Khóa luận chế tạo composite từ polypropylene phế liệu và bã mía - HCMUTE

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu composite thân thiện với môi trường từ nhựa polypropylene phế liệu kết hợp phụ phẩm bã mía.

• Tác giả: Nguyễn Đức Trọng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Việt Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite từ polypropylene phế liệu và bã mía
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu composite từ polypropylene phế liệu và bã mía

Vật liệu composite từ polypropylene (PP) phế liệu và bã mía là sản phẩm nghiên cứu tận dụng nguồn nguyên liệu tái chế nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Polypropylene là nhựa nhiệt dẻo có trọng lượng nhẹ, độ bền cơ học cao và khả năng chống hóa chất tốt. Bã mía, phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam, chứa hàm lượng cellulose và lignin cao, có thể sử dụng làm chất gia cường trong composite. Việc kết hợp PP tái chế và bã mía không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn tạo ra vật liệu có đặc tính cơ học và nhiệt cải thiện. Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp ép phun để chế tạo composite, kết hợp ưu điểm của PP (dễ gia công, tái chế) và bã mía (tính chất cơ học tốt, sẵn có). Composite PP/bã mía hứa hẹn ứng dụng trong ngành bao bì, ô tô và sản phẩm tiêu dùng nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng phân hủy sinh học một phần.

1.1. Tính chất vật lý của polypropylene phế liệu

Polypropylene phế liệu có khối lượng riêng từ 0,895 đến 0,93 g/cm³, thấp hơn nhiều so với kim loại, giúp giảm trọng lượng sản phẩm. Độ bền kéo của PP đạt 30-40 MPa, modul đàn hồi 1300-1800 MPa, phù hợp cho ứng dụng chịu lực. Nhiệt độ nóng chảy 160-170°C cho phép gia công dễ dàng bằng ép phun. PP có tính cách điện tốt, kháng acid/base, nhưng dễ bị lão hóa dưới tác động của tia UV. Để cải thiện độ bền, cần bổ sung chất chống oxy hóa và chất hấp thụ tia UV trong quá trình chế tạo composite.

1.2. Đặc điểm của bã mía làm vật liệu gia cường

Bã mía chứa 40-50% cellulose, 20-30% hemicellulose và 15-25% lignin, cung cấp độ cứng và khả năng chịu lực cho composite. Kích thước sợi bã mía ảnh hưởng đến phân bố ứng suất trong vật liệu. Bã mía có khả năng hấp thụ ẩm cao, gây khó khăn trong quá trình gia công. Xử lý bã mía bằng kiềm hoặc axit giúp tăng khả năng tương hợp với PP. Sợi bã mía sau xử lý có thể cải thiện độ bền uốn và modul đàn hồi của composite so với PP nguyên sinh.

II. Những thách thức trong chế tạo composite PP bã mía

Chế tạo composite từ PP phế liệu và bã mía gặp nhiều khó khăn do tính không tương hợp giữa nền polymer và sợi gia cường. PP là vật liệu kỵ nước, trong khi bã mía có tính hút ẩm cao, dẫn đến phân tách pha và suy giảm tính chất cơ học. Sự phân bố không đều của sợi bã mía trong nền PP gây ra ứng suất cục bộ, làm giảm độ bền kéo. Nhiệt độ gia công cao (180-220°C) có thể phân hủy cellulose trong bã mía, ảnh hưởng đến tính chất nhiệt của composite. Ngoài ra, độ nhớt của PP nóng chảy tăng khi bổ sung sợi bã mía, gây khó khăn trong quá trình ép phun. Vấn đề tái chế PP phế liệu cũng đòi hỏi quy trình phân loại và làm sạch nghiêm ngặt để tránh tạp chất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

2.1. Khó khăn về tương hợp giữa PP và sợi bã mía

PP là polymer kỵ nước, trong khi bã mía có tính hút ẩm cao, dẫn đến tương hợp kém giữa hai pha. Sự khác biệt về độ phân cực giữa PP và sợi bã mía gây ra phân tách pha, làm giảm khả năng truyền tải ứng suất. Để cải thiện tương hợp, các phương pháp xử lý sợi (kiềm hóa, axit hóa, ghép nối) được áp dụng nhằm tăng khả năng tương tác hóa học giữa sợi và nền polymer. Sử dụng chất tương hợp như maleic anhydride-grafted polypropylene (MAPP) cũng giúp tăng cường liên kết giữa hai pha.

2.2. Ảnh hưởng của quá trình gia công đến chất lượng composite

Quá trình ép phun yêu cầu nhiệt độ và áp suất phù hợp để phân tán đều sợi bã mía trong nền PP. Nhiệt độ quá cao (trên 220°C) gây phân hủy cellulose, giảm độ bền cơ học. Tốc độ ép và thời gian làm mát ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của PP, từ đó tác động đến tính chất cơ học. Áp suất ép không đủ dẫn đến lỗ rỗng trong sản phẩm, gây suy giảm độ bền va đập. Điều chỉnh thông số gia công như nhiệt độ khuôn, tốc độ phun và áp suất giữ là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa chất lượng composite.

III. Phương pháp chế tạo composite PP bã mía bằng ép phun

Phương pháp ép phun được lựa chọn do khả năng sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao. Quy trình bắt đầu bằng việc xử lý sơ bộ bã mía (sấy khô, nghiền nhỏ, xử lý kiềm). PP phế liệu được làm sạch, nghiền thành hạt nhỏ. Hỗn hợp PP/bã mía (tỷ lệ 70:30 đến 80:20) được trộn đều bằng máy trộn kín. Hỗn hợp sau đó được đưa vào máy ép phun với nhiệt độ khuôn 50-70°C, nhiệt độ phun 180-220°C. Áp suất giữ 80-100 MPa giúp giảm co ngót. Sản phẩm sau ép được làm nguội nhanh để tránh biến dạng. Phương pháp này cho phép kiểm soát chặt chẽ cấu trúc vi mô, từ đó tối ưu hóa tính chất cơ học. Đánh giá chất lượng bao gồm đo độ bền kéo, uốn, va đập và phân tích nhiệt bằng TGA/DSC.

3.1. Chuẩn bị nguyên liệu và xử lý sơ bộ

Bã mía được sấy ở 80°C trong 24 giờ để loại bỏ ẩm. Sau đó, bã mía được nghiền thành sợi có kích thước 50-200 µm bằng máy nghiền búa. PP phế liệu được rửa sạch, sấy khô và nghiền thành hạt 3-5 mm. Xử lý kiềm bằng dung dịch NaOH 5% trong 1 giờ giúp tăng độ nhám bề mặt sợi, cải thiện tương hợp với PP. Sợi bã mía sau xử lý được rửa sạch và sấy khô trước khi trộn với PP. Tỷ lệ phối trộn PP/bã mía được điều chỉnh từ 70:30 đến 85:15 để tối ưu hóa tính chất cơ học.

3.2. Quy trình ép phun và thông số kỹ thuật

Hỗn hợp PP/bã mía được đưa vào máy ép phun với nhiệt độ phun 180-220°C, nhiệt độ khuôn 50-70°C. Áp suất giữ 80-100 MPa trong 10-15 giây giúp giảm co ngót. Tốc độ phun điều chỉnh từ 30-50 mm/s để tránh phân tách pha. Sản phẩm sau ép được làm nguội bằng không khí trong 2 phút. Kiểm tra chất lượng bao gồm đo độ bền kéo (ASTM D638), uốn (ASTM D790) và va đập (ASTM D256). Phân tích nhiệt bằng TGA/DSC xác định nhiệt độ phân hủy và nhiệt độ nóng chảy của composite.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng

Kết quả nghiên cứu cho thấy composite PP/bã mía có độ bền kéo đạt 25-35 MPa, modul đàn hồi 1500-2000 MPa, cao hơn so với PP nguyên sinh. Độ bền uốn đạt 40-50 MPa, độ cứng Shore D 70-80. Khả năng chịu nhiệt cải thiện với nhiệt độ phân hủy tăng 10-15°C so với PP. Phân tích SEM cho thấy sợi bã mía phân bố tương đối đều trong nền PP, giảm thiểu lỗ rỗng. Composite cũng có khả năng phân hủy sinh học một phần nhờ thành phần cellulose trong bã mía. Ứng dụng tiềm năng bao gồm sản xuất bao bì thân thiện môi trường, linh kiện ô tô nhẹ, và sản phẩm tiêu dùng bền vững. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu composite từ nguồn phế thải nông nghiệp, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

4.1. Đánh giá tính chất cơ học của composite

Độ bền kéo của composite PP/bã mía đạt 25-35 MPa, cao hơn PP nguyên sinh nhờ sự gia cường của sợi bã mía. Modul đàn hồi đạt 1500-2000 MPa, cải thiện đáng kể so với PP (1300-1800 MPa). Độ bền uốn đạt 40-50 MPa, cho thấy khả năng chịu lực tốt. Độ cứng Shore D 70-80 phù hợp cho ứng dụng chịu mài mòn. Độ bền va đập đạt 5-8 kJ/m², thấp hơn PP nguyên sinh nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu cho nhiều ứng dụng. Kết quả phân tích SEM cho thấy sợi bã mía phân bố tương đối đều, giảm thiểu khuyết tật.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong sản xuất bền vững

Composite PP/bã mía có thể thay thế nhựa nguyên sinh trong sản xuất bao bì nhờ trọng lượng nhẹ và khả năng tái chế. Trong ngành ô tô, vật liệu này ứng dụng làm các chi tiết nội thất, vỏ bảo vệ nhờ độ bền cao và khả năng chịu nhiệt. Sản phẩm tiêu dùng như ghế, bàn, đồ chơi trẻ em cũng có thể sử dụng composite này do an toàn và thân thiện môi trường. Khả năng phân hủy sinh học một phần giúp giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa. Nghiên cứu góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn, biến phế thải nông nghiệp thành tài nguyên có giá trị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng và mục tiêu phát triển bền vững trở thành định hướng chiến lược toàn cầu, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tái chế vật liệu nhựa cũng như xử lý chất thải công nghiệp đang trở nên đặc biệt cấp thiết. Trong vài thập kỷ qua, vật liệu composite sợi tự nhiên (NFC) như gỗ dừa [1], xơ dừa [2], bã mía [3] đã dần nổi lên như một giải pháp thay thế khả thi cho vật liệu composite polyme truyền thống trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Sự thay đổi này được thúc đẩy bởi tính hiệu quả về chi phí và các tính chất cơ học của chúng. Có một sự quan tâm ngày càng tăng đối với tiềm năng phát triển các vật liệu composite sinh học với tác động tối thiểu đến môi trường, nhằm đạt được tính trung hòa carbon dioxide [4].

Trong đó, bã mía là một phế phẩm dạng sợi từ quá trình chế biến đường hoặc được sử dụng trong sản xuất thực phẩm và đồ uống [5]. Hiện nay phần lớn được bã mía được đốt để tạo ra năng lượng cho quá trình sản xuất đường tại Việt Nam và gây tác động tiêu cực tới môi trường. Sản lượng mía của thế giới đã vượt quá 2 tỷ tấn vào năm 2023, trong đó 50,4% do Châu Mỹ đóng góp, 43,2% do Châu Á; 4,7% do Châu Phi; và 1,7% do Châu Đại Dương [6]. Trong số các sản phẩm được tạo ra, bã mía chiếm 30% khối lượng của cây thu hoạch.

Sản lượng bã mía toàn cầu hàng năm ước tính đạt 700 triệu tấn [5]. Điều này chỉ ra rằng việc chế biến lượng mía lớn này vô tình sẽ góp phần tạo ra một lượng lớn chất thải, điều này chắc chắn sẽ gây ra mối quan ngại nghiêm trọng về môi trường nếu không được quan tâm [3]. Bên cạnh đó, các sản phẩm nhựa, bao gồm túi, chai, và đồ gia dụng, đang dần thay thế nhiều vật liệu khác trong cuộc sống hàng ngày. Có tới 50% nhựa được sử dụng cho các ứng dụng dùng một lần, chẳng hạn như bao bì, màng nông nghiệp và các mặt hàng tiêu dùng dùng một lần, chỉ có 20 đến 25% cho cơ sở hạ tầng dài hạn như đường ống, lớp phủ cáp và vật liệu kết cấu, và phần còn lại cho các ứng dụng tiêu dùng bền bỉ với tuổi thọ trung gian, chẳng hạn như trong hàng điện tử, đồ nội thất, xe , v.

Mà trong đó, polypropylen (PP), loại nhựa phổ biến trong sản xuất bao bì, khẩu trang và các sản phẩm tiêu dùng, chiếm tới 16% ngành công nghiệp nhựa [8]. Điều này đã dẫn đến nhu cầu sản xuất PP ngày càng tăng mà trong đó, tỷ lệ tái chế PP sau khi tiêu dùng trên toàn thế giới chỉ khoảng 1% [9], nghĩa là một lượng lớn PP sẽ đến các bãi chôn lấp, sau đó làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm vì nhựa và làm dấy lên những lo ngại về môi trường liên quan đến chất thải polypropylene (PP) [10]. Trước những vấn đề trên, việc tái chế PP phế thải kết hợp với tận dụng phế phẩm nông nghiệp như bã mía để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng đang nổi lên như một hướng nghiên cứu tiềm năng, thu hút sự quan tâm đáng kể từ cộng đồng khoa học. 16 Bã mía giàu cellulose, hàm lượng cenllulose có thể lên tới 48-58,2%, là nguồn nguyên liệu lý tưởng để chiết xuất sợi làm gia cường trong composite nhựa [11].

Sợi tự nhiên là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, mật độ thấp, không gây độc hại, đồng thời đã được chứng minh có hiệu quả trong cách nhiệt và cách âm, với chi phí sản xuất tương đối thấp. Do đó, việc ứng dụng sợi tự nhiên trong vật liệu composite nền polymer mang lại nhiều lợi thế, bao gồm giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng vật liệu, dễ dàng thu gom từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp, qua đó góp phần giảm lượng chất thải ra môi trường. Đồng thời, sợi tự nhiên còn giúp cải thiện các tính chất cơ học của sản phẩm như độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập [5]. Song song với đó, nhựa PP đã cho thấy có tiềm năng tái chế rất lớn từ các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Do tính chất nhiệt dẻo, PP được coi là rất hữu ích trong nhiều ngành công nghiệp vì nó có thể được đun nóng, làm nguội, và đun nóng lại mà không gây ra sự suy giảm đáng kể trong thành phần cơ bản của nó. Hơn nữa, các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ chảy của PP trong khoảng từ 160°C đến 170°C tương thích với nhiệt độ phân hủy sợi khoảng 200°C. Các biện pháp xử lý chất thải nhựa PP đã được thử nghiệm, trong đó, tái chế được đánh giá là một trong những phương án khả thi và thực tiễn nhất. Việc giảm sử dụng nhựa, tái sử dụng, tái chế chất thải nhựa có thể làm giảm tác động đến môi trường.

Nghiên cứu của Yin và cộng sự đã chỉ ra rằng PP tái chế công nghiệp vượt trội hơn PP nguyên sinh về các lợi ích môi trường như khí thải carbon, axit hóa đất và vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch [12]. Việc tái sử dụng nguyên liệu phế thải đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn, giảm thiểu lãng phí tài nguyên và thúc đẩy phát triển bền vững. Sự kết hợp giữa tính tái tạo của sợi tự nhiên và khả năng tái chế của polymer nhiệt dẻo đã mở ra tiềm năng phát triển các vật liệu composite thân thiện với môi trường, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất và tính bền vững trong nhiều ứng dụng [10]. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Chế tạo composite từ nhựa PP phế liệu và bột bã mía bằng phương pháp ép phun.

Phân tích bề mặt sản phẩm bằng kính hiển vi điện tử SEM, OM, đánh giá tính chất cơ học của sản phẩm bằng các phương pháp đo độ bền kéo (Tensile test), đo độ bền uốn (Flexure test), độ cứng (Hardness), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), tính chất nhiệt (TGA). NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng bã mía, một nguồn tài nguyên sinh học dồi dào, và nhựa PP phế liệu để tạo ra vật liệu composite thân thiện với môi trường. Việc tận dụng các nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải ra môi trường mà còn tận dụng được các 17 nguồn tài nguyên giá rẻ, góp phần vào phát triển bền vững. Bã mía được thu hoạch từ các xe nước mía tại Thủ Đức, trong khi nhựa PP phế liệu chọn lọc từ các vựa ve chai lớn.

Quy trình chế tạo vật liệu composite được thực hiện thông qua kỹ thuật ép phun, trong đó nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số gia công như tỉ lệ trộn giữa nhựa PP phế liệu và bã mía. Bên cạnh đó, chất liên hợp được sử dụng để cải thiện cơ tính của vật liệu, đồng thời tìm ra tỉ lệ sử dụng chất liên hợp hiệu quả nhất nhằm đảm bảo tính chất cơ học tốt nhất cho sản phẩm cuối cùng. Sau khi chế tạo, vật liệu composite được đánh giá về các tính chất cơ học, tính chất nhiệt, phân tích bề mặt và so sánh với giữa các thông số nhằm tìm ra thông số tối ưu. Mục tiêu là đảm bảo rằng vật liệu composite không chỉ có tính năng tương đương hoặc vượt trội so với vật liệu ban đầu mà còn phù hợp về mặt kinh tế và có khả năng áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ đó thúc đẩy việc sử dụng vật liệu tái chế và sinh học trong sản xuất.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Nghiên cứu này không những có ý nghĩa khoa học mà còn mang tính cấp thiết cao trong bối cảnh hiện nay, khi mà vấn đề ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững đang được quan tâm hàng đầu. Việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite từ bã mía và nhựa PP phế liệu sẽ góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên và mang lại nhiều lợi ích kinh tế [13]. Composite từ nhựa PP phế thải và bã mía là một loại vật liệu sinh thái, có thể thay thế vật liệu nhựa truyền thống, phù hợp với xu hướng phát triển xanh hiện nay. Tái chế nhựa PP phế thải và bã mía giúp giảm lượng rác thải, giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường và vấn đề rác thải nhựa khó phân hủy.

Bên cạnh đó, việc tái chế giúp giảm chi phí sản xuất của vật liệu, sử dụng được phế phẩm nông nghiệp là bã mía, đồng thời giúp tối ưu hóa nguồn lực, giảm chi phí xử lý chất thải. Vật liệu composite này có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như sản xuất nội thất, thiết bị gia dụng, xây dựng và công nghiệp ô tô,. 18 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhựa polypropylene. Nhựa là một nhóm vật liệu polymer có tính ứng dụng rộng rãi và được phân loại thành bốn nhóm chính: nhựa nhiệt dẻo, nhựa đàn hồi, nhựa nhiệt rắn và hợp chất polymer.

Sự khác biệt giữa các loại nhựa này chủ yếu được quyết định bởi cấu trúc đại phân tử và tính chất vật lý đặc trưng. Nhựa đàn hồi có độ mềm dẻo cao, có thể biến dạng đáng kể dưới tác động của ngoại lực và trở về hình dạng ban đầu sau khi lực tác động được loại bỏ. Ngược lại, nhựa nhiệt rắn có cấu trúc mạng lưới không gian bền vững, giúp vật liệu này có độ cứng cao nhưng không thể nóng chảy để tái chế sau khi đã định hình. Trong khi đó, nhựa nhiệt dẻo có khả năng nóng chảy và tạo hình lại nhiều lần mà không làm suy giảm đáng kể các tính chất vật lý.

Loại nhựa này tồn tại ở hai dạng chính: vô định hình và bán tinh thể. Nhựa vô định hình có cấu trúc phân tử sắp xếp ngẫu nhiên, không theo trật tự cố định, làm cho vật liệu này có độ trong suốt cao và tính chất cơ học đồng nhất; các đại diện tiêu biểu gồm polycarbonate (PC), polystyrene (PS) và polyvinyl chloride (PVC). Ngược lại, nhựa bán tinh thể có một phần cấu trúc phân tử sắp xếp trật tự hơn, tạo ra các pha tinh thể xen kẽ trong nền polymer vô định hình, nhờ đó chúng có độ bền cơ học và khả năng kháng hóa chất cao hơn; những đại diện phổ biến bao gồm polyamide (PA) và polypropylene (PP). Sự khác biệt trong cấu trúc đại phân tử của từng loại nhựa không chỉ ảnh hưởng đến tính chất vật lý mà còn quyết định khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống.