Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethylene (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRIỆU VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG CỦA
CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT
TỪ VỎ CÂY VÀ POLYETHYLENE

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Chuyên ngành:

Kỹ thuật chế biến lâm sản

Mã số:

62 54 03 01


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Cao Quốc An
2. GS. TS. Trần Văn Chứ

Hà nội, 2016


-

Công trình đƣợc hoàn thành tại:
Trường Đại học Lâm nghiệp, Việt Nam.

-

Ngƣời hƣớng dãn khoa học:
Hướng dẫn 1: PGS.TS. Cao Quốc An
Hướng dẫn 2: GS.TS. Trần Văn Chứ

-

Phản biện 1: …………………………………………………………

-

Phản biện 1: …………………………………………………………

-

Phản biện 1: …………………………………………………………

Luận án đƣợc bảo vệ tại: Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, Trường Đại học
Lâm nghiệp

Có thể tìm hiểu luận án tại:
-

………………………………………

-


Thư viện Trường Đại học Lâm nghiệp


iii

LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận án tiến sỹ, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
giáo hướng dẫn PGS. TS Cao Quốc An, GS.TS Trần Văn Chứ đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Lâm nghiệp, lãnh đạo phòng
đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo viện Kiến trúc cảnh quan và nội thất, viện Công
nghiệp gỗ đã quan tâm và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ủy ban nhân dân huyện Hoành Bồ đã tạo điều
kiện cho tôi về vật chất, tinh thần và thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn các cán bộ, công nhân viên thuộc Trung tâm thí
nghiệm trọng điểm trường Đại học Lâm nghiệp Nam Kinh Trung Quốc đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành phần thực nghiệm của luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
luôn động viên, giúp đỡ và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu./
Hà Nội, tháng 06 năm 2016
Nghiên cứu sinh

Triệu Văn Hải


4
MỞ ĐẦU
Hiện nay, tài nguyên rừng trồng của nước ta như: Keo lá tràm, Keo tai tượng, Bạch đàn, …
rất phong phú, và đã trở thành các loại gỗ công nghiệp chủ yếu của nước ta.
Như chúng ta đã biết, một cây gỗ thường gồm 3 phần chính tổ thành đó là: tán lá, thân cây và
phần rễ. Trong các phần này, hầu hết các loại hình sản xuất chế biến gỗ đều chỉ sử dụng phần gỗ
trong phần thân cây (trung bình khoảng 90% thể tích cây), các phần còn lại hầu như để lại dùng cho
lĩnh vực khác hoặc thải ra môi trường. Theo tìm hiểu cho thấy, hiện tại, trong nước hầu hết các phần
ngoài gỗ của một cây (vỏ cây, lá cây,...) chủ yếu đang chưa có hình thức sử dụng phù hợp.
Trong nghiên cứu công nghệ vật liệu gỗ hiện nay, vật liệu compozit từ nhựa nhiệt dẻo có ưu
điểm là lợi dụng được hầu hết các loại gỗ và phế liệu gỗ. Ngoài ra, vật liệu này rất 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 chứa formaldehyde,.... Có nhiều tính chất tốt hơn so với gỗ như: kích thước ổn định hơn,
không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, quy cách
hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao, khả năng
chống chịu các chất hóa học, có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng.
Từ các thông tin trên có thể thấy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu compozit gỗ
nhựa nói chung và sản xuất vật liệu compozit từ phế thải của công nghiệp gỗ nói riêng là công việc
rất có ý nghĩa cả về khoa học và thực tiễn. Luận án với tên “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng
của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethelene” sẽ là một trong những bước đệm
để phát triển công nghệ lợi dụng phế liệu gỗ - vỏ cây gỗ rừng trồng để sản xuất vật liệu mới, đồng
thời góp phẩn nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên gỗ rừng trồng cũng như giảm thiểu tác nhân
gây ô nhiễm môi trường.
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1. Tình hình nghiên cứu về compozit gỗ nhựa
1.1. Nghiên cứu ngoài nước
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 ghép nối) 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 silans, maleic anhydride ghép polyolefin
đều làm tăng khả năng bám dính giữa hai loại vật liệu (Bledzki and Gassan,1999, ; Kishi 1988;
Gatenholm and Felix 1993. 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 MA với gỗ và PP đã
xuất hiện.
Năm 1988, một số nhà khoa học đã nghiên cứu phương pháp biến tính nhựa nền PP bằng MA
nhằm tạo ra một chất có các gốc tự do, các gốc này được ghép nối với sợi gỗ bởi những liên kết
đồng hóa trị và Hydro, như vậy MAPP đã làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng của sợi gỗ và nhựa.
Không chỉ dừng lại ở đây, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về chất trợ tương hợp MAPP với các
tỷ lệ và các phương pháp khác nhau trên cơ sở nền nhựa PP gia cường bằng sợi tự nhiên đã được
nghiên cứu như:
Jochen Gassan và Andrzej K.Bledzki (1999) 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. Tác giả đã tiến hành xử lý sợi bằng
dung dịch MAPP trong toluen với các hàm lượng MAPP khác nhau trong 5phút và 10 phút, đem
sấy chân không trong 2 giờ ở 75oC. Kết quá cho thấy, Hiệu quả của chất trợ tương hợp phụ thuộc
vào nồng độ và thời gian xử lý, Môđun uốn tăng 90% qua xử lý bằng MAPP trong 5 phút bằng
dung dịch toluen. Xử lý lâu hơn và nồng độ MAPP cao hơn sẽ làm modun uốn giám xuống. Độ bền
uốn tăng 40% khi xử lý bằng dung dịch MAPP 0,1% TL trong toluen với thời gian xử lý 15 phút.
Khi tăng nồng độ MAPP lên 0,6% thi kết quả nhận được với 5 và phút 10 là như nhau.


5
Fauzi Febrianto, Dina Styawatti (2006) đã tiến hành nghiên cứu về Ảnh hưởng của bột gỗ và
hàm lượng chất biến tính MA đến tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu composit Bột gỗ
và PP tái sinh. Nghiên cứu chỉ ra rằng tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu compozit phụ
thuộc vào hàm lượng và kích thước của bột gỗ-PP. Khi càng tăng tỷ lệ gỗ-nhựa thì độ bền kéo càng
giảm, modun đàn hồi tăng. Tính chất vật lý và đặc tính cơ học của vật liệu được và bị ảnh hưởng
bởi hàm lượng chất MA, khi cho 2,5%TL MA tất cả các chi số về độ bề kéo, độ bền kéo đứt và
modun đàn hồi đều tăng gấp 2.15, 2.27 and 1.18 lần so với compozit không có MA.
Flex and gatenholm (1991) đã sử dụng MAPP để xử lý xenlulo trong sợi gỗ. 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 1300-1400, khả năng kết dính tăng lên rõ rệt. Cùng với nghiên cứu đó, một số nghiên cứu
khác đã đánh giá được sự ảnh hưởng của chất trợ tương hợp đến khả năng thấm ướt của gỗ và liên
kết giữa góc tiếp xúc và tỷ lệ chất trợ tương hợp.
Tất cả những nghiên cứu đều cho thấy liên kết giữa nhựa và gỗ chịu ảnh hưởng nhiều bởi
phương pháp xử lý bề mặt gỗ nhựa, tỷ lệ chất trợ tương hợp và phương pháp gia công.
1.2. Nghiên cứu trong nước
Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo composite trên cơ sở PP
gia cường bằng sợi đay. Vật liệu được chế tạo bằng cách xếp các lớp màng PP-MAPP và sợi đay
theo thiết kế rồi ép trên máy ép thủy lực (ép phẳng trong khuôn kín) dưới áp suất 7MPa trong 50
phút; kết quả cho thấy hàm lượng MAPP có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của composite, độ bền
kéo và độ bền uốn cực đại khi dùng 7% trọng lượng 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 cường bằng hệ lai tạo tre, luồng-sợi thủy tinh. Vật liệu chế tạo bằng cách
nhựa và sợi được xếp từng lớp vào khuôn theo nguyên tắc nhựa sợi xen kẽ; hàm lượng sợi chiếm 60%
và được ép ở nhiệt độ 190oC, áp suất ép 100KG/cm2, gia nhiệt trong 60 phút, ép trong 30 phút, làm
nguội đến 80oC bằng phương pháp ép phẳng trong khuôn; kết quả cho thấy việc xử lý sợi tre luồng
bằng dung dịch NaOH đã làm tăng hàm lượng cellulose trong sợi do đó làm tăng khả năng bám
dính giữa sợi và nhựa.
Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát độ bền va đập của
composite PP- Bột trấu. Kết quả là độ bền va đập của composite được khảo sát ở các hàm lượng bột:
30, 35, 40, 45, 50 và 55%, cùng với chất trợ tương hợp MAPP có hàm lượng MA 0,5%. Kết quả
cho thấy, composite với hàm lượng bột trấu 55% có độ bền va đập đạt 2,5KJ/m2, cao gấp 4 lần so
với PP nguyên sinh.
Năm 2011, Hà Tiến Mạnh và đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ và nhựa
polypropylene đến tính chất composite gỗ-nhựa. Nguyên liệu sử dụng là gỗ Keo tai tượng, nhựa tái
chế PP và được pha trộn tỷ lệ gỗ/nhựa theo 3 cấp (50/50; 60/40; 70/30) trộn đều và được 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 dưới áp lực 1,5-7,5MPa trong chu kỳ ép là 40 phút. Kết quả nghiên cứu đã
xác định được sự ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ - nhựa đến một số tính chất của composite gỗ-nhựa PP.
Tuy nhiên sự ảnh hưởng này chưa có sự khác biệt lớn.
Năm 2012, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của PGS.TS. Vũ Huy Đại đã nghiên cứu
công nghệ sản xuất composite từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải. Vật liệu được chế tạo từ nhựa PP,
PE, PVC tái chế với phế liệu gỗ Keo tai tượng. Kết quả đã đạt được như: đã xây dựng được các
bước công nghệ chủ yếu để xử lý tái chế các loại nhựa này và các bước công nghệ tạo bột gỗ Keo
tai tượng từ mun cưa, phoi bào, bìa bắp; Đã xác định được ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ/nhựa tái chế đến
tính chất của hạt và đã thiết lập được quy trình công nghệ tạo hạt gỗ nhựa với cấp tỷ lệ cho nhựa PP
và PE (bột gỗ 50%/nhựa 45%/ trợ tương hợp 5%) và đề xuất được 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 chương KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11-15 của TS.
Nguyễn Vũ Giang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên cơ sở nhựa polylefin (polyetylen,
polypropylene) khâu mạch (XLPO) và bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc


6
nội- ngoại thất [10]. Vật liệu được chế tạo từ bột gỗ Giáng hương sau đó xử lý bột gỗ bằng kiềm
nóng để loại bỏ tạp chất có trong bột gỗ và rửa sạch bằng nước cất rồi sấy khô; sau đó biến tính bề
mặt bột gỗ bằng tetraethyl ortosilicat và 3-glyxidoxyl propyl trimetoxy silan. Dùng bột gỗ đã biến
tính chế tạo vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và XLPP/bột gỗ biến tính với các yếu tố thay đổi như tỷ
lệ bột gỗ thay đổi từ 20-60%, nhiệt độ gia công từ 170-200oC, thời gian trộn từ 3-8 phút; phương
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 được các thông số công nghệ ảnh hưởng tới quá trình biến tính
bột gỗ Giáng hương và điều kiện gia công tối ưu cho hai loại vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính và
XLPP/bột gỗ biến tính.
Năm 2014, nghiên cứu sinh Quách Văn Thiêm với Luận án “Nghiên cứu một số yếu tố công
nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene” đã nghiên cứu tạo vật liệu compozit gỗ cao su
và nhựa PP, luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa thông số công nghệ sản xuất và chất
lượng WPC. Ngoài ra, luận án đã đề xuất được thông số công nghệ tối ưu để sản xuất WPC từ gỗ
cao su và nhựa PP với quy mô phòng thí nghiệm.
1.3. Những đóng góp mới của luận án
(1) Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống công nghệ sản
xuất vật liệu compozit từ vỏ cây và nhựa HDPE.
(2) Luận án đã nghiên cứu sử dụng hạt nano TiO2 để tạo vật liệu compozit vỏ cây và nhựa
HDPE nhằm nâng cao khả năng chịu tia UV (độ bền màu) của sản phẩm.
(3) Luận án đã xác định được tỉ lệ phối trộn vỏ cây và thông số công nghệ ép đùn hợp lý để
sản xuất vật liệu compozit từ vỏ cây và HDPE.
2. Ý nghĩa của luận án
(1) Ý nghĩa khoa học
Luận án đã làm rõ được các mối quan hệ gồm: tỉ lệ trộn vỏ cây với chất lượng compozit, các
yếu tố công nghệ ép đùn (nhiệt độ đầu đùn, tốc độc quay trục vít) với chất lượng compozit. Ngoài ra,
luận án còn lập được các phương trình tương quan thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ
sản xuất compozit vỏ cây và nhựa HDPE góp phần làm rõ cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất
vật liệu vỏ cây và nhựa.
(2) Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở để sử dụng vỏ cây Keo tai tượng làm nguyên liệu
cho sản xuất vật liệu compozit ứng dụng trong các lĩnh vực của cuộc sống như sản xuất đồ mộc, xây
dựng, ... Với việc sử dụng vỏ cây Keo tai tượng nói riêng, vỏ cây gỗ rừng trồng nói chung sẽ góp
phần tăng hiệu quả kinh tế trong sử dụng gỗ rừng trồng đồng thời góp phần giảm thiểu chất thải và
bảo vệ môi trường.
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG
VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
(1) Mục tiêu về lý luận
Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với chất lượng compozit từ vỏ cây
gỗ rừng trồng.
(2) Mục tiêu thực tiễn
- Xác định được thông số công nghệ hợp lý để sản xuất WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa
HDPE nguyên sinh với quy mô thí nghiệm;


7
- Đánh giá được khả năng sử dụng hạt nano TiO2 trong việc nâng cao độ bền màu của WPC
từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa HDPE nguyên sinh.
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu
(1) Đối tượng nghiên cứu tổng quát
Công nghệ sản xuất vật liệu compozit từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa nhiệt dẻo HDPE
(WPC).
(2) Đối tượng nghiên cứu cụ thể
- Tỉ lệ trộn bột vỏ cây, bột gỗ, nhựa HDPE, chất trợ tương hợp MAPE.
- Ảnh hưởng của đơn yếu tố các thông số công nghệ gồm tỉ lệ trộn vỏ cây, nhiệt độ đầu đùn,
tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC.
- Mối quan hệ đồng thời của nhiệt độ đầu đùn và tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC.
- Hiệu quả chịu tia UV của WPC khi cho thêm hạt nano TiO2.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
2.3.1. Các yếu tố cố định
(1) Nguyên liệu
+ Vật liệu cốt: bột gỗ và bột vỏ cây gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium); kích thước bột (2 4)mm; độ ẩm của bột 4%.
+ Vật liệu nền: Polyetylen khối lượng riêng cao (HDPE)
+ Chất trợ tương hợp: MAPE
(2) Thiết bị và công nghệ ép đùn
- Thiết bị sử dụng: Máy ép đùn 2 trục vít (ESYMASTER).
- Công nghệ ép: Sử dụng công nghệ ép đùn một giai đoạn.
- Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện công nghiệp gỗ trường ĐH lâm
nghiệp Nam Kinh, Trung Quốc.
2.3.2. Các yếu tố thay đổi
(1) Tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu
Trong luận án, ảnh hưởng của tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu đến tính chất compozit được
nghiên cứu thông qua hai bước:
- Bước 1: Xây dựng mối quan hệ giữa tỉ lệ trộn giữa bột gỗ Keo tai tượng và nhựa HDPE với
tính chất compozit (cố định các thông số công nghệ khác) để xác định tỉ lệ trộn hợp lý.
+ Tỉ lệ trộn bột gỗ thay đổi trong khoảng 26% đến 54%;
+ Tỉ lệ trộn MAPE thay đổi trong khoảng 0,2% đến 5,8%;
- Bước 2: Trên cơ sở tỉ lệ trộn bột gỗ và HDPE ở bước 1, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của
tỉ lệ trộn bột vỏ cây và bột gỗ (cố định các thông số công nghệ khác) để xác định được tỉ lệ trộn bột
vỏ cây hợp lý cho sản xuất compozit vỏ cây và nhựa HDPE. Tỉ lệ thay thế bột vỏ cây thay đổi trong
khoảng 0% đến 100%.
Chi tiết được trình bày trong phần mô tả phương pháp thực nghiệm.
(2) Thông số công nghệ ép đùn
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ ép đùn một giai đoạn đến tính chất WPC,
trong luận án tiến hành thiết lập thí nghiệm như sau:
- Cố định các thông số gồm: tỉ lệ trộn hỗn hợp, nhiệt độ các vùng trước đầu đùn, kích thước
miệng đùn.
- Các thông số thay đổi gồm: nhiệt độ đầu đùn và tốc độ quay trục vít.
+ Vùng nghiên cứu nhiệt độ đầu đùn biến động trong khoảng 120oC đến 160oC.


8
+ Vùng nghiên cứu tốc độ quay trục vít biến động trong khoảng 10 vòng/phút đến 30
vòng/phút.
Chi tiết được trình bày trong phần mô tả phương pháp thực nghiệm.
2.3.3. Các chỉ tiêu cần kiểm tra
+ Tính chất vật lý gồm: khối lượng riêng, độ hút nước;
+ Tính chất cơ học: độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh, độ mài mòn;
+ Khả năng chịu tia UV đối với mẫu biến tính bằng TiO2: độ lệch màu trước và sau khi chiếu
tia UV.
2.4. Nội dung nghiên cứu
Với mục tiêu của luận án như trên, nội dung của luận án như sau:
(1) Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ (chưa cho thêm vỏ cây), tỉ lệ chất trợ tương để sản xuất WPC từ
gỗ Keo tai tượng và nhựa HDPE. Mục đích chính là xác định tỉ lệ HDPE và MAPE hợp lý để
nghiên cứu sử dụng bột vỏ cây thay thế bột gỗ.
(2) Xác định ảnh hưởng của lượng trộn bột vỏ cây đến chất lượng WPC,
(3) Xác định mối quan hệ của thông số chế độ ép đùn (đơn yếu tố, đa yếu tố) đến chất lượng
WPC,
(4) So sánh khả năng chịu tia UV của WPC khi cho thêm nano TiO2 và WPC đối chứng. Mục
đích chính là nghiên cứu thăm dò để đề xuất công nghệ cải thiện khả năng chịu thời tiết cho WPC.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Đặc điểm vỏ cây Keo tai tƣợng
Việc sử dụng vỏ cây làm nguyên liệu gia cường vừa có ý nghĩa trong việc lợi dụng triệt để tài
nguyên gỗ đồng thời cũng góp phần giảm thiểu phát thải ra môi trường.
Đối với mỗi loài cây khác nhau, lượng vỏ cây hay tỉ lệ vỏ cây không giống nhau, ngoài ra,
một số đặc điểm khác như chiều dài và đường kính sợi vỏ cây cũng khác nhau. Do đó luận án đã
tiến hành xác định một số đặc điểm cơ bản của vỏ cây làm cơ sở cho việc sử dụng để làm nguyên
liệu gia cường trong sản xuất vật liệu WPC từ bột vỏ cây và nhựa HDPE.
Các đặc của vỏ cây được xác định gồm: chiều dày vỏ, tỉ lệ vỏ, khối lượng riêng vỏ, kích thước
sợi vỏ. Kết quả nghiên cứu được lần lượt thể hiện như sau:
3.1.1. Độ dày vỏ và tỉ lệ vỏ theo chiều cao thân cây
Độ dày vỏ và tỉ lệ vỏ gỗ Keo tai tượng theo chiều cao thân cây được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.1. Chiều dày vỏ và tỉ lệ vỏ Keo tai tƣợng theo chiều cao thân cây
Vị trí theo chiều cao (m)

Độ dày vỏ (cm)

Tỉ lệ vỏ (%)

0
1,85
7,6
1,3
1,5
7,1
3,6
1,2
6,0
5,6
0,95
5,3
7,6
0,9
5,6
9,6
0,75
5,5
>10
0,6
5,1
Trung bình
1,10
6,03
Từ bảng ta thấy theo chiều cao thân cây độ dày vỏ và tỉ lệ vỏ có xu hướng giảm dần. Độ dày
vỏ trung bình khoảng 1,1 cm, tỉ lệ vỏ trung bình khoảng 6,0% so với thể tích thân cây.


9
Bảng 3.2. Hình thái của sợi vỏ Keo tai tƣợng
Vị trí

Chiều dài (µm)

Sd

Đƣờng kính (µm)

Sd

Độ thon

Sd

Gốc
1.056
207
21,1
3,6
51
11,4
Thân
1.077
194
20,0
3,5
55
11
Ngọn
1.107
201
19,7
2,6
57
10
Ghi chú: Số liệu trong bảng là chiều dài và đường kính trung bình, tuy nhiên nên căn cứ vào tần số
xuất hiện của chiều dài và đường kính sợi để đánh giá về hình thái sợi.
3.1.2. Thành phần hoá học cơ bản
Căn cứ tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T 2677.1 đến GB/T 2677.10 tiến hành xác định thành
phần hoá học của vỏ cây Keo tai tượng, kết quả thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.3. Thành phần hoá học cơ bản của vỏ Keo tai tƣợng (giá trị trung bình)
Độ pH

Xenlulo (%)

Hemixenlulo (%)

Lignin
(%)

Chất chiết xuất (%)
Nƣớc
nguội

Nƣớc
nóng

1% NaOH

0,45
17,4
25,8
24,7
14,5
19,2
49,8
Từ số liệu thành phần hoá học cho thấy, tỉ lệ thành phần của vỏ cây Keo tai tượng có hàm
lượng xenlulo thấp hơn nhiều so với gỗ nói chung, và hàm lượng chất chiết xuất rất lớn, điều này có
thể gây ảnh hưởng nhất định đến công nghệ sản xuất cũng như chất lượng của sản phẩm compozit
từ bột vỏ cây và nhựa.
3.2. Ảnh hƣởng của tỉ lệ trộn bột gỗ và chất trợ tƣơng hợp đến chất lƣợng WPC
Trên cơ sở các thông số thí nghiệm đã bố trí như ở trên, tiến hành tạo vật liệu WPC từ bột gỗ
và nhựa polyetylen khối lượng riêng lớn (HDPE), và tiến hành đánh giá ảnh hưởng đồng thời của
các nhân tố gồm tỉ lệ trộn bột gỗ và tỉ lệ trộn chất trợ tương hợp MAPE đến một số tính chất cơ bản
của WPC như: khối lượng riêng, độ hút nước, độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh
và độ mài mòn với mục đích tìm ra tỉ lệ trộn bột gỗ (tỉ lệ vật liệu cốt) và nhựa HDPE (vật liệu nền)
phù hợp dùng để nghiên cứu tạo WPC có sử dụng thêm phế thải trong chế biến gỗ - vỏ cây Keo tai
tượng.
Trong thí nghiệm này, các thông số thay đổi là tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ MAPE (X2), các
thành phần khác tạo WPC sẽ thay đổi theo sao cho tổng khối lượng các thành phần trong hỗn hợp
tạo WPC đạt 100 phần khối lượng.
3.2.1. Ảnh hưởng đến khối lượng riêng
khối lượng riêng là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng vât liệu nói
chung, vật liệu WPC nói riêng. Qua nghiên cứu xác định khối lượng riêng của WPC với các thông
số công nghệ khác nhau cho thấy khối lượng riêng của WPC có sự khác biệt không đáng kể (bảng
4.7).
Bảng 3.4. Khối lƣợng riêng của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

KLTT (g/cm3)

1
2
3
4
5
6
7
8
9

-1
1
-1
1
1,41
-1,41
0
0
0

-1
-1
1
1
0
0
1,41
-1,41
0

30
50
30
50
54
26
40
40
40

1
1
5
5
3
3
5,8
0,2
3

1,030
1,092
0,988
1,044
1,080
0,998
1,006
1,070
1,037


10
Từ kết quả có thể thấy, ảnh hưởng của tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu trong nghiên cứu đến
khối lượng riêng là không đáng kể, do đó với chỉ tiêu này luận án không xây dựng phương trình
tương quan.
3.2.2. Ảnh hưởng đến độ hút nước
Độ hút nước của WPC có ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định của sản phẩm từ WPC trong
quá trình sử dụng. Do đó, đây là một chỉ tiêu quan trọng cần được nghiên cứu, trong sản xuất luôn
mong muốn vật liệu có độ hút nước càng nhỏ càng tốt. Trong nghiên cứu này đã xác định độ hút
nước sau 4 ngày ngâm trong nước tinh khiết ở nhiệt độ môi trường của WPC khi tỉ lệ thành phần
hỗn hợp nguyên liệu thay đổi, kết quả được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Độ hút nƣớc của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

Độ hút nƣớc (%)

0,86
1
-1
-1
30
1
1,33
2
1
-1
50
1
0,82
3
-1
1
30
5
1,29
4
1
1
50
5
1,41
5
1,41
0
54
3
0,81
6 -1,41
0
26
3
0,98
7
0
1,41
40
5,8
1,08
8
0
-1,41
40
0,2
1,05
9
0
0
40
3
Phương trình tương quan giữa tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ hút nước
(W) của WPC như sau:
W = 1,12-0,17X1 + 0,03X12 - 0,23X22 - 0,07X1X2 + 0,03X22
Hệ số tương quan: R = 0,89
3.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền khi chịu kéo
Độ bền khi chịu kéo của vật liệu WPC là tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm khi dùng
trong các trường hợp chi tiêu chịu lực kéo thường xuyên, do đó đây là chỉ tiêu cơ học cần thiết.
Kết quả xác định độ bền kéo của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau được trình bày trong
bảng 3.6.
Bảng 3.6. Độ bền kéo của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

Độ bền kéo (MPa)

21,5
1
-1
-1
30
1
16,6
2
1
-1
50
1
22,7
3
-1
1
30
5
20,7
4
1
1
50
5
18,2
5
1,41
0
54
3
23,5
6 -1,41
0
26
3
21,5
7
0
1,41
40
5,8
18,4
8
0
-1,41
40
0,2
20,6
9
0
0
40
3
Phương trình tương quan giữa tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ bền khi
chịu kéo (S) của WPC như sau:
S = 22,076 + 0,877X1 - 0,441X12 - 1,123X22 + 0,233X1X2 + 0,242X22
Hệ số tương quan: R = 0,92
3.2.4. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh


11
Độ bền uốn tĩnh của vật liệu nói chung, vật liệu WPC nói riêng là chỉ tiêu không thể thiếu để
đánh giá chất lượng cũng như làm cơ sở để tính toán thiết kế chi tiết sản phẩm.
Trong nghiên cứu này, độ bền uốn tĩnh đã được xác định với các loại sản phẩm WPC tạo ra
với các tỉ lệ trộn nguyên liệu khác nhau. Kết quả như trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

Độ bền uốn (MPa)

22,3
1
-1
-1
30
1
20,0
2
1
-1
50
1
23,7
3
-1
1
30
5
22,3
4
1
1
50
5
20,4
5
1,41
0
54
3
24,5
6 -1,41
0
26
3
22,3
7
0
1,41
40
5,8
19,9
8
0
-1,41
40
0,2
22,2
9
0
0
40
3
Phương trình tương quan giữa tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ bền uốn
tĩnh (MOR) của WPC như sau:
MOR = 20,06 + 2,38X1 + 0,09X12 - 0,69X22 + 1,55X1X2 + 0,89X22
Hệ số tương quan: R = 0,88
3.2.4. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Kết quả cho thấy, độ lớn mô đun đàn hồi biến động khá rõ rệt khi tỉ lệ trộn nguyên liệu thay
đổi, mô đun đàn hồi thay đổi trong phạm vi 1,06 GPa đến 1,70 Gpa (bảng 3.8).
Bảng 3.8. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

Mô đun đàn hồi khi
uốn (GPa)

1,063
1
-1
-1
30
1
1,226
2
1
-1
50
1
1,439
3
-1
1
30
5
1,666
4
1
1
50
5
1,354
5
1,41
0
54
3
1,155
6 -1,41
0
26
3
1,559
7
0
1,41
40
5,8
1,063
8
0
-1,41
40
0,2
1,487
9
0
0
40
3
Phương trình tương quan giữa tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ trộn MAPE (X2) với mô đun đàn
hồi uốn tĩnh (MOE) của WPC như sau:
MOE = 1,44 + 0,06X1 - 0,17X2 - 0,03X1X2 + 0,09X22
Hệ số tương quan: R = 0,87
3.2.5. Ảnh hưởng đến độ mài mòn bề mặt
Kết quả xác định độ mài mòn của WPC sản xuất với tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu khác nhau
được thể hiện trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Độ mài mòn của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau
TT

X1

X2

Tỉ lệ bột gỗ (PKL)

Tỉ lệ MAPE (PKL)

Độ mài mòn (g/100
vòng)

1
2
3

-1
1
-1

-1
-1
1

30
50
30

1
1
5

0,354
0,409
0,480


12

Khối lượng riêng, g/cm3

4
1
1
50
5
0,489
5
1,41
0
54
3
0,451
6 -1,41
0
26
3
0,402
7
0
1,41
40
5,8
0,496
8
0
-1,41
40
0,2
0,354
9
0
0
40
3
0,492
Phương trình tương quan giữa tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) và tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ mài mòn
(AS - Abrasion resistant) của WPC như sau:
AS = 0,48 + 0,02X1 - 0,03X12 + 0,02X2 0,004X1X2 - 0,02X22
Hệ số tương quan: R = 0,92
Từ các phương trình tương quan ở trên ta có thể xác định được tỷ lệ hỗn hợp giữa bột gỗ,
nhựa HDPE và MAPE hợp lý, để làm cơ sở cho việc nghiên cứu thay thế tỷ lệ bột vỏ cây cho bột gỗ.
3.3. Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ, HDPE và MAPE hợp lý
Nhằm xác định tỉ lệ trộn phù hợp giữa chất gia cường (bột gỗ) và MAPE với điều kiện thí
nghiệm, luận án đã tiến hành giải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ.
- Các phương trình tương quan đã được lập ở phần trên như sau:
+ Độ hút nước (W)
W = 1,12-0,17X1 + 0,03X12 - 0,23X22 - 0,07X1X2 + 0,03X22
+ Độ bền kéo (S)
S = 22,076 + 0,877X1 - 0,441X12 - 1,123X22 + 0,233X1X2 + 0,242X22
+ Độ bền uốn tĩnh (MOR)
MOR = 20,06 + 2,38X1 + 0,09X12 - 0,69X22 + 1,55X1X2 + 0,89X22
+ Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE)
MOE = 1,44 + 0,06X1 - 0,17X2 - 0,03X1X2 + 0,09X22
+ Độ mài mòn (AS)
AS = 0,48 + 0,02X1 - 0,03X12 + 0,02X2 0,004X1X2 - 0,02X22
Giải hệ phương trình gồm các phương trình tương quan trên với các điều kiện của hàm mục
tiêu, kết quả thu được như sau:
- Lượng dùng bột gỗ: 43,53 phần khối lượng
- Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng
- Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng
3.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỉ lệ bột vỏ cây đến chất lƣợng WPC
3.4.1. Ảnh hưởng đến khối lượng riêng
Kết quả xác định khối lượng riêng của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế thay đổi có quy luật
như biểu đồ hình 3.1.
1,100
1,080
1,060
1,040
1,020
1,000
0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0
Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ

Hình 3.1. Sự thay đổi khối lƣợng riêng khi tỉ lệ bột vỏ cây thay đổi


13

Độ hút nước, %

Từ hình chúng ta thấy, khi tỉ lệ vỏ cây tăng lên thì khối lượng riêng của gỗ giảm xuống. Hiện
tượng này có thể vì khi gia nhiệt và ép, bột vỏ cây do có thành phần hóa học khác rất nhiều so với
gỗ, dẫn đến sau khi hình thành sản phẩm có thể còn tồn tại nhiều khoảng trống trong bột vỏ cây, kết
quả là khối lượng riêng của vỏ cây trong sản phẩm sau khi ép thấp, hay khối lượng riêng của WPC
thấp.
3.4.2. Ảnh hưởng đến độ hút nước
Độ hút nước của WPC tăng (hình 3.2) có thể do độ xốp sau khi ép của bột vỏ cây gây ra hoặc
cũng có thể do một số thành phần hóa học trong bột vỏ cây làm giảm khả năng liên kết của bột gỗ
với nhựa gây ra.
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0:100

10:90

20:80

30:70

40:60

100:0

Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ
Hình 3.2. Sự thay đổi độ hút nƣớc khi tỉ lệ bột vỏ cây thay đổi

Độ bền kéo, MPa

3.4.3. Ảnh hưởng đến độ bền kéo
Kết quả xác định độ bền kéo của WPC sản xuất từ bột gỗ, bột vỏ cây Keo tai tượng và HDPE
được thể hiện trong hình 3.3.
20
10
0
0:100

10:90

20:80

30:70

40:60

100:0

Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ

Hình 3.3. Sự thay đổi độ bền kéo khi tỉ lệ bột vỏ cây thay đổi

Độ bèn uốn tĩnh, MPa

Từ hình có thể nhận thấy, khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế tăng lên, độ bền kéo có xu hướng giảm
xuống, giảm tới 30% (từ 18,7 MPa đến 13,2 MPa khi lượng dùng bột gỗ là 100% giảm xuống 0%).
3.4.4. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Kết quả xác định độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh của vật liệu WPC trộn bột vỏ
cây thể hiện trong biểu đồ hình 3.4 và 3.5.
30
20
10
0
0:100

10:90

20:80

30:70

40:60

100:0

Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ

Hình 3.4. Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế tăng lên


Mô đun đàn hồi uốn
tĩnh, GPa

14
1500
1000
500
0
0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0
Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ

Hình 3.5. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế tăng lên

Độ mài mòn, g/100
vòng

Từ hình ta thấy, quy luật thay đổi của độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh cũng tương
tự như độ bền kéo của WPC trộn bột vỏ cây. Khi tỉ lệ bột vỏ cây tăng lên thì mô đun đàn hồi uốn
tĩnh và độ bền uốn tĩnh giảm theo.
3.4.5. Ảnh hưởng đến độ mài mòn
Kết quả thí nghiệm xác định độ mài mòn của vật liệu WPC trộn bột vỏ cây thể hiện trong
biểu đồ hình 3.6.
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0:100

10:90

20:80

30:70

40:60

100:0

Tỉ lệ bột vỏ cây: bột gỗ
Hình 3.6. Độ mài mòn của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế tăng lên

Như chúng ta đã biết, do cấu tạo của bột gỗ khác nhiều so với bột vỏ cây cả về thành phần
hoá học và tính chất cơ lý. Khả năng chịu ngoại lực của bột vỏ cây thường kém hơn so với bột gỗ
do hàm lượng xenlulo trong bột vỏ cây thường thấp. Cũng vì thế khi lượng bột vỏ cây trộn vào vật
liệu WPC tăng lên đã làm cho khả năng chịu mài mòn của vật liệu giảm đi rõ rệt, thể hiện ở lượng
mài mòn tăng lên khi lượng bột vỏ cây thay thế bột gỗ tăng lên.
3.5. Tiểu kết
(1) Keo tai tượng có chiều dày vỏ và tỉ lệ vỏ giảm dần theo chiều cao thân cây với tỉ lệ trung
bình khoảng 6,03%.
Khối lượng riêng của vỏ cây khác nhau rất lớn giữa phần gốc và phần ngọn với giá trị lần lượt
ở các phần gốc, thân và ngọn là 0,453 g/cm3, 0,285 g/cm3 và 0,189 g/cm3.
Đường kính sợi vỏ cây trung bình khoảng 19-21 µm, chiều dài trung bình khoảng 1.050-1100
µm.
Hàm lượng xenlulo trong vỏ cây chiếm 17,4%, hemixenlulo chiếm 25,8%, lignin chiếm
24,7%, chất chiết xuất trong nước nguội chiếm 14,5%, chất chiết xuất trong nước nóng chiếm 19,2%
và chất triết xuất trong dung dịch 1% NaOH chiếm 49,8%.
(2) Tỉ lệ trộn bột gỗ và chất trợ tương hợp MAPE có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của
WPC.
Giá trị tỉ lệ trộn bột gỗ và MAPE hợp lý theo điều kiện thí nghiệm là:
- Lượng dùng bột gỗ: 43,53 phần khối lượng
- Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng
- Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng
(3) Tỉ lệ thay thế bột gỗ bằng bột vỏ cây có ảnh hưởng nhất định đến tính chất cơ lý của WPC.
Căn cứ xu hướng biến đổi tính chất WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây tăng lên, có thể thấy khi lượng vỏ cây


15
cho thêm quá nhiều sẽ không có lợi cho chất lượng sản phẩm, để có thể thu được sản phẩm có chất
lượng đạt yêu cầu trong một số lĩnh vực ứng dụng, luận án khuyến nghị nên trộn khoảng 30% lượng
vỏ cây thay cho bột gỗ. Có nghĩa, tỉ lệ trộn bột vỏ cây và bột gỗ là 30 : 70 (trong tổng số 43,53 phần
khối lượng) là tương đối hợp lý.
3.6. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của công nghệ ép đùn đến chất lƣợng WPC
3.6.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ép đến chất lƣợng WPC
3.6.1.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước
Kết quả xác định độ hút nước của WPC được thể hiện trong hình 3.7.
Độ hút nước, %

2
1,5
1
0,5
0
120

130

140

150

Nhiệt độ đầu

160

đùn,oC

Hình 3.7. Độ hút nƣớc WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

Độ bền kéo, MPa

Từ hình vẽ ta thấy, khi nhiệt độ đầu đùn tăng lên, độ hút nước của sản phẩm giảm xuống
không đáng kể (từ khoảng 1,5% xuống khoảng 0,9%), độ hút nước đạt đến giá trị nhỏ nhất khi nhiệt
độ đầu đùn lên 150-160oC.
Điều này cho thấy, bản chất của vật liệu compozit gỗ nhựa là loại vật liệu có khả năng chịu
nước rất tốt. Nếu xét đến chi phí năng lượng trong quá trình sản xuất, để được sản phẩm có độ hút
nước thấp mà chi phí không cao thì có thể chọn nhiệt độ đầu đùn khoảng 140-150oC.
3.6.1.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo
Độ bền kéo của WPC với nhiệt độ đầu đùn khác nhau được thể hiện trong biểu đồ hình 3.8.
21
19
17
15
13
11
9
7
5
120

130

140

150

160

Nhiệt độ đầu đùn, oC
Hình 3.8. Độ bền kéo WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

Kết quả thí nghiệm cho thấy, với nhiệt độ đầu đùn lựa chọn từ 120 oC đến 160 oC sản phẩm
WPC có độ bền kéo thay đổi khá rõ, đặc biệt là khi nhiệt độ tăng từ 120oC lên đến 140oC thì mức
độ tăng lên của độ bền kéo là nhanh nhất. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng đến 160oC thì độ
bền kéo lại có xu hướng ổn định và giảm nhẹ, điều này có thể là do khi nhiệt độ tăng lên cao ít
nhiều làm cho liên kết giữa bột gỗ, bột vỏ cây và nhựa bị ảnh hưởng, vì thế nó làm cho độ bền kéo
giảm theo.
3.6.1.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Tương tự độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh của WPC tạo ra với nhiệt
độ đầu đùn khác nhau cũng có quy luật thay đổi khá rõ rệt. Thường khi nhiệt độ tăng lên thì độ bền


16

Độ bền uốn tĩnh, MPa

uốn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng lên và sau đó giảm xuống. Điều này có thể quan sát được khá
rõ ở các hình 3.9 và 3.10.
28
27
26
25
24
23
22
120

130

140

150

Nhiệt độ đầu đùn,

160
oC

Mô đun đàn hồi uốn
tĩnh, MPa

Hình 3.9. Độ bền uốn tĩnh WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi
2000
1500
1000
500
0
120

130

140

150

160

Nhiệt độ đầu đùn,

oC

Hình 3.10. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

Độ mài mòn, g/100
vòng

Từ kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến các chỉ tiêu chất lượng đã chọn có
thể nhận thấy, nhiệt độ đầu đùn có ảnh hưởng khá lớn đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn
tĩnh của vật liệu WPC, khi nhiệt độ biến động trong khoảng 120 oC đến 160 oC làm cho độ bền uốn
tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh thay đổi rõ rệt, tuy nhiên mức độ thay đổi ở các khoảng nhiệt độ là
không giống nhau. Khi nhiệt độ tăng từ 120oC đến 140oC làm cho độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn
hồi uốn tĩnh tăng lên đáng kể.
3.6.1.4. Ảnh hưởng đến độ mài mòn
Kết quả xác định độ mài mòn của WPC khi thay đổi nhiệt độ đầu đùn được thể hiện trong
biểu đồ hình 3.11.
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
120

130

140

150

160

Nhiệt độ đầu đùn, oC
Hình 3.11. Độ mài mòn của WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

Từ hình ta có thể thấy, khi nhiệt độ đầu đùn tăng lên, độ mài mòn của vật liệu có sự thay đổi
khá rõ. Xu hướng biến đổi có quy luật nhất định, cụ thể khi nhiệt độ tăng từ 120oC lên 160oC thì độ
mài mòn giảm xuống, nhưng đến khoảng 140oC thì có xu hướng tăng lên. Nguyên nhân có thể do
khi nhiệt độ đầu đùn thấp thì khả năng trộn lẫn của hỗn hợp không tốt làm cho độ mài mòn cao, khi
nhiệt độ tăng đã làm cho nhựa và hỗn hợp chất gia cường (bột gỗ và bột vỏ cây) được trộn đều và ở


17

Độ hút nước, %

nhiệt độ dưới 140oC thì chưa gây ảnh hưởng đến hỗn hợp chất gia cường này, nhưng khi nhiệt độ
lên trên 140oC đã gây ra tác động đến tính chất của chúng, dẫn đến độ mài mòn tăng lên.
3.7. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tốc độ quay trục vít đến chất lƣợng WPC
3.7.2.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước
Từ thí nghiệm đã thiết kế, luận án tạo mẫu WPC với tốc độ quay trục vít khi ép đùn khác nhau
và đã tiến hành đánh giá độ hút nước sau 4 ngày ngâm nước ở nhiệt độ thường. Kết quả nghiên cứu
như hình 3.12.
2
1,5
1
0,5
0
10

15

20

25

30

Tốc độ quay trục vít, vòng/phút
Hình 3.12. Độ hút nƣớc WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

Độ bền kéo, MPa

Biểu đồ trong hình cho thấy, khi tốc độ quay trục vít tăng lên, độ hút nước của sản phẩm giảm
xuống từ khoảng gần 1,8% đến khoảng 1,3%. Hơn nữa, giá trị độ hút nước gần như vào khoảng 1,3%
và có xu hướng không giảm tiếp khi tốc độ quay trục vít thay đổi trong khoảng 20-30 vòng/phút.
Từ đó cho thấy, khi lựa chọn tốc độ quay trục vít, nếu xem xét đến độ hút nước có thể chỉ cần
lựa chọn tốc độ quay trục vít vào khoảng 20 vòng/phút.
3.7.2.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo
Trong công nghệ ép đùn, trục vít chính là chi tiết tạo ra áp lực ép cho sản phẩm, do đó, tốc độ
quay trục vít thay đổi chính là áp suất ép thay đổi. Vì vậy, theo lý thuyết tốc độ quay trục vít sẽ gây
ảnh hưởng nhất định đến tính chất cơ học của WPC nói chung, độ bền kéo nói riêng.
Trong nghiên cứu của luận án, độ bền kéo của WPC tạo ra khi tốc độ quay trục vít khác nhau
đã được xác định và trình bày trong biểu đồ hình 3.13.
25
20
15
10
5
0
10

15

20

25

30

Tốc độ quay trục vít, vòng/phút
Hình 3.13. Độ bền kéo WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tốc độ quay trục vít tăng lên, độ bền kéo của WPC tăng
theo, và có xu hướng đạt giá trị ổn định khi tốc độ quay từ 20 vòng/phút trở lên. Điều này cho thấy,
nếu tốc độ quay của trục vít nhỏ, thì tốc độ đùn sản phẩm tương đối nhỏ, làm cho sản phẩm có thể
chưa đạt được đến khối lượng riêng như mong muốn. Nhưng khi tốc độ quay trục vít quá cao (trên
25 vòng/phút) thì khi đó có thể sản phẩm đã cơ bản đạt được đến khối lượng riêng như mong muốn
và nó sẽ ổn định, vì vậy làm cho độ bền kéo của sản phẩm cơ bản không thay đổi.
Từ đó có thể thấy, tốc độ quay của trục vít vào khoảng 20-30 vòng/phút là tương đối hợp lý.
3.7.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh


Độ bền uốn tĩnh,
MPa

18
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
10

15

20

25

30

Tốc độ quay trục vít, vòng/phút

Mô đun đàn hồi uốn tĩnh,
MPa

Hình 3.14. Độ bền uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi
1210
1200
1190
1180
1170
1160
1150
1140
10

15

20

25

30

Tốc độ quay trục vít, vòng/phút
Hình 3.15. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

Độ mài mòn, g/100
vòng

Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy, tốc độ quay trục vít có ảnh hưởng khá rõ rệt đến độ bền
uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh của sản phẩm. Khi tốc độ quay trục vít tăng từ 10 lên 20
vòng/phút thì độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng lên khá nhanh. Điều này là do khi
tốc độ quay trục vít tăng lên sẽ làm cho độ nén ép tăng lên, điều này cũng có thể làm cho khối
lượng riêng của sản phẩm tăng lên theo.
3.7.2.4. Ảnh hưởng đến độ mài mòn
Độ mài mòn của vật liệu khi tốc độ quay trục vít máy ép đùn thay đổi thể hiện trong biểu đồ
hình 3.16.
0,44
0,42
0,40
0,38
0,36
10

15

20

25

30

Tốc độ quay trục vít, vòng/phút
Hình 3.16. Độ mài mòn WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

Từ hình ta thấy, khi tốc độ quay trục vít tăng lên, tức áp suất ép lên sản phẩm tăng, làm cho
hỗn hợp được ép chặt hơn dẫn đến chất lượng bề mặt tốt hơn thể hiện lượng mài mòn giảm xuống,
nói cách khác khả năng chịu mài mòn tăng lên.
3.8. Nghiên cứu xác định thông số công nghệ phù hợp để tạo WPC từ bột vỏ cây và HDPE
3.8.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước
Kết quả xác định độ hút nước sau 4 ngày ngâm nước của các mẫu WPC tạo ra với thông số
công nghệ ép đùn khác nhau được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Độ hút nƣớc của WPC với chế độ ép khác nhau
TT

X1

X2

Tốc độ quay trục vít

Nhiệt độ đầu phun (oC)

Độ hút nƣớc (%)


19
(v/phút)

20
130
1,5
1
-1
-1
30
130
1,2
2
1
-1
20
150
1,0
3
-1
1
30
150
0,8
4
1
1
32
140
0,9
5
1,41
0
18
140
1,4
6 -1,41
0
25
154
0,9
7
0
1,41
25
126
1,08
8
0
-1,41
25
140
1,05
9
0
0
Phương trình tương quan giữa tốc độ quay trục vít (X1) và nhiệt độ đầu phun (X2) với độ hút
nước (W) của WPC như sau:
W = 1,43 + 0,07X1 - 0,07X12 + 0,18X2 + 0,03X1X2 - 0,09X22
Hệ số tương quan: R = 0,89
3.8.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo
Kết quả xác định độ bền kéo của WPC với thông số chế độ ép khác nhau được trình bày trong
bảng 3.10.
Bảng 3.10. Độ bền kéo của WPC với chế độ ép khác nhau
TT

X1

X2

Tốc độ quay trục vít
(v/phút)

Nhiệt độ đầu phun (oC)

Độ bền kéo (MPa)

20
130
17,5
1
-1
-1
30
130
22,6
2
1
-1
20
150
21,7
3
-1
1
30
150
22,7
4
1
1
32
140
23,2
5
1,41
0
18
140
18,5
6 -1,41
0
25
154
24,5
7
0
1,41
25
126
18,5
8
0
-1,41
25
140
21,7
9
0
0
Phương trình tương quan giữa tốc độ quay trục vít (X1) và nhiệt độ đầu phun (X2) với độ bền
kéo (S) của WPC như sau:
S = 21,41 + 1,22X1 - 0,78X12 + 0,56X2 - 1,08X1X2 + 0,22X22
Hệ số tương quan: R = 0,92
3.9.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Trong nghiên cứu này, độ bền uốn tĩnh đã được xác định với các loại sản phẩm WPC tạo ra
với các thông số chế độ ép đùn khác nhau. Kết quả như trong bảng 3.11.
Bảng 3.11. Độ bền uốn tĩnh của WPC với chế độ ép khác nhau
TT

X1

X2

Tốc độ quay trục vít
(v/phút)

Nhiệt độ đầu phun (oC)

Độ bền uốn (MPa)

1
2
3
4
5
6
7

-1
1
-1
1
1,41
-1,41
0

-1
-1
1
1
0
0
1,41

20
30
20
30
32
18
25

130
130
150
150
140
140
154

18.8
24.0
24.8
30.2
28.8
21.9
28.3


20
25
126
18.9
8
0
-1,41
25
140
26.7
9
0
0
Phương trình tương quan giữa tốc độ quay trục vít (X1) và nhiệt độ đầu phun (X2) với độ bền
uốn tĩnh (MOR) của WPC như sau:
MOR = 2,16 + 2,17X1 + 12,83X12 + 0,44X2 - 0,58X1X2 + 14,0X22
Hệ số tương quan: R = 8,6
3.9.4. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của WPC với các chế độ ép khác nhau thể hiện trong bảng 5.4.
Bảng 5.4. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác nhau
TT

X1

X2

Tốc độ quay trục vít
(v/phút)

Nhiệt độ đầu phun (oC)

Mô đun đàn hồi khi
uốn (GPa)

20
130
1,097
1
-1
-1
30
130
1,215
2
1
-1
20
150
1,247
3
-1
1
30
150
1,464
4
1
1
32
140
1,356
5
1,41
0
18
140
1,086
6 -1,41
0
25
154
1,367
7
0
1,41
25
126
1,010
8
0
-1,41
25
140
1,394
9
0
0
Phương trình tương quan giữa tốc độ quay trục vít (X1) và nhiệt độ đầu phun (X2) với mô đun
đàn hồi uốn tĩnh (MOE) của WPC như sau:
MOE = 1,54 + 0,17X1 - 0,77X12 + 0,17X2 + 0,23X1X2 - 0,09X22
Hệ số tương quan: R = 0,85
3.9.5. Ảnh hưởng đến độ mài mòn
Kết quả xác định độ mài mòn của WPC với các chế độ ép khác nhau thể hiện trong bảng 3.12.
Bảng 3.12. Độ mài mòn của WPC với chế độ ép khác nhau
TT

X1

X2

Tốc độ quay trục vít
(v/phút)

Nhiệt độ đầu phun (oC)

Độ mài mòn (g/100
vòng)

20
130
1
-1
-1
0,41
30
130
2
1
-1
0,37
20
150
3
-1
1
0,38
30
150
4
1
1
0,39
32
140
5
1,41
0
0,37
18
140
6 -1,41
0
0,41
25
154
7
0
1,41
0,39
25
126
8
0
-1,41
0,41
25
140
9
0
0
0,36
Phương trình tương quan giữa tốc độ quay trục vít (X1) và nhiệt độ đầu phun (X2) với độ mài
mòn (AS) của WPC như sau:
AS = 0,44 + 0,33X1 - 0,02X12 + 0,04X2 + 0,01X1X2 - 0,01X22
Hệ số tương quan: R = 8,9
3.9.6. Xác định thông số công nghệ ép phù hợp để sản xuất WPC
- Yêu cầu đối với các hàm mục tiêu:
+ Độ hút nước (W) nhỏ nhất
+ Độ bền kéo (S) lớn nhất
+ Độ bền uốn tĩnh (MOR) lớn nhất


21
+ Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) lớn nhất
+ Độ mài mòn (AS) nhỏ nhất (khả năng chịu mài mòn lớn nhất)
- Các phương trình tương quan đã được lập ở phần trên như sau:
+ Độ hút nước (W)
W = 1,43 + 0,07X1 - 0,07X12 + 0,18X2 + 0,03X1X2 - 0,09X22
+ Độ bền kéo (S)
S = 21,41 + 1,22X1 - 0,78X12 + 0,56X2 - 1,08X1X2 + 0,22X22
+ Độ bền uốn tĩnh (MOR)
MOR = 2,16 + 2,17X1 + 12,83X12 + 0,44X2 - 0,58X1X2 + 14,0X22
+ Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE)
MOE = 1,54 + 0,17X1 - 0,77X12 + 0,17X2 + 0,23X1X2 - 0,09X22
+ Độ mài mòn (AS)
AS = 0,44 + 0,33X1 - 0,02X12 + 0,04X2 + 0,01X1X2 - 0,01X22
Giải hệ phương trình gồm các phương trình tương quan trên với các điều kiện của hàm mục
tiêu như trên, kết quả thu được như sau:
- Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút
- Nhiệt độ đầu đùn : 147, 5 oC
3.10. Nghiên cứu khả năng chịu tia UV của WPC từ bột vỏ cây khi thêm hạt Nano
3.10.1. Thực nghiệm tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO2
Trong thí nghiệm này các thông số công nghệ tạo WPC được sử dụng ngay các thông số công
nghệ hợp lý mà ta có được từ việc giải bài toán tối ưu ở phần trên.
- Tỉ lệ hỗn hợp thành phần như sau:
Chất gia cường : HDPE : MAPE = 43,53 (70% bột gỗ + 30% bột vỏ cây) : 53,22 : 3,25
- Tỉ lệ dụng TiO2 so với lượng HDPE: 0,5%, 1%, 1,5%
- Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút
- Nhiệt độ đầu đùn : 147, 5 oC
Phương pháp đưa nano vào như sau :
Phân tán MAPE đồng đều vào trong dung môi nước, sau đó sử dụng sóng siêu âm cao tần để
phân tán hạt nano vào trong dung dịch đã hòa tan MAPE.
3.10.2. Khả năng chịu tia UV của WPC khi cho thêm hạt nano TiO2
Kết quả kiểm tra các chỉ số màu sắc của WPC từ bột vỏ cây Keo tai tượng và nhựa HDPE sau khi
chiếu tia UV trong thời gian 960h được thể hiện trong các hình từ 3.17 đến 3.20.
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0

200

400

600

800

1000

Thời gian chiếu UV, giờ
Delta_L*

Delta_E

Hình 3.17. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC không chứa TiO2


22
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0

200

400

600

800

1000

Thời gian chiếu UV, giờ
Delta_L*

Delta_E

Hình 3.18. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa 0,5% TiO2
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0

200

400

600

800

1000

Thời gian chiếu UV, giờ
Delta_L*

Delta_E

Hình 3.19. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa 1,0% TiO2
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
0

200

400

600

800

1000

Thời gian chiếu UV, giờ
Delta_L*

Delta_E

Hình 3.20. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa 1,5% TiO2

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, độ sáng (L*) của ván mỏng sau khi chiếu tia UV thay đổi rất rõ,
và có tính quy luật. Hơn nữa ở các mẫu WPC với lượng dùng TiO2 tăng lên thì sự thay đổi độ sáng giảm
xuống từ giá trị L khoảng 7 đến 9 xuống còn khoảng 1 đến 3.
Độ chênh lệch màu tổng E của các mẫu WPC không chứa TiO2 và mẫu chứa TiO2 cũng có
xu hướng biến đổi tương tự với L. Với mẫu không chứa TiO2 thì E có giá trị khoảng 9 đến 10,
nhưng với mẫu chứa TiO2 thì giá trị E giảm xuống còn khoảng 40-50% (khoảng 3 đến 5). Điều


23
này có nghĩa, khi cho thêm TiO2 vào trong quá trình sản xuất WPC từ vỏ cây Keo tai tượng có thể
làm tăng độ ổn định màu sắc của vật liệu khi chiếu tia UV.
Với kết quả này có thể khuyến nghị, trong quá trình sản xuất WPC từ vỏ cây Keo tai tượng
dùng làm các sản phẩm ngoài trời nên cho thêm một lượng TiO2 nhất định (khoảng từ 1,0-1,5% so
với nhựa HDPE là hợp lý). Do điều kiện nghiên cứu cũng như phạm vi của luận án nên chưa tiến
hành nghiên cứu sâu các ảnh hưởng khác của TiO2 đến chất lượng WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và
HDPE. Tuy nhiên, đây có thể là một hướng nghiên cứu mới trong tương lai nhằm nâng cao tuổi thọ
sử dụng cho vật liệu compozit gỗ nhựa từ vỏ cây Keo tai tượng và HDPE.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
1. Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu ta rút ra được một số kết luận sau:
(1) Bột vỏ cây keo tai tượng có thể làm nguyên liệu thay thế được một phần bột gỗ trong sản xuất
vật liệu WPC.
(2) Tỉ lệ thay thế bột vỏ cây cho bột gỗ có ảnh hưởng nhất định đến tính chất cơ lý của WPC, khi tỷ
lệ sử dụng bột vỏ cây càng cao thì các tiêu chí về độ bền của vật liệu càng giảm, khuyến nghị nên
trộn khoảng 30% lượng vỏ cây thay cho bột gỗ, có nghĩa, tỉ lệ trộn bột vỏ cây và bột gỗ là 30 : 70
(trong tổng số 43,53 phần khối lượng) là tương đối hợp lý.
(3) Giá trị thông số công nghệ hợp lý để sản xuất WPC từ vỏ cây Keo tai tượng theo phạm vi
nghiên cứu của luận án như sau:
- Lượng dùng bột vỏ + bột gỗ: 43,53 phần khối lượng
- Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng
- Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng
- Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút
- Nhiệt độ đầu đùn : 147, 5 oC
(4) Khi cho thêm hạt nano TiO2 vào trong quá trình sản xuất WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa
HDPE có thể nâng cao khả năng chịu tia UV của vật liệu. Cụ thể, khi hàm lượng dùng TiO2 tăng từ
0,0% lên 1,5% thì khả năng chịu tia UV của WPC tăng khoảng 50-60%.
2. Khuyến nghị
Để có thể đưa vào sản xuất cũng như nâng cao chất lượng của WPC từ vỏ cây Keo tai tượng,
luận án có một số khuyến nghị sau:
(1) Trên cơ sở thông số công nghệ tối ưu của luận án tìm ra, tiếp tục tiến hành nghiên cứu xác
định thông số công nghệ tối ưu trên thiết bị sản xuất công nghiệp hoá (nếu có) để có thể hoàn thiện
công nghệ sản xuất sản phẩm WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa HDPE hoặc loại nhựa khác.
(2) Nghiên cứu nâng cao khả năng chống chịu tia UV của vật liệu WPC từ vỏ cây Keo tai
tượng hoặc vỏ loài cây khác bằng một số loại vật liệu có khả năng hấp thụ hoặc chống tia UV ngoài
nano TiO2.
(3) Đánh giá một cách tổng hợp hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường nếu áp dụng công
nghệ sản xuất WPC từ vỏ cây gỗ rừng trồng.


24

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU, BÀI BÁO ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ
KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Triệu Văn Hải, Cao Quốc An, Phạm Thị Ánh Hồng. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một
số yếu tố công nghệ trong sản xuất vật liệu composite từ vỏ cây và polyethylene. Tạp chí
khoa học công nghệ lâm nghiệp, số 4 năm 2015.
2. Cao Quốc An, Triệu Văn Hải, Vũ Mạnh Tường, Lê Văn Tung. Nghiên cứu ảnh hưởng
của công nghệ ép đùn đến chất lượng composite nhựa vỏ cây. Tạp chí khoa học công nghệ
lâm nghiệp, số 4 năm 2015.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×