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) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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:
63
Hình 3.12: Độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu PC PEKN/TT(L) ;
PEKNMFC/TT(L); PEKN/TT(V) và PEKNMFC/TT(V)
Hình 3.13: Độ bền va đập của PC PEKN/TT(L) ; PEKNMFC/TT(L); PEKN/TT(V) và PEKNMFC/TT(V)
Từ kết quả bảng 3.7 cho thấy sựảnh hưởng của các loại vật liệu PC khi có mặt của MFC. Cụ thể:
64
- Đối với phương pháp lăn ép bằng tay: Vật liệu PC PEKN/TT khi có mặt của MFC đã làm cho độ bền kéo giảm nhẹ, nhưng độ bền uốn và độ bền va đập so
với mẫu PC PEKN/TT (không có MFC). Cụ thể, độ bền kéo giảm từ 165,82 MPa xuống 150,65 MPa (giảm 9,1%); độ bền uốn tăng từ 192,40 MPa lên 208,63 MPa
(tăng 8,4%); độ bền va đập tăng từ 158,28 kJ/m2 lên 186,84 kJ/m2(tăng 19,6%).
- Đối với phương pháp túi chân không: do có mặt của MFC và yếu tố chân
không đã làm cho vật liệu PC PEKNMFC/TT có tính chất cao hơn so với PC PEKN/TT. Cụ thể, độ bền kéo tăng từ 185,66 MPa lên 208,33 MPa (tăng 12,21%),
độ bền uốn tăng từ 227,67 MPa lên 243,6 MPa (tăng 7%) và độ bền va đập tăng
170,82 kJ/m2 lên 207,28 kJ/m2 (tăng 21,34%).
Dưới đây là hình chụp SEM bề mặt kéo đứt của mẫu PC, mô tả cơ chế phá hủy vật liệu:
a- PEKN/TT(L) b- PEKNMFC/TT(L)
c- PEKN/TT(V) d- PEKNMFC/TT
(V)
65
Từ các kết quả chụp SEM trên hình 3.14 cho thấy: ở các mẫu PC không có mặt MFC (mẫu PC PEKN/TT(L) hình 3.14a và mẫu PC PEKN/TT(V) hình 3.14c),
cơ chế vỡ của nhựa nền là vỡ theo từng mảng lớntạo thành các khối nhựa bám trên các lớp mat thủy tinh. Các vết nứt và đường phá hủy của nhựarõ ràng, sắc cạnh và thẳng. Như vậy, khi chịu tác dụng của lực phá hủy, nhựa đã bị phá hủy rất nhanh, đồng thời ứng suất được truyền trực tiếp đến các lớp mat trở nên nhanh. Còn đối với các mẫu PC khi có mặt MFC (mẫu PC PEKNMFC/TT(L) - hình 3.14b và PEKNMFC/TT(V) - hình 3.14d), khi chịu tác dụng của lực phá hủy, nhựa vỡ theo từng mảng nhỏ, các đường đi phá hủy vật liệu gồ ghề, không có định hướng nhất định. Như vậy, trong suốt quá trình truyền ứng suất đến mat thủy tinh, lực phá hủy đã được chuyển hướng liên tục dẫn đến sự chậm phá hủy của vật liệu hơn so với các mẫu PC không có MFC. Đây là nguyên nhân dẫn đến mẫu PC có mặt MFC có các
tính chất cao hơn so với khi không có MFC. Đặc biệt, ở các mẫu PC so sánh giữa có MFC và không có MFC thì độbền va đập là tăng lên nhiều nhất.
3.6. Khảo sát tính chất cơ của vật liệu PC lai tạo PEKN/TT-Tr và
PEKNMFC/TT-Tr, gia công bằng phương pháp túi chân không (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiến hành chế tạo và đo tính chất cơ lý của hai mẫu vật liệu lai tạo:
PEKN/TT-Tr(V)và PEKNMFC/TT-Tr(V). Kết quả được trình bày trong bảng 3.8 dưới đây:
Bảng 3.8: Tính chất cơ lý của PC PEKN/TT-Tr(V) và PEKNMFC/TT-Tr(V)
TT Tính chất cơ lý PEKN/TT-Tr(V) PEKNMFC/TT-Tr(V)
1 Độ bềnkéo đứt (MPa) 82,30 86,70
2 Độ bền uốn (MPa) 132,60 132,70
66
Hình 3.15. Độ bền kéo và độ bền uốn của PEKN/TT-Tr(V) và PEKNMFC/TT-Tr(V)
67
a- PC PEKN/TT-Tr(V)
b- PC PEKNMFC/TT-Tr(V)
Hình 3.17: Hình ảnh chụp SEM bề mặt kéo đứt của mẫu
PC PEKN/TT-Tr(V) và PEKNMFC/TT-Tr(V)
Từ bảng kết quả bảng 3.8 nhận thấy: khi đưa MFC vào vật liệu lai tạo giữa mat tre và mat thủy tinh có vai trò làm tăng nhẹ độ bền kéo và độ bền uốn. Độ bền kéo tăng từ 82,3 MPa lên 86,7 (tăng 5,35%), độ bền uốn tăng từ 132,6 MPa lên
132,7MPa (tăng 0,1MPa), độ bền va đập được tăng từ 31,25kJ/m2 lên 35,75kJ/m2
(tăng 14,4%). Như vậy, MFC cũng đã góp phần làm tăng nhẹ độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu lai tạo. Độ bền va đập được tăng nhiều hơn cả (14,4%). Hình ảnh SEM chụp bề mặt kéo đứt của vật liệu PC lai tạo cho thấy, khi không có MFC, nhựa nền trong mẫu kéo PC PEKN/TT-Tr(V)vỡ ra theo từng mảng lớn, bề mặt phần nhựa nhẵn, phẳng, sắc cạnh (hình 3.17a). Còn khi có MFC, nhựa nền trong mẫu
PEKNMFC/TT-Tr(V) có bề mặt gãy gồ ghề, không theo định hướng nhất định. Các mảng vỡ của nhựa chuyển hướng liên tục tạo thành nhiều đường khúc khuỷu khác
68
hạn chế sự phát triển các vết nứt lớn, dẫn đến tính chất của mẫu PC lai tạo được cải thiện hơn.
