Do an chuyen nganh

Vật liệu polyme compozit có tính chất ưu việt là nhẹ, bền, dễ gia công, có nhiều tính chất cơ lý,hóa học nổi trội mà các vật liệu riêng rẽ không có được, đặc biệt là giá cả chấp nhận đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE

Sinh viên thực hiện : Trần Viết Tiệp GVHD : Th.s Trần Trung Lê

Hà Nội – 2014

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các anh chị khóa trên, các anh chị trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, cùng toàn thể các bạn trong lớp polyme – k55 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm đồ án này Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2014 Sinh viên

Trần Viết Tiệp

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 5

1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Đặt vấn đề 7

1.2 Vật liệu compozit 7

1.2.1 Định nghĩa 7

1.2.2 Phân loại 8

1.3 Sợi thực vật 9

1.3.1 Phân loại sợi thực vật 9

1.3.2 Cấu trúc vi mô của sợi thực vật 10

1.3.3 Thành phần hóa học của sợi thực vật 10

1.3.3.1 Xenlulo 11

1.3.3.2 Hemixenlulo 11

1.3.3.3 Lignin 12

1.3.3.4 Pectin 13

1.3.3.5 Sáp 13

1.3.4 Đặc điểm của sợi tự nhiên 13

2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 14

2.1 Tài nguyên tre của Việt Nam 14

2.1.1 Vai trò của tre trong đời sống 14

2.1.2 Trữ lượng và phân bố 15

2.1.3 Thành phần hóa học của sợi tre 16

2.2 Phương pháp chế tạo mat tre 17

2.3 Nhựa polypropylene (PP) 18

2.3.1 Giới thiệu chung 18

2.3.2 Tính chất chung nhựa polypropylen 20

2.3.3 Tổng hợp nhựa PP 21

2.3.4 Ưu nhược điểm nhựa PP 22

2.3.5 Sử dụng nhựa PP cho vật liệu compozit 23

2.3.5.1 Vai trò của chất trợ tương hơp MA 23

2.3.5.2 Ép nóng màng PP đã có chất trợ tương hợp với mat tre 25

2.3.5.3 Tạo hạt nhựa PP đã có chất trợ tương hợp với sợi tre ngắn 26

2.3.5.4 Ép đùn hạt PP – sợi tre ngắn 27

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay khoa học công nghệ đang phát triển rất mạnh mẽ với nhiều những ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, vv Một trong những thành tựu đó là sự ra đời và phát triển của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit có tính chất ưu việt là nhẹ, bền, dễ gia công,

có nhiều tính chất cơ lý,hóa học nổi trội mà các vật liệu riêng rẽ không có được, đặc biệt

là giá cả chấp nhận được nên đang dần thay thế cho các vật liệu truyền thống như sắt, thép, gỗ …

Vật liệu polyme compozit được sử dụng để chế tạo nhiều sản phẩm từ đơn giản như bồn chứa nước, tấm lợp, ca nô … đến những sản phẩm có kết cấu phức tạp, chịu tải trọng lớn và đòi hỏi những yêu cầu đặc biệt như các chi tiết trong máy bay, tàu vũ trụ…

Sự phát triển của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt rắn gia cường bằng sợi hóa học đặt ra một vấn đề vô cùng to lớn và nan giải đó là môi trường Do sự gia tăng chất thải khó phân hủy vào môi trường Và bản thân nhựa nhiệt rắn không thể tái sinh sau khi đóng rắn Chính vì vậy các nhà khoa học trên thế giới và trong nước đã quan tâm, nghiên cứu và tạo ra một hướng phát triển mới là vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi thực vật Sợi thực vật có ưu điểm là giá thành hạ, có khả năng tái tạo và phân hủy trong môi trường, nhẹ, dễ gia công, …

Mội số xu hướng giúp chúng ta nhìn về tương lai của compozit sợi thực vật [1]

1 Cạnh tranh của các nguồn nguyên liệu,

2 Vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu,

3 Khả năng tái sinh và các vấn đề về môi trường,

Tre là loại cây đa dụng rất thân thuộc với đời sống hàng ngày của người dân Việt Nam Hình ảnh làng quê Việt Nam từ xưa đến nay luôn gắn liền với lũy tre dày chắn gió bão và bảo vệ tổ quốc Tre ở Việt Nam rất dễ kiếm và có giá thành hợp lý một nguồn nguyên liệu tự nhiên tái tạo và phân hủy sinh học được Việc mở rộng nghiên cứu ứng dụng loại sợi tự nhiên này vào lĩnh vực vật liệu polyme compozit với các loại nhựa nền khác nhau không những đem hiệu quả kinh tế cao mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường Trên cơ sở đó đã hình thành đồ án :

“ Tổng quan về vật liệu polyme pompozit trên cơ sở nhựa propylene gia cường bằng sợi tre”

Nhiệm vụ chủ yếu của đồ án là:

- Tìm hiểu về sợi tre

- Tìm hiểu về nhựa nền PP: nguyên liệu đầu, các phương pháp trung hợp, tính chất, ứng dụng…

- Phương pháp chế tạo vật liệu polymer compozit trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng sợi tre

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.2 Vật liệu compozit

1.2.1 Định nghĩa

Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu có bản chất khác nhau, nhằm tạo ra loại vật liệu mới có đặc tính cơ, lý, hóa nổi trội hơn từng vật liệu thành phần Một cách tổng quát vật liệu compozit gồm một hoặc nhiều pha gián đoạn (vật liệu cốt hay vật liệu gia cường) phân bố trong pha liên tục (vật liệu nền hay vật liệu kết dính) Vật liệu nền đảm bảo cho việc liên kết các vật liệu cốt lại với nhau tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối Đồng thời vật liệu nền còn là môi trường truyển lực cơ học vào vật liệu cốt và đảm bảo cho vật liệu cốt tránh hư hỏng (do tác động cơ học, hóa học…) Vật liệu nền của compozit có thể là polyme (nhiệt rắn, nhiệt dẻo), các các kim loại và hợp kim, gốm hoặc cacbon Ngoài ra còn một số phụ gia khác như chất tạo màu,…

Việc đưa các chất gia cường vào nền polyme làm cho vật liệu polyme compozit

có nhiều ưu điểm so với vật liệu truyền thống như: độ bền riêng cao, modun đàn hồi riêng cao, tỷ trọng thấp, tính ổn định trong nhiều môi trường hóa chất, chịu mài mòn tốt, … Một vai trò khác không kém phần quan trọng là vật liệu cốt đưa vào có thể giúp giảm giá thành cho sản phẩm Vật liệu cốt của compozit có thể là hạt, bột hoặc sợi (ngắn hoặc dài ) làm bằng thủy tinh, polyme, gốm, kim loại, cacbon và sợi tự nhiên

Vật liệu polyme compozit có những đặc điểm chính sau:

 Là vật liệu nhiều pha nhưng trong thực tế phổ biến nhất là vật liệu hai pha Pha gián đoạn là cốt được bao bọc bởi pha liên tực là nền polyme Các pha tương tác nhau qua bề mặt phân chia pha

 Đối với vật liệu polyme compozit cốt sợi, vật liệu có tính dị hướng đây là đặc điểm nổi bật nhất của vật liệu polyme compozit Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác nhau có thể nhận được những vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau

 Trong vật liệu polyme compozit thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân

bố của nền và cốt tuân theo những quy định thiết kế trước Nói cách khác, với sự lựa chọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền, tính chất của của vật liệu polyme compozit có thể tính dự kiến trước

 Tính chất của vật liệu polyme compozit là sự kết hợp các tính chất của các pha thành phần Tuy vậy, tính chất của nó không phải chỉ là đơn thuần là các tính chất của các pha thành phần, mà nó chỉ lựa chọn và phát huy những tính chất tốt tạo ra các tính chất đặc trưng mà các pha thành phần không có được

 Vật liệu polyme compozit cho phép chế tạo các kết cấu, sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật mong muốn Tùy theo những đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sử dụng, mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu, tỷ lê, và công nghệ sản xuất phù hợp

1.2.2 Phân loại [2]

Có 2 cách phân loại vật liệu compozit : theo hình dạng của vật liệu cốt và theo bản chất của các vật liệu thành phần

 Phân loại theo hình dạng của vật liệu cốt:

 Vật liệu compozit cốt sợi: gồm có sợi liên tục và sợi gián đoạn

 Vật liệu compozit cốt hạt

 Phân loại theo bản chất của vật liệu thành phần:

 compozit nền polyme

 compozit nền kim loại

 compozit nền gốm và thủy tinh

 compozit nền cacbon/graphit

1.3 Sợi thực vật

1.3.1 Phân loại sợi thực vật [1]

Sợi thực vật được chia làm 3 loại chính là :

