5. Nội dung thực nghiệm
3.2.1 Nghiên cứu 1
“ Nghiên cứu vật liệu composite trên nền nhựa poly(vinyl clorua) trộn với mùn cưa và trấu” nhóm Phạm Thị Vân, Nguyễn Thu Phương, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Tận dụng các phế phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp để tạo ra các sản phẩm composite có giá trị, giải quyết các vấn đề môi trường, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu.
Mẫu composite PVC với độn mùn cưa từ các loại gỗ (xoan, keo, hương..) và trấu được xay nhỏ, trộn với chất hóa dẻo. Hàm lượng độn 40%, PVC 40%, chất hóa dẻo DOP 20%. Mẫu được tạo bằng phương pháp ép đúc. Sau khi xử lý sơ bộ các thành phần như: Loại bỏ tạp chất, sàn, sấy khô. Các thành phần sẽ được trộn đều, cho vào khuôn, và ép trong điều kiện nhiệt độ và áp lực.
Tạo mẫu ở các điều kiện các nhiệt độ, thời gian, kích thước hạt trung bình và hàm lượng các thành phần khác nhau để khảo sát. Ngoài ra còn khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt trung bình, ảnh hưởng hàm lượng các thành phần(mùn cưa, chất hóa dẻo), độ bền môi trường sau khi tạo mẫu.
Kết quả thu được:
Từ hình 3.2 cho thấy, khi tăng nhiệt độ gia công thì độ bền cơ lý của vật lệu comnposite tăng nhưng đến khoảng nhiệt độ trên 160oC thì bắt đầu giảm xuống. Điều này là do ở nhiệt độ thấp những hạt nhựa PVC không nóng chảy hoàn toàn nên trong sản phẩm ta thấy nhựa không đều, có nhiều vị trí hạt nhựa chưa chảy do đó làm giảm khả năng thấm ướt của mùn cưa và nhựa. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ quá cao trên 160oC thì nhựa chảy đều nhưng đồng thời xảy ra hiện tượng phân hủy mùn cưa và PVC. Hiện tượng này chúng ta dễ dàng nhận thấy sản phẩm có màu nâu tối điều này làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu composite. Từ đồ thị trên ta thấy độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công ở nhiệt độ 160oC.
b) Khảo sát thời gian gia công
Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian gia công đến độ bền của vật liệu [19]
Từ hình 3.3 ta thấy, khi tăng thời gian gia công thì độ bền cơ lý của vật liệu comnposite tăng nhưng khi thời gian vượt quá 20 phút thì độ bền bắt đầu giảm xuống. Điều này được giải thích là khi gia nhiệt hỗn hợp ép đến nhiệt độ chảy của nhựa PVC thì luôn cần một khoảng thời gian đủ để tất cả các hạt nhựa đều chảy ra hết và thấm ướt đều bề mặt của mùn cưa. Khi thời gian không đủ để hạt nhựa chảy hoàn toàn thì sản phẩm sẽ không đều có nhiều vị trí hạt nhựa chưa chảy tạo thành pha riêng biệt. Tại những vị trí này kết dính giữa nhựa và mùn cưa kém nhất và mẫu sẽ bị phá hủy tại những điểm này vì vậy độ bền cơ lý sẽ giảm. Nhưng khi ép với thời gian quá lâu trên 20 phút ngoài mùn cưa bị phân hủy nhiệt thì nhựa cũng bị phân hủy một phần chính điều này sẽ làm giảm khả năng chịu lực của vật liệu. Từ đồ thị trên ta thấy độ bền của vật liệu composite cao nhất khi được gia công trong vòng 20 phút.
Nghiên cứu cho thấy có thể gia công mẫu composite tối ưu ở các điều kiện: Nhiệt độ gia công 160 oC, thời gian gia công 20 phút, hàm lượng DOP 10%, kích thước hạt tủng bình 0.5 mm, hàm lượng mùn cưa 50%(đối với composite mùn cưa), hàm lượng trấu 40% (đối với composite trấu).
Độ bền cơ lý của composite mùn cưa tốt hơn composite trấu nhưng khả năng chịu môi trường kém hơn. Trấu giá thành thấp hơn và nguồn cung cấp dồi dào hơn, do vậy sử dụng composite trấu được ưu tiên hơn.
So với sản phẩm composite truyền thống thì sản phẩm composite PVC với độn mùn cưa hoặc trấu tốt hơn nhiều, tuổi thọ cao hơn và thân thiện với môi trường hơn nên có thể trong tương lai có khả năng sử dụng nhiều hơn.
3.2.2 Nghiên cứu 2 [14]
“Mechannical properties and structure changes of PVC-Wood composite” nhóm nghiên cứu Krisztina Roman, Đại học Miskolc, Hungary.
Khảo sát, so sánh mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất cơ học của PVC nguyên chất và composite PVC- mùn cưa. Đánh giá khả năng sử dụng và khả ứng dụng của vật liệu composite này trong vật liệu xây dựng.
Mẫu composite PVC/mùn cưa với hàm lượng mùn cưa là 20% được đùn trong máy máy đùn với nhiệt độ 165-180 C mẫu tạo thành có dạng tấm dày 4mm. Mẫu composite⁰
được so sánh với mẫu PVC nguyên chất. Các phụ gia được sử dụng là chất ổn định Ca- Zn, độn CaCO3, chất trợ gia công acrylic, chất tạo bọt azodicarbonamide.
Các tính chất cơ học, ngoại quang được kiểm tra bằng sự thay đổi hàm lượng độn trong vật liệu. Các kết quả cung cấp thông tin về các giá trị độ nhớt, các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ bền uốn, độ cứng của vật liệu. PVC nguyên chất có độ nhớt cao hơn so với composite PVC – mùn cưa. Mùn cưa có tác dụng trong việc gia cường đáng kể qua các thí nghiệm kiểm tra độ bền cơ lý. Composite tạo thành có tính ứng dụng cao.
Kết quả thu được: a) Độ bền uốn
Hình 3.4: Độ bền uốn của mẫu composite PVC/nùn cưa với hàm lượng mùn cưa 20 phr và mẫu PVC nguyên (không có mùn cưa) theo tiêu chuẩn ISO 178.[14]
Dựa vào đồ thị hình 3.4 đường cong ứng suất uốn – độ bền uốn ta thấy rằng ở mẫu composite PVC/mùn cưa thì sự biến dạng ở các điểm đứt thấp hơn đáng kể so với PVC nguyên chất (không có mùn cưa). Các giá trị độ biến dạng uốn của mẫu PVC nguyên chất tăng lên mạnh, nhưng độ bền uốn và modul đàn hồi giảm. Còn mẫu PVC/mùn cưa tuy độ biến dạng uốn giảm nhanh nhưng độ bền uốn và modul uốn lại rất là cao.
b) Độ bền kéo
Hình 3.5: Độ bền kéo của mẫu composite PVC/nùn cưa với hàm lượng mùn cưa 20 phr và mẫu PVC nguyên (không có mùn cưa) theo tiêu chuẩn ASTM D389.[14]
Dựa vào các đường cong ứng suất kéo – độ bền kéo trên hình 3.5 ta thấy rằng độ giãn dài khi đứt giảm mạnh khi có thêm mùn cưa. Tuy nhiên độ bền kéo của mẫu PVC/mùn cưa tăng lên cao hơn so với mẫu PVC nguyên chất (không có mùn cưa).
3.2.3 Nghiên cứu 3[13]
“Influence of sawdust on the mechanical properties of vinyl plasticized composite” nhóm nghiên cứu J.E.Crespo, Đại học Valencia, Tây Ban Nha.
Nghiên cứu hiện tại phát triển vật liệu composite thân thiện với môi trường. Sử dụng cellulose làm vật liệu gia cường thay vì sử dụng các chất gia cường vô cơ như: Sợi thủy tinh, CaCO3, mica, do các tính chất ưu việt hơn như độ cứng cao, độ dẻo dai, trọng lượng riêng thấp. Thực hiện các phương pháp đo độ bền cơ học: độ bền kéo, mô đun đàn hồi, độ cứng để kiểm tra ảnh hưởng, sự tương tác giữa nhựa và mùn cưa.
Trộn các thành phần với nhau với hàm lượng chất hóa dẻo là 40-80 phr, nhựa PVC là 20-60% trọng lượng, hàm lượng mùn cưa 20-60% trọng lượng . Bảng 2 dưới đây thể hiện thành phần nghiên cứu này đang dùng.
Bảng 2: Thành phần nguyên liệu
Qua các phép đo để kiểm tra tính chất cơ lý cho thấy mô đun đàn hồi và độ bền kéo liên quan đến tỷ lệ độn mùn cưa được thêm vào. Hàm lượng mùn cưa càng tăng lên, mô đun đàn hồi tăng và độ bền kéo giảm. Kích thước hạt mùn cưa cũng phần nào ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của vật liệu. Điều này này được biểu hiện thông qua độ cứng của vật liệu tăng lên khi tăng hàm lượng mùn cưa. Độ bền kéo của composite giảm khi tăng hàm lượng mùn cưa.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các tính chất của vật liệu composite thu được chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng chất độn mùn cưa và chất hóa dẻo. Với hàm lượng chất hóa dẻo 40 và 50 phr cho kết quả độ bền kéo tốt hơn.
Kết quả thu được: a) Độ bền uốn
Các giá trị modul đàn hồi thu được ở hình 3.6 cho thấy răng modul đàn hổi tăng lên khi hàm lượng mùn cưa được thêm vào, độ cứng cũng tăng lên đáng kể khi thêm mùn cưa vào. Modul đàn hồi và độ cứng cao nhất khi hàm lượng mùn cưa là 40 phr và giảm dần xuống khi hàm lượng mùn cưa là 50. 60, 80 phr. Điều này được giải thích, khi ta độn quá nhiều mùn cưa vào thì hàm lượng nhựa không đủ để gắn kết các mùn cưa và nhựa lại với nhau làm giảm các cơ tính của mẫu.
b) Độ bền kéo
Hình 3.6: Modun đàn hồi của vật liệu composite PVC/mùn cưa với hàm lượng PVC tương ứng 40, 50, 60, 80 phr theo tiêu chuẩn ISO 527. [13]
Hình 3.7: Độ bền kéo của mẫu composite PVC/mùn cưa với các thành phần mùn cưa khác nhau như 40, 50, 60, 80 phr
Hình 3.7 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng mùn cưa đến độ bền kéo của mẫu composite. Khi hàm lượng mùn cưa tăng lên (từ 40 đến 80 phr) thì độ bền kéo của mẫu composite giảm đi. Sự giảm này do hiệu ứng tập trung ứng suất xung quanh mùn cưa, tạo ra sự tương tác yếu với PVC, gây ra sự kết dính yếu giữa PVC và mùn cưa.
3.2.4 Nghiên cứu 4 [15]
“Effect of wood sawdust content on rheological and structure changes, and thermo- mechanical properties of PVC/sawdust composites” nhóm nghiên cứu Narongrit Sombatsompop, Đại học Thonburi, Thái Lan.
Nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu composite mùn PVC/mùn cưa với hàm lượng mùn cưa khác nhau. Do PVC không ổn định về nhiệt nên vật liệu composite PVC/ gỗ được chú ý. Đánh giá các kết quả đo được, các tác động của việc thay đổi hàm lượng mùn cưa đến sự thay đổi cấu trúc và nhiệt trong qua trình gia công, các tính chất cơ học của vật liệu, độ bền kéo, uốn, va đập, độ cứng của vật liệu.
PVC được trộn với các phụ gia được liệt kê trong bảng, mùn cưa thu từ các xưởng đồ gỗ sau khi sấy khô để loại bỏ ẩm được cho vào với hàm lượng 0-41,2% trọng lượng mùn cưa trong PVC. Nghiên cứu sử dụng phương pháp ép đùn để gia công mẫu composite PVC/ mùn cưa.
Hình 3.8: Bề mặt mẫu composite PVC/mùn cưa tạo thành với hàm lượng mùn cưa khác nhau
Kết quả thu được:
Hình 3.9: Độ bền kéo và độ bền va đập với hàm lượng mùn cưa khác
Hình 3.9 cho thấy khi ta tăng hàm lượng mùn cưa dẫn đến xu hướng giảm các đặc tính cơ học độ bền kéo và độ bền va đập của mẫu composite. Sự giảm các đặc tính cơ học khi tăng hàm lượng mùn cưa được xét ở 2 vùng, vùng 1 trong khoảng từ 0-16,7 wt% và vùng còn lại 16,7-41,2 wt%. Việc bổ sung mùn cưa ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính kéo ở hàm lượng 16,7%, ngoài hàm lượng này thì độ bền kéo ảnh hưởng ở mức độ thấp.
Hình 3.10: Độ bền uốn và độ modun uốn với hàm lượng mùn cưa khác nhau
Hình 3.10 cho thấy kết quả của modul uốn và độ bền uốn của mẫu composite khi tăng hàm lượng mùn cưa. Có thể thấy rằng, modul uốn giảm khi tăng hàm lượng mùn cưa, và sau đó tăng lên khi hàm lượng mùn cưa là 28,6 wt% trước khi giảm lại ở mức cao hơn khi hàm lượng mùn cưa đạt 37,5 và 41,2 wt%. Độ bền uốn của mẫu composite giảm dần khi tăng hàm lượng mùn cưa lên.
3.3 Kết luận:
- Đã chế tạo thành công mẫu composite dựa trên cơ sở nhựa Poly(vinyl clorua) và mùn cưa bằng phương pháp ép đúc.
- Qua các nghiên cứu tham khảo ta thấy tùy từng thành phần mùn cưa, hàm lượng nhựa và phụ gia khác nhau cho ra các mẫu composite có tính chất khác nhau.
- Bằng việc thực hiện và tham khảo các kết quả đã được nghiên cứu lựa chọn được hàm lượng các thành phần cũng như các để tạo được mẫu composite có tính chất tốt nhất cụ thể: Mùn cưa 40 phr, nhựa 55 phr, phụ gia 5 phr, thời gian gia công 20 phút, nhiệt độ gia công 160 oC.
- Qua việc tạo được mẫu composite từ mùn cưa và nhựa PVC, từ đó có thể định hướng được sản xuất các sản phẩm nội thất như bàn, ghế… từ mẫu conposite vẫn đạt được độ bền và tính ứng dụng cao tương tự các sản phẩm nội thất trên thị trường.
- Ứng dụng của composite trong đời sống, trong tương lai có thể thay thế được vật liệu gỗ hay nhựa truyền thống. Việc phát triển một loại vật liệu mới, thân thiện với môi trường sẽ là một nghiên cứu mới, có tiềm năng trong lĩnh vực xây dựng, nội thất nhằm phục vụ cho cuộc sống và sự phát triển của con người .
3.4 Kiến nghị
Do điều kiện trang thiết bị không tốt, máy đúc ép làm việc không được liên tục, thiếu khuôn trong quá trình thực hiện nên thời gian thực hiện bị kéo dài. Cùng với đó tình dịch dịch bệnh phức tạp nên không thể hoàn thành nghiên cứu theo như dự tính ban đầu. Chính vì vậy việc đầu tư trang thiết bị để nghiên cứu có thể hoàn thành là giải pháp tối ưu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Cấn Duy Huấn, Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa HDPE tái chế với nhựa và mùn cưa, Đề cương Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Tài nguyên và môi trường Hà Nội, 2017.
[2] Quách Văn Thiêm & Nguyễn Văn Tú, Nghiên cứu công nghệ sản xuất ván dăm từ gỗ vụn và hạt nhựa phế liệu làm nguyên liệu sản xuất đồ gỗ, Đề tài nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2011.
[3] Ngô Thùy Dương, Nghiên cứu ảnh hường của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Lâm nghiệp Hà Nội, 2010
[4] Trần Thị Thu Hằng, Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa Polyethylene và mùn cưa, Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, 2013 [5] Phạm Thị Vân & Nguyễn Thu Phương, Nghiên cứu vật liệu composite trên nền nhựa
Polyvinyl clorua với độn mùn cưa, trấu, Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Đại học Đà Nẵng, 2010
[6] T. N. Valarmathi, M. Ganesan, and S. Sekar, “Evaluation of Mechanical Properties of Teak Wood Saw Dust – Cashew Nut Shell Liquid Resin Composites,” AMM, vol. 766–767, pp. 79–84, Jun. 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.766-767.79. [7] K.-S. Rahman, M. Islam, M. Rahman, M. Hannan, R. Dungani, and H. Khalil, “Flat-
pressed wood plastic composites from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): physical and mechanical properties,” SpringerPlus, vol. 2, no. 1, p. 629, 2013, doi: 10.1186/2193-1801-2-629.
[8] C. O. Aliyegbenoma, J. A. Apkobi, and D. D. Olodu, “Modelling and Production of Injection Moulded Polyvinylchloride--Sawdust Composite,” Journal of Applied Sciences and Environmental Management, vol. 23, no. 12, p. 2159, Jan. 2020, doi: 10.4314/jasem.v23i12.12.
[9] “Mùn cưa là gì? Công dụng và phương pháp vận chuyển mùn cưa.” http://www.mayhutthoishb.vn/mun-cua-la-gi-cong-dung-va-phuong-phap-van-
chuyen-mun-cua.html (accessed Apr. 05, 2021).
[10] vatlieunhuaphatloc, “Thiết kế web chuẩn Seo tích hợp phiên bản Mobile,” Sản xuất - Cung cấp nhựa kỹ thuật PVC,PP,PE, May 26, 2016. https://nhuakythuat.net.vn/thi-truong-nhua-pvc-toan-cau.html (accessed Apr. 04, 2021).
[11] “Bảng giá gỗ Tràm Bông Vàng năm 2021 | Gỗ Phương Đông,” Jan. 22, 2021. https://gophuongdong.com/bang-gia-go-tram-bong-vang/ (accessed Apr. 05, 2021). [12] A. Khonsari, H. R. Taghiyari, A. Karimi, and M. Tajvidi, “Study on the effects of
wood flour geometry on physical and mechanical properties of wood-plastic composites,” Maderas, Cienc. tecnol., no. ahead, pp. 0–0, 2015, doi: 10.4067/S0718- 221X2015005000049.
[13] J. E. Crespo, F. Parres, and J. López, Influence of Sawdust on the Mechanical Properties of Vinyl Plasticized Composites.
[14] K. Roman, B. Szemán, Z. Szabó, and K. Marossy, Mechanical properties and structural changes of PVC-wood composites. 2018. doi: 10.26649/musci.2018.015. [15] N. Sombatsompop, K. Chaochanchaikul, C. Phromchirasuk, and S. Thongsang,
“Effect of wood sawdust content on rheological and structural changes, and thermo- mechanical properties of PVC/sawdust composites,” Polym. Int., vol. 52, no. 12, pp. 1847–1855, Dec. 2003, doi: 10.1002/pi.1386.
[16] “Tomtat.pdf.” Accessed: Mar. 13, 2021. [Online]. Available: http://tailieuso.udn.vn/bitstream/TTHL_125/4793/3/Tomtat.pdf
[17] “Nganh_300121_FPTS.pdf.” Accessed: Apr. 05, 2021. [Online]. Available: http://images1.cafef.vn/Images/Uploaded/DuLieuDownload/PhanTichBaoCao/Nganh _300121_FPTS.pdf
[18] Giáo trình “ Gia công composite”, tác giả PGS.TS Đoàn Thị Thu Loan. Nhà xuất bản