Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 351 NGHIÊN 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. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 352 2. 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/cm 2 . 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 160 o 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 160 o C 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 10 150 155 160 165 170 175 Nhiệt độ (C) Độ bền (MPa) Độ bền kéo Độ bền uốn Hình 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ bền kéo, uốn của composite mùn cưa. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 353 Hình 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 160 o C. 3.1.2. Thời gian gia công Khảo sát gia công mẫu composite ở nhiệt độ 160 o C 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 160 o C 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 160 o 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 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Thời gian (phút) Độ bền (MPa) Độ b ề n kéo Độ b ề n u ố n 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 0 0.5 1 1.5 2 Kích thước hạt mùn cưa trung bình (mm) Độ bền (MPa) Độ bền kéo Độ bền uốn Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 354 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa, trấu Các mẫu composite được gia công ở nhiệt độ 160 o C, 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 160 o C, 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 140 o C đã bắt đầu phân hủy nên khi trộn với chất hóa dẻo DOP sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy (T m ) 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 30 35 40 45 50 55 60 65 Hàm lượng độn (%) Độ bền uốn (MPa) Composite trấu Composite mùn cưa 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 30 40 50 60 70 Hàm lượng độn (%) Độ bền kéo (MPa) 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 0 10 20 30 40 Hàm lượng DOP (%) Độ bền (MPa) Độ bền kéo Độ bền uốn Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 355 3.5. 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 160 0 C, 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 0 2 4 6 8 Thời gian (ngày) Độ thay đổi khối lượng (% KL) Composite trấu Composite mùn cưa Composite truyền thống 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thời gian (ngày) Độ thay đổi khối lượng (% KL) Composite trấu Composite mùn cưa Composite truyền thống . Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 351 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN NHỰA POLYVINYL CLORUA VỚI ĐỘN MÙN CƯA, TRẤU INVESTIGATING COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYVINYL. 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 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.