NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP POLYPROPYLENEGRAFTANHYDRIC MALEIC LÊN COMPOSITE NHỰA PP VÀ BỘT TRẤU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP
POLYPROPYLENE-GRAFT-ANHYDRIC MALEIC LÊN
COMPOSITE NHỰA PP VÀ BỘT TRẤU

Họ và tên sinh viên : PHAN HOÀNG TÂM
Ngành : Công nghệ hóa học
Niên khóa : 2005 - 2009

Tháng 8/2009


NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP
POLYPROPYLENE-GRAFT-ANHYDRIC MALEIC LÊN COMPOSITE
NHỰA PP VÀ BỘT TRẤU

Tác giả

PHAN HOÀNG TÂM

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng
yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn
ThS. TRẦN VĨNH MINH

i


CẢM TẠ
Luận văn tốt nghiệp là cơ sở để em tổng hợp và vận dụng những kiến thức đã
được học trong suốt thời gian vừa qua. Trong quá trình thực hiện luận văn này em đã
nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Trần Vĩnh Minh đã tận tình
giúp đỡ và hướng dẫn em để em có thể hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô đã tận tình dạy dỗ để em có được những
kiến thức hoàn thành tốt luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị cũng như các cô chú trong Trung Tâm Kỹ
Thuật Chất Dẻo và Cao Su Thành Phố Hồ Chí Minh (PRT) đã tận tình giúp đỡ, động
viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ và mọi người thân
trong gia đình đã động viên, giúp đỡ con cả về vật chất lẫn tinh thần để con có được
kết quả ngày hôm nay.

Sinh viên thực hiện
PHAN HOÀNG TÂM

ii


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của chất tương hợp polypropylene –
graft – anhydric maleic lên composite nhựa PP và bột trấu” được tiến hành tại Trung
tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su thành phố Hồ Chí Minh (PRT).
Theo phạm vi đề tài nghiên cứu tạo ra chất tương hợp PP-g-MA bằng phương
pháp peroxyt với polypropylene có chỉ số chảy MI là 12, hàm lượng MA là: 2% và

DCP (Dicumyl peroxide) là: 0.4%. Nhiệt độ trộn: 1800C, thời gian: 3 phút. Sau đó các
PP – g – MA ở các hàm lượng 1%, 3%, 5% được dùng vào quy trình tạo mẫu
composite với các tỉ lệ 50% nhựa polyproylene với 50% bột trấu và 30% nhựa
polypropylene với 70% bột trấu.
Kết quả thu được là sự khác biệt về cơ tính giữa các hỗn hợp trộn hợp với tỷ lệ
chất tương hợp khác nhau, chất tương hợp tăng cơ tính tăng. Trên cơ sở này tuỳ theo
các đặc tính cơ lý mà chúng ta có thể chọn được tỉ lệ trộn phù hợp để thu được hiệu
quả kinh tế cũng như yêu cầu sử dụng. Khảo sát cho thấy khi sử dụng phụ gia thì độ
bền va đập tăng so với không sử dụng và ở các hàm lượng phụ gia 1%, 3%, 5% độ bền
va đập tăng lên rất nhiều.

iii


MỤC LỤC
Trang
TRANG TỰA..............................................................................................................i
CẢM TẠ.....................................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC.................................................................................................................iv
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT..............................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .....................................................................................viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG.......................................................................................xi
Chương I MỞ ĐẦU ...................................................................................................1
1.1 Giới thiệu tổng quát...................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................... 2
1.3 Yêu cầu ........................................................................................................................ 2
1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài .......................................................................... 2

Chương II TỔNG QUAN ..........................................................................................3

2.1 Giới thiệu vật liệu composite ........................................................................................ 3
2.1.1 Định nghĩa và đặc tính chung................................................................................. 3
2.1.2 Phân loại vật liệu composite .................................................................................. 4
2.1.3 Cấu tạo vật liệu composite polymer ....................................................................... 4
2.1.3.1 Polymer nền.................................................................................................... 4
2.1.3.2 Vật liệu gia cường........................................................................................... 5
2.1.4 Tính chất kết dính của nhựa nền và sợi .................................................................. 5
2.1.5 Tính chất liên diện và chất tương hợp .................................................................... 7
2.1.6 Phương pháp gia công composite........................................................................... 9
2.1.6.1 Phương pháp đắp ............................................................................................ 9
2.1.6.2 Phương pháp ép phun ..................................................................................... 9
2.1.6.3 Phương pháp đùn .......................................................................................... 10
2.1.6.4 Phương pháp đúc ép...................................................................................... 10
2.1.6.5 Phương pháp đúc chuyển .............................................................................. 11
2.1.6.6 Phương pháp pulltrution ............................................................................... 11
2.1.6.7 Phương pháp quấn ........................................................................................ 12

iv


2.1.7 Đặc điểm, tính chất và ứng dụng.......................................................................... 12
2.2 Polypropylene (nhựa PP)............................................................................................ 14
2.2.1 Khái niệm............................................................................................................ 14
2.2.2 Tổng hợp ............................................................................................................. 14
2.2.3 Tính chất kết tinh của PP ..................................................................................... 17
2.2.3.1 Cấu trúc tinh thể ........................................................................................... 18
2.2.3.2 Độ kết tinh và tính lập thể ............................................................................. 18
2.2.3.3 Hình thái học polymer .................................................................................. 19
2.2.4 Tính chất của PP.................................................................................................. 21
2.2.4.1 Tính chất cơ nhiệt ......................................................................................... 21

2.2.4.2 Tính lưu biến ................................................................................................ 22
2.2.4.3 Độ bền hóa học ............................................................................................. 23
2.2.4.4 Các tính chất khác......................................................................................... 23
2.2.5 Các phương pháp gia công và ứng dụng của PP ................................................... 23
2.2.6 Một số loại PP cơ bản .......................................................................................... 24
2.2.6.1 PP Nomopolymer ......................................................................................... 24
2.2.6.2 PP impact copolymer .................................................................................... 24
2.2.6.3 PP random copolymer................................................................................... 25
2.3 Thành phần hoá học sợi thực vật ................................................................................ 25
2.3.1 Cellulose ............................................................................................................. 25
2.3.1.1 Cấu tạo phân tử............................................................................................. 25
2.3.1.2 Hình thái Cellulose ....................................................................................... 26
2.3.1.3 Các tính chất của Cellulose ........................................................................... 29
2.3.1.4 Các phương pháp biến tính Cellulose ............................................................ 31
2.3.2 Hemicellulose...................................................................................................... 32
2.3.3 Lignin.................................................................................................................. 34
2.3.4 Pectin và chất trích ly .......................................................................................... 36
2.4 Bột trấu ...................................................................................................................... 37
2.4.1 Tổng quan về trấu................................................................................................ 37
2.4.2 Cấu trúc của trấu ................................................................................................. 39
2.4.3 Tính chất vật lý của trấu ..................................................................................... 40
2.4.4 Ứng dụng làm composite từ vỏ trấu ..................................................................... 44
2.5 Chất tương hợp (chất liên diện) .................................................................................. 45
2.5.1 Maleic anhydric (MA) ......................................................................................... 45

v


2.5.1.1 Tính chất vật lý ............................................................................................. 46
2.5.1.2 Tính chất hoá học.......................................................................................... 46

2.5.2 Chất tương hợp PP-g-MA .................................................................................... 46

Chương III NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................50
3.1 Nguyên liệu................................................................................................................ 50
3.1.1 Polypropylene (PP).............................................................................................. 50
3.1.2 Chất liên diện (Coupling agent) PP-g-MA) .......................................................... 51
3.1.3 Bột trấu ............................................................................................................... 51
3.2 Quy trình thực nghiệm................................................................................................ 51
3.2.1 Bột trấu ............................................................................................................... 51
3.2.2 Qui trình tạo chất tương hợp PP_Graft_MA......................................................... 52
3.3 Tạo mẫu composite .................................................................................................... 53
3.4 Thiết bị....................................................................................................................... 54
3.4.1 Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................. 54
3.4.2. Thiết bị đo .......................................................................................................... 55
3.5 Tiêu chuẩn đánh giá ................................................................................................... 55
3.5.1 Tính chất cơ học .................................................................................................. 55
3.5.2 Nhiệt độ biến mềm vicat – ASTM D 1525 .......................................................... 55
3.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM (Scanning electron microscopy).......... 55

Chương IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................56
4.1 So sánh về ảnh hưởng kích thước hạt đến độ bền của vật liệu composite nhựa PP và
Bột trấu. ....................................................................................................................... 57
4.2 Ảnh hưởng của chất liên diện và hàm lượng bột trấu lên tính chất chất cơ lý của mẫu
composite nhựa PP và Bột Trấu.................................................................................... 61
4.3 So sánh độ bền cơ học của một số mẫu có chất tương hợp PP-g-MA tự tạo với PP-gMA của hãng (PolyBond)............................................................................................. 69

Chương V KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ....................................................................72
5.1 Các kết quả đạt được .................................................................................................. 72
5.2 Kết luận ..................................................................................................................... 72
5.3 Hướng phát triển của đề tài......................................................................................... 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................73
Chương VI: PHỤ LỤC............................................................................................ 74

vi


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
PP : Polypropylene
PE: Polyethylene
ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long
PP – g – MA: Polypropylene – graft – Anhydric maleic
CSLM: Confocal scanning laser microscope
SEM: Scanning electron microscopic

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Thành phần của vật liệu composite...............................................................3
Hình 2.2 : Các dạng phá hoại của hệ thống nhiều pha vật ............................................6
Hình 2.3 : Phản ứng bề mặt xử lý của sợi cellulose với PP-g-MA và nhựa nền PP bằng
phương pháp nóng chảy...............................................................................................8
Hình 2.4 : Mô hình gia công composite bằng phương pháp đắp. ..................................9
Hình 2.5: Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun. ..........................10
Hình 2.6: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đùn..................................10
Hình 2.7: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép. ............................ 11
Hình 2.8: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc chuyển......................11
Hình 2.9: Mô hình gia công composite bằng phương pháp pulltrution. .....................11

Hình 2.10: Mô hình gia công composite bằng phương pháp quấn. ............................. 12
Hình 2.11: Công nghệ gia công composite nhựa PP và bột trấu. ................................ 13
Hình 2.12 : Một đoạn mắt xích Polypropylene. ..........................................................14
Hình 2.13: Hình thái isotactic và syndiotactic. ........................................................... 14
Hình 2.14: Phản ứng tổng hợp PP dùng xúc tác Zieglar – Natta. ................................ 16
Hình 2.15: Cấu trúc tinh thể tế bào đơn tà mô tả bởi Natta.........................................18
Hình 2.16: Cấu tạo mạch phân tử PP..........................................................................19
Hình 2.17: Lớp đơn tinh thể của i.t PP 0.001 % dung dịch trong Chloronaphthalene. 20
Hình 2.18: Lớp đơn tinh thể của Isotactic Polypropylene. ..........................................20
Hình 2.19: Cấu trúc dạng spherulite của isotactic Polypropylene. .............................. 21
Hình 2.20: Hình thái spherulite PP.............................................................................21
Hình 2.21: Cấu trúc cellulose: dạng lập thể (a), công thức theo Haworth (b)..............26
Hình 2.22: Đơn vị tế bào cơ bản của cellulose: (a) Đơn vị tế bào của cellulose I.......26
Hình 2.23: Hệ thống liên kết hyđro trong cellulose I..................................................28
Hình 2.24: Hexose và pentose có trong thành phần Hemicellulose............................. 32
Hình 2.25: Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin. ............................................................ 34
Hình 2.26: Một số kiểu liên kết cơ bản trong cấu trúc lignin. .....................................35

viii


Hình 2.27: Trấu dùng cho đề tài.................................................................................37
Hình 2.28: Trấu sau khi được nghiền .........................................................................37
Hình 2.29: Bề mặt vỏ trấu ở độ phóng đại 200 lần. ....................................................40
Hình 2.30: Ảnh CSLM của phân tử trấu ở những nhiệt độ khác nhau. .......................41
Hình 2.31: Thay đổi bán kính (a) và tỷ lệ thành phần (b), của những phân tử khác nhau
ở 200oC/phút trong điều kiện Argon với khí oxy, áp suất 10-12atm............................. 42
Hình 2.33: Ảnh SEM bề mặt phân tử trấu ..................................................................42
Hình 2.34: Bề mặt phân tử tại 350oC..........................................................................43
Hình 2.35: Bề mặt trấu tại 8500C. ..............................................................................43

Hình 2.36: Sản phẩm từ bột trấu kết hợp với keo từ dầu điều biến tính. .....................44
Hình 2.37: Profile composite từ nhựa nhiệt dẻo và Bột trấu. ......................................45
Hình 2.38: Hình ảnh Maleic anhydride. .....................................................................45
Hình 2.39: Công thức cấu tạo của Polypropylene grafted maleic anhydric (PP-g-MA).
..................................................................................................................................46
Hình 2.40: Sơ đồ phản ứng tạo PP – g – MA bằng phương pháp dùng peroxyt. .........48
Hình 3.1: Hạt nhựa polypropylene. ...........................................................................50
Hình 3.2: Hình dạng của bột trấu. ..............................................................................51
Hình 3.3: Máy trộn Brabender và khoan trộn. ............................................................ 54
Hình 3.4: Máy ép tạo mẫu..........................................................................................54
Hình 4.1: Độ bền kéo của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa(V) tỷ lệ: 50PP-50BT)..57
Hình 4.2: Độ bền kéo của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa(V) tỷ lệ:(30PP-70BT) .57
Hình 4.3: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa(V) tỷ lệ: (50PP-50BT) .57
Hình 4.4: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (30PP-70BT) 58
Hình 4.5: Độ bền va đập của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ (50PP-50BT)
..................................................................................................................................58
Hình 4.6: Độ bền va đập của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ (50PP-50BT)
..................................................................................................................................59
Hình 4.7: Độ bền uốn của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ (50PP-50BT).60
Hình 4.8: Độ bền uốn của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ (30PP-70BT).60
Hình 4.9: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt mịn (M) .........................................61
Hình 4.10: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt vừa (V). .......................................62

ix


Hình 4.11: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn (M)..............................................63
Hình 4.12: Độ dãn dài của mẫu có kích thước vừa (V)...............................................63
Hình 4.13: Độ bền va đập của mẫu có kích thước mịn(M) .........................................64
Hình 4.14: Độ bền va đập của mẫu có kích thước vừa (V). ........................................64

Hình 4.15: Độ bền uốn của mẫu có kích thước mịn (M).............................................65
Hình 4.16: Độ bền uốn của mẫu có kích thước vừa (V)..............................................65
Hình 4.17: Nhiệt độ mềm vicat. .................................................................................66
Hình 4.18: Hình SEM mẫu 50PP-50BT-0 ..................................................................67
Hình 4.19: Hình SEM mẫu 30PP-70BT-0 ..................................................................67
Hình 4.20: Hình SEM mẫu 30PP-70BT-3% PP-g-MA..............................................67
Hình 4.21: Hình SEM mẫu 50PP-50BT-5%PPgMA ..................................................67
Hình 4.22: Hình SEM mẫu 30PP-70BT-5%PPgMA ..................................................67
Hình 4.23: Độ bền kéo của mẫu composite với chất tương hợp PPgMA tự tạo và của
hãng Polybond. ..........................................................................................................70
Hình 4.24: Độ dãn dài của mẫu composite với chất tương hợp PPgMA tự tạo và của
hãng Polybond. ..........................................................................................................70
Hình 4.25: Độ bền va đập của mẫu composite với chất tương hợp PPgMA tự tạo và
của hãng Polybond.....................................................................................................71
Hình 4.26: Độ bền uốn của mẫu composite với chất tương hợp PPgMA tự tạo và của
hãng Polybond. ..........................................................................................................71

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1:Thống kê sản xuất lúa, trấu và tro ở 20 nước cao nhất năm 2002 ................37
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của PP...........................................................................50
Bảng 3.2: Tính chất của phụ gia PP-g-MA (Bondyram 1001) ....................................51
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của Bột Trấu: ................................................................ 52
Bảng 3.4: Tạo mẫu composite với kích thước Mịn (M)và Vừa (V) ............................ 54
Bảng 4.1: Tính chất cơ lí của các mẫu composite.......................................................56
Bảng 4.2: Độ bền kéo và độ dãn dài của mẫu composite............................................69

xi


Chương I
MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu tổng quát
Vật liệu Composite từ nhựa Polyolefine và bột gỗ cần thiết cho đặc trưng riêng
thân thiện với môi trường đã và đang được phát triển. Trong khi các nguồn nhiên liệu
thiên nhiên bị giới hạn và những qui định về môi trường rất khắc khe. Yêu cầu tiết
kiệm nguồn nguyên liệu hóa thạch và bảo vệ bầu khí quyển khi phải được quan tâm
khi phát triển những vật liệu mới. Do đó vật liệu tái chế và thân thiện môi trường rất
được quan tâm.
Các loại vật liệu nhựa nền thích hợp cho sợi thực vật gia cường là nhựa nhiệt
rắn, nhựa nhiệt dẻo và polyolefine (PE,PP), nhựa PP có những ưu điểm về kinh tế, sinh
thái học và yêu cầu kỹ thuật (độ ổn định nhiệt cao hơn PE).
Polypropylene (PP) là một polymer phổ biến có những tính chất có khả năng
mở rộng nhiều ứng dụng của polymer có tính năng cao. PP trở thành polymer phổ
biến, và nó ứng dụng trong nhiều lĩnh vực có những tính chất chất riêng được yêu cầu:
công nghệ ép khuôn, công nghệ đùn, công nghệ ép phun, công nghệ nhiệt định hình.
PP có độ bền cao hơn các loại Polyolefine khác, tỷ trọng thấp và khả năng kháng nhiệt
chấp nhận được và nó được tổng hợp nhiều loại có trọng lượng phân tử khác nhau và
các loại copolymer khác nhau.
Nhiều loại chất độn được sử dụng trong composite nhựa PP để tăng cơ tính. Các
loại chất độn thường dùng là bột talc, calcium carbonate, barium sunlfate, calcium
silica và Kaolin. Sợi thủy tinh thường tạo ra tính năng cao. Sợi thiên nhiên có nhiều lợi
ích nhờ các ưu điểm như: giá thành rẻ, dễ dàng tìm được và thích hợp cho nhiều loại
ứng dụng của PP composite. Sợi thiên nhiên cơ bản là cấu trúc cellulose.
Hiện nay Bột trấu ở nước ta sử dụng chủ yếu làm chất đốt và làm phụ gia trong
ngành xi măng tuy nhiên giá trị mang lại không cao. Trong đề tài này chúng tôi nghiên
cứu ứng dụng Bột trấu vào trong compsosite nhựa PP để tạo ra các sản phẩm thay thế

gỗ với nhiều ưu điểm kháng nước, chịu được ánh nắng, thân thiện với môi trường, giá
thành hạ, chúng ta chủ động nguồn nguyên liệu và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi

1


trường cho ĐBSCL. Tuy nhiên sự liên kết của nhựa PP và Bột trấu rât thấp vì vậy
nhằm cải thiện sự tương tác giữa các bề mặt không tương hợp, thêm vào chất tương
hợp hoặc biến tính bề mặt của sợi (hoặc nhựa nền) là điều được nhìn nhận. Có nhiều
phương pháp để tăng độ kết dính của nhựa PP và Bột trấu hay sợi cellulose. Phương
pháp phổ biến hiện nay sử dụng phụ gia nối ghép trong quá trình gia công nóng chảy.
1.2 Mục tiêu của đề tài


Tạo composite nhựa polypropylene và bột trấu có cơ tính tốt.



Biến tính bột gỗ xử lý bằng chất tương hợp (coupling agent) PP – g – MA.



So sánh đánh giá phụ gia PP – g – MA tạo ra so với PP – g – MA của hãng
nước ngoài.

1.3 Yêu cầu


Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt bột trấu đến tính chất của composite nhựa
PP và Bột trấu.



Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến tính chất của composite nhựa
PP và Bột trấu.



Khảo sát ảnh hưởng của chất tương hợp PP – ghép – MA, trên tính chất cơ lý,
tính chất nhiệt của sản phẩm composite nhựa PP và Bột trấu.

1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài
Trong phần nghiên cứu này sử dụng bột trấu nghiền mịn gia cường cho nhựa
PP. Bột trấu được nghiền mịn và được rây trên 2 kích thước hạt khác nhau là 40µm và
100µm. Tạo mẫu composite với các hàm lượng chất tương hợp PPgMA là 1%, 3% và
5% và hàm lượng bột trấu là 50% và 70%.

2


Chương II
TỔNG QUAN
2.1 Giới thiệu vật liệu composite [1]
2.1.1 Định nghĩa và đặc tính chung
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai vật liệu trở lên có bản chất khác nhau
mà trong đó có 2 thành phần chính là vật liệu nền và cốt tăng cường. Vật liệu tạo thành
có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng lẻ.
Trong trường hợp tổng quát nhất, một vật liệu composite gồm một hay nhiều pha
gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục. Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn,
ta gọi đó là composite pha gián đoạn và thường có cơ tính trội hơn pha liên tục.

 Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforced)
 Pha liên tục được gọi là nền (matrix)

Hình 2.1: Thành phần của vật liệu composite
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào :
 Cơ tính của các vật liệu thành phần
 Lực phân bố hình học của vật liệu cốt
 Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần
Để có thể mô tả một vật liệu composite, ta cần phân biệt rõ :
 Nguồn gốc và tính chất các vật liệu thành phần
 Dạng hình học của vật liệu cốt và lực phân bố của nó
 Đặc điểm giữa mặt tiếp xúc giữa vật liệu cốt và vật liệu kết dính
Đặc trưng hình học của vật liệu cốt được xác định bởi: hình dạng, kích thước, độ
tập trung và phương phân bố.

3


Độ tập trung của vật liệu cốt thường được xác định qua tỉ lệ thể tích hoặc tỉ lệ
khối lượng. Đây là thông số quan trọng quyết định tính chất cơ học của vật liệu
composite. Khi vật liệu cốt được phân bố đều theo thể tích ta được vật liệu đồng nhất.
Khi vật liệu cốt phân bố không đều, vật liệu composite sẽ bị phá hủy ở nơi ít vật liệu
cốt trước và kết cục là độ bền của vật liệu bị giảm đi.
Trong trường hợp composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng
của vật liệu. Đây là một đặc trưng trội nhất của vật liệu composite, có nghĩa là ta có
thể điều khiển được tính dị hướng của vật liệu và chọn những phương án công nghệ
phù hợp với những tính chất mong muốn.
2.1.2 Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và bản chất của các vật liệu
thành phần:

2.1.2.1 Phân loại vật liệu composite theo hình dạng:
a.Vật liệu composite cốt sợi :
Sợi gia cường ở dạng liên tục, dạng gián đoạn: cắt ngắn, vụn và cũng có thể ở
dưới dạng bện. Ta có thể tạo ra vật liệu có cơ-lý tính khác nhau, khi chú ý tới :
 Bản chất của vật liệu thành phần
 Tỉ lệ của các vật liệu tham gia
 Phương của sợi
b.Vật liệu composite cốt hạt:
Vật liệu cốt có dạng hạt. Hạt thường được sử dụng để cải thiện 1 số tính chất cơ
tính của vật liệu hoặc vật liệu nền như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu
mài mòn, giảm độ co ngót... Cũng có khi hạt được sử dụng để làm giảm giá thành sản
phẩm. Việc lựa chọn phương án kết hợp hạt - nhựa phụ thuộc vào cơ - lý tính mà ta
muốn có.
2.1.3 Cấu tạo vật liệu composite polymer
Thành phần của composite polymer bao gồm polymer nền và cốt gia cường.
2.1.3.1 Polymer nền
Là chất kết dính, đóng vai trò chuyển ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng
lên vật liệu. Trong thực tế người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhiệt rắn:

4


 Nhựa nhiệt dẻo như : PE, PS, ABS, PVC... vật liệu gia cường được trộn
với nhựa và gia công trên máy đúc tiêm ở trạng thái nóng chảy.
 Nhựa nhiệt rắn như : PU, PF, UF, epoxy, polyester không no... và được gia
công dưới áp suất, nhiệt độ cao, riêng đối với epoxy và polyester không no
có thể tiến hành ở điều kiện thường và gia công bằng tay.
Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn so với nhiệt dẻo vì vậy
mà đa số vật liệu composite đều có polymer nền là nhưạ nhiệt rắn.
2.1.3.2 Vật liệu gia cường

Vật liệu gia cường đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì độn thường

có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:
 Tính gia cường cơ học.
 Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
 Khả năng phân tán vào nhựa.
 Khả năng truyền nhiệt và giải nhiệt.
 Thuận lợi cho quá trình gia công.
 Giá thành hạ, khối lượng nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta chọn lựa
vật liệu độn cho thích hợp. Có 2 loại độn:
 Độn dạng sợi: sợi có tính năng cao hơn so với các loại độn khác tuy nhiên
giá thành cũng cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp
như: sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bo, sợ amid, sợi cacbuasilic.
 Độn dạng hạt: thường sử dụng là : silica, CaCO3, vảy mica, vảy kim loại,
độn khoáng như: cao lanh, đất sét, grafic...
2.1.4 Tính chất kết dính của nhựa nền và sợi
Giới thiệu về kết dính
Hiện nay kết dính là 1 vấn đề có ý nghĩa thực tiễn lớn, đóng vai trò hết sức quan
trọng trong cuộc sống và hầu hết các ngành kỹ thuật hiện đại, các chất kết dính này
thường là làm từ vật liệu polymer. Về bản chất, những lực liên kết cơ bản trong kết
dính, ngoại trừ lực cơ học ở mức độ vĩ mô, chính là những lực tương tác phân tử.

5


Độ bền mỗi khối kết dính phụ thuộc vào bản chất của các kết dính sau:
 Kết dính ngoại
 Kết dính tự tạo

 Kết dính nội
a.Kết dính ngoại
Là kết dính của 2 vật thể lỏng, rắn tinh thể hay vô định hình khác loại bất kỳ. Kết
dính ngoại gây nên do các lực liên kết của các phân tử, nguyên tử, ion, nhóm hoạt
động hóa học khác nhau nằm trên bề mặt tiếp xúc với các vật thể. Những lực liên kết
như vậy gọi là lực kết dính ngoại, bản thân sự tác động tương hổ đó gọi là sự tác động
tương hổ kết dính ngọai. Liên kết này do các liên kết các phân tử như momen lưỡng
cực, lực phân tán, và liên kết hidro.
b.Kết dính tự tạo
Là kết dính của vật thể đồng lọai, khác với kết dính ngọai, ở đây kết dính xảy ra
nhờ lực liên kết giữa các nguyên tử, phân tử đồng loại kết dính với nhau.
c.Kết dính nội
Là kết dính của các phân tử, nguyên tử ion trong bản thân vật thể. Kết dính này
do lực liên kết hóa học, lực Van-der-Walls, và liên kết hidro.

Hình 2.2 : Các dạng phá hoại của hệ thống nhiều pha vật thể A kết dính với vật thể B
a) Kết dính ngoại

c) Kết dính nội

b) Kết dính tự tạo

d) Kết dính hỗn hợp

6


2.1.5 Tính chất liên diện và chất tương hợp
Điều kiện liên diện giữa các pha thường rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến tính
chất cuối cùng của vật liệu.

Tác nhân liên kết được dùng để liên kết nhựa và sợi cũng như chất độn. Tác nhân
liên kết là những phân tử hydrocacbon, một đầu tương tác với nhựa và đầu kia tương
tác với sợi hay chất độn. Thông thường sợi xử lý với chất liên kết trước khi đưa nhựa
vào, nó sẽ phủ 1 lớp kết dính hóa học.
Nhựa PP có thể sử dụng nhiều tác nhân liên kết được thiết kế đặc biệt : axit béo
với dầu rái và sáp PPgMA.
Tác nhân liên kết tác dụng thấm ướt chiếm chỗ nước và không khí làm cho việc
phân tán chất độn được đều. Độ nhớt thường tăng khi có chất độn nhưng nếu dùng tác
nhân liên kết thì độ nhớt giảm, điều này cho phép chất độn với thành phần cao.
Trộn polymer nhiều pha, sự kết dính bề mặt có tác dụng ảnh hưởng đến sự biến
tính khả năng chịu va đập. Để cải thiện sự kết dính bề mặt dùng tác nhân liên diện đó
là copolymer ghép. Copolymer ghép tương hợp các pha khác nhau trong hỗn hợp trộn.
Chất liên diện làm thay đổi sức căng bề mặt và hoạt hóa sự kết dính bề mặt. Kết quả
của sự cải tiến có nhiều ưu điểm, sự phân tán tốt của các thành phần trong hỗn hợp và
cải thiện tốt tính chất cơ lý. Độ kết dính bề mặt nội giữa nhựa nền và sợi gia cường
ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ lý của vật liệu.
Có hai phương pháp biến tính hóa học bề mặt sợi bằng chất tương hợp PPgMA,
thứ nhất biến tính bằng phương pháp dung môi, thứ hai biến tính bằng phương pháp
nóng chảy.
Phản ứng ghép xảy ra giữa nhóm OH của sợi với nhóm Ahydric maleic của chất
tương hợp PPgMA tạo liên diện liên kết nhựa nền PP với sợi.

7


Hình 2.3 : Phản ứng bề mặt xử lý của sợi cellulose với PP-g-MA và nhựa nền PP bằng
phương pháp nóng chảy.
● Chất tương hợp :
Polypropylen là polymer rất phổ biến, có nhiều tính chất đa dạng, tính chất cơ lý
của PP được biến tính nhằm tăng cường phạm vi sử dụng. Chất độn và sợi gia cường

thường sử dụng như bột talc, CaCO3, sợi thủy tinh, sợi cellulose… Chất độn và sợi gia
cường thường phân cực, nhựa PP không phân cực nên sự kết dính giữa chất độn, sợi
gia cường với PP là rất thấp, trong quá trình trộn thì có sự tách pha, sự phân tán chất
độn khó khăn và không gia cường cho nhựa nên làm giảm tính chất cơ lý của vật liệu.
Một số phương pháp có thể cải thiện những nhược điểm trên. Thông dụng dùng
phương pháp xử lý bề mặt chất độn như silane, axit stearit, titinate. Phương pháp khác
là biến tính hóa học PP bởi nhóm phân cực như Axit Acrylic hoặc Anhydric Maleic.
Polypropylen grafted maleic anhydric (PPgMA) là chất tương hợp cho PP để tạo
blend. Chất tương hợp PPgMA với hàm lượng gắn anhydric khác nhau và trọng lượng
phân tử khác nhau ảnh hưởng đến sự kết dính của PP. Kỹ thuật khác nhau có thể thực
hiện sự phát triển chất tương hợp. PP được ghép với monomer khác nhau bằng các
phương pháp như đùn nóng chảy, phương pháp dung dịch, pha rắn và phương pháp
peroxit hóa và bức xạ gây ra phản ứng đồng trùng hợp ghép. Đa số maleic anhydric
được dùng để biến tính PP.

8


Đồng trùng hợp ghép của monomer khác nhau trên sườn PP ở đầu mạch để tạo
ra sản phẩm có tính chất đặc thù. Sự biến tính PP được dùng với monomer có nhóm
chức không no như Maleic anhydric (MA) thu được polymer hoạt động. Công thức
quy trình ghép PP với MA, nó tạo ra liên kết ngang hoặc sự đứt mạch xuất hiện đồng
thời với phản ứng ghép. Quy trình dung dịch để đồng trùng hợp ghép được nghiên cứu
sớm hơn, dự định phản ứng ghép liên quan đến việc gắn MA ở cacbon bậc 3 trên mạch
của PP. Khả năng MA ghép kết thúc làm mạch PP giảm cấp. Qui trình nóng chảy được
nghiên cứu sau này, Gaylord và Mishra đã thành công khi MA có thể thay thế H bậc 3.
Hai nhà nghiên cứu đưa ra giả thiết đánh giá khả năng cơ chế ghép MA trên PP với sự
có mặt của Peroxit hữu cơ.
2.1.6 Phương pháp gia công composite
2.1.6.1 Phương pháp đắp

Nội dung công nghệ của phương pháp này là đắp lên bề mặt khuôn những lớp
nhựa và sợi cho đủ độ dày bằng tay, bằng máy hoặc phun những sợi cốt.

Hình 2.4 : Mô hình gia công composite bằng phương pháp đắp.
2.1.6.2 Phương pháp ép phun
Phương pháp ép phun là phương pháp có giá thành rẻ và dụng cụ tương đối đơn
giản.
Nhựa nhiệt dẻo: tạo hạt compound nhựa và sợi cắt ngắn bằng máy đùn, sau đó
đưa vào máy ép phun để tạo ra sản phẩm.
Nhựa nhiệt rắn: sợi ngắn được định hình trước nếu cần, được đặt vào khuôn, sau
đó khuôn đóng lại, kẹp chặt và nhựa được phun vào từ đầu trộn có độ khuấy trộn cao.

9


Hình 2.5: Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun.
2.1.6.3 Phương pháp đùn
Kỹ thuật đùn được phát triển để làm những sản phẩm dạng thanh. Hỗn hợp sợi và
nhựa cho vào máy đùn để đùn ra những sản phẩm profile. Thông thường kỹ thuật đùn
dùng để tạo những sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo.

Hình 2.6: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đùn.
2.1.6.4 Phương pháp đúc ép
Kỹ thuật đúc ép sử dụng để tạo những sản phẩm có kích thước lớn. Sợi được dệt
ở dạng mat hoặc provin, nhựa nền có thể ở dạng hạt hoặc dạng sợi. Sản phẩm
composite được ép dưới máy ép thủy lực, hình dạng của sản phẩm được định hình sau
khi làm nguội.

10

Hình 2.7: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép.
2.1.6.5 Phương pháp đúc chuyển

Hình 2.8: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc chuyển.
2.1.6.6 Phương pháp pulltrution
Công nghệ pulltrution là công nghệ chế tạo các kết cấu bằng phương pháp kéo
sợi liên tục, được tẩm nhựa nền qua 1 khuôn tạo dáng nóng.

Hình 2.9: Mô hình gia công composite bằng phương pháp pulltrution.

11


2.1.6.7 Phương pháp quấn
Trong phương pháp quấn, các cốt sợi, băng sợi, các tấm vải… Sau khi tẩm qua
nhựa nền polymer, sẽ được quấn lên trục của khuôn có hình dáng của mặt trong kết
cấu cần chế tạo. Sau khi quấn với số lần quấn xác định theo những chiều khác nhau,
đạt được độ dày và cấu trúc cốt kết cấu, sản phẩm trải qua quá trình polymer hóa rồi
làm nguội.

Hình 2.10: Mô hình gia công composite bằng phương pháp quấn.
2.1.7 Đặc điểm, tính chất và ứng dụng
Vật liệu composite rất phong phú và đa dạng được sư dụng rất rộng rãi trong các
lĩnh vực của cuộc sống do các đặc điểm ưu việt của nó:


Giá thành rẻ hơn thép không gỉ.



Tỷ số tính năng cơ lý/giá cả và tỷ số tính năng cơ lý/khối lượng cao hơn

sắt thép rất nhiều.


Nhẹ hơn nhôm.



Phương pháp gia công chế tạo đơn giản và đa dạng.



Dễ tạo hình, thay đổi và sửa chữa.



Không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn.



Với các ưu điểm nổi bật đó, vật liệu composite ngày càng đi sâu vào các

lĩnh vực và đời sống như :


Vật liệu gia dụng : lavabo, bồn tắm, bàn ghế, tấm trần, tấm cách âm...



Vật liệu xây dựng : tấm lợp, cấu kiện nhà lắp ghép, dầm chịu lực, đá ốp

lát...

12




Vật liệu điện : mạch in, tấm cách điện, vỏ bảo vệ các vi mạch cao tầng,

vỏ các thiết bị điện, máy biến thế...


Vật liệu chịu hoá chất : ống dẫn, bồn chứa, bể điện phân...



Giao thông vận tải : vỏ tàu, vỏ thân xe hơi...



Hàng không, vũ trụ : cánh, khung thiết bị đáp...

Composite là vật liệu của ngày mai, nó đang thay thế dần cho các vật liệu truyền
thống: gỗ, kim loại, sứ...

Hình 2.11: Công nghệ gia công composite nhựa PP và bột trấu.

13