Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ nhựa polyetylen PE và bột gỗ đến một số chỉ tiêu chất lượng gỗ phức hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

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

NGUYỄN TẤT THẮNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ NHỰA
POLYETYLEN (PE) VÀ BỘT GỖ ĐẾN MỘT SỐ
CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GỖ PHỨC HỢP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nô ̣i - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

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

NGUYỄN TẤT THẮNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ NHỰA
POLYETYLEN (PE) VÀ BỘT GỖ ĐẾN MỘT SỐ
CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GỖ PHỨC HỢP
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:
PGS.TS. Trần Văn Chứ

Hà Nô ̣i - 2011


`

1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay ngành công nghiệp chế biến gỗ của Việt Nam phát triển rất
nhanh. Trong khi đó, nhu cầu đa dạng hóa các hàng hóa, thúc đẩy các doanh
nghiệp phát triển, tìm kiếm các vật liệu mới đang trở nên cấp bách.
Vật liệu phức hợp gỗ nhựa Wood plastic composite (WPC) là một loại
nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa. Ngoài nhựa và bột
gỗ, WPC cịn có thể chứa một số chất phụ gia làm đầy có gốc cellulose hoặc
vơ cơ. Do đó, WPC cịn có thể được gọi là vật liệu composite nhựa sợi tự
nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa. WPC có nhiều ứng dụng
trên thị trường, đặc biệt là sử dụng làm vật liệu thô. Nhựa gỗ được sử dụng
rộng rãi nhất trong các cơng trình ngồi trời như lãnh vực ván sàn ngồi trời,
ngồi ra cịn có thể ứng dụng làm lan can, hàng rào ngồi trời, gỗ trang trí,
tấm chắn, ghế cơng viên, khung bao cửa và cửa sổ,... hoặc có thể làm đồ gỗ
nội ngoại thất. Các nhà sản xuất khẳng định nhựa gỗ thân thiện mơi trường
hơn, và tốn ít chi phí bảo trì hơn các loại gỗ rắn xử lý khác. Ngồi bị nứt nẻ,
bị rạn, các loại gỗ rắn xử lý này cịn có thể bị mối mọt, mục rữa nhanh do mơi

trường ẩm ướt bên ngồi. Nhựa Gỗ hiện vẫn là một loại vật liệu rất mới mẻ so
với lịch sử phát triển lâu dài của gỗ tự nhiên trong ứng dụng làm vật liệu xây
dựng, nhưng nó có thể thay thế gỗ trong hầu hết trường hợp không chịu lực
(non-structural). Nhựa gỗ được hình thành từ gỗ, (như mạt cưa, sợi bột giấy,
vỏ đậu phộng, tre nứa, trấu, ..) và nhựa (có thể sử dụng nhựa HDPE, PVC, PP,
ABS, PS, ...). Bột nhựa gỗ được trộn đều, đồng nhất, sau đó được đùn hoặc ép
thành các hình dạng theo yêu cầu. Các phụ gia như chất tạo màu, chất tạo nối,
chất ổn định, chất gia cường, chất tạo nổi,... sẽ giúp cho sản phẩm cuối cùng
phù hợp cho nhiều hướng ứng dụng.
Trong quá trình tạo Wood plastic composite, yếu tố ảnh hưởng rất
mạnh đến chất lượng của vật liệu là hàm lượng gỗ, nhựa. Hàm lượng nhiều


`

2

hay ít sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và độ bền của sản phẩm. Chính vì vậy
cần đặt ra nghiên cứu về vấn đề này.
Các nghiên cứu về vật liệu composite gỗ - nhựa ở Việt Nam hiện nay
cịn rất ít, 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.
Được sự nhất trí của Nhà trường, tơi tiến hành đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của tỉ lệ nhựa Polyetylen (PE) và bột gỗ đến một số chỉ tiêu chất
lượng gỗ phức hợp”


`

3

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Ngành công nghiệp chế biến gỗ của Việt Nam hiện nay phát triển rất
nhanh, với nhiều sản phẩm đa dạng và phong phú. Sản phẩm đồ gỗ tự nhiên
rất được ưa chuộng, tuy nhiên nhược điểm của gỗ tự nhiên là chống ẩm, mốc
kém, dễ cong vênh, nứt nẻ đã tạo tiền đề cho các vật liệu mới được tạo ra với
các ưu điểm của gỗ tự nhiên và khắc phục được các nhược điểm của nó.
Vật liệu phức hợp gỗ nhựa Wood plastic composite (WPC) là lợi dụng
bột gỗ với nhựa nguyên sinh hoặc nhựa đã qua sử dụng làm nguyên liệu chủ
yếu, hỗn hợp thơng qua nhiệt độ cao, gia cơng hình thành một loại phức hợp
vật liệu.
Nguồn nguyên liệu 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 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 nguồn tài nguyên.
Công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ - nhựa hiện nay 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

`

4

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.
Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu composite gỗ - nhựa 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
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.2.1. Trên thế giới
Tại một số quốc gia, vật liệu phức hợp gỗ nhựa được đưa vào ứng dụng
từ những năm giữa thế kỷ 20. Thập niên 80 của thể kỷ 20 Italia tạo vật liệu
hỗn hợp sử dụng 50% bột gỗ và 50% nhựa pp được gọi là wood-stock. Vật
liệu phức hợp gỗ nhựa có các ưu thế như giá thành rẻ, cường độ tốt, độ cứng
cao, được hãng ôtô Ford sử dụng trong đồ nội thất ô tô, đến nay đã được sử
dụng rộng rãi. Năm 2004 khi mà châu âu và Nhật bản đóng cửa rừng thì sản

phẩm gỗ nhựa là sản phẩm thay thế số 1 cho vật liệu gỗ tự nhiên. Những năm
90 của thế kỷ 20 thì sợi thực vật kết hợp với vật liệu nhựa hình thành lên vật
liệu phức hợp gỗ nhựa là sản phẩm lựa chọn hàng đầu, đây là giai đoạn đưa


`

5

sản phẩm ứng dụng vào thực tế, nhưng sản phẩm chủ yếu được ứng dụng vào
tạo ván, đóng thùng…Những năm gần đây trên thế giới kỹ thuật sản xuất các
sản phẩm từ vật liệu gỗ nhựa phát triển lên một tầm cao mới, bổ xung phát
triển thành phần bột gỗ làm biến tính vật liệu nhựa. Tại Nhật bản sản phẩm
nổi tiếng là “Tình u với gỗ” là một ví dụ cụ thể; công ty Xiede của canada
phát triển và sản xuất các sản phẩm từ vật liệu phức hợp gỗ nhựa(sử dụng
phương pháp phun và phương pháp nén áp); tại Autralia, Hàn quốc đều có các
cơng ty sản xuất từ vật liệu này . Vật liệu phức hợp gỗ đã trở thành một ngành
công nghiệp phát đạt tại châu Âu, điển hình là sử dụng nội thất xe hơi, như tại
Mỹ có tập Ford, GM; tại Đức thì có Volkswagen; Audi, Nhật bản có Toyota,
Honda, Nisan các hãng xe đều sử dụng vật liệu phức hợp gỗ nhựa trong làm
ván cửa trước, cửa sau và làm giá đỡ, hộp đựng hành lý với những ứng dụng
khác nhau. Năm 2004, chỉ tính riêng tại Mỹ vật liệu WPC sử dụng trong xây
dựng đã chiếm tỷ lệ 15% -20% trong tổng số các loại vật liệu gỗ. 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, khung cửa sổ, cửa
đi, các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao…
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, dạ
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


`

6

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,… Từ năm 1970 đến
nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv...
Các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu composite gỗ - nhựa cho
thấy có thể tạo ra các sản phẩm vật liệu composite gỗ - nhựa có chiều dày
khác nhau từ 4mm đến 40mm, khối lượng thể tích từ 0.65g/cm3 đến 1.2g/cm3
và có nhiều ưu điểm so với sản phẩm gỗ truyền thống. Vật liệu có thể tái tạo,
ít bị khuyết tật, khả năng cách nhiệt tốt hơn so với chất dẻo; tính năng giống
như gỗ nhưng có độ bền uốn rất cao tính ổn định kích thước cao hơn gỗ; tính
ổn định kích thước cao, khả năng hút ẩm thấp; Có khả năng chống nấm mốc,
sinh vật hại gỗ; có thể sản xuất với các hình dạng khác nhau; khơng bị nứt
tốc hoặc tách khả năng gia cơng tốt, và thân thiện với môi trường.
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. Công nghệ và thiết bị đáp ứng được yêu cầu
của công nghệ và thiết bị hệ tiên tiến và có chất lượng cao khi sử dụng hầu hết
phế liệu gỗ và chất dẻo phế thải. Trong thành phần của vật liệu composite gỗnhựa bao gồm một số thành phần như sau: Bột gỗ được nghiền nhỏ, kết hợp
với nhựa nguyên sinh, chất tăng cường để nâng cao tính chất cơng nghệ và sử
dụng của sản phẩm.
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 có hình dạng (Profile) khác nhau ở dạng đặc, rỗng. Hình dạng sản phẩm


`

7

phụ thuộc vào khn ép trục vít ở trong máy ép đùn. Cơng nghệ ép đùn được
xem là loại hình công nghệ tiên tiến, hiện đại trong việc tạo ra các sản phẩm
có nhiều ưu điểm và thân thiện với mơi trường có khả năng thay thế vật liệu
gỗ truyền thống.
Cơng nghệ tạo vật liệu composite trong khn ép kín bao gồm các công
đoạn: tạo bột gỗ, nhựa nguyên sinh hoặc nhựa phế thải, trộn hỗn hợp, trải 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 bị hạn về chiều dài, chiều rộng và
chiều dày thường mỏng. Năng suất và mức độ tự động hố khơng cao so với
ép đùn.
Như vậy, công nghệ sản xuất vật liệu gỗ - nhựa 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.
1.2.2. Trong nước
Từ năm 1972 đến 1973 tại Trường đại học Bách khoa Hà nội bắt đầu sử

dụng composite trên cơ sở nhựa Epgoxy (EP) gia cường bằng sợi thủy tinh
ứng dụng sửa chữa các đường ống dẫn dầu. 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 (19961999), 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


`

8

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.
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,
PVC 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. Rất nhiều cơ sở làng nghề đã thu gom nhựa phế thải và thực
hiện việc tái chế theo hướng này. Một số cơng trình nghiên cứu của Trung
tâm Nghiên cứu vật liệu polyme đã đề cập đến việc sử dụng sợi thực vật (bột
tre) kết hợp với ba loại nhựa nhiệt rắn có nguồn gốc polyeste khơng no,
epoxy, vinyleste để tạo ra vật liệu composite. 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.
1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1.3.1. Mục tiêu chung
- Nghiên cứu tạo ra được phức hợp gỗ nhựa
- Nâng cao giá trị sử dụng của gỗ mọc nhanh rừng trồng theo hướng
tạo ra vật liệu mới cho ngành Chế biến lâm sản.
1.3.2. Mục tiêu cụ thể
- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ gỗ - nhựa đến chất lượng gỗ phức
hợp.
- Xác định được tỷ lệ gỗ - nhựa hợp lý, định hướng cho sử dụng hàng
mộc


`

9

1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Hỗn hợp từ nhựa PE nguyên sinh và bột gỗ Keo lai.
- Quy trình cơng nghệ tạo gỗ phức hợp.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
1.4.2.1. Các yếu tố cố định
- Nghiên cứu tạo ra hỗn hợp gỗ và nhựa PE ngun sinh bằng phương
pháp ép trong khn kín.
- Loại gỗ (Vật liệu cốt):
+ gỗ Keo lai
+ Kích thước bột gỗ: 0.3-0.45mm
- Loại nhựa nguyên sinh (vật liệu nền): nhựa HDPE
+ Lực uốn 170 kg/cm2

+ Độ cứng tương đối Shore 60÷65
+ Độ cứng Brinel 1,8÷2,5 kg/cm 2
+ Chỉ số chảy MI 0.1 ÷ 60g/10 phút
+ Lực kéo đứt 220÷300 kg/cm 2
+ Độ dãn dài khoảng 200÷400%
+ Nhiệt độ rịn, gãy là -800C
+ Độ kết tinh 85÷95%
+ Tỷ trọng 0.94÷0.98 g/cm3
+ Nhiệt độ chảy mềm khoảng 1300C
- Chọn thông số chế độ ép:
+ Nhiệt độ ép: 1900C
+ Thời gian ép: 90 phút


`

10

- Địa điểm nghiên cứu: quá trình thực nghiệm tiến hành tại Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội. Mẫu sản phẩm được tiến hành kiểm tra các tính chất
tại trung tâm nghiên cứu polyme - Đại học Bách khoa Hà nội.
1.4.2.2. Các yếu tố thay đổi
- Nghiên cứu 5 cấp tỷ lệ giữa nhựa PE và bột gỗ: 70/30, 60/40, 50/50,
40/60, 30/70 (%)
- Áp suất ép: Tăng dần từ 0 đến 7.5 MPa
1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu một số giải pháp tạo gỗ phức hợp.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ - nhựa PE đến một số tính chất
của composite gỗ - nhựa PE.
1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Căn cứ vào nội dung của đề tài, điều kiện tiến hành đề tài tôi chọn
phương pháp nghiên cứu sau:
1.6.1. Phương pháp kế thừa
Kế thừa có chọn lọc tài liệu và các cơng trình nghiên cứu ở trong nước
và trên thế giới có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
1.6.2. Phương pháp xử lý số liệu
Phương pháp xử lý số liệu theo lý thuyết thống kê toán học. Áp dụng
phương pháp xử lý số liệu thống kê thông 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.
1.6.3. Phương pháp sử dụng tiêu chuẩn để đánh giá
Sử dụng các tiêu chuẩn để đánh giá các tính chất của gỗ phức hợp
1.6.4. Kiểm tra kết quả thí nghiệm
1.6.4.1. Tiêu chuẩn kiểm tra


`

11

Các mẫu thí nghiệm được gia cơng theo các tiêu chuẩn của ISO về xác
định các tính chất vật lý, cơ học của composite. Kích thước và tiêu chuẩn thử
được trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Kích thước và tiêu chuẩn mẫu xác định các tính chất
Kích thước mẫu, mm
Tính chất

Tiêu chuẩn thử

Dài

Rộng

Dày

(mm)

(mm)

(mm)

Tỷ trọng

10

10

4

ASTM D792

Độ bền kéo

100

15

4

ISO 527 - 1993

Độ bền va đập izod

70

12

4

ASTM

D256,

ISO 180
Độ bền uốn tĩnh

100

10

4

ISO 178 - 1993

Độ hấp thụ nước

80

10

4

ASTM D570

1.6.4.2. Phương pháp kiểm tra
a) Tỷ trọng của vật liệu
Tỷ trọng
Là số đo khối lượng riêng của một chất rắn, lỏng, khí so với khối lượng
riêng của nước. Phụ thuộc vào chất hoá học.
Đo theo tiêu chuẩn: ASTM D792; Số lượng mẫu: 10 mẫu
Dụng cụ: cân thủy tĩnh Precisa với sự trợ giúp của bộ gá hai chén cân.
Quy trình xác định tỷ trọng:
+ Khởi động cân, chọn phương pháp đo, chọn điều kiện ban đầu: nhiệt
độ 250C, độ ẩm 75%.
+ Chọn dung môi (Acetone) sử dụng trong q trình đo, tỷ trọng của
dung mơi 0,79g/cm3 và đưa vào thông số ban đầu của cân.


`

12

+ Đặt mẫu vào bộ gá, lúc đầu vào chén cân trên (trong khơng khí), lưu
giá trị nhận được vào máy, chuyển xuống chén cân dưới (trong dung môi),
lưu giá trị nhận được, máy sẽ tự tính tỷ trọng của mẫu cần xác định.

