Đang tải... (xem toàn văn)
Điều này có thể được hiểu do khi biến tính bột gỗ bằng TEOS, các nhóm hydroxyl trên bề mặt hạt nanosilica tương tác với các nhóm chức phân cực trong PP khâu mạch, do đó BS có thể tương t[r]
(1)LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Giang tập thể nhà khoa học- Phịng Hóa lý vật liệu phi kim loại- Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, thầy cô giáo Khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội tận tình giúp đỡ em suốt trình làm khóa luận tốt nghiệp Một lần em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên
(2)Mục Lục
MỞ ĐẦU
Bảng kí hiệu viết tắt
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Vật liệu compozit
1.1.1 Định nghĩa
1.1.2 Đặc điểm
1.1.3 Phân loại vật liệu compozit
1.1.4 Thành phần vật liệu compozit
1.1.5 Vật liệu polypropylen
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22
2.1 Hoá chất 22
2.2 Biến tính bề mặt bột gỗ TEOS GPMS. 22
2.2.1 Biến tính bề mặt bột gỗ TEOS 22
2.2.2 Biến tính bề mặt BS GPMS 22
2.3 Chế tạo vật liệu compozit PP/BG 23
2.4 Các phương pháp nghiên cứu 23
2.4.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy 23
2.4.2 Phương pháp xác định tính chất học 24
2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt 25
2.4.4 Phương pháp đo tính chất điện 25
2.4.5 Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourrie (FTIR) 26
2.4.6 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) 26
2.4.7 Khảo sát suy giảm oxy hóa quang-nhiệt-ẩm 27
2.4.8 Khảo sát khả ngấm ẩm vật liệu 27
2.4.9 Đánh giá khả chống cháy vật liệu compozit 27
CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29
3.1 Nghiên cứu bột gỗ biến tính ghép hạt nano SiO2 trực tiếp lên bề mặt sợi gỗ29 3.1.1 Cơ chế hình thành hạt nano SiO2 sợi hỗ phương pháp sol- gel 29
(3)3.1.3 Cấu trúc hình thái học bột gỗ trước sau biến tính 31
3.2 Khảo sát thông số công nghệ chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ 31
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ (thời gian phút, tốc độ trục quay 60 vịng/phút) đến khả gia cơng tính chất lý vật liệu compozit nhựa gỗ .31 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến tính chất lý vật liệu compozit nhựa gỗ 32
3.2.3 Tốc độ trục quay 33
3.3 Khảo sát tính chất cấu trúc vật liệu compozit nhựa gỗ 34
3.3.1 Độ bề kéo đứt 34
3.3.2 Mô đun young 35
3.3.3 Độ bền uốn vật liệu compozit nhựa gỗ 36
3.3.4 Tính chất nhiệt 37
3.3.5 Tính chất điện 39
3.3.6 Phổ IR 40
3.3.7 Nghiên cứu FESEM 42
3.3.8 Khả bắt cháy vật liệu compozit nhựa gỗ 43
3.3.9 Khảo sát khả ngấm ẩm vật liệu compozit nhựa gỗ 43
3.3.10.Độ bền thời tiết 44
KẾT LUẬN 46
(4)MỞ ĐẦU
Nhu cầu trang trí nội ngoại thất vật liệu tiên tiến thân thiện với mơi trường ngày cao địi hỏi cấp thiết kiến trúc xây dựng đại Để đáp ứng nhu cầu đó, năm qua vật liệu trang trí nội ngoại thất, phải kể đến vật liệu compozit nhựa gỗ (làm lát sàn nhà, bể bơi, hàng rào ) có bước phát triển nhanh chóng số lượng chất lượng Sự phát triển loại vật liệu có chúng sở hữu nhiều đặc tính, cơng bật, thân thiện với mơi trường, tính trang trí cao thay sản phẩm gỗ loại đặc biệt giá phải Tuy nhiên, loại vật liệu đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao sản xuất để tạo sản phẩm có khả chịu nước tốt, không bị biến dạng sử dụng, bền thời tiết, không bị mối mọt Đây nhược điểm đòi hỏi đầu tư nghiên cứu công nghệ sản xuất để khắc phục Do chúng chưa thu hút quan tâm mạnh mẽ nhà sản xuất nước
Theo tìm hiểu chúng tơi, thị trường có nhiều đơn vị kinh doanh chủ yếu nhập vật liệu xây dựng, kiến trúc compozit nhựa gỗ từ nước CHLB Đức, Ý, Malaysia…Hơn mặt công nghệ sản phẩm phần lớn tạo thành từ lát gỗ mỏng qua xử lý bề mặt với nhựa thuộc họ nhiệt rắn (nhựa phenol formaldehyd, melamin, polyeste, epoxy…) Chế tạo compozit nhựa- gỗ theo phương pháp có nhược điểm khó gia cơng sản phẩm có hình dạng, kết cấu phức tạp, khó tái chế,… Trong vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo khắc phục nhược điểm mà đảm bảo tính chất lý, tính kết cấu phức tạp sản phẩm giá thành có tính cạnh tranh cao Vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo- gỗ ứng dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau: lát sàn, ốp tường, profile cho cửa sổ, cửa vào cơng trình xây dựng, đồ nội thất gia đình cơng sở,…
Ở Việt Nam, có số cơng trình nghiên cứu ứng dụng sợi tự nhiên (sợi đay, sợi dứa, sợi tre ) có thành phần xellulozơ để làm chất gia cường cho vật liệu compozit Nhưng việc tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo sử dụng bột gỗ mẻ Chính em lựa chọn đề tài:
(5)(6)Bảng kí hiệu viết tắt
WPC: Compozit nhựa gỗ nhựa nhiệt dẻo PVC: Polyvinylclorua
PS: Polystrylen
PP: Polypropylen
PVC: Polyvinylclorua
TEOS: Tetraetylorthosilicat
GPMS: 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan BG: Bột gỗ xử lý bề mặt kiềm
BS: BG biến tính hạt nanosilica
BSG: BG biến tính hạt nanosilica có thêm 3- GPMS PP/BG: Nhựa PP có gia cường bột gỗ
XLPP/BG: Nhựa PP có gia cường bột gỗ thêm chất khâu mạch DCP XLPP/BS0,5: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 0,5% TEOS
XLPP/BS1: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 1% TEOS XLPP/BS2: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 2% TEOS XLPP/BS5: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 5% TEOS
XLPP/BS1G: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 1% TEOS 3- GPMS TGA: Phân tích nhiệttrọng lượng
FTIR: Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi fourrier
(7)CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Vật liệu compozit
1.1.1. Định nghĩa
Vật liệu compozit vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có chất khác nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu riêng rẽ (định nghĩa rộng)
Vật liệu compozit vật liệu tổ hợp vật liệu gia cường phân bố kết dính vật liệu (định nghĩa hẹp).Vật liệu compozit gồm nhiều pha gián đoạn (vật liệu cốt hay vật liệu gia cường) phân bố pha liên tục ( vật liệu hay vật liệu kết dính) [1]
1.1.2. Đặc điểm
Vật liệu compozit gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục [2] Pha liên tục gọi pha pha gián đoạn gọi pha cốt hay vật liệu gia cường Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn, người ta gọi compozit pha tạp hay lai tạo Pha gián đoạn thường có tính chất học cao pha liên tục
Compozit có đặc điểm:
Là vật liệu nhiều pha khác chất, khơng hịa tan lẫn phân cách ranh giới pha Trong thực tế, compozit có hai pha: pha pha liên tục toàn khối cốt pha phân bố gián đoạn
- Nền cốt có tỉ lệ, hình dáng, kích thước phân bố cốt theo thiết kế
định trước
- Tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo lên tính chất chung
compozit
Cơ tính vật liệu compozit phụ thuộc vào [1]:
- Cơ tính vật liệu thành phần
- Tỉ lệ vật liệu thành phần
(8)- Quy luật phân bố vật liệu cốt vật liệu compozit (ngẫu nhiên hay có
định hướng; phân bố đồng hay khơng đồng đều; hình thái cấu trúc tổ hợp vật liệu cốt…)
- Hình dạng kích thước vật liệu cốt - Kỹ thuật gia cơng
Đặc trưng hình học vật liệu cốt xác định bởi: Hình dạng, kích thước, độ tập trung phương phân bố,… Độ tập trung vật liệu cốt thường xác định qua tỉ lệ thể tích tỉ lệ khối lượng Đây thông số quan trọng định tính chất học vật liệu compozit Với tỉ lệ khối lượng cho trước, phân bố vật liệu cốt compozit quan trọng Khi vật liệu phân bố theo thể tích, ta vật liệu đồng Khi vật liệu cốt không phân bố đều, vật liệu compozit bị phá hủy nơi vật liệu cốt trước độ bền vật liệu bi giảm
1.1.3. Phân loại vật liệu compozit
Vật liệu compozit phân loại theo hình dạng chất vật liệu thành phần [1, 2]
a) Phân loại theo hình dạngcủa vật liệu cốt
Vật liệu compozit dạng sợi
Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi compozit độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng lý tính cho polyme Có hai loại vật liệu compozit dạng sợi là: sợi liên tục sợi gián đoạn
Vật liệu compozit độn dạng hạt
Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, tiểu phân hạt độn phân tán vào polyme Hạt khác sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên
b) Phân loại theo chất thành phần
Compozit hữu (nhựa, hạt) với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu (polyamit, kevlar,…), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon,…), sợi kim loại (Bo, Al,…) Loại compozit chịu nhiệt độ 300oC.
