Một trong những rác thải gây ô nhiễm lớn nhất là của nhà máy sản xuất giấy và bột giấy, công nghiệp giấy sử dụng một lượng lớn tài nguyên nước sản xuất một tấn giấy cần 200-300 m3 nước đ
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ POLYPROPYLENE
Giới thiệu chung
Polypropylene (PP) là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo ra bằng cách trùng hợp các phân tử Propylene (các đơn vị monomer) thành mạch polymer dài Polypropylene được sản xuất bằng phương pháp hóa học được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành Vào đầu thế kỷ 21, Polypropylene là loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng được sản xuất hàng chục triệu tấn/năm trên thế giới không thua kém gì PVC Polypropylene có những tính chất cơ, nhiệt, lý tuyệt vời khi sử dụng ở nhiệt độ phòng Polypropylene tương đối cứng có điểm nóng chảy cao, khối lượng riêng thấp và khả năng chống va đập tương đối tốt
Polypropylene được trùng hợp lần đầu tiên vào ngày 11 tháng 3 năm1954 bởi Giulio Natta, công thức phân tử là (C3H6)n
Hình 1.1 Công thức phân tử Polypropylene
Polypropylene có cấu trúc tương tự như Polyethylene Có rất nhiều điểm giống nhau giữa sản xuất PP và PE khi sử dụng xúc tác Zeigler Trong cả hai trường hợp các monomer được sản xuất bằng cách cracking các sản phẩm dầu mỏ như khí tự nhiên và dầu nhẹ Khi kết thúc quá trình trùng hợp thu được các sản phẩm polymer isotactic, polymer atactic và polymer syndiotactic
Isotactic Polypropylene có nhóm -CH3 cùng nằm về phía mặt phẳng trong cấu hình đồng phân quang học, dạng tinh thể Có tính chất là không tan được trong heptane sôi và có nhiệt độ điểm chảy khoảng 165˚C
Syndiotactic Polypropylene có các nhóm -CH3 sắp xếp luân phiên trật tự cả hai nửa mặt phẳng
Atactic Polypropylene có các nhóm -CH3 sắp xếp ngẫu nhiên không theo một quy luật nào, vô định hình và kết dính tốt
Tính chất nhựa Polypropylene
Mặc dù có nhiều điểm tương đồng về tính chất với PE, song sự có mặt của nhóm methyl luân phiên ở cacbon mạch chính của PP cũng làm thay đổi một số tính chất của polymer Thí dụ nhóm methyl tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng
11 chảy Trong trường hợp của PP isotactic có cấu trúc điều hòa, nhiệt độ nóng chảy cao hơn 50˚C so với PE Nhóm methyl bên cạnh cũng ảnh hưởng đến bản chất hóa học của PP Cacbon bậc 3 là vị trí dễ bị oxi hóa nên PP ít bền oxi hóa hơn so với PE Xử lý nhiệt hay xử lý năng lượng cao làm cắt mạch PP nhiều hơn là khâu mạch
PP thương mại thường chứa khoảng 90-95% isotactic, còn lại là syndiotactic và atactic
Sự khác nhau giữa tính chất giữa đồng phân lập thể của PP là rất rõ rệt do độ kết bó phân tử gây nên Chỉ có sắp xếp isotactic cho phép các phân tử kết bó chặt chẽ tinh thể Trong sắp xếp syndiotactic và atacic, nhóm methyl bên cạnh là khá lớn nên không cho phép các phân tử kết bó chặt chẽ trong vùng tinh thể Do vậy, PP isotactic cứng và chắc hơn so với PP syndiotactic và PP atatic có bản chất tựa cao su Chỉ có PP isotactic có độ kết tinh cao mới có giá trị thương mại quan trọng
Tính chất vật lý của PP, ở dạng vô định hình PP có khối lượng riêng khoảng 0.855 g/cm 3 , còn ở dạng tinh thể là 0.946 g/cm 3 Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 165˚C, nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) khoảng -15˚C được xác định bằng DSC (Differential Scanning Calorimetry)
Polypropylene có cấu trúc không gian đều đặn, là sản phẩm cứng, không độc, không mùi, đặc biệt là trong suốt và bóng
Tính chất hóa học của PP, PP không bị nứt gãy do tác động của môi trường, bên trong môi trường axit và bazo, ngoại trừ axit sunfuric và cromic đậm đặc Ở nhiệt độ thường, Polypropylene không tan trong các dung môi hữu cơ Ngay cả khi tiếp xúc lâu, mà chỉ trương ở trong các hydrocacbon thơm và clo hóa Nhưng ở nhiệt độ lớn hơn 80˚C thì PP bắt đầu tan trong hai loại hóa chất trên Độ bền với dung môi tăng theo độ kết tinh của polymer Khi tiếp xúc với dung môi có cực, Polypropylene không bị thay đổi và không giòn Tất cả các dạng Polypropylene đều không hút nước
Các polymer kể cả PP có thể bị lão hóa dưới bức xạ tia UV khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Đối với vật dụng dùng bên ngoài có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời cần sử dụng thêm các chất hấp thụ tia UV Muội than thường được thêm vào để bảo vệ khỏi tác động của tia UV PP có thể bị oxi hóa ở nhiệt độ cao, đây là vấn đề gặp phải trong suốt quá trình gia công polymer Các chất chống oxi hóa thường được thêm vào nhựa để chống hiện tượng thoái hóa
Tổng hợp nhựa Polypropylene
Nguyên liệu để sản xuất Polypropylene (PP) là Propylene Propylene là chất khí ngưng tụ thành lỏng ở -47.7 ˚C và lạnh đông ở -185.5 ˚C Ở nhiệt độ sôi, tỷ trọng của nó là 0.610 g/m 3
Polypropylene được tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp xúc tác Ziegler-Natta Nguyên liệu dùng để trùng hợp là hỗn hợp Propane-Propylene, hệ xúc tác Chlorus Tian và Triethyl Nhôm Phương pháp này rất kinh tế ở chỗ không cần phải tách propane ra khỏi Propylene vì đó là quá trình rất phức tạp
Hình 1.5 Phản ứng trùng hợp Polypropylene
Các thông số kỹ thuật của Polypropylene được tóm tắt ở bảng 1 sau:
Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật của Polypropylene
Các đặc tính Giá trị
Mô đun đàn hồi kéo 1.1-1.4 Gpa Ứng suất phá hủy kéo (độ bền kéo) 20-30 Mpa
Biến dạng phá hủy kéo 300% Độ bền nén 40-55 MPa Độ bền va đập (Izod) 0.0025-0.1 J/mm
Nhiệt độ uốn dưới tải trọng (HDT) (1.8 MPA) 50-60 ˚C
Hệ số giãn nở nhiệt 110 x 10 -6 ˚C Độ dẫn nhiệt 0.2 W/m/ ˚C
Khả năng hút nước (24 giờ, 20˚C) 0.03 %
Khả năng gia công cơ khí Tốt
Tính quang học Trong suốt đến mờ đục
Khả năng chống lại chất hóa học Tốt
Ưu nhược điểm của nhựa PP
- Có thể tiếp xúc với thực phẩm
- Độ bền va đập tốt
- Có thể sử dụng tất cả các kỹ thuật gia công nhựa nhiệt dẻo
- Hệ số ma sát thấp
- Khả năng chịu mài mòn cao
- Làm việc tốt đến nhiệt độ 125˚C
- Chống lại tác dụng chất hóa học
- Bị lão hóa bởi tia cực tím (UV)
- Bị tác động bởi dung môi chứa cholor và các hợp chất thơm
- Khả năng kết dính không cao
- Ở nhiệt độ thấp độ bền va đập của PP khá thấp
TỔNG QUAN VỀ GIẤY BÁO CŨ
Định nghĩa
Giấy là một loại vật liệu dạng tấm mỏng được làm từ chất xơ dày từ vài trăm àm cho đến vài cm, thường có nguồn gốc thực vật, và được tạo thành mạng lưới bởi lực liên kết hydro không có chất kết dính Thông thường giấy được sử dụng dưới dạng những lớp mỏng nhưng cũng có thể dùng để tạo hình các vật lớn Trên nguyên tắc giấy được sản xuất từ bột gỗ hay bột giấy Loại giấy quan trọng nhất về văn hóa là giấy viết Bên cạnh đó giấy được sử dụng làm vật liệu bao bì, trong nội thất như giấy dán tường, giấy vệ sinh hay trong thủ công trang trí, đặc biệt là ở Nhật và Trung Quốc.
Thành phần hóa học của giấy báo cũ [1]
Thành phần hóa học của giấy báo cũ có thể biến đổi và khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc và công nghệ sản xuất giấy
Thành phần chính của giấy báo cũ, được chiết xuất từ nguồn gốc cây trồng như gỗ thông, gỗ bạch đàn, gỗ trúc hoặc từ các loại sợi tái chế Sợi cellulose này được nghiền nhuyễn và xử lý để tạo thành một hỗn hợp sợi
Trong quá trình sản xuất giấy và sợi cellulose được kết dính lại với nhau bởi keo tự nhiên hoặc keo tổng hợp Thêm vào đó, có thể có sự thêm các chất phụ gia như chất tạo màu, chất làm mềm, chất tạo độ bền, chất điều chỉnh pH, và chất chống ẩm Đối với giấy báo cũ, sợi cellulose thường đã qua công đoạn tái chế từ các tài liệu đã sử dụng, như sách, tạp chí, hoặc giấy in đã qua sử dụng Quá trình tái chế này giúp giảm mức tiêu thụ nguồn tài nguyên tự nhiên và giúp bảo vệ môi trường
Là một polymer có trong rễ cây và có vai trò trong việc cung cấp sự cứng và độ bền cho cây Là một loại polymer hữu cơ phức tạp cấu thành các mô nâng đỡ trong hầu hết các loài thực vật Lignin đặc biệt quan trọng trong việc hình thành thành tế bào Đặc biệt là trong gỗ và vỏ cây, vì chúng có độ cứng và không dễ bị thối rữa Về mặt hóa học, lignin là các polymer được tạo ra bằng cách liên kết chéo các tiền chất phenolic
Trong giấy báo cũ, lignin là thành phần không tan trong nước và được loại bỏ trong quá trình tái chế để cải thiện chất lượng giấy
Là một loại carbohydrat có trong giấy Có thành phần và vai trò tương tự Cellulose, đóng góp chính và độ bền của giấy
Phần keo trong giấy báo cũ thường được sử dụng để kết dính các sợi cellulose và các thành phần khác lại với nhau Đây là một yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất giấy và đảm bảo tính kết cấu và độ chắc chắn của giấy
Có hai loại keo phổ biến được sử dụng trong sản xuất giấy:
− Keo tự nhiên: Keo tự nhiên trong giấy báo cũ thường được làm từ chất gôm như gôm arabic hoặc gôm tragacanth Chúng có nguồn gốc từ cây và được chiết xuất từ nhựa cây Keo tự nhiên này có tính chất kết dính tốt và thường được sử dụng trong việc liên kết các sợi cellulose lại với nhau
− Keo tổng hợp: Ngoài keo tự nhiên, giấy báo cũ cũng có thể chứa keo tổng hợp Keo tổng hợp thông thường được tạo ra từ các hợp chất polymer như polyvinyl acetate (PVA) hoặc ethylene vinyl acetate (EVA) Những loại keo này có khả năng kết dính tốt và chịu được ẩm ướt, đồng thời cũng giúp tăng độ bền và chịu nước của giấy
Các loại keo này được thêm vào trong quá trình sản xuất giấy, thông qua việc pha trộn và ủ keo vào sợi cellulose Sau khi hoàn thiện quá trình sản xuất, keo sẽ giữ cho các thành phần của giấy báo cũ liên kết với nhau, làm cho giấy có độ bền và cứng cáp để có thể sử dụng như một sản phẩm in thông tin được
2.2.5 Mực in và chất màu
Giấy báo cũ có thể chứa mực in và chất màu từ quá trình in ấn ban đầu
Mực in có thể chứa các chất như mực nước, mực in dầu và các chất phụ gia khác để tạo màu sắc và độ bền cho giấy
Thành phần mực in trong giấy báo cũ thường là một hỗn hợp các chất hữu cơ và không hữu cơ, bao gồm:
Pigment: Pigment là thành phần chính tạo màu sắc cho mực in Các Pigments thông thường được sử dụng trong mực in bao gồm Carbon đen, Titan dioxide, oxit sắt và các
16 hợp chất kim loại khác Mỗi Pigment có tính chất màu sắc đặc biệt và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các gam màu khác nhau
Chất tạo màu: Ngoài pigments, mực in cũng có thể chứa chất tạo màu để cung cấp các màu sắc phụ trợ Chất tạo màu này thường là các chất hữu cơ có khả năng tạo ra các màu sáng và bổ sung thêm sự đa dạng màu sắc vào hình ảnh in Ví dụ của chất tạo màu có thể là các hợp chất azo, phtalocyanin hay quinacridone
Dung môi: Dung môi là chất dùng để hòa tan các thành phần trong mực và đảm bảo mực có thể được in lên bề mặt giấy một cách mượt mà Các dung môi thông thường trong mực in bao gồm nước, ethanol, isopropyl alcohol và các chất hữu cơ khác
Chất phụ gia: Mực in cũng có thể chứa các chất phụ gia nhằm cải thiện độ bền, độ phân tán màu sắc, tăng độ nhớt và sự bám dính của mực Các chất phụ gia này bao gồm chất chống lão hóa, chất chống oxi hóa, chất làm mờ và chất bảo quản
Các thành phần trên tương tác với nhau để tạo ra mực in có độ bám dính và sự phân tán màu sắc tốt Công thức chính xác của mực in có thể khác nhau tùy thuộc vào loại mực, công nghệ sản xuất và ứng dụng cụ thể của nó
Hồ: Tinh bột và nhựa thông được sử dụng làm vật liệu hồ Những chất này có thể được sử dụng cả bên trong và bên ngoài Định cỡ bên trong được sử dụng để mang lại khả năng chống nước cho giấy, điều này rất quan trọng trong các tờ in thạch bản Việc định kích thước bên trong thường được thực hiện bằng nhựa thông hoặc phèn chua Kích thước bề mặt điều chỉnh sự hấp thụ của mực in trên bề mặt giấy, mang lại hình ảnh rõ nét hơn
Bao gồm các chất trợ gia công trong quá trình sản xuất giấy và các chất tăng cường các đặc tính bền cơ lý đặc tính quang học của giấy
Dưới đây là một số phụ gia thường sử dụng trong giấy:
Cao lanh (Al 2 O 3 SiO 3 2H 2 O): Là chất độn rẻ tiền nhất, nguồn dồi dào, ổn định và sử dụng dễ dàng, nó mang lại cho giấy nhiều đặc tính tốt Cao lanh được sử dụng trong quá trình sản xuất giấy trong môi trường axit
Bột canxi cacbonat (CaCO 3 ): Chỉ dùng trong môi trường kiềm tính và trung tính, do
CaCO3 bị hoà tan trong môi trường axit Nó có nồng độ trắng và đục cao hơn cao lanh, nó
Những đặc tính của giấy báo [4]
Giấy sản xuất trong ngành in thường có dạng cuộn (phần lớn các cuộn được cắt thành tờ rời theo khổ chuẩn để phục vụ cho các nhà in) Ngoài khổ giấy, thì giấy in còn có 1 số đặc tính kỹ thuật như sau:
2.3.1 Độ dày Độ dày của giấy (thickness; caliper): Đây là một trong những thông số quan trọng của giấy Trong những điều kiện xác định thì cùng với sự tăng chiều dày là sự thay đổi về độ bền, khả năng chịu biến dạng nén và độ xuyên thấu, phản quang… của giấy Giấy in thường có độ dày từ 0.03 - 0.25mm, trừ giấy cacton có thể có độ dày đến hơn 3mm Độ dày có thể ảnh hưởng đến một số đặc tính cơ bản như độ bền, chất lượng quang học vv Các độ dày tiêu biểu: giấy báo 60 - 80 μm
2.3.2 Định lượng Định lượng giấy (basis weight): Là trọng lượng của 1 mét vuông giấy (gms) Giấy in thông thường có định lượng từ 38gms - 500gms, riêng giấy cacton thì có thể đạt tới định lượng 2000gms Định lượng giấy thường tỉ lệ thuận với độ dày và độ cứng của giấy Giấy báo: 40 - 50g/m 2
Giấy báo cũ thường là một màu trắng hoặc có màu sắc nhạt, tùy thuộc vào quy trình sản xuất và mức độ tái chế Độ trắng ISO (ISO brightness): Hệ số phản xạ ánh sáng của tấm bột giấy, tờ giấy theo phản xạ của vật khuếch tán lý tưởng tại chiều dài bước sóng 457nm được xác định trên thiết bị đo tiêu chuẩn được quy định trong phương pháp thử Độ trắng được đặc trưng bằng tỷ lệ phần trăm so với độ trắng chuẩn của Barioxit (công thức hóa học là BaO) Các loại giấy cho chất lượng hình ảnh in tốt phải có độ trắng từ 70% trở lên
Giấy báo cũ được tạo thành từ sợi Cellulose, và cấu trúc sợi này có thể ảnh hưởng đến tính chất vật lý của giấy Độ chịu uốn của giấy là độ lệch có tính hệ thống của một tờ giấy từ hình phẳng Nguyên nhân do việc giải phóng ứng suất được đưa vào trong sản xuất và sử dụng Độ chịu uốn quan trọng đối với các loại giấy được in tốc độ cao, in xerô Có ba loại độ chịu uốn cơ bản: Độ chịu uốn cơ học: hình thành khi một mặt của tờ giấy được kéo dài vượt quá giới hạn đàn hồi của nó Độ chịu uốn kết cấu: do 2 mặt tấm giấy có sự khác biệt về chất bột, chất độn, mật độ xơ giấy hoặc hướng xơ giấy Độ chịu uốn do ẩm: do 2 mặt tấm giấy nhận độ ẩm khác nhau
Tỷ số được biểu thị bằng phân trăm của lượng ánh sáng phản xạ từ một tờ giấy đặt trên vật chuẩn màu đen và lượng ánh sáng phản xạ của chính tờ giấy đó đặt trên vật chuẩn màu trắng trong điều kiện của phương pháp thử tiêu chuẩn
Giấy báo cũ có độ bền kéo tương đối yếu hơn so cới các loại giấy khác Độ nhẵn (smoothness): Tính chất đặc trưng để đánh giá mức độ phẳng của bề mặt giấy Tính chất này được xác định trong các phương pháp thử tiêu chuẩn Giấy in có độ nhẵn càng cao thì cho chất lượng sau khi in càng tốt Đây là thông số quan trọng nhất đối với máy in Độ nhẵn liên quan với các đường nét bề mặt giấy Đây là mức độ bằng phẳng của bề mặt trong điều kiện thử nghiệm về độ nhám, độ phẵng và độ nén Trong hầu hết các công dụng của giấy, các đặc tính của bề mặt là rất quan trọng Người ta thường nói rằng tờ giấy đó có bề mặt "nhẵn mịn" hoặc "thô nhám" Đối với giấy viết , độ nhẵn ảnh hưởng đến sự di chuyển dễ dàng của cây bút trên bề mặt giấy Đối với túi giấy nó có liên quan đến xu hướng trượt khi xếp chồng lên nhau Đối vối giấy in nó thường quyết định có thể được in thành công hay không Độ nhẵn cũng làm hấp dẫn mắt
Giấy báo cũ có khả năng thấm nước và có thể hấp thụ nhanh chóng khi tiếp xúc với chất lỏng Khả năng hấp thụ và giữ lại khi tiếp xúc với nước của giấy; hoặc tốc độ hút nước, được xác định bằng các phương pháp thử tiêu chuẩn
Tùy thuộc vào loại giấy và quá trình sản xuất, độ bền mài mòn của giấy báo cũ có thể khác nhau Áp lực tác dụng vuông góc lên bề mặt lớn nhất mà mẫu thử chịu được trước khi bục trong điều kiện xác định của phương pháp thử tiêu chuẩn Đối với các lọai giấy dày dùng để làm hộp thì đòi hỏi phải có chỉ số chịu bục lớn để đảm bảo chất lượng trong các công đoạn cấn, bế… sau khi in
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ GIẤY BÁO CŨ
Trích xuất cellulose từ giấy báo cũ
Đầu tiên, ta cần trích xuất cellulose từ giấy báo cũ Có thể sử dụng phương pháp hóa học hoặc cơ học
Trích xuất cellulose từ giấy báo cũ bằng phương pháp cơ học là một quy trình sử dụng cơ học để tách cellulose ra khỏi các thành phần khác của giấy
3.1.1.1 Nguyên liệu và trang thiết bị cần thiết
- Giấy báo cũ sạch và không có tạp chất lớn
- Rèm, vải lọc hoặc cách khác để tách cellulose từ dấu vết khác
3.1.1.2 Cách tiến hành (Danial & Majid, 2015)
• Bước 1: Làm mềm giấy báo cũ:
- Giấy thải được sử dụng có được nguồn gốc từ tờ báo cũ, cắt từng miếng nhỏ cần được ngâm trong nước sạch để làm mềm hoặc đun sôi
- Đảm bảo giấy báo cũ hấp thụ đủ nước và trở nên mềm Thời gian cần thiết có thể dao động từ vài giờ đến vài ngày, phụ thuộc vào độ dày và loại giấy
• Bước 2: Nghiền và tách cellulose:
- Sau khi giấy đã mềm, ta sử dụng cối để nghiền để tạo thành bùn
- Sau đó, ta tiếp tục lọc và rửa với nước lại nhiều lần để loại bỏ các tạp chất và thành phần không phải cellulose khỏi bột giấy
• Bước 3: Làm khô cellulose tách ra:
- Cellulose tách ra từ quy trình trên cần được làm khô bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp hoặc quạt để loại bỏ nước dư thừa
Sau khi hoàn thành các bước trên, ta sẽ có cellulose tách ra từ giấy báo cũ Tuy nhiên, quá trình này thường không loại bỏ mực in hoàn toàn và có thể không tạo ra cellulose tinh khiết 100% Điều này phụ thuộc vào chất lượng của giấy báo cũ ban đầu và quy trình xử lý.
Xác định đơn pha chế
Đơn pha chế (phần trăm trọng lượng) của một thành phần trong một hỗn hợp (compound) được xác định bằng cách chia khối lượng của thành phần đó cho tổng khối lượng của hỗn hợp và nhân với 100% Công thức như sau: Đơn pha chế (%) = (Khối lượng thành phần/Tổng khối lượng hỗn hợp)×100%
Phần trăm cellulose trong compound được tính bằng công thức sau:
Phần trăm Cellulose (%) = (Khối lượng Cellulose/Khối lượng Compound) × 100%
Việc lựa chọn tỷ lệ cụ thể giữa Polypropylene và cellulose sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về tính chất vật lý và các ứng dụng của hợp chất Để xác định đơn pha chế tạo compound Polypropylene/giấy báo cũ cần dựa vào các yếu tố sau:
3.2.1 Tính chất của cellulose và PP
Cellulose là một hợp chất hữu cơ với công thức (C6H10O5)n một polysaccharide gồm chuỗi tuyến tính của hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết β(1→4) [5]
Hình 3.1 Công thức cấu tạo của Cellulose [5]
Cellulose là một polysaccharide hữu cơ tồn tại trong thành tế bào của các thực vật Khi tạo compound Polypropylene/cellulose, cellulose có thể phát huy một số tính chất quan trọng như:
Cứng và chịu lực tốt: Cellulose có cấu trúc tinh thể và sắp xếp chặt chẽ, tạo nên một mạng ngắn mắt xích liên kết chặt đều với nhau, điều này có thể nâng cao độ bền và độ
22 cứng của compound Cellulose có khả năng tạo thành cấu trúc sợi dài và có tính năng kéo dãn, có thể góp phần tạo ra một lực kết dính mạnh giữa các phân tử Polypropylene Tính cứng của cellulose cũng chịu ảnh hưởng của đặc điểm kết cấu và sự thay đổi trong quy trình sản xuất
Tính chống cháy: Cellulose có khả năng chống cháy tốt, do đó khi được tạo thành compound Polypropylene/cellulose, có thể cải thiện tính chất chống cháy của Polypropylene Cellulose có khả năng tạo ra một lớp bảo vệ khó cháy, ngăn chặn sự lan truyền ngọn lửa
Tính chất thẩm thấu: Mặc dù không tan trong nước, cellulose có khả năng hấp thụ và giữ nước, do đó có thể cải thiện khả năng thẩm thấu nước và chống thấm của compound Cellulose có khả năng tạo ra một màng ngăn thẩm thấu, ngăn chặn việc thâm nhập nước và chất lỏng từ bên ngoài
Khả năng chống phân hủy hóa học: Cellulose có khả năng chịu được ảnh hưởng của nhiều chất hóa học khác nhau Nó có khả năng chống oxi hóa, chống rỉ sét và chống cháy Tính chất ổn định của cellulose khi tiếp xúc với các chất oxi hóa như không khí và ánh sáng là lý do thành phần này được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, như sản xuất giấy, sợi vải, liệu pháp chữa bệnh và nhiều ngành công nghiệp khác
Khả năng phân giải sinh học: Cellulose có khả năng bị phân giải bởi các enzym cellulase có trong một số vi khuẩn và nấm Điều này làm cho cellulose trở thành một vật liệu thân thiện với môi trường và có thể tái chế được
Tính chất tương thích: Cellulose và Polypropylene có thể tương thích tốt với nhau, do đó có thể tạo ra một compound có tính chất tương thích cao Tính chất tương thích này có thể cải thiện sự liên kết giữa Polypropylene và cellulose, tăng cường sức mạnh và sự bền bỉ của compound
Tuy nhiên, để tạo thành compound Polypropylene/cellulose, cần có quá trình xử lý và kết hợp thích hợp để đạt được hiệu quả tối ưu và cân nhắc các yếu tố như tỉ lệ hỗn hợp, phương pháp xử lý và điều kiện nhiệt độ
3.2.2 Xác định đơn pha chế
Cellulose có tính cứng nhưng ít linh hoạt hơn, trong khi Polypropylene có tính chất mềm mại, dẻo dai Sử dụng tỷ lệ từ 20-30% Cellulose trong hỗn hợp với Polypropylene được cho là tối ưu trong một số ứng dụng, bởi vì nó tạo ra một sự cân bằng giữa việc củng
23 cố sự đàn hồi, độ cứng và khả năng chịu nén của vật liệu mà không làm mất đi quá nhiều độ dẻo dai tự nhiên của Polypropylene Nhóm chúng em quyết định chọn tỷ lệ đơn pha chế là 70:30 Dưới đây là 1 số dẫn chứng mà chúng em đã thu thập được dựa trên các bài báo khoa học được thể hiện dưới đây:
Bảng 3 1 Tính chất cơ học của PP nguyên chất và các loại composite PP/CF khác nhau
Sample Tensile Young’s modulus (Mpa)
Pure PP 34.3±1.2 638.5±60.1 57.5±5.6 42.4±12.6 1.29±0.22 PP/CFs 90/10 wt% 30.1±3.0 686.4±28.5 15.2±1.2 44±2.2 1.61±0.11 PP/CFs 80/20 wt% 28.1±2.1 731.3±34.6 10.9±0.9 46.6±4.6 1.83±0.16 PP/CFs 70/30 wt% 25.5±5.2 767.6±53.2 8.0±2.1 48.5±5.2 2.39±0.21 PP/CFs 60/40 wt% 22.8±1.7 803.2±67.2 6.2±0.8 49.8±2.6 2.58±0.26 PP/CFs 50/50 wt% 21.4±2.6 824.2±48.8 4.5±1.1 49.6±0.9 2.64±0.19 Độ bền kéo và modul đàn hồi của vật liệu composite nhựa Polypropylene gia cường bởi cellulose với %cellulose tăng từ 0-50% được thể hiện ở hình 3.2, ta thấy độ bền kéo tăng nhưng modul đàn hồi giảm, vì vậy để có được tính chất mong muốn, cân bằng giữa tính cứng và độ đàn hồi, nhóm em lựa chọn tỷ lệ % cellulose là 30%
Hình 3.2 Độ bền kéo và Modul đàn hồi
Polypropylene nguyên chất có tính chất đàn hồi, mềm dẻo khi tạo compound với cellulose càng làm tăng tính đàn hồi (hình 3.3.), tuy nhiên để cân bằng với tính cứng nhưng vẫn đảm bảo độ đàn hồi cao, nhóm chúng em quyết định chọn tỷ lệ tạo compound Polypropylene/cellulose là 70:30
Hình 3.3 Độ bền uốn và Modul uốn.
Phương pháp tạo compound
Tạo ra một hợp chất (compound) kết hợp cellulose và nhựa PP (Polypropylene) là một quá trình hỗn hợp, kết hợp tính chất của cả hai chất liệu để tạo ra một vật liệu có tính chất đặc trưng mong muốn Đây là một phương pháp phổ biến để tạo compound từ cellulose và PP:
3.3.1 Thu thập và chuẩn bị nguyên liệu:
Lấy cellulose từ giấy báo cũ hoặc nguồn gốc tự nhiên khác và chuẩn bị PP dưới dạng hạt
Thực hiện xử lý cellulose để loại bỏ các tạp chất và tạo thành dạng cellulose tinh khiết sẵn sàng sử dụng
Trộn cellulose và hạt PP theo tỷ lệ đã xác định (30-70) tỷ lệ này có thể được điều chỉnh để đạt được tính chất mong muốn cho sản phẩm cuối cùng Qúa trình trộn được thực hiện trong một máy trộn chuyên dùng hoặc trong một máy ép đùn có khả năng trộn Tuy nhiên ở đây thì nhóm em thực hiện trộn luôn trong máy ép đùn
Nhựa PP (dưới dạng hạt) đem đi nung nóng nhiệt độ trong khoảng 150-200°C nhựa chảy ra thành dung dịch sau đó thêm vào cellulose trộn đều để tạo thành hỗn hợp đồng nhất Thiết lập nhiệt độ máy trộn ở một mức thấp hơn nhiệt độ cháy của cellulose Có thể chọn một nhiệt độ khoảng từ 150°C đến 180°C để đảm bảo an toàn và tránh cháy Sau đó đổ hỗn hợp vào phễu nhập liệu rồi đi đến vùng gia nhiệt trục vít, tại đây thì nhiệt độ giảm dần từ 230-180 0 C, nhiệt độ của khuôn thoát ra từ vùng gia nhiệt đến vùng làm mát giảm từ 175°C xuống 45°C.Máy đùn được vận hành ở tốc độ trục vít 5 vòng/phút
Thời gian trộn cũng quan trọng Thời gian này cần đảm bảo rằng cellulose và nhựa
PP đã được phân tán đều trong hỗn hợp Thời gian trộn thường dao động từ 10 đến 30 phút
3.3.5 Tạo hình và làm mát
Chất lỏng được nhựa ép từ máy ép đùn thông qua khuôn để tạo hình sản phẩm cuối cùng Khuôn có thể có hình dạng phù hợp với yêu cầu của sản phẩm, ví dụ như tấm, ống hoặc hình dạng khác Sau khi tạo hình, sản phẩm được làm mát nhanh chóng để đông kết và giữ được hình dạng mới
3.3.6 Kiểm tra chất lượng và đánh giá
Sau khi sản phẩm đã được đông kết hoàn toàn, nó được loại bỏ khỏi khuôn và kiểm tra chất lượng Quá trình hoàn thiện có thể bao gồm gia công bề mặt, cắt, mài hoặc các bước khác để đạt được yêu cầu cuối cùng của sản phẩm
Kiểm tra tính chất và đặc tính của sản phẩm đã tạo để đảm bảo chất lượng và hiệu suất
THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu
Nhựa Polypropylene được dùng là nhựa Polypropylene (PP) được sản xuất từ công ty cổ phần lọc hóa dầu Bình Sơn, với thành phần nguyên liệu chính là Propylene và Hydro
Bã cà phê thu gom từ các quán cà phê.
Quy trình thực nghiệm
4.2.1 Thu thập và chuẩn bị nguyên liệu
- Nhựa PP có khối lượng 320g ở dạng hạt
Hình 4 1 Cân nhựa PP Hình 4 2 Cân bã cà phê
4.2.2 Xử lí bã cà phê
Bã cà phê được rửa sạch nhiều lần để loại bỏ các tạp chất, sau đó dùng lưới lọc để lọc lấy bã cà phê
Tiến hành sấy khô bã cà phê ở nhiệt độ 100˚C trong thời gian 24 giờ, sau khi sấy xong bã cà phê được đem trộn với nhựa PP trong bước tiếp theo
4.2.3 Trộn bã cà phê và nhựa PP
Trộn bã cà phê và hạt nhựa PP theo tỉ lệ đã được xác định 20:80 tỷ lệ này có thể được điều chỉnh để đạt được tính chất mong muốn cho sản phẩm cuối cùng Qúa trình trộn được thực hiện bằng tay, lưu ý khi trộn thì trộn đều tay để đạt được hỗn hợp đồng nhất, để đảm bảo được chất lượng nhựa và tránh thất thoát nguyên liệu
Hình 4.3 Trộn bã cà phê với nhựa PP
Quá trình tạo compound được thực hiện trên máy ép đùn, tiến hành theo các bước sau:
Hình 4.4 Máy đùn trục vít đôi
Bước 1: Khởi động máy trước 25-30 phút để đạt được nhiệt độ gia nhiệt cho máy, sau đó thêm hạt nhựa PP nguyên chất vào làm sạch máy cho đến khi nhựa được đùn ra không lẫn tạp chất
Bước 2: Cài đặt nhiệt độ trục vít giảm dần từ 200 0 C xuống 170 0 C và tốc độ quay mỗi lần tăng 5 vòng/phút sao cho ổn định, sau đó thêm vào phễu một lượng nhỏ hạt nhựa
PP để theo dõi moment xoắn, khi nào moment xoắn ổn định thì thêm từ từ hỗn hợp đã trộn vào phễu nạp liệu Nạp liệu đồng thời theo dõi moment xoắn, để moment xoắn tăng quá
Hình 4.5 Màn hình cài đặt thông số đùn
Bước 3: Sản phẩm ra khỏi đầu đùn được quấn thành các cuộn dây sau đó được chuyển qua máy cắt để tạo hạt theo kích thước yêu cầu
Bước 4: Thành phẩm ở dạng hạt sau đó đem cân để xác định lượng hao hụt trong quá trình đùn
Hình 4.8 Thành phẩm sau khi cắt
Sau khi đùn tạo sản phẩm, tiến hành làm sạch máy bằng cách thêm các hạt nhựa PP nguyên chất để đùn loại bỏ tạp chất
Nhiệt độ cài đặt của trục vít (màu đỏ) phải cho tất cả về 50 0 C, đợi khi nhiệt độ có sẵn ( màu đen) về 0 0 C thì tắt máy
Hình 4.9.Màn hình hiển thị kết quả cài đặt để tắt máy.
Kết quả và thảo luận
Kết quả chỉ thu được 250g thành phẩm, hao hụt 150g (hiệu suất đạt 62.5 %) so với nguyên liệu ban đầu (nhựa PP và bã cà phê)
Nguyên nhân dẫn đến sự hao hụt:
− Do thao tác thực hiện và xử lí của người vận hành
− Lựa chọn tỉ lệ giữa nhựa PP và bã cà phê không thích hợp
− Lượng nhựa phế còn lại nhiều ở trên máy
Thuận lợi trong quá trình ép đùn:
− Thiết bị đơn giản, chi phí thấp
− Dễ dàng thực hiện, không yêu cầu kĩ thuật cao
Khó khăn trong quá trình ép đùn:
− Kích thước sản phẩm không đồng đều
− Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào kỹ thuật thao tác
− Khi ra thành phẩm, trong quá trình kéo sợi dễ bị đứt
− Thời gian bảo quản ngắn hạn Đề xuất biện pháp để cải thiện:
− Dùng PP dạng bột để trộn lẫn tốt hơn
− Sử dụng thiết bị trộn để hỗn hợp được đồng nhất
− Sau khi ra khỏi đầu đùn nên có thiết bị làm mát
− Sử dụng thiết bị quấn sợi
Trong giai đoạn nghiên cứu, chúng em đã tiến hành các thử nghiệm về khả năng tái chế Chúng em đã thực hiện nghiên cứu về quá trình tái chế vật liệu và xác định rằng nó không chỉ giữ lại độ bền của nhựa PP mà còn tăng cường khả năng tái chế, đóng góp vào mục tiêu chung của chúng em về bảo vệ môi trường và giảm rác thải nhựa
Vật liệu compound mới đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất đồ gia dụng, đồ chơi, và bao bì Chúng em tin rằng ứng dụng tiềm năng này không chỉ giúp giảm lượng rác thải nhựa mà còn tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường về sự bền vững Trong quá trình nghiên cứu, chúng em đã xác định các ưu điểm và thách thức của vật liệu compound Ưu điểm bao gồm khả năng tái chế cao, tính chất vật liệu đa dạng và ứng dụng linh hoạt Tuy nhiên, thách thức vẫn tồn tại trong quá trình sản xuất lớn và việc đảm bảo tính chất ổn định của vật liệu
Kết quả của nghiên cứu chúng em không chỉ hướng đến việc phát triển một sản phẩm mới mà còn hướng đến mục tiêu bảo vệ môi trường Bằng cách giảm lượng rác thải nhựa và tối ưu hóa quá trình tái chế, chúng em đóng góp vào nỗ lực toàn cầu để giảm tác động tiêu cực của nhựa đối với môi trường
Các vấn đề như chi phí sản xuất, quy trình sản xuất phức tạp và nhận thức của người tiêu dùng về sản phẩm mới đều là những thách thức đáng kể