Luận văn Nghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polyvinyl ancol gia cường bằng sợi nứa

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHẦN 1: TỔNG QUAN 5

I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME VÀ COMPOZIT 5

I.1. Khái niệm, phân loại vật liệu polyme compozit 5

I.2. Thành phần vật liệu PC 6

II. SỢI GIA CƯỜNG 7

II.1. Phân loại sợi 7

II.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của sợi 8

II.3 Sợi nứa 13

II.4. Các phương pháp chế tạo sợi 18

II.5. Các phương pháp xử lý sợi 20

III. NHỰA NỀN 27

III.1. Nhựa nhiệt dẻo 27

III.2. Nhựa nhiệt rắn 28

III.3 Nhựa nền PVA 28

IV. VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ NHỰA PVA GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT 34

IV.1. Giới thiệu về vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật 34

IV.2. Vật liệu PC gia cường bằng sợi tre nứa 36

IV.3. Vật liệu PC trên cơ sở nhựa polyvinyl ancol gia cường bằng sợi thực vật 39

PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 42

1. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 42

2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA SỢI NỨA 42

2.1.Phương pháp tách và xử lý sợi nứa sử dụng trong nghiên cứu 42

2.2. Phương pháp khảo sát của chế độ xử lý đến tính chất của sợi 42

3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT 45

3.1. Phương pháp chế tạo mat nứa 45

3.2. Phương pháp chế tạo tấm compozit 46

4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT 47

4.1. Độ bền kéo 47

4.2. Độ bền uốn 47

4.3. Độ bền va đập 48

5. Phương pháp đo độ hấp thụ ẩm của vật liệu PC trong các môi trường ẩm khác nhau 48

6. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 49

PHẦN III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

1.KHẢO SÁT NGUYÊN LIỆU ĐẦU 50

1.1 Nhựa PVA 50

1.2. Sợi nứa 51

2. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN PVA VÀ MAT NỨA 54

2.1. ÉP NGUỘI TRONG KHUÔN 54

2.2. ÉP NÓNG TRONG KHUÔN 58

3. KHẢO SÁT MỨC ĐỘ SUY GIẢM TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC TRONG CÁC MÔI TRƯỞNG ẨM KHÁC NHAU 62

3.1. Độ khuếch tán nước vào vật liệu trong các môi trường ẩm khác nhau 62

3.2. Khảo sát mức độ suy giảm tính chất của vật liệu PC trong các môi trường ẩm khác nhau 63

4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ PVA GIA CƯỜNG BẰNG MAT NỨA 65

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

 

 

doc71 trang | Chia sẻ: netpro | Lượt xem: 7455 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polyvinyl ancol gia cường bằng sợi nứa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
n này rất nhạy cảm dưới tác dụng của kiềm. Khi hemixenlulo được tách ra thì vùng liên kết giữa các sợi đơn sẽ trở nên linh động hơn và các sợi có khả năng sắp xếp lại dọc theo hướng biến dạng kéo. Khi sợi được kéo căng, sự sắp xếp lại giữa các sợi đơn sẽ làm cho sự phân bố tải trọng bởi chính các sợi này sẽ trở lên tốt hơn và kết quả là ứng suất của sợi cao hơn. Khi lignin được loại bỏ thì bề mặt sợi trở nên đồng nhất và mềm dẻo hơn. Sau khi xử lý bằng kiềm, sợi có bề mặt ráp, nhám, tăng diện tích bề mặt, tăng khả năng bám dính với nhựa nền Nứa sau khi được chẻ thành nan và tách thành sợi được ngâm trong dung dịch kiềm với nồng độ và thời gian xác định sau đó được sấy đến khối lượng không đổi. Điều kiện thích hợp nhất dung dịch NaOH 0,1 N ngâm trong 72 giờ, nhiệt độ thường sản phẩm có khả năng thấm nhựa tốt nhất Phương pháp đồng trùng hợp ghép [3, 10, 17] Xenlulo được xử lý bằng dung dịch nước có các ion được lựa chọn, đặt vào nguồn bức xạ năng lượng cao. Các phân tử xenlulo bị gẫy và tạo thành gốc tự do, sau đó được kết hợp với các gốc vinyl monome, acrylonitril, metyl metaacrylat, styren… Copolyme tạo thành có các đặc điểm chung của xenlulo và của polyme ghép vào. Ví dụ ghép PP lên xenlulo thường sử dụng anhydrit maleic để đun nóng copolyme của PP, phương pháp được tiến hành theo 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Hoạt hóa copolyme bằng cách đun nóng, thường sử dụng t=170oC Hình 8: Ghép MA lên PP [17] Giai đoạn 2: este hóa xenlulo Sản phẩm chính Mạch xenlulo Hình 9: Phản ứng este hóa xenlulo [17] Sau khi xử lý, PP được gắn lên mạch xenlulo Có khả năng tương hợp với nền PP, tức là có khả năng kết tinh nội với PP Năng lượng bề mặt của sợi xenlulo tăng lên gần với năng lượng bề mặt của nền, do đó tăng khả năng tương hợp Độ thấm ướt tốt hơn và khả năng bám dính giữa các pha tốt hơn. Tuy nhiên đây là phương pháp khá phức tạp đòi hỏi vốn đầu tư cao. Phương pháp xử lý bằng triazin [3, 10] Tác dụng giảm độ phân cực, tăng độ tương hợp, giảm độ thấm ướt, độ hút ẩm của compozit nhận được, giảm nhóm –OH trên bề mặt sợi dẫn đến giảm độ ưa nước của sợi, kiềm chế sự trương nở của sợi bằng cách tạo liên kết đồng hóa trị giữa sợi và nền polyme. Sử dụng các dẫn xuất của triazin để tạo liên kết đồng hóa trị với sợi xenlulo theo cơ chế sau: Hình 10: Cơ chế xử lý bằng triazin [3] Xử lý bằng hợp chất cơ silan [3,10,17] Các hợp chất silan sử dụng trong quá trình biến tính bề mặt sợi có công thức tổng quát là: R – (CH2)n – Si – (OR’)3 Trong đó: R là nhóm chức hữu cơ, ví dụ như – NH2, - CN, - CH = CH2, n = 0 – 3, OR’ là nhóm alkoxy dễ bị thủy phân. Cơ chế của quá trình tạo thành liên kết với bề mặt sợi thực vật chứa nhóm hydroxyl như sau: Mạch xenlulo Hình 11: Cơ chế phản ứng của hợp chất silan [3] Phương pháp axetyl hóa [3, 10] Axetyl hóa là phương pháp biến tính hóa học bề mặt sợi được sử dụng rộng rãi với mục đích làm giảm hàm lượng ẩm, ổn định kích thước, tăng khả năng tương hợp giữa sợi và nền. Cơ chế: Có 2 phương án để tiến hành axetyl hóa. Phương pháp axetyl hóa có mặt xúc tác axit [3] Phương pháp axetyl hóa không xúc tác [3] Axit axetic không phản ứng triệt để với xenlulo nên anhydrit axetic được sử dụng để thay thế nhưng anhydrit axetic lại không có khả năng làm trương sợi tốt nên để xúc tiến phản ứng thì phải ngâm sợi trong axit axetic trước sau đó mới xử lý bằng anhydrit axetic ở nhiệt độ cao trong khoảng 1 – 3 giờ. Sau khi axetyl hóa thì các nhóm –OH của sợi sẽ được thay thế bằng nhóm cacbonyl làm