Nghiên cứu thay thế một phần sợi thủy tinh bằng sợi xơ dừa trong chế tạo vật liệu composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

HUỲNH THỊ PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU THAY THẾ MỘT PHẦN
SỢI THỦY TINH BẰNG SỢI XƠ DỪA TRONG
CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học)

NHA TRANG – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

HUỲNH THỊ PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU THAY THẾ MỘT PHẦN
SỢI THỦY TINH BẰNG SỢI XƠ DỪA TRONG
CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học)

CBHD: TS. TRẦN QUANG NGỌC

NHA TRANG – 2017


iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, nhờ sự giúp đỡ tận tình
của các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thực Phẩm đã giúp em có đủ điều
kiện để hoàn thành đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy, truyền đạt những
kiến thức chuyên môn bổ ích và luôn tạo điều kiện học tập cho em trong
suốt quá trình học tập nói chung và luận văn tốt nghiệp nói riêng.
Em xin cảm ơn đến Tiến sĩ Trần Quang Ngọc đã tận tình hướng dẫn, hỗ
trợ, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Văn Đạt, Thạc sĩ Vũ Văn Du ở
Viện Nghiên cứu chế tạo Tàu Thủy đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nguyên liệu,
phương tiện nghiên cứu và đã có những ý kiến chỉ dẫn rất quý báu để em
hoàn thành tốt đề tài.
Con xin cảm ơn gia đình đã luôn bên con và nâng đỡ, động viên con
trong suốt quá trình học tập, tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh
thần cho con trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin cảm ơn những người bạn lớp 55 Công nghệ Hóa học đã luôn động
viên và nhiệt tình giúp đỡ tôi vượt qua mọi trở ngại trong cuộc sống và học
tập tại trường.
Huỳnh Thị Phượng


iv

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

.................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.........................................................................................

Nha Trang, ngày … tháng 07 năm 2017
Cán bộ hướng dẫn

TS. Trần Quang Ngọc


v

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................III

MỤC LỤC .................................................................................................................. V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... IX
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... X
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................3
1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE .................................................................................3
1.1.1. Định nghĩa ................................................................................................. 3
1.1.2. Thành phần của vật liệu composite ............................................................ 3
1.1.3. Đặc tính chung .......................................................................................... 3
1.1.4. Phân loại ..................................................................................................... 4
1.2. SỢI TỰ NHIÊN.................................................................................................5
1.2.1. Tổng quan về sợi tự nhiên .......................................................................... 5
1.2.1.1. Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên .......................................................... 5
1.2.1.2. Thành phần hóa học, khả năng kết tinh và tính chất của sợi tự nhiên 6
1.2.1.3. Hình dạng và kích thước của sợi tự nhiên ........................................... 8
1.2.1.4. Biến đổi hóa học và đặc điểm của sợi tự nhiên ................................... 9
1.2.2. Sợi xơ dừa ................................................................................................... 9
1.2.2.1. Tình hình trồng và kinh doanh dừa trên thế giới và trong nước ......... 9
1.2.2.2. Quả dừa ............................................................................................. 11
1.2.2.3. Sợi xơ dừa ......................................................................................... 12
1.2.2.4. Các phương pháp tách sợi xơ dừa ..................................................... 15
1.3. SỢI THỦY TINH. ...........................................................................................18
1.4. NHỰA POLYESTER KHÔNG NO (UPE) ....................................................20
1.4.1. Giới thiệu .................................................................................................. 20
1.4.2. Phân loại ................................................................................................... 20


vi

1.4.3. Phản ứng đóng rắn .................................................................................... 22
1.4.4. Đặc tính của nhựa polyester không no. .................................................... 22
1.4.5. Ưu nhược điểm của nhựa Polyester không no [2]...................................... 23
1.5. CHẤT ĐÓNG RẮN ........................................................................................24
1.6. CÁC PHỤ GIA ................................................................................................25
1.6.1. Chất róc khuôn.......................................................................................... 25
1.6.2. Chất xúc tiến ............................................................................................. 25
1.6.3. Chất độn .................................................................................................... 25
1.6.4. Các phụ gia khác....................................................................................... 26
1.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG VẬT LIỆU COMPOSITE .....................26
1.7.1. Phương pháp trải lớp bằng tay (hand lay-up) ........................................... 26
1.7.2. Phương pháp trải lớp bằng phun bắn (Spray- up) .................................... 28
1.7.3. Phương pháp túi chân không .................................................................... 28
1.7.4. Phương pháp đúc chuyển nhựa RTM (Resin Transfer Moulding). ....... 29
1.7.5. Phương pháp đúc chuyển nhựa có sự trợ giúp của chân không VARTM
(Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding). .......................................... 31
1.7.6. Phương pháp ép đùn (injection modeling) ............................................... 31
1.7.7. Phương pháp kéo định hình ...................................................................... 32
1.7.8. Phương pháp tạo sản phẩm bằng cách đan sợi ......................................... 33
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP .................................................34
NGHIÊN CỨU ..........................................................................................................34
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .........................................................................34
2.2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, NGUYÊN VẬT LIỆU ...............................................34
2.2.1. Thiết bị...................................................................................................... 34
2.2.2. Dụng cụ..................................................................................................... 34
2.2.3. Nguyên vật liệu – Hóa chất ...................................................................... 34
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................38
2.3.1. Xử lý và phân tích sợi xơ dừa .................................................................. 36
2.3.1.1. Xử lý sợi xơ dừa với NaOH ............................................................. 36

vii

2.3.1.2. Phân tích hàm lượng cellulose trong sợi, đo độ ẩm sợi .................... 36
2.3.1.3. Xác định hàm lượng tro trong sợi xơ dừa ......................................... 36
2.3.2. Quy trình gia công mẫu bằng phương pháp đúc chuyển nhựa có sự trợ giúp
chân không VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) ........ 36
2.3.3. Kiểm tra cơ tính composite....................................................................... 40
2.3.3.1. Thí nghiệm kéo.................................................................................. 41
2.3.3.2. Thí nghiệm uốn ................................................................................. 43
2.3.4. Xử lý số liệu ............................................................................................. 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................46
3.1. PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CELLULOSE, HÀM LƯỢNG TRO, ĐỘ ẨM
CỦA SỢI XƠ DỪA ...............................................................................................46
3.1.1. Hàm lượng cellulose ................................................................................ 46
3.1.2. Hàm lượng tro .......................................................................................... 46
3.1.3. Độ ẩm của sợi xơ dừa.............................................................................. 47
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ SỢI XƠ DỪA LÊN CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
COMPOSITE CỐT SỢI THỦY TINH ..................................................................47
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT ĐỘN LÊN CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
COMPOSITE .........................................................................................................50
3.4. TÍNH KINH TẾ - GIÁ THÀNH SẢN PHẨM ................................................52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

UPE

Unsaturated Polyester

APCC

Asian and Pacific Coconut Community

ASTM

American Standard Test Methods

FRP

Fibeglass Reinfored Plastic

UV

Ultraviolet

AO

Antioxidants

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

BGTVT

Bộ giao thông vận tải

STT

Sợi thủy tinh

SXD

Sợi xơ dừa


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên .......................................... 7
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của một số loại sợi tự nhiên ................................................ 8
Bảng 1.3. Năm quốc gia dẫn đầu sản lượng dừa, năm 2012 .......................................... 9
Bảng 1.4. Diện tích và năng suất dừa một số nước, năm 2011 .................................... 10
Bảng 1.5. Diện tích và sản lượng dừa của Việt Nam năm 2012, theo từng tỉnh. ......... 11
Bảng 1.6. Tỉ lệ khối lượng trung bình của các thành phần trong một quả dừa ........... 12
Bảng 1.7. Sản lượng chỉ xơ dừa của một số nước, 2014 .............................................. 13
Bảng 1.8. Thành phần hóa học của sợi xơ dừa ............................................................. 14
Bảng 1.9. Cơ tính của một số sợi tự nhiên so với các sợi gia cường thông thường ..... 15
Bảng 1.10. Thành phần hóa học của các loại thủy tinh ................................................ 19
Bảng 1.11. Tính chất cơ lý của các loại sợi thủy tinh ................................................... 19
Bảng 1.12. Các đặc tính cơ bản của nhựa polyester không no ..................................... 23
Bảng 1.13. Các chất đóng rắn thông dụng .................................................................... 24
Bảng 2.1. Tỉ lệ phối trộn các thành phần trong mẫu composite. .................................. 37
Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật khi gia công .............................................................. 40
Bảng 2.3. Bảng tóm tắt thông số thí nghiệm kéo theo QCVN 56-2013/BGTVT. ....... 43

Bảng 2.4. Bảng tóm tắt thông số thí nghiệm uốn theo QCVN 56-2013/BGTVT. ....... 45
Bảng 3.1. Hàm lượng tro trong sợi xơ dừa đã xử lý. .................................................... 46
Bảng 3.2. Độ ẩm của sợi xơ dừa. ................................................................................ 47
Bảng 3.3. Module đàn hồi và ứng suất của composite theo phần trăm sợi xơ dừa. ..... 48
Bảng 3.4. Bảng so sánh giá trị cơ tính của vật liệu. ...................................................... 49
Bảng 3.5. Bảng giá trị của vật liệu và QCVN 56-2013/BGTVT. ................................. 50
Bảng 3.6. Module đàn hồi và ứng suất của composite theo phần trăm chất độn. ........ 51
Bảng 3.7. Bảng phân tích khối lượng các thành phần trong mẫu composite. .............. 52
Bảng 3.8. Chi phí nguyên liệu cho các mẫu composite. ............................................... 53


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc của sợi tự nhiên ................................................................................ 5
Hình 1.2. Cấu tạo của quả dừa. ..................................................................................... 12
Hình 1.3. Sợi xơ dừa. .................................................................................................... 13
Hình 1.4. Quy trình tách chỉ xơ dừa thủ công cổ truyền. ............................................. 16
Hình 1.5. Quy trình sản xuất sợi thẳng bằng máy ........................................................ 16
Hình 1.6. Thiết bị tách sợi xơ dừa thẳng ...................................................................... 17
Hình 1.7. Quy trình tách sợi rối bằng máy hiện nay. ................................................... 17
Hình 1.8. Thiết bị tách sợi xơ dừa rối ........................................................................... 17
Hình 1.9. Vải thủy tinh dạng woven rowing ................................................................ 20
Hình 1.10. Sợi thủy tinh dạng Mat. .............................................................................. 20
Hình 1.11. Sơ đồ phản ứng khâu mạch. ....................................................................... 22
Hình 1.12. Quy trình sản xuất composite bằng phương trải lớp bằng tay .................... 27
Hình 1.13. Quy trình sản xuất composite bằng phương pháp phun nhựa. ................... 28
Hình 1.14. Thành phần cơ bản của phương pháp túi chân không. ............................... 29
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý RTM. ............................................................................... 30
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý đúc chuyển nhựa nhờ chân không. .................................. 31

Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý quá trình ép đùn. ........................................................... 32
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý phương pháp kéo định hình ............................................. 33
Hình 1.19. Sơ đồ nguyên lý phương pháp đan sợi ....................................................... 33
Hình 2.1. Sợi xơ dừa………………………………………………………………….34
Hình 2.2. Sợi Mat …………………………………………………………………….34
Hình 2.3. Nhựa Polyester.............................................................................................. 34
Hình 2.4. Quy trình tiến hành thực nghiệm. ................................................................ 38
Hình 2.5. Các bước chế tạo vật liệu composite theo công nghệ VARTM ................... 37
Hình 2.6. Trải các sợi gia cường................................................................................... 38
Hình 2.7. Trải lớp vải chống dính….............................................................................38
Hình 2.8. Trải lớp lưới dẫn nhựa .................................................................................. 38


xi

Hình 2.9. Thử kín hơi………………………………………………………………...39
Hình 2.10. Sản phẩm composite. .................................................................................. 40
Hình 2.11. Thiết bị thử máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model
H50KS. .......................................................................................................................... 40
Hình 2.12. Kích thước mẫu chuẩn (a) và mẫu thực tế (b) cho thí nghiệm kéo. ........... 41
Hình 2.13. Mẫu kéo trước và sau khi thử. .................................................................... 42
Hình 2.14. Kích thước mẫu cho thí nghiệm uốn. ......................................................... 43
Hình 2.15. Mẫu uốn trước và sau khi thử. .................................................................... 43
Đồ thị 3.1. Module đàn hồi của composite theo phần trăm của sợi xơ dừa. ................ 48
Đồ thị 3.2. Ứng suất của vật liệu composite theo phần trăm của sợi xơ dừa. .............. 49
Đồ thị 3.3. Ứng suất (A) và module đàn hồi uốn (B) theo phần trăm chất độn TALC 51
Đồ thị 3.4. Ứng suất (C) và module đàn hồi kéo (D) theo phần trăm chất độn TALC 51


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ những năm 50 của thế kỷ XX, gắn liền với sự phát triển của ngành công
nghiệp tên lửa ở Mỹ là sự hình thành của một ngành khoa học mới - khoa học về vật
liệu composite. Ngay từ khi mới ra đời, composite đã chứng minh được khả năng
vượt trội của mình nên những nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến vật liệu
composite ngày càng nhiều. Đến nay, composite đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh
vực của nền kinh tế quốc dân như công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông
vận tải, xây dựng, công nghiệp nặng (chế tạo máy, điện lực, hóa chất…) và đặc biệt
là trong ngành hàng không vũ trụ. Sở dĩ composite được ứng dụng rộng rãi là vì
chúng rất bền và nhẹ. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật và công nghệ hiện đại
chỉ có composite mới đáp ứng nổi. Vì thế, ngành khoa học công nghệ vật liệu mới
là một trong những mũi nhọn then chốt của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại
hóa. Nhiều nhà khoa học cho rằng vật liệu composite chính là vật liệu của tương lai.
Trong số những loại vật liệu được sử dụng làm nền cho composite thì nhựa
(nhiệt rắn và nhiệt dẻo) thường được sử dụng hơn cả. Composite nền nhựa có những
tính năng vượt trội như tỉ trọng thấp, module cao, độ bền cao, chống mài mòn tốt…
Ngoài ra, nó còn có ưu điểm nổi trội là giá thành thường thấp hơn so với các sản
phẩm nhựa cùng loại. Tuy nhiên, một khuyết điểm rất lớn của loại sản phẩm này là
khó phân hủy và tái chế. Nguyên nhân là do vật liệu gia cường thường được sử dụng
là các loại vật liệu tổng hợp như sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramide,… Thêm vào
đó, việc sử dụng sợi tổng hợp gây nhiều tác động có hại cho sức khoẻ người lao
động (ví dụ như sợi thủy tinh gây ngứa, có hại cho phổi khi hít phải). Do đó, việc
sử dụng sợi tự nhiên làm vật liệu gia cường cho composite càng được tập trung
nghiên cứu vì đây là loại sợi không gây hại cho sức khỏe người lao động, thân thiện
với môi trường và có thể bị phân hủy bởi vi sinh vật.
Có rất nhiều loại sợi tự nhiên được sử dụng làm vật liệu gia cường cho
composite như: đay (jute), lanh (flax), gai dầu (hemp), bã mía (bagasse), lục bình
(water hyacyth), lá cây si-dan (sisal), sợi xơ dừa (coir/coconut), bông vải (cotton)…

2

Trong các loại sợi kể trên, sợi xơ dừa đang thu hút được sự tập trung nghiên
cứu của các nhà khoa học cả trong lẫn ngoài nước bởi sự dồi dào và phổ biến của
nguồn nguyên liệu. Ở Việt Nam, dừa là một loại cây rất quen thuộc với người dân
và được trồng với diện tích khá lớn (ví dụ như ở tỉnh Bến Tre). Việc sử dụng phế
phẩm vỏ dừa để sản xuất sợi dùng làm vật liệu gia cường cho composite góp phần
làm tăng giá trị cho cây dừa, tăng nguồn thu nhập cho người nông dân.
Các kỹ thuật gia công vật liệu composite được quan tâm nghiên cứu vì nó ảnh
hưởng trực tiếp đến sản phẩm và chất lượng, an toàn lao động và thân thiện đến môi
trường. Việc gia công khuôn hở đang dần được thay thế bằng gia công khuôn kín vì
chúng hạn chế ô nhiễm môi trường và tiết kiệm được nguyên vật liệu. 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 và các phương pháp gia công đảm bảo an toàn cho người lao động.
Do vậy, tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu thay thế một phần sợi thủy
tinh bằng sợi xơ dừa trong chế tạo vật liệu composite”.
2. Mục đích của đề tài
Đề tài này được tiến hành với mục đích sử dụng sợi xơ dừa thay thế một phần
sợi thủy tinh trong vật liệu composite, từ đó xác định tỉ lệ sợi xơ dừa phù hợp để sản
phẩm vẫn có tính năng cơ lý đạt yêu cầu. Ngoài ra, đề tài đóng góp và nghiên cứu
phát triển về vật liệu composite sợi tự nhiên.
3. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu composite từ sợi tự nhiên: vật liệu nền là nhựa Polyester không no và
vật liệu cốt là sợi thủy tinh dạng Mat và sợi xơ dừa.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài được nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo vật liệu composite từ sợi
xơ dừa, sợi thủy tinh và nhựa polyester bằng phương pháp đúc chuyển nhựa có sự
trợ giúp chân không.

Về thực tiễn, đã tận dụng được nguồn xơ dừa để sản xuất vật liệu mới góp
phần nâng cao giá trị và đa dạng hóa sản phẩm. Ngoài ra, tăng thu nhập cho người
nông dân trồng dừa.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1.1. Định nghĩa
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau.
Vật liệu mới tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành
phần riêng lẽ [4].
1.1.2. Thành phần của vật liệu composite
Vật liệu composite gồm có hai thành phần chính [2-4]:
Thứ nhất: thành phần cốt (các sợi, hạt,…) giúp cho vật liệu nền tăng độ cứng,
độ bền, khả năng chịu va đập và chịu mỏi, cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt, khả
năng chống mài mòn. Trong composite, hàm lượng của vật liệu cốt thường chiếm
khoảng 30-50%. Một số thành phần cốt thông dụng:
- Sợi khoáng: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm
- Sợi tự nhiên: sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,...
- Kim loại: Ag, Cu,…
Thứ hai: thành phần nền có vai trò đảm bảo cho những thành phần composite
liên kết hài hòa với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra kết cấu composite.
Thành phần nền cũng chịu một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật
liệu. Ngoài ra, thành phần nền cũng là cơ sở để xác định phương pháp gia công sản
phẩm [2][4]. Có ba loại nền:
- Nền polymer: nhựa nhiệt rắn (nhựa polyester, nhựa phenol, nhựa epoxy,…),
nhựa nhiệt dẻo (Polyvinyl clorua, nhựa polyetylen, nhựa polyamit,...)
- Nền carbon: carbon nanotube, graphene,…

- Nền kim loại: nhôm, niken, đồng,…
Ngoài hai thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu composite còn có các phụ
gia khác như: chất đóng rắn, chất xúc tiến, chất tạo màu, chất độn,...
1.1.3. Đặc tính chung
Vật liệu composite có nhiều tính năng tốt là nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt,


4

chịu hóa chất, giá thành phù hợp nên được sử dụng rộng rãi.
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau [4]:
-

Cơ tính của các vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt

thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu
thành phần.
-

Tỉ lệ giữa các vật liệu thành phần.

-

Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải có

liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau.
-

Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu composite (ngẫu nhiên hay có

định hướng; phân bố đồng đều hay không đồng đều; hình thái kiến trúc của tổ hợp
vật liệu cốt…).
-

Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt.

-

Kỹ thuật gia công (phương pháp, nhiệt độ, áp suất…).

1.1.4. Phân loại
Có 2 cách phân loại vật liệu composite: theo hình dạng của vật liệu cốt và theo
bản chất của các vật liệu thành phần [3] [21].
 Phân loại theo hình dạng của vật liệu cốt:
-

Vật liệu composite cốt sợi: gồm có sợi liên tục và sợi gián đoạn.

-

Vật liệu composite cốt hạt.

 Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần:
- Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt dạng như: sợi hữu cơ

(polyamit, kevlar,...), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo,
Al,...).
- Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,...),

hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ...).

- Composite nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm...) cùng với độn dạng

hạt: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, thủy tinh,...).


5

1.2. SỢI TỰ NHIÊN
1.2.1. Tổng quan về sợi tự nhiên
1.2.1.1. Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có thể được xem như composite của vi sợi cellulose được gắn kết
với nhau bởi nền lignin và hemicellulose. Thành tế bào của sợi là lớp màng không
đồng nhất (xem hình 1.1). Mỗi sợi có cấu trúc lớp phức tạp gồm một lớp sơ cấp mỏng
(là lớp đầu tiên hình thành trong suốt quá trình phát triển của tế bào) bao quanh
lớp thứ cấp. Lớp thứ cấp được tạo thành bởi 3 lớp và lớp trung gian dày xác định cơ
tính của sợi. Lớp trung gian gồm một chuỗi những vi sợi cellulose xoắn hình thành
từ những phân tử cellulose mạch dài. Góc giữa trục chính của sợi và vi sợi được gọi
là góc vi sợi. Giá trị của góc vi sợi thay đổi theo các sợi khác nhau [13].

