Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình axetyl hóa sợi luồng bằng anhydrit axetic đến độ bền kéo của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa PolyPropylen

T¹p chÝ Hãa häc, T. 43 (4), Tr. 484 - 488, 2005<br /> <br /> <br /> Nghiªn cøu ¶nh h ëng cña qu¸ tr×nh axetyl hãa<br /> sîi luång b»ng anhydrit axetic ®Õn ®é bÒn kÐo cña<br /> vËt liÖu compozit trªn c¬ së nhùa PolyPropylen<br /> §Õn Tßa so¹n 12-8-2005<br /> Phan ThÞ Minh Ngäc, TrÇn VÜnh DiÖu, NguyÔn Minh Thu, L ¬ng Th¸i S¬n<br /> Trung t©m nghiªn cøu vËt liÖu polyme, Tr-êng §HBK H1 Néi<br /> <br /> <br /> SumMary<br /> The chemical modification of bamboo fiber using acetic anhydride has been investigated.<br /> Three characterisation technique, namely FTIR, SEM, and contact angle, were used to elucidate<br /> the effect of the chemical treatment on the fibers.<br /> Modified bamboo fiber has been used as reinforcement for polypropylene (PP) and maleic<br /> anhydride grafted polypropylene resins.<br /> The results shown that the tensile strength of the composite using acetylated fibers remained<br /> almost unchanged dispite of the interfacial adhesion between fibers and PP resin is better.<br /> <br /> <br /> I - më ®Çu phót ë nhiÖt ®é 230oC, t¶i träng 2,16 kg.<br /> - Luång t ¬i cña Thanh Hãa.<br /> VËt liÖu polyme compozit (PC) gia c êng<br /> b»ng sîi thùc vËt ®ang ® îc quan t©m nghiªn - ChÊt trî t ¬ng hîp polypropylen ghÐp<br /> cøu [1 - 5] v× sîi thùc vËt phong phó vÒ chñng anhi®rit maleic (MAPP) do Trung t©m nghiªn<br /> lo¹i, dåi d2o vÒ sè l îng, ®ång thêi cã kh¶ n¨ng cøu vËt liÖu polyme, Tr êng §HBK H2 Néi chÕ<br /> t¸i t¹o v2 ph©n hñy. Trong c¸c lo¹i sîi thùc vËt, t¹o cã h2m l îng ghÐp MA l2 0,5 %.<br /> tre l2 lo¹i sîi cã ®é bÒn riªng cao [6] nªn nã thu - Anhi®rit axetic (98,5%) cña Trung Quèc,<br /> hót ® îc sù chó ý ®Æc biÖt. Luång l2 mét lo2i tû träng 1,05 g/ml.<br /> c©y hä tre ph¸t triÓn rÊt nhanh víi ® êng kÝnh<br /> 2. Ph ¬ng ph¸p chÕ biÕn luång th nh sîi<br /> 20 cm v2 chiÒu cao tíi 25 - 30 m [7] tËp trung<br /> nhiÒu ë Thanh Hãa. Th«ng th êng, luång ® îc Luång ® îc bá m¾t, chÎ nhá th2nh c¸c<br /> sö dông chñ yÕu ®Ó l2m vËt liÖu x©y dùng cã gi¸ thanh, råi ®em c¸n dËp v2 c¾t ë m¸y Restch víi<br /> rÎ. §Ó n©ng cao gi¸ trÞ sö dông cña luång, c«ng m¾t l íi 0,25 mm.<br /> tr×nh n2y ®T nghiªn cøu qu¸ tr×nh xö lý hãa häc<br /> 3. Ph¶n øng axetyl hãa sîi luång<br /> sîi luång b»ng anhi®rit axetic v2 sö dông chóng<br /> l2m chÊt gia c êng cho vËt liÖu PC trªn c¬ së Sîi luång tr íc khi tiÕn h2nh ph¶n øng<br /> nhùa polypropylen (PP). axetyl hãa ®T ® îc xö lý ®Ó lo¹i bít s¸p v2<br /> lignhin. Ph¶n øng axetyl hãa sîi luång ® îc tiÕn<br /> II - Thùc nghiÖm h2nh ë nhiÖt ®é víi thêi gian v2 tû lÖ cÊu tö n0H<br /> 1. Nguyªn liÖu (cña m¾t xÝch xenlulo) : nAA nhÊt ®Þnh. Sîi sau<br /> khi xö lý b»ng anhi®rit axetic (AA) ® îc röa<br /> - PP Basell cña ¶ RËp cã chØ sè ch¶y 12g/10 b»ng n íc cÊt ®Õn trung tÝnh v2 ®em sÊy kh«.<br /> <br /> 484<br /> 4. Ph ¬ng ph¸p chÕ t¹o compozit PP-sîi chôp phæ hång ngo¹i trªn m¸y Brucker Tensor<br /> luång 27 (Mü).<br /> PP v2 chÊt trî t ¬ng hîp MAPP ® îc trén c) Ph-¬ng ph¸p ®o gãc tiÕp xóc<br /> hîp trªn m¸y ®ïn vÝt ®¬n Brabender D-47045<br /> Gãc tiÕp xóc cña sîi luång tr íc v2 sau qu¸<br /> (§øc) víi vËn tèc 50 vßng/phót ë 190oC cho c¶<br /> tr×nh xö lý b»ng AA víi dung m«i l2 n íc ® îc<br /> bèn vïng gia nhiÖt. TiÕp tôc trén quay vßng 3<br /> ®o b»ng ph ¬ng ph¸p Willhelmy trªn m¸y<br /> lÇn n÷a cïng ë chÕ ®é gia nhiÖt v2 tèc ®é trôc vÝt<br /> Thermo Cahn Radian Series 300.<br /> nh trªn ®èi víi hçn hîp nhùa v2 sîi luång.<br /> S¶n phÈm nhËn ® îc tõ qu¸ tr×nh trªn ® îc d) Ph-¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ häc<br /> c¾t råi Ðp phun t¹o mÉu trªn m¸y Ray-Ran ë §é bÒn kÐo ® îc ®o theo tiªu chuÈn ASTM<br /> nhiÖt ®é 205 - 215oC, ¸p suÊt 7 bar. TÝnh chÊt c¬ D638 trªn m¸y LLoyd 0,5 KN (Anh), tèc ®é kÐo<br /> häc cña vËt liÖu ® îc x¸c ®Þnh theo ®é bÒn kÐo. 5 mm/phót.<br /> 5. C¸c ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch v x¸c ®Þnh<br /> tÝnh chÊt cña sîi v vËt liÖu PC III - KÕt qu¶ v) Th¶o luËn<br /> a) X¸c ®Þnh ®é t¨ng khèi l-îng (§TKL) 1. Nghiªn cøu qu¸ tr×nh axetyl hãa sîi luång<br /> §é t¨ng khèi l îng cña sîi sau qu¸ tr×nh xö<br /> lý AA thÓ hiÖn møc ®é thÕ cña ph¶n øng ® îc VÒ b¶n chÊt, sîi thùc vËt a n íc v× chøa<br /> nhiÒu nhãm OH trong th2nh phÇn hãa häc, do<br /> m m<br /> tÝnh theo c«ng thøc: §TKL (%) = 0<br /> .100 ®ã chóng cã ®é hót Èm cao. ChÝnh v× vËy vËt<br /> m 0<br /> liÖu PC gia c êng sîi thùc vËt kÐm æn ®Þnh vÒ<br /> Trong ®ã: m l2 khèi l îng sîi sau ph¶n øng AA; kÝch th íc. §Ó kh¾c phôc nh îc ®iÓm trªn ®T<br /> m0 l2 khèi l îng sîi tr íc ph¶n øng. nghiªn cøu biÕn tÝnh hãa häc bÒ mÆt sîi. Mét<br /> trong nh÷ng ph ¬ng ph¸p cã hiÖu qu¶ l2 ph¶n<br /> b) Ph-¬ng ph¸p phæ hång ngo¹i øng axetyl hãa sîi thùc vËt. Ph¶n øng ® îc tr×nh<br /> MÉu sîi tr íc v2 sau xö lý b»ng AA ® îc b2y theo s¬ ®å sau:<br /> <br /> O<br /> H3C C<br /> OH + O O C CH3 + CH3COOH<br /> H 3C C O<br /> O<br /> Sîi Sîi<br /> <br /> Trong qu¸ tr×nh ph¶n øng, ®T sinh ra s¶n trong 4 giê v2 tû lÖ mol OH : AA = 1 : 3 víi sîi<br /> phÈm phô l2 axit axetic. S¶n phÈm phô n2y ph¶i luång kh«ng qua xö lý v2 sîi luång ®T qua xö lý<br /> ® îc lo¹i bá tr íc khi ® a v2o sö dông cho vËt kiÒm 0,1 N trong vßng 72 giê. KÕt qu¶ nhËn<br /> liÖu PC. ® îc tr×nh b2y ë b¶ng 1.<br /> Sau xö lý, nhãm axetyl thay thÕ nhãm<br /> hi®roxyl v2 l2m t¨ng khèi l îng cña sîi. ChÝnh B¶ng 1: ¶nh h ëng cña qu¸ tr×nh xö lý kiÒm<br /> v× vËy, møc ®é axetyl hãa sîi thùc vËt cã thÓ ®Õn ®é t¨ng khèi l îng (§TKL) cña sîi<br /> ® îc ®¸nh gi¸ b»ng ®é t¨ng khèi l îng cña sîi.<br /> MÉu Xö lý kiÒm §TKL, %<br /> a) Kh¶o s¸t ¶nh h-ëng cña qu¸ tr×nh xö lý kiÒm<br /> 1 Kh«ng xö lý 3,7<br /> ®Õn møc ®é axetyl hãa sîi luång<br /> 2 Cã xö lý 6,9<br /> Ph¶n øng axetyl hãa ® îc tiÕn h2nh ë 80oC,<br /> 485<br />  Sè liÖu trªn b¶ng 1 cho thÊy, møc ®é axetyl ®æi tõ 2 giê ®Õn 10 giê. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ® îc<br /> hãa sîi luång ®T qua xö lý kiÒm cao h¬n sîi tr×nh b2y trªn h×nh 1. KÕt qu¶ nhËn ® îc cho<br /> kh«ng qua xö lý. §iÒu n2y cã thÓ gi¶i thÝch nh thÊy §TKL t¨ng m¹nh tõ 2 ®Õn 6 giê tøc l2 tõ<br /> sau: Qu¸ tr×nh xö lý kiÒm ®T lo¹i bá ® îc mét 1,49% ®Õn 10% v2 ®¹t 12,8% sau 8 giê. KÐo d2i<br /> l îng lín c¸c t¹p chÊt c¶n trë ph¶n øng axetyl ph¶n øng thªm 2 giê n÷a, §TKL t¨ng kh«ng<br /> hãa, ngo2i ra sau khi xö lý kiÒm c¸c nhãm OH ®¸ng kÓ do ®ã ®T lùa chän thêi gian ph¶n øng<br /> ® îc thay thÕ b»ng nhãm ONa, nhãm n2y dÔ axetyl hãa l2 8 giê.<br /> d2ng tham gia ph¶n øng víi anhi®rit axetic h¬n<br /> c) Kh¶o s¸t ¶nh h-ëng cña tû lÖ cÊu tö ®Õn møc<br /> so víi nhãm OH.<br /> ®é axetyl hãa sîi luång<br /> b) Kh¶o s¸t ¶nh h-ëng cña thêi gian ph¶n øng<br /> §T tiÕn h2nh kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña tû lÖ<br /> ®Õn møc ®é axetyl hãa sîi luång<br /> mol OH : AA ®Õn §TKL cña sîi ë 80oC trong<br /> §T tiÕn h2nh kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña thêi kho¶ng 8 giê. Tû lÖ mol OH : AA thay ®æi 1 : 1;<br /> gian ph¶n øng lªn §TKL cña sîi ë 80oC v2 tû lÖ 1 : 2 ®Õn 1 : 3. KÕt qu¶ nhËn ® îc tr×nh b2y trªn<br /> mol OH : AA = 1 : 3. Thêi gian ph¶n øng thay h×nh 2.<br /> 15 12.84<br /> 16<br /> 12.9<br /> 12<br /> §TKL, %<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §TKL, % 12.8<br /> 10 12<br /> 9<br /> 6<br /> 6.9 8 7<br /> 4.9<br /> 3 4<br /> 1.49<br /> 0 0<br /> 0<br /> 0 5 10 15 1:1,0 1:2,0 1:3,0<br /> Thêi gian, giê<br /> Tû lÖ cÊu tö<br /> <br /> H×nh 1: ¶nh h ëng cña thêi gian ®Õn §TKL H×nh 2: ¶nh h ëng cña tû lÖ cÊu tö ®Õn §TKL<br /> cña sîi cña sîi<br /> <br /> Theo lý thuyÕt tû lÖ nhãm OH ph¶n øng víi øng l2 90oC víi gi¸ trÞ §TKL cao nhÊt l2<br /> ph©n tö anhi®rit axetic l2 1 : 1 (tû lÖ mol), tuy 13,63%.<br /> nhiªn ®Ó t¨ng hiÖu suÊt ph¶n øng ®T tiÕn h2nh<br /> trong ®iÒu kiÖn d anhi®rit axetic. ë ®©y khi tû 15 12.82<br /> 13.63 13.53<br /> <br /> lÖ n2y l2 1 : 3 th× §TKL ®¹t ® îc l2 12,8%, tû lÖ<br /> §TKL, %<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br /> n2y ® îc chän l2m ®iÒu kiÖn ph¶n øng axetyl 6.52<br /> hãa sîi luång. 5<br /> d) Kh¶o s¸t ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é ®Õn møc ®é 0<br /> axetyl hãa sîi luång 70 80 90 100<br /> §T tiÕn h2nh kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña nhiÖt NhiÖt ®é, oC<br /> ®é ®Õn §TKL sîi luång víi tû lÖ mol OH : AA H×nh 3: ¶nh h ëng cña nhiÖt ®é ®Õn §TKL<br /> = 1 : 3, trong 8 giê. cña sîi<br /> Do nhiÖt ®é bay h¬i cña anhi®rit axetic l2 Nh vËy, cã thÓ nãi ®iÒu kiÖn tèi u cho qu¸<br /> 118oC nªn chän vïng nhiÖt ®é kh¶o s¸t tõ 70oC tr×nh axetyl hãa sîi luång l2:<br /> ®Õn 100oC. ¶nh h ëng cña nhiÖt ®é lªn §TKL<br /> Sîi ® îc xö lý kiÒm tr íc khi ® a v2o<br /> trong ph¶n øng ® îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3. Tõ<br /> ph¶n øng víi AA;<br /> h×nh 3 nhËn thÊy ë nhiÖt ®é ph¶n øng 70oC<br /> §TKL t ¬ng ®èi thÊp ®¹t 6,5%, chØ b»ng mét Tû lÖ cÊu tö nOH : nAA = 1 : 3;<br /> nöa so víi §TKL nhËn ® îc khi t¨ng nhiÖt thªm Thêi gian ph¶n øng 8 giê;<br /> 10 ®é. T¹i 80oC, 90oC v2 100oC §TKL gÇn<br /> t ¬ng ® ¬ng nhau, do ®ã chän nhiÖt ®é ph¶n NhiÖt ®é ph¶n øng 90oC.<br /> <br /> 486<br /> 2. Kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña sîi tr íc v sau xö ¶nh SEM cña sîi luång tr íc v2 sau qu¸<br /> lý tr×nh xö lý anhydrit axetic ® îc tr×nh b2y trªn<br /> a) Ph-¬ng ph¸p kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) h×nh 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a b<br /> H×nh 4: ¶nh SEM cña sîi tr íc (a) v2 sau qu¸ tr×nh xö lý (b)<br /> <br /> Tõ h×nh 4 nhËn thÊy, sîi sau qu¸ tr×nh xö lý §T tiÕn h2nh chôp phæ FTIR cho sîi luång<br /> trë nªn th« r¸p h¬n so víi sîi ch a xö lý, chÝnh tr íc v2 sau xö lý. Quan s¸t phæ hång ngo¹i<br /> ®iÒu n2y sÏ t¹o thuËn lîi cho sù liªn kÕt gi÷a sîi chôp sîi tr íc v2 sau xö lý nhËn thÊy cã sù thu<br /> v2 nhùa nÒn. hÑp cña pic ë 3350 cm-1 ®Æc tr ng cho nhãm<br /> –OH, xuÊt hiÖn pic 1745 cm-1 ®Æc tr ng cho<br /> b) Ph-¬ng ph¸p phæ hång ngo¹i biÕn ®æi nhãm –C=O chøng tá ph¶n øng gi÷a nhãm OH<br /> Fourrier (FTIR) cña sîi v2 anhi®rit axetic ®T x¶y ra [8].<br /> §é hÊp thô, %<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sîi ch a xö lý<br /> <br /> <br /> <br /> §T xö lý víi AA<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 5: Phæ hång ngo¹i cña sîi luång ch a xö lý, xö lý AA<br /> <br /> c) Ph-¬ng ph¸p gãc tiÕp xóc 3. Kh¶o s¸t ®é bÒn kÐo cña vËt liÖu PC trªn<br /> c¬ së nhùa PP gia c êng sîi luång<br /> Mét trong nh÷ng ph ¬ng ph¸p ®¸nh gi¸ ®é<br /> a n íc cña sîi l2 ®o gãc tiÕp xóc. Sè liÖu ®o §T tiÕn h2nh chÕ t¹o vËt liÖu PC trªn c¬ së<br /> gãc tiÕp xóc cña sîi luång ch a xö lý v2 sîi nhùa PP gia c êng sîi luång ch a xö lý v2 sîi<br /> ® îc axetyl hãa t ¬ng øng l2 60,05 v2 87,03. luång xö lý AA víi h2m l îng sîi l2 50%. KÕt<br /> Gãc tiÕp xóc t¨ng m¹nh ®¹t gi¸ trÞ gÇn 900 qu¶ kh¶o s¸t ®é bÒn kÐo vËt liÖu PC cho thÊy khi<br /> kh¼ng ®Þnh qu¸ tr×nh xö lý ®T l2m gi¶m râ rÖt ®é sö dông sîi luång ®T xö lý AA ®é bÒn kÐo cña<br /> a n íc cña sîi. mÉu compozit kh«ng t¨ng lªn thËm chÝ cßn<br /> 487<br /> gi¶m ®i ®«i chót so víi vËt liÖu PC sö dông sîi ¶nh SEM (h×nh 6) chôp bÒ mÆt ph¸ hñy cña<br /> ch a xö lý, cô thÓ l2 31,4 so víi 31,8 MPa. Trong mÉu compozit sö dông sîi luång ch a xö lý (a)<br /> qu¸ tr×nh axetyl hãa, phÇn tinh thÓ cña xenlulo v2 sîi ®T xö lý AA (b) cho thÊy, ®èi víi mÉu sö<br /> cña sîi gi¶m ®i nªn mÆc dï liªn kÕt cña sîi v2 dông sîi kh«ng xö lý trªn bÒ mÆt thÊy râ khe hë<br /> nhùa nÒn ® îc c¶i thiÖn (®iÒu n2y ® îc kh¼ng gi÷a bÒ mÆt sîi v2 nhùa nÒn, cßn ®èi víi mÉu sö<br /> ®Þnh qua ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch ¶nh SEM d íi dông sîi ®T xö lý b»ng AA kh«ng thÊy hiÖn<br /> ®©y) nh ng ®é bÒn kÐo vÉn gi¶m v× chÝnh phÇn t îng ®ã chøng tá sù liªn kÕt gi÷a sîi ®T xö lý<br /> tinh thÓ quyÕt ®Þnh tÝnh chÊt c¬ lý cña sîi [9]. v2 nhùa nÒn tèt h¬n so víi sîi ch a xö lý.<br /> <br /> <br /> a<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a b<br /> H×nh 6: ¶nh SEM bÒ mÆt ph¸ hñy cña compozit gia c êng b»ng sîi luång<br /> ch a xö lý (a) v2 ®T xö lý víi AA (b)<br /> <br /> Nh vËy b»ng ph ¬ng ph¸p axetyl hãa ®T reinforced with cellulose based fibres. Prog.<br /> l2m gi¶m ®é a n íc cña sîi luång v2 l2m t¨ng Polym. Sci., 24, P. 221 - 274 (1999).<br /> kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a bÒ mÆt sîi víi nhùa nÒn. 3. D. Nabi Saheb, J. P. Jog. Natural fiber<br /> polymer composites: a review. Adv. In<br /> IV - KÕt luËn Polym. Tech., 18, P. 351 - 363.<br /> 4. S. J. Eichhorn, C. C Baillie. J. of Mat. Sci.,<br /> 1. §T t×m ® îc ®iÒu kiÖn tèi u cho ph¶n<br /> 36, P. 2107 - 2131 (2001).<br /> øng axetyl hãa sîi luång víi §TKL 13,63%: Sîi<br /> ® îc xö lý kiÒm tr íc khi ® a v2o ph¶n øng víi 5. TrÇn VÜnh DiÖu, NguyÔn Ph¹m Duy Linh,<br /> AA; t¸c nh©n axetyl hãa l2 anhi®rit axetic; tû lÖ Ph¹m Gia Hu©n. T¹p chÝ Hãa häc, T. 43, sè<br /> cÊu tö nhãm OH : AA = 1 : 3; thêi gian ph¶n 2, Tr. 223 - 227 (2005).<br /> øng l2 8 giê v2 nhiÖt ®é ph¶n øng l2 90oC. 6. Kazaya Okubo, Toru Fujii, Yoro<br /> 2. B»ng ph ¬ng ph¸p SEM, FTIR v2 gãc Yamamoto. Development of bamboo-based<br /> tiÕp xóc ®T kh¼ng ®Þnh hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh polymer composites and their mechanical<br /> axetyl hãa sîi luång. properties, Composites, Part A, 35, P. 377 -<br /> 383 (2004).<br /> 3. So s¸nh ®é bÒn cña PP gia c êng b»ng sîi<br /> cã xö lý v2 kh«ng xö lý cho thÊy kh«ng cã sù 7. Lª Thao H2. ViÖn c«ng nghiÖp rõng. Mét sè<br /> kh¸c biÖt vÒ ®é bÒn kÐo gi÷a vËt liÖu sö dông sîi kÕt qu¶ nghiªn cøu øng dông khoa häc kü<br /> luång xö lý v2 sîi kh«ng xö lý. thuËt c«ng nghiÖp rõng. Nxb. N«ng nghiÖp,<br /> H2 Néi (1995).<br /> T)i liÖu tham kh¶o 8. L. .<br /> . .<br /> 1. J. Schurz. Trends in Polymer Science, Prog. , " # (1963).<br /> Polym. Sci., 24, P. 481 - 483 (1999)<br /> 9. L. Y. Mwaikambo, E. Martuscelli. Polymer<br /> 2. K. Bledzki, J. Gassan. Composites Testing, 19, P. 905 - 918 (2000).<br /> <br /> 488<br />