Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu composite và những giá trị to lớn mà vật liệu này mang lại vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm như: nhiều loại composite có tuổi thọ ngắn nhưng mất rất nhiều thời gian để có thể phân hủy, một số khác không thể tái sử dụng cũng như phân hủy sinh học, composite từ sợi thủy tinh sau khi sử dụng rất khó để tiêu hủy, bụi thủy tinh được đánh giá là tác nhân gây ung thư phổi...

Trước những ảnh hưởng to lớn của vật liệu composite đối với môi trường sinh thái và con người, việc sản xuất vật liệu composite đã có những thay đổi theo hướng tăng cường nghiên cứu nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên, trong đó việc sử dụng sợi tự nhiên thay thế sợi tổng hợp làm vật liệu gia cường cho vật liệu composite được ưu tiên chọn lựa. Các sản phẩm composite từ sợi xơ dừa, sợi từ bẹ dừa nước, … được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Hoàng Xuân Niên (2012) đã nghiên cứu về vật liệu composite kết hợp sợi xơ dừa với nhựa r-HDPE. Kết quả cho thấy vật liệu composite từ sợi xơ dừa và nhựa r-HDPE có các đặc tính cơ học đáp ứng đầy đủ yêu cầu của TCVN 7754-5-2007. Võ Tấn Phát (2013) đã nghiên cứu về composite từ sợi bẹ dừa nước và polyester không no. Kết quả cho thấy sợi từ bẹ dừa nước có các đặc tính tương đối tốt, tuy nhiên cơ tính của sợi bẹ dừa nước có phần thấp hơn so với xơ dừa nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu của sợi gia cường cho vật liệu composite. Quy trình tối ưu để tách sợi từ bẹ dừa nước, kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc xử lý hóa học giúp việc tách sợi diễn ra nhanh và hiệu quả hơn.

Nghiên cứu thành phần cơ bản của các bộ phận cây dừa nước, kết quả cho thấy hàm lượng cellulose ở các bộ phận có sự biến động khá lớn từ 28,9 – 45,6%, hàm lượng hemicellulose ở mức trung bình 21,8 – 26,4%, lignin chiếm 19,4 – 33,8%, protein, sáp và các chất hữu cơ vi lượng chiếm từ 2 – 8%, ngoài ra lượng chất tro từ 5,1 đến 11,7%. Nghiên cứu so sánh độ bền kéo giữa sợi bẹ dừa nước được xử lý cơ học bằng cách xé tơi và chải sạch với sợi còn trong bẹ, kết quả cho thấy sợi được làm sạch cơ học có độ bền kéo cao hơn (32 MPa so với 24 MPa), mức độ giãn dài giảm rõ rệt (5,5% so với 10,8%). Nghiên cứu đặc tính bền nhiệt của composite từ sợi bẹ dừa nước với nhựa LDPE, khi sợi bẹ dừa nước được thấm copolymer Polypropylene - Lactic Acid, mẫu vật liệu composite có những cải thiện rõ rệt về mức độ ổn định nhiệt so với composite từ LDPE và sợi bẹ dừa nước. Mặc dù composite từ sợi thực vật có cơ tính thấp hơn so với composite từ sợi nhân tạo nhưng với ưu thế là nhẹ hơn và thân thiện với môi trường nên các sản phẩm composite từ sợi tự nhiên dần được ứng dụng rộng rãi và thay thế một phần composite từ sợi nhân tạo.

Quá trình tạo mat sợi từNFFS

Trong đề tài này, sợi tự nhiên gia cường cho vật liệu composite được tách từ cuống dừa nước (Nypa fruticans flower stalk - NFFS), phần còn lại sau khi khai thác dịch đường hoặc thu hoạch buồng dừa nước để lấy quả. Đây là loại sợi tự nhiên hầu như chưa được nghiên cứu để gia cường cho vật liệu composite. Trước đây, sợi NFFS được người dân ở vùng Tây Nam Bộ sử dụng làm chổi bếp và làm một số dụng cụ vệ sinh trong đời sống hằng ngày, tuy nhiên đến hiện tại hầu như không còn ứng dụng liên quan đến sợi NFFS. Nhựa nền được sử dụng là nhựa polyethylene tỷ trọng cao tái chế (r-HDPE), một loại nhựa được tái chế từ các sản phẩm bao bì sử dụng phổ biến trong đời sống. Việc sử dụng rộng rãi bao bì nhựa HDPE dẫn đến việc phát sinh quá mức nguồn nhựa phế thải, trong khi sự phân huỷ của những loại nhựa từ nguồn dầu mỏ này mất đến hàng trăm năm. Vì thế, việc tái chế lại nhựa HDPE để làm nền cho vật liệu composite không chỉ với mục đích tạo ra sản phẩm rẻ có giá trị mà còn giải quyết vấn đề môi trường do rác thải nhựa gây ra.

Nguyên liệu sử dụng là cuống dừa nước 6-8 tháng tuổi với chiều dài 100-130 cm được thu gom tại kênh 6000, xã Phong Thạnh Tây A, huyện Phước Long, tỉnh Bạc Liêu. Nhựa r-HDPE được sử dụng là vỏ thùng nước rửa chén hiệu Sunlight. Các hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý hóa học cho sợi NFFS gồm có: sodium hydroxide (NaOH, 99%, Zongtai, Trung Quốc), sodium sulfide (Na2S, 99%, Xilong, Trung Quốc) và hydrogen peroxide (H2O2, 50%, Interox, Thái Lan). Các hóa chất được sử dụng trực tiếp không phải tinh chế lại.

Đầu tiên, các sợi sau khi tách từ NFFS được xử lý hoá học và ép tạo tấm sợi ngẫu nhiên. Tiếp theo, thùng nhựa từ HDPE được thu gom, rửa sạch, cắt nhỏ, và ép nóng để tạo tấm phẳng mỏng. Cuối cùng, tấm composite được tạo hình từ các lớp nhựa và sợi xen kẽ nhau. Cấu trúc và thành phần sợi NFFS trước và sau xử lý hoá học lần lượt được quan sát qua ảnh SEM và phân tích qua TGA.

Ảnh SEM của sợi từNFFS: mặt cắt ngang (a), bềmặt sợi chưa xửlý (b), và bềmặt sợi đã xửlý với NaOH (c)

Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích sợi NFFS đến độ co ngót, độ bền kéo, độ bền uốn, và độ bền va đập cũng được khảo sát. Kết quả là sợi NFFS có hàm lượng cellulose ~34% với các vi sợi xếp song song. Điều thú vị là sợi NFFS không có lỗ rỗng to ở trung tâm đã tạo nên khác biệt lớn về cơ tính so với một số sợi thực vật khác. Cơ tính của vật liệu đạt cao nhất ở tỷ lệ thể tích sợi 60%, có độ bền kéo ~45 MPa, độ bền uốn ~46 MPa, và độ bền va đập ~19 KJ.m-2. Như mong đợi, kết quả này cao hơn gần gấp đôi so với kết quả cơ tính của vật liệu composite từ sợi xơ dừa ở cùng điều kiện.