Với mục đích tăng cường khả năng ứng dụng của loại vật liệu composite trên nền polymer gia cường sợi thực vât, chúng tôi đã sử dụng vật liệu nghiên cứu để sản xuất logo của T[r]
(1)ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 99
CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN EPOXY/AMIN GIA CƯỜNG SỢI XƠ DỪA
FABRICATING AND DETERMINATING PHYSICo-MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON EPOXY/AMINE REINFORCED
BY COCONUT FIBERS Nguyễn Đình Lâm1, Nguyễn Thanh Hội2
1Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ndlam@dut.udn. 2Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; nthoi@ud.edu.vn
Tóm tắt - Sự phát triển vật liệu compositepolyme gia cường sợi tổng hợp làm gia tăng lượng chất thải khó phân hủy vào môi trường Việc sử dụng sợi tự nhiên để thay phần toàn sợi tổng hợp nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Ứng dụng sợi xơ dừa vào lĩnh vực vật liệu composite hướng đem lại hiệu kinh tế cao mà cịn góp phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường Nghiên cứu thực mẫu composite (epoxy/amin) gia cường sợi xơ dừa với hàm lượng 25% khối lượng Một loạt kỹ thuật cho phép xác định tính chất lý composite thực thiết bị phịng thí nghiệm như: phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phép đo uốn điểm, phép đo độ bền kéo khả hấp thụ nước… Ngồi ra, việc so sánh tính chất lý composite nghiên cứu với loại ván thông dụng ứng dụng loại vật liệu để sản xuất vật lưu niệm đề cập đến
Abstract - The development of polymeric composite materials reinforced by synthetic fibers has increased the amount of persistent pollutants released into the environment Therefore, the use of natural fibers to partially or wholly replace synthetic fibers has been a research interest for scientists The application of coconut fibers in the field of composite materials is a new approach, which not only brings back high cost-effectiveness but also makes a significant contribution to environmental protection This study has been carried out on composite samples (epoxy/amine) reinforced by coconut fibers accounting for 25% of their weight With the use of laboratory equipment, the physico-mechanical properties of the composite materials were identified via a wide range of techniques such as thermo-gravimetric analysis (TGA), three-point bending measure, tensility and water absorption test,… Besides, this paper also presents a comparison between the composite materials under study and commonly used types of plywood in terms of their mechanic-physical properties as well as the application of composite in the production of souvenirs
Từ khóa - composite; epoxy/amin; xơ dừa; tính chất lý; sợi sinh học
Key words - composite; epoxy/amine; coconut fibers; physico-mechanical properties; bio-fibers
1.Đặt vấn đề
Các loại sợi gia cường truyền thống hay dùng cho vật liệu composite sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramit Tuy nhiên loại sợi tổng hợp từ nguồn nguyên liệu khơng tái tạo, có giá thành cao làm tăng giá thành sản xuất sản phẩm, khơng có khả phân hủy, kéo theo vật liệu composite từ chúng sau trình sử dụng bị thải gây nhiễm môi trường cách nghiêm trọng, gây hại trực tiếp đến sức khỏe người phát triển bền vững xã hội Chính vậy, năm gần đây, ngày có nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu, nhà sản xuất để chế tạo vật liệu có khả tự phân hủy phân hủy tác động vi sinh vật [1], [2] Như loại vật liệu sau sử dụng, thải sẽbị phân hủy hạn chế nhiễm mơi trường Bên cạnh đó, vấn đề giá thành yếu tố quan trọng để mở rộng khả ứng dụng vật liệu Để đáp ứng yêu cầu trên, vật liệu composite gia cường sợi thực vật đặc biệt quan tâm số ưu điểm trội sợi thực vật so với sợi gia cường truyền thống như: có khả phân hủy sinh học, rẻ tiền, sẵn có, nhẹ có độ bền riêng tốt [3] Một số sợi tự nhiên thông dụng nghiên cứu là: sợi đay, tre, dừa, dứa, sisal Trong loại sợi kể trên, sợi xơ dừa thu hút tập trung nghiên cứu nhà khoa học lẫn nước dồi phổ biến nguồn nguyên liệu Ở Việt Nam, dừa loại trồng với diện tích lớn (Bến Tre, Bình Định) Việc sử dụng phế phẩm vỏ dừa để sản
xuất sợi dùng làm vật liệu gia cường cho composite góp phần làm tăng giá trị cho dừa, tăng nguồn thu nhập cho người nông dân
Nghiên cứu Agunsoye et al [4] composite polyetylen gia cường từ 5% đến 25% thể tích vỏ dừa dạng bột cho thấy độ cứng composite thu tăng với tăng hàm lượng vỏ dừa, độ bền kéo, mô đun đàn hồi độ dẻo lại giảm Tương tự, Han-Seung Yang et al [5] nhận thấy độ bền kéo vật liệu bio-composite giảm nhẹ hàm lượng độn tăng lên, điều lý giải hàm lượng độn tăng lên, liên kết bề mặt độn nhựa polymer yếu làm giảm độ bền kéo, đồng thời làm gia tăng số lượng vi lỗ, dẫn đến tăng tính hấp thu nước
Mục đích nghiên cứu nhằm chế tạo vật liệu composite nhựa epoxy đóng rắn amin gia cường sợi xơ dừa, bao gồm kết chế tạo vật liệu, xác định tính chất vật lý, tính chất học vật liệu composite thu được, sau so sánh với tính chất nhựa Ngồi ra, kết nghiên cứu ứng dụng để sản xuất loại vật lưu niệm, mà cụ thể logo Trường Cao đẳng Công nghệ
2.Vật liệu, quy trình tạo mẫu phương pháp phân tích
2.1.Vật liệu sử dụng
(2)100 Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thanh Hội lượt E44 T31 Cả hai sản phẩm có xuất xứ
từ Trung Quốc cung cấp công ty Green Chemical Technology Tỷ lệ pha trộn theo khối lượng E44 T31 đưa nhà sản xuất 4:1[6]
Sợi gia cường sử dụng nghiên cứu sợi xơ dừa tách từ vỏ dừa thu gom địa bàn thành phố Đà Nẵng Sợi xơ dừa sau tách khỏi vỏ dừa làm hết mụn dừa, sau rửa nước, sấy khơ 70oC đến khối lượng khơng đổi để tách, loại hồn tồn nước, cắt nhỏ thành đoạn có chiều dài khoảng 2-3mm bảo quản bình hút ẩm Tỷ lệ khối lượng sợi xơ dừa sử dụng để gia cường compositeđược ước tính 25% khối lượng nhựa[4]
2.2.Quy trình chế tạo mẫu sản phẩm
Khuôn sử dụng để tạo mẫu sản xuất vật lưu niệm làm hợp kim nhơm gia cơng kỹ thuật CNC (Hình 1) Để trình lấy sản phẩm dễ dàng, bề mặt khuôn trước gia công xử lý lớp phủ chống dính Honey Wax 250 sản xuất Specialty Products Co, USA
Vì lượng chất đóng rắn T31 sử dụng 1:4 so với nhựa E44 thời gian đóng rắn tương đối nhanh (45 phút), để đảm bảo lớp nhựa xung quanh sợi đóng rắn hồn tồn kéo dài thời gian gia cơng mẫu Đầu tiên hỗn hợp chất đóng rắn T31 xơ dừa trộn theo tỉ lệ khối lượng
ơ = Sau nhựa epoxy E41 cho vào với tỷ lệ khối lượng mE41:mT31:mXơ dừa= 16:4:5 Hỗn hợp tiếp tục trộn phân bố khuôn Sau loại bọt khí lăn hỗn hợp ép máy ép thủy lựcvới áp lực 10kgf/cm2 Áp lực trì suốt thời gian đóng rắn 60 phút nhiệt độ phịng
Hình Khn tạo sản phẩm
2.3.Phương pháp phân tích
Khối lượng riêng vật liệu xác định dựa nguyên lý Archimedes theo tiêu chuẩn TCVN 6039-1-2008 Các mẫu composite nhựa cân 23°C khơng khí chất lỏng có khả thấm ướt tốt, có khối lượng riêng biết trước nước chẳng hạn (ở 23°C 1atm, ρH2O = 0,9982 g.cm-3) Khối lượng riêng nhựa (rr) composite (rc) xác định trung bình mẫu theo phương trình sau:
ρ ,r = ρ ∗ m
(m − m )
Trong đó, ma: khối lượng mẫu khơng khí (g); mn: khối lượng mẫu ngâm nước (g) Tính ổn định nhiệt vật liệu nghiên cứutheo
phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng nhờ thiết bị STA 6000 hãng PerkinElmer, USA Mẫu có khối lượng khoảng 10g đặt chén nung gia nhiệt với tốc độ 100C/phút từ 500÷6000C dịng khí N2 có lưu lượng 20ml/phút
Tính chất học vật liệu xác định theo tiêu chuẩn ISO 527 (đối với độ bền kéo) ISO 178 (đối với độ bền uốn) nhờ vào thiết bị AG-X plus hãng Shimadzu, Nhật Bản Đối với phép đo độ bền uốn, mẫu thử cắt theo hình chữ nhật với kích thước 80x10x4mm Đối với phép đo độ bền kéo, hình dạng kích thước mẫu thử trình bày Hình
Hình Hình dạng kích thước mẫu đo độ bền kéo Khả hút nước vật liệu theo khối lượng khảo sát theo tiêu chuẩn TCVN 6355-3:1998 (tính trung bình mẫu) cách cân khối lượng vật liệu trước sau ngâm nước thời điểm khác Khối lượng nước hấp phụ vào vật liệu tính theo cơng thức:
% = − 100%
Trong đó: m0, mi khối lượng (g) mẫu trước sau ngâm thời điểm khác
Ngoài ra, độ trương nở chiều dày sau 24h ngâm nước xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7756-5:2007 Mẫu thử hình vng có kích thước cạnh 50 mm nhúng vào nước cất nhiệt độ 27oC thời gian 24h, sau lấy ra, lau nước dư bề mặt đo chiều dày tâm mẫu Độ trương nở chiều dày sau 24h ngâm nước xác định trung bình mẫu theo cơng thức sau:
D = 100
Trong d1, d2 chiều dày (mm) tâm mẫu thử trước sau ngâm
3.Kết thảo luận
3.1.Đánh giá số tính chất vật lý composite nhựa
Bảng trình bày số tính chất vật lý composite nhựa xác định theo quy trình tiêu chuẩn mơ tả mục 2.3 Từ Bảng ta thấy khối lượng riêng composite tăng lên (2,7%) gia cường 25% khối lượng sợi xơ dừa vào nhựa Kết phù hợp với kết nghiên cứu Alok [7] cộng composite epoxy gia cường bột vỏ dừa, cho thấy tăng khoảng 1,6% tăng khối lượng bột vỏ dừa từ 20% lên 40%
(3)ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 101 Bảng Một số tính chất vật lý nhựa
và composite epoxy/sợi xơ dừa Tính chất Composite gia
cường sợi xơ dừa Nhựa epoxy Khối lượng riêng (g/cm3) 1,1085 (
0,0005) 1,0786 (0,001) Độ trương nở chiều dày
sau 24h ngâm nước (%)
0,015 (0,003) 0,008 (0,002)
So với nhựa vật liệu composite gia cường sợi xơ dừa có độ trương nở lớn Điều giải thích lý Thứ nhất, chất nhựa sử dụng epoxy đóng rắn amin nên hệ có tương tác với phân tử nước mạnh so với hệ epoxy đóng rắn anhydric [7] Sự trương nở thường cắt đứt liên kết hydro chuỗi mạch phân tử nước [8] Theo Zhou Lucas [9, 10], phân tử nước tạo liên kết hydro với nhựa (dạng I) gây nên trương nở, phân tử nước tạo hai liên kết hydro với nhựa (dạng II) làm tăng cường liên kết mạch khơng gây nên trương nở Các phân tử nước chiếm thể tích rỗng vật liệu (composite nhựa nền) không gây nên trương nở Thứ hai chất sợi gia cường Ở sử dụng sợi xơ dừa chưa xử lý cóthành phần chủ yếu xenllulo, hemi-xenllulo lignin [11] nguyên nhân gây nên hút nước vật liệu (do nhóm –OH phân cực) [12] Nghiên cứu Alok cộng [13] cho thấy hàm lượng nước hấp thụ vào vật liệu tăng tăng hàm lượng bột vỏ dừa gia cường composite Khả hút nước theo khối lượng vật liệu composite gia cường sợi xơ dừa sau ngày thể Hình
Hình Sự thay đổi trọng lượng mẫu composite theo thời gian ngâm Từ đồ thị thấy lượng nước hấp thụ vào vật liệu tăng nhanh ngày đầu, sau gần khơng thay đổi Kết hợp với kết độ trương nở chiều dày sau 24h ngâm nước (Bảng 1) cho thấy phân tử nước tồn vật liệu trạng thái: Phần lớn phân tử nước ban đầu hấp thụ, khuếch tán chiếm chỗ lỗ xốp có vật liệu đạt trạng thái bão hòa (sau ngày) Và phân tử nước không gây nên trương nở vật liệu Phương thức khuếch tán nhận thấy hầu hết hệ epoxy [7], [14], [8] giải thích q trình khuếch tán Fickienne Cịn lại phần nhỏ phân tử nước hấp thụ vào sợi xơ dừa không bị bao bọc lớp nhựa phân tử nước gây nên trương nở vật liệu Tuy nhiên ban đầu phần lớn sợi xơ dừa bao bọc
xung quanh lớp nhựa epoxy thời gian lớp nhựa chưa bị phân hủy ẩm nên khả trương nở vật liệu composite nhỏ
So sánh với tiêu độ trương nở chiều dày sau 24h ngâm nước loại ván sợi, ván MDF quy định TCVN 7753: 2007 không lớn 30% mẫu có chiều dày từ 2,5mm đến 4,0mm; vật liệu thạch cao sợi quy định TCVN 8256:2009 khơng lớn 1% vật liệu composite thu hoàn toàn thỏa mãn
Tính ổn định nhiệt nhựa epoxy composite gia cường sợi xơ dừa phân tích, so sánh thể Hình
Hình So sánh tính ổn định nhiệt nhựa composite Từ đồ thị nhận thấy tính ổn định nhiệt composite gia cường sợi xơ dừa so với nhựa hàm lượng tro cuối ngược lại Điều giải thích nhiệt độ bắt đầu phân hủy sợi xơ dừa tương đối thấp khoảng 200oC [15], nhựa epoxy sử dụng nghiên cứu nhiệt độ bắt đầu phân hủy khoảng 250oC (Hình 3) Người ta cải thiện tính ổn định nhiệt sợi xơ dừa cách xử lý dung dịch NaOH 1%, lúc nhiệt độ bắt đầu phân hủy sợi xơ dừa tăng đến 250oC [15] Nghiên cứu hệ composite polyolefin độn trấu mùn cưa [16] cho kết tương tự: tính ổn định nhiệt giảm tăng hàm lượng độn Lượng dư cịn lại sau q trình phân hủy composite lớn nhựa hàm lượng tro sợi xơ dừa (23%) [15] lớn nhựa (10%)
3.2.Đánh giá độ bền học nhựa composite epoxy gia cường sợi xơ dừa
Kết thu từ phép đo độ bền kéo, độ bền uốn composite gia cường sợi xơ dừa nhựa được thể Bảng