 Sợi vỏ lấy từ thân cây,

 Sợi lá lấy từ thân cây,

 Sợi dính vào hạt,

Danh sách một số loại thực vật, nguồn gốc, sản lượng hàng năm

Bảng 1.1 Các loại sợi thực vật, tên nguồn gốc và sản lượng hàng năm [1]

năm, 103 tấn

L

Scortechinii Dendrocalamus apus

Cochorus olitorius

9 Bông gòn (Kapok) Ceiba pentandra Hạt 123

1.3.2 Cấu trúc vi mô của sợi thực vật [1]

Sợi tự nhiên có thể được xem như compozit của vi sợi xenlulozo được gắn kết với nhau bởi nền lignin và hemi xenlulozo Thành tế bào của sợi là lớp màng không đồng nhất Mỗi sợi có cấu trúc lớp phức tạp gồm 1 lớp sơ cấp mỏng ( là lớp đầu tiên hình thành trong suốt quá trình phát triển tế bào) bao quang lớp thứ cấp Lớp thứ cấp được tạo thành bởi 3 lớp và lớp trung gian dày xác định tinhs tính chất cơ học của sợi Lớp trung gian gồm một 1 chuỗi những vi sợi được gọi là góc vi sợi Giá trị của góc vi sợi thay đổi theo các sợi khác nhau

Hình 1 Cấu trúc sợi tự nhiên

1.3.3 Thành phần hóa học của sợi thực vật [1], [5]

Thành phần hóa học của sợi thực vật gồm xenlulo (thành phần chính), hemixenlulo, lignin, pectin và sáp, ngoài ra còn có một lượng nhỏ tro và khoáng chất

Xenlulo là chất gia cường cho lignin, hemixenlulo và pectin Như vật bản thân sợi thực vật cũng là một vật liệu compozit Thành phần hóa học của sợi thực vật thay đổi phụ thuộc vào loại sợi Tính chất của mỗi loại sợi góp phần tạo nên tính chất chung của sợi 1.3.3.1 Xenlulo [1], [5]

Xenlulo là một polyme tự nhiên cấu tạo từ nhiều mắt xích cơ sở D-anhydro glucozo được kết hợp với nhau bằng các liên kết β-glucopyrano 1-4 tại vị trí C1 và C4 Mỗi mắt xích cơ sở của của xenlulozo chứa 3 nhóm hydroxyl Những nhóm hydroxyl này

có khả năng hình thành liên kết hydro của chúng giữ vai trò chủ yếu trong việc hình thành tinh thể và chi phối đến tính chất vật lý của xenlulo Xenlulo là polyme tương đối cứng, các đại phân tử có độ bất đối xứng cao do cấu trúc mạch vòng của mắt xích, do nhóm –OH có cực cao và liên kết mạnh giữa các phân tử của chúng, cho nên xenlulozo hút ẩm và sợi bị phân cực Xenlulo bền với kiềm mạnh (17,5% khối lượng) nhưng dễ dàng bị thủy phân bởi axit tạo thành đường tan trong nước Xenlulo tương đối bền với các tác nhân oxi hóa

Hình 2 Cấu trúc hóa học của xenlulo

1.3.3.2 Hemixenlulo [1], [5]

Hemixenlulo không phải một dạng xenlulo Chúng bao gồm một nhóm các polysacarit (không kể pectin) ở lại liên kết với xenlulo sau khi lignin đã được loại bỏ hemixenlulo khác xenlulo ở 3 điểm Thứ nhất chúng chứa một vài đơn vị đường ( sugar), trong lúc đó xenlulo chỉ chứa các đơn vị 1,4-β-D-glucopyrano Thứ hai chúng thể hiện độ phân nhánh cao của mạch phân tử, trong lúc đo xenlulo là polyme mạch thẳng thuần túy Thứ ba, độ trùng hợp của xenlulo từ mười đến 100 lần cao hơn so với hemixenlulo Khác với xenlulo thành phần của hemixenlulo không đồng nhất giữa các loại cây cho sợi Công thức hóa học hemixenlulo trình bày ở dưới

Hình 3 Công thức hóa học của hemixenlulo

1.3.3.3 Lignin [1], [5]

Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm Lignin được tạo thành từ các đơn vị mắt xích phenylpropan, các đơn vị mắt xích này liên kết bằng liên kết ete ( C-C ) Cấu trúc lignin còn có các nhóm chức khác như CO, CH2OH, OCH3, OH Lignin là thành phần vô định hình trong sợi, sự có mặt của nó làm cho tính chất cơ lý của sợi không cao Lignin có cấu trúc hóa học là :

Hình 4 Cấu trúc hóa học lignin

1.3.3.4 Pectin [1], [5]

Pectin là tên chủng cho các heteropolysacarit có thành phâng chủ yếu là axit polygalaturon Pectin hòa tan trong nước chỉ sau khi trung hòa một phần bằng kiềm hay hydroxyt amoni

1.3.3.5 Sáp [1], [5]

Sáp có thể trích ly bằng các dung môi hữu cơ Những vật liệu sáp này chứa các rượu khác nhau không hòa tan trong nước cũng như một số axit (palmitic, oleic, stearic) 1.3.4 Đặc điểm của sợi tự nhiên [1]

Khi nghiên cứu và sử dụng sợi tự nhiên cần lưu ý một số điểm quan trọng của sợi là: độ bền nhiệt, hàm ẩm, phân hủy sinh học và độ phân tán của sợi vào chất nền

- Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên là một phần của hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hữu cơ Quá trình xử lý nhiệt dẫn đến sự thay đổi đa dạng các tính chất vật lý và hóa học Độ bền nhiệt của sợi tự nhiên có thể được nghiên cứu bằng phương phân tích nhiệt

- Sự phân hủy nhiệt của sợi tự nhiên là một quá trình gồm hai giai đoạn Giai đoạn một có nhiệt độ từ 220-280 oC Giai đoạn hai có nhiệt độ từ 280-300 oC Quá trình phân hủy nhiệt ở nhiệt độ thấp là quá trình kết hợp với phân hủy của hemixenlulo, còn quá trình phân hủy nhiệt độ cao là của lignin Để tăng độ bền nhiệt của sợi người ta có thể tạo ra một lớp vỏ bảo vệ sợi hoặc có thể ghép sợi với cac monomer

- Hàm ẩm của sợi: Sợi tự nhiên dễ hút nước do đó có chứa ẩm Hàm ẩm của sợi có thể thay đổi từ 5-10% Điều này dẫn đến sự thay đổi kích thước của compozit và cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của compozit Đối với quá trình gia công compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo thì hàm ẩm làm giảm khả năng gia công và làm cho sản phẩm bị xốp Xử lý sợi tự nhiên được xử lývới hóa chất hoặc ghép monome có thể làm giảm hàm ẩm của sợi

- Phân hủy sinh học và phân hủy quang của sợi tự nhiên: Sợi tự nhiên bị phân hủy bởi sinh vật, điều này được nhận biết nhờ các polyme hydratcacbon ở trên thành

của tế bào Lignozenlulo khi ở ngoài trời sẽ bị phân hủy quang hóa bởi ánh sang tử ngoại

- Độ phân tán của sợi vào chất nền: Khi sợi thực vật phân tán vào nền thì do trong sợi có liên kết hydro nên độ phân tán của sợi vào nền giảm Bằng phương pháp xử

lý sợi hoặc nhờ những tác động của quá trình gia công có thể giảm bốt khả năng liên kết giữa các sợi nghĩa là tăng độ phân tán của sợi vào nền

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số loại sợi thực vật [1]

2.1 Tài nguyên tre ở việt nam [1]

2.1.1 Vai trò của tre trong đời sống

Tre là loại cây gắn liền với đời sống của người dân Việt Nam từ xưa đến nay Công dụng của tre rất phong phú, khó có thể liệt kê hết song có thể tóm tắt các nhóm điển hình sau đây [1]:

1 Đồ gia dụng: bàn, ghế, giường, chõng, tủ, đòn gánh, chiếu nằm,rổ rá,dần sàng, điếu cày,…

2 Xây dựng: nhà, cửa, cầu ao, “cầu khỉ”, cọc đóng gia cố móng, dàn giáo,,…

3 Dụng cụ nông nghiệp: cán cào, cuốc xẻng,…

4 Đánh bắt cá: cần câu, nơm, hom, giỏ, cây cà kheo của ngư dân,…

5 Thực phẩm: măng tươi, măng chua các loại,…

6 Vũ khí: cung tên, chông,…

7 Đồ mỹ nghệ: các sản phẩm sơn mài cốt nan tre, mành mành,…

8 Dụng cụ âm nhạc sáo trúc, đàn Tơ rưng,…

2.1.2 Trữ lượng và phân bố [1]

Ở Việt nam đã thống kê được 102 loài tre với 19 họ Có thể tìm thấy các loài tre khác nhau ở khắp mọi nơi từ miền biển cho đến vùng núi cao 2000 m so với mực nước biển

Bên cạnh rừng tre tự nhiên, hàng triệu cây tre do người dân trồng rải rác trong làng quê cũng là nguồn đóng góp đáng kể

Theo số liệu công bó vào năm 2000 của Viện điều tra quy hoạch Rừng của Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông thôn,diện tích rừng tre nứa được trình bày ở bảng … Bảng 2.1 Diện tích rừng và mật độ cây ở các vùng điển hình

N0

Vùng

Diện tích tre nứa (1000 ha)

Mật độ triệu cây /1000ha

Diện tích tre nứa (1000 ha)

Mật độ triệu cây /1000 ha

11 Tuyên Quang