Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA CHỐNG LÃO HÓA TỚI TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA Mã số: T2013 – 31TÐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Quách Văn Thiêm S K C0 0 4 3 0 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA CHỐNG LÃO HÓA TỚI TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA Mã số: T2013 – 31TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Quách Văn Thiêm TP. HỒ CHÍ MINH, 02/ 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA CHỐNG LÃO HÓA TỚI TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA Mã số: T2013 – 31TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Quách Văn Thiêm Thành viên tham gia: ThS. Nguyễn Hà TP. HỒ CHÍ MINH, 02/2014
4. i TÓM TẮT Vật liệu phức hợp gỗ nhựa là một loại vật liệu mới, là sự kết hợp giữa sợi gỗ và nhựa nhiệt dẻo, sự kết hợp này mang lại tính năng ƣu việt cho sản phẩm. Việc tận dụng phế liệu gỗ và nhựa để sản xuất vật liệu mới là xu hƣớng mới đƣợc nhiều nƣớc quan tâm nghiên cứu. Cùng với xu thế đó chúng tôi đã nghiên cứu sử dụng phụ gia chống lão hóa cho loại vật liệu mới này và thu đƣợc kết quả nhƣ sau: Khả năng liên kết giữa nhựa bột gỗ Cao su/nhựa Polypropylene RP348/trợ tƣơng hợp Scona TPPP 8112 GA/phụ gia bôi trơn BKY – P 4101/chất chống oxi hóa IRGANOX B215/chất hấp thụ tia cực tím TINUVIN 1130 có độ bền đáp ứng đƣợc yêu cầu của liệu composite gỗ nhựa dùng trong trang trí nội ngoại thất. Các yếu tố công nghệ nhƣ nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép, lƣợng chất chống oxy hóa, lƣợng chất hấp thụ tia UV ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền kéo, độ bền uốn của vật liệu và có mối quan hệ dạng parabol. Nhƣng các yếu tố này ít ảnh hƣởng tới độ hút nƣớc. Qua thực nghiệm đã xây dựng đƣợc chế độ gia công hợp lý tạo vật liệu composite từ bột gỗ Cao su-nhựa PP trên máy ép phun W-120B.
5. ii MỤC LỤC TÓM TẮT i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA 1 1.1.1. Khái niệm và ứng dụng của vật liệu composite gỗ-nhựa 1 1.1.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc 2 1.1.3. Nghiên cứu trong nƣớc 5 1.1.4. Nhận xét chung 8 1.2. TÍNH CẤP THIẾT 8 1.3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 9 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu 9 1.3.2. Nội dung nghiên cứu 10 1.4. CÁCH TIẾP CẬN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10 1.5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 1.5.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 11 1.5.2. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 11 1.5.2.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ gia tới tính chất của WPC 11 1.5.2.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ chất chống lão hóa tới tính chất của WPC 13 1.5.2.3 Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm 15 1.5.2.4. Thiết bị dùng trong nghiên cứu thực nghiệm 15 1.5.2.5. Phƣơng pháp xác định các thông số nghiên cứu 17 1.6. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 19 1.6.1. Đối tƣợng nghiên cứu 19 1.6.1. Phạm vi nghiên cứu 19 1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 20 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21
6. iii 2.1. THÀNH PHẦN TRONG COMPOSITE GỖ NHỰA 21 2.1.1. Nhựa nền polypropylen 21 2.1.2. Cốt bột gỗ Cao su 22 2.1.3. Chất trợ tƣơng hợp MAPP 27 2.1.4. Chất bôi trơn 27 2.1.5. Chất chống oxy hóa 28 2.1.6. Chất hấp thụ tia UV 28 2.2. NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH VÀ CƠ CHẾ LIÊN KẾT 29 1.2.1. Nguyên lý hình thành của vật liệu Composite gỗ – nhƣạ 29 2.2.2. Cơ chế liên kết giữa bột gỗ, nhựa PP và MAPP 29 2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 31 2.3.1. Ảnh hƣởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC 31 2.3.2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ thành phần 32 2.3.3. Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến chất của vật liêu WPC 32 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34 3.1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ ÉP 34 3.1.1. Thí nghiệm tạo vật liệu 34 3.1.2. Kết quả nghiên cứu 35 3.1.2.1. Ảnh hƣởng của chế độ ép tới độ hút nƣớc 35 3.1.2.2. Ảnh hƣởng của chế độ ép tới độ bền kéo 35 3.1.2.3. Ảnh hƣởng của của chế độ ép tới độ bền uốn 37 3.2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHỤ GIA CHỐNG LÃO HÓA 38 3.1.1. Thí nghiệm tạo vật liệu 38 3.2.2. Ảnh hƣởng của chất lão hóa tới tính chất của vật liệu 39 3.2.2.1. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ hút nƣớc 40 3.2.2.2. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo 40 3.2.2.2. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn 41 3.2.2. Ảnh hƣởng của chất lão hóa tới tính chất của vật liệu sau thời gian 6 tháng 42 3.2.3.1. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ hút nƣớc 42 3.2.3.2. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo 42
7. iv 3.2.3.2. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn 43 3.2.2. Ảnh hƣởng của chất lão hóa tới tính chất của vật liệu sau thời gian 12 tháng 44 3.2.4.1. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ hút nƣớc 45 3.2.4.2. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo 45 3.2.4.3. Ảnh hƣởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn 46 Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 KẾT LUẬN 48 KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ BIỂU
8. v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị WPC Composite gỗ - nhựa b Chiều rộng mẫu mm h Chiều dày mẫu mm Mesh Số dây kim loại đan lƣới trên 1inch inch  Khối lƣợng thể tích g/cm3 σu Độ bền uốn MPa σk Độ bền kéo vuông góc MPa a Độ bền và đập charpy KJ/m2 W Độ hấp thụ nƣớc % Pmax Lực phá hủy mẫu N A Năng lƣợng phá hủy mẫu mJ PC Polyme composite PP Polypropylene PE Polyetylen PVC Polyvinyclorua MAPP Maleic anhdride polypropylene 0 T1 Nhiệt độ vùng 1 C 0 T2 Nhiệt độ vùng 2 C 0 T3 Nhiệt độ vùng 3 C 0 T4 Nhiệt độ vùng 4 C Tg Thời gian s P1 Áp suất phun vùng 1 MPa P2 Áp suất phun vùng 2 MPa P3 Áp suất phun vùng 3 MPa P4 Áp suất phun vùng 4 MPa
9. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Miền thực nghiệm chế độ ép 12 Bảng 1.2 Ma trận thí nghiệm chế độ ép 13 Bảng 1.3 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa 14 Bảng 1.4 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa 14 Bảng 2.1 Tính chất cơ bản của gỗ Cao su 24 Bảng 2.2 Tính chất của chất chống oxi hóa IRGANOX B215 28 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của chế độ gia công tới tính chất của WPC 35 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ chất chống lão hóa tới tính chất của vật liệu 39 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ chất chống lão hóa tới tính chất của vật liệu sau 6 tháng . 42 Bảng 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ chất chống lão hóa tới tính chất của vật liệu sau 12 tháng 44
10. vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời 2 Hình 1.2 Sử dụng vật liệu WPC trong xây dựng nhà dân dụng 2 Hình 1.3 Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu 10 Hình 1.4 Máy ép phun W-120B 16 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý máy ép phun 16 Hình 1.6 Tủ sấy JeioTech 17 Hình 1.7 Máy INSTRON 3367 17 Hình 1.8 Máy gia tốc Q-sun Xenon test chamber 18 Hình 2.1 Cấu tạo hiển vi của gỗ Cao su trên 3 mặt cắt 23 Hình 2.2 Công thức cấu tạo cellulose 24 Hình 2.3 Liên kết hyro trong cellulose 25 Hình 2.4 Cấu trúc hóa học của hemicelluloses 26 Hình 2.5 Công thức cấu tạo của Lignin 26 Hình 2.6 Công thức hóa học của IRGANOX B215 28 Hình 2.7 Công thức hóa học của TINUVIN 1130 29 Hình 2.8 Sơ đồ tổng quá t vù ng phân chia ph a 29 Hình 2.9 Sơ đồ phản ứng liên kết của MAPP với bề mặt sợi gỗ [55] 30 Hình 2.10 Sơ đồ khuếch tán của MAPP gắn trên bề mặt sợi vào nhựa PP[55] 31 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép tới độ bền kéo 36 Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép tới độ bền uốn 37 Hình 3.3 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo 40 Hình 3.4 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn 41 Hình 3.5 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo sau 6 tháng 43 Hình 3.6 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn sau 6 tháng 44 Hình 3.7 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền kéo sau 12 tháng 45 Hình 3.8 Ảnh hưởng của chất chống lão hóa tới độ bền uốn sau 12 tháng 46
11. viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa tới tính chất của vật liệu compostie gỗ nhựa” - Mã số: T2013 – 31TĐ - Chủ nhiệm: ThS. Quách Văn Thiêm - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: từ tháng 01 đến tháng 12 năm 2013 2. Mục tiêu: - Xác định đƣợc ảnh hƣởng của chế độ ép tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa. - Xác định đƣợc ảnh hƣởng của phụ gia chống oxy hóa, phụ gia hấp thụ tia UV tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa. 3. Tính mới và sáng tạo: - Xác định đƣợc quy luật biểu diễn sự phụ thuộc của độ hút nƣớc, độ bền kéo, độ bền uốn vào thông số chế độ ép. - Xác định đƣợc quy luật biểu diễn sự phụ thuộc của độ hút nƣớc, độ bền kéo, độ bền uốn vào tỷ lệ chất chống oxy hóa, chất hấp thụ tia UV. 4. Kết quả nghiên cứu: - Xác định đƣợc chế độ ép hợp lý cho vật liệu composite giữa bột gỗ Cao su- Nhựa PP trên thiết bị ép phun SW-120B. - Xác định đƣợc hàm lƣợng hợp lý chất chống chống oxy hóa, chất hấp thụ tia UV dùng để sản xuất composite gỗ nhựa. 5. Sản phẩm: - Báo cáo khoa học về công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa. - Bài báo tại tạp chí Khoa học và Công nghệ lâm nghiệp. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Kết quả nghiên cứu có thể nâng cao giá trị sử dụng của vật liệu composite gỗ nhựa. Ngày 20 tháng 02 năm 2014 Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) ThS. Quách Văn Thiêm
12. ix INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: - Project title: Study on the effect of antioxidant additives on the properties of wood plastic composites - Code number: T2013 – 31TĐ - Coordinator: M.Eng. Quach Van Thiem - Implementing institution: University of Technical Education HoChiMinh City - Duration: from January to December - 2013 2. Objective(s): - The determining on the effect of technological parameters on the properties of wood plastic composites - The determining on the effect of antioxidant, UV absorber on the properties of wood plastic composites 3. Creativeness and innovativeness: - Multiple regression equations were established for water absorbtion, tensile strength, flexural strength which are depend on technological parameters - Multiple regression equations were established for water absorbtion, tensile strength, flexural strength which are depend on ratio of antioxidant, UV absorber 4. Research results: - The determining optimization technological parameters are manufactured composite from wood pulp Hevea-plastic polypropylen on the injection molding machine W-120B - The determining optimization ratio of antioxidant, UV absorber are manufactured composite 5. Products: - Report on the science of plastic wood composite material technology. - The article in the journal Science and Forestry Technology. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Research findings can be used to improve the quality of the product of wood plastic composites.
13. 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE GỖ NHỰA 1.1.1. Khái niệm và ứng dụng của vật liệu composite gỗ-nhựa Vật liệu Composite gỗ - nhựa là loại vật liệu composite đƣợc tổ hợp chủ yếu từ các loại nhựa nhiệt dẻo PE , PP, PVC , có thể từ nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh cùng với cốt là các loại bột gỗ , sơị gỗ hay các loaị sợi thực vật khác. Ngoài ra , có thể có thêm một số chất phụ gia trợ liên kết khác . Sản phẩm WPC có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thƣớc cao và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [4,6,20]. Sản phẩm WPC có thể sản xuất bằng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép phằng trong khuôn. Gỗ có thể đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g ở dạng bôṭ gỗ , dăm gỗ hay các phế liêụ trong chế biến gỗ nhƣ mùn cƣa , vỏ bào, Nhựa nhiệt dẻo có thể sử dụng là nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh tuỳ vào lĩnh vực và yêu cầu sử dụng của vật liệu [23-25]. Vật liệu WPC là vật liệu đƣợc biết đến sớm vào năm 1900, tuy nhiên vào năm 1983 công ty American Woodstock ở Sheboygan, Wisconsin bắt đầu sản xuất WPC cho nội thất ôtô bằng phƣơng pháp ép đùn sử dụng nhựa nền PP và bột gỗ, từ đó sản phẩm WPC đƣợc phổ biến rộng trên thế giới [57]. Vật liệu WPC hiện nay đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ làm sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tƣờng, ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí. Nhờ những đặc tính ƣu việt mà WPC đƣợc dùng để thay thế cho gỗ tự nhiên, ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thông, các công trình nội thất, ngoại thất, đồ nội thất ô tô, máy bay, Một số ứng dụng cụ thể của vật liệu composite nhƣ: Làm ván sàn ngoài trời (hình 1.1), sử dụng làm vật liệu nhà dân dụng (hình 1.2)
14. 2 Hình 1.1 Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời Hình 1.2. Sử dụng vật liệu WPC trong xây dựng nhà dân dụng 1.1.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc Vật liệu composite gỗ nhựa trong những năm gần đây đƣợc quan tâm nghiên và có rất nhiều các công trình nghiên cứu sử dụng sợi tự nhiên có chứa thành phần cellulose nhƣ sợi lanh, đay, gai, tre, dứa, gỗ để tạo ra vật liệu mới phục vụ nhu cầu con ngƣời. Các loại sợi này đƣợc sử dụng để thay thế cho các chất vô cơ khó phân hủy và chúng giúp nâng cao đƣợc một số tính chất của vật liệu composite. Với những ƣu điểm là khối lƣợng riêng thấp, tính năng cơ lý cao, ít gây tác dụng mài mòn thiết bị gia công, giá thành rẻ, thân thiện với môi trƣờng và nguồn nguyên liệu sẵn có, các sản phẩm composite sợi tự nhiên đã đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đã có nhiều các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này nhƣ: - Vật liệu WPC là loại vật liệu đƣợc tạo ra bằng cách trộn bột gỗ với các loại nhựa, hay đƣa bột gỗ vào gia cƣờng cho nhựa nền, qua ép đùn hoặc đúc ở nhiệt độ cao. Vật liệu WPC gia cƣờng bằng các loại sợi tự nhiên hay bột gỗ cũng thuộc nhóm
15. 3 vật liệu này. Sản phẩm của nó đều có đặc tính cơ học rất tốt và đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, nhƣng do đặc tính của nhựa PP là kỵ nƣớc, phân cực kém, khó kết hợp với sợi tự nhiên có đặc tính ƣa nƣớc và phân cực cao, nên khả năng tạo liên kết giữa hai loại vật liệu này là không cao [26,57] - Vào những năm 80, mặc dù chƣa 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 tƣơng hợp (hay chất khơi mào) các nhà nghiên cứu đã tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tƣơng hợp của hai loại vật liệu này. Các nghiên cứu cho thấy phần lớn các chất trợ tƣơng hợp nhƣ silan, maleic anhydride ghép polyolefin đều làm tăng khả năng bám dính giữa hai loại vật liệu [23,44]. 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 hƣởng của quá trình xử lý bề mặt sợi đến tính chất cơ học của compozit PP- sợi đay [23]. Các tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng cách cho MAPP với các hàm lƣợng khác nhau trong toluen với thời gian 5 phút và 10 phút. Sau đó đem sấy chân không trong 2 giờ ở 75oC. Kết quả cho thấy, hiệu quả của chất trợ tƣơng hợp phụ thuộc vào nồng độ và thời gian xử lý, nhƣ 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% thi kết quả nhận đƣợc với 5 phút và 10 phút là nhƣ nhau. - Năm 2006, Fauzi Febrianto và Dina Styawatti đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hƣởng của bột gỗ và hàm lƣợng chất biến tính MA đến tính chất cơ lý của vật liệu composite bột gỗ và PP tái sinh [36]. Nghiên cứu cho thấy tính chất vật lý và tính cơ học của vật liệu composite phụ thuộc vào hàm lƣợng và kích thƣớc của bột gỗ-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 hƣởng bởi hàm lƣợng chất MA, khi cho 2,5% trọng lƣợng MA thì độ bền kéo, độ bền kéo và môđun đàn hồi đều so với composite không có MA. - Năm 1991, Felix J.M và đồng nghiệp đã sử dụng MAPP để xử lý cellulose trong sợi gỗ [35]. Kết quả cho thấy, chất trợ tƣơng hợp MAPP đã làm giảm góc tiếp
16. 4 xúc giữa hai loại vật liệu góc tiếp xúc nằm trong khoảng 1300-1400, khả năng kết dính tăng lên rõ rệt. Cùng với nghiên cứu đó, một số nghiên cứu khác đã đánh giá đƣợc sự ảnh hƣởng của chất trợ tƣơng hợp đến khả năng thấm ƣớt của gỗ và liên kết giữa góc tiếp xúc và tỷ lệ chất trợ tƣơng hợp. - Năm 1997, Continho và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu về hiệu quả của việc xử lý và ảnh hƣởng của điều kiện trộn đến tính chất của composite gỗ nhựa khi xử lý bằng MAPP và silan. Các tác giả đã chỉ ra rằng, điều kiện tốt nhất để trộn hỗn hợp sợi gỗ và nhựa là ở 180oC, trong thời gian 10 phút với tốc độ quay 60 vòng/phút. Trƣớc khi trộn hợp, sợi gỗ đƣợc xử lý với silan, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hƣởng của phƣơng pháp gia công nhƣng vì quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ các bƣớc trộn, điều kiện máy móc thiết bị, độ ẩm của sợi gỗ, loại nhựa nên việc xác định quy trình cho việc tạo vật liệu cần đƣợc thực hiện với một điều kiện xác định cụ thể. Năm 2010, Cao Jin-Zhen và các đồng nghiệp nghiên cứu sơ bộ về đặc tính dẻo của vật liệu composites MAPP ghép với bột gỗ bạch dƣơng và PP [29]. 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 hƣởng 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 đƣợc ảnh hƣởng của nó đến độ bền mỏi của vật liệu cao hơn, nhƣng hầu nhƣ không ảnh hƣởng 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. Năm 2011, Behzad Kord nghiên cứu ảnh hƣởng của Maleic anhydride đến độ bền uốn, kéo, độ bền va đập của nhựa PP gia cƣờng bằng mùn cƣa [26]. Sản phẩm đƣợc chế tạo từ nhựa PP và bột gỗ lấy từ mùn cƣa với tỷ lệ 50/50 tính theo trọng lƣợng, chất trợ tƣơng hợp từ 0,1 – 2% đã đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp ép nóng chảy và ép phun. Kết quả cho thấy độ bền kéo, độ bền va đập đã tăng mạnh khi tăng chất trợ tƣơng hợp MA, các đặc tính cơ học của vật liệu composite gỗ nhựa cũng tăng lên. Năm 2006, M.Khalid và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hƣởng của chất trợ tƣơng hợp MAPP lên đặc tính cơ học của vật liệu composite sinh học PP gia cƣờng
17. 5 bằng sợi cây cọ dầu và cellulose [50]. Trong nghiên cứu sử dụng chất trợ tƣơng hợp MAPP cho PP-cellulose (lấy từ cây cọ dầu) và PP- sợi từ cây cọ dầu (EFBF). Tỷ lệ trộn của PP với cellulose và PP với EFBF là 70:30 trên máy trộn brabender tại nhiệt độ là 1800C. MAPP đƣợc cho vào với các tỷ lệ 2, 3, 5 và 7% tỷ lệ so với PP trong quá trình trộn. Kết quả cho thấy tỷ lệ của MAPP đã ảnh hƣởng đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập của vật liệu. Khi cho 30% tỷ lệ (cellulose và sợi) và 70% nhựa PP cho chất trợ tƣơng hợp 2% MAPP thì cho kết quả tốt nhất đối với vật liệu PP- EFBF, độ bền kéo của PP- EFBF, tăng 58% so với khi không cho chất trợ tƣơng hợp MAPP, nhƣng lại không có sự thay đổi nhiều với vật liệu PP-cellulose. 1.1.3. Nghiên cứu trong nƣớc Nghiên cứu về gỗ Cao su: Cây Cao su là một cây công nghiệp đƣợc trồng để lấy nhựa là chủ yếu, đến giai đoạn ít nhựa thì đƣợc chặt bỏ để trồng mới. Cây cao su ở Việt Nam đƣợc trồng nhiều ở khu vực Miền Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Gỗ Cao su hiện nay đang đƣợc sử dụng nhiều trong chế biến sản phẩm gỗ trong nƣớc và xuất khẩu, sản xuất ván dăm, làm bột giấy, đã có một số nghiên cứu về gỗ Cao su đó là: - Năm 1998, Phạm Ngọc Nam [14,16] đã nghiên cứu về cấu tạo, tính chất vật lý, tính chất cơ học của gỗ Cao su nhƣ là: mạch gỗ khá lớn từ 385-396μm; tế bào mô mềm khá phong phú, trong nhu mô còn có các tinh thể silic, oxalat canxi; ở cây Cao su có hiện tƣợng ống dẫn nhựa bệnh, gỗ Cao su dễ bị nấm mốc và mọt phá hoại, tự bảo quản kém, cƣờng độ chịu lực trung bình, - Năm 2000, Phạm Ngọc Nam [15] đã nghiên cứu sản xuất ván dăm từ cành ngọn và bỉa bắp gỗ Cao su; kết quả nghiên cứu này cho thấy khả năng dán dính giữa gỗ Cao su với các loại keo thông dụng thƣờng sử dụng trong ngành gỗ có độ bền phù hợp với các yêu cầu sản xuất đồ gỗ. - Năm 2011, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của TS. Hoàng Thị Thanh Hƣơng [11] đã nghiên cứu phòng chống cháy cho gỗ Cao su kết quả cho thấy khi sử dụng các chất phòng chống cháy khác nhau tác giả đã khuyến cáo nên sử dụng với hóa chất phòng chống cháy có công thức là (H3BO3 47,5%; Na2B8O13.10H2O 47,5%; Na2Cr2O7 5%) thì gỗ chất lƣợng gỗ chậm cháy đảm bảo theo tiêu chuẩn ASTME 160 – 80 của Mỹ. Nghiên cứu sử dụng sợi thực vật sản suất vật liệu composite có nhiều ƣu điểm nhƣ nhẹ, độ bến kéo tốt, dễ gia công, giá thành thấp, dễ phân hủy, thân thiện với môi
18. 6 trƣờng, cho nên đã có rất nhiều nghiên cứu về sử dụng sợi thực vật làm vật liệu gia cƣờng cho composite đã có các công trình nghiên cứu tiêu biểu nhƣ: - Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo composite trên cơ sở PP gia cƣờng bằng sợi đay [5]. Vật liệu đƣợc chế tạo bằng cách xếp các lớp màng PP-MAPP và sợi đay theo thiết kế rồi ép trên máy ép thủy lực (ép phằng trong khuôn kín) dƣới áp suất 7MPa trong 50 phút; kết quả cho thấy hàm lƣợng MAPP có ảnh hƣởng đến tính chất cơ học của composite, độ bền kéo và độ bền uốn cực đại khi dùng 7% trọng lƣợng MAPP, độ bền va đập giảm khoảng 50%. - Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu, Phạm Gia Huân nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme-compozit trên cơ sở nhựa PP gia cƣờng bằng hệ lai tạo tre, luồng-sợi thủy tinh [6]. Vật liệu chế tạo bằng cách nhựa và sợi đƣợc xếp từng lớp vào khuôn theo nguyên tắc nhựa sợi xen kẽ hàm lƣợng sợi chiếm 60% và đƣợc ép ở nhiệt độ 190 oC, áp suất phun 100KG/cm2, gia nhiệt trong 60 phút, ép trong 30 phút, làm nguội đến 80 oC bằng phƣơng pháp ép phẳng trong khuôn; kết quả cho thấy việc xử lý sợi tre luồng bằng dung dịch NaOH đã làm tăng hàm lƣợng cellulose trong sợi do đó làm tăng khả năng bám dính giữa sợi và nhựa. Việc sử dụng lai tạo 3 loại sơi trên cho tính năng độ bền uốn của vật liệu tăng lên rõ rệt. - Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát độ bền va đập của composite PP- Bột trấu [4]. Kết quả là độ bền va đập của composite đƣợc khảo sát ở các hàm lƣợng bột: 30, 35, 40, 45, 50 và 55%, cùng với chất trợ tƣơng hợp MAPP có hàm lƣợng MA 0,5%. Kết quả cho thấy, composite với hàm lƣợng bột trấu 55% có độ bền va đập đạt 2,5KJ/m2, cao gấp 4 lần so với PP nguyên sinh. - Năm 2010, Đoàn Thi Thu Loan đã nghiên cứu cải thiện tính năng của vật liệu composite sợi đay/nhựa PP bằng phƣơng pháp biến tính nhựa nền [12]. Vật liệu gia công bằng hai công đoạn tạo hạt gỗ nhựa bằng máy ép đùn hai trục vít và tạo mẫu thử bằng phƣơng pháp đúc tiêm (ép phun trong khuôn kín). Kết quả đã tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của các tác nhân tƣơng hợp copolymer ghép của PP với MA (MAHgPP) đến tính chất của composite nền nhựa PP gia cƣờng bằng sợi đay. Kết quả cho thấy, khi thêm 2% khối lƣợng Exxelor (Ex) vào nhựa nền PP thì khả năng kết dính tại bề mặt tiếp xúc đƣợc cải thiện đáng kể, nhờ vậy đã làm tăng độ bền kéo trƣợt, độ bền kéo, độ bền va đập và độ kháng nƣớc của vật liệu tạo ra. Tuy nhiên không ảnh hƣởng đến môđun kéo ảnh hƣởng không nhiều.
19. 7 - Năm 2011 Hà Tiến Mạnh và đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ bột gỗ và nhựa polypropylene đến tính chất composite gỗ-nhựa [13]. Nguyên liệu sử dụng là gỗ Keo tai tƣợng, nhựa tái chế PP và đƣợc pha trộn tỷ lệ gỗ/nhựa theo 3 cấp (50/50; 60/40; 70/30) trộn đều và đƣợc tạo hạt trên máy ép hai trục vít ở nhiệt độ 175oC tạo thành hạt gỗ nhựa; sau đó ép sản phẩm trên máy ép phẳng ở nhiệt độ 170oC dƣới áp lực 1,5-7,5MPa trong chu kỳ ép là 40 phút. Kết quả nghiên cứu đã xác định đƣợc sự ảnh hƣởng của tỷ lệ bột gỗ - nhựa đến một số tính chất của composite gỗ-nhựa PP. Tuy nhiên sự ảnh hƣởng này chƣa có sự khác biệt lớn. - Năm 2012, đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố của PGS.TS. Vũ Huy Đại đã nghiên cứu công nghệ sản xuất composite từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải [7]. Vật liệu đƣợc chế tạo từ nhựa PP, PE, PVC tái chế với phế liệu gỗ Keo tai tƣợng. Kết quả đã đạt đƣợc nhƣ: đã xây dựng đƣợc các bƣớc công nghệ chủ yếu để xử lý tái chế các loại nhựa này và các bƣớc công nghệ tạo bột gỗ Keo tai tƣợng từ mun cƣa, phoi bào, bìa bắp; Đã xác định đƣợc ảnh hƣởng tỷ lệ bột gỗ/nhựa tái chế đến tính chất của hạt và đã thiết lập đƣợc quy trình công nghệ tạo hạt gỗ nhựa với cấp tỷ lệ cho nhựa PP và PE (bột gỗ 50%/nhựa 45%/ trợ tƣơng hợp 5%) và đề xuất đƣợc công nghệ sản xuất composite gỗ-nhựa từ phế liệu gỗ và nhựa tái chế PP, PE, PVC trên máy ép đùn hai trục vít Cinnanici TS 80 - Năm 2013, đề tài thuộc chƣơng KH&CN trọng điểm cấp Nhà nƣớc KC.02/11- 15 của TS. Nguyễn Vũ Giang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên cơ sở nhựa polylefin (polyetylen, polypropylen) khâu mạch (XLPO) và bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội- ngoại thất [10]. Vật liệu đƣợc chế tạo từ bột gỗ Giáng hƣơng sau đó xử lý bột gỗ bằng kiềm nóng để loại bỏ tạp chất có trong bột gỗ và rửa sạch bằng nƣớc cất rồi sấy khô; rồi đem biến tính bề mặt bằng tetraethyl ortosilicat và 3-glyxidoxyl propyl trimetoxy silan. Sau chế tạo vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và XLPP/bột gỗ biến tính với các yếu tố thay đổi nhƣ tỷ lệ bột gỗ thay đổi từ 20-60% , nhiệt độ gia công từ 170-200oC, thời gian trộn từ 3-8 phút; phƣơng pháp gia công là dùng thiết bị ép đùn một trục tạo hạt sau đó chuyển sang máy ép định hình tấm phẳng, Kết quả đề tài đã xác định đƣợc các thông số công nghệ ảnh hƣởng tới quá trình biến tính gỗ Giáng hƣơng và điều kiện gia công tối ƣu cho hai loại vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và XLPP/bột gỗ biến tính.
20. 8 1.1.4. Nhận xét chung Từ những trình bày ở trên có thể rút ra một số kết luận sau - Vật liệu composite gỗ nhựa là loại vật liệu mới nằm trong chƣơng trình KH&CN cấp Nhà nƣớc tài đã có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này. Tuy nhiên các nghiên cứu này mới sử dụng đƣợc một số loại sợi thực vật áp dụng vào trong sản xuất và còn rất nhiều loại sợi thực vật phế liệu cần đƣợc nghiên cứu để chế tạo ra loại vật liệu WPC để giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, đáp ứng nhu cầu xã hội. - Dựa vào các tài liệu thu thập đƣợc, đã phân tích các công trình nghiên cứu về sử dụng gỗ Cao su của nhiều tác giả đã công bố. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên công nghệ tạo vật liệu WPC, nhƣng chƣa có công trình nào nghiên cứu đầy đủ về sử dụng phụ gia chống lão hóa cho vật liệu composite từ bột gỗ Cao su của Việt Nam và nhựa PP để sản xuất vật liệu WPC. - Từ kết quả phân tích những tồn tại nhƣ trên, căn cứ vào yêu cầu thực tiễn, đề tài đã đƣa ra đƣợc mục tiêu, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu để xác định đƣợc loại phụ gia và chế độ gia công hợp lý. Từ đó làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu hoàn thiện sử dụng gỗ Cao su của Việt Nam sản xuất vật liệu WPC. 1.2. TÍNH CẤP THIẾT Ngành gỗ Việt Nam đã đạt đƣợc trong những năm qua là có tốc độ phát triển cao, và là một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nƣớc. Chỉ trong 12 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng trên 20 lần, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên khoảng 4,5 tỷ USD năm 2012. Với kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ trong những năm qua; Việt Nam đang khẳng định vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam Á về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ. Khi chế biến gỗ có tạo ra một lƣợng phế liệu gỗ lớn nhƣ mùn cƣa, dăm bào, gỗ vụn Để tận dụng triệt để nguồn phế liệu này chúng ta có thể nghiền tạo thành dạng bột kết hợp với chất kết dính để tạo ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt; vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa có thể đáp ứng và giải quyết đƣợc vấn đề này. Vật liệu phức hợp gỗ nhựa (Wood –Plastic Composites, viết tắt WPC) là một loại vật liệu mới là sự kết hợp giữa sợi gỗ và vật liệu nhựa, sự kết hợp giữa vật liệu sợi gỗ và vật liệu nhựa mang lại tính năng ƣu việt cho sản phẩm phức hợp gỗ nhựa nhƣ: Bền khi sử dụng, tuổi thọ của sản phẩm cao, có bề ngoài mang chất liệu gỗ, có độ cứng cao hơn so với vật liệu nhựa, không có Formaldehyde Có nhiều tính chất tốt
21. 9 ví dụ so với vật liệu gỗ nhƣ có kích thƣớc ổn định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, có thể gia công lần thứ 2 giống nhƣ vật liệu gỗ, dễ dàng cắt gọt, dùng keo để kết dính, có thể dùng đinh hoặc ốc vít để liên kết, cố định, quy cách hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của ngƣời dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao. Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễ dàng gia công, tạo hình, thông thƣờng có thể gia công theo mẫu đặt sẵn hoặc có thể gia công theo yêu cầu cụ thể, có khả năng ứng dụng rộng. Tính năng hóa học tốt, chịu đƣợc độ PH, chịu đƣợc hóa chất, chịu đƣợc nƣớc mặn, có thể sử dụng đƣợc ở nhiệt độ thấp, không bị biến đổi hình dạng khi hút ẩm. Có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, có lợi ích trong bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên hầu hết các nguyên liệu tạo ra loại vật liệu này là các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất nhựa nền có sự lão hóa nhanh. Khi bị lão hóa thì độ bền, màu sắc của vật liệu đều giảm. Từ lúc sản xuất polymer cho đến khi gia công sản phẩm, polymer đều phải chịu tác động của nhiệt, ứng suất trƣợt, tác động cơ học, ánh sáng, và các yếu tố này đều góp phần vào việc làm giảm cấp polymer. Vì vậy chúng ta phải bảo vệ polymer chống lại sự oxi hóa trong suốt quá trình gia công hoặc trong lúc sử dụng. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc một vài ánh sáng nhân tạo khác, các bức xạ UV có thể phá vỡ những nối hóa học trong một polymer, đây là nguyên nhân cơ bản gây ra sự bẻ gãy liên kế, phấn hóa, thay đổi màu và làm giảm tính chất vật lý của polymer. Phụ gia chống oxy hóa đƣợc sử dụng trong quá trình sản xuất và tái chế nhằm giúp duy trì độ bền, độ mềm dẻo cũng nhƣ độ dai ban đầu của nhựa; ổn định chỉ số chảy, cải thiện khả năng gia công cho nhựa, ngăn chặn sự mất màu của nhựa, ngăn chặn sự nhựa giảm cấp trong thời gian gia công và sử dụng. Hầu hết polymer tinh chất theo lý thuyết thì không đủ khả năng hấp thu ánh sáng UV trực tiếp do đó làm giảm tính chất của vật liệu. Xuất phát từ những phân tích trên, chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia chống lão hóa tới tính chất của vật liệu compostie gỗ nhựa” 1.3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc tạo vật liệu composite gỗ nhựa và các mối liên kết khi sử dụng chất tƣơng hợp và
22. S K L 0 0 2 1 5 4