Ảnh minh họa

Giá trị to lớn mà vật liệu composite mang lại cho cuộc sống con  người  đã  được khẳng  định. Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng vật liệu composite ngày càng nhiều càng làm tăng lượng  rác  thải  có nguồn gốc từ polymer tổng hợp, gây tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái cũng như sức khỏe của con người. Trước nguy cơ đó, việc thay đổi về nguồn nguyên liệu trong sản xuất vật liệu composite đang được quan tâm, cụ thể là những nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên đang dần được tăng cường sử dụng. Các sản phẩm composite từ sợi đay, gai, lanh, xơ dừa,... đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Mặc dù, các loại composite từ sợi thực vật có cơ tính thấp hơn so với composite từ sợi tổng hợp nhưng với ưu thế nhẹ hơn và thân thiện với môi trường nên các sản phẩm composite từ sợi tự nhiên cũng được ứng dụng rộng rãi và thay thế một phần composite  từ sợi tổng hợp (Diệu và ctv., 2018). Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu tái tạo và phân hủy sinh học đã có nhiều thành tựu. Vật liệu composite được gia công kết  hợp sợi xơ dừa với nhựa HDPE tái chế (Niên, 2018). Kết quả cho thấy vật liệu composite từ sợi xơ dừa và nhựa HDPE tái chế có các đặc tính cơ học đáp ứng đầy đủ yêu cầu của TCVN 7754:2007. Viet et al. (2014) đã thực hiện khảo sát tính chất sợi xơ dừa sản xuất bằng máy dập tước liên hoàn tại Bến Tre và nghiên cứu xử lý sợi bằng  NaOH.  Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi xơ dừa sau khi  xử lí có đường kính thu nhỏ 30%, độ bền kéo tăng 40% từ 85 –96 MPa lên 124 –130 MPa. Trigui et al. (2012) đã nghiên cứu tính chất nhiệt và cơ tính của sợi thân cây bắp trên nền nhựa HDPE được gia công bằng phương pháp ép phun, kết quả nghiên cứu cho thấy cơ tính cũng như tính chất nhiệt đã cải thiện, đồng thời ảnh SEM của mẫu composite cho thấy sự kết hợp thành công giữa sợi bắp được nhựa HDPE giữ lại khá tốt. Liu et al. (2019) đã nghiên cứu đặc tính của sợi cellulose tự nhiên từ sợi thân cây bắp được xử lý bề mặt. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc xử lí hóa học bằng NaOH giúp cải thiện độ bền kéo của sợi so với sợi chưa xử lý.

Bắp là một loại cây lương thực được thuần canh, có diện tích trồng đứng thứ hai tại Việt Nam nên sau khi thu hoạch trái bắp, một lượng lớn phế/ phụ phẩm từ cây bắp cần được xử lý. Vì  thế, việc  tận dụng phế/ phụ phẩm này để gia cường cho vật liệu composite không những giải quyết được vấn đề môi trường mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cho cây bắp. Liu et al. (2019) đã tổng hợp vật liệu composite dựa trên sợi cellulose tự nhiên được chiết xuất từ thân cây bắp được xử lý bằng dung dịch silane với nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy phương pháp xử lý bằng silane loại bỏ một lượng hemicellulose và lignin nhất định khỏi bề mặt sợi giúp cải thiện độ bền kéo (cao nhất là 223,33 ± 41,22 MPa) và mô đun Young (cao nhất là 18,98 ± 2,43 GPa). Tsou et al. (2022) đã nghiên cứu vật liệu dựa trên bột được nghiền mịn từ lá bắp và poly butylene adipateterephthalate (PBAT). Kết quả thu được vật liệu có cơ tính tương đối và khả năng phân huỷ sinh học cao. Puyana-Romero et al. (2023) đã tận dụng phế thải từ cây bắp để sử dụng làm vật liệu gia cố cho vật liệu composite nền thạch cao với mục đích cách  âm. Việc bổ sung các sợi được chiết xuất từ thân cây bắp vào các mẫu nền thạch cao đã cải thiện đáng kể hiệu suất hấp thụ âm thanh của vật liệu.

Trong nghiên cứu này, sợi gia cường cho vật liệu composite được tách từ thân cây bắp, là loại sợi tự nhiên hầu như rất ít được nghiên cứu để gia cường cho vật liệu composite nền nhựa. Việc tận dụng thân cây bắp để dùng sợi gia cường cho vật liệu composite không những giải quyết được vấn đề môi trường mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cho cây bắp. Nhựa nền được chọn sử dụng là   nhựa polyethylene tỷ trọng cao (HDPE) tái chế với mục tiêu giảm thiểu lượng rác thải nhựa. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm điều kiện tối ưu để gia công vật liệu composite kết hợp giữa  sợi thân cây bắp và HDPE thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của điều kiện gia công tấm composite đến cơ tính (kéo, uốn và va đập) của vật liệu.

Nguyên liệu dùng trong nghiên cứu là thân cây bắp 70-75 ngày tuổi với chiều dài 80-110 cm được thu hoạch tại phường Tân Hưng, quận Thốt Nốt, thành phố Cần Thơ. Nhựa HDPE tái chế được  sử dụng là vỏ thùng nước  rửa  chén  hiệu Sunlight. Hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý hóa học cho sợi thân cây bắp là sodium hydroxide (NaOH, 96%, Trung Quốc). Hóa chất được sử dụng trực tiếp không phải tinh chế lại.

Vật liệu composite được gia công từ sợi thân cây bắp trên nền nhựa polyethylene tỷ trọng cao tái chế thông qua phương pháp ép nóng. Cấu trúc và thành phần hóa học của sợi thân cây bắp trước và sau khi xử lý bằng dung dịch NaOH lần lược được quan sát qua ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và được phân tích bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Ảnh hưởng của điều kiện gia công, tỷ lệ thể tích sợi đến độ co ngót và cơ tính của vật composite cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy sợi thân cây bắp có hàm lượng cellulose ~61%, cấu trúc sợi có nhiều lỗ rỗng to, điều này khác biệt so với những sợi tự nhiên phổ biến khác. Ở điều kiện gia công vật liệu đạt cơ tính cao nhất khi nhiệt độ ép 145oC, thời gian ép 10 phút, áp suất ép 100 kg.cm-2 và tỷ lệ thể tích sợi 50%,  độ bền kéo ~31 MPa, độ bền uốn ~34 MPa, độ bền va đập ~11 KJ.m-2 và độ co ngót của vật liệu là 0,4%. Vật liệu composite được tạo ra trong nghiên cứu này đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng của vật liệu dùng trong sản xuất, trang trí nội thất và xây dựng.