Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethylene

Trong nghiên cứu công nghệ vật liệu gỗ hiện nay, vật liệu compozit từ nhựa nhiệt dẻo có ưu điểm là lợi dụng được hầu hết các loại gỗ và phế liệu gỗ.. Luận án với tên “Nghiên cứu một số y

TRIỆU VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT

TỪ VỎ CÂY VÀ POLYETHYLENE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT, CHẾ BIẾN KHÁC

HÀ NỘI, 2016

TRIỆU VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT

TỪ VỎ CÂY VÀ POLYETHYLENE

Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT, CHẾ BIẾN KHÁC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Cao Quốc An

2 GS TS Trần Văn Chứ

HÀ NỘI, 2016

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethylene”

là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức

Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và

nguyên bản của luận án

Hà Nội, tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Triệu Văn Hải

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận án tiến sỹ, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS TS Cao Quốc An, GS.TS Trần Văn Chứ đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện

luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Lâm nghiệp, lãnh đạo phòng đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo viện Kiến trúc cảnh quan và nội thất, viện Công nghiệp gỗ đã quan tâm và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ủy ban nhân dân huyện Hoành Bồ

đã tạo điều kiện cho tôi về vật chất, tinh thần và thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn các cán bộ, công nhân viên thuộc Trung tâm thí nghiệm trọng điểm trường Đại học Lâm nghiệp Nam Kinh Trung Quốc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành phần thực

nghiệm của luận án

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và

nghiên cứu./

Hà Nội, tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Triệu Văn Hải

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát về vật liệu compozit gỗ nhựa 3

1.1.1 Vật liệu compozit 3

1.1.2 Vật liệu compozit gỗ nhựa 4

1.1.3 Quá trình phát triển và lĩnh vực sử dụng compozit gỗ nhựa 5

1.2 Tình hình nghiên cứu về compozit gỗ nhựa 6

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước 6

1.2.2 Nghiên cứu trong nước 9

1.3 Một số nghiên cứu tạo compozit vỏ cây và nhựa 11

1.4 Kết luận rút ra từ tổng quan 12

1.5 Những đóng góp mới của luận án 13

1.6 Ý nghĩa của luận án 14

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Nguyên liệu sản xuất compozit gỗ nhựa 14

2.1.1 Vật liệu nền 14

2.1.2 Vật liệu cốt 21

2.1.3 Chất trợ tương hợp 24

2.1.4 Chất phụ gia 25

2.2 Công nghệ ép đùn sản xuất compozit gỗ nhựa 26

2.2.1 Công nghệ ép đùn một bước 26

2.2.2 Công nghệ ép đùn hai bước 27

2.2.3 Phân tích quá trình công nghệ ép đùn 27

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng compozit gỗ nhựa 30

2.3.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu 30

2.3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần nguyên liệu 31

2.3.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ ép 31

Chương 3 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

3.1 Đối tượng nghiên cứu 35

3.2 Mục tiêu nghiên cứu 35

3.3 Phạm vi nghiên cứu 35

3.3.1 Các yếu tố cố định 36

3.3.2 Các yếu tố thay đổi 36

3.3.3 Các chỉ tiêu cần kiểm tra 37

3.4 Nô ̣i dung nghiên cứu 37

3.5 Phương pháp nghiên cứu 38

3.6 Mô tả phương pháp thực nghiệm của từng nội dung 39

3.6.1 Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ trộn bột gỗ và MAPE đến tính chất WPC 39

3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ trộn bột vỏ cây đến tính chất WPC 41

3.6.3 Ảnh hưởng của đơn yếu tố nhiệt độ đầu đùn đến tính chất WPC 42

3.6.4 Ảnh hưởng của đơn yếu tố tốc độ quay trục vít đến tính chất WPC 43

3.6.5 Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ đầu đùn và tốc độ quay trục vít đến tính chất WPC 44

3.7 Phương pháp xác định các tính chất của WPC 45

3.7.1 Xác định các đặc điểm vỏ cây 46

3.7.2 Xác định khối lượng riêng 46

3.7.3 Xác định độ hút nước 47

3.7.4 Xác định độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh 47

3.7.5 Xác định độ bền kéo 48

3.7.6 Xác định độ mài mòn 48

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49

4.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu đến chất lượng sản phẩm WPC 49

4.1.1 Đặc điểm vỏ cây Keo tai tượng 49

4.1.1.1 Độ dày vỏ và tỉ lệ vỏ theo chiều cao thân cây 49

4.1.1.2 Khối lượng riêng của vỏ cây 50

4.1.1.3 Kích thước sợi vỏ cây 50

4.1.1.4 Thành phần hoá học cơ bản 52

4.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ trộn bột gỗ và chất trợ tương hợp đến chất lượng WPC 52 4.1.2.1 Ảnh hưởng đến khối lượng riêng 53

4.1.2.2 Ảnh hưởng đến độ hút nước 54

4.1.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền khi chịu kéo 56

4.1.2.4 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 58

4.1.2.5 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh 60

4.1.2.6 Ảnh hưởng đến độ mài mòn bề mặt 62

4.1.3 Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ, HDPE và MAPE hợp lý 64

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ bột vỏ cây đến chất lượng WPC 65

4.2.1 Ảnh hưởng đến khối lượng riêng 66

4.2.2 Ảnh hưởng đến độ hút nước 66

4.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền kéo 66

4.2.4 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh 67

4.2.5 Ảnh hưởng đến độ mài mòn 68

4.2.6 Tiểu kết 69

4.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ ép đùn đến chất lượng sản phẩm WPC 70

4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến chất lượng WPC 70

4.3.1.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước 72

4.3.1.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo 72

4.3.1.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh 73

4.3.1.4 Ảnh hưởng đến độ mài mòn 75

4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC 76

4.3.2.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước 76

4.3.2.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo 77

4.3.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh 78

4.3.2.4 Ảnh hưởng đến độ mài mòn 80

4.3.3 Nghiên cứu xác định thông số công nghệ phù hợp để tạo WPC từ bột vỏ cây và HDPE 80

4.3.3.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước 81

4.3.3.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo 82

4.3.3.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 84

4.3.3.4 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh 86

4.3.3.5 Ảnh hưởng đến độ mài mòn 87

4.3.3.6 Xác định thông số công nghệ ép phù hợp để sản xuất WPC 89

4.3.4 Tiểu kết 90

4.4.1 Thực nghiệm tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO 2 91

4.4.1.1 Tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO 2 92

4.4.1.2 Xác định chỉ số màu sắc bề mặt vật liệu 92

4.4.2 Khả năng chịu tia UV của WPC khi cho thêm hạt nano TiO 2 94

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 98

1 Kết luận 98

2 Tồn tại 98

3 Khuyến nghị 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 107

PHỤ LỤC 108

MAPE Polyethylene Maleic Anhydride copolymer

 Khối lượng riêng

L*, a*, b* Các chỉ số màu sắc theo không gian màu CIELab (1976)

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 3.1 Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án 38

2 Bảng 3.2 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ HDPE/MAPE/bột

5 Bảng 3.5 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố nhiệt độ đầu đùn 42

6 Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố tốc độ quay trục

10 Bảng 4.2 Khối lượng riêng vỏ Keo tai tượng theo chiều cao thân cây 50

11 Bảng 4.3 Phân bố đường kính trung bình của sợi vỏ Keo tai tượng 50

12 Bảng 4.4 Phân bố chiều dài trung bình của sợi vỏ Keo tai tượng 51

14 Bảng 4.6 Thành phần hoá học cơ bản của vỏ Keo tai tượng 52

15 Bảng 4.7 Khối lượng riêng của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau 53

16 Bảng 4.8 Độ hút nước của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau 54

17 Bảng 4.9 Độ bền kéo của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau 56

18 Bảng 4.10 Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau 58

19 Bảng 4.11a Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với tỉ lệ thành phần khác

20 Bảng 4.11b Độ mài mòn của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau 62

21 Bảng 4.12 Độ hút nước của WPC với chế độ ép khác nhau 81

22 Bảng 4.13 Độ bền kéo của WPC với chế độ ép khác nhau 83

23 Bảng 4.14 Độ bền uốn tĩnh của WPC với chế độ ép khác nhau 84

24 Bảng 4.15 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác nhau 86

25 Bảng 4.16 Độ mài mòn của WPC với chế độ ép khác nhau 88

DANH MỤC CÁC HÌNH

1 Hình 1 1 Cấu ta ̣o vâ ̣t liê ̣u PC cốt sơ ̣i 4

2 Hình 2.1 Cấu ta ̣o hóa ho ̣c của xenlulo và các sản phẩm thủy phân

3 Hình 4.1 Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay

4 Hình 4.2 Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng MAPE thay

5 Hình 4.3 Sự thay đổi độ bền kéo khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay đổi 57

6 Hình 4.4 Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng MAPE thay đổi 57

7 Hình 4.5 Sự thay đổi độ bền uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay đổi 59

8 Hình 4.6 Sự thay đổi độ bền uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng MAPE thay đổi 59

9 Hình 4.7 Sự thay đổi mô đun đàn hồi uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng

10 Hình 4.8 Sự thay đổi mô đun đàn hồi uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng

11 Hình 4.9 Sự thay đổi độ mài mòn khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay

14 Hình 4.12 Sự thay đổi độ bền kéo khi tỉ lệ bột vỏ cây thay đổi 67

15 Hình 4.13 Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay

16 Hình 4.14 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ 68

cây thay thế tăng lên

17 Hình 4.15 Độ mài mòn của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế

18 Hình 4.16 Độ hút nước WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi 72

19 Hình 4.17 Độ bền kéo WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi 73

20 Hình 4.18 Độ bền uốn tĩnh WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay

23 Hình 4.21 Độ hút nước WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi 77

24 Hình 4.22 Độ bền kéo WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi 78

25 Hình 4.23 Độ bền uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục vít thay

26 Hình 4.24 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục

27 Hình 4.25 Độ mài mòn WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi 80

28 Hình 4.26 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ hút nước 82

29 Hình 4.27 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ hút nước 82

30 Hình 4.28 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ bền kéo 83

31 Hình 4.29 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ bền kéo 84

32 Hình 4.30 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ bền uốn tĩnh 85

33 Hình 4.31 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ bền uốn tĩnh 85

34 Hình 4.32 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến mô đun đàn hồi

35 Hình 4.33 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến mô đun đàn hồi

36 Hình 4.34 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ mài mòn 88

37 Hình 4.35 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ mài mòn 89

39 Hình 4.37 Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC không

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, từ xưa gỗ luôn là loại vật liệu thân thiện với môi trường và được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, kiến trúc, hóa chất…

Vật liệu gỗ có khả năng ứng dụng cao bởi hàng loạt các ưu điểm như có

hệ số phẩm chất cao, mềm, dễ gia công, có màu sắc, vân thớ đẹp, dễ trang sức, Tuy nhiên bên cạnh đó, gỗ cũng tồn tại nhiều nhược điểm như dễ bị sâu, nấm phá hoại; dễ cháy do gỗ được cấu tạo từ các nguyên tố có khả năng cháy như Cacbon, Hydro, Oxy Ngoài ra, gỗ còn có khả năng hút và nhả ẩm khi tiếp xúc với môi trường bên ngoài gây ra co rút, dãn nở dẫn đến cong vênh nứt nẻ trong quá trình sử dụng

Sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh là một trong những mục tiêu xây dựng một thế giới xanh Việt Nam là Quốc gia ít rừng, tài nguyên rừng tự nhiên ngày càng cạn kiệt, trong nước đã bắt đầu thực thi công trình bảo hộ tài nguyên rừng tự nhiên, cùng với trồng rừng công nghiệp và phát triển lợi dụng

gỗ với hiệu quả cao, những việc làm này đã mang lại cho nghiên cứu khoa học gỗ và công nghệ chế biến lâm sản những cơ hội và những thách thức mới Hiện nay, tài nguyên rừng trồng của nước ta như: Keo lá tràm, Keo tai tượng, Bạch đàn, … rất phong phú, và đã trở thành các loại gỗ công nghiệp chủ yếu của nước ta

Như chúng ta đã biết, một cây gỗ thường gồm 3 phần chính tổ thành đó là: tán lá, thân cây và phần rễ Trong các phần này, hầu hết các loại hình sản xuất chế biến gỗ đều chỉ sử dụng phần gỗ trong phần thân cây (trung bình khoảng 90% thể tích cây), các phần còn lại hầu như để lại dùng cho lĩnh vực khác hoặc thải ra môi trường Theo tìm hiểu cho thấy, hiện tại, trong nước hầu

hết các phần ngoài gỗ của một cây (vỏ cây, lá cây, ) chủ yếu đang chưa có hình thức sử dụng phù hợp

Trong nghiên cứu công nghệ vật liệu gỗ hiện nay, vật liệu compozit từ nhựa nhiệt dẻo có ưu điểm là lợi dụng được hầu hết các loại gỗ và phế liệu gỗ Ngoài ra, vật liệu này rất bền khi sử dụng, tuổi thọ của sản phẩm cao, có bề ngoài mang chất liệu gỗ, có độ cứng cao hơn so với vật liệu nhựa, không chứa formaldehyde, Có nhiều tính chất tốt hơn so với gỗ như: kích thước ổn định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, quy cách hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của người dùng

để điều chỉnh, tính linh hoạt cao, khả năng chống chịu các chất hóa học, có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng

Từ các thông tin trên có thể thấy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu compozit gỗ nhựa nói chung và sản xuất vật liệu compozit từ phế thải của công nghiệp gỗ nói riêng là công việc rất có ý nghĩa cả về khoa học và thực

tiễn Luận án với tên “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethelene” sẽ là một trong những

bước đệm để phát triển công nghệ lợi dụng phế liệu gỗ - vỏ cây gỗ rừng trồng

để sản xuất vật liệu mới, đồng thời góp phẩn nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên gỗ rừng trồng cũng như giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về vật liệu compozit gỗ nhựa

1.1.1 Vật liệu compozit

Thuật ngữ “Compozit” (Tiếng Anh: Composite) là tên go ̣i của loa ̣i vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều loa ̣i vật liệu khác nhau tạo ra loa ̣i vật liệu mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu khi ở riêng rẽ Các tính năng

này thường là tốt hơn hay phù hơ ̣p hơn với mu ̣c đích và điều kiê ̣n sử du ̣ng cu ̣ thể Đặc trưng của vâ ̣t liê ̣u Compozit là được cấu thành từ nhiều thành phần

vật liê ̣u nên chúng còn được go ̣i là vâ ̣t liê ̣u đa thành phần

Vật liê ̣u Polyme compozit (Tiếng Anh: Polyme Composites; viết tắt: PC)

là mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liê ̣u Compozit được cấu tạo bởi 2 hay nhiều cấu tử (thành phần) Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (hay cò n go ̣i là chất độn, chất gia cường, cố t) như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba

là chất trơ ̣ liên kết (hay trơ ̣ tương hơ ̣p), có tác dụng làm tăng tính năng kết hợp giữa chất độn và nhựa nền Polyme compozit có các tính chất hoá, lý khác nhiều so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ

Vật liệu compozit bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau [4] (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu compozit) Trong đó , một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt, còn go ̣i là vâ ̣t liê ̣u gia cường hay vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống

mài mòn, chống xước

Hình 1.1 Cấu ta ̣o vâ ̣t liê ̣u WPC cốt sợi [4]

Vật liệu PC được phân loại theo 2 cách dựa trên đặc điểm của 2 pha [4]

+ Theo pha nền polyme:

- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn

- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo + Theo pha gia cường:

- Chất gia cường dạng phân tán (bột)

- Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vẩy

- Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh…)

- Độn không khí hay xốp

- Hỗn hợp polyme – polyme hay còn gọi là blend polime

1.1.2 Vật liệu compozit gỗ nhựa

Vật liệu Compozit gỗ - nhựa (Wood Plastic Composites – WPC) là loại vật liệu compozit được chế tạo từ sợi thực vật (như bột gỗ, bột tre trúc, bột đường, bột rơm rạ…) kết hợp với nhựa (như PE, PP, PVC,…), đồng thời thêm vào lượng chất phụ gia thích hợp, sử dụng phương pháp ép đùn hoặc các phương pháp định hình khác nhau để tạo ra sản phẩm có đặc tính tương đồng với gỗ tự nhiên Vật liệu WPC có nhiều ưu điểm, như có thể, đóng đinh, cưa cắt, mà độ hút nước thấp, không mối mọt, không bị mục, đồng thời lại có thể tái sử dụng giống như vật liệu nhựa WPC là một loại vật liệu có tính chất tốt,

ổn định và thân thiện với môi trường, và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm

có hình dạng phức tạp [22], [6], [4]

1.1.3 Quá trình phát triển và lĩnh vực sử dụng compozit gỗ nhựa

Những năm 70 của thế kỷ 20, công ty Bausano và ICMA San Giorgio của Ý đã sử dụng máy ép đùn hai trục vít sản xuất WPC với 50% bột gỗ và 50%

PP hỗ hợp, đây là sản phẩm WPC được sản xuất sớm nhất trên thế giới Năm

1983, công ty Woodstock Mỹ đã sử dụng công nghệ của Ý sản xuất PP-WPC làm tấm lót trong xe hơi, cuối cùng được dùng trong dòng xe ford, sản phẩm này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo ô tô [42]

Những năm 90 của thế kỷ 20, sản phẩm WPC bước vào thời kỳ công nghiệp hóa nhanh chóng, nhưng sản phẩm của nó thông thường được sử dụng làm thùng hàng bao bì, khay vv, giá trị gia tăng của sản phẩm tương đối thấp

Từ đầu thế kỷ 21 trở lại đây, sản phẩm WPC ngày càng tiến đến những sản phẩm sử dụng ngoài trời có giá trị kinh tế cao, sự phát triển của công nghệ chế tạo WPC cũng nhờ đó mà có một chỗ đứng cao hơn trong ngành công nghiệp sản xuất, trong đó một điển hình là WPC của Nhật Bản được sử dụng làm vật liệu ván sàn trang trí dùng ngoài trời

Hiện nay, các sản phẩm của vật liệu WPC thường được ứng dụng trong các lĩnh vực dưới đây:

(1) Vật liệu trong khu vực lâm viên cảnh quan: Ván sàn ngoài trời, hàng rào, cầu trang trí, giá đỡ rượu vang, sản phẩm bàn ghế ngoài trời, tay vịn đình trang trí, ván trang sức, chậu bồn trồng hoa, thùng rác

(2) Vật liệu trang trí nội thất: Thanh nẹp trang trí nội thất, ván trang trí, nẹp gương, ốp tường, ốp chân tường, ván ố vách, ván ốp trần, khuôn khung cửa, thanh rèm, mành rèm

(3) Vật liệu trang trí nội thất ô tô: Ván ốp trong cửa ô tô, tựa ghế, mặt bẳng điều khiển, tay nắm, miếng dưới gế ngồi, ván trần, ván sàn xe, hộp ốp bánh dự phòng, hộp găng tay, khung sau, thanh đợt khoang hành lý vv

(4) Các ứng dụng khác: Ván trong kiến trúc xây dựng, cá loại kệ kê, đệm lót kho, giá vận chuyển kính, ván vách cabin, thùng chứa, khung lưu động, ván cách âm trên đường cao tốc

1.2 Tình hình nghiên cứu về compozit gỗ nhựa

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

Những năm gần đây, trên thế giới, vật liệu compozit rất được quan tâm nghiên cứu và sử dụng, đặc biệt là những vật liệu được gia cường bằng sợi tự nhiên có chứa thành phần xenlulo như sợi lanh, đay, gai, tre, dứa, gỗ… Các loại sợi này được sử dụng như một giải pháp để thay thế cho các chất vô cơ khó phân hủy khác và chúng giúp nâng cao được một số tính chất của vật liệu compozit Với ưu điểm như khối lượng riêng thấp, tính năng cơ lý cao, ít gây tác dụng mài mòn thiết bị gia công, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và nguồn nguyên liệu sẵn có, các sản phẩm compozit sợi tự nhiên đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Vật liệu WPC là loại vật liệu vật liệu được tạo ra bằng cách trộn bột gỗ với các loại nhựa, hay đưa bột gỗ vào gia cường cho nhựa nền, qua ép đùn hoặc đúc ở nhiệt độ cao Vật liệu Polypropylene gia cường bằng các loại sợi

tự nhiên hay bột gỗ cũng thuộc nhóm vật liệu này Sản phẩm của nó đều có đặc tính cơ học rất tốt và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng

do đặc tính của nhựa PP là kỵ nước, phân cực kém, khó kết hợp với sợi tự nhiên có đặc tính ưa nước và phân cực cao, nên khả năng tạo liên kết giữa hai loại vật liệu này là không cao (Klason et al 1984)

Vào những năm 80, mặc dù chưa có nền tảng khoa học để xác định chính xác về cơ chế liên kết giữa sợi gỗ và nhựa, song bằng cách sử dụng các chất

trợ tương hợp (hay chất ghép nối) các nhà nghiên cứu đã tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tương hợp của hai loại vật liệu này Các nghiên cứu cho thấy phần lớn các chất trợ tương hợp như silans, maleic anhydride ghép

polyolefin đều làm tăng khả năng bám dính giữa hai loại vật liệu (Bledzki and Gassan,1999, ; Kishi 1988; Gatenholm and Felix 1993) Kishi và các đồng

nghiệp (1988) đã tạo ra quá trình este hóa bằng cách xử lý sợi gỗ với dung dịch MAPP Qua phân tích quang phổ cho thấy liên kết MA với gỗ và PP đã xuất hiện

Năm 1988, một số nhà khoa học đã nghiên cứu phương pháp biến tính nhựa nền PP bằng MA nhằm tạo ra một chất có các gốc tự do, các gốc này được ghép nối với sợi gỗ bởi những liên kết đồng hóa trị và Hydro, như vậy MAPP đã làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng của sợi gỗ và nhựa Không chỉ dừng lại ở đây, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về chất trợ tương hợp MAPP với các tỷ lệ và các phương pháp khác nhau trên cơ sở nền nhựa PP gia cường bằng sợi tự nhiên đã được nghiên cứu như:

Jochen Gassan và Andrzej K.Bledzki (1999) đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt sợi đến tính chất cơ học của compozit PP- sợi đay Tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng dung dịch MAPP trong toluen với các hàm lượng MAPP khác nhau trong 5phút và 10 phút, đem sấy chân không trong 2 giờ ở 75oC Kết quá cho thấy, Hiệu quả của chất trợ tương hợp phụ thuộc vào nồng độ và thời gian xử lý, Môđun uốn tăng 90% qua xử lý bằng MAPP trong 5 phút bằng dung dịch toluen Xử lý lâu hơn và nồng độ MAPP cao hơn sẽ làm modun uốn giám xuống Độ bền uốn tăng 40% khi xử lý bằng dung dịch MAPP 0,1% TL trong toluen với thời gian xử lý 15 phút Khi tăng nồng độ MAPP lên 0,6% thi kết quả nhận được với 5 và phút

10 là như nhau

Fauzi Febrianto, Dina Styawatti (2006) đã tiến hành nghiên cứu về Ảnh hưởng của bột gỗ và hàm lượng chất biến tính MA đến tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu composit Bột gỗ và PP tái sinh Nghiên cứu chỉ ra rằng tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu compozit phụ thuộc vào hàm lượng và kích thước của bột gỗ-PP Khi càng tăng tỷ lệ gỗ-nhựa thì độ bền kéo càng giảm, modun đàn hồi tăng Tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu được và bị ảnh hưởng bởi hàm lượng chất MA, khi cho 2,5%TL

MA tất cả các chi số về độ bề kéo, độ bền kéo đứt và modun đàn hồi đều tăng gấp 2.15, 2.27 và 1.18 lần so với compozit không có MA

Flex and gatenholm (1991)[33] đã sử dụng MAPP để xử lý xenlulo trong sợi gỗ Kết quả cho thấy, chất trợ tương hợp MAPP đã làm giảm góc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu góc tiếp xúc nằm trong khoảng 1300-1400, khả năng kết dính tăng lên rõ rệt Cùng với nghiên cứu đó, một số nghiên cứu khác đã đánh giá được sự ảnh hưởng của chất trợ tương hợp đến khả năng thấm ướt của gỗ

và liên kết giữa góc tiếp xúc và tỷ lệ chất trợ tương hợp

Tất cả những nghiên cứu đều cho thấy liên kết giữa nhựa và gỗ chịu ảnh hưởng nhiều bởi phương pháp xử lý bề mặt gỗ nhựa, tỷ lệ chất trợ tương hợp

và phương pháp gia công

Quá trình trộn bột gỗ và nhựa nền (nhiệt dẻo) là chìa khóa để tạo nên sản phẩm compozit gỗ nhựa có chất lượng cao vì quá trình này giúp làm đều sợi

gỗ và chất trợ tương hợp phân tán đều trong nền nhựa dẻo, làm tăng tổng diện tích tiếp xúc giữa các vật liệu, đồng thời làm giảm độ rỗng của vật liệu Để tạo ra vật liệu compozit gỗ nhựa có nhiều phương pháp gia công khác nhau, mỗi phương pháp đều có quy trình và bước thực hiện riêng như phương pháp

ép đùn, phương pháp ép nóng trong khuôn, ép phun Các phương pháp này đều ảnh hưởng đến chất lượng của vật liệu compozit Từ năm 1983, Xanthos

đã chỉ ra được ảnh hưởng của phương pháp gia công khả năng của việc kết hợp gỗ nhựa và các chất trợ tương hợp [58]

Năm 1997, Continho và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu về hiệu quả của việc xử lý và ảnh hưởng của điều kiện trộn đến nên đặc tính của compozit gỗ nhựa khi xử lý bằng MAPP và silan Họ đã chỉ ra rằng, điều kiện tốt nhất để trộn hợp sợi gỗ và nhựa là ở 180oC, trong thời gian 10 phút với tôc

độ quay 60 vòng/phút Trước khi trộn hợp, sợi gỗ được sử lý với silan Mặc

dù đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của phương pháp gia công nhưng vì quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như các bước trộn, điều kiện máy móc thiết bị, độ ẩm của sợi gỗ, loại nhựa nên việc xác định quy trình cho việc tạo vật liệu cần được thực hiện với một điều kiện xác định cụ thể

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo composite trên cơ sở PP gia cường bằng sợi đay [5] Vật liệu được chế tạo bằng cách xếp các lớp màng PP-MAPP và sợi đay theo thiết kế rồi ép trên máy ép thủy lực (ép phẳng trong khuôn kín) dưới áp suất 7MPa trong 50 phút; kết quả cho thấy hàm lượng MAPP có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của composite, độ bền kéo và độ bền uốn cực đại khi dùng 7% trọng lượng MAPP,

độ bền va đập giảm khoảng 50%

Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu, Phạm Gia Huân nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme-compozit trên cơ sở nhựa PP gia cường bằng hệ lai tạo tre, luồng-sợi thủy tinh [6] Vật liệu chế tạo bằng cách nhựa và sợi được xếp từng lớp vào khuôn theo nguyên tắc nhựa sợi xen kẽ; hàm lượng sợi chiếm 60% và được ép

ở nhiệt độ 190oC, áp suất ép 100KG/cm2, gia nhiệt trong 60 phút, ép trong 30 phút, làm nguội đến 80oC bằng phương pháp ép phẳng trong khuôn; kết quả cho thấy việc xử lý sợi tre luồng bằng dung dịch NaOH đã làm tăng hàm lượng cellulose trong sợi do đó làm tăng khả năng bám dính giữa sợi và nhựa

Việc sử dụng lai tạo 3 loại sợi trên cho tính năng độ bền uốn của vật liệu tăng lên rõ rệt

Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát độ bền

va đập của composite PP- Bột trấu [4] Kết quả là độ bền va đập của

composite được khảo sát ở các hàm lượng bột: 30, 35, 40, 45, 50 và 55%, cùng với chất trợ tương hợp MAPP có hàm lượng MA 0,5% Kết quả cho thấy, composite với hàm lượng bột trấu 55% có độ bền va đập đạt 2,5KJ/m2, cao gấp 4 lần so với PP nguyên sinh

Năm 2010, Đoàn Thi Thu Loan đã nghiên cứu cải thiện tính năng của

vật liệu composite sợi đay/nhựa PP bằng phương pháp biến tính nhựa nền [11] Vật liệu gia công bằng hai công đoạn tạo hạt gỗ nhựa bằng máy ép đùn hai trục vít và tạo mẫu thử bằng phương pháp đúc tiêm (ép phun trong khuôn kín) Kết quả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các tác nhân tương hợp copolymer ghép của PP với MA (MAHgPP) đến tính chất của composite nền nhựa PP gia cường bằng sợi đay Kết quả cho thấy, khi thêm 2% khối lượng Exxelor (Ex) vào nhựa nền PP thì khả năng kết dính tại bề mặt tiếp xúc được cải thiện đáng kể, nhờ vậy đã làm tăng độ bền kéo trượt, độ bền kéo, độ bền

va đập và độ kháng nước của vật liệu tạo ra Tuy nhiên ảnh hưởng đến môđun kéo ảnh hưởng không nhiều

Năm 2010, Nguyễn Bảo Ngọc và đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ và nhựa polypropylene đến tính chất composite gỗ-nhựa [13] Nguyên liệu sử dụng là gỗ Keo tai tượng, nhựa tái chế PP và được pha trộn tỷ

lệ gỗ/nhựa theo 3 cấp (50/50; 60/40; 70/30) trộn đều và được tạo hạt trên máy

ép hai trục vít ở nhiệt độ 175oC tạo thành hạt gỗ nhựa; sau đó ép sản phẩm trên máy ép phẳng ở nhiệt độ 170oC dưới áp lực 1,5-7,5MPa trong chu kỳ ép

là 40 phút Kết quả nghiên cứu đã xác định được sự ảnh hưởng của tỷ lệ bột

gỗ - nhựa đến một số tính chất của composite gỗ-nhựa PP Tuy nhiên sự ảnh hưởng này chưa có sự khác biệt lớn

Năm 2013, đề tài thuộc chương KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11-15 của TS Nguyễn Vũ Giang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên cơ sở nhựa polylefin (polyetylen, polypropylene) khâu mạch

(XLPO) và bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội-

ngoại thất Vật liệu được chế tạo từ bột gỗ Giáng hương sau đó xử lý bột gỗ bằng kiềm nóng để loại bỏ tạp chất có trong bột gỗ và rửa sạch bằng nước cất rồi sấy khô; sau đó biến tính bề mặt bột gỗ bằng tetraethyl ortosilicat và 3-glyxidoxyl propyl trimetoxy silan Dùng bột gỗ đã biến tính chế tạo vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và XLPP/bột gỗ biến tính với các yếu tố thay đổi như

tỷ lệ bột gỗ thay đổi từ 20-60%, nhiệt độ gia công từ 170-200oC, thời gian trộn từ 3-8 phút; phương pháp gia công là dùng thiết bị ép đùn một trục tạo hạt sau đó chuyển sang máy ép định hình tấm phẳng,… Kết quả đề tài đã xác định được các thông số công nghệ ảnh hưởng tới quá trình biến tính bột gỗ Giáng hương và điều kiện gia công tối ưu cho hai loại vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và XLPP/bột gỗ biến tính

Năm 2014, nghiên cứu sinh Quách Văn Thiêm [16] với Luận án “Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene” đã nghiên cứu tạo vật liệu compozit gỗ cao su và nhựa PP, luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa thông số công nghệ sản xuất và chất lượng WPC Ngoài ra, luận án đã đề xuất được thông số công nghệ tối ưu để sản xuất WPC

từ gỗ cao su và nhựa PP với quy mô phòng thí nghiệm

1.3 Một số nghiên cứu tạo compozit vỏ cây và nhựa

Bên cạnh các nghiên cứu sử dụng gỗ làm vật liệu gia cường để sản xuất compozit gỗ nhựa, thế giới cũng đã có những nghiên cứu nhằm thay thế một phần vật liệu gỗ bằng cách sử dụng vỏ cây làm chất gia cường để sản xuất

compozit gỗ nhựa Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại các nghiên cứu sử dụng

vỏ cây làm nguyên liệu sản xuất compozit từ nhựa nhiệt dẻo chưa nhiều Có nghiên cứu sử dụng vỏ cây cho thêm vào nguyên liệu sản xuất ván dăm, cũng

có nghiên cứu sử dụng vỏ cây để sản xuất compozit gỗ nhựa Một số công trình tiêu biểu như sau:

Năm 2008, Yemele, M C N và các cộng sự [60] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vỏ cây đến tính chất vật lý và cơ học của ván dăm từ vỏ cây spruce

Năm 2008, Kazemi Najafi, S và cộng sự [61] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ bột vỏ cây đến tính hút ẩm của vật liệu compozit gỗ và nhựa PP Năm 2010, Yemele, M C N và cộng sự [62] tiếp tục nghiên cứu sử dụng bột vỏ cây với hàm lượng và kích thước khác nhau để sản xuất vật liệu compozit gỗ và nhựa HDPE, đồng thời đánh giá ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu compozit

Năm 2010, Harper, D P và Eberhardt, T L [63] tiến hành đánh giá ảnh hưởng của kích thước và hàm lượng bột vỏ cây đến chất lượng vật liệu compozit từ bột vỏ cây và nhựa nhiệt dẻo

1.4 Kết luận rút ra từ tổng quan

Từ nội dung trình bày ở trên có thể rút ra một số kết luận như sau:

- Cho đến nay vẫn còn rất ít những công trình nghiên cứu sản xuất compozit gỗ nhựa từ nguyên liệu vỏ cây

- Công nghệ sản xuất vật liệu WPC từ gỗ và nhựa nhiệt dẻo (PP, PE, PS, PVC,…) đã có bước phát triển mạnh mẽ, đã trở thành sản phẩm thương mại ở các nước phát triển

- Công nghệ sản xuất vật liệu WPC có thể nâng cao hiệu quả lợi dụng tài nguyên gỗ rừng trồng cũng như phế liệu gỗ cho dù ở kích thước rất nhỏ

- Vật liệu WPC đã khắc phục được nhược điểm của gỗ và nhựa khi sử dụng trực tiếp như: tính ổn định kích thước và độ bền tự nhiên kém đối với gỗ, khả năng chịu uốn, chịu mài mòn của WPC cao hơn so với nhựa nguyên,…

- Đã có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng vật liệu WPC từ gỗ

và nhựa nguyên cũng như nhựa phế thải bằng phương pháp sử dụng các chất trợ tương hợp, chất phụ gia trong quá trình sản xuất Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng vật liệu cốt là nguyên liệu ngoài gỗ không nhiều Đây sẽ là hướng nghiên cứu tiềm năng đồng thời có thể đạt được mục đích nâng cao hiệu quả lợi dụng tài nguyên vật liệu nguồn gốc sinh học

Từ các kết luận này có thể thấy, với vật liệu WPC có thể có một số hướng nghiên cứu cần thực hiện sau:

- Nghiên cứu sử dụng vật liệu ngoài gỗ để làm vật liệu cốt (vật liệu gia cường) như vỏ cây, thân cây nông nghiệp, vỏ trấu, … để sản xuất WPC

- Nghiên cứu làm rõ nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng WPC khi sử dụng vật liệu ngoài gỗ làm nguyên liệu sản xuất

- Xây dựng quy luật ảnh hưởng của các nhân tố đến chất lượng WPC từ vật liệu ngoài gỗ, từ đó có thể xác định được các thông số công nghệ hợp lý

để sản xuất vật liệu WPC

1.5 Những đóng góp mới của luận án

(1) Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống công nghệ sản xuất vật liệu compozit từ vỏ cây và nhựa HDPE

(2) Luận án đã nghiên cứu sử dụng hạt nano TiO2 để tạo vật liệu compozit vỏ cây và nhựa HDPE nhằm nâng cao khả năng chịu tia UV (độ bền màu) của sản phẩm

(3) Luận án đã xác định được tỉ lệ phối trộn vỏ cây và thông số công nghệ ép đùn hợp lý để sản xuất vật liệu compozit từ vỏ cây và HDPE

1.6 Ý nghĩa của luận án

(1) Ý nghĩa khoa học

Luận án đã làm rõ được các mối quan hệ gồm: tỉ lệ trộn vỏ cây với chất lượng compozit, các yếu tố công nghệ ép đùn (nhiệt độ đầu đùn, tốc độc quay trục vít) với chất lượng compozit Ngoài ra, luận án còn lập được các phương trình tương quan thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ sản xuất compozit vỏ cây và nhựa HDPE góp phần làm rõ cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất vật liệu vỏ cây và nhựa

(2) Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở để sử dụng vỏ cây Keo tai tượng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu compozit ứng dụng trong các lĩnh vực của cuộc sống như sản xuất đồ mộc, xây dựng, Với việc sử dụng vỏ cây Keo tai tượng nói riêng, vỏ cây gỗ rừng trồng nói chung sẽ góp phần tăng hiệu quả kinh tế trong sử dụng gỗ rừng trồng đồng thời góp phần giảm thiểu chất thải và bảo vệ môi trường

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên liệu sản xuất compozit gỗ nhựa

2.1.1 Vật liệu nền

Vật liệu nền trong sản xuất compozit gỗ nhựa người ta thường dùng một

số loại nhựa nhiệt dẻo chủ yếu nhưa: Polypropylen, Polyetylene, Polyvinylchloride,…

2.1.1.1 Nhựa polyethylene (PE)

* Cấu tạo, phân loại của PE

Công thức phân tử

Phân loại: Dựa vào khối lượng riêng, PE có 3 loại chính

Khối lượng riêng thấp 0,910  0,925 (g/cm3)

Khối lượng riêng trung bình 0,926  0,940 (g/cm3)

Khối lượng riêng cao 0,941  0,959 (g/cm3) và cao hơn

Cấu tạo của polyme: Phân tử PE có cấu tạo mạch thẳng, dài gồm những nhóm methylene, ngoài ra còn có những mạch nhánh Nếu mạch nhánh càng nhiều và càng dài thì độ kết tinh càng kém PE kết tinh nhanh vì các mắc xích

có chiều dài không lớn và có độ đối xứng cao PE có khối lượng riêng thấp

chứa 5565% pha kết tinh, PE có khối lượng riêng trung bình chứa 6373% pha kết tinh, PE có khối lượng riêng cao chứa 7495% Độ kết tinh của PE ở nhiệt độ thường có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất của nó như: tỷ trọng, độ cứng bề mặt, mô đun đàn hồi khi uốn, giới hạn bền và chảy, độ hòa tan và trương trong các dung môi hữu cơ, độ thấm khí và hơi [3]

* Tính chất của PE

Polyetylene là nhựa bán kết tinh, tỷ lệ giữa các pha kết tinh và vô định hình phụ thuộc vào phương pháp sản xuất polyme PE có độ cứng tương đối không cao, không mùi vị, cháy chậm, ngọn lửa yếu không tàn giống như paraffin

Polyetylene là polyme không cực nên có tính cách điện cao Độ bền hóa học: Ở nhiệt độ thường, PE không tan trong dung môi nhưng axit H2SO4 và HNO3 đậm đặc, hỗn hợp nitro hóa, xăng và axit Cromic thì tác dụng mạnh Nhiệt độ trên 70oC, PE tan yếu trong toluen, xilen, amin acetate, dầu thông, paraffin…Ở 90 -100oC, H2SO4 và HNO3 phá hủy nhanh polyme

n C H

H C H

H

Độ bền khí quyển: Dưới tác dụng của oxy không khí, tia tử ngoại, nhiệt thì các tính chất cơ lý và điện môi của PE giảm Hiện tượng này gọi là lão hóa Trong quá trình lão hóa, độ dãn dài tương đối và độ chịu lạnh giảm, xuất hiện tính dòn và nứt

Ảnh hưởng của O2: Tốc độ không khí tác dụng oxy hóa lên PE rất chậm trong điều kiện nhiệt độ thấp và tương đối nhanh ở nhiệt độ cao Quá trình oxy hóa là tự xúc tác, do đó vận tốc oxy hóa tăng khi lượng O2 bị hấp thụ tăng, khi nhánh tăng và phụ thuộc vào hàm lượng ban đầu của oxy trong polyme Trong điều kiện gia công để ngăn ngừa hoặc làm chậm quá trình oxy hóa PE thường người ta thêm các chất chống oxy hóa Lưu ý các chất này chỉ dùng một lượng 0.05-0.2% so với polyme Hiện tượng oxy hóa còn làm giảm các tính chất điện môi của vật liệu

Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời: Ngoài nhiệt oxy hóa, PE còn bị oxy quang hóa dưới tác dụng các bước sóng ngắn ánh sáng mặt trời (tia tử ngoại), quá trình này xảy ra rất nhanh Để hạn chế quá trình này, ta có thể dùng một

số chất làm chậm như muội than, ZnO,…

Độ kháng nước: PE có độ bền với nước rất cao Nếu để PE lâu trong nước lọc, tính chất điện môi trong vật liệu vẫn giữ được

Độ thấm khí và thấm hơi: PE là polyme không cực nên đối với hơi của chất lỏng có cực nó có độ thấm không lớn, nhưng hơi của các chất không cực thì truyền qua nó rất mạnh Do đó, PE có đô thấm hơi nước thấp, độ thấm khí cao nên PE là vật liệu rất tốt để làm bao bì Nhưng cũng do độ thấm cao đối với hơi của nhiều chất hữu cơ nên hạn chế việc sử dụng chai PE để bảo quản chất hữu cơ và chất thơm Màng PE tỷ trọng cao có độ thấm hơi chất lỏng hữu cơ thấp hơn màng PE tỷ trọng thấp từ 5-10 lần [3]

Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ mềm dẻo của mạch polyme, hàm lượng độn Tính chất cơ học của PE phụ thuộc

nhiều vào nhiệt độ nhất là độ bền đứt, độ dãn dài, độ uốn

Tính chất nhiệt: nhiệt độ làm thay đổi nhiều tính chất vật lý của PE, đặc biệt là thay đổi kích thước sản phẩm.Cũng giống như tất cả các polyme bán kết tinh, PE hóa mềm ở khoảng nhiệt độ hẹp (3-5oC), thấp hơn nhiệt độ này từ 15-20oC thì có thể định hướng và tạo hình Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt chảy, polyme chuyển sang trạng thái chảy dẻo, ở trạng thái này có thể gia công

bằng phương pháp đùn, ép phun…

Độ hấp thu màu: PE có thể sử dụng màu dyes hoặc pigments (bột màu)

trong hỗn hợp nóng chảy, dyes dùng từ 0,005-0,2% tùy theo trọng lượng nhựa,

pigments: 0,2-1%

Khả năng trộn hợp (blend) với các polyme khác: Khả năng trộn hợp của

PE với các polyme khác rất kém trừ: paraffin trọng lượng phân tử cao, polyizobuthylene, cao su butyl, PS

Trong đó, syndiotactic, isotactic là cấu trúc kết tinh (d = 0,91 g/cm3) còn atactic là cấu trúc không kết tinh (d = 0,86-0,89 g/cm3)

Ở 300oC, nếu PP có chứa chất ổn định thì sẽ bền oxy hóa và không bị phân hủy ngay cả đun vài giờ trong không khí

Tính chất hóa học: Ở nhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu cơ, trương trong hydrocacbon thơm và clo hóa, khi nhiệt độ lớn hơn 80oC thì PP bắt đầu tan trong hai loại dung môi trên

Các tính chất khác: Tính chất cơ học PP phụ thuộc vào khối lượng phân

tử trung bình, độ đồng đều và hàm lượng polyme atactic Nếu hàm lượng polyme atactic giảm và khối lượng phân tử trung bình tăng thì tính chất của

polyme tăng [8]

* Các loại PP cơ bản

PP Homopolyme: Do có độ cứng và dễ định hướng nên PP homopolyme thích hợp các sản phẩm dạng sợi, băng Khi so sánh với PE, PP isotactic dễ bị

oxy hóa bởi nhiệt và ánh sáng hơn Khi gia công ở điều kiện bình thường, PP

dễ bị cắt mạch ngẫu nhiên làm giảm khối lượng phân tử và tăng chỉ số chảy

PP điều hòa lập thể (impact) copolyme: PP dòn ở nhiệt độ thấp, đặc biệt

dưới Tg cho nên đối với một số sản phẩm PP cần độ bền va đập cao ở nhiệt

độ thấp, người ta copolyme propylene với một monomer khác gọi là PP impact copolyme, như hệ ethylene/propylenene rubber PP impact copolyme

có độ bền va đập tăng nhưng giảm độ cứng, nhiệt độ biến dạng so với PP

homopolyme PP impact là một trong những nhựa nhiệt dẻo có tỷ trọng thấp nhất, giá thành rẻ hơn so với PET, PBT, HIPS, ABS… Ứng dụng chủ yếu

dùng công nghệ ép phun với các sản phẩm chính trong ngành tự động, nội thất, thiết bị, đùn màng, tấm, đùn thổi làm bao bì trong thực phẩm, dược

phẩm

PP không điều hòa (random) copolyme: PP copolyme không điều hòa là

PP mà ở mắc xích được biến tính bằng cách gắn các phân tử monomer khác nhau (thường nhất là ethylene) Điều này làm thay đổi tính chất vật lý của polyme: tăng tính chất quang học (độ trong và sáng), tăng độ bền va đập, uốn dẻo và giảm nhiệt độ nóng chảy tuy nhiên tính chất kháng khí, mùi, hóa chất giống như PP homopolyme Ethylene/propylene random copolyme được đồng trùng hợp, PP random copolyme thường chứa 1-7% khối lượng là ethylene, 99-93% là propylene PP random copolyme do có nhóm ethylene chen vào giữa mạch polyme cản trở sắp xếp kết tinh nên giảm độ kết tinh so với PP homopolyme tương ứng tính chất vật lý: giảm độ cứng, tăng độ kháng va đập, tăng độ trong, giảm nhiệt độ nóng chảy thuận lợi cho một số ứng dụng trong ngành tự động, nội thất, compozit gỗ nhựa,…[3]

CH2

n

PVC-M (Mass): được tạo theo phương pháp trùng hợp khối cho hạt có

kích đồng nhất khoảng 0.15 mm, rất tinh khiết (tuy nhiên phương pháp này ít

sử dụng)

PVC-S (Suspension): đi từ phương pháp trùng hợp huyền phù, cho hạt

có kích thước từ 0,06-0,25 mm PVC-S có tính hút dầu tốt, độ trong cao, giá thành rẻ, dùng sản xuất sản phẩm theo phương pháp đùn, cán, ép phun… PVC-S, PVC-M trộn với chất ổn định thích hợp được sử dụng làm vật liệu cách điện hoặc vật liệu có cơ tính cao, kháng được thời tiết và kháng mài mòn tốt, làm sản phẩm trong suốt

PVC-E (Emulsion): do phương pháp trùng hợp nhũ tương, tạo hạt có cấu trúc chặt chẽ, ít hút dầu, dùng để sản xuất các sản phẩm đi từ hỗn hợp PVC+ DOP như các sản phẩm tráng, làm hồ vải

* Một số tính chất cơ bản của nhựa PVC

PVC là loại nhựa vô định hình (có độ kết tinh thấp), Tg ~ 80oC nên ở nhiệt độ bình thường, PVC có dạng cứng (nếu không hoá dẻo) Do vậy, khi nói về PVC, người ta phân biệt PVC cứng hay PVC mềm như sau:

PVC cứng hàm lượng hoá dẻo từ: 0-5%

PVC bán cứng hàm lượng hoá dẻo từ: 5-15%

PVC mềm hàm lượng hoá dẻo từ: >15%

Nhiệt độ gia công của PVC nằm trong khoảng 150-220oC, tuy nhiên ở nhiệt độ lớn hơn 140oC thì PVC bị phân hủy, do đó khi gia công cần phải dùng thêm chất ổn định nhiệt Ngoài ra, PVC dễ bị lão hoá do ánh sáng nên trong một số trường hợp phải sử dụng thêm chất ổn định quang

Sản phẩm từ PVC có thể đục hoặc trong, có màu sắc đa dạng PVC có nhiều tính chất cơ học tốt như: độ bền kéo đứt, độ giãn đứt, tính chất cách điện, chịu ăn mòn cao

PVC bền với acid, kiềm, các chất tẩy rửa,… là loại nhựa khó cháy do có chlor trong phân tử Giá thành vừa phải

2.1.2 Vật liệu cốt

Vật liệu cốt trong sản xuất WPC thường là dạng bột từ nguyên liệu gỗ là vật liệu được nghiền mịn từ gỗ hay phế liệu trong chế biến gỗ như mùn cưa, phoi bào, phế liệu gỗ khác của các loại gỗ thông, bạch đàn, thích, sồi…thậm chí từ các phế phẩm nông nghiệp khác như vỏ trấu… Kích thước bột gỗ sử

dụng cho công nghê ̣ chế ta ̣o compozit gỗ nhựa có kích thước nhỏ hơn 1.2 mm tùy theo công nghệ ép phun hay ép đùn Với kích thước này, bột gỗ có thể tự cháy ở nhiệt độ 200oC Thông thường, bô ̣t gỗ sử dụng có kích thước trong khoảng 300-420 μm và được phân loại thành các cấp 50–150 μm, 100–200

μm, 200–450 μm, và 250–700 μm

Các thành phần hóa học chính của bột gỗ (gỗ lá rộng) bao gồm xenlulo (40-50%), lignin(27-40%), hemixenlulo (16-30%) và hợp chất vô cơ khác Trong đó xenlulo, hemixenlulo và lignin là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi Thành phần hóa học của sợi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi cây, phương pháp tách sợi… [44]

một cấu hình chă ̣t chẽ nhất đi ̣nh

Đơn vi ̣ lâ ̣p thể lă ̣p la ̣i trong chuỗi xenlulo là gốc xelobyoza glucopyranozil]-β-D-glucopyranoza) (hình 2.1a)

(4-O-[β-D-Công thức chung của xenlulo có thể viết dưới da ̣ng (C6H10O5)n hoặc [C6H7O2(OH)3]n Độ trùng hợp n của xenlulo trong gỗ khoảng 5.000 đến

10.000 Mứ c phân tán của xenlulo tự nhiên không lớn Các kết quả nghiên cứu cho rằng, xenlulo ở vách tế bào sơ cấp có da ̣ng phân tán, còn ở vách tế

bào thứ cấp chúng tồ n ta ̣i dưới da ̣ng gần với tra ̣ng thái đơn tán Trong quá trình tách từ mô tế bào, xenlulo bi ̣ biến đổi ở mô ̣t mức đô ̣ nào đó và tính không đồng nhất về phân tử lượng cũng tăng theo

Xenlulo là mô ̣t polyme phân cực Mỗi mắt xích của chuỗi phân tử xenlulo chứ a ba nhóm rươ ̣u (-OH): Mô ̣t nhóm rươ ̣u bâ ̣c nhất và hai nhóm bâ ̣c hai, chú ng khác nhau về khả năng phản ứng hóa ho ̣c Các mắt đầu của cao phân tử xenlulo khác biê ̣t rõ rệt so với các mắt khác trong phân tử Ở mô ̣t đầu

mạch của cao phân tử có thêm mô ̣t nhóm rượu bâ ̣c hai ở nguyên tố carbon thứ

tư, còn ở đầu kia có nhóm hydroxyl tự do, do mắt xích đầu này của chuỗi phân tử có chứa nhóm anđehit không bền vững và ta ̣o cho xenlulo khả năng khử (hình 2.1c) [44]

Hình 2.1 Cấu ta ̣o hóa ho ̣c của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã

qua metyl hóa

Hemi xenlulo:

Cũng như xenlulo, hemixenlulo là những polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulo thì hemixenlulo kém ổn định hoá học hơn,

dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao Hemixenlulo phân giải trong khoảng nhiệt

độ từ 200 - 260 oC Độ bền vững của hemixenlulo so với xenlulo là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường trong gỗ của hemixenlulo rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thoát nước Hemixenlulo ở nhiệt độ tương đối thấp phát sinh phân giải sinh ra khối lượng lớn axít acetic và chất khí không cháy, đồng thời

có ít dầu gỗ Hemixenlulo dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của acid

Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200 Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị chiết xuất khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có

khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền

Hemixenlulo là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường Sự biến đổi, tính chất và đặc điểm của nó

có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất gia công sử dụng gỗ [17]

Lignin:

Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000-10000,

độ trùng hợp cao n = 25 - 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp Bản chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa

Liên kết giữa lignin và xenlulo có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi xenlulo trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết lignin và xenlulo có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử xenlulo, hemixenlulo, lignin và liên kết giữa các thành phần đó Để cải thiện tính chất hút nước và giãn nở của gỗ, ta cần có những tác động vào nhóm hydroxyl, để thay đổi tính chất cơ học ta cần tác động làm thay đổi độ polime, khoảng cách giữa các phân tử [17]

2.1.3 Chất trợ tương hợp

Chất trợ tương hợp có thể phân thành 3 loại đó là: chất vô cơ, hữu cơ và

vô cơ – hữu cơ kết hợp, chất trợ tương hợp hữu cơ có: izoxianat, acid

anhydride, amine, imide, acrylate, epoxy, axít hữu cơ, các đơn thể, chất cao phân tử, chất đồng trùng hợp Chỉ có một số ít muối vô cơ được sử dụng làm chất trợ tương hợp

Chất trợ tương hợp được sử dụng rộng rãi nhất là maleic anhydride (MA)

và MAPP, MAPE, MAPS Các loại vật liệu này tương đối rẻ, và dễ thu thập, hơn nữa có thể cải thiện được tính chất cơ giới của compozit gỗ - nhựa Chất trợ tương hợp có thể trùng hợp cùng với chất cao phân tử đang trùng hợp tạo thành chất cao phân tử tự do (MAPS), hoặc đồng trùng hợp ghép nhánh với chất cao phân tử đã trùng hợp (MAPP) Khi chất trợ tương hợp đơn thể và vật liệu gỗ phản ứng, đồng thời cùng với chất cao phân tử quấn lại với nhau, lúc này tác dụng của MA sẽ được thể hiện, đồng thời cũng quyết định khả năng liên kết hóa học giữa gỗ và MA, có quan hệ với nhiệt độ và thời gian phản ứng Nhóm chức cực tính trên chất trợ tương hợp hữu cơ và sợi gỗ xảy ra phán ứng, mặt khác thông qua phản ứng đồng trùng hợp ghép nhánh có thể biến tính chất cao phân tử, nâng cao khả năng liên kết Tác dụng của chất trợ tương hợp vô cơ có thể là chất phân tán, cải thiện khả năng tương hợp giữa gỗ

và nhựa

2.1.4 Chất phụ gia

Chất trợ ổn định: Ảnh hưởng của chất trợ ổn định sẽ được nâng cao khi

kết hợp với các chất trợ ổn định khác như phosphit hữu cơ, hỗn hợp epoxy, chất phòng lão hóa đa nhân phenol (như Bisphenol A), chất hấp thụ tia UV Benzo-triazole (như Cyasorb, Tinuvin)

Chất độn: Thường sử dụng nhất là canxi cacbonate (CaCO3), với hàm

lượng nhỏ hơn 50%

Chất hóa dẻo: Chất hóa dẻo được thêm vào vật liệu để lảm cải thiện khả năng gia công, độ mềm dẻo và khả năng dãn dài Chất hóa dẻo làm giảm độ nhớt, nhiệt độ chuyển thủy tinh và mođul đàn hồi của sản phẩm mà không

làm thay đổi tính chất hóa học của vật liệu được hóa dẻo Các chất hóa dẻo thường được sử dụng như: Phtalates (DOP, DIOP, DINP…); Monocarboxylic acid ester (acetate, propionate, glycolic acid ester, benzoic acid ester); Phosphate (ngoài tác dụng hóa dẻo còn có tác dụng chống cháy); Chất hóa dẻo polyester

Chất bôi trơn: Nhựa nhiệt dẻo thường được gia công ở nhiệt độ trên

nhiệt độ nóng chảy hoặc trên nhiệt độ chuyển thủy tinh đối với loại nhựa vô định hình Do khối lượng phân tử lớn nên nhựa chỉ có thể được đẩy và định dạng dưới áp suất cao Lực chuyển dịch làm hao tốn nhiều nguyên liệu Nhiệt sinh ra trong quá trình này làm gia tăng quá trình phân hủy hoặc ảnh hưởng

xấu đến hệ phân tán nhiều pha Ngoài việc ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái

chảy của vật liệu, chất bôi trơn còn có tác dụng như làm sản phẩm bóng láng hơn, giúp phân tán độn và màu dễ dàng hơn [12]

2.2 Công nghệ ép đùn sản xuất compozit gỗ nhựa

Công nghệ ép đùn sản xuất vật liệu WPC có hai loại điển hình là công nghệ đùn một bước và công nghệ đùn hai bước

2.2.1 Công nghệ ép đùn một bước

Công nghệ ép đùn định hình WPC một bước là công nghệ trong đó không có giai đoạn tạo hạt hỗn hợp giữa gỗ và vật liệu cao phân tử Bột gỗ, hợp chất nhựa nhiệt dẻo (nhựa nguyên sinh hoặc nhựa tái sinh) và các chất hỗ trợ khác được trực tiếp đưa đến máy đùn, thực hiện sấy, trộn, dẻo hóa và đùn tạo hình được hoàn thành liên tục trên một thiết bị hoặc một nhóm thiết bị Loại công nghệ này có thể thực hiện sản xuất liên tục, hiệu suất cao, tiêu hao năng lượng nhỏ, giá thành thấp, khả năng cạnh tranh trên thị trường cao Thiết bị thường sử dụng trong phương pháp ép đùn một bước có: máy đùn hai trục vít song song ren ngược, tổ máy đùn hai trục vít ren cùng hướng