Nghiên cứu tính chất của vật liệu polyme compozit nên polyeste không no có sử dụng vi sợi xenlulo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

VŨ MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO POLYMECOMPOZIT NỀN POLYESTE KHÔNG NO CÓ
SỬ DỤNG VI SỢI XENLULOZO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


Lời cảm ơn
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn: PGS. TS. Tạ
Thị Phương Hòa người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn
tốt nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đồng
nghiệp trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trường đại học Bách Khoa Hà
Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Ngày tháng năm 2010
Học viên

Vũ Mạnh Cường

2


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện trong

quá trình nghiên cứu và học tập trong khuôn khổ chương trình cao học Công nghệ
vật liệu hóa học tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này
Hà Nội, ngày tháng năm 2010.
Người thực hiện

Vũ Mạnh Cường

3


MỤC LỤC
DANH SÁCH NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ................................................................. 6
DANH SÁCH BẢNG .............................................................................................. 7
DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................... 8
TÓM LƯỢC ......................................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ................................................................Error! Bookmark not defined.
PHẦN 1.TỔNG QUAN........................................................................................ 13
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu polyme compozit (PC)................................... 13
1.1.1. Lịch sử phát triển....................................................................................... 13
1.1.2. Khái niệm, phân loại vật liệu PC .............................................................. 14
1.1.3. Thành phần của vật liệu PC ..................................................................... 15
1.1.4. Đặc điểm của vật liệu PC gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi thực vật .. 16
1.1.5. Các phương pháp gia công vật liệu PC ..................................................... 19
1.1.6. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC........................................... 20
1.2. Vật liệu PC nền polyeste không no (PEKN) gia cường bằng sợi thủy tinh và
sợi tre .................................................................................................................. 22
1.2.1. Nhựa nền polyeste không no..................................................................... 22
1.2.2. Vi sợi xenlulo ............................................................................................ 32
PHẦN 2:NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 42

2.1. Nguyên vật liệu ........................................................................................... 43
2.2. Phương pháp nghiên cứu............................................................................. 43
2.2.1. Xác định hàm lượng phần gel ................................................................... 43
2.2.2. Chế tạo hỗn hợp PEKN/MFC từ PEKN và bột giấy cây luồng ................ 44
2.2.3. Chế tạo polyme compozit PEKN/MFC..................................................... 45
2.2.4. Phương pháp chế tạo vật liệu compozit PEKN/MFC-mat thủy tinh ........ 46
2.2.5. Phương pháp khảo sát tính chất của sợi tre và sợi thủy tinh..................... 46
2.3. Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu PC.................................. 48
2.3.1. Độ bền kéo của compozit .......................................................................... 48
2.3.2. Độ bền uốn ................................................................................................ 48
4


2.3.3. Độ bền va đập............................................................................................ 50
2.3.4. Độ bền mỏi ................................................................................................ 51
2.3.5. Xác định độ hút ẩm của compozit............................................................. 52
2.3.6. Khảo sát cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu ........................................ 52
PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 53
3.1. Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp PEKN/MFC từ nhựa PEKN và bộ giấy cây
luồng................................................................................................................... 53
3.2. Xác định mức độ đóng rắn của nhựa PEKN ............................................... 55
3. 3. Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới tính chất cơ lý của vật liệu đúc
PEKN/MFC ........................................................................................................ 56
3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới tính chất cơ lý của vật liệu đúc
PEKN/MFC ........................................................................................................ 59
3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới độ bền bám dính giữa nhựa
PEKN với sợi thủy tinh và sợi tre ...................................................................... 62
3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới các tính chất cơ lý của vật liệu
PC PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh và sợi tre ....................................................... 63
3.6.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến tính chất kéo của vật liệu compozit

PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh và cốt sợi tre ........................................................ 63
3.6.2. Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo đến tính chất uốn của vật liệu
compozit PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh.............................................................. 64
3.6.3. Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi tới độ bền va đập của vật liệu compozit
PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh và cốt sợi tre ........................................................ 65
3.6.4. . Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi đến độ bền mỏi của vật liệu compozit
PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh và cốt sợi tre ........................................................ 66
3.7. Ảnh SEM bề mặt bẻ gẫy của vật liệu PC .................................................... 67
PHẦN 4: KẾT LUẬN .......................................................................................... 69
PHẦN 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 70

5


DANH SÁCH NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

IFSS:

Interfacial Shear Strength, độ bền kéo trượt

PC :

Polyme Compozit

SEM:

Scanning Electron Microscopy, hiển vi điện tử quét

PEKN:

Polyeste không no

MFC:

