Nghiên cứu vật liệu composit trên nền nhựa polyeste gia cường bằng sợi đay

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSIT TRÊN NỀN NHỰA POLYESTE GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY STUDY ON UNSATURATED POLYESTER RESIN MATRIX COMPOSITES REINFORCED WITH ALKALI-TREATED JUTE FIBERS NGUYỄN BÁ TRUNG - TRẦN VĂN PHƯỚC Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Để có liên kết tốt giữa sợi và nhựa nền trong vật liệu composite, sợi đay được xử lý bằng dung dịch kiềm. Trong công trình nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ kiềm, thời gian và nhiệt độ lên quá trình xử lý sợi đay đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, sợi đay được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% ở 500C trong 4 giờ có sự cải thiện tính chất cơ lý của sợi cũng như vật liệu composite được gia cường. Sợi sau khi xử lý có bề mặt đồng nhất, tăng độ kết tinh, tăng % xenlulo trong sợi, giảm tạp chất do đó cải thiện được liên kết giữa sợi đay và nhựa polyester không no. ABSTRACT In order to create good bonding between the fiber and the resin matrix in the composite applications, jute have been treated with alkali. In this study, the effects of NaOH concentration, time and temperatures on jute treatment have been investigated. The results indicated that jute fibers treated by 5% NaOH at 500C for 4 hours showed an overall improvement in properties both as fibers as well as reinforced composites. The fibers after treatment had finer surface, high in percentage of cellulose, increased crystalline, reduced amount of defects resulting in superior bonding with the unsaturated polyester resin. 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, vật liệu composite gia cường từ sợi thiên nhiên đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học [1],[2]. Đặc điểm của các loại sợi này là khối lượng riêng thấp, modun đàn hồi cao [3], khả năng thấm ướt nhựa nền tốt, dễ bị phân hủy sinh học và có giá thành thấp hơn nhiều so với composite sợi tổng hợp. Trong số các loại sợi thiên nhiên, đay là loại sợi được quan tâm nhiều nhất. Để tạo vật liệu composite có liên kết tốt giữa sợi và nhựa nền, sợi đay được xử lý bằng dung dịch kiềm [4],[5],[6]. Các nghiên cứu đã thực hiện xử lý sợi đay ở các điều kiện khác nhau để thay đổi dạng tồn tại và tính chất của sợi. Trong công trình này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH, thời gian và nhiệt độ xử lý đến quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi đay được canh tác trong điều kiện khí hậu miền trung Việt Nam. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý sợi đến tính chất cơ lý của vật liệu composite cũng được khảo sát một cách đầy đủ. Nhằm cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu, chúng tôi nghiên cứu thay thế một phần sợi đay bằng sợi thủy tinh. Ảnh hưởng của môi trường đến độ bền của vật liệu composite tạo ra cũng được khảo sát đầy đủ nhằm xem xét phạm vi ứng dụng của loại vật liệu này. 2. THỰC NGHIỆM 2.1.Nguyên liệu và hóa chất - Sợi đay (đay xanh) được thu thập ở xã Duy Phước, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam. Sợi đay được giữ trong túi polyetylen tối màu, ở nhiệt độ phòng. - Nhựa polyeste không no (UPE) được sử dụng làm nền. Metyl etyl ketone peroxit (MEKP), Co napthenat và N, N-dimetyl anilin được sử dụng để làm chất xúc tác, xúc tiến, chất trợ xúc tác tương ứng. - Vải thủy tinh dạng mat, dệt 450g/m2 do Trung Quốc sản xuất - Các hóa chất khác: NaOH, CH3COOH dạng tinh khiết, wax chống dính 2.2. Phương pháp hoá học xử lý sợi đay bằng kiềm Sợi đay được ngâm trong dung dịch NaOH ở nồng độ, thời gian và nhiệt độ khảo sát tương ứng. Sợi được rửa nhiều lần bằng nước sạch nhằm loại bỏ toàn bộ NaOH bám dính trên bề mặt sợi, trung hòa bằng dung dịch axit axetic loãng sau đó rửa lại bằng nước cất đến pH bằng 7. Sợi được làm khô ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, sấy ở 1000C trong 6 giờ. 2.3. Phương pháp phân tích vật lý - Phương pháp phân tích nhiệt: Xác định hàm lượng sợi sau xử lý và khả năng loại bỏ tạp chất khỏi sợi. - Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM): Khẳng định hiệu quả quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi; khả năng tương hợp của vật liệu gia cường và nhựa nền. 2.4. Quá trình gia công vật liệu composite Sợi đay sau khi xử lý ở điều kiện như mục (2.2) được sử dụng để làm cốt gia cường cho vật liệu composite. Vật liệu composite được gia công bằng tay, đóng rắn ở điều kiện thường. Tỉ lệ khối lượng sợi là 20% được chuẩn bị sẵn trước khi gia công. Khuôn được chùi sạch và bôi chất chống dính. Đắp liên tục từng lớp nhựa và sợi, dùng con lăn để đuổi bọt khí, thực hiện đến khi mẫu đạt độ đày cần thiết thì dừng lại. Mẫu composite sẽ đóng rắn hoàn toàn sau 48 giờ. Vật liệu composite lai tạo được thực hiện bằng cách thay thế một phần sợi đay bằng sợi thủy tinh. 2.5. Kiểm tra tính chất cơ lý Độ bền kéo và uốn được xác định trên máy đo 100kN INSTRON 5582 của Anh với phạm vi đo 0-100kN. 2.6. Độ bền môi trường Vật liệu sau khi đo độ bền cơ lý chọn ra mẫu có độ bền cao nhất, cắt thành các mẫu nhỏ có diện tích 1 cm2 ngâm trong các môi trường khác nhau: nước sinh hoạt, nước biển, dung dịch kiềm loãng, dung dịch axit loãng để đánh giá độ bền môi trường của vật liệu thông qua độ trương và độ tan. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và thời gian đến lượng tạp chất tách ra Chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hai yếu tố là nồng độ dung dịch NaOH và thời gian ngâm đến lượng tạp chất tách ra bằng phương pháp đơn biến. Giới hạn mức nghiên cứu với nồng độ kiềm từ 1% – 5% và thời gian ngâm từ 1 – 9 ngày. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.1 và được biểu diễn ở hình 3.1. Bảng 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và thời gian đến lượng tạp chất tách ra Thời gian (ngày) C%NaOH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1% 12,568 13,489 14,423 14,923 15,145 15,192 15,186 15,291 15,67 2% 14,148 15,321 15,614 16,588 17,494 17,521 17,824 17,798 18,01 3% 14,541 15,534 16,206 17,227 18,174 18,552 18,562 18,648 18,56 4% 15,743 16,54 17,503 18,079 19,48 21,52 22,12 23,234 24,34 5% 16,213 17.234 18,723 20,34 23,327 24,989 26,215 27,245 27,32 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Thời gian (ngày) % T ạp c hấ t 1%NaOH 2%NaOH 3%NaOH 4%NaOH 5%NaOH Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và thời gian ngâm đến lượng tạp chất tách ra Kết quả nghiên cứu cho thấy ở nồng độ dung dịch kiềm loãng (1 3%), khi nồng độ dung dịch tăng thì lượng tạp chất tách ra tăng nhanh và khả năng tách tăng dần theo thời gian, từ 1 đến 7 ngày thì lượng tạp chất tách ra tăng tuyến tính theo thời gian nhưng sau thời gian đó thì lượng tạp chất tách ra hầu như không đáng kể. Khi tăng nồng độ kiềm thì lượng tạp chất tách ra cũng tăng theo, ở nồng độ 5% lượng tạp chất tách ra là nhiều nhất. ÷ Như vậy ở nồng độ dung dịch kiềm là 5% và thời gian ngâm là 7 ngày thì lượng tạp chất tách ra gần như hoàn toàn. 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi đay Để rút ngắn thời gian xử lý sợi, chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của lượng tạp chất tách ra theo nhiệt độ ở nồng độ dung dịch kiềm 5%. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.2 và được biểu diễn ở hình 3.2. Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến lượng tạp chất tách ra Thời gian(giờ) Nhiệt độ (0C) 2 4 6 8 10 30 7,12 8,78 9,06 10,94 11,14 40 11,82 12,78 13,17 13,9 14,52 50 12,92 14,41 16,51 17,23 18,25 60 14,05 20,23 25,54 26,79 27,24 70 25,82 26,74 31,5 33,56 36,98 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2 4 6 8 10 Thời gian (giờ) % T ạp c hấ t 0C 30 C 040 C 050 C 060 0C 70 Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến lượng tạp chất tách ra Qua đồ thị cho thấy khi nhiệt độ thấp thì hàm lượng tạp chất tách ra ít, khi tăng nhiệt độ thì lượng tạp chất tách ra tăng dần. Khi nhiệt độ tăng lên 700C thì phần trăm tạp chất tách ra lại tăng nhanh và có hiện tượng phá huỷ sợi. Như vậy khoảng điều kiện tối ưu để loại bỏ tạp chất ra khỏi sợi đay: Nồng độ dung dịch kiềm: 5% Nhiệt độ xử lý: 600C Thời gian xử lý: 6 giờ Nhằm khẳng định hiệu quả quá trình tách tạp chất ra khỏi sợi, mẫu sợi đay trước và sau khi xử lý được chụp trên kính hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy việc xử lý bằng kiềm đã loại bỏ được tạp chất có ở trong sợi, bề mặt sợi thu được là đồng nhất hơn. A. Mẫu đay chưa xử lý B. Mẫu đay đã xử lý bằng dung dịch NaOH 5% - 6 giờ - 600C Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu sợi đay trước và sau khi xử lý 3.3. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu sợi đay trước và sau khi xử lý Kết quả phân tích được đưa ra ở các hình 3.4, 3.5. Hình 3.4. Mẫu sợi đay chưa xử lý Hình 3.5. Mẫu sợi đay xử lý bằng NaOH 5%-600C-6 giờ Từ giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sợi đay chưa xử lý và đã xử lý trong dung dịch NaOH 5% và 600C, trong thời gian 6 giờ cho thấy đường Dr TGA của mẫu sợi chưa xử lý có xuất hiện nhiều pic nhỏ, trong khi mẫu sợi đã xử lý thì không chứa những pic này. Ngoài ra, có sự dịch chuyển nhiệt độ cháy của xenlulo từ 319,290C đối với mẫu chưa xử lý lên 343,680C đối với mẫu đã xử lý. Phần trăm xenlulo trong mẫu sợi sau khi xử lý cũng tăng lên (khoảng 86% đối với sợi đay chưa xử lý lên 92,48% đối với mẫu sợi đã xử lý ở 600C trong 6 giờ). Như vậy, sợi đay được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% trong thời gian 6 giờ, tại 600C thì lượng tạp chất tách ra là lớn nhất, tăng độ kết tinh của sợi. 3.4. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý lên tính chất cơ lý của vật liệu 3.4.1. Tính chất cơ lý của vật liệu composite sợi đay-polyeste không no Sợi đay sau khi xử lý ở các điều kiện khảo sát được gia công theo phương pháp lăn ép bằng tay theo tỉ lệ sợi/nhựa = 20/80, đóng rắn ở nhiệt độ phòng. Mẫu được cắt theo tiêu chuẩn đem đo tính chất cơ lí. Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của vật liệu composite sợi đay-polyeste không no Nhiệt độ 500C 600C 700C Thời gian (giờ) 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 Độ bền kéo (MPa) 22,7 34,22 30,07 30,35 22,37 25,55 23,31 21,93 23,27 22,79 20,73 19,75 Độ bền uốn (MPA) 58,76 62,41 56,02 41,81 59,14 55,83 41,67 37,99 53,77 46,36 34,17 30,43 Vật liệu composite gia cường từ sợi đay đã xử lý ở nồng độ NaOH 5%, nhiệt độ 500C, thời gian ngâm 4 giờ thì có độ bền kéo và uốn là cao nhất. So với sợi chưa xử lý thì độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu tăng 103% và 246,34% tương ứng. Như vậy, khoảng điều kiện hợp lý để xử lý sợi đay làm cốt gia cường cho vật liệu polyme composite trên nền nhựa UPE là: Nồng độ dung dịch NaOH: 5% Nhiệt độ: 500C Thời gian: 4 giờ 3.4.2. Tính chất cơ lý của vật liệu composite kết hợp sợi đay và thủy tinh trên nền nhựa polyeste không no Sợi đay sau khi xử lý bằng NaOH đã cải thiện đáng kể tính chất cơ lí của vật liệu. Để tăng cường độ bền cơ lí hơn nữa, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thay thế 1 phần sợi đay bằng sợi thuỷ tinh. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.4. Bảng 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu composite kết hợp sợi đay, thủy tinh-UPE ĐỘ BỀN CƠ LÝ 100% Đay 70% Đay-30% Thủy tinh 50% Đay-50% Thủy tinh 30% Đay-70% Thủy tinh 100% Thủy tinh Độ bền kéo (MPa) 34,22 29,37 36,14 55,17 95,40 Độ bền uốn (MPa) 62,41 53,97 65,84 141,05 162,13 Như vậy, khi kết hợp sợi đay với sợi thủy tinh theo các tỉ lệ khác nhau thì độ bền kéo và độ bền uốn tăng so với vật liệu composite gia cường từ sợi đay xử lý ở điều kiện tối ưu. Tuy nhiên, khi kết hợp theo tỉ lệ 70% đay-30% thủy tinh độ bền uốn lại giảm 13,52%, độ bền kéo giảm 14,17%, còn khi tỉ lệ 50% đay-70% thủy tinh thì độ bền uốn tăng 5,6% và độ bền kéo tăng 5,50%, tỉ lệ 30% đay-70% thủy tinh thì độ bền uốn và kéo lần lượt tăng 61,22% và 126%. Để khẳng định khả năng tương hợp giữa sợi với nhựa nền, mẫu composite gia cường bằng sợi đay trước và sau khi xử lý sau khi phá huỷ do kéo được chụp SEM. Kết quả cho thấy liên kết của sợi đay sau xử lý bằng kiềm với nhựa nền là tốt. A. Trước xử lý B. Sau khi xử lý Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu composit gia cường từ sợi đay trước và sau khi xử lý bằng kiềm sau khi bị phá huỷ do kéo 3.5. Độ bền môi trường của vật liệu composite từ sợi đay và nhựa UPE Để ứng dụng vật liệu này trong thực tế, chúng tôi tiến hành nghiên cứu độ bền trong môi trường nước sinh hoạt và nước biển thông qua độ trương và độ tan. Bảng 3.5. Độ trương và độ tan của vật liệu trong các môi trường khác nhau % trương % tan Thời gian (ngày) Môi trường 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 Nước sinh hoạt 0,539 1,109 4,633 5,000 5,302 0,02 0,03 0,06 0,082 0,09 Nước biển 0,410 1,006 3,032 4,102 4,227 0,04 0,09 0,121 0,142 0,144 Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu bền trong nước và nước biển. Điều đó cho phép ứng dụng loại vật liệu này trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau. 4. KẾT LUẬN Dựa vào kết quả nghiên cứu ở trên chúng tôi rút ra một số nhận xét sau: - Sợi đay được xử lý trong dung dịch NaOH 5%, ở 500C, trong 4 giờ cho sợi có tính chất tốt để gia cường cho vật liệu polyme composite. - Có thể tăng cường tính chất cơ lý của vật liệu bằng cách kết hợp sợi đay với sợi thuỷ tinh. - Vật liệu composite trên nền nhựa polyeste không no với sợi đay bền trong môi trường nước thường, nước biển. - Có thể sử dụng sợi đay để làm cốt gia cường trong một số sản phẩm composite và ứng dụng chúng trong một số lĩnh vực nhất định. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Leonard Y. Mwaikambo, Martin P. Ansell, “Chemical modification of hemp, sisal, jute and kapok fibers by alkalization”, Journal of applied polymer science, vol.84, 2222-2234, 2002. [2] N. P Gupta, P.C Patni, R.K.Arora and S.K. Chopra, “Properties of alkali treated jute, ramie, pineapple leaf fibers and yarns”, Cellulose chem – Techno, 20: 515-521, 1986. [3] F.Sadov, M.Korchagin, M.Matetsky, Chemical technology of fibrous materials, Mir Publishers, Moscow, 1973. [4] R.K. Basak, A.K. Rana, “Study of the thermal behavior of alkali-treated jute fibers”, Journal of applied polymer science, 85: 2594-2599, 2002. [5] Gassan J, Bledzki AK. “Alkali treatment of jute fibers: relationship between structure and mechanical properties”, Journal of applied polymer science, 71: 623-629,1999. [6] Jochen Gassan, Andze. J.K. Bledzki, “Possibilities for improving the mechanical properties of jute/epoxy composites by alkali treatment of fibers”, composites science and technology, 59: 1303 – 1309, 1999.