Nghiên cứu và chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU ĐỖ TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỐM GỖ TỪ BÃ THẢI VỎ ĐIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU ĐỖ TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỐM GỖ TỪ BÃ THẢI VỎ ĐIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số chuyên ngành: 62520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐỖ QUANG MINH PGS.TS TRẦN VĂN KHẢI LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu cần thiết (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Kiều Đỗ Trung Kiên i TÓM TẮT LUẬN ÁN Gốm gỗ (woodceramics) GS Toshihiro Okabe phát minh lần năm 1994 [2], loại vật liệu chế tạo cách nung kết khối nguyên liệu gỗ môi trường thiếu oxy Do sản xuất từ nguồn nguyên liệu gỗ nên vật liệu gốm gỗ xem phương pháp hiệu xử lý chất thải từ ngành sản xuất nơng nghiệp Vì vậy, xem gốm gỗ loại vật liệu môi trường Trong luận án này, lần đầu tiên, chế tạo thành công vật liệu gốm gỗ từ nguồn nguyên liệu bã thải vỏ điều – loại phế phẩm nông nghiệp ngành sản xuất hạt điều với lượng thải 240.000 tấn/năm Gốm gỗ từ bã thải vỏ điều kết khối nhiệt độ 700 – 1200oC mơi trường khí CO2 Để tăng độ kết khối cho sản phẩm tạo thành, tiến hành cacbon hóa trước bã thải vỏ điều, khảo sát nhiều thành phần phối liệu, nhiều nhiệt độ nung khác đồng thời áp dụng kỹ thuật ép nóng trình kết khối gốm gỗ Mẫu có thành phần tỉ lệ theo khối lượng bột cacbon/ nhựa phenolic 1/1,3, kết khối kết hợp áp lực ép nóng 0,66kgf/cm2 nhiệt độ 900oC cho độ kết khối cao mẫu thí nghiệm Mẫu có bền uốn 125,93kgf/cm2, khối lượng thể tích 1,95 g/cm3 độ xốp 17,44 %) Với mục tiêu tận dụng tối đa bã thải vỏ điều, nhựa phenolic, bột cacbon sử dụng luận án chế tạo từ bã thải vỏ điều Các kết thực nghiệm (phân tích nhiệt vi sai, xác định dư lượng gỗ nhựa, trạng thái nhựa tạo thành nhiệt độ thường, xác định thành phần hóa nhiệt trị bột cacbon) rằng: thông số công nghệ phù hợp cho trình tạo nhựa phenolic từ bã thải vỏ điều tỉ lệ theo khối lượng phenol/ bã thải vỏ điều (thêm 5% xúc tác axit theo khối lượng phenol sử dụng), phản ứng nhiệt độ 150oC; nhiệt độ phù hợp để cacbon hóa bã thải vỏ điều 500oC Bằng phương pháp nghiên cứu đại như: nhiễu xạ tia X (XRD), RAMAN, phổ quang điện tử tia X (XPS), phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) chế kết khối gốm gỗ làm rõ Theo đó, q trình kết khối gốm gỗ kết khối phản ứng Cơ chế kết khối gốm gỗ kết khối pha lỏng, pha lỏng hình thành từ nguyên liệu nhựa phenolic Trong trình nung, bột cacbon tạo cacbon mềm, nhựa phenolic tạo cacbon cứng, gốm gỗ kết hợp cacbon mềm cacbon cứng ii Kết khảo sát quy luật xạ nhiệt độ khác cho thấy tính chất xạ nhiệt gốm gỗ giống với tính chất xạ nhiệt vật đen Năng lượng tỏa thể vật liệu chủ yếu phát nhiệt vật liệu vùng hồng ngoại xa Nhờ vậy, gốm gỗ chế tạo từ bã thải vỏ điều ứng dụng vào thiết bị sấy nông sản số thiết bị trị liệu thuộc lĩnh vực y học iii ABSTRACT Woodceramic is a wooden product that was named in 1994 by Professor Toshihiro Okabe [2] The woodceramic is a carbon material which sintered at high temperatures in a non-oxygen atmosphere Because the material is derived from wood, woodceramic is considered an environment material (eco–material) and making woodceramic is an effective method for treating agricultural waste In this thesis, we studied how to synthesize the woodceramic from cashew nut shell waste – a by-product of a cashew manufacturing industry, which leads to 240.000 tons of waste annually Woodceramic from cashew nut shell waste was sintered from 900 to 1200oC in CO2 environment To improve sintering level for final product, we implemented pre-carbonized waste of cashew nut shell waste, examine several component proportions, under several sintering temperatures, as well as apply the hotpress technology during the woodceramic sintering process Final the woodceramic sample that has the best sintering degree in the research conditions obtained has some technology parameters such as the ratio of carbonated powder/phenolic resin was 1/1,3, the sintering temperature was 900oC This sample had properties such as the bending strength was 125,93 kgf/cm2, the volume density was 1,95 g/cm3 and the porosity was 17,44 % Aiming to utilize waste of cashew nut shell waste, phenolic plastic and carbon powder being used in the thesis also produced from cashew nut shell waste by liquefied wood technology Experimental results we obtained through this study (differential temperature analysis, evaluate wood residues, the state of phenolic resin at room temperature, determine chemical composition and calorific value of carbon powder) that showed technology parameters to synthesize phenolic plastic from cashew nut shell waste are as follows: The ratio of phenol/cahew nut shell waste is (with 5% additional catalyst of content phenol being used), reaction at 150oC The suitable temperature for carbonizing from cashew nut shell waste is 500oC In addition, thanks to various analytical methodologies i.e XRD, RAMAN, XPS, FTIR, SEM, sintering process of the woodceramic has been studied Thus, the sintering process iv of woodceramic is a sintering reaction The sintering mechanism of woodceramic is a liquid phase, a formed liquid phase from phenolic resin materials During the sintering process, a carbon powder pyrolysis to soft carbon, phenolic resin pyrolysis to hard carbon, woodceramics is a combination of soft carbon and hard carbon Examined radiant energy under various wavelengths argues the woodceramic has the same characteristics of thermal radiation as a black body The emission energy decreased when wavelength increases that indicate the characteristics of thermal radiation of the material in question in far-infrared spectrum Thus, the woodceramic, synthesized from cashew nut shell waste, could be used in agricultural drying equipment or equipment in medical treatments v LỜI CÁM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Quang Minh PGS.TS Trần Văn Khải tận tình hướng dẫn giúp đỡ cho tơi hoàn thành Luận án Tiến sĩ Xin chân thành cảm ơn phịng thí nghiệm Silicate Khoa Cơng nghệ Vật liệu, phịng thí nghiệm cơng ty Japanese Spectrum Nhật Bản, trường đại học Bách Khoa Tp.HCM hỗ trợ trang thiết bị để giúp nghiên cứu thành công luận án Ngoài xin chân thành cám ơn phịng thí nghiệm Học viện kỹ thuật Shibaura giáo sư Toshihiro Okabe hỗ trợ số thí nghiệm Luận án Xin cảm ơn gia đình, quý thầy cô bạn bè trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh giúp đỡ, khích lệ tơi hồn thành luận án i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i TÓM TẮT LUẬN ÁN ii ABSTRACT iv LỜI CÁM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Gốm cacbon từ nguồn nguyên liệu gốc gỗ (gốm gỗ) 1.1.1 Gỗ 1.1.2 Cấu trúc dạng thù hình cacbon 1.1.3 Vật liệu cacbon 1.1.4 Gốm gỗ 1.1.4.1 Khái niệm 1.1.4.2.Công nghệ chế tạo 1.1.5 Quá trình kết khối tạo vật liệu gốm gỗ 13 1.1.5.1 Giai đoạn nhiệt độ thấp 13 1.1.5.2 Giai đoạn nhiệt độ cao 14 1.1.5.3 Kết khối phản ứng 16 1.1.5.4 Kết khối kết hợp với áp lực 17 1.1.6 Tình hình nghiên cứu vật liệu gốm gỗ .18 1.1.6.1 Các nghiên cứu chế tạo vật liêu gốm gỗ 21 1.1.6.2 Các nghiên cứu ứng dụng - tính chất vật liệu gốm gỗ 22 1.1.6.3 Các nghiên cứu chế tạo composite cở sở vật liệu gốm gỗ .23 1.2 Cây điều vấn đề tồn 25 1.2.1 Lợi ích kinh tế điều .26 1.2.2 Vấn đề tồn .26 1.3 Mục tiêu, ý nghĩa tính đề tài 29 1.3.1 Mục tiêu đề tài 29 ii 1.3.2 Ý nghĩa đề tài 29 1.3.3 Tính đề tài 30 1.3.4 Sản phẩm dự kiến 30 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Nguyên liệu .31 2.1.1 Bã thải vỏ điều .31 2.1.2 Các nguyên liệu khác 32 2.2 Phương pháp tiếp cận 32 2.3 Nội dung phương pháp nghiên cứu .34 2.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 35 2.3.1.1 Tạo nhựa phenolic từ bã thải vỏ điều 35 2.3.1.2 Cacbon hóa bã thải vỏ điều 37 2.3.2 Kết khối gốm gỗ 40 2.3.3 Làm rõ trình kết khối gốm gỗ .43 2.3.4 Khảo sát khả phát hồng ngoại 45 2.4.Quy trình chế tạo gốm gỗ 45 2.5.Thiết bị điều kiện phân tích 49 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 51 3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 51 3.1.1 Nguyên liệu bã thải vỏ điều 51 3.1.2 Chế tạo nhựa phenolic từ bã thải vỏ điều 52 3.1.2.1 Xác định nhiệt độ tạo nhựa 53 3.1.2.1 Xác định thành phần phối liệu 53 3.1.3 Cacbon hóa bã thải vỏ điều 58 3.1.3.1 Khảo sát biến đổi nhiệt bã thải vỏ điều .58 3.1.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ cacbon hóa đến tính chất nguyên liệu 59 3.2 Kết khối gốm gỗ 64 3.2.1 Khảo sát thành phần cấp phối 64 3.2.1.1 Độ bền uốn, khối lượng thể tích độ xốp 65 3.2.1.2 Phổ nhiễu xạ tia X: .67 3.2.1.3 Ảnh vi cấu trúc 70 iii Phụ lục 3: Ảnh SEM mẫu nung tỉ lệ bột cacbon/nhựa phenolic 1/1,3 118 Phụ lục 4: Ảnh SEM mẫu nung tỉ lệ bột cacbon/nhựa phenolic 1/1,5 119 Phụ lục 5: Ảnh SEM mẫu nung 700oC 120 Phụ lục 6: Ảnh SEM mẫu nung 800oC 121 Phụ lục 7: Ảnh SEM mẫu nung 900oC 122 Phụ lục 8: Ảnh SEM mẫu nung 1000oC 123 Phụ lục 9: Ảnh SEM mẫu nung 1100oC 124 Phụ lục 10: Ảnh SEM mẫu nung 1200oC 125 Phụ lục 11: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép kgf/cm2 126 Phụ lục 12: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép 0,22 kgf/cm2 127 Phụ lục 13: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép 0,44 kgf/cm2 128 Phụ lục 14: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép 0,66 kgf/cm2 129 Phụ lục 15: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép 0,88 kgf/cm2 130 Phụ lục 16: Ảnh SEM mẫu nung áp lực ép 1,10 kgf/cm2 131 Phụ lục 17: Kết kiểm định mẫu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều 132 ... Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ, nghiên cứu tính chất - ứng dụng 20 vật liệu gốm gỗ nghiên cứu kết hợp gốm gỗ với vật liệu khác dạng composite 1.1.6.1 Các nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ Về... nghiên cứu vật liệu gốm gỗ hướng chưa thực nước Các nghiên cứu trước vật liệu gốm gỗ giới chưa có nghiên cứu tiến hành chế tạo gốm gỗ từ nguồn nguyên liệu bã thải vỏ điều, đồng thời chưa có nghiên. .. tương ứng gốm gỗ 1.3 Mục tiêu, ý nghĩa tính đề tài 1.3.1 Mục tiêu đề tài Đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều? ?? có mục tiêu sau: - Tạo gốm gỗ từ bã thải vỏ điều thông