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

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRIỆU VĂN HẢI

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT, CHẾ BIẾN KHÁC

HÀ NỘI, 2016


BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRIỆU VĂN HẢI

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

Chuyên ngành:

Kỹ thuật chế biến lâm sản

Mã số:

62 54 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT, CHẾ BIẾN KHÁC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Cao Quốc An
2. GS. TS. Trần Văn Chứ

HÀ NỘI, 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu một số yếu tố
ảnh hưởng của công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ cây và polyethylene”
là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và
chưa từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới
mọi hình thức.
Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được
trích dẫn rõ ràng. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và
nguyên bản của luận án.
Hà Nội, tháng năm 2016
Nghiên cứu sinh

Triệu Văn Hải

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 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 năm 2016
Nghiên cứu sinh

Triệu Văn Hải

iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................x
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................3
1.1. Khái quát về vật liệu compozit gỗ nhựa...............................................................3
1.1.1. Vật liệu compozit ..............................................................................................3
1.1.2. Vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................................................4
1.1.3. Quá trình phát triển và lĩnh vực sử dụng compozit gỗ nhựa .............................5
1.2. Tình hình nghiên cứu về compozit gỗ nhựa.........................................................6
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước .....................................................................................6
1.2.2. Nghiên cứu trong nước......................................................................................9
1.3. Một số nghiên cứu tạo compozit vỏ cây và nhựa...............................................11
1.4. Kết luận rút ra từ tổng quan ...............................................................................12
1.5. Những đóng góp mới của luận án ......................................................................13
1.6. Ý nghĩa của luận án ............................................................................................14
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................14
2.1. Nguyên liệu sản xuất compozit gỗ nhựa ............................................................14
2.1.1. Vật liệu nền .....................................................................................................14
2.1.2. Vật liệu cốt ......................................................................................................21
2.1.3. Chất trợ tương hợp ..........................................................................................24
2.1.4. Chất phụ gia ....................................................................................................25
2.2. Công nghệ ép đùn sản xuất compozit gỗ nhựa ..................................................26
2.2.1. Công nghệ ép đùn một bước ...........................................................................26

2.2.2. Công nghệ ép đùn hai bước.............................................................................27


iv

2.2.3. Phân tích quá trình công nghệ ép đùn .............................................................27
2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng compozit gỗ nhựa ................................30
2.3.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu ............................................................................30
2.3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần nguyên liệu ..................................................31
2.3.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ ép ...........................................................31
Chương 3 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ..........................................................................................................35
3.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................35
3.2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................35
3.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................35
3.3.1. Các yếu tố cố định ...........................................................................................36
3.3.2. Các yếu tố thay đổi ..........................................................................................36
3.3.3. Các chỉ tiêu cần kiểm tra ................................................................................37
3.4. Nô ̣i dung nghiên cứu ..........................................................................................37
3.5. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................38
3.6. Mô tả phương pháp thực nghiệm của từng nội dung .........................................39
3.6.1. Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ trộn bột gỗ và MAPE đến tính chất WPC ..........39
3.6.2. Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ trộn bột vỏ cây đến tính chất WPC ....................41
3.6.3. Ảnh hưởng của đơn yếu tố nhiệt độ đầu đùn đến tính chất WPC ...................42
3.6.4. Ảnh hưởng của đơn yếu tố tốc độ quay trục vít đến tính chất WPC ..............43
3.6.5. Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ đầu đùn và tốc độ quay trục vít đến tính
chất WPC...................................................................................................................44
3.7. Phương pháp xác định các tính chất của WPC ..................................................45
3.7.1. Xác định các đặc điểm vỏ cây .........................................................................46
3.7.2. Xác định khối lượng riêng ...............................................................................46

3.7.3. Xác định độ hút nước ......................................................................................47
3.7.4. Xác định độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh ...................................47
3.7.5. Xác định độ bền kéo ........................................................................................48
3.7.6. Xác định độ mài mòn.......................................................................................48


v

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................................49
4.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu đến chất lượng sản phẩm
WPC ..........................................................................................................................49
4.1.1. Đặc điểm vỏ cây Keo tai tượng .......................................................................49
4.1.1.1. Độ dày vỏ và tỉ lệ vỏ theo chiều cao thân cây..............................................49
4.1.1.2. Khối lượng riêng của vỏ cây ........................................................................50
4.1.1.3. Kích thước sợi vỏ cây ..................................................................................50
4.1.1.4. Thành phần hoá học cơ bản .........................................................................52
4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ trộn bột gỗ và chất trợ tương hợp đến chất lượng WPC 52
4.1.2.1. Ảnh hưởng đến khối lượng riêng .................................................................53
4.1.2.2. Ảnh hưởng đến độ hút nước.........................................................................54
4.1.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền khi chịu kéo ............................................................56
4.1.2.4. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh ...................................................................58
4.1.2.5. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ....................................................60
4.1.2.6. Ảnh hưởng đến độ mài mòn bề mặt .............................................................62
4.1.3. Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ, HDPE và MAPE hợp lý .......................................64
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ bột vỏ cây đến chất lượng WPC ....................65
4.2.1. Ảnh hưởng đến khối lượng riêng ....................................................................66
4.2.2. Ảnh hưởng đến độ hút nước............................................................................66
4.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền kéo .............................................................................66
4.2.4. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh .........................67
4.2.5. Ảnh hưởng đến độ mài mòn ............................................................................68

4.2.6. Tiểu kết............................................................................................................69
4.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ ép đùn đến chất lượng sản phẩm
WPC ..........................................................................................................................70
4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến chất lượng WPC ...........................................70
4.3.1.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước.........................................................................72
4.3.1.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo ..........................................................................72
4.3.1.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh ......................73


vi

4.3.1.4. Ảnh hưởng đến độ mài mòn .........................................................................75
4.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC...........76
4.3.2.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước.........................................................................76
4.3.2.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo ..........................................................................77
4.3.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh ......................78
4.3.2.4. Ảnh hưởng đến độ mài mòn .........................................................................80
4.3.3. Nghiên cứu xác định thông số công nghệ phù hợp để tạo WPC từ bột vỏ cây
và HDPE ....................................................................................................................80
4.3.3.1. Ảnh hưởng đến độ hút nước.........................................................................81
4.3.3.2. Ảnh hưởng đến độ bền kéo ..........................................................................82
4.3.3.3. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh ...................................................................84
4.3.3.4. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ....................................................86
4.3.3.5. Ảnh hưởng đến độ mài mòn .........................................................................87
4.3.3.6. Xác định thông số công nghệ ép phù hợp để sản xuất WPC .......................89
4.3.4. Tiểu kết............................................................................................................90
4.4.1. Thực nghiệm tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO2 ......................................91
4.4.1.1. Tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO2 .........................................................92
4.4.1.2. Xác định chỉ số màu sắc bề mặt vật liệu ......................................................92
4.4.2. Khả năng chịu tia UV của WPC khi cho thêm hạt nano TiO2 ........................94

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...........................................................................98
1. Kết luận .................................................................................................................98
2. Tồn tại ...................................................................................................................98
3. Khuyến nghị ..........................................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................100
CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................107
PHỤ LỤC ................................................................................................................108


vii

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu
WPC
PE
HDPE
PP
PVC
MAPE

L*, a*, b*

Ý nghĩa
Wood Plastic Composite – Vật liệu compozit gỗ nhựa
Polyethylene
High-density Polyethylene
Polyethylene
Polyvinyl chloride
Polyethylene Maleic Anhydride copolymer
Khối lượng riêng

Các chỉ số màu sắc theo không gian màu CIELab (1976)

L

Chênh lệch độ sáng

E

Độ lệch màu tổng

W

Độ hút nước

S

Độ bền kéo

MOR

Độ bền uốn tĩnh

MOE

Mô đun đàn hồi uốn tĩnh

AS

Độ mài mòn

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Bảng 3.1. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án
Bảng 3.2. Miền thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ HDPE/MAPE/bột
gỗ tới tính chất WPC
Bảng 3.3. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ HDPE/MAPE/bột
gỗ tới tính chất WPC
Bảng 3.4. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố của tỉ lệ bột vỏ
cây
Bảng 3.5. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố nhiệt độ đầu đùn
Bảng 3.6. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố tốc độ quay trục
vít
Bảng 3.7. Miền thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ ép
đùn tới tính chất WPC
Bảng 3.8: Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ ép

đùn tới tính chất WPC
Bảng 4.1. Chiều dày vỏ và tỉ lệ vỏ Keo tai tượng theo chiều cao thân
cây

Trang
38
40
40
41
42
44
45
45
49

10

Bảng 4.2. Khối lượng riêng vỏ Keo tai tượng theo chiều cao thân cây

50

11

Bảng 4.3. Phân bố đường kính trung bình của sợi vỏ Keo tai tượng

50

12

Bảng 4.4. Phân bố chiều dài trung bình của sợi vỏ Keo tai tượng

51

13

Bảng 4.5. Hình thái của sợi vỏ Keo tai tượng

51

14

Bảng 4.6. Thành phần hoá học cơ bản của vỏ Keo tai tượng

52

15

Bảng 4.7. Khối lượng riêng của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau

53

16

Bảng 4.8. Độ hút nước của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau

54

17

Bảng 4.9. Độ bền kéo của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau

56

18

Bảng 4.10. Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ thành phần khác nhau

58


ix

19

Bảng 4.11a. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với tỉ lệ thành phần khác
nhau

60

20

Bảng 4.11b. Độ mài mòn của WPC với tỉ lệ thành phần khác nhau

62

21

Bảng 4.12. Độ hút nước của WPC với chế độ ép khác nhau

81

22

Bảng 4.13. Độ bền kéo của WPC với chế độ ép khác nhau

83

23

Bảng 4.14. Độ bền uốn tĩnh của WPC với chế độ ép khác nhau

84

24

Bảng 4.15. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác nhau

86

25

Bảng 4.16. Độ mài mòn của WPC với chế độ ép khác nhau

88


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình

TT

1
2
3

4

Hình 1. 1. Cấ u ta ̣o vâ ̣t liê ̣u PC cố t sơ ̣i
Hiǹ h 2.1. Cấ u ta ̣o hóa ho ̣c của xenlulo và các sản phẩ m thủy phân
xenlulo đã qua metyl hóa

Hình 4.1. Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay
đổi
Hình 4.2. Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng MAPE thay
đổi

Trang

4
23
55

55

5

Hình 4.3. Sự thay đổi độ bền kéo khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay đổi

57

6

Hình 4.4. Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ dùng MAPE thay đổi

57

7

Hình 4.5. Sự thay đổi độ bền uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay đổi

59

8

Hình 4.6. Sự thay đổi độ bền uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng MAPE thay đổi

59

9

10

11

12

13

Hình 4.7. Sự thay đổi mô đun đàn hồi uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng
bột gỗ thay đổi
Hình 4.8. Sự thay đổi mô đun đàn hồi uốn tĩnh khi tỉ lệ dùng
MAPE thay đổi
Hình 4.9. Sự thay đổi độ mài mòn khi tỉ lệ dùng bột gỗ thay
đổi
Hình 4.10. Sự thay đổi độ mài mòn khi tỉ lệ dùng MAPE thay
đổi
Hình 4.11. Sự thay đổi độ hút nước khi tỉ lệ bột vỏ cây thay
đổi

14 Hình 4.12. Sự thay đổi độ bền kéo khi tỉ lệ bột vỏ cây thay đổi
15

Hình 4.13. Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay
thế tăng lên

16 Hình 4.14. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ

61

61

63

63

66
67
68

68


xi

cây thay thế tăng lên
17

Hình 4.15. Độ mài mòn của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế
tăng lên

69

18 Hình 4.16. Độ hút nước WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

72

19 Hình 4.17. Độ bền kéo WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay đổi

73

20

21

22

Hình 4.18. Độ bền uốn tĩnh WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay
đổi
Hình 4.19. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC khi nhiệt độ đầu đùn

thay đổi
Hình 4.20. Độ mài mòn của WPC khi nhiệt độ đầu đùn thay
đổi

74

74

75

23 Hình 4.21. Độ hút nước WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

77

24 Hình 4.22. Độ bền kéo WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

78

25

26

Hình 4.23. Độ bền uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục vít thay
đổi
Hình 4.24. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC khi tốc độ quay trục
vít thay đổi

79

79

27 Hình 4.25. Độ mài mòn WPC khi tốc độ quay trục vít thay đổi

80

28 Hình 4.26. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ hút nước

82

29 Hình 4.27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ hút nước

82

30 Hình 4.28. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ bền kéo

83

31 Hình 4.29. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ bền kéo

84

32 Hình 4.30. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ bền uốn tĩnh

85

33 Hình 4.31. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ bền uốn tĩnh

85

34

Hình 4.32. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến mô đun đàn hồi
uốn tĩnh

87


xii

35

Hình 4.33. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến mô đun đàn hồi
uốn tĩnh

87

36 Hình 4.34. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít đến độ mài mòn

88

37 Hình 4.35. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn đến độ mài mòn

89

38 Hình 4.36. Không gian màu CIELab (1976)

91

39
40

41
42

Hình 4.37. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC không
chứa TiO2
Hình 4.38. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa
0,5% TiO2
Hình 4.39. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa
1,0% TiO2
Hình 4.40. Biến đổi màu sắc khi chiếu tia UV của mẫu WPC chứa
1,5% TiO2

95
95
96
96


1

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, từ xưa gỗ luôn là loại vật
liệu thân thiện với môi trường và được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, kiến trúc, hóa chất…
Vật liệu gỗ có khả năng ứng dụng cao bởi hàng loạt các ưu điểm như có
hệ số phẩm chất cao, mềm, dễ gia công, có màu sắc, vân thớ đẹp, dễ trang
sức, ... Tuy nhiên bên cạnh đó, gỗ cũng tồn tại nhiều nhược điểm như dễ bị
sâu, nấm phá hoại; dễ cháy do gỗ được cấu tạo từ các nguyên tố có khả năng
cháy như Cacbon, Hydro, Oxy. Ngoài ra, gỗ còn có khả năng hút và nhả ẩm
khi tiếp xúc với môi trường bên ngoài gây ra co rút, dãn nở dẫn đến cong

vênh nứt nẻ trong quá trình sử dụng.
Sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh là một trong những mục tiêu xây
dựng một thế giới xanh. Việt Nam là Quốc gia ít rừng, tài nguyên rừng tự
nhiên ngày càng cạn kiệt, trong nước đã bắt đầu thực thi công trình bảo hộ tài
nguyên rừng tự nhiên, cùng với trồng rừng công nghiệp và phát triển lợi dụng
gỗ với hiệu quả cao, những việc làm này đã mang lại cho nghiên cứu khoa
học gỗ và công nghệ chế biến lâm sản những cơ hội và những thách thức mới.
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


2

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 hưởng 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.


3

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về vật liệu compozit gỗ nhựa
1.1.1. Vật liệu compozit
Thuâ ̣t ngữ “Compozit” (Tiế ng Anh: Composite) là tên go ̣i của loa ̣i vật
liệu đươ ̣c kết hợp từ hai hay nhiều loa ̣i vật liệu khác nhau tạo ra loa ̣i vật liệu
mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu khi ở riêng re.̃ Các tính năng
này thường là tố t hơn hay phù hơ ̣p hơn với mu ̣c đích và điề u kiêṇ sử du ̣ng cu ̣
thể . Đă ̣c trưng của vâ ̣t liêụ Compozit là đươ ̣c cấ u thành từ nhiề u thành phầ n
vâ ̣t liê ̣u nên chúng còn đươ ̣c go ̣i là vâ ̣t liêụ đa thành phầ n.
Vâ ̣t liê ̣u Polyme compozit (Tiếng Anh: Polyme Composites; viết tắt: PC)
là mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liêụ Compozit được cấu tạo bởi 2 hay nhiều cấu tử (thành
phần). Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền. Loại cấu tử
thứ hai là các chất phụ gia (hay còn go ̣i là chất độn, chấ t gia cường, cố t) như:
vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ... Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba
là chất trơ ̣ liên kế t (hay trơ ̣ tương hơ ̣p), có tác dụng làm tăng tính năng kết
hợp giữa chất độn và nhựa nền. Polyme compozit có các tính chất hoá, lý
khác nhiều so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ.

Vật liệu compozit bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản
chất và không hòa tan lẫn nhau [4]. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm
trong cấu trúc của vật liệu compozit) Trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn
được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền
(matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn
được gọi là cốt, còn go ̣i là vâ ̣t liêụ gia cường hay vật liệu tăng cường
(reinforcement), được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống
mài mòn, chống xước...


4

Vùng trung gian
(tác nhân dính kết)

Nền
Sợi

Bề mặt tiếp xúc

Hin
̀ h 1.1. Cấ u ta ̣o vâ ̣t liêụ WPC cố t sơ ̣i [4]
Vật liệu PC được phân loại theo 2 cách dựa trên đặc điểm của 2 pha [4].
+ Theo pha nền polyme:
- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn
- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo
+ Theo pha gia cường:
- Chất gia cường dạng phân tán (bột).
- Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vẩy.
- Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy

tinh…).
- Độn không khí hay xốp.
- Hỗn hợp polyme – polyme hay còn gọi là blend polime.
1.1.2. Vật liệu compozit gỗ nhựa
Vật liệu Compozit gỗ - nhựa (Wood Plastic Composites – WPC) là loại
vật liệu compozit được chế tạo từ sợi thực vật (như bột gỗ, bột tre trúc, bột
đường, bột rơm rạ…) kết hợp với nhựa (như PE, PP, PVC,…), đồng thời
thêm vào lượng chất phụ gia thích hợp, sử dụng phương pháp ép đùn hoặc các
phương pháp định hình khác nhau để tạo ra sản phẩm có đặc tính tương đồng
với gỗ tự nhiên. Vật liệu WPC có nhiều ưu điểm, như có thể, đóng đinh, cưa
cắt, mà độ hút nước thấp, không mối mọt, không bị mục, đồng thời lại có thể
tái sử dụng giống như vật liệu nhựa. WPC là một loại vật liệu có tính chất tốt,


5

ổn định và thân thiện với môi trường, và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm
có hình dạng phức tạp [22], [6], [4].
1.1.3. Quá trình phát triển và lĩnh vực sử dụng compozit gỗ nhựa
Những năm 70 của thế kỷ 20, công ty Bausano và ICMA San Giorgio
của Ý đã sử dụng máy ép đùn hai trục vít sản xuất WPC với 50% bột gỗ và 50%
PP hỗ hợp, đây là sản phẩm WPC được sản xuất sớm nhất trên thế giới. Năm
1983, công ty Woodstock Mỹ đã sử dụng công nghệ của Ý sản xuất PP-WPC
làm tấm lót trong xe hơi, cuối cùng được dùng trong dòng xe ford, sản phẩm
này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo ô tô [42].
Những năm 90 của thế kỷ 20, sản phẩm WPC bước vào thời kỳ công
nghiệp hóa nhanh chóng, nhưng sản phẩm của nó thông thường được sử dụng
làm thùng hàng bao bì, khay vv, giá trị gia tăng của sản phẩm tương đối thấp.
Từ đầu thế kỷ 21 trở lại đây, sản phẩm WPC ngày càng tiến đến những sản
phẩm sử dụng ngoài trời có giá trị kinh tế cao, sự phát triển của công nghệ chế

tạo WPC cũng nhờ đó mà có một chỗ đứng cao hơn trong ngành công nghiệp
sản xuất, trong đó một điển hình là WPC của Nhật Bản được sử dụng làm vật
liệu ván sàn trang trí dùng ngoài trời.
Hiện nay, các sản phẩm của vật liệu WPC thường được ứng dụng trong
các lĩnh vực dưới đây:
(1) Vật liệu trong khu vực lâm viên cảnh quan: Ván sàn ngoài trời, hàng
rào, cầu trang trí, giá đỡ rượu vang, sản phẩm bàn ghế ngoài trời, tay vịn đình
trang trí, ván trang sức, chậu bồn trồng hoa, thùng rác ...
(2) Vật liệu trang trí nội thất: Thanh nẹp trang trí nội thất, ván trang trí,
nẹp gương, ốp tường, ốp chân tường, ván ố vách, ván ốp trần, khuôn khung
cửa, thanh rèm, mành rèm ...


6

(3) Vật liệu trang trí nội thất ô tô: Ván ốp trong cửa ô tô, tựa ghế, mặt
bẳng điều khiển, tay nắm, miếng dưới gế ngồi, ván trần, ván sàn xe, hộp ốp
bánh dự phòng, hộp găng tay, khung sau, thanh đợt khoang hành lý. vv.
(4) Các ứng dụng khác: Ván trong kiến trúc xây dựng, cá loại kệ kê, đệm
lót kho, giá vận chuyển kính, ván vách cabin, thùng chứa, khung lưu động,
ván cách âm trên đường cao tốc ...
1.2. Tình hình nghiên cứu về compozit gỗ nhựa
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
Những năm gần đây, trên thế giới, vật liệu compozit rất được quan tâm
nghiên cứu và sử dụng, đặc biệt là những vật liệu được gia cường bằng sợi tự
nhiên có chứa thành phần xenlulo như sợi lanh, đay, gai, tre, dứa, gỗ… Các
loại sợi này được sử dụng như một giải pháp để thay thế cho các chất vô cơ
khó phân hủy khác và chúng giúp nâng cao được một số tính chất của vật liệu
compozit. Với ưu điểm như khối lượng riêng thấp, tính năng cơ lý cao, ít gây
tác dụng mài mòn thiết bị gia công, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường và

nguồn nguyên liệu sẵn có, các sản phẩm compozit sợi tự nhiên đã được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Vật liệu WPC là loại vật liệu vật liệu được tạo ra bằng cách trộn bột gỗ
với các loại nhựa, hay đưa bột gỗ vào gia cường cho nhựa nền, qua ép đùn
hoặc đúc ở nhiệt độ cao. Vật liệu Polypropylene gia cường bằng các loại sợi
tự nhiên hay bột gỗ cũng thuộc nhóm vật liệu này. Sản phẩm của nó đều có
đặc tính cơ học rất tốt và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng
do đặc tính của nhựa PP là kỵ nước, phân cực kém, khó kết hợp với sợi tự
nhiên có đặc tính ưa nước và phân cực cao, nên khả năng tạo liên kết giữa hai
loại vật liệu này là không cao (Klason et al. 1984).
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


7

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.


8

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 và 1.18 lần so với compozit không có MA.
Flex and gatenholm (1991)[33] 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.
Quá trình trộn bột gỗ và nhựa nền (nhiệt dẻo) là chìa khóa để tạo nên sản
phẩm compozit gỗ nhựa có chất lượng cao vì quá trình này giúp làm đều sợi
gỗ và chất trợ tương hợp phân tán đều trong nền nhựa dẻo, làm tăng tổng diện
tích tiếp xúc giữa các vật liệu, đồng thời làm giảm độ rỗng của vật liệu. Để
tạo ra vật liệu compozit gỗ nhựa có nhiều phương pháp gia công khác nhau,
mỗi phương pháp đều có quy trình và bước thực hiện riêng như phương pháp
ép đùn, phương pháp ép nóng trong khuôn, ép phun. Các phương pháp này
đều ảnh hưởng đến chất lượng của vật liệu compozit. Từ năm 1983, Xanthos


9

đã chỉ ra được ảnh hưởng của phương pháp gia công khả năng của việc kết
hợp gỗ nhựa và các chất trợ tương hợp [58].
Năm 1997, Continho và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu về
hiệu quả của việc xử lý và ảnh hưởng của điều kiện trộn đến nên đặc tính của
compozit gỗ nhựa khi xử lý bằng MAPP và silan. Họ đã chỉ ra rằng, điều kiện
tốt nhất để trộn hợp sợi gỗ và nhựa là ở 180oC, trong thời gian 10 phút với tôc
độ quay 60 vòng/phút. Trước khi trộn hợp, sợi gỗ được sử lý với silan. Mặc
dù đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của phương pháp gia công nhưng vì
quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như các bước trộn, điều kiện máy
móc thiết bị, độ ẩm của sợi gỗ, loại nhựa nên việc xác định quy trình cho việc
tạo vật liệu cần được thực hiện với một điều kiện xác định cụ thể.
1.2.2. 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 [5]. 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 [6]. 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.


10

Việc sử dụng lai tạo 3 loại sợi trên cho tính năng độ bền uốn của vật liệu tăng
lên rõ rệt.
Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát độ bền
va đập của composite PP- Bột trấu [4]. Kết quả là độ bền va đập của
composite 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 2010, Đoàn Thi Thu Loan đã nghiên cứu cải thiện tính năng của
vật liệu composite sợi đay/nhựa PP bằng phương pháp biến tính nhựa nền
[11]. Vật liệu gia công bằng hai công đoạn tạo hạt gỗ nhựa bằng máy ép đùn
hai trục vít và tạo mẫu thử bằng phương pháp đúc tiêm (ép phun trong khuôn
kín). Kết quả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các tác nhân tương hợp

copolymer ghép của PP với MA (MAHgPP) đến tính chất của composite nền
nhựa PP gia cường bằng sợi đay. Kết quả cho thấy, khi thêm 2% khối lượng
Exxelor (Ex) vào nhựa nền PP thì khả năng kết dính tại bề mặt tiếp xúc được
cải thiện đáng kể, nhờ vậy đã làm tăng độ bền kéo trượt, độ bền kéo, độ bền
va đập và độ kháng nước của vật liệu tạo ra. Tuy nhiên ảnh hưởng đến môđun
kéo ảnh hưởng không nhiều.
Năm 2010, Nguyễn Bảo Ngọc và đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng
của tỷ lệ bột gỗ và nhựa polypropylene đến tính chất composite gỗ-nhựa [13].
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


11

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 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 nộingoại thất. 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 3glyxidoxyl 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 [16] 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. Một số nghiên cứu tạo compozit vỏ cây và nhựa
Bên cạnh các nghiên cứu sử dụng gỗ làm vật liệu gia cường để sản xuất
compozit gỗ nhựa, thế giới cũng đã có những nghiên cứu nhằm thay thế một
phần vật liệu gỗ bằng cách sử dụng vỏ cây làm chất gia cường để sản xuất