Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa Polyethylen tái chế với mùn cưa (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỖ NHỰA
TỪ NHỰA POLYEHYLEN TÁI CHẾ VỚI MÙN CƢA

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

CẤN DUY HUẤN

Hà Nội, Năm 2017


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỖ NHỰA
TỪ NHỰA POLYEHYLEN TÁI CHẾ VỚI MÙN CƢA

CẤN DUY HUẤN

CHUYÊN NGÀNH

: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

MÃ SỐ

: 60440301

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. MAI VĂN TIẾN

Hà Nội, Năm 2017


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hƣớng dẫn chính: TS. Mai Văn Tiến

Cán bộ chấm phản biện 1: PSG.TS Nguyễn Huy Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Đỗ Văn Công

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Ngày 02 tháng 01 năm 2018


LỜI CAM ĐOAN!
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Cấn Duy Huấn

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn thạc sĩ với tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ
nhựa từ nhựa Polyethylen tái chế với mùn cƣa”. Tôi xin chân thành cảm ơn TS.
Mai Văn Tiến đã hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn trong suốt thời gian qua, truyền
đạt cho tôi những kinh nghiệm quý báu, chỉ bảo tận tình và động viên giúp tôi hoàn
thành bài báo cáo luận văn này.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại
học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những
kiến thức quý giá trong suốt thời gian học cao học tại trƣờng.
Cảm ơn các anh chị, bạn bè những ngƣời bạn đồng hành trong quãng thời gian
học cao học, những ngƣời đã luôn sát cánh, giúp đỡ, động viên và là nguồn động
lực để tôi vƣơn lên.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý thầy – cô để
luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!.

HỌC VIÊN

Cấn Duy Huấn

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ...........................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu:........................................................................................................ 2
3. Các nội dung nghiên cứu chính: ...................................................................................... 2
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 4
1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit .................................................................................... 4
1.1.1. Vật liệu compozit ........................................................................................................ 4
1.1.2. Tính chất của vật liệu compozit ........................................................................7
1.1.3. Phân loại vật liệu compozit ...............................................................................8
1.1.4. Ứng dụng của vật liệu compozit........................................................................9
1.2. Tổng quan về vật liệu compozit gỗ - nhựa ...........................................................9
1.2.1. Vật liệu compozit gỗ - nhựa ..............................................................................9
1.2.2. Thành phần cấu tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa ..............................................10
1.2.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa ....................................18
1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của compozit gỗ-nhựa ............................20
1.3. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu gỗ nhựa ...............22
1.3.1. Nghiên cứu nước ngoài ...................................................................................22
1.3.2. Nghiên cứu trong nước ...................................................................................26
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU29
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................29
2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ..............................................................................29
2.2.1. Thiết bị sử dụng ...............................................................................................29

iii

2.2.2. Nguyên liệu và hoá chất ..................................................................................29
2.3. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa ......................................................30
2.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu, hoá chất. .....................................................................30
2.3.2. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa ................................................30
2.3.3. Thực nghiệm chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa ............................................32
2.3.4. Phương pháp chế tạo mẫu ..............................................................................34
2.4. Các phƣơng pháp xác định tính chất của vật liệu. .............................................34
2.4.1. Xác định độ bền cơ của vật liệu ......................................................................34
2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron
Microscope)...............................................................................................................36
2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt TGA (Thermal Gravimetric Analysis). ............36
2.4.4. Phương pháp nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis) ....................36
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................37
3.1. Nghiên cứu khả năng tƣơng hợp giữa các thành phần tổ hợp để chế tạo vật liệu
compozit gỗ nhựa ...............................................................................................................37
3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa trên
cơ sở HDPE tái chế với mùn cƣa. .............................................................................38
3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa HDPE/mùn cưa đến tính chất cơ lý ............................38
3.2.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt mùn cưa đến các tính chất của vật liệu gỗ nhựa
tạo thành..............................................................................................................................39
3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt........................40
3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của nhựa hạt ....................41
3.2.5. Ảnh hưởng của phụ gia tương MAPE hợp đến tính chất của vật liệu compozit gỗ
nhựa .....................................................................................................................................42
3.2.6. Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy Al2O3 đến tính chất của vật liệu compozit gỗ
nhựa .....................................................................................................................................43
3.2.7. Ảnh hưởng phương pháp xử lý mùn cưa đến tính chất của vật liệu compozit gỗ
nhựa tạo thành ....................................................................................................................44

iv


3.3. Đặc trƣng cấu trúc tính chất của vật liệu compozit gỗ nhựa từ nhựa HDPE tái chế
với mùn cƣa ........................................................................................................................46
3.3.1. Đặc trưng cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu gỗ nhựa ...................................46
3.3.2. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu gỗ nhựa ........................................................47
3.3.3. Khảo sát khả năng chịu môi trường của vật liệu compozit gỗ nhựa HDPE tái chế
với mùn cưa.........................................................................................................................49
3.4. So sánh một số tính chất của vật liệu gỗ nhựa HDPE/mùn cƣa với một số vật liệu
khác cùng chủng loại ..........................................................................................................50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................51
1. Kết luận ...........................................................................................................................51
2. Kiến nghị.........................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................52
PHỤ LỤC ...........................................................................................................................56

v


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ý nghĩa

Ký hiệu
WPC
PE
HDPE
PP

PVC

Vật liệu compozit gỗ nhựa - Wood Plastic Composite
Polyethylen
Polyethylen tỷ trọng cao- High density polyethylene
Polypropylen
Polyvinylclorua

MAPE

Copolyme Polyethylen Maleic Anhydrit

MAPP

Copolyme Polypropylen Maleic Anhydrite

PVAC

Polyvinyl acetat

LDPE

Polyethylen tỷ trọng thấp – Low density polyethylene

SEM

Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microsope

TGA

Phân tích nhiệt trọng lƣợng - Theramal Gravimetric Analysis

DTA

Phân tích nhiệt vi sai - Differential Thermal Analysis

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Chất độn dạng sợi ................................................................................................ 5
Hình 1.2. Sự ảnh hƣởng của loại và số lƣợng chất độn lên hiệu quả của compozit ........ 6
Hình 1.3. Các quá trình gia công chính đối với compozit nền polime.............................. 7
Hình 1.4. Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời................................................10
Hình 1.5. Công thức cấu tạo cellulose ..............................................................................13
Hình 1.6. Liên kết hydro trong cellulose...........................................................................14
Hình 1.7. Cấu trúc hóa học của hemicellulose ................................................................15
Hình 1.8: Công thức cấu tạo của lignin.............................................................................16
Hình 1.9. Phƣơng pháp đúc ép ..........................................................................................19
Hình 1.10. Phƣơng pháp ép phun ......................................................................................19
Hình 1.11. Phƣơng pháp đùn kéo ......................................................................................20
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu ...............................................................................30
Hình 3.1. Giản đồ momen xoắn của quá trình trộn hợp chế tạo vật liệu compozit gỗ
nhựa trên cơ sở HDPE/mùn cƣa ........................................................................................37
Hình 3.2. Ảnh hƣởng tỷ lệ nhựa/ mùn cƣa tới tính chất cơ lý của vật liệu .....................38
Hình 3.3. Ảnh hƣởng kích thƣớc mùn cƣa đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa ..............39
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu...............41
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của chất tƣơng hợp MAPE đến tính chất của vật liệu gỗ nhựa ..42
Hình 3.6. Ảnh hƣởng phƣơng pháp xử lý mùn cƣa đến tính chất của vật liệu compozit
gỗ nhựa ................................................................................................................................45

Hình 3.7. Ảnh SEM của vật liệu không sử dụng MAPE .................................................46
Hình 3.8. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPE (1%) ................................................46
Hình 3.9. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPE (1,5 %) ............................................46
Hình 3.10. Ảnh SEM của vật liệu sử dụng MAPE (2 %) .............................................46
Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa không sử dụng
phụ gia chống cháy .............................................................................................................47
Hình 3.12. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa có chứa phụ gia
chống cháy (Al2O3 hàm lƣợng 1%) ...................................................................................48
Hình 3.13. Độ tăng trọng lƣợng của compozit khi ngâm trong môi trƣờng nƣớc .........49

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số tính chất của PE ....................................................................................12
Bảng 2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ HDPE/MC đến tính chất cơ lý của vật liệu
...................................................................................................................................32
Bảng 2.2. Đơn khảo sát ảnh hƣởng của chất trợ tƣơng hợp (MAPE) đến tính chất cơ lý
của vật liệu ..........................................................................................................................32
Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng phụ gia chống cháy Al2O3 đến tính chất
cơ lý của vật liệu .................................................................................................................33
Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt mùn cƣa đến tính chất cơ lý của vật
liệu .......................................................................................................................................33
Bảng 2.5. Khảo sát ảnh hƣởng của tác nhân xử lý mùn cƣa............................................34
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của tốc độ trộn hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu ....................40
Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của phụ gia chống cháy hợp đến tính chất cơ lý của vật liệu gỗ
nhựa .....................................................................................................................................43
Bảng 3.3. So sánh các tính chất của vật liệu compozit HDPE/mùn cƣa với một số vật
liệu khác ..............................................................................................................................50

viii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu compozit gỗ nhựa là một loại vật liệu kết hợp giữa sợi gỗ và nhựa
nhiệt dẻo, sự kết hợp giữa gỗ và nhựa mang lại nhiều tính năng ƣu việt cho sản
phẩm, so với vật liệu gỗ đơn thuần vật liệu compozit gỗ nhựa có kích thƣớc ổn
định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc
cho sản phẩm, có thể gia công giống nhƣ vật liệu gỗ, dễ dàng cắt gọt, dùng keo để
kết dính, hoặc có thể dùng đinh hoặc ốc vít để liên kết, cố định, quy cách hình
dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của ngƣời dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao.
Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễ dàng gia công, tạo hình, thông thƣờng
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 đƣợc độ pH, chịu đƣợc hóa chất,
chịu đƣợc nƣớc mặn, có thể sử dụng đƣợc ở nhiệt độ thấp,... và đặc biệt là có thể
sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, nên thân thiện với môi trƣờng [2,7].
Tại Việt Nam trong những năm qua ngành gỗ có tốc độ phát triển cao và là
một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nƣớc. 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 khẩu 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 nhƣ vậy Việt Nam đang
trở thành một trong 10 nƣớc hàng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ lớn trên thế
giới. Hiện tại, hàng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nƣớc ta phải nhập khẩu từ
3,5 - 4 triệu m3 gỗ tự nhiên, trong khi lƣợng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ
phụ thuộc vào nguyên liệu, kích thƣớc tạo sản phẩm, công suất thiết bị và thƣờng
chiếm tỷ trọng từ 45 - 63% thể tích nguyên liệu. Có thể thấy lƣợng phế liệu gỗ là
rất lớn và hiện nay chủ yếu sử dụng để làm nhiên liệu [19]. Vấn đề đặt ra là làm
thế nào để sử dụng hiệu quả lƣợng phế liệu gỗ này nhằm nâng cao tỷ lệ sử dụng

nguyên liệu đồng thời bảo vệ môi trƣờng. Bên cạnh đó, phế liệu chất dẻo từ các
loại nhựa đồ dùng trong sinh hoạt hàng ngày rất đa dạng và phong phú. Phế liệu

1


này có nguồn gốc từ polypropylen (PP), polyethylen (HDPE, LDPE..) và
polyvinylchlorit (PVC)…hiện tại chƣa có số liệu điều tra chính xác về lƣợng nhựa
phế thải này, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của viện Vật liệu xây dựng
cho thấy lƣợng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của Hà Nội là khá cao 7-8%.
Nếu tính trung bình lƣợng rác thải của Hà Nội là 18.000 tấn/ngày thì chỉ tính riêng
Hà Nội thải ra khoảng 120 tấn nhựa phế thải. Nhƣ vậy có thể thấy nguồn nguyên
liệu này là rất lớn [13,14].
Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng phế liệu gỗ và nhựa polyethylene phế thải
tái chế để sản xuất vật liệu gỗ nhựa là xu hƣớng mới đƣợc nhiều nƣớc quan tâm
nghiên cứu, vừa để nâng cao giá trị lợi dụng gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, góp phần
giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng.
Xuất phát từ các lý do trên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ
nhựa Polyethylen tái chế với mùn cưa”, đã đƣợc đƣợc đặt ra và xác định mục
tiêu nghiên cứu sau:
2. Mục tiêu nghiên cứu:
- Xây dựng đƣợc quy trình chế tạo vật liệu gỗ nhựa từ nhựa HDPE tái chế
với mùn cƣa.
- Ứng dụng đƣợc nguồn nguyên liệu mùn cƣa từ các nhà máy chế biến gỗ và
nhựa HDPE tái chế để tạo ra đƣợc gỗ nhựa nhân tạo.
3. Các nội dung nghiên cứu chính:
- Thu thập tài liệu trong và ngoài nƣớc về tình hình nghiên cứu chế tạo và
ứng dụng vật liệu gỗ nhựa từ nhựa HDPE tái chế với mùn cƣa liên quan phục vụ
luận văn.
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu gỗ nhựa (Wood Plastic Compostie – WPC) từ

nhựa HDPE tái chế với mùn cƣa và khảo sát để tối ƣu các điều kiện công nghệ chế
tạo vật liệu:
+ Điều kiện gia công chế tạo mẫu và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng nhƣ tỷ
lệ hàm lƣợng chất độn, chất tƣơng hợp và phụ gia chống cháy đến các tính chất vật

2


liệu tạo thành từ đó xác định điều kiện công nghệ và tỷ lệ phối trộn tối ƣu của vật
liệu từ nhựa HDPE tái chế với mùn cƣa.
+ Tiến hành biến tính nhựa HDPE tái chế với mùn cƣa bằng cách sử dụng
các chất tƣơng hợp nhằm cải thiện nâng cao tính năng của vật liệu.
- Xác định các điều kiện công nghệ tối ƣu chế tạo vật liệu.
- Phân tích tính chất của sản phẩm tạo ra:
+ Xác định độ bền kéo, độ bền uốn, hình thái cấu trúc vật liệu, độ bền nhiệt,
đánh giá khả năng kháng nƣớc và cũng nhƣ khả năng chống cháy của vật liệu
tạo ra.
+ Đánh giá so sánh hiệu quả kinh tế, môi trƣờng của vật liệu tạo ra với vật
liệu khác cùng loại.

3


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu về vật liệu compozit
1.1.1. Vật liệu compozit
Vật liệu compozit có thể đƣợc định nghĩa là sự kết hợp của hai hay nhiều vật
liệu khác nhau để hình thành nên một vật liệu mới có những tính chất tốt hơn so
với từng vật liệu ban đầu, khi chúng đƣợc sử dụng riêng rẽ. Ngƣợc lại so với các
hợp kim, kim loại, mỗi thành phần trong vật liệu compozit vẫn còn giữ đƣợc

những tính chất cơ, lý, hóa riêng biệt của nó. Compozit gồm hai thành phần chính
là vật liệu nền và vật liệu gia cƣờng (cốt). Những ƣu điểm chính của vật liệu
compozit là độ bền và độ cứng, cùng với đó là tỷ trọng thấp khi so sánh với các
vật liệu khối.
Vật liệu gia cƣờng hay chất độn (cốt) (reinforcement) đƣợc trộn vào pha nền
làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xƣớc. Trong hầu hết các trƣờng
hợp, chất gia cƣờng thƣờng bền hơn, cứng hơn và giòn hơn vật liệu nền. Chất gia
cƣờng thƣờng ở dạng sợi hoặc hạt. Các compozit cốt hạt có kích thƣớc tƣơng tự
nhau ở tất cả các hƣớng. Chúng có thể ở dạng cầu, dạng tấm phẳng hoặc ở bất kì
các hình dạng thông thƣờng hay không thông thƣờng khác. Compozit cốt hạt có xu
hƣớng yếu hơn và độ cứng kém hơn so với compozit cốt sợi liên tục, nhƣng chúng
lại rẻ hơn nhiều. Compozit cốt hạt thƣờng chứa chất gia cƣờng ít (40-50% thể tích)
do đó khó gia công và dễ bị gãy.
Sợi có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với đƣờng kính của nó. Tỉ lệ độ
dài/đƣờng kính (l/d) đƣợc biết đến nhƣ là tỉ số hƣớng và có thể thay đổi. Sợi liên
tục có tỉ số hƣớng dài, trong khi đó sợi gián đoạn thì có tỉ số hƣớng ngắn hơn.
Compozit cốt sợi liên tục thƣờng có hƣớng ƣu tiên còn sợi gián đoạn lại thƣờng
có hƣớng ngẫu nhiên. Một số ví dụ về compozit dạng sợi liên tục và sợi gián
đoạn đƣợc thể hiện trong hình 1.1.
Compozit cốt hạt liên tục thƣờng đƣợc chế tạo thành những dạng tấm mỏng
bằng cách xếp chồng các tấm đơn của sợi liên tục theo các hƣớng khác nhau để thu
đƣợc các tính chất về độ bền và độ cứng mong muốn với thể tích sợi cao khoảng

4


60-70%. Sợi làm cho compozit có độ bền cao là do chúng có những đƣờng kính
nhỏ; chúng chứa ít khuyết tật hơn so với vật liệu khối. Theo nguyên tắc chung,
đƣờng kính sợi càng nhỏ thì độ bền càng cao, nhƣng thƣờng giá thành lại cao hơn
khi đƣờng kính nhỏ hơn. Ngoài ra, những sợi có độ bền cao đƣờng kính nhỏ cũng

có độ dẻo tốt hơn và dễ gia công hơn. Một số loại sợi điển hình nhƣ: sợi thủy tinh,
sợi cacbon, aramit…Pha nền là pha liên tục nhƣ polyme, kim loại, ceramic.
Polyme có độ bền và độ cứng thấp, kim loại có độ bền và độ cứng trung bình
nhƣng tính kéo sợi cao và ceramic có độ bền và độ cứng cao nhƣng lại giòn,
dễ gãy.
Liên tục
Theo 1 chiều duy nhất (UD)

Sợi thô

Vải

Quấn sợi xoắn

(Dệt)

30o
Không liên tục
Thảm

Cắt nhỏ

Hình 1.1. Chất độn dạng sợi
Vật liệu nền (pha liên tục) thực hiện nhiều chức năng cơ bản: Ban đầu duy
trì các sợi trong không gian và hƣớng thích hợp, sau đó bảo vệ chúng trƣớc môi
trƣờng và sự ăn mòn. Trong các compozit nền ceramic, mục đích làm tăng độ bền
đƣợc ƣu tiên hơn so với độ cứng do đó sự liên kết bề mặt thấp đƣợc mong muốn.
Loại và số lƣợng của chất gia cƣờng quyết định các tính chất cuối cùng của vật
liệu compozit. Hình 1.2 thể hiện rằng tính modul và độ bền cao nhất thu đƣợc với

5


các compozit cốt sợi liên tục. Có một thực tế là nồng độ của chất gia cƣờng bị giới
hạn ở 70% thể tích. Ở các tỉ lệ cao hơn thì có rất ít vật liệu nền có thể hỗ trợ hiệu

Cƣờng độ, mô-đun và chi phí

quả cho sợi.

Sắp xếp liên tục

Cắt trên thực tế
Sắp xếp ngẫu
nhiên

Vải dệt

Ngắn ngẫu
nhiên
Dài ngẫu nhiên

Lƣợng sợi, %

Hình 1.2. Sự ảnh hưởng của loại và số lượng chất độn lên hiệu quả của compozit
Về lý thuyết thì độ bền của các compozit cốt sợi gián đoạn có thể tiệm cận
với compozit cốt sợi liên tục nếu tỉ số hƣớng của chúng đủ lớn và chúng đƣợc sắp
xếp, nhƣng thực tế lại rất khó để duy trì đƣợc một sự sắp xếp tốt với các sợi gián
đoạn. Compozit cốt sợi gián đoạn thƣờng sắp xếp một cách ngẫu nhiên, điều này
làm giảm mạnh độ bền và tính modul của chúng. Tuy nhiên, compozit cốt sợi gián

đoạn thƣờng có giá thành thấp hơn nhiều so với compozit cốt sợi liên tục. Do đó,
compozit cốt sợi liên tục thƣờng đƣợc sử dụng cho những ứng dụng cần yêu cầu
độ bền và độ cứng cao (nhƣng giá thành cũng cao hơn) và compozit cốt sợi gián
đoạn đƣợc sử dụng khi giá thành là yếu tố quyết định còn độ bền hay độ cứng là
những yếu tố ít quan trọng hơn.
Cả vật liệu gia cƣờng và vật liệu nền đều ảnh hƣớng tới quá trình xử lý của
vật liệu compozit. Quá trình chính xử lý và chế tạo của vật liệu compozit nền
polyme đƣợc thể hiện trong hình 1.3.

6


Gia công
hỗn hợp

Gia công hỗn hợp nhựa
nhiệt dẻo

Gia công hỗn hợp
nhựa nhiệt rắn

Hỗn hợp
sợi - ngắn

Đúc phun
Đúc nén
Đúc lỏng
Phun

Hỗn hợp

sợi - ngắn

Hỗn hợp sợi liên tục

Đúc phun
Đúc nén

Ép ráp
Quấn sợi
Đúc lỏng
Đùn cán

Hỗn hợp sợi liên tục

Ép ráp
Định hình bằng nhiệt
Đúc nén

Hình 1.3. Các quá trình gia công chính đối với compozit nền polyme
Có hai loại nền polyme đƣợc thể hiện trong hình 1.3 là nhựa nhiệt dẻo và
nhựa nhiệt rắn. Nhựa nhiệt rắn khởi đầu là một loại nhựa có độ nhớt thấp mà phản
ứng và lƣu hóa trong suốt quá trình xử lý, hình thành nên một dạng rắn cứng.
Nhựa nhiệt dẻo là nhựa có độ nhớt cao đƣợc xử lý bằng nhiệt ở trên nhiệt độ nóng
chảy. Vì nhựa nhiệt rắn phản ứng và lƣu hóa trong quá trình xử lý nên nó không
thể đƣợc tái xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt, trong khi đó nhựa nhiệt dẻo có thể
đƣợc tái xử lý bằng nhiệt trên nhiệt độ nóng chảy.
Đối với compozit nền kim loại và ceramic thì chúng thƣờng yêu cầu nhiệt
độ cao và đôi khi cả áp suất cao cho quá trình xử lý nên giá thành sẽ cao hơn so
với compozit nền polyme. Tuy nhiên, chúng cũng có độ ổn định nhiệt cao hơn,
tính chất này thƣờng yêu cầu cho những ứng dụng mà vật liệu phải làm việc với

những môi trƣờng có nhiệt độ cao.
1.1.2. Tính chất của vật liệu compozit
Trong điều kiện sử dụng các vật liệu đúng tiêu chuẩn thì vật liệu compozit có
những ƣu điểm chủ yếu sau:
-

Nhẹ nhƣng cứng vững, chịu va đập, uốn, kéo tốt.

7


-

Chịu hoá chất, không sét gỉ, chống ăn mòn. Đặc tính này thích hợp cho biển
và khí hậu vùng biển.

-

Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hoá nên rất bền.

-

Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy.

-

Cách điện, cách nhiệt tốt.

-

Chịu ma sát, cƣờng độ lực, nhiệt độ cao (thể hiện ở compozit sợi carbon).

-

Hấp thụ sóng điện tử tốt (compozit – thủy tinh).

-

Không thấm nƣớc, không độc hại.

-

Bảo trì, bảo dƣỡng, sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp.

-

Màu sắc đa dạng, đẹp bền vì đƣợc pha ngay trong nguyên liệu.

-

Thiết kế, tạo dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn.

1.1.3. Phân loại vật liệu compozit
Vật liệu Compozit đƣợc phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật
liệu thành phần.
+ Phân loại theo hình dạng:
Vật liệu Compozit độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng sợi, ta gọi
đó là compozit độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cƣờng tăng cơ lý tính cho
polyme nền.
Vật liệu compozit độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng hạt, các tiểu

phân hạt độn phân tán vào polyme nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thƣớc
ƣu tiên.
+ Phân loại theo bản chất, thành phần:
- Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ
(polyamit, kevlar...), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon...), sợi kim loại (bo, nhôm)
- Compozit nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng
với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
- Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt
kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

8


1.1.4. Ứng dụng của vật liệu compozit
Compozit đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau đây:
+ Trong giao thông vận tải: Thay thế các loại sắt, gỗ, ván... VD: càng, thùng trần
của các loại xe oto, một số chi tiết của xe môtô.
+ Trong hàng hải: Làm ghe, thuyền, thùng, tàu...
+ Trong ngành hàng không: Thay thế vật liệu sắt, nhôm... trong máy bay
dân dụng, quân sự.
+ Trong quân đội: Những phƣơng tiện chiến đấu: Tàu, cano, máy bay, phi
thuyền... Dụng cụ, phƣơng tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân
đội nhƣ: Bồn chứa nƣớc hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn....
+ Trong công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng
epoxy hoặc nhựa vinyleste). Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy).
+ Trong dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài: Bình, tô, chén, đũa...; Sản
phẩm trang trí nội thất: Khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn...; Bàn ghế, tủ
giả đá, khay, thùng, bồn, đƣờng ống dẫn nƣớc...
1.2. Tổng quan về vật liệu compozit gỗ - nhựa
1.2.1. Vật liệu compozit gỗ - nhựa

Vật liệu compozit gỗ - nhựa là loại vật liệu compozit đƣợc tổ hợp từ các
loại nhựa nhiệt dẻo nhƣ PE, PP, PVC..., cùng với cốt là các loại bột gỗ, sợi gỗ hay
các loại sợi thực vật khác. Ngoài ra, trong quá trình chế tạo có thể có thêm một số
chất phụ gia nhƣ phụ gia trợ tƣơng hợp, phụ gia liên kết, phụ gia chống cháy và
các loại phụ gia khác. Sản phẩm WPC có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thƣớc cao
và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [4,6,18].
Vật liệu WPC là vật liệu đƣợc biết đến sớm vào năm 1900, tuy nhiên vào
năm 1983 công ty American Woodstock ở Sheboygan, Wisconsin bắt đầu sản xuất
WPC cho nội thất ôtô bằng phƣơng pháp ép đùn sử dụng nhựa nền PP và bột gỗ,
từ đó sản phẩm WPC đƣợc phổ biến rộng trên thế giới [40].
Vật liệu WPC hiện nay đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ làm sàn
tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tƣờng, ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí. Nhờ những

9


đặc tính ƣu việt mà WPC đƣợc 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 compozit nhƣ: Làm ván sàn
ngoài trời (hình 1.4),…

Hình 1.4. Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời
Sản phẩm WPC có thể sản xuất bằng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép
phẳng trong khuôn. Gỗ gia cƣờng có thể đƣợc sử dụng ở dạng bột gỗ, dăm gỗ hay
các phế liệu trong chế biến gỗ nhƣ mùn cƣa, 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 [20,22].
1.2.2. Thành phần cấu tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa
1.2.2.1. Vật liệu nền
Nhựa nền nhiệt dẻo sử dụng trong sản xuất WPC chủ yếu polyetylen,

polypropylen, polyvinylclorua…
* Nhựa Polyetylene:
PE có cấu tạo mạch thẳng, cấu tạo này tạo cho PE có độ sắp xếp chặt chẽ,
độ kết tinh cao hơn so với dạng mạch nhánh.
Trong PE luôn tồn tại vùng tinh thể xen lẫn vùng vô định hình, LDPE có
mạch nhánh nhiều có độ kết tinh từ 55  70%, còn HDPE đa số là mạch thẳng có
độ kết tinh từ 75  95%.

10


Cấu tạo mạch thẳng của PE là:
CH2-CH2-CH2-CH2-CH2Cấu tạo mạch nhánh của PE là:
CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH2-CH-CH2(-CH2-)n CH2-CH-CH2
CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
Cấu trúc của PE có dạng:
109028'

Tính chất của PE:
+ Tính chất vật lý của PE
PE tỉ trọng thấp (LDPE) ở dạng trong mờ, là chất rắn giống nhƣ sáp, có tỷ
trọng nhỏ hơn, có độ cứng tƣơng đối thấp hơn và nhiệt đọ chảy mềm cao hơn PE tỉ
trọng cao (HPDE), nhƣng LDPE chịu bền va đập tốt hơn. PE có tính chất cách
điện tốt. PE ở dạng màng mỏng thì trong, còn ở dạng khối thì đục, không độc, khi
ở nhiệt độ thấp vẫn giữ đƣợc tính dai và mềm không dẫn điện và không dẫn nhiệt,
không cho nƣớc và khí thấm qua, chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều
kém. Tùy thuộc vào loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh khoảng -70oC và
nhiệt độ chảy lỏng khoảng 110 – 130oC. Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào
trọng lƣợng phân tử và độ mềm dẻo của mạch polymer, hàm lƣợng độn. Tính chất

cơ học của PE phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nhất là độ bền kéo, độ bền uốn, độ
dãn dài. Một số tính chất vật lý đặc trƣng của PE đƣợc trình bày ở bảng 1.1.

11


Bảng 1.1. Một số tính chất của PE
Loại

LDPE

HDPE

0,916  0,93

0,94 - 0,965

1000  3000 atm, 200oC

30  50atm, 150oC

Nhiệt chảy mềm [oC]

80  115oC

125  130oC

Chỉ số chảy [g/10min]

0,5  9

0,5  10

Giới hạn chảy [kp/cm2]

100

190  280

Độ bền kéo đứt [MPa]

20  25

20  40

Độ dãn dài khi đứt [%]

300  800

600  900

Độ bền va đập [Kp.cm/cm2]

100  500

20  500

Độ cứng [shore]

40  60

60  70

Nhiệt độ sử dụng [oC]

- 60 80

- 60  110

Độ kết tinh [%]

55  70

75  95

Tính chất
Tỉ trọng [g/cm3]
Điều kiện tổng hợp

+ Tính chất hóa học của PE
PE có khả năng chịu hóa chất, chịu axit, có khả năng oxi hóa mạnh. PE
không tan trong mọi loại dung môi ở nhiệt độ thƣờng, nhƣng ở nhiệt độ cao thì PE
có khả năng tan trong một số dung môi hydrocacbon và hydrocacbon clo hóa. Độ
tan của PE phụ thuộc vào tỉ trọng, tỉ trọng của PE càng cao thì độ hòa tan càng
thấp. Tại nhiệt độ phòng, PE vẫn có khả năng bị "trƣơng" trong một số dung môi
trên. PE là polyme không cực, có tính chất không thấm nƣớc, đối với hơi của chất
có cực thì có độ thấm khí nhỏ, còn đối với chất không cực thì độ thấm khí cao.
+ Ứng dụng của PE
Trong lĩnh vực dân dụng, PE đƣợc sử dụng rất nhiều, từ các loại màng
mỏng, bao bì, màng phủ, túi đựng, các loại chai lọ đến các loại thùng chứa...

Ngoài ra, còn có các sản phẩm dạng tấm nhƣ làm tấm lợp, sản phẩm dạng ống với
nhiều tính chất tốt nhƣ không bị ăn mòn, chịu hóa chất, có sức cản trở nhỏ đối với
chất lỏng, có khả năng chịu lạnh cao và dễ lắp ráp. Trong lĩnh vực công nghiệp,

12


PE đƣợc dùng để bọc dây cáp điện do có tính cách điện cao và độ thấm hơi
nƣớc nhỏ. PE còn đƣợc phủ lên bề mặt kim loại để chống gỉ, chống ẩm, cách
điện, chịu hóa chất. PE đƣợc gia cƣờng bằng sợi, bột... cho sản phẩm có tính
chất cơ lý tốt hơn. Ngoài ra PE còn đƣợc sử dụng ở dạng sợi để làm vải dệt, dây
chão, lƣới đánh cá và nhiều ứng dụng khác.
1.2.2.2. Vật liệu cốt
Vật liệu cốt sử dụng để sản xuất WPC thƣờng sử dụng là bột gỗ và sợi thực vật.
Bột gỗ là vật liệu đƣợc nghiền mịn từ gỗ hay phế liệu trong chế biến gỗ nhƣ mùn cƣa,
phoi bào, phế liệu gỗ khác của các loại gỗ thông, bạch đàn,…thậm chí từ các phế phẩm
nông nghiệp khác nhƣ vỏ trấu,… Kích thƣớc bột gỗ sử dụng cho công nghệ chế tạo
compozit gỗ nhựa thƣờng có kích thƣớc nhỏ hơn 1,2 mm tùy theo công nghệ ép phun
hay ép đùn. Với kích thƣớc này, bột gỗ có thể tự cháy ở nhiệt độ 200oC. Thông thƣờng,
bột gỗ sử dụng có kích thƣớc trong khoảng 300 - 420 μm và đƣợc phân loại thành các
cấp 50 - 150 μm, 100 - 200 μm, 200 - 450 μm và 450 - 700 μm. [31]
Các thành phần hóa học chính của bột gỗ bao gồm cellulose, lignin,
hemicelluloses và hợp chất vô cơ khác. Trong đó cellulose, hemicellulose và
lignin là các thành phần ảnh hƣởng lớn đến các tính chất của sợi. Thành phần hóa
học của sợi phụ thuộc vào môi trƣờng sống, tuổi cây, phƣơng pháp tách sợi,…[19]
Cellulose: Cellulose là polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không
phân nhánh, đƣợc tạo thành từ các mắt xích cơ bản là anhydro – D – gluco pyranozơ, liên kết với nhau qua liên kết 1,4 – a - glucozit. Cellulose có mặt trong tất
cả các loài thực vật nhƣng mỗi loài có một hàm lƣợng khác nhau. Công thức phân
tử của cellulose là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n; và công thức cấu tạo nhƣ sau:

hoặc

Hình 1.5. Công thức cấu tạo cellulose

13


Cellulose là polyme tƣơng 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 đƣợc
thực hiện bằng các lực vật lý với năng lƣợng 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 chất quan trọng của vật liệu cellulose. Trong cellulose khô hầu nhƣ tất cả các
nhóm –OH đều tham gia tạo thành liên kết hydro. [18]

Hình 1.6. Liên kết hydro trong cellulose
Do cấu trúc hóa học của cellulose có nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo tƣơng
tác với nƣớc thông qua việc tạo liên kết hydro. Trong khi sợi thủy tinh chỉ có hiện
tƣợng hấp thụ nƣớc trên bề mặt thì sợi cellulose tƣơng tác với nƣớc không chỉ trên
bề mặt mà còn cả bên trong bó sợi. Lƣợng phân tử nƣớc bị hấp thụ phụ thuộc vào
cân bằng theo độ ẩm tƣơng đối của không khí.
Hemicellulose: Hemicellulose là những chất polysaccharides cấu tạo nên
vách tế bào, nhƣng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá học hơn, dễ
bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và
hexosan (C6H10O5)n. Hàm lƣợng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác
nhau, ở cây lá rộng lƣợng 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 dƣới 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

14