Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ nhựa polyetylen (PE) gia cường bằng sợi nứa (neohouzeaua dullooa) đơn hướng

Tạp chí Hóa học, 2018, 56(3), 307-311

Bài nghiên cứu

DOI: 10.15625/vjc.2018-0024

ety
(Neohouzeaua dullooa)
1*

,

Trung tâm Ng

1

n

uv t

Khoa Công ng

2

xuất bản Khoa h c tự n

3

C ươ

1

u polyme, Tr

ó , Tr

ng

ih

1

Đặng Hữu Trung2 Đồ

ng

o

Cơng ng

n v Công ng , Vi n

p

n âm K o

ị Yến Oanh3

, Vi t Nam
i, Vi t Nam
v Công ng

Vi t Nam

Đến Tòa soạn 8-5-2018; Chấp nhận đăng 20-5-2018

Abstract
The characterizations of Neohouzeaua dullooa fibers before and after alkali treatments have been studied. After
alkali treatment, the strength of N. dullooa fiber as well as the adhesion with PE resin are increased significantly. The
effect of content of N. dullooa fiber on polyethylene (PE) composite materials has been investigated. The obtained
results shown that with 60 wt% of N. dullooa the durability of materials was the highest. The MA-g-PE compatibility is
also affects the strength materials properties. The obtained results also shown that MA-g-PE compatibility improved
adhesion of the resin as well as increased the material's durability by approximately 25 % compared to non-adherent
materials. Successfully fabricated the prepregs from PE and unidirectional fiber for manufacturing composite materials
has been studied.
Keywords. Neohouzeaua dullooa, polyethylene, prepreg, MA-g-PE.

1.

Đ U

Những chất dẻo truyền thống như polypropylen,
polyetylen, polyeste và epoxy đã phát triển đáng kể
và ứng dụng rộng rãi trong vật liệu compozit.
Polyme phân huỷ sinh học được dự kiến ứng dụng
trong cơng nghiệp bao bì, đồng áng và những ứng
dụng khác đòi hỏi độ bền là thứ yếu. Độ bền hạn chế
và giá thành cao của polyme phân huỷ sinh học là
những cản trở chủ yếu cho việc chấp nhận rộng rãi
chúng như là vật liệu thay thế cho polyme truyền
thống không phân huỷ sinh học. Độ bền cao của các

polyme truyền thống là kết quả của nhiều năm
nghiên cứu. ặc dù vậy, polyme phân huỷ sinh học
đang rất được coi trọng vì mối đe dọa về mơi trường
và quan tâm của xã hội.[1]
Việc sử dụng sợi thực vật có nguồn gốc từ các
nguồn nguyên liệu có thể tái sinh được trong một
thời gian tương đối ngắn như gỗ, tre, nứa… làm vật
liệu gia cường cho polyme compozit đã và đang trở
nên ngày một phổ biến và thu hút được nhiều sự
quan tâm của các nhà khoa học bởi chúng có khả
năng phân huỷ sinh học sau khi hết thời gian sử
dụng và vô hại đối với môi trường sinh thái của
chúng ta. ặt khác, chúng có các tính chất cơ học
tương đối cao và rẻ tiền hơn so với các loại sợi tổng
hợp thông thường.[1,2]
307 Wiley Online Library

Trên quan điểm bảo vệ môi trường, trong những
năm gần đây nhiều nước trên thế giới quan tâm
nhiều đến nghiên cứu và ứng dụng sợi thực vật là
nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo làm chất gia
cường cho vật liệu polyme compozit.[3,4] Nhược
điểm cố hữu của compozit sợi thực vật là có độ hút
ẩm cao hơn compozit sợi thủy tinh nhưng nếu có
giải pháp thích hợp về xử lý bề mặt sợi thực vật,
thiết kế vật liệu và kết cấu hợp lý, có thể khắc phục
hay hạn chế nhược điểm đó.[5,6]
Tách sợi tre bằng cách xử lý kiềm rồi ép hay cán
đã được Abhijit P. Deshpande và cộng sự trình bày
trong cơng trình[3]. Các thanh tre được ngâm trong

dung dịch NaOH 0,1 N ở nhiệt độ thường với các
thời gian khác nhau. Sau hàng loạt thí nghiệm đã lựa
chọn thời gian 72 giờ để xử lý kiềm nhằm tách sợi
được dễ dàng. Sau 72 giờ xử lý kiềm như vậy, trọng
lượng của các thanh tre giảm đi 18 % do mất các
chất dẫn suất lignin. Lấy các thanh tre ra khỏi dung
dịch kiềm và rửa bằng nước đến trung tính. Tiếp đến
hong khơ tự nhiên 1 giờ ở nhiệt độ phịng rồi chuyển
các thanh tre đi tách sợi bằng phương pháp cơ học
[7,8]
.
Tiếp theo các cơng trình trước đây ở Việt Nam,
cơng trình này tập trung vào chế tạo vật liệu
compozit từ nhựa polyetylen (PE) gia cường bằng
sợi nứa đơn hướng để ứng dụng chế tạo prepreg

© 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim


Tạp chí Hóa học

Nguyễn uy Tùng và cộng sự

bằng phương pháp ép nóng trong khn.

ươ
ữ

2.3.

ị
à

o à

[7]

2. TH C NGHI
ế

2.1.

ị

Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) của hãng
Sasol ( rập) có nhiệt độ chảy mềm Tm = 105 oC,
ch số chảy 4,5 g 10 phút ở 190 oC, 2,16 kg.
Cây nứa 2 năm tuổi được lấy từ Tuyên Quang.
Chất trợ tương hợp PE-g- A của Aldrich với
làm lượng maleic anhydrit là 0,85 %. NaOH k
thuật của Trung Quốc.
Tính chất kéo và uốn của vật liệu được xác định
trên thiết bị đo đa năng Instron 5582-100 N (Hoa
). Độ bền va đập được xác định trên máy đo va
đập Izod Tinius Olsen (Hoa ).
ươ

2.2.

ế

o

ơ

ư

n

: Sơ đồ chuẩn bị mẫu đo độ bền kéo của sợi
nứa
Độ bền kéo của sợi nứa được đo trên máy Lloyd
0,5 N (Anh) với tốc độ 1 mm phút. Độ bền kéo được
xác định theo công thức:
σk =

à

F
, MPa
A

Trong đó:
Ống nứa được chẻ ra làm 4-5 phần rồi chia thành 2
loại:
Sợi chưa xử lý: ngâm nước trong thời gian 72
giờ cho mềm rồi rửa sạch.
Sợi xử lý kiềm nguội: ngâm kiềm nồng độ 0,1 N
trong thời gian 72 giờ ở nhiệt độ phòng rồi rửa bằng
nước sạch đến trung tính.

Cả hai loại được đưa vào máy cán hai trục với
tốc độ thấp nhiều lần để các bó sợi khơng bị rối và
đứt. Sau đó sử dụng bàn cào để tách được sợi dài
khoảng 300-400 mm.
Phương pháp chế tạo prepreg PE sợi nứa được
trình bày trên hình 1. Sợi được trải đều trên các tấm
nhôm, làm thẳng trong môi trường nước, kẹp lại và
sau đó sấy khơ trong thời gian 24 giờ tại nhiệt độ 70o
C. Sau đó lấy ra cắt thành tấm với độ dài bằng chiều
dài khuôn.
Sắp xếp 1 lớp sợi đơn hướng kẹp giữa 2 lớp
nhựa PE và gia nhiệt ở 120 oC để nhựa PE dính chặt
lên lớp sợi nứa ta thu được tấm prepreg PE sợi nứa.

σk là độ bền kéo của sợi, MPa
F là lực kéo sợi, N
Ala thiết diện ngang của sợi, mm2.
Độ bền bám dính của sợi và nhựa xác định trên
máy Lloyd 0,5 kN (Anh), tốc độ kéo 1 mm phút

Hình 3: Sơ đồ chuẩn bị mẫu đo độ bám dính giữa
nhựa PE và sợi nứa
Độ bền bám dính giữa sợi và nhựa được tính
theo cơng thức:
IFSS =

F
, MPa
L1.L 2

Trong đó:
IFSS là độ bền bám dính, Pa
F là lực rút sợi ra khỏi nhựa, N
L1 là chiều dài giọt nhựa, mm
L2 là chu vi sợi, mm.
3.

T QU V TH O LU N
ư

3.1.

ươ

ế
n

: Phương pháp chế tạo prepreg PE sợi nứa

ơ

ư

Đường kính trung bình của sợi nứa có và khơng có

© 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

www.vjc.wiley-vch.de

308

Bài nghiên cứu
xử lý kiềm nguội được trình bày trên hình 4.

n

g

n

u

t ov t

u ompoz t t

v trong quá trình tách sợi bằng phương pháp có học
đã gây ra các tác động lên bề mặt sợi và gây xơ và
nứt sợi nứa.

Đường kính trung bình của sợi nứa

Từ hình 4 nhận thấy, sợi nứa được tách khi
không xử lý kiềm có đường kính trung bình lớn hơn
so với so với có xử lý kiềm nguội. Nguyên nhân là
do một phần lignin đã bị tách khỏi các thanh nứa
dưới tác dụng của dung dịch kiểm nên việc tách sợi
dễ dàng hơn do đó đường kính sợi nứa nhỏ hơn.
Hình 5 và 6 biểu diễn phân bố độ bền kéo của

sợi nứa theo đường kính sợi. Từ các kết quả trên ta
nhận thấy, đường kính sợi càng nhỏ thì độ bền kéo
của sợi nứa càng cao. Lý do có thể được giải thích
như sau: với các sợi có đường kính lớn thực chất là
các bó sợi được liên kết với nhau bởi lignin,
hemixenlulo và các mô mềm. Dưới tác dụng của ứng
suất kéo, các thành phần này s bị phá v và gây ra
sự tách các lớp sợi xenlulo và làm suy giảm tính chất
của sợi nứa.

n

: Phân bố độ bền kéo của sợi nứa xử lý kiềm
nguội theo đường kính sợi

a
b
n : nh kính hiển vi quang học bề mặt sợi nứa
(a) sợi nứa chưa xử lý, (b) sợi nứa xử lý kiềm nguội
ư

ế
ơ

ư

Độ bám dính của nhựa nền PE với sợi nứa đơn
hướng được xác định theo phương pháp kéo rút sợi
theo mục 3.2. Các kết quả độ bám dính của nhựa PE
lên sợi nứa được trình bày trên hình 8.

n

Phân bố độ bền kéo của sợi nứa chưa xử lý
theo đường kính sợi

Đối với sợi nứa đã xử lý kiềm nguội, đường kính
sợi tập trung trong khoảng hẹp hơn và độ bền kéo
c ng đồng đều hơn so với sợi nứa chưa xử lý kiềm.
Hình 7 biểu diễn bề mặt của sợi có và khơng có
xử lý kiềm. Từ hình 7 ta nhận thấy, bề mặt của sợi
nứa có xử lý kiềm nh n hơn và khơng có vết nứt trên
bền mặt sợi. Đối với sợi không xử lý kiềm, trên bề
mặt có nhiều vết xước tạo thành những sợi nhỏ và có
vết nứt trên bề mặt. Đó có thể là do lignin khi bị phá

n

: nh hưởng của xử lý kiềm đến độ bám dính
nhựa PE và sợi nứa

Từ hình 8 nhận thấy, sau khi xử lý kiềm, độ bám
dính của nhựa nền PE lên sợi nứa được cải thiện

© 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

www.vjc.wiley-vch.de

309

Tạp chí Hóa học

Nguyễn uy Tùng và cộng sự

đáng kể (tăng hơn 80 %). Đó là do sợi đồng đều và
sạch hơn nên nhựa nền PE bám dính tốt hơn và giúp
tăng độ bền bám dính. Đối với sợi chưa xử lý do vẫn
cịn các mơ mềm c ng như các xơ nhỏ trên bề mặt
nên cản trở sự thấm ướt của nhựa PE lên sợi và rất
dễ bị tách ra khi kéo rút sợi và làm suy giảm độ bền
bám dính của nhựa nền PE với sợi.
ư

3.3.
o
ơ

ế
o
ư

ư

Vật liệu compozit nền nhựa PE gia cường bằng sợi
nứa đơn hướng được chế tạo từ các tấm prepreg
chuẩn bị trước theo mục 2.2 theo phương pháp ép
nóng trong khn. Tỷ lệ sợi và nhựa trong vật liệu là
40 60 ±3 % với sự có mặt của chất trợ tương hợp
PE-g- A với hàm lượng 5 % so với nhựa PE. Độ

bền kéo, uốn và va đập của vật liệu compozit được
trình bày trên các hình 9-11.

n

Từ các kết quả trên hình 9 và 10 nhận thấy, độ
bền kéo và uốn được cải thiện đáng kể sau khi sợi
nứa được xử lý kiềm nguội. Độ bền kéo của vật liệu
gia cường bằng sợi nứa đã xử lý kiềm tăng 20 % so
với vật liệu gia cường bằng sợi nứa chưa xử lý và
tăng hơn 200 % so với nhựa nền PE ban đầu. Đối
với độ bền uốn, vật liệu gia cường bằng sợi nứa đã
xử lý c ng tăng khoảng 25 % so với vật liệu gia
cường bằng sợi chưa xử lý. Nguyên nhân có thế thể
là do độ bám dính của nhựa nền PE lên bề mặt sợi
nứa sau khi xử lý tốt hơn nên làm tăng độ bền của
vật liệu. Điều này được khẳng định hơn nữa ở ảnh
SE chụp bề mặt đứt gãy của vật liệu compozit sau
khi kéo đứt trên hình 12. Trên hình 12a, các sợi nứa
bị tách ra khỏi nhựa nền và bị xé thành các sợi nhỏ
trong khi đó ở trên hình 12b, các sợi bị đứt sát với bề
mặt phá hủy của nhựa nền. Điều này chứng tỏ rằng
độ bám dính của nhựa nền PE lên sợi nứa sau khi xử
lý tốt nên sợi bị đứt cùng với quá trình phá hủy của
vật liệu dưới ứng suất kéo và làm tăng khả năng gia
cường của sợi và giúp tăng độ bền của vật liệu
compozit.

: Độ bền kéo của vật liệu compozit PE sợi
nứa đơn hướng

(a)

n

: Độ bền uốn của vật liệu compozit PE sợi
nứa đơn hướng

(b)
: nh SE bề mặt phá hủy kéo của vật liệu
compozit PE sợi nứa đơn hướng
(a) Sợi nứa chưa xử lý; (b) Sợi nứa xử lý kiềm nguội
n

n

: Độ bền va đập của vật liệu compozit
PE sợi nứa đơn hướng

Độ bền va đập của vật liệu compozit được trình
bày trên hình 11 c ng cho thấy khả năng gia cường
của sợi nứa có xử lý kiềm so với sợi nứa không xử
lý. Độ bền va đập tăng khoảng hơn 20 % so với vật

© 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

www.vjc.wiley-vch.de

310

Bài nghiên cứu

g

liệu gia cường bằng sợi chưa xử lý và tăng hơn
150% so với nhựa PE nguyên sinh. Điều này chứng
tỏ khả năng hấp thụ xung lực tác động vào vật liệu
của sợi nứa tốt ngay cả khi chưa xử lý nhờ độ mềm
dẻo và xốp của sợi và đã giúp làm tăng độ bền va
đập của vật liệu lên đáng kể.

- Quá trình xử lý kiềm nguội đã giúp sợi nứa tách từ
cây nứa dễ dàng hơn với khoảng phân bố đường
kính hẹp hơn và độ bền đồng đều hơn so với sợi nứa
tách khi không được xử lý kiềm trước.
- Quá trình xử lý kiềm c ng giúp tăng độ bám
dính của nhựa nền PE lên bề mặt của sợi nứa.
- Đã chế tạo thành công tấm prepreg PE sợi nứa
đơn hướng. Vật liệu compozit gia cường bằng sợi
nứa đã xử lý kiềm có độ bền cao hơn so với sợi nứa
chưa xử lý kiềm.
T I LI U THA
1.

2.

6.

7.

H O

Tran Vinh Dieu, Bui Chuong. Study and application
of natural fiber – Reuse Materials and Environmental
protection, Publishing House for Science and
Technology, Chapter 2, p.20, 2009
Nguyen Chau Giang, Ta Thi Phuong Hoa, Nguyen
Huu Tung. Study of extraction of microfibrillated
cellulose from bamboo fiber, Viet Nam Journal of
Chemistry, 2010, 48(4), 463-468.

L n

4.

5.

T LU N

4.

3.

8.

n

u

t ov t

u ompoz t t

Abhijit P. Deshpande, M. Bhaskar Rao, C.
Lakshmana Rao. Extraction of Bamboo Fibers and
Their Use as Reinforcement in Polymeric
Composites, J. Appl. Polym. Sci., 2000, 76, 83-92.
A. K. Bledzki, J. Gassan. Composites and Reinforced
with Cellulose Based Fibres, Prog. Polym. Sci., 1999,
24, 221 - 274.
Jochen Gassan and Andrzej K. Bledzki. The
Influence of Fiber-Surface Treatment on the
Mechanical Properties of Jute-Polypropylene
Composites, Composites part A, 1997, 28A, 10011005.
Tran Vinh Dieu, Le Thi Phai, Phan Thi Minh Ngoc,
Nguyen Huy Tung, Le Phuong Thao and Le Hong
Quang. Study on Preparation of Polymer Composites
Based on Polypropylene Reinforced by Jute Fibers,
JSME International Journal, Series A, 2004, 47(4),
547-550.
Tran Vinh Dieu, Doan Thi Yen Oanh, Nguyen Pham
Duy Linh, Luong Thi Thanh Thuy. Study on
biodegradation polymer materials based on
polypropylene reinforced Neohouzeaua dullooa fiber.
Part I. Effect of electrolyte concentration on
magnetoimpedance (MI) effect, Vietnam Journal of
Chemistry, 2008, 46(4), 493-497.
Tran Vinh Dieu, Doan Thi Yen Oanh, Nguyen Pham
Duy Linh, Le Duc Luong. Preparation of

biodegradable polymer materials based on polylactic
acid reinforced Neohouzeaua dullooa fiber. Part I Effect of treatment method on Neohouzeaua dullooa
fiber properties for biodegradable polymer materials.
Viet Nam Journal of Chemistry, 2008, 46(3).

: Nguy
Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Số 1, Đại Cồ Việt, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam
E-mail:

© 2018 Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi & Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

www.vjc.wiley-vch.de

311