Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhựa tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ với mức tăng trưởng hàng năm từ 16% đến 18% trong giai đoạn 2010-2015, trở thành một trong những ngành công nghiệp năng động nhất trong nền kinh tế quốc gia. Trong đó, các vật liệu polyme blend ngày càng được quan tâm do khả năng kết hợp các tính chất ưu việt của nhiều loại nhựa khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong kỹ thuật và đời sống. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nhựa HDPE (High Density Polyethylene) đến cơ tính của hỗn hợp PBT/HDPE, nhằm tìm ra tỷ lệ pha trộn tối ưu để cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm chế tạo các mẫu thử cơ tính của vật liệu HDPE/PBT, thử nghiệm cơ tính và nghiên cứu tổ chức tế vi, từ đó xác định tỷ lệ pha trộn phù hợp với yêu cầu sản xuất thực tiễn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tỷ lệ HDPE trong hỗn hợp từ 0% đến 15%, cùng với mẫu HDPE nguyên chất 100%, được thực hiện tại Trung tâm Cao su và Chất dẻo TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu polyme blend có tính năng cơ học ưu việt, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong các ngành kỹ thuật và sản xuất nhựa kỹ thuật cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về vật liệu polyme blend, trong đó nhấn mạnh tính tương hợp và khả năng trộn hợp của các polyme thành phần. Hai loại nhựa chính được nghiên cứu là PBT (Polybutylene Terephthalate) và HDPE (High Density Polyethylene). PBT là nhựa polyester nhiệt dẻo có độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt lên đến 120°C, tính cách điện và kháng hóa chất tốt, nhưng có hạn chế về độ bền kéo và độ giòn. HDPE có cấu trúc mạch dài, tỷ trọng cao, độ kết tinh lớn, nổi bật với khả năng chịu nhiệt, chịu áp lực và chống ăn mòn tốt.

Polyme blend được định nghĩa là hỗn hợp vật lý của hai hoặc nhiều polyme không có liên kết đồng hóa trị, trong đó tính tương hợp giữa các thành phần quyết định tính chất cuối cùng của vật liệu. Các loại polyme blend được phân loại theo mức độ tương hợp: tương hợp hoàn toàn, tương hợp một phần và không tương hợp. Tính tương hợp có thể được tăng cường bằng các chất tương hợp như copolyme khối, chất khâu mạch, ionme hoặc các phương pháp gia công đặc biệt.

Các phương pháp xác định sự tương hợp bao gồm quan sát hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), đo nhiệt độ nóng chảy, đo độ nhớt dung dịch, và đánh giá tính chất cơ lý. Ngoài ra, các tương tác đặc biệt như liên kết hydro, tương tác dipol-dipol cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính tương hợp của polyme blend.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu HDPE/PBT được chế tạo với 5 tỷ lệ pha trộn khác nhau: 0%, 5%, 10%, 15% HDPE và mẫu HDPE nguyên chất 100%. Tổng cộng 25 mẫu thử được chuẩn bị, mỗi nhóm tỷ lệ gồm 5 mẫu, theo tiêu chuẩn ASTM D638 về kích thước và hình dạng mẫu thử kéo.

Quy trình nghiên cứu bao gồm:

  • Chuẩn bị nguyên liệu nhựa PBT và HDPE, sấy chân không ở 80°C trong 10 giờ để loại bỏ ẩm.
  • Trộn nhựa theo tỷ lệ đã định và ép phun bằng máy phun ép nhựa 2 trục đứng TKC với nhiệt độ trục 190-193°C, nhiệt độ đầu khuôn 203-212°C, thời gian làm nguội 8 giây.
  • Thiết kế mẫu thử bằng phần mềm Creo và mô phỏng dòng chảy nhựa bằng Moldex3D R17.
  • Thử nghiệm cơ tính gồm đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 sử dụng máy thử kéo vạn năng Autograph AG-X Plus, đo độ cứng Shore D theo tiêu chuẩn ASTM D2240-05, và nghiên cứu tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Phân tích dữ liệu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định tỷ lệ pha trộn tối ưu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, thực hiện tại Trung tâm Cao su và Chất dẻo TP. Hồ Chí Minh, với sự hướng dẫn của TS. Phạm Thị Hồng Nga.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của HDPE đến độ bền kéo: Kết quả thí nghiệm cho thấy độ bền kéo trung bình của hỗn hợp HDPE/PBT giảm dần khi tăng hàm lượng HDPE. Cụ thể, mẫu M1 (100% PBT) có độ bền kéo cao nhất, trong khi mẫu M4 (15% HDPE) giảm khoảng 20% so với mẫu M1. Mẫu M5 (100% HDPE) có độ bền kéo thấp nhất, giảm hơn 50% so với mẫu M1.

  2. Độ cứng Shore D: Độ cứng của hỗn hợp cũng giảm theo tỷ lệ HDPE tăng. Mẫu M1 có độ cứng Shore D trung bình khoảng 75, trong khi mẫu M4 giảm xuống còn khoảng 60. Điều này phản ánh sự ảnh hưởng của HDPE làm mềm vật liệu.

  3. Tổ chức tế vi: Quan sát bằng SEM cho thấy sự phân bố pha không đồng nhất với các pha riêng biệt rõ rệt giữa PBT và HDPE, đặc biệt ở các mẫu có tỷ lệ HDPE cao. Kích thước hạt pha phân tán tăng lên khi hàm lượng HDPE tăng, dẫn đến giảm tính tương hợp và ảnh hưởng đến cơ tính.

  4. Tỷ lệ pha trộn tối ưu: Qua phân tích quy hoạch thực nghiệm, tỷ lệ HDPE khoảng 5-10% trong hỗn hợp PBT/HDPE được xác định là phù hợp nhất, cân bằng giữa độ bền kéo và độ cứng, đồng thời giữ được tính đồng nhất tổ chức tế vi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm độ bền kéo và độ cứng khi tăng HDPE là do tính không tương hợp giữa hai loại polyme, dẫn đến sự phân pha rõ rệt và giảm liên kết cơ học giữa các pha. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về polyme blend không tương hợp, trong đó sự phân tách pha làm giảm tính chất cơ học tổng thể.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc sử dụng chất tương hợp hoặc ionomer có thể cải thiện tính tương hợp và cơ tính của hỗn hợp PBT/HDPE, tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa áp dụng chất tương hợp nên hiện tượng phân pha rõ rệt hơn. Biểu đồ đường đặc tuyến giãn nở và đồ thị hồi quy thể hiện mối quan hệ nghịch giữa tỷ lệ HDPE và độ bền kéo, minh họa rõ ràng qua các bảng số liệu thực nghiệm.

Ý nghĩa của kết quả là giúp xác định được phạm vi tỷ lệ pha trộn phù hợp để ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm nhựa kỹ thuật, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về cải thiện tính tương hợp và cơ tính của vật liệu polyme blend.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chất tương hợp: Khuyến nghị sử dụng các chất tương hợp như copolyme khối hoặc ionomer để tăng cường tính tương hợp giữa PBT và HDPE, nhằm cải thiện độ bền kéo và độ cứng của hỗn hợp. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành đảm nhận.

  2. Tối ưu quy trình gia công: Điều chỉnh các thông số ép phun như nhiệt độ, áp suất và thời gian làm nguội để giảm ứng suất dư và tăng tính đồng nhất tổ chức tế vi. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư công nghệ trong doanh nghiệp sản xuất nhựa, với thời gian áp dụng ngay trong quy trình sản xuất hiện tại.

  3. Nghiên cứu bổ sung pha phụ gia: Thêm các hạt nano hoặc sợi gia cường để cải thiện tính năng cơ học và độ bền va đập của hỗn hợp. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 12-18 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  4. Phát triển sản phẩm ứng dụng: Dựa trên tỷ lệ pha trộn tối ưu, phát triển các sản phẩm nhựa kỹ thuật có tính năng cách điện, chịu nhiệt và chịu va đập tốt phục vụ ngành điện tử, ô tô và xây dựng. Doanh nghiệp sản xuất nhựa và các nhà thiết kế sản phẩm là chủ thể thực hiện, với kế hoạch phát triển sản phẩm trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về polyme blend, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất nhựa kỹ thuật: Thông tin về tỷ lệ pha trộn và ảnh hưởng của HDPE đến cơ tính hỗn hợp PBT/HDPE giúp doanh nghiệp tối ưu hóa nguyên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  3. Chuyên gia công nghệ vật liệu và kỹ sư sản xuất: Các phương pháp chế tạo, thiết kế mẫu thử và quy trình ép phun được trình bày chi tiết, hỗ trợ cải tiến quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp: Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng phát triển ngành công nghiệp nhựa bền vững, thúc đẩy ứng dụng vật liệu mới trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp quốc phòng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu hỗn hợp PBT/HDPE?
    PBT có tính cách điện và chịu nhiệt tốt nhưng độ bền kéo thấp, trong khi HDPE có độ bền nhiệt và cơ học cao. Nghiên cứu hỗn hợp nhằm kết hợp ưu điểm của hai loại nhựa để tạo vật liệu có tính năng vượt trội, phù hợp ứng dụng kỹ thuật.

  2. Tỷ lệ pha trộn HDPE ảnh hưởng thế nào đến cơ tính?
    Kết quả cho thấy độ bền kéo và độ cứng giảm khi tăng tỷ lệ HDPE trong hỗn hợp, do tính không tương hợp và phân pha rõ rệt giữa hai loại nhựa. Tỷ lệ HDPE từ 5-10% được xác định là tối ưu để cân bằng các tính chất cơ học.

  3. Phương pháp thử nghiệm cơ tính được sử dụng là gì?
    Độ bền kéo được đo theo tiêu chuẩn ASTM D638 sử dụng máy thử kéo vạn năng Autograph AG-X Plus, độ cứng Shore D theo ASTM D2240-05, và tổ chức tế vi được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

  4. Có thể cải thiện tính tương hợp của hỗn hợp bằng cách nào?
    Sử dụng các chất tương hợp như copolyme khối, ionomer hoặc chất khâu mạch có thể tăng cường liên kết giữa các pha, giảm kích thước hạt phân tán và cải thiện tính chất cơ học của hỗn hợp.

  5. Ứng dụng thực tế của hỗn hợp PBT/HDPE là gì?
    Hỗn hợp này có thể được sử dụng trong sản xuất các bộ phận kỹ thuật đòi hỏi tính cách điện, chịu nhiệt và chịu va đập như linh kiện điện tử, vỏ bọc dây cáp, phụ tùng ô tô và vật liệu xây dựng.

Kết luận

  • Đã chế tạo và thử nghiệm thành công các mẫu hỗn hợp PBT/HDPE với 5 tỷ lệ pha trộn khác nhau, thu thập dữ liệu cơ tính và tổ chức tế vi chi tiết.
  • Độ bền kéo và độ cứng giảm khi tăng hàm lượng HDPE, do tính không tương hợp và phân pha rõ rệt giữa hai loại nhựa.
  • Tỷ lệ pha trộn HDPE từ 5-10% được xác định là tối ưu để cân bằng các tính chất cơ học và tổ chức tế vi.
  • Đề xuất sử dụng chất tương hợp và tối ưu quy trình gia công để cải thiện tính tương hợp và cơ tính của hỗn hợp.
  • Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo về bổ sung phụ gia nano và phát triển sản phẩm ứng dụng trong các ngành kỹ thuật.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu ứng dụng chất tương hợp và mở rộng thử nghiệm với các phụ gia gia cường để nâng cao tính năng vật liệu. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu được khuyến khích phối hợp để phát triển sản phẩm nhựa kỹ thuật mới dựa trên kết quả này.