Nghiên ứu hế tạo vật liệu compozit trên ơ sở nhựa epoxy mạh vòng gia ường bằng sợi tre luồng

Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCNGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY MẠCH VÒNG GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE-LUỒNG Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCNGÀNH: CƠNG NGHỆ VẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY MẠCH VÒNG

NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HOÁ HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

V ật liệu polyme compozit gia cường ằng ợi cacbon hoặc b s thu ỷ tinh đã

và đang được ứng dụng ộng ãi r r trong c ng nghiệp ô do chúng có độ ền và bmođun cao Nhưng vật liệu compozit tr n nền nh nhiê ựa ệt rắn r ất khó và hầu

nh ư không tái sinh được R ác thải t vừ ật liệu compozit phần lớn được ch ôn mặc dù bản thân n khôó ng tự ph n huỷ được ở ưới đất Đốt â d là một phương pháp tái t nạo ăng lượng để ử lý mô x i trường Tuy nhi n, khi đốt vật liệu êpolyme compozit gia cường bằng ợi thuỷ tinh, sợi thu s ỷ tinh bị nóng chảy và

t ành ạo th khối làm t lòắc Còn sợi t nhiêự n do c khả ăó n ng cháy hoàn toànnên giải quy ết được ấn n v đề ày

Trong những năm gần đây, nguồn sợi t nhiêự n đã được ch ý ý đến do chúng phát triển r ất nhanh, c khả ăó n ng phân hu sinh h Trong đó, tre ch ỷ ọc ỉmất vài n m ă để phát triển và là nguồn t nhiê dự n ồi dào, phong phú â Á ở ch u

và miền nam châu Mỹ Ở Việt nam cũng vậy, tre có r nhiất ều chủng loại và mọc khắp nơi từ đồng ằng đến mi núi b ền trung du Tre c độ ền riêng lớn ó bnhất là theo chiều d sọc ợi và t ỉtrọng nh nên còn ỏ được ọi là “sợi thu g ỷ tinh tựnhiê Do n” đó ệc ứng d vi ụng ợi s tre ẽ đem lạis nhiều lợi nhuận Nhưng trên thực t vi s dế ệc ử ụng ợi tre làm vật liệu s gia cường ẫn còn g nhi v ặp ều khó

khăn như độ hút ẩm lớn, liên kết ợi nh khô s ựa ng được chặt chẽ và ph ụ thuộcnhiều vào tính chất b mề ặt sợi… Chính vì vậy chế tạo sợi, biến tính sợi và ứng ụng d làm thành phần gia cường cho vật liệu polyme compozit là những

hướng nghiên cứu đang được ác c nhà khoa học và công nghệ quan t m â Đề tài

đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre luồng.-

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

I.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

I.1.1 Lịch sử phát triển.

Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành nền văn minh của nhân loại [1] Nhưng việc chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) mới được thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây Mục đích chế tạo vật liệu PC là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu ban đầu không thể có được Như vậy, có thể chế tạo vật liệu compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu

Vật liệu PC là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là polyme Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác vật liệu PC được phân thành các loại [2]:

- Vật liệu có phụ gia phân tán

- Vật liệu được gia cường bằng sợi ngắn

- Vật liệu được gia cường bằng sợi liên tục

- Vật liệu độn khí hay xốp

- Vật liệu là hỗn hợp polyme polyme

Vật liệu PC nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là nền và chất gia cường, ngoài ra còn có một số ch khác như chất mầu, ph ất ụ gia chống dính, chất chống cháy

Đối với vật liệu PC, khả năng liên kết của các thành phần với nhau là rất quan trọng Vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết với nhau càng chặt chẽ

I.1.3.1 Nhựa nền.

Nhựa nền là pha liên tục, đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử gia

cường thành một khối compozit thống nhất, che phủ, bảo vệ tránh tác động của môi trường bên ngoài đồng thời truyền ứng suất lên chúng Không những thế, nhựa nền còn tạo khả năng để gia công vật liệu compozit thành các chi tiết theo thiết kế

Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà còn đến các đặc tính sử dụng của compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lượng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trường bên ngoài… Do vậy, nhựa nền cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được sự kết hợp về hoá học với vật liệu gia cường

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do co ngót thể tích

- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường được dùng để chế tạo vật liệu compozit theo ý muốn

- Bền môi trường ở các điều kiện sử dụng của vật liệu PC

- Giá thành phù hợp [2, 3]

Trên thực tế có rất nhiều hệ nhựa được dùng làm nền cho vật liệu compozit Chúng có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo

I.1.3.1.1 Nhựa nhiệt rắn

Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi un nóng (có đhoặc không có xúc tác) Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian khôngthuận nghịch nghĩa là không nóng chảy và không hoà tan Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo

Một số nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy…

a Nhựa phenolfomandehyt

Nhựa phenolfomandehyt (phenolic) là nhựa nhiệt rắn thuộc loại lâu đời nhất và được hình thành từ phản ứng trùng ngưng của phenol với fomandehyt Nhựa này có tính chống cháy rất tốt, tính dẫn nhiệt thấp và tính cách điện rất cao nên được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau Tuy nhiên, khả năng chịu bazơ không tốt Mức độ co ngót của nhựa phenolic khi đóng rắn khoảng 8÷10% [4]

b Nhựa polyeste không no.

Polyeste không no (PEKN) là một trong những loại polyme quan trọng nhất của vật liệu polyme compozit Nhựa này được biết đến từ những năm

1936 và được điều chế từ phản ứng este hoá các dicacboxylic axit không no với các diol thấp phân tử Ngay từ khi ra đời, nhựa PEKN đã có ứng dụng rộng rãi trong vật liệu PC có chất lượng trung bình bởi các đặc tính tốt như: khối lượng nhẹ, có khả năng đóng rắn ngay ở nhiệt độ thường nhưng có nhược điểm là độ co ngót lớn (4÷7% về thể tích) và khả năng chịu môi trường hoá chất không cao [4]

và chỉ trở thành nhiệt rắn sau khi đã xảy ra phản ứng khâu mạch với các chất đóng rắn chất đóng rắn ở đây có thể là amin mạch thẳng, amin thơm và các

anhydrit…Do đó, tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào việc

sử dụng loại chất đóng rắn nào Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hoá chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no Đặc biệt

độ co ngót của nhựa này rất nhỏ: 0,25÷2% [4, 5]

I.1.3.1.2 Nhựa nhiệt dẻo [5]

Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp

Ưu điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ 2… Nhược điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang được quan tâm nghiên cứu do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng Hiện tại chúng chưa được ứng dụng nhiều như nhựa nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn

Một số nhựa nhiệt dẻo thường được dùng làm nền cho compozit: polyetylen, polypropylen

I.1.3.2 Chất gia cường

Chất gia cường đóng vai trò chịu ứng suất tập chung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu Cấu trúc, hàm lượng, hình dáng và kích thước, tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng gia công của vật liệu Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất hoá học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường Liên kết bền được tạo thành khi giữa chất gia cường và nền polyme xuất hiện những liên kết hoá học hay lực bám dính [3]

Trong vật liệu compozit xét về mặt sắp xếp thì chất gia cường phân bố không liên tục Về mặt bản chất, chất gia cường có thể rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu compozit cần chế tạo Hình dáng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố c ủa chất gia cường là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của compozit [3].

c

Sự định hướng ủa sợi gia cường trong vật liệu compozit là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế vật liệu compozit nhằm đạt những tính chất mong muốn Một số ứng dụng chỉ yêu cầu độ bền cao theo một hướng, số khác lại đòi hỏi vật liệu có độ bền cao theo nhiều hướng khác nhau Một trong những ưu điểm của vật liệu compozit là với phương pháp gia công thích hợp bằng việc điều chỉnh hướng sợi có thể điều chỉnh được tính chất cơ lý của vật liệu đạt giá trị tối ưu theo một hướng hay nhiều hướng như yêu cầu [6]

Hiện nay, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các loại chất gia cường dạng tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm Rất nhiều các loại sợi tự nhiên được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử lý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngô, tre, gỗ…[7]

Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi

I.1.3.2.1 Chất gia cường dạng sợi

Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có

độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi Để sử dụng làm chất gia cường sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp…Vật liệu PC gia cường bằng sợi lai tạo là loại vật liệu mới trong đó chất gia cường gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác nhau So với PC gia cường bằng

sợi thông thường, PC gia cường bằng sợi lai tạo kết hợp được nhiều tính chất của các loại sợi nên có các đặc tính tương đối tốt

Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mat…) Một số cốt dạng sợi thường được sử dụng: sợi cac bon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sơi tre, sợi dừa… I.1.3.2.2 Chất gia cường dạng bột

Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trò chất gia cường, vừa đóng vai trò chất độn Bản chất hoá học, các tính chất của hạt, khả năng liên kết giữa

bề mặt hạt và nền quyết định khả năng gia cường của chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá, quang… Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ bề mặt và phải có giá thành hợp lý, dễ kiếm

Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, diôxit silic, ôxit nhôm, hydroxit nhôm [8]

I.1.4 Đặc điểm, tính chất của vật liệu PC

I.1.4.1 Đặc điểm

PC là vật liệu nhiều pha, các pha này thường khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha Trong thực tế, phổ biến nhất là PC hai pha: pha liên tục (nền) và pha phân tán (cốt) Trong compozit thì hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền

và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước

I.1.4.2 Tính chất

Tính chất của vật liệu PC chính là sự tổ hợp tính chất của các thành phần khác nhau có mặt trong vật liệu Tuy nhiên tính chất của compozit không bao

hàm tất cả các tính chất của các cấu tử thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.

Mặc dù nhẹ, bền, chịu môi trường tốt, dễ lắp ráp và thuộc loại vật liệu

“mềm dẻo”… nhưng tính chịu nhiệt vẫn là yếu điểm của vật liệu PC so với kim loại hay gốm [2]

I.1.5 Các phương pháp gia công

Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu Các thông số của quá trình gia công như: áp suất, nhiệt độ cũng như thời điểm gia nhiệt…là rất quan trọng đối với từng loại vật liệu

Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc kéo, quấn…

I.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC

Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC là hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp … cho đến những chi tiết và kết cấu phức tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ trụ Những ứng dụng quan trọng của vật liệu PC có thể quy về bốn lĩnh vực chính sau:

- Việc dùng vật liệu PC trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất đã đem lại những hiệu quả: giảm trọng l ợng, tiết kiệm ưnhiên liệu, giảm chi ph sản xuất, tăng độ chịu ăn mòn… í

- Vật liệu PC được sử dụng cho c c kết cấu: boong tá àu, cột buồm, thùng chứa, phao… trong c ng nghiệp đóô ng tàu d n dụng hay quân sự do âchúng phối hợp được nhiều t nh chất đí ặc biệt: độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền hoá á, c ch điện, độ dẫn nhiệt thấp…

- Sử dụng vật liệu PC trong chế tạo máy bay và tàu vũ trụ c ưu điểm ó chính: hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm được tiêu hao năng lượng, tăng khối l ợng vận chuyển và ư tầm bay

xa

- Trong c c ng tr nh x y dựng, vật liệu PC được sử dụng khá á cô ì â rộng r i ã

để làm c c máá i nhà vòm c kết cấu và kích thước khác nhau Ở Việt ó nam, từ năm 1995 chế tạo được cáđã c nhà vòm bằng vật liệu PC để bảo vệ máy bay chiến đấu [2]

I.2 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY GIA

CƯỜNG ẰNG SỢI THỰC VẬT (TRE LUỒNG) B -

Sự ph t triển mạnh mẽ vật liệu PC gia cường bằng sợi tổng hợp cũng đặt á

ra những thách thức to lớn đối với nhân loại do sự gia tăng l ợng chất thải ưkhó phân huỷ v o môà i trường Ch nh v vậy, trong khoảng 10 năí ì m trở lại đây việc sử dụng sợi thực vật để thay thế một phần hoặc toàn bộ sợi tổng hợp đã

được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Việt Nam là nước thuộc v ng nhiệt đới n ng ẩm mưa nhiều n n c c loại ù ó ê áthực vật cho xơ sợi rất đa dạng và có trữ lượng lớn Sợi thực vật từ các loại cây như: đay, tre, dừa… được biết đến với độ bền cao, vì vậy chúng c thể ó được sử dụng trong nhiều ứng dụng chịu tải trọng Mặt khác, sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo, dồi dào và có khả năng ph n huỷ sinh học Phế thải âcủa chúng sau khi sử dụng dễ phân huỷ hoàn toàn bằng nhiệt, trong khi sợi tổng hợp m cụ thể là à sợi thuỷ tinh rất khó xử l , do đóý không g y t c động â áxấu ến mđ ôi trường sinh thá i

Vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật l sự kết hợp giữa cà á íc t nh chất

c ơ học tốt với tỷ trọng thấp (1,2÷1,5 g/cmP

3

P) [9] Tuy nhiên, với mức độ h t ú

ẩm cao, khả năng bám d nh k m của sợi ch a xử lý với nền polyme không í é ư

phân cực đã làm giảm độ bền và tuổi thọ của sản phẩm Một điều không thuận lợi nữa là tính chất của các loại sợi thực vật lại chịu ảnh hưởng bởi điều kiện phát triển của cây cho sợi, công nghệ chế biến sợi cũng như hình d ng, ká ích thước của chúng V thế, xu h ớng trong thời gian gần ì ư đây là việc phát triển các kỹ thuật gia công, xử l sợi v sử dụng c c chất trợ tương hợp hay chất ý à ághép nối để chế tạo ra vật liệu PC - sợi thực vật có tính chất tối ưu cho c c áứng dụng đặc biệt [10]

à

Tre l một trong những loại cây có khả năng tăng trưởng nhanh, dễ trồng

và gần như không phải chăm s c v đặc biệt là sợi của chúó à ng có tính chất cơ

lý á kh cao [11,12] Hơn nữa, tre là nguồn nguyên liệu dồi dào ở các nước khí hậu nhiệt đới và ở Việt nam cũng vậy, tre mọc từ miền núi, trung du tới đồng bằng với diện tích gần 1,5 triệu ha [12] Do vậy, vật liệu PC sợi tre l- à hướngnghiên cứu mới với nhiều triển vọng ph t triển á

I.2.1 Nhựa nền epoxy

I.2.1.1 Nhựa epoxy

I.2.1.1.1 Lịch sử phát triển

Năm 1909 nhà á ho học Nga nổi tiếng Prileschajew đã phát hiện ra phản ứng của các olefin và các peaxit benzoic để tạo thành hợp chất epoxy N m ă

1934, nhà hoá học Đức Schlack tổng hợp c c polyglyxydrylete từ Bisphenol á

A và epyclohydrin, nhựa n y c thể đóng rắn bằng một lượng amin, tuy nhiên à ó Schlack cũng chưa thấy hết giá trị của sáng chế đó N m 1938, Pierre Castan ă

đã công bố bằng sáng chế mô tả phương pháp điều chế polyglyxydrylete từ Bisphenol A và epyclohydrin v phát hiện ra tíà nh chất quý báu của nhựa nhận được là có độ b m d nh tuyệt vời với nhiều loại vật liệu sau khi đóng rắn bằng á íanhydrit phtalic [13]

òTrong thời gian gần đây nhựa epoxy c n được tổng hợp từ epyclohydrin

và anilin, diaminodiphenylmetan hoặc p-aminophenol [14]

I.2.1.1.2 Nguyên liệu [15, 16]

a Epyclohydrin

ôTrong c ng nghiệp, epyclohydryl ợc sản xuất theo hai phđư ương pháp từ nguyên liệu đầu l propylen và gà lyxerin

o P

C

b Diphenylolpropan hay Bisphenol A

Nhận được từ phản ứng giữa phenol và axeton trong m i trưô ờng axít mạnh ở 10÷15P

o

PC

I.2.1.1.3 Các phản ứng tạo thành nhựa epoxy [16]

a Nhựa epoxy trên c ơ sở diphenylolpropan và epyclohydrin

Đây là nhựa epoxy phổ biến nhất (epoxy dian), là sản phẩm trùng ngưng giữa epyclohydrin với bisphenol A th ng qua phảnô ứng kết hợp nối tiếp luân phiên của nh m epoxy với nhóm hydroxylphenol và táó i tạo nh m epoxy nhờ ókhử clohydro ể tạo thàđ nh nhựa có công thức chung:

C

CH3

CH3R

Tuỳ thuộc vào iều kiện tiến hành phản ứng, n có thể thay đ đổi từ 0 đến

200 Nhựa epoxy cũng có thể xem nh một loại polyete có cáư c nh m óhydroxyl bên cạnh (số nh m n y trong phân tử ứng với chỉ số n) và ó à hai nh m óepoxy ở cuối mạch Phản ứng tạo th nh nhựa epoxy mạch thẳng xảy ra theo àhai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Nhóm hydroxyl của diphenylolpropan kết hợp với nhóm epoxy của epyclohydrin trong môi tr ờng kiềm: ư

H2C CH2 ORO CH2 CH CH2OROH

OHC

CH3

CH3R

Hợp chất trung gian này tiếp tục phản ứng với nhau ể tạo thàđ nh nhựa epoxy có công thức tổng quát n u ở trêê n Khối lượng phân tử của epoxy dao

động trong khoảng từ 300÷18.000 tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol giữa epyclohydrin

và Bisphenol A, nhiệt độ, thời gian phản ứng v nồng độ NaOH.à

b Nhựa epoxy mạch vòng no

Nhựa epoxy mạch vòng no được giới thiệu lần ầu tiên ở Mỹ Thông đthường loại nhựa epoxy này nhận được nhờ phản ứng epoxy hoá các hợp chất

có chứa nối đôi bằng peaxit axetic [17]

Một số nhựa epoxy vòng no: vinyl xyclohexen dioxit (unox epoxy trạng thái lỏng) và 3,4-epoxy 6-metylxyclohexyl-metyl-3,4-epoxy 6 metyl -xyclohexan cacboxylat (unox epoxy 201- trạng thái lỏng) [18]

Unox epoxy 201

So với các loại nhựa epoxy tiêu chuẩn tr n cơ sở diphenylolpropan, nhựa êepoxy mạch vòng no c mầu sáng h n và ó ơ độ nhớt thấp hơn nhiều Song nhìn chung nhựa epoxy mạch vòng no phản ứng chậm hơn với amin, còn với anhydrit axit í ó t c sự kh c biệt [18].á

Nhựa epoxy mạch vòng no Ruetapox CY160 được tổng hợp từ hecxahydrophtalic axit và epyclohydrin [19], do đó phản ứng tạo thành nhựa epoxy tương tự như ường hợp của nhựa epoxy tr tr ên c ơ sở diphenylolpropan

và có công thức tổng quát như sau:

O

C

OC

OOCH2n

OH

n = 0 ÷ 2 Tuỳ theo tỷ lệ cấu tử (dư epyclohydrin) và điều kiện phản ứng mà sản phẩm chủ yếu là diglyxydylestehexahydrophtalic axit (n = 0) [19]

I.2.1.2 Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy

Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan, có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều dưới tác dụng của các chất đóng rắn Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy, đặc biệt với nhóm epoxy Vì chất đóng rắn tham gia vào cấu trúc mạng lưới của polyme nên đóng rắn là phương pháp quan trọng để biến tính vật liệu epoxy

Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các hợp chất chứa nguyên tử hydro hoạt động và trùng hợp nhóm epoxy theo cơ chế ion Do vậy, chất đóng rắn được phân thành hai nhóm chính: chất đóng rắn cộng hợp

Nhóm epoxy của nhựa epoxy mạch vòng no có khả năng phản ứng rất yếu với nhóm amin

Chất đóng rắn amin được ứng dụng trong khoảng nhiệt độ rộng 0÷150P

o

PC Mặc dù có hoạt tính cao, song đối với một số chất đóng rắn amin khi đóng rắn ở nhiệt độ thấp (0 ÷ 20P

o P

C) thường phải bổ ung chất xúc tiến snhư rượu, phenol, axit cacboxylic…

b Chất đóng rắn axit

So với các chất đóng rắn amin, chất đóng rắn axit ít độc hại hơn và toả nhiệt ít hơn khi đóng rắn Nhựa nhận được có tính chất cơ lý, cách điện, bền

hoá chất tốt hơn Tuy nhiên, độ bền kiềm lại kém hơn Thường sử dụng anhydrit để đóng rắn do chúng có ưu điểm là không tạo ra nước trong phản ứng và giảm nhiệt độ đóng rắn

Cơ chế đóng rắn bằng anhydrit khá phức tạp, song giai đoạn đầu tiên của phản ứng là mở vòng anhydrit bằng nhóm hydroxylalcol (muối hay vết nước)

ROH

CCO

O

OO

Tiếp đó có thể xảy ra hàng loạt các phản ứng:

(1) Phản ứng của nhóm cacboxylic với nhóm epoxy

OROH

CCO

O

CHO

OH

CCO

O

CH2 CH ~(2) Phản ứng của nhóm hydroxyl với nhóm epoxy

CHO

H2C ~ +

O

ORCCO

OOR' + H2O

Trong đó, phản ứng (1) và (2) là quan trọng nhất và quyết định tính chất của sản phẩm

Phản ứng của axit cacboxylic với nhóm epoxy (không có xúc tác) thường xảy ra rất chậm kể cả khi tăng nhiệt độ Tuỳ thuộc vào yêu cầu về các tính chất của sản phẩm, chu trình đóng rắn có thể kéo dài 16÷32 giờ ở nhiệt độ 120÷150P

o

PC Để giảm nhiệt độ và thời gian đóng rắn thường dùng các amin bậc 3 để xúc tác cho phản ứng [18] Thường dùng hơn cả là benzyldimetylamin (DMBA) và 2,4,6 - tri(dimetylaminometyl)phenol (TDMAMP) có công thức như sau:

CH2

OH

CH2 N(CH3)2

H2C(CH3)2N

N(CH3)2TDMAMP

CH2 N CH3

CH3DMBA

Các amin thơm này có khả năng chuyển axit cacboxylic thành anion thông qua tạo phức có chuyển dời điện tích:

O

CO

OO

CH C

O

CH C

OO

Anhydrit phtalic (AP) Anhydrit maleic (AM) Hexahydrophtalic (Ruetadur HG)

AP, AM tồn tại ở dạng rắn; Ruetadur HG tồn tại ở cả dạng rắn và lỏng,

- Đầu tiên triflobo tạo phức với oxy của vòng epoxy tạo thành phức không bền và phức này nhanh chóng chuyển thành ion cacboni (I) hay oxoni (II)

- Người ta giả định rằng, sự tạo thành ion cacboni có khả năng nhiều hơn

và có trung tâm hoạt động tham gia vào phản ứng trùng hợp:

I.2.1.3 Đặc điểm của nhựa epoxy [13,15,16]

Nhựa epoxy có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi để chế tạo compozit có tính cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại chất gia cường, tiện lợi khi xử lý công nghệ, tạo dáng các kết cấu và có thể giữ lâu ở trạng thái chưa đóng rắn nên thuận lợi cho việc chế tạo kết cấu compozit và các bán thành phẩm Quá trình đóng rắn nhựa epoxy có dải nhiệt độ rộng và không kéo theo việc thoát ra các chất dễ bay hơi, độ co ngót thấp, bền với tác động của nhiều loại dung môi và những môi trường độc hại, độ hút ẩm thấp

Nhược điểm của nhựa epoxy là chịu nhiệt tương đối thấp Đặc trưng cơ học của nhựa epoxy bị giảm đi rất nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh của polyme

I.2.2 Sợi gia cường: tre - luồng

I.2.2.1 Tình hình phân bố tre nứa trên thế giới và ở Việt nam

Theo thống kê trên thế giới họ tre có khoảng 1200 loài, 70 chi, phân bố chủ yếu ở các vùng nhiệt đới, bán nhiệt đới và một số loài phân bố ở vùng ôn đới và hàn đới Tre trúc trên thế giới có thể chia làm 3 vùng: vùng tre trúc Châu Á-Thái Bình Dương, Châu Mỹ và Châu Phi [21]

Việt nam có khí hậu nóng ẩm, nhiệt đới gió mùa thuận lợi cho tre nứa thuộc họ Hoà thảo (Gramineae), họ Phụ tre nứa (Bambusaceae) phát triển, nhất là về mùa mưa là mùa sinh trưởng của măng [12]

Diện tích rừng tre nứa ngày càng tăng qua một vài năm trở lại đây Theo kết quả tổng kiểm kê rừng toàn quốc (năm 2001) có 1.492.000 ha và phân bố chủ yếu ở các tỉnh Kon tum (141.500 ha), Nghệ an (104.700 ha), Lâm đồng (94.600 ha), Thanh hoá (85.600 ha), Bình dương Bình phước 986.300 ha), - Đắc lắc (82.000 ha), Tuyên quang (33.100 ha)… [11]

Việt nam đã thống kê được 23 chi với 121 loài tre trúc Phần lớn các loài tre trúc ở Việt nam là các loài có thân sinh khí mọc cụm, một số loài có thân mọc tản [11,12]

I.2.2.2 Đặc điểm và phân loại tre [11,12]

Tre là loại thực vật dạng cây gỗ phát triển rất nhanh Loại đất thích hợp

là đất sét và sét pha cát có độ sâu tương đối Tre nứa sinh trưởng lâu đời có hiện tượng đất bị cát hoá nên tre nứa mọc tốt ở trạng thái xen cây gỗ hoặc gần khu vực dân cư có thêm phân bón Nói chung tre gồm có ba loại: mọc thành cụm, theo bụi, mọc riêng lẻ Cụ thể có các loại chủ yếu sau:

I.2.2.2.1 Tre (Bambusa)

