KY YEU HTTQ CO HOC VA KHI CU BAY CO DK pdf
Trang 1NGHIEN CUU VAT LIEU POLIME COMPOSITE NHE “TRÊN CƠ SỞ SỢI TỰ NHIÊN VA KHẢ NANG UNG DUNG
“Th§ Nguyễn Hoàng An, GS TSKH Thân Đức Hiển, PGS TS Nguyễn Đức Chiến, “Th§ Vũ Ngọc Phan, Nguyễn Kim Giang
‘Dai hoc Bach khoa Hà Nội
Tóm tát: Trong báo cáo này chủng tối trình bảy một số kết quả nghiên cửa đã đại “được về vật liệu polne composie gia cường bằng sợi tự nhiên, bao gém sợi đay và sợi te “Các mắu vật liêu polime composte được chế tạo bằng phương pháp ép tắm trong chôn “hông (Vacuam Injection Moulding technique) Mot s6 tink chất cơ của các mắu vặt liệu
“được khảo sát theo các iêu chuẩn ASTM trén thuế bị do tính chất cơ tạn năng COM-TEN (Mỹ) Chúng tôi cũng đã thực hiện một số phương pháp xử lệ hoá học dd được sử dụng "rong nghiên cứu để năng cao các tính cất cơ của vặ liệu Các phương pháp nghiên cử ‘hin dai nhc phd dp thụ hồng ngoại (FTIR) ảnh hiến vì điện từ quế (SEM) dã được sử “dạng trong quế trình nghiên cứu Kết hợp với các kết quả đã công bố rước đây và các côn "rình nghiên ciu trên thể giải trong ĩnh vực này, vậ liệu polhde compodie gia cường sợi tự “hiên dang được sơn là loại vật liệu có triển vọng trong việc chế tạo các sản phẩm có khổi ương nh
1.Mở đầu
Những năm gắn đây, hướng nghiên cứu sử dụng các loại sợi tự nhiên làm vật liệu gia cường thay thế cho sợi nhân tạo như sợi thuỷ tỉnh đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều các nhóm nghiên cứu vẻ vật liệu polyme composite trên thể giới 1-2]
Các ưu điểm nổi bật của các loại sợi tự nhiên đang được nghiên cứu (như sợi đay, sợi lanh, sợi gai, sợi dừa, sợi đứa đại, sợi te ) là tỷ trọng nhe, độ bén riêng (tỷ số của độ bén trên khối lượng riêng) cao, tiêu tổn ít nâng lượng cho quá trình chế tạo, có khả năng phân huỷ đo đó giảm ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, không gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và có giá thành hạ Tuy nhiên, các loại sợi tự nhiên cũng có những hạn chế cần được nghiên cứu khác phục như khả năng tương hợp với các polyme nền chưa cao dẫn đến tính chất cơ của vật liệu composite thấp, chất lượng của sản phẩm không đồng đều [3-4] Bảng 1 trình bày tính chất cơ của một số loại sợi tự nhiên khác nhau,
Bang 4 Tinh chat co lý của một số loại sợi tự nhiên [1], Khối lượng riêng Do bénkéo Mödimbếnieo Độgiãmdài Độhirẩm Tớ Te g/cm’ 08 MPa 400 15 Gpa % 9 % ` Lanh Gai dầu L48 15 690 780 70 10 160 1.40 7 8 Day 146 5350 20 L80 ø Xơdừa : 140 6 20 10 Tơ chuối : S0 ễ 5 + Dita dai Ls : 580 870 38 4 250 2.00 " 1s 258 x 2400 450 B 0 3 3
“Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày một sổ kết quả nghiên cứu bước đầu về vật liệu polyme composie trên cơ sở 2 loại sợi tư nhiên là soi day và sợi tre với bai loại nến polymE nhiệt rắn là epoxy và polyexte không no
Trang 2
ơ #28 yA cit d6ng rn TETA (Stell Chemica
ng ty Day Hà Nội sản xuất
p bởi Quỹ Hỗ trợ Phát triển của Cộng đồng châu Âu với chiều dài a 30 mm va 1 mm
chất chứa silan: 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane 98% (C,H„O,Si, D k (CHH„Ö,Si, Merck) v3 (riethoryily)-ropyamis 98%
Fae 8 hoá chế khác được sử dạng như NaOH, H;3O, 98% là sản phẩm nhập từ
T
_ ® Xủ lý sợi day bằng dung địch kiếm
‘Soi day duge xử lý bằng cách ngâm trong dung địch kiểm NaOH 20-30% trong thời giên 2035 phốt trong điều kiện không làm thay đối ch thước sợi Sau đ sợi được tung hồ bằng dung dịch axít H;SO, lỗng rồi rửa nhiều lần bằng nước sạch Cuối cùng sợi đã xử lý được làm khô tại nhiệt độ phòng và sấy tại nhiệt độ 70*C trong 24 giờ
b, Xử lý sợi tre bằng hợp chất chứa silan
.Sgi tre được ngâm khoảng 10-20 phút trong dung dịch Ei-OH 95% có chứa 1-5% hop chất chứa silan Độ pH axit trung bỉnh yếu của dung dich được điều chỉnh bằng axit acetic Sau đồ sợi tre được rửa bằng dung dịch EI-OH va sấy ở nhiệt độ 60'C
3, Chế tạo mẫu vật liệu composite
Các mẫu vật liệu composite đều được chế tạo bằng phương pháp ép tẩm trong chân không (Vacuum Injection Moulding) Phương pháp này được miêu tả tóm tắt như sau: trước
tien cho sợi day hoặc sợi tre đã được xử lý vào trong khuôn tạo mẫu, gắn kín khuôn bằng túi chân không, sử dụng bơm chân không để hút không khí ra khỏi khuôn, dựa vào sự chênh lệch
ấp suất dung dich polyme sẽ chuyển vào trong khuôn [5]
“Tỷ lệ các vật liệu thành phần trong các mẫu vật liệu composite sợi day được khống chế theo Bỷ lệ về khối lượng của sợi đay là 35 : 65 và 30: 70 đối với lẫn lượt polyeste không no vA epoxy
Qin sợi tre được khống chế theo tỷ lệ về thể tích là 37 : 63 đối với cả hai loại nhựa nền
4 Xác định tính chất cơ của vật liệu composite
Các tính chất cơ của liệu composite (độ bẻn kéo, nén và uốn) được khảo sát trên
thiết bị đo tính chất cơ đa năng COMTEN 95VC (Hoa Kỳ) theo các tiêu chuẩn ASTM lần lượt là D638, D695 và D760 tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (TTIMS)
§ Ảnh hiển vỉ điện tử quét (SEM)
Bẻ mặt của các mẫu sợi day va bé mat đứt gãy của vật liệu composite được khảo sát trên máy kính hiển vi điện tử quét JSM 5300 — Jeol (Nhat Bin) tai phòng Vì Phân tích, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trung tâm Khoa học Vật liệu,
Khoa Vật lý (Đại học Quốc gia Hà Nội)
TH Kết quả và thảo luận
Ý Vật liệu composite sợi day
- Ảnh hưởng của quá trình xử lý đến bề mặt sợi
Trang 3
Hình 3 Ảnh SEM bế mặt sợi đay trước (a) và sau (b) khi xử lý bằng dung địch NaOH
Hai hình trên là ảnh hiển ví điện tử quét (SEM) của bể mặt sợi đay trước (Hình la) và sau (Hình Ib) khi được xử lý bằng dung dịch NaOH Dễ dàng nhận thấy rằng sợi đay ˆ sau khi xử lý kiểm có kích thước nhỏ hơn và khá đồng đều trong khoảng 10 Hm (hình IĐ) liều này có thể được giải thích là do dung dịch NaOH có khả năng hoà tan một số thành phản trong soi day nh lignin va hemicellulose trong điều kiện có lực kéo căng tác dong len soi day 1.2 Anh hưởng của quá trình xử lý bé mặt sợi day đến tính chất cơ của vật liệu composiie
Tinh chất cơ của hai loại composite trên cơ sở 2 loại nhựa nền polyeste không no va epoxy với sợi đay được trình bày trên Hình 2
Hình 2 Tính chất cơ của hai loại vật liệu composite sợi đay không bằng dung dich NaOH trên nến (a) polyeste khéng no va (b) epoxy va có xử lý
Từ các kết quả này, chúng ta có thể nhận thấy rằng các tính chất cơ của vật liệu composite ci của hai loại nhựa nén polyeste không no và cpoxy với sợi day 48 duge xi if bằng dung dịch NaOH đều được nâng cao đáng kể khi so với các tính chất tương ứng của vật liệu composte với sợi day chưa xử lý Ví dụ như độ bền kéo cia vat ligu composite cla polyeste khong no và epoxy lần lượt tăng 1.63 lần (từ 143 lên đến 233 Mpa) và 1.28 lần ( 187 lên đến 240 Mpa)
Trang 4ˆˆ Nguyên nhân dẫn đến ‘nguyen If tron hợp vẻ tính chất của các vật liệu thành phần thì tính chất 'khá đồng đều và nhỏ hơn so với trước khi xử lý, giúp sợi đay có tính phương pháp xử lý kiểm có thể là đo các sợi đay sau ‘ling sẽ được nâng cao Một nguyên nhân khác dẫn đến sự tăng tính khả năng kết dính giữa polyme nén và sợi đay sau khi xử lý
xử lý bể mất sơi day dén cấu trúc hình thái của vật liệu composite
Hình 3 Ảnh SEM bể mặt đứt gãy của mẫu vật liệu composite nén polyester va sgi day ) chưa xử lÿ; b) đã xử lý bằng dung địch NaOH
Để nghiên cứu khả năng kết dính trong vật liệu composite giữa sợi đay và nền polyme, chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh SEM bé mat dit gay của các vật liệu composit với sợi gia cường là sợi day chưa và đã xử lý Các ảnh SEM của vật liệu composite trên cơ sở nhựa nền polyeste khong no va epoxy lần lượt được trình bày trên Hình 3 và 4 với sợi day gia cường chưa (a) và đã (b) xử lý bằng dung dịch NaOH
Hình 4 Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của mẫu vật liệu composite nén epoxy và sợi day
3) chưa xử lý; b) đã xử lý bằng dung dịch NaOH
'Từ các SEM trên, có thể khẳng định rằng, đối với cả hai trường hợp nền polyeste không
no (Hình 3) và epoxy (Hình 4), cấu trúc bẻ mặt gãy của vật liệu composite với soi day đã qua xử lý đồng đêu hơn vật liệu với sợi đay chưa xử lý Điều này có nghĩa là việc xử lý bể mặt sợi
đay bằng dung dịch kiểm đã làm tăng khả năng kết dính giữa sợi đay với nén polyme
3, Vật liệu composie sợi tre
3.1 Ảnh hướng của quá trình xử lý đến bể mặt sợi
"Để nâng cao khả năng bám dính giữa sợi tre và nền polyme, chúng tôi tiến hành xử lý bể mặt sợi bằng ba loại hợp chất chứa silan gồm 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane
Trang 5q
(silane 1), triethoxyvinylsilan (silane 2) va 3-(triethoxysilyl)-propylamin (silane 3) Hinh 5 va 6 đưới đây lần lượt là phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu sợi tre chưa và đã được xử lý bé mat Hình 5 Phổ hồng ngoại của sợi tre (a) chưa xử lý ¡ xử lý bằng (b) sllane '1; (e) sllane 2 và (4) sllane 3
"Từ phổ hồng ngoại (Hình 4) ta nhận thấy trong khi có sự xuất hiện của đỉnh phổ đặc trưng cho liên kết Si-O-Sĩ tại vị trí khoảng 1265 cm” đối với các mẫu sợi tre đã xử lý thì cường độ các đỉnh phổ đặc trưng cho các liên kết C-O của nhóm C-O-H (1055 em `) và liên kết O-H trên bể mặt sợi và của các phân tử hơi nước hấp thụ trên bẻ mật sợi (3318cm'') lại suy giảm rõ rệt Riêng trường hợp sợi tre được xử lý bẻ mặt bằng 3-(triethoxysilyÌ)-propylamin (silane 3), xuất hiện đỉnh phổ đặc trưng của nhóm NH; tại vị trí 3300 cm!
= a
Hình 6 Ảnh SEM bế mặt của sợi tre (a) chưa xử lý, xis ly bling (b) silane 1,
(e) silane 2 và (d) silane 3
Trang 6
©, phân tách giữa các sợi trở nên rõ ràng hơn và không quan sát thấy sự xuất hiện các đám lớn do Con tit anh SEM (Hinh 6) cho thấy bể mặt của sợi tre sau xử lý trở nên nhấn hơn, -®ự kết tụ của các phân từ chứa silane Do đó chúng tôi cho rằng các phân tử của các tác nhân .tiép nối chứa silane đã phản ứng khá đồng đều với các nhóm -OH trên bể mặt sợi te
_ 32 Ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt sợi đay đến tính chốt cơ của vậ iệu composiie
` ð#thay đổi tính chất cơ của vật liệu composite của hai loại nhựa nền polyeste không no “vl epoxy v6i soi tre trước và sau khi xử lý bể mật được thể hi i
Prenat lý được thể hiện bằng sự thay đổi độ bền uốn ” 66 =e “ 31 đu 6s KD 1 i, cnax8y ‘an Poon win sind sim} (ames — Hình 7 Độ bến uốn của vật liệu composite polyeste không no epoxy Với sợi re chưa xử lý, xử lý bằng sllane 1, slane 2 và sllane 3 9000 sors 501 Os 3000 ana 4000 i a 3 bị Z2, 2000 ° Cuastly Slant Sun? Sim ‘Modan bén win [ZEsy mnueerj
Hình 8 Mô đun bổn uốn của vật liệu composite polyeste không no epoxy
với sợi tre chưa xử lý, xử lý bằng silane 1, silane 2 và silane 3
'Kết quả nghiêu cứu trên cho thấy sự có mặt của các hợp chất silan trên bể mật sợi tre đã lầm tăng đáng kể độ bền uốn và môđun uốn của cả bai loại vật liệu composite trén co sở nhựa polyeste không no và epoxy Đặc biệt độ bền uốn của mẫu vật liệu có sợi tre được xử lý bẻ mặt bằng hợp chất 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (silane 1) cao hơn khoảng hai lần so với mẫu vật liệu có sợi tre chưa được xử lý bể mặt (5015 MPa so với 2294 MPa) Những kết qui nay có thể được giải thích là do các hợp chất chứa silan với vai trò là tác nhân ghép nối đã lầm tăng khả năng tương hợp giữa nhựa nên polyme và sợi tre, dẫn tới tăng các tính chất cơ của vật ligu composite
Trang 7TY Kế luận :
Trong bài báo này, việc chế tạo vật liệu composite sợi trên cơ sở nhựa nến không no và epoxy với hai loại sợi tự nhiên gia cường là sợi day va si tre bằng phương,
ép tẩm trong chân không (Vacuum Injection Moulding) đã được khảo sát Ngoài ra,
nâng cao khả năng tương hợp giữa nhựa nến với sợi tự nhiên, vấn để xử lý bể mặt sợi
được nghiên cứu Sợi đay và sợi tre lần lượt được xử lý bề mặt với dung dịch NaOH và các tác nhân ghép nối chứa silan đã cho kết quả khá tốt không chỉ tăng ở tính chất cơ mà còn làm thay đổi tích cực cấu trúc hình thái bên trong của vật liệu
Các tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng vỉ phản tích, Viện Kỹ thuật Nhiệt đổi và
thi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 A Beukers, Composites on the brink of a new industrial revolution, Proceeding ofthe third international workshop on materials science, IWOM’99, Hanoi 1999, vol I, pages 40-45 2 AK, Bledzki, J Gassan, Composites reinforced with cellulose based fibres, Prog.Polym.Sci 24, 1999, pages 221-274, 3 T Munikenche Gowda, A.C.B Naidu, Rajput Chhaya, Some mechanical properties of untreated jute fabric-reinforced polyester composites, Composites: Part A 30, 1999, pages
271-284
4 Jochen Gassan, Andrzej K Bledzki, Possibilities for improving the mechanical properties of jutelepoxy composites by alkali treatment of fibres, Composites Science and Technology 59, 1999, pages 1303-1309 5 NH An, TD Hien, N.D Chien, A Beukers, H.E.N, Bersee, K van Rijswijk, PM Kaag, LA.C Van der Wal, Mechanical properties of chopped bamboo fibre thermoset composites prepared by vacuum injection moulding technique, Proceedings of the second ‘Vietnam-Korea international joint symposium, 2003, pages 79-85
PREPARATION OF LIGHT WEIGHT NATURAL-FIBRE-BASED POLYMER
COMPOSITES AND THEIR APPLICATIONS
Nguyen Hoang An, Than Buc Hien, Nguyen Duc Chien, ‘Vu Ngoc Phan, Nguyen Kim Giang
“Abstract: In this paper, preparations of polymer composites based on natural fibres including jute fibre and bamboo fibre were studied The composite materials were processed by Vacuum Injection Moulding technique Some mechanical properties and ‘nner-structure of the composites materials were characeristed by mechanical tester and scanning electronic microscope (SEM) In order to improve a compatiblity berween polymer matrix and natural fibres, these fibres were treated with some chemical compounds such as NaOH solution and silane Effect of this treatment on the fibre's surfaces was investigated by The Fowrier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) These results show thatthe natura-fibre-based polymer composites have a potential for moting the light weight materials