NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU cơ TÍNH CAO từ TRO TRẤU và bột đá

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CƠ TÍNH CAO TỪ
TRO TRẤU VÀ BỘT ĐÁ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

NHÓM SV THỰC HIỆN:

Ts. Phương Thanh Vũ

Trần Anh Đăng Khoa; MSSV: 2102357
Thạch Sang;
MSSV: 2102388
Ngành: Kỹ thuật hóa học-K36

Tháng 11 năm 2014

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

MỤC LỤC

TÓM TẮT ................................................................................................................... i
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iii
DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................. iv
DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................ vi
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.............................................................................................. vii
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN .................................................................................. 1

1.1

Tro trấu .......................................................................................................... 1

1.1.1

Đặc điểm của tro trấu .................................................................................... 1

1.1.2

Ứng dụng của tro trấu .................................................................................... 2

1.2

Calciumcarbonat và bột đá ............................................................................. 3

1.2.1

Các dạng tồn tại ............................................................................................. 3

1.2.2

Tính chất vật lý và ứng dụng của bột đá ......................................................... 3

1.3

Nhựa Polyester không no (UPR) .................................................................... 4

1.3.1

Tính chất vật lý............................................................................................... 5

1.3.2

Đóng rắn ........................................................................................................ 5

1.4

Tổng quan về vật liệu composite .................................................................... 7

1.4.1

Cấu tạo .......................................................................................................... 7

1.4.2

Tính chất ........................................................................................................ 7

1.4.3

Phân loại ........................................................................................................ 8

1.5

Các phương pháp gia công composite ............................................................ 9

1.5.1

Phương pháp đổ rót ....................................................................................... 9

1.5.2

Phương pháp lăn tay ...................................................................................... 9

1.5.3

Phương pháp phun ......................................................................................... 9

1.5.4

Phương pháp RTM (Resin Transfer Molding)............................................... 10

1.5.5

Phương pháp ép nóng .................................................................................. 10

1.5.6

Các phương pháp khác ................................................................................. 10

1.6

Độ bền uốn, độ bền nén và khối lượng riêng vật liệu composite ................... 10

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

1.6.1

Độ bền uốn và độ bền nén ............................................................................ 10

1.6.2

Khối lượng riêng .......................................................................................... 11

1.7

Các tiêu chuẩn đo lường ............................................................................... 11

1.7.1

Tiêu chuẩn đo độ bền uốn TCVN 4032:1985 ................................................ 11

1.7.2

Tiêu chuẩn đo độ bền nén TCVN 3118:1993 ................................................ 12

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP & THÍ NGHIỆM.............................................. 13

2.1

Dụng cụ & thiết bị ........................................................................................ 13

2.1.1

Máy khuấy PM-20 ........................................................................................ 13

2.1.2

Khuôn tạo mẫu uốn ...................................................................................... 14

2.1.3

Khuôn tạo mẫu nén ...................................................................................... 14

2.1.4

Máy đo lực uốn & độ bền nén ADR 2000 ..................................................... 15

2.2

Nguyên vật liệu & hoá chất .......................................................................... 15

2.2.1

Nhựa polyester hồng và chất đóng rắn MEKP.............................................. 15

2.2.2

Bột đá và tro trấu nghiền mịn ....................................................................... 16

2.2.3

Các hoá chất khác: aceton, wax… ................................................................ 17

2.3

Phương pháp thực hiện ................................................................................. 18

2.3.1

Đổ mẫu ........................................................................................................ 18

2.3.2

Đo mẫu & thu thập số liệu............................................................................ 20

2.3.3

Vẽ biểu đồ và biện luận ................................................................................ 22

2.3.4

Làm thử sản phẩm mẫu ................................................................................ 22

CHƯƠNG 3:

KẾT QUẢ & THẢO LUẬN .......................................................... 23

3.1

Các thông số ban đầu.................................................................................... 23

3.2

Kết quả đo .................................................................................................... 24

3.3

Biểu đồ và biện luận ..................................................................................... 24

3.3.1

Hỗn hợp tro trấu và nhựa ............................................................................. 24

3.3.2

Hỗn hợp bột đá và nhựa ............................................................................... 27

3.3.3

Hỗn hợp (tro trấu + bột đá)/ nhựa................................................................ 30

3.3.4

Lập mô hình và dự đoán tính kinh tế............................................................. 35

3.3.5

Chọn tỉ lệ và làm thử sản phẩm mẫu............................................................. 37

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ .................................................................................... 39
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... 41

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 42
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 44
Kết quả đo độ bền nén ............................................................................................... 44

Kết quả đo độ bền uốn ............................................................................................... 45

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

TÓM TẮT
Xuất phát từ yêu cầu thực tế từ các công ty, xí nghiệp đóng trên địa bàn thành
phố Cần Thơ trong việc xử lý và tận dụng tro trấu phế phẩm từ quá trình đốt vỏ trấu
của các lò hơi. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát, lựa chọn phương pháp và tiến hành
nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng của tro trấu vào sản xuất vật liệu composite có cơ
tính cao, giá thành hạ và mang tính ứng dụng thực tế trong xây dựng và dân dụng,
nhằm dễ dàng triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp, vừa và nhỏ hoặc hộ gia đình.
Tro trấu được nghiền mịn với kích cỡ nhất định, sau đó được trộn ở các tỉ lệ
khác nhau với nhựa polyester không no (UPR) nhằm tìm công thức chế tạo vật liệu có
khối lượng nhựa tối thiểu và khối lượng tro trấu tối đa, nhưng vẫn đảm bảo được khả
năng gia công bằng phương pháp đổ rót. Sau đó vật liệu được khảo sát khả năng chịu
uốn, nén, khối lượng riêng và tính kinh tế trong quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, do tro trấu có cấu trúc rỗng, xốp, nhẹ nên lượng % tro trấu tối đa có
thể gia công theo phương pháp đổ rót với nhựa UPR chỉ khoảng 30%. Mặc dầu vật
liệu composite có khối lượng riêng nhẹ (1230 kg/m3), cơ tính khá tốt (cường độ chịu
nén là 594 kg/cm2; cường độ chịu uốn là 245 kg/cm2) so với gạch (cường độ chịu nén
là 110 kg/cm2; cường độ chịu uốn là 50 kg/cm2 ) và bê tông (cường độ chịu nén là 300
kg/cm2; cường độ chịu uốn là 110 kg/cm2). Nhưng do lượng nhựa tối thiểu lớn, nên giá
thành sản phẩm quá cao so với những vật liệu composite cùng ứng dụng.

Từ thực tế đó, bột đá đã được chọn để kết hợp với tro trấu nhằm giảm lượng
nhựa tối thiểu, tăng cơ tính và hạ giá thành của sản phẩm composite. Việc khảo sát khả
năng chịu nén, uốn, khối lượng riêng và lượng nhựa tối thiểu cũng như giá thành của
vật liệu composite (bột đá và nhựa UPR) là nền tảng cho việc kết hợp bột đá và tro
trấu trong sản xuất composite.
Sau đó, hỗn hợp bột đá và tro trấu với các tỉ lệ khác nhau A1 (7:3), A2 (6:4),
A3 (5:5), A4 (4:6), A5 (3:7) lần lượt được khảo sát với lượng nhựa tối thiểu và lượng
chất độn tối đa, cũng như kiểm tra cơ tính (nén, uốn), cấu trúc hình thái (SEM) và giá
thành. Kết quả phân tích chỉ ra rằng, khối lượng nhựa tối thiểu cho các hỗn hợp tăng
khi tỉ lệ khối lượng tro trấu tăng.
i

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Bên cạnh đó việc phát hiện ra yếu tố tỉ lệ “tro trấu/nhựa” trong hỗn hợp là hằng
số ( 30%) với bất kỳ tỉ lệ bột đá nào là bước đột phá của đề tài. Từ đó khẳng định được
lượng nhựa tối thiểu luôn luôn tỉ lệ cố định với lượng Tro trấu trong hỗn hợp, và việc
điều chỉnh các điều kiện như cơ tính, khối lượng riêng, cũng như giá thành kinh tế của
vật liệu đa phần phụ thuộc vào khối lượng bột đá.
Hơn thế nữa, việc thiết lập công thức tính toán, kết hợp với các điều kiện biên
của tính chất vật liệu đã đóng góp tích cực cho việc dự đoán và tính toán các thành
phần vật liệu trong quá trình gia công, nhằm đảm bảo các điều kiện cơ tính khác nhau.
Đề tài không chỉ mang giá trị học thuật cao, mà còn bổ sung thêm kiến thức, số

liệu, phân tích mới đối với loại vật liệu có cơ tính cao từ tro trấu, cũng như xây dựng
được mối trương quan giữa các yếu tố thành phần của vật liệu trong quá trình gia công
composite, từ đó làm nền tảng cho tiến hành sản xuất thực tế.

ii

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
UPR: Unsaturated polyester resin
MEKP: methyl ethyl ketone peroxide
BOP benzoyl peroxide
RTM: Resin Transfer Molding
SEM: Scanning electron microscope
TEM: Transmission electron microscope
KLR: Khối lượng riêng
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

iii

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1-1 vỏ trấu........................................................................................................... 1
Hình 1-2 tro trấu .......................................................................................................... 1
Hình 1.3 Ảnh SEM thể hiện cấu trúc vô định hình của SiO2 trong tro trấu (Nguồn
Internet – 3) ................................................................................................................. 2
Hình 1-4 bột đá nghiền mịn ......................................................................................... 3
Hình 1.5 Ảnh SEM bột đá nano (Nguồn Internet – 8) .................................................. 4
Hình 1-6 cấu trúc MEKP (Nguồn Internet – 9) ............................................................ 6
Hình 1.7 Nhựa sau khi đóng rắn................................................................................... 6
Hình 1.8 Cấu tạo vật liệu composite ............................................................................ 7
Hình 2.1 Máy khuấy PM-20....................................................................................... 13
Hình 2.2 Khuôn tạo mẫu uốn ..................................................................................... 14
Hình 2.3 khuôn tạo mẫu nén ...................................................................................... 14
Hình 2.4 Máy đo lực uốn, nén ADR 2000 .................................................................. 15
Hình 2.5 UPR ............................................................................................................ 16
Hình 2.6 MEKP ......................................................................................................... 16
Hình 2.7 Bột đá.......................................................................................................... 17
Hình 2.8 Tro trấu nghiền mịn ..................................................................................... 17
Hình 2.9 Acetone và wax ........................................................................................... 18
Hình 2.10 mẫu thử nén trước khi đo........................................................................... 20
Hình 2.11 Mẫu thử nén sau khi đo ............................................................................. 21
Hình 2.12 Mẫu thử uốn trước khi đo .......................................................................... 21
Hình 2.13 Mẫu thử uốn sau khi đo ............................................................................. 22

Hình 3.1 Cường độ chịu lực và khối lượng riêng của tro trấu-nhựa ............................ 25
iv

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hình 3.2 Ảnh chụp SEM của tro trấu/nhựa ................................................................ 26
Hình 3.3 Cường độ chịu lực và khối lượng riêng của bột đá-nhựa.............................. 28
Hình 3.4 Ảnh chụp SEM của bột đá/nhựa .................................................................. 29
Hình 3.5 % nhựa tối thiểu trong các hỗn hợp A ......................................................... 30
Hình 3.6 Tương quan lượng bột đá/nhựa và tro/nhựa với từng A ............................... 32
Hình 3.7 Cường độ chịu nén, uốn và KLR của hỗn hợp A1-A5 ................................. 33
Hình 3.8 Ảnh SEM của (tro trấu + bột đá)/nhựa......................................................... 34
Hình 3.9 Sản phẩm mẫu được đổ theo tỉ lệ A1, phủ gelcoat bề mặt ............................ 38

v

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1 Rice Paddy, and Potential Husk and Ash Production in the 20 Highest
Producing Countries 2002 (Reddy, Alvarez, 2006) .................................................... vii
Bảng 1.2 Một số tính chất của UPR (Nguyễn Thành Đông, 2013) ............................... 5
Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của máy khuấy PM-20 (Nguồn Internet – 11) ............. 13
Bảng 2.2 các tỉ lệ cần khảo sát ................................................................................... 19
Bảng 2.3 Tỉ lệ hỗn hợp chất độn (fillers) bột đá:tro trấu ............................................. 19
Bảng 2.4 % chất độn tối đa ........................................................................................ 20
Bảng 3.1 % tỉ lệ nhựa tối thiểu của hỗn hợp A ........................................................... 23
Bảng 3.2 Kết quả đo .................................................................................................. 24
Bảng 3.3 Cường độ chịu lực và khối lượng riêng của tro trấu-nhựa ........................... 25
Bảng 3.4 Cường độ chịu lực và khối lượng riêng của bột đá-nhựa ............................. 27
Bảng 3.5 % tỉ lệ các thành phần trong hỗn hợp A....................................................... 31
Bảng 3.6 Cường độ chịu lực và khối lượng riêng của hỗn hợp A ............................... 33
Bảng 3.7 Bảng giá thành của các tỉ lệ vật liệu khác nhau ........................................... 36
Bảng 3.8 Trọng lượng và các giá thành tỉ lệ ............................................................... 37

vi

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Việt Nam là nước có sản lượng lúa gạo đứng thứ đầu khu vực Đông Nam Á và
có sản lượng xuất khẩu lúa gạo đứng thứ 3 trên thế giới vào năm 2013 (Nguồn Internet
- 1). Tính đến tháng 9/2014, tổng sản lượng lúa gạo được sản xuất là 45 triệu tấn.
(Nguồn Internet - 2)
Do đó, hơn 90% những phế phẩm của từ quá trình sản xuất lúa gạo như trấu,
rơm, rạ đã được ứng dụng làm củi hoặc nguyên liệu để phục vụ cho quá trình cung cấp
năng lượng trong các ngành công nghiệp khác như lò hơi, lò gạch, thiết bị phát điện...
Quá trình đó đã sinh ra một lượng lớn tro trấu phế phẩm gây ảnh hưởng trực tiếp đến
môi trường.
Do đó, mục tiêu của đề tài là tận dụng lượng tro trấu phế phẩm làm chất độn,
nhằm tạo ra một loại vật liệu composite nhẹ, rẻ tiền nhưng vẫn đảm bảo cơ tính tốt,
nhằm góp phần tạo ra vật liệu mới phục vụ cuộc sống và giải tỏa áp lực về môi trường
đối với các phụ phế phẩm của quá trình sản xuất công nghiệp hiện nay.
Bảng 1.1 Rice Paddy, and Potential Husk and Ash Production in the 20 Highest Producing
Countries 2002 (Reddy, Alvarez, 2006)

Country

Rice, Paddy

Percentage

Husk

Potential Ash

Production in

of Total

Produced

Production (18%

2002

Paddy

(20% of

of husk)

(t)

Production

total)

(t)

(%)

(t)

China

177,589,000

30.7

35,517,800

6,393,204

India

123,000,000

21.2

24,600,000

4,428,000

Indonesia

48,654,048

8.4

9,730,810

1,751,546

Bangladesh

39,000,000

6.7

7,800,000

1,404,000

Viet Nam

31,319,000

5.4

6,263,800

1,127,484

Thailand

27,000,000

4.7

5,400,000

972,000

Myanmar

21,200,000

3.7

4,240,000

763,200

Philippines

12,684,800

2.2

2,536,960

456,653

Japan

11,264,000

1.9

2,252,800

405,504

vii

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Brazil

10,489,400

1.8

2,097,880

377,618

USA

9,616,750

1.7

1,923,350

346,203

Korea

7,429,000

1.3

1,485,800

267,444

Pakistan

5,776,000

1.0

1,155,200

207,936

Egypt

5,700,000

1.0

1,140,000

205,200

Nepal

4,750,000

0.8

950,000

171,000

Cambodia

4,099,016

0.7

819,803

147,565

Nigeria

3,367,000

0.6

673,400

121,212

Sri Lanka

2,794,000

0.5

558,800

100,584

Colombia

2,353,440

0.4

470,688

84,724

Laos

2,300,000

0.4

460,000

82,800

Rest of the World

29,091,358

5.0

5,818,272

1,047,289

Total (World)

579,476,722

100

115,895,344

20,861,162

viii

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Luận văn Tốt Nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Tro trấu

1.1.1 Đặc điểm của tro trấu
Vỏ trấu là lớp vỏ bao phủ bề mặt hạt gạo, thành phần của vỏ trấu bao gồm 40%
cellulose, 30% lignin và 20% silicat (SiO2) (Nguồn Internet - 3). Chính vì chứa lượng
silicat lớn trong thành phần nên vỏ trấu rất khó phân huỷ. Vỏ trấu cũng là một trong
những chất thải nông nghiệp lớn hiện nay. Phương pháp tốt nhất để xử lý vỏ trấu là
đốt. Việc đốt vỏ trấu không chỉ tạo ra năng lượng hỗ trợ quá trình sản xuất công
nghiệp mà còn xử lý được vỏ trấu phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp.
«Sau khi đốt, vỏ trấu trở thành tro trấu RHA (Rice husk ash). Thành phần chính
trong tro là silicat SiO2 (hơn 80%), xuất hiện chủ yếu là ở pha vô định hình và pha
tinh thể, một lượng carbon còn dư và một số nguyên tố khác như K và Ca. Nhìn chung,
sau khi đốt cháy hết các hợp chất hữu cơ trong trấu, RHA có dạng rất xốp, khối lượng
riêng thấp và có diện tích bề mặt rất lớn. » (Nguồn Internet - 3)

Hình 1-1 vỏ trấu

Hình 1-2 tro trấu

Các thông số của tro trấu (Nguồn Internet – 4)
 Khối lượng riêng: 0,36 g/cm3
 Kích thước hạt trung bình: 7 mm
 Diện tích bề mặt: 5-6 m2/g

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
1

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Hình 1.3 Ảnh SEM thể hiện cấu trúc vô định hình của SiO2 trong tro trấu
(Nguồn Internet – 3)
1.1.2 Ứng dụng của tro trấu
Tro trấu đã và đang được ứng dụng trong việc làm bê tông nhẹ (cũng là một
loại composite). Tro trấu được trộn với xi măng để làm giảm giá thành sản phẩm, sự
có mặt của tro trấu giúp liên kết trong xi măng tốt hơn, giảm sự thấm nước và tăng độ
bền hoá học của vật liệu.
Tro trấu còn được ứng dụng làm lốp xe, silica trích từ tro trấu khi trộn vào cao
su để sản xuất lốp giúp tăng sức chịu đựng, giảm lực cản lăn cho lốp xe, giúp xe tiết
kiệm nhiên liệu.
Với hàm lượng SiO2 cao, lên đến 80%, tro trấu cũng là nguồn nguyên liệu lý
tưởng cho ngành sản xuất thuỷ tinh.
Ngoài ra, tro trấu còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như làm
composite với nhựa PP, chế tạo zeolit xử lý ao hồ…

Trong phạm vi đề tài này, tro trấu sẽ được nghiên cứu để trộn chung với bột đá
và UPR nhằm làm nhẹ vật liệu, giảm giá thành sản phẩm.
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
2

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

1.2

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Calciumcarbonat và bột đá

1.2.1 Các dạng tồn tại
«Calcium carbonate (CaCO3) là loại vật chất chiếm hơn 4% của vỏ trái đất và
có thể được tìm thấy khắp nơi trên thế giới. Các hình thức phổ biến nhất là dạng đá
phấn, đá vôi, đá cẩm thạch. Chúng được tạo ra bởi quá trình trầm tích của vỏ sò và
san hô qua hàng triệu năm. Mặc dù cả ba hình thức đều giống hệt nhau về mặt hóa
học nhưng lại khác nhau về nhiều mặt như độ tinh khiết, độ sáng, độ dày và tính đồng

nhất. Calcium carbonat là một trong những vật liệu hữu ích nhất cho con người, được
ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong công nghiệp và nông nghiệp. » (Nguồn Internet –
5)

 Đá phấn là loại xốp và nhẹ nhất trong các dạng tồn tại của CaCO3 thường được
dùng làm phấn viết bảng.
 Đá vôi cứng hơn và nặng hơn đá phấn. Đá vôi khi nghiền mịn được gọi là bột
đá, nó được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp, nông nghiệp.
 Đá cẩm thạch một dạng tinh thể thu được khi tinh thể hoá đá vôi hoặc đá phấn
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, là loại cứng và nặng nhất trong ba loại.
1.2.2 Tính chất vật lý và ứng dụng của bột đá
Bột đá có màu trắng, mịn, khối lượng riêng 2,71 g/cm3. (Nguồn Internet – 5,6)

Hình 1-4 bột đá nghiền mịn
Diện tích bề mặt: 14 m2/g (Nguồn Internet -7)
Kích thước hạt trung bình: 3-47 µm (Nguồn Internet -7)
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
3

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Luận văn Tốt Nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Hình 1.5 Ảnh SEM bột đá nano (Nguồn Internet – 8)
Ngày nay đa phần bột đá được sản xuất từ việc tận dụng các phế phụ phẩm
trong quá trình khai thác đá trong công nghiệp xây dựng. Do đó, việc ứng dụng và phát
triển bột đá và công nghiệp sản xuất vật liệu không chỉ góp phần đa dạng hóa ứng
dụng của sản phẩm từ thiên nhiên mà còn giải tỏa áp lực về môi trường do quá trình
khai thác đá gây ra.
Ứng dụng của bột đá
Bột đá được sử dụng làm chất độn (fillers) trong vật liệu composite nhằm tăng
độ cứng, độ chịu lực nén (Liang, 2013; Rai and Singh, 2004), do hạt bột đá phân tán
đều vào nền nhựa và tham gia quá trình chịu lực. Bột đá còn giúp bề mặt sản phẩm đạt
độ bóng tối đa và trên hết giúp giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm.
Ngoài composite, bột đá còn được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
như làm chất xử lý nước do có thể hấp thu các khí độc tích tụ dưới đáy như NH3, H2S,
CO2… Khử chua trong ao nuôi nông nghiệp giúp cân bằng pH và tiêu diệt mầm bệnh.
Trong ngành dược, bột đá có thể được sử dụng làm chất nền cho dược phẩm.
(Rohleder and Kroker, 2001; He, 2013)
1.3

Nhựa Polyester không no (UPR)
«Nhựa Polyester không no là sản phẩm ngưng tụ của acid không no hoặc

anhydride và alcol hai chức mà có hoặc không có acid hai chức» (Dholakiya, 2012).
Đây là loại nhựa được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp composite hiện nay
do giá thành rẻ, cơ tính tốt. (Fink, 2013)

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
4

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

1.3.1 Tính chất vật lý
Đa số UPR có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene. Lượng styrene
có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công.
Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang (cross-linking) giữa
các phân tử. (Bureau, 2001)
Bảng 1.2 Một số tính chất của UPR (Nguyễn Thành Đông, 2013)

Các đặc tính

Giá trị

Khối lượng riêng

1200 kg/m3

Độ bền uốn

880 kg/cm2

Độ bền nén

380 kg/cm2

Tính chất quang học

Trong suốt

Tính chống cháy

Khá

Độ co ngót khi đóng rắn

Cao

1.3.2 Đóng rắn
 Chất khâu mạch styrene
«Quá trình đóng rắn (tạo liên kết ngang) còn gọi là quá trình polymer hoá »
(Hoàng Ngọc Cường, 2010). Chất tham gia phản ứng, giúp tạo liên kết ngang gọi là
chất khâu mạch. Chất khâu mạch phổ biến nhất là styrene (thường được NSX pha sẵn
vào nhựa).
 Chất khơi mào MEKP
Methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) là chất hữu cơ, không màu, có mùi hăng,

phản ứng nhanh và đặc biệt dễ cháy nổ nên cần bảo quản cẩn thận (Nguồn Internet –
9). Nó cũng là chất đóng rắn rẻ tiền và phổ biến dùng để đóng rắn UPR. Khi cho vào
hỗn hợp phản ứng, MEKP đóng vai trò như một chất khơi mào, nó có khả năng phân

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
5

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Luận văn Tốt Nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

huỷ thành các gốc tự do, tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. Tỉ lệ MEKP
thường dùng là 1% so với khối lượng nhựa. (Bureau, 2001)

Hình 1-6 cấu trúc MEKP (Nguồn Internet – 9)

Chất khơi mào có thể phân huỷ ở nhiệt độ thường dễ dàng nhờ các hợp chất
kim loại.
 Điều kiện đóng rắn:

Nhiệt độ phòng < 170oC
Áp suất thường < 200 bar
Hàm lượng styren 30-50%
Hàm lượng Co2+ < 0,3%
Phản ứng đóng rắn được xảy ra theo cơ chế gốc tự do, các phân tử styrene tham
gia phản ứng và tạo liên kết ngang, có thể hình dung như sau:
OO

OO

OO

C=O

C=O

C=O

CH CH
C=O

CH2 CH

OO

CH2 CH

CH CH
C=O
x

CH CH
C=O
y

OO

OO

CH2 CH
z

Hình 1.7 Nhựa sau khi đóng rắn

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
6

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Luận văn Tốt Nghiệp

1.4

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Tổng quan về vật liệu composite

1.4.1 Cấu tạo

Hình 1.8 Cấu tạo vật liệu composite
«Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo
lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm
việc riêng rẽ ». (Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, 2002)
Composite gồm hai thành phần cơ bản : vật liệu cốt và vật liệu nền (Đào Thị
Thu Loan, 2011 ; Trần Ích Thịnh, 1994 ; Nguyễn Minh Trí, Trần Lê Quân Ngọc,
Trương Chí Thành, 2009).
Vật liệu cốt (pha gián đoạn) hay còn được gọi là vật liệu gia cường, có tác dụng
tăng cường cơ tính, tính chóng xước, chóng mòn, độ cứng… cho composite. Vật liệu
cốt rất đa dạng, có thể là các loại sợi như sợi thuỷ tinh, sợi carbon, sợi thiên nhiên hay
các loại hạt như bột đá, vụn thuỷ tinh,…
Vật liệu nền (pha liên tục) có nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn (vật liệu cốt)
còn lại. Vật liệu nền có thể là các loại nhựa nhiệt rắn (nhựa polyester, nhựa phenol,
nhựa epoxy…) hay các loại nhựa nhiệt dẻo (PVC, PE, PP…) hoặc thậm chí cả kim
loại (nhôm, niken, đồng…).
1.4.2 Tính chất
Cơ tính của composite phụ thuộc vào: (Trần Ích Thịnh, 1994 ; Nguyễn Hoa
Thịnh, Nguyễn Đình Đức, 2002)
 Cơ tính của các vật liệu thành phần.
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36

7

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

 Tỷ lệ giữa các vật liệu thành phần.
 Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần (đặc tính liên diện).
 Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu composite (ngẫu nhiên
hay có định hướng, phân bố đồng điều hay không đồng điều, hình
thái kiến trúc của tổ hợp vật liệu cốt,…)
 Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt.
 Kỹ thuật gia công.
1.4.3 Phân loại
Có 2 cách phân loại vật liệu composite chính: theo bản chất vật liệu nền hoặc
theo hình dạng vật liệu cốt. (Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, 2002)
Phân loại theo vật liệu nền, ta có các loại sau:
 Composite nền hữu cơ (nền giấy, nền nhựa, nền cao su) : chịu được
nhiệt độ thấp 200-300oC, nhưng nhẹ, rẻ và dễ chế tạo nên vẫn được
ứng dụng rộng rãi.
 Composite nền kim loại: chịu được nhiệt độ đến 600oC. Vật liệu có

modulus đàn hồi cao nhưng khối lượng riêng lớn.
 Composite nền khoáng chất (nền bê tông, nền gốm): chịu được nhiệt
độ đến 1000oC, chịu được hoá chất tốt.
 Composite nền carbon: sử dụng sợi carbon để gia cường cho nền
carbon. Có nhiều ưu điểm như nhẹ và bền, trơ hoá chất, chịu được
nhiệt độ rất cao, lên đến 3300oC, nhược điểm là giá thành rất đắt.
Phân loại theo vật liệu cốt, ta có các loại sau:
 Composite cốt sợi: vật liệu cốt sợi thường có modulus đàn hồi cao.
Sợi gia cường có thể ở dạng sợi dài liên tục hay sợi ngắn gián đoạn.
 Composite cốt hạt: được sử dụng để cải thiện một số tính chất cơ lý
theo ý muốn : độ cứng, cách điện, tính cách nhiệt, bền hoá chất…
ngoài ra cốt hạt còn có tác dụng như chất độn, giúp giảm giá thành
sản phẩm. Vật liệu composite cốt hạt cũng dễ gia công hơn
composite cốt sợi.
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
8

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Việc lựa chọn vật liệu cốt dạng sợi hay dạng hạt tùy thuộc vào yêu cầu tính chất
cơ - lý composite, bởi gia cường bằng dạng hạt thì độ bền nén cao hơn dạng sợi nhưng
độ bền uốn lại kém hơn (Crosky, 2014).
1.5

Các phương pháp gia công composite
Có nhiều phương pháp gia công composite khác nhau, mỗi phương pháp có quá

trình và thiết bị khác nhau để tăng tính chất của vật liệu và gia công chúng thành
những sản phẩm sử dụng theo yêu cầu. (Đào Thị Thu Loan, 2011 ; Nguyễn Thành
Đông, 2013)
1.5.1 Phương pháp đổ rót
Là phương pháp gia công composite cơ bản và đơn giản nhất.
Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện, không cần nhiều máy móc thiết bị phức tạp,
khả năng định hình tuỳ biến cao.
Nhược điểm: phụ thuộc nhiều vào độ nhớt composite và cấu trúc khuôn, nếu
khuôn có cấu trúc phức tạp thì độ nhớt composite bắt buộc phải thấp. Khó tối ưu được
khối lượng nguyên liệu.
1.5.2 Phương pháp lăn tay
Các công đoạn đều được thực hiện bằng tay.
Ưu điểm: đơn giản, dễ làm, khả năng tuỳ biến cao, không đòi hỏi trình độ của
công nhân.
Nhược điểm: vì lao động thủ công nên năng suất thấp, dung môi có thể gây hại
cho công nhân về lâu dài.
1.5.3 Phương pháp phun
Dùng súng phun bắn vật liệu nền vào vật liệu cốt. Thường được dùng phủ gel
coat bề mặt.
Ưu điểm: Dễ dàng gia công, ngay cả với các khuôn có hình dạng phức tạp như

cong, uốn lượn, nhấp nhô,… Bề mặt gia công láng, mịn.
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
9

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

Nhược điểm: đòi hỏi công nhân phải có tay nghề, nhựa và dung môi được phun
dạng hơi nên dễ ảnh hưởng sức khoẻ người lao động.
1.5.4 Phương pháp RTM (Resin Transfer Molding)
RTM là một công nghệ sản xuất Composite: nhựa được chuyển vào khuôn kín
trong điều kiện áp suất thấp.
Ưu điểm: Tự động hoá, năng suất làm việc cao. Sản phẩm tạo ra đồng nhất,
không bị bọt khí, bóng được hai mặt. Khuôn kín, sạch, ít ảnh hưởng sức khoẻ công
nhân. Có thể gia công được nhiều hình dạng phức tạp.
Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu công nhân phải có trình độ,
phụ thuộc nhiều vào khuôn.
1.5.5 Phương pháp ép nóng

Dùng lực ép lớn kèm nhiệt, thường được dùng để chế tạo sản phẩm có dạng tấm
mỏng.
Ưu điểm: Quá trình ép nhanh, có thể đạt năng suất cao, nhẵn bóng được hai
mặt. Điều kiện nhiệt độ cao thích hợp cho việc đóng rắn vật liệu.
Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, chỉ tạo được sản phẩm dạng tấm mỏng.
1.5.6 Các phương pháp khác
Ngoài các phương pháp phổ biến kể trên, còn rất nhiều phương pháp gia công
composite khác như phương pháp đúc áp suất, đúc ly tâm, phương pháp trộn, phương
pháp hàn, dán…
1.6

Độ bền uốn, độ bền nén và khối lượng riêng vật liệu composite

1.6.1 Độ bền uốn và độ bền nén
«Độ bền (ký hiệu: δ) là đặc tính cơ bản của vật liệu. Người ta định nghĩa độ
bền như là khả năng chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại
lực lên vật thể. Độ bền có thể hiểu rộng hơn, vì vậy người ta chia ra thành các đặc
tính về độ bền theo cách tác động ngoại lực khác nhau: độ bền kéo, độ bền nén, độ bền
CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
10

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

cắt, độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, giới hạn chảy... » (Nguyễn Đình Đức, Đào
Như Mai, 2013)
Ứng suất đơn được diễn giải theo công thức:

Trong đó F là lực (N) tác động lên vùng A (cm2). Vùng bị tác động có thể xảy
ra các trường hợp: biến dạng và không biến dạng tuỳ thuộc vào ứng suất thiết kế hoặc
ứng suất thực áp đặt. Do đó:
 Độ bền uốn là giới hạn ứng suất uốn thấp nhất làm biến dạng vĩnh viễn vật liệu
(trước khi đến giới hạn uốn, vật liệu sẽ bị biến dạng đàn hồi và tự trở lại trạng
thái ban đầu khi tải trọng bị loại bỏ).
 Độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ.
1.6.2 Khối lượng riêng
«Khối lượng riêng của vật liệu là một đặc tính về mật độ của vật liệu đó, được
tính bằng tỉ số giữa khối lượng và thể tích của vật.» (Nguồn Internet – 10)
Ta có:

Trong đó D là khối lượng riêng của vật liệu (kg/m3)
m (kg) là khối lượng của vật liệu chứa trong thể tích V (m3)
1.7

Các tiêu chuẩn đo lường

1.7.1 Tiêu chuẩn đo độ bền uốn TCVN 4032:1985
Công thức tính giá trị giới hạn bền uốn

𝑅𝑢 =

300𝑃𝑙 𝑘𝑔
(
)
2𝑏ℎ2 𝑐𝑚2

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
11

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Luận văn Tốt Nghiệp

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

P: tải trọng bẻ gãy mẫu thử, tính bằng kN;
l: khoảng cách giữa hai trục gối để mẫu, tính bằng cm;
h: chiều cao mẫu thử, tính bằng cm;
b: chiều rộng mẫu thử, tính bằng cm;
1.7.2 Tiêu chuẩn đo độ bền nén TCVN 3118:1993

Cường độ nén được tính bằng daN/cm2 (kg/cm2) theo công thức:
𝑅𝑛 =

100𝑃 𝑘𝑔
(
)
𝑎𝑏 𝑐𝑚2

P: tải trọng phá hoại mẫu thử, tính bằng kN;
a,b: độ dài hai cạnh của bề mặt diện tích chịu lực nén của mẫu thử, tính bằng
cm;

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
12

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM


WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Luận văn Tốt Nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ phế phẩm Công nghiệp

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP & THÍ NGHIỆM
2.1

Dụng cụ & thiết bị

2.1.1 Máy khuấy PM-20
Máy khuấy PM-20 với 3 mức tốc độ khuấy khác nhau, xuất xứ từ công ty
YUNG SOON LIH FOOD MACHINE, Đài Loan.
Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của máy khuấy PM-20 (Nguồn Internet – 11)

PM-20

Mixer with 2 Barrel & 3 Accessory

MIXING SPEED

47/110.95/225.195/475

POWER

1/2 HP

DOUGH CAPALITY

3 kg

BARREL CAPALITY

20 liter

N.W./G.W.

90/127 kg

MACHINE SIZE

560(L)x500(W)x850(H) mm

Hình 2.1 Máy khuấy PM-20

CBHD: TS. Phương Thanh Vũ

Kỹ thuật hóa học K36
13

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM