NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÃ MÍA CHẾ TẠO VẬT LIỆU BIOCOMPOSITE

Nội dung đề tài được chia ra thành ba phần: i khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của bã mía đến quá trình sản xuất vật liệu composite; ii khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của máy trộn đến quá tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

- -

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÃ MÍA CHẾ TẠO VẬT LIỆU BIOCOMPOSITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng bã mía vào chế tạo vật liệu biocomposite

- Sinh viên thực hiện: Võ Vĩnh Trà

- Lớp: Kỹ Thuật Hóa Học Khoa: Công Nghệ Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4.5

- Người hướng dẫn: Ts Phương Thanh Vũ

2 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu biocomposite từ bã mía Tìm ra thông số tối ưu để chế tạo ra tấm composite bã mía

3 Tính mới và sáng tạo:

- Điểm mới: sử dụng nguyên liệu là bã mía thải

- Sáng tạo: dùng bã mía kết hợp với nhựa polypropylene chế tạo vật liệu biocomposite

4 Kết quả nghiên cứu:

- Thiết lập được quy trình sản xuất tấm biocomposite bã mía

- Tìm ra được các thông số tối ưu cho quy trình

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng

áp dụng của đề tài:

- Tìm ra một loại vật liệu nhẹ, bền có thể ứng dụng vào xây dựng, nội thất,

- Xử lý được nguồn phế phẩm bã mía thải ra môi trường

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)

hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm 2014

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

(ký, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài

(phần này do người hướng dẫn ghi):

Xác nhận của Trường Đại học Cần Thơ

(ký tên và đóng dấu)

Ngày tháng năm

Người hướng dẫn

(ký, họ và tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH

Địa chỉ liên hệ: KTX khu B, ĐHCT

Điện thoại: 01699 892 388 Email: tra112208@student.ctu.edu.vn

II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP

* Năm thứ 1:

Ngành học: Kỹ Thuật Hóa Học Khoa: Công Nghệ

Kết quả xếp loại học tập: Giỏi

Sơ lược thành tích:

* Năm thứ 2:

Ngành học: Kỹ Thuật Hóa Học Khoa: Công Nghệ

Kết quả xếp loại học tập: Giỏi

Sơ lược thành tích:

* Năm thứ 3:

Ngành học: Kỹ Thuật Hóa Học Khoa: Công Nghệ

Kết quả xếp loại học tập: Giỏi

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu, chúng tôi đã gặp phải không ít khó khăn Tuy nhiên, với sự hướng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình, bạn bè cùng với sự nỗ lực của bản thân, chúng tôi đã hoàn thành nghiên cứu của mình

Chúng tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS Phương Thanh Vũ và TS Hồ Quốc Phong, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ, đã gợi ý hướng nghiên cứu và cho chúng tôi cơ hội cùng tham gia nghiên cứu khoa học, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi

để chúng tôi có thể hoàn thành tốt nghiên cứu

Xin cám ơn TS Huỳnh Liên Hương – Trưởng PTN Công nghệ Hóa học và ThS Lê Đức Duy – Trưởng PTN Công nghệ Vật liệu, Bộ môn Công nghệ hóa học, đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ thiết bị

Để hoàn thành luận văn này, chúng tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả các bạn trong nhóm nghiên cứu khoa học tại PTN Công nghệ Hóa học, Bộ môn Công nghệ hóa học, và các bạn làm việc tại PTN Công nghệ Vật liệu, đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài Đặc biệt là sự giúp đỡ nhiệt tình của anh Võ Trường Giang, Giảng viên Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ trong quá trình tìm và tải các tạp chí khoa học uy tín của quốc tế

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp đỡ, động viên, khuyến khích trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn được tốt hơn

SV Võ Vĩnh Trà - Nguyễn Thanh Lăm

TÓM TẮT

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vật liệu, nhiều sản phẩm composite đã ra đời và được sử dụng rộng rải Vật liệu composite với vật liệu cốt có nguồn gốc thiên nhiên đang được nghiên cứu phổ biến nhằm nâng cao cơ tính đồng thời giảm giá thành cho sản phẩm Nghiên cứu này nhằm khảo sát khả năng ứng dụng bã mía cho quá trình sản xuất composite Sau khi xử lí sơ bộ bã mía có kích thước (0.25 – 1.18 mm), được trộn với tỉ lệ (10 – 75%, v/v) Kết quả cho thấy rằng 50% bã mía là tỉ lệ tối ưu để tạo composite Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng của quá trình trộn như nhiệt độ (165 – 175 C), thời gian (10 – 20 phút) và tốc độ (50 – 70 vòng/phút) được tiến hành khảo sát và cho kết quả cho cơ tính tối ưu nhiệt độ trộn là 170 C, thời gian là 20 phút và tốc độ là 70 vòng/phút Kết quả cũng tương tự khi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của quá trình ép nóng đến cơ tính vật liệu composite Trong đó cơ tính của vật liệu cao nhất khi nhiệt độ

ép là 180 C, thời gian là 15 phút và áp suất là 100 kg/cm2 Bên cạnh đó các mẫu composite được tạo thành cũng được chụp SEM và phân tích TGA để quan sát cấu trúc và quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Thông tin về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài 1

1.1.1 Tình hình trong nước 1

1.1.2 Tình hình ngoài nước 1

1.2 Lý do chọn đề tài 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 5

2.1 Vật liệu composite 5

2.1.1 Lịch sử phát triển 6

2.1.2 Xu hướng phát triển 6

2.1.3 Phân loại 7

2.2 Thành phần vật liệu composite 7

2.2.1 Nhựa nền 7

2.2.1.1 Polymer nền nhựa nhiệt dẻo 8

2.2.1.2 Polymer nền nhựa nhiệt rắn 8

2.2.2 Thành phần cốt (chất gia cường) 8

2.2.2.1 Cốt dạng sợi 9

2.2.2.2 Cốt dạng hạt 9

2.2.3 Phụ gia và chất độn 10

2.2.3.1 Phụ gia 10

2.2.3.2 Chất độn 11

2.3 Tính chất của vật liệu composite 11

2.4 Ứng dụng của vật liệu composite 12

2.5 Nhựa poly(propylene) (PP) 13

2.5.1 Tính chất nổi bật của PP 14

2.5.2 Ứng dụng 15

2.6 Bã mía 15

2.6.1 Thành phần, cấu trúc của bã mía 17

2.6.2 Cellulose 17

2.6.3 Hemicellulose 18

2.6.4 Lignin 18

2.7 Chất tương hợp 19

2.8 Phương pháp gia công composite với nhựa nhiệt dẻo 20

2.8.1 Phương pháp dung dịch 20

2.8.2 Phương pháp nóng chảy 20

2.9 Máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive HAAKE 22

2.10 Máy ép nóng Panstone 25

2.10.1 Nguyên lý, cấu tạo 25

2.10.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép sản phẩm 27

2.10.2.1 Nhiệt độ ép 27

2.10.2.2 Áp suất ép 28

2.10.2.3 Thời gian lưu sản phẩm trong khuôn 29

2.11 Phương pháp và thiết bị dùng để kiểm tra, phân tích sản phẩm 29

2.11.1 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 29

2.11.2 Thiết bị đo độ bền kéo, uốn 31

2.11.3 Thiết bi đo độ bền va đập 32

2.11.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 32

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

3.1 Phương tiện nghiên cứu 35

3.1.1 Hóa chất 35

3.1.2 Dụng cụ, thiết bị 35

3.2 Phương pháp nghiên cứu, phân tích 36

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu thô và xử lí sơ bộ 36

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng bã mía đến cơ tính vật liệu 36

