TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

28

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE
SỢI ĐAY/ NHỰA POLYPROPYLENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
BIẾN TÍNH NHỰA NỀN
INVESTIGATION ON IMPROVING THE PERFORMANCES OF
JUTE/POLYPROPYLENE COMPOSITE BY MATRIX MODIFICATION

Đoàn Thị Thu Loan
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Các polymer gia cường sợi tự nhiên có những tính chất cơ học và độ kháng nước khác
nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và sợi. Trong nghiên cứu này, ảnh
hưởng của các tác nhân tương hợp copolymer ghép của polypropylene với anhydride maleic
(MAHgPP) đến tính chất của composite nền nhựa polypropylene gia cường sợi đay được khảo
sát. Kết quả cho thấy khi thêm 2% khối lượng Exxelor (Ex) vào nhựa nền polypropylene thì độ
bền kết dính tại bề mặt tiếp xúc cải thiện đáng kể do vậy làm tăng độ bền kéo trượt, độ bền
kéo, độ bền va đập và độ kháng nước, tuy nhiên không ảnh hưởng đến module kéo của mẫu
composite. Sự thay đổi độ bền kết dính tại bề mặt tiếp xúc và hình thái bề mặt phá hủy được
đánh giá bằng cách sử dụng composite sợi đơn qua các phương pháp phân tích hiện đại gồm
thử độ bền kéo trượt composite sợi đơn và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).
ABSTRACT
Natural fibre reinforced polymer matrices can exhibit very di ff erent mechanical
performances and water resistance depending on interphase properties between fibre and matrix
polymers. In this study, investigations of the effects of compatibilisers based on maleic anhydride
grafted polypropylene copolymers (MAHgPP) on the properties of jute fibre reinforced
polypropylene composites have been considered. The addition of 2 wt% Exxelor (Ex)
compatibilisers to polypropylene matrix (PP) can significantly improve the adhesion strength with

lĩnh vực nghiên cứu này còn rất hạn chế. Một số nghiên cứu xử lý bề mặt sợi tự nhiên
nhằm nâng cao tính năng cơ lý của composite sợi tre đã được thực hiện bởi một số
nhóm nghiên cứu tuy nhiên chỉ dừng ở mức độ vĩ mô [9, 10, 11].
Đặc biệt khí hậu nhiệt đới ở Viêt Nam rất thuận lợi cho sự phát
triển của cây đay, nên nguồn sợi đay ở nước ta rất dồi dào, tuy nhiên, vẫn chư a được
khai thác sử dụng triệt để. Việc nghiên cứu sử dụng sợi đay cũng như các loại sợi tự
nhiên khác trong gia cường vật liệu composite ở nước ta chỉ ở giai đoạn bắt đầu. Những
ứng dụng của vật liệu composite sợi tự nhiên trong đời sống cũng như trong công
nghiệp còn rất hạn chế. Do vậy việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu composite
sợi đay là rất cần thiết.
Để cải thiện tính năng của vật liệu composite sợi đay nền nhựa polypropylene,
nghiên cứu này thực hiện phương pháp biến tính nhựa nền bằng cách sử dụng tác nhân
tương hợp MAHgPP. Với những phương pháp phân tích hiện đại kết hợp những phương
pháp cơ bản, nghiên cứu này nhằm không chỉ khảo sát vật liệu ở mức độ vĩ mô mà còn
thực hiện những nghiên cứu cấu trúc micro và nano.
2. Tổng quan
Vật liệu composite hay còn gọi là vật liệu kết hợp được hình thành từ hai hay
nhiều vật liệu khác nhau, có tính năng hơn hẳn các vật liệu thành phần khi sử dụng riêng
lẻ. Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn (vật liệu gia cường) được
phân bố trong một pha liên tục (vật liệu nền). Vật liệu gia cường có thể là sợi tổng hợp
hoặc sợi tự nhiên (lanh, đay, gai, thùa, xơ dừa ) gia cường cho các vật liệu nền khác
nhau. Trong đó, nền nhựa được sử dụng rất phổ biến. Trong nghiên cứu này, sợi đay
được dùng làm vật liệu gia cường cho nhựa nền polypropylene.
Sợi đay: có độ cứng và độ bền kéo cao. Vùng kết tinh (65-73%) có mức độ trật
tự cao làm cho dung môi hoặc các tác chất khó thâm nhập. Thành phần hóa học chính
của sợi đay gồm: cellulose, hemicellulose và lignin.
Nhựa polypropylene (PP): có tính năng cơ lý cao, tỉ trọng thấp và không phân
cực. Mức độ kết tinh của PP khoảng 60-70%, không hòa tan trong bất kỳ dung môi nào
ở nhiệt độ phòng, chỉ trương và hòa tan trong vài dung môi đặc biệt ở nhiệt độ trên
100

3.2. Các phương pháp gia công
Mẫu macro-composite được gia công qua hai giai đoạn: tạo compound bằng
phương pháp ép đùn và tạo mẫu bằng phương pháp đúc tiêm.
Ép đùn tạo hạt compound : Nền nhựa PP được biến tính ở giai đoạn tạo
compound sử dụng thiết bị ép đùn hai trục (Co-rotating twin-screw extruder ZSK 30).
Chế độ nhiệt tại các vùng như ở Hình 1.
Ép phun tạo mẫu composite: Các hạt compound sau khi được sấy 4 giờ ở 100
o

C
được dùng để tạo mẫu bằng thiết bị ép phun. Mẫu macro-composite hình “dog-bone”
được tạo nên theo tiêu chuẩn DIN 53455. Chiều dài sợi trung bình khoảng 244 µm. Hình 1. Chế độ nhiệt sử dụng ở máy ép đùn.
PP
+ MAHgPP

Sợi đay
165°C
Chân không
185°C

193°C
Đầu tạo hình
180°C

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

31

g) để ghi lại sự thay đổi khối lượng và đo
độ bền kéo.
4. Kết quả và thảo luận
4.1. Độ bền kéo trượt của micro-composite:
Để tăng độ tương thích của nền nhựa PP không phân cực với sợi đay phân cực,
ba loại chất tương hợp MAHgPP được dùng để khảo sát gồm Exxelor PO 1020 (Ex),
Polybond 3200 (Po) và TPPP 8012 (Tp). Ảnh hưởng của loại và lượng chất tương hợp
(MAHgPP content) đến độ bền kéo trượt (Apparent interfacial shear strength) của các
mẫu micro-composite được trình bày trong đồ thị Hình 2.
Từ đồ thị ta thấy, khi sử dụng chất tương hợp MAHgPP để biến tính nhựa nền
PP độ bền kéo trượt của mẫu micro-composite được cải thiện. Khi tăng hàm lượng chất
tương hợp MAHgPP độ bền kéo trượt của mẫu micro-composite tăng. Đối với hai chất
tương hợp Ex và Po thì sự cải thiện không tăng đáng kể khi sử dụng hàm lượng trên 2%
khối lượng. Trong các chất tương hợp, Ex cải thiện lớn nhất đến độ bền kéo trượt của
mẫu sợi đay/nhựa PP micro-composite và tối ưu với hàm lượng 2%. Độ bền kéo trượt
tăng khoảng 92% khi sử dụng 2% Ex so với mẫu không chứa Ex. Chứng tỏ độ kết dính
tại bề mặt tiếp xúc của nhựa nền và sợi tăng lên. Ex với hàm lượng 2% được xem là
điều kiện biến tính nền tối ưu trong hệ composite sợi đay nền nhựa polypropylene.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

32

0 1 2 3 4 5 6 7
10
12
14
16
18
20
22

Hình 4 cho thấy ảnh hưởng của chất tương hợp Ex và hàm lượng sợi (fibre
content) đến độ bền cơ học tĩnh, gồm kéo (tensile strength) và va đập (impact strength)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

33

của mẫu macro-composite. Sự sử dụng Ex với hàm lượng 2% đã làm tăng đáng kể độ
bền kéo và độ bền va đập so với mẫu không có Ex. Riêng module kéo có tăng nhưng
không đáng kể khi sử dụng Ex. Đối với mẫu không biến tính, khi tăng hàm lượng sợi thì
độ bền kéo giảm. Khuynh hướng thay đổi độ bền kéo hoàn toàn khác hẳn khi tăng hàm
lượng sợi đối với mẫu có chứa Ex, độ bền tăng khi hàm lượng sợi tăng. Tuy nhiên khi
hàm lượng sợi cao quá thì độ bền lại giảm (mẫu có hàm lượng sợi 41% thể tích).
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40
0
1
2
3
4
5
6
Module keo (MPa)

Tensile strength (MPa)
Do ben keo, 0% Ex

4.4. Khảo sát kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kết quả chụp SEM cho thấy hình thái bề mặt phá hủy của mẫu ở Hình 5.

(a) (b)
Hình 5. Ảnh SEM của mẫu composite sau khi bị phá hủy kéo, (a) 0% Ex và (b) 2% Ex.
Bề mặt phá hủy của mẫu composite không chứa Ex có mức độ kết dính kém tại
bề mặt tiếp xúc giữa sợi và nhựa nên xuất hiện nhiều lỗ rỗng và vết nứt ở vùng xung
quanh sợi (Hình 5a). Tuy nhiên, khi nền nhựa được biến tính bằng Ex thì kết dính tại
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

34

vùng bề mặt tiếp xúc được cải thiện đáng kể do vậy số lượng và kích thước các vết nứt
và lỗ rỗng ở vùng ranh giới nhựa/sợi giảm nhiều (Hình 5b).
4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nước
Hình 6a cho thấy khi hàm lượng sợi trong mẫu tăng thì độ hấp thụ nước tăng. Ở
nhiệt độ cao (70
o
C) mẫu composite hấp thụ nước mạnh hơn ở nhiệt độ thấp (25
o
Điều thú vị khi kết quả cho thấy độ bền kéo của mẫu PP và composite (
C). Sự
sử dụng 2% Ex đã hạn chế đáng kể sự hấp thụ nước, đặc biệt ở các mẫu có hàm lượng
sợi cao.
Hình 6b)
không giảm hoặc thậm chí tăng nhẹ sau khi ngâm trong nước 7 ngày ở nhiệt độ phòng
25
o
C. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao 70
o

0
10
20
30
40
50Tensile strength (MPa)
Fibre content (volume %)
Comp. soi day/PP
Comp. soi day/PP, 25
o
C
Comp. soi day/PP, 70
o
C
Comp. soi day/PP+2% Ex
Comp. soi day/PP+2% Ex, 25
o
C
Comp. soi day/PP+2% Ex, 70
o
C
(b)
Hình 6: Sự thay đổi khối lượng (a)và độ bền kéo (b) của mẫu sau khi ngâm trong nước.
5. Kết luận
Sự xử lý nhựa nền đã cải thiện đáng kể đa số các tính năng của vật liệu
composite. Trong số các chất tương hợp MAHgPP, Ex dùng với hàm lượng 2% được
xem là tối ưu để biến tính nhựa nền PP. Sự sử dụng Ex làm tăng độ bền kéo trượt

[5] Feng D, Caulfield D F, Sanadi A R. Effect of compatibilizer on the structure-
property relationships of kenaf-fiber/polypropylene composites. Polymer
Composites 2001, 22, 4, 506-517.
[6] Sanadi A R, Caulfield D F. Transcrystalline interphases in natural fibre-PP
composites: effect of coupling agent. Composite Interfaces, 2000, 7 (1), 31-43.
[7] Qiu W, Zhang F, Endo T, Hirotsu T. Preparation and characteristics of composites
of high-crystalline cellulose with polypropylene: effects of maleated polypropylene
and cellulose content. Journal of applied Polymer Science, 2003, 87, 337-345.
[8] Rana A K, Mandal A, Bandyopadhyay S. Short jute fibre reinforced polypropylene
composites: effect of compatibiliser, impact modifier and fibre loading. Composites
Science Technology, 2003, 63, 801-806.
[9] Phan Thị Minh Ngoc, Cao Hoàng Long, Nghiê n cứu chế tạo vật liệu polyme
compozit trên cơ sở phenol -focmandehit gia cường bằng phoi tre, Tạp chí hóa học
T43-1/2005.
[10] Trần Vĩnh Diệu, Nguyễn Phạm Duy Linh, Đào Minh Anh, Nghiên cứu ảnh hưởng
của xử lý bề mặt sợi tre bằng anhydric axetic đến tính chất kéo của vật liệu polyme
compozit trên cơ sở nhựa polypropylen, Tạp chí hóa học, T43-4/2005.
[11] Trần Vĩnh Diệu, Phạm gia Huân, Phạm Xuân Khải, Nghiên cứu quá trình xứ lý bề
mặt sợi tre bằng acrylonitril (AN) và tính chất của vật liệu polyme compozit trên cơ
sở nhựa polypropylen gia cường bằng sợi tre. Tạp chí hóa học T43-5/2005.
[12] Polymerwerkstoffe- lecture from Prof. Heindrich, IPF Dresden, Germany.