Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ nhựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

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

NGÔ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC BỘT GỖ
ĐẾN TÍNH CHẤT COMPOSITE GỖ-NHỰA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nô ̣i - 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

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

NGÔ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC BỘT GỖ
ĐẾN TÍNH CHẤT COMPOSITE GỖ-NHỰA

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị và công nghệ gỗ, giấy
Mã số: 60 52 24

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Vũ Huy Đại

Hà Nô ̣i, 2010


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Gỗ là loại vật liệu thiên nhiên, gắn liền với đời sống con người mà
nhiều loại vật liệu khác không thể thay thế được. Sử dụng phế liệu gỗ là xu
hướng sử dụng hiệu quả phế liệu gỗ và bảo vệ môi trường. Mặt khác tạo vật
liệu mới có tính năng ưu việt như độ ổn định kích thước, khả năng chống chịu
môi trường,…
Vật liệu gỗ-nhựa (WPC) - dạng vật liệu mới phát triển ở Châu Mỹ,
Châu Âu và một số nước Châu Á trong những năm gần đây với tốc độ phát
triển công nghệ và ứng dụng trong thực tế rất lớn.
Đứng trước tình trạng nguyên liệu ngày càng khan hiếm như vậy đã đặt
ra vấn đề tìm kiếm nguyên liệu mới và sử dụng hợp lý nguồn nguyên liệu gỗ.
Bên cạnh đó nước ta hàng năm phải nhập khẩu hàng triệu tấn nhựa và
với việc phụ thuộc vào giá nguyên liệu trên thế giới đã làm giá thành sản
phẩm tăng, giảm tính cạnh tranh cũng như hiệu quả kinh tế của ngành nhựa.
Mặt khác, lượng nhựa phế thải khó phân hủy ngày càng nhiều đã gây ơ nhiễm
mơi trường và lãng phí. Do đó việc tái sử dụng nhựa là rất có ý nghĩa đối với
mơi trường và góp phần giảm chi phí sản xuất của doanh nghiệp. Nhựa tái
sinh kết hợp với bột gỗ sẽ tạo ra vật liệu gỗ-nhựa thay thế cho nhựa nguyên
chất và gỗ tự nhiên ở một vài lĩnh vực không địi hỏi tính năng cơ lý cao như:

vách ngăn, ván sàn, đồ gia dụng…
Nghiên cứu sản xuất composite gỗ-nhựa từ gỗ keo tai tượng sẽ nâng
cao hiệu quả sử dụng loại gỗ này và là cơ sở để mở rộng ra với các loại gỗ
khác. Với mong muốn góp phần nâng cao giá trị sử dụng gỗ và bảo vệ mơi
trường, để có những kết luận ban đầu về khả năng làm composite gỗ-nhựa từ
phế liệu gỗ keo tai tượng và chất dẻo phế thải, luận văn tốt nghiệp "Nghiên
cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite gỗ-nhựa" đã
được thực hiện.


2

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác
nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những
vật liệu này làm việc riêng rẽ.
Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000
năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất
trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điền hình về
composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập.
Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân
cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với
nhau bằng lignin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và
dẻo - một cấu trúc composite lý tưởng.
Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm
vật liệu xây dựng [8].
Từ năm 1908, vật liệu composite nền nhựa phenol, formandehide đã
được sử dụng với số lượng lớn để sản xuất các thiết bị điện. Vào những năm

1930, Slayter và Thomas đã được cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thủy
tinh và được Ellis và Foster dùng gia cường cho nhựa polyeste không no
(PEKN). Năm 1942, vật liệu composite cốt sợi thủy tinh được đưa vào sử
dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, cơng nghiệp đóng tàu. Năm 1950,
chất lượng của vật liệu composite được nâng cao rất nhiều nhờ sự ra đời của
nhựa epoxy (EP) và hàng loạt sợi gia cường khác như sợi cacbon, sợi aramit
(kevlar), sợi silic… Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành
khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong
công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học


3

cơng nghệ vật liệu composite đã phát triển trên tồn thế giới và có khi thuật
ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite".
Theo nhiều nguồn tài liệu, trên thế giới vật liệu composite từ phế liệu
gỗ và chất dẻo phế thải có nguồn gốc từ Polypropylen (PP), Polyetylen (PE),
Polyvinylchloride (PVC) có tên gọi tiếng Anh là “WPC-wood plastic
composite” tạm dịch ra Tiếng Việt là vật liệu composite gỗ-nhựa.
Trong công nghệ sản xuất vật liệu gỗ WPC, chất kết dính là nhựa PP,
PE, PVC được phân loại sau đó được nghiền nhỏ và trộn với bột gỗ, trong quá
trình nén ép bột nhựa sẽ nóng chảy ở nhiệt độ từ 160-1800C và đóng vai trị là
chất kết dính, liên kết bột gỗ, sợi gỗ trong điều kiện có áp lực đủ, sau đó sản
phẩm được làm nguội để tạo ra vật liệu composite gỗ-nhựa [17].
Trong những năm gần đây, vật liệu gỗ-nhựa (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. Gần 70 công ty ở Mỹ
và Canada như Trex, Fiber Composite, Nexwood, Kadant Composite, Dura

product, Certain Teed...sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa trong năm 2002
đạt 1.03 triệu USD; Thị trường phát triển nhanh và năm 2006 đạt 1.95 triệu
USD. 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 tàu,
các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao…
Những lợi thế của vật liệu composite gỗ-nhựa so với các vật liệu khác
như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau và
hồn tồn có thể tái chế sử dụng. Trong thành phần của vật liệu composite gỗ
nhựa bao gồm một số thành phần như sau: Bột gỗ được nghiền từ phế liệu chế
biến gỗ, chất dẻo được nghiền thành mảnh nhỏ, chất tăng cường để nâng cao


4

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 (40-70)% nhựa chất dẻo
(60-30)% .
Sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa có thể thực hiện bằng các phương
pháp ép đùn, ép trong khn kín. Cơng nghệ ép đùn có thể tạo ra các sản
phẩm rất đa dạng có hình dạng (Profile) khác nhau ở dạng đặc, rỗng. Hình
dạng sản phẩm phụ thuộc vào khn ép trục vít ở trong máy ép đùn. Cơng
nghệ tạo vật liệu composite trong khn ép kín bao gồm các công đoạn: Tạo
bột gỗ, băm nghiền nhựa phế thải, trộn hỗn hợp, trải trên khn 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 về chiều dài và chiều rộng và chiều dày thường
mỏng, năng suất và mức độ tự động hố khơng cao so với ép đùn. Trong 3
loại loại chất dẻo phế thải PP, PE, PVC sử dụng để tạo vật liệu composite gỗ
nhựa, thì tỷ lệ khối lượng chất dẻo sử dụng để sản xuất vật liệu composite gỗ
nhựa như sau: chất dẻo PE chiếm 70%, PP chiếm 13%, PVC chiếm 17%.

Như vậy, công nghệ sản xuất vật liệu gỗ-nhựa từ phế liệu chế biến gỗ
và chất dẻo phế thải đã phát triển rất mạnh trên thế giới, sản phẩm gỗ-nhựa rất
đa dạng và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực: xây dựng, nội ngoại thất, cơng
trình dân dụng, giao thông.
Trong công nghiệp chế tạo ôtô: Vật liệu composite được sử dụng nhằm
làm giảm trọng lượng của xe, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ rung, ồn cho xe.
Bên cạnh đó sử dụng vật liệu composite cịn có tác dụng giảm bớt nguy hiểm
cho người sử dụng xe khi gặp nguy hiểm. Hiện nay loại vật liệu này được ứng
dụng làm một số bộ phận trong ôtô như: vỏ, trần, nội thất…
Trong cơng nghiệp đóng tàu: So với các vật liệu như kim loại thì vật
liệu polyme composite (PC) có những ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu đóng


5

tàu như tỉ trọng thấp, có khả năng cách điện tốt, đặc biệt là bền trong mơi
trường hóa chất và nước biển…Hiện nay trong ngành đóng tàu vật liệu
composite đang được sử dụng để sản xuất một số chi tiết như: thân tàu, cột
buồm, thùng chứa, ca nô cứu sinh…
Trong công nghiệp xây dựng: Vật liệu composite được ứng dụng để sản
xuất các sản phẩm với nhiều chủng loại như: tấm lợp, thanh chịu lực, ống
dẫn…
Ngoài ra composite rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhơm nếu cùng thể
tích. Nhờ ưu điểm này, gần đây vật liệu composite đã được sử dụng để thay
thế kim loại trong các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng...
Người ta có thể phủ lên mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm
giác giống kim loại.
Tính ưu việt của vật liệu composite : Tùy vào từng loại vật liệu polyme
composite khác nhau mà nó có các tính chất ưu việt khác nhau như:
+ Hệ số phẩm chất cao, khối lượng riêng nhỏ, tính năng cơ lý riêng cao hơn

thép và các vật liệu truyền thống khác (thủy tinh, gốm sứ, gỗ…).
+ Có khả năng chống chịu mơi trường cao, kháng hóa chất, khơng tốn kém
trong bảo quản và chống ăn mịn, khơng cần sơn bảo quản như vật liệu kim
loại, gỗ.
+ Cách điện, cách nhiệt
+ Có độ bền lâu
+ Gia công chế tạo đơn giản, nhanh, đa dạng, dễ tạo hình, dễ sửa chữa và thay
thế.
+ Chi phí đầu tư thiết bị gia công thấp.
+ Giá thành không cao
Tính chất và ứng dụng của polyme composite: Độ bền và độ chắc cao
của vật liệu polyme composite làm cho các chi tiết chuyển động như bánh xe,


6

trục quay có khả năng hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với các chi tiết làm
bằng hợp kim. Điều đó có nghĩa là năng lượng tích tụ trên một đơn vị trọng
lượng cao hơn. Khác với các vật liệu truyền thống, sự phá hủy của vật liệu
polyme composite khi đạt đến tải trọng tới hạn không xảy ra tức thời, nghĩa là
không xảy ra hư hỏng thảm họa. Vật liệu polyme composite tiếp tục biến
dạng mà vẫn duy trì được khả năng làm việc ở các tải trọng thấp hơn tải trọng
phá hủy. Một cơ chế phá hủy như vậy của các vật liệu polyme composite gia
cường bằng sợi đảm bảo cho các chi tiết làm việc với độ tin cậy cao.
Vật liệu gỗ-nhựa là một loại vật liệu có thành phần cơ bản là sợi gỗ kết
hợp với chất dẻo (PP, PE…) và các phụ gia khác.
Vật liệu gỗ-nhựa có đặc tính gần giống như gỗ tự nhiên nhưng khắc
phục được những nhược điểm của gỗ tự nhiên như độ bền cao, cong vênh, nứt
nẻ nhất là trong những điều kiện khí hậu nóng ẩm ở những nước nhiệt đới.
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.
Khi gia công vật liệu gỗ-nhựa có thể sử dụng những cơng cụ giống như
đối với gỗ: bào, đục, cưa, khoan, chạm….Các sản phẩm vật liệu gỗ-nhựa có
thể được sử dụng với đinh, vít, ghim, kẹp và có thể giữ móc tốt hơn gỗ, có thể
dùng keo đặc biệt để dán các mối nối.
Nhờ những ứng dụng thay thế gỗ tự nhiên, sử dụng loại vật liệu này
thân thiện với môi trường. Vật liệu gỗ-nhựa tiêu thụ ngày càng nhiều ở Mỹ,
châu Âu và nhiều nước công nghiệp tiên tiến trên khắp thế giới.
Một trong những loại sản phẩm từ vật liệu gỗ-nhựa đang được ưa dùng
là ván sàn Composite nhựa gỗ. Sự tăng trưởng của ván sàn vật liệu gỗ-nhựa ở
Bắc Mỹ từ 1% vào giữa thập niên 90 cho đến nay đã vượt 20%.
Mỹ là nước áp dụng các công nghệ tiên tiến trong việc sản xuất vật liệu
gỗ-nhựa, loại vật liệu này ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp


7

làm sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tường và ốp trần nhà, làm hàng rào trang
trí.
Nhờ những đặc tính ưu việt mà WPC được dùng để thay thế cho gỗ tự
nhiên, ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thơng, các cơng trình nội
thất, ngoại thất, đồ nội thất ơ tơ, máy bay,...

Hình 1.1. Các cơng trình được làm từ WPC


8

Hình 1.2. Cửa, bàn ghế, ván sàn, trang trí được làm từ WPC

9

Hình 1.3. Một số profiles của sản phẩm composite gỗ-nhựa


10

1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm
băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và
ấm vào mùa đông...
Ở nước ta tại Hà Nội, vào những năm 1972-1973 bắt đầu sử dụng
composite trên cơ sở nhựa Epoxy (EP) gia cường bằng sợi thủy tinh. Từ năm
1986 đến nay, vật liệu composite trên cơ sở nhựa polyeste không no gia
cường bằng sợi thủy tinh đã phát triển trong cả nước với nhiều sản phẩm nổi
bật: vòm che máy bay (1996-1999), bồn chứa, lớp bọc chống ăn mòn, vách
nhà làm từ tre và bùn ao trộn với rơm, thuyền tre trát sơn trộn mùn cưa…
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…
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. Các loại chất dẻo phế thải PP, PE
và chất thải khác chiếm khối lượng lớn trong thực tế từ các đồ dùng bằng
nhựa trong cuộc sống đã được tái sử dụng bằng cách băm nghiền nhựa và tạo
ra các hạt nhựa tái sinh để sử dụng trong công nghệ sản xuất các sản phẩm

