Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu sử dụng bã cà phê làm độn gia cường cho vật liệu composite

Trên cơ sở này, đề tài nghiên cứu sử dụng bã cà phê làm chất độn gia cường cho vật liệu composite được lựa chọn trong khóa luận văn tốt nghiệp với hy vọng tạo ra một loại vật liệu có ích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN SVTH: ĐINH QUANG CƯƠNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÃ CÀ PHÊ

LÀM ĐỘN GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU COMPOSITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÃ CÀ PHÊ LÀM ĐỘN GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÃ CÀ PHÊ LÀM ĐỘN GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU

i

ii

iii

iv

v

vi

vii

viii

ix

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Ô nhiễm môi trường luôn là vấn đề cấp thiết cần được quan tâm Do đó, nhiều nghiên cứu hiện nay có xu hướng tận dụng nguồn phế phẩm để tạo ra vật liệu xanh nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các phế phẩm như là vỏ trấu, bã cà phê, vỏ cà phê, xơ dừa,…có tiềm năng trong việc ứng dụng làm sản phẩm composite

Trong khóa luận này, bã cà phê được xử lý tận dụng để làm chất độn gia cường cho vật liệu composite trên nền nhựa novolac Đầu tiên, nhựa novolac được đánh giá các tính chất lý hóa bằng phương pháp nhiệt quét vi sai DSC Sau đó, vật liệu composite dạng tấm được chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt với kích thước 17×17×0,4 (cm) và được gia cường bằng bã cà phê Các yếu tố ảnh hưởng đến tấm composite như hàm lượng urotropin, tỷ lệ giữa bã cà phê trên nhựa và mật độ composite được đánh giá bằng tiêu chuẩn ASTM D638 và ASTM D790 Kết quả cho thấy rằng, đối với ảnh hưởng của hàm lượng urotropin thì khi tăng 10 đến 14% thì các giá trị cơ tính tăng Tuy nhiên, khi urotropin tăng đến giá trị 16% thì các giá trị này giảm Đối với tỷ lệ bã cà phê từ 4 đến

6 phần thì tính chất cơ học gia tăng Tuy nhiên, tính chất này bị suy giảm khi tỷ lệ bã cà phê tăng lên Bên cạnh đó, kết quả khảo sát mật độ compopsite cho thấy cơ tính vật liệu đạt giá trị cao nhất tại mật độ 1,30g/cm3 Mẫu composite được chế tạo từ bã cà phê trước

và sau xử lý được đánh giá cơ tính và hình thái bằng kính hiển vi điện tử SEM Kết quả quan sát ảnh SEM cho thấy, sau khi bã cà phê xử lý loại bỏ dầu thì bề mặt vật mịn hơn

và trách được tình trạng kết khối của các hạt bã cà phê

Bên cạnh đó, đề tài đã thử nghiệm kết hợp sợi thủy tinh trong mẫu composite Tuy nhiên, kết quả cho thấy việc sử dụng này không có tác động tích cực đến tính chất cơ học của sản phẩm

Để đánh giá khả năng ổn định của tấm composite hai dung môi nước và hexan được sử dụng Kết quả cho thấy vật liệu composite đi từ bã cà phê và nhựa có tính ổn định trong hexan cao hơn trong nước Cụ thể, độ hấp thụ hexan của vật liệu liệu composite từ 1,83 – 9,35% Trong khi độ hấp thu nước lên tới 29,37 – 89,80%

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Thời gian qua, em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm từ quá trình nghiên cứu, phân tích và viết báo cáo của mình Đặc biệt là em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn vì đã dành thời gian quý báu để hỗ trợ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp Sự quan tâm, động viên và những góp ý tận tình của Thầy đã giúp em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách trọn vẹn nhất Tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự quan tâm và góp ý của quý Thầy, Cô để khóa luận được hoàn chỉnh hơn

Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân và bạn bè vì đã động viên

và hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu và viết khóa luận tốt nghiệp Một lần nữa,

em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô vì đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp Em hy vọng rằng tôi sẽ có cơ hội được tiếp tục học hỏi và phát triển trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2024 Sinh viên thực hiện

Đinh Quang Cương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng khóa luận tốt nghiệp của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của

TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Tôi cam kết rằng mọi nội dung, kết quả và công trình nghiên cứu trong khóa luận này là do tôi tự thực hiện

Tôi xác nhận rằng tất cả các tài liệu, nguồn tham khảo và thông tin tham chiếu đã được ghi rõ và trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo của khóa luận Những ý kiến, quan điểm và kết quả nghiên cứu được trình bày trong khóa luận này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào mà không được trích dẫn

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2024 Sinh viên thực hiện

Đinh Quang Cương

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI i

LỜI CẢM ƠN xi

LỜI CAM ĐOAN xii

MỤC LỤC xiii

DANH MỤC BẢNG xvi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvii

DANH MỤC VIẾT TẮT xix

MỞ ĐẦU xx

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

Giới thiệu về vật liệu composite 1

1.1.1 Khái niệm vật liệu composite 1

1.1.2 Cấu tạo vật liệu composite 2

1.1.3 Vật liệu gia cường 2

1.1.4 Tính chất vật liệu composite 4

1.1.5 Phân loại vật liệu composite 5

1.1.6 Một số phương pháp gia công vật liệu composite 7

1.1.7 Ứng dụng của vật liệu trong đời sống 10

Tổng quan về nguyên liệu 11

1.2.1 Nhựa Novolac 11

1.2.2 Urotropin 12

1.2.3 Hexan 12

1.2.4 Axit stearic 13

1.2.5 Bã cà phê 14

Phương pháp nghiên cứu 18

1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu composite 18

1.3.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 20

1.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20

1.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DSC) 20

1.3.5 Phương pháp kiểm tra cơ tính 21

Tình hình nghiên cứu 22

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 22

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 24

2.1 Nguyên liệu , dụng cụ và thiết bị 24

2.1.1 Nguyên liệu 24

2.1.2 Dụng cụ 24

2.1.3 Thiết bị 24

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 25

2.2.1 Quy trình xử lý bã cà phê 25

2.2.2 Quy trình gia công vật liệu composite 27

2.3 Phương pháp thực nghiệm 31

2.3.1 Phương pháp hồng ngoại biến đổi FTIR 31

2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai DSC 31

2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét SEM 31

2.3.4 Phương pháp đo cơ tính 32

2.3.5 Độ hấp thụ dung môi 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 35

