Đồ án: tốt nghiệp vật liệu composite 3d rỗng từ tinh bột và silica từ vỏ trấu

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp vật liệu composite 3d rỗng từ tinh bột và silica từ vỏ trấu, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Tằng Hoàng Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Duy Hạnh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Liệu Composite
• Đề tài: Vật Liệu Composite 3D Rỗng Từ Tinh Bột Và Silica (Từ Vỏ Trấu)
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu Composite 3D rỗng

Vật liệu composite 3D rỗng đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu hiện đại. Đây là loại vật liệu kết hợp giữa nhiều thành phần khác nhau với cấu trúc ba chiều, tạo ra những đặc tính vượt trội so với vật liệu truyền thống. Khóa luận tốt nghiệp vật liệu composite 3D rỗng từ tinh bộtPVA và silica từ vỏ trấu được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nhằm tạo ra vật liệu thân thiện với môi trường, có tính ứng dụng cao. Cấu trúc rỗng của vật liệu này cho phép nó có khả năng hấp thụ nước tốt, trọng lượng nhẹ và độ bền cơ học phù hợp. Nghiên cứu này kết hợp các nguồn nguyên liệu tái tạo, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm của vật liệu composite 3D

Vật liệu composite 3D là sự kết hợp của hai hay nhiều pha vật liệu khác nhau với cấu trúc ba chiều liên tục. Khác với composite 1D hay 2D, composite 3D rỗng có ma trận chính được hình thành từ tinh bột và PVA, với các lỗ rỗng phân bố đều. Cấu trúc này tạo ra những tính chất độc đáo như độ xốp cao, khả năng chứa nước lớn và tính chất cơ học cân bằng.

1.2. Ứng dụng của composite 3D rỗng trong thực tiễn

Vật liệu composite 3D rỗng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp và đời sống. Chúng có thể được sử dụng trong lĩnh vực lọc nước, hấp thụ độc tố, làm vật liệu xây dựng nhẹ, hoặc trong các ứng dụng y tế. Tính thân thiện với môi trường làm cho loại vật liệu này đặc biệt hấp dẫn cho các ngành công nghiệp xanh.

II. Nguyên liệu và phương pháp chế tạo

Khóa luận tốt nghiệp này sử dụng ba thành phần chính trong chế tạo vật liệu composite 3D rỗng: tinh bột sắn, polyvinyl alcohol (PVA) và silica từ vỏ trấu. Tinh bột sắn được chọn vì khả năng tạo thành màng tốt và tính ổn định khi hồ hóa. PVA cải thiện độ dẻo dai của vật liệu, trong khi silica từ tro trấu tăng cường tính cơ học. Vỏ trấu là phụ phẩm nông nghiệp được xử lý để chiết xuất silica thông qua quy trình nung và xử lý hóa học. Phương pháp chế tạo sử dụng kỹ thuật sấy đông khô để tạo ra cấu trúc lỗ rỗng ba chiều. Quy trình này giúp bảo tồn hình dạng của vật liệu trong khi loại bỏ nước từ từ, tạo ra những lỗ trống độc lập.

2.1. Chuẩn bị và xử lý nguyên liệu

Tinh bột sắn được chiết xuất từ sắn tươi, rửa sạch và sấy khô trước khi sử dụng. Vỏ trấu được thu thập từ các cơ sở chế biến lúa gạo, rửa sạch, rồi nung ở nhiệt độ cao để tạo tro. Tro này được xử lý bằng axit để loại bỏ các tạp chất và tinh khiết hóa silica. PVA được hòa tan trong nước ấm để tạo dung dịch thuần.

2.2. Quy trình sấy đông khô và hình thành cấu trúc

Sau khi trộn các thành phần, hỗn hợp được đổ vào khuôn và đông lạnh ở nhiệt độ −20°C. Sấy đông khô thực hiện trong buồng chân không loại bỏ nước mà không làm hư hỏng cấu trúc. Quá trình này tạo ra vật liệu composite 3D rỗng với độ xốp cao và cấu trúc lỗ rỗng đồng nhất.

III. Kết quả và phân tích đặc tính vật liệu

Khóa luận sử dụng nhiều phương pháp phân tích hiện đại để đánh giá chất lượng vật liệu composite 3D rỗng. Phổ XRD (X-ray Diffraction) xác định cấu trúc tinh thể của silica, cho thấy silica từ vỏ trấu có độ tinh khiết cao. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về cấu trúc lỗ rỗng, cho thấy phân bố lỗ rỗng tương đối đều và kích thước có thể được kiểm soát. EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) xác nhận thành phần nguyên tố của mẫu. Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng silica, độ trương nước của vật liệu giảm nhưng tính cơ học cải thiện đáng kể. Các mẫu với tỷ lệ silica tối ưu (20-30%) thể hiện sự cân bằng tốt nhất giữa tính chất hấp thụ nước và cơ học.

3.1. Phân tích độ trương nước và khả năng chứa nước

Độ trương nước được xác định bằng cách ngâm mẫu trong nước và đo khối lượng theo thời gian. Kết quả cho thấy vật liệu composite 3D rỗng có khả năng hấp thụ nước rất tốt, đạt tối đa sau 24 giờ. Khả năng chứa nước phụ thuộc vào hàm lượng silica—tăng silica làm giảm độ trương nước do silica ít thấm nước hơn tinh bột.

3.2. Tính chất cơ học và ứng suất nén

Thử nghiệm nén cho thấy vật liệu composite 3D rỗng có ứng suất nén tăng theo hàm lượng silica. Mẫu không chứa silica có ứng suất nén thấp nhất nhưng độ trương nước cao. Khi thêm 30% silica, ứng suất nén tăng gấp 3 lần, làm cho vật liệu phù hợp hơn cho các ứng dụng cần cơ tính cao.

IV. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Khóa luận tốt nghiệp vật liệu composite 3D rỗng đã chứng minh khả năng chế tạo vật liệu hiệu năng cao từ những nguồn nguyên liệu tái tạo và bền vững. Tinh bột sắn kết hợp với silica từ vỏ trấu tạo ra vật liệu có những đặc tính nổi bật: nhẹ, xốp, khả năng chứa nước tốt và cơ tính đủ để ứng dụng thực tế. Nghiên cứu này mở ra những cơ hội phát triển vật liệu sinh học cho các ứng dụng công nghiệp, nhất là trong bối cảnh chuyển đổi xanh toàn cầu. Việc sử dụng phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu) không chỉ giảm thải rác thải mà còn tạo ra giá trị kinh tế. Các hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm cải thiện độ bền lâu dài, tối ưu hóa quy trình chế tạo quy mô lớn, và khám phá những ứng dụng mới trong lĩnh vực Y dược và môi trường.

4.1. Những đóng góp chính của nghiên cứu

Nghiên cứu thành công trong việc chế tạo vật liệu composite 3D rỗng với hiệu suất cao từ nguồn nguyên liệu bền vững. Quy trình sấy đông khô được áp dụng hiệu quả tạo ra cấu trúc lỗ rỗng ba chiều. Phối trộn các thành phần tinh bột, PVA và silica tạo ra vật liệu với tính chất cân bằng tốt, phù hợp cho nhiều ứng dụng thực tiễn.

4.2. Gợi ý cho các nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tương lai nên tập trung vào cải thiện độ bền nước dài hạn, thử nghiệm các chế phẩm bảo quản, và quy mô hóa sản xuất. Khám phá những ứng dụng mới trong lọc nước, giải phóng tương phần (controlled release) thuốc hoặc chất, và sử dụng làm vật liệu xây dựng sinh học cũng là những hướng đầy tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu Silica 1.1 Cấu trúc – Tính chất của Silica. Silica là tên thường gọi của silic đioxit (SiO2). Silica được tạo thành từ tập hợp các tứ diện đều SiO4, trong đó mỗi nguyên tử oxy nằm ở đỉnh, còn Silic nằm ở tâm của tứ diện đều. Nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica cấu trúc tinh thể, ngoài ra silica còn có cấu trúc vô định hình.

[2] Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng vô định hình. Ở điều kiện thường, silica có dạng tinh thể là thạch anh, tridimit và cristobalit. Tất cả những dạng tinh thể này bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện.

Độ dài liên kết Si-O thay đổi đối với mỗi dạng tinh thể khác nhau, ví dụ trong thạch anh là 161 pm, tridimit là 154-171 pm. Góc Si-O- Si cũng thay đổi từ 140O đến 180O, trong tinh thể thạch anh giá trị này đạt 144o. 1 Cấu trúc tinh thể của SiO 2. [3] Ngoài ra, silica được tìm thấy trong thực vật như lúa mạch, vỏ trấu, tre,…, trong các loại khoáng như thạch anh và đá lửa.

Những hạt silica được tách ra từ những nguồn tự nhiên chứa tạp chất kim loại không thích hợp cho nghiên cứu khoa học công nghệ cao và ứng 1 dụng trong công nghiệp. Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp silica tinh khiết ở dạng bột vô định hình đang được chú trọng quan tâm so với khoáng silica tự nhiên ở dạng tinh thể. [4] Silica được thêm vào để cải thiện độ bền của vật liệu cũng như khả năng phân tán của vật liệu. Có tính chất xốp, diện tích bề mặt lớn vì vậy silica có khả năng hấp phụ cao, trong không khíẩm silica hấp phụ nước trên bề mặt tạo các nhóm OH.

Silica không hòa tan trong nước, không độc hại, không mùi, có độ ổn định hóa học ngoài kiềm và acid HF thì chúng không phản ứng với chất nào. Sự phát triển lớn mạnh của công nghệ nano đã dẫn đến việc đẩy mạnh quá trình nghiên cứu và sản xuất nano silica, nano silica được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng như trong phát triển kỹ thuật. Nano silica là nguyên liệu vô cùng quan trọng trong công nghệ khoa học nano, bởi vì kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn, hấp phụ mạnh mẽ, năng lượng bề mặt, độ tinh khiết hóa học cao, tính chất phân tán tốt, khả năng chịu nhiệt, tính ổn định cao,… Có vai trò quan trọng trong nhiều ngành và lĩnh vực có tính năng độc đáo, khó có thể thay thế được. Nano silica, thường được gọi là "silica siêu mịn", được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như một chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, cao su tăng cường, phụ gia cho nhựa, kim loại mềm chất đánh bóng, chất độn cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp đóng gói các lĩnh vực khác nhau và phun vật liệu, y học, bảo vệ môi trường,…[4, 5] 1.3 Silica từ vỏ trấu – Tình hình nghiên cứu.

Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tháng 7 năm 2020, Việt Nam xuất khẩu khoảng 3,9 triệu tấn gạo, đạt kim ngạch 1,9 tỉ USD, tăng 10,9% về giá trị so với cùng kỳ năm trước. Đặc biệt, giá gạo xuất khẩu của Việt Nam tăng cao, vượt Thái Lan, Ấn Độ và Pakistan. Đây là lần thứ 2 Việt Nam có thể trở lại vị trí xuất khẩu gạo số 1 thế giới. Sản lượng gạo xuất khẩu lớn, hiển nhiên một lượng vỏ trấu sau chế biến còn tồn đọng lại khá nhiều.

1 Sản lượng lúa gạo và mục đích sử dụng. [6] Theo USDA/FAO (2013) Theo tính toán (2015) Sản phẩm/Kênh sử dụng 1000 tấn % so tổng 1000 tấn % so tổng Sản lượng thóc 45.215 - Sản lượng gạo 29.00 Gạo tiêu thụ (để ăn) 13.37 Gạo làm TĂCN 2.23 0 0 Tổn thất/lãng phí 2.00 Gạo dùng cho mục đích khác 1.81 Tiêu thụ, kg gạo/người/năm 144. Vỏ trấu là phế phẩm của công nghiệp chế biến gạo. Thành phần hóa chủ yếu của vỏ trấu là silica và các oxit sau.

2 Hàm lượng các oxit có trong tro trấu.5 Silica là đối tượng được nghiên cứu khá phổ biến hiện nay cả trong và ngoài nước với nhiều đề tài nghiên cứu được ứng dụng rộng rãi trong khoa học công nghệ, phục vụ đời sống xã hội. Vật liệu Silica được tổng hợp và nghiên cứu, ứng dụng trong vật liệu xây dựng của nhóm nghiên cứu Lê Văn Hải cùng nhóm cộng sự Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia TP.HCM từ vỏ trấu. [7] Silica phục vụ quá trình thu hồi dầu trong khai thác và vận chuyển thu gom dầu thô. Đề tài nghiên cứu, tổng hợp nano silica bằng phương pháp hóa ướt, đánh giá ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt CTAB đến cấu trúc của vật liệu bằng các đặc trưng hóa lýnhư XRD, SEM, TEM, EDX,…[8] Phòng thí nghiệm Hóa chất và Khoa học An toàn, , Đại học Osaka (Nhật Bản) đã nghiên cứu sự phân bố và tác động của các hạt nano nano vô định hình được tiêm vào tĩnh mạch trong tinh hoàn của chuột.

Các hạt nano vô định hình (nSP) đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng như y học, mỹ phẩm và thực phẩm. Việc giảm kích thước hạt xuống mức nano không chỉ mang lại lợi ích cho các lĩnh vực khoa học đa dạng mà còn tiềm ẩn nhiều rủi ro. Một số báo cáo đã mô tả độc tính in-vivo và in- vitro của nSP, nhưng một số nghiên cứu đã kiểm tra tác động của chúng đối với hệ thống sinh sản nam giới. Nanosilica đã được thêm vào nhựa đường đối chứng với hàm lượng 4% và 6% dựa trên trọng lượng của chất kết dính nhựa đường để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến tính chất lưu biến và liên kết hóa học của nhựa đường được biến tính với nanosilica.

Các thử nghiệm hỗn hợp và chất kết dính Superpave được sử dụng trong nghiên cứu này để ước tính các đặc tính của hỗn hợp và chất kết dính nhựa đường được biến tính bởi nano silica. Dựa trên kết quả thử nghiệm chất kết dính, người ta nhận thấy rằng nano silica bổ sung 4 trong chất kết dính nhựa đường làm giảm nhẹ độ nhớt của chất kết dính nhựa đường, duy trìcông việc tiêu tán thấp cho mỗi chu kỳ tải, giữ hiệu suất nhiệt độ thấp tương tự như nhựa đường đối chứng, và có tác dụng tích cực trong việc chống oxy hóa.2 Vật liệu polymer composite. Vật liệu composite (hay compozit), đây là loại vật liệu được tạo thành từ 2 hay nhiều vật liệu khác nhau trở lên tạo thành một loại vật liệu hoàn toàn mới với những tính chất khác nhau tùy thuộc vào mong muốn của nhà sản xuất. Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt.

Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá. Vật liệu nền của composite có thể là polymer, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc carbon.2 Đặc điểm, tính chất, thành phần của vật liệu composite. Những đặc điểm chính của vật liệu composite gồm vật liệu nhiều pha, trong vật liệu composite có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước, tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của composite. Tuy nhiên, tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng lẻ mà chỉ lựa chọn những tính chất tốt và phát huy thêm.

Vật liệu composite gồm 2 thành phần chính: Vật liệu nền (pha liên tục) và vật liệu gia cường (pha gián đoạn). Dựa theo đặc điểm cấu trúc của vật liệu composite thìvật liệu composite được chia làm ba loại: composite cốt hạt, composite cốt sợi và composite cấu trúc. Nhìn chung thì mỗi loại có sự khác biệt nhất định như là sự khác biệt về kích thước hình học giữa composite cốt hạt với lại composite cốt sợi (nói rõ hơn thì loại cốt sợi là các phần tử đẳng trục còn đối với loại cốt hạt thì lại có tỷ lệ chiều dài ở trên một đường kính khá là lớn). Còn composite cấu trúc chính là các bán thành phẩm dạng sợi tấm với lớp là vật liệu đồng nhất với một số 5 composite khác… Đối với composite cấu trúc được chia thành ba nhóm nhỏ hơn là cấu trúc lớp, cấu trúc tấm ba lớp và cấu trúc tổ ong.

2 Một số cấu trúc đơn giản nhất của vật liệu composite 1D, 3D và 2D.3 Vật liệu composite có cấu trúc 3D. Vật liệu composite có cấu trúc 3D có thể được hiểu là vật liệu composite có hình dạng hình thái học nhất định qua quá trình chế tạo Hay là vật liệu đa cốt, đa nền. Có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc tạo ra cốt sợi tạp lai của composite: khi một trong các loại cốt sợi có chỉ số cơ lý cao hơn nhiều so với sợi kia, sẽ hạn chế được yếu điểm của các sợi có chỉ số cơ lý thấp hơn, và làm giảm giá thành của vật liệu. 3 Vật liệu composite cấu trúc 3D.4 Một số ví dụ về vật liệu composite cấu trúc 3D.

Các loại vật liệu composite cấu trúc 3D được chế tạo từ chính các polymer phân hủy sinh học,các loại nhựa nhiệt dẻo, hay tổng hợp từ các polymer có sự tương thích với nhau. Thông thường, PVA thường được đưa vào để tăng khả năng kết dính của vật liệu nền trong vật liệu composite. Ví dụ, vật liệu polyme composite trên nền polyamit 11 (PA11) và bột tre (BT) được chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy trên thiết bị trộn nội Haake. Để 6 nâng cao khả năng kết dính giữa các thành phần composite, polyvinyl ancol (PVA) với các hàm lượng khác nhau được đưa vào composite theo 2 phương pháp: phối trộn nóng chảy trực tiếp cùng với các thành phần composite và xử lý bề mặt BT trong dung dịch có mặt PVA trước khi phối trộn nóng chảy.

Khảo sát độ bền kéo của vật liệu composite đối với 2 phương pháp chế tạo cho thấy, các mẫu composite có BT được xử lý trước với PVA cho độ bền kéo cao hơn so với các mẫu phối trộn nóng chảy. Kết quả thu được tại tỷ lệ PA11/BT (60/40) có mặt 10% khối lượng PVA, chế tạo theo phương pháp này cho độ bền kéo đứt đạt giá trị cao nhất (41,5 MPa).