Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP





QUÁCH VĂN THIÊM



NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU
COMPOSITE GỖ NHỰA POLYPROPYLENE






LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT








Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP




QUÁCH VĂN THIÊM


NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU
COMPOSITE GỖ NHỰA POLYPROPYLENE



Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản
Mã số:62 54 03 01


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT



Người hướng dẫn Khoa học: 1. PGS.TS. TRẦN VĂN CHỨ
2. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Hà Nội - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 02 tháng 6 năm 2014



NCS. Quách Văn Thiêm
ii


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 Trần Văn Chứ, PGS.TS Nguyễn Ngọc
Phương 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 khoa Sau đại học, các thầy cô giáo khoa Chế biến Lâm sản đã quan tâm
và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình h
ọc tập, nghiên cứu tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí
chế tạo máy, Trung tâm công nghệ cao, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi về vật chất, tinh thần trong
quá trình học tập và làm việc.

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ, công nhân viên thuộc Trung tâm
nghiên cứu Chế biến lâm sản, giấy và bột giấy thuộc Trường Đại Học Nông
Lâm TP. Hồ Chí Minh; Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia, Khoa Công
nghệ vật liệu thuộc Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh; Viện công
nghệ hóa học TP. Hồ Chí Minh; Trung tâm thông tin khoa học thư viện
Trường Đại học Lâm nghiệp; Công ty TNHH Chính Phát Thanh đã tạo mọi
điều kiện thuận l
ợi nhất giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.
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, ngày 02tháng 6 năm 2014
Nghiên cứu sinh
Quách Văn Thiêm
iii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vii
Danh mục các bảng viii
Danh mục các hình x
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa 4
1.1.1. Khái niệm và ứng dụng của vật liệu composite gỗ-nhựa 4
1.1.2. Thành ph

ần trong vật liệu composite gỗ-nhựa 5
1.1.2.1. Vật liệu nền 5
1.1.2.2. Vật liệu cốt 7
1.1.2.3. Chất trợ tương hợp 11
1.1.2.4. Phụ gia 12
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composite gỗ-nhựa 12
1.1.3.1. Ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC 12
1.1.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nhựa nền/trợ tương hợp /bột gỗ 13
1.1.3.3. Ả
nh hưởng của thông số công nghệ đến chất của vật liêu WPC 14
1.2. Các công trình nghiên cứu 15
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước 15
1.2.2. Nghiên cứu trong nước 18
1.2.3. Nhận xét chung 22
Chương 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24
2.1. Thành phần trong vật liệu composite gỗ nhựa 24
iv

2.1.1. Nhựa nền polypropylene 24
2.1.2. Cốt bột gỗ Cao su 25
2.1.3. Chất trợ tương hợp MAPP 27
2.1.4. Chất bôi trơn 28
2.2. Nguyên lý hình thành và cơ chế liên kết 28
2.2.1. Nguyên lý hình thành của vật liệu Composite gỗ – nhựa 28
2.2.2. Cơ chế liên kết giữa bột gỗ, nhựa PP và MAPP 29
2.3. Thiết bị và cơ sở lựa chọn thông số công nghệ 30
2.3.1. Thiết bị ép 30
2.3.2. Cơ sở lựa chọn thông số công nghệ 33
Chương 3ĐỐI TƯỢ
NG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU 37
3.1. Đối tượng nghiên cứu 37
3.2. Phạm vi nghiên cứu 37
3.3. Mục tiêu nghiên cứu 38
3.4. Nội dung nghiên cứu 38
3.5. Phương pháp nghiên cứu 39
3.5.1. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu 39
3.5.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 40
3.5.3. Phương pháp thực nghiệm 40
3.5.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất của WPC 40
3.5.3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tớ
i tính chất của WPC 42
3.5.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ép tới tính chất của WPC 43
3.5.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun tới tính chất của WPC 43
3.5.3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới tính chất của WPC 46
3.3.4. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 49
3.3.5. Thiết bị và phương pháp xác định các thông số nghiên cứu 50
3.6. Ý nghĩa của luận án 54
3.7. Những đ
óng góp mới của luận án 55
v

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 56
4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa, bột gỗ, trợ tương hợp tới tính chất của vật liệu
composite gỗ nhựa 56
4.1.1. Thực nghiệm tạo vật liệu WPC 56
4.1.1.1. Nguyên liệu 56
4.1.1.2. Mô tả quá trình thí nghiệm 56
4.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới khối lượng thể tích 61
4.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ

nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ hút nước 63
4.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền kéo 64
4.1.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền uốn 65
4.1.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền va đập 66
4.1.7. Xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý và kiểm tra b
ề mặt phá hủy 68
4.1.8. Kết luận ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất của WPC 71
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng đơn yếu tố của chế độ ép tới tính chất của vật liệu
composite gỗ nhựa 72
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép 72
4.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 1 (T
1
) 72
4.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 2 (T
2
) 76
4.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 3 (T
3
) 79
4.2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 4 (T
4
) 82
4.2.1.5. Nhận xét về ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính chất của WPC 85
4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ép 86
4.2.2.1. Thực nghiệm 86
4.2.2.2. Kết quả nghiên cứu 87
4.2.3. Ảnh hưởng của áp suất ép 90
4.2.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun tới khối lượng thể tích 93
4.2.3.2. Ảnh hưởng của áp suất phun tới độ hút nước 94
4.2.3.3. Ảnh hưởng của áp suất phun tới độ bền kéo 95

4.2.3.4. Ả
nh hưởng của áp suất phun tới độ bền uốn 97
vi

4.2.3.5. Ảnh hưởng của áp suất phun tới độ bền va đập 99
4.2.4. Kết luận ảnh hưởng đơn yếu tố công nghệ tới tính chất của WPC 101
4.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa102
4.3.1. Thí nghiệm tạo vật liệu 102
4.3.2. Kết quả nghiên cứu 103
4.3.2.1. Ảnh hưởng của chế độ ép tới khố
i lượng thể tích 103
4.3.2.2. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ hút nước 105
4.3.2.3. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền kéo 105
4.3.2.4. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền uốn 107
4.3.2.5. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền va đập 109
4.3.3. Nhận xét ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất của WPC 111
4.4. Sản xuất th
ử và đánh giá chất lượng 112
4.4.1. Kiểm tra kết quả nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm 113
4.4.1.1. Tạo mẫu thí nghiệm 113
4.4.1.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm 114
4.4.2. Sản xuất thử một số sản phẩm 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116
1. Kết luận 116
2. Kiến nghị 117
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
Ý nghĩa Đơn vị
WPC Composite gỗ - nhựa
b Chiều rộng mẫu mm
h Chiều dày mẫu mm
Mesh Số dây kim loại đan lưới trên 1inch inch
γ Khối lượng thể tích g/cm
3
σ
u
Độ bền uốn MPa
σ
k
Độ bền kéo MPa
a Độ bền va đập KJ/m
2

W Độ hút nước %
P
max
Lực phá hủy mẫu N
A Năng lượng phá hủy mẫu mJ
PC Polyme composite
PP Polypropylene

PE Polyetylene
PVC Polyvinyclorua
MAPP Maleic anhydride polypropylene
T
1
Nhiệt độ vùng 1
o
C
T
2
Nhiệt độ vùng 2
o
C
T
3
Nhiệt độ vùng 3
o
C

T
4
Nhiệt độ vùng 4
o
C
Tg Thời gian s
P
1
Áp suất phun vùng 1 MPa

P

2
Áp suất phun vùng 2 MPa
P
3
Áp suất phun vùng 3 MPa
P
4
Áp suất phun vùng 4 MPa

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Tên bảng Trang
2.1 Tính chất cơ lý cơ bản của gỗ Cao su 27
2.2 Thành phần hóa học cơ bản của gỗ Cao su 27
3.1 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột
gỗ tới tính chất WPC
40
3.2 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột
gỗ tới tính chất WPC
41
3.3 Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của các vùng
nhiệt độ tới tính chất WPC
42
3.4 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố của thời gian tới
tính chất WPC
42
3.5 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của các vùng áp suất phun tới
tính chất WPC

43
3.6 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của các vùng áp suất phun
tới tính chất WPC
45
3.7 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới
tính chất WPC
46
3.8 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới
tính chất WPC
48
4.1 Kế hoạch pha trộn các thành phần tạo vật liệu 58
4.2 Nhiệt độ chảy mềm và chỉ số chảy của hạt gỗ nhựa 60
4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất
của WPC
61
4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 1 tới tính chất của vật liệu
WPC
71
ix

4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 2 tới tính chất của vật liệu
WPC
74
4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 3 tới tính chất của vật liệu
WPC
77
4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 4 tới tính chất của vật liệu
WPC
80
4.8 Ảnh hưởng của thời gian tới tính chất của vật liệu WPC 85

4.9 Ảnh hưởng của áp suất phun tới tính chất của WPC 89
4.10 Ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất của WPC 100
4.11 Tỷ lệ pha trộn tối ưu giữa các thành phần 108
4.12 Tính chất của vật liệu tại chế độ gia công thử 1149



_Toc390178028

_Toc390178029
_Toc390178030
_Toc390178031
_Toc390178032
_Toc390178033
_Toc390178034
_Toc390178035
_Toc390178036
_Toc390178037
_Toc390178038


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
1.1 Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời 5
1.2 Sử dụng vật liệu WPC trong xây dựng nhà dân dụng 5
1.3 Công thức cấu tạo cellulose 8
1.4 Liên kết hydro trong cellulose 9
1.5 Cấu trúc hóa học của hemicellulose 10

1.6 Công thức cấu tạo của lignin 11
2.1 Cấu tạo hiển vi của gỗ cao su trên 3 mặt cắt 26
2.2 Sơ đồ tổng quát phân chia các pha trong WPC 29
2.3 Sơ đồ phản ứng liên kết của MAPP với bề mặt sợi gỗ 30
2.4 Sơ đồ khuếch tán của MAPP gắn trên bề mặt sợi vào nhựa PP 30
2.5 Ảnh máy ép phun W-120B 31
2.6 Ảnh sơ đồ nguyên lý máy ép phun 31
2.7 Ảnh bảng cài đặt các vùng nhiệt độ 32
2.8 Ảnh bảng cài đặt một số thông số công nghệ phun 32
2.9 Ảnh bảng cài đặt một số thông số đóng mở khuôn 33
3.1 Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu 38
3.2 Máy xác định nhiệt độ chảy mềm 48
3.3 Máy xác định chỉ số chảy 48
3.4 Cân Sartorius CP-324S 49
3.5 Tủ sấy JeioTech 49
3.6 Máy INSTRON 3367 50
3.7 Máy RADMANA 51
3.8 Kính hiển vi điện tử FE – SEM JSM 7401F 52
4.1 Sơ đồ tạo hạt gỗ nhựa 55
4.2 Quá trình tạo hạt gỗ nhựa 57
xi

4.3 Mẫu thử tính chất cơ lý của vật liệu WPC 58
4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới khối lượng
thể tích
60
4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ hút nước 61
4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/bột gỗ/MAPP tới độ bền kéo 63
4.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/bột gỗ/MAPP tới độ bền uốn 64
4.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền va

đập
65
4.9 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ 50% 68
4.10 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
48,8%/MAPP 1,2%
68
4.11 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
46%/MAPP 4%
68
4.12 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
43,2%/MAPP 6,8%
69
4.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 1 tới độ bền của WPC 73
4.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 2 tới độ bền của WPC 76
4.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 3 tới độ bền của WPC 79
4.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 4 tới độ bền của WPC 82
4.17 Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của WPC 87
4.18 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới khối lượng thể
tích
90
4.19 Ảnh hưởng của áp suất P
1
và P
2
tới khối lượng thể tích 91
4.20 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới khối lượng thể tích 91

4.21 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền kéo 92
4.22 Ảnh hưởng của áp suất P
1
và P
2
tới độ bền kéo 93
4.23 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới độ bền kéo 93
xii

4.24 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền uốn 94
4.25 Ảnh hưởng của áp suất P
1
và P
2
tới độ bền uốn 95
4.26 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới độ bền uốn 95
4.27 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền va đập 96
4.28 Ảnh hưởng của áp suất P
1
và P
2
tới độ bền va đập 97

4.29 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới độ bền va đập 97
4.30 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền kéo 101
4.31 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và áp suất P
1
tới độ bền kéo 102
4.32 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và thời gian ép tới độ bền kéo 102
4.33 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền uốn 103
4.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và áp suất P
1
tới độ bền uốn 104
4.35 Ảnh hưởng của thời gian và áp suất P
1
tới độ bền uốn 104
4.36 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền va đập 105
4.37 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và thời giantới độ bền va đập 106
4.38 Ảnh hưởng của thời gian và áp suất P
1
tới độ bền va đập 106

4.39 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ thành phần và chế độ gia
công tối ưu
109
4.40 Sản xuất thử một số sản phẩm từ vật liệu WPC 110


1

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đất nước, Ngành gỗ Việt Nam đã đạt được trong
những năm qua là có tốc độ phát triển cao, và là một trong 10 ngành xuất
khẩu chủ lực của cả nước. Chỉ trong 13 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu
của ngành gỗ đã tăng rất nhanh, từ 219 triệu USD năm 2000, đã tăng lên
khoảng 5,0 tỷ USD trong năm 2013. Với kim ngạch xuất kh
ẩu 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. Với tốc độ phát triển như vậy Việt Nam
đang trở thành một trong 10 nước hàng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ
lớn trên thế giới. Trước tình hình này Chính phủ đã ra quyết định số
18/2007/QĐ-TTg, ngày 05 tháng 02 năm 2007 của Thủ tướng chính phủ về
định hướng phát triển ngành chế biến gỗ đến năm 2020 là phát triển công
nghiệp chế biến và thương mại lâm sản phải trở thành mũi nhọn của kinh tế
lâm nghiệp, phát triển theo cơ chế thị trường trên cơ sở công nghệ tiên tiến, có
tính cạnh tranh cao nhằm đáp ứng nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng nội địa.
Khuyến khích các thành ph
ần kinh tế tích cực đầu tư và thúc đẩy công nghiệp
chế biến lâm sản phát triển. Phát triển mạnh các sản phẩm có ưu thế trong chế
biến xuất khẩu; Theo quyết định này thì định hướng phát triển ngành chế biến
gỗ đến năm 2020 giá trị xuất khẩu sản phẩm gỗ đạt 7 tỷ USD. Do vậy nhằm

góp phần tận dụng một lượng lớn phế liệ
u gỗ từ các Nhà máy như mùn cưa,
dăm bào, gỗ vụn,… để sản xuất ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt
như vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa,…
Vật liệu phức hợp gỗ nhựa là một loại vật liệu mới kết hợp giữa sợi gỗ
và nhựa nhiệt dẻo, sự kết hợp gi
ữa sợi gỗ và nhựa mang lại tính năng ưu việt
cho sản phẩm phức hợp gỗ nhựa như:
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
2

nhiều tính chất tốt ví dụ so với vật liệu gỗ như có kích thước ổn định hơn,
không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễdàng tạo màu sắc cho
sản phẩm, có thể gia công lần thứ 2 giống như vật liệu gỗ, dễdàng 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 c
ăn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính
linh hoạt cao. Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễdàng gia công, tạo
hình, thông thường 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
được độ PH, chịu được hóa chất, chịu được nước mặn, có thể s
ử dụng được ở
nhiệt độ thấp, Có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, có lợi ích
trong bảo vệ môi trường.
Hiện nay nhu cầu sử dụng vật composite gỗ nhựa trong nước rất lớn,
tuy nhiên việc đáp ứng nhu cầu này chủ yếu dựa vào nhập khẩu. Còn tình
hình sản xuất trong nước còn rất ít, nguyên nhân của việc này xuất phát từ lý
do là chư
a có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ phù hợp với

yêu cầu sản xuất trong nước;còn nhập công nghệ và máy móc thiết bị về Việt
Nam thì chi phí rất lớn. Để sản xuất trong nước được phát triển thì đòi hỏi
việc nghiên cứu về công nghệ, máy móc thiết bị, nguyên vật liệu phù hợp với
đặc điểm phát triển ở trong nước là việc rất quan trọng đòi hỏ
i các nhà nghiên
cứu cần giải quyết vấn đề này.
Khi nghiên cứu về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa chìa
khóa của thành công là chọn được tỷ lệ hợp lý giữa các thành phần trong vật
liệu và chế độ gia công như: nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép,… Từ đó
xây dựng được quy trình sản xuất loại vật liệu này phù hợp với điều kiện ở
Viêt Nam s
ẽ góp phần thúc đẩy sản xuất trong nước phát triển thay thế hàng
ngoại nhập.
Miền Đông Nam Bộ là khu vực sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ chiếm
khoảng 70% cả nước, nguyên liệu sản xuất sử dụng chủ yếu là một số loại gỗ
3

như: Cao su, Keo lai, Thông, Sồi,… Trong đó gỗ Cao su sử dụng chủ yếu là
khai thác ở các rừng trồng ở trong nước, hiện nay diện tích cây Cao su ở trong
nước, Lào, Cămpuchia do các Công ty Việt Nam đầu tư là rất lớn. Chúng sẽ là
nguồn cung cấp nguyên liệu rất ổn định và lâu dài cho ngành chế biến gỗ ở
trong nước. Khi sản xuất các sản phẩm gỗ tự nhiên từ nguồn nguyên liệu này
có rất nhiều phế liệ
u có thể tận dụng để sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa
như gỗ vụn, mùn cưa, dăm bào, Do vậy việc nghiên cứu tận dụng các phế
liệu từ gỗ Cao su để sản xuất vật liệu composite là việc làm rất quan trọng và
cần thiết.
Nhựa plypropylene (PP) là loại nhựa thông dụng trên thế giới hiện nay,
có những đặc điểm và tính chất rất phù hợ
p với sản xuất vật liệu phức hợp gỗ

nhựa như nhiệt độ, màu sắc, giá thành, độ bền, Do là loại nhựa được sử
dụng rộng rãi nên việc nghiên cứu tạo composite gỗ nhựa PP là phù hợp với
xu thế hiện nay.
Vì vậy việc nghiên cứu tận dụng phế liệu gỗ và nhựa để sản xuất vật
liệu mới là xu hướng mới đượ
c nhiều nước quan tâm nghiên cứu, vừa để nâng
cao giá trị lợi dụng gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, từ đó góp phần giảm thiểu ô
nhiễm môi trường,…Xuất phát từ vấn đề trên, luận án“Nghiên cứu một số
yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene”sẽ góp phần
thúc đẩy nghiên cứu tạo vật liệu mới từ việc tận dụ
ng phế liệu trong các nhà
máy chế biến gỗ kết hợp với các loại nhựa nhiệt dẻo để tạo ra các sản phẩm
phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nước./
4


Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất 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 được 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, sợi gỗ hay các loại sợi thự
c
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 thước 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 được sử dụng ở dạng bột gỗ, dăm gỗ hay
các phế liệu trong ch

ế biến gỗ như mùn cưa, 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 được biết đến sớm vào năm 1900, tuy nhiên
vào năm 1983công ty American Woodstock ở Sheboygan, Wisconsin bắt đầu
sản xuất WPC cho nội thất ôtô bằng phương pháp ép đùn sử dụng nhựa nền
PP và b
ột gỗ, từ đó sản phẩm WPC được phổ biến rộng trên thế giới [57].

Vật liệu WPC hiện nay được sử dụng nhiều trong công nghiệp như làm
sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tường, ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí.
Nhờ những đặc tính ưu việt mà WPC được 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 như: Làm ván sàn ngoài trời (hình 1.1), sử dụng làm vật liệu nhà
dân dụng (hình 1.2)…[65]
5


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. Thành phần trong vật liệu composite gỗ-nhựa
1.1.2.1. Vật liệu nền
Nhựa nền nhiệt dẻo sử dụng trong sản xuất WPC chủ yếu Polyetylene,
Polypropylene,…
* Nhựa nền Polyetylene[4,54]
PE là một polyme nhiệt dẻo, có độ cứng không cao, không mùi vị, cháy

chậm. PE là polyme bán tinh thể nên có cả cấu trúc kết tinh và cấu trúc vô
định hình, độ kết tinh khác nhau là nguyên nhân gây ra tỷ trọng khác nhau của
PE.
6


Công thức phân tử
n
C
H
H
C
H
H

Phân loại: dựa vào tỷ trọng PE chia thành 3 loại chính là tỷ trọng thấp
(PELD) 0,910 ÷ 0,925g/cm
3
, chứa 55÷65% pha kết tinh; tỷ trọng trung bình
(PEMD)0,926 ÷ 0,940 g/cm
3
, chứa 63÷73% pha kết tinh; tỷ trọng cao
(PEHD)0,941 ÷ 0, 959 g/cm
3
và cao hơn chứa 74÷95% pha kết tinh.
Tính chất vật lý: Polyetylene màu trắng, hơi trong có ánh mờ, mặt bóng
láng, mềm dẻo, không dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí
thấm qua, chống thấm khí O
2
, CO

2
, N
2
và dầu mỡ đều kém. Tùy thuộc vào
loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh khoảng -70
0
C và nhiệt độ chảy
lỏng khoảng 110 - 130
0
C.
Tính chất hóa học: PE là polymer không cực nên có tính cách điện cao,
ở nhiệt độ thường, PE không tan trong dung môi, nhưng axit H
2
SO
4
và HNO
3

đậm đặc, hỗn hợp nitro hóa, xăng và axit Cromic thì tác dụng mạnh. Nhiệt độ
trên 70
0
C, PE tan yếu trong toluen, xilen, amin acetate, dầu thông, paraffin,…
Ở 90 -100
0
C, H
2
SO
4
và HNO
3

phá hủy nhanh polymer.Dưới tác dụng của oxy
không khí, tia tử ngoại, nhiệt thì các tính chất cơ lý và điện môi của PE giảm,
hiện tượng này gọi là lão hóa.
Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ mềm
dẻo của mạch polymer, hàm lượng độn. Tính chất cơ học của PE phụ thuộc
nhiều vào nhiệt độ nhất là độ bền kéo, độ bền uốn, độ
dãn dài.
* Nhựa nền Polypropylene[4,30,54]
Nhựa PP một trong những polyme nhiệt dẻo thông dụng, do PP có giá
thành thấp, có thể tái sinh được, độ bền cao, độ ổn định nhiệt cao và được
dùng làm pha nền cho một số loại composite, đặc biệt là composite thân thiện
7

với môi trường.
Công thức phân tử
CC
H
H
H
CH
3
n

Cấu trúc: PP tồn tại ba cấu trúc không gian cơ bản là Syndiotactic,
Isotactic, Atactic. Trong đó syndiotactic, isotactic là cấu trúc kết tinh (d = 0.91
g/cm
3
) còn atactic là cấu trúc không kết tinh (d = 0.86-0.89 g/cm
3
).

Tính chất nhiệt: Polypropylene là loại nhựa bán kết tinh có nhiệt độ
chảy lỏng (160-170
o
C). Do nhiệt độ chuyển thủy tinh cao (Tg= -20
o
C) nên PP
có khuynh hướng bị dòn ở nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ 155
o
C, PP còn ở thể rắn
nhưng đến gần nhiệt độ chảy lỏng, PP chuyển sang trạng thái mềm cao. Khi
giảm từ nhiệt độ nóng chảy về 120
o
C, PP bắt đầu kết tinh lại. Ở 300
o
C, nếu
PP có chứa chất ổn định thì sẽ bền oxy hóa và không bị phân hủy ngay cả đun
vài giờ trong không khí.
Tính chất hóa học: ở nhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi
hữu cơ, trương trong hydrocacbon thơm và clo hóa, khi nhiệt độ lớn hơn 80
0
C
thì PP bắt đầu tan trong hai loại dung môi trên.
Các tính chất khác:tính chất cơ học PP phụ thuộc vào khối lượng phân
tử trung bình, độ đồng đều và hàm lượng polymer atactic. Nếu hàm lượng
polymer atactic giảm và khối lượng phân tử trung bình tăng thì tính chất của
polymer tăng.
1.1.2.2. Vật liệu cốt
Vật liệu cốt sử dụng để sản xuất WPC thường sử dụng là bột gỗ và sợi
thực vật. Bộ
t gỗ là vật liệu được nghiền mịn từ gỗ hay phế liệu trong chế biến

gỗ như mùn cưa, phoi bào, phế liệu gỗ khác của các loại gỗ thông, bạch đàn,
thích, cao su,…thậm chí từ các phế phẩm nông nghiệp khác như vỏ trấu,…
Kích thước bột gỗ sử dụng cho công nghệ chế tạo composite gỗ nhựa thường
8

có kích thước nhỏ hơn 1,2mm tùy theo công nghệ ép phun hay ép đùn.Với
kích thước này, bột gỗ có thể tự cháy ở nhiệt độ 200
o
C. Thông thường, bột gỗ
sử dụng có kích thước trong khoảng 300-420 μm và được phân loại thành các
cấp 50–150 μm, 100–200 μm, 200–450 μm, và 450–700 μm [30].
Các thành phần hóa học chính của bột gỗ bao gồm cellulose, lignin,
hemicellulosevà hợp chất vô cơ khác. Trong đó cellulose, hemicellulose và
lignin là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi. Thành phần
hóa học của sợi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi cây, phương pháp tách
sợi,…[21]
Cellulose[20]: celluloselà polysacarit tự nhiên, có cấ
u trúc mạch
thẳng không phân nhánh, được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là anhydro–
D–gluco–pyranozơ, liên kết với nhau qua liên kết 1,4–α–glucozit. Cellulose
có mặt trong tất cả các loài thực vật nhưng mỗi loài có một hàm lượng khác
nhau. Công thức phân tử của cellulose là (C
6
H
10
O
5
)
n
hay [C

6
H
7
O
2
(OH)
3
]
n
; và
công thức cấu tạo như sau:
hoặc
Hình 1.3: Công thức cấu tạo cellulose
Cellulose là polyme tương đối cứng, các đại phân tử có mức độ bất đối
xứng cao do cấu trúc mạch vòng của mắt xính, do nhóm –OH có cực cao và
liên kết mạnh giữa các phân tử của chúng. Liên kết giữa các phân tử cellulose
được thực hiện bằng các lực vật lý với năng lượng liên kết nhỏ và bằng liên
kết hydro. Khả năng đứt và hình thành trở lại liên kế hydro là nguyên nhân
tạo nên hàng loạt tính ch
ất quan trọng của vật liệu cellulose. Trong cellulose
khô hầu như tất cả các nhóm –OH đều tham gia tạo thành liên kết hydro.
9


Hình 1.4: Liên kết hydro trong cellulose
Do cấu trúc hóa học của cellulose có nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo
tương tác với nước thông qua việc tạo liên kết hydro. Trong khi sợi thủy tinh
chỉ có hiện tượng hấp thụ nước trên bề mặt thì sợi cellulose tương tác với
nước không chỉ trên bề mặt mà còn cả bên trong bó sợi. Lượng phân tử nước
bị hấp thụ phụ thuộc vào cân bằng theo độ ẩm tương đối của không khí.

Hemicellulose[20]: hemicellulose là nh
ững chất polysaccharides cấu
tạo nên vách tế bào, nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá
học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan
(C
5
H
8
O
4
)
n
và hexosan (C
6
H
10
O
5
)
n
. Hàm lượng pentosan và hexosan trong các
loại gỗ có khác nhau, ở cây lá rộng lượng pentosan nhiều (19 - 23%) và
hexosan (3 - 6%), ở gỗ lá kim tỷ lệ pentosan và hexosan xấp xỷ nhau (10 -
12%). Nói chung hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của
acid.Hemicelluloses có cấu trúc phức tạp hơn celluloses và có cấu trúc phân
tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh
hemicelluloses có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một
ít tồn tại ở vùng tinh thể của celluloses. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung
d
ịch axit, dễ bị trích ly khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm,

có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền
nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền.
10


Hình 1.5: Cấu trúc hóa học của hemicellulose
Lignin[20]: là một polyme thơm tự nhiên, là một hỗn hợp phức tạp của
nhiều polyme dạng phenolic, có cấu tạo mạng không gian ba chiều. Trong
thực vật lignin là chất liên kết giữa các tế bào, làm cho thành tế bào cứng hơn,
chịu va đập, chịu nén, bền dưới tác động của vi sinh vật, lignin đóng vai trò
như nhựa nền trong composite, còn cellulose đóng vai trò chất gia cường.
Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân t
ử từ 4000 -10000, độ
trùng hợp cao n = 25 – 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản
chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều
nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi,
nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch
cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với
halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa. Lignin nóng chảy ở nhiệt độ 140 –
160
o
C.
Một dạng công thức điển hình của lignin như sau:

Hình 1.6: Công thức cấu tạo của lignin
Thành phần vô cơ: hàm lượng các chất vô cơ trong thực vật thường
11

được quy về hàm lượng tro, nó được đo xấp xỉ bằng lượng muối khoáng và
các chất vô cơ khác trong sợi sau khi nung ở nhiệt độ 575±25

o
C. Các chất vô
cơ thường gặp trong thành phần của tro là oxit silic chiếm chủ yếu 90 - 97%,
oxit kali chiếm 1,8 – 2,8%, CaO, PbO, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
… [2]
Tóm lại: khi sử dụng bột gỗ hay sợi thực vật làm vật liệu cốt có ưu
điểm là có thể tạo ra vật liệu composite cótính bền dai cao, khối lượng thể tích
thấp và có khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa bột gỗ dễ kiếm với giá thành
rẻ, có thể triển khai với vốn đầu tư thấp, dễ gia công, không gây kích thích da,
ít ăn mòn thiết bị. Đặc biế
t có thể tái chế được, phế thải sau khi sử dụng có
khả năng phân hủy sinh học, dễ phân hủy hoàn toàn bằng nhiệt. Nhưng nhược
điểm của bột gỗ hay sợi thực vật là bản chất phân cực cao làm chúng không
tương thích với các polymer không phân cực, sự dễ hút ẩm, kích thước sợi
ngắn dẫn đến độ bền uốn kém, dễ cháy bởi nhiệt,
1.1.2.3. Chất trợ tương h
ợp
Chất trợ tương hợp là các hợp chất cao phân tử có khả năng hoạt động
bề mặt trong hỗn hợp polyme không đồng nhất. Thông thường, mạch của chất
trợ tương hợp có cấu trúc khối, trong đó một phần trộn lẫn với một cấu tử của
hỗn hợp và phần còn lại trộn lẫn với cấu tử thứ hai. Cấu trúc khố
i này có thể
được chế tạo trước và thêm vào hỗn hợp polyme không tương hợp, ngoài ra

cũng có thể được tạo ra tại chỗ trong quá trình trộn hợp, tuy nhiên để có thể
tiến hành tương hợp tại chỗ thì các cấu tử của hỗn hợp phải có khả năng phản
ứng với nhau. [30]
Hiện nay có rất nhiều loại chất trợ tương hợp đã được nghiên cứu và
ứng dụng trong công nghệ
sản xuất WPC [37] như MAPP; MAPE, PVAC,
PMAA, …Các chất trợ tương hợp này thường được sử dụng cùng với một số
chất khác làm tác nhân khơi mào phản ứng tạo liên kết. Tùy vào chủng loại
nhựa nền và vật liệu gia cường mà người ta lựa chọn các chất trợ tương hợp
và chất khơi mào cho phù hợp.