Nghiên cứu vật liệu polyme compozit từ PP gia cường bằng sợi tre

Trường đại học bách khoa hà nội
Trung tâm đào tạo sau đại học

Luận văn tốt nghiệp
Đề tài :

Nghiên cứu vật liƯu polyme compozit
tõ PP gia c­êng b»ng sỵi tre

NGUYỄN CƠNG NGUN
Ngµnh : CN VËt liƯu Polyme

Hµ néi 11/2007


Trường đại học bách khoa hà nội
Trung tâm đào tạo sau đại học

Luận văn tốt nghiệp
Đề tài :

Nghiên cứu vật liệu polyme compozit
từ PP gia cường bằng sợi tre

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Chương
Học viên
: Nguyễn Công Quyền
Số hiệu
: 1316
Cao häc khãa 2005- 2007
Ngµnh

: CN VËt liƯu Polyme

Hµ néi 11/2007


Lời cảm ơn

Hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất
đến PGS.TS. Giám đốc Trung tâm Polyme - Compozit trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Bùi Chương và Th.S Trần Hải Ninh đà nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong
suốt thời gian học tập, nghiên cứu và viết luận văn này.
Em cũng xin trân trọng cảm ơn GSTSKH. NGND. Trần Vĩnh Diệu nguyên Giám
đốc Trung tâm Polyme-Compozit trường đại học Bách Khoa Hà Nội và các cán bộ của
Trung tâm Polyme - Compozit đà tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em học tập và
nghiên cứu đạt kết quả.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết biết ơn sâu nặng tới PGS.TS. Phan Minh Ngọc, TS.
Phạm Ngọc Lân đà động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại
trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
Em xin gửi tới các Thầy Cô giáo, cơ quan, gia đình và bạn bè lòng biết ơn sâu
nặng về sự dạy dỗ, dìu dắt, chia sẻ khó khăn, động viên và khích lệ em hoàn thành nhiệm
vụ học tập và nghiên cứu.

Học viên
Nguyễn Công Quyền


1

Mục lục
Trang

Đặt vấn đề

3

chươNg 1 : Khái quát chung về vËt liƯu polyme-compozit (pc)

5

1.1. HiĨu biÕt chung vỊ vËt liƯu compozit.

5

1.2. Vật liệu PC gia cường bằng các loại sợi.

8

1.3. Các phương pháp gia công vật liệu PC.
1.4. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu PC.

11
12

CHƯƠNG 2 : vật liệu pc trên cơ sở nhựa polypropylen (PP) gia
cường bằng sợi thực vật.

2.1. Nhựa nền polypropylen.

15
15

2.1.1. Lịch sử phát triĨn.

15

2.1.2. TÝnh chÊt cđa nhùa PP.

16

2.2. Sỵi gia c­êng b»ng tre.

19

2.3. Cỏc phng phỏp tỏch si tre.

28

2.3.1. Phương pháp ép khuôn.

29

2.3.2. Phương pháp cán dập.

29

2.3.3. Phương pháp hơi nước quá nhiệt.

29

2.4. Các phương pháp xử lý sợi.

30

2.4.1. Phương pháp vật lý.

30

2.4.2. Phương pháp hoá học.

31

Chương 3 : CáC PHƯƠNG PHáP THựC NGHIệM

36

3.1. Nguyên liệu đầu.

36

3.2. Phương pháp chế tạo mẫu.

36

3.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu.

36


2

3.2.2.. Chế tạo mát tre.

36

3.2.3. Tạo màng PP.

37

3.3. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của sợi tre.

37

3.3.1. Xác định hàm ẩm.

37

3.3.2. Xác định đường kính sợi.

38

3.3.3. Xác định độ bền kéo của sợi.

39

3.4. Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu PC.

40

3. 4.1. TÝnh chÊt bỊn kÐo.

40

3.4.2. TÝnh chÊt bỊn n.

41

3.4.3. §é bỊn va đập Charpy.

43

3.4.4. Khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu

43

Chương 4 : KếT QUả Và THảO LUậN

44

4.1. Tính chất của sợi tre chế tạo bằng phương pháp cơ học.

44

4.1.1. ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ bền kéo của sợi tre.

44

4.1.2. ảnh hưởng của thời gian xử lý kiềm đến độ bền kéo của sợi tre.

44

4.1. 3. Hàm lượng ẩm trung bình.

45

4.1.4. Sự phân bố ứng suất phá hủy theo đường kính sợi tre.

45

4.2. Vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng mat tre.

48

4.2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu PP- mat tre bằng phương pháp ép nóng trong khuôn.

48

4.2.2. ảnh hưởng của hàm lượng sợi tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC. 49
4.2.3. ảnh hưởng của kích thước sợi tre ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cđa vËt liƯu PC. 62
4.2.4. ảnh hưởng của môi trường nước đến độ bền của vật liệu PC.

75

KếT LUậN.

85

Tài liệu tham khảo.

86

Các ký hiệu viết tắt dùng trong luận văn
PS : Poly Stiren
PE : Poly Etylen
PC : Polyme-Compozit
PP : Poly Propylen
PVC : Poly Vinyl Clorua
PU : Poly Uretan
PF : Phenol-Fomadehit
SB : Stiren Butadien
MA : Anhydrit Maleic


3

ĐặT VấN Đề
Hiện nay vấn đề biến đổi khí hậu và nóng lên của trái đất cũng như an ninh
dầu mỏ đang là vấn đề nóng bỏng của toàn cầu. Tất cả các công nghệ mới ngoài
những ưu việt về công nghệ thì đều phải đáp ứng những đòi hỏi về bảo vệ môi
trường và khai thác nguồn nguyên liệu tự nhiên bền vững.
Vật liệu polyme compozit được chế tạo trên cơ sở nhựa nền là các
polyme có nguồn gốc dầu mỏ, gia cường bằng các loại sợi thực vật là một hướng
nghiên cứu được các nhà khoa học cũng như công nghệ rất quan tâm hiện nay, vì
một khi chế tạo thành công loại vật liệu này sẽ góp phần rất lớn trong việc bảo vệ
môi trường cũng như giảm bớt áp lực giá cả, chủ động nguồn nguyên liệu.
Những loại sợi gia cường thường dùng là : sợi thuỷ tinh, sợi aramit
những loại sợi này có đặc điểm rất đắt chỉ dùng trong lĩnh vực chuyên dụng và
không thân thiện với môi trường (do chúng không có khả năng hoặc rất khó phân
huỷ sinh học). Trong khi ®ã vËt liƯu PC gia c­êng b»ng sỵi thùc vËt có khả năng
phân huỷ sinh học, nguồn nguyên liệu rẻ, gia công dễ dàng đồng thời thúc đẩy
ngành nông, lâm nghiệp phát triển. Bởi vì các loại sợi thưc vật gia cường như :

sợi tre các loại, trấu, sợi đaylà những loại thực vật phổ biến.
Với xu hướng đi tắt đón đầu hiện nay ngành công nghệ của nước ta đang
tích cực triển khai các đề tài mới có ý nghĩa khoa học thực tiễn vài cuộc sống.
Không nằm ngoài của sự phát triển này mấy năm gần đây Trung tâm nghiên cứu
Vật liệu Polyme-Compozit trường đại học Bách khoa đà triển khai nghiên cứu và
ứng dụng nhiều đề tài khoa học mới như : nghiên cứu chế nguyên tạo vật liệu PC
trên cở sở nhựa epoxy, nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thuỷ tinh
các loại. Hiện nay Trung tâm đang đi sâu nghiên cứu chế tạo vật liệu PC trên cơ
sơ nhựa PP gia cường bằng các loại sợi thực vật. Với mong muốn hiểu rõ cũng
như hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP sớm đưa vào


4

ứng dụng trong thực tiễn. Mục đích của luận văn là đi sâu vào nghiên cứu vật
liệu Polyme- Compozit từ PP gia cường bằng sợi tre. Trên cơ sở đó nhiệm vụ
của luận văn là :
- Nghiên cứu tách sợi tre bằng phương pháp cơ học.
- Nghiên cứu tính chất của sợi.
- Nghiên cứu, khảo sát tính chất cơ học của vật liệu PC ở hàm lượng sợi
tre khác nhau.
- Nghiên cứu, khảo sát tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở PP gia
cường bằng sợi tre với các kích thước sợi tre khác nhau.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường nước đến tính chất cơ häc cđa vËt
liƯu PC gia c­êng b»ng sỵi tre.


5

Chương 1 : Khái quát chung về vật liệu POLYME COMPOZIT

1.1. HiĨu biÕt chung vỊ vËt liƯu compozit[9].
1.1.1. LÞch sư ph¸t triĨn
VËt liƯu compozit nãi chung ph¸t triĨn rÊt sím, ngay từ khi hình thành nền
văn minh thế giới. 5000 năm trước công nguyên người cổ đại đà biết lấy đá
nghiền nhỏ hoặc sợi có nguồn gốc hữu cơ thêm vào đất sét để giảm nứt, giảm co
ngót khi nung gạch và đồ gốm. ở Ai Cập khoảng 3000 năm trước công nguyên,
người ta đà làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bi tum. Bỏ qua công nghệ hiện
đại, việc chế tạo thuyền đơn sơ như vậy giống thuyền compozit hiƯn nay.
ë ViƯt Nam tõ xa x­a nh©n d©n ta đà biết làm thuyền tre đan trát bằng sơn
ta trộn với mùn cưa, hay kết hợp giữa đất sét và các sản phẩm nông nghiệp như
rơm rạ và cây tre để trát tường. Đó là một ví dụ về vật liệu compozit.
Mặc dù được hình thành rất sớm nhưng việc chế tạo vật liệu polymecompozit (PC) mới được chỉ chú ý khoảng 40 năm trở lại đây. Ngay từ đầu mục
đích của việc chế tạo vật liệu PC thể hiện ở chỗ là làm sao phối hợp được các tính
chất mà mỗi vật liệu ban đầu không có được như vậy. Có thể chế tạo vật liệu PC
từ những cấu tử mà bản thân một mình chúng không thể đáp ứng được yêu cầu
đối với vật liệu về các tính chất cơ học, vật lý, hoá học, từ tính.
Từ năm 1950, chất lượng của PC được nâng cao rất nhiều nhờ sự ra đời của
nhựa epoxy và hàng loạt sợi tăng cường như sợi cácbon, sợi thuỷ tinh, sợi aramít
v.v
Từ năm 1930 đến nay, các chi tiết được chế tạo từ vật liệu PC gia cường
bằng sợi đà được ứng dụng rộng rÃi trong công nghiệp đóng tàu và chế tạo ôtô,
vật liệu xây dựng và các ngành kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ. Mặc dù vậy,


6

việc nghiên cứu nâng cao chất lượng, cải thiện các tính chất cơ lý, các tính chất
nhiệt, tính chất điện v.v nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng vẫn luôn được đặt ra
[5,6].
1.1.2. Định nghĩa và phân loại vật liệu compozit[9].

1.1.2.1. Định nghĩa
Vật liệu compozit gồm hai hay nhiều pha, những pha đó không hoà tan
vào nhau và được phân chia bởi bề mặt phân chia pha. Pha liên tục trong toµn
khèi vËt liƯu polyme compozit gäi lµ pha nỊn. Pha gián đoạn được bao bọc bởi
pha nền gọi là cốt gia cường [1].
1.1.2.2 Phân loại
Có nhiều cách phân loại vật liệu compozit khác nhau. Để phân loại vật liệu
compozit người ta dựa vào đặc điểm của chúng.
a) Phân loại theo nền
+ Nền kim loại: độ bền cơ học cao, chịu nhiệt, ít bị oxy hoá ở nhiệt độ cao.
+ Nền gốm và thuỷ tinh: chịu nhiệt cao, trơ về mặt hoá học, giòn.
+ Nền polyme: nhẹ, có khả năng biến dạng, chịu hoá chất.
+ Nền các bon, graphit: chịu nhiệt, hoá chất tốt, giá thành cao.
b) Phân loại theo hình học hoặc đặc điểm cấu trúc
+ Vật liệu compozit víi bét gia c­êng
+ VËt liƯu compozit gia c­êng b»ng vảy hoặc sợi ngắn
+ Vật liệu compozit gia cường bằng sợi liên tục
+ Vật liệu xốp hoặc độn khí
+ Vật liÖu blend


7

c) Phân loại theo phạm vi ứng dụng
Gồm hai nhóm:
+ Compozit tiên tiến.
+ Compozit kỹ thuật.
1.1.3. Các thành phần chính trong vËt liƯu compozit
VËt liƯu compozit lµ mét hƯ thèng cấu trúc của polyme được gia cường
bằng chất độn, gồm ba phần:

Sợi tăng cường



bề mặt phân chia



sợi/chất liên kết
Vùng phân chia pha

Chất liên kết



bề mặt phân chia giữa



chất liên kết vµ pha nỊn

Pha nỊn

* NỊn cho vËt liƯu polyme compozit đóng vai trò chủ yếu.
+ Liên kết các phân tử cốt thành một khối thống nhất.
+ Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu compozit
theo các chi tiết được thiết kế trước.
+ Che phủ, bảo vệ cốt để tránh hư hỏng cơ học và hoá học do tác động của
môi trường bên ngoài.
* Cốt cho vËt liÖu PC

8

+ Cốt phân bố không liên tục
+ Đóng vai trò chịu ứng suất tập trung cuả vật liệu làm tăng độ bền
+ Cấu trúc hình học, hàm lượng cốt, liên kết giữa cốt gia cường cho nhựa
nền, độ bền mối liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Mặt
khác sự liên kết giữa cốt gia cường và polyme quyết định bởi tính chất hoá học
ban đầu của polyme và đặc trưng bề mặt cốt.
Hàm lượng cốt có thể chiếm 40 ữ 50% hoặc hơn so với khối lượng của vật
liệu. Sự định hướng cốt sợi trong vËt liƯu lµ u tè quan träng trong vËt liƯu
compozit nhằm đạt được tính chất mong muốn.
* Chất liên kết:
+ ¶nh h­ëng rÊt lín ®Õn tÝnh chÊt cđa vËt liƯu
+ Độ bền liên kết giữa nhựa nền và chất gia cường ảnh hưởng đến hiệu qủa
truyền ứng lực qua vùng phân chia pha.
+ Sự tương tác pha ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các cấu tử trong vật
liệu, do đó ảnh hưởng đến tính chất đặc trưng của vật liệu.
+ Các loại liên kết giữa nền và cốt: liên kết cơ học, nhờ thấm ướt, nhờ phản ứng
hoá học giữa nền và cốt, liên kết nhờ chất liên kết, liên kết hỗn hợp [9].
1.2. Vật liệu PC gia cường bằng các loại sợi[9].
1.2.1. Vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh.
Sợi thuỷ tinh là một trong những chất gia cường phổ biến nhất do đáp ứng
được các yêu cầu về kỹ thuật và giá cả hợp lý. Do đó, sợi thuỷ tinh đà được ứng
dụng không những như là một chất gia cường mà còn được sử dụng như là vật
liệu cách âm và cách nhiệt . Vật liệu compozit trên cơ sở nền polyme gia cường
bằng sợi thuỷ tinh (Glass Fibre Reinforced Plastic- GFRP) được sử dông réng r·i

9

trong công nghiệp do chúng có độ bền cao và modun cao. Trên thực tế, tổng số
lượng GFRP tiêu thụ ở Nhật Bản năm 2001 là vào khoảng 382 triệu tấn. Tuy
nhiên, khi sử dụng nhựa nhiệt rắn làm nền cho GFRP thì thường khó tái chế. Các
loại sợi thuỷ tinh thường không cháy và không phân huỷ nên gây ảnh hưởng đến
môi trường. Do đó, việc tạo ra một vật liệu PC có các tính chất tương tự như vật
liệu PC sợi thuỷ tinh là một vấn đề đang được quan tâm hiện nay. Một loại chất
gia cường cho vật liệu PC đang được chú ý sử dụng hiện nay có khả năng thay
thế sợi thuỷ tinh đó là sỵi thùc vËt.
1.2.2. VËt liƯu PC gia c­êng b»ng sỵi thực vật [13,19,28]
Một số loại vật liệu PC sợi thực vật đà được nghiên cứu trên thế giới trình
bày ở bảng 1.1 [21].
Bảng 1.1: Một số loại vật liệu PC sợi thực vật
Sợi

Nền polyme

Bột gỗ/sợi gỗ

PE, PP, PVC, PS, PU

Sợi đay xanh

PP, Cao su SB, epoxy, polyeste, PF

Sợi cây dứa dại

PE, Cao su thiên nhiên, polyeste, epoxy

Sợi từ cây chuối sợi

Epoxy

Sợi dứa

PE, polyeste

Sợi gai dầu

PP, polyeste

Sợi cọ

Cao su

Sợi đay

PE, PP

Sợi dừa

Cao su thiên nhiên

Sợi từ cây chuối thường

polyeste

Sợi lanh

PP

Sợi lúa m×

PP


10

Sợi tre

Epoxy

Hiện nay không chỉ những nước có nguồn nguyên liệu thực vật dồi dào
phong phú 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 đà được
triển khai có hiệu quả và thu được những thành công nhất định. Những công trình
đà được thực hiện chủ yếu tập trung vào sợi tre, sợi đay, sợi dừa với cácloại nhựa
nền như phenolic và polyeste.Vật liệu PC gia cường bằng sợi tre mới được quan
tâm nghiên cứu trong một số năm gần đây.
ã Đặc điểm của vật liệu PC sợi thực vật
Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu compozit nói chung, vật liệu PC sợi
thực vật ngày càng được các nhà khoa học và công nghệ quan tâm do chúng có
các đặc điểm sau [13, 29]:
* Ưu điểm:
+ Khối lượng riêng của sợi thấp, dẫn đến độ bền và độ cứng riêng

của sợi cao hơn sợi thuỷ tinh, đặc biệt thích hợp để thiết kế các chi tiết chịu uốn.
+ Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo và dồi dào. Quá trình sản
xuất đòi hỏi ít năng lượng.
+ Có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm
hạ. Vì vậy, đây là loại vật liệu đáng quan tâm đối với các nước đang phát triển.
+ Dễ gia công, không mài mòn thiết bị, không gây kích thích da.


11

+ Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân huỷ sinh học, dễ phân
huỷ hoàn toàn bằng nhiệt, trong khi sỵi thủ tinh rÊt khã xư lý. Do đó, không gây
tác động xấu đến môi trường sinh thái.
* Nhược điểm:
+ Độ bền thấp hơn vật liệu PC sợi thuỷ tinh. Tuy nhiên, có thể nâng
cao độ bền cho vật liệu bằng cách lai tạo sợi thực vật với sỵi thủ tinh.
+ Sỵi thùc vËt dƠ hÊp thơ Èm làm trương sợi, giảm độ bền và tuổi
thọ của sản phẩm. Có thể khắc phục bằng cách sơn phủ bề mặt vật liệu hay axetyl
hóa bề mặt sợi.
+ Nhiệt độ gia công chỉ hạn chế dưới 2000 C.
Gần đây, việc sử dụng các kỹ thuật gia công phù hợp, xử lý sợi và sử dụng
các chất trợ tương hợp hoặc chất liên kết đà chế tạo ra vật liệu PC sợi thực vật có
các tính chất tối ưu cho các ứng dụng đặc biệt.
Các sản phẩm từ vật liệu PC sợi thực vật đà được thương mại hoá, đặc biệt
là trong ngành vật liệu xây dựng và ngành công nghiệp ô tô. Các compozit này có
khối lượng riêng khoảng 1,1 g/cm3, độ bền va đập khoảng 25 KJ/m2, hấp thụ âm
thanh tốt và đang được một số công ty hàng đầu sử dụng.
1.3. Các phương pháp gia công vật liệu PC[9].
Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu. Các
thông số của quá trình này như: áp suất, nhiệt độ, thời gian rất quan trọng đối

với từng loại vật liệu.
1.3.1. Lăn ép bằng tay:
Đây là phương pháp sử dụng rulo hay chổi quét có kích thước khác nhau để
thấm nhựa lên bề mặt sợi (sợi ở tấm vải dệt hay dạng vải mát). Thấm và lăn rulo
từng lớp một cho đến khi đạt độ dày yêu cầu của sản phẩm. Tuy nhiên, sản phẩm
có thể có bọt khí, khả năng thấm không đồng đều và tuỳ thuộc vào người thợ.


12

Phương pháp gia công này đơn giản, vốn đầu tư ban đầu thấp nên được ứng dụng
rộng rÃi, đặc biệt cho những sản phẩm có kích thước lớn.
1.3.2. ép nóng trong khuôn
Là qui trình có hiệu quả kinh tế để sản xuất các kết cấu có kích thước nhỏ
đến trung bình. Chế tạo sản phẩm bằng máy ép thuỷ lực và khuôn kim loại được
gia nhiệt. Vật liệu gia cường, bột độn và nhựa nền được phối trộn đều sau đó
được đưa vào khuôn ép. Quá trình cho phép đạt tØ lƯ vËt liƯu gia c­êng cao. Do
vËy, s¶n phÈm có tính chất cơ lý tốt. Tuy nhiên, phải đầu tư lớn cho các máy thuỷ
lực và khuôn.
1.3.3. Đúc kéo
Các sợi gia cường được kéo, tẩm thấm qua một bể nhựa, sau đó được đưa
vào khuôn và gia nhiệt. Phương pháp này có thời gian gia công ngắn, khả năng tự
động hoá cao. Sản phẩm thu được có tính chất cơ lý rất cao tuy nhiên cũng phải
đầu tư lớn.
1.3.4. Phương pháp quấn
Sử dụng các trục được chống dính, sau đó các sợi tẩm nhựa sẽ được quấn
vào trục. Quấn sợi theo các góc khác nhau tuỳ theo yêu cầu và có thể lập trình
trước. Có hai cách quấn là quấn vắt chéo và quấn song song. Phương pháp này
được sử dụng để chế tạo các loại ống và thùng chøa.
1.4. C¸c lÜnh vùc øng dơng chÝnh cđa vËt liƯu PC[9].

C¸c lÜnh vùc øng dơng cđa vËt liƯu PC hÕt sức phong phú và đa dạng, từ
các sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp cho đến những
chi tiết và kết cấu phức tạp có yêu cầu đặc biệt trong máy bay và tàu vũ trụ. Sau
đây là một số lĩnh vực ứng dụng chính:


13

1.4.1. ứng dụng trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất.
Vật liệu PC được sử dụng phổ biến nhất là chất dẻo thuỷ tinh. Mặc dù kém
bền hơn chất dẻo cacbon nhưng có giá rẻ hơn nhiều. Việc sử dụng vật liệu PC
đem lại những hiệu quả sau:
+ Giảm trọng lượng, tiết kiệm được nguyên liệu, tăng thời gian sử dụng,
chịu mài mòn, giảm ®é ån, ®é rung.
+ Gi¶m bít nguy hiĨm cho ng­êi sử dụng khi có tai nạn.
+ Giảm số vốn đầu tư cho các thiết bị sản xuất.
Do có các hiệu quả trên, vật liệu PC được sử dụng để chế tạo các chi tiết
như làm thân ô tô, làm contenơ, giá để hàng
1.4.2. ứng dụng trong đóng tàu
Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu PC do có độ bền riêng lớn, tuổi thọ
cao, bền với môi trường nước biển, đơn giản khi sửa chữa và lắp ráp, không bị
nhiễm từ và cách điện. Hiện nay đà sử dụng vật liệu PC tạo ra các chi tiết như cột
buồm, thùng chứa, canô cứu sinh
1.4.3. ứng dụng trong máy bay và tàu vị trơ
Theo sè liƯu thèng kª cđa h·ng Airbus, khi ứng dụng chất dẻo gia cường
bằng sợi cacbon trong sản xuất máy bay thì có sự thay đổi cơ bản về chi phí cho
vật liệu và sản xuất. Vấn đề quan trọng là giảm được trọng lượng kết cấu, nên
giảm được tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa. Các
chất dẻo có cốt gia cường đặc biệt được sử dụng để chế tạo ống xả cho các động
cơ phản lực.

1.4.4. ứng dụng trong công nghiệp xây dựng và công nghiệp điện
Các sản phẩm trong lĩnh vực xây dựng rất phong phú như tấm lợp, các
thanh chịu lực, các thiết bị vệ sinh, các loại ống dẫn chịu môi trường khác nhau


14

Trong công nghiệp điện, các sản phẩm từ vật liệu PC có đặc tính cách điện
tốt, nên được sử dụng làm cáp điện, các hộp công tắc, ổ nối được sư dơng réng
r·i.


15

CHƯƠNG 2: vật liệu pc trên cơ sở nhựa polypropylen (PP)
gia cường bằng sợi thực vật.
2.1. Nhựa nền polypropylen.
Đối với vật liệu compozit thì pha nền là một thành phần quan träng trong
hƯ thèng. NỊn polyme cã nhiƯm vơ bao bọc và liên kết các chất gia cường lại với
nhau. Thông thường nền có độ bền cơ học kém sợi gia cường. Vì vậy dưới tác
dụng của lực, nền đóng vai trò truyền ứng suất đến chất gia cường. Nhựa nền có
thể chia làm hai loại : nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo. Để làm nhựa nền cho các
vật liệu PC thân thiện môi trường thì có thể sử dơng mét sè lo¹i nhùa nỊn sau :
PP, PEKN, epoxy... [8,10]
2.1.1. Lịch sử phát triển.
PP là một trong các polyme được nghiên cứu nhiều nhất và được sử dụng
rộng rÃi trên toàn thế giới từ những năm cuối của thế kỉ 20. Năm 1870, Butlerov
đà tổng hợp được PP lần đầu tiên bằng phản ứng trùng hợp cation. Tuy nhiên PP
chỉ thực sự được sản xuất và ứng dụng rộng rÃi khi Ziegler và Natta phát minh ra
phản ứng trùng hợp propylen dưới tác dụng của xúc tác là hỗn hợp trietyl nhôm

(Al(C2H5)3) và tetraclorua titan (TiCl4) vào năm 1954. [12]. Vào những năm
1960-1970 sản lượng PP hàng năm tăng trưởng 25%. Trong suốt những năm từ
1974 đến 1999, tỉ lệ tiêu thụ nhựa PP tăng từ 7-12% hàng năm. PP ngày nay
thường được tổng hợp với xúc tác Ziegler- Natta (Titan halogen/ alkyl nhôm và
chất hoạt hoá silan ete hoặc este). Xúc tác thường được mang trên MgCl2. Sản
phẩm của quá trình trùng hợp có mật độ isotactic cao. Hiện nay công nghiệp
trùng hợp PP bằng xúc tác loại mới metaloxen đang được phát triển, có thể điều
khiển được cấu trúc và tính chất tốt hơn xúc tác Ziegler- Natta.[22,31]


16

2.1.2. TÝnh chÊt cđa nhùa PP
2.1..2.1. TÝnh chÊt c¬ häc [6,8]
PP với hàm lượng polyme có cấu trúc đồng đều cao là một sản phẩm cứng,
không độc, không mùi, trong suốt. PP thương mại có khối lượng phân tử từ
38.000-60.000. PP là loại chất dẻo có khối lượng riêng nhỏ nhất nhưng có độ bền
khá cao. Tính chất cơ lý của PP phụ thuộc vào nhiều vào hàm lượng PP izotactic.
Tính chất cơ lý của PP có hàm lượng izotactic cao (98%) trình bày ở bảng sau:
Bảng 2.1: Một số đặc trưng kỹ thuật của nhựa PP
Khối lượng riêng (g/cm3)

0,9 ữ 0,91

Độ bền kéo (MPa)

30 ữ 35

Độ giÃn dài (%)

500 ÷ 700

§é bỊn n (MPa)

35 ÷ 40

§é bỊn nÐn (MPa)

60 ữ70

Độ cứng theo Rockwell

85 ữ 95

Điểm nóng chảy (0C)

164 ữ170

Độ dÉn nhiƯt (Cal/cm.s.0C)

3,3.10-4

NhiƯt dung (Cal/g.0C)

0,46

NhiƯt ®é sư dơng tèi ®a (không áp) (0C)

150

Tang góc tổn thất điện môi ở 106 Hz

0,0002 ữ 0,0003

Hằng số điện môi ở 106Hz

2,0 ữ 2,1

Độ bền điện (KV/mm)

30 ữ 32

Tính chất nhiệt là đặc tính quan trọng nhất của PP. PP có nhiệt độ nóng
chảy cao từ 160-170oC nên nhiệt độ sử dụng nằm ở giới hạn cao nhưng chịu nhiệt
độ thấp rất kém. Nếu không có tác động bên ngoài thì cho đến 150oC PP vẫn
không bị biến dạng. ở 140oC dưới tải trọng PP có thể chịu được 80 ngày không bị


17

phá huỷ. ở nhiệt độ 155oC PP còn ở thể rắn, nhưng ở gần nhiệt độ nóng chảy PP
chuyển sang trạng thái mềm cao như cao su. Độ nhớt của polyme nóng chảy
giảm khi giảm khối lượng phân tử và khi nhiệt độ tăng. Khi hạ từ từ nhiệt độ
nóng chảy xuống 120oC PP bắt đầu kết tinh. Trong quá trình tạo hạt có chất ổn
định thì ở 300oC PP không bị oxi hoá mà chỉ bị phân huỷ sau vài giờ bị đốt nóng
trong không khí.
Các tạp chất và các kim loại hoặc các hợp kim có chứa Cu và Mn thì sẽ ảnh
hưởng rất xấu đến tính chất nhiệt của PP. Vì thế trong quá trình gia công cần phải
đòi hỏi rất nghiêm ngặt việc tiếp xúc của PP với các kim loại trên.
PP bền ánh sáng rất kém vì vậy vấn đề ổn định ánh sáng cho PP là vấn đề

cốt yếu trong gia công. Dưới tác dụng của ánh sáng khuếch tán, PP không có chất
ổn định không thay đổi tính chất trong hai năm nhưng dưới tác dụng của ánh
sáng mặt trời trực tiếp chỉ sau vài tháng polyme đà trở thành dòn. Để kéo dài thời
gian làm việc phải cho vào các chất chống oxy ho¸, chèng l·o ho¸ d­íi t¸c dơng
cđa ¸nh s¸ng. Nếu cho vào một phần rất nhỏ muội than đen, PP có thể làm việc
dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời trực tiếp mà tính chất cơ lý thay đổi không
đáng kể trong thời gian 20 năm.
Tính chất cơ học của PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, vào
độ đồng đều của nó và vào hàm lượng polyme atactic. Nếu hàm lượng atactic
giảm và khối lượng phân tử tăng thì tính chất của PP tốt hơn.[2]
2.1.2.2. Tính chất hoá học [1]
ở nhiệt độ thường, PP không hoà tan trong các dung môi hữu cơ mà chỉ
trương trong hydrocacbon thơm và hydrocacbon clo hoá. ở nhiệt độ cao trên
800C, cấu trúc tinh thể bị phá vỡ, PP có thể tan trong hai loại dung môi trên.
Trong dung môi phân cực thì PP rất bền trong thời gian dài. PP rất bền đối với


18

dầu khoáng và dầu thực vật. Chỉ số hấp thụ dầu khoáng, dầu thực vật của PP rất
thấp.
ã Đối với axit: PP khá bền với H2SO4 80% ở nhiệt độ thường. Song khi
đưa lên 90oC thì PP chuyển màu tối sẫm, dòn và bị phân huỷ sau 7 ngày. Đối với
HNO3 < 50% PP khá bền ở nhiệt độ thường nhưng với HNO3 đậm đặc thì kém
bền, kém ổn định.
ã Đối với NaOH, H2O: PP ổn định với NaOH đến 110oC. Tất cả các
loại PP kể cả izotactic và atactic có độ thấm nước rất ít. Độ thấm nước trên bề mặt
chỉ khoảng 2%. Dù độ ẩm của môi trường là bao nhiêu thì tính chất của PP không
bị thay đổi.
2.1.3. Biến tính PP [8, 13]

PP là loại nhựa phân cực thấp nên cần thiết phải biến tính PP tạo ra các
nhóm phân cực trên mạch nhằm tăng tính tương hợp với sợi tre.
Để tăng độ phân cực của mạch PP người ta thường đưa vào mạch những
nhóm phân cực bằng phản ứng với dẫn xuất acrylic hoặc maleic. Phổ biÕn lµ biÕn
tÝnh PP b»ng anhydrit maleic (MA).
Cã rÊt nhiỊu phương pháp để tiến hành ghép MA lên PP như : phương pháp
ghép trong dung dịch; phương pháp ghép nóng chảy; phương pháp ghép các
polyolefin ở thể rắn... Tuy nhiên, do có lợi thế về giá thành thấp và công nghệ chế
tạo đơn giản nên PP thường được biến tính bằng quá trình trộn hợp nóng chảy.
Phản ứng tiến hành trên máy trộn 2 trục vít ở nhiệt độ 190oC (nhiệt độ tuỳ thuộc
chất khơi mào). PP ghép MAPP được tạo ra từ phản ứng ghép anhydrit maleic lên
phân tử PP được trình bày theo sơ đồ sau[15]:


19

Khi MAPP tiếp xúc với sợi tre và nhựa ở nhiệt độ cao, các nhóm anhydrit
sẽ phản ứng với các nhóm -OH trên bề mặt sợi tạo cầu este, còn các đoạn PP sẽ
tham gia kết tinh cùng nhựa nền. Hiệu quả của việc sử dụng MAPP phụ thuộc vào
phương pháp tiến hành và loại MAPP. Hai thông số quan trọng nhất đối với
MAPP là hàm lượng MA ghép và khối lượng phân tử trung bình. Hàm lượng MA
ghép phải đủ để tạo ra nhiều mối liên kết với bề mặt sợi. Khối lượng phân tử
trung bình tối ưu của MAPP khoảng 20.000 ữ 40.000. Hàm lượng MA tự do cũng
có ảnh hưởng nhiều tới chất lượng của MAPP. Do ®é linh ®éng cao nªn chóng cã
thĨ chiÕm ­u thÕ trong phản ứng với các nhóm -OH trên bề mặt sợi. Vì thế hàm
lượng MA tự do càng ít càng tèt [24].
2.2. Sỵi gia c­êng b»ng tre[25].
2.2.1. Cấu trúc và thành phần hoá học của tre.
2.2.1.1. Giới thiệu chung
Thành phần hoá học của cây tre cũng giống như thành phần hoá học của

các loại gỗ khác. Thành phần hoá học chính của tre là Xenlulo, hemixenlulo và
lignin chiếm hơn 90% tổng khối lượng. Trong tre có các thành phần khác như:
protit, nhựa, sáp, khoáng vi lượng .
Thành phần hoá học của tre phô thuéc vào độ tuổi của cây tre. Yosoff đã
nghiên cứu thành phần hoá học của tre 1 năm tuổi, 2 năm tuổi và 3 năm tuổi. Kết
quả cho thấy xenlulo, lignin, pentoza, thành phần trích ly tăng cùng với độ tuổi
của cây, holoxenlulo không thay đổi nhiều với tre ở các độ tuổi khác nhau.


20

Thành phần hoá học của cây tre thay đổi theo chiều cao của cây tre. Fujji
đã nghiên cứu thành phần hoá học của tre non kết quả cho thấy những thành
phần như: xenlulo, lignin và hemixenlulo trong tre non ở phần gốc cao hơn phần
ngọn.
Một loạt nghiên cứu chỉ ra rằng, tre chứa các thành phần hữu cơ như: 2÷
6% tinh bột, 2% sacarit, 2 ÷ 4% chất béo, 0,8 ÷ 6% protein. Điều kiện thổ
nhưỡng ảnh hưởng tới độ bền của tre. Tre dễ bị ảnh hưởng bởi sự tấn công của
nấm và vi sinh vật. Độ bền tự nhiên của tre phụ thuộc vào loài tre và điều kiện
thời tiết. Sự tồn tại số lượng lớn tinh bột làm cho tre bị ảnh hưởng bởi sự tấn
công của vi sinh vật và nấm. Ngay cả với tre 12 năm tuổi, tinh bột vẫn tồn tại
trong toàn cây tre, đặc biệt là trong tế bào dọc của mô mềm.
Thành phần khống của tre được tạo thành bởi khống vơ cơ, dioxitsilic,
canxi, kali, trong đó có mangan và magie là hai khống phổ biến nhất. Hợp chất
dioxitsilic có nhiều trong biểu bì và ít trong đốt và mấu. Trong một số lồi tre,
thành phần khống cao có thể ảnh hưởng bất lợi đến máy móc gia cơng.
Cây tre được phân chia thành nhiều giống bởi các mấu hoặc màng ngăn.
Cây được bảo vệ bởi lớp biểu bì cứng, khơng chứa những tế bào bền theo hướng
bán kính. Kết quả đã tìm ra là tre khó xử lý bằng chất chống phân huỷ. Một cách
xử lý là ngâm tre trong dầu có thể bảo vệ thành cơng sự tấn cơng trực tiếp của

nấm nhưng không tốt do làm giảm độ bền mong muốn.
Từ các nghiên cứu thùc nghiÖm cho thÊy thành phần hoá học của cây tre
thay đổi theo độ tuổi, chiu cao v chiều dày thân của cây tre. Mà thành phần
hố học của tre ảnh hưởng đến tính chÊt cơ lý và hoá học của tre. Sự thay đổi
trên có thể dẫn tới sự biến đổi các tính chất cơ lý và hố học trong suốt q trình
phát triển và trưởng thành của tre. Do ®ã viƯc lùa chän từng loại tre có độ tuổi


21

phù hợp với yêu cầu chế tạo vật liệu PC là rất quan trọng đồng thời t ú a ra
phng pháp thích hợp nhất để tách sợi cho hiệu quả cao nhất.
Bảng 2.2: Thành phần hoá học của tre
Thành phần

Hàm lượng (%)

Xenlulo

46 - 48

Lignin

20 - 22

Pentoza

16 - 17

Vô cơ

2-3

Các chất khỏc

8 - 10

Tuỳ thuộc vào các loại sợi khác nhau mà tính chất cơ lý cũng khác nhau.
Kt qu thc nghiệm cho trong bảng 4 sau :
Bảng 2.3: Tính chất cơ học của một số loại sợi tự nhiên.
Khối lượng

Độ dón di

bn kộo

Mụ un n

riờng (kg/cm3)

(%)

t (MPa)

hi (GPa)

Bông

1,5 ữ1,6

7ữ8

287 ÷ 579

5,5 ÷ 12,6

Đay

1,3

1,5 ÷ 1,8

393 ÷ 773

26,5

Xơ dừa

1,5

30

175

4 ÷6

Sisal

1,5

2 ÷ 2,5

511 ÷ 635

9,4 ÷ 22

Tre

0,8

1,15 ÷ 1,5

300 ÷ 900

3 ÷5

Loại sợi

2.2.1.2. Thành phần hoá học của tre
* Xenlulo
a. Cấu tạo phân tử của xenlulo