Micro-fibrillated cellulose, vi sợi xenlulo

6


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1: Một số loại vật liệu PC sợi thực vật..................................................... 17
Bảng 2: Bảng các chất khởi đầu thông dụng..................................................... 29
Bảng 3: Hình thái cấu trúc của một số loại xenlulo thu được từ một số nguồn
nguyên liệu tự nhiên . ......................................................................................... 33
Bảng 4: Thông số kích thước của một số loại vi sợi xenlulo ........................... 33

7


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1: Cấu trúc của xenlulo trong sợi .............................................................. 34
Hình 2: Cấu trúc vi sợi xenlulo .......................................................................... 35
Hình 3 : Ảnh chụp của xenlulo tự nhiên từ kính hiển vi điện tử truyền qua ..... 36
Hình 4 : Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử truyền qua của các vi sợi sau quá trình
homogenization bằng máy Gaulin...................................................................... 36
Hình 5 : Quá trình homogenization.................................................................... 39
Hình 6: Sơ đồ chế tạo hỗn hợp PEKN/MFC...................................................... 45
Hình 7: Mẫu đo độ bền kéo mỏi......................................................................... 46
Hình 8 :Mẫu đo độ bền va đập ........................................................................... 46
Hình 9: mẫu đo độ bám dính của sợi với nhựa .................................................. 47

Hình 10: Mẫu đo độ bền kéo.............................................................................. 48
Hình 11: Mẫu vật liệu đo độ bền kéo và độ bền uốn ......................................... 49
Hình 12: Thiết bị đo tính chất kéo và uốn của vật liệu ...................................... 49
Hình 13: Mẫu đo độ bền va đập ......................................................................... 50
Hình 14: Thiết bị đo độ bền va đập.................................................................... 50
Hình 15: Mẫu đo độ bền mỏi ............................................................................. 51
Hình 16: Thiết bị đo độ bền mỏi của vật liệu..................................................... 51
Hình17: Ảnh SEM bề mặt bẻ gẫy của mẫu kéo theo thời gian nghiền .............. 55
Hình 18: Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới tính chất kéo của vật liệu .......... 56
Hình 19: Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới modun kéo của vật liệu ............. 57
Hình 20: Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới tính chất uốn của vật liệu
PEKN/MFC ........................................................................................................ 57
Hình 21: Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới mô đun uốn của vật liệu............ 58
Hình 22: Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới tính chất kéo của vật liệu
đúc PEKN/MFC ................................................................................................. 59

8


Hình 23: Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới mô đun kéo của vật liệu
đúc PEKN/MFC ................................................................................................. 60
Hình 24: Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới tính chất uốn của vật liệu
PEKN/MFC ........................................................................................................ 60
Hình 25 : Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới mô đun uốn của vật liệu
đúc PEKN/MFC ................................................................................................. 61
Hình 26: Ảnh hưởng của hàm lượng vi sợi xenlulo tới độ bền va đập của vật liệu
đúc PEKN/MFC ................................................................................................. 61
Hình 27: Độ bền bám dính nhựa sợi theo hàm lượng vi sợi xenlulo ................. 62
Hình 28: Độ bền kéo của vật liệu PC cốt sợi thủy tinh theo hàm lượng vi sợi
xenlulo ................................................................................................................ 63

Hình 29: Mô đun kéo của vật liệu PC theo hàm lượng vi sợi............................ 63
Hình 30: Độ bền uốn của vật liệu PC theo hàm lượng vi sợi............................. 64
Hình 31: Mô đun uốn của vật liệu PC theo hàm lượng vi sợi............................ 65
Hình 32: Độ bền va đập của vật liệu PC theo hàm lượng vi sợi ........................ 66
Hình 33: Độ bền mỏi của vật liệu PC PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh theo hàm
lượng vi sợi xenlulo............................................................................................ 67
Hình 34: Ảnh SEM bề mặt phá hủy khi kéo của PC gia cường sợi thủy tinh có
và không có vi sợi xenlulo ................................................................................. 68

9


VŨ MẠNH CƯỜNG, 2010 “Nghiên cứu tính chất của vật liệu polyme compozit
nền polyeste không no có sử dụng vi sợi xenlulo”.
Luận văn tốt nghiệp cao học. Nghành Công nghệ vật liệu Polyme, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Tạ Thị Phương Hòa

TÓM LƯỢC
Vi sợi xenlulo đã được nhiều nhà khoa học quan tâm trong 10 năm trở lại đây.
Việc tách vi sợi từ các nguồn thực vật khác nhau đã được nghiên cứu. Trong
khuôn khổ luận văn này hỗn hợp nhựa polyeste không no có chứa vi sợi xenlulo
được chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ học từ bột giấy cây luồng và PEKN.
Bột giấy sử dụng chế tạo vi sợi xenlulo có hệ số Kappa 21
Bột giấy được phơi khô trong điều kiện tự nhiên và được xé nhỏ nhờ máy xay
sinh tố. Hỗn hợp gồm bột giấy sau khi xé nhỏ kết hợp với nhựa Polyeste không no
đem đi nghiền trên máy nghiền hành tinh trong khoảng 18h với vận tốc là 220
vòng/phút. Hỗn hợp sau khi nghiền được đem đi đóng rắn trong khuôn thành các
mẫu hình chữ nhật và mẫu hình mái chèo. Kết quả chụp SEM bề mặt bẻ gãy của
mẫu đo độ bền kéo cho thấy sợi xenlulo phân bố đồng đều trong nhựa PEKN ở

kích thước µm và nm. Như vậy phương pháp chế tạo vi sợi từ bột giấy cây luồng
trên máy nghiền hành tinh là khả quan và cho kết quả tốt.
Kết quả xác định độ bền bám dính nhựa sợi IFSS cho thấy với 0.3PKL MFC
trong nhựa cho kết quả bám dính với sợi là tốt nhất.
Vật liệu PC PEKN/MFC được chế tạo bằng phương pháp đổ khuôn và vật liệu
PC PEKN/MFC cốt sợi thủy tinh và sợi tre được chế tạo theo phương pháp lăn ép
bằng tay. Độ bền cơ học, SEM của compozit đã được khảo sát.

10


MỞ ĐẦU
Vật liệu polyme compozit được ra đời từ rất sớm, ngay từ khi hình thành nền
văn minh nhân loại nhưng nó mới chỉ được thực sự chú ý đến trong khoảng 40
năm trở lại đây. Vật liệu polyme compozit (PC) có những tính năng ưu việt như
khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ lý cao, chịu mài mòn tốt, năng suất gia công lớn
nên ngày càng được sử dụng rộng rãi để thay thế các loại vật liệu truyền thống (gỗ,
thép…) trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ của vật
liệu compozit cũng gây nên những tác động xấu đến môi trường sinh thái do phế
thải sau khi sử dụng khó phân hủy do đó các nhà khoa học trên thế giới rất quan
tâm đến các vật liệu PC có khả năng phân hủy sinh học và những vật liệu thân
thiện với môi trường.
Vật liệu PC gia cường bằng sợi cacbon hoặc thủy tinh đã và đang được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp do chúng có độ bền và modun cao. Rác thải từ vật
liệu compozit phần lớn được chôn mặc dù bản thân nó không tự phân hủy được ở
dưới đất. Tuy nhiên, khi đốt vật liệu PC gia cường bằng sợi thủy tinh, sợi thủy tinh
bị nóng chảy và tạo thành khối làm tắc lò còn sợi tự nhiên do có khả năng cháy
hoàn toàn nên giải quyết vấn đề này.
Trong những năm gần đây vật liêu compozit gia cường bằng sợi tự nhiên đã thu
hút sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Do nhu cầu

về các vật liệu mới cao, đồng thời để nâng cao các tính chất cơ lý cho vật liệu
compozit các nhà khoa học đã nghiên cứu đưa các phần tử có kích thước
nano/micro vào gia cường cho compozit như (ống nano cac bon, nano silica, nano
bạc...). Trong khoảng 10 năm trở lại đây việc tách được vi sợi xenlulo (MFC) từ
các nguồn nguyên liệu thực vật khác nhau đã và đang thu hút được sự quan tâm
nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa học, bởi chúng có ưu điểm như có kích
thước nhỏ kích thước cỡ micro/nano, nhẹ, có khả năng phân hủy sinh học khi hết
thời gian sử dụng và vô hại đối với môi trường. Với kích thước nano/micro vi sợi

11


có khả năng hạn chế các khuyết tật của vật liệu polyme compozit và ngăn chặn sự
phát triển của các vết nứt của vật liệu khi chịu tải trọng trong quá trình sử dụng vì
vậy có khả năng tăng tuổi thọ cho vật liệu [15].
Luận văn :”Nghiên cứu tính chất của vật liệu polyme compozit nền polyeste
không no có sử dụng vi sợi xenlulo” đề cập đến phương pháp chế tạo vi sợi và
những ảnh hưởng của vi sợi xenlulo tới độ bền cơ lý của vật liệu PC, từ đó chế tạo
vật liệu PC có độ bền cao và thân thiện với môi trường.

12


PHẦN 1.TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT (PC)
1.1.1. Lịch sử phát triển
Vật liệu compozit có lịch sử phát triển rất sớm, ngay từ khi hình thành nền văn
minh của nhân loại.
5000 năm trước Công Nguyên những vật liệu ra đời sớm nhất như gạch, đồ
gốm sấy khô dưới ánh sáng mặt trời thực ra là phức tạp hơn người ta tưởng. Người

cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hay vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm
độ co và nứt khi nung. Những người thợ đồ gốm thời cổ đã điều chỉnh độ xốp của
bình đựng để chất lỏng giữ được độ lạnh lâu do bay hơi.
Ở Ai Cập, khoảng 3000 năm trước Công Nguyên người ta đã làm vỏ thuyền
bằng lau sậy đan tẩm bitum và kết cấu cũng giống như thuyền của thổ dân địa
phương tam giác châu thổ sông Nil dùng hiện nay. Nếu bỏ qua một số khái niệm
thì kĩ thuật đó cũng giống như kĩ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thủy tinh
hiện nay. Kĩ thuật làm muni ở Ai Cập phát triển 2500 năm trước Công Nguyên
cũng là thí dụ đầu tiên về phương pháp cuộn băng. Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát
sơn ta trộn với mùn cưa cũng là một thí dụ về vật liệu compozit.
Mặc dù hình thành sớm như vậy song việc tạo nên các vật liệu polyme compozit
(PC) mới được thực sự chú ý trong 40 năm trở lại đây. Và mục đích tạo vật liệu
compozit thể hiện ở chỗ là làm sao phối hợp được các tính chất mà mỗi vật liệu
riêng biệt ban đầu không thể có được. Như vậy, có thể chế tạo được các vật liệu
compozit từ những cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu
đối với vật liệu. Các yêu cầu thường thuộc phạm vi các tính chất về vật lý, hóa
học, điện và từ, cần có sự tham gia của các chuyên gia với các chuyên ngành khác
nhau.

13


Vật liệu compozit nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong một thể tích lớn
nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản
chất.
Vật liệu PC là hệ thống gồm 2 hay nhiều pha trong đó pha liên tục (matrix) là
polyme. Tùy thuộc vào bản chất của các pha khác vật liệu PC được phân thành
nhiều loại.
1.1.2. Khái niệm, phân loại vật liệu PC
Vật liệu PC là loại vật liệu kết hợp của 2 hay nhiều cấu tử khác nhau có tính

chất đặc biệt mà cấu tử ban đầu không có.
Loại vật liệu PC đã được phát triển ở nước ta từ năm 1986 đến nay, đi từ nhựa
polyeste không no, nhựa epoxy và sợi thủy tinh. Sản phẩm chủ yếu là thuyền ,
cano, các loại bồn chứa và đặc biệt là một số sản phẩm chuyên dụng cho quốc
phòng, an ninh. Năm 1990 Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trường
ĐHBKHN đã chế tạo được các xuồng thể dục thể thao cho nhà thuyền Hồ Tây
bằng vật liệu PC.
Năm 1996-1999, 53 nhà vòm che máy bay bằng vật liệu PC trên cơ sở nhựa
polyeste không no và sợi thủy tinh đã được hoàn thành và đưa vào sử dụng.
Tùy thuộc vào bản chất của các phụ gia khác nhau, vật liệu PC được chia thành
các vật liệu sau:[1]
•

Vật liệu compozit có phụ gia phân tán.

•

Vật liệu PC được gia cường bằng sợi ngắn hay vẩy.

•

Vật liêu PC được gia cường bằng sợi liên tục.

•

Vật liệu PC được độn khí hay xốp.

•

Vật liệu PC là hỗn hợp polyme-polyme hay còn gọi là blend.

14


1.1.3. Thành phần của vật liệu PC
1.1.3.1. Nền polyme
Đây là một trong những cấu tử chính của vật liệu PC. Polyme là pha liên tục
đóng vai trò chất kết dính làm nhiêm vụ liên kết các vật liệu gia cường , chuyển
ứng suất lên chúng [5]
Các tính chất của nền polyme có ảnh hưởng quan trọng đến tính cơ học và
hóa học của sản phẩm. Nền polyme phải đảm bảo các yêu cầu sau:[5]
-Có khả năng thấm ướt hoàn toàn trên bề mặt gia cường để tạo ra sự tiếp xúc
tối đa.
-Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính.
-Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra
do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ.
-Chât kết dính có chứa các nhóm hoạt động hay phân cực.
-Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường.
Nền polyme có hai loại nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo [19]
• Nhựa nhiệt rắn
Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn khi nung nóng. Sản
phẩm sau khi đóng rắn có cấu trúc không gian, không hòa tan và không nóng chảy.
Một số nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng trong quá trình sản xuất các kết cấu
từ compozit: epoxy (EP), phenol fomandehyt (PF), vinyleste epoxy (VEE),
polyeste không no (PEKN).
• Nhựa nhiệt dẻo
Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, do ứng suất nảy sinh trong
những giờ đầu tiên ngay khi tạo thành sản phẩm rất thấp và một số ưu điểm về
công nghệ như không cần tiến hành phản ứng đóng rắn , dễ gia công, tạo dáng sản
phẩm dễ thực hiện, có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và

tận dụng phế thải hoặc gia công lại lần thứ hai...

15


Nhược điểm chính của vật liệu compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được
nhiệt độ cao.
1.1.3.2. Chất gia cường
Chất gia cường dạng sợi: Thường được sử dụng dưới dạng liên tục (sợi dài,
vải...) hay gián đoạn ( sợi ngắn, vụn...). Có thể điều khiển sự phân bố, phương của
sợi để có vật liệu dị hướng theo ý muốn và cũng có thể tạo ra vật liệu có tính chất
khác nhau, nhưng phải chú ý:
-Bản chất của vật liệu thành phần.
-Tỷ lệ của các vật liệu tham gia.
-Phương của sợi.
Vật liệu PC gia cường bằng sợi có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng
trong công nghiệp hiện nay.
Phụ gia dạng bột: Thường được sử dụng để cải thiện một số tính chất của vật
liệu như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co
ngót...Trong nhiều trường hợp, phụ gia dạng hạt được sử dụng với mục đích hạ giá
thành sản phẩm mà vẫn không làm thay đổi tính chất của vật liệu[6].
1.1.4. Đặc điểm của vật liệu PC gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi thực vật
1.1.4.1. Cấu trúc tổng quát của vật liệu PC. [1]

SỢI GIA CƯỜNG
BỀ MẶT PHÂN CHIA PHA
SỢI/CHẤT LIÊN KẾT

CHẤT LIÊN KẾ T

POLYME

VÙNG PHÂN
CHIA PHA
BỀ MẶT PHÂN CHIA PHA
CHẤT LIÊN
KẾT/POLYME

16


1.1.4.2. Vật liệu PC gia cường bằng sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh là một trong những chất gia cường phổ biến nhất do đáp ứng được
các yêu cầu về kỹ thuật và giá cả hợp lý. Do đó, sợi thủy tinh đã được ứng dụng
không những như là một chất gia cường mà còn được sử dụng như là vật liệu cách
âm và cách nhiệt. Vật liệu compozit trên cơ sở nền polyme gia cường bằng sợi
thủy tinh (Glass Fibre Reinforced Plastic-GFRP) được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp do chúng có độ bền cao và moduncao. Trên thực tế, tổng số lượng GFRP
tiêu thụ ở Nhật Bản năm 2001 là vào khoảng 382 triệu tấn. Tuy nhiên, khi sử dụng
thường không cháy và không phân hủy nên gây ảnh hưởng đến môi trường. Do đó,
việc tạo ra một vật liệu PC có các tính chất tương tự như vật liệu PC sợi thủy tinh
là một vấn đề đang được quan tâm hiện nay. Một loại chất gia cường cho vật liệu
PC đang được chú ý sử dụng hiện nay có khả năng thay thế sợi thủy tinh là sợi
thực vật[9].
1.1.4.3. Vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật
Một số loại vật liệu PC sợi thực vật đã được nghiên cứu trên thế giới trình bày ở
bảng 1 [10]
Bảng 1: Một số loại vật liệu PC sợi thực vật
Sợi

Nền polyme

Bột gỗ/sợi gỗ

PE, PP, PVC, PS, PU

Sợi đay xanh

PP, Cao su SB, epoxy, polyeste,PF

Sợi cây dứa dại

PE, Cao su thiên nhiên, polyeste,epoxy

Sợi từ cây chuối sợi

Epoxy

Sợi dứa

PE, polyeste

Sợi gai dầu

PP, polyeste

17


Sợi cọ

Cao su

Sợi đay

PE, PP

Sợi dừa

Cao su thiên nhiên

Sợi lanh

PP

Sợi lúa mì

PP

Sợi tre

Epoxy

Sợi từ cây chuối thường

Polyeste

Hiện nay không chỉ những nước có nguồn nguyên liệu thực vật dồi dào phong
phú như Ấn Độ, Trung Quốc, các nước Đông Nam Á...mà cả các nước châu Âu,
châu Mỹ...cũng rất quan tâm đến việc nghiên cứu, phát triển vật liệu PC gia cường

