Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit trên cơ sở nhựa Epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre luồng

Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit trên cơ sở nhựa Epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre luồng Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit trên cơ sở nhựa Epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre luồng Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit trên cơ sở nhựa Epoxy mạch vòng gia cường bằng sợi tre luồng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY MẠCH VÒNG GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE-LUỒNG NGÀNH: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU HỐ HỌC MÃ SỐ: NGUYỄN THỊ THUỶ Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH TRẦN VĨNH DIỆU HÀ NỘI 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU HỐ HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY MẠCH VÒNG GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE-LUỒNG NGUYỄN THỊ THUỶ HÀ NỘI 2006 MỞ ĐẦU Vật liệu polyme compozit gia cường sợi cacbon thuỷ tinh ứng dụng rộng rãi công nghiệp chúng có độ bền mođun cao Nhưng vật liệu compozit nhựa nhiệt rắn khó không tái sinh Rác thải từ vật liệu compozit phần lớn chôn thân khơng tự phân huỷ đất Đốt phương pháp tái tạo lượng để xử lý môi trường Tuy nhiên, đốt vật liệu polyme compozit gia cường sợi thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh bị nóng chảy tạo thành khối làm tắc lị Cịn sợi tự nhiên có khả cháy hoàn toàn nên giải vấn đề Trong năm gần đây, nguồn sợi tự nhiên chý ý đến chúng phát triển nhanh, có khả phân huỷ sinh học Trong đó, tre vài năm để phát triển nguồn tự nhiên dồi dào, phong phú châu Á miền nam châu Mỹ Ở Việt nam vậy, tre có nhiều chủng loại mọc khắp nơi từ đồng đến miền núi trung du Tre có độ bền riêng lớn theo chiều dọc sợi tỉ trọng nhỏ nên gọi “sợi thuỷ tinh tự nhiên” Do việc ứng dụng sợi tre đem lại nhiều lợi nhuận Nhưng thực tế việc sử dụng sợi tre làm vật liệu gia cường cịn gặp nhiều khó khăn độ hút ẩm lớn, liên kết sợi nhựa không chặt chẽ phụ thuộc nhiều vào tính chất bề mặt sợi… Chính chế tạo sợi, biến tính sợi ứng dụng làm thành phần gia cường cho vật liệu polyme compozit hướng nghiên cứu nhà khoa học công nghệ quan tâm Đề tài tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sở nhựa epoxy mạch vòng gia cường sợi tre - luồng CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT I.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT I.1.1 Lịch sử phát triển Vật liệu compozit có lịch sử phát triển sớm, từ hình thành văn minh nhân loại [1] Nhưng việc chế tạo vật liệu polyme compozit (PC) thực ý 40 năm trở lại Mục đích chế tạo vật liệu PC phối hợp tính chất mà vật liệu ban đầu khơng thể có Như vậy, chế tạo vật liệu compozit từ cấu tử mà thân chúng đáp ứng yêu cầu vật liệu I.1.2 Khái niệm vật liệu PC Vật liệu PC hệ thống gồm hai hay nhiều pha, pha liên tục polyme Tuỳ thuộc vào chất pha khác vật liệu PC phân thành loại [2]: - Vật liệu có phụ gia phân tán - Vật liệu gia cường sợi ngắn - Vật liệu gia cường sợi liên tục - Vật liệu độn khí hay xốp - Vật liệu hỗn hợp polyme-polyme I.1.3 Thành phần vật liệu PC Vật liệu PC nói chung cấu tạo từ hai thành phần chất gia cường, ngồi cịn có số chất khác chất mầu, phụ gia chống dính, chất chống cháy Đối với vật liệu PC, khả liên kết thành phần với quan trọng Vật liệu bền thành phần liên kết với chặt chẽ I.1.3.1 Nhựa Nhựa pha liên tục, đóng vai trị liên kết tồn phần tử gia cường thành khối compozit thống nhất, che phủ, bảo vệ tránh tác động mơi trường bên ngồi đồng thời truyền ứng suất lên chúng Không thế, nhựa cịn tạo khả để gia cơng vật liệu compozit thành chi tiết theo thiết kế Tính chất ảnh hưởng mạnh không đến chế độ cơng nghệ mà cịn đến đặc tính sử dụng compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lượng riêng, khả chống tác dụng môi trường bên ngoài… Do vậy, nhựa cần đảm bảo yêu cầu sau: - Có khả thấm ướt tốt tạo kết hợp hoá học với vật liệu gia cường - Có khả biến dạng q trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy co ngót thể tích - Phù hợp với điều kiện gia công thông thường dùng để chế tạo vật liệu compozit theo ý muốn - Bền môi trường điều kiện sử dụng vật liệu PC - Giá thành phù hợp [2, 3] Trên thực tế có nhiều hệ nhựa dùng làm cho vật liệu compozit Chúng nhựa nhiệt rắn nhựa nhiệt dẻo I.1.3.1.1 Nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hồ tan đóng rắn đun nóng (có khơng có xúc tác) Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc khơng gian khơng thuận nghịch nghĩa khơng nóng chảy khơng hồ tan Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất lý cao nhựa nhiệt dẻo Một số nhựa nhiệt rắn thường sử dụng để sản xuất kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy… a Nhựa phenolfomandehyt Nhựa phenolfomandehyt (phenolic) nhựa nhiệt rắn thuộc loại lâu đời hình thành từ phản ứng trùng ngưng phenol với fomandehyt Nhựa có tính chống cháy tốt, tính dẫn nhiệt thấp tính cách điện cao nên ứng dụng nhiều ngành khác Tuy nhiên, khả chịu bazơ không tốt Mức độ co ngót nhựa phenolic đóng rắn khoảng 8÷10% [4] b Nhựa polyeste không no Polyeste không no (PEKN) loại polyme quan trọng vật liệu polyme compozit Nhựa biết đến từ năm 1936 điều chế từ phản ứng este hố dicacboxylic axit khơng no với diol thấp phân tử Ngay từ đời, nhựa PEKN có ứng dụng rộng rãi vật liệu PC có chất lượng trung bình đặc tính tốt như: khối lượng nhẹ, có khả đóng rắn nhiệt độ thường có nhược điểm độ co ngót lớn (4÷7% thể tích) khả chịu mơi trường hố chất khơng cao [4] c Nhựa epoxy Nhựa epoxy chế tạo từ năm 1938 ngày chủ yếu sử dụng làm nhựa cho vật liệu PC chất lượng cao Nhựa hình thành từ phản ứng ngưng tụ epyclohydrin polyhydroxyl Trạng thái tồn nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng rắn tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử Trước đóng rắn, nhựa epoxy có tính chất nhựa nhiệt dẻo, trở thành nhiệt rắn sau xảy phản ứng khâu mạch với chất đóng rắn chất đóng rắn amin mạch thẳng, amin thơm anhydrit…Do đó, tính chất nhựa epoxy thay đổi lớn tuỳ thuộc vào việc sử dụng loại chất đóng rắn Epoxy có độ bền cao, chịu mơi trường hố chất tốt khả bám dính sợi tốt hẳn polyeste khơng no Đặc biệt độ co ngót nhựa nhỏ: 0,25÷2% [4, 5] I.1.3.1.2 Nhựa nhiệt dẻo [5] Compozit nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao mức độ ứng suất dư nảy sinh sau tạo thành sản phẩm thấp Ưu điểm mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả thi cơng tạo dáng sản phẩm dễ thực khắc phục khuyết tật trình sản xuất tận dụng phế liệu gia công lại lần thứ 2… Nhược điểm compozit nhựa nhiệt dẻo khơng chịu nhiệt độ cao Tuy nhiên, polyme nhiệt dẻo quan tâm nghiên cứu khả ứng dụng rộng rãi khả tái sinh chúng Hiện chúng chưa ứng dụng nhiều nhựa nhiệt rắn dự đoán tương lai vượt nhựa nhiệt rắn Một số nhựa nhiệt dẻo thường dùng làm cho compozit: polyetylen, polypropylen I.1.3.2 Chất gia cường Chất gia cường đóng vai trị chịu ứng suất tập chung vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền vật liệu Cấu trúc, hàm lượng, hình dáng kích thước, tương tác chất gia cường nhựa độ bền liên kết chúng ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PC định khả gia công vật liệu Sự liên kết chất gia cường polyme định tính chất hố học ban đầu polyme đặc trưng hình học chất gia cường Liên kết bền tạo thành chất gia cường polyme xuất liên kết hoá học hay lực bám dính [3] Trong vật liệu compozit xét mặt xếp chất gia cường phân bố không liên tục Về mặt chất, chất gia cường đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất vật liệu compozit cần chế tạo Hình dáng, kích thước, hàm lượng phân bố chất gia cường yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến tính chất compozit [3] Sự định hướng sợi gia cường vật liệu compozit yếu tố quan trọng thiết kế vật liệu compozit nhằm đạt tính chất mong muốn Một số ứng dụng yêu cầu độ bền cao theo hướng, số khác lại địi hỏi vật liệu có độ bền cao theo nhiều hướng khác Một ưu điểm vật liệu compozit với phương pháp gia cơng thích hợp việc điều chỉnh hướng sợi điều chỉnh tính chất lý vật liệu đạt giá trị tối ưu theo hướng hay nhiều hướng yêu cầu [6] Hiện nay, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, loại chất gia cường dạng tự nhiên nhà khoa học quan tâm Rất nhiều loại sợi tự nhiên nghiên cứu mặt chế tạo sợi, xử lý sợi ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit Chúng sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngơ, tre, gỗ…[7] Chất gia cường dạng bột dạng sợi I.1.3.2.1 Chất gia cường dạng sợi Chất gia cường dạng sợi có khả gia cường lớn, vật liệu có độ bền lý cao nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành đặc tính, tính chất sợi Để sử dụng làm chất gia cường sợi cần có độ bền độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp…Vật liệu PC gia cường sợi lai tạo loại vật liệu chất gia cường gồm từ hai hay nhiều loại sợi khác So với PC gia cường sợi thông thường, PC gia cường sợi lai tạo kết hợp nhiều tính chất loại sợi nên có đặc tính tương đối tốt Sợi sử dụng làm chất gia cường dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mat…) Một số cốt dạng sợi thường sử dụng: sợi cac bon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sơi tre, sợi dừa… I.1.3.2.2 Chất gia cường dạng bột Chất gia cường dạng bột vừa đóng vai trị chất gia cường, vừa đóng vai trị chất độn Bản chất hố học, tính chất hạt, khả liên kết bề mặt hạt định khả gia cường chúng: làm tăng độ cứng, giảm độ co ngót, tăng khả chống cháy, tăng độ bền nhiệt, điện, hoá, quang… Chất gia cường dạng hạt cần có kích thước nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả hấp thụ nhựa tốt toàn bề mặt phải có giá thành hợp lý, dễ kiếm Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, diôxit silic, ôxit nhôm, hydroxit nhơm [8] I.1.4 Đặc điểm, tính chất vật liệu PC I.1.4.1 Đặc điểm PC vật liệu nhiều pha, pha thường khác chất, không hoà tan lẫn phân cách bề mặt phân chia pha Trong thực tế, phổ biến PC hai pha: pha liên tục (nền) pha phân tán (cốt) Trong compozit hình dáng, kích thước phân bố cốt tuân theo quy định thiết kế trước I.1.4.2 Tính chất Tính chất vật liệu PC tổ hợp tính chất thành phần khác có mặt vật liệu Tuy nhiên tính chất compozit khơng bao hàm tất tính chất cấu tử thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm Mặc dù nhẹ, bền, chịu môi trường tốt, dễ lắp ráp thuộc loại vật liệu “mềm dẻo”… tính chịu nhiệt yếu điểm vật liệu PC so với kim loại hay gốm [2] I.1.5 Các phương pháp gia cơng Q trình gia cơng ảnh hưởng nhiều đến tính chất vật liệu Các thơng số q trình gia cơng như: áp suất, nhiệt độ thời điểm gia nhiệt…là quan trọng loại vật liệu Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép tay, ép nóng khn, đúc kéo, quấn… I.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC Hiện nay, lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC phong phú, từ sản phẩm đơn giản bồn tắm, thùng chứa nước, lợp … chi tiết kết cấu phức tạp có yêu cầu đặc biệt máy bay, tàu vũ trụ Những ứng dụng quan trọng vật liệu PC quy bốn lĩnh vực sau: - Việc dùng vật liệu PC chế tạo ô tô phương tiện giao thông mặt đất đem lại hiệu quả: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí sản xuất, tăng độ chịu ăn mòn… - Vật liệu PC sử dụng cho kết cấu: boong tàu, cột buồm, thùng chứa, phao… cơng nghiệp đóng tàu dân dụng hay qn chúng phối hợp nhiều tính chất đặc biệt: độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền hoá, cách điện, độ dẫn nhiệt thấp… 68 Hình 26 Cấu trúc bề mặt sợi luồng ngắn trước sau ngâm axit III.9.2.2 Vật liệu PC Vật liệu PC với kích thước theo tiêu chuẩn ngâm môi trường axit Sau khoảng thời gian xác định lấy mẫu rửa sạch, thấm khô giấy lọc cân xác khối lượng cân phân tích Kết tăng khối lượng vật liệu trình bày hình 27 Cùng với việc kéo dài thời gian ngâm, khối lượng vật liệu tăng Sự tăng khối lượng vật liệu PC - sợi cotton lớn vật liệu PC - sợi luồng ngắn Đồng thời tăng khối lượng hai loại vật liệu môi trường H2 SO lớn nhiều so với môi trường HCl Sau 32 ngày ngâm R R R R 69 khối lượng vật liệu tăng 16,4÷18,4% mơi trường HCl 23÷25,2% mơi trường H SO R R R R PC-sợi luồng ngắn HCl PC-sợi luồng ngắn H2SO4 PC-sợi cotton HCl PC-sợi cotton H2SO4 16 30 kh 20 S ự tă 10 24 32 Thời gian, ngày Hình 27 Sự thay đổi khối lượng vật liệu Sự tăng khối lượng dẫn tới giảm tính chất vật liệu Kết suy giảm tính chất vật liệu trình bày hình 28 Sau ngâm dung dịch axit độ bền kéo nhựa giảm không nhiều (5÷7%) vật liệu PC giảm đáng kể Nhìn chung suy giảm độ bền mẫu sau ngâm dung dịch HCl nhỏ dung dịch H SO Sau 32 ngày R R R R ngâm, độ bền kéo vật liệu PC giảm khoảng 85,7÷88,9% mơi trường HCl 89,8÷95,4% dung dịch H SO Sự giảm độ bền R R R R giải thích xuất vết lõm bề mặt sợi cấu trúc vật liệu trở lên “xốp” dung dịch axit dễ dàng hấp thụ vào nên phá hủy xảy nhanh Kết mẫu gần bị phá hủy hoàn toàn sau 32 ngày ngâm môi trường axit 70 -20 -20 -40 -40 -60 -60 i i -80 S ự S ự -80 -100 -100 18 Thời gian, ngày 32 18 Thời gian, ngày Hình 28 Sự suy giảm độ bền kéo vật liệu Bề mặt phá huỷ kéo mẫu vật liệu PC sau ngâm 32 ngày môi trường axit quan sát kính hiển vi điện tử qt với độ phóng đại 3000 lần (hình 29) Hình 29 Ảnh SEM chụp bề mặt phá huỷ kéo vật liệu PC - sợi cotton luồng sau ngâm dung dịch axit 32 71 Trên hình 29 nhận thấy, bề mặt sợi vật liệu trở lên xơ, thô xốp hơn, liên kết sợi nhựa khơng cịn sợi gần di chuyển tự “ống hình trụ„ tồn nhựa vật liệu trở thành dạng “vật liệu xốp„ độ bền khơng cịn có nghĩa mẫu gần bị phá huỷ hoàn toàn sau ngâm 32 ngày dung dịch axit 72 KẾT LUẬN Với dung dịch NaOH 1N, nhiệt độ 90 o C thời gian xử lý tối ưu để chế tạo P P sợi cotton luồng hàm lượng sợi cotton luồng tối ưu vật liệu PC 38% Đường kớnh si lung ngn ti u l 16ữ18 àm v hàm lượng sợi luồng ngắn tối ưu vật liệu PC 42% Qua phân tích TGA nhận thấy xử lý kiềm làm tăng đáng kể độ bền nhiệt sợi cotton sợi luồng ngắn Độ bền nhiệt vật liệu PC gia cường sợi luồng ngắn cotton luồng thấp thân nhựa lớn nhiều so với sợi gia cường Sự có mặt sợi luồng làm tăng đáng kể độ hấp thụ nước mà hệ số khuếch tán nước vật liệu Thời gian ngâm kéo dài độ bền vật liệu giảm Trong môi trường khơng khí (t o= 30÷35 o C, độ ẩm 70÷75%) với P P P P tăng khối lượng mẫu PC suy giảm tính chất học vật liệu Sau 45 ngày khối lượng mẫu tăng 4,72÷4,89% cịn độ bền giảm 19÷23% Trong môi trường axit, với việc kéo dài thời gian ngâm suy giảm khối lượng sợi luồng, tăng khối lượng mẫu vật liệu PC giảm mạnh độ bền vật liệu Từ kết nghiên cứu thu nhận thấy vật liệu PC gia cường sợi luồng ngắn sợi cotton luồng sử dụng để làm vật liệu khơng địi hỏi độ bền cao mơi trường làm việc khô (như loại vật dụng, vật liệu cách điện dùng nhà) Trong trường hợp phải làm việc ngồi trời mơi trường hố chất tiến hành sơn phủ lên bề mặt vật liệu nhằm giảm thiểu khả tác động môi trường Phế thải qua sử dụng tiến hành phá huỷ cách ngâm mơi trường hố chất mà đơn giản ngâm nước Đây ưu điểm bật loại vật liệu 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái Vật liệu polyme compozit triển vọng Việt Nam Hội thảo quốc gia khoa học vật liệu Hà nội, 1999 Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái Vật liệu polyme compozit, hướng phát triển ứng dụng Trung tâm KHKT CNQG, Trung tâm thông tin tư liệu, 1998 John W Weetons, Dear M.Peter, Karynl Thomas Engineers Guide to Composite Materials Americal Society for Metal, 1987 K.L.Edwards An Overview of the Technology of Fiber-Reinforced Plastics for Design Purposes Materials and Design, Vol 19, P 1-10 (1998) Ullmann’s Encyclopedia of Industrials Chemistry “Composite Materials” Federal Republic of Germany, Vol A7, P 369-409, 1994 R M Gill Carbon Fibres in Composites materials London Iliffe Books, P 20-37, 163-193, 1972 D NaBi Saheb and J P Jog Natural Fiber Polymer Composites: A Review Advances in Polymer Technology, Vol.18, No.4, P 351-363, 1999 Reymond, B Seymour Polymer composites Polymer composites, Ultrecht, Nertherlands, P.1-9, 43-59, 1990 Jochen Gassan, A.K.Bledzki Possibilities for Improving the Mechanical Properties of Jute/Epoxy by Alkaline Treatment of Fibers Composites Science and Technology, Vol 59, P 1301-1309, 1999 74 10 A.K.Bledzki, J,Gassan Composites Reinforced with Cellulose Based Fibers Pro.Polym Sci Vol 24, P 221-274, 1999 11 Nguyễn Văn Trương Tài nguyên rừng Việt nam Nhà xuất nông nghiệp, 1994 12 Lâm Xuân Sanh, Châu Quang Hiển Tre lồ ô Nhà xuất nông nghiệp 1984 13 Clayton A.May Epoxy Resin Chemistry and Technology Second Edition, Revisted and Expanded Mancel Dekker Inc NewYork and Basel, P 3-7, 1988 14 Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức Vật liệu Compozit Cơ học Cơng Nghệ NXB Khoa học kỹ thuật, 1999 15 I Hamerton Recent Developments in Epoxy Resins Shropshire: Rapra Technology, 2000 16 J.I Diasio Epoxy Resin Technology: Developments Since 1976 Park Ridge (N.J.): Noyes Data Corp, 1982 17 Hans Batze Cycloaliphatic Epoxides: Their Synthesis and Properties Chemistry and Industry Feb.1., P 179-188, 1964 18 J.A.Brydson Plastics