Độ bền mỏiđộngcủa vật liệu được đo trên máy MPS 810 (Material Test System 810) của Mỹ, theo tiêu chuẩn ASTM D3479-96 (2007).
Cơ sở phương pháp: sử dụng đầu đo cơ học tác dụng lực lên mẫu với số chu kì thay đổi lực nhất định cho đến khi mẫu xuất hiện những vết nứt nhỏ cho đến khi mẫu bị phá hủy.
Phương pháp tiến hành
- Chuẩn bị mẫu đo: mẫu mái chèo có chiều dài mẫu 150mm, chiều dài phần cổ eo là 120 mm, chiều rộng phần cổ eo là 15 mm, chiều dày là 4mm.
- Đặt lực chịu mỏi: 70% lực kéo đứt của mẫu (đơn vị lực: N).
- Đặt tần số dao động của lực: f=2Hz tương đương với 120 rpm.
- Biên độ dao động của lực: bằng 2 lần lực chịu mỏi.
- Tiến hành chạy máy cho đến khi mẫu bị phá hủy; đồ thị thay đổi lực, giá trị lực, tần số, biên độ lực và số lần dao động của lực đến khi mẫuhỏng được ghi trên
máy.
Dưới đây là hình ảnh của thiết bị đo mỏi và hình ảnh mẫu đo của vật liệu:
50
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát thành phần hóa học của cây nứa và phế thải cây nứa
Thành phần hóa học của cây nứa và phế thải của cây nứa gồm các chất hòa
tan trong axeton, lignin, pentozan và xenlulo. Kết quả khảo sát thành phần hóa học được thể hiện ở bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của cây nứa và phế thải của cây nứa
Thành phần hóa học
xenlulo (%) Lignin (%) Pentozan (%)
Cây nứa 44,01 32,6 18,28
Phế thải cây nứa 50,20 28,72 18,46
Từ bảng 3.1: thành phần hóa học của nứa và phế thải cây nứa, cho thấy phế thải của cây nứa có hàm lượng xenlulo cao hơn so với cây nứa (50,20% so với
44,01%). Trong cấu tạo mặt cắt ngang của cây nứa (hình 3.1), lớp vỏ cứng của nứa có chứa lượng khá lớn các oxit silic, dưới lớp vỏ cứng là vùng chứa nhiều sợi
xenlulo nhất và càng vào trong phần ruột nứa thì càng ít sợi. Phế thải nứa được lấy ở công đoạn tuốt sợi (hình 2.2) thuộc vùng tập trung nhiều sợi xenlulo (thể hiện trên
hình 3.1). Đây là thành phần nằm phía ngoài của cây nứa sau khi đã bỏ ruột, các mắt cây và thành phần vỏ cây nứa.Vì vậy, phế thải của nứa có hàm lượng xenlulo
cao hơn so với toàn cây và đây là nguyên liệu được đem đi nấu bột giấy.
51
3.2. Hiệu suất nấu bột giấy và thành phần hóa học của bột giấy
Tiến hành nấu bột giấy với khối lượng nguyên liệu đầu là phế thải của cây nứa ở dạng phơi khô tự nhiên, khối lượng là 5kg. Kết quả thực nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của nguyên liệu (phế thải nứa) là 11,6%. Độ khô tuyệt đối tương ứng là
4,42kg phế thải.
Bảng 3.2 dưới đây là bảng chế độ hóa chất cho quá trình nấu bột giấy để đạt bột giấy có trị số Kappa =21:
Bảng 3.2: Chế độ hóa chất cho quá trình nấu bột giấy P21
TT Hóa chất sử dụng Lượng sử dụng Đơn vị
4 Độ kiềm hoạt tính 25 %
5 Độ sunfua 25 %
6 Tỷ dịch 1:4
Bột giấy sau khi nấu được đem khảo sát hiệu suất và thành phần hóa học, đạt
được các kết quả thực tếnhư sau:
- Trị số Kappa: 21,56
- Khối lượng bột giấy ướt: 7,44 kg; độ ẩm tương ứng là: 24,46%; khối lượng bột giấy khô tuyệt đối thu được là: 1,82 kg
- Hiệu suất của quá trình nấu bột giấy: hiệu suất = 14,,8242 x 100% = 41,18% - Thành phần hóa học các chất trong bột giấy p21thể hiện ở bảng 3.3:
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của bột giấy P21
Bột giấy xenlulo % Lignin % Pentozan % Tro và các chất trích ly trong aceton P21 86,66 5,24 5,48 1,62
52
Từ kết quả khảo sát thành phần hóa học của bột giấy P21 (bảng 3.3), nhận thấy quá trình nấu bột giấy từ phế thải nứa là hợp lý: bột giấy thu được có hàm
lượng xenlulo cao 86,66%. Hiệu suất quá trình nấu bột giấy từ phế thải nứa lớn hơn
hiệu suất quá trình nấu bột giấy từ toàn cây nứa, do phế thải có hàm lượng xenlulo
cao hơn so với toàn cây nứa.
3.3. Khảo sát quá trình chế tạo và phân tán MFC vào nhựa PEKN bằng
phương pháp nghiền trên máy nghiền bi hành tinh Ball Mill Of Planetary Type
3.3.1. Xử lý bột giấy cho quá trình nghiền
Bột giấy p21 được nấu từ phế thải của cây nứa được đem tách nhỏ, sấy khô đến khối lượng không đổi. Dùng máy xay sinh tố đánh tơi và xay nhỏ. Bột giấy dạng tơi thu được được đem đi khảo sát kích thước sợi trung bình bằng phương pháp chụp SEM.
Dưới đây là hình ảnh bột giấy đã được đánh tơi bằng máy xay sinh tố và hình ảnh chụp SEM của bột giấy:
(a) (b)
Hình 3.2: Bột giấy được đánh tơi bằng máy xay sinh tố (a) và hình chụp SEM (b)
Kết quả chụp SEM của bột giấy ở hình vẽ 3.2 cho thấy bột giấy sau khi được đánh tơi và cắt nhỏ bằng máy xay sinh tố có kích thước từ 10 - 20 µm, kích thước tập trung chủ yếu vào khoảng 15 µm.
53
3.3.2. Khảo sát quá trình chế tạo và phân tán MFC vào nhựa nền PEKN
a. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nghiền tới khả năng phân tán MFC
Khảo sát lại chế độ nghiền 220 vòng/phút và thời gian nghiền 20h
Quá trình nghiền và phân tán MFC vào nhựa PEKN bằng máy nghiền bi hành tinh được dựa trên kết quả nghiên cứu của tác giả Vũ Mạnh Cường, đề tài: "nghiên cứu và chế tạo polyme-compozit trên cơ sở nhựa polyeste không no có sử dụng vi sợi xenlulo”, năm 2010. Vận tốc nghiền là 220 vòng/phút, thời gian nghiền là 20 giờ. Tiến hành khảo sát lại chế độ nghiền trên. Dưới đây là ảnh SEM đo kích thước MFC trong PEKN sau 20h nghiền:
Hình 3.3. Hình ảnh SEM chụp khả năng chế tạo và phân tán MFC trong
PEKN sau 20h ở vận tốc 220 vòng/phút
Từ kết quả chụp SEM hình 3.3 cho thấy, sau khoảng thời gian 20h ở vận tốc 220 vòng/phút thì kích thước sợi trung bình chủ yếu là khoảng 5µm (hình 3.6a), có xuất hiện những sợi khoảng 100-200nm. Với kích thước này, MFC không ứng dụng được trong chế tạo vật liệu PC.
Khả năng chế tạo và phân tán MFC ở 350 vòng/phút, thời gian nghiền 24h và ở 450 vòng/phút, 24h nghiền:
Chế độ nghiền 220 vòng/phút, 20h nghiền không chế tạo được MFC có kích thước như mong muốn. Tiến hành khảo sát ở 2 chế độ: chế độ 1- vận tốc 350 vòng/phút, 24h nghiền; chế độ 2- vận tốc 450 vòng/phút, 24h nghiền: kết quả của quá trình chế tạo và phân tán MFC được thể hiện trên hình chụp SEM hình 3.4:
54
(a) (b)
Hình 3.4. Khả năng chế tạo và phân tán MFC ở vận tốc 350 vòng/phút, 24h nghiền
(a) và ở 450 vòng/phút, 24h nghiền (b)
Từ kết quả chụp SEM ở hình 3.4 nhận thấy: ở vận tốc 350 vòng/phút sau
24h, kích thước sợi trung bình vào khoảng 1µm, có xuất hiện những sợi có kích thước trong khoảng 100-200nm (hình 3.4a). Ở vận tốc 450 vòng/phút, sau 24h nghiền, kích thước sợi trung bình đạt được là 400-500nm. Có nhiều sợi có kích thước trong khoảng 100-200nm (hình 3.4b).
Như vậy,ởvận tốc nghiền 220 vòng/phút và 350 vòng/phút, sau khoảng thời gian nghiền 24 giờ không chế tạo và phân tán MFC đến kích thước nm được.Ở vận tốc 450 vòng/phút, sau 24 giờ kích thước MFC phân tán đạt được trung bình từ 400- 500nm.
b. Ảnh hưởng của thời gian nghiền ảnh hưởng tới khả năng chế tạo và phân tán MFC tại chế độ nghiền 450 vòng/phút
Tại chế độ nghiền 450 vòng/phút, sau 14h, 18h, 24h, 30h lấy mẫu, đem đóng rắn rồi tiến hành chụp SEM đo kích thước MFC trong PEKN.
Dưới đây là hình ảnh SEM thể hiện khả năng phân tán của MFC theo thời gian ở vận tốc nghiền 450 vòng/phút:
55
a- 14h nghiền b-18h nghiền
c-24h nghiền
d-30h nghiền
56
Từ kết quả chụp SEM trên hình 3.5 cho thấy, sau thời gian là 14h nghiền kích thước sợi đã vào khoảng 5µm (hình 3.5a). Sau 18h nghiền, xuất hiện những sợi có kích thước 1µm (hình 3.5b). Đến thời điểm 24 giờ nghiền, kết quả chụp SEM
hình 3.5c cho thấy sợi đã có kích thước vào khoảng 400-500nm, phân bố sợi trong nhựa khá đồng đều, nhiều sợi nằm trong khoảng 100-200nm, tuy nhiên vẫn còn một ít sợi có kích thước khoảng 1µm. Tiếp tục quá trình nghiền đến thời điểm 30 giờ, kích thước sợi và khả năng phân tán sợi gần như không thay đổi, vẫn ở trong
khoảng 400-500nm và một ít sợi khoảng khoảng 1µm (hình 3.5d).
Như vậy, với vận tốc 450 vòng/phút, thời gian nghiền thích hợp là 24h, kích
thước sợi trung bình đạt được từ 100nm đến 1µm, tập trung chủ yếu trong khoảng
400-500 nm. Với kích thước và khả năng phân tán này MFC được, được lựa chọn để chế tạo vật liệu compozit.
Dưới đây là bảng ghi lại chế độ nghiền thích hợp cho máy nghiền bi Ball Mill of Planetary Type để phân tán bột giấy đến kích thước nm-µm ứng dụng trong chế tạo vật liệu compozit(bảng 3.4):
Bảng 3.4. Bảng chế độ nghiền thích hợp cho máy Ball Mill Of Planetary Type
TT Chế độ nghiền Định lượng Đơn vị
1 Nhựa PEKN 150 Gam
2 Bột giấy đánh tơi (10-20 µm) 4,5 Gam
3 Bi nghiền ∅ 10 (mm) 40 Bi
4 Bi nghiền ∅ 6 (mm) 150 Bi
5 Vận tốc nghiền 450 Vòng/phút
6 Thời gian nghiền 24 Giờ
7 Khả năng phân tán MFC 400-500 Nm
3.4. Khảo sát tính chất cơ lý của nhựa nền PEKN có và không có MFC
Tiến hành chế tạo mẫu trống pha nền nhựa PEKN và mẫu trống PEKNMFC,
theo phương pháp đổ khuôn mẫu trống (mục 2.2.6). Kết quả đo tính chất cơ lý được thể hiện ở bảng 3.5:
57
Bảng 3.5: Kết quả xác định tính chất cơ học của các mẫu PEKN và PEKNMFC
TT Tính chất cơ lý PEKN PEKNMFC
1 Tính chấtkéo đứt: - Độ bềnkéo đứt (MPa) - Modun (GPa) 43,33 0,48 34,85 0,86 2 Tính chấtuốn: - Độ bền uốn (MPa) - Modun (GPa) 70,90 2,36 52,10 0,94 3 Độ bền va đập (kJ/m2) 9,80 16,35
Hình 3.6. Độ bền kéo và độ bền uốn của nhựa nền PEKN và PEKN MFC
58
Từ các kết quả trên cho thấy, khi có mặt MFC làm cho nhựa nền PEKNMFC
có độ bền kéo giảm 19,57%; độ bền uốn giảm 26,52%; độ bền va đập tăng 66,83 %
so với nhựa nền PEKN.
Như vậy, MFC không có tác dụng làm tăng độ bền kéo và độ bền uốn mà chỉ có tác dụng làm tăng độ bền va đập của nhựa nền PEKN. Nguyên nhân là do MFC phân tán trong PEKN có kích thước còn lớn nên đóng vai trò như một khuyết tật, làm cho nhựa PEKN trở nên giòn hơn. Tuy nhiên, khi chịu tác dụng của lực đột ngột, MFC lại có vai trò cản trở sự phát triển của các vết nứt, làm chậm sự phá hủy của vật liệu. Do đó, độ bền va đập của nhựa PEKN tăng lên.
3.5. Khảo sát tính chất cơ lý của vật liệu PC PEKN/TT và PEKNMFC/TT
3.5.1. Ảnh hưởng của phương pháp gia công tới tính chất cơ lý của vật liệu PC polyeste gia cường mat thủy tinh
Tiến hành chế tạo hai loại mẫu vật liệu:
Mẫu 1: PEKN/TT(L) - PC nhựa nền PEKN gia cường mat thủy tinh, gia công bằng phương pháp lăn ép bằng tay.
Mẫu 2: PEKN/TT(V) - PC nhựa nền PEKN gia cường mat thủy tinh, gia công bằng phương pháp túi chân không.
Kết quả khảo sát tỷ lệ sợi/nhựa đạt được như sau: mẫu PC PEKN/TT(L) có: TT/PEKN = 40/60, mẫu PC PEKN/TT(V) có TT/PEKN=48/52. Tiến hành đo tính chất cơ lý của vật liệu, được kết quả thể hiện trên bảng 3.6:
Bảng 3.6: Tính chất cơ lý của PC PEKN/TT(L) và PC PEKN/TT(V) TT Tính chất cơ lý PC PEKN/TT(L) PC PEKN/TT(V)
1 Tính chất kéo đứt: - Độ bền kéo đứt (MPa) - Modun (GPa) 165,82 4,08 185,66 2,83 2 Tính chất uốn: - Độ bền uốn (MPa) - Modun (GPa) 192,40 6,39 227,67 8,49 3 Độ bền va đập (kJ/m2): 158,28 170,82
59
Hình 3.8: Quá trình kéo và uốn của mẫu PC PEKN/TT(L) và PEKN/TT(V)
K: Độ bền kéo, mẫu lăn ép bằng tay. U: Độ bền uốn, mẫu lăn ép bằng tay Kt: Độ bền kéo, mẫu túi chân không. Ut: Độ bền uốn, mẫu túi chân không
60
Hình 3.10: Độ bền va đập của PC PEKN/TT(L) và PEKN/TT(V)
a- PC PEKN/TT(L)
b- PC PEKN/TT(V)
61
Từ các kết quả đo tính chất cơ lý thể hiện trong bảng 3.6, nhận thấy phương pháp túi chân không chế tạo được vật liệu có tính chất cơ lý cao hơn phương pháp gia công lăn ép bằng tay. Cụ thể:
- Độ bền kéo: tăng 11,97%
- Độ bền uốn: tăng 18,33%
- Độ bền va đập: tăng 12,18%
Từ đồ thị hình 3.8, mô tả quá trình kéo và uốn nhận thấy các mẫu PC ở phương pháp túi chân không đứt gãy một cách dứt khoát hơn hẳn so với mẫu PC lăn ép bằng tay. Điều đó chứng tỏ mẫu PC được hút chân không có mức độ bền chặt và ít khuyết tật hơn so với khi không được hút chân không.
Hình 3.11 cho biết hình ảnh SEM chụp bề mặt phá hủy của mẫu kéo, so sánh giữa phương pháp lăn ép bằng tay và phương pháp túi chân không cho thấy: Thứ nhất, hình SEM của mẫu PC PEKN/TT(V) (hình 3.11b), có chứa hàm lượng sợi cao hơn so với mẫu PC PEKN/TT(L). Trong các lớp mat của mẫu PC PEKN/TT(L), còn
đan xen nhiều nhựa. Kết quả này phù hợp với kết quả khảo sát tỷ lệ sợi/nhựa: mẫu
PEKN/TT(V)có tỷ lệ TT/PEKN = 48/52; mẫu PC PEKN/TT(L), có tỷ lệ TT/PEKN =
40/60. Thứ hai, ở hình 3.11a, mẫu PC PEKN/TT(L) khi kéo đứt, các mat định hướng lộn xộn. So sánh với hình 3.11b, mẫu PC PEKN/TT(V) khi bị kéo đứt, các sợi sắp xếp trật tự, các lớp thủy tinh định hướng song song, mặt đứt gọn và chặt chẽ hơn so với mẫu PC PEKN/TT(L).
Như vậy, yếu tố chân không trong phương pháp túi chân khôngđã có vai trò
làm tăng hàm lượng chất gia cường trong PC so với PC được gia công bằngphương pháp lăn ép bằng tay, đồng thời làm tăng mức độ xếp chặt của các lớp thủy tinh và giúp cho nhựa thấm đều vào trong các lớp sợi thủy tinh hơn, dẫn đến các tính chất cơ lý của PC PEKN/Mth được gia công bằng phương pháp túi chân không cao hơn so với phương pháp lăn ép bằng tay.
62
3.5.2. Ảnh hưởng của MFC tới tính chất cơ lý của vật liệu PC PEKN/TT
Để khảo sát ảnh hưởng của MFC tới tính chất cơ lý của vật liệu PC PEKN/TT. Tiến hành chế tạo và đo tính chất cơ lý của PC nhựa PEKN gia cường mat thủy tinh, có và không có thành phần MFC, gia công bằng hai phương pháp khác nhau. Các mẫu PC chế tạo gồm có:
Mẫu 1: PC PEKN/TT(L)
Mẫu 2: PC PEKNMFC/TT(L) Mẫu 3: PC PEKN/TT(V)
Mẫu 4: PC PEKNMFC/TT(V)
Bảng 3.7 dưới đây là kết quả đo tính chất cơ lý của 04 mẫu PC trên:
Bảng 3.7: Kết quả xác định tính chất cơ học của PC: PEKN/TT(L) ; PEKNMFC/TT(L); PEKN/TT(V) và PEKNMFC/TT(V)
TT Tính chất cơ lý PEKN/TT(L) PEKNMFC/TT(L) PEKN/TT(V) PEKNMFC/TT(V)
1 Tính chất kéo đứt: -Độ bền kéo đứt (MPa) -Modun (GPa) 165,82 4,08 150,65 2,00 185,66 2,83 208,33 3,19 2 Tính chất uốn: -Độ bền kéo đứt (MPa) -Modun (GPa) 192,40 6,39 208,63 8,49 227,67 8,49 243,60 10,04 3 Độ bền va đập (kJ/m2): 158,28 186,84 170,82 207,28
Dưới đây là hình đồ thị so sánh độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập của các loại vật liệu dưới tác dụng của MFC với các phương pháp gia công khác nhau: