TRUONG DAI HOC CAN THO
KHOA CONG NGHE
LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC
KHAO SAT ANH HUONG CUA VIEC XU LY SOI XO DUA BANG PHUONG PHAP HOA HOC DEN CO TINH CUA
VAT LIEU COMPOSITE NEN NHUA POLYESTER
CAN BO HUONG DAN SINH VIEN THUC HIEN
TS Trương Chí Thành Võ Thị Nguyệt Ánh MSSV: 2082164
Ngành: Cơng Nghệ Hĩa Học-Khĩa 34
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại Phịng thí nghiệm polymer và composite, Bộ
mơn Cơng nghệ hĩa học, Khoa Cơng nghệ, Trường Đại học Cần Thơ, Khu II, Đường 3/2, Quận Ninh Kiểu, Thành phố Cần Thơ Tơi chân thành biết ơn sâu sắc đến:
Thầy Trương Chí Thành, người thầy đã hướng dẫn, hết lịng giảng dạy, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn này
Quý thầy cơ Bộ mơn Cơng nghệ hĩa học, Khoa Cơng nghệ đã truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện cho tơi làm việc tối
Anh Trương Minh Châu - sinh viên Ngành Cơng nghệ hĩa học - Khĩa 33 - Bộ
mơn Cơng nghệ hĩa học - Khoa Cơng nghệ - Trường Đại học Cần Thơ, bạn Ngơ Thị Bảo Trân, bạn Võ Hồng Ngân đã giúp đỡ tận tình tơi trong suốt quá trình làm
luận văn
Xin chân thành cảm ơn!!!
Cần Thơ, ngày 19 tháng 4 năm 2012 Sinh viên thực hiện
Võ Thị Nguyệt Ánh
Trang 3
TOM TAT
Một trong những hạn chê của các loại sợi tự nhiên trong các ứng dụng làm vật liệu composite là khả năng bám dính của sợi và nhựa nên thâp Gần đây, khuyêt điêm này đã được cải thiện thơng qua việc tăng cường liên diện giữa sợi và nhựa nên
Luận văn này, những ảnh hưởng của phương pháp cải thiện bề mặt của sợi xơ dừa được gia cường cho nhựa polyester đã được khảo sát Phương pháp cải thiện bề mặt sợi được sử dụng là phương pháp hĩa học Hĩa chất được sử dụng là NaOH
Ngồi ra để việc khảo sát được tốt hơn nên trong đề tài này cũng đã sử dụng
phương pháp RTM (Resin Transfer Moulding) để gia cơng tâm composite Thực tế
cĩ nhiều phương pháp gia cơng composite như phương pháp đắp tay, phương pháp ép nĩng, phương pháp túi chân khơng, Nhưng những phương pháp này khĩ thực hiện, cĩ thể ảnh hưởng đến sức khỏe, hạn chế trong việc sử dụng một số loại
nhựa, Trong khi đĩ, phương pháp RTM cho bề mặt sản phẩm tốt, ít bọt khí, sử
dụng được nhiều loại nhựa, chi phí thấp, cà
Bằng sự kết hợp trên thì việc khảo sắt cơ tính của vật liệu composite gia cường
bằng sợi xơ đừa được xử lý bằng NaOH trên nên nhựa polyester đã thành cơng
Xử lý sợi bằng NaOH đã cải thiện tốt được liên diện giữa nhựa và sợi Điều này chứng tỏ rằng, sợi xơ dừa cĩ thể được sử dụng làm vật liệu gia cường hiệu quả trong vat liéu composite
Trang 4
MỤC LỤC
6 ca 1
Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU .- 5 2e SE S3 E3 E8 SE SE E8 SE ££E+E+EEzESzE+eszz +2 3
1.1 Vât liệu compOSIfG - - - - - cc- c c0 S00 S9 9 90 S00 SH SH SH SH ni nu nh ng 3
1.1.1 Khái nêệm3
1.1.2 Thành phần và câu tao 3
1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite 3
1.2 Nguyên tắc hoạt đơng của phương pháp RTM - 2s s2 E2 s++zE£+2s£zs££zz<2 4
1.2.1 Mot số phương pháp øia cơng 5
1.2.2 Các vếu tổ ảnh hưởng đến quá trình gia cơng tim composite bang phuong pháp RIM 5
1.3 Sơi tự nhiÊ¡n - - - - - + < c6 s 3 3 S6 9809 809 9306.8099 059609 9 0 31 vi 9n cv se 6
1.3.1 Giới thiệu về sợi tư nhiên 6
1.3.2 Phân loại sơi tự nhiên 6
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liêu composite gia cường bằng soi tu nhién 6
1.3.4 Thanh phan hĩa học của sơi tự nhiên 7
1.3.5 Câu trúc và tính chất của sơi tư nhiên 15
1.4 SQ1 XO 18
1.4.1 Câu tao quả dừa 18
1.4.2 Câu trúc, thành phần và tính chất củasơixơdùa 18
1.4.3 Ung dung của sợi xơ dừa 20
1.5 Nhựa DV€SÍ€f - - - - - - G - KG CS SH S99 0 0S SH in KH ki ke ca 21 1.5.1 Tổng quan về polyester 21 1.5.2 Polyester khơng no 21 1.6 Chất đĩng rắn + =- =® + +EkS+kkÉE*E*E#EE 1311931281511 11 6c rk 23 1.7 Đơ bên liên điện se S28 S2 835838 E28 S2E S8 SE S#EE+EEEESEESEE+EESEEeEEeesssersessed 25
1.7.1 Đơ bên liên diện ø1ữa nhựa Và SỢI - - -c cc CC SH SỲ S6 3 5313 8 1£ 25
Trang 5
1.7.2 Các phương pháp kiểm tra độ bền liên diện của vật liệu composite 26
Chương 2 NGUYÊN LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM - -¿ 5<©55c++5 31
2.1 Nguyen LGU o.oo — 31
2.1.1 Sodium hydroxide 31 2.2.2 Sơi xơ dừa 31
2.2.3 Nhua polyester khéng no 32
2.2 Quy trình thực nghiệm - 9993999689995 89 898989881 1 8 1 1 v4 33 2.2.1 Làm sạch sơ bộ sợi xơ dừa nguyên liệu 33
2.2.2 Xử lý sơi bằng dung dịch NaOH 34
2 2.3 Rửa và sấy sơi sau khixửlý 35
2 2 4 Gia cơng tắm composite bằng thiết bị RTM với nhựa polyester chưa no va soixodtra 36
2.3 Kiém tra CO tiMhe ccccecccscccsscssessssscscssessssscsssscsssesssssssscessssssssessesseseecessesees 39
2.3.1 Thi nghiém kéo 39
2.3.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm 40 2.3.3 Thi nghiém do va dap 42
Chuong 3 KET QUA VA BAN LUAN ¿-2 22 2 2 2+2 S+E2£2£E+EzExrsced 44
3.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ đừa bằng NaOH đến đơ bền kéo của composite 44
3.2 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến đơ bền uốn của composite 47
3.4 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ đừa bằng NaOH đến đơ bền va đập của composite 49
Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - - ¿+2 2S £+s££2 <2 S2 £+££z£*£: 51 4 1 KẾT luận -. ¿- - 2 66+ SEEx+ E2 4 SEEk9E5 3133391315 5111115151111 1331515 1111.0511 cre 51 4.2 Kiến nghị - - + 2 + 2 2 +E SE SE SE EEE3 3982315151515 11525111173 711313115155 11111 re 51 TAI LIEU THAM KHẢO - - E88 EE#EE#E€ESE£E SE khe: 52 Phụ lục 1 KÉT QUÁ THÍ NGHIÊM KÉO 5-22 2 2£ £+E£+£<£z££zxzz££¿ 54 Phu luc 2 KET QUA THI NGHIEM UỐN NGANG -. - 255555555: 62
Trang 6
Phu lục 3 KÉT QUÁ THÍ NGHIỆM VA ĐÂP 2s s2 E8 E2 E2 E£EE£zE£zz£zzse2 70
Trang 7DANH MUC BANG
Bang 1.1 Thanh phần hĩa học của một số loại sợi tự nhiên - 5s s2: 7 Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất của chúng 11 Bang 1.3 Thanh phần hĩa học của sợi xơ đừa + + E+E+kek+e£sseexei 19 Bảng 1.4 Kích thước và tính chất của sợi xơ đừa . - 2s+-+s+c+x+zszse2 20 Bảng 2.1 Các đặc tính cơ bản của sợi nhựa polyester khơng no - - - - 32 Bảng 2.2 Thơng số kỹ thuật máy RTM Khoa Cơng nghệ - Đại học Cần Thơ 37
Bảng 2.3 Tĩm tắt các thơng số của thí nghiệm kéo . . - 5 2+2 ++s++++s+2 40
Bảng 2.4 Tĩm tắt các thơng số của thí nghiệm uốn 3 điểm . - +: 41 Bảng 2.5 Tĩm tắt các thơng số của thí nghiệm đo va đập + +s<+s+s¿ 43
Bảng 3.1 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sơi xơ dừa được xử lý
Bang 3.2 Kết quả đo kéo các mẫu composite øia cường băng sợi xơ dừa khơng xử
lý và nhựa DỌV€S{€T - - - - - - - G CS SE 690666 6.6606 80 6 03-66 2 0 9 3 KH ng nu se 45
Bảng 3.3 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bang soi xo dita được XU TY (MPA) 0000 47 Bang 3.4 Két qua do uén ngang cdc mau composite gia cudng bang soi xo dita
khơng xử lý và nhựa polyester (MPa) - - - - - - - - c c3 0S SA Km cv cm cee 47
Bảng 3.5 Kết quả đo va đập các mẫu composite øia cường bằng sợi xơ dừa khơng
xử lý và nhựa polyesfer (J/rm) - - - - - - << s< cv 3 99 3 9 S9 9K v0 n1 cm se 49
Bang 3.6 Két qua do va dap các mầu composite ø1a cường băng sợi xơ dừa được xử
Trang 8
DANH MỤC HÌNH
