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 BẰNG SỢI TRE DÀI ĐƠN HƯỚNG Chuyên ngành: Khoa học 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 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131559921000000 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT 1.3 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE 10 1.3.1 Vật liệu polypropylen [21] 10 1.3.2 Sợi thực vật gia cường 14 1.3.3 Sợi tre 21 1.3.3.1 Cấu trúc sợi tre 22 1.3.3.2 Thành phần hoá học tre 23 1.3.3.3 Tính chất học sợi tre 28 1.3.3.4 Tính chất bề mặt sợi tre 29 1.4 TƯƠNG TÁC PHA NỀN - CỐT TĂNG CƯỜNG TRONG VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 30 CHƯƠNG 32 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ XỬ LÝ BỀ MẶT SỢI 32 2.1.1 Các phương pháp tách sợi 32 2.1.1.1 Phương pháp học 32 2.1.1.2 Phương pháp tách nổ nước.[15] 33 2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 34 2.2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất sợi 34 2.2.2.1 Phương pháp xác định độ phân bố sợi 34 2.2.2.2 Phương pháp xác định độ bền kéo sợi 34 2.2.3 Phương pháp xác định tính chất học vật liệu 35 2.2.3.1 Độ bền kéo compozit: 35 2.2.3.2 Độ bền uốn compozit: 36 2.2.3.3 Phương pháp xác định độ bền nén 37 2.2.3.4 Xác định độ bền va đập Charpy vật liệu compozit: 37 2.2.3.5 Xác định độ hấp thụ nước mơi trường hố chất compozit:38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39 3.1 KHẢO SÁT NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ ĐIỀU KIỆN GIA CÔNG VẬT LIỆU POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE 39 3.1.1 Xác định đường kính trung bình sợi 40 3.1.2 Xác định độ bền kéo sợi 42 3.1.3 Cấu trúc hình thái học loại sợi tre 43 3.1.4 Xác định độ hấp thụ ẩm sợi ảnh hưởng đến độ bền sợi 44 3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng việc xử lý tre đến khả bám dính với nhựa PP 45 3.1.6 Chế tạo vật liệu sở nhựa PP với sợi tre 46 3.3 Nghiên cứu chế tạo compozit Polypropylen cốt sợi tre (PP/BF) 48 3.3.1 Ảnh hưởng việc tạo Prepreg đến tính chất Compozit PP/BF 48 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian áp suất ép lên tính chất vật liệu 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 hàm lượng sợi đến độ hấp thụ nước PP/BF 51 3.4.2 Ảnh hưởng mơi trường hóa chất khác tới tính chất vật liệu PP/BF 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Nhân loại bước vào kỷ nguyên bùng nổ khoa học công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn ứng dụng rộng dãi công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, kinh tế đời sống xã hội v.v Một thành tựu đời phát triển vật liệu compozit Loại vật liệu có khả kết hợp tính chất mà vật liệu truyền thống riêng rẽ khơng có được, tạo cho có nhiều tính chất ưu việt như: bền, nhẹ có nhiều tính chất chun dụng, dễ gia cơng v.v Những vật liệu thay vật liệu truyền thống trước sắt, thép, gỗ để chế tạo chi tiết máy kết cấu, kể kết cấu chịu tải trọng lớn sản phẩm dân dụng v.v Tuy nhiên, vấn đề quan tâm hàng đầu ngành công nghiệp vấn đề môi trường Một sản phẩm sinh học từ nguyên liệu tái tạo có khả tái sinh phân huỷ sinh học bắt buộc (ổn định thời gian sống định phân huỷ tổ hợp điều kiện) có triển vọng thương mại không ảnh hưởng xấu đến môi trường gọi sản phẩm sinh học bền vững [5, 8] Các compozit sinh học (còn gọi