Nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polypropylen (pp) gia cường bằng mat luồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU
COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN
(PP) GIA CƯỜNG BẰNG MAT LUỒNG

NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HOÁ HỌC
MÃ SỐ:

PHAN THỊ TUYẾT MAI

Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. TRẦN VĨNH DIỆU


HÀ NỘI 2007
PHAN THỊ TUYẾT MAI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HOÁ HỌC

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HOÁ HỌC

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU
COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN
(PP) GIA CƯỜNG BẰNG MAT LUỒNG

PHAN THỊ TUYẾT MAI
2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

1

MỤC LỤC
Mục lục

Trang

Lời cảm ơn

5

Lời cam đoan

6

MỞ ĐẦU

7

PHẦN 1
1.1

TỔNG QUAN

9

TÍNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT
LIỆU PC TRÊN NỀN NHỰA PP GIA CƯỜNG BẰNG

9

SỢI THỰC VẬT
1.1.1

Giới thiệu về vật liệu PC gia cường sợi thực vật

9

1.1.1.1

Sợi thực vật

10

a

Ưu điểm của sợi thực vật

11

b

Nhược điểm của sợi thực vật

11

1.1.1.2

Nhựa nền

11

1.1.1.3

Compozit gia cường sợi thực vật

15

1.1.2

Ứng dụng và triển vọng phát triển của vật liệu PC gia
cường bằng sợi thực vật

18

1.2

SỢI LUỒNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

19

1.2.1

Giới thiệu về sợi luồng

19

1.2.2

Cấu tạo của luồng

20

1.2.2.1

Cấu trúc vật lý của luồng

20

1.2.2.2

Cấu trúc giải phẫu của luồng

20

1.2.3

Thành phần hoá học của luồng

22

1.2.3.1

Xenlulo

23

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

2

1.2.3.2

Hemixenlulo

24

1.2.3.3

Lignin

26

1.2.3.4

Các chất vô cơ

27

1.2.3.5

Thành phần tan trong nước

27

1.2.4

Tính chất của luồng

28

1.2.4.1

Tính chất hoá học của luồng

28

1.2.4.2

Tính chất cơ học của luồng

28

1.2.5

Các phương pháp chế tạo sợi luồng

29

1.2.5.1

Phương pháp cơ học

30

1.2.5.2

Phương pháp tách nổ bằng hơi nước

30

1.2.6

Các phương pháp xử lý bề mặt sợi luồng

31

1.2.6.1

Phương pháp vật lý

31

1.2.6.2

Phương pháp hoá học

31

1.2.7

Ưu nhược điểm của sợi luồng

35

1.2.7.1

Ưu điểm

35

1.2.7.2

Nhược điểm

36

1.2.8

Ứng dụng của luồng

36

1.3

VAI TRÒ CỦA CHẤT TRỢ TƯƠNG HỢP

36

1.3.2

Giới thiệu về vai trò của chất trợ tương hợp

36

1.3.3

Các phương pháp đánh giá khả năng tương hợp giữa
nhựa nền và sợi gia cường

PHẨN 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

38
42

2.1

Nguyên liệu và hoá chất

42

2.2

Phương pháp chế tạo vật liệu compozit

43

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

3

2.2.1

Phương pháp chế tạo mat luồng

43

2.2.2

Phương pháp chế tạo nhựa nền

45

2.2.3

Phương pháp chế tạo vật liệu compozit

46

2.3

Phương pháp xác định tính chất của sợi luồng

47

2.3.1

Đo độ bền kéo của sợi luồng

47

2.3.2

Đo độ bền bám dính sợi luồng – PP/MAPP

48

2.3.3

Phương pháp phân tích góc tiễp xúc DCA

49

2.4

Phương pháp xác định tính chất cơ học của compozit

51

2.4.1

Độ bền kéo

51

2.4.2

Độ bền uốn

52

2.4.3

Độ bền va đập

52

2.4.4

Phương pháp xác định hàm lượng ẩm

53

2.4.5

Khảo sát quá trình khuyếch tán của nước vào vật liệu

53

2.5

Phương pháp kiểm tra cấu trúc của vật liệu

55

2.5.1

Khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu bằng ảnh SEM

55

2.5.2

Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại IR

55

2.5.3

Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA

56

PHẦN 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

57

3.1

Chế tạo và xử lý bề mặt sợi luồng

57

3.1.1

Đặc trưng bề mặt sợi luồng trước và sau khi xử lý

57

3.1.2

Phân tích phân bố độ bền kéo của sợi luồng

60

3.2

Khả năng tương hợp giữa bề mặt sợi luồng-P/MAPP

62

3.2.1

Độ bền bám dính giữa bề mặt sợi luồng và nhựa nền

63

3.2.2

Năng lượng bề mặt và khả năng thấm ướt của sợi luồng

67

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

4

3.3

Tính chất cơ học compozit PP/MAPP - mat luồng

3.3.1

Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tính chất cơ học của
vật liệu PC

72
72

3.3.2

Độ khuyếch tán nước vào vật liệu PC

75

3.3.2.1

Sự hấp thụ nước của vật liệu PC

75

3.3.2.2

Sự ổn định kích thước của vật liệu PC

78

KẾT LUẬN

80

ABSTRACT

81

TÀI LIỆU THAM KHẢO

83

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

5

Lêi c¶m ¬n
Trong suốt thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận
văn tốt nghiệp cao học, được sự giúp đỡ của các thầy cô, cán
bộ Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme Trường Đai học
Bách Khoa Hà Nội nay luận văn của em đã hoàn thành. Với
lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn toàn thể các
thầy cô, cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme,
đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn GS. TSKH. Trần Vĩnh Diệu
đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.

Hà nội, ngày 15 tháng 04 năm 2007
Học viên
Phan Thị Tuyết Mai

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng có ai khác công bố trong
bất kỳ công trình nào.

Học viên
Phan Thị Tuyết Mai

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

7

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, do áp lực về bảo vệ môi trường nên nhiều nước trên
thế giới đang tập trung vào việc sử dụng sợi tự nhiên có nguồn gốc thảo mộc một loại nguyên liệu có khả năng tái tạo để gia cường cho vật liệu polyme
compozit (PC).
Vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh đã và đang được ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật song gặp khó khăn trong việc tái sinh vì phải
đầu tư lớn cho thiết bị và tốn nhiều năng lượng.
Ở những nước có nền công nghiệp chế tạo ôtô phát triển như Nhật, Đức,
Hoa Kỳ…, vật liệu PC trên cơ sở polypropylen (PP) gia cường bằng sợi thuỷ
tinh ngắn đang được sử dụng để làm các chi tiết ngăn cách trong ôtô. Tuy nhiên,
khi tái sinh theo phương án tái tạo năng lượng (đốt) gặp phải trở ngại lớn là chỉ

có PP cháy còn sợi thuỷ tinh nóng chảy vón thành cục làm tắc lò đốt. Do vậy,
người ta đã nghiên cứu thay thế sợi thuỷ tinh bằng sợi thực vật để khắc phục trở
ngại nói trên, nghĩa là vật liệu PC có khả năng cháy hoàn toàn.
Từ đầu năm 2004 đến nay Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu và phát triển tài
nguyên tre của Doshisha University, Kyoto, Nhật Bản để nghiên cứu sử dụng
luồng làm sợi gia cường cho vật liệu PC trên cơ sở nền nhựa nhiệt dẻo và nhiệt
rắn.
Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme nghiên cứu sử dụng hai loại sợi
luồng: sợi ngắn và sợi dài. Vật liệu PC trên cơ sở PP gia cường bằng sợi luồng
ngắn đã được ứng dụng để chế tạo các đệm (giá thể) cho phép tháp hấp thụ trong
hệ thống xử lý môi trường hay công nghiệp hoá học.

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

8

Do sợi luồng tương đối cứng nên khó chế tạo thành sợi (bó sợi) để dệt
thành vải nếu không có những xử lý đặc biệt khá tốn kém. Chính vì vậy, nhiệm
vụ ưu tiên trước mắt là chế tạo mat luồng đã gia cường cho nhựa PP và khảo sát
tính chất cơ học của vật liệu PC tạo thành.
Luận văn thạc sĩ này thực hiện một phần nội dung của đề tài KHCN cấp
nhà nước: “ nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu compozit trên cơ sở nhựa
polypropylen (PP) gia cường bằng mat luồng”.

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

PHẦN 1

9

TỔNG QUAN

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ
SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu polyme compozit sợi thực vật
1.1.1.1. Sợi thực vật
Các tế bào hoặc các nhóm tế bào của sợi thực vật chính quyết định độ bền
và độ cứng của chúng. Trong sợi tự nhiên xenlulo được bao bọc bởi các phần
mạng vô định hình như lignin và hemixenlulo. Các sợi có cấu trúc bó bao gồm
các sợi nhỏ kết hợp với nhau tạo thành sợi lớn. Mỗi sợi đơn trên cơ sở tự nhiên
bao gồm một vài tế bào. Các tế bào này được tạo ra bởi cấu trúc sợi rất nhỏ của
xenlulo. Các sợi nhỏ tạo thành cấu trúc lớp nhờ sự gắn kết các phần vô định hình
là lignin và hemixenlulo. Xenlulo là polyme tự nhiên có độ bền và độ cứng
riêng cao, và chúng cấu tạo nên vật liệu có các vi xơ sắp xếp dọc theo chiều dài.
Liên kết hydro giữa các sợi nhỏ với nhau và với các sợi lớn tạo thành độ bền và
độ cứng của sợi.
Thành phần hoá học và các thông số cấu trúc của một số loại sợi thực vật được
trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 : Đặc tính vật lý của một số sợi tự nhiên.

Sợi tự nhiên

Tỷ trọng
Kg.m-3

Góc tế vi

Xenlulo, %

Lignin,%

Xơ dừa

1150

30 ÷ 49

43

45

Chuối

1350

11

65

5

Đay

1450

8,1

63

11,7

Tre

600 ÷ 800

2 ÷ 10

60,8

32,2

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

10

Tính chất cơ lý của một số loại sợi sử dụng để gia cường cho vật liệu compozit
được trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Tính chất cơ lý của một số loại sợi [2]
STT Loại sợi

Trọng lượng

Độ bền

riêng

kéo đứt

(g/cm3)

(MPa)

Modul
(GPa)

Modul
riêng
(GPa)

1

Đay

1,3

393

55

38

2

Sisal

1,3

510

28

22

3

Lanh

1,5

344

27

50

5

Dứa

1,56

170

62

40

6

Tre

1,1

600

70

64

7

Sợi thuỷ tinh -E

2,5

3400

72

28

Cấu trúc tế bào của sợi thực vật được giới thiệu trong hình 1[1]

Khoang (lumen)
Thành thứ cấp (“fibril” của xenlulo
trong nền lignin/hemixenlulo)
Thành sơ cấp (“fibril” của xenlulo
trong nền lignin/hemixenlulo)

Hình 1. Cấu tạo của tế bào sợi tự nhiên
a. Ưu điểm của sợi thực vật
Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

11

Sợi tự nhiên có khối lượng riêng thấp, độ bền riêng và độ cứng vững
(stiffness) cao hơn sợi thuỷ tinh; điều này có lợi đặc biệt khi thiết kế các chi tiết
uốn cần độ cứng vững cao. Chúng có khả năng tái sinh, tiêu tốn ít năng lượng,
tiêu thụ CO 2 và tái sinh ra khí O 2 trả lại môi trường. Chúng có khả năng tạo ra
nguyên liệu và sản phẩm chất lượng với các thiết bị có giá cả hợp lý. Ngoài ra

còn một số đặc điểm như dễ gia công, ít mài mòn dụng cụ, điều kiện làm việc
tốt hơn, và vấn đề không gây kích ứng da cũng được đặc biệt quan tâm. Sợi thực
vật là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo và phân huỷ sinh học.
b. Nhược điểm của sợi thực vật
Sợi thực vật có độ bền thấp, đặc biệt là độ bền va đập. Chất lượng sợi phụ
thuộc vào nhiều yếu thay đổi ví dụ như thời tiết, mùa vụ . Khả năng hấp thụ ẩm
cao dẫn tới làm sợi bị trương nở. Nhiệt độ gia công tối đa bị hạn chế, độ bền lâu
thấp. Việc xử lý sợi có thể cải thiện đáng kể những vấn đề này. Khả năng chống
cháy của sợi thấp. Giá cả của sợi có thể thay đổi theo mùa vụ.
1.1.1.2. Nhựa nền
Pha nền đóng vai trò quan trọng quyết định tính chất cuối cùng của vật
liệu PC. Cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo đều được sử dụng làm nhựa nền cho
compozit. Tuy nhiên do tính bền nhiệt của sợi thực vật kém, giới hạn bền nhiệt
của nó chỉ khoảng 2300C, nên các loại nhựa nền lựa chọn phải có nhiệt đó gia
công thấp hơn 2300C. Đây cũng là một trong những hạn chế trong việc lựa chọn
nhựa nền.
Ngày nay nhựa nhiệt dẻo đã và đang đưa ra một số lợi thế vượt trội hơn
nhựa nhiệt rắn như giá thành gia công thấp hơn, có thể tạo các chi tiết có hình
dáng cấu trúc phức tạp hơn. Một số phương pháp gia công thường sử dụng là ép
phun và ép đùn. Những loại nhựa nhiệt dẻo thường sử dụng với sợi tự nhiên là

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

12

polypropylen (PP), polyetylen (PE), polystyren (PS) và polyvinylclorit (PVC).
Đối với các loại compozit nhiệt dẻo, sự phân bố sợi là rất quan trọng, nó tạo nên
độ sít chặt của sợi trong sản phẩm. Vật liệu compozit nhiệt dẻo có tính dẻo, độ
sít chặt cao và tính chất cơ học tốt. Ngoài ra, tính chất cơ học của vật liệu
compozit nhiệt dẻo còn chịu ảnh hưởng của chế độ gia công và sự định hướng
của sợi trong compozit.
Bên cạnh đó nhựa nhiệt dẻo còn có ưu điểm là khả năng tái sinh. Do vậy
có thể tận dụng nhựa nhiệt dẻo tái sinh để làm nền cho compozit cốt sợi thực vật.
Hiện nay lượng chất thải rắn có nguồn gốc từ nhựa nhiệt dẻo đang không ngừng
tăng lên. Theo thống kê năm 2000, trên thế giới có khoảng 24 triệu tấn rác thải
loại này, chủ yếu là LDPE, LLDPE, ngoài ra còn có PP, PET và PS...[3]
PP là một loại nhựa nhiệt dẻo tương đối rẻ tiền đã được nghiên cứu nhiều
nhất và sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô để chế tạo các chi tiết bên
trong và trong nhiều ngành công nghiệp khác từ những năm cuối thế kỷ 20.
PP là nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trùng hợp các
monome propylen. Các monome có thể kết hơp với nhau theo nhiều cách tạo nên
các đoạn mạch polyme có hình thái cấu tạo khác nhau ảnh hưởng đến khả năng
kết tinh của polyme. Do vậy nhựa PP là một hệ dị thể hai pha bao gồm cả pha
tinh thể và pha vô định hình. PP thương mại có khối lượng phân tử từ 38.000 đến
60.000. Tuỳ thuộc vào hình thái sắp xếp của các monome trong mạch đại phân tử
PP có các đồng phân sau [21]:
- PP dạng đồng phân atactic: Loại này không có khả năng kết tinh do vậy có
tính chất không tốt như kém bền nhiệt, dung môi và mềm...
- PP dạng đồng phân izotactic: Có khả năng kết tinh, hàm lượng tinh thể
cao, độ đa phân tán bé... tạo ra khả năng ứng dụng rộng rãi bởi tính bền

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007

LUẬN VĂN CAO HỌC

13

nhiệt, dung môi, khoảng nhiệt độ chảy mềm bé và độ cứng cao. Hầu hết
các loại nhựa PP trên thị trường bao gồm thành phần chính là đồng phân
này, tuy nhiên sản phẩm vẫn chứa một lượng nhỏ đồng phân dạng atactic.
- PP dạng đồng phân syndiotactic: Loại này ít thấy trên thị trường.
Tính chất cơ lý của PP phụ thuộc nhiều vào hàm lượng PP izotactic, tính chất cơ
lý của PP có hàm lượng izotactic 98% trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.11. Một số đặc trưng kỹ thuật của nhựa PP
Tỷ trọng (g/cm3)

0,9 – 0,91

Độ bền kéo (MPa)

26 – 35

Độ bền uốn (MPa)

25 – 40

Độ bền nén
Độ dãn dài tương đối (%)
Độ cứng theo Rockwell
Điểm nóng chảy (0C)
Độ dẫn nhiệt (Cal/cm.s.0C)
Nhiệt dung (Cal/g. C)

0

Nhiệt độ sử dụng tối đa (0C)
Tang góc tổn hao điện môi ở 106 Hz
Điện áp đánh thủng (kV/mm)
Hằng số điện môi ở 106 Hz

60 – 70
500 – 700
85 – 95
164 – 170
3,3 104
0,46
150
0,0002 – 0,0003
30 – 32
2,0 – 2,2

- Tính chất nhiệt: là tính chất quan trọng nhất của PP, PP có nhiệt độ nóng chảy
cao từ 160 – 1700C nên nhiệt độ sử dụng nằm ở giới hạn cao nhưng chịu nhiệt dộ
kém. Nếu không có tác động bên ngoài thì đến 1500C PP vẫn không bị biến
dạng. Ở 1400C dưới tải trọng PP còn ở thể rắn, nhưng ở gần nhiệt độ nóng chảy

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

14

PP chuyển sang trạng thái mềm như cao su. Độ nhớt của PP giảm theo khối
lượng phân tử và khi nhiệt độ tăng. Khi hạ từ từ nhiệt độ nóng chảy xuống 1200C
PP bắt đầu kết tinh. Trong quá trình tạo hạt có chất ổn định thì ở 3000C PP
không bị oxy hoá mà chỉ bị phân huỷ sau vài giờ đốt nóng trong không khí.
Các tạp chất, kim loại hay các hợp kim chứa Cu, Mn ảnh hưởng xấu đến
tính chất nhiệt của PP. Do vậy trong quá trình gia tránh việc tiếp xúc PP với các
kim loại trên.
PP bền ánh sáng rất kém, nên vấn đề ổn định ánh sáng cho PP là vấn đề
cốt yếu trong gia công. Dưới tác dụng trực tiếp của ánh sáng mặt trời chỉ sau vài
tháng PP đã trở thanh dòn. Để kéo dài thời gian sử dụng cần cho thêm chất
chống oxyhoá, chất chống lão hoá dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời (than
đen). Nếu chỉ cho vào một lượng rất nhỏ muội than đen nó có thể làm việc trực
tiếp dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời mà tính chất của nó giảm không đáng
kể, khoảng 20 năm. Tính chất cơ lý của PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử
trung bình, độ đồng đều của nó. Nếu hàm lượng atactic giảm và khối lượng phân
tử tăng thì tính chất của PP tốt hơn.[19]
- Độ bền hoá học: Ở nhiệt độ thường PP bền với hầu hết các dung môi. Nó chỉ bị
trương trong một số dung môi thơm và hydrocacbon clo hoá. PP không bị giòn
và thay đổi tính chất khi tiếp xúc với các dung môi có cực ngay cả khi tiếp xúc
trong thời gian dài. PP bền với H 2 SO 4 đặc 80% ở nhiệt độ thường, và ổn định
với axit HNO 3 50%, tuy nhiên kém bền với HNO 3 90%, với nồng độ này PP bị
phân huỷ ở 700C. Đối với các dung dịch NaOH 40% PP bền cho đến 1100C. Tất
cả các loại PP đều thấm nước rất ít. Độ thấm ướt trên bề mặt khoảng 2%, dù độ
ẩm của môi trường là bao nhiêu thì tính chất của PP không thay đổi.

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007

LUẬN VĂN CAO HỌC

15

- Tính gia công: PP có thể gia công bằng các phương pháp ép đùn, ép
phun, tạo hình nhiệt, thổi....Trong đó đặc trưng về chỉ số chảy của mỗi loại PP là
thông số quan trọng với mỗi phương pháp gia công. Tuỳ thuộc vào phương pháp
gia công cụ thể mà cho ra các sản phẩm khác nhau từ nhựa PP. Đặc biệt PP còn
có khả năng cách điện tốt nên được sử dụng để phủ dây cách điện.Với ưu điểm
tỷ trọng nhẹ, bền hoá học, bền màu, bền với ánh sáng khi có chất ổn định, đặc
biệt các sản phẩm làm từ PP có độ bóng cao. Lĩnh vực ứng dụng của PP đang
ngày được mở rộng đặc biệt trong ngành công nghiệp ôtô việc sử dụng PP đã và
đang là một giải pháp nhằm thay thế các vật liệu nặng như kim loại, bộ phận tản
nhiệt, bình đựng nước làm mát, các chi tiết trang trí trong ôtô...Đặc biệt
compozit nhựa nhiệt dẻo với các sản phẩm của quá trình ép phun đang ngày
càng được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận trong ôtô.
1.1.1.3. Compozit gia cường bằng sợi thực vật
Vật liệu PC cốt sợi thực vật đã có lịch sử phát triển từ lâu. Hàng thế kỷ
trước, người Ai Cập đã biết trộn rơm rạ với đất sét và đem phơi khô dùng làm
vật liệu xây dựng. Đầu năm 1908 vật liệu compozit trên nền nhựa phenol
formandehyt – melamin (PF, MF) được gia cường bằng giấy, xơ bông… là loại
compozit cốt sợi thực vật đầu tiên đã được ứng dụng chế tạo hàng loạt với số
lượng lớn các sản phẩm dạng tấm, ống dùng cho các thiết bị điện.
Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ vật liệu PC gia cường bằng sợi tổng hợp
cũng đặt ra những thách thức to lớn đối với nhân loại do sự gia tăng chất thải khó
phân huỷ vào môi trường. Chính vì vậy, các nhà khoa học đang rất tích cực trong
việc nghiên cứu các phương pháp để ứng dụng vật liệu xenlulô thay thế vật liệu
tổng hợp như là sợi gia cường. Các loại sợi gia cường tự nhiên không những rẻ,

tính chất cơ học tốt, tỷ trọng thấp mà còn có thể giảm tối thiểu tác động gây ô

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

16

nhiễm môi trường bởi chúng có khả năng phân huỷ sinh học. Đặc điểm của
compozit sợi thực vật là sản phẩm nhẹ, giảm hao mòn trong quá trình gia công,
giá thành thấp, phân huỷ môi trường trong những điều kiện xác định. [4]. Một số
vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật đã được nghiên cứu trên thế giới được
trình bày ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Một số loại vật liệu compozit cốt sợi thực vật
Sợi

Nền

Bột gỗ, sợi gỗ, sợi tre

PP, PE, PVC, PS, PU

Sợi đay

PP, SBR, EP, PE, PF

Sợi cây dứa dại

PE, EP, cao su tự nhiên

Sợi chuối

PE

Sợi lanh

PP

Rơm rạ

PP

Sợi tre

EP, PP

Ở một số nước Tây Âu, Ấn Độ, Brazin…loại vật liệu này đã được chính
phủ quan tâm và xúc tiến với nhiều dự án lớn. Chẳng hạn dùng sợi đay gia
cường cho polyeste nhằm chế tạo vật liệu sử dụng cho lĩnh vực xây dựng. [2]
Với những tính chất ưu việt như tỉ trọng bé, modun riêng cao [5], vật liệu
compozit cốt sợi tự nhiên đang được sử dụng ngày càng nhiều trong ngành công
nghiệp ôtô…Một số hãng ô tô lớn như Mercedes, Toyota, Ford…đã có những dự
án lớn sử dụng loại vật liệu này để làm một số chi tiết ô tô, thay thế cho kim loại.
Tuy nhiên, vấn đề quan trọng nhất liên quan đến việc nghiên cứu loại
compozit này là sự kết dính pha kém giữa sợi tự nhiên (ưa nước) và nền polyme
(kỵ nước) đã làm giảm độ bền và tuổi thọ của sản phẩm. Một số điều không

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

17

thuận lợi nữa là khả năng hút ẩm của sợi thực vật cao, tính chất của sợi lại chịu
ảnh hưởng bởi điều kiện phát triển của cây cho sợi, công nghệ chế biến sợi cũng
như hình dáng kích thước của chúng. Vì thế, xu hướng trong thời gian gần đây là
phát triển các kỹ thuật gia công, xử lý sợi và sử dụng các chất trợ tương hợp hay
chất liên kết để chế tạo vật liệu PC - sợi thực vật có tính chất tối ưu cho các ứng
dụng đặc biệt. Gần đây những công trình nghiên cứu đã được tiến hành trên nền
polyolefin (PP, PE) và các chất gia cường như bột trấu, sợi rơm rạ, rơm lúa mì…
Hiện nay không chỉ những nước có nguồn nguyên liệu thực vật dồi dào
như Ấn Độ, Trung Quốc, các nước Đông Nam Á…mà cả các nước châu Âu,
châu Mỹ… cũng rất quan tâm đến việc nghiên cứu, phát triển vật liệu PC gia
cường bằng sợi thực vật. Việt Nam là nước thuộc vùng nhiệt đới nóng ẩm, mưa
nhiều nên các loại thực vật cho xơ sợi rất đa dạng và có trữ lượng lớn. Do đó
trong một vài năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu PC gia cường bằng
sợi thực vật đã được triển khai có hiệu quả và thu được những thành công nhất
định. Những công trình đã được thực hiện chủ yếu tập trung vào sợi tre, sợi đay,
sợi dừa với các loại nhựa nền như phenolic, polyeste, epoxy, PP, PE.
Một số sản phẩm compozit - sợi thực vật đã có mặt trên thị trường[8].

Sản phẩm compozit, ứng dụng trong nghành công nghiệp ôtô

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

18

Sản phẩm ứng dụng trong ngành xây dựng

Sản phẩm ứng dụng trong sinh hoạt,trang trí nội thất và đóng gói
Hình 2. Một số sản phẩm compozit sợi thực vật
1.1.2. Ứng dụng, triển vọng phát triển của vật liệu PC gia cường bắng sợi
thực vật
Vật liệu compozit gia cường bằng sợi thực vật còn được biết đến với tên
"compozit xanh" bởi tính chất thân thiện với môi trường. Hiện nay trong ngành
chế tạo ô tô, vật liệu compozit cốt sợi thực vật được xem là giải pháp nhằm thay
thế cho một số vật liệu truyền thống với mục đích giảm trọng lượng xe và năng
lượng tiêu tốn. Theo tính toán nếu sử dụng vật liệu compozit cốt sợi thực vật
Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

19

thay cho vật liệu compozit cốt sợi thuỷ tinh có thể giảm được 80% năng lượng
cần cung cấp. Dự đoán vào năm 2006 việc sử dụng vật liệu compozit cốt sợi thực

vật vào nền công nghiệp ô tô tăng 80% ở Châu Âu so với năm 2004. [6]
Ngoài ra vật liệu compozit cốt sợi thực vật còn được ứng dụng rất nhiều
trong lĩnh vực xây dựng và nội thất thay thế gỗ và các sản phẩm từ gỗ.
I.2. SỢI LUỒNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
I.2.1. Giới thiệu về luồng (tre)
Tre là vật liệu compozit tự nhiên sẵn có, phát triển rất dồi dào ở hầu hết
các nước vùng nhiệt đới và bán nhiệt đới. Nó được coi như và vật liệu compozit
vì nó bao gồm các sợi xenlulô được bao bọc trong nhựa nền lignin. Sợi xenlulô
định hướng dọc theo chiều dài của luồng do đó cho độ bền kéo, uốn và độ cứng
vững rất lớn. [9]
Tre là một loài cây có khoảng 1250 loại tìm thấy ở khắp các vùng trên thế
giới. Tre chiếm khoảng 20-25% khối lượng thực vật trong rừng bán nhiệt đới và
nhiệt đới. Hiện nay có khoảng 35 loại tre đang được sử dụng như dạng nguyên
liệu thô trong công nghiệp giấy.
Với tốc độ phát triển nhanh chóng của nền kinh tế toàn cầu và tăng trưởng
về dân số, tổng số nhu cầu về gỗ và các sản phẩm từ gỗ tiếp tục tăng trong tương
lai. Theo Tổ chức Lương nông Liên Hiệp Quốc ( Food and Agricultural
Orgnization – FAO) nhu cầu về gỗ sẽ tăng khoảng 20% vào 2010. Trong khi đó
tốc độ trồng và tái sinh rừng vẫn ổn định. Để đáp ứng cho phát triển toàn cầu, tre
là nguồn nguyên liệu tối ưu, nó rất hiệu quả trong việc hấp thụ CO 2 làm giảm
hiệu ứng nhà kính, đồng thời có hiệu quả kinh tế cao như rẻ tiền, năng suất cao,
phát triển nhanh với tính chất vật lý, cơ học tốt. Tre thể hiện tiềm năng lớn để có
thể thay thế gỗ [10].

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

20

1.2.2. Cấu tạo của luồng.
1.2.2.1. Cấu trúc vật lý của luồng .
Sợi đơn của tất cả các loại thực vật nói chung và luồng nói riêng bao gồm
các tế bào. Các sợi vô cùng nhỏ (microfibril) của xenlulo được liên kết với nhau
thành lớp hoàn chỉnh bởi lignin và hemixenlulo vô định hình. Các lớp xenlulolignin/hemixenlulo này trong thành tế bào (gồm lớp sơ cấp và thứ cấp) liên kết
với nhau tạo thành compozit đa lớp và được gọi là tế bào (hình 1)
1.2.2.2. Cấu trúc giải phẫu của luồng.
Tre thuộc họ cỏ Bambusoideae, là một ligno-xenlulo compozit tự nhiên
trong đó các sợi xenlulo được bao bọc bởi nền lignin. Chiều dài trung bình của
sợi xenlulo khoảng 2 mm và đường kính trung bình trong khoảng 10÷20µm. Độ
cứng của tre phụ thuộc chủ yếu vào số lượng các bó sợi và kiểu phân bố của
chúng (hình 4)
A: Cọng tre hay thân tre.
Gióng
tre

Cọng
tre

B: Mặt cắt ngang của thân tre.
C: Mặt cắt của tre được phóng
to (×10).
Y: Minh hoạ các bó mạch được
gắn vào trong nhu mô X.

Mấu

D: Một bó mạch được phóng to
(×80) để minh hoạ sự bện sợi
hay tạo sợi (1), cấu trúc dạng
ống metaxylam (2), vỏ bọc
mô cứng (3), khoảng trống
gian bào (4), và Libe (5).

Hình 4: Cấu trúc giải phẫu của tre

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

21

Các sợi tự nhiên được hình thành từ các sợi nhỏ hơn (fibril), các sợi nhỏ này
chạy dọc theo chiều dài của sợi. Mỗi sợi nhỏ là một cấu trúc lớp phức tạp và
được cấu tạo bởi một thành sơ cấp mỏng bao quanh lớp thứ cấp dày hơn. Trong
lớp thứ cấp là các sợi xenlulo vô cùng nhỏ (microfibril), các sợi này được lượn
xoắn quanh trục của sợi (hình 5[1]).

microfibril
Vùng vô
định hình

Hình 5. Cấu tạo lớp thứ cấp

Hình 6. Cấu trúc lớp của sợi luồng

Có nghĩa là tất cả các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno-xenlulo bao gồm các sợi
xenlulo vô cùng nhỏ trong nền vô định hình của lignin và hemixenlulo. Góc giữa
trục của sợi và các sợi vô cùng nhỏ được gọi là góc sợi. Bản thân sợi thực vật nói
chung và sợi tre nói riêng là vật liệu được gia cường bằng sợi xenlulo do đó góc
sợi và hàm lượng xenlulo quyết định ứng xử cơ học của sợi [1,11,12].
Liese đã đưa ra hình ảnh về siêu cấu trúc của sợi tre (hình 5). Phiến tre bao gồm
các lớp hẹp và rộng xen kẽ nhau với sự định hướng sợi khác nhau. Trong lớp
rộng, các sợi nhỏ được định hướng tại các góc nhỏ hơn so với trục của sợi, trong
khi ở các lớp hẹp sợi nhỏ chủ yếu được định hướng ngang. Đồng thời, hàm

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

22

lượng lignin trong lớp hẹp cao hơn so với lớp rộng. Nhờ cấu trúc lớp này mà sợi
có độ bền kéo rất cao [11,12].
Góc giữa sợi nhỏ và trục sợi lớn được gọi là góc tế vi. Hàm lượng của các sợi tế
vi và góc tế vi quyết định tính chất cơ học của sợi. Trong tre, xenlulo và
hemixenlulo chiếm hơn 50%, lignin là thành phần phong phú thứ hai. Lignin có
chức năng kết dính và làm nền cho xenlulo. Nó là một hệ thống dữ trữ năng
lượng và phản ứng lại đối với những biến đổi cơ học .
Mc Laughlin và Tait đã mô tả cấu trúc của sợi tự nhiên. Họ cho rằng độ bền kéo
và modun Young tăng cùng với tăng của hàm lượng xenlulo và giảm góc tế vi.

Sợi tre có độ dài trung bình 2mm, đường kính trung bình 10-20 µm, khối
lượng riêng (600-800) kg/m3. Sợi tre có độ bền cao, có tính chất đơn hướng.
Tính chất cơ học của sợi tre (tính theo chiều dọc) được trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.4. Tính chất cơ lý của sợi tre
Độ bền kéo,
MPa

Độ bền uốn, MPa

2,0

2,3

Độ bền va đập,

Độ uốn cong,

KJ/m2

mm

63,5

6,3

Như vậy sợi tre có hàm lượng xenlulo cao nhất, góc tế vi nhỏ, hàm lượng lignin
cao nên có đặc tính vật lý và độ bền cơ học cao hơn các sợi tự nhiên khác.
I.2.3. Thành phần hóa học của tre.
Thành phần chính của tre là xenlulo, hemixenlulo và lignin. Trong đó,
xenlulo và hemixenlulo chiếm khoảng hơn 50% tổng số thành phần hóa học

[11,12]. Còn nếu tre ở dạng sợi thì chủ yếu là chứa xenlulo. Tính chất của mỗi
thành phần đều góp phần vào tính chất của sợi tre. Hemixenlulo gắn liền với khả
năng phân hủy sinh học, hấp thụ ẩm và phân hủy nhiệt, tuy nhiên độ bền nhiệt

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007


LUẬN VĂN CAO HỌC

23

của hemixenlulo là nhỏ nhất và ổn định hơn là lignin nhưng nó lại bị phân hủy
bởi tia tử ngoại [13].
Tre có thành phần cấu tạo chung cũng như các loại thực vật khác và cũng
có những đặc điểm riêng của họ tre. Điều kiện sinh, hóa, thổ nhưỡng và tuổi ảnh
hưởng không chỉ tới cấu trúc mà còn tới thành phần hóa học của tre [1]. Thành
phần hóa học của tre như sau [14,15]:
Bảng 1.5. Thành phần hoá học của tre.
Thành phần

Hàm lượng, %

Xenlulo

46÷48

Lignin

20÷22

Pentoza

16÷17

Phần tan trong nước nóng

8÷10

Phần tan trong nước lạnh

6÷8

Độ tro

2÷3

Đường kính xơ

0,01 ÷ 0,02 mm

Chiều dài xơ

2,5 ÷ 2,7 mm

Ngoài những thành phần chính trên trong tre nứa còn có chứa một lượng
nhỏ các thành phần khác như: protit, nhựa, sáp, các chất mầu…[1,14,15].
I.2.3.1. Xenlulo
Xenlulo được coi là một polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không

phân nhánh và được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là D-anhydroglucopyrano.
Các mắt xích này liên kết với nhau qua liên kết 1,4-β- D-glucozit [14,21]. Công
thức phân tử của xenlulo là (C 6 H 10 O 5 )n hay [C 6 H 7 (OH) 3 ]n.

Phan Thị Tuyết Mai

CHVL 2005-2007