Nghiên cứu composite trên cơ sở nhựa poly (vinyl chloride) và mùn cưa định hướng chế tạo sản phẩm bàn

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ 2 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLY(VINYL CHLORIDE) VÀ MÙN CƯA ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM BÀN Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đoàn Thị Thu Loan Đà Nẵng, 42021 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 6 1. Đặt vấn đề 6 2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 7 3. Tính cấp thiết của vấn đề 7 4. Mục tiêu đề tài 9 5. Nội dung thực nghiệm 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 11 1.1 Tổng quan về composite 11 1.1.1 Khái niệm về vật liệu composite 11 1.1.2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu composite 11 1.1.3 Thành phần của vật liệu composite 11 1.1.4 Ưu và nhược điểm của vật liệu composite 11 1.1.5 Ứng dụng của vật liệu Composite 12 1.2 Vật liệu composite từ độn mùn cưa và nhựa poly(vinylcloride) 13 1.2.1 Nhựa poly(vinyl cloride) 13 1.2.2 Mùn cưa 14 1.2.3 Phụ gia ổn định nhiệt 16 1.2.4 Phụ gia hỗ trợ gia công 17 1.3 Phương pháp gia công 17 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1. Đối tượng nghiên cứu 22 2.1.1 Nguyên liệu 22 2.1.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 22 2.2 Nghiên cứu gia công tạo mẫu 22 2.2.1 Quy trình nghiên cứu 22 2.2.2 Chuẩn bị nguyên liệu 23 2.3 Nội dung nghiên cứu 24 2.3.1 Điều kiện gia công 24 2.3.2 Khảo sát tính chất composite 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Mẫu nghiên cứu của nhóm 25 3.2 Các nghiên cứu tham khảo 26 3.2.1 Nghiên cứu 1 26 3.2.2 Nghiên cứu 2 29 3.2.3 Nghiên cứu 3 31 3.2.4 Nghiên cứu 4 34 3.3 Kết luận: 37 3.4 Kiến nghị 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39   DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 : Cơ cấu nguyên liệu nhựa nhập khẩu 2020 9 Hình 1.1 : Cấu trúc vĩ mô của gỗ 15 Hình 1.2: Phương pháp lăn tay 17 Hình 1.3: Phương pháp phun bắn 18 Hình 1.4: Phương pháp RTM 19 Hình 1.5: Cấu tạo máy đúc tiêm 19 Hình 1.6: Quy trình phương pháp đúc ép 21 Hình 2.1: Quá trình thực hiện 23 Hình 3.1: Hình ảnh sản phẩm thu được 26 Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của vật liệu 28 Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian gia công đến độ bền của vật liệu 19 29 Hình 3.4: Độ bền uốn của mẫu composite PVCnùn cưa với hàm lượng mùn cưa 20 phr và mẫu PVC nguyên (không có mùn cưa) theo tiêu chuẩn ISO 178.14 31 Hình 3.5: Độ bền kéo của mẫu composite PVCnùn cưa với hàm lượng mùn cưa 20 phr và mẫu PVC nguyên (không có mùn cưa) theo tiêu chuẩn ASTM D389.14 32 Hình 3.6: Modun đàn hồi của vật liệu composite PVCmùn cưa với hàm lượng PVC tương ứng 40, 50, 60, 80 phr theo tiêu chuẩn ISO 527. 13 34 Hình 3.7: Độ bền kéo của mẫu composite PVCmùn cưa với các thành phần mùn cưa khác nhau như 40, 50, 60, 80 phr 35 Hình 3.8: Bề mặt mẫu composite PVCmùn cưa tạo thành với hàm lượng mùn cưa khác nhau 36 Hình 3.9: Độ bền kéo và độ bền va đập với hàm lượng mùn cưa khác 37 Hình 3.10: Độ bền uốn và độ modun uốn với hàm lượng mùn cưa khác nhau 38   DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Đơn phối liệu hỗn hợp nguyên liệu 24 Bảng 2: Thành phần nguyên liệu 32 Bảng 3: Thành phần nguyên liệu của nghiên cứu 4 36   PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, cùng với sự phát triển của đất nước, ngành gỗ Việt Nam trong những năm qua đã có tốc độ phát triển cao và là một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nước. Chỉ trong 13 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu ngành gỗ đã tăng rất nhanh, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 5 tỷ USD trong năm 2013. Hằng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nước ta phải nhập khẩu từ 3.54 triệu m3 gỗ tự nhiên trong khi lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu 1. Có thể thấy lượng phế liệu này là rất lớn và hiện nay chủ yếu được sử dụng để làm nguyên liệu. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu này đồng thời bảo vệ môi trường. Trong nghiên cứu này mùn cưa được sử dụng kết hợp với Poly(vinyl cloride) (PVC). Là loại chất dẻo phổ biến trong các dồ dùng sinh hoạt hằng ngày, phổ biến trên khắp thế giới. Có nhiều ưu điểm hơn so với các loại nhựa nhiệt dẻo khác như polypropylen (PP), polyethylen (PE)… là giá thành rẻ, tính chất cơ lý tốt, bền hóa chất, có tính chống cháy, và đặc biệt là có độ phân cực cao nên có độ tương hợp tốt với mùn cưa. Composite nhựa nhiệt dẻo có độ độc hại rất thấp. So với các sản phẩm bàn ghế nội thất truyền thống được sản xuất từ gỗ nguyên khối, các sản phẩm được sản xuất dựa trên cơ sở composite từ gỗnhựa có các tính chất ưu việt hơn như: Tính hút nước, khả năng trương nở thấp, hầu như không bị vi sinh vật, mối mọt phá hủy, bề mặt có chất lượng cao hơn gỗ, có thể gia công trên các máy chế biến gỗ thông thường. Việc kết hợp mùn cưa và nhựa poly(vinyl cloride) để tạo ra sản phẩm vừa hạn chế được lượng chất thải rắn đi vào môi trường, vừa tạo ra được sản phẩm có giá trị và giá trị sử dụng cao hơn những chất tham gia vào kết cấu sản phẩm 2. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng mùn cưa và nhựa PVC để sản xuất vật liệu gỗ nhựa là xu hướng mới được quan tâm nghiên cứu, vừa để nâng cao giá trị sử dụng của gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước • Trong nước: Composite sợi tự nhiên rất phát triển ở nước ta, là đề tài của nhiều nghiên cứu khoa học không chỉ trong phạm vi trường học mà còn được ứng dụng nhiều trong cuộc sống. o “Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗnhựa” của Ngô Thùy Dương, Đại học lâm nghiệp Hà Nội xác định ảnh hưởng của kích thước bột gỗ và nhựa PP, PE đến một số tính chất chủ yếu của composite gỗnhựa 3. o “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa polyethylene và mùn cưa” của Trần Thị Thu Hằng, Đại học Đà Nẵng nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mùn cưa và nhựa PE tỷ trọng cao 4. o “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa poly(vinyl cloride) với độn mùn cưa, trấu” Phạm Thị Vân, Nguyễn Thu Phương, báo cáo hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học, đại học Đà Nẵng 2010 5. • Ngoài nước: Trong những năm gần đây vật liệu gỗ nhựa (WPC) được nghiên cứu thành công và áp dụng tại Mỹ và được phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Ấn Độ, Trung Quốc, Nga. o “Evaluation of mechanical properties of teak sawdust and PVC wood plastic composite” nhóm tác giả Latha Shankar, Ấn Độ. Đánh giá tính chất cơ học của composite mùn cưa teak và nhựa PVC 6. o “Flatpressed wood plastic composite from sawdust and recycled polyethylene terephthalate (PET): physical and mechanical properties” nhóm tác giả Khandkar Siddikur Rahman. Tổng hợp vật liệu, xác định các tính chất của gỗ ép từ mùn cưa và nhựa polyethylen terephthalate (PET) 7. o “Modelling and Production of Injection Moulded PolyvinylchlorideSawdust Composite” nhóm tác giả Đại học Benin, Nigeria. Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ PVC mùn cưa bằng phương pháp đúc tiêm 8. 3. Tính cấp thiết của vấn đề Nhu cầu về vật liệu mới với những tính chất cơ lý vượt trội hơn đã dẫn đến việc tạo nên một loại vật liệu mới là sự kết hợp giữa các vật liệu thành phần. Điều đó đã được chứng minh qua sự phát triển công nghệ phụ thuộc vào sự tiến bộ trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Đặc biệt, việc tận dụng được những loại phế phẩm để chế tạo vật liệu mang ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ môi trường. Việt Nam là một nước có nguồn nhiên liệu năng lượng tương đối phong phú, nhưng việc sử dụng tài nguyên đó chưa hợp lý và triệt để. Nước ta là một nước nông nghiệp, hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn các chất thải (sinh khối). Trong quá trình khai thác, chế biến gỗ rừng trồng, luôn luôn để lại một lượng phế liệu đáng kể là gỗ cành ngọn trong khai thác và lõi gỗ sau khi bóc ván mỏng, mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn. Là một loại vật liệu hữu cơ có nguồn gỗ từ các loại gỗ, tre, nứa… được bào mỏng, nghiền vụn thành những hạt có kích thước nhỏ 9. Đặc điểm chung của những dạng phế liệu này là khối lượng thể tích thấp, tiết diện hình tròn, đường kính nhỏ và độ cong ít. Nếu tiếp tục gia công thành nguyên liệu hình hộp, bằng phương pháp xẻ, thì hiệu suất sử dụng gỗ thấp, chí phí lớn, hiệu quả kinh tế không cao, chất thải rắn nhiều, bất lợi cho môi trường. Đồng thời, những phần gỗ tốt nhất bị loại bỏ thành phế liệu. Tất cả nhược điểm của những phế liệu này có thể được khắc phục bằng cách chế biến chúng thành gỗ vụn, dăm nhỏ kết hợp với chất kết dính thích hợp để sản xuất một dạng vật liệu mới sử dụng trong trang trí nội thất. Là một trong những vật liệu được sử dung phổ biến nhất hiện nay, PVC luôn là một trong những vật liệu không thể thiếu trong các nghành công nghiệp. Thị trường nhựa PVC toàn cầu đã tăng trưởng với tốc độ đáng kể trong vài năm qua nhờ nhu cầu ngày càng tăng đối với các ứng dụng vật liệu cứng như ống,… Hoạt động xây dựng đang gia tăng tại các thị trường mới nổi như Brazil, Trung Quốc Ấn Độ dự kiến sẽ là động lực quan trọng cho nhu cầu PVC toàn cầu trong một số năm tới 10. Tình hình trong nước, ngành nhựa Việt Nam cũng như một số ngành công nghiệp khác hiện tại vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu nhập khẩu. Trong số các loại nguyên liệu nhựa nguyên sinh nhập khẩu PE vẫn là loại nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất với 34%, PP và PVC là 2 loại nguyên liệu được nhập khẩu nhiều thứ hai với lần lượt là 22,8% và 8,8% trong năm 2020 11.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Composite sợi tự nhiên đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, với nhiều nghiên cứu khoa học được thực hiện cả trong trường học và ứng dụng thực tiễn Nghiên cứu của Ngô Thùy Dương từ Đại học Lâm nghiệp Hà Nội đã chỉ ra ảnh hưởng của kích thước bột gỗ và nhựa PP, PE đến các tính chất của composite gỗ-nhựa Trần Thị Thu Hằng tại Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ mùn cưa và nhựa PE có tỷ trọng cao Ngoài ra, Phạm Thị Vân và Nguyễn Thu Phương cũng đã trình bày nghiên cứu về vật liệu composite dựa trên nhựa poly(vinyl chloride) với độn mùn cưa và trấu tại hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2010.

In recent years, wood-plastic composites (WPC) have gained significant attention and successful application in the United States, with strong development in countries such as Japan, India, China, and Russia Notable studies include "Evaluation of Mechanical Properties of Teak Sawdust and PVC Wood Plastic Composite" by Latha Shankar and colleagues from India, which assesses the mechanical properties of teak sawdust and PVC composites Another important research is "Flat-Pressed Wood Plastic Composite from Sawdust and Recycled Polyethylene Terephthalate (PET): Physical and Mechanical Properties" by Khandkar-Siddikur Rahman, focusing on the synthesis and characterization of composite materials from sawdust and PET Additionally, the study "Modelling and Production of Injection Moulded Polyvinylchloride Sawdust Composite" conducted by researchers from the University of Benin, Nigeria, explores the fabrication of PVC-sawdust composites using injection molding techniques.

Tính cấp thiết của vấn đề

Nhu cầu về vật liệu mới với tính chất cơ lý vượt trội đã thúc đẩy sự phát triển của vật liệu kết hợp từ nhiều thành phần Sự tiến bộ trong khoa học vật liệu đã chứng minh tầm quan trọng của công nghệ này Đặc biệt, việc sử dụng phế phẩm để chế tạo vật liệu không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng phong phú, nhưng việc khai thác và sử dụng tài nguyên này vẫn chưa hiệu quả Là một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam hàng năm thải ra hàng chục triệu tấn chất thải sinh khối.

Trong quá trình khai thác và chế biến gỗ rừng trồng, một lượng phế liệu đáng kể như gỗ cành ngọn, lõi gỗ, mùn cưa, dăm bào và gỗ vụn thường được tạo ra Những phế liệu này là vật liệu hữu cơ từ các loại gỗ, tre, nứa, có khối lượng thể tích thấp và đặc điểm hình dạng không đồng nhất Việc gia công chúng thành nguyên liệu hình hộp thường dẫn đến hiệu suất sử dụng gỗ thấp và chi phí cao, gây lãng phí và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên, những nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách chế biến phế liệu thành gỗ vụn và dăm nhỏ kết hợp với chất kết dính phù hợp, tạo ra vật liệu mới phục vụ cho trang trí nội thất.

PVC là một trong những vật liệu phổ biến nhất hiện nay, không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp Thị trường nhựa PVC toàn cầu đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm gần đây, nhờ vào nhu cầu ngày càng cao cho các ứng dụng vật liệu cứng như ống Sự gia tăng hoạt động xây dựng tại các thị trường mới nổi như Brazil, Trung Quốc và Ấn Độ được dự đoán sẽ là động lực chính cho nhu cầu PVC toàn cầu trong những năm tới.

Ngành nhựa Việt Nam hiện đang phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu nhập khẩu, trong đó polyethylene (PE) chiếm tỷ trọng lớn nhất với 34% Hai loại nguyên liệu nhựa khác là polypropylene (PP) và polyvinyl chloride (PVC) đứng thứ hai về lượng nhập khẩu, với tỷ lệ lần lượt là 22,8% và 8,8% trong năm 2020.

Hình 1 : Cơ cấu nguyên liệu nhựa nhập khẩu 2020

PVC có những tính chất vượt trội so với các loại nhựa khác và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, lượng phế thải nhựa khổng lồ từ việc sử dụng này gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến đời sống con người, đồng thời làm thay đổi hệ sinh thái với nhiều hệ lụy nghiêm trọng Việc xử lý phế thải nhựa trở thành một thách thức lớn Do đó, việc sử dụng PVC trong sản xuất bàn không chỉ giúp giảm thiểu vấn đề môi trường mà còn tạo ra sản phẩm hữu ích cho con người.

Vật liệu composite mùn cưa-nhựa PVC là sự kết hợp giữa mùn cưa và nhựa nhiệt dẻo, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Sản phẩm này có khối lượng riêng nhẹ, tính năng cơ lý cao, khả năng chịu môi trường tốt và hiệu quả cách nhiệt.

Từ những lý do trên chúng em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu composite từ nhựa poly(vinyl chloride) và mùn cưa định hướng chế tạo sản phẩm bàn”.

Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo vật liệu composite từ nhựa PVC và mùn cưa định hướng chế tạo sản phẩm bàn.

Nội dung thực nghiệm

- Tìm hiểu lựa chọn nguyên liệu và các phụ gia phù hợp.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần chính và phụ gia để thiết lập đơn phối liệu tối ưu.

- Nghiên cứu đưa ra điều kiện gia công chế tạo mẫu tối ưu (khảo sát nhiệt độ gia công, thời gian gia công…).

- Khảo sát tính năng của sản phẩm (các tính chất cơ lý, thực hiện các phép đo độ bền kéo, độ bền uốn…).

- Đánh giá khả năng sử dụng của sản phẩm.

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tổng quan về composite

1.1.1 Khái niệm về vật liệu composite

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, tạo ra một vật liệu mới với các tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

1.1.2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu composite

Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm:

Là vật liệu nhiều pha

Trong vật liệu composite có tỷ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước.

Tính chất chung của composite được hình thành từ sự kết hợp của các pha thành phần, nhưng không phải tất cả tính chất của các pha này đều được giữ lại Composite chỉ chọn lọc những tính chất ưu việt nhất và phát huy thêm để tạo ra sản phẩm có hiệu suất cao hơn.

1.1.3 Thành phần của vật liệu composite

Gồm 2 thành phần chính: a) Vật liệu nền (pha liên tục): các nền thường hay sử dụng như nền polymer nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn; nền kim loại và nền ceramic. b) Vật liệu gia cường (pha gián đoạn): là thành phần cốt lõi của vật liệu composite, có hai loại vật liệu gia cường cơ bản là dạng cốt sợi và dạng cốt hạt.

