Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của lượng rác thải nhựa công nghiệp và sinh hoạt đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với môi trường toàn cầu. Trong quy trình sản xuất bàn chải đánh răng, công đoạn cắt tỉa định hình lông bàn chải phát sinh một lượng phế phẩm rất lớn. Phần lông này chủ yếu được chế tạo từ hai loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật là Polybutylene terephthalate (PBT) và Polyamide 6 (PA6). Lượng nhựa dư thừa thường bị thải bỏ dạng đống, vừa gây lãng phí tài nguyên vừa làm gia tăng chi phí xử lý chất thải cho các doanh nghiệp sản xuất.

Về đặc tính vật liệu, PBT sở hữu độ bền cơ học cao, khả năng cách điện, chống nước và kháng dung môi tốt. Tuy nhiên, PBT tồn tại các hạn chế kỹ thuật rõ rệt như độ co ngót khuôn cao gây cong vênh, nhiệt độ biến dạng nhiệt thấp và độ dai va đập kém khi có khía rãnh. Ngược lại, PA6 là polymer bán tinh thể có khả năng kháng mài mòn, độ bền kéo, độ cứng và nhiệt độ biến dạng nhiệt cao, nhưng lại dễ hút ẩm và trương nở thể tích. Việc trộn hợp PBT và PA6 (polymer blend) là giải pháp tiềm năng để bổ trợ tính chất cơ lý giữa hai loại nhựa. Dù vậy, các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng PBT và PA6 có độ tương thích nhiệt động học rất kém, dẫn đến bề mặt liên kết pha lỏng lẻo và làm suy giảm cơ tính của vật liệu phối trộn.

Để giải quyết vấn đề tương thích và nâng cao cơ tính, đồng thời định hướng tái chế nguồn phế thải, đề tài tiến hành bổ sung chất độn muội than (Carbon Black - CB) vào hỗn hợp nhựa PBT/PA6. Sự kết hợp này không chỉ hướng tới cải thiện độ bền kéo và độ bền uốn mà còn tận dụng khả năng tản nhiệt của muội than. Đề tài định hướng ứng dụng vật liệu này vào sản xuất ngàm giữ bóng đèn xe máy – bộ phận đòi hỏi tính năng tản nhiệt nhanh nhằm hạn chế hiện tượng tập trung nhiệt gây nóng chảy và hỏa hoạn. Trong khuôn khổ nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả sử dụng hạt nhựa PBT và PA6 nguyên sinh để chuẩn hóa các thông số ban đầu trước khi triển khai trên nhựa tái chế thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của muội than (CB) đến cơ tính và tổ chức tế vi của hỗn hợp nhựa PBT/PA6.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Trộn PA6 vào PBT theo tỷ lệ xác định và tiến hành ép phun tạo mẫu thử.
  2. Phối trộn muội than (CB) vào hỗn hợp PBT/PA6 theo các tỷ lệ khảo sát và ép phun tạo mẫu.
  3. Đo đạc độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập, phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) và chụp ảnh tổ chức tế vi (SEM) của hỗn hợp PBT/PA6/CB.
  4. Quy hoạch thực nghiệm nhằm xây dựng phương trình hồi quy mô tả quy luật tác động của hàm lượng CB đến các chỉ tiêu cơ tính của vật liệu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các chỉ tiêu cơ lý bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập (có rãnh V và không có rãnh V), đặc tính nhiệt DSC và cấu trúc tế vi bề mặt gãy của hệ vật liệu polymer blend PBT/PA6/CB.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát hỗn hợp nền PBT/PA6 cố định ở tỷ lệ khối lượng 75/25, biến thiên hàm lượng muội than CB ở 4 mức nồng độ: 0%, 4%, 8% và 12% (tính theo phần trăm khối lượng - wt.%). Mẫu thử được gia công trực tiếp trên máy ép phun và kiểm nghiệm cơ lý trong điều kiện nhiệt độ phòng tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer blend – hệ vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều polymer nhằm tạo ra các tính năng ưu việt mà từng polymer thành phần không có được. Về mặt nhiệt động học, polymer blend được phân chia thành ba dạng chính:

  • Polymer blend hòa trộn (miscible): Có entanpy trộn lẫn $\Delta H_{tr} < 0$, tương hợp ở cấp độ phân tử và chỉ xuất hiện một nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$) duy nhất nằm giữa $T_g$ của các cấu tử.
  • Polymer blend hòa trộn một phần và tương hợp một phần: Tồn tại sự khuếch tán một phần giữa các pha, ranh giới phân pha không tách biệt hoàn toàn, có sự dịch chuyển giá trị $T_g$ về phía nhau.
  • Polymer blend không hòa trộn và không tương hợp (immiscible): Hình thái phân pha thô, kích thước pha phân tán lớn, lực bám dính liên pha yếu và xuất hiện hai nhiệt độ chuyển pha riêng biệt tương ứng với từng polymer ban đầu. Hệ PBT/PA6 thuộc nhóm này.

Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Nhựa PBT: Mã sản phẩm TACOMA TC BN60, mật độ $1{,}3\text{ g/cm}^3$, do Công ty TNHH TA.COMA (Hà Nội) cung cấp.
  • Nhựa PA6: Mã sản phẩm PA6 B33 L09, mật độ $1{,}14\text{ g/cm}^3$, do Công ty TNHH Quốc tế Bina (Hà Nội) cung cấp.
  • Muội than (Carbon Black): Mật độ $1{,}84\text{ g/cm}^3$, do Công ty HYUNDAI OCI CO. sản xuất, đóng vai trò là chất độn gia cường và cải thiện khả năng dẫn nhiệt.

Quy trình công nghệ và phương pháp thực nghiệm:

  • Gia công chế tạo mẫu: Hạt nhựa PBT, PA6 và CB được sấy khô ở nhiệt độ 110 °C trong vòng 4 giờ để loại bỏ độ ẩm trước khi gia công. Hỗn hợp được phối trộn cơ học và gia công trên máy ép phun TOSHIBA-SG100 sử dụng bộ khuôn hai tấm đã qua xử lý bề mặt bằng giấy nhám ba cấp (thô, bán tinh, tinh). Nhiệt độ ép phun được thiết lập ở 260 °C.
  • Thử nghiệm độ bền kéo: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D638 trên máy kéo vạn năng Shimadzu (tích hợp phần mềm xử lý dữ liệu Wintest). Số lượng mẫu đo là 5 mẫu cho mỗi tỷ lệ, lưu trữ ổn định trong môi trường nhiệt độ $23 \pm 2\text{ }^\circ\text{C}$ và độ ẩm $50 \pm 5%$ ít nhất 40 giờ trước khi đo.
  • Thử nghiệm độ bền uốn: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D790 trên máy thử sức bền vạn năng Shimadzu Autograph AG-X Plus, sử dụng cảm biến lực tối đa 5 kN, tốc độ đầu thử 3000 mm/phút và tốc độ lùi 3300 mm/phút, đo 5 mẫu cho mỗi tỷ lệ.
  • Thử nghiệm độ dai va đập: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D256 trên thiết bị kiểm tra va đập con lắc Tinius Olsen IT504 (năng lượng búa đập 2,82 J). Tiến hành trên cả hai cấu hình mẫu: có rãnh V và không có rãnh V, số lượng thử nghiệm là 10 mẫu cho mỗi tỷ lệ phối trộn.
  • Phân tích nhiệt DSC: Đo nhiệt lượng quét vi sai trên thiết bị DSC 214 Polyma nhằm xác định nhiệt độ kết tinh đỉnh ($T_{peak}$) và trạng thái chuyển pha của vật liệu khi gia nhiệt.
  • Quan sát cấu trúc tế vi: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) HITACHI TM4000Plus tại các độ phóng đại 100X, 300X và 1000X trên bề mặt gãy của mẫu sau thử nghiệm va đập.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả chỉ ra thực trạng lãng phí phế liệu nhựa PBT và PA6 từ khâu cắt tỉa lông bàn chải đánh răng. Nhóm nghiên cứu làm rõ tính cấp thiết của việc tái chế nguồn vật liệu này thành hỗn hợp polymer blend có giá trị gia tăng, định hướng ứng dụng chế tạo linh kiện ngàm đèn xe máy tản nhiệt. Chương 1 xác lập mục tiêu nghiên cứu, 4 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể, đối tượng nghiên cứu là các chỉ tiêu cơ tính kéo, uốn, va đập, nhiệt DSC, ảnh SEM, và phạm vi thực nghiệm tập trung vào hệ nền PBT/PA6 (75/25) nạp muội than ở các nồng độ 0%, 4%, 8%, 12% theo khối lượng.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương 2 tổng hợp bức tranh toàn cảnh về tình hình nghiên cứu vật liệu polymer blend trong nước và quốc tế. Tác giả phân tích các nghiên cứu tiêu biểu:

  • Nghiên cứu của Jiho Choi và cộng sự về tái chế chất thải nhựa kết hợp sợi carbon.
  • Nghiên cứu của Chang-Sik Ha về việc sử dụng chất tương hợp EVA-g-MAH cho hệ PBT/PA6 nhằm cải thiện độ bền va đập dù làm giảm độ bền kéo và độ bền uốn.
  • Nghiên cứu của Ge Jiabao về hệ PBT/PET/PA chống cháy đạt chuẩn UL94-V0.
  • Nghiên cứu về độ dẫn điện bề mặt của hệ PA6/PBT chứa 6% thể tích muội than, ghi nhận độ bền kéo tăng nhưng vật liệu vẫn giòn.
  • Các nghiên cứu sử dụng hạt copolymer PBMMA, chất tương thích sinh học PA11 và nhựa epoxy để cải thiện độ tương thích pha.

Bên cạnh đó, chương này trình bày chi tiết về cấu trúc phân tử, tính chất cơ lý, ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của từng cấu tử độc lập: nhựa nhiệt dẻo PBT, nhựa polyamide PA6 và muội than (CB) có nguồn gốc từ quá trình cracking xúc tác chất lỏng (FCC) hoặc nhiệt phân dầu nặng.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 trình bày hệ thống lý thuyết nền tảng về vật liệu polymer blend, cơ chế hòa trộn nhiệt động học và các phương pháp đánh giá độ tương hợp: xây dựng giản đồ pha qua phép đo độ đục, đo nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$) bằng DSC/DMTA, đo độ nhớt dung dịch, khảo sát mô-men xoắn nóng chảy, phân tích phổ hồng ngoại FTIR và chụp ảnh hiển vi điện tử SEM/TEM. Chương này mô tả chi tiết công nghệ gia công ép phun và cấu tạo của máy ép phun TOSHIBA-SG100 gồm 5 hệ thống chính: hệ thống hỗ trợ (thân máy, điện, thủy lực, làm nguội), hệ thống phun (phễu liệu, khoang chứa, băng gia nhiệt, trục vít, bộ hồi), hệ thống kẹp, hệ thống khuôn (dẫn hướng, cấp nhựa, đẩy sản phẩm, lõi trượt mặt bên, thoát khí, làm nguội) và hệ thống điều khiển thông số. Cuối cùng, chương 3 thiết lập các công thức toán học xác định độ bền kéo $\sigma_k = P / F_0$ (công thức 3.1) và độ dai va đập $a_k = A / F$ (công thức 3.2).

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

Chương 4 thiết kế chi tiết quy trình thực nghiệm và các tỷ lệ phối trộn vật liệu cho 4 nhóm mẫu:

  • 75PBT_0CB: 75% PBT ($1500\text{ g}$), 25% PA6 ($500\text{ g}$), 0% CB ($0\text{ g}$).
  • 75PBT_4CB: 72% PBT ($1440\text{ g}$), 24% PA6 ($480\text{ g}$), 4% CB ($80\text{ g}$).
  • 75PBT_8CB: 69% PBT ($1380\text{ g}$), 23% PA6 ($460\text{ g}$), 8% CB ($160\text{ g}$).
  • 75PBT_12CB: 66% PBT ($1320\text{ g}$), 22% PA6 ($440\text{ g}$), 12% CB ($240\text{ g}$).

Chương này trình bày thông số công nghệ sấy (110 °C trong 4 giờ), nhiệt độ ép phun (260 °C) và quy trình chuẩn bị khuôn ép hai tấm. Đồng thời, chương 4 quy định cụ thể quy trình lấy mẫu ngẫu nhiên, điều kiện ổn định mẫu ($23 \pm 2\text{ }^\circ\text{C}$, độ ẩm $50 \pm 5%$ trong ít nhất 40 giờ) và các bước thao tác trên máy thử kéo Shimadzu (ASTM D638), máy thử uốn Shimadzu Autograph AG-X Plus (ASTM D790), máy thử va đập Tinius Olsen IT504 (ASTM D256), máy phân tích nhiệt DSC 214 Polyma và kính hiển vi điện tử quét HITACHI TM4000Plus.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 5 phân tích toàn diện các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình đo đạc:

  • Phân tích nhiệt DSC: Đỉnh nhiệt kết tinh ($T_{peak}$) của mẫu không chứa muội than (75PBT_0CB) đạt 224,5 °C. Khi bổ sung muội than ở các tỷ lệ 4%, 8% và 12% CB, đỉnh nhiệt kết tinh giảm dần về ngưỡng xấp xỉ 223 °C.
  • Độ bền kéo (ASTM D638): Mẫu nền 75PBT_0CB đạt độ bền kéo trung bình 34,77 MPa. Khi thêm 4% CB, độ bền kéo suy giảm nhẹ; tuy nhiên khi hàm lượng CB tăng lên 8%, độ bền kéo đạt giá trị cực đại trên 35 MPa. Khi tiếp tục tăng hàm lượng CB lên 12%, độ bền kéo giảm mạnh xuống mức 31 MPa do hiện tượng tập tụ chất độn.
  • Độ bền uốn (ASTM D790): Mẫu nền 75PBT_0CB đạt độ bền uốn 53,94 MPa. Khi thêm 4% CB, độ bền uốn của hỗn hợp được cải thiện rõ rệt so với mẫu nền. Khi tăng tỷ lệ CB lên 8% và 12%, độ bền uốn có xu hướng giảm dần.
  • Độ dai va đập (ASTM D256): Đối với mẫu có rãnh V, độ dai va đập giảm liên tục từ $3{,}55\text{ kJ/m}^2$ (ở mẫu 0% CB) xuống $2{,}72\text{ kJ/m}^2$ (ở mẫu 4% CB) và tiếp tục giảm ở các tỷ lệ cao hơn. Tương tự, đối với mẫu không rãnh V, độ dai va đập giảm mạnh từ $12{,}85\text{ kJ/m}^2$ (ở mẫu 0% CB) xuống còn $4{,}78\text{ kJ/m}^2$ (ở mẫu 12% CB).
  • Phân tích tổ chức tế vi (SEM): Ảnh chụp bề mặt gãy ở độ phóng đại 100X, 300X và 1000X cho thấy các hạt pha PA6 phân bố kích thước không đồng đều trong nền PBT. Các hạt muội than CB tạo ra các khoảng rỗng vi mô (micro-voids) và các điểm tập trung ứng suất, làm suy yếu lực liên kết liên pha giữa PBT và PA6, khiến nền vật liệu chuyển biến giòn hơn, giải thích rõ nguyên nhân độ dai va đập sụt giảm.

CHƯƠNG 6: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM

Chương 6 sử dụng công cụ hồi quy trên phần mềm Microsoft Excel để xử lý dữ liệu thực nghiệm, xây dựng 4 phương trình hồi quy bậc hai mô tả sự phụ thuộc của các chỉ tiêu cơ tính vào hàm lượng muội than CB:

  1. Phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền kéo hỗn hợp PBT/PA6/CB.
  2. Phương trình hồi quy bậc hai cho độ bền uốn hỗn hợp PBT/PA6/CB.
  3. Phương trình hồi quy bậc hai cho độ dai va đập mẫu có rãnh V.
  4. Phương trình hồi quy bậc hai cho độ dai va đập mẫu không có rãnh V. Các mô hình toán học này đóng vai trò xác định tương quan định lượng và hỗ trợ dự báo cơ tính của vật liệu trong khoảng khảo sát từ 0% đến 12% CB.

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương cuối cùng tổng kết các phát hiện cốt lõi về sự biến thiên cơ tính và cấu trúc vi mô của hỗn hợp PBT/PA6 khi có mặt chất độn muội than. Tác giả khẳng định tính khả thi của việc gia cường độ bền kéo và độ bền uốn, đồng thời chỉ ra các hạn chế về độ giòn va đập. Phần hướng phát triển đề xuất các giải pháp tiếp theo nhằm hoàn thiện chất lượng vật liệu phục vụ sản xuất thực tế.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã cung cấp số liệu thực nghiệm định lượng về sự thay đổi cơ tính và đặc tính nhiệt của hệ polymer blend PBT/PA6 (tỷ lệ nền 75/25) theo các mức hàm lượng muội than CB khác nhau:

Ký hiệu mẫu Tỷ lệ PBT/PA6/CB (wt.%) Đỉnh nhiệt kết tinh DSC (°C) Độ bền kéo trung bình (MPa) Độ bền uốn trung bình (MPa) Độ dai va đập có rãnh V ($\text{kJ/m}^2$) Độ dai va đập không rãnh V ($\text{kJ/m}^2$)
75PBT_0CB 75 / 25 / 0 224,5 34,77 53,94 3,55 12,85
75PBT_4CB 72 / 24 / 4 ~223,0 < 34,77 > 53,94 2,72 < 12,85
75PBT_8CB 69 / 23 / 8 < 223,0 ~35,xx < Mẫu 4% CB < 2,72 < Mẫu 4% CB
75PBT_12CB 66 / 22 / 12 < Mẫu 8% CB ~31,xx < Mẫu 8% CB < Mẫu 8% CB 4,78

Quy luật biến thiên và phát hiện thực nghiệm:

  • Về tính chất nhiệt (DSC): Muội than làm suy giảm nhẹ nhiệt độ kết tinh đỉnh ($T_{peak}$) từ 224,5 °C xuống xấp xỉ 223 °C, cho thấy CB làm thay đổi động thái kết tinh của các mạch phân tử polymer trong quá trình làm nguội.
  • Về độ bền kéo: Tỷ lệ 8% CB mang lại hiệu quả gia cường độ bền kéo tốt nhất (đạt trên 35 MPa, cao hơn mức 34,77 MPa của mẫu nền). Tuy nhiên, khi hàm lượng CB vượt ngưỡng lên 12%, độ bền kéo suy giảm mạnh xuống mức 31 MPa.
  • Về độ bền uốn: Hàm lượng 4% CB là điểm tối ưu để nâng cao độ bền uốn (vượt giá trị 53,94 MPa của mẫu chuẩn). Tăng nồng độ CB lên 8% và 12% làm độ bền uốn giảm dần.
  • Về độ dai va đập: Bổ sung CB làm suy giảm rõ rệt khả năng chịu va đập của vật liệu ở cả hai trạng thái thử nghiệm. Mẫu có rãnh V giảm từ $3{,}55\text{ kJ/m}^2$ xuống $2{,}72\text{ kJ/m}^2$ ngay tại 4% CB; mẫu không rãnh V giảm từ $12{,}85\text{ kJ/m}^2$ (0% CB) xuống $4{,}78\text{ kJ/m}^2$ (12% CB).
  • Về tổ chức tế vi: Hình ảnh SEM chỉ ra cơ chế phá hủy giòn bắt nguồn từ sự phân bố kích thước không đồng đều của các hạt pha phân tán PA6 và sự hình thành các lỗ xốp, khoảng rỗng vi mô quanh các hạt muội than CB, làm suy giảm bề mặt bám dính pha.

Giải pháp và đề xuất ứng dụng:

  • Nghiên cứu đề xuất lựa chọn tỷ lệ phối trộn tùy theo mục đích chịu lực của sản phẩm: sử dụng 8% CB khi ưu tiên độ bền kéo, sử dụng 4% CB khi ưu tiên độ bền uốn và khả năng gia công.
  • Vật liệu được định hướng sản xuất các chi tiết kỹ thuật ít chịu tải trọng va đập động nhưng cần khả năng dẫn nhiệt và tản nhiệt tốt, điển hình là chi tiết ngàm gắn bóng đèn trong cụm đèn xe máy.

Đóng góp khoa học và thực tiễn:

  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện và các phương trình toán học mô tả ảnh hưởng của muội than CB đến hệ polymer blend PBT/PA6 không tương hợp.
  • Chứng minh khả năng tận dụng và định hướng tái chế nguồn phế thải nhựa PBT và PA6 từ ngành sản xuất bàn chải đánh răng, giúp doanh nghiệp cắt giảm chi phí xử lý chất thải rắn và giảm thiểu áp lực ô nhiễm môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Đề tài chưa sử dụng các chất trợ tương hợp (compatibilizer) chuyên dụng (như EVA-g-MAH, epoxy hoặc copolymer khối) dẫn đến lực liên kết bề mặt pha giữa PBT và PA6 còn yếu, làm độ dai va đập suy giảm nghiêm trọng khi nạp muội than.
  • Trong thực nghiệm, nhóm tác giả sử dụng hạt nhựa PBT và PA6 nguyên sinh để chuẩn hóa thử nghiệm, chưa trực tiếp xử lý và phối trộn trên nguồn phế thải lông bàn chải đánh răng thực tế (vốn có thể chứa tạp chất hoặc bị suy giảm chỉ số chảy).
  • Chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm định lượng về hệ số dẫn nhiệt và thử nghiệm độ bền nhiệt thực tế của chi tiết ngàm đèn xe máy trong điều kiện làm việc mô phỏng.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Khảo sát bổ sung các chất tương hợp hóa bề mặt nhằm khắc phục hiện tượng tách pha, hạn chế sự hình thành khoảng rỗng vi mô và cải thiện độ dai va đập cho vật liệu.
  • Mở rộng bước nhảy khảo sát tỷ lệ muội than (ví dụ khảo sát chi tiết trong khoảng 2% đến 8% CB) để tìm ra điểm tối ưu hóa chính xác hơn cho từng chỉ tiêu cơ tính.
  • Tiến hành thực nghiệm trên nguồn nguyên liệu phế thải lông bàn chải đánh răng thu gom từ nhà máy, đánh giá ảnh hưởng của các chu kỳ tái chế nhiệt đến cơ tính sản phẩm.
  • Chế tạo thử nghiệm chi tiết ngàm giữ bóng đèn xe máy và đo đạc khả năng tản nhiệt thực tế bằng camera nhiệt hoặc cảm biến nhiệt độ chuyên dụng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với:

  • Giảng viên, sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học chuyên ngành Polymer/Composite đang thực hiện các đề tài về tái chế chất thải nhựa và biến tính polymer blend.
  • Kỹ sư công nghệ ép phun nhựa tại các nhà máy sản xuất linh kiện, cung cấp thông số công nghệ tham khảo về nhiệt độ sấy (110 °C trong 4 giờ) và chế độ ép phun (260 °C trên máy TOSHIBA-SG100).
  • Các nhà nghiên cứu quan tâm đến phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng phương trình hồi quy tương quan cơ lý và kỹ thuật phân tích hình thái bề mặt gãy SEM để giải thích cơ chế phá hủy vật liệu.

Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Quy trình chuẩn bị mẫu và phương pháp thử nghiệm cơ lý theo hệ thống tiêu chuẩn quốc tế ASTM (ASTM D638 cho độ bền kéo, ASTM D790 cho độ bền uốn, ASTM D256 cho độ dai va đập).
  • Phương pháp luận kết hợp giữa phân tích nhiệt lượng DSC và ảnh hiển vi điện tử SEM để đối chiếu, biện luận cho các biến thiên cơ tính vĩ mô.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn tỷ lệ phối trộn nền cố định giữa PBT và PA6 là 75/25? Trong quy trình sản xuất bàn chải đánh răng thực tế, lông bàn chải chủ yếu được cấu tạo từ PBT và PA6. Do yêu cầu kỹ thuật về độ đàn hồi, khả năng kháng ẩm và giá thành của PBT rẻ hơn, thành phần nhựa PBT chiếm tỷ trọng chủ yếu trong lượng phế thải phát sinh. Tỷ lệ 75% PBT và 25% PA6 được nhóm tác giả lựa chọn nhằm mô phỏng sát nhất tỷ lệ thành phần phế phẩm thực tế từ quá trình cắt tỉa lông bàn chải của doanh nghiệp.

  2. Muội than (CB) ảnh hưởng như thế nào đến độ bền kéo và độ bền uốn của hỗn hợp PBT/PA6? Theo kết quả đo tại Chương 5, muội than có tác động phân hóa rõ rệt lên hai chỉ tiêu này:

  • Về độ bền kéo: Mẫu nền đạt 34,77 MPa. Nạp 4% CB làm độ bền kéo giảm nhẹ, nhưng khi tăng lên 8% CB thì độ bền kéo tăng vọt lên mức cực đại trên 35 MPa. Vượt qua mốc này (tại 12% CB), độ bền kéo sụt giảm mạnh về khoảng 31 MPa.
  • Về độ bền uốn: Bổ sung 4% CB giúp cải thiện độ bền uốn cao nhất (vượt qua giá trị 53,94 MPa của mẫu nền 0% CB). Khi tiếp tục tăng hàm lượng CB lên 8% và 12%, độ bền uốn giảm dần.
  1. Nguyên nhân vi cấu trúc nào dẫn đến sự suy giảm độ dai va đập khi tăng hàm lượng muội than? Hình ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM tại bề mặt gãy của mẫu va đập cho thấy hai nguyên nhân chính:
  • Kích thước hạt pha phân tán PA6 phân bố không đồng đều trong pha nền PBT do bản chất hai polymer không tương hợp.
  • Sự tích tụ của các hạt muội than CB tạo ra các khoảng rỗng vi mô (micro-voids) và các điểm tập trung ứng suất dọc theo bề mặt phân cách pha. Các khuyết tật này làm suy giảm nghiêm trọng lực liên kết liên pha, khiến hỗn hợp nhựa trở nên giòn hơn và gãy vỡ nhanh chóng dưới tải trọng va đập động.

  1. Thông số công nghệ chuẩn bị vật liệu và ép phun mẫu thử nghiệm được thiết lập như thế nào? Trước khi gia công, hạt nhựa PBT, PA6 và muội than CB được phối trộn theo khối lượng và sấy khô ở nhiệt độ 110 °C liên tục trong vòng 4 giờ nhằm loại bỏ hơi ẩm. Quá trình ép tạo mẫu thử nghiệm được thực hiện trên máy ép phun TOSHIBA-SG100 sử dụng khuôn hai tấm (đã được đánh bóng chống gỉ qua ba cấp giấy nhám) với nhiệt độ cài đặt buồng ép là 260 °C. Sau khi ép, mẫu thử được ổn định trong môi trường tiêu chuẩn ($23 \pm 2\text{ }^\circ\text{C}$, độ ẩm $50 \pm 5%$) trong ít nhất 40 giờ trước khi tiến hành đo đạc.

  2. Phân tích nhiệt DSC phản ánh sự thay đổi gì về đặc tính kết tinh của hỗn hợp khi có mặt muội than? Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai trên máy DSC 214 Polyma cho thấy mẫu hỗn hợp không chứa muội than (75PBT_0CB) xuất hiện đỉnh nhiệt độ kết tinh ($T_{peak}$) tại 224,5 °C. Khi bổ sung muội than với các hàm lượng 4%, 8% và 12% CB, đỉnh nhiệt độ kết tinh của các mẫu có xu hướng giảm dần về mức xấp xỉ 223 °C. Điều này chứng minh sự hiện diện của muội than đã làm cản trở và thay đổi tốc độ cũng như điều kiện kết tinh của pha nền polymer trong quá trình làm nguội.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã khảo sát thành công ảnh hưởng của hàm lượng muội than (0%, 4%, 8%, 12% CB) đến cơ tính và vi cấu trúc của hệ vật liệu polymer blend PBT/PA6 (tỷ lệ nền 75/25) được chế tạo bằng công nghệ ép phun ở 260 °C. Các số liệu thực nghiệm khẳng định muội than giúp cải thiện độ bền kéo tối ưu tại nồng độ 8% CB (đạt trên 35 MPa) và độ bền uốn tối ưu tại 4% CB, tuy nhiên làm suy giảm độ dai va đập do hình thành các khoảng rỗng vi mô làm vật liệu chuyển biến giòn. Công trình cung cấp hệ thống phương trình hồi quy bậc hai tin cậy và mở ra giải pháp tái chế khả thi cho nguồn rác thải lông bàn chải đánh răng ứng dụng vào các chi tiết kỹ thuật tản nhiệt như ngàm giữ bóng đèn xe máy.