Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ nhựa polyetylen (PE) gia cường bằng sợi nứa (neohouzeaua dullooa) đơn hướng

Tạp chí Hóa học, 2018, 56(3), 307-311 Bài nghiên cứu DOI: 10.15625/vjc.2018-0024 ety (Neohouzeaua dullooa) 1* , Trung tâm Ng n uv t Khoa Công ng xuất Khoa h c tự n C ươ u polyme, Tr ó , Tr ng ih Đặng Hữu Trung2 Đồ ng o Cơng ng n v Cơng ng , Vi n p n âm K o ị Yến Oanh3 , Vi t Nam i, Vi t Nam v Cơng ng Vi t Nam Đến Tịa soạn 8-5-2018; Chấp nhận đăng 20-5-2018 Abstract The characterizations of Neohouzeaua dullooa fibers before and after alkali treatments have been studied After alkali treatment, the strength of N dullooa fiber as well as the adhesion with PE resin are increased significantly The effect of content of N dullooa fiber on polyethylene (PE) composite materials has been investigated The obtained results shown that with 60 wt% of N dullooa the durability of materials was the highest The MA-g-PE compatibility is also affects the strength materials properties The obtained results also shown that MA-g-PE compatibility improved adhesion of the resin as well as increased the material's durability by approximately 25 % compared to non-adherent materials Successfully fabricated the prepregs from PE and unidirectional fiber for manufacturing composite materials has been studied Keywords Neohouzeaua dullooa, polyethylene, prepreg, MA-g-PE Đ U Những chất dẻo truyền thống polypropylen, polyetylen, polyeste epoxy phát triển đáng kể ứng dụng rộng rãi vật liệu compozit Polyme phân huỷ sinh học dự kiến ứng dụng cơng nghiệp bao bì, đồng ứng dụng khác đòi hỏi độ bền thứ yếu Độ bền hạn chế giá thành cao polyme phân huỷ sinh học cản trở chủ yếu cho việc chấp nhận rộng rãi chúng vật liệu thay cho polyme truyền thống không phân huỷ sinh học Độ bền cao polyme truyền thống kết nhiều năm nghiên cứu ặc dù vậy, polyme phân huỷ sinh học coi trọng mối đe dọa mơi trường quan tâm xã hội.[1] Việc sử dụng sợi thực vật có nguồn gốc từ nguồn nguyên liệu tái sinh thời gian tương đối ngắn gỗ, tre, nứa… làm vật liệu gia cường cho polyme compozit trở nên ngày phổ biến thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học chúng có khả phân huỷ sinh học sau hết thời gian sử dụng vô hại môi trường sinh thái ặt khác, chúng có tính chất học tương đối cao rẻ tiền so với loại sợi tổng hợp thông thường.[1,2] 307 Wiley Online Library Trên quan điểm bảo vệ môi trường, năm gần nhiều nước giới quan tâm nhiều đến nghiên cứu ứng dụng sợi thực vật nguồn nguyên liệu có khả tái tạo làm chất gia cường cho vật liệu polyme compozit.[3,4] Nhược điểm cố hữu compozit sợi thực vật có độ hút ẩm cao compozit sợi thủy tinh có giải pháp thích hợp xử lý bề mặt sợi thực vật, thiết kế vật liệu kết cấu hợp lý, khắc phục hay hạn chế nhược điểm đó.[5,6] Tách sợi tre cách xử lý kiềm ép hay cán Abhijit P Deshpande cộng trình bày cơng trình[3] Các tre ngâm dung dịch NaOH 0,1 N nhiệt độ thường với thời gian khác Sau hàng loạt thí nghiệm lựa chọn thời gian 72 để xử lý kiềm nhằm tách sợi dễ dàng Sau 72 xử lý kiềm vậy, trọng lượng tre giảm 18 % chất dẫn suất lignin Lấy tre khỏi dung dịch kiềm rửa nước đến trung tính Tiếp đến hong khô tự nhiên nhiệt độ phòng chuyển tre tách sợi phương pháp học [7,8] Tiếp theo cơng trình trước Việt Nam, cơng trình tập trung vào chế tạo vật liệu compozit từ nhựa polyetylen (PE) gia cường sợi nứa đơn hướng để ứng dụng chế tạo prepreg © 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim Tạp chí Hóa học Nguyễn uy Tùng cộng phương pháp ép nóng khn ươ ữ 2.3 ị o [7] TH C NGHI ế 2.1 ị Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) hãng Sasol ( rập) có nhiệt độ chảy mềm Tm = 105 oC, ch số chảy 4,5 g 10 phút 190 oC, 2,16 kg Cây nứa năm tuổi lấy từ Tuyên Quang Chất trợ tương hợp PE-g- A Aldrich với làm lượng maleic anhydrit 0,85 % NaOH k thuật Trung Quốc Tính chất kéo uốn vật liệu xác định thiết bị đo đa Instron 5582-100 N (Hoa ) Độ bền va đập xác định máy đo va đập Izod Tinius Olsen (Hoa ) ươ 2.2 ế o n : Sơ đồ chuẩn bị mẫu đo độ bền kéo sợi nứa Độ bền kéo sợi nứa đo máy Lloyd 0,5 N (Anh) với tốc độ mm phút Độ bền kéo xác định theo công thức: σk = F , MPa A Trong đó: Ống nứa chẻ làm 4-5 phần chia thành loại: Sợi chưa xử lý: ngâm nước thời gian 72 cho mềm rửa Sợi xử lý kiềm nguội: ngâm kiềm nồng độ 0,1 N thời gian 72 nhiệt độ phòng rửa nước đến trung tính Cả hai loại đưa vào máy cán hai trục với tốc độ thấp nhiều lần để bó sợi khơng bị rối đứt Sau sử dụng bàn cào để tách sợi dài khoảng 300-400 mm Phương pháp chế tạo prepreg PE sợi nứa trình bày hình Sợi trải nhôm, làm thẳng môi trường nước, kẹp lại sau sấy khơ thời gian 24 nhiệt độ 70o C Sau lấy cắt thành với độ dài chiều dài khuôn Sắp xếp lớp sợi đơn hướng kẹp lớp nhựa PE gia nhiệt 120 oC để nhựa PE dính chặt lên lớp sợi nứa ta thu prepreg PE sợi nứa σk độ bền kéo sợi, MPa F lực kéo sợi, N Ala thiết diện ngang sợi, mm2 Độ bền bám dính sợi nhựa xác định máy Lloyd 0,5 kN (Anh), tốc độ kéo mm phút Hình 3: Sơ đồ chuẩn bị mẫu đo độ bám dính nhựa PE sợi nứa Độ bền bám dính sợi nhựa tính theo cơng thức: IFSS = F , MPa L1.L Trong đó: IFSS độ bền bám dính, Pa F lực rút sợi khỏi nhựa, N L1 chiều dài giọt nhựa, mm L2 chu vi sợi, mm T QU V TH O LU N 3.1 ươ ế n : Phương pháp chế tạo prepreg PE sợi nứa Đường kính trung bình sợi nứa có khơng có © 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim www.vjc.wiley-vch.de 308 Bài nghiên cứu xử lý kiềm nguội trình bày hình n g n u t ov t u ompoz t t v trình tách sợi phương pháp có học gây tác động lên bề mặt sợi gây xơ nứt sợi nứa Đường kính trung bình sợi nứa Từ hình nhận thấy, sợi nứa tách khơng xử lý kiềm có đường kính trung bình lớn so với so với có xử lý kiềm nguội Nguyên nhân phần lignin bị tách khỏi nứa tác dụng dung dịch kiểm nên việc tách sợi dễ dàng đường kính sợi nứa nhỏ Hình biểu diễn phân bố độ bền kéo sợi nứa theo đường kính sợi Từ kết ta nhận thấy, đường kính sợi nhỏ độ bền kéo sợi nứa cao Lý giải thích sau: với sợi có đường kính lớn thực chất bó sợi liên kết với lignin, hemixenlulo mô mềm Dưới tác dụng ứng suất kéo, thành phần s bị phá v gây tách lớp sợi xenlulo làm suy giảm tính chất sợi nứa n : Phân bố độ bền kéo sợi nứa xử lý kiềm nguội theo đường kính sợi a b n : nh kính hiển vi quang học bề mặt sợi nứa (a) sợi nứa chưa xử lý, (b) sợi nứa xử lý kiềm nguội ế Độ bám dính nhựa PE với sợi nứa đơn hướng xác định theo phương pháp kéo rút sợi theo mục 3.2 Các kết độ bám dính nhựa PE lên sợi nứa trình bày hình n Phân bố độ bền kéo sợi nứa chưa xử lý theo đường kính sợi Đối với sợi nứa xử lý kiềm nguội, đường kính sợi tập trung khoảng hẹp độ bền kéo c ng đồng so với sợi nứa chưa xử lý kiềm Hình biểu diễn bề mặt sợi có khơng có xử lý kiềm Từ hình ta nhận thấy, bề mặt sợi nứa có xử lý kiềm nh n khơng có vết nứt bền mặt sợi Đối với sợi khơng xử lý kiềm, bề mặt có nhiều vết xước tạo thành sợi nhỏ có vết nứt bề mặt Đó lignin bị phá n : nh hưởng xử lý kiềm đến độ bám dính nhựa PE sợi nứa Từ hình nhận thấy, sau xử lý kiềm, độ bám dính nhựa PE lên sợi nứa cải thiện © 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim www.vjc.wiley-vch.de 309 Tạp chí Hóa học Nguyễn uy Tùng cộng đáng kể (tăng 80 %) Đó sợi đồng nên nhựa PE bám dính tốt giúp tăng độ bền bám dính Đối với sợi chưa xử lý cịn mô mềm c ng xơ nhỏ bề mặt nên cản trở thấm ướt nhựa PE lên sợi dễ bị tách kéo rút sợi làm suy giảm độ bền bám dính nhựa PE với sợi 3.3 o ế o ư Vật liệu compozit nhựa PE gia cường sợi nứa đơn hướng chế tạo từ prepreg chuẩn bị trước theo mục 2.2 theo phương pháp ép nóng khn Tỷ lệ sợi nhựa vật liệu 40 60 ±3 % với có mặt chất trợ tương hợp PE-g- A với hàm lượng % so với nhựa PE Độ bền kéo, uốn va đập vật liệu compozit trình bày hình 9-11 n Từ kết hình 10 nhận thấy, độ bền kéo uốn cải thiện đáng kể sau sợi nứa xử lý kiềm nguội Độ bền kéo vật liệu gia cường sợi nứa xử lý kiềm tăng 20 % so với vật liệu gia cường sợi nứa chưa xử lý tăng 200 % so với nhựa PE ban đầu Đối với độ bền uốn, vật liệu gia cường sợi nứa xử lý c ng tăng khoảng 25 % so với vật liệu gia cường sợi chưa xử lý Nguyên nhân thể độ bám dính nhựa PE lên bề mặt sợi nứa sau xử lý tốt nên làm tăng độ bền vật liệu Điều khẳng định ảnh SE chụp bề mặt đứt gãy vật liệu compozit sau kéo đứt hình 12 Trên hình 12a, sợi nứa bị tách khỏi nhựa bị xé thành sợi nhỏ hình 12b, sợi bị đứt sát với bề mặt phá hủy nhựa Điều chứng tỏ độ bám dính nhựa PE lên sợi nứa sau xử lý tốt nên sợi bị đứt với trình phá hủy vật liệu ứng suất kéo làm tăng khả gia cường sợi giúp tăng độ bền vật liệu compozit : Độ bền kéo vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng (a) n : Độ bền uốn vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng (b) : nh SE bề mặt phá hủy kéo vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng (a) Sợi nứa chưa xử lý; (b) Sợi nứa xử lý kiềm nguội n n : Độ bền va đập vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng Độ bền va đập vật liệu compozit trình bày hình 11 c ng cho thấy khả gia cường sợi nứa có xử lý kiềm so với sợi nứa không xử lý Độ bền va đập tăng khoảng 20 % so với vật © 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim www.vjc.wiley-vch.de 310 Bài nghiên cứu g liệu gia cường sợi chưa xử lý tăng 150% so với nhựa PE nguyên sinh Điều chứng tỏ khả hấp thụ xung lực tác động vào vật liệu sợi nứa tốt chưa xử lý nhờ độ mềm dẻo xốp sợi giúp làm tăng độ bền va đập vật liệu lên đáng kể - Quá trình xử lý kiềm nguội giúp sợi nứa tách từ nứa dễ dàng với khoảng phân bố đường kính hẹp độ bền đồng so với sợi nứa tách không xử lý kiềm trước - Quá trình xử lý kiềm c ng giúp tăng độ bám dính nhựa PE lên bề mặt sợi nứa - Đã chế tạo thành công prepreg PE sợi nứa đơn hướng Vật liệu compozit gia cường sợi nứa xử lý kiềm có độ bền cao so với sợi nứa chưa xử lý kiềm T I LI U THA H O Tran Vinh Dieu, Bui Chuong Study and application of natural fiber – Reuse Materials and Environmental protection, Publishing House for Science and Technology, Chapter 2, p.20, 2009 Nguyen Chau Giang, Ta Thi Phuong Hoa, Nguyen Huu Tung Study of extraction of microfibrillated cellulose from bamboo fiber, Viet Nam Journal of Chemistry, 2010, 48(4), 463-468 L n T LU N n u t ov t u ompoz t t Abhijit P Deshpande, M Bhaskar Rao, C Lakshmana Rao Extraction of Bamboo Fibers and Their Use as Reinforcement in Polymeric Composites, J Appl Polym Sci., 2000, 76, 83-92 A K Bledzki, J Gassan Composites and Reinforced with Cellulose Based Fibres, Prog Polym Sci., 1999, 24, 221 - 274 Jochen Gassan and Andrzej K Bledzki The Influence of Fiber-Surface Treatment on the Mechanical Properties of Jute-Polypropylene Composites, Composites part A, 1997, 28A, 10011005 Tran Vinh Dieu, Le Thi Phai, Phan Thi Minh Ngoc, Nguyen Huy Tung, Le Phuong Thao and Le Hong Quang Study on Preparation of Polymer Composites Based on Polypropylene Reinforced by Jute Fibers, JSME International Journal, Series A, 2004, 47(4), 547-550 Tran Vinh Dieu, Doan Thi Yen Oanh, Nguyen Pham Duy Linh, Luong Thi Thanh Thuy Study on biodegradation polymer materials based on polypropylene reinforced Neohouzeaua dullooa fiber Part I Effect of electrolyte concentration on magnetoimpedance (MI) effect, Vietnam Journal of Chemistry, 2008, 46(4), 493-497 Tran Vinh Dieu, Doan Thi Yen Oanh, Nguyen Pham Duy Linh, Le Duc Luong Preparation of biodegradable polymer materials based on polylactic acid reinforced Neohouzeaua dullooa fiber Part I Effect of treatment method on Neohouzeaua dullooa fiber properties for biodegradable polymer materials Viet Nam Journal of Chemistry, 2008, 46(3) : Nguy Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Số 1, Đại Cồ Việt, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam E-mail: tungnh@gmail.com © 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim www.vjc.wiley-vch.de 311 ... vật liệu ứng suất kéo làm tăng khả gia cường sợi giúp tăng độ bền vật liệu compozit : Độ bền kéo vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng (a) n : Độ bền uốn vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng. .. hủy kéo vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng (a) Sợi nứa chưa xử lý; (b) Sợi nứa xử lý kiềm nguội n n : Độ bền va đập vật liệu compozit PE sợi nứa đơn hướng Độ bền va đập vật liệu compozit. .. bám dính nhựa PE với sợi 3.3 o ế o ư Vật liệu compozit nhựa PE gia cường sợi nứa đơn hướng chế tạo từ prepreg chuẩn bị trước theo mục 2.2 theo phương pháp ép nóng khn Tỷ lệ sợi nhựa vật liệu 40