Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường sợi tự nhiên đang thu được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước. So với các loại sợi tổng hợp như sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramide,… thì sợi thực vật có tính chất cơ lý và độ bền yếu hơn hẳn và vật liệu composite gia cường sợi thực vật cũng vậy. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thông thường không đòi hỏi tính chất cơ lý cao thì vật liệu composite gia cường sợi thực vật có nhiều ưu điểm hơn. Sợi thực vật có khả năng phân hủy sinh học và tỷ trọng thấp hơn nhiều so với sợi tổng hợp. Ngoài ra, chúng có ưu thế hơn nhờ giá rẻ và nguồn nguyên liệu dễ tìm và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẳn có ở địa phương. Chúng có khả năng gia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu về vật liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE Nguyễn Hữu Đạt VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG SỢI TRE KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH 8-2009 I LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, con xin cảm ơn gia đình, chính gia đình đã không ngừng động viên, hỗ trợ giúp con có động lực vượt lên khó khăn và có điều kiện để hoàn thành đề tài. Kế đến, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong và ngoài Khoa Khoa Học Vật Liệu, những người đã tận tâm giảng dạy em trong suốt những năm đại học, giúp em có được những kiến thức cần thiết để hoàn thành đề tài. Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Tấn Tài và thầy Trần Duy Thành đã có những ý kiến đóng góp quý báu và luôn theo sát em trong quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn các anh chị cán bộ trẻ trong Khoa và Bộ môn Hóa Lý đã luôn tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài. Cuối cùng, xin cảm ơn các bạn gần xa đã giúp đỡ, động viên và cho mình những kỉ niệm đẹp trong những năm đại học. II GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường sợi tự nhiên đang thu được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước. So với các loại sợi tổng hợp như sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramide,… thì sợi thực vật có tính chất cơ lý và độ bền yếu hơn hẳn và vật liệu composite gia cường sợi thực vật cũng vậy. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thông thường không đòi hỏi tính chất cơ lý cao thì vật liệu composite gia cường sợi thực vật có nhiều ưu điểm hơn. Sợi thực vật có khả năng phân hủy sinh học và tỷ trọng thấp hơn nhiều so với sợi tổng hợp. Ngoài ra, chúng có ưu thế hơn nhờ giá rẻ và nguồn nguyên liệu dễ tìm và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẳn có ở địa phương. Chúng có khả năng gia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu về vật liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre. III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Trong đề này, chúng tôi tập trung vào vật liệu composite gia cường sợi tre trên nhựa nền UP (unsaturated polyester) với các mục tiêu sau: Khảo sát thành phần hóa học của sợi tre. Khảo sát điều kiện tối ưu trong việc tạo mat tre. Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu. Khảo sát ảnh hưởng của chất kết dính, hàm lượng sợi, chiều dài sợi và điều kiện gia công lên tính chất cơ lý của vật liệu composite. IV MỤC LỤC Lời cảm ơn I Giới thiệu đề tài II Mục tiêu nghiên cứu đề tài III Mục lục…… IV Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt……………………………………………………….VII Danh mục hình ảnh VIII Danh mục bảng số liệu IX Danh mục đồ thị X Phần 1: Tổng quan 1.1. Tổng quan về vật liệu composite 1 1.1.1. Giới thiệu 1 1.1.2. Cấu tạo của vật liệu polymer composite 1 1.1.2.1. Vật liệu nền 1 1.1.2.2. Vật liệu gia cường 1 1.1.2.3. Các thành phần khác 1 1.2. Tổng quan về vật liệu nền unsaturated polyester 2 1.2.1. Giới thiệu 2 1.2.2. Quy trình tổng hợp 3 1.2.3. Các ứng dụng chính của nhựa UP 4 1.2.4. Ưu và nhượt điểm 4 1.3. Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre 4 1.3.1. Giới thiệu 4 1.3.2. Thành phần hóa học của tre 5 1.3.2.1. Cellulose 6 1.3.2.2. Hemi-cellulose 6 1.3.2.3. Lignin 7 1.3.2.4. Sáp 7 1.3.2.5. Pectin 7 V 1.3.3. Cấu trúc của sợi tre 7 1.3.4. Ứng dụng của tre 8 1.3.5. Các phương pháp biến tính sợi tre 9 1.3.5.1. Biến tính bằng kiềm 9 1.3.5.2. Biến tính bằng silane 11 1.3.5.3. Sự acetyl hóa 11 1.3.5.4. Sự benzoyl hóa 11 1.3.5.5. Biến tính bằng isocyanate 12 1.3.5.6. Biến tính bằng triazine 12 1.3.5.7 Biến tính bề mặt sợi bằng imidazolidinone 12 1.4 Vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật 14 1.4.1. Giới thiệu 14 1.4.2. Ứng dụng 15 Phần 2: Thực nghiệm 2.1. Hóa chất 16 2.2. Dụng cụ và thiết bị 16 2.3. Quy trình 17 2.3.1. Quy trình chuẩn bị sợi tre 17 2.3.1.1. Lấy tre 17 2.3.1.2. Tạo nan tre 17 2.3.1.3. Tách sợi tre 18 2.3.1.4. Tạo tấm mat sợi tre 18 2.3.1.5. Tạo mẫu composite 19 2.3.2. Chuẩn đo mẫu 21 2.3.2.1. Thử kéo 21 2.3.2.2. Mẫu thử uốn 21 Sơ đồ quy trình thực nghiệm 22 VI Phần 3: Kết quả và biện luận 3.1. Tối ưu hóa thành phần nhựa nền 23 3.2. Khảo sát thành phần của sợi tre 24 3.2.1. Độ tan của sợi trong xút ở điều kiện thường 24 3.2.2. Độ tan của sợi trong xút nóng 24 3.2.3. Độ tan của sợi trong nước nóng 24 3.2.4. Độ tan của sợi trong hỗn hợp ethanol-toluene 24 3.2.5. Độ tan của sợi trong H 2 SO 4 đậm đặc 25 3.2.6. Độ tan của sợi trong dung dịch H 2 SO 4 đậm đặc 25 3.3. Khảo xát phân bố kích thước sợi sau khi xay 27 3.4. Tối ưu hóa điều kiện tạo mat 28 3.4.1. Điều kiện xử lý bề mặt sợi 28 3.4.2. Xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29 3.4.2.1. Mục đích của việc chế tạo mat tre 29 3.4.2.2. Cách xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29 3.5. Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu 30 3.5.1. Mục đích của việc sử dụng CKD 30 3.5.2. Cách khảo sát ảnh hưởng của CKD 30 3.5.3. Kết quả đo kéo và đo uốn 31 3.5.4. Kết quả phân tích ảnh SEM 35 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39 3.7.1. Kết quả đo kéo và đo uốn 39 3.7.2. Kết quả phân tích ảnh SEM 41 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41 Phần 4: Kết luận Tài liệu tham khảo 44 Phụ lục…… 48 VII DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 20’: 20 phút A: Ampe CKD: Chất kết dính FT-IR: Fourier Transform Infrared g: Gam h: Giờ PVA: Polyvinyl alcol PMMA: Polymethyl methacrylate PVAc: Polyvinyl acetate PE: Polyethylene PP: Polypropylene PS: Polystyrene PVC: Polyvinyl chlorur PCL: Poly caprolactone s: Giây STY: Styrene SEM: Scanning Electron Microscopy SMC Sheet Moulding Compound UP: Unsaturated Polyester VS: Vinyl silane V: Volt []: Số tài liệu tham khảo VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Công thức hóa học của cellulose 6 Hình 2: Công thức hóa học của hemi-cellulose 6 Hình 3: Công thức hóa học của lignin 7 Hình 4: Các hình ảnh về cấu trúc sợi tre 8 Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm 9 Hình 6: Ảnh SEM của sợi trước khi biến tính (a) và sau khi biến tính (b) bằng xút 10 Hình 7: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng triazine 12 Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone 12 Hình 9: Sự phá hủy mẫu tại vùng tiếp xúc do hơi ẩm 14 Hình 10: Hình ảnh một bụi tre Đằng Ngà 17 Hình 11: Ảnh các giai đoạn tạo nan tre 17 Hình 12: (a) Nan tre sau khi cán 1 lần và (b) sau khi cán 3 lần để tách sợi 18 Hình 13: (a) Sợi tre sau khi ngâm xút 1% 72h và (b) sau khi trung hòa xút dư 19 Hình 14: Ảnh minh họa và ảnh thực mẫu đo kéo 21 Hình 15: Ảnh minh họa và ảnh thực mẫu đo uốn 21 Hình 16: Phổ FT-IR của sợi tre trước (a) và sau khi xử lý xút (b) 26 Hình 17: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50%, không có CKD 36 Hình 18: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50% và hàm lượng silane 0.6% 36 Hình 19: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 90% và hàm lượng silane 0.6% 41 IX DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1: Thành phần hóa học của sợi tre 5 Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh 14 Bảng 3: Ảnh hưởng của hàm lượng styrene lên thời gian tách pha của hỗn hợp 23 Bảng 4: Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn 23 Bảng 5: Kết quả khảo sát thành phần sợi tre 25 Bảng 6: Sự phân bố kích thước của sợi sau khi xay 30s và 60s 27 Bảng 7: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của CKD 31 Bảng 8: Kết quả so sánh hàm lượng tối ưu giữa 4 loại CKD 34 Bảng 9: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37 Bảng 10: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39 Bảng 11: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41 X [...]