Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit phân hủy sinh học trền nền polypropylen gia cường bằng sợi dừa luận văn thạc sỹ hóa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  BÙI NAM KIÊN CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLIME COMPOZIT PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG BẰNG SỢI DỪA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VINH- 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  BÙI NAM KIÊN CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLIME COMPOZIT PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG BẰNG SỢI DỪA Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 60,44.27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Đức Giang VINH- 2011 2 LỜI MỞ ĐẦU Vật liệu compozit đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước Công Nguyên, khi con người bắt đầu sử dụng các vật liêu để làm công cụ lao động phục vụ cuộc sống hằng ngày. Khoảng 5000 năm trước Công Nguyên, người Ai Cập cổ đại làm thuyền bằng lau, sậy tẩm bitum. Cuối thế kỉ 19, các nhà sản xuất thuyền cũng dùng shellac để quét lên các tấm gỗ. Ngày nay, nhiều loại vật liệu mới có chất lượng cao phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật hiện đại đã được con người liên tục nghiên cứu và phát minh, trong đó có vật liệu polyme compozit (PC).Vật liệu PC là một loại vật liệu mà ngay từ khi ra đời đã chứng tỏ được nhiều tính chất ưu việt như: nhẹ, độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, chịu hóa chất, dễ chế tạo. Vì thế nó được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế các loại vật liệu truyền thống như gỗ, thép, xi măng… trong mọi lĩnh vực. Nhưng loại vật liệu PC phổ biến nhất hiện nay là vật liệu PC sợi thủy tinh rất khó phân hủy nên rác thải từ sản phẩm này đang gây ra những tác động xấu đến môi trường. Do đó, cùng việc nghiên cứu và phát triển cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật mới thì vật liệu PC cũng cần được nghiên cứu để phát triển theo xu hướng để trở nên thân thiện với môi trường. Các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đang dành nhiều sự quan tâm đến các loại vật liệu PC có khả năng phân hủy sinh học, có khả năng tái tạo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Những năm gần đây, sợi thực vật đang được sử dụng rộng rãi để làm chất gia cường trong vật liệu PC nhiệt dẻo. Các loại sợi thực vật như tre, nứa, đay, lanh, gai, dừa, . là nguồn nguyên liệu tự nhiên rất phong phú về chủng loại, và dồi dào về sản lượng ở các nước nhiệt đới trong đó có Việt Nam. So với sợi thủy tinh và sợi cacbon thì sợi thực vật có giá thành rẻ, tỉ trọng thấp, 3 năng lượng để chế tạo thấp, dễ tái tạo và có khả năng phân huỷ sinh học. Vật liệu PC đi từ nhựa nhiệt dẻo có khả năng phân huỷ sinh học gia cường bằng sợi thực vật do đó không chỉ đáp ứng được nhu cầu của thị trường mà còn đáp ứng được những yêu cầu về môi trường đang được đặt ra hiện nay. Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit phân hủy sinh học trên nền polypropylen gia cường bằng sợi dừa”. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu polyme compozit 4 1. 1.1. Khái niệm về vật liệu PC Vật liệu PC là hệ thống hai hay nhiều pha khác nhau về bản chất, được phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha. Pha liên tục được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được gọi là pha gia cường.Tính chất của các pha thành phần được kết hợp tạo nên vật liệu PC.Tuy nhiên tính chất của vật liệu PC không bao hàm tất cả những tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm. Nói khái quát vật liệu PC là vật liệu kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác nhau và có những tính chất mà các cấu tử ban đầu không có. 1.1.2. Thành phần vật liệu PC a) Nền polyme: Đây là một trong những cấu tử chính của vật liệu PC. Polyme là pha liên tục đóng vai trò chất liên kết và chuyển ứng suất lên chất gia cường. b) Chất gia cường: Chất gia cường có nhiều loại trong đó phổ biến nhất là chất gia cường dạng sợi và dạng hạt. Chất gia cường dạng sợi thường được sử dụng dưới dạng liên tục (sợi dài,vải) hay gián đoạn (sợi ngắn vụn) Chất gia cường dạng bột thường được sử dụng để cải thiện một số tính chất của vật liệu như tăng độ cứng, tăng độ chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót. c) Chất phụ gia: Phụ gia sử dụng là chất chống cháy, chất chống lão hóa… 1.1.3. Phân loại Thông thường vật liệu PC được phân loại theo đặc trưng của pha nền và pha gia cường. a) Theo nhựa nền Nhựa nền là một trong những thành phần chính của vật liệu PC, là pha liên tục, đóng vai trò chất kết dính, liên kết các loại vật liệu gia cường, và truyền ứng suất lên chúng. Ngoài ra nhựa còn có tác dụng bảo vệ cho chất gia cường dưới tác động của môi trường. 5 • Nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt rắn là loại nhựa sau khi đóng rắn sẽ có cấu trúc mạng lưới không gian nên không nóng chảy, không hòa tan trong dung môi được nữa. Nhựa nhiệt rắn có tính chất cơ lý tốt nhưng vấn đề xử lý chúng sau khi đã sử dụng khá phức tạp và tốn kém. Các loại nhựa nhiệt rắn thường dùng: Epoxy, polyeste không no, nhựa phenolic, polyuretan … • Nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc nhánh, có khả năng mềm dẻo và nóng chảy khi tăng nhiệt độ, có khả năng hòa tan trong dung môi. Nhựa nhiệt dẻo có độ bền va đập cao nhưng độ bền nhiệt và bền trong dung môi không cao. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng như: polyetylen (PE), polypropylene (PP), poly(vinylclorua) (PVC), polyamit (PA)… b) Theo hình dạng của vật liệu gia cường Chất gia cường có tác dụng chịu ứng suất tập trung do nền polyme truyền đến. Muốn vật liệu PC có độ bền và modun cao thì vật liệu gia cường cần có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền. • Vật liệu gia cường ở dạng hạt: như bột gỗ, cao lanh, bột nhẹ, vảy mica… Hình 1.1: Cấu tạo của compozit cốt hạt Vật liệu gia cường dạng hạt thường được ứng dụng trong những sản phẩm có yêu cầu về độ bền không cao, nhằm hạ giá thành sản phẩm. trong một số trường hợp hạt được dùng để cải thiện một số tính chất của vật liệu như tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót. 6 • Vật liệu gia cường dạng sợi Vật liệu gia cường dạng sợi truyền ứng suất tốt hơn vật liệu gia cường dạng hạt vì ứng suất tại một điểm bất kì trên sợi được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài sợi do đó tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với vật liệu gia cường dạng hạt. Các loại sợi gia cường thông dụng: - Sợi thủy tinh: Là loại sợi được sử dụng rộng rãi vì rẻ, dễ kiếm, các tính chất cơ lý tương đối tốt, có khả năng chịu hóa chất và chịu nhiệt tốt - Sợi cacbon: Có độ bền cơ học biến thiên trong khoảng rộng, được sử dụng trong những lĩnh vực như hàng không, vũ trụ. - Sợi aramid: Có độ bền riêng cao hơn thép 5 lần và nhẹ hơn sợi thủy tinh, có tính tự dập tắt lửa, chịu được nhiệt độ 400 o C, nhưng nhược điểm là không chịu được tác dụng của tia tử ngoại và độ bền giảm nhanh khi uốn liên tục - Sợi tự nhiên: Xét về độ bền thì có thể không bằng được các loại sợi trên nhưng là loại sợi thân thiện với môi trường, có thể tái tạo, lại rất đa dạng nên hiện nay đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Sợi có thể ở dạng sợi liên tục (sợi dài đơn, vải dệt…), hoặc sợi ngắn [6]. 