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 với thời gian là 72h để loại nước và hơi ẩm [6].
3.4.2. Xác định điều kiện tạo mat tối ưu:
3.4.2.1. Mục đích của việc chế tạo mat tre:
Do vật liệu composite gia cường sợi thực vật được chế tạo nhằm mục đích thay thế vật liệu composite có pha gia cường sợi tổng hợp. Trong khi các loại pha gia cường sợi tổng hợp chủ yếu được chế tạo ở dạng tấm.
Tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo vật liệu composite dạng tấm và phương pháp Hand lay-up.
3.4.2.2. Cách xác định điều kiện tạo mat tối ưu:
Trong phần này, chúng tôi sử dụng một khuôn có kích thước 17 cm x 17 cm x 0.2 cm để cố định kích thước tấm mat. Sợi được cho vào khuôn để định hình và phân bố lại cho đều. Sau đó, sợi được ép ở nhiệt độ lần lượt là 800C, 1000C, 1200C, áp suất 60 bar (chúng tôi không khảo sát ảnh hưởng của áp suất do điều kiện phòng thí nghiệm không cho phép)với thời gian lần lượt là 30s, 60s và 180s không sử dụng chất kết dính.
Từ tấm mat thô này, chúng tôi phun chất kết dính đều lên 2 mặt tấm mat và ép lại cùng điều kiện với thời gian tăng từ 3 đến 6 phút.
Sau đó, chúng tôi tiến hành thay đổi lượng sợi tạo mat tăng từ 6.0 g, 8.0 g,10.0 g, 12.0 g, 15.0 g và 20.0 g.
Nhận xét:
Ở nhiệt độ 1200C, thời gian ép 30s tấm mat thô thu được có độ cứng đủ để gia công và không bị biến dạng khi phun CKD.
Không có sự khác nhau giữa 4 tấm mat có CKD được ép ở bốn thời gian trên. Do đó, 3 phút là thời gian ngắn nhất để cho mat tre có bề mặt láng và sợi tre dính tốt với nhau và không bị biến dạng khi gia công bằng phương pháp Hand lay-up.
Với lượng sợi từ 12-20 g tấm mat dày và cứng làm cho nhựa khó thấm qua tấm mat, khó thay đổi hàm lượng sợi trong việc tạo mẫu composite và mẫu tạo ra quá dày. Với lượng sợi từ 6-8 g, tấm mat mỏng, dễ gãy khi thao tác gia công.
Kết luận:
Điều kiện tối ưu để tạo mat thô là ép ở nhiệt độ 1200C, áp suất 60 bar trong thời gian 30s. Điều kiện tối ưu để tạo tấm mat có CKD là ép ở nhiệt độ 1200C, áp suất 60 bar trong thời gian 3 phút. Khối lượng tấm mat tối ưu là 10 g.
3.5. Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu:3.5.1. Mục đích của việc sử dụng CKD: 3.5.1. Mục đích của việc sử dụng CKD:
Kết dính các sợi tre với nhau giúp cho hình dạng tấm mat ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia công bằng phương pháp Hand lay-up và hạn chế sự thay đổi hàm lượng sợi khi ép.
Tăng tính tương hợp giữa sợi tre và nhựa nền nhằm làm tăng tính chất cơ lý của vật liệu.
Giảm sự co rút của nhựa nền tại vùng tiếp xúc giữa sợi và nhựa khi đóng rắn.
3.5.2.Cách khảo sát ảnh hưởng của CKD:
Trong phần này, chúng tôi sử dụng 4 loại chất kết dính polyvinyl alcohol (PVA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl acetate (PVAc), vinyl silane (VS) để xác định loại chất kết dính tốt nhất cho việc tạo mat sợi tre, vừa có khả năng làm tăng tính tương hợp giữa bề mặt sợi và nhựa nền UP. Thí nghiệm được tiến hành trên các tấm mat thô không dùng chất kết dính có khối lượng 10 g.
Ứng với mỗi loại chất kết dính chúng tôi tiến hành khảo sát hàm lượng tối ưu trước. Hàm lượng khảo sát cho mỗi loại chất kết dính là 0.30%, 0.40%, 0.50% và 0.60%.
Sau khi phun chất kết dính, ép thành tấm và sấy, mat tre được sử dụng để tạo vật liệu composite với nhựa nền UP bằng phương pháp Hand lay-up. Theo các nghiên cứu trước đây, hàm lượng sợi tối ưu là 50% so với nhựa nền nên chúng tôi vẫn sử dụng ở hàm lượng này cho các thí nghiệm về ảnh hưởng của chất kết dính và chiều dài sợi. Sau khi tạo thành, tấm composite được đem cắt mẫu đo tính chất cơ lý để xác định loại chất kết dính tối ưu và hàm lượng chất kết dính tối ưu.
3.5.3. Kết quả đo kéo và đo uốn:
Tất cả các mẫu khảo sát ảnh hưởng chất kết dính đều có hàm lượng sợi 50%, chiều dài trung bình của sợi từ 1.0-2.5 cm, gia công theo điều kiện thứ nhất.
Kết quả được so sánh với mẫu UP trắng (mẫu UP) và mẫu composite không sử dụng chất kết dính với cùng thành phần và điều kiện gia công (mẫu 0).
Bảng 7:Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của CKD lên tính chất của mẫu
Mẫu Hàm lượng
CKD (%)
Kết quả đo kéo Kết quả đo uốn
Độ dãn dài lúc đứt Modul kéo (MPa) Ứng suất kéo lúc đứt (MPa) Biến dạng lúc gãy Modul uốn (MPa) Ứng suất uốn lúc gãy (MPa) UP Không CKD 4.79 1356.04 52.87 0.050 2336.03 71.82 0 Không CKD 2.61 1855.27 40.61 0.020 4678.88 64.72 1A PVA 0.30% 3.39 1606.19 39.78 0.020 5114.14 72.57 1B PVA 0.40% 3.19 2003.39 45.99 0.020 4926.92 76.76 1C PVA 0.50% 3.26 2161.41 45.53 0.020 5803.01 78.97 1D PVA 0.60% 2.77 2105.12 44.74 0.020 5475.71 82.65 2A PMMA 0.30% 3.30 1542.38 42.66 0.020 5051.31 67.97 2B PMMA 0.40% 3.58 1963.21 44.54 0.020 4867.52 78.57 2C PMMA 0.50% 2.43 2189.81 41.57 0.027 5075.86 89.94 2D PMMA 0.60% 2.28 1941.62 40.82 0.022 4755.52 72.88 3A PVAc 0.30% 3.70 1673.97 45.44 0.020 5710.78 74.20 3B PVAc 0.40% 2.62 1992.68 46.17 0.020 4983.82 76.97 3C PVAc 0.50% 2.60 2002.18 47.26 0.020 5334.00 78.28 3D PVAc 0.60% 2.46 1712.63 43.17 0.020 5721.23 87.91 4A VS 0.30% 2.73 2144.26 43.42 0.020 5602.67 74.99 4B VS 0.40% 3.06 2185.35 45.31 0.020 5707.74 78.17 4C VS 0.50% 3.06 2238.65 46.06 0.020 5845.58 86.37 4D VS 0.60% 2.96 2335.79 47.23 0.020 6015.84 92.89 XLIII
Đồ thị 3:Ảnh hưởng của CKD lên modul kéo của mẫu
Đồ thị 4:Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất kéo của mẫu
Đồ thị 5:Ảnh hưởng của CKD lên modul uốn của mẫu
Đồ thị 6:Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất uốn của mẫu
Nhận xét:
Nhìn chung, CKD ảnh hưởng rất ít lên tính chất cơ của mẫu. Tính chất cơ của mẫu có CKD tăng rất ít so với mẫu không có CKD.
Với CKD PVA: khi hàm lượng PVA tăng thì ứng suất và modul kéo đều tăng
nhưng không tăng nhiều so với mẫu không dùng CKD. Khi hàm lượng PVA lớn hơn 0.40% thì ứng suất kéo gần như không đổi. Modul kéo giảm khi hàm lượng PVA lớn hơn 0.50%. Nhìn chung, ứng suất uốn tăng tuyến tính khi hàm lượng PVA tăng từ 0.30-0.60% và tăng rõ ràng hơn kết quả đo kéo. Modul uốn cũng tăng khi tăng hàm lượng PVA nhưng bắt đầu giảm khi hàm lượng PVA lớn hơn 0.50%.
Với CKD PMMA: kết quả thử kéo thu được tương tự trường hợp chất kết dính
PVA. Khi hàm lượng PMMA lớn hơn 0.40% thì ứng suất kéo bắt đầu giảm và khi hàm lượng PMMA lớn hơn 0.50% thì modul kéo bắt đầu giảm. Khi hàm lượng PMMA lớn hơn 0.50 % thì ứng suất và modul kéo đều giảm.
Với CKD PVAc: khi hàm lượng PVAc tăng thì ứng suất và modul kéo của mẫu
tăng nhưng không nhiều. Khi hàm lượng PVAc lớn hơn 0.50% thì cả ứng suất và modul XLVI
kéo đều giảm. Nhìn chung cả ứng suất và modul uốn đều tăng khi hàm lượng PVAc tăng từ 0.30-0.60%.
Với CKD VS: kết quả thu được tương tự như trường hợp chất kết dính PVAc. Cả ứng suất và modul kéo đều tăng tuyến tính khi hàm lượng vinyl silane tăng từ 0.30- 0.60%. Kết quả đo uốn thu được tương tự như kết quả đo kéo. Khi hàm lượng vinyl silane tăng từ 0.30-0.60% thì cả ứng suất và modul uốn đều tăng.
Bảng 8:Kết quả so sánh hàm lượng tối ưu giữa 4 loại CKD
Loại CKD PVA PMMA PVAc VS
Ứng suất kéo lúc đứt 45.53 41.57 43.17 47.23
Modul kéo 2161.41 2189.81 1712.63 2335.79
Ứng suất uốn lúc gãy 78.97 89.94 87.91 92.89
Modul uốn 5803.01 5075.86 5721.23 6015.84
Hàm lượng tối ưu (%) 0.50 0.50 0.60 0.60
Kết luận:
Từ kết quả đo kéo và đo uốn ở Bảng 7 cho thấy: Hàm lượng PVA tối ưu là 0.50%.
Hàm lượng tối ưu cho chất kết dính PMMA là 0.50%. Hàm lượng chất kết dính tối ưu cho PVAc là 0.60%. Hàm lượng VS tối ưu là 0.60%
Từ kết quả đo kéo và đo uốn ở Bảng 8 cho thấy: CKD tốt nhất là VS
Hàm lượng tốt nhất là 0.60%
3.5.4. Kết quả phân tích ảnh cấu trúc bằng ảnh SEM:
Để khẳng định kết quả đo tính chất cơ lý, chúng tôi tiến hành chụp ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50%, không sử dụng CKD và có CKD VS với hàm lượng 0.60% với điều kiện gia công 1. Ảnh 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.