KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

Chọn một số mẫu sợi như mẫu 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 và 1B5 để tiến hành làm composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý được để đo độ bền va đập vật liệu composite, từ đó xem khả năng kết h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ

KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG

LỜI CẢM ƠN

Qua bốn tháng học tập, làm việc và nghiên cứu tôi đã nỗ lực học tập và làm việc

nghiêm túc để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp một cách thành công Bên cạnh những

thuận lợi, tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy vậy với sự giúp đỡ của thầy cô hướng dẫn

và các bạn cùng lớp tôi đã vượt qua các khó khăn ấy và hoàn thành khóa luận Tôi xin

gởi lời cảm ơn chân thành đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm TP.HCM

- Bộ môn Công nghệ hóa học

Đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt khóa luận

này

- Tôi xin gởi lời cảm ơn đến các quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ hóa học đã

tận tình chỉ bảo cho tôi những kiến thức trong suốt bốn năm theo học

- Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Th.S Trần Vĩnh Minh

đã tận tình chỉ bảo tôi về kiến thức cũng như các thao tác kỹ thuật thử nghiệm

trong thời thời gian tôi thực hiện khóa luận

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010

Phạm Thị Quỳnh Anh

ABSTRACT

The topic of this thesis “Studying the process of extracting the sisal fibers from sisal plants and applying it to the composite product” was carried on at Plastics and Rubber Technology Center from 2010/04/01 to 2010/08/15

The results is the final product achieved highly mechanical property The test process included two stages:

¾ The first stage (Retting) : eight fiber samples (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A and 4B) was retted in turn in NaCl (7% and 10,5% solution), Na2SO4

(7% and 10,5% solution), HCl (5% and 10%) and H2SO4 (5% and 10% solution);

¾ The second stage (NaOH treatment) : five fiber samples (1B1, 1B2, 1B3, 1B4 and 1B5) treated in turn in NaOH (5%, 10%, 15%, 18% and 20% solution)

All mechanical properties of the fibers which consist of tensile strength and elongation were taken We selected some samples such as 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 and 1B5 to carry out making the treated sisal fiber reinforced composite and take the work

of fracture, and then checked the integrating ability of the fiber in the matrix composite

The fibers retted with 10,5% solution of NaCl and then the NaOH treatment with 15% solution have the most mechanical properties, the whole process takes approximately 3 – 4 days without the effect of weather conditions

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Khảo sát quy trình tách sợi từ cây dứa dại để ứng dụng vào các sản phẩm composite” được tiến hành tại Trung tâm Kĩ Thuật chất dẻo và cao su, thời gian từ 01/04/2010 đến 15/08/2010

Kết quả thu được là đã tách được sợi thành phẩm từ cây Agave sisalana có cơ

tính cao Sau khi trải qua quá trình thí nghiệm với tổng cộng là 13 mẫu sợi, gồm: 8 mẫu (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A và 4B) là thử nghiệm giai đoạn 1 ngâm sơ bộ thực hiện tương ứng với 2 dung dịch muối NaCl và Na2SO4 (nồng độ 7% và 10,5%), 2 dung dịch acid HCl và H2SO4 (nồng độ 5% và 10%); 5 mẫu (1B1, 1B2, 1B3, 1B4 và 1B5) khảo sát giai đoạn 2 ngâm dung dịch NaOH với các nồng độ lần lượt là 5, 10, 15, 18 và 20% Các mẫu đều đo cơ tính gồm độ bền kéo đứt sợi đơn và độ dãn dài Chọn một số mẫu sợi (như mẫu 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 và 1B5) để tiến hành làm composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý được để đo độ bền va đập vật liệu composite, từ đó xem khả năng kết hợp của sợi trong chất nền nhựa

Khi sợi được xử lý giai đoạn ngâm sơ bộ với dung dịch NaCl 10,5%, rồi tiếp tục quá trình ngâm dung dịch NaOH 15% thì sẽ cho ra mẫu sợi tốt nhất ,chỉ trong thời gian ngắn trong khoảng 3 – 4 ngày mà không bị tác động của điều kiện ngoại cảnh đến quy trình thực hiện

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

LỜI CẢM ƠN ii

ABSTRACT iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

DANH SÁCH ĐỒ THỊ xi

Chương 1MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 2

1.3 Nội dung đề tài 2

1.4 Yêu cầu 2

Chương 2TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về composite 3

2.1.1 Khái niệm composite 3

2.1.2 Phân loại composite 3

2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite 4

2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên 6

2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên 6

2.2.2 Cơ tính của sợi 9

2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi 10

2.2.4 Biến tính của sợi tự nhiên 16

2.3 Tổng quan về sợi sisal 20

2.3.1 Khát quát sợi sisal 20

2.3.2 Đặc điểm hình thái 21

2.3.3 Cấu trúc và cơ tính của sợi sisal 22

2.3.4 Composite gia cường bằng sợi sisal 27

2.4 Quy trình công nghệ sản xuất sợi tự nhiên 32

2.4.1 Thu hoạch 32

2.4.2 Quy trình của sợi tự nhiên 33

2.4.3 Các phương pháp retting 36

2.5 Kiểm tra sợi 47

2.5.1 Các yêu cầu về cơ tính sợi 47

2.5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 48

Chương 3NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

3.1 Tổng quát quy trình 51

3.1.2 Giai đoạn xử lý NaOH 53

3.1.3 Giai đoạn làm composite 55

3.2 Phương pháp thí nghiệm 57

3.2.1 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi hóa chất sử dụng trong giai đoạn ngâm sơ bộ 57

3.2.2 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi nồng độ khi ngâm NaOH 58

3.3 Các phương pháp kiểm tra 59

3.3.1 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 59

3.3.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn 59

3.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) 59

Chương 4KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

4.1 Hình thái học của sợi sisal sau xử lý 60

4.2 Thí nghiệm 1 61

4.2.1 Độ hút ẩm sợi 61

4.2.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn 62

4.2.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) 64

4.2.4 Ảnh SEM 64

4.2.5 Kết luận thí nghiệm 1 67

4.3 Thí nghiệm 2 68

4.3.1 Độ hút ẩm sợi 68

4.3.2 Độ bền đứt sợi đơn 69

4.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) 70

4.3.4 Ảnh SEM 72

4.3.5 Kết luận thí nghiệm 2 73

Chương 5KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 75

5.1 Kết luận 75

5.2 Đề nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 78

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABS Acrylonitrile butadiene styrene

CTDIC Dẫn xuất cardanol của toluene diisocyanate

DP Degree of polymerization – độ trùng hợp

IFSS Độ bền phân cách

LDPE Polyethylen tỷ trọng thấp

MEKP Methyl ethyl keton peroxide

MMA Methyl methacrylate

SEM Kính hiển vi điện tử quét

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

UF Ureformaldehyd

UHDPE Polyethylene tỷ trọng siêu cao

UPE Polyester không no

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên 8

Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên 9

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên 11

Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào) sợi sơ cấp 12

Hình 2.5 Cấu trúc cellulose 13

Hình 2.6 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose 14

Hình 2.7 Cấu trúc lignin 15

Hình 2.8 Công thức hemicellulose 16

Hình 2.9 Kiềm hóa và acetylate hóa bề mặt sợi cellulose 18

Hình 2.10 Xử lý sợi bằng hợp chất silane 19

Hình 2.11 Cây sisal 21

Hình 2.12 Các chồi rễ trên mặt đất xung quanh cây sisal trưởng thành 22

Hình 2.13 Hình mặt cắt ngang sợi sisal trong nền kết dính 23

Hình 2.14 Hình hiển vi điện tử (SEM) của sợi sisal 24

Hình 2.15 Phác họa tế bào sợi sisal với kích thước xấp xỉ 25

Hình 2.16 Mặt cắt ngang của lá sisal 25

Hình 2.17 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi tự nhiên với góc microfibrillar của sợi 29

Hình 2.18 Hình hiển vi điện tử quét của composite LDPE – sợi sisal xử lý peroxide 31 Hình 2.19 Quy trình sản xuất sợi tự nhiên 34

Hình 2.20 Các phương pháp retting 37

Hình 2.21 Giản đồ cấu trúc của sợi và thân cây lanh 40

Hình 2.22 Những mối nối trên bề mặt sợi sau quá trình cơ học quá mức 42

Hình 2.23 Ảnh qua kính hiển vi điện tử của các sợi lanh khác nhau 43

Hình 2.24 Sợi sisal xử lý bằng cơ học 49

Hình 2.25 Sợi sisal xử lý hóa học 50

Hình 3.1 Sơ đồ giai đoạn xử lý sơ bộ lá sisal sau khi thu hoạch 52

Hình 3.2 Sơ đồ giai đoạn xử lý NaOH 54

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình làm composite 56

Hình 3.6 Tấm mat 57

Hình 4.1 Sợi sisal sau khi xử lý xong NaOH, có màu vàng óng 61

Hình 4.2 Sợi sau khi đã qua giai đoạn trung hòa và phơi khô 61

Hình 4.3 Hình sợi sisal thô 65

Hình 4.4 Hình sợi sisal xử lý NaCl 7% (mẫu 1A) 65

Hình 4.5 Sợi sisal xử lý NaCl 10,5% (mẫu 1B) 66

Hình 4.6 Hình sợi sisal xử lý Na2SO4 10,5% (mẫu 2B) 66

Hình 4.7 Sợi sisal xử lý NaOH 10% (mẫu 1B1) 72

Hình 4.8 Sợi sisal xử lý NaOH 15% (mẫu 1B3) 73

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Số liệu tổng hợp tính chất cơ lý của sợi sisal 26

Bảng 2.2 Sự biến thiên độ bền sợi sisal với độ dài thử nghiệm 27

Bảng 2.3 Cơ tính của sợi tự nhiên cà công trình nghiên cứu độ bền va đập của composite tương ứng 29

Bảng 2.4: So sánh các quá trình retting 45

Bảng 3.1 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1 53

Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH 55

Bảng 3.3 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1 58

Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH 59

Bảng 4.1 Khối lượng m (g) thí nghiệm 1 sau khi để trong không khí khoảng 48h 62

Bảng 4.2 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 1 62

Bảng 4.3 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 1 63

Bảng 4.4 Độ bền va đập của composite gia cường sợi sisal xử lý theo thí nghiệm 1 64

Bảng 4.5 Các giá trị thí nghiệm 1 67

Bảng 4.6 Khối lượng m(g) thí nghiệm 2 sau khi để trong không khí khoảng 48h 68

Bảng 4.7 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 2 68

Bảng 4.8 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 2 69

Bảng 4.9 Độ bền va đập của các mẫu thí nghiệm 2 70

Bảng 4.10 Các giá trị thí nghiệm 2 73

DANH SÁCH ĐỒ THỊ

Trang

Đồ thị 4.1 Độ bền kéo sợi đơn của mẫu xử lý NaOH 69

Đồ thị 4.2 Độ dãn dài sợi đơn của mẫu xử lý NaOH 70

Đồ thị 4.3 Độ bền va đập của composite sợi xử lý NaOH 71

Thế nhưng chúng ta có một khó khăn trong việc triển khai sử dụng rộng rãi nguồn tài nguyên có thể tái sinh này Đó là sự kém bám dính của sợi thiên nhiên trong hầu hết các nền polymer Bản chất ưa nước của sợi thiên nhiên gây tác động ngược đến

sự bám dính của sợi trong nền polymer kỵ nước dẫn đến độ bền vật liệu composite kém

Vì vậy mà nghiên cứu quy trình xử lý sợi thiên nhiên để cải thiện các tính chất trên là vấn đề quan trọng khi muốn sử dụng sợi thiên nhiên vào các sản phẩm composite

Ở Việt Nam, việc sử dụng sợi dứa dại trong chế tạo vật liệu PC (PC) sẽ có ý nghĩa thực tiễn to lớn Vì điều kiện thiên nhiên (đất đai, khí hậu, địa hình…) của nước

ta là một tiềm năng lý tưởng cho việc sản xuất sợi từ lá dứa dại trên quy mô công nghiệp nhằm cung cấp nguồn nguyên vật liệu cho ngành chế tạo vật liệu PC ở Việt Nam Do việc đầu tư sản xuất sợi từ lá dứa dại không đòi hỏi đầu tư cao như đối với sợi hóa học khác (sợi thủy tinh, sợi carbon…), điều này sẽ rất phù hợp với điều kiện kinh tế

xã hội ở nước ta hiện nay Bên cạnh đó, nó còn có ý nghĩa về mặt xã hội đó là cung cấp nguồn nguyên liệu cho sản xuất đỏi hỏi phải có chiến lược canh tác cây dứa dại, góp

phần tạo nguồn thu nhập cho nông dân, đặc biệt là ở những vùng đất đai khô cằn, khí hậu khắc nghiệt,… và tạo cơ hội việc làm cho người lao động ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa… Chính vì vậy mà việc nghiên cứu sử dụng sợi dứa dại trong gia công chế tạo vật liệu PC nhằm làm tăng giá trị cho cây dứa dại là một vấn đề cấp thiết

Được sự phân công của Bộ môn Công nghệ hóa học, dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Vĩnh Minh tôi thực hiện đề tài “Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa dại để ứng dụng làm các sản phẩm composite”

1.2 Mục đích đề tài

• Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa dại

• Xử lý hóa chất với nồng độ phù hợp làm thay đổi tăng các tính chất sợi dứa thô

• Cách xử lý sợi dứa thô bằng NaOH để phù hợp với các loại sản phẩm composite

1.3 Nội dung đề tài

• Đặc tính, tính chất của sợi tự nhiên

• Đặc tính, tính chất của sợi dứa

• Khảo sát điều kiện xử lý trong quá trình retting và xử lý NaOH, có thể thay thế các hóa chất khác được hay không?

1.4 Yêu cầu

• Tạo được sợi dứa dại có thể ứng dụng vào sản phẩm composite

• Xác định được điều kiện xử lý hóa chất phù hợp

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về composite

2.1.1 Khái niệm composite

Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau

Ưu điểm:

Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng

có hiệu quả nhất đó là PC, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khả được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

2.1.2 Phân loại composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu

thành phần

2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng

• Vật liệu composite độn dạng sợi

• Vật liệu composite độn dạng hạt

2.1.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần

• Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ, sợi khoáng, sợi kim loại…

• Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim Al, …) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…

• Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (carbon, nitrogen)…

2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite

cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo

2.1.3.2 Chất độn (cốt)

Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao

hơn nhựa Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

• Tính gia cường cơ học;

• Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ;

• Phân tán vào nhựa tốt;

• Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt;

• Thuận lợi cho quá trình gia công;

• Giá thành hạ, nhẹ

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp Có hai dạng độn:

• Chất độn dạng sợi: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi carbua silic, sợi amide…

• Chất độn dạng hạt: thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon…

Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải,…) Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi… 2.1.2.3 Chất pha loãng

Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm ether, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất của tác nhân nối ngang – monomer

Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:

• Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền;

• Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester Lúc đó nó hòa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công;

• Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản;

• Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút;

2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên

2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên

2.2.1.1 Lịch sử

Từ thời xa xưa, con người đã biết lấy các nguyên liệu sợi thô trong tự nhiên sử dụng để tạo thành các sản phẩm thông qua ngành dệt Ví dụ như, người Ai Cập cổ bao bọc xác chết của họ trong vải lanh trong hàng ngàn năm Khi nhận thức được có thể tách sợi từ cây thì con người đã bắt đầu lựa chọn giống, rồi hợp thủy hóa giống cây đó trên đất của mình Cây đó sẽ được duy trì giống và ứng dụng sợi của nó vào sản xuất sản phẩm qua nhiều thiên niên kỉ

Sợi được ứng dụng sản xuất trong ngành dệt cho đến cuối thế kỷ XIX Do cơ

ngày càng tăng các loại sợi tổng hợp rẻ hơn đã phá hủy nền sản xuất sợi truyền thống, gần như biến mất ở Tây Âu và Bắc Mỹ Nhưng hiện nay, ứng dụng các loại sợi tự nhiên vào các sản phẩm ngày càng được quan tâm, đặc biệt là trong ngành vật liệu, ứng dụng như chất gia cường cho PC để tạo thành vật liệu xây dựng chi phí thấp

2.2.1.2 Đặc trưng của sợi tự nhiên

• Ưu điểm của sợi tự nhiên

Nhựa còn có ứng dụng rộng rãi, vì chúng có khả năng chịu mài mòn, có tính dẫn nhiệt thấp và khả năng hấp thu nước thấp, có độ cứng, độ bền tốt và không nở khi bị

ẩm Các loại sợi tổng hợp như nylon, rayon, aramid, thuỷ tinh, polyester và carbon đang được sử dụng rộng rãi như chất gia cường của nhựa nhưng lại là nguyên liệu không tái tạo được và mắc Sợi tự nhiên là nguyên liệu tái tạo đang được ứng dụng ở nhiều quốc gia đang phát triển trên thế giới, do chúng rẻ, không gây nguy hiểm cho sức khỏe và cuối cùng, là giải pháp giúp tránh ô nhiễm môi trường Hơn vật liệu PC gia cường bằng sợi tự nhiên đã tạo ra một loại vật liệu mới có tiềm năng trong tương lai do có cơ tính cao, tỷ trọng thấp, dễ gia công và chi phí sản xuất thấp; trở thành vật liệu thay thế cho nguyên liệu gỗ đang khan hiếm và các nguyên liệu có cấu trúc làm từ gỗ

Cơ tính của sợi tự nhiên thấp hơn nhiều so với cơ tính của sợi thuỷ tinh được dùng phổ biến để làm chất gia cường (Phụ lục 1) Tuy nhiên, do tỷ trọng thấp, độ bền,

và độ cứng của sợi tự nhiên có thể so sánh với các giá trị tương ứng của sợi thủy tinh Sợi tự nhiên không bị mài mòn khi ở trong thiết bị trộn và đúc, có thể giúp giảm sự hao hụt nguyên liệu một cách đáng kể

Các đặc tính về sinh thái, khả năng tự phân hủy sinh học, và giá cả của các loại sợi tự nhiên là điều kiện thiết yếu đẩy mạnh khả năng chọn lựa sử dụng chúng trên các thị trường kỹ thuật lớn như ngành công nghiệp ôtô và xây dựng Và cũng là những lợi thế chủ yếu khi sử dụng sợi tự nhiên như chất gia cường cho vật liệu

Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên.1

• Nhược điểm của sợi tự nhiên

Sợi tự nhiên khi dùng làm chất gia cường cho chất nền composit polymer có một

số nhược điểm cần quan tâm

Nhược điểm đầu tiên, khi kết hợp các loại sợi tự nhiên với các composite yêu cầu có độ bền, thì sợi lại khả năng hấp thu độ ẩm cao, tính kháng vi khuẩn thấp và dễ mục Do tính ưa nước của sợi tự nhiên dẫn đến sự hấp thu độ ẩm cao, điều này không chỉ làm ảnh hưởng đến tính chất trên bề mặt sợi mà còn ảnh hưởng tính chất của composite Hấp thụ độ ẩm cao tạo ra trương nở sợi, làm thay đổi tính chất cơ lý và làm giảm sự ổn định của composite

