CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.2. COMPOSITE SỢI TỰ NHIÊN
1.2.5. Ứng dụng của composite sợi tự nhiên
Theo thống kê của JEC Composites – một tổ chức về lĩnh vực composites, thị trường vật liệu composites đang được mở rộng với một nhịp độ cao, nhờ vào sự tác động của nền kinh tế, sự đơ thị hóa một cách nhanh chóng của các thị trường tiềm năng ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương. Cụ thể, năm 2010, việc sản xuất vật liệu composites trên thế giới tăng gần 5% (8 triệu tấn), khu vực Châu Á – Thái Bình Dương chiếm 38% tổng sản lượng, chủ yếu tập trung ở thị trường Trung Quốc và Ấn Độ.
Trong các thị trường châu Âu, việc sử dụng của các loại sợi tự nhiên chịu sự suy giảm trong thời gian 1950 đến 1996, chúng được phát triển đáng kể thời kỳ 2000 đến 2005. Các sản phẩm composite sợi tự nhiên trong lĩnh vực ô tô tăng từ 70000 tấn giữa năm 2005 lên hơn 100000 tấn trong năm 2010 (hình 1.15).
Thị trường toàn cầu tự nhiên sợi composite đạt 2,1 tỉ đôla trong năm 2010, với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm 15% trong năm năm. Ơ tơ và xây dựng là hai lĩnh vực lớn nhất trong số tất cả các ứng dụng sợi thiên nhiên tổng hợp (bảng 1.6). Các sợi tự nhiên như lanh, Kenaf, cây gai dầu… tập trung trong công nghiệp cho ô tô, trong
khi composite nhựa gỗ được ưa thích nhất trong xây dựng. Bắc Mỹ là thị trường lớn nhất cho bộ phận nhựa gỗ trong khi khu vực châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực ô tô. Đến năm 2016, thị trường sợi thiên nhiên tổng hợp dự kiến sẽ đạt tương đương 3.8 tỉ đơla [14].
Hình 1.15. Tiêu thụ sợi tự nhiên tại châu Âu [19]
Bảng 1.3. Composite nền polymer gia cường sợi năm 2010
Lĩnh vực Thị trường vật liệu composite
Thị trường vật liệu cấu trúc (Steel, Al &
Composites) Thị phần Composite Giao thông $2.7 B $75.7 B 3.6% Hàng hải $0.5 B $0.7 B 68% Hàng không $2.0 B $19.1 B 10% Ống và bể chứa $2.1 B $29.6 B 7% Xây dựng $3.1 B $78 B 4%
Năng lượng gió $2.0 B $5.4 B 38%
Hàng tiêu dùng $1.1 B $7.7B 14%
Tuy nhiên, các nghiên cứu hiê ̣n nay đang chứng minh khả năng ca ̣nh tranh của sợi tự nhiên so với sợi thủy tinh trong mô ̣t số ứng du ̣ng nhất đi ̣nh. Trong các loa ̣i polymer composite gia cường sợi tự nhiên hiê ̣n nay, nhựa nhiê ̣t dẻo bắt đầu được sử dụng phổ biến hơn do đô ̣ thân thiê ̣n môi trường nhờ khả năng tái chế cũng như điều kiện gia công thích hợp với các loa ̣i sợi tự nhiên (<200oC). Composite nhựa nhiê ̣t dẻo gia cường sợi tự nhiên (NFTC) được xếp vào mô ̣t số những loa ̣i “composite xanh” đang được nghiên cứu sử du ̣ng rất nhiều (hình 1.16).
Trong polymer nhiệt dẻo, polyolefins (như PE, PP) được coi là polymer có đô ̣ thân thiện môi trường cao, chỉ đứng sau polymer có khả năng phân hủy sinh ho ̣c (hình 1.11). Vì vâ ̣y, polyolefin được nhiều nhất trong các composite sợi tự nhiên. Trong ứ ng du ̣ng nhựa gỗ, polyolefin chiếm đến 90% tổng số các loa ̣i nhựa nhiê ̣t dẻo được sử du ̣ng (hình 1.17).
Hình 1.16. Xu hướng và dự báo tốc độ phát triển composite sợi tự nhiên (tỉ đôla)
(Nguồn: Lucintel Brie Published: March 2011)
Hình1.17. Cá c loại nhựa nhiê ̣t dẻo được sử dụng trong WPC
Nguồn: James Morton et al. 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites
Khi được trô ̣n chung với nhựa nhiê ̣t dẻo, các sợi cellulose được bao bo ̣c bởi nền lớ p nhựa nền mỏng, do vâ ̣y đô ̣ hút nước của composite giảm xuống, kích thước được ổn đi ̣nh hơn, khả năng chống la ̣i vi sinh vâ ̣t cũng cao hơn. Do tỷ tro ̣ng của sợi thấp hơn so với sợi thủy tinh, composite ta ̣o thành có khối lượng riêng thấp và đô ̣ bền riêng cao. Về phương diê ̣n môi trường, composite sợi tự nhiên trên cơ sở nhựa formaldehyde như các loa ̣i sản phẩm gỗ ép và các thành phần hữu cơ bay hơi gây ô nhiễm môi trườ ng và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đồng thời composite sợi tự nhiên còn có khả năng tái chế và phân hủy sinh ho ̣c sau khi sử du ̣ng. Bên ca ̣nh phương diê ̣n thẩm mỹ với sản phẩm ta ̣o thành đồng đều, kích thước chính xác, composite sợi tự nhiên còn mang la ̣i lợi ích về kinh tế với giá thành thấp hơn so với sợi thủy tinh và các loa ̣i đô ̣n khác, nguồn nguyên liê ̣u cũng dồi dào, sẵn có.
NFTC được ứng du ̣ng trong các lĩnh vực như xây dựng, công nghiê ̣p ô tô. Trong xây dựng, NFTC sử du ̣ng làm các thanh trong xây dựng mái nhà; các tấm lót sàn trong nhà ở mái hiên, sân vườn, hồ bơi; profile cửa, hàng rào và cổng; sử du ̣ng làm bến tàu. Trong công nghiê ̣p ô tô, NFTC sử du ̣ng làm các bô ̣ phâ ̣n của xe ô tô góp
phần làm giảm tro ̣ng lượng xe, tiết kiê ̣m nhiên liê ̣u (hình 1.18).
Từ những năm 1990, công nghiê ̣p NFTC đã phát triển ma ̣nh mẽ. Sợi gỗ và các sợi tự nhiên khác chiếm khoảng 7% thi ̣ trường sợi gia cường và đô ̣n (Eckert, 2000). Trong đó, tốc đô ̣ phát triển của sợi gỗ đã vượt xa so với các sợi còn la ̣i do tỷ trọng thấp, công nghê ̣ sản xuất bô ̣t gỗ được hình thành từ rất sớm (hình 1.19). Các sản phẩm nhựa gỗ (WPC) được sử du ̣ng rô ̣ng rãi trong các thi ̣ trường Mỹ, Trung Quốc, Châu Âu và Nhâ ̣t Bản. Mă ̣c dù được sử du ̣ng ít hơn so với gỗ, các sợi tự nhiên còn lại cũng được sử du ̣ng ngày càng tăng lên, đă ̣c biê ̣t trong ngành công nghiê ̣p sản xuất ô tô.
Mặc dù tất cả các lợi thế nhưng vẫn có những mối quan tâm đặc biệt đến các nhược điểm của loại vật liệu này [11]:
- Trọng lượng riêng của WPC là gần như gấp đôi so với gỗ rắn. Khái niệm của việc tạo ra tế bào bọt cấu trúc đã được giảm đáng kể trọng lượng riêng của WPC.
- Tiếp xúc với bức xạ (UV) cực tím trong q trình sử dụng ngồi trời là quan tâm đặc biệt cho WPC.
- Các nhược điểm chính của việc sử dụng sợi tự nhiên như chất độn là hấp thụ nước cao hoặc giải hấp khi bị thay đổi trong độ ẩm tương đối của môi trường.
- Gia công ở nhiệt độ cao làm các thành phần lignin, cellulose… trong sợi bị phân hủy. Điều này giới hạn ứng dụng của sợi tự nhiên với chất dẻo có nhiệt độ nóng chảy cao.
- Độ bền va đập thấp là một nhược điểm của WPC, do sự hiện diện của các loại sợi tự nhiên trong nền polymer cung cấp điểm tập trung ứng suất, làm hình thành các vết nứt và hư hỏng của composite.
Hình 1.18. Thị trường NFTC WPC (trái) và composite từ các sợi tự nhiên khác
(phải) (Morton, 2002)
Hình 1.19. Lĩnh vực ứng dụng và phân bố thi ̣ trường composite nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi tự nhiên năm 2010
Hình 1.20. Mợt sớ ứng dụng của composite nhựa nhiê ̣t dẻo gia cường sợi tự nhiên (NFTC)