Đánh giá ảnh hưởng của sợi dừa đến tính chất vật liệu compozit chế tạo theo phương pháp RTM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME

----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỢI DỪA ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT
LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO THEO PHƯƠNG PHÁP RTM

Sinh viên thực

Hoàng Văn Vinh

Mã số sinh viên:
Lớp:
Giáo viên hướng

20123722
KTHH5- K57
PGS. TS. Nguyễn Huy

hiện:

dẫn:

Tùng

Hà Nội, tháng 6/2017

Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Bảng danh mục viết tắt
PEKN
RTM

Nhựa polyeste không no
Resin transfer moulding- Phương pháp điền nhựa vào

MEKPO
MA
PG
EG
AP
PC
PVC
HDPE
LDPE
PE clo hóa
PP
PS
PVC

khn
Metyl etyl keton peroxit
Anhydrit maleic

Propylen glycol
Etylen glycol
Anhydrit phtalic
Polyme compozit
Polyvinyl clorua
High density polyetylen
Low density polyetylen
Polyetylen clo hóa
Poly propylen
Poly styren
Poly vinyl clorua

Danh mục bảng
Tên bảng
Bảng 1.1

Một số loại axit/ anhydryt thường được dùng để tổng

Số trang
17

hợp nhựa PEKN
Bảng 1.2

Một số loại polyol thường dùng để tổng hợp nhựa

19

PEKN
Một số chất khơi mào dùng trong đóng rắn nhựa PEKN

21

Bảng 1.4

Tính chất của nhựa PEKN

24

Bảng 1.5

Một số loại nhựa PEKN và ứng dụng
Thành phần hóa học của sợi dừa

25
27

Cơ tính của một số sợi tự nhiên so với các loại sợi gia

28

Bảng 1.3

Bảng 1.6
Bảng 1.7

cường thông thường khác

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

2


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Danh mục hình ảnh
Số hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hìn 2.4
Hình 2.5
Hình 3.1
Hình 3.2

Tên hình
Hình minh họa cấu trúc vật liệu compozit
Hình minh họa ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên
Sơ đồ mơ tả nhựa PEKN sau khi đóng rắn

Một số ứng dụng của nhựa PEKN
Cấu tạo quả dừa
Hình ảnh minh họa sợi xơ dừa
Quy trình tách sợi xơ dừa thủ công cổ truyền
Quy sản xuất sợi thẳng bằng máy
Sơ đồ q trình điền nhựa vào khn
Hình ảnh minh họa sợi xơ dừa được xử lý kiềm
Sơ đồ khuôn làm mẫu
Thiết bị đo độ bền cơ học INSTRON của Mỹ
Mẫu đo độ bền kéo đứt
Máy đo độ bền va đập Tinius Olsen
Phương trình Darcy áp dụng cho phương pháp RTM
Ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền kéo của vật liệu

Trang
13
16
22
25
26
27
29
30
30
34
34
36
37
38
40

41

Hình 3.3

compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của loại sợi dừa đến độ bền uốn của vật liệu

41

compozit PEKN- sợi dừa
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

3


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Hình 3.4

Ảnh hưởng của loại sợi luồng đến độ bền va đập của vật

42

Hình 3.5
Hình 3.6

liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh kính hiển vi quang học bề mặt mẫu compozit sợi dừa

Ảnh hưởng của hàm lượng sợi dừa đơn hướng đến độ bền

43
44

Hình 3.7

kéo- modul kéo vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi dừa đơn hướng đến độ bền

45

Hình 3.8

uốn- modul uốn của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đơn hướng đến độ bền va

46

Hình 3.9

đập của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi dừa mat đến độ bền kéo của

47

Hình 3.10

vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi dừa mat đến độ bền uốn của

47

Hình 3.11

vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi dừa mat đến độ bền va đập

48

Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14

của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh chụp tại vị trí phá hủy kéo của vật liệu PC
Ảnh chụp tại vị trí phá hủy uốn của vật liệu PC
Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa mat đến độ bền kéo-

49
50
51

modul kéo của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Hình 3.15

Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa mat đến độ bền uốn-

51

Hình3.16
Hình 3.17

modul uốn của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh chụp bề mặt sợi trước và sau khi xử lý kiềm
Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa mat đến độ bền va đập

52
53

Hình 3.18

của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa.
Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa đơn hướng đến độ bền

53

Hình 3.19

kéo- modul kéo của vật liệu PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa đơn hướng đến độ bền

54

Hình 3.20

uốn- modul uốn của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của xử lý kiềm sợi dừa đơn hướng đến độ bền

54

Hình 3.21

va đập của vật liệu PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ bền kéo, modul kéo

55

Hình 3.22

của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng hưởng của nồng độ kiềm đến độ bền uốn, modul

55

Hình 3.23

uốn của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ bền va đập của

56

Hình 3.24

compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của góc đặt sợi đến độ bền kéo-modul kéo của

57

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

4


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Hình 3.25

vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của góc đặt sợi đến độ bền uốn-modul uốn của

58

Hình 3.26

vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của góc đặt sợi đến độ bền va đập của vật liệu

58

Hình 3.27

compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của phương pháp lai tạo đến độ bền kéo- modul

59

Hình 3.28

kéo của vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của phương pháp lai tạo đến độ bền uốn -

60

Hình 3.29

modul uốn của vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của cách đặt mẫu khi đo độ bền uốn của mẫu lai

61

Hình 3.30
Hình 3.31

tạo xen kẽ
Sơ đồ chịu lực của một mẫu đo độ bền uốn
Ảnh hưởng của phương pháp lai tạo đến độ bền va đập của

61
62

Hình 3.32

vật liệu compozit PEKN-sợi dừa
Ảnh hưởng của khoảng cách mối nối đến độ bền kéo –

63

Hình 3.33

modul kéo của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của khoảng cách mối nối đến độ bền uốn-

63

Hình 3.34

modul uốn của vật liệu compozit PEKN- sợi dừa
Ảnh hưởng của khoảng cách mối nối đến độ bền va đập của

64

vật liệu compozit PEKN- sợi dừa

Mục lục

MỞ ĐẦU............................................................................................................11
PHẦN 1: TỔNG QUAN.....................................................................................12
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

5


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

1.1. Vật liệu polyme compozit............................................................................12

1.1.1. Lịch sử phát triển [1].............................................................................12
1.1.2. Khái niệm về vật liệu compozit [1].......................................................12
1.1.3. Phân loại vật liệu compozit [1]..............................................................13
1.2. Vật liệu polyme gia cường bằng sợi tự nhiên [2].........................................14
1.2.1. Một số loại compozit sợi tự nhiên [2]....................................................14
1.2.1.1. Compozit lai tạo từ sợi tự nhiên và sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon..14
1.2.1.2. Compozit có khả năng phân hủy sinh học......................................14
1.2.1.3. Compozit nhựa nhiệt dẻo................................................................14
1.2.2. Các phương pháp gia công compozit sợi tự nhiên [2]...........................15
1.2.3. Ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên [2]...................................15
1.3. Nhựa nền polyeste không no [3]...................................................................16
1.3.1. Tổng hơp nhựa PEKN [3].....................................................................16
1.3.1.1. Nguyên liệu tổng hợp PEKN..........................................................16
1.3.1.2. Phương pháp tổng hợp nhựa PEKN................................................19
1.3.1.3. Phản ứng đóng rắn PEKN..................................................................20
1.3.2. Tính chất và ứng dụng của nhựa PEKN [3]...........................................23
1.3.2.1 Tính chất..........................................................................................23
1.3.2.2. Ứng dụng của nhựa PEKN.............................................................24
1.4. Sợi xơ dừa....................................................................................................26
1.4.1. Giới thiệu sợi xơ dừa [4].......................................................................26
1.4.2 Một số đặc tính của xơ dừa [4]...............................................................27
1.4.3 Các phương pháp tách sợi xơ dừa [4].....................................................28
1.5. Phương pháp chuyển nhựa vào khn (RTM) [5]........................................30
PHẦN 2: HĨA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................33
2.1. Hóa chất.......................................................................................................33
2.1.1. Hóa chất................................................................................................33
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị................................................................................33
2.2. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................33
2.2.1. Phương pháp xử lý kiềm........................................................................33
2.2.2. Phương pháp chế tạo mẫu......................................................................34

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

6


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

2.2.2.1. Sơ đồ cấu tạo khuôn làm mẫu.........................................................34
2.2.2.2. Các bước chế tạo mẫu.....................................................................35
2.2.3. Phương pháp đo độ bền kéo..................................................................36
2.2.5. Phương pháp xác định độ bền va đập....................................................38
2.2.6. Phương pháp xác định hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp................39
PHẦN 3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN..................................................................40
3.1. Đánh giá khả năng thấm ướt của sợi xơ dừa.................................................40
3.2. Ảnh hưởng của loại sợi đến tính chất vật liệu compozit...............................41
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tính chất vật liệu compozit....................43
3.3.1. Sợi đơn hướng.......................................................................................43
3.3.2. Sợi mat..................................................................................................46
3.4. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đến độ bền của vật liêu compozit......................50
3.4.1. Sợi xơ dừa mat......................................................................................50
3.4.2 Sợi xơ dừa đơn hướng............................................................................53
3.4.3 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm( NaOH) đến độ bền của vật liệu............55
3.5 Ảnh hưởng của phương pháp đặt sợi đến độ bền của compozit PEKN- sợi
dừa............................................................................................................................... 56
3.5.1 Độ bền kéo.............................................................................................57
3.5.2 Độ bền uốn.............................................................................................58
3.5.3 Độ bền va đập.........................................................................................58
3.6 Ảnh hưởng của phương pháp lai tạo đơn hướng- mat đến tính chất vật liệu

compozit PEKN- sợi dừa.............................................................................................59
3.6.1 Độ bền kéo- modul kéo..........................................................................59
3.6.2 Độ bền uốn- Modul uốn.........................................................................60
3.6.3 Độ bền va đập.........................................................................................62
3.7 Ảnh hưởng của khoảng cách mối nối sợi đến độ bền của vật liệu compozit
PEKN-sợi dừa..............................................................................................................62
3.7.1 Độ bền kéo- modul kéo..........................................................................62
3.7.2 Độ bền uốn- modul uốn..........................................................................63
3.7.3 Độ bền va đập.........................................................................................64
Tài liệu tham khảo...............................................................................................66
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

7


Đồ án tốt nghiệp – 2017

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

8


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trung tâm nghiên cứu

vật liệu Polymer đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PSG. TS. Nguyễn Huy Tùng đã tận
tình giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt trong thời gian em làm đồ án.
Tuy nhiên do hạn chế về kiến thức cũng như các kỹ năng nên trong cuốn đồ
án này cịn cịn nhiều thiếu sót, em mong các thầy cô chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội năm 2017
Sinh viên
Hoàng Văn Vinh

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

9


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về
các loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như kim loại, ceramic,
polyme khi đứng riêng rẽ khơng có được. Rất nhiều vât liệu mới được phát triển trong
đó vật liệu compozit có tiềm năng và ứng dụng vơ cùng to lớn. Có thể nói thế kỷ XXI
là thế kỷ của công nghệ cao và vật liệu compozit (hay còn được gọi một cách phổ biến
hơn là các vật liệu tiên tiến). Ngày nay, compozit ngày càng chiếm ưu thế, đã thay thế
kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vật thể bay, và đã có
mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân.
Khoảng hơn 20 năm, kể từ những năm 90 trở lại đây, vật liệu compozit được
quan tâm ứng dụng và nghiên cứu khá mạnh mẽ ở Việt Nam. Những ứng dụng có thể

nhìn thấy ngay là ứng dụng compozit trong ngành nhựa của Việt Nam. Để nâng cao độ
bền của vật liệu nhựa, cần đưa bổ sung vào nhựa các cốt sợi, hạt. Những cốt sợi này có
thể là sợi kim loại, sợi thuỷ tinh, sợi bazan hoặc cacbon, sợi tự nhiên… Cốt sợi chẳng
những làm tăng độ bền, tăng các giá trị của mơđun đàn hồi, mà cịn làm tăng độ bền
của vật liệu với các tác động cơ học và vật lý.
Việc sử dụng vật liệu để thay thế các vật liệu truyền thống là điều tất yếu. Tuy
nhiên do vấn đề về môi trường, những năm gần đây việc nghiên cứu và phát triển vật
liệu compozit sợi tự nhiên (sợi thực vật) đang được rất nhiều quốc gia trên thế giới
quan tâm. Chính vì vậy em chọn đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của sợi dưà đến tính chất
vật liệu compozit theo phương pháp RTM” làm đề tài đồ án nghiên cứu của mình.

SVTH: Hồng Văn Vinh- 2017

10


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu polyme compozit
1.1.1. Lịch sử phát triển [1]
Khoảng 5.000 năm trước Công nguyên, người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu
compozit vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở
trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu compozit từ
khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau,
sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các
vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ.
Sự phát triển của vật liệu compozit đã được khẳng định và mang tính đột biến

vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công
sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho polyeste không no và giải pháp này
đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ
cho đại chiến thế giới lần thứ hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu compozit đó là sự xuất
hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay
vật liệu compozit nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv…

1.1.2. Khái niệm về vật liệu compozit [1]
Vật liệu compozit là vật liệu gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong
một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của
vật liệu compozit).
Pha liên tục gọi là vật liệu nền hay chất nền (matrix), thường làm nhiệm vụ kết
dính và là mơi trường phân tán, đóng vai trị chuyển ứng suất lên chất gia cường khi có
ngoại lực tác dụng.
Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu gia cường đóng vai trị là điểm chịu
ứng suất tập trung vì thường có tính chất cơ lý cao hơn chất nền được trộn vào pha nền
nhằm tăng cường các tính chất cơ cho vật liệu.
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

11


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Hình 1.1 Hình minh họa cấu trúc vật liệu compozit

1.1.3. Phân loại vật liệu compozit [1]
Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu
thành phần.
Phân loại theo hình dạng
+ Vật liệu compozit độn dạng sợi: Khi vật liệu gia cường có dạng sợi, ta gọi đó là
compozit cốt sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng tính cơ lý cho polyme nền.
+ Vật liệu compozit độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu
phân hạt độn phân tán vào polyme nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó khơng có kích thước ưu
tiên.
Phân loại theo bản chất, thành phần
+ Compozit nền hữu cơ (polyme) vật liệu gia cường có thể có dạng: sợi hữu cơ
(polyamid, Kevlar…), hay sợi khống (thủy tinh, cacbon…), sợi kim loại (Bo,
nhơm…).
SVTH: Hồng Văn Vinh- 2017

12


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

+ Compozit nền kim loại: như hợp kim Titan, hợp kim Al,… thường độn dạng
hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
+ Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim
loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

1.2. Vật liệu polyme gia cường bằng sợi tự nhiên [2]
1.2.1. Một số loại compozit sợi tự nhiên [2]
Dựa trên những loại sợi và nhựa nền khác nhau có thể phân loại polyme compozit sợi

tự nhiên thành các loại sau

1.2.1.1. Compozit lai tạo từ sợi tự nhiên và sợi thủy tinh hoặc sợi
cacbon
Thơng thường, tính chất cơ lý và vật lý của compozit gia cường sợi tự nhiên kém hơn
nhiều so với gia cường sợi thủy tinh. Vì vậy việc sử dụng compozit lai tạo giúp cho
compozit gia cường sợi tự nhiên có thể cải thiện được rất nhiều. Nhờ tính khơng thấm
nước của sợi thủy tinh nên đã hạn chế rất nhiều tác động của hơi ẩm tới tính chất cơ lý
của vật liệu.

1.2.1.2. Compozit có khả năng phân hủy sinh học
Về mặt sinh thái và bảo vệ môi trường việc phát triển vật liệu compozit phân hủy sinh
học mà ở đây là polyme phân hủy sinh học gia cường sợi tự nhiên đã được đánh giá
cao. Những nhựa có khả năng phân hủy sinh học bắt nguồn từ xenlulo, tinh bột,
lactic,.v..v…

1.2.1.3. Compozit nhựa nhiệt dẻo
Nhựa nhiệt dẻo (chủ yếu là HDPE, LDPE, PE clo hóa, PP, PS, PVC,…) được gia
cường với một số loại chất độn gỗ đang được phát triển nhanh chóng nhờ có ưu điểm
như khối lượng nhẹ độ bền và độ cứng chấp nhận được. Việc gia công đơn giản giá
thành rẻ và ít ảnh hưởng tới mơi trường. Từ lâu gỗ đã được sử dụng làm vật liệu trong
xây dựng và kỹ thuật. Các dạng của gỗ như vỏ bào sợi hay bột gỗ đã được sử dụng
như tác nhân gia cường. Vì vậy những vật liệu gỗ phế thải có thể được tận dụng thành
những sản phẩm hữu ích, đặc biệt là trong lĩnh vực nội thất. Những vấn đề chính của
vật liệu này là: chất lượng của nguyên liệu khơng ổn định; khả năng tương hợp bị hạn
SVTH: Hồng Văn Vinh- 2017

13

Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

chế vì chất độn gỗ có thể hút nước cịn nhựa nền thì ngược lại; tính ổn định nhiệt hạn
chế trong q trình gia cơng và hình dạng của sản phẩm bị cong vênh do sự nở của gỗ.

1.2.2. Các phương pháp gia công compozit sợi tự nhiên [2]
Pha nền đóng vai trị quyết định tính năng của vật liệu compozit polyme. Nhựa nhiệt
rắn hay nhựa nhiệt dẻo đều được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu compozit.
Trong compozit nền nhựa nhiệt rắn, khi đóng rắn nhựa tạo lên những liên kết ngang
cấu trúc mạng lưới ba chiều. Nhờ đó vật liệu bền dung mơi, dai và bền dão. Cơng nghệ
chế tạo compozit nhựa nhiệt rắn có thể là lăn ép bằng tay, phun, đúc chuyển nhựa
(RTM) thấm hút chân không (VATM)… sợi tự nhiên thường dùng là sợi dải, tấm mát.
Nhựa nhiệt dẻo có những ưu điểm riêng của mình. Một trong số đó là chi phí sản
suất thấp có thể thiết kế linh hoạt và dễ dàng cho những sản phẩm đúc phức tạp. Tuy
nhiên khi gia công nhiệt độ bị giới hạn, thấp hơn 200 oC nằm tránh phân hủy nhiệt sợi
tự nhiên. Công nghệ gia công gồm việc đùn những thành phần tại nhiệt độ nóng chảy
thành hình dạng mong muốn như đúc phun hay tạo hình nhiệt… tuy nhiên sợi tự nhiên
thì ưa nước còn nhựa nhiệt dẻo lại kị nước, liên kết hidro giữa các sợi sẽ rất mạnh dẫn
tới giữ các sợi với nhau, phân bố trong nhựa kém. Vì vậy cần sử lý sợi để giảm vấn đề
này.

1.2.3. Ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên [2]
Khoảng một thế kỷ trước đây, gần như mọi nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiều
sản phẩm trong gia đình và sản phẩm cơng nghệ đều từ các nguyên liệu dệt tự nhiên.
Ví dụ như vải dệt, lều, dây thừng và cả giấy đều làm từ sợi tự nhiên như sợi lanh, sợi
gai. Với việc ra đời và phát triển nhanh chóng của các loại chất dẻo thì những ứng
dụng của sợi tự nhiên đã bị hạn chế rất nhiều.
Ngày nay, việc sử dụng sợi tự nhiên trong công nghiệp chủ yếu là do tính đến yếu

tố giá cả và thương mại hơn là nhu cầu về công nghệ. Tại Châu Âu, thị trường
compozit sợi tự nhiên năm 2005 đạt từ 50-70 ngàn tấn, và mục tiêu là 100 ngàn tấn
vào năm 2010.
Hiện nay, compozit sợi tự nhiên chủ yếu ứng dụng trong nội thất ơ tơ, bởi đây là
nhu cầu rất lớn. Có thể lấy ví dụ như bộ phận cửa, ghế ngồi sau, phần đầu, ngăn chứa
đồ, bảng đồng hồ, thùng để hành lý đằng sau,… Sự phát triển của compozit sợi tự
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

14


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

nhiên trong các bộ phận của ô tô tăng trưởng hàng năm tới 54%. Hiện nay, người ta
đang nghiên cứu chế tạo một loại xe gọi là Ecocar – xe của tương lai, từ các tấm
compozit sợi tự nhiên với nền nhựa có thể phân hủy sinh học, chạy bằng nhiên liệu
sinh học.
Ngồi ra cịn một số sản phẩm khác như: tấm panel (dạng sandwich) lợp mái, cửa,
vách ngăn, thân thuyền, nội thất trong nhà,..v.v..

Hình 1.2 Hình minh họa ứng dụng của vật liệu compozit sợi tự nhiên

1.3. Nhựa nền polyeste không no [3]
1.3.1. Tổng hơp nhựa PEKN [3]
1.3.1.1. Nguyên liệu tổng hợp PEKN
Nhựa PEKN là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa các polyaxit hay các
anhydrit của chúng với các polyol. Liên kết đôi của anhydrit không no tạo điều kiện
cho nhựa PEKN có khả năng khâu mạch tiếp theo để tao nhựa nhiệt rắn. Nhựa PEKN

tạo thành ở dạng rắn nhưng thường được sử dụng ở dạng dung dịch với styren (3040%).
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

15


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Styren vừa là dung môi vừa là tác nhân khâu mạch. Nhựa PEKN có thể gia cơng
ở nhiệt độ thường không cần áp suất và đây là một ưu điểm lớn trong công nghiệp.
a. Polyaxit
Để tổng hợp PEKN, người ta sử dụng các diaxit, thường là axit/anhydryt phtalic
và các dẫn xuất của nó. Tính chất của các sản phẩm nhựa PEKN có thể thay đổi linh
hoạt nhờ vào việc lựa chọn các axit/anhydryt thích hợp.
Dưới đây là bảng tổng hợp một số loại axit/anhydryt thường được sử dụng để
tổng hợp nhựa PEKN cũng như tính chất đặc trưng của các sản phẩm nhựa tương ứng.
Bảng 1.1 Một số loại axit/ anhydryt thường được dùng để tổng hợp nhựa PEKN
Cơng thức

Tên

O

Tính chất
- Nhựa

vàng

sáng,

trong

O

Anhydryt izophtalic

- Chịu ăn mịn, chịu
trường

O

- Cơ tính cao
- Nhựa vàng

O

Anhydryt phtalic

O

sáng,

trong
-Cơ tính và tính chất

O

trung bình

- Khơng bị biến màu

O

Anhydryt

O

tetrahydro phtalic
O

HOOC

- Cơ lý tính cao
- Độ bền mỏi cao
- Kém hút ẩm
- Nhựa đục nhưng sáng

COOH

- Chịu nước, hơi ẩm ở
Axit terephtalic

100C
- Chịu nhiệt tốt

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

16

Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

O

- Rất bền lão hóa
Anhydryt

O

hexahydro phtalic

O

O
Cl
C

H
C

ClC

ClC

C
H

C
Cl

nhất cao
Anhydryt cloendic

C

H
C

HC

HC

CH2
C
H

- Khơng bị biến màu

C

- Cơ lý tính cao

O
C
H

- Chịu lửa tốt

- Bền mơi trường

O
O
H
C

- Chịu va đập tốt
- Nhựa có tính đồng

C
O

CCl2

- Bền môi trường

Anhydryt endic

C
O

- Chịu mỏi tốt
- Chịu ẩm tốt
- Độ ổn định nhiệt
cao

Ngồi các axit/anhydryt kể trên thì trong q trình tổng hợp PEKN, người ta
cịn bổ sung thêm các axit/anhydryt không no. Việc lựa chọn loại axit/anhydryt không
no và hàm lượng của nó cũng ảnh hưởng lớn đến tính chất của nhựa.

Thơng thường thì anhydryt maleic được sử dụng nhiều hơn cả do giá thành
tương đối rẻ và q trình tổng hợp tạo ra ít nước. Trong những trường hợp địi hỏi tính
chất đặc biệt có thể sử dụng một số hợp chất khác như axit fumaric, axit metacrylic,
axit acrylic, axititaconic.
Hàm lượng axit không no sẽ quyết định hàm lượng nối đôi trong nhựa, tỷ lệ axit
no/axit không no trong khoảng từ 1/2 đến 2. Lượng nối đôi trong nhựa càng cao thì
nhựa đóng rắn càng nhanh và tăng độ cứng của sản phẩm compozit cuối cùng. Vì vậy,
cần lựa chọn tỷ lệ cho phù hợp, trong phần lớn các trường hợp tỷ lệ này là 1:1.
b. Polyol
Nguyên liệu quan trọng thứ hai để tổng hợp PEKN là polyol, thường là các diol.
Giống như polyaxit, polyol cũng có nhiều loại tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm mà lựa
chọn nguyên liệu cho phù hợp. Có thể là tăng cường cơ tính hoặc tăng độ bền thủy
phân, khả năng chịu hóa chất…
Bảng 1.2 Một số loại polyol thường dùng để tổng hợp nhựa PEKN.
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

17


Đồ án tốt nghiệp – 2017
HO

CH2

CH2

CH

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

OH

- Mềm dẻo

CH3
HO

CH2

CH

OH

Butylen glycol

- Chịu ăn mòn
- Độ đàn hồi cao

Propylen glycol (PG)

- Độ bền uốn cao

CH3
HO

CH2

CH2

OH

- Chịu nén tốt
Etylen glycol (EG)

- Độ bền cao
- Mềm dẻo, độ giãn

Dietylenglycol
(DEG)

CH3
HO

C

CH3
HO

CH2 C

CH2

- Chịu va đập tốt
- Chịu kiềm rất tốt

OH

Bisphenol A

CH3

dài lớn

- Ổn định nhiệt
- Bám dính tốt

OH

- Chịu kiềm tốt

CH3

Neopentyl glycol

- Bền nhiệt
- Chịu lão hóa tốt
- Chịu mơi trường
tốt

1.3.1.2. Phương pháp tổng hợp nhựa PEKN
Giữa các diaxit hay anhydit và các diol xảy ra phản ứng este hóa tạo thành nhựa
PEKN
O
O

O

O
O
Anhydryt maleic

O
O
O C CH CH C

AM

O
anhydrit phtalic

CH3
O

CH2 CH O

PG

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

OH

HO

OH

OH

Propylen glycol

Etylen glycol

O

O

C

C

AP

O CH2 CH2 O

EG

18


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

 Q trình tổng hợp PEKN có thể xảy ra theo 1 hoặc 2 giai đoạn
 Phương pháp 1 giai đoạn tức là đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ cao.
Ưu điểm của là thời gian phản ứng giảm còn nhược điểm là tổn thất nguyên liệu nhiều.
Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng.
 Phương pháp hai giai đoạn:
+ Giai đoạn đầu: đun nóng hỗn hợp ở nhiệt độ thấp 98-120˚C phần lớn là tạo ra
các monoeste, giữ ở một khoảng thời gian thích hợp.
+ Giai đoạn sau: nâng nhiệt độ lên đến 260-280˚C và giữ ở nhiệt độ này đến khi

chỉ số axit cịn 1-25 thì ngừng phản ứng. Cuối cùng làm lạnh đến nhiệt độ 150-180˚C,
nếu dùng polyeste lỏng thì đem đóng thùng cịn polyeste rắn thì rót ra băng tải kim
loại, làm nguội, đem đập, nghiền, sàng.

1.3.1.3. Phản ứng đóng rắn PEKN
Dưới tác dụng khởi đầu- xúc tiến hay các tia giàu năng lượng (γ, UV) sẽ xảy ra
phản ứng trùng hợp giữa các nối đơi trong mạch PEKN và styren tạo thành polyme có
cấu trúc không gian theo phản ứng:
O

O
OCH2CH2OC

O

OCH2CH2OC
O

C

O

O

O

C

OCH2CH2OC

+

H
CH C

CH2 CH

O
C

O

CH

C

x

C
H

C
H

x

OCH2CH2OC

H
C

C
H

CH2

CH2

CH

CH

CH

CH C OCH2CH2OC
O
O

CH

O

O

Liên kết ngang có x trung bình khoảng 1.5- 2.5 phân tử styren.

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

19

Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Phản ứng trùng hợp giữa các chất có liên kết đôi thường tiến hành theo cơ chế
trùng hợp gốc dưới tác dụng của các chất khởi đầu và để nâng cao tốc độ phản ứng
phải dựa vào các chất xúc tiến.
Hệ chất khởi đầu- chất xúc tiến là một hệ oxy hóa khử theo cơ chế:
ROOH + Co2+ → RO• + OH‾ + Co3+
ROOH + Co3+ → ROO• + Co2+ + H+
RH + Co3+ → Co2+ + R• +H+
RH + O2 + R• → ROOH + R•
Các chất khởi đầu (cịn gọi là chất xúc tác) có hai loại chất khởi đầu cho đóng rắn
nóng và đóng rắn nguội.
Bảng 1.3 một số chất khơi mào dùng trong đóng rắn nhựa PEKN
Chất khơi mào

Cơng thức
H3C

O

O

O

O

CH3

Metyletylketonperoxyt
H3C
OH

Xyclohexanonperoxyt

O
C
H

Benzoylperoxyt

C
O

CH3
OH
O

O

O

O

O

C
H

C
O

Để đóng rắn nguội thường dùng metyletylketonperoxyt (MEKPO) hay
xyclohexanonperoxyt, thông dụng nhất là MEKPO. Lượng dùng rất ít 1-2% trọng
lượng nhựa. Các chất ở nhiệt độ cao là benzoylperoxyt dùng ở hàm lượng 1-2% dưới
dạng bột nhão 55% trong crezylphotphat. Nhiệt độ đóng rắn nóng thích hợp 100110˚C
Các chất xúc tiến:
+ Coban octoat: là dung dịch 6% coban, màu xanh lơ, được dùng phối hợp với
chất khởi đầu nêu trên.
+ Coban naphtenat: cũng là dung dịch 6% coban, sử dụng như coban octoat.
Ngoài ra do PEKN sau khi tổng hợp thường tồn tại ở dạng đậm đặc hoặc rắn (ở
nhiệt độ phòng) nên người ta thường thêm vào các monome: styren, metylmetacrylat
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

20


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

(MMA), vinyl, triallil xianuarat, … vừa có tác dụng pha lỗng vừa là tác nhân khâu
mạch.
Trong đó styren được sử dụng nhiều nhất do có nhiều tính chất ưu việt:
+ Có độ nhớt thấp.
+ Tương hợp với polyeste, khả năng đồng trùng hợp cao, tự trùng hợp thấp.
+ Đóng rắn nhanh.
+ Sản phẩm chịu thời tiết tốt, có lý tính cao, cách điện tốt

+ Khả năng tự bốc cháy thấp.

Hình 1.3. Sơ đồ mơ tả nhựa PEKN sau khi đóng rắn
Sau khi đóng rắn, nhựa PEKN trở nên cứng và có khả năng chịu lực cao.
Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác
phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để lọai
bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng tới q trình gia cơng.
Trong q trình đóng rắn nhựa thường có hiện tượng co ngót khoảng 4-8% gây
biến dạng tạo những biến dạng cho vật liệu do vậy trước khi gia công ta cần cho thêm
chất chống co ngót.
Cần lưu ý ở nhiệt độ bình thường, q trình đóng rắn xảy ra khơng hồn tồn, do
đó để nâng cao tính chất của vật liệu PC, sau khi đóng rắn ở nhiệt độ thường cần đóng
rắn nóng tiếp 3-4 giờ ở nhiệt độ 80- 100˚C.

1.3.2. Tính chất và ứng dụng của nhựa PEKN [3]
1.3.2.1 Tính chất
 Tính chất của nhựa PEKN phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu ban đầu và
điều kiện tổng hợp. Ở trạng thái khơng đóng rắn nhựa có thể có độ nhớt thấp, trung
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

21


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

bình hoặc cao, dễ thao tác với sợi cốt, có khả năng đóng rắn trong dải nhiệt độ rộng và
khơng cần dùng thêm áp lực. Ở trạng thái đóng rắn các polyeste này là vật liệu rắn,
trong suốt hoặc không. Vật liệu trong suốt cho 92% ánh sáng truyền qua. Khi tiếp xúc

với ánh sáng có bước sóng ngắn thì nhựa sẽ bị vàng. Trong mơi trường khơng khí,
compozit từ PEKN có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ 35-75oC.
 Polyeste sau đóng rắn bền axit, chịu được mơi trường axit HCl 15%, HNO 3 7%.
dung dich muối axit và trung tính, các dung mơi có cực, chịu sương muối, tia tử ngoại
nhưng không bền kiềm, xeton, anilin, CS2….
 Nhược điểm của polyeste khơng no là có độ co ngót lớn, khả năng chịu nhiệt
cũng như độ bền va đập không cao.
 PEKN không chịu được nhiệt độ cao, dễ bốc cháy do vậy khi gia công ta cần
phải cho các phụ gia chống cháy vào như phụ gia hữu cơ, vơ cơ (paraffin) có chứa clo,
PVC, hợp chất có chứa polyplast.

Bảng 1.4. Tính chất của nhựa PEKN
Tính chất

Giá trị

Khối lượng riêng (g/cm3)
Độ bền kéo (MPa)
Độ bền nén (MPa)
Độ bền uốn (MPa)
Môđun đàn hồi (GPa)
Độ dãn dài khi đứt (%)
Độ co ngót (%)
Bền nhiệt (oC)
Độ ngậm nước sau 24h (%)

1,2- 1,35
30-70
80-150
90-100

2,8-3,8
~1,5
5-10
50-80
0,1-0,2

1.3.2.2. Ứng dụng của nhựa PEKN
Nhựa PEKN được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:


Làm keo dính và xi măng (trộn cùng với oxit silic và dioxit silic).

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

22


Đồ án tốt nghiệp – 2017


GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Phủ bảo vệ: tạo ra lớp phủ dày 200-400 mm nên cứng vững bề mặt, bền cơ cao,

bền nhiệt, bền vững với sự thay đổi của thời tiết, bền nước, rượu, xăng dầu, axit lỏng,
kiềm và một loạt các nhân tố hoạt hóa khác. Màng phủ có thể phủ lên tất cả các loại
vật liệu. chỉ có điều lớp phủ mỏng nên styren bay hơi rất nhanh, mất nhiệt do phản ứng
tạo ra. Vậy cần đưa một lượng lớn chất để tăng nhanh quá trình đồng trùng hợp styren
và PEKN, và ngăn cản tác động của oxy trong khơng khí vào q trình làm khơ.


Làm vật liệu ép



Làm vật liệu phân lớp



Quan trọng hơn cả là nhựa PEKN có vai trị rất quan trọng đóng vai trị là nhựa

nền trong công nghiệp chế tạo vật liệu polyme compozit. Sản phẩm compozit đi từ
nhựa PEKN được ứng dụng rất nhiều vào cơng nghiệp chủ chốt như cơng nghệ đóng
tàu, ơ tơ, máy bay, xây dựng dân dụng…

Hình 1.4 Một số ứng dụng của nhựa PEKN
SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

23


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Bảng 1.5 Một số loại nhựa PEKN và ứng dụng
Loại

Tính chất

Octhophthalic,

Cứng, chống rạn nứt, màu

dicyclopentadien

sáng

Tàu thuyền, bồn tắm, đá hoa, sản
phẩm dân dụng, vách ngăn, sẳn
phẩm trang trí...

Dai, bền va đập và cơ tính
Isophthalic,

cao, bền mơi trường khí

terephthalic

hậu, khá bên mơi trường
hóa chất,
Cứng, độ biến dạng nhiệt

clorendic

Ứng dụng

thấp, bền mơi trường hóa
chất và mơi trường oxy hóa

kết cấu ơ tơ, gel coat, vật liệu điện,
bồn đựng hóa chất, một số chi tiết
trong tàu khơng gian...
Bồn đựng các chất ăn mịn, ống dẫn
trong công nghiệp...

Cứng, độ biến dạng nhiệt
BisphenolA

thấp, rất bền mơi trường Bồn đựng các chất ăn mịn, ống dẫn

fumarat

hóa chất đặc biệt là mơi trong cơng nghiệp hóa chất...
trường kiềm

1.4. Sợi xơ dừa
1.4.1. Giới thiệu sợi xơ dừa [4]
Xơ dừa- thớ vỏ quả giữa nằm ở lớp vỏ ngoài dai, hoặc tầng cutin ngoài(cũng là một bộ
phận của xơ) và gáo cứng bao bọc lớp phơi nhũ có trọng lượng khoảng chừng 35%
trọng lượng của cả quả dừa già, lớp xơ này khác biệt nhau rất nhiều tùy theo giống dừa

Hình 1.5 Cấu tạo quả dừa

SVTH: Hồng Văn Vinh- 2017

24


Đồ án tốt nghiệp – 2017

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Huy Tùng

Có 3 loại xơ dừa: loại dài nhất và mảnh nhất gọi là xơ chiếu hay xơ sợi và có thể kéo
sợi làm chiếu hay thừng chão. Một loại thô hơn dùng làm sợi bàn chải và loại ngắn
nhất dùng để nhồi nệm. Xơ xoắn là loại xơ pha trộn giữa hai loại xơ thô và xơ ngắn.
Phần xơ xoắn chủ yếu dùng tẩm cao su để nhồi nệm.

Hình 1.6: Hình ảnh minh họa sợi xơ dừa

1.4.2 Một số đặc tính của xơ dừa [4]
Xơ dừa là một loại sợi tự nhiên tuyện vời, có tính chắc, bền và có thể bị phân hủy bời
vi khuẩn. Bảng 2.2 và bảng 2.3 trình bày về thành phần hóa học chủ yếu và cơ tính của
sợi xơ dừa so sánh với các sợi khác.
Bảng 1.6 thành phần hóa học của sợi dừa
Thành phần
Lignin
Xenlulo
Hemixenlulo
Pectin và những hợp chất liên

Hàm lượng
45,84%
43,44%
0,25%
0,3%

quan
Tro

2,22%

SVTH: Hoàng Văn Vinh- 2017

25