Nghiên cứu cấu trúc và các tính chất gia công của vật liệu polyme compozit từ nhựa nền polypropylen (pp) gia cường bằng sợi tre ngắn dùng trong xử lý nước thải

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

Phạm Thị Lánh

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT GIA CÔNG CỦA
VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TỪ NHỰA NỀN
POLYPROPYLEN (PP) GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE NGẮN
DÙNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật vật liệu phi kim

Hà Nội, 2010


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

Phạm Thị Lánh

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT GIA CÔNG CỦA VẬT
LIỆU POLYME COMPOZIT TỪ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN (PP)
GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE NGẮN DÙNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu phi kim

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Nguyễn Huy Tùng

Hà Nội, 2010


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Lời cảm ơn
Trong quá trình hoàn thành bản luận án thạc sĩ em đã nhận được sự chỉ bảo
tận tình của các thầy giáo, cơ giáo trong Trung tâm NCVL Polyme - Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, đặc biệt em xin
chân thành cảm ơn TS Nguyễn Huy Tùng, PGS.TS Bùi Chương đã giúp em hoàn
thành bản luận án này.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày 25/10/2010
Học viên

Phạm Thị Lánh

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

1


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................9
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 11

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN ................................................................................. 12
1.1. HIỂU BIẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU PC ..................................................12
1.1.1. Lịch sử phát triển......................................................................................12
1.1.2. Khái niệm về vật liệu PC .........................................................................12
1.1.3. Phân loại ...................................................................................................14
1.1.4. Đặc điểm của vật liệu PC .........................................................................14
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PC ......................................................................155
1.2. VẬT LIỆU PC GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT ..........................16
1.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................16
1.2.2. Các loại nhựa nền thông dụng ..................................................................18
1.2.3. Sợi thực vật ..............................................................................................22
1.3. VẬT LIỆU PC TRÊN CƠ SỞ PP GIA CƯỜNG BẰNG SỢI LUỒNG ..28
1.3.1. Nhựa PP....................................................................................................28
1.3.2. Sợi luồng ..................................................................................................29
1.4. ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN CỦA VẬT LIỆU PC ...........................................39
1.4.1. Lý thuyết lưu biến ....................................................................................39
1.4.2. Đặc tính vật liệu trong dịng chảy nhớt ....................................................40
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................. 46
2.1. HÓA CHẤT VÀ NGUYÊN LIỆU ..............................................................46
2.1.1 Sợi tre ........................................................................................................46
2.1.2 Nhựa PP ....................................................................................................46
2.1.3 Chất trợ tương hợp ....................................................................................46

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

2


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

2.1.4 Phụ gia HL- 04.........................................................................................46
2.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU ............................................................47
2.2.1 Phương pháp chế tạo sợi tre......................................................................47
2.2.2 Phương pháp chế tạo compozit .................................................................48
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM MẪU .......49
2.3.1. Các phương pháp xác định tính chất của sợi luồng .................................49
2.3.2. Các phương pháp xác định cấu trúc và tính chất của compozit ..............51
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 59
3.1. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA SỢI LUỒNG ..................................................59
3.1.1. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi đến hiệu quả tách sợi .................59
3.1.2. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi đến phân bố đường kính sợi, độ
bền kéo...............................................................................................................60
3.1.3. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý kiềm đến độ bền kéo của sợi luồng .63
3.2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA COMPOZIT NỀN PP GIA CƯỜNG BẰNG
SỢI TRE NGẮN .................................................................................................65
3.2.1. Phân bố kích thước sợi trong compozit....................................................65
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của mơi trường hóa chất đến tính chất vật liệu .......66
3.2.3. Ảnh hưởng của mơi trường nước thải đến tính chất và cấu trúc vật liệu .75
3.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG SỢI LUỒNG ĐẾN
TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA VẬT LIỆU ......................................................79
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi luồng đến điểm chảy của vật
liệu…………………………………………………………………………..…79
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi luồng đến tính chất lưu biến của
vật liệu ……..…………………………………………………….……………80
3.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG SỢI LUỒNG ĐẾN
TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU .........................................................83
3.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TGA ..........................................................83
3.4.2. Phương pháp quét nhiệt vi sai DSC .........................................................86

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

3


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

KẾT LUẬN …………………………………………………………………….. 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 92

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

4


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận văn
này là trung thực, do tôi và các cộng sự thực hiện. Các kết quả nêu trong luận văn là
hồn tồn mới và chưa từng có cơng trình nào công bố.

Tác giả

Phạm Thị Lánh

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

5

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PC: polyme compozit
PP: polypropylen
MA: anhydrit maleic
AP: anhydrit phtalic
PVC: polyvinylclorua
PEKN: polyeste không no
PLA: polylactic axit
PET: polyetylen terephtalat
MAPP: poly propylen – anhydrit maleic
SEM: hiển vi điện tử quét
DSC: quét nhiệt vi sai
TGA: phân tích nhệt trọng lượng
AA: anhyrit axetic
AS: axit stearic

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

6


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất của một số PVC thương mại ..................................................... 18
Bảng 1.2: Tính chất cơ học của polylactic axit và copolyme của chúng ................. 20
Bảng 1.3: Một số tính chất của nhựa epoxy đã đóng rắn ....................

...............21

Bảng 1.4: Một số tính chất khác của nhựa epoxy.................... ................................22
Bảng 1.5: Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên...................................23
Bảng 1.6: Thành phần của tro .................................................................................. 26
Bảng 1.7: Tính chất cơ học của một số loại sợi........................................................ 27
Bảng 1.8: Sản lượng khai thác các loài tre ở Việt Nam giai đoạn 1986-1988......... 30
Bảng 1.9: Trữ lượng và phân bố các loài tre ở Việt Nam năm 1991-1993 .............. 30
Bảng 1.10: Thành phần hóa học của luồng 4 - 5 tuổi lấy ở Thanh Hóa .................. 34
Bảng 2.1: Tính chất nhựa PP……………………………………………………………..46
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi đến hiệu quả tách sợi và độ giảm
trọng lượng sợi..........................................................................................................59
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi đến độ bền kéo, đường kính trung
bình và độ bền bám dính của sợi luồng....................................................................60
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của phương pháp xử lý kiềm đến độ bền kéo, đường kính
trung bình, độ bền bám dính của sợi luồng……………………………………………62
Bảng 3.4: Kích thước trung bình của sợi luồng trong compozit………..……………65
Bảng 3.5: Độ bền kéo của PP/luồng (MPa)……………………………………………66
Bảng 3.6: Độ bền uốn của PP/luồng (MPa)……………………………………………67
Bảng 3.7: Độ bền va đập của vật liệu PP/luồng………………………………………68
Bảng 3.8: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch NaOH 3%................ 70
Bảng 3.9: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch NaOH 7%................ 70
Bảng 3.10: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch HCl 3% ................. 72
Bảng 3.11: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch HCl 7% ................. 72
Bảng 3.12: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch H 2 SO 4 3% ............. 73
Bảng 3.13: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch H 2 SO 4 7% ............. 73
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

7

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Bảng 3.14: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong nước thải ................................ 75
Bảng 3.15: Tính chất cơ lý của PP/luồng (MPa)...................................................... 75
Bảng 3.16: Nhiệt độ chảy mềm của các mẫu compozit ............................................ 79

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

8


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc phân tử xenlulo .......................................................................... 24
Hình 1.2: Cơng thức cấu tạo của hemixenlulo ......................................................... 25
Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo của lignin.................................................................... 25
Hình 1.4: Cấu trúc của sợi thực vật .......................................................................... 27
Hình 1.5: Sơ đồ phép đo lưu biến ............................................................................. 40
Hình 1.6: Xác định độ nhớt từ đồ thị ........................................................................ 42
Hình 1.7: Mơ hình hóa các ứng suất tiếp ................................................................. 44
Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo sợi tre bằng phương pháp cào tách bằng tay....................47
Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo sợi tre bằng phương pháp tách bằng máy cán...................48
Hình 2.3: Mẫu đo độ bền kéo sợi luồng .................................................................... 50
Hình 2.4: Sơ đồ cắt ................................................................................................... 51
Hình 2.5: Mẫu đo độ bền kéo .................................................................................... 52
Hình 2.6: Mơ hình đo độ bền va đập ........................................................................ 52
Hình 2.7: Mơ hình đo độ bền uốn ............................................................................. 53

Hình 2.8: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy theo thành phần của hỗn
hợp hai cấu tử ........................................................................................................... 54
Hình 3.1: Hiệu quả tách sợi và độ giảm trọng lượng sợi luồng sau xử lý kiềm ....... 59
Hình 3.2: Phân bố độ bền riêng của sợi ................................................................... 61
Hình 3.3: Ảnh SEM bề mặt sợi tre ............................................................................ 61
Hình 3.4: Độ bền kéo trung bình của sợi tre và độ bám dính sợi – nhựa ................ 62
Hình 3.5: Độ bền kéo và độ bền bám dính của sợi luồng xử lý kiềm 1 lần và 2 lần 63
Hình 3.6: Ảnh SEM bề mặt sợi tre ............................................................................ 64
Hình 3.7: Độ bền kéo của PP/luồng ......................................................................... 67
Hình 3.8: Độ bền uốn của PP/luồng.........................................................................68
Hình 3.9: Độ bền va đập của vật liệu PP/luồng ....................................................... 69
Hình 3.10: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch NaOH 7% .............. 71
Hình 3.11: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch HCl 7% .................. 73
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

9


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hình 3.12: Độ hấp thụ chất lỏng (%) của PC trong dung dịch H 2 SO 4 7% ............. 74
Hình 3.13: Độ hấp thụ chất lỏng của PC trong nước thải ....................................... 75
Hình 3.14: Tính chất cơ lý của PP/luồng có ngâm và khơng ngâm trong nước thải77
Hình 3.15: Ảnh SEM compozit PP/luồng với hàm lượng sợi khác nhau .................. 78
Hình 3.16: Ảnh SEM của các mẫu compozit PP/luồng ngâm trong nước thải ........ 78
Hình 3.17: Mối quan hệ giữa tần số góc và modun trữ động học của các mẫu
compozit .................................................................................................................... 81
Hình 3.18: Mối liên hệ giữa tần số góc và độ nhớt động học của các mẫu compozit ..
...................................................................................................................................82
Hình 3.19: Giản đồ TGA của mẫu PP khơng độn .................................................... 83

Hình 3.20: Giản đồ TGA của mẫu PP không độn, 10%, 20% hàm lượng sợi ........ 84
Hình 3.21: Giản đồ TGA của mẫu PP khơng độn, 30%, 40%, 50% hàm lượng sợi84
Hình 3.22: Giản đồ TGA sợi tre................................................................................ 85
Hình 3.23: Giản đồ DSC của mẫu PP khơng độn....................................................86
Hình 3.24: Giản đồ DSC của mẫu PP khơng độn, 10%, 20% hàm lượng sợi ......... 87
Hình 3.25: Giản đồ DSC của mẫu PP không độn, 30%, 40%, 50% hàm lượng sợi ...
...................................................................................................................................87
Hình 3.26: Giản đồ DSC sợi tre................................................................................ 88

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

10


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, vật liệu polyme compozit nói chung và vật liệu
polyme compozit (PC) gia cường bằng sợi tự nhiên nói riêng đã thu hút sự quan tâm
nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Đặc điểm của các loại sợi này là khối lượng
riêng thấp, modun đàn hồi cao, có khả năng tái tạo, dễ phân hủy sinh học … và có
giá thành thấp hơn nhiều so với sợi tổng hợp. Với ưu điểm nội trội trên, vật liệu
compozit gia cường bằng sợi tự nhiên đã và đang được ứng dụng trong nhiều ngành
cơng nghiệp. [4]
Việt Nam là nước có trữ lượng lớn các lồi cây lấy sợi, trong đó có các loại cây
thuộc họ tre, nứa … Đó mà nguồn nguyên liệu dồi dào và phong phú cho ngành vật
liệu polyme compozit gia cường bằng sợi thực vật. [2]
Đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất gia cơng của vật liệu polyme
compozit nền polypropylen gia cường bằng sợi tre ngắn dùng trong xử lý nước
thải” đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi luồng đến tính chất của vật liệu PC

cũng như ảnh hưởng của các mơi trường hóa chất và nước thải, nhiệt độ, độ ẩm đến
tính chất và cấu trúc của vật liệu PC. Đồng thời đề tài cũng khảo sát sơ bộ tính chất
lưu biến của vật liệu compozit nền polypropylen gia cường bằng sợi tre ngắn.
Trong q trình hồn thành bản đồ án tốt nghiệp em đã nhận được sự chỉ bảo
tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong Trung tâm NCVL Polyme – Trường đại
học Bách Khoa Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, đặc biệt em xin
chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Huy Tùng đã giúp em hoàn thành bản luận án tốt
nghiệp này.
Hà nội, ngày 29/09/2010
Học viên

Phạm Thị Lánh

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

11


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. HIỂU BIẾT CHUNG VỀ VẬT LIỆU PC

1.1.1. Lịch sử phát triển
Vật liệu compozit là một loại vật liệu ra đời từ rất sớm, khoảng 5000 năm trước
công nguyên. Từ xa xưa ông cha chúng ta đã biết kết hợp nhiều nguyên vật liệu
khác nhau để cho ra đời các sản phẩm hữu ích phục vụ đời sống. Ở Ai Cập, khoảng
3000 năm trước Công nguyên, người ta đã biết dùng lau, sậy đan tẩm bằng bi-tum
làm thuyền. Mặc dù vậy, việc chế tạo vật liệu PC với mục đích tạo ra một loại vật
liệu mới kết hợp được tính chất của các loại vật liệu thành phần mới được thực sự

chú ý khoảng 50 năm gần đây. Vật liệu PC có vai trị quan trọng trong tất cả các
ngành, lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân do chúng có giá thành hợp lý, tính chất cơ
lý tốt và sản phẩm đa dạng. [15]
So với vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn thì vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo phát
triển muộn hơn. Nhưng theo dự đốn thì tốc độ phát triển của loại vật liệu này sẽ
tăng lên rất nhanh trong tương lai và có thể vượt qua vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn.
[16]
Ở nước ta, vật liệu PC trên cơ sở epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh bắt đầu đưa
vào sử dụng là vào năm 1972 – 1973 tại Hà Nội. Sau đó, từ năm 1986 – 1988 cho
đến nay, vật liệu PC trên cơ sở polyeste không no (PEKN) gia cường bằng sợi thủy
tinh được phát triển trong cả nước với các sản phẩm nổi bật như: nhà vòm che máy
bay, tàu đánh cá, các loại bồn chứa, lớp bọc chống ăn mòn … [1]
1.1.2. Khái niệm về vật liệu PC
Vật liệu compozit là hệ thống gồm hai hay nhiều pha thường rất khác nhau về
bản chất được phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha, trong đó pha liên tục là
nhựa nền và pha phân bố gián đoạn (pha gia cường) được bao bọc bởi nền. Tuy
nhiên, vật liệu compozit không bao hàm tất cả các tính chất của vật liệu thành phần.
Mục đích chế tạo vật liệu compozit là phối hợp được các tính chất mà mỗi loại vật
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

12


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

liệu ban đầu không thể có được. Như vậy có thể chế tạo vật liệu compozit từ những
cấu tử mà bản thân chúng không thể đáp ứng được các yêu cầu đối với vật liệu.
Vật liệu compozit có thể chế tạo bằng các phương pháp cơ - nhiệt từ các thành
phần ban đầu hay bằng phản ứng hóa học. Vật liệu PC có thể được chế tạo bằng
nhiều phương pháp khác nhau như đúc, ép, quấn ống, lăn ép bằng tay … [6].

 Thành phần chính của vật liệu PC: [6]
a) Nền polyme
Đây là một trong những cấu tử chính của PC. Polyme là pha liên tục, đóng vai
trị chất kết dính làm nhiệm vụ liên kết các loại vật liệu gia cường với nhau, chuyển
ứng suất lên chúng.
Các tính chất của nền polyme có ảnh hưởng quan trọng đến tính cơ học và hóa
học của sản phẩm. Nền polyme phải đảm bảo các yêu cầu sau:
-

Có khả năng thấm ướt tốt và tạo liên kết hóa học với vật liệu gia cường.

-

Có khả năng biến dạng trong q trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra
do sự co ngót thể tích.

-

Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường.

-

Giá thành phù hợp.

Nền polyme có hai loại là nền polyme nhiệt dẻo và nền polyme nhiệt rắn
b) Chất gia cường
Chất ra cường làm tăng khả năng chịu tải của sản phẩm. Có hai loại chính là
dạng sợi dài (liên tục) và dạng sợi ngắn. Các đặc trưng về hình dạng, kích thước,
cấu trúc và tính chất bề mặt của sợi ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu.
c) Chất độn

Chất độn có tính chất bất đẳng hướng, nó làm giảm khả năng co ngót của sản
phẩm, tăng độ bền cơ học và bền nhiệt của vật liệu PC.
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

13


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Chất độn khi đưa vào vật liệu PC trong nhiều trường hợp sẽ làm tăng độ bền của
vật liệu, tăng độ dẫn điện, dẫn nhiệt và giảm giá thành của sản phẩm.
1.1.3. Phân loại
Việc phân loại compozit có thể dựa vào bản chất pha nền hoặc pha gia cường:
[3]
a) Dựa vào bản chất pha gia cường:
-

Vật liệu có phụ gia phân tán

-

Vật liệu PC gia cường bằng sợi ngắn hoặc dạng vẩy

-

Vật liệu PC gia cường bằng sợi liên tục

-

Vật liệu PC độn khí hoặc xốp

-

Vật liệu hỗn hợp polyme – polyme blend

b) Dựa vào bản chất pha nền:
-

Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo

-

Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt rắn
…

1.1.4. Đặc điểm của vật liệu PC [1]
Việc đưa các chất gia cường vào nền polyme đem lại cho vật liệu PC nhiều ưu
điểm nổi bật so với vật liệu truyền thống: độ bền riêng cao, modun đàn hồi riêng
cao, tỷ trọng thấp, ổn định tính chất trong nhiều mơi trường hóa chất, chống mài
mịn tốt.
 Những đặc điểm chủ yếu của vật liệu PC: [3,5]
-

Là vật liệu nhiều pha, trong thực tế phổ biến nhất là vật liệu PC hai pha: pha
gián đoạn là pha gia cường được bao bọc bởi pha liên tục là nền polyme.

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

14

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

-

Trong vật liệu PC: tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền
và pha gia cường tuân theo các quy định thiết kế trước.

-

Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của
vật liệu PC.

-

Có nhiều phương pháp gia cơng cho phép chế tạo nhiều dạng sản phẩm có đặc
tính khác nhau.

 Tuy nhiên vật liệu PC cịn có một số nhược điểm sau đây: [5]
-

Là vật liệu đa thành phần nên việc đồng thời thỏa mãn tất cả các yêu cầu của
vật liệu rất khó.

-

Modun đàn hồi khơng cao.

-

Nhiệt độ làm việc tương đối thấp (so với kim loại và gốm).
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PC [1,2,3]
Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu PC hết sức phong phú và đa dạng, từ các sản

phẩm đơn giản như bồn tắm, thúng chứa nước, tấm lợp … cho đến những chi tiết và
kết cấu phức tạp có yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ trụ. Trong công nhgệ
chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất, vật liệu PC được sử dụng
do giảm trọng lượng, tiết kiệm được nguyên liệu, tăng thời gian sử dụng, chịu mài
mòn, giảm độ ồn, độ rung, giảm bớt nguy hiểm cho người sử dụng khi có tại nạn và
giảm số vốn đầu tư cho các thiết bị sản xuất. Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu
PC được sử dụng 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 điện. Trong công
nghiệp xây dựng và cơng nghiệp điện, vật liệu PC có đặc tính cách điện tốt, khả
năng chịu môi trường cao, chịu va đập tốt. [3,23]

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

15


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

1.2. VẬT LIỆU PC GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT [21,24,25,26]
1.2.1. Giới thiệu chung [2,6]
Bảy mươi năm trước đây, hầu như tất cả nguồn tài nguyên sử dụng để sản xuất
rất nhiều sản phẩm tiêu dùng và ứng dụng trong công nghiệp đều bắt nguồn từ sợi
tự nhiên. Ngày nay, việc sử dụng sợi tự nhiên để gia cường trong các ứng dụng về
công nghệ đang diễn ra chủ yếu trong ngành công nghiệp ô tơ, bao bì và nhiều
ngành cơng nghiệp khác. Sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu PC cốt sợi tổng hợp
làm tăng lượng chất thải rắn khó phân hủy. Để khắc phục điều này, các nhà khoa

học đang tích cực nghiên cứu ứng dụng sợi tự nhiên thay thế cho sợi tổng hợp làm
chất gia cường. Vật liệu PC cốt sợi thực vật có nhiều ưu điểm cả về mặt kỹ thuật,
kinh tế và môi trường nên được nhiều nước Tây Âu, Nhật Bản, Ấn Độ … rất quan
tâm.
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 ra vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật đã được triển
khai có hiệu quả và thu được những thành cơng nhất định. Những cơng trình đã
được thực hiện chủ yếu tập trung vào sợi tre, sợi đay, sợi dừa với các loại nhựa nền
như phenolic, polyetylen, polypropylen và polyeste không no.
Tre, luồng là một loại cây được trồng rộng rãi ở khu vực Châu Á nói chung và
Việt Nam nói riêng, là một nguồn tài nguyên cho đến nay vẫn chưa khai thác với số
lượng lớn. Chúng có tiềm năng rất lớn và được xem như một trong những loài cây
toàn diện và sinh trưởng rất nhanh như các loại cây cỏ khác. Vì vậy chúng đang
được chú ý nghiên cứu sử dụng trong vật liệu PC nhờ những chất cơ học cao của
nó. [10]
Qua nghiên cứu về tính chất cơ lý của một số loại sợi nhận thấy độ bền kéo của
thủy tinh (cũng như các loại sợi nhân tạo nói chung) cao hơn nhiều so với sợi tự
nhiên. Tuy nhiên, modun riêng của sợi tự nhiên (modun/khối lượng riêng) có giá trị
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

16


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

cao hơn so với sợi thủy tinh. Đây là một ưu điểm chính của các loại sợi tự nhiên
được sử dụng để gia cường cho vật liệu PC khi cần đến việc giảm trọng lượng.
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 quan tâm chú ý do chúng có các đặc điểm

sau:
* Ưu điểm
-

Khối lượng riêng của sợi thấp dẫn đến độ bền và độ cứng riêng của sợi cao
hơn sợi thủy tinh, đặc biệt thích hợp để thiết kế các chi tiết chịu uốn.

-

Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào, quá trình sản xuất địi hỏi ít
năng lượng.

-

Có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm hạ.

-

Dễ gia cơng, khơng gây mài mịn thiết bị, khơng gây dị ứng da.

-

Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân hủy sinh học, dễ phân hủy hoàn
toàn bằng nhiệt, trong khi sợi thủy tinh rất khó xử lý. Do đó khơng gây tác
động xấu đến mơi trường sinh thái.

* Nhược điểm
-

Độ bền thấp hơn vật liệu PC sợi thủy tinh. Tuy nhiên có thể nâng cao độ bền

cho vật liệu bằng cách lai tạo sợi thực vật với sợi tổng hợp.

-

Sợi thực vật dễ hấp thụ ẩm làm trương sợi, giảm độ bền và tuổi thọ của sản
phẩm. Có thể khắc phục bằng cách xử lý bề mặt sợi.

-

Nhiệt độ gia công chỉ hạn chế dưới 2000C.

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 đã chế tạo ra vật liệu PC sợi thực vật có các
tính chất tối ưu cho các ứng dụng đặc biệt.

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

17


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

1.2.2. Các loại nhựa nền thông dụng
1.2.2.1. Các loại nhựa nhiệt dẻo
a) Polypropylen (PP) [21]
Polypropylen là loại nhựa nhiệt dẻo thơng dụng và có giá trị thương mại rất lớn.
Vào đầu thế kỷ 21, PP đã được sản xuất với số lượng lên đến hàng chục triệu tấn
một năm trên thế giới.
PP là một hydrocacbon mạch thẳng no thuần túy hoặc có một phần nhỏ khơng
no. Mặc dù có nhiều điểm tương đồng về tính chất với PE nhưng sự có mặt của

nhóm metyl luân phiên ở cacbon mạch chính đã làm thay đổi một số tính chất của
PP như
-

Tỷ trọng riêng thấp hơn (~ 0,90 g/cm3)

-

Điểm hóa mềm cao hơn nên nhiệt độ làm việc tối đa cũng cao hơn. Các sản
phẩm làm từ PP chịu được nước sôi và khử trùng nhiều hơn
b) Polyvinylclorua (PVC) [14]

PVC nhận được từ monome vinyl clorit theo phản ứng trùng hợp gốc bằng các
phương pháp trùng hợp huyền phù, nhũ tương, khối hay dung dịch. PVC có 2 loại:
loại cứng và loại mềm dẻo. Bảng dưới đây trình bày tính chất của một số PVC
thương mại:
Bảng 1.1: Tính chất của một số PVC thương mại
Tính chất

PVC cứng

PVC mềm

Khối lượng riêng, g/cm3

1,03 – 1,58

1,16 – 1,35

Độ bền kéo, MPa

41,4 – 51,7

22,1 – 33,8

Modun kéo, GPa

2,41 – 4,14

1,79 – 3,24

2 – 80

13 – 50

Độ dãn dài khi đứt, %
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

18


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

c) Polylactic axit (PLA) [3]
Từ những năm 1960, người ta đã chú ý đến tính tương hợp và phân hủy sinh học
của PLA. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nó chỉ được ứng dụng trong ngành y tế
như: chỉ khâu tự tiêu, vỏ bọc thuốc nhả chậm, một số chi tiết cấy ghép tạng …
Nhưng từ thập niên 80, dưới áp lực của các vấn đề rác thải gây ô nhiễm môi trường
do vật liệu bao gói và các vật liệu khác có nguồn gốc từ dầu mỏ thì vật liệu dễ phân
hủy như PLA được quan tâm và chú ý nhiều hơn [3]. Năm 1987, tập đồn sản xuất

nơng nghiệp Cargill của Mỹ bắt đầu nghiên cứu sản xuất PLA từ tinh bột ngô. Đến
năm 2002, nhà máy sản xuất PLA với quy mô công nghiệp đầu tiên ở Nebraska đã
đưa vào hoạt động với công suất 140,000 tấn/năm.
Nhựa PLA là loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt, cứng, độ bền kéo có thể lên tới 60
MPa, song khá dịn và có độ dãn dài thấp nên hạn chế khả năng sử dụng. PLA cao
phân tử hình thành từ hỗn hợp đơn phân axit lactic (2-hydroxy propanoic axit), là
axit hydroxy đơn giản với một nguyên tử cacbon bất đối xứng và tồn tại trong hai
cấu hình quang học hoạt động, do đó PLA có 2 dạng đồng phân hình học là:
- Poly (L-lactic axit) (PLLA) trùng hợp từ L-lactic axit có nhiệt độ hóa thủy tinh
T g trong khoảng 50 oC – 80oC, nhiệt độ chảy mềm trong khoảng 174 oC – 178oC.
- Poly (D-lactic axit) (PDLA) trùng hợp từ D-lactic axit, nhiệt độ chảy mềm
khoảng 171oC.
PLA có khối lượng phân tử lớn và có tính chất đa dạng do nó được hình thành từ
các đơn phân tử lactic. Tùy thuộc vào hàm lượng dạng L-lactic axit hay D-lactic
axit mà polyme tổng hợp được có tính chất khác nhau. Loại PLLA thường được sử
dụng nhiều hơn loại PDLA do tính phổ biến hơn và có tính chất cơ lý tốt hơn.
PLA là một polyeste sản xuất từ việc lên men mía đường, bột bắp, sắn. PLA có
các tính chất gần giống với một polyme có nguồn gốc dầu mỏ là polyetylen
terephtalat (PET) như độ cứng cao, nhiệt nóng chảy cao, modun đàn hồi cao và độ
bền kéo đứt lớn.

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

19


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Bảng 1.2: Tính chất cơ học của polylactic axit và copolyme của chúng [3]

Polyme

Nhiệt độ nóng
chảy, T m (oC)

Nhiệt độ hóa

Độ bền

Modun

Độ dãn dài

thủy tinh, T g

kéo đứt,

đàn hồi

khi đứt

(oC)

MPa

(GPa)

(%)

LPLA

170 - 180

60 – 65

28 – 50

1,2 – 3

5 - 10

DLPLA

-

55 – 60

29

1,9

3 - 10

-

50 – 55

-

2,0

3 - 10

-

50 - 55

-

2,0

85/15
DLPLG
75/25
DLPLG

1.

- 10

PLA là loại nhựa nhiệt dẻo và độ nhớt thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ đồng phân
L/D trong thành phần polyme nên có thể gia công trên các thiết bị gia công thông
thường cho nhựa nhiệt dẻo như: pháp như ép đùn, ép phun, thổi màng, đùn thổi, tạo
hình nhiệt … để tạo ra các loại sản phẩm khác nhau. Tuy nhiên trong quá trình gia
cơng cần phải tối ưu về thời gian và nhiệt độ để tránh xảy ra các phản ứng ngược,
tạo sản phẩm pre-polyme mạch vòng ban đầu cho vào.
1.2.2.2. Các loại nhựa nhiệt rắn
a) Polyeste không no (PEKN) [3]
PEKN là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa các axit đa chức hay các
anhydrit của chúng với các polyol. Nhựa PEKN ở dạng rắn nhưng thường sử dụng ở

dạng dung dịch với styrene (30 – 40%). Styren vừa là dung mơi vừa là tác nhân
khâu mạch. Nhựa PEKN có thể gia công ngay tại nhiệt độ thường mà không cần áp
suất.
Nhựa PEKN chủ yếu được phân loại dựa vào cấu tạo hóa học của anhydrit
phtalic: nhựa đi từ axit và anhydrit octophtalic thường được gọi là nhựa octo, loại
Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

20


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

nhựa này sử dụng phổ biến hơn. Loại kia đi từ anhydrit izophtalic thường được gọi
là nhựa iso, loại nhựa này ít phổ biến hơn.
b) Epoxy [14]
Các loại nhựa epoxy hiện nay đang được dùng phổ biến trên thế giới và nước ta.
Nhựa epoxy thường sử dụng dưới dạng các vật liệu cách điện, bọc phủ, keo dán kết
cấu, chất tạo màng trong sơn, vật liệu compozit … trong nhiều ngành kỹ thuật quan
trọng như điện và điện tử, chế tạo máy, đóng tàu, chế tạo ôtô, công nghiệp hàng
không vũ trụ …
Nhựa epoxy sau khi đã đóng rắn có tính chất khơng nóng chảy, khơng hịa tan
tuy nhiên có khả năng trương nở trong các dung mơi. Nhựa epoxy sau khi đóng rắn
có tính bền hóa học cao, độ bền hóa phụ thuộc vào chất đóng rắn cũng như bản chất
của nhựa. Ví dụ như nhựa đóng rắn bằng axit có chứa các liên kết este khơng bền
trong mơi trường kiềm.
Một số tính chất của nhựa epoxy đã đóng rắn khơng sử dụng chất gia cường, với
các chất đóng rắn khác nhau được khảo sát cho kết quả như bảng 1.3:
Bảng 1.3: Một số tính chất của nhựa epoxy đã đóng rắn
Thơng số

STT

Giá trị

1

Modun đàn hồi, GPa

2,8 – 4,2

2

Độ bền kéo, MPa

55 - 130

3

Độ chịu mỏi, MPa

30 -90

4

Độ giãn dài tương đối, %

1-2

5

Độ bền va đập Izod, J/m

5,3 – 53

6

Tỷ trọng, g/cm3

1,2 – 1,3

9

Độ bền nén, MPa

100 - 170

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

21


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Tính chất cơ nhiệt của nhựa epoxy đóng rắn phụ thuộc vào bản chất của nhựa và
chất đóng rắn, mức độ khâu mạch của nhựa, độ mềm dẻo của các phân tử epoxy và
chất đóng rắn.
Nhựa epoxy sau khi đóng rắn ít phân cực, do đó nó thể hiện khả năng dẫn điện
kém và là cơ sở để sử dụng làm vật liệu cách điện. Bảng 1.4 trình bày một số tính
chất khác của nhựa epoxy.
Bảng 1.4: Một số tính chất khác của nhựa epoxy

Thơng số

STT

Giá trị

1

Điện trở riêng, Ω

2

Hệ số cách điện, (60 Hz)

3,8

3

Độ bền cách điện, kV.cm

280

4

Độ hấp thụ hơi nước (24h), %

0,15

1014

Nhựa epoxy được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Q trình đóng rắn
và chế tạo sản phẩm từ nhựa epoxy gồm có các kỹ thuật như: đúc khn, kéo sợi,
đúc áp lực, đúc chân không, đùn, đúc phun … Q trình gia cơng epoxy được thực
hiện ở dải nhiệt độ khá rộng, tùy thuộc vào chất đóng rắn sử dụng, từ nhiệt độ
thường (polyamin) tới nhiệt độ cao 1800C – 2000C (anhydrit axit…) và ở áp suất
tương đối thấp từ chân không tới 50atm.
1.2.3. Sợi thực vật
1.2.3.1. Định nghĩa và phân loại [3,20,21]
Sợi là vật liệu đơn bào. Hầu hết các loại sợi đều tồn tại ở dạng bó của các sợi cơ
bản, trừ sợi lấy từ hạt. Sợi là một đơn vị vật chất được đặc trưng bởi độ mềm dẻo và
tỷ lệ chiều dài trên đường kính. Tùy theo cấu trúc hình thái, sợi thực vật được chia
làm ba nhóm:

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

22


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

- Sợi dính vào hạt: ví dụ như sợi dừa. Đây là loại sợi đã được sử dụng ở Ấn Độ
khoảng 3000 năm trước công nguyên. Sợi dừa có ba loại: sợi tinh nhất gọi là sợi
trắng, sợi thơ hơn gọi là sợi dịn và sợi ngắn hơn gọi là sợi làm đệm. Sợi dòn và sợi
làm đệm thường được gọi là sợi nâu.
- Sợi lấy từ lá cây: ví dụ như sợi từ lá chuối và lá dứa. Chuối có khoảng 300 loại
và trong đó có khoảng 20 loại được sử dụng cho tiêu dùng. Để nhận được sợi tốt
nhất, cần chặt cây khi gần với giai đoạn sắp nở hoa, nghĩa là chưa có quả.
Sợi dứa cũng được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệu PC. Sợi được tách ra
bằng phương pháp thủ công hoặc bằng máy. Tuy nhiên phương pháp này tốn nhân
công và làm mất khá nhiều sợi vụn nên giá thành sợi tương đối cao.

- Sợi lấy từ thân cây: ví dụ như sợi tre, lanh, gai, đay … Tre có thân rỗng nên
thường gọi là ống tre với sợi xenlulo xếp dọc theo chiều dài thân. Tre thuộc họ cỏ
Dendrocalamus, là một lingo-xenlulo compozit tự nhiên trong đó các sợi xenlulo
được bao bọc bởi nền lignin. Chiều dài trung bình của sợi tre khoảng 2mm và
đường kính trung bình trong khoảng 10 - 20 µm .
1.2.3.2. Thành phần hóa học [3,16,13]
Mơi trường sống, tuổi cây, mùa vụ thu hoạch, phương pháp tách sợi không chỉ
ảnh hưởng đến cấu trúc mà cịn ảnh hưởng đến thành phần hóa học của sợi. Sợi thực
vật có thành phần gồm nhiều chất khác nhau, trong đó xenlulo, hemixenlulo, lignin
là thành phần chính và có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của sợi.
Bảng 1.5: Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên (%)
Thành phần

Sợi bông

Sợi đay

Xenlulo

82,7

64,4

64,4

68,6

65,8

46-48

hemixenlulo

5,7

12,0

16,7

13,1

12,0

20-23

Phạm Thị Lánh- ĐHBKHN

Sợi lanh Gai dầu Dứa dại

23

Tre