Nhược điểm chủ yếu thứ hai của sợi tự nhiên là tính không đồng nhất và tính biến thiên về kích thước sợi và cơ tính (kể cả giữa những cây riêng lẻ trong cùng một đợt canh tác), chúng không có sự đồng nhất như các sợi gia cường nhân tạo

Nhiệm vụ chính hiện nay là phải đẩy mạnh nghiên cứu các phương thức sản xuất đảm bảo chất lượng sợi tốt hơn để vừa có thể giải quyết các nhược điểm trên vừa mở rộng sử dụng các loại sợi tự nhiên như nguyên liệu chất lượng cao thay thế cho các loại sợi gia cường thông thường khác

2.2.1.3 Phân loại

Sợi tự nhiên được phân nhóm dựa theo nguồn gốc, dù là bắt nguồn từ thực vật, động vật, hay khoáng sản (Hình 2.2) Sợi thu được từ các bộ phần khác nhau của cây được gọi là sợi tự nhiên có nguồn gốc thực vật Những sợi này được phân loại thành ba loại chính dựa vào bộ phận được tách chiết của cây

Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên

2.2.2 Cơ tính của sợi

Sợi tự nhiên có thể được coi là vật liệu composite tự nhiên chứa chủ yếu các sợi cellulose được gắn vào nền lignin Các sợi cellulose này thẳng hàng dọc theo chiều dài của sợi, và có cấu trúc giống nhau dù tách chiết từ bộ phận nào (thân cây, lá hoặc trái) Chúng được xem là mối liên kết làm cho độ bền kéo đứt và độ bền uốn lớn nhất, thêm vào đó tạo độ cứng cho sợi tương tự như cây tre

Độ bền kéo đứt cũng như module đàn hồi của các sợi thiên nhiên thấp hơn so với sợi thủy tinh thường được sử dụng trong vật liệu composite Tuy nhiên, tỷ trọng của sợi thủy tinh thì cao (~ 2,5 gcm-3) trong khi đó các sợi tự nhiên thì thấp hơn nhiều (Phụ lục 1) Độ bền và module riêng của một số của sợi tự nhiên có thể so sánh được với sợi thủy tinh Điều này rất quan trọng đối với những ứng dụng cần vật liệu có trọng lượng cấu trúc giảm xuống tối thiểu

Hơn nữa, những sợi này có điện trở cao, ngoài ra còn có khả năng cách âm và cách điện Vì vậy, khi các sợi này được kết hợp trong các nền polymer có module thấp, chúng sẽ tạo ra vật liệu với đặc tính tốt hơn phù hợp với các ứng dụng khác nhau

Vì sợi tự nhiên rất bền, khối lượng nhẹ, nhiều, không gây bào mòn, không độc hại và không đắt, chúng có thể dùng làm vật liệu gia cường nhựa tốt Một số sản phẩm cellulosic và phế liệu như vỏ bột, bột gỗ và bột giấy đã được sử dụng làm chất độn trong polymer, chủ yếu là có thể tiết kiệm chi phí và cũng có thể truyền những tính chất mong muốn như: làm giảm mức độ ép sau khi đúc, làm tăng module đàn hồi và độ bền rão

Tính chất cơ học của sợi tự nhiên phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như:

• Tính chất cây trồng; độ tuổi khai thác của cây…; trên hết là tính di truyền;

• Địa phương canh tác, điều kiện khí hậu…;

• Phương pháp tách chiết, sản xuất và sử dụng

2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi

Sợi tự nhiên là một vật liệu composite thiên nhiên Hầu hết các sợi tự nhiên, trừ bông, được cấu tạo từ cellulose, hemicellulose, lignin, wax (sáp ong, prafin), và một số hợp chất hoà tan trong nước… Nhưng thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose và lignin

2.2.3.1 Cấu tạo của sợi

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên.(A) Giản đồ và (B) mặt cắt kính hiển vi

(Theo Bismarck, A và các đồng nghiệp, Polym composites, 23, 872, 2002, từ the Society of Plastics Engineers).

Sợi tự nhiên sơ cấp là một tế bào đơn có chiều dài từ 1 đến 50 mm và đường kính khoảng 1 – 50 μm Sợi tự nhiên có thành tế bào bao xung quanh lumen ở trung tâm Lumen góp phần giúp hấp thu nước cho sợi tự nhiên Sợi có những cấu trúc vi mô phân cấp khác nhau (Hình 2.3) Thành tế bào của sợi là một màng không đồng nhất, được tạo từ nhiều lớp: thành tế bào sơ cấp là lớp đầu tiên hình thành trong quá trình tăng trưởng tế bào, và thành tế bào thứ cấp (S), lại gồm ba lớp (S1, S2, và S3) Các thành

tế bào được cấu tạo từ các tế vi cellulose bán kết tinh có cấu trúc định hướng được gắn vào khối nền hemicellulose/lignin của hợp chất không ổn định Sợi tế vi thường có đường kính khoảng 10 – 30 nm, được tạo nên từ 30 – 100 phân tử cellulose theo dạng chuỗi mở rộng, và tạo nên độ bền cơ học của sợi Khối nền vô định hình trong thành tế bào rất phức tạp, gồm hemicellulose, lignin, và trong một số trường hợp thì có cả pectin Các phân tử hemicellulose có hydro liên kết với cellulose và có tác dụng như xi măng giữa các sợi tế vi cellulose, tạo thành hệ thống cellulose/hemicellulose, được cho

là thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi Lưới lignin kỵ nước gây ảnh hưởng đến các tính chất của các lưới khác do có hoạt tính như một chất liên kết và làm tăng độ cứng của hợp chất cellulose/hemicellulose Những thành tế bào khác nhau về thành phần, tỷ

lệ giữa cellulose và lignin/hemicellulose, và định hướng cố định của sợi tế vi cellulose

Hầu hết các sợi tự nhiên, sợi tế vi cellulose được cố định hợp với trục sợi một góc được gọi là “góc microfibrillar” Thông số này đặc trưng theo từng dạng sợi

Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào)sợi sơ cấp Thành tế bào thứ cấp, S2, chiếm khoảng 80% tổng

bề dày (Trích từ Rong, M.Z và các đồng nghiệp, composites Sci Technol., 61, 1437−1447, 2001).

