PREVIEW KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

Họ và tên sinh viên: PHẠM THỊ QUỲNH ANH Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Niên khóa: 2006-2010

Tháng 09/2010

KHẢO SÁT QUY TRÌNH TÁCH SỢI TỪ CÂY DỨA DẠI ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CÁC SẢN PHẨM COMPOSITE

Tác giả

PHẠM THỊ QUỲNH ANH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Vĩnh Minh

Tháng 09 năm 2010

i

LỜI CẢM ƠN Qua bốn tháng học tập, làm việc và nghiên cứu tôi đã nỗ lực học tập và làm việc nghiêm túc để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp một cách thành công. Bên cạnh những thuận lợi, tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy vậy với sự giúp đỡ của thầy cô hướng dẫn và các bạn cùng lớp tôi đã vượt qua các khó khăn ấy và hoàn thành khóa luận. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: -

Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm TP.HCM.

-

Bộ môn Công nghệ hóa học.

Đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt khóa luận này.

-

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến các quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ hóa học đã tận tình chỉ bảo cho tôi những kiến thức trong suốt bốn năm theo học.

-

Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Th.S Trần Vĩnh Minh đã tận tình chỉ bảo tôi về kiến thức cũng như các thao tác kỹ thuật thử nghiệm trong thời thời gian tôi thực hiện khóa luận.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010 Sinh viên

Phạm Thị Quỳnh Anh

ii

ABSTRACT The topic of this thesis “Studying the process of extracting the sisal fibers from sisal plants and applying it to the composite product” was carried on at Plastics and Rubber Technology Center from 2010/04/01 to 2010/08/15.

The results is the final product achieved highly mechanical property. The test process included two stages: ¾ The first stage (Retting) : eight fiber samples (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A and 4B) was retted in turn in NaCl (7% and 10,5% solution), Na2SO4 (7% and 10,5% solution), HCl (5% and 10%) and H2SO4 (5% and 10% solution); ¾ The second stage (NaOH treatment) : five fiber samples (1B1, 1B2, 1B3, 1B4 and 1B5) treated in turn in NaOH (5%, 10%, 15%, 18% and 20% solution).

All mechanical properties of the fibers which consist of tensile strength and elongation were taken. We selected some samples such as 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 and 1B5 to carry out making the treated sisal fiber reinforced composite and take the work of fracture, and then checked the integrating ability of the fiber in the matrix composite.

The fibers retted with 10,5% solution of NaCl and then the NaOH treatment with 15% solution have the most mechanical properties, the whole process takes approximately 3 – 4 days without the effect of weather conditions.

iii

TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Khảo sát quy trình tách sợi từ cây dứa dại để ứng dụng vào các sản phẩm composite” được tiến hành tại Trung tâm Kĩ Thuật chất dẻo và cao su, thời gian từ 01/04/2010 đến 15/08/2010.

Kết quả thu được là đã tách được sợi thành phẩm từ cây Agave sisalana có cơ tính cao. Sau khi trải qua quá trình thí nghiệm với tổng cộng là 13 mẫu sợi, gồm: 8 mẫu (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A và 4B) là thử nghiệm giai đoạn 1 ngâm sơ bộ thực hiện tương ứng với 2 dung dịch muối NaCl và Na2SO4 (nồng độ 7% và 10,5%), 2 dung dịch acid HCl và H2SO4 (nồng độ 5% và 10%); 5 mẫu (1B1, 1B2, 1B3, 1B4 và 1B5) khảo sát giai đoạn 2 ngâm dung dịch NaOH với các nồng độ lần lượt là 5, 10, 15, 18 và 20%.

Các mẫu đều đo cơ tính gồm độ bền kéo đứt sợi đơn và độ dãn dài. Chọn một số mẫu sợi (như mẫu 1A, 1B, 2A, 1B3, 1B4 và 1B5) để tiến hành làm composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý được để đo độ bền va đập vật liệu composite, từ đó xem khả năng kết hợp của sợi trong chất nền nhựa.

Khi sợi được xử lý giai đoạn ngâm sơ bộ với dung dịch NaCl 10,5%, rồi tiếp tục quá trình ngâm dung dịch NaOH 15% thì sẽ cho ra mẫu sợi tốt nhất ,chỉ trong thời gian ngắn trong khoảng 3 – 4 ngày mà không bị tác động của điều kiện ngoại cảnh đến quy trình thực hiện.

iv

MỤC LỤC Trang Trang tựa .......................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii ABSTRACT ................................................................................................................... iii TÓM TẮT ...................................................................................................................... iv MỤC LỤC....................................................................................................................... v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................... vii DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................... viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................ x DANH SÁCH ĐỒ THỊ .................................................................................................. xi Chương 1 MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1 1.2 Mục đích đề tài ...................................................................................................... 2 1.3 Nội dung đề tài ...................................................................................................... 2 1.4 Yêu cầu .................................................................................................................. 2 Chương 2 TỔNG QUAN ................................................................................................ 3 2.1 Tổng quan về composite ....................................................................................... 3 2.1.1 Khái niệm composite ...................................................................................... 3 2.1.2 Phân loại composite ........................................................................................ 3 2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite ....................................................................... 4 2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên ..................................................................................... 6 2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên..................................................................................... 6 2.2.2 Cơ tính của sợi ................................................................................................ 9 2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi ........................................................ 10 2.2.4 Biến tính của sợi tự nhiên ............................................................................. 16 2.3 Tổng quan về sợi sisal ......................................................................................... 20 2.3.1 Khát quát sợi sisal ......................................................................................... 20 2.3.2 Đặc điểm hình thái ........................................................................................ 21 2.3.3 Cấu trúc và cơ tính của sợi sisal ................................................................... 22 2.3.4 Composite gia cường bằng sợi sisal ............................................................. 27 2.4 Quy trình công nghệ sản xuất sợi tự nhiên .......................................................... 32 2.4.1 Thu hoạch ..................................................................................................... 32 2.4.2 Quy trình của sợi tự nhiên ............................................................................ 33 2.4.3 Các phương pháp retting .............................................................................. 36 2.5 Kiểm tra sợi ......................................................................................................... 47 2.5.1 Các yêu cầu về cơ tính sợi ............................................................................ 47 2.5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................. 48 Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 51 3.1 Tổng quát quy trình ............................................................................................. 51 3.1.1 Giai đoạn xử lý sơ bộ sau khi thu hoạch ...................................................... 52 v

3.1.2 Giai đoạn xử lý NaOH .................................................................................. 53 3.1.3 Giai đoạn làm composite .............................................................................. 55 3.2 Phương pháp thí nghiệm ..................................................................................... 57 3.2.1 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi hóa chất sử dụng trong giai đoạn ngâm sơ bộ ........................................................................................................................... 57 3.2.2 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi nồng độ khi ngâm NaOH ......................... 58 3.3 Các phương pháp kiểm tra ................................................................................. 59 3.3.1 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm ....................................................... 59 3.3.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn................................................................................. 59 3.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 59 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 60 4.1 Hình thái học của sợi sisal sau xử lý ................................................................... 60 4.2 Thí nghiệm 1 ....................................................................................................... 61 4.2.1 Độ hút ẩm sợi................................................................................................ 61 4.2.2 Độ bền kéo đứt sợi đơn................................................................................. 62 4.2.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 64 4.2.4 Ảnh SEM ...................................................................................................... 64 4.2.5 Kết luận thí nghiệm 1 ................................................................................... 67 4.3 Thí nghiệm 2 ....................................................................................................... 68 4.3.1 Độ hút ẩm sợi................................................................................................ 68 4.3.2 Độ bền đứt sợi đơn ....................................................................................... 69 4.3.3 Độ bền va đập (đo composite gia cường bằng sợi sisal đã xử lý) ................ 70 4.3.4 Ảnh SEM ...................................................................................................... 72 4.3.5 Kết luận thí nghiệm 2 ................................................................................... 73 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.......................................................................... 75 5.1 Kết luận ............................................................................................................... 75 5.2 Đề nghị ................................................................................................................ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 77 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 78

vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS

Acrylonitrile butadiene styrene

CTDIC

Dẫn xuất cardanol của toluene diisocyanate

DP

Degree of polymerization – độ trùng hợp

IFSS

Độ bền phân cách

LDPE

Polyethylen tỷ trọng thấp

MEKP

Methyl ethyl keton peroxide

MMA

Methyl methacrylate

PC

Polymer composite

PDPE

Polyethylene tỷ trọng thấp

PE

Polyethylene hay Polyethene

PP

Polypropylen

PS

Polystyrene

PU

Polyurethane Foam

PVC

Polyvinyl chloride

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UF

Ureformaldehyd

UHDPE Polyethylene tỷ trọng siêu cao UPE

Polyester không no

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên. ............................. 8 Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên. .................................................................... 9 Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên ................................................................................. 11 Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào) sợi sơ cấp............................................................................ 12 Hình 2.5 Cấu trúc cellulose ........................................................................................... 13 Hình 2.6 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose. ................ 14 Hình 2.7 Cấu trúc lignin................................................................................................ 15 Hình 2.8 Công thức hemicellulose................................................................................ 16 Hình 2.9 Kiềm hóa và acetylate hóa bề mặt sợi cellulose. ........................................... 18 Hình 2.10 Xử lý sợi bằng hợp chất silane. .................................................................... 19 Hình 2.11 Cây sisal ....................................................................................................... 21 Hình 2.12 Các chồi rễ trên mặt đất xung quanh cây sisal trưởng thành ....................... 22 Hình 2.13 Hình mặt cắt ngang sợi sisal trong nền kết dính .......................................... 23 Hình 2.14 Hình hiển vi điện tử (SEM) của sợi sisal ..................................................... 24 Hình 2.15 Phác họa tế bào sợi sisal với kích thước xấp xỉ. .......................................... 25 Hình 2.16 Mặt cắt ngang của lá sisal ............................................................................ 25 Hình 2.17 Độ bền va đập của composite gia cường bằng sợi tự nhiên với góc microfibrillar của sợi ..................................................................................................... 29 Hình 2.18 Hình hiển vi điện tử quét của composite LDPE – sợi sisal xử lý peroxide . 31 Hình 2.19 Quy trình sản xuất sợi tự nhiên. ................................................................... 34 Hình 2.20 Các phương pháp retting. ............................................................................. 37 Hình 2.21 Giản đồ cấu trúc của sợi và thân cây lanh ................................................... 40 Hình 2.22 Những mối nối trên bề mặt sợi sau quá trình cơ học quá mức .................... 42 Hình 2.23 Ảnh qua kính hiển vi điện tử của các sợi lanh khác nhau............................ 43 Hình 2.24 Sợi sisal xử lý bằng cơ học. ......................................................................... 49 Hình 2.25 Sợi sisal xử lý hóa học. ................................................................................ 50 viii

Hình 3.1 Sơ đồ giai đoạn xử lý sơ bộ lá sisal sau khi thu hoạch. ................................. 52 Hình 3.2 Sơ đồ giai đoạn xử lý NaOH. ......................................................................... 54 Hình 3.5 Sơ đồ quy trình làm composite. ..................................................................... 56 Hình 3.6 Tấm mat. ........................................................................................................ 57 Hình 4.1 Sợi sisal sau khi xử lý xong NaOH, có màu vàng óng. ................................. 61 Hình 4.2 Sợi sau khi đã qua giai đoạn trung hòa và phơi khô. ..................................... 61 Hình 4.3 Hình sợi sisal thô............................................................................................ 65 Hình 4.4 Hình sợi sisal xử lý NaCl 7% (mẫu 1A). ....................................................... 65 Hình 4.5 Sợi sisal xử lý NaCl 10,5% (mẫu 1B). ........................................................... 66 Hình 4.6 Hình sợi sisal xử lý Na2SO4 10,5% (mẫu 2B). .............................................. 66 Hình 4.7 Sợi sisal xử lý NaOH 10% (mẫu 1B1). .......................................................... 72 Hình 4.8 Sợi sisal xử lý NaOH 15% (mẫu 1B3). .......................................................... 73

ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Số liệu tổng hợp tính chất cơ lý của sợi sisal. .............................................. 26 Bảng 2.2 Sự biến thiên độ bền sợi sisal với độ dài thử nghiệm .................................... 27 Bảng 2.3 Cơ tính của sợi tự nhiên cà công trình nghiên cứu độ bền va đập của composite tương ứng..................................................................................................... 29 Bảng 2.4: So sánh các quá trình retting ........................................................................ 45 Bảng 3.1 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1. ................. 53 Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH. ..................................................... 55 Bảng 3.3 Nồng độ và hóa chất sử dụng cho từng mẫu trong thí nghiệm 1. ................. 58 Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm giai đoạn ngâm NaOH ...................................................... 59 Bảng 4.1 Khối lượng m (g) thí nghiệm 1 sau khi để trong không khí khoảng 48h. ..... 62 Bảng 4.2 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 1. .................................................... 62 Bảng 4.3 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 1. ............. 63 Bảng 4.4 Độ bền va đập của composite gia cường sợi sisal xử lý theo thí nghiệm 1. . 64 Bảng 4.5 Các giá trị thí nghiệm 1 ................................................................................. 67 Bảng 4.6 Khối lượng m(g) thí nghiệm 2 sau khi để trong không khí khoảng 48h ....... 68 Bảng 4.7 Độ hút ẩm (%) của các mẫu thí nghiệm 2. .................................................... 68 Bảng 4.8 Các giá trị đo độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu thí nghiệm 2. ............. 69 Bảng 4.9 Độ bền va đập của các mẫu thí nghiệm 2. ..................................................... 70 Bảng 4.10 Các giá trị thí nghiệm 2 ............................................................................... 73

x

DANH SÁCH ĐỒ THỊ Trang Đồ thị 4.1 Độ bền kéo sợi đơn của mẫu xử lý NaOH. .................................................. 69 Đồ thị 4.2 Độ dãn dài sợi đơn của mẫu xử lý NaOH. ................................................... 70 Đồ thị 4.3 Độ bền va đập của composite sợi xử lý NaOH ............................................ 71

xi

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, vật liệu gia cường cho vật liệu composite phổ biến là sợi thủy tinh được tạo ra từ các loại oxide vô cơ. Tuy nhiên gần đây sợi thiên nhiên lại đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vì các sợi thiên nhiên gốc cellulose có thể đem lại cho vật liệu composite tính bền dai cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng như ý và khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa sợi cellulose dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ. Các nước phát triển đều đã và đang thực hiện các cuộc nghiên cứu về sợi thiên nhiên để ứng dụng làm sản phẩm composite.

Thế nhưng chúng ta có một khó khăn trong việc triển khai sử dụng rộng rãi nguồn tài nguyên có thể tái sinh này. Đó là sự kém bám dính của sợi thiên nhiên trong hầu hết các nền polymer. Bản chất ưa nước của sợi thiên nhiên gây tác động ngược đến sự bám dính của sợi trong nền polymer kỵ nước dẫn đến độ bền vật liệu composite kém.

Vì vậy mà nghiên cứu quy trình xử lý sợi thiên nhiên để cải thiện các tính chất trên là vấn đề quan trọng khi muốn sử dụng sợi thiên nhiên vào các sản phẩm composite. Ở Việt Nam, việc sử dụng sợi dứa dại trong chế tạo vật liệu PC (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. Do 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 carbon…), điều này sẽ rất phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội ở nước ta hiện nay. Bên cạnh đó, nó còn có ý nghĩa về mặt xã hội đó là cung cấp nguồn nguyên liệu cho sản xuất đỏi hỏi phải có chiến lược canh tác cây dứa dại, góp

1

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. Được sự phân công của Bộ môn Công nghệ hóa học, dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Vĩnh Minh tôi thực hiện đề tài “Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa dại để ứng dụng làm các sản phẩm composite”.

1.2 Mục đích đề tài • Khảo sát quy trình tách sợi dứa từ cây dứa dại.

• Xử lý hóa chất với nồng độ phù hợp làm thay đổi tăng các tính chất sợi dứa thô.

• Cách xử lý sợi dứa thô bằng NaOH để phù hợp với các loại sản phẩm composite.

1.3 Nội dung đề tài • Đặc tính, tính chất của sợi tự nhiên.

• Đặc tính, tính chất của sợi dứa.

• Khảo sát điều kiện xử lý trong quá trình retting và xử lý NaOH, có thể thay thế các hóa chất khác được hay không?

1.4 Yêu cầu • Tạo được sợi dứa dại có thể ứng dụng vào sản phẩm composite.

• Xác định được điều kiện xử lý hóa chất phù hợp.

2

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về composite 2.1.1 Khái niệm composite Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau. Ưu điểm: Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là PC, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khả được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.

2.1.2 Phân loại composite Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần.

2.1.2.1 Phân loại theo hình dạng

3

• Vật liệu composite độn dạng sợi • Vật liệu composite độn dạng hạt 2.1.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần • Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ, sợi khoáng, sợi kim loại…

• Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim Al, …) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…

• Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (carbon, nitrogen)…

2.1.3 Cấu tạo của vật liệu composite 2.1.3.1 Polymer nền Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu.

Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn đồng nhất liên tục.

Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền: • Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.

• Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, epoxy, UPE, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.

2.1.3.2 Chất độn (cốt) Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau: • Tính gia cường cơ học; • Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ; 4

• Phân tán vào nhựa tốt; • Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt; • Thuận lợi cho quá trình gia công; • Giá thành hạ, nhẹ.

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn: • Chất độn dạng sợi: sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi carbua silic, sợi amide…

• Chất độn dạng hạt: thường được sử dụng là: silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon…

Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải,…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sợi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi….

2.1.2.3 Chất pha loãng Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm lượng nối đôi và nhóm ether, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất của tác nhân nối ngang – monomer.

Các monomer khâu mạch ngang được dùng để đồng trùng hợp với các nối đôi trong nhựa UPE, tạo kết ngang, thường là chất có độ nhớt thấp (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làm giảm độ nhớt của hỗn hợp, do vậy chúng còn được gọi là chất pha loãng.

Monomer pha loãng phải thỏa mãn các điều kiện sau: • Đồng trùng hợp tốt với polyester, không trùng hợp riêng rẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền; • Monomer phải tạo hỗn hợp đồng nhất với polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc đó nó hòa tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợi cho phản ứng đóng rắn và tạo độ nhớt thuận lợi cho quá trình gia công; • Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi trong quá trình gia công và bảo quản; • Nhiệt phản ứng đồng trùng hợp thấp, sản phẩm đồng trùng hợp ít co rút; 5

• Ít độc.

2.1.3.4 Các chất phụ gia khác • Chất róc khuôn • Chất làm kín • Chất tẩy bọt khí • Chất thấm ướt sợi • Chất tăng độ phân tán • Chất ngăn thoát hơi styrene 2.1.3.5 Xúc tác – Xúc tiến • Chất xúc tác Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợp.

Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.

• Chất xúc tiến: là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do của chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội.

2.2 Tổng quan về sợi tự nhiên 2.2.1 Khái quát sợi tự nhiên 2.2.1.1 Lịch sử Từ thời xa xưa, con người đã biết lấy các nguyên liệu sợi thô trong tự nhiên sử dụng để tạo thành các sản phẩm thông qua ngành dệt. Ví dụ như, người Ai Cập cổ bao bọc xác chết của họ trong vải lanh trong hàng ngàn năm. Khi nhận thức được có thể tách sợi từ cây thì con người đã bắt đầu lựa chọn giống, rồi hợp thủy hóa giống cây đó trên đất của mình. Cây đó sẽ được duy trì giống và ứng dụng sợi của nó vào sản xuất sản phẩm qua nhiều thiên niên kỉ.

Sợi được ứng dụng sản xuất trong ngành dệt cho đến cuối thế kỷ XIX. Do cơ giới hóa trong thu hoạch và sản xuất sợi tự nhiên, thêm vào đó nhu cầu và sản xuất 6

ngày càng tăng các loại sợi tổng hợp rẻ hơn đã phá hủy nền sản xuất sợi truyền thống, gần như biến mất ở Tây Âu và Bắc Mỹ. Nhưng hiện nay, ứng dụng các loại sợi tự nhiên vào các sản phẩm ngày càng được quan tâm, đặc biệt là trong ngành vật liệu, ứng dụng như chất gia cường cho PC để tạo thành vật liệu xây dựng chi phí thấp.

2.2.1.2 Đặc trưng của sợi tự nhiên • Ưu điểm của sợi tự nhiên Nhựa còn có ứng dụng rộng rãi, vì chúng có khả năng chịu mài mòn, có tính dẫn nhiệt thấp và khả năng hấp thu nước thấp, có độ cứng, độ bền tốt và không nở khi bị ẩm. Các loại sợi tổng hợp như nylon, rayon, aramid, thuỷ tinh, polyester và carbon đang được sử dụng rộng rãi như chất gia cường của nhựa nhưng lại là nguyên liệu không tái tạo được và mắc. Sợi tự nhiên là nguyên liệu tái tạo đang được ứng dụng ở nhiều quốc gia đang phát triển trên thế giới, do chúng rẻ, không gây nguy hiểm cho sức khỏe và cuối cùng, là giải pháp giúp tránh ô nhiễm môi trường. Hơn vật liệu PC gia cường bằng sợi tự nhiên đã tạo ra một loại vật liệu mới có tiềm năng trong tương lai do có cơ tính cao, tỷ trọng thấp, dễ gia công và chi phí sản xuất thấp; trở thành vật liệu thay thế cho nguyên liệu gỗ đang khan hiếm và các nguyên liệu có cấu trúc làm từ gỗ.

Cơ tính của sợi tự nhiên thấp hơn nhiều so với cơ tính của sợi thuỷ tinh được dùng phổ biến để làm chất gia cường (Phụ lục 1). Tuy nhiên, do tỷ trọng thấp, độ bền, và độ cứng của sợi tự nhiên có thể so sánh với các giá trị tương ứng của sợi thủy tinh.

Sợi tự nhiên không bị mài mòn khi ở trong thiết bị trộn và đúc, có thể giúp giảm sự hao hụt nguyên liệu một cách đáng kể.

Các đặc tính về sinh thái, khả năng tự phân hủy sinh học, và giá cả của các loại sợi tự nhiên là điều kiện thiết yếu đẩy mạnh khả năng chọn lựa sử dụng chúng trên các thị trường kỹ thuật lớn như ngành công nghiệp ôtô và xây dựng. Và cũng là những lợi thế chủ yếu khi sử dụng sợi tự nhiên như chất gia cường cho vật liệu.

7

Hình 2.1: Vòng đời của vật liệu composite sinh học trong tự nhiên.1 • Nhược điểm của sợi tự nhiên Sợi tự nhiên khi dùng làm chất gia cường cho chất nền composit polymer có một số nhược điểm cần quan tâm.

Nhược điểm đầu tiên, khi kết hợp các loại sợi tự nhiên với các composite yêu cầu có độ bền, thì sợi lại khả năng hấp thu độ ẩm cao, tính kháng vi khuẩn thấp và dễ mục. Do tính ưa nước của sợi tự nhiên dẫn đến sự hấp thu độ ẩm cao, điều này không chỉ làm ảnh hưởng đến tính chất trên bề mặt sợi mà còn ảnh hưởng tính chất của composite. Hấp thụ độ ẩm cao tạo ra trương nở sợi, làm thay đổi tính chất cơ lý và làm giảm sự ổn định của composite.

Nhược điểm chủ yếu thứ hai của sợi tự nhiên là tính không đồng nhất và tính biến thiên về kích thước sợi và cơ tính (kể cả giữa những cây riêng lẻ trong cùng một đợt canh tác), chúng không có sự đồng nhất như các sợi gia cường nhân tạo.

1

Dựa theo Fakten & Trends 2002 Zur Situation der Landwitschaft, Eggenfelden, 2002, p. 193.

8

Nhiệm vụ chính hiện nay là phải đẩy mạnh nghiên cứu các phương thức sản xuất đảm bảo chất lượng sợi tốt hơn để vừa có thể giải quyết các nhược điểm trên vừa mở rộng sử dụng các loại sợi tự nhiên như nguyên liệu chất lượng cao thay thế cho các loại sợi gia cường thông thường khác.

2.2.1.3 Phân loại Sợi tự nhiên được phân nhóm dựa theo nguồn gốc, dù là bắt nguồn từ thực vật, động vật, hay khoáng sản (Hình 2.2). Sợi thu được từ các bộ phần khác nhau của cây được gọi là sợi tự nhiên có nguồn gốc thực vật. Những sợi này được phân loại thành ba loại chính dựa vào bộ phận được tách chiết của cây.

Hình 2.2 Phân nhóm các loại sợi tự nhiên.

2.2.2 Cơ tính của sợi Sợi tự nhiên có thể được coi là vật liệu composite tự nhiên chứa chủ yếu các sợi cellulose được gắn vào nền lignin. Các sợi cellulose này thẳng hàng dọc theo chiều dài của sợi, và có cấu trúc giống nhau dù tách chiết từ bộ phận nào (thân cây, lá hoặc trái).

Chúng được xem là mối liên kết làm cho độ bền kéo đứt và độ bền uốn lớn nhất, thêm vào đó tạo độ cứng cho sợi tương tự như cây tre.

9

Độ bền kéo đứt cũng như module đàn hồi của các sợi thiên nhiên thấp hơn so với sợi thủy tinh thường được sử dụng trong vật liệu composite. Tuy nhiên, tỷ trọng của sợi thủy tinh thì cao (~ 2,5 gcm-3) trong khi đó các sợi tự nhiên thì thấp hơn nhiều (Phụ lục 1). Độ bền và module riêng của một số của sợi tự nhiên có thể so sánh được với sợi thủy tinh. Điều này rất quan trọng đối với những ứng dụng cần vật liệu có trọng lượng cấu trúc giảm xuống tối thiểu.

Hơn nữa, những sợi này có điện trở cao, ngoài ra còn có khả năng cách âm và cách điện. Vì vậy, khi các sợi này được kết hợp trong các nền polymer có module thấp, chúng sẽ tạo ra vật liệu với đặc tính tốt hơn phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Vì sợi tự nhiên rất bền, khối lượng nhẹ, nhiều, không gây bào mòn, không độc hại và không đắt, chúng có thể dùng làm vật liệu gia cường nhựa tốt. Một số sản phẩm cellulosic và phế liệu như vỏ bột, bột gỗ và bột giấy đã được sử dụng làm chất độn trong polymer, chủ yếu là có thể tiết kiệm chi phí và cũng có thể truyền những tính chất mong muốn như: làm giảm mức độ ép sau khi đúc, làm tăng module đàn hồi và độ bền rão.

Tính chất cơ học của sợi tự nhiên phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như: • Tính chất cây trồng; độ tuổi khai thác của cây…; trên hết là tính di truyền; • Địa phương canh tác, điều kiện khí hậu…; • Phương pháp tách chiết, sản xuất và sử dụng.

2.2.3 Cấu tạo và thành phần hóa học của sợi Sợi tự nhiên là một vật liệu composite thiên nhiên. Hầu hết các sợi tự nhiên, trừ bông, được cấu tạo từ cellulose, hemicellulose, lignin, wax (sáp ong, prafin), và một số hợp chất hoà tan trong nước… Nhưng thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose và lignin.

2.2.3.1 Cấu tạo của sợi

10

Hình 2.3 Cấu trúc tế bào tự nhiên.(A) Giản đồ và (B) mặt cắt kính hiển vi.

(Theo Bismarck, A. và các đồng nghiệp, Polym. composites, 23, 872, 2002, từ the Society of Plastics Engineers).

Sợi tự nhiên sơ cấp là một tế bào đơn có chiều dài từ 1 đến 50 mm và đường kính khoảng 1 – 50 μm. Sợi tự nhiên có thành tế bào bao xung quanh lumen ở trung tâm. Lumen góp phần giúp hấp thu nước cho sợi tự nhiên. Sợi có những cấu trúc vi mô phân cấp khác nhau (Hình 2.3). Thành tế bào của sợi là một màng không đồng nhất, được tạo từ nhiều lớp: thành tế bào sơ cấp là lớp đầu tiên hình thành trong quá trình tăng trưởng tế bào, và thành tế bào thứ cấp (S), lại gồm ba lớp (S1, S2, và S3). Các thành tế bào được cấu tạo từ các tế vi cellulose bán kết tinh có cấu trúc định hướng được gắn vào khối nền hemicellulose/lignin của hợp chất không ổn định. Sợi tế vi thường có đường kính khoảng 10 – 30 nm, được tạo nên từ 30 – 100 phân tử cellulose theo dạng chuỗi mở rộng, và tạo nên độ bền cơ học của sợi. Khối nền vô định hình trong thành tế bào rất phức tạp, gồm hemicellulose, lignin, và trong một số trường hợp thì có cả pectin. Các phân tử hemicellulose có hydro liên kết với cellulose và có tác dụng như xi măng giữa các sợi tế vi cellulose, tạo thành hệ thống cellulose/hemicellulose, được cho là thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi. Lưới lignin kỵ nước gây ảnh hưởng đến các tính chất của các lưới khác do có hoạt tính như một chất liên kết và làm tăng độ cứng của hợp chất cellulose/hemicellulose. Những thành tế bào khác nhau về thành phần, tỷ lệ giữa cellulose và lignin/hemicellulose, và định hướng cố định của sợi tế vi cellulose.

11

Hầu hết các sợi tự nhiên, sợi tế vi cellulose được cố định hợp với trục sợi một góc được gọi là “góc microfibrillar”. Thông số này đặc trưng theo từng dạng sợi.

Hình 2.4 Cấu trúc (tế bào)sợi sơ cấp. Thành tế bào thứ cấp, S2, chiếm khoảng 80% tổng bề dày. (Trích từ Rong, M.Z. và các đồng nghiệp, composites Sci. Technol., 61, 1437−1447, 2001).

Thành tế bào bên ngoài xốp và chứa gần như tất cả các hợp chất noncellulose, và là nguyên nhân gây ra: khả năng hấp thụ kém, khả năng hút ẩm kém, và các tính chất không mong muốn khác.

Trong hầu hết các ứng dụng ngày hôm nay của sợi tự nhiên thường sử dụng bó sợi thay vì các sợi riêng lẻ. “Các sợi kỹ thuật” tách từ cây, gồm những tế bào hay những sợi sơ cấp, và, là những bó sợi với chiều dài trung bình khoảng một mét và đường kính thường từ 50 – 100 μm. Trong một bó sợi, các tế bào sợi chồng chéo lên nhau và dính liền với nhau bằng pectin tạo độ bền cho toàn bộ bó sợi. Tuy nhiên, độ bền của một cấu trúc bó là thấp hơn so với độ bền của các tế bào sợi riêng lẻ.

12

Cấu trúc, góc microfibrillar, kích thước tế bào và những nhược điểm, và thành phần hóa học của sợi tự nhiên là các biến quan trọng nhất xác định tính chất chung của sợi. Nhìn chung, độ bền kéo đứt và module đàn hồi của các sợi tự nhiên tăng cùng khi hàm lượng cellulose của sợi tăng. Sự định hướng của sợi tế vi cellulose với các trục sợi xác định độ cứng của các sợi. Sợi tự nhiên dễ uốn hơn nếu các sợi tế vi có sự định hướng xoắn ốc với trục sợi. Sợi không linh hoạt, cứng, và có độ bền kéo cao nếu sợi tế vi được định hướng song song với trục sợi.

2.2.3.2 Các thành phần hóa học • Cellulose Thành phần chính của hầu hết sợi tự nhiên là cellulose (α-cellulose).

Cellulose là một đại phân tử tuyến tính gồm D-anhydroglucose (C6H11O5) nối với nhau bằng mối liên kết β-1,4-glycosidic (Hình 2.5) với độ trùng hợp (DP: degree of polymerization) khoảng 10.000.

Hình 2.5 Cấu trúc cellulose. (A) Cấu trúc đơn giản và (B) cấu trúc không gian.

Mỗi đơn vị D-anhydroglucose có ba nhóm hydroxyl. Những hydroxyl này tạo thành các liên kết hydro nội phân tử và liên kết hydro với các phân tử cellulose khác, cũng như có thể liên kết hydro với các nhóm hydroxyl từ không khí hay các phân tử phân cực. Vì vậy, tất cả các sợi tự nhiên có tính ưa nước; hàm lượng ẩm đạt 8 – 13 %.

13

Các nhóm hydroxyl liên kết với nhau tạo thành khung hydro đóng một vai trò quan trọng không chỉ kiểm soát quá trình kết tinh, mà còn gây ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của cellulose.

Hình 2.6 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong mạch cellulose.

Số lượng cellulose, trong lignocellulosic, có thể khác nhau tùy thuộc vào giống và tuổi của cây.

Một đặc tính quan trọng của sợi tự nhiên là độ DP của chúng. Cellulose trong mỗi sợi khác nhau có cấu trúc hóa học tương tự nhau, nhưng độ DP khác nhau, do đó, sợi là một hỗn hợp phức tạp của chất đồng đẳng polymer (C6H10O5)n. Sợi từ vỏ cây thường có độ DP cao nhất trong số tất cả các sợi tự nhiên (~10.000). Tính chất cơ học của một sợi tự nhiên phụ thuộc đáng kể vào độ DP. Cellulose bền với kiềm mạnh, và tương đối bền với các chất oxy hóa nhưng lại dễ thủy phân bởi acid.

• Lignin Lignin là một polymer sinh hóa có chức năng như vật liệu hỗ trợ cho cấu trúc cây.

Lignin là một hợp chất phenolic có trọng lượng phân tử cao, có tác dụng chống lại sự phân hủy của vi khuẩn và là một hợp chất tạo độ vững chắc cho cây.

Khó khăn chính trong việc hóa lignin là không có phương pháp nào được đề xuất mà có thể cô lập lignin từ sợi. Bản chất hoá học của lignin trong lignocellulosic là một đề tài quan trọng cần nghiên cứu.

14

Bản chất hóa học chính xác của lignin vẫn còn chưa sáng tỏ. Mặc dù công thức chính xác của lignin vẫn chưa được thiết lập, nhưng hầu hết các nhóm chức và các đơn vị, tạo nên phân tử, đều đã được xác định. Một cấu trúc giả định của lignin được thể hiện trong Hình 2.7.

Hình 2.7 Cấu trúc lignin.(Theo Rouchi, A.M., Eng. News, 13/11/2000, trang 29 - 32).

Dù chưa xác định được chính xác cấu trúc nhưng cấu trúc đặc trưng có số lượng hydro thấp và số lượng carbon cao. Từ điều này khẳng định lignin có thể là hợp chất không no hay hợp chất thơm trong tự nhiên. Gần đây đã có công trình khoa học nghiên cứu xác định lignin chứa năm nhóm hydroxyl và năm nhóm methoxyl trên một đơn vị cấu trúc. Các đơn vị cấu trúc của một phân tử lignin là dẫn xuất của 4-hydroxy-3methoxy phenylpropane.

Các lignin, là đa chức, tồn tại mối liên kết với nhiều chuỗi phân tử lân cận xung quanh cellulose và hemicellulose, tạo thành một cấu trúc liên kết ngang.

Lignin trong tự nhiên là chất vô định hình có tính kỵ nước. Chúng được xem như là một loại polymer nhiệt dẻo, có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh khoảng 90°C và nhiệt độ nóng chảy khoảng 170°C. Chúng bền với acid nhưng lại bị hòa tan trong kiềm nóng; dễ bị oxy hóa, và dễ bị ngưng tụ bởi phenol.

15

Các tế bào riêng biệt của sợi tự nhiên dính cứng với nhau bằng lignin, có chức năng như xi măng. Hàm lượng lignin của các sợi tự nhiên ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất và hình thái của sợi.

• Hemicellulose Hemicellulose là polysaccharide gồm các nhóm đường có vòng carbon 5 hay 6.

Các chuỗi trùng hợp ngắn hơn nhiều (độ DP khoảng 5 – 30) và có phân nhánh. Các hemicellulose tạo thành mạng lưới đỡ cho sợi tế vi cellulose.

Hemicellulose rất ưa nước, hòa tan trong kiềm và dễ thủy phân trong acid.

Hemicellulose có tác dụng như chất kết dính các sợi tế vi cellulose lại với nhau bằng liên kết hydro, tạo thành hệ thống cellulose/hemicellulose. Hệ thống cellulose/hemicellulose được cho là thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi.

Hình 2.8 Công thức hemicellulose.

2.2.4 Biến tính của sợi tự nhiên 2.2.4.1 Liên pha sợi – Nền nhựa Nhược điểm chính của sợi cellulose là bản chất phân cực cao làm chúng không tương thích với các polymer không phân cực. Ngoài ra, sự dễ hút ẩm làm cho họ sợi này khó dùng cho các vật liệu composite sử dụng ngoài trời. Hiện nay, có một số loại polymer làm nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên:

16

• Nhựa nhiệt rắn: polyester không no, vinylester, phenolformaldehyde, melamine formaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy.

• Nhựa nhiệt dẻo: polyethylene, polystyrene, polypropylene.

Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học của chúng. Ái lực này liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi. Ái lực của nhựa phụ thuộc vào sự tương đồng tính phân cực của nhựa với tính phân cực của sợi cellulose. Độ phân cực của các nhựa nói trên được xếp như sau: Phenolformaldehyde, melamine formaldehyde, ureaformaldehyde, epoxy > vinylester > polyester không no > polyethylene, polystyrene, polypropylene.

Sự truyền ứng suất ở liên diện giữa hai pha sợi – nền nhựa được xác định bởi mức độ kết dính. Sự kết dính mạnh nhựa – sợi ở liên diện là cần thiết để truyền hiệu quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua liên diện. Do đó, để có một cơ tính tốt của vật liệu composite này, sự cải thiện và kiểm soát tính kết dính ở liên diện trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nghiên cứu ứng dụng sợi cellulose. Theo hướng này, bề mặt sợi sẽ được bọc phủ một màng chất liệu có tính tương thích với nhựa nền. Màng chất liệu chứa các tác chất gắn kết đóng vai trò như một cầu nối hóa học trung gian giữa nhựa nền và sợi. Việc biến tính cho sợi có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học.

2.2.4.2 Các phương pháp biến tính bề mặt sợi • Biến tính vật lý Các phương pháp vật lý liên quan đến sự tạo vi sợi trên bề mặt, tích điện (thổi lửa corona, plasma nguội),… Plasma nguội, phóng xạ tĩnh điện, thổi lửa corona giúp cải thiện các tính chất về độ chức, giảm sức căng bề mặt của sợi tự nhiên. Xử lý plasma nguội tạo ra sự hình thành gốc tự do,cấy chức hóa học, tẩy, trùng hợp, và kết tinh trên bề mặt sợi. Trong khi đó, phóng xạ tĩnh điện chủ yếu tăng sự gồ ghề trên bề mặt sợi.

Thổi lửa corona liến quan đến sự hoạt hóa oxy hóa bề mặt sợi.

• Biến tính hóa học ¾ Xử lý kiềm làm trương và tạo phản ứng thế trên sợi 17

Phương pháp Mercer là phương pháp cổ điển biến tính sợi cellulose, trong đó có sử dụng bước ngâm NaOH. Hiệu quả của nó phụ thuộc vào loại, nồng độ dung dịch, thời gian, và nhiệt độ xử lý. Kèm theo việc tẩm sợi bằng chất làm trương có tính kiềm mạnh là phản ứng với các chất hóa học khác, các nhóm hydroxyl trong phân tử cellulose có thể được thay thế. Sự thay thế nhóm chức hydroxyl cho sợi có mức độ kết tinh giảm. Kết quả xử lý kiềm là tăng độ nhám bề mặt sợi giúp tăng độ bám dính cơ học theo kiểu interlocking. Đồng thời, xử lý kiềm loại bỏ các lignin, sáp bám quanh sợi cellulose giúp các nhóm chức của mạch cellulose hoạt động trên vi sợi. Các phản ứng thay thế nhóm chức được biết đến như phản ứng acetylate hóa (hình 2.9), diazo hoá, cyanoethylate hoá, dinitrophenylate hoá, benzoyl hóa,…

Hình 2.9 Kiềm hóa và acetylate hóa bề mặt sợi cellulose. ¾ Tẩm sợi Một cách khác để tạo sự tương tác tốt hơn giữa nhựa - sợi là tẩm sợi bằng một lớp monomer của polymer đầu tiên có tính tương thích với nền nhựa. Sợi được tẩm bằng một monomer lỏng sau đó chúng được đem đi trùng hợp tại chỗ bằng xúc tác, nhiệt độ hay chiếu xạ. ¾ Biến tính liên diện bằng phương pháp hóa học Xử lý bằng các hợp chất tăng liên diện Mục đích chính của biến tính hóa học là nhằm làm giảm tính phân cực trên bề mặt sợi cellulose. Độ phân cực thấp trên bề mặt sợi giúp sợi phân tán và tương thích tốt trong nền nhựa có độ phân cực thấp. Quá trình hóa học này cũng tạo ra một màng phủ kỵ nước trên bề mặt sợi. Màng phủ này được tạo thành từ chất ghép nối hay còn gọi là 18

chất tăng liên diện (coupling agent). Chất tăng liên diện có hai chức năng trong quá trình này: phản ứng với nhóm hydroxyl –OH của cellulose và phản ứng với các nhóm chức khác trong nhựa nền.

Các chất tăng liên diện thông dụng hiện nay là các hợp chất silane, isocyanate, tianate. Quá trình hình thành các liên kết đồng hóa trị giữa cellulose-isocyanate, liên kết yếu giữa nhựa nhiệt dẻo và isocynate giúp cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo được gia cường bằng sợi cellulose thiên nhiên.

Xử lý sợi bằng hợp chất silane hữu cơ và cách sợi biến tính bằng silane tạo liên kết với nền nhựa có thể được mô tả theo hình.

Hình 2.10 Xử lý sợi bằng hợp chất silane.

19

¾ Ghép: Trùng hợp ghép: Tạo gốc tự do trên bề mặt sợi cellulose bằng phản ứng với ion được chọn lựa. Các gốc tự do được xử lý tiếp trong một dung dịch thích hợp mang tính tương thích với nền polymer.

Trùng hợp ghép thường dùng vinyl monomer, acrylonitrile, methylmethacrylate,…

Xử lý với các hợp chất có mang nhóm chức methanol –CH2OH để tạo lien kết đồng hóa trị bền với sợi. Thường người ta dùng các dimmer,

trimer

của

phenol-formaldehyde

hoặc

polyesteramidepolyol.

Xử

lý

với

các

polymer

poly(methylene)(polyphenylisocyante),

gốc

isocynate hoặc

như: PMPPI,

hexamethylene diisocynate,…

Sử dụng chất tăng liên diện dẫn xuất từ triazine.

2.3 Tổng quan về sợi sisal 2.3.1 Khát quát sợi sisal Trong các loại sợi tự nhiên khác nhau, sợi sisal được quan tâm do composite làm từ sợi Siasal có độ bền va đập cao, ngoài ra có độ bền kéo và độ uốn trung bình so với các sợi lignocellulosic khác.

Sợi sisal thu được từ lá của cây Agave sisalana, họ Agave. Cây sisal chưa xác định rõ nguồn gốc xuất xứ. Cái tên "Sisal" xuất phát từ một thị trấn cảng ở Yucatan, Maya, Mexico. Nó có nghĩa là “nước lạnh”. Nhưng trên thực tế, sisal lại không xuất xứ từ đó và hiện nay chủ yếu được trồng ở Đông Phi, Brazil, Haiti, Ấn Độ và Indonesia.

Cây Agave được trồng bởi người da đỏ Maya trước khi được gieo trồng ở Châu Âu. Sợi được tách bằng tay để làm dây thừng, thảm và quần áo.

Từ cuối thế kỷ XVIII đến đầu thế kỷ XIX, cây sisal cũng bắt đầu được trồng trên lục địa châu Phi và châu Á do khả năng thích ứng và phát triển tốt trong điều kiện khí hậu và môi trường sinh thái đa dạng, từ điều kiện nóng và ẩm của Kenya và Tanzania 20

đến điều kiện nhiệt đới của Brazil, các bờ biển của Florida và Hawaii của Mỹ và các đảo Caribê.

Hình 2.11 Cây sisal.

Cây dứa dại ở Việt Nam mà trong khóa luận này khảo sát là cây Agave sisalane, họ Agave.

2.3.2 Đặc điểm hình thái Cây sisal rất lớn, lá hình thanh kiếm, dày, nhiều thịt, mọc từ gốc tỏa ra, với phần đầu nhọn và có mép gai ngắn, nhưng thân cây to mập, có thể hình dung cây có cấu trúc giống nơ thắt hình hoa hồng. Mỗi nơ thắt hình hoa hồng phát triển rất chậm và chỉ có thể ra hoa một lần. Trong thời gian ra hoa, một cuống lo cao lớn mọc thẳng lên từ tâm của các nơ thắt hình hoa hồng và mang một số lượng lớn các hoa có dạng hình ống và ngắn. Sau khi phát triển đến giai đoạn ra quả, cây bắt đầu khô héo và cuối cùng là chết, nhưng các chồi rễ thông thường sẽ mọc xung quanh mặt đất dưới gốc, và phát triển trở thành các cây mới, như Hình 2.12.

21

Hình 2.12 Các chồi rễ trên mặt đất xung quanh cây sisal trưởng thành.

Cây sisal có tuổi thọ trung bình là 7 – 15 năm, phụ thuộc vào các yếu tố như: giống, khả năng di truyền, khí hậu, điều kiện trồng và chất lượng đất. Cây có thể trưởng thành để thu hoạch lần đầu tiên là khoảng 2,5 – 3 năm (khi trồng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu), sau đó được thu hoạch theo định kỳ cách nhau khoảng 6 – 12 tháng.

Cây sisal thích nghi tốt với khu vực nhiệt đới, chịu hạn hán kéo dài và nhiệt độ cao.

2.3.3 Cấu trúc và cơ tính của sợi sisal Đối với các nhà khoa học nghiên cứu và thông hiểu về mối quan liên hệ giữa cấu trúc – tính chất sẽ không chỉ giúp mở ra con đường mới với nhiều ứng dụng từ các loại sợi – nhấn mạnh tầm quan trọng của vật liệu nông nghiệp này, mà còn chuẩn bị sẵn sàng để phát triển chúng thành một trong những nguồn tài nguyên tái chế dồi dào trên thế giới.

Một cây sisal điển hình cung cấp khoảng 200 – 250 lá trong suốt quá trình sống nó (một số giống lai có thể cung cấp đến 400 – 450 lá), và mỗi lá có chứa trung bình khoảng 1.000 sợi. Mỗi lá có thành phần khối lượng sợi chiếm 4%, lớp biểu bì: 0,75%, các vật chất khô: 8% và độ ẩm: 87,25%. Đường kính của sợi thay đổi từ 100 μm đến 300 μm.

22

Hầu hết các sợi thực vật, bao gồm cả sisal, đều có thành phần hóa học chủ yếu là cellulose và lignin, và một số lượng nhỏ các thành phần khác, như: pectin, sáp, muối vô cơ, chất đạm và các chất màu, v.v… (thành phần cấu trúc đã được trình bày ở phần 2.2.3.3).

Các sợi là đa bào, gồm nhiều tế bào nhỏ riêng lẻ liên kết với nhau. Một sợi đơn trung bình dày khoảng 20 μm và chiều dài khoảng 3 mm, và có những sợi đạt tới độ dày hơn 400 μm và chiều dài đạt hơn 1.000 mm. Những tế bào này hoạt động như chất gia cường cho các chất nền hemicellulose và lignin.

Hình 2.13 và 2.14 cho thấy hình ảnh phân tán và ảnh hiển vi điện tử của cấu trúc vi mô của sợi sisal. Có thể thấy, mặt cắt của sợi sisal không phải là vòng tròn, cũng không đồng nhất về kích thước. Các lumen với các kích thước khác nhau, nhưng được xác định rõ. Hình dạng theo chiều dọc có lẽ là hình trụ. Theo quy luật tự nhiên, mỗi tế bào sợi được tạo thành từ bốn phần chính, cụ thể là vách sơ cấp, vách thứ cấp dày, vách thứ ba và lumen.

Hình 2.13 Hình mặt cắt ngang sợi sisal trong nền kết dính. (Toledo Filho, 1997)

23

Hình 2.14 Hình hiển vi điện tử (SEM) của sợi sisal. (Toledo, Filho, 1997) Hình 2.15 là bản phác thảo một tế bào sợi sisal. Thành tế bào bao gồm các lớp cấu trúc dạng sợi gồm nhiều vi sợi. Ở vách sơ cấp, các vi sợi có cấu trúc mặt lưới. Ở vách thứ cấp phía ngoài (S1), nằm phía trong vách sơ cấp, sợi được sắp xếp xoắn ốc với góc xoắn ốc là 40o so với trục dọc thẳng của tế bào (giá trị này ứng với sợi sisal). Sợi ở vách thứ cấp phía trong (S2) của sợi sisal có độ nghiêng rõ hơn, từ 18 đến 25o. Vách thứ ba trong cùng mỏng có cấu trúc sợi song song và bao quanh lumen. Các sợi được tạo thành từ vi sợi với độ dày khoảng 20 nm. Vi sợi gồm các chuỗi phân tử cellulose có độ dày khoảng 0,7 nm và chiều dài vài μm. Vì vậy, thành tế bào được xem là cấu trúc composite của lignocellulosic được gia cường bằng các dải vi sợi xoắn ốc của cellulose.

Tổng hàm lượng cellulose và lignin của sợi sisal tương ứng khoảng 67 và 12%.

24

Hình 2.15 Phác họa tế bào sợi sisal với kích thước xấp xỉ.

Các sợi sisal có tuổi khác nhau, từ các nguồn khác nhau và từ các bộ phận có cấu trúc khác nhau, do đó tính chất của chúng cũng khác nhau. Các lá sisal có chứa ba loại sợi khác nhau, cụ thể là sợi cơ học, sợi ribbon và sợi xylem (sợi gỗ). Sợi cơ học, hay còn được gọi là sợi cấu trúc, chủ yếu có ở xung quanh mặt ngoài lá, trong khi đó sợi ribbon được cố định theo các mô dẫn điện ở phần giữa lá, và sợi xylem được cố định ngược chiều với các sợi ribbon.

Hình 2.16 Mặt cắt ngang của lá sisal. (Theo Springer Science + Business Media: Journal of Materials Science, Properties of sisal - CNSL composites, 27, 1992, 1690 -1700, E.T.N. Bisanda and M.P. Ansell)

25

Các sợi cơ học ít khi có dạng hình tròn, chủ yếu dày và có hình móng ngựa theo mặt cắt ngang, và chúng rất khó tách trong quá trình tách chiết. Sợi cơ học mịn hơn và đóng vai trò quan trọng trong việc phân loại các sợi sisal. Sợi ribbon, hay còn được biết đến như sợi hình cung, có từ gốc lá đến ngọn lá, và chúng phát triển cùng với các mô dẫn điện dọc theo đường giữa lá, như trong hình 2.16 thể hiện mặt cắt ngang của lá sisal. Cấu trúc của các sợi ribbon đã tạo cho chúng có độ bền cơ học tốt, và chúng cũng là những sợi dài nhất và có thể dễ dàng tách ra theo chiều dọc trong quá trình tách chiết.

Sợi xylem cấu tạo như một bó sợi hỗn hợp nằm trên đường giữa lá ngược chiều với sợi ribbon, và chúng có dạng không đồng nhất khi tách ra từ các bó mạch. Sợi xylem có thành tế bào mỏng, do đó dễ bị phá hủy trong quá trình tách chiết.

Chiều dài của sợi sisal được tách chiết dài khoảng 1,0 – 1,5 m, và đường kính là 100-300 μm, với tỷ trọng trung bình là 1,26 ± 0,03 gcm-3,2 trong khi một số tác giả khác công bố tỷ trọng của sợi sisal là 1,45 gcm-3.3 Cơ tính của các sợi sisal khác nhau do tùy thuộc vào cây và giống, và chúng cũng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và chất lượng đất của khu vực nơi sisal được trồng. Bảng 2.1 đưa ra số liệu tổng hợp các tính chất vật lý và cơ học của sợi sisal đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả.

Bảng 2.1 Số liệu tổng hợp tính chất cơ lý của sợi sisal. (Theo Mukhedjee and Satyanarayana, 1984; Chakravorthy, 1969; Satyanarayanavà các đồng nghiệp, 1982)

Thành phần Đường

Tỷ

kính

trọng -3

Hàm lượng

Độ bền

ẩm tại 65%

kéo đứt

Module Young

Độ dãn

(N/m2)

dài (%)

2

sợi (μm)

(gcm )

RH (%)

(N/m )

50-200

1,45

11

412-640

9400-15200

2

2,5-5,0

Module

hóa học

uốn

(%)

2

(N/m ) 12,5-17,6

Cellulose

Lignin

66-78

8-14

Theo Li et al., 2000; Martins và Joekes, 2004; hình 13.23 tại Chương 13 sách Industrial Applications of Natural Fibres: Structure, Properties and Technical Applications.

3 Theo Mukherjee và Satyanarayana, 1984; Bảng 13,8 tại Chương 13 sách Industrial Applications of Natural Fibres: Structure, Properties and Technical Applications.

26

Cơ tính của sợi sisal, chẳng hạn như độ bền kéo, độ dãn dài, độ dai và module, được thử nghiệm ở nhiệt độ cao bởi Chand và Hashmi (1993), và họ nhận thấy rằng các giá trị về độ bền kéo, module và độ dai của sợi sisal giảm khi tăng nhiệt độ.

Bảng 2.2 khảo sát độ bền kéo đứt khi thay đổi chiều dài thực nghiệm. Có thể nhìn thấy từ Bảng 2.3 cả độ bền kéo và độ dãn phần trăm giảm khi chiều dài thực nghiệm tăng, trong khi đó, module ban đầu và module trung bình tăng khi chiều dài thực nghiệm tăng. Trong các loại sợi tự nhiên, vì khe hở hoặc các liên kết yếu không đều nhau trong sợi quang, độ bền sẽ phụ thuộc vào chiều dài sợi thực nghiệm đem đi đo độ bền kéo.

Bảng 2.2 Sự biến thiên độ bền sợi sisal với độ dài thử nghiệm (đường kính sợi : 200 μm). (Mukherjee và Satyanarayana, 1984) Độ dài Độ dãn Module trung Độ bền kéo đứt Module ban đầu thử nghiệm dài bình (MNm-2) (GNm-2) (mm) (%) (GNm-2) 15

14,15

793,80

8,15

9,74

25

17,26

757,10

5,70

13,28

35

19,71

728,10

4,65

15,64

50

22,52

630,10

3,98

15,83

65

25,36

620,81

3,50

17,87

Padmavathi và Naidu (1998) đã nghiên cứu độ bền hóa tính và độ bền kéo của sợi sisal (Agave Veracruz). Báo cáo nghiên cứu cho thấy sợi sisal bền đối với HCl đậm đặc hơn khi so với các acid khác. Các sợi được xử lý bằng dung dịch NaOH 18% tăng thêm độ bền kéo đứt hơn so với sợi xử lý hóa chất khác.

2.3.4 Composite gia cường bằng sợi sisal 2.3.4.1 Composite nhựa nhiệt rắn gia cường bằng sợi sisal Kết hợp sợi sisal vào nhựa nhiệt đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học.

Paramasivam và Abdulkalam (1974) đã nghiên cứu tính khả thi của việc phát triển 27

composite trên nền polymer ứng dụng sợi sisal, do giá sản phẩm composite thấp và các ảnh hưởng đối với các loại sợi trong quá trình quấn, cán và các quá trình chế biến khác.

Nhận thấy rằng việc sản xuất composite là khá đơn giản và chi phí sản xuất khá thấp. Độ bền kéo của vật liệu composite epoxy - sisal là 250 – 300 MPa, gần bằng một nửa độ bền của vật liệu composite epoxy sợi thủy tinh cũng với thành phần cấu tạo giống nhau. Vì tỷ trọng sợi sisal thấp, tuy nhiên, độ bền riêng của vật liệu composite sisal được so sánh với độ bền riêng của các composite thủy tinh. Nghiên cứu này chỉ ra tính khả thi khi phát triển vật liệu composite kết hợp với một trong những loại sợi tự nhiên có sẵn, được sử dụng trong lĩnh vực hàng tiêu dùng, xây dựng nhà giá thấp và kết cấu công trình dân dụng.

Satyanarayana và các đồng nghiệp(1984) đã nghiên cứu các tính chất cơ học của composite polyester – sợi sisal ngắn (đã cắt nhỏ). Composite polyester – sợi sisal ngắn được làm bằng kỹ thuật đúc nén. Ghi nhận được module riêng của composite là 1,90 so với module riêng của nhựa gia cường bằng sợi thủy tinh là 2,71; trong khi thì độ bền riêng bằng với độ bền riêng của các loại nhựa polyester (34 – 41 MPa). Độ bền va đập là 30 Jm-2, cao gấp ba lần so với cường độ va đập của polyester và thấp hơn 30% so với của nhựa gia cường bằng sợi thủy tinh. Sự thử nghiệm tăng tốc lại thấy được sự thay đổi nhỏ về module ban đầu, và độ bền tối đa giảm 5%, độ uốn giảm 16% và độ hấp thụ nước giảm 5,4%. Độ bền va đập của vật liệu composite polyester – sợi sisal được so sánh với độ bền va đập của những vật liệu composite từ sợi tự nhiên khác. Độ bền va đập đo trong quá trình nghiên cứu được trình bày trong Bảng 2.4. Có thể thấy rằng vật liệu composite sợi sisal thì độ bền va đập cao nhất chỉ đứng sau composite sợi dứa. composite sợi chuối và xơ dừa có độ bần va đập tương đối thấp. Đó là một thực tế chung cho thấy rằng tính bền của composite gia cường bằng sợi chủ yếu tùy thuộc vào trạng thái ứng suất – biến dạng (the fibre stress – strain behavior). Sợi bền có độ biến dạng phá hoại cao sẽ tạo nên độ bền va đập cao đối với vật liệu composite.

28

Bảng 2.3 Cơ tính của sợi tự nhiên cà công trình nghiên cứu độ bền va đập của composite tương ứng. (Pavithran và các đồng nghiệp, 1987) Cơ tính sợi Tính chất composite Độ bền

Độ dãn

kéo đứt

dài

(Mpa)

(%)

Sisal

580

Pineapple

Loại sợi

Độ cứng

Fiber Pull-out

Độ bền va đập

(MNm-2)

Layer (mm)

(KJm-2)

4,3

1250

3,5

98,7

640

2,4

970

2,2

79,5

Banana

540

3,0

816

1,9

51,6

Coir

140

25,0

3200

1,1

43,5

Đối với bảng trên cần lưu ý, trong các PC gia cường bằng sợi sisal, dứa và chuối, thì composite polyester – sợi sisal có độ bền va đập cao do độ bền của sợi sisal cao được ghi nhận trong các kết quả thực nghiệm. Tương tự, độ bền rất thấp của các composite xơ dừa là không nằm trong dự kiến trong khi độ bền của sợi lại cao. Sự biến thiên về tính va đập của các vật liệu composite sợi tự nhiên khác nhau với góc microfibrillar của sợi cũng đã được nghiên cứu. Hình 2.18: sự ảnh hưởng của góc microfibrillar đối với giá trị của độ bền va đập của PC gia cường bằng sợi tự nhiên khác nhau.

Hình 2.17 Độ bền va đập (work of fracture) của composite gia cường bằng sợi tự nhiên với góc microfibrillar của sợi. (Pavithran và các đồng nghiệp, 1987) 29

Có thể thấy rằng góc microfibrillar của sợi tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tác động va đập của các composite và kết quả này nên được tính toán với các thông số khác khi dự đoán tính va đập (the impact properties) của vật liệu composite sợi tự nhiên.

Bisanda và Ansell (1991) đã nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý silane và xử lý kiềm lên những tính chất cơ lý của composite epoxy – sợi sisal. Sự kết hợp sợi sisal với nhựa epoxy tạo ra vật liệu composite cứng và bền. Xử lý sợi sisal bằng silane, đã được ngâm qua kiềm trước, làm tăng tính thấm ẩm, tính chất cơ học và sự kháng nước được cải thiện.

Singh và các đồng nghiệp (1996) đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số phương pháp xử lý hóa chất, chẳng hạn như organotitanate, zirconate, silane, và N-substituted methacrylamide, lên tính chất cơ lý của composite nhựa polyester không bão hòa gia cường bằng sợi sisal. Một cải tiến trong các tính chất cơ học được nhận thấy khi sợi sisal thay đổi cách xử lý bề mặt.

2.3.4.2 Composite nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi sisal Polymer nhựa nhiệt dẻo là một loại vật liệu quan trọng với nhiều ứng dụng. Do được ứng dụng ngày càng tăng kết hợp với nhu cầu cao, giá cả polymer đã tăng nhanh trong thập kỷ qua. Chính tình trạng này đã thúc đẩy việc phải sử dụng chất độn giá thấp để làm giảm giá các thành phẩm. Tuy nhiên, chất độn vô cơ đang sử dụng rộng rãi, như sợi thủy tinh và mica, lại rất đắt so với các sợi gỗ.

Selzer (1995) đã nghiên cứu các ảnh hưởng môi trường tác động đến trên các tính chất cơ học của vật liệu PC gia cường bằng sợi sisal. Sự phụ thuộc vào độ ẩm, các tác động của acid cũng như tác động của kiềm được xác định và đánh giá cơ tính của polypropylene – sợi sisal. Kết luận các tính chất uốn của composite polypropylene – sợi sisal thì rất dễ bị tác động của môi trường.

Những bất lợi chính kết hợp với việc sử dụng các loại sợi tự nhiên như chất gia cường trong chất nền nhựa nhiệt dẻo để tạo được vật liệu composite với các tính chất cơ 30

học và sự ổn định chiều được trội thì có khả năng thấm ướt kém và liên kết mặt phân cách yếu với polymer do khả năng tương thích vốn đã kém cũng như độ phân tán (dispersability) của sợi cellulose ưa nước với nhựa nhiệt kỵ nước (Carvalho, năm 1997; Marcovich và các đồng nghiệp, 1997). Vì vậy, để cải thiện sự kết dính chất nền – sợi, bắt buộc phải xử lý bề mặt sợi trước hoặc kết hợp sự thay đổi bề mặt trong suốt quá trình chế tạo. Một số nghiên cứu đã ghi nhận dựa vào các tác động của loại hóa chất khác nhau làm thay đổi về tính chất vật lý và cơ học của vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo đã được thêm vào sợi sisal (Bisanda và Ansell, năm 1991; Joseph và các đồng nghiệp, 1995b, 1996b; Paul et al, 1997).

Khảo sát thấy rằng các phương pháp xử lý đã tăng cường đáng kể các tính bền kéo của vật liệu composite, nhưng với các mức độ khác nhau. Hình 2.18 cho thấy rõ mức độ kết dính chất nền – sợi sau khi xử lý sợi sisal bằng peroxide. Đồng thời cũng thấy rằng xử lý CTDIC (dẫn xuất cardanol của toluene diisocyanate) đã làm giảm tính ưa nước của sợi, do đó tăng cường các tính bền kéo của vật liệu composite LDPE sisal.

Hình 2.18 Hình hiển vi điện tử quét của composite LDPE – sợi sisal đã xử lý peroxide cho thấy độ bám dính chất nền – sợi tốt hơn. (Joseph et sl., 1996b)

31

Khảo sát thấy IFSS giữa các sợi sisal và chất nền polyethylene được cải thiện bằng sự biến đổi hóa học silane và hình thái của bề mặt sợi. Người ta đã sử dụng việc xứ lý kiềm để tăng cường cả tính thấm ướt chất nền – sợi và cả sự thay đổi hóa tính bề mặt để làm tăng sự tương tác hóa lý tại mặt phân cách chất nền – sợi. Nhận thấy rằng cả hai, sự thay đổi bề mặt và sự ngâm thấm trước, làm tăng IFSS chất nền – sợi. Cũng nhận thấy rằng, kết quả thu được từ các thử nghiệm phân mảnh (fragmentation test) từng sợi đơn dường như cân bằng tốt hơn với tính chất cơ học có hiệu lực đã được đo đối với vật liệu phân lớp so với những kết quả thu được bằng phương pháp kiểm tra pull out.

2.4 Quy trình công nghệ sản xuất sợi tự nhiên 2.4.1 Thu hoạch 2.4.1.1 Cắt và sấy - Cutting and Drying Do chiều cao thân cây và hàm lượng của các sợi bền trong các thân cây, đặc biệt tại khu vực gần mặt đất của kenaf, đay, và cây gai dầu, cần máy gặt đặc biệt gắn dao bằng thép có độ bền cao, để đảm bảo tốt tuổi thọ của máy. Các sợi có khả năng bị quấn vào thiết bị quay của máy. Hơn nữa, thân dài nên phải được cắt thành từng đoạn có chiều dài khoảng 600 mm để dễ vận hành hơn trong các giai đoạn tiếp theo quy trình.

Do đó, máy cắt thông thường không thể sử dụng được, và phát triển máy gặt đặc biệt để sử dụng gặt sợi.

Giai đoạn sấy rơm phụ thuộc vào hàm lượng ẩm trong suốt quá trình cắt và vào điều kiện khí hậu địa phương, chủ yếu là nhiệt độ, gió, và độ ẩm không khí, cũng như độ dày của thân cây. Nói chung, sấy mất đến 14 ngày sau khi cắt vào mùa thu để giảm hàm lượng ẩm để giữ lại 14% tính chất.

2.4.1.2 Quá trình retting Quy trình retting sợi tự nhiên diễn ra trên cánh đồng. Quá trình sinh học hay lên men của quy trình retting bắt đầu chịu ảnh hưởng luân phiên bởi nhiệt độ và độ ẩm do sương hay mưa. Việc cấy nấm mốc và vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí và vi khuẩn kỵ khí làm phân rã lignin và pectin của thân cây, làm tách gỗ ra khỏi vòng vỏ cây, tách các sợi 32

ra khỏi cấu trúc vỏ cây, cũng như nới ra các sợi sơ cấp bên trong bó sợi. Bằng cách này, thân cây trở nên mềm và các phương pháp tách chiết bằng hóa chất sau đó được tiến hành dễ dàng hơn.

Các sợi bản thân nó tự chống lại quá trình lên men và duy trì tương đối không đổi trong quá trình này. Chỉ cần sự lão hóa sợi xảy ra, thì các tính chất cơ hóa và màu sắc của sợi sẽ thay đổi. Quá trình retting phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ, và có thể mất đến 4 tuần. Tuy nhiên, điều kiện khí hậu địa phương cho retting là khác nhau. Như vậy, retting có thể xảy ra ở các khu vực ẩm ướt ven biển nhưng lại khó xảy ra trong khu vực khô cằn của khí hậu lục địa. Sau khi quá trình retting, cây lấy sợi phải được sấy khô một lần nữa, nghĩa là có rủi ro về thời tiết cao, tổn thất nhất định, và phí tổn bổ sung.

2.4.1.3 Đóng gói và lưu trữ Giai đoạn thu hoạch cây lấy sợi được giới hạn chỉ có 3 hoặc 4 tuần. Rơm của cây lấy sợi, được tách ra quanh năm từ cây, phải được trữ dưới một mái nhà đóng cửa để đảm bảo chất lượng sợi liên tục. Cho rằng, rơm rạ được đóng thành kiện tròn hoặc kiện hình chữ nhật. Qua đó, tỷ trọng của các kiện được tăng lên đến 210 kg/m³. Do đó, mỗi kiện có tổng trọng lượng lên đến 500 kg, làm tăng hiểu quả kinh tế về sự vận chuyển và lưu trữ, đặc biệt là trong khoảng thời gian dài.

2.4.2 Quy trình của sợi tự nhiên

33

Hình 2.19 Quy trình sản xuất sợi tự nhiên.

Hiện nay, xử lý cây lấy sợi chỉ có thể bằng quá trình cơ học. Các kỹ thuật cơ bản của tất cả cây qua chế biến cũng tương tự và độc lập như các cây lấy sợi được chế biến hoặc sử dụng các máy móc. Quá trình này bắt đầu với việc mở các kiện để lưu trữ và kết thúc bằng quá trình làm sạch thành phẩm, gồm có sợi dài, sợi ngắn, và sợi vụn.

Giai đoạn 1 (Hình 2.19) là quá trình nhận và tháo mở của các kiện bao gồm cả bỏ dây thừng đóng gói. Nếu rơm không được cắt sơ bộ khi đóng gói, thì thuận lợi khi cắt ngắn thân cây rơm thành từng đoạn có chiều dài 300 – 400 mm trong quá trình tháo mở kiện để tạo điều kiện cho quá trình xử lý và đo.

Các sợi rơm thường chứa tạp chất kim loại, đá, cát, lá, và hạt giống nên cần được loại bỏ trước khi chế biến giai đoạn 2 nhằm bảo quản các máy móc có độ nhạy cao và ngăn chặn việc phát tia lửa và lửa.

Dòng khối lượng của giai đoạn 1 và 2 bị gián đoạn bởi sự thay đổi việc cấp liệu và việc tháo mở kiện. Vì vậy, trong giai đoạn 3, một hệ thống đo với một bộ giảm xóc (technological buffer) được đưa vào máy, chuyển việc cấp rơm thành dòng khối liên tục để đảm bảo hiệu quả làm việc ổn định cho máy chế biến.

34

Sau quá trình chuẩn bị, quá trình tách các sợi sẽ diễn ra tiếp theo, giai đoạn 4 còn được gọi là quá trình decortication (quá trình xay). Các mục tiêu của quá trình decortication là: • để phá hủy các thân cây; • để làm tơi hoàn toàn và phá bỏ tính kết dính giữa các sợi và gỗ/vụn; • để mở, tách, và làm các bó sợi trở nên; • để tách các mảnh vụn ra khỏi sợi càng nhiều càng tốt.

Bước đầu tiên của quá trình decortication trong nhiều trường hợp sử dụng cơ học. Các phương pháp khác, như phân rã bằng hơi nước (steam explosion) và phân rã bằng hóa học hoặc sinh học, cũng rất khả thi. Sử dụng chúng thì tốt hơn, tuy nhiên, đối với quá trình decortication của sợi đã xử lý sơ bộ tại bước thứ hai làm tăng, ví dụ: độ mịn của sợi trong ngành dệt may.

Tháo liệu của quá trình decorticator luôn luôn là hỗn hợp của sợi dài tiêu chuẩn kỹ thuật và tỷ lệ phần trăm nhất định của các vụn gỗ còn lại, cũng như vụn gỗ có chứa một số lượng nhất định các sợi ngắn và sợi lanh.

Các sợi có thể được làm sạch một cách dễ dàng khỏi các mảnh gỗ và vụn gỗ nếu sự kết dính được phá hủy hoàn toàn và không có sự tồn tại của mối liên kết vật chất giữa sợi và các vụn gỗ. Các sợi được làm sạch bằng cách làm tơi cơ học và sự lắc trộn hỗn hợp – giai đoạn 5. Các hạt nặng được gia tốc và được tách ra bằng trọng lực.

Do bề mặt nhám, các sợi đã làm sạch liên kết với nhau trong suốt quy trình tạo thành một cấu trúc ngẫu nhiên không xác định. Cấu trúc này được cải thiện bằng dụng cụ mở sợi hoặc bằng hệ thống chải, kéo các sợi ra song song – giai đoạn 6. Sau quá trình này, các sợi tơi và chỉ có tỷ trọng khối rất nhỏ. Vì vậy, các sợi được kết chắc lại bằng máy đóng kiện lớn tạo thành một kiện có tỷ trọng khối là 350 kg/m3 để lưu trữ tạm thời hoặc vận chuyển.

Trong quá trình chế biến cây lấy sợi, những mảnh vụn phát sinh trong quá trình decortication và quá trình làm sạch sợi, giai đoạn 4 và 5 (Hình 2.19). Đặc biệt là những mảnh vụn từ máy làm sạch có chứa lên đến 20% các sợi ngắn và các bó sợi ngắn, do bị 35

tách ra khỏi các sợi dài tiêu chuẩn kỹ thuật khi chế biến. Những sợi ngắn có chiều dài 8 – 20 mm và có thể được thu hồi từ các mảnh vụn. Sàng xoay (revolving screens) và sàng zigzag (zigzag sifter) được sử dụng chủ yếu cho mục đích này. Những kích thước nhỏ của các mảnh vụn từ bụi mịn khoảng 12 mm. Thông thường, các mảnh vụn được cắt đoạn thành những kích thước nhỏ khác nhau để sắp xếp theo kích thước xác định sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Các cây lấy sợi được xử lý trong phạm vi độ ẩm khoảng 9 – 14%. Do đó, rất nhiều bụi phát sinh, đặc biệt là trong giai đoạn chế biến sử dụng những thiết bị làm việc tốc độ cao, ví dụ, giai đoạn 3 đến 6. Lượng bụi có thể chiếm 2% tổng khối lượng xử lý. Những thiết bị hút bụi công suất lớn với các túi lọc hiện đại kết hợp với nhau được sử dụng để hút bụi, làm sạch không khí thải, và ngăn chặn bụi tích lũy xung quanh máy. Hệ thống lọc hiện đại đáp ứng các giới hạn thải là 30 mg/m3 của bụi hữu cơ.

2.4.3 Các phương pháp retting Sợi tự nhiên luôn luôn có một đặc trưng tiêu cực là sự biến thiên lớn đối với chất lượng của các sợi. Được biết rằng sự biến thiên trong một kiện hàng đơn lẻ đã làm phát sinh các vấn đề trong quá trình chế biến. Bởi vì là sợi tự nhiên, sự biến thiên này thường được coi là không thể tránh khỏi và một yếu tố không thể sửa chữa hoặc đo tính được. Trong khi một số sự biến thiên được gây ra bởi sự đa dạng và điều kiện phát triển, yếu tố lớn nhất là làm thế nào vật liệu sau khi xử lý trở thành sợi có thể sử dụng được.

Sau khi gặt hoặc kéo các cây, các sợi phải được tách và chiết từ các tế bào thân gỗ của cây lấy sợi. Quá trình này tạo ra quá trình tách các bó sợi kỹ thuật từ giữa thân, làm tơi sợi từ các tế bào thân gỗ, được gọi là “retting”. Hầu hết các phương pháp retting đang sử dụng dựa vào hoạt động sinh học của vi sinh vật, vi khuẩn, và nấm từ môi trường để phân huỷ pectic polysaccharide khỏi các mô không chứa sợi, do đó, tách riêng các bó sợi. Quá trình retting hoặc việc làm mục rã rơm rạ tạo ra trong một thời gian bằng cách tiếp xúc với hơi ẩm và, đôi khi, bằng sự giúp đỡ của quá trình decorticator cơ học. Quá trình tách chiết sợi có tác động lớn đến năng suất và chất 36

lượng sợi thành phẩm. Còn ảnh hưởng đến cơ cấu, thành phần hóa học, và tính chất của sợi.

Quá trình retting là bước quan trọng trong quy trình xử lý, vì như trình bày ở phần quy trình sản xuất sợi nhiên thì giai đoạn xử lý sau thu hoạch là chiếm nhiều thời gian nhất (kéo dài từ 1 – 1,5 tháng) sau đó mới chuyển về nhà máy sản xuất thành phẩm. Mà trong giai đoạn đó thì quá trình retting là chiếm đa số thời gian, như vậy nếu sử dụng một phương pháp retting thích hợp thì vừa có thể tăng cơ tính sợi, vừa có thể tiết kiệm được một số lượng thời gian lớn trong suốt quy trình xử lý. Quá trình retting có thể chia thành các quy trình tách chiết sợi bằng sinh học, cơ khí, hóa chất, và vật lý (Hình 2.20: các phương pháp retting)

Hình 2.20 Các phương pháp retting.

2.4.3.1 Retting bằng sương Retting bằng sương là phương pháp phổ biến nhất được áp dụng trong các khu vực có độ ẩm thích hợp và có dao động nhiệt độ. Sau khi gặt, các cây trồng vẫn được đặt trên cánh đồng cho đến khi các vi sinh vật tách các sợi ra khỏi vỏ và chất gỗ. Sự phân hủy vỏ chủ yếu xảy ra do tác động của nấm ở khu vực địa phương đó.

Hệ sợi của nấm phát triển trên các mô giàu carbohydrate, dễ dàng tiếp cận pectin, và làm giảm pectin trong sợi bằng enzym bài tiết (excreted enzyme). Để đảm bảo quá trình retting đồng nhất, các cây trồng phải được hoán chuyển ít nhất một lần.

37

Sau quá trình retting thì thân cây được sấy khô và đóng gói. Quá trình retting phải được dừng lại đúng lúc để ngăn chặn “quá trình overretting”, tức là, nấm bắt đầu phân hủy cellulose của sợi, dẫn đến làm giảm độ bền sợi. Tuy nhiên, nếu sợi chỉ mới đạt tới quá trình “underretting” thì sợi rất khó có thể tách chiết và xử lý thêm. Vì vậy, nông dân cần theo dõi quá trình retting để đảm bảo chất lượng sợi. Thời hạn của quá trình retting là từ 3 đến 6 tuần và phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết (mà điều kiện thời tiết thì không thể kiểm soát được). Lượng mưa và độ ẩm, thời gian nắng và nhiệt độ, và cách trải các cây lấy sợi trên mặt đất cũng ảnh hưởng đến quá trình retting, do đó, tác động đến chất lượng sợi. Những bất trắc của quá trình retting bằng sương dẫn đến chất lượng sợi khác nhau và không phù hợp, và kết quả (thống kê mỗi 6 – 7 năm) thường mất hoàn toàn trong quá trình thu hoạch sợi.

2.4.3.2 Stand-retting Tạo quá trình stand-retting cảm nhiệt, kết thúc quá trình tăng trưởng cây trồng bằng ngọn lửa khí hở. Rễ cây trồng được nung nóng lên ~ 100oC. Các cây khô đồng nhất trong vòng 1 – 2 ngày, do đó có thể sử dụng thay thế các quá trình retting dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Mặc dù làm giảm ảnh hưởng thời tiết và nguy cơ hư tổn sợi, nhưng chi phí cho quá trình retting tăng cao bởi vì bổ sung máy móc đặc biệt là cần thiết. Cơ tính của các sợi không bị ảnh hưởng bằng cách xử lý nhiệt. Hơn nữa, như một phương pháp retting có thể tạo được sợi có chất lượng mong muốn bằng cách điều chỉnh các thông số retting.

2.4.3.3 Retting bằng nước lạnh Retting bằng nước lạnh truyền thống chủ yếu được sử dụng tại các nhà máy sản xuất sợi ở Đông Âu. Quá trình này sử dụng vi khuẩn kỵ khí là phá vỡ pectin của cây được ngâm ngập trong các bể nước lớn, ao, ấp, bản hoặc mương, sông, và thùng. Quá trình này sẽ mất từ 7 - 14 ngày và phụ thuộc vào loại nước, nhiệt độ của nước dùng cho quá trình retting, và sự nhiễm độc của bất kỳ vi khuẩn nào. Mặc dù là quá trình sản xuất được sợi có chất lượng cao, nhưng môi trường cũng ô nhiễm cao do nước thải hữu cơ

38

lên men không thể chấp nhận được. Do xuất hiện các khí men có mùi hôi, phương pháp này đã bị cấm vào năm 1918 tại Đức.

2.4.3.4 Retting bằng nước ấm Retting bằng nước ấm là một hình thức retting nhanh, tạo ra các sợi đồng nhất và sạch có chất lượng cao chỉ trong 3 – 5 ngày. Các bó cây được ngâm trong bể chứa nước ấm (28o đến 40oC). Quá trình như vậy đều bị cấm ở Châu Âu vì những tác động đến môi trường. Sau khi retting xong các sợi được tách ra khỏi phần thân gỗ. Các mảnh vụn hoặc bã đay gai được làm tơi và tách chiết từ các nguyên liệu sợi thô bằng quá trình phá vỡ và đập tước sợi. Các sợi chế biến thô được chuyển qua các trục cán có rãnh để làm nát phần thân gỗ thành các mảnh nhỏ. Quá trình đập tước được thực hiện bằng cách đập cơ học với lưỡi dao kim loại. Sau đó các sợi ngắn được tách ra từ các sợi dài bằng cách chải. Tất cả các công đoạn sản xuất liên tiếp (retting, đập tước, và chải) đều ảnh hưởng đến tính chất sợi. Các dạng vật chất của sợi (Hình 2.21) thu được sau các bước tách chiết khác nhau có thể sắp xếp từ dạng bó đến sợi sơ cấp hoặc thậm chí là các sợi nhỏ hơn.

Hầu hết các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật mới nổi của sợi tự nhiên yêu cầu chất lượng không đổi với cơ tính tốt và giá cả cạnh tranh. Tuy nhiên, điều này chỉ có thể đạt được nếu chất lượng nguyên liệu sợi thô có thể được tinh chế và điều chỉnh bằng cách sử dụng các quá trình cải thiện và linh hoạt. Để cung cấp sợi thỏa các yêu cầu này, cần phát triển một vài phương pháp retting mới và kỹ thuật tách chiết.

39

Hình 2.21 Giản đồ cấu trúc của sợi và thân cây lanh. (Trích từ Bos, H.L. và các đồng nghiệp, J. Mater. Sci., 37, 1683, 2002.)

2.4.3.5 Quá trình retting “xanh” hay cơ học Retting cơ học hoặc “retting green” là một phương pháp thay thế hiệu quả đơn giản và chi phí hơn để tách sợi từ cây. Nguyên liệu cho quá trình này hoặc là phơi khô nhưng chỉ được ngâm nhẹ cây (2 – 3 ngày, tối đa là 10 ngày) hoặc là sấy khô kỹ thuật.

Các sợi được tách ra từ phần thân gỗ bằng thiết bị cơ khí. Sự biến thiên chất lượng sợi do thời tiết bị loại bỏ. Tuy nhiên, sợi thô được sản xuất nhiều và ít mịn so với sợi retting bằng nước hay sương.

2.4.3.6 Quá trình retting ướt Sợi sạch và mịn đồng nhất chỉ có thể thu được từ quá trình retting ướt. Quá trình retting ướt có một phạm vi rộng hơn các thông số cho phép thay đổi sợi đối với các ứng dụng bằng cách điều chỉnh các quá trình để tính toán các tính chất khác nhau của nguyên liệu.

• Quá trình retting bằng enzyme Một phương pháp thay thế khác để sản xuất sợi chất lượng cao và nhất quán là retting enzyme. Quá trình này sử dụng enzym pectin yếu để tách sợi từ các tế bào gỗ.

Sử dụng các enzyme thúc đẩy việc kiểm soát quá trình retting của cây lấy sợi thông qua

40

sự phân huỷ sinh học có chọn lọc các chất khó phân hủy. Cán ép cơ học các thân cây (có thể không retting hay chỉ retting ở mức độ không đáng kể) trước khi retting enzyme, tăng cường thâm nhập enzyme vào mô và làm tăng quá trình phân hủy.

Quá trình retting thực tế diễn ra trong một bồn chứa. Hoạt tính enzyme tăng khi nhiệt độ tăng lên đến một nhiệt độ tối ưu mà ở đó các enzym bắt đầu biến tính. Quá trình kéo dài từ 2 đến 24 giờ. Quá trình retting enzyme có thể không làm hư hại các sợi đơn với độ bền sợi tự nhiên cao hơn nhiều. Tuy nhiên, quá trình này đến nay chỉ có tiến hành trên qui mô thử nghiệm có lẽ vì chi phí cho enzym, thiết bị, và xử lý nước thải cao.

• Quá trình retting bằng chất hoạt độ bề mặt và hóa chất Retting bằng bề mặt và hóa chất dùng tham khảo từ tất cả các phương pháp retting mà trong đó sợi được ngâm ngập trong bể được tăng nhiệt độ có chứa các dung dịch nước của sulfuric acid, chlorinated lime (clo hóa vôi), sodium hydroxide hay potassium hydroxide, và tro soda (natri cacbonat) để hòa tan các thành phần pectin.

Việc sử dụng các tác chất hoạt động bề mặt trong quá trình retting cho phép loại bỏ đơn thuần các thành phần noncellulose không mong muốn bám chặt vào sợi bằng quá trình ở dạng nhũ tương và quá trình ở dạng phân tán (dispersion-forming). Các quá trình này giảm thời gian retting, tùy thuộc vào các điều kiện quá trình, để một vài phút hoặc đến 48 giờ. Retting hóa chất sản xuất sợi chất lượng cao nhưng làm tăng chi phí sản phẩm cuối cùng.

41

Hình 2.22 Những mối nối trên bề mặt sợi sau quá trình cơ học quá mức (Trích từ Lampke, T.,Technische Universität Chemnitz, Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, 2001, p. 65.)

Mối nối (Hình 2.22) làm giảm cơ tính một cách đáng kể (độ bền kéo và độ bền nén) của các sợi. Hơn nữa, retting cơ học tạo nhiều sợi ngắn, trong đó, nếu nặng, có thể gây bất lợi cho chế biến sau.

42

Hình 2.23 Ảnh qua kính hiển vi điện tử của các sợi lanh khác nhau (A) Sợi lanh đã retting, trạng thái thô tự nhiên; (B) Sợi lanh tươi, được tách bằng ultrasonification; (C) Sợi cellulose; (D) Sợi lanh STEX. (Trích từ Bismarck, A. và các đồng nghiệp, Polym. composites, 23, 872, 2002. With permission of the Society of Plastics Engineers.)

Hình 2.23 cho thấy các sợi lanh đã tách và retting theo nhiều phương pháp khác nhau. Hình 2.23A cho thấy sợi lanh được retting bằng sương. Các sợi tách không tốt, vẫn còn phủ và dính với nhau bởi các hợp chất noncellulose. Sợi lanh đã được tách ra từ sợi lanh thô không qua retting bằng cách sử dụng sóng siêu âm (Mỹ) (Hình 2.23B).

Trong suốt quá trình tách các bó sợi được tách ra từng phần. Các hình ảnh hiển vi cho thấy một phần cấu trúc không bị bao phủ, so sánh với hình của các sợi cellulose (Hình

43

2.23C), tuy nhiên, các vùng khác vẫn còn bị bao phủ bởi các hợp chất noncellulose (như sáp hoặc mỡ). Quá trình STEX sản xuất sợi tương đối mịn (Hình 2.23D). Tuy nhiên, cấu trúc sợi vẫn không hoàn toàn tơi hẳn (ví dụ, sáp chất xơ và chất béo vẫn còn gắn liền với bề mặt). Quá trình tách STEX làm sự phân rã hầu hết các chất kết dính, dẫn đến quá trình phân hủy tốt hơn cho những bó sợi còn lại tạo thành các sợi sơ cấp khi tác động lực kéo luôn có trong suốt quá trình trộn trong máy đùn hoặc máy ép phun. Ngược lại, các bó sợi thu được bằng quá trình tách hoàn toàn bằng cơ học không bị phân hủy trong quá trình trộn, tạo ra cơ tính kém của vật liệu composite.

44

Bảng 2.4: So sánh các quá trình retting

Retting sương

Thời gian

Yếu tố ảnh hưởng

Ưu điểm

Khuyết điểm

Độ ẩm, lượng mưa

Phổ biến

Phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí 3 – 4 tuần

Nhiệt độ

Dễ thực hiện

hậu

Cách phơi trên mặt

Chi phí thấp

Thời gian lâu

đất

Sợi mịn

Chất lượng sợi không ổn định

Thông số máy móc

Không phụ thuộc thời tiết

Chi phí rất cao

Nhiệt độ xử lý

Giảm hư tổn sợi

Máy móc hiện đại

thực hiện

Hệ nấm từng địa phương Thời gian retting

Stand-

1 – 2 ngày

Chất lượng sợi ổn định

retting

Thời gian ngắn Loại nước

Phổ biến

Ô nhiễm nước nặng, xuất hiện khí 7 – 14 ngày

Retting

Nhiệt độ nước

Dễ thực hiện

men có mùi hôi => cấm sử dụng

nước lạnh

Vi khuẩn

Chất lượng sợi cao, mịn

Retting

Nhiệt độ cung cấp

Chất lượng sợi cao, mịn và

45

Ô nhiễm môi trường nghiêm

3 – 5 ngày

nước ấm

Quá trình đập tước

đồng nhất

trọng => cấm sử dụng

Không phụ thuộc thời tiết

Nhiều sợi thô, ít mịn

sợi Retting cơ

Dễ thực hiện

học

2 – 3 ngày (tối đa 10 ngày)

Chi phí thấp Sợi sạch và mịn đồng nhất

Retting ướt, gồm: Enzyme

Không phụ thuộc thời tiết

Chỉ thực hiện quy mô thí nghiệm

Nhiệt độ tác động

Không hư tổn sợi

Chi phí enzyme cao

Độ bền sợi giữ nguyên hay

Chi phí thiết bị và hệ thống xử lý

cao hơn

nước thải cao

• Bằng enzyme

2 – 24h

Giảm thời gian

• Bằng hóa chất

Loại hóa chất

Không phụ thuộc thời tiết

Nhiệt độ tác động

Chất lượng sợi tăng

Chi phí tăng

Vài phút hoặc đến 48 h

Giảm thời gian

46

Tìm hiểu các phương pháp retting ta nhận thấy mỗi phương pháp đều có những lợi thế riêng nhưng trội hơn hết là phương pháp xử lý bằng hóa chất, là phương pháp tổng hợp từ các phương pháp khác có được những lợi thế của các phương pháp retting.

Retting hóa học có thể sử dụng với quy mô lớn mà với chi phí cao phù hợp sản xuất đồng thời có thể rút ngắn thời gian tối đa. Mỗi loại sợi tự nhiên sẽ có nhóm hóa chất phù hợp với chúng, ví dụ: sisal trong một số tài liệu retting bằng nước biển từ đó ta có thể thay thế bằng các hóa chất khác để tăng khả năng xử lý.

2.5 Kiểm tra sợi 2.5.1 Các yêu cầu về cơ tính sợi Khi nhận xét các giá trị cơ tính đo được, cần phân biệt giữa các tính chất bên trong (bản chất của sợi) và các trạng thái của sợi. Tính chất bên trong, ví dụ như chiều dài, độ bền, độ mịn và màu sắc, có liên quan trực tiếp đến chất lượng vật liệu. Tính chất dựa trên trạng thái của sợi, ví dụ như hàm lượng mảnh vụn, bụi, tính chất dính, nấm mốc và các tạp chất khác được tạo ra hoặc chịu ảnh hưởng của sản xuất, vận chuyển, chế biến.

2.5.1.1 Độ bền kéo đứt Cơ tính chịu ảnh hưởng của một số tác động bên ngoài, làm phạm vi dung sai các thông số cơ tính lớn. Do thực tế này, quá trình thu hoạch, bảo quản và chế biến phải được giám sát và kiểm soát càng nhiều càng tốt để loại bỏ các tổn thất độ bền sợi tự nhiên cao và có được chất lượng ổn định. Quá trình retting làm tăng độ bền kéo đứt trung bình của sợi gai dầu. Điều đó có nghĩa là các sợi trở nên bền hơn và chắc hơn. Đồng thời, tính đàn hồi và độ dãn dài giảm.

2.5.1.2 Độ mịn Độ mịn sợi là thước đo mức độ tơi hoàn toàn các bó sợi tự nhiên thành sợi mỏng hoặc sơ cấp. Quá trình tiền xử lý bó sợi bằng quá trình retting làm tăng độ mịn sợi sau khi chế biến. Các sợi lanh và hạt lanh, mà có sợi tự nhiên mảnh, có độ mịn cao hơn sau khi chế biến.

47

2.5.1.3 Độ dãn dài Sợi tự nhiên đơn là hình dạng ba chiều của các tế bào tạo thành chuỗi. Nói cách khác, sợi tự nhiên là một polymer sinh học ba chiều. Các sợi đơn liên kết với nhau và xoắn tạo thành bó sợi bền hơn. Cấu trúc này tạo độ dãn tốt với hiệu suất cao.

2.5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Phương pháp SEM được các nhà khoa học nghiên cứu, ví dụ như Flegler và các đồng nghiệp (1993), Goldstein và các đồng nghiệp (2005), Goodhew và Humphres (1998) và Lyman và các đồng nghiệp (1990).

SEM là một bước phát triển cao hơn của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phát minh vào đầu thập niên 1930 bởi Ernst Ruska và Max Knoll (Berlin, Đức). Hình SEM thường dễ hiểu hơn so với hình TEM, và đối với sợi thì việc chuẩn bị mẫu cho ảnh điện tử thứ cấp trong SEM khá đơn giản. Một lợi thế lớn của SEM là độ sâu trường nhìn lớn (depth of field: độ sâu tiêu điểm) có thể đạt được khi sử dụng kỹ thuật vi sao chụp này (microscopy technique). Tùy thuộc vào thiết bị và điều kiện, độ phân giải (định nghĩa rộng là khả năng nhìn chi tiết độ mịn và theo kỹ thuật là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm phân biệt) có thể nhỏ hơn 1 nm. Điều kiện tiên quyết khi kiểm tra các loại sợi tự nhiên bằng SEM là mẫu phải khô và tạo cho mẫu có tính dẫn điện.

• Sợi sisal xử lý cơ học Các bó sợi được tách chiết cơ học từ các lá sisal. Trong hình 2.24A và 2.24B, những bó sợi được ghép từ các sợi đơn. Các sợi là những đa giác dạng tròn, với vòng không đều hoặc lumen hình bầu dục. Latzke và Hesse (1988) đã trình bày đường kính của bó sợi là khoảng 80 μm và đường kính sợi đơn là 5 – 20 μm. Hình 2.24B cho ta thấy độ rộng bó là khoảng 114 – 288 μm. Hình dạng dọc của bó sợi sisal được tách chiết bằng cơ học hiển thị trên hình 2.24C và 2.24D. Những mô mềm của lá vẫn còn trên bó sợi và tạo sự thô ráp trên bề mặt.

48

Hình 2.24 Sợi sisal xử lý bằng cơ học.

A và B – mặt cắt ngang; C và D – chiều dọc sợi.

• Sợi sisal xử lý hóa học Có một sự khác biệt một cách đáng kể đối với bó và sợi sisal ở các giai đoạn khác nhau của quá trình xử lý. Như trong hình 2.25A và 2.25B, các mặt cắt của sợi sisal được xử lý hóa học dường như bị phân rã từng phần. So sánh theo chiều dọc của sợi xử lý cơ học (hình 2.25C và 2.25D) và sợi xử lý hóa học (hình 2.25C và 2.25D), xử lý hóa chất thể hiện sự thay đổi một cách đáng kể trên bề mặt của các sợi. Một số sợi ở hình 2.25C có cấu trúc giống như bông. Đặc điểm này đôi khi là rắc rối đối với sự đồng nhất của các loại sợi. Hình 2.25C cho thấy độ rộng của sợi là 7 μm và độ rộng bó là 127 μm.

49

Hình 2.25 Sợi sisal xử lý hóa học.

A và B – mặt cắt ngang; C và D – chiều dọc.

50