Hình 1.1. Thiết bị tính tỷ trọng của vật liệu
b) Độ bền kéo

Hình 1.2. Máy đo độ bền kéo và uốn INSTRON 5582 - Mỹ

Khoảng cách làm việc của mẫu là 65mm, với điều kiện đo nhiệt độ
250C, độ ẩm 75%, tốc độ kéo mẫu 5mm/phút.


`

13

Nguyên tắc đo kéo dọc theo chiều dài mẫu với tốc độ kéo không đổi
cho đến khi xuất hiện vết nứt trên mẫu hoặc ứng suất hay độ dãn dài đạt tới
giá trị cực đại. Ghi lại giá trị độ bền kéo. Số lượng mẫu đo là 10 mẫu sau đó
lấy giá trị trung bình.
Độ bền kéo đứt được xác định theo cơng thức: σk = F∕ (b.h)
Trong đó:
- σk: độ bền kéo, MPa.
- F: là lực tác dụng, N.
- b: Bề rộng phần eo, mm.
- h: Chiều dày mẫu, mm.
Kết quả đo được hiển thị trên máy tính.
c) Độ bền va đập Izod
Mẫu có hình thanh, độ bền va đập được xác định theo tiêu chuẩn ASTM
D256, ISO 180. Máy thử Tinius Olsen

a. Máy Tinius Olsen

b. Bộ gá mẫu

Hình 1.3. Máy đo va đập izod
- Kích thước mẫu thử 70x12x4 mm
- Nhiệt độ phòng 230C, độ ẩm tương đối 50%

Nguyên tắc đo:

c. Mẫu thử


`

14

Mẫu thử được khía một cạnh (hình 1.3c), sau đó đặt lên bộ gá(hình
1.3b),nhập bề rộng + dày của mẫu thử. Bật nút start và kết quả hiện lên màn
hình.
d) Đo độ bền uốn
Mẫu có hình thanh, độ bền uốn được xác định theo tiêu chuẩn ISO 1781993 trên máy INSTRON 5582 – 100KN của Mỹ. Với điều kiện đo nhiệt độ
250C, độ ẩm 75 %, khoảng cách 2 gối đỡ 80mm, tốc độ uốn mẫu 5mm/phút.
Nguyên tắc đo, di chuyển đầu nén mẫu với tốc độ không đổi cho đến
khi mẫu bị phá hủy. Ghi lại giá trị độ bền uốn và modun đàn uốn hiển thị trên
máy tính, số lượng mẫu đo 10 mẫu sau đó lấy giá trị trung bình.
Độ bền uốn được xác theo cơng thức: σu = 3FL/(2b.h2)
Trong đó:
- σu : độ bền uốn, MPa.
- F: là lực tác dụng, N.
- b: Bề rộng mẫu, mm.
- h: Chiều dày mẫu, mm.
- L: khoảng cách giữa hai gối đỡ, mm.
Kết quả đo được hiển thị trên máy tính.

Hình 1.4. Máy đo độ bền kéo và uốn INSTRON 5582 - Mỹ

`

15

e) Phương pháp đo độ hấp thụ nước
Mẫu đo độ hấp thụ nước có kích thước: dài x rộng x dày; 80x10x4 mm;
bề mặt mẫu phẳng nhẵn. Mẫu được sấy khơ ở 800C đến khối lượng khơng đổi,
sau đó làm nguội trong bình hút ẩm rồi xác định khối lượng mẫu trên cân
phân tích có sai số 10-4 g. Ngâm mẫu vào nước rồi để ở điều kiện thường. Sau
thời gian nhất định 1, 3, 7, 15, 30 ngày, mẫu được lấy ra lau khô bằng vải
sạch và giấy thấm, rồi đem cân.
Độ hấp thụ nước của mẫu được xác định theo cơng thức:
W=

( mt  m0 ).100
m0

,%

Trong đó:
- W: độ hấp thụ nước sau thời gian t, %.
- mt, m0 lần lượt là khối lượng của mẫu sau thời gian t ngâm mẫu trong
nước và mẫu ban đầu, g.
1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Về mặt khoa học:

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ - nhựa đến tính chất vật liệu
phức hợp gỗ với nhựa PE nguyên sinh làm cơ sở cho việc lựa chọn, xác định
các loại hình sản phẩm composite gỗ - nhựa.
Xác định được công nghệ ta ̣o vâ ̣t liêụ composite gỗ - nhựa từ nhựa

nguyên sinh PE làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
Về mặt thực tiễn:

Kết quả của đề tài sẽ góp phần vào viêc̣ tạo hồn thiêṇ cơng nghê ̣ ta ̣o
vật liệu composite gỗ nhựa, sử du ̣ng để sản xuấ t đồ mô ̣c và trang trí nô ̣i thấ t.


`

16

Chương 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU POLYME COMPOSITE
2.1.1. Đặc tính của vật liệu
Composite là tên gọi chung của các vật liệu được tạo nên bởi sự pha
trộn các thành phần riêng lẻ. 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 cơ lý
cao hơn hẳn. Đó chính là vật liệu composite. Nói cách khác composite là loại
vật liệu đa thành phần. [9]
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
còn gọi là pha nền (matrix). Pha thứ hai là pha gia cường được phân bố gián
đoạn được bao bọc bởi nền [2].
Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này
thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta
mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học
cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hồ tạo nên các
kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện

khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là
Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp
dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu mơi trường, rễ lắp đặt,
có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với mơi trường ăn
mịn hố học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.
2.1.2. Phân loại composite gỗ-nhựa
Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của
vật liệu thành phần.


`

17

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

Hình 2.2. Ống composite cốt dợi thủy tinh(FRP) sản xuất trong thực tế
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 2.3. Composite cốt hạt

`

18

2.1.2.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền
Theo pha nền polyme:
- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn
- Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo
Theo pha gia cường:
- Chất gia cường dạng phân tán (bột).
- Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vẩy.
- Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh.)
- Độn khơng khí hay xốp.
- Hỗn hợp polyme – polyme hay còn gọi là blend.
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.
Polyme
composite

Nhựa nền

Nhiệt dẻo

VL gia cường

Nhiệt rắn

Sợi

Sợi
cacbon

Polyme
PP

EP

PP

PE

UPE

Aramic

PET

PF

PVAx

UF

…

…

Sợi tự

nhiên

Sợi

Ceramic

T.tinh
Modul
cao
Modul
thấp

Kim
Loại

TT E

Al

TT S

Ti

TT C

…

…

Hình 2.4. Các thành phần cấu tạo vật liệu polyme composite

`

19

2.1.3.1. Chất gia cường
Đóng vai trị là chất chịu ứng suất tập trung. Chất gia cường thường có
tính chất cơ lý cao hơn nhựa. Người ta đánh giá Chất gia cường dựa trên các
đặc điểm sau:
- Tính gia cường cơ học.
- Tính kháng hố chất, mơi trường, nhiệt độ.
- Phân tán vào nhựa tốt.
- Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho q trình gia cơng.
- Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể
chọn loại vật liệu gia cường cho thích hợp. Có hai dạng chất gia cường:
- Chất gia cường dạng sợi
- Chất gia cường dạng hạt
a. Chất gia cường dạng sợi
Sợi phải dài và mảnh, tỷ lệ chiều dài trên đường kính phải lớn hơn 100
thì sợi đó mới có khả năng sử dụng làm sợi gia cường. Sợi thường được sử
dụng ở dạng liên tục hoặc gián đoạn và có thể điều chỉnh được sự phân bố,
phương nhằm tăng cường cơ tính cho vật liệu.
Các loại sợi gia cường sử dụng phổ biến như: sợi tổng hợp (sợi thủy
tinh, sợi cácbon), sợi aramit (sợi kevlar), sợi thực vật (sợi đay, tre, dứa…).
* Sợi thực vật
Tùy theo nguồn gốc xuất xứ, sợi thực vật được chia thành các nhóm:
- Sợi lấy từ vỏ, thân cây: sợi đay, sợi lanh, sợi tre, sợi nứa, sợi gỗ.

- Sợi lấy từ lá: sợi dứa, sợi sisal, sợi dứa dại.
- Sợi lấy từ quả - hạt: sợi bông (cotton).


`

20

Khơng như các sợi truyền thống có một phạm vi tính chất xác định như sợi
thủy tinh, sợi aramit, sợi cacbon, các sợi thực vật có tính chất thay đổi khơng
xác định rõ. Trong sợi thực vật, ngồi thành phần chính xenlulo, sợi cịn chứa
các hợp chất thiên nhiên khác như lignin, sáp. Các sợi hình thành từ các vi sợi
đơn. Các vi sợi đơn gắn kết nhau nhờ lignin. Tính chất vật lý của sợi như hàm
lượng xenlulo, độ trùng hợp, sự định hướng mạch polyme, và khả năng kết
tinh bị ảnh hưởng cơ bản bởi cấu trúc hóa học. Các tính chất này thay đổi theo
các điều kiện trong suốt q trình sinh trưởng của thực vật. Ngồi ra, tính chất
hóa lý của sợi tự nhiên cũng bị tác động thay đổi bởi phương pháp lấy sợi ra
từ cây, trái, bông, chất lượng cây trồng.
Xenlulo là thành phần polyme chính của sợi thực vật. Đơn vị lặp lại của
xenlulo là anhydro-D-gluco-pyranozo chứa 3 nhóm hydroxyl (–OH). Các
nhóm hydroxyl này hình thành các liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân
tử. Do đó, tất cả các sợi thực vật đều mang bản chất ưa nước cao.

Do cấu trúc hóa học của xenlulo có nhiều nhóm hydroxyl có thể tạo
tương tác với nước thông qua việc tạo liên kết hydro. Trong khi sợi thủy tinh
chỉ có hiện tượng hấp thụ nước trên bề mặt thì sợi xenlulo tương tác với nước
khơng chỉ trên bề mặt mà cịn cả bên trong bó sợi. Lượng phân tử nước bị hấp
thụ phụ thuộc và cân bằng theo độ ẩm tương đối của khơng khí.
Lượng nước hấp thụ phụ thuộc theo:

`

21

- Hàm lượng xenlulo trong sợi thực vật. Ví dụ sợi sisal chưa rửa kiềm
có mức độ hấp thụ nước ít gấp hai lần so với sợi sisal sau rửa kiềm.
- Mức độ kết tinh: tất cả các nhóm hydroxyl trong pha vơ định hình là
đều tương tác với nước trong khi chỉ vài số ít các nhóm hydroxyl (–OH) trong
vùng kết tinh có tương tác với nước. Các sợi thực vật có các vùng vơ định
hình và vùng kết tinh, đồng thời có mức độ tổ chức cao. Tỷ lệ vùng kết tinh
với vùng vơ định hình tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ của sợi thực vật. Sợi
bông, đay và cây gai có mức độ kết tinh cao nhất (65-70%) nhưng sự kết tinh
của xenlulo chỉ ở mức 35-40%. Sự loại trừ dần dần các phần ít trật tự bởi sự
hồ tan trong dung mơi hay tấn cơng của vi khuẩn sẽ làm các xenlulo trong vi
sợi gia tăng sự trật tự sắp xếp dẫn đến kết tinh cao gần 100%. Sợi thực vật khi
ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như: nước, dimetylforamit,
dimetylsulfoxyt, tetrahydrofuran, pyridin thì sẽ bị trương nở. Các nhóm
hydroxyl trong mạch xenlulo của sợi đang trương nở vẫn cịn có thể sử dụng
tiếp cho phản ứng hóa học khác nhưng các phân tử dung mơi phân cực thì bị
giữ lại bên trong cấu trúc xenlulo. Ngược lại, các môi trường không phân cực
như benzen, toluen, xăng thì buộc các nhóm hydroxyl quay vào bên trong cấu
trúc của mạch xenlulo. Các phân tử dung mơi khơng phân cực này có khả
năng thay thế dần dần phân tử dung môi phân cực đang bị giữ lại bên trong bó
sợi xenlulo chuyển mơi trường từ phân cực sang phân cực thấp hơn. Nhờ vậy,
nó tạo và duy trì được một mơi trường khơng phân cực bên trong sợi đang
trương nở.
Sợi thực vật có nhiều khuyết tật như những khúc gấp trên bề mặt sợi và
ở những điểm nối kết. Khuyết tật có từ sự xoắn bện các bó mạch xenlulo. Một
thơng số quan trọng của kết cấu hình học là tỷ số kích thước (chiều dài/

đường kính) là một yếu tố có ảnh hưởng đến vật liệu composite. Yếu tố này bị


`

22

thay đổi mạnh do sự chà xát trong suốt quá trình gia cơng chế biến sợi (đùn,
phun).
Ưu điểm của sợi thực vật: có thể tạo ra vật liệu composite tính bền dai
cao, cho tỷ lệ khối lượng riêng thấp và khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa
sợi thực vật dễ kiếm từ các nguồn thực vật với giá thành rẻ và triển khai với
vốn đầu tư thấp, dễ gia cơng, khơng gây kích thích da, khơng ăn mịn thiết bị.
Tuy nhiên ở nước ta việc sử dụng nguồn tài ngun có thể tái sinh này trong
vật liệu PC cịn hạn chế. Do sự không tương hợp giữa sợi thực vật và các
nhựa: sợi thực vật thì ưa nước trong khi đó hầu hết các nhựa sử dụng làm nền
thì kỵ nước.
Nhược điểm chính của sợi thực vật: là bản chất phân cực cao làm
chúng khơng tương thích với các polyme khơng phân cực. Ngồi ra, sự dễ hút
ẩm làm cho họ sợi này khó dùng cho các vật liệu composite sử dụng ngồi
trời. Hiện tại, có một số loại polyme làm nền cho vật liệu composite sợi tự
nhiên:
- Nhựa nhiệt rắn: PEKN, EP, phenolformaldehyt, melaminformaldehyt.
-Nhựa

nhiệt

dẻo:

polyvinylclorua,

polyetylen,

polystyren,

polypropylen.
Các nhựa này có ái lực gắn kết với sợi khác nhau theo cấu trúc hóa học
của chúng. Ái lực này liên quan đến tính kết dính của nhựa với sợi.
Sự truyền ứng suất ở bề mặt giữa hai pha sợi-nền nhựa được xác định
bởi mức độ kết dính. Sự kết dính mạnh nhựa-sợi ở bề mặt là cần thiết để
truyền hiệu quả ứng suất và phân bố tải tác động lên hệ thông qua bề mặt. Do
đó, để có một cơ tính tốt của vật liệu composite này, sự cải thiện và kiểm sốt
tính kết dính ở bề mặt phân chia pha trở thành mối quan tâm đầu tiên của các
nghiên cứu ứng dụng sợi thực vật. Theo hướng này, bề mặt sợi sẽ được bọc
phủ một màng chất liệu có tính tương thích với nhựa nền. Màng chất liệu


`

23

chứa các tác chất gắn kết đóng vai trị như một cầu nối hóa học trung gian
giữa nhựa nền và sợi.
Việc biến tính cho sợi có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý hoặc
hóa học.

Hình 2.5. Một số loại sợi thực vật
b. Chất gia cường dạng hạt
Được sử dụng trong vật liệu polyme composite với mục đích tạo cho
vật liệu có tính đẳng hướng và chịu ứng suất tập trung. Hình dáng, kích thước,

bản chất của hạt gia cường và sự phân bố của hạt trong vật liệu polyme
composite có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu tạo thành.
Chất gia cường dạng hạt được sử dụng trong những ứng dụng yêu cầu
về độ bền không cao thường được sử dụng để làm giảm giá thành sản phẩm.
Trong một số trường hợp dạng hạt được dùng để cải thiện một số tính
chất của vật liệu PC như: tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mịn, giảm co
ngót.
Một vài chất gia cường dạng hạt như: bột cao lanh, bột kim loại, vảy
mica, bột gỗ…
2.1.3.2. Nền polyme
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. Ngoài ra nền polyme