Thành tế bào bên ngoài xốp và chứa gần như tất cả các hợp chất noncellulose, và

là nguyên nhân gây ra: khả năng hấp thụ kém, khả năng hút ẩm kém, và các tính chất không mong muốn khác

Trong hầu hết các ứng dụng ngày hôm nay của sợi tự nhiên thường sử dụng bó sợi thay vì các sợi riêng lẻ “Các sợi kỹ thuật” tách từ cây, gồm những tế bào hay những sợi sơ cấp, và, là những bó sợi với chiều dài trung bình khoảng một mét và đường kính thường từ 50 – 100 μm Trong một bó sợi, các tế bào sợi chồng chéo lên nhau và dính liền với nhau bằng pectin tạo độ bền cho toàn bộ bó sợi Tuy nhiên, độ bền của một cấu trúc bó là thấp hơn so với độ bền của các tế bào sợi riêng lẻ

Cấu trúc, góc microfibrillar, kích thước tế bào và những nhược điểm, và thành phần hóa học của sợi tự nhiên là các biến quan trọng nhất xác định tính chất chung của sợi Nhìn chung, độ bền kéo đứt và module đàn hồi của các sợi tự nhiên tăng cùng khi hàm lượng cellulose của sợi tăng Sự định hướng của sợi tế vi cellulose với các trục sợi xác định độ cứng của các sợi Sợi tự nhiên dễ uốn hơn nếu các sợi tế vi có sự định hướng xoắn ốc với trục sợi Sợi không linh hoạt, cứng, và có độ bền kéo cao nếu sợi tế

vi được định hướng song song với trục sợi

2.2.3.2 Các thành phần hóa học

• Cellulose

Thành phần chính của hầu hết sợi tự nhiên là cellulose (α-cellulose)

Cellulose là một đại phân tử tuyến tính gồm D-anhydroglucose (C6H11O5) nối với nhau bằng mối liên kết β-1,4-glycosidic (Hình 2.5) với độ trùng hợp (DP: degree of polymerization) khoảng 10.000

Hình 2.5 Cấu trúc cellulose (A) Cấu trúc đơn giản và (B) cấu trúc không gian

Mỗi đơn vị D-anhydroglucose có ba nhóm hydroxyl Những hydroxyl này tạo thành các liên kết hydro nội phân tử và liên kết hydro với các phân tử cellulose khác, cũng như có thể liên kết hydro với các nhóm hydroxyl từ không khí hay các phân tử phân cực Vì vậy, tất cả các sợi tự nhiên có tính ưa nước; hàm lượng ẩm đạt 8 – 13 %

Các nhóm hydroxyl liên kết với nhau tạo thành khung hydro đóng một vai trò quan trọng không chỉ kiểm soát quá trình kết tinh, mà còn gây ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của cellulose

Hình 2.6 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose

Số lượng cellulose, trong lignocellulosic, có thể khác nhau tùy thuộc vào giống

và tuổi của cây

Một đặc tính quan trọng của sợi tự nhiên là độ DP của chúng Cellulose trong mỗi sợi khác nhau có cấu trúc hóa học tương tự nhau, nhưng độ DP khác nhau, do đó, sợi là một hỗn hợp phức tạp của chất đồng đẳng polymer (C6H10O5)n Sợi từ vỏ cây thường có độ DP cao nhất trong số tất cả các sợi tự nhiên (~10.000) Tính chất cơ học của một sợi tự nhiên phụ thuộc đáng kể vào độ DP

Cellulose bền với kiềm mạnh, và tương đối bền với các chất oxy hóa nhưng lại

dễ thủy phân bởi acid

Khó khăn chính trong việc hóa lignin là không có phương pháp nào được đề xuất

mà có thể cô lập lignin từ sợi Bản chất hoá học của lignin trong lignocellulosic là một

đề tài quan trọng cần nghiên cứu

Bản chất hóa học chính xác của lignin vẫn còn chưa sáng tỏ Mặc dù công thức chính xác của lignin vẫn chưa được thiết lập, nhưng hầu hết các nhóm chức và các đơn

vị, tạo nên phân tử, đều đã được xác định Một cấu trúc giả định của lignin được thể hiện trong Hình 2.7

Hình 2.7 Cấu trúc lignin.(Theo Rouchi, A.M., Eng News, 13/11/2000, trang 29 - 32)

Dù chưa xác định được chính xác cấu trúc nhưng cấu trúc đặc trưng có số lượng hydro thấp và số lượng carbon cao Từ điều này khẳng định lignin có thể là hợp chất không no hay hợp chất thơm trong tự nhiên Gần đây đã có công trình khoa học nghiên cứu xác định lignin chứa năm nhóm hydroxyl và năm nhóm methoxyl trên một đơn vị cấu trúc Các đơn vị cấu trúc của một phân tử lignin là dẫn xuất của 4-hydroxy-3-methoxy phenylpropane

Các lignin, là đa chức, tồn tại mối liên kết với nhiều chuỗi phân tử lân cận xung quanh cellulose và hemicellulose, tạo thành một cấu trúc liên kết ngang

Lignin trong tự nhiên là chất vô định hình có tính kỵ nước Chúng được xem như

là một loại polymer nhiệt dẻo, có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh khoảng 90°C và nhiệt

độ nóng chảy khoảng 170°C Chúng bền với acid nhưng lại bị hòa tan trong kiềm nóng;

dễ bị oxy hóa, và dễ bị ngưng tụ bởi phenol

Các tế bào riêng biệt của sợi tự nhiên dính cứng với nhau bằng lignin, có chức năng như xi măng Hàm lượng lignin của các sợi tự nhiên ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất và hình thái của sợi

• Hemicellulose

Hemicellulose là polysaccharide gồm các nhóm đường có vòng carbon 5 hay 6 Các chuỗi trùng hợp ngắn hơn nhiều (độ DP khoảng 5 – 30) và có phân nhánh Các hemicellulose tạo thành mạng lưới đỡ cho sợi tế vi cellulose

Hemicellulose rất ưa nước, hòa tan trong kiềm và dễ thủy phân trong acid

Hemicellulose có tác dụng như chất kết dính các sợi tế vi cellulose lại với nhau bằng liên kết hydro, tạo thành hệ thống cellulose/hemicellulose Hệ thống cellulose/hemicellulose được cho là thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi

Hình 2.8 Công thức hemicellulose

2.2.4 Biến tính của sợi tự nhiên

2.2.4.1 Liên pha sợi – Nền nhựa

Nhược điểm chính của sợi cellulose là bản chất phân cực cao làm chúng không tương thích với các polymer không phân cực Ngoài ra, sự dễ hút ẩm làm cho họ sợi này khó dùng cho các vật liệu composite sử dụng ngoài trời Hiện nay,

có một số loại polymer làm nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên:

• Nhựa nhiệt rắn: polyester không no, vinylester, phenolformaldehyde, melamine formaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy

• Nhựa nhiệt dẻo: 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 liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi Ái lực của nhựa phụ thuộc vào sự tương đồng tính phân cực của nhựa với tính phân cực của sợi cellulose Độ phân cực của các nhựa nói trên được xếp như sau:

Phenolformaldehyde, melamine formaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy > vinylester > polyester không no > polyethylene, polystyrene, polypropylene

Sự truyền ứng suất ở liên diện giữa hai pha sợi – nền nhựa được xác định bởi mức độ kết dính Sự kết dính mạnh nhựa – 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 này, sự cải thiện và kiểm soát tính kết dính

ở liên diện trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nghiên cứu ứng dụng sợi cellulose Theo hướng này, bề mặt sợi sẽ được bọc phủ một màng chất liệu có tính tương thích với nhựa nền Màng chất liệu chứa các tác chất gắn kết đóng vai trò như một cầu nối hóa học trung gian giữa nhựa nền và sợi Việc biến tính cho sợi

có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học

2.2.4.2 Các phương pháp biến tính bề mặt sợi

• Biến tính vật lý

Các phương pháp vật lý liên quan đến sự tạo vi sợi trên bề mặt, tích điện (thổi lửa corona, plasma nguội),… Plasma nguội, phóng xạ tĩnh điện, thổi lửa corona giúp cải thiện các tính chất về độ chức, giảm sức căng bề mặt của sợi tự nhiên Xử lý plasma nguội tạo ra sự hình thành gốc tự do,cấy chức hóa học, tẩy, trùng hợp, và kết tinh trên

bề mặt sợi Trong khi đó, phóng xạ tĩnh điện chủ yếu tăng sự gồ ghề trên bề mặt sợi Thổi lửa corona liến quan đến sự hoạt hóa oxy hóa bề mặt sợi

• Biến tính hóa học

¾ Xử lý kiềm làm trương và tạo phản ứng thế trên sợi

Phương pháp Mercer là phương pháp cổ điển biến tính sợi cellulose, trong đó có

sử dụng bước ngâm NaOH Hiệu quả của nó phụ thuộc vào loại, nồng độ dung dịch, thời gian, và nhiệt độ xử lý Kèm theo việc tẩm sợi bằng chất làm trương có tính kiềm mạnh là phản ứng với các chất hóa học khác, các nhóm hydroxyl trong phân tử cellulose có thể được thay thế Sự thay thế nhóm chức hydroxyl cho sợi có mức độ kết tinh giảm Kết quả xử lý kiềm là tăng độ nhám bề mặt sợi giúp tăng độ bám dính cơ học theo kiểu interlocking Đồng thời, xử lý kiềm loại bỏ các lignin, sáp bám quanh sợi cellulose giúp các nhóm chức của mạch cellulose hoạt động trên vi sợi Các phản ứng thay thế nhóm chức được biết đến như phản ứng acetylate hóa (hình 2.9), diazo hoá, cyanoethylate hoá, dinitrophenylate hoá, benzoyl hóa,…

Hình 2.9 Kiềm hóa và acetylate hóa bề mặt sợi cellulose

¾ Tẩm sợi

Một cách khác để tạo sự tương tác tốt hơn giữa nhựa - sợi là tẩm sợi bằng một lớp monomer của polymer đầu tiên có tính tương thích với nền nhựa Sợi được tẩm bằng một monomer lỏng sau đó chúng được đem đi trùng hợp tại chỗ bằng xúc tác, nhiệt độ hay chiếu xạ

¾ Biến tính liên diện bằng phương pháp hóa học

ƒ Xử lý bằng các hợp chất tăng liên diện Mục đích chính của biến tính hóa học là nhằm làm giảm tính phân cực trên bề mặt sợi cellulose Độ phân cực thấp trên bề mặt sợi giúp sợi phân tán và tương thích tốt trong nền nhựa có độ phân cực thấp Quá trình hóa học này cũng tạo ra một màng phủ

chất tăng liên diện (coupling agent) Chất tăng liên diện có hai chức năng trong quá trình này: phản ứng với nhóm hydroxyl –OH của cellulose và phản ứng với các nhóm chức khác trong nhựa nền

Các chất tăng liên diện thông dụng hiện nay là các hợp chất silane, isocyanate, tianate Quá trình hình thành các liên kết đồng hóa trị giữa cellulose-isocyanate, liên kết yếu giữa nhựa nhiệt dẻo và isocynate giúp cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo được gia cường bằng sợi cellulose thiên nhiên

ƒ Xử lý sợi bằng hợp chất silane hữu cơ và cách sợi biến tính bằng silane tạo liên kết với nền nhựa có thể được mô tả theo hình

Hình 2.10 Xử lý sợi bằng hợp chất silane

¾ Ghép:

ƒ Trùng hợp ghép: Tạo gốc tự do trên bề mặt sợi cellulose bằng phản ứng với ion được chọn lựa Các gốc tự do được xử lý tiếp trong một dung dịch thích hợp mang tính tương thích với nền polymer

Trùng hợp ghép thường dùng vinyl monomer, acrylonitrile, methylmethacrylate,…

ƒ Xử lý với các hợp chất có mang nhóm chức methanol –CH2OH để tạo lien kết đồng hóa trị bền với sợi Thường người ta dùng các dimmer, trimer của phenol-formaldehyde hoặc polyesteramidepolyol

ƒ Xử lý với các polymer gốc isocynate như:

poly(methylene)(polyphenylisocyante), hoặc PMPPI, hexamethylene diisocynate,…

ƒ Sử dụng chất tăng liên diện dẫn xuất từ triazine

2.3 Tổng quan về sợi sisal

2.3.1 Khát quát sợi sisal

Trong các loại sợi tự nhiên khác nhau, sợi sisal được quan tâm do composite làm

từ sợi Siasal có độ bền va đập cao, ngoài ra có độ bền kéo và độ uốn trung bình so với

các sợi lignocellulosic khác

Sợi sisal thu được từ lá của cây Agave sisalana, họ Agave Cây sisal chưa xác

định rõ nguồn gốc xuất xứ Cái tên "Sisal" xuất phát từ một thị trấn cảng ở Yucatan,

Maya, Mexico Nó có nghĩa là “nước lạnh” Nhưng trên thực tế, sisal lại không xuất xứ

từ đó và hiện nay chủ yếu được trồng ở Đông Phi, Brazil, Haiti, Ấn Độ và Indonesia

Cây Agave được trồng bởi người da đỏ Maya trước khi được gieo trồng ở Châu Âu Sợi

được tách bằng tay để làm dây thừng, thảm và quần áo

Từ cuối thế kỷ XVIII đến đầu thế kỷ XIX, cây sisal cũng bắt đầu được trồng trên

lục địa châu Phi và châu Á do khả năng thích ứng và phát triển tốt trong điều kiện khí

hậu và môi trường sinh thái đa dạng, từ điều kiện nóng và ẩm của Kenya và Tanzania

đến điều kiện nhiệt đới của Brazil, các bờ biển của Florida và Hawaii của Mỹ và các đảo Caribê

Hình 2.12 Các chồi rễ trên mặt đất xung quanh cây sisal trưởng thành

Cây sisal có tuổi thọ trung bình là 7 – 15 năm, phụ thuộc vào các yếu tố như: giống, khả năng di truyền, khí hậu, điều kiện trồng và chất lượng đất Cây có thể trưởng thành để thu hoạch lần đầu tiên là khoảng 2,5 – 3 năm (khi trồng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu), sau đó được thu hoạch theo định kỳ cách nhau khoảng 6 – 12 tháng

Cây sisal thích nghi tốt với khu vực nhiệt đới, chịu hạn hán kéo dài và nhiệt độ cao

2.3.3 Cấu trúc và cơ tính của sợi sisal

Đối với các nhà khoa học nghiên cứu và thông hiểu về mối quan liên hệ giữa cấu trúc – tính chất sẽ không chỉ giúp mở ra con đường mới với nhiều ứng dụng từ các loại sợi – nhấn mạnh tầm quan trọng của vật liệu nông nghiệp này, mà còn chuẩn bị sẵn sàng để phát triển chúng thành một trong những nguồn tài nguyên tái chế dồi dào trên thế giới

Một cây sisal điển hình cung cấp khoảng 200 – 250 lá trong suốt quá trình sống

nó (một số giống lai có thể cung cấp đến 400 – 450 lá), và mỗi lá có chứa trung bình khoảng 1.000 sợi Mỗi lá có thành phần khối lượng sợi chiếm 4%, lớp biểu bì: 0,75%, các vật chất khô: 8% và độ ẩm: 87,25% Đường kính của sợi thay đổi từ 100 μm đến

300 μm

Hầu hết các sợi thực vật, bao gồm cả sisal, đều có thành phần hóa học chủ yếu là cellulose và lignin, và một số lượng nhỏ các thành phần khác, như: pectin, sáp, muối vô

cơ, chất đạm và các chất màu, v.v… (thành phần cấu trúc đã được trình bày ở phần 2.2.3.3)

Các sợi là đa bào, gồm nhiều tế bào nhỏ riêng lẻ liên kết với nhau Một sợi đơn trung bình dày khoảng 20 μm và chiều dài khoảng 3 mm, và có những sợi đạt tới độ dày hơn 400 μm và chiều dài đạt hơn 1.000 mm Những tế bào này hoạt động như chất gia cường cho các chất nền hemicellulose và lignin

Hình 2.13 và 2.14 cho thấy hình ảnh phân tán và ảnh hiển vi điện tử của cấu trúc

vi mô của sợi sisal Có thể thấy, mặt cắt của sợi sisal không phải là vòng tròn, cũng không đồng nhất về kích thước Các lumen với các kích thước khác nhau, nhưng được xác định rõ Hình dạng theo chiều dọc có lẽ là hình trụ Theo quy luật tự nhiên, mỗi tế bào sợi được tạo thành từ bốn phần chính, cụ thể là vách sơ cấp, vách thứ cấp dày, vách thứ ba và lumen

Hình 2.13 Hình mặt cắt ngang sợi sisal trong nền kết dính (Toledo Filho, 1997)

Hình 2.14 Hình hiển vi điện tử (SEM) của sợi sisal (Toledo, Filho, 1997)

Hình 2.15 là bản phác thảo một tế bào sợi sisal Thành tế bào bao gồm các lớp cấu trúc dạng sợi gồm nhiều vi sợi Ở vách sơ cấp, các vi sợi có cấu trúc mặt lưới Ở vách thứ cấp phía ngoài (S1), nằm phía trong vách sơ cấp, sợi được sắp xếp xoắn ốc với góc xoắn ốc là 40o so với trục dọc thẳng của tế bào (giá trị này ứng với sợi sisal) Sợi ở vách thứ cấp phía trong (S2) của sợi sisal có độ nghiêng rõ hơn, từ 18 đến 25o Vách thứ

ba trong cùng mỏng có cấu trúc sợi song song và bao quanh lumen Các sợi được tạo thành từ vi sợi với độ dày khoảng 20 nm Vi sợi gồm các chuỗi phân tử cellulose có độ dày khoảng 0,7 nm và chiều dài vài μm Vì vậy, thành tế bào được xem là cấu trúc composite của lignocellulosic được gia cường bằng các dải vi sợi xoắn ốc của cellulose Tổng hàm lượng cellulose và lignin của sợi sisal tương ứng khoảng 67 và 12%

Hình 2.15 Phác họa tế bào sợi sisal với kích thước xấp xỉ

Các sợi sisal có tuổi khác nhau, từ các nguồn khác nhau và từ các bộ phận có cấu trúc khác nhau, do đó tính chất của chúng cũng khác nhau Các lá sisal có chứa ba loại sợi khác nhau, cụ thể là sợi cơ học, sợi ribbon và sợi xylem (sợi gỗ) Sợi cơ học, hay còn được gọi là sợi cấu trúc, chủ yếu có ở xung quanh mặt ngoài lá, trong khi đó sợi ribbon được cố định theo các mô dẫn điện ở phần giữa lá, và sợi xylem được cố định ngược chiều với các sợi ribbon

Hình 2.16 Mặt cắt ngang của lá sisal (Theo Springer Science + Business Media: Journal of

Materials Science, Properties of sisal - CNSL composites, 27, 1992, 1690 -1700, E.T.N Bisanda and M.P

Ansell)

Các sợi cơ học ít khi có dạng hình tròn, chủ yếu dày và có hình móng ngựa theo mặt cắt ngang, và chúng rất khó tách trong quá trình tách chiết Sợi cơ học mịn hơn và đóng vai trò quan trọng trong việc phân loại các sợi sisal Sợi ribbon, hay còn được biết đến như sợi hình cung, có từ gốc lá đến ngọn lá, và chúng phát triển cùng với các mô dẫn điện dọc theo đường giữa lá, như trong hình 2.16 thể hiện mặt cắt ngang của lá sisal Cấu trúc của các sợi ribbon đã tạo cho chúng có độ bền cơ học tốt, và chúng cũng

là những sợi dài nhất và có thể dễ dàng tách ra theo chiều dọc trong quá trình tách chiết Sợi xylem cấu tạo như một bó sợi hỗn hợp nằm trên đường giữa lá ngược chiều với sợi ribbon, và chúng có dạng không đồng nhất khi tách ra từ các bó mạch Sợi xylem có thành tế bào mỏng, do đó dễ bị phá hủy trong quá trình tách chiết

Chiều dài của sợi sisal được tách chiết dài khoảng 1,0 – 1,5 m, và đường kính là 100-300 μm, với tỷ trọng trung bình là 1,26 ± 0,03 gcm-3,2 trong khi một số tác giả khác công bố tỷ trọng của sợi sisal là 1,45 gcm-3.3

Cơ tính của các sợi sisal khác nhau do tùy thuộc vào cây và giống, và chúng cũng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và chất lượng đất của khu vực nơi sisal được trồng Bảng 2.1 đưa ra số liệu tổng hợp các tính chất vật lý và cơ học của sợi sisal đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả

Bảng 2.1 Số liệu tổng hợp tính chất cơ lý của sợi sisal (Theo Mukhedjee and Satyanarayana,

1984; Chakravorthy, 1969; Satyanarayanavà các đồng nghiệp, 1982)

Module Young (N/m 2 )

Độ dãn dài (%)

Module uốn (N/m 2 )

Thành phần hóa học (%) Cellulose Lignin

2 Theo Li et al., 2000; Martins và Joekes, 2004; hình 13.23 tại Chương 13 sách Industrial Applications of

Natural Fibres: Structure, Properties and Technical Applications

3 Theo Mukherjee và Satyanarayana, 1984; Bảng 13,8 tại Chương 13 sách Industrial Applications of

Cơ tính của sợi sisal, chẳng hạn như độ bền kéo, độ dãn dài, độ dai và module,

được thử nghiệm ở nhiệt độ cao bởi Chand và Hashmi (1993), và họ nhận thấy rằng các

giá trị về độ bền kéo, module và độ dai của sợi sisal giảm khi tăng nhiệt độ

Bảng 2.2 khảo sát độ bền kéo đứt khi thay đổi chiều dài thực nghiệm Có thể

nhìn thấy từ Bảng 2.3 cả độ bền kéo và độ dãn phần trăm giảm khi chiều dài thực

nghiệm tăng, trong khi đó, module ban đầu và module trung bình tăng khi chiều dài thực nghiệm tăng Trong các loại sợi tự nhiên, vì khe hở hoặc các liên kết yếu không

đều nhau trong sợi quang, độ bền sẽ phụ thuộc vào chiều dài sợi thực nghiệm đem đi đo

Độ dãn dài (%)

Module trung bình (GNm-2)

Padmavathi và Naidu (1998) đã nghiên cứu độ bền hóa tính và độ bền kéo của

sợi sisal (Agave Veracruz) Báo cáo nghiên cứu cho thấy sợi sisal bền đối với HCl đậm

đặc hơn khi so với các acid khác Các sợi được xử lý bằng dung dịch NaOH 18% tăng

thêm độ bền kéo đứt hơn so với sợi xử lý hóa chất khác

2.3.4 Composite gia cường bằng sợi sisal

2.3.4.1 Composite nhựa nhiệt rắn gia cường bằng sợi sisal

Kết hợp sợi sisal vào nhựa nhiệt đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học Paramasivam và Abdulkalam (1974) đã nghiên cứu tính khả thi của việc phát triển

composite trên nền polymer ứng dụng sợi sisal, do giá sản phẩm composite thấp và các

ảnh hưởng đối với các loại sợi trong quá trình quấn, cán và các quá trình chế biến khác

Nhận thấy rằng việc sản xuất composite là khá đơn giản và chi phí sản xuất khá thấp

Độ bền kéo của vật liệu composite epoxy - sisal là 250 – 300 MPa, gần bằng một nửa

độ bền của vật liệu composite epoxy sợi thủy tinh cũng với thành phần cấu tạo giống nhau Vì tỷ trọng sợi sisal thấp, tuy nhiên, độ bền riêng của vật liệu composite sisal được so sánh với độ bền riêng của các composite thủy tinh Nghiên cứu này chỉ ra tính khả thi khi phát triển vật liệu composite kết hợp với một trong những loại sợi tự nhiên

có sẵn, được sử dụng trong lĩnh vực hàng tiêu dùng, xây dựng nhà giá thấp và kết cấu

công trình dân dụng

Satyanarayana và các đồng nghiệp(1984) đã nghiên cứu các tính chất cơ học của composite polyester – sợi sisal ngắn (đã cắt nhỏ) Composite polyester – sợi sisal ngắn được làm bằng kỹ thuật đúc nén Ghi nhận được module riêng của composite là 1,90 so với module riêng của nhựa gia cường bằng sợi thủy tinh là 2,71; trong khi thì độ bền riêng bằng với độ bền riêng của các loại nhựa polyester (34 – 41 MPa) Độ bền va đập

là 30 Jm-2, cao gấp ba lần so với cường độ va đập của polyester và thấp hơn 30% so với của nhựa gia cường bằng sợi thủy tinh Sự thử nghiệm tăng tốc lại thấy được sự thay đổi nhỏ về module ban đầu, và độ bền tối đa giảm 5%, độ uốn giảm 16% và độ hấp thụ nước giảm 5,4%

Độ bền va đập của vật liệu composite polyester – sợi sisal được so sánh với độ bền va đập của những vật liệu composite từ sợi tự nhiên khác Độ bền va đập đo trong quá trình nghiên cứu được trình bày trong Bảng 2.4 Có thể thấy rằng vật liệu composite sợi sisal thì độ bền va đập cao nhất chỉ đứng sau composite sợi dứa composite sợi chuối và xơ dừa có độ bần va đập tương đối thấp Đó là một thực tế chung cho thấy rằng tính bền của composite gia cường bằng sợi chủ yếu tùy thuộc vào trạng thái ứng suất – biến dạng (the fibre stress – strain behavior) Sợi bền có độ biến dạng phá hoại cao sẽ tạo nên độ bền va đập cao đối với vật liệu composite