Khi nghiên cứu về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa chìa khóa của thành công là chọn được tỷ lệ hợp lý giữa các thành phần trong vật liệu và chế độ gia công như: nhiệt độ ép,
Tổng quan về vật liệu composite gỗ nhựa
Cùng với sự phát triển của đất nước, Ngành gỗ Việt Nam đã đạt được trong những năm qua là có tốc độ phát triển cao, và là một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nước Chỉ trong 13 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng rất nhanh, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 5,0 tỷ USD trong năm 2013 Với kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ trong những năm qua; Việt Nam đang khẳng định vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam Á về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ Với tốc độ phát triển như vậy Việt Nam đang trở thành một trong 10 nước hàng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ lớn trên thế giới Trước tình hình này Chính phủ đã ra quyết định số 18/2007/QĐ-TTg, ngày 05 tháng 02 năm 2007 của Thủ tướng chính phủ về định hướng phát triển ngành chế biến gỗ đến năm 2020 là phát triển công nghiệp chế biến và thương mại lâm sản phải trở thành mũi nhọn của kinh tế lâm nghiệp, phát triển theo cơ chế thị trường trên cơ sở công nghệ tiên tiến, có tính cạnh tranh cao nhằm đáp ứng nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng nội địa
Khuyến khích các thành phần kinh tế tích cực đầu tư và thúc đẩy công nghiệp chế biến lâm sản phát triển Phát triển mạnh các sản phẩm có ưu thế trong chế biến xuất khẩu;
Theo quyết định này thì định hướng phát triển ngành chế biến gỗ đến năm 2020 giá trị xuất khẩu sản phẩm gỗ đạt 7 tỷ USD Do vậy nhằm góp phần tận dụng một lượng lớn phế liệu gỗ từ các Nhà máy như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn,… để sản xuất ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt như vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa,…
Vật liệu phức hợp gỗ nhựa là một loại vật liệu mới kết hợp giữa sợi gỗ và nhựa nhiệt dẻo, sự kết hợp giữa sợi gỗ và nhựa mang lại tính năng ưu việt cho sản phẩm phức hợp gỗ nhựa như:
Bền khi sử dụng, tuổi thọ của sản phẩm cao, có bề ngoài mang chất liệu gỗ, có độ cứng cao hơn so với vật liệu nhựa, không có Formaldehyde Có nhiều tính chất tốt ví dụ so với vật liệu gỗ như có kích thước ổn định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, có thể gia công lần thứ 2 giống như vật liệu gỗ, dễ dàng cắt gọt, dùng keo để kết dính, có thể dùng đinh hoặc ốc vít để liên kết, cố định, quy cách hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễ dàng gia công, tạo hình, thông thường có thể gia công theo mẫu đặt sẵn hoặc có thể gia công theo yêu cầu cụ thể, có khả năng ứng dụng rộng.Tính năng hóa học tốt, chịu được độ PH, chịu được hóa chất, chịu được nước mặn, có thể sử dụng được ở nhiệt độ thấp, Có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, có lợi ích trong bảo vệ môi trường
Hiện nay nhu cầu sử dụng vật composite gỗ nhựa trong nước rất lớn, tuy nhiên việc đáp ứng nhu cầu này chủ yếu dựa vào nhập khẩu Còn tình hình sản xuất trong nước còn rất ít, nguyên nhân của việc này xuất phát từ lý do là chưa có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ phù hợp với yêu cầu sản xuất trong nước;còn nhập công nghệ và máy móc thiết bị về Việt Nam thì chi phí rất lớn Để sản xuất trong nước được phát triển thì đòi hỏi việc nghiên cứu về công nghệ, máy móc thiết bị, nguyên vật liệu phù hợp với đặc điểm phát triển ở trong nước là việc rất quan trọng đòi hỏi các nhà nghiên cứu cần giải quyết vấn đề này
Khi nghiên cứu về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa chìa khóa của thành công là chọn được tỷ lệ hợp lý giữa các thành phần trong vật liệu và chế độ gia công như: nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép,… Từ đó xây dựng được quy trình sản xuất loại vật liệu này phù hợp với điều kiện ở Viêt Nam sẽ góp phần thúc đẩy sản xuất trong nước phát triển thay thế hang ngoại nhập
Miền Đông Nam Bộ là khu vực sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ chiếm khoảng 70% cả nước, nguyên liệu sản xuất sử dụng chủ yếu là một số loại gỗ như: Cao su, Keo lai, Thông, Sồi,… Trong đó gỗ Cao su sử dụng chủ yếu là khai thác ở các rừng trồng ở trong nước, hiện nay diện tích cây Cao su ở trong nước, Lào, Cămpuchia do các Công ty Việt
Nam đầu tư là rất lớn Chúng sẽ là nguồn cung cấp nguyên liệu rất ổn định và lâu dài cho ngành chế biến gỗ ở trong nước Khi sản xuất các sản phẩm gỗ tự nhiên từ nguồn nguyên liệu này có rất nhiều phế liệu có thể tận dụng để sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa như gỗ vụn, mùn cưa, dăm bào, Do vậy việc nghiên cứu tận dụng các phế liệu từ gỗ Cao su để sản xuất vật liệu composite là việc làm rất quan trọng và cần thiết
Nhựa Polyetylene (PE) là loại nhựa thông dụng trên thế giới hiện nay, có những đặc điểm và tính chất rất phù hợp với sản xuất vật liệu phức hợp gỗ nhựa như nhiệt độ, màu sắc, giá thành, độ bền, Do là loại nhựa được sử dụng rộng rãi nên việc nghiên cứu tạo composite gỗ nhựa PE là phù hợp với xu thế hiện nay
Vì vậy việc nghiên cứu tận dụng phế liệu gỗ và nhựa để sản xuất vật liệu mới là xu hướng mới được nhiều nước quan tâm nghiên cứu, vừa để nâng cao giá trị lợi dụng gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, từ đó góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường,…Xuất phát từ vấn đề trên, luận án“N GHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐỘ BỀN VẬT LIỆU GỖ NHỰA THEO
THÀNH PHẦN PHỤ GIA” sẽ góp phần thúc đẩy nghiên cứu tạo vật liệu mới từ việc tận dụng phế liệu trong các nhà máy chế biến gỗ kết hợp với các loại nhựa nhiệt dẻo để tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nước.
Các công trình nghiên cứu
Vật liệu composite gỗ nhựa trong những năm gần đây được nhiều nước quan tâm nghiên và có rất nhiều các công trình nghiên cứu sử dụng sợi tự nhiên có chứa thành phần cellulose như sợi lanh, đay, gai, tre, dứa, gỗ,… để tạo ra vật liệu mới phục vụ nhu cầu con người Các loại sợi này được sử dụng để thay thế cho các chất vô cơ khó phân hủy và chúng giúp nâng cao được một số tính chất của vật liệu composite Với những ưu điểm là khối lượng riêng thấp, tính năng cơ lý cao, ít gây tác dụng mài mòn thiết bị gia công, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và nguồn nguyên liệu sẵn có, các sản phẩm composite sợi tự nhiên đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau; Đã có nhiều các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này như:
- Vật liệu WPC là loại vật liệu được tạo ra bằng cách trộn bột gỗ với các loại nhựa, hay đưa bột gỗ vào gia cường cho nhựa nền, qua ép đùn hoặc ép phun ở nhiệt độ cao Vật liệu WPC gia cường bằng các loại sợi tự nhiên hay bột gỗ cũng thuộc nhóm vật liệu này
Sản phẩm của nó đều có đặc tính cơ học rất tốt và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng do đặc tính của nhựa PE là kỵ nước, phân cực kém, khó kết hợp với sợi tự nhiên có đặc tính ưa nước và phân cực cao, nên khả năng tạo liên kết giữa hai loại vật liệu này là không cao
- Vào những năm 80, mặc dù chưa có nền tảng khoa học để xác định chính xác về cơ chế liên kết giữa sợi gỗ và nhựa, song bằng cách sử dụng phụ gia, các nhà nghiên cứu đã tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tương hợp của hai loại vật liệu này
- Năm 1999, Jochen Gassan và Andrzej K.Bledzki đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt sợi đến tính chất cơ học của compozit PE- sợi đay Các tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng cách cho phụ gia với các hàm lượng khác nhau với thời gian 5 phút và 10 phút Sau đó đem sấy chân không trong 2 giờ ở 75 o C Kết quả cho thấy, hiệu quả của chất trợ tương hợp phụ thuộc vào nồng độ và thời gian xử lý, như môđun đàn hồi tăng 90% khi xử lý trong 5 phút Xử lý lâu hơn và nồng độ chất độn cao hơn sẽ làm môđun đàn hồi giảm xuống Độ bền uốn tăng 40% khi xử lý bằng dung dịch chất độn 0,1% tỷ lệ trong toluen với thời gian xử lý 15 phút Khi tăng nồng độ chất độn lên 0,6% thì kết quả nhận được với 5 phút và 10 phút là như nhau
- Năm 2006, Fauzi Febrianto và Dina Styawatti đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của bột gỗ và hàm lượng chất biến tính phụ gia đến tính chất cơ lý của vật liệu composite bột gỗ và PE tái sinh Nghiên cứu cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu composite phụ thuộc vào hàm lượng và kích thước của bột gỗ, nhựa PE Khi tăng tỷ lệ gỗ/nhựa thì độ bền kéo càng giảm, môđun đàn hồi tăng Tính chất vật lý và tính chất cơ học của vật liệu đều bị ảnh hưởng bởi hàm lượng chất phụ gia, khi cho 2,5% trọng lượng phụ gia thì độ bền kéo và môđun đàn hồi đều cao hơn so với composite không có phụ gia
- Năm 2010,Cao Jin-Zhen và các đồng nghiệp nghiên cứu sơ bộ về đặc tính dẻo của vật liệu composites phụ gia ghép với bột gỗ bạch dương và nhựa PE Các tác giả đã đo độ mỏi và phân tích động lực học của vật liệu Trong nghiên cứu đã sử dụng tỷ lệ gỗ/nhựa là (40:60, 60:40, 80:20) cùng với 5 cấp tỷ lệ phụ gia (0, 1,2,4, 8%) để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến đặc tính dẻo của vật liệu Kết quả cho thấy tỷ lệ gỗ cao thì độ bền mỏi cao hơn với vật liệu không dùng phụ gia Khi biến tính bằng phụ gia ở tỷ lệ gỗ- nhựa là 60:40 và 80:20 thì dễ dàng thấy được ảnh hưởng của nó đến độ bền mỏi của vật liệu cao hơn, nhưng hầu như không ảnh hưởng với tỷ lệ 40:60 Độ bền mỏi tốt nhất khi phụ gia ở 1% với tỷ lệ bột gỗ/PE là 60:40 Kết quả cho thấy việc sử dụng phụ gia với tỷ lệ phù hợp sẽ làm tính dẻo của WPC khi tỷ lệ gỗ cao hơn nhựa
Năm 2011, Behzad Kord nghiên cứu ảnh hưởng của Maleic anhydride đến độ bền uốn, kéo, độ bền va đập của nhựa PE gia cường bằng mùn cưa Sản phẩm được chế tạo từ nhựa PE và bột gỗ lấy từ mùn cưa với tỷ lệ 50/50 tính theo trọng lượng, chất trợ tương hợp từ 0,1 – 2% đã được sản xuất bằng phương pháp ép nóng chảy và ép phun Kết quả cho thấy độ bền kéo,độ bền va đập đã tăng mạnh khi tăng chất trợ tương hợp MA, các đặc tính cơ học của vật liệu composite gỗ nhựa cũng tăng lên
Nghiên cứu về gỗ Cao su: Cây Cao su là một cây công nghiệp được trồng để lấy nhựa là chủ yếu, đến giai đoạn ít nhựa thì được chặt bỏ để trồng mới Cây cao su ở Việt Nam được trồng nhiều ở khu vực Miền Đông Nam Bộ và Tây Nguyên Gỗ Cao su hiện nay đang được sử dụng nhiều trong chế biến sản phẩm gỗ trong nước và xuất khẩu, sản xuất ván dăm, làm bột giấy,… đã có một số nghiên cứu về gỗ Cao su đó là:
- Năm 1998, Phạm Ngọc Nam [14,16] đã nghiên cứu về cấu tạo, tính chất vật lý, tính chất cơ học của gỗ Cao su như là: mạch gỗ khá lớn từ 385-396μm; tế bào mô mềm khá phong phú, trong nhu mô còn có các tinh thể silic, oxalat canxi; ở cây Cao su có hiện tượng ống dẫn nhựa bệnh, gỗ Cao su dễ bị nấm mốc và mọt phá hoại, tự bảo quản kém, cường độ chịu lực trung bình,…
- Năm 2000, Phạm Ngọc Nam [15] đã nghiên cứu sản xuất ván dăm từ cành ngọn và bìa bắp gỗ Cao su; kết quả nghiên cứu này cho thấy khả năng dán dính giữa gỗ Cao su với các loại keo thông dụng thường dùng trong ngành gỗ có độ bền phù hợp với các yêu cầu sản xuất đồ gỗ
- Năm 2011, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của TS Hoàng Thị Thanh Hương đã nghiên cứu phòng chống cháy cho gỗ Cao su kết quả cho thấy khi sử dụng các chất phòng chống cháykhác nhau tác giả đã khuyến cáo nên sử dụng với hóa chất phòng chống cháy có công thức là (H3BO3 47,5%;Na2B8O13.10H2O 47,5%; Na2Cr2O7 5%) thì gỗ chất lượng gỗ chậm cháy đảm bảo theo tiêu chuẩn ASTME 160 – 80 của Mỹ
Nghiên cứu sử dụng sợi thực vật sản suất vật liệu composite có nhiều ưu điểm như nhẹ, độ bến kéo tốt, dễ gia công, giá thành thấp, dễ phân hủy, thân thiện với môi trường, cho nên đã có rất nhiều nghiên cứu về sử dụng sợi thực vật làm vật liệu gia cường cho composite đã có các công trình nghiên cứu tiêu biểu như:
- Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo composite trên cơ sở PE gia cường bằng sợi đay Vật liệu được chế tạo bằng cách xếp các lớp màng PE- phụ gia và sợi đay theo thiết kế rồi ép trên máy ép thủy lực (ép phẳng trong khuôn kín) dưới áp suất 7MPa trong 50 phút; kết quả cho thấy hàm lượng phụ gia có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của composite, độ bền kéo và độ bền uốn cực đại khi dùng 7% trọng lượng phụ gia, độ bền va đập giảm khoảng 50%
- Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu, Phạm Gia Huân nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme- compozit trên cơ sở nhựa PE gia cường bằng hệ lai tạo tre, luồng sợi thủy tinh Vật liệu chế tạo bằng cách nhựa và sợi được xếp từng lớp vào khuôn theo nguyên tắc nhựa sợi xen kẽ; hàm lượng sợi chiếm 60% và được ép ở nhiệt độ 190 o C, áp suất ép 100KG/cm2, gia nhiệt trong 60 phút, ép trong 30 phút, làm nguội đến 80 o C bằng phương pháp ép phẳng trong khuôn; kết quả cho thấy việc xử lý sợi tre luồng bằng dung dịch NaOH đã làm tăng hàm lượng cellulose trong sợi do đó làm tăng khả năng bám dính giữa sợi và nhựa Việc sử dụng lai tạo 3 loại sợi trên cho tính năng độ bền uốn của vật liệu tăng lên rõ rệt
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần gỗ/nhựa/phụ gia để tìm ra được hợp chất composite gỗ nhựa rắn chắc thay thế cho gỗ tự nhiên Toàn bộ quá trình thực nghiệm sẽ được quy hoạch thực nghiệm và được tính toán theo Excel và phần mềm Matlab.
Khái niệm và ứng dụng của vật liệu composite gỗ-nhựa
Vật liệu composite gỗ - nhựa là loại vật liệu composite được tổ hợp chủ yếu từ các loại nhựa nhiệt dẻo PE, PP, PVC , có thể từ nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh cùng với cốt là các loại bột gỗ, sợi gỗ hay các loại sợi thực vật khác Ngoài ra, có thể có thêm một số chất phụ gia trợ liên kết khác Sản phẩm WPC có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thước cao và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp
Sản phẩm WPC có thể sản xuất bằng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép phằng trong khuôn Gỗ có thể được sử dụng ở dạng bột gỗ, dăm gỗ hay các phế liệu trong chế biến gỗ như mùn cưa, vỏ bào,… Nhựa nhiệt dẻo có thể sử dụng là nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh tuỳ vào lĩnh vực và yêu cầu sử dụng của vật liệu
Vật liệu WPC là vật liệu được biết đến sớm vào năm 1900, tuy nhiên vào năm 1983 công ty American Woodstock ở Sheboygan, Wisconsin bắt đầu sản xuất WPC cho nội thất ôtô bằng phương pháp ép đùn sử dụng nhựa nền PE và bột gỗ, từ đó sản phẩm WPC được phổ biến rộng trên thế giới
Vật liệu WPC hiện nay được sử dụng nhiều trong công nghiệp như làm sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tường, ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí Nhờ những đặc tính ưu việt mà WPC được dùng để thay thế cho gỗ tự nhiên, ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thông, các công trình nội thất, ngoại thất, đồ nội thất ô tô, máy bay, Một số ứng dụng cụ thể của vật liệu composite như: Làm ván sàn ngoài trời, sử dụng làm vật liệu nhà dân dụng.
Thành phần trong vật liệu composite gỗ-nhựa
Polyetylen là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo ra bằng cách trùng hợp các phân tử etylen, có công thức cấu tạo cơ bản: (-CH 2 -CH 2 -) n
Trong đó, tùy theo phương pháp trùng hợp mà có các loại PE khác nhau Trên thị trường có ba loại PE phổ biến là PE tỷ trọng thấp (LDPE), PE tỷ trọng cao (HDPE) và PE mạch thẳng tỷ trọng thấp (LLDPE) Đặc điểm và tính chất của ba loại nhựa PE này được tóm gọn trong bảng
PE là một loại nhựa nhiệt dẻo không phân cực, không mùi vị, trơ về mặt sinh học, cháy chậm và yếu Phân tử PE có cấu tạo mạch thẳng, dài gồm những nhóm methylene, ngoài ra còn có những mạch nhánh tạo cấu trúc bán kết tinh, tỷ lệ giữa các pha kết tinh và vô định hình phụ thuộc vào phương pháp trùng hợp Nếu mạch nhánh càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém PE kết tinh nhanh vì các mắc xích có chiều dài không lớn và có độ đối xứng cao PE có độ kết tinh tương đối cao và khác nhau đối với mỗi loại, LDPE chứa 55-65% pha kết tinh, trong khi HDPE chứa 74-95% pha kết tinh Độ kết tinh của PE ở nhiệt độ thường có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất như tỷ trọng, độ cứng bề mặt, modul đàn hồi khi uốn, giới hạn bền và cháy, độ hòa tan và trương trong các dung môi hữu cơ, độ thấm khí và hơi Trong PE, phần tinh thể làm cho mạch cứng nên bền nhiệt, bền với tác dụng cơ học, còn phần vô định hình làm cho mạch mềm
Tính chất cơ và nhiệt của PE thay đổi gần như tuyến tính với tỷ trọng PE là polymer không phân cực nên có tính cách điện cao, độ kháng nước cao, không hút ẩm
Tuy nhiên, chính tính không phân cực này của PE làm cho nó khó liên kết với vật liệu gia cường khi ứng dụng làm vật liệu composite Ở nhiệt độ thường, PE không tan trong các dung môi hữu cơ, nhưng để tiếp xúc lâu với khí hydrocarbon thơm đã clo hóa thì bị trương Tuy nhiên, ở nhiệt độ trên 70 0 C thì PE có thể tan trong các dung môi hữu cơ như toluene, xylene…
PE kháng hóa chất tốt, kháng thời tiết kém, bị lão hóa dưới tác dụng của oxi không khí, tia cực tím và nhiệt Trong quá trình lão hóa, độ giãn dài tương đối và độ chịu lạnh của polymer giảm, xuất hiện tính giòn dễ nứt
Cấu tạo thô đại: Cao su là loài gỗ cây lá rộng, về mặt cấu tạo thô đại khi mới cưa xẻ gỗ có màu vàng nhạt, lúc khô biến thành màu kem nhạt Gỗ Cao su có phần giác và lõi tuy nhiên hai phần này rất khó phân biệt, vòng sinh trưởng rõ ràng, có chiều rộng khoảng 2-4 mm; Gỗ Cao su thớ thẳng, ít xoắn thớ, có lỗ mạch khá lớn, phân bố phân tán, nhu mô gỗ Cao su phong phú, tia gỗ có cấu tạo tụ hợp, xếp từ 2÷3 hàng tế bào, sợi gỗ thẳng
Cấu tạo hiển vi của gỗ Cao su thể hiện trên ba mặt cắt cơ bản bao gồm: mặt cắt ngang, mặt cắt tiếp tuyến, mặt cắt xuyên tâm với những đặc điểm cấu tạo đặc trưng như sau:
Hình 2.2 Cấu tạo hiển vi của gỗ cao su trên 3 mặt cắt
Mạch gỗ: gỗ Cao su có lỗ mạch khá lớn, đường kính trung bình đo theo chiều xuyên tâm từ 385-396 μm, phân bố theo kiểu phân tán, số lượng mạch trung bình đạt 6/mm2 Đa phần mạch phân tán đơn, có khi kép ở xuyên tâm Những lỗ mạch kép có thể từ 2-7 lỗ mạch đơn nằm sát cạnh nhau Các lỗ mạch nằm ở giữa bị ép lại theo hướng xuyên tâm có sự hiện diện của trữ bào (thể bít) chiếm tỉ lệ đáng kể khoảng 1/3, tế bào mạch có tấm xuyên mạch đơn
Nhu mô (tế bào mô mềm): các hình thức phân bố nhu mô của gỗ Cao su khá phong phú, chủ yếu là nhu mô xa mạch xếp thành những dải băng 1 hàng tế bào Ngoài ra còn có các dãy nhu mô liên kết các mạch, đặc biệt có sự xuất hiện của nhu mô dọc xếp thành từng tầng Bên cạnh đó còn có các tinh thể silic, oxalat canxi trong nhu mô
Tia gỗ: gỗ Cao su có tia tụ hợp, bề rộng tia từ 2-3 hàng tế bào, chiều cao tia biến động từ 15-20 hàng tế bào Đôi khi xuất hiện tinh quả trám ở tế bào đứng
Sợi gỗ: sợi gỗ Cao su khá thẳng có vách ngăn ngang đa phần nằm vuông gốc tế bào sợi Ống dẫn nhựa bệnh: ở cây Cao su có hiện tượng ống dẫn nhựa bệnh do tổn thương
Tính chất cơ học: gỗ Cao su có tính chất cơ lý xếp hạng trung bình và một số tính chất cơ bản như bảng sau:
Bảng 2.1 Tính chất cơ lý cơ bản của gỗ Cao su
Bảng 2.2 Thành phần hóa học cơ bản của gỗ Cao su
Hình 2.3 Mùn cƣa 2.2.3 Phụ gia
Phụ gia: được thêm vào để tiết kiệm nguyên liệu cốt, giảm độ co ngót, giảm giá thành sản phẩm; trợ tương hợp thường sử dụng nhất là canxi cacbonate (CaCO3)
Phụ gia được ghép từ hai thành phần chính là MA (C4H4O2) và PE Phụ gia là sản phẩm của quá trình biến tính PE bằngcách ghép maleic anhydride (MA) lên đại phân tử polyetylene Người ta thường sử dụng hai phương pháp ghép phụ gia lên PE đó là phương pháp ghép trong dung dịch và phương pháp ghép nóng chảy
Phụ gia sử dụng trên thị trường có rất nhiều loại, việc lựa chọn phụ gia phải đảm bảo các yêu cầu là dễ mua, thông dụng nhất, có giá thành thấp, có thể tái sinh được,độ ổn định nhiệt cao,độ bền cao và nhiệt độ chảy lỏng của nhựa nhỏ hơn 200 o C
Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composite gỗ-nhựa
Ảnh hưởng của chủng loại nguyên liêu: chủng loại nguyên liệu thành phần có ảnh hưởng rất nhiều đến cơ tính của vật liệu WPC Các nguyên liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng nguyên liệu thành phần Ảnh hưởng của kích thước bột gỗ: kích thước của bột gỗ có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu Nếu bột gỗ có kích thước quá lớn thì quá trình phối trộn không tốt, khả năng hòa trộn giữa bột gỗ và nhựa không đều gây khuyết tật cho sản phẩm Ngược lại nếu bột gỗ có kích thước nhỏ thì quá trình phối trộn đồng đều hơn và yêu cầu áp lực ép không cao, do đó trong quá trình gia công mức độ phối trộn nhựa và bột gỗ đều hơn, sản phẩm ít bị khuyết tật Nhưng kích bột gỗ càng nhỏ thì các mạch phân tử của chúng bị cắt đứt càng nhiều làm giảm độ bền của bột gỗ, dễ cháy trong quá trình gia công do đó tính chất của vật liệu giảm Kích thước bột gỗ thích hợp để sản xuất vật liệu WPC khoảng
≤ 1,2mm Ảnh hưởng của độ ẩm bột gỗ: trong vật liệu WPC thì bột gỗ là thành phần có khả năng hút ẩm rất lớn, nước trên bề mặt bột gỗ đóng vai trò giống như nguyên tử làm phân tách trên bề mặt phân chia pha giữa sợi và nhựa nền Sự xuất hiện của hơi nước trong vật liệu thường làm ảnh hưởng xấu đối với quá trình ép và chất lượng sản phẩm như làm cong vênh, phồng rộp sản phẩm, làm chậm quá trình đóng rắn, Do đó độ ẩm của bột gỗ ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất cơ học của vật liệu WPC, cho nên độ ẩm của bột gỗ trước khi gia công khoảng 4%
2.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nhựa nền/phụ gia/bột gỗ Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa nền: nếu nhựa nền quá ít thì bột gỗ nhiều do đó không bao bọc hết cốt và dẫn đến hiện tượng liên kết giữa pha cốt-nền không liên tục làm cho tính chất của vật liệu giảm Ngược lại nếu nhựa nền quá nhiều thì bột gỗ ít, pha nền bao bọc được toàn bộ cốt, nhưng nếu tỷ lệ cốt ít thì độ bền không cao và giá thành sản phẩm cao; Nếu chọn được tỷ lệ nhựa nền PE và cốt phù hợp thì liên kết cốt nền sẽ tốt nhất, giảm giá thành sản phẩm,… Ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia: nếu tỷ lệ phụ gia quá cao và quá thấp cũng sẽ ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu; nếu chọn tỷ lệ phụ gia quá thấp thì cầu nối liên kết hóa học-khuếch tan giữa cốt và nền ít làm cho tính chất của vật liệu giảm; nếu chọn tỷ lệ phụ gia cao thì lớp trung gian nhiều các mạch phân tử phụ gia lớn khó tiếp xúc với bề mặt gỗ dẫn đến khó phản ứng được với nhóm OH, khi đưa một lượng lớn phụ gia sẽ làm cản trợ sự kết tinh của polyme dẫn đến làm giảm tính chất của vật liệu.
Nguyên lý hình thành và cơ chế liên kết
Giống như các loại composite khác, composite giữa bột gỗ – nhựa được hình thành trên cơ sở tổ hợp nhựa nhiệt dẻo với vật liệu gia cường là bột gỗ
Do vật liệu gỗ và nhựa có những tính chất khác biệt rất lớn nên khi giacông chế tạo composite gỗ – nhựa nhiệt dẻo thường có thêm thành phần trợ tương hợp, hỗ trợ khả năng tương hợp giữa nhựa nền và gỗ, tăng cường khả năng liên kết giữ chúng Khi đó, trong vật liệu sẽ xuất hiện vùng phân chia (vùng trung gian) có dạng như hình 2.5
Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát phân chia các pha trong WPC 2.4.2 Cơ chế liên kết giữa bột gỗ, nhựa PE và phụ gia
Do bề mặt của cốt là bột gỗ có đặc điểm bề mặt thô không bằng phẳng, có độ nhấp nhô, kết cấu sợi gỗ có nhiều lỗ hổng và xốp Trong quá trình phối trộn và ép dưới tác dụng của nhiệt độ nhựa PE, phụ gia chảy lỏng nhờ áp suất phun, thời gian ép nhựa PE, phụ gia đã chui vào các khe hở trên bề mặt sợi gỗ tạo thành các đinh keo của nhựa PE, phụ gia vì vậy tạo ra liên kết giữa các thành phần trong vật liệu Hiện tượng dán dính như trên là do ăn khớp cài răng lược của nhựa nền PE với bề mặt của bột gỗ Đây một hình thức liên kết phổ biến trong vật liệu composite gỗ-nhựa PE và được gọi là liên kết cơ học
Trong phụ gia có nhóm chức MA, trong quá trình phối trộn, gia công dưới ảnh hưởng của chế độ gia công Nhóm chức của phụ gia đã tiếp xúc bề mặt bột gỗ đã xảy ra phản ứng thay thế nguyên tử Hydro (trong nhóm OH của gỗ) bằng gốc Hydro cacbon (liên kết hóa học); Đồng thời có liên kết tĩnh điện giữa Hydro đã liên kết với nguyên tử có độ âm điện mạnh có kích thước bé như Oxy Ở đây có khả năng một hay nhiều nhóm MA từ cùng một phân tử phụ gia tương tác với các nhóm OH khác nhau trên bề mặt bột gỗ để tạo thành phân tử phụ gia được gắn kết chặt chẽ với bề mặt bột gỗ Sau đó các phân tử phụ gia được gắn kết với bề mặt sợi gỗ khuếch tán vào nhựa nền PE hình thành các móc xoắn và tạo ra liên kết giữa các thành phần trong vật liệu Để tạo nên sản phẩm composite gỗ nhựa có chất lượng cao; một trong các yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm đó là tỷ lệ thành phầnnhựa PE/phụ gia/bột gỗ
Tỷ lệ thành phần nhựa PE/phụ gia/bột gỗ để nghiên cứu: trong quá trình nghiên cứu nếu nhựa nền PE quá ít thì bột gỗ nhiều do đó không bao bọc hết cốt và dẫn đến hiện tượng liên kết giữa pha cốt-nền không liên tục làm cho tính chất của vật liệu giảm.Ngược lại nếu nhựa nền PE quá nhiều thì bột gỗ ít khi đó pha nền bao bọc được toàn bộ cốt, nhưng nếu tỷ lệ cốt ít thì độ bền không cao và giá thành sản phẩm cao Nếu chọn được tỷ lệ nhựa nền PE và cốt phù hợp thì liên kết cốt nền sẽ tốt nhất, giá thành giảm,… Tương tự như trên việc lựa chọn tỷ lệ phụ gia quá cao và quá thấp cũng sẽ ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu; nếu chọn tỷ lệ phụ gia quá thấp thì cầu nối liên kết hóa học khuếch tán giữa cốt và nền ít làm cho tính chất của vật liệu giảm; nếu chọn tỷ lệ phụ gia cao thì lớp trung gian nhiều, các mạch phân tử phụ gia lớn khó tiếp xúc với bề mặt gỗ dẫn đến khó tạo phản ứng được với nhóm OH, khi đưa một lượng lớn phụ gia sẽ làm cản trợ sự kết tinh của polyme dẫn đến làm giảm tính chất của vật liệu Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng nhựa nền là 50% và phụ gia khoảng 4% là thích hợp Kế thừa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước kết hợp với các phân tích trên chúng tôi sẽ tiến hành thực nghiệm đa yếu tố toàn dạng bậc hai với thí nghiệm mức cơ sở là nhựa nền
50%, phụ gia 4% còn lại là bột gỗ Cao su và lựa chọn khoảng biến thiên vừa đủ để thấy được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình nghiên cứu
Nhiệt độ gia công: nhiệt độ gia công phải được lựa chọn trên cơ sở không thấp hơn nhiệt độ chảy mềm của nhựa PE (86 o C), cao hơn hoặc bằng nhiệt độ chảy lỏng nhưng không vượt quá nhiệt độ 200 o C vì ở nhiệt độ này kích thước bột ≤ 1,2mm có thể bị cháy
Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước nhiệt độ ép thích hợp cho nhựa PE là 180 o C.
Nhận xét chung
Từ những trình bày ở trên có thể rút ra một số kết luận sau:
- Vật liệu composite gỗ nhựa là loại vật liệu mới nằm trong chương trình KH&CN cấp Nhà nước tài đã có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này Tuy nhiên các nghiên cứu này mới sử dụng được một số loại sợi thực vật áp dụng vào trong sản xuất và còn rất nhiều loại sợi thực vật phế liệu cần được nghiên cứu để chế tạo ra loại vật liệu WPC để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đáp ứng nhu cầu xã hội
- Dựa vào các tài liệu thu thập được và phân tích các công trình nghiên cứu về sử dụng gỗ Cao su của nhiều tác giả đã công bố Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ tạo vật liệu WPC, nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu đầy đủ về sử dụng phế liệu gỗ Cao su của Việt Nam để sản xuất vật liệu WPC
- Về nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đã có nhiều nghiên cứu như: nghiên cứu thay đổi tỷ lệ thành phần (nhựa, bột gỗ, trợ tương hợp, phụ gia biến tính bột gỗ, ), nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ như nhiệt độ tạo hạt, nhiệt độ ép,
Nhưng các nghiên cứu này chủ yếu là đơn yếu tố và chủ yếu tạo sản phẩm bằng phương pháp ép đùn, ép phẳng, còn phương pháp ép phun còn ít những nghiên cứu
- Về đánh giá chất lượng sản phẩm: hầu hết các nghiên cứu đều đánh giá chất lượng sản phẩm theo một số đặc tính như khối lượng thể tích, độ hút nước, độ bền uốn, độ bền kéo, độ bền va đập
-Từ kết quả phân tích những tồn tại như trên, căn cứ vào yêu cầu thực tiễn, luận án đã đưa ra được mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu để xác định chế độ gia công hợp lý và làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu hoàn thiện sử dụng gỗ Cao su của Việt Nam làm vật liệu WPC.
Đối tƣợng nghiên cứu
Bột gỗ Cao su được làm phế liệu gỗ như bột chà nhám, mùn cưa, phoi bào sau đó nghiền về kích thước (0,3- 0,45mm)
Phụ gia sử dụng có tên thương mại là CM130 hợp chất của canxi cacbonat (CaCO 3 ), nhựa Polyethylene (PE) nguyên sinh và các chất trợ gia công - trợ phân tán khác
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa polyethylene có nội dung rất lớn cần có thời gian dài, trong nội dung luận án chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu như sau:
- Về nội dung nghiên cứu: Luận án chỉ tập trung nghiên cứu tìm quy luật ảnh hưởng và xây dựng mô hình hóa mối quan hệ giữa tỷ lệ thành phần với một số tính chất cơ bản của vật liệu
- Về nguyên liệu sử dụng: Luận án sử dụng nguyên liệu là gỗ Cao su, nhựa polyethylene nguyên sinh, phụ gia là CM130.
Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu tổng quát: Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc tạo vật liệu composite gỗ nhựa
- Mục tiêu cụ thể: Xác định được ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần giữa nhựa PE/phụ gia/bột gỗ Cao su tới khối lượng thể tích, độ hút nước, độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và lựa chọn được tỷ lệ thành phần hợp lý nhất tạo vật liệu composite.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ Cao su tới tính chất cơ lý của vật liệu.
Phương pháp nghiên cứu
3.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp tiếp cận hệ thống: là phương pháp kế thừa các thành tựu nghiên cứu về vật liệu composite, vật liêu polymer trong và ngoài nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu quá trình sản xuất vật liệu WPC được rút ngắn về thời gian lẫn chi phí vật chất Các lý thuyết giúp kế thừa trong quá trình nghiên cứu bao gồm: Công nghệ sản xuất vật liệu composite; Khoa học gỗ, Vật liệu polymer,…
Phương pháp giải tích toán học: phương pháp này được sử dụng để giải các bài toán giải tích trong quá trình nghiên cứu
3.5.2 Phương pháp thực nghiệm 3.5.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới tính chất của WPC
Bố trí thí nghiệm: trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp thực nghiệm đa yếu tố toàn phần và các thí nghiệm được tiến hành bố trí ngẫu nhiên hoàn toàn Phương trình hồi quy tuyến tính dạng đa thức bậc hai:
Y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 12 x 1 x 2 + b 11 x 1 2 + b 22 x 2 2 ; (3.1) Thông số đầu ra là: độ hút nước, độ bền của vật liệu composite gỗ nhựa
Yếu tố tác động gồm: tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bộ gỗ tính theo phần trăm khối lượng(trong đó: lượng nhựa PE + lượng phụ gia + lượng bột gỗ = 100%)
Miền quy hoạch thực nghiệm: trên cơ sở của các nghiên cứu việc xác định miền nghiên cứu theo phương án bậc 2 được căn cứ vào lý thuyết và kết quả của các công trình nghiên cứu, đặc điểm của thiết bị, miền thực nghiệm như sau:
Miền thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới tính chất WPC
Khoảng biến thiên Điểm sao dưới (- α )
Mức trên (+1) Điểm sao trên
Lập ma trận thí nghiệm: dùng phương án bất biến quay bậc hai của BOX và HUNTER
Thí nghiệm với 2 nhân tố là nhựa PE và phụ gia ta có số thực nghiệm TNT là 4 thí nghiệm, số thí nghiệm các điểm sao n α là 4 thí nghiệm, số thí nghiệm ở tâm n 0 là 5 thí nghiệm Tổng số thí nghiệm với 2 nhân tố là 13 thí nghiệm (theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, bảng 6.11 trang 131)
Hệ số Ti phương pháp quay đều
Các hệ số của phương trình hồi quy theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 6.14, trang 122
Giá trị trung bình các thí nghiệm lặp theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.3, trang 69
Phương sai mỗi thực nghiệm theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.4, trang 70
Phương sai tái hiện phương trình hồi quy theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.5, trang 70
Giá trị phân bố theo Cochran
Phương sai hệ số hồi quy theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 6.15, trang 122
Bậc tự do theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.20, trang 75 f th = N-p
Tổng số bậc tự do của các thí nghiệm theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.6, trang 70 f y = N(n-1)
Giá trị phân bố theo tiêu chuẩn student theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.12, trang 73
Phương sai thích hợp theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.21, trang 75
Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Fisher theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 4.22, trang 75
3.5.2.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
Trong phần nghiên cứu thực nghiệm có nhiều giai đoạn cần đến các phương pháp xử lý số liệu khác nhau bao gồm: Áp dụng phương pháp phân tích phương sai để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số nghiên cứu đến quá trình nghiên cứu
Phương pháp này giúp loại bỏ các yếu tố kém ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu cũng như mức độ tương quan Ngoài ra còn giúp kiểm tra các giả thiết đồng nhất phương sai, độ tin cậy của các hệ số hồi qui và mức độ phù hợp của mô hình lựa chọn theo tiêu chuẩn Fisher khi làm thực nghiệm Áp dụng phương pháp khử sai số khi thí nghiệm nhận thông tin để loại bỏ sai số thô
Sử dụng chương trình phần mềm: Excel, Matlab để lập ma trận thí nghiệm, xác định các hế số hồi qui, phân tích phương sai mô hình thống kê thực nghiệm trong bài toán quy hoạch thực nghiệm
Sử dụng chương trình phần mềm được lập trên cơ sở thuật toán ngẫu nhiên kết hợp với phương pháp tìm kiếm trực tiếp, phương pháp trọng số để xác định các chỉ tiêu tối ưu và điều kiện làm việc tối ưu của mô hình
Nội dung xử lý số liệu được tiến hành trên máy vi tính theo các bước sau:
- Bước 1: xác định các giá trị hệ số hồi qui ở dạng đầy đủ
- Bước 2: tiến hành phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi qui không đảm bảo độ tin cậy với mức ý nghĩa q = 0,05
- Bước 3: xác định lại các giá trị hệ số hồi qui theo hàm toán mới, sau khi đã loại bỏ các hệ số hồi qui không đủ độ tin cậy
- Bước 4: tiến hành phân tích phương sai trên hàm toán mới, kiểm tra lại một lần nữa độ tin cậy của các hệ số hồi qui Nếu cần thiết thì cải tiến mô hình.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án
-Đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu trên nền nhựa HDPE và mùn cưa
-Tận dụng được nguồn mùn cưa phế thải
- Giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế nạn phá rừng bừa bãi
- Góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nhựa gỗ trên nhựa nhiệt dẻo (HDPE) và độn cellulose (mùn cưa) là vật liệu mới có thể thay thế vật liệu nhựa, gỗ trong chế tạo các sản phẩm như các loại cửa, vách ngăn, sản phẩm lót sàn, hàng rào phục vụ xây dựng và trang trí nội thất.
Những đóng góp mới của luận án
Về mặt học thuật: luận án là công trình đầu tiên nghiên cứu tạo vật liệu composite gỗ Cao su-nhựa PE được nghiên cứu một cách có hệ thống và đã sử dụng các mô hình toán học vào việc phân tích mối tương quan giữa tỷ lệ thành phần nhựa polyetylene/phụ gia/bột gỗ cao su tới chất lượng sản phẩm
Về mặt lý luận: Luận án đã xác định được quy luật biểu diễn sự phụ thuộc của độ hút nước, độ bền vào tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ cao su.
Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa, bột gỗ, phụ gia tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa
4.1.1 Mô tả quá trình thí nghiệm
Quá trình tạo hạt gỗ nhựa là quá trình trộn các thành phần trong vật liệu composite gỗ nhựa Phương án pha trộn được tiến hành thực nghiệm theo phương án đa yếu tố với hai yếu là tỷ lệ nhựa PE, tỷ lệ phụ gia, còn tỷ lệ bột gỗ sẽ thay đổi sao cho tổng (tỷ lệ nhựa PE + tỷ lệ phụ gia + tỷ lệ bột gỗ) = 100(%)
Bảng 4.1 Kế hoạch pha trộn các thành phần tạo vật liệu
Tỷ lệ thành phần theo khối lượng (%)
Quy ra khối lượng cho 1 mẫu (kg) Khối lượng
3 loại cho 1 mẫu (kg) Nhựa
PE phụ gia Bột gỗ Nhựa
PE phụ gia Bột gỗ
4.1.2 Xác định tính chất của vật liệu
Xác định các tính chất của vật liệu: mẫu sau khi ép để nguội ít nhất 24 giờ và xác định tính chất tại xưởng cơ khí của bộ môn cơ giới háo xí nghiệp trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và đạt được kết quả tổng hợp như bảng 4.2
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới tính chất của WPC
Theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, công thức 6.21, trang 133, các nhân tố mã hóa được tính như sau
X 1 : nhân tố tự nhiên của nhựa PE, X 01 : nhân tố tự nhiên trung bình x 1 : nhân tố mã hóa của nhựa PE, : khoảng biến thiên
X 2 : nhân tố tự nhiên của MAPE, X 02 : nhân tố tự nhiên trung bình x 2 : nhân tố mã hóa của MAPE, : khoảng biến thiên
Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước
Khi hàm lượng bột gỗ càng tăng thì độ hút nước của composite gỗ - nhựa càng tăng Trong thành phần composite gỗ nhựa thì gỗ là pha phân tán và pha ổn định là nhựa, hai thành phần vật liệu này là hai pha khác nhau Gỗ là một vật liệu xốp, rỗng, mao dẫn nên có tính ưa nước; còn nhựa hút nước ít, thường là trơ với nước Do vậy, độ hút nước của vật liệu phụ thuộc chính vào bản chất pha phân tán là bột gỗ hay là phụ thuộc vào hàm lượng bột gỗ
Vì vậy ta nghiên cứu thực nghiêm về tỷ lệ thành phần nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước của WPC bằng cách ta đo khối lượng trước khi ngâm nước và khối lượng sau khi ngâm nước trong vòng 1 tuần của mẫu thí nghiệm Dựa vào quy hoạch thực nghiệm ta xác định được tỷ lệ thành phần phần trăm của nhựa PE/phụ gia/bột gỗ một cách hợp lý nhất để từ đó ta có được mẫu WPC ít hấp thụ nước nhất
Bảng 4.3 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước của WPC
Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước của WPC
Tỷ lệ thành phần theo khối lượng (%) m 1
Trong đó: -m 1 : khối lượng trước khi đem ngâm nước trong 1 tuần
-m 2 : khối lượng sau khi đem ngâm nước trong 1 tuần
-Y: độ hút nước -Y 1 : độ hút nước trung bình
Phương sai lớn nhất là của loạt thí nghiệm thứ 2:
Theo bảng phân bố Cochran với q = 0.05, số bậc tự do f = n-1 = 4, số lượng mẫu m = 13 ta tìm được G b = 0.29 vì G tt = 0.195 0.29 nên ta chấp nhận giả thuyết về tính đồng nhất phương sai thí nghiệm
Hệ số của phương trình hồi quy b0 0.5336 b1 -0.196 b2 -0.015 b12 -0.009 b11 0.0038 b22 0.0166
Ta có phương trình hồi quy: y = 0.5336 - 0.196x 1 - 0.015x 2 - 0.009x 1 x 2 + 0.0038x 1 2 + 0.0166x 2 2 Ước lượng ý nghĩa các hệ số phương trình hồi quy Đại lượng t b được xác định theo bảng phân bố Student với q=0.05 và số bậc tự do (phụ lục 1) (theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm) f y = N(n-1) = 13(5-1) = 52 Từ phụ lục 1 ta thu được: t b = 2.01
Ta có: nên ta loại bỏ hệ số b 12 và b 11 Ta có phương trình hồi quy: y = 0.5336 - 0.196x 1 - 0.015x 2 + 0.0166x 2 2 Phương sai thích hợp:
Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Fisher:
Từ bảng phân bố Fisher (phụ lục 2) với q = 0.05 và bậc tự do: f th = N – p = 13 – 4 = 9 f y = 52
Vì F t = 0.476 < F b = 2.08 cho nên điều kiện tính thích hợp phương trình hồi quy được thỏa
Biểu diễn phương trình hồi quy dưới dạng tự nhiên:
(*): đây là phương trình hồi quy mà tôi tìm được biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ thành phần nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước
Tính toán phương trình hồi quy theo Matlab:
Hình 4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước
Qua nghiên cứu chúng tôi đã xác định được khi tỷ lệ nhựa tăng thì độ hút nước giảm nguyên nhân là do nhựa không hút nước và ngược lại khi tỷ lệ nhựa giảm thì độ hút nước tăng do bột gỗ hút nước và nhựa bao bọc bột gỗ bên trong không tốt Còn ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia tới độ hút nước thì khi tỷ lệphụ gia từ 0 đến khoảng 4,5% thì độ hút nước có xu hướng giảm mạnh và sau đó có xu hướng không giảm Có hiện tượng như vậy là do phụ gia liên kết với nhóm hydroxyl có trong thành phần của bột gỗ bằng liên kết este và liên kết vật lý Trong vật liệu composite gỗ nhựa độ hút nước phụ thuộc vào độ hấp thụ nước của bột gỗ vì nhóm hydroxyl có trong thành phần bột gỗ có thể tạo liên kết với nước thông qua liên kết hydro Nếu nhóm hydroxyl này giảm thì làm giảm mức độ hút nước của bột gỗ, khi đưa chất trợ tương hợp phụ gia vào đã tạo ra phản ứng hydro với nhóm hydroxyl của bột gỗ và làm giảm đi nhóm ưa nước này, vì vậy khi đưa chất phụ gia làm giảm mức độ hút nước của vật liệu
Việc tìm được quy luật và mô hình hóa ảnh hưởng của lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ hút nước có ý nghĩa là xác định nhanh được độ hút nước khi tỷ lệ thành phần này thay đổi Thông qua việc mô hình hóa mối quan hệ này đã xác định được độ hút nước nhỏ nhất sau 1 tuần ngâm trong nước là 0,25% khi tỷ lệ thành phần là nhựa PE 60,1%/ phụ gia 4%/ bột gỗ 35,9% tính theo khối lượng.
Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ bền
Khi hàm lượng bột gỗ càng tăng thì độ bền uốn của WPC càng giảm Hàm lượng bột gỗ tăng thì sự phân tán giữa bột gỗ và nhựa không đồng đều, lúc này sẽ xuất hiện những điểm tập trung ứng suất do sự tích tụ của bột gỗ Vì vậy mẫu sẽ bị phá hủy sớm
Ngược lại, hàm lượng bột gỗ càng ít thì khả năng trộn hợp đồng đều và liên kết (dán dính, bao bọc) nhựa – gỗ càng tốt nên mẫu sẽ bị phá hủy chậm hơn
Hình 4.2 Sơ đồ của thanh chịu lực uốn
Khi hàm lượng bột gỗ càng tăng thì độ bền kéo(nén) của WPC càng giảm
Nguyên nhân do khả năng liên kết giữa bột gỗ và nhựa trong trường hợp này phụ thuộc vào hàm lượng bột gỗ nhiều hay ít Khi hàm lượng bột gỗ thấp thì sự phân tán bột gỗ vào nhựa đồng đều hơn, khả năng bám dính, bao bọc giữa bột gỗ và nhựa tăng và ngược lại nếu hàm lượng bột gỗ càng lớn thì khả năng liên kết, bao bọc của nhựa vào gỗ kém đi, tức là sự phân tán của bột gỗ và nhựa không đồng đều, khi đó xuất hiện những điểm tập trung ứng suất do sự tích tụ bột gỗ nên mẫu dễ bị phá hủy sớm
Hình 4.4 Sơ đồ của thanh chịu lực tác dụng đúng tâm
Hình 4.5 Hệ số độ võng của thanh chịu ứng suất nén đúng tâm
Ta thấy khi tỷ lệ thành phần của nhựa PE/phụ gia/bột gỗ thay đổi sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo (nén) và độ bền uốn của vật liệu WPC nhựa gỗ Vì vậy ta sẽ nghiên cứu cụ thể về sự thay đổi này để tìm ra WPC có độ bền chắc nhất Đầu tiên ta tác dụng một lực P vào ngay giữa thanh WPC ta xác định được độ võng y Từ đây ta có công thức về độ võng y liên quan đến độ cứng của thanh WPC
Sau đó ta tác dụng lực P vào đúng tâm của thanh WPC ta sẽ xác định được ứng suất tới hạn của thanh WPC Ta dùng quy hoạch thực nghiệm để tìm ra mối liên hệ giữa các thông số thực nghiệm qua phương trình hồi quy dạng bậc 2 Qua đó ta xác định được tỷ lệ thành phần phần trăm của nhựa PE/phụ gia/bột gỗ một cách hợp lý nhất để từ đó ta có được mẫu WPC có độ bền nhất
Bảng 4.5 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ bền của WPC
Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ bền của WPC
Tỷ lệ thành phần theo khối lượng (%) m1
Trong đó: - m 1 : khối lượng mẫu
Kích thước mẫu: Chiều rộng b: 60 mm
Bề dày h: 10 mm Hệ số m: 1 Lực tác dụng P: 1000 N Chiều dài L: 120 mm Momen quán tính: Độ võng: (E: độ đàn hồi) Ứng suất nén Phương sai lớn nhất là của loạt thí nghiệm thứ 2:
Theo bảng phân bố Cochran với q = 0.05, số bậc tự do f = n-1 = 4, số lượng mẫu m = 13 ta tìm được G b = 0.29 vì G tt = 0.255 0.29 nên ta chấp nhận giả thuyết về tính đồng nhất phương sai thí nghiệm
Hệ số của phương trình hồi quy: b 0 = 5.1476; b 1 = 1.7117; b 2 = 0.3217; b 12 = 0.2965; b 11 = 0.7816; b 22 = 0.05 Ta có phương trình hồi quy: y = 5.1476 + 1.7117x 1 + 0.3217x 2 + 0.2965x 1 x 2 + 0.7816x 1 2 + 0.05x 2 2 0.0010569
0.0013212 0.0007596 Ước lượng ý nghĩa các hệ số phương trình hồi quy Đại lượng tb được xác định theo bảng phân bố Student với q=0.05 và số bậc tự do (phụ lục 1) (theo Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm) f y = N(n-1) = 13(5-1) = 52 Từ phụ lục 1 ta thu được: t b = 2.01
Ta có: nên ta loại bỏ hệ số b 22 Ta có phương trình hồi quy: y = 5.1476 + 1.7117x 1 + 0.3217x 2 + 0.2965x 1 x 2 + 0.7816x 1 2 Phương sai thích hợp:
Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Fisher:
Từ bảng phân bố Fisher (phụ lục 2) với q = 0.05 và bậc tự do: f th = N – p = 13 – 5 = 8 f y = 52 Ta tìm được F b =2.14
Vì F t = 0.89 < F b = 2.14 cho nên điều kiện tính thích hợp phương trình hồi quy được thỏa
Biểu diễn phương trình hồi quy dưới dạng tự nhiên:
(**): đây là phương trình hồi quy mà tôi tìm được biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ thành phần nhựa PE/phụ gia/bột gỗ tới độ bền uốn
Tính toán phương trình hồi quy theo Matlab:
Hình 4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PE/bột gỗ/phụ gia tới độ bền uốn
Việc tìm được quy luật và mô hình hóa ảnh hưởng của lệ nhựa PE/phụ gia/Bột gỗ tới độ bền có ý nghĩa là xác định nhanh được độ bền theo các chế độ phối trộn khác nhau của các nguyên liệu đầu vào Thông qua việc mô hình hóa quan hệ này đã xác định được độ bền lớn nhất là 12MPa khi tỷ lệ thành phần là nhựa PE 60,1%/ phụ gia 4%/ bột gỗ 35,9% tính theo khối lượng.
Kết luận
Đề tài đã giải quyết triệt để mục đích ban đầu đã đặt ra là “nghiên cứu tối ưu ứng suất vật liệu gỗ nhựa theo thành phần phụ gia” Với các kết quả thu được, qua phân tích đánh giá chúng tôi rút ra một số kết luận sau: Đây là luận án đầu tiên nghiên cứu về tạo vật liệu composite gỗ Cao su nhựa PE được nghiên cứu một cách có hệ thống Luận án đã đề xuất được các loại nguyên liệu để sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa với các chất dễ tìm kiếm trên thị trường mà vẫn đảm bảo tốt yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật, môi trường cho vật liệu composite
Luận án đã xác định tỷ lệ tối ưu về thành phần nhựa PE/bột gỗ/phụ gia đảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật trong vật liệu WPC thông qua bài toán quy hoạch với các điều kiện biên đã được xác định trước
Liên kết giữa bột gỗ Cao su và nhựa polyethylene khi sử dụng phụ gia có độ bền đáp ứng được yêu cầu của liệu composite gỗ nhựa dùng trong trang trí nội ngoại thất Độ bền của vật liệu phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần nhựa PE/phụ gia/bột gỗ Cao su
Tỷ lệ nhựa PE/phụ gia/bột gỗ Cao su ảnh hưởng lớn tới độ hút nước, độ bền và có quan hệ dạng parabol
Luận án đã mô hình hóa được các mối quan hệ của tỷ lệ thành phần tới một số tính chất của vật liệu thông qua phương trình tương quan.
Hướng phát triển
Tiếp tục nghiên cứu lập mô hình bài toán quy hoạch với hàm mục tiêu là chi phí nhỏ nhất với các ràng buộc về kỹ thuật như độ hút nước, độ bền, từ đó tùy từng yêu cầu của sản phẩm mà ta xác định nhanh tỷ lệ thành phần phù hợp
Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của phụ một số phụ gia như phụ gia chống oxy hóa, phụ gia hấp thụ tia UV, chất độn, tới chất lượng sản phẩm
Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn giữa bột gỗ Cao su với các loại bột gỗ khác tới tính chất của vật liệu WPC
Xây dựng tiêu chuẩn kiểm tra tính chất cơ học và vật lý đối với vật liệu composite gỗ-nhựa sản xuất theo tiêu chuẩn Việt Nam.
