Nghiên cứu cơ tính của sợi tre liên tục dùng để gia cường cho vật liệu polyme composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CAO THỊ HOÀI THỦY NGHIÊN CỨU CƠ TÍNH CỦA SỢI TRE LIÊN TỤC DÙNG ĐỂ GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU POLYME COMPOSITE NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỆT MAY MÃ SỐ: 23.04.389823.04.3898 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ PHÚC BÌNH HÀ NỘI 2009 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Cao Thị Hoài Thủy Học viên: Lớp CN Vật liệu Dệt May Khóa học: 2007 – 2009 Tôi xin cam đoan toàn nội dung Luận văn Thạc sỹ khoa học trình bày cá nhân thực giúp đỡ tận tình, chu đáo TS Lê Phúc Bình thầy cô Khoa Công nghệ Dệt May & Thời trang Các số liệu kết luận văn số liệu thực tế thu sau tiến hành thực nghiệm phân tích kết Đảm bảo xác, trung thực, không chép Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung trình bày luận văn, có điều gian dối, không trung thực xin chịu hình thức xử lý theo qui định Nhà trường Xin trân trọng cảm ơn./ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới TS Lê Phúc Bình, Người tận tình bảo góp ý tâm huyết cho em suốt trình thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo Khoa Công nghệ Dệt May & Thời trang, bạn đồng nghiệp giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn cán phòng thí nghiệm Vật liệu dệt tạo điều kiện, giúp đỡ hướng dẫn suốt thời gian làm thí nghiệm phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt – Bộ môn Vật liệu Công nghệ Hóa dệt Bên cạnh thời gian chuẩn bị mẫu tiến hành thí nghiệm, cá nhân thực để kịp tiến độ báo cáo luận văn nhận giúp đỡ nhiệt tình em Ngọc Hòa sinh viên K51 lớp Công nghệ Dệt, Phạm Văn Thùy sinh viên K51 lớp Công nghệ Nhuộm hoàn tất, em Ngọc Hồng, Văn Dũng, Vũ Dũng, Quang Hưng sinh viên K50 lớp Công nghệ Dệt hỗ trợ làm thí nghiệm Trong trình thực luận văn, em không ngừng học hỏi trau dồi kiến thức, tích cực thu thập tài liệu, tổng hợp kiến thức học thực hành Tuy nhiên khoảng thời gian ngắn thân có nhiều hạn chế trình nghiên cứu, em mong nhận góp ý thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2009 Học viên Cao Thị Hoài Thủy MỤC LỤC Trang bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời mở đầu 10 CHƯƠNG I – Nghiên cứu tổng quan 11 1.1 Khái quát tre 11 1.1.1 Sự sinh trưởng phân bố tre 11 1.1.2 Cây luồng Việt Nam 15 1.1.3 Cấu trúc sinh học gỗ tre 16 1.1.4 Thành phần hoá học gỗ tre 21 1.1.5 Các đặc tính chủ yếu gỗ tre 22 1.2 Kỹ thuật sản xuất xơ sợi tre 1.2.1 Sản xuất theo phương pháp hóa học 1.2.1.1 Nguyên lý sản xuất 1.2.2 Xơ, sợi tre tự nhiên 1.2.2.1 Sản xuất xơ tre tự nhiên 28 28 28 28 28 1.2.2.2 Sợi tre liên tục tự nhiên 29 1.3 Kết luận Chương I 31 CHƯƠNG II - NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH SỢI TRE LIÊN TỤC 32 2.1 Đối tượng, phương pháp nội dung nghiên cứu 32 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 32 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu 32 2.2.3 Nội dung nghiên cứu 32 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm 33 2.2.1 Một số tiêu chuẩn thí nghiệm tre 33 2.2.2 Bộ tiêu chuẩn ISO/DIS - 22157 33 2.3 Thiết bị thí nghiệm đồ gá mẫu 39 2.3.1 Thiết bị thí nghiệm 39 2.3.2 Đồ gá mẫu 41 2.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 42 2.4.1 Qui cách chuẩn bị mẫu thí nghiệm 42 2.4.2 Số lượng mẫu cần dùng 43 2.5 Xác định số đặc tính nan tre 45 2.5.1 Xác định khối lượng riêng, độ ẩm, độ co 45 2.5.2 Xác định độ bền kéo đứt,uốn 46 2.5.2.1 Nan không xử lý kiềm 46 2.5.2.2 Nan có xử lý kiềm 46 2.5.2.3 Ảnh hưởng phương tách sợi 49 2.5.2.4 Thu thập kết thí nghiệm 49 CHƯƠNG III - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 50 3.1 Đánh giá kết đo khối lượng riêng 50 3.2 Đánh giá kết đo độ ẩm 51 3.3 Đánh giá kết đo độ co 52 3.4 Đánh giá kết đo độ bền kéo đứt 53 3.4.1 Ảnh hưởng môi trường ướt 53 3.4.2 Ảnh hưởng xử lý kiềm 55 3.4.2.1 Thời gian 2h 55 3.4.2.2 Thời gian 1h 57 3.4.3 Ảnh hưởng phương tách sợi 3.5 Đánh giá kết đo độ bền uốn 59 61 3.5.1 Ảnh hưởng môi trường ướt 62 3.5.2 Ảnh hưởng xử lý kiềm 63 3.5.2.1 Thời gian 2h 63 3.5.2.2 Thời gian 1h 65 3.5.3 Ảnh hưởng phương tách sợi 67 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 76 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT T: Theo phương tiếp tuyến R: Theo phương hướng tâm h: Giờ Không mấu: Ko mấu SG: Tỉ trọng riêng MOR: Môdun phá hủy MOE: Môdun đàn hồi (E-môdun) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số giống tre thông dụng Việt Nam Bảng 1.2: Số lượng bó xơ phân bổ theo lớp độ tuổi tre Bảng 1.3: Tỉ lệ số thành phần số loại tre Bảng 1.4: Khối lượng riêng số loại tre Việt Nam Bảng 1.5: Tỉ trọng riêng trung bình số loại tre vị trí ống tre Bảng 1.6: Khối lượng riêng môdun đàn hồi số loại tre Bảng 1.7: Mối quan hệ tỉ trọng riêng với đặc điểm uốn theo độ tuổi vị trí lớp Bảng 1.8: Tính chất học tre vật liệu thông dụng Bảng 1.9: Các thông số nồi nổ Bảng 2.1: Số lượng mẫu theo phương tiếp tuyến (T) Bảng 2.2: Số lượng mẫu theo phương hướng tâm (R) Bảng 3.1: Khối lượng riêng nan phương T Bảng 3.2: Tỉ lệ độ ẩm độ hồi ẩm nan phương T sau sấy khô Bảng 3.3: Tỉ lệ co theo phương R phương T sau sấy khô Bảng 3.4: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan kéo đứt Bảng 3.5: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan kéo đứt kiềm (NaOH) 2giờ Bảng 3.6: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan kéo đứt kiềm (NaOH) 1giờ Bảng 3.7: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan kéo đứt theo phương tách sợi Bảng 3.8: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan uốn Bảng 3.9: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan uốn kiềm (NaOH) 2giờ Bảng 3.10: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan uốn kiềm (NaOH) 1giờ Bảng 3.11: Thông số tải trọng phá huỷ mẫu nan uốn theo phương tách sợi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ phân bố tre giới Hình 1.2: Mặt cắt dọc đốt tre Hình 1.3: Mặt cắt ngang phần đốt tre Hình 1.4: Mặt cắt ngang bó mạch Hình 1.5: Sự thay đổi hướng bó mạch “Mấu tre” Hình 1.6: Tre sợi tre liên tục tự nhiên Hình 2.1 : Cân điện tử Thước cặp đồng hồ Hình 2.2 : Máy kéo Tensilon 1150A Tủ sấy điện Hình 2.3: Đồ gá mẫu thí nghiệm kiểm tra kéo đứt uốn nan tre Hình 2.4: Quy cách lấy mẫu theo lớp thân Luồng Hình 2.5: Trạng thái nam sau xử lý kiềm Hình 3.1: So sánh khối lượng riêng nan theo phương T Hình 3.2: So sánh độ ẩm độ hồi ẩm nan theo phương T Hình 3.3: So sánh độ co nan theo phương T Hình 3.4: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình kéo đứt nan khô ướt Hình 3.5: Ảnh hưởng xử lý NaOH 2h Hình 3.6: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình kéo đứt nan xử lý NaOH 2giờ Hình 3.7: Ảnh hưởng xử lý NaOH 1h Hình 3.8: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình kéo đứt nan xử lý NaOH 1giờ Hình 3.9: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình kéo đứt nan phương R, T Hình 3.10: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình uốn nan khô ướt Hình 3.11: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình uốn nan xử lý NaOH 2giờ Hình 3.12: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình uốn nan xử lý NaOH 1giờ Hình 3.13: Biểu đồ so sánh độ bền trung bình uốn nan phương R, T 10 LỜI MỞ ĐẦU Việt Nam nước nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa có điều kiện khí hậu phù hợp với sinh trưởng tre Tre loại dễ trồng, tốc độ sinh trưởng nhanh, nhẹ, bền, giá thành thấp, điều kiện sinh trưởng đơn giản không đòi hỏi khắt khe Tuy độ bền sợi tre không cao loại sợi gia cường nhân tạo sợi thủy tinh (GF), sợi bon (CF), hay sợi armit (AF) lớn so sánh với thép xây dựng hay gỗ loại Độ bền kéo tre khối có khả chịu tải xấp xỉ thép vượt gỗ có độ cứng tương đương, độ ổn định hình học lại vượt thép Hiện có số công trình nghiên cứu ứng dụng tre làm vật liệu gia cường cho polyme, song sử dụng dạng xơ hay bó xơ ngắn, hiệu vật liệu polyme composite tạo chưa cao tải trọng truyền dẫn vật liệu liên tục bị gián đoạn qua mối ghép xơ keo, chất lượng gia cường không đồng khó xác định Nên việc dùng tre dạng sợi liên tục để làm sợi gia cường cho vật liệu polyme composite giải pháp giảm bớt nhược điểm Đây lý cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu tính sợi tre liên tục dùng để gia cường cho vật liệu polyme composite” Nội dung luận văn bao gồm: Chương I: Nghiên cứu tổng quan Chương II: Nghiên cứu đặc tính sợi tre liên tục Chương III: Đánh giá kết bàn luận 86 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan cật ướt (thân) phương T Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ ướt (thân) phương T 87 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan cật (thân) phương T (ngâm kiềm 5% - 2h) Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ (thân) phương T (ngâm kiềm 5% - 2h) 88 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan cật (thân) phương T (ngâm kiềm 10% - 2h) Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ (thân) phương T (ngâm kiềm 10% - 2h) 89 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan cật (thân) phương T (ngâm kiềm 5% - 1h) Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ (thân) phương T (ngâm kiềm 5% - 1h) 90 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan cật (thân) phương T (ngâm kiềm 10% - 1h) Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ (thân) phương T (ngâm kiềm 10% - 1h) 91 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan không mấu (thân) phương R Đồ thị biểu diễn lực uốn nan mấu (thân) phương R 92 Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ không mấu (thân) phương T Đồ thị biểu diễn lực uốn nan gỗ mấu (thân) phương T 93 Phụ Lục C: Diễn biến trình kéo đứt mẫu Diễn biến trình uốn mẫu máy Tensilon máy Tensilon Điểm mầu đỏ (+) đánh dấu điểm tải trọng Điểm mầu đỏ (+) đánh dấu điểm tải trọng lớn làm phá huỷ mẫu, đường màu vàng lớn làm phá huỷ mẫu, đường có độ dộc cao biểu thị độ giãn mẫu tải trọng tác dụng liên tục màu vàng biểu thị độ giãn mẫu tải trọng tác lên mẫu Đường màu đen thể giá trị trung dụng liên tục lên mẫu Đường màu đen thể bình tải trọng giá trị trung bình tải trọng, hai đường màu xanh có độ dốc cao thể giá trị môdun đàn hồi (E) 94 Phụ lục D Bảng 1: Thông số tính chất lý số loại tre nghiên cứu giới [21] Dày (mm) Mẫu Tuổi Đường kính tb (mm) MC % Gốc ρ(g/ cm3) Ngọn Bền kéo Mpa Bền nén Mpa Bền cắt Mpa Bền uốn Mpa modun uốn Mpa LignoCellulosic % Tinh bột % B Tulda 77/210 20 8,62 0,91 207 79 9,9 194 18.611 77,14 1,53 B Balcooa 100/304 40 8,46 0,82 164 69 11,9 151 13.603 78,69 0,15 B Arundin 212/370 34 9,45 0,71 121 61 9,9 143 14.116 74,96 0,24 B Nutans 80/300 20 8,04 0,89 208 75 10,5 216 20.890 69,25 1,17 Dendrocalamus gigantecas 120/390 20 8,02 0,74 177 70 10,6 193 16.373 78,27 0,83 D Hamiltonii 75/245 12 8,46 0,59 177 70 6,7 Melocanna 52/250 57 8,28 0,72 210 81 7,1 89 9.629 79,04 1,42 137 16.425 80,80 1,53 95 BẢNG 2A: THÔNG SỐ NAN TRE NGHIÊN CỨU NAN THÂN KHỐI LƯỢNG RIÊNG (g/cm3) ĐỘ ẨM (%) ĐỘ HỒI ẨM (%) ĐỘ CO (%) ĐỘ BỀN KÉO (N) 5% R T Khô T ướt 1h Cật Ko mấu Ko mấu Gỗ Ko mấu Trung bình 2h 1h R 2h 0,96 10,31 3,83 5,20 4,87 3.316 1.633 2.989 2.585 2.847 2.493 0,80 31,86 5,19 3,86 4,23 3.310 1.281 2.481 2.087 2.315 1.366 2.432 1.455 1.181 378 5,38 3,74 4,11 3.313 1.457 2.735 2.336 2.581 1.930 1.807 917 Một mấu Ruột 10% 0,56 22,6 0,77 21,59 7,12 2,16 3,23 96 BẢNG 2B: THÔNG SỐ NAN TRE NGHIÊN CỨU NAN THÂN KHỐI LƯỢNG RIÊNG (g/cm3) ĐỘ ẨM (%) ĐỘ HỒI ẨM (%) ĐỘ CO (%) R T ĐỘ BỀN UỐN (N/mm2) Khô 5% Ướt 1h Cật 10% 2h 1h T 2h Ko mấu 0,96 10,31 3,83 5,20 4,87 1.086 1.020 778,73 635,07 689,99 551,52 Ko mấu 0,80 31,86 5,19 3,86 4,23 815 R 763 676,83 451,29 608,70 204,72 1.081 996 704 366 892 727,78 543,18 649,35 378,12 892,5 681 Gỗ Một mấu Ruột Ko mấu 0,56 22,6 7,12 2,16 3,23 Trung bình 0,77 21,59 5,38 3,74 4,11 951 97 Phụ lục E TÓM TẮT LUẬN VĂN Việt Nam nước nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa có điều kiện khí hậu phù hợp với sinh trưởng tre Hiện có số công trình nghiên cứu ứng dụng tre làm vật liệu gia cường cho polyme, song sử dụng dạng xơ hay bó xơ ngắn, hiệu vật liệu polyme composite tạo chưa cao Nên việc dùng tre dạng sợi liên tục để làm sợi gia cường cho vật liệu polyme composite giải pháp giảm bớt nhược điểm Đây lý cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu tính sợi tre liên tục dùng để gia cường cho vật liệu polyme composite” Luận văn chia thành phần: Phần 1: Nghiên cứu tổng quan tre Gồm phần: - Khái quát tre: Tổng quan sinh trưởng, phân bố tre; tìm hiểu cấu trúc sinh học đặc tính tre - Xơ sợi tre gia cường cho Polyme composite: Xơ sợi tre sản xuất theo phương pháp hóa học xơ sợi tre tự nhiên - Cây luồng Việt Nam Phần 2: Nghiên cứu đặc tính sợi tre liên tục Luận văn xây dựng nhóm tiêu ngắn gọn cần thiết để đánh giá số tiêu lý chất lượng sợi nan tre từ rút nhận xét, kết luận chất lượng sợi nan tre Phần 3: Kết nghiên cứu bàn luận 98 Xây dựng nhóm tiêu cần thiết ngắn gọn để đánh giá số tiêu lý sợi nan tre Đưa thông số kết tiêu tiến hành nghiên cứu Kết luận: Rút kết luận cụ thể qua trình nghiên cứu thực nghiệm khoa học đề xuất hướng nghiên cứu 99 ABSTRACT Vietnam is a country located in the tropical monsoon climate that is suitable for the growth of bamboo There is a number of researches use bamboo to make strengthening material for polymer However, bamboo has been only used as short fibers or fiber bundles so the performances of polymer composite materials created are not high Using bamboo in longer fiber to make strengthening yarn for polymer composite materials is a solution to reduce disadvantages This is why the authors selected following topic: “A research mechanical properties of continuous bamboo fibers to strengthen polymer composite materials” There are four parts in this study: Part 1: The general research on bamboo - Overview of bamboo: growth and distribution of bamboo; understanding the structure and biological properties of bamboo - Using bamboo fibers to strengthen polymer composite materials: manmade bamboo fiber and natural bamboo fiber - Dendrocalamus Barbatus of Vietnam Part 2: Study characteristics of continuous bamboo fiber The thesis set a short and necessary standard group to assess some physical mechanic indexes of Nan bamboo used to make comments and conclusion about Nan bamboo fiber quality Part 3: The result and discussion The thesis set a short and necessary standard group to assess some physical mechanic indexes of Nan bamboo, providing results of researched indexes 100 Conclusion: Details conclusions through scientific experiments and next research direction ... Nghiên cứu tính sợi tre liên tục dùng để gia cường cho vật liệu polyme composite Nội dung luận văn bao gồm: Chương I: Nghiên cứu tổng quan Chương II: Nghiên cứu đặc tính sợi tre liên tục Chương... tách nhỏ, cho phép chẻ tre thành sợi dài liên tục Đây đặc điểm quan trọng để sản xuất sợi gia cường cho Polyme Composite tre hiệu cao Sợi tre liên tục loại nguyên liệu cần nghiên cứu để giúp nâng... lượng gia cường không đồng khó xác định Nên việc dùng tre dạng sợi liên tục để làm sợi gia cường cho vật liệu polyme composite giải pháp giảm bớt nhược điểm Đây lý cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên