KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
38
BÀI BÁO KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE
ĐA LỚP NỀN EPOXY GIA CƯỜNG BẰNG SỢI CHUỐI
Nguyễn Thị Hằng Nga
1
, Bạch Văn Toàn
1
, Trần Quang Dinh
1
, Lê Quang Khải
1
Tóm tắt: Nghiên cứu này khảo sát một số đặc trưng cơ học của vật liệu composite nền epoxy gia cường
bằng sợi chuối với các lớp sợi được sắp xếp theo các hướng khác nhau tạo thành vật liệu đa lớp. Trong
composite, lớp thứ nhất và thứ ba sợi được xếp theo hướng song song với nhau, lớp thứ hai ở giữa sợi
xếp theo các góc chéo 45 độ, 60 độ và vuông góc so với lớp đầu tiên. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ
tính của vật liệu composite này được quyết định bởi sự thay đổi cách sắp xếp của sợi chuối và mẫu xếp
với góc nghiêng 60 độ cho kết quả cơ tính tốt nhất. Kết quả thu được từ nghiên cứu này mở ra khả năng
ứng dụng của vật liệu composite nền epoxy cốt sợi chuối trong các lĩnh vực khác nhau.
Từ khóa: Composite, epoxy, sợi chuối, cơ tính.
1. GIỚI THIỆU
*
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về
sợi tự nhiên đã mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi
nhờ các đặc tính vật lý, cơ học và chống ăn mòn
vượt trội (M. Ramesha et al 2014; A. Parre et al
2020; TP Mohan et al 2021; P. Sivaranjana et al
2021; S.P. Gairola et al 2021). Sợi chuối, một loại
sợi tự nhiên dạng chất thải nông nghiệp được sản
xuất dễ dàng, có giá thành rẻ đã và đang được
nghiên cứu sử dụng làm chất gia cường cho vật
liệu composite. Khi sợi chuối kết hợp với một số
loại polyme mà điển hình là epoxy có thể cải thiện
tính chất của hỗn hợp epoxy, tăng cơ tính và giảm
giá thành sản xuất.
Vật liệu composite gia cường bằng sợi chuối và
nền epoxy đã được nghiên cứu trong thập kỷ qua
(M. Ramesha et al 2014; A. Balaji et al 2020; S.P.
Gairola et al 2021), nhiều kết quả nghiên cứu của
các nhóm trên thế giới về tính chất cơ học của vật
liệu composite này khi thay đổi tỷ lệ của sợi
chuối/epoxy đã được công bố.
M. Ramesha và đồng nghiệp (M. Ramesha et al
2014) đưa ra kết quả thực nghiệm sợi chuối được
sử dụng làm vật liệu gia cố nền epoxy với tỷ lệ sợi
là 40%, 50% và 60%. Từ thí nghiệm xác định
được vật liệu composite với 50% sợi chuối và
50% nhựa epoxy đạt độ bền kéo tối đa là 112.58
MPa, tải trọng tác động là 9.48 J.
1
Trường Đại học Thủy lợi
Một nghiên cứu khác của Balaji và đồng nghiệp
(A. Balaji et al 2020) đã công bố kết quả thu được từ
việc cắt sợi chuối thành sợi nhỏ có chiều dài trung là
10 và 20 mm. Vật liệu composite được tạo ra khi ép
nén với epoxy khi hàm lượng sợi thay đổi theo 0, 5,
10, 15 và 20% theo khối lượng. Kết quả thí nghiệm
cho thấy độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu
composite hỗn hợp 15% khối lượng sợi chuối với
chiều dài 20 mm sẽ có độ bền cơ học cao nhất tương
ứng 30.4 MPa, 56.3 MPa, 2.7 J/mm
2
. Tuy nhiên, nếu
tăng thêm % khối lượng của chất gia cường thì độ
bền cơ học sẽ giảm.
Nghiên cứu gần đây của nhóm S.P. Gairola năm
2021 (S.P. Gairola et al 2021) cũng đưa ra kết quả
thử nghiệm với vật liệu composite nền epoxy gia
cường bằng sợi chuối được chế tạo với phần trăm
hàm lượng sợi là 10%, 20%, 30%, 40% và 50%. Kết
quả thu được giá trị tối đa của độ bền kéo và độ bền
uốn lần lượt là 65.6 MPa và 38.1 MPa, với 30%
khối lượng sợi. Trong khi đó, lực tác dụng tối đa
được tìm thấy ở 40% khối lượng sợi là 2.8 J.
Ở nước ta, đã có một số kết quả được công bố
bởi nhóm nghiên cứu của Tuan Anh Nguyen và
đồng nghiệp (Tuan Anh Nguyen et al 2021). Sợi
chuối cắt theo chiều dài trung bình 30 mm gia
cường cho nhựa epoxy Epipikote 240 với tỷ lệ
10%,15%, 20% và 25% theo khối lượng. Kết quả
thí nghiệm cho thấy vật liệu composite với tỷ lệ
sợi gia cường 20% đạt cơ tính tốt nhất và cao hơn
nhiều so với epoxy ban đầu.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
39
Những kết quả nghiên cứu trước đây thu được
đã cho thấy tỷ lệ phần trăm của sợi chuối trong
composite sẽ quyết định cơ tính của vật liệu. Tuy
nhiên các kết quả này mới chỉ tập trung vào việc
chế tạo vật liệu đơn lớp dạng điền đầy, chưa
nghiên cứu ảnh hưởng của việc sắp xếp sợi trong
vật liệu composite. Bài báo này sẽ trình bày kết
quả khảo sát thực nghiệm về phương thức sắp xếp
sợi chuối theo các hướng khác nhau tạo thành vật
liệu composite đa lớp. Trong đó, lớp 1 và 3 sợi
được xếp theo hướng song song với nhau, lớp 2 ở
giữa sợi xếp theo các góc chéo 45 độ, 60 độ và
vuông góc so với lớp 1. Các đặt trưng cơ học của
vật liệu composite này sẽ được kiểm chứng.
2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu
Sợi chuối thô được cung cấp bởi Công ty
CPXNK Vibafi Việt Nam, nhựa epoxy A50 từ
công ty TNHH TMDVSX Quyết Trí, Việt Nam và
hóa chất NaOH 96% của Trung Quốc được sử
dụng trong quá trình làm mẫu.
2.2. Xử lý sợi chuối thô
Sợi chuối thô được loại bỏ tạp chất, tách rời
các sợi bằng bàn chải sắt rửa qua nước nhiều lần
cho hết chất mùn. Sau đó, ngâm sợi với NaOH 5%
qua đêm, rửa lại nhiều lần bằng nước sạch và phơi
khô tự nhiên.
2.3. Quy trình làm mẫu
Mẫu được chuẩn bị trong các khuôn nhựa
polyme chống dính với epoxy. Sắp sợi theo các
trường hợp như ở bảng 1. Các mẫu nay gồm epoxy
và gia cường bằng 10% sợi chuối, sợi được xếp 3
lớp theo cách sắp xếp sợi khác nhau. Lớp 1 và 3 sợi
được xếp theo hướng song song, lớp 2 ở giữa sợi
được xếp theo các góc chéo khác nhau so với lớp 1.
Tên của mẫu được gọi theo cách xếp lớp sợi thứ 2.
Bảng 1. Kí hiệu các loại mẫu
Mẫu Cách sắp xếp sợi
M0 Epoxy
M1 Theo góc 90
o
(vuông góc với lớp 1)
M2 Theo góc 45
o
M3 Theo góc 60
o
Chuẩn bị epoxy theo tỷ lệ 3:1, khuấy đều 5
phút, sau đó đổ vào khuôn có chứa sợi, đặt khuôn
trong môi trường nhiệt độ phòng 2 h sau đó ép
bằng tải trọng tĩnh 10 KG trong vòng 8 h.
M0 M1 M2 M3
Tách mẫu khỏi khuôn và gia công mẫu theo
các tiêu chuẩn ASTM cho vật liệu composite nền
polyme cốt sợi.
2.4. Chuẩn bị mẫu
Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM 3039 kích
thước (25 x 250 x 3) mm. Hai đầu của mẫu được
gia cố bởi tấm epoxy có độ dày tương đương với
độ dày của mẫu.
90
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
40
Mẫu thử uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790 kích thước (12.7 x 127 x 3.2) mm.
Mẫu thử va đập Izod theo tiêu chuẩn ASTM D256 (12.7 x 64 x 3.2) mm với độ sâu rãnh khía là 2mm.
Mẫu đo độ cứng HV theo tiêu chuẩn ASTM
E384 với độ dày mẫu 6mm.
2.5. Thiết bị
Các mẫu được đo cơ tính bằng máy kéo, uốn
vạn năng ZD5. Khi đo độ bền kéo sử dụng đầu đo
lực kéo (Load cell) Bufson sensor BSLZ-1, CAP
700 kg. Đo độ bền uốn sử dụng đầu đo Kyowa
DTHA-50. Số liệu của hai phép đo này được ghi
lại bằng máy đo Multirecoder TMR-Z211 tại
Trường Đại học Thủy lợi.
Độ cứng Vicker được đo bằng máy đo độ cứng
HM-210A, Mitutoyo, phòng thí nghiệm vật liệu,
Trường Đại học Thủy lợi.
Ảnh cấu trúc vật liệu composite được soi bởi
kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscopy-SEM) Hitachi Regulus 8100 (Viện
Vật lý, VAST).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Composite ba lớp nền epoxy gia cường
bằng sợi chuối
Sợi chuối sau khi xử lý với NaOH 5 % có màu
nâu nhạt, sợi mảnh, đường kính khoảng 100-150
micromet (Hình 1).
Hình 1. Ảnh SEM sợi chuối sau khi xử lý
với NaOH 5%
Sợi chuối này được dùng để chế tạo mẫu
composite 3 lớp với nền epoxy. Hình ảnh của mẫu
vật liệu composite đa lớp:
Hình 2. Hình mẫu M1 composite chụp
theo bề dày
Các mẫu được chế tạo theo các phương thức
sắp xếp sợi khác nhau và gia công theo tiêu chuẩn
ASTM để tiến hành khảo sát cơ tính: độ cứng, độ
bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập. Kết quả các
chỉ tiêu cơ tính này được trình bày dưới đây.
3.2. Độ cứng
Độ cứng của vật liệu composite được khảo sát
bằng máy đo độ cứng Vicker, lực tác dụng lên
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
41
mẫu là 0.05 KG, thời gian mũi đâm tiếp xúc với
mẫu là 8s. Mỗi mẫu được đo 10 lần ở cả mặt trên
và mặt ngang. Độ cứng là kết quả trung bình sau
các lần đo, được trình bày qua biểu đồ Hình 3.
Vết đâm trên mẫu epoxy Vết đâm trên mẫu composite
Hình 3. Độ cứng của các mẫu
Độ cứng của mẫu epoxy nhỏ hơn so với các
mẫu được gia cường bằng sợi chuối. Khi sợi chuối
được đưa vào nền epoxy, hoàn toàn không tạo nên
bất kỳ liên kết hóa học nào với nền mà chỉ gia cố
cho nền. Độ cứng của mẫu M3 có kết quả cao nhất
18.2 HV.
3.3. Độ bền kéo
Thí nghiệm này trình bày ảnh hưởng của
cách xếp sợi chuối trong composite đa lớp lên
độ bền kéo, kết quả được thể hiện qua Hình 4.
Đường cong lực và chuyển vị của mẫu được
tạo ra trực tiếp từ thiết bị đo trong quá trình
mẫu chịu tải kéo với tốc độ dịch chuyển là 0.02
mm/s. Lực tác dụng lên mẫu M3 lớn nhất là
433 KG, mẫu bị kéo giãn lên đến 4.28 mm
trước khi bị đứt gãy, ứng suất bền kéo của mẫu
đạt được là 57.8 MPa. Các mẫu khác với cách
sắp xếp sợi vuông góc và 45 độ và có khả năng
chịu tải kéo nhỏ hơn và nhỏ nhất là 30.4 MPa
của mẫu epoxy M0.
Hình 4. Lực tác dụng và ứng suất bền kéo
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
42
3.4. Độ bền uốn
Đặc tính uốn của các mẫu được đo đạc với
tốc độ dịch chuyển mẫu là 0.02 mm/s khoảng
cách giữa hai gối đỡ là 80 mm, các giá trị thực
nghiệm được trình bày trong Hình 5. Đường
cong lực và độ võng được thể hiện trong hình
bên trái. Việc so sánh độ bền uốn của các mẫu
khác nhau được trình bày trong biểu đồ bên
phải. Từ hình vẽ có thể thấy, lực uốn lớn nhất
là 18.7 KG, tương ứng với ứng suất uốn là 42.5
MPa của mẫu M1, tuy nhiên mẫu bị phá hủy
nhanh trong thời gian 4 phút còn mẫu epoxy
M0 là 16 phút với độ võng lớn nhất đạt được là
18.33 mm.
Hình 5. Lực tác dụng và ứng suất bền uốn
3.5. Độ dai va đập
Thử nghiệm va đập được thực hiện để đánh giá
khả năng chịu tải va đập của các loại mẫu khác
nhau. Trong điều kiện mẫu composite này, phương
pháp va đập Izod được sử dụng với chiều cao con
lắc là 0.85 m, góc nâng búa là 30
o
. So sánh độ dai va
đập của các các mẫu được trình bày trong đồ thị
Hình 6. Độ dai va đập của vật liệu composite đa lớp
lớn hơn gấp gần 1.2 lần so với epoxy ban đầu và độ
dai va đập lớn nhất là 1.15 J/mm
2
.
Hình 6. Kết quả đo độ dai va đập
3.6. Khảo sát trạng thái phá hủy của các mẫu
Hình thái hư hỏng của các mẫu composite thử
nghiệm trong bài báo được kiểm tra thông qua
phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ảnh vi
mô SEM của các mẫu M1, M2, M3 được thể hiện
trong Hình 7.