Cotton luồng và vật liệu compozit sợi cotton luồng

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (5A), Tr. 100 - 103, 2007<br /> <br /> <br /> COTTON LUåNG Vµ VËT LIÖU COMPOZIT SîI COTTON LUåNG<br /> §Õn Tßa so¹n 16-8-2007<br /> TRÇN VÜNH DIÖU, NGUYÔN THÞ THUû<br /> Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr2êng §¹i häc B¸ch khoa H7 Néi<br /> <br /> SUMMARY<br /> Cotton bamboo fibers were prepared by mechanical method and their diameter were about 9-<br /> 26 µm. Surface composition and morphology of fibers were studied. The analytic result shown<br /> that most of hemicellulose and lignin were removed. There is a strong and sharp peak in the<br /> untreated bamboo spectra at about 1736 cm-1 corresponding to carbonyl group (C=O), but this<br /> peak disappeared in alkaline treated bamboo spectra. Epoxy composites reinforced cotton<br /> bamboo fiber have been developed with varying fiber contents. The variation of tensile and<br /> bending strengths with fiber contents have been studied and they were found to be maximum for<br /> the fiber content of 38 wt%. The bending and tensile strengths were 72.9 MPa and 114 MPa,<br /> respectively.<br /> <br /> <br /> I - §ÆT VÊN §Ò h!íng nghiªn cøu ®ang ®!îc quan t©m. C«ng<br /> tr×nh n,y ®Ò cËp ®Õn luång ë d¹ng sîi cotton v,<br /> Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, nguån sîi tù vËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa epoxy gia<br /> nhiªn ® ®!îc chó ý ®Õn do c©y cho sîi ph¸t c!êng b»ng sîi cotton luång n,y.<br /> triÓn nhanh v, cã kh¶ n¨ng t¸i t¹o. Trong ®ã, tre<br /> chØ mÊt v,i n¨m ®Ó ph¸t triÓn v, l, nguån tù II - THùC NGHIÖM<br /> nhiªn dåi d,o, phong phó ë Ch©u ¸ v, miÒn<br /> Nam Ch©u Mü. ë ViÖt Nam còng vËy, tre cã rÊt 1. Nguyªn liÖu<br /> nhiÒu chñng lo¹i v, mäc kh¾p n¬i tõ ®ång b»ng - Nhùa epoxy CY/160 MV, chÊt ®ãng r¾n<br /> ®Õn miÒn nói trung du. Tre cã ®é bÒn riªng lín, Ruetadur HG v, xóc t¸c dimetylbenzylamin<br /> nhÊt l, theo chiÒu däc sîi v, tØ träng nhá nªn (DMBA) cña h ng Bakelit-§øc. Th,nh phÇn hÖ<br /> cßn ®!îc gäi l, “sîi thuû tinh tù nhiªn” [1, 2]. nÒn v, ®iÒu kiÖn ®ãng r¾n tham kh¶o t,i tiÖu [4].<br /> Nh!ng trªn thùc tÕ viÖc sö dông sîi tre l,m vËt - Luång t!¬i cña tØnh Ho, B×nh.<br /> liÖu gia c!êng vÉn cßn gÆp nhiÒu khã kh¨n nh!<br /> ®é hót Èm lín, liªn kÕt sîi nhùa kh«ng ®!îc 2. Ph ¬ng ph¸p gia c«ng<br /> chÆt chÏ v, phô thuéc nhiÒu v,o tÝnh chÊt bÒ a) ChÕ t¹o sîi cotton luång<br /> mÆt sîi…[1, 3]. ChÝnh v× vËy chÕ t¹o sîi, biÕn<br /> tÝnh sîi v, øng dông l,m th,nh phÇn gia c!êng Sîi cotton luång ®!îc t¹o th,nh qua c¸c<br /> cho vËt liÖu polyme compozit (PC) l, nh÷ng c«ng ®o¹n sau:<br /> <br /> Luång C¸n Xö lý kiÒm C,o t¸ch §¸nh t¬i §¸nh t¬i Sîi cotton<br /> !ít kh«<br /> <br /> Luång t!