1.1.4 Ưu và nhược điểm của vật liệu composite

Composite có khả năng thay đổi cấu trúc hình học, phân bố và vật liệu thành phần, cho phép tạo ra vật liệu mới với độ bền theo mong muốn, đây là một ưu điểm nổi bật Bên cạnh đó, composite còn sở hữu nhiều ưu điểm khác, như khả năng chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt trong thiết kế.

 Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao

 Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và cách nhiệt tốt

 Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn cao, không tốn kém trong bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mòn

 Gia công và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu

 Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần).

 Khuyết điểm: Bên cạnh những ưu điểm trên thì vật liệu composite vẫn có những hạn chế nhất định như:

 Khó tái chế và tái sử dụng khi hư hỏng

 Giá nguyên liệu để chế tạo composite cao hơn so với thép và nhôm

 Nhiệt độ sử dụng của các sản phẩm composite bị giới hạn (-40 đến 100 C)⁰

 Một số composite hấp thụ ẩm mạnh

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu Composite

Vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, giúp tạo ra các sản phẩm phục vụ đời sống và sản xuất Chúng khắc phục những nhược điểm của các loại vật liệu khác, từ đó nâng cao hiệu suất, hiệu quả và chất lượng công việc cũng như đời sống con người.

 Vỏ động cơ tên lửa

 Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ

 Bình chịu áp lực cao

 Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuẩn sản xuất ống dẫn xăng, dầu)

 Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay còn gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh)

 Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite

 Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn

 Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite

 Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng

Hệ thống cách điện bao gồm các loại sứ như sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy, sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao và sứ trong các bộ thiết bị điện Những sản phẩm này đóng vai trò quan trọng trong việc chống sét và bảo vệ cầu chì, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

Vật liệu composite từ độn mùn cưa và nhựa poly(vinylcloride)

1.2.1 Nhựa poly(vinyl cloride)[20] a Cấu tạo

PVC có cấu tạo phân tử mạch thẳng rất ít nhánh Khối lượng phân tử của Poly(vinylcloride) kĩ thuật từ 18.000 – 30.000 phân tử.

Công thức cấu tạo dạng tổng quát của nhựa PVC:

Cấu trúc PVC chủ yếu có 2 dạng:

PVC là một polymer có tính phân cực cao, và trong trạng thái chưa được kéo căng, nó hoàn toàn vô định hình Chỉ khi được kéo căng mạnh, PVC mới có khả năng định hướng một phần.

PVC chưa pha trộn có tính chất dai, giòn và ổn định nhiệt kém so với các loại nhựa nhiệt dẻo khác, do nhiệt độ phân hủy thấp hơn nhiệt độ chảy Vì vậy, PVC cần được biến tính để sử dụng hiệu quả Dưới mức độ hóa dẻo thấp, hầu hết các hợp chất PVC có khả năng cháy chậm và tự tắt Tính chất vật lý của PVC phụ thuộc vào nhựa và các thành phần khác PVC hóa dẻo hiện là một trong những vật liệu nhựa phổ biến, với nhiều ứng dụng tương tự như cao su và nhựa kỹ thuật Tuy nhiên, PVC có nhược điểm là dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao, có thể ăn mòn thiết bị sản xuất, có tỷ trọng cao hơn các loại nhựa khác và dễ bị ảnh hưởng bởi dung môi.

PVC thường mềm ở nhiệt độ từ 75 - 90°C, với nhiệt độ hóa thủy tinh Tg trong khoảng 80 - 85°C tùy thuộc vào khối lượng phân tử và nhiệt độ trùng hợp Nhiệt độ phân hủy của PVC thường rơi vào khoảng 195°C, và nhiệt độ sử dụng thông thường là từ 65 - 80°C Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ phân hủy của PVC bao gồm hàm lượng phân tử thấp, kích thước hạt, tỷ lệ hạt xốp và không xốp, cũng như sự hiện diện của tạp chất.

PVC có nhiều ưu điểm như ổn định hóa học, độ bền cơ học cao và dễ dàng gia công thành nhiều sản phẩm khác nhau Chính vì những đặc tính này, PVC hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống hàng ngày.

1.2.2 Mùn cưa Đối với các cở sở sản xuất gỗ xẻ, ván, đồ mộc… thải ra một lượng chất thải rắn rất lớn, bao gồm vỏ cây, cành ngọn, mùn cưa, phôi bào, bụi gỗ mịn nhưng số lượng mùn cưa được sử dụng còn rất hạn chế, do đó một lượng lớn mùn cưa thải ra vẫn còn chưa được xử lý gây ô nhiêm môi trường nghiêm trọng Vì nó có khả năng đốt cháy, nó thường được sử dụng làm nguồn nhiên liệu trong các quá trình nhiệt Mùn cưa ở thí nghiệm này được lấy từ xưởng mộc là loại mùn cưa của gỗ tràm.

Cấu tạo của gỗ (Hình 1.1) [20]:

Hình 1.1 : Cấu trúc vĩ mô của gỗ

- Lớp vỏ chết bên ngoài (periderm bark)

- Lớp vỏ sống bên trong (inner living bark)

- Tầng phát triển/ sinh trưởng (Vascular cambium)

Ngoài ra, thành phần hóa học cơ bản của gỗ tạo ra mùn cưa còn gồm [20]:

- Các chất chiết khoảng từ 2-8%

Cây keo lá tràm là loại gỗ quen thuộc với người tiêu dùng Việt Nam, thường được sử dụng để sản xuất ván sàn và đồ nội thất Với cốt gỗ cứng chắc và tỷ trọng tự nhiên khoảng 650kg/m³, loại gỗ này có khả năng chịu lực tốt, phù hợp cho việc trang trí và thiết kế nội thất trong gia đình.

Cây này mang lại hiệu quả kinh tế cao với thời gian trồng ngắn, giá trị gỗ tương đương với nhiều loại gỗ khác Nó được sử dụng phổ biến trong các cơ sở chế biến để sản xuất ván sàn, gỗ dán, đồ nội thất và giấy.

Hằng năm, diện tích rừng trồng Keo lá tràm tăng từ 10.000 đến 15.000 ha, chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Đông Nam Bộ, mang lại năng suất và chất lượng cao Loại gỗ này được ưa chuộng trong ngành nội thất, dẫn đến lượng mùn cưa thải ra rất lớn Việc tận dụng mùn cưa không chỉ giúp giải quyết ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm hữu ích cho con người.

1.2.3 Phụ gia ổn định nhiệt

Cơ chế ổn định của phụ gia ổn định nhiệt:

Phụ gia ổn định nhiệt polymer giúp duy trì tính ổn định của nhựa nền trong quá trình gia công như ép đùn, đồng thời bảo vệ nhựa khỏi sự phân hủy do oxi hóa nhiệt trong suốt thời gian sử dụng Chúng cũng giữ cho các tính chất của vật liệu như chỉ số chảy, độ nhớt, khối lượng phân tử và sự mất màu không bị biến đổi.

Sự phân hủy oxi hóa nhiệt của polymer có thể được ức chế bằng các phụ gia phù hợp, được gọi là chất chống oxi hóa

Các chất chống oxi hóa hoạt động bằng cách làm gián đoạn quá trình phân hủy, được chia loại dựa vào hình thức tác dụng:

Loại 1: Chất chống oxi hóa sơ cấp, chúng giữ lại các gốc tự do tạo thành trong polymer, thường là gốc hydroperoxy, bằng cách nhường hydro linh động (không bền) cho các gốc này

Loại 2: Chất chống oxi hóa thứ cấp, tham gia vào bước tự oxi hóa bằng cách phân hủy hidroperoxyde thành dạng bền (ancol)

Thường thì kết hợp cả hai loại chất chống oxi hóa này để tạo được độ bền cao nhất cho polymer

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phụ gia ổn định nhiệt SMS 318.

Thành phần của phụ gia ổn định nhiệt SMS 318:[21]

1.2.4 Phụ gia hỗ trợ gia công

Chất hỗ trợ gia công là hóa chất thiết yếu trong quá trình gia công PVC ở trạng thái nóng chảy, giúp cải thiện tính chất đàn hồi mà không làm giảm độ chảy nhớt Những chất phụ gia này có mức độ tương thích cao với PVC và khối lượng phân tử lớn, tạo điều kiện cho việc liên kết cấu trúc của PVC nóng chảy, từ đó tăng cường độ bền kéo Ngoài ra, chúng còn góp phần làm dẻo hóa nhanh chóng hơn.

Chất hỗ trợ gia công dùng ở thí nghiệm này là LP-40D.

Thành phần của phụ gia hỗ trợ gia công LP-40D chủ yếu là acrylic.

