Luận án chế tạo cao su compozit từ xơ da và xơ dệt - ĐH Bách Khoa

Nghiên cứu luận án tiến sĩ về ứng dụng xơ da phế thải và xơ dệt chế tạo vật liệu cao su compozit làm tấm. Giải pháp tái chế bền vững trong sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Lê Thúy Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Anh Vũ
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ dệt may
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit từ xơ da phế thải ứng dụng tấm trải sàn
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu cao su compozit từ xơ da phế thải

Vật liệu cao su compozit sử dụng xơ da phế thải và xơ dệt là giải pháp tái chế chất thải công nghiệp. Xơ da phế thải từ ngành da giầy cung cấp độ cứng và tính bền. Xơ dệt tăng cường độ đàn hồi và giảm trọng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng làm tấm trải sàn. Xơ da chứa collagen, tạo liên kết hóa học với cao su. Xơ dệt làm giảm độ giãn nở nhiệt. Phân tích cho thấy vật liệu này có thể thay thế gỗ và nhựa tổng hợp. Tính bền môi trường là ưu điểm chính. Nghiên cứu này mở đường cho ứng dụng công nghiệp rộng rãi.

1.1. Xơ da phế thải và nguồn gốc

Xơ da phế thải xuất phát từ quá trình sản xuất giày dép và da giầy. Các nhà máy da giầy Việt Nam thải hàng trăm nghìn tấn chất thải mỗi năm. Xơ da chứa collagen tự nhiên, tạo khả năng kết dính cao. Thành phần hóa học gồm protein và nước. Xơ da được xử lý để loại bỏ mỡ và muối. Quá trình này tạo ra xơ sạch, phù hợp cho chế tạo compozit. Xơ dệt từ phế liệu may mặc cung cấp độ bền cơ học. Hai loại xơ này bổ sung cho nhau trong vật liệu cuối cùng.

1.2. Ứng dụng tấm cao su compozit trong xây dựng

Tấm cao su compozit từ xơ da và xơ dệt phù hợp làm trải sàn trong nhà xưởng và khu công nghiệp. Chúng chống ẩm và chịu lực tốt. So với gỗ, vật liệu này không bị mọt và nấm mốc. So với nhựa, nó có độ đàn hồi cao. Tấm có thể được cắt và lắp đặt dễ dàng. Ứng dụng khác bao gồm sàn nhà công cộng và sàn nhà y tế. Tính tái chế cao làm giảm tác động môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào tính chất cơ học và độ bền thời gian.

II. Vấn đề tái chế xơ da phế thải và hạn chế vật liệu compozit

Xơ da phế thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các phương pháp tái chế truyền thống như đốt hoặc chôn lấp không hiệu quả. Vật liệu compozit từ xơ da gặp khó khăn trong độ bền và độ ổn định. Cao su tự nhiên dễ bị oxy hóa. Xơ da có độ hút ẩm cao. Hạn chế khác là chi phí sản xuất cao. Các phụ gia hóa học cần được tối ưu. Nghiên cứu này giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp xơ dệt. Xơ dệt làm giảm độ giãn nở và tăng độ bền. Phương pháp chế tạo cần được cải tiến để giảm chi phí. Kết quả sẽ tạo ra vật liệu bền và thân thiện với môi trường.

2.1. Thách thức trong tái chế xơ da phế thải

Xơ da phế thải chứa nhiều chất béo và muối, khó xử lý. Quá trình tẩy rửa cần nhiều nước và hóa chất. Các phương pháp cơ học như nghiền xơ dễ gây bụi và ô nhiễm không khí. Xơ da có độ nhạy cảm cao với nhiệt độ. Khi chế tạo compozit, xơ da dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Điều này làm giảm tính chất cơ học của vật liệu cuối cùng. Xơ dệt cung cấp độ bền cơ học nhưng không giải quyết vấn đề độ ẩm. Nghiên cứu cần tối ưu hóa quá trình xử lý xơ da để cải thiện chất lượng vật liệu.

2.2. Hạn chế của vật liệu cao su compozit truyền thống

Vật liệu cao su compozit truyền thống thường sử dụng chất fillers như than hoạt tính hoặc silica. Những chất này không tái chế được. Cao su tự nhiên dễ bị oxy hóa trong quá trình lưu hoá. Điều này làm giảm tuổi thọ của vật liệu. Xơ da làm tăng độ cứng nhưng giảm độ đàn hồi. Xơ dệt cải thiện độ đàn hồi nhưng không tăng độ bền nhiệt. Các phụ gia hóa học như lưu huỳnh và oxit kẽm cần được sử dụng cẩn thận. Nghiên cứu này tập trung vào tối ưu hóa tỷ lệ xơ da và xơ dệt để tạo ra vật liệu có tính chất cơ học tốt nhất.

III. Phương pháp chế tạo và tối ưu hóa vật liệu compozit

Phương pháp chế tạo bao gồm ba bước chính: xử lý xơ da, trộn với cao su và lưu hoá. Xơ da được tẩy rửa và sấy khô. Xơ dệt được cắt thành sợi ngắn. Cao su tự nhiên được trộn với xơ da và xơ dệt trên máy cán hai trục. Các phụ gia như oxit kẽm và axit stearic được thêm vào. Hỗn hợp được ép lưu hoá ở 140-150 độ C. Áp lực ép là 40 tấn. Độ dày tấm cuối cùng là 6-8 mm. Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ xơ da và xơ dệt. Kết quả cho thấy tỷ lệ 30% xơ da và 20% xơ dệt tạo ra vật liệu có độ bền cơ học tốt nhất. Thời gian lưu hoá được điều chỉnh để giảm chi phí năng lượng.

3.1. Quá trình xử lý và chuẩn bị xơ da phế thải

Xơ da phế thải được thu thập từ các nhà máy da giầy. Quá trình xử lý bao gồm tẩy rửa bằng dung dịch muối natri và nước nóng. Sau đó, xơ da được sấy khô ở 60 độ C trong 24 giờ. Xơ da được nghiền và sàng để đạt kích thước hạt 100-300 micromet. Xơ dệt được cắt từ phế liệu may mặc thành sợi ngắn. Hai loại xơ này được pha trộn với tỷ lệ nhất định. Quá trình này đảm bảo độ đồng nhất của vật liệu cuối cùng. Xơ da và xơ dệt được trộn với cao su tự nhiên trên máy cán hai trục. Các phụ gia như lưu huỳnh và oxit kẽm được thêm vào để cải thiện tính chất cơ học.

3.2. Công nghệ trộn và lưu hoá vật liệu

Hỗn hợp cao su, xơ da và xơ dệt được trộn trên máy cán hai trục ở nhiệt độ 60-70 độ C. Các phụ gia như axit stearic và các chất chống oxy hóa được thêm vào để cải thiện độ đàn hồi. Hỗn hợp được ép lưu hoá ở 140-150 độ C và áp lực 40 tấn trong 15 phút. Quá trình này tạo ra liên kết hóa học giữa cao su và xơ da. Độ dày tấm cuối cùng được điều chỉnh bằng cách thay đổi thời gian ép. Tấm được để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ xơ da và xơ dệt để đạt độ bền cơ học tối ưu. Kết quả cho thấy tỷ lệ 30% xơ da và 20% xơ dệt tạo ra vật liệu có độ bền cao nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Vật liệu cao su compozit từ xơ da và xơ dệt có độ bền cơ học cao. Độ cứng Vickers đạt 80-90 MPa. Độ đàn hồi đạt 40%. Vật liệu này chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm. Ứng dụng chính là làm tấm trải sàn trong nhà xưởng và khu công nghiệp. So với gỗ và nhựa, vật liệu này có tuổi thọ dài hơn. Nó cũng chống ẩm và không bị mọt. Nghiên cứu cho thấy chi phí sản xuất thấp hơn so với vật liệu truyền thống. Vật liệu này có thể tái chế và thân thiện với môi trường. Ứng dụng khác bao gồm sàn nhà y tế và sàn nhà công cộng. Nghiên cứu mở đường cho ứng dụng rộng rãi trong xây dựng và công nghiệp.

4.1. Tính chất cơ học và độ bền thời gian

Vật liệu compozit từ xơ da và xơ dệt có độ cứng Vickers đạt 80-90 MPa. Độ đàn hồi đạt 40%, cao hơn so với cao su tự nhiên. Vật liệu này chịu được áp lực cao và không bị biến dạng. Độ bền kéo đạt 12 MPa. Vật liệu này cũng có độ bền thời gian cao. Sau 1000 giờ thử nghiệm, độ bền cơ học giảm ít hơn 5%. Vật liệu này chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm. Nó không bị phân hủy trong môi trường ẩm. Tính chất này làm cho vật liệu phù hợp cho ứng dụng ngoài trời. Nghiên cứu cho thấy vật liệu này có thể thay thế gỗ và nhựa trong nhiều ứng dụng.

4.2. Ứng dụng và lợi ích môi trường

Vật liệu cao su compozit từ xơ da và xơ dệt có ứng dụng rộng rãi trong xây dựng. Nó được sử dụng làm tấm trải sàn trong nhà xưởng và khu công nghiệp. Vật liệu này cũng phù hợp cho sàn nhà y tế và sàn nhà công cộng. So với gỗ và nhựa, vật liệu này có tuổi thọ dài hơn. Nó cũng chống ẩm và không bị mọt. Vật liệu này có thể tái chế và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu cho thấy chi phí sản xuất thấp hơn so với vật liệu truyền thống. Nó cũng giảm thiểu lượng chất thải từ ngành da giầy và may mặc. Ứng dụng này mở đường cho một tương lai bền vững trong xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về vật liệu polyme compozit 1. Khái niệm về vật liệu polyme compozit Vật liệu polyme compozit (PC) thường được hiểu là vật liệu có hai hoặc nhiều pha trong đó pha liên tục (pha nền hay matrix) là polyme. Căn cứ vào tính cách ứng xử của vật liệu nền ở nhiệt độ cao, có thể phân chia PC làm ba loại [1]: - PC nền nhựa nhiệt dẻo: nhựa nhiệt dẻo có phân tử mạch thẳng, khối lượng phân tử lớn (105 – 106 đvC), giữa các phân tử chỉ có các liên kết vật lý.

Khi gia công ở nhiệt độ cao, nhựa nhiệt dẻo chỉ nóng chảy mà không có phản ứng hóa học, do đó PC nền nhựa nhiệt dẻo có đặc điểm chung là có thể tái sinh bằng cách làm nóng chảy đơn thuần. - PC nền nhựa nhiệt rắn: nhựa nhiệt rắn thường có dạng oligome với khối lượng phân tử không cao lắm (khoảng 1000 – 1500 đvC). Khi gia công thành sản phẩm, sẽ có phản ứng hóa học, gọi là phản ứng đóng rắn, xảy ra tạo thành mạng không gian kết nối các phân tử. Do mật độ mạng không gian khá lớn, PC nền nhựa nhiệt rắn có độ bền cơ học cao, cứng vững nhưng giòn.

Cũng do mạng không gian gồm các liên kết hóa học, PC nền nhựa nhiệt rắn không thể tái sinh bằng cách làm nóng chảy. - PC nền cao su: cao su về thực chất cũng là một loại nhựa nhiệt rắn, nghĩa là khi gia công sẽ tạo ra mạng không gian giữa các phân tử, do đó PC nền cao su cũng không thể tái sinh bằng cách làm nóng chảy. Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa PC nền nhựa nhiệt rắn và nền cao su là mật độ mạng không gian. Trong cao su, mật độ mạng rất thấp, do đó PC nền cao su vẫn giữ được gần như nguyên vẹn các tính chất dẻo – đàn hồi của cao su ban đầu trước khi lưu hóa [1].

Vật liệu compozit nền cao su Về thực chất, cao su lưu hóa là một hệ compozit nhiều cấu tử. Các thành phần không cao su trong PC có thể chia làm ba nhóm [2]: - Nhóm các chất thúc đẩy và kiểm soát quá trình khâu mạch (lưu hóa), bao gồm lưu huỳnh và các chất xúc tiến, trợ xúc tiến; - Nhóm các chất ức chế quá trình lão hóa và phân hủy cao su do môi trường xung quanh, tức là các chất phòng lão; - Nhóm các chất tạo ra và nâng cao các tính chất sử dụng của vật liệu, đặc biệt là các tính chất cơ học. Nhóm này gồm các chất độn và các chất gia cường. Trên thực tế, vật liệu cao su kỹ thuật luôn luôn bao gồm cả ba nhóm chất này.

Do đó các nghiên cứu nâng cao tính chất cao su thực ra là nghiên cứu PC nền cao su với tương quan ảnh hưởng của các nhóm nói trên. Khi xem xét tác dụng của các chất gia cường trong việc nâng cao tính chất cơ học của PC nền cao su thường mặc định là tính chất cơ học (độ bền, biến dạng) của bản thân 5 các chất này là không thay đổi đáng kể trong quá trình gia công [3]. Ảnh hưởng của chất gia cường đến độ bền PC nền cao su thể hiện ở hai quá trình: - Tương tác của chất gia cường với nền cao su [3]. Việc tương tác tốt giữa chất gia cường với nền cao su sẽ làm tăng khả năng chuyển ứng suất bên ngoài từ pha nền sang pha gia cường, nhờ đó tăng khả năng chịu lực của vật liệu PC.

- Chất gia cường có thể ảnh hưởng đến quá trình khâu mạch (lưu hóa) cao su, nghĩa là có thể làm tăng mật độ mạng không gian, nhờ đó tăng độ bền. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chất gia cường có thể hấp phụ hoặc ức chế nhóm lưu hóa, làm giảm mật độ mạng lưu hóa [4]. Trong trường hợp này cần có sự bổ sung nhóm lưu hóa phù hợp. Hiện nay, các loại chất gia cường dạng tự nhiên đang được các nhà khoa học quan tâm.

Rất nhiều các loại sợi tự nhiên được nghiên cứu về mặt chế tạo sợi, xử lý sợi và ứng dụng làm sợi gia cường cho compozit. Chúng có thể là sợi đay, dừa, chuối, vỏ ngô, tre, nứa, gỗ.[2] hay da thuộc phế thải cũng là loại vật liệu được quan tâm để chế tạo vật liệu polyme compozit. Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu tái sử dụng chúng vào các mục đích sử dụng khác nhau [3]; [4]; [5], [6],[7],[8]. Tổng quan về da thuộc, phế thải da thuộc trong sản xuất sản phẩm da giầy 1.

Cấu trúc chung của da thuộc Về cơ bản bộ da động vật có cấu tạo bao gồm nhiều lớp như: lớp lông phủ, lớp biểu bì, lớp bì, lớp thịt bạc nhạc dưới da. Ngoài ra, trong da còn có các tuyến mồ hôi và tuyến mỡ, các dây thần kinh, các mạch máu, các cơ. Trong sản xuất da thuộc chỉ sử dụng phần bì còn trong sản xuất da lông sử dụng lớp bì, biểu bì và lông [9]. Lớp biểu bì là lớp bề mặt, được phân bố trực tiếp dưới lớp lông phủ và cấu tạo từ một số dãy tế bào sừng.

Độ dày của biểu bì động vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các động vật có lớp lông phủ kém phát triển thì thường có lớp bì lớn. Tùy thuộc vào mức độ phát triển, biểu bì gồm từ hai đến sáu lớp. Biểu bì không có ranh giới rõ ràng với lớp bì.

Lớp bì là lớp chính của con da nằm ngay dưới lớp biểu bì, được tạo thành bởi sự đan xen phức tạp của các xơ colagen, xơ đàn hồi. Đây là phần quý nhất, chiếm 80 – 90% toàn bộ độ dày của con da. Lớp bì có cấu tạo chủ yếu từ protit có cấu trúc xơ và được phân chia khá rõ ràng thành hai lớp: Lớp nhú (papillary layer) và lớp lưới (reticular layer). Lớp nhú tiếp giáp với lớp biểu bì, bề mặt được tạo bởi các bó xơ mịn và được kết chặt với nhau tạo nên bề mặt da nhẵn, phẳng còn được gọi là lớp cật (grain).

Trong lớp nhú có chứa lượng lớn các túi chân lông, các tuyến mồ hôi, tuyến mỡ. Các chùm xơ colagen trong lớp nhú mảnh hơn và có hướng gần như song song với các túi chân lông. Trên lớp phân giới với biểu bì, các chùm xơ colagen đặc biệt mảnh, đan bện chặt chẽ với nhau nhú lên lớp biểu bì, nó chiếm khoảng ¼ lớp bì. Lớp lưới được cấu tạo từ lượng lớn các chùm xơ colagen đan bện với nhau và là lớp chặt chẽ, bền chắc nhất.

Độ dày của lớp lưới tăng đáng kể theo độ tuổi của động vật. Ở 6 đa số các loại thú có lông dày, độ dày của lớp lưới không lớn, các xơ colagen đan xen với nhau và phân bố dưới một góc nhỏ và lớp này khá xốp. Tỷ lệ các lớp của lớp bì dao động tùy thuộc vào loại động vật, vị trí trên cơ thể động vật, điều kiện nuôi và thời gian giết mổ. Các bộ da động vật khác nhau được đặc trưng bởi cấu trúc đan bện các chùm xơ colagen.1: Cấu trúc của da [9] 1.

Cấu tạo và tính chất da thuộc Thành phần hóa học của da nguyên liệu gồm có 4 phần chính là: nước, các chất khoáng, các chất béo, protein [9]. Nước: Hàm lượng nước trong da khá lớn và phụ thuộc vào hàm lượng chất béo, tuổi da, loài động vật và nhiều yếu tố khác. Khi hàm lượng chất béo trong da cao thì hàm lượng nước giảm. Da động vật ít tuổi chứa nhiều nước hơn da động vật nhiều tuổi.

Trong da bò lượng nước chiếm khoảng 60%. Trong da, nước tập trung chủ yếu ở lớp trung bì (reticular). Lớp biểu bì và bạc nhạc chứa ít hơn. Nước trong da chia thành 2 loại: Các khoáng chất: Các chất khoáng chiếm một lượng vô cùng nhỏ, khoảng 0,5% khối lượng da.

Chúng tồn tại dưới dạng các muối vô cơ của các kim loại khác nhau như: Mn, Cu, Fe, Al, Si, Mg… Các khoáng chất này hầu như không ảnh hưởng đến quá trình thuộc da. Các chất béo: Các chất béo trong da bao gồm: Các este, sáp, rượu bậc cao (10-35 chức). Hàm lượng chất béo có trong da liên quan chặt chẽ đến hàm lượng nước, phụ thuộc vào chế độ chăn nuôi, khí hậu…Các chất béo là những chất quan trọng trong da động vật. Thông thường các chất béo chứa trong lớp trung bì và lớp bạc nhạc.

Các chất béo trong da là những este của các axit béo, rượu béo với H3PO4 hoặc glyxerin. Chúng thường tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp như: photpho lipit hoặc 7 triglixerit. Ở các nước có khí hậu lạnh, các chất béo có trong da thường là những axit béo loại không no ở dạng lỏng, điển hình là axit ôlêic C17H33COOH. Ngược lại, ở các nước có khí hậu nóng, các chất béo có trong da thường chứa axit panmitic (C15H31COOH) và stearic (C17H35COOH) ở dạng rắn như sáp.

Một phần các chất béo liên kết với xơ da bằng các mối liên kết bền vững. Muốn tách chúng ra trước hết phải thủy phân sơ bộ bằng axit để phá hủy liên kết với da. Protein của da gồm 2 phần: Phần có cấu tạo xơ và phần không có cấu tạo xơ. Phần protein có cấu tạo sợi: Là thành phần cơ bản của da, trong đó gồm có colagen, reticular và elastin.

Phần protein không có cấu tạo xơ: Gồm albumin tan tốt trong nước và globumin không tan trong nước và tan trong kiềm. Phần protein này nằm giữa khoảng trống của colagen. Hàm lượng của protit trong da tươi là 30-32%, hàm lượng colagen trong da sau khi sấy khô là 80%. Khi tăng nhiệt độ xơ colagen co lại.

Nếu ta đun nóng thì sợi colagen trương nở rồi tan vào trong nước tạo hệ gelatin. Cấu tạo của colagen Độ bền của vật liệu da phụ thuộc vào đặc điểm của colagen như: cấu trúc phân tử của colagen, bản chất của việc liên kết ngang giữa các colagen, kích thước bó xơ colagen, và sự định hướng colagen. Hầu hết các xơ colagen là dị hướng. Sự dị hướng đó là kết quả của các hoạt động cơ học và sự tăng trưởng thể tích da của động vật [10].

Về mặt hóa học, colagen được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tố: Cacbon (chiếm 47- 49%); Hydro (chiếm 6,57-7%); Oxy (chiếm 28,15-29,96%); Nitơ (chiếm 17-18,6%). Khối lượng phân tử trung bình của colagen khoảng 40. Cũng giống như các protein khác, colagen được hình thành từ các axit amin. Tất cả các axit amin đều có chứa các nhóm carboxyl và amino, chúng chỉ khác nhau về cấu trúc của mạch nhánh (R).

Cấu trúc tổng quát của axit amin với axit amin đơn giản nhất (Glycine) R là nguyên tử hydro.