NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP POLYETHYLENEGRAFTSILANE LÊN COMPOSITE NHỰA PE VÀ BỘT TRẤU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TƯƠNG HỢP
POLYETHYLENE-GRAFT-SILANE LÊN COMPOSITE NHỰA PE VÀ
BỘT TRẤU

Tác giả

HỨA HOÀNG TIẾN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng
yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn
ThS. TRẦN VĨNH MINH

i


LỜI CẢM TẠ
Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ba, má và những người anh, chị đã
thương yêu, chăm sóc và dạy dỗ để con có được như ngày hôm nay.
Xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Hóa Học và
những thầy cô đã tận tình giảng dạy trong suốt bốn năm đại học, cho em những kiến
thức quý báu để em có thể hoàn thành Khoá luận này.
Xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp qúy báu từ anh Trần Vĩnh Minh
là kỹ sư tại trung tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su thành phố Hồ Chí Minh, người đã
hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và dõi theo bước đi của em trong suốt quá trình làm Khoá
luận.
Đồng cảm ơn các anh chị trong trung tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su cùng các
bạn sinh viên trong ngoài trường đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Xin chân thành cảm ơn mọi người!

Sinh viên thực hiện

Hứa Hoàng Tiến

ii


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của chất tương hợp polyethylenegraft-Silane lên composite nhựa PE và bột trấu” được tiến hành tại trung tâm kỹ thuật
chất dẻo và cao su thành phố Hồ Chí Minh (PRT) dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ:
Trần Vĩnh Minh; thời gian từ 1/3 đến 1/7. Thí nghiệm được bố trí theo kiểu hoàn
toàn ngẫu nhiên.
Theo phạm vi đề tài nghiên cứu, bước 1 tạo ra chất tương hợp hợp
polyethylene-graft-Silane bằng phương pháp peroxyt với HDPE có chỉ số chảy
0,03g/10min (ASTM D-1238), hàm lượng Silane là: 1% và DCP (Dicumyl peroxide)
là: 0.1%. Nhiệt độ trộn: 1600C, thời gian: 3 phút. Sau đó các PE-graft-Silane ở các
hàm lượng 1%, 3%, 5% được dùng vào quy trình tạo mẫu composite với các tỉ lệ 40%
nhựa HDPE với 60% bột trấu và 60% nhựa HDPE với 40% bột trấu.
Kết quả thu được là sự khác biệt về cơ tính giữa các hỗn hợp phối trộn với tỷ lệ
chất tương hợp khác nhau. Trên cơ sở này tùy theo các đặc tính cơ lý mà chúng ta có
thể chọn được tỉ lệ trộn phù hợp để thu được hiệu quả kinh tế cũng như yêu cầu sử
dụng. Khảo sát cho thấy cơ tính của các mẫu trấu mịn có đặc tính cơ lý cao hơn mẫu
có kích thước trấu lớn hơn. Khảo sát cho thấy khi sử dụng phụ gia thì cơ tính tăng so
với không sử dụng và ở các hàm lượng phụ gia 1%, 3%, 5% độ bền tăng dần.

iii

SUMMARY
The researching subject “ Research effect of coupling agent polyethylene –
graft – Silane to polyethylene and rice husk’S composite is practised at Plastic and
Ruber Technology Center in Ho Chi Minh City. This subject is completed by
MA.Tran Vinh Minh’S guide from date march 1st to july 1st, 2009.
This restriction of subject: The first, we get coupling agent polyethylene – graft
– silane by peroxide method, silane content is 1%, dycumyl peroxide content is 0,1%,
mixed tempereture is 160oC and mixed time is three minutes. Then, we begin get
composite with coupling agent content: 1%, 3%, 5%; rice husk and HDPE content are
40%  60% and 60%  40%.
The researching subject was get composite materials. There are differentiation
of endurance between samples contain rice husk and HDPE content and coupling
agent content different. Thence, we can choice that different ratio of content to
produce. By the researching subject, we realize mechanical endurance of sample
contain fine rice husk is better than sample contain bigger rice husk size.
The studying find endurance of samples increase when we used coupling agent
increase: 1%, 3%, 5%.

iv


MỤC LỤC

Trang tựa ..................................................................................................... i
Lời cảm tạ...................................................................................................ii
Tóm tắt đề tài.............................................................................................iii
Summary ................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................... v
Danh sách chữ viết tắt................................................................................ ix

Danh sách các hình ..................................................................................... x
Danh sách các bảng biểu..........................................................................xiii

Chương I: Mở đầu
1.1 Giới thiệu tổng quát...................................................................... 1
1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài........................................................... 2
1.3 Yêu cầu ........................................................................................ 2
1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài .......................................... 3

Chương II: Tổng quan lý thuyết
2.1 Lịch sử phát triển ......................................................................... 4
2.2 Thành phần WPC......................................................................... 7
2.2.1 Polyme nền ........................................................................ 7
2.2.1.1 Poly vinyl clorua (PVC) ......................................... 7
2.2.1.2 Polypropylen .......................................................... 9
2.2.1.3 Polyetylen............................................................. 10
2.2.2 Vật liệu gia cường ............................................................ 12
2.2.3 Chất tương hợp ................................................................ 13
2.2.4 Tính chất liên diện............................................................ 14
2.2.5 Lý thuyết kết dính tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu gia cường
với vật liệu nền ................................................................................ 15
v


