Báo cáo đề tài cấp Nhà nước: Nghiên cứu chế tạo các loại sợi ngắn và vải mát từ tre và luồng để gia cường cho vật liệu polyme composite thân thiện môi trường - TS. Bùi Chương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------------- BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC NGHIÊN CƯÚ CHẾ TẠO CÁC LOẠI SỢI NGẮN VÀ VẢI MÁT TỪ TRE VÀ LUỒNG ĐỂ GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU POLYME COMPOSITE THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: KC 02.02/06-10 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. BÙI CHƯƠNG 7725 26/02/2010 HÀ NỘI , 2009 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10 MỞ ĐẦU Trong xu hướng chung về khoa học công nghệ hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đang nổi lên như một hướng nghiên cứu hàng đầu, bao trùm nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu và phát triển compozit sợi tự nhiên cũng là một vấn đề lớn trong đó, hiện đang được rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Chẳng hạn Hội phát triển khoa học Nhật (JSPS) đã xây dựng một chương trình hợp tác Á-Phi về phát triển sợi phục vụ con người (JSPS Asia-Africa Science Platform Program on Neo-fibre Technology) trong đó Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là một thành viên với các nghiên cứu về sợi tự nhiên ở Việt Nam. Tiếp theo các nghiên cứu về sợi tự nhiên trước đây tại Trung tâm NCVL Polyme, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Đề tài KC 02-06, KC 02-23), đề tài “Nghiên cứu chế tạo các loại sợi ngắn và vải mát từ tre và luồng để gia cường cho vật liệu polyme compozit thân thiện môi trường” (mã số KC.02.02/06-10) tập trung nghiên cứu việc tách và xử lý sợi luồng, đánh giá các đặc trưng bề mặt và độ bền của sợi sau khi xử lý. Trên cơ sở đó xây dựng quy trình công nghệ chế tạo sợi luồng ở hai dạng (sợi ngắn và mát), đồng thời thiết kế chế tạo một số thiết bị nhằm định hình dây chuyền sản xuất hai loại sợi trên. Đề tài cũng nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit từ sợi ngắn và mát luồng với các loại nhựa nền khác nhau (polypropylen, polyeste không no, epoxy). Các kết quả đạt được của đề tài là cơ sở khoa học để triển khai chế tạo và ứng dụng vật liệu compozit cốt sợi luồng ở quy mô bán sản xuất và lớn hơn. 1 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. SỢI TRE - LUỒNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.1.1. Giới thiệu về tre - luồng Tre là vật liệu compozit tự nhiên sẵn có, phát triển rất dồi dào ở hầu hết các nước vùng nhiệt đới và bán nhiệt đới. Nó được coi như và vật liệu compozit vì nó bao gồm các sợi xenlulô được bao bọc trong nhựa nền lignin. Sợi xenlulô định hướng dọc theo chiều dài của luồng do đó cho độ bền kéo, uốn và độ cứng vững rất lớn. Tre là một loài cây có khoảng 1250 loại tìm thấy ở khắp các vùng trên thế giới. Tre chiếm khoảng 20-25% khối lượng thực vật trong rừng bán nhiệt đới và nhiệt đới. Hiện nay có khoảng 35 loại tre đang được sử dụng như dạng nguyên liệu thô trong công nghiệp giấy. Với tốc độ phát triển nhanh chóng của nền kinh tế toàn cầu và tăng trưởng về dân số, tổng số nhu cầu về gỗ và các sản phẩm từ gỗ tiếp tục tăng trong tương lai. Theo Tổ chức Lương nông Liên Hiệp Quốc ( Food and Agricultural Orgnization – FAO) nhu cầu về gỗ sẽ tăng khoảng 20% vào 2010. Trong khi đó tốc độ trồng và tái sinh rừng vẫn ổn định. Để đáp ứng cho phát triển toàn cầu, tre là nguồn nguyên liệu tối ưu, nó rất hiệu quả trong việc hấp thụ CO2 làm giảm hiệu ứng nhà kính, đồng thời có hiệu quả kinh tế cao như rẻ tiền, năng suất cao, phát triển nhanh với tính chất vật lý, cơ học tốt. Tre thể hiện tiềm năng lớn để có thể thay thế gỗ [1]. 1.1.2. Cấu tạo của tre - luồng Cấu trúc vật lý của tre - luồng Sợi đơn của tất cả các loại thực vật nói chung và luồng nói riêng bao gồm các tế bào. Các sợi vô cùng nhỏ (microfibril) của xenlulo được liên kết 2 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10 với nhau thành lớp hoàn chỉnh bởi lignin và hemixenlulo vô định hình. Các lớp xenlulo-lignin/hemixenlulo này trong thành tế bào (gồm lớp sơ cấp và thứ cấp) liên kết với nhau tạo thành compozit đa lớp và được gọi là tế bào. Cấu trúc giải phẫu của tre - luồng. Tre thuộc họ cỏ Bambusoideae, là một ligno-xenlulo compozit tự nhiên trong đó các sợi xenlulo được bao bọc bởi nền lignin. Chiều dài trung bình của sợi xenlulo khoảng 2 mm và đường kính trung bình trong khoảng 10÷20µm. Độ cứng của tre phụ thuộc chủ yếu vào số lượng các bó sợi và kiểu phân bố của chúng (hình 1.1) Gióng tre Mấu A: Cọng tre hay thân tre. Cọng B: Mặt cắt ngang của thân tre. tre C: Mặt cắt của tre được phóng to (×10). Y: Minh hoạ các bó mạch được gắn vào trong nhu mô X. D: Một bó mạch được phóng to (×80) để minh hoạ sự bện sợi hay tạo sợi (1), cấu trúc dạng ống metaxylam (2), vỏ bọc mô cứng (3), khoảng trống gian bào (4), và Libe (5). Hình 1.1. Cấu trúc giải phẫu của tre Các sợi tự nhiên được hình thành từ các sợi nhỏ hơn (fibril), các sợi nhỏ này chạy dọc theo chiều dài của sợi. Mỗi sợi nhỏ là một cấu trúc lớp phức tạp và được cấu tạo bởi một thành sơ cấp mỏng bao quanh lớp thứ cấp dày hơn. Trong lớp thứ cấp là các sợi xenlulo vô cùng nhỏ (microfibril), các sợi này được lượn xoắn quanh trục của sợi (hình 1.2)[1]. 3 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.02.02/06-10 microfibril Vùng vô định hình Hình 1.2. Cấu tạo lớp thứ cấp Hình 1.3. Cấu trúc lớp của sợi luồng Có nghĩa là tất cả các loại sợi tự nhiên trên cơ sở ligno-xenlulo bao gồm các sợi xenlulo vô cùng nhỏ trong nền vô định hình của lignin và hemixenlulo. Góc giữa trục của sợi và các sợi vô cùng nhỏ được gọi là góc sợi. Bản thân sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng là vật liệu được gia cường bằng sợi xenlulo do đó góc sợi và hàm lượng xenlulo quyết định ứng xử cơ học của sợi [2-4]. Liese đã đưa ra hình ảnh về siêu cấu trúc của sợi tre (hình 1.3). Phiến tre bao gồm các lớp hẹp và rộng xen kẽ nhau với sự định hướng sợi khác nhau. Trong lớp rộng, các sợi nhỏ được định hướng tại các góc nhỏ hơn so với trục của sợi, trong khi ở các lớp hẹp sợi nhỏ chủ yếu được định hướng ngang. Đồng thời, hàm lượng lignin trong lớp hẹp cao hơn so với lớp rộng. Nhờ cấu trúc lớp này mà sợi có độ bền kéo rất cao [3,4]. Góc giữa sợi nhỏ và trục sợi lớn được gọi là góc tế vi. Hàm lượng của các sợi tế vi và góc tế vi quyết định tính chất cơ học của sợi. Trong tre, xenlulo và hemixenlulo chiếm hơn 50%, lignin là thành phần phong phú thứ 4 ... - tailieumienphi.vn