Sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp đại dẫn đến nhu cầu to lớn loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà vật liệu kim loại, ceramic, polyme đứng riêng rẽ khơng có Rất nhiều vât liệu phát triển vật liệu compozit có tiềm ứng dụng vơ to lớn Có thể nói kỷ XXI kỷ cơng nghệ cao vật liệu compozit (hay gọi cách phổ biến vật liệu tiên tiến) Ngày nay, compozit ngày chiếm ưu thế, thay kim loại hợp kim chế tạo máy, việc chế tạo vật thể bay, có mặt tất ngành, lĩnh vực kinh tế quốc dân Khoảng 20 năm, kể từ năm 90 trở lại đây, vật liệu compozit quan tâm ứng dụng nghiên cứu mạnh mẽ Việt Nam Những ứng dụng nhìn thấy ứng dụng compozit ngành nhựa Việt Nam Để nâng cao độ bền vật liệu nhựa, cần đưa bổ sung vào nhựa cốt sợi, hạt Những cốt sợi sợi kim loại, sợi thuỷ tinh, sợi bazan cacbon, sợi tự nhiên… Cốt sợi làm tăng độ bền, tăng giá trị mơđun đàn hồi, mà cịn làm tăng độ bền vật liệu với tác động học vật lý Việc sử dụng vật liệu để thay vật liệu truyền thống điều tất yếu Tuy nhiên vấn đề môi trường, năm gần việc nghiên cứu phát triển vật liệu compozit sợi tự nhiên (sợi thực vật) nhiều quốc gia giới quan tâm Chính em chọn đề tài “Đánh giá ảnh hưởng sợi dưà đến tính chất vật liệu compozit theo phương pháp RTM”
Vật liệu polyme compozit
Lịch sử phát triển [1]
Khoảng 5.000 năm trước Công nguyên, người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu compozit vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm) Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu compozit từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ.
Vật liệu compozit đã có sự phát triển đột phá vào những năm 1930 khi Stayer và Thomat nghiên cứu và ứng dụng thành công sợi thủy tinh Đồng thời, Fillis và Foster đã gia cường polyeste không no, dẫn đến việc áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay và tàu chiến phục vụ cho Thế chiến thứ hai.
Năm 1950 đánh dấu bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite với sự ra đời của nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyester, nylon Từ năm 1970 đến nay, vật liệu composite nền chất dẻo đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp, dân dụng, y tế, thể thao và quân sự.
Khái niệm về vật liệu compozit [1]
Vật liệu compozit là loại vật liệu được cấu thành từ một hoặc nhiều pha gián đoạn, được phân bố trong một pha liên tục duy nhất Các pha này đóng vai trò là những thành phần trong cấu trúc của vật liệu compozit, tạo nên tính chất đặc biệt cho sản phẩm.
Pha liên tục, hay còn gọi là vật liệu nền, là thành phần chủ yếu có chức năng kết dính và tạo môi trường phân tán Nó đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải ứng suất lên chất gia cường khi chịu tác động của ngoại lực.
Pha gián đoạn, hay còn gọi là cốt hoặc vật liệu gia cường, là yếu tố chịu ứng suất tập trung do có tính chất cơ lý vượt trội hơn so với chất nền Việc trộn cốt vào pha nền giúp nâng cao các đặc tính cơ học của vật liệu, từ đó cải thiện hiệu suất và độ bền của sản phẩm.
Hình 1.1 Hình minh họa cấu trúc vật liệu compozit
Phân loại vật liệu compozit [1]
Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.
Phân loại theo hình dạng
Vật liệu compozit độn dạng sợi, hay còn gọi là compozit cốt sợi, là loại vật liệu được gia cường bằng sợi, giúp tăng cường tính cơ lý cho polyme nền Việc sử dụng chất độn dạng sợi này mang lại nhiều lợi ích cho hiệu suất và độ bền của sản phẩm.
Vật liệu compozit độn dạng hạt là loại vật liệu trong đó các tiểu phân hạt được phân tán đều trong polyme nền Khác với sợi, hạt không có kích thước ưu tiên, mang lại những đặc tính khác biệt cho sản phẩm cuối cùng.
Phân loại theo bản chất, thành phần
+ Compozit nền hữu cơ (polyme) vật liệu gia cường có thể có dạng: sợi hữu cơ(polyamid, Kevlar…), hay sợi khoáng (thủy tinh, cacbon…), sợi kim loại (Bo,nhôm…).