Materials Fifth Edition Butterwoths London Boston, P 702, 708, 711, 713, 717, 718, 1989 19 Bakelite: AG Technical Information 20 Clive H Hare Paint India, vol XILVI, No 10, P 59-64, 1996 21 Lê Châu Thanh Hoá học gỗ xenlulo Đại học Bách khoa Hà nội, 1980 22 Seema Jain, Rakesh Kumar Processing of Bamboo Fiber Reinforced Plastic Composites Materials and Manufacturing Processes, Vol 9, No 5, P 813-828, 1994 75 23 Seema Jain, Rakesh Kumar Mechanical Behaviour of Bamboo and Bamboo Composite J Mater Sci, Vol 27, P 4598-4604, 1992 24 Viện giấy xenlulo Sử dụng tre nứa làm nguyên liệu giấy Nhà xuất nông nghiệp, 1998 25 Todd F Shupe, Cheng Piao, Chung Y Hse Value-Added Manufacturing Potential for Honduran Bamboo Forest Sector Development in Honduras/ALIANZA USAID Project No Agreement No 522-G-00-0100202-00 P 1-21, 2002 26 Abhijit P Deshpande, M Bhaskar Rao, C Lakshmana Rao Extraction of Bamboo Fibers and their Use Reinforced in Polymeric Composites J Appl Polym Sci Vol 76, P 83-92, 2000 27 Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái, Lê Phương Thảo Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit sở nhựa polyeste không no gia cường hệ sợi lai tạo đay-thuỷ tinh theo cấu trúc xen kẽ cấu trúc vỏ cốt Tạp chí hố học, tập 40, số 3A, trang 1-7, 2002 28 Trần Vĩnh Diệu, Hoàng Nam, Nguyễn Thị Thuỷ Nghiên cứu q trình đóng rắn xác định tính chất vật liệu compozit sở nhựa epoxy mạch vịng no gia cường bột thạch anh Tạp chí hoá học, tập 39, số 2, trang 1-8, 2001 29 Finn Knut Hansen (Department of Chemistry University of Oslo) The Measurement of Surface Energy of Polymer by Means of Contact Angles of Liquids on Solid Surfaces A Short Overview of Frequently Used Methods, P 1-11 30 A Varada Rajulu, S Allah Baksh, G Ramachandra Reddy, K Narasimha Chary Chemical Resistance and Tensile Properties of Short Bamboo 76 Fiber Reinforced Epoxy Composites Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol 17, No.17, P 1507-1511, 1998 31 Tạ Thị Phương Hoà Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit sở graphit tự nhiên Việt nam Luận án phó tiến sĩ khoa học kĩ thuật, 1993 32 M G Lu, M J Shim, S W Kim Effects of Moisture on Properties of Epoxy Molding Compounds J Appl Polym Sci, Vol 81, P 2253-2259, 2001 77 ABSTRACT The essay includes main parts: overview, study methods, results and discussion In the overview part, the author introduces about generally polymer composite materials, bamboo fibers and composite materials based on epoxy resin reinforced by bamboo fibers In the study methods part, the authod uses 13 different methods to experiment The results of experiment are introduced in the last part and summarized as follows: - The optimum treatment time to prepare cotton bamboo fibers is hours and the optimum content of this fiber in composite material is 38 wt% - The optimum diameter of short bamboo fiber is 0.16ữ0.18 àm and the optimum content of this fiber in composite material is 42 wt% - Alkali treament makes increasing the thermo - resistance of bamboo fibers and the themo - resistance of PC materials reinforced by bamboo fibers are smaller than that of materials without fiber but still much higher than bamboo fibers - With the presence of bamboo, both the water absorption and the diffusion coefficient increase very much but the properties of PC materials decrease - In the environment (the air and acid solution), with increasing the weight of samples, the properties of materials decrease So, the PC materials reinforced by bamboo fibers are suitable to be used in dry environment After using, the waste materials could be destroyed by soaking them in chemical medium and the simplest mode is soaking them in water Keyword: polymer composites, epoxy, bamboo fibers, cotton bamboo fibers, short bamboo fibers 78 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 17T 17T CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 17T 17T I.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT (PC) 17T 17 T I.1.1 Lịch sử phát triển 17T 17 T I.1.2 Khái niệm vật liệu PC 17T 17T I.1.3 Thành phần vật liệu PC 17T 17T I.1.3.1 Nhựa 17T 17T I.1.3.1.1 Nhựa nhiệt rắn 17T 17 T I.1.3.1.2 Nhựa nhiệt dẻo 17T 17T I.1.3.2 Chất gia cường 17T 17T I.1.3.2.1 Chất gia cường dạng sợi 17T 17T I.1.3.2.2 Chất gia cường dạng bột 17T 17T I.1.4 Đặc điểm, tính chất vật liệu PC 17T 17T I.1.4.1 Đặc điểm 17T 17T I.1.4.2 Tính chất 17T 17T I.1.5 Các phương pháp gia công 17T 17T I.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng vật liệu PC 17T 17T I.2 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY 17T GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT (TRE - LUỒNG) 17T I.2.1 Nhựa epoxy 10 17T 17T I.2.1.1 Nhựa epoxy 10 17T 17 T I.2.1.1.1 Lịch sử phát triển 10 17T 17 T I.2.1.1.2 Nguyên liệu 11 17T 17T 79 I.2.1.1.3 Các phản ứng tạo thành nhựa epoxy 12 17T 17 T I.2.1.2 Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy 15 17T 17T I.2.1.2.1 Chất đóng rắn cộng hợp 15 17T 17 T I.2.1.2.2 Chất đóng rắn trùng hợp 18 17T 17 T I.2.1.3 Đặc điểm nhựa epoxy 19 17T 17T I.2.2 Sợi gia cường: tre - luồng 19 17T 17T I.2.2.1 Tình hình phân bố tre nứa giới Việt nam 20 17T 17T I.2.2.2 Đặc điểm phân loại tre 20 17T 17T I.2.2.2.1 Tre (Bambusa) 20 17T 17T I.2.2.2.2 Luồng (Dendrocalamus) 21 17T 17 T I.2.2.2.3 Giang (Dendrocalamus sp) 21 17T 17T I.2.2.3 Cấu tạo tre 21 17T 17T I.2.2.3.1 Cấu trúc vật lý 21 17T 17 T I.2.2.3.2 Cấu trúc giải phẫu tre 22 17T 17T I.2.2.4 Thành phần hóa học tre 24 17T 17T I.2.2.4.1 Xenlulo 24 17T 17 T I.2.2.4.2 Pentoza (hemixenlulo) 25 17T 17 T I.2.2.4.3 Lignin 26 17T 7T I.2.2.4.4 Các chất vô 28 17T 17T I.2.2.4.5 Thành phần tan nước 28 17T 17T I.2.2.5 Tính chất tre 28 17T 17T I.2.2.5.1 Tính chất hóa học tre 28 17T 17 T I.2.2.5.2 Tính chất học tre 29 17T 17T I.2.2.6 Các phương pháp chế tạo sợi tre 30 17T 17T I.2.2.6.1 Các phương pháp học 30 17T 17T I.2.2.6.2 Phương pháp tách nổ nước 31 17T 17T I.2.2.7 Các phương pháp xử lý bề mặt sợi tre 32 17T 17T 80 I.2.2.7.1 Phương pháp vật lý 32 17T 7T I.2.2.7.2 Phương pháp hoá học 32 17T 17T I.2.3 Ưu nhược điểm sợi thực vật - sợi tre 34 17T 17T I.2.3.1 Ưu điểm 34 17T 17T I.2.3.2 Nhược điểm 34 17T 17T I.2.4 Các phương pháp gia công vật liệu PC nhựa nhiệt rắn sợi 17T thực vật (tre - luồng) 34 17T CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 17T 17 T II.1 NGUYÊN LIỆU ĐẦU 36 17T 17 T II.1.1 Nhựa epoxy Ruetapox CY160 (diglyxydyletehexahydrophtalic 17T anhydrit) 36 17T II.1.2 Chất đóng rắn Ruetadur HG (hexahydrophtalic anhydrit) 36 17T 17 T II.1.3 Xúc tác dimetylbenzylamin (DMBA) 36 17T 17T II.1.4 Luồng tươi tỉnh Hịa Bình 36 17T 17T II.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO SỢI LUỒNG 36 17T 17T II.2.1 Sợi luồng ngắn 36 17T 17 T II.2.2 Sợi cotton luồng 37 17T 17T II.3 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 38 17T 17T II.3.1 Vật liệu PC sở sợi luồng ngắn 38 17T 17T II.3.2 Vật liệu PC sở sợi cotton luồng 38 17T 17T II.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PC 39 17T 17 T II.4.1 Độ bền kéo 39 17T 17 T II.4.2 Độ bền uốn 39 17T 17T II.4.3 Khảo sát cấu trúc hình thái vật liệu 40 17T 17T II.4.4 Xác định mức độ thay đổi khối lượng mơi trường hóa 17T chất 40 17T II.4.5 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 40 17T 17T 81 II.4.6 Phương pháp xác định tỉ trọng chất lỏng 40 17T 17T II.4.7 Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield 41 17T 17T II.4.8 Phương pháp xác định hàm lượng ẩm 41 17T 17T II.4.9 Phương pháp xác định hàm lượng tro 41 17T 17T II.4.10 Xác định kích thước sợi kính hiển vi quang học 42 17T 17T II.4.11 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA 42 17T 17T II.4.12 Phương pháp phân tích góc tiếp xúc DCA 42 17T 17 T II.4.13 Khảo sát trình khuếch tán nước vào vật liệu 42 17T 17 T II.4.13.1 Chế tạo mẫu thực nghiệm 42 17T 17T II.4.13.2 Phương pháp tính 43 17T 17T CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 17T 17T III.1 ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI LUỒNG 17T DẠNG NGẮN VÀ COTTON 45 17 T III.1.1 Đặc trưng bề mặt sợi luồng trước sau xử lý 45 17T 17T III.1.2 Thông số dạng sợi luồng 47 17T 17T III.2 NỀN POLYME VÀ CHẾ ĐỘ GIA CÔNG VẬT LIỆU PC 48 17T 17T III.3 GĨC TIẾP XÚC, CƠNG KẾT DÍNH GIỮA LUỒNG VÀ NHỰA 17T NỀN 48 17T III.4 VẬT LIỆU PC SỢI COTTON LUỒNG 50 17T 17T III.4.1 Ảnh hưởng thời gian xử lý kiềm đến tính chất vật 17T liệu 50 17T III.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng sợi cotton đến tính chất vật 17T liệu 52 17T III.5 VẬT LIỆU PC SỢI LUỒNG NGẮN 54 17T 17 T III.5.1 Ảnh hưởng xử lý kiềm tới tính chất vật liệu PC 54 17T 17T III.5.2 Ảnh hưởng đường kính sợi luồng ngắn tới tính chất 17T học vật liệu 54 17T 82 III.5.3 Ảnh hưởng hàm lượng sợi luồng ngắn tới tính chất 17T học vật liệu PC 55 17T III.6 SO SÁNH TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA HAI LOẠI VẬT LIỆU 56 17T 17T III.7 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA SỢI VÀ VẬT LIỆU 57 17T 17 T III.7.1 Tính chất chịu nhiệt sợi cotton vật liệu PC - sợi cotton 57 17T 17T III.7.2 Tính chất nhiệt sợi luồng ngắn vật liệu PC- sợi luồng 17T ngắn 59 17T III.7.3 So sánh tính chất nhiệt hai loại sợi, hai loại vật liệu PC 60 17T 17T III.8 ĐỘ HẤP THỤ NƯỚC, HỆ SỐ KHUẾCH TÁN VÀ TÍNH CHẤT 17T CỦA VẬT LIỆU 61 17T III.9 ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG TỚI TÍNH CHẤT CỦA VẬT 17T LIỆU 65 17T III.9.1 Mơi trường phịng thí nghiệm 65 17T 17T III.9.2 Môi trường axit 66 17T 17T III.9.2.1 Sợi cotton luồng sợi luồng ngắn 66 17T 17T III.9.2.2 Vật liệu PC 68 17T 17T KẾT LUẬN 72 17T 17T TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 17T 17T ABSTRACT 77 17T 17 T ... phần gia cường cho vật liệu polyme compozit hướng nghiên cứu nhà khoa học công nghệ quan tâm Đề tài tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sở nhựa epoxy mạch vòng gia cường sợi tre - luồng. .. ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU HỐ HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY MẠCH VÒNG GIA CƯỜNG... phân tán - Vật liệu gia cường sợi ngắn - Vật liệu gia cường sợi liên tục - Vật liệu độn khí hay xốp - Vật liệu hỗn hợp polyme-polyme I.1.3 Thành phần vật liệu PC Vật liệu PC nói chung cấu tạo từ