Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu từ vỏ xe phế liệu phối hợp với phế liệu gỗ cao su để tạo ra cốt liệu và vật liệu mới sử dụng trong xây dựng và sản phẩm nội ngoại thất

Từ những vật liệu có sẵn, bằng những phương pháp công nghệ khácnhau có thể tạo được vật liệu mới có tính chất mới ưu việt hơn hẳn so với những tính chấtvốn có của các thành phần tham gia

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

• •

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Vật liệu nghiên cứu 2

1.4.2 Thông số công nghệ: .2

1.4.3 Một số dụng cụ nghiên cứu: 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5.1 Phương pháp chuyên gia 3

1.5.2 Phương pháp kế thừa 3

1.5.3 Phương pháp thực nghiệm 3

1.5.3.1 Kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố 3

1.5.3.2 Kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố 4

1.6 Nội dung nghiên cứu 8

1.6.1 Thiết kế và chế tạo khuôn thí nghiệm dạng tấm dạng sóng (0,6 x 0,6 x 1,0 m) 8

1.6.2 Tạo mẫu cốt liệu mới dạng phẳng từ vỏ xe phế liệu, vỏ xe phế liệu phối hợp các dạng phế liệu khác 8

1.6.3 Tạo mẫu cốt liệu mới dạng sóng từ vỏ xe phế liệu, vỏ xe phế liệu phối hợp các dạng phế liệu khác 8

1.6.4 Nghiên cứu một số thông số công nghệ hợp lý (nhiệt độ, thời gian, lượng keo) tạo vật liệu composite dạng tấm phẳng từ vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp 8

1.6.5 Nghiên cứu thông số công nghệ chế tạo vật liệu composite có thành phần cốt là vỏ xe phế liệu kết hợp dăm gỗ 8

1.6.6 Kiểm tra tính chất cơ học & vật lý của mẫu vật liệu composite dạng tấm phẳng từ vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp 8

1.6.7 Kiểm tra tính chất cơ học & vật lý của mẫu vật liệu composite có thành phần cốt là vỏ xe phế liệu kết hợp dăm gỗ 8

1.6.8 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm 8

1.7 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 8

1.7.1 Lịch sử tái chế vỏ xe phế liệu 8

1.7.2 Khái quát sự phát triển của vật liệu hỗn hợp nhiều thành phần 12

1.7.2.1 Vật liệu composite 12

1.7.2.2 Thành phần của vật liệu composite 13

1.7.2.3 Cấu trúc của vật liệu composite 19

1.7.3 Chất kết dính UF 20

PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 21

2.1 Thiết kế và chế tạo khuôn thí nghiệm dạng tấm sóng (0,6 x 0,6 x 1,0 m) 21

2.2 Nghiên cứu một số thông số công nghệ hợp lý tạo vật liệu composite dạng tấm phẳng từ vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp 22

2.2.1 Cấu tạo của vỏ xe 22

2.2.2 Thành phần hóa học của vỏ xe 22

2.2.3 Điều chế thành phần cốt từ vỏ xe phế liệu 23

2.2.3.1 Phương pháp gia công 23

2.2.3.2 Kích thước và dạng hình học của thành phần cốt từ vỏ xe phế liệu 24

2.2.4 Khối lượng thể tích của dăm vỏ xe phế liệu 25

2.2.5 Độ hút nước, hút ẩm 26

2.2.6 Nhận xét về thành phần cốt từ vỏ xe cao su phế liệu 27

2.2.7 Khả năng dán dính của vỏ xe phế liệu với nhau bằng keo UF 28

2.3 Nghiên cứu công nghệ 30

2.3.1 Tính lượng keo 30

2.3.2 Trị số áp lực ép 30

2.3.3 Khối lượng thể tích của mẫu composite từ vỏ xe phế liệu 31

2.3.4 Nghiên cứu thông số công nghệ tạo mẫu composite 33

2.3.5.1 Chọn thông số công nghệ 33

2.3.5.2 Quy hoạch thực nghiệm 34

2.3.5.3 Thí nghiệm 35

2.3.5.4 Kết quả thí nghiệm 37

2.4 Nghiên cứu công nghệ chế tạo composite vỏ xe và dăm gỗ cao su và công nghệ dán ép ván mỏng lên ván hỗn hợp vỏ xe phế liệu và keo UF 40

2.4.1 Ván mỏng bóc gỗ cao su 40

2.4.1.1 Thông tin về gỗ cao su 40

2.4.1.2 Tính chất cơ lý của gỗ cao su 41

2.4.1.3 Nghiên cứu công nghệ chế tạo composite vỏ xe và dăm gỗ cao su 41

2.5 Kiểm tra tính chất cơ học và vật lý của mẫu vật liệu composite có thành phần cốt là vỏ xe phế liệu kết hợp dăm gỗ 47

2.6 Xây dựng quy trình công nghệ 52

2.6.1 Sơ đồ công nghệ 52

2.6.2 Giải thích sơ đồ công nghệ 53

2.6.2.1 Nguyên liệu 53

2.6.2.2 Trộn đều hỗn hợp 53

2.6.2.3 Trải thảm 53

2.6.2.4 Ván mỏng 54

2.6.2.5 Hoàn thiện sản phẩm 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cân, cân điện tử và Máy kiểm tra tính chất cơ học 2

Hình 1.2 Thước kẹp điện tử hiện số 2

Hình 1.3 Vỏ xe phế liệu và công việc của người lao động thủ công 12

Hình 1.4 a Sơ đồ phân loại thành phần cốt trong composite 17

Hình 1.4b Phân loại composite theo thành phần nền 19

Hình 2.1 Khuôn dạng sóng 21

Hình 2.2 Cấu tạo vỏ ô tô 22

Hình 2.3 Băm vỏ xe 24

Hình 2.5 Mẫu vỏ bánh xe dán dính bằng keo UF 28

Hình 2.6 Các mẫu thử kéo vuông góc 29

Hình 2.7 Ván dăm - composite từ vỏ xe phế liệu 33

Hình 2.8 Khuôn ép nguội, thùng trộn và máy ép thí nghiệm 36

Hình 2.9 (a) Ván ép nhiệt độ 1400C, (b) 1200C 39

Hình 2.10 Độ rỗng trong ván dăm vỏ bánh xe phế liệu 39

Hình 2.11 Khả năng đàn hồi của mẩu ván dăm vỏ bánh xe phế liệu 40

Hình 2.12 Rừng cây cao su và mặt cắt ngang cây 40

Hình 2.13 Bóc ván cao su 41

Hình 2.14 Composite dăm gỗ cao su - vỏ xe chế tạo theo thông số CN hợp lý 48

Hình 2.15 Composite vỏ xe dán mặt bằng ván bóc cao su dày 0,5 mm 52

Hình 2.16 Mẫu vật liệu composite vỏ xe phế liệu, dăm gỗ cao su và keo UF ép theo thông số công nghệ hợp lý 52

Hình 2.17 Sơ đồ công nghệ 53

DANH MỤC BẢNG

•

Bảng 1.1 Mức, bước thay đổi của các thông số thí nghiệm 5

Bảng 1.2 Kế hoạch bố trí thí nghiệm 5

Bảng 2.1 Giá trị trung bình cốt vỏ xe phế liệu 25

Bảng 2.2 Khối lượng thể tích của vỏ xe phế liệu 26

Bảng 2.3 Trọng lượng mẫu vỏ xe sau khi ngâm nước 27

Bảng 2.4 Thí nghiệm khả năng dán dính vỏ xe theo nhiệt độ 28

Bảng 2.5 Kết quả kiểm tra độ bền kéo vuông góc của lớp keo UF dán vỏ xe 29

Bảng 2.6 Áp lực ép ván 31

Bảng 2.7 Khối lượng thể tích tính toán của ván thí nghiệm 33

Bảng 2.8 Mức thay đổi các thông số công nghệ 34

Bảng 2.9 Kế hoạch thực nghiệm 35

Bảng 2.10 Tỷ lệ trương nở chiều dày ván thí nghiệm 37

Bảng 2.11 Độ bền kéo vuông góc ván thí nghiệm 38

Bảng 2.12 So sánh giá trị một số tính chất cơ học của gỗ Cao su nguyên liệu và ván mỏng 41

Bảng 2.13 Độ bền uốn tĩnh mẫu composite theo tỷ lệ dăm gỗ/vỏ xe 43

Bảng 2.14 Mức thay đổi các thông số công nghệ 44

Bảng 2.15 Kế hoạch thực nghiệm với 2 biến số 44

Bảng 2.16 Tỷ lệ trương nở chiều dày mẫu vật liệu thí nghiệm 44

Bảng 2.17 Độ bền kéo vuông góc mẫu vật liệu thí nghiệm 45

Bảng 2.18 Độ bền uốn tĩnh mẫu vật liệu thí nghiệm 46

Bảng 2.19 Mức thay đổi các thông số công nghệ 48

Bảng 2.20 Kế hoạch thực nghiệm dán ván mỏng lên composite vỏ xe 49

Bảng 2.21 Độ sai lệch chiều dày ván phủ dày 0,5mm 50

Bảng 2.22 Độ bền kéo trượt ván thí nghiệm phủ ván dày 0,5mm 50

Bảng 2.23 Độ sai lệch chiều dày ván phủ dày 1,0mm 51

Bảng 2.24 Độ bền kéo trượt ván thí nghiệm phủ ván dày 1,0 mm 51

PHẦN I

MỞ ĐẦU1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, tạo ra vật liệu mới là một trong những nhiệm vụ quan trọng của tiến bộkhoa học kỹ thuật Từ những vật liệu có sẵn, bằng những phương pháp công nghệ khácnhau có thể tạo được vật liệu mới có tính chất mới ưu việt hơn hẳn so với những tính chấtvốn có của các thành phần tham gia vào quá trình tạo nên nó

Tuy nhiên, vật liệu composite không chỉ là những vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, siêuhình dạng mà composite còn là những vật liệu thông dụng như bê tông cốt thép và vánnhân tạo Một nhánh sản phẩm của tổ hợp sản phẩm composite là ván dăm Ván dămtruyền thống được tạo thành từ dăm gỗ và chất kết dính Nhưng cùng với sự phát triển củakhoa học kỹ thuật, thành phần tham gia vào kết cấu sản phẩm ván dăm cũng đã thay đổi

Sử dụng công nghệ truyền thống, thay đổi thành phần tham gia vào kết cấu của sản phẩm

để tạo ra những sản phẩm có tính chất mới cũng là một hướng nghiên cứu và ứng dụng đểtạo ra vật liệu mới

Hiện nay, Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới đang gặp nhiều khó khăntrong việc giải quyết ô nhiễm môi trường do vỏ (lốp) xe cũ thải bỏ Vỏ xe phế liệu khôngcòn sử dụng được trong giao thông, di chuyển của các phương tiện, nhưng vẫn còn độ bềnrất cao, khả năng phân hủy trong tự nhiên lâu đến hàng trăm năm Vì vậy, nó có khả nănggây ô nhiễm tiềm tàng cho môi trường sống của con người Việc nghiên cứu tận dụng vỏ

xe cũ phế thải để sản xuất loại vật liệu mới sẽ đem lại hiệu quả kinh tế và đồng thời đemlại hiệu quả to lớn về mặt xã hội đó là giảm thiểu ô nhiễm môi trường do lốp xe phế thảigây ra

Vỏ xe nói chung, vỏ xe ô tô nói riêng, tự nó đã là một dạng vật liệu composite.Khi không còn sử dụng nữa có thể băm nghiền thành những phần tử có kích thước nhỏnhư kích thước của các dăm Sử dụng những phần tử vỏ xe phế liệu đã băm nghiền thaythế các dăm gỗ, trộn với chất kết dính phù hợp, bằng công nghệ sản xuất tạo ván dăm cóthể tạo ra loại vật liệu composite mới, có những tính năng mới từ vỏ xe phế liệu Với hy

vọng đó chúng tôi đề xuất đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu từ vỏ xe phế

liệu phối hợp với phế liệu gỗ cao su để tạo ra cốt liệu và vật liệu mới sử dụng trong xây dựng và sản phẩm nội ngoại thất”

1.2 Mục tiêu

Tìm các thông công nghệ sản xuất vật liệu mới từ vỏ xe phế liệu và phế liệu gỗcao su và chất kết dính là keo UF

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các thông số công nghệ tạo chế tạo vật liệu composite vỏ xe phế liệu và keo UF(nhiệt độ ép, thời gian ép, lượng keo)

1.4.2 Thông số công nghệ: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chất

lượng vật liệu composite từ vỏ xe phế liệu, dăm gỗ cao su và keo UF

1.4.3 Một số dụng cụ nghiên cứu: Các thí nghiệm bằng các thiết bị đo và dụng cụ thí

nghiệm như máy ép nhiệt, máy trộn, máy tráng keo, máy băm nghiền, sàng phân loại, cânđiện tử, máy sấy

Hình 1.1 Cân, cân điện tử và Máy kiểm tra tính chất cơ học

Hình 1.2 Thước kẹp điện tử hiện số

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp chuyên gia

Phương pháp chuyên gia được sử dụng khi điều tra, khảo sát nghiên cứu về hiện

trạng công nghệ sản xuất ván dăm, khi tạo ván dăm từ vỏ xe phế liệu, và keo UF Các tưliệu, tài liệu có tính lịch sử, tài liệu cung cấp các thông tin tổng quan về kinh tế xã hội, tựnhiên thuộc các vùng lãnh thổ và các kết quả nghiên cứu có liên quan đã được xuất bản,

1.5.3 Phương pháp thực nghiệm

1.5.3.1 Kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố

- Chúng tôi tiến hành các thí nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố nhằmnghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố riêng lẻ: Thời gian ép, nhiệt độ ép đến chất lượngván dăm từ vỏ xe phế liệu và keo UF

- Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành theo các bước sau:

+ Thực hiện thí nghiệm với thông số thay đổi với số mức không nhỏ hơn 4,khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của phép đo giá trị thông số

đó Số thí nghiệm lặp lại n = 3 (theo tính toán)

+ Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của một

số yếu tố đến chất lượng ván dăm từ dăm vỏ xe phế liệu

+ Đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng

tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể

+ Kiểm tra độ tương thích của mô hình theo tiêu chuẩn Fisher

+ Quan hệ giữ các hàm chỉ tiêu Y và các thông số ảnh hưởng xi:

Y = bo + bi xi + bii xi2 (1)Trong công thức: Y - các hàm chỉ tiêu (tỷ lệ co rút, tỷ lệ giãn nở ); xi - giá trị mãhóa của các biến số; bo - hệ số tự do; bi - các hệ số tuyến tính; bii : - các hệ số bậc hai

1.5.3.2 Kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố

Mục đích của kế hoạch đa yếu tố là nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ ép, thờigian ép, đến các tính chất vật lý, cơ học của ván dăm từ vỏ xe phế liệu và keo UF Có rấtnhiều yếu tố công nghệ tham gia vào quá trình sản xuất sản phẩm Tuy nhiên, dựa trên

tính điều khiển được, khả năng tác động mạnh đến chất lượng, năng suất, giá thành của

quá trình sản xuất của của các yếu tố, chúng tôi lựa chọn các yếu tố nghiên cứu như sau:

- Nhiệt độ ép T (0C): mã hóa (X1)

- Thời gian ép T (phút) : ký hiệu (X2)

Các trị số của 2 thông số này lựa chọn trên cơ sở các trị số đã được chọn trong cácnghiên cứu về ván dăm sản xuất từ vật liệu gỗ và thực vật có sôi khác Trong đó, nhiệt độ

có các trị số trong khoảng 120 - 1800C Thời gian có các trị số từ 20 giây đến 90giây/1mm chiều dày Áp suất ép chọn theo khối lượng thể tích ván là 1.75 - 2,1MPa [25]Các chỉ tiêu chất lượng đầu ra của ván dăm chọn trên cơ sở ván dăm cấp 3 loại Adùng cho đồ mộc như sau: độ bền uốn tĩnh ơu=Yi>140 KG/cm2, tỷ lệ trương nở chiều dày

TS = Y3< 12% (TCVN 7754 : 2007 trang 40, 41 bảng 3 và bảng 4) [1]

Có thể diễn tả mô hình khối mô hình nghiên cứu thực nghiệm tạo vật liệu theo sơ đồ

ở dưới đây :

