Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trấu polyethylene

1 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS Đoàn Thị Thu Loan TRẦN THỊ PHƯƠNG THANH Phản biện 1: PGS.TS Lê Tự Hải NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TRẤU/POLYETHYLENE Chun ngành : Cơng nghệ hố học Mã số : 60.52.75 Phản biện 2: PGS.TS Phạm Ngọc Anh Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng năm 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng - Năm 2011 - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 4 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp gia cơng composite qua hai gia đoạn với Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật vào việc ứng dụng phương pháp ép ñùn ñúc tiêm, ño ñộ bền lý, ño kính hiển vi ñiện vật liệu composite ngày ñược sử dụng rộng rãi tử quét, ño Hồng ngoại, khảo sát khả chịu môi trường vật lĩnh vực khoa học, ñời sống Trong vật liệu composite, sản phẩm liệu Các số liệu thực nghiệm ñược xử lý theo phương pháp thống kê composite từ nguyên liệu nhựa trấu ngày ñược ứng dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài rộng rãi lĩnh vực ñời sống 5.1 Ý nghĩa khoa học Với nhiều ứng dụng composite, nghiên cứu gia công chế tạo Góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu tìm vật liệu composite sản phẩm từ trấu/polyethylene ngày ñược nhà khoa học nhựa nhiệt dẻo (HDPE) sợi tự nhiên (trấu) quan tâm, trọng Điều thuận lợi nguồn nguyên liệu trấu nước 5.2 Ý nghĩa thực tiễn ta dồi dào, vô tận Tôi chọn ñề tài: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TRẤU/POLYETHYLENE” làm ñề tài nghiên cứu luận văn Mục đích nghiên cứu + Mở hướng nghiên cứu giúp nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ bền cao, nhẹ, rẻ, thân thiện môi trường phục vụ ngành xây dựng trang trí nội thất + Khảo sát tìm điều kiện thích hợp để chế tạo composite * Chế tạo composite từ trấu nhựa polyethylene tỷ trọng cao trấu/polyethtylene sản phẩm có giá trị từ phế phẩm nơng * Cải thiện độ bám dính nhựa HDPE trấu cách nghiệp, góp phần cải thiện đời sống người dân vùng nơng thôn sử dụng chất tương hợp MAPE * Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt trấu hàm lượng thành phần nhựa HDPE trấu ñể ñưa ñơn phối liệu tối ưu * Khảo sát độ kháng nước khả chịu mơi trường mẫu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Trấu ñược lấy từ xưởng xay lúa giải vấn đề nhiễm mơi trường Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm phần sau: - Mở ñầu - Chương 1: Tổng quan lý thuyết - Chương 2: Những nghiên cứu thực nghiệm quận Cẩm Lệ, TP Đà Nẵng; nhựa ñược dùng loại HDPE - Thái - Chương 3: Kết thảo luận Lan; MAPE có tên thương mại Fusabond E226 - Kết luận Phạm vi nghiên cứu: chế tạo vật liệu composite trấu/HDPE 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1.1 Khái niệm vật liệu composite 1.1.4.1 Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường Bao gồm vật liệu composite cốt sợi, cốt hạt, cấu trúc 1.1.4.2 Phân loại theo chất vật liệu Vật liệu composite vật liệu tổ hợp (mức ñộ vĩ mô) hai hay Tùy thuộc vào chất vật liệu nền, vật liệu composite ñược nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo vật liệu có tính chất trội chia thành ba nhóm sau: Vật liệu composite hữu cơ, tính chất vật liệu thành phần kim loại, gốm 1.1.2 Đặc điểm, tính chất vật liệu composite 1.1.5 Các phương pháp gia cơng vật liệu composite Những đặc ñiểm vật liệu composite: vật liệu nhiều 1.1.5.1 Gia công áp suất thường pha; vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thước a Phương pháp lăn ướt (Hand lay- up) phân bố cốt tuân theo qui ñịnh thiết kế trước; tính b Phương pháp phun (Spray up) chất pha thành phần ñược kết hợp ñể tạo nên tính chất chung composite Tính chất vật liệu composite phụ thuộc vào: chất vật liệu gia cường; hình dạng, kích thước, phân bố vật liệu gia cường composite; chất vật liệu nền; tỷ lệ vật liệu gia cường c Phương pháp túi chân không (Vacuum bagging) d Phương pháp ñúc chuyển nhựa (Resin transfer moulding) e Phương pháp ñúc chuyển nhựa có trợ giúp chân khơng 1.1.5.2 Gia công áp suất vật liệu composite; ñộ bền liên kết vùng bề mặt tiếp a Phương pháp ñùn xúc pha b Phương pháp ñúc tiêm 1.1.3 Thành phần vật liệu composite c Phương pháp ñúc tiêm nhựa (Resin injection moulding) Gồm thành phần chính: Vật liệu vật liệu gia cường 1.1.3.1 Vật liệu 1.1.3.2 Vật liệu gia cường 1.1.4 Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite ñược phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường theo chất vật liệu d Phương pháp ñúc ép (Press moulding) 1.2 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE TRẤU/POLYETHYLENE 1.2.1 Composite trấu/polyethylene (RHPE) Composite trấu/polyethylene có thành phần từ trấu nhựa Polyehtylene tỷ trọng cao 7 1.2.2 Polyethylene (PE) 1.2.3.2 Thành phần hóa học trấu Là nhựa nhiệt dẻo, có khả tái sinh nên thân thiện với môi a Hydrat cacbon trường sử dụng phổ biến b Lignin 1.2.2.1 Phân loại polyethylene c Các chất trích ly Dựa vào trọng lượng riêng ta có loại PE sau: VLDPE (very low density), LDPE (low density), LLDPE (linear low density), MDPE (medium density), HDPE (high density) 1.2.2.2 Cấu tạo d Nước e Chất vô 1.2.4 Cơ sở lý thuyết biến tính chất tương hợp MAPE 1.2.4.1 Chất tương hợp MAPE Phân tử Polyethylene có cấu tạo mạch thẳng dài gồm nhóm ethylene, ngồi cịn có mạch nhánh PE polyme khơng phân cực, moment lưỡng cực µ0≈0 MAPE copolyme ghép polyethylene maleat hóa (MAPE) nhằm cải thiện tính sản phẩm composite trấu/polyethylene 1.2.4.2 Cơ sở lý thuyết biến tính 1.2.2.3 Tính chất Vai trị cải thiện tính chất MAPE ñối với composite 1.2.2.4 Ứng dụng trấu/HDPE giả thiết sau: Do cấu tạo chất tương 1.2.3 Trấu hợp MAPE gồm hai phần: phân cực không phân cực Phần phân 1.2.3.1 Giới thiệu cực nhóm anhydride ghép vào mạch polyethylene tạo nên Nhóm Trấu hai gié lúa tạo thành, lớp vỏ bọc anhydride có khả phản ứng với nhóm OH trấu tạo liên hạt thóc Trấu tạo composite có ưu ñiểm nhược ñiểm kết este, ñồng thời liên kết hydro hình thành nhóm sau: COOH tạo thành nhóm OH trấu Phần khơng phân cực Ưu điểm Nhược điểm - Có khả phân hủy sinh học - Lượng sẵn có dồi - Có khả tái chế - Rẻ - Có thể gia cơng nhiều phương pháp khác chế tạo composite (ép ñùn, ép phun ) - Phân cực (tương hợp với polyme không phân cực) - Hấp thụ nước nhạy ẩm - Giòn - Có độ bền học giới hạn (độ bền va ñập) - Tuổi thọ (nhanh phân hủy), dễ cháy MAPE mạch polyethylen dài, có khả khuếch tán tốt vào nhựa HDPE trình gia cơng trạng thái nóng chảy Hình 1.13 Cơng thức cấu tạo MAPE 10 CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 HOÁ CHẤT VÀ NGUYÊN LIỆU Các loại hóa chất nguyên liệu sử dụng: HDPE, trấu, MAPE, nước cất, 2.2 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ S Thiết bị ép ñùn, thiết bị ñúc tiêm, thiết bị ño ñộ bền kéo uốn, thiết bị ño ñộ bền va ñập, thiết bị hồng ngoại, thiết bị SEM, máy cắt mẫu, Hình 1.14 Tương tác MAPE với bề mặt sợi sàng rung, cân kỹ thuật, tủ sấy, lò nung, dụng cụ thiết bị khác 2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.2.5 Ứng dụng 2.3.1 Quy trình nghiên cứu Sản phẩm Composite trấu/Polyethylene có ứng dụng tương tự composite nhựa gỗ Dưới ñây ứng dụng composite sợi tự nhiên sản phẩm composite trấu/HDPE hướng tới ứng dụng - Dùng làm ván sàn, ván lót đường, sân chơi, - Dùng ngành xe - Dùng xây dựng - Đồ dùng gia đình: Bàn ghế, giường tủ, Hình 2.1 Sơ ñồ quy trình nghiên cứu chế tạo mẫu trấu/polyethylene 11 2.3.2 Gia cơng mẫu composite Qua hai giai đoạn sau: tạo compound phương pháp ép ñùn tạo hình sản phẩm từ compound phương pháp đúc tiêm 2.3.2.1 Tạo Compound phương pháp ép ñùn 12 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KHẢO SÁT TRẤU 3.1.1 Khảo sát hàm lượng Silica trấu * Khảo sát hàm lượng tro lại trấu: 17,7 % Trấu làm đem nghiền, sàng phân loại kích thước, sau đem * Theo kết số nghiên cứu [20], [21], [30], [31], [32], sấy 75 C để độ ẩm cịn lại 2% Compound ñược [35] khảo sát cho thấy hàm lượng Si tro trấu chiếm 95% tạo thiết bị ép đùn hai trục vít khối lượng tùy theo ñiều kiện ñất ñai, khí hậu, vùng trồng lúa 2.3.2.2 Tạo mẫu composite trấu/polyethylene (RHPE) * Khảo sát hồng ngoại: Để biết ñược Silica tồn trấu, ta Compound sau đùn có đường kính 2mm cắt hạt (dài 3- khảo sát phổ hồng ngoại trấu mùn cưa (ñại diện cho bột gỗ) 5mm) cho vào thiết bị đúc tiêm tạo hình Mẫu để ổn ñịnh 48 Đo mẫu trấu mùn cưa, với trấu có peak hấp thụ đặc trưng 1089 khảo sát tính chất lý cm-1, cịn mùn cưa vùng 1080-1100 cm-1 khơng xuất 2.3.3 Khảo sát tính chất mẫu composite peak hấp thụ (hình 3.1) Điều chứng tỏ mùn cưa khơng 2.3.3.1 Khảo sát đặc tính lý RHPE có liên kết Si-OCH3 Đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178, ño ñộ bền va ñập theo tiêu chuẩn ISO 180, ño ñộ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 527 2.3.3.2 Khảo sát khả chịu môi trường mẫu RHPE Khảo sát khả chịu môi trường vật liệu theo tiêu chuẩn ISO 62:2001, ngâm mẫu nước cất nước biển 2.3.3.3 Khảo sát cấu trúc bề mặt phá hủy mẫu RHPE Bề mặt mẫu sau phá hủy kéo ñược dùng ñể khảo sát hình thái cấu trúc bề mặt (Mophology) kính hiển vi điện tử qt (SEM) 2.3.4 Khảo sát thành phần trấu RHPE Thành phần trấu, mùn cưa, HDPE+4%MAPE, compound HDPE+4%MAPE/trấu ñược khảo sát peak ñặc trưng dãi cường ñộ mạnh dựa phổ hồng ngoại Hình 3.1 Phổ hồng ngoại trấu mùn cưa 3.1.2 Khảo sát kích thước hạt trấu Bột trấu ñược sàng phân loại với kích thước sàng sau: 0.5mm 13 14 Hình 3.5 Ảnh hưởng hàm lượng trấu ñến ñộ bền moldulus uốn RHPE Khi hàm lượng trấu tăng lên, ñộ bền kéo ñộ bền va ñập giảm dần Điều giải thích tăng hàm lượng trấu lên, bề mặt tiếp xúc liên kết yếu trấu nhựa tăng lên Mặt khác, trấu Hình 3.2 Hình kích thước hạt trấu (a)