Nghiên cứu trong nước
Trong nước đã có một số công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit “xanh” thân thiện môi trường. Có thể nói đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu compozit sử dụng sợi thực vật là các công trình nghiên cứu của GS. Trần Vĩnh Diệu và GS. Bùi Chương cùng các nhà khoa hoc cộng sự-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2003). Họ đã thành công trong việc chế tạo và đưa chất độn dạng sợi xenuluzo như: tre, nứa, đay, trấu, rơm, rạ… vào trong nền nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo trên cơ sở xử lý sợi bằng môi trường kiềm để loại bỏ lignin chứa trong sợi, ứng dụng chế tạo một số sản phẩm cho ngành giao thông vận tải và nông nghiệp [3, 4, 5].
Vào năm 2005, TS. Trần Văn Chứ-Trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nhựa/gỗ, kết quả cho thấy mô đun đàn hồi, độ bền uốn và độ cứng của vật liệu compozit đều cao hơn đáng kể so với gỗ không biến tính ban đầu [1]. PGS.TS. Vũ Huy Đại nghiên cứu vật liệu compozit gỗ-nhựa có khả năng chống chịu sinh vật hại gỗ tốt, sau khi thử nghiệm với các loại nấm mục, tỷ lệ tổn hao khối lượng đều nhỏ hơn 3%, đối với mối Coptotermes formosamus và hầu như không bị mối xâm hại. Đã tạo ra sản phẩm gỗ compozit gỗ nhựa là ván sàn thử nghiệm [5].
TS. Nguyễn Cửu Khoa - viện công nghệ Hóa học tại TP. HCM đã thực hiện đề tài nghiên cứu và chế tạo vật liệu nhựa gỗ – Plaswood. Kết quả của nghiên cứu với
19
tỷ lệ trộn PVC/BG từ 70/30 – 35/65 cùng một số chất phụ gia như chất hóa dẻo, chất ổn định nhiệt. Qua khảo sát tính chất compozit tác giả thấy rằng thành phần compozit ảnh hưởng lên độ bền kéo. Khi thêm chất tương hợp thì độ bền kéo tăng 8.3%, độ bền va đập tăng 81.5% so với mẫu không có chất tương hợp. Nếu tăng quá 5% sẽ làm cho tính cơ lý của compozit giảm, vì khi đó chất tương hợp làm cho vật liệu mềm hơn và tham gia tách pha làm cho vật liệu kém bền hơn.Hàm lượng copolyme ở 10% khối lượng mẫu cho kết quả tốt. Khi mẫu có hàm lượng copolyme chiếm 15% thì giá trị cơ lý giảm do hàm lượng copolyme cao dẫn đến khó phân tán đều, làm giảm cơ lý trên toàn bộ mẫu. Tuy nhiên, trong quá trình kiểm tra độ kháng xé của vật liệu thì Plaswood không thể bằng với nhựa PVC. Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đánh giá đây là sản phẩm đạt tiêu chuẩn, hình dáng đẹp và có khả năng đưa vào sản xuất trong thực tế. Nghiên cứu tính toán cũng cho thấy, vật liệu mới này có độ bền khá cao (độ bền kéo đứt tăng 57,66%; độ bền va đập tăng 37,15%)… và điều đặc biệt là khi sản xuất, giá thành của Plaswood sẽ rẻ hơn nhiều so với nhựa nguyên chất [8].
Nghiên cứu ngoài nước
Những năm gần đây, vật liệu compozit bột gỗ trên nền nhựa polyvinyl (PVC) đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng. Trong đó, độ cứng, độ chịu nước, bền thời tiết, WPC có chứa PVC thể hiện sự vượt trội với so với nền polyolefin. Do vậy, PVC trên trên compozit có thể được sử dụng cho vật liệu xây dựng như: cửa, cửa sổ hoặc facades [14]. Tuy nhiên PVC lại nhạy nhiệt độ cao so với polyolefin, các sản phẩm bị phân hủy độc hại (như HCl) được hình thành trong quá trình phân hủy bởi nhiệt. Để mà cải thiện được khả năng tương tác giữa bề mặt sợi gỗ ưa nước và nền ưa dầu, một vài các tác nhân nối đôi, và các chất xử lý bề mặt cho gỗ đã được nghiên cứu. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, việc nâng cao giá trị độ bền do gỗ đã xử lý với aminosilan. Các kết quả tương tự đã được thể hiện với bột gỗ tiền xử lý với monoetanolamin. Bản chất của gỗ trở thành … kiềm, dẫn tới tương tác axit bazo giữa bột gỗ xử lý và polyme axit [24-26].
Nhóm tác giả Magnus Bengtsson và các cộng sự [32] trong nghiên cứu sử dụng công nghệ silan liên kết polyethylen/bột gỗ đã sử dụng dung dịch silan để xử lí bột
20
gỗ nhằm cải thiện được độ bám dính, sự phân tán các hạt… do silan không chỉ có mặt trong chất nền polyme mà còn là liên kết giữa bột gỗ với nền nhựa. Liên kết hóa học hóa trị giữa gỗ và polyetylen là sự ngưng tụ của các gốc tự do. Hơn nữa liên kết hidro giữa các nhóm silanol ghép vào các polyetylen và các nhóm hydroxyl trên gỗ, lực Van-der-Wals giữa nhóm silan và nền polyetylen cũng cải thiện độ bám dính giữa các thành phần.
Cũng trong một nghiên cứu của nhóm tác giả Goran Grubbstrom và các cộng sự [25] đã sử dụng dung dịch silan là vinyl–trimethoxy silane (VTMS 97%, Sigma Aldrich, USA) như một chất gắn kết trong vật liệu tổng hợp gỗ nhiệt dẻo. Trong quá trình tổng hợp vật liệu compozit, dung dịch VTMS và peoxit được bơm vào máy đùn khi chế biến. Ở nhiệt độ cao, peoxit là chất đầu tiên bị phân hủy và tạo ra các gốc oxy. Những gốc oxy này tấn công vào các nhóm vinyl của phân tử VTMS và chuyển nó thành các gốc. Những gốc tự do có thể kết hợp với nhau hoặc các phân tử khác. Điều này dẫn đến quá trình ghép của silan vào chuỗi polyetylen hoặc gỗ. Phản ứng ngưng tụ trực tiếp giữa các nhóm sinanol (Si-O-Si) và nhóm hydoxyl trên gỗ sẽ tạo ra một liên kết hóa trị giữa gỗ và nhóm silanol (gỗ-O-Si) nơi mà các phần kị nước của VTMS (nhóm vinyl) có thể liên kết hóa học hoặc tương tác thông qua lực Van- der-wal với nền nhựa polyetylen (LDPE). Sau khi biến tính đã làm tăng độ bám dính giữa bột gỗ và chất nền trong các vật liệu tổng hợp được cải thiện đồng thời độ bền, độ dẻo dai, độ dài kéo đứt cao hơn.
Trong quá trình gia công của compozits với bột gỗ đã xử lý, sự tối màu hơn của bột gỗ đã được quan sát, chỉ ra sự phân hủy nhiệt của polyme. Nhìn chung sự phân hủy nhiệt của polyme trên nền PVC với bột gỗ phụ thuộc vào hàm lượng chất độn, loại gỗ và hàm lượng ẩm. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra một sự suy giảm nhiệt độ phân hủy của compozit với việc tăng hàm lượng chất độn và hơi ẩm. Điều này gợi ý rằng, sau khi hơi ẩm bay hơi, sự tái hình thành của các lien kết hidro giữa bột gỗ và polyme xuất hiện, dẫn tới sự tách các nguyên tử clo và phân tử HCl của polyme. Ngoài ra, thành phần hóa học của bột gỗ hay sợi tự nhiên ảnh hưởng tới quá trình phân hủy của compozit. Điều này đã được chỉ ra rằng, nhiệt độ phân hủy là không thay đổi và tốc độ phân hủy giảm theo hàm lượng chất độn trong PVC.
21
Từ các nghiên cứu trên, việc sử dụng các hạt nano trong vật liệu compozit nhựa gỗ đã được quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở mức độ phối trộn cơ học chưa tạo được tương các với các thành phần trong vật liệu. Do vậy hạn chế gia cường của chúng. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ biến tính bột gỗ bằng cách gắn các hạt nanosilica bám trực tiếp lên bột gỗ bằng phản ứng ngưng tụ và thủy phân của tetraorthosilicat. Nhờ đó, liên kết giữa bột gỗ và silica sẽ được hình thành tại bề mặt bột gỗ và điều này sẽ đóng góp vào việc cải thiện tính chất cơ học cho vật liệu.
22
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.Nguyên liệu và hóa chất
- Nhựa nền: polyvinyl clorua (PVC) dạng hạt được cung cấp bởi Công ty TNHH nhựa và hóa chất TPC ViNa(VN), loại Grade SG 660 có độ trùng hợp trung bình n = 980 - 1020, K = 65 – 67.
- Bột gỗ của cây keo tai tượng được sử dụng có kích thước hạt khoảng 100 µm (lưới sàng 100 mesh).
- Tetraetyl orthosilicat (TEOS) 98%, công thức C8H20O4Si, được cung cấp từ Công ty hóa chất DAEJUNG (HQ) theo tiêu chuẩn hóa chất phân tích (PA).
- Các phụ gia:
Phụ gia hóa dẻo: dioctyl phtalat (DOP) được cung cấp từ Công ty hóa chất Đức Giang.
Phụ gia ổn định: kẽm stearat, bari stearat (được chế tại phòng thí nghiệm, viện Kỹ thuật Nhiệt đới, viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)
Phụ gia chống cháy: cơ thiếc được cung cấp từ Công ty hóa chất Đức Giang. - Dung môi: cồn tuyệt đối (C2H5OH) 99,5%, được cung cấp từ Công ty hóa chất Đức Giang.
- Các hóa chất khác: xút hạt (NaOH) 98%, dung dịch ammoniac (NH3) 25%,được cung cấp từ Công ty hóa chất Đức Giang.