Ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ phế thải và nhựa PE tái sinh đến tính chất của composite gỗ nhựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

x
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
--------------------

PHẠM VĂN THANH

ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ HỖN HỢP BỘT GỖ PHẾ THẢI
VÀ NHỰA PE TÁI SINH ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA
COMPOSITE GỖ-NHỰA

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị và công ghệ gỗ, giấy
Mã Số: 60.52.24

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Vũ Huy Đại

Hà Nội - 2010


i

LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành bản luận văn thạc sỹ, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn
sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học, TS. Vũ Huy Đại, người đã hướng dẫn
tận tình, chu đáo và nghiêm khắc trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Cơ Điện –
Xây Dựng & Nông Lâm Trung Bộ, đã tạo điều kiện cho tơi về mặt tài chính,
thời gian và động viên tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Ths. Phạm Gia Huân và các thầy giáo, cô giáo
và cán bộ công nhân viên Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polyme, Trường đại
học Bách khoa Hà Nội, gia đình anh Linh tại làng nghề Triều Khúc, Hà nội,
cùng toàn thể các bạn bè đồng nghiệp, những người đã chia sẻ những khó
khăn và tận tình giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn những người thân trong gia đình, những người ln u
thương, động viên và giúp đỡ tôi về vật chất cũng như tinh thần trong học tập
và cuộc sống.
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là cơng trình nghiên cứu của chính
tơi và xin chịu trách nhiệm về toàn bộ những kết quả nghiên cứu trình bày ở
đây.
Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2010
Tác giả

Phạm Văn Thanh


ii

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................i
MỤC LỤC.................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ................ v

DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................vii

ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................ 4
1.1. Đặc điểm chung của vật liệu composite .................................................. 4
1.1.1. Khái niệm .............................................................................................. 4
1.1.2. Phân loại vật liệu composite ................................................................. 4
1.1.3. Tính ưu việt của vật liệu polyme composite ......................................... 5
1.1.4. Ứng dụng của vật liệu polyme composite ............................................ 6
1.2. Đặc điểm chung của vật liệu composite gỗ-nhựa ................................... 6
1.2.1. Khái niệm vật liệu composite gỗ-nhựa ................................................. 6
1.2.2. Ứng dụng .............................................................................................. 7
1.3. Tình hình nghiên cứu ............................................................................ 11
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở ngồi nước .................................................... 11
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................... 15
1.4. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ................................................... 16
1.5. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................... 18
1.6. Phạm vi nghiên cứu................................................................................. 18
1.7. Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 19
1.8. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 19
1.8.1. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 19
1.8.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 20


iii

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 23
2.1. Thành phần cấu tạo và cơ chế gia cường của vât liệu polyme
composite......................................................................................................... 23

2.1.2. Thành phần cấu tạo ............................................................................. 23
2.1.2. Cơ chế gia cường của vật liệu PC ....................................................... 30
2.2. Cơ sở lý thuyết về vật liệu composite gỗ từ nhựa polyetylen (PE) tái
sinh và bột gỗ .................................................................................................. 31
2.2.1. Nguyên lý hình thành .......................................................................... 31
2.2.2. Thành phần.......................................................................................... 31
2.3. Khả năng tương hợp giữa HDPE tái sinh với bột gỗ ........................... 36
2.4. Quy trình cơng nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa từ nhựa phế
thải và phế liệu gỗ........................................................................................... 38
2.4.1. Phân loại nhựa..................................................................................... 38
2.4.2. Tạo mảnh nhựa ................................................................................... 40
2.4.3. Tạo hạt nhựa ....................................................................................... 41
2.4.4. Tạo hạt gỗ nhựa .................................................................................. 42
2.4.5.Gia công vật liệu WPC ........................................................................ 42
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu WPC ...................... 46
2.5.1. Ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC .................... 46
2.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng bột đến tính chất của vật liệu WPC ........ 47
2.5.3. Ảnh hưởng của của phương pháp gia cơng đến tính chất của vật liệu
WPC .............................................................................................................. 48
2.5.4. Ảnh hưởng của thông số chế độ ép khi gia cơng trên máy ép khn
đến tính chất của vật liêu WPC ..................................................................... 48
2.6. Cơ sở lựa chọn thông số chế độ ép khi gia công trên máy ép khuôn. 50
Chương 3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................ 53
3.1. Thực nghiệm tạo composite gô-nhựa .................................................... 53


iv

3.1.1. Vật liệu, thiết bị................................................................................... 53
3.1.2. Sơ đồ thực nghiệm .............................................................................. 54

3.1.3. Gia công composite từ nhựa HDPE tái sinh và bột gỗ phế thải ......... 55
3.2. Xác định một số tính chất của sản phẩm thí nghiệm........................... 59
3.2.1.Xác định điểm chảy của hạt gỗ-nhựa .................................................. 59
3.2.2. Xác định tỷ trọng vật liệu ................................................................... 61
3.2.3. Xác định độ bền kéo của vật liệu ........................................................ 62
3.2.4. Xác định độ bền uốn của vật liệu ........................................................ 65
3.2.5. Xác định độ bền va đập Charpy của vật liệu ...................................... 68
3.2.6. Xác định độ hấp thụ nước và trương nở chiều dày của vật liệu ......... 69
3.3. Phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu................................................. 72
3.4. Đề xuất các bước công nghệ .................................................................. 74
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 77
4.1. Kết luận ....................................................................................................... 77
4.2. Đề xuất và kiến nghị................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
STT Ký hiệu

Tên gọi

1

WPC

Composite gỗ-nhựa

2

PE

Polyetylen

3

PP

Polypropylen

4

PVC

Polyvinylclorua

5

EP

Epoxy

6

PS

Polystyren

7

PET

Polyethyleneterephtalat

8

HDPE

Nhựa polyetylen tỷ trọng cao

9

LDPE

Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp

10

MFI

Chỉ số chảy, g/phút

11

NND

Nhựa nhiệt dẻo

12

NNR

Nhựa nhiệt rắn

13

PC

Polyme composite

14

PEKN

Plyeste không no

15

MC

Độ ẩm, %

16

σk

Độ bền kéo, MPa

17

σu

Độ bền uốn, Mpa

18

Acu

Độ bền va đập, KJ/m2

19

P

Áp suất, MPa

20

W

Độ hấp thụ nước sau thời gian t, %

21

t

Chiều dày, mm

22

∆S

Độ trương nở chiều dày sau thời gian t, %

23

T

Nhiệt độ, oC


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

1

Bảng 1.1. Tỷ lệ vật liệu sử dụng ván sàn ngoài trời tại thị

12

trường Mỹ
2

Bảng 3.1. Kết quả kiểm tra điểm chảy của sản phẩm, 0C

60

3

Bảng 3.2. Kết quả kiểm tra tỷ trọng của composite gỗ-nhựa,

61

g/cm3
4

Bảng 3.3. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của sản phẩm, MPa

63

5

Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra mô đun kéo của sản phẩm, GPa

64

6

Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ bền uốn của sản phẩm, MPa

66

7

Bảng 3.6. Kết quả kiểm tra mô đun uốn của sản phẩm, GPa

67

8

Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra độ bền va đập Charpy của sản

68

phẩm, KJ/m2
9

Bảng 3.8. Kết quả kiểm tra độ hấp thụ nước của sản phẩm, %

70

Bảng 3.9. Kết quả kiểm tra độ trương nở chiều dày của sản

71

phẩm, %
10

Bảng 3.10. Tổng hợp tính chất cơ lý của vật liệu WPC làm từ
nhựa PE tái chế và gỗ phế liệu ở 3 cấp tỷ lệ bột gỗ khác nhau.

72

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT Tên hình

Trang

1

Hình 1.1. Cấu tạo vât liệu composite

4

2

Hình 1.2. Một số loại composite cốt sợi

5

3

Hình 1.3. Composite cốt hạt

5

4

Hình 1.4. WPC được dùng trong xây dựng

7

5

Hình 1.5. Các cơng trình ngồi trời được làm từ WPC

8

6

Hình 1.6. Sàn nhà được làm từ WPC

8

7

Hình 1.7: Các đồ nội thất ơtơ được làm từ WPC

9

8

Hình 1.8. Palet kê hàng được làm từ WPC

9

9

Hình 1.9. Đồ mộc được làm từ WPC

10

10

Hình 1.10. Ván cầu được làm từ WPC

10

11

Hình 2.1. Các thành phần cấu tạo vật liệu polyme composite

23

12

Hình 2.2. Cấu tạo composite gỗ-nhựa

31

13

Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu compsite gỗ

38

nhựa từ nhựa phế thải và phế liệu gỗ
14

Hình 2.4. Máy ép nhiệt

43

15

Hình 2.5. Thiết bị ép phun

44

16

Hình 2.6. Thiết bị ép đùn

46

17

Hình 3.1. Sơ đồ thực nghiệm tạo sản phẩm composite

54

gỗ-nhựa từ nhựa phế thải và phế liệu gỗ
18

Hình 3.2. Sơ đồ tạo bột gỗ

55

19

Hình 3.3. Sơ đồ tạo mảnh nhựa

56

20

Hình 3.4. Sơ đồ tạo hạt nhựa

57


viii

21

Hình 3.5. Sơ đồ tạo hạt gỗ-nhựa

57

22

Hình 3.6. Quy trình ép sản phẩm

57

23

Hinh 3.7. Biểu đồ ép

58

24

Hình 3.8. Biểu đồ điểm chảy của hạt Gỗ-nhựa

59

25

Hình 3.9. Biểu đồ tỷ trọng của sản phẩm

60

26

Hình 3.10. Mẫu thử độ bền kéo

62

27

Hình 3.11. Biểu đồ độ bền kéo của sản phẩm

63

28

Hình 3.12. Biểu đồ mơđun kéo của sản phẩm

64

29

Hình 3.13. Biểu đồ độ bền uốn của sản phẩm

65

30

Hình 3.14. Biểu đồ mơđun uốn của sản phẩm

67

31

Hình 3.15. Biểu đồ độ bền va đập Charpy của sản phẩm

69

32

Hình 3.16. Biểu đồ hấp thụ nước của của sản phẩm

71

33

Hình 3.17. Biểu đồ trương nở chiều dày của của sản phẩm

71

34

Hình 3.18. Sơ đồ quá trình sản xuất WPC từ nhưa phế thải

77

PE và phế thải gỗ


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay cả nước có khoảng 2500 doanh nghiệp chế biến gỗ với các quy
mô khác nhau, hàng năm tiêu thụ lượng gỗ tròn từ 8,5-10 triệu m3 gỗ trịn,
trong khi đó lượng phế liệu gỗ trong cưa xẻ gỗ thường dao động từ 11-12%
thể tích gỗ trịn. Lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ phụ thuộc vào
hình dạng của nguyên liệu, sản phẩm và chế độ gia cơng thường chiếm tỷ lệ
từ 20-50% thể tích gỗ trịn.
Như vậy có thể thấy, lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ
yếu là làm nhiên liệu đốt và thải ra ngồi mơi trường, gây lãng phí, ơ nhiễm
mơi trường, ảnh hưởng đến tỷ lệ lợi dụng gỗ và giá thành sản phẩm. Vấn đề
đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu gỗ này để nâng cao
tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu đồng thời bảo vệ được môi trường? Hiện nay cũng
đã có những cơng trình nghiên cứu sử dụng phế thải gỗ (mùn cưa, phoi bào)
làm ván ván dăm, ván sợi nhưng sản phẩm tạo ra có tính chất cơ lý thấp và
vẫn không khắc phục được những nhược điểm đó là tỷ lệ hút nước và tỷ lệ
trương nở chiều dày cao.
Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của các đồ dùng trong sinh hoạt ở tất

cả các lĩnh vực rất đa dạng chủ yếu có nguồn gốc từ Polyethylene (PE) bao
gồm chai lọ, dụng cụ y tế, màng bọc, túi đựng thực phẩm, màng đóng gói,…;
Popypropylen (PP) bao gồm vỏ ắc quy, dụng cụ y tế, túi đựng, màng công
nghiệp; nguồn gốc từ Nguồn gốc Polyvinylchlorua (PVC) bao gồm: ống
nước, tấm trần, vật liệu cách điện, bọc dây điện, tấm lát sàn, ống mềm,...
Hiện nay, chưa có những số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế
thải trong toàn quốc, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của Viện Vật
liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của thành
phố Hà Nội là khá cao (từ 7 đến 8%). Nếu tính lượng rác thải phát sinh trung
bình của Hà Nội là 18.000 tấn/ngày thì mỗi ngày Hà Nội thải ra khoảng trên


2

120 tấn nhựa phế thải. Hiện nay lương nhựa này một phần vẫn được thu gom,
phân loại, xử lý, tái chế để tạo ra các sản phẩm khác, nhưng hiệu quả sử dụng
khơng cao.
Đứng trước tình hình đó, để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường và nâng
cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu nhiều quốc gia trên thế giới đã có những
nghiên cứu kết hợp hai vật liệu nhựa và gỗ để tạo nên vật liệu vật liệu
composite gỗ-nhựa (Wood Plastic Composites - WPC) dùng trong các lĩnh
vực xây dựng, nội thất, cơng trình dân dụng… Phế liệu chất dẻo và phế liệu
gỗ dùng để sản xuất vật liệu WPC có tiềm năng rất lớn. Qua các kết quả
nghiên cứu và tình hình sản xuất về vật liệu WPC từ phế liệu gỗ và nhựa phế
thải có thể thấy rằng, sản xuất vật liệu WPC là xu hướng công nghệ hiện đại,
tạo vật liệu thân thiện môi trường có ý nghĩa về mặt xã hội, và sử dụng hiệu
quả nguồn tài nguyên.
Công nghệ sản xuất vật liệu WPC từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thái
được nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Mỹ, Canada xác định là hướng
nghiên cứu ưu tiên trong lĩnh vực công nghệ vật liệu mới. Sản xuất vật liệu

WPC trên nền nhựa nhiệt dẻo có thể bằng các phương pháp ép phẳng, ép đùn
và ép phun.
WPC có rất nhiều ưu điểm như: tính ổn định kích thước cao, khả năng
chống sinh vật hại gỗ rất tốt, bề mặt mịn, dễ gia cơng, có thể tạo ra màu sắc
thích hợp... được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: ván sàn, cầu thang, cửa, đồ
gỗ nội thất, vật liệu trang trí… Mặt khác dây chuyền sản xuất WPC rất phù
hợp với sản xuất quy mô nhỏ, vốn đầu tư thấp, nguyên liệu sử dụng chủ yếu
là các phế liệu gỗ và nhựa phế thải.
Các kết quả nghiên cứu trong nước cho thấy vật liệu composite nói chung
đã được nghiên cứu thành cơng ở các cấp độ khác nhau chủ yếu là trên nền
polyme nhiệt rắn, kết hợp với các chất gia cường như sợi thủy tinh, bột gỗ,


3

bột tre và chất tăng cường và khả năng ứng dụng cũng rất rộng rãi. Các cơng
trình nghiên cứu về sử dụng chất dẻo phế thải và phế liệu gỗ để tạo vật liệu
composite cịn rất ít, mặc dù hướng nghiên cứu này rất có tiềm năng trong
tương lai.
Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu WPC ở Việt Nam hầu như chưa được
nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất do vậy việc nghiên cứu tạo vật liệu
composite gỗ-nhựa ở nước ta có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra xu
hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ và tạo vật liệu mới thay thế
gỗ tự nhiên trong xây dựng và nội thất, đặc biệt có ý nghĩa rất lớn trong việc
bảo vệ mơi trường.
Song vấn đề đặt ra là gỗ và nhựa là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau
về đặc điểm cấu tạo cũng như tính chất. Để tạo ra sản phẩm phù hợp với yêu
cầu sử dụng nhưng vẫn đảm bảo các tính chất của vật liệu và khắc phục được
mốt số nhược điểm của gỗ tự nhiên, ván dăm, ván sợi là vấn đề cần được
quan tâm. Yếu tố này ảnh hưởng rất nhiều từ tỷ lệ trộn hỗn hợp bột gỗ phế

thải và nhựa tái sinh.
Xuất phát từ những vấn đề trên trên, tôi lựa chọn đề tài "Nghiên cứu
ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ phế thải và nhựa PE tái sinh đến tính
chất của vật liệu composite gỗ-nhựa "


4

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Đặc điểm chung của vật liệu composite

1.1.1. Khái niệm
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác
nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng
loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm
một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật
liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường
có tính chất trội hơn pha liên tục [2, 3].
Vật liệu polyme composite (PC) là vật liệu composite gồm hai hay nhiều
pha rất khác nhau về bản chất và khơng tan lẫn vào nhau. Trong đó có pha
liên tục (pha nền) là polyme và pha gia cường ở dạng sợi, vảy hay bột phân
bố gián đoạn, bao bọc bởi nền polyme [4, 6].

Vùng trung gian
(tác nhân kết dính)

Nền

Sợi
Bề mặt tiếp xúc

Hình 1.1. Cấu tạo vât liệu composite

1.1.2. Phân loại vật liệu composite
a. Phân loại theo hình dạng vật liệu gia cường
- Composite cốt sợi: là composite được gia cường dạng sợi, nó có độ bền
riêng và mơ đun đàn hồi cao. Ví dụ: Composite sợi thủy tinh, cacbon,
cellulose. Có hai dạng chính sợi liên tục (sợi dài, vải) và sợi gián đoạn
(sợi ngắn, vụn).


5

Sợi ngắn sắp xếp Sợi ngắn

Sợi dài đơn

Sợi dài ở

hỗn độn

hướng

dạng lớp

định hướng

Hình 1.2. Một số loại composite cốt sợi

- Composite cốt hạt: là composite được gia cường bởi các hạt với các
dạng kích cỡ khác nhau. Có một số cốt hạt như: vảy mica, hạt cao lanh,
bột đá, bột vảy kim loại, bột gỗ….

Hạt
Vảy, mảnh
Hình 1.3. Composite cốt hạt

b. Phân loại theo bản chất vật liệu nền
- Nền polyme: polyeste không no, epoxy, polypropylen, polyetylen…
- Nền gốm: tạo ra vật liệu composite chịu nhiệt tốt.
- Nền kim loại: hợp kim nhơm, hợp kim titan.
1.1.3. Tính ưu việt của vật liệu polyme composite
Tùy vào từng loại vật liệu PC khác nhau mà nó có các tính chất ưu việt
khác nhau như:
- Khối lượng riêng nhỏ, tính năng cơ lý cao hơn thép và các vật liệu
truyền thống khác (thủy tinh, gốm sứ, gỗ…).
- Giá thành không cao.
- Chịu môi trường, kháng hóa chất, khơng tốn kém trong bảo quản, có
khả nămg chống ăn mịn, khơng cần sơn bảo quản như vật liệu kim
loại, gỗ.
- Cách điện, cách nhiệt tốt.


6

- Có độ bền lâu.
- Gia cơng chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, dễ sửa chữa và
thay thế.

- Chi phí đầu tư thiết bị gia cơng thấp.
1.1.4. Ứng dụng của vật liệu polyme composite
- Trong ngành Giao thông-Vận tải, vật liệu polyme composite được dùng
để chế tạo các thiết bị, phương tiện như: tàu thuyền đi biển, thùng chứa
nhiên liệu, ốp trần toa xe lửa, lốp các loại xe…
- Làm vật liệu xây dựng: cấu kiện nhà lắp ghép, dầm chịu lực, tấm lợp…
- Làm vật liệu điện: tấm cách điện, vá các thiết bị điện, máy biến thế…
- Làm vật liệu chịu hóa chất: bồn chứa, ống dẫn, bể điện phân…
- Làm vật liệu gia dụng: bàn, ghế, tủ, giá, bồn tắm, tấm cách âm…
- Trong cơng nghệ giải trí: đồ chơi, ván trượt …
- Vật liệu polyme composite cao cấp dùng trong công nghệ hàng không
vũ trụ, dụng cụ thể thao cao cấp…
1.2.

Đặc điểm chung của vật liệu composite gỗ-nhựa

1.2.1. Khái niệm vật liệu composite gỗ-nhựa
Vật liệu Composite gỗ-nhựa (Wood Plastic Composites – WPC) là loại
vật liệu composite được tổ hợp từ nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PVC ...), có thể từ
nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh cùng với bột gỗ và một số chất phụ gia khác.
Sản phẩm có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thước cao và có thể chế tạo ra các
loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [22, 23, 24, 27, 28].
WPC được chế tạo từ hỗn hợp pha trộn giữa bột gỗ và nhựa nhiệt dẻo,
có thể sử dụng công nghệ ép đùn, ép phun hay ép khn để tạo ra sản phẩm.
Gỗ có thể đi từ dạng mùn cưa, dăm gỗ, vỏ bào… Nhựa nhiệt dẻo có thể sử
dụng nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh tuỳ vào lĩnh vực sử dụng của vật
liệu[17].


7

1.2.2. Ứng dụng
WPC là một loại vật liệu có thành phần cơ bản là Cellulose kết hợp với
chất dẻo (PE, PP…) và các phụ gia khác. Vật liệu này được sử dụng để thay
thế dần cho các sản phẩm gỗ tự nhiên, vì sản phẩm WPC có khả năng khắc
phục những khuyết điểm của gỗ tự nhiên đó là khơng bị cong vênh, biến dạng
và có khả năng chống chịu môi trường, không bị sinh vật hại gỗ tấn công. Với
vật liệu này chúng ta có thể tạo hình, tạo màu sắc cho sản phẩm theo yêu cầu,
rất thuận lợi cho việc lắp ghép, sửa chữa. Hơn thế nữa khi sử dụng sản phẩm
WPC không cần phải sơn phủ, khi gia cơng sản phẩm có thể sử dụng những
cơng cụ gia công giống như đối với gỗ: cưa, khoan, chạm….Các sản phẩm
được tạo từ WPC có thể dùng đinh, vít, bulông... để liên kết các chi tiết [25,
26].
Nhờ những đặc tính ưu việt mà vật liệu WPC được dùng để thay cho gỗ
tự nhiên, ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thơng, các cơng trình
nội thất, ngoại thất, đồ nội thất ô tô, máy bay,...


8

Hình 1.4. WPC được dùng trong xây dựng

Hình 1.5. Các cơng trình ngồi trời được làm từ WPC


9

Hình 1.6. Sàn nhà được làm từ WPC

Hình 1.7. Các đồ nội thất ơtơ được làm từ WPC

Hình 1.8. Palet kê hàng được làm từ WPC


10

Hình 1.9. Đồ mộc được làm từ WPC

Hình 1.10. Ván cầu được làm từ WPC


11

1.3.

Tình hình nghiên cứu

1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở ngồi nước
Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000
năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào
cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong
quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite
từ khoảng 3.000 năm trước Cơng ngun, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền
làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa
và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, rạ là những sản
phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Sự phát triển
của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những
năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi
thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp
này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu

chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột phá
quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và
các sợi gia cường như Polyeste, nylon,…. Đến năm 1970 vật liệu composite
được bổ sung thêm một lọat các nguyên liệu chính nữa khi nhựa epoxy được
ra đời và các loại vật liệu gia cường mới như sợi cacbon, sợi aramit, sợi
silic… được phát hiện và đưa vào ứng dụng. Kể từ đó đến nay vật liệu
composite được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân dụng và
công nghiệp từ những sản phẩm thông thường như các hệ thống chứa đựng,
các bồn nuôi trồng thủy sản, các chi tiết ôtô, các tấm sàn và vách ngăn trong
xây dựng,... cho đến các sản phẩm công nghệ cao sử dụng trong các ngành
công nghiệp điện tử, hàng không, vũ trụ, quân sự, thể thao,... [3, 15, 17].
Theo nhiều nguồn tài liệu, trên thế giới vật liệu composite từ phế liệu gỗ
và chất dẻo phế thải có nguồn gốc từ Popypropylen (PP), Polyethylene (PE),


12

Polyvinylchloride (PVC) có tên gọi tiếng Anh là “WPC-wood plastic
composite” [19, 22, 24] tạm dịch ra tiếng Việt là vật liệu composite gỗ-nhựa.
Các loại nhựa kết hợp với bột gỗ chủ yếu là PE chiếm 70% dùng để làm các
chi tiết trong ngành xây dựng, PP chiếm 17% chủ yếu dùng để làm các chi tiết
trong ngành ô tô, PVC chiếm 13% dùng để làm các chi tiết trong ngành xây
dựng, trang trí,.. [25].
Trong những năm gần đây, vật liệu WPC được nghiên cứu thành công và
áp dụng tại Mỹ và đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như
Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thụy Điển, Nga, Trung Quốc. Chỉ tính riêng tại
Mỹ trong năm 2004 vật liệu gỗ WPC sử dụng trong xây dựng đã chiếm tỷ lệ
15%-20% trong tổng số các loại vật liệu gỗ [24]. Châu Âu sản xuất vật liệu
WPC trong năm 2002 đạt 1.03 tỷ USD; Thị trường phát triển nhanh và năm
2006 đạt 1.95 tỷ USD [24].

Theo tài liệu [22] Tỷ lệ vật liệu sử dụng ván sàn ngoài trời tại thị trường Mỹ.
Bảng 1.1. Tỷ lệ vật liệu sử dụng ván sàn ngoài trời tại thị trường Mỹ

Năm

Giá trị tiêu

Sản phẩm, %

thụ, Tỷ đô

Gỗ

Nhựa

WPC

1992

2.3

97

1

2

2002

3.4

91

2

7

2005

5.1

77

4

19

2006

5.5

73

5

22

2011

6.5

66

4

30

Tại thị trường châu Âu từ 2002 đến 2007 mức tiêu thụ sản phẩm WPC
tăng từ 500 triệu Euro đến 1 tỷ Euro và trong vòng 10 năm tới thị trường châu
Âu có thể sẽ vượt qua thị trường Mỹ về việc sử dụng sản phẩm này [22].


13

Thị trường châu Á hàng năm tiêu thụ lượng WPC tương đối lớn nhưng
không bằng thị trường Mỹ và châu Âu. Nước sản xuất nhiều nhất vẫn là
Trung Quốc mỗi năm có thể cung cấp ra thị trường 1500000 tấn WPC [25,
26].
Theo nghiên cứu của Hiệp hội sản phẩm gỗ-nhựa cho biết, mặc dù nhu
cầu nhà ở mới và các dự án xây dựng, sửa chữa xuống đến mức thấp kỷ lục,
nhưng thị trường các mặt hàng gỗ kết hợp với chất dẻo (wood-plastic
composite và plastic lumber) vẫn đang phát triển tốt, dự báo lượng bán sản
phẩm WPC ngoài thị trường có thể tăng 9,2% mỗi năm và sẽ đạt 5,3 tỉ USD
trong năm 2013 do người tiêu dùng ngày càng chấp nhận và ưa chuộng sử
dụng mặt hàng này.
Vật liệu WPC ngày càng được sử dụng nhiều nhờ những đặc điểm ưu
việt như: có thời gian sử dụng lâu dài, ít tốn chi phí sửa chữa, bảo dưỡng,
kháng cơn trùng và nhiều loại hố chất, có thể gia cơng như các loại gỗ thơng
thường.
Ngồi ra, sản phẩm này cịn mở đường cho sự phát triển của các sản

phẩm “xanh” góp phần bảo vệ mơi trường nhờ có thời gian sử dụng lâu dài,
có khả năng tái chế, tái sử dụng cao. Nhờ những đặc điểm ưu việt này mà nhu
cầu sử dụng loại sản phẩm này ngày càng tăng cao trên thế giới.
Lĩnh vực sử dụng vật liệu composite gỗ-nhựa rất rộng rãi: làm ván sàn,
ván ốp tường, ván phủ mặt, khung cửa sổ, cửa đi, đồ dùng ngoài trời, sàn nhà,
các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao…. [19, 24, 25]
Trên thế giới nhiều hãng sản xuất ô tô đã ứng dụng sản phẩm composite
từ nhựa nhiệt dẻo và sợi thực vật và một số chi tiết của xe ơ tơ (hãng
misubishi, toyota, hon da,…)
WPC có những đặc điểm ưu việt hơn so với các vật liệu khác như ván
dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau, độ hút nước


14

và độ trương nở chiều dày thấp và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng. Cơng
nghệ và thiết bị đơn giản, nguyên vât liệu sử dụng chủ yếu là phế liệu gỗ và
chất dẻo phế thải.
Trong thành phần của vật liệu WPC ngồi bột gỗ và chất deo cịn có chất
tăng cường để nâng cao tính chất cơng nghệ và sử dụng của sản phẩm. Các
kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thành phần hỗn hợp này như sau: Bột gỗ
(50-80)%, nhựa chất dẻo (17-50)%, chất tăng cường (2-4)% [24, 27].
Theo [19] vật liệu WPC được sản xuất bằng phương pháp ép đùn từ bột
gỗ sồi, gỗ thích và chất dẻo phế thải PE, PP, PVC với tỷ lệ trộn giữa các thành
phần: (51-65) % bột gỗ và (45-30)% chất dẻo và có thể cho thêm (2-4)% chất
tăng cường. Sản phẩm tạo ra có kích thước: bề rộng từ 75-150mm; bề dày từ
12-30mm; chiều dài sản phẩm theo ý muốn, các sản phẩm có hình dạng khác
tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của đầu đùn, các sản phẩm này được
sử dụng làm ván sàn, vách ngăn, đồ mộc ngồi trời, đồ mộc nội thất, đồ
chơi,...

Cơng nghệ ép đùn có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng (Profile) khác
nhau ở dạng đặc hoặc rỗng. Hình dạng sản phẩm phụ thuộc vào đầu đùn ở
trong máy ép đùn. Cơng nghệ ép phun có thể tạo ra các sản phẩm có hình
dạng phức tạp hơn tùy vào hình dạng của khn ép. Hiện nay cơng nghệ ép
phun và công nghệ ép đùn được xem như là loại hình cơng nghệ tiên tiến,
hiện đại trong việc tạo ra các sản phẩm WPC chất lượng cao và có hình dạng
phức tạp có khả năng thay thế vật liệu gỗ truyền thống [24, 27].
Công nghệ tạo vật liệu composite từ phế thải gỗ và nhựa tái sinh trong
khn ép kín bao gồm các công đoạn: Tạo bột gỗ, tạo hạt nhựa, tạo hạt gỗnhựa, trải hạt gỗ-nhựa trên khuôn ép, ép trong khn kín, làm nguội. Ưu điểm
của phương pháp này là công nghệ đơn giản, đầu tư thấp, hiệu quả cao phù
hợp với điều kiện sản xuất nhỏ. Nhược điểm là kích thước sản phẩm có hạn


15

về chiều dài, chiều rộng và chiều dày thường mỏng, năng suất và mức độ tự
động hố khơng cao so với ép đùn và ép phun [22].
Theo [18, 19, 21] vật liệu composite gỗ-nhựa được sản xuất bằng
phương pháp ép trong khn kín từ phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải nhựa PE
trên dây chuyền với công suất 50.000 m2 sản phẩm/năm để tạo ra các tấm ván
có kích thước 1200 x 600 x h (dài x rộng x chiều dày từ 6-30mm) dùng để
làm ván sàn, mặt bậc cầu thang, palet kê hàng …). Tính chất của vật liệu
composite gỗ-nhựa cũng xác định được: Tỷ trọng từ 1-1,3 g/cm3, độ bền kéo
từ 11-24 MPa, độ bền uốn từ 15-27 MPa, tương đương với ván dăm và ván
sợi. Độ hút nươc thấp (<7% thậm chí đạt tỷ lệ 0%).
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam từ đầu năm 1970 công nghệ vật liệu composite mới phát
triển, bắt đầu từ sự kiện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã chế tạo thành
công vật liệu composite để tạo các đường ống dẫn dầu. Hiện nay, ở nước ta
mới chỉ phát triển một số loại hình cơng nghệ tạo vật liệu composite trên nền

nhựa Epoxy, Polyester, Vinyleste kết hợp với sợi thủy tinh bao gồm sợi dài,
vải và mạt dùng để chế tạo các sản phẩm: ống dẫn có đường kính lớn, tấm lợp
lấy ánh sáng, bồn tắm, đá nhân tạo, bàn bếp, khung cửa, các loại Cano, thuyền
cứu sinh, hộp công tơ điện, ghế ngồi sân vận động… Khoảng 98% vật liệu
polyme composite bán ra thị trường và được chấp nhận có chứa các loại sợi
gia cường như thủy tinh, cacbon và aramit [1, 3, 12, 15].
Trong công nghiệp chế biến gỗ ở nước ta đã thành công trong việc sản
xuất các loại ván dăm, ván ép định hình từ bột gỗ kết hợp với nhựa nhiệt rắn
PF, UF và ứng dụng vào thực tế sản xuất. Theo kết quả nghiên cứu của tài
liệu [7] đã sử dụng phế liệu gỗ kết hợp với xi măng để sản xuất ván dăm xi
măng dùng trong xây dựng.


16

Một số cơng trình nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu vật liệu
polyme đã đề cập đến việc sử dụng sợi thực vật mạt tre, sợi đay kết hợp với
ba loại nhựa nhiệt rắn có nguồn gốc polyeste khơng no, epoxy và vinyleste để
tạo ra vật liệu composite và đã kiểm tra các tính chất của vật liệu này; độ bền
uốn, kéo, nén, độ trương nở, khả năng hút nước… Vật liệu composite trên nền
nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc polypropylen gia cường bằng hệ sợi lai tạo tre,
luồng, thuỷ tinh đã được nghiên cứu thử nghiệm thành công [11, 13, 14, 15].
Trường Đại học Lâm nghiệp đã có một số kết quả nghiên cứu về vật liệu
composite gỗ, đó là: Nghiên cứu công nghệ tạo vật liệu composite tre-gỗ dùng
trong xây dựng và gia cơng đồ mộc[16] ,...
1.4. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Do những tiện ích và thói quen tiêu dùng nên các sản phẩm nhựa, đặc
biệt là các bao bì nhựa đã và đang được dùng ngày càng nhiều. Điều đó dẫn
đến lượng nhựa phế thải trong rác thải ngày càng lớn gây nên những sức ép
lớn về mơi trường.

Ước tính tồn thế giới có 40-50 triệu tấn phế thải polyme mỗi năm. Đây
là những vật liệu rất khó phân hủy, có thể tồn tại trong mơi trường hàng chục,
hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm; để lại hậu quả về môi trường rất nặng
nề.
Hiệp hội các nhà sản xuất chất dẻo ở Châu Âu (Association of Plastics
Manufacturers in Europe) đã tiến hành những nghiên cứu ban đầu để đánh giá
các phương pháp tái chế rác thải chất dẻo bao gói ở Châu Âu trên cơ sở đánh
giá tỷ lệ giữa các loại rác thải chất dẻo bao gói và giữa rác thải chất dẻo bao
gói sinh hoạt và cơng nghiệp. Kết quả nhận được như sau:
- 71,8% rác thải rắn đơ thị, trong đó:
 Màng PE/PP (47,1%)
 Chai và các sản phẩm cứng khác từ PE/PP (19,1%)