Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và bảo vệ môi trường, vật liệu polyme compozit sinh học ngày càng được quan tâm do khả năng tái tạo và phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm từ nhựa truyền thống. Ước tính toàn cầu năm 2007 có khoảng 40-50 triệu tấn phế liệu nhựa thải ra môi trường mỗi năm, gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng. Việt Nam với khí hậu nhiệt đới ẩm, nguồn nguyên liệu tre phong phú chiếm 12,2% diện tích rừng, có tiềm năng lớn trong việc phát triển vật liệu compozit sinh học dựa trên sợi tre.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu polyme compozit sinh học trên cơ sở nhựa polypropylen (PP) gia cường bằng sợi tre dài đơn hướng, nhằm nâng cao tính chất cơ học, giảm trọng lượng sản phẩm và tăng khả năng thân thiện môi trường. Nghiên cứu tập trung khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp xử lý sợi tre, điều kiện gia công và hàm lượng sợi đến tính chất cơ lý và khả năng hấp thụ nước của vật liệu compozit. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam, sử dụng nguyên liệu tre địa phương và nhựa PP thương mại, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2010 đến 2012.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu compozit xanh, thay thế vật liệu truyền thống, giảm phát thải CO2, đồng thời đáp ứng nhu cầu ứng dụng trong công nghiệp ô tô, xây dựng và nông nghiệp. Theo báo cáo ngành, vật liệu compozit sinh học có thể giảm tới 80% năng lượng tiêu thụ trong sản xuất chi tiết ô tô so với compozit sợi thủy tinh, đồng thời giảm trọng lượng xe, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu compozit sinh học, trong đó vật liệu nền là polypropylen (PP) – một loại nhựa nhiệt dẻo có tỷ trọng khoảng 0,90-0,92 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy 160-180°C, có tính kháng nhiệt và hóa học tốt. PP có tính kỵ nước, trong khi sợi tre chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH) ưa nước, do đó cần sử dụng chất trợ tương hợp maleic anhydride (MA) để cải thiện liên kết pha nền – cốt.

Sợi tre là vật liệu compozit tự nhiên gồm xenlulo (46-48%), lignin (20-22%) và hemixenlulo (16-17%), có cấu trúc sợi dài, đường kính trung bình 10-18 µm, độ bền kéo lên đến 200 MPa theo chiều dọc sợi. Sợi tre có ưu điểm về độ bền riêng cao, giá thành thấp, khả năng phân hủy sinh học và hấp thụ âm thanh tốt. Tuy nhiên, sợi tre có nhược điểm là độ hút ẩm cao, ảnh hưởng đến tính ổn định kích thước và độ bền của compozit.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các yếu tố: phương pháp xử lý sợi (xử lý kiềm NaOH), điều kiện gia công (nhiệt độ, thời gian, áp suất ép), hàm lượng sợi tre và chất trợ tương hợp MA đến tính chất cơ học (độ bền kéo, uốn, va đập) và khả năng hấp thụ nước của vật liệu compozit PP/BF (Polypropylen/Bamboo Fiber).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thí nghiệm chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu compozit PP/BF. Cỡ mẫu gồm 50 sợi tre cho mỗi điều kiện xử lý, và 3-5 mẫu compozit cho mỗi phép đo tính chất cơ học. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên từ nguồn tre địa phương, xử lý sợi bằng dung dịch NaOH với hai điều kiện: 0,1N ở nhiệt độ phòng trong 72 giờ (TK1) và 1N ở 70°C trong 24 giờ (TK2). Sợi không xử lý (TK0) làm đối chứng.

Phương pháp phân tích bao gồm: đo đường kính sợi bằng kính hiển vi quang học, xác định độ bền kéo sợi trên máy kéo Lloyd 0,5 kN, khảo sát hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), đo độ hút ẩm theo thời gian trong môi trường ẩm 95%, và đánh giá độ bám dính giữa sợi và nhựa PP bằng phương pháp kéo tách hạt nhựa.

Chế tạo compozit sử dụng nhựa PP ghép maleic anhydride (PP-MA) với hàm lượng MA 1% khối lượng, gia công bằng phương pháp tạo prepreg và ép nóng ở nhiệt độ 180-200°C, áp suất 50 kg/cm², thời gian 30 phút. Tính chất cơ học của compozit được xác định theo tiêu chuẩn ISO: độ bền kéo (ISO 3268), độ bền uốn (ISO 178), độ bền nén (ISO 604), độ bền va đập Charpy (ISO 179). Độ hấp thụ nước của compozit được đo bằng phương pháp cân khối lượng mẫu ngâm nước theo thời gian.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, từ khảo sát nguyên liệu, xử lý sợi, chế tạo compozit đến đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của xử lý kiềm đến đường kính và độ bền kéo sợi tre: Đường kính sợi tre giảm rõ rệt sau xử lý kiềm, từ khoảng 120-410 µm (TK0) xuống còn 150-220 µm (TK2). Độ bền kéo sợi tăng 32,83% ở TK2 so với sợi không xử lý (TK0), và tăng 10,69% so với xử lý kiềm nguội (TK1).

  2. Hình thái học bề mặt sợi: SEM cho thấy sợi TK2 có bề mặt sạch, đồng nhất, ít tạp chất hơn so với TK0 và TK1, tạo điều kiện tăng diện tích tiếp xúc và bám dính với nhựa nền.

  3. Độ hút ẩm và ảnh hưởng đến độ bền kéo sợi: Độ hút ẩm của sợi TK2 thấp nhất trong ba loại, đạt ngưỡng bão hòa sau 20 ngày với mức tăng khối lượng khoảng 50%. Độ bền kéo giảm tương ứng trong 10 ngày đầu do trương nở sợi, sau đó ổn định.

  4. Khả năng bám dính giữa sợi tre và nhựa PP: Sợi TK2 có độ bám dính trung bình 11,45 MPa, gấp đôi sợi xử lý kiềm nguội (5,09 MPa) và cao hơn 20% so với sợi không xử lý (9,66 MPa).

  5. Ảnh hưởng của công nghệ tạo prepreg và điều kiện gia công đến tính chất compozit: Mẫu compozit tạo từ prepreg (M12) có độ bền kéo 231,28 MPa, độ bền uốn 229,5 MPa và độ bền va đập 38 KJ/m², cao hơn đáng kể so với mẫu xếp lớp trực tiếp (M11). Nhiệt độ ép 190°C cho kết quả tối ưu về tính chất cơ học, với độ bền kéo và uốn đạt mức cao nhất, vượt 15% so với nhiệt độ 180°C.

Thảo luận kết quả

Việc xử lý kiềm giúp loại bỏ lignin, hemixenlulo và các tạp chất trên bề mặt sợi, làm tăng độ đồng nhất và diện tích tiếp xúc, từ đó cải thiện độ bền kéo và khả năng bám dính với nhựa PP. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về xử lý sợi tự nhiên nhằm tăng cường tính chất cơ học compozit.

Độ hút ẩm cao của sợi tre là thách thức lớn, ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước và độ bền của compozit trong môi trường ẩm. Tuy nhiên, xử lý kiềm làm giảm đáng kể độ hút ẩm, giúp duy trì tính chất cơ học trong điều kiện sử dụng thực tế tại Việt Nam.

Sử dụng chất trợ tương hợp maleic anhydride (MA) tạo cầu este giữa nhóm anhydride và nhóm hydroxyl trên sợi, cải thiện liên kết pha nền – cốt, làm tăng độ bền kéo compozit lên tới 151% so với PP không chứa MA. Công nghệ tạo prepreg giúp loại bỏ bọt khí, tăng mật độ vật liệu và tính đồng nhất, nâng cao tính chất cơ học.

Biểu đồ phân tích nhiệt vi sai (DSC) cho thấy nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn của PP-MA là 190°C, phù hợp với điều kiện gia công ép nóng để đảm bảo vật liệu đạt tính chất tối ưu mà không bị phân hủy.

Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo, uốn và va đập của các mẫu compozit theo điều kiện xử lý sợi và gia công, cũng như bảng tổng hợp tính chất cơ học và độ hút ẩm của sợi tre.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng xử lý kiềm NaOH 1N ở 70°C trong 24 giờ cho sợi tre nhằm tối ưu hóa độ bền kéo và giảm độ hút ẩm, nâng cao chất lượng vật liệu compozit. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu.

  2. Sử dụng chất trợ tương hợp maleic anhydride (MA) với hàm lượng 1% khối lượng trong nhựa PP để cải thiện liên kết pha nền – cốt, tăng độ bền cơ học compozit. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất vật liệu compozit, trong quy trình phối trộn nguyên liệu.

  3. Ứng dụng công nghệ tạo prepreg trong chế tạo compozit PP/BF để giảm bọt khí, tăng mật độ vật liệu và tính đồng nhất, nâng cao tính chất cơ học. Thời gian áp dụng: trong quy trình sản xuất công nghiệp.

  4. Kiểm soát nhiệt độ gia công ép nóng ở mức 190°C, áp suất 50 kg/cm², thời gian 30 phút để đảm bảo vật liệu đạt tính chất cơ học tối ưu mà không bị phân hủy. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên sản xuất, nhà máy chế tạo compozit.

  5. Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục về xử lý bề mặt sợi tre bằng các phương pháp vật lý như plasma hoặc phủ silan để tăng cường liên kết hóa học và giảm độ hút ẩm, mở rộng ứng dụng compozit trong môi trường ẩm ướt. Thời gian nghiên cứu: 1-2 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học và Kỹ thuật vật liệu: Nắm bắt kiến thức về vật liệu compozit sinh học, phương pháp xử lý sợi tự nhiên và kỹ thuật chế tạo compozit PP/BF.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit và nhựa kỹ thuật: Áp dụng công nghệ xử lý sợi và gia công compozit để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, giảm chi phí và nâng cao chất lượng.

  3. Ngành công nghiệp ô tô và xây dựng: Tìm kiếm vật liệu nhẹ, bền, giảm phát thải và tiết kiệm năng lượng, thay thế vật liệu truyền thống bằng compozit sinh học.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển công nghiệp xanh: Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu sinh học, thúc đẩy công nghiệp xanh và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu compozit sinh học là gì và ưu điểm của nó?
    Vật liệu compozit sinh học là vật liệu tổng hợp gồm nhựa nền và chất gia cường từ nguồn nguyên liệu tái tạo, có khả năng phân hủy sinh học. Ưu điểm gồm thân thiện môi trường, giảm phát thải CO2, nhẹ và có tính cơ học tốt.

  2. Tại sao chọn sợi tre làm chất gia cường?
    Sợi tre có độ bền kéo cao (khoảng 200 MPa), trọng lượng nhẹ, giá thành thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào và khả năng phân hủy sinh học, phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu xanh.

  3. Xử lý kiềm ảnh hưởng thế nào đến tính chất sợi tre?
    Xử lý kiềm loại bỏ lignin, hemixenlulo và tạp chất, làm sạch bề mặt sợi, giảm đường kính sợi, tăng độ bền kéo lên đến 32,83% và giảm độ hút ẩm, giúp cải thiện liên kết với nhựa nền.

  4. Vai trò của maleic anhydride trong compozit PP/BF?
    Maleic anhydride tạo cầu este giữa nhóm anhydride và nhóm hydroxyl trên sợi tre, tăng cường liên kết pha nền – cốt, nâng cao độ bền kéo compozit lên 151% so với PP không chứa MA.

  5. Điều kiện gia công tối ưu cho compozit PP/BF là gì?
    Nhiệt độ ép 190°C, áp suất 50 kg/cm², thời gian 30 phút là điều kiện tối ưu, giúp vật liệu đạt độ bền kéo 231 MPa, độ bền uốn 229 MPa và độ bền va đập 38 KJ/m² mà không bị phân hủy.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu polyme compozit sinh học trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng sợi tre dài đơn hướng với tính chất cơ học vượt trội.
  • Xử lý kiềm NaOH 1N ở 70°C là phương pháp hiệu quả nhất để cải thiện độ bền kéo và giảm độ hút ẩm của sợi tre.
  • Sử dụng maleic anhydride làm chất trợ tương hợp giúp tăng cường liên kết pha nền – cốt, nâng cao tính chất cơ học compozit.
  • Công nghệ tạo prepreg và điều kiện gia công ép nóng ở 190°C, 50 kg/cm², 30 phút tối ưu hóa tính chất vật liệu.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục xử lý bề mặt sợi và mở rộng ứng dụng compozit sinh học trong công nghiệp ô tô, xây dựng và nông nghiệp.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình xử lý và gia công đã nghiên cứu vào sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển các nghiên cứu bổ sung về xử lý bề mặt và tính bền môi trường của vật liệu compozit sinh học.