(9) Compozit khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (gốm), hạt gốm (cacbua, nitơ) Loại chịu nhiệt độ lên đến 1000oC.
1.1.4. Thành phần vật liệu compozit
a) Polyme nền: Là chất kết dính, đảm bảo cho việc liên kết vật liệu cốt lại với tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối Đồng thời, vật liệu cịn mơi trường truyền lực học vào vật liệu cốt bảo vệ cho vật liệu cốt tránh hư hỏng (do tác động học, hóa học, ) Polyme compozit nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn, kim loại hợp kim, gốm cacbon.[3]
Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC,… độn trộn với nhựa, gia cơng máy ép phun trạng thái nóng chảy
Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, epoxy, polyeste, không no, gia công áp suất nhiệt độ cao, riêng với epoxy polyeste khơng no tiến hành điều kiện thường, gia công tay Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có tính cao nhựa nhiệt dẻo
b) Chất độn (cốt): Đóng vai trị giúp cho polyme tăng độ cứng, độ bền, khả chịu va đập chịu mỏi; cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt, khả chống mài mòn, khả dẫn nhiệt.Một vai trò quan khác cốt giúp giảm giá thành sản phẩm Cốt vật liệu compozit hạt, bột sợi (ngắn dài), làm thủy tinh, gốm, kim loại đặc biệt sử dụng sợi tự nhiên Tùy thuộc vào yêu cầu cho loại sản phẩm mà người ta chọn loại vật liệu cốt cho thích hợp Có hai dạng cốt:
Cốt dạng sợi: Sợi có tính lý hóa cao cốt dạng hạt, nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide
Cốt dạng hạt: Thường sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại,
độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột tale, hay graphite,…
1.1.5. Vật liệu polypropylen
a. Giới thiệu chung
(10)với lửa màu xanh nhạt, có dịng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su, chịu nhiệt độ cao 100oC, nhiên nhiệt độ hàn dính PP ( 140oC), cao so với
PE- gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngồi, nên thường dùng PP làm lớp PP có tính chống thấm oxy, nước, dầu mỡ khí khác
Polypropylen nhựa nhiệt dẻo sản suất trình trùng hợp monome propylen để tạo thành mạch phân tử polyme dài Có nhiều cách khác để liên kết monome lại, sản phẩm thương mại PP, cách phổ biến sử dụng hệ xúc tác để chế tạo mạch polyme tinh thể Với cách sản phẩm tạo dạng bán tinh thể có tính chất vật lý, học tính chất nhiệt tốt, tương đương với dạng isotatic (dạng tinh thể) PP (i-PP) dạng atactic (dạng không tinh thể) PP (a-PP), dạng a-PP dạng PP có độ mềm cao, sử dụng làm chất bám dính nhiên dạng có tính chất nhiệt tính chất dạng i-PP [4, 5]
b. Công thức cấu tạo
c. Các phương pháp sản xuất PP
PP sản xuất nhiều phương pháp trùng hợp, song phương pháp ưu việt trùng hợp điều hịa lập thể có mặt chất xúc tác siegler-natta Al (C2H5)3
TiCl3
Phương pháp cũ
Thiết bị phản ứng có áp suất khoảng 4-6 atm nhiệt độ 50-55oC.
Cho dung môi (benzen) lượng xúc tác cần thiết (TiCl3+ Al(C2H5)3) vào thiết bị
phản ứng Sau cho propylen lọc O2 vào, trì nhiệt độ 50-55oC,
khi hiệu suất đạt 95%, đem làm lạnh đến 10oC tách PP dạng huyền phù bằng
phương pháp li tâm đem xử lí xúc tác CH3OH dung dịch HCl Rửa PP
bằng nước sấy điều kiện chân không 60- 70oC đến độ ẩm 0,25- 0,5% rồi
(11)Phương pháp mới( Naphta đề ra)
Dùng hỗn hợp propan C3H8 propylen C3H6 với tỉ lệ theo khối lượng 30/70 Hệ
xúc tác TiCl3+ Al(C2H5)3 , áp suất phản ứng 6- atm nhiệt độ phản ứng
50-55oC.
Đầu tiên C3H8 hịa tan C3H6 đóng vai trị dung mơi phản ứng Khi trùng
hợp xong đưa áp suất thường áp suất thấp, C3H8 khơng hịa tan PP,
được hóa để thu hồi Một C3H8 bị hấp thụ vào PP ta dùng nước nhiệt để
kéo Sau rửa tách xúc tác CH3OH dung dịch HCl, rửa lại nước,
sấy chân không tạo hạt
Phương pháp tổng hợp công nghiệp
Cho propylen vào trùng hợp nồi phản ứng với chất xúc tác áp suất 100 atm khuấy Chất xúc tác phân bố cacbuahydro lỏng, trì nhiệt độ phản ứng thấp nhiều so với nhiệt độ chảy mềm polyme Sau 40% hỗn hợp phản ứng chuyển thành polyme chuyển dung dịch huyền phù chứa: dung môi, polyme, chất xúc tác thiết bị bốc để tách (ở áp suất thấp) propylen khơng phản ứng hồn ngun sản suất Sau nhờ máy li tâm máy lọc tách polyme dạng bột dung môi Rửa polyme CH3OH dung dịch HCl
loãng Giai đoạn phức tạp đòi hỏi thời gian khuấy trộn nhiều, sau lần rửa phải dùng máy lọc li tâm, dùng nhiều rượu tiêu hao nhiều dung môi
d. Một số tính chất
Tính chất lý nhiệt (độ bền nhiệt) [1]
Ở dạng vô định hình, PP có khối lượng riêng khoảng 0,855 g/cm3, cịn dạng bán tinh thể khoảng 0,946 g/cm3 Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 165oC, nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) khoảng -15oC xác định DSC (Differential Scannimh Calorimetry)
PP có cấu trúc khơng gian đặn, sản phẩm cứng, không độc, khơng mùi, đặc biệt suốt bóng
(12)Ở 155oC, PP thể rắn, gần đến nhiệt độ nóng chảy chuyển sang trạng thái mềm cao su Khi giảm từ nhiệt độ nóng chảy đến 1200C, PP bắt đầu kết tinh Đến 300oC, PP có chứa chất ổn định bền oxy hóa khơng bị phân hủy đun vài khơng khí
Tốc độ nóng chảy thành dịng MFR (hoặc MFI) giúp xác định khả nóng chảy thành dịng vật liệu suốt q trình gia cơng, PP có số MFR cao điền đầy khuôn dễ dàng suốt q trình gia cơng sản phẩm phương pháp ép phun thổi khuôn Tuy nhiên, khả nóng chảy thành dịng tăng số tính chất vật lý độ bền va đập giảm
Khả bền thời tiết [1]
Do có nguyên tử H C bậc linh động nên PP dễ bị oxi hóa, lão hóa Với PP khơng có chất ổn định ánh sáng khuếch tán ổn định tính chất năm Tuy nhiên có ánh sáng mặt trời mơi trường nhiệt đới Việt Nam sau vài tháng bị giòn phá hủy Do đó, sản phẩm PP sử dụng điều kiện trời thường phải kết hợp với chất gia cường phụ gia bền tử ngoại
Độ bền hóa học
PP có khả chống lại tác dụng nhiều loại dung mơi hóa học, axit, bazơ Ở nhiệt độ thường, PP không tan dung môi hữu cơ, tiếp xúc lâu, mà trương nở hidrocacbon thơm clo hóa Nhưng nhiệt độ lớn 80oC PP bắt đầu tan hai loại hóa chất Độ bền với dung môi tăng theo độ kết tinh polyme Khi tiếp xúc lâu với dung môi có cực, PP khơng bị thay đổi khơng giịn Tất dạng PP không hút nước
(13) Các tính chất khác [1]
Tính chất học PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, vào độ đồng hàm lượng polyme xếp không trật tự Nếu hàm lượng polyme xếp không trật tự giảm khối lượng phân tử tăng tính chất polyme tốt
PP loại polyme nhiệt dẻo có tỷ trọng thấp Độ bền kéo đứt, tính ổn định nhiệt cao PE, PS số loại PVC Cịn tính chất học khác gần giống PS PVC
Tính cách điện thấm khí PP thấp PE, PE lại thấm nước PP Nhược điểm PP chịu lạnh thấp (từ -20 đến -15oC) dễ bị oxy hóa.
PP bền cứng số loại nhựa khác, tạo vật mờ không pha màu không dễ dàng để làm suốt PS, acrylic vài nhựa khác Nó nhuộm thành nhiều màu cách sử dụng chất màu PP có khả chịu mỏi tốt
e Gia công nhựa PP [1]
Gia công PP thành vật phẩm phương pháp sau: đùn liên tục, đúc áp suất, thổi, ép tạo hình chân khơng, phương pháp khác Thường người ta dùng hạt polyme hình trụ nhuộm màu để gia công thành sản phẩm
Kỹ thuật tạo hình phổ biến PP ép phun, sử dụng để sản xuất vật dụng tách, chén, vật chứa (chai, lọ,…), đồ dùng gia đình phận dùng tơ bình ắc quy Các vật phẩm làm từ PP sử dụng phương pháp gia cơng, cắt gọt khí Việc xử lý bề mặt sử dụng cho chi tiết PP nhằm gia tăng độ bám dính mực in sơn
PP tương đối khó dán, dùng keo dán polyclopren độ bền hồn hảo Cịn chi tiết làm PP lắp ghép ằng hàn (ở 220oC nhờ luồng khơng khí hoặc N2 nóng), tán đinh ốc
(14)Các đặc tính Giá trị
Khối lượng riêng (kg/m3) 900
Môđun đàn hồi kéo (GPa) 1,1- 1,4
Độ bền kéo (MPa) 20- 30
Biến dạng phá hủy kéo (%) 300
Độ bền nén (MPa) 40- 55
Độ bền va đập (J/mm) 0,0025- 0,1
Nhiệt độ uốn tải trọng (HDT) (1,8 MPa) (oC) 50- 60oC
Hệ số giãn nở nhiệt (x 10-6/oC) 110
Độ dẫn nhiệt (W/m/oC) 0,2
Khả hút nước (24 giờ, 20oC) (%) 0,03
Chất lượng đúc Tốt
Khả gia cơng khí Tốt
Tính quang học Trong suốt đến mờ đục
Tốc độ cháy Chậm
Khả chóng lại chất hóa học Tốt
f. Ưu điểm nhược điểm PP [1]
Ưu điểm
Khả gia công tốt Độ cứng cao
Độ bền va đập tốt
Có thể sử dụng thích hợp cho tất kỹ thuật gia công Hệ số ma sát thấp
Cách điện tốt
Khả chịu mỏi cao
(15) Nhược điểm
Suy giảm nhanh tác động tia cực tím (tia UV)
Cháy chậm, làm giảm tốc độ cháy cách thêm vào chất hóa
học làm chậm trình cháy
Bị tác động dung môi clo hợp chất thơm
Tốc độ oxy hóa tăng lẫn tạp chất với số kim loại Ở nhiệt độ thấp, độ bền va đập PP thấp
Khả kết dính khơng cao
g. Ứng dụng nhựa PP
PP có khối lượng phân tử cao dùng để sản xuất ống, màng, dây cách điện, sản phẩm đúc, sợi [1]
PP có khối lượng phân tử thấp trộn với PS, PE PVC để giảm độ chảy chúng trạng thái mềm tăng vài tính chất chịu nhiệt, độ cứng
Bằng việc kết hợp hạt cao su, PP vừa bền vừa dẻo dai nhiệt độ thấp Điều cho phép sử dụng PP thay cho số loại nhựa kỹ thuật ABS Những PP nóng sử dụng làm chất điện môi mạch hiệu cao điện dung
(16)
Cuộn yarn Tấm panel
Hình 1.1 Các sản phẩm làm từ PP [6] 1.2. Ứng dụng vật liệu compozit
Ưu điểm bật vật liệu compozit thay đổi cấu trúc hình học, phân bố vật liệu thành phần, để tạo vật liệu có độ bền đáp ứng yêu cầu Do đó, compozit có khả đáp ứng yêu cầu khắt khe kỹ thuật đại (vật liệu nhẹ, tính cao, có khả chịu nhiệt độ cao, độ bền cao với thời tiết, ) Chính thế, vật liệu compozit giữ vai trò quan trọng cách mạng vật liệu
Vật liệu compozit có đặc tính trọng lượng thấp, chịu ăn mịn tốt nên chúng sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện ô tô, giúp giảm trọng lượng, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn đặc biệt tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc
Trong ngành công nghiệp hàng không vật liệu compozit ứng dụng vào việc uốn cánh máy bay, mũi máy bay số phận khác
Với ngành công nghiệp điện tử vật liệu compozit dùng chế tạo chi tiết, bảng mạch linh kiện
Các dụng cụ thể thao vợt tenis, vợt cầu lông, giả, chân tay giả,…cũng chế tạo từ vật liệu compozit
(17)1.3. Vật liệu gia cường
a) Định nghĩa vật liệu gia cường
Vật liệu gia cường hay gọi cốt thành phần compozit, có tính chất lí cao vật liệu Ví dụ: Vật liệu gia cường dạng sợi: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi cacbua silic, sợi Bo,…Vật liệu gia cường dạng hạt: silica, CaCO3, đất sét,
bột talic, cao lanh,…
b) Tính chất vật liệu gia cường
Tính kháng hóa chất, mơi trường, nhiệt độ Phân tán vào nhựa tốt
Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt Tính gia cường học
Thuận lợi cho q trình gia cơng
c) Công dụng vật liệu gia cường
Làm tăng độ bền học vật liệu độ bền hóa học vật liệu như: độ giãn nở cao, tính chịu ma sát- mài mịn, độ nén, độ uốn dẻo độ kéo đứt cao, khả chịu môi trường axit, kiềm, muối,…Tăng độ bền lí hóa nhiệt, điện, khả chậm cháy chất cốt tăng cường Dễ đúc khuôn, giảm tạo bọt khí nhựa có độ nhớt cao Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút đóng rắn, che khuất sợi cất tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt đóng rắn
d) Bột gỗ
Thành phần hóa học bột gỗ
(18)- Cấu trúc xenlulozơ :
Hình 1.2 Cấu trúc xenlulozơ - Cấu trúc hemixenlulozơ :
Hình 1.3 Cấu trúc hemixenlulozơ
