Nghiên cứu vật liệu polymer compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường bằng sợi sisal

e. Nhóm này thường nằm ở cuối mạch. Phần phi epoxy của phân tử có thể là hydrocacbon no, hidrocacbon mạch vòng no hoặc hydrocacbon thơm. Nhựa epoxy-dian chiếm 80-90% tổng sản lượng epoxy. Khoảng 25% trong số đó được sử dụng làm chất kết dính cho vật liệu compozit có độ bền cao. II.1.1.Tổng hợp nhựa epoxy[4,5,6]: Nhựa epoxy_dian chủ yếu được tổng hợp từ phản ứng Ng­ng tô cã xóc t¸c (baz¬) gi÷a c¸c hîp chÊt epoxy (®iÓn h×nh lµ epiclohidrin) víi c¸c chÊt cho proton (ch¼ng h¹n bisphenol A) . Đó là phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n=2,3,4… Công thức tổng quát của nhựa epoxy dian có dạng : Tùy thuộc tỷ lệ đương lượng giữa epyclohidrin và bis phenol A, thời gian, nhiệt độ và nồng độ NaOH sử dụng , nhựa epoxy nhận được sẽ có khối lượng phân tử khác nhau. Ngoài ra còn tổng hợp theo hai phương pháp khác: Epoxy hóa các hợp chất không no bằng tác nhân cung cấp oxy. Trùng hợp và đồng trùng hợp các hợp chất epoxy không no. Nguyên liệu đầu Bisphenol A được tạo ra từ phản ứng của axeton và phenol trong môi trường axit mạnh ở 10 - 500C : Phenol và axeton là những nguyên liệu sẵn có nên Bisphenol A được sản xuất dễ dàng.Điêu đó giải thích tại sao nhựa epoxy lại được sử dụng rộng rãi hơn các loại nhựa khác.Bisphenol A hay Diphenylolpropan (DPP) tồn tại dạng bột màu trăng,không tan trong nước,tan trong axeton và rươu,có nhiêt độ nóng chảy 153 - 155 0C. Epiclohidrin, hợp chất có giá thành cao hơn, được tạo thành từ các phản ứng sau: Ngoài propylen, epiclohidrin (ECH) còn có thể được tạo ra từ glyxerin qua hai giai đoạn : clo hóa và đóng vòng epoxy: ECH là chất lỏng không màu, mùi hắc , tỷ trọng 1,18 (g/ml), nhiệt độ sôi 117 - 1180C. b.Phản ứng tạo thành nhựa epoxydian: Phản ứng ngưng tụ của bisphenol A với epiclohidrin để tạo nhựa epoxy thường sử dụng xúc tác kiềm theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: là giai đoạn kết hợp, nhóm epoxy của epiclohidrin tác dụng với nhóm hydroxyl của bisphenol A, phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ 60-700C. và tỏa nhiệt (D H = -17Kcal/mol): Giai đoạn 2: Tách HCl tạo thành diepoxy, phản úng xảy ra chạm và thu nhiệt (DH=29Kcal/mol): Diglyxydylete. Diglyxydylete(DGE) nhận được với tỷ lệ mol epiclohidrin va bisphenol A (DPP) là 2/1. Tuy nhiên, thực nghiệm chỉ ra rằng khi tỷ lệ 2/1 thì hiêu suất tạo DEG<10%. Do đó thực tế tỷ lệ mol ECH/DPP<2. Tiếp theo phát triển mạch do DPP cộng hợp vào nhóm epoxy của olygome DGE. Nhóm phenol tự do của hợp chất A phản ứng với EP tương tự kiểu phản ứng (7), đóng vòng epoxy theo phản ứng (8), tạo ra olygome epoxy có độ trùng hợp n=1. Phát triển mạch theo hệ thống phản ứng (7) - (9), sẽ tạo ra các olygome có n= 2.3.4 Cấu trúc của nhựa epoxydian có dạng: II.1.2 Các thông số quan trọng của nhựa epoxy Hàm lượng nhóm epoxy (HLE) : là khối lượng của nhóm epoxy có trong 100g nhựa . Đương lượng epoxy (ĐLE) là lượng nhựa tính theo gam chứa một đương lượng oxyepoxit. Giá trị epoxy (GTE) : là đương lượng gam của oxy epoxit có trong 100g nhựa : §LE = GTE = Trong đó hàm lượng oxyepoxit (HLOE) được xác định: HLOE = Sự liên quan giữa hàm lượng nhóm epoxy (HLE) và đương lượng epoxy (ĐLE) theo công thức sau: HLE = ở đây 43- khối lượng phân tử của nhóm epoxy Ngoài ra còn một vài thông số kỹ thuật khác thường được giới thiệu cho một loại nhựa epoxy như: độ nhớt , chỉ số khúc xạ, đương lượng hydroxy. II.1.3 tính chất và ứng dụng của nhựa epoxy Tính chất [3,7]: Nhựa epoxy khi chưa đóng rắn là nhựa nhiệt dẻo, tùy thuộc khối lượng phân tử mà nhựa epoxy ở dạng lỏng (M800); có thể tan tốt trong các dung môi hữu cơ xeton, hydrocacbon. Nhựa epoxy tan tốt trong các dung môi hữu cơ : xeton, axetat, hydrocacbon clo hóa, dioxan… Nhựa epoxy không tan trong các dung môi hydrocacbon mạch thẳng (white spirit, xăng …). Có khả năng phối trộn với các nhựa khác như ure focmandehyt, polyeste, nitroxelulo,…. Hoặc các epoxy khác. Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, có trọng lượng phân tử cao hơn, có tính chất cơ lý tốt hơn , khi tác dụng với các chất đóng rắn. phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. Nhựa epoxy đã đóng rắn cứng và ròn, nhưng độ bền của nhựa phụ thuộc vào chiều dài, bản chất của đoạn mạch polyme nằm giữa hai nhóm epoxy; polyme có mạch dài sẽ bền hơn so với polyme có mạch ngắn hơn cùng laoik, tuy nhiên lại có mật độ liên kết ngang thấp hơn, nhạy hơn đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệt kém hơn. Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động là epoxy và hydroxyl, có thể tham gia vào nhiều phản ứng khác nhau. Nhóm epoxy rất dễ dàng phản ứng với các tác nhân (nucleophin). Với các tác nhân ái điện tử (electronphin) , phản ứng xảy ra thuận lợi khi có mặt xúc tác như rượu, phenol, axit. Do nhóm hydroxyl hoạt động kém hơn nhóm epoxy, nên phản ứng tiến hành phải có xúc tác hoặc nhiệt độ cao (trừ phản ứng với nhóm xyanat). b. ứng dụng[3,7]: nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền với dung môi, khả năng chịu nhiệt cao hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác, nên thường được ứng dụng làm các lớp phủ chất lượng cao, sơn, keo dán, tấm nót cho tàu thuyền, làm vật liệu bảng điện, trang trí… Nhựa epoxy có ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp chế tạo vật liệu compozit. Nhờ các nhóm phân cực, epoxy có khả năng bám dính tốt với sợi tăng cường, do đó làm tăng độ bền của compozit. Vật liệu compozit từ nhựa epoxy có chất lượng cao , thường được ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ. II.1.4 Đóng rắn nhựa epoxy [4,5,6]: Nhựa epoxy chỉ được sử dụng có hiệu quả khi đã chuyển sang trạng thái nhiệt rắn, nghĩa là hình thành các liên kết ngang giữa các phân tử nhờ phản ứng với các tác nhân đóng rắn, tạo cấu trúc không gian ba chiều, không nóng chảy, không hòa tan. Nhựa epoxy chuyển thành trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấu trúc mạng lưới không gian 3 chiều chỉ dưới tác dụng của chất đóng rắn. Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy. Vì chất đóng rắn tham gia vào cấu trúc mạng lưới polyme làm thay đổi cấu trúc của chúng, nên quá trình đóng rắn là yếu tố quan trọng để hình thành vật liệu epoxy. Hoạt tính cao của nhóm epoxy với tác nhân (nucleophin) cho phép sử dụng các hệ đóng rắn khác nhau có khả năng phản ứng trong một khoảng nhiệt độ rộng từ 00C đến 2000C . Các phản ứng chính của nhóm epoxy là cộng hợp với các chất chứa nguyên tử hoạt động và trùng hợp của nhóm epoxy theo cơ chế ion. Cả hai phản ứng đều dẫn tới hình thành polyme có khối lượng phân tử cao hơn. Xuất phát từ cơ chế tác dụng của nhựa epoxy , các chất đóng rắn cũng được phân thành hai nhóm chính: Đóng rắn nhờ các hợp chất đa chức hoạt động như các amin bậc 1, bậc 2, anhydrit của axit hữu cơ. Đóng rắn theo cơ chế ion: trên cơ sở của các bazo và axit Liwis. II.1.4.1.Chất đóng rắn cộng hợp Dưới tác dụng hóa học của chất đóng rắn dạng này có nhóm epoxy và hydroxyl, nhựa epoxy chuyển thành polyme có cấu trúc không gian. Thuộc về nhóm này là các chất đóng rắn chứa nguyên tử hydro hoạt động như: polyme . polyaxit, polymecaptan, polyphenol Chất đóng rắn amin Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy. Chất đóng rắn amin bao gồm các chất khác nhau chứa các nhóm amin tự do: amin thẳng, vòng, dị vòng và polyamin thơm, sản phẩm biến tính amin cũng như các oligome amitamin có nhóm amin ở cuối mạch. Khi dùng chất đóng rắn loại amin có nhóm - NH2 thì nguyên tử H của nhóm amin sẽ tạo thành với O của nhóm epoxy những nhóm hydroxyl mới như sau: Tổng quát mà nói có thể giải thiết cấu tạo của nhựa epoxy sau khi đóng rắn bằng amin như sau: Trong đó R là: Đặc điểm của quá trình đóng rắn này là không để thoát ra một sản phẩm phụ nào.Các chất đóng rắn amin thực tế có khả năng đóng rắn tất cả các dạng nhựa epoxy,ngoại trừ epoxy este và epoxy vòng béo (xycloaliphatic epoxy), trong vùng nhiệt độ từ 00C đến 1500C. Mặc dù có hoạt tính cao, một vài chất đóng rắn amin, khi đóng rắn ở nhiệt độ thấp (00C-200C) thường phải bổ sung chất xúc tiến như rượu, mercaptan, phenol, axit cacboxylic. Một số chất đóng rắn amin điển hình gồm: Polyamin mạch thẳng: Các polyamin mạch thẳng là sản phẩm phản ứng giữa amoniac và dicloetan, được sử dụng rộng rãi để đóng rắn nhựa epoxy: Đietylentriamin (DETA) H2N – CH2 – CH2 – NH – CH2 –CH2 – NH2 Trietylentetramin (TETA) H2N – (CH2)2 – NH – (CH2)2 - NH – (CH2)2 – NH2 Dietylaminopropylamin (DEAP)  Polyetylenpolyamin H2N – (CH2 – CH2 – NH ) n – CH2 –CH2 – NH2 Đặc điểm của quá trình đóng rắn bằng amin mạch thẳng: Quá trình đóng rắn xảy ra rất nhanh ngay ở nhiệt độ thường và tỏa nhiệt nên chỉ có thể đưa chất đóng rắn vào nhựa epoxy ngay trước khi sử dụng: Lượng amin cho vào phải chính xác làm sao cho một nguyên tử hydro hoạt động của nhóm amin tương ứng với một nhóm epoxy, vì nếu dư hay thiếu đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Khi cho dư amin thì các nhóm epoxy sẽ kết hợp với các amin nay và hạn chế khả năng tạo cấu trúc không gian, và nếu thiếu amin thì cấu trúc tạo lưới cũng kém chặt chẽ. Các loại amin này độc và có tác dụng ăn mòn kim loại nên việc sử dụng chúng bị hạn chế nhiều. Nhựa sau khi đóng rắn có độ mềm dẻo không cao do sự phân bố các nhóm hoạt tính quá gần nhau dẫn tới khoảng cách của các mắt xích rất nhỏ, làm giảm độ linh động . Chất đóng rắn axit và anhydrit axit. Vật liệu chế tạo từ nhựa epoxy glyxydylete đóng rắn bằng axit , anhydrit axit có tính chất cơ học. điện, bền nhiệt cao hơn hẳn so với hệ epoxy-amin, Trong công nghệ vật liệu epoxy đóng rắn bằng axit và anhydrit axit có thể sử dụng xúc tác hoặc không xúc tác.Tùy vào điều kiện có hoặc không có xúc tác, cơ chế phản ứng đóng rắn sẽ khác nhau. + Phản ứng đóng rắn không có xúc tác: Khi đóng rắn nhựa epoxy bằng axit polycacbonxylic, có thể xảy ra các phản ứng [ 14.15]: Anhydrit axit phản ứng với nhựa epoxy theo hai giai đoạn. Đầu tiên, nhóm hydroxyl của nhựa epoxy mở vòng anhydrit axit tạo thành este axit: Sau khi nhóm cacboxyl mới sinh sẽ phản ứng với nhóm epoxy tạo ra hợp chất dieste: Nhóm hydroxyl tạo thành từ phản ứng (18) lại mở vòng anhydrit axit, tạo nên nhóm axit mới và phản ứng tiếp với nhựa epoxy ở chu kỳ tiếp theo. + Phản ứng đóng rắn có xúc tác: _Xúc tác bazo: Phản ứng đóng rắn có xúc tác bazo (B) là dãy tuần hoàn mà trong một chu kỳ gồm các phản ứng (19), (20), (21) và tác nhân phản ứng là anion cacboxylat: Với chất đóng rắn là axit polycacboxylic, xúc tác bazo thường là hydroxyt kim loại, còn đối với anhydrit axit thì xúc tác bazo là amin bậc 3 và imidazol. _Xúc tác axit: BF3 và các axit Lewis khác có khả năng xúc tiến phản ứng giữa anhydrit axit và epoxy. Điểm đặc biệt là phức phối trí của BF3 và anhydrit phản ứng với nhóm –OH của epoxy ưu tiên hơn so với nhóm axit: Để tăng hoạt tính của hệ epoxy-anhydrit, ngoài các xúc tác axit, bazo, còn có thể sử dụng chất pha loãng hoạt tính. Từ các phản ứng giữa anhydrit axit với nhựa epoxy nhận thấy ,trước khi phản ứng, anhydrit axit cần được mở vòng nhờ: Nhóm hydroxyl trong nhựa epoxy. Xúc tác amin bậc 3 hoặc axit Lewis. Đặc biệt, ở trường hợp đầu ( phản ứng không có xúc tác), ở nhiệt độ 180°C thì lại là hai chức, do đó tùy thuộc vào chế độ nhiệt mà tính lượng chất đóng rắn cho phù hợp. Công thức tính lượng chất đóng rắn axit, anhydrit axit như sau: X = Trong đó : X- lượng chất đóng rắn cho 100 gam nhựa epoxy, g. M- khối lượng nhóm epoxy, %. K- hệ số thực nghiệm , 0,85 ÷ 1,2. Một số chất đóng rắn loại anhydrit axit và xúc tác: Có rất nhiều chất đóng rắn loại anhydrit axit, trong đó một số chất đóng rắn điển hình là ; [15,25]. AP là chất rắn (t°nc=128°C), rẻ tiền, dễ thăng hoa ở nhiệt độ cao và khó hòa tan trong nhựa epoxy. Do đó AP được trộn hợp vào nhựa epoxy ở 120°C đến khi tan hoàn toàn thì hạ nhiệt độ và duy trì ở 60°C để tránh kết tủa AP. Tổ hợp nhựa epoxy-AP có thể đóng rắn không có xúc tác ở 120°C - 130°C trong 14-16 giờ, được sử dụng để chế tạo vật liệu đúc cách điện. II.1.4.2. đóng rắn nhờ tác dụng xúc tác. Ngoài phản ứng cộng hợp với các chất đóng rắn có nguyên tử hydro linh động để tạo ra các polyme liên kết mạng như mô tả ở phẩn trên, nhựa epoxy còn tham gia đóng rắn kiểu trùng hợp xúc tác. Do vòng epoxy có sức căng lớn nên nhựa epoxy có sức căng lớn, nhựa epoxy có thể tham gia phản ứng trùng hợp ion,khơi mào bởi các chất xúc tác mở vòng epoxy. Xúc tác cho phản ứng trùng hợp nhựa epoxy thường dùng là các axit, bazo Lewis, các xúc tác phức và đặc biệt là các chất nhạy quang có thể khởi đầu trùng hợp khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng. Mặc dù axit và bazo Lewis là xúc tác cho phản ứng trùng hợp cation và anion tương ứng, có cơ chế khởi đầu và phát triển mạch khác nhau, song đều tạo ra cấu trúc polyme trong nhựa epoxy sau khi đóng rắn. II.2 Sợi Sisal II.2.1 Sợi tự nhiên [8,9]: Tổng quan về sợi tự nhiên[9]: Sợi tổng hợp như là sợi nylon, sợi aramit, sơi thủy tinh và sợi cacbon được sử dụng rộng rãi làm chất gia cường cho vật liệu compozit nền polyme. Tuy nhiên những sợi tổng hợp này lại không có khả năng phân hủy sinh học và có giá cao làm tăng giá thành sản xuất sản phẩm. Bởi vậy, người ta ngay càng quan tâm tới khả năng thay thế hoàn toàn hoặc một phần các loại sợi tổng hợp bởi các loại sợi tự nhiên. Sợi tự nhiên có ưu điểm là có khả năng phân hủy sinh học, có giá rẻ, và có khối lượng riêng thấp. Hơn thế nữa, chúng còn thể hiện đặc tính cơ lý tương đối tốt, là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo và sản phẩm không gây mài mòn thiết bị so với sợi tổng hợp. Những ưu điểm nổi trội này đã thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất vật liệu compozit nền polyme. Mặc dù có nhiều ưu điểm, song sợi thực vật không thể thay thế hoàn toàn sợi tổng hợp trong nhiều ứng dụng có những đòi hỏi cao về tính chất sản phẩm. Do bởi sợi thực vật còn một số khuyết điểm cần khắc phục đó là: độ hút ẩm lớn, tính chất cơ lý sợi thực vật không ổn định ,dễ bị phá hủy dưới tác động của thời tiết, sinh vật và thường có độ bền liên kết bề mặt sợi-nền kém đã gây hạn chế việc ứng dụng rộng rãi sợi thực vật làm chất gia cường cho vật liệu polyme compozit. Để giải quyết những vấn đề về môi trường, tìm giải pháp cho vấn đề khủng hoảng năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ) cần thiết phải tìm cách nâng cao tính chất ,mở rộng ứng dung của sợi tự nhiên. Ngày nay, đã áp dụng nhiều phương pháp để nâng cao chất lượng sợi thu được như: lựa chọn phương pháp và công đoạn sản xuất sợi. Xử lý bề mặt sợi, lai tạo giữa sợi tự nhiên và sợi tổng hợp. Nhiều sợi thực vật như xơ dừa, sợi sisal, sợi đay, sợi chuối, sợi dứa, sợi gai dầu đã có những ứng dụng làm nguyên liệu thô cho sản xuất công nghiệp. Tính chất của sợi thực vật phụ thuộc vào chủng loại sợi, môi trường trồng, tuổi của cây và phương pháp thu hoạch sợi cũng như phương pháp để xác định các tính chất đó Phân loại sợi tự nhiên[8]: Sợi tự nhiên được chia làm ba loại chính sau. Sợi thực vật ( `xenlulozo va liginxenlulozo) được lấy từ các nguồn Quả: xơ dừa…. Hạt: bông gạo, bông….. Sợi vỏ: sợi gai dầu, sợi đay, sợi cây gai…. Lá: sợi dứa, tơ chuối, cây thùa sợi, sisal… Sợi thân: hạt lúa mì, bắp, lúa mạch, yến mạch,… Sợi gỗ: bã mía, tre, lứa… ● Sợi động vật: len cừu, lông dê, long bờm ngựa, sơi tơ tằm,… ● Sợi khoáng: amiang, bruxit… Thành phần của một số loại sợi tự nhiên [8]:. Sợi Xenlulo (%) Hemixenlulozo (%) Ligin (%) Pectin (%) Nước (%) Chất sáp (%) flax 71 18.6÷20.6 2.2 2.3 8÷12 1.7 Sợi gai dầu 70÷74 17.9÷22.4 3.7÷5.7 0.9 6.2÷12 0.8 Sợi đay 61÷71.5 13.6÷20.4 12÷13 0.2 12.5÷13.7 0.5 Kevla 45÷57 21.5 8÷13 3÷5 Sisal 66÷78 10÷14 10÷14 10 10÷22 2 Sợi chuối 63÷64 10 5 10÷12 Sợi bông 85÷90 5.7 0÷1 7.85÷8.5 0.6 Sợi dứa 32÷43 0.15÷0.25 40÷50 3÷4 8 Cấu tạo tế bào sợi[8,9]: sơ đồ phác họa của tế bào sợi trên hình có thể thấy, thành tế bào chứa vài lớp cấu trúc sợi tạo thành từ các sợi mảnh. Trong thành thư nhất sợi mảnh có cấu trúc mắt lưới. Trong thành thứ hai phía ngoài (S1) nằm liền ngay thành thứ nhất thì sợi mảnh lại có cấu trúc xoắn ốc với góc nghiêng xoắn ốc bằng 400 so với chiều dọc trục sợi. Thành thứ hai phía trong có độ dốc thay đổi từ180-250 . lớp thứ thứ ba mỏng sát trong cùng nhất có cấu trúc sợi song song và bao bọc lấy Lumen. Sợi mỏng được cấu tạo từ vi sợi với chiều dày khoảng 20nm. Đến lượt mình, các vi sợi lại được cấu tạo từ các chuỗi phân tử xenlulo với chiều dày khoảng 0,7nm và chiều dài khoảng vài µm. e.Tính chất cơ lý của một số loại sợi [7]: Sợi Khối lượng riêng(g/cm3) Đường kính (µm) Độ bền kéo đứt(MPa) Mô đun đàn hồi(MPa) Độ giãn dài (%) Flax 1.5 400÷600 345÷1500 7.6 2.7÷3.2 Sợi gai dầu 1.45 25÷500 690 70 1.6 Sợi đay 1.3÷1.49 25÷200 393÷800 13÷26.5 1.16÷1.5 Kevla 930 53 1.6 Sisal 1.45 50÷200 468÷700 9,4÷22 3÷7 Sợi chuối 430÷760 Sợi bông 1.5÷1.6 15÷38 287÷800 5.5÷12.6 7÷8 Sợi dứa 1.5÷1.46 100÷460 131÷220 4÷6 15÷40 II.2.2 Sợi sisal: II.2.2.1.Đặc điểm và phân loại [8,9,10,11]: Sợi sisal được thu nhận từ lá cây Agave sisalana có nguồn gốc từ Mexico và hiện nay nó được trồng rộng rãi ở các vùng như: Đông Phi, Brazil, Haiti, Ấn độ và Indonexia. ở Việt Nam. Nó được trồng rộng rãi,chủ yếu phân bố ở các tỉnh miền trung và nam bộ. Sợi sisal được xếp vào nhóm “ sợi cứng” có độ bền lớn hơn hai lần sợi chuối abaca. Cây sisal là cây có một thân mà các lá đâm ra từ thân nó. Cây có thân cao khoảng 1,2m, đường kính thân khoảng 20cm. Lá cây có hình lưỡi giáo mọc ra từ thân theo một hình hoa thị râm rạp; lá cây dày và cứng. Có màu từ xám tới xanh đen, mỗi lá rộng khoảng 0,8-1,5 m, ở cuối lá rộng 7,6 cm, ở vị trí rộng nhất tren lá rộng 10-16 cm, còn ở phần đỉnh lá thì chỉ còn như một gai nhọn. Cây sisal trưởng thành sau khi trồng từ 4 đến 8 năm, từ thân cây mọc ra một thân hoa khi đó chiều cao cây có thể đạt từ 4 đến 6 mét. Hoa sisal có màu vàng dài khoảng 6cm, mọc thành cụm dày ở đầu của thân hoa, có mùi hương không dễ chịu lắm. Khi hoa bắt đầu héo đi các chòi non đâm ra từ cuống hoa, khi đó thân hoa phát triển thành cây nhỏ và tạo rễ dưới mặt đất. Các cây chết đi khi hoa đã nảy chồi. Sisal có mặt ở các vùng mà nhiệt độ khoảng và lượng mưa hàng năm khoảng , chúng thích nghi tốt với các vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, chịu được khô hạn kéo dài và nhiệt độ cao. Các cây non được nhân giống từ rễ dưới mặt đất của các cây trưởng thành. Các rễ này được giữ trong vườn ươm từ 12-18 tháng đầu tiên, đến đầu mùa mưa các cây non được đưa đến cánh đồng để trồng với khoảng cách các cây la 1-2 m. thu hoạch sợi [10,11]. Sợi sisal được thu hoach thủ công bằng tay hay có sự hỗ trợ bằng máy xay. Sợi được thu hoạch từ lá bằng các cách khác nhau như: giầm lá để tách sợi,nạo lớp vỏ biểu bì để lấy sợi hoặc trước khi nạo có thể dầm nát để quá trình nạo được dễ dàng hơn. ở một vài nơi người ta còn sử dụng máy tách sợi, máy này thực chất là một may xay dùng để nạo hết lớp biểu bì để thu hồi sợi. Cây sisal có thời gian thu hoạch ngắn. một cây sisal tốt có thể thu hoạch được khoảng 200 lá với mỗi lá chứa khoang 4% khối lượng sợi, 0,75% biểu bì, 8% các chất khô khác và 87,25% là nước. do vậy, một lá trung bình có trọng lượng khoảng 600g thì sẽ thu được khoảng 3% khối lượng sợi tương ứng mỗi lá chứa khoảng 1000 sợi. đường kinh sợi thu được dao động từ 100 µm -300 µm. Vai trò, ứng dụng của sợi sisal. Từ xa xưa con người đã biết thu hái và sử dụng sợi sisal cho nhiều mục đích khác nhau. Những người thổ dân da đỏ Maya đã sử dụng sợi sisal để làm ra nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và sản xuất. từ sợi sisal họ sử dụng để bện dây thừng, chão, dây bện đôi, thảm, lưới đánh cá và cả quần áo mặc. ngày nay, sợi sisal còn được dùng để làm bao tay,túi xách, các sản phẩm mỹ nghệ đa dạng. Tuy nhiên, việc sử dụng sợi sisal cho các mục đích sản xuất hàng gia dụng không mang lại hiệu quả kinh tế cao. Ngày càng cớ nhiều sự quan tâm cho việc sử dụng sợi sisal vào mục đích làm nguyên liệu cho công nghiệp, tiêu biểu là chất gia cường cho vật liệu compozit. Sợi dứa sử dụng trong công nghiệp có ba loại: Sợi có chất lượng thấp sử dụng cho công nghiệp giấy vì nó có hàm lượng xenlulo va hemixenlulo cao. Sợi có chất lượng trung binh được dùng để bện thừng, bện dây buộc kiện hàng và sợi bện dùng trong hàng hải, nông nghiệp và công nghiệp nói chung. Sợi có chất lượng cao sau khi xử lý được gia công thành các sợi nhỏ sử dụng trong công nghệ dệt thảm; ngoài ra sợi còn được sử dụng làm chiếu không dệt, bàn chải. Một vài sản phẩm sản xuất trực tiếp từ sợi dứa: II.2.2.2.Thành phần,tính chất của sợi[9]: a/Thành phần hóa học của sợi: Thành phần hóa hoc của dứa bao gồm xenlulo, hemixenlulo, lignin, pectin và một lượng nhỏ chất sáp và chất béo Thành phần hóa học của sợi dứa thay đổi tùy theo điều kiện sinh hóa, thổ nhưỡng nơi trồng và tuổi của cây. Thành phần hóa học của sợi dứa được cho như sau: Thµnh phÇn Hµm l­îng (%) Xenlulo 65,8 Hemi-xenlulo 12,0 Pectin 0,8 Lignin 9,9 ChÊt hßa tan 1,2 ChÊt s¸p 0,3 N­íc 10,0 Hàm lượng các chất vô cơ. Hàm lượng các chất vô cơ trong một loại thực vật được quy về hàm lượng tro, nó được đo xấp xỉ bằng lượng muối khoáng và các chất vô cơ khác trong sợi sau khi nung ở nhiệt độ 5000C. hàm lượng các chất vô cơ có thể khá cao trong các loại thực vật chứa nhiều silica. Các cation thường gặp trong thành phần của tro la K+, Na+, Mg++, Ca++ và các anion của các axit sùnuric, clohydric, photphoric, silic. Thành phần tan trong nước. Các chất tan trong nước chủ yếu là tinh bột, muối vô cơ, chất màu, tanit. b/ Tính chất của sợi. Nhìn chung, độ bền và độ cứng của sợi phụ thuộc vào hàm lượng xenlulo và góc nghiêng xoắn (góc tạo bởi vi sợi của thành thứ 2 phía trong với trục của sợi). cấu trúc vá tính chất của sợi lại phụ thuộc vào nguồn khai thác tuổi của cây. Tính chất kéo của sợi dứa không đồng nhất trên toàn bộ chiều dài sợi, phần gốc thường có độ bền và modun kéo nhỏ nhưng độ dai va đập tốt. sợi trở nên bền và cứng hơn ở phần giữa, khi đến phần đầu lại thể hiện tính chất trung bình. Bảng 6: tính chất của sợi dứa. Khèi l­îng riªng (Kg.m-3) Hµm l­îng Èm(%) §é bÒn kÐo(MPa) Modun kÐo(GPa) §é d·n dµi max(%) §­êng kÝnh sîi(µm) 1450 11 604 9,4-15,8 - 50-200 1450 - 530-640 9,4-22 3-7 50-300 1450 - 450-700 7-13 4-9 - B¶ng 6: TÝnh chÊt cña sîi sisal. II,2.3.Các phương pháp sử lý sợi: II.2.3.1 Phương pháp vật lý: Phương pháp plasma lạnh : Khi vật liệu là đối tượng xử lý plasma, phản ứng quan trọng dựa trên hóa học gốc tự do, Plasma, đặc biệt là plasma phát sáng có hiệu quả ở việc tạo ra mật độ cao gốc tự do bằng cách phân tách phân tử thành electron qua quá trình quang hóa và va chạm. Ưu điểm: các liên kết ngang trên bề mặt sợi được đưa ra, năng lượng bề mặt của sợi có thể được tăng hoặc giảm, các gốc hoăc nhóm hoạt động có thể được tạo thành. Phương pháp phóng điện corona: Xử lý bằng nhóm phóng điện corona là một kỹ thuật hay nhất để hoạt hóa oxy hóa bề mặt. đặc điểm của quá trình này cũng giống như sự phát sáng của dây tóc bóng đèn kéo dài từ một bóng đèn electron cao áp đến nền. quá trình này làm thay đổi năng lượng bề mặt của sợi dứa. II.2.3.2 Phương pháp hóa học: Xử lý kiềm [13]: Xử lý kiềm là phương pháp xử lý sợi phổ biến nhất cho sợi dứa nói riêng và sợi thực vật nói chung. Do bởi, phương pháp xử lý kiềm có nhiều ưu điểm nổi bật như: tiến hành đơn giản, rẻ tiền, không yêu cầu trang thiết bị và hiệu quả tương đối cao. Xử lý kiềm nhằm hòa tan các phần vô định hình như lignin, các axit béo, hemixenlulo, tao cho bề mặt sợi có độ thô ráp, giảm các bó xoắn và tăng các phân tử được định hướng vì vậy làm tăng khả năng bám dính của sợi và nhựa nền. ngoài ra, xử lý kiềm còn làm tăng một vài tính cơ lý và hóa học của sợi . Sử dụng chất liên kết hóa học [9]: Người ta thường sử dụng chất liên kết là các hợp chất silan. Có hai hợp chất silan khác nhau được sử dụng là tác nhân liên kết để biến tính bề mặt sợi dứa: 3-amino propyl trietoxy silane (silan-1) H2N(-CH2)3Si(-OC2H5)3 Metacryloxy propyl silane (silan-2) CH3C(CH2)COO(CH2)3Si(OCH3)3 trước khi sử dụng chúng được pha loãng tới nồng độ 6% bằng axeton. Sợi dứa được ngâm trong dung dịch silan trong vòng 24h, sau đó được rửa sạch bằng axeton và làm khô ở nhiệt độ 600C trong 4h nhằm loại bỏ hoàn toàn dung môi thừa khi có mặt hơi ẩm silan-1 và silan -2 phản ứng với H2O tạo thành silanol và alcol. H2N(-CH2)3Si(-OC2H5)3 + 3H2O = H2N(-CH2)3Si(OH)3+3C2H5OH CH3C(CH2)COO(CH2)3Si(OCH3)3 + 3H2O = CH3C(CH2)COO(CH2)3Si(OH)3 +3C2H5OH Hợp chất silanol phản ứng với các nhóm hydroxyl và tấn công vào các đơn vị Gluco, G, của phân tử xenlulo tại thành sợi. Bằng cách đó nó tạo liên kết với thành sợi và giải phóng H2O. H2N(-CH2)3Si(OH)3 + GOH = H2N(-CH2)3Si(OH)2 OG + H2O CH3C(CH2)COO(CH2)3Si(OH)3 + GOH = CH3C(CH2)COO(CH2)3Si(OH)2OG + H2O Khi kết hợp với nền nhựa, các nhóm hoạt động khác của phân tử silan như NH2 và C=C sẽ phản ứng với các nhóm thích hợp của nền nhựa. Vì vậy liên kết hóa học được hình thành giữa sợi dứa nền nhựa và các tác nhân liên kết. Tính chất bề mặt liên kết được tăng lên nhờ kết quả của liên kết hóa học. Xử lý với triazin [9]: Dẫn xuất của triazin tạo thành liên kết đồng hóa trị với sợi xenlulo theosơ đồ sau: Độ hút ẩm của compozit giảm xuống vì những nguyên nhân sau: Giảm số nhóm hydroxyl sẽ hút ẩm trong xenlulo. Giảm độ ưa nước của bề mặt sợi. Kiềm chế sự trương nở của sợi bằng cách tạo mạng lưới liên kết đồng hóa trị giữa nền polyme và sợi. Axetyl hóa [9]: Axetyl hóa cũng được sử dụng khá phổ biến cho xử lý các sợi thực vật, nhằm nâng cao độ ổn định kích thước và độ phân hủy môi trường. có hai loại phương án để tiến hành axetyl hóa: Axetyl hóa với xúc tác axit: Axetyl hóa không có xúc tác axit: Benzoylclo hóa [10]: Do axit axetic không phản ứng triệt để với xenlulo nên anhydrit axetic được sử dụng để thay thế. Tuy nhiên, anhydrit axetic không phải là tác nhân làm trương xenlulo tốt nên để xúc tiến phản ứng,đầu tiên ngâm sợi dứa trong axit axetic rồi sau đó xử lý với anhydrit axetic ở nhiệt độ cao hơn trong khoảng từ 1h-3h. Phương pháp được sử dụng để ghép nhóm benzoyl bề mặt sợi Hình dưới đây mô tả sự giảm độ phân cực của sợi thông qua giảm số nhom OH trên bề mặt sợi: Sử dụng chất oxyhoa: Kali pemanganat và dicunyl peoxit (DCP) đã được lựa chọn làm tác nhân oxy hóa để xử lý bề mặt sợi. Đối với xử lý pemanganat thì sợi dứa được ngâm trong dung dịch axeton pemanganat 0,055% trong 2 phút, sau đó rửa sạch bằng axeton, làm khô ở 60oC trong vòng 4h để loại bỏ dung môi thừa. Đối với xử lý bằng DCP thì sợi dứa được ngâm trong dung dịch axeton DCP 6% trong thời gian 1,5h, sau đó rửa sạch bằng axeton. Quá trình làm khô được thực hiện giống với xử lý pemanganat. Chú ý, tất cả các sợi trước khi đem xử lý phải sấy trước ở 120oC để loại bỏ hơi ẩm và được cất trong túi plastic trước khi mang ra sử dụng. II.3. Ứng dụng của vật liệu PC sợi thực vật :[8,9]. Với những ưu điểm so với sợi thủy tinh như độ bền riêng cao, giá thành thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào và có khả năng phân hủy sinh học trong những điều kiện xác định Vật liệu compozit gia cường bằng sợi thực vật còn được biết đến với cái tên khác như “compozit sạch” bởi sự thân thiện với môi trường. Vật liệu PC có nền polyme nhiệt dẻo gia cường bằng sợi thực vật được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp trên thế giới. chúng được chế tạo dưới dạng các tấm mỏng, tấm mát… tùy thuộc vào lĩnh vực sử dụng Vật liệu PC gia cường bằng sợi dứa được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau: Trong xây dựng: tấm compozit dứa dùng để lát sàn, panel. Các vách ngăn, cửa chính, cửa sổ… Trong giao thông: cầu, thuyền, bè, thân xe oto… Đồ gia dụng: dụng cụ nhà bếp, đồ trang trí… Hiện nay,trong nghành công nghiệp oto, vật liệu copozit gia cường bằng 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 cũng như giảm mức tiêu thụ năng lượng. Vật liệu PC gia cường bằng sợi thực vật có sự kết hợp các tính chất cơ học tốt của các cấu tử, và có tỷ trọng thấp. do mức độ hấp thụ ẩm cao, khả năng bám dịnh với nhựa nền kém, tính chất cơ học thấp sợi thực vật có thể làm giảm độ bền và tuổi thọ sản phẩm. để khắc phục những nhược điểm trên người ta đã tiến hành xử lý hóa học nhằm tăng tính chất bề mặt sợi và phát triển các phương pháp gia công để sản xuất ra PC sợi thực vật có tính chất tối ưu cho các ứng dụng tương đối khắt khe. Một trong những phương pháp đó là lai tạo giữa sợi thực vật và sợi nhân tạo. III.Các phương pháp gia công vật liệu compozit: Tùy theo yêu cầu sử dụng,tính chất của sản phậm mà việc chế tạo vật liệu PC đòi hỏi phải có công thức pha chế cũng như công nghê chế tạo thích hợp. III.1 Phương pháp lăn ép bằng tay [3,6]. Vải được đặt lên khuôn tạo hình,có thể là khuôn âm hoặc khuôn dương sau đó đổ nhựa lên,phân bố nhưa cho thấm vào sợi gia cường bằng dao bả, rulo hoặc chổi lông.Quá trình cứ tiến hành như vậy cho đến khi đạt chiều dài yêu cầu. Đặc điểm của phương pháp:có thể đóng rắn ở nhiệt độ thường hoặc trong lò sấy tùy hệ nhựa,có khả năng tạo độ dày tùy ý dễ dàng,là phương pháp thủ công rẻ tiền đối với số lượng vật phẩm ít,không đòi hỏi thiết bị phức tạp . III.2 Phương pháp RTM. RTM là một phương pháp phun nhựa ,thiết bị giống như đúc phun.Các chất gia cường:sợi ,vải,mát...được cắt rồi đặt vào khuôn mở.Sau khi đặt xong đóng khuôn lại.Nhựa và chất đóng rắn đã được trộn theo tỷ lệ nhất định được đưa vào thiết bị phun qua đầu phun đi vào khuôn.Sau khi đã phun đầy khuôn,tiến hành đóng rắn,tháo khuôn lấy sản phẩm. Ưu điểm của phương pháp này là có bề mặt đẹp ở hai mặt vật phẩm,có thể cho phép đặt lõi rỗng và các chi tiết gia cường khác,chi phí sản xuất ít.ít độc hai. III.3 Phương pháp phun nhựa. Nhựa và chất đóng rắn,chất khơi mào...được trộn hợp trong súng phun sau đó dược phun qua một ống vào khuôn.Đồng thời sợi tăng cường được cắt ngắn và rơi vào dòng nhựa ra tờ súng phun.Sợi được thấm ướt bằng nhựa lên bề mặt khuôn.Bề mặt vật liệu có thể được làm phẳng bằng các dụng cụ tương tợ phương pháp lăn ép bằng tay. Đăc điểm của phương pháp phun nhựa:hạn chế chiều dài sợi,chiều dài sợi trung bình khoảng 80mm;Phương pháp này không cần áp suất nên khuôn có thể làm từ nhiều vật liệu,thích hợp chế tạo sản phẩm cỡ lơn. III.4 Phương pháp quấn sợi. Sợi được cuốn tờ giá để cuộn qua bể nhúng được trải nhựa,làm cho nhựa thấm tốt lên sợi trong một đoạn của máy cán min,sau đó được quấn lên bề mặt của khuôn. Đây là phương pháp tợ đông hóa,chủ yếu chế tạo các vật có kích thước lớn. III.4 Phương pháp ép đúc. Đây là một phương pháp gia công có áp lực,thường áp dụng đóng rắn nóng. Nhựa và vật liệu tăng cường được trộn,tẩm đều _dạng bán thành phẩm được cắt và đưa vào khuôn,ép với một áp lực nhất định.Đồng thời gia nhiệt để đóng rắn sản phẩm.Kết thúc quá trình đong rắn hạ nhiệt đọ ròi tháo sản phẩm. Phương pháp này thích hợp để sản xuất sản phẩm lớn.phẳng có tính chất cơ học tốt hơn khi gia công không cò áp lực III.5 Phương pháp đúc đẩy. Ở phương pháp này sợi được kéo từ các cuộn sợi qua một bể nhựa đã trộn hợp với các chất đóng rắn và phụ gia khác và được kéo qua lõi(khuôn) gia nhiệt.Lực kéo được tạo bởi một thiết bị kéo đặt ở phía sau khuôn. Sản phẩm compozit được tạo hình trong khuôn nhựa được đóng rắn một phần hoặc hoàn toàn khi qua lõi tạo hình. Đúc đảy là một phương pháp chế tạo có giá thành thấp,đặc biệt phù hợp vợi compozit kỹ thuật. PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu và hóa chất: 2.1.1. Nhựa nền epoxy: Nhựa epoxydian EPIKOTE 207 của hãng EPON chemical với một số tính chất đặc trưng như sau: - Hàm lượng nhóm epoxy (mmol/kg): 5100-5400 theo SMS2026 - Đương lượng gam epoxy (g/eg): 185-196 - Độ nhớt ở 25oC (Pa.s): 0.7-1.1 ~ ASTM D445 - Màu sắc (platinum cobalt): 200max ~ ASRM D1209 - Khối lượng riêng (kg/l): 1.12 ~ ASTM D4052 - Điểm chảy (PMCC) (oC): >150 ~ ASTM D93 2.1.2. Chất đóng rắn Epikure 207 (Cycloaliphatic amin) Epikure 207 của hãng EPON cung cấp với một số tính chất đặc trưng sau: - Hàm lượng nguyên tử nitro %m/m 7.0-9.0 theo ASTM D2896 - Đương lượng hidro nguyên tử (g): 93 - Độ nhớt ở 25oC (Pa.s): 0.35-0.55 ~ ASTM D445 - Khối lượng riêng (kg/l): 1.01 ~ SMS 2390 - Điểm chảy (PMCC) (oC): 102 ~ ASTM D93 - Màu sắc (platinum cobalt): 2max ~ ASTM D1544 2.1.3. Mát dứa. Sợi dứa dại được lấy từ tỉnh Ninh Thuận – Việt Nam. Mát dứa được chế tạo theo các bước sau: +Bước 1: các bó sợi được đập sạch bụi bẩn và nhặt các vỏ biểu bì còn sót lại trong quá trình sản xuất sợi. +Bước 2: Các bó sợi được cắt ra thành các đoạn nhỏ có chiều dài là 2cm; 5cm; 7cm. Sợi sau khi cắt được nhặt tơi trước khi đem xử lý kiềm nhằm làm cho quá trình xử lý kiềm được đồng đều trong toàn bộ khối sợi. +Bước 3: Sợi được đem xử lý bằng kiềm KOH có nồng độ 0,1N trong vòng 72 giờ, ở nhiệt độ phòng. Lượng dung dịch kiềm cần đổ ngập lượng sợi xử lý khoảng 5cm. +Bước 4: Sợi sau khi xử lý kiềm được đem rửa. Trước tiên sợi được rửa nhiều lần bằng nước thường nhằm loại bỏ phần lớn lượng kiềm dư. Sau đó sợi tiếp tục được rửa bằng dung dịch axit axetic 1%. Sau đó được rửa lại bằng nước thường đến trung tính và phơi khô tự nhiên. +Bước 5: Sợi trước khi đem tạo mát được sấy ở 70 đến khối lượng không đổi. Các loại sợi kích thước 2cm;5cm;7cm được lấy với khối lượng bằng nhau và được trộn đều trước khi đem tạo mát. Mát được tạo thành bằng phương pháp sa lắng ngẫu nhiên trong nước +Bước 6: Mát dứa tạo thành được phơi khô tự nhiên, sau đó được đem ép sơ bộ trên máy ép 30 tấn của Trung Quốc. Mát dứa có khối lượng riêng khoảng 330g/m 2.4.1. Một số hóa chất khác: +KOH 96% của Trung Quốc. +Axeton kỹ thuật của Trung Quốc. 2.2. phương pháp xác định mức độ đóng rắn của nhựa epoxydian : Mức độ đóng rắn của nhựa epoxydian theo thời gian được xác định bằng phương pháp soxhlet trong axeton sau 24 giờ. Giấy lọc trước khi cân phải được trích ly bằng axeton trên dụng cụ soxhlet trong khoảng 3 giờ. Lấy ra sấy khô đến khối lượng không đổi Pha nhựa và chất đóng rắn theo tỷ lệ đã tính toán. Sau đó đưa lên giấy lọc một lượng khoảng 0,1-0,2g. Sau khi nhựa đóng rắn trong một khoảng thời gian xác định, cân mẫu và tiến hành trích ly trong axeton khoảng 24 giờ. Sau đó mẫu được sấy đến khối lượng không đổi rồi đem cân lại. Hàm lượng phần gel được tính theo công thức: H = Trong đó : H : Hàm lượng phần gel của mẫu,%. g0 : Khối lượng giấy lọc khô, g g1 : Khối lượng giấy lọc +mẫu trước khi trích ly, g. g2 : Khối lượng giấy lọc +mẫu sau khi trích ly, g. 2.3. phương pháp khảo sát độ bền bám dính của sợi: Chuẩn bị mẫu : sử dụng tấm bìa có dán sẵn sợi như hình vẽ bằng keo dán, nhựa epoxydian được pha chất đóng rắn với hàm lượng 49% (về khối lượng) và được nhỏ thành giọt hình cầu bám lên bề mặt sợi. Thiết bị đo: máy LLOYD, 0,5KN của Anh với tốc độ kéo 5mm/phút. Độ bền bám dính sợi và nhựa (độ bền xé) được tính như sau. = F/A, MPa Trong đó : : Lực rút nhựa ra khỏi sợi, N. F : Chiều dài giọt nhựa, mm. A : Chu vi sợi, mm. 2.4. Phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu PC. 2.4.1. Độ bền kéo: Độ bền kéo xác định theo tiêu chuẩn ISO 527_1993, trên máy kéo ÍNTRON 5582_100 KN của Mỹ. Tốc độ kéo 5mm/phút ở nhiệt độ 25oC ,độ ẩm 75%. Độ bền kéo được tính theo công thức sau: F Độ bền kéo = — , MPa. A Trong đó : F: Lực tác dụng , N, A: Tiết diện ngang của mẫu ,mm2 2.4.2. Độ bền uốn: Độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178-1993 trên máy ÍNTRON 5528 của Mỹ.Tốc độ kéo 5mm/phút ở nhiệt độ 25oC ,độ ẩm 75%. Kích thước chuẩn mẫu đo độ bền uốn: Độ bền uốn được tính theo công thức sau: Trong đó : F : Lực tác dụng lên mẫu, N. l : Khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm. b : Chiều rộng của mẫu, mm. h : Chiều dày của mẫu, mm. 2.4.3. Độ bền va đập: Độ bền va đập được xác định theo tiêu chuẩn ISO 179-1993 trên máy ITR-2000 của Úc. Tốc độ va đập 3,5m/s. Kích thước chuẩn mẫu đo độ bền va đập: Độ bền va đập Charpy (avd) được tính theo công thức sau: Trong đó : W : Năng lượng phá hủy mẫu, J h : Độ dày của mẫu, mm. b : Chiều rộng của mẫu, mm. 2.5. Khảo sát khả năng chịu ẩm của vật liệu: 2.5.1. Khảo sát độ hấp thụ ẩm của vật liệu: Mẫu được đúc hình tròn có đường kính 50mm, chiều dày 4mm. với bề mặt phẳng , không có bọt khí bên trong. Mẫu được sấy đến khối lượng không đổi, để nguội trong bình hút ẩm và cân chính xác đến 0,2 mg. đưa mẫu vào các môi trường ẩm 63%; 95%. Sau từng khoảng thời gian xác định lấy mẫu ra cân lại. độ hấp thụ ẩm tính theo công thức. T = Trong đó : T: Độ hấp thụ ẩm, %. m1 : Khối lượng mẫu ban đầu, g. m2 : Khối lượng mẫu sau một khoảng thời gian xác định, g. 2.5.2. Khảo sát sự suy giảm tính chất cơ học theo thời gian: Để khảo sát sự suy giảm tính chất cơ học theo thời gian được tiến hành như sau: mẫu sau khi chế tạo được để ổn định trong khoảng 1 tuần sau đó sơn phủ một lớp nhựa epoxy. Sau 2 ngày mẫu được đưa vào các môi trường ẩm 63%;95%. Sau từng khoảng thời gian xác định lấy mẫu ra đo tính chất cơ học. PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nguyên liệu đầu. 3.1.1. Nhựa epoxydian Epikote 240. Kiểm tra mức độ đóng rắn của nhựa epoxydian theo thời gian đóng rắn. Nhựa nền epoxy dian được đóng rắn bằng chất đóng rắn Epikure 207, là chất đóng rắn amin mạch vòng no dạng xycloaliphatic amin. Tỷ lệ chất đóng rắn / nhựa =49/100 (theo khối lượng).Đã kiểm tra mức độ đóng rắn nhựa epoxy bằng Epikure 207 với hàm lượng 49% về khối lượng. kết quả dược trình bày trên hinh 3.1. Từ hình 3.1 cho thấy trong khoảng 2 giờ đầu mức độ đóng rắn của nhựa nhỏ phù hợp với quá trình chế tạo vật liệu PC theo phương pháp lăn ép bằng tay. Mức độ đóng rắn tăng nhanh trong khoảng 4 giờ tiếp theo. Đạt giá trị lớn nhất và ổn định sau khoảng 8 giờ. Đồ thị phần gen của tổ hợp nhựa Epikure 240 – Epikure 207 theo thời gian 3.1.2. Sợi dứa: Sợi dứa được tách từ lá cây dứa dại ở tỉnh Ninh Thuận –Việt Nam theo phương pháp sau: Lá dứa sau khi cắt để ngoài trời 1 đến 2 ngày, cho lá mềm, đập lá vào vật cứng rồi ngâm nước biển 15 đến 20 ngày . Dùng bàn chải sắt tách ra thành các bó sợi. .Các bó sợi này được phơi khô tự nhiên ở nơi dâm mat. Sợi được đem xử lý bằng kiềm KOH có nồng độ 0,1N trong vòng 72 giờ, ở nhiệt độ phòng. 3.1.2.1 . khảo sát sự phân bố đường kính sợi dứa. Phân bố đường kính sợi dứa chưa xử lý và xử lý kiềm ở điều kiện 0,1N, 72 giờ, ở nhiệt độ phòng đươc thực hiện với 80 mẫu lựa chọn ngẫu nhiên. Kêt quả được thể hiện trên hình 3.2 dưới đây. Hình 3.2. đồ thị phân bố đường kính sợi dứa chưa xử lý và xử lý kiềm Đường kính sợi chưa xử lý tập trung trong khoảng 90 µm đến 400 µm, trung bình là 227 µm. đường kính sơi dứa xử lý kiềm tập trung trong khoảng 90µm đến 280 µm . đường kính trung bình là 164 µm. Đường kính trung bình của sợi sau khi xử lý giảm chứng tỏ một phần bao phủ bề mặt sợi bị phá hủy. 3.1.2.2. Khảo sát độ bền bám dính giữa sợi và nhựa nền epoxy Độ bền bám dính có ý nghĩa to lớn trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý sợi. Độ bền bám dính của sợi và nhựa nền epoxy Epikote 240 đóng rắn bằng Epikure 207 ở nhiệt độ thường được thực hiện với 20 mẫu và lấy kết quả trung bình. Đã tiến hành đo độ bền bám dính của sợi dứa chưa xử lý và sợi xử lý kiềm với nền nhựa epoxydian. Kết quả được trình bày trên hình 3.3. Hình 3.3. Phân bố độ bền bám dính sợi chưa xử lý va đã xử lý kiềm-nhựa nền epoxy. Kết quả cho thấy độ bền bám dính (IFSS) của sợi chưa xử lý với nhựa nền tập trung trong khoảng 1,6MPa đến 4,5MPa .độ bền bám dính trung bình sợi chưa xử lý là 3.5MPa . Độ bền bám dính của sợi xử lý xử lý bằng kiềm KOH có nồng độ 0,1N trong vòng 72 giờ, ở nhiệt độ phòng tập trung trong khoảng 6,2 Mpa cho đến 9,4 MPa độ bền bám dính trung bình sợi xử lý là 8,1MPa . Như vậy IFSS sợi xử lý kiềm tăng 230% so với sợi chưa xử lí. Điều này đúng như những gì đã nghiên cứu trước đây. 3.2. Compozit từ mát dứa và nhựa epoxy Epikote 240. 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của xử lý kiềm đến tính chất của vật liệu PC: Để khảo sát ảnh hưởng của xử lý kiềm đến tính chất của vật liệu PC đã tiến hành chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền epoxydian gia cường 40% (theo khối lượng) . kết quả đo tính chất cơ học dược trình bày bằng bảng 3.4. Bảng 3.3: Tính chất cơ học của vật liệu PC gia cường bằng sợi dứa Vật liệu PC Dộ bền kéo (MPa) Độ bền uốn (MPa) Dộ bền va đập (Kj/m2) Sợi dứa chưa xử lý 51,8 55,1 17,57 Sợi dứa đã qua xử lý kiềm 77,34 71,45 23,9 Kết quả bảng 3.3 cho thấy PC sợi dứa chưa xử lý kiềm cho tính chất cơ học cao hơn PC sợi chưa xử lý: Độ bền kéo tăng 49%, độ bền uốn tăng 30%, độ bền va đập tăng 36% Tính chất cơ học của vật liệu PC của sợi sau khi xử lý kiềm tăng có thể lý giải qua ảnh SEM chụp bề mặt phá hủy vật liệu compozit sợi dứa trước và sau khi xử lý kiềm. (a) (b) Hình 3.4: Ảnh SEM chụp bề mặt phá hủy compozit sợi dứa chưa xử lý (a) và xử lý kiềm (b) nền nhựa epoxydian. Có thể thấy compozit sợi chưa xử lý bị phá hủy khi sợi bị rút ra khỏi nhựa nền còn compozit sợi xử lý kiềm bị phá hủy là do sợi gia cường bị đứt. Điều này phù hợp với lực IFSS của sợi đã và chưa xử lý kiềm. 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tính chất cơ học của vật liệu PC. Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tính chất cơ học của vật liệu PC đã tiến hành chế tạo vật liệu PC gia cường bằng mát dứa với tỷ lệ mát dứa/nhựa epoxy thay đổi 30/70; 35/65; 40/60; 45/55; 50/50; 55/45. các mẫu vật liệu PC được ký hiệu như bảng 3.4. Tên Mẫu Hàm lượng, %(theo khối lượng) Sợi dứa Nhựa Epoxy M0 0 100 M1 30 70 M2 35 65 M3 40 60 M4 45 55 M5 50 50 M6 55 45 Hình 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng mát dứa đến độ bền kéo của vật liệu. Hình 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng mát dứa đến độ bền uốn của vật liệu. Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng mát dứa đến độ bền va đập của vật liệu. Kết quả đo tính chất cơ học của vật liệu PC được trình bày trên hình 3.5; 3.6; 3.7.cho thấy tính chất cơ học của vật liệu PC tăng khi tăng hàm lượng sợi. ở hàm lượng mát dứa /nhựa = 40/60 cho tinh chất cơ hoc cao nhất Độ bền kéo :77,3 MPa. Độ bền uốn :84,7Mpa. Độ bền va đập : 23,9 Kj/m2. Sau đó giảm dần khi tiếp tục tăng hàm lượng sợi. vật liệu compozit cá hàm lượng sợi dứa / nhựa = 40/60 là lựa chọn tốt nhất cho chế tạo compozit 3.2.3 Ảnh hưởng bản chất chất đóng rắn đến tính chất cơ học của vật liệu PC: Để khảo sát ảnh hưởng của bản chất chất đóng rắn đến tính chất cơ học của vật liệu PC. Đã tiến hành chế tạo vật liệu PC trên cơ sở nhựa nền epoxy Epikote 240 đóng rắn bởi chất đóng rắn Versamid 115 và Epikure 207, hàm lượng mát dứa /nhựa = 40/60. Kết quả đo tính chất cơ học của vật liệu PC được trình bày trên hình 3.8. Hình 3.8. Ảnh hưởng bản chất chất đóng rắn đến tính chất cơ học của vật liệu PC. Kết quả từ hình 3.8 cho thấy PC trên cơ sở nhựa nền epoxy đóng rắn bằng chất đóng rắn Epikure 207 cho tinh chất cơ học cao hơn khi đóng rắn bằng chất đóng rắn Versamid 115 . Vậy chất đóng rắn Epikure 207 được lựa chọn làm chất đóng rắn cho nhựa epoxy trong các nghiên cứu tiếp theo. 3.3. Khảo độ hút ẩm và độ suy giảm tính chất của vật liệu PC trong môi trường có độ ẩm tương đối 63%.95% theo thời gian. 3.3.1. Khảo sát độ suy giảm tính chất cơ học của vật liệu PC trong môi trường ẩm. Một trong những tính chất sử dụng quan trọng của vật liệu PC là khả năng chịu ẩm. để khảo sát mức độ suy giảm tính chất cơ học của vật liệu vật liệu sau khi làm việc trong môi trường ẩm, đã tiến hành chế tạo vật liệu PC từ nhựa epoxy gia cường bằng 40% theo khối lương mát dứa. Sau khi để ổn định 7 ngày các mẫu vật liệu được đưa vào các môi trường ẩm có độ ẩm tương đối là 63%; 95%. Kết quả được trình bày trên hình 3.9 cho thấy độ bền kéo và uốn giảm sau khi chịu ẩm. Thời gian càng dài và độ ẩm tương đối càng cao mức độ suy giảm càng lớn . thí dụ : sau 3 tuần chịu ẩm độ bền kéo giảm 40% ,độ bền uốn giảm 18,8% ở độ ẩm tương đối 95% và độ bền kéo giảm 35,1% ,độ bền uốn giảm 6,4 % ở độ ẩm tương đối 63%. Điều này giải thích được là do sự khuyêch tán của ẩm vào vật liệu làm cho sợi thực vật bị trương nở, do đó làm giảm khả năng liên kết của sợi vào nhựa nền. Hình 3.9: Ảnh hưởng cuả thời gian chiu ẩm đến độ bền kéo của vật liệu. Hình 3.9. Ảnh hưởng cuả thời gian chiu ẩm đến độ bền uốn của vật liệu 3.3.2. Khảo sát độ hấp thụ ẩm của vật liệu theo thời gian. Để Khảo sát độ hấp thụ ẩm theo thời gian đã tiến hành chế tạo vật liệu PC từ nhựa epoxy với 40% (theo khối lượng) mát dứa,và nhựa epoxy với chất đóng rắn Epikure 207 với tỷ lệ 100/49. Các mẫu nhận được để ổn định sau 7 ngày rồi đưa vào các môi trường chịu ẩm có độ ẩm tương đối 63%, 95% Kết quả độ hấp thụ nước của hệ các vật liệu nói trên được trình bày trên hinh 3.10 Hinh 3.10. Độ hấp thụ ẩm của vật liệu theo thời gian. Các số liệu trên hình 3.10 cho thấy độ hấp thụ ẩm của nhựa epoxy là thấp nhất, sau 5 tuần ở độ ẩm 95%, độ tăng khối lượng của mẫu < 0,25% . Ở môi trường ẩm càng cao thì độ hấp thụ ẩm càng tăng. Trong khi đó sau 5 tuần mức độ hấp thụ ẩm của vật liêu PC tăng lên đến 2,71 % và 0,83% tương ứng với môi trường độ ẩm tương đối 95% và 63%. Như vậy, vật liệu epoxy Epikote 240 gia cường bằng mát dứa không thể được sử dụng làm vật liệu kết cấu trong các môi trường có độ ẩm tương đối cao mà chỉ có thể làm các vật liệu không chịu lực ở độ ẩm tương đối ≤ 63%. KẾT LUẬN Đã tiến hành khảo sát sự phân bố đường kính sợi và độ bền bám dính sợi -nhựa và cho thấy với sợi chưa xử lý :đường kính trung bình của sợi là 227µm, độ bền bám dính trung bình là 3,5Mpa. Còn sợi đã xử lý : Đường kính trung bình của sợi đã xử lý 164µm,độ bền bám dinh trung bình 8,1Mpa. Đã khảo sát ảnh hưởng của phương pháp xử lý kiềm đến tính chất cơ học của vật liệu PC và cho thấy độ bền kéo tăng 49%, độ bền uốn tăng 30% ,độ bền va đập tăng 36% so với vật liệu PC sợi chưa xử lý. Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lương mát dứa đến tính chất cơ học và cho thấy hàm lượng mat dứa/nhựa = 40/60 (theo khối lượng) cho tính chất cơ học cao nhất :σk =77,3 MPa; σu = 84,7Mpa; σvd =23,9 Kj/m2. Đã khảo sát ảnh hưởng bản chất chất đóng rắn đến tính chất cơ học và cho thấy chất đóng rắn Epikure 207 cho vật liệu PC có tính chất cơ học cao hơn chất đóng rắn Versamid 115. Đã khảo sát khả năng chịu ẩm của vật liệu PC ở môi trường có độ ẩm tương đối là 63%, 95%. Nhận thấy tính chất cơ học bị suy giảm theo thời gian, độ hấp thụ ẩm tăng nên theo thời gian và vật liệu PC nhận được chỉ sử dụng cho các chi tiết không chiu lực trong môi trường có độ ẩm tương đối ≤ 63%. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.TrÇn VÜnh DiÖu, Lª ThÞ Ph¸i, VËt liÖu compozit, c¸c vÊn ®Ò khoa häc, h­íng ph¸t triÓn vµ øng dông, Trung t©m KHTN vµ CNQG, Trung t©m th«ng tin t­ liÖu, Hµ Néi, 1998. 2. Bé m«n cao ph©n tö, Tr­êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi, Kü thuËt s¶n xuÊt chÊt dÎo, Tr­êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi, 1973. 3. B¹ch Träng Phóc, LuËn ¸n phã tiÕn sÜ khoa häc kü thuËt, Hµ Néi, tr.7-51, 1996. 4.C.A.May, Epoxy resins -Chemistry and Technology, Marcel Dekker, Inc, USA, p.1-8, 1988. 5.W.G. Potter, Epoxy resins, London, Iliffe Brooks, 1979 6.TS . Đoàn Thi Thu Loan,Kỹ thuật vật liệu compozit.Khoa hóa-Trường Đại Học Kỹ Thuật-Đai Học Đà Nẵng. 7. Amar K.Mohanty,Mạniusri Mỉa,Lẳence J.Drzol,Natural Fibers,Biopolymers,and Biocomposites,chapter 2. 8. A.Brydson , Plastics Materials,London,1989,p697_724. 9 .Nguyễn Châu Giang,Luận văn tốt nghiệp cao học,Hà Nội,1999. 10. Bùi Văn Tiến,Luận văn tốt nghiệp đại học,Hà Nội,2007. 11. Yan Li, Yiu-Wing Mai & Lin Ye, Sisal fibre and its composites: a review of recent developments, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 60, Issue 11, Pages 2037-2055, August 2000. 12. www.sisal.ws, growing sisal world of sisal. 13. Kuruvilla Joseph, Romildo Dias Toledo Filho, Beena James, Sabu Thomas & Laura Hecker de Carvalho, A review on sisal fiber reinforced polymer composite, Revista Brasilcira de Engenharia Agricola c Ambiental, Vol.3, No.3, p.367-379, 1999. 14. Trần Vỉnh Diệu,Phan Thị Minh Ngọc,Nguyễn đắc Thành,Nguyễn Phạm Duy Linh,Bùi Văn Tiến,Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Tính chất của sợi dứa dại Việt NamHội thảo về vật liệu Polyme Compozit, Hà Nội năm 2008. P. A. Sreekumar, Kuruvilla Joseph, G. Unnikrishnan and Sabu Thomas, A comparative study on mechenical properties of sisal-leaf fibre-reinforced polyester composites prepared by resin transfer and compression moulding techniques, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 67, Issue 3-4, Pages 453-461, March 2007. Arnold N. Towo and Martin P. Ansell, Fatigue evaluation and dynamic mechanical thermal analysis of sisal fibre-thermosetting resin, Science Direct, Composites Science and Technology, Article in press, Corrected proof- Note to users Kuruvilla Joseph, Siby Varghese, G. Kalaprasad, Sabu Thomas, L. Prasannakumari, Peter Koshy and C. Pavithran, Influence of interfacial adhesion on the mechanical properties and fracture behaviour of short sisal fibre reinforced polymer composites, , Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 32, Issue 10, Pages 1243-1250, October 1996. Hyo Jin Kim and Do Won Soe, Effect of water absorption fatigue on mechanical properties of sisal textile reinforced composites, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 28, Issue 10, Pages 1307-1314, October 2006. Navin Chand and Deepak Jain, Effect of sisal fibre orientation on electrical properties of sisal fibre reinforced epoxy composites, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 36, Issue 5, Pages 594-602, May 2005. Maries Idicula, S. K. Malhotra, Kuruvilla Joseph and Sabu Thomas, Dynamic mechanical analysis of randomly oriented intimately mixed short banana/ Sisal hybrid fibre reinforced polyester composites, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 65, Issue 7-8, Pages 1077-1087, june 2005. S. Mishra, A. K. Mohanty, L. T. Drzal, M. Misra, S. Parija, Studies on mechanical performance of biofibre/glass reinforced polyester hybrid composites, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 63, Issue 10, Pages 1377-1385, August 2003. Maries Idicula, Abderrahim Boudenne, L. Umadevi, Laurent lbos, Yves Candau and Sabu Thomas, Thermophysical properties of natural fibre reinforced polyester composites, Science Direct, Composites Science and Technology, Volume 66, Issue 15, Pages 2719-2725, December 2006.