NGHIÊN CỨU TÁCH VÀ SỬ DỤNG SỢI TỪ LÁ DỨA DẠI DÙNG LÀM CỐT GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO

Research on detachment and using sisal fibres for the reinforcement for composite materials based on the unsaturated polyester resins

PHAN THỊ THUÝ HẰNG

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

HOÀNG THỊ LAN PHƯƠNG

Bộ Giáo dục và Đào tạo

TÓM TẮT

Hiện nay, vật liệu gia cường cho vật liệu composit phổ biến nhất là sợi thủy tinh, chúng được tạo ra từ các loại oxyt vô cơ. Tuy nhiên, gần đây sợi thiên nhiên đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vì sợi thiên nhiên có một số ưu điểm hơn so với sợi thủy tinh như: tỷ trọng thấp hơn, giảm trọng lượng cho sản phẩm composit, giá thành hạ… Nhưng sợi thiên nhiên so với sợi thủy tinh thì khả năng bám dính nhựa kém hơn và độ bền thấp hơn. Vì vậy, việc xử lý đối với sợi thiên nhiên để cải thiện các tính chất này là cần thiết. Trong bài báo này trình bày kết quả xác định phương pháp và điều kiện xử lý sợi dứa dại để sử dụng trong chế tạo vật liệu composit trên cơ sở nhựa polyeste không no (UPE). Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xác định được điều kiện xử lý tối ưu như sau:

– Nồng độ dung dịch NaOH là 10% và thời gian xử lý là 10 ngày, sử dụng cho các sản phẩm composite đòi hỏi độ bền cơ học cao.

– Nồng độ dung dịch NaOH là 30% và thời gian xử lý là 16 ngày, sử dụng cho các sản phẩm composite đòi hỏi độ bền môi trường cao.

ABSTRACT

The reinforcement material for composite material, the most generally used one today is the glass fibre formed from inorganic oxide. However, the natural fibre has recently been paid more attention by many researchers because natural fibres have more advantages than glass fibres, for example: lower density, weight saving of composite materials, lower price, and so on. However, natural fibres have lower adherence to resins and less durability than glass fibres. Therefore, the fibre treatment to improve these properties is of great necessity. In this article, we present the defined results of sisal fibres treatment methods and conditions to use in the production of composite materials based on the unsaturated polyester (UPE) resin. With experimental methodology, we have determined optimum treatment conditions as follows:

– The concentration of sodium hydrate (NaOH) solutions is 10% and the treatment time is 10 days. These conditions are applied for composite products requiring high mechanical strength.

– The concentration of sodium hydrate solutions is 30% and the treatment time is 16 days. These conditions are applied for high environmental strength products.

1. Mở đầu

Ở Việt Nam việc sử dụng sợi dứa dại trong chế tạo vật liệu polyme composite (PC) sẽ có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Vì điều kiện thiên nhiên (đất đai, khí hậu, địa hình…) của nước ta là một tiềm năng lý tưởng cho việc sản xuất sợi từ lá dứa dại trên quy mô công nghiệp nhằm cung cấp nguồn nguyên vật liệu cho ngành chế tạo vật liệu PC ở Việt Nam. Việc đầu tư sản xuất sợi từ lá dứa dại không đòi hỏi đầu tư cao như đối với sợi hóa học khác (sợi thủy tinh, sợi cacbon…), điều này sẽ rất phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội ở nước ta hiện nay. Bên cạnh ý nghĩa về mặt kinh tế đã nêu, nó còn có ý nghĩa về mặt xã hội đó là việc cung cấp nguồn nguyên liệu cho sản xuất đòi hỏi phải có chiến lược canh tác cây dứa dại sẽ góp phần tạo nguồn thu nhập cho nông dân, đặc biệt là ở những vùng đất đai khô cằn, khí hậu khắc nghiệt… và tạo cơ hội việc làm cho người lao động ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa…

Chính vì vậy mà việc nghiên cứu sử dụng sợi dứa dại trong gia công chế tạo vật liệu PC nhằm làm tăng giá trị cho cây dứa dại là một vấn đề cấp thiết. Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều lĩnh vực công nghệ được chú trọng trong đó có công nghệ vật liệu mới nên đề tài này sẽ góp phần vào việc mở rộng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, hạ giá thành sản phẩm cho vật liệu PC nhằm thu hút người sử dụng.

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu

– Sợi tách từ lá dứa dại được lấy ở xã Bình Lãnh, huyện Thăng Bình, tỉnh Quảng Nam.

– Nhựa polyeste không no (UPE) loại 2117 sản xuất ở Singapor.

– Các hóa chất: chất xúc tác đóng rắn MEKP; chất chống dính; NaOH 98%; HCl 37%; axeton, H₂SO₄ 98%…

2.2. Phương pháp xử lý sợi dứa dại

Mục đích của việc xử lý sợi là nhằm làm tăng tính chất cơ lý của sợi dứa và của vật liệu composite. Đề tài dùng phương pháp hóa học để xử lý sợi với tác nhân là dung dịch NaOH.

2.3. Phương pháp tiến hành thực nghiệm

Dùng phương pháp quy hoạch trực giao bậc 1 [3,4] để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố xử lý sợi đến các tính chất cơ lý hóa của sợi và vật liệu PC nền UPE gia cường sợi dứa dại.

Các yếu tố ảnh hưởng:

+ Z₁– Nồng độ dung dịch NaOH (%).

+ Z₂ – Thời gian ngâm (ngày).

Bảng 1. Các mức và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng

Yếu tố	Các mức			Khoảng biến thiên
	Mức dưới -1	Mức cơ sở 0	Mức trên +1
Nồng độ NaOH (%) Thời gian ngâm (ngày)	10 10	20 13	30 16	10 3

2.4. Phương pháp tối ưu hóa hàm mục tiêu

Dùng phương pháp mạng đơn hình [3,4] để tối ưu hóa các hàm mục tiêu, từ đó xác định điều kiện xử lý sợi tối ưu.

2.5. Phương pháp gia công mẫu vật liệu composite

Hình 1. Quy trình gia công vật liệu composite

2.6. Phương pháp xác định độ bền cơ lý hóa của vật liệu composite

1. Độ bền kéo: Xác định theo tiêu chuẩn ISO R527-1966 [7].

2. Độ bền uốn: Xác định theo tiêu chuẩn ISO 178-1975 [7].

3. Độ bền va đập: Xác định theo tiêu chuẩn ISO 197-1982 [7].

4. Độ bền môi trường: Xác định theo tiêu chuẩn ISO 175-1981 [7].

3. Kết qủa và thảo luận

3.1. Khảo sát một số tính chất và thành phần sợi dứa dại

Tiến hành khảo sát một số tính chất của sợi dứa chưa xử lý và sợi dứa xử lý ở điều kiện NaOH 10%, thời gian ngâm là 10 ngày. Kết quả thu được ở bảng 2.

Bảng 2. Tính chất và thành phần của sợi dứa dại

Tính chất	Sợi dứa chưa xử lý	Sợi xử lý ở điều kiện (NaOH 10%, 10 ngày)
Độ ẩm (%) Độ bền kéo đứt (N/mm2) Hàm lượng lignin (%) Hàm lượng xenlulo (%)	8,67 2,825 8,6 76,42	6,78 3,257 6,64 80,42

Từ bảng 2 cho thấy, sợi dứa sau khi xử lý ở điều kiện NaOH 10%, thời gian ngâm là 10 ngày có độ ẩm và lượng lignin bé hơn, độ bền kéo đứt và hàm lượng xenluloza thì lớn hơn so với sợi chưa xử lý. Có nghĩa là sợi sau khi xử lý thì giảm thành phần tạp chất vô định hình, tăng phần định hướng cao (xenluloza) nên làm tăng độ bền cơ lý cho sợi.

3.2. Xác định điều kiện xử lý sợi tối ưu

Phương trình hồi quy có dạng như sau:

y = b₀ + b₁x₁ + b₂x₂ + b₁₂x₁x₂ (1)

với y: các hàm mục tiêu bao gồm:

y₁: độ bền kéo đứt của sợi dứa sau khi xử lý, (N/mm²)

y₂: lượng lignin tách ra trong dịch thải, (g)

y₃: độ bền kéo đứt của vật liệu composite, (N/mm²)

y_4: độ bền uốn của vật liệu composite, (N/mm²)

y₅: độ trương trong môi trường nước của vật liệu composite, (%)

y₆: độ trương trong môi trường HCl của vật liệu composite, (%)

y₇: độ tan trong môi trường HCl của vật liệu composite, (%)

x₁: biến số mã hóa của biến số thực Z₁

x₂: biến số mã hóa của biến số thực Z₂

Kết quả thực nghiệm được biểu diễn ở bảng 3.

Bảng 3. Ma trận thực nghiệm

Số thứ tự thí nghiệm	Biến mã hóa		Kết quả đo được của các hàm mục tiêu
	x1	x2	y1 (N/mm2)	y2 (g)	y3 (N/mm2)	y4 (N/mm2)	y5 (%)	y6 (%)	y7 (%)
1 2 3 4 5 6 7	-1 +1 -1 +1 0 0 0	-1 -1 +1 +1 0 0 0	3,257 2,119 1,825 1,570 2,011 1,913 2,207	1,34 1,66 1,54 1,88 1,68 1,67 1,69	14,47 13,734 10,791 5,4 12,753 12,263 11,772	2073 1742 1350,67 782,8 1582 1578 1575	0,877 0,752 0,512 0,345 0,563 0,578 0,593	0,721 0,602 0,452 0,298 0,468 0,488 0,478	0,209 0,191 0,167 0,138 0,173 0,163 0,183

Dựa vào số liệu thực nghiệm, bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất, kiểm tra tính có nghĩa các hệ số hồi quy bằng tiêu chuẩn Student, kiểm định tính tương thích của phương trình hồi quy bằng tiêu chuẩn Fisher ta xác định được các phương trình hồi quy (hàm mục tiêu) như sau:

y₁ = 2,193 – 0,348 x₁ – 0,495 x₂

y₂ = 1,605 + 0,165 x₁ + 0,105 x₂

y₃ = 11,1 – 1,532 x₁ – 3,003 x₂

y₄ = 1487,117 – 224,717 x₁ – 420,383 x₂

y₅ = 0,622 – 0,073 x₁ – 0,193 x₂

y₆ = 0,518 – 0,068 x₁ – 0,143 x₂

y₇ = 0,176 – 0,012 x₁ – 0,024 x₂

Dùng phương pháp mạng đơn hình để tối ưu hóa các hàm mục tiêu theo hướng đạt đến điểm cực trị, trong đó y₁, y₂, y₃ và y₄ theo hướng đạt cực đại, y₅, y₆ và y₇ theo hướng đạt cực tiểu. Kết quả tối ưu hóa các hàm mục tiêu được trình bày ở bảng 4.

Bảng 4. Kết quả tối ưu hóa của các hàm mục tiêu

Điều kiện xử lý	Kết quả tối ưu của các hàm mục tiêu
	y1 (N/mm2)	y2 (g)	y3 (N/mm2)	y4 (N/mm2)	y5 (%)	y6 (%)	y7 (%)
10% -10 ngày 30% -16 ngày	3,257	1,88	14,47	2073	0,345	0,298	0,138

Theo bảng kết quả trên đưa ra được 2 phương án tối ưu như sau:

+ Phương án 1: Các kết quả tối ưu hóa các hàm mục tiêu cho thấy: y₁, y₃, y₄ đạt cực đại và y₂, y₅, y₆, y₇ đạt cực tiểu tại Z₁= 10% và Z₂= 10 (ngày) có nghĩa là độ bền cơ lý đạt cực đại trong khi độ bền hóa thấp nhất nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu nên đáp ứng yêu cầu để chế tạo các sản phẩm chịu tác động ngoại lực lớn, ít chịu tác động của môi trường như thùng rác công cộng, hộp công tơ điện, tấm vách, tấm trần, các vật dụng gia đình, văn phòng như bàn ghế, tủ, kệ sách…

+ Phương án 2: Các kết quả tối ưu hóa các hàm mục tiêu cho thấy: y₂, y₅, y₆, y₇ đạt cực đại và y₁, y₃, y₄ đạt cực tiểu tại Z₁= 30% và Z₂= 16(ngày) có nghĩa là độ bền hóa đạt tối ưu trong khi độ bền cơ lý giảm nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép để chế tạo các sản phẩm chịu tác động ngoại lực thấp, chịu tác động của môi trường (nước, axit…) là chủ yếu như phao chỉ đường trên biển, thùng đựng hóa chất, nước…

4. Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên có thể rút ra được những kết luận sau đây:

– Đã xác định được điều kiện tách và xử lý sợi dứa tối ưu làm tăng độ bền của sợi do vậy làm tăng độ bền của vật liệu PC. Tùy thuộc yêu cầu tính năng kỹ thuật và tính năng sử dụng của sản phẩm mà ta chọn phương án 1 hoặc phương án 2:

+ Nếu sản phẩm đòi hỏi độ bền cơ học cao thì chọn phương án 1:

Nồng độ NaOH: 10%; Thời gian ngâm: 10 ngày

+ Nếu sản phẩm đòi hỏi độ bền môi trường cao thì chọn phương án 2:

Nồng độ NaOH: 30%; Thời gian ngâm: 16 ngày

– So với vật liệu PC phổ biến hiện nay (gia cường bằng sợi thủy tinh) thì vật liệu PC gia cường bằng sợi dứa dại có độ bền thấp hơn. Tuy nhiên sản phẩm đi từ PC gia cường sợi thiên nhiên nói chung, sợi dứa dại nói riêng lại có những ưu điểm như: giá thành hạ, tỷ trọng thấp (trọng lượng thấp với cùng thể tích), có khả năng phân hủy sinh học, chủ động được nguồn nguyên liệu sẵn có, dồi dào trong thế giới thực vật, dễ dàng gia công, không đòi hỏi kỹ thuật gia công phức tạp hay chi phí đầu tư cao.

– Có thể gia công chế tạo các sản phẩm dân dụng như: tấm trần, sản phẩm thủ công mỹ nghệ, hộp công tơ điện, bàn ghế, tủ tường, thùng rác, thùng chứa nước, thùng chứa hóa chất…

5. Kiến nghị

– Nghiên cứu thêm một số phương pháp xử lý đối với sợi để có thể nâng cao tính chất cơ lý hóa cho vật liệu PC như phương pháp ủ nhiệt, phương pháp xử lý bề mặt sợi bằng plasma hoặc corona, phương pháp xử lý bằng axetal…

– Nghiên cứu chế tạo vật liệu PC trên cơ sở sợi dứa dại và các nền nhựa khác như nhựa epoxy, nhựa nhiệt dẻo như PVC, PP, cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp… để mở rộng phạm vi ứng dụng.

– Khảo sát thêm một số dạng sợi khác như dạng “mat”, dạng vải dệt…

– Để tận dụng các ưu và nhược điểm của loại sợi thiên nhiên (sợi dứa dại, sợi đay, sợi gai…) và sợi hóa học (sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramid..), nghiên cứu chế tạo vật liệu PC trên cơ sở gia cường phối hợp cả hai loại sợi.

6. Hiệu quả kinh tế-xã hội

Nếu đề tài được ứng dụng thực tế thì sẽ mang lại một số hiệu quả kinh tế như sau:

– Hạ giá thành sản phẩm composite do đó làm cho loại vật liệu này thu hút được nhiều người sử dụng hơn.

– Nâng cao hiệu quả sử dụng của lá dứa dại.

– Góp phần thúc đẩy kinh tế của các vùng đất đai khô cằn, khí hậu khắc nghiệt.

– Góp phần phủ xanh các vùng đồi trọc, ven biển, chống xói mòn, lũ lụt…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]               Phạm Minh Hải, Vật liệu chất dẻo tính chất và công nghệ gia công, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 1991.

[2]               Trần ích Thịnh, Vật liệu composite cơ học và tính toán kết cấu, Nhà xuất bản Giáo dục, 1994.

[3]               Trương Cao Suyền, Nguyễn Hữu Chi, Quy hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Kỹ thuật Hồ Chí Minh, 1997.

[4]               X.L. AKHNADARÔVA, V.V KAPHARốP, Tối ưu hóa thực nghiệm trong Hóa học và Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Kỹ thuật Hồ Chí Minh, 1994.

[5]               Goodman I., Thys J.A, Polyester, London life Book Co, 1967.

[6]               Othio ASM, Fibre Composite Material, 1965.

[7]               Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, Các tiêu chuẩn ISO xác định tính chất cơ lý của vật liệu polyme,1994.