3.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ bã mía 36

3.2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng kích thước bã mía 37

3.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng xử lí bã mía 37

3.2.3 Khảo sát điều kiện trộn 37

3.2.3.1 Khảo sát nhiệt độ trộn 37

3.2.3.2 Khảo sát thời gian trộn 38

3.2.3.3 Khảo sát tốc độ trộn 38

3.2.4 Khảo sát điều kiện ép tấm 38

3.2.4.1 Khảo sát nhiệt độ ép 38

3.2.4.2 Khảo sát thời gian ép 38

3.2.4.3 Khảo sát áp suất ép 38

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng chất tương hợp 39

3.2.6 Các phương pháp đo cơ lý và kiểm tra tính chất của sản phẩm 39

3.2.6.1 Độ bền kéo 39

3.2.6.2 Độ bền uốn 40

3.2.6.3 Cơ tính va đập 40

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 42

4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ đến quá trình trộn 42

4.2 Ảnh hưởng của kích thước bã mía đến cơ tính vật liệu 46

4.3 Ảnh hưởng của xử lí bã mía đến cơ tính vật liệu 47

4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn đến cơ tính vật liệu 50

4.5 Ảnh hưởng của thời gian trộn đến cơ tính vật liệu 52

4.6 Ảnh hưởng của tốc độ trộn đến cơ tính vật liệu 53

4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến cơ tính vật liệu 54

4.8 Ảnh hưởng của thời gian ép đến cơ tính vật liệu 55

4.9 Ảnh hưởng của áp suất ép đến cơ tính vật liệu 56

4.10 Ảnh hưởng của chất tương hợp đến cơ tính vật liệu 57

4.11 So sánh kết quả kiểm tra, phân tích với một số kết quả khác 58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 61

5.1 Kết luận 61

5.2 Hạn chế 61

5.3 Kiến nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 1 KẾT QUẢ QUA RÂY CỦA BÃ MÍA 65

PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO HÀM LƯỢNG MÍA 66

PHỤ LỤC 3 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO KÍCH THƯỚC BÃ MÍA 74

PHỤ LỤC 4 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO BÃ MÍA XỬ LÍ 77

PHỤ LỤC 5 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO NHIỆT ĐỘ TRỘN 79

PHỤ LỤC 6 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO THỜI GIAN TRỘN 83

PHỤ LỤC 7 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO TỐC ĐỘ TRỘN 87

PHỤ LỤC 8 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO NHIỆT ĐỘ ÉP 91

PHỤ LỤC 9 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO THỜI GIAN ÉP 94

PHỤ LỤC 10 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO ÁP SUẤT ÉP 97 PHỤ LỤC 11 KẾT QUẢ ĐO CƠ TÍNH THEO HÀM LƯỢNG CHẤT TƯƠNG HỢP100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của bã mía 17

Bảng 2-2 Ưu nhược điểm của phương pháp dung dịch và phương pháp nóng chảy 21

Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật của máy trộn 23

Bảng 2-4 Một số thông số quan trọng cho máy ép nóng 26

Bảng 4-1 Ảnh hưởng kích thước đến cơ tính vật liệu 46

Bảng 4-2 Ảnh hưởng của việc xử lí bã mía đến cơ tính vật liệu 49

Bảng 4-3 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn đến cơ tính vật liệu 50

Bảng 4-4 Ảnh hưởng thời gian trộn đến cơ tính vật liệu 53

Bảng 4-5 Ảnh hưởng tốc độ trộn đến cơ tính vật liệu 54

Bảng 4-6 Ảnh hưởng nhiệt độ ép đến cơ tính vật liệu 55

Bảng 4-7 Ảnh hưởng thời gian ép đến cơ tính vật liệu 56

Bảng 4-8 Ảnh hưởng áp suất ép đến cơ tính vật liệu 57

Bảng 4-9 Ảnh hưởng của chất tương hợp đến cơ tính vật liệu 58

Bảng 4-10 So sánh kết quả cơ tính với một số nghiên cứu khác 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2-1 Hạt nhựa polypropylene 14

Hình 2-2 Cây mía 16

Hình 2-3 Bã mía 16

Hình 2-4 Cấu trúc phân tử cellulose 17

Hình 2-5 Cấu trúc mạch hemicellulose 18

Hình 2-6 Cấu trúc của lignin 18

Hình 2-7 Phản ứng tạo anhydride maleic từ maleic acid 19

Hình 2-8 Cơ chế phản ứng của MAPP với PP và bã mía 20

Hình 2-9 Cấu tạo máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive Haake 23

Hình 2-10 Các loại trục sử dụng trong quá trình trộn 24

Hình 2-11 Máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive Haake và các thiết bị đi kèm 25

Hình 2-12 Máy ép nóng Panstone 26

Hình 2-13 Máy phân tích nhiệt trọng lượng 29

Hình 2-14 Cấu tạo trong của buồng gia nhiệt 30

Hình 2-15 Máy đo kéo, uốn 31

Hình 2-16 Dụng cụ đo uốn 31

Hình 2-17 Dụng cụ đo kéo 31

Hình 2-18 Máy đo va đập 32

Hình 2-19 Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét 33

Hình 3-1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu composite từ bã mía và PP 36

Hình 3-2 Mẫu đo độ bền kéo 39

Hình 3-3 Mẫu đo độ bền uốn 40

Hình 3-4 Mẫu đo va đập 40

Hình 4-1 Giản đồ lưu biến ngẫu lực trộn của nhựa PP 42

Hình 4-2 Giản đồ lưu biến ngẫu lực trộn với hàm lượng khác nhau: 43

Hình 4-3 Quá trình trộn 44

Hình 4-4 Quá trình ép nóng 44

Hình 4-5 Mẫu composite với các tỉ lệ khác nhau 44

Hình 4-6 Biểu đồ thể hiện kết quả đo cơ tính theo tỉ lệ bã mía/PP 45

Hình 4-7 Bã mía với các kích thước khác nhau: (a) 0.5 - 1.18 mm, (b) <0.5 mm,

(c) hỗn hợp 46

Hình 4-8 Đồ thị biểu hiện cơ tính theo kích thước hạt 46

Hình 4-9 Bã mía trước khi xử lí 48

Hình 4-10 Bã mía sau xử lí 48

Hình 4-11 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của xử lí hóa chất đến cơ tính vật liệu 48

Hình 4-12 Mẫu composite không xử lí với tỉ lệ bã mía là 50% 49

Hình 4-13 Mẫu composite xử lí với tỉ lệ bã mía 50% 49

Hình 4-14 Giản đồ TGA của bã mía 50

Hình 4-15 Đồ thị thể hiện kết quả đo cơ tính theo nhiệt độ trộn 51

Hình 4-16 Kết quả phân tích TGA của mẫu composite với hàm lượng bã mía 50% 52

Hình 4-17 Đồ thị thể hiện kết quả đo cơ tính theo thời gian trộn 53

Hình 4-18 Đồ thị thể hiện kết quả đo cơ tính theo tốc độ trộn 54

Hình 4-19 Biểu đồ kết quả đo cơ tính theo nhiệt độ ép 55

Hình 4-20 Đồ thị thể hiện cơ tính theo thời gian ép 56

Hình 4-21 Đồ thị thể hiện kết quả cơ tính theo áp suất trộn 57Hình 4-22 Đồ thị thể hiện kết quả đo cơ tính theo ảnh hưởng của chất tương hợp 58

