Nhựa PET độ bền cơ học cao, khả năng chịu lực xé và va chạm cao, chịu được mài mòn và có độ cứng vững là loại nhựa polyme nhiệt nhôm phổ biến nhất của polyeste và được sử dụng trong sợi
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam, nơi trung bình mỗi năm thải ra hơn 1,8 triệu tấn rác thải nhựa, đứng thứ 4 trong số 20 quốc gia hàng đầu về ô nhiễm Rác thải nhựa chiếm gần 70% tổng lượng chất thải nhựa tại Tehran và khoảng 60% tại Hoa Kỳ, cho thấy tình hình đáng báo động Để giải quyết vấn nạn này, nhiều công ty trong và ngoài nước đang triển khai các phương án tái chế, nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm tiêu thụ nhiên liệu, hạn chế bãi chôn lấp và giảm hiệu ứng nhà kính.
Vấn đề rác thải bao bì, đặc biệt là màng nhựa phức hợp PE - PET, đang trở thành một thách thức lớn do mức tiêu thụ cao và thời gian phân hủy kéo dài lên đến hàng trăm năm Mặc dù bao bì này có nhiều ưu điểm như nhẹ, trong suốt và chống va đập, nhưng việc xả thải ngày càng gia tăng đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Do đó, cần thiết phải có các phương án tái chế và tái sử dụng loại rác thải nhựa này Nghiên cứu cho thấy màng phức hợp từ hỗn hợp PE - PET thường có tỉ lệ thành phần 1:3, nhưng tỷ lệ này không đạt yêu cầu về cơ tính và độ trong Việc xác định tỷ lệ trộn phù hợp sẽ giúp cải thiện chất lượng hạt nhựa, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong sản xuất bao bì.
Hình 1.1: Thu gom rác thải nhựa Hình 1.2: Sản xuất bao bì nhựa
Tính cấp thiết của đề tài
Trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0, phát triển ngành công nghiệp trở thành ưu tiên hàng đầu tại Việt Nam Tuy nhiên, cuộc cách mạng này cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là vấn đề tái chế rác thải nhựa Do đó, việc pha trộn các polyme khác nhau đang trở thành một chủ đề quan trọng cần được nghiên cứu và phát triển.
Xử lý vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu tổng hợp, được xem là một chiến lược mới với tiềm năng lớn về mặt kinh tế và môi trường.
Thí nghiệm này đối mặt với thách thức về điểm nóng chảy và tính không tương thích của các loại polyme khác nhau Nhóm nghiên cứu đã nhận thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu tổng hợp gia cố bằng vi sợi từ chai nhựa PET và khay LDPE Việc kết hợp PET và LDPE thường bị bỏ qua do hạn chế về ứng dụng Nghiên cứu này nhằm cải thiện nhược điểm của chúng, mở rộng khả năng ứng dụng và giảm thiểu rác thải nhựa, góp phần bảo vệ môi trường.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của Polythylene Terephthalate (PET) đến tính chất cơ học của hỗn hợp Polythylene Terephthalate và Low-Density Polyethylene (LDPE) với các tỷ lệ phần trăm khác nhau Mục tiêu chính là hiểu rõ cấu trúc và cơ tính của hỗn hợp nhựa LDPE/PET, từ đó đánh giá sự tương tác giữa hai loại nhựa này.
Việc thêm PET vào LDPE với các tỷ lệ phần trăm khác nhau nhằm cải thiện cơ tính như độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập của hỗn hợp Sự kết hợp này không chỉ tạo ra vật liệu mới mà còn nâng cao các đặc tính cơ học, mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Nghiên cứu tăng cường cơ tính cho vật liệu tái chế từ PET và LDPE mang lại lợi ích lớn cho con người và môi trường, góp phần giảm ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng Đồng thời, nghiên cứu này cũng là tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên và nhà nghiên cứu vật liệu, giúp họ tiếp thu kiến thức trong quá trình thực hiện đồ án.
Mục tiêu đề tài
Trộn PET với LDPE với các mục tiêu như sau:
- Tạo ra hỗn hợp polyme mới có độ bền uốn cao hơn hỗn hợp nhựa ban đầu
- Tìm ra tỷ lệ hỗn hợp LDPE/PET đảm bảo về cơ tính cao để giúp cho các doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm nhựa.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác định các tỷ lệ của hỗn hợp LDPE/PET
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập và cấu trúc tế vi của hỗn hợp LDPE/PET Kết quả nghiên cứu được thể hiện qua các biểu đồ, minh họa sự thay đổi cơ tính của hỗn hợp này.
- Tìm ra tỉ lệ hỗn hợp LDPE/PET phù hợp cho mục đích của đề tài nghiên cứu
Quy hoạch thực nghiệm giúp xác định phương trình thể hiện mối liên hệ giữa tỷ lệ PBT và PP trong thành phần hỗn hợp, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chúng đến từng chỉ tiêu cơ tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Hỗn hợp LDPE/PET chỉ tiêu cơ tính (độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập), tổ chức tế vi
- Phạm vi: Khảo sát tỷ lệ hỗn hợp LDPE/PET (tỷ lệ PET dưới 20%)
Phương pháp nghiên cứu
- Chế tạo các mẫu với tỉ lệ LDPE/PET (100/0, 95/5, 90/10, 85/5, 80/20 )
- Nghiên cứu độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập, tổ chức tế vi
- Quy hoạch thực nghiệm tìm ra mối quan hệ giữa tỷ LDPE và PET
TỔNG QUAN
Vật liệu LDPE
Vật liệu nhựa đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hiện đại và sản xuất, nhưng khả năng ứng dụng của nó vẫn chưa được khai thác triệt để Nghiên cứu về nhựa đang diễn ra mạnh mẽ nhằm thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại và gỗ Với những đặc tính ưu việt, nhựa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử, cơ khí, ô tô và điện lạnh Cụ thể, LDPE được sử dụng trong sản xuất các khay chứa, chai lọ, ống nhựa, cũng như các bộ phận của máy tính và thiết bị phòng thí nghiệm Sản xuất túi nhựa và chai lọ là những ứng dụng phổ biến nhất hiện nay.
