Nghiên cứu sử dụng xơ da thuộc phế liệu để chế tạo vật liệu composite nền nhựa polyester không no

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 43B, 2020 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO NGUYỄN THỊ MỸ LINH1, PHẠM THỊ HỒNG PHƢỢNG Khoa Công nghệ may & Thời trang, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Cơng nghệ Hóa, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, nguyenthimylinh_tt@iuh.edu.vn Tóm tắt Nghiên cứu trình bày kết khảo sát ảnh hƣởng nồng độ dung dịch polyester khơng no (UPE), hàm lƣợng chất đóng rắn methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), hàm lƣợng xơ da, tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da với sợi thủy tinh mùn cƣa cốt gia cƣờng đến thời gian đóng rắn, độ bền học, phân bố pha màu sắc vật liệu composite thu đƣợc Xơ da sử dụng nghiên cứu loại xơ đƣợc nghiền từ phế liệu da thuộc phát sinh trình sản xuất giầy dép Trong khoảng khảo sát nồng độ dung dịch UPE (40 – 60%), chất đóng rắn MEKP (1 – 2%), hàm lƣợng xơ da (7 – 11%), tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) cốt gia cƣờng, điều kiện thích hợp để chế tạo vật liệu composite UPE 60%, MEKP 1% xơ da 7% Điều kiện đảm bảo thu đƣợc vật liệu có tính chất học (độ bền kéo, độ bền va đập độ bền nén) tƣơng đối tốt Mẫu có tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50) có độ bền học phân bố pha tốt Kết từ nghiên cứu bƣớc đầu cho thấy khả sử dụng xơ da thuộc phế liệu để chế tạo loại vật liệu có khả ứng dụng dân dụng cơng nghiệp Từ khóa Composite xơ da, xơ da thuộc, sợi thủy tinh, mùn cƣa, polyester không no STUDY ON RECYCLING OF CHROME-TANNED LEATHER FIBERS TO FABRICATE UNSATURATED POLYESTER COMPOSITE Abstract This work presents influence of unsaturated polyester (UPE) concentration, hardener catalyst methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), leather fiber contain, blending ratio mass of leather fiber/glass fiber/sawdust filler on the completely curing time, some mechanical properties, phase distribution and color of obtained composite materials Leather fibres used in this research were grinded from tanned leather waste of shoe making company According to the results of research with UPE concentration (40 – 60%), MEKP (1 – 2%), leather fiber ratio (7 – 11%), blending ratio mass of leather fiber/glass fiber (50/50), leather fiber/sawdust (50/50) and leather fiber/glass fiber/sawdust filler (40/30/30), the optimal technical parameters for composite fabrication were UPE 60%, MEKP 1% and leather fiber ratio 7% Some mechanical properties of the obtained composite like tensile strength, tensile modulus, Izod impact strength and compressive strength were enhanced significantly at these conditions The mechanical properties of the composites with reinforcing filler of leather fiber/glass fiber (50/50) were found to be best The successful fabrication of composites using waste leather fibers as reinforcement and unsaturated polyester as matrix could make these materials very promising for industrial and civil engineering applications Keywords Composite leather, chrome-tanned leather fiber, glass fiber, sawdust, unsaturated polyester ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam nƣớc sản xuất xuất sản phầm giầy, dép, túi, cặp hàng đầu giới Do vậy, lƣợng nhập tiêu thụ da thuộc lớn ln có tăng trƣởng theo hàng năm Kết khảo sát Viện Nghiên cứu Da giầy tiêu hao loại nguyên vật liệu chất thải rắn ngành da giầy Việt Nam cho thấy hàng năm doanh nghiệp da giầy nƣớc ta thải 150 nghìn chất thải rắn, khoảng 60% da thuộc phế liệu [1] Theo dự báo đến năm 2025, với tốc độ phát triển nhƣ lƣợng chất thải rắn ngành da giầy đạt khoảng 300 nghìn Với cách © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO 123 xử lý chôn lấp đốt bỏ đƣợc áp dụng cho chất thải rắn ngành da giầy khơng gây nhiễm mơi trƣờng mà cịn lãng phí nguồn xơ colagen tự nhiên da Do đó, tái sử dụng phế liệu da thuộc để chế tạo vật liệu sản phẩm nhằm tạo giá trị gia tăng xử lý phế thải hƣớng nghiên cứu đƣợc doanh nghiệp nhà nghiên cứu quan tâm Trên giới, phế thải rắn dạng xơ sợi thƣờng đƣợc sử dụng làm thành phần phân tán cho vật liệu composite [2-6] Đối với da thuộc phế liệu, nghiên cứu thƣờng dùng để chế tạo vật liệu composite với polymer khác nhƣ nhựa nhiệt dẻo (polyvinyl butyral, polyvinyl clorua, polymethyl methaacrylat ), nhựa nhiệt rắn (epoxy, nhựa gốc phenol), cao su tổng hợp (butadien, styren butadien, cao su nitril) [2-6] Tại Việt Nam, nghiên cứu lĩnh vực da giầy chủ yếu tập trung vào công nghệ thuộc da, công nghệ chế tạo giầy chức năng, [1, 8] Vấn đề nghiên cứu chế tạo vật liệu từ da thuộc phế liệu bắt đầu đƣợc triển khai nghiên cứu [9] Nhựa polyester không no (UPE) loại nhựa nhiệt rắn tồn trạng thái lỏng nhớt, có mặt chất đóng rắn chuyển sang trạng thái rắn Nhựa UPE đƣợc sử dụng phổ biến để sản xuất vật liệu composite với cốt gia cƣờng khác [5] Do xơ da có tỷ trọng thấp, với hàm lƣợng xơ nhỏ thể tích ngun liệu xơ da lớn nên việc phối trộn với nhựa có độ nhớt cao khó đồng Sự phân tán xơ da vật liệu composite không đồng làm giảm tính chất học vật liệu composite thu đƣợc Hơn nữa, khả tƣơng hợp số polymer kỵ nƣớc với xơ da nên cần lựa chọn phƣơng pháp gia công phù hợp, hàm lƣợng xơ da hợp lý, biến tính xơ da, hay bổ sung thêm vật liệu gia cƣờng khác vào hệ composite Trong nghiên cứu này, ảnh hƣởng tỷ lệ phối trộn xơ da/UPE, xơ da/sợi thủy tinh/UPE, xơ da/mùn cƣa/UPE, xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa/UPE đến số tính chất học vật liệu composite tạo thành đƣợc khảo sát Kết nghiên cứu tiền đề cho việc tái sử dụng xơ da để chế tạo vật liệu conposite nhựa polyester không no cho ứng dụng làm ván lát sàn THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu hóa chất Nhựa UPE R2803 có xuất xứ từ Đài Loan, hàm lƣợng nhóm styrene 30 - 35%, chứa 0,5% chất xúc tiến Octoat coban Chất đóng rắn methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) sản xuất Trung Quốc, chất khơi mào phản ứng đóng rắn nhựa UPE Xơ da mịn có đƣờng kính trung bình 0.1 mm, chiều dài trung bình 10 mm thu đƣợc sau q trình nghiền xé khơ máy nghiền búa, từ phế liệu da bị cật khơng nhuộm màu Sợi thuỷ tinh E-Glass có đƣờng kính sợi 0.02 mm,chiều dài trung bình 15 mm đƣợc sản xuất Trung Quốc Mùn cƣa đƣợc cung cấp từ xƣởng chế biến gỗ Củ Chi thành phố Hồ Chí Minh Dung mơi xylene sản xuất Trung Quốc, đƣợc dùng để pha loãng nhựa UPE 2.2 Nội dung nghiên cứu Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ UPE dung dịch ban đầu (60%, 55%, 50% 40%) hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP (1% 2%) với hàm lƣợng xơ da 7% đến thời gian đóng rắn composite Nghiên cứu ảnh hƣởng nồng độ UPE dung dịch ban đầu (60%, 55% 50%), hàm lƣợng xơ da (7%, 9% 11%), tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh mùn cƣa cốt gia cƣờng tới độ bền học vật liệu composite phân tán cốt gia cƣờng vật liệu composite Nghiên cứu biến đổi màu sắc vật liệu composite thu đƣợc theo tỷ lệ phối trộn cốt gia cƣờng với UPE thành phần cốt gia cƣờng 2.3 Quy trình thực nghiệm Các mẫu thí nghiệm đƣợc chuẩn bị theo quy trình hình Trƣớc tiên, UPE đƣợc pha lỗng dung mơi xylene để thu đƣợc dung dịch có nồng độ khối lƣợng 40 - 60% khuấy trộn với chất khơi mào phản ứng đóng rắn nhựa MEKP với hàm lƣợng 1-2%, 60 giây Khuôn ép (12-12 cm2) đƣợc tiến hành vệ sinh chất làm khuôn chuyên dụng, đƣợc phủ lớp dầu silicon trợ gia cơng để tránh bám dính khn © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 124 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO Tiếp theo, 1/2 khối lƣợng hỗn hợp nhựa UPE chứa chất đóng rắn đƣợc điền vào khn Sau 15 phút, cốt gia cƣờng với hàm lƣợng - 11% so với tổng lƣợng dung dịch nhựa UPE ban đầu đƣợc rải khuôn ép sơ trục lăn đạt độ đồng bề mặt Cốt gia cƣờng đƣợc khảo sát bao gồm 100% xơ da, xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) Sau đó, 1/2 khối lƣợng hỗn hợp nhựa UPE chứa chất đóng rắn cịn lại đƣợc thêm tiếp vào khn tiến hành trình nén ép nhiệt độ phòng, khoảng thời gian 24 giờ, với áp lực ép trì MPa Sau tách khuôn, vật liệu composite dạng đƣợc cắt theo kích thƣớc tiêu chuẩn để đo tính chất học Hình Quy trình cơng nghệ chế tạo mẫu composite 2.4 Các phương pháp phân tích - Phân tích phân bố pha vật liệu composite: Sử dụng phƣơng pháp phân tích ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope EVO18 CARL ZEISS trung tâm công nghệ sinh học TP HCM, để quan sát phân bố pha vật liệu composite chế tạo [2-7, 9] - Phân tích biến đổi màu sắc: Màu sắc mẫu composite đƣợc xác định phƣơng pháp đo màu quang phổ theo tiêu chuẩn TCVN 9882:2013, thiết bị Ci4200 Spectrophotometer hãng X-rite, phịng thí nghiệm Hóa dệt, trƣờng ĐHBK Hà Nội Kết đo màu đƣợc thể theo hệ không gian màu CIE L*a*b với thông số màu L, a, b, C h Sự khác biệt màu sắc (E) mẫu đƣợc tính theo cơng thức: E = [(L)2 + (a)2 +(b)2]0.5 [8] - Phân tích tính chất học: Độ bền kéo đứt (ASTM D638), độ bền va đập (ASTM D256-10) độ bền nén (ASTM D1621-16) đƣợc thực thiết bị AG-X plus Shimadzu Tinius Olsen IT504 Impact Tester, trung tâm hỗ trợ phát triển doanh nghiệp TP HCM Tất mẫu thử nghiệm đƣợc thực lặp lại lần lấy giá trị trung bình [2-7, 9] © 2020 Trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO 125 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng UPE chất đóng rắn MEKP đến thời gian đóng rắn composite xơ da/UPE Thời gian đóng rắn composite thơng số quan trọng q trình gia cơng vật liệu Do đó, nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng nồng độ UPE dung dịch ban đầu, hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP với lƣợng xơ da cố định đến thời gian đóng rắn composite Kết hình cho thấy với lƣợng xơ da sử dụng làm cốt gia cƣờng cho vật liệu composite (7% so với lƣợng dung dịch UPE ban đầu), hàm lƣợng UPE MEKP dung dịch nhựa ban đầu tỉ lệ nghịch với thời gian đóng rắn composite Thời gian đóng rắn tăng gần gấp đơi nồng độ chất khơi mào đóng rắn MEKP giảm nửa giữ nguyên thông số công nghệ khác hệ Thời gian đóng rắn giảm tăng nồng độ chất khơi mào đóng rắn phù hợp với lý thuyết tốc độ khâu mạch polymer tăng [5, 9] Thêm nữa, nồng độ UPE dung dịch nhựa tăng từ 40% lên 60% thời gian đóng rắn giảm từ 34.8 phút xuống 18.2 phút (với 1% MEKP) giảm từ 18.0 phút xuống 9.3 phút (với 2% MEKP) Do xơ da vật liệu tự nhiên ƣa nƣớc, nhựa UPE kỵ nƣớc nên khả thấm nhựa bề mặt xơ da khả phân