Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với thách thức về tài nguyên và môi trường, việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững dựa trên nguyên liệu tái chế ngày càng trở nên cấp thiết. Thị trường tái chế nhựa toàn cầu năm 2015 đạt giá trị 31,5 tỷ USD và dự kiến tăng trưởng 6,9% hàng năm trong giai đoạn 2016-2024. Ở Việt Nam, ngành chế biến gỗ phát triển nhanh với giá trị xuất khẩu đạt 10,5 tỷ USD năm 2019, đồng thời phát sinh lượng lớn phế liệu gỗ chiếm tỷ trọng 45-63% thể tích nguyên liệu. Nguồn nguyên liệu nhựa tái chế và phế liệu gỗ dồi dào tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nhựa-gỗ trên cơ sở polyethylene tái chế.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu composite nhựa-gỗ từ nhựa polyethylene tái chế, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật gồm khối lượng thể tích ≥ 0,80 g/cm³, độ bền kéo ≥ 10 MPa, độ bền uốn ≥ 15 MPa và độ hấp thụ nước sau 24 giờ ≤ 5%. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên liệu HDPE tái chế và bột gỗ keo tai tượng, thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội trong năm 2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, giảm áp lực lên nguồn tài nguyên thiên nhiên và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu composite polymer, trong đó vật liệu composite nhựa-gỗ (WPC) gồm pha nền polymer nhiệt dẻo (như polyethylene) và pha gia cường là bột gỗ. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Khả năng thấm ướt và bám dính: Góc tiếp xúc giữa bề mặt gỗ và polymer quyết định khả năng thấm ướt, ảnh hưởng trực tiếp đến lực bám dính và truyền ứng suất giữa hai pha.
  • Cơ chế liên kết trong composite: Bao gồm liên kết hóa học (cộng hóa trị giữa nhóm chức anhydride của phụ gia tương hợp và nhóm hydroxyl của bột gỗ), liên kết cơ học (do sự cản trở vật lý và ma sát), liên kết tĩnh điện và sự khuếch tán phân tử.
  • Phụ gia trợ tương hợp: Polyolefin maleat hóa (MAPP) được sử dụng để cải thiện tương tác giữa bột gỗ và nhựa nền, tăng cường độ bám dính và tính chất cơ lý của vật liệu.
  • Ảnh hưởng của thời tiết: Tia UV, oxy hóa và độ ẩm ảnh hưởng đến sự phân hủy lignin trong bột gỗ và sự suy giảm tính chất cơ học của composite.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm nhựa HDPE tái chế do Công ty Cổ phần Vĩnh Thành cung cấp và bột gỗ keo tai tượng từ Công ty cổ phần bột gỗ NK Việt Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mẫu composite với tỷ lệ bột gỗ/nhựa khác nhau, sử dụng phụ gia trợ tương hợp và chất độn khoáng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Chế tạo vật liệu bằng máy trộn kín Haake Rheomix QC 600, ép tạo hình nhiệt trên thiết bị ép thủy lực YLJ-HP88V.
  • Xác định tính chất cơ lý: độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập Charpy theo tiêu chuẩn ISO, TCVN, JIS, ASTM.
  • Đo khối lượng riêng, độ hấp thụ nước sau 24 giờ.
  • Phân tích cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Thử nghiệm gia tốc thời tiết nhân tạo bằng đèn hồ quang Xenon (X-LS-750).
  • Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê, so sánh và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ bột gỗ, phụ gia trợ tương hợp, chất độn khoáng, chế độ gia công (nhiệt độ, tốc độ trộn, thời gian trộn).

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo mẫu, thử nghiệm tính chất và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ/nhựa: Khi tăng tỷ lệ bột gỗ từ 20% đến 40% khối lượng, khối lượng riêng của composite tăng từ khoảng 0,85 đến 0,95 g/cm³, độ bền uốn đạt tối đa 18 MPa ở tỷ lệ 30%, độ bền kéo đạt 12 MPa, độ hấp thụ nước sau 24 giờ tăng lên nhưng vẫn dưới 5%. Độ bền va đập Charpy giảm nhẹ khoảng 10% khi tỷ lệ bột gỗ vượt quá 35%.

  2. Ảnh hưởng của phụ gia trợ tương hợp MAPP: Sử dụng 3-5% khối lượng MAPP làm tăng độ bền kéo và uốn lên 15-20% so với mẫu không sử dụng phụ gia, đồng thời giảm độ hấp thụ nước xuống dưới 4%. SEM cho thấy cấu trúc bề mặt liên kết giữa bột gỗ và nhựa nền được cải thiện rõ rệt, giảm hiện tượng tách pha.

  3. Ảnh hưởng của chất độn khoáng (bột đá): Bổ sung 5-7% bột đá giúp tăng độ cứng và ổn định kích thước, khối lượng riêng tăng lên khoảng 1,0 g/cm³, tuy nhiên hàm lượng cao hơn 10% làm giảm độ bền va đập do tạo điểm bất thường trong vật liệu.

  4. Ảnh hưởng của chế độ gia công: Nhiệt độ trộn tối ưu khoảng 180-190°C giúp đạt độ nhớt phù hợp, tăng độ bền kéo lên 18 MPa. Tốc độ trộn 60 vòng/phút và thời gian trộn 8 phút là điều kiện tối ưu để phân tán đồng đều bột gỗ trong nhựa nền, cải thiện tính chất cơ lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng nhựa HDPE tái chế kết hợp với bột gỗ keo tai tượng và phụ gia trợ tương hợp MAPP có thể tạo ra vật liệu composite nhựa-gỗ với tính chất cơ lý và độ bền thời tiết phù hợp cho ứng dụng xây dựng. Việc tăng tỷ lệ bột gỗ giúp giảm chi phí và tăng tính thân thiện môi trường nhưng cần kiểm soát để tránh giảm độ bền va đập.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với việc sử dụng MAPP làm chất tương hợp giúp cải thiện liên kết bề mặt và tính chất cơ học. Việc bổ sung chất độn khoáng cũng phù hợp với các báo cáo trong nước về cải thiện độ cứng và ổn định kích thước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ bột gỗ và các chỉ tiêu cơ lý, bảng so sánh tính chất vật liệu với và không sử dụng phụ gia tương hợp, cũng như hình ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ bột gỗ/nhựa: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ bột gỗ từ 25-35% để cân bằng giữa tính chất cơ lý và chi phí sản xuất, áp dụng trong vòng 6 tháng tới tại các nhà máy sản xuất vật liệu composite.

  2. Sử dụng phụ gia trợ tương hợp MAPP: Áp dụng 3-5% khối lượng MAPP để nâng cao độ bền và giảm độ hấp thụ nước, giúp sản phẩm có khả năng ứng dụng ngoài trời tốt hơn, thực hiện trong quy trình sản xuất hiện tại.

  3. Bổ sung chất độn khoáng hợp lý: Sử dụng 5-7% bột đá để cải thiện độ cứng và ổn định kích thước, đồng thời giảm chi phí nguyên liệu, cần kiểm soát hàm lượng để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền va đập.

  4. Kiểm soát chế độ gia công: Đề xuất duy trì nhiệt độ trộn 180-190°C, tốc độ trộn 60 vòng/phút và thời gian trộn 8 phút để đảm bảo phân tán đồng đều và tính chất vật liệu tối ưu, áp dụng trong quy trình sản xuất thử nghiệm trong 3 tháng.

  5. Nâng cao khả năng chống lão hóa thời tiết: Khuyến nghị nghiên cứu bổ sung phụ gia chống oxy hóa và ổn định tia UV để tăng tuổi thọ sản phẩm khi sử dụng ngoài trời, triển khai nghiên cứu tiếp theo trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm composite nhựa-gỗ từ nguyên liệu tái chế, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về vật liệu composite, tái chế nhựa và phát triển vật liệu bền vững.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo để xây dựng chính sách thúc đẩy sử dụng vật liệu tái chế, giảm thiểu rác thải nhựa và phế liệu gỗ.

  4. Doanh nghiệp tái chế nhựa và chế biến gỗ: Áp dụng công nghệ và quy trình nghiên cứu để nâng cao giá trị sản phẩm tái chế, mở rộng thị trường tiêu thụ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite nhựa-gỗ là gì?
    Vật liệu composite nhựa-gỗ là sự kết hợp giữa nhựa nhiệt dẻo (như polyethylene) và bột gỗ, tạo thành vật liệu mới có tính chất cơ lý và thẩm mỹ vượt trội, thân thiện môi trường và có thể tái chế.

  2. Tại sao sử dụng nhựa tái chế trong composite?
    Nhựa tái chế giúp giảm chi phí nguyên liệu, tiết kiệm năng lượng, giảm lượng rác thải nhựa ra môi trường và góp phần phát triển nền kinh tế tuần hoàn.

  3. Phụ gia trợ tương hợp MAPP có vai trò gì?
    MAPP cải thiện liên kết hóa học giữa bột gỗ và nhựa nền, tăng cường độ bám dính, nâng cao tính chất cơ lý và giảm độ hấp thụ nước của vật liệu composite.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ đến tính chất vật liệu như thế nào?
    Tỷ lệ bột gỗ tăng làm tăng khối lượng riêng và độ cứng nhưng có thể giảm độ bền va đập và tăng độ hấp thụ nước, do đó cần cân bằng tỷ lệ phù hợp.

  5. Làm thế nào để vật liệu composite nhựa-gỗ chịu được điều kiện thời tiết ngoài trời?
    Cần bổ sung phụ gia chống oxy hóa, ổn định tia UV và kiểm soát quy trình gia công để giảm sự phân hủy do tia UV và độ ẩm, từ đó nâng cao tuổi thọ sản phẩm.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo vật liệu composite nhựa-gỗ trên cơ sở nhựa polyethylene tái chế với các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu.
  • Phụ gia trợ tương hợp MAPP đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ lý và độ bền của vật liệu.
  • Tỷ lệ bột gỗ và chất độn khoáng cần được tối ưu để cân bằng giữa tính chất vật liệu và chi phí sản xuất.
  • Chế độ gia công ảnh hưởng rõ rệt đến phân tán và tính chất của composite, cần kiểm soát nghiêm ngặt.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục về phụ gia chống oxy hóa và ổn định tia UV để nâng cao khả năng ứng dụng ngoài trời.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô công nghiệp và đánh giá tính bền vững lâu dài của vật liệu composite nhựa-gỗ. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.