giảm sự hút ẩm của sợi và tăng khả bám dính với nền. Đối với sợi tre theo tài liệu nghiên cứu trước đây thì điều kiện tối ưu cho quá trình axetyl hóa là tỷ lệ nhóm –OH và hàm lượng nhóm axetyl khi tiến hành là 1:3 và tiến hành ở nhiệt độ 100oC trong thời gian 8 giờ. Sau quá trình biến tính thì độ phân cực của sợi tre giảm, đồng nghĩa với sự tương hợp giữa sợi và nền tăng lên do đó làm tăng tính chất cơ học của vật liệu tạo thành. Mặt khác khi axetyl hóa thì hàm lượng ẩm trong sợi giảm rõ rệt dẫn đến tăng tính chất cơ học của sợi nhờ giảm bớt các khuyết tật tạo thành do nước có trong sợi bốc hơi [10]. NHỰA NỀN Nhựa nền là một trong những thành phần chính của vật liệu PC, là pha liên tục, đóng vai trò chất kết dính, liên kết các loại vật liệu gia cường, chuyển ứng suất lên chúng. Nền polyme sử dụng cho vật liệu compozit có thể là nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo. Bản chất của nền polyme sẽ quyết định phương pháp gia công, chế tạo và ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm. Do đó, nền polyme phải đáp ứng các yêu cầu sau [2]: Khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt chất gia cường để tạo ra sự tiếp xúc tối đa. Khả năng làm tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính. Khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để làm giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ. Chứa các nhóm hoạt động hay phân cực. Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường. III.1. Nhựa nhiệt dẻo [2] Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo là giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần hai… Nhược điểm chính của compozit nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao. Hiện tại chúng chưa được sử dụng nhiều như nhựa nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn do khả năng ứng dụng rộng rãi và khả năng tái sinh của chúng. Nhựa nền nhiệt rắn thường được gia cường bằng cốt sợi dài, có tính chất cơ học tốt hơn nên chúng được ứng dụng khá rộng rãi. Trong khi đó, vật liệu PC trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo có độ bền va đập cao nhưng độ bền nhiệt và dung môi không cao. III.2. Nhựa nhiệt rắn [2] Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn khi đun nóng. Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian không thuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hòa tan. Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo nhưng vấn đề xử lý chúng sau khi đã sử dụng rất phức tạp và tốn kém. Trong vật liệu PC hiện nay, chủ yếu sử dụng nền polyme là nhựa nhiệt rắn bao gồm một số loại thông dụng như sau: polyeste không no (PEKN), epoxy (EP), melamin formandehyt (MF), phenol fomandehyt (PF)… III.3 Nhựa nền PVA Polyvinyl ancol (PVOH, PVA, hoặc PVAL) là một polyme tổng hợp tan trong nước. Trong công nghiệp nó được sản xuất từ polyvinyl axetat. Polyvinyl ancol được phát hiện bởi Haehnel và Herrmann. Báo cáo khoa học về PVA lần đầu tiên được xuất bản năm 1927 [18]. Tính bền hóa chất và lý tính của nhựa PVA đã làm cho nhựa này trở thành loại sử được sử dụng rộng tãi trong công nghiệp, Polyme này có khả năng bám dính tốt, có khả năng hòa tan, chịu dầu mỡ. Sợi PVA có tính bền kéo cao, chịu mài mòn và chống thấm oxy tốt [18]. III.3.1. Tính chất vật lý Tính chất vật lý của PVA phụ thuộc phần lớn phụ thuộc vào phương pháp chuẩn bị nguyên liệu, điều kiện trùng hợp, điều kiện thủy phân, quá trình sấy và xay, nghiền. Nhiệt độ hóa thủy tinh [18]: Nhiệt độ hóa thủy tinh của PVA thủy phân hoàn toàn được xác định là 85oC đối với vật liệu có trong lượng phân tử lớn. Nhiệt độ hóa thủy tinh đối với PVA có độ thủy phân 87 – 89% có giá trị thay dổi theo công thức sau; Tg = 