Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng của trộn máy trộn hạt gỗ nhựa Leistritz

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 12 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng trên 20 lần, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 4,5 tỷ USD năm 2012. 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. Khi chế biến gỗ có tạo ra một lượng phế liệu gỗ lớn như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn… Để tận dụng triệt để nguồn phế liệu này chúng ta có thể nghiền tạo thành dạng bột kết hợp với chất kết dính để tạo ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt; vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa có thể đáp ứng và giải quyết được vấn đề này

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 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 12 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng trên 20 lần, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 4,5 tỷ USD năm 2012. 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. Khi chế biến gỗ có tạo ra một lượng phế liệu gỗ lớn như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn… Để tận dụng triệt để nguồn phế liệu này chúng ta có thể nghiền tạo thành dạng bột kết hợp với chất kết dính để tạo ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt; vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa có thể đáp ứng và giải quyết được vấn đề này. Vật liệu phức hợp gỗ nhựa (Wood –Plastic Composites, viết tắt WPC) là một loại vật liệu mới là sự kết hợp giữa sợi gỗ và vật liệu nhựa, sự kết hợp giữa vật liệu sợi gỗ và vật liệu 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 2 nhiệt độ thấp, không bị biến đổi hình dạng khi hút ẩm. 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 là rất lớn, tuy nhiên việc đáp ứng nhu cầu này chủ yếu dựa vào nhập khẩu. Còn tình hình sản xuất trong nước chưa phát triển, nguyên nhân của việc này xuất phát từ lý do đó là chưa có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ, hoặc việc nhập công nghệ và máy móc thiết bị về Việt Nam có chi phí rất lớn. Để sản xuất trong nước được phát triển thì việc nghiên cứu về công nghệ, máy móc thiết bị, nguyên vật liệu phù hợp với đặc điểm phát triển ở trong nước là rất cần thiết và quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm vật liệu composite gỗ nhựa hoàn chỉnh phải trải qua hai công đoạn chính, đó là công đoạn trộn tạo hạt và công đoạn ép vật liệu thành phẩm trong đó công đoạn trộn tạo hạt là công đoạn rất quan trọng, có ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm do sản phẩm được sản xuất từ nhựa WPC chưa được phổ biến ở Việt Nam nên các công trình nghiên cứu về máy trộn hạt nhựa gỗ chưa được quan tâm. Xuất phát từ những vấn đề trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng của trộn máy trộn hạt gỗ nhựa Leistritz”. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát chung về vật liệu gỗ nhựa 1.1.1. Giới thiệu chung Gỗ nhựa (WPC – Wood Plastic Composite) là một loại nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa. Ngoài nhựa và bột gỗ, WPC còn có thể chứa một số chất phụ gia làm đầy có gốc cellulose hoặc vô cơ. Do đó, WPC còn có thể được gọi là vật liệu composite nhựa sợi tự nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa. Hình 1.1: Nguyên liệu chính hình thành nên WPC 4 Trong những năm gần đây, WPC được nghiên cứu thành công tại Mỹ và đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thuỵ Điển, Nga, Trung Quốc. Sản phẩm gỗ nhựa WPC rất đa dạng và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực: xây dựng, nội ngoại thất, công trình dân dụng, giao thông. Trong công nghiệp chế tạo ôtô: Vật liệu composite được sử dụng nhằm làm giảm trọng lượng của xe, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ rung, ồn cho xe. Bên cạnh đó sử dụng vật liệu composite còn có tác dụng giảm bớt nguy hiểm cho người sử dụng xe khi gặp nguy hiểm. Hiện nay loại vật liệu này được ứng dụng làm một số bộ phận trong ôtô như: vỏ, trần, nội thất… Trong công nghiệp đóng tàu: So với các vật liệu như kim loại thì vật liệu polyme composite (PC) có những ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu đóng tàu như tỉ trọng thấp, có khả năng cách điện tốt, đặc biệt là bền trong môi trường hóa chất và nước biển…Hiện nay trong ngành đóng tàu vật liệu composite đang được sử dụng để sản xuất một số chi tiết như: thân tàu, cột buồm, thùng chứa, ca nô cứu sinh… Trong công nghiệp xây dựng: Vật liệu composite được ứng dụng để sản xuất các sản phẩm với nhiều chủng loại như: tấm lợp, thanh chịu lực, ống dẫn… Ngoài ra composite rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích. Nhờ ưu điểm này, gần đây vật liệu composite đã được sử dụng để thay thế kim loại trong các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng Người ta có thể phủ lên mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại. 5 Hình 1.2: Ứng dụng WPC để trang trí Hình 1.3: Ứng dụng WPC làm các chi tiết ôtô 6 Hình 1.4: Ứng dụng WPC hàng rào lang can Hình 1.5: Ứng dụng WPC làm ghế ngoài trời 7 Nhựa gỗ hiện vẫn là một loại vật liệu rất mới so với lịch sử phát triển lâu dài của gỗ tự nhiên trong ứng dụng làm vật liệu xây dựng, nhưng nó có thể thay thế gỗ trong hầu hết trường hợp không chịu lực (non-structural). Nhựa gỗ được hình thành từ gỗ, (như mùn cưa, sợi bột giấy, vỏ đậu phộng, tre nứa, trấu, ) và nhựa (có thể sử dụng nhựa HDPE, PVC, PP, ABS, PS, ). Bột nhựa gỗ được trộn đều, đồng nhất, sau đó được đùn hoặc ép thành các hình dạng theo yêu cầu. Các phụ gia như chất tạo màu, chất tạo nối, chất ổn định, chất gia cường, chất tạo nổi, sẽ giúp cho sản phẩm cuối cùng phù hợp cho nhiều hướng ứng dụng. Hình 1.6: Hỗn hợp nhựa WPC Một lợi thế lớn của gỗ - nhựa so với gỗ là khả năng có thể tạo hình thành hầu hết các hình dạng không gian theo yêu cầu. Nó dễ dàng uốn, và cố định để tạo thành các đường cong lớn. Do sự kết hợp trong quá trình sản xuất, nhựa gỗ vừa có tính chất như gỗ: Có thể gia công bằng các công cụ mộc truyền thống. Đồng thời, nhựa gỗ vừa có tính chất như nhựa: Khả năng chống ẩm và chống mục nát, mặc dù độ cứng chắc không bằng gỗ thường, và có thể hơi biến dạng trong môi trường thời tiết cực nóng. Sản xuất các vật liệu thành phần bao gồm bột gỗ và nhựa là bước đầu trong quá trình hình thành sản phẩm WPC. Trong bước tiếp theo, bột gỗ hoặc 8 sợi gỗ được kết hợp với nhiệt dẻo nóng chảy để tạo nên một hỗn hợp đồng nhất. Hai phương pháp phổ biến để sản xuất WPC là đùn và đúc áp lực. * Ưu – nhược điểm của composite gỗ - nhựa Ưu điểm: + Dễ bảo quản - có thể được sơn hoặc nhuộm màu (nếu cần thiết). + Khả năng chống ẩm tốt. + Bền hơn (nghĩa là không thể bẻ cong hoặc tách). + Thân thiện với môi trường - sử dụng vật liệu tái chế và bản thân chúng có thể tái chế được. + Có thể được gia công và lắp ghép giống như gỗ. + Không cần bảo trì thường xuyên. Nhược điểm: + Giá thành cao hơn các sản phẩm tương tự sản xuất từ các vật liệu khác + Nặng hơn gỗ hơn 2 lần (Tỷ trọng của WPC là 0,95-1,46 và gỗ là 0,35-0,5949). + WPC dễ phân hủy, mức độ phụ thuộc vào tỉ lệ gỗ (ví dụ như bị nấm móc khi không sử dụng chất bảo quản). + Bị lão hóa bởi tia cực tím khi ứng dụng ngoài trời. 1.1.2. Thành phần gỗ nhựa 1.1.2.1. Vật liệu cốt (gỗ) a) Thành phần hóa học Trong sợi thực vật gồm bốn thành phần chính sau xenlulo, hemixenlulo, lignin và các thành phần vô cơ khác. Trong đó xenlulo, hemixenlulo và lignin là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi. Thành phần hóa học của sợi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi cây, phương pháp tách sợi …[15]. 9 + Xenlulo [14] Được coi là polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không phân nhánh, được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là anhydro–D–gluco–pyranozơ, liên kết với nhau qua liên kết 1,4––glucozit. Xenlulo có mặt trong tất cả các loài thực vật nhưng mỗi loài có một hàm lượng khác nhau. Công thức phân tử của xenlulo là (C 6 H 10 O 5 ) n hay [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n ; và công thức cấu tạo như sau: Hình 1.7: Công thức cấu tạo xenlulo [18] Cơ chế phân hủy sinh học của xelulo: Một số nấm có thể tiết ra các enzym, xúc tác phản ứng oxy hóa xenlulo. Ví dụ peroxydaza có thể cung cấp hydroperoxyt để tấn công vào vị trí C 2 – C 3 của xenlulo, tạo ra andehyt xenlulozơ hoạt tính rất cao và có thể thủy phân thành các phân đoạn khối lượng phân tử nhỏ hơn. Các vi khuẩn cũng sản sinh ra các enzym nội bào và ngoại bào, một trong số đó sẽ tạo ra các phức làm thủy phân xenlulo, tạo ra các thức ăn cacbuahydrat cho các vi sinh vật. Hình 1.8: Cơ chế phân hủy xenlulo [9] 10 + Hemixenlulo [10] Cũng là một loại polysacarit tự nhiên, khi thủy phân chủ yếu tạo ra các đồng phân lập thể thuộc pentoza (D–xyloza, L–arabinoza) và một số đồng phân lập thể thuộc hexoza (D–glucoza, D–mannoza, D–galactoza) và các dẫn xuất của axit metoxyuronic. Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và có cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh nên hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị trích ly khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền. Hình 1.9: Công thức cấu tạo của một số monome của Hemixenlulo [14] [...]... trình nghiên cứu về vật liệu gỗ - nhựa - Phân tích lý thuyết trộn, cơ chế trộn vật liệu rời - Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trộn 29 - Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng của máy trộn và độ trộn đều của vật liệu - Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số hợp lý của máy trộn gỗ nhựa 2.5 Phương pháp nghiên cứu 2.5.1 Nghiên cứu lý thuyết - Chi phí năng lượng riêng. .. năng lượng riêng của trộn máy trộn hạt gỗ nhựa Leistritz là rất cần thiết 28 Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng của một số thông số của máy trộn đến độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng khi trộn nhiên liệu từ hỗn hợp nhựa gỗ, từ đó xác định trị số tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng để làm cơ sở cho... kỹ thuật và chất lượng gỗ nhựa của máy trộn gỗ nhựa và phản ánh mục tiêu nghiên cứu của đề tài Do đó, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và chất lượng gỗ nhựa đầu ra của máy trộn phải đạt yêu cầu của nhà sản xuất vì vậy thông số đầu ra của máy trộn gỗ nhựa là: Chi phí năng lượng riêng: Đây là thông số đặc trưng cho mục tiêu nghiên cứu, phản ánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu (ở dạng... định một số thông số làm việc của quá trình trộn gỗ nhựa, nên việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá - Chất lượng lượng sản phẩm sau khi trộn (độ trộn đều) - Chi phí năng lượng riêng khi trộn Các chỉ tiêu này rất quan trọng ảnh hưởng đến đầu ra cho sản phẩm trong quá trình sản xuất Trong giới hạn nghiên cứu và với mục đích ứng dụng phương pháp thống kê đã học vào thực tế, độ trộn đều và chi phí năng. .. loại gỗ và nhựa là chính còn có thêm chất trợ tương hợp và chất phụ gia bôi trơn để nghiên cứu Do hạn chế về quy mô đề tài và thời gian làm luận văn tốt nghiệp, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng của máy trộn hạt nhựa Leistritz (CHLB Đức) 2.4 Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên đề tài thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:... Đại lượng này chịu ảnh hưởng của thông số đầu vào là nhiệt độ, thời gian trộn và tốc độ trục vít Độ trộn đều (H) gỗ nhựa: Đây là thông số đặc trưng cho chất lượng sản phẩm ,trong quá trình nghiên cứu (ở dạng mã hóa ký hiệu Y2, ở dạng thực ký hiệu là H) Đại lượng này chịu ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào của thông số đầu vào là nhiệt độ, thời gian trộn và tốc độ trục vít Với các chỉ tiêu thông số đầu... dùng trộn liên tục hoặc gián đoạn Đã có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu gỗ nhựa trên thế giới cũng như ở Việt Nam, song các công trình này chủ yếu là nghiên cứu tỷ lệ tối ưu giữa bột gỗ và nhựa, thông số về công nghệ, các công trình nghiên cứu tối ưu về thiết bị trộn còn hạn chế, vì vậy việc thực hiện đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng của. .. lượng riêng và những yếu tố ảnh hưởng: Chi phí năng lượng riêng của máy rất quan trọng khi cần đánh giá máy thiết kế máy và chọn chế độ làm việc tối ưu cho máy Mức tiêu thụ năng lượng riêng Ar (Wh/kg): Ar  Nt Ns (Wh/kg) (2.1) Trong đó: Nt - Công suất tiêu thụ của máy, [W]; Ns - Năng suất máy, [kg/h]; - Độ trộn đều: Theo định nghĩa chung độ trộn đều là một đặc trưng cho chất lượng của quá trình trộn hỗn... chất lượng gỗ nhựa và chỉ tiêu kinh tế là rất quang trọng Do vậy bài toán thực nghiệm được thực hiện với chỉ tiêu đầu ra là chi phí năng lượng riêng và chỉ tiêu chất lượng gỗ nhựa (độ trộn đều H) được xem như hàm ràng buộc b) Xác định các thông số vào Những thông số vào có thể ảnh hưởng đến thông số ra Ar và H được đặc trưng cho quá trình trộn là: 32 - Các yếu tố như; Kích thước độ xốp, khối lượng, ... năng lượng riêng là hai yếu tố được chọn như yếu tố đầu ra của bài toán thực nghiệm Các yếu tố trên ảnh hưởng bởi các yếu tố: - Nhiệt độ trộn 31 - Thời gian trộn - Tốc độ trục vít trộn Các bước tiến hành thực nghiệm: - Thí nghiệm thăm dò - Thực nghiệm xác định các thông số làm việc khi máy trộn trộn sản phẩm 2.5.2.1 Xác định các thông số nghiên cứu a) Xác định các thông số đầu ra Các thông số nghiên cứu . một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị trích ly khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng. độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu cơ, trương trong hydrocacbon thơm và clo hóa, khi nhiệt độ lớn hơn 80 0 C thì PP bắt đầu tan trong hai loại dung môi trên.  Tính chất cơ học. dải băng có đường vít trái và vít phải. Dải băng được cố định trên trục. Trong trường hợp khi dung máy trộn băng xoắn để trộn sản phẩm rời rắn và đồng thời làm ẩm vật liệu thì trục máy trộn