Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới với sản lượng đạt khoảng 5,52 triệu tấn trong 11 tháng năm 2017, trị giá 2,49 tỷ USD, tăng gần 25% so với cùng kỳ năm trước. Lượng vỏ trấu thải ra hàng năm rất lớn, đặc biệt tại đồng bằng sông Cửu Long với hơn 3 triệu tấn/năm, trong đó chỉ khoảng 10% được sử dụng hiệu quả. Vỏ trấu chứa trên 80% silic đioxit (SiO2) vô định hình có hoạt tính hóa học cao, là nguyên liệu quý giá để chế tạo vật liệu nanosilica. Đồng thời, Việt Nam cũng là nước đứng thứ ba thế giới về sản lượng cao su thiên nhiên, với 1.700 tấn sản lượng năm 2017, chiếm khoảng 12% thị phần toàn cầu. Cao su thiên nhiên có cơ tính tốt nhưng còn hạn chế về khả năng chịu nhiệt và chống dầu.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu và ứng dụng của nó trong việc gia cường cơ tính cho composite nền cao su thiên nhiên và cao su butadiene. Mục tiêu chính là phát triển quy trình công nghệ chế tạo nanosilica với kích thước hạt đồng đều dưới 50 nm, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của nanosilica đến các tính chất cơ học của composite cao su. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện trong 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, với các thí nghiệm chế tạo, kiểm tra và tối ưu hóa quy trình công nghệ.

Việc nghiên cứu này không chỉ góp phần nâng cao giá trị sử dụng của vỏ trấu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra vật liệu composite cao su có cơ tính vượt trội, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp cao su và vật liệu polymer nanocomposite.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Vật liệu nano và nanosilica: Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, với tính chất vật lý và hóa học đặc biệt do kích thước nhỏ. Nanosilica là silica siêu mịn, có cấu trúc mạng 3 chiều với các nhóm silanol và siloxan trên bề mặt, ảnh hưởng đến tính hút nước và khả năng tương tác với polymer nền.

  • Polymer nanocomposite và cao su nanosilica composite: Vật liệu composite gồm pha nền polymer (cao su thiên nhiên, cao su butadiene) và pha gia cường nanosilica kích thước nano. Các tính chất cơ học, nhiệt, ma sát và quang học của composite được cải thiện nhờ sự phân tán tốt và tương tác bề mặt giữa nanosilica và polymer.

  • Phương pháp Taguchi trong thiết kế thí nghiệm: Phương pháp thống kê giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo nanosilica bằng cách xác định các yếu tố ảnh hưởng và mức độ tối ưu của từng yếu tố thông qua mảng trực giao và phân tích phương sai ANOVA.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước hạt nanosilica, độ bền kéo, độ cứng Shore, phân tán hạt nano, và mô hình hồi quy ảnh hưởng của nanosilica đến cơ tính composite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu vỏ trấu thu thập từ các nhà máy xay xát tại đồng bằng sông Cửu Long. Vật liệu nanosilica được chế tạo bằng phương pháp kết tủa hóa học (phương pháp từ dưới lên) với điều kiện tối ưu được xác định qua thiết kế thí nghiệm Taguchi.

  • Phương pháp phân tích: Kích thước hạt nanosilica được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các mẫu composite cao su/nanosilica được chế tạo với hàm lượng nanosilica khác nhau (0-10%) và kiểm tra các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ dãn dài khi đứt, độ cứng Shore theo tiêu chuẩn ASTM và ISO 868. Phân tích phương sai ANOVA được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trong quy trình chế tạo nanosilica.

  • Timeline nghiên cứu: Thời gian thực hiện là 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập nguyên liệu, chế tạo nanosilica, tối ưu hóa quy trình, chế tạo composite, kiểm tra cơ tính và phân tích dữ liệu.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 20 mẫu composite với các tỷ lệ nanosilica khác nhau, được lựa chọn ngẫu nhiên theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công nanosilica kích thước < 50 nm: Qua kiểm tra SEM, kích thước hạt nanosilica đạt trung bình dưới 50 nm, đồng đều và có độ tinh khiết cao hơn so với sản phẩm trên thị trường. Quy trình công nghệ chế tạo được tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi, với các thông số phản ứng như thời gian, nhiệt độ và nồng độ hóa chất được điều chỉnh hợp lý.

  2. Ảnh hưởng của nanosilica đến độ bền kéo của composite: Mẫu composite cao su thiên nhiên/nanosilica với hàm lượng nanosilica 6% cho độ bền kéo trung bình tăng khoảng 35% so với mẫu không có nanosilica. Đối với cao su butadiene/nanosilica, độ bền kéo tăng tối đa khoảng 40% tại hàm lượng nanosilica 8%.

  3. Tăng độ cứng Shore và độ dãn dài khi đứt: Độ cứng Shore-D của composite tăng từ 45 lên 60 khi hàm lượng nanosilica tăng từ 0% đến 8%. Độ dãn dài khi đứt cũng được cải thiện đáng kể, tăng khoảng 20% so với mẫu gốc.

  4. Mô hình hồi quy mô tả ảnh hưởng nanosilica: Phương trình hồi quy được xây dựng cho thấy mối quan hệ tuyến tính tích cực giữa hàm lượng nanosilica và các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo và độ cứng, với hệ số tương quan R² trên 0,95, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nanosilica có vai trò quan trọng trong việc gia cường cơ tính cho composite cao su thiên nhiên và butadiene. Kích thước hạt nano nhỏ và phân tán đồng đều giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa pha gia cường và polymer nền, từ đó cải thiện khả năng truyền ứng suất và tăng độ bền kéo. Độ cứng tăng do nanosilica làm tăng độ liên kết giữa các chuỗi polymer, đồng thời giảm sự chuyển động của các phân tử cao su.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương tự về hiệu quả gia cường của nanosilica trong polymer nanocomposite được ghi nhận, tuy nhiên nghiên cứu này có điểm mới là sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ trấu trong nước, góp phần giảm chi phí và ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng phương pháp Taguchi giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo nanosilica một cách hiệu quả, giảm thiểu thời gian và chi phí thí nghiệm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền kéo, độ cứng và độ dãn dài theo hàm lượng nanosilica, cũng như bảng phân tích ANOVA cho các yếu tố ảnh hưởng trong quy trình chế tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình chế tạo nanosilica từ vỏ trấu trong công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy chế biến nông sản và cao su áp dụng quy trình tối ưu để sản xuất nanosilica chất lượng cao, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm.

  2. Phát triển sản phẩm composite cao su gia cường nanosilica: Các doanh nghiệp sản xuất cao su nên nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite này để nâng cao cơ tính sản phẩm, đặc biệt trong ngành công nghiệp lốp xe và vật liệu chịu lực. Mục tiêu tăng độ bền kéo và độ cứng ít nhất 30% trong vòng 3 năm.

  3. Mở rộng nghiên cứu về biến tính bề mặt nanosilica: Đề xuất nghiên cứu thêm các phương pháp biến tính bề mặt để cải thiện tính tương hợp giữa nanosilica và polymer nền, từ đó nâng cao hiệu quả gia cường và tính ổn định của composite. Thời gian nghiên cứu 1 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên về công nghệ chế tạo nanosilica và ứng dụng trong composite cao su, nhằm thúc đẩy phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao. Thời gian thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học trong lĩnh vực vật liệu nano và polymer: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về chế tạo nanosilica và composite cao su, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su và composite: Thông tin về quy trình chế tạo và ảnh hưởng của nanosilica giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và mở rộng thị trường.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp vật liệu: Cung cấp dữ liệu khoa học và công nghệ để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ nano và vật liệu composite trong nước.

  4. Các nhà sản xuất và chế biến nông sản: Tham khảo để tận dụng nguồn nguyên liệu vỏ trấu thải bỏ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra giá trị gia tăng từ phế phẩm nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanosilica là gì và tại sao lại quan trọng trong composite cao su?
    Nanosilica là silica siêu mịn có kích thước hạt dưới 100 nm, giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với polymer nền, cải thiện khả năng truyền ứng suất và tăng cường cơ tính cho composite cao su.

  2. Phương pháp chế tạo nanosilica được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết tủa hóa học (phương pháp từ dưới lên) với tối ưu hóa quy trình bằng thiết kế thí nghiệm Taguchi để đạt kích thước hạt đồng đều dưới 50 nm.

  3. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến tính chất cơ học của composite như thế nào?
    Hàm lượng nanosilica tăng làm tăng độ bền kéo, độ cứng và độ dãn dài khi đứt của composite, với mức tối ưu thường nằm trong khoảng 6-8% nanosilica.

  4. Composite cao su/nanosilica có ứng dụng thực tiễn nào?
    Composite này có thể ứng dụng trong sản xuất lốp xe, vật liệu chịu lực, gioăng cao su và các sản phẩm cần cơ tính cao, đồng thời giảm thiểu chi phí và tăng tuổi thọ sản phẩm.

  5. Làm thế nào để đảm bảo phân tán nanosilica đồng đều trong polymer nền?
    Phân tán đồng đều được đảm bảo bằng phương pháp trộn hợp thích hợp, biến tính bề mặt nanosilica và kiểm soát quy trình chế tạo, giúp tăng tương tác giữa các pha và cải thiện tính chất composite.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu với kích thước hạt đồng đều dưới 50 nm, đạt độ tinh khiết cao.
  • Quy trình công nghệ chế tạo nanosilica được tối ưu hóa hiệu quả bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi.
  • Ứng dụng nanosilica trong composite cao su thiên nhiên và butadiene giúp tăng đáng kể các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo, độ cứng và độ dãn dài khi đứt.
  • Mô hình hồi quy được xây dựng chính xác mô tả ảnh hưởng của nanosilica đến cơ tính composite, hỗ trợ dự báo và thiết kế sản phẩm.
  • Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới cho vật liệu nanocomposite tại Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị nông sản và phát triển công nghiệp vật liệu.

Next steps: Triển khai ứng dụng quy trình sản xuất nanosilica trong công nghiệp, nghiên cứu biến tính bề mặt nâng cao hiệu quả gia cường, và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano và cao su được khuyến khích hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ này để tạo ra sản phẩm chất lượng cao, thân thiện môi trường.