3.1 Xử lý bã cà phê 35

3.1.1 Kết quả khảo sát thời gian ngâm trong dung môi bằng phương pháp FTIR 35 3.1.2 Kết quả quan sát bề mặt của bã cà phê trước và sau xử lý bằng kính hiển vi điện tử quét SEM 36

3.2 Kết quả xác định thời gian gia công và nhiệt độ gia công vật liệu composite 37

3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng hàm lượng urotropin đến cơ tính vật liệu 39

3.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ giữa bã cà phê và nhựa novolac 41

3.4.1 Kết quả SEM 41

3.4.2 Kết quả đo độ bền uốn và độ bền kéo 42

3.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của mật độ vật liệu composite đến cơ tính vật liệu 44

3.6 Khảo sát cấu trúc hình thái và cơ tính của mẫu compoite từ bã cà phê trước và sau xử lý 45

3.6.1 Kết quả SEM 45

3.6.2 Kết quả cơ tính 46

3.7 Khảo sát ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến hình thái học và cơ tính của sản phẩm composite 48

3.7.1 Kết quả hình ảnh SEM 48

3.7.2 Kết quả đo độ bền uốn 49

3.8 Khảo sát khả năng hấp thụ dung môi của vật liệu composite với tỷ lệ bã cà phê trên nhựa khác nhau 50

3.8.1 Kết quả hấp thụ nước 50

3.8.2 Kết quả hấp thụ hexan 51

3.9 Khảo sát hình thái học và độ bền dung môi của vật liệu composite sau khi ngâm trong dung môi với các tỷ lệ giữa bã cà phê và nhựa khác nhau 52

3.9.1 Kết quả SEM 52

3.9.2 Kết quả độ bền uốn 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Nguyên liệu sử dụng 24

Bảng 2.2 Các thiết bị sử dụng 25

Bảng 2.3 Thành phần nguyên liệu khảo sát hàm lượng urotropin cần dùng 28

Bảng 2.4 Thành phần nguyên liệu khảo sát tỉ bã bã cà phê và nhựa novolac 28

Bảng 2.5 Thành phần nguyên liệu khảo sát mật độ composite 29

Bảng 2.6 Thành phần nguyên liệu của vật liệu composite 30

Bảng 2.7 Thành phần nguyên liệu khi độn thêm sợi thủy tinh 30

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Vật liệu composite 1

Hình 1.2 Minh hoạ cho phương pháp đắp tay 7

Hình 1.3 Minh hoạ cho phương pháp súng phun 8

Hình 1.4 Quy trình chế tạo composite theo phương pháp cuộn sợi 9

Hình 1.5 Quy trình sản xuất bằng phương pháp đùn kéo 10

Hình 1.6 Cấu trúc nhựa novolac 11

Hình 1.7 Cấu trúc của urotropin 12

Hình 1.8 Cấu thức cấu tạo của hexan 12

Hình 1.9 Cấu trúc của axit stearic 13

Hình 1.10 Thành phần của bã cà phê 15

Hình 1.11 Cấu trúc phân tử cellulose 15

Hình 1.12 Cấu trúc hemicellulose 17

Hình 1.13 Đơn vị cấu trúc của lignin 18

Hình 2.1 Quy trình xử lý bã cà phê 26

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tạo vật liệu composite từ nhựa novolac và bã cà phê 27

Hình 2.3 Mẫu uốn trên gối đỡ 32

Hình 2.4 Mẫu thử độ bền kéo 33

Hình 3.1 Phổ FTIR của bã cà phê trước khi ngâm hexan và ngâm hexan trong 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ 35

Hình 3.2 Kết quả quan sát bề mặt mẫu: a) và b) mẫu SCG; c) và d) mẫu ESCG 36

Hình 3.3 Đường cong DSC của nhựa novolac với các hàm lượng urotropin khác nhau 38

Hình 3.4 Đường cong DSC của mẫu nhựa novolac và urotropin 14% tại 120℃ 39

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của vật liệu composite tại các hàm lượng urotropin khác nhau 39

Hình 3.6 Đồ thị thể hiện độ bền kéo (a) và mô đun kéo (b) của vật liệu composite tại các hàm lượng urotropin khác nhau 40

Hình 3.7 Bề mặt vật liệu composite với các tỉ lệ độn và nhựa: a) tỉ lệ 4:6, b) tỉ lệ 5:5, c) tỉ lệ 6:4 và d) tỉ lệ 7:3 41

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của vật liệu composite tại các tỉ lệ giữa bã cà phê và nhựa khác nhau 42 Hình 3.9 Đồ thị thể hiện độ bền kéo (a) và mô đun kéo (b) của vật liệu composite tại các tỉ lệ giữa bã cà phê và nhựa khác nhau 42 Hình 3.10 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của vật liệu composite tại các mật độ khác nhau 44 Hình 3.11 Đồ thị thể hiện độ bền kéo (a) và mô đun kéo (b) của vật liệu composite tại các mật độ khác nhau 44 Hình 3.12 Hình ảnh SEM bề mặt vật việu: a) composite từ SCG b) composite từ ESCG 45 Hình 3.13 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của vật liệu composite được làm từ SCG và ESCG 46 Hình 3.14 Đồ thị thể hiện độ bền kéo (a) và mô đun kéo (b) của vật liệu composite được làm từ SCG và ESCG 47 Hình 3.15 a) Bề mặt của sản phẩm composite không có sợi thủy tinh; Bề mặt sản phẩm composite khi độn thêm 5% (b), 10% (c), 15% (d) sợi thủy tinh 48 Hình 3.16 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của vật liệu composite khi độn thêm sợi thủy tinh ngắn 49 Hình 3.17 Đồ thị thể hiện độ hấp thu nước của vật liệu composite theo thời gian với tỷ

lệ độn và nhựa khác nhau 50 Hình 3.18 Đồ thị thể hiện độ hấp thu hexan của vật liệu composite theo thời gian với tỷ

lệ độn và nhựa khác nhau 51 Hình 3.19 Bề mặt vật liệu composite với các tỉ lệ độn và nhựa sau khi ngâm nước trong

7 ngày: a) tỉ lệ 4:6, b) tỉ lệ 5:5, c) tỉ lệ 6:4 và d) tỉ lệ 7:3 52 Hình 3.20 Bề mặt vật liệu composite với các tỉ lệ độn và nhựa sau khi ngâm trong hexan

7 ngày: a) tỉ lệ 4:6, b) tỉ lệ 5:5, c) tỉ lệ 6:4 và d) tỉ lệ 7:3 53

Hình 3.21 Đồ thị thể hiện độ bền uốn (a) và mô đun uốn (b) của mẫu composite với các

tỉ lê độn và nhựa khác nhau sau khi ngâm trong nước và hexan 7 ngày 54

DANH MỤC VIẾT TẮT

Testing and Materials

Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ

Calorimeter Phân tích nhiệt quét vi sai

ground Bã cà phê đã trích dầu

Infrared Spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại biến đổi fourier

Microscope Kính hiển vi điện tử quét

MỞ ĐẦU

Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng tăng cao Vì vậy, nhu cầu về sản phẩm thân thiện với môi trường cũng ngày càng tăng Do đó, để giảm thiểu tác động xấu đến môi trường, các nhà nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển các loại vật liệu xanh Đặc biệt là vật liệu composite được làm từ nguyên liệu thiên nhiên Vật liệu composite là vật liệu được hình thành bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu để cải thiện tính chất của các thành phần ban đầu

Hiện nay, chất thải từ nguồn nông nghiệp và công nghiệp rất lớn nhưng vẫn chưa được

xử lý một cách hiệu quả Do đó, nhiều nghiên cứu đã tận dụng sử dụng chúng trong việc gia cường vật liệu composite để giảm thiểu lượng chất thải ra môi trường Vỏ trấu, vỏ

cà phê, xơ dừa, sợi cọ dầu,… là những nguyên liệu đã được nghiên cứu để ứng dụng trong vật liệu composite [1-4] Một số ưu điểm chính của chất độn tự nhiên này là trọng lượng nhẹ, chi phí thấp, không bị mài mòn và quan trọng hơn nữa là chúng đẩy nhanh khả năng phân huỷ sinh học [3] Vì những lý do này sợi thiên nhiên có triển vọng làm chất độn gia cường trong vật liệu composite

Cà phê là một trong những thức uống phổ biến và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới [5]

Bã cà phê là một chất thải tồn tại trong ngành sản xuất cà phê, chiếm 45% trọng lượng hạt cà phê Do đó, hằng năm lượng chất thải bã cà phê thải ra trên thế giới khoảng 6 triệu tấn Việt Nam cũng là một trong những quốc gia sản xuất cà phê lớn nhất trên giới Theo ước tính, lượng bã cà phê sinh ra mỗi ngày ở Việt Nam 40 ngàn tấn Hầu hết bã cà phê được xử lý bằng cách chôn lấp hoặc đốt Việc này sinh ra lượng lớn khí metan và

CO2 gây ô nhiêm môi trường Bên cạnh đó, bã cà phê có xu hướng bị phân hủy thành một số chất ô nhiễm như caffeine, tannin,…[6]

Trên cơ sở này, đề tài nghiên cứu sử dụng bã cà phê làm chất độn gia cường cho vật liệu composite được lựa chọn trong khóa luận văn tốt nghiệp với hy vọng tạo ra một loại vật liệu có ích và đóng góp vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải bã cà phê gây ra

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và xây dựng quy trình xử lý bã cà phê và xây dựng quy trình gia công vật

liệu composite theo phương pháp ép nhiệt

Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng urotropin, tỷ lệ giữa bã cà phê trên nhựa và mật

độ của vật liệu composite đến cơ tính vật liệu composite

Khảo sát cơ tính của vật liệu composite khi độn thêm sợi thủy tinh

Khảo sát độ hấp thụ và độ bền của vật liệu composite trong các dung môi khác nhau

Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu composite dạng tấm được làm từ nền nhựa novolac, bã cà phê và urotropin là chất đóng rắn cho vật liệu

Phương pháp nghiên cứu

1 Xây dựng quy trình xử lý bã cà

2 Xây dựng quy trình gia công vật

liệu composite Tham khảo tài liệu [8]

3 Khảo sát thời gian ngâm bã cà

phê trong dung môi hexan

Phương pháp phân tích phổ

FTIR

4 Xác định thời gian và nhiệt độ

gia công composite

Phương pháp phân tích nhiệt

6 Khảo sát hàm lượng urotropin sử

dụng trong vật liệu composite Phương pháp phân tích cơ tính

7 Khảo sát tỷ lệ giữa chất độn gia

cường và nhựa novolac Phương pháp phân tích cơ tính

Phương pháp phân tích cơ tính

10 Khảo sát độ hấp thụ của vật liệu

11 Khảo sát khả năng bền trong

dung môi của vật liệu composite Phương pháp phân tích cơ tính

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu chế tạo ra vật liệu mới có tính chất cơ học tốt nhưng nhẹ, bền so với các vật liệu truyền thống cơ bản, mang lại hiệu quả kinh tế cao ứng dụng tốt trong ngành xây dựng cũng như trong các lĩnh vực khác Kết quả nghiên cứu đóng góp

cơ sở khoa học cho việc cải tiến loại vật liệu mới này

Ý nghĩa thực tiễn: Tận dụng được các nguồn phế phẩm trong tự nhiên và trong nông nghiệp hạn chế tối đa về chi phí sản xuất, góp phần tạo ra vật liệu thân thiện môi trường

có thể ứng dụng làm ván ép, cửa, vách ngăn… và quan trọng là giảm thiểu ô nhiễm môi

trường

Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và bàn luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Giới thiệu về vật liệu composite

1.1.1 Khái niệm vật liệu composite

Vật liệu composite là vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều thành phần khác nhau [9] Mỗi loại vật liệu đều có những đặc trưng tính chất (vật lý, hoá học) riêng biệt, khi tổng hợp lại chúng sẽ cho một vật liệu hoàn toàn mới khác với những vật liệu ban đầu Vật liệu mới này có tính chất vượt trội so với các vật liệu ban đầu [10, 11] Những thành phần chính của vật liệu composite bao gồm vật liệu nền đảm bảo cho sự liên kết của vật liệu và vật liệu gia cường nhằm đảm bảo cho composite có những tính năng cơ học cần thiết Sự kết hợp giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường tạo nên một sản phẩm cuối cùng có những tính chất ưu việt như độ bền, độ cứng, và trọng lượng nhẹ [10, 11]

Ngoài ra, vật liệu composite còn có thể chứa các chất phụ gia như chất chống cháy, chống chảy, chống tia UV, chống tạo bọt, hay chất chống oxi hóa để cải thiện quá trình gia công và khả năng chống chọi với môi trường [9] Tính linh hoạt trong việc kết hợp các thành phần này giúp tạo ra các sản phẩm composite có đặc tính đa dạng, đáp ứng được nhiều yêu cầu và ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực như hàng không, ô tô, xây dựng, và nhiều ngành công nghiệp khác

Hình 1.1 Vật liệu composite

1.1.2 Cấu tạo vật liệu composite

1.1.2.1 Vật liệu nền

Vật liệu nền giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite Đầu tiên, vật liệu nền được sử dụng như chất kết dính hay môi trường phân tán để liên kết và phân tán đồng đều vật liệu gia cường trong sản phẩm composite để tạo ra một cấu trúc đồng nhất và ổn định Bên cạnh đó, vật liệu nền đóng vai trò bảo vệ vật liệu gia cường khỏi sự tác động của môi trường xung quanh, đảm bảo tính ổn định và tuổi thọ của sản phẩm Ngoài ra, vật liệu nền còn truyền ứng suất từ môi trường lên vật liệu gia cường khi có lực tác động Cuối cùng, vật liệu nền cung cấp các tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, chống ăn mòn, cách điện và độ bền, góp phần làm cho composite đáp ứng được yêu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp Với vai trò quan trọng và đa dạng, vật liệu nền chính là nền tảng của sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của vật liệu composite trong các lĩnh vực công nghiệp hiện nay [9, 10, 12] Đối với composite polymer, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo Đối với nền nhựa nhiệt dẻo các phân tử polymer không liên kết với nhau về mặt hoá học

mà được giữ cố định bởi các liên kết thứ cấp hoặc liên kết liên phân tử chẳng hạn như liên kết van-der-waals và liên kết hydro Khi nung nóng polymer nhiệt dẻo sẽ chảy dẻo

ra nhưng sau khi làm nguội nó sẽ cứng lại [13] Ví dụ: PE (Polyethylene), PS (Polystyrene), ABS (Acrylonytril butadien styrene), PVC (Polyvinyl clorua) …

Đối với nền nhựa nhiệt rắn khi nung nóng (có hoặc không có xúc tác) các phân tử polymer được nối với nhau bằng các liên kết chéo, tạo thành mạng không gian ba chiều Sau khi đóng rắn, nhựa nhiệt rắn không thể hòa tan và không nóng chảy được tiếp nữa [13] Ví dụ: PU (Polyurethane), PP (Polypropylene), UF (Ure Fomandehyde), epoxy, polyester không no…

1.1.3 Vật liệu gia cường

Vật liệu gia cường đảm bảo những tính chất cơ học của vật liệu composite Những tính chất cơ học bao gồm như về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền ăn mòn trong môi trường kiềm, axit,…Thành phần cốt cốt của composite thường dùng là các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết (được tết xoắn gồm nhiều sợi lại với nhau), các cốt lưới với tính năng cơ lý được xác định Mỗi loại sợi có tính chất ưu nhược điểm và hiệu quả riêng Trong vật liệu composite thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích

của vật liệu composite Nếu thành phần cốt chiếm quá nhiều giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu [10] Một số loại sợi thường được được sử dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu composite

Sợi thủy tinh được xử lý từ thủy tinh khối một chất vô định hình được chế tạo từ hỗn hợp cát, đá vôi và các hợp chất oxy hóa khác Do đó, thành phần hóa học chính của sợi thủy tinh (46-75%) là silica (SiO2) Kiểm soát thành phần hóa học và quy trình sản xuất,

có thể thu được nhiều loại sợi thủy tinh cho các loại ứng dụng khác nhau, nhưng tính chất điển hình của chúng vẫn là độ cứng, chống ăn mòn và tính trơ Hơn nữa, chúng linh hoạt, nhẹ và không tốn kém, với những đặc tính này làm cho sợi thủy tinh trở thành loại sợi phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp chi phí thấp [9, 11] Sợi carbon là loại sợi nhẹ và bền với khả năng kháng hoá chất cao Sợi carbon thường được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và cơ khí Tính chất của sợi carbon được xác định bởi cấu hình nguyên tử của carbon và các sự liên kết của chúng, tương tự như cấu trúc tinh thể than chì Độ bền của sợi carbon được kiểm soát bằng cách định hướng cấu trúc nguyên tử carbon với các liên kết nguyên tử dọc theo hướng sợi carbon [11] Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan, đá bazan có nguồn gốc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phun ra rồi kết tinh lại Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính

cơ lý hóa tốt hơn hẳn so với các sản phẩm truyền thống là bông sợi thủy tinh hoặc amian, không độc hại cho người và sinh vật, không hút ẩm và có độ bền cao dưới ánh nắng mặt trời Vât liệu composite cốt sợi bazan thường được dùng để chế tạo các sản phẩm cách nhiệt cho công nghiệp Bông bazan được dùng thay thể bông thủy tinh và các loại bông khoáng khác để bảo tôn hoặc bảo hàn thiết bị nhiệt, lò sấy, các đường ống dẫn hơi, các thiết bị lạnh hoặc dùng trong xây dựng với mục đích cách âm, cách nhiệt, tăng khả năng chịu lực [10]

Sợi tự nhiên: cellulose là sợi quan trọng nhất, người ta hay dùng loại sợi này ở dạng vải sợi cắt ngắn hay chỉ yarn, tốt tương đương sợi viscose tái tạo Vải cellulose ở dạng dệt thường được dùng cho vật liệu tấm laminate Trong các loại sợi thường, nylon được dùng trong chất dẻo thay thế bộ phận người thuộc họ phenolic, và sợi polypropylene được dùng gia cường cho xi măng vô cơ Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích với nền polymer thường cao hơn sợi thủy tinh Yếu điểm chung của các sợi aramit là hút ẩm, và sự hút ẩm làm cho các đặc trưng cơ-lý của

sợi bị giảm đi 15-20% Sợi hữu cơ thích ứng tốt với việc dệt thành vải Sau khi dệt những đặc tính ban đầu của sợi vẫn giữ được trên 90%, vì vậy khi dùng sợi hữu cơ làm cốt cho composite hay dùng ở dạng đã dệt thành các loại vải khác nhau [10]

1.1.4 Tính chất vật liệu composite

Vật liệu composite ngày được ưu chuộn và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực do

có nhiều đặc tính ưu việc Đầu tiên, một trong những tính chất nổi bật nhất của vật liệu composite là trọng lượng nhẹ Sự kết hợp giữa các sợi nhẹ như sợi carbon hay sợi thủy tinh với nhựa nền nhẹ tạo ra một sản phẩm có khối lượng thấp mà vẫn giữ được độ bền

và cứng Điều này làm cho vật liệu composite trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần giảm trọng lượng như trong ngành hàng không và ô tô [14]

Ngoài ra, vật liệu composite còn có độ bền cao và khả năng chịu lực tốt Sự kết hợp giữa các sợi có độ bền cao và ma trận có khả năng chịu lực tốt tạo ra một sản phẩm có khả năng chịu tải và áp lực cao, vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc sản xuất các thành phần cần độ bền và cứng chắc như các bộ phận trong máy bay và tàu thủy

Khả năng chống ăn mòn là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu composite Vật liệu nền thường có khả năng chống lại ảnh hưởng của môi trường hóa học và tác động của các yếu tố khắc nghiệt, giúp bảo vệ các thành phần composite khỏi sự ăn mòn

và suy giảm hiệu suất theo thời gian

Các ưu điểm khác như khả năng tăng cường chống va đập, độ bền mỏi cao, cách âm, cách nhiệt tốt, hệ số giãn nhiệt và cách nhiệt thấp làm cho vật liệu composite trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng yêu cầu tính an toàn và hiệu suất cao

Ngoài ra, tính linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu thành phần, tỷ lệ phối trộn và phương pháp gia công giúp tạo ra nhiều sản phẩm với tính năng đa dạng đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau Khả năng tạo hình dạng, kích thước và cấu trúc theo yêu cầu của người sử dụng cũng là một ưu điểm lớn trong thiết kế vật liệu

Tóm lại, với những tính chất ưu việt và khả năng đáp ứng đa dạng vật liệu composite không chỉ là một lựa chọn hiệu quả trong ngành công nghiệp mà còn đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau

1.1.5 Phân loại vật liệu composite

Vật liệu composite được phân loại theo bản chất và hình dạng của vật liệu thành phần

1.1.5.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường

Vật liệu composite phân loại theo vật liệu gia cường bao gồm composite cốt hạt và composite cốt sợi

a Composite cốt hạt

Composite cốt hạt là một dạng composite được gia cường bởi sự thêm vào các hạt có

các dạng và kích thước khác nhau Các loại hạt thường được sử dụng bao gồm silica, CaCO3, vảy mica, vẩy kim loại như sắt, đồng, nhôm, cao lanh, đất sét, bột talc, graphite, cacbon và bột gỗ

Mục đích sử dụng hạt làm vật liệu gia cường là đa dạng và đáp ứng nhiều yêu cầu của ứng dụng cụ thể

Độn trơ: Hạt có thể được sử dụng như là chất độn trơ để tăng thể tích và giảm giá thành của vật liệu Sự thêm vào hạt giúp điều chỉnh khối lượng và đặc tính của composite mà không ảnh hưởng đến tính chất chính

Độn tăng cường: Hạt có khả năng tăng cường vật liệu, cải thiện một số tính chất như khả năng chịu nhiệt, chống mài mòn và khả năng chống cháy Việc sử dụng hạt làm phần gia cường giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu composite trong các điều kiện khác nhau

Dễ dúc khuôn và giảm sự tạo bọt khí: Hạt có thể giúp làm giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao, làm cho quá trình đúc khuôn trở nên dễ dàng hơn và đồng thời cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu

Chống co rút khi đóng rắn, giảm tỏa nhiệt khi quá trình đóng rắn diễn ra

b Composite cốt sợi

Composite cốt sợi là một dạng composite được gia cường bằng sự thêm vào các sợi, với các hình dạng sợi khác nhau Các loại sợi phổ biến bao gồm sợi thủy tinh, sợi cellulose, sợi carbon, sợi boron, sợi carbua silic, sợi amide, và nhiều loại sợi khác nữa Composite cốt sợi có những đặc điểm như sau:

Tính năng cơ lý hóa cao: So với việc sử dụng hạt, việc sử dụng sợi giúp cải thiện tính chất cơ lý và hóa học của vật liệu composite Sợi thường mang lại độ cứng và độ bền cao hơn, cũng như khả năng chống va đập tốt

Giá thành cao hơn: Sử dụng sợi thường đồng nghĩa với chi phí sản xuất cao hơn so với việc sử dụng hạt Tuy nhiên, điều này thường được bù đắp bởi tính hiệu suất và tính chất cuối cùng của sản phẩm

Chế tạo vật liệu cao cấp: Composite cốt sợi thường được ứng dụng trong việc chế tạo các vật liệu cao cấp, nơi mục đích chủ yếu là gia cường cơ tính của vật liệu Các ứng dụng thông thường bao gồm trong lĩnh vực hàng không, ô tô chất lượng cao, và các sản phẩm công nghiệp đòi hỏi tính chất cơ học và chịu lực tốt

Composite cốt sợi thường được phân thành hai loại chính:

Sợi liên lục (sợi dài, vải ): Các sợi trong loại này có tỉ lệ chiều dài/đường kính (l/d) rất cao, thường nằm trong khoảng từ 3 đến 200 μm

Sợi gián đoạn (sợi ngắn, vụn ): Trong loại này, tỉ lệ chiều dài/đường kính thấp hơn, thường nằm trong khoảng từ 5 đến 1000, và đường kính có thể từ 0,02 đến 100 μm

1.1.5.2 Phân loại theo bản chất vật liệu nền

Composite được phân loại dựa trên vật liệu nền thành ba loại chính, mỗi loại mang lại những đặc tính đặc biệt và phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau

Composite nền polymer: Trong đó nền của vật liệu là các nhựa hữu cơ như epoxy, polyester, hay polyurethane Cốt liệu có thể bao gồm sợi hữu cơ như polyamit, kevlar, sợi aramit, sợi khoáng như sợi thủy tinh, sợi cacbon, và sợi kim loại như bo, nhôm Composite này thường có khả năng chịu nhiệt độ tối đa từ 200 - 300℃, và được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tính nhẹ và cách điện tốt

Composite nền khoáng: Nền được làm từ vật liệu gốm như alumina, spinel, beryllia, Vật liệu gia cường có thể là sợi kim loại như bo, thép, hạt kim loại và hạt gốm như gốm cacbua, gốm nitơ Composite này nổi bật với khả năng chịu nhiệt độ rất cao lên đến

1000oC và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cơ học và chịu nhiệt

độ cao [15]

Composite nền kim loại: Sử dụng các kim loại như nhôm, titan hay thép làm nền Vật liệu gia cường có thể là sợi kim loại như bo, thép, sợi khoáng như cacbon, SiC Loại composite này thường có khả năng chịu nhiệt độ lên đến 600oC và thường được áp dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ cứng và chịu lực tốt [16]

1.1.6 Một số phương pháp gia công vật liệu composite

1.1.6.1 Phương pháp đắp tay

Phương pháp lăn tay là một cách tiếp cận thủ công đơn giản trong việc chế tạo vật liệu composite mà không cần sử dụng máy móc hay thiết bị công nghệ cao Thay vì dựa vào các máy móc, người thợ sẽ sử dụng tay và các dụng cụ đơn giản như găng tay và con lăn nhẹ để ép và hoà trộn các lớp vật liệu composite lại với nhau [17]

Hình 1.2 Minh hoạ cho phương pháp đắp tay [11]

Phương pháp lăn tay có khả năng sản xuất các sản phẩm lớn có kết cấu phức tạp Ngoài

ra, phương pháp này có chi phí sản xuất thấp, cho phép thay đổi kiểu cách và mẫu mã một cách dễ dàng Đây là phương phương tạo vật liệu composite đơn giản và phổ biến nhất Bên cạnh đó, phương pháp này còn một số nhược điểm như tốc độ sản xuất bị giới hạn, tốn nhiều chi phí nhân công và chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào kỹ năng và kinh nghiệm của công nhân

1.1.6.2 Phương pháp súng phun

Phương pháp súng phun sử dụng nguyên lý phun nhựa từ một nguồn tới một bề mặt cố định hoặc di động, phương pháp này cho phép tạo ra các lớp vật liệu composite mỏng

và đồng nhất trên các bề mặt phẳng hoặc 3D

Phương pháp súng phun có thể coi là bản mở rộng của phương pháp lăn tay Phương pháp này làm sản phẩm nhanh hơn, cho phép tạo hình các sản phẩm có kích thước nhỏ hoặc quá lớn và có tính kinh tế cao Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó kiểm soát bề dày, tỉ lệ thể tích của nhựa và sợi Do dó, phương pháp này không được áp dụng để sản xuất các sản phẩm có độ chính xác cao Phương pháp sún phun thường được

sử dụng trong chế tạo tàu thuỷ, bồn chứa, các bộ phận vận chuyển và các thiết bị bồn tắm với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau

Hình 1.3 Minh hoạ cho phương pháp súng phun [18]

1.1.6.3 Phương pháp cuộn sợi

Phương pháp cuộn sợi thường được sử dụng để tạo ra vật liệu composite bằng cách cuộn sợi một dải sợi dài liên tục (ví dụ: sợi thủy tinh, sợi carbon) được tẩm nhựa (ví dụ: epoxy, UPE) lên bề mặt của một lõi quay đã dược tạo hình chính xác, quá trình lưu hoá diễn ra ở nhiệt độ phòng hoặc gia nhiệt để tạo thành sản phẩm composite [11]

Hình 1.4 Quy trình chế tạo composite theo phương pháp cuộn sợi [11]

Phương pháp cuộn sợi cho phép kiểm soát chính xác về hình dạng, kích thước và hướng của các sợi composite trong sản phẩm cuối cùng Điều này giúp các sản phẩm có kết cấu phức tạp và đồng nhất Phương này có tốc độ sản xuất nhanh và chi phí sản xuất thấp Bên cạnh đó, phương pháp cuộn sợi có khả năng tăng cường độ cứng và độ bền của vật liệu composite Do đó, phương pháp này cũng có thể được áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ sản xuất chi tiết cơ bản đến các bộ phận có độ phức tạp cao trong ngành công nghiệp hàng không, ô tô và hàng hải Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là giới hạn hình học của các công cụ có sẵn và cần phải đảm bảo độ chính xác và đồng nhất trong quá trình quấn sợi để trách các lỗi sản xuất [19]

1.1.6.1 Phương pháp đùn kéo

Phương pháp đùn kéo là một quy trình gia công vật liệu composite liên tục, tự động, dùng để sản xuất các sản phẩm bằng bằng kéo liên tục các sợi cốt được tẩm nhưạ nền qua khuôn nhiệt Sản phẩm từ phương pháp này có các tính chất vật lý, hoá học tốt [11]

Hình 1.5 Quy trình sản xuất bằng phương pháp đùn kéo [11]

Phương pháp kéo cho phép điều chỉnh chính xác hàm lượng nhựa trong sản phẩm Điều này đảm bảo rằng tỷ lệ hỗn hợp nhựa và sợi gia cường được kiểm soát chặt chẽ, dẫn đến tính chất cơ học ổn định Bề mặt sản phẩm đùn kéo thường trơn láng cả hai mặt và không cần quá trình hoàn thiện hay gia công bổ sung Phương pháp này cũng có tỷ lệ phế liệu thấp, với hiệu suất lên đến 95% Điều này đồng nghĩa với việc ít chất liệu bị lãng phí và tiết kiệm nguyên liệu Ngoài ra, phương pháp đùn kéo cho khả năng nạp liệu lớn và cho phép sản xuất liên tục với năng suất cao Quá trình này có thể được dễ dàng cơ khí hóa

và tự động hóa, tăng tính hiệu quả trong quy trình sản xuất Cuối cùng, sản phẩm từ phương pháp đùn kéo cho đặc tính bền kéo và bền uốn tốt, cũng như kháng va đập tốt Điều này làm cho chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng yêu cầu tính chất cơ học cao và khả năng chịu lực lớn [20]

Tuy nhiên, nhược điểm của của phương pháp này là sản phẩm có độ kháng xé kém Phương pháp này không thể sản xuất những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng Ngoài ra, sợi chỉ được định hướng theo chiều dài của sản phẩm

1.1.7 Ứng dụng của vật liệu trong đời sống

Ứng dụng của vật liệu composite ngày nay rất đa dạng và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ ngành hàng không đến ô tô, xây dựng, y tế và thậm chí là trong lĩnh vực thể thao

Trong ngành hàng không và ô tô, vật liệu composite được sử dụng để tạo ra các bộ phận nhẹ nhàng, nhưng vẫn đảm bảo độ bền và độ cứng cần thiết Với khả năng chịu được tải trọng cao và chịu nhiệt tốt, composite thường được sử dụng trong việc sản xuất thân

máy bay, cánh quạt, và các thành phần cấu trúc khác Trong lĩnh vực ô tô, composite giúp giảm trọng lượng của các phần thân xe, từ đó tăng hiệu suất nhiên liệu và hiệu quả trong vận hành [21]

Ở lĩnh vực xây dựng, vật liệu composite được sử dụng để tạo ra các vật liệu cách âm, cách nhiệt và có độ bền cao Các tấm vật liệu composite thường được sử dụng trong việc xây dựng các cấu trúc nhẹ nhàng như các bức tường phân chia, cửa và cửa sổ [21] Trong y tế, vật liệu composite được sử dụng trong việc sản xuất các bộ phận thay thế cơ thể như khung xương giả và các thiết bị y tế phức tạp khác Khối lượng nhẹ, bền và khả năng tùy chỉnh của composite làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng y tế [21]

Ngoài ra, vật liệu composite còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các thiết bị thể thao như vợt tennis, gậy golf Tính linh hoạt và khả năng điều chỉnh của composite giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng của các sản phẩm thể thao này [21]

Tổng quan về nguyên liệu

1.2.1 Nhựa Novolac

Nhựa novolac là một loại nhựa nhiệt rắn được tạo thành thông qua phản ứng trùng ngưng giữa fomaldehyde và phenol, với xúc tác axit

Hình 1.6 Cấu trúc nhựa novolac

Nhựa novolac là một loại chất rắn, cứng và giòn Nó có khả năng hút ẩm cao và màu sắc từ không màu đến vàng hoặc nâu, phụ thuộc vào lượng phenol dư trong sản phẩm Novolac cũng có thể tan trong hỗn hợp dung môi C2H5OH/acetone

Sau khi đóng rắn, novolac có độ bền rất cao Nó có khả năng chịu nhiệt tốt và có tính cách điện, đồng thời cũng chịu được môi trường có chứa dung dịch KOH và các dung môi khác

Nhựa novolac là một vật liệu đa dụng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ Đặc tính của nó làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến trong việc sản xuất các sản phẩm chịu nhiệt, cách điện và chịu môi trường khắc nghiệt

1.2.2 Urotropin

Hình 1.7 Cấu trúc của urotropin

Urotropin là một hợp chất rắn không màu và có dạng tinh thể Điểm nóng chảy của urotropin nằm trong khoảng từ 263- 280℃, làm cho nó trở thành một chất rắn ổn định

ở nhiệt độ phòng [22] Cấu trúc hóa học của urotropin được thể hiện ở hình 1.7

Tính chất hoá học chính của urotropin bao gồm khả năng phân hủy khi đun nóng, tạo ra formaldehyde và amoniac

(CH2)6N4 + 6H2O→ 6CH2O + 4NH3

Urotropin cũng tan trong nước, tạo ra một dung dịch axit yếu Nó có thể phản ứng với axit để tạo ra muối, cũng như với một số chất oxi hóa để tạo ra các sản phẩm phản ứng khác nhau Nhờ tính chất này, urotropin được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như chất chống ngưng tụ, chất sát trùng, và nguyên liệu nổ

