Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát chung về vật liệu gỗ nhựa 1. Giới thiệu chung Gỗ nhựa (WPC – Wood Plastic Composite) là một loại nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa. Ngoài nhựa và bột gỗ, WPC còn có thể chứa một số chất phụ gia làm đầy có gốc cellulose hoặc vô cơ.
Do đó, WPC còn có thể được gọi là vật liệu composite nhựa sợi tự nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa.1: Nguyên liệu chính hình thành nên WPC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Trong những năm gần đây, WPC được nghiên cứu thành công tại Mỹ và đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thuỵ Điển, Nga, Trung Quốc. Sản phẩm gỗ nhựa WPC rất đa dạng và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực: xây dựng, nội ngoại thất, công trình dân dụng, giao thông. Trong công nghiệp chế tạo ôtô: Vật liệu composite được sử dụng nhằm làm giảm trọng lượng của xe, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ rung, ồn cho xe. Bên cạnh đó sử dụng vật liệu composite còn có tác dụng giảm bớt nguy hiểm cho người sử dụng xe khi gặp nguy hiểm.
Hiện nay loại vật liệu này được ứng dụng làm một số bộ phận trong ôtô như: vỏ, trần, nội thất… Trong công nghiệp đóng tàu: So với các vật liệu như kim loại thì vật liệu polyme composite (PC) có những ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu đóng tàu như tỉ trọng thấp, có khả năng cách điện tốt, đặc biệt là bền trong môi trường hóa chất và nước biển…Hiện nay trong ngành đóng tàu vật liệu composite đang được sử dụng để sản xuất một số chi tiết như: thân tàu, cột buồm, thùng chứa, ca nô cứu sinh… Trong công nghiệp xây dựng: Vật liệu composite được ứng dụng để sản xuất các sản phẩm với nhiều chủng loại như: tấm lợp, thanh chịu lực, ống dẫn… Ngoài ra composite rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích. Nhờ ưu điểm này, gần đây vật liệu composite đã được sử dụng để thay thế kim loại trong các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng. Người ta có thể phủ lên mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Ứng dụng WPC để trang trí Hình 1.3: Ứng dụng WPC làm các chi tiết ôtô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Ứng dụng WPC hàng rào lang can Hình 1.5: Ứng dụng WPC làm ghế ngoài trời LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Nhựa gỗ hiện vẫn là một loại vật liệu rất mới so với lịch sử phát triển lâu dài của gỗ tự nhiên trong ứng dụng làm vật liệu xây dựng, nhưng nó có thể thay thế gỗ trong hầu hết trường hợp không chịu lực (non-structural).
Nhựa gỗ được hình thành từ gỗ, (như mùn cưa, sợi bột giấy, vỏ đậu phộng, tre nứa, trấu, .) và nhựa (có thể sử dụng nhựa HDPE, PVC, PP, ABS, PS,. Bột nhựa gỗ được trộn đều, đồng nhất, sau đó được đùn hoặc ép thành các hình dạng theo yêu cầu. Các phụ gia như chất tạo màu, chất tạo nối, chất ổn định, chất gia cường, chất tạo nổi,. sẽ giúp cho sản phẩm cuối cùng phù hợp cho nhiều hướng ứng dụng.6: Hỗn hợp nhựa WPC Một lợi thế lớn của gỗ - nhựa so với gỗ là khả năng có thể tạo hình thành hầu hết các hình dạng không gian theo yêu cầu.
Nó dễ dàng uốn, và cố định để tạo thành các đường cong lớn. Do sự kết hợp trong quá trình sản xuất, nhựa gỗ vừa có tính chất như gỗ: Có thể gia công bằng các công cụ mộc truyền thống. Đồng thời, nhựa gỗ vừa có tính chất như nhựa: Khả năng chống ẩm và chống mục nát, mặc dù độ cứng chắc không bằng gỗ thường, và có thể hơi biến dạng trong môi trường thời tiết cực nóng. Sản xuất các vật liệu thành phần bao gồm bột gỗ và nhựa là bước đầu trong quá trình hình thành sản phẩm WPC.
Trong bước tiếp theo, bột gỗ hoặc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 sợi gỗ được kết hợp với nhiệt dẻo nóng chảy để tạo nên một hỗn hợp đồng nhất. Hai phương pháp phổ biến để sản xuất WPC là đùn và đúc áp lực. * Ưu – nhược điểm của composite gỗ - nhựa Ưu điểm: + Dễ bảo quản - có thể được sơn hoặc nhuộm màu (nếu cần thiết). + Khả năng chống ẩm tốt.
+ Thân thiện với môi trường - sử dụng vật liệu tái chế và bản thân chúng có thể tái chế được. + Có thể được gia công và lắp ghép giống như gỗ. + Không cần bảo trì thường xuyên. Nhược điểm: + Giá thành cao hơn các sản phẩm tương tự sản xuất từ các vật liệu khác + Nặng hơn gỗ hơn 2 lần (Tỷ trọng của WPC là 0,95-1,46 và gỗ là 0,35-0,5949).
+ WPC dễ phân hủy, mức độ phụ thuộc vào tỉ lệ gỗ (ví dụ như bị nấm móc khi không sử dụng chất bảo quản). + Bị lão hóa bởi tia cực tím khi ứng dụng ngoài trời. Thành phần gỗ nhựa 1. Vật liệu cốt (gỗ) a) Thành phần hóa học Trong sợi thực vật gồm bốn thành phần chính sau xenlulo, hemixenlulo, lignin và các thành phần vô cơ khác.
Trong đó xenlulo, hemixenlulo và lignin là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi. Thành phần hóa học của sợi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi cây, phương pháp tách sợi …[15]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 + Xenlulo [14] Được coi là polysacarit tự nhiên, có cấu trúc mạch thẳng không phân nhánh, được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là anhydro–D–gluco–pyranozơ, liên kết với nhau qua liên kết 1,4––glucozit. Xenlulo có mặt trong tất cả các loài thực vật nhưng mỗi loài có một hàm lượng khác nhau.
Công thức phân tử của xenlulo là (C 6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n; và công thức cấu tạo như sau: Hình 1.7: Công thức cấu tạo xenlulo [18] Cơ chế phân hủy sinh học của xelulo: Một số nấm có thể tiết ra các enzym, xúc tác phản ứng oxy hóa xenlulo. Ví dụ peroxydaza có thể cung cấp hydroperoxyt để tấn công vào vị trí C2 – C3 của xenlulo, tạo ra andehyt xenlulozơ hoạt tính rất cao và có thể thủy phân thành các phân đoạn khối lượng phân tử nhỏ hơn. Các vi khuẩn cũng sản sinh ra các enzym nội bào và ngoại bào, một trong số đó sẽ tạo ra các phức làm thủy phân xenlulo, tạo ra các thức ăn cacbuahydrat cho các vi sinh vật.8: Cơ chế phân hủy xenlulo [9] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 + Hemixenlulo [10] Cũng là một loại polysacarit tự nhiên, khi thủy phân chủ yếu tạo ra các đồng phân lập thể thuộc pentoza (D–xyloza, L–arabinoza) và một số đồng phân lập thể thuộc hexoza (D–glucoza, D–mannoza, D–galactoza) và các dẫn xuất của axit metoxyuronic. Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và có cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200.
Do cấu trúc mạch nhánh nên hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị trích ly khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền.9: Công thức cấu tạo của một số monome của Hemixenlulo [14] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 + Lignin[4] Lignin là một polyme thơm tự nhiên, là một hỗn hợp phức tạp của nhiều polyme dạng phenolic, có cấu tạo mạng không gian ba chiều. Trong thực vật lignin là chất liên kết giữa các tế bào, làm cho thành tế bào cứng hơn, chịu va đập, chịu nén, bền dưới tác động của vi sinh vật. Một số quan điểm cho rằng lignin đóng vai trò như nhựa nền trong thực vật, còn xenlulo đóng vai trò chất gia cường.
Có quan điểm cho rằng axit polyuronic và các hydrocacbon là thành phần tạo nên lignin. Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000 -10000, độ trùng hợp cao n = 25 – 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa. Lignin nóng chảy ở nhiệt độ 140 – 160oC.
Một dạng công thức điển hình của lignin như sau: Hình 1.10: Công thức cấu tạo của Lignin [14] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 + Thành phần vô cơ [10] Hàm lượng các chất vô cơ trong thực vật thường được quy về hàm lượng tro, nó được đo xấp xỉ bằng lượng muối khoáng và các chất vô cơ khác trong sợi sau khi nung ở nhiệt độ 575±25oC. Các chất vô cơ thường gặp trong thành phần của tro là oxit silic chiếm chủ yếu 90 - 97%, oxit kali chiếm 1.8%, CaO, PbO, Al2O3, Fe2O3… b) Cấu trúc sợi Sợi thực vật nói chung và sợi gỗ nói riêng bao gồm hai thành phần tinh thể và vô định hình. Trong đó phần tinh thể bao gồm các vi sợi, chúng được tạo nên bởi các phân tử xenlulo. Các vi sợi được kết hợp với nhau bởi một phần vô định hình bao gồm hemixenlulo và lignin.
Độ bền của sợi thực vật sẽ tăng khi hàm lượng phần tinh thể lớn. Bề mặt sợi được tạo nên bởi hỗn tạp của các polyme không đồng nhất về trạng thái pha bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin. Nhóm chức –OH của xenlulo và nhóm –COOH, -OH của hemixenlulo tạo nên tính ưa nước cho bề mặt sợi. Khi cho sợi tiếp xúc với nước thì góc thấm ướt và năng lượng bề mặt của sợi giảm.
Điều này được giải thích do sự xâm nhập của nước vào sợi và làm trương sợi. Tính ưa nước của sợi là một nhược điểm khi sử dụng làm chất gia cường cho nhựa nhiệt dẻo vì hầu hết chúng là không ưa nước[4].11: Cấu trúc của sợi thực vật [21] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 c) Các đặc điểm của sợi tự nhiên khi sử dụng làm chất gia cường cho WPC Mặc dù là mới được nghiên cứu khoảng gần chục năm trở lại đây, nhưng vật liệu WPC gia cường bằng sợi thực vật đang được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm vì: + WPC là loại vật liệu thân thiện với môi trường. + Giảm ô nhiễm môi trường. + Tái chế dễ dàng.