Hinh 1.1 Phuong phap RTM 017 4 Hình 1.2 Quy trình gia cơng tắm composite bằng phương pháp RTM 5 Hình 1.3 D-gÏuCOSe - G - - G cĩ 999 999999 9 Họ n v 8 Hình 1.4 Cong thitc phan tur ctta cellulOse cceecsneesneesssssssesssesessseesseeeeseeeeees 8 Hình 1.5 Liên kết hydro trong cellu]ose ¿+2 +ss£+££ 2£ £+£+£££££££z££zzz£¿ 10 Hình 1.6 Đơn vị mắc xích trong hemicellulose . . - + 2 2 2+2 <£s£z+szszs¿ 12 Hình 1.7 Đơn vị cấu trúc cơ bản của Ìignin ¿- 2 - <£S+£+E+£+E+E+Ez£z£z£z+ezxc<¿ 13
Hình 1.8 Cấu trúc lignin -. +-7++2+++++2+++tt£rx+rerxerkrrkerkrrrrrrrrrrkrrrrrred 14
Hình 1.9 Cơng thức câu tạo của Decfin + ¿c5 +s+s +8 EEE£E+E2E 5221525 115 Exrkd 14
Hinh 1.10 Cau tric soi tu ¡1015 01 15 Himh 1.11 Cau tao ii 0 18 Hinh 1.12 M6t s6 ting dung ctta soi XO Ua oes ececeecesseesseceecseeseecseeseesecneeseeatenseees 21 šiinuifP WKN 9100 sec (812.407 24 Hình 1.14 Cơng thức cầu tạo của MIEKP -:-5+©2+++c++cszrszresrerrerrerred 24 Hình 1.15 Một số kiểu liên kết tại liên diện - - + +©c++ce+rsesrxsree2 26
Hình 1.16 Mẫu thử single fiber compression f€Sf - +2 2 2 s+s 2 2 s+s£z£2s+<2 27 Hình 1.17 Mẫu thử hình xương chĩ - - 5+ + +x+s++k#xezkeEszkervekerekerkekee 27 Hình 1.18 Mẫu thử fiber pull-out test . ¿+ +2 2 2 + +2££x£zEs£zE+££s£+x+z£s£zs+x‡ 28 Hình 1.19 Phương pháp fiber push-Ouf {€S 5 S228 333%933 899545355553 x2 28 Hinh 1.20 Phuong phap slice compression test ccccssssessnsnccceececeeceeeesesseseees 29
Hình 1.21 Thí nghiệm uốn 3 điểm . -+-+++++++++z++x+z++rxerxerxereerrrreee 30
Hình 2.1 Sodium hydroxyde - - - - - S919 1 31
Hinh 2.2 Soi xo diva thang 17077 31
Hình 2.3 Quy trình gia cơng tắm coimpOSif€ ¿+ + 6 &+S£ £E+E+E+E£EE£z£z+££x+x2 33 Hình 2.4 Thao tác loại những sợi khơng đạt - S322 555352 34
IsìÌih 6 ¡r8 ¡ä¡(015ối 77 34
Hình 2.6 Xử lý sơi bằng dung dịch NaOH ¿- +22 ©5¿ <+£+E SE ££z£z£ecscxd 35
Trang 9
Hình 2.7 Rửa sợi xơ dừa sau khi đã xử lý - - - - - - + << s< v.v vs me se 36
Hình 2.8 Máy RTM Khoa Cơng nghệ - Đại học Cần Thơ -. ¿22-5-5552 36
Hình 2.9 Quy trình làm việc của thiết bị R'TM - -©525++cs++csrxesxe2 38
Hình 2.10 Gia cơng composite bằng phương pháp RTM 5-5-5 55+ 38
Hình 2.11 Máy đo kéo và uốn Zwick/Roell BDO — FB050TN . 5- 39
Hình 2.12 Đo mẫu uốn compOsite - +: + + 2® *+®£E£E£E£E££#E+E£E£££E£££E£s£x£z£d 41
Hình 2.13 Thiết bị Zwick/Roell BPI — 50COMC . 2 55555 +c+c2£z+s+essee 42
Hình 3.1 Modulus đàn hồi kéo cua composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các
điều kiện khác nhau - -: Ă G8 S2 E S8 E58 E8 S2ESEE£EEEESeESEEEEEEESEEEEEEEeEEeE+ezzEszzeeesez 45
Hình 3.2 Đơ bền kéo của composite gia cường bằng sơi được xử lý ở các điều kiên khác nhau - - - - - - - - + - c2 c9 S6 0.6 6.609.909 0 00990950039 56 S09 0 9n SH ng ng nen 46
Hình 3.3 Đơ bền uốn ngang của composite øia cường bằng sợi được xử lý ở các
điều kiện khác nhau - -: Ă G8 S2 E S8 E58 E8 S2ESEE£EEEESeESEEEEEEESEEEEEEEeEEeE+ezzEszzeeesez 48
Hình 3.4 Đơ bền va đập của composite gia cudng bang soi được xử lý ở các điều kiên khác nhau - - - - - < = G C << C9 S3 639 6 609 6680986666 66.68968965 9609809960 908036 6 5 S63 9 se 50
Trang 10
Phan mo dau
Muc tiéu dé tai
Vật liệu composite 14 vật liệu được tơ hợp từ hai hay nhiều vật liệu cĩ bản chất khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới mang tính ưu việt hơn hắn các vật liệu thành phân Tính ưu việt của vật ligu composite 1a kha nang thiết kế các kết cầu và vật liệu theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau như mong muốn
Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong đời sống xã hội Khoảng 5000 năm trước cơng nguyên, người cơ đại đã biết ứng dụng composite vao cuộc sống, điển hình là họ đã biết sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở trong quá trình nung gốm
Cùng với sự phát triển của thời đại, vật liệu composite đã khơng ngừng tiễn bước và khẳng định địa vị trong đời sống xã hội Năm 1930 đã ứng dụng thành cơng sợi thủy tinh gia cường cho polyester khơng no và được áp dụng rộng rãi trong ngành cơng nghệ chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho chiến tranh Thế giới lần thứ 2 Đến năm 1950, ngành vật liệu composite đã mang tính đột phá quan trọng đĩ là sự xuất hiện nhựa epoxy và sợi gia cường polyester, nylon,
Ngày nay, ngành vật liệu composife với nền là nhựa nhiệt dẻo đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp và dân dụng, y tế, thé thao
Thời đại ngày nay với sự ra đời hàng loạt các sản phẩm kỹ thuật cơng nghệ đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao Song cùng với quá trình phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực cơng nghệ trong những thập niên gần đây, đã phát sinh nhiều vẫn đề nguy cơ và thách thức to lớn, trong đĩ cĩ vẫn nạn ơ nhiễm mơi trường
Vật liệu composite hiện nay chủ yếu thường sử dụng các nguồn nguyên liệu sợi và nhựa tổng hợp Việc sử dụng chúng ảnh hưởng đến mơi trường do chúng khơng thể tái tạo được Chính vì thế, vẫn đề đặt ra trong xu thế hiện nay là sử dụng những loại vật liệu mang tính thân thiện với mơi trường Vì vậy trong đề tài này, sợi xơ đừa được sử dụng làm sợi gia cường Sợi xơ đừa cĩ nhiều ở Đồng bằng sơng Cửu Long của nước ta, giá thành thấp, độ mài mịn và tỷ trọng thấp, cĩ thể tái sinh và phân hủy sinh học nên rất thân thiện với mơi trường Đặc biệt là nĩ cĩ độ biến dạng phá hủy khá cao khoảng 15 — 25%, đây là tiềm năng để cải thiện độ bền va đập cho composite được gia cường bằng sợi xơ dừa Tuy nhiên một nhược điểm lớn nhất về loại vật liệu này là khả năng liên kết giữa sợi và nhựa rất kém Vì vậy, mục têu của đề tài cần giải quyết là cải thiện độ bền liên diện giữa nhựa và sợi
Trang 11
Phương pháp thực hiện
Ngày nay cĩ nhiều phương pháp cải thiện độ bên lién dién cua composite sợi tự nhiên nhằm làm tăng cơ tính composite, bao gồm phương pháp vật lý và phương pháp hĩa học Phương pháp vật lý khĩ thực hiện, chi phí cao Trong khi đĩ, phương pháp hĩa học đơn giản hơn phương pháp vật lý và cĩ thể đạt được kết quả như
mong muốn, phù hợp với điều kiện phịng thí nghiệm Trong đề tài này, sợi xơ dừa
được xử lý bằng dung dịch NaOH
Phương pháp gia cơng composite soi dang hướng dễ thực hiện trong phịng thí nghiệm và cơ tính của vật liệu composite được xác định dễ dàng Ngồi ra, dé dam bảo sức khỏe khi làm việc nên việc gia cơng composite cần thực hiện trong hệ kín Phương pháp gia cơng composite bằng máy RTM (Resin Transfer Moulding) được sử dụng trong thí nghiệm này là hợp lý vì dung mơi dễ bay hơi ít hơn phương
pháp đắp tay, đồng thời phương pháp này được thử nghiệm nhằm phơ biến cho các
cơ sở sản xuất vật liệu composite trong nước
Đề đánh giá hiệu quả của việc xử lý sợi xơ đừa, độ bền phá hủy của vật liệu composite được xác định bằng thiết bị kéo, uốn ba điểm và va đập Cơ tính kéo là một trong những loại cơ tính đặc trưng của vật liệu và thường được đánh giá Thí nghiệm uốn ba điểm theo phương vuơng gĩc với sợi là một phương pháp gián tiếp nhằm xác định độ bên liên diện giữa sợi gia cường và nhựa nền Phương pháp này cho kết quả nhanh chĩng thể hiện khả năng liên kết giữa sợi xơ dừa và nhựa polyester, dễ thực hiện hơn các phương pháp đo trực tiếp khác và đặc biệt là phù hợp với điều kiện thiết bị của phịng thí nghiệm Khả năng chịu va đập là loại cơ
tính mà ta mong muốn cĩ được cho composite dựa trên bản chất của hai loại vật liệu
thành phan là sợi xơ dừa và nhựa polyester Vì khả năng chịu va đập của vật liệu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được mong đợi là rất tốt do cĩ độ dãn dài lớn
Trang 12
Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
1.1 Vat liệu compositen>1+
1.1.1 Khái niệm
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hơp ít nhất từ hai loại vật liệu cĩ bản chất khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới cĩ đặc tính cơ, lý và hĩa trội hơn đặc tính cơ, lý và hĩa của từng vật liệu thành phần
1.1.2 Thanh phan va cau tao
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục Pha liên tục gọi là vật liệu nền, làm nhiệm vụ liên
kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính và những tính chất khác
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
Cơ tính của các vật liệu thành phần - _ Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần
- Tac dung tương hỗ giữa các vật liệu thành phần hay cịn được gọi là
độ bền liên diện giữa sợi và nhựa nên Đây là yếu tố một quan trọng,
nhất là đối với composite sợi tự nhiên
- Luat phan bố của của vật liệu cốt trong vật liệu nên
- _ Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt - _ Phương pháp gia cơng
- _ Điều kiện mơi trường làm việc, 1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite
Với những tính chất vượt trội của mình thì vật liệu composite dang dan thay
thế các loại vật liệu truyền thống ở hầu hết các lĩnh vực trong đời sống cũng như
trong kỹ thuật Vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành hàng khơng, vũ trụ, y tế, quân sự, thể thao, các ngành dân dụng, Cĩ thể nĩi răng thế kỷ XXI 1a thé ky ca composite
Bên cạnh những loại vật liệu composite truyền thống, ngày nay các loại vật liệu composite cĩ khả năng phân hủy sinh học và cĩ thê tái sử dụng đang ngày càng được tập trung nghiên cứu và phát triển Loại composite này cũng đã cĩ nhi ều ứng dụng trong các ngành kỹ thuật cũng như trong đời sống như trong xây dựng (dùng làm ván tường, tấm lợp mái nhà, các thanh dầm định hình, vật liệu nội thất ),
Trang 13
trong lĩnh vực ơ tơ (các thanh cản hấp thụ lực, sàn xe, các chỉ tiết bên trong xe ), trong giáo dục (bàn ghế, các thiết bị trường học ),
1.2 Gia cơng composite bằng phuong phap RTM" 051
RTM (Resin Transfer Moulding) 14 phuong pháp dùng áp suất thấp đưa nhựa
vào trong khuơn kín, tạo sản phẩm CĨ SỰ kiểm sốt chặt chế về hình dạng Sản phẩm
cĩ hàm lượng sợi cao 30 — 60% RTM cĩ thể tạo sản phẩm từ đơn giản cĩ tính năng thấp đến sản phẩm phức tạp cĩ tính năng cao, từ sản phẩm cĩ kích thước nhỏ đến
kích thước rất lớn (Hình 1.1) Ưùu điểm: Nhược điểm: Bam Dau tran
Chơ thốt khí Khuơn
Nhựa Xúc tác ( đĩng trước khi bơm nhựa vào)
Hình 1.1 Phương pháp RTM
Sử dụng nhựa cĩ độ nhớt thấp khoảng 100 — 1000cP
San phẩm cĩ thể được gia cơ bằng các khung, lõi, hoặc các perform RTM tao san phẩm đẹp, tiết kiệm được nguyên liệu, nhiều mặt láng và
quan trọng là ít gây hại cho mơi trường
Cĩ thể tạo sản phẩm lớn bằng cách đưa nhiều đầu phun nhựa, tuy nhiên phải tính tốn vị trí đặt đầu phun để đầu phun để dam bảo thắm nhựa đồng đều
Chỉ phí đầu tư tương đối thấp (so với tính năng của sản phẩm)
-_ Chi phí khuơn mâu cao
- _ Gia cơng một sản phâm tơn nhiêu thời gian
Trang 14
- Muốn tăng năng suất thì phải dùng nhiệt đĩng rắn và dùng nhiều khuơn
- _ Cần điều chỉnh tỉ lệ xúc tác chính xác để tránh đĩng rắn ngay đầu trộn đối với hệ đĩng rắn nguội
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM
Gia cơng composite bằng phương pháp RTM là một quá trình khuơn kín áp suất thấp, cho phép chế tạo các vật liệu tơng hợp khác nhau, từ đơn giản đến phức
tạp và kích thước từ nhỏ đến rất lớn (Hình 1.2)
Đĩng rắn
Chuyển nhựa
bĩng khuơn 3 a 6 ' trong khnén Thao khnéo
Preform tiệc HN kin
Hình 1.2 Quy trình gia cơng tắm composite bằng phương pháp RTM
Trong phương pháp RTM, sợi được đặt vào khuơn, với tỷ lệ sợi khoảng 30 — 60% thê tích Khi khuơn được đĩng lại, nhựa đã trộn sẵn phụ gia va chat dong ran được đưa vào khuơn thơng qua cơng phun ở áp suất tương đối thấp
Áp suất bơm nhựa thường thấp hơn 690kPa (100psi) Sau đĩ gia nhiệt khuơn
để nhựa đĩng rắn Sau khi đĩng rắn, tháo khuơn lẫy sản phẩm ra
Cân bằng giữa tốc độ gel hĩa với thời gian chuyển nhựa vào khuơn và thời gian điền đầy nhựa vào khoảng trống trong sợi là rất cần thiết
1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình gia cơng tấm composite bằng phương pháp RTM
- _ Đặc tính của sợi g1a cường - - Đặc tính của nhựa
- Ap suất bơm nhựa - - Nhiệt độ của khuơn
- _ Áp suất chân khơng của hệ thống - _ Thời gian điền đầy khuơn
- _ Thiết kế khuơn
Trang 15
1.3 Sợơi tự nhiên1#+.ữ:01!t5i 14) 1.3.1 Giới thiệu về sợi tự nhiên
Vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng một trở ngại lớn theo đĩ là vấn đề mơi trường Vì thế, người ta đang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite than thiện mơi trường và giá thành tương đối thấp Sợi thiên nhiên là một lựa chọn đang được quan tâm dé thay thế các loại đắt tiền khác mà lại thân thiện với mơi trường
Thành phần hĩa học của sợi tự nhiên bao gồm các polymer thiên nhiên như cellulose, hemicellulose, lignin, pectin, Trong phân tử các thành phần kể trên đều cĩ nhiều nhĩm —OH phân cực nên sợi thiên nhiên tương hợp tốt với các polymer phân cực
1.3.2 Phân loại sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên cĩ thể được chia thành 4 loại sợi chính:
- Soi tt vỏ cây: đay, lanh, ga1, wood, -_ Sợi từ lá: đứa dại, chuối,
- Soi tt bơng: cotfon,
- SỢI từ trái: dừa, cọ, bơng gạo,
1.3.3 Các yếu tơ ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composite gia cường bằng sợi tự nhiên
Hệ số co (dài/dày) ảnh hưởng rất lớn đến tính chất composite Vì vậy, hệ số này rất được chú ý trong quá trình chuẩn bị sợi để gia cơng Hệ số co của sợi nằm trong khống 100 -200 là tối ưu Nguồn gốc và loại sợi ảnh hưởng đáng kê đến tính chất của composite
Một yếu tố quan trọng khác là sự phân tán sợi Sợi phân tán kém là sợi khơng tách rời từng cọng riêng biệt mà tụm lại thành bĩ, làm cản trở quá trình thắm nhựa
nên khá năng gia cường kém so với sợi cĩ độ phân tán tốt
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt tiếp xúc (liên diện giữa nhựa và sợi) Bé mat tiép xúc giữa nhựa và sợi trong composite cĩ nhiệm vụ truyền ngoại lực tác dụng lên sợi Lực tác dụng trực tiếp tại bề mặt của composite được truyền qua sợi gần đĩ và tiếp tục truyền từ sợi qua sợi thơng qua nhựa nên và bề mặt tiếp xúc Nếu bề mặt tiếp xúc kém, hiệu quả phân bố lực khơng cao và cơ tính composite bị giảm Nĩi cách khác, bề mặt tiếp xúc tốt cĩ thé dam bao
Trang 16
composite chiu được tải trọng Vì vậy, kêt dính giữa sợi và nhựa nên là thơng sơ cơ bản quyết định cơ tính của nĩ
1.3.4 Thành phần hĩa học của sợi tự nhiên
Hiệu quả tăng cường của sợi tự nhiên phụ thuộc vào thành phần cellulose và
độ kết tinh của sợi Thành phần của sợi tự nhiên là cellulose, hemicellulose, lignin,
pectin và chất sáp Dưới đây là bảng so sánh thành phần hĩa học của một số loại sợi
tự nhiên
Bang1.1 Thanh phan hĩa học của một số loại sợi tự nhiên
Trang 17So với các loại sợi tự nhiên khác thì sợi xơ dừa cĩ hàm lượng cellulose thấp nên hệ quả là cơ tính của sợi khơng cao Cho nên, cần sử dụng các biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ lignin (là thành phần chiếm tý lệ cao nhất trong sợi xơ đừa) nhằm làm tăng tỷ lệ cellulose trong sợi
1.3.4.1 Cellulose
a) Cau tric phan ti
Phan tit cellulose cé cau tric mạch thắng, bao gồm những đơn vị D - anhydroglucopyranose (AGU), được nối với nhau bằng những nối B-1,4-glucose Cơng thức phân tử của cellulose là (C¿HgOs)a, trong đĩ n là độ trùng hợp Tùy vào gốc của cellulose và phương pháp xử lý sợi mà chỉ số n sẽ khác nhau Độ trùng hợp của cellulose thiên nhiên khoảng 10000
Các đơn vị mắc xích của cellulose chứa ba nhĩm hydroxyl tự do, gồm một nhĩm rượu bậc I và hai nhĩm rượu bậc II Các nhĩm hydroxyl ở mỗi đơn vị mắc
xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2 và 6 Các đơn vị AGU trong cellulose
cĩ dạng vịng 6 cạnh, vì vậy cellulose tương đối bền trong mơi trường acid
Đơn vị tuần hồn trong cellulose là hai đơn vị glucose anhydric liên tiếp đơn vị cellulose Như vậy, cellulose cĩ thể xem là một polymer điều hịa khơng gian,
Trang 18Hình 1.4 Cơng thức phân tử của cellulose b) Tính chất của cellulose
Tính chất vật lý
Cellulose là polymer rắn, khơng màu, khơng mùi vị Cellulose khơng tan trong nước và một số dung mơi hữu cơ thường nhưng cĩ thê trương nở trong nhiều dung mơi phân cực Do cĩ độ kết dính mạnh giữa các đại phân tử, đặc biệt là các mạng lưới liên kết hydro nên cellulose khơng nĩng chảy được
Mạch phân tử cellulose rất dài gồm nhiều mắc xích glucose liên kết cộng hĩa
trị với nhau Phân tử cellulose ở cầu trúc dạng phiến, nĩ cĩ thể uốn cong và xoắn
với một giới hạn nào đĩ nhờ cầu nối oxy giữa các mắc xích Vì thế các nhĩm hydroxyl trong mạch phân tử cellulose dễ đàng nhơ ra để tạo liên kết hydro với các phân tử cellulose khác và tính hút nước của sợi cũng được quyết định thơng qua liên kết này
Trạng thái của cellulose
Quá trình phản ứng hĩa học của cellulose xảy ra chủ yếu ở các nhĩm —OH của phân tử Vì đặc điểm này mà cellulose bền trong mơi trường khơng phân cực Trong thực tế, hàm lượng cellulose cĩ thể bị giảm trong một số trường hợp:
- Do thủy phân trong mơi trường acid, trong trường hợp này nối glucose sẽ bi phân giải
- _ Phân giải bằng thủy phân của nối đơi glucosidic trong nước hay trong
mơi trường âm với xúc tác enzim từ các loại nắm và vi khuẩn trong
quá trình ủ làm mục nát cellulose thiên nhiên ngay tại nơi bảo quản
- Quá trình oxy hĩa diễn ra theo nhiều cách, bằng cách đưa vào các nhĩm cacbonyl, cacboxylic và cuối cùng phân giải mạch thành những phân tử ngắn hơn
- Ham lượng cellulose giảm do nhiệt độ từ 180 - 200°C qua các phản ứng khá phức tạp và sinh ra khí và than, quá trình cĩ thể kiểm sốt bằng cách dùng các phụ gia làm chậm quá trình cháy cellulose
Cellulose và các sản phâm từ cellulose là các sản phâm thân thiện với mơi trường vì chúng cĩ thê phân hủy băng cách lên men vi sinh đơn giản, khơng gây ơ nhiêm mơi trường Cellulose khơng độc hại với cả sinh vat và con người
Su trương nở trong nước của cellulose
Trang 19
Trạng thái lý hĩa của cellulose, đặc biệt ở điểm là chúng cĩ khả năng hấp thụ mạnh với nhiều loại vật liệu khác nhau Hấp thụ hơi nước là một ví dụ thực tế về
khả năng này của cellulose Sở dĩ cellulose cĩ tính hút nước là do trong phân tử cĩ
nhiều nhĩm —OH phân cực
Tương tác giữa cellulose và nước đĩng vai trị quan trọng trong hĩa học, vật lý và kỹ thuật của vật liệu cách điện và gia cơng cellulose Cellulose cĩ tính hút âm cao là do tương tác của các nhĩm —OH trong phân tử với nước nhưng lại bị cản trở
khơng tan trong nước do cầu trúc siêu phân tử trật tự cao của cellulose Sự tương tác cellulose - nước cĩ thể hiểu là sự cạnh tranh tạo nối hydro giữa các nhĩm —OH của cellulose và sự tạo thành nối hydro giữa một nhĩm —OH của mạch cellulose và một
phân tử nước
Sự tương tác cellulose — nước tùy thuộc nhiều vào cấu trúc kết tỉnh, số lượng nước hiện diện trong polymer và nhiệt độ Đối với cellulose thiên nhiên, tương tác cellulose — nước được giới hạn trong những vùng khơng kết tinh, hệ thống lỗ xốp và lỗ trống Khi tương tác cellulose — nước can thiệp vào những nối hydro nội phân tử và liên phân tử của cấu trúc cellulose và sau khi sấy khơ, cấu trúc vật lý của cellulose sẽ bị tác động và khơng thay đổi được
x06) OH sẽ sẻ Liên kết hydro sử” NĨ tử he 0 ae 7 Đ FE 1 Q A ad, / , iw ae 6 h4 O -H-_ oR” ¥
Lién két hydro lién phan tu
Hinh 1.5 Lién két hydro trong cellulose
Trang 20
Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dân xuât của chúng
Loại vật liệu Độ trương
(%) Bơng 18 Soi Visco 74 Cellulose triacetate 10 Cellulose tripropionat 2,5 Cellulose tributyrat 1,8 Cellulose trivalerat 1,6
Sự trương nở của cellulose trong mơi trường kiểm
Sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiểm thường xảy ra rất nhanh Độ trương nở tối đa tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của cellulose, thường nồng độ kiềm cao hơn thì độ trương nở tối đa sẽ cao hơn nhưng tốc độ trương nở khơng ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố này Sự trương nở cellulose trong dung dịch kiềm xảy ra do quá trình tương tác cellulose — kiểm rất phức tạp, ánh hưởng đến cả ba câu trúc của cellulose
Quá trình tương tac cellulose — kiém về bản chất là tương tác giữa những nhĩm —OH của cellulose với những ion —OH lưỡng cực của kiềm, do tương tác này làm tách các liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử Xét về mức độ siêu phân tử cĩ sự thay đối trong kích thước mạng và cấu trúc mạch xảy ra trong nồng độ kiềm gần trương tối đa, tơng độ trật tự bên trong sẽ giảm trong quá trình này nhưng vẫn giữ ở mức độ cao Sự trương nở nội và liên phân tử của cấu trúc sợi trong kiềm tạo ra thành phần khác nhau trong vùng kết tinh và vùng vơ định hình của vùng cellulose kiém Xét hình thái cĩ sự thay đơi rõ rệt trong cấu trúc sợi mịn do tương tác với dung dịch kiềm
Như vậy, sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiềm tùy thuộc vào nồng độ kiềm, chính là tồn tại quá trình hydrat của lưỡng cực ion —OH Néng độ kiềm
Trang 21
cao tương tác cellulose — kiềm tăng làm sự trương nở tăng, nồng độ kiềm càng thấp tương tác cellulose — kiềm càng kém, dẫn tới sự trương nở xảy ra kém hơn
1.3.4.2 Hemicellulose
Hemicellulose thuộc nhĩm polysaccarit phi cellulose Khi thủy phân hemicelluloses tạo monosaccarit và các dẫn xuất, chủ yếu là một số đồng phân lập thể thuộc pentoza và hexoza Mạch phân tử của polysaccarit trong hemicellulose cĩ thé & dang homopolymer hay copolymer Tuy nhiên dạng homopolymer tồn tại trong thực vật rất ít, phần lớn mạch phân tử thudc dang copolymer Cac don vi mac xích của polysacarit hemicellulose thường là các vịng anhydro của các saccarit như D - glucose, D — mannose, D — galactose, D — xylose va L arabinose Ngoai
anhydro cua cac saccarit noi trén, con c6 cac don vi acid D — glucuronic, acid 4-O-
metyl-D-glucuronic va D — galaturonic M6t sé polysaccarit cdn cé thé lién két véi nhĩm acetyl Vì vậy thành phần của hemicellulose phức tạp hơn nhiều so với
cellulose Hơn nữa, cầu tạo đơn vị mắc xích và liên kết giữa chúng trong mạch phân
tử của hemicellulose rất phức tạp Đơn vị mắc xích trong hemicellulose cĩ thể ở dạng vịng pyranoza, furanoza và liên kết giữa các mắc xích cĩ thể là glucozit 1-6, 1-4, 1-3, 1-2 (Hình 1.6) CH;OH CH;OH — OH OH | OH Q OH OH OH OH OH OH
B-D-glucopyranose B-D-galactopyranose §-D-xylopyranose
Trang 22Hình 1.6 Đơn vị mắc xích trong hemicellulose
1.3.4.3 Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử cĩ đặc tính thơm, cĩ thể xem lignin như một nhựa nhiệt dẻo, chúng bị mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ Don vi mắc xích của
lignin là phenyl propan Lignin của các loại cây lẫy sợi gồm các đơn vị mắc xích
nhu Guaiacyl propan (G), Syringyl propoan (S) và Parahydroxylphenyl propan (P)
CH.OH CH-0H CH OH
| ] 4
Po ae I
> : OMe Meg “OMe
OH OH OH
fi-lAal To enh mđiiierw 8ảđiđw Í
alooh al alcohol alcohol
Hình 1.7 Don vi cu tric co ban cua lignin
Các nhĩm chức ảnh hưởng lớn nhất đến cơ tính của lignin là nhĩm hydroxyl
phenol, nhĩm hydroxy] rượu benzylic và nhĩm carbonyl Hàm lượng của các nhĩm chức thay đổi tùy theo lồi thực vật và tùy thuộc vào vị trí của lignin ở lớp liên kết, lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật
Cấu trúc của lignin rất phức tạp, là một polyphenol cĩ mạng khơng gian mở Trong lignin cĩ hơn 2/3 số đơn vị phenylpropan nối với nhau qua liên kết ete, phần
cịn lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắc xích và liên kết este (Hình 1.8)
Tương tác hĩa lý và liên kết hĩa học giữa lignin và carbohydrat:
Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và hemicellulose với năng lượng
liên kết khá lớn Lực liên kết hydro trong polysaccarit khoảng 21 — 25 KJ/mol, ở lignin năng lượng liên kết khoảng 8,5 — 21 KJ/mol
Do cĩ nhiều nhĩm chức trong một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với polysaccarit nên lực tương tác giữa lignin và các cấu tử khác của thành tế bào rất lớn Bên cạnh liên kết hydro, giữa các đại phân tử cịn tồn tại lực liên kết Vanderwalls Lực tương tác vật lý này cũng gĩp phan can trở quá trình hịa tan
Trang 23
lignin đưới tác dụng của dung mơi hay khi đun cellulose Lignin khơng thể tan trong CH OH Ex he) HO 2w CH OCH, IC )| | CCH, newer [ NÌ | | Ẳ | QO ^ ox 3H TS E Ro é
ey gf WES Jey Lost
CHO ( OH CHO | L H = oy - 2L
" "VIÊN ‘oe | | CH + oe Hạ I )| OH
=e : — OH ] oO b d0 | OH
) OCH; wo yl ¬ i œ
= HO oN 7TZ\ „0H PHO A
HO— CH„O n~4( )>ˆ_ „on [CC] ,on cH.” OH E | |
Lf "OCR
OH OH
các dung mơi thơng thường ở nhiệt độ thường
Hình 1.8 Cấu trúc của lignin
Khi sử dụng hĩa chất cĩ tác dụng mạnh cũng khơng thể tách hồn tồn lignin ra khỏi sợi tự nhiên do giữa lignin và polysaccarit tồn tại liên kết hĩa học Trong mơi trường kiềm, liên kết ete bền hơn trong mơi trường acid Trong khi đĩ liên kết ester gitta lignin va cellulose dé dàng bị phân hủy trong mơi trường kiềm ở điều kiện thường Liên kết C-C xuất hiện khi gốc tự do ở nguyên tử C của lignin tác dụng với gốc tự do ở nguyên tử C của carbohydrat
1.3.4.4 Pectin và các chất trích ly
a) Pectin
Pectin là dẫn xuất polysaccarit, phân tử của chúng bao gồm các đơn vị mắc
xích acid a-D-galacturomic Các đơn vị này nối với nhau bằng liên kết glucozit 1-4
Mỗi đơn vị mắc xích chứa một nhĩm carbonyl ở vị trí Cạ Các nhĩm acid này tồn tại ở trạng thái tự do hoặc dưới dạng liên kết ester (metyl ester) Trong pectin tự nhiên cĩ khoảng 3⁄4 số nhĩm acid bị metyl hĩa Dưới tác dụng của xúc tác acid, pectin bị thủy phân thành acid D-galacturomrc, trong đĩ metyÌ ester cũng bi thủy phân
Trang 24b) Chất trích ly
Chất trích ly là nhĩm các hợp chất cĩ thể hịa tan được trong nước hoặc dung mơi trung hịa Chất trích ly gồm nhiều loại hợp chất cĩ cầu tạo phân tử khác nhau với những nhõm chức khác nhau, như các mạch béo, các họ tecpen, các polypheny], một số carbohyrat và dẫn xuất cũng như hợp chất chứa nitơ và một sơ muối khống, Thơng thường chất trích ly tập trung ở vỏ nhiều hơn than Hàm lượng và thành phân các chất trích ly phụ thuộc vào lồi cây, các bộ phận của cây cũng như điều kiện sinh trưởng của chúng
1.3.5 Cấu trúc và tính chất của sợi tự nhiên 1.3.5.1 Câu trúc của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên cĩ thể được coi như là composite của sợi cellulose rỗng được giữ bởi lignin và hemicellulose Tường tế bào là tường khơng đồng nhất Tường tế bào gồm hai lớp cơ bản: lớp sơ cấp tương đối mỏng và lớp thứ cấp dày hơn
Lớp sơ cấp cĩ tính chất bao bọc lẫy chất nguyên sinh trong mỗi tế bào Lớp thứ cấp được hình thành từ ba lớp phụ: tường thứ cấp ngồi, tường thứ cấp giữa và tường thứ cấp trong (hay cịn gọi là tường tam cấp) Các lớp này khác nhau về bề dày (tường thứ cấp giữa là dày nhất), khác nhau về sự định hướng các thành phần hĩa học Lớp thứ cấp xác định cơ tính của sợi, chúng chứa chuỗi xoắn ốc của vi sợi cellulose hình thành từ phân tử cellulose chuỗi dài Gĩc định hướng giữa sợi và vi sợi được gọi là gĩc vi sợi Giá trị gĩc v1 sợi của những sợi khác nhau thì khác nhau Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo những phương khác nhau Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo những phương khác nhau, hoặc về phía phải (đường xoắn ốc Z), về phía trái (xoắn ốc trái S)
Biêu bì
Trang 25Hình 1.10 Cấu trúc sợi tự nhiên
Bộ phận cellulose là nhỏ nhất, với chiều rộng khoảng 3,5nm trong tường tế bào trưởng thành, được gọi là sợi con cơ bản Các sợi con này lại được tổ chức
thành bộ phận gọi là vi sợi, cĩ bé rộng khoảng 10 — 30nm, được làm từ 30 — 100
phân tử cellulose trong hình thể chuỗi kéo dài và cung cấp độ bền cơ cho sợi
Pha nền vơ định hình trong tường tế bào rất phức tạp và chứa hemicellulose, lignin hoặc một số trường hợp là pectin Phân tử hemicelluloses được gắn với cellulose và hoạt động giữa những vi sợi cellulose, hình thành mạng lưới cellulose — hemicellulose, nĩ là thành phần chủ lực trong tế bào sợi Mạng lưới lignin ky nước ảnh hưởng đến cơ tính của các mạng lưới khác, nĩ hoạt động như một chất gắn kết và gia tăng độ cứng của hỗn hợp cellulose/hemicellulose
Lớp thứ cấp ngồi cĩ cấu trúc vi sợi ngang với các đường xoắn ốc theo hướng vi sợi S và Z xen kẽ nhau Trong tất cả các loại tế bào, bề dày tổng cộng của tường tế bào được kiểm tra bởi lớp tường thứ cấp giữa, cịn lớp thứ cấp ngồi và lớp thứ cấp trong hầu như khơng thay đơi Vì vậy lớp thứ cấp giữa cĩ liên quan chặt chẽ với tính chất vật lý của xơ sợi trong gỗ Lớp thứ cấp giữa thể hiện bước xoắn Z với tính song song cao trong các vi sợi Sự định hướng vi sợi thay đối từ từ giữa lớp thứ cấp ngồi và lớp thứ cấp giữa, giữa lớp thứ cấp giữa và lớp thứ cấp trong cĩ sự thay đối gĩc tương đối đột ngột hơn là giữa lớp thứ cấp ngồi và lớp thứ cấp giữa Sự sắp xếp của sợi con trong lớp thứ cấp trong hơi đốc và khơng cĩ tính song song cao
1.3.5.2 Tính chất của sợi tự nhiên a) Tính chất vật lý của sợi tự nhiên
Tính chất vật lý phụ thuộc vào nguồn gốc của sợi Sợi từ thân và lá thường được sử dụng làm composite Ngồi ra, đặc tính cơ học của sợi phụ thuộc vào tính chất của từng thành phân, cấu trúc sợi, chiều dải và kích thước sợi, thời kỳ trưởng thành và phương pháp tách sợi Đặc tính như tỷ trọng, điện trở riêng, độ bên kéo và modul ban đầu được liên hệ đến cấu trúc bên trong và thành phần hĩa học của sợi Tính chất mong muốn của sợi bao gồm độ bền kéo và modul đàn hồi, tỷ trọng thấp, dễ sắp xếp vào khuơn và khả năng tái sinh tốt Sợi tự nhiên cĩ thể cạnh tranh với sợi thủy tinh vì chi phí thấp, nguồn nguyên liệu cĩ thể tái chế và độ bền riêng cao
Trang 26