Nhiệt độ ép (0C) b

1 Hộp đen 1 Độ bền uốn tĩnh Mpa/cm3

Thời gian ép (phút) * 1 1 Tỷ lệ trương nở chiều dày (%)

Quan hệ giữa các yếu tố kiểm tra (các yếu tố đầu ra Y) và các biến số (thông sốđầu vào Xi, X2 Xn) là quan hệ hàm số Trong nghiên cứu chế biến gỗ mối tương quan đóthường là mối quan hệ phi tuyến bậc 2 và được mô tả bằng phương trình hồi quy đa thứcbậc hai [5, tr.46]:

Y = b 0 ■ X b i x i 'XX b ij x i x j + X b ii x i (2)

Trong công thức (2): Xi = (Xi - Xio )/ AXi ;

Xi - giá trị mã hoá của các thông số vào; bo - hệ số tự do; bi - các hệ số tuyến tính; bij

(i j) - các hệ số tương tác lặp; bii - các hệ số bậc 2; Xi - giá trị thực của các thông số vào;

Xio - giá trị mức cơ sở của các thông số; AXi - bước thay đổi của các thông số; k - số thông số thí nghiệm; i - các yếu tố, i = 1;2; n

- Các thí nghiệm tiến hành theo kế hoạch thực nghiệm các yếu tố rút gọn (TYR) [5]

- Tổng số thí nghiệm:

N= k(2m + 2m + 1) = 3(22 + 2.2 + 1) = 3.9 = 27 (3)Trong công thức (3):

k - số lần lặp lại (theo tính toán k = 3); m - các biến số thí nghiệm (m = 2) Với 2 biến số thí nghiệm, số thí nghiệm là 9,

Các mức thí nghiệm và bước thay đổi của các thông số thí nghiệm được trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Mức, bước thay đổi của các thông số thí nghiệm

Yếu tố tác

động Ký hiệu

Đơn vịđo

+ Tiến hành các thí nghiệm theo kế hoạch đã lập.

1.5.3.3 Xử lý số liệu

a Phương pháp xử lý số liệu

Phương pháp xử lý số liệu tiến hành theo lý thuyết thống kê toán học:

+ Xác định độ tin cậy của yếu tố nghiên cứu theo tiêu chuẩn Fisher:

-Để kiểm nghiệm “giả định không” so sánh F với Fb, nếu F > Fb thì ảnh hưởng củacác yếu tố là đáng tin cậy Fb - chuẩn Fisher tra bảng với mức ý nghĩa a = 0,05 và 2 bậc tự

tất cả các ước lượng phương sai; N- số điểm thí nghiệm

Nếu giá trị G trong công thức (5) nhỏ hơn hoặc bằng Gb thì các phương sai đượccoi là đồng nhất Gb - giá trị Kohren tra trong bảng với xác suất ấn định a = 0,05 và 2 bậc

tự do (m-1), k Nếu giá trị tính toán: G > Gb thì giả thuyết bị bác bỏ

b Phân tích đánh giá mô hình hồi quy bậc 2:

- Kiểm tra độ tương thích của mô hình hồi quy

Độ tương thích của mô hình hồi quy kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher Giá trị tínhtoán của tiêu chuẩn Fisher là:

F = mS

tt ợ 2

S b

Trong đó: S a2- phương sai tuyển chọn tạo nên do sự chênh lệch giữa các giá trị hàm

tính theo mô hình và giá trị thực nghiệm của nó; S b2- phương sai do nhiễu tạo ra

Bậc tự do ở đây bao gồm: ka = N - k*; kb = N(m-1); m - số lần lặp lại của mỗi thínghiệm

(5)

(6)

Nếu Ftt nhỏ hơn giá trị Fisher tra bảng với bậc tự do ka, kb với mức ý nghĩa a = 0,05thì mô hình tương thích.

- Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy

Mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy kiểm tra theo tiêu chuẩn Student Chuẩn Studentcủa từng hệ số hồi quy tính theo công thức:

- Chuyển phương trình hồi quy sang dạng chính tắc

Để phương trình hồi quy ở dạng đơn giản hơn và phản ánh rõ tính chất hình học của

nó, cần chuyển phương trình hồi quy từ dạng mã sang dạng chính tắc bằng cách rời gốctoạ độ O(x1 = 0, x2 = 0, xk = 0) về điểm đặc biệt: S(xs

1, xs

2,.xs

k) Ở dạng chính tắc phươngtrình hồi quy sẽ là:

Trong công thức (8): ys - cực trị của hàm tối ưu; Xi - các thông số đầu vào theo giátrị mới; Bii - hệ số của phương trình chính tắc; k - số thông số

c Giải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ:

Haimes là người đề xướng phương pháp trao đổi giá trị phụ để giải bài toán tối ưu

đa mục tiêu

Theo Haimes, bài toán tối ưu đa mục tiêu được chuyển về bài toán một mục tiêu như sau:

Y1 -> min

Với điều kiện: Yj(xi) < £j ; j 1 ; j = 1, 2,., m

Hàm mục tiêu được biểu diễn theo phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:

F(xÀ) = Y 1 (x) +ỵ Xji [Y j (x) -8j]; j 1 (9)

Trong công thức 9): Ịji là nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi

Xji = dF/dYj , với x c X và £j > 0Tại điểm tối ưu: Yi(x*, À*) = F (x*, À*) và dF/dxi = 0 và dF/d Àji = 0

k 2

y - y =s B,x

(8)

Từ đó giải hệ (n + m) phương trình:

dF/dxi = 0; i = 1, 2, n

Yj - 6j = 0; j = 1, 2, mĐối với các ẩn Xi và Àji sẽ tìm được các giá trị Xi*, X2*, Xn* xác định cực trị củahàm mục tiêu F Căn cứ giá trị của Àji*, chọn các giá trị £j để tìm lời giải phù hợp

Các số liệu thí nghiệm đo đếm được xử lý theo chương trình xử lý số liệuStagraphic phiên bản 7.0

1.6 Nội dung nghiên cứu

1.6.1 Thiết kế và chế tạo khuôn thí nghiệm dạng tấm dạng sóng (0,6 x 0,6 x 1,0 m)

1.6.2 Tạo mẫu cốt liệu mới dạng phẳng từ vỏ xe phế liệu, vỏ xe phế liệu phối hợp các dạng phế liệu khác

1.6.3 Tạo mẫu cốt liệu mới dạng sóng từ vỏ xe phế liệu, vỏ xe phế liệu phối hợp các dạng phế liệu khác

1.6.4 Nghiên cứu một số thông số công nghệ hợp lý (nhiệt độ, thời gian, lượng keo) tạo vật liệu composite dạng tấm phẳng từ vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp

1.6.5 Nghiên cứu thông số công nghệ chế tạo vật liệu composite có thành phần cốt là vỏ

xe phế liệu kết hợp dăm gỗ

1.6.6 Kiểm tra tính chất cơ học & vật lý của mẫu vật liệu composite dạng tấm phẳng từ

vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp

1.6.7 Kiểm tra tính chất cơ học & vật lý của mẫu vật liệu composite có thành phần cốt

xe có cấu trúc của vật liệu composite với thành phần cốt là sợi kim loại hoặc sợi bố, sợinylon hoặc polyme., với lớp nền là tổ hợp các chất gồm cao su và chất ngoài Hết thờihạn sử dụng, lốp xe cũ bị thay thế nhưng vẫn còn gần như nguyên vẹn tính bền cơ học Vìthế sự phân hủy chúng cực kỳ khó khăn Hằng năm, thế giới thải ra hàng tỷ chiếc vỏ xe

hết khả năng sử dụng, dồn lại nhiều năm lượng vỏ xe phế thải khổng lồ nếu chôn tronglòng đất, hằng trăm năm chúng chưa phân huỷ hết và gây ra ô nhiễm mạch nước ngầm,còn để trên mặt đất lượng vỏ xe phế liệu vừa chiếm diện tích mặt bằng lớn, vừa có nguy

cơ trở thành nguồn gây cháy, nguồn gây bệnh, nơi cư trú của những loài bò sát nguyhiểm Nếu bị đốt cháy để thiêu huỷ thì lại gây ô nhiêm bầu không khí

Vì thế, nghiên cứu tái sử dụng vỏ xe phế thải là một xu hướng tất yếu được nhiềunước thực hiện

Trên thế giới ngành công nghiệp tái sử dụng cao su phế liệu ra đời hầu như cùng lúcvới ngành sản xuất cao su Vào năm 1820, chiếc áo mưa đầu tiên bằng vải tráng cao suđược Charles Macintosh đưa ra thị trường, và một năm sau đã không đủ nguyên liệu đểsản xuất Từ thực tế đó, bắt buộc Charles và các công sự phải tìm kiếm giải pháp cho vấn

đề thiếu hụt nguyên liệu Sau nhiều thử nghiệm, Thomas Hancock một cộng sự củaCharles Macintosh có hướng giải quyết sự thiếu hụt nguyên liệu sản xuất bằng cách táichế lượng phế liệu thải ra từ quá trình sản xuất cao su

Trong quá trình phát triển sản xuất sản phẩm cao su, giải pháp kỹ thuật lưu hoátrong công nghệ chế biến cao su là một bước tiến đột biến đem lại những đặc tính mớinhững sản phẩm đa dạng và mở rộng phạm vi ứng dụng sản phẩm cao su trong nhiều lĩnhvực kinh tế kỹ thuật và của đời sống xã hội Nhưng, chính sự lưu hoá trong sản xuất sảnphẩm cao su làm cho việc tái sử dụng cao su trở nên khó khăn, bất kể chất lưu hoá được

sử dụng khác nhau Bởi vì, chất lưu hóa làm cầu nối giữa các phân tử của cao su, tạothành liên kết ngang trong cấu trúc của sản phẩm cao su tạo nên một khối vững chắc hầunhư không thể làm tan chảy bằng nhiệt để tái tạo ra sản phẩm mới có chất lượng cao.Trong sản xuất lốp xe, cao su tự nhiên phải được lưu hóa - trộn với chất lưu hóa (lưuhuỳnh hoặc chất khác nhưng vẫn gọi là chất lưu hoá) - rồi luyện (theo công nghệ củaCharles Goodyear từ 160 năm trước) Do đó, vỏ xe trở nên rất bền chắc và vỏ xe phế liệu,

dù không còn được sử dụng vẫn giữ nguyên sự bền chắc không kém Vì thế, công nghệtái chế vỏ xe phế liệu thành sản phẩm mới gặp nhiều khó khăn

Vấn đề sẽ trở nên đơn giản nếu như có một giải pháp công nghệ tách được cao su từ

vỏ xe phế thải tạo ra khối cao su mềm gần giống trạng thái cao su tự nhiên và dễ liên kếthơn để tái chế Các nhà khoa học ở nhiều quốc gia khác nhau đã tiến hành hàng loạt cácthí nghiệm, nhưng kết quả đạt được hết sức hạn chế Ví dụ : Công ty The Goodyear Tire

& Rubber (Mỹ) thành lập năm 1898 (đây cũng là công ty của do Charles Goodyear,

người khám phá ra phương pháp lưu hoá cao su năm 1839) đã đăng ký sáng chế về côngnghệ khử lưu hóa cao su trong phạm vi thí nghiệm Công nghệ này đưa ra phương pháp

sử dụng loại dung môi nhẹ có khả năng hòa tan các phân tử cao su mà vẫn giữ được mạchpolyme nguyên vẹn Đó là chất Butanol - 2 siêu tới hạn (tại nhiệt độ 150 - 300oC và ápsuất 1000- 1500 psi), là loại dung môi thích hợp để chiết cao su tự nhiên từ sản phẩm đãqua lưu hóa Công nghệ mới có khả năng phá vỡ các liên kết ngang giữa C - S và S - Shình thành trong quá trình lưu hóa, tách riêng các phân tử cao su khỏi muội than (cacbonđen) - thành phần bắt buộc phải có trong vỏ xe - dầu và lưu huỳnh có trong vỏ xe Theonhư đăng ký phát minh của công ty Goodyear thì cao su tái chế giống hệt như cao su tựnhiên về trọng lượng phân tử và cấu trúc Vì thế, công nghệ này có thể dùng để chế biến

vỏ xe phế liệu thành các sản phẩm mới Nếu công nghệ này nghiên cứu thành công vàđược triển khai ứng dụng vào thực tế thì tỷ lệ thu hồi cao su từ vỏ xe phế liệu đạt 80%.Khi đó, diện tích đất trồng cao su tự nhiên có thể thu hẹp lại và vỏ xe phế liệu trở thànhnguồn nguyên liệu giá rẻ của công nghiệp chế biến cao su Tuy nhiên, giải pháp đó vẫn ởthì tương lai

Đầu thế kỷ 20, giá cao su nguyên liệu (thiên nhiên và tổng hợp) tăng cao Năm 1910giá của 1 ounce (28.35g) cao su tương đương với giá của 1 ounce bạc nên vỏ xe phế liệuđược tại chế nhiều Những dự án tái chế vỏ xe phế liệu đã sử dụng tới 50% lượng vỏ xephế liệu trong khoảng thời gian đầu thế kỷ 20 Nhưng đến năm 1960 thì tốc độ tái sửdụng giảm xuống còn 20%, vì giá dầu mỏ giảm và ngành công nghiệp sản xuất cao sutổng hợp cũng phát triển mạnh khiến cho giá thành của cao su thiên nhiên hạ xuống Đếncuối những năm 1960, sự phát triển của vỏ xe radial đã làm cho ngành công nghiệp tái sửdụng gặp nhiều khó khăn Năm 1995 chỉ có 2% cao su tái sinh được sử dụng cho toànngành công nghiệp cao su

Lượng vỏ xe phế liệu ngày càng tăng do lượng xe sử dụng ngày càng nhiều, nhưng

số lượng vỏ xe phế liệu được tái chế giảm xuống đến mức không đáng kể Lượng vỏ bánh

xe phế liệu được tái sử dụng chỉ khoảng 10%, đốt 40%, còn chất đống và vương vãi trênmặt đất 50% Với lượng vỏ xe phế thải như hiện nay mà tỷ lệ tái sử dụng lại chỉ chiếm10%, thì thực sự là một con số rất nhỏ so với lượng vỏ bánh xe phải đem đi đốt hoặc vứt

bỏ ở những bãi rác Chỉ riêng tại California mỗi năm thải ra 42 triệu lốp xe đã qua sửdụng (1997) Ban quản lý chất thải tổng hợp California (California Integrated WasteManagement Board -CIWMB-) đang cố gắng làm giảm số lượng vỏ xe phế liệu này bằng

việc gom các lốp xe đã thải ra và sử dụng chúng trong việc làm nên các con đường mới,chuyển đổi các sản phẩm phế thải này vào đường bê tông nhựa cao su hóa Đường bêtông nhựa cao su hóa có nhiều lợi thế hơn các đường nhựa thông thường, vì sử dụng cácvật liệu tái chế sẽ êm hơn và bền hơn dưới các tác động làm rạn nứt và đổi màu Ngoài ra,còn tiết kiệm đáng kể trên mỗi dặm đường Vỏ bánh xe phế thải còn được sử dụng để làmsân cỏ nhân tạo và một số công việc khác, nhưng nhìn chung số lượng không đáng kể.Việc nghiên cứu để tách dầu đốt có chất lượng ngang với dầu FO ra khỏi vỏ xe phế thảicũng đã được thực hiện Đây chính là hướng nghiên cứu có giá trị lớn.

