Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu

Trong số các vật liệu compozit thì compozit nền nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi tự nhiên được chú ý hơn, do chúng là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào tái tạo, có tỉ trọng thấp, độ bề

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

MÃ SỐ: 8440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS MAI VĂN TIẾN

HÀ NỘI, NĂM 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Mai Văn Tiến

Cán bộ hướng dẫn phụ (nếu có):

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị)

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày tháng năm 2018

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Đỗ Công Quỳnh

Lớp: CH2AMT Khoá: 2

Cán bộ hướng dẫn: TS Mai Văn Tiến

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế

với vỏ trấu

Tóm tắt

Vật liệu compozit gỗ nhựa được chế tạo từ nhựa hạt polypropylen (PP) tái chế với vỏ trấu được bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy trong thiết bị trộn kín Haake

và thiết bị ép đùn trục vít Đơn phối liệu chế tạo vật liệu bao gồm nhựa hạt PP tái chế

từ 50-80% khối lượng, sử dụng vỏ trấu thước hạt từ 0,1-2,0mm, đã xử lý và sấy khô với hàm lượng từ 20-50% phần khối lượng, chất tương hợp MAPP được sử dụng với hàm lượng 1-5%, chất trợ phân tán 2-7% và phụ gia chống cháy ZnO 1% Vật liệu compozit gỗ nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu cho độ bền kéo đạt 46,5 MPa, độ bền uốn 50,3MPa, độ hấp thụ nước 0,4-4,9%. Nghiên cứu tận dụng phế phẩm vỏ trấu từ ngành sản xuất lúa gạo cùng với nhựa polypropylen tái chế để sản xuất vật liệu compozit gỗ nhựa không những có ý nghĩa về mặt khoa học, tính ứng dụng thực tiễn và còn có ý nghĩa lớn trong việc góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường hiện nay

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn là TS Mai Văn Tiến Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Công Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ với tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ

nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu”

Trước hết tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy - cô khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý giá trong suốt thời gian học cao học tại trường

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn TS Mai Văn Tiến là người đã tận tình chỉ bảo tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình

Cảm ơn gia đình, bạn bè những người bạn đồng hành trong quãng thời gian học cao học, những người đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên và là nguồn động lực để tôi vươn lên

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy – cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 7

DANH MỤC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do chọn đề tài 9

2 Mục tiêu nghiên cứu 10

3 Các nội dung nghiên cứu chính 10

1.1 Giới thiệu về vật liệu compozit 11

1.1.1 Vật liệu compozit 11

1.1.2 Tính chất của vật liệu compozit 11

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit 13

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu compozit 15

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu compozit gỗ nhựa 16

1.2.1 Nghiên cứu nước ngoài 16

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

1.3 Vật liệu compozit gỗ - nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu 20

1.3.1 Thành phần chính của vật liệu compozit gỗ-nhựa trên cơ sở nhựa polypropylen với vỏ trấu 22

1.3.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa 28

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu compozit gỗ-nhựa 30

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 33

2.2 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 33

2.2.1 Thiết bị sử dụng 33

2.2.2 Nguyên liệu và hoá chất 34

2.3 Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu 35

2.3.1 Xác định độ bền cơ của vật liệu 35

2.3.2 Phương pháp phân tích hình thái cấu trúc bề mặt bằng chụp kính hiển vi điện tử quét 37

2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt TGA 37

2.4 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu 38

2.4.1 Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất 38

2.4.2 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa 38

2.4.3 Thực nghiệm chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa 40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Nghiên cứu khả năng tương hợp giữa các thành phần tổ hợp để chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa 44

3.2 Kết quả ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa trên cơ sở

polypropylen tái chế với vỏ trấu 45

3.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa polypropylen/vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu 45 3.2.2 Ảnh hưởng của phụ gia tương hợp MAPP đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa 46

3.2.3 Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy ZnO đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa 47

3.2.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt vỏ trấu đến các tính chất của vật liệu gỗ nhựa 48

3.2.5 Ảnh hưởng phương pháp xử lý vỏ trấu đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa 49

3.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt 50

3.2.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt 51

3.3 Đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu 52

3.3.1 Đặc trưng cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu gỗ nhựa 52

3.3.2 Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu compozit gỗ nhựa 54

3.3.3 Khảo sát khả năng chịu môi trường của vật liệu compozit gỗ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu 56

3.4 So sánh một số tính chất của vật liệu gỗ nhựa polypropylen /vỏ trấu với một số vật liệu khác cùng chủng loại 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

WPC Wood Plastic Compozit - Vật liệu compozit gỗ nhựa

SEM Kính hiển vi điện tử quét

TGA Phân tích nhiệt

DTA Nhiệt vi sai

Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vật liệu WPC sử dụng trong đời sống 21

Hình 1.2 Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa 25

Hình 1.3 Phương pháp đúc ép nóng 29

Hình 1.4 Phương pháp ép đùn 30

Hình 2.1 Một số hình ảnh sản phẩm nhựa từ polypropylen và nhựa polypropylen tái chế 34

Hình 2.2 Hình ảnh vỏ trấu trước và sau khi thu gom để chế tạo vật liệu 34

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 39

Hình 3.1 Giản đồ momen xoắn của quá trình trộn hợp chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa trên cơ sở polypropylen/vỏ trấu 44

Hình 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ nhựa/ vỏ trấu tới tính chất cơ lý của vật liệu 45

Hình 3.3 Ảnh hưởng của chất tương hợp MAPP đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa 46

Hình 3.4 Ảnh hưởng kích thước vỏ trấu đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa 48

Hình 3.5 Ảnh hưởng phương pháp xử lý vỏ trấu đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa 49

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu 52

Hình 3.7 Ảnh SEM của vật liệu không sử dụng MAPP 53

Hình 3.8 Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (1%) 53

Hình 3.9 Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (2 %) 53

Hình 3.10 Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (3 %) 54

Hình 3.11 Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa không sử dụng phụ gia chống cháy 55

Hình 3.12 Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa có chứa phụ gia chống cháy (ZnO hàm lượng 1%) 55

Hình 3.13 Độ tăng trọng lượng của compozit khi ngâm trong môi trường nước 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần của vỏ trấu 26 Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng polypropylen/vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu 40 Bảng 2.2 Khảo sát ảnh hưởng của chất trợ tương hợp (MAPP) đến tính chất cơ lý của vật liệu 41 Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia chống cháy ZnO đến tính chất cơ lý của vật liệu 42 Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu 42 Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của tác nhân xử lý vỏ trấu 43 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu gỗ nhựa 47 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu 50 Bảng 3.3 So sánh các tính chất của vật liệu compozit polypropylen/vỏ trấu với một số vật liệu khác 57

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, làm cho ngành khoa học vật liệu cũng phát triển không ngừng nhằm tìm ra vật liệu mới đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của xã hội Trong đó, vật liệu compozit ngày càng được quan tâm, sở dĩ vật liệu compozit ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày là vì chúng có nhiều tính chất ưu việt như: dễ gia công, bền, nhẹ và có giá thành thấp Trong số các vật liệu compozit thì compozit nền nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi tự nhiên được chú ý hơn, do chúng là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào tái tạo, có tỉ trọng thấp, độ bền cao và đặc biệt thân thiện với môi trường, không độc hại đối với con người [3,8,25]

Việt Nam là nước có nền văn mình lúa nước lâu đời, sản lượng xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới Hàng năm Việt Nam sản xuất hơn hơn 45 triệu tấn lúa, trong

đó khối lượng phế phẩm vỏ trấu chiếm tới 20% và nguồn phế phẩm này chưa được sử dụng hợp lý và hiện đang là nguyên nhân gián tiếp gây ô nhiễm môi trường Đặc biệt vào mùa thu hoạch lúa thì một lượng lớn trấu thải ra môi trường một cách bừa bãi, đổ xuống sông, ao hồ, hoặc là được ủ đống để đốt Chỉ một phần nhỏ được sử dụng làm chất đốt Do đó, việc sử dụng vỏ trấu làm chất độn gia cường để chế tạo vật compozit sẽ tận dụng được nguồn phế phẩm dồi dào của ngành nông nghiệp, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và góp phần cải thiện thu nhập cho người nông dân

Bên cạnh đó nguồn phế liệu các loại nhựa nhiệt dẻo thải ra từ đồ dùng trong sinh hoạt hàng ngày cũng rất đa dạng và phong phú Phế liệu này chủ yếu có nguồn gốc từ dầu mỏ như: nhựa Polypropylene (PP), Polyethylen (PE) và Polyvinychloride (PVC) Theo số liệu thống kê điều tra lượng nhựa phế thải của Viện vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt khá cao, mỗi ngày thải ra trung bình 400-

500 tấn nhựa phế thải Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ nhựa PP tái chế với vỏ trấu rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra xu hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu phụ phẩm ngành nông nghiệp và chất thải nhựa tái chế, đặc biệt có

ý nghĩa trong việc góp phần bảo vệ môi trường

Xuất phát từ các lý do trên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa

polypropylen tái chế với vỏ trấu”, được tôi chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp đồng

thời đặt ra mục tiêu nghiên cứu sau:

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu

- Sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ trấu từ quá trình sản xuất lúa gạo của Việt Nam, kết hợp với nhựa nhiệt dẻo PP tái chế để tạo ra vật liệu gỗ nhựa

3 Các nội dung nghiên cứu chính

- Thu thập, tra cứu các tài liệu liên quan phục vụ cho luận văn

- Tổng quan tài liệu trong và ngoài nước về tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu gỗ nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu

- Chế tạo vật liệu gỗ nhựa (Wood Plastic Compozit – WPC) từ PP tái chế với vỏ trấu và khảo sát để tối ưu các điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu:

+ Nghiên cứu điều kiện gia công mẫu và khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng chất độn và chất tương hợp phụ gia chống cháy đến các tính chất vật liệu nhằm xác định điều kiện công nghệ và tỷ lệ phối trộn tối ưu của vật liệu từ PP tái chế với vỏ trấu

+ Nghiên cứu biến tính PP tái chế với vỏ trấu bằng cách sử dụng các chất tương hợp nhằm cải thiện nâng cao tính năng của vật liệu

- Tối ưu hóa các điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu

- Phân tích tính chất của sản phẩm tạo ra:

+ Xác định tính năng cơ, lý, hóa của vật liệu

+ Đánh giá khả năng kháng nước, độ ổn định và khả năng chống cháy của vật liệu tạo ra

+ Đánh giá so sánh hiệu quả kinh tế, môi trường của vật liệu tạo ra với vật liệu khác cùng loại

+ Thu thập kết quả số liệu báo cáo hoàn thiện luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về vật liệu compozit

1.1.1 Vật liệu compozit

Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp mức độ vĩ mô của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới

có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ

Nhiều vật liệu compozit có nguồn gốc tự nhiên Ví dụ gỗ là một compozit gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là ligin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành

do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của axit) và những sợi protein collagen Ở Việt Nam, Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại compozit sợ ngắn

Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong thành phần cấu tạo vật liệu compozit tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính chất vật lý như tính dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy bền), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện môi…), tính chất quang học, tính cách âm…

Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu yêu cầu cứng và nhẹ hơn Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào có thể đáp ứng được yêu cầu đó Xuất phát từ nhu cầu đó ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo nên một loại vật liệu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu compozit

1.1.2 Tính chất của vật liệu compozit

Trong điều kiện sử dụng so với các vật liệu khác thì vật liệu compozit có những

ưu điểm cơ bản sau:

- Nhẹ và cứng hơn, khả năng chịu va đập, uốn, kéo tốt

- Chịu hoá chất, không sét gỉ, chống ăn mòn Đặc tính này thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển

- Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hoá nên rất bền

- Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy

- Cách điện, cách nhiệt tốt

- Chịu ma sát, cường độ lực, nhiệt độ cao (thể hiện ở compozit sợi carbon)

- Hấp thụ sóng điện tử tốt (compozit – thủy tinh)

- Không thấm nước, không độc hại

- Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp

- Màu sắc đa dạng, đẹp bền vì được pha ngay trong nguyên liệu

- Thiết kế, tạo hình dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn

+ Một số ưu điểm vượt trội của vật liệu compozit:

Nhựa compozit kế thừa những ưu điểm của vật liệu nhựa thông thường và cả của kim loại như dẻo dai, dễ pha màu, dễ đóng khuôn tạo hình Tuy nhiên, vật liệu compozit còn tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều khi mà chất lượng gia công của compozit không thua kém gì với sắt thép – kim loại

Nhựa compozit bền màu và trơ với hầu hết các chất ăn mòn, ít bị oxi hóa nên vật liệu compozit được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất để dùng làm thùng – bồn đựng hóa chất, thùng rác hay bọc bể chống ăn mòn…

Với ưu điểm dễ gia công, tạo hình, tạo màu giống như các sản phẩm nhựa compozit còn được dùng để làm các sản phẩm đồ gia dụng hay các vật liệu xây dựng như ống nước, mái che

Không những thế do tính dẻo dai và chất lượng không kém gì kim loại mà lại nhẹ hơn rất nhiều nên compozit còn được dùng làm các thiết bị vệ sinh và vỏ bọc sản phẩm

Ngoài ra sản phẩm làm từ nhựa compozit còn có khả năng cách điện, cách âm tốt và tổng hợp những ưu điểm của cả nhựa và kim loại nên nhựa compozit đang dần thay thế các loại vật liệu khác trong xây dựng và công nghiệp Trộn hai vật liệu này với nhau theo một tỷ lệ nhất định, gia nhiệt rồi ép vào khuôn dưới áp suất cao là ta có được vật liệu compozit với hình dạng theo ý muốn, không cần phải luyện, tôi, phay, tiện… như với các sản phẩm kim loại khác

Compozit rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích Nhờ ưu điểm này, gần đây, vật liệu compozit 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 compozit một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại [17]

1.1.3 Phân loại vật liệu compozit

Vật liệu compozit được phân loại dựa theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

+ Theo hình dạng, cấu trúc vật liệu nền: Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường,

compozit được phân thành 3 nhóm chính: compozit gia cường sợi (compozit cốt sợi), compozit gia cường hạt (compozit cốt hạt) và compozit cấu trúc

- Compozit gia cường bằng sợi: Compozit gia cường sợi (fibre reinforced

compozit – FRC) là compozit có vật liệu gia cường ở dạng sợi, ví dụ như compozit sợi thủy tinh, compozit sợi tự nhiên…

Trong hệ compozit này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng vai trò phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng như liên kết các sợi lại với nhau Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lượng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lượng riêng) cao Các sợi trong compozit có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có sự định hướng nhất định

- Compozit gia cường bằng hạt: Compozit gia cường hạt (Particulate reinforced

compozit): là compozit được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que, vảy ) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm…

Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền Một số vật liệu gia cường dạng hạt có thể cải thiện các tính chất của compozit như giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mòn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới phân chia pha Chính vì vậy, vật liệu compozit hạt thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao

Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo compozit nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm

- Compozit cấu trúc lớp: Compozit cấu trúc gồm 2 loại chính: compozit dạng lớp

(laminate) và sandwich panel:

Compozit cấu trúc lớp được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các compozit cốt sợi đơn hướng) và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết

(thường là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể được tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các compozit cốt sợi đơn hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết kế rồi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay …

Sandwich panel có cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có độ bền và cứng cao như tấm cấu trúc compozit dạng lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan… và lớp lõi ở giữa,

là vật liệu nhẹ, có độ bền và độ cứng tương đối bé Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh hiện tượng cong vênh tấm Lớp lõi thường làm bằng: polyme bọt, cao

su nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong Compozit loại này được ứng dụng rất rộng rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy

bay…

+ Phân loại theo bản chất vật liệu nền:

Theo bản chất vật liệu nền, compozit được chia thành ba nhóm chính sau: compozit nền polyme, compozit nền kim loại và compozit nền ceramic

- Compozit nền polyme (Polyme matrix compozit – PMC) là compozit có nền là

các loại polyme nhiệt dẻo như polypropylen, polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide… hoặc các polyme nhiệt rắn như polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethane, epoxy… Vật liệu gia cường là các sợi, hạt hữu cơ (sợi Kevlar, cellulose…), vô cơ (thủy tinh, carbon…) và kim loại (nhôm, thép, molipden…)

Loại compozit này được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm rất lớn là dễ dàng gia công tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và kích thước lớn Trong hệ compozit này, vật liệu gia cường có độ bền và modul cao còn polyme nền có vai trò truyền tải trọng và tăng khả năng kháng ăn mòn, chịu thời tiết cho compozit

- Compozit nền kim loại: (Metal matrix compozit – MMC) là compozit có nền là

các kim loại như nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng…

Vật liệu gia cường là các sợi, hạt vô cơ ceramic (oxide, cacbua silic ) hoặc kim loại (chì, vonfram, molipden ) Vật liệu nền thường dẻo dai, vật liệu gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất cơ lý, kháng mài mòn, chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước của compozit

Ưu điểm lớn của compozit nền kim loại so với nền polyme là khả năng chịu nhiệt tốt hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất lỏng hữu cơ tốt hơn Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm so với compozit nền polyme là giá thành cao hơn

và khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá hủy tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường do kim loại dễ bị ăn mòn

- Compozit nền khoáng (gốm) hay còn gọi là compozit nền ceramic với vật liệu

cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…Do sức căng bề mặt của ceramic nóng chảy cao nên khó thấm ướt lên các loại sợi Chính vì vậy trong thực tế tồn tại rất ít hệ compozit nền ceramic

Một hệ compozit điển hình trên nền ceramic được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật là compozit nền carbon gia cường sợi carbon nhờ những tính chất ưu việt như chịu nhiệt tốt đến 2200oC mà vẫn duy trì độ bền cao, tỉ số độ bền/trọng lượng và độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thước tốt, chống ăn mòn tốt, kháng hóa chất tốt… Compozit nền carbon gia cường sợi carbon được dùng trong những ứng dụng cấu trúc

và phi cấu trúc, đặc biệt là ứng dụng cấu trúc vận hành ở nhiệt độ cao như các bộ phận của máy bay, động cơ phản lực, tên lửa… Nhược điểm lớn nhất của hệ compozit này là giá thành cao do giá nguyên liệu và chi phí sản xuất cao

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu compozit

Compozit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau đây:

+ Trong giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván VD: càng, thùng trần

của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô

+ Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu

+ Trong ngành hàng không: Thay thế vật liệu sắt, nhôm trong máy bay dân dụng, quân sự

+ Trong quân đội: Những phương tiện chiến đấu: Tàu, máy bay, phi thuyền

Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội như: Bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn

+ Trong công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste) Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy)

+ Trong dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài: Bình, tô, chén, đũa ; Sản phẩm trang trí nội thất: Khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn ; Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn, đường ống dẫn nước

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu compozit gỗ nhựa

1.2.1.1 Nghiên cứu nước ngoài

Vật liệu compozit 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 compozit 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 compozit 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 vỏ trấu với các loại nhựa, hay đưa bột vỏ trấu 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 vỏ trấu 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 PP 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 [23,40]

- 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 các chất trợ tương hợp (hay chất khơi mào) các nhà nghiên cứu đã tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tương hợp của hai loại vật liệu này Các nghiên cứu cho thấy phần lớn các chất trợ tương hợp như silan, maleic anhydride ghép polyolefin đều làm tăng khả năng bám dính giữa hai loại vật liệu [20,37] Kishi và các đồng nghiệp (1988) đã tạo ra quá trình este hóa bằng cách xử lý sợi gỗ với dung dịch MAPP Qua phân tích quang phổ cho thấy liên kết hóa học giữa MA với gỗ và PP đã xuất hiện

- 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 PP - sợi đay [19] Các tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng cách cho MAPP với các hàm lượng

khác nhau trong toluen với thời gian 5 phút và 10 phút Sau đó đem sấy chân không trong 2 giờ ở 75oC 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 MAPP cao hơn sẽ làm môđun đàn hồi giảm xuống Độ bền uốn tăng 40% khi xử lý bằng dung dịch MAPP 0,1% tỷ lệ trong toluen với thời gian

xử lý 15 phút Khi tăng nồng độ MAPP 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 vỏ trấu và hàm lượng chất biến tính MA đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit bột vỏ trấu và PP tái sinh [28] Nghiên cứu cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu compozit phụ thuộc vào hàm lượng và kích thước của bột gỗ, nhựa PP 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 MA, khi cho 2,5% trọng lượng MA thì độ bền kéo, độ bền kéo và môđun đàn hồi đều cao hơn

so với compozit không có MA

- Năm 1991, Felix J.Mvà đồng nghiệp đã sử dụng MAPP để xử lý cellulose trong sợi gỗ [27] Kết quả cho thấy, chất trợ tương hợp MAPP đã làm giảm góc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu, góc tiếp xúc nằm trong khoảng 130 – 140oC, khả năng kết dính tăng lên rõ rệt Kết quả nghiên cứu, các tác giả đã đánh giá được sự ảnh hưởng của chất trợ tương hợp đến khả năng thấm ướt của gỗ và liên kết giữa nhựa PP - bột

vỏ trấu- chất trợ tương hợp

- Năm 2010, Cao Jin-Zhen và các đồng nghiệp nghiên cứu sơ bộ về đặc tính dẻo của vật liệu compozit MAPP ghép với bột bột gỗ bạch dương và nhựa PP [24] 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 MAPP (0, 1, 2, 4, 8%) để nghiên cứu ảnh hưởng của MAPP 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 MAPP Khi biến tính bằng MAPP 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 MAPP ở 1% với tỷ lệ bột gỗ/PP là 60:40 Kết quả cho thấy việc sử dụng MAPP 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 PP gia cường bằng mùn cưa [22] Sản phẩm được chế tạo từ nhựa PP 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 compozit gỗ - nhựa cũng tăng lên

- Năm 2006, M.Khalid và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất trợ tương hợp MAPP lên đặc tính cơ học của vật liệu compozit sinh học PP gia cường bằng

sợi cây cọ dầu và cellulose [38] Trong nghiên cứu sử dụng chất trợ tương hợp MAPP

cho PP - cellulose (lấy từ cây cọ dầu) và PP - sợi từ cây cọ dầu (EFBF) Tỷ lệ trộn của

PP với cellulose và PP với EFBF là 70:30 trên máy trộn brabender tại nhiệt độ là 180oC MAPP được cho vào với các tỷ lệ 2, 3, 5 và 7% tỷ lệ so với PP trong quá trình trộn Kết quả cho thấy tỷ lệ của MAPP đã ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền

va đập của vật liệu Khi cho 30% tỷ lệ (cellulose và sợi) và 70% nhựa PP cho chất trợ tương hợp 2% MAPP thì cho kết quả tốt nhất đối với vật liệu PP - EFBF, độ bền kéo của PP - EFBF, tăng 58% so với khi không cho chất trợ tương hợp MAPP, nhưng lại không có sự thay đổi nhiều với vật liệu PP - cellulose

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu sử dụng sợi thực vật sản suất vật liệu compozit 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 compozit đã có các công trình nghiên cứu tiêu biểu như:

- Năm 2002, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo compozit trên cơ sở PP gia cường bằng sợi đay [5] Vật liệu được chế tạo bằng cách xếp các lớp màng PP - MAPP 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 MAPP

có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của compozit, độ bền kéo và độ bền uốn cực đại khi dùng 7% trọng lượng MAPP, 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 PP gia cường bằng hệ lai tạo tre, luồng - sợi thủy tinh [6] 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 190oC, áp

suất ép 100KG/cm2, gia nhiệt trong 60 phút, ép trong 30 phút, làm nguội đến 80oC 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

- Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát độ bền va đập của compozit PP - Bột trấu [4] Kết quả là độ bền va đập của compozit được khảo sát ở các hàm lượng bột: 30, 35, 40, 45, 50 và 55%, cùng với chất trợ tương hợp MAPP

có hàm lượng MA 0,5% Kết quả cho thấy, compozit với hàm lượng bột trấu 55% có độ bền va đập đạt 2,5KJ/m2, cao gấp 4 lần so với PP nguyên sinh

- Năm 2010, Đoàn Thi Thu Loan đã nghiên cứu cải thiện tính năng của vật liệu

compozit sợi đay/nhựa PP bằng phương pháp biến tính nhựa nền [12] Vật liệu gia công bằng hai công đoạn tạo hạt gỗ nhựa bằng máy ép đùn hai trục vít và tạo mẫu thử bằng phương pháp đúc tiêm (ép phun trong khuôn kín) Kết quả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các tác nhân tương hợp copolyme ghép của PP với MA (MAHgPP) đến tính chất của compozit nền nhựa PP gia cường bằng sợi đay Kết quả cho thấy, khi thêm 2% khối lượng Exxelor (Ex) vào nhựa nền PP thì khả năng kết dính tại bề mặt tiếp xúc được cải thiện đáng kể, nhờ vậy đã làm tăng độ bền kéo trượt, độ bền kéo, độ bền va đập và độ kháng nước của vật liệu tạo ra Tuy nhiên ảnh hưởng đến mô đun kéo ảnh hưởng không nhiều

- Năm 2011, Hà Tiến Mạnh và đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột

gỗ và nhựa polypropylen đến tính chất compozit gỗ - nhựa [13] Nguyên liệu sử dụng là

gỗ Keo tai tượng, nhựa tái chế PP và được pha trộn tỷ lệ gỗ/nhựa theo 3 cấp (50/50; 60/40; 70/30) trộn đều và được tạo hạt trên máy ép hai trục vít ở nhiệt độ 175oC tạo thành hạt gỗ nhựa; sau đó ép sản phẩm trên máy ép phẳng ở nhiệt độ 170oC dưới áp lực 1,5 - 7,5MPa trong chu kỳ ép là 40 phút Kết quả nghiên cứu đã xác định được sự ảnh hưởng của tỷ lệ bột vỏ trấu- nhựa đến một số tính chất của compozit gỗ - nhựa PE Tuy nhiên sự ảnh hưởng này chưa có sự khác biệt lớn

- Năm 2012, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của PGS.TS Vũ Huy Đại đã nghiên cứu công nghệ sản xuất compozit từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải [7] Vật liệu được chế tạo từ nhựa PP, PE, PVC tái chế với phế liệu gỗ keo tai tượng Kết quả

đã đạt được như: đã xây dựng được các bước công nghệ chủ yếu để xử lý tái chế các

loại nhựa này và các bước công nghệ tạo bột gỗ, keo tai tượng từ mun cưa, phoi bào, bìa bắp; Đã xác định được ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ/nhựa tái chế đến tính chất của hạt

và đã thiết lập được quy trình công nghệ tạo hạt gỗ nhựa với cấp tỷ lệ cho nhựa PP và

PE (bột gỗ 50%/nhựa 45%/trợ tương hợp 5%) và đề xuất được công nghệ sản xuất compozit gỗ-nhựa từ phế liệu gỗ và nhựa tái chế PP, PE, PVC trên máy ép đùn hai trục vít Cinnanici TS 80

- Năm 2013, đề tài thuộc chương KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước

KC.02/11-15 của TS Nguyễn Vũ Giang nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polylefin (polyetylen, polypropylen) khâu mạch (XLPO) và bột vỏ trấu biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội - ngoại thất [10] Vật liệu được chế tạo từ bột

vỏ trấuGiáng hương sau đó xử lý bột vỏ trấu bằng kiềm nóng để loại bỏ tạp chất có trong bột vỏ trấu và rửa sạch bằng nước cất rồi sấy khô; sau đó biến tính bề mặt bột vỏ trấubằng tetraethyl ortosilicat và 3 - glyxidoxyl propyl trimetoxy silan Dùng bột vỏ trấu

đã biến tính chế tạo vật liệu XLPE/bột vỏ trấu biến tính và XLPP/bột vỏ trấu biến tính với các yếu tố thay đổi như tỷ lệ bột vỏ trấu thay đổi từ 20-60%, nhiệt độ gia công từ 170-200oC, thời gian trộn từ 3-8 phút; phương pháp gia công là dùng thiết bị ép đùn một trục tạo hạt sau đó chuyển sang máy ép định hình tấm phẳng,… Kết quả đề tài đã xác định được các thông số công nghệ ảnh hưởng tới quá trình biến tính bột vỏ trấu Giáng hương và điều kiện gia công tối ưu cho hai loại vật liệu XLPE/bột vỏ trấu biến tính và XLPP/bột vỏ trấu biến tính

1.3 Vật liệu compozit gỗ - nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu

Vật liệu compozit gỗ - nhựa là loại vật liệu compozit được tổ hợp từ nhựa nhiệt dẻo như PP, cùng với cốt là các loại bột gỗ, sợi gỗ hay các loại sợi thực vật khác Ngoài

ra, trong quá trình chế tạo có thể có thêm một số chất phụ gia như phụ gia trợ tương hợp, phụ gia liên kết, phụ gia chống cháy và các loại phụ gia khác Sản phẩm WPC trên

cơ sở nhựa PP 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 [1,2,11,18]

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 PP và bột gỗ, từ đó sản phẩm WPC được phổ biến rộng trên thế giới [35]

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 compozit như: Làm ván sàn ngoài trời (hình 1.1) [36]

Hình 1.1 Vật liệu WPC sử dụng trong đời sống

Sản phẩm WPC có thể sản xuất bằng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép phẳng trong khuôn Gỗ gia cường 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 [21,23]

1.3.1 Thành phần chính của vật liệu compozit gỗ-nhựa trên cơ sở nhựa polypropylen với vỏ trấu

a, Vật liệu nền nhựa polypropylene

Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như

PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ

Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ

PP không màu không mùi,không vị, không độc Hạt nhựa PP cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su

Chịu được nhiệt độ cao hơn 100oC Tuy nhiên nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao bì PP (1400C), cao so với PE – có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác

đã bùng nổ và phổ biến rộng rãi sản xuất thương mại bắt đầu trên khắp châu Âu Hôm nay

nó là một trong những loại nhựa được sản xuất phổ biến nhất trên thế giới

Theo một số báo cáo, nhu cầu hiện tại của thế giới về vật liệu tạo ra một thị trường hàng năm khoảng 45 triệu tấn và ước tính rằng nhu cầu sẽ tăng lên khoảng 62 triệu tấn vào năm 2020 Những người sử dụng chính của polypropylen là ngành bao bì , tiêu thụ khoảng 30% tổng số, tiếp theo là sản xuất thiết bị điện sử dụng khoảng 13% Các thiết bị gia dụng và ô tô đều tiêu thụ 10% mỗi loại và vật liệu xây dựng sau đó chiếm 5% thị trường Các ứng dụng khác cùng chiếm phần còn lại của tiêu thụ polypropylen toàn cầu

Polypropylen có một bề mặt trơn trượt có thể làm cho nó có thể thay thế cho nhựa như Acetal (POM) trong các ứng dụng ma sát thấp như bánh răng hoặc để sử dụng như một điểm tiếp xúc cho đồ nội thất Có lẽ một khía cạnh tiêu cực của chất lượng này

là nó có thể khó khăn để liên kết polypropylen vào các bề mặt khác (tức là nó không tuân thủ tốt với keo nhất định mà làm việc tốt với nhựa khác và đôi khi phải được hàn trong trường hợp tạo thành một khớp là bắt buộc ) Mặc dù polypropylen trơn ở mức phân tử, nhưng nó có hệ số ma sát tương đối cao - đó là lý do tại sao acetal, nylon, hoặc PTFE sẽ được sử dụng thay thế Polypropylen cũng có mật độ thấp so với các loại nhựa thông thường khác, nghĩa là tiết kiệm trọng lượng cho các nhà sản xuất và nhà phân phối các bộ phận polypropylen đúc bằng khuôn Nó có tính kháng đặc biệt ở nhiệt độ phòng để dung môi hữu cơ như chất béo nhưng bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn (một vấn

đề tiềm ẩn trong quá trình đúc)

Một trong những lợi ích chính của polypropylen là nó có thể được sản xuất (hoặc thông qua khuôn CNC orinjection, thermoforming, hoặc crimping) vào một bản lề sống Bản lề sống là những miếng nhựa cực kỳ uốn cong mà không bị gãy (thậm chí trong phạm

vi chuyển động cực gần 360 độ) Chúng không đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng kết cấu như giữ một cửa nặng nhưng đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng không chịu tải như nắp trên một chai nước sốt cà chua hoặc dầu gội đầu Polypropylen là duy nhất chuyên nghiệp cho bản lề sống, vì nó không bị phá vỡ khi nhiều lần uốn cong Một trong những thuận lợi khác là polypropylen có thể được gia công bằng máy CNC để bao gồm bản lề sống cho phép phát triển mẫu nhanh hơn và rẻ hơn các phương pháp tạo mẫu khác

Một thuận lợi khác của polypropylen là nó có thể dễ dàng polyme hóa như polyethylene Polyme hóa thay đổi đáng kể tính chất vật liệu, cho phép ứng dụng kỹ thuật mạnh mẽ hơn là có thể với polypropylen nguyên chất (nhiều hơn một nhựa hàng hoá riêng của mình)

Các đặc tính đề cập ở trên và dưới đây có nghĩa là polypropylen được sử dụng trong nhiều ứng dụng: đĩa an toàn, máy rửa chén, cốc, hộp đựng đồ uống không rõ ràng

và nhiều đồ chơi

Trong thành phần chế tạo vật liệu compozit vật liệu nền PP thường chiếm 30 ÷ 60% thể tích của compozit và đóng những vai trò chính sau:

- Liên kết các vật liệu gia cường lại với nhau

- Phân bố tải trọng tác dụng lên vật liệu compozit bằng cách truyền tải trọng sang vật liệu gia cường

- Bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của hóa chất và hơi ẩm

- Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy cơ học (do mài mòn…)

- Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm

- Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả năng gia công… của compozit Ví dụ vật liệu nền dẻo dai sẽ tăng độ dẻo dai cho sản phẩm Đối với những ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật liệu nền là polyme nhiệt dẻo

- Ngoài ra, mô hình phá hủy của compozit bị ảnh hưởng nhiều bởi loại vật liệu nền cũng như tính tương thích với vật liệu gia cường

b, Vật liệu cốt vỏ trấu

Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần trên của hai mảnh của vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thành một cái râu Thành phần hóa học của trấu thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác, điều kiện khí hậu và đặc trưng vùng miền

Hình 1.2 Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa

Tỉ lệ silica cao, sự liên kết chặt chẽ giữa silica và ligin làm cho trấu không chỉ chống lại sự hút nước và sự phân hủy của nấm mà con kháng cự lại lớp vỏ của nó

và đạt 7.899 nghìn ha vào năm 2013 Diện tích của vụ lúa mùa có xu hướng giảm dần, còn diện tích của vụ đông xuân thì tăng dần theo từng năm Diện tích vụ hè thu giữ ở mức ổn định và bắt đầu có xu hướng tăng từ năm 2020

Từ năm 2015 trở lại đây sản lượng lúa gạo có xu thế tăng dần Ngoài việc tăng diện tích trồng lúa thì việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp bằng việc tạo

ra những giống lúa mới có năng suất cao, chống chọi được với nhiều loại sâu bệnh cũng góp phần nâng cao sản lượng lúa gạo của cả nước

Bộ NN&PTNT đang xây dựng Đề án quy hoạch sử dụng đất lúa đến năm 2020, tầm nhìn 2030 với mục tiêu đất trồng lúa phải được quản lý chặt chẽ, sử dụng tiết kiệm

và hiệu quả Còn theo thông tin từ hội nghị An ninh lương thực Việt Nam vừa diễn ra

do Bộ NN&PTNT và Viện chính sách lương thực quốc tế IFPRI tổ chức thì trong thời gian qua, nước ta đã đạt được những thành tích tương đối nổi bật về an ninh lương thực Theo số liệu thống kê cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu (vỏ trấu chiếm khoảng 20% khối lượng thóc) Như vậy, trung bình hàng năm thế giới tạo ra khoảng

150 triệu tấn vỏ trấu, lượng trấu của Việt Nam khoảng 8,94 triệu tấn chiếm khoảng 5,96% lượng trấu thế giới Hiện nay, lượng trấu này vẫn chưa được tận dụng một cách hợp lý nhất là ở những nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Phần lớn vỏ trấu được đốt hoặc đổ thẳng ra hệ thống kênh mương gây ô nhiễm môi trường

Sản lượng lúa gạo của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang có xu hướng gia tăng, điều đó đồng nghĩa với việc lượng vỏ trấu thải ra ngày càng nhiều Do

đó, tìm một giải pháp xử lý hiệu quả vỏ trấu là một bài toán hết sức cấp bách

c, Chất trợ tương hợp

Chất trợ tương hợp là các hợp chất cao phân tử có khả năng hoạt động bề mặt trong hỗn hợp polyme không đồng nhất Thông thường, mạch của chất trợ tương hợp có cấu trúc khối, trong đó một phần trộn lẫn với một cấu tử của hỗn hợp và phần còn lại trộn lẫn với cấu tử thứ hai Cấu trúc khối này có thể được chế tạo trước và thêm vào hỗn hợp polyme không tương hợp, ngoài ra cũng có thể được tạo ra tại chỗ trong quá trình trộn hợp, tuy nhiên để có thể tiến hành tương hợp tại chỗ thì các cấu tử của hỗn hợp phải có khả năng phản ứng với nhau [26]

Hiện nay có rất nhiều loại chất trợ tương hợp đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghệ sản xuất WPC [30] như MAPE; MAPP, PVAC, PMAA,…Các chất trợ tương hợp này thường được sử dụng cùng với một số chất khác làm tác nhân khơi mào phản ứng tạo liên kết Tùy vào chủng loại nhựa nền và vật liệu gia cường mà người ta lựa chọn các chất trợ tương hợp và chất khơi mào cho phù hợp

Người ta sử dụng chất tương hợp với mục đích kết hợp những vật liệu có những đặc tính khác nhau, để hình thành các hỗn hợp có đặc tính cộng hợp, hoặc để đạt được những hợp chất có đặc tính mới

Trong lĩnh vực nhựa, người ta sử dụng chất tương hợp trong:

Tăng liên liên kết giữa nhựa và các hợp chất vô cơ: Xử lý bề mặt các hợp chất vô

cơ để trở thành các loại độn gia cường cho nhựa, giúp nhựa cải thiện một số đặc tính:

độ cứng, khả năng chịu nén, khả năng chịu nhiệt, cường lực kéo đứt,…

Trong kết ghép giữa nhựa và các kim loại, sử dụng nhiều trong lĩnh vực: tạo màng đa lớp (với màng nhôm) có tính chống thấm khí cao, đùn bọc cáp điện,…

Tạo liên kết giữa nhựa và các hợp chất hữu cơ khác: Trong xử lý bề mặt các hạt màu (pigment), trong sản xuất sản phẩm nhựa gỗ (WPC),…

Trong quá trình tạo kết dính giữa các loại nhựa có bản chất tương hợp kém với nhau, như trong: tạo hỗn hợp nhự (ví dụ: PE/PA, PA/PC,….), trong sản xuất các loại màng đa lớp của các vật liệu phân cực khác nhau (PE/PA, PVOH/PE,…)

d, Phụ gia phân tán và chất ổn định

Chất trợ ổn định: Chất trợ ổn định sẽ chậm quá trình lão hóa của vật liệu nhựa, các chất trợ ổn định thường được sử dụng như phosphit hữu cơ, hỗn hợp epoxy, chất phòng lão hóa đa nhân phenol (như Bisphenol A), chất hấp thụ tia UV Benzo-triazole (như Cyasorb, Tinuvin) [8,20,34]

Chất độn: Chất độn được thêm vào để tiết kiệm nguyên liệu cốt, giảm độ co ngót, giảm giá thành sản phẩm; chất độn thường sử dụng nhất là canxi cacbonate (CaCO3)[20,34]

Chất hóa dẻo: Chất hóa dẻo được thêm vào vật liệu để lảm cải thiện khả năng gia công, độ mềm dẻo và khả năng dãn dài Chất hóa dẻo làm giảm độ nhớt, nhiệt độ chuyển thủy tinh và mô đun đàn hồi của sản phẩm mà không làm thay đổi tính chất hóa học của vật liệu được hóa dẻo Các chất hóa dẻo thường được sử dụng như: Phtalates (DOP, DIOP, DINP…); Monocarboxylic acid ester (acetate, propionate, glycolic acid ester, benzoic acid ester); Phosphate (ngoài tác dụng hóa dẻo còn có tác dụng chống cháy); Chất hóa dẻo polyeste [8,21]

Chất bôi trơn: Nhựa nhiệt dẻo thường được gia công ở nhiệt độ trên nhiệt độ

nóng chảy hoặc trên nhiệt độ chuyển thủy tinh đối với loại nhựa vô định hình Do khối

lượng phân tử lớn nên nhựa chỉ có thể được đẩy và định dạng dưới áp suất cao, lực chuyển dịch làm hao tốn nhiều nguyên liệu Nhiệt sinh ra trong quá trình này làm gia tăng quá trình phân hủy hoặc ảnh hưởng xấu đến hệ phân tán nhiều pha Ngoài việc ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái chảy của vật liệu, chất bôi trơn còn có tác dụng như làm sản phẩm bóng láng hơn, giúp phân tán độn và màu dễ dàng hơn [8,21]

1.3.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa

Công nghệ chế tạo vật liệu compozit rất phong phú và đa dạng Tùy thuộc vào yêu cầu, tính chất của sản phẩm mà có thể thay đổi và lựa chọn phương pháp phù hợp

a, Phương pháp đúc ép nóng (hot moulding)

Phương pháp gia công bằng cách ép khuôn khá phổ biến và 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 Nhưng ngày nay do có các phương pháp khác dùng để gia công nhựa nhiệt dẻo có lợi hơn và chất lượng cao hơn như phương pháp đúc dưới áp suất Vì vậy, phương pháp này chủ yếu chỉ để gia công các loại nhựa nhiệt rắn và hỗn hợp cao

Để có thể lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng và đạt hình dạng

sử dụng cuối cùng của sản phẩm, nguyên liệu trong vùng tạo hình phải được chuyển qua trạng thái rắn Đối với nhựa nhiệt rắn, quá trình chuyển trạng thái này được thực hiện nhờ các phản ứng hoá học xảy ra ở nhiệt độ gia công để tạo thành mạng lưới không gian Đối với nhựa nhiệt dẻo thì quá trình chuyển trạng thái này xảy ra do quá trình làm nguội đến nhiệt độ dưới thời gian của nhựa

Tuỳ theo nhiệt độ của giai đoạn thành hình, người ta chia phương pháp ép trực tiếp thành 2 loại:

- Ép nóng: Nhiệt độ giai đoạn thành hình cao, thường trong khoảng 120 ÷ 1800C

- Ép nguội: Nhiệt độ giai đoạn thành hình là nhiệt độ thường

Phương pháp ép nóng thích hợp cho gia công nhựa nhiệt rắn vì nhiệt độ cao thuận lợi cho phản ứng đóng rắn xảy ra và khi lấy sản phẩm ra không cần phải làm nguội khuôn Do đó, rút ngắn được chu kỳ, tiết kiệm được năng lượng

Nhựa cốt được phân bố đều mặt khuôn đúc dưới áp suất và nhiệt độ cao Sản phẩm được định hình theo ba chiều, kỹ thuật đúc ép được sử dụng để tạo những sản phẩm có kích thước lớn Sản phẩm được định hình sau khi làm nguội

Hình 1.3 Phương pháp đúc ép nóng

b, Phương pháp ép đùn

Phương pháp này là phương pháp gia công liên tục để sản suất ra loại compozit dạng profile với bất cứ độ dài nào yêu cầu Sợi tẩm sẳn được kéo qua một lỗ (có lõi gia nhiệt), với hình dạng theo chiều cắt ngang bề mặt của sản phẩm Sản phẩm được định hình khi nhựa khô Ưu điểm của phương pháp này là sản xuất sản phẩm thành mỏng với

đa dạng độ dài, bề mặt cắt ngang, dễ dàng tự động hóa Nhược điểm của phương pháp này là hạn chế sự thay đổi hình dạng sản phẩm theo chiều dài của sản phẩm là không thể

Máy đùn trục vít là một phương pháp gia công chủ yếu cho nhựa nhiệt dẻo, các loại vật liệu có độ đàn hồi cao như cao su, đôi khi cũng gia công cho nhựa nhiệt dẻo rắn, vật liệu được đẩy liên tục qua một khe hở có tiết diện không đổi gọi là đầu tạo hình [14,16]

Sản phẩm được định hình theo hai chiều, độ chính xác của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, gia công nhiệt (nhiệt độ, áp suất ), sau khi ra khỏi đầu tạo hình kéo

Bịt nhựa thứ cấp

căng định hình hay có bộ phận tiếp nhận hoặc kết hợp với nhiều bộ phận xử lý phôi đùn khác Máy đùn dung để sản xuất những mặt hàng như màng mỏng (film), tấm, sợi, thanh, ống, bọc cáp điện, các sản phẩm rỗng

Hình 1.4 Phương pháp ép đùn

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu compozit gỗ-nhựa

a, Ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC

Ảnh hưởng của chủng loại nguyên liệu: 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 compozit 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 vỏ trấu có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu Nếu bột vỏ trấu có kích thước quá lớn thì quá trình phối trộn không tốt, khả năng hòa trộn giữa bột vỏ trấu và nhựa không đều gây khuyết tật cho sản phẩm Ngược lại nếu bột vỏ trấu 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 vỏ trấu đều hơn, sản phẩm ít bị khuyết tật Nhưng kích thước vỏ trấu 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 vỏ trấuthích hợp để sản xuất vật liệu WPC khoảng ≤ 1,2mm [21,27,40]

- Giá đăt sợi thô

- Nhúng nhựa

- Định hình, nhúng tăng cường

- Làm khô

- Độ chính xác cơ học điều khiển bộ phận kéo

chuyển động qua lại cho tốc độ không đổi

không phụ thuộc lực kéo

- Cưa cắt khô hoặc ướt

- Khung đỡ máy

- Tiếp liệu định hình và nhúng sợi

- Đùn cán bằng nhiệt

- Giá treo thiết bị điều khiển chính

- Bộ phận kéo chuyển động qua lại

- Cưa cắt ngang