+ Compozit nền kim loại: như hợp kim Titan, hợp kim Al,… thường 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)…
Vật liệu polyme gia cường bằng sợi tự nhiên [2]
Một số loại compozit sợi tự nhiên [2]
Dựa trên những loại sợi và nhựa nền khác nhau có thể phân loại polyme compozit sợi tự nhiên thành các loại sau
1.2.1.1 Compozit lai tạo từ sợi tự nhiên và sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon
Compozit gia cường sợi tự nhiên thường có tính chất cơ lý và vật lý kém hơn so với compozit gia cường sợi thủy tinh Tuy nhiên, việc sử dụng compozit lai tạo có thể cải thiện đáng kể các đặc tính này Đặc biệt, tính không thấm nước của sợi thủy tinh giúp giảm thiểu tác động của hơi ẩm, từ đó nâng cao độ bền và hiệu suất của vật liệu.
1.2.1.2 Compozit có khả năng phân hủy sinh học
Việc phát triển vật liệu compozit phân hủy sinh học, đặc biệt là polyme phân hủy sinh học gia cường sợi tự nhiên, đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ môi trường Những loại nhựa này có khả năng phân hủy sinh học, chủ yếu được chiết xuất từ các nguồn thiên nhiên như xenlulo, tinh bột và axit lactic, mang lại lợi ích lớn cho hệ sinh thái.
Nhựa nhiệt dẻo như HDPE, LDPE, PE clo hóa, PP, PS, PVC đang được gia cường bằng chất độn gỗ, mang lại nhiều ưu điểm như khối lượng nhẹ, độ bền và độ cứng chấp nhận được Việc gia công đơn giản, chi phí thấp và tác động môi trường hạn chế đã thúc đẩy sự phát triển của vật liệu này Gỗ, từ lâu đã được sử dụng trong xây dựng và kỹ thuật, với các dạng như vỏ bào sợi và bột gỗ làm tác nhân gia cường Tận dụng gỗ phế thải để sản xuất sản phẩm nội thất hữu ích là một xu hướng tích cực Tuy nhiên, vật liệu này gặp phải một số vấn đề như chất lượng nguyên liệu không ổn định, khả năng tương hợp hạn chế do sự hút nước của chất độn gỗ, tính ổn định nhiệt kém trong quá trình gia công và hiện tượng cong vênh của sản phẩm do sự nở của gỗ.
Các phương pháp gia công compozit sợi tự nhiên [2]
Pha nền là yếu tố quan trọng quyết định tính năng của vật liệu compozit polyme Cả nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo đều được sử dụng làm nhựa nền cho các loại vật liệu compozit, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và ứng dụng của chúng.
Trong compozit nền nhựa nhiệt rắn, quá trình đóng rắn tạo ra các liên kết ngang trong cấu trúc mạng lưới ba chiều, mang lại độ bền, khả năng chịu dung môi và độ dẻo dai cho vật liệu Công nghệ chế tạo compozit nhựa nhiệt rắn bao gồm các phương pháp như lăn ép bằng tay, phun, đúc chuyển nhựa (RTM) và thấm hút chân không (VATM), với sợi tự nhiên thường sử dụng là sợi dải và tấm mát Nhựa nhiệt dẻo có ưu điểm về chi phí sản xuất thấp và khả năng thiết kế linh hoạt cho sản phẩm phức tạp, nhưng bị giới hạn nhiệt độ gia công dưới 200 °C để tránh phân hủy sợi tự nhiên Công nghệ gia công nhựa nhiệt dẻo bao gồm đùn các thành phần ở nhiệt độ nóng chảy để tạo hình mong muốn, tuy nhiên, do sợi tự nhiên ưa nước trong khi nhựa nhiệt dẻo lại kị nước, nên cần xử lý sợi để cải thiện sự phân bố trong nhựa.
Ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên [2]
Gần một thế kỷ trước, hầu hết nguyên liệu sản xuất cho các sản phẩm gia đình và công nghệ đều được chiết xuất từ các nguyên liệu dệt tự nhiên.
Vải dệt, lều, dây thừng và giấy đều được sản xuất từ các sợi tự nhiên như sợi lanh và sợi gai Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của các loại chất dẻo đã làm giảm đáng kể ứng dụng của sợi tự nhiên trong nhiều lĩnh vực.
Hiện nay, việc sử dụng sợi tự nhiên trong ngành công nghiệp chủ yếu dựa vào yếu tố giá cả và thương mại, thay vì nhu cầu công nghệ Tại Châu Âu, thị trường compozit sợi tự nhiên vào năm 2005 đạt từ 50-70 ngàn tấn, với mục tiêu tăng lên 100 ngàn tấn vào năm 2010.
Hiện nay, compozit sợi tự nhiên đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành nội thất ô tô, đáp ứng nhu cầu lớn từ thị trường Các bộ phận như cửa, ghế ngồi sau, phần đầu, ngăn chứa đồ, bảng đồng hồ và thùng để hành lý đều được sản xuất từ vật liệu này Sự phát triển của compozit sợi tự nhiên trong ô tô ghi nhận mức tăng trưởng hàng năm lên tới 54% Đồng thời, nghiên cứu đang được tiến hành để chế tạo Ecocar - xe của tương lai, sử dụng các tấm compozit sợi tự nhiên kết hợp với nhựa phân hủy sinh học và chạy bằng nhiên liệu sinh học.
Ngoài ra còn một số sản phẩm khác như: tấm panel (dạng sandwich) lợp mái, cửa, vách ngăn, thân thuyền, nội thất trong nhà, v.v
Hình 1.2 Hình minh họa ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên
Nhựa nền polyeste không no [3]
Tổng hơp nhựa PEKN [3]
1.3.1.1 Nguyên liệu tổng hợp PEKN
Nhựa PEKN được sản xuất từ phản ứng trùng ngưng giữa polyaxit hoặc các anhydrit của chúng với polyol Liên kết đôi của anhydrit không no giúp nhựa PEKN có khả năng khâu mạch, tạo ra nhựa nhiệt rắn Mặc dù nhựa PEKN thường ở dạng rắn, nhưng nó thường được sử dụng dưới dạng dung dịch với styren (30-40%).
Styren đóng vai trò vừa là dung môi vừa là tác nhân khâu mạch, trong khi nhựa PEKN có thể được gia công ở nhiệt độ thường mà không cần áp suất, mang lại lợi thế lớn cho ngành công nghiệp Để tổng hợp PEKN, người ta sử dụng các diaxit, chủ yếu là axit/anhydryt phtalic và các dẫn xuất của nó, giúp tính chất của sản phẩm nhựa PEKN có thể thay đổi linh hoạt thông qua việc lựa chọn axit/anhydryt phù hợp.
Bảng tổng hợp dưới đây liệt kê các loại axit và anhydryt phổ biến được sử dụng trong quá trình tổng hợp nhựa PEKN, cùng với các tính chất đặc trưng của sản phẩm nhựa tương ứng.
Công thức Tên Tính chất
- Chịu ăn mòn, chịu trường
-Cơ tính và tính chất trung bình
- Nhựa có tính đồng nhất cao
- Độ ổn định nhiệt cao
Trong quá trình tổng hợp PEKN, ngoài các axit và anhydrit đã đề cập, việc bổ sung các axit và anhydrit không no cũng rất quan trọng Lựa chọn loại axit/anhydrit không no và hàm lượng của chúng có tác động lớn đến tính chất của nhựa.
Anhydryt maleic thường được ưa chuộng vì giá thành thấp và quá trình tổng hợp ít nước Tuy nhiên, trong những trường hợp cần tính chất đặc biệt, có thể sử dụng các hợp chất khác như axit fumaric, axit metacrylic, axit acrylic và axit itaconic.
Hàm lượng axit không no ảnh hưởng đến tỷ lệ nối đôi trong nhựa, với tỷ lệ axit no/axit không no thường nằm trong khoảng từ 1/2 đến 2 Nối đôi càng nhiều trong nhựa sẽ dẫn đến thời gian đóng rắn nhanh hơn và tăng độ cứng cho sản phẩm compozit cuối cùng Do đó, việc lựa chọn tỷ lệ phù hợp là rất quan trọng, và trong nhiều trường hợp, tỷ lệ tối ưu thường là 1:1.
Polyol, thường là các diol, là nguyên liệu quan trọng thứ hai trong quá trình tổng hợp PEKN Tương tự như polyaxit, polyol có nhiều loại khác nhau, được lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của sản phẩm, chẳng hạn như tăng cường cơ tính, cải thiện độ bền thủy phân và khả năng chịu hóa chất.
Bảng 1.2 Một số loại polyol thường dùng để tổng hợp nhựa PEKN.
HO CH 2 CH 2 CH OH
- Mềm dẻo, độ giãn dài lớn
1.3.1.2 Phương pháp tổng hợp nhựa PEKN
Giữa các diaxit hay anhydit và các diol xảy ra phản ứng este hóa tạo thành nhựa PEKN
Quá trình tổng hợp PEKN có thể xảy ra theo 1 hoặc 2 giai đoạn
Phương pháp 1 giai đoạn là quá trình đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ cao, giúp giảm thời gian phản ứng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gây tổn thất nguyên liệu đáng kể.
Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng.
Phương pháp hai giai đoạn:
+ Giai đoạn đầu: đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ thấp 98-120˚C phần lớn là tạo ra các monoeste, giữ ở một khoảng thời gian thích hợp.
Trong giai đoạn sau, nhiệt độ được nâng lên 260-280˚C và duy trì cho đến khi chỉ số axit đạt 1-25, sau đó ngừng phản ứng Cuối cùng, quá trình được làm lạnh đến 150-180˚C; nếu sử dụng polyeste lỏng, sản phẩm sẽ được đóng thùng, trong khi polyeste rắn sẽ được rót ra băng tải kim loại, làm nguội, sau đó đập, nghiền và sàng.
1.3.1.3 Phản ứng đóng rắn PEKN
Dưới tác động của các tia năng lượng cao như tia gamma (γ) và tia cực tím (UV), phản ứng trùng hợp giữa các nối đôi trong mạch PEKN và styren diễn ra, tạo ra polyme với cấu trúc không gian đặc biệt.
Liên kết ngang có x trung bình khoảng 1.5- 2.5 phân tử styren.
Phản ứng trùng hợp các chất có liên kết đôi thường diễn ra theo cơ chế trùng hợp gốc, chịu tác động của các chất khởi đầu Để tăng tốc độ phản ứng, cần sử dụng các chất xúc tiến.
Hệ chất khởi đầu- chất xúc tiến là một hệ oxy hóa khử theo cơ chế:
ROOH + Co 2+ → RO • + OH ‾ + Co 3+
Các chất khởi đầu (còn gọi là chất xúc tác) có hai loại chất khởi đầu cho đóng rắn nóng và đóng rắn nguội.
Bảng 1.3 một số chất khơi mào dùng trong đóng rắn nhựa PEKN
Chất khơi mào Công thức
Để đóng rắn nguội, thường sử dụng metyletylketonperoxyt (MEKPO) hoặc xyclohexanonperoxyt, trong đó MEKPO là phổ biến nhất Lượng sử dụng chỉ từ 1-2% trọng lượng nhựa Ngoài ra, benzoylperoxyt cũng được dùng ở nhiệt độ cao với hàm lượng 1-2% dưới dạng bột nhão 55% trong crezylphotphat Nhiệt độ thích hợp để đóng rắn nóng là từ 100-110˚C.
+ Coban octoat: là dung dịch 6% coban, màu xanh lơ, được dùng phối hợp với chất khởi đầu nêu trên.
+ Coban naphtenat: cũng là dung dịch 6% coban, sử dụng như coban octoat.
Ngoài ra do PEKN sau khi tổng hợp thường tồn tại ở dạng đậm đặc hoặc rắn (ở nhiệt độ phòng) nên người ta thường thêm vào các monome: styren, metylmetacrylat
(MMA), vinyl, triallil xianuarat, … vừa có tác dụng pha loãng vừa là tác nhân khâu mạch
Trong đó styren được sử dụng nhiều nhất do có nhiều tính chất ưu việt:
+ Tương hợp với polyeste, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp. + Đóng rắn nhanh.
+ Sản phẩm chịu thời tiết tốt, có lý tính cao, cách điện tốt
+ Khả năng tự bốc cháy thấp.
Hình 1.3 Sơ đồ mô tả nhựa PEKN sau khi đóng rắn
Sau khi đóng rắn, nhựa PEKN trở nên cứng và có khả năng chịu lực cao.
Trước khi sử dụng, cần chuẩn bị hỗn hợp nhựa bằng cách phân tán đều nhựa và các phụ gia khác Việc khuấy đều và cẩn thận là rất quan trọng để loại bỏ bọt khí trong nhựa, điều này sẽ ảnh hưởng tích cực đến quá trình gia công.
Trong quá trình đóng rắn nhựa, hiện tượng co ngót từ 4-8% có thể gây biến dạng cho vật liệu Để hạn chế tình trạng này, cần bổ sung chất chống co ngót trước khi tiến hành gia công.
Ở nhiệt độ bình thường, quá trình đóng rắn của vật liệu PC không hoàn toàn, do đó cần thực hiện quá trình đóng rắn nóng thêm 3-4 giờ ở nhiệt độ 80-100˚C để nâng cao tính chất của vật liệu.
Tính chất và ứng dụng của nhựa PEKN [3]
Tính chất của nhựa PEKN được xác định bởi thành phần nguyên liệu và điều kiện tổng hợp Trong trạng thái không đóng rắn, nhựa có độ nhớt thấp đến cao, dễ thao tác với sợi cốt và có khả năng đóng rắn trong dải nhiệt độ rộng mà không cần áp lực Khi đóng rắn, polyeste trở thành vật liệu rắn, có thể trong suốt hoặc không; vật liệu trong suốt cho phép 92% ánh sáng truyền qua, nhưng sẽ bị vàng khi tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng ngắn Trong môi trường không khí, compozit từ PEKN hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 35-75 độ C.
