Nghiên cứu chế tạo các loại sợi ngắn và sợi mát từ tre và luồng để gia cường cho vật liệu polyme composite thân thiện môi trường - TS. Bùi Chương

Header Page of 126 B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI BO CO TNG HP TI KHOA HC V CễNG NGH CP NH NC NGHIấN C CH TO CC LOI SI NGN V VI MT T TRE V LUNG GIA CNG CHO VT LIU POLYME COMPOSITE THN THIN MễI TRNG M S: KC 02.02/06-10 CH NHIM TI: TS BI CHNG 7725 26/02/2010 H NI , 2009 Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 M U Trong xu hng chung v khoa hc cụng ngh hin nay, bo v mụi trng v phỏt trin bn vng ang ni lờn nh mt hng nghiờn cu hng u, bao trựm nhiu lnh vc khỏc Nghiờn cu v phỏt trin compozit si t nhiờn cng l mt ln ú, hin ang c rt nhiu quc gia trờn th gii quan tõm Chng hn Hi phỏt trin khoa hc Nht (JSPS) ó xõy dng mt chng trỡnh hp tỏc -Phi v phỏt trin si phc v ngi (JSPS Asia-Africa Science Platform Program on Neo-fibre Technology) ú Trng i hc Bỏch khoa H Ni l mt thnh viờn vi cỏc nghiờn cu v si t nhiờn Vit Nam Tip theo cỏc nghiờn cu v si t nhiờn trc õy ti Trung tõm NCVL Polyme, Trng i hc Bỏch khoa H Ni ( ti KC 02-06, KC 02-23), ti Nghiờn cu ch to cỏc loi si ngn v vi mỏt t tre v lung gia cng cho vt liu polyme compozit thõn thin mụi trng (mó s KC.02.02/06-10) trung nghiờn cu vic tỏch v x lý si lung, ỏnh giỏ cỏc c trng b mt v bn ca si sau x lý Trờn c s ú xõy dng quy trỡnh cụng ngh ch to si lung hai dng (si ngn v mỏt), ng thi thit k ch to mt s thit b nhm nh hỡnh dõy chuyn sn xut hai loi si trờn ti cng nghiờn cu cụng ngh ch to vt liu compozit t si ngn v mỏt lung vi cỏc loi nha nn khỏc (polypropylen, polyeste khụng no, epoxy) Cỏc kt qu t c ca ti l c s khoa hc trin khai ch to v ng dng vt liu compozit ct si lung quy mụ bỏn sn xut v ln hn Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 Chng TNG QUAN 1.1 SI TRE - LUNG V CC PHNG PHP X Lí 1.1.1 Gii thiu v tre - lung Tre l vt liu compozit t nhiờn sn cú, phỏt trin rt di hu ht cỏc nc vựng nhit i v bỏn nhit i Nú c coi nh v vt liu compozit vỡ nú bao gm cỏc si xenlulụ c bao bc nha nn lignin Si xenlulụ nh hng dc theo chiu di ca lung ú cho bn kộo, un v cng vng rt ln Tre l mt loi cõy cú khong 1250 loi tỡm thy khp cỏc vựng trờn th gii Tre chim khong 20-25% lng thc vt rng bỏn nhit i v nhit i Hin cú khong 35 loi tre ang c s dng nh dng nguyờn liu thụ cụng nghip giy Vi tc phỏt trin nhanh chúng ca nn kinh t ton cu v tng trng v dõn s, tng s nhu cu v g v cỏc sn phm t g tip tc tng tng lai Theo T chc Lng nụng Liờn Hip Quc ( Food and Agricultural Orgnization FAO) nhu cu v g s tng khong 20% vo 2010 Trong ú tc trng v tỏi sinh rng n nh ỏp ng cho phỏt trin ton cu, tre l ngun nguyờn liu ti u, nú rt hiu qu vic hp th CO2 lm gim hiu ng nh kớnh, ng thi cú hiu qu kinh t cao nh r tin, nng sut cao, phỏt trin nhanh vi tớnh cht vt lý, c hc tt Tre th hin tim nng ln cú th thay th g [1] 1.1.2 Cu to ca tre - lung Cu trỳc vt lý ca tre - lung Si n ca tt c cỏc loi thc vt núi chung v