- Ƣu điểm: Thời gian gia cơng sản phẩm tƣơng đối nhanh, có tỷ lệ sợi cao. Do phƣơng pháp này gia công sản phẩm composite chủ yếu dùng nhựa nhiệt dẻo nên sản phẩm có khả năng tái chế, ít ảnh hƣởng đến mơi trƣờng.
- Nhƣợc điểm: Phƣơng pháp này chỉ hiệu quả để tạo các sản phẩm dạng tấm, sản phẩm dễ bị cong vênh, khó tạo sản phẩm có bề dày lớn.
1.1.5.2. Gia cơng vật liệu composite bằng phương pháp ép nóng
Phƣơng pháp gia công bằng cách ép khn đã có từ lâu, trƣớc các phƣơng pháp gia công khác. Phƣơng pháp ép nóng có thể áp dụng đƣợc cho cả composite nhựa nền nhiệt dẻo lẫn nhiệt rắn. Đây là phƣơng pháp gia công chủ yếu tạo sản phẩm composite nền nhựa nhiệt dẻo và là một trong những phƣơng pháp gia cơng có hiệu suất tƣơng đối cao.
Áp lực Khuôn đực
đƣợc gia nhiệt Khuôn cái đƣợc gia nhiệt
a) Nguyên lý
Đầu tiên, nhựa và sợi gia cƣờng (đã đƣợc gia nhiệt sơ bộ) đƣợc cho vào nửa dƣới của khuôn ép, khuôn đã đƣợc gia nhiệt trƣớc bằng các điện trở đặt bên trong. Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn ép cũng đã đƣợc gia nhiệt trƣớc bằng điện trở, nửa khuôn dƣới di chuyển lên tiến hành ép, nhựa chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục đƣợc duy trì để nhựa nóng chảy điền đầy khn. Sau đó, đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ đƣợc làm nguội đến nhiệt độ dƣới nhiệt độ kết tinh của nhựa để chuyển sang trạng thái rắn. Trong quá trình làm nguội, áp lực tác dụng vẫn đƣợc duy trì để cố định hình dáng sản phẩm, hạn chế tình trạng sản phẩm bị cong vênh. Kết thúc quá trình thì mở khn lấy sản phẩm và vệ sinh khn.
b) Cấu tạo máy ép nóng
Máy ép nóng cấu tạo có các bộ phận chính gồm máy ép, khuôn ép, hệ thống gia nhiệt - giải nhiệt, ….
- Máy ép: Dùng để tạo áp lực cho q trình ép. Có nhiều loại máy ép và hoạt động chủ yếu bằng thuỷ lực nhằm giúp cho thiết bị có cấu tạo và vận hành đơn giản. Đối với máy ép thủy lực, ngƣời ta thƣờng sử dụng 2 hệ thống áp suất: áp suất thấp để đóng khn ép nhanh (có giá trị thấp hơn hoặc bằng 8 kg/cm2
), áp suất cao để tạo áp suất đủ cho q trình ép (có giá trị biến thiên từ 20 ÷ 300 kg/cm2
).
- Khn ép: Có nhiều loại khn khác nhau và mỗi loại chỉ có thể dùng để ép một số nguyên liệu nhất định. Việc chọn khn phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, tính chất vật liệu, yêu cầu của quy trình cơng nghệ… Về cơ bản cấu tạo khn ép gồm chày ép và cối. Việc phân loại khn có thể theo nhiều cách khác nhau nhƣng cách phân loại thơng dụng là phân loại theo cách khép kín vùng tạo hình gồm khn hở, khn kín và nữa kín.
Ngồi ra, cịn có hệ thống gia nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho khn ép và giữ ở nhiệt độ gia cơng, thƣờng dùng điện trở vì nó hiệu quả, tiện lợi, dễ điều chỉnh. Hệ thống giải nhiệt thƣờng sử dụng nƣớc làm mát để giải nhiệt cho sản phẩm đến khi chuyển sang trạng thái rắn để nhằm cố định hình dạng sản phẩm. Đây là một trong những yếu quan trọng quyết định đến chất lƣợng sản phẩm đối với gia công composite nền nhựa nhiệt dẻo.
c) Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình gia cơng
- Nhiệt độ ép: Tùy vào mỗi loại vật liệu cụ thể mà khi gia cơng sản phẩm composite thì nhiệt độ gia cơng phải nằm trong một khoảng giới hạn nhiệt độ nhất định. Nếu vƣợt quá giới hạn trên của nhiệt độ, tính chất của sản phẩm sẽ suy giảm
do phản ứng phân hủy sợi hay nhựa xảy ra. Nhƣng nếu nhiệt độ nhỏ hơn giới hạn dƣới thì sản phẩm có kết cấu không chặt chẽ, khả năng thấm của nhựa vào sợi không tốt.
- Áp lực ép: Giúp khối vật liệu kết dính thành khối liên tục và tạo lực đẩy khối vật liệu lỏng lấp đầy vùng tạo hình của khn, loại bớt bọt khí trong q trình gia cơng. Khi có sự khiếm khuyết hình dạng của sản phẩm, sản phẩm có khối lƣợng riêng thấp thì một trong các nguyên nhân có thể là áp suất ép khơng đạt. Trái lại, áp suất ép quá cao thƣờng tạo nhiều ba via trên sản phẩm và làm khuôn mau hƣ hỏng. Áp suất ép phụ thuộc vào tính chất vật liệu ở nhiệt độ gia cơng và hình dáng sản phẩm (sản phẩm càng phức tạp thì áp suất ép phải càng lớn).
- Thời gian lƣu sản phẩm trong khuôn: Là khoảng thời gian đƣợc tính từ lúc chày ép tiếp xúc với khối vật liệu trong khuôn đến khi lấy sản phẩm khỏi khuôn. Nếu vật liệu đƣợc gia nhiệt sơ bộ thì thời gian lƣu sẽ đƣợc rút ngắn rất nhiều. Thời gian lƣu sản phẩm có quan hệ mật thiết với nhiệt độ ép và thông thƣờng phụ thuộc vào bề dày của sản phẩm.
- Tốc độ giải nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm. Nếu tốc độ giải nhiệt quá nhanh thì tỷ lệ tinh thể kết tinh không cao, sản phẩm dể bị cong vênh dẫn đến tính chất cơ lý của sản phẩm khơng cao. Tốc độ giải nhiệt q chậm thì sẽ ảnh hƣởng đến hiệu suất của q trình. Vì vậy, phải có tốc độ giải nhiệt phù hợp sao cho nhựa có thể kết tinh đƣợc tối đa lƣợng tinh thể. d) Lấy sản phẩm và vệ sinh khuôn ép
- Lấy sản phẩm: Việc lấy sản phẩm có thể tiến hành trong hoặc ngồi máy ép. Cơng đoạn này cần tiến hành nhanh để tránh khuôn bị nguội. Để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng thì phải lựa chọn phƣơng pháp lấy sản phẩm thích hợp. Cách lấy sản phẩm thơng dụng nhất là dùng thanh đẩy, mâm trƣợt hay khí nén.
- Vệ sinh khn ép: Mục đích của cơng đoạn này là giúp cho bề mặt sản phẩm bóng đẹp. Mặt khác, khn ép sạch cũng giúp cho vật liệu dễ chảy vào khuôn ép. Việc làm sạch khn có thể tiến hành bằng tay, khí nén. Sau khi vệ sinh khuôn xong thông thƣờng khn cịn đƣợc phủ thêm chất tách khn, chất làm kín để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
1.2 Sợi tự nhiên
Chúng ta đều biết rằng các sợi tự nhiên có thể đem lại cho vật liệu composite độ bền dai cao, cho cơ tính riêng nhƣ ý và hơn hết là khả năng phân hủy sinh học. Sợi tự nhiên thì dễ tìm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ. Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi tự nhiên đƣợc nhóm thành:
- Sợi lấy từ vỏ, thân cây nhƣ đay (jute), lanh (flax), bã mía (bagasse), gai dầu (hemp), dâm bụt (kenaf), lục bình (water hyacinth),…
- Sợi lấy từ lá nhƣ cọ (palm), si-dan (sisal), dứa (pineapple), cây thùa (henequen),….
- Sợi từ bông, hạt nhƣ sợi xơ dừa (coir), bông vải (cotton), bông gạo (kapok), cọ dầu (oil palm), ….
1.2.1. Tổng quan về sợi tự nhiên[3], [4], [23], [24], [25], [26]
1.2.1.1. Cấu trúc vi mơ và kích thước của sợi tự nhiên
a) Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có thể đƣợc xem nhƣ là composite của vi sợi cellulose đƣợc gắn kết với nhau trên nền vơ định hình chủ yếu gồm lignin và hemicellulose. Cellulose là thành phần polymer chính của sợi tự nhiên và chủ yếu có trong vách tế bào của sợi tự nhiên. Vách tế bào từ ngoài vào trong cơ bản cấu tạo gồm biểu bì, lớp sơ cấp, lớp trung gian, lớp thứ cấp (Hình 1.12).
Hình 1.12. Cấu trúc sợi bông vải (cotton)
- Biểu bì là lớp tế bào phía ngồi để bảo vệ. Vách ngồi của biểu bì thƣờng đƣợc bao phủ bằng lớp cutin giống nhƣ sáp nhằm ngăn cản sự khơ kiệt, bảo vệ cho
Biểu bì
Lớp trung gian
Lớp sơ cấp
Lớp thứ cấp
các lớp phía trong khơng bị những tác hại cơ học, tăng khả năng chống lại sự xâm nhập của nấm, vi khuẩn…
- Lớp sơ cấp là một lớp màng mỏng và là lớp đầu tiên hình thành trong suốt quá trình phát triển của tế bào bao quanh lớp thứ cấp.
- Lớp trung gian và lớp thứ cấp là nơi tập trung chủ yếu của vi sợi cellulose. Lớp trung gian gồm một chuỗi những vi sợi cellulose xoắn hình thành từ những phân tử cellulose mạch dài. Trong khi lớp thứ cấp có nhiều lớp nhỏ S1, S2, S3…, lớp
này rất dày và là lớp quyết định cơ tính của sợi. Các vi sợi cellulose ở các lớp khác nhau xoắn quanh trục chính với những góc khác nhau và góc lệch này đƣợc gọi là góc vi sợi. Giá trị của góc vi sợi thay đổi tùy theo các loại sợi khác nhau.
Pha vơ định hình trong vách tế bào rất phức tạp chủ yếu gồm hemicellulose, lignin, pectin. Ngồi ra, cịn có những thành phần khác nhƣ cutin, sáp, suberin….
b) Kích thƣớc của sợi tự nhiên
Một phân tử cellulose gồm khoảng 10.000 gốc anhydro-D-glucose, 100 phân tử cellulose hợp thành một mixen có kích thƣớc khoảng 5 nm, 20 mixen mới hợp thành một vi sợi (microfibril) có kích thƣớc khoảng 10-30 nm và 250 vi sợi mới tạo nên một bó sợi cellulose (macrofibril).
Khơng giống nhƣ những sợi nhân tạo có cấu trúc hình trụ với đƣờng kính gần nhƣ khơng đổi, đƣờng kính của sợi tự nhiên thay đổi trong một khoảng lớn. Sợi tự nhiên có nhiều khuyết tật nhƣ những gấp khúc trên bề mặt sợi, tại những điểm kết nối tạo nên những điểm yếu mà tại đây sợi có thể bị đứt một cách dễ dàng. Những khuyết tật này là do sự xoắn bện của các bó sợi cellulose trong q trình sắp xếp của những chuỗi cellulose.
Một thơng số quan trọng ảnh hƣởng đến cơ tính composite là tỷ số hình dạng sợi (tỷ số giữa chiều dài sợi so với đƣờng kính sợi). Tỷ số hình dạng của sợi tự nhiên bị thay đổi mạnh do sự chà xát trong suốt quá trình thu và chế biến sợi. Bên cạnh đó, một vài phƣơng pháp xử lý hóa học (xử lý sợi bằng dung dịch xút, nƣớc vơi, thuốc tím…) sẽ làm giảm đƣờng kính sợi nhờ loại bỏ những thành phần kết dính ở trên bề mặt sợi dẫn đến tỉ số hình dạng sợi tăng lên, điều này đồng nghĩa là cơ tính của composite cũng đƣợc tăng lên. Cần lƣu ý rằng, sợi tự nhiên sẽ bị trƣơng phồng khi đặt trong môi trƣờng có tính phân cực nhƣ nƣớc, dimethylforamide, dimethylsulfoxyde, tetrahydrofuran, pyridine…dẫn đến đƣờng kính sợi tăng lên đáng kể.
1.2.1.2. Thành phần hóa học của sợi tự nhiên
Tỷ lệ các thành phần hóa học của sợi tự nhiên thay đổi phụ thuộc vào từng loại sợi, điều kiện thổ nhƣỡng nhƣng thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose, hemicellulose, lignin, pectin. Tính chất của mỗi thành phần góp phần tạo nên tính chất chung của sợi. Trong Bảng 1.1 là thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên dựa trên một tài liệu tham khảo.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên Sợi Cellulose (% KL) Hemicellulose (% KL) Lignin (% KL) Pectin (% KL) Độ ẩm (% KL) Sáp (% KL) Lanh 71 18,6-20,6 2,2 2,3 8-12 1,7 Gai dầu 70-74 17,9-22,4 3,7-5,7 0,9 6,2-12 0,8 Đay 61,1-71,5 13,6-20,4 12-13 0,2 12,5-13,7 0,5 Dâm bụt 45-57 21,5 8-13 3-5 - - Gai 68,6-76,2 13,1-16,7 0,6-0,7 1,9 7,5-17 0,3 Tầm ma 86 - - - 11-17 - Si-dan 66-78 10-14 10-14 10 10-22 2 Thùa 77,6 4-8 13,1 - - - Chuối 63-64 10 5 - 10-12 - Cọ dầu 65 - 19 - - - Bông vải 85-90 5,7 - 0,1 7,85-8,5 0,6 Xơ dừa 32-43 0,15-0,25 40-45 3-4 8 - Rơm rạ 38-45 15-31 12-20 8 - -
So với các sợi tự nhiên khác thì sợi xơ dừa có hàm lƣợng cellulose thấp nên hệ quả là cơ tính của sợi không cao. Cho nên, cần sử dụng các biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ lignin (là thành phần chiếm tỷ lệ cao nhất trong sợi xơ dừa) nhằm làm tăng tỷ lệ cellulose trong sợi.
a) Cellulose
Cellulose là một polymer tự nhiên gồm những mắc xích cơ sở là anhydro-D- glucose (C6H11O5) liên kết lại với nhau bởi liên kết - 1,4-glucosidic (Hình 1.13).