Hình 1.1. Cấu trúc của sợi tự nhiên [13]
Đường kính thông thường của vi sợi thay đổi từ 10-30 nm và được tạo nên từ
30-100 phân tử cellulose, tạo nên độ bền cơ học cho sợi. Pha nền vô định hình trong
thành tế bào rất phức tạp gồm hemicellulose, lignin và pectin. Phân tử hemicellulose
liên kết hydro với phân tử cellulose, làm nền liên kết giữa những vi sợi cellulose, hình
thành nên mạng cellulose-hemicellulose là cấu trúc chính của tế bào sợi. Mạng các phân
tử lignin không phân cực tác động đến tính chất của mạng khác. Nó có vai trò như một
chất trợ tương hợp và tăng độ cứng của composite cellulose/hemicellulose [13,15].


6

1.2.1.2. Thành phần hóa học, khả năng kết tinh và tính chất của sợi tự nhiên
Thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose (α-cellulose), hemicellulose,
lignin, pectin và sáp. Thành phần hóa học của sợi tự nhiên thay đổi phụ thuộc vào
loại sợi. Tính chất của mỗi thành phần góp phần tạo nên tính chất chung của sợi [13].
Cellulose là một polymer tự nhiên gồm những mắc xích cơ sở D-anhydro
glucose (C6H11O5) có độ trùng hợp khoảng 10000 được ghép lại bởi liên kết β-1,4glucosidic tại vị trí C1 và C4. Mỗi mắc xích cơ sở của cellulose chứa 3 nhóm hydroxyl.
Những nhóm hydroxyl này và khả năng hình thành liên kết hydro của chúng giữ vai
trò chủ yếu trong việc hình thành tinh thể và chi phối đến tính chất vật lý của
cellulose. Cellulose bền với kiềm mạnh (17,5% khối lượng) nhưng dễ dàng bị thủy
phân bởi acid thành đường tan được trong nước. Cellulose tương đối bền với các tác
nhân oxy hóa. Công thức hóa học của cellulose là (C6H10O5)n. Chính những nhóm
-OH có trong cellulose làm cho sợi phân cực và hút ẩm [12-15].
Hemicellulose bao gồm một nhóm các polysaccharide được hình thành bởi sự
kết hợp của các nhóm đường có vòng 5-6 carbon. Hemicellulose khác với cellulose
ở 3 khía cạnh. Đầu tiên, nó chứa nhiều nhóm đường khác nhau, trái lại cellulose chỉ
chứa những đơn vị 1,4-β-D-glucopyranose. Thứ hai, hemicellulose chứa nhiều nhánh
đối xứng trên chuỗi làm tăng tính chất không kết tinh, trái lại cellulose là polymer
mạch thẳng. Thứ ba, độ trùng hợp của hemicellulose khoảng 50-300, trong khi độ
trùng hợp của cellulose cao hơn 10-100 lần so với hemicellulose. Hemicellulose rất
ưa nước, tan trong kiềm và dễ bị thủy phân trong các acid. Hemicellulose là nguyên
nhân gây thoái hóa sinh học, hút ẩm và thoái hóa do nhiệt của sợi [13,15].
Lignin là một polymer hydrocarbon phức tạp gồm cả hợp chất thơm và hợp
chất béo. Nhìn chung, chúng không tan trong hầu hết các dung môi và không thể bị
phân tách thành các monomer. Lignin có bản chất vô định hình và kỵ nước. Nó là
hợp chất tạo ra độ cứng cho sợi thực vật. Trong lignin có sự hiện diện của các nhóm
hydroxyl, methoxy và carbonyl. Lignin có chứa 5 nhóm hydroxyl và 5 nhóm methoxy
trên một đơn vị cấu trúc. Người ta cho rằng đơn vị cấu trúc của lignin là 4- hydroxy3-methoxy phenyl propane. Lignin được xem như là một polymer nhiệt dẻo có nhiệt

7

độ thủy tinh hóa khoảng 90oC và nhiệt độ nóng chảy khoảng 170oC [13,14]. Nó không
bị thủy phân bởi acid nhưng tan trong kiềm, dễ dàng bị oxy hóa và ngưng tụ với
phenol. Lignin tuy ổn định nhiệt nhưng là nguyên nhân gây thoái hóa do tia cực tím
(tia UV).
Pectin là tên chung cho các heteropolysaccaride. Chúng tạo nên độ bền uốn cho
thực vật.
Sáp là thành phần cuối cùng của sợi và nó bao gồm nhiều loại rượu khác nhau.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên [12]
Sợi
Cellulose
Hemicellulose
Lignin
Wax
(% khối lượng) (% khối lượng) (% khối lượng) (% khối lượng)
Bã mía
Tre
Chuối
Xơ dừa
Cotton
Lanh
Gai dầu
Đay
Cọ dầu

55.2
26 – 43
63– 64
32 – 43

85 – 90
71
68
61 – 71
65

16.8
30
19
0.15 – 0.25
5.7
18.6 – 20.6
15
14 – 20
–

25.3
21 – 31
5
40 – 45
–
2.2
10
12 – 13
29

–
–
–
–

0.6
1.5
0.8
0.5
–

Cấu trúc, góc của vi sợi, kích thước tế bào, khuyết tật và thành phần hóa học
của sợi là những thông số quan trọng xác định tính chất của sợi. Nhìn chung, độ bền
kéo và module Young của sợi tăng khi tăng hàm lượng cellulose. Góc vi sợi xác định
độ cứng của sợi. Sợi thực vật dễ uốn hơn nếu vi sợi có hướng xoắn theo trục sợi. Nếu
vi sợi được định hướng song song với trục sợi, sợi sẽ cứng, khó uốn và có độ bền kéo
cao. Bảng 1.2 giới thiệu những tính chất vật lý quan trọng của sợi tự nhiên.
Sự không đồng đều về kích thước và cơ tính của sợi tự nhiên (ngay cả giữa
những cây khác nhau trong cùng mùa vụ) là những khó khăn khác khi sử dụng sợi
tự nhiên cho composite. Tuy nhiên, những thuận lợi mà sợi tự nhiên mang lại
nhiều hơn là bất lợi và hầu hết những khuyết điểm này có thể khắc phục được bằng
việc xử lý hóa học.
Tóm lại, tỉ lệ các thành phần trong sợi thay đổi theo các loại sợi khác nhau. Cơ


8

tính của sợi tự nhiên phần lớn liên hệ với lượng cellulose, gắn liền với chỉ số kết
tinh của sợi và góc của sợi cơ bản đối với trục chính của sợi. Khả năng kết tinh của
sợi phụ thuộc vào nguồn gốc của nguyên liệu và do liên kết hydro giữa những chuỗi
cellulose. Những sợi có chỉ số kết tinh cao hay nói cách khác là hàm lượng cellulose
cao sẽ có cơ tính cao hơn. Do đó, tính chất sợi có thể thay đổi nếu có bất cứ sự thay
đổi nào về thành phần tạo nên sợi và góc của sợi cơ bản. Ví dụ như nếu những thành
phần kết dính được loại bỏ sẽ làm cho sự sắp xếp của cellulose tốt hơn, làm tăng chỉ
số kết tinh dẫn đến tính chất sợi sẽ tốt hơn. Ngoài ra, cơ tính kéo của sợi cũng có

thể được tăng lên nếu có thể sắp xếp sợi song song với hướng của lực tác dụng [13].
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của một số loại sợi tự nhiên [13]
Độ bền kéo Module Young Độ giãn dài Khối lượng riêng
Sợi
Bã mía
Tre
Chuối
Xơ dừa
Cotton
Lanh
Gai dầu
Đay
Cọ dầu

(MPa)

(GPa)

290
140 – 230
500
175
287 – 597
345 –1035
690
393 – 773
248

17
11 – 17

12
4–6
5.5 – 12.6
27.6
70
26.5
3.2

phá hủy (%)
–
–
5.9
30
7–8
2.7 – 3.2
1.6
1.5 – 1.8
25

(g/cm3)
1.25
0.6 – 1.1
1.35
1.2
1.5 – 1.6
1.5
1.48
1.3
0.7 – 1.55

1.2.1.3. Hình dạng và kích thước của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên có nhiều khuyết tật do xoắn trong quá trình sắp xếp của những
chuỗi cellulose. Những khuyết tật này thấy rõ qua những gấp khúc trên bề mặt sợi
và làm cho sợi đứt dễ dàng hơn. Không giống như những sợi tổng hợp có đường
kính gần như không đổi, đường kính của sợi tự nhiên thay đổi trong một khoảng
lớn. Một thông số quan trọng nữa là tỉ số hình dạng sợi (chiều dài/đường kính), nó
ảnh hưởng đến cơ tính composite. Tỉ số hình dạng sợi bị thay đổi ở mức độ cao do
mài mòn trong suốt quá trình gia công. Một vài phương pháp xử lý hóa học (ví dụ
như xử lý kiềm) làm giảm đường kính sợi nhờ loại bỏ những chất kết dính dẫn đến


9

việc tăng tỉ số hình dạng sợi. Cũng cần lưu ý rằng sợi tự nhiên trương phồng trong
môi trường phân cực như nước, dimethylformamide, dimethylsulfoxyde … dẫn đến
kích thước sợi thay đổi [13].
1.2.1.4. Biến đổi hóa học và đặc điểm của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên dễ biến đổi hóa học do sự hiện diện của nhóm hydroxyl. Nhóm
hydroxyl liên quan đến sự hình thành liên kết hydro trong phân tử cellulose. Các đặc
tính bề mặt như là sự thấm ướt, sự bám dính, sức căng bề mặt hoặc trạng thái rỗ của
bề mặt có thể cải thiện sự biến đổi hóa học trên. Sự không đồng đều của bề mặt sợi
đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên liên kết cơ học ở bề mặt phân chia. Tính
chất của liên diện có thể được cải thiện bằng cách xử lý các thành phần một cách
phù hợp, làm tăng quá trình biến đổi sự tương tác vật lý và hóa học ở bề mặt [7,13].
1.2.2. Sợi xơ dừa
1.2.2.1. Tình hình trồng và kinh doanh dừa trên thế giới và trong nước
 Trên thế giới
Cây dừa được trồng phổ biến ở vùng nhiệt đới, dọc bờ biển và các đảo trên 90
quốc gia, với hơn 11 triệu ha; tập trung nhiều nhất ở khu vực châu Á - Thái Bình
Dương. Mười quốc gia có diện tích trồng dừa lớn trên thế giới là Indonesia,

Philippines, Ấn Độ, Sri Lanka, Brazil, Thái Lan, Papua New Guinea, Malaysia, Việt
Nam và Vanuatu [20]. Ba quốc gia hàng đầu là Indonesia, Philippines, Ấn Độ có diện
tích trồng hơn 1 triệu ha, chiếm trên 80% sản lượng dừa thế giới (Bảng 1.3).
STT

Bảng 1.3. Năm quốc gia dẫn đầu sản lượng dừa, năm 2012
Quốc gia
Sản lượng (1.000 tấn)
Tỷ lệ % sản lượng thế giới

1.

Indonesia

18.000

30,0

2.

Philippines

15.862

26,4

3.

Ấn Độ

10.560

17,0

4.

Brazil

2.888

4,8

5.

Sri Lanka

2.000

3,3
(Nguồn: FAOSTAT)

Hai nước có diện tích lớn là Indonesia và Philippines lại có năng suất dừa khá
thấp, trong khi các nước khác như Ấn Độ, Sri Lanka, và Việt Nam có năng suất dừa


10

cao hơn nhiều (Bảng 1.4).
Bảng 1.4. Diện tích và năng suất dừa một số nước, năm 2011
Diện tích (ha)

Năng suất (trái/ha/năm)
STT Quốc gia
1.

Indonesia

3.800.000

4.000

2.

Philippines

3.560.000

3.719

3.

Ấn Độ

1.900.000

7.748

4.

Sri Lanka

395.000

7.364

5.

Thái Lan

247.000

4.800

6.

Việt Nam

144.800

8.294

(Nguồn: Chương trình Phát triển ngành dừa Bến Tre đến năm 2020 (Ban
hành kèm theo Quyết định số 2300/QĐ-UBND của UBND tỉnh Bến Tre),
Asian and Pacific Coconut Community - APCC)
 Trong nước
Điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng Việt Nam phù hợp cho cây dừa sinh trưởng,
nhất là đồng bằng Sông Cửu Long và khu vực Duyên hải miền Trung, hiện có khoảng
150.000 ha đất trồng dừa, tập trung chủ yếu ở Bến Tre, Trà Vinh, Kiên Giang, Cà
Mau, Vĩnh Long, Bình Định,… Trong đó, Bến Tre và Trà Vinh phát triển mạnh [20].
Tỉnh Bến Tre là địa phương có diện tích trồng dừa lớn nhất nước, được mệnh
danh là “xứ dừa”. Diện tích trồng dừa ở Bến Tre khoảng 58440 ha (năm 2012). Đất

trồng dừa ở Bến Tre chiếm 35% diện tích dừa cả nước và chiếm 43,6% diện tích dừa
ĐBSCL, phân bố chủ yếu ở vùng nước lợ và một số ít ở vùng nước ngọt [20].
Các phế phẩm từ dừa đã và đang được tận dụng trong nhiều lĩnh vực. Đây là
nguồn nguyên liệu phổ biến, rẻ tiền nên nếu được ứng dụng vào sản xuất các sản
phẩm composite sẽ nâng cao giá trị sợi xơ dừa, tăng nguồn thu nhập cho người
nông dân.


11

Bảng 1.5. Diện tích và sản lượng dừa của Việt Nam năm 2012, theo từng tỉnh.
Tỉnh
Diện tích
%
Sản lượng
TT
(ha)
(triệu quả)
1.

Bến Tre

58.440

37,22

469,000

2.

Trà Vinh

16.300

10,38

169,400

3.

Tiền Giang

10.823

6,89

130,400

4.

Kiên Giang

8.110

5,17

61,636

5.

Bạc Liêu

6.220

3,95

47,120

6.

Cà Mau

11.900

7,58

90,440

7.

Tây Ninh

1.570

1,00

11,932

8.

Bình Định

10.520

6,70

42,100

9.

Phú Yên

1.700

1,08

6,800

10.

Khánh Hòa

1.640

1,04

6,600

11.

Các tỉnh khác

29.797

18,89

190,900

Tổng

157.000

100

1.226,328

(Nguồn: Theo Niên giám Thống kê của Hiệp hội Dừa Châu Á Thái Bình Dương (APCC), 2014)
1.2.2.2. Quả dừa
 Cấu tạo quả dừa
Ở đồng bằng sông Cửu Long, giống dừa ta xanh được trồng phổ biến để lấy
cơm dừa. Dừa sau khi trồng 5-7 năm mới ra quả. Quả dừa từ khi hình thành đến già
chín phải mất từ 11 đến 13 tháng. Quả dừa thường có dạng trứng, hình dạng chính
xác của nó tùy thuộc vào giống dừa.
Về mặt thực vật học, dừa là quả hạch có xơ (không phải là loại quả hạt thực
thụ). Vỏ ngoài của quả dừa thường cứng, nhẵn, nổi rõ 3 gờ; lớp vỏ quả giữa là các
sợi xơ gọi là xơ dừa và bên trong nó là lớp vỏ quả trong (hay gáo dừa hoặc sọ dừa).
Lớp vỏ quả trong hóa gỗ, khá cứng, có ba lỗ mầm (gọi là các mắt dừa). Thường hai
trong ba lỗ hay “mắt” đó nhỏ hơn và cứng, lỗ thứ ba mềm. Mầm hay phôi nằm ngay
dưới mắt mềm đó. Khi quả nảy mầm, mầm lách qua lỗ đó để mọc ra ngoài [12].

12

Hình 1.2. Cấu tạo của quả dừa.
Khối lượng tương đối của các thành phần trong quả dừa không cố định, trị số
trung bình thể hiện ở bảng 1.6.
Bảng 1.6. Tỉ lệ khối lượng trung bình của các thành phần trong một quả dừa [12]
Tỉ lệ khối lượng so

Vỏ

Gáo

Cơm

Nước

với quả (%)

35

12

28
dừa

25

 Ứng dụng của dừa.
Tại nhiều nước trên thế giới, cây dừa được gọi là “cây của cuộc sống” do tính

hữu dụng của hầu hết các bộ phận trên cây dừa để làm ra các sản phẩm có giá trị phục
vụ cho đời sống người dân và cho nền kinh tế của quốc gia.
Trước hết, cây dừa là nguồn cung cấp thực phẩm, nước uống và vật liệu xây
dựng nhà cửa cho người dân địa phương. Bên cạnh đó phải kể đến cơm dừa, dầu dừa,
gáo dừa và những sản phẩm khác là nguồn nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp
xà phòng, sản xuất than hoạt tính và xuất khẩu. Người ta ước tính có đến hơn 100 sản
phẩm được làm trực tiếp hay gián tiếp từ dừa.
1.2.2.3. Sợi xơ dừa
 Giới thiệu chung
Xơ dừa là thớ vỏ quả giữa nằm ở giữa lớp vỏ ngoài dai hay tầng cutin ngoài
và gáo cứng bao bọc lớp phôi nhũ có trọng lượng khoảng chừng 35% trọng lượng
của cả quả dừa già.


13

Hình 1.3. Sợi xơ dừa.
Vỏ dừa khô được tận dụng để sản xuất xơ dừa và các sản phẩm từ xơ dừa
nhằm mục đích thương mại đã và đang được phát triển tại các quốc gia trồng dừa.
Tại Ấn độ và Sri Lanka, ngành sản xuất xơ dừa và các sản phẩm từ xơ dừa đã phát
triển mạnh.
Xơ dừa được ngâm vào nước, rửa sạch, phơi khô để làm dây thừng, thảm nhà,
nệm. Cứ 1000 vỏ xơ dừa cung cấp được 80-90 kg sợi xơ dừa. Vườn An Hóa (Bến
Tre) đã có tiểu công nghiệp se dây thừng từ lâu. Người nông dân sau khi thu hoạch
dừa sẽ chuẩn bị ngâm và lấy sợi. Tại những vùng có ít lao động, người ta sẽ sử
dụng máy móc nhiều để thay thế cho con người.
Bảng 1.7. Sản lượng chỉ xơ dừa của một số nước, 2014.
Quốc gia

Sản lượng (tấn)

Indonesia

31.108

Ấn Độ

86.716

Sri LanKa

86.134

Malaysia

28500

Bangladesh

11420
(Nguồn: TTXTTM)

Chỉ xơ dừa bây giờ đã trở nên thông dụng và được sử dụng rộng rãi: dây thừng,
bàn chải, nhồi nệm, ngăn chặn xói mòn ở những vùng cần có sự gia cường cho đất,
bờ sông,…


14

 Cấu trúc, thành phần và tính chất của sợi xơ dừa

So với những loại sợi thực vật khác, sợi xơ dừa tương đối ngắn. Các tế bào của
nó chỉ dài khoảng 1mm, đường kính khoảng 15 µm và một bó sợi có thể từ 30 đến
300 tế bào ở mặt cắt ngang [11,18].
Chiều dài cơ bản của sợi xơ dừa từ 15 đến 35 cm. Đường kính của chúng thay
đổi từ 0.1 đến 1.5 mm. Sợi xơ dừa có thể kéo dài ra được 29.04% so với chiều dài
ban đầu [11,18].
Khả năng của xơ dừa có thể kéo dài quá giới hạn đàn hồi của nó mà không bị
đứt, cũng như có thể chịu được độ căng thường xuyên là rất quan trọng. Khả năng
chịu kéo của sợi xơ dừa giảm ít sau khi ngâm nước. Khả năng nổi trên mặt nước và
sức chống chọi của sợi xơ dừa đối với nước mặn là rất tốt và không loại sợi tự nhiên
nào có thể thay thế được. Ngoài ra, xơ dừa cũng rất rẻ tiền.
Theo APCC, xơ dừa là loại sợi tự nhiên tuyệt vời có đặc tính chắc, bền và có
thể bị phân huỷ bởi vi khuẩn.
Bảng 1.8. Thành phần hóa học của sợi xơ dừa [13].
Thành phần

Hàm lượng (% khối lượng)

Lignin

45,84

Cellulose

43,44

Hemicellulose

0,25

Pectin và những hợp chất liên quan

0,3

Tro

2,22

Bảng 1.9 so sánh cơ tính của sợi xơ dừa với sợi thủy tinh – E cho thấy độ bền
kéo và độ bền riêng của sợi thủy tinh đều cao hơn sợi xơ dừa. Tuy nhiên, độ dãn dài
của sợi xơ dừa cao hơn sợi thủy tinh. Do đó, ta có thể sử dụng sợi xơ dừa để gia cường
cho những ứng dụng chịu va đập.