Ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ phế thải và nhựa PE tái sinh đến tính chất của composite gỗ nhựa

Hiện nay cũng đã có những công trình nghiên cứu sử dụng phế thải gỗ mùn cưa, phoi bào làm ván ván dăm, ván sợi nhưng sản phẩm tạo ra có tính chất cơ lý thấp và vẫn không khắc phục được n

PHẠM VĂN THANH

ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ HỖN HỢP BỘT GỖ PHẾ THẢI

VÀ NHỰA PE TÁI SINH ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA

COMPOSITE GỖ-NHỰA

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị và công ghệ gỗ, giấy

Mã Số: 60.52.24

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Vũ Huy Đại

Hà Nội - 2010

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành bản luận văn thạc sỹ, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học, TS Vũ Huy Đại, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và nghiêm khắc trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Cơ Điện – Xây Dựng & Nông Lâm Trung Bộ, đã tạo điều kiện cho tôi về mặt tài chính, thời gian và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn Ths Phạm Gia Huân và các thầy giáo, cô giáo

và cán bộ công nhân viên Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme, Trường đại học Bách khoa Hà Nội, gia đình anh Linh tại làng nghề Triều Khúc, Hà nội, cùng toàn thể các bạn bè đồng nghiệp, những người đã chia sẻ những khó khăn và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình, những người luôn yêu thương, động viên và giúp đỡ tôi về vật chất cũng như tinh thần trong học tập

và cuộc sống

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của chính tôi và xin chịu trách nhiệm về toàn bộ những kết quả nghiên cứu trình bày ở đây

Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2010

Tác giả

Phạm Văn Thanh

MỤC LỤC Nội dung Trang

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Đặc điểm chung của vật liệu composite 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Phân loại vật liệu composite 4

1.1.3 Tính ưu việt của vật liệu polyme composite 5

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu polyme composite 6

1.2 Đặc điểm chung của vật liệu composite gỗ-nhựa 6

1.2.1 Khái niệm vật liệu composite gỗ-nhựa 6

1.2.2 Ứng dụng 7

1.3 Tình hình nghiên cứu 11

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 11

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.4 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 16

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 18

1.6 Phạm vi nghiên cứu 18

1.7 Nội dung nghiên cứu 19

1.8 Phương pháp nghiên cứu 19

1.8.1 Đối tượng nghiên cứu 19

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

2.1 Thành phần cấu tạo và cơ chế gia cường của vât liệu polyme composite 23

2.1.2 Thành phần cấu tạo 23

2.1.2 Cơ chế gia cường của vật liệu PC 30

2.2 Cơ sở lý thuyết về vật liệu composite gỗ từ nhựa polyetylen (PE) tái sinh và bột gỗ 31

2.2.1 Nguyên lý hình thành 31

2.2.2 Thành phần 31

2.3 Khả năng tương hợp giữa HDPE tái sinh với bột gỗ 36

2.4 Quy trình công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa từ nhựa phế thải và phế liệu gỗ 38

2.4.1 Phân loại nhựa 38

2.4.2 Tạo mảnh nhựa 40

2.4.3 Tạo hạt nhựa 41

2.4.4 Tạo hạt gỗ nhựa 42

2.4.5.Gia công vật liệu WPC 42

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu WPC 46

2.5.1 Ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC 46

2.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng bột đến tính chất của vật liệu WPC 47

2.5.3 Ảnh hưởng của của phương pháp gia công đến tính chất của vật liệu WPC 48

2.5.4 Ảnh hưởng của thông số chế độ ép khi gia công trên máy ép khuôn đến tính chất của vật liêu WPC 48

2.6 Cơ sở lựa chọn thông số chế độ ép khi gia công trên máy ép khuôn 50 Chương 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 53

3.1 Thực nghiệm tạo composite gô-nhựa 53

3.1.1 Vật liệu, thiết bị 53

3.1.2 Sơ đồ thực nghiệm 54

3.1.3 Gia công composite từ nhựa HDPE tái sinh và bột gỗ phế thải 55

3.2 Xác định một số tính chất của sản phẩm thí nghiệm 59

3.2.1.Xác định điểm chảy của hạt gỗ-nhựa 59

3.2.2 Xác định tỷ trọng vật liệu 61

3.2.3 Xác định độ bền kéo của vật liệu 62

3.2.4 Xác định độ bền uốn của vật liệu 65

3.2.5 Xác định độ bền va đập Charpy của vật liệu 68

3.2.6 Xác định độ hấp thụ nước và trương nở chiều dày của vật liệu 69

3.3 Phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu 72

3.4 Đề xuất các bước công nghệ 74

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

4.1 Kết luận 77

4.2 Đề xuất và kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

8 HDPE Nhựa polyetylen tỷ trọng cao

9 LDPE Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp

2 Bảng 3.1 Kết quả kiểm tra điểm chảy của sản phẩm, 0C 60

3 Bảng 3.2 Kết quả kiểm tra tỷ trọng của composite gỗ-nhựa,

g/cm3

61

4 Bảng 3.3 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của sản phẩm, MPa 63

5 Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra mô đun kéo của sản phẩm, GPa 64

6 Bảng 3.5 Kết quả kiểm tra độ bền uốn của sản phẩm, MPa 66

7 Bảng 3.6 Kết quả kiểm tra mô đun uốn của sản phẩm, GPa 67

8 Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra độ bền va đập Charpy của sản

