LUẬN văn tốt NGHIỆP vật LIỆU COMPOSITE TRÊN nền NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG sợi TRE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE

Nguyễn Hữu Đạt
VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN
NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG SỢI
TRE
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TP. HỒ CHÍ MINH 8-2009
I
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, con xin cảm ơn gia đình, chính gia đình đã không ngừng động viên, hỗ
trợ giúp con có động lực vượt lên khó khăn và có điều kiện để hoàn thành đề tài.
Kế đến, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong và ngoài Khoa
Khoa Học Vật Liệu, những người đã tận tâm giảng dạy em trong suốt những năm đại
học, giúp em có được những kiến thức cần thiết để hoàn thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Tấn Tài và thầy Trần Duy Thành đã có những ý
kiến đóng góp quý báu và luôn theo sát em trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị cán bộ trẻ trong Khoa và Bộ môn Hóa Lý đã
luôn tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài và tạo mọi điều kiện thuận lợi
để em hoàn thành đề tài.
Cuối cùng, xin cảm ơn các bạn gần xa đã giúp đỡ, động viên và cho mình những kỉ
niệm đẹp trong những năm đại học.
II
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường sợi tự nhiên đang thu được sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước. So với các loại sợi tổng hợp như sợi
carbon, sợi thủy tinh, sợi aramide,… thì sợi thực vật có tính chất cơ lý và độ bền yếu hơn
hẳn và vật liệu composite gia cường sợi thực vật cũng vậy. Tuy nhiên, trong các ứng dụng

thông thường không đòi hỏi tính chất cơ lý cao thì vật liệu composite gia cường sợi thực
vật có nhiều ưu điểm hơn. Sợi thực vật có khả năng phân hủy sinh học và tỷ trọng thấp
hơn nhiều so với sợi tổng hợp. Ngoài ra, chúng có ưu thế hơn nhờ giá rẻ và nguồn nguyên
liệu dễ tìm và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẳn có ở địa phương. Chúng có khả năng
gia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên
cứu về vật liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre.

III
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Trong đề này, chúng tôi tập trung vào vật liệu composite gia cường sợi tre trên nhựa nền
UP (unsaturated polyester) với các mục tiêu sau:
Khảo sát thành phần hóa học của sợi tre.
Khảo sát điều kiện tối ưu trong việc tạo mat tre.
Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu.
Khảo sát ảnh hưởng của chất kết dính, hàm lượng sợi, chiều dài sợi và điều kiện gia công
lên tính chất cơ lý của vật liệu composite.
IV
MỤC LỤC
Lời cảm ơn I
Giới thiệu đề tài II
Mục tiêu nghiên cứu đề tài III
Mục lục…… IV
Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt……………………………………………………….VII
Danh mục hình ảnh VIII
Danh mục bảng số liệu IX
Danh mục đồ thị X
Phần 1: Tổng quan
1.1. Tổng quan về vật liệu composite 1
1.1.1. Giới thiệu 1
1.1.2. Cấu tạo của vật liệu polymer composite 1

1.1.2.1. Vật liệu nền 1
1.1.2.2. Vật liệu gia cường 1
1.1.2.3. Các thành phần khác 1
1.2. Tổng quan về vật liệu nền unsaturated polyester 2
1.2.1. Giới thiệu 2
1.2.2. Quy trình tổng hợp 3
1.2.3. Các ứng dụng chính của nhựa UP 4
1.2.4. Ưu và nhượt điểm 4
1.3. Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre 4
1.3.1. Giới thiệu 4
1.3.2. Thành phần hóa học của tre 5
1.3.2.1. Cellulose 6
1.3.2.2. Hemi-cellulose 6
1.3.2.3. Lignin 7
1.3.2.4. Sáp 7
1.3.2.5. Pectin 7
V
1.3.3. Cấu trúc của sợi tre 7
1.3.4. Ứng dụng của tre 8
1.3.5. Các phương pháp biến tính sợi tre 9
1.3.5.1. Biến tính bằng kiềm 9
1.3.5.2. Biến tính bằng silane 11
1.3.5.3. Sự acetyl hóa 11
1.3.5.4. Sự benzoyl hóa 11
1.3.5.5. Biến tính bằng isocyanate 12
1.3.5.6. Biến tính bằng triazine 12
1.3.5.7 Biến tính bề mặt sợi bằng imidazolidinone 12
1.4 Vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật 14
1.4.1. Giới thiệu 14
1.4.2. Ứng dụng 15

Phần 2: Thực nghiệm
2.1. Hóa chất 16
2.2. Dụng cụ và thiết bị 16
2.3. Quy trình 17
2.3.1. Quy trình chuẩn bị sợi tre 17
2.3.1.1. Lấy tre 17
2.3.1.2. Tạo nan tre 17
2.3.1.3. Tách sợi tre 18
2.3.1.4. Tạo tấm mat sợi tre 18
2.3.1.5. Tạo mẫu composite 19
2.3.2. Chuẩn đo mẫu 21
2.3.2.1. Thử kéo 21
2.3.2.2. Mẫu thử uốn 21
Sơ đồ quy trình thực nghiệm 22
VI
Phần 3: Kết quả và biện luận
3.1. Tối ưu hóa thành phần nhựa nền 23
3.2. Khảo sát thành phần của sợi tre 24
3.2.1. Độ tan của sợi trong xút ở điều kiện thường 24
3.2.2. Độ tan của sợi trong xút nóng 24
3.2.3. Độ tan của sợi trong nước nóng 24
3.2.4. Độ tan của sợi trong hỗn hợp ethanol-toluene 24
3.2.5. Độ tan của sợi trong H
2
SO
4
đậm đặc 25
3.2.6. Độ tan của sợi trong dung dịch H
2
SO

4
đậm đặc 25
3.3. Khảo xát phân bố kích thước sợi sau khi xay 27
3.4. Tối ưu hóa điều kiện tạo mat 28
3.4.1. Điều kiện xử lý bề mặt sợi 28
3.4.2. Xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29
3.4.2.1. Mục đích của việc chế tạo mat tre 29
3.4.2.2. Cách xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29
3.5. Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu 30
3.5.1. Mục đích của việc sử dụng CKD 30
3.5.2. Cách khảo sát ảnh hưởng của CKD 30
3.5.3. Kết quả đo kéo và đo uốn 31
3.5.4. Kết quả phân tích ảnh SEM 35
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37
3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39
3.7.1. Kết quả đo kéo và đo uốn 39
3.7.2. Kết quả phân tích ảnh SEM 41
3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41
Phần 4: Kết luận
Tài liệu tham khảo 44
Phụ lục…… 48
VII
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
20’: 20 phút
A: Ampe
CKD: Chất kết dính
FT-IR: Fourier Transform Infrared
g: Gam
h: Giờ
PVA: Polyvinyl alcol

PMMA: Polymethyl methacrylate
PVAc: Polyvinyl acetate
PE: Polyethylene
PP: Polypropylene
PS: Polystyrene
PVC: Polyvinyl chlorur
PCL: Poly caprolactone
s: Giây
STY: Styrene
SEM: Scanning Electron Microscopy
SMC Sheet Moulding Compound
UP: Unsaturated Polyester
VS: Vinyl silane
V: Volt
[]: Số tài liệu tham khảo
VIII
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Công thức hóa học của cellulose 6
Hình 2: Công thức hóa học của hemi-cellulose 6
Hình 3: Công thức hóa học của lignin 7
Hình 4: Các hình ảnh về cấu trúc sợi tre 8
Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm 9
Hình 6: Ảnh SEM của sợi trước khi biến tính (a) và sau khi biến tính (b) bằng xút 10
Hình 7: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng triazine 12
Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone 12
Hình 9: Sự phá hủy mẫu tại vùng tiếp xúc do hơi ẩm 14
Hình 10: Hình ảnh một bụi tre Đằng Ngà 17
Hình 11: Ảnh các giai đoạn tạo nan tre 17
Hình 12: (a) Nan tre sau khi cán 1 lần và (b) sau khi cán 3 lần để tách sợi 18
Hình 13: (a) Sợi tre sau khi ngâm xút 1% 72h và (b) sau khi trung hòa xút dư 19

Hình 14: Ảnh minh họa và ảnh thực mẫu đo kéo 21
Hình 15: Ảnh minh họa và ảnh thực mẫu đo uốn 21
Hình 16: Phổ FT-IR của sợi tre trước (a) và sau khi xử lý xút (b) 26
Hình 17: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50%, không có CKD 36
Hình 18: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50% và hàm lượng silane 0.6% 36
Hình 19: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 90% và hàm lượng silane 0.6% 41
IX
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1: Thành phần hóa học của sợi tre 5
Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh 14
Bảng 3: Ảnh hưởng của hàm lượng styrene lên thời gian tách pha của hỗn hợp 23
Bảng 4: Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn 23
Bảng 5: Kết quả khảo sát thành phần sợi tre 25
Bảng 6: Sự phân bố kích thước của sợi sau khi xay 30s và 60s 27
Bảng 7: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của CKD 31
Bảng 8: Kết quả so sánh hàm lượng tối ưu giữa 4 loại CKD 34
Bảng 9: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37
Bảng 10: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39
Bảng 11: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41
X
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 1: Ảnh hưởng của nồng độ xút lên tỷ trọng của sợi tre 10
Đồ thị 2: Sự phân bố chiều dài sợi sau khi xay 30s và 60s 28
Đồ thị 3: Ảnh hưởng của CKD lên modul kéo của mẫu 32
Đồ thị 4: Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất kéo của mẫu 32
Đồ thị 5: Ảnh hưởng của CKD lên modul uốn của mẫu 33
Đồ thị 6: Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất uốn của mẫu 33
Đồ thị 7: Ảnh hưởng của chiều dài sợi lên tính chất cơ của mẫu 38
Đồ thị 8: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất cơ của mẫu 40
Đồ thị 9: Ảnh hưởng của điều kiện gia công lên tính chất cơ của mẫu 42

XI
Phần 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu composite:
1.1.1. Giới thiệu:
Vật liệu composite là vật liệu kết hợp từ hai vật liệu thành phần trở lên là vật liệu
gia cường và vật liệu nền nhằm tạo nên vật liệu có tính chất vượt trội hơn so với từng vật
liệu riêng lẻ. Độ bền của composite phụ thuộc vào hàm lượng, sự xắp xếp, loại sợi và loại
pha nền. Vật liệu composite có pha nền polymer được gọi là polymer composite.
1.1.2. Cấu tạo của vật liệu polymer composite:
1.1.2.1. Vật liệu nền (matrix):
Polymer là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất
sang pha gia cường khi có lực tác dụng lên vật liệu. Polymer nền có thể là một loại nhựa
hay nhiều loại trộn lẫn vào nhau thành hỗn hợp đồng nhất. Polymer nền thường có ba
loại:
Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PS, PVC,
Nhựa nhiệt rắn: UP, Epoxy, vinyl ester,
Cao su (Elastomer).
1.1.2.2. Vật liệu gia cường:
Đóng vai trò chịu ứng suất do pha gia cường có tính chất cao hơn nhựa. Có hai
dạng pha gia cường chính:
Dạng hạt: thường được sử dụng nhằm mục đích giảm giá thành, giảm sự tạo bọt
khí, dễ đúc khuôn, cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút và giảm tỏa nhiệt khi
đóng rắn.
Dạng sợi: tính năng cơ lý cao hơn dạng hạt nhưng giá thành cao. Sợi gia cường có
thể ở dạng tự do hay được dệt thành tấm định hướng (roving) hoặc không định hướng
(mat).
1.1.2.3. Các thành phần khác:
Để tạo thành một sản phẩm composite, ngoài hai thành phần chính trên cần phải có
một số thành phần phụ khác gọi là chất phụ gia. Một số chất phụ gia phổ biến trong vật
liệu composite nhựa nhiệt rắn như:

XII
Chất róc khuôn: thường gặp là wax, silicon, dầu, mỡ heo, có tác dụng ngăn
không cho nhựa dính lên mặt khuôn. Có hai loại chất róc khuôn là róc khuôn nội (được
pha vào nhựa) và chất róc khuôn ngoại (bôi lên mặt khuôn).
Chất làm kín: với khuôn làm từ vật liệu xốp như gỗ, thạch cao phải bôi chất làm
kín trước khi dùng chất róc khuôn. Chất làm kín có tác dụng lấp đầy các lỗ xốp không cho
nhựa chảy vào. Ví dụ: acid stearic, vecni, cellulose acetate,
Chất đóng rắn (Curing agents): có tác dụng tạo gốc tự do khơi mào cho phản
ứng đóng rắn nhựa. Tác nhân kích thích quá trình tạo gốc tự do có thể là nhiệt độ, ánh
sáng, tia tử ngoại, chất xúc tiến,
Chất ức chế (Inhibitors): được pha vào nhựa với lượng rất ít nhằm cản trở hay
làm giảm bớt phản ứng đóng rắn xảy ra trong quá trình khuấy trộn hay lưu trữ nhựa.
Chất chống co ngót (Low profile additives): là các nhựa nhiệt dẻo được trộn với
hỗn hợp nhựa nhiệt rắn để giảm bớt sự co rút khi đóng rắn của nhựa nhiệt rắn. Chất chống
co ngót thường được dùng khoảng 5-10% khối lượng so với nhựa. Các chất chống co
ngót thường sử dụng là PMMA, PVAc, PE, PCL,
Chất độn (Fillers): là chất được thêm vào với mục đích làm giảm giá thành sản
phẩm. Chất độn không làm tăng mà có khi còn làm giảm tính chất tính chất cơ lý của sản
phẩm.
Chất phủ bề mặt (gel coat): có tác dụng làm bề mặt sản phẩm trơn láng và tạo
màu cho sản phẩm.
1.2. Tổng quan về vật liệu nền unsaturated polyester (UP):
1.2.1. Giới thiệu:
Polyester được tổng hợp đầu tiên bởi Berzelius (1847) bằng phản ứng giữa acid
tartaric và glycerine. Nghiên cứu đầu tiên về unsaturated polyester (UP) được báo cáo bởi
Vorlander (1894). Đây là loại polymer thuộc nhóm nhựa nhiệt rắn, có phân tử lượng thấp
từ 1000-2000 (prepolymer) có chứa những liên kết π trong mạch [1].
Nhựa UP được bán dưới nhiều tên thương mại như: Dion, Hetron, Polylite,
Advaco, Altek, Cargill, Cook, OCF, Pedigree,…[1,2].
XIII

1.2.2. Quy trình tổng hợp:
Nhựa UP thường được tổng hợp từ propylene glycol và hỗn hợp hai anhydride acid
là anhydride maleic để cung cấp liên kết π và anhydride phthalic để kiểm soát quá trình
tạo liên kết phân tử, tránh tạo ra liên kết phân tử quá lớn. Khi sự trùng hợp tới giai đoạn
mong muốn, nhựa được làm nguội và được pha loãng bằng styrene.
Công thức cấu tạo của propylene glycol, acid maleic, acid phthalic như sau:
CH
3
OH OH

O
O O

O
O
O
propylene glycol anhydride maleic anhydride phthalic
Phản ứng minh họa quy trình sản xuất nhựa UP như sau:
Phản ứng minh họa quá trình đóng rắn nhựa UP như sau:
XIV
Tính chất vật liệu có thể thay đổi nếu ta thay một phần hay toàn bộ acid phtalic
bằng một acid nhị chức khác. Acid isophtalic làm cho sản phẩm sau khi cứng có tính bền
nhiệt, module cao hơn, kháng nước và kiềm tốt hơn. Acid adipic làm cho nhựa dẻo hơn,
dùng làm lớp phủ dạng keo.
Khi hàm lượng styrene pha loãng ít thì độ nhớt của hỗn hợp cao làm cho nhựa
không thấm ướt tốt sợi dẫn tới việc liên kết giữa nhựa và sợi không tốt làm tính chất cơ lý
của composite giảm, đồng thời gây khó khăn khi gia công. Khi hàm lượng styrene pha
loãng quá nhiều thì trong hỗn hợp sẽ có hiện tượng tách pha giữa styrene với các thành
phần khác, khi đóng rắn gây nên hiện tượng tạo homopolymer của polystyrene cạnh tranh
với copolymer của polyester-polystyrene làm giảm tính chất cơ lý của sản phẩm [3].

1.2.3. Các ứng dụng chính của nhựa UP [2]:
Ứng dụng phổ biến của nhựa UP là dùng để chế tạo các sản phẩm dạng tấm dùng
làm vật liệu cách ly (vách ngăn, hàng rào, cửa sổ trời,…), vật liệu xây dựng (bồn tắm,
ngói lợp mái, đá lát sàn,…),….
Ngoài ra, nhựa UP còn được dùng để chế tạo các chi tiết dùng trên ôtô, tàu thủy,
các đồ vật trang trí nội thất, đồ chơi trẻ em, dụng cụ thể thao (ván trượt tuyết, banh
bowling,…),….
1.2.4. Ưu và nhược điểm:
XV
Ưu điểm: giá thành thấp, phẩm chất bề mặt và khả năng thấm ướt tốt, dễ đổ khuôn,
khoảng nhiệt độ gia công rộng (từ 20 đến 200
0
C), kháng va đập cao, kháng thời tiết tốt,…
Nhược điểm: sự co rút khi đóng rắn lớn,…[2].
1.3. Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre:
1.3.1. Giới thiệu:
Cây tre có nguồn gốc thảo mộc (tên khoa học là Gramineae) thuộc phân họ
Bambusoideae, chi Bambuseae. Tre là loài thảo mộc lớn nhất, lâu đời nhất và là loài cây
phát tiển nhanh nhất (tốc độ phát triển có thể đạt đến 60 cm một ngày do cấu tạo thân rễ
đặc biệt của chúng). Trên thế giới hiện có trên 70 chi với trên 1200 loại tre phân bố rộng
khắp nơi trên thế giới, tập trung chủ yếu ở Châu Á và Nam Mỹ. Cây tre rất dễ trồng, rất
thích hợp với khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt, chúng mọc thành cụm, sinh sản đơn tính và
có tuổi thọ từ 5-20 năm [4].
Thân tre cứng, dễ uốn và có tỷ trọng thấp so với các loại gỗ khác. Tính chất vật lý
của sợi phụ thuộc chủ yếu vào thành phần vật lý và hóa học như cấu trúc sợi, hàm lượng
cellulose, và độ trùng hợp, [5].
1.3.2. Thành phần hóa học của tre:
Giống như hầu hết các loại thực vật khác, tre gồm ba thành phần chủ yếu là
cellulose (α-cellulose), hemi-cellulose, lignin chiếm hơn 90% khối lượng. Ngoài ra, tre
còn có một số thành phần phụ như pectins, waxes và một số muối khoáng vô cơ tùy thuộc

chủng loại cây và điều kiện sinh trưởng [4,5].
Điều kiện phát triển và độ tuổi cũng không ảnh hưởng nhiều đến thành phần và cấu
trúc của mô sợi tre. Cây tre chứa khoảng 50-70% holocellulose, 30% pentosans, 20-25%
lignin. Phần mắt chiếm khoảng 20% khối lượng của cây tre, có sợi ngắn hơn, hàm lượng
cellulose thấp hơn nhưng hàm lượng khoáng, pentosans, lignin và tro cao hơn [6].
Bảng 1: Thành phần hóa học của sợi tre [7]
Thành phần hóa học %
Hơi ẩm 11.7
Tro 2.3
Độ tan trong nước nóng 7.7
Độ tan trong hỗn hợp ethanol-benzene 2.2
XVI
Lignin 21.4
Pentosan 20.3
Holocellulose 73.3
α-cellulose
48.2
So với gỗ, tre có hàm lượng muối kiềm, tro và silica cao hơn. Tre có từ 2-6% tinh
bột, 2% đường khử (deoxidized saccharide), 2-4% chất béo, 0.8-6% protein. Hàm lượng
tinh bột cao nên tre dễ bị tấn công bởi các loại nấm. Lóng tre có hàm lượng tro và độ tan
trong xút lớn hơn mắt tre. Hàm lượng và độ kết tinh của cellulose giảm dần từ gốc lên
ngọn. Ống tre được bao bọc bởi lớp vỏ cứng bên ngoài và lớp sáp bên trong.
1.3.2.1. Cellulose:
Cellulose là một polymer tự nhiên (polysaccharide) mạch thẳng bao gồm những
đơn vị D-glucopyranoside liên kết nhau bằng liên kết β-1,4-glucose. Độ trùng hợp từ
2000-10000 tùy từng loại cây, mỗi đơn vị có chứa 3 nhóm hydroxyl. Cellulose kết tinh
khoảng 65-73% nên không tan trong nước, kiềm hay acid loãng [5].
Hình 1: Công thức hóa học của cellulose [36]
1.3.2.2. Hemi-cellulose:
Hemicellulose là polysaccharide tạo thành từ những vòng hydratecarbon 5 và 6

cạnh. Hemicellulose khác cellulose ở chỗ chúng chứa nhiều loại mắc xích khác nhau,
XVII
thường tồn tại ở dạng mạch nhánh, vô định hình và có độ trùng hợp từ 50-300.
Hemicellulose rất ưa nước, tan trong dung dịch kiềm và bị thủy phân trong acid [5].
Hình 2: Công thức hóa học của hemi-cellulose
1.3.2.3. Lignin:
Lignin là polymer có cấu trúc rất phức tạp vừa có các thành phần béo và thơm, là
một polyphenol có mạng không gian mở. đóng vai trò kết dính các sợi cellulose lại với
nhau. Thành phần của nó thay đổi tùy loại tre, tuổi cây, và điều kiện sinh trưởng. Lignin
dễ bị hoà tan trong trong một số hoá chất [5].
Hình 3: Công thức hóa học của lignin [37]
1.3.2.4. Sáp:
Sáp là một dạng của lipid gồm các alkan, ester mạch dài, polyester, hydroxy ester
của rượu bậc nhất mạch dài và acid béo [5].
1.3.2.5. Pectin:
XVIII
Là một dạng polysaccharide phức hợp được cấu tạo chủ yếu bởi monomer D-
galacturonic liên kết với nhau. Pectin trong tự nhiên xuất hiện ở vách tế bào thực vật, có
tác dụng kết nối các tế bào thực vật với nhau và điều hòa lượng nước. Pectin có màu trắng
nâu nhạt được dùng làm chất hóa gel trong thực phẩm và chất ổn định trong thức uống[5].
1.3.3. Cấu trúc của sợi tre:
Sợi thực vật nói chung hay sợi tre nói riêng có thể được xem như một loại
composite tự nhiên trong đó các bó cellulose được giữ bằng lignin và hemicellulose.
Thành tế bào sợi tre có cấu trúc đa lớp phức tạp bao gồm 1 lớp chính hình thành suốt sự
phát triển của sợi bao quanh lớp phụ. Lớp phụ gồm 3 lớp trong đó lớp phụ dày ở giữa
quyết định tính chất cơ lý của sợi. Lớp này chứa các bó sợi tạo thành từ các tinh thể
cellulose mạch dài. Pha nền vô định hình có cấu trúc phức tạp chứa hemicellulose, lignin
và pectin. Các phân tử hemicellulose tạo liên kết hydro với cellulose như chất kết dính
các bó sợi với nhau tạo thành mạng lưới cellulose-hemicellulose là thành phần cấu trúc
chính của tế bào sợi [5,8].

XIX
d
a b c
Mảng tinh thể
cellulose trong sợi
Các phân tử cellulose
Vi sợi cellulose
Các phân tử
cellulose
Các polysaccharide
khác
Hình 4: a) Ảnh mặt cắt của một nan tre [4], b)Ảnh SEM cấu trúc bó sợi tre [38],
c) Ảnh TEM cấu trúc bó sợi tre [39], d) Hình minh họa bó sợi tre [40]
1.3.4. Ứng dụng của tre:
Cây tre có giá trị kinh tế và ý nghĩa văn hóa cao đối với các nước Đông Á và Đông
Nam Á. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ các vật dụng trong nhà đơn
giản đến các ứng dụng công nghiệp. Ứng dụng chính của tre là làm giấy và bột giấy, nhạc
cụ, vũ khí, bè, cầu, củi, thức ăn, đồ đựng thức ăn, đồ thủ công mỹ nghệ và trang trí nội
thất, Trong những năm gần đây, sợi tre được nghiên cứu làm pha gia cường trong vật
liệu composite. Sự phát triển nhanh của tre khiến chúng trở nên càng phổ biến.
1.3.5. Các phương pháp biến tính sợi tre:
Có nhiều phương pháp biến tính sợi tre nhưng nhìn chung mục đích chủ yếu vẫn là
loại bỏ các tạp chất không cần thiết, giảm tính ưa nước và tăng tính kỵ nước của sợi tre,
làm tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền, tạo liên kết hóa học giữa bề mặt sợi và
nhựa nền. Biến tính bề mặt sợi bao gồm biến tính hóa học, biến tính vật lý và biến tính vật
lý-hóa học kết hợp [9].
1.3.5.1. Biến tính bằng kiềm:
Xử lý xút là giai đoạn biến tính đầu tiên và phổ biến nhất trước khi thực hiện các
giai đoạn biến tính tiếp theo [10].
Việc xử lý kiềm có các tác dụng chính: làm sạch bề mặt sợi, loại bỏ liên kết

hydrogen trong cấu trúc sợi.
Fibre-OH + NaOH → Fibre-O
-
Na
+
+ H
2
O
XX
Các khoảng trống
Các phân tử
nước
Sự định hướng của các
phân tử cellulose
Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm [5]
Ảnh hưởng của kiềm lên sợi làm nới lỏng cấu trúc tinh thể cellulose ra, có thể làm
thay đổi dạng thù hình của cellulose tùy vào nồng độ dung dịch xút. Tùy loại kim loại
kiềm và nồng độ của chúng mà có ảnh hưởng khác nhau lên sự thay đổi dạng thù hình
này. Các nghiên cứu cho thấy rằng Na
+
có bán kính thích hợp, có khả năng mở rộng
những khe nhỏ giữa hai mặt lưới và xâm nhập vào bên trong. Kết quả là sợi xử lý bằng
NaOH có độ trương tốt hơn dẫn đến sự tạo thành lớp mới Na-cellulose-I (Hình 5), một
lớp với khoảng cách tương đối lớn giữa các phân tử cellulose được làm đầy bằng các
phân tử nước. Trong cấu trúc này nhóm -OH được chuyển thành nhóm –ONa, mở rộng
khoảng cách giữa các phân tử. Sau đó, chúng phản ứng với nước loại bỏ các ion Na
+
và
chuyển sang cấu trúc tinh thể mới cellulose-II có độ ổn định cao hơn cấu trúc ban đầu [5].
Dung dịch kiềm không chỉ ảnh hưởng lên các thành phần cellulosic mà cón ảnh

hưởng lên các thành phần noncellulosic (hemicellulose, lignin, pectin,…).
Khi xử lý sợi tre bằng xút, khi nồng độ xút thấp (< 5%) tỷ trọng của sợi tre tăng lên
do phần lớn chỉ có hemicellulose và lignin bị loại ra khỏi sợi làm cho các bó sợi gần nhau
hơn và dễ xắp xếp, định hướng và tái kết tinh lại. Khi nồng độ xút tăng lên, tỷ trọng của
sợi giảm do các chất nhạy cảm với xút khác bị loại ra khỏi nền sợi tre làm hình thành các
lỗ trống trong cấu trúc sợi. Các lỗ trống này không được lấp đầy do lúc này các bó sợi đã
được tái định hướng và tái kết tinh [10].
XXI
Đồ thị 1: Ảnh hưởng của nồng độ xút lên tỷ trọng của sợi tre [10]
Hình 6: Ảnh SEM của sợi (a) trước khi biến tính và (b) sau khi biến tính bằng xút [11]
1.3.5.2. Biến tính bằng silane:
Silane là một hợp chất ưa nước của silic có chứa 3 nhóm -OH có khả năng tương
tác với sợi và một nhóm khác có khả năng phản ứng tạo liên kết với nhựa nền để tạo cầu
nối giữa sợi và nhựa. Sự biến tính bằng silane phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian
thủy phân, loại nhóm chức hữu cơ, nhiệt độ và pH. Silane trải qua giai đoạn thủy phân,
ngưng tụ và tạo liên kết. Chúng có thể tạo thành cấu trúc polysiloxane bằng phản ứng với
nhóm hydroxyl trên bề mặt sợi hay tự phản ứng với nhau. Các nghiên cứu trên chất tạo
cầu silane cho thấy phản ứng giữa silane và cellulose chỉ xảy ra ở nhiệt độ trên 70
0
C [5,9].
Sự tương tác giữa bề mặt sợi và chất tạo cầu silane được minh họa bằng sơ đồ [12]:
CH
2
=CH-Si(OC
2
H
5
)
3
+ H

2
O → CH
2
=CH-Si(OH)
3
+ 3 C
2
H
5
OH
XXII
CH
2
=CH-Si(OH)
3
+ Fibre-OH → CH
2
=CH-Si(OH
2
)O-Fibre + H
2
O
1.3.5.3. Sự acetyl hóa :
Acetyl hóa là một phương pháp biến tính khá hiệu quả và làm cho bề mặt sợi kỵ
nước hơn, làm giảm tính trương của sợi trong nước. Nguyên tắc của phương pháp này là
thực hiện phản ứng giữa nhóm -OH của sợi và nhóm acetyl. Các nghiên cứu cho thấy
nhóm hydroxyl phản ứng chủ yếu thuộc về các thành phần phụ như hemicellulose,
cellulose vô định hình và lignin. Nhóm hydroxyl trong vùng tinh thể của sợi bị giữ chặt
bằng liên kết liên phân tử mạnh nên khó tiếp xúc được với chất phản ứng [5,13].
Fibre-OH + CH

3
-C(=O)-O-C(=O)-CH
3
→ Fibre-OCOCH
3
+ CH
3
COOH
Acetyl hóa làm giảm khả năng hấp thu hơi nước của sợi, làm tăng khả năng tương
hợp giữa nhựa và sợi. Ngoài anhydride acetic, anhydride maleic cũng được sử dụng để
biến tính bề mặt sợi [14].
1.3.5.4. Sự benzoyl hóa:
Có tác dụng làm giảm tính ưa nước của sợi và tăng tính tương hợp giữa sợi và
nhựa nền như acetyl hóa.
Fibre-OH + NaOH → Fibre-O
-
Na
+
+ H
2
O
Fibre-O
-
Na
+
+ C
6
H
5
COCl → Fibre-OCOC

6
H
5
+ H
2
O
1.3.5.5. Biến tính bằng isocyanate:
Nhóm -NCO sẽ phản ứng với nhóm -OH trên bề mặt sợi. Isocyanate đóng vai trò
như chất tạo cầu làm tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền [5].
R-N=C=O + HO-Fibre → R-NH-COO-Fibre
1.3.5.6. Biến tính bằng triazine:
Triazine làm giảm sự hấp phụ hơi ẩm và tính ưa nước của sợi, hạn chế sự trương
của sợi do sự tạo mạng liên kết giữa sợi và nhựa [9].
XXIII
Hình 7: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng triazine [9]
1.3.5.7. Biến tính bề mặt sợi bằng imidazolidinone:
Biến tính bằng imidazolidinone làm giảm năng lượng tự do bề mặt của sợi, có sự
sắp xếp lại các vùng vô định hình trong sợi do xảy ra sự khâu mạng (ngăn cản sự xâm
nhập của chất lỏng vào các vùng này) [15].
Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone [15]
1.4. Vật liệu composite gia cường sợi thực vật:
1.4.1. Giới thiệu:
Vật liệu composite gia cường sợi thực vật ở đây là loại vật liệu composite mà pha
gia cường có nguồn gốc từ sợi của các loại thực vật như tre, đay, gai dầu, lanh,….
Sợi thực vật là nguồn vật liệu phân hủy sinh học có ở khắp nơi trên thế giới. Các
nghiên cứu gần đây cho thấy sơi thực vật có thể dùng làm pha gia cường trong vật liệu
polymer composite nhằm thay thế pha gia cường sợi tổng hợp không tái sinh được [16].
XXIV
Trước đây, vật liệu polymer composite thường đi liền với pha nền nhựa nhiệt rắn
hay nhiệt dẻo và pha gia cường thường là các loại sợi như carbon, thủy tinh,…. Tuy nhiên

trong những năm gần đây, loại vật liệu composite với pha gia cường sợi thực vật đang thu
hút sự quan tâm vì đây là giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề về giá trị kinh tế,
môi trường và sự cạn kiệt mỏ dầu,…. Các loại sợi thực vật thường được nghiên cứu như
sợi lanh, gai dầu, cọ dầu, đay, chuối, tre, cotton, chà là [5], vỏ trấu [17] và bã mía [18,19],
….
So với gỗ, tre có hàm lượng cellulose cao hơn và tạp chất ít hơn. Hơn nữa, tre có
thời gian sinh trưởng ngắn, khoảng 6-8 tháng là có thể sử dụng được. Vì vậy, có thể sử
dụng bột tre thay thế bột gỗ để ứng dụng vào lĩnh vực composite. Sử dụng bột tre thay thế
bột gỗ ngoại nhập sẽ làm tăng giá trị cho cây tre, tránh lãng phí nguồn nguyên liệu trong
nước. Tre được sử dụng làm pha gia cường trong vật liệu composite ở nhiều dạng như bột
[20,21], sợi [22] và giấy tre [23] hay kết hợp với các loại sợi tự nhiên [24] và sợi tổng hợp
[25] khác tạo thành pha gia cường hybric. Pha gia cường tre có thể sử dụng cho cả nhựa
nhiệt dẻo (polyethylene, polypropylene, polybutylene succinate,…) [26], nhựa nhiệt rắn
(unsaturated polyester, epoxy,…) [27,13,28], cao su [9] và các loại nhựa phân hủy sinh
học làm từ tinh bột [29], dầu đậu nành [30].
So với các loại sợi tổng hợp như carbon, aramide, boron và sợi thủy tinh,… sợi
thực vật nói chung và sợi tre nói riêng có nhiều lợi thế hơn như giá rẻ, dễ tái sinh, dễ phân
hủy, ít gây ô nhiểm môi trường và tận dụng được nguồn nguyên liệu có sẵn ở địa phương,
…[15].
Ở nhóm vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật, ảnh hưởng của
chất tạo cầu thích hợp lên các thông số của nhựa không rõ ràng như trường hợp nhựa
nhiệt dẻo [13]. Ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt sợi bằng kiềm lên tính chất cơ lý của
composite nhựa nền polyester rõ ràng hơn trường hợp nhựa nền epoxy. Điều này cho thấy
sự tương hợp của nhựa epoxy với bề mặt sợi chưa biến tính tốt hơn so với nhựa UP [27].
Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh [31]
Loại sợi [4,12] Độ bền kéo (MPa) Biến dạng kéo (%) Module Young (GPa)
XXV