¬i ®!îc c¾t v, chÎ th,nh thanh d,i, B¶n. Luång sau khi c¸n ®!îc xö lý hãa häc [5,<br /> sau ®ã ®!îc c¸n trªn m¸y c¸n hai trôc cña NhËt 6] b»ng dung dÞch NaOH 1 N ë 90oC trong thêi<br /> 100<br /> gian 2 giê råi ®!îc röa ®Õn trung tÝnh. Sau ®ã - §!êng kÝnh sîi ®!îc x¸c ®Þnh b»ng kÝnh<br /> luång ®!îc c,o t¸ch th,nh c¸c sîi nhá h¬n b»ng hiÓn vi quang häc víi ®é phãng ®¹i 1000 lÇn.<br /> b,n ch«ng. Sau khi c,o, c¸c sîi luång nhá ®!îc - Th,nh phÇn ho¸ häc bÒ mÆt sîi ®!îc<br /> cho v,o “®¸nh t¬i !ít”, råi ®!îc l,m kh« tr!íc nghiªn cøu th«ng qua ph©n tÝch phæ hång ngo¹i<br /> khi “®¸nh t¬i kh«” b»ng m¸y xay sinh tè. Cuèi IR trªn m¸y Tensor 27 cña h ng Bruker (Mü)<br /> cïng nhËn ®!îc sîi cotton luång. víi ®é ph©n gi¶i 4 cm-1.<br /> b) ChÕ t¹o vËt liÖu PC gia c2êng b»ng sîi<br /> cotton luång III - KÕT QU¶ V! TH¶O LUËN<br /> Sîi cotton sau khi sÊy kh« trong tñ sÊy ë 1. Sîi cotton luång<br /> 100oC ®!îc Ðp th,nh nh÷ng tÊm mat cã kÝch<br /> th!íc 15 - 20 cm. Nh÷ng tÊm mat n,y ®!îc tÈm a) CÊu tróc bÒ mÆt sîi<br /> nhùa hai mÆt víi tû lÖ ®Þnh tr!íc v, ®!îc xÕp<br /> Xö lý kiÒm ® lo¹i bá ®!îc phÇn lín<br /> chång nªn nhau (kho¶ng 3 ®Õn 5 tÊm tïy theo<br /> hemixenlulo, lignin v, c¸c t¹p chÊt kh¸c trªn bÒ<br /> ®é dÇy) råi ®!a v,o khu«n cã cïng kÝch th!íc.<br /> mÆt sîi do ®ã l,m thay ®æi ®¸ng kÓ kh«ng<br /> Khu«n mÉu n,y ®!îc Ðp d!íi ¸p lùc 40 KG/cm2<br /> nh÷ng cÊu tróc bÒ mÆt sîi m, cßn c¶ th,nh phÇn<br /> trªn m¸y Ðp 30 tÊn cña h ng Gotech (§,i Loan).<br /> ho¸ häc cña sîi.<br /> c) C¸c ph2¬ng ph¸p thùc nghiÖm Sù thay ®æi th,nh phÇn bÒ mÆt sîi ®!îc thÓ<br /> - §é bÒn kÐo ®!îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn hiÖn rÊt râ qua ph©n tÝch phæ hång ngo¹i. KÕt<br /> ISO 527-1 trªn m¸y INSTRON 5582-100 KN qu¶ ph©n tÝch tr×nh b,y ë h×nh 1.<br /> (Mü). Tèc ®é kÐo 5 mm/phót ë 25oC, ®é Èm Tõ h×nh 1 nhËn thÊy tån t¹i ®Ønh hÊp thô<br /> 70%. 1736 cm-1 râ nÐt trªn phæ hång ngo¹i cña sîi<br /> - §é bÒn uèn ®!îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn luång ch!a xö lý, ®Ønh hÊp thô n,y ®Æc tr!ng<br /> ISO 178-1993 trªn m¸y INSTRON 5582-100 cho liªn kÕt C=O tån t¹i trong hemixenlulo v,<br /> KN (Mü). Tèc ®é uèn 5 mm/phót ë 25oC, ®é Èm lignin nh!ng nã ® ho,n to,n biÕn mÊt trong<br /> 70%. phæ hÊp thô cña sîi cotton luång. Kh«ng nh÷ng<br /> - CÊu tróc h×nh th¸i cña sîi v, vËt liÖu ®!îc thÕ, xö lý kiÒm cßn l,m thu hÑp pic hÊp thô cña<br /> x¸c ®Þnh b»ng ph!¬ng ph¸p chôp ¶nh trªn kÝnh liªn kÕt O-H th,nh phÇn kÐo c¨ng (streching) tõ<br /> hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) JEOL JMS 6360 LV 3360 xuèng cßn 3350 cm-1 v, më réng th,nh<br /> (NhËt B¶n). phÇn biÕn d¹ng (bending) tõ 1247 tíi 1266 cm-1.<br /> 3350<br /> 3360<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> C=O<br /> CH<br /> OH<br /> 1736<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 1: Phæ hång ngo¹i cña sîi luång tr!íc (a) v, sau xö lý kiÒm (b)<br /> <br /> Sù thay ®æi cÊu tróc bÒ mÆt sîi ®!îc quan phãng ®¹i kh¸c nhau (h×nh 2). Trong ®ã (a) -<br /> s¸t b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt víi c¸c ®é “bã sîi” luång ch!a xö lý, (b) - sîi cotton luång<br /> 101<br /> xö lý kiÒm. Víi ®é phãng ®¹i 1000 lÇn “bã sîi” b) Th«ng sè cña c¸c d¹ng sîi luång<br /> luång ch!a xö lý nh! thÓ vËt liÖu compozit víi §!êng kÝnh cña sîi ®!îc x¸c ®Þnh b»ng<br /> pha nÒn l, lignin v, hemixenlulo bao quanh c¸c kÝnh hiÓn vi quang häc ë ®é phãng ®¹i 1000 lÇn.<br /> sîi nhá. Nh!ng víi ®é phãng ®¹i lín h¬n (2500 C¸c sîi ®!îc t¸ch riªng v, ®o tõng sîi b»ng<br /> lÇn) nhËn thÊy cotton luång ® tån t¹i ë d¹ng sîi th!íc ®o cña kÝnh hiÓn vi. Sè lÇn ®o ®!îc lÆp l¹i<br /> ®¬n víi bÒ mÆt sîi s¹ch v, hÇu nh! kh«ng cßn l, 30 - 35. KÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®!êng kÝnh cña sîi<br /> lignin v, c¸c t¹p chÊt. luång tr×nh b,y ë h×nh 3.<br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 2: ¶nh SEM chôp bÒ mÆt sîi tr!íc (a) v, sau khi xö lý kiÒm (b)<br /> 18<br /> H,m l!îng, %<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 15<br /> <br /> 12<br /> <br /> 9<br /> <br /> 6<br /> <br /> 3<br /> <br /> 0<br /> 9 12.5 13.5 14.5 16 19 24.5<br /> §!êng kÝnh sîi, µm<br /> H×nh 3: Sù ph©n bè ®!êng kÝnh sîi cotton luång<br /> <br /> Tõ ®å thÞ nhËn thÊy ®!êng kÝnh cña sîi h,nh x¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña vËt liÖu. KÕt qu¶ ®o<br /> cotton luång ph©n bè trong kho¶ng tõ 9 - 26 tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu tr×nh b,y ë h×nh 4.<br /> µm v, tËp trung trong kho¶ng 13 - 16 µm nghÜa<br /> l, ® ë møc sîi ®¬n. C¸c th«ng sè ®Æc tr!ng cña B¶ng 2: §Æc tr!ng cña cotton luång<br /> sîi cotton luång ®!îc tr×nh b,y ë b¶ng 2.<br /> Th«ng sè Gi¸ trÞ<br /> 2. VËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa epoxy<br /> gia c êng b»ng sîi cotton luång H,m Èm, % 8 - 8,2<br /> <br /> ChÕ t¹o mÉu vËt liÖu PC trªn c¬ së nhùa H,m l!îng phÇn tro, % 5 - 5,3<br /> epoxy - sîi cotton víi h,m l!îng sîi thay ®æi tõ §!êng kÝnh sîi, µm 13 - 16<br /> 35 - 47%. MÉu sau thêi gian ®Ó æn ®Þnh tiÕn<br /> 102<br />  80 5 125 8<br /> §é bÒn kÐo, MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é bÒn kÐo, MPa<br /> M«®un kÐo, GPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> M«®un kÐo, GPa<br /> 72,9 114<br /> 6,48<br /> 58,5 4 100<br /> 60 3,55 84,1 6<br /> <br /> 3 75<br /> 40 4<br /> 2,42<br /> 2 50<br /> 2,36<br /> 20 2<br /> 1 25<br /> <br /> <br /> 0 0 0 0<br /> 0 35 38 44 47 0 35 38 44 47<br /> H,m l!îng sîi cotton, % H,m l!îng sîi cotton, %<br /> H×nh 4: ¶nh h!ëng cña h,m l!îng sîi cotton ®Õn tÝnh chÊt cña vËt liÖu<br /> <br /> Sù cã mÆt cña sîi cotton luång l,m thay ®æi møc sîi ®¬n víi ®!êng kÝnh ph©n bè tËp trung<br /> kh¸ nhiÒu tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu. Nh×n trong kho¶ng 13 - 16 µm.<br /> chung, ®é bÒn uèn cña vËt liÖu PC cao h¬n vËt 2. §Æc tr!ng bÒ mÆt sîi cotton ®!îc nghiªn<br /> liÖu kh«ng cã sîi gia c!êng v, cïng víi sù t¨ng cøu th«ng qua ph©n tÝch phæ hång ngo¹i v, kÝnh<br /> h,m l!îng sîi ®é bÒn uèn cña vËt liÖu t¨ng v, hiÓn vi ®iÖn tö quÐt, cã sù kh¸c nhau râ rÖt gi÷a<br /> ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i 38% sîi sau ®ã gi¶m víi bÒ mÆt sîi tr!íc v, sau xö lý kiÒm.<br /> h,m l!îng sîi cao h¬n. §é bÒn kÐo cña vËt liÖu<br /> PC víi c¸c h,m l!îng sîi kh¸c nhau tuy kh«ng 3. Víi h,m l!îng sîi thÝch hîp 38% ®é bÒn<br /> ho,n to,n cao h¬n so víi nhùa nÒn nh!ng còng cña vËt liÖu compozit t¨ng lªn ®¸ng kÓ so víi<br /> ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i 38% sîi sau ®ã gi¶m b¶n th©n nhùa nÒn: ®é bÒn kÐo t¨ng 25,7%, ®é<br /> m¹nh víi h,m l!îng sîi lín h¬n. Cô thÓ ®é bÒn bÒn uèn t¨ng 35,6%, m«®un uèn t¨ng 174,6%.<br /> kÐo ®¹t 72,9 MPa, t¨ng 25,7% v, ®é bÒn uèn ®¹t<br /> 114 MPa, t¨ng 35,6% so víi vËt liÖu kh«ng cã T!I LIÖU THAM KH¶O<br /> sîi gia c!êng. §iÒu n,y ®!îc gi¶i thÝch l, do ë<br /> h,m l!îng sîi thÝch hîp (38%) th× sù ph©n bè 1. Seema Jain, Rakesh Kumar. J. Mater. Sci.,<br /> sîi v, nhùa l, ®ång ®Òu nhÊt v, liªn kÕt sîi nhùa Vol. 27, P. 4598 - 4604 (1992).<br /> l, chÆt chÏ nhÊt nªn vËt liÖu cã tÝnh chÊt c¬ häc 2. Seema Jain, Rakesh Kumar. Materials and<br /> cao nhÊt, cßn ë h,m l!îng sîi nhá h¬n th× tÝnh Manufacturing Processes, Vol. 9, No. 5, P.<br /> chÊt gia c!êng cña sîi ch!a ®!îc ph¸t huy râ rÖt 813 - 828 (1994).<br /> hoÆc víi h,m l!îng sîi lín h¬n th× pha liªn tôc<br /> cã thÓ kh«ng ®ñ ®Ó bao bäc v, liªn kÕt víi pha 3. A. K. Bledzki, J. Gassan. Pro. Polym. Sci.,<br /> gia c!êng dÉn ®Õn gi¶m tÝnh chÊt c¬ häc. Vol. 24, P. 221 - 274 (1999).<br /> Còng tõ ®å thÞ nhËn thÊy, cïng víi sù cã 4. TrÇn VÜnh DiÖu, NguyÔn ThÞ Thuû, Vò<br /> mÆt cña sîi gia c!êng, mo®un kÐo cña vËt liÖu Xu©n Thuû. T¹p chÝ Hãa häc, T. 43, sè 6,<br /> t¨ng kh«ng nhiÒu so víi nhùa nÒn. Nh!ng ng!îc Tr. 735 - 740 (2005).<br /> l¹i, mo®un uèn l¹i t¨ng ®¸ng kÓ v, ®¹t gi¸ trÞ lín 5. Abhijit P. Deshpande, M. Bhaskar Rao, C.<br /> nhÊt 6,48 GPa t¹i h,m l!îng sîi cotton luång l, Lakshmana Rao. J. Appl. Polym. Sci., Vol.<br /> 38%, nghÜa l, t¨ng 174,6% so víi hÖ nhùa nÒn. 76, P. 83 - 92 (2000).<br /> 6. Jochen Gassan, A. K. Bledzki. Composites<br /> IV - KÕT LUËN<br /> Science and Technology, Vol. 59, P. 1301 -<br /> 1309 (1999).<br /> 1. § chÕ t¹o th,nh c«ng sîi cotton luång ë<br /> <br /> 103<br />