Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp hdpe eva gypsum biến tính ứng dụng chế tạo ống gân xoắn chất lượng cao chống cháy bền thời tiết phục vụ ngành điện lực và viễn thông 2

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ N GHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP HDPE/EVA/GYPSUM BIẾN TÍNH ỨNG D

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

N GHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP HDPE/EVA/GYPSUM BIẾN TÍNH ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ỐNG GÂN XOẮN CHẤT LƯỢNG CAO CHỐNG CHÁY, BỀN THỜI TIẾT PHỤC VỤ NGÀNH ĐIỆN

LỰC VÀ VIỄN THÔNG

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Viện Kỹ thuật nhiệt đới,

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS TS Nguyễn Vũ Giang

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP HDPE/EVA/GYPSUM BIẾN TÍNH ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ỐNG GÂN XOẮN CHẤT LƯỢNG CAO CHỐNG CHÁY, BỀN THỜI TIẾT PHỤC VỤ NGÀNH ĐIỆN

LỰC VÀ VIỄN THÔNG (Đã chỉnh sửa theo kết luận của Hội đồng nghiệm thu ngày 27/09/2021)

3

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 15

1.1 Tình hình ngành công nghiệp sản xuất ống xoắn 15

1.2 Công nghệ chế tạo ống gân xoắn 27

1.3 Quy trình cải tiến công nghệ chế tạo ống gân xoắn 30

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT HDPE/EVA/GYSUM BỀN THỜI TIẾT VÀ CHỐNG CHÁY QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM 33

2.1 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 33

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất 33

2.1.2 Chế tạo mẫu 34

2.1.3 Chế tạo mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy 36

2.1.4 Chế tạo mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia bền thời tiết 39

2.1.5 Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 40

2.2 Kết quả và thảo luận 48

2.2.1 Xử lý và biến tính gypsum 48

2.2.2 Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy và gypsum đến tính chất và khả năng cháy của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum 59

2.2.3 Vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 74

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ THỬ ỐNG GÂN XOẮN HDPE/EVA/GYSUM BỀN THỜI TIẾT VÀ CHỐNG CHÁY QUY MÔ PILOT 86

4

3.1 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 88

3.1.1 Nguyên liệu và hóa chất 88

3.1.2 Chế tạo ống gân xoắn 90

3.1.3 Các phương pháp đánh giá ống gân xoắn theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009 90

3.2 Xử lý và biến tính gypsum 94

3.2.1 Xử lý gypsum 94

3.2.2 Biến tính gypusm 96

3.3 Chế tạo hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum có chứa phụ gia chống cháy hoặc bền thời tiết 98

3.3.1 Chế tạo hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum chống cháy 102

3.3.2 Chế tạo hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 104

3.4 Chế tạo ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum chống cháy và ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 105

3.4.1 Chế tạo ống gân xoắn chống cháy 109

3.4.2 Chế tạo ống gân xoắn bền thời tiết 112

KẾT LUẬN 122

KIẾN NGHỊ 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

PHỤ LỤC 132

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Tên ký hiệu, chữ viết tắt

EVA Nhựa copolyme etylen vinylaxetat

PEDZx-y Mẫu compozit HDPE/EVA/phụ gia với tỷ lệ

phụ gia chống cháy DBDPE:ZB là x:y

HALS Hindered Amines Light Stabilizers UVA Chất hấp thụ ánh sáng cực tím

HEPO Vật liệu copozit HDPE/EVA/phụ gia/OGyp HEPS Vật liệu copozit HDPE/EVA/phụ gia/Sgyp

HEEG Vật liệu copozit HDPE/EVA/phụ gia bền

thời tiết/Sgyp TGA Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng

FT-IR Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi

Fourier SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét MFI Chỉ số chảy theo phương pháp khối lượng

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thị phần ống gân xoắn trong nước 17 Bảng 2.1: Các mẫu với hàm lượng phụ gia chống cháy tại các tỉ lệ khác nhau 37 Bảng 2.2: Thành phần vật liệu HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy 38 Bảng 2.3: Tỉ lệ thành phần trong các mẫu vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum 39 Bảng 2.4: Hiệu suất ghép EBS lên bề mặt thạch cao 55 Bảng 2.5: Ảnh hưởng của hàm lượng chất chống cháy đến tổng thời gian tắt cháy của vật liệu HDPE/EVA 59 Bảng 2.6: Ảnh hưởng của hàm lượng gypsum đến khả năng cháy của vật liệu compozit HDPE/EVA/Sgyp 60 Bảng 2.7: Ảnh hưởng của hàm lượng Ogyp và Sgyp đến thời gian tắt cháy 61 Bảng 2.8: Mô men xoắn cân bằng của vật liệu tại các hàm lượng gysum khác nhau 63 Bảng 2.9: Độ dãn dài khi đứt của các mẫu compozit với hàm lượng gysum khác nhau 65 Bảng 2.10: Mô đun đàn hồi của vật liệu HES, HEPO và HEPS tại các hàm lượng gypsum khác nhau 66 Bảng 2.11: Momen xoắn cân bằng của mẫu compozit tại các hàm lượng độn khác nhau 72 Bảng 2.12: Ảnh hưởng của hàm lượng gypsum, bột đá đến tổng thời gian tắt cháy (t1+t2) theo tiêu chuẩn cháy đứng UL 94-VB 73 Bảng 2.13: Độ bền kéo của các mẫu compozit có sử dụng hàm lượng phụ gia khác nhau 75 Bảng 2.14: Sự thay đổi độ bền kéo đứt của các mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum

có phụ gia bền thời tiết theo thời gian thử nghiệm gia tốc khác nhau 77 Bảng 2.15: Các đặc trưng màu sắc vật liệu trước và sau thử nghiệm 56 chu kỳ gia tốc thời tiết 80 Bảng 2.16: Chỉ số cacbonyl của các mẫu trước và sau thử nghiệm gia tôc thời tiết.83 Bảng 3.1: Thời gian đặt ngọn lửa theo độ dày sản phẩm ống gân xoắn 93

7

Bảng 3.2: Các thông số kỹ thuật của hạt gypsum sau xử lý 96 Bảng 3.3: Thành phần nguyên liệu chế tạo hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum chống cháy 103 Bảng 3.4: Các chỉ tiêu kỹ thuật của hạt chất chủ chống cháy HDPE/EVA/gypsum 103 Bảng 3.5: Thành phần nguyên liệu chế tạo hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 104 Bảng 3.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật của hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 105 Bảng 3.7: Chỉ tiêu kỹ thuật của ống gân xoắn chống cháy đường kính 25/32 mm 110 Bảng 3.8: Chỉ tiêu kỹ thuật của ống gân xoắn chống cháy đường kính 55/65 mm 111 Bảng 3.9: Chỉ tiêu kỹ thuật của ống gân xoắn bền thời tiết đường kính 55/65 mm 113

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Ống gân xoắn của công ty An Đạt Phát Sài Gòn sử dụng trong các công

trình hạ cáp điện lực và viễn thông 16

Hình 1.2: Cơ chế 1:phản ứng phân hủy quang của HDPE 18

Hình 1.3: Cơ chế 2: phản ứng phân hủy quang của HDPE 19

Hình 1.4: Sản phẩm ống gân xoắn để ngoài công trường thi công bị rạn nứt, vỡ do độ bền thời tiết thấp 19

Hình 1.5: Ảnh FESEM của GS biến tính bằng axit stearic ở các hàm lượng khác nhau: a) gypsum chưa biến tính; b) gypsum biến tính 1% axit stearic; c) gypsum biến tính 2% axit stearic; d) gypsum biến tính 3% axit stearic; e) Gypsum biến tính 4% axit stearic; f) gypsum biến tính 5% axit stearic 23

Hình 1.6: Ảnh FE-SEM của vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/gypsum: a) sử dụng gypsum chưa biến tính; b) sử dụng gypsum biến tính axit stearic 25

Hình 1.7: Dây chuyền sản xuất ống gân xoắn HDPE hiện tại của nhà máy 28

Hình 1.8: Hệ thống trộn sấy nguyên liệu công suất 250 kg/giờ 29

Hình 1.9: Hệ thống cấp nguyên liệu tự động và máy đùn 1 trục vít 29

Hình 1.10: Hệ thống đùn 1 trục vít có gắn khuôn định hình và thiết bị 30

Hình 1.11: Sơ đồ công nghệ chế tạo ống gân xoắn theo công nghệ cải tiến 32

Hình 2.1: Thử gypsum bằng giấy quỳ trước và sau khi rửa 35

Hình 2.2: Gypsum trước và sau khi rửa bằng dung dịch nước vôi trong 35

Hình 2.3: (a) Gypsum trước xử lý, (b) gypsum sau khi xử lý 36

Hình 2.4: Mẫu đo tính chất cơ lý 40

Hình 2.5: Thiết bị xác định tính chất cơ học Zwick Z2.5 Đức 40

Hình 2.6: Mẫu được cắt theo tiêu chuẩn D638 41

Hình 2.7: Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ) 42

Hình 2.8: Tủ gia tốc thời tiết UVCON Model UC-327-2 42

Hình 2.9: Máy phân tích nhiệt TGA 209F Nezsch – Đức 43

Hình 2.10: Máy hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) S-4500 44

Hình 2.11: Mẫu được cắt và đánh dấu theo kích thước của tiêu chuẩn 94HB 45

9

Hình 2.12: Mẫu được đặt nằm ngang theo tiêu chuẩn 94HB 45

Hình 2.13: Mẫu được đặt thẳng đứng theo tiêu chuẩn 94V-2 46

Hình 2.14: Thiết bị đo màu 47

Hình 2.15: Thiết bị đo chỉ số chảy MI40 48

Hình 2.16: Gypsum trước và sau khi rửa bằng dung dịch nước vôi trong 49

Hình 2.17: (a) Gypsum trước xử lý, (b) gypsum sau khi xử lý 50

Hình 2.18: F-TIR của gypsum trước khi xử lý (G CXL) và gypsum sau khi xử lý (OG) 51

Hình 2.19: FT-IR của gypsum sau khi xử lý sấy ở 100 o C (OG100) và 150 o C (OG150) 52

Hình 2.20: Phổ FT-IR của gypsum ban đầu và biến tính ở các hàm lượng khác nhau 52

Hình 2.21: Phổ hồng ngoại của gypsum ban đầu, biến tính trước và sau khi rửa 53

Hình 2.22: Giản đồ TGA của gypsum ban đầu và biến tính với hàm lượng khác nhau 56

Hình 2.23: Ảnh SEM của gypsum chưa xử lý, đã xử lý và sau khi biến tính với độ phóng đại 100 lần 57

Hình 2.24: Ảnh SEM của gypsum chưa xử lý, đã xử lý và sau khi biến tính với độ phóng đại 3000 lần 58

Hình 2.25: Giản đồ mô men xoắn của các mẫu compozit tại 10 %kl gysum 62

Hình 2.26: Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit với hàm lượng gypsum khác nhau 64

Hình 2.27: Độ cứng của vật liệu compozit ở các hàm lượng gysum khác nhau 67

Hình 2.28: Phân tích nhiệt TGA của các mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy (10% gypsum) 68

Hình 2.29: Đường DTG của các mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy (10% gypsum) 69

Hình 2.30: Ảnh SEM của các mẫu compozit 10% gypsum 70

Hình 2.31: Giản đồ momen xoắn theo thời gian của mẫu HDPE/EVA, HDPE/EVA/gypsum và HDPE/EVA/bột đá tại cùng 10 % 71

10

Hình 2.32: Phần trăm độ giãn dài khi đứt còn lại của mẫu theo thời gian thử nghiệm

khác nhau 78

Hình 2.33: Giản đồ kéo đứt của mẫu HEEG42, HEEG60 và HEEG06 sau thử nghiệm gia tốc thời tiết 56 chu kỳ 78

Hình 2.34: Cơ chế 1 phản ứng thoái hóa quang của HDPE 80

Hình 2.35: Cơ chế 2 phản ứng thoái hóa quang của HDPE 81

Hình 2.36: Phổ IR của mẫu HEEG trước và sau gia tốc 81

Hình 2.37: Phổ IR của mẫu HEEG42 trước và sau gia tốc thời tiết 82

Hình 2.38: Bề mặt vật liệu sau thử nghiệm gia tốc thời tiết (độ phóng đại 100 lần) 84

Hình 2.39: : Bề mặt vật liệu tại x1000 85

Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ chế tạo ống gân xoắn sử dụng hệ vật liệu HDPE/EVA/gypsum có sử dụng phụ gia chống cháy và bền thời tiết 86

Hình 3.2: Chuẩn bị mẫu thực hiện độ bền nén 91

Hình 3.3: Mẫu ống gân xoắn được thử nghiệm tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới 92

Hình 3.4: Thử khả năng chống cháy của sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum chống cháy theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009 92

Hình 3.5: Quá trình rửa và trung hòa axit cho gypsum quy mô pilot 94

Hình 3.6: Quy trình xử lý gypsum phế thải 95

Hình 3.7: Mô hình thiết bị trộn cao tốc 96

Hình 3.8: Thiết bị trộn cao tốc SHR-100A tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới 97

Hình 3.9: Thiết bị phối trộn cao tốc SHR-100A 98

Hình 3.10: Bộ phận cấp liệu bao gồm phễu nạp liệu, máy sấy và mô tơ nạp liệu 99

Hình 3.11: Bảng điều khiển các thông số công nghệ trên máy trộn 2 trục vít 99

Hình 3.12: Thiết bị trộn 2 trục vít 100

Hình 3.13: Bơm hút chân không loại bỏ hơi ẩm trong quá trình phối trộn 100

Hình 3.14: Đầu đùn tạo sợi 101

Hình 3.15: Máy cắt hạt và máy đóng bao sản phẩm 101

Hình 3.16: Sản phẩm hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum chống cháy 104

Hình 3.17: Sản phẩm hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết 105

11

Hình 3.18: Máy trộn nguyên liệu đầu vào cho sản xuất ống xoắn 106

Hình 3.19: Hỗn hợp nguyên liệu sau khi phối trộn 106

Hình 3.20: Hệ thống cấp liệu và máy đùn tạo ống gân xoắn 107

Hình 3.21: Hệ thống khuôn đùn và khuôn định gân 108

Hình 3.22: Hệ thống làm mát ống gấn xoắn 108

Hình 3.23: Hệ thống kéo ống gân xoắn 109

Hình 3.24: Sản phẩm ống gân xoắn sau khi chế tạo 109

Hình 3.25: Thử khả năng chống cháy của sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum chống cháy theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009 112

Hình 3.26: Thử nghiệm sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum trong tủ gia tốc thời tiết UV-CON (Atlas, Mỹ) 114

Hình 3.27: Phơi thử nghiệm sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết tại trạm thử nghiệm Hạ Long, Quảng Ninh 114

Hình 3.28: Đánh giá khả năng chống cháy của ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum (sản phẩm của đề tài) 132

Hình 3.29: Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum (sản phẩm của đề tài) 133

12

MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam, ống nhựa gân xoắn được sản xuất và phát triển khoảng

8-10 năm gần đây với tốc độ tăng trưởng thị trường vào khoảng 30%/năm Năm

2019, tổng dung lượng thị trường ống nhựa xoắn vào khoảng 900 tỷ/năm Phần lớn các ống nhựa hiện nay sử dụng nhựa polyetylen tỉ trọng cao (HDPE) nhờ các ưu điểm như: Độ bền cơ học cao, dễ uốn, bẻ góc, dễ thi công nên được ứng dụng trong xây dựng hạ tầng hệ thống truyền tải điện lực và viễn thông

Hiện nay, vấn đề mà các doanh nghiệp sản xuất ống gân xoắn HDPE đang phải đối mặt là quá trình bảo quản, lưu kho, bãi, thi công ngoài công trường trong thời gian dài (từ nhiều tháng tới hàng năm) Dưới tác động của thời tiết, khí hậu nhiệt đới như: ánh nắng mặt trời, nhiệt độ, mưa ẩm, nấm mốc, nhựa HDPE thông thường dễ bị phân hủy quang-nhiệt-ẩm dẫn tới sự suy giảm nhanh tính chất, tuổi thọ Một hạn chế nữa của ống HDPE là khả năng dễ bắt cháy, do nhựa HDPE có nhiệt độ bắt cháy tương đối thấp, quá trình cháy tạo ra các thành phần hữu cơ phân tử thấp có tính cháy cao Điều này đã làm ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của ống HDPE trong một số lĩnh vực đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao như điện lực và viễn thông Thực tế này đặt ra nhu cầu cấp thiết cần có sự cải tiến về chất lượng sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao và đa dạng của thị trường, trong khi giá thành sản phẩm phải có tính cạnh tranh

Với các ưu điểm của gypsum phế thải như độ bền nhiệt cao, khả năng chống cháy, chịu mài mòn và bền thời tiết, các nghiên cứu sử dụng gypsum như một chất độn vô cơ thông thường để tăng tính cơ học, khả năng chống cháy cải thiện độ bền nhiệt của pha nền So với các loại chất độn và các chất gia cường nhập ngoại, gypsum có nguồn gốc trong nước có giá thành hạ hơn,

13

chỉ bằng 50 – 75 % giá thành, góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm tỉ

lệ nhập khẩu nguyên vật liệu

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu chế tạo ống xoắn có sử dụng gypsum làm chất độn sở hữu các tính năng nổi bật như khả năng chống cháy và bền thời tiết Trong đó, để nâng cao hàm lượng độn sử dụng, gypsum được biến tính với natri dodecyl sulfat (SDS), hoặc etylen bis stearamide đây là chất hoạt động bề mặt có khả năng tương tác tốt với gypsum tốt hơn so với axit stearic Bên cạnh đó, để cải thiện độ bền va đập và

độ dẻo dai của sản phẩm, EVA được sử dụng đóng vai trò làm chất tương hợp giữa các cấu phần của vật liệu Dựa trên nhu cầu của thị trường đối với sản phẩm ống gân xoắn, nhiệm vụ sẽ tập trung nghiên cứu các đối tượng như sau:

 Vật liệu chế tạo ống gân xoắn chống cháy trên nền vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum có sử dụng phụ gia chống cháy

 Vật liệu chế tạo ống gân xoắn bền thời tiết trên nền vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum có sử dụng phụ gia chống tia UV

Mục tiêu của nhiệm vụ

+ Mục tiêu tổng quát

Mục tiêu của nhiệm vụ là chế tạo được vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum biến tính và một số phụ gia để sản xuất ống gân xoắn chất lượng cao, có khả năng chống cháy, bền thời tiết đáp ứng chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009

+ Mục tiêu cụ thể

- Xác định được các điều kiện công nghệ ảnh hưởng đến quá trình biến

tính hữu cơ gypsum Từ đó xây dựng quy trình biến tính hữu cơ gypsum làm chất độn cho ống gân xoắn bền thời tiết và chống cháy

- Chế tạo được vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum biến tính có độ bền thời tiết và chống cháy đáp ứng TCVN 7997:2009

14

- Xác định được điều kiện thích hợp chế tạo ống gân xoắn bền thời tiết

và chống cháy từ hệ vật liệu HDPE/EVA/gypsum biến tính

- Xây dựng được quy trình sản xuất ống gân xoắn chống cháy và bền thời tiết từ vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum biến tính đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 7997:2009

15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình ngành công nghiệp sản xuất ống xoắn

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp sản xuất ống nhựa trên thế giới có sự phát triển nhanh chóng với tốc độ hàng năm đạt 8,7% và dự báo giá trị sản xuất lên tới 15 tỷ đô la được thống kê tại thời điểm năm 2012 Hiện nay, với mức chi phí sản xuất của ống nhựa được xem là cạnh tranh với ống thép thì sự phát triển này ngày càng được thúc đẩy bởi sự gia tăng của việc sử dụng ống nhựa ở đa lĩnh vực

Có thể nói, ống nhựa sở hữu nhiều lợi thế hơn so với các loại ống khác bởi chi phí sản xuất vừa phải, dễ lắp đặt, tuổi thọ dài, và khả năng chịu ăn mòn tốt Tính đến năm 2018, nhu cầu về ống nhựa HDPE ngày càng gia tăng nhờ việc sử dụng ống dẫn HDPE thay thế các ống PVC trong hệ thống thoát nước, nước uống và các ứng dụng phân phối khí tự nhiên, làm các ống hạ cáp trong điện lực, viễn thông,

Phần lớn các loại ống bảo vệ cáp điện lực, viễn thông được chế tạo sử dụng nhựa nhiệt dẻo nhờ sở hữu nhiều tính chất ưu việt, khả năng gia công thuận lợi so với nhựa nhiệt rắn Bên cạnh đó, giá thành sản xuất thấp, có thể tạo ra được các chi tiết với hình dạng phức tạp, trong đó các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến được sử dụng như: Polyethylen tỷ trọng cao (HDPE), polyvinyl clorua (PVC), polypropylen (PP), Ngoài ra, chúng còn thể hiện được các thuộc tính về tính dẻo dai, độ bền cơ học, độ bền hóa chất cao và khả năng cách điện tốt Ứng dụng đầu tiên của ống HDPE đã được sử dụng cho việc thoát nước trên các đường cao tốc từ đầu những năm 1970 Kể từ đó một loạt các ứng dụng mới đã được phát triển dành cho ống HDPE, nhờ đó loại vật liệu này được sử dụng nhiều hơn tất cả các loại vật liệu nhựa khác để sản xuất ống nhựa kỹ thuật [1-2]

16

Nếu cùng khối lượng, ống HDPE gân xoắn có nhiều ưu điểm hơn ống HDPE trơn như: Độ bền cơ học cao, dễ uốn, bẻ góc, dễ thi công nên được ứng dụng trong xây dựng hạ tầng hệ thống truyền tải điện lực và viễn thông

Hình 1.1: Ống gân xoắn của công ty An Đạt Phát Sài Gòn sử dụng trong các công

trình hạ cáp điện lực và viễn thông

Hiện nay, một trong những động lực duy trì về tốc độ tăng trưởng trong ngành sản xuất ống gân xoắn HDPE trên thế giới và ở Việt Nam đến từ nhu cầu ngầm hóa cáp viễn thông và cáp điện lực để đảm bảo tính mỹ quan và an toàn trong đô thị Chính nhờ các tính năng ưu việt của loại vật liệu này như: Khả năng kháng hóa chất tốt, không bị ăn mòn, cách điện tốt, độ bền chống

va đập cao nên ống gân xoắn HDPE với nhiều kích thước khác nhau có thể chôn dưới lòng đất hàng chục năm mà vẫn đảm bảo độ bền và an toàn Khả năng lắp đặt dễ dàng là ưu điểm của sản phẩm này nhờ đó có thể giảm bớt thời gian thi công và chi phí công trình khi thực hiện các dự án đòi hỏi áp lực thời gian và khối lượng công việc lớn

Ở Việt Nam, ống nhựa gân xoắn HDPE được sản xuất và phát triển khoảng 8-10 năm gần đây với tốc độ tăng trưởng thị trường vào khoảng 30%/năm Năm 2016, tổng dung lượng thị trường ống nhựa xoắn vào khoảng

400 tỷ/năm và dự kiến đến năm 2017 sẽ đạt 520 tỷ đồng Thị trường ống nhựa xoắn dùng chôn ngầm bảo vệ cáp điện, viễn thông đang là thị trường hấp dẫn đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ Hiện tại, ở miền Bắc có 14 đơn vị sản xuất, trong Nam có 6 đơn vị tập trung ở hai thành phố lớn là Hà Nội và TP Hồ

17

Chí Minh Công ty An Đạt Phát chiếm mức thị phần khoảng 20 – 25% Do dung lượng thị trường còn nhỏ, số lượng nhà sản xuất lên tới 20 nên tính cạnh tranh trên thị trường rất gay gắt

Bảng 1.1: Thị phần ống gân xoắn trong nước

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Tổng thị trường

(tỷ VNĐ) 200,0 250,0 300,0 400,0 520,0 680,0 900,0 Doanh thu của An

Đạt Phát (tỷ

VNĐ)

55,0 51,0 53,9 80,3 125,0 180,0 250,0

Thị phần 27,% 20,4% 17,7% 20,0% 24,0% 26,5% 27,8%

Đứng đầu về thị phần trong ngành ống xoắn, có Công ty Cổ phần Ba

An, doanh thu năm 2016 đạt mức 180 tỷ/năm Để có thể mở rộng thêm thị phần bán hàng ngoài vấn để tăng cường nỗ lực thương mại, việc đổi mới công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm là một trong những mục tiêu hàng đầu của An Đạt Phát trong những năm tới

Do đặc tính sản phẩm ống nhựa là hàng cồng kềnh, chi phí vận chuyển chiếm tỷ trọng cao trong giá thành sản phẩm, việc xuất khẩu hàng ra thị trường nước ngoài rất hạn chế Sản phẩm sản xuất ra phục vụ chủ yếu nhu cầu thị trường trong nước, tuy vậy thị trường hiện nay được đánh giá là chưa tương xứng với nhu cầu phát triển của đất nước

Quy mô thị trường này được đánh giá là chưa tương xứng với tiềm năng phát triển và nhu cầu của thị trường trong nước khi mà nhu cầu hạ ngầm cáp viễn thông, điện lực ngày càng tăng và được áp dụng cho cả các đô thị

18

vừa và nhỏ Đây cũng là cơ hội để đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp kết hợp

để phát triển các dòng sản phẩm ống gân xoắn chất lượng cao với các tính năng ưu việt vượt trội so với cac sản phẩm truyền thống như khả năng chống bắt cháy và bền thời tiết, đáp ứng được của các yêu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau

Hiện nay, vấn đề mà các doanh nghiệp sản xuất ống gân xoắn HDPE đang phải đối mặt là quá trình bảo quản, lưu kho, bãi, thi công ngoài công trường trong thời gian dài (từ nhiều tháng tới hàng năm) Dưới tác động của thời tiết, khí hậu nhiệt đới như: Ánh nắng mặt trời, nhiệt độ, mưa ẩm, nấm mốc, nhựa HDPE thông thường dễ bị phân hủy quang-nhiệt-ẩm Sự phân hủy của nhựa HDPE là quá trình oxy hóa để hình thành nên các gốc tự do gây đứt mạch polyme do sự tồn tại của lượng chất xúc tác dư, các nhóm hydropeoxit và nhóm cacbonyl trong quá trình sản xuất polyme Các loại polyolefin nói chung và nhựa HDPE nói riêng có khả năng hấp thụ tia UV có bước sóng trên 290 nm và bắt đầu phản ứng quang hóa [3-4] Sự phân hủy quang tác động mạnh mẽ đến tất cả các phần của polyme, bao gồm monome, mạch nhánh (liên kết ngang hoặc các đoạn mạch) và hình thái cấu trúc Quá trình khuếch tán oxy trong polyme tác động trực tiếp tới quá trình phân hủy quang polyolefin Oxy hóa kết hợp với sự cắt mạch có thể bắt đầu hình thành vết nứt và dẫn đến sự suy giảm tính chất cơ học Trong sự phân hủy của nhựa nền, nhóm cacbonyl được cho là nhóm hấp thụ UV gây ra phản ứng quang hóa làm phân hủy polyme Sự phân hủy polyme nền trong thời gian chiếu sáng, có thể xảy ra theo 2 cơ chế sau [5]:

Hình 1.2: Cơ chế 1:phản ứng phân hủy quang của HDPE

19

Hình 1.3: Cơ chế 2: phản ứng phân hủy quang của HDPE.

Nếu sự phân hủy của HDPE xảy ra theo cơ chế 1, các gốc tự do được tạo thành và có thể tiếp tục tấn công vào chuỗi polyme làm cắt chuỗi mạch polyme Nếu xảy ra theo cơ chế 2, nhóm cacbonyl và vinyl được hình thành gây ra sự cắt mạch dây truyền từ đó dẫn đến độ giòn của vật liệu Ngoài ra, nhóm cacbonyl hình thành tiếp tục tham gia vào quá trình phân hủy quang của HDPE Kết quả của quá trình phân hủy quang của nhựa HDPE dẫn tới ống gân xoắn để ngoài môi trường dễ bị nứt vỡ, phai màu, giảm độ bóng, độ bền

cơ học giảm, ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng sản phẩm Nhược điểm này được này được khắc phục bằng cách sử dụng các hạt phụ gia chống UV đóng vai trò làm các màng bảo vệ ống tránh các tác động UV Tuy vậy, các doanh nghiệp sản xuất ống xoắn HDPE thường sử dụng các hạt phụ gia chống UV nhập khẩu với giá thành cao từ 120.000 đồng/kg đến 160.000 đồng/kg Vì thế, giá thành sản phẩm loại ống này thường cao hơn so với các ống thông thường không sử dụng phụ gia, điều này sẽ làm giảm khả năng cạnh tranh của sản phẩm

Hình 1.4: Sản phẩm ống gân xoắn để ngoài công trường thi công bị rạn nứt, vỡ do

độ bền thời tiết thấp

20

Một hạn chế nữa của ống HDPE là khả năng dễ bắt cháy, do nhựa HDPE có nhiệt độ bắt cháy tương đối thấp, quá trình cháy tạo ra các thành phần hữu cơ phân tử thấp có tính cháy cao Điều này đã làm ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của ống HDPE trong một số lĩnh vực đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao như điện lực và viễn thông Để cải thiện tính kháng cháy cho ống, việc bổ sung phụ gia chống cháy trong quá trình gia công là rất cần thiết Trước đây, các hợp chất chống cháy halogen thường được sử dụng cho hiệu quả chống cháy cao [6] Tuy nhiên, do chúng thường sinh ra các sản phẩm độc hại trong quá trình cháy nên hiện nay đã bị hạn chế sử dụng [7-8] Thay vào đó, các hợp chất chống cháy phốt pho, hợp chất nitrogen, hay các hợp chất vô cơ như Al(OH)3 hoặc Mg(OH)2 đều cho thấy hiệu quả chống cháy đối với nhiều loại nhựa nền, khá thân thiện với môi trường, đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm nhằm thay thế các hợp chất halogen truyền thống [8] Tuy vậy để đạt hiệu quả dập cháy cao, hàm lượng chất độn đưa vào phải lớn thường từ 20 đến 40 % kl, dẫn tới giá thành sản phẩm bị đẩy lên cao, tính chất

cơ học lại giảm Hơn nữa, nguyên liệu phụ gia có nguồn gốc từ nhập khẩu, do vậy gây ra khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng sản phẩm đầu vào

Từ các vấn đề thực tế cho thấy, các sản phẩm ống gân xoắn được sử dụng cần đáp ứng được một trong các yếu tố chịu được thời tiết và có khả năng chống cháy tốt Đối với ống gân xoắn chống cháy thường được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng, trong các nhà máy, có nguy cơ cháy

nổ cao Đối với sản phẩm ống gân xoắn bền thời tiết, thường được sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời trong các khu công nghiệp, đô thị, thời gian thi công ngoài công trường kéo dài, chịu nhiều yếu tố tác động của thời tiết

Các vấn đề này đặt ra nhu cầu cấp thiết cần có sự cải tiến về chất lượng sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao và đa dạng của thị trường, trong khi giá thành sản phẩm phải có tính cạnh tranh Do đó, sự kết hợp với các đơn vị

đá, talc, cao lanh Các chất độn từ bã thải công nghiệp có ưu điểm là giá thành

rẻ chỉ bằng một nửa so với chất độn truyền thống, trong khi vẫn đảm bảo được độ bền cơ học cho sản phẩm Đi đầu trong xu hướng này có thể kể đến nhóm nghiên cứu của Viện Kỹ thuật nhiệt đới, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam Dựa trên các kết quả nghiên cứu cơ bản được thực hiện trong giai đoạn 2009-2015, nhóm tác giả đã đề xuất biến tính tro bay bằng axit stearic dùng làm chất độn cho nhựa nền HDPE [9-11] Nhờ sử dụng tro bay biến tính, ống gân xoắn đã có độ bền cơ học, tính chất nhiệt và độ chống cháy được cải thiện đáng kể Trong khuôn khổ của dự án thử nghiệm sản xuất cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm tác giả

đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu PE/tro bay dùng chế tạo ống gân xoắn Với vai trò là đơn vị phối hợp thực hiện nhiệm vụ này, Công ty An Đạt Phát Sài Gòn là nơi sản xuất thử nghiệm ống gân xoắn dựa trên công nghệ chuyển giao từ Viện Kỹ thuật nhiệt đới và đã thu được kết quả thành công

Một chất độn khác cũng có tiềm năng để sử dụng cho chế tạo ống gân xoắn là thạch cao (gypsum) Gypsum tự nhiên, thành phần hóa học chính là canxi sunphat, là hợp chất vô cơ có công thức phân tử là CaSO4.2H2O Nó là chất rắn, độ cứng loại 3-3,5 trong thang độ cứng Mohr, màu trắng, xám hay hung, không tan trong nước CaSO4 tồn tại ở dạng muối kết tủa bền, khó tan trong axit loãng, nhưng trong axit đặc độ tan lại tăng lên do có khả năng tạo

22

phức chất Gypsum có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, từ xây dựng cho đến y học, nghệ thuật, Nó đã được sử dụng phổ biến làm chất độn trong nhựa nhiệt dẻo do có các tính chất như: Có độ trắng, độ bền chịu hóa chất, bền chịu nhiệt, có độ cứng, Đặc biệt là do có tỷ khối lớn nên gypsum được ứng dụng trong chế tạo vật liệu polyme compozit làm giảm độ co ngót, chịu kéo uốn hay chịu va đập, làm cải thiện độ bóng cho vật liệu [12]

Gypsum phế thải [13] là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân lân, công nghệ sản xuất phân lân trong nước theo quy trình trích ly quặng apatit làm giàu với axit sunfuric theo phản ứng hóa học Việc nghiên cứu xử lý gypsum phế thải thành các sản phẩm chất độn cho nhựa nhiệt dẻo là vấn đề có

ý nghĩa mang tính bảo vệ môi trường cao Trên thế giới, các nghiên cứu sử dụng gypsum làm chất độn trong nhựa nhiệt dẻo đã được nhiều nhóm tác giả quan tâm [14-20], Nhóm tác giả Marius Murariu [21] đã chế tạo thành công

hệ vật liệu polylactic axit (PLA)/gypsum có sử dụng tác nhân hóa dẻo Sự có mặt tác nhân hóa dẻo đã cải thiện khả năng gia công, tăng cường độ bền cơ học và khả năng phân tán của gypsum trên nền PLA Cũng liên quan đến chất độn gypsum, tác giả Cong Zhu [22] đã so sánh ảnh hưởng của gysum đến tính chất của vật liệu trên nền poyvinyl ancol (PVA) và polypropylen (PP) Kết quả nghiên cứu cho thấy, gypsum đã cải thiện độ cứng và độ bền uốn trên nền PVA tốt hơn so với nền PP Một nghiên cứu khác của tác giả F Ramos [23]

đã sử dụng gypsum với các hàm lượng 50 %kl, 60 %kl, và 70% được trộn nóng chảy với HDPE Kết quả nghiên cứu cho thấy gypsum đã cải thiện độ bền nhiệt của vật liệu thông qua phân tích TGA (nhiệt độ bắt đầu phân hủy) Đặc biệt với hàm lượng 70% kl gypsum lớn đưa vào đã làm cho vật liệu có tốc độ cháy chậm hơn 3 lần so với HDPE Điều này chứng tỏ gypsum có thể đóng vai trò làm chất chống cháy cho nhựa HDPE

Với các ưu điểm của gypsum như độ bền nhiệt cao, khả năng chống cháy, chịu mài mòn và bền thời tiết, các nghiên cứu sử dụng gypsum như một

cơ bền trên bề mặt gypsum [24]

Trong công trình của nhóm tác giả tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới [25-28]

đã biến tính gypsum bằng axit stearic

Hình 1.5: Ảnh FESEM của GS biến tính bằng axit stearic ở các hàm lượng khác nhau: a) gypsum chưa biến tính; b) gypsum biến tính 1% axit stearic; c) gypsum biến tính 2% axit stearic; d) gypsum biến tính 3% axit stearic; e) Gypsum biến tính

4% axit stearic; f) gypsum biến tính 5% axit stearic

24

Trên ảnh SEM (Hình 1.5) ở độ phóng đại 10.000 lần, cho thấy ở mẫu gypsum chưa biến tính, kích thước các hạt không đồng đều, các hạt gypsum liên kết khối với nhau tạo nên các siêu hạt với kích thước lên đến vài µm, không nhìn thấy biên giới giữa các hạt Khi biến tính gypsum tại các hàm lượng axit stearic khác nhau, các hạt gypsum đã tách rời nhau, ta nhận thấy với hàm lượng axit stearic càng lớn thì độ xốp, diện tích bề mặt gypsum càng lớn [29] Tại hàm lượng biến tính 4% của axit stearic, sự phân tán của gypsum tốt nhất được thể hiện bởi các biên hạt tách rời nhau, cho phép quan sát được kích thước hạt một cách rõ ràng nhất [26, 27] Có thể thấy, sau khi biến tính,

bề mặt gypsum trở nên tương hợp tốt hơn

Nhóm nghiên cứu trên [28] cũng đã nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/GS So với hỗn hợp polyme EVA/LDPE, vật liệu tổ hợp chứa gypsum có và không biến tính axit stearic có độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt nhỏ hơn và mô đun Young lớn hơn Gypsum biến tính 4 % axit stearic đã cải thiện độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của hỗn hợp polyme EVA/LDPE so với gypsum không biến tính

Ảnh FE-SEM (Hình 1.6) của vật liệu tổ hợp cho thấy các hạt gypsum biến tính axit stearic phân tán đồng đều hơn trong hỗn hợp polyme EVA/LDPE so với gypsum chưa biến tính Như vậy, biến tính gypsum bằng axit stearic là cần thiết để cải thiện tương tác giữa gypsum với hỗn hợp polyme EVA/LDPE cũng như tăng cường một số tính chất của vật liệu tổ hợp so với sử dụng gypsum chưa biến tính

25

Hình 1.6: Ảnh FE-SEM của vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/gypsum: a) sử dụng gypsum

chưa biến tính; b) sử dụng gypsum biến tính axit stearic

Như mô tả trong các tài liệu [30-31], hạt CaSO4 tổng hợp được biến tính bề mặt bởi chất hoạt động natri dodecyl sulfat (SDS) và sử dụng làm chất độn gia cường trong nhựa HDPE Nhờ sự có mặt của gốc hidrocacbon mạch dài (12 cacbon) của SDS nên CaSO4 biến tính có khả năng tương hợp và phân tán trên nhựa nền tốt hơn so với CaSO4 không biến tính Nhóm nghiên cứu cũng đã được cấp Bằng Độc quyền giải pháp hữu ích tháng 11/2017 về vấn đề này Kết quả cho thấy vật liệu compozit HDPE/CaSO4 biến tính SDS cải thiện đáng kể độ bền kéo đứt so với nhựa HDPE ban đầu từ 30,35 MPa lên 35 MPa; tính dẫn điện tăng mạnh hơn, điều đó khẳng định sự phân tán tốt của hạt CaSO4 trong nền polyme và khẳng định hiệu quả gia cường Ngoài ra khảo sát

độ bền lão hóa của vật liệu cũng chứng minh, tính chịu nhiệt của vật liệu cũng được cải thiện Trong một nghiên cứu khác, nhóm tác giả [32] cũng đã sử dụng copolyme etylenvinyl axetat (EVA) làm chất tương hợp cho vật liệu HDPE/gypsum biến tính SDS Nhờ cấu trúc đặc trưng trong đại phân tử EVA

có 2 thành phần: gồm nhóm chức etylen và vinyl axetat nên EVA có thể tương tác tốt với nhựa nền HDPE và gốc sunfat ở đầu mạch SDS có trên bề mặt của gypsum Kết quả là vật liệu HDPE/EVA/gypsum biến tính đã cải thiện đáng kể tính dẻo dai, khả năng chịu va đập của vật liệu Mặt khác, nhựa

26

EVA có độ nhớt và nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhựa HDPE, do vậy quá trình gia công của vật liệu trở nên dễ dàng hơn, điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với quá trình chế tạo vật liệu trong quy mô công nghiệp

Các kết quả nghiên cứu trên đã cho thấy, gypsum hoàn toàn có thể thay thế CaCO3 làm chất độn trong ngành nhựa để chế tạo các sản phẩm dân dụng

và kỹ thuật với các tính chất kỹ thuật tương đương và có giá thành cạnh tranh Trong khuôn khổ dự án cấp Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm tác giả Viện Kỹ thuật nhiệt đới [33] đã chế tạo thành ống nhựa cứng trên nền nhựa HDPE có sử dụng gypsum làm chất độn Nhóm nghiên cứu đã biến tính gypsum bằng axit stearic để cải thiện khả năng phối trộn với nhựa nền, nhờ đó sản phẩm có độ bền cơ học và khả năng chịu và đập được cải thiện Tuy vậy, sản phẩm mới chỉ dừng lại việc đánh giá sử dụng gypsum trong thay thế CaCO3 để nâng cao độ bền cơ học Trong khi thị trường hiện nay đòi hỏi ống nhựa HDPE cần có những tính năng nổi trội hơn như khả năng chống cháy, bền thời tiết để phục vụ nhu cầu từ các ngành điện lực, viễn thông và xây dựng [34-37]

Xuất phát từ thực tế đó, nhiệm vụ tập trung nghiên cứu vật liệu chế tạo ống xoắn có sử dụng gypsum làm chất độn sở hữu các tính năng nổi bật như khả năng chống cháy và bền thời tiết Trong đó, để nâng cao hàm lượng độn

sử dụng, gypsum được biến tính với ethylene bis(stearamide) (EBS), đây là chất hoạt động bề mặt có gốc amin nên có khả năng tương tác với gypsum tốt hơn so với axit stearic Ethylene bis stearamide (EBS) có nhiệt độ nóng chảy (140 oC – 150 oC) phù hợp với điều kiện gia công HDPE hơn so với các chất hoạt động bề mặt khác Một số nghiên cứu trước sử dụng axit stearic (nhiệt độ nóng chảy thấp dễ tạo ra chất bay hơi làm bề mặt sản phẩm rỗ), hoặc dùng natri doedecyl sunphats (SDS) có nhiệt độ nóng chảy cao (207oC) có thể ảnh hưởng hiệu quả gia công Bên cạnh đó, để cải thiện độ bền va đập và độ dẻo dai của sản phẩm, EVA được sử dụng đóng vai trò làm chất tương hợp giữa

27

các cấu phần của vật liệu [38-45] Dựa trên nhu cầu của thị trường đối với sản phẩm ống gân xoắn, nhiệm vụ sẽ tập trung nghiên cứu, chế tạo các hệ vật liệu sau:

- Vật liệu chế tạo ống gân xoắn chống cháy trên nền vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum có sử dụng phụ gia chống cháy

- Vật liệu chế tạo ống gân xoắn bền thời tiết trên nền vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum có sử dụng phụ gia chống tia UV

Trong đó, hệ phụ gia chống cháy được sử dụng có nguồn gốc là hợp chất chứa gốc phốt phát và muối borat, có tính thân thiện môi trường Hệ phụ gia bền thời tiết sử dụng chất bền tia cực tím dạng HALS và UVA

1.2 Công nghệ chế tạo ống gân xoắn

Hiện nay, công nghệ sản xuất ống gân xoắn của các công ty trong nước

đã có sự đầu tư về trang thiết bị Trong đó, chủ yếu tập trung vào đầu tư các thiết bị phối trộn và cấp liệu với khả năng tự động hóa cao để giảm số lượng lao động trên mỗi dây chuyền sản xuất Tuy nhiên, công nghệ đùn ống xoắn hiện nay của Công ty An Đạt Phát Sài Gòn vẫn là dạng đùn 1 trục vít và làm mát trực tiếp bằng nước để tạo thành sản phẩm ống gân xoắn Công nghệ chế tạo ống gân xoắn hiện nay tại các nhà máy của công ty An Đạt Phát Sài Gòn bao gồm các bước sau:

28

Hình 1.7: Dây chuyền sản xuất ống gân xoắn HDPE hiện tại của nhà máy

Nguyên liệu ban đầu gồm HDPE và phụ gia trợ gia công, hạt tạo màu được cấp vào thiết bị trộn trộn sấy nguyên liệu có công suất 250 kg/giờ, với thời gian và nhiệt độ có thể điều chỉnh

29

Hình 1.8: Hệ thống trộn sấy nguyên liệu công suất 250 kg/giờ.

Sau khi quá trình trộn sấy được kết thúc, nguyên liệu được cấp tự động sang máy đùn một trục vít Máy đùn một trục vít với các thông số kỹ thuật (

= 120, L/D = 30) có gắn khuôn định hình để tạo sản phẩm

Hình 1.9: Hệ thống cấp nguyên liệu tự động và máy đùn 1 trục vít.

Sản phẩm ra khỏi khuôn được làm mát trực tiếp bằng nước, và kiểm định trước khi được cuộn ống

để chế tạo masterbatch đòi hỏi khả năng phối trộn và phân tán trên thiết bị hai trục vít Việc sử dụng một nguồn lớn HDPE tái chế từ trong nước có giá thành cạnh tranh, có thể góp phần làm giảm giá thành sản phẩm Từ thực trạng đó,

An Đạt Phát Sài Gòn đã có sự hợp tác với Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam để cải thiện chất lượng sản phẩm và

hạ giá thành

1.3 Quy trình cải tiến công nghệ chế tạo ống gân xoắn

Để nghiên cứu và sử dụng hệ vật liệu mới HDPE/EVA/gypsum biến tính phục vụ trong việc sản xuất ông gân xoắn bền chống cháy và bền thời tiết Phương pháp nghiên cứu được trình bày một cách ngắn gọn như sau:

31

+ Biến tính gypsum: Gypsum được phối trộn tốc độ cao với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt (SDS) trong thiết bị phản ứng có kiểm soát được (nhiệt độ, tốc độ khuấy,…) để thu được hỗn hợp phản ứng Nhờ nhiệt ma sát sinh ra trong quá trình khuấy và nhiệt độ phối trộn sẽ làm bay hơi dung môi Hiệu suất biến tính được kiểm tra bằng phương pháp nghiên cứu phổ hồng ngoại, ảnh hiển vi điện tử quét

+ Chế tạo hệ vật liệu: Sử dụng các thiết bị trộn nội, ép nóng chảy để chế tạo và nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo như: Nhiệt độ, tốc

độ, thời gian trộn đến khả năng phối trộn, tương hợp của hệ vật liệu HDPE/EVA/gypsum biến tính và các phụ gia chống cháy, bền thời tiết Các thiết bị đo cơ tính vạn năng (bền kéo đứt, bền va đập, độ giãn dài, ), thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu (phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt, hình thái cấu trúc, ), thử nghiệm môi trường (tủ mù muối, tủ gia tốc thời tiết) được sử dụng để đánh giá các tính chất của hệ vật liệu Từ đó, tìm ra điều kiện chế tạo

hệ vật liệu HDPE/EVA/gypsum biến tính với những tính chất ưu việt, phù hợp trong quá trình chế tạo ống gân xoắn bền thời tiết và chống cháy

+ Sản xuất thử nghiệm: Một hỗn hợp bao gồm: Nhựa EVA, gypsum và phụ gia (ổn định nhiệt, chống lão hóa) được phối liệu trên thiết bị trộn cao tốc

có điều khiển tốc độ và nhiệt độ trước khi đưa vào máy trộn hai trục vít để tạo hạt masterbatch Hạt masterbatch tiếp tục được phối liệu với hỗn hợp HDPE (bao gồm HDPE nguyên sinh và HDPE tái chế) trên thiết bị trộn cao tốc để pha loãng hàm lượng chất độn xuống mức yêu cầu và đảm bảo tính chất cơ học của sản phẩm Sau quá trình phối liệu, hỗn hợp này được cấp vào thiết bị đùn hai trục vít có gắn khuôn định gân (có tích hợp hút chân không) ở đầu để tạo hình ống gân xoắn bền thời tiết và chống cháy

32

Hình 1.11: Sơ đồ công nghệ chế tạo ống gân xoắn theo công nghệ cải tiến.

+ Đối với sản phẩm ống gân xoắn chống cháy: sản phẩm có khả năng chống cháy đạt cấp độ V2, các tính chất khác tương đương hoặc vượt hơn so với sản phẩm cùng loại có trên thị trường

+ Đối với sản phẩm ống gân xoắn bền thời tiết: sản phẩm có khả năng chịu thời tiết, tính chất không suy giảm đáng kể khi để ngoài trong thời gian 1 năm, giá thành cạnh tranh và thấp hơn so với sản phẩm cùng loại từ 5-10 %

33

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT HDPE/EVA/GYSUM BỀN THỜI TIẾT VÀ CHỐNG CHÁY QUY MÔ

PHÒNG THÍ NGHIỆM 2.1 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất

Nhựa nền polyetylen tỷ trọng cao (HDPE 80) được sử dụng ở dạng hạt

là sản phẩm thương mại của hãng LG (Hàn Quốc), tỷ trọng 0,96 g/cm3, chỉ số chảy 2,5g/10 phút ở nhiệt độ 190oC và tải trọng 2,16 kg

Copolyme etylen-vinyl axetat (EVA) có hàm lượng 18% vinyl axetat khối lượng riêng 0,86 g/cm3, chỉ số chảy 12g/10 phút ở nhiệt độ 190oC và tải trọng 2,16 kg công ty Honam (Hàn Quốc)

Thạch cao phế thải (gypsum) được lấy từ bãi thải tại công ty DAP Vinachem, Khu công nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng, Việt Nam Gypsum trước khi đưa vào chế tạo đều đã được xử lý nghiền qua sàng 0,125 mm trước khi được biến tính

Ethylene bis stearamide (EBS) dạng siêu mịn là sản phẩm thương mại của Công ty Merck, độ tinh khiết 99,8 %

Natri dodexyl sunfat (SDS) là sản phẩm thương mại của Công ty Hóa chất Merck (Đức), độ tinh khiết 99,8 %

Bột đá có kích thước hạt từ 0,1 đến 1 µm được tráng phủ axit stearic là các sản phẩm của công ty TNHH Phát triển khoáng sản Đông Dương (Việt Nam)

Phụ gia chống cháy:

+ Decabromodiphenyl etan (DBDPE) là dạng bột màu trắng với hàm lượng brom > 81-82 %, khối lượng riêng 3,25 g/cm3, kích thước hạt ≤ 2.5 µm được cung cấp bởi Công ty Hóa chất Mega Việt Nam

34

+ Kẽm borat (ZB) có dạng bột mịn màu trắng, có khối lượng riêng 2,77 kg/m3 có hàm lượng ZnO = 45%, B2O3 = 34%, H2O = 20% được đặt hàng từ công ty hóa chất Mega Việt Nam

Chất ổn định quang hóa :

+ HALS (Hindered Amines Light Stabilizers) : HALS 791 sản phẩm

của hãng Shanghai Deborn Co., Ltd (Trung Quốc) có tỷ trọng 1,2 g/cm3, độ tinh khiết > 99,5 %, hàm lượng tro nhỏ 0,01 %, độ truyền qua tại bước sóng

425 nm 96,3 %

+ Chất hấp thụ ánh sáng cực tím (UVA): UVA 531 sản phẩm của hãng

Shanghai Deborn Co., Ltd (Trung Quốc) có tỷ trọng 1,16 g/cm3, độ tinh khiết

> 99,5 %, hàm lượng tro nhỏ 0,01 %, nhiệt độ nóng chảy là 48 oC, độ truyền qua tại bước sóng 460 nm 93,2 %

+ Cồn tuyệt đối, Ca(OH)2, axit axetic, axeton và các phụ gia khác được mua tại Công ty Hóa chất Đức Giang (Việt Nam)

2.1.2 Chế tạo mẫu

2.1.2.1 Biến tính hạt Ogyp bằng EBS

a Xử lý gypsum phế thải và biến tính

Gypsum lấy từ bãi thải của nhà máy DAP Đình Vũ được đem sàng lọc, loại bỏ tạp chất Tiếp theo chất rắn được trung hòa axit dư bởi nước vôi trong

và rửa bằng nước cho đến khi nước rửa có pH=7

35

Hình 2.1: Thử gypsum bằng giấy quỳ trước và sau khi rửa

Hình 2.2: Gypsum trước và sau khi rửa bằng dung dịch nước vôi trong

Gypsum sau khi rửa bằng dung dịch nước vôi trong được nghiền bằng cối nghiền bi với dung môi là nước trong 48 giờ, sau đó sấy ở hai điều kiện khác nhau là 100oC và 150oC đến khối lượng không đổi

36

(a)

(b)

Hình 2.3: (a) Gypsum trước xử lý, (b) gypsum sau khi xử lý

b Biến tính hạt gypsum với EBS

Biến tính hạt gypsum bằng EBS: để quá trình biến tính đạt hiệu quả cao trước tiên gypsum sau khi được xử lý được rây qua sàng có mắt lưới 0,125

mm Sau đó tiến hành phối trộn hạt gyp đó (OGyp) với tỉ lệ 2, 4 và 6 %kl EBS (so với khối lượng gypsum) trên thiết bị trộn nóng chảy HAAKE tại

170oC trong 30 phút, sau đó lấy hỗn hợp ra và rửa trong thiết bị Soxlet bằng hỗn hợp etanol : nước = 1:1 để loại bỏ EBS dư Sấy gypsum biến tính ở 80oC trong tủ sấy chân không đến khối lượng không đổi và thu được hạt gypsum biến tính (Sgyp)

2.1.3 Chế tạo mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy 2.1.3.1 Chế tạo mẫu compozit HDEP/EVA có phụ gia chống cháy tại các

tỉ lệ khác nhau

Để tìm ra được hàm lượng phụ gia chống cháy thích hợp bao gồm DBDPE và ZB, nhựa nền HDPE/EVA và các phụ gia chống cháy với các tỉ lệ khác nhau được phối trộn trên thiết bị trộn nóng chảy Haake với các điều kiện gia công như sau:

37

 Nhiệt độ phối trộn 180oC

 Thời gian trộn 5 phút

 Tốc độ trộn 50 vòng/phút

Các mẫu sau khi trộn nóng chảy được ép phẳng trong khuôn với độ dày

là 3mm Sau khi để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, mẫu được cắt đo cháy theo tiêu chuẩn UL94 Tỉ lệ thành phần mẫu được liệt kê như trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Các mẫu với hàm lượng phụ gia chống cháy tại các tỉ lệ khác nhau

Hàm lượng Sgyp (%kl)

38

phối trộn 175 oC, thời gian trộn 5 phút, tốc độ trục quay 60 vòng/phút Tiếp theo, vật liệu ở trạng thái nóng chảy được chuyển sang máy ép định hình tạo tấm phẳng trên thiết bị ép nhiệt Toyoseky (Nhật Bản) ở 190oC trong 3 phút,

áp suất ép 5 MPa Sau đó, mẫu được làm nguội bằng không khí xuống nhiệt

độ phòng, tháo khuôn và bảo quản trong 48 giờ trước khi xác định các tính chất Thành phần vật liệu được liệt kê như trên bảng 2.2

Bảng 2.2: Thành phần vật liệu HDPE/EVA/gypsum có phụ gia chống cháy

Hàm lượng Ogyp (%kl)

Hàm lượng Sgyp (%kl)

39

2.1.4 Chế tạo mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có phụ gia bền thời tiết

Ban đầu, hạt nhựa HDPE, EVA, gypsum các phụ gia UVA-531 và HALS-791 được cân theo tỉ lệ để đảm bảo hệ số điền đầy là 0,8 Hàm lượng gypsum được sử dụng cố định là 10 %kl Sau đó hỗn hợp này được tiền phối trộn để đảm bảo sự phân tán trước khi đưa vào thiết bị trộn nóng chảy HAAKE Rheomix có điều kiện gia công như sau:

Thời gian ép: 3 phút và độ dày khuôn ép: 2mm

Mẫu sau khi chế tạo được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong ít nhất 24 giờ trước khi đánh giá các tính chất khác Thành phần của các mẫu vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum được trình bày trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Tỉ lệ thành phần trong các mẫu vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum

Tên mẫu HDPE/EVA

(90/10)

Hàm lượng gypsum (%kl)

Hàm lượng UVA 531 (%kl)

Hàm lượng HALS 791 (%kl)

Hình 2.4: Mẫu đo tính chất cơ lý.

Xác định tính chất cơ lí của mẫu được thực hiện trên thiết bị đa năng Zwick Z2.5 (CHLB Đức) (Hình 2.5) ở nhiệt độ phòng với tốc độ kéo 50 mm/phút, theo tiêu chuẩn ASTM D638 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Mỗi loại mẫu được xác định 5 lần để lấy giá trị trung bình

Hình 2.5: Thiết bị xác định tính chất cơ học Zwick Z2.5 Đức