tóm tắt luận án tiến sĩ chế tạo và nghiên cứu tính chất của tổ hợp vật liệu cao phân tử ứng dụng làm màng phủ nhà lưới

Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết - Nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới 3 lớp trong ñiều kiện gia tốc thời tiết.. Sự suy giảm ñộ dãn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

A- GIỚI THIỆU LUẬN ÁN I- Tính cấp thiết của ñề tài

Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam Năm 2010, giá trị sản xuất toàn ngành tăng 4,69%, tổng kim ngạch xuất khẩu toàn ngành ñạt mức kỉ lục, ước ñạt 19,15 tỉ USD tăng gần 22,6% so với năm 2009, vượt 77,3% so với mục tiêu ñược ðại hội ðảng X ñề ra Cùng với chương trình nông thôn mới bắt ñầu ñược triển khai, nhiều chính sách và chủ trương mới của ðảng và Nhà nước hướng về nông thôn, hỗ trợ nông dân ñã và ñang ñược quan tâm áp dụng

Việc sử dụng màng chất dẻo trong nông nghiệp bao gồm 3 ứng dụng chính: che phủ nhà lưới, nhà vòm và phủ bổi (phủ trực tiếp lên ñất) Trong ñó, màng che phủ nhà lưới là quan trọng nhất bởi nó ñược sử dụng với khối lượng lớn Màng polyme không chỉ làm tăng nhiệt ñộ của ñất mà còn làm giảm việc sử dụng nước tưới và phân bón Nhờ tạo ra một vi khí hậu cho sự phát triển của rễ, sản xuất nông nghiệp có thể không phụ thuộc vào môi trường bên ngoài

Công nghệ chế tạo màng polyme hấp thụ UV và bền thời tiết ñể che phủ nhà lưới còn chưa ñược quan tâm nghiên cứu ñúng mức trong khi nhu cầu thực tế ñối với loại màng này ngày càng tăng, nhất là trong bối cảnh hiện ñại hoá nông nghiệp, nông thôn Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị ñể sản xuất màng che phủ nhà lưới là khá phức tạp, ñòi hỏi phải nghiên cứu có hệ thống mới có thể ñạt ñược kết quả như mong muốn Tuy nhiên, nếu chúng ta chủ ñộng ñược công nghệ sản xuất loại màng này thì

sẽ rất thuận lợi trong việc triển khai ứng dụng thực tế Chính vì vậy, ñề tài luận án

“Chế tạo và nghiên cứu tính chất của tổ hợp vật liệu cao phân tử ứng dụng làm màng phủ nhà lưới” nhằm mục ñích nghiên cứu lí thuyết và chế tạo màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp ñã ñược thực hiện nhằm giải quyết nhu cầu thực tế ñặt ra

II- Nội dung nghiên cứu của luận án

1 Lựa chọn và nghiên cứu ảnh hưởng của một số loại phụ gia tới quá trình phân hủy quang của màng LDPE

2 Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết

- Nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới 3 lớp trong ñiều kiện gia tốc thời tiết

- Nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới 3 lớp trong ñiều kiện phơi mẫu

1 Luận án ựã nghiên cứu, lựa chọn ựược phụ gia phù hợp ựể chế tạo màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết

2 Chế tạo ựược màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết có cấu trúc 3 lớp trên

cơ sở LDPE và EVA, làm cơ sở ựể xây dựng quy trình công nghệ sản xuất màng phủ nhà lưới quy mô công nghiệp Màng phủ nhà lưới có tuổi thọ dự kiến là 20 tháng

3 Qua triển khai mô hình với 2 ựối tượng là cây thân thấp và cây thân leo (với 4 loài cây là cải mơ, xà lách, bắ ựao, dưa chuột) ựã chứng minh ựược ưu ựiểm của màng phủ nhà lưới trong việc cải thiện vi khắ hậu nhà lưới, tăng cường quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, ựem lại hiệu quả về kinh tế

IV- Bố cục luận án

Luận án dày 142 trang gồm 3 chương: Mở ựầu (2 trang); Chương 1- Tổng quan (50 trang); Chương 2- Thực nghiệm (16 trang); Chương 3- Kết quả và thảo luận (54 trang); Kết luận chung (2 trang); Danh mục các công trình công bố của tác giả (1 trang); Tài liệu tham khảo (17 trang) gồm 130 tài liệu tham khảo cập nhật ựến 2011 Trong luận án có 43 bảng biểu, 42 hình vẽ và ựồ thị

B NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về polyolefin

1.2 Ưu ựiểm của màng phủ nhà lưới bằng chất dẻo

1.5 Các phụ gia trong công nghệ chế tạo màng

Giới thiệu cơ chế hoạt ựộng của phụ gia ổn ựịnh nhiệt, phụ gia ổn ựịnh quang, phụ gia chống ựọng sương, các phụ gia khác cũng như tương tác giữa các phụ gia

1.6 Công nghệ chế tạo và ứng dụng của màng phủ nhà lưới

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu và hoá chất

2.2 Thiết bị nghiên cứu

Máy trộn siêu tốc Supermix (Trung Quốc), máy ựùn 2 trục liên hợp máy cắt hạt series SHJ-30A (đài Loan), máy ựùn thổi màng series SJ-45 (đài Loan) , máy thổi màng 3 lớp MS3R-1300Q (Shanghai CMIC)

Thiết bị ño ñộ bền kéo ñứt và ñộ giãn dài khi ñứt AGS-J 10kN (Shimadzu),thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON Model UC-327-2 (Viện Kỹ thuật Nhiệt ñới), và các thiết bị ño tính chất màng khác

2.3 Phương pháp tiến hành

2.3.1 Tạo chất chủ (masterbatch)

Phụ gia và hạt nhựa ñược trộn cơ học trong 1 giờ trên máy trộn siêu tốc Supermix với tốc ñộ 50 vòng/phút ñể phân tán ñồng ñều các thành phần rồi ñưa vào phễu nạp liệu của máy ñùn 2 trục vít liên hợp máy cắt hạt series SHJ-30A ñã ñiều chỉnh các thông số vận hành

2.3.2 Quá trình thổi màng

Nhựa hạt LDPE ñược trộn cơ học với lượng chất chủ cần trên máy trộn quay Supermix trong 1 giờ với tốc ñộ 50 vòng/phút Hỗn hợp ñược ñưa vào phễu nạp liệu của máy ñùn thổi màng series SJ-45 ñã ñược ñiều chỉnh các thông số vận hành ñể thu ñược màng có chiều dày 50µm (máy ñùn thổi có ñường kính trục vít 45mm, tỷ lệ L/D

28, tốc ñộ trục vít 10 - 120 vòng/phút, năng suất tối ña 20 - 30kg/giờ)

Màng 3 lớp ñược thổi trên dây truyền thổi màng 3 lớp MS3R-1300Q của Shanghai CMIC

2.3.3 Các nội dung nghiên cứu và khảo sát

2.3.3.1 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia cho quá trình chế tạo màng hấp thụ UV, bền thời tiết

Mục ñích: Chọn ñược hỗn hợp phụ gia phù hợp ñể chế tạo màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết

2.3.3.2 Nghiên cứu chế tạo màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết

Mục ñích: Chế tạo màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết ñáp ứng ñược những yêu cầu trong nông nghiệp

2.3.3.3 Nghiên cứu thử nghiệm màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết cho 1 số ñối tượng cây trồng

Mục ñích: Thử nghiệm màng chế tạo ñược cho 2 loại cây thân thấp và thân leo So sánh với màng nhập ngoại và màng LDPE thường

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia cho quá trình chế tạo màng hấp thụ UV, bền thời tiết

3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia ổn ñịnh quang

3.1.1.1 Ảnh hưởng của loại phụ gia ổn ñịnh quang

Hình 3.1 Sự suy giảm ñộ dãn dài khi

ñứt của các mẫu màng trong quá trình

gia tốc thời tiết (chiều dày

màng 50µm)

Hình 3.2 Sự suy giảm ñộ bền kéo ñứt của các mẫu màng LDPE trong quá trình gia tốc thời tiết (chiều dày màng 50µm)

Kết quả cho thấy, giá trị t1/2 EB và t1/2 TS của màng LDPE giảm nhanh theo thời gian tiếp xúc trong quá trình thử nghiệm gia tốc thời tiết Màng không chứa phụ gia có ñộ bền thời tiết kém nhất, giá trị t1/2 EB là khoảng 6 ngày (12 chu kỳ) Giá trị

t1/2 EB của màng LDPE chứa 0,2% Tinuvin 326 là khoảng 15 ngày, tuổi thọ kéo dài gấp 2,5 lần so với màng LDPE thông thường Giá trị t1/2 EB của màng LDPE chứa 0,2% các phụ gia Tinuvin 622 và Tinuvin 783 là khoảng 40 ngày (80 chu kỳ), gấp gần 7 lần so với màng LDPE không chứa phụ gia.Sự suy giảm ñộ dãn dài khi ñứt tại một thời ñiểm bất kì diễn ra theo thứ tự sau: LDPE > Tinuvin 326 > Tinuvin 622 ≈ Tinuvin 783 Như vậy có thể thấy hiệu quả ổn ñịnh quang của Tinuvin 622 và Tinuvin 783 cao hơn so với Tinuvin 326

3.1.1.2 Ảnh hưởng của chiều dày màng

Hình 3.3 ðộ dãn dài khi ñứt của màng

LDPE có chiều dày khác nhau trong

quá trình gia tốc thời tiết

Hình 3.4 ðộ bền kéo ñứt của màng LDPE có chiều dày khác nhau trong quá trình gia tốc thời tiết

Giá trị t1/2 EB của màng LDPE thông thường dày 50µm là khoảng 12 chu kỳ,

t1/2 TS khoảng 16 chu kỳ, nhưng với màng dày 200µm cần tới khoảng 30 chu kỳ ñể ñạt tới giá trị t1/2 EB và t1/2 TS Màng dày hơn có khả năng chịu lão hóa cao hơn do các phản ứng oxi hóa trên bề mặt diễn ra nhanh hơn so với bên trong màng ðối với màng chứa phụ gia ổn ñịnh quang, nơi quá trình oxi hóa bề mặt diễn ra chậm, sự khuếch tán oxi vào bên trong màng có thể phụ thuộc nhiều hơn vào chiều dày

Hình 3.5 ðộ dãn dài khi ñứt của màng

LDPE chứa Tinuvin 326 có chiều dày

khác nhau trong quá trình gia tốc thời

tiết

Hình 3.6 ðộ bền kéo ñứt của màng LDPE chứa Tinuvin 326 có chiều dày khác nhau trong quá trình

gia tốc thời tiết

0 20 40 60 80 100

Hình 3.7 ðộ dãn dài khi ñứt của màng

LDPE chứa Tinuvin 622 có chiều dày

khác nhau trong quá trình gia tốc thời

tiết

Hình 3.8 ðộ bền kéo ñứt của màng LDPE chứa Tinuvin 622 có chiều dày khác nhau trong quá trình gia tốc thời tiết

0 20 40 60 80 100 120

Hình 3.9 ðộ dãn dài khi ñứt của màng

LDPE chứa Tinuvin 783 có chiều dày

khác nhau trong quá trình gia tốc thời

tiết

Hình 3.10 ðộ bền kéo ñứt của màng LDPE chứa Tinuvin 783 có chiều dày khác nhau trong quá

trình gia tốc thời tiết

Kết quả trên các hình cho thấy, thời gian ñạt giá trị t1/2 EB và t1/2 TS ở các màng chứa phụ gia ổn ñịnh quang có xu hướng phụ thuộc hiệu quả của chất ổn ñịnh,

và thời gian này tăng khi tăng chiều dày màng ñến 200µm Tuy nhiên, khi tăng chiều dày của màng sẽ ảnh hưởng nhiều ñến ñộ truyền qua của màng – là một yêu cầu quan trọng của màng phủ nhà lưới dùng trong nông nghiệp Vì vậy chúng tôi ñã khảo sát

ñộ truyền qua của màng LDPE chứa 0,2 % T783 với các ñộ dày khác nhau Kết quả ñược chỉ ra ở bảng 3.6 dưới ñây:

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của chiều dày ñến ñộ truyền qua của màng

3.1.1.4 Nhiệt vi sai quét (DSC)

Bảng 3.7 Nhiệt ñộ nóng chảy của các mẫu màng trước và sau khi thử

nghiệm gia tốc thời tiết Màng Thời gian thử nghiệm gia tốc

thời tiết (chu kỳ) Nhiệt ñộ nóng chảy (

Phổ UV-vis của các mẫu màng LDPE và màng chứa phụ gia ổn ñịnh quang trước

và sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết ñược biểu diễn trên các hình từ 3.12 ñến 3.15

Hình 3.12 Phổ UV-vis của màng

LDPE trước (1) và sau 12 chu kỳ gia

tốc thời tiết (2)

Hình 3.13 Phổ UV-vis của màng LDPE chứa 0,2% T326 trước (1) và sau 60 chu kỳ gia tốc thời tiết (2)

Hình 3.14 Phổ UV-vis của màng

LDPE chứa 0,2% T622 trước (1) và sau

80 chu kỳ gia tốc thời tiết (2)