lung núi riờng bao gm cỏc t bo Cỏc si vụ cựng nh (microfibril) ca xenlulo c liờn kt Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 vi thnh lp hon chnh bi lignin v hemixenlulo vụ nh hỡnh Cỏc lp xenlulo-lignin/hemixenlulo ny thnh t bo (gm lp s cp v th cp) liờn kt vi to thnh compozit a lp v c gi l t bo Cu trỳc gii phu ca tre - lung Tre thuc h c Bambusoideae, l mt ligno-xenlulo compozit t nhiờn ú cỏc si xenlulo c bao bc bi nn lignin Chiu di trung bỡnh ca si xenlulo khong mm v ng kớnh trung bỡnh khong 10ữ20àm cng ca tre ph thuc ch yu vo s lng cỏc bú si v kiu phõn b ca chỳng (hỡnh 1.1) A: Cng tre hay thõn tre Giúng tre B: Mt ct ngang ca thõn tre Cng tre C: Mt ct ca tre c phúng to (ì10) Y: Minh ho cỏc bú mch c gn vo nhu mụ X D: Mt bú mch c phúng to (ì80) minh ho s bn si hay to si (1), cu trỳc dng ng metaxylam (2), v bc mụ cng (3), khong trng gian bo (4), v Libe (5) Mu Hỡnh 1.1 Cu trỳc gii phu ca tre Cỏc si t nhiờn c hỡnh thnh t cỏc si nh hn (fibril), cỏc si nh ny chy dc theo chiu di ca si Mi si nh l mt cu trỳc lp phc v c cu to bi mt thnh s cp mng bao quanh lp th cp dy hn Trong lp th cp l cỏc si xenlulo vụ cựng nh (microfibril), cỏc si ny c ln xon quanh trc ca si (hỡnh 1.2)[1] Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 microfibril Vựng vụ nh hỡnh Hỡnh 1.2 Cu to lp th cp Hỡnh 1.3 Cu trỳc lp ca si lung Cú ngha l tt c cỏc loi si t nhiờn trờn c s ligno-xenlulo bao gm cỏc si xenlulo vụ cựng nh nn vụ nh hỡnh ca lignin v hemixenlulo Gúc gia trc ca si v cỏc si vụ cựng nh c gi l gúc si Bn thõn si thc vt núi chung v si tre núi riờng l vt liu c gia cng bng si xenlulo ú gúc si v hm lng xenlulo quyt nh ng x c hc ca si [2-4] Liese ó a hỡnh nh v siờu cu trỳc ca si tre (hỡnh 1.3) Phin tre bao gm cỏc lp hp v rng xen k vi s nh hng si khỏc Trong lp rng, cỏc si nh c nh hng ti cỏc gúc nh hn so vi trc ca si, cỏc lp hp si nh ch yu c nh hng ngang ng thi, hm lng lignin lp hp cao hn so vi lp rng Nh cu trỳc lp ny m si cú bn kộo rt cao [3,4] Gúc gia si nh v trc si ln c gi l gúc t vi Hm lng ca cỏc si t vi v gúc t vi quyt nh tớnh cht c hc ca si Trong tre, xenlulo v hemixenlulo chim hn 50%, lignin l thnh phn phong phỳ th Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 hai Lignin cú chc nng kt dớnh v lm nn cho xenlulo Nú l mt h thng d tr nng lng v phn ng li i vi nhng bin i c hc Mc Laughlin v Tait ó mụ t cu trỳc ca si t nhiờn H cho rng bn kộo v modun Young tng cựng vi tng ca hm lng xenlulo v gim gúc t vi Si tre cú di trung bỡnh 2mm, ng kớnh trung bỡnh 10-20 àm, lng riờng (600-800) kg/m3 Si tre cú bn cao, cú tớnh cht n hng Tớnh cht c hc ca si tre (tớnh theo chiu dc) c trỡnh by bng sau: Bng 1.1 Tớnh cht c lý ca si tre bn kộo, MPa bn un, MPa bn va p, KJ/m2 un cong, mm 2,0 2,3 63,5 6,3 Nh vy si tre cú hm lng xenlulo cao, gúc t vi nh, hm lng lignin cao nờn l mt nhng loi si t nhiờn cú c tớnh vt lý v bn c hc cao nht 1.1.3 Thnh phn húa hc ca tre - lung Thnh phn chớnh ca tre l xenlulo, hemixenlulo v lignin Trong ú, xenlulo v hemixenlulo chim khong hn 50% tng s thnh phn húa hc [3,4] Cũn nu tre dng si thỡ ch yu l cha xenlulo Tớnh cht ca mi thnh phn u gúp phn vo tớnh cht ca si tre Hemixenlulo gn lin vi kh nng phõn hy sinh hc, hp th m v phõn hy nhit, nhiờn bn nhit ca hemixenlulo l nh nht.Lignin n nh hn nhng nú li b phõn hy bi tia t ngoi [5] Tre cú thnh phn cu to chung cng nh cỏc loi thc vt khỏc v cng cú nhng c im riờng ca h tre iu kin sinh, húa, th nhng v Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 tui nh hng khụng ch ti cu trỳc m cũn ti thnh phn húa hc ca tre [2] Thnh phn húa hc ca tre nh sau [6,7]: Bng 1.2 Thnh phn hoỏ hc ca tre Thnh phn Hm lng, % Xenlulo 46ữ48 Lignin Pentoza Phn tan nc núng Phn tan nc lnh tro ng kớnh x Chiu di x 20ữ22 16ữ17 8ữ10 6ữ8 2ữ3 0,01 ữ 0,02 mm 2,5 ữ 2,7 mm Ngoi nhng thnh phn chớnh trờn tre na cũn cú cha mt lng nh cỏc thnh phn khỏc nh: protit, nha, sỏp, cỏc cht mu[2,6,7] Xenlulo Xenlulo c coi l mt polysacarit t nhiờn, cú cu trỳc mch thng khụng phõn nhỏnh v c to thnh t cỏc mt xớch c bn l Danhydroglucopyrano Cỏc mt xớch ny liờn kt vi qua liờn kt 1,4-D-glucozit [14,21] Cụng thc phõn t ca xenlulo l (C6H10O5)n hay [C6H7(OH)3]n CH2OH H OH H O H OH O H H H OH OH H H CH2OH O H O n Xenlulo l mt polyme v cú nhng tớnh cht riờng Trung bỡnh mi phõn t xenlulo cú cha 3000 mt xớch c bn, mt s phõn t xenlulo c bit cú th cú cha ti 26000 mt xớch c bn i phõn t xenlulo cú th cú c mt xớch l cỏc monosacarit khỏc nh hecxoza, pentoza v axit Footer Page of 126 Header Page of 126 Bỏo cỏo tng kt ti cp nh nc KC.02.02/06-10 uronic c im v thnh phn ca xenlulo ph thuc vo iu kin tng hp nú t nhiờn [2,6] Do phõn t cú cha cỏc nhúm hydroxyl phõn cc mnh nờn mch phõn t xenlulo cú tớnh cht bt i xng cao Xenlulo cú cu trỳc gm nhng phn tinh th nh hng cao v nhng phn vụ nh hỡnh Tớnh cht c lý ca phn tinh th cao hn phn vụ nh hỡnh Ranh gii gia cỏc phn ny khụng rừ rng Do cú liờn kt hydro nờn kh nng hũa tan ca xenlulo b hn ch Xenlulo khụng tan nhiu dung mụi thụng thng, b trng n dung dch ZnCl2, H2SO4, xỳt loóng Trong quỏ trỡnh hũa tan xenlulo b trng n trc ri mi hũa tan Liờn kt glucozit xenlulo rt d tham gia phn ng phõn hy oxy húa, thy phõn di tỏc dng ca oxy khụng khớ, axit, kim loóng Xenlulo b thy phõn mụi trng axit, mch b t dn dn cui cựng to ng D-glucoza Liờn kt glucozit b phõn hy di tỏc dng ca nhit , vi sinh vt dn n b t mch [6] Pentoza (hemixenlulo) Pentoza l mt loi hemixenlulo hay cũn gi l hydrat cacbon polysacarit, thy phõn cho ng pentoza cú cha nguyờn t cacbon cu trỳc phõn t Ngoi ng thy phõn hemixenlulo cũn cú th to axit polyuronic [6] Hemixenlulo cu to t mt nhúm cỏc polysacarit, cỏc polysacarit ny cũn li cựng vi xenlulo sau lignin c tỏch [2] Pentoza cú cu trỳc phc hn xenlulo Nú cú th l polyme ca mt loi n v pentoza hoc cú th l copolyme ca pentoza v hecxoza Cu trỳc phõn t cú th cú mch nhỏnh, trựng hp ca hemixenlulo nh hn t 10 ti 100 ln so vi ca xenlulo (n