NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ TRẤU VÀ NHỰA POLYPROPYLENE INVESTIGATION ON PROCESSING RICE HUSK FILLED POLYPROPYLENE COMPOSITES SVTH: Lê Văn Quang, Cao Đức Tâm Lớp 07H4, Khoa
Trang 1NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE TỪ TRẤU
VÀ NHỰA POLYPROPYLENE
INVESTIGATION ON PROCESSING RICE HUSK FILLED POLYPROPYLENE
COMPOSITES
SVTH: Lê Văn Quang, Cao Đức Tâm
Lớp 07H4, Khoa Hóa- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
GVHD: TS.Đoàn Thị Thu Loan
Khoa hóa - Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
TÓM TẮT
Ảnh hưởng của điều kiện gia công, kích thước và hàm lượng bột trấu cũng như chất tương hợp đến các tính chất cơ lý của composite trên cơ sở polypropylene (PP) và trấu được khảo sát Nhiệt độ ép đùn và đúc tiêm khảo sát tối ưu là 190 o C Với hàm lượng trấu 50% khối lượng sẽ cho sản phẩm tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế Sự sử dụng 2% khối lượng chất tương hợp Maleated polypropylene (MAPP) polybond 3200 cải thiện đáng kể các tính chất của vật liệu
ABSTRACT
The influences of processing conditions, particle size and content of rice husk flour as well
as compatibilizer on mechanical properties of polypropylene/rice husk composites were investigated The optimal temperature of extruder and injection molding is 190oC The product with
50 weight percent rice husk is technically and economically optimal An addition of 2 weight percent Maleated polypropylene compatibilizer (MAPP) polybond 3200 improved significantly the performance of the composites
1 Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ hiện đại, đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật làm cho ngành khoa học vật liệu càng phát triển để tìm ra vật liệu mới đáp ứng được các yêu cầu khắt khe đó Trong đó, việc nghiên cứu vật liệu composite ngày càng được phát triển Sở dĩ composite ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi là vì chúng rất bền và nhẹ, có thể đáp ứng được yêu cầu khắt khe của kỹ thuật và công nghệ hiện đại Trong số các vật liệu composite thì composite nền nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi tự nhiên càng được chú trọng nghiên cứu do chúng có nhiều ưu điểm như nguồn nguyên liệu sẵn có, tỉ trọng thấp, độ bền cao và đặc biệt thân thiện với môi trường (có thể
bị phân hủy bởi vi sinh vật), không độc hại với con người
Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, sản lượng xuất khẩu gạo hằng năm đứng thứ hai trên thế giới Tuy nhiên, trấu được xem là phế phẩm chưa được sử dụng hợp lý và hiện đang gây ô nhiễm môi trường rất lớn Đặc biệt vào mùa thu hoạch lúa thì một lượng lớn trấu thải ra môi trường một cách bừa bãi, đổ xuống sông, suối, chỉ một ít được sử dụng làm nguyên liệu đốt Do đó, việc sử dụng trấu làm chất độn trong vật liệu composite sẽ tận dụng được nguồn phế phẩm của ngành nông nghiệp lúa nước, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và góp phần cải thiện thu nhập cho người nông dân
Trang 2Trong báo cáo này chúng tôi sẽ trình bày kết quả nghiên cứu điều kiện gia công và các yếu
tố ảnh hưởng đến tính chất của composite trên cơ sở PP và trấu
2 Thực nghiệm
2.1 Nguyên liệu và hóa chất
Trấu được lấy từ một xưởng xay
lúa tại uảng Nam và được xay, sàng
phân loại với các kích thước sàng như sau
< 0,35 mm; < 0,5 mm; < 0,85 mm Sự
phân bố kích thước hạt được thể hiện ở
hình 1 Sau khi được phân loại kích thước,
trấu được sấy ở o trong vòng h và
được bảo quản trong bao kín trước khi gia
công Trấu sau khi sấy được sử dụng trực
tiếp làm độn mà không qua các quá trình
xử lý khác
hất tương hợp được sử dụng là Polybond , một loại Maleated polypropylene (MAPP) của hãng hemtura có các thông số ở bảng 1
Bảng 1 Các thông số của chất tương hợp MAPP loại polybond 3200
Khối lượng riêng (g/cm3) 0,91 ASTM D-792
Hàm lượng Maleic andydride (%) 1
2.2 Quá trình tạo mẫu
2.2.1 Tạo hạt compound
ác nguyên liệu thành phần được trộn trong máy ép đùn hai trục vít xoay ngược chiều heomex , Haake, Đức Sản phẩm sau khi ra khỏi máy ép đùn được cắt tạo hạt compound
2.2.2 Tạo mẫu composite
ác hạt compound được dùng để gia công mẫu composite bằng phương pháp đúc tiêm trong thiết bị đúc tiêm Mini et , Haake, Đức
2.3 Các phép đo
Độ bền kéo, độ bền uốn được xác định với máy đo A - plus, Shimad u, Nhật Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn S ác tính chất của độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn S Độ bền va đập được xác định theo tiêu chuẩn S với máy đo H T P, ick oell, Đức ác mẫu dùng để xác định độ bền cơ lý đều được để
ổn định ít nhất ngày sau khi gia công trong điều kiện nhiệt độ phòng ác phép đo cơ lý được thực hiện tại phòng thí nghiệm polymer trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Mỗi phép đo thực hiện ít nhất mẫu để lấy giá trị trung bình
Trang 33 Kết quả và thảo luận
3.1 Ảnh hưởng của điều kiện gia công
3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn
Mẫu composite được gia công với hàm lượng trấu 6 %, kích thước trấu < , mm
để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trộn ở máy ép đùn (1800
C, 1900C và 2000C) và tốc độ quay của trục vít là vòng/phút Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn đến độ bền cơ lý của mẫu composite được trình bày ở hình 2, 3
Từ các đồ thị ta thấy, khi tăng nhiệt độ đùn thì độ bền cơ lý của composite PP trấu tăng nhưng đến khoảng nhiệt độ trên 9 0 thì bắt đầu giảm xuống Điều này là do ở nhiệt
độ thấp (1800
C) những hạt nhựa PP nóng chảy không thấm ướt hoàn toàn độn do độ nhớt cao làm cho độ bền cơ lý bị giảm đáng kể Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ quá cao (2000C) thì nhựa thấm ướt tốt bề mặt độn nhưng đồng thời xảy ra hiện tượng phân hủy trấu và PP nên
độ bền cơ lý giảm Như vậy độ bền cơ lý của composite PP trấu cao nhất khi được gia công
ở nhiệt độ 9 0
C
3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đúc tiêm
Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đúc tiêm, compound được tạo ở nhiệt độ ép đùn tối ưu 9 0 , tốc độ quay của trục vít là vòng phút, tỉ lệ khối lượng PP trấu là
6 Sau khi cắt, các hạt compound được dùng để tạo mẫu composite bằng phương pháp đúc tiêm ở các nhiệt độ khác nhau ( 0
C, 1900C và 2000 ) và áp suất bar Ảnh hưởng của nhiệt độ đúc tiêm đến tính chất cơ lý của composite được trình bày ở hình 4
Từ hình 4 ta thấy khi ở cùng một thời gian và áp suất đúc tiêm nhất định thì độ bền kéo của mẫu tăng khi nhiệt độ đúc tiêm tăng từ 0 đến 9 0
C Tuy nhiên, khi nhiệt độ đúc tiêm vượt quá 9 0 thì độ bền kéo lại giảm Điều này được giải thích tương tự như ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn đến tính chất cơ lý của mẫu composite PP trấu Ảnh hưởng này còn thể hiện rõ khi đúc tiêm ở 0 thì rất khó gia công tạo mẫu do nhựa chưa chảy hoàn toàn Như vậy độ bền của composite PP trấu tốt nhất ở nhiệt độ đúc tiêm 9 0
C Kết quả ở hình 5 cho thấy sự ảnh hưởng tương tự của nhiệt độ đúc tiêm đến độ bền và module uốn
Từ các số liệu trên, có thể đưa ra chế độ gia công tối ưu mẫu composite PP trấu là nhiệt độ ép đùn 9 0 và nhiệt độ đúc tiêm là 9 0
C
Hình 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn đến độ bền va đập của composite PP/trấu Hình 2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn đến độ
bền kéo và uốn của composite PP/trấu
Trang 43.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt
ia công mẫu composite ở nhiệt độ đùn 9 0
C và nhiệt độ đúc tiêm 9 0C, tỉ lệ khối lượng PP trấu với các kích thước hạt khác nhau < , ; < , và < , Kết quả thể hiện ở hình 6, 7
Theo hình 6 và 7 ta thấy khi kích thước hạt tăng thì độ bền kéo, uốn và va đập của composite PP trấu tăng nhưng khi kích thước trấu tăng vượt quá , mm thì độ bền kéo và uốn tăng chậm, riêng độ bền va đập giảm xuống Mặt khác, khi kích thước hạt càng lớn sẽ gây mài mòn thiết bị nên có thể chọn kích thước hạt < , làm giá trị tối ưu
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng trấu
ác mẫu composite được gia công ở nhiệt độ đùn 9 0
C và nhiệt độ đúc tiêm
1900C, kích thước hạt trấu < 0,5mm với các hàm lượng khác nhau 30%, 40%, 50% và 60% khối lượng Kết quả thể hiện ở hình 8-10
Từ hình và 9 ta thấy khi tăng hàm lượng trấu thì độ bền uốn và kéo, độ bền va đập của composite PP trấu giảm dần iêng modulus uốn tăng dần (Hình ) Điều này được giải thích là khi không sử dụng chất tương hợp, do nhựa nền PP không phân cực kết hợp cùng trấu với bản chất phân cực sẽ có độ tương hợp kém, độ liên kết giữa hai bề mặt
Hình 7 Ảnh hưởng của kích thước hạt trấu độ bền
va đập của composite PP/trấu
Hình 6 Ảnh hưởng của kích thước hạt trấu đến độ
bền kéo và uốn của composite PP/trấu
Hình 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đúc tiêm đến
độ bền kéo của composite PP/trấu
Hình 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đúc tiêm đến độ bền uốn và modulus uốn của composite PP/trấu
Trang 5nhựa và trấu thấp nên khi tăng hàm lượng trấu lên thì bề mặt tiếp xúc liên kết yếu giữa trấu
và nhựa nền tăng lên làm giảm độ bền cơ lý của composite
Tuy nhiên, trấu làm tăng độ cứng của
composite, do đó module uốn của composite
tăng theo hàm lượng trấu Mặt khác, khi tăng
hàm lượng trấu sẽ làm hạ giá thành sản phẩm
nhưng hàm lượng trấu quá cao sẽ tăng khả
năng hút nước của composite PP trấu làm
giảm độ bền của sản phẩm Do đó có thể
xem hàm lượng trấu % khối lượng là giá
trị tối ưu
3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng chất tương hợp
Để tăng độ tương hợp của nền nhựa PP không phân cực với trấu phân cực dùng chất tương hợp MAPP loại polybond và khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến độ bền cơ lý của composite PP trấu Kết quả thể hiện ở hình 11-13
Từ đồ thị hình và ta thấy khi có mặt của tác nhân tương hợp MAPP, hầu hết các tính chất như độ bền kéo, uốn và va đập của composite được cải thiện đáng kể hàm lượng % trấu, khi cho %; %; % và %.MAPP thì độ bền kéo của composite PP trấu tăng lên so với trước khi có MAPP tương ứng là 9, %; 7,64%; 42,09% và 45,03% Tương tự, độ bền uốn tăng tương ứng là , %; 44,16%; 49,52% và 49,68% Độ bền va đập tăng tương ứng là , 9%; 9, %; , % và 26,25%
Hình 11 Ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến độ
bền kéo và uốn của composite PP/trấu
Hình 12 Ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến
độ bền va đập của composite PP/trấu
Hình 9 Ảnh hưởng của hàm lượng trấu đến độ bền
va đập của composite PP/trấu
Hình 8 Ảnh hưởng của hàm lượng trấu đến độ
bền kéo và uốn của composite PP/trấu
Hình 10 Ảnh hưởng của hàm lượng trấu đến module uốn của composite PP/trấu
Trang 6iêng modulus uốn hầu như không thay
đổi khi có mặt chất tương hợp (Hình 13)
ác độ bền kéo, uốn và va đập của
composite tăng theo hàm lượng MAPP, với
hàm lượng % MAPP độ bền mẫu composite
tăng đáng kể nhưng tăng chậm lại khi hàm
lượng MAPP lên tới % và % Điều này có
thể giải thích MAPP đóng vai trò là chất trung
gian tăng cường liên kết giữa nhựa không phân
cực PP và trấu phân cực MAPP giúp làm giảm
sức căng bề mặt ranh giới phân chia pha giữa nhựa nền PP và trấu làm vùng ranh giới phân chia pha nhựa PP trấu trở nên bền vững, giúp tăng độ bền cơ học Do đó để đảm bảo hiệu quả cải thiện tính chất cơ lý của MAPP và hiệu quả kinh tế thì có thể chọn hàm lượng MAPP tối ưu là %
4 Kết luận
Từ các kết quả phân tích ở trên ta có thể đưa ra các điều kiện gia công composite
PP trấu là nhiệt độ ép đùn 9 0 , nhiệt độ đúc tiêm 9 0 , kích thước hạt < , mm, hàm lượng trấu % Để tăng độ tương hợp của nền nhựa PP không phân cực với trấu phân cực
ta dùng chất tương hợp MAPP loại polybond với hàm lượng MAPP tối ưu là 2%
Trên đây chỉ là một số kết quả nghiên cứu ban đầu Để đưa sản phẩm composite
PP trấu vào sử dụng thực tế thì hướng của đề tài này còn khảo sát ảnh hưởng của các phụ gia nhằm ổn định sản phẩm trong quá trình gia công và sử dụng dưới tác dụng của nhiệt, ánh sáng, tia tử ngoại…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đoàn Thị Thu Loan, Phạm Thị Vân, Nguyễn Thị Phương ( ), “Nghiên cứu vật liệu
Composite trên nền nhựa PV với mùn cưa, trấu”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
[2] Đoàn Thị Thu Loan ( ), “Nghiên cứu cải thiện tính năng của vật liệu omposite sợi
đay nhựa polypropylene bằng phương pháp biến tính nhựa nền”, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng-số 1(36), 2010
[3] Mohammad Razavi-Nouri, Fatemeh Jafarzadeh-Dogouri, Abdulrasoul Oromiehie, and Amir Ershad Langroudi (2006), “Mechanical Properties and Water Absorption Behaviour
of Chopped Rice Husk Filled Polypropylene Composites”, Iranian Polymer Journal 15(9), 757-766
[4] Han-Seung Yang a, Hyun-Joong Kim, Jungil Son, Hee-Jun Park, Bum-Jae Lee, Taek-Sung Hwang (2004), “Rice-husk flour filled polypropylene composites; mechanical and
morphological study”, Composite structure 63, 305-312
Hình 13 Ảnh hưởng của hàm lượng MAPP đến module uốn của composite PP/trấu