- Cấu trúc lignin :
(19)Trong loại gỗ khác tỷ phần polyme khác Trong bảng trình bày số thành phần số loại gỗ
Bảng 1.2 Thành phần số loại gỗ [6]
Loại Xenlulozơ (%) Hemixenlulozơ(%) Lignin (%)
Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25
Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35
Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40
Lõi ngô 45 35 15
Giấy 85-99 0 0-15
Vỏ trấu 32.1 24 18
Vỏ trấu lúa mì 30 50 15
Lá cây 15-20 80-85 0
Hạt bông 80-95 5-20 0
Cỏ mềm 45 31.4 12.0
Các loại cỏ (trị số trung bình cho loại)
25-40 25-50 10-30
Bã thô 33.4 30 18.9
Phân loại gỗ Việt Nam [7, 8]
Dựa vào đặc điểm, cấu trúc loại gỗ người ta chia gỗ thành nhóm:
Nhóm I: Nhóm gỗ q tiếng thị trường (trong nước quốc tế), nhóm gỗ có vân đẹp, màu sắc óng ánh, bền có hương thơm như: lát hoa, cẩm lai, gõ, giáng hương, …
Nhóm II: Nhóm gỗ nặng, cứng bao gồm lồi có tỷ trọng lớn, sức chịu lực cao, như: đinh, lim, nghiến, táu, sến,…
Nhóm III: Nhóm gỗ nhẹ mềm hơn, sức bền cao, độ dẻo dai lớn, sức chịu lực cao như: đen, chị chỉ, huỷnh,…
Nhóm IV: Nhóm gỗ có màu tự nhiên, thớ mịn, tương đối bền, dễ gia công chế biến gội, mỡ, re,…
(20)Nhóm VI: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu đựng kém, dễ bị mối mọt côm, sổ, ngát, vạng,…
Nhóm VIII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực kém, khả bị mối mọt cao sung, côi, ba bét, ba soi,…
Trong gỗ nhóm I có tỷ trọng tương đối cao, cứng, co, uốn được, nên sử dụng nhiều ngành công nghiệp sản xuất vật liệu dùng làm đồ mộc tinh vi, tiện khắc, đồ mỹ nghệ, dễ làm, không bị mối mọt, mặt gỗ bóng đẹp
Cây giáng hương thuộc nhóm I có thân thẳng, vỏ màu nâu sẫm, nứt dọc, kép Gỗ đẹp, có mùi thơm, màu nâu hồng, mịn, có vân đẹp vòng năm rõ ràng, tia nhỏ có mật độ cao Tỷ trọng gỗ 0,845, có lực kéo ngang thớ 27,0 kg/cm2, uốn dọc thớ 655 kg/cm2, oằn 1,575 kg/cm2, cong vênh co ngót, khơng biến
màu, khơng mối mọt, ứng dụng nhiều để làm đồ gỗ mỹ nghệ cao cấp,…Cây giáng hương mọc nhiều Nam Bộ (Đông Nam Bộ), Tây Nguyên, ưa sáng, mọc nhiều đất pha cát, tầng đất sâu dày, rừng nhiệt đới thứ sinh
Hình 1.5.Hình ảnh gỗ giáng hương [7]
Với ưu điểm nêu trên, nghiên cứu bột gỗ giáng hương được sử dụng làm chất độn cho việc sản xuất vật liệu compozit nhựa gỗ.
1.4. Vật liệu compozit nhựa gỗ
(21)thiện môi trường [9, 10] Với ưu điểm đó, vật liệu WPC phát triển mạnh mẽ đặc biệt lĩnh vực kiến trúc, xây dựng WPC ứng dụng ngành công nhiệp xây dựng lát, gạch mái nhà, khung cửa sổ… sử dụng cho nhiều ứng dụng nhà trời: chi tiết cửa sổ, hàng rào, bao bì, trang trí nội thất [11]
Tuy cịn có hạn chế vật liệu WPC Đó độ bám dính gỗ polyme dẫn đến vật liệu tổng hợp có độ bền độ dẻo dai Vật liệu tổng hợp nhựa gỗ bị ảnh hưởng độ ẩm chủ yếu thành phần gỗ Kết nước xâm nhập vào gỗ dẫn đến thay đổi bề ngồi làm giảm tính chất học vật liệu Độ phân tán gỗ bề mặt polyme không Tuy nhiên, hạn chế lớn bột gỗ khả hút ẩm Do chất cấu tạo hóa học bột gỗ từ xenlulozơ, hemixenlulozơ lignin ( hình 1.2, 1.3 1.4), bột gỗ có tính chất ưa nước (hydrophilic) Trong polyme thường sử dụng vật liệu polyme compozit loại vật liệu có tính chất kị nước (hydrophobic ), khả kết hợp hai loại vật liệu khó khăn, đặc biệt trường hợp polyme nhiệt rắn polyme nhiệt dẻo, trường hợp phản ứng polyme hóa bị ảnh hưởng lớn nhóm chức –OH bột gỗ phân tử nước hấp phụ bề mặt bột gỗ
(22)đột biến lên 39% so với mẫu ban đầu Sự gia tăng cải thiện độ bám dính gỗ polyetylen, từ nâng cao độ bền vật liệu tổng hợp
Cũng nghiên cứu nhóm tác giả Goran Grubbstrom [13] sử dụng dung dịch silan chất gắn kết vật liệu tổng hợp gỗ nhiệt dẻo làm tăng độ bám dính bột gỗ chất vật liệu tổng hợp cải thiện đồng thời độ bền, độ dẻo dai, độ dài kéo đứt cao
(23)CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
I.1 Hoá chất
a) Tetraetylorthosilica (TEOS) cung cấp Merck (Đức) có tỉ trọng 0,932-0,934 g/cm3 với độ tinh khiết 98%.
b) Etanol (C2H5OH) (99,5%), dung dịch amoniac (NH4OH) (25%) Trung
Quốc
c) Bột gỗ giáng hương dạng bột mịn có kích thước nhỏ 100 mesh làm sạch, sản phẩm Phịng Hóa lý vật liệu phi kim loại, Viện KTNĐ
d) Isotactic polypropylen ( iPP PP) thương mại sản xuất dạng hạt Cơng ty LG (Hàn Quốc) có tỷ trọng d = 0,96 g/cm3, số chảy MFI = 2,5 g/10 phút/2,16
kg/ 190°C
e) 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan (GPMS) 98%, công thức C9H20O5Si, công
ty Aldrich, Mỹ
(CH3O)3-Si- CH2-CH2-CH2-O-CH2-CH-CH2 O I.2 Biến tính bề mặt bột gỗ TEOS GPMS.
I.2.1 Biến tính bề mặt bột gỗ TEOS
BG đem sấy khô tủ sấy với thời gian 5h 100oC để loại bỏ tối đa
hơi nước Tiến hành khuấy hỗn hợp: bột gỗ, dung dịch cồn 99,5%, TEOS (với hàm lượng 0,5; 1; 2; 5; 10%kl theo khối lượng bột gỗ) thời gian 30 phút, dùng amoniac để điều chỉnh độ pH hỗn hợp khoảng pH=8-10 sau nhỏ từ từ H2O
duy trì hỗn hợp nhiệt độ 50 oC với khuấy từ 2h Hỗn hợp sau phản ứng được
đem lọc thiết bị hút chân không rửa cồn để loại bỏ silan cịn dư Chất rắn thu đem sấy khơ để loại bỏ dung môi, thu bột gỗ gắn hạt silica (BS)
2.1.1. Biến tính bề mặt BS GPMS
(24)cất 30 phút, sau nhỏ từ từ dung dịch amoniac vào điều chỉnh pH=8-10, khuấy nhiệt độ 50oC với khuấy từ Hỗn hợp thu sau đem
lọc thiết bị sấy chân không rửa cồn để loại bỏ silan cịn dư Chất rắn thu đem sấy khơ để loại bỏ dung môi, thu bột gỗ biến tính GPMS (BSG)
I.3 Chế tạo vật liệu compozit PP/BG
Vật liệu compozit PP/BGđược chế tạo theo phương pháp trộn nóng chảy thiết bị trộn kín Haake Rheomix 610 (CHLB Đức) Trong đó, mẫu compozit PP/BG trộn thử nghiệm để đưa điều kiện phối trộn tối ưu nhiệt độ, thời gian, tốc độ vòng trộn, tỉ lệ hàm lượng bột gỗ Sau mẫu ép định hình tạo mẫu máy ép nóng Toyoseky (Nhật Bản) nhiệt độ nhiệt độ phối trộn tối ưu phút, áp suất ép MPa, sau mẫu làm nguội xuống nhiệt độ phòng Mẫu sau chế tạo bảo quản điều kiện nhiệt độ phịng 24 trước xác định tính chất
2.4 Các phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy
Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy xác định thiết bị trộn nội Haake kết nối phần mềm điều khiển PolyLab máy tính, song song với q trình tạo mẫu Nhờ phần mềm PolyLab, xác định biến thiên nhiệt độ, lực tải trọng trục quay theo thời gian, từ xác định trạng thái lưu biến nóng chảy vật liệu
(25)2.4.2 Phương pháp xác định tính chất học
Xác định độ bền kéo đứt, độ dãn dài
Mẫu dùng để đo tính chất lý cắt dao cắt máy TOYOSEIKI (Nhật Bản) Tính chất lý mẫu xác định máy kéo đứt WPM Đức nhiệt độ phòng với tốc độ kéo 50mm/phút, theo tiêu chuẩn ASTM D638 Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam
Xác định mô đun đàn hồi
Mô đun đàn hồi đo máy Zwick Z2.5 ( Đức) theo tiêu chẩn DIN 53503, tốc độ kéo 50mm/phút nhiệt độ phòng Mỗi loại mẫu đo ba lần để lấy giá trị trung bình
Hình 2.2 Máy xác định tính chất học Zwick Z2.5
Nguyên lý hoạt động máy: mẫu cắt theo tiêu chuẩn, kẹp vào kìm kẹp máy, sau q trình đo tiến hành để xác định modul đàn hồi
Độ bền uốn
Độ bền uốn mẫu đo máy đo đa Instron 100 kN nhiệt độ 22oC, độ ẩm tương đối khoảng 40 %, theo tiêu chuẩn ASTM D790 Mỗi mẫu đo
(26)I.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt
Phương pháp phân tích nhiệt TGA
Hình 2.3 Máy phân tích nhiệt Simadzu TGA 50H
Mẫu đo máy Shimadzu TGA 50H, tốc độ đốt 10 oC/phút môi trường
khí nitơ từ nhiệt độ phịng đến 700 oC.
I.3.2 Phương pháp đo tính chất điện
Hình 2.4 Máy đo tính chất điện mơi TR – 10C
(27)I.3.3 Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourrie (FTIR)
Hình 2.5 Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ)
Ghi phổ IR thực máy hồng ngoại biến đổi Fourier NEXUS 670 (Mỹ) Viện Kỹ thuật nhiệt đới với điều kiện sau: độ phân giải cm-1, mẫu được
quét 100 lần giả bước sóng từ 4000 cm-1-400cm-1.
I.3.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM)
Hình 2.5 Máy hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) S- 4500
Phương pháp kính hiển vi điện tử dùng để xác định hình thái bề mặt hạt nano Các hạt nano xác định kính hiển vi điện tử phát xạ trường S-4500 hãng Hitachi, Nhật Bản, với độ phóng đại 600000 lần, phịng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu – Viện KH CN Việt Nam
(28)Q trình oxi hóa quang-nhiệt-ẩm vật liệu nanocompozit tiến hành thử nghiệm chu kỳ thiết bị gia tốc thời tiết UVCON (Mỹ), với chu kỳ thử nghiệm 12h gồm 8h chiếu xạ tia UVB (bước sóng 310 nm) nhiệt độ 60 oC 4h ngưng nước
cất nhiệt độ 45 oC Sau ơxy hóa quang-nhiệt-ẩm điều kiện lấy mẫu và
bảo quản điều kiện tiêu chuẩn 24 trước xác định tính chất lý
Hình 2.6 Mặt cắt ngang thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON
2.4.4. Khảo sát khả ngấm ẩm vật liệu
Khả hấp thụ nước xác định theo tiêu chuẩn ASTM D570 Ban đầu mẫu sấy khối lượng khơng đổi Sau ngâm nước cất, thời điểm định, mẫu lấy khỏi ống chứa nước, làm khô cách lau giấy thấm sau cân nặng để xác định hấp thu nước Sau chu kì đem cân mẫu để xác định trọng lượng mẫu từ tính hàm lượng nước có mẫu
2.4.5. Đánh giá khả chống cháy vật liệu compozit
(29)(30)CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
I.4 Nghiên cứu bột gỗ biến tính ghép hạt nano SiO2 trực tiếp lên bề mặt sợi gỗ
I.4.1 Cơ chế hình thành hạt nano SiO2 sợi hỗ phương pháp sol- gel
Trong nghiên cứu này, hạt nano SiO2 insitu gắn lên bề mặt sợi gỗ tổng hợp theo phương pháp sol- gel gồm giai đoạn thủy phân ngưng tụ Đầu tiên TEOS thủy phân etanol để hình thành nhóm silanol Sau đó, nhóm silanol ngưng tụ với phản ứng với nhóm hydroxyl bề mặt xenlulozơ Khi có mặt xúc tác bazơ, trình đa ngưng tụ xảy hình thành lớp đơn phân tán nanosilica bề mặt sợi gỗ [16]
Hình 3.1 Cơ chế hình thành phát triển hạt nanosilica insitu bề mặt sợi gỗ
I.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ FT-IR sử dụng để xác định hình thành hạt silica lên bột gỗ, phổ hồng ngoại để xác định có mặt hạt SiO2 liên kết hóa trị
(31)So song (cm-1) 1000 2000 3000 4000 D o tr u ye n q ua ( % ) 10 15 20 25 30 BS BSG BG a b c Si-O (460 cm-1) C-O
(1049 cm-1) -CH3
(2850 cm-1)
Hình 3.2 Phổ hồng ngoại FT-IR BSG, BS BG
Trên phổ FT-IR BSG, BS BG cho thấy xuất pic yếu 799 cm−1 và
pic mạnh 460 cm−1 tương ứng với dao động hóa trị đối xứng, dao động hóa trị bất đối
xứng Si-O Ngồi ra, số sóng 1049 cm-1 bột gỗ đặc trưng cho dao động C-O
trong hemixenlulozơ xenlulozơ, sau biến tính cho thấy, pic dịch chuyển mạnh phía có số sóng lớn Kết tương tác dao động liên kết Si-O-C (số sóng đặc trưng 1095 cm-1) gây Điều chứng tỏ phản ứng ngưng
tụ nhóm silanol (Si-OH) hạt SiO2 với nhóm OH sợi gỗ xảy ra.Trên phổ
của BSG thấy xuất vai pic nhỏ dao động nhóm CH3- GPMS bước
sóng 2850 cm-1[17, 18] Cường độ pic nhỏ hàm lượng GPMS gắn vào bề mặt bột gỗ
nhỏ bị dao động CH- bột gỗ chèn lấp
Bảng 3.1.Các dao động đặc trưng BG STT Số song Dao động đặc trưng đặc điểm 799 cm-1 ( pic yếu)
460 cm-1 ( pic mạnh) Đặc trưng dao động hóa trị bất đối xứng củaSi-O
2 1049 cm-1 Đối với BG: đặc trưng cho dao động C- O trong
hemixenlulozơ xenlulozơ
3 2850 cm-1 Đối với BSG: vai pic nhỏ đặc trưng cho dao động
(32)I.4.3 Cấu trúc hình thái học bột gỗ trước sau biến tính
Hình 3.3 Ảnh FESEM (a) bột gỗ ban đầu, (b)bột gỗ biến tính 5%kl TEOS
Hình 3.3 (a) (b) cho thấy thay đổi bề mặt bột gỗ trước sau biến tính TEOS để hình thành hạt nanosilica Bột gỗ ban đầu có bề mặt tương đối đồng Sau biến tính, hình 3.3 (b) cho thấy xuất lớp hạt silica có kích thước đồng bám bề mặt sợi gỗ Các hạt có kích thước nhỏ từ 30-60nm chèn lấp vào rãnh bề mặt sợi Chúng góp phần làm tăng diện tích tiếp xúc sợi gỗ với nhựa nền, giúp cải thiện tính chất lý vật liệu compozit
I.5 Khảo sát thông số công nghệ chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ
Trong phần này, khảo sát ảnh hưởng thông số: nhiệt độ, thời gian, tốc độ trục quay đến tính chất lý vật liệu PP/BG
Để thuận tiện cho trình khảo sát, lựa chọn tỉ lệ ban đầu sau: %mPP : %mbg = 60% : 40% , %mPP : % khối lượng nhựa PP %mbg: % khối lượng bột
gỗ hàm lượng DCP 0,02 %kl PP
I.5.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ (thời gian phút, tốc độ trục quay 60 vịng/phút) đến khả gia cơng tính chất lý vật liệu compozit nhựa gỗ
Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ bền kéo đứt vật liệu compozit PP/BG trình bày hình 3.4 Khoảng nhiệt độ gia công vật liệu PP/bột gỗ lựa chọn 170, 180, 190, 200oC Kết nghiên cứu cho thấy nhiệt độ phối trộn thay
đổi, độ bền kéo đứt vật liệu thay đổi theo Với nhiệt độ 190oC, vật liệu có độ
bền kéo đứt đạt giá trị lớn 21,9 MPa Kết vật liệu PP có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (khoảng 180oC) phối trộn với bột gỗ nhiệt lượng cần
(33)Trong vùng nhiệt độ thấp, khả nóng chảy PP thấp, hạn chế khả phân tán bột gỗ nhựa làm suy giảm độ bền kéo đứt Khi nhiệt độ lớn 190oC, nhiệt độ gia cơng ảnh hưởng đến tính chất bột gỗ làm
giảm khả gia cường chúng tới nhựa Vì nhiệt độ phù hợp cho trình phối trộn vật liệu compozit XLPP/BG 190oC.
18,6
18,3
21,9
21,2
Thoi gian tron( oC)
160 170 180 190 200 210
D o be n ke o d ut ( M P a) 16 18 20 22 24 18,6 18,3 21,9 21,2
Hình 3.4 Độ bền kéo đứt mẫu PP/BG nhiệt độ 170, 180, 190, 200oC
I.5.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến tính chất lý vật liệu compozit nhựa gỗ
Thoi gian phoi tron( phut)
3 10
D o be n ke o du t( M P a) 12 14 16 18 20 22 24 18,09 17,54 17,47 14,39 21,9 22,22
(34)Tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian trình gia công cho thấy, thay đổi thời gian phối trộn vật liệu giá trị độ bền kéo đứt vật liệu thay đổi theo Với thời gian trộn phút, độ bền kéo đứt vật liệu compozit PP/bột gỗ đạt giá trị lớn 22,22 MPa Tại thời gian phối trộn ngắn (nhỏ phút), độ bền kéo đạt giá trị thấp khơng đảm bảo đủ thời gian cho q trình phân tán phối trộn vật liệu bột gỗ, mặt khác vật liệu XLPP/BG nói có nhiệt độ nóng chảy cao, chế tạo vật liệu cần phải đảm bảo thời gian để vật liệu nóng chảy Cịn thời gian phối trộn dài ảnh hưởng đến tính chất bột gỗ độ bền vật liệu nhiệt độ buồng trộn tăng Như thời gian trộn phút phù hợp để chế tạo vật liệu compozit XLPP/bột gỗ
I.5.3 Tốc độ trục quay
Toc quay truc vit (vong/phut)
D o be n ke o du t ( M P a) 16 18 20 22 24
55 60 75 85 95
19,69
22,22
20,28
21,1 22,98
Hình 3.6 Độ bền kéo đứt mẫu PP/BG tốc độ vòng 55, 60, 75, 85, 95 vòng/ phút
(35)tốc độ trục quay, giá trị độ bền kéo đứt giảm nhẹ Kết giải thích tốc độ trộn thấp, khả phân tán bám dính hai thành phần không đảm bảo lực ma sát hai trục với vật liệu thấp Dẫn tới kết tụ bột gỗ nhựa làm giảm tính chất vật liệu Khi tốc độ trục quay lớn, phân tán bột gỗ nhựa thuận lợi nhờ tăng lực ma sát trượt trục vít nguyên liệu thành phần Tuy nhiên tốc độ lớn (95 vịng/phút) làm giảm độ nhớt nóng chảy tổ hợp, tăng lực ly tâm làm giảm hiệu phân tán bột gỗ Kết khuyết tật khối compozit tăng lên dẫn đến giảm độ bền kéo đứt kết xác định Như vậy, tốc độ trục quay phải đảm bảo độ nhớt hỗn hợp lực ma sát vừa đủ để bột gỗ phân tán vào nhựa mà khơng ảnh hưởng tới cấu trúc tính chất nhựa PP ban đầu Do đó, tốc độ trục quay 85 vòng/phút cho phù hợp để chế tạo vật liệu compozit XLPP/bột gỗ
Như để chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ với hàm lượng bột gỗ 40% chúng tôi lựa chọn điều kiện chế tạo sau: thời gian phối trộn phút, tốc độ trục vít 85 vịng/phút nhiệt độ lựa chọn 190 0C Thông số công nghệ sử dụng cho các nghiên cứu tạo mẫu tiếp theo.
I.6 Khảo sát tính chất cấu trúc vật liệu compozit nhựa gỗ
I.6.1 Độ bề kéo đứt
D o be n k eo d u t ( M P a) 10 15 20 25 30 35 40 PP XLP P/B G XLP P/B S0, XLP P/B S1 XLP P/B S2 XLP P/B S5 34,91 22,98 23,32 25,11 23,16 23,41 21,53 XLP P/B SG
(36)Hình 3.7 trình bày kết khảo sát độ bền kéo đứt mẫu PP mẫu compozit XLPP/BG Khi phối trộn với hàm lượng bột gỗ lớn (40%kl), độ bền kéo đứt mẫu compozit thấp so với PP ban đầu Khi sử dụng bột gỗ biến tính, độ bền kéo đứt cao so với mẫu khơng biến tính Với mẫu compozit sử dụng bột gỗ biến tính 1% TEOS, độ bền kéo đứt đạt giá trị lớn 25,11 MPa cao so với mẫu không biến tính, đạt giá trị 22,98 MPa Điều hiểu biến tính bột gỗ TEOS, nhóm hydroxyl bề mặt hạt nanosilica tương tác với nhóm chức phân cực PP khâu mạch, BS tương tác phân tán vào PP tốt hơn, hạn chế khuyết tật cấu trúc làm tăng độ bền kéo đứt so với mẫu sử dụng bột gỗ khơng biến tính Từ kết khảo sát độ bền kéo đứt vật liệu PP thấy sử dụng BS 1% cho vật liệu có độ bền kéo đứt lớn Do vậy, mẫu compozit nhựa gỗ có hàm lượng BS 1% sử dụng cho nghiên cứu
3.3.2 Mô đun Young
Hình 3.8 Mơ đun Young vật liệu compozit nhựa gỗ XLPP/bột gỗ
(37)BSG giá trị đạt 1426 1456 MPa cao so với mẫu PP/BG, nhiên giá trị thấp so với mẫu XLPP/BG
I.6.2 Độ bền uốn vật liệu compozit nhựa gỗ
D o be n uo n (M P a ) 10 20 30 40 13 28,6 32,6 35,65 34,4 PP PP /BG XLP P/B S1 XLP P/B G XLP P/B SG
Hình 3.9 Độ bền uốn vật liệu compozit nhựa gỗ XLPP/BG
Hình 3.9 trình bày độ bền uốn PP mẫu compozit XLPP/bột gỗ Cũng giống mơ đun Young, có mặt bột gỗ giá trị độ bền uốn cải thiện đáng kể so với mẫu PP ban đầu Đối với mẫu sử dụng bột gỗ ban đầu, độ bền uốn đạt giá trị 28,6 MPa Khi sử dụng tác nhân khâu mạch DCP, độ bền uốn tăng đạt giá trị 32,6 MPa Khi sử dụng bột gỗ biến tính 1% TEOS, độ bền uốn mẫu XLPP/BS1 đạt giá trị lớn 35,65MPa Kết cho thấy hiệu khâu mạch DCP khả gia cường hạt nano SiO2 việc cải thiện độ bền
(38)[19], đó, compozit sử dụng bột gỗ qua biến tính cho giá trị độ bền uốn cao hẳn so với sử dụng bột gỗ chưa biến tính ban đầu tăng 187,5% so với nhựa ban đầu
I.6.3 Tính chất nhiệt
Hình 3.10 giản đồ TGA vật liệu compozit sử dụng bột gỗ có khơng biến tính Đường cong TGA cho thấy trình khối lượng mẫu compozit xảy gần tương tự nhau, nhiên, mẫu XLPP/BS có nhiệt độ bắt đầu phân hủy cao mẫu PP/BG khoảng 4oC nhìn chung, mẫu compozit khác khối
lượng lại sau trình phân hủy nhiệt phụ thuộc vào hàm lượng chất biến tính sử dụng Các mẫu compozit thể bay nước rõ ràng khoảng nhiệt độ 220oC So sánh với nhựa PP nguyên sinh, nhiệt độ bắt đầu phân hủy mẫu
compozit cao khoảng 15oC Đồng thời, tốc độ phân hủy nhiệt mẫu
compozit chậm so với PP nguyên sinh (thể độ dốc đường cong TGA thấp hơn) Quá trình khối lượng từ 300 oC đến 450 oC sự
(39)Nhiet (oC)
0 200 400 600 800 1000
K ho i l uo ng ( % ) 20 40 60 80 100 120 PP XLPP/BS1G PP/BG XLPP/BS5 XLPP/BS1 PP PP/BG XLPP/BS5 XLPP/BS1 XLPP/BS1G
Hình 3.10 Giản đồ TGA PP vật liệu compozit XLPP/bột gỗ
Bổ sung kết phân tích, bảng 3.2 cho biết nhiệt độ nóng chảy (Tm xác định
phương pháp DTA) nhiệt độ tốc độ phân hủy đạt cực đại (Tmax) PP vật
liệu compozit XLPP/BG trình bày bảng 3.2 Từ bảng cho thấy nhiệt độ nóng chảy PP vật liệu khác khơng có chênh lệch nhiều, dao động quanh 165oC Tuy nhiên nhiệt độ phân hủy cực đại lại có chênh lệch khá
nhiều, PP có nhiệt độ phân hủy cực đại thấp vật liệu compozit
Bảng 3.2 Các đặc trưng phân hủy nhiệt PP vật liệu compozit XLPP/BG
Mẫu Tm(oC) Tmax(oC)
PP 167,62 309,91
PP/BG 166,00 368,69
XLPP/BS1 166,25 361,78
XLPP/BS5 165,39 354,49
XLPP/BS1G 165,83 364,13
I.6.4 Tính chất điện
(40)được biến tính TEOS GPMS số điện mơi vật liệu có xu hướng giảm thấp so với sử dụng bột gỗ ban đầu Sau bột gỗ biến tính với TEOS GPMS liên kết SiO2, GPMS với nhóm OH bột gỗ hình
thành, chúng làm giảm số lượng nhóm OH phân cực có bột gỗ từ số điện mơi vật liệu bị giảm so với sử dụng bột gỗ chưa biến tính
Tổn hao điện mơi tổn thất lượng điện vật liệu cách điện dạng lượng khác Khi xét đến giá trị ta thấy chúng tăng thêm bột gỗ bột gỗ biến tính vào PP, giá trị lại có xu hướng giảm biến tính bột gỗ TEOS GPMS so với bột gỗ ban đầu [21]
Khi xét đến điện áp đánh thủng (giá trị đặc trưng cho độ bền nhiệt vật liệu điện trường) PP vật liệu compozit XLPP/BG ta thấy vật liệu compozit XLPP/BG có giá trị nhỏ so với PP (32,5kV/cm) Qua khảo sát đánh thủng điện thấy tượng đánh thủng bề mặt xảy trước tượng đánh thủng nhiệt (do không thấy xuất lỗ thủng mẫu), nguyên nhân vật liệu có khả hút ẩm Mặt khác biến tính khả hút ẩm vật liệu bị giảm giảm số lượng nhóm -OH phân cực bột gỗ tăng hàm lượng TEOS biến tính đồng nghĩa với giá trị điện áp đánh thủng vật liệu tăng lên Điều thể rõ bảng 3.3
Bảng 3.3 Hằng số điện môi, tổn hao điện môi, điện trở suất khối điện áp đánh thủng PP vật liệu compozit XLPP/BG
Hằng số điện môi
Tổn hao điện môi
Điện trở suất khối(Ω.cm)
(41)PP 2,115 0,068 3,149*10^14 32,500
PP/BG 2,403 0,148 1,752*10^13 12,693
XLPP/BG 2,321 0,143 1,972*10^13 15,870
XLPP/BS0.5 2,373 0,147 1,7*10^13 14,596
XLPP/BS1 2,468 0,149 1,533*10^13 17,455
XLPP/BS2 2,421 0,147 1,585*10^13 18,000
XLPP/BS5 2,289 0,149 1,789*10^13 30,820
XLPP/BS1G 2,417 0,148 1,586*10^13 18,544
I.6.5 Phổ IR
XLPP/BG
XLPP/BS5
vSi-O
VC-O
so song( cm-1)
1000 2000 3000 4000 D o tr u ye n qu a( % ) 10 15 20 25 30 XLPP/BG XLPP/BS1 VSi-O VC-O
Hình 3.11 Phổ IR XLPP/BG XLPP/BS1
Phổ IR mẫu XLPP/BG XLPP/BS1 trình bày hình 3.11 Nhìn chung pic phổ XLPP/BS1 có đặc trưng giống với phổ XLPP/BG Trên phổ IR mẫu XLPP/BG XLPP/BS1 xuất pic khoảng 2951 2919 cm-1 (dao động hóa trị), 1466 cm-1 (dao động biến dạng) 702 cm-1 (dao động
(42)Quan sát phổ IR mẫu XLPP/BS1, pic tương tự đặc trưng cho nhóm chức CH, C-O, C=O, OH XLPP BG, xuất pic mạnh 467 cm -1 đặc trưng cho dao động biến dạng nhóm Si-O BS Sự dịch chuyển mạnh dao động hóa trị bất đối xứng nhóm C-O (từ 1040 cm-1 lên 1055 cm-1) dao động hóa trị nhóm C=O xenlulozơ hiểu hình thành liên kết với nhựa XLPP Sự tương tác tốt hợp phần góp phần cải thiện đáng kể tính chất vật liệu compozit nhựa gỗ
Bảng 3.4 Số sóng số nhóm nguyên tử đặc trưng PP/BG vật liệu compozit XLPP/BS1
Mẫu Số sóng (cm-1)
νCH δCH γCH νOH νCO
(kđx)
νCO (đx)
νC=O δSi-O XLPP/
BG
2951 2919
1466 702 3340 1040 882 1729
-XLPP/ BS1
2916 1466 710 3343 1055 887 1693 467
(43)Hình 3.12 Ảnh FESEM bề mặt cấu trúc vật liệu compozit PP/BG, XLPP/BS, XLPP/BSG
Hình 3.12 ảnh FESEM vật liệu PP/BG (A), XLPP/BS (B) XLPP/BSG (C) Quan sát ảnh 3.12.A thấy rõ phân tách pha sợi gỗ PP, đồng thời xuất nhiều lỗ trống bề mặt vật liệu Cấu trúc vật liệu khơng chặt khít làm cho vật liệu có xu hướng bị ngấm nước nhanh trương nở (dễ bị nước khơng khí xâm nhập), điều dẫn tới suy giảm tính chất vật liệu Ảnh 3.12.B 3.12.C cho thấy BS PP có phân tán tương hợp với tương đối tốt làm cho vật liệu có cấu trúc đồng chặt khít hơn, bề mặt xuất lỗ xốp Sự tương tác tốt bề mặt bột gỗ nhựa cải thiện đáng kể khả phân tán kết dính BS BSG với nhựa
I.6.6 Khả bắt cháy vật liệu compozit nhựa gỗ
(44)Tên mẫu Thời gian cháy (giây)
Tốc độ cháy (mm/phút)
PP 127,4 35,38
PP/BG 85,4 58,82
XLPP/BG 128,7 34,88
XLPP/BS1 127,6 35,21
XLPP/BS1G 135 33,33
Bảng 3.5 trình bày thời gian tốc độ cháy PP ban đầu vật liệu compozit Nhìn chung, mẫu compozit nhựa gỗ biến tính có tốc độ cháy chậm so với nhựa PP ban đầu mẫu có sử dụng bột gỗ ban đầu Các mẫu có sử dụng biến tính silan, có tốc độ cháy giảm dần tăng hàm lượng biến tính lên Nguyên nhân dẫn đến điều silica tương đối bền nhiệt lớp silica hình thành bề mặt bột gỗ đồng nghĩa với việc lớp bền nhiệt hình thành, tốc độ cháy vật liệu bị hạn chế Khi khâu mạch vật liệu có cấu trúc đặc khít nên xâm nhập oxy vào vật liệu bị hạn chế, nguyên nhân dẫn đến mẫu có sử dụng chất khâu mạch tốc độ cháy chậm so với mẫu không sử dụng chất khâu mạch
I.6.7 Khảo sát khả ngấm ẩm vật liệu compozit nhựa gỗ
(45)–OH bề mặt bột gỗ bị thủy phân, đồng thời hạt silica bịt khe hở sợi gỗ làm bề mặt sợi gỗ nhẵn hơn, thấm nước hơn, đặc biệt sau ghép thêm tác nhân GPMS bề mặt bột gỗ trở lên kị nước GPMS có mạch cacbon dài kị nước làm tăng khả tương hợp bột gỗ với nhựa [18]
Thoi gian ngam( gio)
0 100 200 300 400
H
am
lu
on
g
nu
oc
(
%
)
0 10 12
XLPP/BS1G XLPP/BG XLPP/BS0.5 XLPP/BS1 XLPP/BS2 XLPP/BS5 PP/BG
Hình 3.13 Khả hấp thụ nước mẫu PP/BG, XLPP/BG, mẫu XLPP/BS
I.6.8 Độ bền thời tiết
(46)P n tr am c o n la i c ua d o be n ke o du t( % ) 20 40 60 80 100 120 140 10 CK 16 CK 24 CK
PP XLPP/BG PP/BG XLPP/BS1 XLPP/BS1G
Hình 3.14. Phần trăm độ bền kéo đứt mẫu XLPP/bột gỗ sau thử nghiệm thời tiết
(47)KẾT LUẬN
Như kết nghiên cứu điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ với hàm lượng bột gỗ 40% sau: Thời gian phối trộn 7 phút, tốc độ quay trục vít 85 vịng/phút, nhiệt độ phối trộn 190 0C.
Khảo sát tính chất lý vật liệu compozit nhựa gỗ cho thấy, sau bột gỗ
biến tính SiO2, độ bền kéo đứt vật liệu tăng từ 19,92 MPa lên 25,10 MPa, độ bền uốn từ 28,6 MPa lên 35,65 MPa
Khảo sát độ tính chất nhiệt vật liệu compozit PP/bột gỗ cho thấy, độ bền nhiệt
đã cải thiện, tốc độ khối lượng giảm sau sử dụng bột gỗ biến tính SiO2
Đánh giá tính chất điện ghi nhận vật liệu compozit nhựa gỗ có điện áp đánh
thủng tăng từ 12,69 kV lên 18,54 kV cho PP/bột gỗ Điều phản ánh cấu trúc vật liệu chế tạo có độ đặc khít, chắn Độ dẫn điện tăng nhẹ cho thấy phân tán tốt hạt SiO2 biến tính bột gỗ
Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit khẳng định sử dụng bột
gỗ biến tính tác nhân khâu mạch Kết phổ FT-IR dịch chuyển mạnh nhóm C=O C-O sợi xenlulozơ với nhựa sau lưới hóa
Nghiên cứu thử nghiệm thời tiết cho vật liệu compozit nhựa gỗ cho thấy, sau 24
(48)TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Minh Trí, Trần Lê Quân Ngọc, Trương Chí Thành (2005), “ Vật liệu
compozit”, Bộ Cơng Nghệ Hóa Học, Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ
[2].Tiến sĩ Đào Thế Minh- Viện kỹ thuật nhiệt đới công nghệ Việt Nam , 2003”Vật liệu polyme composite”
[3] Vật liệu composites, http://Vi.wikipedia.org/wiki/composite
[4].Mark, James E (2003), “Polymer data hanbook”, Oxford University Press Inc, UK, pp 246-796
[5] Harutun G Karian (2003), “ Handbook of polypropylene and polypropylene
[6] R C Pettersen, “The chemistry of solid wood” John Wiley & Sons, Inc (1987) [7].Thơng tin phân loại, phân nhóm gỗ Việt Nam,
(http://www.chebiengovn.com/viewtopic.php?f=22&t=87) [8].Đặc điểm gỗ Giáng Hương,
(http://www.cauthanggo.vn/list_product.aspx?cid=7)
[9] Chen-Feng Kuan, Hsu-Chiang Kuan, Chen-Chi M Ma, Chien-Ming Huang,
Mecchanical,thermal and morphological propertiesof water-crosslinked wood flour reinforced linear low-density polyethylene composite, Composites Science and Technology, 65 (2005), 11143-11148
[10] F.P La Mantia, M Morreale, “Accelerated weathering of polyethylene/wood flour composites”, Polymer Degradation and Stability, 93 (2008), 1252 - 1258 [11] Nicole M Stark, Robert H White, Scott A Mueller, Tim A Osswald,
Evaluation of various fire retardants for use in wood flour-polyethylene composite, Polymer Degradation and Stability, 95 (2010), 1903 - 1910
(49)[13] Goran Grubbstrom, Allan Holmgren, Kristiina Oksman,“ Silane-crosslinking of recycled low-density polyethylene/wood composites”, Composites: Part A 41 (2010) 678–683
[14] Alireza Ashori, Amir Nourbakhsh,” Preparation and characterization of polypropylene/wood flour/nanoclay composites”, Eur J Wood Prod (2010) DOI 10.1007/s00107-010-0488-9
[15] Y Zhang, H Toghiani, J Zhang, Y Xue, C U Pittman Jr., “Studies of surface-modified wood flour/polypropylene composites”, J Mater Sci 44, 2009, pp 2143–2151
[16] Xianqiong Chen, Yuyang Liu, Haifeng Lu, Hengrui Yang, “In-situ growth of silica nanoparticles on cellulose and application of hierarchical structure in biomimetic hydrophobicity”, Cellulose, 17, (2010), 1103–1113
[17] Z Huang, H Guan, W Tan, X Qiao, S Kulprathipanja, “Pervaporation study of aqueous ethanol solution through zeolite-incorporated multilayer poly(vinyl alcohol) membrances: effect of zeolites”, J Membr Sci 276 (2006), 260-271
[18] Haoli Zhou, Yi Su, Xiangrong Chen, Shouliang Yi, Yinhua Wan, Modification of silicalite by vinyltrimethoxysilane (VTMS) and preparation of silicalite-1 filled polydemethylsiloxane (PDMS) hybrid pervaporation membrances, Separation and Purification Technology, 75 (2010), 286-294
[19] Nguyễn Thị Việt Triều, Nguyễn Anh Hiệp, Trịnh Văn Thành, Lê Xuân Hiền, “Ảnh hưởng hàm lượng kích thước sợi rơm đến độ bền kéo số vật liệu compozit sở nhựa nhiệt rắn”, Tạp chí Khoa học công nghệ, T.47, No 3, tr 75-81, 2009
[20] Sonia M.B Nachtigall , Graziela S Cerveira, Simone M.L Rosa” New polymeric-coupling agent for polypropylene/wood-flour composites”, Polymer Testing 26 (2007) 619–628
(50) http://Vi.wikipedia.org/wiki/composite (http://www.chebiengovn.com/viewtopic.php?f=22&t=87 (http://www.cauthanggo.vn/list_product.aspx?cid=7