Hình 2.1: Ảnh túi nhựa làm từ LDPE
Polyetylen mật độ thấp (LDPE) là loại nhựa được sản xuất từ Etylen monome và là loại polyetylen đầu tiên, ra đời vào năm 1933 bởi Imperial Chemical Industries (ICI) LDPE được sản xuất thông qua quy trình áp suất cao bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do và có mã nhận dạng nhựa là số 4.
Mặc dù LDPE được gán với biểu tượng tái chế, nhưng khả năng tái chế của nó không phổ biến như nhựa số 1 (Polyethylene Terephthalate) và số 2 (Polyethylene mật độ cao).
LDPE, với dải mật độ từ 917 đến 930 kg/m³, không phản ứng ở nhiệt độ phòng trừ khi tiếp xúc với các chất oxy hóa mạnh Chất liệu này có khả năng chịu nhiệt lên đến 65°C (149°F) liên tục và 90°C (194°F) trong thời gian ngắn LDPE được sản xuất dưới dạng trong mờ và mờ đục, mang lại tính dẻo và độ bền cao.
LDPE có cấu trúc nhiều nhánh hơn HDPE, với khoảng 2% nguyên tử carbon, dẫn đến lực liên phân tử yếu hơn, độ bền kéo thấp hơn và khả năng phục hồi cao hơn Sự hiện diện của các nhánh bên khiến các phân tử LDPE được đóng gói lỏng lẻo hơn và ít kết tinh hơn, do đó mật độ của LDPE thấp hơn so với HDPE.
Trộn hợp LDPE với các polymer
Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu tiết kiệm kinh tế và tìm kiếm vật liệu đa năng ngày càng cao, dẫn đến việc pha trộn các polymer hiện có để tạo ra vật liệu mới với cơ tính và độ bền tốt hơn Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc trộn LDPE với các polymer khác như Polypropylene (PP), Polyamide (PA6), Poly 3-Hydroxi-Butyrate (PHB), và Polyvinylchloride (PVC) có thể cải thiện đáng kể các đặc tính của LDPE Sự pha trộn polymer không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới cho vật liệu nhựa.
Nghiên cứu của Sankar Das và cộng sự [7] đã chỉ ra rằng việc cải thiện cơ tính của hỗn hợp LDPE/PP có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ thành phần Cụ thể, khi tỷ lệ 25LDPE/75PP được sử dụng, độ đàn hồi của hỗn hợp tăng lên, trong khi tỷ lệ 50LDPE/50PP mang lại hiệu quả uốn cong lý tưởng Sự mở rộng của LDPE vào PP giảm, đồng thời các chỉ số như độ dày, độ đàn hồi, hiệu quả uốn, mô đun linh hoạt và độ cứng đều được cải thiện.
Marisa Cristina và cộng sự [8] đã chứng minh rằng việc bổ sung PHB vào LDPE, mặc dù làm giảm một số tính chất cơ học, vẫn có thể tạo ra hỗn hợp với độ bền kéo từ 8.9 đến 10 MPa Điều này cho thấy rằng một số loại LDPE thương mại có độ bền trong khoảng này, cho phép kết luận rằng việc thêm PHB vào LDPE có thể giúp tạo ra vật liệu có khả năng phân hủy sinh học cao hơn Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bánh dầu thầu dầu, một chất độn ưa nước, có thể tăng cường quá trình phân hủy của hỗn hợp LDPE/PHB.
K Román và cộng sự [9] đã nghiên cứu các đặc tính cơ nhiệt và phân hủy nhiệt của các hỗn hợp polyme khác nhau Kết quả ghiên cứu là PVC pha trộn với LDPE chịu được nhiệt độ xử lý 180°C Nếu nhiệt độ hỗn hợp PVC/PE được nâng lên cao hơn nhiệt độ nóng chảy của
PE, đồng thời hàm lượng PE trong hỗn hợp cao thì quá trình phân hủy PVC càng đáng kể.
Vật liệu PET
PET, hay polyethylene terephthalate, là một polyme bán thơm được tổng hợp từ ethylene glycol và axit terephthalic, với nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh từ 67 đến 81°C và điểm nóng chảy đạt 260°C Loại nhựa nhiệt dẻo polyester này nổi bật với các tính chất cơ học và nhiệt tốt, độ thấm thấp cùng khả năng kháng hóa chất, nên được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sợi cho quần áo, hộp đựng đồ uống và thực phẩm, cũng như trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác PET có khả năng ép phun để tạo hình và thường được kết hợp với sợi thủy tinh trong ngành công nghiệp, đồng thời cũng là một trong những nguyên liệu quan trọng trong sản xuất sợi thủ công.
Hình 2.2: Ảnh minh họa chai làm từ PET
PET, một loại polyme nhiệt dẻo thuộc họ polyester, nổi bật với các tính năng như khả năng chịu lực tốt, chịu nhiệt cao, kháng hóa chất và ổn định kích thước Đây là loại nhựa có khả năng tái chế cao nhất, với mã nhận dạng nhựa là số "1".
PET được phát hiện ra vào năm 1941 bởi Calico Printer Association ở thành phố Manchester Chai nhựa PET được đưa vào sản xuất vào năm 1973.
Hỗn hợp LDPE/PET
Công trình nghiên cứu của Mustapha Kaci và các cộng sự tập trung vào hình thái và tính chất cơ học của hỗn hợp Polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) và Polyethylene Terephthalate (PET) với tỷ lệ 10%, 20% và 30% PET, được sản xuất từ cả polyme nguyên chất và rác thải nhựa đô thị Nghiên cứu cũng xem xét tác dụng của Terpolyme Ethylene-butyl Acrylate-glycidyl Methacrylate (EBAGMA) như một chất tương hợp Quá trình trộn LDPE và PET diễn ra hai lần trong máy đùn trục vít đơn, với lần đầu để đồng nhất hóa và lần hai để cải thiện độ tương thích nhờ vào terpolyme EBAGMA Kết quả cho thấy sự giảm đáng kể về độ giãn dài khi đứt và độ bền va đập, cho thấy sự giòn của hỗn hợp nhị phân Việc bổ sung terpolyme EBAGMA giúp giảm kích thước các thể vùi PET xuống còn 1–5 mm với độ phân tán mịn.
Cải thiện cường độ bám dính bề mặt giữa LDPE và PET đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể các đặc tính kéo và độ bền va đập.
Laongdaw Techawinyutham và các cộng sự đã nghiên cứu tính chất cơ học và nhiệt lưu biến của hỗn hợp LDPE/PET tái chế, cho thấy rằng độ giãn dài khi đứt và độ bền va đập được cải thiện khi hàm lượng chất tương thích tăng lên Tuy nhiên, độ bền kéo đứt, độ bền uốn và mô đun uốn của PET/LDPE không có chất tương hợp lại đạt giá trị tối đa.
S Fakirov và cộng sự [14] đã nghiên cứu hình thái được thực hiện bằng các kỹ thuật hiển vi khác nhau trên các mẫu thử nghiệm, được điều chế từ hỗn hợp PET/LDPE thông qua ép phun trong các điều kiện thích hợp về mặt thương mại, đã cho thấy cấu trúc MFC Sau khi ép phun, ma trận LDPE đẳng hướng được gia cố bằng vi sợi PET với tỷ lệ khung hình ít nhất là
50 Các vi sợi siêu nhỏ thoải mái được phân tán khá đồng nhất trong ma trận, với ưu tiên căn chỉnh song song với MFD
Seyyedeh Tahereh và cộng sự đã nghiên cứu tác động của hỗn hợp sợi nhỏ từ nhựa tái chế đến các đặc tính vật lý và cơ học của vật liệu tổng hợp gỗ-nhựa (WPC) Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp HDPE/LDPE tái chế được gia cố bằng vi sợi PET trong sản xuất nhựa composite gỗ, bắt đầu bằng việc trộn HDPE/LDPE/PET.
Nghiên cứu cho thấy, việc thêm 2% E-GMA vào hỗn hợp HDPE/LDPE và vi sợi PET trong quá trình đùn ở 170°C giúp cải thiện độ bám dính bề mặt Các phép đo DSC chỉ ra rằng độ kết tinh của nhựa trong vật liệu tổng hợp nhựa gỗ tăng lên đáng kể khi có sự hiện diện của vi sợi PET, E-GMA và WF, trong khi khảo sát XRD cho thấy PET làm giảm độ kết tinh nhưng E-GMA lại cải thiện khả năng tương thích Tại Đại học Bách khoa Bang Lhokseumawe và Bang Malang, nghiên cứu về gạch từ hỗn hợp rác thải nhựa và vật liệu xây dựng cho thấy loại gạch này nhẹ hơn, có lỗ rỗng nhỏ hơn và độ bền tương đương gạch thông thường Tuy nhiên, quá trình nung gạch tạo ra khí thải dioxin, do đó cần có các biện pháp cải tiến để giảm thiểu khí thải này.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hỗn hợp LDPE/PET với hoặc không có thành phần thứ ba, nhưng cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của PET đối với hỗn hợp này Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ khảo sát các tính chất cơ học và hình thái của hỗn hợp LDPE/PET bằng cách trộn theo các tỷ lệ 100/0, 95/5, 90/10, 85/15 và 80/20.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung và phân loại hỗn hợp polymer
Các polymer hiện nay rất đa dạng và đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế không đáp ứng được nhu cầu Do đó, pha trộn polymer trở thành một biện pháp phổ biến hiện nay và trong tương lai gần Phương pháp này không chỉ giúp phát triển nhựa hiệu suất cao mới mà còn cải thiện các yếu tố cơ tính và giá cả của vật liệu.
Tuy nhiên, do sự khác nhau về tính chất của từng polymer, ta có thể chia thành 2 phương pháp để thích hợp để trộn vật liệu:
Phương pháp hóa học là cách thiết kế cấu trúc với các tính chất vật lý ưu việt bằng cách xác định hướng phát triển từ cấu trúc monome và tiến hành trùng hợp chúng.
Phương pháp vật lý là một kỹ thuật điều chỉnh các tính chất vật lý của polyme bằng cách kiểm soát trọng lượng phân tử hoặc số lượng chuỗi Ngoài ra, việc trộn các chất có tính chất vật lý tốt cũng là một phương pháp hiệu quả để cải thiện đặc tính của vật liệu.
Polyme blend có thể chia làm 3 loại theo sự tương hợp của các polyme thành phần [17]:
Polyme blend trộn lẫn và tương hợp hoàn toàn có entanpy nhỏ hơn không, nhờ vào các tương tác đặc biệt và sự đồng nhất ở mức độ phân tử Điều này cho thấy rằng sự tương tác giữa các thành phần trong polyme có thể tạo ra một hệ thống ổn định và đồng nhất, góp phần cải thiện tính chất vật lý của vật liệu.
- Polyme blend trộn lẫn và tương hợp một phần: một phần polyme này tan trong polyme kia, ranh giới phân chia pha không rõ ràng
- Polyme blend không trộn lẫn và không tương hợp: hình thái pha rất thô, không mịn, ranh giới phân chia pha rõ ràng.
Các phương pháp xác định sự tương hợp của các polymer
Vật liệu polymer hiện nay đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế, nhưng sự phát triển xã hội đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với chúng Để đáp ứng những yêu cầu đa dạng, việc pha trộn các polymer hiện có đã trở thành một giải pháp hiệu quả, bên cạnh việc phát triển các polymer mới Chi phí nghiên cứu và phát triển polymer mới thường gấp gần một trăm lần so với chi phí của hỗn hợp polymer, trong khi hiệu suất của một số polymer pha trộn có thể vượt trội hơn so với polymer đơn lẻ Do đó, khả năng tương thích giữa các polymer là yếu tố quyết định trong quá trình pha trộn.
Sau khi chuẩn bị hỗn hợp polyme, việc đo và nghiên cứu khả năng tương thích giữa các thành phần là rất quan trọng Các phương pháp xác định khả năng tương thích bao gồm nhiệt độ chuyển thủy tinh, hồng ngoại, kính hiển vi điện tử và điểm đám mây.
Phương pháp đo nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) của hỗn hợp polymer là một trong những phương pháp phổ biến nhất để nghiên cứu khả năng tương thích của các thành phần trong hỗn hợp Phương pháp này thường bao gồm việc kiểm tra các tính chất cơ động học nhằm so sánh Tg của hỗn hợp với Tg của từng thành phần riêng lẻ.
Phương pháp quang phổ hồng ngoại là công cụ hữu ích để nghiên cứu khả năng tương thích của các thành phần trong hệ thống pha trộn Khi các thành phần tương thích, sự tương tác giữa chúng sẽ dẫn đến sự dịch chuyển trong dải phổ hồng ngoại của hỗn hợp so với dải của từng thành phần riêng lẻ.
Phương pháp kính hiển vi điện tử cho phép chụp ảnh hình thái của hỗn hợp, từ đó nghiên cứu khả năng tương thích giữa các thành phần Khi khả năng tương thích giữa các thành phần pha trộn tốt và lớp chuyển tiếp đạt độ dày nhất định, giao diện giữa hai pha có thể bị mờ trên kính hiển vi điện tử.
Phương pháp điểm đám mây liên quan đến việc hình thành các hỗn hợp từ hai polymer không tương thích, bất kể tỷ lệ và nhiệt độ Một số cặp polymer chỉ tương hợp hoàn toàn trong một khoảng tỷ lệ và nhiệt độ nhất định, ngoài khoảng này sẽ xảy ra hiện tượng tách pha, dẫn đến việc hình thành hệ hai pha Dựa vào nhiệt độ tách pha, có thể phân loại thành hai loại: "nhiệt độ tương thích tới hạn thấp".
"nhiệt độ tương thích tới hạn cao"
Kiểm tra trực quan là phương pháp quan trọng để đánh giá tính tương thích của hệ thống pha trộn polyme trong suốt Nếu hệ thống đồng nhất, nó sẽ cho thấy độ trong suốt cao; ngược lại, nếu có hai hoặc nhiều pha, hiện tượng vẩn đục sẽ xuất hiện do khúc xạ ánh sáng Đặc biệt, khi chiết suất của các pha tương tự nhau (chênh lệch nhỏ hơn 0.01), cả hai pha đều có thể trong suốt, đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp khác để mô tả đặc tính của chúng.
Các phương pháp chế tạo hỗn hợp polymer
Tính chất của hỗn hợp polymer phụ thuộc vào sự tương hợp giữa các polymer thành phần Khả năng tương thích này liên quan đến khả năng pha trộn của từng polymer để tạo ra vật liệu đồng nhất về mặt vĩ mô Nghiên cứu cho thấy sự tương thích phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất hóa học, cấu trúc phân tử, khối lượng phân tử, tỷ lệ các cấu tử, năng lượng bám dính ngoại phân tử và nhiệt độ Khả năng tương thích giữa các thành phần là yếu tố quyết định tính chất của vật liệu pha trộn hợp kim polymer và là cơ sở quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp.
Ngày nay, hỗn hợp polymer chủ yếu được chế tạo bằng các phương pháp sau [18]:
- Chế tạo polyme blend từ dung dịch polyme
- Chế tạo polyme blend ở trạng thái nóng chảy
- Phương pháp lưu hoá động
- Trùng hợp monome trong một polyme khác
- Tạo các mạng lưới đan xen của các polyme
- Ngoài ra, còn có một số phương pháp khác để chế tạo hỗn hợp polymer
Các phương pháp chế tạo hỗn hợp polyme trong dung dịch và ở trạng thái nóng chảy là những kỹ thuật phổ biến nhất, thường được áp dụng trên các thiết bị gia công chất dẻo Những phương pháp này không chỉ giúp lưu hoá động mà còn tạo ra các mạng lưới đan xen của các polyme.
Ưu điểm và ứng dụng của hỗn hợp polymer
Khi kết hợp các polymer để tạo ra một hỗn hợp polymer mới, vật liệu này giúp lấp đầy khoảng trống về công nghệ và giá cả giữa các polymer thành phần, từ đó tối ưu hóa chi phí và lựa chọn vật liệu phù hợp nhất.
Hỗn hợp polymer mang lại cơ tính vượt trội nhờ khả năng kết hợp các tính chất ưu việt từ các polymer thành phần, đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
Quá trình nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới thông qua việc trộn polymer thường diễn ra nhanh chóng và tiết kiệm chi phí hơn so với việc tìm kiếm vật liệu mới, nhờ vào việc tận dụng công nghệ hiện có và kết hợp các polymer với tính chất đã được xác định.
Hỗn hợp polymer đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống hàng ngày, được ứng dụng trong các sản phẩm như ống dẫn điện, áo mưa và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.
Mục tiêu chính của kỹ thuật polyme là phát triển các sản phẩm hữu ích phục vụ cho nhu cầu của xã hội, từ những vật dụng dùng một lần trong sinh hoạt hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghệ cao Các hỗn hợp nhựa polymer đóng vai trò quan trọng trong đời sống, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho nhiều lĩnh vực khác nhau.
Dùng làm vật liệu bọc điện, bao đóng gói, chế tạo bóng thám không, thiết bị trong ngành sản xuất hóa học, sơn tàu thủy,…
Polyvinyl axetat được sử dụng trong chế sơn, keo dán, da nhân tạo,…
Polymetyl acrilat cùng polymetyl metacrilat dùng để sản xuất các màng, tấm, keo dán, da nhân tạo,…
Polymetyl metacrylat dùng trong sản xuất thủy tinh hữu cơ
Polystiren sử dụng làm vật liệu cách điện và các đồ gia dụng như cúc áo, lược,…
Nhựa bakelit dùng làm vật liệu cách điện, các chi tiết máy và một số đồ gia dụng
Được ứng dụng rộng rãi để thay thế cho các sản phẩm làm bằng gỗ, vải, da, ….
Công nghệ ép phun nhựa
Ép phun là công nghệ sản xuất sản phẩm bằng cách phun vật liệu nóng chảy vào khuôn đúc, có khả năng áp dụng cho nhiều loại vật liệu như kim loại (đúc áp lực), thủy tinh, vật liệu đàn hồi, và đặc biệt là nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn Trong quá trình này, vật liệu được đưa vào thùng nóng, trộn đều bằng hệ thống trục vít, sau đó được phun vào khuôn, làm nguội và đông đặc để tạo ra hình dạng mong muốn.
Khuôn được thiết kế và chế tạo bởi thợ làm khuôn, thường sử dụng vật liệu kim loại như thép và nhôm để đảm bảo độ chính xác cần thiết Công nghệ ép phun được áp dụng rộng rãi trong sản xuất, từ các chi tiết nhỏ đến toàn bộ khung xe Sự phát triển của công nghệ in 3D, đặc biệt với vật liệu photopolymer không chảy trong quá trình ép phun, mở ra khả năng sản xuất các khuôn phun đơn giản.
Khuôn ép nhựa là dụng cụ thiết yếu để tạo hình sản phẩm nhựa, được thiết kế theo yêu cầu cụ thể Nó bao gồm nhiều chi tiết ghép lại, nơi nhựa được phun vào và sau đó làm nguội để tạo ra sản phẩm cuối cùng Kích thước và hình dáng của sản phẩm ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và cấu trúc của khuôn Ngoài ra, cần chú ý đến các thông số công nghệ như góc nghiêng, nhiệt độ khuôn và áp suất gia công, cũng như tính chất vật liệu như độ co rút, tính đàn hồi và độ cứng Khuôn sản xuất nhựa thường được chia thành hai phần chính, tạo thành một cụm chi tiết phức tạp.
- Phần cavity (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa
- Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được gá trên tấm di động của máy ép nhựa
Dựa vào phương của trục vít, máy ép nhựa thường được phân ra làm hai loại:
- Máy ép nhựa ngang thường được sử dụng phổ biến hơn do giá thành rẻ, an toàn và đa dụng hơn so với máy đứng
Máy ép nhựa đứng là thiết bị phổ biến trong các công ty sản xuất khuôn insert, cho phép người dùng dễ dàng thay đổi lõi trực tiếp trên máy Điều này mang lại sự thuận tiện và hiệu quả cho quá trình thao tác, giúp nâng cao năng suất làm việc.
Máy ép ngang và máy ép đứng đều hoạt động trên cùng một nguyên lý, nhưng chúng khác nhau về cách bố trí các thành phần và chi tiết bên trong.
Các phương pháp đánh giá các chỉ tiêu cơ tính
Cơ tính của vật liệu là các đặc trưng cơ học phản ánh khả năng chịu đựng của chúng dưới tác động của các loại tải trọng khác nhau Nghiên cứu về cơ tính được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau để đánh giá hiệu suất và độ bền của vật liệu.
Độ bền kéo của vật liệu được xác định thông qua việc chế tạo mẫu theo tiêu chuẩn quốc gia Khi mẫu được kéo, chiều dài tăng lên trong khi tiết diện ngang giảm, cho đến khi đạt điểm giới hạn bền Tại thời điểm này, mẫu sẽ bị thắt lại và lực kéo đạt mức tối đa, sau đó mặc dù lực không tăng, mẫu vẫn tiếp tục dài cho đến khi đạt giới hạn phá hủy và bị đứt Độ bền kéo của vật liệu được tính toán dựa trên công thức cụ thể.
P: lực kéo lớn nhất ứng với lúc mẫu bị thắt (N)
F 0 : diện tích tiết diện chỗ thắt (mm 2 ) σ k : giới hạn ứng suất
Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của máy đo độ bền kéo
- Độ dai va đập: Mẫu Izod dùng mẫu kích thước 10x10x75 mm và xẻ rãnh chữ V sâu 2 mm, cách một đầu 28 mm và ngầm tại đầu này trên máy
- Xác định độ dai va đập của vật liệu theo công thức:
A: là công để phá hỏng mẫu (N.m)
F: là diện tích mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh V (m 2 )
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập
Độ bền uốn là khả năng của vật liệu chống chịu biến dạng dưới tải trọng Các tiêu chuẩn phổ biến để đánh giá độ bền uốn bao gồm ISO 178 và ASTM D970.
Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động của máy đo độ bền uốn
PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM
Chuẩn bị mẫu thử
- Nhựa LDPE được mua từ công ty nhựa An Phát, với mã hàng là D795C có xuất sứ từ Thái Lan
- Nhựa PET được mua từ Công ty TNHH Sản xuất và Thương mại Mỹ Toàn với mã hàng là GO80A có xuất sứ tại Việt Nam
Trước khi gá khuôn lên máy, cần vệ sinh bề mặt bằng giấy nhám với số lượng tăng dần để đảm bảo khuôn sạch sẽ Việc này giúp ngăn ngừa rỉ sét và loại bỏ các mẫu nhựa còn sót lại, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình thí nghiệm.
LDPE và PET được trộn theo tỉ lệ quy định, sau đó được làm khô trong lò sấy ở nhiệt độ 80°C trong 4 đến 5 tiếng Sau khi sấy, độ ẩm của hỗn hợp phải được kiểm soát dưới 0.02% trước khi tiến hành ép mẫu Mẫu được ép phun bằng máy Haitian để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Máy MA 1200 III hoạt động ở nhiệt độ 235 oC, với quá trình gia nhiệt nhựa trải qua 5 giai đoạn Bắt đầu từ nhiệt độ 215 oC, nhiệt độ tăng lên 5 oC ở mỗi giai đoạn, và giữ ổn định ở 235 oC trước khi phun vào khuôn Sản phẩm cuối cùng có hình dạng như trong hình 4.5.
Hình 4.3: Máy Haitian MA 1200 III
Hình 4.4: (a) Chuẩn bị vật liệu ; (b) Gá khuôn lên máy
Hình 4.5: (a) Điều chỉnh thông số máy ; (b) Mẫu thí nghiệm sau khi ép
Kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638
Các mẫu có kích thước như (hình 4.6) được kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 bằng máy kéo vạn năng AG-X plus Shimadzu (hình 4.7) Để đảm bảo độ chính xác cao, cần kiểm tra ít nhất 5 mẫu cho mỗi nhóm, do đó tổng số mẫu thử nghiệm là 60, chia thành 6 nhóm tương ứng với 6 tỷ lệ trộn của hỗn hợp Mỗi mẫu phải đạt yêu cầu không bị cong vênh, bavia, phun thiếu và được đo trong môi trường phòng thí nghiệm với nhiệt độ 23 ± 2 °C.
Hình 4.6: Kích thước mẫu đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638
Hình 4.7: Máy kéo vạn năng AG-X plus Shimadzu
Hình 4.8: Mẫu trước và sau khi đo độ bền kéo
Kiểm tra độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790
Hình 4.9: Kích thước mẫu đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790
Máy đo vạn năng Shimadzu AG-X Plus 20 kN (hình 4.10) được sử dụng để đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790 bằng phương pháp bẻ cong 3 điểm Để đảm bảo độ chính xác cao, cần kiểm tra ít nhất 5 mẫu cho mỗi nhóm mẫu Các mẫu có kích thước như hình 4.9, bao gồm 5 mẫu cho mỗi tỉ lệ, được thí nghiệm trong môi trường có nhiệt độ 23 ± 2 o C và độ ẩm 50 ± 5%.
Hình 4.11: Quá trình kiểm nghiệm độ bền uốn
Hình 4.12: Mẫu trước và sau khi đo độ bền uốn
Kiểm tra độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM D256
Độ dai va đập được đo theo tiêu chuẩn ASTM D256 bằng máy thử Tinius Olsen IT504, sử dụng phương pháp va đập Izod Để đảm bảo độ chính xác cao, cần kiểm tra ít nhất 5 mẫu cho mỗi nhóm, với kích thước mẫu như hình 4.13 Thí nghiệm nên thực hiện với 10 mẫu cho mỗi tỷ lệ trong điều kiện nhiệt độ 23 ± 2 °C và độ ẩm 50 ± 5% Máy thử Tinius Olsen IT504 có năng lượng va đập cơ bản 2.82 J, chiều cao chuẩn 610 mm, và vận tốc va đập 3.46 m/s từ độ cao 0.6 m, thiết kế khí động học giúp chính xác hướng va đập và giảm thiểu mất mát năng lượng do gió.
