1.3. Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre
1.3.5. Các phương pháp biến tính sợi tre
Có nhiều phương pháp biến tính sợi tre nhưng nhìn chung mục đích chủ yếu vẫn là loại bỏ các tạp chất không cần thiết, giảm tính ưa nước và tăng tính kỵ nước của sợi tre, làm tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền, tạo liên kết hóa học giữa bề mặt sợi và nhựa nền. Biến tính bề mặt sợi bao gồm biến tính hóa học, biến tính vật lý và biến tính vật lý-hóa học kết hợp [9].
1.3.5.1. Biến tính bằng kiềm:
Xử lý xút là giai đoạn biến tính đầu tiên và phổ biến nhất trước khi thực hiện các giai đoạn biến tính tiếp theo [10].
Việc xử lý kiềm có các tác dụng chính: làm sạch bề mặt sợi, loại bỏ liên kết hydrogen trong cấu trúc sợi.
Fibre-OH + NaOH → Fibre-O-Na+ + H2O
XX Các khoảng trống
Các phân tử
nước Sự định hướng của các phân tử cellulose
Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm [5]
Ảnh hưởng của kiềm lên sợi làm nới lỏng cấu trúc tinh thể cellulose ra, có thể làm thay đổi dạng thù hình của cellulose tùy vào nồng độ dung dịch xút. Tùy loại kim loại kiềm và nồng độ của chúng mà có ảnh hưởng khác nhau lên sự thay đổi dạng thù hình này. Các nghiên cứu cho thấy rằng Na+ có bán kính thích hợp, có khả năng mở rộng những khe nhỏ giữa hai mặt lưới và xâm nhập vào bên trong. Kết quả là sợi xử lý bằng NaOH có độ trương tốt hơn dẫn đến sự tạo thành lớp mới Na-cellulose-I (Hình 5), một lớp với khoảng cách tương đối lớn giữa các phân tử cellulose được làm đầy bằng các phân tử nước. Trong cấu trúc này nhóm -OH được chuyển thành nhóm –ONa, mở rộng khoảng cách giữa các phân tử. Sau đó, chúng phản ứng với nước loại bỏ các ion Na+ và chuyển sang cấu trúc tinh thể mới cellulose-II có độ ổn định cao hơn cấu trúc ban đầu [5].
Dung dịch kiềm không chỉ ảnh hưởng lên các thành phần cellulosic mà cón ảnh hưởng lên các thành phần noncellulosic (hemicellulose, lignin, pectin,…).
Khi xử lý sợi tre bằng xút, khi nồng độ xút thấp (< 5%) tỷ trọng của sợi tre tăng lên do phần lớn chỉ có hemicellulose và lignin bị loại ra khỏi sợi làm cho các bó sợi gần nhau hơn và dễ xắp xếp, định hướng và tái kết tinh lại. Khi nồng độ xút tăng lên, tỷ trọng của sợi giảm do các chất nhạy cảm với xút khác bị loại ra khỏi nền sợi tre làm hình thành các lỗ trống trong cấu trúc sợi. Các lỗ trống này không được lấp đầy do lúc này các bó sợi đã được tái định hướng và tái kết tinh [10].
XXI
Đồ thị 1: Ảnh hưởng của nồng độ xút lên tỷ trọng của sợi tre [10]
Hình 6: Ảnh SEM của sợi (a) trước khi biến tính và (b) sau khi biến tính bằng xút [11]
1.3.5.2. Biến tính bằng silane:
Silane là một hợp chất ưa nước của silic có chứa 3 nhóm -OH có khả năng tương tác với sợi và một nhóm khác có khả năng phản ứng tạo liên kết với nhựa nền để tạo cầu nối giữa sợi và nhựa. Sự biến tính bằng silane phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian thủy phân, loại nhóm chức hữu cơ, nhiệt độ và pH. Silane trải qua giai đoạn thủy phân, ngưng tụ và tạo liên kết. Chúng có thể tạo thành cấu trúc polysiloxane bằng phản ứng với nhóm hydroxyl trên bề mặt sợi hay tự phản ứng với nhau. Các nghiên cứu trên chất tạo cầu silane cho thấy phản ứng giữa silane và cellulose chỉ xảy ra ở nhiệt độ trên 700C [5,9].
Sự tương tác giữa bề mặt sợi và chất tạo cầu silane được minh họa bằng sơ đồ [12]:
CH2=CH-Si(OC2H5)3 + H2O → CH2=CH-Si(OH)3 + 3 C2H5OH
XXII
CH2=CH-Si(OH)3 + Fibre-OH → CH2=CH-Si(OH2)O-Fibre + H2O 1.3.5.3. Sự acetyl hóa :
Acetyl hóa là một phương pháp biến tính khá hiệu quả và làm cho bề mặt sợi kỵ nước hơn, làm giảm tính trương của sợi trong nước. Nguyên tắc của phương pháp này là thực hiện phản ứng giữa nhóm -OH của sợi và nhóm acetyl. Các nghiên cứu cho thấy nhóm hydroxyl phản ứng chủ yếu thuộc về các thành phần phụ như hemicellulose, cellulose vô định hình và lignin. Nhóm hydroxyl trong vùng tinh thể của sợi bị giữ chặt bằng liên kết liên phân tử mạnh nên khó tiếp xúc được với chất phản ứng [5,13].
Fibre-OH + CH3-C(=O)-O-C(=O)-CH3 → Fibre-OCOCH3 + CH3COOH Acetyl hóa làm giảm khả năng hấp thu hơi nước của sợi, làm tăng khả năng tương hợp giữa nhựa và sợi. Ngoài anhydride acetic, anhydride maleic cũng được sử dụng để biến tính bề mặt sợi [14].
1.3.5.4. Sự benzoyl hóa:
Có tác dụng làm giảm tính ưa nước của sợi và tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền như acetyl hóa.
Fibre-OH + NaOH → Fibre-O-Na+ + H2O Fibre-O-Na+ + C6H5COCl → Fibre-OCOC6H5 + H2O
1.3.5.5. Biến tính bằng isocyanate:
Nhóm -NCO sẽ phản ứng với nhóm -OH trên bề mặt sợi. Isocyanate đóng vai trò như chất tạo cầu làm tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền [5].
R-N=C=O + HO-Fibre → R-NH-COO-Fibre 1.3.5.6. Biến tính bằng triazine:
Triazine làm giảm sự hấp phụ hơi ẩm và tính ưa nước của sợi, hạn chế sự trương của sợi do sự tạo mạng liên kết giữa sợi và nhựa [9].
XXIII