LUẬN văn tốt NGHIỆP vật LIỆU COMPOSITE TRÊN nền NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG sợi TRE

Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường sợi tự nhiên đang thu được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước. So với các loại sợi tổng hợp như sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramide,… thì sợi thực vật có tính chất cơ lý và độ bền yếu hơn hẳn và vật liệu composite gia cường sợi thực vật cũng vậy. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thông thường không đòi hỏi tính chất cơ lý cao thì vật liệu composite gia cường sợi thực vật có nhiều ưu điểm hơn. Sợi thực vật có khả năng phân hủy sinh học và tỷ trọng thấp hơn nhiều so với sợi tổng hợp. Ngoài ra, chúng có ưu thế hơn nhờ giá rẻ và nguồn nguyên liệu dễ tìm và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẳn có ở địa phương. Chúng có khả năng gia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu về vật liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU POLYMER VÀ COMPOSITE



Nguyễn Hữu Đạt

VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN

NHỰA POLYESTER GIA CƯỜNG SỢI

TRE

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TP HỒ CHÍ MINH 8-2009

I

Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Tấn Tài và thầy Trần Duy Thành đã có những ý kiến đóng góp quý báu và luôn theo sát em trong quá trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cảm ơn các anh chị cán bộ trẻ trong Khoa và Bộ môn Hóa Lý đã luôn tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài và tạo mọi điều kiện thuận lợi

để em hoàn thành đề tài.

Cuối cùng, xin cảm ơn các bạn gần xa đã giúp đỡ, động viên và cho mình những kỉ niệm đẹp trong những năm đại học.

II

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường sợi tự nhiên đang thu được sựquan tâm của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước So với các loại sợi tổng hợp như sợicarbon, sợi thủy tinh, sợi aramide,… thì sợi thực vật có tính chất cơ lý và độ bền yếu hơnhẳn và vật liệu composite gia cường sợi thực vật cũng vậy Tuy nhiên, trong các ứng dụngthông thường không đòi hỏi tính chất cơ lý cao thì vật liệu composite gia cường sợi thựcvật có nhiều ưu điểm hơn Sợi thực vật có khả năng phân hủy sinh học và tỷ trọng thấphơn nhiều so với sợi tổng hợp Ngoài ra, chúng có ưu thế hơn nhờ giá rẻ và nguồn nguyênliệu dễ tìm và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẳn có ở địa phương Chúng có khả nănggia cường cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiêncứu về vật liệu composite với nhựa nền unsaturated polyester và pha gia cường sợi tre

III

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Trong đề này, chúng tôi tập trung vào vật liệu composite gia cường sợi tre trên nhựa nền

UP (unsaturated polyester) với các mục tiêu sau:

Khảo sát thành phần hóa học của sợi tre

Khảo sát điều kiện tối ưu trong việc tạo mat tre

Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu

Khảo sát ảnh hưởng của chất kết dính, hàm lượng sợi, chiều dài sợi và điều kiện gia cônglên tính chất cơ lý của vật liệu composite

IV

MỤC LỤC

Lời cảm ơn I Giới thiệu đề tài II Mục tiêu nghiên cứu đề tài III Mục lục…… IV Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt……….VII Danh mục hình ảnh VIII Danh mục bảng số liệu IX Danh mục đồ thị X

Phần 1: Tổng quan

1.1 Tổng quan về vật liệu composite 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Cấu tạo của vật liệu polymer composite 1

1.1.2.1 Vật liệu nền 1

1.1.2.2 Vật liệu gia cường 1

1.1.2.3 Các thành phần khác 1

1.2 Tổng quan về vật liệu nền unsaturated polyester 2

1.2.1 Giới thiệu 2

1.2.2 Quy trình tổng hợp 3

1.2.3 Các ứng dụng chính của nhựa UP 4

1.2.4 Ưu và nhượt điểm 4

1.3 Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre 4

1.3.1 Giới thiệu 4

1.3.2 Thành phần hóa học của tre 5

1.3.2.1 Cellulose 6

1.3.2.2 Hemi-cellulose 6

1.3.2.3 Lignin 7

1.3.2.4 Sáp 7

1.3.2.5 Pectin 7

V

1.3.3 Cấu trúc của sợi tre 7

1.3.4 Ứng dụng của tre 8

1.3.5 Các phương pháp biến tính sợi tre 9

1.3.5.1 Biến tính bằng kiềm 9

1.3.5.2 Biến tính bằng silane 11

1.3.5.3 Sự acetyl hóa 11

1.3.5.4 Sự benzoyl hóa 11

1.3.5.5 Biến tính bằng isocyanate 12

1.3.5.6 Biến tính bằng triazine 12

1.3.5.7 Biến tính bề mặt sợi bằng imidazolidinone 12

1.4 Vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật 14

1.4.1 Giới thiệu 14

1.4.2 Ứng dụng 15

Phần 2: Thực nghiệm 2.1 Hóa chất 16

2.2 Dụng cụ và thiết bị 16

2.3 Quy trình 17

2.3.1 Quy trình chuẩn bị sợi tre 17

2.3.1.1 Lấy tre 17

2.3.1.2 Tạo nan tre 17

2.3.1.3 Tách sợi tre 18

2.3.1.4 Tạo tấm mat sợi tre 18

2.3.1.5 Tạo mẫu composite 19

2.3.2 Chuẩn đo mẫu 21

2.3.2.1 Thử kéo 21

2.3.2.2 Mẫu thử uốn 21

Sơ đồ quy trình thực nghiệm 22

VI

Phần 3: Kết quả và biện luận

3.1 Tối ưu hóa thành phần nhựa nền 23

3.2 Khảo sát thành phần của sợi tre 24

3.2.1 Độ tan của sợi trong xút ở điều kiện thường 24

3.2.2 Độ tan của sợi trong xút nóng 24

3.2.3 Độ tan của sợi trong nước nóng 24

3.2.4 Độ tan của sợi trong hỗn hợp ethanol-toluene 24

3.2.5 Độ tan của sợi trong H2SO4 đậm đặc 25

3.2.6 Độ tan của sợi trong dung dịch H2SO4 đậm đặc 25

3.3 Khảo xát phân bố kích thước sợi sau khi xay 27

3.4 Tối ưu hóa điều kiện tạo mat 28

3.4.1 Điều kiện xử lý bề mặt sợi 28

3.4.2 Xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29

3.4.2.1 Mục đích của việc chế tạo mat tre 29

3.4.2.2 Cách xác định điều kiện tạo mat tối ưu 29

3.5 Khảo sát loại chất kết dính và hàm lượng chất kết dính tối ưu 30

3.5.1 Mục đích của việc sử dụng CKD 30

3.5.2 Cách khảo sát ảnh hưởng của CKD 30

3.5.3 Kết quả đo kéo và đo uốn 31

3.5.4 Kết quả phân tích ảnh SEM 35

3.6 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37

3.7 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39

3.7.1 Kết quả đo kéo và đo uốn 39

3.7.2 Kết quả phân tích ảnh SEM 41

3.7 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41

Phần 4: Kết luận Tài liệu tham khảo 44

Phụ lục…… 48

VII

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PVA: Polyvinyl alcol

PMMA: Polymethyl methacrylate

PVAc: Polyvinyl acetate

SEM: Scanning Electron Microscopy

SMC Sheet Moulding Compound

UP: Unsaturated Polyester

VS: Vinyl silane

V: Volt

[]: Số tài liệu tham khảo

VIII

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm 9

Hình 6: Ảnh SEM của sợi trước khi biến tính (a) và sau khi biến tính (b) bằng xút 10

Hình 7: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng triazine 12

Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone 12

Hình 9: Sự phá hủy mẫu tại vùng tiếp xúc do hơi ẩm 14

Hình 12: (a) Nan tre sau khi cán 1 lần và (b) sau khi cán 3 lần để tách sợi 18

Hình 13: (a) Sợi tre sau khi ngâm xút 1% 72h và (b) sau khi trung hòa xút dư 19

Hình 16: Phổ FT-IR của sợi tre trước (a) và sau khi xử lý xút (b) 26

Hình 17: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50%, không có CKD 36

Hình 18: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 50% và hàm lượng silane 0.6% 36

Hình 19: Ảnh SEM của mẫu có hàm lượng sợi 90% và hàm lượng silane 0.6% 41

IX

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh 14

Bảng 3: Ảnh hưởng của hàm lượng styrene lên thời gian tách pha của hỗn hợp 23

Bảng 4: Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn 23

Bảng 6: Sự phân bố kích thước của sợi sau khi xay 30s và 60s 27

Bảng 7: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của CKD 31

Bảng 8: Kết quả so sánh hàm lượng tối ưu giữa 4 loại CKD 34

Bảng 9: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi 37

Bảng 10: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi 39

Bảng 11: Thành phần mẫu và kết quả khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công 41

X

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 1: Ảnh hưởng của nồng độ xút lên tỷ trọng của sợi tre 10

Đồ thị 2: Sự phân bố chiều dài sợi sau khi xay 30s và 60s 28

Đồ thị 3: Ảnh hưởng của CKD lên modul kéo của mẫu 32

Đồ thị 4: Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất kéo của mẫu 32

Đồ thị 5: Ảnh hưởng của CKD lên modul uốn của mẫu 33

Đồ thị 6: Ảnh hưởng của CKD lên ứng suất uốn của mẫu 33

Đồ thị 7: Ảnh hưởng của chiều dài sợi lên tính chất cơ của mẫu 38

Đồ thị 8: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất cơ của mẫu 40

Đồ thị 9: Ảnh hưởng của điều kiện gia công lên tính chất cơ của mẫu 42

XI

1.1.2 Cấu tạo của vật liệu polymer composite:

1.1.2.1 Vật liệu nền (matrix):

Polymer là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suấtsang pha gia cường khi có lực tác dụng lên vật liệu Polymer nền có thể là một loại nhựahay nhiều loại trộn lẫn vào nhau thành hỗn hợp đồng nhất Polymer nền thường có baloại:

Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PS, PVC,

Nhựa nhiệt rắn: UP, Epoxy, vinyl ester,

Cao su (Elastomer)

1.1.2.2 Vật liệu gia cường:

Đóng vai trò chịu ứng suất do pha gia cường có tính chất cao hơn nhựa Có haidạng pha gia cường chính:

Dạng hạt: thường được sử dụng nhằm mục đích giảm giá thành, giảm sự tạo bọt

khí, dễ đúc khuôn, cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút và giảm tỏa nhiệt khiđóng rắn

Dạng sợi: tính năng cơ lý cao hơn dạng hạt nhưng giá thành cao Sợi gia cường có

thể ở dạng tự do hay được dệt thành tấm định hướng (roving) hoặc không định hướng(mat)

1.1.2.3 Các thành phần khác:

Để tạo thành một sản phẩm composite, ngoài hai thành phần chính trên cần phải cómột số thành phần phụ khác gọi là chất phụ gia Một số chất phụ gia phổ biến trong vậtliệu composite nhựa nhiệt rắn như:

XII

Chất róc khuôn: thường gặp là wax, silicon, dầu, mỡ heo, có tác dụng ngăn

không cho nhựa dính lên mặt khuôn Có hai loại chất róc khuôn là róc khuôn nội (đượcpha vào nhựa) và chất róc khuôn ngoại (bôi lên mặt khuôn)

Chất làm kín: với khuôn làm từ vật liệu xốp như gỗ, thạch cao phải bôi chất làm

kín trước khi dùng chất róc khuôn Chất làm kín có tác dụng lấp đầy các lỗ xốp không chonhựa chảy vào Ví dụ: acid stearic, vecni, cellulose acetate,

Chất đóng rắn (Curing agents): có tác dụng tạo gốc tự do khơi mào cho phản

ứng đóng rắn nhựa Tác nhân kích thích quá trình tạo gốc tự do có thể là nhiệt độ, ánhsáng, tia tử ngoại, chất xúc tiến,

Chất ức chế (Inhibitors): được pha vào nhựa với lượng rất ít nhằm cản trở hay

làm giảm bớt phản ứng đóng rắn xảy ra trong quá trình khuấy trộn hay lưu trữ nhựa

Chất chống co ngót (Low profile additives): là các nhựa nhiệt dẻo được trộn với

hỗn hợp nhựa nhiệt rắn để giảm bớt sự co rút khi đóng rắn của nhựa nhiệt rắn Chất chống

co ngót thường được dùng khoảng 5-10% khối lượng so với nhựa Các chất chống congót thường sử dụng là PMMA, PVAc, PE, PCL,

Chất độn (Fillers): là chất được thêm vào với mục đích làm giảm giá thành sản

phẩm Chất độn không làm tăng mà có khi còn làm giảm tính chất tính chất cơ lý của sảnphẩm

Chất phủ bề mặt (gel coat): có tác dụng làm bề mặt sản phẩm trơn láng và tạo

từ 1000-2000 (prepolymer) có chứa những liên kết  trong mạch [1]

Nhựa UP được bán dưới nhiều tên thương mại như: Dion, Hetron, Polylite,Advaco, Altek, Cargill, Cook, OCF, Pedigree,…[1,2]

XIII

1.2.2 Quy trình tổng hợp:

Nhựa UP thường được tổng hợp từ propylene glycol và hỗn hợp hai anhydride acid

là anhydride maleic để cung cấp liên kết  và anhydride phthalic để kiểm soát quá trìnhtạo liên kết phân tử, tránh tạo ra liên kết phân tử quá lớn Khi sự trùng hợp tới giai đoạnmong muốn, nhựa được làm nguội và được pha loãng bằng styrene

Công thức cấu tạo của propylene glycol, acid maleic, acid phthalic như sau:

propylene glycol anhydride maleic anhydride phthalic

Phản ứng minh họa quy trình sản xuất nhựa UP như sau:

Phản ứng minh họa quá trình đóng rắn nhựa UP như sau:

XIV

Tính chất vật liệu có thể thay đổi nếu ta thay một phần hay toàn bộ acid phtalicbằng một acid nhị chức khác Acid isophtalic làm cho sản phẩm sau khi cứng có tính bềnnhiệt, module cao hơn, kháng nước và kiềm tốt hơn Acid adipic làm cho nhựa dẻo hơn,dùng làm lớp phủ dạng keo.

Khi hàm lượng styrene pha loãng ít thì độ nhớt của hỗn hợp cao làm cho nhựakhông thấm ướt tốt sợi dẫn tới việc liên kết giữa nhựa và sợi không tốt làm tính chất cơ lýcủa composite giảm, đồng thời gây khó khăn khi gia công Khi hàm lượng styrene phaloãng quá nhiều thì trong hỗn hợp sẽ có hiện tượng tách pha giữa styrene với các thànhphần khác, khi đóng rắn gây nên hiện tượng tạo homopolymer của polystyrene cạnh tranhvới copolymer của polyester-polystyrene làm giảm tính chất cơ lý của sản phẩm [3]

1.2.3 Các ứng dụng chính của nhựa UP [2]:

Ứng dụng phổ biến của nhựa UP là dùng để chế tạo các sản phẩm dạng tấm dùnglàm vật liệu cách ly (vách ngăn, hàng rào, cửa sổ trời,…), vật liệu xây dựng (bồn tắm,ngói lợp mái, đá lát sàn,…),…

Ngoài ra, nhựa UP còn được dùng để chế tạo các chi tiết dùng trên ôtô, tàu thủy,các đồ vật trang trí nội thất, đồ chơi trẻ em, dụng cụ thể thao (ván trượt tuyết, banhbowling,…),…

1.2.4 Ưu và nhược điểm:

XV

Ưu điểm: giá thành thấp, phẩm chất bề mặt và khả năng thấm ướt tốt, dễ đổ khuôn,khoảng nhiệt độ gia công rộng (từ 20 đến 2000C), kháng va đập cao, kháng thời tiết tốt,…

Nhược điểm: sự co rút khi đóng rắn lớn,…[2]

1.3 Tổng quan về tre và pha gia cường sợi tre:

1.3.1 Giới thiệu:

Cây tre có nguồn gốc thảo mộc (tên khoa học là Gramineae) thuộc phân họBambusoideae, chi Bambuseae Tre là loài thảo mộc lớn nhất, lâu đời nhất và là loài câyphát tiển nhanh nhất (tốc độ phát triển có thể đạt đến 60 cm một ngày do cấu tạo thân rễđặc biệt của chúng) Trên thế giới hiện có trên 70 chi với trên 1200 loại tre phân bố rộngkhắp nơi trên thế giới, tập trung chủ yếu ở Châu Á và Nam Mỹ Cây tre rất dễ trồng, rấtthích hợp với khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt, chúng mọc thành cụm, sinh sản đơn tính và

có tuổi thọ từ 5-20 năm [4]

Thân tre cứng, dễ uốn và có tỷ trọng thấp so với các loại gỗ khác Tính chất vật lýcủa sợi phụ thuộc chủ yếu vào thành phần vật lý và hóa học như cấu trúc sợi, hàm lượngcellulose, và độ trùng hợp, [5]

1.3.2 Thành phần hóa học của tre:

Giống như hầu hết các loại thực vật khác, tre gồm ba thành phần chủ yếu làcellulose (-cellulose), hemi-cellulose, lignin chiếm hơn 90% khối lượng Ngoài ra, trecòn có một số thành phần phụ như pectins, waxes và một số muối khoáng vô cơ tùy thuộcchủng loại cây và điều kiện sinh trưởng [4,5]

Điều kiện phát triển và độ tuổi cũng không ảnh hưởng nhiều đến thành phần và cấutrúc của mô sợi tre Cây tre chứa khoảng 50-70% holocellulose, 30% pentosans, 20-25%lignin Phần mắt chiếm khoảng 20% khối lượng của cây tre, có sợi ngắn hơn, hàm lượngcellulose thấp hơn nhưng hàm lượng khoáng, pentosans, lignin và tro cao hơn [6]

Bảng 1: Thành phần hóa học của sợi tre [7]

Độ tan trong nước nóng 7.7

Độ tan trong hỗn hợp ethanol-benzene 2.2

XVI

1.3.2.1 Cellulose:

Cellulose là một polymer tự nhiên (polysaccharide) mạch thẳng bao gồm nhữngđơn vị D-glucopyranoside liên kết nhau bằng liên kết β-1,4-glucose Độ trùng hợp từ2000-10000 tùy từng loại cây, mỗi đơn vị có chứa 3 nhóm hydroxyl Cellulose kết tinhkhoảng 65-73% nên không tan trong nước, kiềm hay acid loãng [5]

Hình 1: Công thức hóa học của cellulose [36]

1.3.2.2 Hemi-cellulose:

Hemicellulose là polysaccharide tạo thành từ những vòng hydratecarbon 5 và 6cạnh Hemicellulose khác cellulose ở chỗ chúng chứa nhiều loại mắc xích khác nhau,

XVII

thường tồn tại ở dạng mạch nhánh, vô định hình và có độ trùng hợp từ 50-300.Hemicellulose rất ưa nước, tan trong dung dịch kiềm và bị thủy phân trong acid [5].

Hình 2: Công thức hóa học của hemi-cellulose

1.3.2.3 Lignin:

Lignin là polymer có cấu trúc rất phức tạp vừa có các thành phần béo và thơm, làmột polyphenol có mạng không gian mở đóng vai trò kết dính các sợi cellulose lại vớinhau Thành phần của nó thay đổi tùy loại tre, tuổi cây, và điều kiện sinh trưởng Lignin

dễ bị hoà tan trong trong một số hoá chất [5]

Hình 3: Công thức hóa học của lignin [37]

Là một dạng polysaccharide phức hợp được cấu tạo chủ yếu bởi monomer galacturonic liên kết với nhau Pectin trong tự nhiên xuất hiện ở vách tế bào thực vật, cótác dụng kết nối các tế bào thực vật với nhau và điều hòa lượng nước Pectin có màu trắngnâu nhạt được dùng làm chất hóa gel trong thực phẩm và chất ổn định trong thức uống[5].

D-1.3.3 Cấu trúc của sợi tre:

Sợi thực vật nói chung hay sợi tre nói riêng có thể được xem như một loạicomposite tự nhiên trong đó các bó cellulose được giữ bằng lignin và hemicellulose.Thành tế bào sợi tre có cấu trúc đa lớp phức tạp bao gồm 1 lớp chính hình thành suốt sựphát triển của sợi bao quanh lớp phụ Lớp phụ gồm 3 lớp trong đó lớp phụ dày ở giữaquyết định tính chất cơ lý của sợi Lớp này chứa các bó sợi tạo thành từ các tinh thểcellulose mạch dài Pha nền vô định hình có cấu trúc phức tạp chứa hemicellulose, lignin

và pectin Các phân tử hemicellulose tạo liên kết hydro với cellulose như chất kết dínhcác bó sợi với nhau tạo thành mạng lưới cellulose-hemicellulose là thành phần cấu trúcchính của tế bào sợi [5,8]

XIXd

Các polysaccharide khác

Hình 4: a) Ảnh mặt cắt của một nan tre [4], b)Ảnh SEM cấu trúc bó sợi tre [38],

c) Ảnh TEM cấu trúc bó sợi tre [39], d) Hình minh họa bó sợi tre [40]

1.3.4 Ứng dụng của tre:

Cây tre có giá trị kinh tế và ý nghĩa văn hóa cao đối với các nước Đông Á và ĐôngNam Á Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ các vật dụng trong nhà đơngiản đến các ứng dụng công nghiệp Ứng dụng chính của tre là làm giấy và bột giấy, nhạc

cụ, vũ khí, bè, cầu, củi, thức ăn, đồ đựng thức ăn, đồ thủ công mỹ nghệ và trang trí nộithất, Trong những năm gần đây, sợi tre được nghiên cứu làm pha gia cường trong vậtliệu composite Sự phát triển nhanh của tre khiến chúng trở nên càng phổ biến

1.3.5 Các phương pháp biến tính sợi tre:

Có nhiều phương pháp biến tính sợi tre nhưng nhìn chung mục đích chủ yếu vẫn làloại bỏ các tạp chất không cần thiết, giảm tính ưa nước và tăng tính kỵ nước của sợi tre,làm tăng tính tương hợp giữa sợi và nhựa nền, tạo liên kết hóa học giữa bề mặt sợi vànhựa nền Biến tính bề mặt sợi bao gồm biến tính hóa học, biến tính vật lý và biến tính vậtlý-hóa học kết hợp [9]

phân tử cellulose

Hình 5: Sự thay đổi cấu trúc cellulose dưới tác dụng của dung dịch kiềm [5]

Ảnh hưởng của kiềm lên sợi làm nới lỏng cấu trúc tinh thể cellulose ra, có thể làmthay đổi dạng thù hình của cellulose tùy vào nồng độ dung dịch xút Tùy loại kim loạikiềm và nồng độ của chúng mà có ảnh hưởng khác nhau lên sự thay đổi dạng thù hìnhnày Các nghiên cứu cho thấy rằng Na+ có bán kính thích hợp, có khả năng mở rộngnhững khe nhỏ giữa hai mặt lưới và xâm nhập vào bên trong Kết quả là sợi xử lý bằng

NaOH có độ trương tốt hơn dẫn đến sự tạo thành lớp mới Na-cellulose-I (Hình 5), một

lớp với khoảng cách tương đối lớn giữa các phân tử cellulose được làm đầy bằng các phân

tử nước Trong cấu trúc này nhóm -OH được chuyển thành nhóm –ONa, mở rộng khoảngcách giữa các phân tử Sau đó, chúng phản ứng với nước loại bỏ các ion Na+ và chuyểnsang cấu trúc tinh thể mới cellulose-II có độ ổn định cao hơn cấu trúc ban đầu [5]

Dung dịch kiềm không chỉ ảnh hưởng lên các thành phần cellulosic mà cón ảnhhưởng lên các thành phần noncellulosic (hemicellulose, lignin, pectin,…)

Khi xử lý sợi tre bằng xút, khi nồng độ xút thấp (< 5%) tỷ trọng của sợi tre tăng lên

do phần lớn chỉ có hemicellulose và lignin bị loại ra khỏi sợi làm cho các bó sợi gần nhauhơn và dễ xắp xếp, định hướng và tái kết tinh lại Khi nồng độ xút tăng lên, tỷ trọng củasợi giảm do các chất nhạy cảm với xút khác bị loại ra khỏi nền sợi tre làm hình thành các

lỗ trống trong cấu trúc sợi Các lỗ trống này không được lấp đầy do lúc này các bó sợi đãđược tái định hướng và tái kết tinh [10]

XXI

Đồ thị 1: Ảnh hưởng của nồng độ xút lên tỷ trọng của sợi tre [10]

Hình 6: Ảnh SEM của sợi (a) trước khi biến tính và (b) sau khi biến tính bằng xút [11]

1.3.5.2 Biến tính bằng silane:

Silane là một hợp chất ưa nước của silic có chứa 3 nhóm -OH có khả năng tươngtác với sợi và một nhóm khác có khả năng phản ứng tạo liên kết với nhựa nền để tạo cầunối giữa sợi và nhựa Sự biến tính bằng silane phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gianthủy phân, loại nhóm chức hữu cơ, nhiệt độ và pH Silane trải qua giai đoạn thủy phân,ngưng tụ và tạo liên kết Chúng có thể tạo thành cấu trúc polysiloxane bằng phản ứng vớinhóm hydroxyl trên bề mặt sợi hay tự phản ứng với nhau Các nghiên cứu trên chất tạocầu silane cho thấy phản ứng giữa silane và cellulose chỉ xảy ra ở nhiệt độ trên 700C [5,9]

Sự tương tác giữa bề mặt sợi và chất tạo cầu silane được minh họa bằng sơ đồ [12]:

CH2=CH-Si(OC2H5)3 + H2O  CH2=CH-Si(OH)3 + 3 C2H5OH

XXII

CH2=CH-Si(OH)3 + Fibre-OH  CH2=CH-Si(OH2)O-Fibre + H2O

1.3.5.3 Sự acetyl hóa :

Acetyl hóa là một phương pháp biến tính khá hiệu quả và làm cho bề mặt sợi kỵnước hơn, làm giảm tính trương của sợi trong nước Nguyên tắc của phương pháp này làthực hiện phản ứng giữa nhóm -OH của sợi và nhóm acetyl Các nghiên cứu cho thấynhóm hydroxyl phản ứng chủ yếu thuộc về các thành phần phụ như hemicellulose,cellulose vô định hình và lignin Nhóm hydroxyl trong vùng tinh thể của sợi bị giữ chặtbằng liên kết liên phân tử mạnh nên khó tiếp xúc được với chất phản ứng [5,13]

Fibre-OH + CH3-C(=O)-O-C(=O)-CH3  Fibre-OCOCH3 + CH3COOHAcetyl hóa làm giảm khả năng hấp thu hơi nước của sợi, làm tăng khả năng tươnghợp giữa nhựa và sợi Ngoài anhydride acetic, anhydride maleic cũng được sử dụng đểbiến tính bề mặt sợi [14]

Hình 7: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng triazine [9]

1.3.5.7 Biến tính bề mặt sợi bằng imidazolidinone:

Biến tính bằng imidazolidinone làm giảm năng lượng tự do bề mặt của sợi, có sựsắp xếp lại các vùng vô định hình trong sợi do xảy ra sự khâu mạng (ngăn cản sự xâmnhập của chất lỏng vào các vùng này) [15]

Hình 8: Ảnh minh họa quá trình biến tính sợi bằng imidazolidinone [15]

1.4 Vật liệu composite gia cường sợi thực vật:

XXIV

Trước đây, vật liệu polymer composite thường đi liền với pha nền nhựa nhiệt rắnhay nhiệt dẻo và pha gia cường thường là các loại sợi như carbon, thủy tinh,… Tuy nhiêntrong những năm gần đây, loại vật liệu composite với pha gia cường sợi thực vật đang thuhút sự quan tâm vì đây là giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề về giá trị kinh tế,môi trường và sự cạn kiệt mỏ dầu,… Các loại sợi thực vật thường được nghiên cứu nhưsợi lanh, gai dầu, cọ dầu, đay, chuối, tre, cotton, chà là [5], vỏ trấu [17] và bã mía [18,19],

…

So với gỗ, tre có hàm lượng cellulose cao hơn và tạp chất ít hơn Hơn nữa, tre cóthời gian sinh trưởng ngắn, khoảng 6-8 tháng là có thể sử dụng được Vì vậy, có thể sửdụng bột tre thay thế bột gỗ để ứng dụng vào lĩnh vực composite Sử dụng bột tre thay thếbột gỗ ngoại nhập sẽ làm tăng giá trị cho cây tre, tránh lãng phí nguồn nguyên liệu trongnước Tre được sử dụng làm pha gia cường trong vật liệu composite ở nhiều dạng như bột[20,21], sợi [22] và giấy tre [23] hay kết hợp với các loại sợi tự nhiên [24] và sợi tổng hợp[25] khác tạo thành pha gia cường hybric Pha gia cường tre có thể sử dụng cho cả nhựanhiệt dẻo (polyethylene, polypropylene, polybutylene succinate,…) [26], nhựa nhiệt rắn(unsaturated polyester, epoxy,…) [27,13,28], cao su [9] và các loại nhựa phân hủy sinhhọc làm từ tinh bột [29], dầu đậu nành [30]

So với các loại sợi tổng hợp như carbon, aramide, boron và sợi thủy tinh,… sợithực vật nói chung và sợi tre nói riêng có nhiều lợi thế hơn như giá rẻ, dễ tái sinh, dễ phânhủy, ít gây ô nhiểm môi trường và tận dụng được nguồn nguyên liệu có sẵn ở địa phương,

…[15]

Ở nhóm vật liệu composite nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thực vật, ảnh hưởng củachất tạo cầu thích hợp lên các thông số của nhựa không rõ ràng như trường hợp nhựanhiệt dẻo [13] Ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt sợi bằng kiềm lên tính chất cơ lý củacomposite nhựa nền polyester rõ ràng hơn trường hợp nhựa nền epoxy Điều này cho thấy

sự tương hợp của nhựa epoxy với bề mặt sợi chưa biến tính tốt hơn so với nhựa UP [27]

Bảng 2: So sánh tính chất cơ của một số loại sợi thực vật và sợi thủy tinh [31]

Loại sợi [4,12] Độ bền kéo (MPa) Biến dạng kéo (%) Module Young (GPa)

XXV

15.8511.321.9135.9119.672.752.5017.8510.4030.00-60.0070.00

Hình 9: Ảnh SEM về sự phá hủy mẫu tại vùng tiếp xúc do hơi ẩm: (a) vết rạn xuất hiện

trên mặt nhựa nền, (b) vết rạn phát triển dọc theo vùng tiếp xúc, (c) phá hủy mẫu

N.H.Dhakal và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của sự hấp thu nước lên tính chất cơ

lý của vật liệu composite UP gia cường sợi gai dầu ( hemp ) ở nhiệt độ thường (250C ) vànhiệt độ cao (1000C ) [32] Kết quả cho thấy khả năng hấp thu nước tăng theo hàm lượngsợi Hơi nước làm sợi trương lên lắp đầy khe hở giữa bề mặt tiếp xúc sợi-nhựa nền và làmxuất hiện các vết rạn trên nhựa nền khi hàm lượng sợi cao Mặt khác, hơi ẩm cũng làm

XXVI

phân hủy mẫu tại những vùng tiếp xúc sợi-nhựa Ở nhiệt độ cao, hơi ẩm làm phân hủyđáng kể mẫu composite tại vùng tiếp xúc.

Các nghiên cứu khác về cấu trúc của lignin trong thực vật cho thấy chúng có khảnăng làm chất tương hợp giữa sợi thực vật ưa nước và nhựa nền kỵ nước Lignin hứa hẹnđược sử dụng trong polymer do cấu trúc phenolic của chúng Lignin được sử dụng nhưchất kết dính tự nhiên trong fibre-reinforced poly(lactic acid) (PLA) composites [33]

1.4.2 Ứng dụng :

Ứng dụng chính của vật liệu composite gia cường sợi thực vật là thay thế nguồnnguyên liệu gỗ đang ngày càng cạn kiệt, thay thế vật liệu composite gia cường sợi tổnghợp trong các ứng dụng không đòi hỏi tính chất cơ lý cao, nhằm làm hạn chế sự ô nhiểmmôi trường Chúng có thể được sử dụng làm mái nhà, cửa, panô, bàn, ghế,… Một số sảnphẩm cửa lùa và panô quảng cáo làm từ loại vật liệu này cũng đã có mặt trên thị trường[16]

Làm vật liệu xây dựng và trang trí nội thất như cửa, mái hiên, thay thế ván ép làmbàn ghế,…[16]

XXVII

Phần 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất:

Nhựa UP thương mại (UP268-Taiwan) chứa 10% Styrene

Chất pha loãng: Styrene thương mại

Chất đóng rắn: Butanox (Methyl ethyl keton peroxide) thương mại

Tre Đằng Ngà khoảng 3-4 tuổi, Làng Tre Phú An-Bình Dương

Chất xử lý sợi: NaOH rắn 96.0%, dung dịch HCl đậm đặc 37.5%, giấy quỳ

Polyvinyl alcol (tên thương mại PVA-205), KURARAY Co.,LTD, Singapore Vinyl silane (Crompton (Trung Quốc), được cung cấp từ công ty TNHH cao suTiến Bộ), tên thương mại Silquest silane A-171

Polyvinyl acetate dạng nhũ tương

Đũa thủy tinh

Cây lăn nhựa

Tủ sấy

Máy xay sinh tố Philip

Máy khuấy IKA (Đức)

Máy cán hai trục

Máy ép (Rubber/Plastic Heating Press-Hàn Quốc)

Máy đo cơ lý (Universal Testing Machine-Cometech-Đài Loan)

XXVIII

2.3.1.2 Tạo nan tre:

Tre được cưa thành từng lóng khoảng 15-20 cm, gọt bỏ vỏ và phần ruột bên trong.Sau đó, chẻ ra thành từng nan kích thước dài 15-20 cm, rộng 2-4 cm, dày 1-3 mm và đemngâm nước 3 ngày làm mềm nan để dễ cán [12]

XXIX

Hình 11: Ảnh các giai đoạn tạo nan tre:

(a) Lóng tre ban đầu, (b) sau khi gọt bỏ vỏ và ruột, (c) chẻ thành nan tre

2.3.1.3 Tách sợi tre:

Sau khi ngâm 3 ngày nan tre được rửa bằng nước sạch, để ráo nước và được cántách sợi bằng máy cán hai trục theo phương pháp cán song song Quy trình cán nan tregồm 2 bước:

Giai đoạn 1: làm dập nan (khoảng cách khe trục 0.5 mm, tốc độ quay 60

vòng/phút, mỗi nan cán 1 lần)

Giai đoạn 2: tách sợi (khoảng cách khe trục 0.1 mm, tốc độ 60 vòng/phút, mỗi nan

cán 2 lần )

Hình 12: (a) Nan tre sau khi cán 1 lần và (b) sau khi cán 3 lần để tách sợi

2.3.1.4 Tạo tấm mat sợi tre:

Đầu tiên, sợi tre được xử lý bề mặt bằng dung dịch xút 1% trong 72h ở nhiệt độthường để loại bỏ lignin, hemicellulose và các tạp chất khác Sau đó, sợi được rửa lạibằng nước và trung hòa lượng xút dư bằng dung dịch HCl loãng (khoảng 0.05%) đến pHbằng 7 Tiếp theo, sợi được sấy khô trong tủ sấy ở 800C để lưu trữ Sợi tre sau khi sấy khôđược cắt thành từng đoạn từ 5-7 cm rồi xay bằng máy xay đa năng để tách các bó sợi bịdính với nhau và cho sợi có chiều dài khác nhau

Sợi tre sau khi xay được ép tạo thành mat qua 2 giai đoạn:

Tạo mat thô (không dùng CKD): ép ở nhiệt độ 1200C, áp suất 60 bar trong 30giây

XXX

Tạo mat có chất kết dính: mat thô được phun chất kết dính đều lên 2 mặt và ép

lại cùng điều kiện trên trong 3 phút

Hình 13: (a) Sợi tre sau khi ngâm xút 1% trong 72h và (b) sau khi trung hòa xút dư

2.3.1.5 Tạo mẫu composite:

Nhựa dùng để tạo mẫu là nhựa UP với hàm lượng chất pha loãng styrene 30% vàchất đóng rắn butanox 1% so với nhựa nền Mẫu được tạo bằng phương pháp Hand lay-uptrong khuôn 17 cm x 17 cm x 0.2 cm với 2 điều kiện gia công:

Điều kiện 1: Ở đây, chúng tôi tạo mẫu composite theo quy trình của nhóm tác giả

Martin P Ansell và Arnold N Towo do thời gian tạo mẫu nhanh và phù hợp với điều kiệnphòng thí nghiệm [27,28,11] Thực tế, sau khi ép mẫu còn khá mềm và bị cong khi ủ nhiệtnên chúng tôi nâng nhiệt từ 500C lên 800C để mẫu đóng rắn nhanh hơn Ở điều kiện này,mẫu có hình dạng ổn định và không bị cong khi ủ nhiệt

Vậy điều kiện tạo mẫu thực tế là: mẫu composite được tạo bằng phương phápHand lay-up trong khuôn Sau khi tạo, mẫu được để 3 phút ngoài không khí cho bọt khínổi lên bề mặt rồi ép ở nhiệt độ 800C trong 20 phút, áp suất 60 bar để định hình cho mẫu

XXXI

có hình dạng ổn định Sau đó, lấy mẫu ra và cho đóng rắn hoàn toàn sau 24h trong tủ sấy

ở 800C

Điều kiện 2: Mẫu composite được tạo với điều kiện 2 để so sánh ảnh hưởng của

điều kiện gia công lên tính chất của vật liệu

Mẫu được tạo bằng phương pháp Hand lay-up trong khuôn Sau khi tạo, mẫu được

để 3 phút ngoài không khí để bọt khí nổi lên bề mặt rồi ép nâng nhiệt chậm từ nhiệt độphòng với áp suất 60 bar Khi nhiệt độ đạt 800C thì giữ ở đó 2h Sau đó, giữ nguyên ápsuất và nâng nhiệt độ lên 1500C rồi giữ ở đó 2h Cuối cùng, giữ nguyên áp suất và giảinhiệt về nhiệt độ phòng, xả áp suất và lấy mẫu ra

Sau khi đóng rắn hoàn toàn, mẫu composite được đem cắt mẫu đo cơ lý Mẫu đo

cơ lý được để ổn định 3 ngày ở điều kiện thường trước khi đo

XXXII

2.3.2 Chuẩn đo mẫu:

Sơ đồ quy trình thực nghiệm

XXXIV

Máy

cán

-Xử lý xút-Trung hòa

Mẫu đo kéo

Mẫu đo uốnNan tre

Phần 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN

3.1 Tối ưu hóa thành phần nhựa nền:

Theo tài liệu nghiên cứu về chế tạo vật liệu composite nhựa UP gia cường bằnggiấy tre [3], hàm lượng chất pha loãng tối ưu là 30% so với nhựa nền cho pha gia cườngsợi thực vật Do ở hàm lượng styrene 30%, không xuất hiện sự tách pha trong hỗn hợp

nhựa và cho độ nhớt thích hợp để gia công bằng phương pháp Hand lay-up (Bảng 3) Do

đó, trong đề tài này, chúng tôi sẽ sử dụng hàm lượng chất pha loãng styrene 30%

Bảng 3: Ảnh hưởng của hàm lượng styrene lên thời gian tách pha của hỗn hợp [3]

Hàm lượng (% khối lượng) Hiện tượng

Không xảy ra tách phaTách pha sau khoảng 2hTách pha sau khoảng 40 phút Tách pha ngay sau khi trộn

Trong các nghiên cứu trước đây, hàm lượng chất đóng rắn được sử dụng để chế tạovật liệu composite từ 0.50-2.0% Do đó, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của hàm lượngchất đóng rắn lên thời gian đóng rắn của nhựa nền với hàm lượng 0.50%, 1.0% và 2.0%

Kết quả từ (Bảng 4) cho thấy với hàm lượng chất đóng rắn 1.0%, hỗn hợp nhựa nền có

thời gian gel hóa phù hợp cho quá trình gia công

Bảng 4: Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn lên thời gian đóng rắn

Hàm lượng Butanox (%) 0.50 1.0 2.0

Thời gian gel hóa (phút) 10 6 4

Kết luận: thành phần nhựa nền tối ưu là 70% nhựa UP, 30% chất pha loãng

styrene và 1.0% chất đóng rắn butanox

3.2 Khảo sát thành phần của sợi tre:

XXXV

Quá trình khảo sát được thực hiện theo quy trình của các tác giả Wenying Feng,Wang Zheng Guo Wenjing và Xiaobo Li [4,35] Mỗi thí nghiệm được thực hiện 3 lần vàlấy giá trị trung bình.

3.2.1 Độ tan của sợi trong xút ở điều kiện thường:

Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 72h ở 800C bằng cân phân tích Pha 100 ml dungdịch xút 1% và cho sợi tre vào ngâm 72h Sau đó, sợi được lọc bằng máy hút chân không,rửa nước ba lần, trung hòa xút dư bằng dung dịch HCl loãng 0,05% và rửa lại bằng nướcđến pH khoảng 7 và đem sấy 72h ở 80 0C Sau khi sấy, sợi được lấy ra để nguội và cân lại

để xác định sự thay đổi khối lượng Sau khi ngâm xút, sợi có màu vàng tươi và trắng hơn

khi trung hòa bằng acid (Hình 13).

3.2.2 Độ tan của sợi trong xút nóng:

Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 72h ở 800C bằng cân phân tích Pha 100 ml dungdịch xút 1% cho vào bình cầu, cho sợi vào khuấy đều và ráp hệ đun hoàn lưu trong 3h.Sau đó, sợi được lọc bằng máy hút chân không, rửa nước ba lần, trung hòa xút dư bằngdung dịch HCl loãng và rửa lại bằng nước đến pH khoảng 7 và đem sấy 72h Sau khi sấy,sợi được lấy ra để nguội và cân lại để xác định sự thay đổi khối lượng

3.2.3 Độ tan của sợi trong nước nóng:

Cân 2,0000 g sợi tre thô đã sấy 3 ngày ở 800C bằng cân phân tích Cho 100 mlnước cất vào bình cầu, cho sợi vào khuấy đều và ráp hệ đun hoàn lưu trong 3h Sau đó,sợi được lọc bằng máy hút chân không, rửa nước ba lần và đem sấy 72h ở 800C Sau khisấy, sợi được lấy ra để nguội và cân lại để xác định sự thay đổi khối lượng

3.2.4 Độ tan của sợi trong hỗn hợp ethanol-toluene:

Chuẩn bị hệ Soxhlet gồm ống Soxhlet nối với bình cầu và ống hoàn lưu, nhiệt kế,nút đậy bình cầu và bếp điện Sấy tấm vải lót và sợi tre thô 72h để loại hết nước Đặt2.0000 g sợi vào trong miếng vải lót rồi đưa vào ống Soxhlet Cho vào trong bình cầu hỗnhợp gồm ethanol 99.7% và toluene 99.5% theo tỷ lệ 2:1 Đun sôi nhẹ bình cầu trong 8h.Phần sợi còn lại được sấy ở 800C trong 72h và đem cân để xác định sự thay đổi khốilượng

3.2.5 Hàm lượng tro trong sợi tre:

XXXVI

Sấy sợi tre thô 72h ở nhiệt độ 800C để loại nước và hơi ẩm Sau đó, chuẩn bị 3chén nung chịu nhiệt và cân 2.0000 g sợi cho vào mỗi chén (cân bằng cân phân tích 4 sốlẻ) Dùng giấy bạc bịt kín miệng chén và dùng bút săm 8 lỗ trên bề mặt giấy bạc Đặt 3chén vào lò nung và nâng nhiệt độ lên 1000C (I = 10 A, U = 250 V) để loại hết hơi ẩm.Sau đó, cứ 30 phút nâng lên 500C rồi dừng nâng khi nhiệt độ đạt 5500C, duy trì nhiệttrong 8h Sau đó, hạ nhiệt độ xuống 1500C và lấy từng chén ra cân nhanh để tránh hơi ẩmhấp phụ lên tro.

3.2.6 Độ tan của sợi trong dung dịch H 2 SO 4 đậm đặc :

Cân 1.0000 g sợi tre sấy khô vào becher 250 ml Đặt becher ngập trong nước ở

200C Cho 15.00 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc nguội (75%) vào becher và khuấy liên tụctrong 2h Sau đó, cho sợi vào bình cầu 1 lít có chứa sẵn 560 ml nước cất để pha loãngnồng độ acid còn 3% Ráp hệ hoàn lưu và đun bình cầu trong 4h Lọc chân không hỗnhợp trong bình cầu để thu sợi và rữa bằng 500 ml nước nóng và sấy ở 800C trong 72h vàđem lượng trong đi cân Khối lượng tro còn lại là khối lượng lignin trong mẫu

Bảng 5: Kết quả khảo sát thành phần sợi tre

Thành phần sợi tre Lượng

mẫu banđầu (g)

Lượng mẫu còn lại (g) Lượng mẫu mất điLần 1 Lần 2 Lần 3 T Bình (g) (%)Tan trong xút 2.0000 1.5624 1.5612 1.5680 1.5639 0.4361 21.80

Độ tan trong acid 1.0000 0.2268 0.2550 0.2430 0.2416 0.7584 75.84

Kết quả phân tích bằng phổ FT-IR:

XXXVIIb

a

1740

1250

840

Hình 16: Phổ FT-IR của sợi tre: (a) trước khi xử lý xút và (b) sau khi xử lý xút

Phổ FT-IR dạng mẫu bột của sợi không xử lý xút và xử lý xút 1% trong 72h ở điều

kiện thường (Hình 16) được chụp tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano-Đại Học Quốc

Gia Thành Phố Hồ Chí Minh-Phường Linh Trung-Quận Thủ Đức-TP.HCM Ảnh đượcchụp bằng máy Tensor37 của hãng Bruker-Đức

Nhận xét:

Sợi bị hòa tan trong dung dịch acid H2SO4 đậm đặc nhiều nhất (75.84%) Do acid

H2SO4 rất háu nước nên sẽ đốt cháy các hydrate carbon (cellulose, hemicellulose và cácpolysacchride khác) để lấy nước, các muối khoáng vô cơ trong sợi cũng bị hòa tan trongdung dịch acid Do đó, phần sợi không bị hòa tan còn lại gồm có lignin và các chất hữu cơnhư wax

Hỗn hợp ethanol và toluene chủ yếu hòa tan các chất hữu cơ phân tử lượng thấpnhư wax và đường

Khối lượng sợi còn lại sau khi nung chính là khối lượng các chất vô cơ trong sợinhư SiO2 và muối khoáng vô cơ

Khi xử lý sợi bằng dung dịch xút, các thành phần như hemicellulose, lignin và một

số polysaccharide phân tử lượng thấp khác và các muối khoáng vô cơ sẽ bị hòa tan Bên

XXXVIII

cạnh phần sợi hòa tan trong xút nóng nhiều hơn trong xút ở điều kiện thường mặc dù thờigian xử lý rút ngắn hơn khá nhiều

Ngoài ra, từ kết quả phân tích phổ FT-IR ta thấy sau khi xử lý xút ở điều kiệnthường thì mũi 1740 cm-1 đặt trưng cho dao động C=O của hemicellulose gần như bị mấthoàn toàn và mũi 1250 cm-1 đặc trưng cho dao động đối xứng của nhóm CH3-O- tronglignin có cường độ giảm khá nhiều Ngoài ra, từ kết quả phổ FT-IR ta cũng thấy có sựgiảm cường độ của mũi 840 cm-1 Theo các tài liệu nghiên cứu, đây là mũi đặc trưng choliên kết -glucosidic của các polysaccharide không thuộc họ cellulose như pectin,…

So sánh với kết quả khảo sát thành phần sợi ở trên (Bảng 5) ta thấy khối lượng sợi

bị hòa tan trong xút nóng nhiều hơn trong nước nóng và xút ở điều kiện thường Điều nàychứng tỏ việc xử lý bề mặt sợi bằng dung dich xút có gia nhiệt sẽ loại được nhiều lignin

và hemicellulose hơn và rút ngắn được thời gian xử lý

Kết luận:

Việc xử lý bằng xút cho kết quả tốt hơn bằng nước

Việc xử lý xút 1% trong 72h ở điều kiện thường đã loại phần lớn hemicellulose,loại một phần lignin và các polysaccharide khác ra khỏi sợi

Việc xử lý bằng xút nóng cho kết quả tốt hơn ở nhiệt độ phòng

3.3 Khảo xát phân bố kích thước sợi sau khi xay:

Sợi sau khi xử lý và sấy được được cắt thành từng đoạn 5-7 cm và xay bằng máyxay đa năng trong 6s, 10s, 20s, 30s, 40s và 60s để xác định thời gian xay tối ưu

Bảng 6: Sự phân bố kích thước của sợi sau khi xay 30s và 60s

Chiều dài (cm) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Sợi xay 30s (sợi) 0 4 12 49 85 114 80 68 35 20 17 10 6 4 2 Sợi xay 30s (%) 0.0 0.8 2.4 9.7 16.8 22.5 15.8 13.4 6.9 4.0 3.4 2.0 1.2 0.8 0.4 Sợi xay 60s (sợi) 0 6 98 120 95 36 12 7 4 3 1 1 0 0 0 Sợi xay 60s (%) 0.0 1.6 25.6 31.0 24.8 9.4 3.1 1.0 1.0 0.8 0.3 0.3 0.0 0.0 0.0

XXXIX

Đồ thị 2 : Sự phân bố chiều dài sợi sau khi xay 30s và 60s

Nhận xét:

Thời gian xay càng lâu thì chiều dài sợi càng giảm và độ đồng đều kích thước càngcao Chúng tôi chọn hai nhóm sợi có thời gian xay 30s và 60s để khảo sát cho các thínghiệm tiếp theo Kết quả phân bố cho thấy sợi sau khi xay 30s có chiều dài trung bình từ2.0-3.5 cm và sợi sau khi xay 60s có chiều dài trung bình từ 1.0-2.5 cm

3.4 Tối ưu hóa điều kiện tạo mat:

3.4.1 Điều kiện xử lý bề mặt sợi:

Xử lý xút là giai đoạn đầu của biến tính bề mặt sợi, nhằm loại bỏ một phần lignin,hemicellulose trên bề mặt sợi và các chất không cần thiết khác Tuy nhiên, nồng độ xútlớn sẽ làm giảm tính chất cơ lý của sợi và thời gian xử lý ngắn sẽ làm cho lượng xút cònthừa nhiều làm tăng chi phí và gây ô nhiểm môi trường Tổng hợp từ các nghiên cứutrước đây, kết quả khảo sát thành phần sợi tre ở trên và điều kiện thực tế phòng thínghiệm, chúng tôi chọn nồng độ xút thấp nhất là 1% và kéo dài thời gian xử lý lên 72h ởnhiệt độ thường [4,5]

XL