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

v/v volume/volume

PC polymer composite

rpm revolutions per minute

SEM Scaning electron microscope

TGA Thermogravimetric analysis

PP polypropylene

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

MAPP (Polypropylene-graft-maleic anhydride)

Hằng năm bã mía được thải ra một lượng rất lớn, tính riêng ĐBSCL lượng bã mía có khoảng hơn 1 triệu tấn/năm, nhưng nhu cầu sử dụng lại bã mía của người dân rất thấp Lượng bã mía thải ra được sử lý chủ yếu bằng phương pháp thiêu hủy gây tốn nhiên liệu

và ô nhiễm môi trường Từ thực trạng trên đã có nhiều công trình nghiên cứu để giải quyết vấn đề, điển hình như công trình sản xuất nhiệt điện Ngoài ra còn sử dụng để sản xuất biodiesel, sản xuất viên nén bã mía dùng trong chăn nuôi, dùng trồng nấm mèo, nấm linh chi Tuy nhiên lượng bã mía vẫn còn khá nhiều vì thế việc nghiên cứu tìm ra phương pháp thích hợp xử lí là rất cần thiết

1.1.2 Tình hình ngoài nước

Từ thế kỷ 20, các nước trồng nhiều mía đường trên thế giới đã suy nghĩ và tìm ra những ứng dụng cho bã mía thải Trong đó điển hình nhất là sản xuất bioetanol được sử

dụng như một loại nhiên liệu sinh học Năm 2008, ở Mỹ đã mọc lên rất nhiều dự án sản xuất etanol từ bã mía điển hình như ở tại Louisiana và Florida Họ dùng bioetanol để pha vào xăng nhằm giảm chỉ số octan và hạ giá thành Ứng dụng kế tiếp được đề cặp đến đó

là sử dụng làm phân bón và chế phẩm hóa học Bã mía có thành phần hữu cơ tốt cho đất nên được ủ để sử dụng làm phân bón Bã mía có thể tổng hợp ra furfural, một chất lỏng không màu được sử dụng trong quá trình tổng hợp các sản phẩm hóa học và dùng làm dung môi Ngoài những ứng dụng của bã mía kể trên, bã mía còn được sử dụng để sản xuất giấy Giấy được sản xuất từ bã mía được sản xuất ở một số nước Mỹ Latin, Trung Đông, và ở các nước sản xuất đường mà thiếu tài nguyên rừng Bã mía dùng làm vật liệu xây dựng Bã mía là thành phần thiết yếu cho việc sản xuất các bảng ép xây dựng, ngói,

và các vật liệu xây dựng khác; và có thể được làm thành một số chất dẻo phân hủy sinh học

1.2 Lý do chọn đề tài

Như đã biết trong quá trình ép mía cho quá trình sản xuất đường thì đồng thời cũng tạo ra các sợi xác mía có kích khoảng 0.2 - 1 mm với chiều dài khoảng 5 - 50 mm Đây là nguồn sợi có thể sử dụng trực tiếp cho quá trình tạo vật liệu polymer composite mà không cần phải qua khâu tách sợi như vật liệu xơ dừa, tre, lanh, đai Vì vậy, em đã có ý tưởng kết hợp sợi tự nhiên (sợi bã mía) chế tạo vật liệu composite để giải quyết lượng xác mía thải ra trong quá trình chế biến đường nhằm giảm thiểm ô nhiễm môi trường do chúng gây nên đồng thời tạo ra vật liệu polymer composite bền có thể phục vụ đời sống của người dân

Ngoài ra, sợi mía có cơ tính khá cao, có giá thành rẻ, khối lượng riệng nhẹ Từ những ưu điểm đó cho thấy sợi mía có khả năng cho ra một nhẹ có khả năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Hơn nữa, sợi mía và nhự polypropilene rất phổ biến trong cuộc sống rất để tìm mua, cũng như có nhiều ứng dụng trong cuộc sống Nắm bắt được những tiềm năng, lợi thế của sợi mía và gớp phần giải quyết vấn đề môi trường,

chính vì vậy mà em đã chọn đề tài này: “Nghiên cứu ứng dụng bã mía vào chế tạo vật liệu biocomposite”

1.3 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài này là khảo sát khả năng ứng dụng bã mía trong sản xuất vật liệu composite Qua đó, đề ra quy trình sản xuất composite quy mô công nghiệp Hơn thế nữa, thông qua đề tài này, bã mía được chứng minh là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, thích hợp và cạnh tranh với nguyên liệu sản xuất composite truyền thống, nâng cao giá trị của cây mía, đồng thời giải quyết một phần ô nhiễm môi trường

Nội dung đề tài được chia ra thành ba phần: (i) khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của bã mía đến quá trình sản xuất vật liệu composite; (ii) khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của máy trộn đến quá trình sản xuất vật liệu composite; (iii) khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của máy ép nóng đến quá trình sản xuất vật liệu composite

Cụ thể, trong quá trình khảo sát ảnh hưởng của bã mía đến quá trình sản xuất vật liệu composite các yếu tố quan trọng được khảo sát như:

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu trong đề tài nghiên cứu khoa học này là phương pháp luân phiên từng biến để tìm ra thông số tối ưu nhất, sau đó tiến hành tạo sản phẩm

với thông số tối ưu đó Các biến số trong nghiên cứu này là tỉ lệ bã mía, kích thước sợi mía, nhiệt độ trộn, thời gian trộn, tốc độ trộn, nhiệt độ ép, thời gian ép, áp suất ép nóng Trong từng biến số sẽ chọn ra những thông số để khảo sát Ví dụ: nhiệt độ trộn chọn

165 oC, 170 oC, 175 oC; lý do chọn 3 số liệu này vì nhiệt độ nóng chảy của nhựa polypropylene khoảng 170 oC Những yếu tố khác cũng được chọn dựa trên các tài liệu liên quan hoặc các bài báo khoa học thuộc các nghiên cứu có liên quan Trước hết ta giả

sử thông số tối ưu của các biến khác, để tìm ra thông số tối ưu của biến thứ nhất Sau đó

ta cố định biến số đầu tiên, để tìm ra các thông số tối ưu thứ hai Và cứ tiếp tục như thế cho đến thông số cuối cùng

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu khoa học này, tôi tiến hành thực hiện chế tạo vật liệu biocomposite từ bã mía Bằng cách kết hợp bã mía với nhựa polypropilene thông qua quá trình trộn bằng máy trộn Polydrive HAAKE, sau đó đem ép nóng bằng máy ép nóng PANSTONE tạo ra tấm composite phẳng Kế tiếp, tiến hành cưa mẫu đúng tiêu chuẩn ASTM rồi đo cơ tính, bao gồm đo kéo, nén băng máy Zwick/Roell BDO – FB050TN và

đo va đập bằng máy đo va đập vạn năng loại quả lắc Zwick/Roell BPI – 50COMC được sản xuất tại Đức Trong đề tài này nhóm chúng tôi chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và đưa

ra quy trình chế tạo, không đưa ra một sản phẩm cụ thể trong đời sống Phần chính của nghiên cứu sẽ thực hiện các công đoạn sau:

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của bã mía đến quá trình sản xuất vật liệu composite

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của máy trộn đến quá trình sản xuất vật liệu composite

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của máy ép nóng đến quá trình sản xuất vật liệu composite

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Vật liệu composite

Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu có bản chất khác nhau nhưng phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các thành phần với nhau Vật liệu tạo thành phải có tính năng vượt trội hơn các thành phần hợp thành Có thể nói một cách tổng quát, vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong

một pha liên tục (Nguyễn Minh Trí, ctv., 2009)

Pha liên tục là vật liệu nền hay vật liệu kết dính có nhiệm vụ liên kết các vật liệu gia cường với nhau và là môi trường truyền lực cơ học vào vật liệu gia cường Vật liệu nền đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo hình chi tiết composite và bảo vệ vật liệu gia cường tránh các hư hỏng do tác động cơ học, hóa học hay bởi môi trường xung quanh Bên cạnh

đó, vật liệu nền còn đóng góp thêm một vài tính chất cần thiết như tính cách điện, sự dẻo dai, v.v …

Pha gián đoạn là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường thường có tính chất cơ lý vượt trội hơn vật liệu nền Do vậy, vật liệu gia cường có vai trò làm tăng độ cứng, độ bền, tăng khả năng chịu va đập và chịu mỏi cho vật liệu composite Vật liệu gia cường còn giúp cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt và khả năng chống mài mòn Ngoài ra, cũng có những loại vật liệu cốt lại có tác dụng giúp cho quá trình gia công dễ dàng hơn, làm cho composite nhẹ hơn và để hạ giá thành sản phẩm composite, v.v …

Ngoài ra, còn có một pha trung gian nằm giữa vật liệu nền và vật liệu cốt có kích thước cỡ kích thước nguyên tử thường gọi là liên diện Tương tác giữa hai thành phần này

tốt thì tính chất vật liệu composite được nâng cao (Nguyễn Minh Trí, ctv., 2009)

Ưu điểm nổi bật nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố vào các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có cơ tính ứng được yêu cầu Do đó

composite có khả năng đáp ứng được những yêu cầu rất khắt khe của nền công nghiệp hiện đại như cơ tính cao, nhẹ, có khả năng chịu được nhiệt độ cao Vì vậy, vật liệu composite ngày càng giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới (Võ Tấn Phát, 2013)

2.1.1 Lịch sử phát triển

Cách đây hàng nghìn năm, vật liệu composite đã xuất hiện và được con người sử dụng trong đời sống Khoảng 5000 năm trước Công nguyên, người cổ đại đã biết nghiền nhỏ đá và các vật liệu hữu cơ khác trộn vào đất sét để giảm độ co ngót khi nung gạch Ở

Ai Cập, khoảng 3000 năm trước Công nguyên, người ta đã làm thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum Nếu bỏ qua một số khái niệm kỹ thuật thì có thể coi đó là kỹ thuật làm tàu từ vật liệu composite hiện nay Ở Việt Nam, nhà làm từ hỗn hợp bùn trộn rơm, rạ và làm thuyền đan trát sơn ta là những ví dụ về vật liệu composite (Nguyễn Hoa Thịnh, 2012) Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng vật liệu composite mới thực sự được chú

ý vào khoảng thế kỉ XX trở lại đây Vào những năm 1930, Slayter và Thomas được cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh, sau đó được Ellis và Foster dùng gia cường cho polyester Polyester tăng cường bằng sợi thuỷ tinh được ứng dụng trong ngành hàng không năm 1938 Năm 1944 đã có hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composite cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế giới lần thứ II được sản xuất Năm 1950, chất lượng của vật liệu composite được cải thiện đáng kể nhờ sự ra đời của nhựa polyepoxide

và hàng loạt sợi tăng cường khác như sợi carbon, sợi polyester, nylon, aramid (Kevlar), sợi silic… Từ năm 1970 cho đến nay, các chi tiết chế tạo từ vật liệu composite nền chất dẻo và sợi tăng cường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ, v.v …

2.1.2 Xu hướng phát triển

Với tính năng vượt trội của composite, xu hướng phát triển của vật liệu composite là dần dần thay thế vật liệu truyền thống (thép) Bên cạnh đó, các chất nền polymer cũng

như chất tăng cường cũng được đa dạng hóa, chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền và phối hợp giữa các vật liệu polymer với kim loại và gốm

2.1.3 Phân loại

Có 2 cách phân loại vật liệu composite chính: theo hình dạng của vật liệu cốt và theo

bản chất của các vật liệu thành phần (Nguyễn Minh Trí, ctv., 2009) Phân loại theo bản

chất vật liệu thành phần thì có các loại (i) composite nền hữu cơ (nhựa), (ii) composite nền kim loại, (iii) composite nền gốm, và (iv) composite nền carbon Ngoài ra, phân loại theo hình dạng vật liệu cốt thì có composite cốt sợi và composite cốt hạt Việc lựa chọn vật liệu cốt dạng sợi hay dạng hạt phụ thuộc vào tính chất cơ - lý mà ta mong muốn bởi gia cường bằng dạng hạt thì tính chất cơ - lý thấp hơn so với dạng sợi

2.2 Thành phần vật liệu composite

2.2.1 Nhựa nền

Nhựa nền là một trong những thành phần chính của vật liệu PC, là pha liên tục, đóng vai trò chất kết dính, liên kết các vật liệu gia cường, chuyển ứng suất lên chúng Ngoài ra, nền còn có tác dụng bảo vệ chất gia cường dưới tác dụng của môi trường

Các tính chất của nền polymer có ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học và hoá học của sản phẩm Bản chất của vật liệu nền sẽ quyết định phương pháp gia công, chế tạo và ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm Do đó, nền polymer phải đáp ứng các yêu cầu sau: (i) khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt chất gia cường để tạo ra sự tiếp xúc tối đa, (ii) khả năng làm tăng độ nhớt hoặc hoá rắn trong quá trình kết dính, (iii) khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ, (iv) chứa các nhóm hoạt động hay phân cực, (v) phù hợp với các điều kiện gia công thông thường

Việc lựa chọn nền cho vật liệu PC dựa trên nguyên tắc dung hoà các yếu tố độ bền, khả năng gia công và các tiêu chuẩn khác Nhựa nền có thể tạo thành từ một chất hoặc nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục Và trong thực tế người ta có

2.2.1.1 Polymer nền nhựa nhiệt dẻo

Composite nhựa nền nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo là giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo hình sản phẩm dễ thực hiện

và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ hai Nhược điểm chính của composite nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao Tuy nhiên, nền polymer nhiệt dẻo đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi và khả năng tái sinh của chúng Hiện tại chúng chưa được ứng dụng nhiều như nhiệt rắn nhưng dự đoán trong tương lai sẽ vượt nhựa nhiệt rắn Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền như: poly (ethylene terephthalate) (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly (vinyl chloride) (PVC), v.v …

2.2.1.2 Polymer nền nhựa nhiệt rắn

Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn khi đun nóng (có hoặc không

có xúc tác) Sản phẩm sau đóng rắn có cấu trúc không gian không thuận nghịch (không nóng chảy, không hoà tan) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có tính chất cơ lý cao hơn nhựa nhiệt dẻo nhưng vấn đề xử lý chúng sau khi đã sử dụng khá phức tạp và tốn kém Trong vật liệu PC hiện nay chủ yếu sử dụng nền polymer là nhiệt rắn bao gồm một

số loại thông dụng như: polyepoxide (EP), melamine formaldehyde (MF), phenol formaldehyde (PF), v.v …, song phổ biến hơn cả vẫn là polyester không no (PEKN)

2.2.2 Thành phần cốt (chất gia cường)

Chất gia cường trong vật liệu PC có tác dụng chịu ứng suất tập trung do nền polymer chuyển đến Do vậy, chất gia cường làm tăng độ bền và modulus cho vật liệu Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm như tính gia cường cơ học; tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ; sự phân tán vào nhựa tốt; truyền nhiệt, giải nhiệt tốt; thuận lợi cho quá trình gia công và giá thành hạ Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn thích hợp Có 2 loại cốt:

2.2.2.1 Cốt dạng sợi

Sợi gia cường được sử dụng dưới dạng liên tục (sợi dài, vải) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, v.v …) Sự phân bố và định hướng của sợi trong nền polymer ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu Sự định hướng của sợi tạo cho vật liệu có tính dị hướng rõ rệt Vì vậy, khi lựa chọn sợi gia cường cần phải chú ý tới bản chất của vật liệu thành phần, tỉ lệ các vật liệu tham gia và phương của sợi Việc trộn thêm các loại cốt sợi vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng như độ bền hoá học của vât liệu PC như khả năng chịu được va đập, độ giản nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chịu ma sát, mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao

Khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn muối, kiềm, acid, v.v … Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của vật liệu PC mới so với các loại polymer thông thường và cũng chính vì những tính năng ưu việt trên mà hệ thống vật liệu PC đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống Cốt dạng sợi có tính năng cơ lý cao hơn cốt dạng hạt Tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp như sợi thuỷ tinh, sợi carbon, sợi bo, cacbua silic, sợi aramid, v.v … Vật liệu

PC gia cường bằng sợi có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hiện nay

2.2.2.2 Cốt dạng hạt

Được sử dụng trong vật liệu PC với mục đích tạo cho vật liệu có tính đẳng hướng và chịu ứng suất tập trung Cốt gia cường dạng hạt vừa đóng vai trò là chất gia cường, vừa đóng vai trò là chất độn Chúng có khả năng tăng độ cứng, giảm độ co ngót thể tích, tăng

độ bền, tăng khả năng chống cháy, bền hoá, bền điện, v.v … Chất gia cường cần có kích thước bề mặt nhỏ, đồng đều, phân tán tốt, có khả năng hấp thụ nhựa nền tốt trên toàn bộ

bề mặt, rẻ tiền, dễ tìm

Một số chất gia cường dạng hạt thường được sử dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, bột talc (3MgO.4SiO2.2H2O), silicon dioxide (SiO2), aluminum oxide (Al2O3), amiang Hình

dáng, kích thước, bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt trong vật liệu PC có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành

Vật liệu PC gia cường dạng hạt có vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hiện nay do chế độ gia công đơn giản, năng suất gia công lớn, có khả năng đáp ứng được yêu cầu của các sản phẩm PC sử dụng trong công nghiệp và dân dụng Đặc biệt về mặt giá cả là thấp hơn nhiều so với vật liệu PC gia cường dạng sợi Chính vì vậy, vật liệu PC gia cường dạng hạt ngày càng được các nhà khoa học quan tâm

2.2.3 Phụ gia và chất độn

2.2.3.1 Phụ gia

Phụ gia được thêm vào vật liệu PC để thay đổi một số tính chất của vật liệu như: độ nhớt, chống cháy, giảm độ co ngót và một số tính chất khác Các phụ gia thường thêm vào vật liệu PC như chất xúc tiến, chất chống cháy, chất chống tia tử ngoại, v.v …

 Chất xúc tiến

Có tác dụng làm độ nhớt của vật liệu giảm khi gia công theo phương pháp lăn ép hoặc phun để chất lỏng linh động hơn, dễ thấm vào sợi gia cường Khi ngừng lăn ép, cấu trúc gel lại làm cho nhựa nền không bị cháy Chất xúc tiến hay sử dụng là carboxymethylcellulose

 Chất chống cháy

Dưới tác dụng của trường nhiệt (dòng nhiệt) có cường độ đủ lớn và thời gian đủ dài các PC hữu cơ đều bị phân huỷ nhiệt Do vậy, chất chống cháy được thêm vào hệ PC nhằm thay đổi quá trình cháy theo các phương án sau ức chế quá trình cháy ở pha khí (đối với khí nhiên liệu); thay đổi quá trình phân huỷ nhiệt bằng cách đưa vào một quá trình năng lượng thấp có tác dụng kích thích ở pha rắn để dẫn đến carbon hoá trên bề mặt, tạo thành lớp màng bao bọc lên vật liệu để ngăn chặn tác động của môi trường nhiệt bên ngoài Đối với quá trình phân huỷ nhiệt mà thiếu oxy là quá trình nhiệt phân, khi thừa oxy

là quá trình nhiệt oxy hoá Những chất chống cháy thường dùng là hợp chất chứa chlor,

brom; hợp chất cơ phosphorus; hợp chất chứa bo; antimon oxide (Sb2O3); aluminum hydroxide

2.2.3.2 Chất độn

Chất độn là những chất được thêm vào vật liệu PC chủ yếu làm hạ giá thành sản phẩm Trong một số trường hợp, chất độn có thể làm thay đổi một số tính chất kỹ thuật của vật liệu trong quá trình gia công cũng như trong quá trình sử dụng Một số chất độn thường dùng: bột nhẹ CaCO3, bột talc 3MgO.4SiO2.2H2O, bột mica

K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O, bột barite BaSO4

2.3 Tính chất của vật liệu composite

Độ bền và độ chắc cao của vật liệu PC làm cho các chi tiết chuyển động như bánh

xe, trục quay có khả năng hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với các chi tiết làm bằng hợp kim Điều đó có nghĩa là năng lượng tích tụ trên một đơn vị trọng lượng cao hơn Khác với các vật liệu truyền thống sự phá huỷ của vật liệu PC khi đạt đến tải trọng tới hạn không xảy ra tức thời, nghĩa là không xảy ra hư hỏng nghiêm trọng Vật liệu PC tiếp tục biến dạng mà vẫn duy trì được khả năng làm việc ở các tải trọng thấp hơn tải trọng phá huỷ Một cơ chế phá huỷ như vậy của vật liệu PC gia cường bằng sợi đảm bảo cho các chi tiết làm việc với độ tin cậy cao Khi sử dụng vật liệu PC gia cường bằng sợi có modulus cao sẽ giảm được moment quán tính ở tốc độ tới hạn của các trục quay và do đó giảm được số lượng các gối hay ổ đỡ trung gian, hoặc cho phép trục quay làm việc với tốc độ cao hơn

Tính chịu va đập bao gồm cả ứng suất dư và ứng suất phá huỷ của vật liệu PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh và sợi aramid là tuyệt vời Hơn nữa sợi aramid có thể kết hợp với sợi carbon hoặc thuỷ tinh để tối ưu hoá năng lượng hấp thụ và các yêu cầu khác, kể cả giá thành Giảm tiêu hao năng lượng do độ bền và độ chắc được nâng cao cho phép các vợt tennis composite sợi carbon tạo cho quả bóng có vận tốc cao hơn

Tính ổn định kích thước của các kết cấu từ vật liệu PC là điều kiện rất quan trọng để ứng dụng trong thiết bị X- quang, máy công cụ, cánh tay robot, kính viễn vọng, thiết bị

lạnh, v.v … Các chi tiết và liên kết tiêu chuẩn từ vật liệu PC có thể sản xuất nhanh và kinh tế hơn so với trường hợp dùng kim loại, đồng thời dễ thay thế hơn

Độ giãn nở nhiệt của vật liệu PC có thể điều chỉnh cho phù hợp với các yêu cầu gia công đa dạng để giảm thiểu ứng suất nhiệt Sợi carbon và aramid có hệ số giãn nở nhiệt

