Trong những năm gần đây, do áp lực về ô nhiễm môi trường, vật liệu compozit sinh học ngày càng được các nhà nghiên cứu quan tâm chú ý.
Vật liệu compozit sinh học được chế tạo trên cơ sở polyme sinh học. Polyme này có ưu thế hơn polyme tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ vì nó có khả năng phân hủy và trong nhiều trường hợp, có giá thành thấp[48].
Dầu thực vật là nguồn nguyên liệu sẵn có, phổ biến và tái tạo được. Hơn nữa, chúng có thể tham gia vào các phản ứng hóa học để biến thành dầu thực vật chứa nhóm epoxy, hay còn gọi là dầu thực vật epoxy hóa.
Loại polyme sinh học này được sử dụng để thay thế polyme tổng hợp đi từ dầu mỏ - nguồn nguyên liệu ngày càng cạn kiệt.
Mới đây, năm 2010 dầu nành epoxy hóa được đưa vào để thay thế một phần nhựa nền epoxy epidian từ bis-phenol A trong vật liệu compozit gia cường hạt thủy tinh. Với
38
Phạm Anh Tuấn Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Phi kim
60% (theo khối lượng) dầu nành epoxy hóa, tính chất cơ học của nhựa nền loại này tương đương với nhựa nền epoxy truyền thống (epoxy dian)[15].
Takashi Tsujimoto và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo nanocompozit xanh trên cơ sở dầu nành epoxy hóa gia cường nanosilica có kích thước 30nm (chiếm 95,5% theo khối lượng). Việc sử dụng chất liên kết silan đã làm tăng đáng kể độ cứng và modun Young so với khi không có silan (22N/mm2 so với 9N/mm2 và 620Mpa so với 210 MPa)[34].
Vật liệu nanocompozit trên cơ sở polyme có nguồn gốc dầu mỏ và nanoclay đã được nghiên cứu nhiều, và ứng dụng trong công nghiệp từ hai thập kỷ trước. Ví dụ:
polyamit(PA)/Clay[21;37], polystyren (PS)/clay[40], polymetylmetacrylat(MHHPA)/Clay[22], polypropylen(PP)/Clay[38] và
polyuretan(PU)/clay[8].
Khoảng chục năm trở lại đây, những nghiên cứu về vật liệu nanocompozit từ dầu thực vật epoxy hóa gia cường bằng nanoclay được quan tâm nhiều.
Trong công trình nghiên cứu của Viện thực phẩm và dầu công nghiệp của Mỹ[44] đã chế tạo vật liệu nanocompozit từ dầu nành epoxy hóa (ESO) gia cường bằng nanoclay Cloisite 30B với chất đóng rắn tetraetylentetramin (TETA). Các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã chứng minh rằng: nanoclay phân tán trong ESO ở trạng thái tróc lớp. Hệ vật liệu ổn định ở nhiệt độ t0<1800C và ở 3250C có tổn hao khối lượng không đáng kể. Tính chất cơ học của vật liệu tăng lên khi có mặt nanoclay: Với 0% đến 10% nanoclay, độ bền kéo tăng từ 1,27MPa đến 4,34Mpa và modun Young thay đổi từ 1,2MPa đến 3,64MPa.
Tỷ lệ nhóm epoxy trong ESO/hydro hoạt động trong TETA có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của vật liệu nanoclay: tỷ lệ epoxy/H tăng, độ bền kéo của vật liệu tăng.
39
Phạm Anh Tuấn Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Phi kim
kéo vật liệu là: 1,03MPa, khi tăng tỷ lệ nhóm epoxy:H lên 1,24:1 và 1,37:1 thì độ bền kéo tương ứng là 2,61MPa và 4,54MPa.
Thay đổi tác nhân đóng rắn cho dầu thực vật epoxy hóa trong vật liệu compozit có thể làm thay đổi đáng kể tính chất của vật liệu. Việc lựa chọn tác nhân đóng rắn anhydrit metyltetrahydrophtalic cho dầu lanh epoxy hóa đã dẫn tới sự kết hợp tuyệt vời: tạo ra vật liệu có modun đàn hồi và nhiệt độ hóa thủy tinh cao hơn so với dầu lanh epoxy hóa đóng rắn bằng amin. Tính chất của compozit sinh học từ hệ dầu lanh epoxy hóa/anhydrit metyltetrahydrophtalic còn được cải thiện đáng kể khi bổ sung một lượng nhỏ (5%) nanoclay Cloisite 30B: độ bền va đập Izod tăng từ 15,2 lên 20,2J/m[19]
Ngoài vật liệu compozit sinh học gia cường dạng hạt, các nhà nghiên cứu còn phát triển các compozit sinh học gia cường bằng sợi tự nhiên do những đòi hỏi về vật liệu thân thiện môi trường và mong muốn giảm giá thành sợi truyền thống như sợi cacbon, thủy tinh, aramit…có nguồn gốc dầu mỏ[48]
Sợi tự nhiên có rất nhiều ưu điểm như: tỷ trọng thấp, tái tạo được và giá thành thấp. Ví dụ: sợi xenlulo, tre, dừa, đay, dứa dại…
Trên cơ sở dầu nành epoxy hóa, các nhà nghiên cứu trường đại học Delawar (Mỹ) đã chế tạo compozit sinh học với mat sợi xenlulo, sợi lanh, sợi gai dầu và bột giấy[2]. Vật liệu compozit sinh học chứa 10% đến 50% (theo khối lượng) sợi thực vật có modun uốn tăng từ 1,5GPa đến 6,0GPa tùy thuộc vào bản chất mat gia cường. Vật liệu nhận được có giá thành thấp với độ bền cơ học và tính chất phù hợp với những ứng dụng trong xây dựng nhà cửa, đồ gỗ và các chi tiết trong ôtô[2].
Dầu lanh và dầu đậu nành epoxy hóa còn được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu compozit gia cường sợi gai dầu, sợi lanh và sợi kenaf[35].
40
Phạm Anh Tuấn Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Phi kim
Dầu nành epoxy hóa (ESO) còn được sử dụng làm tăng độ bền va đập của nhựa polyeste không no (PEKN): khi không có ESO, độ bền va đập của PEKN là 26J/m, với 10% (theo khối lượng) dầu nành epoxy hóa, độ bền va đập tăng tới 38%. Khi hàm lượng ESO tăng lên 20%, con số đó là 77%, tuy nhiên, độ bền kéo của hệ PEKN/ESO với tỷ lệ 80/20 lại giảm 50% so với nhựa PEKN nguyên thể. Khi đưa một lượng nhỏ nanoclay (1,5%) vào hệ PEKN/ESO với tỷ lệ 90/10, độ bền kéo giảm 25%, nhưng tính chất nhiệt và độ hấp thụ nước giảm so với nhựa PEKN nguyên thể, điều này cho thấy khả năng che chắn của nanoclay. Trên cơ sở hệ nhựa nền PEKN/ESO biến tính nanoclay đã chế tạo compozit sinh học gia cường bằng sợi gai dầu thích hợp để chế tạo các chi tiết ô tô và dùng làm vật liệu trong xây dựng nhà dân dụng[18].
Sau khi tham khảo và cập nhật tài liệu cho đến 2011, nhận thấy vật liệu compozit sinh học trên cơ sở dầu thực vật epoxy hóa gia cường bằng hạt thạch anh và thủy tinh tái chế chưa được công bố trong bất cứ tài liệu nào, do đó, việc nghiên cứu vấn đề trên là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
41
Phạm Anh Tuấn Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Phi kim