Nghiên cứu chế tạo polyme compozit trên cơ sở polypropylen gia cường bằng sợi tre ngắn và sản phẩm của chúng

223 Tạp chí Hóa học, T. 43 (2), Tr. 223 - 227, 2005 Nghiên cứu chế tạo polyme compozit trên cơ sở polypropylen gia cờng bằng sợi tre ngắn và sản phẩm của chúng Đến Tòa soạn 12-10-2004 Trần Vĩnh Diệu, Nguyễn Phạm Duy Linh, Phạm Gia Huân Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, Tr-ờng Đại học Bách khoa H2 Nội Summary This paper presents the results of the effect content of short bamboo fiber prepared by mechanical method and alkaline treatment on mechanical properties of polymer composites (PC) based on polypropylene (PP). With content of 50% in composition, the tensile, the flexible and impact strengths have been increased as 24%, 23% and 40%, respectively in comparison with original PP. Using the prepared bamboo fiber by steam explosion method in stead of mechanical one, the tensile strength of composite increases 16%, mean while the flexible and impact strength have the equivalent value. The composite reinforced by 50wt% of bamboo fiber has been applied in processing pallrings for washing and absorption scrubbers for wastewater treatment in the present of microorganism. I - Mở đầU Trong những năm gần đây, việc sử dụng sợi tự nhiên trong polyme compozit (PC) ng&y c&ng đ'ợc chú ý [1, 2]. Đặc điểm nổi bật của sợi tự nhiên l& có khả năng tái tạo, phân hủy đ'ợc trong những điều kiện môi tr'ờng xác định v& cháy hết không gây tắc lò đốt nh' sợi thủy tinh [3]. Nh' vậy, sợi tự nhiên có tác dụng tích cực trong việc bảo vệ môi tr'ờng. Trong các loại sợi tự nhiên, sợi tre có một vai trò quan trọng vì có nguồn dự trữ dồi d&o v& sinh tr'ởng nhanh. Jain v& cộng sự [4, 5] đP nghiên cứu độ bền kéo v& uốn của vật liệu PC trên cơ sở nhựa epoxy v& polyeste không no gia c'ờng bằng sợi tre. Tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở polypropylen (PP) gia c'ờng bằng sợi tre đP đ'ợc X. Chen v& cộng sự khảo sát [6]. Gần đây, Okubo v& cộng sự đP phát triển vật liệu PC trên cơ sở PP gia c'ờng bằng loại sợi tre nhận đ'ợc từ ph'ơng pháp tách bằng hơi n'ớc quá nhiệt [3]. Nhiệm vụ của công trình n&y l& sử dụng sợi tre ngắn nhận đ'ợc bằng ph'ơng pháp gia công cơ học v& tách nổ bằng hơi n'ớc l&m chất gia c'ờng cho PP nhằm nhận đ'ợc một loại vật liệu PC có các tính chất cơ học mong muốn. ii - Thực nghiệm 1. Nguyên liệu v hóa chất Nhựa PP: sử dụng các loại J2000 GP (Nhật Bản) có chỉ số chảy 21 g/10 phút; J700 (Nhật Bản) có chỉ số chảy 8 g/10 phút. Các chỉ số chảy đều đ'ợc thử d'ới tải trọng 2,13 kg. Tre t'ơi lấy từ tỉnh Hòa Bình. Sợi tre đ'ợc chế tạo theo hai ph'ơng pháp: (1) Ph-ơng pháp cơ học: Chẻ các ống tre th&nh nan d&y 2 - 3 mm v& cán dập trên máy cán 2 trục (Nhật Bản) rồi cắt nhỏ trên máy cắt Restch (Đức). Sau đó sợi tre đ'ợc xử lý bằng dung dịch NaOH 0,1 N trong 72 giờ [7], rửa đến 224 27.6 30.7 30.2 30.2 33.2 29.8 31.4 34.3 29 0 10 20 30 40 0 20 25 30 35 40 45 50 55 H&m l'ợng sợi tre, % Đ ộ bề n ké o, M Pa trung tính v& sấy khô ở 120oC trong 2 giờ. (2) Ph-ơng pháp tách nổ bằng hơi n-ớc: tre cây đ'ợc c'a th&nh từng đoạn d&i 1 m, chẻ t' v& đ'a v&o bình chịu áp, cấp hơi n'ớc quá nhiệt v&o bình ở nhiệt độ 175oC v& áp suất 0,12 - 0,18 MPa theo chu kỳ tăng v& xả áp. Số chu kỳ đ'ợc thực hiện 11 lần trong 110 phút. Các bó sợi tre sau khi tách nổ bằng hơi n'ớc đ'ợc đ'a v&o máy cán 2 trục để tách th&nh các bó sợi nhỏ rồi đ'a sang máy cắt Restch với kích th'ớc mắt l'ới 0,25 mm để nhận đ'ợc sợi tre ngắn. Sợi tre có kích th'ớc trung bình d&i 160 àm, đ'ờng kính 17 àm. - Chất trợ t'ơng hợp MAPP (PP biến tính bằng anhydrit maleic) gồm 2 loại: loại của hPng Aldrich (USA) có h&m l'ợng MA 0,6% khối l'ợng v& loại tự chế tạo có h&m l'ợng MA 0,5% khối l'ợng. - Chất hoạt động bề mặt HL-04 (Trung Quốc). 2. Các phơng pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu - Độ bền kéo: đ'ợc xác định theo tiêu chuẩn ISO527 trên máy LLoyd 0,5 KN với tốc độ kéo 5 mm/phút. - Độ bền uốn: đ'ợc xác định theo tiêu chuẩn ISO 178/1993 trên máy LLoyd 0,5 KN với tốc độ uốn 5 mm/phút. - Độ bền va đập Izod: đ'ợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM D256 trên máy Tinius Olsen, model 92T. iii - Kết quả v) thảo luận 1. Đánh giá chất lợng của chất trợ tơng hợp MAPP tự chế tạo (MAPP-VN) Chất t'ợng hợp MAPP th'ờng nhập của hPng Aldrich (USA) có giá th&nh cao. Để chủ động trong nghiên cứu cũng nh' giảm giá th&nh khi ứng dụng vật liệu PC trong công nghiệp, đP tự chế tạo chất trợ t'ơng hợp MAPP-VN tại Phòng thí nghiệm của Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, Tr'ờng Đại học Bách khoa H& Nội. ảnh h'ởng của các chất trợ t'ơng hợp đến tính chất cơ học của vật liệu PC trình b&y ở bảng 1. Bảng 1: ảnh h'ởng của chất trợ t'ơng hợp MAPP-Aldrich v& MAPP-VN đến tính chất cơ học của vật liệu PC STT Chất trợ t'ơng hợp Độ bền kéo, MPa Môđun kéo, GPa Độ bền uốn, MPa Môđun uốn, GPa Độ bền va đập, KJ/m2 1 MAPP-Aldrich 32,4 1,32 49,6 3,99 3,73 2 MAPP-VN 28,1 1,31 49,6 4,10 3,87 Ghi chú: 1. Nhựa PP J700; 2. Sợi tre đ'ợc chế tạo theo ph'ơng pháp tách nổ bằng hơi n'ớc; 3. H&m l'ợng sợi tre 45% khối l'ợng v& 4. H&m l'ợng chất trợ t'ơng hợp 8% khối l'ợng. Từ bảng 1 nhận thấy, có thể sử dụng MAPP-VN thay thế cho MAPP-Aldrich vì l&m giảm không đáng kể độ bền kéo của vật liệu PC, còn độ bền uốn v& độ bền va đập có giá trị t'ơng đ'ơng. 2. ảnh hởng của hm lợng sợi tre ngắn đợc chế tạo bằng phơng pháp cơ học đến tính chất cơ học của vật liệu PC Để nghiên cứu đP sử dụng nhựa PP- J2000 (Nhật Bản). ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre ngắn đến độ bền kéo của vật liệu PC trình b&y ở hình 1 v& 2. Hình 1: ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến độ bền kéo của vật liệu PC 225 0 2 4 6 8 0 20 25 30 35 40 45 50 55 H&m l'ợng sợi tre, % M ođ un uố n, G Pa 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 20 25 30 35 40 45 50 55 H&m l'ợng sợi tre, % M ođ un ké o, G Pa 33 39 40.4 41.7 46.1 44 39.2 40.8 41.3 0 10 20 30 40 50 0 20 25 30 35 40 45 50 55 H&m l'ợng sợi tre, % Đ ộ bề n uố n, M Pa Hình 2: ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến môđun kéo của vật liệu PC Từ hình 1 v& 2 nhận thấy, độ bền kéo có giá trị cao nhất (34,3 MPa) với h&m l'ợng sợi tre 50%, còn môđun kéo thay đổi không theo quy luật rõ r&ng v& có giá trị cao nhất (2,3 GPa) với h&m l'ợng sợi tre 40%. ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre ngắn đến độ bền uốn v& môđun uốn của vật liệu PC trình b&y ở hình 3 v& 4. Hình 3: ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến độ bền uốn của vật liệu PC Hình 4: ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến môđun uốn của vật liệu PC 226 3.7 8.2 7.2 6.1 6.5 6.8 5.3 5.2 3.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 20 25 30 35 40 45 50 55 H&m l'ợng sợi tre, % Đ ộ bề n va đậ p, K J/ m 2 Từ hình 3 v& 4 nhận thấy độ bền uốn của vật liệu PC có giá trị lớn nhất (46,1 MPa) ứng với h&m l'ợng sợi tre 35%, còn ở h&m l'ợng sợi tre 50% độ bền uốn đạt giá trị 40,8% MPa; môđun uốn có khuynh h'ớng tăng dần khi tăng h&m l'ợng sợi tre v& ở h&m l'ợng sợi tre 50% môđun uốn có giá trị 5,7 MPa. ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến độ bền va đập của vật liệu PC trình b&y ở hình 5. Hình 5: ảnh h'ởng của h&m l'ợng sợi tre đến độ bền va đập của vật liệu PC Từ hình 5 nhận thấy, độ bền va đập của vật liệu PC tăng đáng kể so với PP nguyên thể. Với h&m l'ợng sợi tre 50%, độ bền va đập tăng 40% v& có giá trị 5,2 KJ/m2. 3. So sánh tính chất của 2 loại sợi tre ngắn đợc chế tạo theo phơng pháp cơ học (ST-1) v tách nổ bằng hơi nớc (ST-2) Để đánh giá tính chất của hai loại sợi tre ST-1 v& ST-2 đP căn cứ v&o các thông số cơ học nh' độ bền kéo, độ bền uốn v& độ bền va đập của vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP J700. Kết quả nhận đ'ợc trình b&y ở bảng 2. Từ bảng 2 nhận thấy tính chất cơ học của vật liệu PC khi sử dụng sợi tre ST-1 v& ST-2 không có sự khác biệt rõ rệt. Tuy nhiên, độ bền kéo của vật liệu PC với ST-2 cao hơn khoảng 16% ở h&m l'ợng sợi tre 50%. Bảng 2: Tính chất cơ học của vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP J700 gia c'ờng bằng 2 loại sợi tre ST-1 v& ST-2 Loại sợi tre H&m l'ợng sợi tre, % Độ bền kéo, MPa Môđun kéo, GPa Độ bền uốn, MPa Môđun uốn, GPa Độ bền va đập, KJ/m2 45 27,5 1,26 51,7 3,95 4,6 ST-1 50 28,5 1,44 52,3 4,30 4,5 45 32,4 1,24 51,5 3,74 3,7 ST-2 50 33,1 1,30 49,7 2,99 - 4. Chế tạo đệm cho tháp rửa v tháp hấp thụ xử lý nớc thải sinh hoạt Đặc điểm của loại đệm n&y l& chứa 50% sợi tre nên tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật bám chặt v&o đệm, nhờ đó tăng hiệu quả xử lý. Đệm đ'ợc gia công trên máy ép phun PO- YUEN 100 tấn. Đệm gồm hai phần ghép lại th&nh hình cầu (đ'ờng kính 59 mm) có nhiều khe hở (xem hình 6). 227 Hình 6: Đệm đ'ợc chế tạo từ vật liệu PC trên cơ sở nhựa PP gia c'ờng bằng sợi tre ngắn IV - Kết luận 1. ĐP chế tạo đ'ợc 2 loại sợi tre ngắn theo ph'ơng pháp cơ học v& tách nổ bằng hơi n'ớc. 2. Chất trợ t'ơng hợp tự chế tạo (ký hiệu MAPP-VN) có chất l'ợng t'ơng đ'ơng với MAPP của HPng Aldrich. 3. Vật liệu PC nhận đ'ợc trên cơ sở PP gia c'ờng bằng sợi tre ngắn với h&m l'ợng 50% có độ bền kéo tăng 24%, độ bền uốn tăng 23% v& độ bền va đập tăng 40% so với PP nguyên thể. 4. ĐP sử dụng vật liệu PC nhận đ'ợc để chế tạo đệm cho tháp rửa v& tháp hấp thụ có mặt vi sinh vật trong xử lý n'ớc thải sinh hoạt. T)i liệu tham khảo 1. A. K. Bledzki, J. Gassan. Composite Reinforced with Cellulose Based Fibers. Prog. Polym. Sci., Vol. 24, P. 221 - 274 (1999). 2. D. Nabi Saheb and J. P. Jog. Natural Fiber Polymer Composites: A Review - Advances in Polymer Technology, Vol. 18, No. 4, P. 351 - 363 (1999). 3. Kazuya Okubo, Toru Fujii, Yuzo Yamamoto. Development of Bamboo-based Polymer Composites and Their mechanical Properties. Composites: Part A 35, P. 377 - 383 (2004). 4. Jain S, Kumar R., Jindal U. C. Mechanical Behaviour of Bamboo and Bamboo Composite. J. Mater. Sci., 27, P. 4598 - 604 (1992). 5. Jain S, Kumar R. Proceeding of Bamboo Fiber Reinforced Plastic Composite. Materials and Manufacturing Processes, Vol. 9, No. 5, P. 813 - 828 (1994). 6. Chen X, Guo Q, Mi Y. Bamboo Fiber- Reinforced Polypropylene Composites: A study of the Mechanical Properties. J. Appl. Polym. Sci., 69, P. 1891-9 (1998). 7. Abhijit P. Deshpande, M. Bhaskar R, C. Lakshmana Rao. Extraction of Bamboo Fibers and Their use as Reinforcement in Polymeric Composites. J. Appl. Polym. Sci., Vol. 76, P. 83 - 92 (2000).