phẩm, KJ/m2

68

9 Bảng 3.8 Kết quả kiểm tra độ hấp thụ nước của sản phẩm, % 70

Bảng 3.9 Kết quả kiểm tra độ trương nở chiều dày của sản

phẩm, %

71

10 Bảng 3.10 Tổng hợp tính chất cơ lý của vật liệu WPC làm từ

nhựa PE tái chế và gỗ phế liệu ở 3 cấp tỷ lệ bột gỗ khác nhau

72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

5 Hình 1.5 Các công trình ngoài trời được làm từ WPC 8

7 Hình 1.7: Các đồ nội thất ôtô được làm từ WPC 9

11 Hình 2.1 Các thành phần cấu tạo vật liệu polyme composite 23

13 Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu compsite gỗ

nhựa từ nhựa phế thải và phế liệu gỗ

38

17 Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm tạo sản phẩm composite

gỗ-nhựa từ nhựa phế thải và phế liệu gỗ

54

21 Hình 3.5 Sơ đồ tạo hạt gỗ-nhựa 57

27 Hình 3.11 Biểu đồ độ bền kéo của sản phẩm 63

28 Hình 3.12 Biểu đồ môđun kéo của sản phẩm 64

29 Hình 3.13 Biểu đồ độ bền uốn của sản phẩm 65

30 Hình 3.14 Biểu đồ môđun uốn của sản phẩm 67

31 Hình 3.15 Biểu đồ độ bền va đập Charpy của sản phẩm 69

32 Hình 3.16 Biểu đồ hấp thụ nước của của sản phẩm 71

33 Hình 3.17 Biểu đồ trương nở chiều dày của của sản phẩm 71

34 Hình 3.18 Sơ đồ quá trình sản xuất WPC từ nhưa phế thải

PE và phế thải gỗ

77

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay cả nước có khoảng 2500 doanh nghiệp chế biến gỗ với các quy

mô khác nhau, hàng năm tiêu thụ lượng gỗ tròn từ 8,5-10 triệu m3 gỗ tròn, trong khi đó lượng phế liệu gỗ trong cưa xẻ gỗ thường dao động từ 11-12% thể tích gỗ tròn Lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ phụ thuộc vào hình dạng của nguyên liệu, sản phẩm và chế độ gia công thường chiếm tỷ lệ

từ 20-50% thể tích gỗ tròn

Như vậy có thể thấy, lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ yếu là làm nhiên liệu đốt và thải ra ngoài môi trường, gây lãng phí, ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến tỷ lệ lợi dụng gỗ và giá thành sản phẩm Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu gỗ này để nâng cao

tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu đồng thời bảo vệ được môi trường? Hiện nay cũng

đã có những công trình nghiên cứu sử dụng phế thải gỗ (mùn cưa, phoi bào) làm ván ván dăm, ván sợi nhưng sản phẩm tạo ra có tính chất cơ lý thấp và vẫn không khắc phục được những nhược điểm đó là tỷ lệ hút nước và tỷ lệ trương nở chiều dày cao

Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của các đồ dùng trong sinh hoạt ở tất

cả các lĩnh vực rất đa dạng chủ yếu có nguồn gốc từ Polyethylene (PE) bao gồm chai lọ, dụng cụ y tế, màng bọc, túi đựng thực phẩm, màng đóng gói,…; Popypropylen (PP) bao gồm vỏ ắc quy, dụng cụ y tế, túi đựng, màng công nghiệp; nguồn gốc từ Nguồn gốc Polyvinylchlorua (PVC) bao gồm: ống nước, tấm trần, vật liệu cách điện, bọc dây điện, tấm lát sàn, ống mềm, Hiện nay, chưa có những số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải trong toàn quốc, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của Viện Vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội là khá cao (từ 7 đến 8%) Nếu tính lượng rác thải phát sinh trung bình của Hà Nội là 18.000 tấn/ngày thì mỗi ngày Hà Nội thải ra khoảng trên

120 tấn nhựa phế thải Hiện nay lương nhựa này một phần vẫn được thu gom, phân loại, xử lý, tái chế để tạo ra các sản phẩm khác, nhưng hiệu quả sử dụng không cao

Đứng trước tình hình đó, để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu nhiều quốc gia trên thế giới đã có những nghiên cứu kết hợp hai vật liệu nhựa và gỗ để tạo nên vật liệu vật liệu composite gỗ-nhựa (Wood Plastic Composites - WPC) dùng trong các lĩnh vực xây dựng, nội thất, công trình dân dụng… Phế liệu chất dẻo và phế liệu

gỗ dùng để sản xuất vật liệu WPC có tiềm năng rất lớn Qua các kết quả nghiên cứu và tình hình sản xuất về vật liệu WPC từ phế liệu gỗ và nhựa phế thải có thể thấy rằng, sản xuất vật liệu WPC là xu hướng công nghệ hiện đại, tạo vật liệu thân thiện môi trường có ý nghĩa về mặt xã hội, và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên

Công nghệ sản xuất vật liệu WPC từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thái được nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Mỹ, Canada xác định là hướng nghiên cứu ưu tiên trong lĩnh vực công nghệ vật liệu mới Sản xuất vật liệu WPC trên nền nhựa nhiệt dẻo có thể bằng các phương pháp ép phẳng, ép đùn

và ép phun

WPC có rất nhiều ưu điểm như: tính ổn định kích thước cao, khả năng chống sinh vật hại gỗ rất tốt, bề mặt mịn, dễ gia công, có thể tạo ra màu sắc thích hợp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: ván sàn, cầu thang, cửa, đồ

gỗ nội thất, vật liệu trang trí… Mặt khác dây chuyền sản xuất WPC rất phù hợp với sản xuất quy mô nhỏ, vốn đầu tư thấp, nguyên liệu sử dụng chủ yếu

là các phế liệu gỗ và nhựa phế thải

Các kết quả nghiên cứu trong nước cho thấy vật liệu composite nói chung

đã được nghiên cứu thành công ở các cấp độ khác nhau chủ yếu là trên nền polyme nhiệt rắn, kết hợp với các chất gia cường như sợi thủy tinh, bột gỗ,

bột tre và chất tăng cường và khả năng ứng dụng cũng rất rộng rãi Các công trình nghiên cứu về sử dụng chất dẻo phế thải và phế liệu gỗ để tạo vật liệu composite còn rất ít, mặc dù hướng nghiên cứu này rất có tiềm năng trong tương lai

Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu WPC ở Việt Nam hầu như chưa được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất do vậy việc nghiên cứu tạo vật liệu composite gỗ-nhựa ở nước ta có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra xu hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ và tạo vật liệu mới thay thế

gỗ tự nhiên trong xây dựng và nội thất, đặc biệt có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ môi trường

Song vấn đề đặt ra là gỗ và nhựa là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau

về đặc điểm cấu tạo cũng như tính chất Để tạo ra sản phẩm phù hợp với yêu cầu sử dụng nhưng vẫn đảm bảo các tính chất của vật liệu và khắc phục được mốt số nhược điểm của gỗ tự nhiên, ván dăm, ván sợi là vấn đề cần được quan tâm Yếu tố này ảnh hưởng rất nhiều từ tỷ lệ trộn hỗn hợp bột gỗ phế thải và nhựa tái sinh

