Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylactic axit và thạch cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu khả sát chế tạo vật liệu mới thân thiện với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học và tính chất cơ học cao. Đồng thời nghiên cứu xử lý và biến tính và xử lý chất độn thạch cao phế thải giải quyết vấn đề môi trường, tăng tính ứng dụng của thạch cao phế thải là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân bón.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylactic axit và thạch cao

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Hữu Đạt NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH HÌNH THÁI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT POLYLACTIC AXIT VÀ THẠCH CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Hữu Đạt NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH HÌNH THÁI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT POLYLACTIC AXIT VÀ THẠCH CAO Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 8440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn : PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những thông tin được viết trong luận văn này là do tôi thực hiện và sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng, và các thông tin nghiên cứu khác được trích dẫn rõ ràng, cụ thể trong luận văn. Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây, do đó không có sự sao chép của bất kì luận văn nào. Nội dung của luận văn được thể hiện theo đúng quy định, các nguồn tài liệu, tư liệu nghiên cứu và sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn. Trong luận văn có sử dụng một số số liệu thực nghiệm từ đề tài “Nghiên cứu tính chất, cấu trúc và khả năng phân hủy sinh học của vật liệu compozit poly(axit- latic)(PLA)/CaSO4” thuộc chương trình hỗ trợ hoạt động nghiên cứu khoa học cho nghiên cứu viên cao cấp do Viện Kỹ thuật nhiệt đới chủ trì thực hiện và PGS.TS Nguyễn Vũ Giang là Chủ nhiệm đề tài, tôi là người tham gia thực hiện. Nếu xảy ra vấn đề gì với nội dung luận văn này, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm theo quy định. Hà Nội, tháng 4 năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Hữu Đạt
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều cá nhân và tập thể. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang - Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam và các Cán bộ thuộc Phòng Hóa Lý vật liệu phi kim loại, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, Phòng Đào tạo cùng các thầy, cô giáo trong Học viện Khoa học và Công nghệ đã đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi trân trọng và biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt thời gian qua. Cuối cùng Tôi xin cảm ơn đề tài: “Nghiên cứu tính chất, cấu trúc và khả năng phân hủy sinh học của vật liệu compozit poly(axit-latic)(PLA)/CaSO4”, mã số: NVCC13.09/19-19 đã hỗ trợ kinh phí để giúp đỡ Tôi hoàn thiện luận văn này. Hà Nội, tháng 4 năm 2021 Nguyễn Hữu Đạt
iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Giải thích 1 %kl % khối lượng 2 DAP Diamoniphotphat 3 EBS Ethylene bis stearamide 4 Egyp Thạch cao biến tính bằng EBS 5 FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourrier 6 GS Thạch cao (Gypsum) 7 HAP Hydroxy apatit 8 PLA Poly latic axit 9 Ogys Thạch cao chưa biến tính 10 PLA0 Mẫu nhựa nền PLA 100 %kl Mẫu compozit sử dụng 5 %kl thạch cao không biến 11 PLA005 tính Mẫu compozit sử dụng 10 %kl thạch cao không biến 12 PLA010 tính Mẫu compozit sử dụng 15 %kl thạch cao không biến 13 PLA015 tính Mẫu compozit sử dụng 20 %kl thạch cao không biến 14 PLA020 tính Mẫu compozit sử dụng 25 %kl thạch cao không biến 15 PLA025 tính Mẫu compozit sử dụng 5 %kl thạch cao được biến 16 PLA405 tính 4 % EBS
iv Mẫu compozit sử dụng 10 %kl thạch cao được biến 17 PLA410 tính 4 % EBS Mẫu compozit sử dụng 15 %kl thạch cao được biến 18 PLA415 tính 4 % EBS Mẫu compozit sử dụng 20 %kl thạch cao được biến 19 PLA420 tính 4 % EBS Mẫu compozit sử dụng 25 %kl thạch cao được biến 20 PLA425 tính 4 % EBS 21 SEM Ảnh hiển vi điện tử quét 22 TGA Phân tích nhiệt
v DANH MỤC BẢNG STT Bảng Trang số 1 Bảng 1.1 Tính chất hóa lý cơ bản của 3 dạng PLA 13 2 Bảng 1.2. Thành phần các kim loại của thạch cao phế thải 18 từ nhà máy DAP Đình Vũ - Hải Phòng 3 Bảng 1.3. Thành phần hoá học của thạch cao phế thải từ 19 nhà máy DAP Đình Vũ- Hải Phòng 4 Bảng 1.4. Thành phần nước ao bãi thải thạch cao 20 5 Bảng 2.1: Tóm tắt thành phần compozit và kí hiệu 32 6 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của thời gian trộn tới độ bền cơ học 39 của các mẫu compozit PLA/thạch cao 7 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn tới độ bền cơ học 40 của các mẫu compozit PLA/thạch cao 8 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tốc độ trộn tới độ bền cơ lý của 41 các mẫu compozit PLA/thạch cao 9 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng chất chất độn tới độ 43 bền kéo của các mẫu compozit PLA/thạch cao 10 Bảng 3.5 Bảng giá trị mô men xoắn cân bằng của các mẫu 48 compozit PLA/thạch cao biến tính và không biến tính 11 Bảng 3.6. Độ bền cơ học của vật liệu compozit PLA/thạch 49 cao biến tính và không biến tính
vi DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Hình Trang số 1 Hình 1.1. Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit 8 sợi; c) Compozit phiến d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy 2 Hình 1.2 Công thức cấu tạo của PLA 12 3 Hình 1.3 Hai dạng đồng phân của monomer Lactic axit để 12 tổng hợp PLA 4 Hình 1.4. Phương trình điều chế bằng phương pháp polyme 14 hóa trực tiếp 5 Bảng 2.1: Tóm tắt thành phần compozit và kí hiệu 15 6 Hình 1.5. Ứng dụng của PLA 39 7 Hình 1.6. Ảnh FESEM của GS biến tính bằng axit stearic ở 22 các hàm lượng khác nhau: a) Thạch cao chưa biến tính; b) Thạch cao biến tinh 1% axit stearic; c) Thạch cao biến tinh 2% axit stearic; d) Thạch cao biến tính 3% axit stearic;e) Thạch cao biến tinh 4% axit stearic; f) Thạch cao biến tinh 5% axit stearic 8 Hình 1.7. Ảnh FE-SEM của vật liệu tổ hợp 23 EVA/LDPE/thạch cao: a) sử dụng thạch cao chưa biến tính; b) sử dụng thạch cao biến tính axit stearic 9 Hình 1.8. Ảnh FE-SEM chụp bề mặt nứt gãy của vật liệu tổ 24 hợp sử dụng (a) thạch cao ban đầu, (b) thạch cao-PI (poly(vinyl ancol), (c) thạch cao-PII (poly (vinyl ancol-co- vinyl axetat-co-axit itaconic)), và (d) thạch cao-PIII (poly(vinyl clorua – co-vinyl axetat – co-vinyl ancol)) sau khi ngâm trong dung dịch SBF 7 ngày. 10 Hình 1.9: Cấu trúc hóa học cuả EBS 28 11 Hình 2.1 Thiết bị trộn nội kín Haake Rheomix 610 33 12 Hình 2.2 Mẫu đo độ bền kéo 33
vii 13 Hình 2.3. Thiết bị đo kéo nén đa năng Zwick Z2.5 35 14 Hình 2.4 Thiết bị đo va đập Testresources 36 15 Hình 2.5 máy đo độ cứng cầm tay chỉ thị kim SAUTER HBA 37 – Đức 16 Hình 2.6 Thiết bị đo phổ hồng ngoại Fourier Nicolet iS10 38 17 Hình 3.1: Phổ IR của thạch cao và thạch cao biến tính bởi 4% 43 EBS 18 Hình 3.2: Ảnh hưởng của hàm lượng thạch cao phế thải đến 44 độ bền uốn, độ bền va đập của vật liệu compozit PLA/thạch cao 19 Hình 3.3 Lưu biến nóng chảy của vật liệu compozit 46 PLA/thạch cao chưa biến tính 20 Hình 3.4 Lưu biến nóng chảy của vật liệu compozit 47 PLA/thạch cao biến tính 21 Hình 3.5: Giản đồ mô men xoắn nóng chảy của các mẫu PLA, 48 PLA/thạch cao (20 %kl) biến tính và không biến tính 22 Hình 3.6. Biểu đổ khả năng cải thiện tính chất cơ học của 51 thạch cao biến tính 23 Hình 3.7: Giản đồ TGA của mẫu PLA0, PLA020 và PLA420 53 24 Hình 3.8: Giản đồ DTG của mẫu PLA0, PLA020 và PLA420 53 25 Hình 3.9 Ảnh cấu trúc bề mặt của các mẫu compozit (a) 54 PLA020, (b) PLA420 26 Hình 3.10 Ảnh SEM thể hiện sự phân hủy thạch cao của 55 chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10. a) thạch cao đối chứng, b) thạch cao sau 3 ngày và c) mẫu thạch cao sau 14 ngày
1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... vi MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................... 3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ............................................. 4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN .................. 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN ............................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT [1,2,3] ................... 6 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT ......................................................... 9 POLYLACTIC AXIT (PLA) .................................................................. 11 TỔNG QUAN VỀ THẠCH CAO (THẠCH CAO) [5-10] .................... 16 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .................................................................. 21 TÌM HIỂU VỀ ETHYLENE BIS STEARAMIDE (EBS) ..................... 28 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .......................... 31 NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 31 NGUYÊN VẬT VIỆU VÀ HÓA CHẤT ............................................... 31
2 CHẾ TẠO MẪU ..................................................................................... 31 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 39 KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHẾ TẠO MẪU PLA/THẠCH CAO 39 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT BIẾN TÍNH THẠCH CAO ..................... 41 ẢNH HƯỞNG CHẤT BIẾN TÍNH EBS ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PLA/THẠCH CAO ............................................................................... 49 BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT SỰ PHÂN HỦY THẠCH CAO SỬ DỤNG CHỦNG VI KHUẨN KSF DESULFOVIBRIO ORYZAE M10 [40] ........... 55 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................................................................................................................... 57 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 59
3 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Mỗi năm, thế giới thải ra khoảng 300 triệu tấn rác thải nhựa, phần lớn trong số này không được xử lý và xả thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Điều này gây các hệ lụy xấu làm ô nhiễm đất và nước do các chất thải từ nhựa và nylon rất khó phân hủy trong tự nhiên. Tại Hội nghị Davos, Thụy Sĩ đã có báo cáo ước tính lượng rác thải nhựa thải xuống biển cho đến năm 2050 sẽ nhiều hơn lượng cá (tính theo trọng lượng). Nhưng phải mất hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm, các chất thải từ nhựa và nylon mới bị phân hủy. Một điều đáng lo ngại theo thống kê, Việt Nam hiện đứng thứ 4 trên thế giới về khối lượng rác thải nhựa với mỗi năm có khoảng 730.000 tấn rác thải nhựa ra biển người Việt thải ra hàng trăm nghìn tấn rác thải nhựa mỗi năm nhưng việc tái chế chất thải nhựa vẫn chưa phát triển và tỷ lệ phân loại chất thải tại nguồn rất thấp. Một lượng lớn chất thải nhựa được chôn lấp cùng lượng rác thải sinh hoạt và một lượng lớn khác được thải trực tiếp ra môi trường. Điều đó thật khủng khiếp khi lượng chất thải trên được xả thẳng ra ngoài môi trường bởi chúng sẽ phá hủy môi trường tự nhiên, ảnh hưởng đến các lại sinh vật trong môi trường khi những hạt vi nhựa có nguồn gốc từ rác thải nhựa có thể xâm nhập và phá hủy tế bào. Để khắc phục nhược điểm này, thế giới hiện nay tập trung phát triển các loại vật liệu xanh, nguồn gốc sinh học, có khả năng tự phân hủy, tái sinh và thân thiện với môi trường, thay thế các loại polyme có nguồn gốc dầu mỏ. Các nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường đang thu hút nhiều nhóm nghiên cứu. Trong đó, xu hướng sử dụng các loại vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên để dần thay thế các vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đang ngày càng được quan tâm. Những loại vật liệu xanh, vật liệu tái tạo có khả năng phân hủy sinh học, như poly-axit lactic (PLA), polyhydroxylbutyrat (PHB) được xem là các ứng cử viên cho hướng phát triển này. PLA là loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học cao với thời
4 gian phân hủy ngắn, vì vậy có thể tiết kiệm được nguồn năng lượng nhất định để xử lý PLA. Đồng thời loại polyme này có độ tương thích sinh học cao, không độc hại với cơ thể người, nên được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực đặc biệt là y sinh. Hiện nay, PLA đang là sản phẩm được sản xuất và ứng dụng đại trà trong công nghiệp với giá thành rẻ hơn so với các loại nhựa phân hủy sinh học khác (2-3,2 USD/kg) với độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao. Chính vì những ưu điểm trên mà PLA được xem là sự lựa chọn hàng đầu trong các polyme sinh học có khả năng thay thế các loại polyme dầu mỏ. Tuy nhiên do độ giòn vốn có nên độ bền va đập kém khiến các ứng dụng của vật liệu PLA còn bị hạn chế. Một sự thay thế phù hợp hơn là sử dụng các hạt gia cường vô cơ như CaCO3, hydroxyapatit, CaSO4 để cải thiện độ bền va đập, nhưng vẫn đảm bảo độ bền kéo và độ bền nhiệt của vật liệu. Việc kết hợp vật liệu PLA với thạch cao tạo ra vật liệu sinh học thân thiện môi trường với nhiều ưu điểm về tính chất cơ học cao. Đó là lý do đề tài: "Nghiên cứu chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylatic axit và thạch cao" được lựa để làm luận văn tốt nghiệp. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Tối ưu thành phần, các điều kiện công nghệ chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylatic axit và thạch cao. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu mới, vật liệu thân thiện môi trường. Cụ thể vật liệu compozit thân thiện môi trường trên cơ sở PLA/thạch cao. Phạm vi nghiên cứu: Phòng thí nghiệm. Địa điểm: Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm KHCNVN). Nội dung 1:
5 -Thu thập tài liệu tìm hiểu về cấu tạo, thành phần, điều kiện gia công, tính chất lý-hóa của PLA và thạch cao. Từ đó xây dựng tổng quan đánh giá tình hình nghiên cứu vật liệu polyme compozit PLA/thạch cao trong và ngoài nước. Nội dung 2: - Chế tạo, xử lý và biến tính thạch cao bằng ethylene bis stearamide. - Chế tạo các mẫu compozit PLA/ thạch cao với các hàm lượng thạch cao là 0%, 5%, 10%, 15%, 20% 25% về khối lượng. - Tiến hành gia công mẫu compozit PLA với hàm lượng thạch cao khác nhau. Nội dung 3: - Kiểm tra độ bền kéo và uốn với các mẫu trên thiết bị kéo nén đa năng Zwick/Z2.5. - Khảo sát tính chất lưu biến nóng chảy, tính chất nhiệt và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit PLA/thạch cao. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN Nghiên cứu khả sát chế tạo vật liệu mới thân thiên với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học và tính chất cơ học cao. Đồng thời nghiên cứu xử lý và biến tính và xử lý chất độn thạch cao phế thải giả quyết vấn đề môi trường, tăng tính ứng dụng của thạch cao phế thải là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân bón.
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT [1,2,3] 1.1.1 Khái niệm Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu compozit bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Pha gián đoạn thường có tính chất cơ học trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforce). 1.1.2 Lịch sử hình thành Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý rằng vật liệu compozit đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống. Bởi vì khoảng 5000 năm trước Công Nguyên, người cổ đại đã tình cờ chế tạo ra vật liệu compozit để phục vụ cho cuộc sống hằng ngày ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét. Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý được rằng vật liệu compozit để đảm bảo được sự dãn nở trong quá trình nung gốm. Người Ai Cập đã biết sử dụng vật liệu compozit từ khoảng 5000 năm trước Công Nguyên. Sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy, tẩm pitum, sau này các thuyền đan tre trát mùn cưa và nhựa thông hay vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm compozit được áp dụng rộng dãi trong đời sống xã hội hằng ngày. Sự phát triển của vật liệu compozit đã được khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930, khi Stayer và Thomas đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thủy tinh. Fillis và Foster sử dụng chất độn cho poly este không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho Đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu compozit là sự
7 xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nilon… Từ năm 1970 đến nay, vật liệu nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự…[1] 1.1.3 Đặc điểm chung Vật liệu compozit là vật liệu nhiều pha. Trong vật liệu compozit có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của compozit. Ưu điểm của vật liệu compozit là khả năng chế tạo vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Các thành phần cốt của compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo 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. Một trong tính chất nổi bật nhất của polyme compozit đó là tỉ trọng nhẹ, độ bền cao, dễ lắp đặt và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường hóa học, độ dẫn điện thấp [2]. 1.1.4 Đặc tính Cơ tính của vật liệu compozit phụ thuộc vào những đặc tính sau đây: - Cơ tính của các vật liệu thành phần: các vật liệu thành phần có cơ tính tốt vật liệu compozit cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần. - Luật phân bố hình học của vật liệu cốt: khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu compozit bị phá huỷ trước hết ở những nơi có vật liệu cốt. Với compozit cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu.
8 - Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần: vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau.[3] 1.1.5 Phân loại Phân loại theo hình dạng a) b) c) d) e) Hình 1.1. Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit sợi; c) Compozit phiến d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy Vật liệu compozit độn dạng sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu compozit, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ compozit trong tên gọi. Các sản phẩm compozit dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu compozit cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu. Vật liệu compozit độn dạng hạt: Thường được sử dụng để cải thiện một
9 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 và giảm giá thành sản phẩm. Việc lựa chọn phương án phụ thuộc vào cơ-lý tính mà ta muốn bởi gia cường bằng dạng hạt thì tính chất cơ-lý yếu hơn so với dạng sợi. Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần Compozit nền hữu cơ (polyme compozit): nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi, hạt khoáng hoặc oxit kim loại... Compozit nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC... Compozit nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm... VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 1.2.1 Cấu tạo của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit được chế tạo gồm 2 pha: pha liên tục hay polyme nền và pha phân tán (chất gia cường hay chất độn). Polyme nền: Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền. Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy. Nhựa nhiệt rắn: PU, 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
10 điều kiện thường, gia công bằng tay. Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Chất độn (cốt): Mục tiêu: Tăng khả năng chịu được va đập, giãn nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát - mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit… Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường. Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao. Giảm giá thành. Tùy thuộc vào yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn: Độn dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn 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 carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amit… Độn dạng hạt: thường được sử dụng là: BaSO4, CaSO4, CuS, CdS, Silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, cao lanh, đất sét, graphite, cacbon, bột tale, hay graphite,… 1.2.2 Ứng dụng của vật liệu compozit Compozit sợi cacbon sử dụng để chế tạo than vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ, chế tạo các loại ăngten, đặc biệt ăngten cho tàu vũ trụ, chế tạo các thiết bị y tế, các bộ phận thay thế như: xương, vỏ sọ não, chế tạo các thiết bị thể thao như: khung xe đạp đua, vợt các loại, thuyền buồm, cán và cánh cung, chế tạo ống dẫn, các loại máy bơm,…Compozit sợi Bor được sử dụng trong các chi tiết
11 hàng không, của kĩ thuật tên lửa vũ trụ như các dầm, khung panen, các sống dọc của phần chịu lực. Compozit chì- cacbon chế tạo các máy móc trong thiết bị làm việc trong các môi trường bị ăn mòn cao do ma sát, ức chế được dao động âm thanh, hấp thụ được tia gama. Compozit nền đồng hoặc bạc, với cốt là vonfram hoặc molipden có thể dùng để chế tạo các công tắc không mòn cho dòng điện, điện thế cao, hệ thống ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn dùng vật liệu polyme compozit, hay hệ thống sứ cách điện, sứ polyme, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các thiết bị điện,…[1] POLYLACTIC AXIT (PLA) 1.3.1 Giới thiệu chung Polylactic axit (PLA) là một trong những loại polyme sinh học được sử dụng phổ biến nhất hiện nay (khoảng 200.000 tấn/năm) (Johansson, et al., 2012, Mehta, et al., 2005) do có độ bền kéo cao, giá thành thấp, trong suốt, khả năng tương hợp sinh học cao. PLA được sản xuất từ tinh bột bắp và đây là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo từ quá trình sản xuất nông nghiệp, không như các loại polyme khác được sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ. Đặc biệt, PLA rất thân thiện với môi trường bởi khả năng phân hủy sinh học cao (phân hủy hoàn toàn từ 90 đến 180 ngày, tùy theo điều kiện phân hủy sinh học). Chính vì vậy, trong mười năm trở lại đây, PLA được tập trung nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thị trường, thay thế cho những sản phẩm polyme có nguồn gốc dầu mỏ không phân hủy sinh học. Năm 2002, công ty Cargill Dow polymers (LLC) đã đưa PLA vào sản xuất ở qui mô công nghiệp đầu tiên ở Nebraska với công suất 140.000 tấn/năm. Ước tính đến năm 2015 sản lượng tiêu thụ PLA có thể đạt đến 500.000 tấn/năm và còn có thể tăng đến 1 triệu tấn/năm đến năm 2020 (Gongzhuling Annual Output, 2014) [4]. 1.3.2 Tính chất hóa lý của PLA