CH¦¥NG II ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84) 2014, QUYỂN 2 15 ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA TẤM CÁCH NHIỆT SẢN XUẤT TỪ CÁC PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP THEO CÔNG NGHỆ[.]
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 15
ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA TẤM CÁCH NHIỆT
SẢN XUẤT TỪ CÁC PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP THEO CÔNG NGHỆ ÉP NÓNG
EVALUATING TECHNICAL FEATURES OF CEILING INSULATION SHEETS
PRODUCED FROM AGRICULTURAL WASTE WITH HOT PRESSING TECHNOLOGY
Võ Chí Chính 1 , Nguyễn Sĩ Miên 2
1 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: vcchinh@dut.udn.vn
2 Học viên cao học Khóa 26, ngành Nhiệt, Đại học Đà Nẵng; Email:miensi85@gmail.com
Tóm tắt - Hằng năm nước ta thải ra hằng chục tấn phế thải nông
nghiệp Nguồn phế thải này chỉ được sử dụng một ít, số còn lại gây
ô nhiễm môi trường Trong các công trình đã công bố, chúng tôi
giới thiệu các kết quả nghiên cứu tấm cách nhiệt theo công nghệ
ép nguội, sử dụng loại keo 2 thành phần và ép ở nhiệt độ bình
thường Sản phẩm thu được có nhiều tính chất kỹ thuật tốt, đáp
ứng các tiêu chí cơ bản của một loại vật liệu làm trần cho các công
trình xây dựng Trong bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu các kết
quả nghiên cứu bước đầu tấm cách nhiệt theo công nghệ ép nóng
Nhờ công nghệ mới các sản phẩm thu được có chất lượng thẩm
mỹ, độ bền cao và an toàn đối với con người và môi trường Công
nghệ mới là công nghệ ép nóng với nhiệt độ ép trong khoảng
180-200 o C, sử dụng là keo PP Sản phẩm, ngoài công dụng làm trần
cách nhiệt có thể làm vách ngăn hay mục đích khác
Abstract - Annually, agriculture in our country releases dozens of
tons of agricultural waste Only a small amount of this waste
source is used, the rest is polluting the environment In some
previous publications, we introduced the results of research of insulation sheets with cold pressing technology, using glue with two components and agricultural waste in normal temperature conditions Products that we had obtained many good engineering properties, meeting the basic criteria of a ceiling material for construction In this paper, we will present the initial results of insulation sheets with hot pressing technology Thanks to new technology,new products obtained aesthetic quality, high mechanical strength properties and safety for humans and the environment The new technology is hot pressing technology with the temperature of 180-200 o C, using PP adhesive Products obtained, in addition to being used for ceiling insulation, can be used as bulkheads or for other purposes
Từ khóa - Phế phẩm nông nghiệp; vật liệu làm trần; cách nhiệt;
phương pháp ép; ô nhiễm môi trường Key words - agricultural waste; ceiling materials; insulation; molding/pressing methods; environmental pollution
1 Đặt vấn đề
Hằng năm nền nông nghiệp nước ta thải bỏ ra môi
trường hằng chục triệu tấn phế phẩm nông nghiệp khác
nhau như: rơm rạ, trấu, xơ dừa, bã mía, thân cây ngô, vỏ
đậu v.v…[1] Ngoài ra, trong lâm nghiệp các loại thân,
cành lá của nhiều loại cây khai thác vẫn chưa có giải pháp
ứng dụng tốt Đại bộ phận các nguồn nguyên liệu này lâu
nay đã bị thải bỏ rất lãnh phí và gây ô nhiễm môi trường
Đặc biệt, nhiều loại phế phẩm nông nghiệp, sau khai thác
đã bị đem đốt gây ô nhiễm khói trên diện rộng
Có nhiều giải pháp sử dụng các nguồn nguyên liệu này,
nhưng tỷ lệ sử dụng chưa cao [2] Chúng tôi, đã nghiên cứu
và đề xuất sử dụng làm loại vật liệu làm trần cách nhiệt cho
các công trình xây dựng
Dưới đây là các các kết quả nghiên cứu ban đầu của
chúng tôi theo hướng này
2 Công nghệ ép nóng
2.1 Nguyên liệu
Nguyên liệu sử dụng chế tạo vật liệu cách nhiệt theo
phương pháp ép nóng gồm:
- Phế phẩm nông nghiệp chủ yếu như: rơm rạ, trấu, bã
mía, xơ dừa, vỏ các loại đậu vv được phơi khô và xay nhỏ
theo kích cỡ cố định và hợp lý tùy theo từng loại nguyên
liệu khác nhau
- Nhựa kết dính Polypropylene
- Chất tương hợp
Ngoài ra có thể sử dụng các loại nhựa khác như nhựa
bao nilon chẳng hạn vẫn có thể kết dính tốt
2.2 Máy đùn nguyên liệu
Để ép đùn nguyên liệu, chúng tôi sử dụng máy Rheomex CEW100 QC, Haake - Đức, (Hình 1) thuộc khoa Hóa trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [3] Công dụng của máy đùn là để pha trộn nguyên liệu và các phụ gia kết dính, tạo các viên nén nhỏ đồng đều về kích thước
và thành phần và gia nhiệt sơ bộ để chuyển cho máy ép
Hình 1 Thiết bị ép đùn Rheomex CEW100 QC, Haake, Đức
Trang 216 Võ Chí Chính, Nguyễn Sĩ Miên
Cấu tạo máy ép được gồm ba vùng: Vùng vận chuyển
nguyên liệu, vùng gia nhiệt và vùng bơm Việc gia nhiệt
cho nguyên liệu được thực hiện bằng điện trở bố trí bao bên
ngoài xy lanh Khi gia nhiệt nhựa nóng chảy, tạo điện kiện
phối trộn đều với nguyên liệu Máy đùn gồm các thiết bị
chính là: trục vít, xy lanh, thiết bị truyền động, thiết bị
gia nhiệt
Xy lanh bao ngoài trục vít có độ cứng tương đối cao,
bên ngoài có gắn bộ gia nhiệt được điều khiển tự động Đầu
định hình được lắp ở phía xuất liệu của trục vít và được gia
nhiệt bằng điện Hệ thống truyền động gồm có động cơ
điện, bộ giảm tốc và thiết bị điều khiển
Nhiệt độ nóng chảy của nhựa PP là khoảng 160-170oC
nên nhiệt độ trên máy đùn phải khoảng 180-200oC Khi
nhiệt độ quá thấp nhựa sẽ nóng chảy không đều, nếu nhiệt
độ quá cao sẽ làm tăng phản ứng phân hủy nhựa và phế
phẩm nông nghiệp Điều này sẽ thấy rõ trong các nghiên
cứu thử nghiệm độ bền vật liệu sau này
Hỗn hợp đầu ra máy đùn có dạng sợi với đường kính
2mm được làm nguội rồi cắt tạo viên nén nhỏ (Hình 2) và
cho vào túi kín trước khi gia công tạo mẫu
2.3 Máy ép panel
Gồm có các phần chính như: hệ thống khung, hệ truyền
động, hệ thống điều khiển và bộ gia nhiệt Khi làm việc,
các tấm ép chuyển động lên xuống nhờ áp lực dầu tạo ra từ
hệ thống bơm với áp lực 13,8-20,7 MPa Bộ gia nhiệt điện
trở gắn trực tiếp vào các tấm ép trên và tấm ép dưới để gia
nhiệt sản phẩm hai mặt Nhiệt độ được điều chỉnh nhờ các
bộ cảm biến
Máy ép có thể làm việc theo hai chế độ: tự động và
bằng tay
Ở chế độ tự động, khi nhấn nút khởi động dầu thủy lực
được điều khiển đi vào phía dưới xy lanh đẩy piston chuyển
động đi lên, đến gần cuối quá trình thì thực hiện việc ép
nguyên liệu, đến một áp suất đã định thì dừng và chuyển
sang vị trí trung gian để duy trì áp suất trong một thời gian
nhất định đã lập trình trước Sau thời gian ép, dầu được
điều kiển lên phía trên xy lanh và đẩy piston đi xuống, hoàn
thành quá trình ép và lấy sản phẩm ra
Đối với chế độ làm việc bằng tay, thì các giai đoạn đều
được thực hiện bằng nút bấm
2.4 Qui trình sản xuất
Qua quá trình nghiên cứu, chúng tôi xây dựng quy trình
ép các tấm panel theo công nghệ ép nóng như sau:
- Làm sạch khuôn
- Chống dính khuôn bằng sáp
- Cho viên nén vào khuôn và dầm chặt
- Cài đặt nhiệt độ tấm trên 180oCvà tấm dưới 170oC và
gia nhiệt, khi nhiệt độ đạt yêu thì đặt khuôn nguyên liệu
vào và ép, khi tiếp xúc tấm trên thì dừng lại, duy trì trong
15 phút để viên nén nóng chảy đều và để bọt khí thoát ra
Sau đó tiếp tục ép đến khi độ dày sản phẩm đạt yêu cầu thì
dừng lại, áp lực nén đạt 160 kG/cm2, trong khoảng 20 phút
- Ngừng gia nhiệt và làm lạnh bằng nước đến nhiệt độ
40oC thì hạ tấm dưới xuống và lấy sản phẩm ra
Hình 2 Máy ép
2.5 Tấm cách nhiệt từ phế phẩm nông nghiệp theo công nghệ ép nóng
Chúng tôi đã chế tạo được nhiều mẩu cách nhiệt, đạt chất lượng có thể làm trần cách nhiệt rất tốt, ngoài ra sản phẩm có thể dùng làm vách cách nhiệt cho các công trình xây dựng cũng được
Trên Hình 3 là các mẩu sản phẩm từ trấu và mùn cưa
Có thể nhận thấy chất lượng thẩm mỹ và cơ tính của sản phẩm tốt hơn hẳn phương pháp ép nguội Trong tương lai, chúng tôi cần nghiên cứu loại keo cho phù hợp, tỷ lệ hòa trộn, lực ép để vật liệu đạt được cơ tính phù hợp nhưng có
độ xốp rỗng cần thiết để giảm khối lượng và tăng hệ số dẫn nhiệt
Hình 3 Sản phẩm trần cách nhiệt
3 Đánh giá ảnh hưởng của một số nhân tố
3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Thiết bị đo độ bền kéo và độ bề uốn AG-X plus, Shimadzu, Nhật và việc đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO
527 Đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178 Mẫu được tạo bằng phương pháp đúc tiêm có dạng hình thanh kích thước (dài x rộng x dày: 80mm x 10mm x 4mm) Phương pháp được chọn là phương pháp đo uốn 3 điểm
Độ bền va đập được đo bằng thiết bị đo độ bền va đập HIT 50P, Zwick/Roell, Đức
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 17
Bảng 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nén
180 o C 190 o C 200 o C
Độ bền kéo, Mpa 31.2 34.1 31.7
Độ bền uốn, Mpa 22 26.9 23.3
Độ bền va đập, KJ/m2 1.54 1.61 1.49
Hình 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền sản phẩm
Hình 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền va đập
Từ các kết quả xác định độ bền của các tấm vật liệu cho
thấy, độ bền của nó phụ thuộc nhiệt độ ép và ở có độ bền
cao ở một nhiệt độ nhất định nào đó Nhiệt độ quá thấp hay
quá cao đều không tốt, phù hợp nhất là khoảng 190oC
3.2 Ảnh hưởng của áp suất
X- Độ bền kéo của panel mùn cưa
- Độ bền kéo của Panel trấu
- Độ bền uốn của Panel trấu
◆- Độ bền uốn của Panel mùn cưa
Hình 6 Ảnh hưởng của áp suất nén đến độ bền của vật liệu
Trấu (mùn cưa/ bã mía) kích thước ≤ 0.85mm đem trộn
với nhựa PP với hàm lượng 70% khối lượng trong máy ép
đùn ở các nhiệt độ 190oC Sản phẩm ra khỏi máy ép đùn ở
dạng sợi và được cắt thành hạt có kích thước nhỏ ≤ 5mm Sau đó được đem đi tạo mẫu trong thiết bị đúc tiêm ở các nhiệt độ tương ứng là 190oC và áp suất lần lượt là 40 bar,
50 bar, 60 bar và 70 bar
Bảng 2 Ảnh hưởng của áp suất nén
Độ bền Panel 40 bar 50 bar 60 bar 70 bar
Độ bền kéo
Trấu 28.8 36 38.7 40.5 Mùn cưa 29.1 34.6 36.7 37.4
Độ bền uốn
Trấu 22.6 26.9 28.6 30 Mùn cưa 15.9 23.4 25.4 26.4
4 Các đặc tính kỹ thuật của vật liệu
4.1 Khả năng cách nhiệt
Khả năng cách nhiệt của sản phẩm được đánh giá bằng
hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/m.K) Để xác định hệ số dẫn nhiệt chúng tôi đã tiến hành xác định bằng thực nghiệm, thông qua thiết bị ở Hình 7 Bên trong khối hộp lập phương đặt 01 bóng đèn điện công suất 200W, nhiệt tỏa
ra và làm nóng bề mặt bên trong của khối hộp Khi nhiệt
độ ổn định, tiến hành đó nhiệt độ trung bình bên trong của các mặt và nhiệt độ bên ngoài
Hình 7 Thiết bị thí nghiệm
Hệ số dẫn nhiệt của mẩu đo được xác định trong thí nghiệm này là:
1 2
.
Q
=
−
Trong đó:
Q – Công suất nguồn điện: Q=U.I, W;
- Chiều dày mẩu: =0,017m;
F- Diện tích mặt cắt ngang của mẩu: F=0,6 x 0,6 =0,036 m2;
t1 – Nhiệt độ bề mặt nóng bên trong, oC;
t2 – Nhiệt độ bề mặt bên ngoài, oC
Việc thực nghiệm tiến hành với 03 mẫu nhóm thử gồm: mẩu thử làm từ trấu, bã mía và mùn cưa Đối với mỗi mẫu tiến hành nhiều lần đo đạc và lấy giá trị trung bình để đảm bảo tính chính xác của phép đo Thời gian để ổn định nhiệt
là 30 phút Kết quả tính toán trình bày trên Bảng 3 Kết quả xác định hệ số dẫn nhiệt cũng được tiến hành bằng thực nghiệm đo đạc trong khối hộp lập phương để làm đối chứng Từ các kết quả thực nghiệm cho thấy, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tạo được có hệ số dẫn nhiệt khá kém, tương đương hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu cách nhiệt hiện nay là styrofor hoặc polyurethan
Trang 418 Võ Chí Chính, Nguyễn Sĩ Miên
Bảng 3 Kết quả thí nghiệm và xác định hệ số dẫn nhiệt
Tên gọi Kết quả
Trấu Bã mía Mùn cưa
Dòng điện của bộ đốt, A 0,49 0,14 0,49 0,14 0,49 0,14
Nhiệt độ tại bề mặt nóng
của thanh, o C 98,75 35,9 93,85 35,3 83,75 34,6
Nhiệt độ tại bề mặt lạnh
của thanh, o C 29,7 29,25 30,15 29,55 30,35 29,65
Hệ số dẫn nhiệt trong phần
trung gian, W/m.K 0,124 0,127 0,14 0,147 0,168 0,171
4.2 Khả năng thấm nước
Tuy sử dụng các nguyên liệu là các phế phẩm nông
nghiệp có tính hút nước, nhưng do trong thành phần có trộn
nhựa PP không hút nước nên khả năng hút nước của vật
liệu giảm hẳn so với các loại vật liệu trước đây Mặt khác
sản phẩm hoàn thiện luôn có lớp nhựa mỏng bao phủ bề
mặt nên khả năng chống thấm khá tốt
Để kiểm tra tính chất này, chúng tôi đã tiến hành ngâm
mẫu panel trong nước 5 ngày, sau đó đem ra kiểm tra chúng
và xác định tỷ lệ phần trăm khối lượng thay đổi theo thời
gian, bằng phương pháp cân Kết quả thí nghiệm các loại
panel khác nhau cho ở Bảng 3
Bảng 4 Sự thay đổi khối lượng của panel, % khối lượng
1 2 3 4 5 Panel trấu 0,325 0,662 0,848 0,925 1,000
Panel mùn cưa 0,400 0,749 0,882 0,977 1,035
Panel bã mía 0,482 0,800 0,932 1,010 1,077
- Panel mía; - Panel mùn cưa; ◆- Panel trấu
Hình 8 Tỷ lệ khối lượng tăng thêm khi ngâm nước
Kết quả thí nghiệm cho thấy:
- Panel có tính hút nước nhỏ, sau 5 ngày ngâm trong
nước, tỷ lệ hút nước rất thấp chỉ khoảng 1% và có thể coi
là không thấm nước
- Panel vẫn giữ được độ cứng cần thiết, không bị uốn võng
- Khi phơi khô panel trở lại trạng thái ban đầu, nhẹ và
cứng hơn
4.3 Kiểm tra các tính chất khác
4.3.1 Độ bền màu
Vật liệu thành phẩm được sản xuất từ các phế phẩm
nông nghiệp có màu sắc rất đẹp, tự nhiên vì vậy vấn đề bền
màu theo thời gian rất quan trọng Chúng tôi đã thử nghiệm các mẩu trong các điều kiện thời tiết khác nhau và trong vòng một năm Kết quả cho thấy, màu sắc của các tấm panel so với màu nguyên thủy hầu như không thay đổi
4.3.2 Về khả năng bắt lửa
Do được ép với áp lực cao nên độ nén chặt của vật liệu khá tốt Chúng tôi đã thử nghiệm việc bắt lửa của vật liệu
và nhận thấy khó bắt lửa, trong điều kiện các tấm riêng biệt, việc cháy chỉ diễn ra âm ỉ rất khó thành lửa ngọn
4.3.3 Ảnh hưởng đến môi trường
Do sử dụng các loại nguyên liệu là các phế phẩm nông nghiệp và nhựa PP nên sản phẩm của chúng tôi có thể nói
là rất thân thiện với môi trường Trong quá trình sản xuất cũng không gây ô nhiễm môi trường ở bất cứ khâu nào Phương pháp ép nguội với keo hai thành phần, trong đó có thành phần axit ảnh hưởng nhiều đến môi trường và sức khỏe con người trong quá trình sản xuất
5 Kết luận
Từ các kết quả sản xuất và thử nghiệm ban đầu chúng tôi rút ra các kết luận sau đây:
- Có thể sản xuất các tấm cách nhiệt từ các phế phẩm nông nghiệp bằng hai phương pháp khác nhau (ép nóng và
ép nguội), mỗi một phương pháp có những ưu và nhược điểm và phạm vi sử dụng khác nhau
- Tấm cách nhiệt từ các phế phẩm nông nghiệp do chúng tôi tạo ra theo phương pháp ép nóng đáp ứng các tiêu chí cơ bản của một loại vật liệu làm trần cách nhiệt như có
hệ số dẫn nhiệt bé tương đương các loại vật liệu cách nhiệt truyền thống, có màu sắc đẹp và bền, độ bền cơ tính tốt
- Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền ta
có thể thấy, độ bền đạt cực đại ở khoảng nhiệt độ 190oC, lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ này đều không tốt Sở dĩ như vậy là vì khi nhiệt độ quá thấp nhựa sẽ nóng chảy không đều, nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng phản ứng phân hủy nhựa và phế phẩm nông nghiệp
- Khi tăng áp suất nén thì độ bền cơ tính tăng, nhưng hệ
số dẫn nhiệt sẽ giảm do độ xốp của nó giảm
- So với vật liệu sản xuất bằng phương pháp ép nguội, phương pháp ép nóng có nhiều ưu điểm về thẩm mỹ, khi sản xuất và sử dụng không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt vật liệu có độ bền cơ tính tốt hơn hẳn, đáp ứng nhu cầu làm trần và tường cách nhiệt mà không sợ bị uốn võng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mậu Dũng - Ước tính lượng khí thải đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng ở đồng bằng sông Hồng - Tạp chí Khoa học và phát triển năm
2012, tập 10, số 1, trang 190-198
[2] Trần Thị Mil, Phạm Nguyễn Minh Trang, Võ Thị Giang - Hiệu quả
xử lý rơm rạ và phân hữu cơ trong cải thiện độ phì nhiêu đât và năng suất lúa tại Châu Thành - Hậu Giang - Tạp chí Khoa học 2012, Trường ĐH Cần Thơ, trang 253-260
[3] Đoàn Thị Thu Loan - Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhựa gỗ từ trấu và mùn cưa trên cơ sở nhựa polyethylene – Đề tài NCKH cấp Đại học
Đà Nẵng - Mã số: Đ2012-02-35
(BBT nhận bài: 09/11/2014, phản biện xong: 19/11/2014)