Hình 3.15 Phổ UV-vis của màng LDPE chứa 0,2% T783 trước (1) và sau 80 chu kỳ gia tốc thời tiết (2)

Quan sát phổ UV-vis cho thấy, sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết (12 chu kỳ), phổ UV-vis của màng LDPE thông thường xuất hiện vai phổ nhỏ trong khoảng 220 –

240 nm và ñường nền ñôi khi cao hơn so với màng trước khi thử nghiệm Sau 60 chu

kỳ thử nghiệm gia tốc thời tiết, dải hấp thụ của T326 biến mất Các mẫu màng chứa T622 cũng thấy xuất hiện vai phổ nhỏ trong vùng 220 – 240 nm sau 80 chu kỳ thử nghiệm gia tốc thời tiết Do dải hấp thụ của T622 không xuất hiện trong vùng này nên vai phổ có thể là do các sản phẩm chưa bão hòa trong polyme bị phân hủy Dải hấp thụ trong vùng 225nm trên phổ UV của màng LDPE chứa T783 là do sự có mặt của Chimasorb 944 trong thành phần phụ gia này Sau 80 chu kỳ, dải hấp thụ này cũng bị giảm cường ñộ

3.1.1.6 Hình thái học bề mặt

Ảnh hiển vi ñiện tử quét SEM của các mẫu màng trước và sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết ñược trình bày trên hình 3.16

LDPE + T326 trước LDPE + T326 sau 60 chu kỳ

LDPE + T622 trước LDPE + T622 sau 60 chu kỳ

LDPE + T783 trước LDPE + T783 sau 60 chu kỳ

Hình 3.16 Ảnh SEM của các mẫu màng LDPE trước và sau khi thử nghiệm gia

tích ảnh SEM cho thấy phá hủy bề mặt ít nghiêm trọng hơn So sánh giữa các màng chứa phụ gia sau 60 chu kỳ thử nghiệm gia tốc thời tiết, màng chứa T783 có bề mặt

bị phá hủy ít nhất chứng tỏ phụ gia T783 phát huy ñược tối ña hiệu quả

3.1.2 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia chống oxi hóa

3.1.2.1 ðộ dãn dài khi ñứt và ñộ bền kéo ñứt

ðộ dãn dài khi ñứt và ñộ bền kéo ñứt của các công thức màng trong quá trình thử nghiệm gia tốc thời tiết ñược biểu diễn trên hình 3.17 và 3.18

Hình 3.17 ðộ dãn dài khi ñứt của các

mẫu màng LDPE có và không có phụ

gia chống oxy hoá trong quá trình gia

tốc thời tiết

Hình 3.18 ðộ bền kéo ñứt của các mẫu màng LDPE có và không có phụ gia chống oxy hoá trong quá trình gia tốc thời tiết

Như ñã thấy ở trên, sau 12 ñến 16 chu kỳ thử nghiệm gia tốc, màng LDPE thông thường ñã ñạt tới giá trị t1/2 EB và t1/2 TS, ñược coi là không còn giá trị sử dụng ðối với màng chứa hỗn hợp Irganox 1010 và Irgafos 168, mặc dù t1/2 TS ñạt ñược sau khoảng 80 chu kỳ, nhưng giá trị t1/2 EB ñạt ñược sau khoảng 20 chu kỳ Trong trường hợp này các phụ gia chống oxi hóa có thể phản ứng với gốc tự do, ngăn ngừa phản ứng dây chuyền và hình thành các nhóm chức chứa oxy trong polyme làm giảm sự phá hủy màng do tác nhân oxy

Màng chứa hỗn hợp phụ gia HALS (Tinuvin 783), Irganox 1010 và Irgafos 168

có giá trị t1/2 EB và t1/2 TS khoảng 100 chu kỳ, màng chỉ chứa phụ gia T783 ñạt giá trị

t1/2 EB và t1/2 TS khoảng 80 chu kỳ ðiều này có thể là do bản thân phụ gia HALS là phụ gia ña chức năng, vừa có tác dụng ổn ñịnh quang vừa có tác dụng chống oxy hóa nhiệt Tuy nhiên, hỗn hợp phụ gia HALS và phụ gia chống oxi hóa cho hiệu quả cao nhất

3.1.2.2 Chỉ số cacbonyl

Hình 3.19 Chỉ số cacbonyl của các mẫu màng LDPE có và không có phụ gia

chống oxy hoá trong quá trình gia tốc thời tiết Chỉ số cacbonyl tăng nhanh trong 20 chu kì gia tốc thời tiết ñối với màng LDPE thường Ở màng chỉ chứa hỗn hợp phụ gia chống oxy hoá, chỉ số cacbonyl tăng chậm trong 20 chu kỳ ñầu và tăng nhanh ở giai ñoạn sau Màng chỉ chứa Tinuvin 783 và màng chứa hỗn hợp hai phụ gia HALS và chất chống oxi hóa có tốc

ñộ hình thành các nhóm cacbonyl không ñáng kể với tốc ñộ tăng rất nhỏ

3.1.2.3 Phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại của màng LDPE và màng chứa hỗn hợp phụ gia T783 và chống oxi hóa sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết ñược biểu diễn trên hình 3.20 và 3.21

Hình 3.20 Phổ hồng ngoại của màng

LDPE sau 12 chu kỳ gia tốc thời tiết

Hình 3.21 Phổ hồng ngoại của màng LDPE chứa Tinuvin 783 và hỗn hợp phụ gia chống oxy hóa sau 60 chu kỳ gia tốc thời tiết

3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia chống ñọng sương

LDPE + Atmer 103 trước LDPE + Atmer 103 sau 25 ngày

LDPE + AAG-2 trước LDPE + AAG-2 sau 25 ngày

Bảng 3.22 Hiệu quả chống ñọng sương của các phụ gia trong màng LDPE Dựa vào thang ñối chiếu ở bảng 2.3 thấy rằng, màng LDPE có hiệu quả chống ñọng sương ở thang BC Màng chứa 1% Atmer 103 và 1% AAG-02 thì hiệu quả cùng

ở thang E Sau 25 ngày thử nghiệm liên tục, hiệu quả chống ñọng sương của màng LDPE vẫn ở trong thang BC trong khi hiệu quả của màng chứa Atmer 103 ở thang

DE Hiệu quả của màng chứa AAG-02 ñã giảm xuống thang D ðiều này chứng tỏ phụ gia chống ñọng sương ñã bị hòa tan một phần, dẫn ñến giảm hiệu quả chống ñọng sương [87] Trong trường hợp này, tốc ñộ di chuyển của 2 phụ gia AAG-02 và Atmer 103 là tương ñương nhau, nhưng do phụ gia Atmer 103 có ñộ tan trong nước (0,012g/l, ở 250C) nhỏ hơn AAG-02 (0,07 g/l, ở 250C) nên Atmer 103 duy trì ñược hiệu quả chống ñọng sương cao hơn AAG-02

Tóm tắt kết quả phần 3.1

- Hiệu quả chống oxi hóa quang của các phụ gia với màng LDPE tăng theo thứ

tự Tinuvin 326 < Tinuvin 622 < Tinuvin 783

- Tính chất cơ lí của màng LDPE tăng khi chiều dày màng tăng, tuy nhiên ñộ truyền qua của màng lại giảm

- Quá trình gia tốc thời tiết làm tăng nhanh chỉ số cacbonyl của màng LDPE

Sự có mặt của phụ gia HALS làm giảm sự hình thành các nhóm cacbonyl Kết quả ñược thể hiện qua cường ñộ của nhóm C=O trên phổ hồng ngoại

- Sau khi thử nghiệm gia tốc thời tiết, ñộ kết tinh của các mẫu màng ñều tăng

do sự hình thành các nhóm oxy hóa kèm theo quá trình ngắt mạch Quá trình phân hủy tạo ra những vết nứt và khoảng trống trên bề mặt màng với các mức ñộ khác nhau

- Phụ gia HALS là phụ gia ña chức năng, vừa có tác dụng ổn ñịnh quang, vừa

có tác dụng chống oxi hóa nhiệt Tuy nhiên, hỗn hợp phụ gia T783 và các phụ gia chống oxy hóa Irganox 1010, Irgafos 168 cho hiệu quả ổn ñịnh oxy hóa quang và nhiệt cao nhất

- Phụ gia chống ñọng sương sorbitan stearat (Atmer 103) có hiệu quả cao hơn phụ gia N-stearyl dietanol amin mono stearat (AAG-02)

3.2 Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng phủ nhà lưới hấp thụ UV, bền thời tiết

Bảng 3.10 Tính chất cơ học của màng LDPE có và không có EVA

ðộ dãn dài khi ñứt, % ðộ bền kéo ñứt, N/cm2Màng

ðộ dão,

% Không có