Do an chuyen nganh

Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE Sinh viên thực : Trần Viết Tiệp GVHD : Th.s Trần Trung Lê Hà Nội – 2014 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Th.s Trần Trung Lê hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm chu đáo thầy, em xin chân thành cảm ơn GS TSKH Trần Vĩnh Diệu giúp đỡ quý báu thầy để em hồn thành đồ án Cuối em xin chân thành cảm ơn anh chị khóa trên, anh chị Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, toàn thể bạn lớp polyme – k55 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ em trình học tập làm đồ án Trong trình thực đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong đóng góp q báu thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Sinh viên Trần Viết Tiệp Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Vật liệu compozit 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Phân loại 1.3 Sợi thực vật 1.3.1 Phân loại sợi thực vật 1.3.2 Cấu trúc vi mô sợi thực vật 10 1.3.3 Thành phần hóa học sợi thực vật 10 1.3.3.1 Xenlulo 11 1.3.3.2 Hemixenlulo 11 1.3.3.3 Lignin 12 1.3.3.4 Pectin 13 1.3.3.5 Sáp 13 1.3.4 Đặc điểm sợi tự nhiên 13 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 14 2.1 Tài nguyên tre Việt Nam 14 2.1.1 Vai trò tre đời sống 14 2.1.2 Trữ lượng phân bố 15 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre 2.1.3 Thành phần hóa học sợi tre 16 2.2 Phương pháp chế tạo mat tre 17 2.3 Nhựa polypropylene (PP) 18 2.3.1 Giới thiệu chung 18 2.3.2 Tính chất chung nhựa polypropylen 20 2.3.3 Tổng hợp nhựa PP 21 2.3.4 Ưu nhược điểm nhựa PP 22 2.3.5 Sử dụng nhựa PP cho vật liệu compozit 23 2.3.5.1 Vai trò chất trợ tương hơp MA 23 2.3.5.2 Ép nóng màng PP có chất trợ tương hợp với mat tre 25 2.3.5.3 Tạo hạt nhựa PP có chất trợ tương hợp với sợi tre ngắn 26 2.3.5.4 Ép đùn hạt PP – sợi tre ngắn 27 KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre LỜI MỞ ĐẦU Hiện khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ với nhiều ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, vv Một thành tựu đời phát triển vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit có tính chất ưu việt nhẹ, bền, dễ gia cơng, có nhiều tính chất lý,hóa học trội mà vật liệu riêng rẽ được, đặc biệt giá chấp nhận nên dần thay cho vật liệu truyền thống sắt, thép, gỗ … Vật liệu polyme compozit sử dụng để chế tạo nhiều sản phẩm từ đơn giản bồn chứa nước, lợp, ca nô … đến sản phẩm có kết cấu phức tạp, chịu tải trọng lớn đòi hỏi yêu cầu đặc biệt chi tiết máy bay, tàu vũ trụ… Sự phát triển vật liệu polyme compozit sở nhựa nhiệt rắn gia cường sợi hóa học đặt vấn đề vơ to lớn nan giải mơi trường Do gia tăng chất thải khó phân hủy vào mơi trường Và thân nhựa nhiệt rắn tái sinh sau đóng rắn Chính nhà khoa học giới nước quan tâm, nghiên cứu tạo hướng phát triển vật liệu polyme compozit sở nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi thực vật Sợi thực vật có ưu điểm giá thành hạ, có khả tái tạo phân hủy môi trường, nhẹ, dễ gia công, … Mội số xu hướng giúp nhìn tương lai compozit sợi thực vật [1] Cạnh tranh nguồn nguyên liệu, Vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu, Khả tái sinh vấn đề mơi trường, Độ bền tính năng, Đánh giá chu trình sống, Các sản phẩm sản xuất, Bảo hiểm chất lượng Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Tre loại đa dụng thân thuộc với đời sống hàng ngày người dân Việt Nam Hình ảnh làng quê Việt Nam từ xưa đến gắn liền với lũy tre dày chắn gió bão bảo vệ tổ quốc Tre Việt Nam dễ kiếm có giá thành hợp lý nguồn nguyên liệu tự nhiên tái tạo phân hủy sinh học Việc mở rộng nghiên cứu ứng dụng loại sợi tự nhiên vào lĩnh vực vật liệu polyme compozit với loại nhựa khác đem hiệu kinh tế cao mà cịn góp phần vào việc bảo vệ mơi trường Trên sở hình thành đồ án : “ Tổng quan vật liệu polyme pompozit sở nhựa propylene gia cường sợi tre” Nhiệm vụ chủ yếu đồ án là: - Tìm hiểu sợi tre - Tìm hiểu nhựa PP: nguyên liệu đầu, phương pháp trung hợp, tính chất, ứng dụng… - Phương pháp chế tạo vật liệu polymer compozit sở nhựa PP gia cường sợi tre Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề Vật liệu polyme compozit xuất cách hàng ngàn năm người sử dụng hiệu sống 5000 năm trước Công Nguyên người cổ đại thêm đá nghiền nhỏ vật liệu có nguồn gốc hữu vào đất sét để giảm độ co, nứt nung gạch đồ gốm Sợi tự nhiên dung làm compozit cách 3000 năm Ai Cập cổ đại Vật liệu compozit nhân tạo tự nhiên làm cách sử dụng lau, sậy tẩm bitum để chế tạo thuyền lại sông Tuy nhiên quan tâm nghiên cứu sử dụng sợi tự nhiên gia cường cho vật liệu compozit vài thập kỷ qua Các chất độn phụ gia khác sử dụng với nhựa để tăng tính chất giảm giá thành sản phẩm Trong phát triển ngành vật liệu compozit, compozit sợi tự nhiên nghiên cứu chuyên sâu nữa, phát triển không ngừng đạt nhiều thành tựu khả quan Những năm gần sợi tự nhiên thu hút ý nhiều nhà khoa học giới, phát triển vật liệu polyme compozit sở sợi tự nhiên trở thành đề tài quan tâm 1.2 Vật liệu compozit 1.2.1 Định nghĩa Vật liệu compozit vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu có chất khác nhau, nhằm tạo loại vật liệu có đặc tính cơ, lý, hóa trội vật liệu thành phần Một cách tổng quát vật liệu compozit gồm nhiều pha gián đoạn (vật liệu cốt hay vật liệu gia cường) phân bố pha liên tục (vật liệu hay vật liệu kết dính) Vật liệu đảm bảo cho việc liên kết vật liệu cốt lại với tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối Đồng thời vật liệu cịn mơi trường truyển lực học vào vật liệu cốt đảm bảo cho vật liệu cốt tránh hư hỏng (do tác động học, hóa học…) Vật liệu compozit polyme (nhiệt rắn, nhiệt dẻo), các kim loại hợp kim, gốm cacbon Ngoài số phụ gia khác chất tạo màu,… Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Việc đưa chất gia cường vào polyme làm cho vật liệu polyme compozit có nhiều ưu điểm so với vật liệu truyền thống như: độ bền riêng cao, modun đàn hồi riêng cao, tỷ trọng thấp, tính ổn định nhiều mơi trường hóa chất, chịu mài mịn tốt, … Một vai trị khác khơng phần quan trọng vật liệu cốt đưa vào giúp giảm giá thành cho sản phẩm Vật liệu cốt compozit hạt, bột sợi (ngắn dài ) làm thủy tinh, polyme, gốm, kim loại, cacbon sợi tự nhiên Vật liệu polyme compozit có đặc điểm sau:  Là vật liệu nhiều pha thực tế phổ biến vật liệu hai pha Pha gián đoạn cốt bao bọc pha liên tực polyme Các pha tương tác qua bề mặt phân chia pha  Đối với vật liệu polyme compozit cốt sợi, vật liệu có tính dị hướng đặc điểm bật vật liệu polyme compozit Vì với phương pháp chế tạo khác nhận vật liệu có tính chất lý khác  Trong vật liệu polyme compozit tỷ lệ, hình dáng, kích thước phân bố cốt tuân theo quy định thiết kế trước Nói cách khác, với lựa chọn thích hợp chất tăng cường nhựa nền, tính chất của vật liệu polyme compozit tính dự kiến trước  Tính chất vật liệu polyme compozit kết hợp tính chất pha thành phần Tuy vậy, tính chất khơng phải đơn tính chất pha thành phần, mà lựa chọn phát huy tính chất tốt tạo tính chất đặc trưng mà pha thành phần khơng có  Vật liệu polyme compozit cho phép chế tạo kết cấu, sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật mong muốn Tùy theo đòi hỏi độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sử dụng, mà lựa chọn vật liệu thành phần, kết cấu, tỷ lê, công nghệ sản xuất phù hợp 1.2.2 Phân loại [2] Có cách phân loại vật liệu compozit : theo hình dạng vật liệu cốt theo chất vật liệu thành phần  Phân loại theo hình dạng vật liệu cốt:  Vật liệu compozit cốt sợi: gồm có sợi liên tục sợi gián đoạn Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre  Vật liệu compozit cốt hạt  Phân loại theo chất vật liệu thành phần:  compozit polyme  compozit kim loại  compozit gốm thủy tinh  compozit cacbon/graphit 1.3 Sợi thực vật 1.3.1 Phân loại sợi thực vật [1] Sợi thực vật chia làm loại :  Sợi vỏ lấy từ thân cây,  Sợi lấy từ thân cây,  Sợi dính vào hạt, Danh sách số loại thực vật, nguồn gốc, sản lượng hàng năm Bảng 1.1 Các loại sợi thực vật, tên nguồn gốc sản lượng hàng năm [1] N Loại sợi Tên thực vật học Nguồn gốc Sản lượng hàng năm, 103 Bã mía (bagasse) Saccharum officinarum Thân L 102.000 Chuối (Banana) Musa ulugurensis Narb Lá 200 Tre (Bamboo) Gigantochloa Scortechinii Dendrocalamus apus Thân 10.000 Dừa (Coir) Cocos nucifera L Quả 650 Bông (Cotton) Gossypium spp Hạt 19.010 Lanh (Flax) Linum usitatissimum Thân 830 Gai dầu (Hemp) Cannabis sativa L Thân 214 Đay (Jute) Cochorus capsularis Thân Cochorus olitorius 2.850 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Bơng gịn (Kapok) Ceiba pentandra Hạt 123 10 Kenaf Hibiscus canabinus Thân 970 11 Gai (Ramie) Bochmeria nivea Gaud Thân 100 12 Dứa dại (sisal) Agave sililana Lá 319 1.3.2 Cấu trúc vi mô sợi thực vật [1] Sợi tự nhiên xem compozit vi sợi xenlulozo gắn kết với lignin hemi xenlulozo Thành tế bào sợi lớp màng khơng đồng Mỗi sợi có cấu trúc lớp phức tạp gồm lớp sơ cấp mỏng ( lớp hình thành suốt trình phát triển tế bào) bao quang lớp thứ cấp Lớp thứ cấp tạo thành lớp lớp trung gian dày xác định tinhs tính chất học sợi Lớp trung gian gồm chuỗi vi sợi gọi góc vi sợi Giá trị góc vi sợi thay đổi theo sợi khác Hình Cấu trúc sợi tự nhiên 1.3.3 Thành phần hóa học sợi thực vật [1], [5] Thành phần hóa học sợi thực vật gồm xenlulo (thành phần chính), hemixenlulo, lignin, pectin sáp, ngồi cịn có lượng nhỏ tro khống chất 10 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Bắc Trung Bộ Duyên Hải Trung Bộ 12 Yên Bái 199.5 7.41 16.1 3.00 8.8 4.82 14.4 0.56 13 Phú Thọ 26.9 2.92 Tây 14 Quảng Ninh Nguyên 321.2 4.08 Lai Châu 9.9 3.00 15 Lạng Sơn 7.9 2.20 Sơn La 28.2 3.39 16 Bắc KạnThái Nguyên 14.9 3.75 Hịa Bình 7.2 9.33 17 Thanh Hóa 85.6 1.66 Hà Giang 24.8 5.00 18 Nghệ An 104.7 31.4 Bảng 2.2 Diện tích rừng tre vùng (ha) Tổng diện tích Diện tích rừng Diện tích rừng tre Tồn quốc 32,894,398 10,915,594 789,221 702,871 Đơng Bắc 6,746,293 2,368,982 176,449 132,445 Tây Bắc 3,572,365 963,441 57,218 49,989 Châu thổ sông Hồng 1,266,254 83,638 80 Bắc Trung Bộ 5,130,454 2,135,649 172,999 99,110 Bờ biển miền Trung 3,301,624 1,139,291 27,519 2,517 Cao nguyên miền Trung 4,464,472 2,373,116 210,343 138,633 Đông Nam Bộ 4,447,622 1,581,000 144,613 279,877 Châu thổ sông Mêkơng 3,965,314 270,477 0 Vùng Diện tích rừng hỗn tre-gỗ 2.1.3 Thành phần hóa học sợi tre [1] 16 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Tre có thành phần hóa học giống lồi gỗ khác có đặc điểm riêng lồi tre Thành phần hóa học phụ thuộc vào điều kiện sinh, hóa, thổ nhưỡng Dưới bảng thành phần hàm lượng sợi tre Bảng 2.3 Thành phần hóa học sợi tre Bảng 2.3 Thành phần hóa học sợi tre N0 Thành phần Hàm lượng (%) Xenlulo 46-48 Ligin 20-22 Pentozan 16-17 Phần tan nước nóng 8-10 Phần tan nước lạnh 6-8 Độ tro 2-3 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 2.2.1 phương pháp chế tạo mat tre [1] [3] Cây tre cưa thành đoạn 25-30 cm, sau chẻ thành tre cán dập đem xử lý dung dịch kiềm (1,5 N) 70 oC vòng 10h Các sợi tre tách cào thép có đường kính trung bình khoảng 200 µm Các mat có khối lượng riêng 220-250 g/m2 tạo thành cách để lắng sợi tre ngẫu nhiên nước 2.2.2 Xử lý mat tre Mat tre có độ tương hợp với chất thành phần sợi chiếm nhiều nhóm OH khả hút ẩm sợi cao Vì trước sử dụng phải xử lý sợi Xử lý mat tre phương pháp sau Xử lý kiềm ép hay cán [1] [3]: Các mat tre ngâm dung dịch NaOH 0.1 N nhiệt độ thường với thời gian xử lý khác Thông thường người ta tiến hành 72 35 0C Sau xử lý tách bớt lignin, loại bỏ thành phần sáp, axit béo có sợi Khi xuất rãnh làm cho sợi sần sùi tăng khả tương hợp 17 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Cán dập cắt nhỏ [1]: Sợi tre ngắn (mat tre) nhận cách cán dập tre máy cán hai trục cắt nhỏ máy cắt chuyên dụng (thí dụ: máy Retsch, Đức) Sau xử lý sợi tre ngắn dung dịch NaOH 0.1N 72 Rửa nước trung tính sấy khơ đến độ ẩm quy định Đung nóng dung dịch kiềm cào tách [1]: cho tre vào thiết bị chứa dung dịch NaOH 1N đun nóng 70 oC 10 Rửa tre nước đến trung tính cào tách dụng cụ cầm tay (bàn chải cắm đinh nhọn) hay máy cơng nghiệp Đường kính trung bình sợi tre nhận vào khoảng 150 µm Xử lý với hợp chất silan [1]: ngâm dung dịch silan 1% với chất xúc tác peroxitdicumin sau sấy khô 60 đến 80 oC 24 (a) (b) Hình Ảnh SEM bề mặt sợi tre nguyên sinh (a) bề mặt sợi tre sau xử lý kiềm axetyl hóa (b) 2.3 Tổng quan nhựa polypropylen (PP) 2.3.1 Giới thiệu chung Polypropylen (PP) loại nhựa nhiệt dẻo tạo cách trùng hợp phân tử propylene ( đơn vị monome) thành mạch polyme dài Polypropylen sản xuất phương pháp hóa học ứng dụng rộng rãi tất 18 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre ngành Vào đầu kỷ 21, Polypropylen loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng sản xuất hàng chục triệu tấn/năm giới khơng thua PVC Polypropylen có tính chất nhiệt, cơ, lý tuyệt vời sử dụng nhiệt độ phịng Nó tương đối cứng có điểm nóng chảy cao, khối lượng riêng thấp khả chống va đập tương đối tốt Polypropylen trùng hợp lần vào 11/3/1954 Giulio Natta, cơng thức phân tử là: (C3H6)n PP có cấu trúc tương tự polyethylene Có nhiều điểm giống sản xuất PP PE (polyetylen) sử dụng xúc tác Ziegler Trong hai trường hợp monomer sản xuất cách cracking sản phẩm dầu mỏ khí tự nhiên dầu nhẹ Khi kết thúc trình trùng hợp thu sản phẩm Polyme isotactic, Polyme atactic, Polyme syndiotactic Izotactic Izotactic polypropylene có nhóm - CH3 nằm phía mặt phẳng cấu hình đồng phân quang học, dạng tinh thể Có tính chất khơng tan heptan sơi có nhiệt độ điểm chảy khoảng 165oC 19 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Syndiotactic Syndiotactic polypropylene có nhóm – CH3 xếp luân phiên trật tự hai mặt phẳng Atactic Atactic polypropylen có nhóm - CH3 xếp ngẫu nhiên không theo quy luật nào, vơ định hình kết dính tốt 2.3.2 Tính chất nhựa polypropylen Mặc dù có nhiều điểm tương đồng tính chất với PE, song có mặt nhóm metyl ln phiên cacbon mạch PP làm thay đổi số tính chất polyme Thí dụ nhóm metyl tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng chảy Trong trường hợp PP isotactic có cấu trúc điều hịa, nhiệt độ nóng chảy cao 50 oC so với PE Nhóm metyl bên cạnh ảnh hưởng đến chất hóa học PP Cacbon bậc ba vị trí dễ bị oxi hóa nên PP bền oxi hóa so với PE Xử lý nhiệt hay xử lý lượng cao làm cắt mạch PP nhiều khâu mạch PP thương mại thường chứa khoảng 90 – 95% isotactic, lại syndiotactic atactic Sự khác tính chất đồng phân lập thể PP rõ rệt độ kết bó phân tử gây nên Chỉ có xếp isotactic cho phép phân tử kết bó chặt chẽ cấu trúc tinh thể Trong xếp syndiotactic atactic, nhóm metyl bên cạnh lớn nên không cho phép phân tử kết bó chặt chẽ vùng tinh thể Trong xếp syndiotactic atactic, nhóm metyl bên cạnh lớn nên không cho phép 20 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre phân tử kết bó chặt chẽ vùng tinh thể Do vậy, PP isotactic cứng so với PP syndiotactic PP atactic có chất tựa cao su Chỉ có PP isotactic có độ kết tinh cao có giá trị thương mại quan trọng Tính chất vật lý PP, dạng vơ định hình PP có khối lượng riêng khoảng 0.855 g/cm3, dạng tinh thể 0.946 g/cm3 Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 165 oC, nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) khoảng -15 oC xác định DSC ( Differential Scanning Calorimetry) Polypropylen có cấu trúc không gian đặn, sản phẩm cứng, không độc, khơng mùi, đặc biệt suốt bóng Ở 155 oC, polypropylen thể rắn, gần đến nhiệt độ nóng chảy chuyển sang trạng thái mềm cao cao su Tính chất hóa học PP, PP không bị nứt gẫy tác động môi trường,bền môi trường axit bazo, ngoại trừ axit sunfuric cromic đậm đặc Ở nhiệt độ thường, polypropylen không tan dung môi hữu Ngay tiếp xúc lâu, mà trươnng hydrocacbon thơm clo hóa Nhưng nhiệt độ lớn 80 oC PP bắt đầu tan hai loại hóa chất Độ bền với dung mơi tăng theo độ kết tinh polyme Khi tiếp xúc với dung mơi có cực, polypropylen khơng bị thay đổi khơng giịn Tất dạng polypropylen khơng hút nước Các polyme kể PP bị lão hóa xạ tia UV tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Đối với vật dụng dùng bên ngồi có tiếp xúc với ánh sang mặt trời cần sử dụng thêm chất hấp thụ tia UV Muội than thường them vào để bảo vệ khỏi tác động tia UV PP bị oxy hóa nhiệt độ cao, vấn đề gặp phải suốt q trình gia cơng polyme Các chất chống oxy hóa thường thêm vào nhựa để chống tượng thối hóa 2.3.3 Tổng hợp nhựa polypropylen Ngun liệu để sản xuất polypropylen (PP) propylen Propylen chất khí ngưng tụ thành lỏng -47.7 oC lạnh đông -185.5 oC Ở nhiệt độ sôi, tỷ trọng 0.610 g/m3 21 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Polypropylen tổng hợp phản ứng trùng hợp xúc tác Ziegler- Natta Nguyên liệu dùng để trùng hợp hỗn hợp propan-propylene, hệ xúc tác Chlorus Tian Triethyl Nhôm Phương pháp kinh tế chỗ khơng cần phải tách propan khỏi propylene q trình phức tạp Các thơng số kỹ thuật polypropylene tóm tắt bảng sau [] Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật polypropylene Các đặc tính Giá trị Khối lượng riêng 900 kg/m3 Mơ đun đàn hồi kéo 1.1-1.4 GPa Ứng suất phá hủy kéo (độ bền kéo) 20-30 MPa Biến dạng phá hủy kéo 300 % Độ bền nén 40-55 MPa Độ bền va đập (Izod) 0.0025-0.1 J/mm Nhiệt độ uốn tải trọng (HDT) (1.8 MPA) 50-60 0C Hệ số giãn nở nhiệt 110 x 10-6 0C Độ dẫn nhiệt 0.2 W/m/0C Khả hút nước (24 giờ, 200C) 0.03 % Chất lượng đúc Tốt Khả gia cơng khí Tốt Tính quang học Trong suốt đến mờ đục Tốc độ cháy Chậm Khả chống lại chất hóa học Tốt 2.3.4 Ưu nhược điểm nhựa PP 22 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre  Ưu điểm - Khả gia công tốt - Có thể tiếp xúc với thực phẩm Độ cứng cao - Độ bền va đập tốt Có thể sử dụng tất kỹ thuật gia công nhựa nhiệt dẻo - Hệ số ma sát thấp Cách điện tốt - Khả chịu mài mòn cao Làm việc tốt đến nhiệt độ 125 oC - Chống lại tác dụng chất hóa học  - Nhược điểm Bị lão hóa tia cực tím (UV) Bị tác động dung môi chứa cholor hợp chất thơm Khả kết dính khơng cao Ở nhiệt độ thấp độ bền va đập PP thấp 2.3.5 Sử dụng PP cho vật liệu compozit 2.3.5.1 Vai trò chất trợ tương hợp MA [1] Độ bám dính chất dẻo sợi tự nhiên có cực có tác dụng định đến tính chất compozit Một số loại chất trợ tương hợp có nhóm chức sử dụng để cải thiện phân bố liên kết sợi thực vật polyolefin Cho đến chất trợ tương hợp sử dụng nhiều MAPP (polypropylene ghép anhydrite maleic) quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng cơng nghiệp Maleic anhydrite (MA) có dạng tinh thể khơng màu hay màu trắng tan nước, rượu số dung môi hữu 23 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Cấu trúc hóa học MA - Phân tử lượng: 98.06 (g/mol) Nhiệt độ sôi: 202 oC - Nhiệt độ nóng chảy: 60 oC Tỷ trọng: 1.314 (g/cm3) Maleic anhydrite (MA) có mặt MAPP khơng cung cấp tương tác có cực mà cịn tạo liên kết đồng hóa trị với nhóm –OH có sợi thực vật Những tương tác nhựa nhiệt dẻo không cực PP chất trợ tương hợp MAPP chiếm ưu mạng phân tử Ứng suất tác dụng lên mạch phân tử cần phải chuyển đến mạch khác mạng ứng suất phân bố nhiều mạch phân tử Vai trò mạng phân tử xem khâu mạch vật lý làm cải thiện số tính chất học nhiệt độ hóa thủy tinh, lại khơng có hiệu khoảng cao Hình Sơ đồ phản ứng MAPP với bề mặt sợi thực vật tạo thành liên kết đồng hóa trị liên kết hydro Hai yếu tố cần thiết phải xem lựa chọn chất trợ tương hợp Đầu tiên, chất trợ tương hợp có nhóm chức phải diện gần bề mặt sợi tương tác mạnh với bề mặt sợi thông qua liên kết hóa trị hay liên kết hydro Điều có nghĩa nhóm chức cần phải 24 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre có mặt chất trợ tương hợp để tương tác xảy với nhóm –OH bề mặt sợi Thứ hai, mạch polymer chất trợ tương hợp phải đủ dài để cuộn với bề mặt phân chia pha 2.3.5.2 Ép nóng màng PP có chất trợ tương hợp với mat tre [6] Trước sử dụng để tạo compozit, sợi tre sấy 800C 72 đến khối lượng không đổi để loại bỏ nước sợi Tương tự, nhựa PP MA sấy 800C vòng – 10 để loại bỏ nước Tương ứng với mấu compozit, thành phần cân riêng với khối lượng tính tồn từ tỉ lệ phối trộn Sau hỗn hợp trộn sơ tay trước đưa vào máy trộn Cần phải ý tránh tượng sợi tập trung lại tạo thành búi sợi sản phẩm Hộn hợp sợi tre, nhựa PP MA sau trộn sơ cho vào buồng máy trộn kín trục vít để tiến hành trộn nóng chảy Các thơng số thiết lập cho máy trộn là: - Nhiệt độ buồng trộn: 165 0C Tốc độ trục: 60 vòng/phút Thời gian trộn: 10 phút Sản phẩm cuối trình trộ nlà hỗn hợp nóng chả gồm PP, sợi tre MA ép nóng khn để tạo compozit dạng phẳng Hỗn hợp sau lấy khỏi buồng trộn đặt vào khuôn thép kẹp nhựa PET kim loại mỏng trước đưa vào ép nóng 25 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Hình Cách đặt mẫu vào khn ép Hỗn hợp ép nóng máy ép nhiệt độ 1900C, áp lực 1000 psi phút Sau tiếp tục trì lực ép giải nhiệt phút nước nóng hệ thống làm nguội máy ép Sau giải nhiệt máy ép, lấy mẫu đặt vào gạch men phẳng có tải nặng đặt bên để tiếp tục làm nguội khơng khí khoảng phút lấy mẫu Tháo bỏ PET phủ bề mặt mẫu, lấy mẫu khỏi khuôn Nhiệt độ mẫu sau làm nguội phải 700C để tránh tượng sản phẩm bị cong vênh Vệ sinh khuôn, ép mẫu Nếu ta tiến hành thử tính mẫu sau ép không nên cắt mẫu sau ép mà phải giữ nhiệt độ phịng 24 để sản phảm ổn định 2.3.5.3 Tạo hạt nhựa PP có chất trợ tương hợp với sợi tre ngắn Trước cho hỗn hợp gồm PP, sợi tre MA vào máy đùn trục vít để tạo hạt, ta phải trộn sơ tay trước cho vào phễu, để phối trộn thành phần  Nguyên tắc vận hành - Khởi động máy: + Bật công tắc hệ thống điểu chỉnh nhiệt độ điện trở trục vít + Mở van ống nước vào máng giải nhiệt + Khởi động mô tơ hệ thống dao cắt + Khởi động động quay trục vít - Hỗn hợp sau trộn sơ tay cho vào phễu nhập liệu, nhựa sấy hệ thống sấy: gồm cóquạt hút khơng khí từ bên ngồi vào qua điện trở tạo dịng khí nóng di chuyển ngược chiều với dòng nhựa Động điện hoạt động làm quay trục vít máy tạo hạt thơng qua vành đai hộp số Trục vít quay liên tục xung quanh trục kéo hỗn hợp hạt nhựa từ xuống, bên ngồi trục vít có gắn vành đai điện trở để cấp nhiệt nung chảy nhựa có hịa trộn thành phần nhựa PP, sợi tre MA với nhau,tạo thành phần đồng vị trí Sự quay quanh trục trục vít đồng thời có tác dụng đẩy dịng nhựa nung nóng chảy ngồi Phía đầu trục vít có gắn kim loại đục lỗ đường kính khoảng mm, dịng nhựa chảy qua kim loại đục lỗ làm mát khơng khí cho qua máng tưới giải nhiệt sau đưa tới hệ 26 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre thống dao cắt để tạo hạt có kích thước mong muốn Hạt nhưa sau tạo thành với kích thước mong muốn đem sấy khô, bảo quản 2.3.5.4 Ép đùn hạt PP – sợi tre ngắn Trong phương pháp nhựa polyme dạng bột hỗn hợp nhựa polyme vật liệu gia cường có chiều dài ngắn cấp vào khoảng trống chứa hỗn hợp vật liệu máy đùn ép Trục vít sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu phía trước trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa vật liệu ngồi Trong q trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ hỗn hợp, lượng làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước chuyển tới buồng phun ép Do q trình nén cắt trục vít, chiều dài sợi gia cường giảm Dưới lực ép trục vít vật liệu đùn ép vào