Nghiên cứu vật liệu composit trên nền nhựa polyeste gia cường bằng sợi đay

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSIT TRÊN NỀN NHỰA<br /> POLYESTE GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY<br /> STUDY ON UNSATURATED POLYESTER RESIN MATRIX COMPOSITES<br /> REINFORCED WITH ALKALI-TREATED JUTE FIBERS<br /> <br /> <br /> NGUYỄN BÁ TRUNG - TRẦN VĂN PHƯỚC<br /> Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng<br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Để có liên kết tốt giữa sợi và nhựa nền trong vật liệu composite, sợi đay được xử lý bằng<br /> dung dịch kiềm. Trong công trình nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ kiềm, thời gian và<br /> nhiệt độ lên quá trình xử lý sợi đay đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, sợi đay được xử lý<br /> bằng dung dịch NaOH 5% ở 500C trong 4 giờ có sự cải thiện tính chất cơ lý của sợi cũng như<br /> vật liệu composite được gia cường. Sợi sau khi xử lý có bề mặt đồng nhất, tăng độ kết tinh,<br /> tăng % xenlulo trong sợi, giảm tạp chất do đó cải thiện được liên kết giữa sợi đay và nhựa<br /> polyester không no.<br /> ABSTRACT<br /> In order to create good bonding between the fiber and the resin matrix in the composite<br /> applications, jute have been treated with alkali. In this study, the effects of NaOH<br /> concentration, time and temperatures on jute treatment have been investigated. The results<br /> indicated that jute fibers treated by 5% NaOH at 500C for 4 hours showed an overall<br /> improvement in properties both as fibers as well as reinforced composites. The fibers after<br /> treatment had finer surface, high in percentage of cellulose, increased crystalline, reduced<br /> amount of defects resulting in superior bonding with the unsaturated polyester resin.<br /> <br /> <br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU<br /> Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường từ sợi thiên nhiên đã thu hút<br /> sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học [1],[2]. Đặc điểm của các loại sợi này là khối<br /> lượng riêng thấp, modun đàn hồi cao [3], khả năng thấm ướt nhựa nền tốt, dễ bị phân hủy sinh<br /> học và có giá thành thấp hơn nhiều so với composite sợi tổng hợp. Trong số các loại sợi thiên<br /> nhiên, đay là loại sợi được quan tâm nhiều nhất.<br /> Để tạo vật liệu composite có liên kết tốt giữa sợi và nhựa nền, sợi đay được xử lý bằng<br /> dung dịch kiềm [4],[5],[6]. Các nghiên cứu đã thực hiện xử lý sợi đay ở các điều kiện khác<br /> nhau để thay đổi dạng tồn tại và tính chất của sợi.<br /> Trong công trình này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung<br /> dịch NaOH, thời gian và nhiệt độ xử lý đến quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi đay được canh<br /> tác trong điều kiện khí hậu miền trung Việt Nam. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý sợi đến tính<br /> chất cơ lý của vật liệu composite cũng được khảo sát một cách đầy đủ. Nhằm cải thiện tính<br /> chất cơ lý của vật liệu, chúng tôi nghiên cứu thay thế một phần sợi đay bằng sợi thủy tinh.<br /> Ảnh hưởng của môi trường đến độ bền của vật liệu composite tạo ra cũng được khảo<br /> sát đầy đủ nhằm xem xét phạm vi ứng dụng của loại vật liệu này.