Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu sử dụng xơ da phế thải và xơ dệt để chế tạo vật liệu cao su compozit ứng dụng làm tấm trải sàn" do nghiên cứu sinh Lê Thúy Hằng thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc ngành Công nghệ Dệt, May (Mã số: 9540204), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đoàn Anh Vũ và TS. Nguyễn Phạm Duy Linh, được hoàn thành vào năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ngành công nghiệp da giầy toàn cầu có sự gia tăng liên tục về sản lượng, từ 2,5 tỷ đôi vào năm 1950 lên 20 tỷ đôi vào năm 2005 và đạt khoảng 27 tỷ đôi vào năm 2020. Ước tính mỗi năm có khoảng 660.000 tấn chất thải rắn phát sinh từ ngành này trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, ngành da giầy đứng trong nhóm 10 quốc gia xuất khẩu hàng đầu thế giới và đứng thứ hai tại thị trường châu Âu (sau Trung Quốc), với năng lực sản xuất hàng năm đạt trên 1 tỷ đôi giầy dép, trên 300 nghìn túi cặp và trên 300 triệu bia vuông (Sf) da thuộc. Do tỷ lệ sử dụng nguyên liệu chỉ đạt khoảng 70–80%, lượng chất thải rắn phát sinh lên tới hàng trăm nghìn tấn (riêng năm 2015 là trên 150 nghìn tấn và ước tính năm 2020 khoảng 300 nghìn tấn, chưa tính chất thải từ các cơ sở thuộc da).

Phế thải da thuộc chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng chất thải rắn ngành da giầy. Loại chất thải này chứa hàm lượng ion crom ($Cr^{3+}$) từ 2% đến 6%, tiềm ẩn nguy cơ bị oxy hóa thành $Cr^{6+}$ gây ô nhiễm đất và nguồn nước ngầm. Đồng thời, việc thiêu đốt hoặc chôn lấp phế thải da gây lãng phí nguồn protein dạng xơ colagen có tính năng cơ học cao. Song song với đó, các nhà máy dệt (điển hình tại khu vực Hưng Yên) thải bỏ trung bình 13–15 tấn xơ sợi polyamit (PA) phế phẩm mỗi năm trên mỗi đơn vị sản xuất quy mô 4 máy Warp. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: chưa có công trình nào công bố giải pháp lai tạo đồng thời giữa xơ dệt tổng hợp phế phẩm (như PA6) và xơ da thuộc phế thải trên nền cao su nitril (NBR) nhằm tối ưu hóa tính chất cơ lý, nhiệt và ứng dụng chế tạo tấm trải sàn công nghiệp đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tái sử dụng xơ da thuộc phế thải, xơ dệt trên cơ sở xác định được chế độ gia công và đơn phối liệu phù hợp để chế tạo vật liệu polyme compozit nền cao su.
  2. Đánh giá được khả năng ứng dụng của vật liệu polyme compozit từ xơ da thuộc phế thải, xơ dệt trên cơ sở cao su vào làm vật liệu trải sàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Xơ da thuộc phế thải (xơ da bò váng nhung), xơ phế thải polyamit 6 (PA6), xơ polyacrylonitril (PAN), latex cao su tự nhiên (CSTN), cao su acrylonitril butadien (NBR) và các chất phụ gia lưu hóa (lưu huỳnh, xúc tiến lưu hóa TMTD, DM, TBBS, CZ; trợ xúc tiến ZnO, axit stearic; chất phòng lão RD).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thực nghiệm phối trộn, lưu hóa, phân tích hóa lý, nhiệt, cấu trúc hình thái và đo đạc cơ lý được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang, kết hợp cùng Trung tâm Công nghệ Polyme compozit và Giấy thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cấu trúc colagen, vật liệu polyme compozit nền cao su và các phương pháp tận dụng phế thải da thuộc:

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại

  • Cấu trúc và tính chất colagen trong da thuộc: Các nghiên cứu của Bailey (1992), Bailey và Paul (1998), Ward (1978) tổng hợp các đặc trưng cơ bản của colagen. Sizeland (2010) chứng minh mối tương quan giữa colagen và độ bền xé trên 7 loài động vật có vú. Rafea Naffa và cộng sự (2019) phân tích thành phần da bò, chỉ ra xơ colagen lớn chứa glycosaminoglycan và liên kết ngang tetravalent. Weinkamer (2017) xây dựng mô hình phân tử colagen khi hấp thụ nước, giải thích cơ chế bôi trơn và linh động giữa các sợi colagen.
  • Cấu trúc tinh thể polyamit: Các công trình nghiên cứu về hình thái tinh thể dạng $\alpha$ (một nghiêng, liên kết hydro giữa hai mạch song song ngược chiều) và $\gamma$ (lục giác/giả lục giác, mạch xoắn zíc zắc song song cùng chiều) của Nylon 6 (PA6) và Nylon 66 (PA66), cũng như sự chuyển dịch pha qua xử lý nhiệt hoặc hóa chất.
  • Tiền xử lý và chế tạo compozit từ bột/xơ da:
    • K. Przepiorkowska và cộng sự (2004, 2007): Nghiên cứu ảnh hưởng của tính axit trong xơ da đến quá trình lưu hóa cao su và giải pháp trung hòa bằng các dung dịch kiềm, urê, amoniac, natri bicacbonat nhằm giữ lại phần colagen tinh khiết.
    • K. Ravichandran và N. Natchimuthu (2005): Phối trộn latex CSTN với xơ da chứa crom trên máy khuấy, tiến hành keo tụ, rửa sạch rồi cán trộn với cao su phế liệu và phụ gia trên máy cán hai trục, sau đó lưu hóa ép thủy lực ở 140–150°C dưới áp lực 40 tấn để tạo tấm 6–8 mm.
    • Marcos Roberto Ruiz (2015): Chế tạo compozit CSTN và xơ da qua 2 giai đoạn trên máy cán 2 trục, lưu hóa ở 140°C, đánh giá độ trương nở trong xăng, nước và dung dịch kiềm NaOH.
    • Renivaldo J. Santos và cộng sự (2015): Nghiên cứu chế tạo compozit CSTN với bột da kích thước 100–300 µm qua quy trình 5 bước trên máy trộn hở.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng phế thải da dưới dạng bột mịn (kích thước 0,1–0,3 mm) phối trộn đơn lẻ trên nền cao su thiên nhiên (CSTN) hoặc nền nhựa nhiệt dẻo (PLA, PA6). Chưa có công trình nào tập trung khảo sát việc phối hợp đồng thời xơ da bò váng nhung dạng sợi ngắn với xơ dệt tổng hợp (PA6 phế phẩm dệt may) trên nền cao su nitril (NBR) phân cực nhằm gia tăng độ tương hợp liên pha, cải thiện toàn diện các chỉ tiêu cơ nhiệt và kiểm định trực tiếp theo tiêu chuẩn thảm trải sàn cao su TCVN 12062:2017 (ISO 10577:2012).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Vật liệu polyme compozit (PC) nền cao su: Cao su lưu hóa được xem là hệ compozit nhiều cấu tử gồm: nhóm khâu mạch/lưu hóa (lưu huỳnh, chất xúc tiến, trợ xúc tiến); nhóm ức chế lão hóa (chất phòng lão); nhóm gia cường/độn (xơ da, xơ dệt). Tác dụng gia cường phụ thuộc vào khả năng truyền ứng suất qua bề mặt phân chia pha và mức độ ảnh hưởng của pha phân tán tới mạng lưới lưu hóa.
  • Cấu tạo hóa học của colagen và da thuộc: Colagen cấu thành từ 20 loại axit amin liên kết qua cầu nối peptit ($-CO-NH-$) tạo mạch polypeptit đơn, sau đó 3 mạch xoắn lại thành cấu trúc xoắn ba bậc (triple helix). Colagen chứa 47–49% C, 6,57–7% H, 28,15–29,96% O, 17–18,6% N; trong đó glycine chiếm 30%, proline 10% và hydroxyproline 10% (12,83 g/100 g protit).
  • Cấu trúc cao su NBR: Copolyme của butadien-1,3 và acrylonitril (ACN). Sự có mặt của nhóm nitril ($-CN$) tạo nên tính phân cực mạnh, giúp NBR có độ tương hợp bề mặt cao với các nhóm phân cực ($-NH_2$, $-COOH$, $-CONH-$) trên mạch xơ colagen và xơ PA6, đồng thời kháng dầu mỡ và dung môi không phân cực.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm kỹ thuật vật liệu, kết hợp giữa gia công cơ học, xử lý hóa học và các phép đo phân tích hiện đại:

  1. Gia công chế tạo mẫu:
    • Sơ chế cơ học và xử lý hóa học xơ da thuộc phế thải.
    • Phối trộn mẫu trên máy trộn kín Labo Plastomill 4M150 và máy cán hai trục hở.
    • Lưu hóa và định hình sản phẩm dạng tấm trên máy ép thủy lực nhiệt.
  2. Đo kiểm tính chất cơ lý:
    • Đặc trưng lưu hóa: Xác định mômen cực tiểu ($M_L$), mômen cực đại ($M_H$), thời gian lưu hóa sớm ($t_{s2}$) và thời gian lưu hóa tối ưu ($t_{90}$).
    • Độ nhớt Mooney của cao su và hỗn hợp cao su.
    • Độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt, độ bền xé trên máy kéo nén INSTRON theo tiêu chuẩn.
    • Độ cứng Shore A và độ nén dư dưới biến dạng không đổi.
    • Độ mài mòn đo trên thiết bị mài mòn APGI (GOTECH).
  3. Phân tích cấu trúc hình thái và nhiệt - hóa lý:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt xơ da, xơ dệt và bề mặt đứt gãy mẫu compozit.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) phân tích các nhóm chức và biến đổi liên kết hóa học.
    • Phân tích nhiệt vi sai quét (DSC) xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) và nhiệt độ nóng chảy ($T_m$).
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) xác định quá trình phân hủy nhiệt và độ ổn định nhiệt.
    • Phân tích cơ nhiệt động (DMA 8000) khảo sát môđun tích trữ ($E'$), môđun tổn hao ($E''$) và hệ số tổn hao cơ học ($\tan \delta$).
    • Độ trương nở trong dung môi toluen, xác định mật độ khâu mạch và khối lượng phân tử giữa các nút mạng ($M_c$).
    • Hệ số lão hóa nhiệt và độ hấp thụ nước của vật liệu.
  4. Kiểm tra tính năng tấm trải sàn: Đánh giá độ ổn định kích thước, độ mài mòn, độ bền kéo và độ nén dư theo TCVN 12062:2017 (ISO 10577:2012).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 1 tập trung tổng thuật cơ sở lý thuyết về vật liệu polyme compozit nền cao su, cấu trúc hóa - lý của da thuộc và xơ dệt tổng hợp, cùng thực trạng phát thải của ngành công nghiệp dệt may - da giầy:

Hạng mục tổng quan Nội dung và thông số kỹ thuật được tổng hợp
Phân loại polyme compozit Phân biệt 3 hệ nền: nhựa nhiệt dẻo (mạch thẳng, tái sinh nóng chảy), nhựa nhiệt rắn (mật độ mạng lớn, cứng giòn) và nền cao su (mật độ mạng thấp, giữ tính đàn hồi cao).
Cấu tạo da thuộc và colagen Cấu trúc lớp bì gồm lớp nhú (papillary) và lớp lưới (reticular); colagen chiếm 80% khối lượng da khô; hàm lượng $Cr^{3+}$ từ 2–6% trong da thuộc crom. Tỷ lệ sử dụng da mũ giầy đạt 61–83%, da đế giầy đạt 60–84%, da lót đạt 54,5–84%.
Xơ dệt tổng hợp (PA6 và PAN) PA6 có nhóm $-CONH-$, cấu trúc tinh thể $\alpha$ (khối lượng riêng thực nghiệm 1,23 g/cm³, $\Delta H_{f}^o = 241\text{ J/g}$) và $\gamma$ (khối lượng riêng 1,16 g/cm³, $\Delta H_{f}^o = 239\text{ J/g}$). Xơ PAN chứa trên 85% monome acrylonitril, bền ánh sáng, phân hủy nhiệt ở 300°C.
Phế phẩm xơ dệt tại Hưng Yên Quy trình phát sinh sợi PA phế tại khâu quấn ống sang beam (thải 60–90 g/cuộn) và khâu dệt vải (thải 1500–2000 g sợi/beam, chiều dài sợi 40–50 cm). Tổng phế phẩm đạt 13–15 tấn/năm/công ty.
Cao su thiên nhiên và cao su NBR CSTN gồm 98% 1,4-cis-polyisopren ($T_g \approx -70^\circ\text{C}$ đến $-72^\circ\text{C}$, độ bền kéo 22–28 MPa). NBR là copolyme butadien-acrylonitril (ACN 18–50%); hàm lượng ACN tăng làm tăng lực kéo đứt, độ cứng, độ kháng dầu nhưng giảm độ nảy và độ mềm dẻo ở nhiệt độ thấp.
Phụ gia gia công cao su Lưu huỳnh (S, nóng chảy 119°C); các xúc tiến lưu hóa TMTD, DM, TBBS; trợ xúc tiến ZnO (kích thước hạt 0,1–0,9 µm), axit stearic ($CH_3(CH_2)_{16}COOH$); chất phòng lão nhiệt RD.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết các nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và quy trình công nghệ chế tạo mẫu compozit ở quy mô phòng thí nghiệm:

  • Nguyên vật liệu chính: Xơ da bò váng nhung (thu gom từ sản xuất da giầy, sơ chế nghiền xé); xơ polyamit 6 (phế thải dệt may Hưng Yên, cắt ngắn theo các kích thước thực nghiệm); xơ polyacrylonitril (PAN); latex CSTN (độ khô 60%); cao su nitril (NBR 3345 với hàm lượng ACN 33%); hệ hóa chất lưu hóa (S, ZnO, Axit Stearic, TMTD, DM, TBBS, CZ, RD).
  • Quy trình chế tạo vật liệu compozit:
    1. Chế tạo compozit xơ da/CSTN: Phối trộn latex CSTN với xơ da trong dung dịch phân tán, tiến hành keo tụ tạo màng hỗn hợp, sấy khô và đưa vào cán luyện cùng hệ lưu hóa trên máy cán hai trục.
    2. Chế tạo compozit XD/NBR: Trộn NBR với xơ da và các chất trợ gia công trong buồng trộn kín Labo Plastomill 4M150 theo chế độ công nghệ (nhiệt độ, tốc độ trục, hệ số điền đầy xác định), sau đó chuyển sang máy cán hai trục để bổ sung lưu huỳnh và xúc tiến lưu hóa.
    3. Chế tạo compozit lai tạo PA6/XD/NBR: Cắt ngắn xơ PA6, phối trộn đồng thời xơ PA6 và xơ da đã xử lý vào cao su NBR trong máy trộn kín, tiếp tục cán luyện bổ sung hệ lưu hóa.
    4. Ép lưu hóa: Hỗn hợp cao su sau cán luyện được ủ ổn định 24 giờ, sau đó ép định hình trên máy ép thủy lực nhiệt ở nhiệt độ và thời gian tối ưu ($t_{90}$) xác định từ đường cong lưu biến.
  • Quy trình đánh giá tính chất: Chi tiết hóa các phương pháp đo độ nhớt Mooney, đo lưu biến, kéo đứt, xé rách, độ cứng, độ nén dư, độ mài mòn, chụp ảnh SEM, phổ FTIR, phân tích TGA, DSC, DMA và độ trương nở trong dung môi toluen theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu về tương tác pha, cơ chế gia cường và các thông số công nghệ tối ưu:

  1. Lựa chọn cao su nền (CSTN so với NBR):
    • Do NBR có bản chất phân cực (chứa nhóm $-CN$), độ tương hợp giữa NBR và bề mặt xơ da (chứa các nhóm amin, carboxyl) cao hơn rõ rệt so với CSTN không phân cực.
    • Mẫu compozit XD/NBR thể hiện độ bám dính liên pha tốt hơn trên ảnh SEM (xơ da bám chặt vào nền cao su, ít lỗ rỗng bóc tách), độ bền cơ học và khả năng kháng trương nở trong dung môi toluen cao hơn vượt trội so với mẫu XD/CSTN. NBR được lựa chọn làm cao su nền chính cho các nghiên cứu tiếp theo.
  2. Ảnh hưởng của loại chất xúc tiến lưu hóa:
    • Khảo sát các hệ xúc tiến TMTD, DM, TBBS và CZ đối với hỗn hợp XD/NBR.
    • Xúc tiến TMTD cho tốc độ lưu hóa nhanh, thời gian lưu hóa sớm ngắn nhưng dễ dẫn đến hiện tượng lưu hóa sớm trong quá trình cán trộn.
    • Hệ xúc tiến DM kết hợp cho mật độ khâu mạch tối ưu, cân bằng giữa thời gian lưu hóa sớm ($t_{s2}$) và thời gian đạt độ lưu hóa tối đa ($t_{90}$), mang lại độ bền kéo, độ bền xé và khả năng chống mài mòn cao nhất cho mẫu vật liệu.
  3. Khảo sát các thông số điều kiện gia công:
    • Hệ số điền đầy buồng trộn kín: Hệ số điền đầy tối ưu được xác định nhằm đảm bảo lực cắt truyền đều, giúp xơ da phân tán đồng nhất trong nền NBR mà không gây quá nhiệt cục bộ.
    • Nhiệt độ trộn: Nhiệt độ buồng trộn ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhớt của NBR và mức độ bảo toàn cấu trúc xơ colagen; nhiệt độ quá cao làm suy giảm tính chất của xơ da, nhiệt độ quá thấp làm giảm độ phân tán.
    • Nhiệt độ ép lưu hóa: Xác định được chế độ nhiệt lưu hóa thích hợp giúp hoàn tất mạng không gian ba chiều mà không làm thoái hóa nhiệt sợi colagen.
  4. Ảnh hưởng của hàm lượng xơ da thuộc phế thải:
    • Khi tăng tỷ lệ xơ da, độ cứng Shore A tăng liên tục và mômen cực đại ($M_H$) của quá trình lưu hóa tăng lên.
    • Độ bền kéo đạt giá trị cực đại ở tỷ lệ phối trộn thích hợp; khi hàm lượng xơ da vượt ngưỡng tối ưu, độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt giảm do hiện tượng vón tụ xơ và cản trở tính linh động của mạch cao su. Luận án ghi nhận compozit XD/NBR với tỷ lệ xơ da lên tới 50 phần khối lượng (pkl) trên 100 pkl cao su vẫn duy trì được cơ tính tốt.
  5. Ảnh hưởng của xử lý hóa học bề mặt xơ da:
    • Xử lý hóa học bề mặt bằng các tác nhân kiềm nhẹ/dung dịch phù hợp giúp loại bỏ các tạp chất và phần colagen vô định hình, làm lộ các nhóm chức hoạt động.
    • Phổ FTIR và ảnh SEM xác nhận bề mặt xơ da sau xử lý có độ nhám cao hơn, tăng diện tích tiếp xúc và tăng cường liên kết hydro với các nhóm nitril của NBR, qua đó cải thiện độ bền kéo và làm giảm độ hấp thụ nước của vật liệu.
  6. Nâng cao tính chất bằng phương pháp lai tạo với xơ dệt:
    • So sánh PA6 và PAN: Xơ PA6 cho hiệu quả gia cường cơ lý và khả năng phối trộn vượt trội so với xơ PAN khi kết hợp cùng xơ da trong nền NBR.
    • Chiều dài xơ PA6: Chiều dài xơ cắt ngắn có ảnh hưởng rõ rệt đến cơ chế truyền ứng suất; chiều dài thích hợp giúp xơ phân tán đều, định hướng tốt mà không bị rối hay vón cục.
    • Tỷ lệ lai tạo PA6/xơ da: Sự hiện diện đồng thời của xơ PA6 và xơ da tạo hiệu ứng tương hỗ (lai tạo), gia tăng mạnh độ bền kéo, độ bền xé, giảm độ biến dạng nén dư và nâng cao khả năng chống mài mòn.
    • Tính chất nhiệt và cơ nhiệt động: Giản đồ TGA, DSC và DMA khẳng định hệ compozit lai tạo PA6/XD/NBR có độ ổn định nhiệt cao hơn, môđun tích trữ ($E'$) tăng và nhiệt độ chuyển thủy tinh dịch chuyển phù hợp với cấu trúc mạng lai hóa. Hệ số lão hóa nhiệt cho thấy vật liệu duy trì độ bền tốt sau tác động nhiệt.
  7. Thử nghiệm tiêu chuẩn tấm trải sàn:
    • Mẫu vật liệu compozit lai tạo PA6/XD/NBR được tiến hành kiểm định các chỉ tiêu kỹ thuật chính (độ mài mòn, độ bền cơ học, độ biến dạng nén dư, độ ổn định kích thước dưới tác động nhiệt) theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12062:2017 (ISO 10577:2012) dành cho thảm trải sàn cao su không có lót đàn hồi, kết quả cho thấy mẫu thử đạt các yêu cầu kỹ thuật quy định.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  1. Khẳng định mức độ tương tác bề mặt cao giữa xơ da phế thải và cao su Nitril (NBR): Luận án đã làm rõ cơ chế tương thích liên pha giữa nhóm phân cực của xơ colagen và cao su NBR, chứng minh khả năng đưa hàm lượng xơ da lên mức cao (50/50 pkl) vào nền NBR để tạo ra vật liệu compozit có tính chất cơ lý vượt trội hơn bản thân cao su NBR không chất gia cường.
  2. Chế tạo thành công vật liệu compozit nền NBR gia cường bằng hệ xơ lai tạo (PA6/xơ da): Đây là công trình đầu tiên công bố việc kết hợp đồng thời xơ dệt tổng hợp polyamit 6 (PA6 phế thải dệt) và xơ da thuộc phế thải làm chất gia cường cho cao su nitril, tạo ra hiệu ứng tương hỗ giúp nâng cao vượt bậc độ bền kéo, độ bền xé, độ ổn định nhiệt, khả năng chống mài mòn và kháng lão hóa nhiệt.

Giá trị thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Chế tạo sản phẩm ứng dụng thực tế: Luận án đã chế tạo thành công tấm vật liệu trải sàn cao su compozit từ nguồn phế thải rắn ngành da giầy và dệt may, kiểm nghiệm đạt các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12062:2017 (ISO 10577:2012) về Thảm trải sàn đàn hồi - Yêu cầu cho thảm trải sàn cao su không có lót.
  • Hiệu quả kinh tế và môi trường: Giải pháp của luận án mở ra hướng tái chế tại chỗ khối lượng lớn phế phẩm rắn (xơ da váng nhung và sợi PA phế), giảm thiểu phát thải nguy cơ ô nhiễm kim loại crom ($Cr^{3+}/Cr^{6+}$), hạ giá thành nguyên liệu đầu vào cho sản phẩm trải sàn công nghiệp và giảm phụ thuộc vào nguồn vật liệu ngoại nhập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ các quy trình công nghệ chế tạo mẫu, phối trộn và khảo sát tính chất mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm trên các thiết bị thí nghiệm chuyên dụng (Labo Plastomill 4M150, máy cán nhỏ), chưa triển khai thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất công nghiệp liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu chuyển giao và hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo vật liệu compozit lai tạo ở quy mô pilot (bán công nghiệp) và quy mô công nghiệp.
    • Mở rộng khảo sát với các chủng loại phế thải da khác nhau (da cật, da mài) và các loại xơ dệt phế thải khác.
    • Nghiên cứu bổ sung các phụ gia chống cháy và đánh giá độ bền môi trường dài hạn của tấm trải sàn trong các điều kiện làm việc thực tế khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học và kỹ thuật chuyên sâu cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Công nghệ Dệt, May, Công nghệ Vật liệu Polyme - Compozit và Kỹ thuật Hóa học có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp hệ xơ lai hóa (xơ tự nhiên - xơ tổng hợp) và quy trình ứng dụng các phương pháp phân tích nhiệt - cơ động học (TGA, DSC, DMA, FTIR, SEM).
  • Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp da giầy - dệt may: Tham khảo các phương pháp phân loại, xử lý hóa học và tái sử dụng phế phẩm xơ da, xơ PA nhằm cắt giảm chi phí xử lý chất thải rắn và tối ưu hóa chuỗi cung ứng vật liệu.
  • Nhà sản xuất vật liệu xây dựng và tấm trải sàn: Tham khảo đơn phối liệu công nghệ và quy trình gia công tấm trải sàn đàn hồi đạt tiêu chuẩn chất lượng TCVN 12062:2017.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cao su nitril (NBR) lại phù hợp hơn cao su thiên nhiên (CSTN) khi chế tạo compozit với xơ da?

CSTN là polyme không phân cực (chủ yếu là 1,4-cis-polyisopren), trong khi xơ da colagen chứa nhiều nhóm chức phân cực ($-NH_2$, $-COOH$, liên kết peptit $-CONH-$), dẫn đến lực liên kết pha giữa xơ da và CSTN yếu. Ngược lại, NBR là copolyme chứa các nhóm nitril ($-CN$) có độ phân cực cao, tạo khả năng tương thích nhiệt động và tương tác liên kết hydro tốt với xơ colagen, giúp phân tán đều xơ da và tăng khả năng truyền ứng suất cơ học.

2. Xơ polyamit 6 (PA6) phế phẩm phát sinh từ những công đoạn nào trong nhà máy dệt?

Khảo sát tại nhà máy dệt (như Công ty TNHH Dệt và nhuộm Hưng Yên) cho thấy xơ sợi PA6 phế phẩm phát sinh chủ yếu ở 2 công đoạn:

  1. Công đoạn quấn sợi từ cuộn nhập khẩu (4–6 kg) sang beam trên máy Warp (để lại phần đuôi sợi không dùng được khoảng 60–90 g/cuộn).
  2. Công đoạn dệt vải trên máy dệt (sau khi kết thúc dệt, phần sợi thừa còn lại trên lõi beam khoảng 1500–2000 g, gồm các sợi cắt rời dài 40–50 cm).

3. Việc xử lý hóa học bề mặt xơ da phế thải đem lại hiệu quả gì?

Xử lý hóa học bề mặt giúp loại bỏ các chất béo dư thừa, tạp chất và thành phần vô định hình, làm sạch và bộc lộ các mạch xơ colagen có hoạt tính cao. Quá trình này làm tăng độ nhám bề mặt xơ (quan sát qua ảnh SEM), gia tăng diện tích tiếp xúc liên pha và mật độ liên kết hydro giữa xơ da với nền cao su NBR, giúp cải thiện độ bền kéo đứt và giảm độ hấp thụ nước của vật liệu compozit.

4. Tỷ lệ xơ da tối đa có thể đưa vào nền cao su NBR mà vẫn đảm bảo tính chất cơ lý là bao nhiêu?

Kết quả nghiên cứu cho thấy nhờ tính tương hợp cao của NBR, luận án đã đưa được hàm lượng xơ da lên tới tỷ lệ 50/50 pkl (50 phần khối lượng xơ da trên 100 phần khối lượng NBR) mà vật liệu vẫn duy trì được cấu trúc phân tán đồng đều và đạt các chỉ tiêu cơ học cao hơn so với mẫu cao su NBR nguyên chất không gia cường.

5. Tấm trải sàn chế tạo từ vật liệu compozit lai tạo trong luận án đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nào?

Tấm vật liệu trải sàn compozit trên cơ sở nền cao su NBR gia cường hệ xơ lai tạo (PA6/xơ da phế thải) đã được kiểm nghiệm và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật quy định trong TCVN 12062:2017 (tương đương chuẩn quốc tế ISO 10577:2012) về Thảm trải sàn đàn hồi - Yêu cầu cho thảm trải sàn cao su không có lót.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Lê Thúy Hằng đã giải quyết thành công bài toán tái sử dụng đồng thời hai nguồn phế thải rắn công nghiệp là xơ da bò váng nhung và xơ dệt polyamit 6 để chế tạo vật liệu cao su compozit chất lượng cao. Bằng hệ thống thực nghiệm bài bản từ quy trình xử lý hóa học xơ, tối ưu hóa đơn phối liệu và điều kiện gia công trên máy trộn kín, tác giả đã làm sáng tỏ cơ chế gia cường của hệ xơ lai tạo trên nền cao su phân cực NBR. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp các dẫn liệu khoa học mới về tương tác liên pha xơ - cao su mà còn chế tạo thành công sản phẩm tấm trải sàn đàn hồi đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12062:2017 (ISO 10577:2012), mang lại giải pháp công nghệ khả thi giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành dệt may - da giầy.