Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ trấu và nhựa polypropylene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM THỊ PHƯƠNG DUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ TRẤU VÀ NHỰA POLYPROPYLENE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM THỊ PHƯƠNG DUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ TRẤU VÀ NHỰA POLYPROPYLENE Chuyên ngành: Hóa hữu Mã số : 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1J˱ ˯ LK˱ ˯ ng dkn˾khoa hR c̙ : TS ĐOÀN THỊ THU LOAN ̖ ̗ Đà Nẵng - Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác 1J˱ͥLFDPÿRDQ Phạm Thị Phương Dun MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TAT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU ́ ́ CHƯƠNG LY THUYÊ T TỔ NG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ COMPOSITE 1.1.1 Đặc điểm, tính chất vật liệu composite 1.1.2 Thành phần vật liệu Composite 9̵ WOL͏XQ͉Q 9̵WOL͏XJLDF˱ͥQJ 1.1.3 Phân loại vật liệu composite 3KkQOR̩LWKHRKuQKG̩QJY̵WO 3KkQOR̩LWKHRE̫QFK̭WFͯDY̵ 11 1.2 COMPOSITE SỢI TỰ NHIÊN 11 1.2.1 Sơ ̣i tự nhiên 11 &̭XWU~FYLP{FͯDVͫLW͹QKLr 12 7KjQKSK̯QKyDK͕FNK̫QăQJN 13 +uQKG̩QJYjNtFKWK˱ͣFFͯDVͫ 17 %L͇Qÿ͝LKyDK͕FYjÿ̿FÿL͋PF 19 1.2.2 Đặc điểm, tính chất composite sơ ̣i tự nhiên 19 Ĉ͡͝Qÿ͓QKQKL͏W 21 .K̫QăQJK~W̱P 21 6͹SKkQKͯ\GRYLNKX̱QYjiQ 22 1.2.3 Biến tính bề mặt sợi, nhựa 22 %L͇QWtQKE͉P̿WVͫL 23 %L͇QWtQKQK͹DQ͉Q 24 1.2.4 Các phương pháp gia công 27 1.2.4.1 *LDF{QJͧiSVX̭WWK˱ͥQJ 27 *LDF{QJG˱ͣLiSVX̭W 28 1.2.5 Ứng dụng composite sợi tự nhiên 29 1.3 COMPOSITE POLYPROYLENE/TRẤU 35 1.3.1 Nhựa polypropylene 35 &̭XWU~FSKkQW͵ 35 7tQKFK̭WFKXQJFͯDSRO\SURS\O 36 3KkQOR̩L 38 1.3.1.4 ˰XYjQK˱ͫFÿL͋PFͯDQK͹D33 39 ͰQJGͭQJ 40 1.3.2 Trấu 43 &̭XW̩R 44 1.&iFÿ̿FWtQKÿ̿FWU˱QJFͯDWṶX 45 ͰQJGͭQJ 46 2.3.3 Chất tương hợp MAPP 49 CHƯƠNG THỰ C NGHIÊM ̣ 51 2.1 NGUYÊN LIỆU 51 2.1.1 Nhựa Polypropylene (PP) 51 2.1.2 Trấu 51 2.1.3 Các hóa chất khác 52 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 52 2.3 QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU 52 2.3.1 Gia công tạo mẫu 52 4XiWUuQKpSÿQW̩RFRPSRXQG 54 7̩RP̳XE̹QJSK˱˯QJSKiSÿ~FWL 54 2.3.2 Các phép đo 55 ĈRÿ͡E͉QNpR 55 ĈRÿ͡E͉QX͙Q 56 ĈRÿ͡E͉QYDÿ̵S 57 ĈRÿ͡E͉QP{LWU˱ͥQJ 58 ́ ̉ CHƯƠNG KÊ T QUA VÀ THẢ O LUÂN ̣ 58 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ÉP ĐÙN 58 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐÚC TIÊM 59 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRẤU 62 3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT 64 3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CHẤT TƯƠNG HỢP 66 3.6 ĐỘ BỀN MÔI TRƯỜNG 68 3.7 SO SÁNH VỚI CÁC LOẠI GỖ 71 3.8 TÍNH TỐN SƠ BỘ GIÁ THÀNH SẢN PHẨM 72 ́ KÊ T LUÂN ̣ 75 KẾT LUẬN 75 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 75 TÀI LIỆU QUYẾT Ị Đ NH THAM KHẢO 75 GIAO ĐỀ TÀI VĂN LUẬN THẠC SĨ ) (BẢN SAO DANH MỤC ́ ́ CÁC TỪ VIÊ T TĂ T WPC Wood Plastic Composite (nhựa gỗ) MAPP Maleic Anhydric – graft – Polypropylene NFTC Natural Fiber Thermoplastic Composite (composite nhựa nhiêṭ dẻo gia cường sơ ̣i tự nhiên) PE Polyethylene PP Polypropylene PVC Polyvinylchlorua Bô ̣ NN & PTNT Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn '$1+0Ө&&È& %Ҧ1* Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Tính chất vật lý học số sợi tự nhiên 18 1.2 Kić h thước và thành phầ n của mô ̣t số loa ̣i sơ ̣i tự nhiên 18 1.3 Composite polymer gia cường sơ ̣i năm 2010 30 1.4 Sản lươ ̣ng lúa Viê ̣t Nam 43 1.5 Thành phầ n hóa ho ̣c của trấ u 45 2.1 Các thông số của nhựa PP loại ADVANCED PP – 1100N 50 2.2 Các thông số chất tương hợp MAPP loại polybond 3200 51 2.3 Kích thước mẫu đo độ bền kéo 54 2.4 Thông số đo đô ̣ bề n kéo 55 2.5 Các thông số đo đô ̣ bề n uốn 55 2.6 Các thông số đo độ bền va đập 56 3.1 Điều kiện tối ưu gia công composite trấu/PP 59 3.2 Bảng so sánh độ bền uốn composite trấu/PP với số loại gỗ 3.3 Giá số loại gỗ tự nhiên 70 72 DANH MỤC Số hiệu hình CÁC HÌNH Tên hình Trang Sản lượng nhựa sản xuất giới Sản lượng nhựa sản xuất nước 3 Hướng phát triể n đề tài 74 1.1 Mô ̣t số loa ̣i composite cố t sơ ̣i 1.2 Sự định hướng sợi 1.3 Composite cố t ̣t 1.4 Sản lươ ̣ng lúa Viê ̣t Nam (đơn vi:̣ triệu.tấ n) 10 1.5 Phân loa ̣i sơ ̣i 12 1.6 Cấu trúc vi sợi sợi tự nhiên 13 1.7 Cấu tạo cellulose 14 1.8 Liên kế t hydro nô ̣i và ngoa ̣i phân tử của cellulose 14 1.9 Cấu tạo hemicellulose 15 1.10 Cấ u ta ̣o lignin 16 1.11 Tam giác hòa bình xanh 20 1.12 Nhựa dùng cho composite 25 1.13 Liên kế t hình thành giữa bề mă ̣t sơ ̣i và graft copolymer 25 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 a) PMPPIC tương hợp với PP cellulose; b) PMPPIC tương hợp với HDPE cellulose Tiêu thụ sợi tự nhiên châu Âu Xu hướng dự báo tốc độ phát triển composite sợi tự nhiên (tỉ đôla) Các loa ̣i nhựa nhiê ̣t dẻo đươ ̣c sử du ̣ng WPC Thi trươ ̣ ̀ ng NFTC WPC (trái) và composite từ các sơ ̣i tự nhiên khác (phải) (Morton, 2002) 30 31 31 33 33 1.19 1.20 Lĩnh vực ứng dụng phân bố thi ̣trường composite nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi tự nhiên năm 2010 Mô ̣t số ứng du ̣ng của composite nhựa nhiê ̣t dẻo gia cường sơ ̣i tự nhiên (NFTC) 33 34 1.21 Ống nhựa PP 40 1.22 Màng nhựa PP 40 1.23 Tấm nhựa PP làm vách ngăn, cách âm, cách nhiệt… 41 1.24 Bọc dây cáp điện từ nhựa PP 41 1.25 Sân cỏ nhân tạo bao bì từ nhựa PP 42 1.26 Xuất gạo Việt Nam (đơn vị 1000 tấn) 43 1.27 Cấu tạo hạt lúa cấu trúc xốp trấu 44 1.28 Lò chuyên nấu nướng vỏ trấu 46 1.29 Củi trấu 47 1.30 Aerogel cách nhiệt từ SiO2 trấu 48 1.31 Trấu đốt, thải sông gây ô nhiễm môi trường 48 2.1 Đồ thi phân bố kích thước ̣t trấ u sau xay ̣ 50 2.2 Quy trình nghiên cứu 52 2.3 Thiế t bi ̣ép đùn Rheomex CEW100 QC, Haake, Đức 53 2.4 Hạt compound 53 2.5 Mẫu composite PP/trấu phương pháp đúc tiêm 53 2.6 Thiế t bi ̣đúc tiêm MiniJet II, Haake, Đức 53 2.7 Thiế t bi ̣đo đô ̣ bề n kéo và đô ̣ bề uố n AG-X plus, Shimadzu, Nhâ ̣t 54 2.8 Mẫu đo đô ̣ bề n kéo 54 2.9 Phương pháp đo uố n 55 2.10 Thiế t bi ̣đo đô ̣ bề n va đâ ̣p HIT 50P, Zwick/Roell, Đức 56 2.11 Thiết bị khắc notch 57 CHƯƠNG ́ ̉ ̉ KÊ T QUA VÀ THA O LUÂN ̣ 3.1 Ả NH HƯ Ở NG CỦ A NHIỆT ĐỘ ÉP ĐÙN Trấu với hàm lượng 60% trọng lượng, kích thước < 0.5mm đem trộn với nhựa PP máy ép đùn nhiệt độ vùng trộn khác 1800C, 1900C 2000C, tốc độ quay trục vít 50 vịng/phút Sản phẩm khỏi máy ép đùn dạng sợi cắt thành hạt compound Hạt compound đem tạo mẫu thiết bị đúc tiêm nhiệt độ 1900C áp suất 800bar Ảnh hưởng nhiệt độ ép đùn đến độ bền lý mẫu composite trình bày hình 3.1 ÷ 3.2 +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDQKL͏Wÿ͡ ÿ͇Qÿ͡E͉QNpR Từ đồ thị ta thấy, tăng nhiệt độ ép đùn độ bền ý composite PP/trấu tăng đến khoảng nhiệt độ 1900C bắt đầu giảm xuống Điều giải thích sau: Khi nhiệt độ thấp hỗn hợp trấu nhựa polypropylene nóng chảy có độ nhớt cao nên khả thấm ướt nhựa lên bề mặt trấu thấp, nhựa chưa bao bọc hoàn toàn trấu, liên kết nhựa trấu bề mặt tiếp xúc pha không tốt độ bền lý composite thấp Tuy nhiên tăng nhiệt độ đến 190oC độ nhớt nhựa nóng chảy thấp hơn, thấm ướt nhựa lên bề mặt độn trấu tốt tính chất lý composite tăng lên Nhưng tăng nhiệt độ lên 2000C nhựa thấm ướt tốt bề mặt độn đồng thời số thành phần trấu lignin, hemicellulose nhựa PP bị phân hủy nên làm giảm độ bền lý Do đó, độ bền lý composite PP/trấu cao gia công nhiệt độ 1900C, xem nhiệt độ ép đùn tối ưu +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDQKL͏Wÿ͡ 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐÚC TIÊM Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đúc tiêm, compound tạo nhiệt độ ép đùn tối ưu 1900C, tốc độ quay trục vít 50 vịng/phút với hàm lượng trấu 60% Các hạt compound dùng tạo mẫu composite phương pháp đúc tiêm nhiệt độ khác (1800C, 1900C 2000C) áp suất 800 bar Ảnh hưởng nhiệt độ đúc tiêm đến tính chất lý composite trình bày hình 3.3 3.4 Từ hình 3.3 ta thấy thời gian áp suất đúc tiêm định độ bền kéo mẫu tăng nhiệt độ đúc tiêm tăng từ 1800C đến 1900C Tuy nhiên, nhiệt độ đúc tiêm vượt 1900C độ bền kéo lại giảm Điều giải thích nhiệt độ thấp (180oC), độ nhớt compound q cao tiêm vào khn định hướng xếp phân tử khó khăn, nhựa liên kết với chặt chẽ nên nhiệt độ việc gia công tạo mẫu composite khó khăn, đặc biệt khơng thể tạo mẫu đo độ bền uốn nhựa không điền đầy khn hình ảnh đươc quan sát thấy hình 3.5 +uQK0̳XFRPSRVLWHE͓E Khi tăng nhiệt độ độ nhớt compound nóng chảy giảm Ở nhiệt độ 190oC compound có độ nhớt thấp nên định hướng, xếp thấm ướt phân tử polypropylene bề mặt độn trấu dễ dàng độ bền composite tăng lên Tuy nhiên, nhiệt độ cao (200oC), xảy tượng phân hủy thành phần trấu nhựa làm giảm tính chất composite Như độ bền composite PP/trấu tốt nhiệt độ đúc tiêm 1900C +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDQKL͏Wÿ͡ÿ~FW +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDQKL͏Wÿ͡ÿ~F 3.3 ẢNH ỞNG HƯ CỦA HÀM ỢNGLƯ TRẤU Trấu với hàm lượng khác 30%, 40%, 50% 60% khối lượng tạo compound với nhựa PP thiết bị ép đùn nhiệt độ ép đùn tối ưu 1900C tốc độ quay trục vít 50 vịng/phút Mẫu tạo thành thiết bị đúc tiêm với nhiệt độ đúc tiêm tối ưu 190 0C áp suất 800bar Kết thể hình 3.6 ÷3.9 Hình ̪QKK˱ͧQJFͯDKjPO˱ͫQJWU +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDKjPO˱ͫQJ +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDKjPO˱ͫQJ +uQK̪QKK˱ͧQJFͯDKjPO˱ͫQJ Từ hình 3.6 ÷ 3.9 ta thấy tăng hàm lượng trấu độ bền uốn,kéo va đập composite PP/trấu giảm, riêng modulus (hoặc mơđun) uốn composite PP/trấu tăng (hình 3.8) Điề u này có thể giải thić h tăng hàm lươ ̣ng trấ u, bề mă ̣t tiế p xúc bền giữa trấ u phân cực và nhựa nề n phân cực tăng lên làm cho độ bền kéo, uốn va đập mẫu composite giảm Mă ̣t khác, trấ u làm tăng độ cứng của composite, đó modulus uố n của composite tăng theo hàm lươ ̣ng trấ u Khi tăng hàm lượng trấu làm hạ giá thành sản phẩm hàm lượng trấu cao làm giảm nhiều độ bền kéo, uốn, va đập đồng thời làm tăng khả hút nước composite PP/trấu chất ưa nước trấu Do xem hàm lượng trấu 50% khối lượng giá trị tối ưu 3.4 NH Ả HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT Trấu hàm lượng 50% khối lượng với kích thước hạt khác