Phương pháp gia công

Sơ lược một số phương pháp gia công composite như:

Phương pháp lăn tay (Hand lay-up) là công nghệ chế tạo sử dụng khuôn hở, trong đó tất cả các công đoạn từ hòa trộn nguyên liệu cho đến khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn đều được thực hiện hoàn toàn bằng tay.

Phương pháp lăn tay là một công nghệ đơn giản và phổ biến, dễ thực hiện với chi phí đầu tư thiết bị thấp Phương pháp này cho phép thay đổi cấu trúc sản phẩm một cách linh hoạt và không yêu cầu trình độ nhân công cao Hơn nữa, vật liệu làm khuôn cũng rất đơn giản và rẻ tiền.

Nhược điểm của sản phẩm bao gồm chất lượng không đồng đều, chỉ có một mặt láng bóng (mặt tiếp xúc với khuôn) và năng suất thấp Ngoài ra, dung môi cũng ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.

Phương pháp phun bắn (Spray-up) là công nghệ chế tạo sử dụng khuôn hở tương tự như phương pháp Hand lay-up Trong quy trình này, gel-coat được phủ lên khuôn và lớp gia cường được tạo ra bằng súng phun.

Phương pháp phun bắn mang lại năng suất cao hơn so với công nghệ lăn tay, đồng thời sử dụng khuôn và nguyên liệu với chi phí thấp, phù hợp cho mọi kích thước sản phẩm.

Nhược điểm của sản phẩm này bao gồm việc không phù hợp với các sản phẩm có cấu trúc yêu cầu độ bền cao, khó khăn trong việc điều chỉnh hàm lượng sợi và độ dày, độ độc hại cao, chỉ tạo ra bề mặt bóng láng một chiều, và yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp.

Phương pháp đúc chuyển nhựa – RTM (Resin transfer moulding)

RTM là phương pháp dùng áp suất thấp chuyển nhựa vào khuôn kín, tạo sản phẩm composite chặt chẽ về hình dạng preform (hoặc sợi) và nhựa (Hình 1.4):

Phương pháp RTM (Resin Transfer Molding) mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng sản xuất các sản phẩm phức tạp, kích thước lớn với cơ tính cao Sản phẩm được tạo ra có bề mặt bóng láng hai mặt, ít bọt khí và không có đường bavia cắt, giúp tiết kiệm nguyên liệu Bên cạnh đó, phương pháp này còn an toàn cho sức khỏe và góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường.

Nhược điểm của quy trình sản xuất bao gồm chi phí khuôn và trang thiết bị cao, thiết kế khuôn phức tạp yêu cầu tay nghề nhân công cao Thời gian gia công sản phẩm kéo dài, không thích hợp cho các sản phẩm lớn, và gặp khó khăn trong việc vệ sinh.

Sản phẩm được tạo thành bằng cách tiêm nhựa nóng chảy/lỏng vào khuôn dưới áp lực và nhiệt độ cao Cấu tạo máy đúc tiêm (Hình 1.5):

Máy đúc tiêm có cấu tạo đặc biệt cho phép sản xuất các sản phẩm phức tạp với năng suất cao và chi phí thấp Phương pháp này giúp giảm thiểu lao động, có khả năng gia công nhiều loại chi tiết từ nhỏ đến lớn, đồng thời giảm thiểu tổn thất nguyên liệu.

Nhược điểm của công nghệ này bao gồm yêu cầu vốn đầu tư lớn và chi phí cao, đồng thời cần nhân công có trình độ chuyên môn cao Hơn nữa, công nghệ này không thích hợp cho quy mô sản xuất nhỏ.

Công nghệ chế tạo theo khuôn kín cho phép gia công sản phẩm composite từ nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo với hiệu suất cao, chủ yếu được ứng dụng để sản xuất dạng tấm.

Nguyên tắc đúc ép composite nhựa nhiệt dẻo là đặt nguyên liệu vào khuôn gia nhiệt, nơi nhựa sẽ chảy và mềm dưới áp suất, sau đó định hình theo khuôn khi đóng lại Quy trình thực hiện phương pháp này bao gồm các bước cụ thể để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

- Làm sạch và chống dính khuôn

- Đặt nguyên liệu vào khuôn và đóng khuôn

- Tăng áp suất, tăng nhiệt độ nhựa chảy, mềm và định hình theo hình dạng khuôn

- Làm nguội với tốc độ phù hợp, thường 2 đến 10 C/ phút⁰

- Mở khuôn và tháo sản phẩm.

Quy trình phương pháp đúc ép mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như thời gian gia công sản phẩm nhanh chóng và tỷ lệ sản phẩm cao Phương pháp này không chỉ có năng suất cao mà còn đảm bảo chất lượng bề mặt tốt Đặc biệt, việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo trong quy trình giúp sản phẩm dễ dàng tái chế và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nhược điểm của công nghệ này bao gồm việc chủ yếu chỉ tạo ra các sản phẩm dạng tấm, dễ bị cong vênh, đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao và khó khăn trong việc sản xuất các sản phẩm dày.

THỰC NGHIỆM

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các điều kiện gia công như nhiệt độ, thời gian và áp suất đối với tính chất của composite được tạo ra từ nhựa PVC và mùn cưa Tỷ lệ các thành phần nhựa PVC, mùn cưa và chất phụ gia đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của vật liệu composite này.

- Nhựa Polyvinyl Chloride (PVC) SG580 cung cấp bởi Công ty TNHH Nhựa và Hóa chất TPC VINA.

- Mùn cưa lấy từ xưởng mộc ở Quảng Nam

- Phụ gia ổn định nhiệt SMS 318

- Phụ gia hỗ trợ gia công LP-40D

2.1.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

- Cân khối lượng, tủ sấy

- May đo độ bền kéo, uốn

- Các dụng cụ thiết bị khác

Nghiên cứu gia công tạo mẫu

Phụ gia Nhựa PVC Đúc ép

Quy trình sản xuất bắt đầu bằng việc loại bỏ tạp chất từ mùn cưa, sau đó sàng phân loại kích thước hạt và sấy khô trong tủ sấy Tiếp theo, mùn cưa được trộn đều với PVC và các chất phụ gia, lưu ý rằng phụ gia SMS 318 cần được nghiền nhỏ để tối ưu hóa hiệu suất Sau khi làm sạch khuôn để loại bỏ bụi bẩn, bôi sáp lên bề mặt khuôn để tránh dính và dễ dàng tháo sản phẩm Hỗn hợp nguyên liệu được cho vào khuôn đã được làm nóng trước, sau đó đóng khuôn và tăng áp suất nhiệt độ theo yêu cầu Cuối cùng, khuôn được làm nguội và mẫu được lấy ra để khảo sát điều kiện gia công và đo các tính chất cơ lý.

Mùn cưa được sấy khô trong tủ sấy trong vòng 2h ở 103 ± 5ºC để loại bỏ ẩm và cho vào túi để bảo quản [12].

Ta có đơn phối liệu như Bảng 1:

Bảng 1: Đơn phối liệu hỗn hợp nguyên liệu

Mùn cưa (phr) Phụ gia trợ gia công LP-40D

Phụ gia ổn định nhiệt SMS 318 (phr)[22]

- Thành phần mùn cưa tự lựa chọn để khảo sát

- Thành phần Nhựa PVC= 100 – (thành phần mùn cưa+ Thành phần phụ gia)

Nội dung nghiên cứu

2.3.1 Điều kiện gia công a) Khảo sát nhiệt độ gia công

Khảo sát nhiệt độ đúc ép bao gồm việc đưa hỗn hợp vào khuôn và đạt nhiệt độ khảo sát từ 150 đến 170°C trước khi lắp khuôn vào thớt máy ép Sau đó, điều chỉnh thớt dưới lên cho đến khi máy ép chạm vào khuôn trên và đạt áp lực 100 Kg/cm² Các mẫu sẽ được đo các tính chất kéo, uốn và va đập để xác định nhiệt độ đúc ép tối ưu Bên cạnh đó, khảo sát thời gian gia công cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả quy trình.

Khảo sát trên máy ép đúc với các khoảng thời gian 15, 20, 25 phút.

2.3.2 Khảo sát tính chất composite

Khảo sát tính năng cơ lý

Đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ISO 178 yêu cầu đặt mẫu giữa hai gối đỡ và tác dụng lực ở giữa mẫu với tốc độ xác định, không đổi, cho đến khi mẫu bị phá hủy hoặc đạt độ biến dạng nhất định.

Đo độ bền kéo: tiêu chuẩn ISO 527

Mẫu được đặt giữa 2 ngàm kẹp và kéo cho đến khi đứt.