âm theo chiều dài, do đó phải chú ý điều chỉnh

Ngoài ra, vật liệu PC có khả năng chống ăn dựa vào việc lựa chọn loại nhựa thích hợp và chịu khí hậu tốt trong môi trường biển Nhờ độ bền và tính chống ăn mòn cao nên giảm được thời gian bảo hành so với các kết cấu gỗ hay kim loại Tuy nhiên, cần có xử lý đặc biệt để vật liệu PC chịu được bức xạ tử ngoại Có thể tạo nên vật liệu PC dẫn điện nếu

sử dụng composite sợi carbon phủ niken Vật liệu PC có khả năng cách âm và giảm xóc tốt Độ rung về âm thanh và cơ học có thể giảm 10% so với kim loại Tính chất ma sát và mài mòn của vật liệu PC gia cường bằng sợi carbon là rất tốt Hệ số ma sát của composite carbon trên thép chỉ bằng 40% so với thép/thép có bôi trơn Tính tích tụ nhiệt thấp của composite carbon-carbon cùng với độ ổn định kích thước, nhẹ và hệ số ma sát cao cho phép sử dụng làm má phanh cho máy bay và cho ôtô đua Bên cạnh đó, vật liệu PC cũng

dễ thao tác, vận chuyển nhanh do nhẹ và giảm được phế liệu vì các chi tiết và kết cấu từ vật liệu PC thường được làm theo đúng hình dáng sản phẩm yêu cầu, chứ không phải bằng phương pháp phay, bào, tiện, khoan, v.v … như kim loại

2.4 Ứng dụng của vật liệu composite

Hiện nay, vật liệu PC được ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau để thay thế cho các vật liệu truyền thống như gỗ, kim loại, v.v … và đặc biệt là trong ngành giao thông vận tải

Trong ngành giao thông vận tải, vật liệu PC được dùng để chế tạo các thiết bị, các phương tiện như tàu, thuyền đi biển, thùng chứa nhiên liệu, ốp trần toa xe lửa, lốp các loại

xe, lớp bọc lót phía trong thân máy bay, cầu, v.v …

Ngày 8 – 7 – 1997, người ta đã lắp đặt một cây cầu hoàn toàn bằng vật liệu PC trên

cơ sở nhựa polyester kết hợp với cốt sợi thuỷ tinh Sau một thời gian, người ta theo dõi và

đã nhận thấy rằng bề mặt cầu không những có khả năng chống thấm mà nó còn không bị rạn nứt, han rỉ Điều này cho phép tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể cho việc bảo dưỡng

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng vật liệu PC để lắp đặt và bố trí các thiết bị trong hệ thống hành lang an toàn giao thông dải phân cách, biển báo, cọc tiêu, biển phản quang, v.v …

Đối với ngành công nghiệp sản xuất ôtô, việc sử dụng vật liệu PC sẽ mạng lại hiệu quả rất tích cực, trọng lượng của ôtô sẽ giảm, độ rung và tiếng ồn cũng sẽ giảm đi khoảng 10% Không những thế với việc duy trì khả năng làm việc ngay cả khi bị biến dạng (ở mức trọng tải thấp hơn trọng tải phá huỷ), các thiết bị làm từ vật liệu PC sẽ góp phần hạn chế bớt những rủi ro khi tai nạn bất ngờ xảy ra Vì vậy mà người ta thường dùng vật liệu này để chế tạo các bộ phận, chi tiết của ôtô như trục truyền động cơ, bình chứa nhiên liệu

Do có trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều so với kim loại, lại có khả năng chịu và hấp thụ được các cơn chấn động nên vật liệu PC được coi là loại vật liệu lý tưởng để xây dựng những toà cao ốc hoặc các công trình kiến trúc ở những vùng hay bị động đất (Mỹ, Nhật Bản, Thổ Nhĩ Kỳ)

Ngoài ra trong thể thao, nó được dùng để lắp đặt các thiết bị hoặc chế tạo các công

cụ như vợt tennis, bóng bàn, mái vòm ở sân vận động, v.v …

Trong khoa học vật liệu PC được dùng để chế tạo máy X-quang, máy công cụ, kính viễn vọng, robot, v.v …

Về giá cả, nhìn chung, chi phí cho vật liệu PC đắt hơn so với kim loại và một số vật liệu khác Tuy nhiên, xét theo hiệu quả thì nó lại có giá trị kinh tế lâu dài do chi phí cho việc bảo dưỡng rất thấp và tính bền cơ học trong quá trình sử dụng

2.5 Nhựa poly(propylene) (PP)

Poly(propylene) là một loại polymer của phản ứng trùng hợp propylene, một sản phẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ, có công thức phân tử là (C3H6)n

Hình 2-1 Hạt nhựa polypropylene

(Nguồn http://g.vatgia.vn/gallery_img/4/dux1407228119.jpg)

PP được phát hiện đầu tiên vào năm 1954 bởi một nhà hóa học người Đức tên là Karl Rehn và nhà hóa học người Ý tên là Giulio Natta PP được đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1957 bởi công ty Montecatini, Italia (Hoàng Ngọc Cường, 2010) Polypropylene được chia thành 3 loại: (i) homopolypropylene, có tính chất chảy rất tốt, chỉ số chảy trong khoảng rộng nên có thể gia công bằng phương pháp đùn, ép phun, cán, thổi; (ii) random copolypropylene, có độ cứng giảm, tăng độ kháng va đập, tăng độ trong, giảm nhiệt độ nóng chảy; (iii) impact copolypropylene, có tỉ trọng thấp, giá thành rẻ, độ bền va đập tăng, độ cứng giảm, thường được ứng dụng trong công nghệ ép phun với các sản phẩm chính trong ngành tự động, nội thất, thiết bị

2.5.1 Tính chất nổi bật của PP

Tính bền cơ học cao, khá cứng, không màu, không mùi, không vị, không độc, cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt Chịu được nhiệt độ cao hơn 100 C, nhiệt độ nóng chảy

từ 165 C đến 170 C có tính chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác Ưu điểm

là có khả năng gia công tốt, có thể tiếp xúc với thực phẩm Tuy nhiên có nhược điểm là bị lão hóa bởi tác động của tia UV, khả năng kết dính không cao

2.5.2 Ứng dụng

Nhựa PP là một trong các loại nhựa được ứng dụng rộng rãi nhất với những tính chất ưu việt của nó PP thường được ứng dụng làm ống nhựa PP, màng và tấm, vật liệu bọc dây cáp điện, PP kéo sợi, v.v …

2.6 Bã mía

Như chúng ta đã biết bã mía là phần phế thải trong quá trình chế biến đường từ cây

mía (Loh et al., 2013) Cây mía đường, sacchahrum officianum, là loài thân thảo, cao 2 –

4 m, thân có chia đốt, đường kính có thể tới 40 – 60 mm Mía đường là cây trồng có nhiều

ưu điểm và có giá trị kinh tế cao và là một trong các nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp chế biến đường nên được trồng ở nhiều quốc gia trong khu vực khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới Ở nước ta được trồng nhiều ở miền Bắc, duyên hải miền Trung, Tây Nguyên, Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long và là nguyên liệu duy nhất để chế biến đường (Võ Trường Giang, 2013)

Theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam, niên vụ 2012 – 2013, sản lượng mía ép công nghiệp của cả nước đạt 14.5 triệu tấn Dự kiến trong niên vụ 2013 – 2014, sản lượng mía

ép của 40 nhà máy mía đường trên cả nước là 16.7 triệu tấn Chính vì thế, lượng bã mía sinh ra là rất lớn Đơn cử tại Nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh), với công suất chế biến

8000 tấn mía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2800 tấn/ngày Trong khi đó, Công ty Đường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng mía làm nguyên liệu với tổng công suất 5000 tấn mía/ngày Mỗi năm, sản lượng mía cây là

600000 – 750000 tấn, tương đương 174000 – 217500 tấn bã (bã mía chiếm khoảng 29% khối lượng mía cây) (Tường Hân, 2012)

dùng làm nhiên liệu đốt lò hoặc làm bột giấy, và ván ép dùng trong xây dựng, v.v …(Loh

et al., 2013) Hơn nữa, việc tận dụng bã mía làm nhiên liệu thông qua quá trình đốt cháy

trực tiếp có thể gây ra các vấn đề môi trường Nếu composite có thể được sản xuất từ

nguyên liệu này sẽ mang lại lợi ích cả về môi trường và kinh tế (Salit, 2014; Verma et al.,

2012) Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng bã mía trong sản xuất composite là rất cần thiết

2.6.1 Thành phần, cấu trúc của bã mía

Bã mía thường chứa khoảng 50% cellulose, 25% hemicellulose và 25% lignin

(Kilian, 2011; Loh et al., 2013) Tùy theo từng giống mía khác nhau, mà tỉ lệ các thành

phần này có thể cao hoặc thấp hơn như thể hiện ở Bảng 2-1

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của bã mía (Chandel et al., 2012)

2.6.2 Cellulose

Cellulose là một homopolymer mạch thẳng được tạo thành từ các đơn phân

cellobiose (hai vòng glucose nối với nhau nhờ liên kết β-1,4-glycoside)

Hình 2-4 Cấu trúc phân tử cellulose (Walford, 2008)

Các polymer cellulose mạch dài được liên kết với nhau bởi liên kết hydrogen và van der Walls tạo thành dạng vi sợi với hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công

Thành phần (% khối lượng khô) Cellulose Hemicellulose Lignin Tro

2.6.3 Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh Trong cấu trúc của hemicellulose chứa các nhóm pentose (xylose và arabinose) và hexose (glucose, mannose

và galactose) liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4, trong đó xylose là đơn phân chính

Hình 2-5 Cấu trúc mạch hemicellulose (Walford, 2008) 2.6.4 Lignin

Lignin là polymer được tạo thành từ các đơn vị phenylpropene liên kết trong cấu trúc không gian ba chiều Ba loại alcohol phenyl propionic tồn tại trong cấu trúc lignin là

p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol và sinapyl alcohol.Do phân tử có dạng không gian

ba chiều, lignin có khả năng chống lại sự giảm cấp bằng tác hóa học hoặc enzyme

Hình 2-6 Cấu trúc của lignin (Walford, 2008)

2.7 Chất tương hợp

Để tăng cường khả năng tương thích giữa vật liệu nền và vật liệu cốt cần bổ sung thêm một polymer đóng vai trò là chất gắn kết Các anhydride maleic ghép nhóm chức năng của polymer là phương pháp phổ biến (Khalil, 2008) Trong nghiên cứu này, vật liệu nền được sử dụng là nhựa PP có tính không phân cực, trong khi vật liệu cốt là bã mía có thành phần chứa các nhóm –OH có tính phân cực Đây là nguyên nhân có thể làm cho vật liệu liên kết không tốt, để tăng cường sự liên kết này cần sử dụng một polymer đóng vai trò là chất gắn kết nhựa và bã mía, tương ứng với anhydride maleic ghép nhóm chức PP hay gọi tắt là MAPP

Anhydride maleic được sản xuất bằng cách thủy phân maleic acid, sau đó nó được ghép vào PP (Khalil, 2008) (Hình 2-7) Vì nó là phân tử phân cực nên nó làm thay đổi sự phân cực của PP, giúp sự liên kết giữa nhựa PP và bã mía tốt hơn (Hình 2-8)

MAPP có khối lượng phân tử là 30.7 kg/mol, nhiệt độ nóng chảy 162 C, khối lượng riêng 905 kg/m3, chỉ số chảy là 120 g/10 phút

Ngoài các anhydride maleic được sử dụng, các silane gắn với các nhóm chức năng cũng được sử dụng để tăng khả năng liên kết Tuy nhiên do hạn chế về thời gian cũng như hóa chất nên chất tương hợp được sử dụng trong nghiên cứu này là MAPP

Hình 2-7 Phản ứng tạo anhydride maleic từ maleic acid (Khalil, 2008)

Hình 2-8 Cơ chế phản ứng của MAPP với PP và bã mía (Khalil, 2008)

2.8 Phương pháp gia công composite với nhựa nhiệt dẻo

2.8.1 Phương pháp dung dịch

Theo phương pháp dung dịch các polymer thành phần phải hòa tan tốt trong cùng một dung môi hoặc tan tốt trong các dung môi có khả năng trộn lẫn vào nhau Để các polymer trong dung dịch phân tán tốt vào nhau cần phải khuấy chúng ở tốc độ cao và kèm theo quá trình gia nhiệt trong thời gian khá dài Sau khi thu được màng polymer trộn hợp, cần phải đuổi hết dung môi bằng phương pháp sấy ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp để tránh rạn nứt bề mặt màng và tránh hiện tượng màng bị phân huỷ nhiệt hay phân hủy oxy hóa nhiệt (Lê Hoài Phúc và Trần Thùy Gương, 2013)

2.8.2 Phương pháp nóng chảy

Phương pháp chế tạo polymer trộn hợp ở trạng thái nóng chảy là phương pháp kết hợp đồng thời các yếu tố cơ nhiệt, cơ hóa và tác động cưỡng bức lên các polymer thành phần, phụ gia, v.v trên các máy gia công nhựa nhiệt dẻo để trộn hợp chúng với nhau (như máy trộn kín, máy cán, ép đùn, đúc phun, v.v …) Đây là phương pháp được ứng dụng khá rộng rãi trong thời gian gần đây (Lê Hoài Phúc và Trần Thùy Gương, 2013)

Khi thực hiện chế tạo vật liệu polymer trộn hợp trên máy trộn kín, thì máy thường được gắn với hệ thống thiết bị cho phép cài đặt các thông số đầu vào (như nhiệt độ, tốc độ quay, thời gian trộn và ghi nhận các thông số đầu ra như moment xoắn, nhiệt độ của quá trình, v.v …) theo thời gian trộn Qua các thông tin thu được có thể đánh giá gián tiếp trạng thái vi cấu trúc của hệ polymer, sự thay đổi về cấu trúc phân tử của các polymer tham gia trộn hợp (ví dụ như phản ứng cắt mạch hoặc phân hủy nhiệt, v.v …) có thể đánh giá qua sự thay đổi giá trị moment xoắn (Lê Hoài Phúc và Trần Thùy Gương, 2013)

Bảng 2-2 Ưu nhược điểm của phương pháp dung dịch và phương pháp nóng chảy (Lê Hoài Phúc và Trần Thùy Gương, 2013)

Phương pháp Phương pháp dung dịch Phương pháp nóng chảy

dung dịch nên nhiệt phản ứng được điều hòa, tránh được hiện tượng nhiệt cục

bộ

– Khi phản ứng kết thúc, sản phẩm tạo thành ở dạng dung môi nên dễ dàng xử lí tiếp

– Phương pháp này thuận tiện cho quá trình nghiên cứu động học và cơ chế phản ứng

– Hạn chế ô nhiễm môi trường do không phải sử dụng dung môi

– Giảm chi phí sản xuất – Dễ dàng tiến hành trong các thiết bị gia công chất dẻo sẵn có ở các nhà máy

Nhược điểm – Giá thành sản phẩm cao

– Gây ô nhiễm môi trường

– Không tạo ra được sản phẩm có kích thước lớn, tốn kém dung môi

– Phản ứng xảy ra trong trạng thái nóng chảy nên nhiệt phản ứng thoát ra không nhanh

– Áp suất hơi của monomer

ở độ sau của khối polymer

do sự quá nhiệt tạo nên một ứng suất nội làm cho tính đồng nhất về tính chất cơ lý giảm có khi tạo nên nhiều bọt và rạn nứt

Khi thực hiện chế tạo vật liệu polymer trộn hợp trên máy trộn nóng chảy, quá trình cắt xé sẽ xảy ra mãnh liệt hơn, thời gian lưu sản phẩm ngắn hơn nên tùy thuộc vào thành phần nhựa ban đầu mà có thể chọn quy trình gia công phù hợp để đảm bảo được độ đồng nhất cao và tránh được nguy cơ phối liệu bị phân hủy (Lê Hoài Phúc và Trần Thùy Gương, 2013)

Căn cứ vào ưu và nhược điểm của hai phương pháp (Bảng 2-2), mục tiêu của đề tài cũng như điều kiện phòng thí nghiệm nên thiết bị chính để thực hiện việc nghiên cứu này

là máy trộn kín HAAKE và máy ép nóng PANSTONE

2.9 Máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive HAAKE

Máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive HAAKE thường được sử dụng để khảo sát quá trình trộn vật liệu nhựa nhằm xác định tính chất của hỗn hợp trước khi tiến hành gia công trên máy công nghiệp Tùy vào và trạng thái vật liệu khác nhau mà người ta sử dụng các thiết bị trộn khác nhau Thông thường có hai dạng máy trộn là máy trộn kín và máy trộn hở Do đặc trưng của đề tài và điều kiện phòng thí nghiệm nên máy trộn được sử dụng là máy trộn kín

Máy trộn kín còn gọi là máy trộn roto, trên nguyên tắc thuộc loại thùng trộn Thường máy gồm 2 vỏ hình trụ ghép vào nhau mỗi phần có một cánh trộn quay quanh trục riêng của mình Các cánh trộn này gọi là roto Khi roto quay quanh vật liệu bị đảo trộn, mạnh nhất là ở vùng 2 roto gặp nhau Phần vật liệu nằm ở đỉnh roto và vách buồng trên sẽ xuất hiện các ứng suất trượt, gây nên các biến dạng trượt, giúp sự phân tán các chất được dễ dàng Các ma sát ngoại và nội trong khối vật liệu sẽ làm nóng khối vật liệu tạo thành một khối đồng nhất và liên tục Để điều chỉnh nhiệt độ khối vật liệu khi trộn, vỏ máy có hệ thống giải nhiệt, còn roto thì rỗng để có thể cho nước giải nhiệt hoặc hơi nước gia nhiệt hoặc không khí vào Các roto có thể là các loại cánh trộn dạng Σ hoặc Z, hoặc dạng xoắn ốc Tiết diện của roto không đổi, với máy trộn kín thường dùng thì tiết diện là một hình elip

Các phụ gia và polymer được cho vào máy qua cửa nạp liệu Sau một thời gian trộn nhất định, hỗn hợp được tháo ra ở cửa tháo liệu dưới dạng khối Để thuận tiện cho việc gia công tiếp theo, khối vật liệu này thường phải đưa qua máy cán 2 trục để cán thành tấm

Vì thế, thường trong các nhà máy gia công polymer, máy trộn kín thường được trang bị thêm máy cán 2 trục

Hiệu suất trộn cũng như năng suất của máy trộn kín cao hơn máy trộn hở Về an toàn vệ sinh công nghiệp thì máy trộn kín cũng tốt hơn Máy trộn kín thường được sử dụng để hỗn luyện cao su và nhựa hoá chất dẻo

Hình 2-9 Cấu tạo máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive Haake (Thermo Electron Corp, 2005)

Trong quá trình trộn do các lực ma sát nhiệt độ khối vật liệu tăng lên làm cho độ nhớt giảm, ứng suất trượt giảm làm cho hiệu quả trộn kém Để nhiệt độ không đổi trong quá trình trộn phải giải nhiệt cho hệ thống Tuy nhiên, vận tốc truyền nhiệt tỷ lệ với diện tích bề mặt truyền nhiệt, tức tỷ lệ với K2 (K: tỷ số đồng dạng) còn công suất tiêu tốn (lượng biến thành nhiệt) tỷ lệ với thể tích buồng máy, tức là tỷ lệ với K3 Vì vậy, việc duy

Bảng điều khiển

Bộ truyền động

Được thiết kế hoạt động

liên tục, kiểm soát

mô-men xoắn hoặc tốc độ

tránh làm gián đoạn

trong quá trình trộn

Hệ thống đo moment xoắn Khung kết nối

Kết nối 3 vùng kiểm soát nhiệt

độ độc lập cho 3 mâm và 1 cảm biến nhiệt độ tan chảy trong buồng trộn; để truyền dữ liệu với một giao diện chuẩn; tín hiệu báo động in-/output riêng biệt

Buồng trộn Thiết bị điện tử

Kiểm soát, giám sát, hiệu chuẩn

trì nhiệt độ không đổi là khó khăn, đặc biệt là đối với máy có thể tích buồng lớn Do đó, thường thể tích các máy này bị giới hạn

Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật của máy trộn Thông số kỹ thuật của máy trộn

Sensor đo nóng chảy 1

Kích thước dài x rộng x cao 100 x 45 x 120 cm

Máy có hai loại trục tương ứng cho hai loại vật liệu gia công là trục trộn nhựa và trục trộn cho cao su Trong nghiên cứu này trục roller được sử dụng để trộn nhựa

Hình 2-10 Các loại trục sử dụng trong quá trình trộn

(Nguồn http://www.cwbrabender.com/Prep-Mixer_blades.gif)

Các thiết bị đi kèm với máy là máy nén khí và máy tính dùng để ghi lại các thông số khi gia công

Hình 2-11 Máy đo lưu biến ngẫu lực trộn Polydrive Haake và các thiết bị đi kèm

2.10 Máy ép nóng Panstone

Phương pháp gia công bằng cách ép khuôn đã có từ lâu, trước các phương pháp gia công khác Phương pháp này có thể áp dụng được cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo

2.10.1 Nguyên lý, cấu tạo

Công nghệ gia công polymer – composite bằng phương pháp ép nóng là khá đơn giản Đầu tiên, nhựa được cho vào phần nửa dưới của khuôn ép (bottom plate), khuôn đã được gia nhiệt trước bằng các điện trở đặt bên trong Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn

ép (top plate) cũng đã được gia nhiệt trước bằng điện trở, di chuyển lên (xuống) tiến hành

ép nhựa, chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục được duy trì

để nhựa nóng chảy điền đầy khuôn (mold cavity), sau đó đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ được làm nguội để đóng rắn; còn đối với nhựa nhiệt rắn, phản ứng đóng rắn sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao nên không cần làm nguội Kết thúc quá trình, tiến hành tháo khuôn lấy sản phẩm và

vệ sinh khuôn