1.1.4. Tính chất Vật liệu PC có những tính chất chung như: - Khối lượng riêng nhỏ do đó có độ bền riêng cao. - Giá thành rẻ (trừ một số loại đặc biệt). - Khả năng chịu môi trường, chịu hóa chất cao, không bị mối, mọt, rỉ sét. - Cách điện, cách nhiệt tốt. - Thời gian sử dụng lâu. - Gia công chế tạo đơn giản, nhanh, dễ tạo hình, dễ thay đổi sửa chữa [6] 7 Hình 1.2: Độ bền kéo riêng của một số vật liệu phổ biến [6] 1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PC Nhờ có những tính chất ưu việt như có khối lượng riêng thấp, có độ bền cao,chịu môi trường tốt, có thể điều khiển được tính chất của vật liệu theo hướng khác nhau một cách dễ dàng.Vật liệu PC ngày càng được ứng dụng rộng rãi chủ yếu cho một số lĩnh vực sau: Ngành chế tạo ô tô: chủ yếu sử dụng vật liệu PC chất lượng cao chế tạo các chi tiết bộ phận cho ô tô, đặc biệt là ô tô thể thao và các phương tiện giao thông trên mặt đất.Hiệu quả nhận được khi sử dụng các vật liệu này là : giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu mài mòn… Ngày nay, vật liệu PC đang được nghiên cứu để chế tạo các bộ phận phải chuyển động qua lại. Chuyển động quay nhằm làm giảm các rung động tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ: Vật liệu PC được ứng dụng để chế tạo máy bay quân sự và dân sự từ khá sớm. Các ứng dụng chính: mũi máy bay, đuôi máy bay, cánh máy bay, …Ưu điểm khi sử dụng vật liệu PC là cho hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu nhờ vậy giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa. Trong công nghiệp đóng tàu: so với các vật liệu kim loại thì vật liệu PC có những ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu đóng tàu là tỷ trọng bé có khả năng cách điện tốt, đặc biệt là bền trong môi trường hóa chất và nước biển… 8 Hiện nay trong ngành đóng tàu vật liệu PC được sử dụng để làm các chi tiết như thân tàu, cột buồm, thùng chứa ca nô cứu sinh,… Trong công nghiệp xây dựng vật liệu PC được sử dụng để sản xuất những sản phẩm như tấm lợp thanh chịu lực, ống dẫn,… 1.2. Vật liệu PC phân hủy sinh học 1.2.1. Giới thiệu chung Do sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu PC cốt sợi thủy tinh làm gia tăng lượng chất thải rắn khó xử lý, gây ảnh hưởng tới môi trường nên để khắc phục điều này, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu và chế tạo các vật liệu PC có khả năng phân huỷ sinh học mà vẫn có thể đảm bảo được các tính chất cần thiết của vật liệu. Thách thức cần phải vượt qua trong việc thay thế các compozit sợi thủy tinh thông dụng bằng compozit sợi thực vật là phải đạt được độ ổn định về cấu trúc và chức năng khi sử dụng và bảo quản nhưng khi vứt bỏ vẫn có khả năng phân hủy nhờ vi khuẩn và không ảnh hưởng xấu đến môi trường [11]. 1.2.2. Phân loại compozit phân hủy sinh học Mặc dù mới xuất hiện nhưng compozit phân huỷ sinh học đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống do đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cần thiết và giảm khả năng ô nhiễm môi trường, một vấn đề mà cả thế giới đang quan tâm sâu sắc. Để có thể hiểu thêm về compozit phân hủy sinh học có thể theo dõi sự phân loại compozit phân hủy sinh học theo sơ đồ sau: 9 Sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên bao gồm sợi thực vật như sợi tre, sợi lanh, sợi đay và sợi động vật như tơ tằm, lông cừu,…Với những ưu điểm so với sợi thủy tinh như độ bền riêng cao, giá thành thấp, không độc, nguồn nguyên liệu dồi dào và có khả năng phân hủy sinh học trong những điều kiện xác định. Vì những lý do kinh tế và môi trường, sợi tự nhiên có thể được sử dụng để gia cường cho chất dẻo thay thế cho sợi thủy tinh. -Nhựa nền: * Nhựa nhiệt rắn Các loại nhựa nhiệt rắn thường dùng: Epoxy, polyeste không no, nhựa phenolic, polyuretan … *Nhựa nhiệt dẻo Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng như: polyetylen (PE), polypropylene (PP), poly(vinylclorua) (PVC), polyamit (PA), … Bảng 1.1. So sánh tính chất của một số loại sợi thực vật với sợi nhân tạo 10 . tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit phân hủy sinh học trên nền polypropylen gia cường bằng sợi dừa . CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu polyme. ĐẠI HỌC VINH  BÙI NAM KIÊN CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLIME COMPOZIT PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG BẰNG SỢI DỪA LUẬN VĂN THẠC