Qua các nội dung nghiên cứu tổng quan các vấn đề lý thuyết có liên quan, có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Tính chất của các loại vật liệu tổ hợp phối trộn từ các pha khác nhau phụ thuộc nhiều vào thông số gia công: tỷ lệ phối trộn, phương pháp phối trộn, trình tự và thông số gia công …
- Da thuộc phế liệu từ sản xuất giầy có cấu trúc từ các xơ collagen với các đặc tính quí giá cần phải được tái sử dụng.
- Xu hướng xử lý chất thải rắn da thuộc của sản xuất giầy nói chung hiện nay trên thế giới là chế tạo các vật liệu tái chế dạng compozit (vật liệu tổ hợp). Các nền polyme có thể được sử dụng rất đa dạng trong đó có nhiều vật liệu là cao su.
- Da thuộc từ sản xuất giầy tại Việt Nam đã được nghiên cứu và nghiền xé nhằm chuyển đổi từ dạng mảnh, tấm sang dạng xơ có kích thước micro nên hoàn toàn có khả năng dùng làm pha phân tán trong vật liệu polyme compozit
- Cao su tự nhiên có độ đàn hồi cao, phù hợp làm nền cho các loại vật liệu tổ hợp. - Latex là mủ cao su ở trạng thái phân tán nằm lơ lửng trong dung dịch nên có độ nhớt thấp hơn nhiều so với cao su dạng rắn. Chính vì vậy Latex cao su có khả năng phối trộn dễ dàng với các vật liệu phân tán ở tỷ lệ phối trộn lớn làm vật liệu tổ hợp hoặc tạo các nền sơ bộ cho các vật liệu tráng phủ.
- Việc phối trộn xơ da sau nghiền xé với các nền polyme tạo vật liệu tổ hợp là xu hướng tái chế da thuộc phế liệu hiện nay.
Các kết luận tổng quan này là cơ sở để xác định mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được trình bày cụ thể trong chương 2.
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Tái sử dụng phế thải của các ngành công nghiệp làm nguyên liệu cho việc chế tạo các vật liệu mới đang là một trong những xu hướng xử lý ô nhiễm chất thải rắn trên thế giới ngày nay. Phế thải ngành da giầy, đặc biệt là phế liệu da thuộc hiện nay đang là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam mà chưa có các giải pháp thực sự hiệu quả để xử lý. Ngoài ra, việc thải bỏ chất thải rắn da giầy bằng phương pháp đốt hoặc chôn lấp còn gây lãng phí một lượng lớn các loại xơ collagen quí giá mà không một loại vật liệu nào có khả năng thay thế.
Một hướng nghiên cứu hiện nay đang được các nhà khoa học và các tổ chức, công ty trên thế giới tiến hành thực hiện là sử dụng phế liệu da thuộc làm chất độn gia cường cho các loại vật liệu polyme compozit. Về lý thuyết có nhiều vật liệu polyme nền có khả năng phối trộn với xơ da để chế tạo vật liệu compozit như: nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và cao su. Trong số các loại vật liệu nền nêu trên thì latex cao su tự nhiên có thể được coi là một lựa chọn tốt không chỉ bởi các tính vốn có của nó mà đây còn là một loại sản phẩm có khả năng sản xuất trong nước, dễ kiếm với giá thành hợp lý.
Nhằm hướng tới mục đích cuối cùng là chế tạo vật liệu compozit có nền latex cao su tự nhiên và pha phân tán là xơ da phế liệu thì trước hết cần phải có các nghiên cứu khảo sát cơ bản. Đây chính là lý do để thực hiện đề tài của luân văn là:
“ Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ chế tạo tới hình thái học và một số tính chất cơ lý của vật liệu tổ hợp từ xơ da tự nhiên và latex”
Mục đích của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ chế tạo cụ thể là: tỷ lệ phối trộn xơ da/latex, trình tự gia công, thông số gia công tới hình thái học và một số tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp tạo thành. Từ đó có được định hướng lựa chọn công nghệ phù hợp để áp dụng chế tạo vật liệu tổ hợp từ xơ da tự nhiên và latex cao su tự nhiên.
2.2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
2.2.1.Đối tượng nghiên cứu
✓ Nguyên liệu:
Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu của đề tài là:
- Latex lỏng: là loại latex công nghiệp được thương mại hóa tại thị trường Việt Nam. Đây là loại có độ nhớt và hàm lượng chất rắn cũng như giá thành ở mức trung bình.
- Xơ da mịn: là xơ da thu được sau quá trình nghiền xé khô (bằng máy nghiền búa) từ phế liệu da bò cật không nhuộm màu (có màu da tự nhiên ). Xơ da được sử dụng trong nghiên cứu của luận văn là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài 01C- 03/1-2014-2 và đã được trình bày trong luận văn: “Nghiên cứu khả năng công nghệ nghiền xé phế liệu da thuộc của sản xuất giầy thành hỗn hợp dạng xơ và bột” của Ths. Dương Thị Hoàn.
✓ Hoá chất cơ bản
Hoá chất cơ bản được sử dụng nghiên cứu cho đề tài là - Hệ lưu hoá:
+ Chất lưu hoá: lưu huỳnh bột rắn, có màu vàng, dạng bột, dùng để lưu hoá cao su và có tác dụng tạo các liên kết ngang khâu mạch giữa các đại phân tử cao su.
+ Chất hỗ trợ lưu hoá :
• ZnO: là xúc tiến lưu hoá có tác dụng hoạt hoá các hợp chất xúc tiến và đồng đều hoá hệ thống lưu hoá.
• Stearic: là axit béo mạch dài thẳng có tác dụng làm cho quá trình phối trộn hoá chất được đồng đều.
• DM và TMTD là trợ chất xúc tác tạo ra các phần tử hoạt động tấn công nối đôi trong mạch đại phân tử cao su.
• RD là chất phòng lão có tác dụng chống lão hoá cho cao su.
- Chất tạo môi trường: chủ yếu được sử dụng để điều tiết thời điểm đông tụ nhằm chuyển hóa latex từ dạng lỏng thành dạng rắn.
+ Dung dịch axit axetic: là axit hữu cơ, có tính axit yếu, không làm ảnh hưởng đến độ bền của xơ, có tác dụng đông tụ hỗn hợp latex và xơ da sau khuấy trộn.
+ Dung dịch amoniac: Được sử dụng làm chất chống đông tụ sớm của Latex giúp tăng cường khả năng phân tán và phối trộn xơ da vào mội trường Latex lỏng.
2.2.2.Nội dung nghiên cứu
Xuất phát từ mục đích nghiên cứu là làm rõ ảnh hưởng của thông số công nghệ chế tạo cụ thể là tỷ lệ phối trộn xơ da/latex, trình tự gia công, thông số gia công tới hình thái học và một số tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp từ xơ da tự nhiên và latex lỏng, đề tài đã tập trung vào nội dung nghiên cứu cụ thể sau:
-Nội dung 1: Xác định hàm lượng rắn trong dung dịch Latex để làm cơ sở xác định tỷ lệ phối trộn.
- Nội dung 2: Nghiên cứu khảo sát lựa chọn thiết bị và phương pháp gia công + Khảo sát lựa chọn thiết bị và phương pháp khuấy trộn
+ Khảo sát trình tự gia công
+ Xác định khoảng hàm lượng sơ bộ của các hoá chất và phụ gia + Khảo sát nhiệt độ và thời gian sấy định hình
- Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xơ da/latex đến hình thái học và tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp.
- Nội dung 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số khuấy trộn (tốc độ và thời gian) đến hình thái học và tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu chung
Đề tài đã phối hợp các phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để triển khai thực hiện các mục tiêu và nội dung nghiên cứu đã đề ra.
-Tiến hành khảo cứu các tài liệu liên quan đến vật liệu polyme compozit, latex cao su tự nhiên, phản ứng lưu hoá cao su, cấu trúc xơ da tự nhiên, vật liệu tổ hợp từ xơ da. Đề tài cũng tiến hành tổng quan về các các phương pháp phối trộn các thành phần pha trong vật liệu tổ hợp. Lấy kết quả nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở để lựa chọn và xây dựng phương án thực nghiệm.
- Tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để giải quyết các nội dung cụ thể đã đặt ra cho nghiên cứu.
- Sử dụng các kiến thức lý thuyết để giải thích các kết quả thực nghiệm thu được, từ đó có các phân tích, đánh giá và đưa ra kết luận phù hợp.
2.3.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu
Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đề ra, đề tài đã sử dụng nhiều loại trang thiết bị cần thiết có độ tin cậy cao để tiến hành các thực nghiệm, cụ thể là:
✓ Cân điện tử
- Mục đích: Dùng để cân khối lượng latex lỏng, xơ da, hoá chất và các chất phụ gia
- Thông số thiết bị:
Loại cân:VIBRA, SHINKO Model: DJ-300TW
Độ chính xác đến 0,001 g Giới hạn đo: 300 g / 0,01g
Hình 2.1:Cân điện tử
✓ Máy khuấy:
- Mục đích: Dùng để phối trộn xơ da với latex lỏng - Thông số:
Loại máy: Nova power tools Moldel: BM – 13
Tốc độ của máy:
Mức tốc độ Tốc độ tại các dòng điện tần số khác nhau (vòng/phút)
50Hz 60Hz Mức 1 620 740 Mức 2 920 1100 Mức 3 1280 1800 Mức 4 1750 2100 Mức 5 2620 3140 Hình 2.2:Máy khuấy
✓ Máy nghiền hành tinh
-Mục đích: Dùng để trộn hỗn hợp xơ da và latex - Thông số thiết bị
Loại máy: Firitsch puluverisette Model: PM 200
Công suất tiêu thụ 1250 W (VA) Công suất nghiền 2 x 50 ml / 1 mẻ
Đường kính đĩa nghiền 157 mm
Bộ quạt gió làm mát với tốc độ 185 m3 / giờ
Hình 2.3:Máy nghiền hành tinh
✓ Máy sấy
- Mục đích: Dùng để sấy khô hỗm hợp xơ da và latex lỏng sau khi khuấy trộn, giặt sạch axit và lưu hoá mẫu sau cán
- Thông số thiết bị
Loại máy: Apparatebau Model: 290
Công suất tối đa: 2600 w; Nhiệt độ tối đa: 250 oC
✓ Máy cánxuất tấm hai trục
- Mục đích: Dùng để cán tấm có độ dầy khoảng 2 mm sau khi đã sấy mẫu - Thông số thiết bị:
Đường kính trục: hai trục có đường kính bằng nhau là 15 cm Độ dài 2 trục bằng nhau là 48,5 cm
Hình 2.5: Máy cán xuất tấm hai trục ✓ Máy hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM
- Mục đích: Dùng để kiểm tra sự phân bố của các pha trong vật liệu - Thông số thiết bị
Loaị máy: JEOLJSM-7600F
Chế độ chụp: Trường điện thế 1 kV (thế thấp) Độ phóng đại thấp 200 – 500 x
Độ phóng đại cao 2000 – 1 500 000 x
Xoay ảnh ± 5o C hoặc nhỏ hơn (chế độ phóng đại cao) Góc nghiêng mẫu ±150
Hình 2.6:Máy hiển vi điện tử quyét phát xạ trường FE - SEM
✓ Máy đo độ bền cơ lý
- Mục đích: Dùng để đo độ bền kéo và độ bền xé của vật liệu - Thông số thiết bị:
Tên máy: TENSILON Tải trọng lớn nhất: 5000N Bảng hiển thị: LCD
Mô tơ điều khiển tốc độ tăng giảm theo biến tần Có phần mềm kết nối máy tính hiển thị kết quả
2.3.3. Quy trình thực nghiệm
2.3.3.1. Quy trình thực nghiệm xác định hàm lượng khô của latex
✓ Điều kiện thực nghiệm:
- Tổng số mẫu thí nghiệm: là 5 mẫu, mỗi mẫu 10 ml latex lỏng - Thể tích axit axetic dùng để đông tụ 1 mẫu latex lỏng 10ml - Nhiệt độ sấy: 80 oC
- Thời gian sấy: Sấy trong các khoảng thời gian khác nhau cho đến khi latex rắn có khối lượng không đổi
✓ Trình tự thao tác thí nghiệm:
Bước 1: Cân khối lượng lần lượt 5 mẫu latex lỏng
Bước 2: Cho axit acetic dư vào các mẫu latex lỏng, khuấy đều bằng đũa thủy tinh, giữ hỗn hợp đến khi quan sát thấy không còn dịch lỏng màu trắng (toàn bộ cao su có trong dung dịch đã chuyển sang thể rắn)
Bước 3: Giặt sạch axit có trong các mẫu
Bước 4: Sấy khô (sau khi giặt sạch axit, các mẫu được cắt nhỏ theo hình chiếc bánh 8 miếng rối cho vào máy sấy khô ở 80 oC).
Bước 5: xác định hàm lượng chất rắn trong latex (Sau các khoảng thời gian sấy khác nhau, tiến hành cân kiểm tra khối lượng của mẫu, cho tới khi khối lượng không đổi, trong thí nghiệm tổng thời gian sấy đến khi latex rắn có khối lượng không đổi là 28 giờ).
Quy trình thực nghiệm xác định hàm lượng chất rắn trong latex được mô tả theo sơ đồ hình 2.8
Giặt sạch axit
Hình 2.8:Sơ đồ quy trình thực nghiệm xác định hàm lượng khô của latex
2.3.3.2. Quy trình thực nghiệm tạo mẫu vật liệu tổ hợp
✓ Điều kiện thực nghiệm
- Khối lượng xơ da sử dụng trong một một mẫu thí nghiệm là: 10 g (± 0,001g) - Tỷ lệ xơ da / latex rắn (Hàm lượng chất rắn thực tế có trong các dung dịch latex) của các mẫu thay đổi từ 30 / 70 đến 60 / 40
- Dung tích của nước dùng để pha loãng latex lỏng là 70 ml - Dung tích của amoniac dùng để tạo môi trường là 2 ml - Thời gian khuấy trộn: 10 phút, 5 phút, 3 phút và 1 phút
- Tốc độ khuấy trộn: 620 vòng / phút, 1280 vòng / phút, 1750 vòng / phút, 2620 vòng / phút
- Kiểm tra nồng độ axit còn xót lại sau giặt bằng giấy chỉ thị màu pH - Nhiệt độ và thời gian sấy khô sau động tụ: 70 oC, 24h
- Nhiệt độ và thời gian lưu hoá 110 oC, 2h
Latex Axit axetic
Đông tụ
Sấy khô
✓ Trình tự thao tác thí nghiệm Bước 1: Phối trộn hỗn hợp sơ bộ
+ Cân khối lượng latex lỏng rồi cho vào cốc khuấy của máy khuấy + Pha loãng latex lỏng trong cốc bằng 70 ml nước
+ Tiếp tục cho 2 ml dung dịch amoniac vào cốc để làm chất tạo môi trường + Cân các mẫu xơ có khối lượng 10g bằng cân điện tử với độ chính xác 0,001g, cho vào cốc khuấy sơ bộ bằng đũa thủy tinh.
+ Cân các chất phụ gia bằng cân điện tử với độ chính xác 0,001g rồi cho vào cốc khuấy sơ bộ.
+ Lắp trục cánh khuấy và đậy kín nắp cốc khuấy Bước 2: Khuấy trộn
+ Lắp cốc vào máy khuấy
+ Định vị cốc khuấy bằng hệ thống kẹp
+ Cài đặt tốc độ khuấy và bấm thời gian khuấy + Khởi động chạy máy với thời gian định trước Bước 3: Đông tụ
Sau khi đã khuấy trộn xong thì tiến hành đông tụ mẫu bằng 10 ml axit axetic trong khoảng thời gian từ 8 đến 10 giờ để đảm bảo rằng mẫu đã được đông tụ hoàn toàn
Bước 4: Giặt sạch axit
Sau khi đông tụ mẫu bằng axit axetic ta tiến hành giặt sạch axit bằng nước, kiểm tra bằng cảm quan và giấy chỉ thị màu pH để đảm bảo rằng axit đã được loại bỏ hoàn toàn.
Bước 5: Sấy khô mẫu
Sấy khô mẫu bằng máy sấy ở nhiệt độ 70 oC, với thời gian đảm bảo lượng nước trong mẫu bay hơi hoàn toàn, (thực tế trong thí nghiệm đã sấy 24h thì nước trong mẫu bốc hơi hoàn toàn)
Bước 6: Cán mẫu
Cán mẫu tạo hình tấm phẳng bằng máy cán, các mẫu đều được cán phẳng có độ dầy khoảng 1,5 mm
Bước 7 Sấy lưu hoá
Các tấm mẫu sau cán được sấy lưu hoá ở nhiệt độ 110 oC trong thời gian 2 giờ với trạng thái hoàn toàn tự do (không chịu lực ép nén).
Bước 8: Kiểm tra đánh giá
Cắt mẫu và kiểm tra độ bền độ bền kéo đứt và độ bền xé; Chụp ảnh mặt cắt mẫu bằng máy hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM
Quy trình thực nghiệm tạo mẫu vật liệu được mô tả theo xơ đồ trên hình sau
Thời gian, tốc độ
Axit axetic, thời gian