compozit xanh) thường cấu tạo từ sợi thực vật chất dẻo sinh học từ nguồn nguyên liệu tái tạo Các chất dẻo từ nguồn nguyên liệu tái tạo khơng phân huỷ sinh học cịn phụ thuộc vào cấu trúc phản ứng đóng rắn q trình gia cơng So với nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo có khả tái sinh nên ảnh hưởng xấu tới môi trường Hơn nữa, sản phẩm sinh học nhận từ nguồn nguyên liệu tái tạo có khả cân đioxit cacbon Hầu hết polyme sinh học khó cạnh tranh kinh tế tình hình phát triển cơng nghiệp polyme sở hoá dầu chiếm ưu thế, vấn đề ô nhiễm môi trường sản phẩm dầu mỏ lại vấn đề nóng bỏng cần giải quyết, mặt khác, dầu mỏ tài ngun vơ tận Do đó, việc thiết kế áp dụng kỹ thuật phù hợp tạo nên compozit sinh học thân thiện với môi trường đem lại sức hấp dẫn với thị trường mở ngành công nghiệp phù hợp với nhu cầu rộng lớn người _ “công nghiệp xanh” Ở Hoa Kỳ hàng năm có 10 – 11 triệu phương tiện vận tải hết hạn sử dụng, hệ thống thu gom thiết bị nghiền phục vụ cho khoảng 96% xe cũ gần 25% trọng lượng xe ô tô bao gồm chất dẻo, sợi, xốp, thuỷ tinh cao su chất thải Phương án đơn giản để xử lý chúng đem chon vật liệu thải phân huỷ nhờ vi sinh vật, đâu áp dụng phương án Gần đây, nghiên cứu đưa vào phần bên ô tô làm từ nhựa polypropylene gia cường sợi thực vật phần bên sử dụng nhựa polyester không no gia cường sợi thực vật Nhiều hãng sản xuất tơ tìm kiếm vật liệu có khả cách âm giảm trọng lượng để tiết kiệm nhiên liệu nhiều nghiên cứu 75% lượng tiêu tốn ô tô liên quan trực tiếp đến trọng lượng ô tơ, điều địi hỏi nhà sản xuất tiếp tục đổi công nghệ tạo loại ô tô nhẹ, an toàn giá thành hạ, đó, sợi thực vật có khả hấp thụ âm tuyệt vời chống phá vỡ tốt Trong sản xuất chi tiết ô tô, so với compozit sợi thuỷ tinh, compozit sợi thực vật giảm khối lượng chi tiết nên làm giảm tới 80% lượng cần thiết cho sản xuất Để giảm trọng lượng ô tô, nhà sản xuất giảm bớt thép hợp kim thay nhôm hợp kim, chất dẻo compozit Trong tương lai gần, chất dẻo polyme compozit chiếm 15% trọng lượng ô tô polyme compozit sinh học đề cử xứng đáng loại vật liệu thân thiện môi trường[23,25] Tre loại sẵn có rừng nhiệt đới, có khả tăng trưởng nhanh, dễ trồng gần khơng phải chăm sóc Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit sở cốt tre nhiều nước quan tâm Xuất phát từ nhu cầu thực tế như: cạnh tranh nguồn nguyên liệu, vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu, khả tái sinh vấn đề môi trường, độ bền tính sử dụng vật liệu chế tạo nên nội dung chủ yếu đề tài : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sinh tọc sở nhựa polyetylen gia cường sợi tre dài đơn hướng” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC Trong giai đoạn nay, xuất phát từ vấn đề như: bảo vệ môi trường, yêu cầu phát triển sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, nhu cầu tiêu thụ nước giới nên có nhiều cơng trình nghin cứu khoa học tập trung vào lĩnh vực polyme compozit sinh học Có ba vấn đề chung cần đề cập đến là: Vấn đề mơi trường: Cơng nghiệp hố dầu phát triển mạnh, theo cơng nghệ gia cơng sản phẩm từ nhựa nhiệt dẻo để sản xuất loại bao bì, hàng hóa tiêu dùng khơng ngừng phát triển Cùng với xuất khối lượng lớn loại sản phẩm chế tạo từ polyme tồn lượng không nhỏ phế liệu, phế thải sau sử dụng, ước tính 40 đến 50 triệu tấn/năm (toàn giới năm 2007) Những vật liệu sau sử dụng thải môi trường hàng chục, hàng trăm năm, khó phân huỷ, gây ô nhiễm nặng nề Đã có vài phương án xử lý, hiệu xử lý không cao Khi chon lấp chúng mặt tốn diện tích, mặt khác cịn gây nhiễm nguồn nước đất Nếu đốt tốn cịn sản sinh lượng CO đioxin có hại cho người môi trường Nếu dùng phương pháp tái sinh sản phẩm sau tái sinh có chất lượng không cao giá thành chúng không thấp [5, 22,26] Vấn đề phát triển sản phẩm mới: Thực tế đặt đòi hỏi nhà khoa học công nghệ giới nghiên cứu chế tạo sản phẩm có tính chất ưu việt thân thiện môi trường Do đó, cần nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học ứng dụng chúng công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu đòi hỏi Vấn đề tiêu thụ: Ngày nay, nhu cầu vật liệu polyme phân huỷ sinh học giới ngày tăng sức ép bảo vệ mơi trường Những nước có công nghiệp phát triển Mỹ, Canada, Đức, Nhật, Thuỵ Điển, Hà Lan, … nước đầu việc sử dụng polyme phân huỷ sinh học để thay dần polyme truyền thống khó phân huỷ Tại nước này, nhu cầu sử dụng vật liệu polyme sinh học chiếm 11 – 15% tổng số nhựa nhiệt dẻo khó phân huỷ Xu hướng giới thay dần 30% polyme khó phân huỷ vào năm 2010 Trung Quốc, phủ có sách mạnh mẽ bảo vệ môi trường, tâm xây dựng thành phố “xanh”, sử dụng 100% bao bì túi đựng tự phân huỷ[5] Theo định nghĩa khái quát, compozit sinh học loại vật liệu có chứa nguồn nguyên liệu có khả tái tạo sợi tự nhiên, gọi sợi sinh học Loại sợi phân huỷ điều kiện xác định Cịn cho compozit từ nhựa có hay khơng có khả phân huỷ sinh học hay phân huỷ môi trường Việc nghiên cứu polyme phân huỷ sinh học nhiệm vụ cấp bách đặt nước ta Một số nghiên cứu ban đầu thành công, tạo công nghệ chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học: Công nghệ tạo hạt, công nghệ chế tạo màng mỏng có khả tự phân huỷ Sản phẩm dạng màng phủ nông nghiệp bầu ươm giống chế tạo với số lượng lớn ứng dụng nông nghiệp cho kết tốt + Trong lĩnh vực nông nghiệp: Màng mỏng polyme tự phân huỷ dùng để che phủ luống lạc, ngô, đậu tương … có tác dụng giữ ẩm, giữ nhiệt cho đất, ngăn chặn cỏ dại, trừ sâu bệnh, chống sói mịn, lưu giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất … Tổng diện tích trồng hoa màu nước ước tính đạt 300 000 ha, chủ yếu tỉnh Hịa Bình, Thái Ngun, Bắc Kạn, Nghệ An, Thanh Hố Nhu cầu màng phủ nơng nghiệp khoảng 60 000 tấn/2 vụ + Trong lĩnh vực công nghiệp: Một số công nghiệp như: Bông, café, chè, thuốc … cần che phủ thời gian sinh trưởng chúng Phần lớn công nghiệp thích nghi với vùng đồi như: Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hà Giang, Đắc Lắc, Ninh Thuận, Gia Lai, Kon Tum Đây nơi cần giữ nước, giữ ẩm cho trồng, nơi cần chống sói mịn, cần giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất Tổng diện tích riêng loại cơng nghiệp ước tính 420 000 ha, có nhu cầu cỡ 40 000 màng phủ/ 1năm Đó chưa kể số lượng diện tích trồng rừng chương trình triệu rừng nhà nước Điều cho thấy nhu cầu màng mỏng che phủ giữ ẩm cho công nghiệp lớn + Trong đời sống hàng ngày: Ngành nhựa nước ta gia công đồ dùng nhựa nhiệt dẻo với số lượng năm 2007 800 000 tấn, cơng nghiệp chế tạo bao bì loại chiếm 30% tương đương 540 000 Nếu tạm tính thay 30% bao bì vật liệu polyme tự phân huỷ phải cần cỡ 162 000 nhựa tự huỷ năm Như vậy, riêng lĩnh vực chính, hàng năm nhu cầu nhựa màng mỏng