Chương II. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI TỰ NHIÊN

1. Trang chủ >
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ >
3. Cơ khí - Chế tạo máy >

Chương II. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI TỰ NHIÊN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.96 MB, 106 trang )

a) Sợi vỏ (như sợi lanh, sợi gai, sợi dâm bụt, sợi gai dầu, sợi gai,…) thu được từvỏ cây, là loại có độ bền kéo cao hơn các loại sợi khác.b) Sợi lá, như sợi chuối, sợi thùa, sợi sidan, sợi dứa,…thu được từ lá cây.c) Sợi hạt thu được từ hạt hoặc vỏ hạt như bông và bông gạo.d) Sợi quả thu được từ quả như sợi dừa, sợi cọ dầu.e) Sợi thân thảo thu được từ toàn bộ cây như lúa, lúa mì, lúa mạch, yến mạch,và những cây khác gồm cả tre và cỏ. Bên cạnh đó, các cây gỗ cũng cho sợithân thảo.Sợi động vật được phân nhóm theo từng loại sợi, như tơ lụa, len hay lôngthú. Sợi tơ lụa thu được từ nước bọt khô của các côn trùng trong quá trình chuẩn bịlàm tổ kén. Sợi khoáng duy nhất đáng chú ý là sợi amiăng, nó có chất gây ung thưtự nhiên đã bị cấm trong các sản phẩm dệt. Ta có thể phân loại sợi tự nhiên theo sơđồ hình 2.1.Hình 2.1. Phân loại sợi tự nhiên.Các sợi tự nhiên được biết đến nhiều nhất dùng trong các kết cấu compositecốt sợi được mô tả như ở hình 2.2.-7-Hình 2.2. Một số sợi tự nhiên [16].2.1.2. Cấu trúc và các đặc tính của sợi tự nhiêna. Cấu trúcSợi tự nhiên là polyme phức tạp cấu thành chủ yếu từ xenlulo, hemixenlulo,pectin (chất keo), lignin (chất gỗ) và wax (chất sáp), trong số đó xenlulo là thànhphần chính của sợi. Mỗi loại sợi có thể coi như một composite với cấu trúc lớp, ởđây các sợi xenlulo được bao xung quanh pha nền [19], [20]. Cấu trúc của một tếbào sợi xenlulo mô tả trên hình 2.3. Pha nền vô định hình trong lớp tế bào cấu trúcrất phức tạp bao gồm hemixenlulo, lignin, pectin và wax. Phân tử hemixenlulo cóliên kết hydro với xenlulo và đóng vai trò như là chất liên kết nền giữa các sợixenlulo, hình thành nên mạng lưới xenlulo và hemixenlulo, nó được coi là thànhphần cấu trúc chính của tế bào sợi. Mạng lignin không tan trong nước tác động đếnđặc tính của các mạng lưới khác, nó tác động như một tác nhân kết nối và tăngcường độ cứng của hỗn hợp xenlulo và hemixenlulo [20].Xenlulo là một polyme tự nhiên gồm có phân tử anhydrit glucozo(C6H10O5)nvới mức độ trùng hợp khoảng n = 7000 ÷ 15000 [21], gồm các mắt xíchD-glucozo liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 β-D-glucozit. Cấu trúc phân tửxenlulo mô tả trên hình 2.4. Các phân tử xenlulo có liên kết với nhau bằng liên kếthydro giữa các mạch làm cho cấu trúc tinh thể thêm bền vững. Xenlulo bị thủy phân-8-trong axit đặc tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucozo. Xenlulo không tan trong nước,có khả năng PHSH và có vai trò như là vật liệu gia cường trong nền là hemixenlulovà lignin. Đây là thành phần chính đem lại độ bền, độ cứng, độ ổn định và cấu trúchóa học biến đổi ít nhất.Hình 2.3. Cấu trúc của một tế bào xenlulo [19].a)b)Hình 2.4. a) Cấu trúc phân tử xenlulo, b) Hình ảnh 3D của xenlulo: màu nâucacbon, màu đỏ-oxy, màu trắng-hydro.Hemixenlulo gồm có một nhóm polysaccarit được cấu thành từ sự kết hợp của5 và 6 vòng cacbon nhóm glucozo. Trái với xenlulo, hemixenlulo là polyme có khốilượng phân tử nhỏ, mạch nhánh, có cấu trúc vô định hình với độ bền thấp, ưa nước,có khả năng hấp thụ nước rất lớn, dễ bị thủy phân trong dung dịch (dd) axit hoặcbazơ loãng.-9-Lignin là chất kị nước, đó là một hydro cacbon phức tạp gồm cả chất béo vàchất thơm hợp thành. Lignin đã được tìm thấy có chứa 5 nhóm hydroxyl và 5 nhómmethoxyl trên một đơn vị cấu thành. Nó được xem như là chất kết dính trong mỗi tếbào sợi, nó lấp đầy những khoảng trống trong vách tế bào, tạo các liên kết cộng hóatrị với hemixenlulo tạo độ bền cơ học, khả năng chống bị phá hủy cho tế bào.Pectin (chất keo) cũng là một polysaccarit phức tạp, nó đem lại cho cây sựmềm dẻo. Pectin là chất quan trọng trong những sợi không phải từ gỗ, đặc biệt làsợi vỏ. Nhóm chất lignin, hemixenlulo và pectin có chức năng như chất nền và chấtkết dính, giúp gắn kết lại với nhau cấu trúc khung xenlulo của sợi tự nhiên. Thànhphần hóa học của một số sợi tự nhiên cho ở bảng 2.1.b. Đặc tính sợi tự nhiênĐặc tính của sợi tự nhiên phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần hóa học củanó. Cấu trúc, góc nghiêng của sợi, kích thước tế bào và thành phần hóa học của sợilà những thông số quan trọng nhất dùng để xác định tính chất chung của sợi.Thông thường độ bền kéo và mô đun đàn hồi của sợi sẽ tăng khi tăng HLxenlulo. Một số tính chất vật lý và cơ học của một vài sợi tự nhiên như lanh, gai,dứa…khá tốt và hoàn toàn có thể so sánh với sợi thủy tinh về độ bền riêng, mô đunđàn hồi. Nói chung sợi tự nhiên có độ dãn dài tại thời điểm phá hủy cao và tính dẫnnhiệt thấp hơn sợi thủy tinh hay sợi cacbon. Do vậy chúng có thể tăng cường chocomposite và chịu nhiệt tốt [19]. Ưu điểm của sợi tự nhiên so với sợi truyền thốnglà giá thành thấp, tỉ trọng nhỏ, cơ tính riêng có thể chấp nhận, dễ bóc tách, phục hồiđược và có khả năng PHSH. Sợi tự nhiên có nhược điểm là tính hút ẩm cao, nên khigia cường cho composite làm độ bám dính bề mặt giữa sợi và nhựa nền yếu, xuấthiện các khuyết tật làm ảnh hưởng đến cơ tính và độ ổn định kích thước composite.Tuy nhiên, điều đó có thể được khắc phục bằng các biện pháp XL bề mặt sợi thíchhợp. Cơ tính của một số sợi tự nhiên so sánh với một vài sợi nhân tạo truyền thốngđược mô tả ở bảng 2.2.-10-Bảng 2.1. Thành phần hóa học một số sợi tự nhiên [15, 16, 30, 32, 37, 51, 52].XenluloLigninHemixeluloPectinSápNước(% KL)(% KL)(% KL)(% KL)(% KL)(% KL)Đay61 – 7212 – 1313,6 – 20,40,20,5 – 212,6Lanh64,1 – 712,0 – 2,213,6 – 20,61,8–2,30,5 – 28 – 1068,6 – 76,20,6 – 0,713,1 – 16,71,90,38 - 1770,2 – 773,7 – 5,717,9 – 22,40,90,88 – 10Sidan65,8 – 838 – 1110 – 248 – 102–311Thùa77,613,14–8–––Dứa70–825–12–11,882,7–5,75,70.68–25Xơ dừa36 – 4341 – 450,15 – 0,253–4–8Cọ dầu6529––––Bã mía32–4819–2427–32–1,5–5–Tre26–4321–3115–26–1,7–5–Lúa28–4812–1623–28–15–20–Lúa mỳ29–5116–2126–32–4,5–9–Lúa mạch31–4514–1524–29–5–7–Loại sợiSợi vỏGaiGai dầuSợi lá––Sợi hạtBôngSợi quảSợi thân thảo-11-Bảng 2.2. Cơ tính của một số sợi tự nhiên so với sợi nhân tạo truyền thống [15, 16,30, 31, 32, 37, 51, 52, 53, 54].Mô đun đànĐộ giãn dàihồikhi đứt(MPa)(GPa)(%)1,3 – 1,46393 – 80010 – 301,16 – 1,850–2501,35529–7598–201,0–3,5Gai dầu–1,48550–900701,6Thùa–1,2500 ± 7013,2 ± 3,14,8 ± 1,1Dâm bụt––930531,6Cọ dầu–0.7–1.552483,225Lanh–1,4 – 1,5345 – 150027,6 – 10312 – 40Gai–1,5400 – 93844 – 1281,2 – 3,8Dứa20–80–413–162734,5–82,511,6Sidan50 – 3001,33 – 1,45227 – 7009,4 – 382 – 14Bông–1,5 – 1,6287 – 8005,5 – 12,63 – 10100 – 4501,15 – 1,3108 – 2524–615 – 401870,6 – 1,1140 – 46518 – 55–Bã mía–1,2529017–Len––120–1742.3–3.425–35E-glass–2,562000 – 350070 – 732,5 – 3S-glass–2,54570862,8Aramid–1,43000 – 315063 – 673,3 – 3,7Cacbon–1,74000230 – 2401,4 – 1,8ĐườngTỉ trọngĐộ bền kéo(µm)(g/cm3)Đay20 – 200ChuốiSợiXơ dừaTrekính-12-2.1.3. XL bề mặt sợi tự nhiêna. Mục đích XL bề mặt sợiSợi thực vật chứa các nhóm hydroxyl bị phân cực mạnh có thể hút ẩm trongtự nhiên. Hạn chế chính khi sử dụng các sợi này để gia cường trong composite là độbám dính kém giữa bề mặt sợi phân cực hút ẩm và nền polyme không phân cựckhông hút ẩm làm giảm cơ tính của vật liệu composite.Sợi tự nhiên có thể XL bề mặt bằng hóa chất do tính phân cực mạnh của cácnhóm hydroxyl [20]. Các nhóm hydroxyl có thể gồm liên kết hydro bên trong cácphân tử xenlulo, bằng cách đó kích thích các nhóm này hoặc có thể đưa vào cácnhóm chức mới để hình thành các mối liên kết hiệu quả trong hệ thống. Do đó, cácđặc điểm của bề mặt như độ ẩm, bám dính, sức căng bề mặt hay tính xốp của sợi cóthể được cải thiện. Sự nhám bề mặt sợi có vai trò quan trọng trong liên kết cơ họcvới các nền polyme. Đặc tính tiếp xúc giữa các bề mặt có thể cải thiện bằng cáchXL bề mặt thích hợp, làm thay đổi tương tác lý hóa giữa các bề mặt. Nhân tố quantrọng nhất để có composite nền polyme gia cường sợi chất lượng tốt là độ bám dínhgiữa sợi và nền polyme. Do sự có mặt của các nhóm hydroxyl và phân cực khônghoàn chỉnh trong các phần khác nhau của sợi, sự hút ẩm của sợi rất mạnh do đó làmđộ bám dính giữa bề mặt sợi với nền polyme không hút ẩm kém đi.Chính vì vậy, để phát triển composite với đặc tính cơ học tốt hơn cần thiếtphải giảm độ hút ẩm, tính thấm nước và làm sạch bề mặt của sợi bằng cách XL bềmặt sợi thích hợp [22].b. Các phương pháp XL bề mặt sợiXL bề mặt sợi tự nhiên bao gồm: XL vật lý bề mặt và XL hóa chất bề mặt.XL vật lý: như dùng phóng điện, plasma, tia gama hay laser. Sợi được kéocăng, cán, XL nhiệt để sợi không bị thay đổi thành phần hóa học nhưng cấu trúc vàtính chất bề mặt thay đổi. Phương pháp dùng plasma để bắn phá bề mặt sợi [23].-13-Trong plasma có chứa các gốc, ion, photon và các phần tử bị kích thích khác có khảnăng tác động vào bề mặt sợi nhờ hoạt tính cao của chúng. Trong một thời gian vừađủ các hạt này bào mòn sợi, loại bỏ được các mảnh tạp chất ra khỏi bề mặt sợi làmcho bề mặt sợi trơn đồng nhất. Nhưng nếu thời gian XL tăng, việc plasma tiếp túcbắn phá, bào mòn bề mặt sợi sẽ làm các lớp sợi bị phá hủy [20].XL hóa chất: mục đích chính là loại bỏ tạp chất tự nhiên trên bề mặt của sợiđồng thời cũng làm thay đổi cấu trúc bề mặt sợi làm khả năng tiếp xúc giữa sợi vànền tốt hơn, cải thiện độ nhám bề mặt sợi nhằm tăng độ bám dính giữa sợi và nền.Có thể ngưng tụ trực tiếp chất liên kết lên bề mặt xenlulo, ghép nối các gốc tự docủa chúng hay trùng hợp ion. XL bề mặt sợi bằng hóa chất có thể tăng sự tươngthích giữa sợi và nền, qua đó làm giảm rỗ khí nhỏ và loại bỏ các tạp chất ở vùngtiếp xúc giữa sợi và nền dẫn đến cải thiện cơ tính của vật liệu composite sinh học.Sự tiếp xúc bền vững hơn giữa sợi và nền có thể dẫn tới việc làm giảm chiều dàigiới hạn của sợi để đảm bảo sự truyền ứng suất một cách hiệu quả [25]. Một số biệnpháp XL hóa chất bề mặt sợi như sau:XL kiềmXL kiềm sợi tự nhiên là phương pháp đơn giản và rẻ nhất. XL kiềm làm tăngđộ nhám bề mặt sợi tự nhiên, đồng thời làm nổi xenlulo trên bề mặt sợi, do đó cảithiện mạnh độ bám dính giữa sợi và nền polyme, làm chuyển hóa xenlulo kết tinhthành xenlulo không kết tinh. Điều quan trọng của việc XL ở đây là loại bỏ đượcliên kết hydro trong lưới cấu trúc. Tác động của kiềm với sợi xenlulo là một phảnứng làm giãn nở, trong suốt quá trình đó cấu trúc kết tinh tự nhiên của xenlulo đượcgiải phóng. Loại kiềm (KOH, NaOH, LiOH) và nồng độ kiềm sẽ ảnh hưởng đếnmức độ giãn nở của sợi, do vậy ảnh hưởng đến mức độ biến đổi không liên tụctrong xenlulo [20].XL NaOH là một phương pháp đơn giản và hiệu quả với nồng độ từ 0,5%đến 50% và thời gian ngâm từ 15 phút đến 96 giờ [25]. Phản ứng giữa sợi tự nhiênvà dd NaOH diễn ra theo sơ đồ: Xenlulo-OH + NaOH → Xenlulo-O-Na+ + H2O. Sự-14-thay đổi cấu trúc sợi tự nhiên sau khi XL kiềm được mô tả như ở hình 2.5.Hình 2.5. Sơ đồ thay đổi cấu trúc sợi sau khi XL bằng dd kiềm [44]Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể nào kết luận về nồng độ và thời gianXL sợi xơ dừa cho cơ tính tối ưu của composite. J.Rout và những người khác chỉ rarằng ngâm sợi 2 giờ bằng dd NaOH 2% là cách XL tốt nhất cho độ bền kéo tối ưucủa composite nền polyeste gia cường sợi xơ dừa, trong khi XL sợi bằng dd NaOH5% trong 1 giờ sẽ cho tính chịu uốn tốt nhất [35]. Tuy nhiên, composite sidan vàdầu cọ tự nhiên XL dd NaOH 4% lại cho độ bền kéo lớn nhất [22].XL silanSilan là hợp chất hóa học với công thức SiH4, là chất tương trợ có khả năng-15-làm giảm các nhóm hydroxyl. Ban đầu silan kết hợp với nước tạo thành silanol.Silanol sau đó sẽ tác dụng với các nhóm hydoxyl của sợi giúp định hình lên lớp keoổn định bao phủ bề mặt sợi theo sơ đồ phản ứng sau [39]:CH2CHSi(OC2H5)3 + H2O → CH2CHSi(OH)3 + 3C2H5OHCH2CHSi(OH)3 + Xenlulo-OH → CH2CHSi(OH)2O-Xenlulo + H2OChất tương trợ silan được coi như một phương pháp hiệu quả để tăng độ bềnbám dính giữa sợi và nhựa nền. Có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng silan XL bềmặt sợi: dd 3-amino-propyl-trimethoxyl silan nồng độ 1% cùng với dd axêtôn vànước (50/50% về thể tích) được dùng để XL bề mặt sợi lanh trong thời gian 2 giờ.Sợi sidan được XL bằng hỗn hợp dd 2% aminosilan và cồn 95% trong 5 phút ở độpH từ 4,5 đến 5,5 sau đó sấy khô 30 phút. XL sợi thùa và sợi cọ dầu bằng dd silanvà ethanol nồng độ 0,033% và 1%. Sự tương tác bề mặt giữa sợi và nhựa nền khiXL bằng silan mạnh hơn XL kiềm, làm cho độ bền kéo của composite XL silan caohơn XL bằng kiềm. Độ ổn định nhiệt của composite sau khi XL silan cũng được cảithiện đáng kể [39].Một số phương pháp XL bề mặt khác: Cơ chế chung của các phương pháp này làlàm hoạt hóa các nhóm OH trên bề mặt sợi.-Đồng trùng hợp ghép;-Axetyl hóa ;-Xyanetyl hóa xenlulo bằng acrylonitryl.2.2. Vật liệu polyme2.2.1. Khái niệm và lịch sử vật liệu polymea. Khái niệmPolyme là các hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc củachúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những đơn vị monome (còn gọi là các mắt xích).Các phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi là các oligome.Polyme được hình thành trong tự nhiên , chẳng hạn như xenlulo-thành phần chủ yếu-16-của tế bào thực vật và protit, thành phần chủ yếu của tế bào sống đều là những hợpchất quan trọng trong đời sống hàng ngày.b. Lịch sử ra đời phát triển vật liệu polymeTừ thời xưa người ta đã biết sử dụng các vật liệu polyme tự nhiên như bông,sợi gai, tơ tằm, len làm quần áo, da động vật để làm giày, áo quần, … Người Ai Cậpcòn biết dùng da để làm giấy viết thư báo cho tới khi họ tìm ra phương pháp điềuchế hợp chất cao phân tử mới là giấy. Công trình này đã mở đầu cho các quá trìnhgia công, chế tạo các hợp chất polyme thiên nhiên và đi vào nghiên cứu các polymenhân tạo. Đến năm 1933 polyme đã chuyển sang thời kỳ tổng hợp bằng phươngpháp hóa học thuần túy, đi sâu vào nghiên cứu những tính chất của polyme nhất lànhững polyme tự nhiên. Năm 1925, Staudinger đã đưa ra kết luận về cấu trúc phântử polyme, ông cho rằng polyme có dạng sợi và lần đầu tiên dùng cụm danh từ “ caophân tử”. Nhờ áp dụng các phương pháp vật lý hiện đại để xác định cấu trúc củapolyme, người ta có thể rút ra kết luận chung về cấu trúc của các hợp chất cao phântử như sau:a) Hợp chất cao phân tử là tổ hợp của các phân tử có độ lớn khác nhau về cấutrúc phân tử và thành phần đơn vị cấu trúc monome trong mạch phân tử.b) Các nguyên tử hình thành mạch chính của phân tử tồn tại ở dạng sợi và cóthể thực hiện được sự chuyển động dao động xung quanh liên kết hóa trị, làmthay đổi cấu trúc của đại phân tử.c) Tính chất của polyme phụ thuộc vào khối lượng phân tử, cấu trúc phân tử, độuốn dẻo, thành phần hóa học cũng như là bản chất tương tác giữa các phân tử.d) Dung dịch polyme là một hệ bền nhiệt động học và cũng không khác với ddthật của các chất thấp phân tử, nhưng lực tổng hợp và solvat hóa rất lớn ngaycả trong dd loãng (thực tế có rất ít dung dich polyme tồn tại ở dạng keo).Sau khi thiết lập được các nguyên tắc hình thành polyme, hóa học polymephát triển rất nhanh, chuyển từ biến tính polyme sang tổng hợp polyme từ những-17-

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• Nghiên cứu và phát triển vật liệu composite phân hủy sinh học gia cường sợi xơ dừa
  • 106
  • 847
  • 5
• Tài liệu Hiệp định số 58/2005/LPQT docx
  • 13
  • 0
  • 0
• Tài liệu nghị định thư về hội nhập ngành thương mại điện tử ASEAN docx
  • 12
  • 0
  • 0
• Tài liệu Nghị định thư về hội nhập ngành điện tử ASEAN doc
  • 10
  • 0
  • 0

Tải bản đầy đủ (.pdf) (106 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(3.96 MB) - Nghiên cứu và phát triển vật liệu composite phân hủy sinh học gia cường sợi xơ dừa -106 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×