Khảo sát khả năng sử dụng bột đá phế thải từ làng đá non nước thay thế cho bột đá thương phẩm trong chế tạo sản phẩm composite.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN THỊ SEN KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BỘT ĐÁ PHẾ THẢI TỪ LÀNG ĐÁ NON NƯỚC THAY THẾ CHO BỘT ĐÁ THƯƠNG PHẨM TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM COMPOS

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THỊ SEN

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BỘT ĐÁ PHẾ THẢI TỪ LÀNG ĐÁ NON NƯỚC THAY THẾ CHO BỘT ĐÁ THƯƠNG PHẨM TRONG CHẾ TẠO SẢN

PHẨM COMPOSITE

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã số: 8520301

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS DƯƠNG THẾ HY

2 PGS.TS ĐOÀN THỊ THU LOAN

Phản biện 1: TS PHẠM NGỌC TÙNG

Phản biện 2: PGS.TS LÊ MINH ĐỨC

Luận văn sẽ đơợc bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ Thuật Hóa Học họp tại Trường Đại Học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luân văn tại:

- Trung tâm học liệu, Đại Học Đà Nẵng Trường Đại Học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Làng đá mỹ nghệ Non Nước nằm trên địa bàn phường Hòa Hải, quận Ngũ Hành Sơn, thành phố Đà Nẵng đã có lịch sử hình thành từ 300-400 năm, với khoảng 500 hộ sản xuất đá mỹ nghệ phục vụ kinh doanh tại địa phương và xuất khẩu Bên cạnh những lợi ích kinh tế to lớn mà nó mang lại thì hàng năm lượng phế phẩm đá thải ra môi trường cũng rất lớn Theo số liệu điều tra thống kê từ các chủ cơ sở sản xuất trong làng đá Non Nước về định mức tiêu hao đá nguyên liệu cho các loại sản phẩm, như với các tượng nghệ thuật mức tiêu hao lớn nguyên liệu lớn nhất thường chiếm 60%; Các loại tượng thú, nội thất, bàn ghế tỷ lệ phế phẩm

là 50%; Tranh non bộ, tấm bia mộ tỷ lệ này chiếm 20-25% [1] Theo thống kê của phòng Tài nguyên và Môi trường quận Ngũ Hành Sơn, mỗi năm có khoảng 3600-

4800 m3 đá dăm (đá khô) và 1200-2400 m3 bột đá ướt thải ra môi trường tại Làng nghề đá Mỹ Nghệ Non Nước [2] Với lượng phế phẩm lớn như vậy thải ra môi trường đã gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường tại làng đá Non nước trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị và cuộc sống của những người dân xung quanh Vì thế, hiện nay chính quyền quận Ngũ Hành Sơn cũng như TP

Đà Nẵng đã đề ra rất nhiều biện pháp nhằm để hạn chế tình trạng ô nhiễm môi trường ở nơi đây, trả lại mỹ quan và môi trường sống yên bình cho người dân Và

để tận dụng lượng lớn phế thải đá nguyên liệu này hiện nay tại khoa Hóa trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng các Giảng Viên và sinh viên nghiên cứu cũng đã có nhiều đề tài ứng dụng bột đá phế thải để làm các sản phẩm composite cho các ứng dụng mặt bàn, ghế, …

Hơn nữa, hiện nay việc sử dụng vật liệu composite ngày càng tăng Một số sản phẩm dân dụng như nắp hố ga, song chắn rác, lươn giao thông… phần lớn đều được làm bằng vật liệu composite, thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại,

bê tông…Các sản phẩm này chủ yếu được sản xuất từ composite nhựa nhiệt rắn mà thường là polyester không no và sợi thủy tinh, có sử dụng một lượng bột đá thương phẩm đáng kể lên đến 30% để giảm giá thành và tăng độ cứng cho sản phẩm Tuy nhiên, bột đá thương phẩm chủ yếu được nhập ngoại nên nên giá thành tương đối cao và chưa chủ động được nguồn nguyên liệu

Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành “KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BỘT ĐÁ PHẾ THẢI TỪ LÀNG ĐÁ NON NƯỚC THAY THẾ CHO BỘT ĐÁ THƯƠNG PHẨM TRONG CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE” cụ thể là dải phân cách composite nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu đá phế thải góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, chủ động nguồn nguyên liệu và hạ giá thành sản phẩm

II- MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đánh giá khả năng sử dụng bột đá phế thải khô và ướt từ Làng chế tác đá Non Nước thay thế cho bột đá thương phẩm trong gia công chế tạo sản phẩm com-posite, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do bột đá phế thải gây ra

III- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: các điều kiện gia công tạo mẫu, đơn phối liệu, các tính chất cơ, lý, hóa của mẫu sản phẩm composite

- Phạm vi nghiên cứu: tại phòng thí nghiệm trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng

và xưởng sản xuất tại Công ty TNHH Sản xuất Thương mại và Dịch vụ Hợp

Long Thành

IV- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp gia công chế tạo mẫu

- Phương pháp khảo sát các tính năng cơ lý, lão hóa, chịu môi trường

- Phương pháp phân tích xử lý số liệu bằng excel

V- Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

a Ý nghĩa thực tiễn

- Tận dụng được nguồn nguyên liệu đá phế thải từ làng đá Non Nước trong

chế tạo vật liệu composite

- Giải quyết các vấn đề ô nhiễm do đá phế thải gây nên

b Ý nghĩa khoa học

- Đánh giá một số đặc trưng của bột đá phế thải từ làng đá Non Nước

- Đánh giá khả năng thay thế bột đá thương phẩm bằng bột đá phế thải

- Xây dựng quy trình công nghệ lăn ướt, tính toán lựa chọn đơn phối liệu cho sản phẩm composite dải phân cách

- Hơn nữa, việc nghiên cứu đề tài thành công sẽ đóng góp một phần không nhỏ vào quá trình phát triển vật liệu composite ở nước ta Từ đó, góp phần

đẩy mạnh việc ứng dụng loại vật liệu này trong các lĩnh vực đời sống, thúc đẩy sự phát triển công nghiệp và tăng trưởng nền kinh tế trong nước

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu composite

1.1.1 Khái niệm về vật liệu composite

1.4 Gia công composite

❖ Công nghệ lăn ướt (Wet lay-up)

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi khảo sát và đối tượng khảo sát

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu: các điều kiện gia công tạo mẫu sản phẩm, đơn

phối liệu, các tính chất cơ lý, khả năng chịu nước, lão hóa… của mẫu sản

phẩm composite

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu: phòng thí nghiệm và xưởng sản xuất tại Công ty

TNHH Sản xuất Thương mại và Dịch vụ Hợp Long Thành

2.1.3 Đối tượng khảo sát: nhựa polyester không no, bột đá phế thải, sợi gia

cường

a) Nhựa polyester không no

Loại nhựa polyester không no Polyplex sử dụng của hãng Nuplex, New Zealand

b) Bột đá

Đá phế thải khô và ướt được thu gom từ Làng Mỹ nghệ đá Non Nước – thành phố Đà Nẵng Đá phế thải ướt được lấy từ bãi tập trung bột đá vớt lên từ

các hồ chứa của các Cơ sở cưa, cắt đá

c) Sợi gia cường

Roving thủy tinh (loại 600 g/m2) (Ký hiệu Roving), Mat thủy tinh (loại 300 g/m2) có xuất xứ Trung Quốc được sử dụng trong nghiên cứu này

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu bột đá

2.2.2 Phân tích và lựa chọn nguyên liệu bột đá:

Phân tích nguyên liệu bột đá: Xác định thành phần hóa một số loại bột đá phế thải với trữ lượng lớn từ đó lựa chọn loại bột đá phế thải cho nghiên cứu và xác định một số thông số vật lý của bột đá như kích thước hạt, tỷ trọng, độ ẩm

Phương pháp phân tích các thông số vật lý và thành phần của bột đá:

a) Xác định khối lượng riêng bột đá

Khối lượng riêng của bột đá được xác định theo phương pháp Pycnometer (theo TCVN 6355-4: 1998)

b) Xác định độ ẩm bột đá

Độ ẩm của bột đá được xác định theo TCVN 341:1986

Cân m1 (g) mẫu bằng cân kỹ thuật chính xác đến 0.001g Sấy mẫu thử đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105÷110oC (Thời gian không dưới 6 giờ) (m2)

Độ ẩm (W) được tính theo công thức:

W (%) = (m1 – m2)/m2 x 100 (%) Giá trị độ ẩm của bột đá là giá trị trung bình của ba lần đo

c) Khảo sát hình dạng bột đá

Hình thái học bề mặt của bột đá được xác định bằng Kính hiển vi kỹ thuật

số (Digital microscope) Keyence VHX-100, Nhật và Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM (Ultra 55, Carl Zeiss SMT AG, Đức)

d) Kích thước hạt trung bình của bột đá

Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt của bột đá được xác định trên thiết bị Tán xạ ánh sáng Static light scattering (SDS), Malvern Mastersizer

2000, Helos  Rodos, Sympatec GmbH, Đức

e) Thành phần khoáng của bột đá

Thành phần khoáng của bột đá được xác định bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction -XRD) trên thiết bị XRD SmartLab, Rigaku, Nhật sử dụng Copper Kα radiation và góc 2θ từ 10° đến 70°

f) Thành phần hóa của bột đá

Thành phần hóa của bột đá được xác định bằng phương pháp phổ huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence - XRF) trên thiết bị Thermo Scientific™ ARL™ 9900 X-ray WorkStation™, Thụy sĩ Mỗi mẫu chứa 10g bột đá có đường kính 25 mm

2.2.3 Nghiên cứu khả năng thay thế bột đá thương phẩm bằng bột đá phế

thải trong chế tạo dải phân cách

a) Quy trình nghiên cứu

Để đánh giá khả năng thay thế bột đá thương phẩm bằng bột đá phế thải, quy trình nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ khối Hình 2.3

Hình 2.3: Sơ đồ quy trình nghiên cứu

Chế tạo mẫu composite

Khảo sát các tính chất cơ lí của composite

(độ bền kéo, nén, uốn, va đập)

Thiết lập đơn phối liệu

Chế tạo sản phẩm composite (bằng công nghệ lăn ướt)

Khảo sát các tính chất lý, hóa

của sản phẩm

Mẫu sản phẩm

b) Gia công chế tạo sản phẩm dải phân cách

Quy trình gia công sản phẩm dải phân cách theo công nghệ lăn ướt được xây dựng như ở hình 2.4

Hình 2.4: Quy trình gia công dải phân cách

Chuẩn bị nguyên liệu đối với sản phẩm dải phân cách theo đơn hối liệu

như ở bảng 2.2

Bảng 2.2: Đơn phối liệu dải phân cách

Mẫu UPE RTT MTT BĐ-K BĐ-U BĐ-TP

Tẩm hỗn hợp nhựa+bột đá, lăn ép

Chống dính

UPE+Bột đá

Đóng rắn Sản phẩm

Gelcoat

Khuôn

Sợi

2.2.4 Khảo sát các tính chất của sản phẩm composite

a) Khảo sát hhả năng chịu môi trường: đánh giá khả năng chịu nước và các

môi trường khác (Dung dịch NaCl 3.5%, HCl 1% và NaOH 1%) của

composite nghiên cứu

b) Khảo sát các tính chất cơ lý của sản phẩm composite

• Khối lượng riêng: Để xác định khối lượng riêng của mẫu composite, ta

xác định trọng lượng và thể tích mẫu bằng cân sai số 0.001g và thước

sai số 0.01mm Sau đó tính toán trên dữ liệu đo được

• Tính chất cơ học (Độ bền kéo, uốn, nén, va đập và độ cứng) của sản

phẩm composite: Phép đo được hiện hiện tại phòng thí nghiệm Polymer của Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

• Khả năng chịu nhiệt: Mẫu được đặt trong tủ sấy ở nhiệt độ 80oC trong

vòng 1h và xem xét ngoại quan mẫu

c) Khảo sát khả năng chống lão hóa của mẫu composite:

Để đánh giá khả năng chống lão hóa của composite nghiên cứu, các mẫu được đặt trong môi trường lão hóa nhân tạo với chu kỳ 120 phút, gồm 108 phút chiếu UV, 12 phút phun nước đồng thời với chiếu UV Bộ phận sensor đo cường độ bức xạ với bước sóng từ 300 đến 400 nm Các mẫu được lấy ra sau 2000h để phân tích màu và đo độ bền để đánh giá

mức độ thay đổi màu và mức độ giảm độ bền

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1 Xử lý nguyên liệu bột đá phế thải

3.1.1 Xử lý tách tạp chất

Để đánh giá lượng tạp chất hữu cơ còn sót lại trong mẫu, tiến hành xác định thông qua hàm lượng mất khi nung (mMKN) và hàm lượng CO2 (mCO2) trong mẫu, hàm lượng tạp chất hữu cơ (m) được xác định như sau: m= mMKN-

mCO2

Bảng 3.1 Một số thành phần của bột đá (% khối lượng)

Sau phơi 1 ngày 0.13 6.72 4.93 3.61

Sau phơi 2 ngày 0.13 2.81 2.40 1.94

Sau phơi 3 ngày 0.13 0.14 0.15 0.13

3.1.3 Nghiền, làm mịn

Đá khô dạng cục được nghiền trong máy nghiền bi với buồng nghiền 5 lít

Để khảo sát thời gian nghiền, sau các khoảng thời gian nghiền khác nhau mẫu

được lấy ra và xác định độ mịn bằng cách sử dụng hệ thống sàng rung Kết quả

thu được như sau (Bảng 3.3):

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt (mm)

Thời gian nghiền

3.2 Phân tích nguyên liệu bột đá

3.2.1 Xác định khối lượng riêng bột đá

Khối lượng riêng bột đá khô (BĐ-K) và bột đá ướt (BĐ-U1, BĐ-U2 và BĐ-U3) xác định theo phương pháp Pycnometer thu được kết quả được như ở bảng 3.4

Bảng 3.4: Khối lượng riêng của bột đá

Mẫu Trọng lượng riêng (kg/m 3 )

BĐ-K 2.71  0.02 BĐ-U1 2.70  0.03 BĐ-U2 2.69  0.03 BĐ-U3 2.71  0.03

Từ kết quả ở bảng 3.4 cho thấy khối lượng riêng của bột đá khô và ướt

không khác nhau nhiều và giá trị trung bình từ 2.69 đến 2.71 kg/m3

Độ ẩm của các loại bột đá thấp (dưới 0.2%), có thể sử dụng để gia công chế tạo composite

3.2.3 Khảo sát kích thước hạt bột đá

Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt của bột đá được xác định trên thiết bị Tán xạ ánh sáng tĩnh Static light scattering (SDS) với kết quả như ở bảng 3.6 và đồ thị Hình 3.13.2

Hình 3.2: Đường cong tích lũy và phân bố kích thước hạt của bột đá khô

(BĐ-K)

3.2.4 Khảo sát hình dạng bột đá

Hình dạng bột đá phế thải được khảo sát bằng phương pháp chụp kính hiển vi quang học (Hình 3.33.4) và kính hiển vi điện tử quét (Hình 3.63.7) và

so sánh với ảnh chụp kính hiển vi quang học (Hình 3.5) và ảnh chụp kính hiển

vi điện tử quét (Hình 3.8) của bột đá thương phẩm

Hình 3.3: Ảnh chụp kính hiển vi

quang học của bột đá khô

Hình 3.3: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét của bột đá khô

3.2.5 Phân tích thành phần khoáng các loại bột đá

Kết quả phân tích thành phần khoáng của bột đá bằng XRD được trình bày trong Hình 3.9 cho thấy bột đá phế thải sử dụng thuộc loại đá cẩm thạch (Marble) với thành phần chính là khoáng calcite (CaCO3)

Hình 3.3: Ảnh chụp kính hiển vi điện

tử quét của bột đá thương phẩm

0 100000 200000 300000 400000

50000020 30 40 50 60 700

100000 200000 300000 400000 500000 0 10000 20000 30000 40000 50000

A,C,Q,M A,C,Q,M

C,Q,M C,Q,M

A,C,M C

Q,Al C,M

M: Melilite Q: Quartz (a)

(c) (b)

Hình 3.9: Kết quả phân tích XRD của bột đá thương phẩm (a), bột đá ướt (b) và

bột đá khô (c) 3.2.6 Phân tích thành phần hóa các loại bột đá

Thành phần hóa của được phân tích bằng XRF với các kết quả thu được ở bảng 3.7 Cả hai loại bột đá ướt (BĐ-U1, BĐ-U2, BĐ-U3) và khô (BĐ-K) đều

có hàm lượng calcium oxide (CaO) cao, điều này khẳng định kết quả thu được

từ XRD Điều này có nghĩa là bột đá phế thải có hàm lượng calcium carbonate cao (trên 96%) và tương đương với hàm lượng calcium carbonate của bột đá thương phẩm (BĐ-TP)

So với bột đá khô và bột đá thương phẩm, bột đá ướt có chứa nhiều hàm lượng Fe2O3 hơn và số lượng các oxid kim loại có mặt nhiều hơn

Bảng 3.7: Thành phần hóa của bột đá (%) được xác định bằng XRF

Thành phần BĐ-K BĐ-U1 BĐ-U2 BĐ-U3 BĐ-TP CaO 55.34 53.16 52.99 53.99 55.57

3.3 Nghiên cứu khả năng sử dụng bột đá phế thải thay thế bột đá thương

phẩm trong chế tạo composite

Để đánh giá khả năng sử dụng bột đá khô và ướt để thay thế bột đá thương phẩm trong chế tạo composite, chúng tôi sử dụng đơn phối liệu chế tạo dải phân cách composite (DPC) của Công ty TNHH Sản xuất thương mại và dịch vụ Hợp Long Thành và thay thế một phần, hoàn toàn bột đá thương phẩm (TP) bằng bột đá phế thải khô (K) và ướt (U) với đơn phối liệu cụ thể ở bảng 2.2 Kết quả đo độ bền của các sản phẩm composite được trình bày ở Hình 3.10 cho thấy khi thay thế một phần và hoàn toàn bột đá thương phẩm bằng bột đá phế thải thì các độ bền kéo, uốn, nén và va đập của các sản phẩm tương đương hoặc giảm nhẹ (dưới 10%) Do vậy chúng tôi lựa chọn phương án thay thế hoàn toàn bột đá thương phẩm bằng bột đá phế thải

Hình 3.10: Độ bền của sản phẩm dải phân cách

Do vậy đơn phối liệu cho các sản phẩm dải phân cách được trình bày ở bảng 3.9

Bảng 3.8: Đơn phối liệu lựa chọn gia công sản phẩm dải phân cách

3.4 Khảo sát các tính chất của các sản phẩm dải phân cách composite

3.4.1 Khảo sát các tính chất cơ, lý của các sản phẩm dải phân cách

a) Trọng khối riêng của mẫu composite

Để xác định khối lượng riêng của mẫu composite, ta xác định khối lượng

và thể tích mẫu bằng cân sai số 0.001g và thước sai số 0.01mm Sau đó tính toán trên dữ liệu đo được, kết quả khối lượng riêng của các mẫu composite được thể hiện trong hình 3.11