Polyeste hoặc nhựa đóng rắn có khả năng chịu được môi trường axit mạnh, bao gồm HCl 15% và HNO3 7% Chúng cũng có khả năng chống lại dung dịch muối axit, dung dịch trung tính, các dung môi có cực, sương muối và tia tử ngoại Tuy nhiên, loại vật liệu này không bền với kiềm, xeton, anilin và CS2.
Nhược điểm của polyeste không no là có độ co ngót lớn, khả năng chịu nhiệt cũng như độ bền va đập không cao.
PEKN có độ nhạy cao với nhiệt độ, dễ cháy, vì vậy cần bổ sung các phụ gia chống cháy trong quá trình gia công, chẳng hạn như phụ gia hữu cơ và vô cơ như paraffin chứa clo, PVC, và các hợp chất polyplast.
Bảng 1.4 Tính chất của nhựa PEKN
Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 1,2- 1,35 Độ bền kéo (MPa) 30-70 Độ bền nén (MPa) 80-150 Độ bền uốn (MPa) 90-100
Môđun đàn hồi (GPa) 2,8-3,8 Độ dãn dài khi đứt (%) ~1,5 Độ co ngót (%) 5-10
Bền nhiệt ( o C) 50-80 Độ ngậm nước sau 24h (%) 0,1-0,2
1.3.2.2 Ứng dụng của nhựa PEKN
Nhựa PEKN được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
Làm keo dính và xi măng (trộn cùng với oxit silic và dioxit silic).
Phủ bảo vệ tạo ra lớp phủ dày từ 200-400 mm, mang lại độ cứng vững cho bề mặt và khả năng bền cơ cao Lớp phủ này có khả năng chống lại nhiệt độ, thời tiết khắc nghiệt, nước, rượu, xăng dầu, axit lỏng, kiềm và nhiều yếu tố hoạt hóa khác Màng phủ có thể áp dụng cho tất cả các loại vật liệu, tuy nhiên, lớp phủ mỏng khiến styren bay hơi nhanh chóng và mất nhiệt do phản ứng tạo ra Do đó, cần cung cấp một lượng lớn chất để tăng tốc quá trình đồng trùng hợp styren và PEKN, đồng thời ngăn chặn tác động của oxy trong không khí vào quá trình làm khô.
Làm vật liệu phân lớp
Nhựa PEKN đóng vai trò quan trọng như nhựa nền trong ngành công nghiệp chế tạo vật liệu polyme compozit Sản phẩm compozit từ nhựa PEKN được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chủ chốt như công nghệ đóng tàu, ô tô, máy bay và xây dựng dân dụng.
Hình 1.4 Một số ứng dụng của nhựa PEKN
Bảng 1.5 Một số loại nhựa PEKN và ứng dụng
Loại Tính chất Ứng dụng
Cứng, chống rạn nứt, màu sáng
Tàu thuyền, bồn tắm, đá hoa, sản phẩm dân dụng, vách ngăn, sẳn phẩm trang trí
Dai, bền va đập và có cơ tính cao, clorendic được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kết cấu ô tô, gel coat, vật liệu điện, bồn đựng hóa chất và một số chi tiết trong tàu không gian Nó cũng có khả năng chống chịu tốt với môi trường khí hậu và hóa chất, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và tính ổn định cao.
Cứng, độ biến dạng nhiệt thấp, bền môi trường hóa chất và môi trường oxy hóa
Bồn đựng các chất ăn mòn, ống dẫn trong công nghiệp
Cứng, độ biến dạng nhiệt thấp, rất bền môi trường hóa chất đặc biệt là môi trường kiềm
Bồn đựng các chất ăn mòn, ống dẫn trong công nghiệp hóa chất
Sợi xơ dừa
Giới thiệu sợi xơ dừa [4]
Xơ dừa là phần thớ vỏ nằm giữa lớp vỏ ngoài dai và gáo cứng, bao bọc lớp phôi nhũ của quả dừa Phần xơ này chiếm khoảng 35% trọng lượng của quả dừa già và có sự khác biệt rõ rệt tùy thuộc vào từng giống dừa.
Hình 1.5 Cấu tạo quả dừa
Có 3 loại xơ dừa: loại dài nhất và mảnh nhất gọi là xơ chiếu hay xơ sợi và có thể kéo sợi làm chiếu hay thừng chão Một loại thô hơn dùng làm sợi bàn chải và loại ngắn nhất dùng để nhồi nệm Xơ xoắn là loại xơ pha trộn giữa hai loại xơ thô và xơ ngắn. Phần xơ xoắn chủ yếu dùng tẩm cao su để nhồi nệm.
Hình 1.6: Hình ảnh minh họa sợi xơ dừa
Một số đặc tính của xơ dừa [4]
Xơ dừa là một loại sợi tự nhiên nổi bật với độ bền và tính chắc chắn, đồng thời có khả năng phân hủy sinh học nhờ vào tác động của vi khuẩn Bảng 2.2 và bảng 2.3 cung cấp thông tin về thành phần hóa học chính và các đặc tính cơ học của sợi xơ dừa, so sánh với các loại sợi khác.
Bảng 1.6 thành phần hóa học của sợi dừa
Pectin và những hợp chất liên quan
Bảng 1.7 Cơ tính của một số sợi tự nhiên so với các loại sợi gia cường thông thường khác
Bảng 1.7 so sánh cơ tính giữa sợi xơ dừa và sợi thủy tinh cho thấy sợi thủy tinh có độ bền kéo và độ bền riêng cao hơn Tuy nhiên, sợi xơ dừa lại có độ giãn dài vượt trội, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng chịu va đập.
Các phương pháp tách sợi xơ dừa [4]
Với xu hướng sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường, sợi tự nhiên, đặc biệt là sợi xơ dừa, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng của sản phẩm composite từ sợi xơ dừa, dẫn đến việc phát triển các thiết bị tước chỉ xơ dừa để đáp ứng nhu cầu công nghiệp Tại Việt Nam, hai phương pháp phổ biến để tách xơ dừa là phương pháp thủ công truyền thống và phương pháp bán cơ khí.
Phương pháp thủ công cổ truyền có mức độ cơ khí hóa thấp, yêu cầu nhiều nhân công Quy trình này bao gồm các bước như ngâm và rửa, trong đó vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy mô khi được ngâm trong nước.
Hình 1.7 Quy trình tách sợi xơ dừa
Dừa được thu hoạch khi gần chín (khoảng 10 tháng tuổi) và sau đó được bóc vỏ ngay Vỏ dừa được ngâm trong các đầm phá ven biển hoặc vùng châu thổ có thủy triều, nơi nước được thay đổi liên tục, giúp sợi dừa trở nên tốt hơn và sáng màu do ảnh hưởng của độ mặn Mặc dù có thể ngâm vỏ dừa trong ao tù, nhưng chất lượng sợi sẽ thấp và xỉn màu hơn Để rút ngắn thời gian, người ta thường đập vỏ dừa trước khi ngâm.
Khi vỏ dừa đã mềm, hãy vớt lên, rửa sạch và ép để loại bỏ bùn và mùi hôi Sau đó, gỡ lớp cutin bên ngoài, xếp xơ sợi lên tấm gỗ và dùng gậy đập để làm mềm nhu mô Cuối cùng, rửa sạch một lần nữa và phơi khô.
Sau khi xơ khô được đập lại, nó sẽ được đưa vào một dụng cụ chải có lưỡi dao răng cưa, được gắn trên một trục quay thao tác bằng tay Dụng cụ này được đặt trong một cái thùng và có chức năng chải sạch những nhu mô cuối cùng của xơ.
Phương pháp tách bằng máy cho sợi thẳng
Quy trình tách sợi xơ dừa bằng máy đang trở nên phổ biến tại các vùng trồng dừa ở Việt Nam Phương pháp này giúp tiết kiệm đáng kể thời gian so với việc tách sợi bằng tay, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.
Hình 1.8 Quy sản xuất sợi thẳng bằng máy
Vỏ dừa, dù khô hay tươi, sẽ được đưa qua máy ép để tước xơ dừa Sau đó, xơ dừa sẽ được ngâm trong bồn cao để loại bỏ các mụn dừa bám trên xơ Sau khi vớt ra, xơ sẽ được phơi ngoài trời để khô trong khoảng 1 ngày Tiếp theo, xơ sẽ được đưa qua máy tước một lần nữa để loại bỏ xơ ngắn và mụn dừa còn lại Cuối cùng, xơ dừa sẽ được phơi khô hoàn toàn, đảm bảo không còn mụn dừa.
Phương pháp chuyển nhựa vào khuôn (RTM) [5]
Phương pháp RTM (Resin Transfer Molding) sử dụng áp suất cao để đưa nhựa vào khuôn kín, giúp tạo ra sản phẩm compozit với sự kiểm soát chặt chẽ về hình dạng của sợi gia cường và nhựa nền Sản phẩm thu được có hàm lượng chất gia cường cao, từ 40-50%, cho phép sản xuất các sản phẩm đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp, với tính năng cao và kích thước từ nhỏ đến rất lớn.
Hình 1.9 Sơ đồ quá trình chuyển nhựa vào khuôn
Máy bơm: là thiết bị quan của hệ thống, đóng vai trò cốt yếu trong công nghệ
RTM Áp lực do máy bơm cung cấp giúp để đẩy nhựa vào khuôn.
Khuôn là bộ phận quan trọng quyết định chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong quy trình RTM Khuôn RTM thường là khuôn kín, với hai bề mặt được trang bị giăng cao su hoặc giăng silicon nhằm đảm bảo kín khí.
Bộ phận kẹp khuôn là yếu tố quan trọng giúp đảm bảo khuôn kín, ngăn chặn việc tràn nhựa ra ngoài trong quá trình phun Lực kẹp cần phải đủ lớn để giữ cho hai mặt khuôn không bị tách rời, đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Nguồn nhựa là khu vực cung cấp nhựa cho hệ thống làm việc, nơi nhựa được lưu trữ trong các thùng chứa Trước khi hệ thống hoạt động, có thể cần thêm chất đóng rắn vào nhựa.
Ngoài ra để kết nối các thiết bị chính thì một số thiết bị phụ khác được sử dụng như: ống dẫn, van, đồng hồ đo áp suất, kẹp, …
Quy trình điền nhựa vào khuôn bao gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Chuẩn bị khuôn, lắp đặt hệ thống
Trước tiên, hai bề mặt khuôn cần được làm sạch để đảm bảo độ bóng nhẵn và ngăn bụi bẩn lẫn vào lớp vải Sau đó, một lớp chống dính được phủ lên bề mặt khuôn Tiếp theo, các lớp vật liệu gia cường được đặt vào một bề mặt khuôn, sau đó đóng bề mặt còn lại và sử dụng các dụng cụ kẹp để giữ chặt hai bề mặt khuôn, tránh hiện tượng nứt gãy.
Sau khi đã chuẩn bị xong thì kết nối khuôn với hệ thống nguồn nhựa.
Giai đoạn 2: Chuyển nhựa vào khuôn
Áp lực lớn được sử dụng để đẩy nhựa vào khuôn đã chuẩn bị sẵn các lớp vật liệu gia cường Quá trình này tiếp tục cho đến khi nhựa thấm ướt hoàn toàn lớp vải và loại bỏ hết bọt khí trong sản phẩm Sau đó, khóa đường ống nhựa và tháo rời các thiết bị khỏi khuôn.
Sau khi khuôn được tháo khỏi hệ thống, cần để cho nó đóng rắn hoàn toàn trước khi tiến hành tháo rỡ để lấy sản phẩm Việc này đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm cuối cùng.
Tạo ra sản phẩm đẹp, không có đường cắt bavia nên tiết kiệm được nguyên liệu, hai mặt láng bóng và ít gây hại cho môi trường.
Có thể tạo ra những sản phẩm lớn.
Tiết kiệm thời gian gia công sản phẩm
Loại bỏ bọt khí tăng chất lượng sản phẩm.
Có thể tự động hóa.
Chi phí đầu tư khuôn mẫu tương đối cao.
Muốn tăng năng suất thì phải dùng nhiệt để đóng rắn và dùng nhiều khuôn.
Khó điều chỉnh tỷ lệ chất gia cường/ chất nền theo mong muốn.
HÓA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hóa chất
Nhựa Polyeste không no (PEKN).
Nhựa polyeste không no 2803R của Đài Loan.
Chất đóng rắn metyletylketon peroxyt (MEKPO) của Trung Quốc.
Dung môi axeton Trung Quốc.
Sợi dừa rối và đơn hướng được chế tạo tại Trường Đại học Cần Thơ
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp xử lý kiềm Đối với sợi xơ dừa được xử lý như sau:
- Ngâm sợi xơ dừa với dung dịch kiềm (NaOH) pha sẵn nồng độ 0,5 N trong vòng 72 tiếng
- Sau khi ngâm xong, rửa sạch sợi bằng nước sạch, dùng giấy quỳ tím thử để biết chính xác không còn kiềm bám trên sợi.
- Phơi khô sợi dưới ánh nắng mặt trời.
- Chuyển sang quy trình làm tấm sợi đơn hướng hoặc làm tấm mát.
Hình 2.1 Hình ảnh minh họa sợi xơ dừa được xử lý kiềm
2.2.2 Phương pháp chế tạo mẫu
2.2.2.1 Sơ đồ cấu tạo khuôn làm mẫu
Hình 2.2 Sơ đồ khuôn làm mẫu
Cửa thoát khí, nhựa Khuôn kính Giăng cao su silicon Vam kẹp
2.2.2.2 Các bước chế tạo mẫu
Bước 1: Chuẩn bị sợi gia cường
Sợi xơ dừa sau khi được xử lý và phơi khô sẽ được định hình thành tấm mat hoặc tấm sợi đơn hướng Đối với tấm mat (sợi rối), quá trình định hình diễn ra bằng cách sử dụng khuôn ép có hai bề mặt nhẵn, nơi sợi được trải đều Sau đó, tấm được đưa vào máy ép shinto, ép trong vòng 3 phút với nhiệt độ khoảng 60°C – 70°C.
Sau khi tạo tấm, sử dụng kéo để cắt theo hình khuôn mong muốn Đối với tấm sợi đơn hướng, cần dùng bàn cào chải sợi theo một hướng để tạo thành tấm sợi mỏng trên mặt kính Khi đạt kích thước yêu cầu, tiến hành sấy khô với nhiệt độ không vượt quá 60 độ C trong khoảng thời gian 6 giờ để tránh làm cong sợi.
Bước 2: Chuẩn bị khuôn kính, và đưa sợi vào khuôn, nắp đặt hệ thống dẫn nhựa
Sau khi làm sạch khuôn bằng dung môi axeton, cần sử dụng chất chống dính để phủ lên bề mặt kính và đánh bóng khuôn Tiếp theo, đặt gioăng cao su lên mặt khuôn dưới, sau đó cắt sợi theo kích thước phù hợp với gioăng cao su và đặt sợi vào lòng gioăng Cuối cùng, đặt khuôn trên lên và kẹp chặt bằng vam kẹp, lưu ý sử dụng tấm kẹp để phân bổ lực đều và tránh làm vỡ khuôn.
Sau khi hai mặt khuôn được kẹp chặt, tiến hành lắp đặt hệ thống dẫn nhựa Ống dẫn nhựa sẽ kết nối giữa nguồn nhựa và cửa vào nhựa trên khuôn kính.
Bước 3 trong quy trình sản xuất là phun nhựa đã pha chất đóng rắn và xúc tiến vào khuôn thông qua ống dẫn Cần theo dõi dòng chảy và điều chỉnh tốc độ phun để tránh làm xô sợi Khi nhựa đã thấm ướt hoàn toàn và lấp đầy khuôn, đóng van cấp nhựa và tiến hành tháo khuôn.
Để tháo khuôn, trước tiên tắt máy nén khí và tháo ống thổi khí ra khỏi cốc chứa nhựa Mở van từ từ để xả khí, tránh làm bắn nhựa ra ngoài Sau đó, tháo cốc chứa nhựa và đổ phần nhựa thừa vào thùng chứa hóa chất Cuối cùng, vệ sinh cốc chứa nhựa và để khuôn nguyên vị trí, cho nhựa đóng rắn trong vòng 1 ngày.
Điều kiện chế tạo mẫu
Nhựa sử dụng là Nhựa polyeste không no 2803R của Đài Loan.
Tỷ lệ chất đóng rắn MEKPO: 1%.
Tỷ lệ chất xúc tiến Octoat Coban: 0,5%
2.2.3 Phương pháp đo độ bền kéo Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1993, trên máy INSTRON
5582 - 100KN (Mỹ) Tốc độ kéo 2mm/phút Nhiệt độ 25˚C, độ ẩm < 70%.
Hình 2.3: Thiết bị đo độ bền cơ học INSTRON của Mỹ.
Mẫu đo độ bền kéo đứt có dạng hình mái chèo có kích thước như sau:
- Chiều dài: 150mm, chiều rộng: 20mm, chiều dày: 2,5- 3 mm.
- Đường kính góc lượn: 20 – 25mm.
- Chiều rộng khoảng làm việc (gauge length): 10mm.
- Vận tốc kéo 2mm/phút.
- Độ bền kéo đứt của vật liệu được tính theo công thức: k
k - độ bền giới hạn khi kéo, MPa.
F - tải trọng phá hủy mẫu, N.
A - Tiết diện ngang của mẫu, mm 2
- Các mẫu phải có bề mặt nhẵn, bằng phẳng, không phồng rộp.
- Số lượng mẫu cho kết quả trung bình từ 3 5.
Hình 2.4 Mẫu đo độ bền kéo
2.2.4 Phương pháp xác định độ bền uốn Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn quốc tế ISO178:1993, đo trên máy INSTRON 5582- 100KN (Mỹ) Tốc độ 2mm/phút Nhiệt độ 25˚C, độ ẩm