Xuất phát từ những vấn đề trên trên, tôi lựa chọn đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ phế thải và nhựa PE tái sinh đến tính chất của vật liệu composite gỗ-nhựa "

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm chung của vật liệu composite

1.1.1 Khái niệm

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường

có tính chất trội hơn pha liên tục [2, 3]

Vật liệu polyme composite (PC) là vật liệu composite gồm hai hay nhiều pha rất khác nhau về bản chất và không tan lẫn vào nhau Trong đó có pha liên tục (pha nền) là polyme và pha gia cường ở dạng sợi, vảy hay bột phân

bố gián đoạn, bao bọc bởi nền polyme [4, 6]

1.1.2 Phân loại vật liệu composite

a Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường

- Composite cốt sợi: là composite được gia cường dạng sợi, nó có độ bền riêng và mô đun đàn hồi cao Ví dụ: Composite sợi thủy tinh, cacbon, cellulose Có hai dạng chính sợi liên tục (sợi dài, vải) và sợi gián đoạn (sợi ngắn, vụn)

Hình 1.1 Cấu tạo vât liệu composite

Vùng trung gian

(tác nhân kết dính)

Nền Sợi

Bề mặt tiếp xúc

Hình 1.2 Một số loại composite cốt sợi

- Composite cốt hạt: là composite được gia cường bởi các hạt với các dạng kích cỡ khác nhau Có một số cốt hạt như: vảy mica, hạt cao lanh, bột đá, bột vảy kim loại, bột gỗ…

Hình 1.3 Composite cốt hạt

b Phân loại theo bản chất vật liệu nền

- Nền polyme: polyeste không no, epoxy, polypropylen, polyetylen…

- Nền gốm: tạo ra vật liệu composite chịu nhiệt tốt

- Nền kim loại: hợp kim nhôm, hợp kim titan

1.1.3 Tính ưu việt của vật liệu polyme composite

Tùy vào từng loại vật liệu PC khác nhau mà nó có các tính chất ưu việt khác nhau như:

- Khối lượng riêng nhỏ, tính năng cơ lý cao hơn thép và các vật liệu truyền thống khác (thủy tinh, gốm sứ, gỗ…)

- Giá thành không cao

- Chịu môi trường, kháng hóa chất, không tốn kém trong bảo quản, có khả nămg chống ăn mòn, không cần sơn bảo quản như vật liệu kim loại, gỗ

- Cách điện, cách nhiệt tốt

Sợi ngắn sắp xếp

hỗn độn

Sợi ngắn định hướng

Sợi dài đơn hướng

Sợi dài ở dạng lớp

Vảy, mảnh Hạt

- Có độ bền lâu

- Gia công chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, dễ sửa chữa và thay thế

- Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu polyme composite

- Trong ngành Giao thông-Vận tải, vật liệu polyme composite được dùng

để chế tạo các thiết bị, phương tiện như: tàu thuyền đi biển, thùng chứa nhiên liệu, ốp trần toa xe lửa, lốp các loại xe…

- Làm vật liệu xây dựng: cấu kiện nhà lắp ghép, dầm chịu lực, tấm lợp…

- Làm vật liệu điện: tấm cách điện, vá các thiết bị điện, máy biến thế…

- Làm vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, bể điện phân…

- Làm vật liệu gia dụng: bàn, ghế, tủ, giá, bồn tắm, tấm cách âm…

- Trong công nghệ giải trí: đồ chơi, ván trượt …

- Vật liệu polyme composite cao cấp dùng trong công nghệ hàng không

vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp…

1.2 Đặc điểm chung của vật liệu composite gỗ-nhựa

1.2.1 Khái niệm vật liệu composite gỗ-nhựa

Vật liệu Composite gỗ-nhựa (Wood Plastic Composites – WPC) là loại vật liệu composite được tổ hợp từ nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PVC ), có thể từ nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh cùng với bột gỗ và một số chất phụ gia khác.Sản phẩm có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thước cao và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [22, 23, 24, 27, 28]

WPC được chế tạo từ hỗn hợp pha trộn giữa bột gỗ và nhựa nhiệt dẻo,

có thể sử dụng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép khuôn để tạo ra sản phẩm

Gỗ có thể đi từ dạng mùn cưa, dăm gỗ, vỏ bào… Nhựa nhiệt dẻo có thể sử dụng nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh tuỳ vào lĩnh vực sử dụng của vật liệu[17]

1.2.2 Ứng dụng

WPC là một loại vật liệu có thành phần cơ bản là Cellulose kết hợp với chất dẻo (PE, PP…) và các phụ gia khác Vật liệu này được sử dụng để thay thế dần cho các sản phẩm gỗ tự nhiên, vì sản phẩm WPC có khả năng khắc phục những khuyết điểm của gỗ tự nhiên đó là không bị cong vênh, biến dạng

và có khả năng chống chịu môi trường, không bị sinh vật hại gỗ tấn công Với vật liệu này chúng ta có thể tạo hình, tạo màu sắc cho sản phẩm theo yêu cầu, rất thuận lợi cho việc lắp ghép, sửa chữa Hơn thế nữa khi sử dụng sản phẩm WPC không cần phải sơn phủ, khi gia công sản phẩm có thể sử dụng những công cụ gia công giống như đối với gỗ: cưa, khoan, chạm….Các sản phẩm được tạo từ WPC có thể dùng đinh, vít, bulông để liên kết các chi tiết [25, 26]

Nhờ những đặc tính ưu việt mà vật liệu WPC được dùng để thay cho gỗ

tự nhiên, ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thông, các công trình nội thất, ngoại thất, đồ nội thất ô tô, máy bay,

Hình 1.4 WPC được dùng trong xây dựng

Hình 1.5 Các công trình ngoài trời được làm từ WPC

Hình 1.6 Sàn nhà được làm từ WPC

Hình 1.7 Các đồ nội thất ôtô được làm từ WPC

Hình 1.8 Palet kê hàng được làm từ WPC

Hình 1.9 Đồ mộc được làm từ WPC

Hình 1.10 Ván cầu được làm từ WPC

1.3 Tình hình nghiên cứu

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm) Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite

từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa

và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Đến năm 1970 vật liệu composite được bổ sung thêm một lọat các nguyên liệu chính nữa khi nhựa epoxy được

ra đời và các loại vật liệu gia cường mới như sợi cacbon, sợi aramit, sợi silic… được phát hiện và đưa vào ứng dụng Kể từ đó đến nay vật liệu composite được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân dụng và công nghiệp từ những sản phẩm thông thường như các hệ thống chứa đựng, các bồn nuôi trồng thủy sản, các chi tiết ôtô, các tấm sàn và vách ngăn trong xây dựng, cho đến các sản phẩm công nghệ cao sử dụng trong các ngành công nghiệp điện tử, hàng không, vũ trụ, quân sự, thể thao, [3, 15, 17]

Theo nhiều nguồn tài liệu, trên thế giới vật liệu composite từ phế liệu gỗ

và chất dẻo phế thải có nguồn gốc từ Popypropylen (PP), Polyethylene (PE),

Polyvinylchloride (PVC) có tên gọi tiếng Anh là “WPC-wood plastic composite” [19, 22, 24] tạm dịch ra tiếng Việt là vật liệu composite gỗ-nhựa Các loại nhựa kết hợp với bột gỗ chủ yếu là PE chiếm 70% dùng để làm các chi tiết trong ngành xây dựng, PP chiếm 17% chủ yếu dùng để làm các chi tiết trong ngành ô tô, PVC chiếm 13% dùng để làm các chi tiết trong ngành xây dựng, trang trí, [25]

Trong những năm gần đây, vật liệu WPC được nghiên cứu thành công và

áp dụng tại Mỹ và đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thụy Điển, Nga, Trung Quốc Chỉ tính riêng tại

Mỹ trong năm 2004 vật liệu gỗ WPC sử dụng trong xây dựng đã chiếm tỷ lệ 15%-20% trong tổng số các loại vật liệu gỗ [24] Châu Âu sản xuất vật liệu WPC trong năm 2002 đạt 1.03 tỷ USD; Thị trường phát triển nhanh và năm

2006 đạt 1.95 tỷ USD [24]

Theo tài liệu [22] Tỷ lệ vật liệu sử dụng ván sàn ngoài trời tại thị trường Mỹ

Bảng 1.1 Tỷ lệ vật liệu sử dụng ván sàn ngoài trời tại thị trường Mỹ

Năm Giá trị tiêu

Thị trường châu Á hàng năm tiêu thụ lượng WPC tương đối lớn nhưng không bằng thị trường Mỹ và châu Âu Nước sản xuất nhiều nhất vẫn là Trung Quốc mỗi năm có thể cung cấp ra thị trường 1500000 tấn WPC [25, 26]

Theo nghiên cứu của Hiệp hội sản phẩm gỗ-nhựa cho biết, mặc dù nhu cầu nhà ở mới và các dự án xây dựng, sửa chữa xuống đến mức thấp kỷ lục, nhưng thị trường các mặt hàng gỗ kết hợp với chất dẻo (wood-plastic composite và plastic lumber) vẫn đang phát triển tốt, dự báo lượng bán sản phẩm WPC ngoài thị trường có thể tăng 9,2% mỗi năm và sẽ đạt 5,3 tỉ USD trong năm 2013 do người tiêu dùng ngày càng chấp nhận và ưa chuộng sử dụng mặt hàng này

Vật liệu WPC ngày càng được sử dụng nhiều nhờ những đặc điểm ưu việt như: có thời gian sử dụng lâu dài, ít tốn chi phí sửa chữa, bảo dưỡng, kháng côn trùng và nhiều loại hoá chất, có thể gia công như các loại gỗ thông thường

Ngoài ra, sản phẩm này còn mở đường cho sự phát triển của các sản phẩm “xanh” góp phần bảo vệ môi trường nhờ có thời gian sử dụng lâu dài,

có khả năng tái chế, tái sử dụng cao Nhờ những đặc điểm ưu việt này mà nhu cầu sử dụng loại sản phẩm này ngày càng tăng cao trên thế giới

Lĩnh vực sử dụng vật liệu composite gỗ-nhựa rất rộng rãi: làm ván sàn, ván ốp tường, ván phủ mặt, khung cửa sổ, cửa đi, đồ dùng ngoài trời, sàn nhà, các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao… [19, 24, 25]

Trên thế giới nhiều hãng sản xuất ô tô đã ứng dụng sản phẩm composite

từ nhựa nhiệt dẻo và sợi thực vật và một số chi tiết của xe ô tô (hãng misubishi, toyota, hon da,…)

WPC có những đặc điểm ưu việt hơn so với các vật liệu khác như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau, độ hút nước

và độ trương nở chiều dày thấp và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng Công nghệ và thiết bị đơn giản, nguyên vât liệu sử dụng chủ yếu là phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải

Trong thành phần của vật liệu WPC ngoài bột gỗ và chất deo còn có chất tăng cường để nâng cao tính chất công nghệ và sử dụng của sản phẩm Các kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thành phần hỗn hợp này như sau: Bột gỗ (50-80)%, nhựa chất dẻo (17-50)%, chất tăng cường (2-4)% [24, 27]

Theo [19] vật liệu WPC được sản xuất bằng phương pháp ép đùn từ bột

gỗ sồi, gỗ thích và chất dẻo phế thải PE, PP, PVC với tỷ lệ trộn giữa các thành phần: (51-65) % bột gỗ và (45-30)% chất dẻo và có thể cho thêm (2-4)% chất tăng cường Sản phẩm tạo ra có kích thước: bề rộng từ 75-150mm; bề dày từ 12-30mm; chiều dài sản phẩm theo ý muốn, các sản phẩm có hình dạng khác tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của đầu đùn, các sản phẩm này được

sử dụng làm ván sàn, vách ngăn, đồ mộc ngoài trời, đồ mộc nội thất, đồ chơi,

Công nghệ ép đùn có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng (Profile) khác nhau ở dạng đặc hoặc rỗng Hình dạng sản phẩm phụ thuộc vào đầu đùn ở trong máy ép đùn Công nghệ ép phun có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp hơn tùy vào hình dạng của khuôn ép Hiện nay công nghệ ép phun và công nghệ ép đùn được xem như là loại hình công nghệ tiên tiến, hiện đại trong việc tạo ra các sản phẩm WPC chất lượng cao và có hình dạng phức tạp có khả năng thay thế vật liệu gỗ truyền thống [24, 27]

Công nghệ tạo vật liệu composite từ phế thải gỗ và nhựa tái sinh trong khuôn ép kín bao gồm các công đoạn: Tạo bột gỗ, tạo hạt nhựa, tạo hạt gỗ-nhựa, trải hạt gỗ-nhựa trên khuôn ép, ép trong khuôn kín, làm nguội Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ đơn giản, đầu tư thấp, hiệu quả cao phù hợp với điều kiện sản xuất nhỏ Nhược điểm là kích thước sản phẩm có hạn

về chiều dài, chiều rộng và chiều dày thường mỏng, năng suất và mức độ tự động hoá không cao so với ép đùn và ép phun [22]

Theo [18, 19, 21] vật liệu composite gỗ-nhựa được sản xuất bằng phương pháp ép trong khuôn kín từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải nhựa PE trên dây chuyền với công suất 50.000 m2 sản phẩm/năm để tạo ra các tấm ván

có kích thước 1200 x 600 x h (dài x rộng x chiều dày từ 6-30mm) dùng để làm ván sàn, mặt bậc cầu thang, palet kê hàng …) Tính chất của vật liệu composite gỗ-nhựa cũng xác định được: Tỷ trọng từ 1-1,3 g/cm3, độ bền kéo

từ 11-24 MPa, độ bền uốn từ 15-27 MPa, tương đương với ván dăm và ván sợi Độ hút nươc thấp (<7% thậm chí đạt tỷ lệ 0%)

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam từ đầu năm 1970 công nghệ vật liệu composite mới phát triển, bắt đầu từ sự kiện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã chế tạo thành công vật liệu composite để tạo các đường ống dẫn dầu Hiện nay, ở nước ta mới chỉ phát triển một số loại hình công nghệ tạo vật liệu composite trên nền nhựa Epoxy, Polyester, Vinyleste kết hợp với sợi thủy tinh bao gồm sợi dài, vải và mạt dùng để chế tạo các sản phẩm: ống dẫn có đường kính lớn, tấm lợp lấy ánh sáng, bồn tắm, đá nhân tạo, bàn bếp, khung cửa, các loại Cano, thuyền cứu sinh, hộp công tơ điện, ghế ngồi sân vận động… Khoảng 98% vật liệu polyme composite bán ra thị trường và được chấp nhận có chứa các loại sợi gia cường như thủy tinh, cacbon và aramit [1, 3, 12, 15]

Trong công nghiệp chế biến gỗ ở nước ta đã thành công trong việc sản xuất các loại ván dăm, ván ép định hình từ bột gỗ kết hợp với nhựa nhiệt rắn

PF, UF và ứng dụng vào thực tế sản xuất Theo kết quả nghiên cứu của tài liệu [7] đã sử dụng phế liệu gỗ kết hợp với xi măng để sản xuất ván dăm xi măng dùng trong xây dựng

Một số công trình nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme đã đề cập đến việc sử dụng sợi thực vật mạt tre, sợi đay kết hợp với

ba loại nhựa nhiệt rắn có nguồn gốc polyeste không no, epoxy và vinyleste để tạo ra vật liệu composite và đã kiểm tra các tính chất của vật liệu này; độ bền uốn, kéo, nén, độ trương nở, khả năng hút nước… Vật liệu composite trên nền nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc polypropylen gia cường bằng hệ sợi lai tạo tre, luồng, thuỷ tinh đã được nghiên cứu thử nghiệm thành công [11, 13, 14, 15].Trường Đại học Lâm nghiệp đã có một số kết quả nghiên cứu về vật liệu composite gỗ, đó là: Nghiên cứu công nghệ tạo vật liệu composite tre-gỗ dùng trong xây dựng và gia công đồ mộc[16] ,

1.4 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Do những tiện ích và thói quen tiêu dùng nên các sản phẩm nhựa, đặc biệt là các bao bì nhựa đã và đang được dùng ngày càng nhiều Điều đó dẫn đến lượng nhựa phế thải trong rác thải ngày càng lớn gây nên những sức ép lớn về môi trường

Ước tính toàn thế giới có 40-50 triệu tấn phế thải polyme mỗi năm Đây

là những vật liệu rất khó phân hủy, có thể tồn tại trong môi trường hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm; để lại hậu quả về môi trường rất nặng

nề

Hiệp hội các nhà sản xuất chất dẻo ở Châu Âu (Association of Plastics Manufacturers in Europe) đã tiến hành những nghiên cứu ban đầu để đánh giá các phương pháp tái chế rác thải chất dẻo bao gói ở Châu Âu trên cơ sở đánh giá tỷ lệ giữa các loại rác thải chất dẻo bao gói và giữa rác thải chất dẻo bao gói sinh hoạt và công nghiệp Kết quả nhận được như sau:

- 71,8% rác thải rắn đô thị, trong đó:

 Màng PE/PP (47,1%)

 Chai và các sản phẩm cứng khác từ PE/PP (19,1%)

Theo thống kê của Hiệp hội gỗ và lâm sản Việt Nam năm 2009 Để phục vụ ngành chế biến xuất khẩu gỗ, năm vừa qua Việt Nam đã sử dụng gần

9 triệu m3 gỗ trong đó phải nhập đến 4 triệu m3 gỗ, lượng gỗ khai thác từ rừng trồng đạt 3,7 triệu m3, còn lại là từ rừng tự nhiên Theo ước tính như vậy có khoảng 2-5triệu m3 gỗ phế thải trong đó có khoảng 10% được tái chế còn lại

là lượng phế thải gỗ rất lớn được thải ra ngoài môi trường Nếu lượng phế thải này được sử dụng thì sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng gỗ và có ý nghĩa rất lớn về việc bảo vệ môi trường

Vần đề kết hợp phế thải gỗ và nhựa tái chế để tạo nên vật liệu composite gỗ-nhựa đang là hướng đi đúng và có nhiều tiềm năng cho ngành công nghệ vật liệu Sản phẩm gỗ kết hợp với chất dẻo (wood-plastic composite và plastic lumber) đã và đang được sử dụng nhiều ở các nước trên thế giới với những đặc điểm ưu việt như có thời gian sử dụng lâu dài, ít tốn chi phí sửa chữa, bảo dưỡng, không bị thoái hoá, kháng côn trùng và nhiều loại hoá chất, có thể gia

công như gỗ tự nhiên Sản phẩm WPC đã khắc phục được những nhược điểm rất lớn của gỗ rừng trồng đó là khả năng chống chịu môi trường

Qua điều tra về các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về vật liệu composite gia cường bằng sợi tự nhiên, một lần nữa có thể khẳng định là có thể sử dụng bột gỗ kết hợp với nhựa để tạo nên vật liệu compoiste gỗ-nhựa Thực tế hai loại vật liệu bột gỗ và nhựa là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau về tính chất cũng như cấu tạo nên khả năng liên kết (tương hợp) với nhau để tạo thành vật liệu mới hết sức phức tạp vậy cần phải

có những nghiên cứu thăm dò (thử nghiệm) Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ đến tính chất của vật liệu composite gỗ-nhựa, trên cơ sở đó chọn tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ và nhựa PE hợp lý và đề xuất quy trình tạo vật liệu WPC bằng phương pháp ép khuôn từ nhựa PE tái chế và phế thải gỗ

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

+ Phế thải nhựa HDPE (High-density polyethylene plastics) bao gồm:

vỏ chai, cốc, can nhựa

+ Phế thải gỗ (Mùn cưa gỗ keo tai tượng)

- Kích thước sản phẩm sau khi ép: Dài x rộng x dày = 200x150x4,mm

- Để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ trộn hỗn hợp bột gỗ và nhựa đến tính chất của composite gỗ-nhựa có rất nhiều chỉ tiêu, song trong khuôn khổ của một luận văn thạc sĩ tôi chỉ kiểm tra và đánh giá một số chỉ tiêu chính: Điểm chảy, tỷ trọng, độ bền kéo, mô đun kéo, độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền va đập Charpy, độ hấp thụ nước và độ trương nở chiều dày

1.7 Nội dung nghiên cứu

- Thực nghiệm tạo bột gỗ từ phế liệu gỗ (mùn cưa)

- Thực nghiệm tạo hạt nhựa từ nhựa phế thải HDPE

- Nghiên cứu tạo hạt gỗ-nhựa với các cấp tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ và nhựa khác nhau

- Tạo mẫu vât liệu bằng phương pháp ép khuôn

- Xác định tính chất cơ lý chủ yếu của vật liệu

- Đề xuất các bước công nghệ tạo vật liệu composite gỗ-nhựa

1.8 Phương pháp nghiên cứu

1.8.1 Đối tượng nghiên cứu

- Mùn cưa gỗ keo tai tượng

- Nhưa phế thải HDPE (vỏ chai, cốc, can nhựa)

- Công nghệ tạo vật liệu WPC từ nhựa tái chế và phế liệu gỗ

- Tạo vật liệu WPC với các tỷ lệ gỗ/nhựa khác nhau

Sản phẩm WPC Tỷ lệ Gỗ / Nhựa

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp kế thừa:

Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ tạo vật liệu composite gỗ

b Phương pháp chuyên gia:

Áp dụng trong trường hợp xác định các thông số đầu vào, đầu ra của quy hoạch thực nghiệm, đánh giá lĩnh vực sử dụng của vật liệu

+ Độ bền kéo, mô đun kéo

+ Độ bền uốn, mô đun uốn

+ Độ bền va đập Charpy

+ Độ hấp thụ nước

+ Độ trương nở chiều dày

d Phương pháp xử lý số liệu:

Các số liệu thu thập sau quá trình thực nghiệm tính chất cơ học, vật lý được

xử lý bằng phương pháp thống kê toán học

- Trung bình mẫu

Được xác định theo công thức:

n

x X

n

i i





 1 (1.1)

Trong đó: xi - các giá trị ngẫu nhiên của mẫu thí nghiệm

n - số mẫu quan sát

X - trị số trung bình mẫu

- Sai tiêu chuẩn mẫu

Được xác định theo công thức:

1

) (

n

i i

(1.2) Trong đó: S - sai quân phương

xi - giá trị của các phân tử

X - trung bình cộng của các giá trị xi

s - sai quân bình phương

s – sai quân bình phương

X - trị số trung bình cộng

- Hệ số chính xác

Được xác định theo công thức:

% 100

x X

m

P  (1.5) Trong đó: P – hệ số chính xác

m – sai số trung bình cộng

X - trị số trung bình cộng

- Sai số tuyệt đối của ước lượng

Được xác định theo công thức:

n

s x t

C(95%)  a 2/ (1.6) Trong đó: C(95%) – sai số tuyệt đối của ước lượng

ta/2 – mức tin cậy

s - độ lệch tiêu chuẩn

n – dung lượng mẫu

Phương pháp sử dụng tiêu chuẩn:

Sử dụng tiêu chuẩn quốc tế sau để xác định tính chất của vật liệu

ISO 3841:1977, ISO 1183:2004, ISO 527:1993, ISO 178:1993, ISO 179:1993, ASTM D7031-2004

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Thành phần cấu tạo và cơ chế gia cường của vât liệu polyme

composite

2.1.2 Thành phần cấu tạo

Vật liệu polyme composite gồm có hai thành phần chính là nhựa nền và vật liệu gia cường nhựa nền gồm có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, Vật liệu gia cường gồm sợi polyme, sợi cacbon, sợi thủy tinh, ceramic, kim loại (hình 2.1)

Hình 2.1 Các thành phần cấu tạo vật liệu polyme composite

Yêu cầu của nhựa nền:

- Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt chất gia cường để tạo ra diện tích tiếp xúc tối đa

- Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong quá trình kết dính

- Có khả năng tương hợp với chất gia cường

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra do sự co rút thể tích khi thay đổi nhiệt độ

- Có chứa các nhóm hoạt động hoặc nhóm phân cực

- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường

- Bền với môi trường vật liệu làm việc

Một số loại nhựa nhiệt rắn sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu composite phổ biến như: polyeste không no (PEKN), epoxy (EP)

+ Polyeste không no (PEKN), có các đặc điểm như: dễ gia công ở điều kiện thường, tính chất cơ lý trung bình, giá thành thấp Nhưng độ co ngót cao khi đóng rắn, styren thoát ra nhiều trong quá trình gia công

+ Nhựa Epoxy (EP): có ưu điểm là loại nhựa nền nhiệt rắn có tính năng cao nhất như bám dính tốt với nhiều loại vật liệu, độ co ngót thấp, sau khi gia công tạo sản phẩm có độ bền cơ học cao, bền hóa chất đặc biệt là bền kiềm, cách điện tốt và bền nhiệt Tuy nhiên giá thành nhựa EP rất cao

b Nền polyme nhiệt dẻo:

Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa mà dưới tác dụng của nhiệt độ thì chuyển sang trạng thái mềm cao hay chảy mềm và khi hạ nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ hóa thủy tinh thì chuyển sang trạng thái rắn ban đầu và quá trình này

có khả năng lặp lại

So với nhựa nhiệt rắn thì nhựa nhiệt dẻo, thông thường có độ bền cơ học

và chịu nhiệt kém hơn Quá trình gia công nhựa nhiệt dẻo đòi hỏi nhiệt độ, áp suất cao Độ nhớt khi nhựa nóng chảy vẫn còn cao, khó thấm ướt cốt liệu Tuy nhiên nhựa nhiệt dẻo hiện đang được quan tâm ngày càng nhiều vì có các ưu điểm sau:

+ Nguyên liệu sẵn có, giá rẻ

+ Dễ gia công hàng loạt theo phương pháp đúc phun, đúc đùn, chu kỳ gia công ngắn, năng suất cao, do đó giá thành hạ

+ Độ bền va đập cao, độ hấp thụ ẩm thấp, độ bền hóa chất của polyme kết tinh một phần rất tốt

+ Độ độc hại thấp, không chứa các tác nhân phản ứng

+ Bán sản phẩm dễ bảo quản, không hạn chế thời gian

+ Có thể thu hồi và tái sinh phế liệu do có khả năng nóng chảy và hòa tan trở lại

Nhựa nhiệt dẻo gồm 2 nhóm:

+ Nhựa nhiệt dẻo thông thường: PE, PP, PVC,… có đặc tính trung bình, giá rẻ, thích hợp sản xuất với sản lượng lớn, ứng dụng cho mục đích đơn giản không yêu cầu chất lượng quá cao, như: thiết bị văn phòng, đồ dùng gia đình, tiện nghi trong ôtô, vật liệu xây dựng,…

+ Nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật: polyamit (PA), polyimit, polyphenylenoxit (PP0), polyaxetal,…bền nhiệt cao, bền cơ học cao, giá thành tương đối đắt, thích hợp dùng cho các mục đích đặc biệt yêu cầu đặc tính cao

Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền như: polyetylen (PE), polypropylen (PP)

n Hiện nay, ở nước ta việc nghiên cứu và ứng dụng nhựa nhiệt dẻo PE làm nhựa nền cho vật liệu composite đang là hướng đi mới mở rộng lĩnh vực sử dụng vật liệu composite Ưu điểm của nhựa PE: rẻ, độ độc hại thấp và đặc biệt có thể tận dụng nguồn nhựa PE phế liệu lớn

b Propylen (PP)

PP là sản phẩm của phản ứng trùng hợp khí propylen, được thu từ khí cracking dầu mỏ hoặc từ sản phẩm dầu mỏ Khống chế điều kiện cracking (t0,

p, t, chất xúc tác, ) ta có thể thu được propylen và etylen Dùng phương pháp làm lạnh để tách propylen Tùy vào điều kiện trùng hợp, loại xúc tác khác nhau mà ta thu được nhựa có cấu trúc khác nhau

Khi trùng hợp propylen với xúc tác Ziegler-Natta thu được polyme điều hòa phần lớn là isotactic, một phần nhỏ syndiotactic và atactic PP isotactic có

tỷ khối không lớn (0,842 ÷ 0,914g/cm3), nhiệt độ nóng chảy cao (160÷1700C) phụ thuộc vào mức độ kết tinh

Công thức cấu tạo của PP:

Mỗi mắt xích của PP có một nhóm (– CH3) nên mạch cứng hơn PE vì thế

độ bền cơ, bền nhiệt lớn hơn PE

Nhựa PP có nhiều loại nhưng nói chung có tính năng cơ lý cao hơn PE Loại đặc biệt chuyên dùng cho chi tiết sản phẩm công nghiệp, chi tiết nhựa trong xe máy, ôtô, điện tử, máy giặt… các loại khác có ứng dụng tương tự PE

2- Chất gia cường

Chất gia cường trong vật liệu polyme composite có tác dụng chịu ứng suất tập trung do nền polyme chuyển đến Do vậy, chất gia cường làm tăng độ bền cho vật liệu

Yêu cầu đối với vật liệu gia cường:

- Tính gia cường cơ học tốt

- Tính kháng hóa chất, môi trường cao và chịu nhiệt

- Tỷ trọng nhỏ

- Phân tán vào nhựa tốt (tính tương thích)

- Truyền nhiệt, tản nhiệt tốt

- Thuận lợi cho quá trình gia công

- Giá thành hợp lý

- Có ảnh hưởng tốt tới môi trường

Tùy theo yêu cầu của từng loại sản phẩm cụ thể mà ta lựa chọn vật liệu gia cường thích hợp

Chất gia cường có hai dạng: Dạng bột (hạt), dạng sợi Thông thường vật liệu PC được gia cường bằng chất độn dạng sợi có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu PC được gia cường băng chất độn dạng hạt Tuy nhiên từng mục đích sử dụng cuối cùng của sản phẩm người ta sẽ lựa chọn dạng và hàm lượng chất độn cho phù hơp nhằm đáp ứng cả hai khía cạnh là đặc tính kỹ thuật và kinh

tế

a Chất gia cường dạng sợi:

Chất gia cường này thường làm cho vật liệu tăng khả năng chịu tải của sản phẩm Các loại sợi gia cường sử dụng phổ biến như: sợi tổng hợp (sợi thủy tinh, sợi cácbon, sợi aramit (sợi kevlar), sợi thực vật (sợi đay, tre, dứa…)

Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu composite nói chung, vật liệu PC sợi thực vật ngày càng được các nhà khoa học và công nghệ quan tâm do chúng có các đặc điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Khối lượng riêng của sợi thấp, dẫn đến độ bền và độ cứng riêng của sợi cao hơn sợi thuỷ tinh, đặc biệt thích hợp để thiết kế các chi tiết chịu uốn + Sợi thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo và dồi dào Quá trình sản xuất đòi hỏi ít năng lượng

+ Có thể triển khai sản xuất với vốn đầu tư thấp, giá thành sản phẩm hạ

Vì vậy, đây là loại vật liệu đáng quan tâm đối với các nước đang phát triển + Dễ gia công, không mài mòn thiết bị, không gây kích thích da

+ Phế thải sau khi sử dụng có khả năng phân huỷ sinh học, dễ phân huỷ hoàn toàn bằng nhiệt, trong khi sợi thuỷ tinh rất khó xử lý Do đó, không gây tác động xấu đến môi trường sinh thái

- Nhược điểm:

+ Độ bền thấp hơn vật liệu PC sợi thuỷ tinh Tuy nhiên, có thể nâng cao

độ bền cho vật liệu bằng cách lai tạo sợi thực vật với sợi thuỷ tinh

+ Sợi thực vật dễ hấp thụ ẩm làm trương sợi, giảm độ bền và tuổi thọ của sản phẩm Có thể khắc phục bằng cách sơn phủ bề mặt vật liệu hay axetyl hóa

bề mặt sợi

+ Nhiệt độ gia công chỉ hạn chế dưới 2000C

Gần đây, việc sử dụng các kỹ thuật gia công phù hợp, xử lý sợi và sử dụng các chất trợ tương hợp hoặc chất liên kết đã chế tạo ra vật liệu PC sợi thực vật có các tính chất tối ưu cho các ứng dụng đặc biệt

Các sản phẩm từ vật liệu PC sợi thực vật đã được thương mại hoá, đặc biệt là trong ngành vật liệu xây dựng và ngành công nghiệp ô tô Các composite này có khối lượng riêng ~ 1,1 g/cm3, độ bền va đập ~ 25 KJ/m2, hấp thụ âm thanh tốt và đang được một số công ty hàng đầu sử dụng

Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi thực vật được chia thành các nhóm:

- Sợi lấy từ vỏ, thân cây: sợi đay, sợi lanh, sợi tre, sợi nứa, sợi gỗ

- Sợi lấy từ lá: sợi dứa, sợi sisal, sợi dứa dại

- Sợi lấy từ quả, hạt: sợi bông (cotton)

b Chất gia cường dạng hạt:

Chất gia cường dạng hạt được sử dụng trong vật liệu polyme composite với mục đích tạo cho vật liệu có tính đẳng hướng và chịu ứng suất tập trung Hình dạng, kích thước, bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt trong vật liệu polyme composite có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành

Chất gia cường dạng hạt được sử dụng trong những ứng dụng yêu cầu về

độ bền không cao thường được sử dụng để làm giảm giá thành sản phẩm Trong một số trường hợp dạng hạt được dùng để cải thiện một số tính chất của vật liệu PC như: tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm co ngót Một vài chất gia cường dạng hạt như: bột cao lanh, bột kim loại, vảy mica, bột gỗ,…

2.1.2 Cơ chế gia cường của vật liệu PC

Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường sẽ là những điểm chịu ứng suất tập trung do nền nhựa truyền sang Vật liệu gia cường dạng sợi truyền tải ứng suất tốt hơn dạng hạt do ứng suất tại một điểm bất kỳ trên sợi được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài, nên tại mỗi điểm sẽ chịu ứng suất nhỏ hơn nhiều so với vật liệu gia cường dạng hạt dưới tác dụng ngoại lực như nhau Khả năng truyền tải trọng từ vật liệu nền sang vật liệu gia cường phụ thuộc vào:

- Bản chất vật liệu nền

- Bản chất vật liệu cốt

- Độ bền liên kết ở bề mặt tiếp xúc pha

- Tỷ lệ vật liệu nền/vật liệu gia cường trong composite

- Hình dạng, kích thước của vật liệu gia cường

- Định hướng, phân bố vật liệu gia cường (nếu là sợi)

Quá trình kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường được hình thành trên cơ sở:

- Lực hấp thụ và thấm ướt

- Lực tĩnh điện

- Lực tương tác cơ học

- Lực liên kết hóa học

2.2 Cơ sở lý thuyết về vật liệu composite gỗ từ nhựa polyetylen (PE) tái sinh và bột gỗ

2.2.1 Nguyên lý hình thành

Vật liệu WPC được làm từ phế liệu gỗ và nhựa tái sinh là loại vật liệu composite mới được hình thành trên nền nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PVC ) và cốt là bột gỗ Đây là composite dạng hạt nhựa nhiệt dẻo đóng vai trò là chất kết dính (liên kết) các phần tử bột gỗ với nhau Dưới tác dụng của nhiệt độ và

áp suất ép nhựa nhiệt dẻo sẽ nóng chảy và bao bọc các phần tử gỗ tạo nên sản phẩm WPC Trong trường hợp không có các chất trợ tương hợp thì bản chất liên kết giữa nhựa và gỗ chỉ đơn thuần là liên kết vật lý

Hình 2.2 Cấu tạo composite gỗ nhựa

2.2.2 Thành phần

a PE tái sinh

PE tái sinh được tạo từ polyetylen là sản phẩm của phản ứng trùng hợp etylen Nhựa PE có đặc điểm nổi trội so với các loại nhựa thông dụng khác: khả năng chịu hóa chất, chống thấm, cách điện, đàn hồi cao ở nhiệt độ thường, dễ gia công, độ trong suốt tương đối cao, không mùi, không độc Tuy nhiên PE nhanh bị lão hóa

Tùy theo phương pháp tổng hợp mà nhựa PE thu được có tỷ trọng khác nhau dẫn đến tích chất cơ lý của chúng khác nhau Nhưng nói chung nhựa PE tổng hợp được có tỷ trọng từ 0,91 đến 0,98 g/cm3 và nhiệt độ chảy mềm từ

110 đến 1300C, ở điều kiện thường không hòa tan trong dung môi hữu cơ, ở