b) Tính chất cơ của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên thích hợp làm nguyên liệu gia cường cho cả nhựa nhiét ran va nhựa nhiệt đẻo do cĩ độ bền, độ dai tương đối và tỷ trọng thấp Các giá trị đặc trưng của sợi gai và các loại sợi gỗ mềm đạt gần đến giá trị của sợi thủy tinh E Tuy nhiên các giá trị đặc trưng này thay đổi trong một khoảng rất rộng tùy thuộc vào loại sợi và điều kiện sinh trưởng từng vùng đất khác nhau Đĩ là một trog những nhược điểm của sợi tự nhiên
Modul đàn hồi của sợi tự nhiên dạng khối như gỗ khoảng 10Gpa Sợi cellulose tách từ gỗ qua cơng nghệ làm bả, xử lý hĩa học cĩ thể đạt giá trị modul lên đến 40Gpa Độ bền kéo của sợi tự nhiên tùy thuộc vào độ dài của mẫu đo và độ mịn của sợi Những yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả gia cường của sợi cho nhựa
nên
Bản chất ái nước là vẫn đề khĩ khăn cho tất cả các loại sợi tự nhiên khi sử dụng chúng làm nguyên liệu gia cường cho nhựa Hàm lường âm cĩ thể chiếm 10% trong điều kiện thường, tùy thuộc vào phần khơng kết tính và hàm lượng rỗng cĩ trong sợi Bản chất hút nước của sợi tự nhiên làm ảnh hưởng đến tính chất cơ lý cũng như các thơng số vật lý của sợi và ảnh hưởng khơng nhỏ đến tính chất của composite
c) Độ ơn định nhiệt
Sợi tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp của vật liệu hữu cơ Vì thế, xử lý nhiệt dẫn đến những thay đổi khác nhau về mặt vật lý và hĩa học Chúng bắt đầu thối hĩa nhiệt ở 200C, sự thối hĩa do nhiệt của sợi tự nhiên theo hai giai doan co ban Giai đoạn 1 (200°C — 250°C), giai đoạn này cĩ liên quan đến sự thối hĩa hemicellulose Giai doan 2 (250°C — 300C) là giai đoạn phụ thuộc chủ yếu vào ham luong lignin
Sợi tự nhiên phân hủy trong khoảng nhiệt độ từ 400°C - 600C Sự thối hĩa sợi tự nhiên là vấn đề chủ yếu trong việc nghiên cứu phát triển và sử dụng composite sợi tự nhiên Xử lý sợi bằng phương pháp hĩa học cĩ thể cải thiện tính ơn định nhiệt của sợi tự nhiên bằng cách phủ hoặc liên kết các sợi với monomer Việc xử lý sợi sẽ làm tăng nhiệt độ bắt đầu thối hĩa, làm giảm tốc độ thối hĩa và tổng khối lượng vật liệu mất đi
d) Sự thối hĩa do vi khuẩn và do ánh sáng của sợi tự nhiên
Hemicellulose là tác nhân chính gây ra sự thối hĩa do vi khuẩn, lignin gây ra sự thối hĩa do ánh sáng Những sợi tự nhiên bị thối hĩa do vi khuẩn bởi vì chúng
Trang 27
cĩ thể nhận ra những polymer cĩ gốc carbohydrate trên thành tế bào Những lignocellulosic để ngồi trời bị thối hĩa sinh học và bức xạ tia UV Khả năng chống lại sự thối hĩa sinh học và bức xạ tia UV cĩ thể cải thiện băng liên kết hĩa học lên polymer của thành tế bào hoặc bằng cách thêm polymer vào nền tế bào
Trang 28
1.4 Soi xo dira! 221.061
1.4.1 Cấu tạo quả dừa
Chỉ sợi và mụn dừa —— Vỏ ngồi —— Giáo dừa ™— Com dita
Hình 1.11 Câu tạo quả dừa
Quả dừa thường cĩ hình dạng quả trứng, hình dạng của nĩ tùy thuộc vào giống dừa, đồng thời giống dừa cũng xác định độ lớn của quả dừa
Cu tao qua dita gdm bốn lớp: Vỏ ngồi cứng, nhẫn, nỗi rõ 3 gờ Tiếp đến là các sợi xơ dừa, cĩ nhiều mụn bao quanh gáo dừa, gáo dừa đã hĩa gỗ nên khá cứng,
cĩ ba lỗ mầm cĩ thể nhìn thấy khi bốc vỏ, trong đĩ cĩ hai lỗ cứng, lỗ cịn lại mềm Mầm hay phơi nằm ngay đưới lỗ mềm đĩ, khi nảy mầm, mầm chui qua lỗ mém đĩ
để mọc ra ngồi Lớp trong cùng là cơm dừa Dừa phát triển đầy đủ khoảng 300 ngày và khoảng 1 năm thì gáo hồn tồn cứng và dừa đã chín
1.4.2 Cấu trúc, thành phan và tính chất của Sợi xơ dừa
1.4.2.1 Cấu trúc và thành phân của sợi xơ đừa
Sợi xơ dừa tương đối ngắn so với các sợi tự nhiên khác Các tế bào của sợi cĩ chiều dài khoảng 1mm và cĩ đường kính khoảng 15um, chiều đài cơ bản khoảng 15 — 35cm, độ giãn dài của sợi cĩ thể kéo ra được 30% so với chiều đài ban đầu Một bĩ sợi cĩ thể cĩ từ 30 — 300 tế bào ở mặt cắt ngang
Giống như những sợi tự nhiên khác, thành phần hĩa học của sợi xơ dừa cũng
phụ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng trong quá trình phát triển của cây nhưng thành
Trang 29
phần chính của sợi vẫn là cellulose, hemicellulose, lignin, pectin Sau đây là thành
phần hĩa học của sợi xơ dừa dựa
Bang1.3 Thanh phan hĩa học của sợi xơ đừa
Thành phần Hàm lượng (% khối lượng)
Lignin 45,84
Cellulose 43,44
Hemicellulose 0,25
Pectin và các hợp chất liên quan 3
Các chất hịa tan 5,25
Tro 2,22
Cellulose là thành phần cĩ hàm lượng cao thứ hai trong sợi xơ dừa Lignin là
nguyên nhân gây ra hiện tượng thối hĩa do tia cực tím (tia UV) và làm giảm khả năng tương hợp của sợi với nhựa nền lại chiếm hàm lượng cao nhất trong sợi xơ dừa Nhưng lignmn lại cĩ vai trị tạo nên độ cứng và độ dai cho sợi xơ dừa Do đĩ, ta phải cĩ biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ các thành phần khơng mong muốn như
hemicellulose và một phần lignin dé cai thién co tinh cla vat ligu composite gia
cường bằng sợi xơ đừa
1.3.2.2 Tính chất của sợi xơ đừa
So với những loại sợi cứng khác, sợi xơ dừa cĩ kích thước tương đối ngăn nhưng lại cĩ độ biến dạng phá hủy rất lớn Đây là một ưu điểm nỗi bật của sợi xơ
dừa vì khi độ biến dạng phá hủy lớn thì nĩ cĩ khá năng hấp thụ một lượng năng
lượng lớn Điều này cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite chịu va đập đặc biệt là khi dùng sợi xơ dừa gia cường cho nhựa cũng cĩ khả năng chịu va đập Thêm một tính chất quan trọng của sợi xơ dừa nữa là nĩ cĩ khả năng chống chọi với vi khuẩn nước mặn mà khơng gì cĩ thể thay thế được
Trang 30
Bảng 1.4 Kích thước và tính chất của sợi xơ đừa
Chiều dài sợi (mm) 150 - 350
Đường kính sợi (mm) 0,1 - 1,5
Độ dãn dài phá hủy (%) 15 - 40
Tỷ trọng (g/cm”) 1,25
Độ trương phơng của đường kính trong nước (%) 5 Độ ẩm của sợi ở điều kiện mơi trường 65% âm (%) 10,5
Một khuyết điểm của sợi xơ dừa là độ âm trong sợi tương đối cao, điều này là một khĩ khăn trong việc gia cơng, chế tạo vật liệu composite Mặt khác, khi sợi hút 4m thi sé lam tăng kích thước sợi đặc biệt là đường kính, điều này dẫn đến sự giảm tỷ số hình dạng của sợi Điều quan trọng hơn là khi sợi hút âm thì khả năng bám dính của sợi và nhựa rất kém Thêm vào đĩ là khi gia cơng sản phẩm sẽ cĩ nhiều bọt khí được tạo ra bởi hơi âm cĩ trong sợi sẽ làm cho cơ tính của vật liệu composite khơng cao
1.4.3 Ứng dụng của sợi xơ dừa
Sợi xơ dừa được đánh giá là loại sợi tự nhiên tuyệt vời do cĩ đặc tính chắc, bền với mơi trường nước mặn và cĩ thê phân hủy sinh học Sợi xơ đừa đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiêu lĩnh vực như trong nơng nghiệp, thủ cơng mỹ nghệ, trang trí nội thất, xây dựng, Nĩ được sử dụng với nhiều hình thức khác nhau như ở dạng sợi, lưới, mat, Một ứng dụng đang được đặc biệt quan tâm là gia cường cho
vật liệu composite Trong nơng nghiệp, các tắm lưới làm bằng sợi xơ dừa ngày càng
trở nên phố biến trong việc làm nền trồng cỏ trang trí trong vườn, sợi xơ đừa cịn dùng làm các chậu trồng cây và đặc biệt là làm lưới phủ xanh đồi trọc, ngăn chặn xĩi mịn Trong cơng nghiệp thủ cơng mỹ nghệ và trang trí nội thất, sợi xơ đừa được sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất thảm, gối, nệm, mang lại giá trị kinh tế khơng nhỏ Một ứng dụng quan trọng khác của sợi xơ dừa là gia cường cho vật liệu composite để làm các sản phẩm trang trí nội thất như tủ, cửa, tấm lợp mái nhà,
Trang 31
Hinh 1.12 Một số ứng dụng của sợi xơ đừa 1.5 Nhwa polyester”)!
15.1 T ong quan về polyester
Polyester là một chất dẻo, theo khả năng phản ứng hĩa học thì polyester được
chia làm hai loại:
- Polyester bao hoa (saturated polyester): Là các polyester khơng cịn cĩ khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hĩa học nữa Cịn gọi là polyester no
- Polyester chưa bão hịa (unsaturated polyester): Là các polyester cịn cĩ khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hĩa học với các nhĩm khác để đĩng rắn Phản ứng hĩa học này tỏa nhiệt, được gọi là phản ứng kết nối ngang hay phản ứng đĩng rắn Đây là loại polyester được ứng dụng cho cơng nghệ chế tạo vật liệu composite sợi thủy tinh Trong thực tế cĩ nhiều loại polyester chưa bão hịa sử dụng cho các sản phẩm composite tùy theo mục đích sử dụng của sản phẩm
1.5.2 Polyester khơng no
Nhựa polyester chưa no được sử dụng rộng rãi trong cơng nghệ composite Polyester chưa no là loại nhựa nhiệt rắn cĩ khả năng đĩng rắn ở dạng lỏng hoặc dạng rắn nếu ở điều kiện thích hợp Đây là loại nhựa cĩ trọng lượng phân tử thấp (1000 — 2000) cĩ chứa những đơn vị C=C trong chuỗi cho phép liên kết chéo bằng sự trùng hợp phân tử gốc tự đo vinyl, thường là styrene
Polyester cĩ nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại cĩ tính chất đặc trưng khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:
- Thành phân nguyên liệu - Phương pháp tổng hợp
Trang 32
Trọng lượng phân tử
Hệ đĩng rắn (monomer, chât xúc tác, chât xúc tiên) Hệ chât độn
Đa số nhựa polyester cĩ màu nhạt, được pha lỗng trong styrene Lượng styrene cĩ thể chiếm tới 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia cơng Ngồi ra, styrene cịn làm nhiệm vụ đĩng rắn, tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà khơng cĩ sự tạo thành sản phẩm phụ nào
a) Các bước cơ bản của phản ứng kết nối ngang giữa polyester — chất xúc tác sau
khi đã hịa trộn chất xúc tác
- Phát sinh gốc tự do nhiệt Nhiệt này cĩ thể được cung cấp từ ánh sáng mặt trời, gia nhiệt, hoặc ngay bên trong phán ứng kết nối ngang tỏa nhiệt do chất xúc tác khởi động ban đầu
- Các gốc tự do phản ứng với nhĩm chưa bão hịa trong resin Phản ứng sinh
nhiệt nên lại tạo ra sốc tự do mới
- Các gốc tự do mới tiếp tục phản ứng với các nhĩm chưa bão hịa khác và lại tạo ra gốc tự do mới, tạo ra phản ứng dây chuyền nối tiếp nhau, làm cho các chuỗi polyester ngày càng dài, càng nhiều, càng gắn bĩ nhau Điều này khiến cho resin lỏng ngày càng khĩ chuyển động, chậm lại và dừng chuyển động - là thời điểm đơng đặc Đến khi tất cả các gốc tự do kết thúc phản ứng — tương ứng giai
đoạn kết thúc đĩng rắn
b) Các điều kiện quyết định phản ứng kết nối ngang đĩng rắn
- Phải cĩ đủ hàm lượng chất xúc tác để kích hoạt khởi động phản ứng tạo ra gốc tự do ban đầu
- Phải cĩ đủ gốc tự do được tạo ra trong quá trình phản ứng, kể cả khi resin đơng đặc, để tạo ra sự đĩng rắn tồn phần cuối cùng Muốn vậy phải cĩ đủ hàm lượng chất xúc tác từ 1,2% - 3% so với trọng lượng resin
Nếu chất xúc tác nhiều quá mức thì các gốc tự do sẽ phản ứng qua lại với nhau nhiều hơn là với resin Do đĩ chuỗi polyester khơng phát triển đúng mức, dẫn đến
tình trạng khi resin đơng đặc phản ứng ngừng ngay, cĩ nghĩa là khơng thể đĩng rắn hoản tồn được Đấy chính là tình trạng đĩng rắn non
- Phải cĩ đủ nhiệt lượng
c) Các yếu tơ ảnh hưởng đến phản ứng kết nối ngang
Trang 33
- Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tất cả các loại phản ứng hĩa học, cho nên
mỗi phản ứng đều cĩ một nhiệt độ tối ưu đề nĩ diễn ra tốt nhất Phản ứng kết ngang
cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ theo quy luật sau đây:
Nhiệt độ phịng: là nhiệt độ bình thường trong các phịng, xưởng và thay đơi trực tiếp theo nhiệt độ thời tiết
Nhiệt độ nâng cao: là nhiệt độ được nâng cao nhờ nguồn nhiệt từ bên ngồi (gia nhiệt) hoặc ngay trong phản ứng tỏa nhiệt ra
Tùy theo nhiệt độ địi hỏi của mỗi cơng nghệ, ta phải chọn chất xúc tác cho phù hợp
- Khối lượng: Cĩ cùng khối lượng chất xúc tác nếu khối lượng của resin lớn
thì tốc độ đĩng rắn chậm hơn tuy lượng nhiệt sinh ra vẫn nhiều hơn ở cùng nhiệt độ phịng
- Độ tinh khiết: Resin, chất xúc tác bị lẫn nhiều tạp chất, đều cĩ thể làm cho phan ứng khơng hồn tồn Cho nên khơng nên để vật liệu ở nơi nhiều bụi bậm, âm ướt, và luơn luơn phải đĩng kín các bình chứa
đ) Ưu khuyết điểm của nhựa polyester khơng no
Ưu điểm:
- _ Polyester cĩ khả năng ép khuơn mà khơng cần áp suất cao
- - Khi đĩng rắn polyester cĩ cấu trúc khơng gian rất cứng vững và cĩ khả năng kháng hĩa chất
- _ Giá thành hợp lý cho người sử dụng Khuyết điểm:
- - Độ co ngĩốt lớn
- - Độ bên va đập khơng đạt - _ Thời gian tơn trữ ngắn
1.6 Chat dong ran”5.0
Chất xúc tác hay cịn gọi là chất đĩng rắn, được đưa vào nhựa trước khi gia cơng Chất xúc tác là hợp chất hĩa học được đưa vào resin chưa no (dạng lỏng) với tỷ lệ để kích hoạt phản ứng kết nối ngang xảy ra một cách nhanh chĩng và mãnh liệt, từ đĩ tạo ra gốc tự do đủ để làm cho resin đơng và đĩng rắn hồn tồn Chất xúc tác peroxide thường được dùng trong cơng nghệ composite vì nĩ kết hợp polyester đĩng răn ở nhiệt độ phịng Hai chất xúc tác được sử dụng phổ biến trong cơng nghệ composite 14 MEKP (Methyl ethyl keton peroxide) va HCH (cyclo-
Trang 34
hexanol peroxide) Trong đĩ MEKP là chất đã được chọn làm chất xúc tác trong đề
tài này
MEKP là hỗn hợp của một số hợp chất peroxide, cĩ thành phần thay đổi tùy
thuộc vào nhà sản xuất Trong thương mại MEKP khơng hồn tồn tinh khiết, nĩ ở dạng dung dịch lỏng oxy hoạt tính 9% với dung mơi khơng hoạt tính MEKP phản ứng nhanh và cĩ khả năng ăn mịn chất khác, dễ cháy nỗ, do đĩ phải báo quản hết sức cần trọng
ý ' CH; ak on
| bis
tems HOO-C—-O0H HP fteoysvn F = OH, CoH; = Cots
—_.Ũ | et g xP ao : Sợ, —
Hình 1.13 Chất đĩng rắn MEKP Hình 1.14 Cơng thức cấu tạo của MEKP
Diễn biến tác dụng của chất xúc tác MEKP:
Chất xúc tác MEKP được sử dụng trong cơng nghệ gia cơng composite ở nhiệt độ phịng, cĩ tác dụng tạo ra phản ứng để resin đĩng rắn theo các bước cơ bản:
- Trong nhựa nhiệt rắn cĩ sẵn chất xúc tiến cobalt và chất hãm Khi hịa MEKP vào resin thì nĩ tác dụng ngay với chất xúc tiến để tạo ra gốc tự do ban đầu Gốc tự do này lại phản ứng kết nối ngang với các nhĩm chưa bão hịa trong styrene va trong ban than polyester để tạo ra gốc tự do mới, Cứ như vậy, phản ứng dây chuyên này làm cho chuỗi polyester ngày càng nhiều hơn, đài hơn, khiến cho resin chuyên động giảm dần, quánh dân đến nỗi khơng chuyên động được nữa, đĩ là thời điểm đơng đặc
- _ Nhưng trong lúc này vẫn cịn nhiều nhĩm chưa bão hịa và chưa bị phản ứng Cho đến khi các gốc tự do khơng thê kết ngang được nữa, vì chuỗi đã trở nên dày đặc, đĩ là thời điểm đĩng rắn nhưng chưa hồn tồn
- Do cĩ nhiệt lượng tiếp tục sinh ra trong phản ứng, như cấp thêm nguồn lực đây các gốc tự do xuyên ngang đến các nhĩm chưa bão hịa cịn lại để phản ứng với chúng Lúc này phản ứng kết ngang thực sự kết thúc tồn phần, cĩ nghĩa là resin đĩng rắn hồn tồn
Trang 35
1.7 Độ bền liên dién™ ® 0.05, 08 1.7.1 Độ bên liên diện giữa nhựa và sợi
Liên diện trong vật liệu composite được gia cường bằng sợi gồm 3 pha: Bề mặt bên ngồi sợi, liên diện nhựa và sợi, pha trung gian Những pha này gọi chung là liên diện Liên diện đĩng vai trị truyền tải những tác động từ nhựa đến sợi gia cường, ngăn chặn các lỗ xốp và sự thối hĩa do mơi trường Do đĩ, liên diện giữa nhựa nên và sợi cao thì tính chất composite sé cao
Tính chất của liên điện phụ thuộc vào liên kết tại liên diện, hình dáng, cấu trúc xung quanh liên diện và tính chất vật lý, hĩa học của những vật liệu thành phần Độ bền liên diện được quyết định bởi 3 yếu tố: Độ bền xé của nhựa và sợi, ma sát giữa nhựa và sợi, độ bền liên kết hĩa học giữa nhựa và sợi
Đối với liên diện giữa nhựa và sợi tự nhiên
Nhược điểm chính của sợi cellulose là bản chất phân cực cao do cĩ các nhĩm hydyoxyl (-OH) cĩ trên bề mặt sợi tự nhiên, trong khi nền nhựa khơng phân cực, điều này dẫn đến liên diện giữa nhựa nên và sợi yếu Ngồi ra, sợi xơ đừa cũng như nhiều loại sợi tự nhiên khác cĩ tính thắm nước rất lớn làm ảnh hưởng đến độ bền liên diện dẫn đến giảm cơ tính của vật liệu composite Cĩ nhiều phương pháp biến tính bề mặt sợi nhằm tăng tính liên kết nhựa sợi: xử lý kiềm, xử lý H;SO¿, kết hợp kiềm và acid,