bằng sợi thực vật.
Việt Nam là nước thuộc vùng nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều nên các loại thực
vật như xơ sợi rất đa dạng và có trữ lượng lớn. Do đó, trong một vài năm gần đây
việc nghiên cứu chế tạo vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật đã được triển khai
có hiệu quả và thu được những thành công nhất định. Những công trình đã được
thực hiện chủ yếu tập trung vào sợi tre, sợi đay, sợi dừa với các loại nhựa nền như
phenolic và polyeste. Vật liệu PC gia cường bằng sợi tre mới được quan tâm
nghiên cứu trong một số năm gần đây.
• Đặc điểm của vật liệu PC sợi thực vật
Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu compozit nói chung, vật liệu PC sợi thực
vật ngày càng được các nhà khoa học và công nghệ quan tâm do chúng có các đặc
điểm sau [7]:
• Ưu điểm:
+ Khối lượng riêng của sợi thấp, dẫn đến độ bền và độ cứng riêng của sợi cao
hơn sợi thủy tinh, đặc biệt thích hợp để thiết kế các chi tiết chịu uốn.

18


+ Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo và dồi dào. Qúa trình sản xuât đòi
hỏi ít năng lượng.
+ Có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm hạ. Vì vậy,
đây là loại vật liệu đáng quan tâm đối với các nước đang phát triển.
+ Dễ gia công, không mài mòn thiết bị, không gây kích thích da.
+ Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân hủy sinh học, dễ phân hủy hoàn
toàn bằng nhiệt, trong khi sợi thủy tinh rất khó xử lý. Do đó, không gây tác động
xấu đến môi trường sinh thái.
• Nhược điểm
+ Độ bền thấp hơn vật liệu PC sợi thủy tinh. Tuy nhiên, có thể nâng cao độ bền
cho vật liệu bằng cách lai tạo sợi thực vật với sợi thủy tinh.

+ Sợi thực vật dễ hấp thụ ẩm làm trương sợi, giảm độ bền và tuổi thọ của sản
phẩm. Có thể khắc phục bằng cách sơn phủ bề mặt vật liệu hay axetyl hóa bề mặt
sơi.
+ Nhiệt độ gia công chỉ hạn chế dưới 2000C.
Gần đây việc sử dụng các kỹ thuật gia công phù hợp, xử lý sợi và sử dụng các
chất trợ tương hợp hoặc chât liên kết để chế tạo ra vật liệu PC sợi thực vật có các
tính chất tối ưu cho các ứng dụng đặc biệt.
Các sản phẩm từ PC sợi thực vật đã được thương mại hóa, đặc biệt là trong
nghành vật liệu xây dựng và ngành công nghiệp ô tô. Các compozit này có khối
lượng riêng ~1,1 g/cm3, độ bền va đập ~25 KJ/m2, hấp thụ âm thanh tốt và đang
được một số công ty hàng đầu sử dụng.
1.1.5. Các phương pháp gia công vật liệu PC
Qúa trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu. Các thông số
của quá trình này như: áp suất, nhiệt độ, thời gian...rất quan trọng đối với từng loại
vật liệu.
Sau đây là một số phương pháp chính gia công vật liệu PC:

19


-Lăn ép bằng tay: Đây là phương pháp sử dụng rulo hay chổi quét có kích
thước khác nhau để thẩm nhựa lên bề mặt sợi (sợi ở tấm vải dệt hay dạng vải mat).
Thấm và lăn rulo từng lớp một cho đến khi đạt độ dày yêu cầu. Tuy nhiên, sản
phẩm có thể có bọt khí, khả năng thấm không đồng đều và tùy thuộc vào người
thợ. Phương pháp gia công này đơn giản, vốn đầu tư ban đầu thấp nên được ứng
dụng rộng rãi, đặc biệt cho những sản phẩm có kích thước lớn.
-Ép nóng trong khuôn: Là qui trình có hiệu quả kinh tế để sản xuất các kết cấu
có kích thước nhỏ đến trung bình. Chế tạo sản phẩm bằng máy ép thủy lực và
khuôn kim loại được gia nhiệt. Vật liệu gia cường, bột độn và nhựa nền được phối
hợp trộn đều sau đó được đưa vào khuôn ép. Qúa trình cho phép đạt tỉ lệ vật liệu

gia cường cao. Do vậy, sản phẩm có tính chất cơ lý tốt. Tuy nhiên, phải đầu tư lớn
cho các máy thủy lực và khuôn.
-Đúc kéo: Các sợi gia cường được kéo, tẩm thấm qua một bể nhựa, sau đó được
đưa vào khuôn và gia nhiệt. Phương pháp này có thời gian gia công ngắn, khả
năng tự động hóa cao. Sản phẩm có các tính chất cơ lý rất cao tuy nhiên cũng phải
đầu tư lớn.
-Phương pháp quấn: Sử dụng các trục được chống dính, sau đó các sợi tẩm
nhựa sẽ được quấn vào trục. Quấn sợi theo các góc khác nhau tùy theo yêu cầu và
có thể lập trình trước. Có hai cách quấn là quấn vắt chéo và quấn song song.
Phương pháp này được sử dụng để chế tạo các loại ống và thùng chứa.
1.1.6. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC.
Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu PC hết sức phong phú và đa dạng, từ các sản
phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp...cho đến những chi tiết và
kết cấu phức tạp cso yêu cầu đặc biệt trong máy bay và tàu vũ trụ. Sau đây là một
số lĩnh vực ứng dụng chính:

20


1.1.6.1. Ứng dụng trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất.
Vật liệu PC được sử dụng phổ biến nhất là chất dẻo thủy tinh. Mặc dù kém bền
hơn chất dẻo cacbon nhưng có giá rẻ hơn nhiều. Việc sử dụng vật liệu PC đem lại
những hiệu quả sau:
•

Giảm trọng lượng, tiết kiệm được nguyên liệu, tăng thời gian sử
dụng.

• Giảm vốn đầu tư cho các thiết bị sản xuất.
Do có các hiệu quả trên, vật liệu PC được sử dụng để chế tạo các chi tiết như

làm thân ô tô, làm container, giá để hàng...
1.1.6.2. Ứng dụng trong đóng tàu
Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu PC do có độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao,
bền với môi trường nước biển, đơn giản khi sửa chữa lắp ráp, không bị nhiễm từ
và cách điện. Hiện nay đã sử dụng vật liệu PC để tạo ra các chi tiết như cột buồm,
thùng chứa, cano cứu sinh...
1.1.6.3. Ứng dụng trong máy bay và tàu vũ trụ
Theo số liệu thống kê của hãng Airbus khi ứng dụng chất dẻo gia cường bằng
sợi cacbon trong sản xuất máy bay thì có sự thay đổi cơ bản về chi phí cho vật liệu
và sản xuất. Vấn đề quan trọng là giảm được trọng lượng kết cấu, nên giảm được
tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và tầm xa. Các chất dẻo có cốt gia
cường đặc biệt được sử dụng để chế tạo ống xả cho các động cơ phản lực.
1.1.6.4. Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng và công nghiệp điện
Các sản phẩm trong lĩnh vực xây dựng rât phong phú như tấm lợp, các thanh
chịu lực, các thiết bị vệ sinh, các loại ống dẫn chịu môi trường khác nhau...Trong
công nghiệp điện, các sản phẩm từ vật liệu PC có đặc tính cách điện tốt, nên được
sử dụng làm cáp điện, các hộp công tắc, ổ nôi...được sử dụng rộng rãi.

21


1.2. VẬT LIỆU PC NỀN POLYESTE KHÔNG NO (PEKN) GIA CƯỜNG
BẰNG SỢI THỦY TINH CÓ SỬ DỤNG VI SỢI XENLULO
1.2.1. Nhựa nền polyeste không no
1.2.1.1. Lịch sử phát triển
So với các loại vật liệu ứng dụng rộng rãi ngày nay như nhựa phenol, ankyt,
thép… nhựa PEKN biết đến muộn hơn. Các công trình nghiên cứu đầu tiên do
Bradley, Kropa và Johnson tiến hành vào những năm 1930 và đến năm 1941 bắt
đầu xuất hiện các loại nhựa PEKN có giá trị thương mại. Năm 1942 viện cao su
của Mỹ đã dùng sợi thủy tinh gia cường cho nhựa PEKN để sản xuất các loại vòm

quân sự.
Sau khi kết thúc chiến tranh năm 1945, công nghiệp đã tập chung chú ý phát
triển hàng dân dụng: thuyền, xuồng, bồn chứa và vật liệu dùng cho các ngành chế
tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng. Do vậy sản lượng nhựa PEKN tăng rất
nhanh, từ vài tấn năm 1940, đến nay đã lên hang triệu tấn.
Năm 1994, tổng sản lượng nhựa PEKN ở Bắc Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản là 1,5
triệu tấn với giá trị trên 3 tỷ USD. Song khả năng sản xuất hàng năm cả ba vùng
nói trên vượt quá 2,2 triệu tấn, như vậy chỉ mới đạt 69% công suất. Ở Nhật và Tây
Âu có vấn đề tồn tại là nhà máy không chạy hết công suất do tiêu thụ chậm, còn ở
Mỹ do phục hồi kinh tế nên mức tiêu thụ nhựa PEKN luôn luôn cao.
Những nhà sản xuất nhựa PEKN lớn nhất là Dainippon Ink & Chemical,
Ashland and Alpha-Owens Corning, cả hai công ty này chiếm trên 36% sản lượng
cả ba vùng. Công nghiệp Bắc Mỹ đã trải qua một quá trình hợp nhất trong 5 năm
gần đây và hiện nay khá tập chung, ba nhà sản xuất nói trên chiếm 72% sản lượng
của vùng. Ngược lại, công nghiệp ở Tây Âu bao gồm một loạt nhà sản xuất nhỏ,
công ty BASF là nhà sản xuất lớn nhất chỉ chiếm 13% tổng sản lượng. Ở Nhật
Bản, bẩy nhà sản xuất chính kiểm soát 97% tổng sản lượng của vùng. Dainippon
Ink là nhà sản xuất Nhật Bản lớn nhất chiếm 23% sản lượng PEKN của vùng.

22


Trong công nghiệp vật liệu PC, nhựa PEKN la loại nhựa nền phổ biến nhất,
chiếm 95% sản lượng nhựa nhiệt rắn. Đây là loại nhựa lâu đời và rẻ nhất.
Ở Việt Nam, đây cũng là loại nhựa nền được ứng dụng đầu tiên và rộng rãi nhất
hiện nay [10].
1.2.1.2. Phân loại
Nhựa PEKN là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa các axit đa chức hay
các anhydrite của chúng với các polyol. Liên kết đôi của anhydrit không no tạo
điều kiện cho nhựa PEKN có khả năng khâu mạch tiếp theo để tao polyme nhiệt

rắn. Nhựa PEKN tạo thành ở dạng rắn nhưng thường được sử dụng ở dạng dung
dịch với styrene (30- 40%). Styren vừa là dung môi vừa là tác nhân khâu mạch.
Nhựa PEKN có thể gia công ở nhiệt độ thường không cần áp suất và đây là một ưu
điểm lớn trong công nghiệp.
Các loại nhựa PEKN
Nhựa PEKN chủ yếu được phân loại theo cấu trúc hóa học của anhidritphtalic
và đồng thời chỉ định lĩnh vực sử dụng phù hợp.
-Nhựa đi từ axit và anhydrite octophtalic:

Axit phatalic

anhydrit phtalic

Loại nhựa này dùng phổ biến nhất, thường gọi là nhựa Octo
-Nhựa đi từ axit và anhydrite tetrahydrophtalic:

23


Loại nhựa này ưu tiên cho lĩnh vực đóng tàu.
-

Nhựa đi từ anhydrite izophtalic

Loại nhựa này có khả năng chịu khí hậu và môi trường ăn mòn tốt hơn nhựa
OCTO và thường được gọi là nhựa ISO
Để đảm bảo tính không no cho nhựa polyeste không no bắt buộc phải dùng
anhydrite maleic:

Các polyol thường dùng nhất là:

+Etylenglycol (EG): có khả năng tăng tính chịu nén của nhựa
+Propyglycol (PG): tăng khả năng chịu đàn hồi của nhựa

24


1.2.1.3. Lý thuyết tổng hợp PEKN
Điểm đặc biệt của quá trình polyeste hoá là phản ứng cân bằng và thuận nghịch.
Nhưng do hằng số cân bằng không lớn nên phản ứng phụ thuộc nhiều vào điều
kiện chuyển dịch cân bằng về phía tạo ra polyme.

Muốn chuyển dịch cân bằng về phía phải thì tách nước và dùng xúc tác có tính
hút nước.
Các phản ứng phụ:
+ Rượu phân:

Phản ứng rượu phân do tác dụng của rượu đến este, đứt mạch tại este tạo một
cầu nối ete và một axit đa chức.
+ Axit phân:

Do phản ứng thuận nghịch và có phản ứng phụ nên trọng lượng phân tử trung
bình không cao thường nhỏ hơn 30000.
Quá trình tạo polyeste xảy ra theo từng bậc

25