1.1 .Vật liệu composite
1.4. Độ bền liên diện
1.4.5. Các phƣơng pháp nâng cao độ bền liên diện composite
Việc nâng cao độ bền liên diện có vai trị rất quan trọng trong việc cải thiện tính chất của vật liệu composite, điều này lại càng quan trọng hơn đối với composite gia cƣờng bằng sợi tự nhiên. Hai phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng để nâng cao độ bền liên diện của composite sợi tự nhiên là phƣơng pháp xử lý vật lý và phƣơng pháp xử lý hóa học.
1.4.5.1. Phương pháp xử lý vật lý
Phƣơng pháp xử lý vật lý làm thay đổi tính chất bề mặt và cả cấu trúc của sợi gia cƣờng, do đó sẽ làm tăng khả năng liên kết cơ học của sợi gia cƣờng với vật liệu nền. Các phƣơng pháp xử lý vật lý nhƣ xử lý corona, xử lý plasma ở nhiệt độ thấp, dùng phún xạ tĩnh điện đang đƣợc sự quan tâm rất lớn liên quan đến việc cải thiện các tính năng của sợi thực vật. Những phƣơng pháp này cải thiện các tính chất về độ tổ chức, làm giảm sức căng bề mặt của sợi tự nhiên.
Phƣơng pháp xử lý corona là một trong những phƣơng pháp hiện đại để kích hoạt q trình oxi hóa bề mặt, đây là phƣơng pháp dựa trên sự thay đổi năng lƣợng bề mặt của các sợi cellulose. Từ đó tác động lên sự chảy nhớt của các thành phần trên bề mặt.
Phƣơng pháp xử lý plasma ở nhiệt độ thấp kích thích sự hình thành các điện tử, ion, các gốc tự do làm biến đổi các nhóm chức nhƣ alcol, aldehyde, cetone, acid carboxylic. Phƣơng pháp này cũng tạo ra sự kết tinh trên bề mặt sợi.
Phƣơng pháp dùng phún xạ tĩnh điện chủ yếu làm tăng sự gồ ghề trên bề mặt sợi và giảm sự phản xạ ánh sáng.
1.4.5.2. Phương pháp xử lý hóa học
Các phƣơng pháp xử lý hóa học nhằm cải thiện tính chất của composite gia cƣờng bằng sợi tự nhiên đang đƣợc sử dụng rất phổ biến hiện nay. Phƣơng pháp này có thể cải thiện tính chất bề mặt của sợi gia cƣờng và cả tính tƣơng hợp của vật liệu nền để tạo nên liên diện có độ bền cao. Điều này lại càng có ý nghĩa quan trọng hơn đối với composite gia cƣờng bằng sợi tự nhiên trên nền nhựa nhiệt dẻo. Các phƣơng pháp xử lý hóa học phổ biến nhƣ sử dụng tác nhân tẩy rửa để xử lý bề mặt sợi (NaOH, KOH, Ca(OH)2, H2O2,…), sử dụng chất trợ tƣơng hợp cho nhựa nền
(silanes, anhydride maleic, isocyanates,…), sử dụng các chất ngâm tẩm (polyester, epoxy,…), phƣơng pháp ghép copolymer.
a) Xử lý bề mặt sợi bằng dung dịch NaOH
Xử lý sợi tự nhiên bằng dung dịch NaOH là một trong những phƣơng pháp xử lý hóa học đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay. Tác dụng quan trọng của dung dịch NaOH lên sự cải thiện bề mặt sợi tự nhiên là loại bỏ các liên kết hydro trong cấu trúc mạng.
Khi các liên kết hydro trong các mạch cellulose bị loại bỏ thì sẽ giải phóng đƣợc ứng suất bên trong do quá trình chế biến sợi gây ra và phục hồi lại cấu trúc tự nhiên của sợi. Bên cạnh đó, khi phản ứng trên xảy ra thì nhóm -OH trong mạch cellulose sẽ đƣợc thay thế bằng nhóm -ONa điều này làm cho kích thƣớc của sợi tự nhiên tăng lên, là nguyên nhân mà sợi tự nhiên bị trƣơng phồng trong dung dịch phân cực.
Dung dịch NaOH có hiệu quả rất cao trong việc loại bỏ các thành phần làm giảm độ bền liên diện của sợi với nhựa nền nhƣ hemicellulose, lignin, pectin,… Nhờ vào việc loại bỏ các thành phần này thì phƣơng pháp xử lý này đã tạo nên sợi có bề mặt gồ ghề thuận lợi cho sự liên kết cơ học giữa sợi và nhựa nền. Hơn nữa, ion Na+ có đƣờng kính thích hợp để có thể thâm nhập vào các lổ rỗng giữa các mạng tinh thể tạo điều kiện thuận lợi cho nhựa có thể thấm sâu đến cả các vi sợi bên trong. Kết quả là khả năng thấm ƣớt của sợi sẽ đƣợc nâng cao đáng kể. Khi loại bỏ đƣợc các thành không mong muốn nhƣ hemicellulose, lignin, pectin,…, trên bề mặt sợi sẽ làm cho tỷ số hình dáng và độ kết tinh của sợi tự nhiên tăng lên điều này cũng đồng nghĩa là cơ tính của sợi tự nhiên đƣợc tăng lên.
Sợi sau khi đƣợc xử lý phải đƣợc rửa sạch bằng nƣớc, acid hóa để loại bỏ NaOH dƣ và ion Na+
nên sẽ để lại nhiều lổ trống trên bề mặt sợi. Các lổ trống này sẽ nhanh chóng đƣợc lấp đầy bằng các phân tử nƣớc và hệ quả là sợi tự nhiên sau khi đƣợc xử lý sẽ có độ hút ẩm lớn hơn so với sợi chƣa xử lý.
Một điều cần lƣu ý khi xử lý sợi bằng dung dịch NaOH là không nên xử lý ở nồng độ quá cao. Vì khi ở nồng độ quá cao thì hiệu quả loại bỏ các thành phần nhƣ hemicellulose, lignin là rất lớn làm cho các thành phần này bị loại bỏ quá mức, sẽ phá hủy vách tế bào. Điều này làm cho tính chất của sợi tự nhiên giảm đi.
b) Chất trợ tƣơng hợp silanes
Trong các phƣơng pháp xử lý sợi bằng tác nhân hóa học thì sử dụng chất trợ tƣơng hợp là một trong những phƣơng pháp cho độ bền liên diện giữa sợi và nhựa cao nhất. Các nhóm chất trợ tƣơng hợp thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ anhydride (anhydric maleic, anhydric acetic, anhydric phthalic,…), isocyanate (ethyl isocyanate, hexamethylene diisocyanate, toluene 2,4-diisocyanate,…), silane (triethoxy vinyl silane, trimethoxy vinyl silane,…), acrylate, epoxide, acid hữu cơ,… Những chất này có vai trị nhƣ là cầu nối giữa sợi với nhựa nhằm cải thiện mức độ liên kết ngang trong vùng liên diện và tạo nên sự liên kết hoàn hảo. Các loại liên kết phổ biến trong cầu nối này là liên kết cộng hóa trị, liên kết hydro, lựa Van Der Waals. Trong các nhóm chất trên thì silane đƣợc sử dụng rộng rãi nhất (Hình 1.38) và có cơng thức tổng qt là XSi(OR)3.
a) Dạng dung dịch b) Dạng hạt Hình 1.38. Chất trợ tƣơng hợp silane
Có nhiều lý thuyết đã đƣợc đƣa ra để giải thích cơ chế liên kết của silane tại liên diện nhƣng đƣợc chấp nhận nhiều nhất là thuyết liên kết hóa học. Theo thuyết
này thì các phân tử silane đƣợc xem nhƣ là một tác nhân có hai chức năng, nó liên kết sợi với nhựa qua một cầu nối siloxane.
Trong cấu tạo của silane, -OR là nhóm chức có khả năng thủy phân trong nƣớc tạo thành nhóm silanol để phản ứng với các nhóm chức -OH trên bề mặt sợi cellulose. Các nhóm -R có thể là chloro, methoxy, ethoxy,… Nhóm chức -X thì phải có khả năng phản ứng hoặc liên kết tốt với vật liệu nền. Các nhóm chức -X có thể là vinyl, - aminopropyl,… Khi silanol phản ứng với các nhóm chức -OH trên
bề mặt sợi thì bên cạnh đó cũng kèm theo sự hấp phụ hóa học lên bề mặt sợi.
Thêm vào đó, các nhóm -R phải lựa chọn sao cho phản ứng thủy phân giữa silane và nhóm -OH xảy ra trên bề mặt sợi cellulose. Bởi vì sợi sau khi xử lý sẽ đƣợc sấy khơ thì sự hóa đặc trở lại tại chỗ giữa silanol và các nhóm -OH sẽ hình thành một lớp polysiloxane ngoại quan trên bề mặt sợi. Tiếp theo là nhóm chức -X trên bề mặt sợi sẽ liên kết hoặc phản ứng với nhóm chức chứa trong nhựa nền tạo thành liên kết cộng hóa trị.
Khi tất cả các q trình này xảy ra thì silane có vai trị nhƣ một cầu nối liên kết sợi và nhựa nền tạo nên một liên diện của composite có độ bền cao. Cơ chế phản ứng của silane và sợi tự nhiên đƣợc mơ tả Hình 1.39.
Hình 1.39. Cơ chế phản ứng giữa silane và sợi tự nhiên
Liên kết cộng hóa trị và liên kết hydro là là hai loại liên kết chính giữa silane và sợi tự nhiên. Đối với các loại polymer nền kỵ nƣớc nhƣ polyolefin thì lực Van Der Waals là liên kết chủ yếu giữa silane với nhựa nền. Chất trợ tƣơng hợp silane đã làm giảm số lƣợng nhóm chức -OH có trong sợi đến mức tối thiểu nên sự nhạy cảm với độ ẩm của sợi tự nhiên đã đƣợc cải thiện rất nhiều.
Hiệu quả của việc xử lý sợi gia cƣờng bằng silane phụ thuộc nhiều vào các yếu tố nhƣ các nhóm chức hữu cơ của silane, độ pH, nhiệt độ và thời gian xử lý. Hiệu quả xử lý của phƣơng pháp này sẽ càng đƣợc nâng cao hơn khi áp dụng với sợi đã đƣợc xử lý bằng dung dịch NaOH bởi vì sẽ có nhiều nơi phản ứng và silane cũng dễ bị hấp phụ hóa học lên bề mặt sợi hơn là so với sợi chƣa xử lý.
2.1. Mục tiêu của đề tài
Đề tài đƣợc thực hiện nhằm mục tiêu xây dựng quy trình gia cơng tấm composite bằng phƣơng pháp ép nóng đồng thời cũng đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ thể tích sợi và hiệu quả của việc xử lý bề mặt sợi bằng dung dịch NaOH đến cơ tính của vật liệu composite gia cƣờng bằng sợi xơ dừa trên nền nhựa polypropylene.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trên cơ sở tham khảo các tài liệu về phƣơng pháp ép nóng trong kỹ thuật gia cơng vật liệu composite, tính chất của sợi xơ dừa, tính chất của nhựa polypropylene ta dùng thực nghiệm để tìm ra điều kiện gia cơng thích hợp tấm composite gia cƣờng bằng sợi xơ dừa (dùng sợi dài) trên nền nhựa polypropylene. Việc xây dựng quy trình gia cơng tấm composite tập trung khắc phục các hạn chế thƣờng gặp trong khi gia cơng nhƣ sản phẩm bị bọt khí, cong vênh.
Với những ƣu điểm nhƣ đơn giản, dễ thực hiện, hiệu quả xử lý tƣơng đối cao và có tính chọn lọc nên phƣơng pháp xử lý hóa học thƣờng đƣợc sử dụng để cải thiện độ bền liên diện giữa sợi gia cƣờng và nhựa nền. Cụ thể là trong đề tài này sử dụng dung dịch sodium hydroxide (NaOH) để xử lý bề mặt sợi xơ dừa. Ta tiến hành khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch NaOH nhƣ nồng độ của dung dịch NaOH, thời gian xử lý (ở nhiệt độ thƣờng). Từ đó, ta tìm ra điều kiện xử lý thích hợp cho sợi xơ dừa để gia cƣờng cho composite nền nhựa PP.
Để đánh giá hiệu quả của việc xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch NaOH ta tiến hành đo cơ tính kéo, uốn ngang (mẫu thử đƣợc cắt theo phƣơng vng góc với sợi gia cƣờng) và va đập. Cơ tính kéo là một trong những loại cơ tính đặc trƣng của vật liệu và thƣờng đƣợc đánh giá. Thí nghiệm uốn ngang là một phƣơng pháp gián tiếp nhằm xác định độ bền liên diện giữa sợi gia cƣờng và nhựa nền. Phƣơng pháp này cho kết quả nhanh chóng thể hiện khả năng liên kết giữa sợi xơ dừa và nhựa PP, dể thực hiện hơn các phƣơng pháp đo trực tiếp khác và đặc biệt là phù hợp với điều kiện thiết bị của phịng thí nghiệm. Khả năng chịu va đập là loại cơ tính mà ta mong muốn có đƣợc cho composite dựa trên bản chất của hai loại vật liệu thành phần là sợi xơ dừa và nhựa PP.
Bên cạnh đó, ta cũng tiến hành phân tích hàm lƣợng cellulose, chụp SEM bề mặt sợi xơ dừa và bề mặt phá hủy của các mẫu composite nhằm cung cấp thêm cơ sở để so sánh hiệu quả của việc xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch NaOH.
2.2. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất 2.2.1.1. Sợi xơ dừa 2.2.1.1. Sợi xơ dừa
Sợi xơ dừa nguyên liệu là sợi xơ dừa nâu dạng sợi thẳng đƣợc lấy từ xã Thạnh Trị, huyện Mỏ Cày, tỉnh Bến Tre (Hình 2.1). Sợi xơ dừa ngun liệu có các thơng số nhƣ sau: - Độ hút ẩm của sợi khi chƣa xử lý là 10,67% (đƣợc xác định tại Phịng thí nghiệm Hóa hữu cơ, Khoa Cơng nghệ, Trƣờng Đại học Cần Thơ).
Hình 2.1. Sợi xơ dừa nguyên liệu
- Hàm lƣợng cellulose của sợi khi chƣa xử lý là 41,86% (đƣợc xác định tại Phịng thí nghiệm chun sâu Trƣờng Đại học Cần Thơ).
- Hàm lƣợng tro còn lại sau khi nung là 2,52% (đƣợc xác định tại Phòng thí nghiệm Hóa vơ cơ, Khoa Cơng nghệ, Trƣờng Đại học Cần Thơ).
2.2.1.2. Nhựa polypropylene
Nhựa polyropylene sử dụng là loại nhựa PP film 19 đƣợc cung cấp bởi Propex, Bỉ (Hình 2.2).
a) Dạng nguyên tấm b) Đƣợc cắt theo kích thƣớc khn Hình 2.2. Nhựa PP film 19
Nhựa PP film 19 có các thông số đƣợc xác định tại Katholieke Universiteit Leuven nhƣ sau:
- Tỷ trọng 0,9 g/cm3.
- Độ dày tấm film 50 m .
Chỉ số chảy thành dòng (MFI) theo một số tài liệu là khoảng hơn 3 g/10 phút.
2.2.1.3. Sodium hydroxyde
Sodium hydroxyde (NaOH) sử dụng là dạng rắn đƣợc sản xuất bởi Guangdong Guanghua Chemical Factory, Trung Quốc (Hình 2.3).
a) Lọ NaOH Trung Quốc b) Sodium hydroxide dạng vảy Hình 2.3. Sodium hydroxyde
Sodium hydroxyde có các thơng số đƣợc cung cấp bởi nhà sản xuất nhƣ sau: - Độ tinh khiết trên 96%.
- Hàm lƣợng Na2CO3 dƣới 1,5%. - Hàm lƣợng Potassium dƣới 0,01%. - Hàm lƣợng kim loại nặng dƣới 0,003%.
2.2.2. Thiết bị
2.2.2.1. Máy ép nóng
Máy ép nóng sử dụng là loại máy PAN STONE P-100-PCD đƣợc sản xuất bởi PAN STONE HYDRAULIC IND, Đài Loan (Hình 2.4). Máy ép nóng PAN STONE P-100-PCD có các thơng số kỹ thuật nhƣ sau:
- Công suất: 10,8 KW.
- Lực ép tối đa 100 tấn, lực ép làm việc 80 tấn. - Nhiệt độ tối đa: 300oC.
- Kích thƣớc mặt khn (mm): 400 x 400. Hình 2.4. Máy ép nóng PAN STONE P-100-PCD
2.2.2.2. Thiết bị đo cơ tính
a) Thiết bị đo kéo - nén
Thiết bị đo cơ tính kéo và nén là loại thiết bị Zwick/Roell BDO - FB050TN đƣợc sản xuất tại Đức (Hình 2.5).
Thiết bị Zwick/Roell BDO - FB050TN có các thông số nhƣ sau:
- Công suất: 0,6 KW.
- Tải tác dụng khi kéo, nén: 50 KN.
- Tốc độ của con trƣợt: 0,001 - 180 mm/phút.
Hình 2.5. Thiết bị đo kéo nén Zwick/Roell BDO - FB050TN b) Thiết bị đo va đập
Là loại thiết bị đo va đập vạn năng loại búa quả lắc Zwick/Roell BPI - 50COMC đƣợc sản xuất tại Đức (Hình 2.6).
Thiết bị Zwick/Roell BPI - 50COMC có các thơng số nhƣ sau:
- Kiểu thử nghiệm: Izod, Charpy.
- Tiêu chuẩn: ISO 179, ISO 180, ASTM D 256.
- Các loại búa sử dụng: 1J, 2,75J, 4J, 11J, 15J, 22J, 50J.
Hình 2.6. Thiết bị Zwick/Roell BPI - 50COMC
Ngoài ra, trong quá trình thực hiện đề tài còn sử dụng các thiết bị khác nhƣ máy chụp SEM (Scaning Electron Microscopy), máy đo độ ẩm (Sartorius MA 45, Đức), lị nung (Nabertherm, Đức).
2.3 Quy trình thực hiện đề tài
Quy trình thực hiện đề tài đƣợc mô tả qua sơ đồ:
Hình 2.7. Quy trình thực hiện đề tài
Quy trình tiến hành thí nghiệm bao gồm 5 giai đoạn chính nhƣ sau:
2.3.1. Khảo sát tính chất của sợi xơ dừa nguyên liệu
Sợi xơ dừa nguyên liệu đƣợc xác định hàm lƣợng cellulose và xác định độ ẩm có trong sợi.
Để biết đƣợc tính chất bề mặt của sợi xơ dừa nguyên liệu ta chụp SEM bề mặt sợi xơ dừa nguyên liệu khi chƣa đƣợc xử lý hóa học.
Chụp SEM bề mặt phá hủy
Chụp SEM bề mặt phá hủy Khảo sát các điều kiện
nhiệt độ và thời gian gia công tấm composite Khảo sát tính chất của sợi xơ dừa nguyên liệu
Xác định độ ẩm, hàm lƣợng tro Xác định hàm lƣợng cellulose
Chụp SEM bề mặt sợi
Khảo sát tỷ lệ sợi tối ƣu cho tấm composite
Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ NaOH và thời gian xử lý lên cơ tính composite
Xác định các tính chất của sợi xơ dừa sau khi xử
lý với dung dịch NaOH Xác định hàm lƣợng cellulose Chụp SEM bề mặt sợi
Xác định độ ẩm Đo cơ tính kéo,
uốn, va đập
Đo cơ tính kéo, uốn, va đập
Đo cơ tính kéo, uốn, va đập
Hàm lƣợng chất vơ cơ khó phân hủy trong sợi xơ dừa là một thông số cần đƣợc xác định vì đây là một thơng số có ý nghĩa quan trọng đối với vật liệu mang ý nghĩa