Sợi thực vật ngày càng được sử dụng rộng rãi gia cường cho nhựa nhiệt dẻp, do giá thành thấp, tính chất cơ học cao và rất dễ kiếm trong tự nhiên. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tre đến tính chất cơ học của vật liệu polymer compozit đã được nghiên cứu. Ngoài ra, ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân ghép nối (MAPP) đến tính chất cơ học của compozit trên cơ sở nhựa polypropylene (PP) gia cường bằng sợi thực vật cũng được tiến hành khảo sát và kết quả cho thấy MAPP đã cải thiện đáng kể độ bền cơ học của vật liệu compozit và với hàm lượng tối ưu của MAPP là 6%. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi tre cũng được tiến hành nghiên cứu, các hệ vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng sợi tre không xử lý, sợi tre xử lý bằng kiềm và sợi tre được xử lý bằng anhyđrit maleic đã được khảo sát.
Trang 1NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPOPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG
TRONG NGÀNH GIAO THÔNG VẬN TẢI
Abstract:
Natural fibers are increasingly being used as reinforcement in commercial thermoplastics due to their low cost, high specific properties and renewable nature The effects of bamboo fibers content on mechanical properties of bamboo fiber reinforced composites are studied The effect
of coupling agent (MAPP) on the mechanical properties of these natural fiber-filled PP composites was also investigated and the results showed that this can be used as a good interface modifier for improving the strength properties of the PP-filled composites and the optimum level
of the coupling agent was found to be 6 percentage by weight of the composites The effects of treatment methods of bamboo fibers are studied Bamboo fiber untreatment, alkali treatment and maleic anhydride treatment are surveyed
Keywords: bamboo fiber reinforced polypropylene, hybrid composite, interphare.
Tóm tắt:
Sợi thực vật ngày càng được sử dụng rộng rãi gia cường cho nhựa nhiệt dẻp, do giá thành thấp, tính chất cơ học cao và rất dễ kiếm trong tự nhiên Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tre đến tính chất cơ học của vật liệu polymer compozit đã được nghiên cứu Ngoài ra, ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân ghép nối (MAPP) đến tính chất cơ học của compozit trên cơ sở nhựa polypropylene (PP) gia cường bằng sợi thực vật cũng được tiến hành khảo sát và kết quả cho thấy MAPP đã cải thiện đáng kể độ bền cơ học của vật liệu compozit và với hàm lượng tối ưu của MAPP là 6% Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sợi tre cũng được tiến hành nghiên cứu, các hệ vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng sợi tre không xử lý, sợi tre xử lý bằng kiềm
và sợi tre được xử lý bằng anhyđrit maleic đã được khảo sát
I MỞ ĐẦU
Hiện nay, song song với việc nghiên cứu phát triển vật liệu PC, thì vấn đề tác động của vật liệu đến môi trường cũng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm Thật vậy, rác thải từ sản phẩm polyme compozit gia cường bằng các loại sợi thuỷ tinh rất khó phân huỷ sẽ ảnh hưởng xấu đến môi trường sống Do đó, các nhà khoa học trên thế giới đã dành nhiều sự quan tâm đến các
Trang 2loại vật liệu PC có khả năng phân huỷ sinh học, không gây ô nhiễm môi trường và có khả năng tái tạo [1]
Những năm gần đây, xơ sợi thực vật được sử dụng rộng rãi trong vật liệu PC nhiệt dẻo Vật liệu PC nhiệt dẻo gia cường bằng sợi tự nhiên có thể thu hồi tái chế lại, giá thành rẻ, có thể tự phân huỷ trong những điều kiện nhất định Các loại thực vật như tre, luồng, vầu, lanh, đay, dứa….là những nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào có sẵn ở các nước nhiệt đới trong đó có Việt Nam Ngày nay, trên thế giới vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, giao thông, công nghiệp ôtô… [2,3,4,5]
Các chi tiết bên trong xe Mercedec A-200 nhựa
nhiệt dẻo mat sợi thực vật Cầu qua sông Vihantasalmi, Phần Lan
Ga xe lửa Stockholm, Thuỵ Điển
II THỰC NGHIỆM
1 Nguyên liệu và hóa chất
Nhựa polypropylen (PP) HOPELEN Y130 của Hàn Quốc có chỉ số chảy 4g/ 10 phút Tre tươi lấy từ tỉnh Hòa Bình Sợi tre được chế tạo như sau:
Cây tre được cưa thành các đoạn có chiều dài từ 25 ÷ 30 cm Các thanh tre thu được từ công đoạn trên được cán dập trên máy cán tre Các thanh tre đã cán dập được mang xử lý bằng kiềm 0,1N trong thời gian 72h, rửa đến trung tính Dùng cào sắt để tách sợi Các sợi tre được cho vào thùng nước trên tấm lưới, khuấy đều, sau đó để lắng sẽ thu được các tấm mat có khối lượng riêng
Trang 3từ 220÷250 g/m2 Có thể ép sơ bộ tấm mat trên máy ép, sau đó cắt các tấm mat có kích thước 150x200mm
2 Các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu
• Độ bền kéo: được xác định theo tiêu chuẩn ISO 527 trên máy LLOYD LRX 500N với tốc độ kéo là 5mm/phút
• Độ bền uốn: được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178∕1993 trên máy LLOYD LRX 500N với tốc độ kéo là 5mm/phút
• Độ bền va đập Izod: được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D256 trên máy Tinius Olsen, model 92T
III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC.
