Ghiên ứu hế tạo vật liệu polyme ompozit sinh họ trên ơ sở nhựa polypropylen (pp) gia ường bằng sợi tre dài đơn hướng

ốMặc dù tính chất cơ học của sợi tự nhiên th p hơn sợấ i thu tinh, các đặc trưng ỷcủa chúng đặc biệt là độ ền kéo có thể so với giá trị cao nhất của sợ b i thu tinh ỷnhưng chúng nhẹ hơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN KHÁNH QUYÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG ẰNG SỢI TRE DÀI ĐƠN HƯỚNG B

Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật vật liệu phi kim

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS BÙI CHƯƠNG

Hà Nội - Năm 2012

M C L C Ụ Ụ

Trang ph bìa ụ

Lời cam đoan

Danh m c các ký hiụ ệu, các chữ ế ắ vi t t t

Danh mục các bảng

Danh m c các hình vụ ẽ, đồ ị th

M Ở ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 5

T NG QUAN V COMPOZIT SINH HỔ Ề ỌC TRÊN CƠ SỞNHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG B NG S I TRE 5 Ằ Ợ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG V V T LI U COMPOZIT SINH H C 5 Ề Ậ Ệ Ọ 1.2 V T LIẬ ỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG S I TH C V T 8 Ợ Ự Ậ 1.3 V T LIẬ ỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NH A Ự POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE 10

1.3.1 V t li u nậ ệ ền polypropylen.[ ] 21 10

1.3.2 S i thợ ực vật gia cường 14

1.3.3 S i tre 21 ợ 1.3.3.1 C u trúc c a s i tre ấ ủ ợ 22

1.3.3.2 Thành ph n hoá h ầ ọ c củ a tre 23

1.3.3.3 Tính ch ất cơ họ c củ ợ a s i tre 28

1.3.3.4 Tính ch ấ t bề ặ ủ ợ m t c a s i tre 29

1.4 TƯƠNG TÁC PHA NỀN - CỐT TĂNG CƯỜNG TRONG V T LI U Ậ Ệ POLYME COMPOZIT 30

CHƯƠNG 2 32

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TH C NGHI M 32 Ự Ệ 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ Ạ T O VÀ X LÝ B M T S I 32 Ử Ề Ặ Ợ 2.1.1 Các phương pháp tách sợi 32

2.1.1.1 Phương pháp cơ học 32

2.1.1.2 Phương pháp tách nổ ằng hơi nướ b c.[15] 33

2.1.2 Phương pháp ch t o v t li u 34 ế ạ ậ ệ 2.2.2 Các phương pháp khảo sát tính ch t cấ ủa sợi 34

2.2.2.1 Phương pháp xác định độ phân b c a s i 34 ố ủ ợ 2.2 2.2 Phương pháp xác định độ ề b n kéo s i ợ 34

2.2.3 Phương pháp xác định tính chất cơ học của vậ ệt li u 35

2.2.3.1 Độ ề b n kéo c a compozit: 35 ủ 2.2.3.2 Độ ề b n u n c a compozit: 36 ố ủ 2.2.3.3 Phương pháp xác định độ ề b n nén 37

2.2.3 4 Xác định độ ền va đậ b p Charpy c a v t li u compozit: ủ ậ ệ 37

2.2.3 5 Xác định độ ấ h p th ụ nướ và các môi trườ c ng hoá ch t c a compozit: ấ ủ 38 CHƯƠNG 3 KẾT QU VÀ BÀN LU N 39 Ả Ậ 3.1 KH O SÁT NGUYÊN VẢ ẬT LIỆU VÀ ĐIỀU KI N GIA CÔNG V T LI U Ệ Ậ Ệ POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG S I TRE 39 Ợ

3.1.1 Xác định đườ ng kính trung bình c a s i 40 ủ ợ

3.1.2 Xác định độ ề b n kéo c a s i 42 ủ ợ 3.1.3 C u trúc hình thái h ấ ọ c củ a các lo i s ạ ợ i tre 43 3.1.4 Xác định độ ấ h p th m c a s i ụ ẩ ủ ợ ảnh hưởng đến độ ề b n s i 44 ợ 3.1.5 Kh o sát ả ảnh hưở ng c a vi ủ ệ c xử lý tre đế n kh ả năng bám dính vớ i nh a ự

PP 45 3.1.6 Ch t o v t li ế ạ ậ ệu trên cơ sở nh a PP v ự ớ i sợ i tre. 46 3.3 Nghiên c u ch t o compozit Polypropylen c t s i tre (PP/BF) 48 ứ ế ạ ố ợ3.3.1 Ảnh hưởng của việc tạo Prepreg đến tính ch t cấ ủa Compozit PP/BF 48 3.3.2 Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ, th i gian và áp su t ép lên tính ch t cờ ấ ấ ủa vậ ệt li u compozit PP/BF 49 3.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PP/BF 51 3.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ ấ h p th ụ nước của PP/BF 51 3.4.2 Ảnh hưởng của các môi trường hóa ch t khác nhau t i tính chấ ớ ất của vật

liệu PP/BF 53

K T LU N 55 Ế ẬTÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ Ụ L C

M Ở ĐẦ U

Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ ủa khoa học và công nghệ ới hàng lo t thành t u to lạ ự ớn được ứng d ng r ng dãi trong công nghi p, nông nghiụ ộ ệ ệp, giao thông v n t i, kinh tậ ả ế cũng như đời s ng xã h i v.v M t trong nh ng thành ố ộ ộ ữ

tựu đó là sự ra đời và phát triển vật liệu compozit Loại vật liệu mới này có khảnăng kế ợp đượt h c nh ng tính ch t mà v t li u truy n th ng riêng r ữ ấ ậ ệ ề ố ẽ không có được,

tạo cho nó có nhiều tính chất ưu việt như: bền, nhẹ có nhiều tính chất chuyên dụng,

d ễ gia công v.v Những vật liệu này đang thay thế ần dần những vật liệu truyề d n

thống trước đây như sắt, thép, gỗ để chế ạo các chi tiết máy và kết cấu, kể ả các t c

k t c u chế ấ ịu tả ọi tr ng lớn cũng như các sản ph m dân d ng v.v ẩ ụ

Tuy nhiên, vấn đề quan tâm hàng đầu c a các ngành công nghi p là vủ ệ ấn đềmôi trường M t s n ph m sinh hộ ả ẩ ọc đi từ nguyên li u tái t o có kh ệ ạ ả năng tái sinh và phân hu sinh hỷ ọc bắt buộc (ổn định trong th i gian sờ ống đã định nhưng sẽ phân

hu ỷtrong một tổ ợ h p các điều kiện) có triển vọng thương mại và không ảnh hưởng

xấu đến môi trường thì được gọi là sản phẩm sinh học bền vững [5, 8] Các compozit sinh h c (còn gọ ọi là compozit xanh) thường c u t o tấ ạ ừ ợ s i thực vật và chấ ẻt d o sinh

học đi từ nguồn nguyên liệu tái tạo Các chất dẻo đi từ nguồn nguyên liệu tái tạo có

th ể không phân huỷ sinh học vì còn phụ thuộc vào cấu trúc và phả ứng đóng rắn n trong quá trình gia công So với nh a nhiự ệt rắn, nh a nhiự ệt dẻo có khả năng tái sinh nên ít ảnh hưởng x u tấ ới môi trường Hơn nữa, các sản ph m sinh h c nhẩ ọ ận được từ nguồn nguyên liệu tái tạo có khả năng cân bằng đioxit cacbon Hầu hết các polyme sinh học rất khó có thể ạ c nh tranh kinh t trong tình hình phát tri n công nghiế ể ệp polyme trên cơ sở hoá d u ầ đang chiếm ưu thế, nhưng vấn đề ô nhiễm môi trường

của các sản phẩm dầu mỏ ại là một vấn đề nóng bỏng cần giải quyết, mặt khác, dầ l u

m ỏ cũng không phải là một tài nguyên vô tận Do đó, việc thiết kế và áp dụng kỹthuật phù hợp tạo nên các compozit sinh học thân thiện với môi trường s ẽ đem lại

sức hấp dẫn với thị trườ và mở ra một ngành công nghiệp mới phù hợp với nhu ng

c u r ng l n cầ ộ ớ ủa con người _ “công nghiệp xanh”

– d

ỞHoa Kỳ hàng năm có 10 11 triệu phương tiện vận tải hết hạn sử ụng, hệ

thống thu gom và thiết bị nghiền phục vụ cho kh ảng 96% các xe cũ và gần 25% o

trọng lượng của các xe ô tô này bao gồm chất dẻo, sợi, xốp, thuỷ tinh và cao su là chấ ải Phương án đơn giảt th n nhất để ử lý chúng là đem chon và vậ x t li u th i s ệ ả ẽphân huỷ nh ờ vi sinh vật, nhưng không phải ở đâu cũng áp dụ phương án này ng

Gần đây, các nghiên cứu đưa vào phần bên trong ô tô làm từ ựa polypropylene nhgia cường b ng s i th c v t và ph n bên ngoài s d ng nh a polyester không no gia ằ ợ ự ậ ầ ử ụ ựcường s i th c vậợ ự t Nhi u hãng s n xuề ả ất ô tô đang tìm kiếm v t li u có kh năng ậ ệ ảcách âm và giảm trọng lượng để ế ti t ki m nhiên li u vì nhi u nghiên cệ ệ ề ứu đã chỉ ra rằng 75% năng lượng tiêu tốn của ô tô liên quan trực tiếp đến trọng lượng của ô tô, điều này đòi hỏi các nhà s n xu t ti p t c đ i m i công ngh và t o ra các lo i ô tô ả ấ ế ụ ổ ớ ệ ạ ạ

nh , ẹ an toàn và giá thành hạ, trong khi đó, sợi thực vật có khả năng hấp thụ âm thanh tuy t v i và ch ng phá vệ ờ ố ỡ ố t t Trong s n xu t các chi ti t ô tô, so vả ấ ế ới compozit s i thu tinh, compozit s i thợ ỷ ợ ực vậ ảt gi m khối lượng c a chi ti t nên làm ủ ế

giảm tới 80% năng lượng cần thiết cho sản xuấ Để ảm trọng lượng ô tô, các nhà t gi

sản xuất đã giảm bớt thép hợp kim và thay thế ằng nhôm hợp kim, chất dẻo hoặc bcompozit Trong tương lai gần, chất dẻo và polyme compozit sẽ chiếm 15% trọng lượng ô tô và polyme compozit sinh h c là đề ử ứng đáng vì nó là loạ ậ ệọ c x i v t li u thân thiện môi trường[23,25]

Tre là m t lo i cây s n có trong các r ng nhiộ ạ ẵ ừ ệt đới, có khả năng tăng trưởng nhanh, dễ ồ tr ng và gần như không phải chăm sóc Việc nghiên c u chứ ế ạ t o v t liậ ệu polyme compozit trên cơ sở ốt tre đượ c c nhiều nước quan tâm X t phát tuấ ừ nh ng ữnhu c u thầ ực tế như: sự ạ c nh tranh của các nguồn nguyên li u, vệ ấn đề ự l a chọn nguồn nguyên liệu, khả năng tái sinh và vấn đề môi trường, độ ền và tính năng sử b

dụng của vật liệu chế ạo nên nội dung chủ ếu củ ề t y a đ tài này là : Nghiên cứ“ u ch ế

t ạ o vật liệu compozit sinh tọ c trên cơ s ở nhựa polyetylen gia cường bằng sợi tre dài đơn hướ ng”

CHƯƠNG 1

T NG QUAN V COMPOZIT SINH H C Ổ Ề Ọ TRÊN CƠ SỞ NH A N N Ự Ề

POLYPROPYLEN GIA CƯỜ NG B NG S I TRE Ằ Ợ

1.1 GI I THI U CHUNG V V Ớ Ệ Ề Ậ T LIỆ U COMPOZIT SINH H C Ọ

Trong giai đoạn hi n nay, xu t phát t nh ng vệ ấ ừ ữ ấn đề như: bảo v ệ môi trường, yêu c u phát triầ ển các sản ph m m i có ngu n gẩ ớ ồ ốc tự nhiên, nhu c u tiêu thầ ụ trong nước cũng như trên thế giới nên đã có nhiều công trình nghin c u khoa h c t p ứ ọ ậtrung vào lĩnh vực polyme compozit sinh h c Có ba vọ ấn đề chung cần đề ập đế c n là:

ngh ệgia công các sản phẩm từ ựa nhiệt dẻo để ản xuất ra các loại bao bì, hàng nh shóa tiêu dùng không ng ng phát tri n Cùng v i sừ ể ớ ự xuất hi n cệ ủa một khối lượng

lớn các loại sản phẩm chế ạo từ polyme là sự ồn tại một lượng không nhỏ ế ệu, t t ph li

ph thế ải sau sử ụng, ước tính 40 đến 50 triệu tấn/năm (toàn thế giới năm 2007) d

Nh ng v t li u này sau khi s dữ ậ ệ ử ụng đã thải ra môi trường hàng chục, hàng trăm năm, rất khó phân huỷ, gây ô nhiễm nặng nề Đã có m t vài phương án xử lý, nhưng hiệộ u

qu x ả ửlý không cao Khi chon lấp chúng thì một mặt là tốn diện tích, mặt khác còn gây ô nhi m nguễ ồn nước và đất Nếu đốt thì cũng rấ ốt t n kém và còn s n sinh ra ảmột lượng CO2 hoặc đioxin rất có hại cho con người và môi trường Nếu dùng phương pháp tái sinh thì sản ph m sau tái sinh có chẩ ất lượng không cao trong khi giá thành của chúng cũng không hề ấ th p[5, 22,26]

Th

và công ngh trên thệ ế ớ gi i là nghiên cứu chế ạ t o s n phả ẩm mới có tính chất ưu việt hơn và thân thiện môi trường Do đó, cần nghiên c u ch t o ra các v t li u polyme ứ ế ạ ậ ệphân h sinh h c và ng d ng chúng trong công nghiu ỷ ọ ứ ụ ệp và đờ ối s ng nhằm đáp ứng các nhu cầu và đòi hỏi trên

v

trên thế giới ngày một tăng do sức ép v bề ảo vệ môi trường Những nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Đức, Nhật, Thuỵ Điển, Hà Lan, … là

những nước đi đầu trong việc sử ụng polyme phân huỷ sinh họ ể d c đ thay thế ầ d n các polyme truy n th ng khó phân hu T i nhề ố ỷ ạ ững nước này, nhu c u sầ ử ụ d ng vật

liệu polyme sinh học chiếm 11 15% trong tổng số ựa nhiệt dẻo khó phân huỷ – nh

Xu hướng th gi i là s thay d n 30% các polyme khó phân hu ế ớ ẽ ầ ỷ vào năm 2010 và

tại Trung Quốc, chính phủ đã có những quyết sách mạnh mẽ ề ảo vệ môi trườ v b ng, quyết tâm xây dựng các thành phố “xanh”, sử ụng 100% bao bì túi đựng tự d phân huỷ[5]

Theo định nghĩa khái quát, compozit sinh học là loại vật liệu trong đó có

chứa ngu n nguyên li u có kh ồ ệ ả năng tái tạo là s i t nhiên, còn g i là s i sinh hợ ự ọ ợ ọc

Loại sợi này có thể phân huỷ trong những điều kiện xác định Còn nền cho compozit có thể đi từ nhựa có hay không có khả năng phân huỷ sinh h c hay phân ọ

hu ỷ trong môi trường

Vi c nghiên c u polyme phân hu sinh h c là m t trong nhệ ứ ỷ ọ ộ ững nhiệm v cụ ấp bách đặt ra ở nước ta M t s nghiên c u ban đầu thành công, đã tạộ ố ứ o ra công ngh ệ

chế ạ t o v t li u polyme phân hu sinh h c: Công ngh t o h t, công ngh ế ạậ ệ ỷ ọ ệ ạ ạ ệ ch t o màng m ng có khỏ ả năng tự phân huỷ Sản phẩm dưới dạng màng ph nông nghiủ ệp

và bầu ươm cây giống đã được chế ạ t o v i sớ ố lượng lớn và đã ứng d ng trong nông ụnghi p cệ ho kết qu t t ả ố

+ Trong lĩnh vực nông nghi p: ệ

Màng mỏng polyme tự phân huỷ dùng để che phủ ống lạc, ngô, đậtương … có tác dụng gi m, gi nhiữ ẩ ữ ệt cho đất, ngăn chặn c d i, tr sâu b nh, ỏ ạ ừ ệchống sói mòn, lưu giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất … T ng di n tích trồng cây ổ ệhoa màu của cả nướ ớc tính đạc ư t 300 000 ha, chủ ế ở y u các tỉnh Hòa Bình, Thái Nguyên, Bắc Kạn, Ngh An, Thanh Hoá Nhu cệ ầu về màng ph nông nghiủ ệp kho ng 60 000 t n/2 v ả ấ ụ

+ Trong lĩnh vực công nghi p: ệ

Một số cây công nghiệp như: Bông, café, chè, thuốc lá … rất cần được che

ph ủtrong thời gian sinh trưởng của chúng Phần lớn cây công nghiệp thích nghi với vùng đồi như: Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hà Giang, Đắc L c, Ninh Thu n, Gia ắ ậLai, Kon Tum Đây là những nơi cần gi ữ nước, gi m cho cây tr ng, nhữ ẩ ồ ững nơi

cần chống sói mòn, cần giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất Tổng diện tích riêng 4

loại cây công nghiệp trên ước tính là 420 000 ha, có nhu cầu cỡ 40 000 tấn màng

phủ/ 1năm Đó là chưa kể ố lượ s ng diện tích trồng rừng trong chương trình 5 triệu

ha rừng của nhà nước Điều đó cho thấy là nhu cầu về màng mỏng che phủ ữ ẩ gi m cho cây công nghi p là r t l n ệ ấ ớ

+ Trong đờ ối s ng hàng ngày:

Ngành nhựa nước ta hiện nay đang gia công các đồ dùng b ng nh a nhi t ằ ự ệ

dẻo với số lượng năm 2007 là 1 800 000 tấn, trong đó công nghiệp chế ạo bao bì tcác loại chiếm 30% tương đương 540 000 tấn N u t m tính thay th 30% bao bì ế ạ ế

b ng v t li u polyme t phân hu chúng ta ph i c n c 162 000 t n nhằ ậ ệ ự ỷ ả ầ ỡ ấ ựa tự ỷ ỗi hu mnăm

Như vậy, riêng 3 lĩnh vực chính, hàng năm nhu cầu về nhựa và màng mỏng

t phân hu ự ỷ là 260 000 đến 280 000 tấn/năm

Để chế ạo compozit sinh học bền vững, cùng với việc sử ụng polyme sinh học thương mại như xenlulo axetat, chất dẻo tinh bột, polyester vi khuẩn và polylactic axit, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát tri n polyme sinh hể ọc từ protein đậu nành và d u th o m c thông qua công ngh i m i ầ ả ộ ệ đổ ớ

Sức hấp dẫn đáng kể ủa sợi sinh học là giá thành thấp Không dùng dung cmôi hữu cơ khi xửlý bề ặt mà dùng các phương pháp phủ keo tan trong nướ m c, xử

lý ki m về à xử lý bằng silan để ế bi n tính b mề ặt sợi

Tính chất cơ họ ủc c a m t s ộ ố compozit gia cường b ng s i th c vằ ợ ự ật được trình b y b ng 1 ả ở ả

B ng 1: Tính ch ả ất cơ họ c củ a m ộ t số compozit gia cường băng sợ ực vậ i th t

Compozit Hàm lượng

th tích ể(%)

Độ ề b n kéo (MPa)

Mođun kéo (MPa)

Độ ề b n

u n ố(MPa)

Mođun

u n ố(MPa)

Độ ề b n

va đập (kJ/m2) Dứa

d i/polyeste ạ 50 47,1 12 900 80,4 9 370 - Dứa

d i/CNSL ạ 50 24,5 8 810 - 16 150 - Dứa

1.2 V Ậ T LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜ NG S I TH C V T Ợ Ự Ậ

Nhiều thập niên qua, các nhà kho ọc đã quan tâm nghiên cứu các loại vật a h

liệu polyme gia cường sợi thực vật Chất gia cường cho vật liệu compozit thường là

s i ợ aramit, sợi cacbon và sợi thuỷ tinh Vật liệu compozit loại này được ứng dụng làm n i th t máy bay, công nghi p ô tô, xây d ng và các thiộ ấ ệ ừ ết bị ể thao đòi hỏ th i có

độ ề b n cao Hi n nay, v t liệ ậ ệu compozit gia cường s i th c v t là mợ ự ậ ột hướng nghiên

cứu đang được quan tâm chú trọng vì về khía cạnh sinh thái học như khả năng tái

tạo và sản phẩm thân thiện với môi trường đang được chính phủ nhiều nước quan tâm và xúc ti n v i nhi u d án l n ế ớ ề ự ớ

Xu hướng hiện nay là sử ụng compozit sợi thực vật thay thế ật liệu

compozit sợi thuỷ tinh trong các ứng dụng được lựa chọn Ngoài ra, các chi tiết ô tô

trước đây làm bằng compozit s i thu ợ ỷ tinh nay đã được s n xu t b ng v t li u ả ấ ằ ậ ệcompozit s i thợ ực vật ít ảnh hưởng tới môi trường[18,19,22]

Hạn chế ủ c a sợi thực vật là hấp thụ ẩm cao, có thể làm cho sợi trương và không thể ả b o đảm độ ổ ịn đ nh kích thước c a compozit Có thể giảm độủ hút nư c của sợi thực ớ

vậ ằt b ng cách tăng cường khả năng bao bọc sợi của polyme hay axetyl hóa một số nhóm hydroxyl trong sợi Sử dụng chất trợ tương hợp để tăng độ bám dính giữa sợi và nền polyme cũng làm giảm t c độ và lượng nước do compozit hấp thụ ố

Mặc dù tính chất cơ học của sợi tự nhiên th p hơn sợấ i thu tinh, các đặc trưng ỷ

của chúng đặc biệt là độ ền kéo có thể so với giá trị cao nhất của sợ b i thu tinh ỷnhưng chúng nhẹ hơn s i thu tinh kho ng 50% và giá thành thợ ỷ ả ấp hơn nhiều so v i ớ

sợi thuỷ tinh Do vậy, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật đang được sử ụ d ng ngày càng nhi u trong các ngành công nghi p Lo i v t li u này có khề ệ ạ ậ ệ ối lượng riêng

thấp, độ ền va đậ b p cao, hấp thụ âm thanh tốt và đang được một số công ty trên thế

gi i s d ng ớ ử ụ

* Ứ ng dụng củ ậ ệu compozit gia cườ a v t li ng s i th ợ ự c vậ t

Với ưu điểm so với sợi thuỷ tinh như độ ền riêng cao, giá thành thấp, nguồn bnguyên liệu dồi dào và có khả năng phân huỷ sinh h c trong nhọ ững điều ki n xác ệ

định V t liậ ệu compozit gia cường s i th c vợ ự ật còn được bi t đế ến như là vật li u ệcompozit xanh do nó thân thi n vệ ới môi trường

Vật liệu compozit có nền polyme nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo gia cường bằng

sợi thực vật được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp trên thế ớ gi i Chúng được ch tế ạo dướ ại d ng v i, t m, mat… tu thuả ấ ỳ ộc vào lĩnh vự ử ục s d ng

Vật liệ compozit gia cường sợi thực vật chủ ếu có ứng dụng trong các lĩnh u yvực như[22,23,25,27]:

Hi n nay, trong ngành công nghi p ô tô, v t liệ ệ ậ ệu compozit gia cường sợ ực i th

vật được xem là giải pháp nhằm thay thế cho một số ật liệu truyền thống với mục vđích giảm trọng lượng xe là m t trong nh ng gi i pháp gi m m c đ tiêu th ộ ữ ả ả ứ ộ ụ năng lượng[22]

1.3 V T LI Ậ ỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NH Ự A POLYPROP YLEN GIA CƯỜ NG S I TRE Ợ

vào khoảng 0,90 đến 0,92 g/cm2 Phân t ng c a polypropylen n m trong ử lượ ủ ằ

kho ng 80.000 – ả 200.000, độ ế k t tinh vào kho n 70%, không màu, bán trong ả

Nhưng trong quá trình gia công có thể ạ t o ra nhiều pha vô định hình và giúp cho s n ả

ph m trong suẩ ốt như màng BOPP

Polypropylen không mùi, không vị, không độc, có độ bóng cao, tính bám dính kém, có kh ả năng gia công bằng các phương pháp gia công thông thường dùng cho ch t d Polypropylen có tính kháng nhi t tấ ẻo ệ ốt hơn polyetylen, đồng th i tính ờcách điện và tính ch t hóa hấ ọc cũng tốt hơn

Dưới tác d ng c a t i tr ng cho phép và v i nhiụ ủ ả ọ ớ ệt độ ầ g n 1200C PP có thể

gi ữ được từ 60 đến 80 ngày mà không bị phá hủy PP rất nhạy với một số kim loại như đồng, mangan ho c các h p kim có ch a nh ng kim loặ ợ ứ ữ ại đó khi làm việ ởc

nhiệt độ cao Khi tiếp xúc với các kim loại này hoặc có lẫn vẩn của chúng, độ ền bnhiệt của PP sẽ ị ảnh hưởng lớn Cho nên trong thực tế ất hạn chế để cho PP tiếp b r xúc v i các kim lo i trên khi ớ ạ ở nhiệt độ cao Nh a PP có thể ịự ch u được nhiệt độ kh ửtrùng r t t t ấ ố

B ng 2: Tính ch t nhi t c a PP ả ấ ệ ủ

Nhi t dung 20ệ ở 0C, kcal/kg.0C 0,4 – 0,45

H s truy n nhiệ ố ề ệt, kcal/m.h.0C 0,12 – 0,18

của ánh sang mặt trời (có thể trên 2 năm) Để chống sự đoản mạch do oxi hóa ta có

th ể dung đi(4-oxit phenyl)-sunfit và các chất chống oxi hóa khác ới liều lượng 1 v –

2%

* Độ ề b n hóa h c ọ :

Ở nhiệt độ bình thường, PP không hòa tan trong dung môi hữu cơ Nó chỉtrương nở trong các hidrocacbon thơm và các hidrocacbon clorua hóa, nhưng ởnhiệt độ cao hơn 800C, PP bắt đầu hòa tan trong hai lớp dung môi trên Độ ề b n với

các dung môi cũng phụ thu c vào mộ ức độ ế k t tinh c a polime Mủ ức độ ế k t tinh càng cao, khả năng hòa tan càng khó N u ngâm PP trong d u thế ầ ực vật cũng như dầu khoáng sau 30 ngày cũng không hấp th ụ được bao nhiêu

Khi tiếp xúc với các dung môi có cực, PP không bị giòn và tính chất của nó cũng không thay đổi trong su t th i gian dài ố ờ

Khi PP tiếp xúc v i dung d ch Hớ ị 2SO480% trong 30 ngày ở 200C và 7 ngày ở

900C, PP bắt đầu có màu sẫm tối, trở nên giòn và bị phân hủ Ởy nhiệt độ 200C, PP tương đố ổn định dưới i tác d ng c a HNOụ ủ 3 có nồng độ 50% Nhưng không ổn định tính chất khi tăng nồng độ lên đến 94% và khi đó chúng sẽ ị b phá hủ ởy 700C Với dung d ch NaOH 40%, PP sị ẽ ổn định tính chấ ởt 1100C T t cấ ả các lo i PP đ u ạ ềkhông thấm nước Tính chất cơ học của PP không ph thuụ ộc vào môi trường m ẩ

* Tính ch ất cơ họ c:

Tính chất cơ học c a polypropylene ph thu c vào phân t ng trung bình, ủ ụ ộ ử lượvào độ đồng đều và hàm lượng atatic N u gi m pha izotatic thì atatic s ế ả ẽ tăng và tính chất cơ học sẽ ả gi m Nếu tăng phân tử lượ ng thì tính ch t cơ hấ ọc cũng tăng lên

Ta có th thong qua ch s y MFI cể ỉ ốchả ủa PP đ xác địể nh phân t ng c a nó ử lượ ủ

i tác d ng c ng, PP b bi ng và có hi ng ch nh NDướ ụ ủa tải trọ ị ến dạ ện tượ ảy lạ ếu nhiệt độ tăng thì độ ề b n kéo của PP sẽ ảm Nế ở gi u 200C, độ ề b n c a PP là 55 – 60 ủN/mm2 thì 120ở 0C độ ề b n ch còn l i 8 9 N/mmỉ ạ – 2 Polypropylen là lo i v t liạ ậ ệu chấ ẻt d o có t tr ng th p nhỷ ọ ấ ất, nhưng độ ền kéo và độ ề b b n nhiệt thì PP vượt hơn

h n PE, PS và m t s PVC m m ẳ ộ ố ề

Tính chất cách điện và bền với nước của PP gần với các loại PE Nhược điểm c a PP là ch u nhiủ ị ệt độ ấ th p kém (t -ừ 5 đến -150C)

* Ứ ng d ng c a polypropylen ụ ủ

PP là loạ ậ ệi v t li u nhi t dệ ẻo được dùng nhiều trong các lĩnh vực công nghi p ệ

và dân dụng polypropylen được gia công bằng các phương pháp như đúc phun, các

loại công nghệ đùn, tạo hình dưới chân không và các phương pháp khác Nguyên

liệu PP thường được chế ạo dướ ạ t i d ng h tạ PP tương đối khó tán nhưng lạ ễi d hàn

ph t o

PP có thể ối hợp với các loại cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp để ạ

ra v t liậ ệu có đặc tính khác nhau, đó là các polyblen của PP, chúng có nhi u tính ềnăng vật lý vượt trội hơn hẳn PP thuần nhất và thường được dùng trong các sản

phẩm đặc bi t ệ

Polypropylen có trọng lượng phân t ử cao, được s dử ụng để ả s n xu t ra các ấloại sản phẩm ống, màng, dây cách điện, kéo sợi và các sản phẩm tạo hình khác

Việc ứng dụng PP phụ thu c vào b n ch t cộ ả ấ ủa chúng

- Loại thông thường dùng để ả s n xuất các loại vậ ụng thông thườt d ng

- Loại trùng hợp khối sản xuất các vật dụng chất lượng cao, các chi tiết công nghiệp, các loại van, v ỏ acquy, điện gia d ng… ụ

- Loại tính năng cơ lý cao dùng để ả s n xuất vật dụng chất lượng cao, chi tiết công nghiệp, điện gia d ng… ụ

- Loại đặc biệt chuyên dùng cho chi tiết sản phẩm công nghiệp, chi tiết trong xe

máy, ô tô, điện gia dụng, điệ ử ộn t , h p th c ph m, bàn gh và các s n ph m có kích ự ẩ ế ả ẩthướ ớc l n khác…

- Loại trong (nhiều pha vô định hình) dùng cho bao bì y tế, bao bì thực phẩm, xylanh tiêm, kệ video, sản phẩm loạ ặi đ c bi t cho thệ ực phẩm, không mùi và có độ bóng

bề mặt cao

- PP có độn s i th y tinh là lo i v t li u m i dùng trong công nghi p Nh ng chi tiợ ủ ạ ậ ệ ớ ệ ữ ết làm b ng v t li u PP có kho ng 30% sằ ậ ệ ả ợi vụn th y tinh gia công b ng ép phun sủ ằ ẽlàm vi c lâu dài khi có tác d ng c a nhiệ ụ ủ ệt độ và t i tr ng V t liả ọ ậ ệu này cũng làm tăng thêm độ ổn định kích thước khi làm việc, tăng độ ề b n kéo và có th gia công ể

nh ng chi tiữ ết có độphức tạ ềp v hình dáng bằng phương pháp ép phun

Công nghệ đúc phun nhựa PP được dùng để ế ạ ch t o ra các s n ph m d ng ả ẩ ạ

kh i V t liố ậ ệu dùng trên máy đúc phun có chỉ ố s y t 2 – chả ừ 60g/10 phút

Loại thông thường (homopolyme PP) có chỉ ố ảy từ s ch 8 – 28 dùng để ả s n

xuất các sản phẩm gia d ng ụ

Loại block copolyme có chỉ ố chảy từ s 2 – 35 dùng để ả s n xuất các sản phẩm

có tính năng kỹ thu t cao, s n ph m công nghiệậ ả ẩ p (ph tùng công nghi p), s n ph m ụ ệ ả ẩ

điện tử, điện gia dụng, ngăn đá, ngăn làm đông trong t l nh, phim l c bủ ạ ọ i trong ụmáy điều hòa, đồ dùng gia đình có tính năng kỹ thu t cao ậ

Loại cường độ cơ lý cao (high impact) có chỉ ố s chảy từ 4 – 60 Chỉ ố chảy s cao chủ ế y u dùng cho các s n ph m thành m ng trong các ph tùng công nghi p, ả ẩ ỏ ụ ệdùng trong điều kiện nhiệt độ ấ th p (van công nghiệp), hoặc dùng trong điều kiện nhiệt độ cao Loại đặc biệt có chỉ ố chảy từ s 8 – 55 thường dùng cho sản phẩm kỹthuật điện thông thường, ph tùng công nghi p, n i th t cao c p ụ ệ ộ ấ ấ

Độ trong (transparency) có chỉ ố chảy từ 50, dùng để làm hộp đự

th c ph m d ng c y t … ự ẩ ụ ụ ế

Công ngh ệ đùn nhựa PP sẽ được chia làm:

- Công ngh thệ ổi để ả s n xu t ra chai trong và chai l cho ngành y t ấ ọ ế

- Công nghệ ạo sợi đơn dùng cho bao d t ệt các loại, bao container, lưới đánh cả, lưới

băng chuyền, lưới tennis, th m tr i… ả ả

- Công ngh t m dùng làm các tệ ấ ấm đồ dùng văn phòng…

- Công nghệ ốp tạo ra các loại xốp có lỗ x tròn làm phụ tùng trong xe ô tô, làm bao

bì đóng gói trong các loạ ội h p

- Công nghệ ạo màng tạo ra màng nhiều lớp có độ t trong cao Đặc biệt là màng BOPP và BOPP tráng kim lo i ạ

1.3.2 S i th ợ ự c vật gia cường

bĐóng vai trò chịu ứng suất tập trung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ ền của vật liệu Cấu trúc ban đầu, hàm lượng cốt, hình dạng kích thước cốt, tương tác

giữa cốt tăng cường và nhựa nền, độ ền mối liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến btính ch t cấ ủa vậ ệt li u polyme compozit và quyết định khả năng gia công của vậ ệu t li

S ự liên kết giữa cốt tăng cường và polyme được quyế ịt đnh bởi tính chất hoá học ban đầu của polyme và đặ trưng bề ặ ốc m t c t Liên k t b n khi xu t hi n gi a c t và ế ề ấ ệ ữ ố

n n nh ng liên k t hoá h ề ữ ế ọc

chiHàm lượng cốt tăng cường có thể ếm 40~60% khối lượng vật liệu hoặc hơn Chiều dài cốt và hàm lượng c t có ố ảnh hưởng r t l n t i tính ch t v t li u ấ ớ ớ ấ ậ ệcompozit

S nh ự đị hướng cốt sợi trong vật liệu compozit là một yếu tố ất quan trọ r ng trong thi t kế ế ậ v t li u compozit nhệ ằm đạt được nh ng tính chữ ất như mong muốn

Một số ứng dụng chỉ yêu cầu vật liệu có độ ền cao theo mộ b t hướng, số khác lại đòi hỏi vật liệu phải có độ ề b n cao theo nhiều hướng khác nhau M t trong nhộ ững ưu điểm n i b t cổ ậ ủa compozit đó là với những phương pháp gia công thích hợp, b ng ằ

việc điều chỉnh hướng sợi cốt có thể điều chỉnh tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá

tr tị ối ưu theo một hướng hay nhiều hướng theo yêu c u ầ

Vật liệu polyme gia cường bằng sợi thực vật đã có lịch sử phát triển từ ất r

sớm, trước công nguyên, người Ai Cập đã biết trộn rơm dạ ới đất sét và đem phơi vkhô dùng làm v t li u xây dậ ệ ựng T ừ năm 1896 nó bắt đầu được sử ụ d ng làm ghế và thùng chứa nhiên liệu cho máy bay Đầu năm 1909, vật liệu compozit trên nền phenol; melamin-fomandehit đượ gia cườc ng b ng giằ ấy, xơ bông … là loại compozit cốt sợi thực vật đầu tiên đã được ứng dụng để ch tế ạo hàng loạt với số lượng l n các s n ph m d ng t m, ng dùng cho các thi t b ớ ả ẩ ạ ấ ố ế ị điện Tuy nhiên sau đó

với sự phát triển nhanh chóng của ngành nhựa với ưu thế ề chất lượng và giá cả v ,

dẫn tới sự phát triển của vật liệu compozit gia cường bằng sợi thực vật gần như chững l i ạ ở các nước Tây Âu[5]

dTrong những năm gần đây, việc sử ụng sợi tự nhiên trong vật liệu polyme compozit ngày càng được quan tâm Đặc điểm n i b t c a s i t ổ ậ ủ ợ ự nhiên là khả năng tái t o, phân huạ ỷ được trong những điều kiện môi trường xác định và cháy hoàn toàn nên không gây tắc lò đốt như các compozit s i thuợ ỷ tinh[8] M t sộ ố ậ v t liệu compozit gia cường bằng s i tự nhiên đã được nghiên cứu trên thế giới được trình bày ợtrong bảng 3 [13]

B ng 3: M t s lo i v t li ả ộ ố ạ ậ ệu compozit gia cườ ng b ng s i th ằ ợ ự c vậ t

B t g , s i g ộ ỗ ợ ỗ PE, PP, PVC, PS, PU

S i t ợ ừ cuống lá chu i ố Epoxy

S i dợ ứa dại PE, cao su t nhiên ự

 Ưu điểm khi s d ng s i th c v tử ụ ợ ự ậ [23]

Sợi thực vật ngày càng được các nhà khoa hoc nghiên cứu và ứng dựng khá

r ng rãi vì nh ng lý do sau: ộ ữ

- Sợi được chế ạo từ các nguồn thực vật là vật liệu thân thiện với môi trườ t ng:

Là ngu n nguyên li u có thồ ệ ể tái chế, có khả năng phân hủy sinh c sau khi hhọ ết thời gian s d ng, tiêu th ử ụ ụ năng lượng th p (giấ ảm lượng khí th i COả 2)

- Là nguồn nguyên liệu sãn có trong t nhiên và phong phú ự

- Chi phí cho nguyên liệu đầu không cao

- An toàn cho ngườ ử ụi s d ng

 Nhược điểm c a s i th c v t ủ ợ ự ậ

- Không như sợi tổng hợp ( như sợi thủy tinh, sợi armid, sợi cacbon) có một

ph m vi tính chạ ất xác định, các s i thợ ực vật có tính chất thay đổi trong ph m vi r ng ạ ộtùy thu c vào khí h u, th ộ ậ ổ nhưỡng gi ng cây ố

- Tính chất hóa lý của sợi cũng tác động bởi phương pháp tách sợi, do hàm lượng các t p ch t trong s i v n còn khá lạ ấ ợ ẫ ớn nên độ bám dính c a s i v i nh a n n ủ ợ ớ ự ềkém, độ ề b n c a s i có gi i h n ủ ợ ớ ạ

thực vật cũng là vậ ệt li u compozit

Điều kiện khí hậ , năm tuổi và quá trình ngâm, xử lý có ảnh hưởng tới cấtrúc và thành ph n hoá hầ ọc của sợi thực vật Ngoài các c u t trình bày ấ ử ở ả b ng 4 trong sợi thực vật còn có sáp và các h p chợ ất tan trong nước

B ng 4: Thành ph n hoá h ả ầ ọ c của mộ ố ại sợ ực vậ t s lo i th t[23]

STT Lo i s i ạ ợ Xenlulo Hemixenlulo Lignin Pectin

Chi u dài ề(mm) T l l/d ỷ ệ

Góc vi

s i ợ( ) θ

T trỷ ọng đổ(kg/m3)

Độ ẩ m còn l i ạ(%)

Thành t bào s i bế ợ ắt đầu từ ớp ngoài cùng, đó là thành thứ l nhất và là lớp

bi u bì Thành th ể ứhai chưa 3 lớp S1, S2 và S3, l p này liên k t thành th hai v i lõi ớ ế ứ ớ(hình 1) Lớp S1 liền kề ới thành thứ ất và có khả năng chống lại môi trườ v nh ng làm trương như nước, axit axetic cũng giống như lớp thành th nh t Cách s p x p ứ ấ ắ ếcấu trúc sợi trong lớp đó gần như vuông với trục sợi nên làm ổn định sợi đối với lực bên c nh ạ

Lớp S2 bao gồm bó sợi của thành thứ hai dễ dàng bị làm vơ thành các sợi tế

vi, nh ng sữ ợi tế vi này s p xắ ếp theo đường xoắ ốc có khuynh hướn ng t o thành mạ ột góc v i trớ ục của sợi và quyết định tính ch t kéo Trong cotton, các s i tấ ợ ế vi l p S3 ở ớ

có khuynh hướng n m ngang nhiằ ều hơn đố ới v i tr c c a s i so v i s i trong S2 Nói ụ ủ ợ ớ ợchung các v t liậ ệu sợi là đối tượng cho các bi n d ng kéo, nén, u n, xo n, cế ạ ố ắ ắt và

chịu mài mòn ch ng nào còn trong cây hay ng d ng trong thừ ở ứ ụ ực tế

Các tính chất vật lý như hình thái học, tính đồng đều hay không đồng đều theo d c và ngang tr c chính cọ ụ ủa sợi, độ ế k t bó tinh thể, hàm lượng vô định hình và thành ph n hoá h c, t t cầ ọ ấ ả đề ảnh hưở u ng t i tính chớ ất cơ học c a s i ủ ợ Như đã đề

cập đế ởn trên, s i thợ ực vật là compozit với sợi tế vi là xenlulo là chất gia cường của lignin và hemixenlulo Tính chất cơ họ ủc c a m t s s i th c vộ ố ợ ự ật được trình bày ở

Trong đó: E1: Mođun có hiệ ựu l c c a s i ủ ợ

Ec, Enc: Mođun đàn hồi của vùng tinh thể và vùng không tinh thể

Vc, Vnc: Phần thể tích của vùng tinh thể và không tinh thể

: Góc c vi

θ ủa sợi đơn tế

Hình 1: Sơ đồ ấu trúc đơn giả c n hoá c a thành t ủ ế bào đơn thể ệ hi n sự

định hướ ng c a các s i t vi trong m i l p c a thành chính ủ ợ ế ỗ ớ ủ

Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và sự tăng dân số thì nhu cầu

v g ề ỗ và các sản phẩm dạng gỗ ẽ còn tiếp tục gia tăng trong tương lai Với nguồn s

tre nứa rẻ, phát tri n nhanh cùng v i nh ng tính ch t vể ớ ữ ấ ật lý và cơ học tuy t v i so ệ ờ

với các loại sợ ựi t nhiên khác thì tre n a có tiứ ềm năng rấ ớt l n

1.3.3 S i tre ợ

Tre là loài thực vật phát triển với tố ộc đ ất nhanh 20 cm/ngày Không giố

g phỗ ải mất nhiều năm trưởng thành mới đem vào sử ụng được, tre chỉ ần sau 4 d cnăm phát triển là có th ể đem vào sử ụng đượ d c

Hình 2: Hình nh c ả ủ a cụ m tre

trTre có độ bên riêng rất lớn, nhất là theo chiêu dọc của sợi và tỷ ọng nhỏnên được g i là “s i th y tinh t nhiên” ọ ợ ủ ự

Theo thống kê trên thế ới, họ tre có khoảng 1200 loài, 70 chi phân bố chủ gi

y u ế ở 3 vùng: Châu Á Thái Bình Dương, Châu Mỹ và Châu Phi

Việt Nam có khí hậu nóng ẩm nhiệt đới gió mùa thuận lợi cho tre nứa thuộc

loại Hoà Thảo (Gramineae), họ ụ tre nứa (bambusaceae) phát triển, đã thống kê ph được 23 chi v i 121 loài Trong t ng di n tích r ng 9,5 tri u ha thì tre n a chi m ớ ổ ệ ừ ệ ứ ế12,2%

Những loại tre nứa chủ ế ở ệt Nam là Mai, Vầu, Luồng, Diễn, Bương, y u Vi

Nứa, Giang (ở Miền Bắc) và Le, Lồ ô, Mum, Nứa (ở Miền Nam) Khoảng vài năm

gần đây, Việt Nam đã nhập loài tre Bát độ, Lục trúc và Tạp giao từ Đài Loan và Trung Quốc lục địa vào trồng để ấ măng l y

1.3.3.1 Cấu trúc của sợi tre

Tre là một loại lignoxenlulo compozit tự nhiên trong đó các sợi xenlulo được bao b c b i nọ ở ền lignin Độ ứ c ng c a tre ph thu c ch y u vào s ủ ụ ộ ủ ế ố lượng bó

s i và ki u phân b cợ ể ố ủa chúng Hàm lượng sợi tăng từ ốc đế g n ng n ọ

Hình 3: S i tre ợ

Cấu trúc của tre có ảnh hưởng lớn tới tính chất cơ học và hoá học của tre Có

th ểmô tả như sau: Cây tre được chia thành các gióng bởi các màng ngăn hoặc mấu,

lớp ngoài cùng của cây là lớp biểu bì, gồm nhiều tế bào biểu bì_ là lớp kín nước bảo

v ệ cho cây không bị ất nước cũng như bị ấ ẩm Lớp trong cùng của cây là m th m màng m ng nhu mô, không có các bó mỏ ạch như lớp ngoài cùng L p gi a bao gớ ữ ồm nhi u bó mề ạch được bao xung quanh b i nhu mô ở

Mặt cắt của cây được trình bày như trên hình 1.5 cho thấy những bó ợi phần màu đen tập trung nhi u phề ở ần ngoài hơn ở ầ g n ph n lõi Vì v y tính ch t cơ học ầ ậ ấ

của tre giảm khá lớn từ ngoài vào trong Nếu mẫu tre nứa có mật độ bó sợi càng lớn thì m u càng b n và cẫ ề ứng hơn

Hình 4 M t c t ngang c a tre ặ ắ ủ [ ]10

10 – 18 m

Bó sợi bao gồm nhiều sợi đơn với đường kính trung bình từ µ

Nh ng sữ ợi đơn này lại bao gồm những sợi cực nhỏ xenlulo chạy dọc theo chiều dài

của sợi đơn Sợi đơn cũng có cấu tạo khá phức tạp, được tạo thành bởi một lớp sơ

cấp mỏng bao quanh một lớp thứ ấp dày hơn Trong lớp thứ ấp này, các sợi cực c c

nh ỏxenlulo cuốn theo ểu xoắ ốc xung quanh sợi đơn Góc giữa trục của sợi đơn ki n

với các sợi nhỏ được gọi là góc sợi, từ 2 – 100 B n thân sả ợi tre cũng là vật li u gia ệcường b ng sằ ợi xenlulo, do đó, góc sợi và hàm lượng xenlulo quy t đ nh tính ch t ế ị ấ

cơ học c a s i ủ ợ

1.3.3.2 Thành phần hoá học của tre

ng Thành phần chính của tre là xenlulo, hemixenlulo và lignin chiếm khoảhơn 90% tổng s thành ph n hoá h c Ngoài nh ng thành chính trên, trong tre còn ố ầ ọ ữchưa một lượng nh các thành phỏ ần khác như: protit, nhựa, sáp, các chấ ạt t o màu Thành ph n hoá h c (b ng 7) ph thu c nhiầ ọ ả ụ ộ ều vào điều ki n sinh hoá th ệ ổ nhưỡng

Phần tan trong nước nóng

Phần tan trong nước lạnh

* Xenlulo:

Xenlulo (C6H10O5)nlà một cacbohyđrat, là thành phần chính của các loài

thực vật Trong tre xenlulo chiếm khoảng 40 – 60 %

o thành t n là các Xenlulo được tạ ừcác mắt xích cơ bả

anhydro-D-gluco-pyrano Các mắt xích cơ bản liên k t v i nhau qua liên k t 1,4- -glucozit Trung ế ớ ế βbình m i phân t xenlulo có ch a 3000 mỗ ử ứ ắt xích cơ bản

Do trong phân tử có chứa các nhóm hyđroxyl phân cực mạnh nên m ch phân ạ

t ửxenlulo có tính bấ ốt đ i xứng cao Các nhóm hyđroxyl này hình thành các lien kết hiđro nội phân t và ngoạử i phân t (hình 5ử ) Do đó, tấ ảt c các s i xenlulo t nhiên ợ ự

đều mang b n chả ất ưa nước cao

Trong tinh thể xenlulo, các liên kết hydro n i phân t và liên k t hydro giộ ử ế ữa các bó sợi giúp cho mạng lưới phẳng và theo đó gia tăng số lượ ng nhóm k ỵ nước

Xenlulo có c u trúc g m nh g ph n tinh thấ ồ ữn ầ ể định hướng cao và nh ng phữ ần

vô định hình Tính ch t cơ họ ủấ c c a ph n tinh th ầ ể cao hơn phần vô định hình Ranh

giới giữa các phần này không rõ ràng Vi sợi xenlulo là tập hợp các mạch phân tửxenlulo s p x p song song v i trắ ế ớ ục của vi s i, c u trúc này t o cho vi s i có tính ợ ấ ạ ợ

chất cơ họ ạ ầ ớc đ t g n t i gi i h n lý thuy t c a các tinh th ớ ạ ế ủ ể xenlulo lý tưởng [11], đường kính c a các vi s i kho ng 4nm ủ ợ ả

Các hình thái c u trúc c a xenlulo bao g m: ấ ủ ồ

• Xenlulo I (Iαvà Iβ): Đây là tinh thể ự t nhiên có c u trúc g m các s i song ấ ồ ợsong và không có liên k t hydro giế ữa các bề ặ ề ề m t li n k

• Xenlulo II: Là tinh thể có c u trúc nhiấ ệt động b n về ững hơn bao gồm các s i ợ

đối song song và có liên k t hydro gi a các b m t li n k ế ữ ề ặ ề ề

• Xenlulo III: Là cấu trúc vô định hình thu được sau khi s lý b ng các h p ử ằ ợchất amin t c u trúc xenlulo I ho c xenlulo II ừ ấ ặ

• Xenlulo IV: là cấu trúc vô định hình thu được sau khi s lý nhiử ở ệt độ cao

v i glycerol t ớ ừxenlulo III

S ự liên kết giữa các vi sợi có được là nhờ thành phần pectin và hemixenlulo

nằm xen kẽ ới nó trong s v ợi đơn (hay macrofibril) Hai thành phần pectin và hemixenlulo có vai trò như một ch t k t dính gi a các vi s i Liên k t hydro gi a ấ ế ữ ợ ế ữcác nhóm hydroxyl g n k trong các mầ ề ạch xenlulo đã tạo nên sự ề b n v ng cho các ữ

vi sợi Vậ đểy tách vi s i c n có s hòa tan và hợ ầ ự ủy phân các chất liên k t (pectin và ếhemixenlulo) b ng cách x lý hóa hằ ử ọc và cơ học kế ợt h p

* Tính ch t hoá h ấ ọ c củ a xenlulo[22]:

Xenlulo không mùi, không vị, ưa nước nhưng không tan trong nước và phần

lớn các dung môi ữu cơ khác, do có liên kết hydro nên hạn chế khả năng hoà tan h

của xenlulo, trong quá trình hoà tan, xenlulo bị trương nở ồi mới hoà tan Xenlulo r

là m t ch t thoái bi n Liên kộ ấ ế ết hydro giữa các mạch xenlulo t o thành các vi sạ ợi

với độ ền cơ họ b c r t cao nhiấ Ở ệt độ 320oC và áp su t là 25 MPa thì xenlulo bấ ịchuyển sang dạng vô định hình trong nước Xenlulo bị thủy phân bởi axit ở nhiệt độcao thành các đơn phân tử glucoza Liên k t Glucozit b phân hu ế ị ỷ dưới tác d ng c a ụ ủnhiệt độ và vi sinh v t ậ

* Hemixenlulo

Hemi-xenlulo là một trong số ững heteropolyme ( một dạng polysaccarit nh

mạng không gian ) có mặ ở trong thành của tế bào thực vật cùng với xenlulo t Trong khi xenlulo có c u trúc tinh th , r t b n và không bấ ể ấ ề ị thủy phân thì hemixenlulo l i có c u trúc ngạ ấ ẫu nhiên, vô định hình và r t d dàng b th y phân bấ ễ ị ủ ởi axit loãng và baz yơ ếu như enzim hemixelulolaza

V ề thành phần, hemixenlulo được cấu thành từ ất nhiều loại đường khác rnhau như: Glucoza, Xyloza, Manoza, Galactoza…trong khi xenlulo chỉ ấ c u thành t ừ

một loại đường duy nhất đó là 1,4 β Glucopyranozo Hemixenlulo bao gồm chủ-

-D-yếu là đường loại D pentoza và một lượng nhỏ đường loại L Xyloza luôn luôn có - mặt trong hemixenlulo với thành phần khối lượng lớn nhất Ngoài ra, trong thành

-phần của hemixenlulo cũng phải kể đến sự có mặt của axit mannuronic và axit galacturonic M t s thành ph n c a hemixenlulo có công thộ ố ầ ủ ức cấ ạ như sau:u t o

V mề ặt cấu trúc, khác với xenlulo, hemixenlulo ( cũng là một polysaccarit )

có m ch ngạ ắn hơn ( ừ 500 đết n 3000 phân tử đường so với 7000 đến 15000 phân tửglucoza trung bình trên m t m ch xenluloộ ạ ) Thêm vào đó, hemixenlulo là polyme

m ch nhánh trạ ong khi xenlulo mạch th ng ẳ

Hemixenlulo dễ dàng bị thủy phân cho đường pentoza có chứa 5 nguyên tử C: ( C5H10O4)n + nH2O n C→ 5H10O5

Ngoài ra có th t o ra mể ạ ột lượng nh ỏxyloza và arabinoza:

Pentoza Xyloza Arabibnoza

u Không giống như xenlulo, hemixenlulo có cấ trúc khác nhau với từng loại cây Dưới đây đưa ra ộm t công thức cấ ạ ủu t o c a hemixenlulo:

O

O O

Hình 8: C u t o c a lignin ấ ạ ủ

Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử ừ 4000 đế t n 10000

Độ trùng h p t 25-45 Liên k t gi a lignin và xenlulo là khá b n v ng ợ ừ ế ữ ề ữ

Trong lignin chứa nhiều nhóm chức như: nhóm hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, cacbonyl và nối đôi Lignin có thể tham gia các phản ứng đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và kh , phử ả ứn ng v i halogen, ớaxit nitric và ph n ng metyl hóa ả ứ

Ba dạng monomelignol cơ bản là:

M t ph n c a phân t polyme lignin có cộ ầ ủ ử ấu trúc như sau:

Hình 9: C u trúc c a phân t lignin ấ ủ ử

Vi s i xenlulo là tợ ập hợ ủa các mạp c ch dài xenlulo bán tinh thể, hệ ố s giãn

n nhiở ệt của chúng nhỏ ỡ c 1×10-7 ppm tương đương với hệ ố giãn nở s nhiệt của

th y tinh ủ

1.3.3.3 Tính chất cơ học của sợi tre

Tính chất cơ họ ủ ợc c a s i tre ph thu c vào nhi u y u t : giụ ộ ề ế ố ống loài, đất đai,

th ổ nhưỡng, khí hậu, tuổi, độ cao cây, độ ẩ điều kiện sau khi khai thác Độ ẩm m,