2.3 Kỹ thuật chế tạo WPC................................................................ 17
2.3.1 Phương pháp .................................................................... 17
2.3.1.1 Phương pháp tiền xử lý........................................ 17
2.3.1.2 Trộn trực tiếp....................................................... 18
2.3.2 Các phương pháp gia công composite .............................. 19
2.3.2.1 Phương pháp đắp ................................................. 19

2.3.2.2 Phương pháp ép phun .......................................... 19
2.3.2.3 Phương pháp đùn................................................. 20
2.3.2.4 Phương pháp đúc ép ............................................ 20
2.3.2.5 Phương pháp đúc chuyển..................................... 21
2.3.2.6 Phương pháp pulltrution ...................................... 21
2.3.2.7 Phương pháp quấn ............................................... 21
2.4 Tổng quan về trấu ....................................................................... 22
2.4.1 Cấu trúc của trấu............................................................. 24
2.4.2 Tính chất vật lý của trấu ................................................ 26
2.4.3 Ứng dụng làm composite của vỏ trấu.............................. 29
2.4.4 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu ....................................... 30
2.4.4.1 Cellulose ............................................................. 30
2.4.4.2 Hemicellulose ..................................................... 37
2.4.4.3 Lignin ................................................................. 39

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm
3.1 Nguyên liệu................................................................................. 42
3.1.1 Polyethylene (PE)............................................................ 42
3.1.2 Chất liên diện Silane A 174 (Hãng General Electric) ....... 42

vi


3.1.3 Bột trấu ........................................................................... 43
3.2 Qui trình thực hiện ...................................................................... 43
3.2.1 Bột trấu ........................................................................... 43
3.2.2 Phối trộn chất tương hợp PE – graft – Silane ................... 44
3.2.3 Qui trình tạo mẫu composite............................................ 45
3.3 Thiết bị........................................................................................ 46
3.3.1 Thiết bị thí nghiệm .......................................................... 46

3.3.2 Thiết bị đo ....................................................................... 47
3.4 Tiêu chuẩn đánh giá .................................................................... 47
3.4.1 Tính chất cơ học .............................................................. 47
3.4.2 Nhiệt độ biến mềm vicat – ASTM D 1525....................... 48
3.4.3Phương pháp hiển vi điện tử ............................................. 48

Chương IV: Kết quả và bàn luận
4.1 Ảnh hưởng kích thước hạt đến tính chất cơ lý của composite nhựa
PE và bột trấu ........................................................................................... 50
4.2 Ảnh hưởng của chất tương hợp PE - graft – Silane và hàm lượng bột trấu lên
tính chất cơ lý của composite nhựa PE và bột trấu .................................... 54
4.3 So sánh tính chất cơ lý của composite thí nghiệm với mẫu của hãng North
Wood. Plastics.INC .................................................................................. 60

Chương V: Kết luận
5.1 Các kết quả đạt được................................................................... 62
5.2 Kết luận ...................................................................................... 62
5.3 Hướng phát triển của đề tài ......................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 64
PHỤ LỤC......................................................................................... 65
vii


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
PP: Polypropylene
HDPE: High Density Polyethylene
PE: Polyethylene
ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long
PE – g – Silane: Polyethylene – graft – Silane
SEM: Scanning electron microscopic

viii


Danh sách các hình
Hình 2.1: Các lĩnh vực ứng dụng WPC trên thị trường ............................... 6
Hình 2.2: Chu trình sản xuất tấm composite gỗ........................................... 6
Hình 2.3: Cấu trúc phân tử PVC ................................................................. 8
Hình 2.4: Cấu trúc phân tử polypropylene .................................................. 9
Hình 2.5: Cấu trúc phân tử PE .................................................................. 10
Hình 2.6: Copolymer của hai polymer A và B .......................................... 13
Hình 2.7: Sơ đồ phản ứng tạo PE – Graft – Silane .................................... 14
Hình 2.8: Mô tả góc thấm ướt bề mặt........................................................ 15
Hình 2.9: Kết dính giữa nhựa nền và sợi bằng liên kết tĩnh điện ............... 16
Hình 2.10: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học....................... 16
Hình 2.11: Kết dính nhựa nền và sợi bằng liên kết hóa học....................... 16
Hình 2.12: Mô tả sự khuếch tán ............................................................... 17
Hình 2.13: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đắp ............... 19
Hình 2.14: Mô hình gia công composite bằng phương pháp ép phun ....... 19
Hình 2.15: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đùn............... 20
Hình 2.16: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc ép .......... 20
Hình 2.17: Mô hình gia công composite bằng phương pháp đúc chuyển... 21
Hình 2.18: Mô hình gia công composite bằng phương pháp pulltrution .... 21
Hình 2.19: Mô hình gia công composite bằng phương pháp phương pháp quấn
................................................................................................................. 22
Hình 2.20: Lúa được đem đến để xay........................................................ 22
Hình 2.21: Bãi chứa vỏ trấu ...................................................................... 22
Hình 2.22: Cấu trúc SiO2 ....................................................................................................................25
ix

