Phương pháp cải thiện độ bền môi trường của vật liệu composite từ nhựa polypropylene và trấu

- PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ BỀN MÔI TRƯỜNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ NHỰA POLYPROPYLENE VÀ TRẤU.
- Composite, độ bền môi trường, độ hút nước, polypropylene, vỏ trấu.
- Bài báo trình bày kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp cải thiện độ bền môi trường của vật liệu composite từ trấu nghiền và nhựa polypropylene (PP).
- Các phương pháp cải thiện độ hút nước vật liệu như xử lý nguyên liệu trấu bằng dung dịch sodium hydroxide, sử dụng potassium permanganate/acetone, bổ sung chất tương hợp MAPE và phủ lớp nhựa mỏng trên bề mặt mẫu vật liệu.
- Kết quả cho thấy việc phủ lớp mỏng nhựa PP (3%) lên bề mặt vật liệu composite là phương pháp hiệu quả để cải thiện độ hút nước cho vật liệu, cụ thể là giảm gần 70%.
- độ hút nước so với mẫu không được phủ.
- Bên cạnh đó, việc kết hợp MAPE (2%) vào vật liệu composite cũng góp phần hạn chế tính hút nước cho vật liệu, tuy nhiên chỉ cho hiệu quả đáng kể trong khoảng 7 ngày đầu (giảm độ hút nước gần 40% so với mẫu không chứa MAPE).
- Việc xử lý trấu nghiền với KMnO 4 và NaOH hầu như không hiệu quả để giảm độ hút nước cho vật liệu.
- Ngoài ra, để hạn chế tác động của tia tử ngoại đến vật liệu, các hợp chất chứa titanium dioxide như TiO 2 kích thước nano, masterbatch PP-PE-TiO 2 và TiO 2 công nghiệp được sử dụng.
- Kết quả là, mẫu composite kết hợp với 0.5% TiO 2 dạng masterbatch đạt hiệu quả cao nhất đồng thời vẫn giữ được 98.67% độ bền kéo và 99% độ bền uốn sau thời gian khảo sát..
- Phương pháp cải thiện độ bền môi trường của vật liệu composite từ nhựa polypropylene và trấu.
- Trong hai thập kỷ qua, vật liệu composite sợi tự nhiên được chú trọng nghiên cứu và phát triển do có nhiều ưu điểm như: nguồn nguyên liệu dồi dào có sẵn, tỉ trọng thấp và đặc biệt thân thiện với môi trường (có khả năng phân hủy sinh học), composite sợi tự nhiên đang từng bước thay thế composite sợi tổng hợp trong tương lai và được nhiều nước phát triển trên thế giới ưa chuộng.
- Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, vật liệu composite từ sợi tự nhiên có độ bền môi trường thấp như hút nước và lão hóa mạnh dưới tác dụng của tia tử ngoại (UV) làm giảm nhanh hoặc bị phá hủy vật liệu theo thời gian sử dụng (Phạm Thị Phương Dung, 2012)..
- Từ đó, nhiều đề tài nghiên cứu về sản xuất vật liệu composite từ trấu và nhựa được thực hiện nhưng chủ yếu tập trung vào việc nâng cao cơ tính composite.
- Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu nhằm vào mục tiêu cải thiện độ bền môi trường của vật liệu, do đó ứng dụng còn nhiều hạn chế như vật liệu không thể tiếp xúc với nước, ánh nắng mặt trời.
- Qua kết quả khảo sát ảnh hưởng của các hợp chất HALS khác nhau đến hiệu quả ổn định UV của nhựa PP, ông kết luận rằng mỗi loại chất HALS khác nhau cho hiệu quả khác nhau về khả năng ổn định UV theo thời gian.
- Hợp chất HALS có khối lượng phân tử (M w ) nhỏ có hiệu quả ổn định UV tốt hơn so với chất có M w lớn hơn.
- Hàm lượng chất ổn định HALS 0,2% cho hiệu quả tốt hơn 0,1% (Gugumus .
- đã nghiên cứu thêm bột talc vào vật liệu composite từ nhựa PP và trấu nhằm cải thiện độ bền cơ học cho vật liệu, tuy nhiên hiệu quả đạt được không cao.
- Để nâng cao độ bền liên diện cho vật liệu composite từ nhựa PP và trấu, Yang et al.
- (2004) đã sử dụng polypropylene ghép maleic anhydride (MAPP) với hàm lượng khảo sát từ 1-5%.
- Kết quả là MAPP đã làm tăng đáng kể cơ tính của vật liệu và hàm lượng MAPP tối ưu là.
- (2009) cho thấy với hàm lượng trấu càng cao thì độ hút nước của mẫu vật liệu càng lớn, độ hút nước cũng tăng theo thời gian ngâm mẫu.
- việc bổ sung thêm chất tương hợp MAPP không những góp phần làm tăng cơ tính mà còn giảm tính hút nước cho mẫu vật liệu..
- Trong bài báo này, việc cải thiện độ bền môi trường được tập trung nghiên cứu mà cụ thể là giảm thiểu tính hút nước và nâng cao khả năng chống tia tử ngoại cho vật liệu kết hợp từ nhựa polypropylene và trấu nghiền.
- Xử lý nguyên liệu trấu bằng dung dịch sodium hydroxide, sử dụng chất oxi hóa mạnh potassium permanganate/acetone, bổ sung chất tương hợp MAPE và phủ một lớp nhựa mỏng trên bề mặt mẫu vật liệu là các phương pháp được sử dụng để hạn chế tính chống hút nước cho vật liệu..
- Bên cạnh đó, để cải thiện tác động của tia tử ngoại (UV) đến vật liệu, các hợp chất titanium dioxide ở các dạng khác nhau như TiO 2 kích thước nano, masterbatch PP-PE-TiO 2 và TiO 2 công nghiệp được sử dụng.
- Thông qua sự thay đổi màu sắc, hình thái, khối lượng và cơ tính vật liệu để đánh giá hiệu quả sử dụng của các phương pháp.
- Cải thiện độ bền môi trường đã mở ra nhiều hướng ứng dụng hơn cho vật liệu composite sợi tự nhiên là mục tiêu của nghiên cứu này..
- 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu.
- Những nguyên liệu chính sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: nhựa polypropylene (PP, 0,906 g/cm 3 , Saudi Polymer, Ả Rập Saudi), vỏ trấu (Mỏ Cày, Bến Tre), sodium hydroxide rắn (NaOH, 96%, Caustic Soda Lye, Trung Quốc), potassium permanganate (KMnO 4 , 99%, Đức Giang, Việt Nam), acetone (99,5%, Xilong, Trung Quốc), maleic anhydride ghép polyethylene (MAPE, 99,5%, Jintian, Trung Quốc), masterbatch PP-PE- TiO 2 (1,496 g/cm 3 , HSD, Trung Quốc), titanium dioxide dạng bột (TiO Dupont, Trung Quốc), titanium dioxide kích thước nano (TiO 2.
- 2.2 Phương pháp thực hiện.
- Sau đó, trấu nghiền được xử lý với dung dịch NaOH hoặc KMnO 4 /acetone nhằm loại bỏ hầu hết lignin và hemicellulose để cải thiện độ bền liên diện giữa trấu nghiền và nhựa nền.
- Ngoài ra, trấu còn được xử lý với dung.
- dịch KMnO 4 (0,05%) pha trong acetone (2%) với thời gian 3 phút (Paul et al., 1997).
- Điều kiện trộn là điều kiện tối ưu từ nghiên cứu trước như nhiệt độ trộn là 170°C, thời gian trộn là 20 phút, tốc độ trộn là 65 vòng/phút (Nguyễn Văn Kha, 2015).
- Tương tự đối với điều kiện ép nóng, nhiệt độ ép là 180°C, thời gian ép là 15 phút, áp suất ép là 100 kg/cm 2 và thời gian giải nhiệt là 5 phút (Nguyễn Văn Kha, 2015)..
- Thí nghiệm khảo sát độ hút nước của vật liệu được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D570.
- Thời gian ngâm mẫu trong nước cất là 18 ngày, theo dõi độ hút nước của mẫu theo thời gian ngâm.
- So sánh độ hút nước của các mẫu theo tỉ lệ trấu nghiền và 60%) và giữa các mẫu đã xử lý với mẫu chưa xử lý..
- Thí nghiệm khảo sát độ bền của vật liệu với tia tử ngoại được thực hiện bằng cách phơi các mẫu vật liệu đã được bổ sung thêm các hợp chất chắn tia tử ngoại là TiO 2 hạt nano, masterbatch PP-PE-TiO 2 và TiO 2 công nghiệp lần lượt theo tỉ lệ 0,5.
- Đánh giá hiệu quả sử dụng thông.
- qua sự thay đổi màu sắc, cấu trúc bề mặt, khối lượng và cơ tính vật liệu trước và sau phơi..
- Sự thay đổi cấu trúc bề mặt của vật liệu trước và sau khi phơi nắng được đánh giá thông qua ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM), phòng thí nghiệm chuyên sâu, Trường Đại học Cần Thơ.
- Ngoài ra, cơ tính của vật liệu như độ bền kéo và độ bền uốn được đo bởi thiết bị Zwick/Roell BDO-FB050TN, Đức..
- Trong đó, mẫu đo độ bền kéo dựa trên tiêu chuẩn ASTM D638 với kích thước 115x15x3 (mm) và tốc độ kéo là 10 mm/phút.
- Mẫu đo độ bền uốn được chuẩn bị theo tiêu chuẩn ASTM D790 với kích thước 45x15x3 (mm)..
- 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp cải thiện độ hút nước.
- Hình 1 cho thấy độ hút nước mẫu composite tăng theo thời gian ngâm mẫu và hàm lượng trấu nghiền..
- Cụ thể, độ hút nước tăng từ 3 – 7 lần tùy hàm lượng sau 18 ngày so với ngày đầu tiên.
- Độ hút nước tăng mạnh (80%) khi hàm lượng trấu tăng từ 40% lên 50%.
- Đối với mẫu composite có hàm lượng 30% và 40%, độ hút nước tăng dần đều theo thời gian, trong khi đó, độ hút nước của mẫu vật liệu hàm lượng trấu 50% và 60% tăng đột biến trong tuần đầu tiên sau đó dần ổn định..
- Hình 1: Độ hút nước của composite theo tỉ lệ trấu nghiền.
- Do bản chất hút nước của vật liệu có nguồn gốc.
- độ hút nước của mẫu tăng theo thời gian.
- Thời gian ngâm mẫu càng lâu, nước có thời gian thẩm thấu vào mẫu vật liệu vào cấu trúc sợi và bề mặt tiếp xúc giữa.
- Khi hàm lượng trấu cao, nhựa khó thấm đều lên tất cả bề mặt hạt trấu, dễ tạo khuyết điểm giúp cho nước dễ dàng len lỏi vào cấu trúc bên trong mẫu composite dẫn đến độ hút nước lớn và nhanh hơn.
- Ngược lại, ở mẫu vật liệu hàm lượng trấu thấp, nhựa có thể thấm đều trên tất cả bề mặt sợi, ít tạo khuyết tật hơn, do đó nước khó thấm vào bên trong mẫu nên độ hút nước thấp và thời gian hút nước kéo dài hơn..
- Từ Hình 2, một số nhận xét được rút ra: các phương pháp và loại chất xử lý phần lớn đều cho.
- hiệu quả giảm độ hút nước của mẫu vật liệu trừ phương pháp xử lý bằng dung dịch NaOH (độ hút nước tăng hơn 50% so với không xử lý).
- Mẫu nhựa PP gần như không hút nước.
- Điều này dẫn đến kết quả mẫu phủ lớp mỏng nhựa PP lên bề mặt mẫu làm giảm gần 70% độ hút nước mẫu vật liệu.
- Xử lý sợi bằng chất oxy hóa mạnh KMnO 4 và thêm vào chất tương hợp MAPE cho hiệu quả tốt nhất trong 10 ngày ngâm mẫu đầu tiên: ở ngày thứ 7, độ hút nước giảm gần 23% đối với mẫu xử lý bằng KMnO 4 và gần 40% đối với mẫu thêm vào 2% chất tương hợp MAPE..
- Hình 2: Độ hút nước composite theo các phương pháp và loại chất xử lý Nhựa nền polypropylene là chất không phân cực.
- và gần như không hút nước, do vậy trong mẫu composite nhựa hút nước không đáng kể.
- Các phương pháp xử lý hóa học và sử dụng chất tương hợp dùng để bất hoạt một phần nhóm OH- phân cực và cải thiện bề mặt liên diện qua đó làm giảm độ hút nước.
- Tuy nhiên, từ kết quả thực nghiệm cho thấy các phương pháp này chưa thực sự hiệu quả mà còn tăng độ hút nước mẫu vật liệu (phương pháp xử lý bằng dung dịch NaOH).
- Phương pháp phủ lên bề mặt vật liệu bởi màng mỏng nhựa PP (chiếm khoảng 3%.
- khối lượng) cho hiệu quả tốt nhất, độ hút nước tăng đều theo thời gian ngâm do nước thẩm thấu từ từ qua thành mẫu ngâm nước, điều này cũng cho thấy bề mặt vật liệu là con đường chính nước vào bên trong composite..
- 3.2 Ảnh hưởng của môi trường và hiệu quả sử dụng của các dạng hợp chất titanium dioxide (TiO 2 ) trong việc làm giảm tác động của tia tử ngoại (UV) cho composite.
- 3.2.1 Ảnh hưởng của môi trường đến hình thái vật liệu.
- Dưới tác dụng của tia tử ngoại (UV), nhiệt độ, độ ẩm và các điều kiện khác của môi trường, vật liệu composite thay đổi màu sắc, khối lượng và kích.
- thước: vật liệu chuyển từ đậm màu sang nhạt màu hơn, khối lượng tăng do hút nước, hút ẩm theo thời gian phơi mẫu.
- Hình 3: Sự thay đổi màu sắc của các mẫu vật liệu theo loại hợp chất TiO 2 hàm lượng 1% và mẫu chuẩn không chứa TiO 2.
- Hình 4: Ảnh SEM bề mặt mẫu trước khi phơi (a) và sau khi phơi: mẫu không chứa TiO 2 (b), mẫu chứa 1% TiO 2 masterbatch (c), mẫu chứa 1% TiO 2 nano (d), mẫu chứa 1% TiO 2 công nghiệp (e).
- Bảng 1: Độ tăng khối lượng của mẫu composite (tỉ lệ trấu 50%) theo loại và hàm lượng TiO 2.
- Mẫu composite Hàm lượng.
- Ngoài ra, thông qua ảnh SEM (Hình 4), mức độ lão hóa bề mặt mẫu ở mức độ khác nhau tùy từng hàm lượng và loại hợp chất TiO 2 thêm vào.
- Điều này được giải thích là do sau khi phơi ngoài nắng, vật liệu sẽ bị hấp thu một lượng lớn tia tử ngoại (tác nhân chính gây ra hiện tượng cắt mạch polymer, bột hóa, bạc màu, làm vật liệu trở nên giòn và giảm cơ tính theo thời gian)..
- Chính vì thế, khi thêm vào mẫu vật liệu một lượng nhỏ titanium dioxide giúp phân tán tia tử ngoại một cách hiệu quả từ đó làm giảm tác hại của chúng đến vật liệu hay góp phần hạn chế sự lão hóa trên bề mặt vật liệu (Hình 4c, 4d, 4e), cụ thể là không thấy những vết nứt xuất hiện..
- 3.2.2 Ảnh hưởng của môi trường đến cơ tính vật liệu.
- Kết quả khảo sát độ bền môi trường của vật liệu theo tỉ lệ từng loại hợp chất titanium dioxide (TiO 2 ) thêm vào được thể hiện qua Hình 5.
- Kết quả thu được cho thấy cơ tính vật liệu composite hầu hết đều giảm sau thời gian phơi mẫu ngoài môi trường, mỗi loại và hàm lượng hợp chất TiO 2 thêm vào cho hiệu.
- Ở thí nghiệm với hợp chất TiO 2 dạng nano, 1% là tỉ lệ cho kết quả tốt nhất, độ bền kéo chỉ giảm 2,58% và độ bền uốn giảm 5,42% sau 20 ngày phơi mẫu.
- độ bền kéo và 99% độ bền uốn sau thời gian khảo sát.
- Sử dụng bột titanium dioxide công nghiệp cho hiệu quả không ổn định (tăng giảm không theo quy luật) trước và sau phơi nên khó đánh giá..
- Ngoài tác nhân tia tử ngoại thì sự hút nước, hút ẩm của vật liệu cũng là nguyên nhân làm giảm cơ tính của vật liệu.
- Nước làm giảm độ bền liên diện giữa nhựa nền và trấu nghiền, gây ra sự trương phồng dẫn đến phá vỡ cấu trúc vật liệu composite theo thời gian và làm giảm cơ tính vật liệu..
- Hình 5: Độ bền kéo - uốn composite theo hàm lượng TiO 2 (tỉ lệ 50% trấu) 4 KẾT LUẬN.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy việc phủ lớp mỏng nhựa PP (3%) lên bề mặt vật liệu kết hợp từ nhựa PP và trấu nghiền là phương pháp hiệu quả để cải thiện độ hút nước cho vật liệu, cụ thể là giảm gần 70% độ.
- hút nước mẫu vật liệu so với mẫu không được phủ..
- Bên cạnh đó, việc kết hợp chất tương hợp MAPE (2%) vào vật liệu composite từ nhựa PP và trấu nghiền cũng góp phần hạn chế tính hút nước cho vật liệu, tuy nhiên chỉ cho hiệu quả đáng kế trong khoảng 7 ngày đầu (giảm độ hút nước gần 40% so.
- Việc xử lý trấu nghiền với chất oxi hóa mạnh (KMnO 4 ) và dung dịch kiềm (NaOH) hầu như không hiệu quả để giảm độ hút nước cho vật liệu.
- Ngòai ra, thông qua việc đánh giá hình thái, khối lượng và cơ tính mẫu vật liệu trước và sau khi phơi nhận thấy tỉ lệ của TiO 2.
- nano, masterbatch PP-PE-TiO 2 và TiO 2 công nghiệp thêm vào vật liệu composite lần lượt là 1%, 0,5% và 1% đã hạn chế đáng kể sự lão hóa vật liệu do tia tử ngoại nhưng vẫn đảm bảo được cơ tính cho vật liệu..
- Việc kết hợp với 1% TiO 2 dạng nano cho vật liệu có độ bền kéo chỉ giảm 2.6% và độ bền uốn giảm 5,4%.
- dạng masterbatch, mẫu vẫn giữ được 98,67% độ bền kéo và 99% độ bền uốn sau thời gian khảo sát.
- Sử dụng bột titanium dioxide công nghiệp cho hiệu quả tăng giảm không theo quy luật đối với mẫu trước và sau phơi nên không thể đánh giá và đề xuất không sử dụng.
- Như vậy, các phương pháp trên đã cải thiện phần nào độ bền môi trường (độ thấm hút nước và sự lão hóa vật liệu do tia tử ngoại) của vật liệu composite từ trấu và nhựa PP và đây là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo..
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ trấu và nhựa polypropylene-Ứng.
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu composie từ trấu và nhựa polypropylene.