Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI -------οθο------ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỖ NHỰA TỪ NHỰA POLYPROPYLEN TÁI CHẾ VỚI VỎ TRẤU CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐỖ CÔNG QUỲNH HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI -------οθο------ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỖ NHỰA TỪ NHỰA POLYPROPYLEN TÁI CHẾ VỚI VỎ TRẤU ĐỖ CÔNG QUỲNH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. MAI VĂN TIẾN HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Mai Văn Tiến Cán bộ hướng dẫn phụ (nếu có):........................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Tùng Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày ... tháng ... năm 2018 TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Đỗ Công Quỳnh Lớp: CH2AMT Khoá: 2 Cán bộ hướng dẫn: TS. Mai Văn Tiến Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu Tóm tắt Vật liệu compozit gỗ nhựa được chế tạo từ nhựa hạt polypropylen (PP) tái chế với vỏ trấu được bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy trong thiết bị trộn kín Haake và thiết bị ép đùn trục vít. Đơn phối liệu chế tạo vật liệu bao gồm nhựa hạt PP tái chế từ 50-80% khối lượng, sử dụng vỏ trấu thước hạt từ 0,1-2,0mm, đã xử lý và sấy khô với hàm lượng từ 20-50% phần khối lượng, chất tương hợp MAPP được sử dụng với hàm lượng 1-5%, chất trợ phân tán 2-7% và phụ gia chống cháy ZnO 1%.. Vật liệu compozit gỗ nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu cho độ bền kéo đạt 46,5 MPa, độ bền uốn 50,3MPa, độ hấp thụ nước 0,4-4,9%. Nghiên cứu tận dụng phế phẩm vỏ trấu từ ngành sản xuất lúa gạo cùng với nhựa polypropylen tái chế để sản xuất vật liệu compozit gỗ nhựa không những có ý nghĩa về mặt khoa học, tính ứng dụng thực tiễn và còn có ý nghĩa lớn trong việc góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường hiện nay. 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn là TS. Mai Văn Tiến. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đỗ Công Quỳnh 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ với tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu”. Trước hết tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy - cô khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý giá trong suốt thời gian học cao học tại trường. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn TS. Mai Văn Tiến là người đã tận tình chỉ bảo tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình. Cảm ơn gia đình, bạn bè những người bạn đồng hành trong quãng thời gian học cao học, những người đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên và là nguồn động lực để tôi vươn lên. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy – cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn!. 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. 2 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... 3 MỤC LỤC ........................................................................................................................ 4 DANH MỤC HÌNH ......................................................................................................... 7 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 8 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 9 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 9 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................... 10 3. Các nội dung nghiên cứu chính .................................................................................. 10 1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit ............................................................................... 11 1.1.1. Vật liệu compozit ................................................................................................. 11 1.1.2. Tính chất của vật liệu compozit............................................................................ 11 1.1.3. Phân loại vật liệu compozit .................................................................................. 13 1.1.4. Ứng dụng của vật liệu compozit ........................................................................... 15 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu compozit gỗ nhựa .............. 16 1.2.1. Nghiên cứu nước ngoài ........................................................................................ 16 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................... 18 1.3. Vật liệu compozit gỗ - nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu ............................................ 20 1.3.1. Thành phần chính của vật liệu compozit gỗ-nhựa trên cơ sở nhựa polypropylen với vỏ trấu ....................................................................................................................... 22 1.3.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa .......................................... 28 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu compozit gỗ-nhựa ..................... 30 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............32 2.1. Đối tượng phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 33 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ................................................................................... 33 2.2.1. Thiết bị sử dụng .................................................................................................... 33 2.2.2. Nguyên liệu và hoá chất ....................................................................................... 34 2.3. Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu .................................................... 35 2.3.1. Xác định độ bền cơ của vật liệu ........................................................................... 35 2.3.2. Phương pháp phân tích hình thái cấu trúc bề mặt bằng chụp kính hiển vi điện tử quét ................................................................................................................................. 37 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt TGA ....................................................................... 37 2.4. Phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu ............................................................................................................................. 38 2.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất ............................................................................ 38 2.4.2. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa .............................................. 38 2.4.3. Thực nghiệm chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................. 40 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 44 3.1. Nghiên cứu khả năng tương hợp giữa các thành phần tổ hợp để chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa ........................................................................................................... 44 4 3.2. Kết quả ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa trên cơ sở polypropylen tái chế với vỏ trấu ..................................................................................... 45 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa polypropylen/vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu 45 3.2.2. Ảnh hưởng của phụ gia tương hợp MAPP đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................................................................................................ 46 3.2.3. Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy ZnO đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................................................................................................ 47 3.2.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt vỏ trấu đến các tính chất của vật liệu gỗ nhựa... 48 3.2.5. Ảnh hưởng phương pháp xử lý vỏ trấu đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................................................................................................ 49 3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt ........................ 50 3.2.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt..................... 51 3.3. Đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu ........................................................................................................... 52 3.3.1. Đặc trưng cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu gỗ nhựa .................................... 52 3.3.2. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu compozit gỗ nhựa ....................................... 54 3.3.3. Khảo sát khả năng chịu môi trường của vật liệu compozit gỗ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu ........................................................................................................... 56 3.4. So sánh một số tính chất của vật liệu gỗ nhựa polypropylen /vỏ trấu với một số vật liệu khác cùng chủng loại ............................................................................................... 57 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 59 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 63 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Ký hiệu WPC Diễn giải Wood Plastic Compozit - Vật liệu compozit gỗ nhựa PE Polyethylen PP Polypropylen PVC MAPP Polyvinyl chloride Polypropylen Maleic Anhydride VT Vỏ trấu IR Phổ hồng ngoại SEM Kính hiển vi điện tử quét TGA Phân tích nhiệt DTA Nhiệt vi sai Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn 6 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vật liệu WPC sử dụng trong đời sống ........................................................................ 21 Hình 1.2. Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa................................................................................. 25 Hình 1.3. Phương pháp đúc ép nóng .......................................................................................... 29 Hình 1.4. Phương pháp ép đùn ................................................................................................... 30 Hình 2.1. Một số hình ảnh sản phẩm nhựa từ polypropylen và nhựa polypropylen tái chế ...... 34 Hình 2.2. Hình ảnh vỏ trấu trước và sau khi thu gom để chế tạo vật liệu .................................. 34 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình nghiên cứu ........................................................................................ 39 Hình 3.1. Giản đồ momen xoắn của quá trình trộn hợp chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa trên cơ sở polypropylen/vỏ trấu ......................................................................................................... 44 Hình 3.2. Ảnh hưởng tỷ lệ nhựa/ vỏ trấu tới tính chất cơ lý của vật liệu .................................. 45 Hình 3.3. Ảnh hưởng của chất tương hợp MAPP đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa ............... 46 Hình 3.4. Ảnh hưởng kích thước vỏ trấu đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa ............................ 48 Hình 3.5. Ảnh hưởng phương pháp xử lý vỏ trấu đến tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................................................................................................................................. 49 Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu ............................. 52 Hình 3.7. Ảnh SEM của vật liệu không sử dụng MAPP ............................................................ 53 Hình 3.8. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (1%) .............................................................. 53 Hình 3.9. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (2 %) ............................................................. 53 Hình 3.10. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPP (3 %) ........................................................... 54 Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa không sử dụng phụ gia chống cháy .................................................................................................................................. 55 Hình 3.12. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa có chứa phụ gia chống cháy (ZnO hàm lượng 1%) ......................................................................................................... 55 Hình 3.13. Độ tăng trọng lượng của compozit khi ngâm trong môi trường nước...................... 56 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần của vỏ trấu .............................................................................................. 26 Bảng 2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng polypropylen/vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu .................................................................................................................................. 40 Bảng 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của chất trợ tương hợp (MAPP) đến tính chất cơ lý của vật liệu .................................................................................................................................................... 41 Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia chống cháy ZnO đến tính chất cơ lý của vật liệu ........................................................................................................................................ 42 Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt vỏ trấu đến tính chất cơ lý của vật liệu ....... 42 Bảng 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của tác nhân xử lý vỏ trấu ......................................................... 43 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu gỗ nhựa.... 47 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu ............................... 50 Bảng 3.3. So sánh các tính chất của vật liệu compozit polypropylen/vỏ trấu với một số vật liệu khác ........................................................................................................................................................57 8 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, làm cho ngành khoa học vật liệu cũng phát triển không ngừng nhằm tìm ra vật liệu mới đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong đó, vật liệu compozit ngày càng được quan tâm, sở dĩ vật liệu compozit ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày là vì chúng có nhiều tính chất ưu việt như: dễ gia công, bền, nhẹ và có giá thành thấp. Trong số các vật liệu compozit thì compozit nền nhựa nhiệt dẻo gia cường bằng sợi tự nhiên được chú ý hơn, do chúng là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào tái tạo, có tỉ trọng thấp, độ bền cao và đặc biệt thân thiện với môi trường, không độc hại đối với con người [3,8,25]... Việt Nam là nước có nền văn mình lúa nước lâu đời, sản lượng xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới. Hàng năm Việt Nam sản xuất hơn hơn 45 triệu tấn lúa, trong đó khối lượng phế phẩm vỏ trấu chiếm tới 20% và nguồn phế phẩm này chưa được sử dụng hợp lý và hiện đang là nguyên nhân gián tiếp gây ô nhiễm môi trường. Đặc biệt vào mùa thu hoạch lúa thì một lượng lớn trấu thải ra môi trường một cách bừa bãi, đổ xuống sông, ao hồ, hoặc là được ủ đống để đốt. Chỉ một phần nhỏ được sử dụng làm chất đốt. Do đó, việc sử dụng vỏ trấu làm chất độn gia cường để chế tạo vật compozit sẽ tận dụng được nguồn phế phẩm dồi dào của ngành nông nghiệp, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và góp phần cải thiện thu nhập cho người nông dân. Bên cạnh đó nguồn phế liệu các loại nhựa nhiệt dẻo thải ra từ đồ dùng trong sinh hoạt hàng ngày cũng rất đa dạng và phong phú. Phế liệu này chủ yếu có nguồn gốc từ dầu mỏ như: nhựa Polypropylene (PP), Polyethylen (PE) và Polyvinychloride (PVC). Theo số liệu thống kê điều tra lượng nhựa phế thải của Viện vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt khá cao, mỗi ngày thải ra trung bình 400500 tấn nhựa phế thải. Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ nhựa PP tái chế với vỏ trấu rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra xu hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu phụ phẩm ngành nông nghiệp và chất thải nhựa tái chế, đặc biệt có ý nghĩa trong việc góp phần bảo vệ môi trường. Xuất phát từ các lý do trên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu”, được tôi chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp đồng thời đặt ra mục tiêu nghiên cứu sau: 9 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa polypropylen tái chế với vỏ trấu. - Sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ trấu từ quá trình sản xuất lúa gạo của Việt Nam, kết hợp với nhựa nhiệt dẻo PP tái chế để tạo ra vật liệu gỗ nhựa. 3. Các nội dung nghiên cứu chính - Thu thập, tra cứu các tài liệu liên quan phục vụ cho luận văn. - Tổng quan tài liệu trong và ngoài nước về tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu gỗ nhựa từ PP tái chế với vỏ trấu. - Chế tạo vật liệu gỗ nhựa (Wood Plastic Compozit – WPC) từ PP tái chế với vỏ trấu và khảo sát để tối ưu các điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu: + Nghiên cứu điều kiện gia công mẫu và khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng chất độn và chất tương hợp phụ gia chống cháy đến các tính chất vật liệu nhằm xác định điều kiện công nghệ và tỷ lệ phối trộn tối ưu của vật liệu từ PP tái chế với vỏ trấu. + Nghiên cứu biến tính PP tái chế với vỏ trấu bằng cách sử dụng các chất tương hợp nhằm cải thiện nâng cao tính năng của vật liệu. - Tối ưu hóa các điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu. - Phân tích tính chất của sản phẩm tạo ra: + Xác định tính năng cơ, lý, hóa của vật liệu + Đánh giá khả năng kháng nước, độ ổn định và khả năng chống cháy của vật liệu tạo ra. + Đánh giá so sánh hiệu quả kinh tế, môi trường của vật liệu tạo ra với vật liệu khác cùng loại. + Thu thập kết quả số liệu báo cáo hoàn thiện luận văn tốt nghiệp. 10 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit 1.1.1. Vật liệu compozit Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp mức độ vĩ mô của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ. Nhiều vật liệu compozit có nguồn gốc tự nhiên. Ví dụ gỗ là một compozit gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là ligin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của axit) và những sợi protein collagen. Ở Việt Nam, Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại compozit sợ ngắn. Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong thành phần cấu tạo vật liệu compozit tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính chất vật lý như tính dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy bền), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện môi…), tính chất quang học, tính cách âm… Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu yêu cầu cứng và nhẹ hơn. Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào có thể đáp ứng được yêu cầu đó. Xuất phát từ nhu cầu đó ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo nên một loại vật liệu mới đó là vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu compozit. 1.1.2. Tính chất của vật liệu compozit Trong điều kiện sử dụng so với các vật liệu khác thì vật liệu compozit có những ưu điểm cơ bản sau: - Nhẹ và cứng hơn, khả năng chịu va đập, uốn, kéo tốt. - Chịu hoá chất, không sét gỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển. - Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hoá nên rất bền. - Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy. - Cách điện, cách nhiệt tốt. 11 - Chịu ma sát, cường độ lực, nhiệt độ cao (thể hiện ở compozit sợi carbon). - Hấp thụ sóng điện tử tốt (compozit – thủy tinh). - Không thấm nước, không độc hại. - Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp. - Màu sắc đa dạng, đẹp bền vì được pha ngay trong nguyên liệu. - Thiết kế, tạo hình dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn. + Một số ưu điểm vượt trội của vật liệu compozit: Nhựa compozit kế thừa những ưu điểm của vật liệu nhựa thông thường và cả của kim loại như dẻo dai, dễ pha màu, dễ đóng khuôn tạo hình. Tuy nhiên, vật liệu compozit còn tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều khi mà chất lượng gia công của compozit không thua kém gì với sắt thép – kim loại. Nhựa compozit bền màu và trơ với hầu hết các chất ăn mòn, ít bị oxi hóa nên vật liệu compozit được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất để dùng làm thùng – bồn đựng hóa chất, thùng rác hay bọc bể chống ăn mòn… Với ưu điểm dễ gia công, tạo hình, tạo màu giống như các sản phẩm nhựa compozit còn được dùng để làm các sản phẩm đồ gia dụng hay các vật liệu xây dựng như ống nước, mái che. Không những thế do tính dẻo dai và chất lượng không kém gì kim loại mà lại nhẹ hơn rất nhiều nên compozit còn được dùng làm các thiết bị vệ sinh và vỏ bọc sản phẩm. Ngoài ra sản phẩm làm từ nhựa compozit còn có khả năng cách điện, cách âm tốt và tổng hợp những ưu điểm của cả nhựa và kim loại nên nhựa compozit đang dần thay thế các loại vật liệu khác trong xây dựng và công nghiệp. Trộn hai vật liệu này với nhau theo một tỷ lệ nhất định, gia nhiệt rồi ép vào khuôn dưới áp suất cao là ta có được vật liệu compozit với hình dạng theo ý muốn, không cần phải luyện, tôi, phay, tiện… như với các sản phẩm kim loại khác. Compozit rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích. Nhờ ưu điểm này, gần đây, vật liệu compozit 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 compozit một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại [17].. 12 1.1.3. Phân loại vật liệu compozit Vật liệu compozit được phân loại dựa theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần. + Theo hình dạng, cấu trúc vật liệu nền: Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, compozit được phân thành 3 nhóm chính: compozit gia cường sợi (compozit cốt sợi), compozit gia cường hạt (compozit cốt hạt) và compozit cấu trúc. - Compozit gia cường bằng sợi: Compozit gia cường sợi (fibre reinforced compozit – FRC) là compozit có vật liệu gia cường ở dạng sợi, ví dụ như compozit sợi thủy tinh, compozit sợi tự nhiên….. Trong hệ compozit này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng vai trò phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng như liên kết các sợi lại với nhau. Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lượng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lượng riêng) cao. Các sợi trong compozit có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có sự định hướng nhất định. - Compozit gia cường bằng hạt: Compozit gia cường hạt (Particulate reinforced compozit): là compozit được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que, vảy...) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm… Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền. Một số vật liệu gia cường dạng hạt có thể cải thiện các tính chất của compozit như giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mòn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới phân chia pha. Chính vì vậy, vật liệu compozit hạt thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao. Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo compozit nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm. - Compozit cấu trúc lớp: Compozit cấu trúc gồm 2 loại chính: compozit dạng lớp (laminate) và sandwich panel: Compozit cấu trúc lớp được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các compozit cốt sợi đơn hướng) và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết 13 (thường là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể được tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các compozit cốt sợi đơn hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết kế rồi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay … Sandwich panel có cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có độ bền và cứng cao như tấm cấu trúc compozit dạng lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan… và lớp lõi ở giữa, là vật liệu nhẹ, có độ bền và độ cứng tương đối bé. Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh hiện tượng cong vênh tấm. Lớp lõi thường làm bằng: polyme bọt, cao su nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong. Compozit loại này được ứng dụng rất rộng rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay… + Phân loại theo bản chất vật liệu nền: Theo bản chất vật liệu nền, compozit được chia thành ba nhóm chính sau: compozit nền polyme, compozit nền kim loại và compozit nền ceramic. - Compozit nền polyme (Polyme matrix compozit – PMC) là compozit có nền là các loại polyme nhiệt dẻo như polypropylen, polyethylene, polyvinyl chloride, polyamide… hoặc các polyme nhiệt rắn như polyester không no, vinyl ester, phenolic, melamine, polyurethane, epoxy… . Vật liệu gia cường là các sợi, hạt hữu cơ (sợi Kevlar, cellulose…), vô cơ (thủy tinh, carbon…) và kim loại (nhôm, thép, molipden…). Loại compozit này được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm rất lớn là dễ dàng gia công tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và kích thước lớn. Trong hệ compozit này, vật liệu gia cường có độ bền và modul cao còn polyme nền có vai trò truyền tải trọng và tăng khả năng kháng ăn mòn, chịu thời tiết cho compozit. - Compozit nền kim loại: (Metal matrix compozit – MMC) là compozit có nền là các kim loại như nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng… Vật liệu gia cường là các sợi, hạt vô cơ ceramic (oxide, cacbua silic...) hoặc kim loại (chì, vonfram, molipden...). Vật liệu nền thường dẻo dai, vật liệu gia cường thường có tác dụng cải thiện tính chất cơ lý, kháng mài mòn, chống rão, dẫn nhiệt, ổn định kích thước của compozit. 14 Ưu điểm lớn của compozit nền kim loại so với nền polyme là khả năng chịu nhiệt tốt hơn, không cháy và chống lại sự tấn công của các chất lỏng hữu cơ tốt hơn. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm so với compozit nền polyme là giá thành cao hơn và khối lượng riêng lớn hơn, dễ bị phá hủy tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường do kim loại dễ bị ăn mòn. - Compozit nền khoáng (gốm) hay còn gọi là compozit nền ceramic với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)… Do sức căng bề mặt của ceramic nóng chảy cao nên khó thấm ướt lên các loại sợi. Chính vì vậy trong thực tế tồn tại rất ít hệ compozit nền ceramic. Một hệ compozit điển hình trên nền ceramic được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật là compozit nền carbon gia cường sợi carbon nhờ những tính chất ưu việt như chịu nhiệt tốt đến 2200oC mà vẫn duy trì độ bền cao, tỉ số độ bền/trọng lượng và độ cứng/trọng lượng cao, ổn định kích thước tốt, chống ăn mòn tốt, kháng hóa chất tốt… Compozit nền carbon gia cường sợi carbon được dùng trong những ứng dụng cấu trúc và phi cấu trúc, đặc biệt là ứng dụng cấu trúc vận hành ở nhiệt độ cao như các bộ phận của máy bay, động cơ phản lực, tên lửa… Nhược điểm lớn nhất của hệ compozit này là giá thành cao do giá nguyên liệu và chi phí sản xuất cao. 1.1.4. Ứng dụng của vật liệu compozit Compozit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau đây: + Trong giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... VD: càng, thùng trần của các loại xe ôtô, một số chi tiết của xe môtô. + Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu... + Trong ngành hàng không: Thay thế vật liệu sắt, nhôm... trong máy bay dân dụng, quân sự. + Trong quân đội: Những phương tiện chiến đấu: Tàu, máy bay, phi thuyền... Dụng cụ, phương tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội như: Bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn.... + Trong công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste). Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy). 15 + Trong dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài: Bình, tô, chén, đũa...; Sản phẩm trang trí nội thất: Khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn...; Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn, đường ống dẫn nước... 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu compozit gỗ nhựa 1.2.1.1. Nghiên cứu nước ngoài Vật liệu compozit gỗ nhựa trong những năm gần đây được nhiều nước quan tâm nghiên và có rất nhiều các công trình nghiên cứu sử dụng sợi tự nhiên có chứa thành phần cellulose như sợi lanh, đay, gai, tre, dứa, gỗ,… để tạo ra vật liệu mới phục vụ nhu cầu con người. Các loại sợi này được sử dụng để thay thế cho các chất vô cơ khó phân hủy và chúng giúp nâng cao được một số tính chất của vật liệu compozit. Với những ưu điểm là khối lượng riêng thấp, tính năng cơ lý cao, ít gây tác dụng mài mòn thiết bị gia công, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và nguồn nguyên liệu sẵn có, các sản phẩm compozit sợi tự nhiên đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau; Đã có nhiều các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này như: - Vật liệu WPC là loại vật liệu được tạo ra bằng cách trộn bột vỏ trấu với các loại nhựa, hay đưa bột vỏ trấu vào gia cường cho nhựa nền, qua ép đùn hoặc ép phun ở nhiệt độ cao. Vật liệu WPC gia cường bằng các loại sợi tự nhiên hay bột vỏ trấu cũng thuộc nhóm vật liệu này. Sản phẩm của nó đều có đặc tính cơ học rất tốt và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng do đặc tính của nhựa PP là kỵ nước, phân cực kém, khó kết hợp với sợi tự nhiên có đặc tính ưa nước và phân cực cao, nên khả năng tạo liên kết giữa hai loại vật liệu này là không cao [23,40]. - Vào những năm 80, mặc dù chưa có nền tảng khoa học để xác định chính xác về cơ chế liên kết giữa sợi gỗ và nhựa, song bằng cách sử dụng các chất trợ tương hợp (hay chất khơi mào) các nhà nghiên cứu đã tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tương hợp của hai loại vật liệu này. Các nghiên cứu cho thấy phần lớn các chất trợ tương hợp như silan, maleic anhydride ghép polyolefin đều làm tăng khả năng bám dính giữa hai loại vật liệu [20,37]. Kishi và các đồng nghiệp (1988) đã tạo ra quá trình este hóa bằng cách xử lý sợi gỗ với dung dịch MAPP. Qua phân tích quang phổ cho thấy liên kết hóa học giữa MA với gỗ và PP đã xuất hiện. - Năm 1999, Jochen Gassan và Andrzej K.Bledzki đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt sợi đến tính chất cơ học của compozit PP - sợi đay [19]. Các tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng cách cho MAPP với các hàm lượng 16 khác nhau trong toluen với thời gian 5 phút và 10 phút. Sau đó đem sấy chân không trong 2 giờ ở 75 oC. Kết quả cho thấy, hiệu quả của chất trợ tương hợp phụ thuộc vào nồng độ và thời gian xử lý, như môđun đàn hồi tăng 90% khi xử lý trong 5 phút. Xử lý lâu hơn và nồng độ MAPP cao hơn sẽ làm môđun đàn hồi giảm xuống. Độ bền uốn tăng 40% khi xử lý bằng dung dịch MAPP 0,1% tỷ lệ trong toluen với thời gian xử lý 15 phút. Khi tăng nồng độ MAPP lên 0,6% thì kết quả nhận được với 5 phút và 10 phút là như nhau. - Năm 2006, Fauzi Febrianto và Dina Styawatti đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của bột vỏ trấu và hàm lượng chất biến tính MA đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit bột vỏ trấu và PP tái sinh [28]. Nghiên cứu cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu compozit phụ thuộc vào hàm lượng và kích thước của bột gỗ, nhựa PP. Khi tăng tỷ lệ gỗ/nhựa thì độ bền kéo càng giảm, môđun đàn hồi tăng. Tính chất vật lý và tính chất cơ học của vật liệu đều bị ảnh hưởng bởi hàm lượng chất MA, khi cho 2,5% trọng lượng MA thì độ bền kéo, độ bền kéo và môđun đàn hồi đều cao hơn so với compozit không có MA. - Năm 1991, Felix J.Mvà đồng nghiệp đã sử dụng MAPP để xử lý cellulose trong sợi gỗ [27]. Kết quả cho thấy, chất trợ tương hợp MAPP đã làm giảm góc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu, góc tiếp xúc nằm trong khoảng 130 – 140oC, khả năng kết dính tăng lên rõ rệt. Kết quả nghiên cứu, các tác giả đã đánh giá được sự ảnh hưởng của chất trợ tương hợp đến khả năng thấm ướt của gỗ và liên kết giữa nhựa PP - bột vỏ trấu- chất trợ tương hợp. - Năm 2010, Cao Jin-Zhen và các đồng nghiệp nghiên cứu sơ bộ về đặc tính dẻo của vật liệu compozit MAPP ghép với bột bột gỗ bạch dương và nhựa PP [24]. Các tác giả đã đo độ mỏi và phân tích động lực học của vật liệu. Trong nghiên cứu đã sử dụng tỷ lệ gỗ/nhựa là (40:60, 60:40, 80:20) cùng với 5 cấp tỷ lệ MAPP (0, 1, 2, 4, 8%) để nghiên cứu ảnh hưởng của MAPP đến đặc tính dẻo của vật liệu. Kết quả cho thấy tỷ lệ gỗ cao thì độ bền mỏi cao hơn với vật liệu không dùng MAPP. Khi biến tính bằng MAPP ở tỷ lệ gỗ - nhựa là 60:40 và 80:20 thì dễ dàng thấy được ảnh hưởng của nó đến độ bền mỏi của vật liệu cao hơn, nhưng hầu như không ảnh hưởng với tỷ lệ 40:60. Độ bền mỏi tốt nhất khi MAPP ở 1% với tỷ lệ bột gỗ/PP là 60:40. Kết quả cho thấy việc sử dụng MAPP với tỷ lệ phù hợp sẽ làm tính dẻo của WPC khi tỷ lệ gỗ cao hơn nhựa. 17