Trong nghiên cứu này, các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và độ kháng nước của vật liệu composite trên nền nhựa Polyvinyl clorua với độn mùn cưa, trấu đã được khảo sát.. Nhưng khi é
Trang 1NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYVINYL CLORUA VỚI ĐỘN MÙN CƯA, TRẤU
INVESTIGATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYVINYL CHLORIDE AND SAWDUST, RICE HUSK
SVTH: Phạm Thị Vân, Nguyễn Thu Phương
Lớp05H4, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: TS.Đoàn Thị Thu Loan
Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa
TÓM TẮT
Hiện nay, vấn đề môi trường và việc tận dụng các phế phẩm của ngành nông nghiệp và lâm nghiệp để tạo ra các sản phẩm composite có giá trị đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu khoa học Trong nghiên cứu này, các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và độ kháng nước của vật liệu composite trên nền nhựa Polyvinyl clorua với độn mùn cưa, trấu đã được khảo sát
ABSTRACT
Currently, environmental problems and the utilization of agricultural and forestry wastes to produce valuable composite products has attracted the attention of many researcher In this work, the influences of various factors on mechanical properties and water resistance of composites based on polyvinyl chloride (PVC) and sawdust, rice husks were investigated
1 Đặt vấn đề
Mùn cưa và trấu là hai loại phế phẩm của ngành sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp
và là nguồn sử dụng vô tận Đặc biệt vào mùa thu hoạch lúa thì số lượng trấu thải ra càng nhiều, một ít được tận dụng làm nguyên liệu đốt số còn lại thì thải ra môi trường một cách bừa bãi, đổ xuống sông, suối…gây ô nhiễm môi trường Mùn cưa cũng vậy, hằng tháng lượng mùn cưa thải ra từ các công ty chế biến gỗ rất lớn và việc xử lý lượng mùn cưa này đang là vấn đề khó khăn cho nhiều công ty Như vậy việc nghiên cứu tận dụng hai loại phế phẩm này làm vật liệu composite rất thiết thực, vừa tận dụng được nguồn phế phẩm vừa giải quyết được vấn đề môi trường Trong nghiên cứu này mùn cưa và trấu được sử dụng kết hợp với Polyvinyl clorua (PVC), là loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi trên thế giới PVC có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, tính chất cơ lý tốt, bền với hóa chất, có tính chống cháy So với các loại nhựa nhiệt dẻo khác như polypropylen (PP), polyethylen (PE)… thì PVC có một ưu điểm rất lớn, đó là độ phân cực cao do đó độ tương hợp giữa PVC và mùn cưa, trấu sẽ tốt hơn Đặc biệt PVC là nhựa nhiệt dẻo nên có khả năng tái sinh
và dưới ánh sáng của môi trường composite nhựa nhiệt dẻo có độ độc hại rất thấp Do vậy, vật liệu composite trên cơ sở PVC và mùn cưa, trấu sẽ có ưu điểm rất lớn so với composite truyền thống là thân thiện với môi trường Do điều kiện của phòng thí nghiệm nên phương pháp ép áp lực có gia nhiệt được lựa chọn để gia công vật liệu composite này
Trang 22 Thực nghiệm
2.1 Nguyên liệu và hóa chất
Mùn cưa được lấy từ quá trình chế biến gỗ (xoan, keo, hương…), ở một xưởng mộc
Đà Nẵng, được phân loại kích thước hạt và sấy khô
Trấu được lấy từ một xưởng xay gạo ở Đại lộc – Quảng Nam, được xay nhỏ, phân loại kích thước hạt và sấy khô
Loại nhựa PVC được cung cấp bởi công ty TPC Đồng Nai là loại SG660, có độ trùng hợp trung bình n = 980-1020, K = 65-67
Chất hóa dẻo DOP được cung cấp bởi Công ty LD Hóa chất LG Vina
2.2 Gia công mẫu composite
Mùn cưa và trấu được loại bỏ tạp chất, sàng phân loại kích thước hạt và được sấy khô Sau đó được trộn đều với PVC đã hấp thụ chất hóa dẻo DOP trên máy khuấy Sau khi chuẩn bị xong thì cho hỗn hợp vào khuôn và khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ khảo sát thì tiến hành lắp khuôn vào thớt máy ép Điều chỉnh thớt dưới đi lên đến khi chày ép chạm khuôn trên và đạt áp lực 100 Kg/cm2 Duy trì mẫu ở nhiêt độ và thời gian khảo sát Sau đó hạ thớt xuống và lấy khuôn mẫu ra, làm nguội rồi tháo khuôn
Mẫu sau khi gia công xong để ổn định khoảng 24 giờ, cắt theo tiêu chuẩn để khảo sát tính chất cơ lý và độ bền môi trường
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Điều kiện gia công
Mẫu được gia công với hàm lượng mùn cưa 40%, hàm lượng DOP 20%, kích thước
hạt trung bình 0,5 mm
3.1.1 Nhiệt độ gia công
Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ bền cơ lý được trình bày ở hình 1
Từ hình 1 cho thấy, khi tăng nhiệt độ gia
công thì độ bền cơ lý của vật lệu comnposite
tăng nhưng đến khoảng nhiệt độ trên 160o
C thì bắt đầu giảm xuống Điều này là do ở nhiệt độ
thấp những hạt nhựa PVC không nóng chảy
hoàn toàn nên trong sản phẩm ta thấy nhựa
không đều, có nhiều vị trí hạt nhựa chưa chảy
do đó làm giảm khả năng thấm ướt của mùn cưa
và nhựa Ngoài ra chúng còn tạo ra pha nhựa và
mùn cưa riêng lẻ và gián đoạn Chính vì
nguyên nhân đó làm cho độ bền kéo cũng như
độ bền uốn bị giảm đáng kể Tuy nhiên khi tăng
nhiệt độ quá cao trên 160oC thì nhựa chảy đều nhưng đồng thời xảy ra hiện tượng phân hủy mùn cưa và PVC Hiện tượng này chúng ta dễ dàng nhận thấy sản phẩm có màu nâu tối điều này làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu composite Từ đồ thị trên ta thấy độ bền
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nhiệt độ (C)
Độ bền kéo
Độ bền uốn
Hình 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến
độ bền kéo, uốn của composite mùn cưa
Trang 3Hình 2 Ảnh hưởng của thời gian gia
công đến độ bền kéo, uốn của composite
mùn cưa
của vật liệu composite cao nhất khi được gia công ở nhiệt độ 160o
C
3.1.2 Thời gian gia công
Khảo sát gia công mẫu composite ở nhiệt độ
160oC trong các thời gian gia công khác nhau Kết
quả thể hiện ở hình 2
Từ hình 2 ta thấy, khi tăng thời gian gia công
thì độ bền cơ lý của vật liệu comnposite tăng nhưng
khi thời gian vượt quá 20 phút thì độ bền bắt đầu
giảm xuống Điều này được giải thích là khi gia nhiệt
hỗn hợp ép đến nhiệt độ chảy của nhựa PVC thì luôn
cần một khoảng thời gian đủ để tất cả các hạt nhựa
đều chảy ra hết và thấm ướt đều bề mặt của mùn cưa
Khi thời gian không đủ để hạt nhựa chảy hoàn toàn
thì sản phẩm sẽ không đều có nhiều vị trí hạt nhựa chưa chảy tạo thành pha riêng biệt Tại những vị trí này kết dính giữa nhựa và mùn cưa kém nhất và mẫu sẽ bị phá hủy tại những điểm này vì vậy độ bền cơ lý sẽ giảm Nhưng khi ép với thời gian quá lâu trên 20 phút ở nhiệt độ gia công nhất định thì ngoài hiện tượng mùn cưa bị phân hủy nhiệt thì ngay chính bản thân nhựa cũng bị phân hủy một phần chính điều này sẽ làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu Từ đồ thị trên ta thấy độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công trong vòng 20 phút
Từ tất cả các điều kiện trên ta có thể đưa ra chế độ gia công tối ưu mẫu vật liệu composite là: nhiệt độ gia công 160oC và thời gian gia công là 20 phút
3.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt trung bình
Khảo sát gia công mẫu composite ở nhiệt độ 160o
C, thời gian 20 phút, hàm lượng mùn cưa 40%, hàm lượng DOP 20% với các kích thước hạt mùn cưa trung bình khác nhau Kết quả thể hiện ở hình 3
Từ hình 3 ta thấy, khi kích thước hạt trung
bình tăng thì độ bền cơ lý của vật lệu comnposite
tăng nhưng nếu kích thước hạt trung bình tăng vượt
quá 0,5mm thì độ bền bắt đầu giảm xuống Điều
này được giải thích: Hạt 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 nhựa sẽ
thấm ướt đều mùn cưa và sản phẩm không bị
khuyết tật nhưng kích thước hạt càng nhỏ thì các
mạch phân tử của chúng bị cắt đứt càng nhiều
làm giảm độ bền của mùn cưa Do đó, khi hạt mùn cưa có kích thước quá nhỏ thì độ bền cơ
lý của vật liệu composite sẽ thấp Ngược lại khi sử dụng hạt có kích thước lớn thì quá trình phối trộn không tốt, nhựa thấm ướt mùn cưa không đều gây khuyết tật cho mẫu (mẫu dễ bị nứt ở những điểm không có nhựa) Từ đây có thể kết luận: Độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công với kích thước hạt trung bình là 0,5 mm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Thời gian (phút)
Độ bền kéo
Độ bền uốn
Hình 3 Ảnh hưởng của kích thước hạt mùn
cưa đến độ bền kéo, uốn của composite
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Kích thước hạt mùn cưa trung bình (mm)
Độ bền kéo
Độ bền uốn
Trang 43.3 Ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa, trấu
Các mẫu composite được gia công ở nhiệt độ 160oC, thời gian 20 phút, hàm lượng DOP 20%, kích thước hạt trung bình 0,5 mm với hàm lượng mùn cưa, trấu khác nhau Kết quả thể hiện ở hình 4
(a) (b)
Hình 4 Ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa, trấu đến độ bền kéo (a), uốn (b)
Từ hình 4 ta thấy, cùng một hàm lượng độn nhưng độ bền của composite mùn cưa cao hơn độ bền của composite trấu và khi hàm lượng mùn cưa, trấu tăng thì độ bền cơ lý của vật lệu comnposite tăng nhưng nếu hàm lượng mùn cưa tăng vượt quá 50%, hàm lượng trấu tăng quá 40% thì độ bền bắt đầu giảm xuống Điều này được giải thích là độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào độ bền của vật liệu độn, vật liệu nền (nhựa) và độ bám dính, phân tán của nhựa và vật liệu độn Ban đầu khi tăng hàm lượng độn và vẫn đảm bảo sự thấm ướt
đủ của nhựa vào vật liệu độn thị độ bền mẫu composite tăng Nhưng khi hàm lượng độn cao quá thì nhựa không thấm ướt đủ để tạo hệ liên tục Do vậy làm giảm kết dính giữa vật liệu độn và nhựa dẫn đến giảm độ bền của vật liệu composite Từ đây có thể kết luận: Độ bền của vật liệu composite cao nhất khi hàm lượng mùn cưa 50%, hàm lượng trấu 40%
3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa dẻo DOP
Mẫu composite được gia công ở nhiệt độ
160oC, thời gian 20 phút, hàm lượng mùn cưa 50%,
kích thước hạt trung bình 0,5 mm với hàm lượng
DOP khác nhau Kết quả thể hiện ở hình 5
Từ hình 5 ta thấy, khi hàm lượng DOP tăng thì
độ bền cơ lý của vật liệu comnposite tăng nhưng nếu
hàm lượng DOP tăng vượt quá 10% thì độ bền bắt đầu
giảm xuống Điều này được giải thích: PVC là loại nhựa
có nhiệt độ chảy mềm cao hơn một ít so với nhiệt độ
phân hủy, ngay cả ở nhiệt độ 140oC đã bắt đầu phân hủy
nên khi trộn với chất hóa dẻo DOP sẽ làm giảm nhiệt độ
nóng chảy (Tm) của PVC, làm giảm nhẹ điều kiện gia
công, giúp quá trình trộn hợp mùn cưa và PVC tốt hơn nhưng DOP cũng là một chất làm giảm tính chất cơ lý của vật liệu Khi hàm lượng DOP quá thấp thì trong quá trình gia công nhựa PVC
dễ bị phân hủy nhiệt và quá trình trộn hợp không tốt nên làm giảm độ bền cơ lý Ngược lại khi sử dụng với hàm lượng lớn cũng làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu Từ đây có thể kết luận: Độ bền của vật liệu composite cao nhất khi hàm lượng chất hóa dẻo DOP 10%
3 4 5 6 7 8 9 10 11
Hàm lượng độn (%)
Composite trấu Composite mùn cưa 3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Hàm lượng độn (%)
Composite trấu Composite mùn cưa
Hình 5 Ảnh hưởng của hàm lượng
chất hóa dẻo DOP đến độ bền kéo,
uốn của composite mùn cưa
0 2 4 6 8 10 12
Hàm lượng DOP (%)
Độ bền kéo
Độ bền uốn
Trang 53.5 Độ bền môi trường
Sau khi khảo sát điều kiện gia công mẫu composite, kích thước hạt độn, hàm lượng mùn cưa, trấu, DOP, ta chọn mẫu tối ưu để thử khả năng chịu môi trường nước biển và nước cất Kết quả khảo sát sự thay đổi khối lượng của mẫu composite mùn cưa, trấu trên nền nhựa PVC so với mẫu composite mùn cưa truyền thống trên nền nhựa phenol-formaldehyde (phổ biến trên thị trường) thể hiện ở hình 6
(a) (b) Hình 6 Ảnh hưởng của thời gian đến độ thay đổi khối lượng
khi mẫu composite ngâm trong nước biển (a), nước cất (b)
Từ hình 6 ta thấy độ thay đổi khối lượng của các mẫu composite tăng dần theo thời gian ngâm, trong môi trường nước biển độ thay đổi khối lượng lớn hơn trong môi trường nước cất và mẫu composite mùn cưa khả năng chịu môi trường kém hơn mẫu composite trấu So với composite truyền thống thì khả năng chịu môi trường của composite PVC với độn mùn cưa hoặc trấu tốt hơn nhiều
4 Kết luận
Từ trên ta có thể gia công mẫu composite tối ưu trong các điều kiện: Nhiệt độ gia công 1600C, thời gian gia công 20 phút, hàm lượng DOP 10%, kích thước hạt trung bình 0,5 mm, hàm lượng mùn cưa 50% (đối với composite mùn cưa), hàm lượng trấu 40%(đối với composite trấu)
Độ bền cơ lý của composite mùn cưa tốt hơn composite trấu nhưng khả năng chịu môi trường lại kém hơn Trấu giá thành thấp hơn mùn cưa và nguồn cung cấp cũng dồi dào hơn, do vậy việc sử dụng composite trấu sẽ được ưu tiên hơn
So với sản phẩm composite truyền thống thì sản phẩm composite PVC với độn mùn cưa hoặc trấu tốt hơn nhiều, tuổi thọ cũng cao hơn và thân thiện với môi trường hơn nên có thể trong tương lai khả năng sử dụng sản phẩm này nhiều hơn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Clemons CM Wood-Plastic Composites in the United States The interfacing of two industries Forest Products Journal vol 52, No 6, June 2002
[2] Wolcott MP, Englund K A technology Review of Wood-Plastic Composites
[3] ASM Handbook, composites, vol 21 2001
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian (ngày)
Composite trấu Composite mùn cưa Composite truyền thống
0
10
20
30
40
50
60
Thời gian (ngày)
Composite trấu Composite mùn cưa Composite truyền thống
