Tái sử dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp thành chất độn cơ học cho vật liệu nền epoxy

Bài viết Tái sử dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp thành chất độn cơ học cho vật liệu nền epoxy nghiên cứu quá trình thu hồi, xử lý vỏ trấu ban đầu để tái sử dụng nó làm chất độn cho vật liệu compozit nền epoxy. Kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng 30pkl, vỏ trấu sau xử lý cho độ bền cơ học của vật liệu compozit là tốt nhất so với độ bền cơ học của vật liệu nền.

RE-USE AGRICULTURAL RESOURCES TO MECHANICAL FILLER FOR EPOXY FOUNDATION MATERIAL Pham Thi Huong Faculty of General Education, Namdinh University of Technology Education Email: phamhuongdhspktnd@gmail.com Abstract Our country is a developed agricultural country The yield of rice harvested each year from the provinces is huge and is a source of high export turnover abroad During the process of recovering and milling rice into rice, the amount of separated rice husks is too large Therefore, rice husks are often recovered and used as fuel or compost for other crops However, there is a special thing in the composition of the husk contains a lot of silicon oxide which is very suitable as a mechanical filler for polymer composite materials Therefore, the paper has studied the process of recovering and treating the original husk to reuse it as a filler for epoxy-based composite materials Research results show that with the content of 30pkl, the treated rice husks give the best mechanical strength of composite material compared with the mechanical strength of the substrate Keywords: Rice Husk, Epoxy Composite, mechanical properties 269 TÁI SỬ DỤNG NGUỒN PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP THÀNH CHẤT ĐỘN CƠ HỌC CHO VẬT LIỆU NỀN EPOXY Phạm Thị Hƣờng Khoa Giáo dục đại cương, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Email: phamhuongdhspktnd@gmail.com Tóm tắt Nước ta đất nước phát triển nông nghiệp Sản lượng lúa thu hoạch năm từ tỉnh lớn nguồn kim ngạch xuất nước ngồi cao Trong q trình thu hồi xay xát lúa thành gạo lượng vỏ trấu tách lớn Vì vỏ trấu thường thu hồi sử dụng làm chất đốt làm chất ủ cho trồng khác Tuy nhiên, có điều đặc biệt thành phần vỏ trấu chứa nhiều oxit silic phù hợp làm chất độn học cho vật liệu polyme compozit Vì vậy, báo nghiên cứu trình thu hồi, xử lý vỏ trấu ban đầu để tái sử dụng làm chất độn cho vật liệu compozit epoxy Kết nghiên cứu cho thấy với hàm lượng 30pkl, vỏ trấu sau xử lý cho độ bền học vật liệu compozit tốt so với độ bền học vật liệu Từ khóa: Trấu, hỗn hợp epoxy, tính chất học 270 MỞ ĐẦU Vật liệu polyme compozit loại vật liệu tổ hợp, hình thành từ nhựa polyme chất gia cường (chất độn) khác nhằm tạo sản phẩm có tính vượt trội so với vật liệu thành phần Trong đó, vật liệu đóng vai trị liên kết vật liệu gia cường rời rạc tạo nên sản phẩm liên tục, đồng thời định đến độ bền nhiệt khả gia cơng vật liệu compozit Cịn chất gia cường đóng vai trị thành phần chịu tải trọng có tính chất lý cao vật liệu Do tính chất vật liệu compozit phụ thuộc vào chất nhựa polyme, vào chất chất gia cường khả phân tán chất gia cường nhựa Hiện nay, chất gia cường (chất độn) sử dụng phổ biến cho vật liệu compozit bột đá vôi, bột thạch anh, bột talc, bột barisunfat [1,6] Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu ngày hạn chế vấn đề đặt phải nghiên cứu tìm nguồn nguyên liệu để thay tái sử dụng loại phế phẩm khác biến chúng thành nguyên liệu có giá trị, với giá thành rẻ Do đó, đề tài nghiên cứu tái sử dụng vỏ trấu, loại phế phẩm nông nghiệp sẵn, rẻ để làm chất độn học vật liệu epoxy Vỏ trấu nghiền mịn qua trình xử lý trộn hợp với nhựa epoxy để tạo nên vật liệu polyme compozit Sản phẩm tạo thành tiến hành kiểm tra tính chất học theo tiêu chuẩn với mong muốn có độ bền học tốt tương đương với vật liệu polyme compozit từ chất độn khác có mặt thị trường THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu hóa chất - Nhựa epoxy DER 331 hãng Dow Chemicals – Cơng ty hóa chất Hoa Kỳ, có d = 1,16g/cm3, hàm lượng nhóm epoxy: 22- 22,6% - Chất đóng rắn amin dietylentriamin DETA hãng Dow Chemicals – Cơng ty hóa chất Hoa Kỳ H2NCH2NH(CH2)2NH2 KLPT: 103; Khối lượng riêng 25oC: 0,95g/cm3; Nhiệt độ sôi: 207oC - Vỏ trấu từ vựa lúa xay xát Kim Sơn – Ninh Bình - Dung dịch axit HCl 2N, nước cất, axeton 2.2 Phƣơng pháp xử lý vỏ trấu Để nâng cao tính chất học vật liệu compozit, chất độn thường nghiền mịn qua xử lý làm tăng diện tích bề mặt tăng hoạt tính bề mặt nhằm cải thiện phân tán khả kết dính với nhựa Chính vỏ trấu ban đầu sau rửa, sấy nghiền mịn đốt cháy 400oC thu tro trấu Lấy mẫu tro trấu trộn với dung dịch HCl 2N theo tỷ lệ 100 (g) tro trấu: 800ml dung dịch HCl 2N Hỗn hợp gia nhiệt khuấy trộn liên tục vòng 70oC Lọc, rửa loại bỏ axit dư đem mẫu gia nhiệt lò nhiệt phân 271 với tốc độ 10oC/phút 800oC để loại bỏ C thu hồi oxit có hàm lượng cao [3,5] Mẫu trấu ban đầu sau q trình xử lý kí hiệu TR NTR Đặc tính mẫu tiến hành kiểm tra trước đem trộn hợp với nhựa epoxy 2.3 Phƣơng pháp gia công chế tạo vật liệu polyme compozit Vỏ trấu nghiền mịn trấu sau xử lý dạng bột trộn hợp với nhựa epoxy DER 331 với phần khối lượng khác (10 -50pkl) Hỗn hợp khuấy trộn cánh khuấy học với tốc độ 400 vòng/phút 30 phút để ổn định nhiệt độ phòng ngày để nhựa thấm bề mặt trấu Sau hệ nhựa trấu trộn hợp với chất đóng rắn DETA theo lượng tính tốn (12g DETA cho 100 gam nhựa epoxy) đổ khuôn mẫu tạo hình vật liệu compozit Sản phẩm đổ khn đóng rắn nhiệt độ phịng ngày tiếp tục gia nhiệt để đóng rắn sâu 80oC vịng 3h Mẫu sau tháo khn để ổn định bình hút ẩm tuần cho ổn định đem kiểm tra tính chất học vật liệu [2] 2.4 Phƣơng pháp xác định tính chất học vật liệu polyme compozit Mẫu compozit tạo thành có kích thước chuẩn đem kiểm tra tính chất học: độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập theo tiêu chuẩn ISO 527 – 1993, ISO 178 – 1993 máy INSTRON 5582 – 100 KN (Hoa Kỳ) tiêu chuẩn ISO 180:1993 (E) máy Tinius Olsen (Hoa Kỳ) Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu PolymeTrường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thiết bị đo độ bền kéo, uốn Thiết bị đo độ bền va đập Hình 2.1 Thiết bị đo tính chất học vật liệu compozit KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát đặc tính kỹ thuật vỏ trấu trƣớc sau xử lý Vỏ trấu lấy từ vựa lúa xay xát Kim Sơn - Ninh Bình Ban đầu trấu có màu vàng, dạng dài, dẹt Trong trấu chứa nhiều thành phần hữu cơ, chất hữu chứa chủ yếu xenlulơ, lignin hemi-xenlulơ, ngồi có thêm thành phần khác hợp chất chứa nitơ vơ Các chất hữu có mạch poly cacbohydrat dài, thành phần dễ cháy Sau cháy thành phần trấu lại chất vơ 272 có oxit silic SiO2 [3] Tuy nhiên đốt trấu điều kiện tự nhiên thành phần tro trấu cịn chứa nhiều C hàm lượng SiO2 đạt khơng cao, khơng có hiệu kinh tế Chính bột trấu cần xử lý dung dịch axit trước, sau đem nhiệt phân lò nung cao Trấu sau nghiền mịn đưa kích thước nhỏ từ 0,3 đến 1,6 mm có màu vàng nâu nhạt, diện tích bề mặt bột trấu xác định phương pháp BET có giá trị 60m2/g Sau đốt tự nhiên thành tro có màu xám sau qua xử lý nhiệt phân trấu có màu trắng bạc có chứa nhiều thành phần oxit silic Mẫu trấu sau nhiệt phân (NTR) đem phân tích XRF để xác định thành phần hóa học biến đổi Kết ghi nhận phân tích thể qua bảng 3.1 Bảng 3.1 Thành phần hóa học trấu sau nhiệt phân Thành phần SiO2 CaO Hàm lƣợng (%) 94,5 1.2 Fe2O3 Na2O MgO 0,9 1,1 0,9 K2 O C Thành phần khác 0,6 0,6 0,2 Sau nhiệt phân thành phần có trấu chủ yếu oxit kim loại, thành phần hữu gần hết q trình nhiệt phân lị nung nhiệt độ cao, thành phần oxit silic chiếm tỉ lệ lớn, đạt 94,5% Đây thành phần giúp nâng cao độ bền học vật liệu compozit Tỷ trọng trấu sau nhiệt phân d = 0,86 g/cm3, nhẹ tỷ trọng nước nhựa epoxy Điều giúp tạo loại vật liệu compozit nhẹ 3.2 Khảo sát độ nhớt thời gian đóng rắn hệ nhựa epoxy vỏ trấu Epoxy DER 331 loại nhựa epoxy lỏng, tổng hợp từ epyclohydrin Bisphenol A Độ nhớt nhựa epoxy DER 331 nhiệt độ 25oC 40 (poise) phương pháp đo độ nhớt Brookfield, khối lượng riêng 1,16 g/cm3 Hàm lượng nhóm epoxy xác định phương pháp nitrat thủy ngân với dung dịch phản ứng HCl/dioxan 22,67% Chất đóng rắn nguội lựa chọn cho nhựa epoxy DER 331 dietylen triamin (DETA) với lượng amin DETA tính tốn cho gam nhựa 0,12 gam Thời gan gel hóa 85 phút Mức độ đóng rắn nhựa epoxy DER 331 sau tuần 92,3% Đây phần tạo lưới không gian không bị trích ly axeton dụng cụ Soxhlet với thời gian 24 Để nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng trấu NTR đến vật liệu epoxy DER 331, nghiên cứu tiến hành khảo sát với hàm lượng trấu khác từ 10 phần khối lượng đến 50 phần khối lượng (PKL) Lượng trấu đưa vào nhựa epoxy DER 331 khuấy trộn máy khuấy học để ổn định bình hút ẩm ngày để nhựa thấm Các yếu tố khối lượng riêng, độ nhớt, thời gian đóng rắn nhựa epoxy thay đổi hàm lượng trấu trình bày bảng 3.2 273 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng trấu đến khối lượng riêng, độ nhớt, thời gian gel hóa hệ epoxy DER 331/trấu NTR Mẫu epoxy/trấu NTR Mẫu trống 10 PKL 20PKL 30PKL 40PKL 50PKL d (g/cm3) 1,16 1,13 1,10 1,07 1,04 1,01 Độ nhớt (poise) 40 42 44 56 72 95 Thời gian gel (phút) 85 80 80 75 70 60 Kết từ bảng 3.2 cho thấy, tăng hàm lượng trấu từ  50 PKL khối lượng riêng hệ giảm độ nhớt hệ epoxy DER 331/trấu NTR gia tăng với hàm lượng trấu đưa vào Đó trấu có tỷ trọng nhẹ so với nhựa epoxy Trấu NTR có d = 0,86g/cm3, cịn epoxy DER 331 có d = 1,16 g/cm3 Tuy nhiên, thành phần trấu sau xử lý chứa nhiều oxit kim loại vật liệu vô nên trộn hợp làm gia tăng độ nhớt hệ Đặc biệt hàm lượng 50 PKL, giá trị độ nhớt tăng lớn, điều gây cản trở cho q trình gia cơng vật liệu compozit Khi mẫu epoxy DER 331 trộn với trấu NTR bổ sung lượng chất đóng rắn vào hỗn hợp xảy phản ứng H hoạt động amin nhóm chức epoxy để tạo sản phẩm có cấu trúc khơng gian [4] Vì hàm lượng epoxy mẫu khác nên thời gian gel hóa khác Nhưng trung bình thời gian gel hóa hệ nhựa epoxy DER 331/trấu NTR khoảng 75 phút Đây thời gian đóng rắn mẫu compozit chưa hồn tồn Để đóng rắn sâu, mẫu để ổn định tuần Sau mẫu compozit khảo sát mức độ gel hóa (mức độ đóng rắn) phương pháp soxhlet Kết khảo sát mức độ gel hóa mẫu compozit đóng rắn sau tuần 90% Điều cho thấy hiệu suất phản ứng đóng rắn nguội amin thẳng đạt đáng kể 274 Hình 3.1 Phản ứng khâu mạch epoxy chất đóng rắn amin tạo vật liệu compozit 3.3 Khảo sát tính chất học vật liệu polyme compozit Bột trấu ban đầu sau xử lý rửa axeton sấy khô trước đem trộn hợp với nhựa epoxy Hỗn hợp sau khuấy trộn cần để ổn định bình hút ẩm để đảm bảo nhựa thấm bột trấu Các mẫu compozit chế tạo theo tiêu chuẩn kích thước mẫu để ổn định trước đem xác định tính chất học Phân tích giá trị độ bền kéo đứt độ bền uốn vật liệu compozit epoxy DER 331/trấu NTR biến đổi theo hàm lượng trấu thể hình 3.2 Hình 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng trấu đến độ bền kéo đứt độ bền uốn vật liệu compozit epoxy DER 331/trấu NTR 275 Từ hình 3.2 nhận thấy, độ bền kéo độ bền uốn mẫu compozit gia tăng đưa trấu NTR vào nhựa epoxy DER 331 Khi tăng hàm lượng trấu đến 30PKL giá trị độ bền kéo đạt 35,2 MPa, tiếp tục tăng lên 40; 50PKL độ bền kéo lại có xu hướng giảm Tuy nhiên, giá trị độ bền có giảm giá trị độ bền kéo đạt lớn so với mẫu trống Các giá trị độ bền uốn đạt cho xu hướng Giá trị đạt lớn 30PKL, độ bền uốn đạt 62,8MPa Điều cho thấy đưa chất độn trấu xử lý vào nhựa epoxy có tác dụng làm giảm tính giịn vật liệu, phát huy đặc tính thành phần, làm gia tăng độ bền học vật liệu Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng trấu NTR đến độ bền nén độ bền va đập thu kết sau (hình 3.3) Hình 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng trấu đến độ bền nén độ bền va đập vật liệu compozit epoxy DER 331/trấu NTR Từ hình 3.3 nhận thấy, độ bền nén độ bền va đập vật liệu compozit gia tăng tăng hàm lượng trấu từ 10; 20 30PKL vào nhựa epoxy Giá trị độ bền va đập nhựa từ 8,8 (kJ/m2) tăng lên 10,8 (kJ/m2) hàm lượng 30PKL, độ bền nén nhựa đạt 102 MPa, có 30PKL trấu tăng lên 134MPa (tức tăng 31,37%) Tuy nhiên, giá trị độ bền nén độ bền va đập sau lại có xu hướng giảm, đặc biệt hàm lượng trấu 50PKL Đây mẫu có hàm lượng trấu NTR lớn, có độ nhớt cao nên gây cản trở cho q trình gia cơng mẫu làm cho phân tán tương tác trấu nhựa epoxy bị suy giảm Để xác định hiệu việc sử dụng bột trấu xử lý với bột trấu ban đầu làm chất gia cường cho vật liệu compozit, nghiên cứu kiểm tra độ bền học mẫu compozit tạo thành với hàm lượng bột trấu ban đầu bột trấu xử lý 30PKL Kết ghi nhận hình 3.4 cho thấy mẫu compozit có trấu xử lý cho độ bền học tốt hẳn so với mẫu compozit sử dụng bột trấu ban đầu 276 Hình 3.4 So sánh giá trị độ bền học mẫu compozit có bột trấu ban đầu (EP/TR 30PKL) bột trấu xử lý (EP/NTR 30PKL) với hàm lượng Cả ba giá trị độ bền kéo, uốn độ bền nén ghi nhận hình 3.4 30,2 MPa lên 35,2 MPa; 55,6 MPa lên 62,8 MPa 112 MPa lên 134 MPa Trong giá trị độ bền va đập mẫu compozit có bột trấu ban đầu (EP/TR 30PKL) 9,3 kJ/m2 bột trấu xử lý nhiệt (EP/NTR 30PKL) đạt 10,8 kJ/m2 Như vậy, việc sử dụng trấu xử lý để làm chất độn cho vật liệu compozit nhựa epoxy cải thiện số tính chất học vật liệu độ bền kéo, độ bền uốn, va đập độ bền nén Đặc biệt giá trị độ bền tăng tăng hàm lượng trấu đạt giá trị lớn 30 PKL Tuy nhiên, tiếp tục tăng lượng trấu lên 40 đến 50 PKL tính chất học có xu hướng suy giảm Đó lượng trấu đưa vào nhựa epoxy lớn khiến lượng nhựa không đủ thấm bề mặt bột trấu, thêm vào độ nhớt hệ tăng nhiều dẫn đến phân tán khó đồng hạt gia cường vào nhựa nền, gây cản trở cho q trình gia cơng làm ảnh hưởng xấu đến tính chất vật liệu compozit Trên sở nghiên cứu đặc tính trấu sau xử lý, tính chất vật lý tính chất học vật liệu compozit epoxy DER 331 trên, thấy với hàm lượng trấu xử lý 30PKL cho vật liệu compozit có độ bền học tốt phù hợp với điều kiện gia công 3.4 So sánh tính chất học vật liệu compozit/trấu với vật liệu compozit/chất độn khác Để có nhìn khách quan thấy rõ vai trò vỏ trấu chất độn, có giá trị tương đương với chất độn có đá vơi, tro bay, bột talc, đề tài tiến hành khảo sát lập bảng so sánh tính chất học vật liệu compozit khác nhựa epoxy DER 331 Kết ghi nhận phân tích qua bảng 3.3 sau: 277 Bảng 3.3 Tổng hợp tính chất học mẫu compozit epoxy/trấu 30PKL so với số vật liệu compozit khác Tính chất học vật liệu compozit Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu compozit compozit Mẫu compozit compozit compozit epoxy/trấu epoxy/tro epoxy/CaCO3 epoxy/bột epoxy bay talc 30PKL 30PKL 30PKL 30PKL Khối lượng riêng(g/cm3) 1,16 1,07 1,26 1,24 1,28 Độ bền kéo (MPa) 29,7 35,2 30,5 32,6 33,5 Độ bền uốn (MPa) 52,9 62,8 59,2 58,6 57,8 Độ bền va đập (kJ/m2) 8,8 10,8 6,7 7,2 7,8 Độ bền nén (MPa) 102 134 138 124 132 Từ bảng 3.3 tổng hợp chứng minh việc lựa chọn chất độn bột trấu hoàn toàn phù hợp thay chất độn khác nguồn nguyên liệu ngày hạn chế Sản phẩm compozit tạo thành đáp ứng yêu cầu đặt theo tiêu chuẩn KẾT LUẬN Qua trình thực nghiệm cho thấy với 30 phần khối lượng vỏ trấu qua xử lý cho độ bền học vật liệu polyme compozit với nhựa epoxy DER 331 tốt Và việc khai thác, tái sử dụng vỏ trấu, loại phế phẩm nông nghiệp làm chất độn cho vật liệu polyme compozit có ý nghĩa Không tạo nên loại vật liệu có độ bền học tương đương với vật liệu compozit khác sử dụng chất độn có thị trường mà cịn tạo nên vật liệu nhẹ, tiết kiệm chi phí sản xuất cải thiện môi trường Đây tiềm để khai thác, nghiên cứu phát triển, đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tiễn Tài liệu tham khảo [1] Antaryami Mishra1, Deepanjali Padhee (2017) Evaluation of Mechanical Properties of Rice Husk-Fly Ash-Epoxy Hybrid Composites Journal of Mechanical and Civil Engineering, Volume 14, Issue 3, pp 91-99 [2] Autar K Kaw (2005) Mechanics of Composite Materials CRC Press, pp 212 – 219 [3] Ahmed A Moosa, Ban F Saddam (2017) Synthesis and Characterization of Nanosilica from Rice Husk with Applications to Polymer Composites American Journal of Materials Science, 7(6), pp 223-231 278 [4] Goodman, S.H (1996) Epoxy resins Handbook of Thermoset Plastics, Chap 6, pp 193-264 [5] I Valchev, V Lasheva, Tz Tzolov, N Josifov (2009) Silica products from rice hulls Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 3, pp 257-261 [6] Neeraj Bisht, Prakash Chandra Gope (2015) Mechanical properties of rice husk flour reinforced epoxy biocomposite Neeraj Bisht Int Journal of Engineering Research and Applications, Vol 5, Issue 6, (Part -3), pp.123-128 279 ...TÁI SỬ DỤNG NGUỒN PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP THÀNH CHẤT ĐỘN CƠ HỌC CHO VẬT LIỆU NỀN EPOXY Phạm Thị Hƣờng Khoa Giáo dục đại cương, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định... loại phế phẩm khác biến chúng thành nguyên liệu có giá trị, với giá thành rẻ Do đó, đề tài nghiên cứu tái sử dụng vỏ trấu, loại phế phẩm nông nghiệp sẵn, rẻ để làm chất độn học vật liệu epoxy. .. ban đầu để tái sử dụng làm chất độn cho vật liệu compozit epoxy Kết nghiên cứu cho thấy với hàm lượng 30pkl, vỏ trấu sau xử lý cho độ bền học vật liệu compozit tốt so với độ bền học vật liệu Từ