Luận văn: Khảo sát ảnh hưởng của việc xử lý sợi xơ dừa bằng phương pháp hóa học đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa polyester

LỜI CẢM ƠN
  

Thời gian làm luận văn là thời gian giúp cho tôi học hỏi đƣợc rất nhiều kinh
nghiệm thực tế, giúp cho tôi có thêm nhiều kiến thức để sau khi tốt nghiệp có thể
làm việc tốt hơn.
Lời nói đầu tiên em xin gởi lời cám ơn chân thành đến thầy Trƣơng Chí
Thành, thầy Phan Thế Duy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình
làm luận văn, thầy đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt bài luận của mình,
chân thành cám ơn thầy.
Tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến bạn Nguyễn Khánh Luân, bạn
Trƣơng Minh Châu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bài luận văn của mình, chân
thành cám ơn.
Đồng thời, tôi xin gửi lời cám ơn đến tập thể lớp Công nghệ Hóa hoc-k33
đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và Luận văn tốt nghiệp
này.

xin chân thành biết ơn!

SVTH Nguyễn Thị Lệ


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

----------

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Cán bộ hƣớng dẫn: T.S Trƣơng Chí Thành, Th.S Phan Thế Duy
2. Đề tài: Khảo sát ảnh hƣởng của việc xử lý sợi xơ dừa bằng phƣơng pháp
hóa học đến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa polyester
3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Lệ
- MSSV: 2072170
- Lớp: Công nghệ Hóa học- Khóa 33
4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội
dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
.......................................................................................................................................
SVTH Nguyễn Thị Lệ


.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
d. Kết luận, đề nghị và điểm:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2011.

Cán bộ hƣớng dẫn

Trƣơng Chí Thành

SVTH Nguyễn Thị Lệ

Phan Thế Duy


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

----------

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ chấm phản biện: .......................................................................

2. Đề tài: Khảo sát ảnh hƣởng của việc xử lý sợi xơ dừa bằng phƣơng pháp
hóa
học dến cơ tính của vật liệu composite nền nhựa polyester.
3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Lệ
- MSSV:2072170
- Lớp: Công nghệ Hóa học - Khóa 33
4.Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội
dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
.......................................................................................................................................
SVTH Nguyễn Thị Lệ


.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
d. Kết luận, đề nghị và điểm:
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2011.

Cán bộ phản biện

SVTH Nguyễn Thị Lệ


TÓM TẮT

Các polymer gia cường sợi tự nhiên có những tính chất cơ học và độ kháng nước
khác nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và sợi. Do đó, trong đề
tài này dùng biện pháp hóa học xử lý sợi nhằm cải thiện cơ tính composite sợi tự
nhiên.
Ở nước ta nguồn nguyên liệu sợi tự nhiên rất đa dạng và phong phú. Đặc biệt,
khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sợi xơ dừa rất nhiều và giá thành thấp vì thế trong
đề tài này chọn sợi xơ dừa là nguồn nguyên liệu gia công composite sợi tự nhiên. Các
sợi xơ dừa được đem xử lý hóa học là ngâm trong dung dịch NaOH, CaCO 3, và
KMnO4 với các nồng độ và thời gian khác nhau. Sau đó gia công composite với các
sợi xơ dừa xử lý và chưa xử lý bằng phương pháp máy RTM. Đo cơ tính độ bền kéo,
độ bền uốn và độ bền va đập, sau đó so sánh kết quả với sợi không xử lý và xử lý từ
đó chọn nồng độ thời gian xử lý cho kết quả tối ưu nhất đối với chất xử lý tương ứng.
Đồng thời cũng dựa trên kết quả bề mặt sợi xơ dừa xử lý và chưa xử lý được chụp
dưới kính hiển vi.

MỤC LỤC
Chương mở đầu: Mục đích và phương pháp ................................................................. 1
Chương 1 Tổng quan ..................................................................................................... 2
1.1 Sợi tự nhiên .............................................................................................................. 3
1.1.1 Cấu trúc sợi tự nhiên ............................................................................................. 3
1.1.2 Thành phần hóa học, khả năng kết tính, tính chất sợi tự nhiên ............................ 3
1.1..2.1 Thành phần hóa học .......................................................................................... 3
1.1.1.2.2 Khả năng kết tinh ............................................................................................ 6
1.1.1.2.3 Tính chất sợi cellulose .................................................................................... 6
1.1.3 Kích thước sợi tự nhiên ......................................................................................... 6
1.2 Composite sợi tự nhiên ............................................................................................ 7
1.2.1 Khái niệm vật liệu composite ............................................................................... 7
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của composite sợi tự nhiên .......................... 7
1.2.3.1 Độ ổn định nhiệt của sợi tự nhiên ...................................................................... 7
1.2.3.2 Khả năng hút ẩm của sợi .................................................................................... 8
1.2.3.3. Sự thoái hóa do vi khuẩn và do ánh sáng của sợi tự nhiên ............................... 8
1.2.3.4 Liên diện giữa sợi và nhựa ................................................................................. 8
1.3 Tổng quan về sợi xơ dừa ........................................................................................ 10
1.3.1 Cấu tạo quả dừa................................................................................................... 10
1.3.2 Cấu trúc thành phần và tính chất của sợi xơ dừa ................................................ 10
1.3.3 Công dụng của sợi xơ dừa................................................................................... 11
1.4 Tổng quan về phương pháp gia công Composite bằng máy RTM ........................ 12
1.4.1 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp RTM ................................................... 12
1.4.2 Đặc tính của phương pháp RTM ......................................................................... 13
Chương 2 Thực nghiệm ............................................................................................... 14
2.1 Quy trình thực nghiệm ........................................................................................... 15

SVTH Nguyễn Thị Lệ

i

2.2 Nguyên liệu. ........................................................................................................... 14
2.2.1.1 Sợi xơ dừa ........................................................................................................ 14
2.2.1.2 Polyester ........................................................................................................... 15
a. Giới thiệu chung ....................................................................................................... 15
b. Ưu khuyết điểm ........................................................................................................ 16
2.2.1.3 Chất đóng rắn MEKP ....................................................................................... 17
2.2.1.4 Chất xử lý sợi ................................................................................................... 18
2.3 Phương pháp thực nghiệm ..................................................................................... 18
2.3.1 Xử lý sợi .............................................................................................................. 19
2.3.1.1 Xử lý với NaOH ............................................................................................... 19
2.3.1.2 Xử lý với CaCO3 .............................................................................................. 19
2.3.1.3 Xử lý với KMnO4............................................................................................. 20
2.4 Gia công Composite bằng thiết bị RTM với nhựa polyester không no và sợi xơ dừa.
...................................................................................................................................... 20
2.5 Tạo mẫu kiểm tra cơ tính ....................................................................................... 23
2.5.1 Thí nghiệm kéo ................................................................................................... 23
2.5.2 Thí nghiệm 3 điểm uốn ....................................................................................... 24
2.5.3 Thí nghiệm đo va đập ......................................................................................... 26
Chương 3 Kết quả và bàn luận ..................................................................................... 27
3.1 Kết quả thí nghiệm ................................................................................................. 27
3.1.1 Kết quả xử lý sợi bằng NaOH ............................................................................. 27
3.1.1.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền kéo của composite ....
...................................................................................................................................... 27
3.1.1.2 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền uốn của composite ....
...................................................................................................................................... 29
3.1.1.3 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng NaOH đến độ bền va đập của composite
...................................................................................................................................... 30

SVTH Nguyễn Thị Lệ

ii


3.1.2 Kết quả xử lý sợi bằng CaCO3 ............................................................................ 31
3.1.2.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng CaCO3 đến độ bền kéo của composite ...
...................................................................................................................................... 31
3.1.2.2 Ảnh hưởng xử lý sợi xơ dừa bằng CaCO3 đến độ bền uốn của composite ..... 32
3.1.2.2 Ảnh hưởng xử lý sợi xơ dừa bằng CaCO3 đến độ bền va đập của composite . 33
3.1.3 Kết quả xử lý với KMnO4 ................................................................................... 34
3.1.3.1 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng KMnO4 đến độ bền kéo của composite .
...................................................................................................................................... 34
3.1.3.2 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng KMnO4 đến độ bền liên diện của
composite ..................................................................................................................... 36
3.1.3.3 Ảnh hưởng của xử lý sợi xơ dừa bằng KMnO4 đến độ bền va đập của composite
...................................................................................................................................... 37
3.2 Bàn luận ................................................................................................................. 39
Chương 4 Kết luận và kiến nghị .................................................................................. 40
4.1 Kết luận .................................................................................................................. 40
4.2 Kiến nghị ................................................................................................................ 40
Tài liệu tham khảo........................................................................................................ 41
Phụ lục.......................................................................................................................... 43

SVTH Nguyễn Thị Lệ

iii


DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số sợi tự nhiên ........................................................ 4
Bảng 1.2 Cơ tính một số sợi tự nhiên ...................................................................................5
Bảng 1.3 Tỉ lệ khối lượng trung bình của các thành phần trong một quả dừa ............ 10
Bảng 1.4 Thành phần hóa học và đặc tính của sợi xơ dừa........................................... 10
Bảng 2.1 Các đặc tính cơ bản của sợi nhựa polyester không no ................................. 16
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy RTM khoa Công nghệ ...................................... 21
Bảng 2.3 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm kéo ..................................................... 24
Bảng 2.4 Tóm tắt các thông số củ thí nghiệm 3 điểm uốn .......................................... 25
Bảng 2.5 Tóm tắt các thông số của thí nghiệm va đập ................................................ 26
Bảng 3.1 Cơ tính kéo của composite gia cường sợi xơ dừa xử lý bằng NaOH ........... 27
Bảng 3.2 Độ bền liên diện của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng
NaOH ........................................................................................................................... 29
Bảng 3.3 Cơ tính độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng
NaOH ........................................................................................................................... 30
Bảng 3.4 Cơ tính kéo của composite gia cường sợi xơ dừa xử lý bằng CaCO3 ......... 31
Bảng 3.5 Độ bền liên diện của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng
CaCO3 .......................................................................................................................... 32
Bảng 3.6 Cơ tính độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng
CaCO3 .......................................................................................................................... 33
Bảng 3.7 Cơ tính kéo của composite gia cường sợi xơ dừa xử lý bằng KMnO4 ......... 34
Bảng 3.8 Cơ tính độ bền liên diện của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý
KMnO4 ........................................................................................................................ 36
Bảng 3.9 Cơ tính độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý
KMnO4 ......................................................................................................................... 37

SVTH Nguyễn Thị Lệ

iv

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Một số ứng dụng của vật liệu composite ........................................................ 2
Hình 1.2 Hình dạng sợi tự nhiên cơ bản ........................................................................ 3
Hình 1.3 Công thức cấu tạo cellulose ............................................................................ 3
Hình 1.4 Cấu tạo vật liệu composite .............................................................................. 7
Hình 1.5 Cấu tạo quả dừa............................................................................................. 10
Hình 1.6 Thảm xơ dừa ................................................................................................. 11
Hình 1.7 Cuôn chỉ xơ dừa bện dầy thừng .................................................................... 11
Hình 1.8 Quy trình gia công tấm Composite bằng phương pháp RTM ...................... 12
Hình 2.1 Quy trình thực nghiệm .................................................................................. 14
Hình 2.2 Sợi xơ dừa thẳng ........................................................................................... 14
Hình 2.3 Chất đóng rắn MEKP .................................................................................... 17
Hình 2.4 Công thức cấu tạo của MEKP ....................................................................... 17
Hình 2.5 Chậu ngâm sợi xơ dừa với NaOH ................................................................. 19
Hình 2.6 Chậu ngâm sợi xơ dừa với CaCO3 ................................................................ 20
Hình 2.7 Chậu xử lý sợi xơ dừa với KMnO4 ............................................................... 20
Hình 2.8 Máy RTM khoa Công nghệ .......................................................................... 20
Hình 2.9 Quy trình làm việc trên thiết bị RTM ........................................................... 22
Hình 2.10 Máy đo kéo và uốn Zwick/ Roell Z050 ...................................................... 23
Hình 2.11 Đo uốn ........................................................................................................ 24
Hình 2.12 Máy đo va đập ............................................................................................. 26
Hình 3.1 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ NaOH xử lý trong 1, 2 ngày đến cơ
tính modun đàn hồi kéo của composite sợi xơ dừa ...................................................... 27
Hình 3.2 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ NaOH xử lý trong 1, 2 ngày đến cơ
tính độ bền kéo của composite sợi xơ dừa ................................................................... 28
Hình 3.3 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ NaOH xử lý trong 1,2 ngày đến độ
bền liên diện của composite gia cường bằng sợi xơ dừa ............................................. 29

SVTH Nguyễn Thị Lệ

v


Hình 3.4 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ NaOH xử lý trong 1,2 ngày đến độ
bền va đập của composite sợi xơ dừa .......................................................................... 30
Hình 3.5 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ CaCO3 xử lý trong 1 ngày đến cơ tính
modun đàn hồi kéo của composite gia cường bằng sợi xơ dừa ................................... 31
Hình 3.6 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ CaCO3 xử lý trong 1 ngày đến độ bền
kéo của composite sợi xơ dừa ...................................................................................... 32
Hình 3.7 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ CaCO3 xử lý trong 1 ngày đến độ
bền liên diện của composite sợi xơ dừa ....................................................................... 32
Hình 3.8 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ CaCO3 xử lý trong 1 ngày đến cơ tính
va đập của composite sợi xơ dừa ................................................................................. 33
Hình 3.9 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 xử lý trong 1, 2, 3 ngày đến
cơ tính modun đàn hồi kéo của composite sợi xơ dừa ................................................. 34
Hình 3.10 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 xử lý trong 1, 2, 3 ngày đến
cơ tính độ bền kéo của composit sợi xơ dừa ................................................................ 35
Hình 3.11 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 xử lý trong 1, 2, 3 ngày
đến độ bền liên diện của composite sợi xơ dừa ........................................................... 36
Hình 3.12 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 xử lý trong 1, 2, 3 ngày
đến độ bền va đập của composite sợi xơ dừa............................................................... 37
Hình 3.13 Một số hình ảnh về sợi xơ dừa ................................................................... 38

SVTH Nguyễn Thị Lệ

vi


Chương mở đầu: Mục đích và phương pháp

Chƣơng mở đầu

MỤC ĐÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP

Nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của việc xử lý hóa học bề mặt sợi bằng phương
pháp hóa học đến cơ tính của composite như độ bền kéo, độ bền liên diện, và độ
bền va đập bằng cách so sánh tính chất của composite gia cường bằng sợi xơ dừa
chưa xử lý và đã xử lý. Qua đó tìm ra được cách xử lý tối ưu để làm tăng cơ tính
của vật liệu composite sợi xơ dừa, để áp dụng vào thực tế nhằm thay thế vật liệu
truyền thống.
Ngày nay, có nhiều phương pháp cải thiện độ bền liên diện của composite sợi
tự nhiên nghĩa là cải thiện bề mặt sợi tự nhiên hoặc nhựa giúp cho độ bám dính của
nhựa vào sợi tốt hơn đó là bằng phương pháp vật lý và hóa học.Trong đó phương
pháp vật lý khó thực hiện, chi phí cao, đồng thời kết quả cải thiện cơ tính khó đạt
được như mong muốn. Vì thế trong đề tài này chọn xử lý sợi theo phương pháp
hóa học do phương pháp đơn giản hơn phương pháp vật lý, và có thể được kết quả
như mong muốn đồng thời phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm. Chất dùng để
xử lý trong phương pháp hóa học này là NaOH, CaCO3, và KMnO4.
Phương pháp gia công composite sợi tự nhiên đẳng hướng không xử lý và đã
xử lý được sử dụng có nhiều ưu thế hơn so với sợi rối, sợi đan, sợi dệt vì tính chất
composite xác định dễ dàng. Đồng thời vì sức khỏe khi làm việc, gia công
composite cần thực hiện kín. Phương pháp gia công composite bằng máy RTM
(Resin transfer moulding) được sử dụng là hợp lý vì khí dễ bay hơi thấp hơn
phương pháp đắp tay, đồng thời phương pháp này có thể sử dụng nhiều loại nhựa,
bề mặt sản phẩm tốt, chi phí thấp….
Bên cạnh đó, nhằm xác định cơ tính của vật liệu composite thí nghiệm được
thực hiện bằng cách đo cơ tính kéo, độ bền liên diện( khả năng liên kết sợi và
nhựa), và độ bền va đập vì điều kiện thiết bị phòng thí nghiệm có thể đáp ứng.
Cuối cùng, chụp hình sợi bằng kính hiển vi các mẫu sợi chưa xử lý và xử lý.

SVTH Nguyễn Thị Lệ

1


Chương 1 Tổng Quan

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
Lịch sử hình thành và phát triển [11]: Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất
lâu trong cuộc sống, khoảng 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận
dụng composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự
dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu
composite từ khoảng 3000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ
thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre là những
sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội.
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến
vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công
sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyester không no và giải pháp
này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến
phục vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự
xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyester, nylon,…
Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo đã được đưa vào
sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự
vv...
Sau đây là một số hình ảnh về ứng dụng của vật liệu compsite:

Vợt tennis

Ôtô

Vật dụng gia đình

Hình 1.1 Một số ứng dụng của vật liệu composite

SVTH Nguyễn Thị Lệ

2


Chương 1 Tổng Quan

1.1 Sợi tự nhiên

Hình 1.2 Hình dạng sợi tự nhiên cơ bản
1.1.1 Cấu trúc vĩ mô của sợi tự nhiên
Cellulose là thành phần chính của sợi tự nhiên, chúng được tạo thành từ những sợi
rất nhỏ trong nền vô định hình gồm lignin và hemicellulose. Những sợi tự nhiên này
bao gồm nhiều sợi cơ bản liên kết với nhau dọc theo chiều dài sợi [14]. Nhóm liên
kết hydroxyl-OH và những liên kết khác tạo nên độ bền và độ cứng của sợi tự nhiên
[5].
1.1.2 Thành phần hóa học, khả năng kết tinh, tính chất của sợi tự nhiên.
1.1.2.1 Thành phần hóa học
Dưới đây là bảng thành phần hóa học một số sợi tự nhiên thông dụng:

SVTH Nguyễn Thị Lệ

3

Chương 1 Tổng Quan

Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số sợi tự nhiên [7]
Cellulose

Hemicellulose

Lignin

(% khối

(% khối

(%khối

lượng)

lượng)

lượng)

Lanh

71

18,6-20,6

2,2

2,3

1,7

8-12

Chuối

63-64

10

5

-

10-12

-

Gai

70-74

17,9-22,4

3,7-5,7

0,9

0,8

6,2-12

Đay

61,1-71,5

13,6-20,4

12-13

0,2

0,5

12,5-13,7

Xơ dừa

32-43

0,15-0,25

40-45

3-4

-

8

Bông

85-90

5,7

-

0-1

0,6

7,85-8,5

Sợi

Pectin (%
khối lượng)

Waxes
( % khối
lượng)

Độ ẩm (%
khối lượng

Cellulose là thành phần polymer chính của sợi tự nhiên đơn vị lặp lại của cellulose

là anhydro-D-glucose chứa 3 nhóm hydroxyl-OH. Các nhóm hydroxyl này hình
thành các liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân tử. Do đó, tất cả các sợi cellulose
tự nhiên điều mang bản chất ưa nước cao [13].

Hình 1.3 Công thức cấu tạo cellulose
Trong sợi tự nhiên ngoài thành phần chính là cellulose, sợi còn có chứa các hợp
chất khác như lignin, sáp, pectin, hemicellulose tùy thuộc vào từng loại sợi. Các sợi
hình thành từ các vi sợi đơn.
Hemicellulose có vô định hình, cấu trúc ngẫu nhiên với cường độ nhỏ nên dễ dàng
bị thủy phân. Hemicellulose là nguyên nhân gây thoái hóa sinh học, khả năng hút
ẩm, thoái hóa do nhiệt của sợi, hemicellulose chịu nhiệt kém.

SVTH Nguyễn Thị Lệ

4


Chương 1 Tổng Quan

Lignin có tác dụng lấp đầy khoảng trống trong thành tế bào từ cellulose,
hemicellulose, và thành phần pectin. Lignin cản trở sự hấp thụ nước vào thành tế
bào [3]. Có khả năng ổn định nhiệt cao hơn hemicellulose, là thành phần keo dính
cho sợi song nó là nguyên nhân gây ra thoái hóa do tia tử ngoại( UV) [5].
Bảng 1.2 Cơ tính một số sợi tự nhiên [7]
Sợi

Khối

lượng Độ giãn dài Độ bền kéo( Module

riêng( g/cm3)

Lanh

phá hủy( %)

MPa)

Young( GPa)

1,5

2,7-3,2

345-1035

27,6

Gai

-

1,6

690

-

Đay

1,3

1,5-1,8

393-733

26,5

Xơ dừa

1,2

30

175

4,0-6,0

1,5-1,6

7,0-8,0

287-597

5,5-12,6

Aramid

1,4

3,3-3,7

3000-3150

63-67

Carbon

1,4

1,4-1,8

4000

230-240

Bông

Dựa vào bảng thể hiện cơ tính một số sợi tự nhiên trên ta thấy độ giãn dài phá hủy
của sợi xơ dừa là cao hơn rất nhiều so với các sợi tự nhiên khác, về khối lượng riêng
nhìn chung sợi xơ dừa cũng gần tương đương với các sợi tự nhiên khác. Chính vì
thế khi gia cường sợi xơ dừa có thể sẽ làm tăng cơ tính cho composite.
Gần đây, sợi tự nhiên gia công composite đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên
cứu vì lợi ích của nó so với các vật liệu khác như [1]:
 Thân thiện với môi trường, phân hủy hoàn toàn.
 Nguồn nguyên liệu tái tạo được
 Đáp ứng lợi ích kinh tế cho ngành công nghiệp( chi phí thấp và hiệu suất
cao)
 Cách âm, và cách nhiệt tốt
Bên cạnh lợi ích sợi tự nhiên còn khó khăn:

 Cơ tính sợi không ổn định
 Tính hút ẩm
 Độ bền lâu thấp

SVTH Nguyễn Thị Lệ

5


Chương 1 Tổng Quan

1.1.2.2 Khả năng kết tinh của cellulose [13]
Các vật liệu composite sợi tự nhiên có các vùng vô định hình và vùng kết tinh, đồng
thời có mức độ tổ chức cao. Tỷ lệ vùng kết tinh với vùng vô định hình tùy thuộc
vào nguồn gốc xuất xứ của vật liệu. Sợi bông, đay và sợi gai có mức độ kết tinh cao
nhất (65-70%) nhưng sự kết tinh của cellulose chỉ ở mức (35-40%). Sự loại trừ dần
dần các phần ít trật tự bởi sự hoà tan trong dung môi hay sự tấn công của vi khuẩn
sẽ làm các cellulose trong vi sợi gia tăng sự trật tự sắp xếp, dẫn đến kết tinh cao gần
100%. Sự kết tinh của cellulose một phần là nhờ các liên kết hydro giữa các mạch
cellulose.
1.1.2.3 Tính chất của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên thành phần chủ yếu là cellulose. Do cấu trúc của cellulose, có nhiều
nhóm hydroxyl có thể liên kết với nước thông qua việc tạo liên kết với hydro nên
các sợi tự nhiên có tính phân cực cao.
1.1.3 Kích thƣớc sợi tự nhiên [13]
Sợi nhân tạo hình thành theo nhả tơ của nhện có cấu trúc hình ống trụ với đường
kính tương đối điều đặn cũng như về diện tích bề mặt riêng. Sợi tự nhiên thì không
được như vậy, nó có nhiều khuyết tật cũng như gấp khúc trên bề mặt sợi ở những
điểm nối kết. Khuyết tật có từ sự xoắn bện của cellulose. Một thông số quan trọng
của kết cấu hình học là tỉ số kích thước (chiều dài/ đường kính) là một yếu tố ảnh

hưởng đến vật liệu composite. Yếu tố này thay đổi mạnh do sự chà xát trong quá
trình gia công sợi.
Sợi tự nhiên khi ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như nước,
dimethylforamide, pyredine thì sẽ bị trương nở. Các nhóm hydroxyl trong mạch
cellulose của sợi đang trương nở vẫn còn có thể tiếp tục phản ứng hóa học khác
như các phân tử dung môi phân cực thì bị giữ lại bên trong cấu trúc cellulose.
Ngược lại, các môi trường không phân cực như benzen, toluene, xăng thì buộc các
nhóm hydroxyl quay đầu trở lại vào bên trong cấu trúc của mạch cellulose. Các
phân tử dung môi không phân cực này có khả năng thay thế dần phân tử dung môi
phân cực đang bị bẫy giữ lại bên trong bó sợi cellulose chuyển môi trường từ phân
cực sang thấp phân cực hơn. Nhờ vậy, nó tạo và duy trì được một môi trường không
phân cực bên trong sợi cellulose đang trương nở.

SVTH Nguyễn Thị Lệ

6


Chương 1 Tổng Quan

1.2 Composite sợi tự nhiên
1.2.1 Khái niệm về vật liệu composite [11]
Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác
nhau, nhằm mục đích tạo ra 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
composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các
thành phần composite được liên kết.
Vật liệu gia cường

Vật liệu nền

Hình 1.4 Cấu tạo vật liệu composite
1.2.2 Tính chất composite sợi tự nhiên
Tính chất của composite sợi tự nhiên được xác định bởi tính chất của sợi và vật liệu
nền, tỉ lệ thể tích sợi, tỉ số hình dạng sợi, hướng của sợi đối với hướng lực tác dụng
và liên diện sợi và nhựa, một vấn đề không kém phần quan trọng đó là độ ổn định
nhiệt của sợi.
1.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của composite sợi tự nhiên [5]
1.2.3.1 Độ ổn định nhiệt của sợi tự nhiên
Sợi tự nhiên là hổn hợp phức tạp của vật liệu hữu cơ. Vì thế, xử lý nhiệt dẫn đến
những thay đổi khác nhau về mặt vật lý và hóa học. Chúng bắt đầu thoái hóa ở nhiệt
độ 2000C, sự thoái hóa do nhiệt của sợi tự nhiên theo hai giai đoạn cơ bản
 Giai đoạn 1 trong khoảng nhiệt độ từ 200-2500C, liên quan đến sự thoái hóa
hemicellulose
 Giai đoạn 2 trong khoảng nhiệt độ từ 250-3000C phụ thuộc chủ yếu vào hàm
lượng lignin.
Sợi tự nhiên phân hủy trong khoảng nhiệt độ 400-6000C. Sự thoái hóa sợi tự nhiên
là vấn đề chủ yếu trong việc nghiên cứu phát triển và sử dụng composite sợi tự
nhiên. Xử lý sợi bằng phương pháp hóa học có thể dùng để cải thiện tính ổn định
nhiệt của sợi tự nhiên bằng cách phủ hoặc liên kết các sợi với monomer. Việc xử lý

SVTH Nguyễn Thị Lệ

7


Chương 1 Tổng Quan

sẽ làm tăng nhiệt độ bắt đầu thoái hóa, làm giảm tốc độ thoái hóa và tổng khối
lượng vật liệu mất đi.

1.2.3.2 Khả năng hút ẩm của sợi
Do cấu trúc hóa học của sợi tự nhiên có nhiều nhóm hydroxyl có thể tương tác với
nước thông qua việc tạo liên kết hydro. Sợi tự nhiên tương tác không chỉ bề mặt mà
còn ngay cả bên trong bó sợi. Lượng phân tử hấp thụ phụ thuộc và cân bằng theo độ
ẩm tương đối của không khí, sự hút ẩm của sợi phụ thuộc vào:
- Độ tinh khiết của sợi tự nhiên. Ví dụ sợi sisal chưa rửa kiềm có mức độ
hấp thụ nước ít gấp hai lần so với sợi sisal sau khi rửa kiềm. Do thành phần pectic
có trong sợi sisal chưa rửa kiềm.
- Mức độ kết tinh: tất cả nhóm hydroxyl trong pha vô định hình đều tương
tác với nước trong khi chỉ vài số ít các nhóm hydroxyl trong vùng kết tinh tương tác
với nước.
Sự hút nước của sợi tự nhiên sẽ làm thay đổi kích cỡ của composite, đồng thời làm
liên kết sợi và nhựa kém đi. Do đó, làm ảnh hưởng đến cơ tính của compsite sợi tự
nhiên.
Trong quá trình gia công composite độ ẩm của sợi ảnh hưởng việc gia công và sản
phẩm có bọt khí. Việc xử lý sợi cũng nhằm làm giảm sự hút ẩm trở lại của sợi.
1.2.3.3. Sự thoái hóa do vi khuẩn và do ánh sáng của sợi tự nhiên
Hemicellulose là tác nhân chính gây ra sự thoái hóa do vi khuẩn, trong khi đó lignin
gây ra sự thoái hóa do ánh sáng
Những sợi tự nhiên bị thoái hóa do vi sinh vật bởi vì chúng có thể nhận ra những
polymer có gốc carbohydrate trên thành tế bào. Những lignocellulosic để ngoài trời
bị thoái hóa sinh học và bức xạ tia UV. Khả năng chống lại sự thoái hóa sinh học và
bức xạ tia UV, có thể cải thiện bằng liên kết hóa học lên polymer của thành tế bào
hoặc bằng cách thêm polymer vào nền tế bào.
1.2.3.4 Liên diện giữa sợi và nhựa
-

Bản chất và vai trò của liên diện

Vật liệu composite được gia cường bằng sợi gồm 3 pha:

 Bề mặt bên ngoài sợi
 Liên diện sợi và nhựa
 Pha trung gian

SVTH Nguyễn Thị Lệ

8


Chương 1 Tổng Quan

Những pha này được gọi chung là liên diện. Liên diện đóng vai trò truyền tải những
tác động từ nhựa đến sợi gia cường, ngăn chặn các lỗ xốp và sự thoái hóa do môi
trường. Do đó, liên diện của sợi và nhựa nền cao thì tính chất composite tối ưu nhất.
Tính liên diện phụ thuộc vào liên kết tại liên diện, hình dạng, cấu trúc xung quanh
liên diện và tính chất vật lý, hóa học của những thành phần
Độ bền liên diện phản ánh bởi 3 yếu tố:
 Độ bền xé của nhựa và sợi
 Ma sát giữa sợi và nhựa
 Độ bền liên kết hóa học giữa sợi và nhựa
-

Liên diện giữa sợi tự nhiên và nhựa [13]

Nhược điểm chính của sợi cellulose là bản chất phân cực cao làm chúng không
tương thích với các polymer không phân cực. Hiện tại, có một số loại polymer làm
nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên
 Nhựa nhiệt rắn: polyester không no, vinylester, phenolformaldehyde,
melamineformaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy.
 Nhựa nhiệt dẻo: polyethylene, polystyrene, polypropylene.

Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học của chúng.
Ái lực này liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi. Ái lực của nhựa phụ thuộc
vào sự tương đồng tính phân cực của nhựa với tính phân cực của sợi tự nhiên. Độ
phân cực được sắp xếp theo thứ tự sau:
Phenolformaldehyde, melamineformaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy >
vinylester> polyester không no> polyethylene, polystyrene, polypropylene.
Sự truyền ứng suất ở liên diện giữa hai pha sợi và nhựa nền được xác định bởi mức
độ kết dính. Sự kết dính mạnh của nhựa và sợi ở liên diện là cần thiết để truyền hiệu
quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua liên diện. Do đó, để có một
cơ tính tốt của vật liệu composite, sự cải thiện và kiểm soát tính kết dính ở liên diện
trở thành mối quan tâm. Vì thế việc biến tính của đề tài được chọn này là theo
phương pháp hóa học.

SVTH Nguyễn Thị Lệ

9


Chương 1 Tổng Quan

1.3 Tổng quan về sợi xơ dừa
1.3.1 Cấu tạo quả dừa

Chỉ xơ và mụn dừa
Vỏ ngoài
Gáo dừa
Cơm dừa

Hình 1.5 Cấu tạo quả dừa [14]
Quả dừa thường có hình dạng quả trứng, hình dạng của nó tùy thuộc vào giống dừa,

đồng thời giống dừa cũng xác định độ lớn của quả.
Cấu tạo quả dừa gồm có 4 lớp. Vỏ ngoài cứng, nhẵn, nổi rõ 3 gờ. Kế đến là các sợi
xơ dừa, có nhiều mụn dừa bao quanh gáo dừa, gáo dừa hóa gỗ nên khá cứng, có 3 lỗ
mầm có thể nhìn thấy khi bóc vỏ ngoài. Thường hai lỗ nhỏ hơn cứng, lỗ còn lại
mềm. Mầm hay phôi nằm ngay dưới lỗ mềm đó, khi nảy mầm, mầm chui qua lỗ
mềm đó để mọc ra ngoài. Lớp trong cùng là cơm dừa phát triển đầy đủ khoảng 300
ngày và khoảng 1 năm thì gáo hoàn toàn cứng và chín.
Bảng 1.3 Tỉ lệ khối lượng trung bình của các thành phần trong một quả dừa [10]
Tỉ lệ (%) khối lượng so
với quả

Vỏ

Gáo

Cơm dừa

Nước

35

12

28

25

Phần vỏ bao gồm phần xơ dừa, chất lượng sơ dừa phụ thuộc vào từng loại dừa,
vùng trồng dừa.
1.3.2 Cấu trúc thành phần và tính chất của sợi xơ dừa

Sợi xơ dừa tương đối ngắn so với sợi tự nhiên khác. Các tế bào của nó dài chừng
1mm, và chiều dài cơ bản của sợi khoảng từ 15-35 cm. Đường kính của của sợi có

SVTH Nguyễn Thị Lệ

10


Chương 1 Tổng Quan

thể thay đổi từ 0,1-1,5 mm. Độ giãn dài của sợi có thể kéo ra được 30% so với chiều
dài ban đầu.
Khả năng của sợi xơ dừa có thể kéo dài quá giới hạn ban đầu mà không bị đứt là
điều rất quan trọng. Sức chịu kéo của sợi xơ dừa giảm đi ít sau khi được ngâm
nước. Khả năng nổi trên mặt nước và sức chống chọi đối với vi khuẩn nước mặn là
rất tốt. Bên cạnh đó, sợi xơ dừa rất nhiều ở nước ta và cũng rất rẻ tiền.
Sau đây là bảng thành phần hóa học cơ bản của sợi xơ dừa
Bảng 1.4 Thành phần hóa học và đặc tính của sợi xơ dừa [6]
Thành phần hóa học

% khối

Đặc tính sợi

lƣợng

Lignin

45,84

Chiều dài

6-8 inch

Cellulose

43,44

Mật độ

1,4g/cc

Hemicellulose

00,25

Độ dãn dài

30%

Pectin và hợp chất liên quan

03,00

Đườn kính sợi

0,1-1,5mm

Độ hòa tan trong nước

05,25

Độ trương trong nước

5%

Tro

02,22

Độ ẩm 65% RH

10,5%

1.3.3 Công dụng của sợi xơ dừa
Sợi xơ dừa là loại sợi đa năng có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, sau đây về
một số hình ảnh về ứng dụng của sợi xơ dừa

Hình 1.6 Thảm xơ dừa

SVTH Nguyễn Thị Lệ

Hình 1.7 Cuộn chỉ xơ dừa bện dầy thừng

11


Chương 1 Tổng Quan

1.4 Tổng quan về phƣơng pháp gia công Composite bằng máy RTM

1.4.1 Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp RTM [9]
Chuyển nhựa đúc bằng phương pháp (RTM) là một quá trình kín khuôn áp suất
thấp, cho phép chế tạo các vật liệu tổng hợp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp và
kích thước từ nhỏ đến rất lớn (Johnson 1987).
sợi gia cường

1. Đặt sợi vào trong khuôn

2. Đóng khuôn lại
Sản phẩm

nhựa vào
3. Bơm nhựa vào

4. Tháo sản phẩm ra khỏi khuôn

Hình 1.8 Quy trình gia công tấm Composite bằng phương pháp RTM [9]
Trong phương pháp RTM, sợi được đặt vào hốc khuôn. Khối lượng sợi trong
khoảng 30-60% thể tích (Advani 1994). Khi khuôn được đóng lại, trộn nhựa được
chuyển vào khuôn thông qua cổng phun ở áp suất tương đối thấp.
Phun áp suất thường ít hơn 690 kPa (hoặc 100 psi). Sau đó gia nhiệt khuôn, cho
nhựa đóng rắn. Sau khi nhựa đóng rắn tháo khuôn ra lấy sản phẩm
Chú ý: việc cân bằng giữa tốc độ gel hóa với thời gian chuyển nhựa vào khuôn và
thời gian điền đầy nhựa trên khoảng trống trong sợi là rất cần thiết.
Chu trình thời gian thực hiện phương pháp RTM là toàn bộ thời gian thực hiện từng
bước trong suốt thời gian đúc khuôn như sau:

SVTH Nguyễn Thị Lệ

12

Chương 1 Tổng Quan

Chu trình thời gian = thời gian làm sạch khuôn + thời gian chuẩn bị khuôn + thời
gian xếp sợi trên khuôn + thời gian đóng khuôn + thời gian gel hóa của nhựa + thời
gian đóng rắn của nhựa + thời gian tháo khuôn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tấm composite bằng phương pháp
RTM là:
 Đặt tính sợi gia cường
 Đặt tính nhựa
 Áp suất phun
 Nhiệt độ khuôn
 Áp suất chân không của hệ thống
 Thời gian điền đầy khuôn
 Thiết kế khuôn
1.4.2 Đặc tính của phƣơng pháp RTM [9]
Các ưu điểm của phương pháp RTM:
 Bề mặt sản phẩm tốt hơn so với phương pháp đắp tay kỹ thuật.
 Một loạt hệ thống nhựa có thể được sử dụng
 Hình dạng lớn và phức tạp có thể được thực hiện có hiệu quả và tiết kiệm chi
phí thông qua việc sử dụng các preforms.
 Chu kỳ sản xuất ngắn hơn đắp tay.
 Khí thải dễ bay hơi thấp bởi vì RTM là một quá trình đóng khuôn vì thế hạn
chế ảnh hưởng sức khỏe khi làm việc.
Các khuyết điểm của phương pháp RTM
 Thiết bị tốn kém
 Quá trình gia công nhiều công đoạn thời gian thực hiện lâu
 Vệ sinh thiết bị khó khăn

SVTH Nguyễn Thị Lệ

13