khuôn, hệ thống van chiều dùng để ngăn vật liệu bị nén ngược trở lại trống chứa Khi vật liệu nén vào khn, trục vít giữ ngun vị trí để trì áp suất khn Khi vật liệu đơng kết khn, trục vít di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình ép đùn sản phẩm 2.3.5.5 Ép phun hạt PP – sợi tre ngắn [4] Để chế tạo vật liệu compozit PP-sợi luồng dùng cho công nghệ ép phun sử dụng sợi ngắn dạng cotton thu theo quy trình tách học Trung tâm NCVL Polyme,Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phát triển Sợi ngắn có đường kính trung bình 17-20 µm, độ dài trung bình 166 µm, xử lý dung dịch kiềm (NaOH) 0,1N 72 nhiệt độ phòng rửa sấy khô Sợi trộn với nhựa PPMA với tỷ lệ khác tạo hạt, sau ép phun để tạo mẫu thử nghiệm Kết khảo sát tính chất học vật liệu trình bày bảng sau Bảng 2.5 Độ bền kéo compozit sợi tre ngắn – PPMMA Hàm lượng sợi (% trọng lượng) Độ bền kéo (MPa) Môđun kéo (GPA) 20 25 30 35 40 45 50 55 35 35.4 34.8 34.8 38.3 34.3 36.1 39.5 33.2 0.7 1.28 1.61 1.28 2.05 2.27 0.73 0.82 27 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Bảng 2.6 Độ bền uốn compozit sợi tre ngắn – PPMMA Hàm lượng sợi % Độ bền uốn, MPA Môđun uốn, MPA 20 25 30 35 40 45 50 55 44 56.6 58.6 60.5 66.9 63.9 57 67 59.9 1.8 3.15 3.67 4.11 5.87 5.38 5.53 6.4 5.47 Bảng 2.7 Độ bền va đập IZOD compozit sợi tre ngắn – PPMMA Hàm lượng sợi,% 20 25 30 35 40 45 50 55 Độ bền va đập,KJ/m2 3.7 8.2 7.2 6.1 6.5 6.8 5.3 5.2 3.6 Có thể thấy từ số liệu bảng ảnh hưởng hàm lượng sợi đến tính chất khảo sát khác Độ bền uốn tăng dần hàm lượng sợi tăng đạt giá trị cao (67 MPa) hàm lượng sợi 50% Trái lại, độ bền va đập đạt giá trị cao hàm lượng sợi 20% (tăng 2,2, lần so với nhựa ban đầu) sau giảm dần Ở hàm lượng sợi 55% độ bền va đập mẫu có độn không độn tương đương Đối với độ bền kéo, tác động gia cường không rõ rệt lắm, hàm lượng sợi 50% (độ bền kéo đạt giá trị cao nhất) tăng khoảng 10% Tổng hợp số liệu trên, nhận xét compozit PPMA-sợi luồng ngắn, hàm lượng sợi khoảng 45-50% cho vật liệu tính chất học tối ưu 28 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án chuyên ngành “ tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa propylene gia cường sợi tre” giúp em hiểu biết nhiều compozit, compozit phân hủy sinh học có vai trị vơ lớn tương lai với thách thức ô nhiễm môi trường Đồ án giúp em tìm hiểu nguyên liệu đầu, phương pháp tổng hợp, cách xử lý sợi tự nhiên, hiểu biết chất trợ tương hợp Đặc biệt phương pháp gia công chế tạo compozit nhựa nhiệt dẻo 29 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Vĩnh Diệu, Bùi Chương Nghiên cứu ứng dụng sợi thực vật – nguồn nguyên liệu có khả tái tạo để bảo vệ mơi trường [2] Hồng Thị Phương Đồ án nghiên cứu vật liệu polyme compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi sisal [3] Phan Thị Minh Ngọc, Trần Vĩnh Diệu, Nguyễn Thúy Hằng Nghiên cứu chế tạo vật liệu polypropylene compozit lai tạo mat tre với mat thủy tinh Tạp chí Hóa học, T.45, Tr.85 – 91, 2007 [4] Bùi Chương Nghiên cứu phát triển vật liệu compozit từ sợi tự nhiên [5] Hồ Sĩ Tráng Cơ sở hóa học gỗ xenlulơ tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [6] Nguyễn Hữu Tân Composite nhựa polypropylen gia cường sợi xơ dừa Trường đại học Cần Thơ 30 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55