Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về vật liệu composite 1. Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là tên gọi của loại vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo ra loại vật liệu mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu khi ở riêng rẽ. Các tính năng này thường tốt hơn hay phù hợp hơn với mục đích và điều kiện sử dụng cụ thể.
Đặc trưng của vật liệu composite là được cấu thành từ nhiều thành phần vật liệu nên chúng còn được gọi là vật liệu đa thành phần [9], [14], [19], [24]. Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền. Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (hay còn gọi là chất độn, chất gia cường, cốt) như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ,. Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba là chất trợ liên kết (hay trợ tương hợp), có tác dụng làm tăng tính năng kết hợp giữa chất độn và nhựa nền.
Polyme composite có các tính chất hoá, lý khác nhiều so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ. Vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite; trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau.
Pha gián đoạn được gọi là cốt, còn gọi là vật liệu gia cường hay vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mài mòn, chống xước. Vật liệu composite có thành phần từ nguyên liệu thực vật Composite sợi tự nhiên được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng các nguồn sợi thực vật phong phú. Sợi cấu thành từ các vi sợi xenlulo dạng tinh thể gia cường cho nền vô định hình của lignin và hemixenlulo. Xenlulo cung cấp độ bền trong khi lignin và hemixenlulo cung cấp độ dai và bảo vệ sợi.
Những sợi xenlulo này gồm có nhiều sợi luan an 7 nhỏ chạy dọc theo chiều dài sợi. Liên kết hydro và những liên kết khác giúp cho sợi có độ bền và độ cứng cần thiết. Các loại composite gia cường sợi tự nhiên như: sợi gỗ, sợi từ vỏ cây, trấu, sợi gai, lanh, đay, chuối. Composite chế tạo từ sợi tự nhiên có ưu điểm nổi bật là nhẹ, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và modul riêng cao, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.
Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất, thân thiện với môi trường, có khả năng thay thế các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, các vật liệu composite làm từ sợi tổng hợp… Thành phần hóa học của sợi tự nhiên thay đổi phụ thuộc vào từng loại sợi. Thành phần hóa học cũng như cấu trúc của sợi thực vật khá phức tạp. Phần lớn các sợi thực vật, trừ sợi bông, đều bao gồm những thành phần chính là xenlulo, hemixenlulo và lignin. Tính chất của những thành phần này đều góp phần vào tất cả các tính chất của sợi.
Hemixenlulo là nguyên nhân chính gây phân hủy sinh học, thấm ẩm và phân hủy nhiệt của sợi, trong khi đó lignin góp phần chịu nhiệt nhưng lại dễ phân hủy bởi tia UV. Tỷ lệ phần trăm thành phần cấu tạo của các thành phần trên thay đổi theo từng loại sợi. Thông thường, sợi có từ 60 - 80% xenlulo, 5 - 20% lignin [9], [15], [16], [20]. Vật liệu composite gỗ - nhựa (Wood Plastic Compostite - WPC) là loại vật liệu composite được tạo ra từ nguyên liệu thực vật (như bột gỗ, bột tre trúc, bột đường, bột rơm rạ…) kết hợp với nhựa (như PE, PP, PVC,…), đồng thời thêm vào lượng chất phụ gia thích hợp, sử dụng phương pháp ép đùn hoặc các phương pháp định hình khác nhau để tạo ra sản phẩm có đặc tính tương đồng với gỗ tự nhiên.
Vật liệu composite gỗ - nhựa có nhiều ưu điểm có thể đóng đinh, cưa cắt, mà độ hút ẩm, hút nước thấp, ít bị mối mọt, mục, đồng thời tái sử dụng giống như vật liệu nhựa. Vật liệu composite gỗ - nhựa là loại có tính chất tốt, ổn định và thân thiện với môi trường và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [20], [24], [27], [36]. Cấ u tạo vật liệu WPC cốt sợi Hin Đặc điểm, tính chất của vật liệu composite Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm: - Là vật liệu nhiều pha. - Trong vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước.
- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite. Tuy nhiên tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm. Phân loại vật liệu composite Vật liệu Polyme composite (PC) được phân loại theo 2 cách dựa trên đặc điểm của 2 pha [20], [24], [36]. - Theo pha nền polyme: + Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn + Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo - Theo pha gia cường: + Chất gia cường dạng phân tán (bột).
+ Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vảy. + Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh…). luan an 9 + Độn không khí hay xốp. + Hỗn hợp polyme - polyme hay còn gọi là blend polime.
Nhìn chung, phân loại composite theo hình dạng vật liệu gia cường gồm có composite cốt sợi và composite cốt hạt. Composite cốt sợi: là composite được gia cường bởi sợi, nó có độ bền riêng và modul đàn hồi cao. Ví dụ như composite sợi thủy tinh, cacbon, xenlulo, … Hình 1. Một số loại composite cốt sợi Composite cốt hạt: như bột gỗ, vảy mica, hạt cao lanh, CaCO3, bột hoặc vảy sắt, đồng, nhôm, … Hình 1.
Một số loại composite cốt hạt 1. Các loa ̣i ván composite được ta ̣o từ vỏ cây Ván composite vỏ cây là một loại sản phẩm ván nhân tạo, tương tự như ván dăm. Về mặt kỹ thuật, thuật ngữ này được sử dụng cho các loa ̣i ván được làm riêng biệt từ dăm vỏ cây có thể sử dụng hoặc không sử dụng bất kỳ loại nhựa tổng hợp nào để làm chất kết dính. Ván composite vỏ cây được tạo thành từ dăm vỏ cây không sử dụng chất kết dính thông qua quá trình công nghệ dưới tác dụng nhiệt độ và áp suất, các hợp chất tự nhiên từ vỏ cây sẽ đóng vai trò là chất kết dính.
Ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính Vật liệu composite vỏ cây - chất kết dính là loại vật liệu composite được tạo từ vỏ cây kết hợp với chất kết dính là nhựa nhiệt rắn (keo UF) bao gồm các bước: Xử lý vỏ cây, sấy khô, nghiền nhỏ vỏ cây, làm sạch vỏ cây khỏi bụi, trộn bột vỏ cây với chất kết dính, ép nóng, hoàn thiện bề mặt. Vỏ cây được cắt nhỏ trên máy cắt, sau đó được đưa vào máy nghiền kiểu búa. Kích thước dăm vỏ cây sau khi nghiền được phân loại bởi máy sàng rung. Dăm nguyên liệu đi qua lỗ có đường kính 15 mm sau đó được sấy khô đến độ ẩm 10-12%.
dăm vỏ cây được đưa vào buồng trộn, sau đó bổ sung chất kết dính, chất kỵ nước. Dưới tác dụng của áp suất, nhiệt độ, thời gian ép sẽ tạo ra ván composite vỏ cây. Theo hướng tiếp cận thứ hai, nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng dăm vỏ cây để tạo ra ván dăm có sử dụng chất kết dính. Một số nghiên cứu chính được đề cập dưới đây: Dost (1971) đã nghiên cứu ảnh hưởng của dăm vỏ cây đến tính chất của ván dăm.
Các tấm ván dăm ba lớp được tạo ra từ dăm gỗ và dăm vỏ cây từ gỗ đỏ với tỷ lệ dăm gỗ/dăm vỏ cây là 100/0, 90/10, 80/20 và 70/30 %, sử dụng 3 tỷ lệ hàm lượng keo khác nhau. Kết quả cho thấy hầu hết các tính chất cơ học giảm khi hàm lượng dăm vỏ cây tăng lên [56]. Deppe và Hoffman (1972) đã nghiên cứu thí nghiệm tạo ván dăm sử dụng vỏ cây từ gỗ lá kim. Vỏ cây vân sam và thông được tách từ máy bóc vỏ.
Chất kết dính phenolic được sử dụng cho ván vỏ cây vân sam và isocyanate được sử dụng cho ván vỏ cây thông. Nghiên cứu đã sử dụng các tỷ lệ khác nhau giữa dăm gỗ và vỏ cây ở lớp bề mặt và lớp lõi. Kết quả cho thấy, khi hàm lượng vỏ cây ở các lớp về mặt tăng lên thì cường độ uốn của ván giảm đi [57]. Maloney (1973) đã thực hiện nhiều thí nghiệm khác nhau về ván dăm vỏ cây từ các loài gỗ lá kim.
Maloney đã tiến hành nghiên cứu tạo ván dăm 1 lớp từ vỏ cây thông tây, Linh sam và cây Tuyết tùng đỏ với hai hàm lượng keo UF là 7,5 và 10%. Kết quả chỉ ra rằng các ván vỏ cây từ gỗ Tuyết tùng đỏ có khả năng dán dính tốt. luan an 11 Đối với ván vỏ cây từ 3 loài còn lại thì độ bền uốn thấp hơn, nhưng khả năng kết dính giữa dăm sợi là tốt hơn so với ván vỏ cây từ gỗ Tuyết tùng đỏ. Sự khác biệt này là do cấu tạo về hình dạng khối cứng của dăm vỏ từ cây Thông và Linh sam, còn hình dạng dăm vỏ từ cây Tuyết tùng là dạng mảnh.
Nghiên cứu cũng đã tạo ván dăm sử dụng vỏ cây Tuyết tùng đỏ (ở lớp mặt) và vỏ cây Linh sam (lớp lõi). Kết quả cho thấy, độ bền uốn và dán dính tốt hơn khi tạo ván 3 lớp có sự kết hợp giữa hai loại vỏ cây [70]. Tiếp nối nghiên cứu trước đây của Maloney, Place và Maloney (1975) đã sản xuất ván dăm ba lớp từ sự kết hợp giữa gỗ và vỏ cây. Các lớp mặt được tạo ra từ dăm gỗ Thông trắng và được liên kết bởi 5% phenol formaldehyd (PF).
Lớp lõi sử dụng vỏ cây Linh sam và được liên kết bởi PF với hàm lượng 6, 8 và 10%. Thời gian ép ván là 30, 120 và 210 giây và đã tạo ra 3 loại ván có khối lượng thể tích lần lượt là 550, 700 và 850 kg/m3. Nghiên cứu của Place và Maloney đã đánh giá ảnh hưởng của khối lượng riêng và thời gian ép đến các tính chất cơ học của ván.