Kết từ Bảng cho thấy giảm mạnh độ bền kéo (58%) độ bền uốn (47%) composite epoxy gia cường sợi xơ dừa so với nhựa epoxy Điều cho thấy sợi xơ dừa theo định hướng ngẫu nhiên không cung cấp hiệu ứng gia cường vật liệu composite epoxy Kết thu ngạc nhiên thân sợi xơ dừa có ứng suất kéo tương đối cao từ 106MPa đến 270MPa [11], lại khơng có tác dụng làm tăng tính chất học Hiện tượng ghi nhận số nghiên cứu [4], [5], [17] giải thích tương hợp nhựa xơ dừa, gia cường sợi xơ dừa vào làm cho liên kết
2 10 12
0 10
Tr
ọ
n
g
lư
ợ
n
g
m
ẫu
(
%
)
Thời gian (ngày)
0 20 40 60 80 100
0 100 200 300 400 500 600
K
h
ố
i
lư
ợ
n
g
m
ấ
t
(%
)
Nhiệt độ (oC)
(4)102 Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thanh Hội bề mặt sợi nhựa bị yếu dẫn đến độ bền
kéo uốn bị giảm Một số nghiên cứu khác [18] giải thích mơ đun kéo sợi xơ dừa thấp
Bảng Một số đặc trưng học nhựa epoxy và composite epoxy/sợi xơ dừa
Tính chất Nhựa
epoxy
Composite gia cường xơ dừa Độ bền kéo (MPa) 26,4 (3,02) 10,97 (1,3) Độ giãn dài kéo (%) 1,3 (0,04) (0,41) Độ bền uốn (MPa) 129 (6,87) 68 (1,73)
Mặt khác kết thu từ Bảng cho thấy vật liệu composite gia cường sợi xơ dừa có độ giãn dài kéo tăng lên đáng kể so với nhựa epoxy (54%) Điều nhận thấy nghiên cứu Bhaskar cộng [19] tăng hàm lượng sợi xơ dừa từ 2% lên 3%
So sánh với tiêu lý loại ván sợi, ván MDF quy định TCVN 7753: 2007 độ bền kéo (khơng nhỏ 0,7MPa mẫu có chiều dày từ 2,5mm đến 4,0mm) độ bền uốn (không nhỏ 34Mpa mẫu có chiều dày từ 2,5mm đến 4,0mm) vật liệu composite gia cường sợi xơ dừa thu hoàn toàn thỏa mãn
3.3.Ứng dụng sản xuất vật lưu niệm: logo Trường Cao đẳng Cơng nghệ
Với mục đích tăng cường khả ứng dụng loại vật liệu composite polymer gia cường sợi thực vât, sử dụng vật liệu nghiên cứu để sản xuất logo Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng trình bày Hình Sản phẩm thu bền học, có màu tự nhiên, đường nét trang trí sắc sảo, rõ ràng Chi phí ngun vật liệu ước tính cho sản phẩm (khơng tính cơng) 30.000 VND
Hình Logo Trường Cao đẳng Công nghệ làm vật liệu composite epoxy gia cường sợi xơ dừa
4.Kết luận
Nghiên cứu cho phép chế tạo, xác định đặc trưng composite epoxy gia cường sợi xơ dừa Kết phân tích cho thấy việc gia cường sợi xơ dừa vào nhựa epoxy làm tăng khối lượng riêng, độ trương nở sau 24h ngâm nước khả hút nước độ biến dạng ẩm composite thu Trong tính ổn định nhiệt vật liệu composite lại giảm, nhiên điều khắc phục cách xử lý trước sợi xơ dừa Đối với tính chất lý, gia cường sợi xơ dừa
vào nhựa epoxy làm giảm độ bền kéo uốn, ngược lại làm tăng đáng kể độ giãn dài kéo Kết cho thấy so sánh với ván sợi ván MDF vật liệu composite gia cường sợi xơ dừa có tính chất lý cao hồn tồn thay cho loại vật liệu ứng dụng đời sống
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] AK Mohanty, M Misra, LT Drzal, Sustainable bio-composites from renewable resources: opportunities and challenges in the green materials world Journal of Polymers and the Environment, 2002 10(1-2) p 19-26
[2] El Hadji Babacar LY, Nouveaux matériaux composites
thermoformables base de fibres de cellulose Thèse de doctorat soutenance l’Institute National Polytechnique de Grenoble, 2008 [3] Maya Jacob John, S T., Review: Biofibres and biocomposites
Carbohydrate Polymers, 2008 71 p 343-364
[4] Agunsoye J Olumuyiwa, Talabi S Issac, Sanni O, Samaual, Study of mechanical behavior of Coconut Shell reinforced Polymer matrix composites Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 2012 11 p 774-779 [5] Han-Seung Yang, Hyun-Joong Kim, Hee-Jun Park, Bum-Jae Lee,
Taek-Sung Hwang, Water absorption behavior and mechanical properties of lignocellulosic filler–polyolefin bio-composites Composite Structures, 2006 72(4) p 429–437
[6] http://greenchemtech.com/category/composite/
[7] Alok Singh, Savita Singh, Aditya Kumar, Study of mechanical properties and absorption behaviour of coconut shell powder-epoxy composites International Journal of Materials Science and Applications, 2013 2(5) p 157-161
[8] P Zinck, De la caractérisation micromécanique du vieillissement hydrothermique des interphases polyépoxydes-fibres de verre au comportement du composite unidirectionnel Relations entre les échelles micro et macro Thèse soutenue l'INSA de Lyon, 1999 [9] Michael J Adamson, Thermal expansion and swelling of cured
epoxy resin used in graphite/epoxy composites materials Journal of Materials Science, 1980 15 p 1736-1745
[10]Jiming Zhou, James P Lucas, Hydrothermal effects of epoxy resin Part II: Variations of glass transition temperature Polymer, 1999 40 p 5513-5522
[11]Jiming Zhou, James P Lucas, Hygrothermal effects of epoxy resin Part I: The nature of water in epoxy Polymer, 1999 40 p 5505-5512 [12]Majid Ali, Review: Natural fibres as construction materials
Journal of Civil Engineering and Construction Technology, 2012 3(3) p 80-89
[13]D R Mulinari et al., Mechanical properties of coconut fibers reinforced polyester composites Procedia Engineering, 2011 10 p 2074–2079
[14]M.S.W.Woo, et M.R.Pigott, Water adsorption of resins and composites II: Diffusion in carbon and glass reinforced epoxies Journal of Composites Technology and Research, 1988 p 162-166
[15]Mulinari D.R., Baptista C.A.R.P., Souza J V C., Voorwald H.J.C., Mechanical properties of coconut fibers reinforced polyester composites Procedia Engineering, 2011 10 p 2074-2079 [16]Đoàn Thị Thu Loan, Phân tích nhiệt trọng lượng composite
polyolefin độn trấu mùn cưa Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 2014 6(79) p 26-30
[17]Đoàn Thị Thu Loan, Nghiên cứu cải thiện tính vật liệu composite sợi đay/nhựa polypropylene phương pháp biến tính nhựa Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 2010 1(36) p 28-35
[18]Sergio N Monteiro, Luiz Augusto H Terrones, Felipe P D Lopes, José Roberto M d’Almeida, Mechanical strength of polyester matrix composites reinforced with coconut fiber wastes Revista Matéria, 2005 10(4) p 571-576
[19]Jitendra Bhaskar and V.K.Singh, Tensile and flexural strengths of coconut shell particle & coir fibre reinforced composite Journal of New Technology and Materials, 2013 3(1) p 50-55