Thí nghiệm kéo

Hình 2.11 Máy đo kéo và uốn Zwick/Roell BDO – FB050TN

Thí nghiệm kéo và uốn được thực hiện trên máy kéo nén Zwick BDO – FB050TN được sản xuất tại Đức. Để kiểm tra độ bền kéo của tấm composite, tiêu chuẩn ASTM D3039/3039M được sử dụng.

Độ bền kéo được xác định theo công thức sau: Trong đó: σ: độ bền kéo (N/m²)

F: lực tại thời điểm phá hủy (N) A: tiết diện của mẫu (m²)

b: chiều rộng của mẫu (m) d: bề dày của mẫu (m)

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 41 Bảng 2.3 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm kéo

Chiều rộng cắt theo hướng vuông gốc của sợi, chiều dài theo hướng sợi. Các thông số thiết lập cho phần mềm máy đo độ bền kéo:

- Tốc độ kéo: 1mm/ph.

- Khoảng cách giữa hai ngàm kẹp: 150mm. - Ngưỡng kết thúc thí nghiệm: 80%Fmax.

Sau khi thiết lập xong ta lưu chương trình lại để sử dụng cho tất cả các thí nghiệm kéo tiếp theo. Các mẫu thử được đo chiều rộng và bề dày để nhập vào chương trình. Nhập xong các thông số ta tiến hành kẹp mẫu vào giữa hai ngàm kẹp sao cho mẫu được phân bố đều giữa hai ngàm kẹp. Mẫu thử cũng không nên kẹp quá chặt nhằm tránh hiện tượng mẫu bị phá hủy tại vị trí gần ngàm kẹp.

Sau khi đã lắp mẫu xong ta bắt đầu đo mẫu. Trong quá trình đo mẫu ta theo dõi kết quả ghi nhận được và đặc tính các đường biểu diễn trên đồ thị. Quá trình đo kết thúc khi mẫu bị phá hủy, ta tiến hành lưu số liệu và chuẩn bị đo các mẫu tiếp theo.

2.3.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm

Thí nghiệm uốn ba điểm theo phương vuông gốc với sợi cho phép đánh độ bền liên kết giữa sợi và nhựa của mẫu composite. Đây là một phương pháp được sử dụng phổ biến để kiểm tra gián tiếp độ bền liên diện giữa sợi gia cường và nhựa nền, mà modul đàn hồi của composite không cao. Thí nghiệm uốn được cắt theo tiêu chuẩn ASTM D790M/84.

Kích thước mẫu kéo theo chuẩn ASTM

D3039/3039M Chiều dài 250 mm Chiều rộng 15 mm Chiều dày 3 mm Tốc độ di chuyển của ngàm kẹp 1 mm/ph Số mẫu 5

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 42 Hình 2.12 Đo mẫu uốn composite.

Độ bền uốn được xác định theo công thức:

Trong đó:

σ: độ bền uốn (MPa).

P: lực uốn lớn nhất tại điểm phá vỡ (N). L: khoảng cách giữa hai gối đỡ (mm). b: chiều rộng mẫu (mm).

d: bề dày mẫu (mm).

Bảng 2.4 Tóm tắt thông số của thí nghiệm uốn 3 điểm

Kích thước mẫu uốn theo tiêu chuẩn ASTM

D790M/84 Chiều dài 45 mm Chiều rộng 15 mm Chiều dày 3 mm Tốc độ 1 mm/ph Số mẫu 5

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 43 Đầu tiên, ta cũng tiến hành lắp ghép các bộ phận đo uốn của thí nghiệm uốn ba điểm vào máy đo cơ tính. Tiếp theo, khởi động phần mềm Test expert và thiết lập chương trình cho mẫu đo uốn. Chương trình có các thông số như sau:

- Khoảng cách giữa hai gối đỡ: 28,5 mm. - Tốc độ uốn: 1 mm/phút.

- Độ biến dạng tối đa: 5%.

Sau khi thiết lập xong ta lưu chương trình lại để sử dụng cho tất cả các thí nghiệm uốn tiếp theo. Các mẫu thử được đo chiều rộng và bề dày để nhập vào chương trình. Nhập xong các thông số ta tiến hành đặt mẫu thử lên hai gối đỡ sao cho điểm tác dụng của gối trên phải nằm vào khoảng trung điểm của mẫu thử. Sau khi đã lắp mẫu xong ta bắt đầu đo mẫu. Trong quá trình đo mẫu ta theo dõi kết quả ghi nhận được và đặc tính các đường biểu diễn trên đồ thị. Quá trình đo kết thúc khi mẫu biến dạng được 5%, ta tiến hành lưu số liệu và chuẩn bị đo các mẫu tiếp theo.

2.3.3 Thí nghiệm đo va đập

Là thiết bị do va đập vạn năng loại búa quả lắc Zwick/Roell BPI - 50COMC được sản xuất tại Đức (Hình 2.6).

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 44 Mẫu đo va đập được cắt theo tiêu chuẩn ASTM D256-04.

Bảng 2.5 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm đo va đập

Kích thước mẫu đo va đập theo tiêu chuẩn ASTM

D256-04

Chiều dài 65 mm

Chiều rộng 15 mm

Chiều dày 3 mm

Vết khắc tại trung điểm mẫu 20% chiều rộng

Gốc tại vết khía 45⁰

Mẫu composite được đo va đập theo kiểu Charpy và sử dụng loại búa 15J có các thông số như sau:

- Tải va đập: 20,296 N. - Góc thả búa: 147,96^o.

- Độ cao thả búa: 739,07 mm.

Khởi động phần mềm và thiết lập chương trình cho mẫu đo va đập. Sau khi thiết lập xong ta lưu chương trình lại để sử dụng cho tất cả các thí nghiệm va đập tiếp theo. Các mẫu thử được đo chiều rộng và bề dày để nhập vào chương trình. Sau khi đã lắp mẫu xong ta bắt đầu đo mẫu, mẫu được đặt vào bệ giữ sao cho vết khắc hình chữ V phải nằm đối diện với chiều đập của búa và nằm đúng vị trí thanh định vị. Sau đó ta cố định mẫu, tháo thanh định vị xuống và chuẩn bị đo mẫu. Ta cho búa rơi va đập vào mẫu thử. Sau khi búa va đập vào mẫu thử, ta dừng búa và tiến hành thu số liệu. Lặp lại thí nghiệm cho các mẫu tiếp theo.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 46

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Do thời gian nghiêm cứu đề tài có hạn, đồng thời nhựa polyester đã để trong thời gian khá lâu, làm cho độ nhớt của nhựa tăng lên nên mẫu composite 1% - 2 ngày, 4% - 2 ngày không thể thực hiện được.

Sau khi tiến hành thí nghiệm như đã đưa ra ở phần thí nghiệm ta được kết quả thể hiện cơ tính composite sợi xơ dừa như sau:

3.1 Ảnh hƣởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền kéo của composite:

Bảng 3.1 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý

Nồng độ Cơ tính kéo (MPa)

Thời gian xử lý (ngày)

1 2 3 4

1%

Modulus đàn hồi kéo (MPa)

217333 - 236483,7 227365 Độ bền kéo (MPa) 411,6 - 40,51,23 46,33,85 2% Modulus đàn hồi kéo (MPa)

300458,7 310450,5 280647 2519,568 Độ bền kéo (MPa) 442,6 48,66,7 481,6 430,034 3% Modulus đàn hồi kéo (MPa)

246915,05 254076,4 285478,5 2877155 Độ bền kéo (MPa) 43,31,3 432,6 480,7 493,4 4% Modulus đàn hồi kéo (MPa)

252187,6 - 281794,4 264152 Độ bền kéo

(MPa)

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 47 Bảng 3.2 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi không xử lý và

nhựa polyester

Nhựa polyester Sợi không xử lý Modulus đàn hồi kéo (MPa) 2111,546,8 2220,350,6

Độ bền kéo (MPa) 35,64,2 39,51,4

Ảnh hưởng của việc xử lý sợi ở các điều kiện nồng độ NaOH và thời gian khác nhau đến modulus đàn hồi kéo của composite được thể hiện:

Hình 3.1 Modulus đàn hồi kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau

Qua hình 3.1 ta thấy modulus đàn hồi kéo của mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý thay đổi không đáng kể so với mẫu nhựa Polyester, vì vậy khả năng gia cường của sợi xơ dừa không cao do modul kéo của sợi xơ dừa tương đối thấp. Mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa đã được xử lý cao gấp 1,4 lần so với mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý. Mẫu có giá trị modulus đàn hồi kéo lớn nhất (3104 MPa) là mẫu được xử lý với dung dịch NaOH 2% trong 2 ngày.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 48 Kết quả trên hình 3.1cũng cho thấy những mẫu xử lý đều có cơ tính kéo tuân theo một qui luật là tăng lên, chỉ có mẫu 4 ngày có giá trị modulus đàn hồi kéo đều bị giảm xuống. Điều này có thể là do là sợi xơ dừa khi được xử lý trong thời gian quá lâu thì cơ tính của sợi sẽ bị giảm xuống, vì khi sợi xử lý trong thời gian càng lâu thì xút sẽ len lõi vào càng sâu trong sợi và tẩy đi thành phần lignin tại đây. Như ta đã biết thì sợi xơ dừa cũng giống như vật liệu composite được gia cường bằng những bó sợi cellulose trên thành phần vật liệu nền chủ yếu là lignin mà lignin bị xút loại bỏ tại những vị trí sâu bên trong sợi sẽ làm cho cơ tính của sợi bị giảm xuống. Mục đích của việc xử lý xút là cải thiện bề mặt sợi để tạo liên diện tốt hơn với nhựa polyester, vì vậy ta phải xử lý sợi trong thời gian hợp lý để tránh ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong sợi. Ở đây, xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch NaOH trong 4 ngày đã bắt đầu làm cho cơ tính kéo của sợi bị giảm xuống.

Ảnh hưởng của việc xử lý sợi ở các điều kiện nồng độ NaOH và thời gian khác nhau đến độ bền kéo của composite được thể hiện trên hình 3.2.

Hình 3.2 Độ bền kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện khác nhau

Qua hình 3.2 ta thấy độ bền kéo của mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý thay đổi không đáng kể so với mẫu nhựa Polyester, vì vậy khả năng gia cường của sợi xơ dừa không cao do độ bền kéo của sợi xơ dừa tương đối thấp. Mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa đã được xử lý cao gấp 1,44 lần so với mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý Mẫu có giá trị độ bền kéo lớn

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 49 nhất (52 MPa) là mẫu được xử lý với dung dịch NaOH 4% trong 4 ngày. Điều này chứng tỏ việc xử lý sợi đã làm tăng độ bền liên diện.

Từ kết quả thí nghiệm đo kéo thu được ta có những mẫu có modulus đàn hồi kéo cao và độ bền kéo cũng cao (các mẫu 2%3n, 3%3n, 3%4n, 4%4n) nhưng không thể hiện qui luật như ở hình 3.1. Kết quả thu được này có thể do một số nguyên nhân như bố trí thí nghiệm vớ i số lượng mẫu tương đối lớn trên một vùng khảo sát nhỏ, phép đo có độ lệch chuẩn xấp xỉ độ chênh lệch kết quả giữa các mẫu. Ngoài ra, còn có một số nguyên nhân khác như chất lượng sợi xơ dừa không đồng đều, phân bố sợi vào khuôn không được như nhau giữa các mẫu, việc cắt và chuẩn bị mẫu thử… Tất cả những nguyên nhân này góp phần ảnh hưởng đến sự chính xác của kết quả thu được.

3.2 Ảnh hƣởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền uốn của composite:

Kết quả đo uốn ngang của các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý ở các điều kiện nồng độ và thời gian khác nhau được trình bày trong Bảng 3.3, Hình 3.3.

Bảng 3.3 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý (MPa)

Nồng độ

Thời gian xử lý (ngày)

1 2 3 4

1% 5,70,68 - 8,43,4 7,80,15 2% 12,21,6 15,73,8 15,30,64 12,81,8 3% 14,944,8 18,54,9 19,241,7 22,12,1 4% 18,546,08 - 15,44,98 13,52,46

Bảng 3.4 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi không xử lý và nhựa polyester (MPa)

Nhựa polyester Sợi không xử lý Độ bền uốn ngang (MPa) 61,351,2 8,60,96

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 50 Hình 3.3 Độ bền uốn ngang của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các

điều kiện khác nhau

Qua hình 3.3 ta thấy độ bền uốn ngang của mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa đã được xử lý trung bình cao gấp 2,6 lần so với mẫu composite gia cường bằng sợi không xử lý. Mẫu có giá trị độ bền uốn ngang lớn nhất (22,1 MPa) là mẫu được xử lý với dung dịch NaOH 3% trong 4 ngày.

Sợi xơ dừa được xử lý bằng xút trong thời gian càng lâu thì hiệu quả loại bỏ các thành phần không mong muốn trên bề mặt như lignin sẽ càng cao và ngay cả bên trong cấu trúc sợi. Vì vậy, độ bền liên diện có được khi xử lý trong thời gian lâu sẽ càng cao. Tuy nhiên, vẫn có một điều kiện nồng độ và thời gian xử lý tối ưu, nếu vượt quá so với giới hạn đó thì liên diện của composite sẽ bị giảm xuống do xút sẽ phá hủy cấu trúc sợi. Để có hiệu quả khi xử lý thì nồng độ thấp phải xử lý trong thời gian dài hoặc ngược lại xử lý nồng độ cao trong thời gian ngắn. Do vậy, mẫu được xử lý với dung dịch NaOH 3% trong 4 ngày cho độ bền uốn ngang (độ bền liên diện giữa sợi và nhựa) lớn nhất là một kết quả hợp lý.

Độ lệch chuẩn của kết quả đo uốn thường rất cao, điều này chứng tỏ sự nhạy cảm của kết quả thu được với các điều kiện khách quan. Một số nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả có thể kể đến như chất lượng sợi xơ dừa không đồng đều, phân bố sợi vào khuôn không được như nhau giữa các mẫu, phương của sợi không song song trong khi cắt và chuẩn bị mẫu thử…

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 51

3.3 Ảnh hƣởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền va đập của composite:

Bảng 3.5 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi không xử lý và nhựa polyester (J/m)

Nhựa polyester Sợi không xử lý Độ bền va đập (J/m) 42,73,78 3868,3136,2 Kết quả đo va đập của các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý ở các điều kiện nồng độ NaOH và thời gian khác nhau được trình bày trong Bảng 3.6, hình 3.4.

Bảng 3.6 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi được xử lý(J/m)

Nồng độ

Thời gian xử lý (ngày)

1 2 3 4

1% 4087,34174,2 - 4135,4299 4078,3167,4 2% 3296,7367,3 3827433,1 3157,9817,3 3692,8352 3% 4211291 4420,47215,3 3723,1613,2 3908,18531,3 4% 4439,05147 - 3989,5650,4 3819,1223

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 52 Hình 3.4 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều

kiện khác nhau

Qua hình 3.4 ta thấy độ bền va đập của mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa đã được xử lý trung bình cao gấp 104 lần so với mẫu nhựa polyester và cao không đáng kể mẫu composite gia cường bằng sợi không xử lý. Mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử lý cao rất nhiều lần so với mẫu polyester là do mẫu composite được gia cường bởi nhiều sợi xơ dừa, đồng thời sợi xơ dừa có độ dãn dài cao. Mẫu có giá trị độ bền va đập lớn nhất (4439,05 J/m) là mẫu được xử lý với dung dịch NaOH 4% trong 1 ngày. Tuy nhiên, kết quả thu được của thí nghiệm này có độ lệch chuẩn khá lớn (trên 10%) nên độ chính xác của kết quả thu được không cao.

Đối với mỗi loại cơ tính khác nhau thì sẽ có một điều kiện nồng độ và thời gian xử lý với dung dịch NaOH tối ưu khác nhau (ở nhiệt độ thường). Vì vậy, ta muốn chọn một điều kiện xử lý để khảo sát cho thí nghiệm tiếp theo thì phải chọn điều kiện xử lý mà tương đối đáp ứng được yêu cầu của 3 loại cơ tính trên.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh 54

Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận:

Phương pháp biến tính sợi tự nhiên bằng cách ngâm xút cho kết quả khả quan và kết quả xử lý phụ thuộc vào thời gian và nồng độ. Việc xử lý sợi cải thiện cấu trúc của sợi, khả năng bám dính của nhựa và sợi cải thiện được cơ tính composite.