3.7. Ảnh hưởng của MFC và phương pháp gia công đến độ bền mỏi của các
loại vật liệu PC
MFC có vai trò nổi bật trong ứng dụng vật liệu PC, đó là tăng độ bền va đập
và độ bền mỏi của vật liệu. Do vậy, để tiện theo dõi các kết quả khảo sát độ bền mỏi, tác giả để riêng độ bền mỏi so sánh giữa các loại vật liệu khác nhau với các
phương pháp gia công khác nhau trong mục 3.7.
Các loại vật liệu PC chế tạo được ngoài đo tính chất kéo, tính chất uốn và độ
bền va đập, tiến hành đo tính chất mỏi động của vật liệu. Các mẫu đo độ bền mỏi bao gồm: Mẫu 1: PC PEKN/TT(L) Mẫu 2: PC PEKN/TT(V) Mẫu 3: PC PEKNMFC/TT(L) Mẫu 4: PC PEKNMFC/TT(V) Mẫu 5: PC PEKN/TT-Tr(V) Mẫu 6: PC PEKNMFC/TT-Tr(V)
Kết quảđo độ bền mỏi được thể hiện trên bảng 3.9 dưới đây:
Bảng 3.9. Kết quả đo vật liệu của các mẫu PC
TT Mẫu PC Độ bền mỏi Đơn vị 1 PEKN/TT(L) 10.166 Chu kỳ 2 PEKN/TT(V) 14.248 Chu kỳ 3 PEKNMFC/TT(L) 23.826 Chu kỳ 4 PEKNMFC/TT(V) 34.312 Chu kỳ 5 PEKN/TT-Tr(V) 2.316 Chu kỳ 6 PEKNMFC/TT-Tr(V) 8.468 Chu kỳ
69 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.18. Biểu đồ kết quả đo độ bền mỏi của các mẫu vật liệu PC
Từ kết quả đo độ bền mỏi thể hiện ở bảng 3.9 cho thấy, MFC có tác dụng giúp cho vật liệu PC tăng được đáng kểđộ bền mỏi. Cụ thể:
- Đối với phương pháp lăn ép bằng tay:
MFC có tác dụng giúp cho độ bền mỏi của PC PEKN/TT tăng lên từ 10.166 chu kỳở mẫu PEKN/TT lên 23.826 chu kỳở mẫu PEKNMFC/TT (tăng 2,34 lần). - Đối với phương pháp túi chân không:
Ở vật liệu PEKN gia cường mat thủy tinh, MFC có tác dụng giúp cho độ bền mỏi của mẫu PEKNMFC/TT tăng cao hơn so với mẫu PEKN/TT. Cụ thể, độ bền mỏi
tăng từ 14.248 chu kỳ ở mẫu PEKN/TT đã tăng lên đến 34.312 chu kỳ ở mẫu PEKNMFC/TT (tăng 2,41 lần).
Ở vật liệu PC lai tạo, độ bền mỏi của mẫu PC PEKN/TT-Tr là 2.316 chu kỳ. Khi có mặt của MFC, độ bền mỏi tăng lên ở mẫu PC PEKNMFC/TT-Tr là 8.468 chu kỳ(tăng 3,67 lần).
Như vậy, MFC đã có vai trò tăng mạnh độ bền mỏi của vật liệu PC, nguyên
nhân là do cơ chế phá hủy của vật liệu PC khi có mặt MFC. Dưới tác dụng của lực phá hủy, MFC có vai trò cản trở, chuyển hướng liên tục tác nhân lực phá hủy, làm chậm sự phá hủy của vật liệu, dẫn đến sự tăng mạnh độ bền mỏi, tăng tuổi thọ của vật liệu.
70
KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu thực hiện, luận văn đã rút ra được một số kết luận như sau:
1. Đã khảo sát thành phần hóa học của cây nứa và phế thải của cây nứa. Hàm
lượng xenlulo của phế thải cây nứa (50,20%) lớn hơn hàm lượng xenlulo trong toàn bộ cây nứa (44,01%). Phế thải của cây nứa là một nguồn nguyên liệu tốt để chế tạo MFC, ứng dụng trong ngành vật liệu PC.
2. Xây dựng được quy trình chế tạo và phân tán MFC vào trong nhựa PEKN thông qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1 - nấu bột giấy P21 từ phế thải của cây nứa
- Giai đoạn 2 - đồng thời quá trình chế tạo và phân tán MFC vào nhựa nền bằng máy nghiền bi hành tinh.
Kết quả cuối cùng cho thấy kích thước MFC chế tạo được đạt yêu cầu trong chế tạo vật liệu PC. Việc xử lý phế thải của nứa sử dụng phương pháp nấu bột giấy là hoàn toàn phù hợp.
3. Đã xác định được chế độ nghiền thích hợp cho quá trình chế tạo và phân tán
MFC trong PEKN, trên máy nghiền bi hành tinh Mill ball Of Planetary Type:
- Vận tốc nghiền: 450rpm. Thời gian nghiền: 24h. Khả năng phân tán sợi từ 100nm đến 1µm, kích thước tập trung chủ yếu ở 400nm - 500nm.
4. Đã đánh giá được ưu điểm của phương pháp túi chân không so với phương pháp lăn ép bằng tay thông qua các tính chất cơ lý của vật liệu PC PEKN/TT:
Phương pháp túi chân không chế tạo được mẫu PC PEKN/TT có hàm
lượng sợi gia cường (48%) cao hơn so với mẫu chế tạo bằng phương pháp lăn ép bằng tay (40%). Đồng thời, cấu trúc các lớp sợi chặt chẽ và mật độ sợi cũng lớn hơn, dẫn đến tính chất cơ lý cao hơn. Cụ thể, độ bền kéo cao hơn 11,97%; độ bền uốn cao hơn 18,33%; độ bền va đập cao hơn 12,18%.
5. Đã khảo sát ảnh hưởng của MFC đến tính chất cơ lý của pha nền và của các loại vật liệu PC. Cụ thể:
71
- Với pha nền PEKN: MFC làm giảm độ bền kéo 19,57%, giảm độ bền uốn 26,52%;nhưngđộ bền va đập tăng lên gấp 66,83 %.
- Với phương pháp lăn ép bằng tay: MFC làm cho vật liệu PEKN/TT giảm nhẹ độ bền kéo (9,1%); tăng nhẹ độ bền uốn (8,4%) và độ bền va đập tăng 19,6%.
- Với phương pháp túi chân không: MFC có vai trò làm tăng các tính chất cơ lý của vật liệu PEKN/TT. Cụ thể: độ bền kéo tăng 12,21%, độ bền uốn tăng 7% và độ bền va đập tăng 21,34%.
- Với phương pháp túi chân không: vật liệu PC lai tạo PEKN/TT-Tr (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
có chứa MFC có độ bền cơ lý cao hơn so với khi không có MFC, nhưng cao hơn không đáng kể: độ bền kéo tăng 5,34%; độ bền uốn tăng 0,1MPa; độ bền va đập tăng 14,4%.
6. Tác dụng nổi bật của MFC là làm tăng độ bền mỏi của PC lên đáng kể:
- Đối với phương pháp lăn ép bằng tay: MFC có tác dụng giúp cho độ
bền mỏi tăng từ 10.166 chu kỳ ở mẫu PEKN/TT tăng lên 23.826 chu kỳ ở
mẫu PEKNMFC/TT (tăng 2,34 lần).
- Đối với phương pháp túi chân không: MFC có tác dụng giúp cho độ
bền mỏi tăng từ 14.248 chu kỳ ở mẫu PEKN/TT tăng lên 34.312 chu kỳ ở
mẫu PEKNMFC/TT (tăng 2,41 lần).
- Ở vật liệu PC lai tạo, MFC có tác dụng giúp cho độ bền mỏi tăng từ
2.316 chu kỳ ở mẫu PC PEKN/TT-Tr tăng lên 8.468 chu kỳ ở mẫu PC PEKNMFC/TT-Tr (tăng 3,67 lần).
72
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
1. Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái (1998), Vật liệu compozit. Các vấn đề khoa học, hướng phát triển và ứng dụng, Trung tâm KHTN và CNQG.
2. Trần Vĩnh Diệu và Bùi Chương (2011), Nghiên cứu và ứng dụng sợi thực vật nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo để bảo vệ môi trường, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.
3. Bùi Chương (2009), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu và phát triển vật liệu composit đi từ sợi tự nhiên, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
4. Nguyễn Hữu Niếu (1990), Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyeste không