Chế tạo vật liệu Compozit sinh học trên nền nhựa Polyvinyl Ancol gia cường bằng nứa - Trần Vĩnh Diệu

471 T¹p chÝ Hãa häc, T. 47 (4), Tr. 471 - 476, 2009 ChÕ t¹o vËt liÖu compozit sinh häc trªn nÒn nhùa polyvinyl ancol gia c−êng b»ng sîi nøa §Õn Tßa so¹n 27-5-2009 TrÇn VÜnh DiÖu, Phan ThÞ Minh Ngäc, §oμn ThÞ YÕn Oanh, Lª cao ChiÕn, Vò minh §øc Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr−êng §HBK Hμ Néi Abstract After extracting by machine method, Neohouzeaua dulloa fiber was treated by alkali 1 N solution, within 2 hours at temperature 90oC. The testing on the interfacial shear strength showed that with treated fiber was increased 23.6% compared to untreated one. The tensile, flexural and impact strengths of polymer composites (PC) were improved 444%, 75% and 161% respectively compared to PC-untreated one. The effect of concentration of polyvinyl alcohol solution on composites was carried out. The results revealed that, at concentration of 12%, the composite was easier to manufacture and processed potential mechanical properties. The effect of pentaetythritol and polyetylenglycol contents on mechanical properties of PC was carried out. The results showed that at the content of 13% pentaerythritol and 7% polyethyleneglycol, the received materials processes potential properties and easy to manufacture. I - Më ®Çu C¸c compozit sinh häc (cßn gäi lμ compozit xanh) th−êng cÊu t¹o tõ sîi sinh häc vμ chÊt dÎo sinh häc ®i tõ c¸c nguån nguyªn liÖu t¸i t¹o. Tuy nhiªn, chÊt dÎo ®i tõ nguån nguyªn liÖu t¸i t¹o cã thÓ kh«ng ph©n huû sinh häc v× cßn phô thuéc vμo cÊu tróc vμ ph¶n øng ®ãng r¾n trong qu¸ tr×nh gia c«ng c¸c compozit sinh häc. So víi nhùa nhiÖt r¾n, nhùa nhiÖt dÎo cã kh¶ n¨ng t¸i sinh nªn Ýt t¸c ®éng xÊu h¬n ®Õn m«i tr−êng. H¬n n÷a, c¸c s¶n phÈm sinh häc nhËn ®−îc tõ nguån nguyªn liÖu t¸i t¹o cã kh¶ n¨ng c©n b»ng dioxyt cacbon. Cho ®Õn nay, hÇu hÕt c¸c polyme sinh häc ch−a thÓ c¹nh tranh vÒ gi¸ c¶ so víi c¸c polyme trªn c¬ së ho¸ dÇu ®ang chiÕm −u thÕ. MÆc dï vËy, nÕu biÕt thiÕt kÕ vμ ¸p dông kü thuËt phï hîp vÉn cã thÓ t¹o nªn compozit sinh häc cã søc hÊp dÉn ®èi víi thÞ tr−êng. ViÖc nhËn ra nh÷ng øng dông míi cña compozit sinh häc dÉn ®Õn më réng nhu cÇu ë quy m« lín vμ do ®ã ®¶m b¶o tÝnh bÒn v÷ng [1 - 4]. VËt liÖu PC trªn c¬ së polyme ph©n hñy sinh häc gia c−êng b»ng sîi thùc vËt kh«ng nh÷ng cã nh÷ng tÝnh chÊt tèt khi sö dông, mμ cßn cã kh¶ n¨ng ph©n hñy sinh häc sau sö dông [5]. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o lo¹i vËt liÖu nμy ®ang ®−îc quan t©m vμ øng dông réng r·i trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau [6, 7]. ViÖt Nam cã tr÷ l−îng c¸c lo¹i thùc vËt cã kh¶ n¨ng lÊy sîi lín, ®Æc biÖt lμ c¸c c©y hä tre nøa víi nguån nguyªn liÖu phong phó vμ cã kh¶ n¨ng t¸i sinh nhanh. ChÝnh v× vËy, ®· tiÕn hμnh nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu compozit sinh häc trªn nÒn polyvinyl ancol gia c−êng b»ng sîi nøa. II - Thùc nghiÖm 1. Nguyªn liÖu vμ hãa chÊt Nhùa PVA lo¹i 205 vμ 217, Kuraray Poval (Singapore). C©y nøa ®−îc lÊy tõ Thanh Hãa. NaOH kü thuËt 96% (Trung Quèc). 472 Glyxerol, pentaeritrit 98%, polyetylenglycol (Trung Quèc). 2. Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña sîi nøa Ph−¬ng ph¸p t¸ch vμ xö lý sîi nøa §· chÕ t¹o vμ kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña hai lo¹i sîi nøa d−íi ®©y: Lo¹i 1: Nøa ch−a xö lý ®−îc t¸ch b»ng m¸y c«ng nghiÖp. Lo¹i 2: Nøa ®−îc xö lý b»ng dung dÞch NaOH 1 N ë 90oC trong 2 giê, sau ®ã ®−îc t¸ch b»ng m¸y c«ng nghiÖp. §é bÒn kÐo cña sîi ®−îc x¸c ®Þnh trªn m¸y LLOYD 0,5 KN (Anh) víi tèc ®é kÐo 5 mm/phót. §é bÒn bÒn tr−ît gi÷a sîi vμ nhùa ®−îc x¸c ®Þnh trªn m¸y LLOYD 0,5 KN (Anh) víi tèc ®é kÐo 2 mm/phót. 3. C¸c ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC a) §é bÒn kÐo §é bÒn kÐo ®−îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn ISO 527-1993, trªn m¸y INSTRON 5582-100 KN (Mü), tèc ®é kÐo 5 mm/phót ë nhiÖt ®é 25oC, ®é Èm 75%. b) §é bÒn uèn §é bÒn uèn ®−îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn ISO178:1993, trªn m¸y INSTRON 5582 - 100KN (Mü), víi tèc ®é kÐo 5 mm/phót ë nhiÖt ®é 25oC, ®é Èm 70%. c) §é bÒn va ®Ëp §é bÒn va ®Ëp Charpy ®−îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn ISO 179-1993 (E), trªn m¸y Radmana ITR - 2000 (óc). III - KÕt qu¶ vμ th¶o luËn 1. §é bÒn tr−ît gi÷a sîi nøa vμ nhùa PVA §é bÒn tr−ît cña sîi nøa vμ nhùa PVA ®−îc thùc hiÖn víi 50 mÉu sîi ch−a xö lý vμ 50 mÉu sîi ®· xö lý b»ng dung dÞch NaOH ë nång 1 N, nhiÖt ®é 90oC vμ thêi gian 2 giê. KÕt qu¶ tr×nh bμy ë h×nh 1. §é bÒn tr−ît, MPa H×nh 1: X¸c xuÊt ph©n bè vμ ®é bÒn tr−ît cña hai lo¹i sîi nøa víi nhùa PVA H×nh 1 cho thÊy, x¸c suÊt ph©n bè ®é bÒn tr−ît gi÷a c¸c pha (IFSS) cña sîi ch−a xö lý víi nÒn PVA tËp trung trong kho¶ng tõ 1,7 MPa ®Õn 3,7 MPa vμ ®é bÒn tr−ît trung b×nh cña sîi ch−a xö lý lμ 2,58 MPa. §é bÒn tr−ît cña sîi xö lý b»ng dung dÞch NaOH 1 N, ë 90oC trong 2 giê tËp trung trong kho¶ng 2,1 MPa - 5,2 MPa vμ ®é bÒn tr−ît trung b×nh cña sîi xö lý NaOH 3,19 MPa. KÕt qu¶ cho thÊy ®é bÒn tr−ît cña sîi sau xö lý cña nhùa PVA t¨ng 23,6% so víi sîi ch−a xö lý. 2. TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu polyme compozit (PC) trªn c¬ së nhùa PVA vμ mat nøa a) Ph−¬ng ph¸p Ðp nguéi - ¶nh h−ëng cña xö lý kiÒm ®Õn tÝnh chÊt c¬ lý vËt liÖu PC X ¸c s uÊ t p h© n bè 473 9.12 20.3 8.53 49.65 35.53 22.3 0 10 20 30 40 50 60 44.84 41.7 18.54 28.47 31.23 11.52 40.9 26.38 8.9 0 10 20 30 40 50 §Ó kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña ph−¬ng ph¸p xö lý sîi nøa ®· tiÕn hμnh chÕ t¹o vËt liÖu PC víi hμm l−îng sîi lμ 65% theo khèi l−îng víi sîi nøa kh«ng xö lý kiÒm vμ sîi nøa ®−îc xö lý b»ng dung dÞch NaOH 1 N, ë nhiÖt ®é 90oC trong 2 giê. KÕt qu¶ x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu PC cña sîi nøa ch−a vμ ®· xö lý kiÒm víi nhùa PVA ®−îc tr×nh bμy trªn h×nh 2. Tõ h×nh 2 nhËn thÊy vËt liÖu PC cña sîi ®−îc xö lý kiÒm víi nhùa PVA cã tÝnh chÊt c¬ häc t¨ng ®¸ng kÓ so víi vËt liÖu ch−a xö lý kiÒm víi nhùa PVA: ®é bÒn kÐo t¨ng 444%, ®é bÒn uèn t¨ng 75% vμ ®é bÒn va ®Ëp t¨ng 161%. ¶nh h−ëng cña nång ®é dung dÞch PVA ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu PC TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC phô thuéc rÊt lín vμo kh¶ n¨ng thÊm nhùa vμo sîi gia c−êng vμ phô thuéc nång ®é dung dÞch PVA. §Ó kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña nång ®é dung dÞch ®Õn tÝnh chÊt cña vËt liÖu PC ®· tiÕn hμnh chÕ t¹o mÉu víi hμm l−îng sîi gi÷ nguyªn 65% (theo khèi l−îng), nång ®é dung dÞch PVA thay ®æi 12, 15 vμ 20% theo khèi l−îng. KÕt qu¶ nhËn ®−îc tr×nh bμy trªn h×nh 3. §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 Ch−a xö lý §· xö lý b»ng dung dÞch NaOH H×nh 2: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC gia c−êng b»ng sîi nøa ch−a xö lý vμ ®· xö lý b»ng dung dÞch NaOH §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 MÉu 1.1: Nång ®é dung dÞch PVA 12% PKL MÉu 1.2: Nång ®é dung dÞch PVA 15% PKL MÉu 1.3: Nång ®é dung dÞch PVA 20% PKL H×nh 3: §é bÒn c¬ häc cña vËt liÖu ®−îc chÕ t¹o ë c¸c nång ®é PVA kh¸c nhau C¸c sè liÖu trªn h×nh 3 cho thÊy, nång ®é dung dÞch PVA cμng cao tÝnh chÊt c¬ häc cña vËtt liÖu PC cμng gi¶m vμ tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC víi nång ®é dung dÞch PVA 12% lμ cao nhÊt. NÕu gi¶m nång ®é dung dÞch PVA thÊp h¬n 12% th× thêi gian gia c«ng l©u h¬n vμ ®é nhít thÊp lμm ¶nh h−ëng ®Õn tû lÖ nhùa-sîi cña vËt liÖu. Do ®ã, nång ®é dung dÞch PVA G i¸ tr Þ G i¸ tr Þ 474 ®−îc gi÷ ë 12% cho c¸c nghiªn cøu tiÕp theo. - ¶nh h−ëng cña tû lÖ sîi ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu Kh¶ n¨ng gia c−êng cña sîi ®¹t hiÖu qu¶ cao nhÊt khi tû lÖ gi÷a sîi vμ nhùa nÒn ®¹t gi¸ trÞ tèi −u. Do ®ã, viÖc kh¶o s¸t t×m ra hμm l−îng sîi nøa tèi −u lμ rÊt cÇn thiÕt. §Ó kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña tû lÖ sîi ®· thùc hiÖn chÕ t¹o c¸c mÉu compozit víi nång ®é dung dÞch PVA 12%, tû lÖ sîi thay ®æi 40, 65, 75% theo khèi l−îng. KÕt qu¶ nhËn ®−îc tr×nh bμy ë h×nh 4. Tõ h×nh 4 cho thÊy, vËt liÖu PC cã hμm l−îng sîi lμ 65% cho tÝnh chÊt c¬ häc tèt nhÊt. Cô thÓ, ®é bÒn kÐo ®¹t 49,6 MPa, ®é bÒn uèn 35,5 MPa, vμ ®é bÒn va ®Ëp 22,3 KJ/m2. Do ®ã, ®· lùa chän tû lÖ sîi/nhùa = 63/35 theo khèi l−îng. b) Ph−¬ng ph¸p Ðp nãng Ph−¬ng ph¸p gia c«ng còng ¶nh h−ëng rÊt lín tíi tÝnh chÊt cña s¶n phÈm. §· tiÕn hμnh kh¶o s¸t mét sè tÝnh chÊt cña vËt liÖu gia c«ng b»ng ph−¬ng ph¸p Ðp nãng trong khu«n. + ¶nh h−ëng cña chñng lo¹i nhùa ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu Trªn thÞ tr−êng ViÖt Nam hiÖn cã hai lo¹i nhùa PVA 205 (d¹ng x¬ dõa) vμ PVA 217 (d¹ng h¹t). §· thùc hiÖn chÕ t¹o 2 mÉu compozit trªn nÒn hai lo¹i nhùa nμy theo c«ng thøc tr×nh bμy ë b¶ng 1. 35.5 17.8 11.47 49.65 35.53 22.3 18.05 15.05 9.39 0 10 20 30 40 50 60 §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 MÉu 2.1: Tû lÖ sîi/nhùa: 40/60 (KL); MÉu 2.2: Tû lÖ sîi/nhùa: 65/35 (KL); MÉu 2.3: Tû lÖ sîi/nhùa: 75/25 (KL). H×nh 4: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu ë c¸c tû lÖ sîi/nhùa kh¸c nhau B¶ng 1: C«ng thøc chÕ t¹o vËt liÖu PC Tªn mÉu Lo¹i PVA Tû lÖ sîi/nhùa (KL) Nång ®é dung dÞch, % PVA/Glyxerol (KL) 4.1 PVA 205 65/35 12 73/27 4.2 PVA 217 65/35 12 73/27 §· tiÕn hμnh x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ häc cña hai lo¹i mÉu trªn, kÕt qu¶ ®−îc tr×nh bμy trªn h×nh 5. Tõ h×nh 5 nhËn thÊy, nhùa PVA 217 cho tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu tèt h¬n PVA 205. §· tiÕn hμnh kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña thμnh phÇn chÊt hãa dÎo ®Õn tÝnh chÊt vËt liÖu ë tû lÖ sîi/nhùa = 65/35, nång ®é dung dÞch PVA 12%, theo c«ng thøc tr×nh bμy ë b¶ng 2. KÕt qu¶ kh¶o s¸t tÝnh chÊt c¬ häc cña c¸c mÉn trªn ®−îc tr×nh bμy trªn h×nh 6. G i¸ tr Þ 475 20.93 10.3 9.95 30.07 22.1 12.3 0 5 10 15 20 25 30 35 §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 MÉu 4.1 (nhùa PVA 205) MÉu 4.2 (nhùa PVA 217) H×nh 5: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC tõ hai lo¹i nhùa PVA 205 vμ PVA 217 B¶ng 2: C«ng thøc chÕ t¹o vËt liÖu theo tû lÖ sîi/nhùa = 65/35, nång ®é dung dÞch PVA 12% Tªn mÉu Lo¹i PVA Tû lÖ sîi/nhùa (KL) Nång ®é dung dÞch, % PVA/glyxerol/ pentaeritrit/PEG (KL) 5.1 PVA 217 65/35 12 73/27/0/0 5.2 PVA 217 65/35 12 53/27/13/7 30.07 22.1 12.3 35.7 15.9 12.2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 MÉu 5.1 MÉu 5.2 H×nh 6: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC víi c¸c chÊt hãa dÎo kh¸c nhau Tõ h×nh 6 nhËn thÊy, khi thªm pentaeritrit vμ PEG ®ãng vai trß chÊt hãa dÎo, tÝnh chÊt c¬ häc cña s¶n phÈm t¨ng, dÔ Ðp nãng, s¶n phÈm kh«ng bÞ biÕn mμu nhiÒu. + ¶nh h−ëng cña hμm l−îng sîi ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc s¶n phÈm §Ó kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña hμm l−îng sîi ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña s¶n phÈm chÕ t¹o ®−îc, ®· tiÕn hμnh chuÈn bÞ c¸c mÉu cã thμnh phÇn tr×nh bμy ë b¶ng 3. B¶ng 3: Thμnh phÇn cña c¸c mÉu vËt liÖu Tªn mÉu Lo¹i PVA Tû lÖ sîi/nhùa (KL) Nång ®é dung dÞch, % PVA/glyxerol/pentaeritrit/PEG (KL) 6.1 PVA 217 40/60 12% 53/27/13/7 6.2 PVA 217 50/50 12% 53/27/13/7 6.3 PVA 217 60/40 12% 53/27/13/7 6.4 PVA 217 65/35 12% 53/27/13/7 G i¸ tr Þ G i¸ tr Þ 476 KÕt qu¶ x¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬ häc tr×nh bμy trªn h×nh 7. §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 MÉu 6.1 MÉu 6.2 MÉu 6.3 MÉu 6.4 H×nh 7: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC chÕ t¹o ®−îc ë c¸c hμm l−îng tû lÖ sîi/nhùa kh¸c nhau Tõ h×nh 7 nhËn thÊy ë hμm l−îng sîi 60%, tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu lμ tèt nhÊt, cô thÓ ®é bÒn kÐo ®¹t 47 MPa, ®é bÒn uèn 32,2 MPa vμ ®é bÒn va ®Ëp 20,2 KJ/m2. IV - KÕt luËn 1. §· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña xö lý kiÒm ®èi víi sîi nøa ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC. Sau khi xö lý ®é bÒn kÐo t¨ng 444%, ®é bÒn uèn t¨ng 75% vμ ®é bÒn va ®Ëp t¨ng 161% so víi vËt liÖu víi sîi ch−a xö lý kiÒm. 2. §· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña nång ®é dung dÞch PVA ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC vμ nhËn thÊy, dung dÞch PVA cã nång ®é 12% cho tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu cao vμ dÔ gia c«ng h¬n. 3. §· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña hμm l−îng sîi ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu PC vμ nhËn thÊy, víi ph−¬ng ph¸p Ðp nguéi trong khu«n th× hμm l−îng sîi tèi −u lμ 65%, cßn ph−¬ng ph¸p Ðp nãng hμm l−îng sîi tèi −u lμ 60% theo khèi l−îng. §· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña chñng lo¹i nhùa PVA cã trªn thÞ tr−êng ViÖt Nam ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu, kÕt qu¶ cho thÊy PVA 217 cho tÝnh chÊt c¬ häc vËt liÖu PC tèt h¬n PVA 205. 4. §· tiÕn hμnh kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña chÊt hãa dÎo cho vμo PVA ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu Ðp nãng. Khi cho thªm 13% (KL) pentaeritrit vμ 7% (KL) PEG vμo thμnh phÇn nhùa nÒn th× s¶n phÈm cho tÝnh chÊt c¬ häc tèt h¬n vμ dÔ gia c«ng h¬n. Tμi liÖu tham kh¶o 1. A. K. Mohanty, M. Misra, G. Hinrichsen. Macromol. Mater. Eng., 276/277, 1 - 24 (2000). 2. F. S. Denes, S. Manolache. Prog. Polym. Sci., 29, 815 - 885 (2004). 3. P. Kandachar, R. Brouwer. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., V 702 (2002). 4. Patrizia Cinelii, John W. Lawton, Sherald H. Gordon, Syed H. Imam, Emo Chiellini. Marcomol. Symp., 197, 115-124 (2003). 5. S. K. Ozaki, M. B. B. Monteiro, H. Yano, Y. Imamura, M. F. Souza. Polymer Degradation and Stability, Vol. 87, 293 - 299 (2005). 6. Tran Vinh Dieu, Bui Chuong, Nguyen Huy Tung, Phan Thi Minh Ngoc, Nguyen Pham Duy Linh, Pham Gia Huan, Nguyen Thi Thuy, Tran Kim Dung, Nguyen Hai Ninh. Vietnam Journal of Chemistry, Vol. 47 (2), 236 - 246 (2009). 7. Wen-Long Dai. Materials Letters, 57, 3128- 3136. DOI: 10.1016/S0167- 577X(03)00009-0 (2003). T¸c gi¶ liªn hÖ: TrÇn VÜnh DiÖu Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hμ Néi. G i¸ tr Þ 477 Preparation of biodegradable composites based on polyvinyl alcohol reinforced by Neuhouzeaua dulloa fiber