khảo sát ảnh hưởng của việc xử lý sợi xơ dừa bằng phương pháp hóa học đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa polyester

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC XỬ LÝ SỢI XƠ DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC ĐẾN CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC XỬ LÝ SỢI XƠ DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC ĐẾN CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER

TS Trương Chí Thành Võ Thị Nguyệt Ánh

MSSV: 2082164 Ngành: Công Nghệ Hóa Học-Khóa 34

Tháng 4/2012

Thầy Trương Chí Thành, người thầy đã hướng dẫn, hết lòng giảng dạy, giúp

đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Quý thầy cô Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Công nghệ đã truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện cho tôi làm việc tốt

Anh Trương Minh Châu - sinh viên Ngành Công nghệ hóa học - Khóa 33 - Bộ môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ, bạn Ngô Thị Bảo Trân, bạn Võ Hoàng Ngân đã giúp đỡ tận tình tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn!!!

Cần Thơ, ngày 19 tháng 4 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Nguyệt Ánh

Luận văn này, những ảnh hưởng của phương pháp cải thiện bề mặt của sợi xơ dừa được gia cường cho nhựa polyester đã được khảo sát Phương pháp cải thiện

bề mặt sợi được sử dụng là phương pháp hóa học Hóa chất được sử dụng là NaOH

Ngoài ra để việc khảo sát được tốt hơn nên trong đề tài này cũng đã sử dụng phương pháp RTM (Resin Transfer Moulding) để gia công tấm composite Thực tế

có nhiều phương pháp gia công composite như phương pháp đắp tay, phương pháp

ép nóng, phương pháp túi chân không,… Nhưng những phương pháp này khó thực hiện, có thể ảnh hưởng đến sức khỏe, hạn chế trong việc sử dụng một số loại nhựa,…Trong khi đó, phương pháp RTM cho bề mặt sản phẩm tốt, ít bọt khí, sử dụng được nhiều loại nhựa, chi phí thấp,…

Bằng sự kết hợp trên thì việc khảo sát cơ tính của vật liệu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý bằng NaOH trên nền nhựa polyester đã thành công

Xử lý sợi bằng NaOH đã cải thiện tốt được liên diện giữa nhựa và sợi Điều này chứng tỏ rằng, sợi xơ dừa có thể được sử dụng làm vật liệu gia cường hiệu quả trong vật liệu composite

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh iii

MỤC LỤC

Phần mở đầu 1

Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

1.1 Vât liệu composite 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Thành phần và cấu tạo 3

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite 3

1.2 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM 4

1.2.1 Một số phương pháp gia công 5

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM 5

1.3 Sợi tự nhiên 6

1.3.1 Giới thiệu về sợi tự nhiên 6

1.3.2 Phân loại sợi tự nhiên 6

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composite gia cường bằng sợi tự nhiên 6

1.3.4 Thành phần hóa học của sợi tự nhiên 7

1.3.5 Cấu trúc và tính chất của sợi tự nhiên 15

1.4 Sợi xơ dừa 18

1.4.1 Cấu tạo quả dừa 18

1.4.2 Cấu trúc, thành phần và tính chất của sợi xơ dừa 18

1.4.3 Ứng dụng của sợi xơ dừa 20

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh iv

1.7.2 Các phương pháp kiểm tra độ bền liên diện của vật liệu composite 26

Chương 2 NGUYÊN LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM 31

2.1 Nguyên liệu 31

2.1.1 Sodium hydroxide 31 2.2.2 Sợi xơ dừa 31 2.2.3 Nhựa polyester không no 32 2.2 Quy trình thực nghiệm 33

2.2.1 Làm sạch sơ bộ sợi xơ dừa nguyên liệu 33 2.2.2 Xử lý sợi bằng dung dịch NaOH 34 2.2.3 Rửa và sấy sợi sau khi xử lý 35 2.2.4 Gia công tấm composite bằng thiết bị RTM với nhựa polyester chưa no và sợi xơ dừa 36 2.3 Kiểm tra cơ tính 39

2.3.1 Thí nghiệm kéo 39 2.3.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm 40 2.3.3 Thí nghiệm đo va đập 42 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44

3.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền kéo của composite 44 3.2 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền uốn của composite 47 3.4 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền va đập của composite 49 Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

4.1 Kết luận 51

4.2 Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

Phụ lục 1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KÉO 54

Phụ lục 2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM UỐN NGANG 62

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh v

Phụ lục 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VA ĐẬP 70

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên 7

Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất của chúng 11

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của sợi xơ dừa 19

Bảng 1.4 Kích thước và tính chất của sợi xơ dừa 20

Bảng 2.1 Các đặc tính cơ bản của sợi nhựa polyester không no 32

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật máy RTM Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ 37

Bảng 2.3 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm kéo 40

Bảng 2.4 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm uốn 3 điểm 41

Bảng 2.5 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm đo va đập 43

Bảng 3.1 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý 44

Bảng 3.2 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý và nhựa polyester 45

Bảng 3.3 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý (MPa) 47

Bảng 3.4 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý và nhựa polyester (MPa) 47

Bảng 3.5 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý và nhựa polyester (J/m) 49

Bảng 3.6 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý (J/m) 49

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phương pháp RTM 4

Hình 1.2 Quy trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM 5

Hình 1.3 D-glucose 8

Hình 1.4 Công thức phân tử của cellulose 8

Hình 1.5 Liên kết hydro trong cellulose 10

Hình 1.6 Đơn vị mắc xích trong hemicellulose 12

Hình 1.7 Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin 13

Hình 1.8 Cấu trúc lignin 14

Hình 1.9 Công thức cấu tạo của pectin 14

Hình 1.10 Cấu trúc sợi tự nhiên 15

Hình 1.11 Cấu tạo quả dừa 18

Hình 1.12 Một số ứng dụng của sợi xơ dừa 21

Hình 1.13 Chất đóng rắn MEKP 24

Hình 1.14 Công thức cấu tạo của MEKP 24

Hình 1.15 Một số kiểu liên kết tại liên diện 26

Hình 1.16 Mẫu thử single fiber compression test 27

Hình 1.17 Mẫu thử hình xương chó 27

Hình 1.18 Mẫu thử fiber pull-out test 28

Hình 1.19 Phương pháp fiber push-out test 28

Hình 1.20 Phương pháp slice compression test 29

Hình 1.21 Thí nghiệm uốn 3 điểm 30

Hình 2.1 Sodium hydroxyde 31

Hình 2.2 Sợi xơ dừa thẳng 31

Hình 2.3 Quy trình gia công tấm composite 33

Hình 2.4 Thao tác loại những sợi không đạt 34

Hình 2.5 Chải sợi trong nước 34

Hình 2.6 Xử lý sợi bằng dung dịch NaOH 35

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh viii

Hình 2.7 Rửa sợi xơ dừa sau khi đã xử lý 36

Hình 2.8 Máy RTM Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ 36

Hình 2.9 Quy trình làm việc của thiết bị RTM 38

Hình 2.10 Gia công composite bằng phương pháp RTM 38

Hình 2.11 Máy đo kéo và uốn Zwick/Roell BDO – FB050TN 39

Hình 2.12 Đo mẫu uốn composite 41

Hình 2.13 Thiết bị Zwick/Roell BPI – 50COMC 42

Hình 3.1 Modulus đàn hồi kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau 45

Hình 3.2 Độ bền kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau 46

Hình 3.3 Độ bền uốn ngang của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau 48

Hình 3.4 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau 50

Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong đời sống xã hội Khoảng

5000 năm trước công nguyên, người cổ đại đã biết ứng dụng composite vào cuộc sống, điển hình là họ đã biết sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở trong quá trình nung gốm

Cùng với sự phát triển của thời đại, vật liệu composite đã không ngừng tiến bước và khẳng định địa vị trong đời sống xã hội Năm 1930 đã ứng dụng thành công sợi thủy tinh gia cường cho polyester không no và được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghệ chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho chiến tranh Thế giới lần thứ 2 Đến năm 1950, ngành vật liệu composite đã mang tính đột phá quan trọng đó

là sự xuất hiện nhựa epoxy và sợi gia cường polyester, nylon, …

Ngày nay, ngành vật liệu composite với nền là nhựa nhiệt dẻo đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao

Thời đại ngày nay với sự ra đời hàng loạt các sản phẩm kỹ thuật công nghệ

đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao Song cùng với quá trình phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ trong những thập niên gần đây, đã phát sinh nhiều vấn đề nguy cơ và thách thức to lớn, trong đó có vấn nạn ô nhiễm môi trường

Vật liệu composite hiện nay chủ yếu thường sử dụng các nguồn nguyên liệu sợi và nhựa tổng hợp Việc sử dụng chúng ảnh hưởng đến môi trường do chúng không thể tái tạo được Chính vì thế, vấn đề đặt ra trong xu thế hiện nay là sử dụng những loại vật liệu mang tính thân thiện với môi trường Vì vậy trong đề tài này, sợi

xơ dừa được sử dụng làm sợi gia cường Sợi xơ dừa có nhiều ở Đồng bằng sông Cửu Long của nước ta, giá thành thấp, độ mài mòn và tỷ trọng thấp, có thể tái sinh

và phân hủy sinh học nên rất thân thiện với môi trường Đặc biệt là nó có độ biến dạng phá hủy khá cao khoảng 15 – 25%, đây là tiềm năng để cải thiện độ bền va đập cho composite được gia cường bằng sợi xơ dừa Tuy nhiên một nhược điểm lớn nhất về loại vật liệu này là khả năng liên kết giữa sợi và nhựa rất kém Vì vậy, mục têu của đề tài cần giải quyết là cải thiện độ bền liên diện giữa nhựa và sợi

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 2

Phương pháp thực hiện

Ngày nay có nhiều phương pháp cải thiện độ bền liên diện của composite sợi

tự nhiên nhằm làm tăng cơ tính composite, bao gồm phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Phương pháp vật lý khó thực hiện, chi phí cao Trong khi đó, phương pháp hóa học đơn giản hơn phương pháp vật lý và có thể đạt được kết quả như mong muốn, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm Trong đề tài này, sợi xơ dừa được xử lý bằng dung dịch NaOH

Phương pháp gia công composite sợi đẳng hướng dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm và cơ tính của vật liệu composite được xác định dễ dàng Ngoài ra, để đảm bảo sức khỏe khi làm việc nên việc gia công composite cần thực hiện trong hệ kín Phương pháp gia công composite bằng máy RTM (Resin Transfer Moulding) được sử dụng trong thí nghiệm này là hợp lý vì dung môi dễ bay hơi ít hơn phương pháp đắp tay, đồng thời phương pháp này được thử nghiệm nhằm phổ biến cho các

cơ sở sản xuất vật liệu composite trong nước

Để đánh giá hiệu quả của việc xử lý sợi xơ dừa, độ bền phá hủy của vật liệu composite được xác định bằng thiết bị kéo, uốn ba điểm và va đập Cơ tính kéo là một trong những loại cơ tính đặc trưng của vật liệu và thường được đánh giá Thí nghiệm uốn ba điểm theo phương vuông góc với sợi là một phương pháp gián tiếp nhằm xác định độ bền liên diện giữa sợi gia cường và nhựa nền Phương pháp này cho kết quả nhanh chóng thể hiện khả năng liên kết giữa sợi xơ dừa và nhựa polyester, dễ thực hiện hơn các phương pháp đo trực tiếp khác và đặc biệt là phù hợp với điều kiện thiết bị của phòng thí nghiệm Khả năng chịu va đập là loại cơ tính mà ta mong muốn có được cho composite dựa trên bản chất của hai loại vật liệu thành phần là sợi xơ dừa và nhựa polyester Vì khả năng chịu va đập của vật liệu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được mong đợi là rất tốt do có độ dãn dài lớn

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 3

Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

1.1 Vât liệu composite [1], [14]

1.1.1 Khái niệm

Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hơp ít nhất từ hai loại vật liệu có bản chất khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới có đặc tính cơ, lý và hóa trội hơn đặc tính cơ, lý và hóa của từng vật liệu thành phần

1.1.2 Thành phần và cấu tạo

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục Pha liên tục gọi là vật liệu nền, làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính và những tính chất khác

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

- Cơ tính của các vật liệu thành phần

- Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần

- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần hay còn được gọi là

độ bền liên diện giữa sợi và nhựa nền Đây là yếu tố một quan trọng, nhất là đối với composite sợi tự nhiên

- Luật phần bố của của vật liệu cốt trong vật liệu nền

- Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt

- Phương pháp gia công

- Điều kiện môi trường làm việc,…

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite

Với những tính chất vượt trội của mình thì vật liệu composite đang dần thay thế các loại vật liệu truyền thống ở hầu hết các lĩnh vực trong đời sống cũng như trong kỹ thuật Vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành hàng không, vũ trụ, y tế, quân sự, thể thao, các ngành dân dụng,… Có thể nói rằng thế kỷ XXI là thế kỷ của composite

Bên cạnh những loại vật liệu composite truyền thống, ngày nay các loại vật liệu composite có khả năng phân hủy sinh học và có thể tái sử dụng đang ngày càng được tập trung nghiên cứu và phát triển Loại composite này cũng đã có nhi ều ứng dụng trong các ngành kỹ thuật cũng như trong đời sống như trong xây dựng (dùng làm ván tường, tấm lợp mái nhà, các thanh dầm định hình, vật liệu nội thất…),

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 4

trong lĩnh vực ô tô (các thanh cản hấp thụ lực, sàn xe, các chi tiết bên trong xe…), trong giáo dục (bàn ghế, các thiết bị trường học…),

1.2 Gia công composite bằng phương pháp RTM [1], [2], [15]

RTM (Resin Transfer Moulding) là phương pháp dùng áp suất thấp đưa nhựa vào trong khuôn kín, tạo sản phẩm có sự kiểm soát chặt chẽ về hình dạng Sản phẩm

có hàm lượng sợi cao 30 – 60% RTM có thể tạo sản phẩm từ đơn giản có tính năng thấp đến sản phẩm phức tạp có tính năng cao, từ sản phẩm có kích thước nhỏ đến kích thước rất lớn (Hình 1.1)

Hình 1.1 Phương pháp RTM

Ưu điểm:

- Sử dụng nhựa có độ nhớt thấp khoảng 100 – 1000cP

- Sản phẩm có thể được gia cố bằng các khung, lõi, hoặc các perform

- RTM tạo sản phẩm đẹp, tiết kiệm được nguyên liệu, nhiều mặt láng và quan trọng là ít gây hại cho môi trường

- Có thể tạo sản phẩm lớn bằng cách đưa nhiều đầu phun nhựa, tuy nhiên phải tính toán vị trí đặt đầu phun để đầu phun để đảm bảo thấm nhựa đồng đều

- Chi phí đầu tư tương đối thấp (so với tính năng của sản phẩm)

Nhược điểm:

- Chi phí khuôn mẫu cao

- Gia công một sản phẩm tốn nhiều thời gian

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM

Gia công composite bằng phương pháp RTM là một quá trình khuôn kín áp suất thấp, cho phép chế tạo các vật liệu tổng hợp khác nhau, từ đơn giản đến phức

tạp và kích thước từ nhỏ đến rất lớn (Hình 1.2)

