Tổng quan nghiên cứu

Thị trường vật liệu in 3D toàn cầu đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng ấn tượng trên 21% mỗi năm, trong đó công nghệ mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM) chiếm hơn 65% thị phần thiết bị nhờ tính linh hoạt và chi phí tối ưu. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại nhựa kỹ thuật nhiệt dẻo truyền thống như Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) nguyên sinh đang tạo ra áp lực lớn về mặt sinh thái do nguồn gốc từ dầu mỏ và xu hướng phát thải carbon cao. Bên cạnh đó, các chi tiết in từ ABS thương mại thường đối mặt với hiện tượng co ngót nhiệt từ 1,5% đến 2,5%, gây cong vênh sản phẩm trong quá trình tạo hình không gian ba chiều.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi được đặt ra là làm thế nào để tận dụng nguồn phụ phẩm bột gỗ dồi dào trong ngành chế biến gỗ nhằm phối trộn tạo vật liệu polyme compozit gỗ nhựa (WPC) trên nền nhựa ABS, vừa giảm giá thành sản xuất khoảng 15% đến 25%, vừa nâng cao tính thân thiện môi trường cho vật liệu FDM. Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát quy trình đùn trộn hai trục vít, đánh giá toàn diện ảnh hưởng của hàm lượng bột gỗ từ 10% đến 30% khối lượng đến cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt đứt gãy, chỉ số chảy và tính chất cơ nhiệt động của vật liệu compozit tạo thành.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Viện Kỹ thuật Hóa học thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2023, phối hợp cùng các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến chuyên sâu. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về hành vi cơ lý của hệ compozit ABS cốt gỗ, đặt nền tảng định lượng quan trọng cho việc sản xuất sợi filament in 3D sinh thái tại Việt Nam trong giai đoạn phát triển vật liệu xanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết tương hợp pha polyme và nhiệt động học hòa trộn polymer blend của Flory-Huggins, xem xét cơ chế tương tác giữa các mạch polyme kỵ nước ABS với các chuỗi ưa nước chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH) của cellulose trong bột gỗ. Đồng thời, lý thuyết truyền ứng suất bề mặt pha (Shear Lag Model) được áp dụng nhằm phân tích cách thức chuyển giao lực từ nền nhựa ABS dẻo dai sang các hạt độn gỗ dạng phân tán khi chịu tải trọng uốn, kéo và va đập.

Hệ thống cơ sở lý thuyết của luận văn xoay quanh bốn khái niệm chuyên ngành cốt lõi:

  1. Vật liệu Polyme Compozit cốt sợi tự nhiên (WPC): Hệ vật liệu đa pha kết hợp giữa pha liên tục là polyme nhiệt dẻo và pha phân tán là bột gỗ hữu cơ đóng vai trò chất gia cường sinh thái.
  2. Copolyme Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS): Nhựa nhiệt dẻo vô định hình ba cấu tử sở hữu độ bền va đập cao nhờ các hạt cao su polybutadiene phân tán trong mạng lưới styrene-acrylonitrile cứng vững.
  3. Công nghệ in 3D lắng đọng nóng chảy (FDM): Kỹ thuật sản xuất đắp lớp dựa trên quá trình nung chảy và đùn liên tục sợi vật liệu có đường kính tiêu chuẩn 1,75 mm qua đầu phun nhiệt độ từ 220 °C đến 250 °C.
  4. Phân tích cơ nhiệt động (DMTA): Phương pháp xác định phản ứng đàn hồi nhớt của vật liệu thông qua các đại lượng mô đun tích trữ, mô đun tổn hao và hệ số tiêu tán năng lượng khi quét nhiệt độ từ 25 °C đến 200 °C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình phối trộn hạt nhựa ABS thương mại với bột gỗ tự nhiên đã qua sấy khô loại bỏ ẩm ở 80 °C trong 12 giờ. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 6 nhóm thành phần cấp phối độc lập: mẫu đối chứng ABS nguyên sinh và 5 nhóm mẫu compozit ABS chứa hàm lượng bột gỗ tăng dần lần lượt là 10%, 15%, 20%, 25% và 30% theo khối lượng (kí hiệu từ ABS10 đến ABS30). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo nồng độ hạt độn được áp dụng để khảo sát chi tiết diễn biến tính chất vật liệu.

Quy trình gia công đùn trộn được thực hiện trên máy đùn hai trục vít đồng chiều với dải nhiệt độ gia nhiệt từ 180 °C đến 220 °C, sau đó hạt compozit được gia công tạo mẫu thử tiêu chuẩn Type-I trên máy ép phun NISSEI NEX50T theo tiêu chuẩn ASTM D638-14. Lý do lựa chọn hệ phương pháp phân tích đa thang đo là để kiểm soát đồng thời từ cấu trúc vi mô đến đặc tính vĩ mô:

  • Phương pháp đo chỉ số chảy khối lượng (MFI) trên máy Tinius Olsen ở nhiệt độ 220 °C với tải trọng 10 kg nhằm đánh giá khả năng lưu chuyển khi nóng chảy.
  • Đo cơ tính tĩnh (kéo, uốn) trên máy INSTRON 5582 tải trọng 100 kN và đo độ bền va đập Izod trên thiết bị Tinius Olsen chuyên dụng.
  • Phân tích cấu trúc pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD) và kiểm tra hình thái bề mặt gãy bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 2000 lần.
  • Đánh giá chuyển pha và độ ổn định nhiệt động bằng thiết bị phân tích cơ nhiệt động DMTA trong dải nhiệt độ 25 °C đến 200 °C với tốc độ gia nhiệt 3 °C/phút.

Toàn bộ quá trình thực nghiệm, đo đạc và xử lý dữ liệu được hoàn thiện trong vòng 8 tháng tại các trung tâm phân tích vật liệu trọng điểm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất: Sự xuất hiện của bột gỗ làm biến đổi sâu sắc chỉ số chảy (MFI) của vật liệu compozit. Khi tăng tỷ lệ bột gỗ từ 0% lên 30%, chỉ số MFI giảm mạnh từ khoảng 22 g/10 phút ở mẫu ABS nguyên chất xuống còn khoảng 8 g/10 phút ở mẫu ABS30 (tương đương mức giảm hơn 63%). Sự suy giảm độ linh động này xuất phát từ việc các hạt bột gỗ rắn cản trở sự trượt tương đối của các đại phân tử ABS khi chảy nhớt.

Phát hiện thứ hai: Về tính chất cơ học tĩnh, độ bền kéo và độ bền uốn của compozit có xu hướng giảm nhẹ khi bổ sung pha cốt gỗ. Độ bền kéo của ABS nguyên sinh đạt mức khoảng 42 MPa, nhưng khi bổ sung 10% đến 30% bột gỗ, chỉ số này dao động trong khoảng 31 MPa đến 35 MPa (giảm từ 16% đến 26%). Tương tự, độ bền va đập giảm rõ rệt khoảng 40% đến 55% so với nền nhựa ban đầu do bột gỗ đóng vai trò là những điểm tập trung ứng suất vi mô, làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng của pha cao su polybutadiene.

Phát hiện thứ ba: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại bề mặt đứt gãy ở độ phóng đại 2000 lần chứng minh cấu trúc vi mô còn tồn tại ranh giới phân tách pha rõ rệt. Quan sát thấy hiện tượng các hạt gỗ bị rút ra khỏi nền nhựa (pull-out) để lại các lỗ rỗng vi mô kích thước 5 đến 20 micromet, chứng tỏ liên kết mặt tiếp xúc giữa bề mặt bột gỗ ưa nước và ma trận ABS kỵ nước chưa đạt mức tối ưu.

Phát hiện thứ tư: Giản đồ phân tích cơ nhiệt động (DMTA) từ 25 °C đến 200 °C chỉ ra rằng mô đun tích trữ của compozit ở trạng thái thủy tinh (25 °C đến 80 °C) tăng nhẹ khoảng 10% đến 18% so với ABS nguyên sinh, chứng tỏ bột gỗ làm tăng độ cứng tĩnh của vật liệu. Tuy nhiên, đỉnh dịch chuyển của đại lượng tổn hao và nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của nền ABS quanh ngưỡng 105 °C hầu như không thay đổi đáng kể, khẳng định bột gỗ không làm biến tính cấu trúc vô định hình nội tại của chuỗi polyme ABS.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự suy giảm cơ tính và độ bền va đập nằm ở sự không tương thích nhiệt động học giữa hai pha. Phân tử ABS có tính kỵ nước mạnh, trong khi bột gỗ chứa mạng lưới cellulose giàu nhóm hydroxyl phân cực, gây ra lực căng liên bề mặt cao và ngăn cản sự thấm ướt hoàn toàn của nhựa nóng chảy lên bề mặt sợi. Khi chịu tải trọng cơ học, vết nứt tế vi sẽ khởi sinh nhanh chóng từ các vị trí ranh giới pha kém bám dính này.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế về hệ compozit nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi thực vật không qua xử lý bề mặt, trong đó các nhà khoa học đã ghi nhận hiện tượng giảm từ 20% đến 30% độ bền kéo khi nồng độ sợi tự nhiên vượt quá 20% khối lượng. Trong báo cáo khoa học, các dữ liệu này có thể được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ tán xạ giữa hàm lượng hạt độn (10% - 30%) và độ bền kéo/va đập, kết hợp với bảng đối chiếu chỉ số MFI và các giá trị mô đun đàn hồi để làm nổi bật quy luật biến thiên cấu trúc. Đóng góp nổi bật của luận văn là đã xác định được ngưỡng hàm lượng bột gỗ từ 10% đến 15% là khoảng nồng độ giữ được sự cân bằng tối ưu nhất giữa độ cứng và độ chảy nhớt, tạo tiền đề kỹ thuật then chốt cho các nghiên cứu biến tính tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển hoàn thiện vật liệu compozit ABS cốt gỗ phục vụ chế tạo sợi in 3D FDM đạt chuẩn thương mại, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể:

  1. Thực hiện biến tính hóa học bề mặt bột gỗ bằng dung dịch silane nồng độ 1% đến 2% hoặc xử lý kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 5% trong thời gian 2 đến 4 giờ trước khi gia công. Mục tiêu nhằm loại bỏ lớp tạp chất lignin và sáp tự nhiên, gia tăng độ nhám bề mặt hạt gỗ, hướng tới tăng độ bền kéo của compozit lên khoảng 20% đến 25% trong giai đoạn thử nghiệm 3 tháng tới.

  2. Bổ sung chất trợ tương hợp có hoạt tính cao như ABS ghép anhydrit maleic (ABS-g-MAH) hoặc Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene ghép maleic (SEBS-g-MAH) với tỷ lệ tối ưu từ 3% đến 5% khối lượng trong quá trình đùn trộn. Giải pháp này giúp tạo liên kết cộng hóa trị giữa nhóm anhydrit với nhóm hydroxyl của gỗ, giảm ứng suất tập trung bề mặt và cải thiện độ bền va đập thêm ít nhất 30%.

  3. Thiết lập nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính lưu biến dòng chảy và thiết kế dây chuyền đùn kéo sợi filament chuyên dụng với đường kính mục tiêu 1,75 mm (dung sai nghiêm ngặt dưới 0,05 mm). Quá trình này cần được các nhóm nghiên cứu công nghệ in và kỹ sư vật liệu phối hợp hoàn thiện trong khung thời gian 6 tháng tới.

  4. Triển khai thử nghiệm in 3D thực tế trên máy FDM công nghiệp ở dải nhiệt độ đầu đùn 210 °C đến 230 °C và nhiệt độ bàn in 80 °C đến 90 °C để đánh giá toàn diện độ dính kết giữa các lớp in, độ co ngót sản phẩm thực tế và độ ổn định nhiệt của chi tiết tạo hình hoàn thiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu Polyme và Công nghệ In: Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận bài bản, quy trình thực nghiệm đùn ép tiêu chuẩn ASTM và bộ dữ liệu đo đạc cơ nhiệt động DMTA chi tiết từ 25 °C đến 200 °C phục vụ nghiên cứu học thuật chuyên sâu.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp in 3D và chế tạo vật liệu FDM: Nắm bắt các thông số công nghệ ép đùn, đặc tính chảy nhớt MFI và các giới hạn cơ lý của compozit ABS gỗ để ứng dụng phát triển dòng sợi in vân gỗ sinh thái, giảm giá thành cuộn nhựa filament từ 15% đến 20%.

  3. Doanh nghiệp sản xuất hạt nhựa tái sinh và vật liệu gỗ nhựa (WPC): Tham khảo công nghệ phối trộn phụ phẩm bột gỗ vào nhựa kỹ thuật nhiệt dẻo trên máy đùn hai trục vít, mở rộng danh mục sản phẩm composite ứng dụng trong trang trí nội thất và linh kiện kỹ thuật nhẹ.

  4. Chuyên viên quản lý môi trường và phát triển sản phẩm xanh tại các tổ chức công nghiệp: Tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật khả thi nhằm thay thế một phần hạt nhựa nguyên sinh bằng nguồn sinh khối tái tạo, đóng góp vào mục tiêu giảm phát thải carbon và kinh tế tuần hoàn trong ngành gia công chất dẻo.

Câu hỏi thường gặp

Hàm lượng bột gỗ tối ưu trong nghiên cứu này là bao nhiêu?

Trong dải khảo sát từ 10% đến 30%, nồng độ bột gỗ ở mức 10% đến 15% khối lượng cho kết quả khả quan nhất. Tại tỷ lệ này, vật liệu duy trì được độ bền kéo ở mức khoảng 35 MPa, chỉ số chảy MFI không bị suy giảm quá sâu, đảm bảo độ linh động cần thiết cho quá trình gia công định hình tiếp theo.

Vì sao độ bền va đập và độ bền kéo của compozit giảm khi bổ sung bột gỗ vào ABS?

Nguyên nhân chủ yếu do sự bất tương thích về bản chất phân cực giữa bề mặt bột gỗ ưa nước và nền nhựa ABS kỵ nước. Liên kết bề mặt pha yếu tạo ra nhiều vi khuyết tật và lỗ hổng cấu trúc kích thước 5 đến 20 micromet dưới ảnh hưởng của tải trọng cơ học, khiến vật liệu dễ bị phá hủy sớm hơn so với ABS nguyên sinh.

Vật liệu compozit ABS cốt gỗ trong nghiên cứu đã có thể dùng trực tiếp để in 3D FDM ngay chưa?

Hiện tại vật liệu ở dạng hạt đùn và mẫu ép phun thử nghiệm, chưa thể dùng ngay để in FDM. Cần trải qua thêm bước đùn kéo thành sợi filament đường kính chuẩn 1,75 mm, bổ sung phụ gia trợ tương hợp từ 3% đến 5% và kiểm soát độ ổn định dòng chảy để tránh hiện tượng tắc đầu phun ở nhiệt độ 220 °C.

Phân tích cơ nhiệt động DMTA trong dải nhiệt 25 °C đến 200 °C mang lại thông tin gì quan trọng?

Phép đo DMTA chứng minh rằng bột gỗ làm tăng nhẹ mô đun tích trữ ở nhiệt độ phòng (khoảng 10% đến 18%), nâng cao độ cứng vững tĩnh của vật liệu. Đồng thời, giản đồ tổn hao cho thấy nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của nền ABS vẫn ổn định quanh ngưỡng 105 °C, khẳng định tính ổn định nhiệt của pha nền polyme.

Làm thế nào để cải thiện độ bám dính bề mặt giữa hạt gỗ và nền ABS trong tương lai?

Giải pháp hiệu quả nhất là kết hợp xử lý kiềm hóa bột gỗ bằng NaOH 5% để làm sạch bề mặt sợi và phối trộn thêm chất trợ tương hợp ABS-g-MAH với hàm lượng khoảng 3% đến 5% khối lượng. Các liên kết hóa học mới được hình thành sẽ giúp tăng cường độ bám dính liên pha và cải thiện cơ tính toàn diện cho compozit.

Kết luận

  • Đề tài đã chế tạo thành công hệ vật liệu compozit polyme cốt gỗ trên nền nhựa ABS với các dải hàm lượng hạt độn từ 10% đến 30% bằng phương pháp đùn hai trục vít đồng chiều kết hợp ép phun định hình.
  • Phân tích toàn diện chỉ số chảy MFI (giảm từ 22 g/10 phút xuống 8 g/10 phút), cơ tính tĩnh và cấu trúc gãy SEM phóng đại 2000 lần, chỉ ra điểm nghẽn then chốt là tương tác liên bề mặt pha còn hạn chế giữa các cấu tử.
  • Đo đạc thực nghiệm cơ nhiệt động DMTA từ 25 °C đến 200 °C xác nhận bột gỗ giúp gia tăng độ cứng tĩnh của vật liệu ở nhiệt độ phòng mà không làm xáo trộn nhiệt độ chuyển pha của mạng lưới ABS.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi của luận văn là thiết lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, làm sáng tỏ cơ chế cơ lý của compozit ABS - bột gỗ chưa biến tính, vạch rõ hướng đi đột phá trong xử lý bề mặt sợi.
  • Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc biến tính silane cho bột gỗ, phối trộn phụ gia tương hợp ABS-g-MAH và tối ưu hóa quy trình kéo sợi filament 1,75 mm phục vụ công nghệ in 3D FDM thương mại. Hãy liên hệ trực tiếp với tác giả và nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội để cùng hợp tác thử nghiệm và chuyển giao công nghệ vật liệu xanh tiên tiến này.