chế tạo vật liệu composite thân thiện với môi trường, có tính kinh tế và khả thi cao
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYETYLENE TỈ TRỌNG CAO GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY INVESTIGATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON HIGH DENSITY POLYETYLENE REINFORCED WITH JUTE FIBRES SVTH: NGUYỄN TRỌNG VIỆT Lớp: 03H4, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS.ĐOÀN THỊ THU LOAN Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Sợi tự nhiên và vật liệu composite của nó đã và đang thu hút sự quan tâm của giới Khoa học trên thế giới nhờ những đặc tính ưu việt như: nguồn nguyên liệu dồi dào, có khả năng tái sinh, nhẹ và các tính chất cơ lý riêng có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, sự sử dụng sợi tự nhiên trong composite vẫn còn hạn chế do tồn tại một số nhược điểm. Để cải thiện tính chất của composite sợi đay/nhựa polyethylene, sợi được xử lý bằng dung dịch NaOH. SUMMARY Natural fibres and their composites have attracted the attention of scientists worldwide because of their renewable resources, recycleability, low density and acceptable specific properties. However, the application of natural fibres to composites is limited by some disadvantages. To enhance the properties of jute/polyethylene composites, therefore, the fibres are treated by NaOH solution. 1. Giới thiệu Sợi tự nhiên đã và đang được sử dụng làm vật liệu gia cường trong lĩnh vực composite. Ưu điểm của sợi tự nhiên như là độ mài mòn thấp, tỉ trọng thấp, giá rẻ, nguồn sử dụng vô tận và thân thiện với môi trường nên được khuyến khích sử dụng trong composite. Những chuyên gia nghiên cứu cho rằng vật liệu sợi tự nhiên nhất định có khả năng để cạnh tranh với sợi thủy tinh trong ngành vật liệu composite. Tuy nhiên, sợi tự nhiên có độ hút ẩm cao, tương hợp kém với đa số nhựa nền dẫn đến tính chất cơ lý hóa của sản phẩm composite không cao. Nhựa nền sử dụng ở đây là polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) là loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. HDPE có nhiều ưu điểm như giá thành tương đối rẻ, không độc hại trong quá trình gia công, cho sản phẩm tính chất cơ lý khá tốt. Đặc biệt HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên có khả năng tái sinh, do đó nó rất thân thiện với môi trường. Nhưng HDPE cũng có nhược điểm trong ứng dụng làm nhựa nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên là HDPE không phân cực trong khi sợi tự nhiên phân cực do đó độ tương hợp giữa HDPE và sợi tự nhiên kém. Để tăng sự bám dính giữa sợi và nhựa nền thì nhiều phương pháp khác nhau như là xử lý corona, xử lý plasma, xử lý nhiệt, quá trình copolymer ghép, xử lý silane, xử lý kiềm và xử lý với nhiều hóa chất khác đã được báo cáo về hiệu quả tương hợp trong composite sợi tự nhiên. Tuy nhiên, những phương pháp này hầu hết sử dụng các thiết bị và hóa chất đắt tiền. Phương pháp xử lý kiềm là phương pháp rẻ tiền phù hợp với điều kiện nước ta mà nó vẫn cho tính chất cơ lý hóa vật liệu composite khá tốt. Phương pháp này được ứng dụng trên sợi đay, là loại tự nhiên phong phú và được trồng nhiều nơi ở nước ta. HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên khi gia công phải 1 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 ở dạng nóng chảy. Do điều kiện của phong thí nghiệm nên phương pháp ép áp lực có gia nhiệt được chọn để gia công vật liệu composite ở đây. 2. Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu ? sợi đay Sợi đay sử dụng được đan ở dạng vải mua trên thị trường Bảng 1. Một số thông số của sợi đay ? HDPE Loại nhựa HDPE F00952 Chỉ số nóng chảy 0,05 g/10 min (ASTM D-1238) Nhiệt độ chảy mềm 125 0 C Khối lượng riêng 0,952 g/cm 3 Khoảng nhiệt độ gia công 160-200 0 C Các đặc tính kỹ thuật và tính chất của nhựa HDPE F00952 (sản xuất ở Saudi Arabia) sử dụng được trình bày trong bảng 2 Tính chất Mật độ sợi dọc (bó sợi/m 2 ) Mật độ sợi ngang ( bó sợi/m 2 ) Khối lượng 1 m 2 (g) 2.2 Xử lý sợi bằng NaOH Giá trị 336 336 184,5 Bảng 2. Các thông số của HDPE Sợi được ngâm trong dung dịch NaOH ở hai nồng độ 1% và 5% trong những khoảng thời gian khác nhau: 1/6, 1, 3, 4, 5, 12 giờ. Sợi ngâm xong được vớt ra rửa bằng nước lạnh nhiều lần. Sau đó rửa trong dung dịch axit axêtic 1%. Việc rửa sợi được coi là đạt yêu cầu khi nước rủa sau cùng có pH = 7. Sợi rửa xong để ráo nước sau đó đem sấy. Sợi được sấy trong 6 giờ ở 80 0 C và 30 phút sau cùng ở 100 0 C để nước được tách ra hoàn toàn. 2.3 Gia công mẫu composite 2.3.1 Chuẩn bị - HDPE được ép ở dạng tấm mỏng và cắt định kích thướt - Sợi đay sau khi xử lý xong cũng được cắt định kích thướt tương ứng với kích thướt của tấm HDPE - Sau cùng xếp xen kẻ các tấm HDPE và tấm sợi. Cứ 1 tấm HDPE thì 2 tấm sợi - Mẫu composite ở đây gồm có 6 lớp nhựa và 5 cặp lớp sợi - Làm sạch khuôn và kiểm tra máy ép - Khởi động máy ép và gia nhiệt cho máy ép lên 140 0 C. 2.3.2 Gia công Sau khi chuẩn bị xong thì tiến hành lắp khuôn vào thớt máy ép. Vật liệu lớp nhựa và sợi được đặt giữa hai tấm khuôn kim loại. Điều chỉnh thớt dưới đi lên chạm thớt trên và điều chỉnh đến đạt nhiệt độ khảo sát. Khi nhiệt độ máy ép đạt 160 0 C thì nhựa lúc này đã nóng chảy. Ta bắt đầu ép nâng thớt lên từ từ cho khi độ dày sản phẩm đạt yêu cầu. Duy trì mẫu ở 2 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 nhiệt độ và thời gian khảo sát. Điều chỉnh nhiệt độ đến khi giảm còn 80 0 C thì hạ thớt xuống và lấy khuôn mẫu ra ngoài, làm nguội bằng không khí rồi tháo khuôn. 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Điều kiện gia công 3.1.1 Nhiệt độ gia công: Mẫu sau khi gia công xong để ổn định khoảng 8-12 giờ, cắt đúng kích thướt chuẩn đem đi đo thu được kết quả đồ thị (1) và (2). Từ các đồ thị (1) và (2) trên ta thấy, khi tăng nhiệt độ gia công thì độ bền kéo, uốn, va đập của vật liệu composite đều tăng. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì độ bền giảm xuống, vậy 3 đường cong đi qua một cực đai, đó là giá trị cực đại của các độ bền tại nhiệt độ gia công 160 0 C. Ở nhiệt độ gia công thấp sự thấm ướt của nhựa nền đối với sợi thấp nên độ bền vật liệu thấp. Nhiệt độ càng cao thì khả thấm ướt của nhựa vào sợi càng tốt nhưng khi nhiệt độ cao quá và mẫu được lưu ở nhiệt độ đó một thời gian thì độ bền của sợi bắt đầu giảm do sự phân hủy sợi xảy ra. Do vậy nhiệt độ càng cao làm cho độ bền của vật liệu composite giảm. Từ đó ta kết luận độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công ở nhiệt độ 160 0 . 90 80 Độ bền (M P a) 70 60 50 40 30 20 Độ bền uốn 600 Độ bền va đập (N/mm) 500 400 300 200 100 10 Độ bền kéo 0 150 160 170 180 190 Nhiệt độ ( o C) Đồ thị 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ kéo, uốn 90 80 70 Độ bền (MPa) 60 50 40 30 56 0 Đ ộ b ề n v a đ ậ p ( N / m m ) 55 0 54 0 530 520 0 150 160 170 180 190 Nh Đồ thị 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ bền va đập 20 Độ bền kéo 10 Độ bền uốn 0 15 20 25 30 35 40 Th ời gi an (ph ú t) 51 0 50 0 15 20 25 30 35 40 Thời gian (phút) Đồ thị 3. Ảnh hưởng của thời gian gia công đến độ bền kéo, uốn Đồ thị 4. Ảnh hưởng của thời gian gia công đến độ bền va đập 3.1.2 Thời gian: Khảo sát gia công mẫu composite ở nhiệt độ 160 0 C trong thời gian gia công khác nhau kết quả thể hiện ở đồ thị (3) và (4). Từ đồ thị (3) và (4) trên ta thấy, khi tăng thời gian ép thì độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu composite đều tăng, nhưng khi tăng thời gian ép đến một giới hạn nhất định thì độ bền giảm xuống, vậy đường cong đi qua một điểm cực đại, đó là giá trị cực đại của các độ bền ở thời gian ép là 25 phút. Có thể giải thích chung cho tất cả các độ bền trên như sau: khi tăng thời gian ép thì tăng khả năng thấm ướt của nhựa vào sợi, đồng thời tăng thời gian cũng tạo điều kiện để thoát khí từ trong mẫu vật liệu ra ngoài, hạn chế hiện tượng bọt khí. Cho nên khi tăng thời gian ép ban đầu thì nó làm tăng các độ bền cơ lý của vật liệu. Nhưng khi ép với thời gian quá lâu (>25 phút) ở một nhiệt độ gia công nhất định sẽ làm cho giảm độ bền của sợi. Có thể ở đây có sự phân hủy hemicelulose bắt đầu xảy ra. Khi đó trên mẫu vật liệu có sẫm màu của sợi và xuất hiện rất nhiều bọt khí. Từ đây có thể kết luận: Độ bền của vật liệu composite có độ bền cao nhất khi được ép trong vòng 25 phút. Từ tất cả các điều trên ta có thể đưa ra chế độ gia công để cho mẫu vật liệu composite có độ bền cơ lý cao nhất: nhiệt độ gia công 160 0 C và thời gian gia công ở nhiệt độ đó là 25 phút. ? Ảnh hưởng của chế độ gia công bán thành phẩm Độ bền cơ lý của vật liệu composite còn phụ thuộc vào thiết bị máy ép, chế độ làm nguội, và mức độ vô định hình của HDPE bán thành phẩm sử dụng. Ở đây tấm bán thành phẩm HDPE được sử dụng có độ kết tinh thấp, mức độ vô định hình cao. Tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô đinh hình cao được tạo ra bằng cách ép ở nhiệt độ cao (160 0 C) sau đó làm nguội nhanh bằng nước lạnh. Điều này được giải thích là do nhựa HDPE đang ở nhiệt độ gia công thì nó ở dạng chảy, lúc đó các phân tử đang ở trạng thái linh động và sắp xếp hỗn độn nhưng khi được làm nguội nhanh bằng nước lạnh thì thì các phân tử chưa kịp sắp xếp chặt khít để tạo cấu trúc kết tinh thì nó đã đông cứng lại rồi. Tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình càng lớn thì cho mẫu vật liệu composite thu được có độ bền càng cao và tăng khả năng khắc phục được hiện tượng bọt khí ở vật liệu. Điều này có thể giải thích như sau: khi tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình lớn nó tăng khả năng thấm ướt của nhựa vào sợi. Điều này được thấy rõ ở mẫu composite sử dụng tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình thấp và mức độ vô định hình cao. Mẫu composite sử dụng tấm HDPE có mức độ vô định hình thấp thì xuất hiện nhiều bọt khí. Còn mẫu composite sử dụng tấm HDPE có mức độ vô định hình cao thì không có bọt khí. Chế độ làm nguội cũng ảnh hưởng đến độ bền vật liệu composite. Do nhựa nền là HDPE có khả năng kết tinh sẽ cho mẫu có độ bền cơ lý cao nên khi gia công ta làm nguội từ từ bằng không khí. Sở dĩ là để các phân tử HDPE có đủ thời gian sắp xếp trật tự tăng độ kết tinh do đó tăng độ bền cho vật liệu. 3.2 Xử lý kiềm Độ bền kéo (MPa) Việc loại bỏ hemicellulose và một phần lignin có ảnh hưởng lớn đến độ bền của vật liệu composite. Kết quả đo được ở các điều kiện xử lý khác nhau được thể hiện ở các đồ thị (5), (6) và (7). Từ đồ thị này ta thấy khi xử lý sợi bằng dung dịch 1% thì độ bền tăng theo thời gian xử lý cho đến 4 giờ, nếu tiếp tục kéo dài thời gian ngâm thì độ bền tăng không đáng kể. 60 50 40 30 20 NaOH 1% 10 NaOH 5% 0 0 5 10 15 Th ời gi an (gi ờ ) Đồ thị 5. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý kiềm đến độ bền kéo Với dung dịch 5%, quá trình xử lý khó điều chỉnh hơn, với thời gian ngâm ngắn (1/6 giờ) thì độ bền có tăng nhưng không nhiều lắm. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian ngâm thì độ bền giảm nhiều. Như đã trình bày độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của vật liệu gia cường, sự phân tán của của nhựa nền vào vật liệu gia cường và liên kết giữa nhựa nền và vật liệu gia cường. Ở đây mục đích xử lý sợi là tăng độ bền của sợi và sợi có bề mặt nhám hơn tạo điều kiện cho sự bám dính giữa nhựa nền và sợi. Đối với dung dịch NaOH 1% thì khi tăng dần thời gian ngâm thì độ bền của sợi của sợi cũng dần tăng theo bởi vì các thành phần vô đinh hình trong sợi như hemicellulose và một phần lignin bị tách ra làm tăng mật độ kết bó của cellulose. Do vậy độ bền của vật liệu composite tăng. Nhưng thời gian ngâm kéo dài thì cùng với hemicellulose, và một phần lignin được tách ra thì một phần cellulose cũng bị phân hủy nên độ bền sợi giảm. Vậy nên độ bền của vật liệu composite giảm. Đối với dung dịch NaOH 5% thì khả năng tách các thành phần vô định hình trong sợi lớn hơn và khả năng phân hủy cellulose cũng lớn hơn. Do vậy khi ngâm sợi trong thời gian ngắn thì độ bền sợi tăng. Nhưng khi tăng lên hơn 1 giờ thì độ bền sợi giảm. Điều này là do một phần cellulose cũng bị phân hủy nên độ bền sợi giảm. Cho nên độ bền của vật liệu composite giảm. Và độ bền của vật liệu composite cũng được tăng khi sử dụng sợi được xử lý. Điều này được giải thích là do sợi xử lý có bề mặt nhám hơn nên tăng khả năng bám dính cơ học giữa sợi và nhựa nền. Do vậy tăng độ bền của vật liệu composite. Từ các đồ thị thì ta thấy các đường cong đều có điểm cực đại và giá trị cực đại đó là tại nồng độ NaOH 1% ngâm trong thời gian 4 giờ. Vậy điều kiện xử lý kiềm NaOH 1% trong 4 giờ được xem là tối ưu. 90 80 Độ bền uốn (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 NaOH 1% NaOH 0 0 5 10 15 Th ời gi an (gi ờ) Đồ thị 6. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý kiềm đến độ bền uốn 3.3 Hàm lượng sợi: Từ đồ thị (8) và (9) ta thấy, khi hàm lượng sợi tăng thì độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu composite đều tăng, nhưng nếu hàm lượng sợi tăng vượt quá một giá trị nhất định thì độ bền giảm xuống, vậy đường cong đi qua một cực đại, đó là giá trị cực đại của các độ bền tại hàm lượng sợi là 4 0 % . 560 550 540 530 520 510 500 490 480 Độ bền va đập, N/mm 470 460 0 5 10 15 Th ời g i an (g i ờ) Điều này có thể được giải thích như sau: Độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của sợi gia cường và độ bám dính, phân tán của nhựa và sợi. Đồ thị 7. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý kiềm đến độ bền va đập Ban đầu khi tăng hàm lượng sợi và vẫn đảm bảo sự thấm ướt đủ của nhựa vào sợi thì độ bền mẫu composite tăng. Nhưng khi hàm lượng sợi vượt quá 40% thì nhựa không đủ thấm ướt sợi để tạo hệ liên tục. Do vậy làm giảm kết dính giữa sợi và nhựa dẫn đến giảm độ bền của vật liệu composite. Đồng thời khi gia công vật liệu composite có hàm lượng sợi càng cao thì ta dùng lực ép càng lớn nên nó làm giảm độ bền của sợi gia cường và có thể làm dứt sợi. Từ đó nó làm giảm độ bền của vật liệu composite. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 Độ bền kéo 90 80 Ứng suất kéo (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 0 30 35 40 45 50 55 554 552 550 548 546 544 Độ bền va đập (N/mm) 542 540 538 30 35 40 45 50 55 Hàm l ư ợ n g sợi (%) Đồ thị 8 Ảnh hư Hà ở m n l ư g ợn c g s ủ ợi a (% h ) àm lượng sợi đến độ bền kéo, uốn Đồ thị 9. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ bền va đập [...]...Kết luận: Từ trên ta có thể gia công mẫu composite tối ưu với các điều kiện: Nhiệt độ gia công 1600C Thời gian gia công 25 phút Sợi xử lý ở NaOH 1% trong 4 giờ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eichhorn SJ, Baillie CA, Zafeiropoulos N, Mwaikambo LY, Ansell MP, Dufresne A, et al Review international . trình bày độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của vật liệu gia cường, sự phân tán của của nhựa nền vào vật liệu gia cường và liên kết giữa nhựa nền và vật liệu gia cường. Ở đây. nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYETYLENE TỈ TRỌNG CAO GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY INVESTIGATING COMPOSITE MATERIALS. đa số nhựa nền dẫn đến tính chất cơ lý hóa của sản phẩm composite không cao. Nhựa nền sử dụng ở đây là polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) là loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trên