BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------
BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC
NGHIÊN CƯÚ CHẾ TẠO CÁC LOẠI SỢI NGẮN VÀ VẢI
MÁT TỪ TRE VÀ LUỒNG ĐỂ GIA CƯỜNG
CHO VẬT LIỆU POLYME COMPOSITE
THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: KC 02.02/06-10
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. BÙI CHƯƠNG
7725
26/02/2010
HÀ NỘI , 2009
1
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10
MỞ ĐẦU
Trong xu hướng chung về khoa học công nghệ hiện nay, vấn đề bảo vệ
môi trường và phát triển bền vững đang nổi lên như một hướng nghiên cứu
hàng đầu, bao trùm nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu và phát triển
compozit sợi tự nhiên cũng là một vấn đề lớn trong đó, hiện đang được rất
nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Chẳng hạn Hội phát triển khoa học
Nhật (JSPS) đã xây dựng một chương trình hợp tác Á-Phi về phát triển sợi
phục vụ con người (JSPS Asia-Africa Science Platform Program on Neo-fibre
Technology) trong đó Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là một thành viên
với các nghiên cứu về sợi tự nhiên ở Việt Nam.
Tiếp theo các nghiên cứu về sợi tự nhiên trước đây tại Trung tâm NCVL
Polyme, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Đề tài KC 02-06, KC 02-23), đề
tài “Nghiên cứu chế tạo các loại sợi ngắn và vải mát từ tre và luồng để gia
cường cho vật liệu polyme compozit thân thiện môi trường” (mã số
KC.02.02/06-10) tập trung nghiên cứu việc tách và xử lý sợi luồng, đánh giá
các đặc trưng bề mặt và độ bền của sợi sau khi xử lý. Trên cơ sở đó xây dựng
quy trình công nghệ chế tạo sợi luồng ở hai dạng (sợi ngắn và mát), đồng thời
thiết kế chế tạo một số thiết bị nhằm định hình dây chuyền sản xuất hai loại
sợi trên. Đề tài cũng nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit từ sợi
ngắn và mát luồng với các loại nhựa nền khác nhau (polypropylen, polyeste
không no, epoxy).
Các kết quả đạt được của đề tài là cơ sở khoa học để triển khai chế tạo và
ứng dụng vật liệu compozit cốt sợi luồng ở quy mô bán sản xuất và lớn hơn.
2
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. SỢI TRE - LUỒNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1.1. Giới thiệu về tre - luồng
Tre là vật liệu compozit tự nhiên sẵn có, phát triển rất dồi dào ở hầu hết
các nước vùng nhiệt đới và bán nhiệt đới. Nó được coi như và vật liệu
compozit vì nó bao gồm các sợi xenlulô được bao bọc trong nhựa nền lignin.
Sợi xenlulô định hướng dọc theo chiều dài của luồng do đó cho độ bền kéo,
uốn và độ cứng vững rất lớn.
Tre là một loài cây có khoảng 1250 loại tìm thấy ở khắp các vùng trên
thế giới. Tre chiếm khoảng 20-25% khối lượng thực vật trong rừng bán nhiệt
đới và nhiệt đới. Hiện nay có khoảng 35 loại tre đang được sử dụng như dạng
nguyên liệu thô trong công nghiệp giấy.
Với tốc độ phát triển nhanh chóng của nền kinh tế toàn cầu và tăng
trưởng về dân số, tổng số nhu cầu về gỗ và các sản phẩm từ gỗ tiếp tục tăng
trong tương lai. Theo Tổ chức Lương nông Liên Hiệp Quốc ( Food and
Agricultural Orgnization – FAO) nhu cầu về gỗ sẽ tăng khoảng 20% vào
2010. Trong khi đó tốc độ trồng và tái sinh rừng vẫn ổn định. Để đáp ứng cho
phát triển toàn cầu, tre là nguồn nguyên liệu tối ưu, nó rất hiệu quả trong việc
hấp thụ CO2 làm giảm hiệu ứng nhà kính, đồng thời có hiệu quả kinh tế cao
như rẻ tiền, năng suất cao, phát triển nhanh với tính chất vật lý, cơ học tốt. Tre
thể hiện tiềm năng lớn để có thể thay thế gỗ [1].
1.1.2. Cấu tạo của tre - luồng
Cấu trúc vật lý của tre - luồng
Sợi đơn của tất cả các loại thực vật nói chung và luồng nói riêng bao
gồm các tế bào. Các sợi vô cùng nhỏ (microfibril) của xenlulo được liên kết
3
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10
với nhau thành lớp hoàn chỉnh bởi lignin và hemixenlulo vô định hình. Các
lớp xenlulo-lignin/hemixenlulo này trong thành tế bào (gồm lớp sơ cấp và thứ
cấp) liên kết với nhau tạo thành compozit đa lớp và được gọi là tế bào.
Cấu trúc giải phẫu của tre - luồng.
Tre thuộc họ cỏ Bambusoideae, là một ligno-xenlulo compozit tự nhiên
trong đó các sợi xenlulo được bao bọc bởi nền lignin. Chiều dài trung bình
của sợi xenlulo khoảng 2 mm và đường kính trung bình trong khoảng
10÷20µm. Độ cứng của tre phụ thuộc chủ yếu vào số lượng các bó sợi và kiểu
phân bố của chúng (hình 1.1)
Hình 1.1. Cấu trúc giải phẫu của tre
Các sợi tự nhiên được hình thành từ các sợi nhỏ hơn (fibril), các sợi nhỏ
này chạy dọc theo chiều dài của sợi. Mỗi sợi nhỏ là một cấu trúc lớp phức tạp
và được cấu tạo bởi một thành sơ cấp mỏng bao quanh lớp thứ cấp dày hơn.
Trong lớp thứ cấp là các sợi xenlulo vô cùng nhỏ (microfibril), các sợi này
được lượn xoắn quanh trục của sợi (hình 1.2)[1].
A
: Cọng tre hay thân tre.
B
: Mặt cắt ngang của thân tre.
C: Mặt cắt của tre được phóng
to (×10).
Y: Minh hoạ các bó mạch được
gắn vào trong nhu mô X.
D
: Một bó mạch được phóng to
(×80) để minh hoạ sự bện sợi
hay tạo sợi (1), cấu trúc dạn
g
ống metaxylam (2), vỏ bọc
mô cứng (3), khoảng trốn
g
gian bào (4), và Libe (5).
Cọng
tre
Gióng
tre
Mấu
4
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10
Hình 1.2. Cấu tạo lớp thứ cấp Hình 1.3. Cấu trúc lớp của sợi luồng
Có nghĩa là tất cả các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno-xenlulo bao gồm
các sợi xenlulo vô cùng nhỏ trong nền vô định hình của lignin và
hemixenlulo. Góc giữa trục của sợi và các sợi vô cùng nhỏ được gọi là góc
sợi. Bản thân sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng là vật liệu được gia
cường bằng sợi xenlulo do đó góc sợi và hàm lượng xenlulo quyết định ứng
xử cơ học của sợi [2-4].
Liese đã đưa ra hình ảnh về siêu cấu trúc của sợi tre (hình 1.3). Phiến tre
bao gồm các lớp hẹp và rộng xen kẽ nhau với sự định hướng sợi khác nhau.
Trong lớp rộng, các sợi nhỏ được định hướng tại các góc nhỏ hơn so với trục
của sợi, trong khi ở các lớp hẹp sợi nhỏ chủ yếu được định hướng ngang.
Đồng thời, hàm lượng lignin trong lớp hẹp cao hơn so với lớp rộng. Nhờ cấu
trúc lớp này mà sợi có độ bền kéo rất cao [3,4].
Góc giữa sợi nhỏ và trục sợi lớn được gọi là góc tế vi. Hàm lượng của
các sợi tế vi và góc tế vi quyết định tính chất cơ học của sợi. Trong tre,
xenlulo và hemixenlulo chiếm hơn 50%, lignin là thành phần phong phú thứ
microfibril
Vùng vô
định hình