Hexan tồn tại dưới dạng chất lỏng trong suốt, có mùi thơm đặc trưng C6H14 là dung môi không phân cực, có độc tính thấp Với khối lượng phân tử là 86,18g/mol, tỷ trọng 0,659 g/cm3 tại 25℃, nhiệt độ đông đặc ở 95℃, nhiệt độ sôi là 69℃ Ngoài ra C6H14 còn có điểm chớp cháy là -22℃, điểm tự phát cháy là 225℃, tính tan trong nước ở 25℃ là 10mg/L với độ nhớt 0,3 mPa.s ở 25 ℃

Trong phân tử C6H14 chỉ tồn tại liên kết Đó chính là những liên kết xích ma bền vững

Vì vậy, C6H14 tương đối trơ về mặt hóa học Khi ở nhiệt độ thường, C6H14 thường không phản ứng với các bazơ, axit hay các chất oxi hóa mạnh như KMnO4,… Hexan mang tính chất đặc trưng của nhóm ankan, dưới tác dụng của chất xúc tác, ánh sáng và nhiệt, tham gia vào các phản ứng thế, phản ứng oxi hóa và phản ứng tách

1.2.4 Axit stearic

Axit stearic là một loại axit béo có công thức hóa học là C18H36O2 (Hình 1.9) Đây là một trong những axit béo có khối lượng phân tử cao nhất, là một axit béo no chứa 18 nguyên tử carbon, đặc trưng bởi sự tồn tại của một nhóm carboxyl (COOH) ở đầu mạch cacboxylic Axit stearic tự nhiên được tìm thấy trong các loại dầu và chất béo từ các nguồn thực vật và động vật

Hình 1.9 Cấu trúc của axit stearic Axit stearic là một loại axit béo no có tính chất vật lý đa dạng và quan trọng trong nhiều ứng dụng Về mặt bề ngoài, axit stearic là một chất rắn màu trắng hoặc màu nhạt, có thể tồn tại ở dạng hạt hoặc bột Điểm nóng chảy của axit stearic là khoảng 69-71°C

Một trong những đặc điểm quan trọng của axit stearic là tính hòa tan Axit stearic không hòa tan trong nước ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ như etanol, axeton, và clorua metylen

Một trong những tính chất hoá học đáng chú ý của axit stearic là khả năng tạo thành este Trong phản ứng este hóa, axit stearic có thể phản ứng với cồn để tạo ra các este stearat Điều này mở ra nhiều ứng dụng trong sản xuất chất tạo đặc, chất bảo quản và các sản phẩm mỹ phẩm

Axit stearic cũng có thể tham gia vào các phản ứng khác như trùng hợp, oxi hóa và khử Trong các điều kiện phản ứng thích hợp, axit stearic có thể trùng hợp để tạo thành polyme dạng đặc, được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm như sáp và nhựa Đồng thời, axit stearic cũng có thể được oxi hóa để tạo thành các chất dẻo có khối lượng phân

tử cao, có ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm như chất chống thấm nước và chất tạo màng

1.2.5 Bã cà phê

1.2.5.1 Tổng quan về bã cà phê

Cà phê là một trong nhưng thức uống phổ biến và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới Theo

tổ chức Cà phê Quốc tế (ICO) báo cáo lượng tiêu tụ cà phê trên thới giới đặt 9,96 triệu tấn năm 2019-2020 [23] Bã cà phê là một chất thải tồn tại trong ngành sản xuất cà phê, chiếm 45% trọng lượng hạt cà phê Do đó, hằng năm lượng chất thải bã cà phê thải ra trên thế giới khoảng 6 triệu tấn

Việt Nam cũng là một trong những quốc gia sản xuất cà phê lớn nhất trên giới Theo ước tính, lượng bã cà phê sinh ra mỗi ngày ở Việt Nam 40.000 tấn Hầu hết bã cà phê được xử lý bằng cách chôn lấp hoặc đốt Việc này sinh ra lượng lớn khí metan và CO2

gây ô nhiêm môi trường Bên cạnh đó, bã cà phê khi chôn trong đất có thể xu hướng phân huỷ một số chất ổ nhiễm như caffeine, tannin,…

Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu trên toàn cầu đã tập trung vào việc tận dụng

bã cà phê Các phương pháp như sử dụng bã cà phê làm nguyên liệu viên hoặc sản xuất than hoạt tính đã được đề xuất Ngoài ra, bã cà phê cũng có tiềm năng sử dụng rộng rãi hơn, bao gồm sản xuất chất chống oxy hóa tự nhiên, ethanol và dầu diesel sinh học Điều này không chỉ giảm bớt gánh nặng môi trường mà còn tạo ra cơ hội kinh doanh và phát triển bền vững trong ngành cà phê

Thành phần của bã cà phê bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin, lipid, proteins và các thành phần phụ khác được thể hiện ở hình 1.10

Hình 1.10 Thành phần của bã cà phê[24]

1.2.5.2 Tính chất vật lý và hoá học

Trong việc sử dụng bã cà phê làm chất độn gia cường cho vật liệu composite, cellulose

là thành phần chính đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và độ cứng của sản phẩm Bã

cà phê bao gồm các thành phần chính như cellulose, hemiellulose, lignin và lipid

a Cellulose

Cellulose là một loại polymer tự nhiên bao gồm các phân tử glucose dạng vòng Đơn vị lặp lại được thể hiện trên hình 1.11 bao gồm hai vòng glucose , liên kết với nhau thông qua một oxy liên kết cộng hóa trị với C1 của một vòng glucose và C4 của vòng liền kề

(liên kết 1 → 4) và được gọi là liên kết glucosidic β-1,4 Mức độ trùng hợp n thay đổi

trong khoảng từ 10 000 đến 15 000 đơn vị glucoza/phân tử [25]

Hình 1.11 Cấu trúc phân tử cellulose Như có thể thấy trong hình 1.11, mỗi đơn vị lặp lại chứa ba nhóm hydroxyl Các nhóm hydroxyl này và khả năng tạo liên kết hydro giữa các chuỗi cellulose chi phối các tính