Nghiên cứu vật liệu composite thân thiện môi trường từ sợi cuống dừa nước và nhựa polyethylene tỷ trọng cao tái chế

- Đầu tiên, các sợi sau khi tách từ NFFS được xử lý hoá học và ép tạo tấm sợi ngẫu nhiên.
- Cấu trúc và thành phần sợi NFFS trước và sau xử lý hoá học lần lượt được quan sát qua ảnh SEM và phân tích qua TGA.
- Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích sợi NFFS đến độ co ngót, độ bền kéo, độ bền uốn, và độ bền va đập cũng được khảo sát.
- Kết quả là sợi NFFS có hàm lượng cellulose ~34% với các vi sợi xếp song song..
- Điều thú vị là sợi NFFS không có lỗ rỗng to ở trung tâm đã tạo nên khác biệt lớn về cơ tính so với một số sợi thực vật khác.
- Cơ tính của vật liệu đạt cao nhất ở tỷ lệ thể tích sợi 60%, có độ bền kéo ~45 MPa, độ bền uốn ~46 MPa, và độ bền va đập ~19 KJ.m -2 .
- (2020) đã nghiên cứu quy trình tối ưu để tách sợi từ bẹ dừa nước, kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc xử lý hóa học giúp việc tách sợi diễn ra nhanh và hiệu quả hơn.
- Trước đây, sợi NFFS được người dân ở vùng Tây Nam Bộ sử dụng làm chổi bếp và làm một số dụng cụ vệ sinh trong đời sống hằng ngày, tuy nhiên đến hiện tại hầu như không còn ứng dụng liên quan đến sợi NFFS.
- Các hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý hóa học cho sợi NFFS gồm có: sodium hydroxide (NaOH, 99%, Zongtai, Trung Quốc), sodium sulfide (Na 2 S, 99%, Xilong, Trung Quốc) và hydrogen peroxide (H 2 O 2 , 50%, Interox, Thái Lan).
- NFFS sau khi bỏ vỏ ngoài được cán giập bằng thiết bị cán sợi nhằm loại bỏ một phần dịch nhựa và phá vỡ cấu trúc của bó sợi, giúp cho công đoạn xử lý hoá học (NaOH, Na 2 S, Na 2 S/NaOH) thuận lợi hơn.
- lý hoá học được thực hiện trước khi chải sợi bởi vì khác với những loại tự nhiên khác, cuống dừa nước chứa hàm lượng sợi rất cao với cấu trúc liên kết sít chặt nên rất khó khăn trong việc chải sợi bằng máy nếu không xử lý hoá học trước.
- Chính vì thế, cuống dừa nước sau khi cán giập được xử lý hoá học trước để loại bỏ phần mụn dừa và lignin liên kết giữa các sợi.
- Thêm vào đó, việc xử lý hoá học trong nghiên cứu này chỉ với mục đích loại bỏ phần lignin và mụn dừa ở giữa các sợi trong cuống dừa nước.
- Sau khi ép thành tấm, mat sợi NFFS được cắt lại theo kích thước của mẫu composite là 25x25 cm.
- Gia công mẫu composite từ mat sợi NFFS.
- Tấm composite từ sợi NFFS và r-HDPE được gia công bằng phương pháp ép nóng.
- Hình 3 thể hiện các bước gia công tấm composite từ sợi NFFS và nhựa r-HDPE..
- Quá trình gia công tấm composite từ sợi NFFS và HDPE 2.3.
- Thêm vào đó, mẫu sợi NFFS trước và sau khi xử lý hoá học được phân tích nhiệt (TGA/DSC 3+, Mettler Toledo, Thụy Sĩ) với tốc độ gia nhiệt 5 o C/phút ở 100–600 o C.
- Dựa vào độ bền nhiệt của các thành phần có trong mẫu sợi dừa nước (như cellulose, hemicellulose, lignin…) để ước lượng khối lượng của các thành phần tương ứng..
- Độ bền kéo, độ bền uốn, và độ bền va đập của vật liệu composite của các mẫu trước và sau khi xử lý hoá học, trước và sau khi tẩy trắng được xác định lần lượt theo tiêu chuẩn ASTM D638-03 (kích thước mẫu thử là 165x10x3 mm), ASTM D7264-02 (kích thước mẫu thử 45x15x3 mm), và ASTM D x12,7x3 mm, kiểu thử Charpy) với 5 lần lặp lại..
- Cấu trúc và thành phần hoá học của sợi NFFS 3.1.1.
- Cấu trúc của sợi NFFS.
- Cấu trúc của sợi NFFS được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét cho thấy nhiều vi sợi rỗng xếp song song có đường kính không đồng đều từ 5 – 50 μm (Hình 4a).
- Hơn nữa, sợi NFFS được quan sát thấy có mật độ sợi cao.
- Điều này giúp dự đoán rằng cơ tính của sợi NFFS cao hơn một số loại sợi tự nhiên khác.
- Ngoài ra, trên Hình 4b thể hiện trên bề mặt của lớp vi sợi bên ngoài cùng được bao bọc bởi lớp mụn xốp chứa hàm lượng cao lignin, đây là thành phần cần loại bỏ để nâng cao bề mặt liên diện giữa sợi NFFS và nhựa nền khi tạo tấm composite.
- Hình 4c thể hiện hình ảnh sợi NFFS đã được xử lý hoá học với NaOH để loại bỏ một phần lignin và hemicellulose trên bề mặt sợi.
- Ngoài ra, trên bề mặt còn có rất nhiều lỗ rỗng, là vị trí để nhựa nền bám dính tốt hơn, góp phần tăng độ bền liên diện cho vật liệu composite.
- Điều này cho thấy tác động của quá trình xử lý hóa học đã loại bỏ một số thành phần của sợi NFFS..
- Thành phần hóa học của sợi NFFS trước và sau khi xử lý hoá học.
- Thành phần hóa học của sợi NFFS trước và sau khi xử lý hoá học được ước lượng thông qua phép phân tích nhiệt trọng lượng.
- Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của sợi NFFS bao gồm giản đồ TG và dTG được thể hiện ở Hình 5..
- Sau quá trình xử lý số liệu, thành phần hóa học chính của sợi NFFS được trình bày ở Bảng 1..
- Như vậy, hàm lượng cellulose có trong sợi NFFS trước xử lý (Hình 5a) khoảng 34%, xấp xỉ hàm lượng cellulose có trong sợi xơ dừa vào khoảng 30 – 40% (Ofaruk &.
- Hàm lượng hemicellulose trong sợi NFFS khoảng 23,3%, ở mức trung bình so với các loại sợi tự nhiên là 20 – 25% (Ofaruk &.
- Giản đồ nhiệt trọng lượng của sợi NFFS: không xử lý (a), xử lý với NaOH 3% (b), và xử lý với Na 2 S 3% (c).
- Thành phần của sợi NFFS trước và sau khi xử lý hoá học.
- Thành phần Sợi tự nhiên Sợi xử lý NaOH Sợi xử lý Na 2 S.
- Phân tích tương tự, mẫu sợi sau khi xử lý hóa.
- Đối chiếu với kết quả phân tích ở giản đồ nhiệt trọng lượng của sợi NFFS tự nhiên, xu hướng chung của các đường biểu diễn TG và dTG có điểm tới hạn ở nhiệt độ cao hơn, các điểm tới hạn ở sợi tự nhiên là 264, 294 và 445ºC, trong khi sợi xử lý NaOH là 272, 304 và 450ºC, tương ứng ở sợi xử lý Na 2 S là 270, 308 và 446ºC.
- Ở nhiệt độ  270ºC, mẫu sợi có xử lý ít biến đổi khối lượng hơn, điều này đồng nghĩa với một phần hemicellulose đã bị loại bỏ trong quá trình xử lý..
- 400ºC, mức độ giảm khối lượng cũng trở nên ít hơn so với mẫu sợi chưa xử lý.
- Điều này khẳng định một phần lignin trong sợi NFFS đã bị loại bỏ trong quá trình xử lý hóa học.
- Bảng 1 thể hiện thành phần của sợi NFFS trước và sau khi xử lý hóa học..
- Sau quá trình xử lý hóa học, hàm lượng cellulose trong sợi NFFS được cải thiện rõ rệt.
- Hàm lượng.
- cellulose từ 33,96% ở sợi chưa xử lý, tăng đến 46,61% khi xử lý với NaOH và 45,98% khi xử lý với Na 2 S.
- Bên cạnh đó, quá trình xử lý hóa học giúp tăng tính bền nhiệt cho sợi NFFS khi hóa chất xử lý phản ứng với sợi cellulose tạo thành các hợp chất Sodium Cellulose (Ofaruk &.
- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ co ngót của vật liệu composite Ảnh hưởng của hàm lượng sợi NFFS tự nhiên (không qua xử lý) đến độ co ngót của vật liệu composite được thể hiện ở Hình 6.
- Độ co ngót của vật liệu composite với tỷ lệ thể tích sợi khác nhau 3.3.
- đến cơ tính của vật liệu composite 3.3.1.
- được cắt và thử độ bền kéo theo phương pháp ASTM D638.
- Độ bền kéo trung bình của vật liệu composite tương ứng với các hàm lượng sợi khác nhau được thể hiện trên Hình 7..
- Độ bền kéo của mẫu composite tương ứng với các tỷ lệ thể tích sợi khác nhau Độ bền kéo của mẫu thử có xu hướng tăng khi.
- Ảnh hưởng của hàm lượng sợi NFFS đến độ bền uốn trung bình của vật liệu composite được thể hiện ở Hình 8..
- Độ bền uốn của mẫu composite tương ứng với các tỷ lệ thể tích sợi khác nhau Kết quả thử nghiệm độ bền uốn của mẫu vật liệu.
- composite với các hàm lượng sợi khác nhau cho kết quả tương tự với thử nghiệm độ bền kéo, xu hướng của độ bền uốn cũng tăng theo hàm lượng thể tích của sợi, hàm lượng sợi gia cường tối ưu cũng là 60%.
- Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến độ bền va đập của vật liệu composite được biểu diễn ở Hình 9..
- Nhìn chung, độ bền va đập của mẫu thử có xu hướng tăng theo chiều tăng hàm lượng thể tích của thành phần sợi gia cường.
- Độ bền va đập của mẫu composite tương ứng với các tỷ lệ thể tích sợi khác nhau 3.4.
- Khảo sát ảnh hưởng của tác nhân xử lý.
- sợi đến cơ tính của vật liệu composite Mẫu composite có thành phần sợi NFFS chiếm 60% thể tích, các tác nhân xử lý sợi gồm dung dịch NaOH 3%, dung dịch Na 2 S 3%, dung dịch kết hợp 1% NaOH và 2% Na 2 S, thời gian xử lý sợi là 24 h..
- Kết quả đo độ bền kéo.
- Mẫu composite từ sợi NFFS được xử lý với các tác nhân khác nhau được đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638-02 và kết quả được thể hiện ở Hình 10..
- Độ bền kéo của mẫu composite từ sợi NFFS xử lý với các tác nhân khác nhau Kết quả đo độ bền kéo của mẫu composite được.
- xử lý bằng các dung dịch hóa học khác nhau cho thấy mẫu composite kết hợp với sợi NFFS được xử lý trong dung dịch Na 2 S có độ bền kéo cao nhất, mẫu composite kết hợp sợi xử lý Na 2 S + NaOH có cơ tính kéo trung bình, thấp nhất là mẫu composite từ sợi xử lý bằng NaOH.
- Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt này là do pH của môi trường xử lý sợi, với dung dịch NaOH 3% giá trị pH tương ứng ~13,9, giá trị pH ở dung dịch gồm 1% NaOH + 2% Na 2 S ~13,6, riêng dung dịch Na 2 S 3% có pH thấp nhất ~12,9.
- Trong môi trường pH cao, một phần lignin và hemicellulose bị hòa tan vào dung dịch, song song với quá trình này là sự ngắt mạch của các sợi cellulose làm cho sợi bị giảm độ bền kéo (Hồ Sĩ Tráng, 2002).
- số đo đạc trung bình giữa các mẫu nhưng nhìn chung, độ bền kéo giữa các mẫu composite từ sợi được xử lý bằng các tác nhân kiềm hóa khác nhau là không quá lớn (<.
- Trong điều kiện thực tế, cả 3 loại dung dịch xử lý có thể áp dụng để làm tăng cơ tính kéo của vật liệu composite..
- Kết quả đo độ bền uốn.
- Mẫu composite từ sợi NFFS được xử lý với các tác nhân khác nhau được cắt và đo độ bền uốn theo phương pháp ASTM D7264 và kết quả được thể hiện ở Hình 11.
- Kết quả đo độ bền uốn của mẫu composite được xử lý bằng các dung dịch hóa học khác nhau cho thấy mẫu composite kết hợp với sợi NFFS được xử lý trong dung dịch Na 2 S có độ bền uốn cao nhất, mẫu composite kết hợp sợi xử lý.
- NaOH + Na 2 S có cơ tính uốn trung bình, thấp nhất là mẫu composite có sợi xử lý với NaOH.
- Có sự chênh lệch tương đối lớn về mặt thông số cơ tính uốn trung bình giữa các mẫu, độ bền uốn uốn của mẫu composite từ sợi xử lý NaOH thấp hơn mẫu composite từ sợi xử lý Na 2 S đến 10%, độ bền uốn uốn của mẫu composite xử lý sợi bằng dung dịch kết hợp thấp hơn mẫu composite từ sợi xử lý Na 2 S đến.
- Nguyên nhân chính yếu của vấn đề này liên quan đến sự biến đổi độ giãn dài và module đàn hồi kéo của vật liệu sợi khi xử lý bằng các dung dịch hóa học khác nhau, ngoài ra còn có sự sai lệch trong quá trình tạo mẫu (hàm lượng sợi tương đối tại vị trí trích mẫu đo), độ dày mỏng thực tế của mẫu, sai sót trong lắp đặt mẫu và vận hành thiết bị….
- Độ bền uốn của mẫu composite từ sợi NFFS xử lý với các tác nhân khác nhau 3.4.3.
- Kết quả đo độ bền va đập.
- Độ bền va đập của mẫu composite từ sợi NFFS được xử lý bởi các tác nhân khác nhau được cắt và.
- Kết quả độ bền va đập của các mẫu composite từ sợi NFFS được xử lý bằng các tác nhân khác nhau được thể hiện ở Hình 12..
- Độ bền va đập của mẫu composite từ sợi NFFS xử lý với các tác nhân khác nhau Kết quả đo độ bền va đập không tương tự như.
- quá trình xác định cơ tính kéo và uốn trước đó, độ bền va đập trung bình giữa các mẫu tương đối đồng đều và sai khác rất ít giữa các giá trị độ bền va đập..
- Mẫu composite từ sợi NFFS xử lý Na 2 S có độ bền va đập trung bình cao nhất (~20 kJ.m -2.
- Như vậy, Na 2 S là tác nhân xử lý cho độ bền va đập.
- tốt nhất, hai tác nhân xử lý là NaOH và hỗn hợp Na 2 S + NaOH cho kết quả cơ tính va đập của mẫu composite tương tự nhau và không chênh lệch lớn so với mẫu có cơ tính tối đa (~5%)..
- Ảnh hưởng của quá trình tẩy trắng sợi NFFS đến cơ tính của vật liệu composite Việc xử lý sợi NFFS bằng phương pháp kiềm hóa giúp cải thiện cơ tính của sợi một cách đáng kể,.
- Thực hiện tẩy trắng sợi NFFS đã qua xử lý Na 2 S trong dung dịch H 2 O 2.
- Sợi NFFS: xử lý Na 2 S (a) và tẩy trắng bằng H 2 O 2 (b) Mẫu composite từ sợi tẩy trắng được gia công và.
- liệu composite từ sợi NFFS được xử lý Na 2 S.
- Cơ tính của mẫu composite từ sợi NFFS trước và sau tẩy trắng bằng H 2 O 2.
- Độ bền kéo (Mpa) Độ bền uốn (Mpa) Độ bền va đập (kJ.m -2 ) trước tẩy trắng sau tẩy trắng trước tẩy trắng sau tẩy trắng trước tẩy trắng sau tẩy trắng.
- như H 2 O 2 để tẩy trắng sợi, đặc biệt là ở những môi trường có pH thấp và nhiệt độ cao sẽ khiến cho cấu trúc của các vi sợi cellulose bị hư tổn, đồng thời phân tử lượng trung bình của cellulose thô cũng sẽ giảm đi, hiện tượng sụt giảm phân tử khối trung bình của cellulose là nguyên nhân trực tiếp gây giảm độ bền kéo của sợi NFFS sau khi tẩy trắng.
- Như vậy, việc tẩy trắng sợi NFFS có thể được cân nhắc nếu sản phẩm composite cần tính thẩm mĩ cao..
- Sợi từ NFFS có hàm lượng cellulose ~34%, với cấu trúc các vi sợi có đường kính nhỏ và xếp song song nhau, không có lỗ rỗng ở trung tâm sợi nên sợi NFFS có mật độ vi sợi cùng khối lượng riêng cao hơn so với sợi từ bẹ dừa nước, sợi xơ dừa và một số sợi thực vật khác.
- Việc xử lý sợi NFFS bằng các tác nhân hoá học (như NaOH, Na 2 S, và NaOH + Na 2 S) giúp tăng cường cơ tính của vật liệu composite, trong đó việc xử lý sợi bằng Na 2 S cho kết quả cơ.
- Như vậy, vật liệu composite từ sợi NFFS và nhựa r-HDPE có cơ tính tối đa ở hàm lượng sợi 60%.
- thể tích, sợi được xử lý bằng 3% Na 2 S, với độ bền kéo ~45 MPa, độ bền uốn ~46 MPa, và độ bền va đập ~19 kJ.m -2 .
- Các chỉ số cơ tính này đều cao hơn so với vật liệu composite từ sợi xơ dừa với nhựa r- HDPE ở cùng hàm lượng thể tích sợi (độ bền kéo của composite từ xơ dừa ~26 MPa, độ bền uốn ~24 MPa, độ bền va đập ~17 kJ.m -2.
- Việc ứng dụng sợi NFFS gia cường cho vật liệu composite nền nhựa r-HDPE giúp tạo ra sản phẩm có giá thành rẻ hơn, góp phần nâng cao giá trị cho cả cây dừa nước và phế phẩm từ sản phẩm nhựa đã qua sử dụng.