chế tạo vật liệu composite từ nhựa PE và vỏ trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC

Đặng Thị Mỹ Nga

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE
NHỰA GỖ TỪ NHỰA POLYETYLENE VÀ VỎ TRẤU

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Hóa học
(Chương trình đào tạo chuẩn)

Hà Nội- 2019
0


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC

Đặng Thị Mỹ Nga

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE
NHỰA GỖ TỪ NHỰA POLYETYLENE VÀ VỎ TRẤU

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Hóa học
(Chương trình đào tạo chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: TS. Bùi Thái Thanh Thư

TS. Vũ Ngọc Duy

Hà Nội - 2019

1


LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Hóa học với đề tài “ Chế tạo và nghiên cứu
vật liệu composite nhựa gỗ từ nhựa polyetylen và vỏ trấu” là kết quả cố gắng của bản
thân và được sự giúp đỡ, động viên, khích lệ của các thầy, bạn bè và người thân. Với
lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Hóa họcTrường Đại học Khoa học Tự nhiên đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình đã
truyền đạt vốn kiến thức quý báu của mình cho chúng em trong suốt thời gian học tập
tại trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Bùi Thái Thanh Thư, thầy
giáo TS. Vũ Ngọc Duy, thầy giáo TS. Nguyễn Minh Ngọc và thầy giáo TS. Phạm
Quang Trung đã trực tiếp tận tâm hướng dẫn em trong đề tài khóa luận này.
Em xin cảm ơn thầy giáo TS. Phạm Anh Sơn và anh chị thuộc Viện Hóa học đã
giúp đỡ chúng em thực hiện và hoàn thiện nghiên cứu này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo, các anh chị và
các bạn thuộc bộ mơn Hóa lý đã giúp đỡ và động viên em trong thời gian vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU

1

I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

3

I.1. Các nghiên cứu và sử dụng composite nhựa gỗ

3

I.2. Ưu diểm và nhược điểm của composite nhựa gỗ

3

I.3. Thành phần của composite nhựa-gỗ

5

I.3.1. Trấu

6

I.3.2. Nhựa

7

I.3.3 Các chất phụ gia

9

I.4. Công nghệ xử lý nước thải với vật liệu mang vi sinh

II. THỰC NGHIỆM

9
11

II.1. Quy trình sản xuất

11

II.1.1. Ngun liệu

11

II.1.2. Máy móc

11

II.1.3. Các bước tiến hành

13

II.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM

III.

14

II.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM)

14

II.2.2. Độ hấp thụ nước

15

II.2.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis, TGA)

16

II.2.4. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry, DSC)

17

II.2.5. Tỷ trọng

17

II.2.6. Tính chất cơ lý

18

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

20

III.1. Hình thái bề mặt

20

III.2. Độ hấp thụ nước

21

III.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

23

III.4. Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)

28

III.5. Tỷ trọng

32

III.6. Tính chất cơ lý

33

IV.

KẾT LUẬN

34

V.

TRIỂN VỌNG CỦA HƯỚNG NGHIÊN CỨU

35

TÀI LIỆU THAM KHẢO

36

3


PHẦN MỞ ĐẦU
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, ngành cơng nghiệp nhựa tuy cịn non trẻ so
với các ngành cơng nghiệp lâu đời khác như cơ khí, điện, dệt … nhưng nó đã có sự
phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Chất dẻo hay nhựa hoặc polymer được
dùng làm vật liệu sản xuất nhiều loại vật dụng phục vụ đời sống cũng như nhiều ngành
công nghiệp khác. Tốc độ tăng trưởng của ngành nhựa trung bình là 16-18%/ năm.
Năm 2015, ngành nhựa sản xuất và tiêu thụ gần năm triệu tấn sản phẩm.Vật dụng bằng
nhựa có mặt mọi nơi trong cuộc sống hằng ngày. Tuy nhiên, vật liệu nhựa là loại vật
liệu khó phân hủy. Theo kết quả điều tra năm 2018, cho thấy trung bình mỗi ngày Việt
Nam xả khoảng 2,500 tấn rác thải nhựa. Và chỉ một lượng rất nhỏ trong lượng đó được
tái chế còn lượng rác thải nhựa còn lại sẽ được chôn cùng những loại rác thải khác
hoặc xả ra biển. Mỗi năm Việt Nam xả ra biển tới 0,5 tấn rác thải nhựa. Việt Nam là
nước đứng thứ 4 thế giới về lượng rác thải nhựa thải ra biển, chỉ sau Trung Quốc,
Indonesia và Philippines.
Do đó, các loại vật liệu dễ phân hủy và thân thiện với môi trường được nghiên
cứu và đưa vào sử dụng trong cuộc sống hằng ngày. Từ đó, các nhà khoa học đã nghiên
cứu và tìm ra loại vật liệu mới với ngun liệu chính là bột gỗ và nhựa. Sản phẩm thân
thiện với môi trường lại giải quyết được phần nào vấn đề ô nhiễm môi trường sử dụng
nguyên liệu từ nguồn phế thải. Vật liệu đó chính là composit nhựa-gỗ (WPC – Wood
plastic composite) hay rộng hơn, còn gọi là composit sợi tự nhiên được tạo nên từ nhựa
và các xơ sợi thực vật tự nhiên (gỗ hoặc các phế phẩm nông nghiệp).
Ngành cơng nghiệp composite nhựa-gỗ đang phát triển nhanh chóng. Trên thế

giới, thị trường sản xuất WPC có tốc độ tăng trưởng hai con số mỗi năm. Trong gần ba
mươi năm phát triển, giờ đây WPC là vật liệu được nhiều người tin tưởng và sử dụng
trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, sản xuất đồ gia dụng ,… Việc đẩy mạnh
sử dụng các nguồn nguyên liệu là gỗ thải (hay phụ phẩm nông nghiệp) và nhựa tái chế,
đồng thời phát triển thêm các sản phẩm ứng dụng từ tổ hợp nhựa gỗ sẽ là một giải pháp
giúp bảo vệ môi trường bền vững. Một hướng ứng dụng rất mới của vật liệu composit
nhựa gỗ là làm vật liệu mang vi sinh để ứng dụng trong quá trình xử lý môi trường.
Trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu composit nhựa gỗ
từ nhựa polyetylen và vỏ trấu để làm vật liệu mang vi sinh. Hiện nay, vật liệu mang vi

1


sinh thường được làm bằng các loại nhựa polyetylen (PE), ngồi ra cịn có nhựa
poly(vinyl clorua) (PVC), hay polypropylen (PP)...và chưa có vật liệu mang vi sinh nào
được sản xuất từ composite nhựa-gỗ.

2


I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
I.1. Các nghiên cứu và sử dụng composite nhựa gỗ
Composite nhựa gỗ (WPC – Wood Plastic Composite), là một loại nguyên liệu
tổng hợp, được tạo thành từ sự kết hợp giữa sợi tự nhiên (có thể là bột gỗ, sợi, phế
phẩm nông nghiệp như rơm, trấu, vỏ lạc…) và nhựa (polypropylene (PP), polyethylene
tỉ trọng cao (HDPE), nhựa ABS – Acylonitrin Butadien Styren…) [8,6,2]. Tuy nhiên,
do bản chất phân cực cao của thành phần tự nhiên (gỗ, trấu, rơm ...) và bản chất không
phân cực của nhựa sử dụng nên khả năng tương hợp giữa nhựa và thành phần tự nhiên
không cao, dẫn đến liên kết tại bề mặt tiếp xúc nhựa/sợi tự nhiên kém làm cho độ bền
của composite tạo thành khơng cao. Chính vì vậy, để tăng khả năng tương hợp giữa sợi

tự nhiên và nhựa nền (chủ yếu là các polyolefin), đã và đang có nhiều nghiên cứu khác
nhau như biến tính bề mặt sợi, sử dụng chất tương hợp… Trong đó, sử dụng chất tương
hợp polyolefin maleat hóa được xem là phương pháp thích hợp nhất để cải thiện tính
chất của composite nền polyolefin và sợi tự nhiên. Với một lượng nhỏ chất tương hợp
(thường từ 2-5%) có thể cải thiện đáng kể một số tính chất của composite nền
polyethylene hoặc polypropylene và sợi tự nhiên [9,4,5] . Mặc khác trong quá trình gia
công và sử dụng sản phẩm, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, ánh sáng, tia UV, oxy trong
khơng khí, độ ẩm mơi trường, vi sinh vật,…có thể tạo ra sự phân hủy các vật liệu thành
phần làm ảnh hưởng đến các tính năng cơ- lý, độ bền và ngoại quan của sản phẩm
composite [1]. Chính vì vậy việc nghiên cứu sử dụng loại và lượng phụ gia thích hợp
nhằm hạn chế sự phân hủy của sản phẩm khi gia cơng, sử dụng sản phẩm trong mơi
trường có mặt của các tác nhân trên là rất quan trọng. Ngoài nhựa và sợi tự nhiên,
WPC cịn có thể chứa một số chất phụ gia, chất độn có gốc cellulose hoặc vơ cơ, chất
tăng khả năng tương hợp, chất chống cháy…. Do đó, WPC cịn có thể được gọi là vật
liệu composite nhựa-sợi tự nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa.
I.2. Ưu diểm và nhược điểm của composite nhựa gỗ
Composite nhựa-sợi tự nhiên là hỗn hợp gồm các thành phần chính là nhựa-sợi
tự nhiên. Nên ở tỷ lệ nhựa - sợi tự nhiên thích hợp kết hợp với các chất phụ gia, nó
mang gần như hồn tồn những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của hai
thành phần chính.

3


Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm của sản phẩm Composite nhựa – gỗ và hai sản
phẩm gốc Nhựa và Gỗ tự nhiên.
Ưu điểm

Gỗ tự nhiên

Chịu nắng mưa, thời tiết thất thường
Chống trơn trượt

Nhựa

Gỗ nhựa

X

X

X

Chống mối mọt, nấm mốc

X
X

Chống cháy, chịu chày xước tốt

X
X

Thân thiện với môi trường

X

X

Dễ thi công, sơn phủ và bền màu

X

X

Hạn chế cong vênh, co ngót

X

X

Dễ tạo hình sản phẩm

X

X

Từ bảng so sánh những ưu điểm giữa các nguyên liệu: gỗ tự nhiên – nhựa – gỗ
nhựa, ta thấy được những tính năng vượt trội của composite nhựa-gỗ so với các ngun
liệu chính tạo ra nó.
Gỗ nhựa có thành phần chính là nhựa nên sản phẩm làm từ nhựa-gỗ sẽ nhẹ hơn
sản phẩm từ gỗ tự nhiên, do đó việc thi cơng và lắp đặt các sản phẩm trở lên dễ dàng
hơn. Đồng thời vật liệu gỗ nhựa có khả năng chống nước, chống mối mọt và nấm mốc
do môi trường ẩm ướt nên tuổi thọ sản phẩm bền hơn so với những loại gỗ thông
thường. Vật liệu này thường được sử dụng để tạo các sản phẩm ngoài trời do khả năng
chịu nắng mưa, thời tiết thất thường nên ít tốn chi phí bảo trì hơn so với các loại gỗ
thông thường. Vật liệu gỗ nhựa có xảy ra hiện tượng cong vênh, co ngót nhưng đã
được hạn chế hơn so với gỗ tự nhiên. Mặt khác, gỗ nhựa được tạo thành từ bột gỗ nên
là vật liệu thân thiện với môi trường, chống trơn trượt.
Ngồi những ưu điểm từ ngun liệu chính là gỗ - nhựa thì vật liệu tổng hợp

nhựa-gỗ có những đặc tính vượt trội khác. Là vật liệu được tổng hợp từ vật liệu chính
là sợi tự nhiên và nhựa cùng những chất phụ gia, chất kết dính khác nhưng gỗ nhựa
không chứa các sản phẩm độc hại tới sức khỏe, an tồn cho người sử dụng. Vật liệu gỗ
nhựa có thể chống cháy và bề mặt chịu chày xước tốt. Ngoài ra, gỗ nhựa được sản xuất

4


trơng như gỗ tự nhiên, bền màu và có thể lựa chọn màu sắc tùy ý nên đa dạng về mẫu
mã, màu sắc.
Từ những ưu điểm đó của vật liệu mà composite nhựa-gỗ được sử dụng rộng rãi
để tạo ra nhiều sản phẩm với những mục đích khác nhau như lan can, hàng rào, sàn hồ
bơi, ván sàn ngoài trời cửa, các đồ nội thất…. Do có màu sắc giống với gỗ tự nhiên và
bền màu nên sản phẩm từ gỗ nhựa vẫn giữ được bề ngoài sang trọng mà sản phẩm bền
hơn và chi phí vật liệu cũng như bảo dưỡng thấp hơn so với gỗ tự nhiên.
Bên cạnh đó, vật liệu gỗ nhựa cũng có một vài nhược điểm. Là vật liệu được
tổng hợp từ gỗ - nhựa nên composite nhựa-gỗ giòn hơn và chịu lực kém hơn so với các
loại gỗ tự nhiên, đồng thời việc ăn vít của vật liệu này khá kém. Bởi vậy khi sử dụng
gỗ nhựa trong các thiết bị nội thất, người ta thường kết hợp các loại vật liệu khác để
khắc phục những nhược điểm trên của gỗ nhựa.
Đối với thị trường Việt Nam thì vật liệu nhựa gỗ cịn khá mới mẻ và chưa được
nhiều người biết đến. Nhưng trên thị trường thế giới, vật liệu này rất được ưa chuộng
và càng ngày càng phát triển. WPC được sử dụng trong bốn lĩnh vực: vật liệu xây dựng
chiếm 75% sản lượng. Các sản phẩm liên quan chủ yếu là hành lang, hàng rào, cửa ra
vào, cửa sổ và gờ trang trí. Các sản phẩm tiêu dùng và cơng nghiệp chiếm 10% thị
trường này. Trong lĩnh vực này, WPC được sử dụng trong sản xuất đồ gỗ, tủ, sàn, giá
kê vận chuyển, khung, hộp và container. Phương tiện vận tải chiếm 8% ngành này như
các thành phần nội thất của các phương tiện như tấm cửa, các thành phần của cốp xe,
túi rỗng, tấm bọc xe,.... Các ứng dụng khác bao gồm cơ sở hạ tầng chủ yếu là ở thành
phố, các ứng dụng hàng hải, vv ... chiếm 7% sản lượng [3]. Thị trường nhựa composite

hỗn hợp trên toàn cầu (WPC) đang có xu hướng tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng
năm khoảng 13,2% trong thập kỷ tới và đạt khoảng 9,7 tỷ USD vào năm 2025. Một số
xu hướng nổi bật của thị trường là sự gia tăng nhu cầu về vật liệu composite bằng gỗ ở
các thị trường mới, tiêu dùng nguyên liệu tái chế và sự tiến bộ gần đây trong quy trình
sản xuất Composite Nhựa gỗ (WPC) [7].
I.3. Thành phần của composite nhựa-gỗ
Composite nhựa gỗ là một loại nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ nguyên liệu
chính là nhựa và sợi tự nhiên (trong nghiên cứu này là trấu) là chất thải được tái sử
dụng. Ngồi ra, trong vật liệu nhựa-gỗ cũng có một số chất phụ gia như chất kết dính,

5


chất tạo màu, chất chống oxy hóa…. Trong đó, bột trấu chiếm 30 - 70% tương đương
với nhựa chiếm 70 – 30%. Tuy các chất phụ gia chiếm tỷ lệ thành phần rất nhỏ nhưng
nó đóng vai trị quan trọng và là yếu tố chính tạo nên sự khác biệt về tính chất, độ bền
của vật liệu.
I.3.1. Trấu
Gạo là loại lương thực chính của nước ta cùng nhiều đất nước khác trên thế giới và
lượng phế phẩm nông nghiệp từ loại lương thực này khơng hề nhỏ, trong đó có lượng
lớn trấu. Hiện nay trấu thường được dùng với một số mục đích như là một thành phần
trong thức ăn chăn ni, tro trấu dùng làm phân bón cho cây trồng,.. nhưng một lượng
lớn trấu bị đốt bỏ. Khối lượng riêng của trấu khá lớn là 96-160 kg/m3 và lớn hơn khi
nghiền. Trong thành phần của trấu gồm có khoảng 20% opaline silica, ligine chiếm
khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40%. Do đó, trấu có vai trị giống như
gỗ, là thành phần sợi tự nhiên, có trong composite nhựa-gỗ. Hơn nữa, sản phẩm từ trấu
cịn có đặc điểm vượt trội hơn gỗ, do có 20% opaline silica, là có độ cứng cao.
Trấu có nhiều đặc tính vượt trội như: có khả năng chống ẩm cao và chống nấm
mốc, truyền nhiệt kém và khơng ăn mịn các loại kim loại như nhơm, đồng hoặc thép.
Với những tính chất trên, trấu có thể được sử dụng để tạo ra các loại vật liệu cách

nhiệt, cách điện tốt với độ bền cao, chống nấm mốc, mối mọt. Đó là lý do các nhà
nghiên cứu nghĩ đến việc kết hợp trấu với nhựa để tạo ra vật liệu tổng hợp sử dụng
trong lĩnh vực xây dựng cũng như tạo ra các sản phẩm nội thất. Ngồi ra, trong nghiên
cứu này, nhóm nghiên cứu muốn nghiên cứu một ứng dụng khác của composite nhựagỗ để chế tạo vật liệu mang vi sinh.

Hình 1. Cấu trúc lignine và cenllulose

6


I.3.2. Nhựa
Thành phần chính khác của composite nhựa-gỗ là nhựa. Nhưng khơng phải loại
nhựa nào cũng có thể tham gia vào quá trình sản xuất. Những loại nhựa nhiệt dẻo có
nhiệt độ thủy tinh hóa thấp hơn 200ºC sẽ được đưa vào quy trình sản xuất, vì đó là
nhiệt độ giới hạn bền của gỗ. Do đó, sản phẩm nhựa thường được sử dụng trong sản
xuất gỗ nhựa là: PP, PE, HDPE, LDPE….. Đó cũng là các loại nhựa được sử dụng
nhiều trong đời sống. Vì vậy nguồn nhựa phế thải của các loại nhựa này rất dồi dào.
a. Polyetylen (PE)
PE là loại nhựa được sử dụng để chế tạo nhiều vật dụng trong cuộc sống như túi
bóng, chai nhựa, hộp đựng thức ăn, màng thực phẩm,.. PE có cơng thức đơn giản là
(C2H4)nH2, bao gồm các chuỗi hydrocarbon dài nên có độ mềm dẻo cao. Hiện nay có 3
loại nhựa PE là PE tỷ trọng thấp (LDPE) có tỷ trọng: 0,910 - 0,925 g/cm³, PE tỷ trọng
trung bình (MDPE) có tỷ trọng là 0,926 - 0,940 g/cm³ và PE tỷ trọng cao (HDPE) có tỷ
trọng là 0.941 - 0,965 g/cm³. Trong đó, MDPE và HDPE có nhiệt độ nóng chảy khoảng
120-129,4 cịn LDPE có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn khoảng 104,4-115,5. Hầu hết các
loại MDPE, HDPE, LDPE không bị ăn mòn bởi các acid mạnh hoặc base mạnh và
cháy chậm.

Hình 2. Cấu trúc polyetylen (PE)
b. Polypropylen (PP)

PP có tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo), khá cứng vững, không mềm dẻo
như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc biệt khả năng bị xé
rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.PP trong suốt, có độ bóng bề
mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ. PP không màu không mùi, không vị, không
độc. PP chịu được nhiệt độ cao hơn 100ᴼC. So với PE, PP có độ cứng cao hơn nhưng

7


độ bền uốn thấp hơn và có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn nên PP ngồi có thể làm những
vật dụng như PE còn thường được sử dụng để làm hộp nhựa đựng thực phẩm, bình
nước, chai đựng nước,... và có thể chịu nhiệt trong lị vi sóng.

Hình 3. Cấu trúc polypropylen (PP)
c. Acrylonitrin butadien styren (ABS)
Acrylonitrin butadien styren (ABS) là một loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng dùng để
làm các sản phẩm nhẹ, cứng, dễ uốn như ống, dụng cụ âm nhạc (chủ yếu
là đĩa và clarinet), đầu gậy đánh golf (vì khả năng chịu va đập tốt), các bộ phận tự
động, vỏ bánh răng, lớp bảo vệ đầu hộp số, đồ chơi. Trong nghề hàn chì, ống ABS có
màu đen (ống PVC màu trắng) và trong hệ thống ống chất dẻo chịu áp lực màu ống
cũng tuân theo quy tắc đó. Hạt nhựa ABS có đường kính nhỏ hơn 1 micromét được
dùng làm thuốc nhuộm màu trong một số loại mực xăm. Mực xăm có ABS rất sáng và
sắc nét. Sự rõ nét là đặc tính nổi bật nhất của mực chứa ABS nhưng các loại mực xăm
hiếm khi liệt kê các thành phần chứa trong đó.

Hình 4. Cấu trúc Acrylonitrin butadien styren (ABS)

8

I.3.3 Các chất phụ gia
Do độ bám dính giữa bề mặt của trấu và các chất nhựa dẻo không cao do trấu có
tính ưa nước (sức căng bề mặt cao) làm giảm khả năng tương thích với vật liệu
polymer kỵ nước (sức căng bề mặt thấp) trong quá trình chế tạo hỗn hợp. Do đó, để
tăng độ kết dính giữa các thành phần chính ta cần sử dụng thêm chất kết dính,là chất có
tác dụng liên kết. Trong vật liệu tổng hợp này, chất kết dính chỉ chiếm khoảng 2-5%
khối lượng nhưng chúng đóng vai trị quyết định đến sự khác biệt và độ tương thích
của hai nguyên liệu chính. Chất kết dính thường hay được sử dụng là polyethylene
ghép mạch với anhydrit Maleic (PE-g-MAH) hoặc polypropylene ghép mạch với
anhydrit Maleic (PP-g-MAH). Những chất này có khả năng thay đổi bề mặt phân cách
pha do chúng có thể tương tác với cả hai chất thành phần và trở thành cầu nối giữa
nhựa và sợi tự nhiên. Một chất phụ gia khác cũng được sử dụng để làm tăng tính ổn
định và bền của vật liệu tổng hợp từ sợi tự nhiên và nền nhựa dẻo là: polyetylen glycol
(PEG). PEG là polymer linh hoạt, hịa tan trong nước, có độc tính thấp và được sử
dụng trong nhiều loại sản phẩm. PEG có nhiều ứng dụng trong hóa học, y học và mỹ
phẩm. Trong vật liệu tổng hợp này, PEG có vai trò giúp vật liệu ổn định lượng nước và
chất kết dính.

Hình 5. Cơng thức hóa học của chất tương hợp Polyetylen glycol (PEG)
Ngồi ra, trong vật liệu gỗ nhựa cịn chứa các chất chống tia cực tím, chất chống
oxy hóa, chất chống cháy,… giúp vật liệu được bền hơn khi sử dụng ngồi trời. Chất
chống cháy “hoạt tính”, như nhơm trihydrat hoặc magie hydroxit, làm mát khu vực đốt
bằng cách giải phóng nước ở nhiệt độ nhất định. Nhiều chất trơ, như canxi cacbonat,
talc, sét, sợi thủy tinh, có thể làm chậm sự lan truyền của lửa bằng cách “loại bỏ nhiên
liệu” hoặc làm nóng chậm.
I.4. Cơng nghệ xử lý nước thải với vật liệu mang vi sinh
Việt Nam ngày càng có nhiều khu cơng nghiệp được xây dựng, nhiều nhà máy
mọc lên nên việc xử lý nước thải công nghiệp cũng như nước thải sinh hoạt trước khi
9

thải ra ngồi mơi trường là một u cầu bắt buộc nhằm bảo vệ môi trường. Các phương
pháp xử lý nước hiện nay là phương pháp xử lý nước bằng lý học, hóa-lý và sinh học.
Mỗi phương pháp có một ưu điểm và chúng thường được kết hợp với nhau để sản
phẩm sau khi xử lý đạt yêu cầu. Trong quy trình xử lý nước hiện nay, cơng nghệ
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), là quá trình xử lý nhân tạo trong đó sử dụng
các vật liệu làm giá thể cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển, được sử
dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm vượt trội khi xử lý nước thải giàu chất hữu cơ.
Cơng nghệ MBBR hoạt động trên khả năng chuyển hóa vật chất của các vi sinh
vật trong các điều kiện khác nhau: thiếu khí, yếm khí và hiếu khí. Cơng nghệ sử dụng
các giá thể mang vi sinh, các giá thể vi sinh tạo cho màng sinh học một môi trường bảo
vệ, do đó, hệ vi sinh xử lý dễ phục hồi. Vật liệu làm giá thể phải có tỷ trọng gần bằng
nước đảm bảo điều kiện lơ lửng được trong bể chứa. Các giá thể này luôn chuyển động
không ngừng trong tồn thể tích bể nhờ các thiết bị thổi khí và cánh khuấy. Mật độ vi
sinh ngày càng gia tăng, mật độ vi sinh xử lý trong mỗi đơn vị thể tích cao hơn, do đó
thể tích bể xử lý nhỏ hơn và hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao hơn. Các nhóm vi sinh
khác nhau phát triển giữa các lớp màng vi sinh, điều này giúp cho các lớp màng sinh
học phát triển theo xu hướng tập trung vào các chất hữu cơ chuyên biệt. Hơn nữa,
màng sinh học có khả năng phát triển theo tải trọng tăng dần của chất hữu cơ trong
nước thải làm cho bể MBBR có thể vận hành ở tải trọng cao và biến động lớn. Và giá
thể MBBR đóng vai trị quyết định trong cơng nghệ xử lý này. Do đó, các vật liệu làm
giá thể MBBR phải có những tính chất đặc trưng riêng. Chúng được gọi chung là vật
liệu mang vi sinh.
Tính chất quan trọng nhất của vật liệu mang vi sinh là bền trong môi trường
nước và có khả năng bám dính sinh học cao. Vật liệu này phải có tỷ trọng nhẹ hơn
nước để có thể lơ lửng trong bể chứa và dễ gia công để tạo ra những hình dạng khác
nhau với nhiều dạng bể chứa khác nhau. Các loại vật liệu mang vi sinh hiện nay thường
là các loại nhựa thông dụng như PVC, PP, PE,.. Các loại vật liệu này kỵ nước nên bền
trong môi trường nước nhưng đồng thời bề mặt của chúng khá nhẵn nên khả năng bám
dính sinh học khơng cao. Trong khi đó, vật liệu composit nhựa-gỗ do chứa cả nhựa và

sợi tự nhiên nên có khả năng bền trong mơi trường nước và có khả năng tính bám dính
vi sinh cao hơn.

10


II. THỰC NGHIỆM
II.1. Quy trình sản xuất
II.1.1. Nguyên liệu
+ Trấu: nghiền nhỏ rồi rây với kích thước lỗ là 0,5 mm, sấy trong tủ sấy ở 70ᴼC đến
khối lượng không đổi
+ Nhựa dẻo: Trong thí nghiệm này sử dụng nhựa PE nguyên sinh.

Hình 6. Hình ảnh bột trấu và nhựa PE nguyên sinh sử dụng trong nghiên cứu
II.1.2. Máy móc
a, Máy xay nguyên liệu

Hình 7. Máy xay
11


Máy xay gồm ba bộ phận chính là: Motor- Lưỡi dao- Bình chứa
Nguyên lý làm việc: Khi cấp nguồn điện vào trong máy, động cơ motor sẽ quay
và trục cốt motor có gắn bộ lưỡi dao cũng sẽ quay theo. Vật liệu được xay thành bột
nhỏ, bỏ vào trong máy, lưỡi dao quay sẽ xay vỏ trấu lớn thành bột trấu có kích thước
nhỏ. Lực ly tâm của lưỡi dao hút vỏ trấu vào và trộn đều lên từ trên xuống dưới làm
cho vỏ trấu được xay nhỏ, mịn đồng đều. Khi vỏ trấu được xay thành bột với kích
thước đồng đều thì dừng máy.
b, Sử dụng máy trộn hai trục.

Hình 8. Máy trộn nhựa 2 trục
Các bộ của máy trộn bao gồm: một giá đỡ máy trộn với cửa nạp liệu, bộ phận
trục xoắn, bộ phận điều nhiệt, bình trộn và bộ phận xử lý dữ liệu.
Mỗi lần trộn, máy trộn được khoảng 40-50g vật liệu được nạp qua cửa nạp
liệu. Các thông số như nhiệt độ, thời gian trộn và tốc độ quay của trục xoắn được cài
đặt bằng phần mềm kết nối với máy. Trong quá trình trộn, bộ phận trục xoắn có hai
trục xoắn ngược chiều nhau trộn liên tục với tốc độ được cài đặt trong khoảng thời gian
gian đã định. Khi lực monen xoắn ổn định tức là nguyên liệu đã được trộn đều. Sản
phẩm được lấy ra sau thời gian trộn đảm bảo độ đồng nhất và khơng bị bám dính vào
thiết bị.

12


c, Máy ép nóng

Hình 9. Máy ép nóng
Máy ép được sử dụng để tạo ra sản phẩm cuối cùng sau khi đã trộn xong. Sản phẩm
sau khi được lấy ra khỏi máy đùn hai trục sẽ tiếp tục được ép dưới áp suất và nhiệt độ
thích hợp để có được sản phẩm có độ dày phù hợp.
II.1.3. Các bước tiến hành
❖ Bật máy đùn hai trục vít rồi gia nhiệt ở 150ᴼC trong thời giantrộn 10 phút
và máy ép cũng được đặt ở nhiệt độ 135ᴼC.
❖ Cân hai nguyên liệu ban đầu với tỷ lệ khối lượng xác định (theo bảng
sau):
Bảng 2: Thành phần các mẫu được tổng hợp
% Khối lượng trấu

30

40

50

60

60 (chứa PEG)

70

% Khối lượng PE

70

60

50

40

40

30

13


❖ Trộn thô hai nguyên liệu với nhau trước khi đưa nguyên liệu vào cửa nạp
liệu.
❖ Khi nhiệt độ tại các buồng đốt đạt đến nhiệt độ đã đặt trước đó thì đưa

ngun liệu vào cửa nạp liệu.
❖ Sau thời gian đã đặt, khi momen xoắn đã giảm xuống và ổn định, nhĩa là
vật liệu đã được trộn đều, sản phẩm được lấy ra.
❖ Sản phẩm sau khi đã trộn được lấy ra cho vào máy ép ở điều kiện 135ᴼC
và ở áp suất 300kg/cm2 để có độ dày thích hợp.
Sau khi sản phẩm được ép xong sẽ được đánh giá về các tính chất cơ lý thơng qua một
số thông số và tiêu chuẩn.
II.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM
Để đánh giá chất lượng của sản phẩm thu được, ta phân tích tính chất của các
sản phẩm như độ hấp thụ nước, sự phân hủy nhiệt, hình ảnh bề mặt…. Từ đó khảo sát
được khả năng ứng dụng của vật liệu ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau.
II.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM)
Trạng thái phân tán của trấu bên trong chất nền polymer được phân tích bằng
cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét trên các mẫu. Việc sử dụng kính hiển vi điện tử
quét để hình ảnh bề mặt vật liệu được phóng đại lên giúp có được hình ảnh của các bề
mặt gãy của vật liệu composite. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng
một chùm tia điện tử hội tụ cao trong chân không, thu thập thơng tin (tín hiệu) từ mẫu
phát ra, tái tạo thành một hình ảnh lớn hơn của bề mặt mẫu và hiển thị lên màn hình.
Những vết gãy được nhìn thấy khi vật mẫu được phóng đại lên 100 lần hoặc 1000 lần.
Từ những hình ảnh thu được ta có thể thấy được độ tương thích của trấu và nhựa PE
bằng cảm quan.

14


Hình 10. Kính hiển vi điện tử qt (SEM)
II.2.2. Độ hấp thụ nước
Độ ẩm thường phản ánh trọng lượng (phần trăm) nước trên một đơn vị trọng
lượng của chất độn trong các trường hợp nhất định (ví dụ, sau khi hoặc trong quá trình
sấy), trong khi khả năng hấp thụ nước thường là hàm lượng ẩm tối đa có thể đạt được

hoặc hàm lượng độ ẩm sau khi cân bằng ở điều kiện môi trường xung quanh. Hàm
lượng ẩm của vỏ trấu trong mùa hè có thể khoảng 9.5% (wt). Hàm lượng ẩm của vỏ
trấu khơ có thể từ 0.2-0.5%. Hàm lượng độ ẩm cao của trấu sẽ dẫn đến sự hình thành
hơi nước trong quá trình độn và đùn. Từ đó vật liệu thu được sẽ có độ xốp cao dẫn đến
vật liệu bị giảm độ cứng cũng như các tính chất cơ lý khác đồng thời tăng tỷ lệ oxy
hóa. Do đó vật liệu giảm độn bền.
Phần trăm giá trị độ hấp thụ nước của vật liệu được tính theo cơng thức:
𝑊𝐴 (%) = (
Trong đó

𝑊ₐ−𝑊ₒ
𝑊ₒ

) × 100%

WA là độ hấp thụ nước tại thời điểm xét
Wₐ là khối lượng của vật mẫu tại thời điểm xét
Wₒ là khối lượng ban đầu của vật mẫu

15


II.2.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis, TGA)
TGA là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi
trong quá trình chuyển pha như một hàm của nhiệt độ.
Phép đo TGA nhằm xác định:
▪

Khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha

▪

Khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ do quá trình khử nước
hoặc phân ly.

Đường phổ TGA đặc trưng cho một hợp chất hoặc một hệ do thứ tự của các
phản ứng hóa học xuất hiện tại một khoảng nhiệt độ xác định là một hàm của cấu trúc
phân tử. Sự thay đổi của khối lượng là kết quả của q trình đứt gãy hoặc sự hình thành
vơ số các liên kết vật lý và hóa học tại một nhiệt độ gia tăng dẫn đến sự bay hơi của các
sản phẩm hoặc tạo thành các sản phẩm nặng hơn.
Phép đo TGA đã được thực hiện với các mẫu bột khoảng 10 mg trong một mơi
trường khơng khí với tốc độ dòng chảy 70 ml/phút. Các mẫu được làm nóng từ 20 đến
900°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút để xác định nhiệt độ phân hủy.

Hình 11. Thiết bị phân tích nhiệt đồng thời TGA/TSC1

16


II.2.4. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry, DSC)
Phân tích nhiệt quét vi sai là một kĩ thuật phân tích nhiệt cho phép xác định các
tính chất chuyển pha của mẫu thơng qua việc đo dịng nhiệt tỏa ra (hoặc thu vào) từ
một mẫu được đốt nóng trong dịng nhiệt với nhiệt độ qt có tốc độ khác nhau. Thuật
ngữ "vi sai" chỉ việc xác định sự sai khác giữa nhiệt độ (hay dòng nhiệt) của mẫu đối
với một mẫu chuẩn được đặt trong cùng điều kiện.Với các dữ liệu về dòng nhiệt thay
đổi theo nhiệt độ, phép đo DSC cho phép xác định các tính chất chuyển pha nhiệt của
mẫu.
DSC làm việc dựa trên nguyên lý do sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt lượng tỏa ra
từ mẫu khi bị đốt nóng và so sánh với thơng tin từ mẫu chuẩn. Buồng mẫu gồm hai đĩa
cân, một đĩa cân chuẩn không chứa mẫu và làm bằng vật liệu được chuẩn hóa thơng tin

nhiệt. Đĩa cân cịn lại chứa mẫu cần phân tích. Đĩa được đặt trên hệ thống vi cân cho
phép cân chính xác khối lượng mẫu, cùng với hệ thống cảm biên nhiệt độ đặt bên dưới
đĩa cân cho phép xác định nhiệt độ của mẫu. Cả hệ thống này được đặt trong buồng đốt
mà tốc độ đốt nhiệt thường được thay đổi bằng các dòng khí thổi.
Nó cho phép để xác định các giai đoạn chuyển tiếp:
 Nhiệt độ thuỷ tinh hoá (Tg) polymer, kim loại kính và chất lỏng ion;
 Nhiệt độ nóng chảy, điểm thu nhiệt;
 Nhiệt độ toả nhiệt, kết tinh.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng máy ảnh DSC 131 - SETARAM để
xác định nhiệt độ của phản ứng tổng hợp của vật liệu composite. Nhiệt độ đo từ 30°C
đến 400 ° C với một tốc độ gia nhiệt là 10 °C/phút.
II.2.5. Tỷ trọng
Do vật liệu được nghiên cứu để sử dụng trong việc xử lý nước nên tỷ trọng của
vật liệu rất quan trọng. Tỷ trọng của vật liệu phải xấp xỉ bằng 1 thì mới có thể thỏa mãn
yêu cầu vật liệu lơ lửng trong nước. Để đo tỷ trọng của vật liệu, ta lấy một lượng nhất
định rồi đo khối lượng và thể tích của chúng (g/cm3). Nếu tỷ trọng của vật liệu nhỏ hơn
1 nhiều thì sẽ nổi trên mặt nước. Ngược lại, nếu tỷ trọng của vật liệu lớn hơn 1 thì sẽ
chìm xuống đáy nước.

17


II.2.6. Tính chất cơ lý
Tính chất cơ lý của vật liệu là tính chất vơ cùng quan trọng của một loại vật liệu.
Từ tính chất đó của vật liệu, ta có thể xác định ứng dụng của vật liệu đó trong thực tế.
Tính chất cơ lý thường được xét là độ bền uốn, độ bền kéo,.. Trong thí nghiệm này,
nhóm nghiên cứu xét độ bền kéo. Độ bền kéo có thể được hiểu như là khi một lực tác
động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt. Ở giá trị lực kéo giới hạn cho sự
đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu σk. Độ bền kéo được ứng dụng rất nhiều cho
các vật liệu trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xây dựng, khoa học vật liệu,..

Cơng thức tính tốn ứng suất kéo: σk =

𝐹
𝐴

Trong đó F(N) là lực kéo đứt vật liệu có thiết diện A(mm2)
Để đo tính chất cơ lý, mẫu được cắt theo kích
thước phù hợp với khn bằng máy cắt. Mẫu
được cắt theo hình xương chó theo tiêu chuẩn
ASTM D638 cho tấm có độ dày bé hơn 1mm,
sau đó được kéo ở tốc độ 25mm/ph ở máy đo cơ
lý.

Hình 12. Máy đo sức bền kéo

18


Hình 13. Kích thước mẫu
Bảng 3. Bảng kích thước mẫu đo
Ký hiệu

Kích thước (mm)

W

Khoảng cách giữa hai cạnh song song hẹp

6

L

Chiều dài phần cạnh song song hẹp

33

WO

Chiều rộng hai đầu

19

LO

Tổng chiều dài

115

G

Chiều dài đo

25

D

Khoảng cách ban đầu giữa ha bộ kẹp

65

RO

Bán kính lớn

25

R

Bán kính nhỏ

14

19


III.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Các mẫu sau khi được tổng hợp với thành phần như trong bảng 2, được đặc
trưng một số tính chất sau
III.1. Hình thái bề mặt
Các hình ảnh thu được từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại 100 và
1000 lần của các mẫu được đưa ra trong hình dưới đây

30% trấu

60% trấu

40% trấu

60% trấu (PEG)

50% trấu

70% trấu

Hình 14.1. Hình ảnh bề mặt phẳng của các mẫu với độ phóng đại 100 lần

30% trấu

60% trấu

40% trấu

60% trấu (PEG)

50% trấu

70% trấu

Hình 14.2. Hình ảnh mặt cắt của mẫu với độ phóng đại 1000 lần
20


Từ hình ảnh ở bề mặt phẳng, ta thấy rằng bề mặt vật liệu khá nhẵn. Vật liệu có
30-50% bột trấu có bề mặt nhẵn cịn vật liệu có phần trăm bột trấu lớn hơn là 60-70%
bột trấu có bề mặt xốp hơn với những lỗ nhỏ trên bề mặt.
Từ hình ảnh ở mặt cắt, ta thấy rằng ở mẫu vật liệu 30% bột trấu, PE bao phủ hết
được được bột trấu, khơng nhìn thấy bột trấu trên bề mặt. Còn vật liệu chứa 60-70%

bột trấu bề mặt xốp hơn và có thể quan sát thấy bột trấu trên nền nhựa PE.
III.2. Độ hấp thụ nước
Trước khi đo độ hấp thụ nước thì vật liệu được sấy khơ trong tủ sấy ở nhiệt độ
80ᴼC đến khi khối lượng không đổi (độ chính xác đến 0,001 g). Cân khối lượng của
sáu tấm WPC trước khi đo độ hấp thụ nước. Độ hấp thụ nước của vật liệu composit
nhựa gỗ được xác định qua hai thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Độ hấp thụ nước của vật liệu ở nhiệt độ phòng
Các mẫu vật được đặt ngập trong nước ở nhiệt độ phòng trong 2 ngày. Cách 3060 phút vật liệu được lấy ra, thấm bằng vải khơ và cân ngay. Ta có biểu đồ sau:
0.14

30%
40%

0.12

50%
60%

Độ hấp thụ nước

0.1

60%(PEG)

0.08
0.06
0.04
0.02
0
0

500

1000

1500

2000

2500

Thời gian (phút)

Hình 15. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của độ hấp thụ nước theo thời gian

21

3000