Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa và thời tiết phức tạp tại Việt Nam, các loại vật liệu truyền thống như ván ép và bê tông cốt thép bộc lộ nhiều hạn chế khi ứng dụng trong kết cấu công trình xây dựng dân dụng. Quá trình xâm thực của môi trường dẫn đến hiện tượng phồng rộp, bong tróc, mục nát ở ván ép, cũng như hiện tượng hoen rỉ cốt thép, nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ, làm suy giảm khả năng chịu tải và giảm tuổi thọ thiết kế của sàn nhà, trần nhà và vách ngăn tường. Việc sửa chữa hoặc thay mới hàng loạt các hạng mục hư hỏng đòi hỏi nguồn kinh phí lớn. Bên cạnh đó, khối lượng bản thân của vật liệu truyền thống tương đối nặng, gây trở ngại cho công tác vận chuyển, lắp đặt, đặc biệt là việc tái thiết nhanh chóng tại các khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão lũ và thiên tai.

Để giải quyết các vấn đề trên, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite cấu trúc nhẹ có khả năng chịu nước, độ bền cơ học cao, dễ lắp đặt và chi phí hợp lý là một yêu cầu cấp thiết. Đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite cấu trúc lõi tổ ong" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu composite cấu trúc lõi tổ ong ứng dụng làm vách ngăn tường trong xây dựng dân dụng.
  2. Tận dụng nguồn phế phẩm thùng giấy carton từ công nghiệp để gia công phần lõi tổ ong, nhằm giảm thiểu rác thải môi trường và hạ giá thành sản phẩm.
  3. Chế tạo và so sánh khối lượng cũng như tính chất cơ học của composite lõi tổ ong với composite đặc, composite lõi gợn sóng, composite lõi xơ mướp và ván ép thương phẩm trên thị trường.
  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu composite cấu trúc sandwich gồm lớp lõi hình học tổ ong (chế tạo từ giấy carton) kết hợp với lớp biên composite nền nhựa nhiệt rắn gia cường sợi.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát quy trình gia công thủ công (đắp tay), đánh giá các chỉ tiêu cơ lý (độ bền uốn, độ bền nén) theo tiêu chuẩn ASTM và định hướng ứng dụng làm tấm vách ngăn tường trong công trình xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về vật liệu composite cấu trúc dạng tấm (sandwich panel). Cấu trúc sandwich tiêu chuẩn bao gồm hai lớp biên (lớp mặt) mỏng có độ bền và độ cứng cao, liên kết với một lớp lõi dày có khối lượng riêng thấp ở giữa. Lớp lõi có chức năng duy trì khoảng cách cố định giữa hai lớp biên, tăng mô men quán tính của tiết diện mà không làm tăng đáng kể khối lượng tổng thể, từ đó nâng cao độ cứng chống uốn và giảm biến dạng cong vênh của tấm.

Hệ vật liệu và hóa chất chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

  • Nhựa nền: Nhựa polyester không no (UPE - Unsaturated Polyester Resin). Đây là loại nhựa nhiệt rắn phổ biến, có độ nhớt thấp, dễ thấm ướt cốt sợi, đóng rắn được ở nhiệt độ phòng và áp suất thường khi có chất xúc tác.
  • Hệ đóng rắn: Chất xúc tác Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP) với hàm lượng sử dụng khoảng 1% khối lượng nhựa; kết hợp với chất xúc tiến muối kim loại Naphthenic-Cobalt (hàm lượng từ 0,002% đến 0,02% cobalt kim loại) nhằm kích hoạt phản ứng tạo gốc tự do và khâu mạch ngang chuỗi polymer.
  • Chất gia cường lớp biên: Vải sợi thủy tinh (STT) dạng tấm và sợi cellulose từ giấy carton (G).
  • Vật liệu chế tạo lõi: Giấy carton phế phẩm công nghiệp được tạo hình thành các tế bào lục giác đều (lõi tổ ong - TO), giấy carton gợn sóng (GS), xơ mướp tự nhiên (XM).
  • Phụ gia hỗ trợ: Monomer Styrene đóng vai trò chất pha loãng phản ứng giúp điều chỉnh độ nhớt; chất róc khuôn dạng sáp (wax) và silicon hỗ trợ tách sản phẩm khỏi khuôn đắp.
Thành phần / Thông số Đặc tính / Quy chuẩn kỹ thuật
Nhựa nền UPE Khối lượng riêng $1200\text{ kg/m}^3$; Mô đun đàn hồi kéo $2,8 - 3,5\text{ GPa}$; Độ bền uốn $90 - 130\text{ MPa}$; Độ bền nén $90 - 200\text{ MPa}$
Cốt gia cường biên Sợi thủy tinh dạng vải mat/roving; Giấy carton công nghiệp
Chất đóng rắn & xúc tiến MEKP (Methyl Ethyl Ketone Peroxide) và Naphthenic-Cobalt
Phương pháp gia công Đắp tay (Hand lay-up) hở trên khuôn phẳng ở nhiệt độ phòng ($25 - 30^\circ\text{C}$)
Tiêu chuẩn kiểm tra cơ tính Thử nghiệm uốn 3 điểm và thử nghiệm nén phẳng/nén cạnh theo tiêu chuẩn ASTM

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc thiết kế mẫu, định hình lõi, gia công cán ép đắp tay từng lớp (lớp biên dưới - lớp lõi - lớp biên trên), ép định hình và bảo dưỡng đóng rắn nguội. Các mẫu sau khi hoàn thiện được cắt kích thước chuẩn để kiểm tra cơ tính trên máy kéo nén vạn năng, thu thập dữ liệu về lực phá hủy, biến dạng, tính toán độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền nén và mô đun nén.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu composite, cấu trúc sandwich và tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan. Tác giả trình bày lịch sử hình thành composite từ thời cổ đại đến các mốc phát triển hiện đại (nhựa epoxy thập niên 1950, composite sợi thủy tinh UPE từ 1985 tại Việt Nam). Nội dung phân loại composite được trình bày chi tiết theo vật liệu nền (nền hữu cơ, nền khoáng, nền kim loại) và theo cốt gia cường (cốt hạt, cốt sợi ngắn, cốt sợi dài liên tục, composite cấu trúc gồm dạng laminate và sandwich).

Phần lý thuyết nhựa nền phân tích cấu trúc hóa học, ưu nhược điểm của ba hệ nhựa nhiệt rắn chủ đạo: UPE (giá thành thấp, dễ thi công), Epoxy (độ bám dính cao, kháng hóa chất, cơ tính vượt trội dùng trong hàng không), và Vinylester (kháng thủy phân tốt). Chương này cũng mô tả các công nghệ gia công composite phổ biến: phương pháp đắp tay (hand lay-up), súng phun (spray up), đùn kéo (pultrusion), cuộn sợi (filament winding), hút chân không (vacuum bagging) và đúc ép (hot/cold moulding).

Tổng quan về vật liệu lõi phân tích đặc tính của gỗ dán (plywood), gỗ Balsa, bọt xốp polymer và lõi tổ ong. Phần tổng quan tài liệu trong và ngoài nước điểm qua các công trình của J. Arbaoui (2014) về ảnh hưởng của độ dày thành lõi sandwich PP, Newton (1995), Meifeng He & Wenbin Hu (2008) về tối ưu hóa khối lượng tấm sandwich, Dong-Mei Wang (2008), Xinni Mou về đặc tính chịu tải của giấy tổ ong, J.D. Kirk Jr (1977) và Zhang Guangping (2000) về ứng dụng tấm tổ ong trong xây dựng; đồng thời chỉ ra khoảng trống nghiên cứu chế tạo composite sandwich tổ ong từ giấy phế phẩm tại Việt Nam.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục nguyên liệu, hóa chất, trang thiết bị và quy trình thực nghiệm tạo mẫu:

  • Quy trình chế tạo lõi: Tận dụng giấy carton phế phẩm công nghiệp, tiến hành cắt, tạo nếp, định hình và dán dính để tạo thành các phiến lõi cấu trúc tế bào lục giác đều (lõi tổ ong - TO). Đồng thời, chuẩn bị các mẫu lõi gợn sóng (GS) từ bao bì carton và xử lý xơ mướp tự nhiên (XM) để làm các cấu trúc đối chứng.
  • Quy trình chế tạo lớp biên: Khảo sát hai loại lớp biên gồm: (1) Lớp biên UPE gia cường sợi thủy tinh (UPE/STT) bằng cách quét nhựa UPE đã phối trộn MEKP lên các lớp vải sợi thủy tinh; (2) Lớp biên UPE gia cường giấy carton (UPE/G).
  • Quy trình chế tạo mẫu composite sandwich: Tiến hành phủ chất chống dính khuôn (wax/silicon) lên bề mặt khuôn kim loại phẳng; quét lớp gelcoat tạo bề mặt; đắp lớp biên thứ nhất; đặt lớp lõi tổ ong (hoặc lõi gợn sóng, xơ mướp) lên trên khi nhựa còn ướt để tạo liên kết bám dính; đắp tiếp lớp biên thứ hai; sử dụng con lăn khử bọt khí và ép nhẹ để đảm bảo độ tiếp xúc giữa các pha; để mẫu đóng rắn tự nhiên ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, mẫu composite đặc UPE/STT (không lõi) cũng được gia công để so sánh.
  • Phương pháp kiểm tra cơ tính: Áp dụng phương pháp uốn 3 điểm (three-point bending test) và phương pháp nén dọc trục theo tiêu chuẩn ASTM để xác định độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền nén và mô đun nén của các mẫu.

Chương 3: Kết quả và biện luận

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được qua các biểu đồ và bảng thông số:

  • Khảo sát khối lượng: Mẫu composite cấu trúc lõi tổ ong có khối lượng riêng giảm đáng kể so với composite đặc UPE/STT, đồng thời nhẹ hơn so với mẫu ván ép công nghiệp có cùng kích thước hình học, đáp ứng tiêu chí giảm tải trọng công trình.
  • Ảnh hưởng của loại vật liệu lõi đến cơ tính: Kết quả kiểm tra độ bền uốn và độ bền nén cho thấy mẫu composite lõi tổ ong (TO) có khả năng chịu lực uốn và lực nén vượt trội so với mẫu composite lõi gợn sóng (GS) và mẫu lõi xơ mướp (XM). Cấu trúc lục giác khép kín của lõi tổ ong giúp phân bố ứng suất đồng đều hơn khi chịu ngoại lực tác dụng.
  • Ảnh hưởng của vật liệu lớp biên: Mẫu sử dụng lớp biên UPE gia cường sợi thủy tinh (UPE/STT) đạt độ bền uốn, độ bền nén và khả năng chịu tải cao hơn rõ rệt so với mẫu sử dụng lớp biên gia cường giấy carton (UPE/G), do sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi và độ bền kéo cao hơn nhiều so với cellulose của giấy.
  • Ảnh hưởng của bề dày thành lõi và hướng nén: Khi tăng bề dày thành của các tế bào tổ ong, diện tích tiếp xúc dán dính giữa thành lõi và lớp biên tăng lên, giúp cải thiện độ bền nén phẳng và độ bền trượt của tấm. Đối với khảo sát hướng nén, mẫu chịu lực nén theo phương thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng tấm (song song với trục tế bào lục giác) cho giá trị độ bền nén cao nhất so với các hướng nén xiên hoặc nén cạnh.
  • Đánh giá giá thành: Tính toán chi phí nguyên liệu cho thấy việc sử dụng giấy carton phế phẩm làm lõi tổ ong giúp giảm mạnh chi phí sản xuất trên mỗi mét vuông vật liệu so với composite đặc hoặc các loại lõi tổng hợp thương mại.
Loại mẫu / Cấu trúc vật liệu Khối lượng tương đối Độ bền uốn Độ bền nén Đánh giá tổng thể
Composite đặc (UPE/STT) Rất nặng Rất cao Cao Tốn kém nguyên liệu, tự trọng lớn
Composite lõi tổ ong (UPE/STT + Lõi TO) Rất nhẹ Cao Rất cao Tối ưu về tỷ trọng và cơ tính chịu lực
Composite lõi gợn sóng (UPE/STT + Lõi GS) Nhẹ Trung bình Trung bình Khả năng chịu nén cục bộ kém hơn lõi TO
Composite lõi xơ mướp (UPE/STT + Lõi XM) Nhẹ Thấp Thấp Cấu trúc không đồng đều, cơ tính phân tán
Ván ép thương phẩm Trung bình Khá Khá Dễ hút ẩm, phồng rộp trong môi trường ẩm

Kết quả và đóng góp nghiên cứu

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả thực nghiệm và giá trị khoa học sau:

  • Kết quả kỹ thuật: Chế tạo thành công vật liệu composite cấu trúc sandwich có lõi tổ ong làm từ giấy carton phế phẩm công nghiệp, kết hợp hai lớp biên composite UPE gia cường sợi thủy tinh. Vật liệu thu được có tỷ trọng nhẹ, cấu trúc tế bào đồng đều và độ liên kết giữa lõi và biên ổn định.
  • Đặc trưng cơ tính: Các phép đo theo chuẩn ASTM xác định được mẫu composite lõi tổ ong đạt cơ tính cao nhất khi kết hợp lớp biên chịu lực UPE/STT và diện tích tiếp xúc giữa thành lõi với lớp biên được tối ưu hóa. Cấu trúc tổ ong thể hiện khả năng chịu nén phẳng và độ cứng chống uốn vượt trội so với cấu trúc lõi gợn sóng và xơ mướp.
  • Đóng góp học thuật và thực tiễn:
    • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa thông số hình học của lõi tổ ong giấy (bề dày thành, kích thước ô tế bào, hướng chịu lực) với cơ tính của tấm sandwich composite nền UPE tại Việt Nam.
    • Đưa ra giải pháp tái chế rác thải bao bì carton công nghiệp thành vật liệu kỹ thuật có giá trị gia tăng, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí đầu vào.
  • Đề xuất giải pháp ứng dụng: Tác giả đề xuất sử dụng tấm composite sandwich lõi tổ ong để sản xuất các tấm panen vách ngăn tường, trần nhà nhẹ trong các công trình xây dựng dân dụng, nhà lắp ghép nhanh và các công trình nhà chống lũ tại những vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên phạm vi và phương pháp thực hiện của đề tài, một số hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo được ghi nhận:

  • Hạn chế: Nghiên cứu gia công mẫu chủ yếu bằng phương pháp đắp tay thủ công (hand lay-up), do đó độ đồng đều của bề dày tấm và chất lượng bề mặt phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác; nguy cơ tồn đọng bọt khí trong lớp nhựa UPE còn hiện diện. Lõi giấy carton có tính chất hút ẩm nếu lớp biên bị rách hoặc khuyết tật mép cắt.
  • Hướng phát triển:
    • Ứng dụng công nghệ hút chân không (vacuum bagging) hoặc đúc ép có gia nhiệt để nâng cao chất lượng liên kết biên - lõi, giảm triệt để bọt khí và nâng cao độ lặp lại của sản phẩm.
    • Nghiên cứu các giải pháp xử lý tẩm chống thấm, chống cháy cho lõi giấy carton trước khi tạo hình tổ ong.
    • Thực hiện các thử nghiệm chuyên sâu về độ bền thời tiết, khả năng cách âm, cách nhiệt và độ mỏi cơ học dài hạn trong điều kiện môi trường thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Cơ khí có thể tham khảo quy trình gia công composite đắp tay, kỹ thuật phối trộn hệ đóng rắn UPE/MEKP/Cobalt và quy trình kiểm tra cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM.
  • Người nghiên cứu vật liệu xanh: Các kỹ sư, nhà nghiên cứu quan tâm đến giải pháp tái chế phế phẩm bao bì carton và phụ phẩm nông nghiệp thành cấu trúc sandwich chịu lực.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm: Chương 2 (kỹ thuật định hình lõi giấy tổ ong và phối chế hệ nhựa) và Chương 3 (biện luận ảnh hưởng của hướng nén, bề dày thành lõi đến cơ tính vật liệu).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn nhựa polyester không no (UPE) thay vì nhựa epoxy để làm vật liệu nền?
Nhựa UPE được lựa chọn do tính phổ biến trên thị trường, giá thành thấp hơn đáng kể so với epoxy, độ nhớt thích hợp để thấm ướt tốt sợi thủy tinh và giấy carton, đồng thời có khả năng đóng rắn hoàn toàn ở nhiệt độ phòng và áp suất thường khi sử dụng hệ xúc tác MEKP kết hợp xúc tiến Cobalt, rất phù hợp với phương pháp gia công đắp tay cho sản phẩm vách ngăn xây dựng.

2. Lõi tổ ong giấy carton mang lại ưu điểm gì so với vật liệu lõi gỗ truyền thống trong cấu trúc sandwich?
Lõi tổ ong giấy carton có tỷ trọng nhẹ hơn nhiều so với gỗ dán (plywood), giảm tải trọng bản thân của kết cấu công trình. Cấu trúc tế bào lục giác giúp duy trì khoảng cách hai lớp biên để đạt mô men quán tính lớn với lượng vật liệu tối thiểu, đồng thời tận dụng được nguồn phế phẩm công nghiệp giá rẻ.

3. Khảo sát cơ tính cho thấy yếu tố nào quyết định nhiều nhất đến độ bền của tấm composite lõi tổ ong?
Độ bền của tấm composite lõi tổ ong phụ thuộc chủ yếu vào cơ tính của lớp biên (lớp biên gia cường sợi thủy tinh cho kết quả vượt trội so với lớp biên giấy carton), diện tích tiếp xúc dán dính giữa thành lõi với lớp biên, và hướng của ngoại lực tác dụng (lực nén tác dụng song song với trục tế bào lục giác cho độ bền cao nhất).

4. Phương pháp gia công đắp tay (hand lay-up) trong đề tài có ưu và nhược điểm gì?
Ưu điểm của phương pháp đắp tay là chi phí đầu tư thiết bị rất thấp, quy trình thực hiện đơn giản, linh hoạt trong việc tạo hình kích thước mẫu. Nhược điểm là chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào tay nghề người thao tác, thời gian đóng rắn kéo dài, sản phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn và tiềm ẩn bọt khí trong khối composite.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Nguyễn Trà My đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu composite cấu trúc sandwich lõi tổ ong từ phế phẩm giấy carton kết hợp lớp biên UPE gia cường sợi thủy tinh. Kết quả thực nghiệm khẳng định vật liệu có khối lượng nhẹ, cơ tính uốn và nén vượt trội so với các cấu trúc lõi gợn sóng và xơ mướp, đồng thời khắc phục được nhược điểm ẩm mục của ván ép truyền thống. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, mở ra giải pháp tái chế phế liệu hiệu quả phục vụ sản xuất vật liệu nhẹ cho ngành xây dựng dân dụng tại Việt Nam.