Hình 2.23: Bề mặt vỏ trấu ở độ phóng đại 200 lần .................................... 25
Hình 2.24: Ảnh CSLM của phân tử trấu ở những nhiệt độ khác nhau ....... 26
Hình 2.25: Thay đổi bán kính (a) và tỷ lệ thành phần (b), của những phân tử khác nhau
ở 200oC/phút trong điều kiện Argon với khí oxy, áp suất 10-12atm............ 27
Hình 2.26: Hình ảnh phân tử trấu mềm và chảy ra .................................... 27
Hình 2.27: a. Ảnh SEM bề mặt phân tử trấu ............................................ 28
b. Ảnh SEM liên kết ngang trong phân tử trấu ........................ 28
Hình 2.28: a: Bề mặt phân tử tại 350oC..................................................... 28
b:Mặt cắt ngang của phân tử tại 350oC ................................... 28
Hình 2.29 a: Bề mặt trấu tại 8500C........................................................... 29
b: Mặt cắt ngang của trấu tại 8500C......................................... 29
Hình 2.30: Sản phẩm từ bột trấu kết hợp với keo từ dầu điều biến tính ..... 30
Hình 2.31: Profile composite từ nhựa nhiệt dẻo và Bột trấu ..................... 30
Hình 2.32: Cấu trúc cellulose: (a) dạng lập thể.......................................... 31
(b) công thức theo Haworth....................... 31
(c) công thức theo Mill .............................. 31
Hình 2.32: Đơn vị tế bào cơ bản của cellulose:
a. Đơn vị tế bào của cellulose I.................................................. 32
b. Giả thiết sự sắp xếp của phân tử trong tinh thể cellulose I (từ Meyer và
Misch) ...................................................................................................... 32
c. Đơn vị tế bào của cellulose II ................................................ 32
Hình 2.33: Hệ thống liên kết hyđro trong cellulose I. Mỗi đơn vị mắc xích D-glucose
có 2 liên kết H nội phân tử và 1 liên kết H ngoại phân tử .......................... 33
Hình 2.34: Hexose và pentose có trong thành phần Hemicellulose............ 37
Hình 2.35: Đơn vị cấu trúc cơ bản của Lignin........................................... 39

x

Hình 2.36: Một số kiểu liên kết cơ bản trong cấu trúc lignin ..................... 40
Hình 3.1: Gamma-Methacryloxypropyltrimethoxy Silane ........................ 42
Hình 3.2: Bột trấu sau khi nghiền mịn ...................................................... 43
Hình 3.3: Sơ đồ tạo chất tương hợp PE-graft-Silane ................................. 44
Hình 3.4: Sơ đồ phản ứng tạo PE-graft-Silane ......................................... .45
Hình 3.5: Sơ đồ tạo mẫu composite PE- Bột trấu .................................... 45
Hình 3.6: Máy trộn Brabender và khoan trộn ............................................ 46
Hình 3.7: Máy ép tạo mẫu......................................................................... 47
Hình 4.1: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt mịn (M) và vừa (V) (tỷ lệ: 40PE60BT) ....................................................................................................... 50
Hình 4.2: Độ bền kéo của mẫu có kích thước hạt mịn (M) và vừa (V) (tỷ lệ: 60PE40BT) ...................................................................................................... 50
Hình 4.3: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn(M) và vừa (V) tỷ lệ
(40PE-60BT) ........................................................................................... 51
Hình 4.4: Độ dãn dài của mẫu có kích thước mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ
(60PE-40BT) ............................................................................................ 51
Hình 4.5: Độ bền va đập của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (40PE60BT) ....................................................................................................... 52
Hình 4.6: Độ bền va đập của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ (60PE40BT) ....................................................................................................... 52
Hình 4.7: Độ bền uốn của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ
(40PE-60BT) ............................................................................................ 53
Hình 4.8: Độ bền uốn của mẫu có kích thước trấu mịn (M) và vừa (V) tỷ lệ
(60PE-40BT) ............................................................................................ 53
Hình 4.9: Độ bền kéo của mẫu trấu mịn (tỉ lệ 60PE-40BT) ....................... 54

xi


Hình 4.10: Độ bền kéo của mẫu trấu vừa (tỉ lệ 40PE-60BT) ..................... 54
Hình 4.11: Độ dãn dài của mẫu trấu mịn (tỉ lệ 60PE-40BT)...................... 55
Hình 4.12: Độ dãn dài của mẫu trấu vừa tỉ lệ (40PE-60BT) ...................... 55
Hình 4.13: Độ bền va đập của mẫu trấu mịn ............................................. 56
Hình 4.14: Độ bền va đập của mẫu trấu vừa.............................................. 56

Hình 4.15: Độ bền uốn của mẫu trấu mịn.................................................. 57
Hình 4.16: Độ bền uốn của mẫu trấu vừa .................................................. 57
Hình 4.17: Nhiệt độ mềm vicat của các mẫu trấu mịn ............................... 58
Hình 4.18: Hình SEM mẫu 40PP-60BT-0 ................................................ 58
Hình 4.19: Hình SEM mẫu 60PP-40BT-0 ................................................. 58
Hình 4.20:Hình SEM mẫu 60PE-40BT-5%PEgSi..................................... 59
Hình 4.21:Hình SEM mẫu 40PE-60BT-5%PEgSi..................................... 59

xii


Danh sách các bảng biểu
Bảng 2.1:Tính chất vật lý của một số vật liệu............................................ 12
Bảng 2.2:Thống kê sản xuất lúa, trấu và tro ............................................. .23
Bảng 3.1 Các thông số của HDPE............................................................. 42
Bảng 3.2. Tính chất vật lý của Silane A 174 ............................................. 43
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của Bột Trấu ................................................ 43
Bảng 3.4: Tạo mẫu composite với kích thước Mịn (M)và Vừa (V) ........... 44
Bảng 3.5: Bố trí thí nghiệm tạo chất tương hợp PE-graft-Silane................ 44
Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm tạo composite PE - Bột trấu............................ 45
Bảng 4.1:Tính chất cơ lý của các mẫu composite...................................... 49

xiii


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Chương I

MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu tổng quát
Polymer là một trong những loại vật liệu có ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Nó được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp như điện, hóa chất,công
nghiệp nhẹ,…, trong y học, trong nghiên cứu khoa học và phổ biến nhất là trong đời
sống hằng ngày.
Ngày nay khoa học polymer là một trong những ngành khoa học phát triển rất
mạnh mẽ, với những nhu cầu khác nhau trong đời sống và công nghiệp. Những tính
chất của polymer ngày càng được yêu cầu cao hơn. Do vậy, nó thúc đẩy sự tìm tòi
nghiên cứu của những nhà khoa học vật liệu để tìm ra những loại polymer mới, vật
liệu mới như composite có tính chất ưu việt hơn.
Nước ta hàng năm phải nhập khẩu hàng triệu tấn nhựa. Việc tăng giá nguyên
liệu sẽ làm tăng giá thành các sản phẩm, giảm tính cạnh tranh và hiệu quả kinh tế của
ngành nhựa. Mặt khác, ước tính hàng năm có khoảng gần 2 triệu tấn trấu được thải ra
từ các cơ sở xay xát. Nhiều nhà máy, xí nghiệp mà chủ yếu ở phía Nam đang phải đối
mặt với việc xử lý lượng phế thải khổng lồ trên (không đủ mặt bằng kho chứa và thiếu
đầu ra...). Vật liệu Composite từ nhựa Polyolefine và bột gỗ cần thiết cho đặc trưng
riêng thân thiện với môi trường đã và đang được phát triển., trong khi các nguồn nhiên
liệu thiên nhiên bị giới hạn và những qui định về môi trường rất khắc khe. Yêu cầu tiết
kiệm nguồn nguyên liệu hóa thạch và bảo vệ bầu khí quyển khi phải được quan tâm
khi phát triển những vật liệu mới. Do đó vật liệu tái chế và thân thiện môi trường rất
được quan tâm.
Do đó việc thay thế vật liệu nhựa gỗ cho nhựa nguyên chất ở một vài lĩnh vực
không đòi hỏi tính năng cơ lý cao như: vách ngăn, ống dẫn nước… là một xu thế. Ứng
dụng vật liệu nhựa mới nhưng giữ được các tính năng của nhựa và giảm giá thành là
mối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất hiện nay.
1


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Các loại vật liệu nhựa nền thích hợp cho sợi thực vật gia cường là nhựa nhiệt
rắn, nhựa nhiệt dẻo và polyolefine (PE,PP), nhựa PP có những ưu điểm về kinh tế, sinh
thái học và yêu cầu kỹ thuật (độ ổn định nhiệt cao hơn PE). Nhưng PE là loại polymer
nhiệt dẻo được ưa chuộng nhất, các sản phẩm WPC trên nền PE chiếm hơn 80% thị
trường trên thế giới. Nhờ có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (dao động từ 60 đến
1300C, phụ thuộc vào tỷ trọng và mức độ phân nhánh), nên khi trộn với bột gỗ trong
điều kiện nóng chảy, bột gỗ không bị phân hủy nhiệt. Hơn nữa, PE nóng chảy có khả
năng phân tán tốt các chất độn cũng là một thuận lợi của cho quá trình sản xuất WPC.
PE khá mềm, sản phẩm WPC từ PE có thể cưa, cắt, đóng đinh, vít ốc...Cũng như PP,
PE có khả năng kháng hút ẩm khá cao và trơ với nhiều loại acid mạnh. PE cũng ít bị
oxi hoá hơn các loại polyolefin khác.
Hiện nay Bột trấu ở nước ta sử dụng chủ yếu làm chất đốt và làm phụ gia trong
ngành xi măng, thức ăn gia súc, tuy nhiên giá trị mang lại không cao. Trong đề tài này
chúng tôi nghiên cứu ứng dụng Bột trấu vào trong compsosite nhựa PE để tạo ra các
sản phẩm thay thế gỗ với nhiều ưu điểm kháng nước, chịu được ánh nắng, thân thiện
với môi trường, giá thành hạ, chúng ta chủ động nguồn nguyên liệu và giải quyết vấn
đề ô nhiễm môi trường cho ĐBSCL. Tuy nhiên sự liên kết của nhựa PE và Bột trấu rất
thấp, vì vậy nhằm cải thiện sự tương tác giữa các bề mặt không tương hợp, thêm vào
chất tương hợp hoặc biến tính bề mặt của sợi (hoặc nhựa nền) là điều được nhìn nhận.
Có nhiều phương pháp để tăng độ kết dính của nhựa PE và Bột trấu hay sợi cellulose,
phương pháp phổ biến hiện nay được dùng là sử dụng phụ gia nối ghép trong quá trình
gia công nóng chảy.
1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài
Tạo composite nhựa polyethylene và bột trấu có cơ tính tốt có thể cạnh tranh
với các sản phẩm tương tự trên thị trường.
Tận dụng phụ phẩm từ ngành xay xát và chế biến gỗ tạo ra sản phẩm có giá trị,
tránh được một tác nhân gây ô nhiễm môi trường.

2


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

1.3 Yêu cầu
Khảo sát ảnh hưởng của các đặc tính sau lên composite nhựa gỗ:
 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt bột trấu đến tính chất của composite
nhựa PE và Bột trấu.
 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến tính chất của composite
nhựa PE và Bột trấu
 Khảo sát ảnh hưởng của chất tương hợp PE-g-Silane, trên tính chất cơ lý,
tính chất nhiệt, của sản phẩm composite nhựa PE và Bột trấu
1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu đề tài
Trong phần nghiên cứu này sử dụng bột trấu nghiền mịn gia cường cho nhựa PE. Bột
trấu được nghiền mịn và được rây trên 2 kích thước hạt khác nhau bao gồm 40µm và
100µm. PE-g-Silane, Silane (silane A 174 Methacryloxypropyltrimethoxysilane) được
sử dụng làm chất tăng cường sự kết dính của nhựa nền và bột trấu. Hàm lượng bột trấu
đưa vào với hàm lượng 40% và 60%. Hàm lượng chất tương hợp PE-g-Silane sử dụng
1%, 3%, 5%.

3


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Chương II
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Nhựa giả gỗ (WPC) đã thu hút một lượng lớn những nghiên cứu khoa học trong
những năm gần đây nhờ những tính chất tương đối tốt và giá cả hợp lý của chúng.
WPC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với những tác động thân thiện đến
môi trường. Trong số đó, nhựa polyethylene giả gỗ (WPC/PE) nổi bật vói những tính
chất như độ bền cơ học, độ bền hoá học, tính kháng thấm nước cũng như giá thành
sản xuất.
2.1 Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “nhựa giả gỗ” (Wood-plastic composites) đề cập đến những loại
composite mà thành phần của chúng chứa gỗ và polyme, bao gồm cả polyme nhiệt rắn
và polyme nhiệt dẻo. Polyme nhiệt rắn là những loại nhựa khâu mạng không có khả
năng tái chế do không nóng chảy khi xử lý nhiệt. Polyme nhiệt rắn được sử dụng nhiều
nhất trong WPC là epoxy và phenol. Năm 1916, sản phẩm thương mại đầu tiên sớm
xuất hiện khi hãng xe hơi Rolls Royce kết hợp nhựa phenol-formaldehid với gỗ để làm
vô-lăng (Gordon 1988). Trong khi đó, polyme mhiệt dẻo như polyethylen (PE),
polypropylen (PP) hay poly vinyl clorua) (PVC) lại có thể nóng chảy khi gia nhiệt và
được sử dụng khá rộng rãi. Từ những năm 90 trở lại đây, WPC dựa trên nền polyme
nhiệt dẻo phát triển khá mạnh mẽ. Những sản phẩm có thể kể đến là khung cửa sổ, ván
lót sàn, ván ốp tường…Chúng đang dần dần thay thế cho nguồn lâm sản vốn đang
ngày càng cạn kiệt. So với WPC nhiệt rắn thì sản phẩm WPC nhiệt dẻo chiếm ưu thế
hơn rất nhiều. Vì vậy, khi nói đến WPC, người ta thường nghĩ đến WPC nhiệt dẻo.
Mỹ là nơi WPC bắt đầu phát triển mạnh mẽ trong những thập niên gần đây,
mặc dù châu Âu là nơi phát triển WPC sớm nhất. Năm 1983, công ty American
Woodstock, nay là thành viên của Tập đoàn Lear Corporation (Sheboygan, bang
Wisconsin) bắt đầu sử dụng kỹ thuật của Italy sản xuất WPC làm các thiết bị bên trong
phục vụ cho ngành công nghiệp tự động (Schut 1999). Công thức chế tạo WPC mà
4

Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

hãng này sử dụng bấy giờ là polypropylen và khoảng 50% gỗ. Đây là một trong những
ứng dụng WPC đầu tiên tại Hoa Kì.
Đến đầu những năm 90, Advanced Environmental Recycling Technologies
(AERT, Junction, TX) hợp tác với Mobil Chemical Company tiến hành sản xuất WPC
chứa khoảng 50% gỗ trpng nền polyetilen. Các sản phẩm của composit loại này là ván
lót sàn nhà, gỗ trang trí, bàn di động, cửa sổ…(Youngquist 1995). Ngày nay, ván lót
sàn nhà là loại WPC được ưa chuộng và phát triển mạnh nhất.
Năm 1996, nhiều công ty bắt đầu sản xuất hỗn hợp nhựa-gỗ (hoặc sợi tự nhiên
khác) dưới dạng viên để cung cấp cho những nhà sản xuất WPC. Từ giữa thập niên 90,
hoạt động của ngành công nghiệp WPC phát triển đột biến, kỹ thuật sản xuất được cải
tiến nhanh chóng. Lúc này, mặc dù sản phẩm WPC chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốn
trong tổng sản phẩm của ngành chế biến gỗ, nhưng lại là một hướng đi hoàn toàn đúng
trong chiến lược phát triển của nhiều công ty. Chính vì vậy, trong giai đoạn này cũng
diễn ra các cuộc sát nhập của các công ty với nhau, thậm chí có sự liên kết giữa các
công ty chuyên về nhựa và các công ty chuyên về gỗ. Theo báo cáo của Kline &
Company (bang New Jersey, Hoa Kỳ), năm 2000, nhu cầu sử dụng gỗ và sợi trong
công nghiệp WPC là 180 000 tấn, chiếm 7% tổng nhu cầu chất độn công nghiệp nhựa.
Con số tương ứng năm 2001 là 320 000 tấn. Còn theo công ty Eckert, thị trường WPC
được chia ra thành các lĩnh vự chính như: xây dựng, tiêu dùng công nghiệp, tự động,
cơ sở hạ tầng…với các tỷ lệ như sau:

5


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

13%
7%
Xây dựng
Công nghiệp

10%

Tự động
70%

Khác

Hình 2.1: Các lĩnh vực ứng dụng WPC trên thị trường.
Năm 1991, Hội nghị Quốc tế về WPC lần đầu tiên được tổ chức tại Mandison,
Wisconsin với khoảng hơn 50 nhà khoa học tham dự. Sự kiện này cho thấy một cái
nhìn mới và đánh dấu một bước ngoặc của ngành công nghiệp WPC. Sau đó, Hội nghị
Quốc tế về WPC được tổ chức cứ hai năm một lần, Hội nghị lần thứ 7 năm 2003 tại
Madison thu hút trên 400 nhà khoa học gia tham dự. Con số này cho thấy WPC ngày
càng giành được nhiều sự quan tâm của giới hàn lâm và mở ra hướng phát triển bền
vững trong tương lai gần.
Composite là vật liệu của tương lai, nó đang thay thế dần cho các vật liệu
truyền thống như gỗ, kim loại, sứ...

Hình 2.2: Chu trình sản xuất tấm composite gỗ.
6

Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Từ góc độ kỹ thuật, composite nhựa-gỗ được cho là có thể tạo ra một sản phẩm
với cấu trúc cứng chắc, sản phẩm giống tự nhiên, có mùi dễ chịu và có thị trường tiêu
thụ lớn. Vật liệu này rất thích hợp để làm các bộ phận có thành dày, các bộ phận cần
độ cứng và ổn định về kích thước. Composite nhựa-gỗ có khả năng kháng vỡ kém hơn
nhiều so với nhựa khuôn ép phun và không thể chịu được va đập quá cao. Khi hàm
lượng nhựa nhiều có thể cải thiện tính kháng va đập do nhựa có tính mềm dẻo hơn gỗ.
2.2 Thành phần WPC
Ngày nay, quá trình sản xuất WPC dựa trên 3 thành phần chính: polyme nền, gỗ
và chất tạo cầu (coupling agent). Ngoài ra còn có vài chất phụ gia khác với hàm lượng
không đáng kể.
2.2.1 Polymer nền
Là chất kết dính, đóng vai trò chuyển ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng
lên vật liệu. Trong thực tế người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo hay nhiệt rắn
 Nhựa nhiệt dẻo như : PE, PS, ABS, PVC... vật liệu gia cường được trộn
với nhựa và gia công trên máy đúc tiêm ở trạng thái nóng chảy.
 Nhựa nhiệt rắn như : PU, PF, UF, epoxy, polyester không no... và được gia
công dưới áp suất, nhiệt độ cao, riêng đối với epoxy và polyester không no
có thể tiến hành ở điều kiện thường và gia công bằng tay.
Nhìn chung nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn so với nhiệt dẻo vì vậy
mà đa số vật liệu composite đều có polymer nền là nhưạ nhiệt rắn. Sau đây là một số
loại nhựa nền thường được sử dụng
2.2.1.1 Polyvinylclorua (PVC)
Hiện tại, các sản phẩm ứng dụng WPC-PVC chỉ chiếm một phần rất nhỏ trên
thị trường, thậm chí còn ít hơn PP. Điều này được giải thích là do PVC bị xem là vật
liệu ít thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, so với PE và, PP thì PVC có tính năng cơ
lý rất tốt. Hơn nữa, PVC cũng là loại vật liệu kháng cháy khá hiệu quả-một tính chất

quan trọng đối với WPC. Do đó, hiện tại PVC vẫn đang được nghiên cứu và phát triển.
Trong phạm vi đề tài này, PVC được chọn làm vật liệu nghiên cứu chính.

7


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Hình 2.3: Cấu trúc phân tử PVC.
Về tính điều hoà, hầu như PVC ở dạng atactic, tuy nhiên, tại một số vị trí trên
mạch, PVC có thể ở dạng syndiotactic và tại đó hình thành pha tinh thể. Mức độ tinh
thể trong PVC không nhiều, chỉ khoảng 5%. Phân tử lượng trung bình khối của PVC
khoảng 100 000-200 000, trong khi phân tử lượng trung bình số khoảng 45 000-64
000. Tỷ trọng của PVC khoảng 1.32-1.44 g/cm3, cao hơn PE và PP.
Có hai dạng PVC cơ bản là PVC rắn và PVC hóa dẻo. PVC rắn là PVC không
được biến tính hoặc không chứa chất hóa dẻo. PVC rắn rất cứng so với PE và PP, thẻ
tín dụng được làm từ loại PVC này. PVC cứng khi trộn với chất hóa dẻo được gọi là
PVC hóa dẻo (hay PVC mềm). PVC có những nhược điểm nhất định, chẳng hạn như
tính giòn cao và tính bền nhiệt thấp. Ở ngay tại nhiệt độ phòng, PVC cũng dễ gãy giòn,
liên quan tới nhiệt độ thủy tinh hóa khá cao, từ 70-900C. Trong khoảng nhiệt độ thủy
tinh hóa tới điểm chảy, mạch polymer chuyển động không tự do vì có những vùng tinh
thể đan xen trong mạch. Cấu trúc tinh thể sẽ không chuyển động tự do cho đến khi
nhiệt độ vượt quá điểm chảy. Khi cháy, PVC sinh ra khí HCl, vì vậy mà PVC bị xem
như là vật liệu gây hại tới môi trường nhất trong các loại polymer nhiệt dẻo. Nếu
không được ổn định nhiệt thì ngay tại khoảng 700C, PVC đã bắt đầu giảm cấp nhiệt và
giải phóng HCl. Trong bài này, tribasic chì sunphat được sử dụng để làm chất làm bền
nhiệt cho PVC. Tuy nhiên, PVC cũng có những tính chất quan trọng đối với ngành
WPC như tính kháng cháy cao và khả năng chịu lực cơ học rất tốt. Để tăng tính kháng

cháy cho WPC trên nền PE, PP, người ta có thể trộn thêm các chất độn khác. Đối với
PVC, do chứa tới 58% clorua nên chúng khó cháy hơn. Về độ bền cơ học, Bảng 1 cho
thấy PVC có ứng suất và modul uốn cao hơn PE, PP. Điều này thuận lợi cho những
ứng dụng WPC đòi hỏi sản phẩm phải chịu tải tốt, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng.
Nhựa PVC cũng cho thấy tính kháng ẩm tốt như PE và PP.

8


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

2.2.1.2 Polypropylen
H2
C

H
C

CH 2

CH 3

H2
C

H
C
CH 3

CH
CH 3

isotactic polypropylene
CH 3
CH

CH 2

CH

CH 3
CH 2

CH

CH 3

CH

CH 3

syndiotactic polypropylene

CH 3
CH

CH 2

CH 2

CH
CH 3

CH 2

CH

CH 2

CH 3
CH

CH 2

CH 3

atactic polypropylene

Hình 2.4: Cấu trúc phân tử polypropylene.
So với WPC-PE thì WPC-PP chỉ chiếm một phần nhỏ trên thị trường, chỉ
khoảng 10%. So với PE thì PP có một vài ưu điểm, chẳng hạn như nhẹ hơn, bền hơn,
cứng hơn. Nhựa PP cũng cho thấy khả năng kháng rảo tốt, kháng mài mòn và ít trơn
hơn. Tuy nhiên, một thuộc tính cố hữu của PP là tính giòn ở nhiệt độ thấp. Điều này
ảnh hưởng không nhỏ đến các sản phẩm WPC-PP, chúng trở nên rất khó cưa, cắt, đóng
đinh…với các dụng cụ thông thường. Đây cũng là nguyên nhân khiến WPC-PP ít phổ
biến hơn WPC-PE.
PP được chia làm hai loại chính là homopolymer và copolymer. Dạng homo có
pha tinh thể cao hơn, nhiệt độ nóng chảy khoảng 161-1650C, và có độ đa phân tán

thấp. Dạng copolymer thông thường chứa các polyetylen trong phân tử, hình thành các
copolymer ngẫu nhiên và copolymer khối. Nhiệt độ nóng chảy của dạng copolymer
dao động 140-1550C. Khối lượng riêng của PP khoảng 0.91 g/cm3, thấp hơn PE. Nói
chung, dạng PP homopolymer cứng hơn PP copolymer và PE. Modul uốn của homoPP, copo-PP và PE lần lượt là 160-290, 135-170 và 125-240 (x103 psi).

9


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

2.2.1.3 Polyethylene
PE là loại polymer nhiệt dẻo được ưa chuộng nhất, các sản phẩm WPC trên nền
PE chiếm hơn 80% thị trường trên thế giới. Nhờ có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp
(dao động từ 60 đến 1300C, phụ thuộc vào tỷ trọng và mức độ phân nhánh), nên khi
trộn với bột gỗ trong điều kiện nóng chảy, bột gỗ không bị phân hủy nhiệt. Hơn nữa,
PE nóng chảy có khả năng phân tán tốt các chất độn cũng là một thuận lợi của cho quá
trình sản xuất WPC. PE khá mềm, sản phẩm WPC từ PE có thể cưa, cắt, đóng đinh, vít
ốc...Cũng như PP, PE có khả năng kháng hút ẩm khá cao và trơ với nhiều loại acid
mạnh. PE cũng ít bị oxi hoá hơn các loại polyolefin khác.
PE là sản phẩm thu được khi trùng hợp ethylene ở áp suất từ 2 đến 3 atm, xúc
tác là các hợp chất của Ti, Al, Cr.
PE là chất rắn, cứng, có nhiệt chảy mềm > 141 oC. Khi trùng hợp ở áp suất cao ≈
1000 atm, xúc tác peoxit PE có nhiệt độ chảy mềm có ≈ 110 đến 125oC.
PE có tính chất của hữu cơ no, không tác dụng với axit, kiềm ở nhiệt độ thường.
PE được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày để làm bao gói (túi nilon). PE chỉ
tan trong decalin nên có thể hòa tan chất màu trong decalin để in trên PE.

Hình 2.5: Cấu trúc phân tử PE

PE tỉ trọng cao (HDPE)
HDPE có thể được trùng hợp từ ethylene CH2=CH2 ở áp suất khí quyển với
nhiệt độ 70oC; hoặc áp suất 2750 – 345kN/m2 ở nhiệt độ 100 - 175oC.
Cấu trúc: HDPE được cấu tạo bởi đa số các chuỗi polyethyene thẳng được xếp
song song, mạch thẳng của monomer có nhánh rất ngắn và số nhánh không nhiều.
Tính chất: HDPE có tính cứng vững cao, trong suốt nhưng có tính mức mờ đục
cao hơn LDPE, độ bóng bề mặt không cao,có thể chế tạo thành màng đục do không có
phụ gia TiO2.
10


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

- Khả năng bền nhiệt cũng cao hơn LDPE, nhiệt độ mềm dẻo là tnc=1210C, nên
có thể làm bao bì thực phẩm áp dụng chế độ thanh trùng pasteur; hoặc làm bao bì thực
phẩm động lạnh như thủy sản vì: tmin= -460C, thàn=140-1800C
- Ngoài tính cứng vững cao hơn LDPE có độ bền cơ học cao, sức bền kéo, sức
bền va chạm, bền xé đều cao hơn LDPE và LLDPE, nhưng vẫn bị kéo dãn, gây phá vỡ
cấu trúc polyme dưới tác dụng của lực hoặc tải trọng cao.
- Tính chống thấm nước, hơi nước tốt
- Tính chống thấm chất béo tốt hơn LDPE và LLDPE
- Tính chống thấm khí, hương cao hơn LDPE và LLDPE
- Khả năng in ấn tốt hơn so với LDPE và tương đương với LLDPE
Công dụng của HDPE
- HDPE có độ cứng vững cao, tính chống thấm khí, hơi khá tốt, tính bền cơ học
cao nên được làm vật chứa đựng như các thùng (can chứa đựng)có thể tích 1-20 lít với
độ dày khác nhau để đảm bảo độ cứng vững của bao bì theo khối lượng chứa đựng.
- Túi xách để chứa các loại vật, vật phẩm, lớp bao bọc ngoài để chuyển vật

phẩm đi.
- Nắp của một số chai lọ thủy tinh.
- HDPE thường không dùng làm bao bì để gói thực phẩm chống oxy hóa.
- HDPE đã được dùng làm bao bọc cách điện cho các loại dây cáp dưới nước và
cho rada.
MDPE có tính trung gian giữa LDPE và HDPE và rất ít được sản xuất cũng như
sử dụng trên thị trường.
Nhựa nền sử dụng ở đây là polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) là loại nhựa nhiệt
dẻo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. HDPE có nhiều ưu điểm như giá thành
tương đối rẻ, không độc hại trong quá trình gia công, cho sản phẩm tính chất cơ lý khá
tốt. Đặc biệt HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên có khả năng tái sinh, do đó nó rất thân thiện
với môi trường. Nhưng HDPE cũng có nhược điểm trong ứng dụng làm nhựa nền cho
vật liệu composite sợi tự nhiên là HDPE không phân cực trong khi sợi tự nhiên phân
cực do đó độ tương hợp giữa HDPE và sợi tự nhiên kém. HDPE là nhựa nhiệt dẻo nên
khi gia công phải ở dạng nóng chảy. Do điều kiện của phòng thí nghiệm nên phương
pháp ép áp lực có gia nhiệt được chọn để gia công vật liệu composite ở đây.
11


Luận văn tốt nghiệp

Nghiên cứu Composite

Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu
Vật liệu

LDPE

HDPE

PP

PVC

ABS

Nylon 6

Khối lượng riêng

0.91-

0.94-

0.90-

1.32-

1.01-

1.12-

(g/cm3)

0.93

0.97

0.91

1.44

1.08

1.14

-

1.4

6-7

6-16

4.3-6.4

9.7-16.5

350-

130-

600

420

Ứng suất uốn x103
(psi)
Modul uốn x103
(psi)

Ứng suất nén (psi)
Hấp thụ nước (%)
t=24h
Hệ số dãn nở nhiệt
x105 (l/F)

30-50

125-240 165-300

100-464

-

4.8

6.7

10.8

6.8

12

< 0.01

< 0.01

0.008

0.1

0.3

1.2

6-12

3-6

3.8-5.8

2.8-3.3

5.3

4.8

2.2.2 Vật liệu gia cường
Đóng vai trò là các điểm chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý
cao hơn nhựa.
Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:
 Tính gia cường cơ học.
 Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ.
 Khả năng phân tán vào nhựa.
 Khả năng truyền nhiệt và giải nhiệt.
 Thuận lợi cho quá trình gia công.
 Giá thành hạ, khối lượng nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm cụ thể mà người ta chọn lựa
vật liệu độn cho thích hợp. Có 2 loại độn :

 Độn dạng sợi: sợi có tính năng cao hơn so với các loại độn khác tuy nhiên
giá thành cũng cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp
như : sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi bo, sợ amid, sợi cacbuasilic.
 Độn dạng hạt: thường sử dụng là : silica, CaCO3, vảy mica, vảy kim loại,
độn khoáng như: cao lanh, đất sét, grafic...
12