LỜI MỞ ĐẦU Sợi sisal là một loại sợi thiên nhiên đã có ở nước ta từ rất lâu, sợi dễ trồng, có màu sáng, có cơ tính tương đối cao do đó được dùng nhiều trong sinh hoạt và sản xuất. Việc sử dụng sợi sisal làm chất gia cường trong composite là mối quan tâm và mong muốn hàng đầu bởi các lợi ích về môi trường và kinh tế mang lại. Hiện nay vấn đề này đã và đang được nghiên cứu rất nhiều ở nước ta cũng như các nước trên thế giới. Có rất nhiều bài báo, tạp chí và báo cáo của các nhà khoa học viết về đề tài này, những nghiên cứu của họ đã được thực hiện với nhiều phương pháp, nghiên cứu trên rất nhiều các loại vật liệu nền khác nhau và vẫn còn đang tiếp tục.
Ở nước ta hiện nay vật liệu composite sợi thủy tinh nền nhựa Polyesther không no (UPE) được sử dụng nhiều và khá đa dạng trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, hóa chất, hàng hải,. Sợi sisal được đánh giá có khả năng thay thế cho sợi thủy tinh - một thành phần gia cường trong vật liệu composite. Những lợi ích mà sợi sisal cũng như các loại sợi thiên nhiên mang đã rõ nhưng hiện nay ở nước ta việc sử dụng loại sợi này để ứng dụng gia cường cho vật liệu composite vẫn còn rất hạn chế bởi chất lượng của sợi và khả năng liên kết với nhựa nền. Chính vì vậy mục tiêu của đề tài này là tiến hành những nghiên cứu về phương pháp xử lý hóa học và biến tính hóa học đối với sợi sisal với mong muốn tạo ra được sợi có chất lượng tốt hơn, liên kết chặt chẽ với nền nhựa UPE và có khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất với quy mô lớn.
Nghiên cứu được tiến hành bao gồm: xử lý hóa học sợi bằng dung dịch NaOH, biến tính hóa học bằng chất liên diện Silanes, nghiên cứu ứng dụng vào vật liệu composite nền nhựa UPE. Kết quả được đánh giá chủ yếu thông qua các tính năng cơ lý và các phương pháp phân tích như: SEM, X-Ray,… TÓM TẮT Trong đề tài này, sợi dứa đƣợc xử lý hóa học với các điều kiện xử lý khác nhau. Sự thay đổi về hình thái và cấu trúc của sợi đƣợc xác đánh giá bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X và ảnh hiển vi điện tử quét SEM. Hiệu quả xử lý đƣợc đánh giá thông qua tính chất kéo sợi đơn.
Điều kiện xử lý hóa học tối ƣu cho sợi có tính chất kéo tốt nhất xác định đƣợc là nồng độ dung dịch NaOH 5% và thời gian xử lý 6 giờ. Sợi sau khi xử lý hóa học đƣợc đƣa vào gia cƣờng cho nền nhựa Polyesther không no UPE bằng phƣơng pháp ép tạo composite ở điều kiện nhiệt độ phòng với mục đích khảo sát ảnh hƣởng của điều kiện xử lý hóa học, chiều dài sợi, hàm lƣợng sợi đến tính chất vật liệu composite. Qua khảo sát đã xác định đƣợc điều kiện xử lý tối ƣu là 5% 6 giờ, chiều dài sợi tốt nhất là 3cm và hàm lƣợng tốt nhất đạt đƣợc 40-45%. Tiếp tục tiến hành khảo sát biến tính sợi xử lý hóa học tối ƣu bằng chất liên diện γ - aminopropyltriethoxysilane (A1100) với mục đích tăng cƣờng khả năng kết dính liên diện, tạo thấm ƣớt bề mặt tốt giữa sợi và nhựa nền.
Kết quả thu đƣợc vật liệu composite với tính năng cơ lý vƣợt trội ở phƣơng pháp biến tính phun dung dịch A1100-cồn nồng độ chất liên diện 1% về khối lƣợng so với sợi. ABSTRACT In this study, sisal fibers were chemically treated with sodium hydroxide (NaOH) at different concentrations and immersion time. The morphological and structural changes of treated fibers were characterized by X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). A series of the fiber single tensile tests also performed to evaluate the effect of the treatments on the fiber tensile properties.
It was found that the treatment condition of 5% NaOH in 6 hours yielded the optimum tensile strength and modulus of the sisal fibers. The treated sisal fibers were incorporated into unsaturated polyester (UPE) by pressing method at room temperature and the effects of different treatment conditions, fiber length and fiber content on the mechanical properties of sisal fiber-reinforced UPE were investigated. The composites of 5% NaOH, 6h treated fibers showed the highest mechanical properties. The best mechanical improvement of fiber reinforced UPE composites were obtained at 40-45 % fiber content with the fiber length of 3 cm.
The UPE/sisal composites were also prepared to modify by various method and using γ - aminopropyltriethoxysilane (A1100) as a silane coupling agent. The use of coupling agent enhances adhesion between the fiber and the polymer, offer better fiber wetting in the matrix phase, so. The composites exhibited superior mechanical performance with 1% coupling agent (based on the fiber weight) by spraying method. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.
VẬT LIỆU COMPOSITE 1. Lịch sử phát triển của vật liệu composite [2] Vật liệu composite là vật liệu đƣợc cấu tạo nên từ hai hay nhiều thành phần khác nhau. Từ “composite” xuất phát từ gốc tiếng Anh có nghĩa là “vật liệu hỗn hợp, tổng hợp, phức hợp,…”. Vật liệu composite thực ra đã đƣợc con ngƣời sử dụng từ rất lâu: ngƣời Hy Lạp cổ đã biết lấy mật ong hòa trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng; ngƣời Ai Cập cách đây hơn 3000 năm đã biết dùng đất sét, gia cƣờng bằng trấu để xây dựng nên những bức tƣờng; hoặc nhƣ ở nƣớc ta ngay từ ngày xƣa đã truyền lại cách làm “nhà tranh, vách đất”, lấy bùn trộn với rơm băm trát vách nhà, khi khô tạo lớp vật liệu cứng, làm cho nhà mát về mùa hè và ấm về mùa đông.
Mặc dù composite là vật liệu đã có từ rất lâu đời nhƣng ngành khoa học về vật liệu composite lại hoàn toàn non trẻ. Khoa học về composite đƣợc hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên của chúng trong công nghệ tên lửa ở Mỹ từ những năm 50 của thế kỷ XX. Kể từ đó cho đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển vƣợt bậc, không những chỉ ở Mỹ, mà còn ở Liên Xô, hiện nay là ở Nga và một số nƣớc SNG, Trung Quốc và các nƣớc công nghiệp phát triển nhƣ Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản,…Đến nay, composite đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực: từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông vận tải, xây dựng cho đến các ngành công nghiệp nặng (chế tạo máy, khai thác chế biến dầu khí, đóng tàu, điện lực, hóa chất,…), đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ. Tổng quan về vật liệu composite 1.
Giới thiệu chung Composite là vật liệu tổ hợp mà có ít nhất là hai thành phần cơ bản: vật liệu nền và cốt gia cƣờng (cốt), nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẻ. Thành phần cơ bản của vật liệu composite: Nền (matrix): là pha liên tục, là thành phần chủ yếu gắn kết phần cốt với nhau, đảm bảo tính liền khối của vật liệu, quyết định phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu và nền quyết định đến phƣơng thức chế tạo sản phẩm composite. Cốt gia cƣờng (reinforced): là pha không liên tục (gián đoạn), đƣợc phân bố đẳng hƣớng hoặc dị hƣớng, có thể là sợi, hạt, có cấu tạo và cấu trúc rất đa dạng. Thành phần cốt đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền cơ học cao.
Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào: Cơ tính của các vật liệu thành phần Phân bố hình học của vật liệu cốt Tác dụng tƣơng hỗ, lực liên kết giữa các vật liệu thành phần 1. Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite đƣợc phân loại theo hình dạng và bản chất của các vật liệu thành phần. Phân loại vật liệu composite theo hình dạng cốt gia cƣờng Vật liệu composite cốt sợi: Sợi gia cƣờng ở dạng liên tục hay gián đoạn (cắt ngắn, vụn). Cơ – lý tính vật liệu composite phụ thuộc vào: Bản chất của vật liệu thành phần Tỉ lệ của các vật liệu tham gia Phƣơng của sợi Vật liệu composite cốt hạt: Hạt thƣờng đƣợc sử dụng để cải thiện 1 số tính chất cơ tính của vật liệu nhƣ tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm độ co ngót.
Cũng có khi hạt đƣợc sử dụng để làm giảm giá thành sản phẩm. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần Composite nền hữu cơ Kết hợp với vật liệu cốt có dạng: - Sợi hữu cơ : polyamit, kevlar. - Sợi khoáng : thủy tinh cacbon. - Sợi kim loại : Bo, nhôm.
Composite nền kim loại Kết hợp với vật liệu cốt có dạng: - Sợi kim loại: Bo - Sợi khoáng: cacbon, SiC Composite nền khoáng Kết hợp với vật liệu cốt có dạng: - Sợi kim loại: Bo - Hạt kim loại: chất gốm kim - Hạt gốm: cacbua nitơ. Vật liệu polyme composite 1. Khái niệm Trong lĩnh vực polymer, nền vật liệu composte là các vật liệu đi từ nhựa (chất nền) đƣợc gia cƣờng bằng cốt (dạng hạt, dạng sợi,…). Cốt gia cƣờng có cơ lý hóa tính cao hơn nhựa nền và giá thành đôi khi thấp hơn nhựa nền.
Cho nên sự kết hợp này nhằm tạo ra sản phẩm mới có tính năng cơ lý hóa hơn hẳn vật liệu ban đầu và ngoài ra có thể hạ giá thành. Ở nƣớc ta vật liệu composite đƣợc biết đến đa phần qua những ứng dụng của vật liệu polyme composite do đó thuật ngữ “vật liệu composite” đa số đƣợc hiểu và nghĩ đến đầu tiên là những vật liệu polyme composite. Nhựa nền Nhựa nền đóng vai trò là chất kết dính, chuyển dạng rời rạc của cốt thành dạng liên tục và là môi trƣờng truyền tải ứng suất sang cốt khi có ngoại lực tác dụng. Ngƣời ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn: Nhựa nhiệt dẻo: PE, PVC,… Nhựa nhiệt rắn: Phenol Formaldehyd (PF), Ure Formaldehyd (UF), epoxy, Polyeste không no (UPE), … b.
Cốt gia cƣờng Cốt gia cƣờng đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì cốt có tính năng cơ lý, hóa cao hơn nhựa nền. Cốt gia cƣờng đƣợc đánh giá qua các đặc điểm sau: Tính gia cƣờng cơ học. Tính kháng hóa chất , môi trƣờng , nhiệt độ. Khả năng phân tán vào nhựa.
Khả năng truyền nhiệt , giải nhiệt. Sự thuận lợi cho quá trình gia công. Tùy vào yêu cầu cho từng loại sản phẩm cụ thể mà ngƣời ta lựa chọn vật liệu cốt thích hợp. Có hai loại: Cốt dạng hạt: Composite tạo thành là composite hạt.
Các cốt dạng hạt thƣờng dùng nhƣ: - Loại vô cơ: + Graphite, oxide sắt… làm tăng độ dẫn điện hay tạo ra những vật đúc có tính cảm ứng từ.
