zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYETYLENE TỈ TRỌNG CAO GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY

Chia sẻ: Phạm Đức Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

599
lượt xem 186
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sợi tự nhiên và vật liệu composite của nó đã và đang thu hút sự quan tâm của giới Khoa học trên thế giới nhờ những đặc tính ưu việt như: nguồn nguyên liệu dồi dào, có khả năng tái sinh, nhẹ và các tính chất cơ lý riêng có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, sự sử dụng sợi tự nhiên trong composite vẫn còn hạn chế do tồn tại một số nhược điểm. Để cải thiện tính chất của

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYETYLENE TỈ TRỌNG CAO GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYETYLENE TỈ TRỌNG CAO GIA CƯỜNG BẰNG SỢI ĐAY INVESTIGATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON HIGH DENSITY POLYETYLENE REINFORCED WITH JUTE FIBRES SVTH: NGUYỄN TRỌNG VIỆT Lớp: 03H4, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS.ĐOÀN THỊ THU LOAN Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Sợi tự nhiên và vật liệu composite của nó đã và đang thu hút sự quan tâm của giới Khoa học trên thế giới nhờ những đặc tính ưu việt như: nguồn nguyên liệu dồi dào, có khả năng tái sinh, nhẹ và các tính chất cơ lý riêng có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, sự sử dụng sợi tự nhiên trong composite vẫn còn hạn chế do tồn tại một số nhược điểm. Để cải thiện tính chất của composite sợi đay/nhựa polyethylene, sợi được xử lý bằng dung dịch NaOH. SUMMARY Natural fibres and their composites have attracted the attention of scientists worldwide because of their renewable resources, recycleability, low density and acceptable specific properties. However, the application of natural fibres to composites is li mited by some disadvantages. To enhance the properties of jute/polyethylene composites, therefore, the fibres are treated by NaOH solution. 1. Giới thiệu Sợi tự nhiên đã và đang được sử dụng làm vật liệu gia cường trong lĩnh vực composite. Ưu điểm của sợi tự nhiên như là độ mài mòn thấp, tỉ trọng thấp, giá rẻ, nguồn sử dụng vô tận và thân thiện với môi trường nên được khuyến khích sử dụng trong composite. Những chuyên gia nghiên cứu cho rằng vật liệu sợi tự nhiên nhất định có khả năng để cạnh tranh với sợi thủy tinh trong ngành vật liệu composite. Tuy nhiên, sợi tự nhiên có độ hút ẩm cao, tương hợp kém với đa số nhựa nền dẫn đến tính chất cơ lý hóa của sản phẩm composite không cao. Nhựa nền sử dụng ở đây là polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) là loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. HDPE có nhiều ưu điểm như giá thành tương đối rẻ, không độc hại trong quá trình gia công, cho sản phẩm tính chất cơ lý khá tốt. Đặc biệt HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên có khả năng tái sinh, do đó nó rất thân thiện với môi trường. Nhưng HDPE cũng có nhược điểm trong ứng dụng làm nhựa nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên là HDPE không phân cực trong khi sợi tự nhiên phân cực do đó độ tương hợp giữa HDPE và sợi tự nhiên kém. Để tăng sự bám dính giữa sợi và nhựa nền thì nhiều phương pháp khác nhau như là xử lý corona, xử lý plasma, xử lý nhiệt, quá trình copolymer ghép, xử lý silane, xử lý kiềm và xử lý với nhiều hóa chất khác đã được báo cáo về hiệu quả tương hợp trong composite sợi tự nhiên. Tuy nhiên, những phương pháp này hầu hết sử dụng các thiết bị và hóa chất đắt tiền. Phương pháp xử lý kiềm là phương pháp rẻ tiền phù hợp với điều kiện nước ta mà nó vẫn cho tính chất cơ lý hóa vật liệu composite khá tốt. Phương pháp này được ứng dụng trên sợi đay, là loại tự nhiên phong phú và được trồng nhiều nơi ở nước ta. HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên khi gia công phải 252
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 ở dạng nóng chảy. Do điều kiện của phong thí nghiệm nên phương pháp ép áp lực có gia nhiệt được chọn để gia công vật liệu composite ở đây. 2. Thực nghiệm  HDPE 2.1 Nguyên liệu Các đặc tính kỹ thuật và tính chất của  sợi đay nhựa HDPE F00952 (sản xuất ở Saudi Sợi đay sử dụng được đan ở dạng vải mua Arabia) sử dụng được trình bày trong trên thị trường bảng 2 Bảng 1. Một số thông số của sợi đay Bảng 2. Các thông số của HDPE Tính chất Giá trị Loại nhựa HDPE F00952 Mật độ sợi dọc (bó sợi/m2) 336 Chỉ số nóng chảy 0,05 g/10 min Mật độ sợi ngang ( bó sợi/m2) 336 (ASTM D-1238) 2 Khối lượng 1 m (g) 184,5 Nhiệt độ chảy 1250C mềm 2.2 Xử lý sợi bằng NaOH Khối lượng riêng 0,952 g/cm3 Sợi được ngâm trong dung dịch NaOH ở Khoảng nhiệt độ 160-2000C hai nồng độ 1% và 5% trong những khoảng gia công thời gian khác nhau: 1/6, 1, 3, 4, 5, 12 giờ. Sợi ngâm xong được vớt ra rửa bằng nước lạnh nhiều lần. Sau đó rửa trong dung dịch axit axêtic 1%. Việc rửa sợi được coi là đạt yêu cầu khi nước rủa sau cùng có pH = 7. Sợi rửa xong để ráo nước sau đó đem sấy. Sợi được sấy trong 6 giờ ở 800C và 30 phút sau cùng ở 1000C để nước được tách ra hoàn toàn. 2.3 Gia công mẫu composite 2.3.1 Chuẩn bị - HDPE được ép ở dạng tấm mỏng và cắt định kích thướt - Sợi đay sau khi xử lý xong cũng được cắt định kích thướt tương ứng với kích thướt của tấm HDPE - Sau cùng xếp xen kẻ các tấm HDPE và tấm sợi. Cứ 1 tấm HDPE thì 2 tấm sợi - Mẫu composite ở đây gồm có 6 lớp nhựa và 5 cặp lớp sợi - Làm sạch khuôn và kiểm tra máy ép - Khởi động máy ép và gia nhiệt cho máy ép lên 1400C. 2.3.2 Gia công Sau khi chuẩn bị xong thì tiến hành lắp khuôn vào thớt máy ép. Vật liệu lớp nhựa và sợi được đặt giữa hai tấm khuôn kim loại. Điều chỉnh thớt dưới đi lên chạm thớt trên và điều chỉnh đến đạt nhiệt độ khảo sát. Khi nhiệt độ máy ép đạt 1600C thì nhựa lúc này đã nóng chảy. Ta bắt đầu ép nâng thớt lên từ từ cho khi độ dày sản phẩm đạt yêu cầu. Duy trì mẫu ở nhiệt độ và thời gian khảo sát. Điều chỉnh nhiệt độ đến khi giảm còn 800C thì hạ thớt xuống và lấy khuôn mẫu ra ngoài, làm nguội bằng không khí rồi tháo khuôn. 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Điều kiện gia công 3.1.1 Nhiệt độ gia công: Mẫu sau khi gia công xong để ổn định khoảng 8-12 giờ, cắt đúng kích thướt chuẩn đem đi đo thu được kết quả đồ thị (1) và (2). Từ các đồ thị (1) và (2) trên ta thấy, khi tăng nhiệt độ gia công thì độ bền kéo, uốn, va đập của vật liệu composite đều tăng. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì độ bền giảm xuống, vậy 253
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 đường cong đi qua một cực đai, đó là giá trị cực đại của các độ bền tại nhiệt độ gia công 1600C. Ở nhiệt độ gia công thấp sự thấm ướt của nhựa nền đối với sợi thấp nên độ bền vật liệu thấp. Nhiệt độ càng cao thì khả thấm ướt của nhựa vào sợi càng tốt nhưng khi nhiệt độ cao quá và mẫu được lưu ở nhiệt độ đó một thời gian thì độ bền của sợi bắt đầu giảm do sự p hân hủy sợi xảy ra. Do vậy nhiệt độ càng cao làm cho độ bền của vật liệu composite giảm. Từ đó ta kết luận độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công ở nhiệt độ 1600. 600 90 Độ bền va đập (N/mm) 500 80 70 400 Độ bền (MPa) 60 300 50 40 200 30 100 Độ bền uốn 20 0 10 Độ bền kéo 150 160 170 180 190 0 Nhiệt độ ( C) 0 150 160 170 180 190 Nhiệt độ (o C) Đồ thị 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia Đồ thị 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ bền va đập công đến độ kéo, uốn 90 560 80 Độ bền va đập (N/mm) 550 70 60 540 Độ bền (MPa) 50 530 40 520 30 Độ bền kéo 20 510 Độ bền uốn 10 5 00 0 15 20 25 30 35 40 15 20 25 30 35 40 Thời gian (phút) Thời gian (phút) Đồ thị 3. Ảnh hưởng của thời gian gia Đồ thị 4. Ảnh hưởng của thời gian gia công đến độ bền kéo, uốn công đến độ bền va đập 3.1.2 Thời gian: Khảo sát gia công mẫu composite ở nhiệt độ 1600C trong thời gian gia công khác nhau kết quả thể hiện ở đồ thị (3) và (4). Từ đồ thị (3) và (4) trên ta thấy, khi tăng thời gian ép thì độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu composite đều tăng, nhưng khi tăng thời gian ép đến một giới hạn nhất định thì độ bền giảm xuống, vậy đường cong đi qua một điểm cực đại, đó là giá trị cực đại của các độ bền ở thời gian ép là 25 phút. Có thể giải thích chung cho tất cả các độ bền trên như sau: khi tăng thời gian ép thì tăng khả năng thấm ướt của nhựa vào sợi, đồng thời tăng thời gian cũng tạo điều kiện để thoát khí từ trong mẫu vật liệu ra ngoài, hạn chế hiện tượng bọt khí. Cho nên khi tăng thời gian ép ban đầu thì nó làm tăng các độ bền cơ lý của vật liệu. Nhưng khi ép với thời gian quá lâu (>25 phút) ở một nhiệt độ gia công nhất định sẽ làm cho giảm độ bền của sợi. Có thể ở đây có sự 254
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 phân hủy hemicelulose bắt đầu xảy ra. Khi đó trên mẫu vật liệu có sẫm màu của sợi và xuất hiện rất nhiều bọt khí. Từ đây có thể kết luận: Độ bền của vật liệu composite có độ bền cao nhất khi được ép trong vòng 25 phút. Từ tất cả các điều trên ta có thể đưa ra chế độ gia công để cho mẫu vật liệu composite có độ bền cơ lý cao nhất: nhiệt độ gia công 1600C và thời gian gia công ở nhiệt độ đó là 25 phút.  Ảnh hưởng của chế độ gia công bán thành phẩm Độ bền cơ lý của vật liệu composite còn phụ thuộc vào thiết bị máy ép, chế độ làm nguội, và mức độ vô định hình của HDPE bán thành phẩm sử dụng. Ở đây tấm bán thành phẩm HDPE được sử dụng có độ kết tinh thấp, mức độ vô định hình cao. Tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô đinh hình cao được tạo ra bằng cách ép ở nhiệt độ cao (1600C) sau đó làm nguội nhanh bằng nước lạnh. Điều này được giải thích là do nhựa HDPE đang ở nhiệt độ gia công thì nó ở dạng chảy, lúc đó các phân tử đang ở trạng thái linh động và sắp xếp hỗn độn nhưng khi được làm nguội nhanh bằng nước lạnh thì thì các phân tử chưa kịp sắp xếp chặt khít để tạo cấu trúc kết tinh thì nó đã đông cứng lại rồi. Tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình càng lớn thì cho mẫu vật liệu composite thu được có độ bền càng cao và tăng khả năng khắc phục được hiện tượng bọt khí ở vật liệu. Điều này có thể giải thích như sau: khi tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình lớn nó tăng khả năng thấm ướt của nhựa vào sợi. Điều này được thấy rõ ở mẫu composi te sử dụng tấm HDPE bán thành phẩm có mức độ vô định hình thấp và mức độ vô định hình cao . Mẫu composite sử dụng tấm HDPE có mức độ vô định hình thấp thì xuất hiện nhiều bọt khí. Còn mẫu composite sử dụng tấm HDPE có mức độ vô định hình cao thì không có bọt khí. Chế độ làm nguội cũng ảnh hưởng đến độ bền vật liệu composite. Do nhựa nền là HDPE có khả năng kết tinh sẽ cho mẫu có độ bền cơ lý cao nên khi gia công ta làm nguội từ từ bằng không khí. Sở dĩ là để các phân tử HDPE có đủ thời gian sắp xếp trật tự tăng độ kết tinh do đó tăng độ bền cho vật liệu. 60 3.2 Xử lý kiềm 50 Việc loại bỏ hemicellulose và một phần Độ bền kéo (MPa) 40 lignin có ảnh hưởng lớn đến độ bền của vật 30 liệu composite. Kết quả đo được ở các điều 20 kiện xử lý khác nhau được thể hiện ở các đồ NaOH 1% thị (5), (6) và (7). Từ đồ thị này ta thấy khi 10 NaOH 5% xử lý sợi bằng dung dịch 1% thì độ bền tăng 0 0 5 10 15 theo thời gian xử lý cho đến 4 giờ, nếu tiếp Thời gi an (gi ờ) Đồ thị 5. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý tục kéo dài thời gian ngâm thì độ bền tăng kiềm đến độ bền kéo không đáng kể. Với dung dịch 5%, quá trình xử lý khó điều chỉnh hơn, với thời gian ngâm ngắn (1/6 giờ) thì độ bền có tăng nhưng không nhiều lắm. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian ngâm thì độ bền giảm nhiều. Như đã trình bày độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của vật liệu gia cường, sự phân tán của của nhựa nền vào vật liệu gia cường và liên kết giữa nhựa nền và vật liệu gia cường. Ở đây mục đích xử lý sợi là tăng độ bền của sợi và sợi có bề mặt nhám hơn tạo điều kiện cho sự bám dính giữa nhựa nền và sợi. 255
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 Đối với dung dịch NaOH 1% thì khi tăng dần thời gian ngâm thì độ bền của sợi của sợi cũng dần tăng theo bởi vì các thành phần vô đinh hình trong sợi như hemicellulose và một phần lignin bị tách ra làm tăng mật độ kết bó của cellulose. Do vậy độ bền của vật liệu composite tăng. Nhưng thời gian ngâm kéo dài thì cùng với hemicellulose, và một phần lignin được tách ra thì một phần cellulose cũng bị phân hủy nên độ bền sợi giảm. Vậy nên độ bền của vật liệu composite giảm. Đối với dung dịch NaOH 5% thì khả năng tách các thành phần vô định hình trong sợi lớn hơn và khả năng phân hủy cellulose cũng lớn hơn. Do vậy khi ngâm sợi trong thời gian ngắn thì độ bền sợi tăng. Nhưng khi tăng lên hơn 1 giờ thì độ bền sợi giảm. Điều này là do một phần cellulose cũng bị phân hủy nên độ bền sợi giảm. Cho nên độ bền của vật l iệu composite giảm. 90 Và độ bền của vật liệu composite cũng được 80 70 tăng khi sử dụng sợi được xử lý. Điều này được Độ bền uốn (MPa) 60 giải thích là do sợi xử lý có bề mặt nhám hơn nên 50 tăng khả năng bám dính cơ học giữa sợi và nhựa 40 NaOH 1% 30 nền. Do vậy tăng độ bền của vật liệu composite. NaOH 5% 20 10 Từ các đồ thị thì ta thấy các đường cong đều 0 có điểm cực đại và giá trị cực đại đó là tại nồng độ 0 5 10 15 Thời gian (giờ) NaOH 1% ngâm trong thời gian 4 giờ. Vậy điều Đồ thị 6. Ảnh hưởng của điều kiện xử kiện xử lý kiềm NaOH 1% trong 4 giờ được xem lý kiềm đến độ bền uốn là tối ưu. 560 550 3.3 Hàm lượng sợi: Độ bền va đập, N/mm 540 530 Từ đồ thị (8) và (9) ta thấy, khi hàm lượng sợi 520 tăng thì độ bền kéo, uốn và va đập của vật liệu 510 500 composite đều tăng, nhưng nếu hàm lượng sợi NaOH 1% 490 tăng vượt quá một giá trị nhất định thì độ bền giảm 480 NaOH 5% 470 xuống, vậy đường cong đi qua một cực đại, đó là 460 giá trị cực đại của các độ bền tại hàm lượng sợi là 0 5 10 15 Thời gian (giờ) 40%. Đồ thị 7. Ảnh hưởng của điều kiện xử Điều này có thể được giải thích như sau: Độ lý kiềm đến độ bền va đập bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của sợi gia cường và độ bám dính, phân tán của nhựa và sợi. Ban đầu khi tăng hàm lượng sợi và vẫn đảm bảo sự thấm ướt đủ của nhựa vào sợi thì độ bền mẫu composite tăng. Nhưng khi hàm lượng sợi vượt quá 40% thì nhựa không đủ thấm ướt sợi để tạo hệ liên tục. Do vậy làm giảm kết dính giữa sợi và nhựa dẫn đến giảm độ bền của vật liệu composite. Đồng thời khi gia công vật liệu composite có hàm lượng sợi càng cao thì ta dùng lực ép càng lớn nên nó làm giảm độ bền của sợi gia cường và có thể làm dứt sợi. Từ đó nó làm giảm độ bền của vật liệu composite. 256
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 90 554 Độ bền va đập (N/mm) 80 552 70 550 Ứng suất kéo (MPa) 60 548 50 546 40 544 30 542 Độ bền kéo 20 540 Độ bền uốn 10 5 38 0 30 35 40 45 50 55 30 35 40 45 50 55 Hàm lượng sợi (%) Hàm lượng sợi (%) Đồ thị 8 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi Đồ thị 9. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ bền kéo, uốn đến độ bền va đập Kết luận: Từ trên ta có thể gia công mẫu composite tối ưu với các điều kiện: Nhiệt độ gia công 1600C Thời gian gia công 25 phút Sợi xử lý ở NaOH 1% trong 4 giờ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eichhorn SJ, Baillie CA, Zafeiropoulos N, Mwaikambo LY, Ansell MP, Dufresne A, et al. Review international research into cellulosic fibres and composite. J Mater Sci 2001;36:2107-31. [2] Doan T-T-Loan, Mãder E. Performance of jute fibre reinforced polyprylene. In 7th international AVK-TV conference, September 28-29; 2004. Baden-Baden. [3] Ray D, Sarkar BK, BA RK, Rân AK. Study of thermal behaviour of alkali-treated jute fibres. J Appl Polym Sci 2002;85: 2594-9. [4] Ray, Sakar BK, Basak RK, Rana AK. Fracture behavior of vinylester resin matrix composite reinforced with alkali-treated jute fibres. Appl Polym Sci 2002;85:2588-93. [5] Gasan J, Bledzki AK. The influence of fiber surface treatment on the creep behavior of jute-polypropylene-based composites. Composites Part A 1997;28A(12):2001-5. [6] Joseph PV, Joseph K, Thomas S, Pollai CKS, Prasad VS, Groeninckx G, et al. The thermal and crystallization studies of short sisal fibre reinforced polypropylene composites reinforced with. Composites Part A 2003;34:253-66 257

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.