CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển công nghiệp của bất cứ nước nào trên thế giới cũng đều mang lại rất nhiều lợi ích kinh kinh tế cho quốc gia đó. Tuy nhiên, đi kèm với lợi lích to lớn đó con người phải đối mặt với hệ quả nặng nề do ô nhiễm môi trường gây ra. Một trong những vấn đề đi kèm song song với sự phát triển công nghiệp đó là ô nhiễm do rác thải nhựa, đặc biệt là trong thời kỳ hiện nay khi nhu cầu sử dụng nhựa ngày càng tăng.
Rác thải nhựa gây ô nhiễm ở nhiều khía cạnh. Đầu tiên là trong quá trình sản xuất nhựa từ dầu mỏ, các nguyên liệu hóa học gây tiêu tốn năng lượng và thải ra lượng khí nhà kính góp phần gây nên sự biến đổi khí hậu. Tiếp theo là trong quá trình sản xuất sẽ tạo ra một lượng lớn chất thải độc hại gây làm ô nhiễm đất và nguồn nước. Vì vậy, hiện nay, mọi người đã dần có ý thức với môi trường hơn với nhiều phương pháp chẳng hạn như bằng cách tái sử dụng nhựa để giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung mới hay giảm sử dụng nhựa hoặc đổi sang các vật liệu khá có tính thân thiện với môi trường hơn.
Nhưng tầm quan trọng của nhựa là quá lớn khó thể tìm ra một vật liệu khác có thể mang lại nhiều lợi ích như nhựa.Vì vậy tái chế nhựa là một trong những phương pháp có thể coi là tối ưu. Để góp phần giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường nhóm nghiên cứu quyết định chọn tái chế phế thải nhựa khi biết phần lông bàn chải đánh răng được làm từ polybutylene terephthalate (PBT) và polyamide 6 (PA6). Trong quá trình sản xuất việc cắt tạo hình phần lông bàn chải sẽ tạo ra một lượng lớn phế thải nhựa, phần phế thải đó được chất đống và bỏ đi gây tốn thêm chi phí xử lý cho doanh nghiệp sản xuất.1: Lông của bàn chải đánh răng được làm từ PBT/PA6 PBT rất phổ biến do các đặc tính như khả năng cách điện tốt và chống nước rất tốt. PA6 là một loại polymer bán tinh thể được sử dụng rộng rãi do các lợi ích kỹ thuật của nó, như 1 nhiệt độ biến dạng nhiệt cao, kháng hóa chất tốt, độ bền và độ cứng cao, khả năng chống mài mòn.
Tuy nhiên đã có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra 2 loại nhựa PBT VÀ PA6 này có sự không tương tích giữa chúng dẫn đến hỗn hợp nhựa này có độ bền kém. Để đáp ứng yêu cầu về tính cơ học và tạo ra một loại nhựa mới hiệu quả từ phế thải nhựa PBT và PA6, nhóm nghiên cứu đã thêm chất độn carbon black(CB) vào hỗn hợp nhựa. Điều này nhằm mục đích cải thiện chất lượng và đồng thời tạo ra một sản phẩm có đủ các tính chất cần thiết để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng mong muốn. Đó là lý do nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của muội than đến cơ tính và tổ chức của hỗn hợp PBT/PA6”.
Để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu đề tài này nhóm nghiên cứu đã thay thế nhựa PBT và PA6 từ lông bàn chải đánh răng bằng nhựa PBT và PA6 nguyên sinh. Việc bổ sung thêm carbon black vào hỗn hợp PBT/PA6 không chỉ là một chất độn với mục đích gia tăng độ bền mà CB kết hợp với hỗn hợp PBT/PA6 tạo nên một loại nhựa có thể tản nhiệt tốt hơn nhựa thông thường nhờ vào đặc tính của CB. Nhóm nghiên cứu muốn hướng đến loại nhựa này có thể ứng dụng để sản xuất phần ngàm của bóng đèn xe máy giúp phần nhựa này có thể tản nhiệt nhanh hơn chống tập chung nhiệt một vùng có thể gây nên cháy.2: Ngàm nhựa trong bóng đèn xe máy 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến đổi khí hậu trên trái đất đa phần là kết quả của tác động do con người gây ra, do đó để bảo vệ môi trường sống của chúng ta, chúng ta cần thực hiện các biện pháp giảm ô nhiễm môi trường một cách tích cực.
Tái chế vật liệu nhựa là một trong những biện pháp hiệu quả. Đề tài nghiên của nhóm nghiên cứu góp phần làm cho trái đất xanh hơn và giúp cho chúng ta có một môi trường sống tốt hơn. 2 Đối với ngành sản xuất nhựa cũng như các doanh nghiệp sản xuất bàn chải đánh răng thì đã tìm được hướng giải quyết lượng phế thải nhựa trong quá trình sản xuất giúp doanh nghiệp có thể tiết kiệm chi phí xử lý hơn. Trong lĩnh vực khoa học, có thêm phương pháp khác nhau để nâng cao chất lượng của hỗn hợp nhựa PBT/PA6 mang lại nhiều cơ hội và tiềm năng phát triển.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của carbon black đến cơ tính và tổ chức của hỗn hợp polybutylene terephthalate/polyamide 6” có những ý nghĩa sau: Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đã mang lại những khám phá mới và tính mới về mặt khoa học trong lĩnh vực vật liệu polymer. Nghiên cứu này làm rõ ràng và chi tiết về việc thay đổi tỷ lệ CB trong hỗn hợp PBT/PA6 làm tác động đến tính chất cơ lý và mở ra những cơ hội mới trong việc tối ưu hóa thiết kế vật liệu. Ngoài ra nghiên cứu này là nguồn tài liệu tham khảo cho những nhà nghiên cứu trong và ngoài nước mở ra những triển vọng mới trong việc nghiên cứu về vật liệu polymer tiếp theo. Ý nghĩa thực tiễn: Giúp doanh nghiệp có thể xử lý phế thải nhựa trong quá trình sản xuất từ đó giảm chi phí xử lý phế thải, điều này đồng nghĩa với việc giảm áp lực đối với môi trường và giúp thúc đẩy các chiến lược phát triển bền vững.
Tối ưu hóa quá trình sản xuất, kết quả của nghiên cứu có thể áp dụng trong quy trình sản xuất các sản phẩm từ phế thải nhựa PBT/PA6. Bằng cách hiểu rõ về ảnh hưởng của muội than, các doanh nghiệp có thể tối ưu hóa quy trình sản xuất để đạt được hiệu suất cao. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu ảnh hưởng của muội than đến cơ tính của hỗn hợp PBT/PA6. Nhiệm vụ của nghiên cứu - Trộn PA6 vào PBT theo tỷ lệ đã đề ra và ép phun mẫu.
- Trộn CB vào hỗn hợp PBT/PA6 theo những tỷ lệ đã đề ra và ép phun mẫu. - Đo độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập, phân tích nhiệt DSC và chụp tổ chức tế vi của hỗn hợp PBT/PA6/CB. - Quy hoạch thực nghiệm tìm ra phương trình thực nghiệm để thể hiện sự ảnh hưởng của CB đối với hỗn hợp PBT/PA6 với các tiêu chí về cơ tính. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập, phân tích nhiệt DSC, Chụp tổ chức tế vi của hỗn hợp PBT/PA6/CB. Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các mẫu nhựa sau quá trình ép phun, khảo sát cơ tính trên máy đo các mẫu với từ tỷ lệ 0, 4, 8, 12 % CB đối với hỗn hợp PBT/PA6 với tỷ lệ 75/25. Phương pháp nghiên cứu Những phương pháp sử dụng trong nghiên cứu: - Phương pháp phân tích, tổng hợp lý thuyết. - Phương pháp phân loại, hệ thống hóa lý thuyết.
- Phương pháp quan sát khoa học. - Phương pháp thực nghiệm khoa học. - Chế tạo mẫu PBT/PA6/CB bằng phương pháp ép phun. - Kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM.
- Quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử. - Phân tích nhiệt DSC bằng máy kiểm tra nhiệt lượng quét vi sai DSC. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người càng ngày càng tăng cao và vấn đề cần được giải quyết là cần phải tạo ra những sản phẩm để đáp ứng nhu cầu đó.
Ngành nhựa không nằm ngoại lệ cần phải có những chất liệu mới những sản phẩm đổi mới qua từng ngày. Vì vậy hiện nay những đề tài tạo ra hỗn hợp nhựa mới có chất lượng tốt hơn hay tái chế nhựa giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên bảo vệ môi trường và giảm thiểu được chi phí sản xuất đều được quan tâm rất nhiều từ cộng đồng nghiên cứu. Như mọi người đã biết rác thải nhựa hằng năm từ các hoạt động đời sống mà con người thả ra là một trong những nguyên nhân góp phần làm cho môi trường trái đất nóng lên và bị đe dọa nghiêm trọng [1]. Đây cũng là vấn đề làm cho các nhà nghiên cứu khoa học phải đau đầu để nghiên cứu xử lý lượng rác thải nhựa đó để ngăn chặn việc thải trực tiếp ra môi trường và bảo vệ môi trường sống của con người.
Hiện nay trên thế giới các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu thực hiện điều đó, Jiho Choi và các cộng sự của mình đã nghiên cứu tái chế chất thải nhựa [2] thành những sản phẩm nhựa có chứa bao gồm sợi carbon mang lại giá trị cao. Hai loại nhựa được nghiên cứu ở đề tài này là PBT và PA6 lấy từ nguồn vật liệu phế thải. Nhựa PBT là loại nhựa kỹ thuật có tính chất cơ lý và hóa học ổn định. PA6 là một loại polymer bán tinh thể được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm kỹ thuật như nhiệt độ thấp, biến dạng nhiệt và kháng hóa chất cao, độ bền và độ cứng cao, khả năng chống mài mòn.
Tuy nhiên, hỗn hợp PBT/PA6 mới chỉ được chú ý gần đây và hiếm khi được sử dụng vì khả năng tương thích của hai loại nhựa này không tốt. Khi kết hợp 2 loại nhựa này khả năng chống va đập sẽ thấp hơn so với PBT và PA6 nguyên sinh. Nhiều nhà nghiên cứu đã cho thấy khả năng tương thích của hỗn hợp nhựa PBT/PA6 khi kết hợp với chất độn. Trong bài nghiên cứu của Chang-Sik Ha và các cộng sự [3] để khắc phục điểm yếu này, PBT/PA6 được kết hợp với các chất như EVA-g-MAH.
Maleic anhydrit (MAH) được kết hợp với chất đồng trùng hợp ethylene vinyl acetate copolymer (EVA) trong hỗn hợp nhị phân PBT/PA6 đã làm giảm độ bền kéo và độ uốn nhưng đã được tăng độ bền va đập. Ge Jiabao cùng các cộng sự [4] nghiên cứu thành công hỗn hợp PBT/PET/PA có khả năng tăng chống cháy và thân thiện với môi trường có đặc tính chống cháy và chỉ số chống cháy đạt UL94-V0. Tương tự bài báo [5] trình bày kết quả nghiên cứu về độ dẫn điện bề mặt của hỗn hợp PA6/PBT chứa muội than. Nghiên cứu kết luận rằng việc kết hợp 6% thể tích CB làm tăng độ bền kéo của tất cả các hỗn hợp, mặc dù chúng vẫn giòn.