<br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> 2.1.Nguyên liệu và hóa chất<br /> - Sợi đay (đay xanh) được thu thập ở xã Duy Phước, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng<br /> Nam. Sợi đay được giữ trong túi polyetylen tối màu, ở nhiệt độ phòng.<br /> - Nhựa polyeste không no (UPE) được sử dụng làm nền. Metyl etyl ketone peroxit<br /> (MEKP), Co napthenat và N, N-dimetyl anilin được sử dụng để làm chất xúc tác, xúc tiến,<br /> chất trợ xúc tác tương ứng.<br />  - Vải thủy tinh dạng mat, dệt 450g/m2 do Trung Quốc sản xuất<br /> - Các hóa chất khác: NaOH, CH3COOH dạng tinh khiết, wax chống dính …<br /> 2.2. Phương pháp hoá học xử lý sợi đay bằng kiềm<br /> Sợi đay được ngâm trong dung dịch NaOH ở nồng độ, thời gian và nhiệt độ khảo sát<br /> tương ứng. Sợi được rửa nhiều lần bằng nước sạch nhằm loại bỏ toàn bộ NaOH bám dính trên<br /> bề mặt sợi, trung hòa bằng dung dịch axit axetic loãng sau đó rửa lại bằng nước cất đến pH<br /> bằng 7. Sợi được làm khô ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, sấy ở 1000C trong 6 giờ.<br /> 2.3. Phương pháp phân tích vật lý<br /> - Phương pháp phân tích nhiệt: Xác định hàm lượng sợi sau xử lý và khả năng loại bỏ<br /> tạp chất khỏi sợi.<br /> - Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM): Khẳng định hiệu quả quá trình<br /> tách tạp chất ra khỏi sợi; khả năng tương hợp của vật liệu gia cường và nhựa nền.<br /> 2.4. Quá trình gia công vật liệu composite<br /> Sợi đay sau khi xử lý ở điều kiện như mục (2.2) được sử dụng để làm cốt gia cường<br /> cho vật liệu composite. Vật liệu composite được gia công bằng tay, đóng rắn ở điều kiện<br /> thường. Tỉ lệ khối lượng sợi là 20% được chuẩn bị sẵn trước khi gia công. Khuôn được chùi<br /> sạch và bôi chất chống dính. Đắp liên tục từng lớp nhựa và sợi, dùng con lăn để đuổi bọt khí,<br /> thực hiện đến khi mẫu đạt độ đày cần thiết thì dừng lại. Mẫu composite sẽ đóng rắn hoàn toàn<br /> sau 48 giờ.<br /> Vật liệu composite lai tạo được thực hiện bằng cách thay thế một phần sợi đay bằng<br /> sợi thủy tinh.<br /> 2.5. Kiểm tra tính chất cơ lý<br /> Độ bền kéo và uốn được xác định trên máy đo 100kN INSTRON 5582 của Anh với<br /> phạm vi đo 0-100kN.<br /> 2.6. Độ bền môi trường<br /> Vật liệu sau khi đo độ bền cơ lý chọn ra mẫu có độ bền cao nhất, cắt thành các mẫu<br /> nhỏ có diện tích 1 cm2 ngâm trong các môi trường khác nhau: nước sinh hoạt, nước biển,<br /> dung dịch kiềm loãng, dung dịch axit loãng để đánh giá độ bền môi trường của vật liệu thông<br /> qua độ trương và độ tan.<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và thời gian đến lượng tạp chất tách<br /> ra<br /> Chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hai yếu tố là nồng độ dung dịch NaOH<br /> và thời gian ngâm đến lượng tạp chất tách ra bằng phương pháp đơn biến. Giới hạn mức<br /> nghiên cứu với nồng độ kiềm từ 1% – 5% và thời gian ngâm từ 1 – 9 ngày. Kết quả được đưa<br /> ra ở bảng 3.1 và được biểu diễn ở hình 3.1.<br /> <br /> Bảng 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH<br /> và thời gian đến lượng tạp chất tách ra<br /> <br /> Thời gian<br /> (ngày) 1 2 3 4 5 6 7 8 9<br /> C%NaOH<br /> 1% 12,568 13,489 14,423 14,923 15,145 15,192 15,186 15,291 15,67<br /> 2% 14,148 15,321 15,614 16,588 17,494 17,521 17,824 17,798 18,01<br /> 3% 14,541 15,534 16,206 17,227 18,174 18,552 18,562 18,648 18,56<br /> 4% 15,743 16,54 17,503 18,079 19,48 21,52 22,12 23,234 24,34<br /> 5% 16,213 17.234 18,723 20,34 23,327 24,989 26,215 27,245 27,32<br />  30<br /> <br /> 25<br /> <br /> 1%NaOH<br /> 20<br /> % Tạp chất<br /> <br /> <br /> 2%NaOH<br /> 15 3%NaOH<br /> 4%NaOH<br /> 10<br /> 5%NaOH<br /> 5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1 2 3 4 5 6 7 8 9<br /> <br /> Thời gian (ngày)<br /> <br /> <br /> Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH<br /> và thời gian ngâm đến lượng tạp chất tách ra<br /> <br /> Kết quả nghiên cứu cho thấy ở nồng độ dung dịch kiềm loãng (1 ÷ 3%), khi nồng độ<br /> dung dịch tăng thì lượng tạp chất tách ra tăng nhanh và khả năng tách tăng dần theo thời gian,<br /> từ 1 đến 7 ngày thì lượng tạp chất tách ra tăng tuyến tính theo thời gian nhưng sau thời gian<br /> đó thì lượng tạp chất tách ra hầu như không đáng kể. Khi tăng nồng độ kiềm thì lượng tạp<br /> chất tách ra cũng tăng theo, ở nồng độ 5% lượng tạp chất tách ra là nhiều nhất.<br /> Như vậy ở nồng độ dung dịch kiềm là 5% và thời gian ngâm là 7 ngày thì lượng tạp<br /> chất tách ra gần như hoàn toàn.<br /> 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi đay<br /> Để rút ngắn thời gian xử lý sợi, chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của lượng<br /> tạp chất tách ra theo nhiệt độ ở nồng độ dung dịch kiềm 5%. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.2<br /> và được biểu diễn ở hình 3.2.<br /> <br /> Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến lượng tạp chất tách ra<br /> <br /> Thời gian(giờ)<br /> 2 4 6 8 10<br /> Nhiệt độ (0C)<br /> 30 7,12 8,78 9,06 10,94 11,14<br /> <br /> 40 11,82 12,78 13,17 13,9 14,52<br /> <br /> 50 12,92 14,41 16,51 17,23 18,25<br /> <br /> 60 14,05 20,23 25,54 26,79 27,24<br /> <br /> 70 25,82 26,74 31,5 33,56 36,98<br />  40<br /> <br /> 35<br /> <br /> 30 300C<br /> % Tạp chất 25 400C<br /> <br /> 20 500C<br /> <br /> 15 600C<br /> <br /> 10 700C<br /> <br /> 5<br /> <br /> 0<br /> 2 4 6 8 10<br /> <br /> Thời gian (giờ)<br /> <br /> Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến lượng tạp chất tách ra<br /> <br /> Qua đồ thị cho thấy khi nhiệt độ thấp thì hàm lượng tạp chất tách ra ít, khi tăng nhiệt<br /> độ thì lượng tạp chất tách ra tăng dần. Khi nhiệt độ tăng lên 700C thì phần trăm tạp chất tách<br /> ra lại tăng nhanh và có hiện tượng phá huỷ sợi.<br /> Như vậy khoảng điều kiện tối ưu để loại bỏ tạp chất ra khỏi sợi đay:<br /> Nồng độ dung dịch kiềm: 5%<br /> Nhiệt độ xử lý: 600C<br /> Thời gian xử lý: 6 giờ<br /> Nhằm khẳng định hiệu quả quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi, mẫu sợi đay trước và<br /> sau khi xử lý được chụp trên kính hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy việc xử lý bằng kiềm<br /> đã loại bỏ được tạp chất có ở trong sợi, bề mặt sợi thu được là đồng nhất hơn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> A. Mẫu đay chưa xử lý B. Mẫu đay đã xử lý bằng dung dịch<br /> NaOH 5% - 6 giờ - 600C<br /> <br /> Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu sợi đay trước và sau khi xử lý<br /> <br /> 3.3. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu sợi đay trước và sau khi xử lý<br /> Kết quả phân tích được đưa ra ở các hình 3.4, 3.5.<br />  Hình 3.4. Mẫu sợi đay chưa xử lý Hình 3.5. Mẫu sợi đay xử lý bằng<br /> NaOH 5%-600C-6 giờ<br /> <br /> Từ giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sợi đay chưa xử lý và đã xử lý trong dung dịch<br /> NaOH 5% và 600C, trong thời gian 6 giờ cho thấy đường Dr TGA của mẫu sợi chưa xử lý có<br /> xuất hiện nhiều pic nhỏ, trong khi mẫu sợi đã xử lý thì không chứa những pic này. Ngoài ra,<br /> có sự dịch chuyển nhiệt độ cháy của xenlulo từ 319,290C đối với mẫu chưa xử lý lên<br /> 343,680C đối với mẫu đã xử lý. Phần trăm xenlulo trong mẫu sợi sau khi xử lý cũng tăng lên<br /> (khoảng 86% đối với sợi đay chưa xử lý lên 92,48% đối với mẫu sợi đã xử lý ở 600C trong 6<br /> giờ). Như vậy, sợi đay được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% trong thời gian 6 giờ, tại 600C<br /> thì lượng tạp chất tách ra là lớn nhất, tăng độ kết tinh của sợi.<br /> 3.4. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý lên tính chất cơ lý của vật liệu<br /> 3.4.1. Tính chất cơ lý của vật liệu composite sợi đay-polyeste không no<br /> Sợi đay sau khi xử lý ở các điều kiện khảo sát được gia công theo phương pháp lăn ép<br /> bằng tay theo tỉ lệ sợi/nhựa = 20/80, đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Mẫu được cắt theo tiêu chuẩn<br /> đem đo tính chất cơ lí.<br /> Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của vật liệu composite sợi đay-polyeste không no<br /> <br /> Nhiệt độ 500C 600C 700C<br /> Thời gian<br /> 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8<br /> (giờ)<br /> Độ bền<br /> kéo 22,7 34,22 30,07 30,35 22,37 25,55 23,31 21,93 23,27 22,79 20,73 19,75<br /> (MPa)<br /> Độ bền<br /> uốn 58,76 62,41 56,02 41,81 59,14 55,83 41,67 37,99 53,77 46,36 34,17 30,43<br /> (MPA)<br />  Vật liệu composite gia cường từ sợi đay đã xử lý ở nồng độ NaOH 5%, nhiệt độ 500C,<br /> thời gian ngâm 4 giờ thì có độ bền kéo và uốn là cao nhất. So với sợi chưa xử lý thì độ bền<br /> kéo và độ bền uốn của vật liệu tăng 103% và 246,34% tương ứng.<br /> Như vậy, khoảng điều kiện hợp lý để xử lý sợi đay làm cốt gia cường cho vật liệu<br /> polyme composite trên nền nhựa UPE là:<br /> Nồng độ dung dịch NaOH: 5%<br /> Nhiệt độ: 500C<br /> Thời gian: 4 giờ<br /> 3.4.2. Tính chất cơ lý của vật liệu composite kết hợp sợi đay và thủy tinh trên nền<br /> nhựa polyeste không no<br /> Sợi đay sau khi xử lý bằng NaOH đã cải thiện đáng kể tính chất cơ lí của vật liệu. Để<br /> tăng cường độ bền cơ lí hơn nữa, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thay thế 1 phần sợi đay bằng<br /> sợi thuỷ tinh. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.4.<br /> Bảng 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu composite kết hợp sợi đay, thủy tinh-UPE<br /> <br /> 70% Đay-30% 50% Đay-50% 30% Đay-70% 100% Thủy<br /> ĐỘ BỀN CƠ LÝ 100% Đay<br /> Thủy tinh Thủy tinh Thủy tinh tinh<br /> <br /> <br /> Độ bền kéo (MPa) 34,22 29,37 36,14 55,17 95,40<br /> <br /> <br /> Độ bền uốn (MPa) 62,41 53,97 65,84 141,05 162,13<br /> <br /> <br /> <br /> Như vậy, khi kết hợp sợi đay với sợi thủy tinh theo các tỉ lệ khác nhau thì độ bền kéo<br /> và độ bền uốn tăng so với vật liệu composite gia cường từ sợi đay xử lý ở điều kiện tối ưu.<br /> Tuy nhiên, khi kết hợp theo tỉ lệ 70% đay-30% thủy tinh độ bền uốn lại giảm 13,52%, độ bền<br /> kéo giảm 14,17%, còn khi tỉ lệ 50% đay-70% thủy tinh thì độ bền uốn tăng 5,6% và độ bền<br /> kéo tăng 5,50%, tỉ lệ 30% đay-70% thủy tinh thì độ bền uốn và kéo lần lượt tăng 61,22% và<br /> 126%.<br /> Để khẳng định khả năng tương hợp giữa sợi với nhựa nền, mẫu composite gia cường<br /> bằng sợi đay trước và sau khi xử lý sau khi phá huỷ do kéo được chụp SEM. Kết quả cho thấy<br /> liên kết của sợi đay sau xử lý bằng kiềm với nhựa nền là tốt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> A. Trước xử lý B. Sau khi xử lý<br /> <br /> Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu composit gia cường từ sợi đay<br /> trước và sau khi xử lý bằng kiềm sau khi bị phá huỷ do kéo<br />  3.5. Độ bền môi trường của vật liệu composite từ sợi đay và nhựa UPE<br /> Để ứng dụng vật liệu này trong thực tế, chúng tôi tiến hành nghiên cứu độ bền trong<br /> môi trường nước sinh hoạt và nước biển thông qua độ trương và độ tan.<br /> <br /> Bảng 3.5. Độ trương và độ tan của vật liệu trong các môi trường khác nhau<br /> <br /> % trương % tan<br /> Thời gian (ngày)<br /> 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10<br /> Môi trường<br /> <br /> Nước sinh hoạt 0,539 1,109 4,633 5,000 5,302 0,02 0,03 0,06 0,082 0,09<br /> <br /> Nước biển 0,410 1,006 3,032 4,102 4,227 0,04 0,09 0,121 0,142 0,144<br /> <br /> <br /> Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu bền trong nước và nước biển. Điều đó cho phép<br /> ứng dụng loại vật liệu này trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Dựa vào kết quả nghiên cứu ở trên chúng tôi rút ra một số nhận xét sau:<br /> - Sợi đay được xử lý trong dung dịch NaOH 5%, ở 500C, trong 4 giờ cho sợi có tính<br /> chất tốt để gia cường cho vật liệu polyme composite.<br /> - Có thể tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu bằng cách kết hợp sợi đay với sợi thuỷ<br /> tinh.<br /> - Vật liệu composite trên nền nhựa polyeste không no với sợi đay bền trong môi<br /> trường nước thường, nước biển.<br /> - Có thể sử dụng sợi đay để làm cốt gia cường trong một số sản phẩm composite và<br /> ứng dụng chúng trong một số lĩnh vực nhất định.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1] Leonard Y. Mwaikambo, Martin P. Ansell, “Chemical modification of hemp, sisal,<br /> jute and kapok fibers by alkalization”, Journal of applied polymer science, vol.84,<br /> 2222-2234, 2002.<br /> [2] N. P Gupta, P.C Patni, R.K.Arora and S.K. Chopra, “Properties of alkali treated jute,<br /> ramie, pineapple leaf fibers and yarns”, Cellulose chem – Techno, 20: 515-521, 1986.<br /> [3] F.Sadov, M.Korchagin, M.Matetsky, Chemical technology of fibrous materials, Mir<br /> Publishers, Moscow, 1973.<br /> [4] R.K. Basak, A.K. Rana, “Study of the thermal behavior of alkali-treated jute fibers”,<br /> Journal of applied polymer science, 85: 2594-2599, 2002.<br /> [5] Gassan J, Bledzki AK. “Alkali treatment of jute fibers: relationship between structure<br /> and mechanical properties”, Journal of applied polymer science, 71: 623-629,1999.<br /> [6] Jochen Gassan, Andze. J.K. Bledzki, “Possibilities for improving the mechanical<br /> properties of jute/epoxy composites by alkali treatment of fibers”, composites science<br /> and technology, 59: 1303 – 1309, 1999.<br />