... kiện gia công lên tính chất cơ của mẫu 42 XI Phần 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu composite: 1.1.1 Giới thiệu: Vật liệu composite là vật liệu kết hợp từ hai vật liệu thành phần trở lên là vật liệu gia cường và vật liệu nền nhằm tạo nên vật liệu có tính chất vượt trội hơn so với từng vật liệu riêng lẻ Độ bền của composite phụ thuộc vào hàm lượng, sự xắp xếp, loại sợi và loại pha nền Vật liệu composite. .. bề mặt của sợi, có sự sắp xếp lại các vùng vô định hình trong sợi do xảy ra sự khâu mạng (ngăn cản sự xâm nhập của chất lỏng vào các vùng này) [15] Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone [15] 1.4 Vật liệu composite gia cường sợi thực vật: 1.4.1 Giới thiệu: Vật liệu composite gia cường sợi thực vật ở đây là loại vật liệu composite mà pha gia cường có nguồn gốc từ sợi của các... thực vật như tre, đay, gai dầu, lanh,… Sợi thực vật là nguồn vật liệu phân hủy sinh học có ở khắp nơi trên thế giới Các nghiên cứu gần đây cho thấy sơi thực vật có thể dùng làm pha gia cường trong vật liệu polymer composite nhằm thay thế pha gia cường sợi tổng hợp không tái sinh được [16] XXIV Trước đây, vật liệu polymer composite thường đi liền với pha nền nhựa nhiệt rắn hay nhiệt dẻo và pha gia cường. .. tre cán Sợi tre khô Tủ sấy -Xử lý xút đã xử lý -Trung hòa UP 70% MEKP Styrene 30% Mat sợi tre Máy ép thô Khuấy đều CKD Máy ép Resin Mẫu Mẫu composite composite Tủ sấy Đắp tay Mat sợi tre Khuôn có CKD Máy ép Mẫu Sản phẩm composite c ư Mài a Mẫu đo kéo Mẫu đo uốn XXXIV Phần 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 Tối ưu hóa thành phần nhựa nền: Theo tài liệu nghiên cứu về chế tạo vật liệu composite nhựa UP gia cường. .. So với các loại sợi tổng hợp như carbon, aramide, boron và sợi thủy tinh,… sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng có nhiều lợi thế hơn như giá rẻ, dễ tái sinh, dễ phân hủy, ít gây ô nhiểm môi trường và tận dụng được nguồn nguyên liệu có sẵn ở địa phương, …[15] Ở nhóm vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật, ảnh hưởng của chất tạo cầu thích hợp lên các thông số của nhựa không rõ... không rõ ràng như trường hợp nhựa nhiệt dẻo [13] Ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt sợi bằng kiềm lên tính chất cơ lý của composite nhựa nền polyester rõ ràng hơn trường hợp nhựa nền epoxy Điều này cho thấy sự tương hợp của nhựa epoxy với bề mặt sợi chưa biến tính tốt hơn so với nhựa UP [27] Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh [31] Loại sợi [4,12] Độ bền kéo (MPa)... composite có pha nền polymer được gọi là polymer composite 1.1.2 Cấu tạo của vật liệu polymer composite: 1.1.2.1 Vật liệu nền (matrix): Polymer là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang pha gia cường khi có lực tác dụng lên vật liệu Polymer nền có thể là một loại nhựa hay nhiều loại trộn lẫn vào nhau thành hỗn hợp đồng nhất Polymer nền thường có ba loại: Nhựa nhiệt dẻo:... phenolic của chúng Lignin được sử dụng như chất kết dính tự nhiên trong fibre-reinforced poly(lactic acid) (PLA) composites [33] 1.4.2 Ứng dụng : Ứng dụng chính của vật liệu composite gia cường sợi thực vật là thay thế nguồn nguyên liệu gỗ đang ngày càng cạn kiệt, thay thế vật liệu composite gia cường sợi tổng hợp trong các ứng dụng không đòi hỏi tính chất cơ lý cao, nhằm làm hạn chế sự ô nhiểm môi trường... bề mặt tiếp xúc sợi -nhựa nền và làm xuất hiện các vết rạn trên nhựa nền khi hàm lượng sợi cao Mặt khác, hơi ẩm cũng XXVI làm phân hủy mẫu tại những vùng tiếp xúc sợi -nhựa Ở nhiệt độ cao, hơi ẩm làm phân hủy đáng kể mẫu composite tại vùng tiếp xúc Các nghiên cứu khác về cấu trúc của lignin trong thực vật cho thấy chúng có khả năng làm chất tương hợp giữa sợi thực vật ưa nước và nhựa nền kỵ nước Lignin... với gỗ, tre có hàm lượng cellulose cao hơn và tạp chất ít hơn Hơn nữa, tre có thời gian sinh trưởng ngắn, khoảng 6-8 tháng là có thể sử dụng được Vì vậy, có thể sử dụng bột tre thay thế bột gỗ để ứng dụng vào lĩnh vực composite Sử dụng bột tre thay thế bột gỗ ngoại nhập sẽ làm tăng giá trị cho cây tre, tránh lãng phí nguồn nguyên liệu trong nước Tre được sử dụng làm pha gia cường trong vật liệu composite . Tổng quan về vật liệu composite: 1.1.1. Giới thiệu: Vật liệu composite là vật liệu kết hợp từ hai vật liệu thành phần trở lên là vật liệu gia cường và vật liệu nền nhằm tạo nên vật liệu có tính. liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre. III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Trong đề này, chúng tôi tập trung vào vật liệu composite gia cường sợi tre trên nhựa nền UP. QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE Nguyễn Hữu Đạt VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG