khảo sát ảnh hưởng của việc xử lý sợi xơ dừa bằng phương pháp hóa học đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa polyester

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA VIỆC XỬ LÝ SỢI XƠ DỪA
BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA HỌC ĐẾN CƠ TÍNH CỦA
VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
TS. Trƣơng Chí Thành

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Võ Thị Nguyệt Ánh
MSSV: 2082164
Ngành: Công Nghệ Hóa Học-Khóa 34

Tháng 4/2012


LỜI CẢM ƠN
--------------------

Luận văn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm polymer và composite, Bộ
môn Công nghệ hóa học, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ, Khu II,
Đường 3/2, Quận Ninh Kiều, Thành phố Cần Thơ. Tôi chân thành biết ơn sâu sắc
đến:
Thầy Trương Chí Thành, người thầy đã hướng dẫn, hết lòng giảng dạy, giúp
đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này.
Quý thầy cô Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Công nghệ đã truyền đạt kiến

thức và tạo mọi điều kiện cho tôi làm việc tốt.
Anh Trương Minh Châu - sinh viên Ngành Công nghệ hóa học - Khóa 33 - Bộ
môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ, bạn Ngô
Thị Bảo Trân, bạn Võ Hoàng Ngân đã giúp đỡ tận tình tôi trong suốt quá trình làm
luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!!!
Cần Thơ, ngày 19 tháng 4 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Võ Thị Nguyệt Ánh

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

i


TÓM TẮT
--------------------

Một trong những hạn chế của các loại sợi tự nhiên trong các ứng dụng làm vật
liệu composite là khả năng bám dính của sợi và nhựa nền thấp. Gần đây, khuyết
điểm này đã được cải thiện thông qua việc tăng cường liên diện giữa sợi và nhựa
nền.
Luận văn này, những ảnh hưởng của phương pháp cải thiện bề mặt của sợi xơ
dừa được gia cường cho nhựa polyester đã được khảo sát. Phương pháp cải thiện
bề mặt sợi được sử dụng là phương pháp hóa học. Hóa chất được sử dụng là
NaOH.
Ngoài ra để việc khảo sát được tốt hơn nên trong đề tài này cũng đã sử dụng
phương pháp RTM (Resin Transfer Moulding) để gia công tấm composite. Thực tế
có nhiều phương pháp gia công composite như phương pháp đắp tay, phương pháp

ép nóng, phương pháp túi chân không,… Nhưng những phương pháp này khó thực
hiện, có thể ảnh hưởng đến sức khỏe, hạn chế trong việc sử dụng một số loại
nhựa,…Trong khi đó, phương pháp RTM cho bề mặt sản phẩm tốt, ít bọt khí, sử
dụng được nhiều loại nhựa, chi phí thấp,…
Bằng sự kết hợp trên thì việc khảo sát cơ tính của vật liệu composite gia cường
bằng sợi xơ dừa được xử lý bằng NaOH trên nền nhựa polyester đã thành công.
Xử lý sợi bằng NaOH đã cải thiện tốt được liên diện giữa nhựa và sợi. Điều này
chứng tỏ rằng, sợi xơ dừa có thể được sử dụng làm vật liệu gia cường hiệu quả
trong vật liệu composite.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

ii


MỤC LỤC
Phần mở đầu ............................................................................................................ 1
Chương 1. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU....................................................................... 3
1.1 Vât liệu composite .......................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm 3
1.1.2 Thành phần và cấu tạo 3
1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite

3

1.2 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM ................................................ 4
1.2.1 Một số phương pháp gia công 5
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tấm composite bằng phương
pháp RTM
5

1.3 Sợi tự nhiên .................................................................................................... 6
1.3.1 Giới thiệu về sợi tự nhiên

6

1.3.2 Phân loại sợi tự nhiên 6
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composite gia cường bằng
sợi tự nhiên
6
1.3.4 Thành phần hóa học của sợi tự nhiên 7
1.3.5 Cấu trúc và tính chất của sợi tự nhiên 15
1.4 Sợi xơ dừa .................................................................................................... 18
1.4.1 Cấu tạo quả dừa 18
1.4.2 Cấu trúc, thành phần và tính chất của sợi xơ dừa
1.4.3 Ứng dụng của sợi xơ dừa

18

20

1.5 Nhựa polyester ............................................................................................. 21
1.5.1 Tổng quan về polyester 21
1.5.2 Polyester không no

21

1.6 Chất đóng rắn ............................................................................................... 23
1.7 Độ bền liên diện ........................................................................................... 25
1.7.1 Độ bền liên diện giữa nhựa và sợi........................................................... 25

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

iii


Mục lục

1.7.2 Các phương pháp kiểm tra độ bền liên diện của vật liệu composite ........... 26
Chương 2. NGUYÊN LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM ................................................ 31
2.1 Nguyên liệu .................................................................................................. 31
2.1.1 Sodium hydroxide
2.2.2 Sợi xơ dừa

31

31

2.2.3 Nhựa polyester không no

32

2.2 Quy trình thực nghiệm.................................................................................. 33
2.2.1. Làm sạch sơ bộ sợi xơ dừa nguyên liệu
2.2.2. Xử lý sợi bằng dung dịch NaOH
2.2.3. Rửa và sấy sợi sau khi xử lý

33

34

35

2.2.4. Gia công tấm composite bằng thiết bị RTM với nhựa polyester chưa no
và sợi xơ dừa 36
2.3. Kiểm tra cơ tính........................................................................................... 39
2.3.1. Thí nghiệm kéo 39
2.3.2. Thí nghiệm uốn 3 điểm 40
2.3.3. Thí nghiệm đo va đập 42
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 44
3.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền kéo của composite.
44
3.2 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền uốn của composite
47
3.4 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền va đập của
composite
49
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 51
4.1 Kết luận........................................................................................................ 51
4.2 Kiến nghị...................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 52
Phụ lục 1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KÉO ............................................................ 54
Phụ lục 2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM UỐN NGANG ............................................ 62
SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

iv


Mục lục

Phụ lục 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VA ĐẬP ..................................................... 70

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên ...................................... 7
Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất của chúng ...... 11
Bảng 1.3 Thành phần hóa học của sợi xơ dừa ........................................................ 19
Bảng 1.4 Kích thước và tính chất của sợi xơ dừa ................................................... 20
Bảng 2.1 Các đặc tính cơ bản của sợi nhựa polyester không no ............................. 32
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật máy RTM Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ ......... 37
Bảng 2.3 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm kéo ................................................ 40
Bảng 2.4 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm uốn 3 điểm .................................... 41
Bảng 2.5 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm đo va đập ....................................... 43
Bảng 3.1 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử lý
.............................................................................................................................. 44
Bảng 3.2 Kết quả đo kéo các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không xử
lý và nhựa polyester .............................................................................................. 45
Bảng 3.3 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được
xử lý (MPa) ........................................................................................................... 47
Bảng 3.4 Kết quả đo uốn ngang các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa
không xử lý và nhựa polyester (MPa) .................................................................... 47
Bảng 3.5 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa không
xử lý và nhựa polyester (J/m) ................................................................................ 49
Bảng 3.6 Kết quả đo va đập các mẫu composite gia cường bằng sợi xơ dừa được xử
lý (J/m) .................................................................................................................. 49

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Phương pháp RTM ................................................................................... 4
Hình 1.2 Quy trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM...................... 5
Hình 1.3 D-glucose.................................................................................................. 8
Hình 1.4 Công thức phân tử của cellulose................................................................ 8
Hình 1.5 Liên kết hydro trong cellulose ................................................................. 10
Hình 1.6 Đơn vị mắc xích trong hemicellulose ...................................................... 12
Hình 1.7 Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin ............................................................ 13
Hình 1.8 Cấu trúc lignin ........................................................................................ 14
Hình 1.9 Công thức cấu tạo của pectin................................................................... 14
Hình 1.10 Cấu trúc sợi tự nhiên ............................................................................. 15
Hình 1.11 Cấu tạo quả dừa .................................................................................... 18
Hình 1.12 Một số ứng dụng của sợi xơ dừa ........................................................... 21
Hình 1.13 Chất đóng rắn MEKP ............................................................................ 24
Hình 1.14 Công thức cấu tạo của MEKP ............................................................... 24
Hình 1.15 Một số kiểu liên kết tại liên diện ........................................................... 26
Hình 1.16 Mẫu thử single fiber compression test ................................................... 27
Hình 1.17 Mẫu thử hình xương chó ....................................................................... 27
Hình 1.18 Mẫu thử fiber pull-out test..................................................................... 28
Hình 1.19 Phương pháp fiber push-out test ............................................................ 28
Hình 1.20 Phương pháp slice compression test ...................................................... 29
Hình 1.21 Thí nghiệm uốn 3 điểm ......................................................................... 30
Hình 2.1 Sodium hydroxyde .................................................................................. 31
Hình 2.2 Sợi xơ dừa thẳng ..................................................................................... 31
Hình 2.3 Quy trình gia công tấm composite ........................................................... 33
Hình 2.4 Thao tác loại những sợi không đạt........................................................... 34

Hình 2.5 Chải sợi trong nước ................................................................................. 34
Hình 2.6 Xử lý sợi bằng dung dịch NaOH ............................................................. 35
SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

vii


Hình 2.7 Rửa sợi xơ dừa sau khi đã xử lý .............................................................. 36
Hình 2.8 Máy RTM Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ ...................................... 36
Hình 2.9 Quy trình làm việc của thiết bị RTM ....................................................... 38
Hình 2.10 Gia công composite bằng phương pháp RTM ....................................... 38
Hình 2.11 Máy đo kéo và uốn Zwick/Roell BDO – FB050TN ............................... 39
Hình 2.12 Đo mẫu uốn composite.......................................................................... 41
Hình 2.13 Thiết bị Zwick/Roell BPI – 50COMC ................................................... 42
Hình 3.1 Modulus đàn hồi kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các
điều kiện khác nhau ............................................................................................... 45
Hình 3.2 Độ bền kéo của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều kiện
khác nhau .............................................................................................................. 46
Hình 3.3 Độ bền uốn ngang của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các
điều kiện khác nhau ............................................................................................... 48
Hình 3.4 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi được xử lý ở các điều
kiện khác nhau....................................................................................................... 50

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

viii


Phần mở đầu
Mục tiêu đề tài

Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản
chất khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới mang tính ưu việt hơn hẳn
các vật liệu thành phần. Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng thiết kế các
kết cấu và vật liệu theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau như mong muốn.
Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong đời sống xã hội. Khoảng
5000 năm trước công nguyên, người cổ đại đã biết ứng dụng composite vào cuộc
sống, điển hình là họ đã biết sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở
trong quá trình nung gốm.
Cùng với sự phát triển của thời đại, vật liệu composite đã không ngừng tiến
bước và khẳng định địa vị trong đời sống xã hội. Năm 1930 đã ứng dụng thành
công sợi thủy tinh gia cường cho polyester không no và được áp dụng rộng rãi trong
ngành công nghệ chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho chiến tranh Thế giới lần
thứ 2. Đến năm 1950, ngành vật liệu composite đã mang tính đột phá quan trọng đó
là sự xuất hiện nhựa epoxy và sợi gia cường polyester, nylon, ….
Ngày nay, ngành vật liệu composite với nền là nhựa nhiệt dẻo đã được đưa
vào ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao.
Thời đại ngày nay với sự ra đời hàng loạt các sản phẩm kỹ thuật công nghệ
đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Song cùng với quá trình
phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ
trong những thập niên gần đây, đã phát sinh nhiều vấn đề nguy cơ và thách thức to
lớn, trong đó có vấn nạn ô nhiễm môi trường.
Vật liệu composite hiện nay chủ yếu thường sử dụng các nguồn nguyên liệu
sợi và nhựa tổng hợp. Việc sử dụng chúng ảnh hưởng đến môi trường do chúng
không thể tái tạo được. Chính vì thế, vấn đề đặt ra trong xu thế hiện nay là sử dụng
những loại vật liệu mang tính thân thiện với môi trường. Vì vậy trong đề tài này, sợi
xơ dừa được sử dụng làm sợi gia cường. Sợi xơ dừa có nhiều ở Đồng bằng sông
Cửu Long của nước ta, giá thành thấp, độ mài mòn và tỷ trọng thấp, có thể tái sinh
và phân hủy sinh học nên rất thân thiện với môi trường. Đặc biệt là nó có độ biến
dạng phá hủy khá cao khoảng 15 – 25%, đây là tiềm năng để cải thiện độ bền va
đập cho composite được gia cường bằng sợi xơ dừa. Tuy nhiên một nhược điểm lớn

nhất về loại vật liệu này là khả năng liên kết giữa sợi và nhựa rất kém. Vì vậy, mục
têu của đề tài cần giải quyết là cải thiện độ bền liên diện giữa nhựa và sợi.
SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

1


Phần mở đầu

Phƣơng pháp thực hiện
Ngày nay có nhiều phương pháp cải thiện độ bền liên diện của composite sợi
tự nhiên nhằm làm tăng cơ tính composite, bao gồm phương pháp vật lý và phương
pháp hóa học. Phương pháp vật lý khó thực hiện, chi phí cao. Trong khi đó, phương
pháp hóa học đơn giản hơn phương pháp vật lý và có thể đạt được kết quả như
mong muốn, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm. Trong đề tài này, sợi xơ dừa
được xử lý bằng dung dịch NaOH.
Phương pháp gia công composite sợi đẳng hướng dễ thực hiện trong phòng
thí nghiệm và cơ tính của vật liệu composite được xác định dễ dàng. Ngoài ra, để
đảm bảo sức khỏe khi làm việc nên việc gia công composite cần thực hiện trong hệ
kín. Phương pháp gia công composite bằng máy RTM (Resin Transfer Moulding)
được sử dụng trong thí nghiệm này là hợp lý vì dung môi dễ bay hơi ít hơn phương
pháp đắp tay, đồng thời phương pháp này được thử nghiệm nhằm phổ biến cho các
cơ sở sản xuất vật liệu composite trong nước.
Để đánh giá hiệu quả của việc xử lý sợi xơ dừa, độ bền phá hủy của vật liệu
composite được xác định bằng thiết bị kéo, uốn ba điểm và va đập. Cơ tính kéo là
một trong những loại cơ tính đặc trưng của vật liệu và thường được đánh giá. Thí
nghiệm uốn ba điểm theo phương vuông góc với sợi là một phương pháp gián tiếp
nhằm xác định độ bền liên diện giữa sợi gia cường và nhựa nền. Phương pháp này
cho kết quả nhanh chóng thể hiện khả năng liên kết giữa sợi xơ dừa và nhựa
polyester, dễ thực hiện hơn các phương pháp đo trực tiếp khác và đặc biệt là phù

hợp với điều kiện thiết bị của phòng thí nghiệm. Khả năng chịu va đập là loại cơ
tính mà ta mong muốn có được cho composite dựa trên bản chất của hai loại vật liệu
thành phần là sợi xơ dừa và nhựa polyester. Vì khả năng chịu va đập của vật liệu
composite gia cường bằng sợi xơ dừa được mong đợi là rất tốt do có độ dãn dài lớn.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

2


Chƣơng 1. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
1.1 Vât liệu composite[1], [14]
1.1.1 Khái niệm
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hơp ít nhất từ hai loại vật liệu có
bản chất khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới có đặc tính cơ, lý và hóa trội hơn
đặc tính cơ, lý và hóa của từng vật liệu thành phần.
1.1.2 Thành phần và cấu tạo
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục. Pha liên tục gọi là vật liệu nền, làm nhiệm vụ liên
kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là vật liệu cốt hay vật liệu gia
cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính và những tính chất khác.
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần.
- Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần.
- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần hay còn được gọi là
độ bền liên diện giữa sợi và nhựa nền. Đây là yếu tố một quan trọng,
nhất là đối với composite sợi tự nhiên.
- Luật phần bố của của vật liệu cốt trong vật liệu nền.
- Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt.
- Phương pháp gia công.

- Điều kiện môi trường làm việc,…
1.1.3 Ứng dụng của vật liệu composite
Với những tính chất vượt trội của mình thì vật liệu composite đang dần thay
thế các loại vật liệu truyền thống ở hầu hết các lĩnh vực trong đời sống cũng như
trong kỹ thuật. Vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành hàng
không, vũ trụ, y tế, quân sự, thể thao, các ngành dân dụng,… Có thể nói rằng thế kỷ
XXI là thế kỷ của composite.
Bên cạnh những loại vật liệu composite truyền thống, ngày nay các loại vật
liệu composite có khả năng phân hủy sinh học và có thể tái sử dụng đang ngày càng
được tập trung nghiên cứu và phát triển. Loại composite này cũng đã có nhi ều ứng
dụng trong các ngành kỹ thuật cũng như trong đời sống như trong xây dựng (dùng
làm ván tường, tấm lợp mái nhà, các thanh dầm định hình, vật liệu nội thất…),

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

3


Chương 1 Lược khảo tài liệu

trong lĩnh vực ô tô (các thanh cản hấp thụ lực, sàn xe, các chi tiết bên trong xe…),
trong giáo dục (bàn ghế, các thiết bị trường học…),...

1.2 Gia công composite bằng phƣơng pháp RTM [1], [2], [15]
RTM (Resin Transfer Moulding) là phương pháp dùng áp suất thấp đưa nhựa
vào trong khuôn kín, tạo sản phẩm có sự kiểm soát chặt chẽ về hình dạng. Sản phẩm
có hàm lượng sợi cao 30 – 60%. RTM có thể tạo sản phẩm từ đơn giản có tính năng
thấp đến sản phẩm phức tạp có tính năng cao, từ sản phẩm có kích thước nhỏ đến
kích thước rất lớn (Hình 1.1).

Hình 1.1 Phương pháp RTM
Ưu điểm:
- Sử dụng nhựa có độ nhớt thấp khoảng 100 – 1000cP.
- Sản phẩm có thể được gia cố bằng các khung, lõi, hoặc các perform.
- RTM tạo sản phẩm đẹp, tiết kiệm được nguyên liệu, nhiều mặt láng và
quan trọng là ít gây hại cho môi trường.
- Có thể tạo sản phẩm lớn bằng cách đưa nhiều đầu phun nhựa, tuy
nhiên phải tính toán vị trí đặt đầu phun để đầu phun để đảm bảo thấm
nhựa đồng đều.
- Chi phí đầu tư tương đối thấp (so với tính năng của sản phẩm).
Nhược điểm:
- Chi phí khuôn mẫu cao.
- Gia công một sản phẩm tốn nhiều thời gian.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

4


Chương 1 Lược khảo tài liệu

- Muốn tăng năng suất thì phải dùng nhiệt đóng rắn và dùng nhiều
khuôn.
- Cần điều chỉnh tỉ lệ xúc tác chính xác để tránh đóng rắn ngay đầu trộn
đối với hệ đóng rắn nguội.
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM
Gia công composite bằng phương pháp RTM là một quá trình khuôn kín áp
suất thấp, cho phép chế tạo các vật liệu tổng hợp khác nhau, từ đơn giản đến phức
tạp và kích thước từ nhỏ đến rất lớn (Hình 1.2).

Hình 1.2 Quy trình gia công tấm composite bằng phương pháp RTM
Trong phương pháp RTM, sợi được đặt vào khuôn, với tỷ lệ sợi khoảng 30 –
60% thể tích. Khi khuôn được đóng lại, nhựa đã trộn sẵn phụ gia và chất đóng rắn
được đưa vào khuôn thông qua cổng phun ở áp suất tương đối thấp.
Áp suất bơm nhựa thường thấp hơn 690kPa (100psi). Sau đó gia nhiệt khuôn
để nhựa đóng rắn. Sau khi đóng rắn, tháo khuôn lấy sản phẩm ra.
Cân bằng giữa tốc độ gel hóa với thời gian chuyển nhựa vào khuôn và thời
gian điền đầy nhựa vào khoảng trống trong sợi là rất cần thiết.
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tấm composite bằng phương
pháp RTM
-

Đặc tính của sợi gia cường.
Đặc tính của nhựa.
Áp suất bơm nhựa.
Nhiệt độ của khuôn.
Áp suất chân không của hệ thống.
Thời gian điền đầy khuôn.
Thiết kế khuôn.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

5


Chương 1 Lược khảo tài liệu

1.3 Sợi tự nhiên[4], [5], [7], [11], [13], [14]
1.3.1 Giới thiệu về sợi tự nhiên
Vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng một trở ngại lớn

theo đó là vấn đề môi trường. Vì thế, người ta đang nghiên cứu chế tạo vật liệu
composite than thiện môi trường và giá thành tương đối thấp. Sợi thiên nhiên là một
lựa chọn đang được quan tâm để thay thế các loại đắt tiền khác mà lại thân thiện với
môi trường.
Thành phần hóa học của sợi tự nhiên bao gồm các polymer thiên nhiên như
cellulose, hemicellulose, lignin, pectin,… Trong phân tử các thành phần kể trên đều
có nhiều nhóm –OH phân cực nên sợi thiên nhiên tương hợp tốt với các polymer
phân cực.
1.3.2 Phân loại sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có thể được chia thành 4 loại sợi chính:
-

Sợi từ vỏ cây: đay, lanh, gai, wood,…
Sợi từ lá: dứa dại, chuối,…
Sợi từ bông: cotton,…
Sợi từ trái: dừa, cọ, bông gạo,…

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu composite gia cường bằng sợi
tự nhiên
Hệ số co (dài/dày) ảnh hưởng rất lớn đến tính chất composite. Vì vậy, hệ số
này rất được chú ý trong quá trình chuẩn bị sợi để gia công. Hệ số co của sợi nằm
trong khoảng 100 -200 là tối ưu. Nguồn gốc và loại sợi ảnh hưởng đáng kể đến tính
chất của composite.
Một yếu tố quan trọng khác là sự phân tán sợi. Sợi phân tán kém là sợi không
tách rời từng cọng riêng biệt mà tụm lại thành bó, làm cản trở quá trình thấm nhựa
nên khả năng gia cường kém so với sợi có độ phân tán tốt.
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt tiếp xúc (liên
diện giữa nhựa và sợi). Bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và sợi trong composite có nhiệm
vụ truyền ngoại lực tác dụng lên sợi. Lực tác dụng trực tiếp tại bề mặt của
composite được truyền qua sợi gần đó và tiếp tục truyền từ sợi qua sợi thông qua

nhựa nền và bề mặt tiếp xúc. Nếu bề mặt tiếp xúc kém, hiệu quả phân bố lực không
cao và cơ tính composite bị giảm. Nói cách khác, bề mặt tiếp xúc tốt có thể đảm bảo

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

6


Chương 1 Lược khảo tài liệu

composite chịu được tải trọng. Vì vậy, kết dính giữa sợi và nhựa nền là thông số cơ
bản quyết định cơ tính của nó.
1.3.4 Thành phần hóa học của sợi tự nhiên
Hiệu quả tăng cường của sợi tự nhiên phụ thuộc vào thành phần cellulose và
độ kết tinh của sợi. Thành phần của sợi tự nhiên là cellulose, hemicellulose, lignin,
pectin và chất sáp. Dưới đây là bảng so sánh thành phần hóa học của một số loại sợi
tự nhiên.
Bảng1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên

Cellulose

Hemicellulose

Lignin

Pectin

Độ ẩm

Sáp

(% KL)

(% KL)

(% KL)

(% KL)

(% KL)

(% KL)

Lanh

71

18,6-20,6

2,2

2,3

8-12

1,7

Gai dầu

70-74

17,9-22,4

3,7-5,7

0,9

6,2-12

0,8

Đay

61,1-71,5

13,6-20,4

12-13

0,2

12,5-13,7

0,5

Dâm bụt

45-57

21,5

8-13

3-5

-

-

Gai

68,6-76,2

13,1-16,7

0,6-0,7

1,9

7,5-17

0,3

Tầm ma

86

-

-

-

11-17

-

Si-dan

66-78

10-14

10-14

10

10-22

2

Thùa

77,6

4-8

13,1

-

-

-

Chuối

63-64

10

5

-

10-12

-

Cọ dầu

65

-

19

-

-

-

Bông vải

85-90

5,7

-

0,1

7,85-8,5

0,6

Xơ dừa

32-43

0,15-0,25

40-45

3-4

8

-

Rơm rạ

38-45

15-31

12-20

8

-

-

Sợi

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

7


Chương 1 Lược khảo tài liệu

So với các loại sợi tự nhiên khác thì sợi xơ dừa có hàm lượng cellulose thấp
nên hệ quả là cơ tính của sợi không cao. Cho nên, cần sử dụng các biện pháp xử lý
thích hợp để loại bỏ lignin (là thành phần chiếm tỷ lệ cao nhất trong sợi xơ dừa)
nhằm làm tăng tỷ lệ cellulose trong sợi.
1.3.4.1 Cellulose
a) Cấu trúc phân tử

Phân tử cellulose có cấu trúc mạch thẳng, bao gồm những đơn vị D –
anhydroglucopyranose (AGU), được nối với nhau bằng những nối β-1,4-glucose.
Công thức phân tử của cellulose là (C6H10O5)n, trong đó n là độ trùng hợp. Tùy vào
gốc của cellulose và phương pháp xử lý sợi mà chỉ số n sẽ khác nhau. Độ trùng hợp
của cellulose thiên nhiên khoảng 10000.
Các đơn vị mắc xích của cellulose chứa ba nhóm hydroxyl tự do, gồm một
nhóm rượu bậc I và hai nhóm rượu bậc II. Các nhóm hydroxyl ở mỗi đơn vị mắc
xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2 và 6. Các đơn vị AGU trong cellulose
có dạng vòng 6 cạnh, vì vậy cellulose tương đối bền trong môi trường acid.
Đơn vị tuần hoàn trong cellulose là hai đơn vị glucose anhydric liên tiếp đơn
vị cellulose. Như vậy, cellulose có thể xem là một polymer điều hòa không gian,
công thức cấu tạo được trình bày ở hình 1.4.

Hình 1.3 D-glucose

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

8


Chương 1 Lược khảo tài liệu

Hình 1.4 Công thức phân tử của cellulose
b) Tính chất của cellulose
Tính chất vật lý
Cellulose là polymer rắn, không màu, không mùi vị. Cellulose không tan trong
nước và một số dung môi hữu cơ thường nhưng có thể trương nở trong nhiều dung
môi phân cực. Do có độ kết dính mạnh giữa các đại phân tử, đặc biệt là các mạng
lưới liên kết hydro nên cellulose không nóng chảy được.
Mạch phân tử cellulose rất dài gồm nhiều mắc xích glucose liên kết cộng hóa

trị với nhau. Phân tử cellulose ở cấu trúc dạng phiến, nó có thể uốn cong và xoắn
với một giới hạn nào đó nhờ cầu nối oxy giữa các mắc xích. Vì thế các nhóm
hydroxyl trong mạch phân tử cellulose dễ dàng nhô ra để tạo liên kết hydro với các
phân tử cellulose khác và tính hút nước của sợi cũng được quyết định thông qua liên
kết này.
Trạng thái của cellulose
Quá trình phản ứng hóa học của cellulose xảy ra chủ yếu ở các nhóm –OH của
phân tử. Vì đặc điểm này mà cellulose bền trong môi trường không phân cực. Trong
thực tế, hàm lượng cellulose có thể bị giảm trong một số trường hợp:
- Do thủy phân trong môi trường acid, trong trường hợp này nối
glucose sẽ bị phân giải.
- Phân giải bằng thủy phân của nối đôi glucosidic trong nước hay trong
môi trường ẩm với xúc tác enzim từ các loại nấm và vi khuẩn trong
quá trình ủ làm mục nát cellulose thiên nhiên ngay tại nơi bảo quản.
- Quá trình oxy hóa diễn ra theo nhiều cách, bằng cách đưa vào các
nhóm cacbonyl, cacboxylic và cuối cùng phân giải mạch thành những
phân tử ngắn hơn.
- Hàm lượng cellulose giảm do nhiệt độ từ 180 - 2000C qua các phản
ứng khá phức tạp và sinh ra khí và than, quá trình có thể kiểm soát
bằng cách dùng các phụ gia làm chậm quá trình cháy cellulose.
Cellulose và các sản phẩm từ cellulose là các sản phẩm thân thiện với môi
trường vì chúng có thể phần hủy bằng cách lên men vi sinh đơn giản, không gây ô
nhiễm môi trường. Cellulose không độc hại với cả sinh vật và con người.
Sự trương nở trong nước của cellulose

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

9

Chương 1 Lược khảo tài liệu

Trạng thái lý hóa của cellulose, đặc biệt ở điểm là chúng có khả năng hấp thụ
mạnh với nhiều loại vật liệu khác nhau. Hấp thụ hơi nước là một ví dụ thực tế về
khả năng này của cellulose. Sở dĩ cellulose có tính hút nước là do trong phân tử có
nhiều nhóm –OH phân cực.
Tương tác giữa cellulose và nước đóng vai trò quan trọng trong hóa học, vật lý
và kỹ thuật của vật liệu cách điện và gia công cellulose. Cellulose có tính hút ẩm
cao là do tương tác của các nhóm –OH trong phân tử với nước nhưng lại bị cản trở
không tan trong nước do cấu trúc siêu phân tử trật tự cao của cellulose. Sự tương tác
cellulose – nước có thể hiểu là sự cạnh tranh tạo nối hydro giữa các nhóm –OH của
cellulose và sự tạo thành nối hydro giữa một nhóm –OH của mạch cellulose và một
phân tử nước.
Sự tương tác cellulose – nước tùy thuộc nhiều vào cấu trúc kết tinh, số lượng
nước hiện diện trong polymer và nhiệt độ. Đối với cellulose thiên nhiên, tương tác
cellulose – nước được giới hạn trong những vùng không kết tinh, hệ thống lỗ xốp và
lỗ trống. Khi tương tác cellulose – nước can thiệp vào những nối hydro nội phân tử
và liên phân tử của cấu trúc cellulose và sau khi sấy khô, cấu trúc vật lý của
cellulose sẽ bị tác động và không thay đổi được.

Hình 1.5 Liên kết hydro trong cellulose

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

10


Chương 1 Lược khảo tài liệu

Bảng 1.2 Mức độ tan trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất của chúng

Loại vật liệu

Độ trương
(%)

Bông

18

Sợi Visco

74

Cellulose triacetate

10

Cellulose tripropionat

2,5

Cellulose tributyrat

1,8

Cellulose trivalerat

1,6

Sự trương nở của cellulose trong môi trường kiềm
Sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiềm thường xảy ra rất nhanh. Độ
trương nở tối đa tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của cellulose, thường nồng độ kiềm
cao hơn thì độ trương nở tối đa sẽ cao hơn nhưng tốc độ trương nở không ảnh
hưởng nhiều bởi yếu tố này. Sự trương nở cellulose trong dung dịch kiềm xảy ra do
quá trình tương tác cellulose – kiềm rất phức tạp, ảnh hưởng đến cả ba cấu trúc của
cellulose.
Quá trình tương tác cellulose – kiềm về bản chất là tương tác giữa những
nhóm –OH của cellulose với những ion –OH lưỡng cực của kiềm, do tương tác này
làm tách các liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử. Xét về mức độ siêu phân tử
có sự thay đổi trong kích thước mạng và cấu trúc mạch xảy ra trong nồng độ kiềm
gần trương tối đa, tổng độ trật tự bên trong sẽ giảm trong quá trình này nhưng vẫn
giữ ở mức độ cao. Sự trương nở nội và liên phân tử của cấu trúc sợi trong kiềm tạo
ra thành phần khác nhau trong vùng kết tinh và vùng vô định hình của vùng
cellulose kiềm. Xét hình thái có sự thay đổi rõ rệt trong cấu trúc sợi mịn do tương
tác với dung dịch kiềm.
Như vậy, sự trương nở của cellulose trong dung dịch kiềm tùy thuộc vào nồng
độ kiềm, chính là tồn tại quá trình hydrat của lưỡng cực ion –OH. Nồng độ kiềm
SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

11


Chương 1 Lược khảo tài liệu

cao tương tác cellulose – kiềm tăng làm sự trương nở tăng, nồng độ kiềm càng thấp
tương tác cellulose – kiềm càng kém, dẫn tới sự trương nở xảy ra kém hơn.
1.3.4.2 Hemicellulose
Hemicellulose thuộc nhóm polysaccarit phi cellulose. Khi thủy phân
hemicelluloses tạo monosaccarit và các dẫn xuất, chủ yếu là một số đồng phân lập

thể thuộc pentoza và hexoza. Mạch phân tử của polysaccarit trong hemicellulose có
thể ở dạng homopolymer hay copolymer. Tuy nhiên dạng homopolymer tồn tại
trong thực vật rất ít, phần lớn mạch phân tử thuộc dạng copolymer. Các đơn vị mắc
xích của polysacarit hemicellulose thường là các vòng anhydro của các saccarit như
D – glucose, D – mannose, D – galactose, D – xylose và L arabinose. Ngoài
anhydro của các saccarit nói trên, còn có các đơn vị acid D – glucuronic, acid 4-Ometyl-D-glucuronic và D – galaturonic. Một số polysaccarit còn có thể liên kết với
nhóm acetyl. Vì vậy thành phần của hemicellulose phức tạp hơn nhiều so với
cellulose. Hơn nữa, cấu tạo đơn vị mắc xích và liên kết giữa chúng trong mạch phân
tử của hemicellulose rất phức tạp. Đơn vị mắc xích trong hemicellulose có thể ở
dạng vòng pyranoza, furanoza và liên kết giữa các mắc xích có thể là glucozit 1-6,
1-4, 1-3, 1-2 (Hình 1.6).

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

12


Chương 1 Lược khảo tài liệu

Hình 1.6 Đơn vị mắc xích trong hemicellulose

1.3.4.3 Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm, có thể xem lignin như một
nhựa nhiệt dẻo, chúng bị mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ. Đơn vị mắc xích của
lignin là phenyl propan. Lignin của các loại cây lấy sợi gồm các đơn vị mắc xích
như Guaiacyl propan (G), Syringyl propoan (S) và Parahydroxylphenyl propan (P).

Hình 1.7 Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin
Các nhóm chức ảnh hưởng lớn nhất đến cơ tính của lignin là nhóm hydroxyl
phenol, nhóm hydroxyl rượu benzylic và nhóm carbonyl. Hàm lượng của các nhóm

chức thay đổi tùy theo loài thực vật và tùy thuộc vào vị trí của lignin ở lớp liên kết,
lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật.
Cấu trúc của lignin rất phức tạp, là một polyphenol có mạng không gian mở.
Trong lignin có hơn 2/3 số đơn vị phenylpropan nối với nhau qua liên kết ete, phần
còn lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắc xích và liên kết este (Hình 1.8).
Tương tác hóa lý và liên kết hóa học giữa lignin và carbohydrat:
Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và hemicellulose với năng lượng
liên kết khá lớn. Lực liên kết hydro trong polysaccarit khoảng 21 – 25 KJ/mol, ở
lignin năng lượng liên kết khoảng 8,5 – 21 KJ/mol.
Do có nhiều nhóm chức trong một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với
polysaccarit nên lực tương tác giữa lignin và các cấu tử khác của thành tế bào rất
lớn. Bên cạnh liên kết hydro, giữa các đại phân tử còn tồn tại lực liên kết
Vanderwalls. Lực tương tác vật lý này cũng góp phần cản trở quá trình hòa tan
SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

13


Chương 1 Lược khảo tài liệu

lignin dưới tác dụng của dung môi hay khi đun cellulose. Lignin không thể tan trong

các dung môi thông thường ở nhiệt độ thường.

Hình 1.8 Cấu trúc của lignin
Khi sử dụng hóa chất có tác dụng mạnh cũng không thể tách hoàn toàn lignin
ra khỏi sợi tự nhiên do giữa lignin và polysaccarit tồn tại liên kết hóa học. Trong
môi trường kiềm, liên kết ete bền hơn trong môi trường acid. Trong khi đó liên kết
ester giữa lignin và cellulose dẽ dàng bị phân hủy trong môi trường kiềm ở điều
kiện thường. Liên kết C-C xuất hiện khi gốc tự do ở nguyên tử C của lignin tác

dụng với gốc tự do ở nguyên tử C của carbohydrat.
1.3.4.4 Pectin và các chất trích ly
a) Pectin
Pectin là dẫn xuất polysaccarit, phân tử của chúng bao gồm các đơn vị mắc
xích acid α-D-galacturomic. Các đơn vị này nối với nhau bằng liên kết glucozit 1-4.
Mỗi đơn vị mắc xích chứa một nhóm carbonyl ở vị trí C6. Các nhóm acid này tồn tại
ở trạng thái tự do hoặc dưới dạng liên kết ester (metyl ester). Trong pectin tự nhiên
có khoảng ¾ số nhóm acid bị metyl hóa. Dưới tác dụng của xúc tác acid, pectin bị
thủy phân thành acid D-galacturonic, trong đó metyl ester cũng bị thủy phân.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

Hình 1.9 Công thức cấu tạo của pectin

14


Chương 1 Lược khảo tài liệu

b) Chất trích ly
Chất trích ly là nhóm các hợp chất có thể hòa tan được trong nước hoặc dung
môi trung hòa. Chất trích ly gồm nhiều loại hợp chất có cấu tạo phân tử khác nhau
với những nhõm chức khác nhau, như các mạch béo, các họ tecpen, các polyphenyl,
một số carbohyrat và dẫn xuất cũng như hợp chất chứa nitơ và một sơ muối
khoáng,… Thông thường chất trích ly tập trung ở vỏ nhiều hơn than. Hàm lượng và
thành phần các chất trích ly phụ thuộc vào loài cây, các bộ phận của cây cũng như
điều kiện sinh trưởng của chúng.
1.3.5 Cấu trúc và tính chất của sợi tự nhiên
1.3.5.1 Cấu trúc của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có thể được coi như là composite của sợi cellulose rỗng được giữ

bởi lignin và hemicellulose. Tường tế bào là tường không đồng nhất. Tường tế bào
gồm hai lớp cơ bản: lớp sơ cấp tương đối mỏng và lớp thứ cấp dày hơn.
Lớp sơ cấp có tính chất bao bọc lấy chất nguyên sinh trong mỗi tế bào. Lớp
thứ cấp được hình thành từ ba lớp phụ: tường thứ cấp ngoài, tường thứ cấp giữa và
tường thứ cấp trong (hay còn gọi là tường tam cấp). Các lớp này khác nhau về bề
dày (tường thứ cấp giữa là dày nhất), khác nhau về sự định hướng các thành phần
hóa học. Lớp thứ cấp xác định cơ tính của sợi, chúng chứa chuỗi xoắn ốc của vi sợi
cellulose hình thành từ phân tử cellulose chuỗi dài. Góc định hướng giữa sợi và vi
sợi được gọi là góc vi sợi. Giá trị góc vi sợi của những sợi khác nhau thì khác nhau.
Các vi sợi quấn quanh trục tế bào theo những phương khác nhau. Các vi sợi quấn
quanh trục tế bào theo những phương khác nhau, hoặc về phía phải (đường xoắn ốc
Z), về phía trái (xoắn ốc trái S).
Biểu bì
Lớp trung gian

Lumen

SVTH Võ Thị Nguyệt ÁnhLớp sơ cấp

Lớp thứ cấp

15


Chương 1 Lược khảo tài liệu

Hình 1.10 Cấu trúc sợi tự nhiên.
Bộ phận cellulose là nhỏ nhất, với chiều rộng khoảng 3,5nm trong tường tế
bào trưởng thành, được gọi là sợi con cơ bản. Các sợi con này lại được tổ chức
thành bộ phận gọi là vi sợi, có bề rộng khoảng 10 – 30nm, được làm từ 30 – 100

phân tử cellulose trong hình thể chuỗi kéo dài và cung cấp độ bền cơ cho sợi.
Pha nền vô định hình trong tường tế bào rất phức tạp và chứa hemicellulose,
lignin hoặc một số trường hợp là pectin. Phân tử hemicelluloses được gắn với
cellulose và hoạt động giữa những vi sợi cellulose, hình thành mạng lưới cellulose –
hemicellulose, nó là thành phần chủ lực trong tế bào sợi. Mạng lưới lignin kỵ nước
ảnh hưởng đến cơ tính của các mạng lưới khác, nó hoạt động như một chất gắn kết
và gia tăng độ cứng của hỗn hợp cellulose/hemicellulose.
Lớp thứ cấp ngoài có cấu trúc vi sợi ngang với các đường xoắn ốc theo hướng
vi sợi S và Z xen kẽ nhau. Trong tất cả các loại tế bào, bề dày tổng cộng của tường
tế bào được kiểm tra bởi lớp tường thứ cấp giữa, còn lớp thứ cấp ngoài và lớp thứ
cấp trong hầu như không thay đổi. Vì vậy lớp thứ cấp giữa có liên quan chặt chẽ với
tính chất vật lý của xơ sợi trong gỗ. Lớp thứ cấp giữa thể hiện bước xoắn Z với tính
song song cao trong các vi sợi. Sự định hướng vi sợi thay đổi từ từ giữa lớp thứ cấp
ngoài và lớp thứ cấp giữa, giữa lớp thứ cấp giữa và lớp thứ cấp trong có sự thay đổi
góc tương đối đột ngột hơn là giữa lớp thứ cấp ngoài và lớp thứ cấp giữa. Sự sắp
xếp của sợi con trong lớp thứ cấp trong hơi dốc và không có tính song song cao.
1.3.5.2 Tính chất của sợi tự nhiên
a) Tính chất vật lý của sợi tự nhiên
Tính chất vật lý phụ thuộc vào nguồn gốc của sợi. Sợi từ thân và lá thường
được sử dụng làm composite. Ngoài ra, đặc tính cơ học của sợi phụ thuộc vào tính
chất của từng thành phần, cấu trúc sợi, chiều dài và kích thước sợi, thời kỳ trưởng
thành và phương pháp tách sợi. Đặc tính như tỷ trọng, điện trở riêng, độ bền kéo và
modul ban đầu được liên hệ đến cấu trúc bên trong và thành phần hóa học của sợi.
Tính chất mong muốn của sợi bao gồm độ bền kéo và modul đàn hồi, tỷ trọng thấp,
dễ sắp xếp vào khuôn và khả năng tái sinh tốt. Sợi tự nhiên có thể cạnh tranh với sợi
thủy tinh vì chi phí thấp, nguồn nguyên liệu có thể tái chế và độ bền riêng cao.

SVTH Võ Thị Nguyệt Ánh

16