Hình 1.2 Quy trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM

Trong phương pháp RTM, sợi được đặt vào khuôn, với tỷ lệ sợi khoảng 30 – 60% thể tích Khi khuôn được đóng lại, nhựa đã trộn sẵn phụ gia và chất đóng rắn được đưa vào khuôn thông qua cổng phun ở áp suất tương đối thấp

Áp suất bơm nhựa thường thấp hơn 690kPa (100psi) Sau đó gia nhiệt khuôn

để nhựa đóng rắn Sau khi đóng rắn, tháo khuôn lấy sản phẩm ra

Cân bằng giữa tốc độ gel hóa với thời gian chuyển nhựa vào khuôn và thời gian điền đầy nhựa vào khoảng trống trong sợi là rất cần thiết

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM

- Đặc tính của sợi gia cường

- Đặc tính của nhựa

- Áp suất bơm nhựa

- Nhiệt độ của khuôn

- Áp suất chân không của hệ thống

- Thời gian điền đầy khuôn

- Thiết kế khuôn

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 6

1.3 Sợi tự nhiên [4], [5], [7], [11], [13], [14]

1.3.1 Giới thiệu về sợi tự nhiên

Vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng một trở ngại lớn theo đó là vấn đề môi trường Vì thế, người ta đang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite than thiện môi trường và giá thành tương đối thấp Sợi thiên nhiên là một lựa chọn đang được quan tâm để thay thế các loại đắt tiền khác mà lại thân thiện với môi trường

Thành phần hóa học của sợi tự nhiên bao gồm các polymer thiên nhiên như cellulose, hemicellulose, lignin, pectin,… Trong phân tử các thành phần kể trên đều

có nhiều nhóm –OH phân cực nên sợi thiên nhiên tương hợp tốt với các polymer phân cực

1.3.2 Phân loại sợi tự nhiên

Sợi tự nhiên có thể được chia thành 4 loại sợi chính:

- Sợi từ vỏ cây: đay, lanh, gai, wood,…

- Sợi từ lá: dứa dại, chuối,…

- Sợi từ bông: cotton,…

- Sợi từ trái: dừa, cọ, bông gạo,…

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composite gia cường bằng sợi

tự nhiên

Hệ số co (dài/dày) ảnh hưởng rất lớn đến tính chất composite Vì vậy, hệ số này rất được chú ý trong quá trình chuẩn bị sợi để gia công Hệ số co của sợi nằm trong khoảng 100 -200 là tối ưu Nguồn gốc và loại sợi ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của composite

Một yếu tố quan trọng khác là sự phân tán sợi Sợi phân tán kém là sợi không tách rời từng cọng riêng biệt mà tụm lại thành bó, làm cản trở quá trình thấm nhựa nên khả năng gia cường kém so với sợi có độ phân tán tốt

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt tiếp xúc (liên diện giữa nhựa và sợi) Bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và sợi trong composite có nhiệm

vụ truyền ngoại lực tác dụng lên sợi Lực tác dụng trực tiếp tại bề mặt của composite được truyền qua sợi gần đó và tiếp tục truyền từ sợi qua sợi thông qua nhựa nền và bề mặt tiếp xúc Nếu bề mặt tiếp xúc kém, hiệu quả phân bố lực không cao và cơ tính composite bị giảm Nói cách khác, bề mặt tiếp xúc tốt có thể đảm bảo

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 7

composite chịu được tải trọng Vì vậy, kết dính giữa sợi và nhựa nền là thông số cơ bản quyết định cơ tính của nó

1.3.4 Thành phần hóa học của sợi tự nhiên

Hiệu quả tăng cường của sợi tự nhiên phụ thuộc vào thành phần cellulose và

độ kết tinh của sợi Thành phần của sợi tự nhiên là cellulose, hemicellulose, lignin, pectin và chất sáp Dưới đây là bảng so sánh thành phần hóa học của một số loại sợi

tự nhiên

Bảng1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên

Sợi

Cellulose (% KL)

Hemicellulose (% KL)

Lignin (% KL)

Pectin (% KL)

Độ ẩm (% KL)

Sáp (% KL)

Gai dầu 70-74 17,9-22,4 3,7-5,7 0,9 6,2-12 0,8 Đay 61,1-71,5 13,6-20,4 12-13 0,2 12,5-13,7 0,5

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 8

So với các loại sợi tự nhiên khác thì sợi xơ dừa có hàm lượng cellulose thấp nên hệ quả là cơ tính của sợi không cao Cho nên, cần sử dụng các biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ lignin (là thành phần chiếm tỷ lệ cao nhất trong sợi xơ dừa) nhằm làm tăng tỷ lệ cellulose trong sợi

1.3.4.1 Cellulose

a) Cấu trúc phân tử

Phân tử cellulose có cấu trúc mạch thẳng, bao gồm những đơn vị D –anhydroglucopyranose (AGU), được nối với nhau bằng những nối β-1,4-glucose Công thức phân tử của cellulose là (C6H10O5)n, trong đó n là độ trùng hợp Tùy vào gốc của cellulose và phương pháp xử lý sợi mà chỉ số n sẽ khác nhau Độ trùng hợp của cellulose thiên nhiên khoảng 10000

Các đơn vị mắc xích của cellulose chứa ba nhóm hydroxyl tự do, gồm một nhóm rượu bậc I và hai nhóm rượu bậc II Các nhóm hydroxyl ở mỗi đơn vị mắc xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2 và 6 Các đơn vị AGU trong cellulose

có dạng vòng 6 cạnh, vì vậy cellulose tương đối bền trong môi trường acid

Đơn vị tuần hoàn trong cellulose là hai đơn vị glucose anhydric liên tiếp đơn

vị cellulose Như vậy, cellulose có thể xem là một polymer điều hòa không gian, công thức cấu tạo được trình bày ở hình 1.4

Hình 1.3 D-glucose

Mạch phân tử cellulose rất dài gồm nhiều mắc xích glucose liên kết cộng hóa trị với nhau Phân tử cellulose ở cấu trúc dạng phiến, nó có thể uốn cong và xoắn với một giới hạn nào đó nhờ cầu nối oxy giữa các mắc xích Vì thế các nhóm hydroxyl trong mạch phân tử cellulose dễ dàng nhô ra để tạo liên kết hydro với các phân tử cellulose khác và tính hút nước của sợi cũng được quyết định thông qua liên kết này

Trạng thái của cellulose

Quá trình phản ứng hóa học của cellulose xảy ra chủ yếu ở các nhóm –OH của phân tử Vì đặc điểm này mà cellulose bền trong môi trường không phân cực Trong thực tế, hàm lượng cellulose có thể bị giảm trong một số trường hợp:

- Do thủy phân trong môi trường acid, trong trường hợp này nối glucose sẽ bị phân giải

- Phân giải bằng thủy phân của nối đôi glucosidic trong nước hay trong môi trường ẩm với xúc tác enzim từ các loại nấm và vi khuẩn trong quá trình ủ làm mục nát cellulose thiên nhiên ngay tại nơi bảo quản

- Quá trình oxy hóa diễn ra theo nhiều cách, bằng cách đưa vào các nhóm cacbonyl, cacboxylic và cuối cùng phân giải mạch thành những phân tử ngắn hơn

- Hàm lượng cellulose giảm do nhiệt độ từ 180 - 2000C qua các phản ứng khá phức tạp và sinh ra khí và than, quá trình có thể kiểm soát bằng cách dùng các phụ gia làm chậm quá trình cháy cellulose

Cellulose và các sản phẩm từ cellulose là các sản phẩm thân thiện với môi trường vì chúng có thể phần hủy bằng cách lên men vi sinh đơn giản, không gây ô nhiễm môi trường Cellulose không độc hại với cả sinh vật và con người

Sự trương nở trong nước của cellulose

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 10

Trạng thái lý hóa của cellulose, đặc biệt ở điểm là chúng có khả năng hấp thụ mạnh với nhiều loại vật liệu khác nhau Hấp thụ hơi nước là một ví dụ thực tế về khả năng này của cellulose Sở dĩ cellulose có tính hút nước là do trong phân tử có nhiều nhóm –OH phân cực

Tương tác giữa cellulose và nước đóng vai trò quan trọng trong hóa học, vật lý

và kỹ thuật của vật liệu cách điện và gia công cellulose Cellulose có tính hút ẩm cao là do tương tác của các nhóm –OH trong phân tử với nước nhưng lại bị cản trở không tan trong nước do cấu trúc siêu phân tử trật tự cao của cellulose Sự tương tác cellulose – nước có thể hiểu là sự cạnh tranh tạo nối hydro giữa các nhóm –OH của cellulose và sự tạo thành nối hydro giữa một nhóm –OH của mạch cellulose và một phân tử nước

Sự tương tác cellulose – nước tùy thuộc nhiều vào cấu trúc kết tinh, số lượng nước hiện diện trong polymer và nhiệt độ Đối với cellulose thiên nhiên, tương tác cellulose – nước được giới hạn trong những vùng không kết tinh, hệ thống lỗ xốp và

lỗ trống Khi tương tác cellulose – nước can thiệp vào những nối hydro nội phân tử

và liên phân tử của cấu trúc cellulose và sau khi sấy khô, cấu trúc vật lý của cellulose sẽ bị tác động và không thay đổi được

Hình 1.5 Liên kết hydro trong cellulose

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 11

Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất của chúng

Sự trương nở của cellulose trong môi trường kiềm

Sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiềm thường xảy ra rất nhanh Độ trương nở tối đa tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của cellulose, thường nồng độ kiềm cao hơn thì độ trương nở tối đa sẽ cao hơn nhưng tốc độ trương nở không ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố này Sự trương nở cellulose trong dung dịch kiềm xảy ra do quá trình tương tác cellulose – kiềm rất phức tạp, ảnh hưởng đến cả ba cấu trúc của cellulose

Quá trình tương tác cellulose – kiềm về bản chất là tương tác giữa những nhóm –OH của cellulose với những ion –OH lưỡng cực của kiềm, do tương tác này làm tách các liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử Xét về mức độ siêu phân tử

có sự thay đổi trong kích thước mạng và cấu trúc mạch xảy ra trong nồng độ kiềm gần trương tối đa, tổng độ trật tự bên trong sẽ giảm trong quá trình này nhưng vẫn giữ ở mức độ cao Sự trương nở nội và liên phân tử của cấu trúc sợi trong kiềm tạo

ra thành phần khác nhau trong vùng kết tinh và vùng vô định hình của vùng cellulose kiềm Xét hình thái có sự thay đổi rõ rệt trong cấu trúc sợi mịn do tương tác với dung dịch kiềm

Như vậy, sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiềm tùy thuộc vào nồng

độ kiềm, chính là tồn tại quá trình hydrat của lưỡng cực ion –OH Nồng độ kiềm

Loại vật liệu Độ trương

D – glucose, D – mannose, D – galactose, D – xylose và L arabinose Ngoài anhydro của các saccarit nói trên, còn có các đơn vị acid D – glucuronic, acid 4-O-metyl-D-glucuronic và D – galaturonic Một số polysaccarit còn có thể liên kết với nhóm acetyl Vì vậy thành phần của hemicellulose phức tạp hơn nhiều so với cellulose Hơn nữa, cấu tạo đơn vị mắc xích và liên kết giữa chúng trong mạch phân

tử của hemicellulose rất phức tạp Đơn vị mắc xích trong hemicellulose có thể ở dạng vòng pyranoza, furanoza và liên kết giữa các mắc xích có thể là glucozit 1-6, 1-4, 1-3, 1-2 (Hình 1.6)

Hình 1.7 Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin Các nhóm chức ảnh hưởng lớn nhất đến cơ tính của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzylic và nhóm carbonyl Hàm lượng của các nhóm chức thay đổi tùy theo loài thực vật và tùy thuộc vào vị trí của lignin ở lớp liên kết, lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật

Cấu trúc của lignin rất phức tạp, là một polyphenol có mạng không gian mở Trong lignin có hơn 2/3 số đơn vị phenylpropan nối với nhau qua liên kết ete, phần còn lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắc xích và liên kết este (Hình 1.8)

Tương tác hóa lý và liên kết hóa học giữa lignin và carbohydrat:

Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và hemicellulose với năng lượng liên kết khá lớn Lực liên kết hydro trong polysaccarit khoảng 21 – 25 KJ/mol, ở lignin năng lượng liên kết khoảng 8,5 – 21 KJ/mol

Do có nhiều nhóm chức trong một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với polysaccarit nên lực tương tác giữa lignin và các cấu tử khác của thành tế bào rất lớn Bên cạnh liên kết hydro, giữa các đại phân tử còn tồn tại lực liên kết Vanderwalls Lực tương tác vật lý này cũng góp phần cản trở quá trình hòa tan

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 14

lignin dưới tác dụng của dung môi hay khi đun cellulose Lignin không thể tan trong

các dung môi thông thường ở nhiệt độ thường

Hình 1.8 Cấu trúc của lignin Khi sử dụng hóa chất có tác dụng mạnh cũng không thể tách hoàn toàn lignin

ra khỏi sợi tự nhiên do giữa lignin và polysaccarit tồn tại liên kết hóa học Trong môi trường kiềm, liên kết ete bền hơn trong môi trường acid Trong khi đó liên kết ester giữa lignin và cellulose dẽ dàng bị phân hủy trong môi trường kiềm ở điều kiện thường Liên kết C-C xuất hiện khi gốc tự do ở nguyên tử C của lignin tác dụng với gốc tự do ở nguyên tử C của carbohydrat

1.3.4.4 Pectin và các chất trích ly

a) Pectin

Pectin là dẫn xuất polysaccarit, phân tử của chúng bao gồm các đơn vị mắc xích acid α-D-galacturomic Các đơn vị này nối với nhau bằng liên kết glucozit 1-4 Mỗi đơn vị mắc xích chứa một nhóm carbonyl ở vị trí C6 Các nhóm acid này tồn tại

ở trạng thái tự do hoặc dưới dạng liên kết ester (metyl ester) Trong pectin tự nhiên

có khoảng ¾ số nhóm acid bị metyl hóa Dưới tác dụng của xúc tác acid, pectin bị thủy phân thành acid D-galacturonic, trong đó metyl ester cũng bị thủy phân

Hình 1.9 Công thức cấu tạo của pectin

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 15

b) Chất trích ly

Chất trích ly là nhóm các hợp chất có thể hòa tan được trong nước hoặc dung môi trung hòa Chất trích ly gồm nhiều loại hợp chất có cấu tạo phân tử khác nhau với những nhõm chức khác nhau, như các mạch béo, các họ tecpen, các polyphenyl, một số carbohyrat và dẫn xuất cũng như hợp chất chứa nitơ và một sơ muối khoáng,… Thông thường chất trích ly tập trung ở vỏ nhiều hơn than Hàm lượng và thành phần các chất trích ly phụ thuộc vào loài cây, các bộ phận của cây cũng như điều kiện sinh trưởng của chúng

1.3.5 Cấu trúc và tính chất của sợi tự nhiên

1.3.5.1 Cấu trúc của sợi tự nhiên

Sợi tự nhiên có thể được coi như là composite của sợi cellulose rỗng được giữ bởi lignin và hemicellulose Tường tế bào là tường không đồng nhất Tường tế bào gồm hai lớp cơ bản: lớp sơ cấp tương đối mỏng và lớp thứ cấp dày hơn

Lớp sơ cấp có tính chất bao bọc lấy chất nguyên sinh trong mỗi tế bào Lớp thứ cấp được hình thành từ ba lớp phụ: tường thứ cấp ngoài, tường thứ cấp giữa và tường thứ cấp trong (hay còn gọi là tường tam cấp) Các lớp này khác nhau về bề dày (tường thứ cấp giữa là dày nhất), khác nhau về sự định hướng các thành phần hóa học Lớp thứ cấp xác định cơ tính của sợi, chúng chứa chuỗi xoắn ốc của vi sợi cellulose hình thành từ phân tử cellulose chuỗi dài Góc định hướng giữa sợi và vi sợi được gọi là góc vi sợi Giá trị góc vi sợi của những sợi khác nhau thì khác nhau Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo những phương khác nhau Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo những phương khác nhau, hoặc về phía phải (đường xoắn ốc Z), về phía trái (xoắn ốc trái S)

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 16

Hình 1.10 Cấu trúc sợi tự nhiên

Bộ phận cellulose là nhỏ nhất, với chiều rộng khoảng 3,5nm trong tường tế bào trưởng thành, được gọi là sợi con cơ bản Các sợi con này lại được tổ chức thành bộ phận gọi là vi sợi, có bề rộng khoảng 10 – 30nm, được làm từ 30 – 100 phân tử cellulose trong hình thể chuỗi kéo dài và cung cấp độ bền cơ cho sợi

Pha nền vô định hình trong tường tế bào rất phức tạp và chứa hemicellulose, lignin hoặc một số trường hợp là pectin Phân tử hemicelluloses được gắn với cellulose và hoạt động giữa những vi sợi cellulose, hình thành mạng lưới cellulose – hemicellulose, nó là thành phần chủ lực trong tế bào sợi Mạng lưới lignin kỵ nước ảnh hưởng đến cơ tính của các mạng lưới khác, nó hoạt động như một chất gắn kết

và gia tăng độ cứng của hỗn hợp cellulose/hemicellulose

Lớp thứ cấp ngoài có cấu trúc vi sợi ngang với các đường xoắn ốc theo hướng

vi sợi S và Z xen kẽ nhau Trong tất cả các loại tế bào, bề dày tổng cộng của tường

tế bào được kiểm tra bởi lớp tường thứ cấp giữa, còn lớp thứ cấp ngoài và lớp thứ cấp trong hầu như không thay đổi Vì vậy lớp thứ cấp giữa có liên quan chặt chẽ với tính chất vật lý của xơ sợi trong gỗ Lớp thứ cấp giữa thể hiện bước xoắn Z với tính song song cao trong các vi sợi Sự định hướng vi sợi thay đổi từ từ giữa lớp thứ cấp ngoài và lớp thứ cấp giữa, giữa lớp thứ cấp giữa và lớp thứ cấp trong có sự thay đổi góc tương đối đột ngột hơn là giữa lớp thứ cấp ngoài và lớp thứ cấp giữa Sự sắp xếp của sợi con trong lớp thứ cấp trong hơi dốc và không có tính song song cao 1.3.5.2 Tính chất của sợi tự nhiên

a) Tính chất vật lý của sợi tự nhiên

Tính chất vật lý phụ thuộc vào nguồn gốc của sợi Sợi từ thân và lá thường được sử dụng làm composite Ngoài ra, đặc tính cơ học của sợi phụ thuộc vào tính chất của từng thành phần, cấu trúc sợi, chiều dài và kích thước sợi, thời kỳ trưởng thành và phương pháp tách sợi Đặc tính như tỷ trọng, điện trở riêng, độ bền kéo và modul ban đầu được liên hệ đến cấu trúc bên trong và thành phần hóa học của sợi Tính chất mong muốn của sợi bao gồm độ bền kéo và modul đàn hồi, tỷ trọng thấp,

dễ sắp xếp vào khuôn và khả năng tái sinh tốt Sợi tự nhiên có thể cạnh tranh với sợi thủy tinh vì chi phí thấp, nguồn nguyên liệu có thể tái chế và độ bền riêng cao

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 17

b) Tính chất cơ của sợi tự nhiên

Sợi tự nhiên thích hợp làm nguyên liệu gia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo do có độ bền, độ dai tương đối và tỷ trọng thấp Các giá trị đặc trưng của sợi gai và các loại sợi gỗ mềm đạt gần đến giá trị của sợi thủy tinh E Tuy nhiên các giá trị đặc trưng này thay đổi trong một khoảng rất rộng tùy thuộc vào loại sợi

và điều kiện sinh trưởng từng vùng đất khác nhau Đó là một trog những nhược điểm của sợi tự nhiên

Modul đàn hồi của sợi tự nhiên dạng khối như gỗ khoảng 10Gpa Sợi cellulose tách từ gỗ qua công nghệ làm bả, xử lý hóa học có thể đạt giá trị modul lên đến 40Gpa Độ bền kéo của sợi tự nhiên tùy thuộc vào độ dài của mẫu đo và độ mịn của sợi Những yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả gia cường của sợi cho nhựa nền

Bản chất ái nước là vấn đề khó khăn cho tất cả các loại sợi tự nhiên khi sử dụng chúng làm nguyên liệu gia cường cho nhựa Hàm lường ẩm có thể chiếm 10% trong điều kiện thường, tùy thuộc vào phần không kết tinh và hàm lượng rỗng có trong sợi Bản chất hút nước của sợi tự nhiên làm ảnh hưởng đến tính chất cơ lý cũng như các thông số vật lý của sợi và ảnh hưởng không nhỏ đến tính chất của composite

c) Độ ổn định nhiệt

Sợi tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp của vật liệu hữu cơ Vì thế, xử lý nhiệt dẫn đến những thay đổi khác nhau về mặt vật lý và hóa học Chúng bắt đầu thoái hóa nhiệt ở 2000C, sự thoái hóa do nhiệt của sợi tự nhiên theo hai giai đoạn cơ bản Giai đoạn 1 (2000

C – 2500C), giai đoạn này có liên quan đến sự thoái hóa hemicellulose Giai đoạn 2 (2500C – 3000C) là giai đoạn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng lignin

Sợi tự nhiên phân hủy trong khoảng nhiệt độ từ 4000C – 6000C Sự thoái hóa sợi tự nhiên là vấn đề chủ yếu trong việc nghiên cứu phát triển và sử dụng composite sợi tự nhiên Xử lý sợi bằng phương pháp hóa học có thể cải thiện tính

ổn định nhiệt của sợi tự nhiên bằng cách phủ hoặc liên kết các sợi với monomer Việc xử lý sợi sẽ làm tăng nhiệt độ bắt đầu thoái hóa, làm giảm tốc độ thoái hóa và tổng khối lượng vật liệu mất đi

d) Sự thoái hóa do vi khuẩn và do ánh sáng của sợi tự nhiên

Hemicellulose là tác nhân chính gây ra sự thoái hóa do vi khuẩn, lignin gây ra

sự thoái hóa do ánh sáng Những sợi tự nhiên bị thoái hóa do vi khuẩn bởi vì chúng

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 18

có thể nhận ra những polymer có gốc carbohydrate trên thành tế bào Những lignocellulosic để ngoài trời bị thoái hóa sinh học và bức xạ tia UV Khả năng chống lại sự thoái hóa sinh học và bức xạ tia UV có thể cải thiện bằng liên kết hóa học lên polymer của thành tế bào hoặc bằng cách thêm polymer vào nền tế bào

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 19

1.4 Sợi xơ dừa [6], [8], [9], [16]

1.4.1 Cấu tạo quả dừa

Hình 1.11 Cấu tạo quả dừa Quả dừa thường có hình dạng quả trứng, hình dạng của nó tùy thuộc vào giống dừa, đồng thời giống dừa cũng xác định độ lớn của quả dừa

Cấu tạo quả dừa gồm bốn lớp: Vỏ ngoài cứng, nhẵn, nổi rõ 3 gờ Tiếp đến là các sợi xơ dừa, có nhiều mụn bao quanh gáo dừa, gáo dừa đã hóa gỗ nên khá cứng,

có ba lỗ mầm có thể nhìn thấy khi bốc vỏ, trong đó có hai lỗ cứng, lỗ còn lại mềm Mầm hay phôi nằm ngay dưới lỗ mềm đó, khi nảy mầm, mầm chui qua lỗ mềm đó

để mọc ra ngoài Lớp trong cùng là cơm dừa Dừa phát triển đầy đủ khoảng 300 ngày và khoảng 1 năm thì gáo hoàn toàn cứng và dừa đã chín

1.4.2 Cấu trúc, thành phần và tính chất của sợi xơ dừa

1.4.2.1 Cấu trúc và thành phần của sợi xơ dừa

Sợi xơ dừa tương đối ngắn so với các sợi tự nhiên khác Các tế bào của sợi có chiều dài khoảng 1mm và có đường kính khoảng 15µm, chiều dài cơ bản khoảng 15 – 35cm, độ giãn dài của sợi có thể kéo ra được 30% so với chiều dài ban đầu Một

bó sợi có thể có từ 30 – 300 tế bào ở mặt cắt ngang

Giống như những sợi tự nhiên khác, thành phần hóa học của sợi xơ dừa cũng phụ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng trong quá trình phát triển của cây nhưng thành

Cơm dừa

Vỏ ngoài Gáo dừa Chỉ sợi và mụn dừa

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 20

phần chính của sợi vẫn là cellulose, hemicellulose, lignin, pectin Sau đây là thành phần hóa học của sợi xơ dừa dựa

Bảng1.3 Thành phần hóa học của sợi xơ dừa

Cellulose là thành phần có hàm lượng cao thứ hai trong sợi xơ dừa Lignin là nguyên nhân gây ra hiện tượng thoái hóa do tia cực tím (tia UV) và làm giảm khả năng tương hợp của sợi với nhựa nền lại chiếm hàm lượng cao nhất trong sợi xơ dừa Nhưng lignin lại có vai trò tạo nên độ cứng và độ dai cho sợi xơ dừa Do đó, ta phải có biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ các thành phần không mong muốn như hemicellulose và một phần lignin để cải thiện cơ tính của vật liệu composite gia cường bằng sợi xơ dừa

1.3.2.2 Tính chất của sợi xơ dừa

So với những loại sợi cứng khác, sợi xơ dừa có kích thước tương đối ngắn nhưng lại có độ biến dạng phá hủy rất lớn Đây là một ưu điểm nổi bật của sợi xơ dừa vì khi độ biến dạng phá hủy lớn thì nó có khả năng hấp thụ một lượng năng lượng lớn Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo vật liệu composite chịu va đập đặc biệt là khi dùng sợi xơ dừa gia cường cho nhựa cũng có khả năng chịu va đập Thêm một tính chất quan trọng của sợi xơ dừa nữa là nó có khả năng chống chọi với vi khuẩn nước mặn mà không gì có thể thay thế được

Thành phần Hàm lượng (% khối lượng)

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 21

Bảng 1.4 Kích thước và tính chất của sợi xơ dừa

Độ trương phồng của đường kính trong nước (%) 5

Độ ẩm của sợi ở điều kiện môi trường 65% ẩm (%) 10,5

Một khuyết điểm của sợi xơ dừa là độ ẩm trong sợi tương đối cao, điều này là một khó khăn trong việc gia công, chế tạo vật liệu composite Mặt khác, khi sợi hút

ẩm thì sẽ làm tăng kích thước sợi đặc biệt là đường kính, điều này dẫn đến sự giảm

tỷ số hình dạng của sợi Điều quan trọng hơn là khi sợi hút ẩm thì khả năng bám dính của sợi và nhựa rất kém Thêm vào đó là khi gia công sản phẩm sẽ có nhiều bọt khí được tạo ra bởi hơi ẩm có trong sợi sẽ làm cho cơ tính của vật liệu composite không cao

1.4.3 Ứng dụng của sợi xơ dừa

Sợi xơ dừa được đánh giá là loại sợi tự nhiên tuyệt vời do có đặc tính chắc, bền với môi trường nước mặn và có thể phân hủy sinh học Sợi xơ dừa đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong nông nghiệp, thủ công mỹ nghệ, trang trí nội thất, xây dựng,… Nó được sử dụng với nhiều hình thức khác nhau như ở dạng sợi, lưới, mat,… Một ứng dụng đang được đặc biệt quan tâm là gia cường cho vật liệu composite Trong nông nghiệp, các tấm lưới làm bằng sợi xơ dừa ngày càng trở nên phổ biến trong việc làm nền trồng cỏ trang trí trong vườn, sợi xơ dừa còn dùng làm các chậu trồng cây và đặc biệt là làm lưới phủ xanh đồi trọc, ngăn chặn xói mòn Trong công nghiệp thủ công mỹ nghệ và trang trí nội thất, sợi xơ dừa được

sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất thảm, gối, nệm,… mang lại giá trị kinh tế không nhỏ Một ứng dụng quan trọng khác của sợi xơ dừa là gia cường cho vật liệu composite để làm các sản phẩm trang trí nội thất như tủ, cửa, tấm lợp mái nhà,…

- Polyester bão hòa (saturated polyester): Là các polyester không còn

có khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học nữa Còn gọi là polyester no

- Polyester chưa bão hòa (unsaturated polyester): Là các polyester còn

có khả năng tiếp tục tham gia phản ứng hóa học với các nhóm khác để đóng rắn Phản ứng hóa học này tỏa nhiệt, được gọi là phản ứng kết nối ngang hay phản ứng đóng rắn Đây là loại polyester được ứng dụng cho công nghệ chế tạo vật liệu composite sợi thủy tinh Trong thực tế có nhiều loại polyester chưa bão hòa sử dụng cho các sản phẩm composite tùy theo mục đích sử dụng của sản phẩm

1.5.2 Polyester không no

Nhựa polyester chưa no được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite Polyester chưa no là loại nhựa nhiệt rắn có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc dạng rắn nếu ở điều kiện thích hợp Đây là loại nhựa có trọng lượng phân tử thấp (1000 – 2000) có chứa những đơn vị C=C trong chuỗi cho phép liên kết chéo bằng

sự trùng hợp phân tử gốc tự do vinyl, thường là styrene

Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại

có tính chất đặc trưng khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:

- Thành phần nguyên liệu

- Phương pháp tổng hợp

a) Các bước cơ bản của phản ứng kết nối ngang giữa polyester – chất xúc tác sau khi đã hòa trộn chất xúc tác

- Phát sinh gốc tự do nhiệt Nhiệt này có thể được cung cấp từ ánh sáng mặt trời, gia nhiệt, hoặc ngay bên trong phản ứng kết nối ngang tỏa nhiệt do chất xúc tác khởi động ban đầu

- Các gốc tự do phản ứng với nhóm chưa bão hòa trong resin Phản ứng sinh nhiệt nên lại tạo ra gốc tự do mới

- Các gốc tự do mới tiếp tục phản ứng với các nhóm chưa bão hòa khác và lại tạo ra gốc tự do mới,… tạo ra phản ứng dây chuyền nối tiếp nhau, làm cho các chuỗi polyester ngày càng dài, càng nhiều, càng gắn bó nhau Điều này khiến cho resin lỏng ngày càng khó chuyển động, chậm lại và dừng chuyển động – là thời điểm đông đặc Đến khi tất cả các gốc tự do kết thúc phản ứng – tương ứng giai đoạn kết thúc đóng rắn

b) Các điều kiện quyết định phản ứng kết nối ngang đóng rắn

- Phải có đủ hàm lượng chất xúc tác để kích hoạt khởi động phản ứng tạo ra gốc tự do ban đầu

