nhớt của polyme thường giảm khi tốc độ cắt (γ̇) tăng, hiện tượng này được gọi là shear-thinning Đáng chú ý, khi tốc độ chảy qua một ống nhỏ tăng gấp đôi, áp lực giảm xuống sẽ thấp hơn gấp đôi.

Trong chất lỏng, mọi ứng suất đều là ứng suất pháp tuyến, tồn tại trên bề mặt và trong lòng chất lỏng Những ứng suất này không chỉ cân bằng nhau về hướng và độ lớn mà còn không phụ thuộc vào hướng Ứng suất pháp tuyến có khả năng nén và thường được gọi là áp lực.

Chất lỏng luôn gắn liền với sự xuất hiện của ứng suất trượt Khi chất lỏng di chuyển, cả ứng suất trượt và ứng suất pháp tuyến đều bị tổn hao.

Trong hình 1.7, sự chảy của chất lỏng tăng lên khi chịu tác động của lực trượt Đối với polyme, các ứng suất pháp tuyến dọc theo ba trục là đồng nhất, trong khi với chất lỏng Newton, các ứng suất này cân bằng với các lực khác Hầu hết chất lỏng được xem là không nén ép trong các quá trình gia công như ép, đùn và thổi Việc duy trì các ứng suất pháp tuyến bằng nhau sẽ không gây biến dạng hay thay đổi thể tích, chỉ có sự không cân bằng giữa các ứng suất này mới tạo ra chuyển động và biến dạng cho chất lỏng Do đó, không thể xác định tổng áp lực chỉ từ việc đo độ biến dạng hoặc từ sự chênh lệch giữa các ứng suất pháp tuyến.

Hình 1.7: Mô hình hóa các ứng suất pháp tuyến (Normal stress)

THỰ C NGHI Ệ M

HÓA CHẤT VÀ NGUYÊN LIỆ U

Luồng được lấy từ Hòa Bình và được tách thành sợi theo các phương pháp khác nhau

Loại nhựa sử dụng là C130Y do hãng HONAM chemical, Hàn Quốc sản xuất, có tính chất cơ học và tính năng kỹ thuật như bảng sau

Bảng 2.1: Tính chất nhựa PP

Tính chất Giá trị Đơn vị Độ bền kéo 29,27 MPa

Modun kéo 0,62 GPa Độ bền uốn 28,75 MPa

Modun uốn 0,99 GPa Độ bền va đập 5,62 KJ/m 2

Là sản phẩm của quá trình ghép anhydrit maleic lên PP, được tổng hợp tại Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polyme trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Axit stearic, với công thức hóa học CH3-(CH2)16-COOH, là một axít béo no được sử dụng để làm bóng bề mặt vật liệu PC và chống dính Chất này có dạng tinh thể không màu, điểm nóng chảy là 69,6°C, không tan trong nước nhưng tan trong ete, ít tan trong benzen, clorofom, etanol và axit axetic Axit stearic thường có mặt trong mỡ động vật và dầu thực vật dưới dạng este glixerit, và được biết đến với đặc tính là chất béo có điểm nóng chảy cao.

Hỗn hợp axít stearic và axit panmitic tạo thành stearin, trong đó muối kiềm của axít stearic được sử dụng như một chất hoạt động bề mặt, là thành phần quan trọng trong xà phòng Axít stearic chủ yếu được ứng dụng trong sản xuất ở dạng khô, với vai trò là chất bôi trơn, trong xà phòng, đồ dùng gia đình, tác nhân phân tán và làm mềm cao su Ngoài ra, nó còn được sử dụng để làm bóng bề mặt giày, kim loại, các sản phẩm từ vật liệu PC, chất phủ bề mặt và giấy gói thực phẩm.

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU

2.2.1 Phương pháp chế tạo sợi tre

Luồng được lấy ở Hòa Bình và tách thành sợi theo các phương pháp khác nhau

Cây tre được cắt thành từng đoạn dài khoảng một mét và sau đó được xử lý bằng máy để tách thành sợi Quá trình này diễn ra khi các ống tre được cán dập và cho qua rulo quay tròn, nơi có gắn đinh như bàn chông Nhờ vào các hàng đinh, thanh tre dần được tách thành sợi, tuy nhiên kích thước của sợi thu được rất không đồng đều, do đó cần loại bỏ sợi thô trước khi sử dụng.

Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo sợi tre bằng phương pháp cào tách bằng tay

Cây tre được cắt thành các thanh dài khoảng 25 cm và rộng 3 cm Trước khi xử lý kiềm ở nhiệt độ 90 độ C với nồng độ 1N trong 4 giờ, các thanh tre có thể được cán sơ bộ hoặc không, tùy thuộc vào yêu cầu của thí nghiệm Sau quá trình này, các thanh tre sẽ được rửa sạch.

Phạm Thị Lánh - ĐHBKHN 48 đã nghiên cứu quy trình tách sợi từ thanh tre Để dễ dàng tách sợi, thanh tre có thể được cán dập bằng máy trước khi thực hiện Sau khi loại bỏ sợi thô, sợi thu được sẽ được sấy khô Mặc dù sợi tách bằng tay có kích thước đồng đều hơn so với tách bằng máy, nhưng năng suất tách bằng tay thấp và ít phù hợp cho quy mô công nghiệp.

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo sợi tre bằng phương pháp tách bằng máy cán

Máy cán giúp tách sợi với năng suất vượt trội, cho phép sản xuất quy mô lớn hơn Các thanh tre được cắt thành những đoạn có chiều dài khoảng

Sau khi cắt tre thành đoạn dài 60 cm, tre được xử lý kiềm ở nhiệt độ 90 độ C trong 4 giờ, sau đó rửa sạch và để ráo nước Để tách sợi, các thanh tre được cán nhiều lần trên máy cán với khoảng cách trục cán giảm dần, cần chú ý để không làm sợi bị nát do khe trục hẹp Sau khi tách hoàn toàn, sợi tre được xé tơi và phơi khô Sợi tre thu được có chiều dài lớn, đường kính nhỏ và đồng đều hơn so với sợi tách bằng tay, đồng thời độ bền của sợi tách bằng máy cán không thấp hơn sợi cào tách bằng tay.

2.2.2 Phương pháp chế tạo compozit

• Nhựa PP Bassell của Ả rập chỉ số chảy = 12g/phút

• Chất trợ tương hợp polypropylen ghép anhydrit maleic (MAPP) của hãng Aldrich (Mỹ) với hàm lượng MA ghép 0,6% khối lượng, tỷ trọng 0,925 g/cm 3 độ nhớt 1700 cps ở 140 0 C

• Chất phụ gia HL-04 (từ Trung Quốc)

• Luồng tươi của Hòa Bình

2.2.2.2 Phương pháp chế tạo mẫu a) Vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP – sợi luồng ngắn

Nguyên liệu PP đã trộn PPMA 8% và HL-04 được sấy nhẹ trong tủ sấy Memment (Đức) ở 80 0 C

Sợi luồng ngắn sau khi tiến hành xử lý bằng kiềm AA được sấy trong tỷ sấy Memmert ở 110 0 C

Sợi luồng được cân trên cân phân tích Precisa ISO 9001 của Thụy Sỹ theo các tỉ lệ đã định trước với nhựa PP (10%, 20%, 30%, 40% và 50%) và trộn đều bằng tay Sau đó, hỗn hợp này được đưa vào máy đùn một trục vít Brabender D - 47045 để tiến hành quá trình gia công.

= 19mm, L/D% với chế độ đung như sau:

- Nhiệt độ trộn được duy trì ở 190 0 C thống nhất cho cả 4 vùng trên máy

- Tốc độ trục vít: 50 vòng/phút

Hỗn hợp được đùn 2 lần và ra khỏi đầu đùn ở dạng sợi Sau đó được đưa vào máy cắt hạt Brabender để tạo hạt b) Gia công mẫu

Vật liệu ở dạng hạt được cho vào máy ép thủy lực để tạo mẫu đo độ bền kéo, uốn, va đập với chế độ gia công như sau:

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM MẪU

2.3.1 Các phương pháp xác định tính chất của sợi luồng

2.3.1.1 Độ bền kéo của sợi Độ bền kéo của sợi xác định theo tiêu chuẩn IS0 527 bằng máy LLOYD LRX 500N của Anh, tốc độ kéo 2 mm/phút

Hình 2.3: Mẫu đo độ bền kéo sợi luồng Độ bền kéo của sợi (TF) được xác định theo công thức:

Trong đó: F - lực kéo sợi, N d - đường kính sợi, m

2.3.1.2 Xác định xác suất tích tụ độ bền sợi theo hàm phân bố Weilbull

Hàm Weibull biểu diễn mối quan hệ giữa độ bền sợi và kích thước sợi dựa trên quy luật phân bố xác suất Phương trình toán học có dạng:

Trong đó: P f - xác suất tích tụ độ bền, P f =n/(N +1)

Với N là tổng số mẫu thử và n là số mẫu thử có cùng độ bền σ - độ bền sợi α - hệ số hình dạng β - hệ số thang đo

Vo - thể tích chuẩn Lấy loga cơ số e hai vế phương trình (1) ta được:

Bằng thực nghiệm xác định được Pf và độ bền σ Từ các giá trị xác định được, dựa vào quan hệ (2) ta tính được giá trị α

2.3.1.3 Độ bền bám dính của sợi với nhựa nền Độ bền bám dính của sợi với nhựa nền hay còn gọi là độ bền xé (IFSS) được đo trên máy LLOY 500N của Anh, tốc độ kéo mẫu là 2 mm/phút

Hình 2.4: Sơ đồ đo độ bền bám dính của sợi với nhựa nền Độ bền bám dính của sợi và nhựa nền xác định dựa vào công thức:

Trong đó: Fp - lực rút sợi, N d - đường kính sợi, m le - chiều dài sợi bọc nhựa, m

2.3.2 Các phương pháp xác định cấu trúc và tính chất của compozit

2.3.2.1 Độ bền kéo Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527 trên máy đo độ bền kéo LLOYD 0,5 KN với tốc độ kéo 5mm/phút

Mẫu kéo được cắt theo kích thước như sau:

Vị trí cắt khi ®Blade MiÕng giÊyNhùa MA-PP

Hình 2.5: Mẫu đo độ bền kéo Độ bền kéo (σk) được xác định theo công thức:

Trong đó: F - lực tác dụng, N

A - tiết diện ngang của mẫu, mm 2

2.3.2.2 Độ bền va đập IZOD Độ bền va đập được đo theo tiêu chuẩn ASTM D526 trên máy đo độ bền va đập

Tinius Olsen model 92T (USA) Mẫu dạng thanh được khía trên máy cắt RAY- RAN để tạo mẫu khía

Hình 2.6: Mô hình đo độ bền va đập

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN 53 Độ bền va đập (a vd ) được xác định theo công thức:

Trong đó: W - năng lượng phá hủy, J h - độ dày của mẫu, mm b - chiều rộng của mẫu, mm

2.3.2.3 Độ bền uốn Độ bền uốn được xác định trên máy INSTRON 5582 của Mỹ theo tiêu chuẩn ISO 178-1993 Tốc độ uốn 5 mm/phút, nhiệt độ 35 o C, độ ẩm 75%

Hình 2.7: Mô hình đo độ bền uốn Độ bền uốn (σu) được xác định theo công thức:

Trong đó: F - lực tác dụng lên mẫu, N l - khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm b - chiều rộng của mẫu, mm. h - chiều dày của mẫu, mm

2.3.2.4 Phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy

Điểm chảy của hợp chất là nhiệt độ tại đó pha rắn và pha lỏng đạt trạng thái cân bằng Khi một hợp chất rắn chuyển sang thể lỏng, các phân tử cần nhận đủ năng lượng để vượt qua lực tương tác giữa chúng trong mạng tinh thể Đối với hầu hết các hợp chất hữu cơ, lực tương tác giữa các phân tử thường khá yếu.

Khoảng nhiệt độ chảy được xác định từ nhiệt độ mà các tinh thể đầu tiên bắt đầu hóa lỏng cho đến khi toàn bộ mẫu hóa lỏng Hầu hết các hợp chất hữu cơ tinh khiết thường nóng chảy trong một dải nhiệt độ hẹp, chỉ dao động từ 1 đến 2 độ C.

Sự có mặt của tạp chất tan làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp chất so với hợp chất tinh khiết và mở rộng khoảng nhiệt độ chảy Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của tạp chất đến đặc tính chảy, chúng ta khảo sát nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp hai cấu tử X và Y, với trục tung biểu thị nhiệt độ và trục hoành biểu thị thành phần của X và Y trong hỗn hợp Nhiệt độ nóng chảy của X tinh khiết được sử dụng làm cơ sở để phân tích.

Nhiệt độ nóng chảy của chất X khi thêm vào Y tinh khiết sẽ thay đổi theo đường cong CB, cho đến khi đạt được nhiệt độ thấp nhất là 148°C.

Hình 2.8: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy theo thành phần của hỗn hợp hai cấu tử

Phạm Thị Lánh - ĐHBKHN 55 cho biết rằng nhiệt độ eutectic, hay điểm nóng chảy đầu tiên, thường khó quan sát khi chỉ có một lượng nhỏ tạp chất Khi đó, lượng lỏng tạo ra ở nhiệt độ eutectic rất ít, làm cho việc đo nhiệt độ này trở nên khó khăn Tuy nhiên, nhiệt độ mà toàn bộ mẫu chảy hết có thể đo chính xác Do đó, với mẫu có tạp chất nhỏ, nhiệt độ chảy quan sát được thường cao hơn nhiều so với nhiệt độ eutectic và thấp hơn nhiệt độ chảy của hợp chất nguyên chất.

Nhiệt độ nóng chảy của một hợp chất là một hằng số vật lý quan trọng, giúp nhận biết các chất khác nhau Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiều hợp chất có thể có cùng nhiệt độ nóng chảy, điều này có thể gây khó khăn trong việc phân biệt chúng.

Nhiệt độ nóng chảy là một chỉ số quan trọng để đánh giá độ tinh khiết của hợp chất; nếu khoảng nhiệt độ nóng chảy thay đổi lớn hơn 5°C, hợp chất được xem là không tinh khiết Sự tinh khiết của hợp chất thường khiến nhiệt độ nóng chảy của nó dao động trong khoảng hẹp, khoảng 1÷2°C Để xác định nhiệt độ nóng chảy, người ta sử dụng máy Buchi Melting Point của Thụy Sỹ Quy trình bắt đầu bằng cách cho mẫu bột mịn vào ống mao quản, với chiều cao mẫu khoảng 1÷2 mm, sau đó đặt ống mao quản vào thiết bị đo.

Điểm chảy của mẫu được xác định bằng cách gia nhiệt với tốc độ 10 ÷ 15 °C/phút cho đến khi mẫu bắt đầu nóng chảy, gọi là điểm chảy định hướng Sau đó, hạ nhiệt độ xuống 15 °C dưới điểm chảy định hướng, lấy mẫu ra và đặt vào một mẫu mới Tiếp tục gia nhiệt với tốc độ 1 ÷ 2 °C/phút cho đến khi mẫu bắt đầu nóng chảy và ghi lại nhiệt độ này (T1) Tiếp tục gia nhiệt cho đến khi mẫu nóng chảy hoàn toàn và ghi lại nhiệt độ (T2) Khoảng nhiệt độ nóng chảy của mẫu được tính bằng T1 – T2 Thực hiện đo với 3 ÷ 5 mẫu và lấy giá trị trung bình để có kết quả chính xác.

2.3.2.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Việc khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu được thực hiện bằng phương pháp chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JMS 6360LV của Nhật Bản Các vật liệu với tỉ lệ thành phần khác nhau được chụp ở các độ phóng đại khác nhau để xác định sự phân tán và mật độ của sợi trong nhựa, đồng thời quan sát khả năng tương hợp giữa sợi và nhựa cũng như sự thay đổi cấu trúc của vật liệu trong môi trường nước thải Phương pháp này sử dụng chùm tia điện tử mạnh, quét theo hàng và cột trên bề mặt mẫu nghiên cứu, kích thích mẫu phát ra điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược và tia X, từ đó thu thập và xử lý thông tin về mẫu.

Kính hiển vi điện tử quét cung cấp ảnh với độ phóng đại cao, rất hữu ích cho việc nghiên cứu bề mặt của mẫu Tuy nhiên, một hạn chế lớn của loại kính này là chỉ cho phép quan sát bề mặt, mà không thể nhìn thấy cấu trúc bên trong mẫu.

2.3.2.6 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FTIR)

Theo nguyên tắc chung, chùm tia hồng ngoại được sử dụng để chiếu vào bề mặt mẫu nghiên cứu, làm cho các điện tử, photon và ion từ bề mặt thoát ra Phân tích hình ảnh từ phổ hồng ngoại cho phép xác định các nguyên tử và liên kết có trên bề mặt mẫu thông qua mối liên hệ giữa tính chất sóng và tính chất hạt của các hạt đó.

Phổ hồng ngoại của vật liệu có thể đo trên máy Tensor 27 của hãng Brcker (Mỹ)

2.3.2.7 Khảo sát tính chất lưu biến của vật liệu trên máy lưu biến C-VOR

Mô-đun dự trữ (G’) và mô-đun mất mát (G’’) của mẫu compozit được xác định bằng máy lưu biến C-VOR 150 của hãng Bohlin (Anh) Mẫu thử có hình dạng chữ nhật với kích thước 12 x 50 x a (mm).

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN 57 a: là chiều dày mẫu, a = 1 – 3 mm

Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo dựa trên ứng suất trượt với tần số thay đổi Trong quá trình thử nghiệm, tần số góc có thể thay đổi theo các khoảng thời gian khác nhau Lực tác dụng theo phương ngang gây ra dao động xoắn, dẫn đến biến dạng trượt Do tính chất đàn nhớt của vật liệu, sự phản ứng không tức thời với lực tác dụng khiến biến dạng chậm pha so với lực, với một góc lệch δ ≠ 0.

Trong vùng biến dạng nhỏ, ứng suất tỉ lệ thuận với độ biến dạng, và hệ số tỉ lệ này được gọi là môđun trượt Khi ứng suất thay đổi theo chu kỳ, hệ số tỉ lệ này được gọi là môđun đàn hồi phức G*, được xác định theo công thức cụ thể.

K Ế T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N

Tiêu đề	Nghiên Cứu Cấu Trúc Và Các Tính Chất Gia Công Của Vật Liệu Polyme Compozit Từ Nhựa Nền Polypropylen (Pp) Gia Cường Bằng Sợi Tre Ngắn Dùng Trong Xử Lý Nước Thải
Tác giả	Phạm Thị Lánh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Huy Tùng
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật vật liệu phi kim
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	2,16 MB