Trong vật liệu PC, nhựa nền có vai trò liên kết các sợi gia cường lại với nhau, dưới tác dụng của lực phá huỷ, nhựa nền đóng vai trò tiếp nhận ứng suất sau đó truyền ứng suất lên sợi gia cường Tuy nhiên, tính năng gia cường của sợi đạt hiệu quả cao nhất khi tỷ lệ giữa sợi và nhựa nền đạt giá trị tối ưu Do đó, việc khảo sát tìm ra hàm lượng mat tre tối ưu là rất quan trọng
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC, luận văn
đã tiến hành chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền PP trộn hợp với 6% chất trợ tương hợp MAPP với hàm lượng mat tre thay đổi từ 35% đến 55% ở áp lực 40kg/cm2 và nhiệt độ gia công
1900C, gia nhiệt trong 30 phút, thời gian ép 30 phút sau đó để khuôn nguội tự nhiên đến 800C Ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng mat tre được trình bày ở hình 1
Hàm lượng mat tre, %
Hình 1: Ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến độ bền kéo của vật liệu PC.
Từ kết quả trên hình 1 cho thấy, khi hàm lượng mat tre tăng, độ bền kéo của vật liệu PC trên
cơ sở nhựa PP gia cường bằng mat tre tăng Do khả năng tiếp nhận ứng suất của sợi tốt hơn của nhựa nền và độ bền kéo của vật liệu tăng đạt giá trị lớn nhất (50,95MPa) khi hàm lượng mat tre
Trang 4là 45% Tuy nhiên, khi hàm lượng mat tre lớn hơn 45%, lúc đó lượng mat tre quá nhiều dẫn đến việc nhựa nền không đủ bao phủ, do vậy một phần sợi không được thấm nhựa tạo nên các khuyết tật trong vật liệu làm cho độ bền của vật liệu giảm xuống
Chúng ta cũng nhận được kết quả tương tự khi nghiên cứu khảo sát độ bền uốn của vật liệu PC (hình 2)
Hàm lượng mat tre, %
Hình 2: Ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến độ bền uốn của vật liệu PC.
Theo hình 2, với hàm lượng mat tre 45% độ bền uốn của vật liệu PC cũng đạt giá trị lớn nhất 68,57 MPa
Độ bền va đập của vật liệu PC cũng có cùng xu hướng như độ bền kéo và độ bền uốn (hình 3)
Hàm lượng mat tre, %
Hình 3: Ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến độ bền va đập của vật liệu PC.
Khi hàm lượng mat tre tăng từ 35% đến 45%, độ bền va đập tăng Nhưng khi hàm lượng mat tre lớn hơn 45% thì độ bền va đập lại giảm Khi vật liệu PC có hàm lượng mat tre phù hợp, nhựa nền thấm ướt toàn bộ sợi thì khả năng hấp thụ năng lượng phá hủy mẫu vật liệu tăng do đó độ bền va đập tăng
Trên cơ sở các số liệu nhận được, hàm lượng mat tre được lựa chọn là 45% cho các khảo sát tiếp theo
Trang 52 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ tương hợp MAPP đến tính chất cơ học của
vật liệu PC
Về bản chất, sợi thực vật ưa nước vì chứa nhiều nhóm OH trong thành phần hóa học Trong khi đó, nhựa nền PP kị nước Để liên kết 2 loại vật liệu rất khác nhau về bản chất nêu trên, người
ta thường sử dụng chất trợ tương hợp polypropylen ghép anhydrit maleic (MAPP)
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ tương hợp MAPP đến tính chất cơ học của vật liệu PC đã chế tạo vật liệu PC trên cơ sở mat tre với hàm lượng 45% và nhựa nền PP với hàm lượng MAPP là 0, 4, 6, 8% ở áp lực ép 40 kg/cm2, nhiệt độ gia công 1900C và thời gian ép 30 phút Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 4
Hình 1: Ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến độ bền kéo của vật liệu PC
Từ hình 4 nhận thấy, độ bền kéo tăng khi hàm lượng MAPP tăng Thêm vào hỗn hợp vật liệu
PC 4% MAPP dẫn đến độ bền kéo của compozit tăng từ 36,5 đến 46,86 MPa và đạt cao nhất là 50,95 MPa với hàm lượng MAPP là 6% Khi hàm lượng nhóm anhydrit tăng, tương tác axit – bazơ hay liên kết hydro tăng dẫn đến tương tác giữa sợi và chất trợ tương hợp tốt hơn Sự tăng độ bền kéo của vật liệu PC cho thấy chất trợ tương hợp MAPP đã cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt của sợi với nền PP cho phép nâng cao mức độ phân tán của sợi, từ đó làm tăng khả năng tiếp nhận ứng suất từ nền đến sợi
Kết quả khảo sát độ bền uốn và độ bền va đập của vật liệu PC được trình bày trên hình 5 và 6 cho thấy chúng có xu hướng giống như độ bền kéo và đều đạt giá trị cực đại ở hàm lượng MAPP
là 6% Cụ thể là độ bền uốn đạt 68,57 MPa và độ bền va đập đạt 11,06 KJ/m2
Hình 5 và 6: Ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến độ bền uốn và độ bền va đập của vật liệu PC
Trang 6Như vậy, hàm lượng MAPP tối ưu cho vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP gia cường mat tre là 6%
3.Ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre và nhựa nền PP đến tính chất cơ học của
vật liệu PC * .
Để khảo sát ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC, luận văn đã tiến hành chế tạo các mat tre từ các sợi tre không xử lý kiềm (Mo), xử lý kiềm (MK)
và xử lý bằng dung dịch MAPP (M-MAPP) Các mẫu vật liệu PC gia cường 45% các loại mat trên đã được gia công ở áp lực 40kg/cm2 và nhiệt độ gia công 1900C, gia nhiệt trong 30 phút , thời gian ép 30 phút sau đó để khuôn nguội tự nhiên đến 800C Kết quả phản ánh tính chất cơ học của vật liệu được trình bày ở các hình 7, 8 và 9
Trên hình 7 nhận thấy, độ bền kéo của mẫu vật liệu PC gia cường bằng mat tre tẩm dung dịch toluen 1% MAPP cao hơn mẫu vật liệu PC gia cường 45% mat tre có xử lý kiềm 2% và cao hơn
độ bền kéo của khoảng từ 2 – 10% Như vậy, MAPP tan trong toluen đã bao phủ trên bề mặt sợi làm tăng khả năng liên kết giữa nhựa nền và sợi
Hình 7: Ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre và màng PP đến độ bền kéo của vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý bằng kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý bằng dung dịch toluene 1% MAPP)
Độ bền uốn của các mẫu vật liệu Mo, MK và M-MAPP được biểu diễn ở hình 8
Hình 8: Ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre và màng PP đến độ bền uốn của vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý bằng kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý bằng dung dịch toluene 1% MAPP)
Trang 7Từ hình trên nhận thấy, độ bền uốn của vật liệu gia cường bằng mat tre tẩm dung dịch toluen 1% MAPP cao hơn độ bền uốn của vật liệu gia cường bằng mat tre xử lý bằng kiềm
Hình 9: Ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre và màng PP đến độ bền va đập của vật liệu PC (Mo: sợi tre không xử lý; MK: sợi tre xử lý bằng kiềm; M-MAPP: sợi tre xử lý bằng dung dịch toluene 1% MAPP)
Độ bền va đập của vật liệu tạo bằng cả hai phương pháp biến tính sợi tre màng PP tương đương nhau
Để khảo sát ảnh hưởng của phương pháp đưa chất trợ tương hợp MAPP vào hệ vật liệu đến tính chất của chúng, luận văn đã tiến hành chế tạo vật liệu PC trên cơ sở mat tre xử lý bằng dung dịch 1% MAPP trong toluen với PP và vật liệu PC từ mat tre với màng PP trộn hợp MAPP (6%) Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 1
Bảng 1: Tính chất cơ học của vật liệu PC gia cường bằng 45% mat tre *
tương hợp
Tính chất cơ học
Độ bền kéo (MPa)
Độ bền uốn (MPa)
Độ bền va đập (KJ/m 2 )
* Mat tre đã xử lý kiềm
Số liệu trên bảng 1 cho thấy độ bền kéo và độ bền va đập của 2 hệ vật liệu gần bằng nhau, riêng độ bền uốn của vật liệu từ mat tre xử lý bằng dung dịch MAPP và PP cao hơn 13% so với vật liệu từ mat tre và PP-MAPP
IV KẾT LUẬN
1 Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng mat tre đến tính chất cơ học của vật liệu PC
và nhận thấy với hàm lượng mat tre 45% độ bền của vật liệu đạt giá trị cao nhất với độ bền kéo 50,95MPa, độ bền uốn 68,57 MPa và độ bền va đập 11,06 kJ/m2
2 Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến tính chất cơ học của vật liệu Với hàm lượng MAPP 6% tính chất cơ học của vật liệu đạt giá trị lớn nhất
Trang 83 Đã khảo sát ảnh hưởng của phương pháp biến tính sợi tre và phương pháp đưa MAPP vào hệ vật liệu đến tính chất cơ học của vật liệu PC nhận thấy khi xử lý sợi tre bằng dung dịch MAPP cho vật liệu có tính chất cơ học cao nhất
