Đang tải... (xem toàn văn)
Sợi thực vật ngày càng được sử dụng rộng rãi gia cường cho nhựa nhiệt dẻp, do giá thành thấp, tính chất cơ học cao và rất dễ kiếm trong tự nhiên. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tre đến tính chất cơ học của vật liệu polymer compozit đã được nghiên cứu. Ngoài ra, ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân ghép nối (MAPP) đến tính chất cơ học của compozit trên cơ sở nhựa polypropylene (PP) gia cường bằng sợi thực vật cũng được tiến hành khảo sát và kết quả cho thấy MAPP đã cải thiện đáng kể độ bền cơ học của vật liệu compozit và với hàm lượng tối ưu của MAPP là 6%. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi tre cũng được tiến hành nghiên cứu, các hệ vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng sợi tre không xử lý, sợi tre xử lý bằng kiềm và sợi tre được xử lý bằng anhyđrit maleic đã được khảo sát.
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPOPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH GIAO THÔNG VẬN TẢI Abstract: Natural fibers are increasingly being used as reinforcement in commercial thermoplastics due to their low cost, high specific properties and renewable nature The effects of bamboo fibers content on mechanical properties of bamboo fiber reinforced composites are studied The effect of coupling agent (MAPP) on the mechanical properties of these natural fiber-filled PP composites was also investigated and the results showed that this can be used as a good interface modifier for improving the strength properties of the PP-filled composites and the optimum level of the coupling agent was found to be percentage by weight of the composites The effects of treatment methods of bamboo fibers are studied Bamboo fiber untreatment, alkali treatment and maleic anhydride treatment are surveyed Keywords: bamboo fiber reinforced polypropylene, hybrid composite, interphare Tóm tắt: Sợi thực vật ngày sử dụng rộng rãi gia cường cho nhựa nhiệt dẻp, giá thành thấp, tính chất học cao dễ kiếm tự nhiên Ảnh hưởng hàm lượng sợi tre đến tính chất học vật liệu polymer compozit nghiên cứu Ngoài ra, ảnh hưởng hàm lượng tác nhân ghép nối (MAPP) đến tính chất học compozit sở nhựa polypropylene (PP) gia cường sợi thực vật tiến hành khảo sát kết cho thấy MAPP cải thiện đáng kể độ bền học vật liệu compozit với hàm lượng tối ưu MAPP 6% Ảnh hưởng phương pháp xử lý sợi tre tiến hành nghiên cứu, hệ vật liệu compozit sở nhựa PP gia cường sợi tre không xử lý, sợi tre xử lý kiềm sợi tre xử lý anhyđrit maleic khảo sát I MỞ ĐẦU Hiện nay, song song với việc nghiên cứu phát triển vật liệu PC, vấn đề tác động vật liệu đến môi trường nhà khoa học đặc biệt quan tâm Thật vậy, rác thải từ sản phẩm polyme compozit gia cường loại sợi thuỷ tinh khó phân huỷ ảnh hưởng xấu đến môi trường sống Do đó, nhà khoa học giới dành nhiều quan tâm đến loại vật liệu PC có khả phân huỷ sinh học, không gây ô nhiễm môi trường có khả tái tạo [1] Những năm gần đây, xơ sợi thực vật sử dụng rộng rãi vật liệu PC nhiệt dẻo Vật liệu PC nhiệt dẻo gia cường sợi tự nhiên thu hồi tái chế lại, giá thành rẻ, tự phân huỷ điều kiện định Các loại thực vật tre, luồng, vầu, lanh, đay, dứa….là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi có sẵn nước nhiệt đới có Việt Nam Ngày nay, giới vật liệu PC gia cường sợi thực vật ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: xây dựng, giao thông, công nghiệp ôtô… [2,3,4,5] Các chi tiết bên xe Mercedec A-200 nhựa nhiệt dẻo mat sợi thực vật Cầu qua sông Vihantasalmi, Phần Lan Ga xe lửa Stockholm, Thuỵ Điển II THỰC NGHIỆM Nguyên liệu hóa chất Nhựa polypropylen (PP) HOPELEN Y130 Hàn Quốc có số chảy 4g/ 10 phút Tre tươi lấy từ tỉnh Hòa Bình Sợi tre chế tạo sau: Cây tre cưa thành đoạn có chiều dài từ 25 ÷ 30 cm Các tre thu từ công đoạn cán dập máy cán tre Các tre cán dập mang xử lý kiềm 0,1N thời gian 72h, rửa đến trung tính Dùng cào sắt để tách sợi Các sợi tre cho vào thùng nước lưới, khuấy đều, sau để lắng thu mat có khối lượng riêng từ 220÷250 g/m2 Có thể ép sơ mat máy ép, sau cắt mat có kích thước 150x200mm Các phương pháp xác định tính chất học vật liệu • Độ bền kéo: xác định theo tiêu chuẩn ISO 527 máy LLOYD LRX 500N với tốc độ kéo 5mm/phút • Độ bền uốn: xác định theo tiêu chuẩn ISO 178∕1993 máy LLOYD LRX 500N với tốc độ kéo 5mm/phút • Độ bền va đập Izod: xác định theo tiêu chuẩn ASTM D256 máy Tinius Olsen, model 92T III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến tính chất học vật liệu PC Trong vật liệu PC, nhựa có vai trò liên kết sợi gia cường lại với nhau, tác dụng lực phá huỷ, nhựa đóng vai trò tiếp nhận ứng suất sau truyền ứng suất lên sợi gia cường Tuy nhiên, tính gia cường sợi đạt hiệu cao tỷ lệ sợi nhựa đạt giá trị tối ưu Do đó, việc khảo sát tìm hàm lượng mat tre tối ưu quan trọng Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến tính chất học vật liệu PC, luận văn tiến hành chế tạo vật liệu PC sở nhựa PP trộn hợp với 6% chất trợ tương hợp MAPP với hàm lượng mat tre thay đổi từ 35% đến 55% áp lực 40kg/cm nhiệt độ gia công 1900C, gia nhiệt 30 phút, thời gian ép 30 phút sau để khuôn nguội tự nhiên đến 80 0C Ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến tính chất học vật liệu PC sở nhựa PP gia Độ bền kéo, MPa cường mat tre trình bày hình Hàm lượng mat tre, % Hình 1: Ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến độ bền kéo vật liệu PC Từ kết hình cho thấy, hàm lượng mat tre tăng, độ bền kéo vật liệu PC sở nhựa PP gia cường mat tre tăng Do khả tiếp nhận ứng suất sợi tốt nhựa độ bền kéo vật liệu tăng đạt giá trị lớn (50,95MPa) hàm lượng mat tre 45% Tuy nhiên, hàm lượng mat tre lớn 45%, lúc lượng mat tre nhiều dẫn đến việc nhựa không đủ bao phủ, phần sợi không thấm nhựa tạo nên khuyết tật vật liệu làm cho độ bền vật liệu giảm xuống Chúng ta nhận kết tương tự nghiên cứu khảo sát độ bền uốn vật liệu PC Độ bền uốn, MPa (hình 2) Hàm lượng mat tre, % Hình 2: Ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến độ bền uốn vật liệu PC Theo hình 2, với hàm lượng mat tre 45% độ bền uốn vật liệu PC đạt giá trị lớn 68,57 MPa Độ bền va đập, KJ/m2 Độ bền va đập vật liệu PC có xu hướng độ bền kéo độ bền uốn (hình 3) Hàm lượng mat tre, % Hình 3: Ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến độ bền va đập vật liệu PC Khi hàm lượng mat tre tăng từ 35% đến 45%, độ bền va đập tăng Nhưng hàm lượng mat tre lớn 45% độ bền va đập lại giảm Khi vật liệu PC có hàm lượng mat tre phù hợp, nhựa thấm ướt toàn sợi khả hấp thụ lượng phá hủy mẫu vật liệu tăng độ bền va đập tăng Trên sở số liệu nhận được, hàm lượng mat tre lựa chọn 45% cho khảo sát 2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất trợ tương hợp MAPP đến tính chất học vật liệu PC Về chất, sợi thực vật ưa nước chứa nhiều nhóm OH thành phần hóa học Trong đó, nhựa PP kị nước Để liên kết loại vật liệu khác chất nêu trên, người ta thường sử dụng chất trợ tương hợp polypropylen ghép anhydrit maleic (MAPP) Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất trợ tương hợp MAPP đến tính chất học vật liệu PC chế tạo vật liệu PC sở mat tre với hàm lượng 45% nhựa PP với hàm lượng MAPP 0, 4, 6, 8% áp lực ép 40 kg/cm 2, nhiệt độ gia công 1900C thời gian ép 30 Độ bền kéo, MPa phút Kết khảo sát trình bày hình Hình 1: Ảnh hưởng hàm lượng MAPP đến độ bền kéo vật liệu PC Từ hình nhận thấy, độ bền kéo tăng hàm lượng MAPP tăng Thêm vào hỗn hợp vật liệu PC 4% MAPP dẫn đến độ bền kéo compozit tăng từ 36,5 đến 46,86 MPa đạt cao 50,95 MPa với hàm lượng MAPP 6% Khi hàm lượng nhóm anhydrit tăng, tương tác axit – bazơ hay liên kết hydro tăng dẫn đến tương tác sợi chất trợ tương hợp tốt Sự tăng độ bền kéo vật liệu PC cho thấy chất trợ tương hợp MAPP cải thiện đáng kể khả thấm ướt sợi với PP cho phép nâng cao mức độ phân tán sợi, từ làm tăng khả tiếp nhận ứng suất từ đến sợi Kết khảo sát độ bền uốn độ bền va đập vật liệu PC trình bày hình cho thấy chúng có xu hướng giống độ bền kéo đạt giá trị cực đại hàm lượng MAPP Độ bền va đập, KJ/m2 Độ bền uốn, MPa 6% Cụ thể độ bền uốn đạt 68,57 MPa độ bền va đập đạt 11,06 KJ/m2 Hình 6: Ảnh hưởng hàm lượng MAPP đến độ bền uốn độ bền va đập vật liệu PC Như vậy, hàm lượng MAPP tối ưu cho vật liệu PC sở nhựa PP gia cường mat tre 6% 3.Ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre nhựa PP đến tính chất học vật liệu PC* Để khảo sát ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre đến tính chất học vật liệu PC, luận văn tiến hành chế tạo mat tre từ sợi tre không xử lý kiềm (Mo), xử lý kiềm (MK) xử lý dung dịch MAPP (M-MAPP) Các mẫu vật liệu PC gia cường 45% loại mat gia công áp lực 40kg/cm nhiệt độ gia công 1900C, gia nhiệt 30 phút , thời gian ép 30 phút sau để khuôn nguội tự nhiên đến 80 0C Kết phản ánh tính chất học vật liệu trình bày hình 7, Trên hình nhận thấy, độ bền kéo mẫu vật liệu PC gia cường mat tre tẩm dung dịch toluen 1% MAPP cao mẫu vật liệu PC gia cường 45% mat tre có xử lý kiềm 2% cao độ bền kéo khoảng từ – 10% Như vậy, MAPP tan toluen bao phủ bề mặt sợi Độ bền kéo, MPa làm tăng khả liên kết nhựa sợi Hình 7: Ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre màng PP đến độ bền kéo vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý dung dịch toluene 1% MAPP) Độ bền uốn, MPa Độ bền uốn mẫu vật liệu Mo, MK M-MAPP biểu diễn hình Hình 8: Ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre màng PP đến độ bền uốn vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý dung dịch toluene 1% MAPP) Từ hình nhận thấy, độ bền uốn vật liệu gia cường mat tre tẩm dung dịch toluen Độ bền va đập, KJ/m2 1% MAPP cao độ bền uốn vật liệu gia cường mat tre xử lý kiềm Hình 9: Ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre màng PP đến độ bền va đập vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý dung dịch toluene 1% MAPP) Độ bền va đập vật liệu tạo hai phương pháp biến tính sợi tre màng PP tương đương Để khảo sát ảnh hưởng phương pháp đưa chất trợ tương hợp MAPP vào hệ vật liệu đến tính chất chúng, luận văn tiến hành chế tạo vật liệu PC sở mat tre xử lý dung dịch 1% MAPP toluen với PP vật liệu PC từ mat tre với màng PP trộn hợp MAPP (6%) Kết khảo sát trình bày bảng Bảng 1: Tính chất học vật liệu PC gia cường 45% mat tre* STT Phương pháp đưa chất trợ tương hợp Đưa MAPP vào mat tre Đưa MAPP vào PP * Mat tre xử lý kiềm Độ bền kéo (MPa) 49,94 50,95 Tính chất học Độ bền uốn Độ bền va đập (MPa) 77,55 68,57 (KJ/m2) 10,91 11,06 Số liệu bảng cho thấy độ bền kéo độ bền va đập hệ vật liệu gần nhau, riêng độ bền uốn vật liệu từ mat tre xử lý dung dịch MAPP PP cao 13% so với vật liệu từ mat tre PP-MAPP IV KẾT LUẬN Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mat tre đến tính chất học vật liệu PC nhận thấy với hàm lượng mat tre 45% độ bền vật liệu đạt giá trị cao với độ bền kéo 50,95MPa, độ bền uốn 68,57 MPa độ bền va đập 11,06 kJ/m2 Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng MAPP đến tính chất học vật liệu Với hàm lượng MAPP 6% tính chất học vật liệu đạt giá trị lớn 3 Đã khảo sát ảnh hưởng phương pháp biến tính sợi tre phương pháp đưa MAPP vào hệ vật liệu đến tính chất học vật liệu PC nhận thấy xử lý sợi tre dung dịch MAPP cho vật liệu có tính chất học cao