Như vậy, việc tái sử dụng vỏ xe phế liệu là vấn đề hiển nhiên và thực sự cần thiếtđối với mỗi quốc gia Chỉ có tái sử dụng lại mới có thể giải quyết được vấn đề vỏ bánh xephế thải như hiện nay Nhiều quốc gia đã ý thức được những tác hại có thể gây ra từnhững vỏ bánh xe bị vứt một cách bừa bãi Họ đã bắt đầu quan tâm đến việc tái sử dụnglại những vỏ xe một phần để giải quyết tình trạng quá tải phế liệu vỏ xe tại các bãi rácnhư hiện nay và một phần cũng do những lợi nhuận mà nó có thể mang lại cho nhiều nhàđầu tư nên ngành công nghiệp này đang từng bước thu hút sự đầu tư Ngày càng nhiềusản phẩm đã được làm ra từ nguồn nguyên liệu là cao su tái sử dụng

Ở Việt Nam: Mặc dù sử dụng công việc tái chế vỏ xe phế liệu ở Việt Nam diễn ra từnhững năm 70 của thế kỷ 20, nhưng các sản phẩm sản xuất chủ yếu bằng phương phápthủ công để phục vụ tiêu dùng hàng ngày và chủ yếu do các làng nghề tự phát thực hiện.Lượng vỏ bánh xe phế liệu được sử dụng tái chế không nhiều Vấn đề ô nhiễm, mầmbệnh và nguy cơ cháy từ các bãi vỏ bánh xe phế liệu vẫn luôn tồn tại Công việc chế tạosản phẩm thủ công từ vỏ bánh xe phế liệu không mang lại thu nhập cao mà còn tổn hạilâu dài đến sức khỏe của người trực tiếp làm việc và cộng đồng

Hình 1.3 Vỏ xe phế liệu và công việc của người lao động thủ công

1.7.2 Khái quát sự phát triển của vật liệu hỗn hợp nhiều thành phần 1.7.2.1 Vật liệu composite

Vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, dưới tác

động của các yếu tố công nghệ tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳnnhững nguyên liệu thành phần ban đầu tham gia trong cấu trúc sản phẩm khi những thànhphần này làm việc riêng rẽ, gọi là vật liệu composite (hay gọi là vật liệu mới).

Composite được ứng dụng và phát triển ngày càng rộng rãi Khi thiết kế, xây dựng,sản xuất bất cứ một loại sản phẩm composite nào thì câu hỏi đầu tiên được đặt ra là kếtcấu và hình dạng của nó? Sau đó là sử dụng vật liệu nào để chế tạo? Có rất nhiều yêu cầu

về đặc tính kỹ thuật và công nghệ hiện đại trong chế tạo sản phẩm mà chỉ có vật liệucomposite mới đáp ứng được Khả năng và đặc tính của vật liệu composite phụ thuộc vào

3 yếu tố chủ yếu: Các vật liệu thành phần của composite, cấu trúc phân bố của chúng, vàcông nghệ chế tạo Thay đổi một trong ba yếu tố đó dẫn đến thay đổi những đặc tính kỹthuật của vật liệu composite Chính sự thay đổi cấu trúc thành phần để nhận được các vậtliệu có tính năng khác nhau như mong muốn là ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite.Composite khi mới xuất hiện được hiểu là vật liệu mới Nhưng định nghĩa vềcomposite bao gồm một nội hàm quá rộng dẫn đến cả những sản phẩm ván sợi, ván dăm,

ván dán cũng được coi là vật liệu composite Theo cách hiểu trên, vật liệu được tạo thành từ vỏ xe phế liệu, gỗ phế liệu và chất kết dính cũng là vật liệu composite.

Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất lâu đời Nhưng trước hết, chínhthiên nhiên đã sinh ra các lớp thực vật thân gỗ có cấu trúc của vật liệu composite đầutiên, bao gồm nhiều sợi xenlulo dài liên kết với nhau bằng lignin tạo nên cấu trúccomposite lý tưởng vừa bền và dẻo Và con người từ 5000 năm trước công nguyên conngười đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênhkhi phơi nắng Người Hy Lạp cổ đại cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làmvật liệu xây dựng Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn vớirơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vềmùa đông

Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệucomposite chỉ đặc biệt phát triển và được giới khoa học quan tâm nghiên cứu với sự xuấthiện của loại vật liệu này trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ vào những năm 1950 củathế kỷ 20 Kể từ đó đến nay khoa học về công nghệ vật liệu composite đã phát triển vượtbậc không chỉ ở Mỹ mà còn ở Liên xô cũ (Nga) và các nước trong khối SNG, TrungQuốc và các nước phát triển như Anh, Pháp, Nhật

Vật liệu composite được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của ngành kinh tế

quốc dân Từ công nghiêp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông, xây dựng.đến các ngànhthuộc lĩnh vực công nghiệp nặng như chế tạo máy, khai thác chế biến dầu khí, đóng tàu,điện lực, hóa chất.Đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ và vật thể bay Năm 1961Liên Xô sử dụng vật liệu composite chế tạo nhiều bộ phận của con tàu vũ trụ lần đầu tiên

do Gagarin bay vào không gian Năm 1987 máy bay thử nghiệm Voyager thuộc tổ hợpHercules Aerospace Company - Mỹ sản xuất nặng chỉ 450 kg được chế tạo từ 100% vậtliệu composite đã thực hiện thành công chuyến bay không nghỉ vòng quanh trái đất Từ

đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới vàthuật ngữ "vật liệu mới" nhiều khi đồng nghĩa với "vật liệu composite" Đến nay, vật liệucomposite bền, nhẹ và có rất nhiều tính chất đặc biệt so với thành phần nguyên liệu banđầu, được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống: Từ công nghiệp dân dụng, y

tế, thể thao, xây dựng, chế tạo máy, khai thác dầu khí, đóng tàu, điện lực, hoá chất Đặcbiệt trong ngành hàng không vũ trụ và chế tạo vật thể bay Rất nhiều nhà khoa học chorằng thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ cao và vật liệu composite

1.7.2.2 Thành phần của vật liệu composite

Cấu trúc của vật liệu composite bao gồm thành phần cốt (vật liệu cốt) và thànhphần nền (vật liệu nền)

a Vật liệu cốt: Gồm có sợi dài (cốt liên tục), sợi ngắn, hạt nhằm đảm bảo cho

composite có những tính năng cơ học cần thiết đồng thời đáp ứng được những đòi hỏi vềkhai thác và công nghệ

Hiện nay thành phần cốt của composite thường dùng là những sợi ngắn, sợi dàiđơn, các dạng sợi tết bện, các cốt lưới, vải, các băng dải sợi, các loại bông, sợi thuỷ tinh,sợi aramit, sợi các bon, sợi bor, sợi bazan, sợi xaphia, sợi cabuasilic, sợi polyetylen, sợithép, vonfram, titan, berili với tính năng cơ lý đã được xác định

Sợi có đường kính lớn hơn 100 micromet là sợi có đường kính lớn, sợi có đườngkính nhỏ hơn 25 micronmet là sợi có đường kính nhỏ

Vật liệu cốt chế tạo composite bao gồm cốt sợi nhân tạo và cốt sợi tự nhiên

* Vật liệu cốt nhân tạo:

- Sợi thuỷ tinh: Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệucomposite - polyme Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt tốt, ổn định với tác dụngsinh hoá, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp

Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình là sợi dài (dạng chỉ) và sợi ngắn Thông thường

sợi thuỷ tinh có dạng hình trụ tròn, nhưng cũng có sợi thuỷ tinh thiết diện ngang hình tamgiác, hình vuông, lục giác.

Sợi thuỷ tinh có ưu điểm nổi trội là giá rẻ, được sử dụng rộng rãi trong sản xuấtcomposite polyme dùng chế tạo tàu tải trọng nhỏ, thuyền, buồm thể thao, thân vỏ ô tô, tuabin của nhà máy thuỷ điện, ống dẫn dầu và nhiều vật dụng khác

- Sợi Bazan: Sợi bazan được chế tạo từ đá bazan là nham thạch do núi lửa hoạtđộng phun trào rồi kết tinh lại Các sản phẩm composite từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoátốt hơn hẳn so với các sản phẩm composite từ sợi thuỷ tinh

Hiện nay từ đá bazan có thể sản xuất sợi liên tục (chỉ), sợi ngắn, bông

- Sợi hữu cơ:

Sợi hữu cơ aramit có độ bền cơ học và modul đàn hồi cao, ổn định nhiệt, bền vađập, không cháy, tính cách điện cao, khối lượng riêng thấp

Phụ thuộc vào thành phần polyme và phương pháp kéo sợi mà nhận được sợi hữu

cơ có khối lượng riêng từ 1410 - 1450 kg/m3 và độ bền kéo từ 70 - 150 GPa Sợi hữu cơgiữ nguyên những đặc tính cơ lý trong khoảng nhiệt độ không quá 1800C, vượt quángưỡng nhiệt độ trên sợi hữu cơ không nóng chảy mà các bon hoá

Vật liệu composite cốt sợi hữu cơ có độ bền khi nén và khả năng tương thích vớinền polyme thường kém hơn so với sợi thủy tinh Nhược điểm chung của sợi aramit là làhút ẩm Sự hút ẩm làm cho các đặc trưng cơ lý giảm khoảng 15 - 20 % Sợi hữu cơ thíchứng tốt với việc dệt thành vải Sau khi dệt những đặc tính ban đầu của sợi còn giữ được90% Vì vậy, để sử dụng sợi hữu cơ làm cốt cho vật liệu composite người ta thường dùng

ở dạng đã dệt thành những loại vải khác nhau

Sợi hữu cơ polyetylen: vào cuối những năm 80 của thế kỷ trước tổ hợp sản xuấtcomposite Spektra (Mỹ), Dainhema (Niudilan) và Tekmilon (Nhật) đã có công nghệ thuđược sợi siêu nhẹ từ polyetylen (khối lượng riêng 0,97 g/cm3), có độ bền tương đương sợiaramit Sợi polyetylen chỉ sử dụng ở môi trường nhiệt độ không cao nhưng chúng rất nhẹ,trơ với các môi trường ăn mòn và nhiều ưu điểm khác nên được sử dụng rộng rãi

Sợi hữu cơ được sử dụng chủ yếu trong sản xuất composite chế tạo thân vỏ tên lửađộng cơ nhiên liệu rắn, các ống, bình chịu áp lực, mũ, găng tay cách nhiệt, mũ - áo giáp,các chi tiết tàu lượn, các thiết bị thể thao và nhiều sản phẩm khác

- Sợi các bon: Sợi các bon được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite donhững ưu điểm vượt trội như: rất nhẹ (khối lượng riêng dưới 2g/m3, chịu nhiệt cao

khoảng vài nghìn độ trong môi trường trơ, hệ số ma sát và dãn nở nhiệt thấp, rất bền vữngvới nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hoá học, những tính chất điện đa dạng từ bándẫn đến dẫn, đặc biệt có độ cứng cao Sợi cac bon có độ bền trung bình 2000 - 4000 MPa,modul đàn hồi 200 - 700 GPa nên composite polyme cốt sợi cac bon cứng hơn cả sắtthép Việc phát hiện ra sợi các bon và đưa chúng vào sử dụng làm thành phần cốt củacomposite đã làm nên một cuộc cách mạng về vật liệu.

Đến nay sợi các bon được chế tạo từ 3 nguồn nguyên liệu chính:

Polyacrilonnitril (PAN); từ PEC dầu mỏ, than đá và hidraxenlulo (xenlulohidrat).+ Sợi Bor: Việc sử dụng sợi Bor làm cốt vật liệu composite cho phép tăng độ bền,tăng modul đàn hồi của vật liệu

+ Sợi cacbua silic (SiC): Sợi cacbua silic thường được dùng làm cốt chocomposite kim loại trong trường hợp đòi hỏi vật liệu phải làm việc ở nhiệt độ cao.Composite cốt sợi SiC thường thường được sử dụng trong các thiết bị hạt nhân, vòng bichịu nhiệt độ cao trong các động cơ tua bin, cánh quạt, mũi rẽ dòng tên lửa

+ Sợi kim loại: Để có hiệu quả kinh tế cao vật liệu composite thường sử dụng cốtkim loại Trong trường hợp vật liệu làm việc trong môi trường nhiệt độ cao vật liệucomposite được chế tạo với cốt sợi vonfram hoặc molip đen, trường hợp làm việc trongmôi trường nhiệt độ thấp, vật liệu composite được chế tạo với cốt sợi thép hoặc berrilic

+ Sợi ngắn và các hạt phân tán

Trong công nghiệp chế tạo composite sử dụng chất độn là các sợi ngắn và các hạt.Các sợi khoáng ngắn thu được từ nghiền cơ học Nguyên liệu khoáng có thành phần chứasilicat can xi (75%) và kim loại nhẹ (25%) được làm sạch rồi đem nghiền cho tới khi thuđược các hạt dạng bột và sợi ngắn với chiều dài trung bình khoảng từ 270 mm và đườngkính từ 1 - 10 micromet

+ Vải: Các loại vải thường được dệt từ những sợi có độ đàn hồi cao, được dùngrộng rãi cho composite phân lớp, quấn các dạng ống composite Thuật ngữ “vải” trongngành vật liệu composite được gọi theo theo hai cách là: theo tên của sợi hoặc theo cáchđan dệt

Những đặc trưng cơ bản nhất của vải cần phải biết là các loại sợi thành phần, kiểuđan dệt, độ dày, chiều rộng, khối lượng 1 m2 vải và số lượng mắt đan trên một đơn vịchiều dài, khối lượng riêng, tải trọng đứt, độ bền kéo đứt

Vải khổ hẹp có kích thước 40 - 75 cm, khổ trung 75 - 100 cm, khổ lớn 100 - 150

cm, ngoài ra có thể có vải rộng hơn 150 cm Vải có bề rộng nhỏ hơn 7,5 gọi là băng.

Vải có khối lượng nhỏ hơn 100g/m2 gọi là vải nhẹ, từ 100 - 500 g/m2 là vải trungbình, lớn hơn 500 g/m2 là vải nặng

* Vật liệu cốt sợi tự nhiên.

Sợi tự nhiên bao gồm các sợi thực vật được sử dụng làm cốt vật liệu compositenhằm làm giảm khối lượng riêng, giảm giá thành mà vẫn đảm bảo những yêu cầu sử dụngtrong những lĩnh vực cụ thể Một số sợi tự nhiên thường được sử dụng làm cốt sợi tựnhiên chế tạo composite là xơ dừa, sợi dứa, sợi chuối, sợi cây sisal

* Phân loại composite theo thành phần cốt.

Căn cứ vào thành phần cốt vật liệu composite có loại composite cốt sợi vàcomposite cốt hạt Từ hai loại composite cốt sợi và hạt lại hình thành những dạng kháctheo sơ đồ hình 1.4a

Hình 1.4 a Sơ đồ phân loại thành phần cốt trong composite

b Vật liệu nền

Vật liệu nền đảm bảo cho sự liên kết và làm việc hài hoà giữa các thành phần củacomposite với nhau Khả năng khai thác sử dụng vật liệu composite trước hết phụ thuộcvào đặc tính cơ lý hoá của các vật liệu thành phần, cấu trúc phân bố của các vật liệu cốtcũng như độ bền vững của mối liên kết giữa nền và cốt Vì vậy vật liệu nền phải đáp ứngđược những yêu cầu về mặt khai thác và công nghệ

Về khai thác: trước hết là những yêu cầu cơ lý đối với vật liệu nền Yêu cầu nềnphải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khácnhau Phải đảm bảo được sự làm việc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn với

các dạng tải khác nhau, đảm bảo cho vật liệu composite làm việc bền vững khi chịu tảitrượt, hoặc chịu tải ở những hướng lệch với hướng của các dầm cốt hoặc chịu tải tuầnhoàn Vật liệu nền cũng sẽ xác định vật liệu composite tạo ra chịu được đến nhiệt độnào Vật liệu nền cũng quyết định khả năng chịu tác động của môi trường, tác động hoáhọc của vật liệu composite, đồng thời cũng quyết định một phần tính chất cơ học, vật lý,điện và những đặc tính khác của vật liệu composite.

Về công nghệ: Yêu cầu vật liệu nền phải đảm bảo kết cấu của vật liệu compositetrong quá trình sản xuất chúng và đáp ứng những đòi hỏi nảy sinh trong quá trình côngnghệ như độ nhớt và sự đảm bảo phân bố đều các cốt ở bên trong, đảm bảo tính năng vốn

có của các dầm cốt, hạt độn, đảm bảo sự liên kết vững chắc giữa chất liệu nền và cốt, khảnăng chế tạo những bán thành phẩm theo mục đích định trước, đảm bảo độ co tối thiểu

* Vật liệu nền polyme nhiệt rắn: Vật liệu nền nhiệt rắn có độ nhớt thấp dễ hoà tan

và đóng rắn lại khi nung nóng (có hoặc không có xúc tác) và sau khi đóng rắn tạo thànhcấu trúc mạng lưới không thuận nghịch Trong quá trình chế tạo composite chất nềnthường sử dụng là phenolformaldehyde, polyeste, cơ silic, epoxy, polyimit

* Vật liệu nền polyme nhiệt dẻo: Nền nhựa nhiệt dẻo là các polyme mạch thẳng

khi nung nóng sẽ chảy dẻo ra, nếu sau đó làm nguội sẽ cứng lại và chúng có trạng tháithuận nghịch

Composite có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao vì ứng suất

dư nảy sinh từ những giờ đầu tiên ngay khi tạo thành sản phẩm rất thấp Ưu điểm về côngnghệ là giảm được giai đoạn đóng rắn, khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm dễ dàng, cóthể áp dụng nhiều công nghệ khác nhau như dập, đùn, uốn, hàn có thể khắc phục khuyếttật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ hai

Composite nền nhiệt dẻo giá thành thấp nhưng đặc trưng cơ lý không thua kém vậtliệu composite nền nhiệt rắn, còn độ bền hoá học và độ kín lại hơn hẳn

Nhược điểm của composite nền nhựa nhiệt dẻo là không làm việc được trong môitrường nhiệt độ cao và khi xử lý công nghệ gặp khó khăn do dộ nhớt của dung dịch nóngchảy khá cao Điều này lý giải vì sao composite trên cơ sở nền nhựa nhiệt dẻo hạn chế sửdụng

* Vật liệu nền các bon:

Nền các bon có tính chất cơ lý như sợi các bon, đảm bảo cho tính chịu nhiệt cao củacomposite các bon - các bon và khai thác triệt để ưu điểm của các cốt sợi các bon trong

vật liệu composite các bon.

Cho đến nay nền các bon có 3 loại: pirocacbon, thuỷ tinh các bon, các bon cốc củaPEC than đá hoặc dầu mỏ

* Vật liệu nền kim loại: Nền kim loại cho các composite thường là kim loại nhẹ

như nhôm, magie, berili, hoặc kim loại chịu nhiệt cao như titan, niken, niobi hoặc dạnghợp kim Phổ biến nhất là hợp kim nhôm do khả năng kết hợp hài hoà và đảm bảo tốtnhững yêu cầu về cơ lý cũng như công nghệ

* Vật liệu nền gốm: nền gốm (cramic) là vật liệu được đặ trưng bởi nhiệt độ nóng

chảy cao, bền nén cả khi nhiệt độ cao, bền ô xi hoá, bền lửa và chịu kéo cao

* Phân loại composite theo thành phần nền.

Căn cứ vào thành phần nền, composite được phân thành 4 loại cơ bản vàcomposite tạp lai như sơ đồ hình 1.4b

Hình 1.4b phân loại composite theo thành phần nền

c Vật liệu composite tạp lai: Là composite có ít nhất 3 thành phần tham gia vào

trong cấu trúc của vật liệu Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến chế tạo composite tạp lai làviệc sử dụng một vật liệu cốt sợi nào đó có những tham số cơ lý cao hơn những cốt sợikhác trong cấu trúc composite sẽ giúp hạn chế những khuyết điểm của các cốt sợi còn lại,đồng thời giảm được giá thành của sản phẩm

Sự tạp lai các thành phần vật liệu khác nhau ảnh hưởng nhiều đến modul đàn hồi, độbền nén và những đặc tính chịu nhiệt của composite Việc lựa chọn những vật liệu khácnhau và kết hợp hợp lý giữa chúng cho phép tạo ra những composite tạp lai là hướngnghiên cứu có triển vọng đáp ứng được nhiều chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế của vật liệu mớicomposite

1.7.2.3 Cấu trúc của vật liệu composite

Vật liệu composite có 3 dạng cấu trúc cơ bản là cấu trúc đồng phương, cấu trúc

phân lớp và cấu trúc không gian.

- Composite có cấu trúc đồng phương: Là composite có cốt sợi độn dọc theo cùngmột phương và có cấu trúc tuần hoàn

- Composite có cấu trúc phân lớp: là vật liệu composite có cấu trúc tuần hoàn, trong

đó mỗi mắt xích chu kỳ lại có thể có nhiều lớp vật liệu khác nhau

- Composite có cấu trúc không gian (nD): là vật liệu composite cốt sợi độn đượchướng theo nhiều phương khác nhau trong không gian

1.7.3 Chất kết dính UF

Chất nền trong cấu trúc vật liệu composite dự kiến chế tạo từ vỏ xe được lựa chọn là

keo UF (Ure - Formaldehyde) một loại chất kết dính trong sản xuất ván nhân tạo Vì vật

liệu composite trong nghiên cứu này được chế tạo theo công nghệ ván dăm - một loạihình composite gỗ

Keo nhựa UF có tính năng dán dính tốt, cường độ dán tính tương đối cao, khả năngchịu nhiệt, chịu ăn mòn tương đối tốt Keo có màu trắng sữa, giá thành thấp, nên đượcứng dụng rộng rãi Căn cứ vào sản phẩm dán khác nhau, có thể chia keo UF theo lĩnh vực

sử dụng : keo dùng cho ván dán, ván dăm, ván sợi, ván ghép thanh Keo nhựa UF dễ lãohoá

Sử dụng chất đóng rắn để nâng cao tốc độ và mức độ đóng rắn của keo nhựa UF.Chất đóng rắn dùng phổ biến nhất là NH4Cl, cũng có thể sử dụng (NH4)3CH3COO,(NH4)2SO4 Ván dăm sử dụng keo urêformalđêhyd có tính chịu nước thấp và chỉ bảo toànđược tính chất của ván trong môi trường ẩm ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ không quá60°C

Vì vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu composite vỏ xe phế liệu gỗ cũng nhằm khắcphục nhược điểm này của keo UF và sản phẩm ván dăm gỗ

PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1 Thiết kế và chế tạo khuôn thí nghiệm dạng tấm sóng (0,6 x 0,6 x 1,0 m)

- Phương pháp thiết kế: Kế thừa và kinh nghiệm

- Vật liệu chế tạo khuôn: Thép tấm dày 5mm và 10 mm

- Phương pháp gia công: Hàn và bào nhẵn

- Thông số kích thước khuôn (hình 2.1):

Hình 2.1 Khuôn dạng sóngKhuôn có chiều rộng a, chiều dài L, chiều cao H = b1 + c1 = b2 + c2 Bề rộng e củathành khuôn dọc theo hai bên chiều rộng Bán kính R1 = R2 ngược chiều hướng tâmtheo phương thẳng đứng tạo nên các sóng của khuôn Bước sóng À > Ri + R2 Góc a làgóc tiếp tuyến chung của 2 đường tròn bán kính Ri và R2 Thay đổi À, Ri, R2 sẽ đượccác dạng sóng khác nhau

Kết cấu khuôn: Khuôn gồm hai tấm trên và dưới Vị trí sóng dương của tấm dưới

là vị trí sóng âm của tấm trên Trên hình vẽ, vị trí Ri là vị trí sóng âm của tấm trên, cùng

vị trí đó là sóng dương của tấm dưới, nhưng giá trị bán kính của đỉnh sóng tấm dướibằng Ri - i Tương tự, vị trí R2 là là sóng âm của tấm dưới và là sóng dương của tấmtrên Giá trị đỉnh của sóng âm tấm dưới bằng R2 + i Trong đó, i là chiều dày của sảnphẩm

Tấm trên và tấm dưới của khuôn có kết cấu gồm các tấm thép dày h được cắt dạngsóng có bán kính Ri - i - s , R2 + i + s, hàn thành ô quy cách hi x h2 (s là chiều dày tấmthép trùm lên các ô, phủ kín bề mặt khuôn) Trị số của hi , h2 tuỳ theo khuôn

lớn hay nhỏ, số lượng ô nhiều hay ít, hi = h2 là các ô vuông, hi h2 là các ô chữ nhật Bềmặt của mỗi tấm là thép tấm dày s mm uốn sóng sát với khung ô vuông đã hàn Chiềudày thép tấm h và s thay đổi theo thực tế, tùy theo sản phẩm và kích thước các ô trongkết cấu khuôn

2.2 Nghiên cứu một số thông số công nghệ hợp lý tạo vật liệu composite dạng tấm phẳng từ vỏ xe phế liệu với keo tổng hợp

2.2.1 Cấu tạo của vỏ xe

Vỏ xe có nhiều kiểu, kích thước và hình thức khác nhau, nhưng xét đến cùng có 2loại: vỏ xe có ruột và không có ruột Cả 2 loại có cấu tạo chung gồm các lớp và các bộphận : hoa lốp, lớp đai (lớp lót tăng cứng), lớp bố (bố tròn hoặc bố chéo), lớp lót trong

và dây mép lốp như hình 2.2 Với cấu tạo như vậy, bản thân vỏ xe đã là một dạng vậtliệu composite Sau một thời gian sử dụng, sống lốp và hoa lốp mòn Các lớp bên trongvẫn còn nguyên và hầu như độ bền của các lớp không thay đổi Sử dụng vỏ xe phế liệu

là sử dụng phần các lớp còn lại này

Hình 2.2 Cấu tạo vỏ ô tô

2.2.2 Thành phần hóa học của vỏ xe.

Thành phần hóa học của vỏ xe ô tô gồm các hợp chất hóa học như cao su tự nhiên, SBR(cao su Styren Butadien) và cao su Butadien Trong vỏ xe cũng có các kim loại Zn, Fe,

Ca với các nồng độ khác nhau Ngoài ra, để tăng cường những đặc tính cần thiết cho vỏ

xe, một số chất hóa học khác cũng được bổ xung vào thành phần cấu 22

trúc của vỏ xe như: Chất tăng ma sát, bột màu, chất độn, chất làm mềm, chất chống oxihóa, chất chống nóng chảy Thành phần chính của vỏ xe xét về trọng lượng gồm có: Cao

su tự nhiên 40% ; SBR (Styren Butadien) 30% ; Butadien 20% ; Butyl và Butylhalogenate10% Hệ số dãn nở thể tích: 656.10-4 dm3/0C, độ dẫn nhiệt: 0,14 w/m°K, nằm trong khoảngtrị số độ dẫn nhiệt của gỗ là 0,13 - 0,18 w/m0K)

2.2.3 Điều chế thành phần cốt từ vỏ xe phế liệu

2.2.3.1 Phương pháp gia công

Để tạo được thành phần cốt của vật liệu composite từ vỏ xe phế liệu cần chọn loạicốt, hình dạng kích thước phù hợp với sản phẩm Với những sản phẩm dự kiến của đề tài,chọn loại cốt tạp lai, đoạn ngắn có hình dạng tương tự như hình dạng và kích thước củacác mảnh dăm gỗ với phương pháp tính các chỉ số hình thái tương tự Ngoài ra còn phụthuộc phương pháp chế tạo bằng máy hay thủ công

- Phương pháp gia công cơ giới vỏ xe phế liệu thành miếng nhỏ:

Hình 2.3 là dây chuyền băm vỏ xe phế liệu tự động Dây chuyền gồm nhiều máybăm để tạo những mảnh dăm có kích thước nhỏ dần Giữa các máy băm là băng tải vậnchuyển những mảnh dăm đã băm từ các máy băm đặt trước để băm thành kích thước nhỏhơn Máy băm vỏ xe phế liệu có cấu tạo gồm 2 trục quay ngược chiều nhau Trên mỗi trụcquay gắn nhiều lưỡi cắt là những đĩa tròn gắn đồng trục giống như lưỡi phay đặt xen kẽnhau Mỗi cạnh cắt dài ngắn khác nhau do kích thước của mảnh vỏ xe cần băm Cạnh cắttrên mỗi đĩa song song với trục và xếp lệch nhau theo hình xoắn quanh trục quay Dướimỗi máy băm cắt là băng tải đưa những mảnh vỏ xe đã băm qua máy sàng phân loại trướckhi chuyển tới máy băm tiếp theo bằng băng tải để tạo thành những mảnh có kích thướcnhỏ dần Dây mép lốp bằng kim loại được tách bằng thiết bị phân loại có gắn thiết bị có từtính Băm nghiền vỏ xe phế liệu bằng máy, có năng suất cao nhưng về cơ bản không tạođược những mảnh có kích thước và hình dạng của thành phần cốt có các chỉ số hình dạngtheo yêu cầu của công nghệ sản xuất ván dăm từ gỗ Tuy nhiên, có thể tạo được thànhphần cốt là các đoạn ngắn, các viên nhỏ và hạt có kích thước khác nhau Thậm chí kíchthước các hạt có thể nhỏ như các hạt bụi

Hình 2.3 Băm vỏ xe

- Phương pháp gia công thủ công vỏ xe phế liệu thành miếng nhỏ:

Phương pháp gia công thủ công vỏ xe phế liệu có thể đạt được kích thước và hìnhdạng của thành phần cốt là các sợi dài, các đoạn ngắn có hình dạng và chỉ số hình dạnggiống như các mảnh dăm dài trong sản xuất ván dăm gỗ Cắt vỏ xe phế liệu bằng các dụng

cụ thủ công năng suất thấp, kích thước dăm không đạt quy định như đối với dăm gỗ.Miếng vỏ xe phế liệu cắt xong không cần phân loại vì không có những miếng nhỏ, các hạtmịn, vụn như nghiền cơ giới nên thành phần cốt tham gia vào cấu trúc của sản phẩm mớikhông đầy đủ các kích thước Đây là một bất lợi trong kỹ thuật tạo vật liệu composite và

vì vậy cần chọn kiểu thành phần cốt tạp lại để hạn chế bất lợi và tạo nên những tính chấtmới cho sản phẩm

2.2.3.2 Kích thước và dạng hình học của thành phần cốt từ vỏ xe phế liệu

- Hình dạng công nghệ của thành phần cốt

Thành phần cốt được cắt từ vỏ xe phế liệu theo phương pháp thủ công có 2 hìnhdạng chính là hình thẳng và hình cong Hình dạng của cốt do cấu tạo của vỏ xe và phươngpháp cắt tạo nên Cắt vỏ xe phế liệu thành cốt có chiều dày quá mỏng như kích thước cácmảnh dăm gỗ là rất khó (hình 2.4)

Hình 2.4 Dăm vỏ xe phế liệu

- Kích thước thành phần cốt công nghệ của vật liệu composite

Vỏ xe được cắt thành cốt có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau Giá trị trungbình của kích thước của cốt vỏ xe phế liệu cắt thủ công: dài x dày x rộng = 46,53 mm x1,94 mm x 3,67 mm (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Giá trị trung bình cốt vỏ xe phế liệu

1,94

Những chỉ số hình thái S và J đều rất thấp, cho thấy sự bất lợi về kích thước củathành phần cốt gia công vỏ xe phế liệu theo phương pháp thủ công để sản xuất vật liệucomposite theo công nghệ sản xuất ván dăm gỗ

2.2.4 Khối lượng thể tích của dăm vỏ xe phế liệu

Khối lượng thể tích của vỏ xe phế liệu được xác định như sau : Chọn 3 vỏ xe phếliệu bất kỳ được sử dụng nghiên cứu (lặp lại 3 lần) Cắt mỗi vỏ xe 6 miếng có quy cách(50 ± 1)mm x (50 ± 1) mm (theo TCVN 7756 - 5 : 2007) Vị trí cắt mẫu như sau: chia vỏ

xe làm 6 phần đều nhau theo vòng chu vi bánh xe Mẫu để kiểm tra khối lượng thể tích vỏ

xe phế liệu ở 3 vị trí như sau : 1- 3 cách 2 mép 1,5 cm, 2- ở giữa vỏ xe Cân mẫu bằng cânđiện tử, sai số 0,01g Kích thước các chiều của mẫu đo bằng thước kẹp điện tử hiện số, sai

số 0,1mm

Giá trị khối lượng thể tích trung bình của vỏ xe phế liệu tính được là:

Thể tích(cm3)

Trọng lượng(g)

KLTT(g/cm3)

Chọn khối lượng thể tích của vỏ xe phế liệu là 0,943 g/ cm3 để tính toán các yếu tốliên quan đến các thí nghiệm nghiên cứu So với khối lượng thể tích của cao su tự nhiên(0,913g/cm3), khối lượng thể tích của vỏ xe phế liệu (loại vỏ xe sử dụng nghiên cứu) cókhối lượng thể tích cao hơn

2.2.5 Độ hút nước, hút ẩm

Ngâm 8 mảnh vỏ xe phế liệu quy cách (50 ± 1) x (50 ± 1) mm (TCVN 7756 - 6:2007) trong nước lạnh 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ Sau mỗi lần ngâm vớt những mẫu vỏ xe ralau sạch nước bám bên ngoài và cân đo từng mẫu Sự thay đổi kích thước biểu thị tỷ lệtrương nở của vật liệu tính theo công thức :

Trọnglượng (g)

Trọnglượng (g)

Trọnglượng (g)