58 – (2.0 x 10-3 / DP) oC [18] Khả năng hòa tan [18]: PVA chỉ hòa tan được trong những dung môi phân cực như nước, dimetyl sunphat, glycol,… PVA thủy phân hoàn toàn chỉ có thể hòa tan hoàn toàn trong nước sôi, PVA thủy phân một phần có thể hòa tan ở nhiệt độ phòng, PVA thủy phân 70 – 80% ở nhiệt độ 10 – 40oC. Nhóm hydroxyl làm tăng liên kết nội và ngoại phân tử do đó làm giảm tính hòa tan trong nước của PVA, nhóm axetat dư làm giảm liên kết hydro dẫn đến khả năng hòa tan ở nhiệt độ thấp của PVA Bảng 7: Tính chất vật lý của PVA [16] Độ nhớt của dung dịch [18]. Độ nhớt của dung dịch PVA phụ thuộc vào khối lượng phân tử và nồng độ dung dịch. Độ nhớt tăng tỷ lệ thuận với độ thủy phân và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Độ nhớt có thể được ổn định bằng việc thêm vào một lượng ure hay muối thioxyannat. Tính chất Giá trị Màu sắc Bột, hạt màu trắng tới trắng ngà Khối lượng riêng 1,27 – 1,31 Độ bền kéo, MPa (độ thủy phân 98-99%) 24-79 Độ giãn dài, % 0-300 Độ giãn nở nhiệt oC 7-12x107 Nhiệt dung riêng, J/(g.K) 1,67 Độ dẫn nhiệt W/(m.K) 0,2 Nhiệt độ hóa thủy tinh, oC 85 với độ thủy phân 98-99% 58 với độ thủy phân 87-89% Điểm chảy, oC 230 với độ thủy phân 98-99% 180 với độ thủy phân 87-89% Điện trở suất, W.cm (3,1-3,8)x107 Độ bền nhiệt Trên 100oC bắt đầu mất màu, trên 150oC bắt đầu đen, trên 200oC bắt đầu phân hủy nhanh Chỉ số khúc xạ, nD (20oC) 1,55 Độ kết tinh 0 – 0,54 II.3.2 Cơ tính [18] Độ bền kéo của PVA phụ thuộc vào độ thủy phân, khối lượng phân tử, và độ ẩm tương đối. Khi thêm chất hóa dẻo có thể làm tăng khả năng kéo giãn của PVA. Độ bền kéo đứt tăng khi tăng độ ẩm tương đối và thêm chất hóa dẻo. Sức căng bề mặt [18]: phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, độ thủy phân, và nồng dộ axetat có trong PVA. Khi thêm nhóm axetyl vào PVA thì dung dịch có sức căng bề mặt cao hơn. Sức căng bề mặt giảm nhẹ khi khối lượng phân tử giảm. II.3.3 Tính chất hóa học Phản ứng este hóa Với axit vô cơ: Axit boric, và muối borat tạo este mạch vòng với PVA. Phản ứng phụ thuộc nhiều vào độ pH, nồng độ axit boric, và tỷ lệ cation Bo. Khi pH trên 4,5 – 5,0. Với axit hữu cơ: Phản ứng este hóa giữa izocyanat và PVA cho este cacbanat: Poly (axit acrylic), poly(metacrylic axit), và anhydrid maleic có chứa thành phần polyme phản ứng với PVA tạo thành gel không tan trong nước dùng làm chất chống thấm nước, máu, nước tiểu, v.v… Phản ứng ete hóa: Phản ứng ete hóa của PVA rất dễ tiến hành, phản ứng được thực hiện nhờ xúc tác acid khoáng và kiềm [18]. Phản ứng axêtan hóa: Phản ứng giữa PVA và aldehyt là phản ứng quan trọng trong công nghiệp Phản ứng axetal hóa nội phân tử [18] Phản ứng axetal hóa ngoại phân tử [18] Khả năng đóng rắn: Các tác nhân đóng rắn thông thường được sử dụng là glyoxal, glutaric aldehyt, ure fomandehyt, melamin fomandehyt, trimetylolmelamin, natri borat, và axit boric hay izocyanat. Hầu hết các phản ứng đều được xúc tác bằng axit hoặc bazơ [18]. Khả năng phân hủy nhiệt: Khả năng phân hủy nhiệt của PVA trong điều kiện thiếu oxy xẩy ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu khoảng 200oC quá trình chính là khử nước, quá trình phụ là bay hơi sản phẩm. Phần còn lại chủ yếu là cấu trúc của đại phân tử polyen. Giai đoạn sau nhiệt độ 400 – 500oC là phân hủy C và hydrocacbon [18] Sự phân hủy nhiệt của PVA với điều kiện có oxy: giai đoạn đầu cũng xảy ra quá trình tách nước, giai đoạn sau là quá trình oxy hóa các nối đôi trong polyme tạo nhóm xeton trong chuỗi polyme [18]. Khả năng phân hủy sinh học: PVA là một polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học rất tốt với sản phẩm phân hủy là dioxyt cacbon và nước. Có ít nhất 50 loài vi sinh vật có khả năng phân hủy PVA. Những vi sinh vật có khả năng phân hủy sinh học tồn tại trong hầu hết môi trường như trong bùn nước cống rãnh, nước ao, biển, trong môi trường yếm khí, trong đất… Thời gian phân hủy PVA phụ thuộc vào tính chất vật lý của polyme, kích thước sản phẩm và môi trường phân hủy [18]. II.3.4. Tổng hợp PVA Poly vinyl ancol có thể được tạo thành tử quá trình thủy phân các poly vinyl este như poly vinyl axetat, poly vinyl focmat, hoặc poly vinyl benzoat. Hay từ quá trình thủy phân poly vinyl ete. Tuy nhiên, Tất cả các sản phẩm PVA thương mại đều đi từ thủy phân poly vinyl axetat. Trùng hợp vinyl axetat bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do trong môi trường metanol hay etanol. Chất khởi đầu là các peroxyt như tert butyl peroxyt, di(2-etylhexyl) peroxydicacbonat, benzoyl peroxyt, hay các hợp chất diazo như 2,2 – azobisizobutyronitril. Nhiệt độ phản ứng khoảng 55 – 85oC. IV. VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ NHỰA PVA GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT IV.1. Giới thiệu về vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật [2, 4, 10, 17] Theo các nhà nghiên cứu vật liệu học, vật liệu polyme compozit (PC) gia cường bằng sợi thực vật có lịch sử phát triển từ rất lâu. Từ rất nhiều thiên niên kỷ trước, người Ai cập đã biết trộn rơm rạ với đất sét sau đó đem phơi khô dùng làm vật liệu xây dựng. Vào năm 1908, vật liệu PC trên nhựa nền phenol, melamin – focmandehyt (PF, MF) được gia cường bằng giấy, xơ bông ... là những compozit cốt sợi thực vật đầu tiên đã được chế tạo với số lượng lớn các sản phẩm dạng tấm, ống dùng trong các thiết bị điện. Ngày nay việc nghiên cứu thay thế vật liệu compozit truyền thống bằng compozit gia cường bằng sợi tự nhiên đang được chính phủ nhiều nước quan tâm và thực thi nhiều dự án lớn. Xu hướng hiện nay là cố gắng sử dụng compozit sợi thực vật thay thế vật liệu compozit – sợi thủy tinh trong các ứng dụng không kết cấu. Các chi tiết ô tô trước đây làm bằng compozit sợi thủy tinh nay được sản xuất bằng vật liệu compozit không ảnh hưởng đến môi trường. Hình 12: Compozit sợi lanh/nhựa PP thay thế compozit thủy tinh trong một số bộ phận của xe hơi [4] Hình 13: Vật liệu xây dựng từ compozit sợi tự nhiên [4] Mặc dù tính chất cơ học của sợi tự nhiên thấp hơn sợi tổng hợp, nhưng chúng nhẹ hơn và giá thành thấp hơn nhiều so với sợi tổng hợp và đặc biệt là khả năng phân hủy sinh học, vật liệu compozit gia cường bằng sợi thực vật đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không, xây dựng… IV.2. Vật liệu PC gia cường bằng sợi tre nứa [2, 10, 21, 22, 23] Có thể nói, ngành nhựa của Việt Nam đang ngày càng phát triển lớn mạnh bởi những ứng dụng rộng rãi của nó vào trong các ngành công nghiệp mỗi ngày một phong phú và đa dạng hơn. Tuy nhiên, hàng năm, ngành này lại sản sinh ra một lượng phế thải vô cùng lớn, nhưng lại khó phân huỷ. Việc xử lý các chất thải này bằng các phương pháp cổ điển như chôn lấp, đốt... sẽ góp phần gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng và lãng phí một lượng lớn các tài nguyên như nhân lực, đất đai và các chi phí khác... Vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học là làm sao có những nghiên cứu được ứng dụng vừa phải phù hợp với điều kiện của Việt Nam, vừa đảm bảo tính thân thiện với môi trường. Qua quá trình tìm hiểu, các nhà khoa học đã nhận thấy tre nứa là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể kết hợp với vật liệu Polyme compozit để tạo ra các sản phẩm phục vụ cuộc sống [23] Vật liệu PC gia cường bằng tre nứa được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau [2]: Vật liệu thay thế gỗ: làm gỗ lát sàn, panel, ván ghép, tấm lợp mái nhà… Vật liệu xây dựng: tấm nát sàn, các vách ngăn, cửa chính, cửa sổ… Trong giao thông: cầu, thuyền bè, nội thất ô tô, thân xe ô tô… Đồ gia dụng: dụng cụ nhà bếp, đồ trang trí Đã có nhiều bài nghiên cứu về sợi tre, nứa dùng làm chất gia cường được sử dụng cho nền polyeste không no, phenolic, epoxy…PC gia cường bằng sợi tre nứa có ưu điểm là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, không gây dị ứng, dễ gia công, ít gây mài mòn thiết bị, có khả năng phân hủy sinh học, dễ đốt cháy nên không gây tác động xấu đến môi trường. Qua nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, độ bền kéo của các compozit gia cường bằng sợi tre nứa phụ thuộc vào nhiệt độ ép. Độ bền đạt được cao nhất khi tăng nhiệt độ ép tới 130oC. Tuy nhiên độ bền kéo giảm khi tăng nhiệt độ lên quá 130oC do sự phân hủy nhiệt của sợi tre. Do đó, nhiệt độ ép tối ưu đồi với quá trình gia công vật liệu compozit gia cường bởi sợi tre nứa là khoảng 130oC [24]. Vật liệu PC trên cơ sở nhựa phenolic – tre dạng tấm được chế tạo dựa trên các tấm tre được rát mỏng hoặc các bó sợi tre. Nó có ưu điểm như độ bền, độ cứng của tấm tre tốt hơn so với tấm gỗ thông thường, có thể chịu được quá trình gia công với áp lực cao, chịu được công suất sử dụng cao, tuổi thọ dài và khả năng tái sinh tốt [2]. Vật liệu PC trên cơ sở polylactic axit gia cường bằng mát nứa cho kết quả khả năng hút ẩm của nứa là cao nhất khi xử lý bằng kiềm 0,1N trong 72 giờ và tính chất cơ học tốt nhất với tỷ lệ nhựa là 40% [10, 21, 22]. Các nghiên cứu về sợi tự nhiên tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme được bắt đầu từ cuối những năm 1990. Đối tựng khi đó là một số sợi dài như đay, dừa… làm chất gia cường cho vật liệu polyme compozit. Năm 2000 Trung tâm bắt đầu thực hiện các đề tài cấp nhà nước thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ Vật liệu mới KC.02/06-10. Đề tài KC.02.06 Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme composit lai tạo do GS. TSKH. Trần Vĩnh Diệu chủ nhiệm đề tài [25], chế tạo một số vật liệu polyme compozit lai tạo, trong đó có hệ lai tạo sợi thủy tinh – sợi thực vật (tre, đay, dừa). Kết quả đề tài cho thấy, với cách xử lý và kết cấu hợp lý, một số loại sợi tự nhiên như tre, đay, dừa có thể thay thế một phần đáng kể sợi thủy tinh trong vật liệu polyme compozit. Đặc biệt, những nghiên cứu của đề tài cho thấy sợi tre không những có thể thay thế sợi thủy tinh mà với một số tính chất cụ thể như đồ bền va đập, còn cho kết quả cao hơn sợi thủy tinh [26]. Đề tài KC.02.23 Nghiên cứu vật liệu nano polyme composit trên nền nhựa polypropylen gia cường bằng sợi tre và nanoclay để chế tạo các sản phẩm chất lượng cao ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng do PGS. TS. Bùi Chương chủ nhiệm đề tài [25]. Trong đề tài này đã nghiên cứu xử lý và biến tính sợi tre bằng các tác nhân khác nhau như xử lý kiềm, axetyl hóa… Đã khảo sát độ bền, độ bám dính sợi sau xử lý đồng thời đánh giá độ bền compozit PP – tre. Qua đó đưa ra chế độ xử lý thích hợp đối với sợi tre để tạo ra compozit có tính chất hợp lý [26]. Đề tài KC.02.02/06-10 do PGS. TS Bùi Chương chủ nhiệm [25] tập trung vào phương pháp chế tạo sợi tre từ thân cây tre: tách sợi bằng hơi nước qua nhiệt, tách sợi bằng xử lý kiềm nóng, chế tạo sợi ngắn. Đồng thời đánh giá độ bền của sợi qua các chế độ khác nhau. Các phương pháp tách sợi tre nứa đã được nghiên cứu [27]: Phương pháp cơ học: sợi ngắn được tách cơ học bởi máy cán và cắt. Đầu tiên, cây tre được cán thành các lát bởi 2 trục của máy cán. Sau đó các lát tre nứa được đưa vào máy cắt thành các sợi ngắn Phương pháp hóa học: Sợi dài được tách bằng xử lý kiềm. Đầu tiên, các thanh tre mỏng được ngâm