Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ nhựa

Nhựa tái sinh kết hợp với bột gỗ sẽ tạo ra vật liệu gỗ-nhựa thay thế cho nhựa nguyên chất và gỗ tự nhiên ở một vài lĩnh vực không đòi hỏi tính năng cơ lý cao như: vách ngăn, ván sàn, đồ

-

NGÔ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC BỘT GỖ

ĐẾN TÍNH CHẤT COMPOSITE GỖ-NHỰA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nô ̣i - 2010

-

NGÔ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC BỘT GỖ

ĐẾN TÍNH CHẤT COMPOSITE GỖ-NHỰA

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

Mã số: 60 52 24

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Vũ Huy Đại

ĐẶT VẤN ĐỀ

Gỗ là loại vật liệu thiên nhiên, gắn liền với đời sống con người mà nhiều loại vật liệu khác không thể thay thế được Sử dụng phế liệu gỗ là xu hướng sử dụng hiệu quả phế liệu gỗ và bảo vệ môi trường Mặt khác tạo vật liệu mới có tính năng ưu việt như độ ổn định kích thước, khả năng chống chịu môi trường,…

Vật liệu gỗ-nhựa (WPC) - dạng vật liệu mới phát triển ở Châu Mỹ, Châu Âu và một số nước Châu Á trong những năm gần đây với tốc độ phát triển công nghệ và ứng dụng trong thực tế rất lớn

Đứng trước tình trạng nguyên liệu ngày càng khan hiếm như vậy đã đặt

ra vấn đề tìm kiếm nguyên liệu mới và sử dụng hợp lý nguồn nguyên liệu gỗ

Bên cạnh đó nước ta hàng năm phải nhập khẩu hàng triệu tấn nhựa và với việc phụ thuộc vào giá nguyên liệu trên thế giới đã làm giá thành sản phẩm tăng, giảm tính cạnh tranh cũng như hiệu quả kinh tế của ngành nhựa Mặt khác, lượng nhựa phế thải khó phân hủy ngày càng nhiều đã gây ô nhiễm môi trường và lãng phí Do đó việc tái sử dụng nhựa là rất có ý nghĩa đối với môi trường và góp phần giảm chi phí sản xuất của doanh nghiệp Nhựa tái sinh kết hợp với bột gỗ sẽ tạo ra vật liệu gỗ-nhựa thay thế cho nhựa nguyên chất và gỗ tự nhiên ở một vài lĩnh vực không đòi hỏi tính năng cơ lý cao như: vách ngăn, ván sàn, đồ gia dụng…

Nghiên cứu sản xuất composite gỗ-nhựa từ gỗ keo tai tượng sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng loại gỗ này và là cơ sở để mở rộng ra với các loại gỗ khác Với mong muốn góp phần nâng cao giá trị sử dụng gỗ và bảo vệ môi trường, để có những kết luận ban đầu về khả năng làm composite gỗ-nhựa từ

phế liệu gỗ keo tai tượng và chất dẻo phế thải, luận văn tốt nghiệp "Nghiên

cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa" đã

được thực hiện

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ

Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điền hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng lignin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc composite lý tưởng

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng [8]

Từ năm 1908, vật liệu composite nền nhựa phenol, formandehide đã được sử dụng với số lượng lớn để sản xuất các thiết bị điện Vào những năm

1930, Slayter và Thomas đã được cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thủy tinh và được Ellis và Foster dùng gia cường cho nhựa polyeste không no (PEKN) Năm 1942, vật liệu composite cốt sợi thủy tinh được đưa vào sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, công nghiệp đóng tàu Năm 1950, chất lượng của vật liệu composite được nâng cao rất nhiều nhờ sự ra đời của nhựa epoxy (EP) và hàng loạt sợi gia cường khác như sợi cacbon, sợi aramit (kevlar), sợi silic… Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học

công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite"

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

gỗ và chất dẻo phế thải có nguồn gốc từ Polypropylen (PP), Polyetylen (PE), Polyvinylchloride (PVC) có tên gọi tiếng Anh là “WPC-wood plastic composite” tạm dịch ra Tiếng Việt là vật liệu composite gỗ-nhựa

Trong công nghệ sản xuất vật liệu gỗ WPC, chất kết dính là nhựa PP,

PE, PVC được phân loại sau đó được nghiền nhỏ và trộn với bột gỗ, trong quá trình nén ép bột nhựa sẽ nóng chảy ở nhiệt độ từ 160-1800C và đóng vai trò là chất kết dính, liên kết bột gỗ, sợi gỗ trong điều kiện có áp lực đủ, sau đó sản phẩm được làm nguội để tạo ra vật liệu composite gỗ-nhựa [17]

Trong những năm gần đây, vật liệu gỗ-nhựa (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 Gần 70 công ty ở Mỹ

và Canada như Trex, Fiber Composite, Nexwood, Kadant Composite, Dura product, Certain Teed sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa trong năm 2002 đạt 1.03 triệu USD; Thị trường phát triển nhanh và năm 2006 đạt 1.95 triệu USD 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 tàu, các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao…

Những lợi thế của vật liệu composite gỗ-nhựa so với các vật liệu khác như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng Trong thành phần của vật liệu composite gỗ nhựa bao gồm một số thành phần như sau: Bột gỗ được nghiền từ phế liệu chế biến gỗ, chất dẻo được nghiền thành mảnh nhỏ, 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 (40-70)% nhựa chất dẻo (60-30)%

Sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa có thể thực hiện bằng các phương pháp ép đùn, ép trong khuôn kín Công nghệ ép đùn có thể tạo ra các sản phẩm rất đa dạng có hình dạng (Profile) khác nhau ở dạng đặc, rỗng Hình dạng sản phẩm phụ thuộc vào khuôn ép trục vít ở trong máy ép đùn Công nghệ tạo vật liệu composite trong khuôn ép kín bao gồm các công đoạn: Tạo bột gỗ, băm nghiền nhựa phế thải, trộn hỗn hợp, trải 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 và chiều rộng và chiều dày thường mỏng, năng suất và mức độ tự động hoá không cao so với ép đùn Trong 3 loại loại chất dẻo phế thải PP, PE, PVC sử dụng để tạo vật liệu composite gỗ nhựa, thì tỷ lệ khối lượng chất dẻo sử dụng để sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa như sau: chất dẻo PE chiếm 70%, PP chiếm 13%, PVC chiếm 17%

Như vậy, công nghệ sản xuất vật liệu gỗ-nhựa từ phế liệu chế biến gỗ

và chất dẻo phế thải đã phát triển rất mạnh trên thế giới, sản phẩm gỗ-nhựa rất

đa dạng và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực: xây dựng, nội ngoại thất, công trình dân dụng, giao thông

Trong công nghiệp chế tạo ôtô: Vật liệu composite được sử dụng nhằm

làm giảm trọng lượng của xe, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ rung, ồn cho xe Bên cạnh đó sử dụng vật liệu composite còn có tác dụng giảm bớt nguy hiểm cho người sử dụng xe khi gặp nguy hiểm Hiện nay loại vật liệu này được ứng dụng làm một số bộ phận trong ôtô như: vỏ, trần, nội thất…

Trong công nghiệp đóng tàu: So với các vật liệu như kim loại thì vật

liệu polyme composite (PC) có những ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu đóng

tàu như tỉ trọng thấp, có khả năng cách điện tốt, đặc biệt là bền trong môi trường hóa chất và nước biển…Hiện nay trong ngành đóng tàu vật liệu composite đang được sử dụng để sản xuất một số chi tiết như: thân tàu, cột buồm, thùng chứa, ca nô cứu sinh…

Trong công nghiệp xây dựng: Vật liệu composite được ứng dụng để sản

xuất các sản phẩm với nhiều chủng loại như: tấm lợp, thanh chịu lực, ống dẫn…

Ngoài ra composite rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích Nhờ ưu điểm này, gần đây vật liệu composite đã được sử dụng để thay thế kim loại trong các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng Người ta có thể phủ lên mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại

Tính ưu việt của vật liệu composite : Tùy vào từng loại vật liệu polyme composite khác nhau mà nó có các tính chất ưu việt khác nhau như:

+ Hệ số phẩm chất cao, khối lượng riêng nhỏ, tính năng cơ lý riêng cao hơn thép và các vật liệu truyền thống khác (thủy tinh, gốm sứ, gỗ…)

+ Có khả năng chống chịu môi trường cao, kháng hóa chất, không tốn kém trong bảo quản và chống ăn mòn, không cần sơn bảo quản như vật liệu kim loại, gỗ

+ Cách điện, cách nhiệt

+ 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

+ Giá thành không cao

Tính chất và ứng dụng của polyme composite: Độ bền và độ chắc cao của vật liệu polyme composite làm cho các chi tiết chuyển động như bánh xe,

trục quay có khả năng hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với các chi tiết làm bằng hợp kim Điều đó có nghĩa là năng lượng tích tụ trên một đơn vị trọng lượng cao hơn Khác với các vật liệu truyền thống, sự phá hủy của vật liệu polyme composite khi đạt đến tải trọng tới hạn không xảy ra tức thời, nghĩa là không xảy ra hư hỏng thảm họa Vật liệu polyme composite tiếp tục biến dạng mà vẫn duy trì được khả năng làm việc ở các tải trọng thấp hơn tải trọng phá hủy Một cơ chế phá hủy như vậy của các vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi đảm bảo cho các chi tiết làm việc với độ tin cậy cao

Vật liệu gỗ-nhựa là một loại vật liệu có thành phần cơ bản là sợi gỗ kết hợp với chất dẻo (PP, PE…) và các phụ gia khác

Vật liệu gỗ-nhựa có đặc tính gần giống như gỗ tự nhiên nhưng khắc phục được những nhược điểm của gỗ tự nhiên như độ bền cao, cong vênh, nứt

nẻ nhất là trong những điều kiện khí hậu nóng ẩm ở những nước nhiệt đới 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

Khi gia công vật liệu gỗ-nhựa có thể sử dụng những công cụ giống như đối với gỗ: bào, đục, cưa, khoan, chạm….Các sản phẩm vật liệu gỗ-nhựa có thể được sử dụng với đinh, vít, ghim, kẹp và có thể giữ móc tốt hơn gỗ, có thể dùng keo đặc biệt để dán các mối nối

Nhờ những ứng dụng thay thế gỗ tự nhiên, sử dụng loại vật liệu này thân thiện với môi trường Vật liệu gỗ-nhựa tiêu thụ ngày càng nhiều ở Mỹ, châu Âu và nhiều nước công nghiệp tiên tiến trên khắp thế giới

Một trong những loại sản phẩm từ vật liệu gỗ-nhựa đang được ưa dùng

là ván sàn Composite nhựa gỗ Sự tăng trưởng của ván sàn vật liệu gỗ-nhựa ở Bắc Mỹ từ 1% vào giữa thập niên 90 cho đến nay đã vượt 20%

Mỹ là nước áp dụng các công nghệ tiên tiến trong việc sản xuất vật liệu gỗ-nhựa, loại vật liệu này ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp

làm sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tường và ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí

Nhờ những đặc tính ưu việt mà WPC được dùng để thay thế 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 1.1 Các công trình được làm từ WPC

Hình 1.3 Một số profiles của sản phẩm composite gỗ-nhựa

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và

ấm vào mùa đông

Ở nước ta tại Hà Nội, vào những năm 1972-1973 bắt đầu sử dụng composite trên cơ sở nhựa Epoxy (EP) gia cường bằng sợi thủy tinh Từ năm

1986 đến nay, vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thủy tinh đã phát triển trong cả nước với nhiều sản phẩm nổi bật: vòm che máy bay (1996-1999), bồn chứa, lớp bọc chống ăn mòn, vách nhà làm từ tre và bùn ao trộn với rơm, thuyền tre trát sơn trộn mùn cưa…

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…

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 Các loại chất dẻo phế thải PP, PE

và chất thải khác chiếm khối lượng lớn trong thực tế từ các đồ dùng bằng nhựa trong cuộc sống đã được tái sử dụng bằng cách băm nghiền nhựa và tạo

ra các hạt nhựa tái sinh để sử dụng trong công nghệ sản xuất các sản phẩm nhựa mới Hiện nay rất nhiều cơ sở làng nghề đã thu gom nhựa phế thải và thực hiện việc tái chế theo hướng này

Hàng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nước ta phải nhập khẩu từ 3.5 - 4 triệu m3 gỗ tròn, trong khi đó lượng phế liệu trong cưa xẻ gỗ thường dao động từ 11-12% thể tích của cây Lượng phế liệu trong sản xuất chế biến

gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu, kích thước tạo sản phẩm, công suất thiết bị và thường chiếm tỷ trọng từ 45-63% thể tích nguyên liệu Như vậy có thể thấy, lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu, lãng phí

và ảnh hưởng đến tỷ lệ lợi dụng gỗ cũng như 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 thởi bảo vệ được môi trường?

Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của đồ dùng trong sinh hoạt ở tất cả các lĩnh vực rất đa dạng và phong phú Phế liệu có nguồn gốc từ Popypropylen (PP) bao gồm vỏ ắc quy, dụng cụ y tế, túi đựng, màng công nghiệp; nguồn gốc từ Polyethylene (PE) bao gồm chai lọ, dụng cụ y tế, màng bọc, túi đựng thực phẩm, màng đóng gói; nguồn gốc Polyvinylchloride (PVC) bao gồm: ống nước, các sản phẩm hình (profile), vỏ cáp điện, màng dày, tấm lát sàn, ống mềm…Số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải trong toàn quốc chưa được thực hiện, 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 Mặc dù lượng nhựa này vẫn được sử dụng một phần tái chế tạo ra nhựa tái sinh để sản xuất các sản phẩm nhựa, tuy nhiên nếu lượng nhựa phế thải này được thu gom, phân loại, xử lý, tái chế thì

sẽ là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất một khối lượng lớn vật liệu composite gỗ-nhựa dùng trong các lĩnh vực xây dựng, nội thất, công trình dân dụng…

Nguồn nguyên liệu (phế liệu chất dẻo và phế liệu gỗ) để sản xuất vật

liệu composite gỗ - nhựa có tiềm năng rất lớn Các kết quả nghiên cứu và tình hình sản xuất vật liệu composite gỗ - nhựa từ phế liệu gỗ và phế liệu chất dẻo

có thể thấy rằng, sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa là xu hướng công nghệ hiện đại, 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 composite gỗ - nhựa từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải là xu hướng mới, hiện đại 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 composite gỗ nhựa trên nền nhựa nhiệt dẻo có thể bằng các phương pháp ép phẳng, ép đùn, ép phun Công nghệ

áp dụng hiện nay chủ yếu là công nghệ ép đùn để tạo ra các sản phẩm composite có các profile khác nhau Tuy nhiên, giá thành đầu tư một dây chuyền công nghệ và thiết bị sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa bằng phương pháp ép đùn rất cao trị giá từ 400.000 USD đến 1.500.000 USD phụ thuộc vào công suất của dây chuyền (công suất từ 50 kg/h – 650 kg/h) Tại Nga, Đức đã phát triển công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa bằng phương pháp ép khuôn, sản phẩm chủ yếu là các tấm phẳng có chiều dày không lớn từ 3-20 mm dùng để làm vách ngăn, ván phủ, các chi tiết đồ mộc Sản phẩm composite gỗ - nhựa có chiều dày khác nhau từ 4mm đến 40

mm, khối lượng thể tích có thể đạt tới 1140 kg/m3 có rất nhiều ưu điểm như: tính ổn định kích thước cao, khả năng chống sinh vật hại 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, nhà ở, đồ gỗ nội thất, vật liệu trang trí…Mặt khác dây chuyền sản xuất composite gỗ - nhựa rất phù hợp với sản xuất quy

mô nhỏ, vốn đầu tư thấp, sử dụng nguyên liệu là các phế liệu trong công nghiệp gỗ và công nghệ chất dẻo

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, 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

- Trong ngành Giao thông - vận tải, vật liệu 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, gân, 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 composite cao cấp dùng trong công nghệ hàng không vũ trụ, dụng

- Loại nhựa phế thải PE là HDPE (High-density polyetylen)

- Loại nhựa phế thải PP (Polypropylen)

- Phế thải gỗ (Mùn cưa gỗ keo tai tượng) Bột gỗ có 3 cấp kích thước là

<0.3mm; 0.3-0.45mm và 0.45-0.9mm Kích thước bột gỗ được xác định theo

[17] Về sự biến đổi tương đương giữa mesh và đường kính hạt hay kích thước bột gỗ; Mesh là số dây kim loại đan lưới trên 1inch, mesh càng cao, lỗ lưới càng nhỏ

- Cố định tỷ lệ khối lượng giữa bột gỗ/nhựa PP là 70/30, % [17]

- Cố định tỷ lệ khối lượng giữa bột gỗ/nhựa PE là 60/40, % [17]

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu

- Mùn cưa gỗ Keo tai tượng, khai thác tại Hòa Bình

- Nhựa tái chế PP, PE

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa PP

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa PE

1.6 Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu

1.6.1 Phương pháp kế thừa

Kế thừa một cách có chọn lọc các tài liệu và công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới có liên quan đến công nghệ tạo composite gỗ-nhựa

1.6.2 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

1.6.3 Phương pháp xử lý số liệu bằng thống kê toán học

Áp dụng phương pháp xử lý số liệu thống kê thông thường (Giá trị trung bình, sai quân phương, hệ số biến động, hệ số chính xác, sai số tuyệt đối của ước lượng) phân tích các kết quả đạt được

1.6.4 Phương pháp thực nghiệm

Sử dụng phương pháp bố trí thực nghiệm đơn yếu tố để xác định ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất của composite gỗ-nhựa

+ Yếu tố cố định: - Loại nhựa PP và PE (HDPE), chế độ ép đùn tạo hạt

nhựa, ép đùn tạo hạt gỗ-nhựa, ép phẳng trong khuôn kín hạt gỗ-nhựa để tạo composite gỗ-nhựa

Số lần lặp: n=10/seri thí nghiệm

Áp dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý các kết quả đạt được

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa làm cơ sở để lựa chọn kích thước bột gỗ phù hợp cho sản xuất composite với tính chất đáp ứng theo yêu cầu và mục đích sử dụng

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Giới thiệu chung về vật liệu polyme composite

2.1.1 Khái niệm polyme composite

Composite là tên gọi chung của các vật liệu được tạo nên bởi sự pha trộn các thành phần riêng lẻ trước khi sử dụng và chế tạo cụ thể Những thành phần riêng lẻ này nếu chỉ mình nó thì đặc tính và công dụng hoàn toàn khác Nhưng khi chúng kết hợp với nhau trong một quy trình hợp lý thì sẽ tạo nên một loại vật liệu có đặc tính sức bền cơ lý cao hơn hẳn Đó chính là vật liệu composite Nói cách khác composite là loại vật liệu đa thành phần [5]

Theo Enikolopyan, vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau Trong đó pha liên tục còn gọi

là pha nền (matrix) Pha thứ hai là pha gia cường được phân bố gián đoạn được bao bọc bởi nền [14]

Vật liệu polyme composite là một hệ thống cấu trúc của polyme gia cường bằng sợi gồm ba cấu tử quan trọng Cấu tử thứ nhất là vật liệu sợi làm nhiệm vụ gia cường và truyền lực vào vật liệu lớp Những sợi này được lèn chặt vào pha liên tục của cấu tử thứ hai là polyme Cuối cùng, cấu tử thứ ba là chất liên kết (coupling agent) có tác dụng làm tăng độ bám dính giữa sợi và nhựa Mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu polyme composite

Sợi hay nhựa đứng riêng biệt đều không dùng được cho vật liệu kỹ thuật Tuy nhiên, nhựa là chất kết dính tuyệt vời và truyền lực tốt đến các sợi gia cường

Sợi phải dài và mảnh, tỷ lệ chiều dài trên đường kính (l/d) được biết như một tỷ lệ hình thức và tỷ lệ đó vượt quá một trăm thì sợi có khả năng sử dụng làm chất gia cường Cần lưu ý, do có dư nhiều đoạn sợi vụn nên vùng bề

mặt của sợi là rất lớn Những loại sơi thương mại có đường kính nhỏ hơn

20 m, khoảng 1/10 so với đường kính tóc phụ nữ, cho phép xếp chặt hàng triệu sợi vào 1cm3, ứng với diện tích bề mặt lớn hơn 1m2 có khả năng kết dính với nhựa nền

Nhựa nền là vật liệu đẳng hướng (isotropic) cho phép chuyển tải trọng giữa các sợi Ngoài ra, nhựa nền còn bảo vệ cho sợi khỏi bị mài mòn, ngăn chặn tác động của ẩm, hóa chất và oxy hóa Nhựa nền còn đóng vai trò chủ đạo trong việc bảo đảm tính chất chịu nén, ứng suất trượt và ứng suất cắt Các loại nhựa nền phổ biến nhất là polyeste không no, vinyleste và epoxy

Hiện nay, khoảng 98% vật liệu polyme composite bán ra thị trường chứa các loại sợi gia cường như thủy tinh, cacbon và aramit [6]

Vật liệu composite nói chung là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều cấu tử khác nhau tạo ra vật liệu mới có các tính chất kết hợp từ những ưu

điểm của các thành phần ban đầu

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 Tính chất của các pha thành phần được kết hợp tạo nên tính chất của composite Tuy nhiên, tính chất của composite không bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm Như vậy, vật liệu PC là vật liệu kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác nhau

và có tính chất mà các cấu tử ban đầu không có

Tính chất của vật liệu PC phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là: nhựa nền có tác dụng liên kết các chất gia cường ở dạng sợi, vảy hay bột và là tác nhân truyền ứng suất sang vật liệu gia cường (yếu tố thứ hai); thêm vào đó là yếu tố tác nhân liên kết làm tăng khả năng liên kết giữa chất gia cường và nhựa trên

bề mặt phân chia pha cũng là yếu tố quyết định đến tính chất của sản phẩm thu được.[1]

Khi sử dụng vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi có môđun cao sẽ giảm được mômen quán tính ở tốc độ tới hạn của các trục quay và do

đó giảm được số lượng các gối hay ổ đỡ trung gian, hoặc cho phép trục quay làm việc với tốc độ cao hơn

Tính chịu va đập, bao gồm cả ứng suất dư và ứng suất phá hủy của các vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi aramit là tuyệt vời Hơn nữa, sợi aramit có thể kết hợp với các sợi cacbon hoặc thủy tinh để tối ưu hóa năng lượng hấp thụ và các yêu cầu khác, kể cả giá thành

Giảm tiêu hao năng lượng do độ bền và độ chắc được nâng cao cho phép các vợt tenis composite sợi cacbon tạo cho quả bóng có vận tốc cao hơn

Chống ăn mòn là đặc tính của vật liệu polyme composite dựa vào việc lựa chọn loại nhựa thích hợp

Tính ổn định kích thước của các kết cấu từ vật liệu PC là điều kiện rất quan trọng để ứng dụng trong thiết bị X-quang, máy công cụ, máy đo tế vi (micrometer), cánh tay robot, kính viễn vọng, thiết bị lạnh…

Các chi tiết và liên kết tiêu chuẩn từ vật liệu PC có thể sản xuất nhanh

và kinh tế hơn so với trường hợp dùng kim loại Đồng thời dễ thay thế hơn

Vật liệu PC có khả năng chịu khí hậu tốt trong môi trường biển Nhờ độ bền và tính chống ăn mòn cao nên giảm được thời gian bảo hành so với các kết cấu gỗ hay kim loại Tuy nhiên, cần có xử lý đặc biệt để vật liệu polyme composite chịu được bức xạ tử ngoại

Có thể tạo nên vật liệu PC dẫn điện nếu sử dụng composite sợi cacbon phủ niken

Vật liệu PC có khả năng cách âm và giảm sóc tuyệt vời Độ rung về âm thanh và cơ học có thể giảm 10% so với kim loại

Tính chất ma sát và mài mòn của vật liệu PC gia cường bằng sợi cacbon là rất tốt Hệ số ma sát của composite cacbon trên thép chỉ bằng 40%

so với thép có bôi trơn

Tính tích tụ nhiệt thấp của composite cacbon-cacbon cùng với độ ổn định kích thước, nhẹ và hệ số ma sát cao đã cho phép sử dụng làm má phanh cho máy bay và ôtô đua

Dễ thao tác và vận chuyển do nhẹ Rất nhiều sản phẩm có thể sách tay hay tháo rời từng phần để vận chuyển dễ dàng

Vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi thủy tinh có tính trong suốt điện tử (electronic transparancy) nên được sử dụng rộng dãi để làm các vòm che rada và các hệ thống báo động khác

Giảm được phế liệu (hay tăng hiệu suất sử dụng nguyên liệu) vì các chi tiết và kết cấu từ vật liệu polyme composite thường được làm theo đúng hình dáng sản phẩm yêu cầu chứ không phải bằng phương pháp phay, bào, tiện, khoan… như kim loại Tuy nhiên, công nghệ gia công chính xác như luyện kim bột rút ngắn khoảng cách giữa hai loại vật liệu trong vấn đề này

2.1.2 Phân loại composite gỗ-nhựa [1]

2.1.2.1 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 2.1 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…

- 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

2.1.3 Thành phần chính của polyme composite

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 2.2 Composite cốt hạt

2.1.2.2 Phân loại theo bản chất vật liệu nền

2.1.3.1 Nền polyme [1]

Nền polyme là một trong những cấu tử chính của vật liệu polyme composite, nó đóng vai trò là pha liên tục có nhiệm vụ là chất kết dính, liên kết các chất gia cường với nhau và truyền ứng suất tập trung lên chất gia cường là thành phần chính chịu tác động của ngoại lực Ngoài ra nền polyme còn bảo vệ cho sợi gia cường khi bị mài mòn, ngăn chặn tác động của ẩm, hóa

chất và oxy hóa

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

Polyme composite

Sợi Polyme

Sợi cacbon

Sợi T.tinh

PF

UF

…

PP Aramic Sợi tự nhiên

Modul cao Modul thấp

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra

do sự co ngót 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

- Giá thành phải phù hợp

Trong đề tài đã sử dụng nhựa nền là nhựa 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 nhỏ hơn nhiệt độ hóa thủy tinh thì chuyển sang trạng thái rắn ban đầu và quá trình này có khả năng lặp lại

Composite nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất

dư nảy sinh sau khi tạo sản phẩm rất thấp Ưu điểm của vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo là thời gian gia công tạo sản phẩm ngắn, tạo hình dạng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất, tận dụng được phế liệu nhờ khả năng tái sinh của vật liệu này Nhược điểm, chi phí đầu tư thiết bị cao, gia công ở nhiệt độ cao Nhưng nhược điểm chính của vật liệu này là không chịu được nhiệt độ cao

Tuy nhiên, ngày nay vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi, sản phẩm đa dạng và khả năng tái sinh của chúng

Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo:

- 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 nên giá thành rẻ

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

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

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

- Sản phẩm dễ bảo quản, thời gian sử dụng dài

Nhựa nhiệt dẻo (NND) có thể chia làm hai loại:

- Loại NND kết tinh (hàm lượng tinh thể lớn) như PP, PE Có đặc điểm: điểm chảy mềm rõ rệt, màu mờ đục và độ co ngót cao

- Loại NND vô định hình (polyme có cấu trúc vô định hình là chủ yếu) như PVC, PS, PC, PMMA Đặc điểm chung của loại này có giới hạn chảy mềm rộng, màu thường trong suốt, độ co ngót thấp và các tính chất bền cơ, hóa thấp hơn loại NND tinh thể

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

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 Polypropylen (PP)

PP là sản phẩm của phản ứng trùng hợp khí propylen Tùy vào điều kiện trùng hợp, loại xúc tác khác nhau mà ta thu được nhựa có cấu trúc khác nhau điều

hòa hay không điều hòa

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

2.1.3.2 Chất gia cường [1]

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 và modun 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

Các loại chất gia cường:

a Chất gia cường dạng sợi

Sợi phải dài và mảnh, tỷ lệ chiều dài trên đường kính phải lớn hơn 100 thì sợi đó mới có khả năng sử dụng làm sợi gia cường Sợi thường được sử dụng ở dạng liên tục hoặc gián đoạn và có thể điều chỉnh được sự phân bố, phương nhằm tăng cường cơ tính cho vật liệu

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…)

* Sợi thực vật

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)

Không như các sợi truyền thống có một phạm vi tính chất xác định như sợi thủy tinh, sợi aramit, sợi cacbon, các sợi thực vật có tính chất thay đổi không xác định rõ Trong sợi thực vật, ngoài thành phần chính xenlulo, sợi còn chứa các hợp chất thiên nhiên khác như lignin, sáp Các sợi hình thành từ các vi sợi đơn Các vi sợi đơn gắn kết nhau nhờ lignin Tính chất vật lý của sợi như hàm lượng xenlulo, độ trùng hợp, sự định hướng mạch polyme, và khả năng kết tinh bị ảnh hưởng cơ bản bởi cấu trúc hóa học Các tính chất này thay đổi theo các điều kiện trong suốt quá trình sinh trưởng của thực vật

Ngoài ra, tính chất hóa lý của sợi tự nhiên cũng bị tác động thay đổi bởi phương pháp lấy sợi ra từ cây, trái, bông, chất lượng cây trồng

Xenlulo là thành phần polyme chính của sợi thực vật Đơn vị lặp lại của xenlulo là anhydro-D-gluco-pyranozo chứa 3 nhóm hydroxyl (–OH) Các nhóm hydroxyl này hình thành các liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân

tử Do đó, tất cả các sợi thực vật đều mang bản chất ưa nước cao

Do cấu trúc hóa học của xenlulo có nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo tương tác với nước thông qua việc tạo liên kết hydro Trong khi sợi thủy tinh chỉ có hiện tượng hấp thụ nước trên bề mặt thì sợi xenlulo tương tác với nước không chỉ trên bề mặt mà còn cả bên trong bó sợi Lượng phân tử nước bị hấp thụ phụ thuộc và cân bằng theo độ ẩm tương đối của không khí

Lượng nước hấp thụ phụ thuộc theo:

- Hàm lượng xenlulo trong sợi thực vật Ví dụ sợi sisal chưa rửa kiềm có mức

độ hấp thụ nước ít gấp hai lần so với sợi sisal sau rửa kiềm

- Mức độ kết tinh: tất cả các nhóm hydroxyl trong pha vô định hình là đều tương tác với nước trong khi chỉ vài số ít các nhóm hydroxyl (–OH) trong vùng kết tinh có tương tác với nước Các sợi thực vật có các vùng vô định hình và vùng kết tinh, đồng thời có mức độ tổ chức cao Tỷ lệ vùng kết tinh với vùng vô định hình tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ của sợi thực vật Sợi bông, đay và cây gai có mức độ kết tinh cao nhất (65-70%) nhưng sự kết tinh

của xenlulo chỉ ở mức 35-40% Sự loại trừ dần dần các phần ít trật tự bởi sự hoà tan trong dung môi hay tấn công của vi khuẩn sẽ làm các xenlulo trong vi sợi gia tăng sự trật tự sắp xếp dẫn đến kết tinh cao gần 100%

Sợi thực vật khi ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như: nước, dimetylforamit, dimetylsulfoxyt, tetrahydrofuran, pyridin thì sẽ bị trương nở Các nhóm hydroxyl trong mạch xenlulo của sợi đang trương nở vẫn còn có thể sử dụng tiếp cho phản ứng hóa học khác nhưng các phân tử dung môi phân cực thì bị giữ lại bên trong cấu trúc xenlulo Ngược lại, các môi trường không phân cực như benzen, toluen, xăng thì buộc các nhóm hydroxyl quay vào bên trong cấu trúc của mạch xenlulo Các phân tử dung môi không phân cực này có khả năng thay thế dần dần phân tử dung môi phân cực đang bị giữ lại bên trong bó sợi xenlulo chuyển môi trường từ phân cực sang phân cực thấp hơn Nhờ vậy, nó tạo và duy trì được một môi trường không phân cực bên trong sợi đang trương nở

Sợi thực vật có nhiều khuyết tật như những khúc gấp trên bề mặt sợi và

ở những điểm nối kết Khuyết tật có từ sự xoắn bện các bó mạch xenlulo Một thông số quan trọng của kết cấu hình học là tỷ số kích thước (chiều dài/ đường kính) là một yếu tố có ảnh hưởng đến vật liệu composite Yếu tố này bị thay đổi mạnh do sự chà xát trong suốt quá trình gia công chế biến sợi (đùn, phun)

Ưu điểm của sợi thực vật: có thể tạo ra vật liệu composite tính bền dai

cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng thấp và khả năng phân hủy sinh học Hơn nữa sợi thực vật dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ và triển khai với vốn đầu tư thấp, dễ gia công, không gây kích thích da, không ăn mòn thiết bị Tuy nhiên ở nước ta việc sử dụng nguồn tài nguyên có thể tái sinh này trong vật liệu PC còn hạn chế Do sự không tương hợp giữa sợi thực vật và các

nhựa: sợi thực vật thì ưa nước trong khi đó hầu hết các nhựa sử dụng làm nền thì kỵ nước

Nhược điểm chính của sợi thực vật: là bản chất phân cực cao làm

chúng không tương thích với các polyme không phân cực Ngoài ra, sự dễ hút

ẩm làm cho họ sợi này khó dùng cho các vật liệu composite sử dụng ngoài trời Hiện tại, có một số loại polyme làm nền cho vật liệu composite sợi tự nhiên:

- Nhựa nhiệt rắn: PEKN, EP, phenolformaldehyt, melaminformaldehyt

- Nhựa nhiệt dẻo: polyvinylclorua, polyetylen, polystyren, polypropylen

Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học của chúng Ái lực này liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi

Sự truyền ứng suất ở bề mặt giữa hai pha sợi-nền nhựa được xác định bởi mức độ kết dính Sự kết dính mạnh nhựa-sợi ở bề mặt là cần thiết để truyền hiệu quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua bề mặt Do

đó, để có một cơ tính tốt của vật liệu composite này, sự cải thiện và kiểm soát

tính kết dính ở bề mặt phân chia pha trở thành mối quan tâm đầu tiên của các nghiên cứu ứng dụng sợi thực vật Theo hướng này, bề mặt sợi sẽ được bọc phủ một màng chất liệu có tính tương thích với nhựa nền Màng chất liệu chứa các tác chất gắn kết đóng vai trò như một cầu nối hóa học trung gian giữa nhựa nền và sợi

Việc biến tính cho sợi có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học

Hình 2.4 Một số loại sợi thực vật

b 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 dáng, 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…

2.1.4 Cơ sở lý thuyết về composite gỗ từ nhựa polyetylen (PE) tái sinh, polypropylen (PP) tái sinh và bột gỗ

Mỗi một mắt xích cơ bản của xenlulo có 3 nhóm hydroxyl (một nhóm bậc 1 và hai nhóm bậc 2) Các nhóm này có các phản ứng hóa học: este hóa, ete hóa điển hình của nhóm hydroxyl nhưng phụ thuộc vào vi cấu trúc của từng loại xenlulo (gỗ, sợi) Không có sự khác biệt về bản chất hoạt tính của các nhóm hydroxyl trong xenlulo và các nhóm phân tử hydroxyl nhỏ nhưng khả năng hòa tan và độ kết tinh gây trở ngại lên các nhóm hydroxyl dẫn tới ảnh hưởng đến khả năng phản ứng Các nhóm hydroxyl trong các vùng vô định hình sẽ dễ dàng phản ứng với các chất phản ứng khác nhau

Giống như nhiều polyme hữu cơ khác, xenlulo là một polyme tự nhiên

do đó nó có thể kết hợp với các dạng cấu trúc vật liệu khác Ngoài ra xenlulo luôn giữ được sự ổn định trong môi trường nước trung tính hoặc kiềm nhẹ và một số hợp chất hữu cơ lỏng phân cực khác nhưng bị trương lên trong môi trường này tới một mức độ giới hạn nhất định nào đó

Nói chung mỗi phân tử xenlulo chứa khoảng 3000 mắt xích cơ bản Xenlulo

là một polyme rắn không màu và là chất trơ về mặt hóa học, không hòa tan trong các dung môi thông thường như nước, axeton, ete, rượu…

b Hemixenlulo [15], [16]

Hemixenlulo có thành phần chính là pentoza hay còn gọi là hydratcacbon polysaccarit Khi thủy phân cho đường pentoza có chứa 5 nguyên tử cácbon, pentoza có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và dễ bị thủy phân Pentoza có cấu trúc vô định hình là chủ yếu Thành phần này cần loại

bỏ

Cấu trúc của lignin vô định hình với khối lượng phân tử 4000÷10000,

độ trùng hợp n = 25÷45 Trong lignin có nhiều nhóm chức -OH, -CO, nối đôi nên nó dễ tham gia phản ứng với halogen, axit

d Thành phần vô cơ: chủ yếu là các oxit Kim loại SiO2, K2O, CaO, P2O5, MgO, Al2O3, Fe2O3…

Khối lượng riêng của bột gỗ thấp, khi kết hợp với nhựa nhiệt dẻo tạo ra vật liệu nhẹ hơn gỗ tự nhiên Sản phẩm sau khi sử dụng có khả năng phân hủy sinh học, có thể phân hủy hoàn toàn bằng nhiệt độ không gây tác động xấu đến môi trường Bột gỗ dễ hút ẩm ảnh hưởng đến tuổi thọ của vật liệu Bột gỗ

dễ bắt lửa nên khi chế tạo vật liệu chất dẻo nhựa cần sử dụng phụ gia là chất chống cháy

Gỗ được sử dụng trong vật liệu WPC hầu hết ở dạng bột, sợi rất ngắn hoặc các bó sợi Khối lượng thể tích của bột gỗ nằm trong khoảng 0,4-0,6 g/cm3 Tỷ lệ chiều dài/chiều dày sợi là 3:1 đến 4:1 Sợi dài nâng cao tính chất

cơ học so với sợi ngắn Tỷ lệ chiều dài/chiều dày sợi thông thường là 10:1 đến 25:1 (Ví dụ: l = 3mm, S = 0,2mm (tỷ lệ 15); l = 10mm, S = 0,4mm (tỷ lệ 25)) Khối lượng riêng của bột gỗ là 1,3-1,4 g/cm3, tạo thành tro ở nhiệt độ 525-

5750C [7], [15], [16]

Có rất nhiều loại bột gỗ có thể sử dụng trong quá trình sản xuất vật liệu WPC đặc biệt là có thể sử dụng các phế thải trong công nghiệp gỗ như mùn cưa, vỏ bào, dăm gỗ So với hầu hết các loại vật liệu gia cường khác thì bột

gỗ có giá thành thấp và thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố như tính sẵn có, kích thuớc hạt, khoảng cách vận chuyển Sự phân bố khối lượng càng hẹp, kích thước hạt càng mịn thì giá thành càng tăng Do vậy tuỳ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm mà ta lựa chọn loại bột gỗ thích hợp

2.1.4.2 Nguyên liệu nhựa PP và nhựa PE

a Đặc điểm của nhựa polypropylen (PP) [1]

PP lµ mét polyme m¹ch th¼ng lµ s¶n phÈm trïng hîp cña c¸c monome propylen theo c¬ chÕ trïng hîp gèc, khèi l-îng ph©n tö tõ 6000-15000

* C«ng thøc ph©n tö cña polypropylen:

CH2 C

CH3

H n

- Tính chất đặc trưng của PP:

+ Có khối lượng phân tử trung bình từ 3800 đến 60000

+ Không màu, không mùi, trong suốt và không độc

+ Nhiệt độ nóng chảy của PP là 160  1700C

+ Có thể chịu được tải trọng ở 1400C trong 80 ngày mà không bị phá huỷ

+ Các tạp chất kim loại, hoặc hợp kim chứa Cu, Mn… có ảnh hưởng xấu tới

tính chất nhiệt của PP

+ Khi nhiệt độ nhỏ hơn 1200C PP bắt đầu kết tinh Ở nhiệt độ 1300C PP chưa

bị phân huỷ khi không có tính chất oxy hoá, và chỉ phân huỷ khi đốt nóng nhiều giờ, trong không khí

+ Chịu tia cực tím kém dễ bị lão hoá ngoài ánh sáng Để khắc phục nhược

điểm này người ta thường thêm bột than vào PP

+ Tại nhiệt độ thường PP không tan trong dung môi hữu cơ thông thường, chỉ

trương trong dung môi thơm hoặc dẫn xuất hydrocacbon clo hoá Ở nhiệt độ trên 80oC thì PP bắt đầu hoà tan trong hai dung môi nói trên

+ Trong dung môi phân cực PP rất bền

+ Đối với dầu khoáng và dầu thực vật PP rất bền Hệ số hấp thụ các loại dầu

khoáng và dầu thực vật lên bề mặt PP rất thấp

+ Trong môi trường axit: với H2SO4 80% bền ở nhiệt độ thường, đối với HNO3 đậm đặc PP kém bền

+ Trong môi trường kiềm : PP ổn định tới 1100C

+ Với H2O: PP có độ hấp thụ nước nước rất thấp (0.2%, chủ yếu trên bề mặt,

PP không thay đổi tính chất theo độ ẩm)

+ PP khả năng chịu nhiệt độ thấp kém

+ Chống được ứng suất nứt

+ Bền hơn và cứng hơn HDPE

+ Giá hạ

Do có các tính chất như trên nên PP được sử dụng phổ biến nhất với tỉ

lệ tăng trưởng đạt 12% vào năm 1999

- Các ứng dụng điển hình:

+ Túi đựng rác (LDPE)

+ Bình đựng sữa

b Nhựa polyetylen tái sinh (PE) [1]

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 khí, 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 Công thức phân tử của polyetylen là:

1300C, ở điều kiện thường không hòa tan trong dung môi hữu cơ, ở nhiệt độ cao hay trạng thái nóng chảy của nhựa có thể hòa tan trong xylen, toluen

Phổ biến trên thị trường là hai loại PE tỷ trọng cao (HDPE) và PE tỷ trọng thấp (LDPE)

HDPE: là nhựa PE tỷ trọng cao được sản xuất theo phương pháp áp

suất thấp sử dụng xúc tác Zigler-Natta, Phillip HDPE có cấu trúc mạch thẳng

+ Tính bám dính kém, dễ cháy, không mùi, không vị, không độc

- Ứng dụng của nhựa HDPE:

+ Sản xuất các loại màng: túi xốp, túi đựng hóa chất, thực phẩm…

+ Sản xuất sợi dệt, sợi đơn làm bao dệt, bao che phủ

+ Sản xuất các loại sản phẩm rỗng: chai, lọ, thùng chứa…

+ Sản xuất các loại ống dẫn nước, hóa chất

PE là thành phần chính trong nguồn rác thải nhựa Do những tiện ích và thói quen tiêu dùng nên các sản phẩm nhựa đặc biệt là các bao bì nhựa đang được dùng nhiều, dẫn đến lượng phế thải nhựa trong giác thải ngày càng lớn

Theo thống kết quả thống kê năm 2002 lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội là khá cao chiếm từ 7÷8%, trong đó chủ yếu là bao bì bằng nhựa PE (mỗi ngày có khoảng 120 tấn nhựa phế thải) Hiện tại, Viện Vật liệu xây dựng – Bộ Xây dựng đã nghiên cứu về việc tái sử dụng các loại màng, túi, bao gói từ nhựa PE phế thải Trong báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu “Công nghệ thu gom, vận chuyển, xử lý tái chế rác thải nilon và

chất thải hữu cơ”, TS Mai Ngọc Tâm – Chủ nhiệm đề tài đó khẳng định đề tài của ông sẽ được ứng dụng vào cuộc sống

Quy trình thu gom và tái sinh nhựa PE bao gồm các công đoạn chính sau:

Thu gom → phân loại → xay rửa → sấy → máy đùn → tạo hạt

Tính chất của nhựa PE tái sinh: Nhựa PE tái sinh là nhựa PE đã qua sử dụng một hay nhiều lần nên tính chất của nó sẽ khác nhựa PE nguyên sinh Như nhiệt độ chảy mềm sẽ giảm, chỉ số chảy MI cũng giảm…

2.1.4.3 Phụ gia [1], [17]

Vật liệu WPC không đơn thuần chỉ gồm có bột gỗ và chất dẻo mà còn

có chứa một lượng nhỏ các chất phụ gia để cải thiện đặc tính gia công và tính chất của sản phẩm Các phụ gia đó bao gồm tác nhân kết dính, chất ổn định ánh sáng, chất bôi trơn, bột màu, chất độn, chất chống nấm mốc và côn trùng…

2.1.4.4 Cơ chế tương tác giữa nhựa với bột gỗ [1]

Hình 2.5 Cấu tạo composite gỗ-nhựa

Bột gỗ có thể kết hợp với nhựa nhiệt dẻo tạo ra vật liệu composite có khối lượng riêng lớn, tính năng, màu sắc giống gỗ tự nhiên và khả năng phân hủy sinh học Bột gỗ có thể tạo ra từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ Tuy nhiên sử dụng nó gặp phải khó khăn Đó là sự kém bám dính của bột gỗ trong

Bột gỗ

Nhựa nền