LUẬN văn CÔNG NGHỆ hóa ẢNH HƯỞNG của xử lý sợi xơ dừa đến cơ TÍNH của COMPOSITE nền NHỰA POLYETHYLENE được GIA CƯỜNG BẰNG sợi xơ dừa ngô thị bảo trân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ẢNH HƢỞNG CỦA XỬ LÝ SỢI XƠ DỪA
ĐẾN CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE NỀN
NHỰA POLYETHYLENE ĐƢỢC
GIA CƢỜNG BẰNG SỢI XƠ DỪA

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN:

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Ts. Trƣơng Chí Thành

Ngô Thị Bảo Trân
MSSV: 2082201
Ngành: Công Nghệ Hóa Học
Khóa 34

Tháng 5/2012


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

Cán bộ hƣớng dẫn


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

Cán bộ phản biện


LỜI CẢM ƠN
Khoảng thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp là khoảng thời gian bận rộn và
khó khăn không chỉ đối với bản thân em mà còn cả các bạn sinh viên khác. Luận
văn tốt nghiệp nhƣ làm một cột mốc đánh dấu cho sự hoàn thành chƣơng trình đại
học của chúng em và chuẩn bị bƣớc sang ngƣỡng cửa mới của cuộc đời.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Trƣơng Chí Thành, ngƣời đã trực tiếp
hƣớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Thầy đã tận tâm chỉ bảo, truyền
đạt những kiến thức cũng nhƣ những kinh nghiệm quý báu cho chúng em. Không
những thế, thầy còn luôn tạo điều kiện tốt nhất có thể về vật chất cũng nhƣ tinh thần
để chúng em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Lê Quân Ngọc. Thầy đã
giành chút thời gian quý báu của mình để đƣa ra những chỉ dẫn, những định hƣớng
thiết thực để em có thể thực hiện tốt đề tài.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Cao Lƣu Ngọc Hạnh. Cô đã có những chỉ
dẫn, sự đóng góp ý kiến thiết thực để giúp em có thể hoàn thành tốt đề tài.

Thật là khó khăn và bỡ ngỡ biết bao nếu em không có sự giúp đỡ của anh
Trƣơng Minh Châu khi vừa bắt tay vào thực hiện đề tài. Anh đã không ngần ngại
giành chút thời gian của mình để truyền đạt những kinh nghiệm quý báu của mình
cho chúng em. Xin chân thành cảm ơn anh.
Em cũng xin gửi lời biết ơn đến các thầy cô giáo đã dạy bảo, truyền đạt những
kiến thức quý giá cho em trong suốt bốn năm học vừa qua. Chắc chắn em sẽ không
thể thực hiện đƣợc đề tài này nếu nhƣ không nhận đƣợc những kiến thức quý báu
của thầy cô. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp Công
nghệ Hóa học K34 đã gắn bó cùng tôi và có những sự giúp đỡ cho tôi trong suốt
khoảng thời gian học đại học.
Cuối cùng, con xin cảm ơn cha mẹ đã luôn bên con, động viên giúp đỡ để con
có đủ nghị lực, cố gắng học tập tốt. Con xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình và
các cô đã không chỉ động viên con về mặt tinh thần mà quan trọng hơn là những hỗ
trợ vật chất thiết thực để con có thể đƣợc học và hoàn thành bậc đại học này.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em chắc chắn khó tránh khỏi những
thiếu sót. Kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến.
Ngô Thị Bảo Trân

Ngô Thị Bảo Trân

ii


TÓM TẮT
Vật liệu composite gia cƣờng bằng sợi tự nhiên trên nền nhựa nhiệt dẻo đã và
đang thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học trong nƣớc cũng nhƣ ngoài
nƣớc. Đây là loại vật liệu với những tính năng ƣu việt nhƣ nhẹ, cơ tính có thể chấp
nhận và hoàn toàn thân thiện với môi trƣờng do khả năng phân huỷ sinh học và có
thể tái sử dụng. Tuy nhiên, việc ứng dụng sợi tự nhiên đề gia cƣờng cho vật liệu
composite lại bị hạn chế do độ bền liên diện của sợi và nhựa không cao.

Trong đề tài này sợi xơ dừa đƣợc sử dụng để gia cƣờng cho vật liệu composite
trên nền nhựa polyethylene (PE). Nhựa PE có nhƣợc điểm trong ứng dụng làm vật
liệu nền cho composite sợi xơ dừa là PE không phân cực trong khi sợi xơ dừa phân
cực dẫn đến độ tƣơng hợp giữa PE và sợi xơ dừa kém.
Vấn đề đặt ra là cần có biện pháp xử lý thích hợp nhằm cải thiện khả năng
tƣơng hợp của các vật liệu thành phần này. Trong đề tài này, xử lý hoá học bởi dung
dịch NaOH đƣợc sử dụng để xử lý bề mặt sợi xơ dừa nhằm cải thiện độ bền liên
diện giữa sợi xơ dừa và nền nhựa PE cũng nhƣ cơ tính của vật liệu composite này.
Phƣơng pháp ép nóng đƣợc sử dụng để gia công các mẫu nhựa PE và composite.
Nguyên liệu nhựa PE đƣợc sử dụng có dạng film, do đó, ép nóng là phƣơng pháp
phù hợp để gia công tạo các sản phẩm này. Kỹ thuật quét nhiệt vi sai (DSC) đƣợc
thực hiện nhằm xác định nhiệt độ chảy của PE để từ đó xác định nhiệt độ gia công
cho các mẫu PE và composite.
Để đánh giá ảnh hƣởng của việc xử lý sợi đến khả năng tƣơng hợp của sợi và
nhựa, thí nghiệm uốn ngang đƣợc thực hiện đối với các mẫu composite. Bên cạnh
đó, thí nghiệm kéo và va đập cũng đƣợc thực hiện để đánh giá cơ tính của
composite. Scanning Electron Microscope (SEM) cũng đƣợc thực hiện trên bề mặt
phá huỷ của các mẫu composite để cho biết tính chất liên diện giữa sợi và nhựa.
Xử lý hoá học bề mặt sợi xơ dừa bởi dung dịch NaOH đã có những ảnh hƣởng
đáng kể đến liên kết giữa sợi và nền, cải thiện cơ tính của sợi, do đó, đã cải thiện
đƣợc cơ tính của vật liệu composite. Sợi xơ dừa đƣợc xử lý với các nồng độ NaOH
khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau đã có những ảnh hƣởng khác
nhau đến tính chất của vật liệu composite đƣợc gia cƣờng bằng những sợi xơ dừa
này. Nhìn chung, nếu nồng độ NaOH cao thì cần xử lý sợi trong thời gian ngắn,
ngƣợc lại nếu nồng độ thấp thì xử lý sợi trong thời gian dài hơn để đạt đƣợc hiệu
quả của việc xử lý sợi. Ảnh SEM bề mặt bị phá huỷ của các mẫu composite cũng đã
thể hiện sự liên kết giữa sợi và nền đạt đƣợc tốt hơn khi sợi đƣợc xử lý.

Ngô Thị Bảo Trân

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC PHỤ LỤC ........................................................................................... ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ xi
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU .............................................................................................1
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................2
2.1 Giới thiệu về vật liệu composite ..................................................................... 2
2.1.1 Khái niệm về vật liệu composite[1] .........................................................2
2.1.2 Thành phần cấu tạo của vật liệu composite[1, 2] ......................................2
2.1.3 Cơ chế gia cƣờng cho vật liệu composite[2] ...........................................4
2.1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính cơ học của composite[1, 2] ...............5
2.1.5 Công nghệ chế tạo composite.................................................................6
2.2 Sợi tự nhiên ................................................................................................... 11
2.2.1 Tìm hiểu về sợi tự nhiên.......................................................................11
2.2.2 Sợi xơ dừa[10] ........................................................................................18
2.3 Nhựa Polyethylene (PE)[3, 12] ........................................................................ 19
2.4 Các phƣơng pháp biến tính sợi tự nhiên[ 6, 7, 8, 11] .......................................... 21
2.4.1 Phƣơng pháp vật lý ...............................................................................21
2.4.2 Phƣơng pháp hóa học ...........................................................................22
2.4.3 Phƣơng pháp sinh học ..........................................................................24
Chƣơng 3: MỤC TIÊU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................26
3.1 Mục tiêu của đề tài........................................................................................ 26
3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 26

Ngô Thị Bảo Trân

iv


Mục lục

Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM.....................................................................................27
4.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị .................................................................. 27
4.1.1 Nguyên liệu và hóa chất .......................................................................27
4.1.2 Thiết bị ................................................................................................27
4.2 Thực nghiệm ................................................................................................. 28
4.2.1 Xử lý sợi xơ dừa ...................................................................................28
4.2.2 Rửa và sấy khô sợi ...............................................................................30
4.2.3 Gia công tạo tấm composite .................................................................31
4.2.4 Cắt mẫu.................................................................................................33
4.2.5 Đo cơ tính mẫu ....................................................................................34
Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ..................................................................37
5.1 Tính chất nhiệt của nhựa nền ........................................................................ 37
5.2 Cơ tính kéo của PE và composite ................................................................. 38
5.2.1 Độ bền kéo của PE và composite .........................................................38
5.2.2 Modulus đàn hồi kéo của PE và composite .........................................40
5.3 Độ bền uốn ngang của composite ................................................................. 42
5.4 Độ bền va đập của composite ....................................................................... 44
5.5 Ảnh SEM bề mặt phá huỷ của các mẫu thử ................................................. 46
5.5.1 Bề mặt phá huỷmẫu composite do kéo ................................................46
5.5.2 Bề mặt phá huỷ mẫu composite do uốn ngang ....................................47
Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................49
6.1 Kết luận ......................................................................................................... 49

6.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................51
PHỤ LỤC .................................................................................................................52

Ngô Thị Bảo Trân

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Vật liệu composite ..............................................................................2
Hình 2.2: Vùng tiếp xúc giữa vật liệu cốt và vật liệu nền ..................................5
Hình 2.3: Công nghệ Hand lay-up......................................................................6
Hình 2.4: Công nghệ súng phun .........................................................................7
Hình 2.5: Công nghệ ép nóng .............................................................................8
Hình 2.6: Phƣơng pháp quấn sợi ........................................................................8
Hình 2.7: Phƣơng pháp đúc kéo .........................................................................9
Hình 2.8: Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa ........................................................10
Hình 2.9: Phƣơng pháp túi chân không ............................................................10
Hình 2.10: Cấu tạo của sợi tự nhiên .................................................................13
Hình 2.11: Cấu trúc hóa học của cellulose .......................................................14
Hình 2.12: Liên kết phân tử trong cellulose .....................................................15
Hình 2.13: Cấu trúc của hemicellulose ............................................................15
Hình 2.14: Cấu trúc của lignin .........................................................................16
Hình 2.15: Cấu trúc của Pectin .........................................................................16
Hình 2.16: Sợi xơ dừa ......................................................................................18
Hình 2.17: Cấu trúc chuỗi của HDPE, LDPE và LLDPE ................................20
Hình 4.1: Máy ép nóng .....................................................................................27
Hình 4.2: Thiết bị kéo - uốn .............................................................................27
Hình 4.3: Thiết bị đo va đập .............................................................................28

Hình 4.4: Xử lý sơ bộ sợi .................................................................................29
Hình 4.5: Sợi ngâm trong dung dịch NaOH .....................................................29
Hình 4.6: Cố định sợi trong vĩ ..........................................................................30
Hình 4.7: Chuẩn bị khuôn và sắp nguyên liệu vào khuôn ................................31
Hình 4.8: Mẫu đang đƣợc ép trên máy .............................................................32
Hình 4.9: Ép định hình mẫu .............................................................................32

Ngô Thị Bảo Trân

vi


Danh mục hình

Hình 4.10: Mẫu composite đƣợc gia công .......................................................32
Hình 4.11: Mẫu đƣợc đặt trong máy cắt để cắt ................................................33
Hình 4.12: Mẫu đo kéo .....................................................................................33
Hình 4.13: Mẫu đo uốn ngang ..........................................................................34
Hình 4.14: Mẫu đo va đập ................................................................................34
Hình 4.15: Đo mẫu kéo ....................................................................................35
Hình 4.16: Đo mẫu uốn ngang .........................................................................36
Hình 5.1: DSC của nhựa PE .............................................................................37
Hình 5.2: Độ bền kéo của PE và composite .....................................................38
Hình 5.3: Modulus đàn hồi kéo của PE và composite .....................................41
Hình 5.4: Độ bền uốn ngang của composite ....................................................43
Hình 5.5: Độ bền va đập của PE và composite ................................................45
Hình 5.6: Ảnh SEM bề mặt phá huỷ mẫu kéo..................................................47
Hình 5.7: Bề mặt phá huỷ mẫu composite do kéo............................................47
Hình 5.8: Ảnh SEM bề mặt phá huỷ mẫu uốn ngang ......................................48

Ngô Thị Bảo Trân

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần hóa học và độ chứa ẩm của sợi tự nhiên ......................14
Bảng 2.2: Cơ tính của sợi tự nhiên và một số sợi gia cƣờng thông thƣờng .....17
Bảng 2.3: Thành phần hóa học và tính chất vật lý của sợi xơ dừa ...................19
Bảng 2.4: Đặc điểm của ba loại PE phổ biến ...................................................20
Bảng 5.1: Kết quả độ bền kéo của PE và composite ........................................38
Bảng 5.2: Kết quả Modulus đàn hồi kéo của PE và composite .......................40
Bảng 5.3: Kết quả độ bền uốn ngang của composite .......................................42
Bảng 5.4: Kết quả độ bền va đập của PE và composite ...................................44

Ngô Thị Bảo Trân

viii


DANH MỤC PHỤ LỤC
1. Thí nghiệm kéo .................................................................................................... 52
Độ thị 1.1: Độ bền kéo mẫu PE ....................................................................... 52
Độ thị 1.2: Độ bền kéo mẫu có sợi không xử lý.............................................. 53
Độ thị 1.3: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - ½ ngày............... 54
Độ thị 1.4: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - 1 ngày................ 55
Độ thị 1.5: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - 2 ngày................ 56
Độ thị 1.6: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - 3 ngày................ 57
Độ thị 1.7: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - 4 ngày................ 58
Độ thị 1.8: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 2% - ½ ngày............... 59

Độ thị 1.9: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 2% - 1 ngày................ 60
Độ thị 1.10: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 2% - 2 ngày.............. 61
Độ thị 1.11: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 2% - 3 ngày.............. 62
Độ thị 1.12: Độ bền kéo mẫu sợi đƣợc xử lý NaOH 2% - 4 ngày .................. 63
Độ thị 1.13: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 3% - ½ ngày............. 64
Độ thị 1.14: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 3% - 1 ngày.............. 65
Độ thị 1.15: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 3% - 2 ngày.............. 66
Độ thị 1.16: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 3% - 3 ngày.............. 67
Độ thị 1.17: Độ bền kéo mẫu sợi đƣợc xử lý NaOH 3% - 4 ngày .................. 68
Độ thị 1.18: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 4% - ½ ngày............. 69
Độ thị 1.19: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 4% - 1 ngày.............. 70
Độ thị 1.20: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 4% - 2 ngày.............. 71
Độ thị 1.21: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 4% - 3 ngày.............. 72
Độ thị 1.22: Độ bền kéo mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 4% - 4 ngày.............. 73
2. Thí nghiệm uốn ngang ......................................................................................... 74
Đồ thị 2.1: Độ bền uốn mẫu PE....................................................................... 74
Đồ thị 2.2: Độ bền uốn mẫu có sợi không xử lý ............................................. 74

Ngô Thị Bảo Trân

ix


Danh mục phụ lục

Đồ thị 2.3: Độ bền uốn mẫu có sợi đƣợc xử lý NaOH 1% - ½ ngày

Ngô Thị Bảo Trân

x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ASTM

American Society for Testing Materials

DSC

Differential Scanning Calorimetry

ĐLC

Độ lệch chuẩn

KXL

Mẫu composite với sợi không đƣợc xử lý

HDPE

High Density Polyethylene

LDPE

Low Density Polyethylene

LLDPE

Linear Low Density Polyethylene

PE

Nhựa Polyethylene

SEM

Scanning Electron Microscopy

TB

Gía trị trung bình

Ngô Thị Bảo Trân

xi


Chƣơng 1: GIỚI THIỆU
Xu thế sử dụng sợi tự nhiên nhƣ là vật liệu gia cƣờng trong chế tạo vật liệu
composite nền nhựa đã gia tăng đáng kể trong những năm gần đây. Sợi tự nhiên có
những ƣu điểm hơn so với sợi tổng hợp là nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành
thấp, độ mài mòn thấp, tỷ trọng thấp nên cơ tính riêng cao, có thể tái chế và phân
hủy sinh học nên rất thân thiện với môi trƣờng. Những thuận lợi này làm cho sợi tự
nhiên có một tiềm năng thay thế sợi tổng hợp trong ứng dụng chế tạo vật liệu
composite.
Trong hầu hết các loại sợi tự nhiên, sợi xơ dừa là nguồn nguyên liệu dồi dào ở
đồng bằng sông Cửu Long của nƣớc ta. Nó có tỷ trọng thấp và cơ tính có thể chấp
nhận và đặc biệt là nó có độ biến dạng phá hủy khá cao, yếu tố có thể làm tăng độ
bền va đập trong một số nền có tính giòn khi chúng đƣợc sử dụng làm composite.

Để đạt đƣợc composite có đặc tính tốt, thật là quan trọng khi tìm hiểu về bản
chất liên diện giữa sợi và nền. Khó khăn chính trong việc ứng dụng sợi tự nhiên làm
vật liệu gia cƣờng cho composite là sự kết dính giữa sợi vào nền. Vai trò chính của
vật liệu nền trong composite là truyền ứng suất vào sợi, chủ yếu là ứng suất cắt ở
liên diện. Do đó, sự liên kết giữa sợi và nền có ảnh hƣởng đáng kể đến tính chất của
composite.
Sợi tự nhiên, cụ thể trong đề tài này là sợi xơ dừa với bản chất phân cực cao,
rất ƣa nƣớc, làm cho nó tƣơng hợp kém với đa số vật liệu nền nhựa không phân cực
nhƣ polyethylene trong đề tài này dẫn đến tính chất cơ lý của sản phẩm composite
không cao. Vì vậy, sợi xơ dừa sẽ đƣợc biến tính hoá học nhằm thay đổi tính chất bề
mặt của sợi giúp sợi tƣơng hợp tốt với nền nhựa hơn và phần nào đó cải thiện tính
chất sợi.
Đề tài này đƣợc tiến hành hy vọng sẽ đóng góp một phần nhỏ nào đó vào
những nghiên cứu về vật liệu composite sợi tự nhiên. Từ đó, có những ứng dụng
thiết thực trong việc tận dụng vỏ dừa để sản xuất sợi dùng làm vật liệu gia cƣờng
cho composite góp phần làm tăng giá trị cho cây dừa, tăng nguồn thu nhập cho
ngƣời nông dân.

Ngô Thị Bảo Trân

1


Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu về vật liệu composite
2.1.1 Khái niệm về vật liệu composite[1]
Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật
liệu có bản chất khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới có đặc tính cơ, lý hay /và
hóa trội hơn đặc tính cơ, lý hay /và hóa của từng vật liệu thành phần. Có thể nói một
cách tổng quát, vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn đƣợc phân bố

trong một pha liên tục.
2.1.2 Thành phần cấu tạo của vật liệu composite[1, 2]
Vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn đƣợc phân bố trong một
pha liên tục (Hình 2.1). Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix material), thƣờng
làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau. Pha gián đoạn đƣợc gọi là vật
liệu cốt hay vật liệu gia cƣờng (reinforced material) đƣợc trộn vào pha nền nhằm
làm tăng tính chất của vật liệu composite tạo thành.

Vật liệu nền

Vật liệu cốt

Hình 2.1: Vật liệu composite
Sự kết hợp của vật liệu nền và vật liệu cốt tùy thuộc vào yêu cầu của ngƣời
thiết kế nhằm thỏa mãn yêu cầu sử dụng vật liệu, chẳng hạn nhƣ cơ tính, khả năng
chịu nhiệt, cách nhiệt, cách âm và giá thành…
2.1.2.1 Vật liệu nền[1, 4]
Vật liệu nền có vai trò liên kết các vật liệu cốt lại với nhau. Khi có ngoại lực
tác dụng lên composite, vật liệu nền sẽ là môi trƣờng truyền lực tác dụng vào vật
liệu cốt. Vật liệu nền đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo hình chi tiết composite và
bảo vệ vật liệu cốt tránh các hƣ hỏng do tác động cơ học, hóa học hay bởi môi

Ngô Thị Bảo Trân

2


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

trƣờng xung quanh. Bên cạnh đó, vật liệu nền còn đóng góp thêm một vài tính chất

cần thiết nhƣ tính cách điện, sự dẻo dai…
Theo bản chất của vật liệu nền, composite đƣợc phân thành những loại sau:
- Composite nền hữu cơ (nhựa): chịu đƣợc nhiệt độ không quá 300oC, cơ tính
không cao. Tuy nhiên, composite dạng này có giá thành thấp, nhẹ, tính công nghệ
cao nên đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
- Composite nền kim loại: chịu đƣợc nhiệt độ đến 600oC. Chúng có modulus
đàn hồi rất cao có thể lên đến 110GPa nên đòi hỏi vật liệu gia cƣờng cũng có
modulus cao. Thêm vào đó, vật liệu có khối lƣợng riêng lớn.
- Composite nền gốm: chịu đƣợc nhiệt độ đến 1000oC, độ bền, độ cứng cao,
trơ với hoá chất, khối lƣợng riêng của vật liệu lớn.
- Composite nền carbon: sử dụng sợi carbon để gia cƣờng cho nền carbon.
Composites này có thể sử dụng ở môi trƣờng nhiệt độ cao lên đến 3300oC, chúng
cứng hơn gấp hai mƣơi lần và nhẹ hơn gấp ba mƣơi lần so với sợi graphite.
2.1.2.2 Vật liệu cốt[1,2]
Vật liệu cốt thƣờng có tính chất cơ lý vƣợt trội hơn vật liệu nền. Do đó, chúng
có thể giúp vật liệu composite có cơ tính cao nhƣ độ cứng, độ bền, khả năng chịu va
đập và chịu mỏi. Bên cạnh đó, vật liệu cốt còn có thể giúp cải thiện tính dẫn nhiệt,
chịu nhiệt và khả năng chống mài mòn và khả năng dẫn điện. Ngoài ra, cũng có
những loại vật liệu cốt lại có tác dụng giúp cho quá trình gia công dễ dàng hơn, làm
cho composite nhẹ hơn, có tác dụng cách âm và để hạ giá thành sản phẩm…
Theo hình dạng vật liệu cốt, composite gồm những loại sau:
- Composite cốt sợi: vật liệu cốt sợi thƣờng có độ bền riêng và modulus đàn
hồi cao. Sợi gia cƣờng có thể ở dạng sợi dài liên tục hay sợi ngắn gián đoạn.
Các thông số đặc trƣng của sợi gia cƣờng nhƣ:





Tỷ số hình dáng sợi: l/Rf, với l là chiều dài sợi, Rf là bán kính sợi.

Số sợi se thành bó sợi.
Mức độ uốn lƣợn của sợi.
Cơ tính của sợi.

- Composite cốt hạt: thƣờng đƣợc sử dụng để cải thiện một số tính chất cơ - lý
của vật liệu nền nhƣ tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, cách điện, cách âm,
chịu mài mòn, giảm độ co ngót… Ngoài ra, vật liệu cốt hạt cũng đƣợc sử dụng để

Ngô Thị Bảo Trân

3


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

làm giảm giá thành sản phẩm, giúp ổn định hình dạng, khắc phục một số khó khăn
khi gia công và làm cho vật liệu nhẹ hơn, ví dụ nhƣ bê tông cốt liệu nhẹ.
Việc lựa chọn vật liệu cốt dạng sợi hay dạng hạt phụ thuộc vào tính chất cơ lý mà ta mong muốn bởi gia cƣờng bằng dạng hạt thì tính chất cơ - lý thấp hơn so
với gia cƣờng bằng dạng sợi.
2.1.3 Cơ chế gia cƣờng cho vật liệu composite[2]
2.1.3.1 Cơ chế gia cường
Dƣới tác dụng của ngoại lực lên vật liệu composite, vật liệu nền sẽ là nơi tiếp
nhận ứng suất. Sau đó, vật liệu nền truyền ứng suất vào vật liệu cốt, vật liệu cốt sẽ
là nơi chịu ứng suất. Ứng suất giữa vật liệu nền và vật liệu cốt chủ yếu là ứng suất
cắt.
Vật liệu cốt dạng sợi truyền tải ứng suất tốt hơn vật liệu dạng hạt, bởi vì ứng
suất tại một điểm bất kỳ trên sợi đƣợc phân bố đều trên toàn bộ chiều dài sợi. Do
đó, tại mỗi điểm trên sợi sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với trên hạt dƣới tác
dụng của ngoại lực nhƣ nhau.
Khả năng truyền tải từ vật liệu nền vào vật liệu cốt phụ thuộc vào vật liệu nền,

vật liệu cốt và sự liên kết tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật liệu cốt. Vật
liệu cốt bám dính tốt vào vật liệu nền thì khả năng truyền ứng suất tốt. Khi các vật
liệu không bám dính tốt vào nhau thì khả năng truyền ứng suất kém, lúc này chỉ còn
lại là lực ma sát giữa vật liệu nền và cốt.
2.1.3.2 Lý thuyết về sự liên kết giữa vật liệu nền và vật liệu cốt
Sự kết dính hay độ bền liên diện tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật
liệu cốt (Hình 2.2) đƣợc hình thành trên cơ sở các liên kết sau:
a. Liên kết vật lý
- Liên kết bởi lực hấp phụ và thấm ƣớt:
Bề mặt sợi luôn tồn tại các mao quản rỗng, số lƣợng và kích thƣớc mao quản
phụ thuộc vào bản chất và cách chế tạo sợi. Nhựa ở dạng lỏng thấm ƣớt qua bề mặt
của sợi ứng với một năng lƣợng liên kết bề mặt và đƣợc hấp phụ vào các mao quản
nhờ lực hấp phụ. Sự thấm ƣớt càng tốt khi sức căng giữa hai bề mặt càng bé. Độ ẩm
và tạp chất là yếu tố sẽ làm giảm sự thấm ƣớt, dẫn đến giảm liên kết giữa sợi và
nhựa.

Ngô Thị Bảo Trân

4


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Liên kết do tƣơng tác tĩnh điện:
Bề mặt sợi có thể tích điện dƣơng hay âm tùy thuộc vào thành phần và cách xử
lý bề mặt. Với các loại nhựa nền khác nhau thì mỗi loại cũng luôn có độ phân cực
nhất định vì vậy mà dẫn đến sự tƣơng tác tĩnh điện giữa sợi và nhựa thông qua việc
tạo thành lớp điện tích kép trên bề mặt liên diện.
- Liên kết do tƣơng tác cơ học:
Trên cả bề mặt sợi và bề mặt nền đều có mức độ nhấp nhô hay độ gồ ghề, vì

vậy sẽ tồn tại một lực cơ học tại liên diện để bám dính các vật liệu lại với nhau. Tuy
nhiên, liên kết loại này rất yếu.
b. Liên kết hóa học
Liên kết hóa học có thể hình thành xuyên qua giao diện. Liên kết hóa học là
liên kết bền nhất và có sự đóng góp đáng kể vào việc tăng độ bền liên diện. Độ bền
của liên kết hóa học tại liên diện phụ thuộc vào loại và số lƣợng liên kết.

Vật liệu cốt
Vùng tiếp xúc
Vật liệu nền
Hình 2.2: Vùng tiếp xúc giữa vật liệu cốt và vật liệu nền
2.1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính cơ học của composite[1, 2]
Cơ tính của vật liệu composite là một trong những yếu tố đƣợc quan tâm nhiều
nhất khi nói đến tính chất của vật liệu composite. Cơ tính của vật liệu composite
phụ thuộc chủ yếu bởi các yếu tố:
- Cơ tính của các vật liệu thành phần
- Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần
- Tác dụng tƣơng hỗ giữa các vật liệu thành phần hay độ bền liên diện
- Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu nền
- Hình dạng và kích thƣớc của vật liệu cốt

Ngô Thị Bảo Trân

5


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Phƣơng pháp gia công
- Điều kiện môi trƣờng làm việc….

Trong các yếu tố trên, độ bền liên diện là rất quan trọng nhất là đối với vật liệu
composite đƣợc gia cƣờng bằng sợi tự nhiên. Vì vậy, cần có những biện pháp xử lý
thích hợp nhằm làm tăng độ bền liên diện giữa sợi và nhựa nền.
2.1.5 Công nghệ chế tạo composite
2.1.5.1 Một số phương pháp gia công chế tạo composite[2, 3]
Công nghệ chế tạo vật liệu composite rất phong phú và đa dạng. Mỗi công
nghệ đều có những ƣu điểm cũng nhƣ những giới hạn nhất định trong ứng dụng.
Tùy thuộc vào yêu cầu, tính chất của sản phẩm mà có thể lựa chọn công nghệ cho
phù hợp.
Dựa trên cơ sở tạo ra sản phẩm mà có thể phân biệt các loại công nghệ sau:
a. Công nghệ lăn tay (Hand Lay-up)
Đây là công nghệ lâu đời và đơn giản nhất chế tạo vật liệu theo khuôn hở và
hoàn toàn bằng tay. Vật liệu gia cƣờng đƣợc đặt từng lớp vào khuôn đã đƣợc thoa
chất chống dính và đƣợc thấm nhựa nền. Các vật liệu này sẽ đƣợc con lăn lăn ép để
nhựa đƣợc thấm tốt vào vật liệu gia cƣờng và đồng thời loại bỏ bọt khí ra khỏi vật
liệu (Hình 2.3).

Hình 2.3: Công nghệ Hand lay-up
- Ƣu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp, có thể tạo đƣợc các chi
tiết có hình dạng phức tạp với các kích cỡ khác nhau.

Ngô Thị Bảo Trân

6


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Nhƣợc điểm: chất lƣợng sản phẩm không đồng đều, dễ có nhiều bọt khí, sản
phẩm chỉ nhẵn bóng ở bề mặt tiếp xúc với khuôn, năng suất thấp. Do phƣơng pháp

thực hiện hoàn toàn bằng thủ công nên ảnh hƣởng đến sức khỏe của công nhân.
b. Công nghệ gia công bằng súng phun (Spray-up)
Công nghệ này cũng giống nhƣ công nghệ lăn tay là sử dụng khuôn hở để tạo
các chi tiết. Tuy nhiên, trong phƣơng pháp này, quá trình đắp sợi và nhựa vào
khuôn đƣợc thực hiện một cách đồng thời bởi một thiết bị là súng phun (Hình 2.4).

Hình 2.4: Công nghệ súng phun
- Ƣu điểm: năng suất cao hơn so với lăn tay, có hiệu quả với các bề mặt khuôn
uốn lƣợn, cong, đồng thời tiết kiệm đƣợc nguyên liệu và thời gian.
- Nhƣợc điểm: đầu tƣ cao hơn so với lăn tay, phụ thuộc vào ngƣời điều khiển
nên không thích hợp cho sản xuất các sản phẩm cần chính xác về kích thƣớc.
c. Phƣơng pháp ép nóng (Compression moulding)
Là công nghệ chế tạo theo khuôn kín có thể gia công sản phẩm composite nền
nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn. Trong phƣơng pháp này, vật liệu nền và vật liệu
cốt đƣợc phân bố đều trong một khuôn bằng kim loại và đƣợc ép lại bởi áp lực ép
của hai mặt khuôn đƣợc gia nhiệt (Hình 2.5).
- Ƣu điểm: thời gian gia công sản phẩm tƣơng đối ngắn, có thể tạo vật liệu có
tỷ lệ thể tích sợi cao, sản phẩm có hai bề mặt hoàn thiện, đúc ép cho những chi tiết
phức tạp.
- Nhƣợc điểm: chi phí đầu tƣ cao.

Ngô Thị Bảo Trân

7


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hình 2.5: Công nghệ ép nóng
d. Phƣơng pháp quấn sợi (Filament Winding)

Phƣơng pháp này dùng để tạo các sản phẩm composite dạng ống. Sợi đƣợc
kéo qua bể chứa nhựa, sau đó chúng đƣợc quấn quanh trục khuôn theo một góc nhất
định. Đây là phƣơng pháp có khả năng tự động hóa cao (Hình 2.6).

Hình 2.6: Phƣơng pháp quấn sợi
- Ƣu điểm: sử dụng vật liệu giá rẻ tạo nên sản phẩm có giá trị kinh tế cao,
thích hợp tạo sản phẩm nhiều lớp. Do sợi đƣợc kéo căng nên sản phẩm cũng ít bị
bọt khí, các sản phẩm nhƣ bình chịu áp chỉ có thể làm bằng phƣơng pháp này, có
thể tự động hóa hoàn toàn.

Ngô Thị Bảo Trân

8


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Nhƣợc điểm: mặt ngoài sản phẩm không láng, phụ thuộc vào góc quấn, khó
lấy sản phẩm ra khỏi lõi, khó khăn khi quấn dọc trục lõi, chi phí thiết bị cao.
e. Phƣơng pháp đúc kéo (Pultrusion)
Đây là phƣơng pháp gia công liên tục để tạo các sản phẩm dạng profile với độ
dài mong muốn. Sợi đƣợc kéo qua bể nhựa để đƣợc tẩm nhựa rồi qua hệ thống
khuôn định hình, tiếp đến sợi này đƣợc kéo qua khuôn nhiệt để đóng rắn. Sau khi
đóng rắn, sản phẩm sẽ đƣợc hệ thống kéo kéo đến thiết bị cắt để cắt với kích thƣớc
định sẵn (Hình 2.7).

Hình 2.7: Phƣơng pháp đúc kéo
- Ƣu điểm: tạo các sản phẩm dạng profile có hình dạng phức tạp với độ dài
liên tục, phân bố vật liệu gia cƣờng với vị trí xác định, tỷ lệ phế liệu thấp, quy trình
sản xuất có thể tự động hóa hoàn toàn nên chi phí sản xuất thấp, hạ giá thành sản

phẩm.
- Nhƣợc điểm: chi phí đầu tƣ thiết bị tƣơng đối cao, khó khăn trong việc vệ
sinh thiết bị, không sản xuất đƣợc các sản phẩm có hình dạng phức tạp, các sản
phẩm có thành mỏng.
f. Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa RTM (Resin Transfer Moulding)
RTM là phƣơng pháp chế tạo vật liệu trong khuôn kín. Phƣơng pháp này sử
dụng áp suất thấp để bơm nhựa vào khuôn, đồng thời rút chân không để giảm bọt
khí (Hình 2.8).
- Ƣu điểm: có thể tạo khuôn đúc với bề dày khống chế đƣợc và dung sai thấp,
có thể sản xuất các sản phẩm phức tạp với kích thƣớc trung bình, sản phẩm ít bọt
khí, tạo sản phẩm nhẵn bóng cả hai bề mặt. Do thiết bị kín nên ít ảnh hƣởng đến sức
khỏe ngƣời lao động.

Ngô Thị Bảo Trân

9


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Nhƣợc điểm: chi phí thiết bị cao, quá trình gia công phức tạp đòi hỏi công
nhân phải có trình độ nhất định, thời gian gia công sản phẩm kéo dài, khó khăn
trong việc vệ sinh thiết bị.

Hình 2.8: Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa
g. Phƣơng pháp túi chân không (Vacuum Bag)
Vacuum bag là phƣơng pháp tạo sản phẩm composite đƣợc gia cƣờng bởi sợi
trong khuôn đơn. Sợi đƣợc đƣợc sắp lên mặt khuôn và phủ một lớp màng nhựa để
tạo điều kiện rút chân không. Phƣơng pháp này sử dụng bơm chân không tạo độ
chân không để đƣa nhựa vào khuôn và đồng thời cũng có tác dụng loại bỏ bọt khí

trong sản phẩm (Hình 2.9).

Hình 2.9: Phƣơng pháp túi chân không
- Ƣu điểm: tạo các sản phẩm có kích thƣớc lớn, sản phẩm ít bọt khí, chi phí
đầu tƣ thấp, quy trình gia công kín nên an toàn cho công nhân.

Ngô Thị Bảo Trân

10


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Nhƣợc điểm: sản phẩm chỉ bóng láng một mặt, quy trình sản xuất không liên
tục.
2.1.5.2 Gia công composite nhựa nhiệt dẻo bằng phương pháp ép nóng[4,5]
Trong đề tài này, phƣơng pháp ép nóng đƣợc sử dụng để gia công các mẫu
nhựa PE và composite. Nguyên liệu nhựa PE đƣợc sử dụng có dạng film, do đó, ép
nóng là phƣơng pháp phù hợp để gia công tạo các sản phẩm này. Bên cạnh đó, ép
nóng là phƣơng pháp đơn giản và phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm.
Ép nóng là phƣơng pháp lâu đời để gia công composite nền nhựa nhiệt rắn
cũng nhƣ nhựa nhiệt dẻo. Khuôn ép bao gồm hai mặt khuôn áp vào lỗ khuôn.
Khuôn ép đƣợc gia nhiệt bằng các điện trở, mặt khuôn đƣợc đóng lại bởi xilanh
thủy lực. Nguyên liệu đƣợc đặt trong khuôn, nó đƣợc ép chặt lại bởi nhiệt độ và áp
lực cao của khuôn. Sự tiếp xúc với bề mặt khuôn đƣợc gia nhiệt làm cho nhựa chảy
ra, giúp cho nhựa thấm đều vào sợi và điền đầy khuôn. Sau đó, bề mặt khuôn sẽ
đƣợc giải nhiệt xuống nhiệt độ thích hợp để vật liệu kết khối lại nhằm ổn định sản
phẩm. Thời gian định hình phụ thuộc vào tiết diện của mẫu, nhiệt độ của khuôn, tốc
độ giải nhiệt của khuôn, loại nguyên liệu và bề dày của khuôn.
Nhiệt độ và áp lực của khuôn ảnh hƣởng rất quan trọng đến tính chất cơ lý của

vật liệu composite. Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt của nhựa nhiệt dẻo, giúp nhựa
thấm vào sợi tốt hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ cao (> 230oC) có thể làm hƣ hại đến sợi
tự nhiên. Áp lực khuôn ép cũng hƣởng quan trọng đến quá trình gia công vật liệu,
giúp vật liệu đƣợc ép chặt và định hình, đồng thời loại bỏ bọt khí trong sản phẩm.
Ngoài ra, thời gian gia công cũng nhƣ tốc độ giải nhiệt khuôn cũng ảnh hƣởng
đến tính chất sản phẩm. Thời gian gia công thích hợp sẽ giúp vật liệu nền thấm ƣớt
vào vật liệu cốt tốt hơn và năng lƣợng tiêu tốn cho quá trình gia công hiệu quả hơn.
Nhựa PE là loại nhựa bán kết tinh, vì vậy, tốc độ giải nhiệt sẽ ảnh hƣởng đến mức
độ kết tinh và vô định hình của nhựa, điều đó làm ảnh hƣởng đến tính chất sản
phẩm.

2.2 Sợi tự nhiên
2.2.1 Tìm hiểu về sợi tự nhiên
2.2.1.1 Phân loại sợi tự nhiên[6]
Tùy theo nguồn gốc, sợi tự nhiên đƣợc chia thành các nhóm: sợi có nguồn gốc
thực vật, sợi có nguồn gốc động vật và các sợi khoáng. Nhìn chung, sợi thực vật
thƣờng đƣợc sử dụng để gia cƣờng cho composite nền nhựa. Sợi thực vật có thể

Ngô Thị Bảo Trân

11


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

bao gồm dạng sợi chỉ từ hạt bông (cotton, bông gạo), sợi lấy từ vỏ, thân cây (đay,
lanh, gai, gai dầu…) hay sợi lấy từ lá (khóm, cọ, si-dan…).
2.2.1.2 Công nghệ ứng dụng sợi tự nhiên[6]
Sợi tự nhiên cung cấp những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của vật liệu
composite chẳng hạn nhƣ các vật liệu xây dựng, các bộ phận và chi tiết tạo thành

bên trong của ô tô và vật liệu đóng gói thực phẩm… Tiềm năng mạnh nhất của sợi
tự nhiên có nguồn gốc thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo, giá thành thấp, khả
năng phân hủy sinh học, có thể tái chế và độ bền riêng cao. Điều rất mong đợi ở
những sợi tự nhiên này là chúng sẽ là nguồn nguyên liệu chính trong tƣơng lai.
Tuy nhiên, sợi tự nhiên cũng có những hạn chế. Để đƣợc ứng dụng trong lĩnh
vực composite, những sợi này phải đƣợc chuẩn bị đặc biệt hoặc biến tính về:
- Tính chất đồng nhất của sợi.
- Độ trùng hợp và độ kết tinh.
- Sự bám dính tốt giữa sợi và nền.
- Sự kháng ẩm.
- Tính chất chịu lửa.
2.2.1.3 Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên[4, 6,7]
Sợi tự nhiên nhìn chung là các lignocellulose trong tự nhiên, chúng bao gồm
các vi sợi cellulose chạy xoắn dài trong nền nhựa lignin và hemicellulose
(Hình 2.10). Thành tế bào của sợi không là một lớp màng đồng nhất, có cấu trúc lớp
màng phức tạp gồm một lớp sơ cấp mỏng hình thành trong suốt quá trình phát triển
của tế bào bao quanh lớp thứ cấp. Lớp thứ cấp đƣợc tạo thành bởi ba 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 đƣợc gọi là góc vi sợi. Giá trị của góc vi sợi thay đổi theo các sợi
khác nhau.

Ngô Thị Bảo Trân

12