- Phải có đủ gốc tự do được tạo ra trong quá trình phản ứng, kể cả khi resin đông đặc, để tạo ra sự đóng rắn toàn phần cuối cùng Muốn vậy phải có đủ hàm lượng chất xúc tác từ 1,2% - 3% so với trọng lượng resin

Nếu chất xúc tác nhiều quá mức thì các gốc tự do sẽ phản ứng qua lại với nhau nhiều hơn là với resin Do đó chuỗi polyester không phát triển đúng mức, dẫn đến tình trạng khi resin đông đặc phản ứng ngừng ngay, có nghĩa là không thể đóng rắn hoàn toàn được Đấy chính là tình trạng đóng rắn non

- Phải có đủ nhiệt lượng

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng kết nối ngang

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 24

- Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tất cả các loại phản ứng hóa học, cho nên mỗi phản ứng đều có một nhiệt độ tối ưu để nó diễn ra tốt nhất Phản ứng kết ngang cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ theo quy luật sau đây:

Nhiệt độ phòng: là nhiệt độ bình thường trong các phòng, xưởng và thay đổi trực tiếp theo nhiệt độ thời tiết

Nhiệt độ nâng cao: là nhiệt độ được nâng cao nhờ nguồn nhiệt từ bên ngoài (gia nhiệt) hoặc ngay trong phản ứng tỏa nhiệt ra

Tùy theo nhiệt độ đòi hỏi của mỗi công nghệ, ta phải chọn chất xúc tác cho phù hợp

- Khối lượng: Có cùng khối lượng chất xúc tác nếu khối lượng của resin lớn thì tốc độ đóng rắn chậm hơn tuy lượng nhiệt sinh ra vẫn nhiều hơn ở cùng nhiệt độ phòng

- Độ tinh khiết: Resin, chất xúc tác bị lẫn nhiều tạp chất, đều có thể làm cho phản ứng không hoàn toàn Cho nên không nên để vật liệu ở nơi nhiều bụi bậm, ẩm ướt,… và luôn luôn phải đóng kín các bình chứa

d) Ưu khuyết điểm của nhựa polyester không no

Ưu điểm:

- Polyester có khả năng ép khuôn mà không cần áp suất cao

- Khi đóng rắn polyester có cấu trúc không gian rất cứng vững và có khả năng kháng hóa chất

- Giá thành hợp lý cho người sử dụng

Hình 1.13 Chất đóng rắn MEKP Hình 1.14 Công thức cấu tạo của MEKP Diễn biến tác dụng của chất xúc tác MEKP:

Chất xúc tác MEKP được sử dụng trong công nghệ gia công composite ở nhiệt

độ phòng, có tác dụng tạo ra phản ứng để resin đóng rắn theo các bước cơ bản:

- Trong nhựa nhiệt rắn có sẵn chất xúc tiến cobalt và chất hãm Khi hòa MEKP vào resin thì nó tác dụng ngay với chất xúc tiến để tạo ra gốc tự do ban đầu Gốc tự do này lại phản ứng kết nối ngang với các nhóm chưa bão hòa trong styrene và trong bản thân polyester để tạo ra gốc tự do mới,… Cứ như vậy, phản ứng dây chuyền này làm cho chuỗi polyester ngày càng nhiều hơn, dài hơn, khiến cho resin chuyển động giảm dần, quánh dần đến nỗi không chuyển động được nữa,

đó là thời điểm đông đặc

- Nhưng trong lúc này vẫn còn nhiều nhóm chưa bão hòa và chưa bị phản ứng Cho đến khi các gốc tự do không thể kết ngang được nữa, vì chuỗi đã trở nên dày đặc, đó là thời điểm đóng rắn nhưng chưa hoàn toàn

- Do có nhiệt lượng tiếp tục sinh ra trong phản ứng, như cấp thêm nguồn lực đẩy các gốc tự do xuyên ngang đến các nhóm chưa bão hòa còn lại để phản ứng với chúng Lúc này phản ứng kết ngang thực sự kết thúc toàn phần, có nghĩa là resin đóng rắn hoàn toàn

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 26

1.7 Độ bền liên diện [1], [5], [11], [13], [14]

1.7.1 Độ bền liên diện giữa nhựa và sợi

Liên diện trong vật liệu composite được gia cường bằng sợi gồm 3 pha: Bề mặt bên ngoài sợi, liên diện nhựa và sợi, pha trung gian Những pha này gọi chung

là liên diện Liên diện đóng vai trò truyền tải những tác động từ nhựa đến sợi gia cường, ngăn chặn các lỗ xốp và sự thoái hóa do môi trường Do đó, liên diện giữa nhựa nền và sợi cao thì tính chất composite sẽ cao

Tính chất của liên diện phụ thuộc vào liên kết tại liên diện, hình dáng, cấu trúc xung quanh liên diện và tính chất vật lý, hóa học của những vật liệu thành phần Độ bền liên diện được quyết định bởi 3 yếu tố: Độ bền xé của nhựa và sợi, ma sát giữa nhựa và sợi, độ bền liên kết hóa học giữa nhựa và sợi

Đối với liên diện giữa nhựa và sợi tự nhiên

Nhược điểm chính của sợi cellulose là bản chất phân cực cao do có các nhóm hydyoxyl (-OH) có trên bề mặt sợi tự nhiên, trong khi nền nhựa không phân cực, điều này dẫn đến liên diện giữa nhựa nền và sợi yếu Ngoài ra, sợi xơ dừa cũng như nhiều loại sợi tự nhiên khác có tính thấm nước rất lớn làm ảnh hưởng đến độ bền liên diện dẫn đến giảm cơ tính của vật liệu composite Có nhiều phương pháp biến tính bề mặt sợi nhằm tăng tính liên kết nhựa sợi: xử lý kiềm, xử lý H2SO4, kết hợp kiềm và acid,…

Hiện nay, một số polymer được dùng làm nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên Trong đó, polymer được chia thành 2 loại chính: nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo Trong nhựa nhiệt rắn có một số loại polymer sau: polyester không no, vinylester, phenolformaldehyde, epoxy,… Tương tự nhựa nhiệt dẻo cũng có một số loại polymer sau: polyethylene, polystyrene, polypropylene,…

Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học của chúng Ái lực này quyết định đến tính kết dính của nhựa với sợi Ái lực của nhựa phụ thuộc vào sự tương đồng về tính phân cực của nhựa với tính phân cực của sợi

tự nhiên Độ phân cực được sắp xếp theo thứ tự sau:

Phenolformaldehyde, epoxy > vinylester > polyester không no > polyethylene, polystyrene, polypropylene

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 27

Sự truyền ứng suất ở liên diện hai pha sợi và nhựa nền được xác nhận bởi mức

độ kết dính Sự kết dính tốt giữa nhựa và sợi ở liên diện là cần thiết để truyền hiệu quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua liên diện Do đó, để có một

cơ tính tốt của vật liệu composite, sự cải thiện và kiểm soát tính kết dính ở liên diện trở thành mối quan tâm

Bản chất của liên kết không chỉ phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử, hình dạng phân tử, cấu tạo hóa học của sợi và nhựa mà còn phụ thuộc vào đặc tính hình thái, tính khuếch tán của các phần tử trong mỗi thành phần Sự kết dính nói chung có thể

do các cơ chế bao gồm sự hấp phụ và thấm ướt, sự hút tĩnh điện, cơ học, khuếch tán, liên kết hóa học,…(Hình 1.15)

a) Bám dính cơ học b) Liên kết hóa học

Hình 1.15 Một số kiểu liên kết tại liên diện Ngoài các cơ chế chính thì liên kết hydro, lực Van Der Waals, các lực có năng lượng thấp khác cũng có thể tham gia để tạo nên sự bám dính Tất cả các cơ chế này

có thể xảy ra tại liên diện trong sự cô lập hoặc kết hợp tạo liên kết

1.7.2 Các phương pháp kiểm tra độ bền liên diện của vật liệu composite

Độ bền liên diện có thể được xác định bằng các phương pháp đo trực tiếp như single fiber compression test, fiber fragmentation test, fiber pull-out test, fiber push-out test (hay microindentation test) hoặc slice compression test Các phương pháp kiểm tra trực tiếp thường sử dụng trong trường hợp đòi hỏi kết quả phải có tính chính xác tuyệt đối nhưng lại có nhược điểm là thực hiện phức tạp, khó khăn trong việc tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn

Độ bền liên diện cũng có thể xác định bằng phương pháp đo gián tiếp như short beam shear test Các phương pháp kiểm tra gián tiếp thì dễ dàng và nhanh chóng trong việc thực hiện cũng như chuẩn bị mẫu thử

1.7.2.1 Phương pháp single fiber compression test

Single fiber compression test là một trong những phương pháp đầu tiên xác định độ bền liên kết của sợi thủy tinh với nhựa nền polymer trong suốt của Mooney

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 28

và McGarry (1965) Tùy thuộc vào chế độ phá hủy xảy ra tại liên diện của sợi và nhựa mà có hai loại mẫu thử được sử dụng là mẫu hình lăng trụ với các mặt song song và mẫu có cổ cong ở giữa Khi cần đo mẫu chịu tải nén theo chiều dọc thì sử dụng mẫu có mặt song song, còn khi cần đo mẫu chịu tải nén theo chiều ngang thì dùng mẫu có cổ cong (Hình 1.16)

a) Mẫu có mặt song song b) Mẫu có cổ cong

Hình 1.16 Mẫu thử single fiber compression test Phương pháp kiểm tra này đã không còn phổ biến vì một số vấn đề liên quan đến việc chuẩn bị mẫu thử, định vị sợi và phát hiện thời điểm bắt đầu phá hủy liên kết tại liên diện

1.7.2.2 Phương pháp fiber fragmentation test

Fiber fragmentation test là một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay để kiểm tra độ bền liên diện của sợi và nhựa Thử nghiệm này được phát triển

từ nghiên cứu về độ giòn của sợi wonfram trong composite nền là đồng của Kelly

và Tyson (1965) Biến dạng phá hủy của vật liệu nền phải lớn hơn so với sợi gia cường để tránh hiện tượng vật liệu nền bị phá hủy trước khi đứt sợi Mẫu thử có hình xương chó với một sợi đơn được định vị giữa khối vật liệu nền (Hình 1.17) Mẫu thử sẽ được kéo căng trên trục và bị phá hủy thành những đoạn nhỏ hơn tại những điểm mà ứng suất đạt đến giá trị của độ bền kéo Phương pháp này khó áp dụng cho composite sợi tự nhiên

Hình 1.17 Mẫu thử hình xương chó

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 29

1.7.2.3 Phương pháp fiber pull-out test

Fiber pull-out test là phương pháp kiểm tra mà sợi được đặt vào khối vật liệu nền với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau được giữ cố định (Hình 1.18) Khi sợi chịu tải kéo trong khi khối vật liệu nền bị giữ chặt thì lực tác dụng lên sợi sẽ được ghi lại như một hàm của thời gian Phương pháp kiểm tra này không chỉ sử dụng rộng rãi đối với composite nền polymer mà còn đối với một số composite nền gốm, composite nền xi măng và composite nền cao su Tuy nhiên phương pháp thử nghiệm này có một số hạn chế với composite có đường kính sợi gia cường nhỏ và

độ bền liên diện lớn

a) Mẫu kềm chặt đầu trên b) Mẫu cố định đầu dưới

Hình 1.18 Mẫu thử fiber pull-out test Gần đây có một biến thể của phương pháp fiber pull-out test đang được phát triển gọi là “microdebond test” đã làm giảm bớt được một số hạn chế trong phương pháp này

1.7.2.4 Phương pháp fiber push-out test (microindentation test)

Fiber push-out test (microindentation test) là một phương pháp kiểm tra độ bền liên diện sợi đơn mà trái ngược với phương pháp fiber pull-out test Phương pháp này sử dụng các indenter với mũi có hình dạng và kích thước khác nhau tác dụng lực nén để đẩy sợi ra khỏi kết cấu của khối vật liệu nền Phiên bản gốc của phương pháp kiểm tra này là sử dụng indenter cầu (Hình 1.19), khi tăng tải tác dụng thì liên kết tại liên diện được quan sát bằng kính hiển vi đến khi liên kết bị phá hủy

Đầu thử

Sợi

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 30

Hình 1.19 Phương pháp fiber push-out test Phương pháp fiber push-out test ban đầu đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong composite nền polymer, composite nền gốm với những ưu điểm là thử nghiệm đơn giản và nhanh chóng Những hạn chế của phương pháp này là khó khăn trong việc chuẩn bị mẫu, kiểm tra các mẫu có sợi lệch trục, không có khả năng theo dõi quá trình phá hủy liên diện của composite mờ đục Vì vậy, phương pháp này cũng khó áp dụng cho composite sợi tự nhiên

1.7.2.5 Phương pháp slice compression test

Slice compression test là một phiên bản sửa đổi của indentation test được phát triển đặc biệt cho composite nền gốm dựa trên sự khác biệt về modulus đàn hồi giữa sợi gia cường và vật liệu nền Phương pháp này sử dụng lực nén lên mẫu composite sợi đơn hướng được cắt theo phương vuông góc với trục của sợi gia cường Mẫu thử được đặt giữa hai tấm kim loại như Hình 1.20

Hình 1.20 Phương pháp slice compression test Tải tác dụng sẽ được tăng đến giá trị ứng suất đỉnh mong muốn và sau đó dỡ tải Theo tải tác dụng thì sự phá hủy liên kết tại liên diện và sự trượt xảy ra gần bề mặt làm cho các sợi bị nhô ra khỏi bề mặt mẫu thử Khi dỡ tải thì một phần sợi gia cường bị phục hồi trở vào vật liệu nền nhưng phần còn lại vẫn còn bị nhô ra Độ bền liên diện có thể được ước lượng từ phần sợi gia cường nhô ra khỏi bề mặt mẫu

Mẫu thử

Tấm kim loại

Tấm kim loại Sợi

Vật liệu nền

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 31

1.7.2.6 Phương pháp short beam shear test

Phương pháp này có một số vấn đề liên quan đến sự biến dạng dẻo không tuyến tính gây ra bởi mũi tác dụng tải có đường kính nhỏ và sự tập trung ứng suất tại mũi tác dụng tải, gối chịu

Short beam shear test được chỉ định trong tiêu chuẩn ASTM D 2344 (1989) dùng cho mẫu composite sợi đơn hướng bằng thí nghiệm uốn ba điểm (Hình 1.21)

Do sự đơn giản trong phương pháp thử nghiệm và ít phức tạp trong việc chuẩn bị mẫu thử mà phương pháp này ngày càng trở nên phổ biến trong việc đánh giá hiệu quả của việc xử lý bề mặt sợi và sự tương thích giữa sợi gia cường và vật liệu nền Short beam shear test được sử dụng rộng rãi cho cả composite nền polymer và composite nền kim loại

Hình 1.21Thí nghiệm uốn ba điểm