Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite từ chỉ xơ dừa ngắn với chất nền là nhựa phế liệu sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất đồ mộc

Đề tài: Nghiên cứu số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite từ xơ dừa ngắn với chất nhựa phế liệu sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất đồ mộc GVHD: TS Nguyễn Minh Hùng, PGS, TS Hoàng Xuân Niên Học viên: Trần Nguyên Hà i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Những nội dung tham khảo, trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả Trần Nguyên Hà ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian hoàn thành đƣợc luận văn này, nhận đƣợc quan tâm, giúp đỡ nhiều tập thể cá nhân Nhân dịp cho phép tơi đƣợc bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới giáo viên hƣớng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Minh Hùng, PGS, TS Hoàng Xuân Niên dành nhiều thời gian bảo tận tình cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý thầy cô Ban Công nghiệp Kiến trúc, Ban Khoa học Công nghệ cán giáo viên, công nhân viên chức Cơ sở Trƣờng Đại học Lâm nghiệp nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Nhân dịp này, xin cảm ơn cán bộ, giảng viên Khoa Lâm nghiệp, Trung tâm Nghiên cứu lâm sản, Giấy bột giấy Trƣờng Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ việc kiểm nghiệm kết nghiên cứu đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Đồng Nai, ngày 30 tháng 12 năm 2016 TÁC GIẢ Trần Nguyên Hà iii MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan … i Lời cảm ơn … ii Mục lục ….iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt … v Danh mục bảng … vi Danh mục hình ….vii Đặt vấn đề……………………………………………………………………………8 Chƣơng 10 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ KHÁI NIỆM COMPOSITE 10 1.1.1 Đôi nét lịch sử phát triển 10 1.1.2 Vật liệu composite 11 1.1.3 Cấu trúc vật liệu composite 18 1.2 NGHIÊN CỨU VỀ XƠ DỪA VÀ COMPOSITE XƠ DỪA 19 1.2.1 Một số kết nghiên cứu nước 19 1.2.2 Một số cơng trình nghiên cứu nước 23 Chƣơng 26 MỤC TIÊU, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 26 2.1.1 Mục tiêu tổng quát: 26 Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu composite từ sợi thực vật nhựa phế liệu 26 2.1.2 Mục tiêu cụ thể 26 2.2 ĐỐI TƢỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 26 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu: 26 Thông số công nghệ chế tạo vật liệu composite 26 2.2.2 Vật liệu nghiên cứu: 26 Xơ dừa phế liệu nhựa 26 2.2.3 Phạm vi nghiên cứu 26 2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27 2.3.1 Nghiên cứu liên kết xơ dừa nhựa phế liệu 27 2.3.1.1 Thiết bị dụng cụ thí nghiệm 27 2.3.1.2 Vật liệu thí nghiệm 27 2.3.1.3 Thực nghiệm 27 2.3.2 Nghiên cứu công nghệ trộn vật liệu xơ dừa nhựa 30 2.3.2 Thí nghiệm trộn vật liệu 30 2.3.2 Tính thơng số vật liệu thí nghiệm………………………………………….31 2.3.2 Thí nghiệm trộn xơ dừa với nhựa phế liệu………………………………… 34 iv 2.3 Xác định thông số công nghệ sản xuất composite… …….………………….34 2.3.3 Xác định thông số công nghệ tối ưu………… ………………………….34 2.3.3.2 Chế tạo mẫu theo thông số tối ưu…… …………………………… 37 2.3.3.3 Đo tính mẫu composite 37 2.3.4 Đề xuất quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa nhựa phế liệu……………………………………… ………………………………………37 2.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.4.1 Phương pháp lý thuyết 38 2.4.2 Phương pháp kế thừa 38 2.4.3 Phương pháp thực nghiệm 38 Chƣơng 42 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 42 3.1 VẬT LIỆU COMPOSITE 42 3.2 XƠ DỪA 43 3.2.1 Cấu tạo thành phần sợi 43 3.2.2 Sản xuất sợi xơ dừa 44 3.3 NHỰA PHẾ THẢI 47 3.3.1 Polyethylene (PE) 48 3.3.2 Polypropylene (PP) 49 3.4 NHẬN XÉT CHUNG 49 Chƣơng 51 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 51 4.1 NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT GIỮA XƠ DỪA VÀ NHỰA PHẾ LIỆU 51 4.1.1 Thiết bị dụng cụ thí nghiệm 51 4.1.2 Vật liệu thí nghiệm 51 4.1.3 Thực nghiệm 51 4.2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRỘN VẬT LIỆU XƠ DỪA VÀ NHỰA 57 4.2.1 Thí nghiệm trộn vật liệu 57 4.2.2 Tính thơng số vật liệu thí nghiệm 59 4.2.3 Thí nghiệm trộn xơ dừa với nhựa phế liệu .63 4.3 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT COMPOSITE 66 4.3.1 Xác định thông số công nghệ tối ưu 66 4.3.2 Chế tạo mẫu theo thông số tối ưu……… .………………………… 72 4.3.3 Đo tính mẫu composite… ……….… .……………………………….74 4.3.3.1 Đo kéo………………… ……………………………………………….74 4.3.3.2 Đo uốn… ……………………………………………………………….75 v 4.4 Đề xuất quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa nhựa phế liệu…………… .……………………………………………………………… 77 KẾT LUẬN…… ……………………………………………………………… 84 KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM American Standard Test Methods TCVN Tiêu chuẩn việt nam PP Polypropylene PE Polyethylene STT Số thứ tự STN Số thí nghiệm Mpa Megapacal KLTT Khối lƣợng thể tích vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một vài thông số số sợi tự nhiên 15 Bảng 1.2 Sợi tự nhiên 20 Bảng 1.3 Composite cốt xơ dừa - sợi thuỷ tinh – tóc ngƣời - xơ dừa nhựa 22 Bảng 2.1 Bảng biến thiên yếu tố nghiên cứu 39 Bảng 2.2 Ma trận thí nghiệm ………………………………………….……… .21 Bảng 3.1 Tính chất - lý xơ dừa 44 Bảng 3.2 Thành phần hóa học xơ dừa 44 Bảng 3.3 Tính chất học vật lý sợi xơ dừa 46 Bảng 4.1 Kết thí nghiệm lần thứ với xơ dừa 51 Bảng 4.2 Kết thí nghiệm lần thứ hai với xơ dừa 52 Bảng 4.3 Kết thí nghiệm lần thứ ba với xơ dừa 52 Bảng 4.4 Kết thí nghiệm với nhựa 53 Bảng 4.5 Kết tính tốn khối lƣợng thể tích nhựa 58 Bảng 4.6 Kết tính tốn xơ dừa đơn vị thể tích vật liệu composite 60 Bảng 4.7 Kết phân loại vật liệu phận sàng 63 Bảng 4.8 Kết trộn vật liệu qua lớp sàng– Thí nghiệm lần thứ1 63 Bảng 4.9 Kết trộn vật liệu qua lớp sàng– Thí nghiệm lần thứ 64 Bảng 4.10 Miền biến thiên biến số 45 Bảng 4.11 Quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố 45 Bảng 4.12 Định lƣợng nguyên liệu thông số trộn cho thí nghiệm 45 Bảng 4.13 Các yếu tố tác động miền biến thiên thí nghiệm 47 Bảng 4.14 Ma trận dạng mã hoá 49 Bảng 4.15 Kết tính tốn tối ƣu hóa đa mục tiêu .51 Bảng 4.16 Kích thƣớc mẫu đo kéo theo ASTM D638-03……………………… 74 Bảng 4.17 Kích thƣớc mẫu đo uốn theo ASTM D790-03……………………… 75 Bảng 4.18 Kết kiểm tra tính chất composite xơ dừa - nhựa phế liệu……… 76 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ phân loại compsite theo thành phần cốt .16 Hình 1.2 Sơ đồ phân loại composite theo vật liệu .18 Hình 3.1 Cấu tạo hiển vi sợi xơ dừa 43 Hình 3.2 Sản xuất sợi xơ dừa 45 Hình 3.3 Nhựa phế thải đƣợc thu gom từ nhiều nguồn khác 47 Hình 4.1 Mẫu composite xơ dừa – nhựa thí nghiệm lần 55 Hình 4.2 Mẫu composite xơ dừa - nhựa thí nghiệm lần 56 Hình 4.3 Ngun liệu sử dụng thí nghiệm trộn 57 Hình 4.4 Thảm hỗn hợp nguyên liệu xơ dừa – nhựa phế liệu .57 Hình 4.5 Máy ép thí nghiệm………………………………………………… … 62 Hình 4.6 Mẫu sản phẩm ép theo thơng số cơng nghệ tối ƣu.…………………… 63 Hình 4.7 Hình dạng mẫu kéo chuẩn……………………………………………….64 Hình 4.8 Hình dạng mẫu đo uốn………………………………………………… 65 Hình 4.9 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất composite xơ dừa – nhựa phế liệu……….… 66 ĐẶT VẤN ĐỀ Composite vật liệu đƣợc chế tạo phƣơng pháp tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm tạo vật liệu có tính ƣu việt hẳn vật liệu thành phần ban đầu Với quan niệm này, thấy vật liệu composite có sẵn tự nhiên nhƣ gỗ, tre, thân có sợi loại khác Trong đời sống xã hội, ngƣời sử dụng rơm rạ trộn với mật mía, vơi cát để tạo nên composite hỗn hợp sử dụng xây dựng Vật liệu composite có nhiều đặc tính ƣu việt mà vật liệu khác khơng có Để mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu composite tất lĩnh vực kinh tế xã hội khác, nhà khoa học nghiên cứu vật liệu cốt khác nhau, phƣơng pháp phân bố cốt cấu trúc vật liệu, lựa chọn vật liệu phƣơng pháp công nghệ phù hợp để tạo vật liệu composite có đặc tính giá thành phù hợp Nghiên cứu sợi tự nhiên làm vật liệu cốt hƣớng phát triển ngành vật liệu composite nhằm sử dụng nguồn sợi thực vật có sẵn với mục đích giảm giá thành sản phẩm composite để mở rộng phạm vi sử dụng Ở Việt Nam, loại sợi thực vật đƣợc nghiên cứu, xơ dừa loại sợi tự nhiên sử dụng nhiều vào chế tạo vật liệu composite khu vực Tây Nam Duyên Hải miền Trung khả tái tạo nhanh (8 – 10 tháng), số lƣợng nhiều (năng suất dừa bình quân Việt Nam đạt 9.863 trái/ha/năm) Giá xơ dừa thấp so với loại cốt sợi nhân tạo Cũng nhƣ vật liệu cốt, vật liệu cần đƣợc nghiên cứu sử dụng theo hƣớng giảm giá thành vật liệu, tránh ô nhiễm môi trƣờng sản xuất, nâng cao giá trị vật liệu gốc mà đảm bảo đƣợc tính sử dụng vật liệu composite tạo thành Các sản phẩm nhựa đƣợc sử dụng nhiều đời sống xã hội ngành kinh tế kỹ thuật; hƣ hỏng phế liệu nhựa trở thành chất thải rắn khó phẩn huỷ Có hàng trăm loại phế liệu nhựa, nhƣng rẻ chất lƣợng thấp phế liệu hỗn hợp từ nhiều loại sản phẩm nhựa thƣờng dùng hàng ngày hƣ hỏng Những loại phế liệu nhựa có chất lƣợng cao đƣợc gia công riêng theo nguồn gốc sản phẩm chất lƣợng nhựa Những loại phế liệu đặc điểm vật liệu polyme sử dụng làm chất sản xuất vật liệu composite Việc sử dụng nhựa phế liệu cho công việc khác có làm chất cho cơng nghệ chế tạo composite kéo dài vịng đời sản phẩm nhựa, góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trƣờng Từ phân tích chúng tơi thực đề tài: Nghiên cứu số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite từ xơ dừa ngắn với chất nhựa phế liệu sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất đồ mộc 66 Đo nhập vào giá trị chiều dày, chiều rộng mẫu khoảng cách hai gối đỡ Đặt mẫu lên hai gối đỡ cho trục tác dụng lực nằm trung điểm mẫu Bắt đầu đo mẫu, theo dõi đồ thị hình Phép đo kết thúc mẫu bị phá hủy độ giãn dài đạt 5% Lặp lại thí nghiệm cho mẫu cịn lại Bảng 4.18 Kết kiểm tra tính chất composite xơ dừa - nhựa phế liệu Số TN Uốn tĩnh (MPa) Độ bền kéo (MPa) KLTT (g/cm3) Độ trƣơng nở chiều dày ngâm nƣớc 24 h 33,8 22,3 0,525 33,8 23,4 0,522 32,7 22,4 0,513 TCVN >30 >20 5 5/2,5 đạt yêu cầu để trộn hai loại vật liệu thành hỗn hợp tƣơng đối đồng Thông số công nghệ hợp lý chế tạo mẫu sản phẩm composite xơ dừa nhựa phế liệu là: Lƣợng nhựa phế liệu: 318,37 gam; Lƣợng xơ dừa 133,5 gam; Áp lực ép kg/cm2; Nhiệt độ ép 1500C; Thời gian ép 1,125 phút/1mm chiều dày Khi tính chất composite (theo TCVN 7754 – 2007) đạt đƣợc là: Độ bền uốn tĩnh 33 MPa; Độ bền kéo 22 MPa; Khối lƣợng thể tích 0,52 g/cm3; Độ giãn nở chiều dày hút nƣớc ngâm nƣớc lạnh 24 mức % 74 KIẾN NGHỊ : Cần có thiết bị nghiên cứu, thí nghiệm chuyên dùng vật liệu nghiên cứu dạng sợi mềm Các tiêu chuẩn thích hợp để kiểm tra tính chất composite cốt sợi thực vật Tiếp tục nghiên cứu mở rộng sâu composite cốt sợi xơ dừa polymer phế liệu nhựa nhiệt dẽo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Nguyễn Văn Bỉ (2006), Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, Trƣờng ĐHLN, Hà Tây Nguyễn Đình Hƣng (1999), Khoa học gỗ, Bài giảng dùng cho học viên cao học chuyên ngành Chế biến Lâm sản, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, Hà Tây Nguyễn Minh Hùng, Hoàng Việt (2016), Nghiên cứu xác định thông số công nghệ tạo Composite từ sợi xơ dừa với chất keo Ure Formaldehyde, Tạp chí KHCN Lâm nghiệp, số2/2016, trang 90-95 Ngô Kim Khôi (1998), Thống kê tốn học Lâm nghiệp,Nxb Nơng nghiệp, Hà Nội Ngô Kim Khôi, Nguyễn Hải Tuất (1996), Xử lý thống kê kết nghiên cứu thực nghiệm Nơng Lâm nghiệp máy vi tính, NXB Nơng nghiệp, Hà Nội Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ứng dụng kỹ thuật nông nghiệp, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội Tiêu chuẩn Nhà nƣớc (1977), Gỗ phương pháp thử lý, Hà Nội Hoàng xuân Niên (2003), Nghiên cứu cấu tạo hiển vi xơ dừa - Tạp chí NN&PTNT 3/2003 Hồng xn Niên (2003) Nghiên cứu tính chất học, vật lý, thành phần hóa học xơ dừa - Tạp chí NN&PTNT 3/2003 10 Hoàng Xuân Niên (2004) Nghiên cứu số yếu tố công nghệ sản xuất ván dăm từ xơ dừa - Luận án tiến sỹ kỹ thuật 11 Nguyễn Doãn Ý (2003), Giáo trình quy hoạch thực nghiệm, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh: 12 Applied Plastics Engineering Handbook (Second Edition) Processing, Materials, and Applications A volume in Plastics Design Library Edited by: Myer Kutz, ISBN: 978-0-323-39040-8 13 Characterization of Glass Fibre – Coconut Coir– Human Hair Hybrid Composites, ISSN : 0975-4024 Vol No Feb-Mar 2014 75 14 Coir Fibre Reinforcement and Application in Polymer Composites: A Review D Verma1*, P.C Gope2, A Shandilya1, A Gupta1, M.K Maheshwari ISSN: 2028-2508
CODEN: JMESCN 15 Designation: D638-03 (2003), Standard Test Methods for Tensile Properties of Plastics, ASTM International, United States 16 FAO (1975), Coconut Palm products their processing in developing countries, No 99, Rome, pp 124-145 Website: http://www.lyondellbasell.com http://www.sabic.com http://www.sciencedirect.com http://www.fao.org http://www.wikipedia.org http://www.vpas.vn http://www.intranet.scancom.net PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ SẢN XUẤT COMPOSITE XƠ DỪA VÀ NHỰA PHẾ LIỆU 1) Vỏ dừa khô 3) Vỏ xơ dừa cm 2) Máy cắt vỏ dừa thành mảnh 4) Máy đánh xơ dừa 5) Chỉ xơ dừa rối 6) Can nhựa phế liệu 8) Lõi cuộn phế liệu 7) Miếng nhựa phế liệu 9) Máy băm nhựa mảnh 10) Nhựa phế liệu sau chà rửa 11) Nhiệt độ không đủ để tan chảy nhựa thành chất lỏng 12) Xơ dừa bị than hoá nhiệt độ cao 13) Một số mẫu sản phẩm thử nghiệm ... gốc sản phẩm chất lƣợng nhựa Những loại phế liệu đặc điểm vật liệu polyme sử dụng làm chất sản xuất vật liệu composite Việc sử dụng nhựa phế liệu cho công việc khác có làm chất cho cơng nghệ. .. 2.3.4 Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa nhựa phế liệu a) Sơ đồ công nghệ: Quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu composite cốt sợi xơ dừa chất nhựa phế liệu thể dƣới... công nghệ hợp lý chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa nhựa phế liệu - Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa nhựa phế liệu 2.2 ĐỐI TƢỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU