PP : Nhựa Polypropylen PS : Nhựa Polystyren PVC : Nhựa Polyvinylclorua PET : Nhựa Polyetylenterephtalat ABS : Nhựa AcrylonitrilButadienStyren PMMA : Nhựa Polymetylmetacrylat PP-g-MA : Nh
Trang 1Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN ĐẮC THÀNH
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 04 tháng 02 năm 2010
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
- -oOo -
Tp HCM, ngày tháng năm
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Anh Tú … Phái: Nam… Ngày, tháng, năm sinh: 25/09/1984 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
MSHV: 00307417
1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÔI TRƯỜNG CỦA COMPOSIT SỢI SISAL (DỨA DẠI) VÀ NHỰA PP
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Hoàn thiện qui trình chế tạo composit PP /sisal - Đánh giá khả năng chịu các môi trường hoá chất H2SO4 3%, NaOH 10%, NaCl 10%, H2O ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ gia tăng 90C của composit PP/sisal - Đánh giá khả năng chịu môi trường UV và nhiệt độ 70C của composit PP/sisal 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/03/2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 31/12/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
PGS TS Nguyễn Đắc Thành
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
PGS TS Nguyễn Đắc Thành
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cơ, gia đình và bạn bè
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Thành và thầy Huỳnh Sáu
đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em để em cĩ thể hồn thành tốt luận văn này
Em xin cảm ơn quí thầy cơ trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình dạy dỗ
và truyền đạt cho em những kiến thức thật quí báu
Xin gửi lời cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều
trong thời gian vừa qua
NGUYỄN ANH TÚ
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN
Những năm gần đây, composit polypropylen (PP) được gia cường sợi sisal – dưá dại (SF) ngày càng được quan tâm vì trọng lượng nhẹ, độ bền riêng cao, chi phí thấp và tạo ra vật liệu thân thiện với mơi trường Tuy nhiên, trong sợi sisal chứa nhiều cellulose và hêmicellulose cĩ khả năng thấm ướt sợi kém; quá trình xử lý sợi thì cần thiết để cải thiện khả năng tương hợp giữa nhựa và sợi Trong nghiên cứu này tập trung vào 2 hướng chính :
Khảo sát tính chất cơ lý của composit PP/SF với hàm lượng sợi và hàm lượng tương hợp PP-g-MA khác nhau
Đánh giá khả năng chịu mơi trường của composit này trong các dung dịch NaOH 10%, H2SO4 3%, NaCl 10%, H2O và ánh sáng mặt trời ở nhiệt độ phịng và nhiệt độ gia tăng Từ đĩ, đưa ra kết luận về khả năng sử dụng của composit này
ABSTRACT
In recent years, sisal fiber (SF) reiforced polypropylene (PP) composite has become more attractive due to their light weight, high specific strength, low cost, and environmental concern However, sisal fiber comprises cellulose, hemicellulose with poor fiber wetability; modification of sisal fiber is needed for improved compatibility between SF and PP This study aimed two things :
Determinating physical properties of composite PP/SF with different loading fibers and compatiblizer polypropylene grafted maleic anhydric (PP-g-MA)
Evaluating environmental properties of these composites in solutions NaOH 10%, H2SO4 3%, NaCl 10%, H2O and daylight with room and increased temperatures Finally, we come to conclusions of applying this composite
Trang 6MỤC LỤC
Đề mục Trang
Trang bìa 1
Xác nhận của hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ 2
Nhiệm vụ luận văn 3
Lời cảm ơn 4
Tóm tắt luận văn .5
Mục lục .6
Danh sách các chữ viết tắt 13
Danh sách hình vẽ .16
Danh sách bảng biểu 22
CHƯƠNG 1 : VẬT LIỆU COMPOSITE 27
1.1 Khái niệm 27
1.1.1 Nền 27
1.1.2 Cốt 28
1.2 Phân loại composite 29
1.2.1 Phân loại theo hình dạng 29
1.2.2 Phân loại theo bản chất vật liệu 30
1.3 Tính chất ưu việt và ứng dụng của composit polyme 30
1.3.1 Tính chất ưu việt của composit polyme 30
1.3.2 Ứng dụng của composit polyme 31
1.4 Composit nhựa nhiệt dẻo và sợi thiên nhiên 31
Trang 71.4.1 Giới thiệu 31
1.4.2 Composit PP/sisal 32
1.4.3 Liên diện, liên pha 39
1.4.4 Sự định hướng của cốt sợi 41
1.5 Lý thuyết về kết dính giữa nhựa nền và sợi 42
1.5.1 Lực hấp phụ và thấm ướt 42
1.5.2 Lực tĩnh điện 42
1.5.3 Liên kết cơ học 43
1.5.4 Liên kết hoá học 43
1.6 Công nghệ chế tạo vật liệu composit polyme 43
1.6.1 Gia công áp suất thường 44
1.6.2 Gia công có áp suất 45
CHƯƠNG 2 : SỢI THIÊN NHIÊN 47
2.1 Giới thiệu 47
2.1.1 Nguồn gốc và phân loại sợi thực vật 47
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sợi thiên nhiên 48
2.2 Tính chất cơ học của sợi thiên nhiên 49
2.3 Thành phần hóa học của sợi thiên nhiên 50
2.4 Cellulose 51
2.4.1 Cấu trúc phân tử 51
2.4.2 Cấu trúc hình thái 52
2.4.3 Các tính chất của cellulose 55
Trang 82.4.4 Khả năng hoà tan và trương của cellulose 57
2.4.5 Sự giảm cấp cellulose 62
2.5 Hemicellulose 64
2.6 Lignin 66
2.7 Pectin và các chất trích ly 68
CHƯƠNG 3: SỢI SISAL (DỨA DẠI) .70
3.1 Giới thiệu về sợi sisal 70
3.2 Quá trình thu hoạch và sản xuất sợi sisal 71
3.3 Cấu trúc của sợi sisal 72
3.4 Thành phần hóa học và tính chất vật lý của sợi sisal 74
3.4.1 Thành phần hoá học 75
3.4.2 Tính chất vật lý 75
3.5 Tính chất liên diện – xử lý bề mặt sợi dứa 76
3.5.1 Biến tính vật lý 77
3.5.2 Biến tính hoá học 77
3.5.3 Các phương pháp biến tính hoá học dùng trong sợi dứa 78
3.6 Ứng dụng của sợi dứa 80
CHƯƠNG 4 : NHỰA POLYPROPYLEN ( PP ) .82
4.1 Giới thiệu về Polypropylen 82
4.1.1 Khái niệm 82
4.1.2 Nguyên liệu sản xuất polypropylene 82
4.2 Các loại polypropylen 83
4.2.1 PP homopolyme 83
Trang 94.2.2 PP impact copolyme 83
4.2.3 PP random copolyme 83
4.3 Trùng hợp propylen 84
4.4 Tính chất nhựa PP 86
4.4.1 Tính chất lý nhiệt 86
4.4.2 Độ bền hoá học 87
4.4.3 Một số tính chất khác 87
4.4.4 So sánh tính chất PP với một số loại nhựa khác 87
4.5 Các phương pháp gia công và sử dụng PP 88
CHƯƠNG 5: NHỰA POLYPROPYLENE-GRAFTED-MA (PP-g-MA) 89
5.1 Giới thiệu 89
5.1.1 Các phương pháp tổng hợp PP-g-MA 89
5.1.2 Cơ chế ghép MA lên PP 90
5.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng phản ứng ghép 91
5.2 Ứng dụng của PP-g-MA .93
5.3 Một số loại PP-g-MA trên thị trường 95
CHƯƠNG 6: NGUYÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ 97
6.1 Nguyên liệu 97
6.1.1 Sợi dứa Việt Nam (sợi sisal) 97
6.1.2 Polypropylene (HP 500N) 98
6.1.3 PP-g-MA 98
6.1.4 Các hoá chất khác 99
6.2 Thiết bị 100
6.2.1 Bể lắc điều nhiệt GFL 1083 của Đức 100
Trang 106.2.2 Máy nghiền nhựa phế liệu thông dụng 100
6.2.3 Máy nghiền bi hành tinh loại cối 100
6.2.4 Máy sàng rây cơ điện tử 100
6.2.5 Tủ sấy có quạt hút 101
6.2.6 Máy đùn 2 trục vít Leistritz 101
6.2.7 Máy ép phun POYUEN PYI-120PC 101
6.2.8 Máy thử lão hoá UV và nhiệt độ Q-sun xenon 101
6.2.9 Máy đo kéo, uốn vạn năng LLoyd 101
6.2.10Máy đo độ bền va đập ITR-2000 Ramada 101
6.2.11 Hiển vi điện tử quét (SEM) 101
6.2.12 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 101
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM 94
7.1 Xử lý sợi sisal và gia công tạo composit 102
7.1.1 Xử lý sợi bằng NaOH 102
7.1.2 Quá trình gia công tạo composit 104
7.2 Các phương pháp nghiên cứu và đánh giá .107
7.2.1 Các phương pháp nghiên cứu 107
7.2.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp nhập liệu lên độ bền cơ lý composit PP/sisal 107
7.2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thược sợi lên độ bền cơ lý composit PP/sisal 108
Trang 117.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và liên diện PP-g-MA lên độ
bền cơ lý composit PP/sisal 108
7.2.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng liên diện PP-g-MA lên độ bền môi trường NaOH 10% (2,4 tuần; nhiệt độ phòng) của composit PP/sisal 109
7.2.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng liên diện PP-g-MA lên độ bền môi trường H2SO4 3% (2 tuần nhiệt độ phòng, 5 tuần nhiệt độ phòng + 3 ngày 90C) của composit PP/sisal 109
7.2.1.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng liên diện PP-g-MA lên độ bền môi trường NaCl 10% (4 tuần nhiệt độ phòng, 7 tuần nhiệt độ phòng + 3 ngày 90C) của composit PP/sisal 110
7.2.1.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng liên diện PP-g-MA lên độ bền môi trường H2O (3 ngày, 90C) của composit PP/sisal 110
7.2.1.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng liên diện PP-g-MA lên độ bền môi trường UV (200 giờ, 0.68W/m2/nm, 70C) của composit PP/sisal 110 7.2.2 Các phương pháp đánh giá 111
7.2.2.1 Các phương pháp đo cơ tính (kéo ASTM D638, uốn ASTM D790, va đập ASTM D256) 111
7.2.2.2 Đo chỉ số chảy (ASTM D1238) 114
7.2.2.3 Hiển vi quang học, máy ảnh kỹ thuật số 114
7.2.2.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM (Scanning electron microscopy) 115
7.2.2.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua – TEM (Transmitting electron microscopy) 115
7.2.2.6 Độ bền môi trường hoá chất của sản phẩm composit (ASTM D543) 115
Trang 127.2.2.7 Độ bền môi trường bức xạ của sản phẩm composit (ASTM G155) 116
CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 117
8.1 Chế tạo vật liệu composit PP/sisal .117
8.1.1 Ảnh hưởng của phương pháp nhập liệu tạo hạt 117
8.1.2 Ảnh hưởng của kích thước sợi 119
8.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi 121
8.1.4 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi và hàm lượng chất tương hợp PP-g-MA 123
8.1.4.1 Cơ lý 123
8.1.4.2 Chỉ số chảy 126
8.1.4.3 Ảnh SEM 127
8.1.4.4 Ảnh TEM 132
8.2 Đánh giá khả năng chịu môi trường của composit PP/sisal 135
8.2.1 Lão hoá trong môi trường NaOH 10% 135
8.2.1.1 Cơ lý 135
8.2.1.2 Độ hút NaOH 142
8.2.1.3 Hình dạng mẫu 144
8.2.2 Lão hoá trong môi trường H 2 SO 4 146
8.2.2.1 Cơ lý 146
8.2.2.2 Độ hút H2SO4 154
8.2.2.3 Hình dạng mẫu 156
8.2.3 Lão hoá trong môi trường NaCl 158
8.2.3.1 Cơ lý 158
Trang 138.2.3.2 Độ hút nước muối 164
8.2.3.3 Hình dạng mẫu 165
8.2.4 Lão hoá môi trường nước 167
8.2.4.1 Cơ lý 167
8.2.4.2 Độ hút nước 170
8.2.4.3 Hình dạng mẫu 171
8.2.5 Lão hoá trong môi trường UV 171
8.2.5.1 Cơ lý 171
8.2.5.2 Ảnh hiển vi quang học bề mặt mẫu 173
CHƯƠNG 9 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 179
9.1 Kết luận 179
9.1.1 Chế tạo composit PP/sisal 179
9.1.2 Khả năng chịu môi trường composit PP/sisal 179
9.2 Kiến nghị 179
TÀI LIỆU THAM KHẢO 181
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .184
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PE : Nhựa Polyetylen
HDPE : Nhựa Polyetylen loại High Density
Trang 14PP : Nhựa Polypropylen
PS : Nhựa Polystyren
PVC : Nhựa Polyvinylclorua
PET : Nhựa Polyetylenterephtalat
ABS : Nhựa AcrylonitrilButadienStyren
PMMA : Nhựa Polymetylmetacrylat
PP-g-MA : Nhựa PP được ghép MaleicAnhydric
GF : GlassFibre Sợi thủy tinh
SF : Sisal Fibre Sợi sisal
HDT : Heat Deflection Temperature Nhiệt độ biến dạng mẫu dưới tác dụng của ứng suất cho trước
TGA : Phân tích nhiệt trọng lượng
UV : UltraViolet Tia cực tím
SEM : Kính hiển vi điện tử quét bề mặt
TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua
C : Nhiệt độ C
AGU : D-anhydroglucopyranose (Đơn vị mắc xích của phân tử Cellulose)
Cellulose I : Cellulose tự nhiên
Cellulose II : Cellulose sau khi xử lý bằng NaOH
MFI : Melt Flow Index Chỉ số chảy
PC251 : Composit PP/sisal có nhựa và sợi được cho vào cùng lúc ở phểu thứ 1 cuối máy đùn 2 vít
Trang 15PC252 : Composit PP/sisal có nhựa được cho vào ở phểu thứ 1, còn sợi được cho vào phểu thứ 2 nằm ở vùng gia nhiệt thứ 3 của máy đùn 2 vít
PC353.51 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, sợi 0,5mm ≥
PC353.52 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, 0,125 sợi < 0,5mm ≤PC353.53 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, sợi < 0,125mm
PC35 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, sợi < 0,5mm
PC351.5 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 1,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC352.5 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 2,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC353.5 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC357.0 : Composit PP/sisal 35% sợi/PP, PP-g-MA 7,0%/PP, sợi < 0,5mm
PC45 : Composit PP/sisal 45% sợi/PP, sợi < 0,5mm
PC451.5 : Composit PP/sisal 45% sợi/PP, PP-g-MA 1,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC452.5 : Composit PP/sisal 45% sợi/PP, PP-g-MA 2,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC453.5 : Composit PP/sisal 45% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC457.0 : Composit PP/sisal 45% sợi/PP, PP-g-MA 7,0%/PP, sợi < 0,5mm
PC55 : Composit PP/sisal 55% sợi/PP, sợi < 0,5mm
PC551.5 : Composit PP/sisal 55% sợi/PP, PP-g-MA 1,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC552.5 : Composit PP/sisal 55% sợi/PP, PP-g-MA 2,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC553.5 : Composit PP/sisal 55% sợi/PP, PP-g-MA 3,5%/PP, sợi < 0,5mm
PC557.0 : Composit PP/sisal 55% sợi/PP, PP-g-MA 7,0%/PP, sợi < 0,5mm
A : Độ bền cơ lý còn lại sau của composit sau khi ngâm môi trường
W : Độ hút dung dịch (Độ trương) của mẫu composit khi ngâm môi trường hoá chất
Trang 16DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Sự thay đổi độ bền kéo của composit PP/sial khi được phơi bức xạ UV
theo thời gian
Hình 1.2 : Phản ứng oxy hoá được xúc tác bởi bức xạ tử ngoại
Hình 1.3 : Chu trình lão hoá phân tử nhựa PP sau khi phơi UV
Hình 1.4 : Ảnh SEM của a)PP chưa phơi UV, b)PP phơi UV 3 tháng
Hình 1.5 : Ảnh hưởng của sự hấp thụ nước trên độ bền kéo của composit PP/sisal
theo hàm lượng sợi ở 28C
Hình 1.6 : Công thức tính trọng lượng tăng thêm và trọng lượng mất đi của composit
PP/sisal
Hình 1.7 : Ảnh SEM của composit 20SF sau khi ngâm nước 90C trong a)0 giờ và
b)72 giờ
Hình 1.8 : Ảnh SEM bề mặt phá hủy mẫu kéo của composit 30SF sau khi ngâm
nước 90C a)0 giờ, b) 216 giơ.ø
Hình 1.9 : Đường cong lực và độ giãn dài kéo của composit PP/sisal trước và sau khi
ngâm nước 90C
Hình 1.10 : Ảnh hưởng của việc ngâm nước lên độ bền va đập composit PP/sisal
theo thời gian ngâm nước 90C
Hình 1.11 : Độ tăng trọng lượng của composit PP/sisal trong bể nước 90C theo thời
gian ngâm
Hình 1.12 : Độ giảm trọng lượng composit PP/sisal theo thời gian ngâm
Hình 1.13: Minh họa tương tác giữa nhựa và sợi trên bề mặt phân cách
Hình 1.14 : Sơ đồ phân bố cốt sợi
Hình 1.15 : Liên kết giữa sợi và nền bằng lực tĩnh điện
Trang 17Hình 1.16 : Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học
Hình 1.17 : Phương pháp gia công composite bằng tay
Hình 1.18 : Mô hình gia công composite bằng phương pháp phương pháp quấn Hình 1.19 : Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép
Hình 1.20 : Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun
Hình 2.1: Cấu trúc cellulose và 2 phân tư ûgluco hình thành cellobiose
Hình 2.2: Đơn vị tế bào cơ bản của cellulose
Hình 2.3: Hệ thống liên kết hyđro trong cellulose I Mỗi đơn vị mắc xích D-glucose
có 2 liên kết H nội phân tử và 1 liên kết H ngoại phân tử
Hình 2.4 : Sơ đồ cạnh tranh giữa nối hydro của nhóm OH với phân tử nước
và nhóm OH khác của cellulose
Hình 2.5 : Sự giảm cấp cellulose bằng H2O và xúc tác bằng enzim
Hình 2.6 : Sự giảm cấp cellulose bằng axít
Hình 2.7 : Sơ đồ giảm cấp cellulose theo chiều dọc trong dung dịch kiềm không có
oxi
Hình 2.8 : Hexose và pentose có trong thành phần hemicellulose
Hình 2.9 : Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin
Hình 2.10 : Một số kiểu liên kết cơ bản trong cấu trúc lignin
Hình 3.1 : Hình ảnh về cây sisal (dứa dại)
Hình 3.2 : Bó lá sau khi thu hoạch
Hình 3.3 : Sợi đem phơi
Hình 3.4 : Tế bào sợi sisal
Trang 18Hình 3.5 : Bề mặt cắt ngang của sợi sisal (dứa dại)
Hình 3.6 : Cấu trúc bề mặt sợi sisal chưa xử lý
Hình 3.7 : Cấu trúc bề mặt của sợi sisal đã xử lý xút 18%, ở 1000C trong 30phút
Hình 3.8 : Cấu trúc xoắn sau khi sợi xử lý
Hình 3.9 : Cấu trúc hóa học của nhóm chức ahydirc sử dụng biến tính sợi
Hình 3.10 : Phản ứng của cellulose với alkoxysilane và isocyanates
Hình 3.11 : Dây thừng được làm từ sợi dứa
Hình 3.12 : Thảm dệt từ sợi dứa
Hình 3.13 : Các sản phẩm composit từ nhựa nhiệt dẻo và sợi thiên nhiên
Hình 5.1 : Ảnh TEM nanocomposite iso.PP/SiO2 khơng cĩ (a) và cĩ (b) PP-g-MA
Hình 5.2 : Vài sản phẩm của composite gỗ/PP cĩ sử dụng PP-g-MA
Hình 5.3 : Ảnh SEM sợi thủy tinh/PP khơng cĩ và cĩ PP-g-MA
Hình 5.4 : Các bộ phận trên ơ tơ được làm từ composite sợi thủy tinh/PP, talc/PP cĩ
PP-g-MA làm chất tương hợp
Hình 6.1: Quy trình xử lý sơ bộ sợi dứa
Hình 6.2: Sợi dứa Việt Nam đã qua xử lý sơ bộ
Hình 7.1 : Qui trình xử lý sợi bằng NaOH
Trang 19Hình 7.2 : Qui trình chế tạo composit PP/sisal
Hình 7.3 : Hệ thống định lượng máy đùn 2 trục vít Leistritz ZSE 18 HP
Hình 7.4 : Máy đùn 2 trục vít Leistritz ZSE 18 HP
Hình 7.5 : Máy ép phun POYUEN PYI-120PC
Hình 7.6 : Hình dạng mẫu kéo
Hình 7.7 : Hình dạng mẫu uốn
Hình 7.8 : Đồ thị kết quả đo uốn
Hình 7.9 : Hình dạng mẫu va đập
Hình 7.10 : Đồ thị kết quả đo va đập
Hình 8.1 : Ảnh hưởng của phương pháp nhập liệu lên tính chất cơ lý composit
PP/sisal 25% sợi (PC251-Nhựa PP được trộn chung với sợi sisal trong cùng 1 phểu, PC252-sợi sisal được đưa vào từ phểu bên hông máy đùn)
Hình 8.2 : Ảnh hưởng của kích thước sợi lên tính chất cơ lý composit PP/sisal
(PC353.51 (sợi 0.5mm), PC353.52 (0.125≥ ≤sợi<0.5 mm), PC353.53 (sợi<0.125mm), PC353.5 (sợi<0.5 mm)
Hình 8.3 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất cơ lý composit PP/sisal ( sợi
0%/PP, 35%/PP, 45%/PP, 55%/PP)
Hình 8.4 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi và PP-g-MA lên tính chất cơ lý composit
PP/sisal (35, 45, 55% sợi/PP và 0,1.5, 2.5, 3.5, 5, 7% PP-g-MA/PP)
Hình 8.6 : Ảnh SEM composit PP/sisal 35% sợi, không dùng PP-g-MA
Hình 8.7 : Ảnh SEM composit PP/sisal 35% sợi, 7% PP-g-MA
Hình 8.8 : Ảnh SEM composit PP/sisal 55% sợi, không dùng PP-g-MA
Trang 20Hình 8.10 : Ảnh TEM composit PP/sisal 35% sợi, không dùng PP-g-MA
Hình 8.11 : Ảnh TEM composit PP/sisal 35% sợi, 7% PP-g-MA
Hình 8.12 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Hình 8.13 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Hình 8.14 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Hình 8.15 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Hình 8.16 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH
10% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.17 : Độ hút NaOH 10% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Hình 8.18 : Hình ảnh bề mặt composit PP/sisal sau khi ngâm NaOH 10% (35, 45,
55% sợi; 0, 7% PP-g-MA)
Hình 8.19 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.20 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.21 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.22 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Trang 21Hình 8.23 : Độ võng còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3% với
hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.24 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4
3% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.25 : Độ hút H2SO4 3% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Hình 8.26 : Hình ảnh bề mặt composit PP/sisal sau khi ngâm H2SO4 3% (35, 45,
55% sợi; 0, 7% PP-g-MA)
Hình 8.27 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Hình 8.28 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Hình 8.29 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Hình 8.30 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Hình 8.31 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl
10% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Hình 8.32 : Độ hút NaCl 10% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Hình 8.33 : Hình ảnh bề mặt composit PP/sisal sau khi ngâm NaCl 10% (35, 45, 55%
sợi; 0, 7% PP-g-MA)
Hình 8.34 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2O với
hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Trang 22Hình 8.35: Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2O với hàm
lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Hình 8.36 : Độ hút H2O của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Hình 8.37 : Hình ảnh bề mặt composit PP/sisal sau khi ngâm H2O (35, 45, 55% sợi;
7% PP-g-MA)
Hình 8.38 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal sau UV với hàm
lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 7%
Hình 8.39 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal sau UV với hàm
lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 7%
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Thành phần composit PP/sisal.
Bảng 1.2 : Đặc tính cơ học của PP và composit của PP (NB : Not Broken)
Bảng 1.3 : Tính chất nhiệt của PP và composit của PP (Td5 , Td50 : nhiệt độ tại đó
giảm 5% và 50% trọng lượng theo phương pháp TGA)
Bảng 1.4 : Thành phần composit PP/sisal khảo sát hấp thụ nước
Bảng 2.1: Tính chất cơ học của sợi thiên nhiên và một số sợi gia cường thông dụng Bảng 2.2 : Mức độ trương trong nước của vật liệu cellulose và dẫn xuất
Bảng 3.1 : Thành phần hóa học sợi sisal so với một số loại khác
Bảng 3.2 : Tính chất sợi sisal theo các báo cáo khác nhau
Bảng 4.1 : So sánh tính chất PP với một số loại nhựa khác
Bảng 5.1 : Một số tên thương phẩm của PP-g-MA
Trang 23Bảng 6.1 : Thông số kỹ thuật của PP HP 500N
Bảng 7.1 : Thống kê số lượng mẫu đánh giá độ bền cơ lý theo hàm lượng sợi và
PP-g-MA
Bảng 7.2 : Thống kê số lượng mẫu ngâm môi trường NaOH 10%
Bảng 7.3 : Thống kê số lượng mẫu ngâm môi trường H2SO4 3%
Bảng 7.4 : Thống kê số lượng mẫu ngâm môi trường NaCl 10%
Bảng 7.5 : Thống kê số lượng mẫu ngâm môi trường H2O
Bảng 7.6 : Thống kê số lượng mẫu phơi UV
Bảng 8.1 : Ảnh hưởng của phương pháp nhập liệu lên tính chất cơ lý composit
PP/sisal 25% sợi (PC251-Nhựa PP được trộn chung với sợi sisal trong cùng 1 phểu, PC252-sợi sisal được đưa vào từ phểu bên hông máy đùn)
Bảng 8.2 : Ảnh hưởng của kích thước sợi lên tính chất cơ lý composit PP/sisal
(PC353.51 (sợi 0.5mm), PC353.52 (0.125≥ ≤sợi<0.5 mm), PC353.53 (sợi<0.125mm), PC353.5 (sợi<0.5 mm)
Bảng 8.3 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất cơ lý composit PP/sisal (sợi
0%/PP, 35%/PP, 45%/PP, 55%/PP)
Bảng 8.4 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi và PP-g-MA lên tính chất cơ lý composit
PP/sisal (35, 45, 55% sợi/PP và 0, 1.5, 2.5, 3.5, 5, 7% PP-g-MA/PP)
Hình 8.5 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi và PP-g-MA lên chỉ số chảy của composit
PP/sisal (35, 45, 55% sợi /PP; 0, 7%PP-g-MA/PP)
Bảng 8.5 : Ảnh hưởng của hàm lượng sợi và PP-g-MA lên chỉ số chảy của composit
PP/sisal (35, 45, 55% sợi /PP, 7%PP-g-MA/PP)
Trang 24Bảng 8.6 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Bảng 8.7 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Bảng 8.8 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Bảng 8.9 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Bảng 8.10 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaOH
10% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.11 : Độ hút NaOH 10% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 5, 7%
Bảng 8.12 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.13 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.14 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.15 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.16 : Độ võng còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4 3% với
hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.17 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2SO4
3% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Trang 25Bảng 8.18 : Độ hút H2SO4 3% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 3.5, 7%
Bảng 8.19 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Bảng 8.20 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Bảng 8.21 : Độ bền uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Bảng 8.22 : Môđun uốn còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl 10%
với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Bảng 8.23 : Độ bền va đập còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong NaCl
10% với hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Bảng 8.24 : Độ hút NaCl 10% của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi
35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 5, 7%
Bảng 8.25 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2O với
hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Bảng 8.26 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal trong H2O với
hàm lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Bảng 8.27 : Độ hút H2O của nhựa PP và composit PP/sisal với hàm lượng sợi 35, 45,
55% và hàm lượng PP-g-MA 7%
Bảng 8.28 : Độ bền kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal sau UV với hàm
lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 7%
Bảng 8.29 : Môđun kéo còn lại của nhựa PP và composit PP/sisal sau UV với hàm
lượng sợi 35, 45, 55% và hàm lượng PP-g-MA 0, 7%
Trang 26Hình 8.40 : Hình ảnh bề mặt nhựa PP (UV 0.68W/m2/nm, 70C)
Hình 8.41 : Hình ảnh bề mặt composit PP/sisal (UV 0.68W/m2/nm, 70C)
Trang 27CHƯƠNG 1 : VẬT LIỆU COMPOSIT
Cơ tính của vật liệu composit phụ thuộc vào :
• Cơ tính của các vật liệu thành phần
• Lực phân bố hình học của vật liệu cốt
• Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần
1.1.1.Nền
Nền đóng vai trò là chất kết dính, chuyển dạng rời rạc của cốt thành dạng liên tục và là môi trường truyền tải ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu
Người ta có thể sử dụng nền là nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn :
Nhựa nhiệt dẻo : PE, PP, PVC,…
• Tính chất:
- Có độ nhớt thấp, dễ hòa tan và đóng rắn lại khi nung nóng Sau khi đóng rắn không thể hòa tan và không thể nóng chảy tiếp được nữa
- Không thể tái sinh
- Tạo mạng lưới không gian không thuận nghịch
• Ưu điểm:
- Chịu được nhiệt độ khá cao
Trang 28- Bền, độ cứng cao, có độ bền kéo, bền nén cao
- Bền với môi trường axit
• Nhược điểm:
- Độ bền uốn, va đập kém do mạch cứng
- Không thể tái sinh
- Tạo sản phẩm có độ co ngót lớn
Nhựa nhiệt rắn : Phenol Formaldehyd (PF), Ure Formaldehyd (UF), epoxy,
Polyeste không no (UPE), …
• Tính chất:
- Là polymer mạch thẳng
- Khi nung nóng nó chảy dẻo ra, làm nguội chúng sẽ cứng lại và có trạng thái thuận nghịch
• Ưu điểm:
- Có độ tin cậy cao, mức độ ứng suất dư nảy sinh trong sản phẩm thấp
- Giảm đi công đoạn đóng rắn
- Khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện
- Có thể tận dụng phế liệu để gia công lại
- Giá thành rẻ
• Nhược điểm:
- Không chịu được nhiêt độ cao
- Xử lý công nghệ khó khăn do độ nhớt cao
1.1.2.Cốt
Cốt đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì cốt thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Cốt được đánh giá qua các đặc điểm sau :
+ Tính gia cường cơ học
+ Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ
Trang 29+ Khả năng truyền nhiệt, giải nhiệt
+ Sự thuận lợi cho quá trình gia công
+ Giá thành
Tùy thuộc vào loại sản phẩm mà người ta chọn vật liệu cốt cho thích hợp :
- Dạng sợi : sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn dạng hạt, tuy nhiên sợi có giá thành cao hơn Cốt dạng sợi như : sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi bo, sợi amid, sợi bazan, sợi thiên nhiên ( bông, đay, dứa dại,…)
- Dạng hạt : Composite tạo thành là composite hạt Các cốt dạng hạt như TiO2, Silica, CaCO3, Al2O3, bột kim loại … Cốt dạng hạt được sử dụng với mục đích như : giảm giá thành sản phẩm, tăng thể tích cần thiết cho nhựa, tăng độ bền nén và mođun ban đầu, cải thiện một số tính chất cho nhựa : độ dẫn nhiệt, dẫn điện, chậm cháy, chậm chảy, giảm sự co rút thể tích, tạo mỹ quan cho bề mặt vật liệu
Trong composite sợi hay hạt, hàm lượng vật liệu cốt đưa vào đều có giới hạn trên, nếu quá giới hạn này sẽ gây khó khăn cho quá trình gia công, đặc biệt cơ lý và hoá tính của vật liệu composite bị giảm một cách đặc biệt
1.2.Phân loại composit
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và bản chất của các vật liệu thành phần
1.2.1.Phân loại theo hình dạng
• Vật liệu composite cốt sợi : Sợi gia cường ở dạng liên tục hay gián
đoạn: cắt ngắn, vụn Ta có thể tạo ra vật liệu có cơ-lý tính khác nhau, khi chú ý tới
bản chất của vật liệu thành phần, tỉ lệ của các vật liệu tham gia, phương của sợ
Vật liệu composite cốt hạt : Vật liệu cốt có dạng hạt Hạt thường được
sử dụng để cải thiện 1 số tính chất cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu nền như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm độ co ngót Cũng có khi hạt
Trang 30ñöôïc söû dúng ñeơ laøm giạm giaù thaønh sạn phaơm Vieôc löïa chón phöông aùn keât hôïp
hát-nhöïa phú thuoôc vaøo cô-lyù tính maø ta muoân coù
1.2.2.Phađn loái theo bạn chaât vaôt lieôu
Composite neăn höõu cô :
Keât hôïp vôùi vaôt lieôu coât coù dáng : - Sôïi höõu cô : polyamit, kevlar
- Sôïi khoaùng : thụy tinh cacbon
- Sôïi kim loái : Bo, nhođm
• Composite neăn kim loái :
Keât hôïp vôùi vaôt lieôu coât coù dáng : - Sôïi kim loái : Bo
- Sôïi khoaùng : cacbon, SiC
• Composite neăn khoaùng :
Keât hôïp vôùi vaôt lieôu coât coù dáng : - Sôïi kim loái : Bo
- Hát kim loái : chaât goâm kim
- Hát goâm : cacbua nitô
1.3.Tính chaât öu vieôt vaø öùng dúng cụa composit polyme
1.3.1.Tính chaẫt öu vieôt cụa composit
Vaôt lieôu composite raât phong phuù, ña dáng ñöôïc söû dúng roông raõi trong caùc lónh vöïc kyõ thuaôt vaø ñôøi soâng, do caùc ñaịc ñieơm öu vieôt cụa noù
- Tyû soâ (tính naíng cô lyù/ giaù thaønh) vaø tyû soâ (tính naíng cô lyù / khoâi löôïng) cao hôn saĩt theùp raât nhieău
- Rẹ hôn theùp khođng rư
- Nhé hôn hôïp nhođm vaø hôïp kim nhođm
- Khođng toân keùm trong bạo quạn, choâng aín moøn
- Phöông phaùp gia cođng, cheâ táo ñôn giạn vaø ña dáng
- Chi phí ñaău tö thaâp
Tính öu vieôt cụa composite laø khạ naíng cheâ táo töø vaôt lieôu naøy thaønh caùc keât
Trang 31phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bao cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường
1.3.2.Ứng dụng
Hiện nay vật liệu composite đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống Từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông vận tải, xây dựng … cho đến những ngành công nghiệp năng như chế tạo máy bay, khai thác dầu mỏ… và đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ
- Vật liệu gia dụng : lavabo, bồn tắm, bàn ghế, tấm trần, tấm cách âm
- Vật liệu xây dựng : tấm lợp, cấu kiện nhà lắp ghép, đá ốp lát, …
- Vật liệu điện : mạch in, tấm cách điện, vỏ bảo vệ các vi mạch cao tầng, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế
- Vật liệu chịu hoá chất : ống dẫn, bồn chứa, bể điện phân
- Giao thông vận tải : vỏ tàu, vỏ thân xe hơi
- Hàng không, vũ trụ : cánh, khung thiết bị đáp
Composite đang thay thế dần cho các vật liệu truyền thống như gỗ, kim loại, gốm sứ
1.4.Composit nhựa nhiệt dẻo và sợi thiên nhiên
1.4.1.Giới thiệu
Composit cốt sợi là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất Mục tiêu chủ yếu là khi thiết kế chế tạo composit cốt sợi là độ bền riêng cao và modul đàn hồi riêng cao Do vậy cả nền và nhựa cần có khối lượng riêng nhỏ, nền phải tương đối dẻo, còn cốt sợi phải có độ cứng và bền cao Tính chất của composite cốt sợi phụ thuộc vào yếu tố : bản chất vật liệu và nền, độ bền nền- cốt trên ranh giới, sự phân bố và sự định hướng sợi, kích thước, hình dạng của nó, …
Trang 32Gần đây, sợi thiên nhiên gia cường cho vật liệu composit đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Composit tạo ra trên nền sợi thiên nhiên có rất nhiềøu ưu điểm như : độ cứng, độ bền cao, tỷ trọng thấp, tăng khoảng chịu nhiệt
Tuy nhiên do sợi thiên nhiên phân cực mạnh, còn nhựa nhiệt dẻo kém phân cực nên sự bám dính giữa sợi thiên nhiên và nhựa thấp Để tăng cường sự bám dính sợi thường được xử lý trước khi đưa vào composit Ngoài ra người ta còn dùng chất tương hợp Chất tương hợp để cải tiến sự phân tán, sự kết dính, tính tương hợp giữa sợi và nhựa
1.4.2.Composit PP/sisal
Sợi sisal không được xử lý NaOH, composit với hàm lượng sợi từ 5-35%/PP, độ bền kéo, uốn, va đập đều thấp hơn so với PP Sợi sisal sau khi được xử lý NaOH, tính chất cơ lý vẫn thấp hơn PP Khi sử dụng 3,5% PP-g-MA/PP độ bền kéo tăng 18%, môđun kéo tăng 37%, bền uốn tăng 32%, môđun uốn tăng 40%, bền va đập
tăng 55% so với PP Công nghệ ép phun cho cơ tính cao hơn công nghệ ép nén [10]
• Composit PP/sisal lai tạp sợi thủy tinh [17]
Bên cạnh đó composit sợi thiên nhiên có những hạn chế như môđun thấp, chống ẩm kém, một số nghiên cứu thường lai tạp sợi thủy tinh để cải thiện các đặc tính kéo, uốn, va đập, tăng khả năng chịu nhiệt và chống hút nước; PP-g-MA vẫn được sử dụng như chất tương hợp giữa nhựa và sợi
Bảng 1.1 : Thành phần composit PP/sisal
Trang 33Bảng 1.2 : Đặc tính cơ học của PP và composit của PP (NB : Not Broken)
Bảng 1.3 : Tính chất nhiệt của PP và composit của PP (Td5 , Td50 : nhiệt độ tại đó
giảm 5% và 50% trọng lượng theo phương pháp TGA)
• Khả năng chịu môi trường của composit PP/sial [18]
Sự suy giảm tính chất do môi trường trên đặc tính vật lý và cơ học của composit sợi sisal ngắn được nghiên cứu với ảnh hưởng của nước và bức xạ UV Đặc tính hấp thụ nước của composit PP/sisal phụ thuộc vào các yếu tố lượng sợi, nhiệt độ và xử lý hoá học Nghiên cứu thấy rằng lượng nước hấp thụ gia tăng theo lượng sợi
do tăng lượng xenlulo Tăng nhiệt độ lên 70C thì tốc độ và lượng nước hấp thụ cũng tăng theo Khi xử lý hoá học sợi sisal bằng PP-g-MA thì composit thể hiện lượng nước hấp thụ ít hơn composit có sợi không được xử lý vì việc xử lý hoá học làm giảm khả năng ưa nước của sợi do liên diện giữa sợi và nhựa được cải thiện Độ bền kéo giảm khi lượng nước hấp thụ, thời gian nhúng và lượng sợi gia tăng Dưới bức xạ
UV, độ bền kéo của nhựa PP giảm do kết quả của quá trình đứt mạch của phân tử
Trang 34nhựa PP và có thể quan sát được trên ảnh SEM, đối với composit thì hàm lượng sợi càng tăng, chịu bức xạ UV tốt hơn so với PP
Hình 1.1 : Sự thay đổi độ bền kéo của composit PP/sial khi được phơi bức xạ UV
theo thời gian
Hình 1.2 : Phản ứng oxy hoá được xúc tác bởi bức xạ tử ngoại
Trang 35Hình 1.3 : Chu trình lão hoá phân tử nhựa PP sau khi phơi UV
Hình 1.4 : Ảnh SEM của a)PP chưa phơi UV, b)PP phơi UV 3 tháng
Hình 1.5 : Ảnh hưởng của sự hấp thụ nước trên độ bền kéo của composit PP/sisal
theo hàm lượng sợi ở 28C
• Nghiên cứu sự hấp thụ nước của composit PP/sisal [20]
Bảng 1.4 : Thành phần composit PP/sisal khảo sát hấp thụ nước
Trang 36Hình 1.6 : Công thức tính trọng lượng tăng thêm và trọng lượng mất đi của
composit PP/sisal
Wo : mẫu composit sấy 60C đến trọng lượng không đổi, Ww : trọng lượng mẫu sau thời gian ngâm t, Wd : trọng lượng mẫu sau thời gian ngâm t và sấy 60C đến khối lượng không đổi, WG : trọng lượng tăng thêm khi ngâm, WL : trọng lượng mất đi khi ngâm
Hình 1.7 : Ảnh SEM của composit 20SF sau khi ngâm nước 90C trong a)0 giờ và
b)72 giờ Hình a) thấy rằng PP-g-MA là chất tương hợp hiệu quả tạo liên diện bền cho nhựa PP và sợi sisal, trên bề mặt sợi sisal bị kéo ra vẫn còn lớp hỗn hợp PP-g-MA/PP Đối vời mẫu composit ngâm 72 giờ (hình b), ta thấy sự tách kết dính giữa nhựa và sợi xuất hiện, hình dáng sợi vẫn còn tốt, nhưng trên bề mặt sợi không thấy hỗn hợp PP-g-MA/PP, điều này phù hợp với sự mất mát trọng lượng ít trong 72 giờ trên đồ thị
Trang 37Hình 1.8 : Ảnh SEM bề mặt phá hủy mẫu kéo của composit 30SF sau khi ngâm
nước 90C a)0 giờ, b) 216 giờ Sợi sisal gồm nhiều vi sợi xenlulo hình ống kết dính nhờ mạng lignin và hêmixenlulo nên bề mặt phá hủy kéo trước khi ngâm có dạng hình a) Sau khi ngâm nước 90C trong 216 giờ, từ đồ thị mất mát trọng lượng, ta thấy lignin và hêmixenlulo đã tan ra làm cho vi sợi xenlulo hình ống không kết dính chặt với nhau (có lỗ hổng) nên khi phá hủy ống sợi có xu hướng xé ra thành nhiều sợi nhỏ hơn
Ta thấy trước khi ngâm nước thì hàm lượng sợi tăng dẫn đến độ bền và môđun kéo đều tăng, nhưng sau 216 giờ thì độ bền và môđun composit hàm lượng sợi 30% giảm nhanh hơn composit 10% sợi
Hình 1.9 : Đường cong lực và độ giãn dài kéo của composit PP/sisal trước và sau khi
ngâm nước 90C
Trang 38Sự cải thiện độ bền va đập được giải thích do sự hoá dẻo liên pha PP và sisal Liên pha PP và sisal tốt thì tăng độ bền kéo nhưng lại giảm độ bền va đập vì năng lượng bị hấp thu khi kéo sợi ra khỏi mạng PP giảm Khi ngâm composit trong nước thì liên pha được hoá dẻo sẽ thúc đẩy cơ chế kéo sợi ra khỏi mạng nhựa và việc sợi trương khi hấp thụ ẩm sẽ tăng lực ma sát kéo sợi ra khỏi PP Tuy nhiên nếu tiếp tục ngâm thời gian dài thì sẽ có sự tách ra những chất dễ tan trong sợi sisal sẽ gây phá hủy cấu trúc sợi, khi cấu trúc sợi bị phá hủy làm tăng thêm đường dẫn cho nước khuếch tán vào composit làm yếu liên pha nhiều hơn giữa sợi và nhựa làm giảm độ bền va đập composit
Hình 1.10 : Ảnh hưởng của việc ngâm nước lên độ bền va đập composit PP/sisal
theo thời gian ngâm nước 90C
Trang 39Hình 1.11 : Độ tăng trọng lượng của composit PP/sisal trong bể nước 90C theo thời
gian ngâm
Hình 1.12 : Độ giảm trọng lượng composit PP/sisal theo thời gian ngâm
Có 3 cơ chế chính ảnh hưởng việc độ bền và môđun kéo bị giảm khi ngâm mẫu composit trong dung dịch hoá chất
1)Hiệu quả hoá dẻo của phân tử nước bị hấp thụ làm độ bền liên pha nhựa và sợi giảm đi, chủ yếu khi ngâm thời gian ngắn
2)Sự hoà tan của mạng nhựa khi ngâm hoá chất, tuy nhiên cơ chế này không xảy ra đối với PP
3)Cơ chế làm yếu sợi sisal do các chất dễ hoà tan trong sợi Cơ chế này chỉ xuất hiện khi sự mất mát trọng lượng composit trên đồ thị tăng đột ngột, liên diện nhựa sợi và cấu trúc sợi bị phá hủy dẫn đến khả năng chịu lực composit suy giảm đáng kể
1.4.3.Liên diện, liên pha
Định nghĩa bề mặt phân cách giữa nhựa và sợi (bề mặt phân chia pha):
Trong không gian hai chiều : được định nghĩa là liên diện
Trong không gian ba chiều : được định nghĩa là liên pha
- Đối với composite nền nhiệt rắn thì vùng liên pha này có thể do sự hấp thụ hệ đóng rắn hoặc hấp thụ nhựa trên bề mặt sợi
Trang 40- Đối với composite nền nhiệt dẻo thì vùng liên pha này có thể là vùng kết tinh ngang (transcrytallinity)
- Tính chất của bề mặt phân chia pha được quyết định bởi khả năng tương tác giữa nhựa và sợi
Các cơ chế liên kết
(a) Micromechanical interlocking (Mechanical coupling): giảm ma sát trên bề mặt sợi, tăng độ kết dính giữa nhựa và sợi
(b) Dipole interactions : tương tác tĩnh điện giữa nhựa và sợi
(c) Chemical bonding:liên kết hóa trị
(d) Chain entanglement: tương tác giữa những mạch phân tử của nhựa và sợi (e) Transcrystallinity: hình thành vùng kết tinh trên bề mặt liên diện
Hình 1.13: Minh họa tương tác giữa nhựa và sợi trên bề mặt phân cách