Phân bố rộng rãi trong rừng và ở nông thôn, chủ yếu ở vùng thấp Tre là chi điển hình của tre nứa ở Việt nam, chúng chiếm khoảng 80% tổng diện tích rừng tre trong cả nước Tre mọc thành cụm tách rời nhau Các loại tre trồng

phổ biến và có giá trị kinh tế nhất là: tre Nhà (Bambusa Vulgaris), tre Gai (Bambusa Stenostachya), tre Lồ ô (Bambusa Procera), tre Hoa (Bambusa Multiplex), tre Lộc ngộc (Bambusa Arundinaceae), Hóp sào, Hóp nước… Tre được dùng nhiều trong cuộc sống hàng ngày làm nông cụ và đồ dùng trong xây dựng Trữ lượng của loài tre này khoảng 2 tỷ cây

I.2.2.2.2 Luồng (Dendrocalamus)

Nổi bật là Luồng Thanh hoá (Dendrocalamus Membranaceus) với diện tích khoảng 10.000 ha Đường kính của cây đạt 10÷12 cm Luồng Thanh hoá được dùng trong xây dựng, cầu và làm nguyên liệu giấy Ngoài ra, còn có cây Mét (cùng chi với cây luồng và phân bố ở Nghệ an), Bương (Dendrocalamus Flagellifer), May hốc (Dendrocalamus Hamiltonii)…

I.2.2.2.3 Giang (Dendrocalamus sp)

Phân bố trong rừng rậm, chúng phát triển ở những chỗ trống trong rừng thành quần tụ như nứa hoặc thành đám nhỏ giữa rừng như gỗ xen nứa Đây là loại sợi dẻo, bền, là nguyên liệu chế tạo giấy cao cấp như giấy bạc, giấy mỏng Trữ lượng loại này khoảng 0,4 tỷ cây

Ngoài ra còn có nhiều loại tre nứa khác như: Sặt, Mai, Le, Dùng, Trúc…

I.2.2.3 Cấu tạo của tre

I.2.2.3.1 Cấu trúc vật lý

Sợi đơn của tất cả các loại thực vật nói chung và tre nói riêng bao gồm các tế bào Các sợi vô cùng nhỏ (microfibril) của xenlulo được liên kết với nhau thành lớp hoàn chỉnh bởi lignin và hemixenlulo vô định hình Các lớp xenlulo-lignin/hemixenlulo này trong thành tế bào (gồm lớp sơ cấp và thứ cấp) liên kết với nhau tạo thành compozit đa lớp và được gọi là tế bào (hình 1) [10]

Hình 1 Cấu tạo của tế bào sợi tự nhiên

I.2.2.3.2 Cấu trúc giải phẫu của tre

Tre thuộc họ cỏ Bambusoideae, là một ligno xenlulo compozit tự nhiên trong đó các sợi xenlulo được bao bọc bởi nền lignin Chiều dài trung bình của sợi xenlulo khoảng 2 mm và đường kính trung bình trong khoảng 10÷20µm Độ cứng của tre phụ thuộc chủ yếu vào số lượng các bó sợi và kiểu phân bố của chúng (Hình 1) Hàm lượng sợi tăng từ gốc tới ngọn [7,22,23]

Các sợi tự nhiên được hình thành từ các sợi nhỏ hơn (fibril), các sợi nhỏ này chạy dọc theo chiều dài của sợi Mỗi sợi nhỏ là một cấu trúc lớp phức tạp

và được cấu tạo bởi một thành sơ cấp mỏng bao quanh lớp thứ cấp dày hơn Trong lớp thứ cấp là các sợi xenlulo vô cùng nhỏ (microfibril), các sợi này được lượn xoắn quanh trục của sợi (hình 3 [10]) Có nghĩa là tất cả các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno-xenlulo bao gồm các sợi xenlulo vô cùng nhỏ trong nền vô định hình của lignin và hemixenlulo Góc giữa trục của sợi và các sợi vô cùng nhỏ được gọi là góc sợi Bản thân sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng là vật liệu được gia cường bằng sợi xenlulo do đó góc sợi và hàm lượng xenlulo quyết định ứng xử cơ học của sợi [7,22,23]

Liese đã đưa ra hình ảnh về siêu cấu trúc của sợi tre (hình 4) Phiến tre bao gồm các lớp hẹp và rộng xen kẽ nhau với sự định hướng sợi khác nhau Trong lớp rộng, các sợi nhỏ được định hướng tại các góc nhỏ hơn so với trục của sợi, trong khi ở các lớp hẹp sợi nhỏ chủ yếu được định hướng ngang Đồng thời, hàm lượng lignin trong lớp hẹp cao hơn so với lớp rộng Nhờ cấu trúc lớp này mà sợi có độ bền kéo rất cao [22,23]

I.2.2.4 Thành phần hóa học của tre

Thành phần chính của tre là xenlulo, hemixenlulo và lignin Trong đó, xenlulo và hemixenlulo chiếm khoảng hơn 50% tổng số thành phần hóa học [22,23] Tính chất của mỗi thành phần đều góp phần vào tính chất của sợi tre Hemixenlulo gắn liền với khả năng phân hủy sinh học, hấp thụ ẩm và phân hủy nhiệt, tuy nhiên độ bền nhiệt của hemixenlulo là nhỏ nhất và ổn định hơn

là lignin nhưng nó lại bị phân hủy bởi tia tử ngoại [7]

Tre có thành phần cấu tạo chung cũng như các loại thực vật khác và cũng có những đặc điểm riêng của họ tre Điều kiện sinh, hóa, thổ nhưỡng và tuổi ảnh hưởng không chỉ tới cấu trúc mà còn tới thành phần hóa học của tre [10] Thành phần hóa học của tre như sau [21,24]:

Xenlulo được coi là một polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không phân nhánh và được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là D-anhydroglucopyrano Các mắt xích này liên kết với nhau qua liên kết 1,4 β- - D-glucozit [10,21] Công thức phân tử của xenlulo là (CR 6 RHR 10 ROR 5 R)n hay [C6H7(OH)3]n

OH O

O

O H H

có cả mắt xích là các monosacarit khác nhau như hecxoza, pentoza và axit uronic Đặc điểm và thành phần của xenlulo phụ thuộc vào điều kiện tổng hợp

nó trong tự nhiên [10,21]

Do trong phân tử có chứa các nhóm hydroxyl phân cực mạnh nên mạch phân tử xenlulo có tính chất bất đối xứng cao Xenlulo có cấu trúc gồm những phần tinh thể định hướng cao và những phần vô định hình Tính chất cơ lý của phần tinh thể cao hơn phần vô định hình Ranh giới giữa các phần này không

rõ ràng Do có liên kết hydro nên khả năng hòa tan của xenlulo bị hạn chế Xenlulo không tan nhiều trong dung môi thông thường, bị trương nở trong dung dịch ZnClR 2 R, HR 2 RSOR 4 R, xút loãng Trong quá trình hòa tan xenlulo bị trương nở trước rồi mới hòa tan Liên kết glucozit trong xenlulo rất dễ tham gia phản ứng phân hủy oxy hóa, thủy phân dưới tác dụng của oxy không khí, axit, kiềm loãng Xenlulo bị thủy phân trong môi trường axit, mạch bị đứt dần dần cuối cùng tạo ra đường D-glucoza Liên kết glucozit bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt độ, vi sinh vật dẫn đến bị đứt mạch [21]

I.2.2.4.2 Pentoza (hemixenlulo)

Pentoza là một loại hemixenlulo hay còn gọi là hydrat cacbon polysacarit, khi thủy phân cho đường pentoza có chứa 5 nguyên tử cacbon

trong cấu trúc phân tử Ngoài đường khi thủy phân hemixenlulo còn có thể tạo ra axit polyuronic [21] Hemixenlulo cấu tạo từ một nhóm các polysacarit, các polysacarit này còn lại cùng với xenlulo sau khi lignin được tách ra [10] Pentoza có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo Nó có thể là polyme của một loại đơn vị pentoza hoặc có thể là copolyme của pentoza và hecxoza Cấu trúc phân tử có thể có mạch nhánh, độ trùng hợp của hemixenlulo nhở hơn từ 10 tới 100 lần so với của xenlulo (n<200) Do cấu trúc có phân nhánh nên pentoza có cấu trúc chủ yếu ở dạng vô định hình, ngoài ra còn có một lượng nhỏ tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo Vì cấu trúc chủ yếu là vô định hình nên khả năng phản ứng của pentoza lớn hơn xenlulo rất nhiều

Pentoza dễ dàng bị thủy phân Quá trình thủy phân xảy ra như sau:

(C5H10O4)n + nH2O n C5H10O5 Ngoài ra còn có thể tạo ra một lượng nhỏ xyloza và arabinoza

H

Pentoza Xyloza Arabinoza

Mạch chính của pentoza có kiểu liên kết 1,4- -D-β glucozit nên cấu tạo mạch tương tự như xenlulo Các mạch nhánh có cấu tạo từ xyloza, arabinoza, axit uronic Trong thực vật pentoza làm tăng độ bền cơ học cho gỗ và là chất

dự trữ dinh dưỡng cho cây [21]

I.2.2.4.3 Lignin

Lignin là thành phần hóa học phong phú thứ hai của tre Chức năng của

nó là kết dính và là nền cho sợi xenlulo gia cường Lignin là hệ thống dự trữ

năng lượng và chống lại các tác động cơ học như là một thành phần của vật liệu compozit [10,21]

Lignin là polyme thơm tự nhiên, là hỗn hợp phức tạp của nhiều polyme dạng phenolic, có cấu tạo không gian ba chiều Trong thực vật, lignin là chất liên kết giữa các tế bào, làm cho thành tế bào cứng hơn, chịu va đập, nén, bền dưới tác dụng của vi sinh vật Vai trò sinh lý trong thực vật của lignin chưa được xác định rõ Có quan điểm cho rằng axit polyuronic và các hydrocacbon

là thành phần tạo nên lignin Dạng công thức cấu tạo điển hình của lignin như sau [10]

O C

CH2

H2C O

Trong lignin có chứa nhiều nhóm chức như nhóm hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi Do đó lignin có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng halogel, axit nitric, phản ứng metyl hóa… Lignin nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ 140 ÷ 160P

o

PC [21]

I.2.2.4.4 Các chất vô cơ

Hàm lượng các chất vô cơ trong một loại thực vật thường được quy về hàm lượng tro, nó được đo xấp xỉ bằng lượng muối khoáng và các chất vô cơ khác trong sợi sau khi nung ở nhiệt độ 575±25P

o

PC Hàm lượng các chất vô cơ

có thể khá cao trong các loại thực vật có chứa nhiều silica Các cation thường gặp trong thành phần của tro là KP

I.2.2.4.5 Thành phần tan trong nước

Các chất tan trong nước chủ yếu là tinh bột, muối vô cơ, chất mầu, tanit…

Ngoài ra trong thành phần của tre còn chứa các axit béo, sáp, nhựa và protein Hàm lượng các chất này nhỏ và thường được xử lý loại bỏ trước khi

sử dụng [10,21,24]

I.2.2.5 Tính chất của tre

I.2.2.5.1 Tính chất hóa học của tre

Tre được coi là một compozit tự nhiên với pha nền là lignin và hemixenlulo được gia cường bằng sợi xenlulo, do đó tre cũng có các tính chất hóa học tương tự như tính chất của các thành phần cấu tạo nên Tuy nhiên, ở tre không bao gồm mọi tính chất của các thành phần mà chỉ là sự kết hợp các tính chất đó Vì vậy, tre có một số tính chất hóa học như: có khả năng tác

dụng với các chất halogel, tham gia phản ứng metyl hóa và đặc biệt là có khả năng phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật và oxy không khí…

I.2.2.5.2 Tính chất cơ học của tre

McLaughlin và Tait đã đưa ra các nghiên cứu về nhiều loại thực vật và liệt kê các tính chất vật lý cũng như cơ học của chúng Từ đó có thể thấy độ bền kéo và modun đàn hồi tăng lên cùng với sự tăng thành phần xenlulo và sự giảm góc sợi So với các sợi tự nhiên khác, sợi tre có chứa hàm lượng khá cao các xenlulo (~60 %) và góc sợi nhỏ (10÷12P

o

P) kết hợp với phần trăm cao của lignin (~32 %) nên tre có khối lượng riêng thấp nhất, có độ bền cơ học cao và đặc biệt là độ bền kéo Tính chất cơ lý của tre được trình bầy ở bảng 1 [22,23]

Bảng 1 Tính chất cơ lý của sợi tre

Các đặc tính Tre (theo chiều ngang sợi) Tre (theo chiều dọc sợi)

Khối lượng riêng, g/cmP

độ ẩm giảm dần từ gốc tới ngọn và khi tuổi của cây càng cao thì độ ẩm càng giảm Độ ẩm trong tre tươi thay đổi trong một khoảng rộng từ 40% đến hơn 100% [25]

Độ bền kéo, nén, uốn của tre khô cao hơn nhiều so với tre tươi Nói chung độ bền của tre giảm dần từ gốc tới ngọn, từ ngoài vào trong theo chiều dày của ống tre Khi ở điều kiện khô không khí thì độ bền giữa phần gốc và phần ngọn không khác nhau nhiều lắm (không quá 10%) Độ bền của phần cật cao hơn phần ruột khá nhiều nhất là độ bền kéo, mức độ khác biệt tùy theo tuổi và loài cây Tuổi thọ cho độ bền cao nhất thường khoảng 4÷6 năm Ngoài

ra, tính chất cơ lý của tre cũng còn phụ thuộc vào hàm lượng sợi xenlulo khi hàm lượng sợi tre thay đổi từ 15÷20% đến 60÷65 % thì độ bền kéo thay đổi từ 100÷600 MPa và modun thay đổi từ 3÷15 GPa [25,26]

I.2.2.6 Các phương pháp chế tạo sợi tre.

Xử lý và chế biến sợi tre là giai đoạn quan trọng trong quá trình gia công tạo thành vật liệu Để tạo cho sợi tre có khả năng phối trộn tốt với các loại nhựa nền nên sử dụng phối hợp cả phương pháp hoá học và cơ học

I.2.2.6.1 Các phương pháp cơ học

Abhijit P Deshpande và các cộng sự [26] đã áp dụng hai phương pháp

cơ học để tách các sợi tre từ các nan tre (đã qua xử lý kiềm) Đó là phương pháp ép (CMT) và phương pháp cán dập (RMT) Quá trình tách bằng phương pháp cơ học phải được thực hiện với một lực tác dụng thích hợp, nếu lực tác dụng ở mức cao sẽ gây sự mài mòn và gây những khuyết tật cho sợi tre

a Phương pháp ép

Một lớp nan tre được đặt giữa hai bản ép với lực ép xác định (10 tấn) Thời gian ép và chiều dày ban đầu của nan là những nhân tố rất quan trọng đối với chất lượng của sợi thu được Thời gian ép được lựa chọn để áp dụng cho phương pháp này khoảng 10 giây Chiều dày ban đầu của lớp nan tre 1,25÷2 cm

b Phương pháp cán dập.

Ở phương pháp này các phoi tre chịu lực giữa hai trục cán, một trục cố

định và một trục quay Nếu đường kính của trục là 7 cm thì khoảng cách giữa hai trục là 0,1 mm đối với nan tre có chiều dày là 0,75 mm và tốc độ quay của trục là 60 vòng/phút

Với cả hai phương pháp trên thì các nan tre đều được dễ dàng phân tách thành các chuỗi sợi, chiều dài của nan tre có thể thay đổi Phương pháp cán dập không thích hợp với chiều dài nan nhỏ hơn hoặc bằng đường kính của trục, còn phương pháp ép cho chiều dài sợi trong khoảng 8÷20 cm [26]

I.2.2.6.2 Phương pháp tách nổ bằng hơi nước [26]

Kĩ thuật gia nhiệt bằng hơi nước và giảm áp đột ngột được sử dụng để tách sợi tre từ cây tre Kĩ thuật này được biết đến như là một phương pháp hiệu quả để tách lignin ra khỏi vật liệu gỗ Thông số của quá trình tách nổ trình bày ở bảng 2

I.2.2.7 Các phương pháp xử lý bề mặt sợi tre.

Sợi tre, luồng cũng như các loại sợi tự nhiên khác đều có nhược điểm chung là độ hút ẩm cao và khả năng bám dính với nhựa nền kém, nhất là các loại nhựa không phân cực, kỵ nước Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc xử lý sợi thực vật để giảm sự hút ẩm và tăng độ bám dính với nhựa nền [10]

I.2.2.7.1 Phương pháp vật lý [10]

Các phương pháp vật lý như: kéo căng, cán láng và xử lý nhiệt sợi thường được sử dụng để xử lý bề mặt sợi tre Các phương pháp này không làm thay đổi thành phần hoá học của sợi tre mà chỉ thay đổi cấu trúc và tính chất bề mặt sợi do đó ảnh hưởng đến liên kết cơ học với polyme

Ngoài các phương pháp trên người ta còn sử dụng các phương pháp phóng điện như corona, plasma lạnh

I.2.2.7.2 Phương pháp hoá học [10]

Sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng có độ phân cực rất lớn nên nhìn chung không tương hợp với các polyme kị nước Để tăng sự tương hợp người ta tiến hành biến tính bề mặt sợi với mục tiêu làm giảm tính ưa nước của sợi để từ đó tăng tính kị nước Có rất nhiều phương pháp được tiến hành như: thay đổi sức căng bề mặt sợi, tẩm sợi, kết nối hoá học Cụ thể, có thể xử

lý các sợi bằng hợp chất silan, chitosan, anhydryt axetic, acrylonitril và kiềm Quá trình ngâm kiềm thường được tiến hành kết hợp với xử lý cơ học sẽ cho hiệu quả tách sợi cũng như bề mặt sợi biến tính tốt hơn nhiều Quá trình ngâm kiềm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D1995 Theo tiêu chuẩn này các sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng được ngâm vào dung dịch kiềm mạnh trong nước với nồng độ thích hợp nhằm tạo ra sự trương nở sợi

lớn và kết quả là làm thay đổi cấu trúc, kích thước, hình thái và tính chất cơ học của sợi

Theo những nghiên cứu trước đây thành phần chính của sợi tre là xenlulo, lignin và hemixenlulo trong đó hemixenlulo được cấu tạo chủ yếu từ xylan, polyuronic và hexoza Các thành phần này của hemixenlulo lại rất nhạy cảm với tác dụng của kiềm trong khi lignin và xenlulo hầu như không chịu ảnh hưởng

Tuy nhiên, theo kết quả của những nghiên cứu gần đây lại cho thấy ngâm kiềm có tác dụng tách không chỉ hemixenlulo mà còn cả lignin do đó ảnh hưởng tới đặc trưng kéo của sợi Khi hemixenlulo được tách ra, vùng liên kết giữa các sợi đơn sẽ trở nên kém chắc đặc và linh động hơn nên tạo cho các sợi đơn có nhiều khả năng tự xắp xếp lại dọc theo hướng biến dạng kéo Khi sợi được kéo căng, sự xắp xếp lại giữa các sợi đơn như vậy sẽ làm cho phân

bố tải trọng bởi chính các sợi này trở lên tốt hơn và kết quả là ứng suất của sợi cao hơn Ngược lại, việc lignin được tách ra dẫn tới sự mềm hóa chất nền giữa các sợi đơn và điều này có ảnh hưởng bất lợi tới sự chuyển ứng suất giữa các sợi đơn do đó ảnh hưởng tới ứng suất tổng thể của sợi dưới tác dụng của biến dạng kéo Nếu lignin được tách ra từ từ, các phiến mỏng nằm giữa liên kết các

tế bào cơ bản với nhau có xu hướng trở nên mềm dẻo và đồng nhất hơn do việc tách từ từ tránh được các vi khuyết tật trong khi bản thân các tế bào cơ bản bị ảnh hưởng không đáng kể

Một số tác giả cho rằng xử lý kiềm làm tăng chỉ số phần trăm kết tinh, giảm góc sợi và tăng sự định hướng phân tử do đó làm tăng mođun đàn hồi của sợi Không những thế xử lý kiềm còn cải thiện khả năng kết dính giữa nhựa nền và sợi

Như vậy, xử lý kiềm làm tăng tính chất cơ học của sợi, tăng khả năng kết dính giữa sợi và nền và do đó làm tăng chất lượng của compozit

I.2.3 Ưu nhược điểm của sợi thực vật - sợi tre.

I.2.3.1 Ưu điểm

- Khối lượng riêng của sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng thấp nên độ bền và độ cứng riêng của sợi cao hơn sợi thủy tinh và do đó độ bền và độ cứng riêng của vật liệu PC sợi thực vật cũng cao hơn, đặc biệt thích hợp để thiết kế các chi tiết chịu uốn

- Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào, quá trình sản xuất đòi hỏi ít năng lượng nên có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm hạ

- Dễ gia công, hầu như không mài mòn thiết bị, không gây kích ứng da

- Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân hủy sinh học, dễ đốt cháy nên không gây tác động xấu tới môi trường

I.2.3.2 Nhược điểm

- Sợi thực vật cho độ bền của vật liệu PC thấp hơn sợi thủy tinh, tuy nhiên có thể nâng cao độ bền bằng cách lai tạo sợi thực vật với sợi thủy tinh

- Sợi thực vật nhìn chung dễ hấp thụ ẩm, khả năng bám dính của sợi chưa xử lý với nền polyme không phân cực kém nên làm giảm độ bền

và tuổi thọ của sản phẩm vì vậy thường phải xử lý bề mặt sợi trước khi

phun, quấn, b m ơ nhựa vào khuôn (ATM), tạo bán thành phẩm từ SMC (sheet moulding compounds) và BMC (bulk moulding compounds)… Nhưng các phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi với sợi thực vật nói chung

và sợi tre-luồng nói riêng Các loại sợi tre luồng này thường ở dạng mat hoặc dạng đơn lẻ không định hướng, chúng được thấm ướt cùng với nhựa nền và được đóng rắn tại nhiệt độ đóng rắn của hệ nền [7,10]

-M iột đ ểm cần h s ú ý ết ức ch khi gia c ng vật liệu ô PC sợi thực vật là c ầnphải sấy khô sợi trước khi sử ụng d vì ẩm h ấp thụ tr n bề ặt sợi s ê m ẽ đóng vai trò t nhâác n ph n cách ữa ợi gia cườngâ gi s và nhựa nền làm giảm khả ă n ng kết

dính ữa ch gi úng, hơn nữa quá trình đóng rắn nh nhi rựa ệt ắn thường ực th hiện

ở nhiệt ê 100độ tr n P

o

PC – đây là nhiệt thđộ ích hợp cho ẩm trong mẫu bay hơi

t ạo ra bọt khí và khuyết t ật cho vật liệu và do lđó àm giảm chất lượng của s ảnphẩm [10]

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1 NGUYÊN LIỆU ĐẦU

I 1.I 2 Chất đóng rắn Ruetadur HG (hexahydrophtalic anhydrit)

I 1.I 4 Luồng tươi của tỉnh Hòa Bình

II.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO SỢI LUỒNG

II.2.1 Sợi luồng ngắn

Sợi luồng ngắn được tạo thành qua các công đoạn sau:

Luồng tươi được cắt và chẻ thành các thanh dài, sau đó được cán dập trên máy cán hai trục của Nhật Bản Sau khi cán dập, luồng được cắt trên máy cắt Retsch của Đức tạo thành các sợi luồng ngắn có kích thước khác nhau, các sợi này được gọi là sợi luồng ngắn chưa xử lý Với mắt sàng 0,25 mm thu được sợi ngắn với đường ính ợi 16 k s ÷ 1 µ (loại I), với c m sàng 0,5 8 m ác ắt

mm (loại II), 1 mm (loại III), 2 mm (loại IV) sản phẩm thu được ần nh g ư ở

dạng ẩy với v đường ính khoảng ừ 35 k t ÷ 185 µm Các sợi này sau đó được xử

lý hóa học bằng dung dịch NaOH 0,1N trong 72 giờ [27] sau đó được rửa đến trung tính rồi sấy khô ở 100P

o

PC và gọi là sợi luồng ngắn Máy cán và máy cắt được trình bày ở hình 5

Hình 5 Máy cán (a) và máy cắt (b)

II.2.2 Sợi cotton luồng

Sợi cotton luồng được tạo thành qua các công đoạn sau:

Luồng tươi được cắt và chẻ thành thanh dài, sau đó được cán trên máy cán hai trục của Nhật Bản Luồng sau khi cán được xử lý hóa học bằng dung dịch NaOH 1N ở 90P

o

PC rồi được rửa đến trung tính Sau đó luồng được cào tách thành các sợi nhỏ hơn bằng bàn chông Sau khi cào, các sợi luồng nhỏ được cho vào “xay ướt”, rồi được làm khô trước khi “xay khô” bằng máy xay sinh tố Cuối cùng, sau khi “xay khô” thu được sợi cotton luồng Công đoạn cào tách được trình bày ở hình 6

Hình 6 Công đoạn cào tách

II.3 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT

II.3.1 Vật liệu PC trên cơ sở sợi luồng ngắn

Sợi luồng ngắn sau khi sấy khô trong tủ sấy ở 100P

o P

C được tẩm nhựa nền theo tỷ lệ định trước thu được hệ prepregs Prepregs này được điền đầy vào khuôn (kích thước 15×20 cm) và ép với áp lực 40 KG/cmP

2

P trên máy ép 30 tấn của hãng Gotech- Đài loan (hình 7)

Hình 7 Máy ép đứng Gotech

II.3.2 Vật liệu PC trên cơ sở sợi cotton luồng