Hiện nay, một số polymer được dùng làm nền cho vật liệu composite soi tự nhiên Trong đĩ, polymer được chia thành 2 loại chính: nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo Trong nhựa nhiệt rắn cĩ một số loại polymer sau: polyester khơng no, vinylester, phenolformaldehyde, epoxy, Tương tự nhựa nhiệt dẻo cũng cĩ một số loại polymer sau: polyethylene, polystyrene, polypropylene,
Các nhựa này cĩ ái lực gan kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hĩa học của
chúng Ái lực này quyết định đến tính kết dính của nhựa với sợi Ái lực của nhựa
phụ thuộc vào sự tương đồng về tính phân cực của nhựa với tính phân cực của sợi
tự nhiên Độ phân cực được sắp xếp theo thứ tự sau:
Phenolformaldehyde, epoxy > vinylester > polyester khơng no > polyethylene, polystyrene, polypropylene
Trang 36
Sự truyền ung suất ở liên diện hai pha sợi và nhựa nền được xác nhận bởi mức độ kết dính Sự kết dính tốt giữa nhựa và sợi ở liên diện là cần thiết dé truyền hiệu quá ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thơng qua liên diện Do đĩ, để cĩ một
cơ tính tốt của vat ligu composite, sự cải thiện và kiểm sốt tính kết dính ở liên diện
trở thành mỗi quan tâm
Bản chất của liên kết khơng chỉ phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử, hình dạng
phân tử, cầu tạo hĩa học của sợi và nhựa mà cịn phụ thuộc vào đặc tính hình thái,
tính khuếch tán của các phần tử trong mỗi thành phần Sự kết dính nĩi chung cĩ thể do các cơ chế bao gom su hap phu va thấm ướt, sự hút tĩnh điện, cơ học, khuếch tán, liên kết hĩa học, (Hình 1.15)
NA
XK «IN
a) Bam dinh co hoc b) Liên kết hĩa học
Hình 1.15 Một số kiểu liên kết tại liên diện
Ngồi các cơ chế chính thì liên kết hydro, lực Van Der Waals, các lực cĩ năng lượng thấp khác cũng cĩ thể tham gia để tạo nên sự bám dính Tất cả các cơ chế này cĩ thể xảy ra tại liên diện trong sự cơ lập hoặc kết hợp tạo liên kết
1.7.2 Các phương pháp kiểm tra độ bên liên diện của vật liệu composite
Độ bên liên diện cĩ thể được xác định bằng các phương pháp đo trực tiếp như single fiber compression test, fiber fragmentation test, fiber pull-out test, fiber push- out test (hay microindentation test) hodc slice compression test Cac phuong phap kiểm tra trực tiếp thường sử dụng trong trường hợp địi hỏi kết quả phải cĩ tính chính xác tuyệt đối nhưng lại cĩ nhược điểm là thực hiện phức tạp, khĩ khăn trong
việc tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn
Độ bền liên diện cũng cĩ thể xác định bằng phương pháp đo gián tiếp như short beam shear test Các phương pháp kiểm tra gián tiếp thì đễ đàng và nhanh chĩng trong việc thực hiện cũng như chuẩn bị mẫu thử
1.7.2.1 Phuong phap single fiber compression test
Single fiber compression test là một trong những phương pháp đầu tiên xác định độ bền liên kết của sợi thủy tinh với nhựa nền polymer trong suốt của Mooney
Trang 37
và McGarry (1965) Tùy thuộc vào chế độ phá hủy xảy ra tại liên diện của sợi và nhựa mà cĩ hai loại mẫu thử được sử dụng là mẫu hình lăng trụ với các mặt song song và mẫu cĩ cơ cong ở giữa Khi cần đo mẫu chịu tải nén theo chiều dọc thì sử dụng mẫu cĩ mặt song song, cịn khi cần đo mẫu chịu tải nén theo chiều ngang thì dùng mẫu cĩ cơ cong (Hình 1.16)
a) Mẫu cĩ mặt song song b) Mẫu cĩ cỗ cong
Hình 1.16 Mẫu thử single fiber compression test
Phương pháp kiểm tra này đã khơng cịn phổ biến vì một số vẫn đề liên quan
đến việc chuẩn bị mẫu thử, định vị sợi và phát hiện thời điểm bắt đầu phá hủy liên
kết tại liên diện
1.7.2.2 Phương pháp fiber fragmentation test
Fiber fragmentation test là một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay để kiểm tra độ bền liên diện của sợi và nhựa Thử nghiệm này được phát triển từ nghiên cứu về độ giịn của sợi wonfram trong composite nền là đồng của Kelly và Tyson (1965) Biến dạng phá hủy của vật liệu nền phải lớn hơn so với sỢI gia cường để tránh hiện tượng vật liệu nền bị phá hủy trước khi đứt sợi Mẫu thử cĩ hình xương chĩ với một sợi đơn được định vị giữa khối vật liệu nền (Hình 1.17) Mẫu thử sẽ được kéo căng trên trục và bị phá hủy thành những đoạn nhỏ hơn tại những điểm mà ứng suất đạt đến giá trị của độ bền kéo Phương pháp này khĩ áp dung cho composite sợi tự nhiên
Trang 381.7.2.3 Phương pháp fiber pull-out test
Fiber pull-out test 14 phuong pháp kiểm tra mà sợi được đặt vào khối vật liệu nên với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau được giữ cơ định (Hình 1.18) Khi sợi chịu tải kéo trong khi khối vật liệu nền bị giữ chặt thì lực tác dụng lên sợi sẽ được ghi lại như một hàm của thời gian Phương pháp kiểm tra này khơng chỉ sử dụng rộng rãi đối với composite nền polymer mà cịn đối với một số composite nền
gốm, composite nền xi măng và composite nền cao su Tuy nhiên phương pháp thử
nghiệm này cĩ một số hạn chế với composite cĩ đường kính sợi gia cường nhỏ và
độ bền liên diện lớn
a) Mẫu kêm chặt đầu trên b) Mẫu cĩ định đầu dưới
Hình 1.18 Mẫu thử fiber pull-out test
Gần đây cĩ một biến thể của phương pháp fiber pull-out test đang được phát triển gọi là “microdebond test” đã làm giảm bớt được một số hạn chế trong phương pháp này
1.7.2.4 Phương pháp fiber push-out test (microindentation test)
Fiber push-out test (microindentation test) là một phương pháp kiểm tra độ bền
liên diện sợi đơn mà trái ngược với phương pháp fiber pull-out test Phương phấp này sử dụng các Iindenter với mũi cĩ hình dạng và kích thước khác nhau tác dụng lực nén để đây sợi ra khỏi kết câu của khối vật liệu nền Phiên ban gốc của phương pháp kiểm tra này là sử dụng indenter cầu (Hình 1.19), khi tăng tai tác dung thì liên kết tại liên diện được quan sát bằng kính hiễn vi đến khi liên kết bị phá hủy
Trang 39
Hinh 1.19 Phuong phap fiber push-out test
Phương pháp fiber push-out test ban đầu đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong composite nền polymer, composite nền gốm với những ưu điểm là thử nghiệm
đơn giản và nhanh chĩng Những hạn chế của phương pháp này là khĩ khăn trong
việc chuẩn bị mẫu, kiểm tra các mẫu cĩ sợi lệch trục, khơng cĩ khả năng theo đối
quá trình phá hủy liên diện của composite mờ đục Vì vậy, phương pháp này cũng khĩ áp dụng cho composIte sợi tự nhiên
1.7.2.5 Phương pháp slice compression test
Slice compression test là một phiên bản sửa đối của indentation test được phát triển đặc biệt cho composite nền gốm dựa trên sự khác biệt về modulus đàn hồi giữa sợi gia cường và vật liệu nền Phương pháp này sử dụng lực nén lên mẫu composite sợi đơn hướng được cắt theo phương vuơng gĩc với trục của sợi gia cường Mẫu thử được đặt giữa hai tâm kim loại như Hình 1.20
wy
Sợi Tắm kim loại
TY „ TIT | a = Mẫu thử Vật liệu nên Tắm kim loại LI/I/T[†illirlitifdìrtifit
Hinh 1.20 Phuong phap slice compression test
Tải tác dụng sẽ được tăng đến giá trị ứng suất đỉnh mong muốn và sau đĩ đỡ tai Theo tai tác dụng thì sự phá hủy liên kết tại liên điện và sự trượt xảy ra gần bề mặt làm cho các sợi bị nhơ ra khỏi bề mặt mẫu thử Khi dỡ tải thì một phần sợi gia cường bị phục héi trở vào vật liệu nền nhưng phần cịn lại vẫn cịn bị nhơ ra Độ bên liên diện cĩ thể được ước lượng từ phan SỢI 1a cường nhơ ra khỏi bề mặt mẫu
Trang 40
1.7.2.6 Phương pháp short beam shear test
Phương pháp này cĩ một số vẫn đề liên quan đến sự biến dạng dẻo khơng tuyến tính gây ra bởi mỗi tác dụng tải cĩ đường kính nhỏ và sự tập trung ứng suất tại mũi tắc dụng tải, gối chịu
Short beam shear test duoc chi dinh trong tiéu chuan ASTM D 2344 (1989) dùng cho mau composite sợi đơn hướng bằng thí nghiệm uốn ba điểm (Hình 1.21) Do sự đơn giản trong phương pháp thử nghiệm và ít phức tạp trong việc chuẩn bị
mẫu thử mà phương pháp này ngày càng trở nên phố biến trong việc đánh giá hiệu
quả của việc xử lý bề mặt sợi và sự tương thích giữa sợi gia cường và vật liệu nên Short beam shear test được sử dụng rộng rãi cho cả composite nền polymer và composite nền kim loại
P Y S # b3 P/2
Hình 1.21Thí nghiệm uốn ba điểm