CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ NHỰA NỀN POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG BẰNG SỢI TRE 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT SINH HỌC Trong giai đoạn hiện nay, xuất phát từ những vấn đề như: bảo vệ môi trường, yêu cầu phát triển các sản phẩm mới có nguồn gốc tự nhiên, nhu cầu tiêu thụ trong nước cũng như trên thế giới nên đã có nhiều công trình nghin cứu khoa học tập trung vào lĩnh vực polyme compozit sinh học. Có ba vấn đề chung cần đề cập đến là: Vấn đề môi trường: Công nghiệp hoá dầu phát triển mạnh, theo đó là công nghệ gia công các sản phẩm từ nhựa nhiệt dẻo để sản xuất ra các loại bao bì, hàng hóa tiêu dùng không ngừng phát triển. Cùng với sự xuất hiện của một khối lượng lớn các loại sản phẩm chế tạo từ polyme là sự tồn tại một lượng không nhỏ phế liệu, phế thải sau sử dụng, ước tính 40 đến 50 triệu tấn/năm (toàn thế giới năm 2007).
Những vật liệu này sau khi sử dụng đã thải ra môi trường hàng chục, hàng trăm năm, rất khó phân huỷ, gây ô nhiễm nặng nề. Đã có một vài phương án xử lý, nhưng hiệu quả xử lý không cao. Khi chon lấp chúng thì một mặt là tốn diện tích, mặt khác còn gây ô nhiễm nguồn nước và đất. Nếu đốt thì cũng rất tốn kém và còn sản sinh ra một lượng CO 2 hoặc đioxin rất có hại cho con người và môi trường.
Nếu dùng phương pháp tái sinh thì sản phẩm sau tái sinh có chất lượng không cao trong khi giá thành của chúng cũng không hề thấp [5, 22,26]. Vấn đề phát triển sản phẩm mới: Thực tế đặt ra và đòi hỏi các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới là nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới có tính chất ưu việt hơn và thân thiện môi trường. Do đó, cần nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu polyme phân huỷ sinh học và ứng dụng chúng trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu và đòi hỏi trên. 5 Vấn đề tiêu thụ: Ngày nay, nhu cầu về vật liệu polyme phân huỷ sinh học trên thế giới ngày một tăng do sức ép về bảo vệ môi trường.
Những nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Đức, Nhật, Thuỵ Điển, Hà Lan, … là những nước đi đầu trong việc sử dụng polyme phân huỷ sinh học để thay thế dần các polyme truyền thống khó phân huỷ. Tại những nước này, nhu cầu sử dụng vật liệu polyme sinh học chiếm 11 – 15% trong tổng số nhựa nhiệt dẻo khó phân huỷ. Xu hướng thế giới là sẽ thay dần 30% các polyme khó phân huỷ vào năm 2010 và tại Trung Quốc, chính phủ đã có những quyết sách mạnh mẽ về bảo vệ môi trường, quyết tâm xây dựng các thành phố “xanh”, sử dụng 100% bao bì túi đựng tự phân huỷ[5]. Theo định nghĩa khái quát, compozit sinh học là loại vật liệu trong đó có chứa nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo là sợi tự nhiên, còn gọi là sợi sinh học.
Loại sợi này có thể phân huỷ trong những điều kiện xác định. Còn nền cho compozit có thể đi từ nhựa có hay không có khả năng phân huỷ sinh học hay phân huỷ trong môi trường. Việc nghiên cứu polyme phân huỷ sinh học là một trong những nhiệm vụ cấp bách đặt ra ở nước ta. Một số nghiên cứu ban đầu thành công, đã tạo ra công nghệ chế tạo vật liệu polyme phân huỷ sinh học: Công nghệ tạo hạt, công nghệ chế tạo màng mỏng có khả năng tự phân huỷ.
Sản phẩm dưới dạng màng phủ nông nghiệp và bầu ươm cây giống đã được chế tạo với số lượng lớn và đã ứng dụng trong nông nghiệp cho kết quả tốt. + Trong lĩnh vực nông nghiệp: Màng mỏng polyme tự phân huỷ dùng để che phủ luống lạc, ngô, đậu tương … có tác dụng giữ ẩm, giữ nhiệt cho đất, ngăn chặn cỏ dại, trừ sâu bệnh, chống sói mòn, lưu giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất … Tổng diện tích trồng cây hoa màu của cả nước ước tính đạt 300 000 ha, chủ yếu ở các tỉnh Hòa Bình, Thái Nguyên, Bắc Kạn, Nghệ An, Thanh Hoá. Nhu cầu về màng phủ nông nghiệp khoảng 60 000 tấn/2 vụ. + Trong lĩnh vực công nghiệp: 6 Một số cây công nghiệp như: Bông, café, chè, thuốc lá … rất cần được che phủ trong thời gian sinh trưởng của chúng.
Phần lớn cây công nghiệp thích nghi với vùng đồi như: Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hà Giang, Đắc Lắc, Ninh Thuận, Gia Lai, Kon Tum. Đây là những nơi cần giữ nước, giữ ẩm cho cây trồng, những nơi cần chống sói mòn, cần giữ hàm lượng dinh dưỡng cho đất. Tổng diện tích riêng 4 loại cây công nghiệp trên ước tính là 420 000 ha, có nhu cầu cỡ 40 000 tấn màng phủ/ 1năm. Đó là chưa kể số lượng diện tích trồng rừng trong chương trình 5 triệu ha rừng của nhà nước.
Điều đó cho thấy là nhu cầu về màng mỏng che phủ giữ ẩm cho cây công nghiệp là rất lớn. + Trong đời sống hàng ngày: Ngành nhựa nước ta hiện nay đang gia công các đồ dùng bằng nhựa nhiệt dẻo với số lượng năm 2007 là 1 800 000 tấn, trong đó công nghiệp chế tạo bao bì các loại chiếm 30% tương đương 540 000 tấn. Nếu tạm tính thay thế 30% bao bì bằng vật liệu polyme tự phân huỷ chúng ta phải cần cỡ 162 000 tấn nhựa tự huỷ mỗi năm. Như vậy, riêng 3 lĩnh vực chính, hàng năm nhu cầu về nhựa và màng mỏng tự phân huỷ là 260 000 đến 280 000 tấn/năm.
Để chế tạo compozit sinh học bền vững, cùng với việc sử dụng polyme sinh học thương mại như xenlulo axetat, chất dẻo tinh bột, polyester vi khuẩn và polylactic axit, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển polyme sinh học từ protein đậu nành và dầu thảo mộc thông qua công nghệ đổi mới. Sức hấp dẫn đáng kể của sợi sinh học là giá thành thấp. Không dùng dung môi hữu cơ khi xử lý bề mặt mà dùng các phương pháp phủ keo tan trong nước, xử lý kiềm và xử lý bằng silan để biến tính bề mặt sợi. Tính chất cơ học của một số compozit gia cường bằng sợi thực vật được trình bảy ở bảng 1.
7 Bảng 1: Tính chất cơ học của một số compozit gia cường băng sợi thực vật. Compozit Hàm lượng Độ bền Mođun Độ bền Mođun Độ bền thể tích kéo kéo uốn uốn va đập (%) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (kJ/m2) Dứa dại/polyeste 50 47,1 12 900 80,4 9 370 - Dứa dại/CNSL 50 24,5 8 810 - 16 150 - Dứa dại/epoxy 40 37 3 500 266 15 930 - Vải cotton- bông 51 33,79 489 19 225 88 gòn/CNSL Vải cotton- bông 49 43,14 802 42 507 100 gòn/polyeste 1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT GIA CƯỜNG SỢI THỰC VẬT Nhiều thập niên qua, các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu các loại vật liệu polyme gia cường sợi thực vật. Chất gia cường cho vật liệu compozit thường là sợi aramit, sợi cacbon và sợi thuỷ tinh. Vật liệu compozit loại này được ứng dụng làm nội thất máy bay, công nghiệp ô tô, xây dừng và các thiết bị thể thao đòi hỏi có độ bền cao.
Hiện nay, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật là một hướng nghiên cứu đang được quan tâm chú trọng vì về khía cạnh sinh thái học như khả năng tái tạo và sản phẩm thân thiện với môi trường đang được chính phủ nhiều nước quan tâm và xúc tiến với nhiều dự án lớn. Xu hướng hiện nay là sử dụng compozit sợi thực vật thay thế vật liệu compozit sợi thuỷ tinh trong các ứng dụng được lựa chọn. Ngoài ra, các chi tiết ô tô 8 trước đây làm bằng compozit sợi thuỷ tinh nay đã được sản xuất bằng vật liệu compozit sợi thực vật ít ảnh hưởng tới môi trường[18,19,22]. Hạn chế của sợi thực vật là hấp thụ ẩm cao, có thể làm cho sợi trương và không thể bảo đảm độ ổn định kích thước của compozit.
Có thể giảm độ hút nước của sợi thực vật bằng cách tăng cường khả năng bao bọc sợi của polyme hay axetyl hóa một số nhóm hydroxyl trong sợi. Sử dụng chất trợ tương hợp để tăng độ bám dính giữa sợi và nền polyme cũng làm giảm tốc độ và lượng nước do compozit hấp thụ. Mặc dù tính chất cơ học của sợi tự nhiên thấp hơn sợi thuỷ tinh, các đặc trưng của chúng đặc biệt là độ bền kéo có thể so với giá trị cao nhất của sợi thuỷ tinh nhưng chúng nhẹ hơn sợi thuỷ tinh khoảng 50% và giá thành thấp hơn nhiều so với sợi thuỷ tinh. Do vậy, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp.
Loại vật liệu này có khối lượng riêng thấp, độ bền va đập cao, hấp thụ âm thanh tốt và đang được một số công ty trên thế giới sử dụng. * Ứng dụng của vật liệu compozit gia cường sợi thực vật. Với ưu điểm so với sợi thuỷ tinh như độ bền riêng cao, giá thành thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào và có khả năng phân huỷ sinh học trong những điều kiện xác định. Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật còn được biết đến như là vật liệu compozit xanh do nó thân thiện với môi trường.
Vật liệu compozit có nền polyme nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo gia cường bằng sợi thực vật được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp trên thế giới. Chúng được chế tạo dưới dạng vải, tấm, mat… tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng. Vật liệu compozit gia cường sợi thực vật chủ yếu có ứng dụng trong các lĩnh vực như [22,23,25,27]: - Làm vật liệu thay thế gỗ: tấm mỏng, tấm lát sàn nhà, panel, ván ghép … - Trong xây dựng: tấm compozit dùng để lát sàn, panel, các vách ngăn, cửa chính, cửa sổ … - Trong giao thông: thuyền bè, nội thất ô tô… - Đồ gia dụng: dụng cụ nhà bếp, đồ trang trí… 9 Hiện nay, trong ngành công nghiệp ô tô, vật liệu compozit gia cường sợi thực vật được xem là giải pháp nhằm thay thế cho một số vật liệu truyền thống với mục đích giảm trọng lượng xe là một trong những giải pháp giảm mức độ tiêu thụ năng lượng [22].3 VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYPROPYLEN GIA CƯỜNG SỢI TRE.1 Vật liệu nền polypropylen. [21] Polypropylen là một trong những hidrocacbon không no được nghiên cứu nhiều nhất.
Polypropylen được tổng hợp từ propylene. Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất propylen là dầu hỏa. Polypropylen có cấu trúc hóa học như sau: * Tính chất của polypropylen: Polypropylen được sản xuất ở dạng bột và hạt. Tỷ trọng của polypropylene vào khoảng 0,90 đến 0,92 g/cm2.
Phân tử lượng của polypropylen nằm trong khoảng 80.