trong dung dịch NaOH 1.5N trong 10h ở nhiệt độ 70oC. Sau đó, các thanh tre đã xử lý được tách thành sợi dài nhờ các cào sắt. đường kính trung bình của sợi dài khoảng 147 mm. Phương pháp tách nổ bằng hơi nước: Điều kiện tách nổ là nhiệt độ: 170-180oC, áp suất: 0,12-0,18 MPa, thời gian tách: 110 phút. Phương pháp này có hiệu quả tách cao, thường được sử dụng để chế tạo các tấm mat tre nứa. IV.3. Vật liệu PC trên cơ sở nhựa polyvinyl ancol gia cường bằng sợi thực vật PVA là một polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học rất tốt [19], PVA có thể hòa tan trong nước và phân hủy sinh học. Nó dễ dàng tham gia phản ứng este hóa, ete hóa và các phản ứng hóa học khác như phân tử rượu, dễ gia công, cơ tính tốt và có hàm lượng nhóm –OH cao là cơ sở chế tạo “green compozit” với bột gỗ [23]. Người ta đã sử dụng hỗn hợp tinh bột nhiệt dẻo và nhựa PVA có khoáng sét Montmorillonite phân tán ở kích thước nanomet, cùng một số phụ gia biến tính để làm ra sản phẩm bao bì có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn và nhanh chóng, không gây ô nhiễm môi trường. Có thể chế biến thành túi đựng hàng hoá, túi đựng rác, túi đựng phế thải hữu cơ, tạp dề; túi đựng phân động vật được thu gom ở công viên, vườn hoa; túi lót thùng rác; găng tay; túi đựng quần áo giặt là ở bệnh viện; tấm chất dẻo ứng dụng trong nông nghiệp và làm vườn, màng chất dẻo dùng bọc báo và tạp chí, túi đựng bánh mì, màng bọc bao thuốc, chai đựng và cốc uống nước, v.v... Ngoài ra, loại chất dẻo này còn một số ưu điểm khác như: Khá bền dai, không chứa những thành phần biến đổi về mặt di truyền học, không phát thải kim loại, không có clo hữu cơ, an toàn khi tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, bền ở nhiệt độ thấp và có thể giữ được một thời gian lâu ở nhiệt độ dưới 0oC nên rất lý tưởng đối với thực phẩm đông lạnh [28]. Ở Nhật bản, người ta sử dụng bột gỗ phế thải gia cường cho nhựa PVA nhằm tận dụng nguồn sinh khối từ gỗ phế thải không những làm đa dạng nguồn nguyên liệu mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Bột gỗ với kích thước nhỏ hơn 63 mm được trộn với dung dịch PVA biến tính bằng anhydric phtalic. Tỷ lệ PA/PVA thay đổi nhưng giữ tổng PA + PVA không đổi để khảo sát các tính chất cơ lý của sản phẩm compozit theo hàm lượng các thành phần. Thử nghiệm khả năng chịu nước nóng sản phẩm người ta thấy rằng, Compozit của PVA với bột gỗ khi dìm trong nước nóng không bị phồng lên như bột gỗ ép. Kết quả kiểm nghiệm chôn trong đất cho thấy độ giảm trọng lượng của compozit càng cao khi hàm lượng PA càng cao. Kết quả sau khi chôn trong đất 180 ngày cơ tính của compozit còn lại vẫn cao hơn gỗ đặc trước khi chôn. [29] Compozit được chế tạo từ vỏ trấu và PVA được tiến hành thông qua hai giai đoạn. Trước tiên, PVA được trộn với nước trong máy trộn tốc độ thấp trong khoảng 170 phút để tạo dung dịch PVA, tốc độ trộn tối ưu đã được nghiên cứu là 80 – 100 vòng /phút. Sau khi trộn hợp dung dịch PVA được làm lạnh xuống nhiệt độ phòng và sau đó đem trộn với bột vỏ trấu, kết quả thực nghiệm cho thấy với bột trấu kích thước là 0,18 – 0,3 mm hàm lượng PVA là 6,67% trọng lượng (tỷ lệ PVA : nước : bột trấu = 1:4:10), tốc độ trộn tối ưu để chất lượng hỗn hợp trộn tốt nhất là 1200 vòng/ phút, thời gian trộn là 4 – 5 phút. Rồi cuối cùng đem hỗn hợp ép tạo sản phẩm, độ bền và độ mềm dẻo của tấm compozit về bản chất phụ thuộc vào hàm lượng nước trong hỗn hợp. Hàm lượng nước có vai trò hạ nhiệt độ hóa thủy tinh, tăng tính dẻo, quyết định khả năng chẩy và đóng rắn tạo hình sản phẩm. Hàm lượng nước từ 25 – 27% cho tính chất tạo hình trong khuôn nguội tốt nhất. [30] Quy trình chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nền PVA gia cường bằng vi sợi xenlulo tre đã được nghiên cứu thành công [31]. Hình 14: Quá trình tách vi sợi từ tre [31] Vi sợi ở dạng huyền phù được trộn với dung dịch PVA ở nhiệt độ 90oC trong 1h. Hỗn hợp được đồng nhất ở áp suất 40 MPa trở thành dạng huyền phù vi sợi/PVA. Sau đó được đúc trong khuôn và sấy khô ở nhiệt độ phòng tạo thành màng. Màng có độ dày khoảng 150 mm. Cuối cùng các màng này được ép nóng ở 160oC áp suất 120 MPa trong 6 phút. Kết quả đạt được: Vi sợi sau khi xử lý bằng dung dịch NaOH có độ bền kéo và modun kéo đều cao hơn so với sợi chưa xử lý do quá trình xử lý bằng NaOH giúp loại bỏ hầu hết lignin, hemixenlulo… Tạo ra thêm nhiều liên kết –OH trên bề mặt sợi. Kết quả thực nghiệm cho thấy sợi được xử lý với hàm lượng NaOH 2% trọng lượng cho kết quả cơ tính của sợi cao nhất. Độ phân tán của vi sợi trong PVA, vi sợi được đồng nhất với PVA ở áp suất cao phá vỡ quá trình kết tụ của vi sợi làm vi sợi phân tán đồng đều vào PVA. Độ bền kéo của compozit vi sợi tre/PVA tăng khi tăng nồng độ vi sợi, và tăng cao nhất khi nồng độ vi sợi là 60% trọng lượng. PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT Nhựa PVA: PVA 205, PVA 217 của KURARAY POVAL, SINGAPO Nứa: cây nứa được lấy từ Thanh Hóa NaOH: NaOH kỹ thuật 96% của Trung Quốc Glyxerol: Trung Quốc, Pentaerythrit 98%: Trung Quốc, Polyetylen glycol: Hàn Quốc PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA SỢI NỨA Phương pháp tách và xử lý sợi nứa sử dụng trong nghiên cứu Trong phần nghiên cứu tính chất của sợi nứa có sử dụng 2 loại sợi nứa dưới đây. Loại 1: Nứa chưa xử lý được tách bằng máy công nghiệp. Loại 2: Nứa được xử lý bằng kiềm nóng 1N ở 90oC trong 2h, sau đó được tách bằng máy công nghiệp. Sơ đồ quá trình tách sợi Loại1: Nứa chưa xử lý kiềm Loại 2: Nứa đã xử lý kiềm Phương pháp khảo sát của chế độ xử lý đến tính chất của sợi Phương pháp xác định độ bền kéo của sợi Chuẩn bị mẫu: Mẫu sợi được dán trên tấm bìa có kích thước như hình vẽ dưới đây bằng keo dán 502. Thiết bị sử dụng: Máy đo độ bền kéo sợi LLOYD 0,5 KN của Anh với tốc độ kéo 5 mm/phút. Phương pháp đo: Mẫu được kẹp chặt hai đầu trên máy sau đó cắt tấm bìa ở vị trí giữa như hình vẽ rồi tiến hành đo mẫu. Độ bền kéo của sợi được xác định theo công thức sau: Trong đó: dk: Độ bền kéo của sợi, MPa. F: Lực kéo sợi, N. A: Tiết diện ngang của sợi, mm2. Độ bền bám dính sợi và nhựa Chuẩn bị mẫu: Sử dụng tấm bìa có dán sẵn sợi như khi đo độ bền kéo sợi, nhựa PVA được gắn lên sợi như hình vẽ: Thiết bị đo: Máy LLOYD 0,5 KN của Anh với tốc độ kéo 2 mm/phút. Độ bền bám dính sợi và nhựa (độ bền trượt) được tính như sau: Trong đó: IFSS: Độ bền bám dính, MPa. F: Lực rút nhựa ra khỏi sợi, N. L1: Chiều dài giọt nhựa, mm L2: Chu vi sợi, mm. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT 3.1. Phương pháp chế tạo mat nứa Quá trình tách sợi nứa và tạo mat nứa được tiến hành theo các bước sau: Bước 1: Sợi nứa được xử lý bằng dung dịch kiềm 1 N ở 90oC trong vòng 2h Bước 2: Sợi nứa sau xử lý được rửa đến trung tính, phơi khô. Bước 3: Sợi nứa sau đó được tách trên máy công nghiệp. Bước 4: Sấy khô và tạo mat nứa. Các sợi nứa được cho vào thùng nước trên tấm lưới, khuấy đều, sau đó để lắng sẽ thu được các tấm mát có khối lượng 433.33 g/m2. Ép sơ bộ tấm mat trên máy ép, sau đó cắt các tấm mat có kích thước 150x200 mm. 3.2. Phương pháp chế tạo tấm compozit Vật liệu PC được chế tạo trên máy ép 30 tấn tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme. Máy gồm 4 tấm phẳng trong đó mỗi tấm phẳng có 2

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docNghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polyvinyl ancol gia cường bằng sợi nứa.doc
Tài liệu liên quan