tự phân huỷ 260 000 đến 280 000 tấn/năm Để chế tạo compozit sinh học bền vững, với việc sử dụng polyme sinh học thương mại xenlulo axetat, chất dẻo tinh bột, polyester vi khuẩn polylactic axit, nhà khoa học nghiên cứu phát triển polyme sinh học từ protein đậu nành dầu thảo mộc thông qua công nghệ đổi Sức hấp dẫn đáng kể sợi sinh học giá thành thấp Không dùng dung môi hữu xử lý bề mặt mà dùng phương pháp phủ keo tan nước, xử lý kiềm xử lý silan để biến tính bề mặt sợi Tính chất học số compozit gia cường sợi thực vật trình bảy bảng Bảng 1: Tính chất học số compozit gia cường băng sợi thực vật Compozit Dứa dại/polyeste Hàm lượng Độ bền Mođun Độ bền Mođun Độ bền thể tích kéo kéo uốn uốn va đập (%) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (kJ/m2) 50 47,1 12 900 80,4 370 - 50 24,5 810 - 16 150 - 40 37 500 266 15 930 - 51 33,79 489 19 225 88 49 43,14 802 42 507 100 Dứa dại/CNSL Dứa dại/epoxy Vải cottonbơng gịn/CNSL Vải cottonbơng gịn/polyeste 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT Nhiều thập niên qua, nhà khoa học quan tâm nghiên cứu loại vật liệu polyme gia cường sợi thực vật Chất gia cường cho vật liệu compozit thường sợi aramit, sợi cacbon sợi thuỷ tinh Vật liệu compozit loại ứng dụng làm nội thất máy bay, công nghiệp ô tô, xây dừng thiết bị thể thao địi hỏi có độ bền cao Hiện nay, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật hướng nghiên cứu quan tâm trọng khía cạnh sinh thái học khả tái tạo sản phẩm thân thiện với mơi trường phủ nhiều nước quan tâm xúc tiến với nhiều dự án lớn Xu hướng sử dụng compozit sợi thực vật thay vật liệu compozit sợi thuỷ tinh ứng dụng lựa chọn Ngoài ra, chi tiết ô tô trước làm compozit sợi thuỷ tinh sản xuất vật liệu compozit sợi thực vật ảnh hưởng tới mơi trường[18,19,22] Hạn chế sợi thực vật hấp thụ ẩm cao, làm cho sợi trương khơng thể bảo đảm độ ổn định kích thước compozit Có thể giảm độ hút nước sợi thực vật cách tăng cường khả bao bọc sợi polyme hay axetyl hóa số nhóm hydroxyl sợi Sử dụng chất trợ tương hợp để tăng độ bám dính sợi polyme làm giảm tốc độ lượng nước compozit hấp thụ Mặc dù tính chất học sợi tự nhiên thấp sợi thuỷ tinh, đặc trưng chúng đặc biệt độ bền kéo so với giá trị cao sợi thuỷ tinh chúng nhẹ sợi thuỷ tinh khoảng 50% giá thành thấp nhiều so với sợi thuỷ tinh Do vậy, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật sử dụng ngày nhiều ngành công nghiệp Loại vật liệu có khối lượng riêng thấp, độ bền va đập cao, hấp thụ âm tốt số công ty giới sử dụng * Ứng dụng vật liệu compozit gia cường sợi thực vật Với ưu điểm so với sợi thuỷ tinh độ bền riêng cao, giá thành thấp, nguồn nguyên liệu dồi có khả phân huỷ sinh học điều kiện xác định Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật biết đến vật liệu compozit xanh thân thiện với mơi trường Vật liệu compozit có polyme nhiệt rắn nhiệt dẻo gia cường sợi thực vật ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp giới Chúng chế tạo dạng vải, tấm, mat… tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật chủ yếu có ứng dụng lĩnh vực [22,23,25,27]: - Làm vật liệu thay gỗ: mỏng, lát sàn nhà, panel, ván ghép … - Trong xây dựng: compozit dùng để lát sàn, panel, vách ngăn, cửa chính, cửa sổ … - Trong giao thông: thuyền bè, nội thất ô tô… - Đồ gia dụng: dụng cụ nhà bếp, đồ trang trí…