Hình 4.14: Máy đo độ dai va đập Tinius Olsen IT504
Hình 4.15: Quá trình kiểm nghiệm độ dai va đập
Hình 4.16: Mẫu trước và sau khi đo độ dai va đập
Quan sát tổ chức tế vi
Mẫu được kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử Hitachi TM4000Plus Mỗi tỉ lệ chuẩn bị một mẫu và chụp tại 4 vị trí khác nhau với độ phóng đại từ 100 đến 2000, thu được kết quả quan sát tổ chức tế vi của mẫu thử độ dai va đập tại vị trí gãy.
Hình 4.17: Kính hiển vi điện tử Hitachi TM4000Plus
Máy TM4000Plus II là kính hiển vi điện tử quét bằng súng điện tử cathod lạnh FESEM, cho phép quan sát cả các mẫu dẫn điện và không dẫn điện.
19 và hệ thống kính điện từ hiện đại, nó có độ phân giải cao và thường được sử dụng để mô tả đặc tính của vật liệu kết cấu
- Độ phóng đại : ×10 đến ×100.000 (độ phóng đại ảnh); ×25 đến ×250.000 (độ phóng đại màn hình)
- Tín hiệu ảnh: điện tử tán xạ ngược (BSE), điện tử thứ cấp (SE), kết hợp (điện tử tán xạ ngược + điện tử thứ cấp)
- Hệ thống chân không thân thiện với môi trường, hoạt động hiệu quả cho phép thời gian bơm ngắn hơn và lưu lượng mẫu cao hơn
- Phân tích trên các mẫu đường kính và chiều dày tối đa tương ứng là 80 và 50 mm
QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
Phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền kéo
Bảng 6.1: Giá trị độ bền kéo trung bình của các mẫu
Tên mẫu PET (%) Độ bền kéo (MPa)
Gọi x là hàm lượng PET, y là độ bền kéo, phương trình hồi quy bậc hai có dạng:
𝑦 = 𝑎 11 𝑥 2 + 𝑎 1 𝑥 + 𝑎 0 (6.1) Để tìm được phương trình quy hồi bậc hai ta cần có các số liệu sau:
Bảng 6.2: Số liệu của các biến của độ bền kéo
Tổng 50 61.98 622 9489 750 12500 221250 Áp dụng phương pháp hồi quy bậc hai dạng đường cong parabol ta được hệ phương trình như sau:
𝑎 11 = 0.017Thay a0, a1, a11 vào [6.1] ta có phương trình hồi quy bậc hai:
42 y = 0.017x 2 - 0.33x + 13.15 Kiểm chứng lại kết quả tính toán bằng phần mềm Excel 2019:
Hình 6.1: Biểu đồ phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền kéo Tính tỷ số tương quan để kiểm chứng mức độ chặt chẽ của mối liên hệ:
Mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ PET và độ bền kéo rất chặt chẽ, với hệ số 156.97 = 0.99 gần với 1 Điều này được thể hiện qua phương trình hồi quy bậc hai y = 0.017x^2 - 0.33x + 13.15.
Phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền uốn
Bảng 6.3: Giá trị độ bền uốn trung bình của các mẫu
Tên mẫu PET (%) Độ bền uốn (MPa)
Gọi x là hàm lượng PET, y là độ bền uốn, phương trình hồi quy bậc hai có dạng:
43 Để tìm được phương trình quy hồi bậc hai ta cần có các số liệu sau:
Bảng 6.4: Số liệu của các biến của độ bền uốn
Tổng 50 58.37 674 10514.5 750 12500 221250 Áp dụng phương pháp hồi quy bậc hai dạng đường cong parabol ta được hệ phương trình
𝑎 11 = −0.005 Thay a0, a1, a11 vào [6.2] ta có phương trình hồi quy bậc hai: y = -0.005x 2 + 0.47x + 7.79 Kiểm chứng lại kết quả tính toán bằng phần mềm Excel 2019:
Hình 6.2: Biểu đồ phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền uốn Tính tỷ số tương quan để kiểm chứng mức độ chặt chẽ của mối liên hệ:
Hệ số 33.15 = 0.99 cho thấy mối quan hệ tuyến tính chặt chẽ giữa tỷ lệ PET và độ bền uốn, được thể hiện qua phương trình hồi quy bậc hai y = -0.005x² + 0.47x + 7.79 Biểu đồ hình 6.2 chỉ ra rằng độ bền uốn của LDPE nguyên chất là thấp nhất, và độ bền uốn này tăng lên khi hàm lượng PET trong hỗn hợp được gia tăng.
Phương trình hồi quy bậc hai cho độ dai va đập Izod có khía
Bảng 6.5: Giá trị độ dai va đập trung bình của các mẫu
Tên mẫu PET (%) Độ dai va đập (kJ/m 2 )
Để xác định phương trình hồi quy bậc hai giữa hàm lượng PET (x) và độ dai va đập (y), cần thu thập các số liệu cần thiết.
Bảng 6.6: Số liệu của các biến của độ dai va đập
45 Áp dụng phương pháp hồi quy bậc hai dạng đường cong parabol ta được hệ phương trình như sau:
𝑎 11 = 0.046 Thay a0, a1, a11 vào [6.3] ta có phương trình hồi quy bậc hai: y = 0.046 x 2 - 1.91x + 24.99 Kiểm chứng lại kết quả tính toán bằng phần mềm Excel 2019:
Hình 6.3: Biểu đồ phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền uốn Tính tỷ số tương quan để kiểm chứng mức độ chặt chẽ của mối liên hệ:
Mức độ phụ thuộc tuyến tính giữa tỷ lệ PET và độ bền uốn rất chặt chẽ, với hệ số 76.58 = 0.98 gần bằng 1 Phương trình hồi quy bậc hai y = 0.046x² - 1.91x + 24.99 minh chứng cho điều này Biểu đồ hình 6.3 cho thấy độ bền va đập của LDPE nguyên chất đạt mức tốt nhất, và độ bền va đập này giảm dần khi hàm lượng PET trong hỗn hợp giảm.
So sánh với hồi quy tuyến tính
Tính toán nhanh phương trình hồi quy tuyến tính cho độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập bằng phần mềm excel như sau:
Hình 6.4: Phương trình hồi quy tuyến tính cho độ bền kéo
Hình 6.5: Phương trình hồi quy tuyền tính cho độ bền uốn
Hình 6.6: Phương trình hồi quy tuyến tính cho độ bền va đập
Từ các kết quả trên, ta có hệ số tương quan r thể hiện mối quan hệ tương quan giữa cơ tính hỗn hợp với tỷ lệ PET như sau:
- Độ dai va đập Izod có khía: r = - 0.95
Có thể nhận thấy rằng r < η trong ba chỉ tiêu cơ tính, cho thấy mối liên hệ phi tuyến mạnh mẽ hơn so với mối liên hệ tuyến tính Điều này chỉ ra rằng phương trình bậc hai là phù hợp hơn để mô tả sự phụ thuộc của cơ tính hỗn hợp vào tỷ lệ PET so với phương trình bậc nhất tuyến tính.
TỔNG KẾT – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tổng kết
Với mong muốn cải thiện cơ tính cho LDPE nhóm đã cho trộn PET với 5 tỷ lệ khác nhau
Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào lý thuyết hỗn hợp polymer, quy trình ép phun, và các bài báo liên quan đến LDPE/PET Họ cũng đã xem xét các tiêu chuẩn ASTM và tiến hành quy hoạch thực nghiệm để nâng cao hiệu quả nghiên cứu.
- Về thực tế : Chế tạo các mẫu thử
+ Mẫu thử độ bền kéo được đo tại phòng thí nghiệm tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tại Trung tâm Hỗ trợ và Phát triển Doanh nghiệp, việc thử nghiệm cơ tính để đo độ bền uốn và va đập được thực hiện bằng các máy đo và dụng cụ chuyên dụng, với nhiều điều kiện thí nghiệm khác nhau.
Các mẫu thử đã được kiểm tra độ dai va đập và sau đó được chuyển đến phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM để tiến hành quan sát tổ chức tế vi tại vị trí gãy của chúng.
PET đã ảnh hưởng đến hỗn hợp PET và LDPE với các tỷ lệ khác nhau, dẫn đến những mức độ tác động không đồng nhất Kết quả thử nghiệm cơ tính cho thấy sự biến đổi đáng kể trong tính chất của hỗn hợp này.
Qua khảo sát tính chất cơ lý của hỗn hợp LDPE/PET:
1 Độ bền kéo giảm nhẹ khi thêm 5% PET từ 12.89 MPa xuống 12.65 MPa, khi thêm đến 10% PET thì đồ kéo giảm mạnh và đạt thấp nhất 10.97 MPa, khi càng tăng hàm lượng PET đến 20% thì độ bền kéo càng xu hướng tăng dần, thu được kết quả là 12.89, 12.65, 10.97, 12.07, 13.4 MPa tương ứng với 0%, 5%, 10%, 15% và 20% PET
2 Độ bền uốn có xu hướng tăng khi càng tăng hàm lượng PET Sau khi đo ta thu được kết quả là 7.8, 9.87, 12.3, 13.27 và 15.13 MPa tương ứng với các tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15% và 20% PET
3 Độ dai va đập là 16.96, 9.5, 7.92, 5.14 kJ/𝑚 2 tương ứng với PET là 5%, 10%, 15% , 20% và 100 LDPE không gãy từ kết quả cho thấy độ dai va đập của hỗn hợp LDPE/PET thấp hơn LDPE nguyên chất
4 Tổ chức tế vi của các hỗn hợp được quan sát thông qua ảnh SEM chụp tại các bề mặt đứt gãy chỉ ra rằng, hỗn hợp cho thấy các hạt PET hình cầu được đan xen vào chất nền LDPE nhưng tạo thành pha riêng biệt không quan sát thấy sự kết dính giữa các pha
5 Quy hoạch thực nghiệm sử dụng phương trình hồi quy bậc hai và kiểm tra hệ số tương quan nhằm xác định mối liên hệ chặt chẽ của thực nghiệm và mô hình hồi quy
Kết luận: Qua nghiên cứu trên ta thấy hỗn hợp mẫu 5PET có cơ tính tốt nhất
Hướng phát triển
Sau khi hoàn thành đồ án, nhóm đã thu thập được nhiều bài học và kinh nghiệm quý giá, từ đó xác định được định hướng phát triển cho tương lai.
- Có thể pha trộn thêm một polymer khác vào hỗn hợp LDPE/PET để cải hiện cơ tính cần thiết phù hợp với nhu cầu thị trường
Ngoài việc kết hợp các loại polymer, việc thêm chất độn vào quá trình sản xuất có thể tạo ra nhiều loại vật liệu với cơ tính ưu việt hơn.
