Nghien cuu tinh chat co ly va hinh thai cau truc vatlieu compozit bot gopolypropylen

Điều này có thể được hiểu do khi biến tính bột gỗ bằng TEOS, các nhóm hydroxyl trên bề mặt hạt nanosilica tương tác với các nhóm chức phân cực trong PP khâu mạch, do đó BS có thể tương t[r]

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Giang cùng tập thể các nhà khoa

học- Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại- Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo Khoa Hóa học trường Đại học

Sư phạm Hà Nội đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận tốtnghiệp Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2013

Sinh viên

Vũ Thị Ngọc Ánh

Mục Lục

MỞ ĐẦU 3

Bảng kí hiệu viết tắt 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Vật liệu compozit 6

1.1.1 Định nghĩa 6

1.1.2 Đặc điểm 6

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit 7

1.1.4 Thành phần chính của vật liệu compozit 8

1.1.5 Vật liệu nền polypropylen 8

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22

2.1 Hoá chất 22

2.2 Biến tính bề mặt bột gỗ bằng TEOS và GPMS 22

2.2.1 Biến tính bề mặt bột gỗ bằng TEOS 22

2.2.2 Biến tính bề mặt BS bằng GPMS 22

2.3 Chế tạo vật liệu compozit PP/BG 23

2.4 Các phương pháp nghiên cứu 23

2.4.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy 23

2.4.2 Phương pháp xác định tính chất cơ học 24

2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt 25

2.4.4 Phương pháp đo tính chất điện 25

2.4.5 Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourrie (FTIR) 26

2.4.6 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) 26

2.4.7 Khảo sát sự suy giảm oxy hóa quang-nhiệt-ẩm 27

2.4.8 Khảo sát khả năng ngấm ẩm của vật liệu 27

2.4.9 Đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu compozit 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Nghiên cứu bột gỗ biến tính ghép hạt nano SiO 2 trực tiếp lên bề mặt sợi gỗ29 3.1.1 Cơ chế hình thành hạt nano SiO2 trên sợi hỗ bằng phương pháp sol- gel 29

3.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR 29

3.1.3 Cấu trúc hình thái học của bột gỗ trước và sau biến tính 31

3.2 Khảo sát thông số công nghệ chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ 31

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (thời gian 6 phút, tốc độ trục quay 60 vòng/phút) đến khả năng gia công và tính chất cơ lý của vật liệu compozit nhựa gỗ .31 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit nhựa gỗ 32

3.2.3 Tốc độ trục quay 33

3.3 Khảo sát tính chất và cấu trúc vật liệu compozit nhựa gỗ 34

3.3.1 Độ bề kéo đứt 34

3.3.2 Mô đun young 35

3.3.3 Độ bền uốn của vật liệu compozit nhựa gỗ 36

3.3.4 Tính chất nhiệt 37

3.3.5 Tính chất điện 39

3.3.6 Phổ IR 40

3.3.7 Nghiên cứu FESEM 42

3.3.8 Khả năng bắt cháy của vật liệu compozit nhựa gỗ 43

3.3.9 Khảo sát khả năng ngấm ẩm của vật liệu compozit nhựa gỗ 43

3.3.10.Độ bền thời tiết 44

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

MỞ ĐẦU

Nhu cầu về trang trí nội ngoại thất bằng những vật liệu tiên tiến thân thiện với môitrường ngày càng cao và là đòi hỏi cấp thiết trong kiến trúc và xây dựng hiện đại Đểđáp ứng nhu cầu đó, trong những năm qua vật liệu trang trí nội ngoại thất, trong đóphải kể đến vật liệu compozit nhựa gỗ (làm tấm lát sàn trong nhà, bể bơi, hàng rào )

có những bước phát triển nhanh chóng cả về số lượng và chất lượng Sự phát triển củaloại vật liệu này có được là do chúng sở hữu nhiều đặc tính, công năng nổi bật, thânthiện với môi trường, tính trang trí cao có thể thay thế các sản phẩm gỗ cùng loại vàđặc biệt giá cả phải chăng Tuy nhiên, loại vật liệu này cũng đòi hỏi những yêu cầu kỹthuật cao trong sản xuất để tạo ra sản phẩm có khả năng chịu nước tốt, không bị biếndạng trong khi sử dụng, bền thời tiết, không bị mối mọt Đây là những nhược điểmđòi hỏi sự đầu tư về nghiên cứu và công nghệ sản xuất để khắc phục Do vậy hiện naychúng chưa thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà sản xuất trong nước.Theo tìm hiểu của chúng tôi, trên thị trường hiện nay cũng đã có nhiều đơn vị kinhdoanh chủ yếu nhập các vật liệu xây dựng, kiến trúc compozit nhựa gỗ từ nước ngoàinhư CHLB Đức, Ý, Malaysia…Hơn nữa về mặt công nghệ sản phẩm phần lớn đượctạo thành từ những lát gỗ mỏng đã qua xử lý bề mặt với nhựa thuộc họ nhiệt rắn (nhựaphenol formaldehyd, melamin, polyeste, epoxy…) Chế tạo compozit nhựa- gỗ theophương pháp này có nhược điểm là khó gia công các sản phẩm có hình dạng, kết cấuphức tạp, khó tái chế,… Trong khi vật liệu compozit trên nền nhựa nhiệt dẻo có thểkhắc phục được những nhược điểm này mà vẫn đảm bảo tính chất cơ lý, cũng như tínhkết cấu phức tạp của sản phẩm và giá thành có tính cạnh tranh cao hơn Vật liệucompozit nhựa nhiệt dẻo- gỗ có thể được ứng dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩmkhác nhau: tấm lát sàn, tấm ốp tường, thanh profile cho cửa sổ, cửa ra vào của côngtrình xây dựng, đồ nội thất gia đình và công sở,…

