MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Trong bối cảnh nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt và việc bảo vệ môi trường đang là một trong những mối quan tâm hàng đầu của toàn xã hội, việc định hướng phát triển theo hướng sử dụng tài nguyên một cách có hiệu quả, giảm áp lực lên môi trường là một trong những ưu tiên trong việc phát triển lĩnh vực vật liệu xây dựng. Việc sử dụng nguồn vật liệu tái chế từ phế thải làm nguyên liệu sản xuất là mục tiêu trong việc sản xuất và tiêu thụ bền vững. Tái chế nhựa góp phần trong việc phát triển bền vững thông qua việc tiết kiệm năng lượng, giảm nhu cầu sử dụng những nguồn tài nguyên không tái tạo, hạn chế những vấn đề về môi trường.
Tái chế rác thải nhựa sau sử dụng ngày càng được phát triển như là một phương thức để đạt được nền kinh tế tuần hoàn. Chuyển đổi rác thải nhựa thành vật liệu thứ cấp có thể được đưa trở lại để sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất những sản phẩm mới với những tính chất tương tự hoặc kém hơn, do đó tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín. Thị trường tái chế nhựa toàn cầu đã được định giá 31,5 tỷ USD trong năm 2015 và dự kiến tăng trưởng hàng năm 6,9% trong giai đoạn 2016-2024. Đứng đầu trong số những loại nhựa tái chế là HDPE và PET, sau đó là LDPE, PP, PVC và những loại nhựa khác.
Trong đó, PET thường được tái chế để sử dụng trong lĩnh vực dệt may, trong khi hầu hết các loại nhựa khác được sử dụng trong các sản phẩm vật liệu xây dựng. Theo đánh giá của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, ngành chế biến gỗ tại Việt Nam là một trong những ngành có tốc độ phát triển nhanh nhất. Trong năm 2019, giá trị xuất khẩu của các mặt hàng gỗ và sản phẩm gỗ tại Việt Nam đạt 10,5 tỷ USD, tăng 18% so với năm 2018. Sự phát triển của ngành này đi kèm với việc phát sinh nguồn phế thải trong quá trình sản xuất và chế biến gỗ.
Lượng phế liệu trong sản xuất và chế biến gỗ phụ 2 thuộc vào nguyên liệu, kích thước tạo sản phẩm, công suất thiết bị và thường chiếm tỷ trọng từ 45 – 63% thể tích nguyên liệu. Vì vậy, có thể thấy được nguồn gỗ phế liệu trong quá trình sản xuất tại Việt Nam hiện nay là rất lớn và luôn sẵn có, tuy nhiên nguồn nguyên liệu này chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu. Nhu cầu ngày càng tăng của thị trường đối với những loại vật liệu xây dựng mới góp phần trong việc sản xuất và tiêu thụ bền vững đã thúc đẩy việc sử dụng hai nguồn nguyên liệu nói trên trong chế tạo vật liệu composite nhựa - gỗ với những tính năng cao nhằm thay thế những loại vật liệu liệu truyền thống trong một số ứng dụng nội, ngoại thất như ván sàn, ván trang trí, hàng rào,. Hiện nay, các nhà máy sản xuất vật liệu composite nhựa gỗ đã và đang sử dụng kết hợp nhựa nguyên sinh và nhựa tái chế nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải cũng như cắt giảm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế.
Tuy nhiên, do quy mô sản xuất lớn nên việc điều chỉnh các thông số trên dây chuyền sản xuất làm mất nhiều thời gian và gây ra nhiều khó khăn. Các nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và trường đại học trước đây lại chủ yếu tập trung vào nâng cao tính chất của vật liệu composite nhựa gỗ trên cơ sở nhựa nguyên sinh. Do đó, việc nghiên cứu vật liệu composite nhựa gỗ trên cơ sở ứng dụng nguồn nhựa tái chế là một hướng đi cần thiết góp phần cải tiến chất lượng sản phẩm và phát triển loại vật liệu này trong tương lai. Mặt khác, trong quá trình tìm hiểu đầu với mục đích nghiên cứu và cải tiến chất lượng sản phẩm vật liệu xây dựng trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo, nhóm đề tài đã tìm hiểu và liên hệ với Viện Vật liệu xây dựng là đơn vị có thiết bị trộn hợp Haake Rheomix QC600 – đây là một thiết bị quan trọng trong việc nghiên cứu tính chất của những vật liệu từ nhựa nhiệt dẻo.
Trên cơ sở đó, đã đề xuất và đã được Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội giao thực hiện luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nhựa- gỗ trên cơ sở nhựa Polyethylene tái chế”. Mục tiêu của đề tài • Nghiên cứu chế tạo được vật liệu composite nhựa – gỗ trên cơ sở polyethylene tái chế. • Đưa ra đơn phối liệu và chế độ công nghệ để chế tạo được vật liệu composite đáp ứng một số tính chất như sau: - Khối lượng thể tích: ≥ 0,80 g/cm3 - Độ bền kéo: ≥ 10 MPa - Độ bền uốn: ≥ 15 MPa - Độ hấp thụ nước sau 24h: ≤ 5% 3. Nội dung nghiên cứu • Khảo sát tính chất nguyên liệu đầu vào • Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ gỗ - nhựa đến tính chất của vật liệu.
• Nghiên cứu nâng cao khả năng tương hợp của vật liệu. • Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất vật liệu. • Tối ưu hóa chế độ công nghệ trong chế tạo vật liệu composite nhựa gỗ. Phương pháp nghiên cứu 4.
Phương pháp luận - Tiếp cận với lý thuyết và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới. - Tiếp cận cách thức ứng dụng của vật liệu composite nhựa – gỗ. - Phương pháp xử lý số liệu, tổng hợp đánh giá kết quả. - Phương pháp xin ý kiến chuyên gia.
Nghiên cứu thực nghiệm - Phương pháp chế tạo vật liệu và gia công mẫu thử: Chế tạo vật liệu bằng phương pháp sử dụng máy trộn kín trong phòng thí nghiệm. - Khảo sát các tính chất cơ, lý, hóa và khả năng hấp thụ nước của sản phẩm theo tiêu chuẩn TCVN, JIS, ASTM. - Phân tích, khảo sát hình thái và cấu trúc bề mặt của sản phẩm bằng phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Sử dụng phương pháp phân tích, thống kê, so sánh để đánh giá kết quả thu được.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE NHỰA GỖ 1.1 Khái niệm về vật liệu polymer composite Thuật ngữ “vật liệu composite” là tên gọi của loại vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau tạo ra loại vật liệu mới có tính năng khác với từng loại vật liệu ban đầu. Các tính năng này thường là tốt hơn với từng mục đích và điều kiện sử dụng cụ thể.
Vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau. Trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền, thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn. Pha gián đoạn được gọi là cốt, còn gọi là vật liệu gia cường được phân tán trong pha nền làm tăng các tính chất như: cơ tính, tính kết dính, chống mài mòn, chống xước, … Vật liệu polymer composite (PC) là một loại vật liệu composite được cấu tạo bởi 2 hay nhiều thành phần.
Trong đó, thành phần thứ nhất là một hay nhiều loại polymer nền. Thành phần thứ hai là các chất gia cường như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ, … Ngoài ra, còn có thể có thêm thành phần thứ ba là chất trợ liên kết (trợ tương hợp), có tác dụng làm tăng tính liên kết giữa chất gia cường và nhựa nền. Vật liệu polymer composite có các tính chất khác nhiều so với từng thành phần.1 Cấu tạo của vật liệu Polymer composite cốt sợi Vật liệu PC được phân loại theo 2 cách dựa trên đặc điểm của 2 pha: 5 ▪ Phân loại theo pha nền polyme - Vật liệu PC nền nhựa nhiệt rắn - Vật liệu PC nền nhựa nhiệt dẻo ▪ Phân loại theo pha gia cường: - Chất gia cường dạng phân tán (bột) - Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vẩy - Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi carbon, sợi thủy tinh, …) - Độn không khí hay xốp - Hỗn hợp polymer – polymer (Polymer blend) 1.2 Vật liệu composite nhựa gỗ Trong thời gian gần đây, vật liệu composite nhựa-gỗ đã thu hút được sự chú ý do những tiềm năng để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó nổi bật nhất là lĩnh vực vật liệu xây dựng với nhiều loại hình sản phẩm như ván sàn, lan can, mặt cầu thang, hàng rào, … Những vật liệu này được sử dụng phổ biến do có nhiều ưu điểm như cường độ, độ bền, độ cứng cao, tỷ trọng thấp, ngoài ra nó còn là sản phẩm thân thiện với môi trường do được chế tạo từ các loại tài nguyên tái tạo. Vật liệu composite nhựa gỗ (WPC) là một loại vật liệu polymer composite, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa nền.
Trong đó bột gỗ là pha phân tán, đóng vai trò gia cường, tăng độ bền và độ cứng cho vật liệu composite nhựa gỗ. Nhựa nền gọi là pha liên tục đóng vai trò liên kết toàn bộ các phân tử cốt thành một khối vật liệu thống nhất, tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết theo thiết kế và che phủ cũng như bảo vệ pha gián đoạn tránh các hư hỏng do các tác động hóa học, cơ học, môi trường. Nhựa nền sử dụng trong chế tạo vật liệu composite nhựa/gỗ rất đa dạng, phong phú, trong đó những loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến nhất là: polyethylene (PE), polypropylene (PP) và polyvinyl clorua (PVC). 6 Vật liệu composite trên nền nhựa nhiệt dẻo có một số ưu điểm nổi bật như: nhiệt độ gia công thấp, độ bền cao, dễ gia công tạo hình sản phẩm phức tạp, ít co ngót, có thể tái sử dụng được và thân thiện với môi trường.
Việc sản xuất vật liệu composite nhựa gỗ là một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề tái chế những sản phẩm từ nhựa với những ưu điểm như: có khả năng tái chế, chi phí sản xuất thấp, khả năng chịu hóa chất tốt, độ bền cao, có khả năng chống cháy, … Vật liệu composite nhựa gỗ có thể thay thế được những sản phẩm được chế tạo hoàn toàn từ gỗ hoặc hoàn toàn từ nhựa và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong kiến trúc và xây dựng như cảnh quan, hàng rào, vách ngăn, … Vật liệu composite nhựa gỗ có thể coi là vật liệu thân thiện môi trường, làm giảm thiểu tiêu thụ tài nguyên dầu mỏ và cũng góp phần trong giảm phát thải khí CO2 [1].