2.3.1.1. Lấy tre:
Tre được lấy ở làng tre Phú An tỉnh Bình Dương. Đây là loại tre Đằng Ngà, khoảng 3-4 tuổi, có màu xanh đậm và rất nhiều gai.
Hình 10:Hình ảnh một bụi tre Đằng Ngà
2.3.1.2. Tạo nan tre:
Tre được cưa thành từng lóng khoảng 15-20 cm, gọt bỏ vỏ và phần ruột bên trong. Sau đó, chẻ ra thành từng nan kích thước dài 15-20 cm, rộng 2-4 cm, dày 1-3 mm và đem ngâm nước 3 ngày làm mềm nan để dễ cán [12].
XXIX
Hình 11:Ảnh các giai đoạn tạo nan tre:
(a) Lóng tre ban đầu, (b) sau khi gọt bỏ vỏ và ruột, (c) chẻ thành nan tre
2.3.1.3. Tách sợi tre:
Sau khi ngâm 3 ngày nan tre được rửa bằng nước sạch, để ráo nước và được cán tách sợi bằng máy cán hai trục theo phương pháp cán song song. Quy trình cán nan tre gồm 2 bước:
Giai đoạn 1: làm dập nan (khoảng cách khe trục 0.5 mm, tốc độ quay 60 vòng/phút, mỗi nan cán 1 lần).
Giai đoạn 2: tách sợi (khoảng cách khe trục 0.1 mm, tốc độ 60 vòng/phút, mỗi nan cán 2 lần ).
Hình 12:(a) Nan tre sau khi cán 1 lần và (b) sau khi cán 3 lần để tách sợi
2.3.1.4. Tạo tấm mat sợi tre:
Đầu tiên, sợi tre được xử lý bề mặt bằng dung dịch xút 1% trong 72h ở nhiệt độ thường để loại bỏ lignin, hemicellulose và các tạp chất khác. Sau đó, sợi được rửa lại bằng nước và trung hòa lượng xút dư bằng dung dịch HCl loãng (khoảng 0.05%) đến pH bằng 7. Tiếp theo, sợi được sấy khô trong tủ sấy ở 800C để lưu trữ. Sợi tre sau khi sấy khô được cắt thành từng đoạn từ 5-7 cm rồi xay bằng máy xay đa năng để tách các bó sợi bị dính với nhau và cho sợi có chiều dài khác nhau.
Sợi tre sau khi xay được ép tạo thành mat qua 2 giai đoạn:
Tạo mat thô (không dùng CKD): ép ở nhiệt độ 1200C, áp suất 60 bar trong 30 giây.
XXX
Tạo mat có chất kết dính: mat thô được phun chất kết dính đều lên 2 mặt và ép lại cùng điều kiện trên trong 3 phút.
Cách phun CKD:
CKD PVA được pha vào nước với nồng độ 1% và phun lên tấm mat bằng bình xịt có khí nén.
CKD PMMA và PVAc được pha trong dung môi acetone với nồng độ 1% và phun lên tấm mat bằng ống kim tiêm.
CKD VS được pha trong dung môi ethanol với nồng độ 1% và phun lên tấm mat bằng ống kim tiêm.
Hình 13:(a) Sợi tre sau khi ngâm xút 1% trong 72h và (b) sau khi trung hòa xút dư
2.3.1.5. Tạo mẫu composite:
Nhựa dùng để tạo mẫu là nhựa UP với hàm lượng chất pha loãng styrene 30% và chất đóng rắn butanox 1% so với nhựa nền. Mẫu được tạo bằng phương pháp Hand lay-up trong khuôn 17 cm x 17 cm x 0.2 cm với 2 điều kiện gia công:
Điều kiện 1: Ở đây, chúng tôi tạo mẫu composite theo quy trình của nhóm tác giả Martin P. Ansell và Arnold N. Towo do thời gian tạo mẫu nhanh và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm [27,28,11]. Thực tế, sau khi ép mẫu còn khá mềm và bị cong khi ủ nhiệt nên chúng tôi nâng nhiệt từ 500C lên 800C để mẫu đóng rắn nhanh hơn. Ở điều kiện này, mẫu có hình dạng ổn định và không bị cong khi ủ nhiệt.
Vậy điều kiện tạo mẫu thực tế là: mẫu composite được tạo bằng phương pháp Hand lay-up trong khuôn. Sau khi tạo, mẫu được để 3 phút ngoài không khí cho bọt khí nổi lên bề mặt rồi ép ở nhiệt độ 800C trong 20 phút, áp suất 60 bar để định hình cho mẫu XXXI
có hình dạng ổn định. Sau đó, lấy mẫu ra và cho đóng rắn hoàn toàn sau 24h trong tủ sấy ở 800C.
Điều kiện 2: Mẫu composite được tạo với điều kiện 2 để so sánh ảnh hưởng của điều kiện gia công lên tính chất của vật liệu.
Mẫu được tạo bằng phương pháp Hand lay-up trong khuôn. Sau khi tạo, mẫu được để 3 phút ngoài không khí để bọt khí nổi lên bề mặt rồi ép nâng nhiệt chậm từ nhiệt độ phòng với áp suất 60 bar. Khi nhiệt độ đạt 800C thì giữ ở đó 2h. Sau đó, giữ nguyên áp suất và nâng nhiệt độ lên 1500C rồi giữ ở đó 2h. Cuối cùng, giữ nguyên áp suất và giải nhiệt về nhiệt độ phòng, xả áp suất và lấy mẫu ra.
Sau khi đóng rắn hoàn toàn, mẫu composite được đem cắt mẫu đo cơ lý. Mẫu đo cơ lý được để ổn định 3 ngày ở điều kiện thường trước khi đo.
2.3.2. Chuẩn đo mẫu:
2.3.2.1. Thử kéo:
Mẫu được cắt theo chuẩn ASTM D638, tốc độ kéo 5 mm/phút, nhiệt độ 220C [34].
A: 20 mm, B: 2 mm, C: 165 mm, D: 13 mm, L: 55 mm
Hình 14: (a) Ảnh minh họa và (b) ảnh thực của mẫu đo kéo
2.3.2.2. Mẫu thử uốn:
Mẫu được cắt theo chuẩn ASTM D790, tốc độ thử 5 mm/phút, nhiệt độ 220C [34].
W: 25.4 mm, L: 64 mm, LO: 80 mm, T: 2mm
Hình 15: (a) Ảnh minh họa và (b) ảnh thực của mẫu đo uốn
XXXIII LO T W L A C L D B
Sơ đồ quy trình thực nghiệm XXXIV Máy cán -Xử lý xút -Trung hòa Tủ sấy Máy ép Sợi tre khô đã xử lý
Mat sợi tre thô
CKD Máy ép
Mat sợi tre có CKD Khuấy đều UP 70% Styrene 30% MEKP Khuôn Resin Mẫu composite Mẫu composite Đắp tay Máy ép Tủ sấy Mẫu composite Sản phẩm c ư a Mài
Mẫu đo kéo Mẫu đo uốn Nan tre
Phần 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.1. Tối ưu hóa thành phần nhựa nền:
Theo tài liệu nghiên cứu về chế tạo vật liệu composite nhựa UP gia cường bằng giấy tre [3], hàm lượng chất pha loãng tối ưu là 30% so với nhựa nền cho pha gia cường sợi thực vật. Do ở hàm lượng styrene 30%, không xuất hiện sự tách pha trong hỗn hợp nhựa và cho độ nhớt thích hợp để gia công bằng phương pháp Hand lay-up (Bảng 3). Do đó, trong đề tài này, chúng tôi sẽ sử dụng hàm lượng chất pha loãng styrene 30%.
Bảng 3:Ảnhhưởng của hàm lượng styrene lên thời gian tách pha của hỗn hợp [3] Hàm lượng (% khối lượng) Hiện tượng
Nhựa UP Styrene 70 60 50 40 30 40 50 60
Không xảy ra tách pha Tách pha sau khoảng 2h Tách pha sau khoảng 40 phút Tách pha ngay sau khi trộn
Trong các nghiên cứu trước đây, hàm lượng chất đóng rắn được sử dụng để chế tạo vật liệu composite từ 0.50-2.0%. Do đó, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn của nhựa nền với hàm lượng 0.50%, 1.0% và 2.0%. Kết quả từ (Bảng 4) cho thấy với hàm lượng chất đóng rắn 1.0%, hỗn hợp nhựa nền có thời gian gel hóa phù hợp cho quá trình gia công.
Bảng 4:Ảnhhưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn
Hàm lượng Butanox (%) 0.50 1.0 2.0
Thời gian gel hóa (phút) 10 6 4
Kết luận: thành phần nhựa nền tối ưu là 70% nhựa UP, 30% chất pha loãng
styrene và 1.0% chất đóng rắn butanox.
3.2. Khảo sát thành phần của sợi tre:
Quá trình khảo sát được thực hiện theo quy trình của các tác giả Wenying Feng, Wang Zheng Guo Wenjing và Xiaobo Li [4,35]. Mỗi thí nghiệm được thực hiện 3 lần và lấy giá trị trung bình.
3.2.1. Độ tan của sợi trong xút ở điều kiện thường:
Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 72h ở 800C bằng cân phân tích. Pha 100 ml dung dịch xút 1% và cho sợi tre vào ngâm 72h. Sau đó, sợi được lọc bằng máy hút chân không, rửa nước ba lần, trung hòa xút dư bằng dung dịch HCl loãng 0,05% và rửa lại bằng nước đến pH khoảng 7 và đem sấy 72h ở 80 0C. Sau khi sấy, sợi được lấy ra để nguội và cân lại để xác định sự thay đổi khối lượng. Sau khi ngâm xút, sợi có màu vàng tươi và trắng hơn khi trung hòa bằng acid (Hình 13).
3.2.2. Độ tan của sợi trong xút nóng:
Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 72h ở 800C bằng cân phân tích. Pha 100 ml dung dịch xút 1% cho vào bình cầu, cho sợi vào khuấy đều và ráp hệ đun hoàn lưu trong 3h. Sau đó, sợi được lọc bằng máy hút chân không, rửa nước ba lần, trung hòa xút dư bằng dung dịch HCl loãng và rửa lại bằng nước đến pH khoảng 7 và đem sấy 72h. Sau khi sấy, sợi được lấy ra để nguội và cân lại để xác định sự thay đổi khối lượng.
3.2.3. Độ tan của sợi trong nước nóng:
Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 3 ngày ở 800C bằng cân phân tích. Cho 100 ml nước cất vào bình cầu, cho sợi vào khuấy đều và ráp hệ đun hoàn lưu trong 3h. Sau đó, sợi được lọc bằng máy hút chân không, rửa nước ba lần và đem sấy 72h ở 800C . Sau khi sấy, sợi được lấy ra để nguội và cân lại để xác định sự thay đổi khối lượng.
3.2.4. Độ tan của sợi trong hỗn hợp ethanol-toluene:
Chuẩn bị hệ Soxhlet gồm ống Soxhlet nối với bình cầu và ống hoàn lưu, nhiệt kế, nút đậy bình cầu và bếp điện. Sấy tấm vải lót và sợi tre thô 72h để loại hết nước. Đặt 2.0000 g sợi vào trong miếng vải lót rồi đưa vào ống Soxhlet. Cho vào trong bình cầu hỗn hợp gồm ethanol 99.7% và toluene 99.5% theo tỷ lệ 2:1. Đun sôi nhẹ bình cầu trong 8h. Phần sợi còn lại được sấy ở 800C trong 72h và đem cân để xác định sự thay đổi khối lượng.
3.2.5. Hàm lượng tro trong sợi tre:
Sấy sợi tre thô 72h ở nhiệt độ 800C để loại nước và hơi ẩm. Sau đó, chuẩn bị 3 chén nung chịu nhiệt và cân 2.0000 g sợi cho vào mỗi chén (cân bằng cân phân tích 4 số lẻ). Dùng giấy bạc bịt kín miệng chén và dùng bút săm 8 lỗ trên bề mặt giấy bạc. Đặt 3 chén vào lò nung và nâng nhiệt độ lên 1000C (I = 10 A, U = 250 V) để loại hết hơi ẩm. Sau đó, cứ 30 phút nâng lên 500C rồi dừng nâng khi nhiệt độ đạt 5500C, duy trì nhiệt trong 8h. Sau đó, hạ nhiệt độ xuống 1500C và lấy từng chén ra cân nhanh để tránh hơi ẩm hấp phụ lên tro.
3.2.6. Độ tan của sợi trong dung dịch H2SO4 đậm đặc :
Cân 1.0000 g sợi tre sấy khô vào becher 250 ml. Đặt becher ngập trong nước ở 200C. Cho 15.00 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc nguội (75%) vào becher và khuấy liên tục trong 2h. Sau đó, cho sợi vào bình cầu 1 lít có chứa sẵn 560 ml nước cất để pha loãng nồng độ acid còn 3%. Ráp hệ hoàn lưu và đun bình cầu trong 4h. Lọc chân không hỗn hợp trong bình cầu để thu sợi và rữa bằng 500 ml nước nóng và sấy ở 800C trong 72h và đem lượng trong đi cân. Khối lượng tro còn lại là khối lượng lignin trong mẫu.
Bảng 5: Kết quả khảo sát thành phần sợi tre
Thành phần sợi tre Lượng mẫu ban đầu (g)
Lượng mẫu còn lại (g) Lượng mẫu mất đi Lần 1 Lần 2 Lần 3 T Bình (g) (%) Tan trong xút 2.0000 1.5624 1.5612 1.5680 1.5639 0.4361 21.80
Tan trong xút nóng 2.0000 1.3670 1.3870 1.3780 1.3773 0.6227 31.14
Tan trong nước nóng 2.0000 1.7411 1.8129 1.7681 1.7740 0.2260 11.30
Tan trong hỗn hợp ethanol-toluen
2.0000 1.8653 1.8517 1.8479 1.8550 0.1450 7.25
Tro 2.0000 0.0224 0.0208 0.0223 0.0218 1.9782 98.91
Độ tan trong acid 1.0000 0.2268 0.2550 0.2430 0.2416 0.7584 75.84
Kết quả phân tích bằng phổ FT-IR:
XXXVII b a 1740 1250 840
Hình 16:Phổ FT-IR của sợi tre: (a) trước khi xử lý xút và (b) sau khi xử lý xút
Phổ FT-IR dạng mẫu bột của sợi không xử lý xút và xử lý xút 1% trong 72h ở điều kiện thường (Hình 16) được chụp tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano-Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh-Phường Linh Trung-Quận Thủ Đức-TP.HCM. Ảnh được chụp bằng máy Tensor37 của hãng Bruker-Đức.
Nhận xét:
Sợi bị hòa tan trong dung dịch acid H2SO4 đậm đặc nhiều nhất (75.84%). Do acid H2SO4 rất háu nước nên sẽ đốt cháy các hydrate carbon (cellulose, hemicellulose và các polysacchride khác) để lấy nước, các muối khoáng vô cơ trong sợi cũng bị hòa tan trong dung dịch acid. Do đó, phần sợi không bị hòa tan còn lại gồm có lignin và các chất hữu cơ như wax.
Hỗn hợp ethanol và toluene chủ yếu hòa tan các chất hữu cơ phân tử lượng thấp như wax và đường.
Khối lượng sợi còn lại sau khi nung chính là khối lượng các chất vô cơ trong sợi như SiO2 và muối khoáng vô cơ.
Khi xử lý sợi bằng dung dịch xút, các thành phần như hemicellulose, lignin và một số polysaccharide phân tử lượng thấp khác và các muối khoáng vô cơ sẽ bị hòa tan. Bên XXXVIII
cạnh phần sợi hòa tan trong xút nóng nhiều hơn trong xút ở điều kiện thường mặc dù thời gian xử lý rút ngắn hơn khá nhiều.
Ngoài ra, từ kết quả phân tích phổ FT-IR ta thấy sau khi xử lý xút ở điều kiện thường thì mũi 1740 cm-1 đặt trưng cho dao động C=O của hemicellulose gần như bị mất hoàn toàn và mũi 1250 cm-1 đặc trưng cho dao động đối xứng của nhóm CH3-O- trong lignin có cường độ giảm khá nhiều. Ngoài ra, từ kết quả phổ FT-IR ta cũng thấy có sự giảm cường độ của mũi 840 cm-1. Theo các tài liệu nghiên cứu, đây là mũi đặc trưng cho liên kết β-glucosidic của các polysaccharide không thuộc họ cellulose như pectin,….
So sánh với kết quả khảo sát thành phần sợi ở trên (Bảng 5) ta thấy khối lượng sợi bị hòa tan trong xút nóng nhiều hơn trong nước nóng và xút ở điều kiện thường. Điều này chứng tỏ việc xử lý bề mặt sợi bằng dung dich xút có gia nhiệt sẽ loại được nhiều lignin và hemicellulose hơn và rút ngắn được thời gian xử lý
Kết luận:
Việc xử lý bằng xút cho kết quả tốt hơn bằng nước.
Việc xử lý xút 1% trong 72h ở điều kiện thường đã loại phần lớn hemicellulose, loại một phần lignin và các polysaccharide khác ra khỏi sợi.
Việc xử lý bằng xút nóng cho kết quả tốt hơn ở nhiệt độ phòng
3.3. Khảo xát phân bố kích thước sợi sau khi xay:
Sợi sau khi xử lý và sấy được được cắt thành từng đoạn 5-7 cm và xay bằng máy xay đa năng trong 6s, 10s, 20s, 30s, 40s và 60s để xác định thời gian xay tối ưu.
Bảng 6:Sự phân bố kích thước của sợi sau khi xay 30s và 60s
Chiều dài (cm) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Sợi xay 30s (sợi) 0 4 12 49 85 114 80 68 35 20 17 10 6 4 2 Sợi xay 30s (%) 0.0 0.8 2.4 9.7 16.8 22.5 15.8 13.4 6.9 4.0 3.4 2.0 1.2 0.8 0.4 Sợi xay 60s (sợi) 0 6 98 120 95 36 12 7 4 3 1 1 0 0 0 Sợi xay 60s (%) 0.0 1.6 25.6 31.0 24.8 9.4 3.1 1.0 1.0 0.8 0.3 0.3 0.0 0.0 0.0
Đồ thị 2 : Sự phân bố chiều dài sợi sau khi xay 30s và 60s
Nhận xét:
Thời gian xay càng lâu thì chiều dài sợi càng giảm và độ đồng đều kích thước càng cao. Chúng tôi chọn hai nhóm sợi có thời gian xay 30s và 60s để khảo sát cho các thí nghiệm tiếp theo. Kết quả phân bố cho thấy sợi sau khi xay 30s có chiều dài trung bình từ 2.0-3.5 cm và sợi sau khi xay 60s có chiều dài trung bình từ 1.0-2.5 cm.
3.4. Tối ưu hóa điều kiện tạo mat:3.4.1. Điều kiện xử lý bề mặt sợi: 3.4.1. Điều kiện xử lý bề mặt sợi:
Xử lý xút là giai đoạn đầu của biến tính bề mặt sợi, nhằm loại bỏ một phần lignin, hemicellulose trên bề mặt sợi và các chất không cần thiết khác. Tuy nhiên, nồng độ xút lớn sẽ làm giảm tính chất cơ lý của sợi và thời gian xử lý ngắn sẽ làm cho lượng xút còn thừa nhiều làm tăng chi phí và gây ô nhiểm môi trường. Tổng hợp từ các nghiên cứu trước đây, kết quả khảo sát thành phần sợi tre ở trên và điều kiện thực tế phòng thí nghiệm, chúng tôi chọn nồng độ xút thấp nhất là 1% và kéo dài thời gian xử lý lên 72h ở nhiệt độ thường [4,5].
Sau khi xử lý xút, sợi được rửa lại bằng dung dịch HCl loãng 0.05% để trung hòa hết xút dư, tiếp tục rửa lại bằng nước đến pH bằng 7. Sau đó sấy sợi ở 800C trong tủ sấy