Luận văn thạc sĩ về chế tạo và tính chất của vật liệu compozit polylactic axit và thạch cao

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và xác định tính chất của vật liệu compozit polylactic axit và thạch cao, góp phần phát triển vật liệu mới.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Vũ Giang
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Xác Định Hình Thái Cấu Trúc, Tính Chất Của Vật Liệu Compozit Polylactic Axit Và Thạch Cao
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Lịch sử hình thành
• 1.3. Đặc điểm chung
• 1.4. Đặc tính
• 1.5. Phân loại
• 2. VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT
• 2.1. Cấu tạo của vật liệu polyme compozit
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• LỜI CẢM ƠN
• 3. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 4. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
• 5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
• 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN
• 7. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 8. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 9. CHẾ TẠO MẪU
• 10. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 11. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 12. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 13. CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu compozit

Vật liệu compozit là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một sản phẩm có tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Cấu trúc của vật liệu compozit thường bao gồm một pha nền liên tục và một hoặc nhiều pha gián đoạn, trong đó pha gián đoạn thường có tính chất cơ học tốt hơn. Vật liệu compozit có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm hình dạng, bản chất và thành phần. Việc sử dụng vật liệu sinh học như polylactic axit (PLA) trong chế tạo vật liệu compozit không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, PLA có khả năng phân hủy sinh học cao, giúp giảm thiểu ô nhiễm do rác thải nhựa.

1.1 Đặc điểm và ứng dụng của vật liệu compozit

Vật liệu compozit có nhiều ưu điểm như độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt. Những đặc điểm này làm cho vật liệu compozit trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều lĩnh vực, từ xây dựng đến y sinh. Việc kết hợp polylactic axit với thạch cao tạo ra một loại vật liệu compozit mới, có khả năng cải thiện độ bền va đập và tính chất cơ học. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng thạch cao không chỉ giúp tăng cường tính chất cơ học mà còn góp phần vào việc tái chế chất thải từ ngành công nghiệp, từ đó giảm thiểu tác động đến môi trường.

II. Tính chất của polylactic axit và thạch cao

Polylactic axit (PLA) là một loại polymer sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như tinh bột ngô. PLA có tính chất cơ học tốt, độ bền kéo cao và khả năng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, độ giòn của PLA là một nhược điểm lớn, hạn chế ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực. Thạch cao (CaSO4) là một loại khoáng chất phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và y tế. Khi kết hợp thạch cao với PLA, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất cơ học của vật liệu compozit được cải thiện đáng kể. Việc sử dụng thạch cao không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn làm giảm chi phí sản xuất, nhờ vào việc tận dụng chất thải từ ngành công nghiệp.

2.1 Quy trình sản xuất vật liệu compozit PLA thạch cao

Quy trình sản xuất vật liệu compozit từ polylactic axit và thạch cao bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, thạch cao được xử lý và biến tính bằng các chất phụ gia như ethylene bis stearamide (EBS) để cải thiện tính chất. Sau đó, PLA và thạch cao được trộn lẫn theo tỷ lệ nhất định để tạo ra các mẫu compozit với các hàm lượng khác nhau. Các mẫu này sau đó được gia công và kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn, và các tính chất khác. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỷ lệ giữa PLA và thạch cao có thể tạo ra những sản phẩm có tính chất cơ học vượt trội, phù hợp với nhiều ứng dụng thực tiễn.

III. Ứng dụng và tiềm năng của vật liệu compozit

Vật liệu compozit từ polylactic axit và thạch cao có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành xây dựng, vật liệu này có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhẹ, bền và thân thiện với môi trường. Trong y sinh, PLA có thể được ứng dụng trong các thiết bị y tế, nhờ vào tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu compozit này không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường, nhờ vào khả năng tái chế và phân hủy sinh học của PLA. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm bền vững, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe con người.

3.1 Tính bền vững và môi trường

Sự phát triển của vật liệu compozit từ polylactic axit và thạch cao không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn về mặt môi trường. Việc sử dụng các nguyên liệu tái tạo như PLA giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn nguyên liệu không tái tạo, đồng thời giảm thiểu lượng rác thải nhựa. Hơn nữa, thạch cao là một sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp, việc tái sử dụng nó trong sản xuất vật liệu compozit không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ chất thải. Điều này cho thấy rằng nghiên cứu và phát triển vật liệu compozit từ PLA và thạch cao là một hướng đi đúng đắn trong việc xây dựng một nền kinh tế bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, mỗi năm thế giới thải ra khoảng 300 triệu tấn rác thải nhựa, trong đó phần lớn không được xử lý đúng cách, gây ô nhiễm nghiêm trọng đất và nước. Việt Nam hiện đứng thứ 4 thế giới về lượng rác thải nhựa ra biển với khoảng 730.000 tấn mỗi năm. Tình trạng này đặt ra nhu cầu cấp thiết phát triển các vật liệu thân thiện môi trường, có khả năng phân hủy sinh học để thay thế nhựa truyền thống. Trong bối cảnh đó, vật liệu compozit dựa trên polylactic axit (PLA) và thạch cao phế thải được xem là giải pháp tiềm năng. PLA là polyme sinh học có khả năng phân hủy sinh học cao, độ bền kéo và mô đun đàn hồi tốt, giá thành cạnh tranh (2-3,2 USD/kg), nhưng hạn chế về độ giòn và độ bền va đập. Thạch cao, đặc biệt là thạch cao phế thải từ sản xuất phân bón, có tính chất cơ học tốt, chịu nhiệt và chống cháy, được sử dụng làm chất độn để cải thiện tính chất cơ học của PLA. Nghiên cứu này nhằm tối ưu thành phần và điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu compozit PLA/thạch cao, xác định hình thái cấu trúc và tính chất cơ lý, nhiệt của vật liệu, góp phần phát triển vật liệu xanh, thân thiện môi trường, đồng thời xử lý hiệu quả thạch cao phế thải. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu phân hủy sinh học ứng dụng trong công nghiệp và xây dựng, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thạch cao phế thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu compozit, trong đó vật liệu compozit gồm pha nền liên tục (polyme PLA) và pha phân tán (thạch cao phế thải). PLA là polyme sinh học thuộc nhóm poly (α-hydroxy ester), có tính chất hóa lý tương tự PET nhưng phân hủy sinh học cao, gồm ba dạng đồng phân chính: PDLA, PLLA và PDLLA với các đặc tính khác nhau về kết tinh, nhiệt độ nóng chảy và độ dãn dài. Thạch cao (CaSO4·2H2O) là khoáng vật trầm tích phổ biến, có độ cứng Mohs 1,5-2, khối lượng riêng 2,31-2,33 g/cm³, chịu nhiệt và chống cháy tốt, được sử dụng làm chất độn trong vật liệu compozit để tăng cường tính cơ học. Để cải thiện tương tác giữa thạch cao và PLA, thạch cao được biến tính bằng ethylene bis stearamide (EBS) – hợp chất hữu cơ có mạch hydrocarbon dài, nhiệt độ nóng chảy cao (140-150 °C), giúp tăng khả năng phân tán và liên kết giữa các pha. Các khái niệm chính bao gồm: tính chất cơ học (độ bền kéo, độ dãn dài, mô đun đàn hồi, độ bền va đập), tính chất lưu biến nóng chảy, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), hình thái cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu compozit PLA/thạch cao được chế tạo trong phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật nhiệt đới. Thạch cao phế thải được biến tính bằng 4% EBS, phối trộn với PLA theo các tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% về khối lượng. Quá trình chế tạo mẫu gồm phối trộn nóng chảy trong thiết bị trộn kín Haake Rheomix 610 ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian 5 phút, sau đó ép thủy lực thành tấm phẳng. Phân tích tính chất cơ học gồm đo độ bền kéo, độ dãn dài, mô đun đàn hồi trên thiết bị kéo nén đa năng Zwick Z2.5 theo tiêu chuẩn ASTM DIN 53503, đo độ bền va đập Izod theo ASTM D256, đo độ bền uốn theo ISO 178, đo độ cứng Shore bằng máy SAUTER HBA. Tính chất lưu biến nóng chảy được khảo sát trên máy Rheomix 610. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thực hiện trên máy Shimazu TGA 209F1 trong môi trường khí nitơ từ 25 đến 950 °C. Hình thái cấu trúc được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét JSM-6510 LV. Phổ FT-IR được ghi nhận trên máy Nicolet iS10 trong dải sóng 4000-400 cm⁻¹. Cỡ mẫu mỗi loại là 5 mẫu để đảm bảo độ tin cậy số liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, tập trung vào tối ưu điều kiện gia công và khảo sát tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện gia công tối ưu: Thời gian trộn 5 phút, nhiệt độ phối trộn 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút cho kết quả tốt nhất về tính chất cơ học. Mẫu PLA/thạch cao 20% có độ bền kéo đứt đạt 30,1 MPa, mô đun đàn hồi 2442 MPa, độ bền va đập 3,1 kJ/m², cao hơn so với các điều kiện khác (ví dụ thời gian trộn 3 phút chỉ đạt 24,3 MPa độ bền kéo).

2. Ảnh hưởng hàm lượng thạch cao: Khi tăng hàm lượng thạch cao từ 0% đến 25%, độ bền uốn và độ bền va đập của vật liệu compozit thay đổi rõ rệt. Mẫu có 20% thạch cao biến tính cho độ bền uốn và va đập cao hơn mẫu không biến tính khoảng 10-15%, chứng tỏ hiệu quả của biến tính EBS trong cải thiện tính chất cơ học.

3. Tính chất lưu biến và nhiệt: Giản đồ lưu biến nóng chảy cho thấy vật liệu compozit PLA/thạch cao biến tính có mô men xoắn cân bằng cao hơn 15% so với mẫu không biến tính, thể hiện khả năng phân tán và tương tác tốt hơn giữa các pha. Phân tích TGA cho thấy mẫu PLA/thạch cao biến tính có nhiệt độ phân hủy cao hơn khoảng 20 °C so với mẫu PLA thuần, chứng tỏ cải thiện tính ổn định nhiệt.

4. Hình thái cấu trúc: Ảnh SEM cho thấy thạch cao biến tính bằng EBS phân tán đồng đều, các hạt tách rời rõ ràng, không bị kết tụ như mẫu thạch cao chưa biến tính. Điều này giúp tăng cường liên kết pha và cải thiện tính chất cơ học. Ngoài ra, khảo sát sự phân hủy sinh học bằng chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10 cho thấy thạch cao trong compozit có khả năng phân hủy sinh học sau 14 ngày, góp phần nâng cao tính thân thiện môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính thạch cao phế thải bằng EBS là giải pháp hiệu quả để cải thiện tương tác giữa pha cốt và nền PLA, từ đó nâng cao tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu compozit. Điều kiện gia công tối ưu giúp tránh phân hủy PLA do nhiệt độ quá cao hoặc thời gian trộn quá dài, đồng thời đảm bảo phân tán đồng đều chất độn. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng axit stearic hoặc SDS, EBS có ưu điểm về nhiệt độ nóng chảy cao và khả năng tương tác nhóm amin với hydroxyl của thạch cao, giúp tăng cường liên kết pha. Các biểu đồ lưu biến, TGA và ảnh SEM minh họa rõ ràng sự cải thiện này. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu compozit PLA/thạch cao, đồng thời mở rộng ứng dụng thạch cao phế thải trong vật liệu phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thạch cao và nhựa truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ biến tính thạch cao bằng EBS trong sản xuất compozit PLA: Đề xuất các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai quy trình biến tính thạch cao với 4% EBS, phối trộn ở nhiệt độ 190 °C, tốc độ 50 vòng/phút, thời gian 5 phút để tối ưu tính chất vật liệu. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng.

2. Phát triển vật liệu compozit PLA/thạch cao cho ngành xây dựng và bao bì: Khuyến khích ứng dụng vật liệu này trong sản xuất tấm xây dựng nhẹ, vật liệu cách nhiệt, bao bì thân thiện môi trường nhằm giảm thiểu rác thải nhựa và thạch cao phế thải. Chủ thể thực hiện là các công ty vật liệu xây dựng và bao bì.

3. Nghiên cứu mở rộng về khả năng phân hủy sinh học và tính bền vững: Tiếp tục khảo sát sự phân hủy sinh học của vật liệu compozit trong các điều kiện môi trường khác nhau, đánh giá tác động môi trường và vòng đời sản phẩm. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu môi trường và hóa học thực hiện.

4. Xây dựng quy trình tái chế và xử lý thạch cao phế thải: Đề xuất các giải pháp thu gom, biến tính và tái sử dụng thạch cao phế thải trong công nghiệp vật liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp sản xuất phân bón phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu compozit sinh học, phương pháp biến tính và phân tích tính chất vật liệu, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bao bì: Thông tin về công nghệ chế tạo và tối ưu vật liệu PLA/thạch cao giúp doanh nghiệp ứng dụng vật liệu xanh, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý chất thải nhựa và thạch cao phế thải, đề xuất giải pháp thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

4. Các tổ chức phát triển công nghệ xanh và bền vững: Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng trong việc thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng vật liệu phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu compozit PLA/thạch cao có ưu điểm gì so với nhựa truyền thống?
   Vật liệu này có khả năng phân hủy sinh học cao, thân thiện môi trường, đồng thời cải thiện tính chất cơ học như độ bền kéo và va đập nhờ sự gia cường của thạch cao biến tính, giúp giảm ô nhiễm do rác thải nhựa và thạch cao phế thải.

2. Tại sao cần biến tính thạch cao bằng EBS?
   EBS giúp tăng khả năng tương hợp và phân tán của thạch cao trong nền PLA nhờ nhóm amin tương tác với hydroxyl của thạch cao, đồng thời có nhiệt độ nóng chảy cao, không ảnh hưởng đến tính ổn định nhiệt của vật liệu, cải thiện tính chất cơ học và nhiệt.

3. Điều kiện gia công tối ưu cho vật liệu compozit là gì?
   Nghiên cứu xác định nhiệt độ phối trộn 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian trộn 5 phút là điều kiện tối ưu để đạt được tính chất cơ học và nhiệt tốt nhất, tránh phân hủy PLA và đảm bảo phân tán đồng đều.

4. Vật liệu này có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   PLA/thạch cao compozit phù hợp cho ngành xây dựng (tấm nhẹ, vật liệu cách nhiệt), bao bì thân thiện môi trường, y sinh (vật liệu tương thích sinh học), và các sản phẩm cần tính bền cơ học và phân hủy sinh học.

5. Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu được đánh giá như thế nào?
   Sử dụng chủng vi khuẩn KSF Desulfovibrio oryzae M10, thạch cao trong compozit phân hủy rõ rệt sau 14 ngày, cho thấy vật liệu có khả năng phân hủy sinh học tốt, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Kết luận

• Đã xác định được điều kiện gia công tối ưu cho vật liệu compozit PLA/thạch cao gồm nhiệt độ 190 °C, tốc độ trục quay 50 vòng/phút, thời gian trộn 5 phút.
• Biến tính thạch cao bằng 4% EBS cải thiện đáng kể tính chất cơ học, nhiệt và phân tán của vật liệu compozit.
• Vật liệu compozit PLA/thạch cao có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng trong xây dựng và bao bì.
• Nghiên cứu góp phần xử lý hiệu quả thạch cao phế thải, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu xanh.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về phân hủy sinh học và ứng dụng công nghiệp, đồng thời triển khai quy trình sản xuất và tái chế vật liệu.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ biến tính thạch cao và chế tạo vật liệu compozit PLA/thạch cao để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT [1,2,3] 1.1 Khái niệm Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu compozit bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục.

Pha gián đoạn thường có tính chất cơ học trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforce).2 Lịch sử hình thành Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý rằng vật liệu compozit đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống. Bởi vì khoảng 5000 năm trước Công Nguyên, người cổ đại đã tình cờ chế tạo ra vật liệu compozit để phục vụ cho cuộc sống hằng ngày ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét.

Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý được rằng vật liệu compozit để đảm bảo được sự dãn nở trong quá trình nung gốm. Người Ai Cập đã biết sử dụng vật liệu compozit từ khoảng 5000 năm trước Công Nguyên. Sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy, tẩm pitum, sau này các thuyền đan tre trát mùn cưa và nhựa thông hay vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm compozit được áp dụng rộng dãi trong đời sống xã hội hằng ngày. Sự phát triển của vật liệu compozit đã được khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930, khi Stayer và Thomas đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thủy tinh.

Fillis và Foster sử dụng chất độn cho poly este không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho Đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu compozit là sự Luan van 7 xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nilon… Từ năm 1970 đến nay, vật liệu nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự…[1] 1.3 Đặc điểm chung Vật liệu compozit là vật liệu nhiều pha. Trong vật liệu compozit có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của compozit.

Ưu điểm của vật liệu compozit là khả năng chế tạo vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Các thành phần cốt của compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong tính chất nổi bật nhất của polyme compozit đó là tỉ trọng nhẹ, độ bền cao, dễ lắp đặt và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường hóa học, độ dẫn điện thấp [2].4 Đặc tính Cơ tính của vật liệu compozit phụ thuộc vào những đặc tính sau đây: - Cơ tính của các vật liệu thành phần: các vật liệu thành phần có cơ tính tốt vật liệu compozit cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần. - Luật phân bố hình học của vật liệu cốt: khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu compozit bị phá huỷ trước hết ở những nơi có vật liệu cốt.

Với compozit cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu. Luan van 8 - Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần: vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau.5 Phân loại Phân loại theo hình dạng a) b) c) d) e) Hình 1. Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit sợi; c) Compozit phiến d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy Vật liệu compozit độn dạng sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu compozit, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn.

Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ compozit trong tên gọi. Các sản phẩm compozit dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu compozit cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu. Vật liệu compozit độn dạng hạt: Thường được sử dụng để cải thiện một Luan van 9 số tính chất cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu nền như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm độ co ngót và giảm giá thành sản phẩm. Việc lựa chọn phương án phụ thuộc vào cơ-lý tính mà ta muốn bởi gia cường bằng dạng hạt thì tính chất cơ-lý yếu hơn so với dạng sợi.

Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần Compozit nền hữu cơ (polyme compozit): nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi, hạt khoáng hoặc oxit kim loại. Compozit nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC. Compozit nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm. VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT 1.1 Cấu tạo của vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit được chế tạo gồm 2 pha: pha liên tục hay polyme nền và pha phân tán (chất gia cường hay chất độn).

Polyme nền: Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền. Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.

Nhựa nhiệt rắn: PU, UF, epoxy, Polyeste, không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và Polyeste không no có thể tiến hành ở Luan van 10 điều kiện thường, gia công bằng tay. Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Chất độn (cốt): Mục tiêu: Tăng khả năng chịu được va đập, giãn nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát - mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit… Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường. Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.

Giảm giá thành. Tùy thuộc vào yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn: Độn dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt. Tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amit… Độn dạng hạt: thường được sử dụng là: BaSO4, CaSO4, CuS, CdS, Silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, cao lanh, đất sét, graphite, cacbon, bột tale, hay graphite,… 1.2 Ứng dụng của vật liệu compozit Compozit sợi cacbon sử dụng để chế tạo than vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ, chế tạo các loại ăngten, đặc biệt ăngten cho tàu vũ trụ, chế tạo các thiết bị y tế, các bộ phận thay thế như: xương, vỏ sọ não, chế tạo các thiết bị thể thao như: khung xe đạp đua, vợt các loại, thuyền buồm, cán và cánh cung, chế tạo ống dẫn, các loại máy bơm,…Compozit sợi Bor được sử dụng trong các chi tiết Luan van 11 hàng không, của kĩ thuật tên lửa vũ trụ như các dầm, khung panen, các sống dọc của phần chịu lực.

Compozit chì- cacbon chế tạo các máy móc trong thiết bị làm việc trong các môi trường bị ăn mòn cao do ma sát, ức chế được dao động âm thanh, hấp thụ được tia gama. Compozit nền đồng hoặc bạc, với cốt là vonfram hoặc molipden có thể dùng để chế tạo các công tắc không mòn cho dòng điện, điện thế cao, hệ thống ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn dùng vật liệu polyme compozit, hay hệ thống sứ cách điện, sứ polyme, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các thiết bị điện,…[1] POLYLACTIC AXIT (PLA) 1.1 Giới thiệu chung Polylactic axit (PLA) là một trong những loại polyme sinh học được sử dụng phổ biến nhất hiện nay (khoảng 200.000 tấn/năm) (Johansson, et al., 2012, Mehta, et al., 2005) do có độ bền kéo cao, giá thành thấp, trong suốt, khả năng tương hợp sinh học cao. PLA được sản xuất từ tinh bột bắp và đây là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo từ quá trình sản xuất nông nghiệp, không như các loại polyme khác được sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ. Đặc biệt, PLA rất thân thiện với môi trường bởi khả năng phân hủy sinh học cao (phân hủy hoàn toàn từ 90 đến 180 ngày, tùy theo điều kiện phân hủy sinh học).

Chính vì vậy, trong mười năm trở lại đây, PLA được tập trung nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thị trường, thay thế cho những sản phẩm polyme có nguồn gốc dầu mỏ không phân hủy sinh học. Năm 2002, công ty Cargill Dow polymers (LLC) đã đưa PLA vào sản xuất ở qui mô công nghiệp đầu tiên ở Nebraska với công suất 140. Ước tính đến năm 2015 sản lượng tiêu thụ PLA có thể đạt đến 500.000 tấn/năm và còn có thể tăng đến 1 triệu tấn/năm đến năm 2020 (Gongzhuling Annual Output, 2014) [4].2 Tính chất hóa lý của PLA Luan van 12 Poly (lactid axit) (PLA) có công thức hóa học là (C3H4O2)n, Mw=0,89- 2,98. PLA thuộc nhóm poly (α-hydroxy ester), được điều chế từ nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên là tinh bột (đa phần từ tinh bột bắp).