NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP POLYETHYLENEGRAFTSILANE LÊN COMPOSITE NHỰA PE VÀ BỘT TRẤU

Tuy nhiên sự liên kết của nhựa PE và Bột trấu rấtthấp, vì vậy nhằm cải thiện sự tương tác giữa các bề mặt không tương hợp, thêm vàochất tương hợp hoặc biến tính bề mặt của sợi hoặc nhựa

BỘT TRẤU

Tác giả

HỨA HOÀNG TIẾN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn

ThS TRẦN VĨNH MINH

Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ba, má và những người anh, chị đãthương yêu, chăm sóc và dạy dỗ để con có được như ngày hôm nay.

Xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Hóa Học vànhững thầy cô đã tận tình giảng dạy trong suốt bốn năm đại học, cho em những kiếnthức quý báu để em có thể hoàn thành Khoá luận này

Xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp qúy báu từ anh Trần Vĩnh Minh

là kỹ sư tại trung tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su thành phố Hồ Chí Minh, người đãhết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và dõi theo bước đi của em trong suốt quá trình làm Khoáluận

Đồng cảm ơn các anh chị trong trung tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su cùng cácbạn sinh viên trong ngoài trường đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn mọi người!

Sinh viên thực hiện

Hứa Hoàng Tiến

graft-Silane lên composite nhựa PE và bột trấu” được tiến hành tại trung tâm kỹ thuật

chất dẻo và cao su thành phố Hồ Chí Minh (PRT) dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ:

Trần Vĩnh Minh; thời gian từ 1/3 đến 1/7 Thí nghiệm được bố trí theo kiểu hoàn

toàn ngẫu nhiên

Theo phạm vi đề tài nghiên cứu, bước 1 tạo ra chất tương hợp hợppolyethylene-graft-Silane bằng phương pháp peroxyt với HDPE có chỉ số chảy0,03g/10min (ASTM D-1238), hàm lượng Silane là: 1% và DCP (Dicumyl peroxide)là: 0.1% Nhiệt độ trộn: 1600C, thời gian: 3 phút Sau đó các PE-graft-Silane ở cáchàm lượng 1%, 3%, 5% được dùng vào quy trình tạo mẫu composite với các tỉ lệ 40%nhựa HDPE với 60% bột trấu và 60% nhựa HDPE với 40% bột trấu

Kết quả thu được là sự khác biệt về cơ tính giữa các hỗn hợp phối trộn với tỷ lệchất tương hợp khác nhau Trên cơ sở này tùy theo các đặc tính cơ lý mà chúng ta cóthể chọn được tỉ lệ trộn phù hợp để thu được hiệu quả kinh tế cũng như yêu cầu sửdụng Khảo sát cho thấy cơ tính của các mẫu trấu mịn có đặc tính cơ lý cao hơn mẫu

có kích thước trấu lớn hơn Khảo sát cho thấy khi sử dụng phụ gia thì cơ tính tăng sovới không sử dụng và ở các hàm lượng phụ gia 1%, 3%, 5% độ bền tăng dần

The researching subject “ Research effect of coupling agent polyethylene –graft – Silane to polyethylene and rice husk’S composite is practised at Plastic andRuber Technology Center in Ho Chi Minh City This subject is completed byMA.Tran Vinh Minh’S guide from date march 1st to july 1st, 2009.

This restriction of subject: The first, we get coupling agent polyethylene – graft– silane by peroxide method, silane content is 1%, dycumyl peroxide content is 0,1%,mixed tempereture is 160oC and mixed time is three minutes Then, we begin getcomposite with coupling agent content: 1%, 3%, 5%; rice husk and HDPE content are40%60% and 60% 40%

The researching subject was get composite materials There are differentiation

of endurance between samples contain rice husk and HDPE content and couplingagent content different Thence, we can choice that different ratio of content toproduce By the researching subject, we realize mechanical endurance of samplecontain fine rice husk is better than sample contain bigger rice husk size

The studying find endurance of samples increase when we used coupling agentincrease: 1%, 3%, 5%

Lời cảm tạ ii

Tóm tắt đề tài iii

Summary iv

Mục lục v

Danh sách chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng biểu xiii

Chương I: Mở đầu 1.1 Giới thiệu tổng quát 1

1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài 2

1.3 Yêu cầu 2

1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài 3

Chương II: Tổng quan lý thuyết 2.1 Lịch sử phát triển 4

2.2 Thành phần WPC 7

2.2.1 Polyme nền 7

2.2.1.1 Poly vinyl clorua (PVC) 7

2.2.1.2 Polypropylen 9

2.2.1.3 Polyetylen 10

2.2.2 Vật liệu gia cường 12

2.2.3 Chất tương hợp 13

2.2.4 Tính chất liên diện 14

2.2.5 Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia cường với vật liệu nền 15

2.3.1 Phương pháp 17

2.3.1.1 Phương pháp tiền xử lý 17

2.3.1.2 Trộn trực tiếp 18

2.3.2 Các phương pháp gia công composite 19

2.3.2.1 Phương pháp đắp 19

2.3.2.2 Phương pháp ép phun 19

2.3.2.3 Phương pháp đùn 20

2.3.2.4 Phương pháp đúc ép 20

2.3.2.5 Phương pháp đúc chuyển 21

2.3.2.6 Phương pháp pulltrution 21

2.3.2.7 Phương pháp quấn 21

2.4 Tổng quan về trấu 22

2.4.1 Cấu trúc của trấu 24

2.4.2 Tính chất vật lý của trấu 26

2.4.3 Ứng dụng làm composite của vỏ trấu 29

2.4.4 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu 30

2.4.4.1 Cellulose 30

2.4.4.2 Hemicellulose 37

2.4.4.3 Lignin 39

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Nguyên liệu 42

3.1.1 Polyethylene (PE) 42

3.1.2 Chất liên diện Silane A 174 (Hãng General Electric) 42

3.2.1 Bột trấu 43

3.2.2 Phối trộn chất tương hợp PE – graft – Silane 44

3.2.3 Qui trình tạo mẫu composite 45

3.3 Thiết bị 46

3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 46

3.3.2 Thiết bị đo 47

3.4 Tiêu chuẩn đánh giá 47

3.4.1 Tính chất cơ học 47

3.4.2 Nhiệt độ biến mềm vicat – ASTM D 1525 48

3.4.3Phương pháp hiển vi điện tử 48

Chương IV: Kết quả và bàn luận 4.1 Ảnh hưởng kích thước hạt đến tính chất cơ lý của composite nhựa PE và bột trấu 50

