KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ
ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

Họ và tên sinh viên: PHẠM THỊ QUỲNH ANH
Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Niên khóa: 2006-2010

Tháng 09/2010


KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG
LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

Tác giả

PHẠM THỊ QUỲNH ANH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S Trần Vĩnh Minh

Tháng 09 năm 2010

i

LỜI CẢM ƠN
Qua bốn tháng học tập, làm việc và nghiên cứu tôi đã nỗ lực học tập và làm việc
nghiêm túc để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp một cách thành công. Bên cạnh những
thuận lợi, tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy vậy với sự giúp đỡ của thầy cô hướng dẫn
và các bạn cùng lớp tôi đã vượt qua các khó khăn ấy và hoàn thành khóa luận. Tôi xin
gởi lời cảm ơn chân thành đến:
-

Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm TP.HCM.

-

Bộ môn Công nghệ hóa học.

Đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt khóa luận
này.
-

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến các quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ hóa học đã
tận tình chỉ bảo cho tôi những kiến thức trong suốt bốn năm theo học.

-

Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Th.S Trần Vĩnh Minh
đã tận tình chỉ bảo tôi về kiến thức cũng như các thao tác kỹ thuật thử nghiệm
trong thời thời gian tôi thực hiện khóa luận.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010
Sinh viên

Phạm Thị Quỳnh Anh

ii


ABSTRACT
The topic of this thesis “Studying the process of extracting the sisal fibers from
sisal plants and applying it to the composite product” was carried on at Plastics and
Rubber Technology Center from 2010/04/01 to 2010/08/15.
The results is the final product achieved highly mechanical property. The test
process included two stages:
¾ The first stage (Retting) : eight fiber samples (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B,
4A and 4B) was retted in turn in NaCl (7% and 10,5% solution), Na2SO4
(7% and 10,5% solution), HCl (5% and 10%) and H2SO4 (5% and 10%
solution);
¾ The second stage (NaOH treatment) : five fiber samples (1B1, 1B2, 1B3,
1B4 and 1B5) treated in turn in NaOH (5%, 10%, 15%, 18% and 20% solution).
All mechanical properties of the fibers which consist of tensile strength and
elongation were taken. We selected some samples such as 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 and
1B5 to carry out making the treated sisal fiber reinforced composite and take the work
of fracture, and then checked the integrating ability of the fiber in the matrix composite.
The fibers retted with 10,5% solution of NaCl and then the NaOH treatment with
15% solution have the most mechanical properties, the whole process takes
approximately 3 – 4 days without the effect of weather conditions.

iii

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Khảo sát quy trình tách sợi từ cây dứa dại để ứng dụng vào
các sản phẩm composite” được tiến hành tại Trung tâm Kĩ Thuật chất dẻo và cao su,
thời gian từ 01/04/2010 đến 15/08/2010.
Kết quả thu được là đã tách được sợi thành phẩm từ cây Agave sisalana có cơ
tính cao. Sau khi trải qua quá trình thí nghiệm với tổng cộng là 13 mẫu sợi, gồm: 8 mẫu
(1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A và 4B) là thử nghiệm giai đoạn 1 ngâm sơ bộ thực hiện
tương ứng với 2 dung dịch muối NaCl và Na2SO4 (nồng độ 7% và 10,5%), 2 dung dịch
acid HCl và H2SO4 (nồng độ 5% và 10%); 5 mẫu (1B1, 1B2, 1B3, 1B4 và 1B5) khảo
sát giai đoạn 2 ngâm dung dịch NaOH với các nồng độ lần lượt là 5, 10, 15, 18 và 20%.
Các mẫu đều đo cơ tính gồm độ bền kéo đứt sợi đơn và độ dãn dài. Chọn một số mẫu
sợi (như mẫu 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 và 1B5) để tiến hành làm composite gia cường
bằng sợi sisal đã xử lý được để đo độ bền va đập vật liệu composite, từ đó xem khả
năng kết hợp của sợi trong chất nền nhựa.
Khi sợi được xử lý giai đoạn ngâm sơ bộ với dung dịch NaCl 10,5%, rồi tiếp tục
quá trình ngâm dung dịch NaOH 15% thì sẽ cho ra mẫu sợi tốt nhất ,chỉ trong thời gian
ngắn trong khoảng 3 – 4 ngày mà không bị tác động của điều kiện ngoại cảnh đến quy
trình thực hiện.

iv


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa .......................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
ABSTRACT ................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ...................................................................................................................... iv
MỤC LỤC....................................................................................................................... v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................ x
DANH SÁCH ĐỒ THỊ .................................................................................................. xi
Chương 1 MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1
1.2 Mục đích đề tài ...................................................................................................... 2
1.3 Nội dung đề tài ...................................................................................................... 2
1.4 Yêu cầu .................................................................................................................. 2
Chương 2 TỔNG QUAN ................................................................................................ 3
2.1 Tổng quan về composite ....................................................................................... 3
2.1.1 Khái niệm composite ...................................................................................... 3
2.1.2 Phân loại composite ........................................................................................ 3
2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite ....................................................................... 4
2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên ..................................................................................... 6
2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên..................................................................................... 6
2.2.2 Cơ tính của sợi ................................................................................................ 9
2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi ........................................................ 10
2.2.4 Biến tính của sợi tự nhiên ............................................................................. 16
2.3 Tổng quan về sợi sisal ......................................................................................... 20
2.3.1 Khát quát sợi sisal ......................................................................................... 20
2.3.2 Đặc điểm hình thái ........................................................................................ 21
2.3.3 Cấu trúc và cơ tính của sợi sisal ................................................................... 22
2.3.4 Composite gia cường bằng sợi sisal ............................................................. 27
2.4 Quy trình công nghệ sản xuất sợi tự nhiên .......................................................... 32
2.4.1 Thu hoạch ..................................................................................................... 32
2.4.2 Quy trình của sợi tự nhiên ............................................................................ 33
2.4.3 Các phương pháp retting .............................................................................. 36
2.5 Kiểm tra sợi ......................................................................................................... 47
2.5.1 Các yêu cầu về cơ tính sợi ............................................................................ 47

2.5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................. 48
Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 51
3.1 Tổng quát quy trình ............................................................................................. 51
3.1.1 Giai đoạn xử lý sơ bộ sau khi thu hoạch ...................................................... 52
v


3.1.2 Giai đoạn xử lý NaOH .................................................................................. 53
3.1.3 Giai đoạn làm composite .............................................................................. 55
3.2 Phương pháp thí nghiệm ..................................................................................... 57
3.2.1 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi hóa chất sử dụng trong giai đoạn ngâm sơ
bộ ........................................................................................................................... 57
3.2.2 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi nồng độ khi ngâm NaOH ......................... 58
3.3 Các phương pháp kiểm tra ................................................................................. 59
3.3.1 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm ....................................................... 59
3.3.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn................................................................................. 59
3.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 59
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 60
4.1 Hình thái học của sợi sisal sau xử lý ................................................................... 60
4.2 Thí nghiệm 1 ....................................................................................................... 61
4.2.1 Độ hút ẩm sợi................................................................................................ 61
4.2.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn................................................................................. 62
4.2.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 64
4.2.4 Ảnh SEM ...................................................................................................... 64
4.2.5 Kết luận thí nghiệm 1 ................................................................................... 67
4.3 Thí nghiệm 2 ....................................................................................................... 68
4.3.1 Độ hút ẩm sợi................................................................................................ 68
4.3.2 Độ bền đứt sợi đơn ....................................................................................... 69
4.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 70
4.3.4 Ảnh SEM ...................................................................................................... 72

4.3.5 Kết luận thí nghiệm 2 ................................................................................... 73
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.......................................................................... 75
5.1 Kết luận ............................................................................................................... 75
5.2 Đề nghị ................................................................................................................ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 77
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 78

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABS

Acrylonitrile butadiene styrene

CTDIC

Dẫn xuất cardanol của toluene diisocyanate

DP

Degree of polymerization – độ trùng hợp

IFSS

Độ bền phân cách

LDPE

Polyethylen tỷ trọng thấp

MEKP

Methyl ethyl keton peroxide

MMA

Methyl methacrylate

PC

Polymer composite

PDPE

Polyethylene tỷ trọng thấp

PE

Polyethylene hay Polyethene

PP

Polypropylen

PS

Polystyrene

PU

Polyurethane Foam

PVC

Polyvinyl chloride

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UF

Ureformaldehyd

UHDPE Polyethylene tỷ trọng siêu cao
UPE

Polyester không no

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên. ............................. 8

Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên. .................................................................... 9
Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên ................................................................................. 11
Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào) sợi sơ cấp............................................................................ 12
Hình 2.5 Cấu trúc cellulose ........................................................................................... 13
Hình 2.6 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose. ................ 14
Hình 2.7 Cấu trúc lignin................................................................................................ 15
Hình 2.8 Công thức hemicellulose................................................................................ 16
Hình 2.9 Kiềm hóa và acetylate hóa bề mặt sợi cellulose. ........................................... 18
Hình 2.10 Xử lý sợi bằng hợp chất silane. .................................................................... 19
Hình 2.11 Cây sisal ....................................................................................................... 21
Hình 2.12 Các chồi rễ trên mặt đất xung quanh cây sisal trưởng thành ....................... 22
Hình 2.13 Hình mặt cắt ngang sợi sisal trong nền kết dính .......................................... 23
Hình 2.14 Hình hiển vi điện tử (SEM) của sợi sisal ..................................................... 24
Hình 2.15 Phác họa tế bào sợi sisal với kích thước xấp xỉ. .......................................... 25
Hình 2.16 Mặt cắt ngang của lá sisal ............................................................................ 25
Hình 2.17 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi tự nhiên với góc
microfibrillar của sợi ..................................................................................................... 29
Hình 2.18 Hình hiển vi điện tử quét của composite LDPE – sợi sisal xử lý peroxide . 31
Hình 2.19 Quy trình sản xuất sợi tự nhiên. ................................................................... 34
Hình 2.20 Các phương pháp retting. ............................................................................. 37
Hình 2.21 Giản đồ cấu trúc của sợi và thân cây lanh ................................................... 40
Hình 2.22 Những mối nối trên bề mặt sợi sau quá trình cơ học quá mức .................... 42
Hình 2.23 Ảnh qua kính hiển vi điện tử của các sợi lanh khác nhau............................ 43
Hình 2.24 Sợi sisal xử lý bằng cơ học. ......................................................................... 49
Hình 2.25 Sợi sisal xử lý hóa học. ................................................................................ 50
viii


Hình 3.1 Sơ đồ giai đoạn xử lý sơ bộ lá sisal sau khi thu hoạch. ................................. 52
Hình 3.2 Sơ đồ giai đoạn xử lý NaOH. ......................................................................... 54

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình làm composite. ..................................................................... 56
Hình 3.6 Tấm mat. ........................................................................................................ 57
Hình 4.1 Sợi sisal sau khi xử lý xong NaOH, có màu vàng óng. ................................. 61
Hình 4.2 Sợi sau khi đã qua giai đoạn trung hòa và phơi khô. ..................................... 61
Hình 4.3 Hình sợi sisal thô............................................................................................ 65
Hình 4.4 Hình sợi sisal xử lý NaCl 7% (mẫu 1A). ....................................................... 65
Hình 4.5 Sợi sisal xử lý NaCl 10,5% (mẫu 1B). ........................................................... 66
Hình 4.6 Hình sợi sisal xử lý Na2SO4 10,5% (mẫu 2B). .............................................. 66
Hình 4.7 Sợi sisal xử lý NaOH 10% (mẫu 1B1). .......................................................... 72
Hình 4.8 Sợi sisal xử lý NaOH 15% (mẫu 1B3). .......................................................... 73

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Số liệu tổng hợp tính chất cơ lý của sợi sisal. .............................................. 26
Bảng 2.2 Sự biến thiên độ bền sợi sisal với độ dài thử nghiệm .................................... 27
Bảng 2.3 Cơ tính của sợi tự nhiên cà công trình nghiên cứu độ bền va đập của
composite tương ứng..................................................................................................... 29
Bảng 2.4: So sánh các quá trình retting ........................................................................ 45
Bảng 3.1 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1. ................. 53
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH. ..................................................... 55
Bảng 3.3 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1. ................. 58
Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH ...................................................... 59
Bảng 4.1 Khối lượng m (g) thí nghiệm 1 sau khi để trong không khí khoảng 48h. ..... 62
Bảng 4.2 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 1. .................................................... 62
Bảng 4.3 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 1. ............. 63
Bảng 4.4 Độ bền va đập của composite gia cường sợi sisal xử lý theo thí nghiệm 1. . 64
Bảng 4.5 Các giá trị thí nghiệm 1 ................................................................................. 67

Bảng 4.6 Khối lượng m(g) thí nghiệm 2 sau khi để trong không khí khoảng 48h ....... 68
Bảng 4.7 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 2. .................................................... 68
Bảng 4.8 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 2. ............. 69
Bảng 4.9 Độ bền va đập của các mẫu thí nghiệm 2. ..................................................... 70
Bảng 4.10 Các giá trị thí nghiệm 2 ............................................................................... 73

x


DANH SÁCH ĐỒ THỊ
Trang
Đồ thị 4.1 Độ bền kéo sợi đơn của mẫu xử lý NaOH. .................................................. 69
Đồ thị 4.2 Độ dãn dài sợi đơn của mẫu xử lý NaOH. ................................................... 70
Đồ thị 4.3 Độ bền va đập của composite sợi xử lý NaOH ............................................ 71

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, vật liệu gia cường cho vật liệu composite phổ biến là sợi thủy tinh
được tạo ra từ các loại oxide vô cơ. Tuy nhiên gần đây sợi thiên nhiên lại đang được
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vì các sợi thiên nhiên gốc cellulose có thể đem lại cho
vật liệu composite tính bền dai cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng như ý và khả năng phân
hủy sinh học. Hơn nữa sợi cellulose dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ. Các
nước phát triển đều đã và đang thực hiện các cuộc nghiên cứu về sợi thiên nhiên để ứng
dụng làm sản phẩm composite.
Thế nhưng chúng ta có một khó khăn trong việc triển khai sử dụng rộng rãi
nguồn tài nguyên có thể tái sinh này. Đó là sự kém bám dính của sợi thiên nhiên trong

hầu hết các nền polymer. Bản chất ưa nước của sợi thiên nhiên gây tác động ngược đến
sự bám dính của sợi trong nền polymer kỵ nước dẫn đến độ bền vật liệu composite kém.
Vì vậy mà nghiên cứu quy trình xử lý sợi thiên nhiên để cải thiện các tính chất trên là
vấn đề quan trọng khi muốn sử dụng sợi thiên nhiên vào các sản phẩm composite.
Ở Việt Nam, việc sử dụng sợi dứa dại trong chế tạo vật liệu PC (PC) sẽ có ý
nghĩa thực tiễn to lớn. Vì điều kiện thiên nhiên (đất đai, khí hậu, địa hình…) của nước
ta là một tiềm năng lý tưởng cho việc sản xuất sợi từ lá dứa dại trên quy mô công
nghiệp nhằm cung cấp nguồn nguyên vật liệu cho ngành chế tạo vật liệu PC ở Việt
Nam. Do việc đầu tư sản xuất sợi từ lá dứa dại không đòi hỏi đầu tư cao như đối với sợi
hóa học khác (sợi thủy tinh, sợi carbon…), điều này sẽ rất phù hợp với điều kiện kinh tế
xã hội ở nước ta hiện nay. Bên cạnh đó, nó còn có ý nghĩa về mặt xã hội đó là cung cấp
nguồn nguyên liệu cho sản xuất đỏi hỏi phải có chiến lược canh tác cây dứa dại, góp

1


phần tạo nguồn thu nhập cho nông dân, đặc biệt là ở những vùng đất đai khô cằn, khí
hậu khắc nghiệt,… và tạo cơ hội việc làm cho người lao động ở nông thôn, vùng sâu,
vùng xa… Chính vì vậy mà việc nghiên cứu sử dụng sợi dứa dại trong gia công chế tạo
vật liệu PC nhằm làm tăng giá trị cho cây dứa dại là một vấn đề cấp thiết.
Được sự phân công của Bộ môn Công nghệ hóa học, dưới sự hướng dẫn của
Th.S Trần Vĩnh Minh tôi thực hiện đề tài “Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa
dại để ứng dụng làm các sản phẩm composite”.
1.2 Mục đích đề tài
• Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa dại.
• Xử lý hóa chất với nồng độ phù hợp làm thay đổi tăng các tính chất sợi dứa thô.
• Cách xử lý sợi dứa thô bằng NaOH để phù hợp với các loại sản phẩm composite.
1.3 Nội dung đề tài
• Đặc tính, tính chất của sợi tự nhiên.
• Đặc tính, tính chất của sợi dứa.

• Khảo sát điều kiện xử lý trong quá trình retting và xử lý NaOH, có thể thay thế
các hóa chất khác được hay không?
1.4 Yêu cầu
• Tạo được sợi dứa dại có thể ứng dụng vào sản phẩm composite.
• Xác định được điều kiện xử lý hóa chất phù hợp.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về composite
2.1.1 Khái niệm composite
Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu
ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho
composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành
phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau.
Ưu điểm:
Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các
kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành
phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho
các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn
mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng
có hiệu quả nhất đó là PC, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng
rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền
riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn
nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khả được
các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.
2.1.2 Phân loại composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu
thành phần.
2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng

3


• Vật liệu composite độn dạng sợi
• Vật liệu composite độn dạng hạt
2.1.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần
• Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ, sợi
khoáng, sợi kim loại…
• Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim Al, …) cùng với
độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
• Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại
(chất gốm), hạt gốm (carbon, nitrogen)…
2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite
2.1.3.1 Polymer nền
Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn
khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn đồng nhất
liên tục.
Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm
polymer nền:
• Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC… độn được trộn với nhựa, gia công trên
máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.
• Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, epoxy, UPE, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao,
riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia
công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có
cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.

2.1.3.2 Chất độn (cốt)
Đóng vai trò là chất 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;
4


• Phân tán vào nhựa tốt;
• Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt;
• Thuận lợi cho quá trình gia công;
• Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại
vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn:
• Chất độn dạng sợi: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi carbua silic, sợi amide…
• Chất độn dạng hạt: thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim
loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon…
Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre,
bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải,…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà
người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….
2.1.2.3 Chất pha loãng
Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm
ether, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất của tác
nhân nối ngang – monomer.
Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi
trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có
tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng.
Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau:
• Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không
đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer

làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền;
• Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho
polyester. Lúc đó nó hòa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo
thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công;
• Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản;
• Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút;
5


• Ít độc.
2.1.3.4 Các chất phụ gia khác
• Chất róc khuôn
• Chất làm kín
• Chất tẩy bọt khí
• Chất thấm ướt sợi
• Chất tăng độ phân tán
• Chất ngăn thoát hơi styrene
2.1.3.5 Xúc tác – Xúc tiến
• Chất xúc tác
Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công. Vai trò của chúng là
tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.
Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ
ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.
• Chất xúc tiến: là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất
xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một
cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội.
2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên
2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên
2.2.1.1 Lịch sử
Từ thời xa xưa, con người đã biết lấy các nguyên liệu sợi thô trong tự nhiên sử

dụng để tạo thành các sản phẩm thông qua ngành dệt. Ví dụ như, người Ai Cập cổ bao
bọc xác chết của họ trong vải lanh trong hàng ngàn năm. Khi nhận thức được có thể
tách sợi từ cây thì con người đã bắt đầu lựa chọn giống, rồi hợp thủy hóa giống cây đó
trên đất của mình. Cây đó sẽ được duy trì giống và ứng dụng sợi của nó vào sản xuất
sản phẩm qua nhiều thiên niên kỉ.
Sợi được ứng dụng sản xuất trong ngành dệt cho đến cuối thế kỷ XIX. Do cơ
giới hóa trong thu hoạch và sản xuất sợi tự nhiên, thêm vào đó nhu cầu và sản xuất
6


ngày càng tăng các loại sợi tổng hợp rẻ hơn đã phá hủy nền sản xuất sợi truyền thống,
gần như biến mất ở Tây Âu và Bắc Mỹ. Nhưng hiện nay, ứng dụng các loại sợi tự nhiên
vào các sản phẩm ngày càng được quan tâm, đặc biệt là trong ngành vật liệu, ứng dụng
như chất gia cường cho PC để tạo thành vật liệu xây dựng chi phí thấp.
2.2.1.2 Đặc trưng của sợi tự nhiên
• Ưu điểm của sợi tự nhiên
Nhựa còn có ứng dụng rộng rãi, vì chúng có khả năng chịu mài mòn, có tính dẫn
nhiệt thấp và khả năng hấp thu nước thấp, có độ cứng, độ bền tốt và không nở khi bị
ẩm. Các loại sợi tổng hợp như nylon, rayon, aramid, thuỷ tinh, polyester và carbon đang
được sử dụng rộng rãi như chất gia cường của nhựa nhưng lại là nguyên liệu không tái
tạo được và mắc. Sợi tự nhiên là nguyên liệu tái tạo đang được ứng dụng ở nhiều quốc
gia đang phát triển trên thế giới, do chúng rẻ, không gây nguy hiểm cho sức khỏe và
cuối cùng, là giải pháp giúp tránh ô nhiễm môi trường. Hơn vật liệu PC gia cường bằng
sợi tự nhiên đã tạo ra một loại vật liệu mới có tiềm năng trong tương lai do có cơ tính
cao, tỷ trọng thấp, dễ gia công và chi phí sản xuất thấp; trở thành vật liệu thay thế cho
nguyên liệu gỗ đang khan hiếm và các nguyên liệu có cấu trúc làm từ gỗ.
Cơ tính của sợi tự nhiên thấp hơn nhiều so với cơ tính của sợi thuỷ tinh được
dùng phổ biến để làm chất gia cường (Phụ lục 1). Tuy nhiên, do tỷ trọng thấp, độ bền,
và độ cứng của sợi tự nhiên có thể so sánh với các giá trị tương ứng của sợi thủy tinh.
Sợi tự nhiên không bị mài mòn khi ở trong thiết bị trộn và đúc, có thể giúp giảm sự hao

hụt nguyên liệu một cách đáng kể.
Các đặc tính về sinh thái, khả năng tự phân hủy sinh học, và giá cả của các loại
sợi tự nhiên là điều kiện thiết yếu đẩy mạnh khả năng chọn lựa sử dụng chúng trên các
thị trường kỹ thuật lớn như ngành công nghiệp ôtô và xây dựng. Và cũng là những lợi
thế chủ yếu khi sử dụng sợi tự nhiên như chất gia cường cho vật liệu.

7


Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên.1
• Nhược điểm của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên khi dùng làm chất gia cường cho chất nền composit polymer có một
số nhược điểm cần quan tâm.
Nhược điểm đầu tiên, khi kết hợp các loại sợi tự nhiên với các composite yêu
cầu có độ bền, thì sợi lại khả năng hấp thu độ ẩm cao, tính kháng vi khuẩn thấp và dễ
mục. Do tính ưa nước của sợi tự nhiên dẫn đến sự hấp thu độ ẩm cao, điều này không
chỉ làm ảnh hưởng đến tính chất trên bề mặt sợi mà còn ảnh hưởng tính chất của
composite. Hấp thụ độ ẩm cao tạo ra trương nở sợi, làm thay đổi tính chất cơ lý và làm
giảm sự ổn định của composite.
Nhược điểm chủ yếu thứ hai của sợi tự nhiên là tính không đồng nhất và tính
biến thiên về kích thước sợi và cơ tính (kể cả giữa những cây riêng lẻ trong cùng một
đợt canh tác), chúng không có sự đồng nhất như các sợi gia cường nhân tạo.

1

Dựa theo Fakten & Trends 2002 Zur Situation der Landwitschaft, Eggenfelden, 2002, p. 193.

8

Nhiệm vụ chính hiện nay là phải đẩy mạnh nghiên cứu các phương thức sản xuất
đảm bảo chất lượng sợi tốt hơn để vừa có thể giải quyết các nhược điểm trên vừa mở
rộng sử dụng các loại sợi tự nhiên như nguyên liệu chất lượng cao thay thế cho các loại
sợi gia cường thông thường khác.
2.2.1.3 Phân loại
Sợi tự nhiên được phân nhóm dựa theo nguồn gốc, dù là bắt nguồn từ thực vật,
động vật, hay khoáng sản (Hình 2.2). Sợi thu được từ các bộ phần khác nhau của cây
được gọi là sợi tự nhiên có nguồn gốc thực vật. Những sợi này được phân loại thành ba
loại chính dựa vào bộ phận được tách chiết của cây.

Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên.
2.2.2 Cơ tính của sợi
Sợi tự nhiên có thể được coi là vật liệu composite tự nhiên chứa chủ yếu các sợi
cellulose được gắn vào nền lignin. Các sợi cellulose này thẳng hàng dọc theo chiều dài
của sợi, và có cấu trúc giống nhau dù tách chiết từ bộ phận nào (thân cây, lá hoặc trái).
Chúng được xem là mối liên kết làm cho độ bền kéo đứt và độ bền uốn lớn nhất, thêm
vào đó tạo độ cứng cho sợi tương tự như cây tre.

9


Độ bền kéo đứt cũng như module đàn hồi của các sợi thiên nhiên thấp hơn so với
sợi thủy tinh thường được sử dụng trong vật liệu composite. Tuy nhiên, tỷ trọng của sợi
thủy tinh thì cao (~ 2,5 gcm-3) trong khi đó các sợi tự nhiên thì thấp hơn nhiều (Phụ lục
1). Độ bền và module riêng của một số của sợi tự nhiên có thể so sánh được với sợi
thủy tinh. Điều này rất quan trọng đối với những ứng dụng cần vật liệu có trọng lượng
cấu trúc giảm xuống tối thiểu.
Hơn nữa, những sợi này có điện trở cao, ngoài ra còn có khả năng cách âm và
cách điện. Vì vậy, khi các sợi này được kết hợp trong các nền polymer có module thấp,
chúng sẽ tạo ra vật liệu với đặc tính tốt hơn phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Vì sợi tự nhiên rất bền, khối lượng nhẹ, nhiều, không gây bào mòn, không độc
hại và không đắt, chúng có thể dùng làm vật liệu gia cường nhựa tốt. Một số sản phẩm
cellulosic và phế liệu như vỏ bột, bột gỗ và bột giấy đã được sử dụng làm chất độn
trong polymer, chủ yếu là có thể tiết kiệm chi phí và cũng có thể truyền những tính chất
mong muốn như: làm giảm mức độ ép sau khi đúc, làm tăng module đàn hồi và độ bền
rão.
Tính chất cơ học của sợi tự nhiên phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như:
• Tính chất cây trồng; độ tuổi khai thác của cây…; trên hết là tính di truyền;
• Địa phương canh tác, điều kiện khí hậu…;
• Phương pháp tách chiết, sản xuất và sử dụng.
2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi
Sợi tự nhiên là một vật liệu composite thiên nhiên. Hầu hết các sợi tự nhiên, trừ
bông, được cấu tạo từ cellulose, hemicellulose, lignin, wax (sáp ong, prafin), và một số
hợp chất hoà tan trong nước… Nhưng thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose và
lignin.
2.2.3.1 Cấu tạo của sợi

10


Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên.(A) Giản đồ và (B) mặt cắt kính hiển vi.
(Theo Bismarck, A. và các đồng nghiệp, Polym. composites, 23, 872, 2002, từ the Society of Plastics Engineers).

Sợi tự nhiên sơ cấp là một tế bào đơn có chiều dài từ 1 đến 50 mm và đường
kính khoảng 1 – 50 μm. Sợi tự nhiên có thành tế bào bao xung quanh lumen ở trung
tâm. Lumen góp phần giúp hấp thu nước cho sợi tự nhiên. Sợi có những cấu trúc vi mô
phân cấp khác nhau (Hình 2.3). Thành tế bào của sợi là một màng không đồng nhất,
được tạo từ nhiều lớp: thành tế bào sơ cấp là lớp đầu tiên hình thành trong quá trình
tăng trưởng tế bào, và thành tế bào thứ cấp (S), lại gồm ba lớp (S1, S2, và S3). Các thành
tế bào được cấu tạo từ các tế vi cellulose bán kết tinh có cấu trúc định hướng được gắn

vào khối nền hemicellulose/lignin của hợp chất không ổn định. Sợi tế vi thường có
đường kính khoảng 10 – 30 nm, được tạo nên từ 30 – 100 phân tử cellulose theo dạng
chuỗi mở rộng, và tạo nên độ bền cơ học của sợi. Khối nền vô định hình trong thành tế
bào rất phức tạp, gồm hemicellulose, lignin, và trong một số trường hợp thì có cả
pectin. Các phân tử hemicellulose có hydro liên kết với cellulose và có tác dụng như xi
măng giữa các sợi tế vi cellulose, tạo thành hệ thống cellulose/hemicellulose, được cho
là thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi. Lưới lignin kỵ nước gây ảnh hưởng đến các
tính chất của các lưới khác do có hoạt tính như một chất liên kết và làm tăng độ cứng
của hợp chất cellulose/hemicellulose. Những thành tế bào khác nhau về thành phần, tỷ
lệ giữa cellulose và lignin/hemicellulose, và định hướng cố định của sợi tế vi cellulose.

11


Hầu hết các sợi tự nhiên, sợi tế vi cellulose được cố định hợp với trục sợi một góc được
gọi là “góc microfibrillar”. Thông số này đặc trưng theo từng dạng sợi.

Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào)sợi sơ cấp. Thành tế bào thứ cấp, S2, chiếm khoảng 80% tổng
bề dày. (Trích từ Rong, M.Z. và các đồng nghiệp, composites Sci. Technol., 61, 1437−1447, 2001).
Thành tế bào bên ngoài xốp và chứa gần như tất cả các hợp chất noncellulose, và
là nguyên nhân gây ra: khả năng hấp thụ kém, khả năng hút ẩm kém, và các tính chất
không mong muốn khác.
Trong hầu hết các ứng dụng ngày hôm nay của sợi tự nhiên thường sử dụng bó
sợi thay vì các sợi riêng lẻ. “Các sợi kỹ thuật” tách từ cây, gồm những tế bào hay những
sợi sơ cấp, và, là những bó sợi với chiều dài trung bình khoảng một mét và đường kính
thường từ 50 – 100 μm. Trong một bó sợi, các tế bào sợi chồng chéo lên nhau và dính
liền với nhau bằng pectin tạo độ bền cho toàn bộ bó sợi. Tuy nhiên, độ bền của một cấu
trúc bó là thấp hơn so với độ bền của các tế bào sợi riêng lẻ.

12

Cấu trúc, góc microfibrillar, kích thước tế bào và những nhược điểm, và thành
phần hóa học của sợi tự nhiên là các biến quan trọng nhất xác định tính chất chung của
sợi. Nhìn chung, độ bền kéo đứt và module đàn hồi của các sợi tự nhiên tăng cùng khi
hàm lượng cellulose của sợi tăng. Sự định hướng của sợi tế vi cellulose với các trục sợi
xác định độ cứng của các sợi. Sợi tự nhiên dễ uốn hơn nếu các sợi tế vi có sự định
hướng xoắn ốc với trục sợi. Sợi không linh hoạt, cứng, và có độ bền kéo cao nếu sợi tế
vi được định hướng song song với trục sợi.
2.2.3.2 Các thành phần hóa học
• Cellulose
Thành phần chính của hầu hết sợi tự nhiên là cellulose (α-cellulose).
Cellulose là một đại phân tử tuyến tính gồm D-anhydroglucose (C6H11O5) nối
với nhau bằng mối liên kết β-1,4-glycosidic (Hình 2.5) với độ trùng hợp (DP: degree of
polymerization) khoảng 10.000.

Hình 2.5 Cấu trúc cellulose. (A) Cấu trúc đơn giản và (B) cấu trúc không gian.
Mỗi đơn vị D-anhydroglucose có ba nhóm hydroxyl. Những hydroxyl này tạo
thành các liên kết hydro nội phân tử và liên kết hydro với các phân tử cellulose khác,
cũng như có thể liên kết hydro với các nhóm hydroxyl từ không khí hay các phân tử
phân cực. Vì vậy, tất cả các sợi tự nhiên có tính ưa nước; hàm lượng ẩm đạt 8 – 13 %.
13