2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ XỬ LÝ SỢI
2.1.1. Phương pháp tách cơ học
Phương pháp tách cơ học là phương pháp áp dụng các tác động cơ học thuần túy để phân tách các sợi xenlulo ra khỏi nhau mà không làm thay đổi thành phần hóa học của sợi. Theo cách truyền thống sợi tre được cào tách khỏi thân tre bằng các bàn chải sắt dọc thân cây. Tuy nhiên phương pháp này cho năng suất rất thấp và sợi không đồng đều. Vì vậy trong đề tài này chỉ khảo sát hai phương pháp có khả năng áp dụng công nghiệp là phương pháp ép thủy lực và phương pháp cán dập bằng máy cán.
Phương pháp cán dập
Nguyên tắc của phương pháp cán dập là dùng lực trượt để phá vỡ liên kết dọc theo các sợi tre. Cây tre được chẻ thành thanh và đưa vào giữa hai trục cán chuyển động ngược chiều và chịu đồng thời hai lực: lực nén (do khe hở giữa hai trục nhỏ hơn chiều dày thanh tre) và lực trượt do tỷ tốc giữa hai trục (Hình 2.1).
Hình 2.1. Sơ đồ trục cán tre
Tương quan giữa hai lực này có thể ảnh hưởng đến chất lượng sợi tre sau khi ra khỏi máy cán. Vì vậy tùy thuộc vào mục đích chế tạo sợi cuối cùng có thể chọn chế độ cán dập khác nhau:
Hình 2.2. Sơ đồ tách sợi bằng phương pháp cán dập
Trong phạm vi đề tài này, đã sử dụng máy cán có đường kính của cả hai trục cán là 70 mm, trong đó có một trục quay với tốc độ không đổi là 60 vòng/phút, trục kia cố định, nhờ đó tạo nên lực trượt dọc theo thân tre khi đưa vào. Khoảng cách giữa hai trục có thể thay đổi từ từ, từ 1,5 cm đến 0,1 mm.
Như vậy, tương quan giữa lực nén và lực trượt có thể thay đổi bằng cách thay
tre
Máy cán
Sợi tre, luồng dập Thanh tre, luồng
rộng 3-5 cm Thân cây
tre, luồng
a) Thay đổi đột ngột
Theo phương pháp này, khe hở giữa hai trục được đặt cố định và khá nhỏ so với bề dày thanh tre. (Thông thường chỉ bằng 1/4 - 1/5 chiều dày thanh tre).
Do đó thanh tre chịu lực nén ép rất lớn ngay khi được đưa vào máy cán, làm thanh tre bị dập và phân tán thành các sợi nhỏ rất nhanh. Đồng thời lực kéo rất lớn (do tỷ tốc 60/0 của hai trục cán) làm các thanh tre bị giật mạnh và làm đứt các sợi nhỏ một cách dễ dàng. Vì vậy khi ra khỏi trục cán, các sợi tre thường bị đứt vụn và khá tơi. Độ dài của sợi đơn thường không vượt quá 1-2 cm.
Bằng phương pháp này, sợi tre sau khi cán dập chỉ thích hợp cho việc chế tạo sợi ngắn chứ không dùng để chế tạo sợi liên tục được.
b) Thay đổi từ từ.
Để tránh việc thanh tre bị dập và đứt đồng thời như phương pháp trên, có thể giảm từ từ khe trục cán tương ứng chiều dày thanh tre: thanh tre được đưa qua trục cán vài lần, mỗi lần với khe trục bằng 0,7-0,8 chiều dày thanh tre.
Mỗi lần qua trục, thanh tre lại dập thêm một phần và không bị đứt do lực nén và lực kéo đều không quá lớn. Nhờ vậy, sau một số lần cán nhất định có thể thu được sợi khá nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm micron) và độ dài gần bằng độ dài thanh tre ban đầu. Bằng phương pháp này sợi tre sau khi cán có thể dùng để chế tạo sợi liên tục, làm mat tre. Nhược điểm của phương pháp này là năng suất thấp do phải cho qua trục nhiều lần. Cũng vì vậy mà chi phí để cán dập sợi tre cao hơn so với cán đột ngột.
Phương pháp ép thủy lực
Hình 2.3. Sơ đồ tách sợi bằng phương pháp ép thủy lực
Theo phương pháp này, tre được chẻ thành thanh nhỏ và đặt vào giữa hai bàn ép phẳng của máy ép thủy lực. Sau đó ép chặt các thanh tre bằng một áp lực lớn không đổi. Dưới tác dụng của áp lực, các thanh tre bị dập ra thành sợi nhỏ. Thời gian ép và chiều dày ban đầu của thanh tre là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sợi thu được. Dựa vào một số tài liệu tham khảo, đồng thời qua thử nghiệm sơ bộ, chúng tôi đã chọn được các thông số sau của quá trình ép thủy lực để tách sợi tre: lực ép cố định 10 tấn, thời gian ép 10 giây, độ dày mẫu tre là 1,5-2cm.
Tuy nhiên, sau khi bị cán dập, các sợi tre vẫn chưa tách được ra khỏi nhau. Để thu được sợi tre còn phải làm một công đoạn nữa là cào tách bằng tay (sử dụng bàn chải sắt). Đây cũng chính là nhược điểm của phương pháp này.
Trong bảng dưới đây là một số đặc trưng của sợi tre tách bằng hai phương pháp kể trên.
Thanh tre, luồng rộng 3-5 cm Thân cây
tre, luồng
Máy ép thủy lực
Thanh tre, luồng dập
Bảng 2.1. So sánh tính chất của sợi được tách cơ học theo hai phương pháp (cán dập và ép thủy lực).
TT Tính chất Đơn vị
đo
Sợi tách bằng cán
dập
Sợi tách bằng ép thủy lực
1. Đường kớnh sợi trung bỡnh àm 45 40
2. Tỷ lệ chiều dài/đường kính
trung bình - 62 72
3. Tính chất kéo trung bình
Độ bền MPa 377 328
Modun Young GPa 11,1 8,89
Với cả 2 phương pháp, sau khi cán dập hoặc ép đều phải qua công đoạn cào tách (bằng máy hoặc tay).
Đặc trưng phá huỷ của sợi luồng dưới tác dụng của lực kéo
Khi chịu tác dụng của lực kéo thì sợi luồng sẽ bị phá hủy như sau:
Đồ thị hình 2.4 chỉ ra rằng khi ứng suất kéo tăng dần thì độ biến dạng của sợi luồng tăng dần. Khi ứng suất kéo đủ lớn thì sợi luồng bị đứt đột ngột, như vậy biến dạng của sợi luồng dưới tác dụng của lực kéo là biến dạng giòn.
độ biến dạng, %
ứng suất, MPa
Hình 2.4. Đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất - biến dạng của sợi luồng dưới tác dụng của lực kéo
Sự phân tán độ bền kéo của sợi luồng theo đường kính sợi luồng
Độ bền kéo đứt của sợi luồng phân tán theo đường kính của sợi luồng như sau:
Hình 2.5. Ảnh SEM bề mặt phá huỷ sợi luồng
ứng suất, MPa
Đường kớnh sợi, àm
Hình 2.6. Phân bố độ bền kéo của sợi luồng theo đường kính sợi
Sợi có đường kính lớn thì số lượng khuyết tật trên bề mặt sợi nhiều, do đó độ bền kéo đứt của sợi nhỏ. Sợi có đường kính nhỏ thì số lượng khuyết tật trên bề mặt sợi giảm, do đó độ bền kéo đứt của sợi lớn.
* Sự thay đổi Modun đàn hồi của sợi luồng theo đường kính của sợi luồng
Modun đàn hồi là đại lượng đặc trưng cho độ cứng của sợi luồng, modun đàn hồi càng lớn thì độ cứng của sợi càng lớn. Kết quả nghiên cứu chỉ ra sự thay đổi của modun đàn hồi theo đường kính sợi được biểu diễn trong hình 1.7.
Cũng như độ bền kéo của sợi luồng, modun đàn hồi của sợi luồng phân tán rất rộng theo đường kính của sợi luồng. Khi đường kính của sợi luồng càng lớn thì modun đàn hồi của sợi luồng càng nhỏ, khi đường kính của sợi luồng càng nhỏ thì modun đàn hồi của sợi luồng càng lớn. Sợi luồng có đường kính lớn thì số lượng khuyết tật trên bề mặt sợi nhiều, làm giảm độ cứng của sợi. Sợi có đường kính nhỏ thì số lượng khuyết tật trên bề mặt sợi giảm, do đó độ cứng của sợi lớn.
Môđun đàn hồi, GPa
Đường kớnh sợi, àm