Ở Việt Nam, hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu và ứng dụng sợi tự nhiên(sợi đay, sợi dứa, sợi tre ) có thành phần xellulozơ để làm chất gia cường cho vậtliệu compozit Nhưng việc tiến hành nghiên cứu chế tạo các vật liệu compozit trên nềnnhựa nhiệt dẻo sử dụng bột gỗ vẫn còn mới mẻ Chính vì thế em đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu tính chất cơ lý và hình thái cấu trúc vật liệu compozit bột

gỗ/polypropylen” Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và chế tạo vật liệu compozit nhựa

gỗ trên nền polypropylen và bột gỗ công nghiệp Vật liệu sau khi chế tạo, được đánhgiá tính chất cơ lý, hình thái cấu trúc, khả năng ngấm ẩm và thử nghiệm thời tiết

Bảng kí hiệu viết tắtWPC: Compozit nhựa gỗ trên nền nhựa nhiệt dẻo

BS: BG đã được biến tính bằng các hạt nanosilica

BSG: BG đã được biến tính bằng hạt nanosilica có thêm 3- GPMS

PP/BG: Nhựa PP có gia cường bột gỗ

XLPP/BG: Nhựa PP có gia cường bột gỗ và thêm chất khâu mạch DCP

XLPP/BS0,5: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 0,5% TEOS

XLPP/BS1: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 1% TEOS

XLPP/BS2: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 2% TEOS

XLPP/BS5: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 5% TEOS

XLPP/BS1G: Nhựa PP có gia cường bột gỗ biến tính 1% TEOS và 3- GPMS

TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng

FTIR: Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi fourrier

FESEM: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Vật liệu compozit

1.1.1 Định nghĩa

Vật liệu compozit là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản chất khácnhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những vậtliệu riêng rẽ (định nghĩa rộng)

Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp trong đó vật liệu gia cường được phân bố và kếtdính trong vật liệu nền (định nghĩa hẹp).Vật liệu compozit gồm một hoặc nhiều phagián đoạn (vật liệu cốt hay vật liệu gia cường) phân bố trong một pha liên tục ( vật liệunền hay vật liệu kết dính) [1]

1.1.2 Đặc điểm

Vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một phaliên tục [2] Pha liên tục gọi là pha nền và pha gián đoạn gọi là pha cốt hay vật liệu giacường Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn, người ta gọi đó là compozit pha tạp haylai tạo Pha gián đoạn thường có tính chất cơ học cao hơn pha liên tục

 Compozit có những đặc điểm:

Là vật liệu nhiều pha khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cáchnhau bằng ranh giới pha Trong thực tế, compozit có hai pha: pha nền là pha liên tụctrong toàn khối và cốt là pha phân bố gián đoạn

- Nền và cốt có tỉ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố của cốt theo thiết kế đãđịnh trước

- Tính chất của pha thành phần được kết hợp lại để tạo lên tính chất chung củacompozit

 Cơ tính của vật liệu compozit phụ thuộc vào [1]:

- Cơ tính của vật liệu thành phần

- Tỉ lệ giữa các vật liệu thành phần

- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần (đặc tính của liên diện)

- Quy luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu compozit (ngẫu nhiên hay cóđịnh hướng; phân bố đồng đều hay không đồng đều; hình thái cấu trúc của tổ hợp vậtliệu cốt…).

- Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt

- Kỹ thuật gia công

 Đặc trưng hình học của vật liệu cốt được xác định bởi: Hình dạng, kích

thước, độ tập trung và phương phân bố,… Độ tập trung của vật liệu cốt thường đượcxác định qua tỉ lệ thể tích hoặc tỉ lệ khối lượng Đây là một thông số quan trọng quyếtđịnh tính chất cơ học của vật liệu compozit Với một tỉ lệ khối lượng cho trước, sựphân bố của vật liệu cốt trong compozit cũng rất quan trọng Khi vật liệu được phân bốđều theo thể tích, ta được vật liệu đồng nhất Khi vật liệu cốt không phân bố đều, vậtliệu compozit bị phá hủy ở nơi ít vật liệu cốt trước và độ bền của vật liệu bi giảm đi

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit

Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và bản chất của vật liệu thànhphần [1, 2]

a) Phân loại theo hình dạngcủa vật liệu cốt

 Vật liệu compozit dạng sợi

Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là compozit độn dạng sợi, chất độndạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polyme nền Có hai loại vật liệu compozit dạngsợi đó là: sợi liên tục và sợi gián đoạn

 Vật liệu compozit độn dạng hạt

Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymenền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên

b) Phân loại theo bản chất và thành phần

 Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ(polyamit, kevlar,…), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon,…), sợi kim loại (Bo, Al,…) Loạicompozit này có thể chịu được nhiệt độ dưới 300oC

 Compozit nền kim loại: Nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim Al,…) cùng vớiđộn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C),…Loại compozit này có thể chịunhiệt độ đến 600oC

 Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kimloại (gốm), hạt gốm (cacbua, nitơ) Loại này có thể chịu được nhiệt độ lên đến 1000oC.

1.1.4 Thành phần chính của vật liệu compozit

a) Polyme nền: Là chất kết dính, 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 liệunền còn là môi trường truyền lực cơ học vào vật liệu cốt và bảo vệ cho vật liệu cốttránh hư hỏng (do tác động cơ học, hóa học, ) Polyme nền của compozit có thể lànhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc cacbon.[3]

 Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với nhựa, gia công trên

máy ép phun ở trạng thái nóng chảy

 Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, epoxy, polyeste, không no, gia công dưới áp suất

và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyeste không no có thể tiến hành ở điều kiệnthường, gia công bằng tay Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơnnhựa nhiệt dẻo

b) Chất độn (cốt): Đóng vai trò giúp cho polyme nền tăng độ cứng, độ bền, khả

năng chịu va đập và chịu mỏi; cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt, khả năng chống màimòn, khả năng dẫn nhiệt.Một vai trò khá quan trong khác của cốt đó là giúp giảm giáthành sản phẩm Cốt của vật liệu compozit có thể là hạt, bột hoặc sợi (ngắn hoặc dài),làm bằng thủy tinh, gốm, kim loại và đặc biệt là có thể sử dụng sợi tự nhiên Tùy thuộcvào yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu cốt cho thíchhợp Có hai dạng cốt:

 Cốt dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn cốt dạng hạt, tuy nhiên, sợi có

giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh,sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide

 Cốt dạng hạt: Thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại,độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột tale, hay graphite,…

1.1.5 Vật liệu nền polypropylen

a Giới thiệu chung

Polypropylen (PP) là một loại polyme và là sản phẩm của phản ứng trùng hợpmonome propylene [1] Polypropylen có tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt),khá cứng, không mềm dẻo như PE PP không mùi, không vị, không độc PP cháy sáng

với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su,chịu được nhiệt độ cao hơn 100oC, tuy nhiên nhiệt độ hàn dính PP ( 140oC), cao so vớiPE- có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PPlàm lớp trong cùng PP có tính chống thấm oxy, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác.Polypropylen là nhựa nhiệt dẻo được sản suất bởi quá trình trùng hợp các monomepropylen để tạo thành các mạch phân tử polyme dài Có nhiều cách khác nhau để liênkết các monome lại, nhưng đối với sản phẩm thương mại PP, một trong những cáchphổ biến nhất là sử dụng các hệ xúc tác để chế tạo ra các mạch polyme tinh thể Vớicách này thì sản phẩm được tạo ra dưới dạng bán tinh thể có tính chất vật lý, cơ học vàtính chất nhiệt tốt, tương đương với dạng isotatic (dạng tinh thể) PP (i-PP) và dạngatactic (dạng không tinh thể) PP (a-PP), dạng a-PP là dạng PP có độ mềm cao, có thểđược sử dụng làm chất bám dính tuy nhiên dạng này có tính chất nhiệt và tính chất cơkém hơn dạng i-PP [4, 5].

b Công thức cấu tạo

c Các phương pháp sản xuất PP

PP được sản xuất bằng nhiều phương pháp trùng hợp, song phương pháp ưu việtnhất là trùng hợp điều hòa lập thể khi có mặt chất xúc tác siegler-natta Al (C2H5)3 vàTiCl3

 Phương pháp cũ

Thiết bị phản ứng có áp suất trong khoảng 4-6 atm và nhiệt độ 50-55oC

Cho dung môi (benzen) và lượng xúc tác cần thiết (TiCl3+ Al(C2H5)3) vào thiết bịphản ứng Sau đó cho propylen đã lọc sạch O2 vào, duy trì ở nhiệt độ 50-55oC, cho đếnkhi hiệu suất đạt trên 95%, đem làm lạnh đến 10oC tách PP dưới dạng huyền phù bằngphương pháp li tâm rồi đem xử lí xúc tác bằng CH3OH trong dung dịch HCl Rửa PPbằng nước và sấy trong điều kiện chân không ở 60- 70oC đến độ ẩm 0,25- 0,5% rồiđem tạo hạt

Phương pháp mới( do Naphta đề ra)

Dùng hỗn hợp propan C3H8 và propylen C3H6 với tỉ lệ theo khối lượng 30/70 Hệxúc tác là TiCl3+ Al(C2H5)3 , áp suất phản ứng 6- 8 atm và nhiệt độ phản ứng là 50-

55oC

Đầu tiên C3H8 hòa tan C3H6 đóng vai trò như là dung môi của phản ứng Khi trùnghợp xong đưa về áp suất thường hoặc áp suất thấp, C3H8 không hòa tan được PP, thì sẽđược hóa hơi để thu hồi Một ít C3H8 bị hấp thụ vào PP ta dùng hơi nước quá nhiệt đểkéo ra Sau đó rửa tách xúc tác bằng CH3OH trong dung dịch HCl, rửa lại bằng nước,sấy chân không và tạo hạt

 Phương pháp tổng hợp trong công nghiệp

Cho propylen vào trùng hợp trong nồi phản ứng với chất xúc tác ở áp suất 100 atm

và khuấy đều Chất xúc tác phân bố trong cacbuahydro lỏng, duy trì nhiệt độ phản ứngthấp hơn nhiều so với nhiệt độ chảy mềm của polyme Sau khi được 40% hỗn hợpphản ứng chuyển thành polyme thì chuyển dung dịch huyền phù chứa: dung môi,polyme, chất xúc tác và thiết bị bốc hơi để tách (ở áp suất thấp) propylen không phảnứng hoặc hoàn nguyên nó về sản suất Sau đó nhờ máy li tâm hoặc máy lọc táchpolyme dạng bột và dung môi ra Rửa polyme bằng CH3OH trong dung dịch HClloãng Giai đoạn này phức tạp đòi hỏi thời gian khuấy trộn nhiều, sau mỗi lần rửa phảidùng máy lọc li tâm, dùng nhiều rượu và tiêu hao nhiều dung môi

d Một số tính chất

 Tính chất lý nhiệt (độ bền nhiệt) [1]

Ở dạng vô định hình, PP có khối lượng riêng khoảng 0,855 g/cm3, còn ở dạngbán tinh thể thì khoảng 0,946 g/cm3 Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 165oC, nhiệt độthủy tinh hóa (Tg) khoảng -15oC được xác định bằng DSC (Differential ScannimhCalorimetry)

PP có cấu trúc không gian khá đều đặn, là sản phẩm cứng, không độc, khôngmùi, và đặc biệt là trong suốt và bóng

Đặc tính quan trọng nhất của PP là nhiệt độ nóng chảy cao (170- 180oC) Khitiếp xúc với các tạp chất kim loại như đồng, mangan hoặc các hợp kim chứa kim loại

đó sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chịu nhiệt của PP Do đó cần chú ý khi tổng hợp cũngnhư gia công PP

Ở 155oC, PP còn ở thể rắn, nhưng gần đến nhiệt độ nóng chảy có thể chuyểnsang trạng thái mềm như cao su Khi giảm từ nhiệt độ nóng chảy đến 1200C, PP bắtđầu kết tinh Đến 300oC, nếu PP có chứa chất ổn định thì sẽ bền oxy hóa và không bịphân hủy ngay cả khi đun vài giờ trong không khí.

Tốc độ nóng chảy thành dòng MFR (hoặc MFI) giúp xác định khả năng nóngchảy thành dòng của vật liệu trong suốt quá trình gia công, PP có chỉ số MFR cao hơn

sẽ điền đầy khuôn dễ dàng hơn trong suốt quá trình gia công sản phẩm bằng phươngpháp ép phun hoặc thổi trong khuôn Tuy nhiên, khi khả năng nóng chảy thành dòngtăng thì một số tính chất vật lý như độ bền va đập sẽ giảm

 Khả năng bền thời tiết [1]

Do có nguyên tử H ở C bậc 3 linh động nên PP dễ bị oxi hóa, lão hóa Với PPkhông có chất ổn định thì dưới ánh sáng khuếch tán có thể ổn định tính chất trong 2năm Tuy nhiên khi có ánh sáng mặt trời như môi trường nhiệt đới của Việt Nam thìchỉ sau vài tháng sẽ bị giòn và phá hủy Do đó, các sản phẩm PP sử dụng trong điềukiện ngoài trời thường phải kết hợp với chất gia cường và các phụ gia bền tử ngoại

 Độ bền hóa học

PP có khả năng chống lại tác dụng của nhiều loại dung môi hóa học, axit, bazơ Ởnhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu cơ, ngay cả khi tiếp xúc lâu,

mà chỉ trương nở trong các hidrocacbon thơm và clo hóa Nhưng ở nhiệt độ lớn hơn

80oC thì PP bắt đầu tan trong hai loại hóa chất trên Độ bền với dung môi tăng theo độkết tinh của polyme Khi tiếp xúc lâu với các dung môi có cực, PP không bị thay đổi

và không giòn Tất cả các dạng PP đều không hút nước

Mặt khác PP có độ kết tinh lớn, tính chất cơ lý cao, độ bền va đập lớn hơn so vớimột số loại polyme nhiệt dẻo thông thường Ngoài ra,dựa vào nhiệt độ nóng chảy mà

PP được gia công bằng phương pháp nóng chảy và ít gây ảnh hưởng đến tính chất củachất cốt, đặc biệt là chất cốt nhạy nhiệt như bột gỗ Do đó, trong luận văn này em đãlựa chọn PP làm nhựa nền để chế tạo vật liệu compozit nhựa gỗ

 Các tính chất khác [1]

Tính chất cơ học của PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, vào độ đồngnhất và hàm lượng polyme sắp xếp không trật tự Nếu hàm lượng polyme sắp xếpkhông trật tự giảm và khối lượng phân tử tăng thì tính chất của polyme tốt hơn

PP là loại polyme nhiệt dẻo có tỷ trọng thấp nhất Độ bền kéo đứt, tính ổn địnhnhiệt của nó cao hơn PE, PS và một số loại PVC Còn các tính chất cơ học khác thìgần giống PS và PVC

Tính cách điện và thấm khí của PP hơi thấp hơn PE, PE lại ít thấm nước hơn PP.Nhược điểm của PP là chịu lạnh thấp (từ -20 đến -15oC) và dễ bị oxy hóa

PP bền và cứng hơn một số loại nhựa khác, có thể tạo các vật trong mờ khi khôngpha màu nhưng không dễ dàng để làm trong suốt như PS, acrylic và một vài nhựakhác Nó cũng có thể được nhuộm thành nhiều màu bằng cách sử dụng các chất màu

PP có khả năng chịu mỏi tốt

e Gia công nhựa PP [1]

Gia công PP thành các vật phẩm bằng các phương pháp sau: đùn liên tục, đúc dưới

áp suất, thổi, ép tạo hình dưới chân không, và các phương pháp khác Thường người tadùng hạt polyme hình trụ đã nhuộm màu để gia công thành sản phẩm

Kỹ thuật tạo hình phổ biến nhất của PP là ép phun, được sử dụng để sản xuất cácvật dụng như tách, chén, vật chứa (chai, lọ,…), các đồ dùng gia đình và các bộ phậndùng trong ô tô như bình ắc quy Các vật phẩm làm từ PP cũng có thể sử dụng phươngpháp gia công, cắt gọt cơ khí Việc xử lý bề mặt cũng có thể sử dụng cho những chitiết bằng PP nhằm gia tăng độ bám dính của mực in và sơn

PP tương đối khó dán, nếu dùng keo dán polyclopren thì độ bền hoàn hảo Còn cácchi tiết làm bằng PP có thể lắp ghép ằng các hàn (ở 220oC nhờ luồng không khí hoặc

N2 nóng), tán đinh ốc

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của PP[1]

Các đặc tính Giá trị

f Ưu điểm và nhược điểm của PP [1]

 Nhược điểm

 Suy giảm nhanh bởi tác động của tia cực tím (tia UV)

 Cháy nhưng chậm, có thể làm giảm tốc độ cháy bằng cách thêm vào các chất hóahọc làm chậm quá trình cháy

 Bị tác động bởi dung môi clo và hợp chất thơm

 Tốc độ oxy hóa tăng khi lẫn tạp chất với một số kim loại

Hình 1.1 Các sản phẩm làm từ PP [6]

1.2 Ứng dụng của vật liệu compozit

Ưu điểm nổi bật của vật liệu compozit là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân

bố và các vật liệu thành phần, để tạo ra một vật liệu mới có độ bền đáp ứng được yêucầu Do đó, compozit có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của nền kỹthuật hiện đại bây giờ (vật liệu nhẹ, cơ tính cao, có khả năng chịu nhiệt độ rất cao, độbền cao với thời tiết, ) Chính vì thế, vật liệu compozit đã và đang giữ vai trò quantrọng trong cuộc cách mạng vật liệu mới

Vật liệu compozit có đặc tính là trọng lượng thấp, chịu ăn mòn tốt nên chúng được

sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện ô tô, giúp giảm trọng lượng, tăng độ chịu ănmòn, giảm độ rung, tiếng ồn và đặc biệt là tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc

Trong ngành công nghiệp hàng không vật liệu compozit được ứng dụng vào việcuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số bộ phận khác

Với ngành công nghiệp điện tử vật liệu compozit được dùng chế tạo các chi tiết, cácbảng mạch và các linh kiện

Các dụng cụ thể thao như vợt tenis, vợt cầu lông, răng giả, chân tay giả,…cũngđược chế tạo từ vật liệu compozit

Ngày nay vật liệu compozit đã và đang được mở rông ứng dụng trong nhiều lĩnhvực khác như xây dựng, quân sự, giao thông,…do chúng có nhiều tính năng ưu việt

1.3 Vật liệu gia cường

a) Định nghĩa vật liệu gia cường

Vật liệu gia cường hay còn gọi là cốt là một thành phần của compozit, có tính chất

cơ lí cao hơn vật liệu nền Ví dụ: Vật liệu gia cường dạng sợi: sợi thủy tinh, sợicacbon, sợi cacbua silic, sợi Bo,…Vật liệu gia cường dạng hạt: silica, CaCO3, đất sét,bột talic, cao lanh,…

b) Tính chất của vật liệu gia cường

 Tính kháng hóa chất, môi trường, nhiệt độ

 Phân tán vào nhựa tốt

 Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

 Tính gia cường cơ học

 Thuận lợi cho quá trình gia công

c) Công dụng của vật liệu gia cường

Làm tăng độ bền cơ học của vật liệu cũng như độ bền hóa học của vật liệu như: độgiãn nở cao, tính chịu ma sát- mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao, khảnăng chịu được trong môi trường axit, kiềm, muối,…Tăng độ bền cơ lí hóa nhiệt, điện,khả năng chậm cháy đối với chất cốt tăng cường Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khítrong nhựa có độ nhớt cao Cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu, chống co rút khiđóng rắn, che khuất sợi trong cất tạo tăng cường sợi, giảm tỏa nhiệt khi đóng rắn

- Cấu trúc của xenlulozơ :

O

H OH H H H

H

H

O H H

H H

O

H H H

O O

H H

O H

O

H

OCH3COOH

H O H

H OH

H

H OH

A

A

O C O

CH3O

C

O C

H3

Hình 1.2 Cấu trúc của xenlulozơ

- Cấu trúc của hemixenlulozơ :

Hình 1.3 Cấu trúc của hemixenlulozơ

- Cấu trúc của lignin :

OCH3OCH 3

O C

CH2

OH

H2C O

Hình 1.4 Cấu trúc lignin

Trong các loại gỗ khác nhau tỷ phần của các polyme trên cũng khác nhau Trongbảng trình bày một số thành phần của một số loại gỗ.

 Phân loại gỗ ở Việt Nam [7, 8]

Dựa vào đặc điểm, cấu trúc của các loại gỗ người ta chia gỗ thành các nhóm:

Nhóm I: Nhóm gỗ quí nổi tiếng trên thị trường (trong nước và quốc tế), nhóm gỗ

này có vân đẹp, màu sắc óng ánh, bền và có hương thơm như: lát hoa, cẩm lai, gõ,giáng hương, …

Nhóm II: Nhóm gỗ nặng, cứng bao gồm các loài có tỷ trọng lớn, sức chịu lực cao,

như: đinh, lim, nghiến, táu, sến,…

Nhóm III: Nhóm gỗ nhẹ và mềm hơn, nhưng sức bền cao, độ dẻo dai lớn, sức chịu

lực cao như: sao đen, chò chỉ, huỷnh,…

Nhóm IV: Nhóm gỗ có màu tự nhiên, thớ mịn, tương đối bền, dễ gia công chế biến

như gội, mỡ, re,…

Nhóm V: Nhóm gỗ trung bình, có tỷ trọng trung bình, dùng rộng rãi trong xây dựng,

đóng đồ đạc như sồi dẻ, trám, thông,…

Nhóm VI: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu đựng kém, dễ bị mối mọt như côm, sổ, ngát,

vạng,…

Nhóm VIII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực rất kém, khả năng bị mối mọt cao như sung,

côi, ba bét, ba soi,…

Trong đó gỗ nhóm I có tỷ trọng tương đối cao, rất cứng, ít co, uốn được, nên được

sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp sản xuất vật liệu như dùng làm đồ mộctinh vi, tiện khắc, đồ mỹ nghệ, dễ làm, không bị mối mọt, mặt gỗ bóng rất đẹp

Cây giáng hương thuộc nhóm I là cây có thân thẳng, vỏ màu nâu sẫm, nứt dọc, lákép Gỗ cây đẹp, có mùi thơm, màu nâu hồng, mịn, có vân đẹp do vòng năm khá rõràng, tia rất nhỏ và có mật độ cao Tỷ trọng của gỗ là 0,845, có lực kéo ngang thớ 27,0kg/cm2, uốn dọc thớ 655 kg/cm2, oằn 1,575 kg/cm2, ít cong vênh co ngót, không biếnmàu, không mối mọt, được ứng dụng nhiều để làm đồ gỗ mỹ nghệ cao cấp,…Câygiáng hương mọc nhiều ở Nam Bộ (Đông Nam Bộ), Tây Nguyên, cây ưa sáng, mọcnhiều trên đất pha cát, tầng đất sâu dày, trong rừng nhiệt đới thứ sinh

Hình 1.5.Hình ảnh gỗ cây giáng hương [7]

Với những ưu điểm nêu trên, trong nghiên cứu của chúng tôi bột gỗ giáng hương được sử dụng làm chất độn cho việc sản xuất vật liệu compozit nhựa gỗ.

1.4 Vật liệu compozit nhựa gỗ

Vật liệu compozit nhựa gỗ (Wood plastic compozit-WPC) được quan tâm đáng kểtrong những thập kỷ qua nhờ có những lợi thế chủ yếu như : Độ bền cao, cải thiệnđược độ cứng của nhựa nhiệt dẻo Vật liệu tổng hợp có những thuộc tính thẩm mỹ đặcbiệt, có khả năng tái chế Chi phí thấp từ bột gỗ và các chất độn hữu cơ nói chung.Chất độn có những ưu điểm như: tỉ khối thấp hơn so với các chất độn truyền thống, cải

thiện được môi trường [9, 10] Với những ưu điểm đó, vật liệu WPC đã phát triển

mạnh mẽ đặc biệt trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng WPC được ứng dụng trong

ngành công nhiệp xây dựng như tấm lát, gạch mái nhà, khung cửa sổ… và có thể được

sử dụng cho nhiều ứng dụng trong nhà và ngoài trời: các chi tiết của cửa sổ, hàng rào,bao bì, trang trí nội thất [11]

Tuy vậy còn có những hạn chế của vật liệu WPC Đó là độ bám dính giữa gỗ vàpolyme nền kém dẫn đến vật liệu tổng hợp có độ bền và độ dẻo dai kém Vật liệu tổnghợp nhựa gỗ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm chủ yếu là do thành phần của gỗ Kết quả là nướcxâm nhập vào gỗ dẫn đến thay đổi bề ngoài và làm giảm tính chất cơ học của vật liệu

Độ phân tán của gỗ trên bề mặt polyme nền không đều Tuy nhiên, hạn chế lớn nhấtđối với bột gỗ là khả năng hút ẩm Do bản chất cấu tạo hóa học của bột gỗ là từxenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin ( hình 1.2, 1.3 và 1.4), vì vậy bột gỗ có tính chất

ưa nước (hydrophilic) Trong khi đó các nền polyme thường được sử dụng trong vậtliệu polyme compozit là loại vật liệu có tính chất kị nước (hydrophobic ), do đó khảnăng kết hợp của hai loại vật liệu như vậy sẽ rất khó khăn, đặc biệt là trong các trườnghợp polyme nhiệt rắn hoặc các polyme nhiệt dẻo, trong các trường hợp này các phản ứngpolyme hóa sẽ bị ảnh hưởng rất lớn bởi các nhóm chức –OH của bột gỗ và của các phân

tử nước được hấp phụ trên bề mặt của bột gỗ

Chính vì vậy việc biến tính bột gỗ để nâng cao khả năng tương hợp giữa vật liệu giacường là bột gỗ và nền polyme là rất cần thiết Trong quá trình chế tạo vật liệucompozit, nhóm tác giả Nicole M Stark [12] sử dụng dung dịch VTMS và peoxit đểbơm vào máy đùn khi chế biến Ở nhiệt độ cao peoxit là chất đầu tiên bị phân hủy vàtạo ra các gốc oxy Những gốc oxy tấn công vào các nhóm vinyl của phân tử VTMS vàchuyển nó thành các gốc Những gốc tự do có thể kết hợp với nhau hoặc các phân tửkhác Điều nay dẫn đến quá trình ghép của silan vào chuỗi polyetylen hoặc gỗ Hơnnữa, có một khả năng phản ứng ngưng tụ trực tiếp giữa các nhóm silanol ( Si-O-Si) vànhóm hydroxyl trên gỗ sẽ tạo ra một liên kết hóa trị giữa gỗ và nhóm silanol ( gỗ-O-Si) nơi mà các phần kị nước của VTMS ( nhóm vinyl) có thể liên kết hóa học hoặctương tác thông qua lực Van-der-Waals với nền polyetylen Kết quả là vật liệucompozit/bột gỗ khi bột gỗ được xử lý bằng silan có độ uốn vượt trội hơn so với vậtliệu tổng hợp mà không có silan thêm vào Độ bền uốn của các mẫu khi gia tăng tăng

đột biến lên 39% so với mẫu ban đầu Sự gia tăng này có thể là do đã cải thiện độ bámdính giữa gỗ và polyetylen, từ đó nâng cao độ bền của vật liệu tổng hợp.

Cũng trong một nghiên cứu của nhóm tác giả Goran Grubbstrom [13] đã sử dụngdung dịch silan như một chất gắn kết trong vật liệu tổng hợp gỗ nhiệt dẻo làm tăng độbám dính giữa bột gỗ và chất nền trong các vật liệu tổng hợp được cải thiện đồng thời

độ bền, độ dẻo dai, độ dài kéo đứt cao hơn

Ngoài phương pháp sử dụng các tác nhân ghép nối như trên, trong vài năm gần đây,một số nhà khoa học còn sử dụng các dạng hạt kich thước nano như: SiO2, nanoclay,hạt carbonnanotube… vào bột gỗ để nhằm cải thiện tính chất cơ lý Trong nghiên cứucủa Amir Nourbakhsh và các cộng sự [14] đã đưa hạt nano SiO2 vào bột gỗ làm tăng

độ bền uốn, độ dẻo dai cho vật liệu Ngoài ra Alireza Ashori và Amir Nourbakhshnghiên cứu sử dụng đưa hạt nanoclay vào bột gỗ, kết quả thu được là độ chịu kéo, độchịu uốn được tăng lên, độ hấp thụ nước giảm [14] Từ kết quả ở trên cho thấy, việc sửdụng vật liệu gia cường có kích thước nano cho vật liệu WPC có nhiều triển vọngtrong nghiên cứu và ứng dụng thực tế Vì vậy, trong khóa luận này, chúng sử dụng bột

gỗ được biến tính bởi hạt nanosilica hình thành tại chỗ (in-situ) làm chất gia cường cho

compozit Đồng thời, khóa luận sẽ tập trung nghiên cứu, đánh giá tính chất cơ lý, hìnhthái cấu trúc và làm rõ ảnh hưởng của hạt nano silica đến tính chất của vật liệucompozit PP/bột gỗ biến tính

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆMI.1 Hoá chất

a) Tetraetylorthosilica (TEOS) được cung cấp bởi Merck (Đức) có tỉ trọng 0,934 g/cm3 với độ tinh khiết 98%

0,932-b) Etanol (C2H5OH) (99,5%), dung dịch amoniac (NH4OH) (25%) của TrungQuốc

c) Bột gỗ giáng hương dạng bột mịn có kích thước nhỏ hơn 100 mesh đã được làmsạch, sản phẩm của Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại, Viện KTNĐ

d) Isotactic polypropylen ( iPP hoặc PP) thương mại được sản xuất ở dạng hạt củaCông ty LG (Hàn Quốc) có tỷ trọng d = 0,96 g/cm3, chỉ số chảy MFI = 2,5 g/10 phút/2,16kg/ 190°C

e) 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan (GPMS) 98%, công thức C9H20O5Si, công

ty Aldrich, Mỹ

(CH3O)3-Si- CH2-CH2-CH2-O-CH2-CH-CH2

O

I.2 Biến tính bề mặt bột gỗ bằng TEOS và GPMS.

I.2.1 Biến tính bề mặt bột gỗ bằng TEOS

BG được đem sấy khô trong tủ sấy với thời gian là 5h tại 100oC để loại bỏ tối đahơi nước Tiến hành khuấy hỗn hợp: bột gỗ, dung dịch cồn 99,5%, TEOS (với hàmlượng là 0,5; 1; 2; 5; 10%kl theo khối lượng bột gỗ) trong thời gian là 30 phút, dùngamoniac để điều chỉnh độ pH của hỗn hợp khoảng pH=8-10 sau đó nhỏ từ từ H2O vàduy trì hỗn hợp ở nhiệt độ 50 oC với khuấy từ trong 2h Hỗn hợp sau phản ứng đượcđem lọc bằng thiết bị hút chân không và rửa sạch bằng cồn để loại bỏ silan còn dư.Chất rắn thu được đem sấy khô để loại bỏ dung môi, thu được bột gỗ đã được gắn hạtsilica (BS)

2.1.1 Biến tính bề mặt BS bằng GPMS

BS đã sấy khô để loại bỏ dung môi Tiến hành khuấy hỗn hợp: dung dịch cồn99,5%, BG, TEOS(1% khối lượng bột gỗ), GPMS( với tỉ lệ GPMS : TEOS=1:4) H2O

cất trong 30 phút, sau đó nhỏ từ từ dung dịch amoniac vào và điều chỉnh pH=8-10,khuấy trong 2 giờ ở nhiệt độ 50oC với khuấy từ Hỗn hợp thu được sau đó được đemlọc bằng thiết bị sấy chân không và rửa sạch bằng cồn để loại bỏ silan còn dư Chất rắnthu được đem sấy khô để loại bỏ dung môi, thu được bột gỗ đã biến tính GPMS(BSG).

I.3 Chế tạo vật liệu compozit PP/BG

Vật liệu compozit PP/BGđược chế tạo theo phương pháp trộn nóng chảy trên thiết

bị trộn kín Haake Rheomix 610 (CHLB Đức) Trong đó, các mẫu compozit PP/BG sẽđược trộn thử nghiệm để đưa ra điều kiện phối trộn tối ưu về nhiệt độ, thời gian, tốc độvòng trộn, tỉ lệ hàm lượng bột gỗ Sau đó các mẫu được ép định hình tạo mẫu trên máy

ép nóng Toyoseky (Nhật Bản) ở nhiệt độ bằng nhiệt độ phối trộn tối ưu trong 3 phút,

áp suất ép 5 MPa, sau đó mẫu được làm nguội xuống nhiệt độ phòng Mẫu sau khi chếtạo được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ phòng ít nhất 24 giờ trước khi xác định các tínhchất

2.4 Các phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy

Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy được xác định trên thiết bị trộn nộiHaake kết nối phần mềm điều khiển PolyLab trên máy tính, song song với quá trìnhtạo mẫu Nhờ phần mềm PolyLab, xác định được biến thiên nhiệt độ, lực tải trọng củatrục quay theo thời gian, từ đó xác định được trạng thái lưu biến nóng chảy của vật liệu

Hình 2.1 Máy trộn nóng chảy Haake Rheomix 610

 Xác định mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi được đo trên máy Zwick Z2.5 ( Đức) theo tiêu chẩn DIN 53503, tốc

độ kéo 50mm/phút ở nhiệt độ phòng Mỗi loại mẫu được đo ba lần để lấy giá trị trungbình

Hình 2.2 Máy xác định tính chất cơ học Zwick Z2.5

Nguyên lý hoạt động của máy: mẫu được cắt theo tiêu chuẩn, kẹp vào kìm kẹp trênmáy, sau đó quá trình đo được tiến hành để xác định modul đàn hồi

 Độ bền uốn

Độ bền uốn của các mẫu được đo trên máy đo đa năng Instron 100 kN ở nhiệt độ

22oC, độ ẩm tương đối khoảng 40 %, theo tiêu chuẩn ASTM D790 Mỗi mẫu được đo

3 lần và lấy giá trị trung bình Kích thước mẫu là 3,2 x 2,7 x 130 mm.