Vải thủy tinh thô Vải thủy tinh mat
Thời gian thấm ướt, t (s) 305 367
Hệ số thấm ướt, K (m2) 2,32.10-8 1,93.10-8
Từ kết quả trên bảng 3.2 cho thấy thời gian thấm ướt của vải thủy tinh dạng thô ngắn hơn vải thủy tinh dạng mat. Trên cơ sở đó tính tốn theo phương trình Darcy về hệ số thấm ướt cho thấy vải thủy tinh thơ có khả năng thấm ướt với nhựa epoxy là tốt hơn thủy tinh mat. Điều này được cho là do đối với vải thủy tinh mat có cấu
trúc dạng rối, các sợi thủy tinh sắp xếp khơng có định hướng sẽ gây ra hiện tượng ngăn cản dịng chảy của nhựa. Thêm vào đó, đối với vải thủy tinh mat còn sử dụng các chất kết dính để định hình vải cũng sẽ làm cản trở dòng chảy và khả năng thấm ướt của vải đối với nhựa nền. Trong khi đó, vải thủy tinh thơ với cấu trúc dệt không gặp phải những vấn đề này.
3.2. Cấu trúc hình thái sợi xơ dừa trước và sau khi xử lý kiềm
Tiến hành khảo sát cấu trúc hình thái sợi xơ dừa trước và sau khi xử lý kiềm bằng phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ở các độ phóng đại khác nhau.
100 lần 100 lần
100 lần (a) 100 lần (b)
Hình 3.2 Ảnh SEM bề mặt xơ dừa chưa xử lý (a) và đã xử lý (b) ở độ phóng đại 100 lần
Từ hình 3.2 có thể thấy, ở độ phóng đại 100 lần, đường kính sợi trước khi xử lý lớn hơn nhiều so với sợi xử lý, theo thang đo 100µm thì đường kính sợi chưa xử lý khoảng 400µm, trong khi sợi xử lý nhỏ hơn rất nhiều, chỉ còn khoảng 200µm, trên bề mặt sợi có rất nhiều thành phần vơ định hình, nhìn theo hướng chiều ngang và chiều dọc sợi, có thể thấy thành phần vơ định hình khá nhiều, bao phủ gần như hoàn toàn bề mặt sợi, việc sợi chứa các thành phần vơ định hình này, làm giảm
khả năng thấm ướt nhựa với sợi, ngăn cản dòng nhựa đi vào sợi, giảm khả năng tương hợp của nhựa với sợi.
Còn đối với sợi đã xử lý, ở độ phóng đại 100, cả theo hướng chiều ngang và chiều dọc sợi, sợi có hình dáng mịn hơn, ít thành phần vơ định hình hơn so với khi chưa xử lý kiềm, có thể thấy thành phần vơ định hình ở sợi xử lý đã được loại bỏ khá nhiều, điều này giúp cho quá trình điền nhựa dễ dàng hơn, khả năng thấm ướt nhựa đối với sợi tốt hơn.
300 lần 200 lần
500 lần (a) 500 lần (b)
Hình 3.3 Ảnh SEM bề mặt sợi chưa xử lý (a) và sợi đã xử lý (b) ở độ phóng đại 200, 300 và 500 lần
Trên hình 3.3 là ảnh SEM bề mặt ngang của xơ dừa khi chưa xử lý ở độ phóng 300 và 500 lần, bề mặt xơ dừa lúc này thấy rõ ràng hơn ở độ phóng đại lớn. Thành phần vơ định hình khơng làm tăng tính chất của nhựa khi sợi được đưa vào rất nhiều, có hình dạng khơng đồng đều, bề mặt gồ ghề khơng đồng nhất, làm cho q trình điền nhựa vào gặp cản trở rõ rệt, do đó làm giảm tính chất của vật liệu PC. Do đó, việc loại bỏ các thành phần vơ định hình ở trong sợi xơ dừa để làm tăng tính chất của vật liệu PC đáng quan tâm và cần thiết.
Đối với sợi đã xử lý, ở độ phóng đại 200 và 500 lần, có thể thấy rõ ràng nhất bề mặt sợi xơ dừa, thành phần vơ định hình lúc này gần như đã được loại bỏ phần lớn trên bề mặt sợi, các vẩy trên sợi chưa xử lý là phần vơ định hình, đối với sợi xử lý, bề mặt xenlulo đã lộ ra ngồi, có dạng hình lượn sóng, khác hẳn so với hình dạng khơng đồng đều, bề mặt rỗ, gồ ghề khi chưa xử lý kiềm tạo điều kiện cho xenlulo tiếp xúc với nhựa nền, tăng khả năng bám dính với nhựa nền.
Việc xử lý kiềm giúp đường kính sợi giảm, bề mặt sợi ít bị cản trở hơn, thành phần vơ định hình giảm, làm cho hàm lượng xenlulo tăng lên, nhờ đó sẽ làm cho tính chất của vật liệu PC thay đổi tích cực, tăng hơn so với khi chưa xử lý kiềm. Đây là một trong những phương pháp hiệu quả để tăng tính chất của vật liệu PC gia cường bằng sợi tự nhiên.
3.3. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa chưa xử lý đến tính chất cơ lý vật liệu PC
Để khảo sát ảnh hưởng của loại sợi dừa đến tính chất vật liệu PC, tiến hành so sánh tính chất của vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng chưa xử lý/thủy tinh với vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa rối chưa xử lý/thủy tinh ở cùng tỷ lệ sợi xơ dừa/thủy tinh là 30/70 với tổng hàm lượng sợi là 35%.
Kết quả ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền kéo của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.4:
Hình 3.4. Ảnh hưởng của loại sợi dừa đến tính chất kéo của vật liệu PC
Từ hình 3.2 nhận thấy rằng, vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh cho độ bền kéo là 67,5MPa, tốt hơn độ bền kéo của vật liệu
PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa rối/thủy tinh là 60,3 MPa, modun uốn của vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh là 2,4 GPa cao hơn sợi xơ dừa rối là 2,1 GPa .
Kết quả ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền uốn của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.5:
Hình 3.5. Ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền uốn của vật liệu PC
Từ hình 3.3 nhận thấy, vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh có độ bền uốn là 150,1 MPa cao hơn so với độ bền uốn của sợi xơ dừa rối là 134,4 MPa, modun uốn vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh là 8,5 GPa cao hơn sợi xơ dừa rối là 5,2 GPa.
Kết quả ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền va đập của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.4 dưới đây:
Từ hình 3.6 nhận thấy, vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh cho độ bền va đập tốt nhất là 33,4 KJ/m² cao hơn so với vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa rối/thủy tinh là 29,1 KJ/m².
Điều này được giải thích rằng sợi xơ dừa đơn hướng khi tạo thành tấm các sợi được sắp xếp theo một chiều nên tất cả các sợi có khả năng chịu lực giống nhau, cịn sợi xơ dừa rối khi tạo thành tấm các sợi sắp xếp ngẫu nhiên nên cản trở dòng nhựa đi vào, bề mặt liên kết sợi xơ dừa rối với nhựa kém hơn sợi đơn hướng với nhựa dẫn đến khả năng gia cường của sợi xơ dừa rối kém hơn. Ngồi ra sợi xơ dừa đơn hướng có độ thấm ướt cao hơn sợi xơ dừa rối. Vì vậy tính chất cơ học của vật liệu PC gia cường hệ sợi xơ dừa đơn hướng/ sợi thủy tinh cho tính chất tốt hơn vật liệu PC gia cường hệ sợi xơ dừa rối/ sợi thủy tinh.
3.4. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa xử lý kiềm đến tính chất cơ lý của vật liệu PC PC
Ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng của sợi xơ dừa đơn hướng chưa xử lý kiềm và đã xử lý kiềm đến tính chất của vật liệu PC ở cùng một tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh là 30/70 với tổng hàm lượng sợi là 35%.
Kết quả ảnh hưởng của sợi xơ dừa xử lý kiềm đến độ bền kéo của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.5 dưới đây:
Hình 3.7. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa đơn hướng xử lý kiềm đến độ bền kéo của vật liệu PC
Từ hình 3.7 nhận thấy rằng, độ bền kéo vật liệu PC sử dụng sợi xơ dừa đã xử lý tốt nhất là 86,9 MPa cao hơn sợi xơ dừa chưa xử lý là 67,5 MPa. Modun uốn
của vật liệu PC gia cường sợi xơ dừa đã xử lý/thủy tinh là 3,3 GPa cao hơn sợi xơ dừa chưa xử lý là 2,4 GPa.
Kết quả ảnh hưởng của sợi xơ dừa xử lý kiềm đến độ bền uốn của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.6 dưới đây:
Hình 3.8. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa đơn hướng xử lý kiềm đến độ bền uốn của vật liệu PC
Từ hình 3.8 dễ dàng nhận thấy độ bền uốn của vật liệu PC gia cường sợi xơ dừa đã xử lý/thủy tinh là 183,9 MPa cao hơn sợi xơ dừa chưa xử lý là 125,4 MPa modun uốn của vật liệu PC gia cường sợi xơ dừa đã xử lý/thủy tinh là 9,5 GPa cao hơn sợi xơ dừa chưa xử lý là 7,7 GPa.
Kết quả ảnh hưởng của sợi xơ dừa xử lý kiềm đến độ bền va đập của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.7 dưới đây:
Hình 3.9. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa đơn hướng xử lý kiềm đến độ bền va đập của vật liệu PC
Từ hình 3.9 dễ dàng nhận thấy, độ bền va đập của vật liệu gia cường bằng hệ sợi xơ dừa đã xử lý/thủy tinh đạt giá trị cao nhất là 48,1 KJ/m², lớn hơn khoảng 10 MPa so với vật liệu gia cường bằng sợi xơ dừa chưa xử lý/thủy tinh là 38,9 KJ/m².
Điều này được giải thích rằng, trước khi xử lý trong sợi có các thành phần như xenlulo, lignin, hemixenlulo, pectin... Sau khi xử lý, sợi đã loại bỏ đáng kể đi các thành phần lignin, hemixenlulo, pectin... nên sợi thấm ướt tốt hơn, bề mặt liên kết sợi đã xử lý với nhựa tốt hơn. Vì vậy, tính chất cơ học của vật liệu PC gia cường hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng đã xử lý/ sợi thủy tinh cho tính chất tốt hơn sợi chưa xử lý.
Hình 3.10 cho thấy bề mặt phá hủy của vật liệu PC gia cường hệ lai tạo sợi xơ dừa đơn hướng chưa xử lý và đã xử lý với sợi thủy tinh sau quá trình phá hủy kéo bằng phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ở các độ phóng đại 100, 300 lần:
(a) (b)
Hình 3.10. Ảnh chụp SEM bề mặt phá hủy của vật liệu PC gia cường sợi xơ dừa đơn hướng chưa xử lý (a) và đã xử lý kiềm (b) với sợi thủy tinh.
Từ hình 3.8 có thể thấy, tại bề mặt phá hủy kéo đứt của vật liệu sử dụng hệ sợi lai tạo sợi sơ dừa đã qua xử lý với sợi thủy tinh, nhiều sợi bị đứt cùng nhựa nền
chứng tỏ liên kết giữa nhựa và sợi tốt nên sợi không bị rút ra khỏi nhựa khi đứt. Bề mặt cấu trúc bó sợi xơ dừa qua xử lý kiềm đã được làm sạch các tạp chất trong khi các bó sợi xơ dừa lại bị bao quanh bởi các thành phần vơ định hình là các lignin, hemixenlulo. Các thành phần này làm cản trở sự tiếp xúc giữa nhựa nền và các sợi xenlulo có trong cấu trúc sợi làm cho liên kết giữa sợi và nhựa nền kém. Việc xử lý kiềm đã loại bỏ các thành phần vơ định hình này. Do đó, mẫu vật liệu sử dụng hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa đã qua xử lý với sợi thủy tinh cho tính chất tốt hơn với mẫu vật liệu sử dụng hệ sợi lai tạo sợi xơ dừa chưa xử lý với sợi thủy tinh.
3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng đã xử lý/sợi thủy tinh đến tính chất cơ lý của vật liệu tính chất cơ lý của vật liệu
Ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng đã xử lý/ sợi thủy tinh theo phương pháp vỏ cốt và phương pháp xen kẽ đến tính chất vật liệu ở các tỷ lệ 20/80, 30/70, 40/60 và 50/50 với tổng hàm lượng sợi là 35%.
3.5.1. Phương pháp vỏ cốt
3.5.1.1. Độ bền kéo
Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.11 dưới đây:
Hình 3.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu
Từ hình 3.11 nhận thấy rằng, độ bền kéo của vật liệu PC tỷ lệ nghịch với hàm lượng xơ dừa có trong vật liệu. Cụ thể độ bền kéo của vật liệu giảm từ 94,6 MPa xuống 72,6 MPa khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ 20% lên
50%. Modun kéo của vật liệu cũng giảm từ 2,8 GPa xuống 2,5 GPa khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ 20% lên 50%. Điều này được giải thích rằng xơ dừa có độ thấm ướt kém hơn sợi thủy tinh nên càng nhiều sợi xơ dừa độ thấm ướt càng giảm, khả năng liên kết giữa nhựa và sợi xơ dừa kém. Ngoài ra, sợi xơ dừa là sợi tự nhiên, trong sợi tự nhiên ngồi xenlulo là thành phần chính cịn có những thành phần khác như lignin và hemixenlulo cũng đóng một vai trị quan trọng trong tính chất đặc trưng của sợi, tuy nhiên chúng lại làm giảm khả năng kết dính giữa sợi và nhựa nền.
Vì vậy khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng thì độ bền kéo vật liệu PC giảm.
3.5.1.2. Độ bền uốn
Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh đến độ bền uốn của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.16 dưới đây:
Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh đến độ bền uốn của vật liệu
Từ hình 3.12 nhận thấy rằng, độ bền uốn của vật liệu PC tỷ lệ nghịch với hàm lượng xơ dừa có trong vật liệu. Cụ thể độ bền uốn của vật liệu giảm từ 212,1 MPa xuống 167,0 MPa khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ 20% lên 50%.
Modun uốn của vật liệu cũng giảm từ 10,8 GPa xuống 9,1 GPa khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ 20% lên 50%. Điều này được giải thích rằng, khi bị uốn phần vỏ là phần chịu lực đầu tiên, theo phương pháp vỏ cốt sợi xơ
dừa đơn hướng xếp trong cùng sợi thủy tinh được xếp đều sang hai bên vỏ, nên khi giảm hàm lượng thủy tinh, hàm lượng lớp vỏ thủy tinh của vật liệu giảm nên độ bền uốn vật liệu giảm.
3.5.1.3. Độ bền va đập
Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa đơn hướng/thủy tinh đến độ bền va đập của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.17 dưới đây:
Hình 3.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh đến độ bền va đập của vật liệu
Từ hình 3.13 nhận thấy rằng, độ bền va đập của vật liệu PC tỷ lệ thuận với hàm lượng xơ dừa có trong vật liệu. Cụ thể độ bền va đập của vật liệu tăng từ 31,7 KJ/m² lên 64,5 KJ/m² khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ 20% lên 50%. Điều này có thể được giải thích rằng sợi xơ dừa có độ bền kém hơn sợi thủy tinh nên hấp thu ứng suất tốt hơn do đó khi tăng hàm lượng xơ dừa có trong vật liệu thì độ bền va đập của vật liệu tăng.
3.5.2. Phương pháp xen kẽ
3.5.2.1. Độ bền kéo
Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ sợi đơn hướng/thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu PC được thể hiện ở hình 3.14 dưới đây:
Hình 3.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi xơ dừa/sợi thủy tinh đến độ bền kéo của vật liệu
Từ hình 3.14 nhận thấy rằng, độ bền kéo của vật liệu PC tỷ lệ nghịch với hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu. Cụ thể độ bền kéo của vật liệu giảm từ 89,8 MPa xuống 70,6 MPa, modun kéo của vật liệu cũng giảm từ 4,1 GPa xuống 3,2 GPa khi hàm lượng sợi xơ dừa có trong vật liệu tăng từ từ 20% lên 50%. Điều này được giải thích rằng sợi xơ dừa có độ bền kém hơn sợi thủy tinh, càng nhiều