nhựa mới. Hiện nay rất nhiều cơ sở làng nghề đã thu gom nhựa phế thải và
thực hiện việc tái chế theo hướng này.
Hàng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nước ta phải nhập khẩu từ
3.5 - 4 triệu m3 gỗ trịn, trong khi đó lượng phế liệu trong cưa xẻ gỗ thường
dao động từ 11-12% thể tích của cây. Lượng phế liệu trong sản xuất chế biến


11

gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu, kích thước tạo sản phẩm, công suất thiết bị và
thường chiếm tỷ trọng từ 45-63% thể tích ngun liệu. Như vậy có thể thấy,
lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu, lãng phí
và ảnh hưởng đến tỷ lệ lợi dụng gỗ cũng như 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 thởi bảo vệ được môi trường?
Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của đồ dùng trong sinh hoạt ở tất cả
các lĩnh vực rất đa dạng và phong phú. Phế liệu có nguồn gốc từ
Popypropylen (PP) bao gồm vỏ ắc quy, dụng cụ y tế, túi đựng, màng công
nghiệp; nguồn gốc từ Polyethylene (PE) bao gồm chai lọ, dụng cụ y tế, màng
bọc, túi đựng thực phẩm, màng đóng gói; nguồn gốc Polyvinylchloride (PVC)
bao gồm: ống nước, các sản phẩm hình (profile), vỏ cáp điện, màng dày, tấm
lát sàn, ống mềm…Số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải trong
tồn quốc chưa được thực hiện, 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 120 tấn nhựa phế thải. Mặc dù lượng nhựa này vẫn được sử dụng
một phần tái chế tạo ra nhựa tái sinh để sản xuất các sản phẩm nhựa, tuy
nhiên nếu lượng nhựa phế thải này được thu gom, phân loại, xử lý, tái chế thì
sẽ là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất một khối lượng lớn vật liệu composite

gỗ-nhựa dùng trong các lĩnh vực xây dựng, nội thất, cơng trình dân dụng…
Nguồn ngun liệu (phế liệu chất dẻo và phế liệu gỗ) để sản xuất vật
liệu composite gỗ - nhựa có tiềm năng rất lớn. Các kết quả nghiên cứu và tình
hình sản xuất vật liệu composite gỗ - nhựa từ phế liệu gỗ và phế liệu chất dẻo
có thể thấy rằng, sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa là xu hướng công nghệ
hiện đại, thân thiện mơi trường, có ý nghĩa về mặt xã hội và sử dụng hiệu quả


12

nguồn tài nguyên.
Công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ - nhựa từ phế liệu gỗ và chất
dẻo phế thải là xu hướng mới, hiện đại 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 composite gỗ nhựa trên nền nhựa
nhiệt dẻo có thể bằng các phương pháp ép phẳng, ép đùn, ép phun. Công nghệ
áp dụng hiện nay chủ yếu là công nghệ ép đùn để tạo ra các sản phẩm
composite có các profile khác nhau. Tuy nhiên, giá thành đầu tư một dây
chuyền công nghệ và thiết bị sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa bằng
phương pháp ép đùn rất cao trị giá từ 400.000 USD đến 1.500.000 USD phụ
thuộc vào công suất của dây chuyền (công suất từ 50 kg/h – 650 kg/h). Tại
Nga, Đức đã phát triển công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ-nhựa bằng
phương pháp ép khuôn, sản phẩm chủ yếu là các tấm phẳng có chiều dày
khơng lớn từ 3-20 mm dùng để làm vách ngăn, ván phủ, các chi tiết đồ mộc.
Sản phẩm composite gỗ - nhựa có chiều dày khác nhau từ 4mm đến 40
mm, khối lượng thể tích có thể đạt tới 1140 kg/m3 có rất nhiều ưu điểm như:
tính ổn định kích thước cao, khả năng chống sinh vật hại 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, nhà ở, đồ gỗ nội thất, vật liệu trang trí…Mặt
khác dây chuyền sản xuất composite gỗ - nhựa rất phù hợp với sản xuất quy

mô nhỏ, vốn đầu tư thấp, sử dụng nguyên liệu là các phế liệu trong công
nghiệp gỗ và công nghệ chất dẻo.
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, bột tre, 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


13

composite cịn rất ít, mặc dù hướng nghiên cứu này rất có tiềm năng trong
tương lai.
- Trong ngành Giao thơng - vận tải, vật liệu 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, gân, 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 composite cao cấp dùng trong công nghệ hàng không vũ trụ, dụng
cụ thể thao cao cấp…
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu chung
Sử dụng phế liệu gỗ và phế liệu nhựa tạo composite gỗ-nhựa nhằm
nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ và bảo vệ môi trường.
1.3.2. Mục tiêu cụ thể
Xác định ảnh hưởng của kích thước bột gỗ và nhựa PE, PP tái chế đến
một số tính chất chủ yếu của composite gỗ-nhựa.

1.4. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
1.4.1. Phạm vi nghiên cứu
Nguyên liệu dùng để sản xuất vật liệu WPC từ nhựa phế thải PE, PP và
gỗ phế thải.
- Loại nhựa phế thải PE là HDPE (High-density polyetylen)
- Loại nhựa phế thải PP (Polypropylen)
- Phế thải gỗ (Mùn cưa gỗ keo tai tượng). Bột gỗ có 3 cấp kích thước là
<0.3mm; 0.3-0.45mm và 0.45-0.9mm. Kích thước bột gỗ được xác định theo


14

[17]. Về sự biến đổi tương đương giữa mesh và đường kính hạt hay kích
thước bột gỗ; Mesh là số dây kim loại đan lưới trên 1inch, mesh càng cao, lỗ
lưới càng nhỏ.
- Cố định tỷ lệ khối lượng giữa bột gỗ/nhựa PP là 70/30, % [17]
- Cố định tỷ lệ khối lượng giữa bột gỗ/nhựa PE là 60/40, % [17]
1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
- Mùn cưa gỗ Keo tai tượng, khai thác tại Hịa Bình
- Nhựa tái chế PP, PE
1.5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite
gỗ-nhựa PP.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite
gỗ-nhựa PE.
1.6. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu
1.6.1. Phương pháp kế thừa
Kế thừa một cách có chọn lọc các tài liệu và cơng trình nghiên cứu ở
trong nước và trên thế giới có liên quan đến công nghệ tạo composite gỗnhựa.
1.6.2. Phương pháp chuyên gia

Áp dụng trong trường hợp xác định các thông số đầu vào, đầu ra của
quy hoạch thực nghiệm, đánh giá lĩnh vực sử dụng của vật liệu.
1.6.3. Phương pháp xử lý số liệu bằng thống kê toán học
Áp dụng phương pháp xử lý số liệu thống kê thơng thường (Giá trị
trung bình, sai quân phương, hệ số biến động, hệ số chính xác, sai số tuyệt đối
của ước lượng) phân tích các kết quả đạt được.
1.6.4. Phương pháp thực nghiệm


15

Sử dụng phương pháp bố trí thực nghiệm đơn yếu tố để xác định ảnh
hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất của composite gỗ-nhựa.
Bố trí thực nghiệm:
+ Yếu tố đầu vào: Kích thước bột gỗ, mm : D1, D2, D3
<0.3 (mm), ký kiệu là D1
0.3–0.45 (mm), ký kiệu là D2
0.45–0.9 (mm), ký kiệu là D3
+ Yếu tố đầu ra: Tính chất của composite gỗ-nhựa được đánh giá bởi
các yếu tố sau:
- Tỷ trọng
- Độ bền va đập charpy
- Độ bền uốn tĩnh
- Độ bền kéo
- Độ hấp thụ nước
+ Yếu tố cố định: - Loại nhựa PP và PE (HDPE), chế độ ép đùn tạo hạt
nhựa, ép đùn tạo hạt gỗ-nhựa, ép phẳng trong khn kín hạt gỗ-nhựa để tạo
composite gỗ-nhựa.
Số lần lặp: n=10/seri thí nghiệm.
Áp dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý các kết quả đạt được.

1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bột gỗ đến tính chất composite
gỗ-nhựa làm cơ sở để lựa chọn kích thước bột gỗ phù hợp cho sản xuất
composite với tính chất đáp ứng theo yêu cầu và mục đích sử dụng.


16

Chương 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. Giới thiệu chung về vật liệu polyme composite
2.1.1. Khái niệm polyme composite
Composite là tên gọi chung của các vật liệu được tạo nên bởi sự pha trộn
các thành phần riêng lẻ trước khi sử dụng và chế tạo cụ thể. Những thành
phần riêng lẻ này nếu chỉ mình nó thì đặc tính và cơng dụng hoàn toàn khác.
Nhưng khi chúng kết hợp với nhau trong một quy trình hợp lý thì sẽ tạo nên
một loại vật liệu có đặc tính sức bền cơ lý cao hơn hẳn. Đó chính là vật liệu
composite. Nói cách khác composite là loại vật liệu đa thành phần. [5]
Theo Enikolopyan, vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường
khác nhau về bản chất, khơng hịa tan lẫn nhau. Trong đó pha liên tục cịn gọi
là pha nền (matrix). Pha thứ hai là pha gia cường được phân bố gián đoạn
được bao bọc bởi nền [14].
Vật liệu polyme composite là một hệ thống cấu trúc của polyme gia
cường bằng sợi gồm ba cấu tử quan trọng. Cấu tử thứ nhất là vật liệu sợi làm
nhiệm vụ gia cường và truyền lực vào vật liệu lớp. Những sợi này được lèn
chặt vào pha liên tục của cấu tử thứ hai là polyme. Cuối cùng, cấu tử thứ ba là
chất liên kết (coupling agent) có tác dụng làm tăng độ bám dính giữa sợi và
nhựa. Mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu
polyme composite.
Sợi hay nhựa đứng riêng biệt đều không dùng được cho vật liệu kỹ

thuật. Tuy nhiên, nhựa là chất kết dính tuyệt vời và truyền lực tốt đến các sợi
gia cường.
Sợi phải dài và mảnh, tỷ lệ chiều dài trên đường kính (l/d) được biết
như một tỷ lệ hình thức và tỷ lệ đó vượt q một trăm thì sợi có khả năng sử
dụng làm chất gia cường. Cần lưu ý, do có dư nhiều đoạn sợi vụn nên vùng bề


17

mặt của sợi là rất lớn. Những loại sơi thương mại có đường kính nhỏ hơn
20 m , khoảng 1/10 so với đường kính tóc phụ nữ, cho phép xếp chặt hàng
triệu sợi vào 1cm3, ứng với diện tích bề mặt lớn hơn 1m2 có khả năng kết dính
với nhựa nền.
Nhựa nền là vật liệu đẳng hướng (isotropic) cho phép chuyển tải trọng
giữa các sợi. Ngồi ra, nhựa nền cịn bảo vệ cho sợi khỏi bị mài mòn, ngăn
chặn tác động của ẩm, hóa chất và oxy hóa. Nhựa nền cịn đóng vai trị chủ
đạo trong việc bảo đảm tính chất chịu nén, ứng suất trượt và ứng suất cắt. Các
loại nhựa nền phổ biến nhất là polyeste không no, vinyleste và epoxy.
Hiện nay, khoảng 98% vật liệu polyme composite bán ra thị trường
chứa các loại sợi gia cường như thủy tinh, cacbon và aramit. [6]
Vật liệu composite nói chung là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều
cấu tử khác nhau tạo ra vật liệu mới có các tính chất kết hợp từ những ưu
điểm của các thành phần ban đầu.
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. Tính chất của các pha thành phần
được kết hợp tạo nên tính chất của composite. Tuy nhiên, tính chất của
composite khơng bao hàm tất cả các tính chất của các pha thành phần khi
chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy

thêm. Như vậy, vật liệu PC là vật liệu kết hợp hai hay nhiều cấu tử khác nhau
và có tính chất mà các cấu tử ban đầu khơng có.
Tính chất của vật liệu PC phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là: nhựa nền có
tác dụng liên kết các chất gia cường ở dạng sợi, vảy hay bột và là tác nhân
truyền ứng suất sang vật liệu gia cường (yếu tố thứ hai); thêm vào đó là yếu tố
tác nhân liên kết làm tăng khả năng liên kết giữa chất gia cường và nhựa trên


18

bề mặt phân chia pha cũng là yếu tố quyết định đến tính chất của sản phẩm
thu được.[1]
Khi sử dụng vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi có mơđun
cao sẽ giảm được mơmen qn tính ở tốc độ tới hạn của các trục quay và do
đó giảm được số lượng các gối hay ổ đỡ trung gian, hoặc cho phép trục quay
làm việc với tốc độ cao hơn.
Tính chịu va đập, bao gồm cả ứng suất dư và ứng suất phá hủy của các
vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi aramit là tuyệt
vời. Hơn nữa, sợi aramit có thể kết hợp với các sợi cacbon hoặc thủy tinh để
tối ưu hóa năng lượng hấp thụ và các yêu cầu khác, kể cả giá thành.
Giảm tiêu hao năng lượng do độ bền và độ chắc được nâng cao cho
phép các vợt tenis composite sợi cacbon tạo cho quả bóng có vận tốc cao hơn.
Chống ăn mịn là đặc tính của vật liệu polyme composite dựa vào việc
lựa chọn loại nhựa thích hợp.
Tính ổn định kích thước của các kết cấu từ vật liệu PC là điều kiện rất
quan trọng để ứng dụng trong thiết bị X-quang, máy công cụ, máy đo tế vi
(micrometer), cánh tay robot, kính viễn vọng, thiết bị lạnh…
Các chi tiết và liên kết tiêu chuẩn từ vật liệu PC có thể sản xuất nhanh
và kinh tế hơn so với trường hợp dùng kim loại. Đồng thời dễ thay thế hơn.
Vật liệu PC có khả năng chịu khí hậu tốt trong mơi trường biển. Nhờ độ

bền và tính chống ăn mịn cao nên giảm được thời gian bảo hành so với các
kết cấu gỗ hay kim loại. Tuy nhiên, cần có xử lý đặc biệt để vật liệu polyme
composite chịu được bức xạ tử ngoại.
Có thể tạo nên vật liệu PC dẫn điện nếu sử dụng composite sợi cacbon
phủ niken.
Vật liệu PC có khả năng cách âm và giảm sóc tuyệt vời. Độ rung về âm
thanh và cơ học có thể giảm 10% so với kim loại.


19

Tính chất ma sát và mài mịn của vật liệu PC gia cường bằng sợi
cacbon là rất tốt. Hệ số ma sát của composite cacbon trên thép chỉ bằng 40%
so với thép có bơi trơn.
Tính tích tụ nhiệt thấp của composite cacbon-cacbon cùng với độ ổn
định kích thước, nhẹ và hệ số ma sát cao đã cho phép sử dụng làm má phanh
cho máy bay và ôtô đua.
Dễ thao tác và vận chuyển do nhẹ. Rất nhiều sản phẩm có thể sách tay
hay tháo rời từng phần để vận chuyển dễ dàng.
Vật liệu polyme composite gia cường bằng sợi thủy tinh có tính trong
suốt điện tử (electronic transparancy) nên được sử dụng rộng dãi để làm các
vòm che rada và các hệ thống báo động khác.
Giảm được phế liệu (hay tăng hiệu suất sử dụng nguyên liệu) vì các chi
tiết và kết cấu từ vật liệu polyme composite thường được làm theo đúng hình
dáng sản phẩm u cầu chứ khơng phải bằng phương pháp phay, bào, tiện,
khoan… như kim loại. Tuy nhiên, cơng nghệ gia cơng chính xác như luyện
kim bột rút ngắn khoảng cách giữa hai loại vật liệu trong vấn đề này.
2.1.2. Phân loại composite gỗ-nhựa [1]
2.1.2.1. 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).

Hình 2.1. Một số loại composite cốt sợi


20

- 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….

Hình 2.2. Composite cốt hạt
2.1.2.2. 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.
2.1.3. Thành phần chính của polyme composite
Vật liệu polyme composite gồm có hai thành phần chính là nhựa nền và
vật liệu gia cường. Nhựa nền gồm có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, vật
liệu gia cường gồm sợi polyme, sợi cacbon, sợi thủy tinh, ceramic, kim loại.


21

Polyme
composite

Nhựa

nền

Nhiệt
dẻo
PP
PE
PET
PVAx
…

VL gia cường

Nhiệt
rắn

Sợi
Polyme

Sợi
cacbon

Sợi
T.tinh

Ceramic

Kim
Loại

EP

Modul cao
TT E
Al
PP
UPE
TT S
Ti
Aramic Modul thấp
PF Sợi tự nhiên
TT C
…
UF
…
…
Hình 2.3. Các thành phần cấu tạo vật liệu polyme composite

2.1.3.1. Nền polyme [1]
Nền polyme là một trong những cấu tử chính của vật liệu polyme
composite, nó đóng vai trị là pha liên tục có nhiệm vụ là chất kết dính, liên
kết các chất gia cường với nhau và truyền ứng suất tập trung lên chất gia
cường là thành phần chính chịu tác động của ngoại lực. Ngồi ra nền polyme
còn bảo vệ cho sợi gia cường khi bị mài mịn, ngăn chặn tác động của ẩm, hóa
chất và oxy hóa.
Yêu cầu của nhựa nền:
- Có khả năng thấm ướt hoàn toàn lên bề mặt chất gia cường để tạo ra diện
tích tiếp xúc tối đa.
- Có khả năng tăng độ nhớt hoặc hóa rắn trong q trình kết dính.
- Có khả năng tương hợp với chất gia cường.

22

- Có khả năng biến dạng trong q trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra
do sự co ngót thể tích khi thay đổi nhiệt độ.
- Có chứa các nhóm hoạt động hoặc nhóm phân cực.
- Phù hợp với các điều kiện gia công thông thường.
- Bền với môi trường vật liệu làm việc.
- Giá thành phải phù hợp.
Trong đề tài đã sử dụng nhựa nền là nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt dẻo là
loại nhựa mà dưới tác dụng của nhiệt độ thì chuyển sang trạng thái mềm cao
hay chảy mềm và khi hạ nhiệt độ xuống nhỏ hơn nhiệt độ hóa thủy tinh thì
chuyển sang trạng thái rắn ban đầu và q trình này có khả năng lặp lại.
Composite nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất
dư nảy sinh sau khi tạo sản phẩm rất thấp. Ưu điểm của vật liệu nền nhựa
nhiệt dẻo là thời gian gia công tạo sản phẩm ngắn, tạo hình dạng sản phẩm dễ
thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong q trình sản xuất, tận
dụng được phế liệu nhờ khả năng tái sinh của vật liệu này. Nhược điểm, chi
phí đầu tư thiết bị cao, gia công ở nhiệt độ cao. Nhưng nhược điểm chính của
vật liệu này là khơng chịu được nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, ngày nay vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo đang được
các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, do khả năng ứng dụng rộng rãi, sản
phẩm đa dạng và khả năng tái sinh của chúng.
Ưu điểm của nhựa nhiệt dẻo:
- Nguyên liệu sẵn có, giá rẻ.
- Dễ gia công hàng loạt theo phương pháp đúc phun, đúc đùn, chu kỳ gia công
ngắn, năng suất cao nên giá thành rẻ.
- Độ độc hại thấp, không chứa các tác nhân phản ứng.
- Độ bền va đập cao, độ hấp thụ ẩm thấp, độ bền hóa chất của polyme kết tinh
một phần rất tốt.

23

- Có thể thu hồi và tái sinh phế liệu do có khả năng nóng chảy và hịa tan trở
lại.
- Sản phẩm dễ bảo quản, thời gian sử dụng dài.
Nhựa nhiệt dẻo (NND) có thể chia làm hai loại:
- Loại NND kết tinh (hàm lượng tinh thể lớn) như PP, PE. Có đặc điểm: điểm
chảy mềm rõ rệt, màu mờ đục và độ co ngót cao.
- Loại NND vơ định hình (polyme có cấu trúc vơ định hình là chủ yếu) như
PVC, PS, PC, PMMA. Đặc điểm chung của loại này có giới hạn chảy mềm
rộng, màu thường trong suốt, độ co ngót thấp và các tính chất bền cơ, hóa
thấp hơn loại NND tinh thể.
Một số loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng làm nhựa nền như: polyetylen
(PE), polypropylen (PP).
a. Polyetylen (PE)
PE là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng nhất ứng dụng
trong đời sống như các sản phẩm loại màng, ống dẫn nước, chai lọ. Polyetylen
là một hợp chất hữu cơ (poly) gồm nhiều nhóm CH 2-CH2 liên kết với nhau
bằng các liên kết hydro no. Polyetylen được điều chế bằng phản ứng trùng
hợp các monome etylen (C2H4) chủ yếu dùng để sản xuất ống dẫn nước, thùng
chứa, chai lọ, túi nilon,…

Hiện nay, ở nước ta việc nghiên cứu và ứng dụng nhựa nhiệt dẻo PE
làm nhựa nền cho vật liệu composite đang là hướng đi mới mở rộng lĩnh vực
sử dụng vật liệu composite. Ưu điểm của nhựa PE: rẻ, độ độc hại thấp và đặc
biệt có thể tận dụng nguồn nhựa PE phế liệu lớn.