Tổng quan về vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polypropylen gia cường bằng sợi tre

Tổng quan về vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polypropylene gia cương bằng sợi tre TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TR[.]

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 khơng có 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 vô 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 môi 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 Ngồi cịn 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 không 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 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 Nguồn gốc Sản lượng hàng năm, 103 2.850 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 10 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 Nguyên 14 Quảng Ninh 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 Hòa 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 Đông 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 Mêkông 3,965,314 270,477 0 Vùng Diện tích rừng hỗn tre-gỗ 2.1.3 Thành phần hóa học sợi tre [1] Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 16 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 17 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 công 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 khơ 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 18 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, công 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 19 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 luân 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 Trần Viết Tiệp – lớp polyme – K55 20 ... 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. .. – 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. .. – lớp polyme – K55 10 Tổng quan vật liệu polyme compozit sở nhựa polypropylene gia cương sợi tre Xenlulo chất gia cường cho lignin, hemixenlulo pectin Như vật thân sợi thực vật vật liệu compozit