Chương 1 giới thiệu về đề tài thực hiện, tính cấp thiết, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu. Đồng thời tóm tắt các nội dung thực thiện và phạm vi nghiên cứu của đề tài. -5- o Chương 2 trình bày nghiên cứu tổng quan nhằm tạo nên cái nhìn tổng thể về việc ứng dụng PET trong BTN trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. Từ đó tìm ra hướng nghiên cứu cho đề tài.
o Chương 3 nói về phương pháp nghiên cứu: lựa chọn vật liệu, phương pháp trộn và các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của Oligo PET đến chất lượng của BTN. o Chương 4 trình bày các nhận xét từ kết quả thí nghiệm có được. Từ đó tìm ra hàm lượng Oligo PET tối ưu. o Chương 5 tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị.1 Tổng quan về vật liệu polyme trong bê tông nhựa Sử dụng Polyme tự nhiên và nhân tạo làm phụ gia cải tiến chất lượng nhựa được cấp bằng sáng chế vào năm 1843.
Tại Bắc Mỹ, cao su Latex đã được sử dụng làm chất cải tiến nhựa đường từ năm 1950 [3]. Sau chiến tranh thế giới thứ 2, một số nước Châu Âu như Anh, Pháp đã có những thử nghiệm dùng polyme trong các dự án xây dựng đường. Từ những năm 80 của thế kỷ XX, nhựa đường phụ gia polyme ở Mỹ bắt đầu phát triển do việc áp dụng polyme thế hệ mới và các công nghệ của châu Âu. Hiện nay ở Úc, những chỉ dẫn và tiêu chuẩn về chất kết dính sử dụng phụ gia polyme cũng đã được đưa vào tiêu chuẩn nhựa đường quốc gia [3].
Hiện nay, việc nghiên cứu và sử dụng hỗn hợp nhựa đường kết hợp phụ gia Polyme đang được thế giới đặc biệt quan tâm. Nhựa đường phụ gia polyme giúp cải tiến chất lượng nhựa đường, tăng tuổi thọ cho mặt đường BTN và là vật liệu xanh thân thiện với môi trường. Một số quốc gia đang dẫn đầu thế giới về nghiên cứu đó là Mỹ, Trung Quốc, Pháp, Ý và các loại phụ gia polyme sử dụng phổ biến là cao su, Styrene - Butadience - Styrene (SBS), Styrene - Butadiene - Rubber (SBR) và Polyethylene Terephthalate (PET).1 Cao su Để cải thiện đặc tính của nhựa đường có thể sử dụng hạt cao su tái chế từ cao su tổng hợp hoặc cao su thiên nhiên để biến tính nhựa đường. Sự pha trộn của hạt cao su với nhựa đường làm tăng độ cứng của nhựa đường, cải thiện khả năng chống biến dạng lún vệt bánh xe và nứt của BTN.
Bên cạnh khả năng mang lại những cải thiện cho nhựa đường về mặt cơ lý tương tự như các polymer khác, bột cao su tái chế còn được ghi nhận giúp làm giảm tiếng ồn do ma sát giữa lốp xe và mặt đường so với mặt đường nhựa thông thường. Bột cao su tái chế còn giúp tăng tính an toàn giao thông nhờ vào khả năng làm tăng độ bám giữa lốp xe với mặt đường. Ngoài ra, do tái chế từ lốp xe phế thải, việc sử dụng bột cao su -7- này trong công nghệ nhựa đường cao su hóa có ý nghĩa quan trọng về mặt bảo vệ môi trường. Hạt cao su nghiền từ lốp xe phế thải được nghiên cứu sử dụng trong công nghệ xây dựng mặt đường từ cuối những năm 1960, áp dụng đầu tiên cho lớp láng nhựa mặt đường Phoenix, bang Arizona (Hoa Kỳ).
Hạt cao su nghiền có thể được sử dụng như một chất phụ gia polyme cải thiện đặc tính của nhựa đường (trường hợp sử dụng công nghệ chế tạo theo quy trình ướt) hoặc như vật liệu thay thế cốt liệu mịn trong hỗn hợp cấp phối BTN (trường hợp sử dụng công nghệ chế tạo theo quy trình khô).2 Styrene - Butadiene - Styrene (SBS) SBS là một họ cao su tổng hợp có nguồn gốc từ Styrene và Butadiene, màu trắng và ở dạng hạt. Phụ gia SBS được sử dụng trong BTN mang lại nhiều ưu điểm như: tăng khả năng chống lún của BTN, cải thiện độ dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường, giảm thiểu nguy cơ hằn lún vệt bánh xe trong quá trình khai thác, khắc phục hiện tượng nứt mặt đường khi biên độ nhiệt độ có sự thay đổi lớn. Năm 2018, Hussein Hameed Karim và các cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về ảnh hưởng của SBS đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường. Ba hàm lượng SBS được thí nghiệm là 3%, 4% và 5%.
Kết quả SBS cải thiện được đặc tính của nhựa đường theo chiều hướng có lợi. Hàm lượng SBS ở mức 5% cho kết quả tối ưu [4]. Hiệu quả của SBS mang lại trong việc cải tiến chất lượng của nhựa đường đã được chứng minh nhưng việc ứng dụng rộng rãi còn gặp nhiều khó khăn do chi phí cao. Ở Việt Nam có một nghiên cứu của tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn đã đánh giá ảnh hưởng của SBS đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTNC 12.
Hàm lượng SBS trong nghiên cứu thay đổi từ 0%, 2%, 4%, 6% đến 8% so với khối lượng hàm lượng nhựa. Kết quả cho thấy SBS cải thiện độ ổn định, độ dẻo Marshall, cường độ chịu kéo khi ép chẻ, độ mài mòn Catabro, mô đun đàn hồi và khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của hỗn hợp BTN.3 Styrene - Butadiene - Rubber (SBR) SBR là một loại phụ gia polyme được sử dụng như là chất cải tiến nhựa đường dưới dạng hợp chất phân tán trong nước (latex). Ở dạng latex, SBR khi được trộn vào nhựa đường sẽ nhanh chóng phân tán và liên kết với các phân tử nhựa tạo thành một kết cấu vững chắc [6]. Trong một nghiên cứu của tác giả Hossein Hamedi đã chứng minh những hiệu quả của SBR trong việc nâng cao chất lượng nhựa đường như: tăng mô đun đàn hồi, độ nhớt, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp đồng thời tăng độ bám dính giữa nhựa đường với cốt liệu trong hỗn hợp BTN [7].4 Nhựa tái chế (Polyethylene Terephthalate - PET) Polyethylene Terephathalate (PET) là một dạng nhựa nhiệt dẻo, có nhiều ứng dụng trong đời sống như được dùng để đựng các loại chất lỏng, đồ uống và thức ăn.
PET được tìm ra vào năm 1941 bởi Calico Printer’ Association và chai PET được sản xuất vào năm 1973 [8]. Ký hiệu loại nhựa PET và cấu trúc phân tử của PET được thể hiện như Hình 2.1: Ký hiệu nhựa tái chế và công thức phân tử của PET. PET chiếm khoảng 18% lượng nhựa trên toàn thế giới. Hơn 60% lượng PET trên thế giới được sử dụng làm sợi tổng hợp.
Đối với các sản phẩm chai nhựa, PET chiếm khoảng 30% [10]. PET có các đặc trưng cơ lý được tổng hợp trong bảng 2.1: Thông số vật lý của PET Công thức phân tử (C10H8O4)n Khối lượng riêng (dạng vô định hình) 1.455 (g/cm3) Cường độ chiệu kéo 55-75 Mpa Modun đàn hồi (E) 2800 – 3100 Mpa Giới hạn đàn hồi 50-150 % Độ dẫn nhiệt 0. Ở dạng tinh thể, các dãy polyme sắp xếp song song và gần với nhau hơn, PET có màu đục. Trong khi đó ở dạng vô định hình, các dãy polyme sắp xếp không có trật tự và PET có màu trong suốt.
Phần lớn PET tồn tại ở dạng bán tinh thể, là dạng tồn tại mà ở đó, các phân tử của PET vừa có dạng vô định hình, vừa có dạng tinh thể. PET có nhiệt độ chuyển hóa tinh thể (glass transition temperature - Tg) nằm trong khoảng 67 oC đến 80 oC, đây là nhiệt độ mà các phân tử dạng vô định hình bắt đầu chuyển hóa thành dạng tinh thể. Tỷ lệ chuyển hóa đạt giá trị cao nhất ở 180 oC và khi đến 267 oC PET bắt đầu bị tan chảy [11].2: Cấu trúc bán tinh thể của PET. Độ nhớt cũng là một đặc tính quan trọng của PET, phụ thuộc vào độ dài mạch polyme, độ dài mạch polyme càng dài thì độ rắn càng cao nên độ nhớt càng cao.
Độ dài của mạch polyme có thể được điều chỉnh thông qua quá trình polyme hóa [8].2: Độ nhớt một vài dạng PET Độ nhớt (decilit/gram - dl/g) Dạng 0.5 Tổng quan về nhiệt phân nhựa tái chế sử dụng bức xạ vi sóng Có hai phương pháp phổ biến thường sử dụng trong quá trình nhiệt phân nhựa tái chế đó là: nhiệt phân bằng phương pháp gia nhiệt truyền thống và nhiệt phân sử dụng bức xạ vi sóng. Khác biệt chính giữa hai phương pháp này chính là cách thức truyền nhiệt (Hình 2. Đối với phương pháp gia nhiệt truyền thống thì nhiệt độ sẽ được truyền từ bề mặt (surface heating) vào bên trong vật liệu, còn phương pháp gia nhiệt -11- bằng bức xạ vi sóng sẽ làm nóng vật liệu từ bên trong vật thể (volumetric heating) nhờ sự chuyển hóa từ năng lương bức xạ điện từ sang nhiệt lượng [12].3: Cách thức truyền nhiệt của phương pháp gia nhiệt truyền thống và gia nhiệt bằng bức xạ vi sóng.3: So sánh phương pháp truyền nhiệt của phương pháp gia nhiệt truyền thống và gia nhiệt bằng bức xạ vi sóng. Phương pháp gia nhiệt truyền thống Phương pháp gia nhiệt sử dụng bức xạ vi sóng Thời gian nhiệt kéo dài (giờ) Thời gian gia nhiệt ngắn (phút) Do hệ số truyền nhiệt thấp nên quá trình Vật liệu bị nóng nhanh hơn nhờ hấp thụ truyền nhiệt vào bên trong vật liệu rất các tia vi sóng khó Hiêu quả truyền nhiệt thấp Hiệu quả truyền nhiệt cao Sử dụng nguồn nhiên liệu như than đá, Sử dụng nguồn điện để vận hành nên rất khí đốt,…trong quá trình vận hành nên an toàn và tiết kiệm chi phí chi phí tốn kém, gây ô nhiễm môi trường -12- Cần phải có chất hấp thu bức xạ vi sóng Không cần có chất xúc tác hay phụ gia (microwave absorber) Do nhựa tái chế không hấp thụ bức xạ vi sóng nên trong quá trình nhiệt phân cần sử dụng các chất hấp thụ bức xạ vi sóng giàu thành thành phần cacbon để làm nhựa phế thải nóng chảy.
Khi vật liệu nhiệt phân nóng chảy, bức xạ vi sóng có ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp thông qua sản phẩm thu được của quá trình nhiệt phân.6 Tổng quan về các phương pháp tái chế nhựa PET Hiện nay, có nhiều phương pháp để xử lý PET như chôn lấp, tái chế hoặc tái sử dụng lại. Do PET không thể tự phân hủy được nên khi xử lý bằng cách đốt hoặc chôn lấp sẽ gây ô nhiễm môi trường, làm phát sinh các loại khí độc CO2, SO2,…gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Do vậy, việc chôn lấp hay đốt PET không được khuyến khích mà thay vào đó sử dụng các phương pháp tái chế PET là khả thi nhất. Có 2 phương pháp tái chế PET được áp dụng rộng rãi là: Phương pháp cơ học (vật lý) và phương pháp hóa học.