3.1. Xác định tính chất của sợi luồng
Chuẩn bị mẫu: Mỗi sợi được gắn trên tấm giấy có kích thước được trình bày trên hình 4. Chiều dài sợi 20mm, mỗi sợi được gắn hai đầu lên tấm giấy bằng keo 502, sấy mẫu sợi ở nhiệt độ 800C trong 2h trước khi chuẩn bị. Đo trên máy LLOYD0,5KN của Anh, tốc độ kéo 5mm/phút. Đặt tấm giấy vào hai đầu đo, kẹp chặt, dùng kéo cắt tấm giấy thể hiện trên hình 4, rồi tiến hành đo.
Xác suất tích tụ độ bền của sợi luồng được thể hiện trên đường phân bố Weibull, dựa trên cơ sở hàm sau:
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡−
−
= β
α) ( exp 1 )
( t
t
F (3.1) Trong đó α, β là thông số hình dạng và đơn vị đo.
Hình 4. Mẫu đo độ bền sợi luồng Hình 5. Mẫu đo độ bền bám dính 3.1.2. Đo độ bền bám dính sợi luồng – nhựa nền
Chuẩn bị mẫu: Dùng mẫu sợi luồng ở trên, nhỏ nhựa nền lên sợi thành giọt tròn rất nhỏ bao quanh sợi. Dùng một tấm đồng mỏng uốn vuông góc, phần ngắn có rãnh nhỏ hơn đường kính giọt nhựa để giữ giọt nhựa còn phần gài đi vào đầu kẹp của máy. (Xem hình 5).
Đo trên máy LLOYD 0,5KN của Anh, tốc độ kéo 5mm/phút. Đặt mẫu vào đầu đo, dùng kéo cắt tấm giấy rồi tiến hành đo.
Tấm giấy
Vị trí cắt trước
khi đo Keo dính
Vị trí cắt khi đo
Nhựa nền Tấm giữ
giọt nhựa
Độ bền bám dính được xác định theo công thức sau:
L D
F Π f
=
Γ (3.2) Trong đó: Df là đường kính sợi
L là chiều dài nhúng trong nhựa nền.
3.1.3. Phương pháp phân tích góc tiếp xúc DCA.
Khả năng thấm ướt cũng như công kết dính giữa sợi gia cường và nhựa nền được xác định thông qua việc đo góc tiếp xúc trên máy Cahn DCA 315 (Mỹ). DCA là kỹ thuật phân tích bề mặt trong đó có góc tiếp xúc θ tại bề mặt rắn/lỏng/khí. Góc tiếp xúc của sợi luồng và nhựa nền được đo sử dụng kỹ thuật Wilhelmy. Dung dịch sử dụng để nhúng là nước cất khử ion, etylen glycol, glyxerin, diiodometan. Góc tiếp xúc, năng lượng kết dính, các thành phần cho và nhận, giới hạn năng lượng tự do phân cực và phân tán của sợi và nhựa nền được xác định. Công thức cơ bản cho phương pháp Wilhelmy như sau:
F = mg + P.γLV.cosθ - Fb (3.3) Trong đó: F là tổng lực tương tác giữa chất lỏng và chất rắn.
m là khối lượng của đĩa g là gia tốc trọng trường Fb là lực đẩy Achimet P chu vi chất rắn thấm ướt γLV Sức căng bề mặt của chất lỏng
Vậy hiệu M = F - mg là công thức lực cần đo. Vì lực đẩy Achimet có giá trị bằng 0 tại bề mặt phân chia pha. Do đó công thức (3.3) có thể viết lại như sau:
cosθ =
D LV
Mg γ
Π (3.4) Góc tiếp xúc advancing, θadv là góc đo từ trên xuống dưới qua vùng bề mặt không bị thấm ướt, còn góc tiếp xúc receding, θrec là góc đo từ dưới lên qua vùng bề mặt đã thấm ướt. Vì vậy từ giá trị về θadv cho ta biết về tính chất kỵ nước của bề mặt cần đo, ngược lại giá trị θrec cho ta biết về tính chất ưa nước của bề mặt.
- Thành phần axit-bazơ (hoặc liên kết hydro) bao gồm thành phần nhận eleectronγ+ và cho electronγ−, chúng được xác định theo công thức sau:
( + −)21
2
= S S
AB
S γ γ
γ (3.5) Trong đó γs là năng lượng bề mặt chất rắn. γs+, γs -, γsLW lần lượt là thành phần axit, bazơ và Lifshitz-Vander Waals của năng lượng bề mặt chất rắn.
Tính các thành phần trên theo biến đổi công thức young-Dupre về công kết dính được đưa ra như sau:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +
2 + 2
= +
1 2
− 1 2 +
+ 1 2
1
) (
) (
) (
) cos
( θ γSLWγLLW γS-γL γS γL
γ (3.6)
γl , γlLW, γl + và γl - được biết qua dung môi thử, cosθ có thể xác định qua công thức (3.5).
- Tương tác Lifshitz – van der Waals được đánh giá qua giá trị năng lượng bề mặt của chất lỏng, chất rắn và góc tiếp xúc của dung môi không phân cực là loại dung môi không chứa thành phần axit và bazơ, ví dụ như diiodometan trên bề mặt chất rắn. Có thể tính toán γLW theo công thức sau:
γl (1+cosθ) = 2(γsLW γlLW )0,5 (3.7) - Công kết dính hay sức căng bề mặt của chất rắn không thể đo trực tiếp vì công thức bề mặt của chúng rất phức tạp. Nhiều phương pháp đo gián tiếp đã được sử dụng để xác định sức căng bề mặt của chất rắn như phương pháp đồ thị Zisman, phương pháp tính trung bình Geometric và Harmonic đã được sử dụng phổ biến.
Phương pháp tính trung bình Geometric được đề xuất bởi Girafalco và Good, sau đó được Fowkes, Owens và Wendt mở rộng thêm, phương pháp này thừa nhận rằng năng lượng bề mặt (hay sức căng bề mặt) của chất rắn bao gồm có hai thành phần: thành phần có cực (γp) và thành phần phân tán (γd), và thể hiện như sau:
d
p γ
γ
γ = + (3.8 ) Để tính được giá trị γp, γd Owens – Wendt đã đưa ra công thức sau:
γl (1+cosθ) = 2(γsd γlp )0,5 + 2(γsp γld )0,5 (3.9) Trong đó γl , γlp , γld đã biết từ số liệu của dung môi thử và γsp, γsd có thể tính toán từ góc tiếp xúc. Thậm chí thành phần phân tán và thành phần axit - bazơ của cả sợi và nhựa nền cũng có thể tính toán được. Có thể tính công kết dính, Wa giữa sợi và nhựa nền tại vùng tương tác pha bằng cách sử dụng công thức sau:
Wa = 2[(γFLW γmLW )0,5) + (γF+ γm- )0,5 + (γF- γm+ )0,5] (10) Hoặc được tính qua góc tiếp xúc theo phương trình sau:
Wa = γl (1+cosθ) = γl + γs - γls (11)
Các mẫu được đo trên máy Cahn DCA 315 ở nhiệt độ 220C trong điều kiện không khí phòng. Các dung môi sử dụng là nước khử ion, etylenglycol, glyxerin, diiodometan với tính chất vật lý và sức căng bề mặt được trình bày trong bảng các thành phần năng lượng bề mặt (mJ/m2) của các dung dịch thử sau:
Dung môi γlT γlLW γAB γ+ γ - γd γp
Glyxerin 63,4 37,4 26 9,08 18,6 37,4 26
Etylen glycol 48 29 19 1,92 47,4 29 19
Nước 72,8 21,8 51 65 10 21,8 51
Diodometan 50,8 50,8 - 50,8 0
Màng polypropylen (PP) và PPMA (PP chứa 8% PP-g-MA) sử dụng để chế tạo compozit gia cường bằng mat luồng được dùng để phân tích các thông số thấm ướt, với bề dày 1,5 mm.
Sợi luồng xử lý và không xử lý dùng để đo có đường kính khoảng 0,2- 0,3 mm, chiều dài khoảng 10mm. Mỗi thí nghiệm đo 15-20 mẫu.
3.2. Phương pháp xác định tính chất của vật liệu compozit
3.2.1. Độ bền kéo.
Mẫu đo có hình mái chèo, kích thước theo tiêu chuẩn ISO 527-1. Đo trên máy INSTRON 5582-100KN (Mỹ). Tốc độ kéo 5 mm/phút, tại 25oC, độ ẩm 70%. Độ bền kéo đứt σk tính theo công thức:
[MPa ]
S F
k o
= , σ
Trong đó: F: tác dụng lên mẫu, N
So: diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu, mm2
3.2.2. Độ bền uốn.
Mẫu đo có hình khối thanh, kích thước theo tiêu chuẩn ISO 178-1993.
Đo trên máy INSTRON 5582-100KN (Mỹ). Tốc độ uốn 5mm/phút, tại 25oC, độ ẩm 70% .
Độ bền uốn σu được xác định theo công thức:
[MPa]
b, h2 σu = 3FL
Trong đó: F: lực tác dụng lên mẫu, N
L: khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm b: chiều rộng của mẫu, mm
h: chiều dày của mẫu, mm 3.2.3. Độ bền va đập
Độ bền va đập được xác định trên máy Radmana ITR - 2000 theo tiêu chuẩn ISO 179-1993. Tốc độ 3,5 m/s, đo trong môi trường không khí, nhiệt độ 25oC, độ ẩm 75%. Kích thước mẫu đo: 120 × 10 × 4 mm.
Độ bền va đập Charpy (aav) được xác định theo công thức:
3
10−
= .
b.h W
aav , KJ/m2 trong đó: W – năng lượng phá hủy mẫu, J
b – chiều rộng mẫu, mm h – chiều dày mẫu, mm.
3.2.4. Phương pháp xác định độ hấp thụ nước, ẩm và hệ số khuếch tán của
Theo phương pháp dùng kiểm tra tính chất hấp thụ ẩm và điều kiện cân bằng của vật liệu polyme compozit ASTM D5229, hàm lượng ẩm được tính theo công thức:
Trong đó:
Mt: khối lượng mẫu tại thời điểm t, (g).
M0: khối lượng mẫu khô ban đầu, (g).
Hệ số khuếch tán của một chất lỏng xâm thực vào polyme được coi là một chỉ số quan trọng để dánh giá khả năng tự bảo vệ của vật liệu polyme.
Người ta xác định hệ số này dựa trên phương trình Fick về sự khuếch tán của hơi và chất lỏng vào chất rắn cho dòng không xác định trong quá trình thuận nghịch:
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
− ⎛
−
= max 1 exp( 7,3) 2
h t Dx
M M
Trong đó:
M: hàm lượng ẩm tại thời gian t, (%).
Mmax: hàm lượng ẩm lớn nhất, (%).
Dx: hệ số khuếch tán mm/s2. h: độ dày của mẫu, mm.
Hệ số khuếch tán Dx trong thực nghiệm được tính theo phương trình sau:
Khi ngâm mẫu vào chất lỏng, các phân tử sẽ chuyển động từ chỗ có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Bên cạnh sự khuếch tán, còn có sự hấp phụ và nhả hấp phụ chất lỏng. Sự chuyển động của chất lỏng kéo dài đến khi thiết lập cân bằng động giữa chất lỏng – polyme, đặc trưng bởi Mmax. Đối với nhiều loại vật liệu, Mmax được xác định bằng cách ngâm mẫu vào chất lỏng đến khối lượng không đổi.
3.2.5. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA.
Độ tổn hao khối lượng bởi nhiệt được đo trên máy phân tích nhiệt TGA 503 BARH của Đức với tốc độ tăng nhiệt 10oC/phút và tốc độ hạ nhiệt là 20oC/phút.
Hàm lượng ẩm, %
Căn bậc hai của thời gian, t
Một số thiết bị đo tính chất và kiểm tra cấu trúc của vật liệu:
Kính hiển vi điện tử quét JE OLJMS 6360 LV Máy chụp phổ hồng ngoại Tensor 27 của Brucker
Máy đo độ bền kéo, uốn Máy đo độ bền va đập Máy phân tích nhiệt TG INSTRON 5582-100KN Radmana ITR - 2000
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
Trong quá trình thực hiện đề tài, đã tiến hành các nghiên cứu khá toàn diện và chi tiết về các quá trình tách và xử lý sợi luồng với mục đích làm sợi gia cường cho vật liệu polyme compozit. Đây là những kết quả đầu tiên trong lĩnh vực này đựơc thực hiện ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu này có thể làm cơ sở khoa học cho việc triển khai sản xuất sợi tre, luồng dùng cho các ứng dụng công nghiệp, dân dụng và xuất khẩu.
Đề tài đã khảo sát các phương pháp khác nhau để tách sợi, từ cây luồng (tách cơ học, kết hợp cơ học và hóa học, tách nổ bằng hơi nước). Trên cơ sở đó đã xây dựng được qui trình tách sợi bằng phương pháp tách cơ học kết hợp xử lý hóa học. Bằng cách này đã thu được sợi luồng đường kính trung bình dưới 100 àm, độ bền nằm trong khoảng 300-400 MPa. Cỏc đặc trưng này của sợi luồng khá phù hợp với một số kết quả nghiên cứu ở nước ngoài (Nhật, Bỉ).
Đó xõy dựng qui trỡnh chế tạo sợi ngắn (chiều dài dưới 1000 àm) và mat từ sợi luồng thu được. Từ đó xây dựng hai dây chuyền công nghệ (qui mô thí nghiệm) để chế tạo sợi ngắn và mat. Đồng thời cũng thiết kế, chế tạo các thiết bị chính của dây chuyền, lắp đặt và vận hành đạt công suất 10 kg sản phẩm/giờ.
Từ các sản phẩm sợi thu được, đề tài đã chế tạo được 2 nhóm vật liệu polyme compozit với 8 loại khác nhau:
a. Vật liệu gia cường bằng sợi ngắn, bao gồm:
− Vật liệu PP - sợi ngắn
− Vật liệu epoxy - sợi ngắn
−
b. Vật liệu gia cường bằng mat, bao gồm:
− Vật liệu PP – mat
− Vật liệu PEKN – mat
− Vật liệu Epoxy – mat
− Vật liệu lai tạo PEKN – mat luồng/thủy tinh
− Vật liệu lai tạo PP – mat luồng/thủy tinh
Các vật liệu trên đều đạt các chỉ tiêu độ bền đã đăng ký trong thuyết minh đề tài. Đã nộp 01 đơn đăng ký sáng chế về vật liệu PP - sợi ngắn.
Một số kết quả của đề tài đã được báo cáo tại các Hội nghị Khoa học trong và ngoài nước, đã thu hút được sự chú ý của các nhà Khoa học. Trên cơ sở đó đã mở ra được hướng hợp tác Quốc tế trong nghiên cứu phát triển vật liệu compozit sợi tre, luồng.
Về mặt đào tạo, đã có hơn 20 sinh viên năm cuối Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện các nghiên cứu tốt nghiệp theo các nội dung đề tài. Đã bảo vệ được 4 luận văn cao học từ các kết quả đề tài. Ngoài ra, trên cơ sở phát triển các kết quả của đề tài, đang thực hiện 3 luận án tiến sĩ, 2 luận văn thạc sĩ và một số đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học.
Nhìn chung, đề tài đã thực hiện đầy đủ các nội dung đăng ký trong Thuyết minh đề tài. Các kết quả thu được có độ tin cậy cao và đang tiếp tục đựơc triển khai theo hai hướng:
- Phát triển các ứng dụng công nghiệp, bao gồm cả chế tạo sợi tre, luồng quy mô bán sản xuất và chế tạo sản phẩm (phục vụ trước hết cho công nghiệp phụ trợ ngành sản xuất ôtô)
- Phát triển hợp tác Quốc tế trong nghiên cứu vật liệu compozit sợi tự nhiên, bao gồm các nghiên cứu về cấu trúc sợi, công nghệ xử lý sợi cao cấp và một số công nghệ cao để chế tạo vật liệu compozit sợi tự nhiên.