tán xơ da vào dung dịch UPE phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ thể tích xơ da nhựa UPE Vì vậy, dù hàm lƣợng xơ da đƣợc cố định 7% so với tổng lƣợng dung dịch UPE sử dụng tăng nồng độ UPE dung dịch làm giảm tỉ lệ xơ da/UPE, làm giảm cản trở trình khâu mạch polymer tăng khả khuếch tán MEKP hệ Hệ q trình khơi mào đóng rắn nhựa UPE dễ dàng hơn, giảm thời gian đóng rắn nhựa Hình Ảnh hƣởng hàm lƣợng UPE chất đóng rắn MEKP đến thời gian đóng rắn composite với lƣợng xơ da sử dụng 7% khối lƣợng dung dịch UPE ban đầu Cũng cần lƣu ý chất đóng rắn nhựa thƣờng hóa chất độc hại nên cần hạn chế sử dụng Chỉ lƣợng nhỏ tồn dƣ chất đóng rắn sản phẩm gây hại đến mơi trƣờng ngƣời sử dụng Thêm nữa, dung môi styrene dùng để pha lỗng UPE hóa chất độc hại, dễ bay hơi, dễ cháy nổ nên cần hạn chế sử dụng cách tăng nồng độ dung dịch UPE cho thực nghiệm Tuy nhiên, dung dịch UPE nồng độ cao có độ nhớt lớn, cản trở thấm nhựa lên bề mặt xơ da, gây phân lớp xơ da nhựa vật liệu composite tạo thành Sự phân lớp làm giảm tính chất học vật liệu Do vậy, để chọn nồng độ UPE thích hợp cho nghiên cứu cần phải xác định tính chất học vật liệu composite 3.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch UPE ban đầu đến tính chất học composite xơ da/UPE Kết ảnh hƣởng nồng độ dung dịch UPE ban đầu đến tính chất học composite xơ da/UPE trình bày bảng Ta thấy với lƣợng xơ da sử dụng làm cốt gia cƣờng cho vật liệu composite (7%) hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP (1%), thay đổi nồng độ dung dịch UPE khoảng 50 - © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 126 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHƠNG NO 60%, tính chất học vật liệu composite thu đƣợc có khác tƣơng đối Cụ thể, độ bền kéo, độ giãn dài độ bền nén tăng nhẹ tƣơng ứng từ 79.91 MPa lên 81.44 MPa, 5.32 % lên 5.97 % 79.3 kPa lên 81.4 kPa nồng độ dung dịch UPE ban đầu giảm từ 60% xuống 55% Khi nồng độ dung dịch UPE ban đầu giảm tiếp xuống 50% giá trị độ bền kéo, độ giãn dài độ bền nén giảm mạnh xuống tƣơng ứng 76 MPa, 4.94 % 74 kPa Điều giải thích nhƣ sau: Để vật liệu composite có tính chất học tốt tỉ lệ cốt gia cƣờng (xơ da) nhựa (UPE) phải thích hợp để đảm bảo tiếp tiếp xúc pha tốt Nếu hàm lƣợng nhựa lớn làm xơ da phân tán q mức bó cụm, khơng liên kết chặt chẽ với Nếu hàm lƣợng nhựa nhỏ không đủ thấm ƣớt hết xơ da, làm pha phân tán không liên tục Cả hai trƣờng hợp làm giảm tính chất học vật liệu composite Nhƣ vậy, dựa vào số liệu đo độ bền cho thấy dung dịch UPE có nồng độ 55% cho sản phẩm composite giá trị độ bền kéo, độ giãn dài độ bền nén tốt Tuy nhiên, mẫu composite lại có giá trị modun đàn hồi thấp Dựa kết đo thời gian đóng rắn, độ bền học vật liệu, thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng xơ da, tỉ lệ phối trộn cốt gia cƣờng, nồng độ dung dịch UPE hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP đƣợc chọn lần lƣợt 60% 1% Bảng Kết xác định tính chất học vật liệu composite xơ da/UPE với nồng độ UPE dung dịch ban đầu khác P1-7L1 P2-7L1 Nồng độ dung dịch UPE (%) 60 55 P3-7L1 50 Tên mẫu 79.91 81.44 Độ giãn dài (%) 5.32 5.79 Modun đàn hồi (N/mm 2) 1990.63 1952.21 Độ bền va đập Izod (KJ/m2) 1.70 1.80 Độ bền nén (kPa) 77.30 81.40 76.00 4.94 2078.84 1.70 74.00 Độ bền kéo (MPa) Ký hiệu: P1÷3 – UPE 60÷50%; 7L - 7% cốt gia cường (100% Xơ da); – MEKP 1% 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng xơ da đến tính chất học composite xơ da/UPE Với mục đích tái sử dụng xơ da phế liệu làm vật liệu composite định hƣớng làm ván lát sàn, lƣợng xơ da composite cần đƣợc nghiên cứu tối ƣu để đảm bảo điều kiện chế tạo tính chất học sản phẩm cuối Kết thí nghiệm trình bày bảng hình cho thấy tính chất học composite thu đƣợc đa số giảm dần tăng hàm lƣợng xơ da từ - 11% Bảng Kết xác định tính chất học vật liệu composite xơ da/UPE với hàm lƣợng xơ da khác P1-7L1 P1-9L1 Hàm lượng xơ da (%) P1-11L1 11 Tên mẫu 79.91 79.53 Độ giãn dài (%) 5.32 5.24 Modun đàn hồi (N/mm 2) 1990.63 1914.66 Độ bền va đập Izod (KJ/m2) 1.70 1.60 Độ bền nén (kPa) 77.30 81.20 76.76 7.52 1521.71 1.60 76.80 Độ bền kéo (MPa) Ký hiệu: P1 – UPE 60%; 7÷11L - 7÷11% cốt gia cường (100% Xơ da); – MEKP 1% Khi tăng hàm lƣợng xơ da từ 7% lên 9% độ bền kéo modun đàn hồi mẫu giảm nhẹ; hàm lƣợng xơ da đạt 11% độ bền kéo modun đàn hồi mẫu có giảm mạnh tƣơng ứng từ 79.53 MPa 1914.66 N/mm2 (mẫu 9%) xuống mức 76.76 MPa 1521.71 N/mm2 Điều tỷ trọng xơ da nhỏ so với nhựa UPE, nên hàm lƣợng xơ tăng lên, khả khuếch tán nhựa nhƣ khả thấm ƣớt bề mặt xơ da giảm Khi hàm lƣợng xơ tăng, mức độ thấm ƣớt đồng nhựa UPE giảm, mức độ phân bố xơ da/UPE giảm, xơ thiếu mối liên kết nhựa, làm giảm độ bền kéo modun đàn hồi mẫu Ngoài ra, tăng hàm lƣợng xơ da độ bền va đập composite giảm; độ bền nén mẫu đạt cực đại mẫu 9% xơ da sau giảm dần © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 127 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO tăng hàm lƣợng xơ da Độ bền va đập đặc trƣng cho khả hấp thụ lƣợng tác động đột ngột vật liệu Chính loại lực tác động mạnh tới mối liên kết thành phần pha phân tán (xơ da) pha liên tục (nhựa UPE) Để đạt đƣợc độ bền va đập tốt, độ bền mối liên kết phải cao Cũng nhƣ giải thích với độ bền kéo, hàm lƣợng xơ da tăng làm giảm mối liên kết nhựa xơ da dẫn đến giảm độ bền va đập Từ giá trị đo độ bền học mẫu composite cho thấy hàm lƣợng cốt gia cƣờng xơ da thích hợp 7% Do vậy, thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ phối trộn xơ da, sợi thủy tinh mùn cƣa cốt gia cƣờng, nồng độ dung dịch UPE hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP hàm lƣợng cốt gia cƣờng đƣợc chọn lần lƣợt 60%, 1% 7% Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng hàm lƣợng xơ da đến tính chất học composite 3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cưa đến tính chất học composite Nhƣ biết, sợi thủy tinh vật liệu thông dụng để làm cốt gia cƣờng cho composite nhờ độ bền học vƣợt trội Do vậy, để tăng cƣờng tính cho composite xơ da/UPE, sợi thủy tinh đƣợc nghiên cứu phối trộn với xơ da Thêm nữa, để giảm tỉ lệ nhựa UPE composite thành phẩm, mùn cƣa đƣợc nghiên cứu sử dụng nhƣ chất độn cho composite Bảng hình trình bày kết khảo sát tính chất học composite với hàm lƣợng cốt gia cƣờng 7% tỉ lệ phối trộn vật liệu cốt gia cƣờng 100% xơ da, xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) Bảng Kết xác định tính chất học vật liệu composite với tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa cốt gia cƣờng khác P1-7L1 P1-7LG Tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cưa (%) 100/0/0 50/50 P1-7LS 50/50 65.79 6.42 1508.69 1.60 65.80 40/30/30 71.22 5.81 1673.30 3.60 71.20 Tên mẫu P1-7LGS Độ bền kéo (MPa) Độ giãn dài (%) Modun đàn hồi (N/mm2) Độ bền va đập Izod (KJ/m2) Độ bền nén (kPa) 79.91 91.30 5.32 5.19 1990.63 2189.97 1.70 5.20 77.30 91.30 Ký hiệu: P1 – UPE 60%; - 7% cốt gia cường; L - xơ da, G - sợi thủy tinh; S – mùn cưa Ta thấy mẫu composite có tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50) có giá trị độ bền kéo, modun đàn hồi, độ bền va đập độ bền nén cao nhất, với giá trị lần lƣợt 91.30 MPa, 2189.97 N/mm 2, 5.20 KJ/m2 91.30 kPa Và mẫu có giá trị độ giãn dài thấp 5.19 % Các tính chất học vật liệu composite phụ thuộc vào liên kết phân bố cốt gia cƣờng với lớp nhựa Khác với xơ da, sợi thủy tinh vật liệu kỵ nƣớc nên hoàn toàn tƣơng hợp với nhựa UPE Khơng thế, sợi thủy tinh cịn có độ bền học vƣợt trội so với xơ da Do vậy, bổ sung sợi thủy tinh để thay phần xơ © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 128 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO da, khả thấm nhựa liên kết lớp cốt gia cƣờng với nhựa UPE tăng, làm cải thiện hầu hết tính chất học vật liệu composite Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa đến tính chất học composite Trái ngƣợc với mẫu composite cốt xơ da/sợi thủy tinh, mẫu composite cốt xơ da/mùn cƣa (50/50) có giá trị độ bền kéo, modun đàn hồi, độ bền va đập độ bền nén thấp nhất, với giá trị lần lƣợt 65.79 MPa, 1508.69 N/mm2, 1.6 KJ/m2 65.80 kPa Và mẫu có giá trị độ giãn dài cao 6.42 % Nhƣ vậy, xơ da có hiệu tăng bền cho composite nên thay lƣợng xơ da mùn cƣa làm chất độn làm giảm bền mẫu thí nghiệm Hơn nữa, mùn cƣa vật liệu ƣa nƣớc nên khả tƣơng thích với nhựa UPE nguyên nhân giảm bền vật liệu Độ giãn dài mẫu composite lớn mẫu thí nghiệm phần nhựa UPE định hàm lƣợng xơ da nên liên kết chúng lỏng lẻo Đối với mẫu composite có cốt gia cƣờng xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) có giá trị học mức trung gian mẫu composite cốt xơ da/sợi thủy tinh (50/50) mẫu composite cốt xơ da/mùn cƣa (50/50) Kết nghiên cứu mang lại nhiều lựa chọn điều kiện phối trộn cốt gia cƣờng cho vật liệu composite có tính chất học mong muốn, đồng thời tái sử dụng đƣợc hai phế thải rắn xơ da mùn cƣa Hình Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu composite với hàm lƣợng xơ da 7%(P1-7L1), 9%(P1-9L1), 11%(P1-11L1); tỉ lệ phối trộn cốt gia cƣờng xơ da/sợi thủy tinh 50/50 (P1-7LG) xơ da/mùn cƣa 50/50 (P1-7LS); phúng i 100ì â 2020 Trng i học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO 129 3.5 Hình thái cấu trúc phân bố pha composite Để đánh giá cách trực quan hình thái cấu trúc phân bố pha composite thu đƣợc, phƣơng pháp phân tích ảnh chụp hiển vi điện tử quét bề mặt vật liệu (SEM) thƣờng đƣợc sử dụng [2-7, 9] Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang mẫu composite trình bày Hình cho thấy phân bố xơ da, sợi thủy tinh mùn cƣa pha phân tán nhựa UPE Từ ảnh SEM ta thấy mẫu composite có phân chia pha rõ ràng có nhiều vùng nhựa UPE phân lập xơ da kết bó Điều chứng tỏ tƣơng hợp khả phân tán xơ da nhựa UPE Ảnh SEM mẫu có hàm lƣợng xơ da lớn cho thấy mật độ xơ da composite tăng lên, nhiều vùng xơ da riêng biệt không đƣợc nhựa UPE bao bọc Mẫu P1-7LG composite cốt xơ da/sợi thủy tinh (50/50) cho thấy sợi thủy tinh phân bố đan xen xơ da; mẫu P1-7LS composite cốt xơ da/mùn cƣa (50/50) cho thấy vùng nhựa UPE chiếm chủ yếu, xơ da kết bó phân bố riêng rẽ Kết phân tích hình ảnh SEM mẫu composite cho thấy phù hợp với ứng xử tính mẫu vật liệu phân tích 3.6 Sự biến đổi màu sắc vật liệu composite theo hàm lượng tỉ lệ phối trộn cốt gia cường khác Bảng Các giá trị L*, a*, b*, C*, h° hệ không gian màu CIELab mẫu composite Mẫu L* Nguồn sáng D65 - góc quan sát 10° a* b* C* h° ΔE P1 84.80 2.43 14.58 14.78 80.55 0.0 P1-7L1 55.53 -3.79 3.12 1.77 79.67 15.87 P1-9L1 54.06 -3.83 2.9 1.96 77.2 17.25 P1-11L1 54.04 -4.01 2.38 2.5 74.28 19.41 P1-7LG 55.63 -4.23 0.23 4.66 68.39 25.81 P1-7LS 56.58 -3.87 2.97 1.9 77.61 16.22 P1-7LGS 57.86 -3.73 3.8 2.4 81.63 14.84 Ký hiệu: P1 – UPE 60%; 7÷9 - 7÷9% cốt gia cường; L - xơ da, G - sợi thủy tinh; S – mùn cưa © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 130 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO Để đánh giá khác màu sắc mẫu composite, việc đo màu đƣợc thực theo hệ không gian màu CIELab thu đƣợc thông số màu thông số màu L, a, b, C h Hệ không gian màu CIELab đƣợc xây dựng dựa khả cảm nhận màu mắt ngƣời Do vậy, tất màu mà mắt ngƣời nhìn thấy đƣợc đƣợc biểu diễn thơng qua giá trị L, a, b Thông số L đặc trƣng cho độ sáng, sáng (+L) tối (-L); a* thông số màu đỏ - lục, ngả đỏ (+a) ngả lục (-a); b* thông số màu vàng - lam, ngả vàng (+b) ngả lam (-b) Tất màu có độ sáng L nằm mặt phẳng có trục tọa độ vng góc a* b* Độ sáng L màu thay đổi theo trục dọc Kết đo màu trình bày bảng đồ thị hóa hình cho thấy mẫu đối chứng nhựa UPE đóng rắn khơng cốt gia cƣờng (P1) có độ sáng cao (L = 84.8), màu ngả đỏ vàng (a = 2.43, b = 14.58); mẫu composite có cốt gia cƣờng (xơ da, sợi thủy tinh, mùn cƣa) có độ sáng giảm mạnh Khi tăng hàm lƣợng xơ da composite từ – 11%, độ sáng giảm dần, màu mẫu ngả lục giảm ánh vàng Khi thay phần xơ da sợi thủy tinh, mẫu P1-7LG có ánh vàng giảm mạnh (b = 0.23) ánh lục tăng mạnh (a = -4.23) Hình Đồ thị so sánh giá trị L*, a*, b* R mẫu composite Sự khác biệt màu sắc mẫu composite với mẫu đối chứng (P1) đƣợc đánh giá thông qua giá trị E Đây thông số đánh giá tổng khác biệt độ sáng màu sắc mẫu Thông thƣờng, giá trị E < 1.0 mắt ngƣời khơng phân biệt đƣợc khác biệt màu sắc hai mẫu vật liệu Kết tính E trình bày bảng cho thấy khác biệt màu sắc mẫu composite với mẫu đối chứng (P1) lớn khác biệt màu sắc mẫu composite phân biệt đƣợc Điều đƣợc thể qua khác biệt lớn giá trị sắc độ màu (C = [(a*)2 + (b*)2]0.5) sắc thái màu (h = tan-1(b/a)) mẫu thí nghiệm Điều phù hợp với ảnh chụp mẫu thực gắn kèm bảng Ngồi ra, đồ thị © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO 131 biểu diễn độ phản xạ (R) mẫu composite theo bƣớc sóng () hình cho thấy độ phản xạ mẫu đạt cực tiểu bƣớc sóng 620-630nm, tức vật liệu composite hấp thụ cực đại tia sáng có ánh đỏ Việc sử dụng hệ khơng gian màu CIELab để đo màu cho mẫu composite cho phép mơ tả xác màu sắc độ mẫu, giống với màu sắc mà mắt ngƣời bình thƣờng cảm nhận đƣợc KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, ảnh hƣởng nồng độ dung dịch UPE, hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP, hàm lƣợng xơ da, tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh mùn cƣa cốt gia cƣờng đến thời gian đóng rắn, độ bền học, phân bố pha màu sắc vật liệu composite đƣợc thực Sử dụng xơ da phế liệu liệu kết hợp với nhựa UPE chế tạo vật liệu composite có tính chất học tƣơng đối tốt Nghiên cứu cho thấy xơ da cản trở làm chậm tốc độ đóng rắn nhựa làm suy giảm số tính chất học composite bao gồm độ bền kéo, độ bền va đập độ bền nén lƣợng xơ da sử dụng mức Độ bền học mẫu composite tăng thay phần xơ da sợi thủy tinh giảm bổ sung mùn cƣa Phân tích mặt cắt ngang mẫu ảnh SEM cho thấy phân bố xơ da composite có liên quan mật thiết đến tính chất học vật liệu Sử dụng phƣơng pháp đo màu quang phổ để đánh giá màu sắc mẫu theo hệ không gian màu CIELab cho thấy có khác rõ ràng cƣờng độ màu sắc độ mẫu theo hàm lƣợng xơ da sử dụng tỉ lệ pha trộn cốt gia cƣờng vật liệu composite Với điều kiện khảo sát, nồng độ UPE, chất đóng rắn MEKP hàm lƣợng xơ da thích hợp để chế tạo vật liệu composite xơ da/UPE lần lƣợt 60%, 1% 7% Điều kiện vừa đảm bảo thu đƣợc vật liệu có đặc tính học tốt vừa đảm bảo thời gian gia công phù hợp Với tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh mùn cƣa cốt gia cƣờng khảo sát, mẫu có tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50) có độ bền học phân bố pha tốt Kết nghiên cứu bƣớc đầu cho thấy sử dụng xơ da phế liệu để chế tạo vật liệu composite sở để định hƣớng cho việc nghiên cứu làm ván lát sàn LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin cảm ơn hỗ trợ kinh phí từ Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP.HCM thơng qua đề tài cấp Trƣờng mã số 171.1041 Đồng thời cảm ơn ban chủ nhiệm khoa May thời trang khoa Cơng nghệ Hóa trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP.HCM; Phịng thí nghiệm hóa dệt trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ để chúng tơi hồn thành nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dự án “Khảo sát, đánh giá thực trạng tiêu hao loại nguyên vật liệu chất thải rắn ngành Da giầy Việt Nam”, Viện Nghiên cứu Da Giầy, năm 2014 [2] El‐Sabbagh, Salwa H., and Ola A Mohamed Recycling of chrome‐tanned leather waste in acrylonitrile butadiene rubber Journal of Applied Polymer Science 121(2), 2011, 979-988 [3] Garcia, N.G., et al Natural rubber/leather waste composite foam: A new eco‐friendly material and recycling approach Journal of Applied Polymer Science, 132(11), 2015 [4] Popita, G.E., et al Industrial tanned leather waste embedded in modern composite materials Mater Plast, 53, 2016, 308-311 [5] Talib, S., et al Tensile properties of chrome tanned leather waste short fibre filled unsaturated polyester composite AIP Conference Proceedings, 1901(1), 2017, 30013 [6] Santos, R.J., et al Recycling leather waste: preparing and studying on the microstructure, mechanical, and rheological properties of leather waste/rubber composite Polymer Composites, 36(12), 2015, 2275-2281 [7] G Andreopoulos and P.A Tarantili, Waste leather particles as a filler for poly (vinyl chloried) plastisols, Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, A37 (11), 2000, 1353–1362 © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 132 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO [8] Nguyễn Ngọc Thắng, Nguyễn Thị Thu Hằng Nghiên cứu biến đổi cấu trúc tính chất lý cá sấu Hoa cà trƣớc sau thuộc muối crom Tạp chí Khoa học Công nghệ, Trƣờng Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2019 (chấp nhận đăng) [9] Bùi Văn Huấn, Đồn Anh Vũ, Nguyễn Phạm Duy Linh, Ngơ Thị Kim Thoa, Nghiên cứu khả sử dụng xơ da thuộc để chế tạo vật liệu compozit sở nhựa epoxy, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, số 29, 2018 Ngày nhận bài: 13/01/2020 Ngày chấp nhận đăng: 20/03/2020 © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ... 127 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO tăng hàm lƣợng xơ da Độ bền va đập đặc trƣng cho khả hấp thụ lƣợng tác động đột ngột vật liệu. .. nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 126 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHƠNG NO 60%, tính chất học vật liệu composite thu đƣợc có khác tƣơng...NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO 123 xử lý chôn lấp đốt bỏ đƣợc áp dụng cho chất thải rắn ngành da giầy khơng gây