Nghiên cứu và phát triển vật liệu composite phân hủy sinh học gia cường sợi xơ dừa

- Tống Văn Cảnh TỐNG VĂN CẢNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU COMPOSITE PHÂN HỦY SINH HỌC GIA CƯỜNG SỢI XƠ DỪA CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC.
- Chuyên ngành: Chế tạo máy KHOÁ 2009-2010 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- Tống Văn Cảnh NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU COMPOSITE PHÂN HỦY SINH HỌC GIA CƯỜNG SỢI XƠ DỪA Chuyên ngành: Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC.
- Chuyên ngành: Chế tạo máy NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- Trần Hữu Nam Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do chính tôi nghiên cứu và thực hiện.
- Người đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
- Quý thầy cô và các anh chị trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn và tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu thực nghiệm tại đây: PGS.TS Bùi Chương, TS.
- Tình hình nghiên cứu hiện tại .
- Tình hình nghiên cứu ngoài nước .
- Tình hình nghiên cứu trong nước Chương II.
- TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI TỰ NHIÊN .
- Sợi tự nhiên và các đặc tính của sợi tự nhiên .
- Cấu trúc và đặc tính của sợi tự nhiên .
- XL bề mặt sợi tự nhiên .
- Vật liệu polyme .
- Khái niệm và lịch sử vật liệu polyme .
- Phân loại vật liệu polyme .
- Vật liệu composite sợi tự nhiên .
- Tính chất cơ học .
- Các phương pháp và công nghệ chế tạo composite sợi tự nhiên .
- Phương pháp ép nóng trong khuôn .
- Phương pháp đùn .
- Phương pháp ép phun .
- Phương pháp khuôn quay .
- VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .
- Vật liệu .
- Sợi xơ dừa .
- Thiết bị và phương pháp nghiên cứu .
- Làm sạch và XL bề mặt sợi xơ dừa .
- Thí nghiệm kéo xác định tính chất cơ học của sợi xơ dừa .
- Thí nghiệm xác định độ bám dính của sợi xơ dừa trong nền PBS .
- Thiết bị và phương pháp chế tạo composite .
- Xác định tính chất cơ học của vật liệu composite .
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp lực ép đến cơ tính composite .
- Ảnh hưởng của nhiệt độ ép .
- Ảnh hưởng của áp lực ép .
- Cơ tính và hình ảnh vi mô của sợi xơ dừa .
- Ảnh hưởng của XL bề mặt đến cơ tính sợi .
- Ảnh hưởng của XL bề mặt đến đường kính và cấu trúc bề mặt sợi .
- Độ bám dính của sợi xơ dừa trong nền PBS .
- Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến độ bám dính .
- Ảnh hưởng của XL silan đến độ bám dính .
- So sánh ảnh hưởng của XL cả kiềm và silan sợi đến độ bám dính .
- Cơ tính của vật liệu composite .
- Ảnh hưởng của HL sợi CXL đến cơ tính composite .
- Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến cơ tính composite .
- Ảnh hưởng của XL cả kiềm và silan sợi đến cơ tính composite .
- Phân tích hình ảnh vi mô của composite Chương V.
- Kết luận ĐỀ XUẤT TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU Tài liệu tham khảo iv- BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Nghĩa tiếng Anh PHSH Phân hủy sinh học Biodegradable ASTM Hiệp hội Vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ American Society for Testing and Materials ISO Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế International Organization for Standardization IPGRI Viện Tài nguyên gien cây trồng Quốc tế International Plant Genetic Resources Institute FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc Food and Agriculture Organization SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscope PLA Polylactic axit Polylactic acid HDPE Polyetylen tỉ trọng cao High density polyethylene LDPE Polyetylen tỉ trọng thấp Low density polyethylene PBS Poly(butylen sucsinat) Poly(butylene succinate) CXL Chưa xử lý Untreated XL Xử lý Treated Dd Dung dịch Solution HL Hàm lượng Content PP Phương pháp Method -v- DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Diễn giải Trang1 2.1 Thành phần hóa học một số sợi tự nhiên 11 2 2.2 Cơ tính của một số sợi tự nhiên so với sợi nhân tạo truyền thống 12 3 2.3 Các phương pháp phân hủy polyme 21 4 2.4 Đặc tính vật lý và cơ học của một số polyme PHSH 22 5 2.5 Cơ tính một số composite gia cường bằng sợi tự nhiên 27 6 4.1 Độ bền kéo, mô đun đàn hồi kéo và biến dạng dài tương đối tại thời điểm đứt mẫu COM-D1 với 6 HL sợi khác nhau 70 7 4.2 Cơ tính của COM40-D6 so sánh với COM40-D2 và COM40-D1 79 -vi- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Hình Diễn giải Trang1 1.1 Đệm ghế làm từ composite sợi xơ dừa.
- 3 2 2.1 Phân loại sợi tự nhiên 7 3 2.2 Một số sợi tự nhiên 8 4 2.3 Cấu trúc của một tế bào xenlulo 9 5 2.4 Cấu trúc phân tử xenlulo 9 6 2.5 Sơ đồ thay đổi cấu trúc sợi sau khi XL bằng dd kiềm 15 7 2.6 Một số sản phẩm được làm từ polyme PHSH 20 8 2.7 Cơ chế phân hủy của polylactic axit (PLA) 21 9 2.8 Một số ứng dụng của composite sợi tự nhiên trên ô tô 24 10 2.9 Một số ứng dụng của composite PHSH Chu kỳ vòng đời của composite PHSH Sơ đồ phương pháp ép nóng trong khuôn Sơ đồ cấu tạo máy đùn trục đơn Sơ đồ phương pháp ép phun Quy trình chế tạo sản phẩm bằng phương pháp khuôn quay 31 16 3.1 Ứng dụng sợi xơ dừa trong các sản phẩm truyền thống 35 17 3.2 Trồng cà chua trên giá thể là đá núi lửa và xơ dừa 35 -vii- 18 3.3 Phản ứng trùng ngưng axit sucsinic và butadiol Sự phân hủy của chai làm bằng PBS trong hỗn hợp phân lá cây 38 20 3.5 Ứng dụng của nhựa PBS 39 21 3.6 Sơ đồ chế tạo mẫu composite 40 22 3.7 Sợi dừa sau khi làm sạch bằng tay 41 23 3.8 Rửa sạch và phơi khô sợi xơ dừa ngoài trời 41 24 3.9 Rửa sạch và kiểm tra dd sau khi XL kiềm sợi xơ dừa Máy sấy khô sợi Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo sợi (đơn vị: mm Mẫu đo độ bám dính nhựa và sợi (đơn vị: mm Mỏ hàn điện dùng để gắn hạt nhựa PBS lên sợi xơ dừa Thước đo độ dày Peacock G-2.4N và cách đo chiều dài bám dính Nhựa PBS Cân phân tích Máy trộn Brabender Cài đặt thông số trộn trên máy tính Biểu đồ quá trình trộn với thời gian 10 phút Composite dạng hạt sau khi trộn 49 -viii- 36 3.21 Máy ép thủy lực Gotech GT-7014-A Khuôn ép Các tấm composite sau khi ép Kích thước mẫu thí nghiệm kéo (đơn vị: mm Thí nghiệm kéo trên máy ISNTRON 5582-100 KN Kích thước mẫu thí nghiệm uốn (đơn vị: mm Thí nghiệm đo độ bền uốn Máy TINIUS OLSEN và cách gá đặt mẫu Kích thước mẫu thí nghiệm đo độ bền va đập (đơn vị: mm Kết quả đo độ bền va đập hiển thị trên màn hình máy đo Hình ảnh mẫu trước và sau thí nghiệm va đập Kính hiển vi điện tử quét JSM-5410LV (JEOL Ltd., Nhật Bản Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến độ bền kéo của composite 59 49 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến độ bền uốn của composite 60 50 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến độ bền va đập của composite 60 51 4.4 Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ bền kéo của composite 61 52 4.5 Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ bền uốn của composite 62 53 4.6 Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ bền va đập của composite 62 54 4.7 Độ bền kéo sợi D1 và D2 63 -ix- 55 4.8 Mô đun đàn hồi kéo sợi D1 và D Biến dạng dài tương đối tại thời điểm kéo đứt sợi D1 và D Đường kính sợi D1 và D Hình ảnh vi mô bề mặt sợi xơ dừa Độ bám dính của sợi D1 và D2 với nhựa nền PBS Độ bám dính của sợi XL dd silan So sánh độ bám dính của sợi XL kiềm và Silan Độ bền uốn COM-D Mô đun đàn hồi uốn của COM-D Độ bền va đập của COM-D Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến độ bền kéo composite.
- 74 66 4.19 Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến mô đun đàn hồi kéo composite.
- 75 67 4.20 Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến biến dạng kéo composite Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến độ bền uốn composite.
- 77 69 4.22 Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến mô đun đàn hồi uốn composite Ảnh hưởng của XL kiềm sợi đến độ bền va đập composite Quá trình phản ứng giữa dd silan và sợi Ảnh chụp SEM bề mặt composite sợi xơ dừa HL 40% KL 81 -1- Chương I.
- Cơ sở thực tiễn của đề tài Vật liệu composite đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước Công Nguyên, khi con người bắt đầu sử dụng các vật liêu để làm công cụ lao động phục vụ cuộc sống hằng ngày.
- Ngày nay, nhiều loại vật liệu composite có chất lượng cao phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật hiện đại đã và đang được liên tục nghiên cứu phát triển.
- Ngay từ khi ra đời vật liệu composite đã chứng tỏ được nhiều tính chất ưu việt như: nhẹ, độ bền cao, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, có độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp, dễ chế tạo.
- Chính vì vậy, vật liệu composite được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế các loại vật liệu truyền thống như gỗ, thép, xi măng,… trong nhiều lĩnh vực.
- Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon tương đối phổ biến hiện nay.
- Nhược điểm của những vật liệu composite này là khó phân hủy, cho nên rác thải từ sản phẩm này đang gây ra những tác động xấu đến môi trường.
- Do đó, cùng việc nghiên cứu phát triển cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật mới thì vật liệu composite cũng cần được nghiên cứu phát triển theo xu hướng để trở nên thân thiện với môi trường.
- Các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đã và đang dành nhiều sự quan tâm đến các loại vật liệu composite có khả năng phân hủy sinh học (PHSH), có khả năng tái tạo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
- Những năm gần đây, sợi tự nhiên đã và đang được sử dụng rộng rãi để làm chất gia cường trong vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.
- So với sợi thủy tinh và sợi cacbon thì sợi tự nhiên có giá thành rẻ, tỉ trọng thấp, năng lượng để chế tạo thấp, dễ tái tạo và có khả năng PHSH.
- Vật liệu composite tạo ra từ nhựa nhiệt dẻo PHSH gia cường bằng sợi tự nhiên sẽ không chỉ đáp ứng được nhu cầu của thị trường mà còn đáp ứng được những yêu cầu về môi trường đang được đặt ra hiện nay.
- -2- Trong số các loại sợi tự nhiên như tre, nứa, đay, gai, dừa.
- sợi xơ dừa là nguồn nguyên liệu tự nhiên rất phong phú về chủng loại, và dồi dào về sản lượng ở Việt Nam.
- Phát triển mới vật liệu composite PHSH gia cường bởi sợi xơ dừa có thể thay thế dần các sợi tổng hợp truyền thống, sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong công nghiệp và hàng hóa tiêu dùng trong nước cũng như quốc tế.
- Ngoài ra, phát triển vật liệu composite sinh học này có thể thay thế cho các vật liệu dựa trên các sản phẩm dầu mỏ, do đó sẽ có tác dụng làm giảm sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu dầu, làm giảm khí CO2 và tạo ra những cơ hội phát triển kinh tế trong lĩnh vực nông nghiệp.
- Do đó, nghiên cứu và phát triển composite PHSH gia cường bởi sợi xơ dừa là cần thiết, nhằm làm giảm rác thải và góp phần làm cho môi trường lành mạnh hơn.
- Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là phát triển mới và nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu composite PHSH nền poly(butylen sucsinat) (viết tắt là PBS) gia cường bởi sợi xơ dừa.
- PBS là một nhựa nhiệt dẻo hợp chất béo polyeste, nó có tính chất PHSH tuyệt vời trong tự nhiên nhờ vi khuẩn, nấm.
- những vật liệu thường được dùng làm nền polyme PHSH trong các hệ composite sinh học.
- Hơn nữa, cơ tính của PBS có thể so sánh được với một số nhựa nhiệt dẻo khác như polyetylen, polypropylen và polystyren.
- Do đó, PBS được xem là một vật liệu nền có nhiều ưu điểm khi sử dụng trong composite sinh học.
- Sợi xơ dừa là sợi tự nhiên tương đối phổ biến ở miền nam Việt Nam, chúng thường được xem như là rác thải.
- Chính vì vậy, việc tạo ra composite PHSH nền PBS gia cường bằng sợi xơ dừa sẽ tận dụng được nguồn rác thải, giảm tiêu thụ năng lượng và mở ra những cơ hội cho việc bảo vệ môi trường xung quanh.
- Nội dung của đề tài a) Xác định tính chất cơ học của sợi xơ dừa chưa xử lý (CXL) và đã xử lý (XL)

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt