Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm tính chất của compozit từ nhựa phân hủy sinh học và sợi xơ dừa. Vật liệu compozit được chế tạo theo phương pháp ép nóng trong khuôn với các tỷ lệ sợi khác nhau (từ 10-50%) và được xác định các đặc tính: Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén, khả năng hấp thụ nước và khả năng phân hủy trong môi trường giả lập. So sánh với nhựa nền sinh học, vật liệu với tỷ lệ sợi xơ dừa từ 10-30% có tính chất cơ lý tốt hơn mẫu vật liệu chứa 40 và 50%, trong đó mẫu 30% sợi cho thấy tính chất cơ lý hài hòa và tiềm năng phân hủy sinh học tốt.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sở nhựa sinh học ứng dụng chế tạo chậu trồng Nguyễn Thu Trang*, Trần Hùng Thuận, Tưởng Thị Nguyệt Ánh, Chu Xuân Quang, Thái Thị Xuân Trang Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ Ngày nhận 20/3/2017; ngày chuyển phản biện 24/3/2017; ngày nhận phản biện 20/4/2017; ngày chấp nhận đăng 26/4/2017 Tóm tắt: Bài viết trình bày kết nghiên cứu chế tạo thử nghiệm tính chất compozit từ nhựa phân hủy sinh học sợi xơ dừa Vật liệu compozit chế tạo theo phương pháp ép nóng khn với tỷ lệ sợi khác (từ 10-50%) xác định đặc tính: Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén, khả hấp thụ nước khả phân hủy môi trường giả lập So sánh với nhựa sinh học, vật liệu với tỷ lệ sợi xơ dừa từ 10-30% có tính chất lý tốt mẫu vật liệu chứa 40 50%, mẫu 30% sợi cho thấy tính chất lý hài hòa tiềm phân hủy sinh học tốt Từ khóa: Compozit, phân hủy sinh học, xơ dừa Chỉ số phân loại: 2.5 Đặt vấn đề Hàng năm, lượng lớn loại bầu túi ươm trồng chế tạo từ vật liệu có nguồn gốc dầu mỏ sử dụng toàn giới Các vật liệu có khối lượng phân tử lớn, có khả tồn mơi trường hàng trăm năm khả tương tác phân hủy môi trường thấp [1, 2] Mặc dù có nghiên cứu chế tạo loại bầu ươm trồng từ vật liệu tái chế thực tế có khoảng 2% loại bầu ươm trồng xử lý tái chế tái sử dụng Do lượng lớn cacbon hóa thạch từ túi trồng sử dụng chơn lấp đất năm [3] Nhằm góp phần giải hàng ngàn rác thải không phân hủy tạo năm, nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu phát triển vật liệu có khả phân hủy sinh học chơn trực tiếp đất Trong đó, than bùn, giấy sợi xơ dừa vật liệu nhựa sử dụng phổ biến để chế tạo loại bầu ươm trồng có khả phân hủy sinh học Tuy nhiên, loại bầu từ vật liệu gặp nước dễ bị rách phá hủy Thậm chí, bầu ươm sợi xơ dừa có khả hấp thụ ẩm cao, môi trường cho loại nấm mốc sâu bệnh phát triển, gây ảnh hưởng tới sinh trưởng phát triển trồng [3-5] Gần đây, số nghiên cứu chế tạo bầu ươm trồng từ nhựa sinh học có nguồn gốc từ loại vật liệu tinh bột, protein đậu nành, ngô… tiến hành Tuy nhiên, so sánh với loại nhựa thông thường, loại nhựa sinh học có tính chất học khả che chắn cho trồng khả gia công, ổn định nhiệt Do gây hạn chế ứng dụng sản xuất số lượng lớn Các compozit kết hợp nhựa sinh học sợi tự nhiên hứa hẹn cải thiện tính chất nhựa sinh học ứng dụng chế tạo bầu ươm trồng giải pháp tiềm năng, có tính khả thi cao, quan tâm nghiên cứu [6-10] Tại Việt Nam, xơ dừa loại sợi tự nhiên có sản lượng cao việc ứng dụng loại sợi nhiều hạn chế, chủ yếu bị thải trực tiếp ngồi mơi trường Nhằm tận dụng loại vật liệu này, nhóm nghiên cứu tiến hành kết hợp nhựa có nguồn gốc sinh học sợi xơ dừa tỷ lệ sợi khác nhằm chế tạo vật liệu compozit thử tính chất lý khả hấp thụ nước khả phân hủy vật liệu Từ tiến hành chế tạo bầu ươm, sử dụng ngành giống trồng Vật liệu phương pháp nghiên cứu Nguyên liệu: Nhựa phân hủy sinh học xơ dừa (xuất xứ Việt Nam) Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp ép nóng khn, theo sợi xơ dừa xử lý loại tanin lignin phương pháp kiềm hóa Tiếp theo, mẫu vật liệu làm khơ để xác định khối lượng, sau ngâm nước nhiệt độ phòng thời gian 25 ngày Tại *Tác giả liên hệ: nttrang1187@gmail.com 18(7) 7.2017 55 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Preparation of composites based on bioplastic coir fiber for producing nursery containers sản phẩm cụ thể [4, 5, 11] Các tác giả nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nhựa sinh học xơ dừa tỷ lệ sợi: 10, 20, 30, 40, 50% (hình 1) so sánh tính chất với nhựa ban đầu Thu Trang Nguyen*, Hung Thuan Tran, Thi Nguyet Anh Tuong, Xuan Quang Chu, Thi Xuan Trang Thai Center for Materials Technology, Institute of Applied Technology Received 20 March 2016; accepted 26 April 2017 Độ bền kéo (MPa) 50 Abstract: Độ bền kéo (MPa) 40 50 30 In this study, the biopolymer from coir fiber was Hình Các mẫu20 vật liệu compozit nhựa sinh sợi xơvật dừaliệu tỷ lệ 30khác nhau: 20, 30, Hình 1.học Cácvàmẫu compozit nền10, nhựa sinh40học sợi xơ used to prepare biocomposite materials for making 10 50% 20 khác nhau: 10, 20, 30, 40 50% nursery containers The flexural strength, tensile 10 10 20 lý bao 30 40 50 Độ bền kéo, độ bền strength, and impact strength of composites were Kết xác định độ gồm: Tỷ lệ xơ dừa (%) evaluated and compared to biodegradable polymers bền uốn độ bền nén các0 mẫu vật liệu chế tạo 10 20 30 40 50 Tỷ lệ xơ dừa (%) Water absorption test was carried out by immersion thể hình Độ bền uốn (MPa) of specimens in water at room temperature The result 60 Độ bền uốn (MPa) Độ bền kéo (MPa) 50 showed that mechanical properties were improved by 60 50 40 increasing the coir fiber content The water absorption 50 40 30 of composites decreased by increasing the coir fiber 40 20 30 content from 10-30 wt.% Biodegradation assessment by Hình Các mẫu vật liệu compozit nhựa sinh học30 sợi xơ dừa tỷ lệ 10 20 20 composting tests in aerobic environment demonstrated khác nhau: 10, 20, 30, 40 50% 10 10 2010 30 40 50 that the developed biocomposite materials degraded Tỷ lệ xơ dừa (%) 0 over 60% in 60 days The result also suggested that the 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 Tỷ lệ xơ dừa (%) biocomposite containing 30 wt.% coir fiber revealed to Tỷ lệ xơ dừa (%) be the most suitable materials for producing nursery Độ bền nén (MPa) containers Độ bền uốn (MPa) 50 Keywords: Biodegradation, coir fiber, composite Classification number: 2.5 60 50 40 40 30 30 Kết thảo luận Ảnh hưởng tỷ lệ xơ dừa đến tính chất lý vật liệu compozit Tỷ lệ sợi gia cường có ảnh hưởng lớn tới tính chất vật liệu compozit, đặc biệt tính chất lý, từ định khả ứng dụng vật liệu chế tạo 40 30 10 10 Tính chất vật liệu compozit nhựa sinh học sợi xơ dừa xác định theo phương pháp cụ thể sau: Độ bền kéo (ASTM D638), độ bền uốn (ASTM D790), độ bền nén (ASTM D695), khả hấp thụ nước (ISO 62:2008) Độ bền nén (MPa) 50 20 20 thời điểm kiểm tra, loại bỏ nước bám bề mặt, cân khối lượng mẫu xác định độ hấp thụ nước mẫu 40 20 0 10 20 30 10 50 10 20 Tỷ lệ xơ dừa (%) 0 40 30 40 50 Tỷ lệ xơ dừa (%) 10 20 40 50 Độ bền (MPa) sợi xơnén dừa tỷ lệ 0-50% 50 Hình Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bềnởnén Cả ba đồ thị hình cho thấy, cáccủatỷcáclệmẫu sợivật xơliệu compozit gia cường sợi xơ dừa tỷ lệ 0-50% 40 dừa từ 10-30%, vật liệu compozit chế tạo có độ bền 30 lý cao so với mẫu vật liệu nhựa sinh học ban 20 đầu, tỷ lệ sợi 30% có độ bền cao Đối với hai 10 mẫu có tỷ lệ sợi 40 50%, độ bền uốn có xu hướng giảm khi40đó độ bền nén cao không nhiều 10 20 30 50 lệ xơ dừa (%) so với mẫu 30% sợiTỷxơ dừa Điều giải thích mẫu nhựa gia cường sợi xơ dừa làm tăng khả chịu ứng suất vật liệu Tuy nhiên, hàm Hình Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén mẫu vật liệu compozit gia cường sợi xơ dừa tỷ lệ 0-50% 18(7) 7.2017 30 lệ xơ dừa (%) Hình Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén Tỷcác mẫu vật liệu compozit gia cường sợi xơ dừa tỷ lệ 0-50% Hình Độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén mẫu vật liệu compozit gia cường 56 Độ hấp thụ nước, (%) 50 40 30 20 10 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ 30% 20% 10% 0% lượng sợi tăng lên, khả phân tán sợi xơ dừa vào thời gian cần thiết định tốt so với mẫu vật liệu 0 10 15 20 25 nhựa bị giảm Điều dẫn đến điểm tập chứa nhựa sinh học Thời gian (Giờ) trung ứng suất cụm lại xơ dừa làm cho vật liệu Khả phân hủy vật liệu Hình Độ hấp thụ nước mẫu compozit sở nhựa sinh học xơ dừa dễ bị phá hủy [11] Chúng tiến hành đặt mẫu thử nghiệm Khả hấp thụ nước vật liệu compozit mơi trường giả lập phòng thí nghiệm xác định độ giảm nhựa sinh học sợi xơ dừa khối lượng theo thời gian thử nghiệm Theo tài liệu nghiên cứu, sợi tự nhiên nói chung Độ giảm khối lượng (%) sợi xơ dừa nói riêng có khả hấp thụ nước mạnh 100 Điều nhóm hydroxyl sẵn có bề mặt 80 sợi tương tác với phân tử nước qua liên kết hydro Sự tương tác không xảy bề mặt sợi mà 60 bên sợi Khi xử lý kiềm làm giảm 40 khả hấp thụ nước sợi Trong đó, nhựa 20 sinh học có chứa sản phẩm từ tinh bột lại có khả hấp thụ ẩm cao, làm giảm mạnh tính nhựa dẫn 0 20 40 60 80 100 tới thời gian sử dụng bầu ươm giảm xuống Khi kết Thời gian (ngày) hợp sợi xơ dừa nhựa sinh học, khả hấp thụ nước Độ giảm khối theovậtthời từ mẫu vậtnền 30% Hình ĐộHình giảm khối lượng theo thờilượng gian mẫu liệu gian compozit nhựa vật liệu có thay đổi Hình trình bày độ hấp thụ sợi xơ dừa liệu compozit từ nhựa 30% sợi xơ dừa nước mẫu compozit với hàm lượng 10-30% so Hình trình bày độ giảm khối lượng trung bình theo sánh với mẫu nhựa sinh học ban đầu thời gian thời gian mẫu vật liệu compozit chứa 30% sợi xơ dừa 30 Sự giảm khối lượng vật liệu diễn nhanh 60 ngày giảm giảm khối lượng Độ hấp thụ nước, (%) 50 nhựa sinh học Trên đường cong phân hủy quan sát được, khác biệt rõ ràng thời điểm khoảng thời 40 gian Có thể thấy, chôn ủ, nước xâm nhập vào vật liệu, gây thủy phân nhựa tạo phân tử 30 nhỏ (oligome monome) Do tạo điều kiện cho 30% 20 20% vi khuẩn công phá hủy vật liệu [12] Giai đoạn từ 10% 60 đến 90 ngày, khối lượng vật liệu giảm chậm 0% 10 Đây giai đoạn cân bằng, thay đổi khối lượng đột biến đáng kể, khối lượng lại chủ yếu xơ 10 15 20 25 dừa, chuyển thành mùn thời gian tiếp sau Thời gian (Giờ) Hình Độ hấp thụ nước mẫu compozit sở nhựa sinh học xơ dừa Sự hấp thụ nước tất mẫu thử nghiệm tăng lên nhanh so với mẫu ban đầu, sau tăng chậm dần đạt đến cân (định luật khuếch tán Fick) [12-14] Độ hấp thụ nước mẫu nhựa sinh học đạt giá trị cao khoảng 40% Các mẫu compozit gia cường sợi xơ dừa có hấp thụ nước thấp chậm so với mẫu nhựa nền, điều chứng tỏ mẫu hấp thụ nước độ kháng nước tốt Tuy vậy, nhựa sợi xơ dừa có khả hấp thụ nước tự nhiên, hàm lượng nước hấp thụ tùy vào điều kiện môi trường Kết hợp với kết độ bền lý (độ bền kéo, độ bền uốn độ bền nén) cho thấy, mẫu vật liệu chứa sợi xơ dừa cho độ bền lý tốt, khả kháng nước 18(7) 7.2017 Kết luận Các mẫu vật liệu compozit sở nhựa sinh học gia cường sợi xơ dừa tỷ lệ từ 10-50% chế tạo phương pháp ép nóng khn thử nghiệm xác định tính chất lý, khả hấp thụ nước khả phân hủy môi trường giả lập Kết xác định tính chất lý cho thấy, mẫu vật liệu compozit chứa sợi xơ dừa có độ bền cao mẫu nhựa sinh học ban đầu Ở tỷ lệ sợi 30% có độ bền lý tốt so với mẫu nhựa chứa 10-20% sợi, so sánh với mẫu chứa 40-50% sợi, độ bền kéo độ bền nén có giá trị tương đương độ bền uốn cao Lựa chọn mẫu vật liệu từ 10-30% nhằm thử nghiệm khả hấp thụ nước môi trường so sánh với mẫu chứa nhựa Mẫu vật liệu chứa sợi xơ dừa 57 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ có khả hấp thụ nước thấp mẫu nhựa nền, mẫu chứa 30% sợi cho kết độ hấp thụ nước tốc độ hấp thụ thấp world”, Journal of polymers and the environment, 10, p.112 Tiền hành khảo sát khả phân hủy vật liệu compozit chứa 30% sợi xơ dừa môi trường giả lập cho thấy Vật liệu có khả phân hủy tốt đạt độ giảm khối lượng cao 60 ngày Sau vật liệu giảm khối lượng chậm, điều cho thấy, nhựa sinh học phân hủy phần lớn thời gian 60 ngày Phần khối lượng lại chủ yếu xơ dừa, vi sinh vật phân hủy thành mùn, tạo độ màu mỡ cho đất [3] James A Schrader, Heidi A Kratsch, William R Graves (2016) , Bioplastic Container Cropping Systems: Green Technology for the Green Industry, Sustainable Horticulture Research Consortium [2] S Halim Hamid (2000), Handbook of Polymer Degradation, Second Edition, Taylor & Francis Group [4] M J Mohd Nor, S Abdullah, N Jamaluddin, R Ismail, S Mohamed Haris and A Arifin (2007), “Study on the dynamic characteristic of coconut fibre reinforced composites”, Regional Conference on Engineering Mathematics, Mechanics, Manufacturing & Architecture (EM*ARC) [5] Omar Faruk, Andrzej K Bledzki, Hans-Peter Fink, Mohini Sain (2012), “Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000-2010”, Polymeric Biomaterials, Progress in Polymer Science, 37(11), pp.1552-1596. [6] Mosab Kaseem, Kotiba Hamad, and Fawaz Deri (2012), “Thermoplastic Starch Blends: A Review of Recent Works”, Polymer Science, Ser A, 54(2), pp.165-176 [7] Waryat, M Romli, A Suryani, I Yuliasih, S Johan (2013), “Using of a Compatibilizer to Improve Morphological, Physical and Mechanical Properties of Biodegradable Plastic from Thermoplastic Starch/LLDPE Blends”, International Journal of Engineering &, 13, p.1 [8] Prederick T Wallenberger, Norman Weston (2004), Nature fibers, plastics and composites, Kluwer Academic Publishers, ISBN:1 4020 7643 [9] D.R Mulinari, C.A.R.P Baptista, J.V.C Souza, H.J.C Voorwald (2011) “Mechanical Properties of Coconut Fibers Reinforced Polyester Composites”, ICM11, pp.2074-2079 [10] Chin-San Wu (2009), “Renewable resource-based composites of recycled natural fibers and maleated polylactide bioplastic:Characterization and biodegradability”, Polymer Degradation and Stability, 94(7), pp.1076-1084 Hình Bầu trồng ứng dụng thực tế Như vậy, vật liệu chế tạo có tính chất lý phù hợp để chế tạo bầu ươm cây, có khả chống nước cao so với nhựa sinh học có khả phân hủy môi trường sau chôn lấp Mẫu vật liệu sử dụng chế tạo bầu ươm thử nghiệm thực tế (hình 5) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mohanty, Misra, Drzal (2002), “Sustainable Bio-Composites from renewable resources: Opportunities and challenges in the Green materials 18(7) 7.2017 [11] Nurul Munirah Abdullah and Ishak Ahmad (2013), “Potential of Using Polyester Reinforced Coconut Fiber Composites Derived from Recycling Polyethylene Terephthalate (PET) Waste”, Fibers and Polymers, 14(4), pp.584590 [12] Enhui Sun, Hongying Huang, Fengwen Sun, Guofeng Wu, Zhizhou Chang (2017), “Degrable Nursery Containers made of Rice husk and Cornstarch Composites”, Degradable composite containers, BioResources, 12(1), pp.785798 [13] M Oliveira, C Mota, Ana S Abreu, J.M Nobrega, A.V Machado (2014), “Eco-friendly polymeric material for horticulture application”, XIV SLAP/ XII CIP [14] E Moz, J.A García-Manrique (2015), “Water Absorption Behaviour and Its Effect on the Mechanical Properties of Flax Fibre Reinforced Bioepoxy Composites”, International Journal of Polymer Science, 6, pp.1-10 58 ... lý vật liệu compozit Tỷ lệ sợi gia cường có ảnh hưởng lớn tới tính chất vật liệu compozit, đặc biệt tính chất lý, từ định khả ứng dụng vật liệu chế tạo 40 30 10 10 Tính chất vật liệu compozit nhựa. .. Bầu trồng ứng dụng thực tế Như vậy, vật liệu chế tạo có tính chất lý phù hợp để chế tạo bầu ươm cây, có khả chống nước cao so với nhựa sinh học có khả phân hủy môi trường sau chôn lấp Mẫu vật liệu. .. thấy, cáccủatỷcáclệmẫu sợivật x liệu compozit gia cường sợi xơ dừa tỷ lệ 0-50% 40 dừa từ 10-30%, vật liệu compozit chế tạo có độ bền 30 lý cao so với mẫu vật liệu nhựa sinh học ban 20 đầu, tỷ lệ