4.2 Ảnh hưởng của chất tương hợp PE - graft – Silane và hàm lượng bột trấu lên tính chất cơ lý của composite nhựa PE và bột trấu 54

4.3 So sánh tính chất cơ lý của composite thí nghiệm với mẫu của hãng North Wood Plastics.INC 60

Chương V: Kết luận 5.1 Các kết quả đạt được 62

5.2 Kết luận 62

5.3 Hướng phát triển của đề tài 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

PP: Polypropylene

HDPE: High Density Polyethylene

PE: Polyethylene

ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

PE – g – Silane: Polyethylene – graft – Silane

SEM: Scanning electron microscopic

Hình 2.1: Các lĩnh vực ứng dụng WPC trên thị trường 6

Hình 2.2: Chu trình sản xuất tấm composite gỗ 6

Hình 2.3: Cấu trúc phân tử PVC 8

Hình 2.4: Cấu trúc phân tử polypropylene 9

Hình 2.5: Cấu trúc phân tử PE 10

Hình 2.6: Copolymer của hai polymer A và B 13

Hình 2.7: Sơ đồ phản ứng tạo PE – Graft – Silane 14

Hình 2.8: Mô tả góc thấm ướt bề mặt 15

Hình 2.9: Kết dính giữa nhựa nền và sợi bằng liên kết tĩnh điện 16

Hình 2.10: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học 16

Hình 2.11: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học 16

Hình 2.12: Mô tả sự khuếch tán 17

Hình 2.13: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đắp 19

Hình 2.14: Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun 19

Hình 2.15: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đùn 20

Hình 2.16: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép 20

Hình 2.17: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc chuyển 21

Hình 2.18: Mô hình gia công composite bằng phương pháp pulltrution 21

Hình 2.19: Mô hình gia công composite bằng phương pháp phương pháp quấn 22

Hình 2.20: Lúa được đem đến để xay 22

Hình 2.21: Bãi chứa vỏ trấu 22

Hình 2.22: Cấu trúc SiO2 25

Hình 2.24: Ảnh CSLM của phân tử trấu ở những nhiệt độ khác nhau 26

Hình 2.25: Thay đổi bán kính (a) và tỷ lệ thành phần (b), của những phân tử khác nhau ở 200oC/phút trong điều kiện Argon với khí oxy, áp suất 10-12atm 27

Hình 2.26: Hình ảnh phân tử trấu mềm và chảy ra 27

Hình 2.27: a Ảnh SEM bề mặt phân tử trấu 28

b Ảnh SEM liên kết ngang trong phân tử trấu 28

Hình 2.28: a: Bề mặt phân tử tại 350oC 28

b:Mặt cắt ngang của phân tử tại 350oC 28

Hình 2.29 a: Bề mặt trấu tại 8500C 29

b: Mặt cắt ngang của trấu tại 8500C 29

Hình 2.30: Sản phẩm từ bột trấu kết hợp với keo từ dầu điều biến tính 30

Hình 2.31: Profile composite từ nhựa nhiệt dẻo và Bột trấu 30

Hình 2.32: Cấu trúc cellulose: (a) dạng lập thể 31

(b) công thức theo Haworth 31

(c) công thức theo Mill 31

Hình 2.32: Đơn vị tế bào cơ bản của cellulose: a Đơn vị tế bào của cellulose I 32

b Giả thiết sự sắp xếp của phân tử trong tinh thể cellulose I (từ Meyer và Misch) 32

c Đơn vị tế bào của cellulose II 32

Hình 2.33: Hệ thống liên kết hyđro trong cellulose I Mỗi đơn vị mắc xích D-glucose có 2 liên kết H nội phân tử và 1 liên kết H ngoại phân tử 33

Hình 2.34: Hexose và pentose có trong thành phần Hemicellulose 37

Hình 2.35: Đơn vị cấu trúc cơ bản của Lignin 39

Hình 3.2: Bột trấu sau khi nghiền mịn 43

Hình 3.3: Sơ đồ tạo chất tương hợp PE-graft-Silane 44

Hình 3.4: Sơ đồ phản ứng tạo PE-graft-Silane 45

Hình 3.5: Sơ đồ tạo mẫu composite PE- Bột trấu 45

Hình 3.6: Máy trộn Brabender và khoan trộn 46

Hình 3.7: Máy ép tạo mẫu 47

Hình 4.1: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt mịn (M) và vừa (V) (tỷ lệ: 40PE-60BT) 50

Hình 4.2: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt mịn (M) và vừa (V) (tỷ lệ: 60PE-40BT) 50

Hình 4.3: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ (40PE-60BT) 51

Hình 4.4: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (60PE-40BT) 51

Hình 4.5: Độ bền va đập của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (40PE-60BT) 52

Hình 4.6: Độ bền va đập của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (60PE-40BT) 52

Hình 4.7: Độ bền uốn của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (40PE-60BT) 53

Hình 4.8: Độ bền uốn của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (60PE-40BT) 53

Hình 4.9: Độ bền kéo của mẫu trấu mịn (tỉ lệ 60PE-40BT) 54

Hình 4.11: Độ dãn dài của mẫu trấu mịn (tỉ lệ 60PE-40BT) 55

Hình 4.12: Độ dãn dài của mẫu trấu vừa tỉ lệ (40PE-60BT) 55

Hình 4.13: Độ bền va đập của mẫu trấu mịn 56

Hình 4.14: Độ bền va đập của mẫu trấu vừa 56

Hình 4.15: Độ bền uốn của mẫu trấu mịn 57

Hình 4.16: Độ bền uốn của mẫu trấu vừa 57

Hình 4.17: Nhiệt độ mềm vicat của các mẫu trấu mịn 58

Hình 4.18: Hình SEM mẫu 40PP-60BT-0 58

Hình 4.19: Hình SEM mẫu 60PP-40BT-0 58

Hình 4.20:Hình SEM mẫu 60PE-40BT-5%PEgSi 59

Hình 4.21:Hình SEM mẫu 40PE-60BT-5%PEgSi 59

Bảng 2.1:Tính chất vật lý của một số vật liệu 12

Bảng 2.2:Thống kê sản xuất lúa, trấu và tro 23

Bảng 3.1 Các thông số của HDPE 42

Bảng 3.2 Tính chất vật lý của Silane A 174 43

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của Bột Trấu 43

Bảng 3.4: Tạo mẫu composite với kích thước Mịn (M)và Vừa (V) 44

Bảng 3.5: Bố trí thí nghiệm tạo chất tương hợp PE-graft-Silane 44

Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm tạo composite PE - Bột trấu 45

Bảng 4.1:Tính chất cơ lý của các mẫu composite 49

Chương I

MỞ ĐẦU1.1 Giới thiệu tổng quát

Polymer là một trong những loại vật liệu có ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay

Nó được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp như điện, hóa chất,côngnghiệp nhẹ,…, trong y học, trong nghiên cứu khoa học và phổ biến nhất là trong đờisống hằng ngày

Ngày nay khoa học polymer là một trong những ngành khoa học phát triển rấtmạnh mẽ, với những nhu cầu khác nhau trong đời sống và công nghiệp Những tínhchất của polymer ngày càng được yêu cầu cao hơn Do vậy, nó thúc đẩy sự tìm tòinghiên cứu của những nhà khoa học vật liệu để tìm ra những loại polymer mới, vậtliệu mới như composite có tính chất ưu việt hơn

Nước ta hàng năm phải nhập khẩu hàng triệu tấn nhựa Việc tăng giá nguyênliệu sẽ làm tăng giá thành các sản phẩm, giảm tính cạnh tranh và hiệu quả kinh tế củangành nhựa Mặt khác, ước tính hàng năm có khoảng gần 2 triệu tấn trấu được thải ra

từ các cơ sở xay xát Nhiều nhà máy, xí nghiệp mà chủ yếu ở phía Nam đang phải đốimặt với việc xử lý lượng phế thải khổng lồ trên (không đủ mặt bằng kho chứa và thiếuđầu ra ) Vật liệu Composite từ nhựa Polyolefine và bột gỗ cần thiết cho đặc trưngriêng thân thiện với môi trường đã và đang được phát triển., trong khi các nguồn nhiênliệu thiên nhiên bị giới hạn và những qui định về môi trường rất khắc khe Yêu cầu tiếtkiệm nguồn nguyên liệu hóa thạch và bảo vệ bầu khí quyển khi phải được quan tâmkhi phát triển những vật liệu mới Do đó vật liệu tái chế và thân thiện môi trường rấtđược quan tâm

Do đó việc thay thế vật liệu nhựa gỗ cho nhựa nguyên chất ở một vài lĩnh vựckhông đòi hỏi tính năng cơ lý cao như: vách ngăn, ống dẫn nước… là một xu thế Ứngdụng vật liệu nhựa mới nhưng giữ được các tính năng của nhựa và giảm giá thành làmối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất hiện nay

Các loại vật liệu nhựa nền thích hợp cho sợi thực vật gia cường là nhựa nhiệtrắn, nhựa nhiệt dẻo và polyolefine (PE,PP), nhựa PP có những ưu điểm về kinh tế, sinhthái học và yêu cầu kỹ thuật (độ ổn định nhiệt cao hơn PE) Nhưng PE là loại polymernhiệt dẻo được ưa chuộng nhất, các sản phẩm WPC trên nền PE chiếm hơn 80% thịtrường trên thế giới Nhờ có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (dao động từ 60 đến

1300C, phụ thuộc vào tỷ trọng và mức độ phân nhánh), nên khi trộn với bột gỗ trongđiều kiện nóng chảy, bột gỗ không bị phân hủy nhiệt Hơn nữa, PE nóng chảy có khảnăng phân tán tốt các chất độn cũng là một thuận lợi của cho quá trình sản xuất WPC

PE khá mềm, sản phẩm WPC từ PE có thể cưa, cắt, đóng đinh, vít ốc Cũng như PP,

PE có khả năng kháng hút ẩm khá cao và trơ với nhiều loại acid mạnh PE cũng ít bịoxi hoá hơn các loại polyolefin khác

Hiện nay Bột trấu ở nước ta sử dụng chủ yếu làm chất đốt và làm phụ gia trongngành xi măng, thức ăn gia súc, tuy nhiên giá trị mang lại không cao Trong đề tài nàychúng tôi nghiên cứu ứng dụng Bột trấu vào trong compsosite nhựa PE để tạo ra cácsản phẩm thay thế gỗ với nhiều ưu điểm kháng nước, chịu được ánh nắng, thân thiệnvới môi trường, giá thành hạ, chúng ta chủ động nguồn nguyên liệu và giải quyết vấn

đề ô nhiễm môi trường cho ĐBSCL Tuy nhiên sự liên kết của nhựa PE và Bột trấu rấtthấp, vì vậy nhằm cải thiện sự tương tác giữa các bề mặt không tương hợp, thêm vàochất tương hợp hoặc biến tính bề mặt của sợi (hoặc nhựa nền) là điều được nhìn nhận

Có nhiều phương pháp để tăng độ kết dính của nhựa PE và Bột trấu hay sợi cellulose,phương pháp phổ biến hiện nay được dùng là sử dụng phụ gia nối ghép trong quá trìnhgia công nóng chảy

1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Tạo composite nhựa polyethylene và bột trấu có cơ tính tốt có thể cạnh tranhvới các sản phẩm tương tự trên thị trường

Tận dụng phụ phẩm từ ngành xay xát và chế biến gỗ tạo ra sản phẩm có giá trị,tránh được một tác nhân gây ô nhiễm môi trường

1.3 Yêu cầu

Khảo sát ảnh hưởng của các đặc tính sau lên composite nhựa gỗ:

 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt bột trấu đến tính chất của compositenhựa PE và Bột trấu

 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến tính chất của compositenhựa PE và Bột trấu

 Khảo sát ảnh hưởng của chất tương hợp PE-g-Silane, trên tính chất cơ lý,tính chất nhiệt, của sản phẩm composite nhựa PE và Bột trấu

1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài

Trong phần nghiên cứu này sử dụng bột trấu nghiền mịn gia cường cho nhựa PE Bộttrấu được nghiền mịn và được rây trên 2 kích thước hạt khác nhau bao gồm 40µm và100µm PE-g-Silane, Silane (silane A 174 Methacryloxypropyltrimethoxysilane) được

sử dụng làm chất tăng cường sự kết dính của nhựa nền và bột trấu Hàm lượng bột trấuđưa vào với hàm lượng 40% và 60% Hàm lượng chất tương hợp PE-g-Silane sử dụng1%, 3%, 5%

Chương II TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Nhựa giả gỗ (WPC) đã thu hút một lượng lớn những nghiên cứu khoa học trongnhững năm gần đây nhờ những tính chất tương đối tốt và giá cả hợp lý của chúng.WPC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với những tác động thân thiện đếnmôi trường Trong số đó, nhựa polyethylene giả gỗ (WPC/PE) nổi bật vói những tínhchất như độ bền cơ học, độ bền hoá học, tính kháng thấm nước cũng như giá thànhsản xuất

Mỹ là nơi WPC bắt đầu phát triển mạnh mẽ trong những thập niên gần đây,mặc dù châu Âu là nơi phát triển WPC sớm nhất Năm 1983, công ty AmericanWoodstock, nay là thành viên của Tập đoàn Lear Corporation (Sheboygan, bangWisconsin) bắt đầu sử dụng kỹ thuật của Italy sản xuất WPC làm các thiết bị bên trongphục vụ cho ngành công nghiệp tự động (Schut 1999) Công thức chế tạo WPC mà

hãng này sử dụng bấy giờ là polypropylen và khoảng 50% gỗ Đây là một trong nhữngứng dụng WPC đầu tiên tại Hoa Kì.

Đến đầu những năm 90, Advanced Environmental Recycling Technologies(AERT, Junction, TX) hợp tác với Mobil Chemical Company tiến hành sản xuất WPCchứa khoảng 50% gỗ trpng nền polyetilen Các sản phẩm của composit loại này là vánlót sàn nhà, gỗ trang trí, bàn di động, cửa sổ…(Youngquist 1995) Ngày nay, ván lótsàn nhà là loại WPC được ưa chuộng và phát triển mạnh nhất

Năm 1996, nhiều công ty bắt đầu sản xuất hỗn hợp nhựa-gỗ (hoặc sợi tự nhiênkhác) dưới dạng viên để cung cấp cho những nhà sản xuất WPC Từ giữa thập niên 90,hoạt động của ngành công nghiệp WPC phát triển đột biến, kỹ thuật sản xuất được cảitiến nhanh chóng Lúc này, mặc dù sản phẩm WPC chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốntrong tổng sản phẩm của ngành chế biến gỗ, nhưng lại là một hướng đi hoàn toàn đúngtrong chiến lược phát triển của nhiều công ty Chính vì vậy, trong giai đoạn này cũngdiễn ra các cuộc sát nhập của các công ty với nhau, thậm chí có sự liên kết giữa cáccông ty chuyên về nhựa và các công ty chuyên về gỗ Theo báo cáo của Kline &Company (bang New Jersey, Hoa Kỳ), năm 2000, nhu cầu sử dụng gỗ và sợi trongcông nghiệp WPC là 180 000 tấn, chiếm 7% tổng nhu cầu chất độn công nghiệp nhựa.Con số tương ứng năm 2001 là 320 000 tấn Còn theo công ty Eckert, thị trường WPCđược chia ra thành các lĩnh vự chính như: xây dựng, tiêu dùng công nghiệp, tự động,

cơ sở hạ tầng…với các tỷ lệ như sau:

Tự độngKhác

Hình 2.1: Các lĩnh vực ứng dụng WPC trên thị trường.

Năm 1991, Hội nghị Quốc tế về WPC lần đầu tiên được tổ chức tại Mandison,Wisconsin với khoảng hơn 50 nhà khoa học tham dự Sự kiện này cho thấy một cáinhìn mới và đánh dấu một bước ngoặc của ngành công nghiệp WPC Sau đó, Hội nghịQuốc tế về WPC được tổ chức cứ hai năm một lần, Hội nghị lần thứ 7 năm 2003 tạiMadison thu hút trên 400 nhà khoa học gia tham dự Con số này cho thấy WPC ngàycàng giành được nhiều sự quan tâm của giới hàn lâm và mở ra hướng phát triển bềnvững trong tương lai gần

Composite là vật liệu của tương lai, nó đang thay thế dần cho các vật liệutruyền thống như gỗ, kim loại, sứ

Hình 2.2: Chu trình sản xuất tấm composite gỗ.

Từ góc độ kỹ thuật, composite nhựa-gỗ được cho là có thể tạo ra một sản phẩmvới cấu trúc cứng chắc, sản phẩm giống tự nhiên, có mùi dễ chịu và có thị trường tiêuthụ lớn Vật liệu này rất thích hợp để làm các bộ phận có thành dày, các bộ phận cần

độ cứng và ổn định về kích thước Composite nhựa-gỗ có khả năng kháng vỡ kém hơnnhiều so với nhựa khuôn ép phun và không thể chịu được va đập quá cao Khi hàmlượng nhựa nhiều có thể cải thiện tính kháng va đập do nhựa có tính mềm dẻo hơn gỗ

2.2 Thành phần WPC

Ngày nay, quá trình sản xuất WPC dựa trên 3 thành phần chính: polyme nền, gỗ

và chất tạo cầu (coupling agent) Ngoài ra còn có vài chất phụ gia khác với hàm lượngkhông đáng kể

có thể tiến hành ở điều kiện thường và gia công bằng tay

Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn so với nhiệt dẻo vì vậy

mà đa số vật liệu composite đều có polymer nền là nhưạ nhiệt rắn Sau đây là một sốloại nhựa nền thường được sử dụng

2.2.1.1 Polyvinylclorua (PVC)

Hiện tại, các sản phẩm ứng dụng WPC-PVC chỉ chiếm một phần rất nhỏ trênthị trường, thậm chí còn ít hơn PP Điều này được giải thích là do PVC bị xem là vậtliệu ít thân thiện với môi trường Tuy nhiên, so với PE và, PP thì PVC có tính năng cơ

lý rất tốt Hơn nữa, PVC cũng là loại vật liệu kháng cháy khá hiệu quả-một tính chấtquan trọng đối với WPC Do đó, hiện tại PVC vẫn đang được nghiên cứu và phát triển.Trong phạm vi đề tài này, PVC được chọn làm vật liệu nghiên cứu chính

Hình 2.3: Cấu trúc phân tử PVC.

Về tính điều hoà, hầu như PVC ở dạng atactic, tuy nhiên, tại một số vị trí trênmạch, PVC có thể ở dạng syndiotactic và tại đó hình thành pha tinh thể Mức độ tinhthể trong PVC không nhiều, chỉ khoảng 5% Phân tử lượng trung bình khối của PVCkhoảng 100 000-200 000, trong khi phân tử lượng trung bình số khoảng 45 000-64

000 Tỷ trọng của PVC khoảng 1.32-1.44 g/cm3, cao hơn PE và PP

Có hai dạng PVC cơ bản là PVC rắn và PVC hóa dẻo PVC rắn là PVC khôngđược biến tính hoặc không chứa chất hóa dẻo PVC rắn rất cứng so với PE và PP, thẻtín dụng được làm từ loại PVC này PVC cứng khi trộn với chất hóa dẻo được gọi làPVC hóa dẻo (hay PVC mềm) PVC có những nhược điểm nhất định, chẳng hạn nhưtính giòn cao và tính bền nhiệt thấp Ở ngay tại nhiệt độ phòng, PVC cũng dễ gãy giòn,liên quan tới nhiệt độ thủy tinh hóa khá cao, từ 70-900C Trong khoảng nhiệt độ thủytinh hóa tới điểm chảy, mạch polymer chuyển động không tự do vì có những vùng tinhthể đan xen trong mạch Cấu trúc tinh thể sẽ không chuyển động tự do cho đến khinhiệt độ vượt quá điểm chảy Khi cháy, PVC sinh ra khí HCl, vì vậy mà PVC bị xemnhư là vật liệu gây hại tới môi trường nhất trong các loại polymer nhiệt dẻo Nếukhông được ổn định nhiệt thì ngay tại khoảng 700C, PVC đã bắt đầu giảm cấp nhiệt vàgiải phóng HCl Trong bài này, tribasic chì sunphat được sử dụng để làm chất làm bềnnhiệt cho PVC Tuy nhiên, PVC cũng có những tính chất quan trọng đối với ngànhWPC như tính kháng cháy cao và khả năng chịu lực cơ học rất tốt Để tăng tính khángcháy cho WPC trên nền PE, PP, người ta có thể trộn thêm các chất độn khác Đối vớiPVC, do chứa tới 58% clorua nên chúng khó cháy hơn Về độ bền cơ học, Bảng 1 chothấy PVC có ứng suất và modul uốn cao hơn PE, PP Điều này thuận lợi cho nhữngứng dụng WPC đòi hỏi sản phẩm phải chịu tải tốt, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng.Nhựa PVC cũng cho thấy tính kháng ẩm tốt như PE và PP

Hình 2.4: Cấu trúc phân tử polypropylene.

So với WPC-PE thì WPC-PP chỉ chiếm một phần nhỏ trên thị trường, chỉkhoảng 10% So với PE thì PP có một vài ưu điểm, chẳng hạn như nhẹ hơn, bền hơn,cứng hơn Nhựa PP cũng cho thấy khả năng kháng rảo tốt, kháng mài mòn và ít trơnhơn Tuy nhiên, một thuộc tính cố hữu của PP là tính giòn ở nhiệt độ thấp Điều nàyảnh hưởng không nhỏ đến các sản phẩm WPC-PP, chúng trở nên rất khó cưa, cắt, đóngđinh…với các dụng cụ thông thường Đây cũng là nguyên nhân khiến WPC-PP ít phổbiến hơn WPC-PE

PP được chia làm hai loại chính là homopolymer và copolymer Dạng homo cópha tinh thể cao hơn, nhiệt độ nóng chảy khoảng 161-1650C, và có độ đa phân tánthấp Dạng copolymer thông thường chứa các polyetylen trong phân tử, hình thành cáccopolymer ngẫu nhiên và copolymer khối Nhiệt độ nóng chảy của dạng copolymerdao động 140-1550C Khối lượng riêng của PP khoảng 0.91 g/cm3, thấp hơn PE Nóichung, dạng PP homopolymer cứng hơn PP copolymer và PE Modul uốn của homo-

PP, copo-PP và PE lần lượt là 160-290, 135-170 và 125-240 (x103 psi)

2.2.1.3 Polyethylene

PE là loại polymer nhiệt dẻo được ưa chuộng nhất, các sản phẩm WPC trên nền

PE chiếm hơn 80% thị trường trên thế giới Nhờ có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp(dao động từ 60 đến 1300C, phụ thuộc vào tỷ trọng và mức độ phân nhánh), nên khitrộn với bột gỗ trong điều kiện nóng chảy, bột gỗ không bị phân hủy nhiệt Hơn nữa,

PE nóng chảy có khả năng phân tán tốt các chất độn cũng là một thuận lợi của cho quátrình sản xuất WPC PE khá mềm, sản phẩm WPC từ PE có thể cưa, cắt, đóng đinh, vítốc Cũng như PP, PE có khả năng kháng hút ẩm khá cao và trơ với nhiều loại acidmạnh PE cũng ít bị oxi hoá hơn các loại polyolefin khác

PE là sản phẩm thu được khi trùng hợp ethylene ở áp suất từ 2 đến 3 atm, xúctác là các hợp chất của Ti, Al, Cr

PE là chất rắn, cứng, có nhiệt chảy mềm > 141oC Khi trùng hợp ở áp suất cao ≈

1000 atm, xúc tác peoxit PE có nhiệt độ chảy mềm có ≈ 110 đến 125oC

PE có tính chất của hữu cơ no, không tác dụng với axit, kiềm ở nhiệt độ thường

PE được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày để làm bao gói (túi nilon) PE chỉtan trong decalin nên có thể hòa tan chất màu trong decalin để in trên PE

- Khả năng bền nhiệt cũng cao hơn LDPE, nhiệt độ mềm dẻo là tnc=1210C, nên

có thể làm bao bì thực phẩm áp dụng chế độ thanh trùng pasteur; hoặc làm bao bì thựcphẩm động lạnh như thủy sản vì: tmin= -460C, thàn=140-1800C

- Ngoài tính cứng vững cao hơn LDPE có độ bền cơ học cao, sức bền kéo, sứcbền va chạm, bền xé đều cao hơn LDPE và LLDPE, nhưng vẫn bị kéo dãn, gây phá vỡcấu trúc polyme dưới tác dụng của lực hoặc tải trọng cao

- Tính chống thấm nước, hơi nước tốt

- Tính chống thấm chất béo tốt hơn LDPE và LLDPE

- Tính chống thấm khí, hương cao hơn LDPE và LLDPE

- Khả năng in ấn tốt hơn so với LDPE và tương đương với LLDPE

Công dụng của HDPE

- HDPE có độ cứng vững cao, tính chống thấm khí, hơi khá tốt, tính bền cơ họccao nên được làm vật chứa đựng như các thùng (can chứa đựng)có thể tích 1-20 lít với

độ dày khác nhau để đảm bảo độ cứng vững của bao bì theo khối lượng chứa đựng

- Túi xách để chứa các loại vật, vật phẩm, lớp bao bọc ngoài để chuyển vậtphẩm đi

- Nắp của một số chai lọ thủy tinh

- HDPE thường không dùng làm bao bì để gói thực phẩm chống oxy hóa

- HDPE đã được dùng làm bao bọc cách điện cho các loại dây cáp dưới nước vàcho rada

MDPE có tính trung gian giữa LDPE và HDPE và rất ít được sản xuất cũng như

sử dụng trên thị trường

Nhựa nền sử dụng ở đây là polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) là loại nhựa nhiệtdẻo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới HDPE có nhiều ưu điểm như giá thànhtương đối rẻ, không độc hại trong quá trình gia công, cho sản phẩm tính chất cơ lý khátốt Đặc biệt HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên có khả năng tái sinh, do đó nó rất thân thiệnvới môi trường Nhưng HDPE cũng có nhược điểm trong ứng dụng làm nhựa nền chovật liệu composite sợi tự nhiên là HDPE không phân cực trong khi sợi tự nhiên phâncực do đó độ tương hợp giữa HDPE và sợi tự nhiên kém HDPE là nhựa nhiệt dẻo nênkhi gia công phải ở dạng nóng chảy Do điều kiện của phòng thí nghiệm nên phươngpháp ép áp lực có gia nhiệt được chọn để gia công vật liệu composite ở đây

Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu

Khối lượng riêng

(g/cm3)

0.93

0.91-0.97

0.94-0.91

0.90-1.44

1.32-1.08

1.01-1.14Ứng suất uốn x103

Modul uốn x103

600

2.2.2 Vật liệu gia cường

Đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lýcao hơn nhựa

Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

 Tính gia cường cơ học

 Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

 Khả năng phân tán vào nhựa

 Khả năng truyền nhiệt và giải nhiệt

 Thuận lợi cho quá trình gia công

 Giá thành hạ, khối lượng nhẹ

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta chọn lựavật liệu độn cho thích hợp Có 2 loại độn :

 Độn dạng sợi: sợi có tính năng cao hơn so với các loại độn khác tuy nhiêngiá thành cũng cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấpnhư : sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bo, sợ amid, sợi cacbuasilic

 Độn dạng hạt: thường sử dụng là : silica, CaCO3, vảy mica, vảy kim loại,độn khoáng như: cao lanh, đất sét, grafic

2.2.3 Chất tương hợp

Chất tương hợp là một phân tử có khả năng kết hợp cả hai pha, mục đích làmgiảm sức căng bề mặt giữa hai pha, thông thường nó ở vị trí liên pha của hai polymer

Trong quá trình trộn hợp hai polymer không tan lẫn có mặt chất tương hợp, nó

sẽ giúp cho hỗn hợp polymer 3 vấn đề sau:

 Làm giảm sức căng liên diện Khi sức căng liên diện giảm sẽ có sự phântán sâu, lúc đó hỗn hợp hai polymer mới bền vững

 Tạo sự ổn định hình thái, chống lại sự biến đổi cấu trúc trong quá trìnhgia công sau này

 Tăng cường sự kết dính liên diện ( sự kết dính bề mặt liên diện giữa phanày với pha kia phải cao )

Chất tương hợp thường là các copolymer khối của các polymer trộn hợp Trộnhợp hai polymer A và polymer B, sử dụng chất tương hợp là copolymer của A và B,chất tương hợp này tương tác tốt với cả A và B nên hỗn hợp rất bền vững

Hình 2.6: Copolymer của hai polymer A và B

Phân tử copolymer nằm trên biên giới giữa pha polymer A và polymer B Khốicopolymer nối hai pha lại với nhau và cho phép năng lượng truyền từ pha này đến phakhác Điều này có nghĩa là thành phần phụ có thể gia tăng tính chất cơ học của hỗnhợp

Tóm lại, chất tương hợp đóng vai trò như chất nhũ hoá được sử dụng để kết phanày với pha kia, giữ chúng tồn tại trong một thời gian dài và tạo thành hỗn hợp Đểlàm được điều đó chất tương hợp phải tiến vào liên diện giữa hai pha

Tác nhân liên kết tác dụng thấm ướt chiếm chỗ nước và không khí làm cho việcphân tán chất độn được đều Độ nhớt thường tăng khi có chất độn nhưng nếu dùng tácnhân liên kết độ nhớt giảm thiểu, điều này cho phép chất độn với thành phần cao.

Trộn polymer nhiều pha, sự kết dính bề mặt có tác dụng ảnh hưởng đến sự biếntính khả năng chịu va đập Để cải thiện sự kết dính bề mặt dùng tác nhân liên diện đó

là copolymer ghép Copolymer ghép tương hợp các pha khác nhau trong hỗn hợp trộn.chất liên diện làm thay đổi sức căng bề mặt và hoạt hoá sự kết dính bề mặt Kết quảcủa sự cải tiến có nhiều ưu điểm, sự phân tán tốt của các thành phần trong hỗn hợp vàcải thiện tốt tính chất cơ lý Độ kết dính bề mặt giữa vật liệu nền và sợi gia cường ảnhhưởng rất lớn đến tính chất cơ lý của vật liệu

Có 2 quan điểm để cải tiến sự kết dính Thứ nhất xử lý bề mặt của sợi, thứ haibiến tính hoá học polyethylene Ghép các nhóm phân cực như Silane ghép vớipolyethylene

Hình 2.7: Sơ đồ phản ứng tạo PE-g-Silane bằng chất khơi mào peroxyt

2.2.5 Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia cường với vật liệu

nền

Cốt đóng vai trò là những điểm chịu ứng suất tập trung do mạng nhựa truyềnsang khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Nhờ vậy mà sản phẩm có tính chất cơ lýcao Để đạt được điều đó phải có sự truyền tải ứng suất từ nhựa lên cốt thật tốt, điềunày được quyết định bởi sự tương tác giữa bề mặt nhựa và cốt, mà cụ thể là chịu sự chiphối của thành phần và cấu trúc bề mặt cốt, thành phần và bản chất của nhựa Ngoài

ra, hình dạng và kích thước cốt cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền tải ứng suất Cốtdạng sợi truyền tải ứng suất xảy ra dễ dàng hơn cốt dạng hạt bởi vì khi ứng suất domạng nhựa truyền tới tại một điểm bất kỳ trên sợi sẽ phân bố đều trên cả khoảng chiềudài sợi Do đó tại mọi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn rất nhiều so với cốt dạng hạt khicùng chịu chung một ngoại lực tác dụng Vì vậy ở đây chỉ xét cốt dạng sợi Phân tíchcác liên kết dựa trên cơ sở lý thuyết kết dính ta nhận thấy giữa bề mặt sợi và nhựa cómột số liên kết sau

 Lực hấp phụ và thấm ướt : Bề mặt sợi luôn luôn tồn tại các mao quảnrỗng, số lượng và kích thước mao quản tuỳ thuộc vào bản chất và cách chế tạo sợi.Nhựa ở dạng lỏng được thấm ướt trên bề mặt sợi bằng lực vật lý ứng với một nănglượng liên kết bề mặt Sự thấm ướt sẽ tốt khi sức cản giữa hai bề mặt càng bé, ẩm vàtạp chất là các yếu tố sẽ làm giảm sự thấm ướt Nhựa sau khi thấm ướt trên bề mặt sẽđược hấp phụ vào các mao dẫn nhờ lực hấp phụ

Hình 2.8: Mô tả góc thấm ướt bề mặt

 Lực tĩnh điện : Bề mặt sợi luôn tích điện dương hay âm tuỳ vào thànhphần và cách xử lý bề mặt Nhựa nền cũng luôn có độ phân cực nhất định vì vậy màdẫn đến sự tương tác tĩnh điện giữa sợi và nhựa thông qua việc tạo thành lớp điện tíchkép trên bề mặt hai vật liệu này

Hình 2.9: Kết dính giữa nhựa nền và sợi bằng liên kết tĩnh điện

 Liên kết cơ học: Sự khuếch tán nhựa vào các lỗ trống trên bề mặt sợi hay

bó sợi tạo thành những chân bám vào sợi Liên kết này phụ thuộc vào hình dạng, cáchphân bố và cách dệt vải

Hình 2.10: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học

 Liên kết hóa học: Cơ chế liên kết hóa học cho rằng lực liên kết hóa học

có thể hình thành xuyên qua giao diện Liên kết hóa học rất mạnh và có sự đóng gópđáng kể vào việc kết dính Đây là liên kết có độ bền cao nhất phụ thuộc vào loại và sốlượng liên kết

Hình 2.11: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học

Vài chứng cứ đã được chứng minh rằng hiện tượng khuếch tán của polymer tồntại trong những polymer linh động, tương hợp tốt thì có thể tăng sự kết dính Tuynhiên lý thuyết khuếch tán cũng có ứng dụng giới hạn đối với những lọai polymer màkhông thể hòa tan hay có mật độ liên kết ngang cao, cấu trúc tinh thể, hay khi nó ởdưới nhiệt độ thủy tinh hóa.

A,B : Các chuỗi polymer Hình 2.12: Mô tả sự khuếch tán

sử dụng rộng rãi là phủ bề mặt và ghép co-polymer hóa

a) Phủ bề mặt

Để tăng tính tương hợp giữa sợi gỗ và polymer, người ta phủ lên bề mặt sợi mộtlớp chất tạo cầu Để phủ một lớp tạo cầu lên bề mặt sợi, có thể sử dụng một trong bốncách như sau:

- Trộn nóng chảy: hỗn hợp nhựa, gỗ và chất tạo cầu trộn nóng chảy ở nhiệt độcao trong máy đùn

- Trộn thường: sử dụng máy cán là (roll mill) để phủ lớp tạo cầu lên bề mặtvật liệu cần phủ Phương pháp này cũng có thể dùng máy khuấy từ cho mụcđích phủ

- Ngâm dung dịch: gỗ ở dạng tấm mỏng được nhúng trong dung dịch tạo cầu

có chứa chất khơi mào hoặc các chất phụ gia khác Tấm này sau đó được đặtvào giữa hai tấm nhựa theo kiểu “kẹp sandwich’ để đúc mẫu

- Phun hơi: tác nhân tạo cầu ở dạng nhũ tương sẽ được phun lên bề mặt gỗ.Trong số các phương pháp đề cập ở trên thì ngâm dung dịch và phun hơi là haiphương pháp hiệu quả hơn cả Chất tạo cầu có thể phân tán đồng đều trên bề mặt liêndiện Tuy nhiên, rất khó để kiểm soát chính xác mức độ phủ trong phương pháp ngâmdung dịch

b) Ghép co-polyme hóa

Quá trình ghép co-polyme hóa là quá trình thay đổi đặc tính phân cực của nhựa

nền hoặc của bề mặt gỗ Quá trình này diễn ra theo hai hướng chính, hướng thứ nhất làtác nhân tạo cầu sẽ tạo ra liên kết ngang giữa một phần polymer nền với bề mặt gỗ và

tạo ra co-polyme không phân cực; hướng thứ hai là ghép một loại monomer phân cực lên nhựa nền, tạo ra co-polyme phân cực Dù theo hướng nào thì tính kết dính giữa các

liên diện cũng sẽ được cải thiện

2.3.1.2 Trộn trực tiếp

Trộn trực tiếp gỗ, nhựa (chưa qua xử lý bề mặt) và chất tạo cầu với nhau (quytrình một bước) Hỗn hợp này sau đó được tạo hình với các thiết bị thích hợp để tạo rahình dạng sản phẩm mong muốn

Ưu điểm của quy trình một bước là đơn giản và tiết kiệm chi phí cũng như thờigian sản xuất Tuy nhiên, đối với phương pháp quy trình hai bước, nhà sản xuất có thểbảo quản sản phẩm tiền xử lý dưới dạng viên và có thể sử dụng khi cần thiết, điều nàyphù hợp với sản xuất công nghiệp quy mô lớn Hơn nữa, quá trình tiền xử lý với chấttạo cầu cũng làm tăng diện tích bề mặt vật liệu, từ đó cải thiện tính kết dính và tăngcường tính năng cơ lý

2.3.2 Các phương pháp gia công composite

Hình 2.14: Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun

2.3.2.3 Phương pháp đùn

Kỹ thuật đùn được phát triển để làm những sản phẩm dạng thanh Hỗn hợp sợi vànhựa cho vào máy đùn để đùn ra những sản phẩm profile Thông thường kỹ thuật đùndùng để tạo những sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo

Hình 2.15: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đùn.

2.3.2.4 Phương pháp đúc ép

Kỹ thuật đúc ép sử dụng để tạo những sản phẩm có kích thước lớn Sợi được dệt

ở dạng mat hoặc provin, nhựa nền có thể ở dạng hạt hoặc dạng sợi Sản phẩmcomposite được ép dưới máy ép thủy lực, hình dạng của sản phẩm được định hình saukhi làm nguội

Hình 2.16: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép.

Hình 2.19: Mô hình gia công composite bằng phương pháp phương pháp quấn.

2.4 Tổng quan về trấu

Vỏ trấu là phó phẩm của quá trình xay lúa, nó là vỏ ngoài hạt gạo chiếm 25% khối lượng hạt lúa, có màu vàng sáng Dùng làm chất đốt hoặc chất độn chocomposite Trước đây, trấu được sử dụng làm nhiên liệu trong gia đình và trong côngnghiệp Tuy tạo ra nguồn năng lượng thấp hơn gỗ, nhưng nó vẫn được sử dụng rộngrãi vì phổ biến và giá rẻ Khoa học phát triển, vỏ trấu không những có giá trị về nhiênliệu mà được sử dụng làm độn tăng cường cho vật liệu composite – một ứng dụng kinh

20-tế cao đang được nghiên cứu hiện nay Sau đây là một số hình ảnh về quy trình tạo ra

vỏ trấu:

Hình 2.20: Lúa được đem đến để xay Hình 2.21: Bãi chứa vỏ trấu.

Theo thống kê, 600 triệu tấn lúa được sản xuất hàng năm Trong đó khoảng20% là vỏ trấu (120 triệu tấn)

Bảng 2.2:Thống kê sản xuất lúa, trấu và tro ở 20 nước cao nhất năm 2002

sử dụng có hiệu quả hơn, mang thêm thu nhập cho nhà nông.

2.4.1 Cấu trúc của trấu

Trên cơ bản, vỏ trấu gồm các lớp theo thứ tự sau:

- Biểu bì ở ngoài cùng được phủ lớp lông dày là những tế bào silic

- Mô cứng ở dưới bề mặt sợi là lớp tường dày gồm lignin và silic

- Kế tiếp là tế bào nhu mô xốp

- Lớp trong cùng gồm những tế bào biểu bì cùng đường kính

 Thành phần vô cơ:

Thành phần vô cơ chính của trấu là SiO2 (20%) với độ tinh khiết cao, dướidạng pha vô định hình có diện tích bề mặt là 371.4m2/g Do hàm lượng SiO2 cao nêntrấu được sử dụng nhiều trong công nghiệp, những thành phần còn lại của vỏ trấu là:silicon carbide, silicon nitride, silicon, silicon tetrachloride, zeolic, v.v Bề mặt trấu córất nhiều lỗ rỗng với diện tích lỗ rỗng và đường kính trung bình của lỗ rỗng là 17 ± 0.6

m2/g và 51,3 ± 1.5nm, do mật độ lỗ rỗng dày đặc nên nhựa có thể khuếch tán vào làmcho quá trình thấm ướt càng dễ dàng hơn

SiO2 có nhiều dạng đa hình, các dạng đa hình khác nhau về cách sắp xếp các tứdiện SiO4 trong không gian (các SiO4 liên kết với nhau qua cả 4 đỉnh oxy) Trongmạng lưới tinh thể nguyên tử silic liên kết với 4 nguyên tử oxy, còn trong không gian,

chúng có cấu trúc hình tứ diện đều Mạng tinh thể SiO2 các nguyên tử Si tạo mạng lướihoàn toàn giống nguyên tử kim cương.

 Thành phần hữu cơ trong vỏ trấu gồm: 35% cellulose, 35% hemicellulose, 20%lignin, và 10% tro

Hình 2.23: Bề mặt vỏ trấu ở độ phóng đại 200 lần.

Quan sát hình 2.23 ta thấy trên bề mặt vỏ trấu có những lỗ rỗng nhỏ, dọc theochiều dài của vỏ trấu là những đường lằn song song nhau

2.4.2 Tính chất vật lý của trấu

Phân tích sự thay đổi cấu trúc của trấu thông qua quá trình nhiệt phân Trongquá trình đốt vỏ trấu tạo thành tro Khi trấu chuyển hoàn toàn thành tro thì hàm lượngSiO2chiếm 90 – 97%, phần còn lại là: CaO, MgO, K2O và Na2O

Bột trấu chuẩn bị cho quá trình thí nghiệm có kích thước từ 250 – 300m, đượcđưa vào lò để đốt với tốc độ 50oC/phút trong điều kiện khí Argon Đốt nóng theohướng bán kính là chủ yếu Quá trình này được lập lại 20 lần ngẫu nhiên với nhữnghình dạng phân tử khác nhau Hình 2.24 chỉ ra hình ảnh những phân tử giống nhau tạinhiệt độ khác nhau: 155, 432, 710 và 810oC

Hình 2.24: Ảnh CSLM của phân tử trấu ở những nhiệt độ khác nhau.

Việc quan sát cấu trúc vi mô chỉ ra rằng hầu như không có sự thay đổi kíchthước và hình dạng phân tử cho đến 200oC Quá trình co diễn ra nhanh chóng từ 200 –

400oC Trên 400oC, phân tử co ít và ngừng co ở sau 800oC Trạng thái co ban đầu cóthể được giải thích do sự phân hủy nhiệt của những phân tử trong vỏ trấu làm chúng bịbay hơi, quá trình này diễn ra hoàn toàn đến gần 400oC Trạng thái co thứ hai do lượngoxy (có mặt trong Argon) và lượng phân tử ở trạng thái đầu tiếp tục bay hơi

Đặc tính quan trọng của việc co này là do sự giảm kích thước theo phươngngang của trấu

Hình 2.25 a và b là kết quả quan sát những phân tử có hình dạng và kích thướcban đầu khác nhau Việc khảo sát tương tự như trên, dễ dàng nhận thấy hai trạng thái

co giống như trên Tăng nhiệt đến 1500oC thì không có bất cứ sự thay đổi nào về kíchthước nữa, điều này dẫn đến giảm độ bền và độ cứng trong cấu trúc Hiện tượng nàychỉ xuất hiện trong trấu

Hình 2.25: Thay đổi bán kính (a) và tỷ lệ thành phần (b), của những phân tử

khác nhau ở 200oC/phút trong điều kiện Argon với khí oxy, áp suất 10-12atm

Hình 2.26: Hình ảnh phân tử trấu mềm và chảy ra.

Dùng SEM để quan sát rỏ hơn về cấu trúc phân tử trấu qua quá trình giảm cấpnhiệt Phân tử được nung từ 350 – 850oC trong lò dưới điều kiện khí Argon, giốngphương pháp CLSM