Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ trên nền polylactic axit (PLA) có khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D

• Tác giả: Lê Duy Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Phùng Anh Tuân
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ trên nền polylactic axit (PLA) có khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất cộng (Additive Manufacture: AM)
• 0.2. Phân loại công nghệ sản xuất cộng AM
• 0.2.1. In phun chất kết dính (Binder Jetting)
• 0.2.2. Kết tụ vật liệu bằng năng lượng trực tiếp (Directed Energy Deposition – DED)
• 0.2.3. Nóng chảy các lớp bột (Powder Bed Fusion)
• 0.2.4. Cán ép vật liệu dạng tấm (Sheet Lamination)
• 0.2.5. Đùn vật liệu (Material Extrusion)
• 0.2.6. Phun vật liệu (Material Jetting)
• 0.2.7. Polyme hóa nhựa nhạy sáng (Vat Photo Polymerization)
• 0.3. Giới thiệu 07 công nghệ sản xuất cộng phổ biến
• 0.3.1. Phương pháp in FDM (Fused Deposition Modelling)
• 0.3.2. Phương pháp thiêu kết bằng laze chọn lọc (Selective Laser Sintering: SLS)
• 0.3.3. Phương pháp nóng chảy bằng laze chọn lọc (Selective Laser Melting: SLM)
• 0.3.4. Phương pháp in phun
• 0.3.5. Phương pháp in phẳng không gian (Stereolithography: SLA)
• 0.3.6. Phương pháp kết tụ bằng năng lượng trực tiếp (Direct Energy Deposition: DED)
• 0.3.7. Phương pháp in đối tượng phân lớp (Laminated Object Manufacturing: LOM)
• 0.4. Tổng hợp một số phương pháp in 3D
• 0.5. Giới thiệu tổng quan về các loại vật liệu in 3D
• 0.5.1. Vật liệu thông minh
• 0.5.2. Vật liệu gốm
• 0.5.3. Vật liệu điện tử
• 0.5.4. Vật liệu sinh học
• 0.5.5. Vật liệu compozit
• 0.5.6. Các nghiên cứu về polyme compozit cốt gỗ trên nền polylactic axit (PLA)
• 0.5.7. Các nghiên cứu về tiềm năng áp dụng vật liệu PLA cốt gỗ và công nghệ in 3D- FDM
• 1. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu
• 1.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2. Quy trình chế tạo vật liệu compozit
• 2. Đặc trưng hóa vật liệu
• 2.1. Chỉ số chảy
• 2.2. Xác định độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu polymer compozit PLA/BG
• 2.3. Độ bền va đập
• 2.4. Phân tích cấu trúc tinh thể (XRD)
• 2.5. Quan sát vi cấu trúc của vật liệu polymer compozit PLA/BG (kính hiển vi điện tử quét SEM)
• 2.6. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter: DSC)
• 2.7. Phân tích tính chất cơ nhiệt động của vật liệu polyme compozit PLA/BG (Dynamical Mechanical Thermal Analysis: DMTA)
• 3. Ảnh hưởng của bột gỗ đến tính chất nhiệt và tính chất cơ học của vật liệu polymer compozit PLA/BG
• 3.1. Chỉ số chảy
• 3.2. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter: DSC)
• 3.3. Độ bền va đập của vật liệu
• 3.4. Độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu polyme compozit PLA/BG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO. TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG BIỂU. DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ. DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC VIẾT TẮT

I. Tổng quan về vật liệu Polyme Compozit cốt gỗ và in 3D

Công nghệ in 3D, hay còn gọi là sản xuất đắp dần (Additive Manufacturing - AM), đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Công nghệ này cho phép tạo ra các vật thể 3D từ mô hình số bằng cách đắp từng lớp vật liệu lên nhau. Một trong những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng là sử dụng vật liệu polyme compozit cốt gỗ trên nền PLA (Polylactic Acid) cho công nghệ in 3D. PLA là một loại vật liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật, thân thiện với môi trường, trong khi gỗ là nguồn tài nguyên tái tạo dồi dào. Sự kết hợp này hứa hẹn tạo ra vật liệu in 3D bền vững, có tính ứng dụng cao và giảm thiểu tác động đến môi trường. Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM), sản xuất đắp dần là quá trình sử dụng nguyên liệu để chế tạo mô hình 3D bằng cách chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau.

1.1. Giới thiệu về công nghệ in 3D Additive Manufacturing

Công nghệ in 3D (Additive Manufacturing - AM) là quá trình tạo ra các vật thể ba chiều từ một thiết kế kỹ thuật số. Quá trình này bao gồm việc đắp các lớp vật liệu liên tiếp nhau, cho đến khi vật thể hoàn thành. In 3D khác biệt so với các phương pháp sản xuất truyền thống, vốn thường loại bỏ vật liệu để tạo hình sản phẩm. Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm như khả năng tạo ra các hình dạng phức tạp, tùy chỉnh sản phẩm theo yêu cầu và giảm thiểu lãng phí vật liệu. In 3D đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến hàng không vũ trụ.

1.2. Vật liệu Polyme Compozit cốt gỗ Khái niệm và tiềm năng

Vật liệu polyme compozit cốt gỗ là sự kết hợp giữa polyme (nhựa) và bột gỗ, tạo ra một vật liệu mới với những đặc tính ưu việt. Việc sử dụng bột gỗ giúp giảm chi phí sản xuất, tăng độ cứng và độ bền của vật liệu, đồng thời làm cho vật liệu thân thiện với môi trường hơn. PLA (Polylactic Acid) là một loại polyme sinh học thường được sử dụng làm nền cho vật liệu compozit cốt gỗ do khả năng phân hủy sinh học và tính dễ gia công. Vật liệu compozit cốt gỗ PLA có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong công nghệ in 3D.

II. Thách thức và vấn đề khi dùng vật liệu compozit PLA

Mặc dù vật liệu polyme compozit cốt gỗ PLA có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn tồn tại một số thách thức cần giải quyết để ứng dụng rộng rãi trong công nghệ in 3D. Một trong những vấn đề chính là tính chất cơ học của vật liệu. Việc bổ sung bột gỗ có thể làm giảm độ bền kéo và độ dẻo của PLA, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm in 3D. Ngoài ra, khả năng tương thích giữa PLA và bột gỗ cũng là một yếu tố quan trọng. Sự phân tán không đều của bột gỗ trong nền PLA có thể dẫn đến sự hình thành các điểm yếu trong vật liệu. Do đó, cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo vật liệu compozit cốt gỗ PLA.

2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ đến tính chất cơ học vật liệu

Tỷ lệ bột gỗ trong vật liệu compozit cốt gỗ PLA có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của vật liệu. Khi tỷ lệ bột gỗ tăng lên, độ bền kéo và độ dẻo của vật liệu thường giảm xuống. Tuy nhiên, độ cứng và độ bền uốn có thể tăng lên ở một mức độ nhất định. Việc tìm ra tỷ lệ bột gỗ tối ưu là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng giữa các tính chất cơ học mong muốn. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định tỷ lệ bột gỗ phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

2.2. Khả năng tương thích giữa PLA và bột gỗ Giải pháp

Khả năng tương thích giữa PLA và bột gỗ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của vật liệu compozit. PLA và bột gỗ có bản chất hóa học khác nhau, dẫn đến sự tương tác yếu giữa hai thành phần này. Để cải thiện khả năng tương thích, có thể sử dụng các chất tương hợp (compatibilizer) để tăng cường liên kết giữa PLA và bột gỗ. Ngoài ra, xử lý bề mặt bột gỗ cũng là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng phân tán của bột gỗ trong nền PLA.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu Polyme Compozit cốt gỗ PLA

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ PLA khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là ép đùn (extrusion), trong đó PLA và bột gỗ được trộn lẫn và đùn qua một khuôn để tạo ra sợi hoặc tấm. Phương pháp ép phun (injection molding) cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp. Ngoài ra, còn có các phương pháp khác như ép nhiệt (compression molding) và đúc quay (rotational molding). Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về tính chất của vật liệu và hình dạng của sản phẩm.

3.1. Quy trình ép đùn vật liệu compozit cốt gỗ PLA

Quy trình ép đùn là một phương pháp hiệu quả để sản xuất vật liệu compozit cốt gỗ PLA dạng sợi hoặc tấm. Quy trình này bao gồm các bước sau: trộn PLA và bột gỗ, gia nhiệt hỗn hợp, đùn qua khuôn để tạo hình, làm nguội và cắt thành phẩm. Các thông số quan trọng trong quá trình ép đùn bao gồm nhiệt độ, tốc độ trục vít và áp suất. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm. Ép đùn hai trục vít thường được sử dụng để cải thiện khả năng trộn lẫn và phân tán của bột gỗ trong nền PLA.

3.2. Ứng dụng phương pháp ép phun trong chế tạo vật liệu

Ép phun là một phương pháp sản xuất hiệu quả cho các sản phẩm vật liệu compozit cốt gỗ PLA có hình dạng phức tạp. Quy trình này bao gồm các bước sau: gia nhiệt PLA và bột gỗ, phun hỗn hợp vào khuôn, làm nguội và lấy sản phẩm ra khỏi khuôn. Ép phun cho phép sản xuất hàng loạt các sản phẩm có độ chính xác cao và bề mặt hoàn thiện tốt. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị ép phun thường cao hơn so với các phương pháp khác. Các thông số quan trọng trong quá trình ép phun bao gồm nhiệt độ khuôn, áp suất phun và thời gian làm nguội.

IV. Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu compozit PLA

Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu compozit cốt gỗ PLA là rất quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong công nghệ in 3D. Các tính chất cơ học quan trọng bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập và mô đun đàn hồi. Các thử nghiệm cơ học thường được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ bột gỗ có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của vật liệu compozit. Việc tối ưu hóa tỷ lệ bột gỗ và quy trình chế tạo có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu.

4.1. Đánh giá độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu

Độ bền kéo và độ bền uốn là hai tính chất cơ học quan trọng của vật liệu compozit cốt gỗ PLA. Độ bền kéo thể hiện khả năng của vật liệu chịu được lực kéo trước khi bị đứt gãy. Độ bền uốn thể hiện khả năng của vật liệu chịu được lực uốn trước khi bị biến dạng hoặc gãy. Các thử nghiệm độ bền kéo và độ bền uốn thường được thực hiện trên máy đo lực vạn năng. Kết quả thử nghiệm cho phép đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.

4.2. Phân tích độ bền va đập và mô đun đàn hồi vật liệu

Độ bền va đập và mô đun đàn hồi là hai tính chất cơ học quan trọng khác của vật liệu compozit cốt gỗ PLA. Độ bền va đập thể hiện khả năng của vật liệu chịu được lực tác động đột ngột mà không bị phá hủy. Mô đun đàn hồi thể hiện độ cứng của vật liệu, tức là khả năng chống lại biến dạng khi chịu lực. Các thử nghiệm độ bền va đập thường được thực hiện bằng phương pháp Charpy hoặc Izod. Mô đun đàn hồi có thể được xác định từ đường cong ứng suất-biến dạng trong thử nghiệm kéo hoặc uốn.

V. Ứng dụng thực tiễn vật liệu Compozit cốt gỗ PLA trong in 3D

Vật liệu polyme compozit cốt gỗ PLA có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ in 3D nhờ vào tính thân thiện với môi trường, khả năng tái tạo và tính chất cơ học tương đối tốt. Một số ứng dụng tiềm năng bao gồm sản xuất đồ gia dụng, đồ chơi, vật liệu xây dựng và các bộ phận kỹ thuật. Việc sử dụng vật liệu compozit cốt gỗ PLA có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các loại nhựa truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ, đồng thời tận dụng nguồn phế thải gỗ từ ngành công nghiệp chế biến gỗ. Nghiên cứu của Lê Duy Hùng (2023) đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong in 3D-FDM.

5.1. Sản xuất đồ gia dụng và đồ chơi bằng công nghệ in 3D

Vật liệu compozit cốt gỗ PLA là một lựa chọn phù hợp cho việc sản xuất đồ gia dụng và đồ chơi bằng công nghệ in 3D. Vật liệu này có tính thẩm mỹ cao, an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường. Các sản phẩm có thể được tạo ra bao gồm bát đĩa, cốc chén, đồ trang trí, đồ chơi trẻ em và các vật dụng cá nhân khác. In 3D cho phép tùy chỉnh sản phẩm theo yêu cầu của khách hàng, tạo ra những sản phẩm độc đáo và cá tính.

5.2. Ứng dụng trong xây dựng và sản xuất bộ phận kỹ thuật

Vật liệu compozit cốt gỗ PLA cũng có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng và sản xuất các bộ phận kỹ thuật. Vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra các tấm ốp tường, vách ngăn, đồ nội thất và các cấu kiện xây dựng khác. Trong lĩnh vực kỹ thuật, vật liệu compozit cốt gỗ PLA có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận máy móc, thiết bị và dụng cụ. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn để đánh giá độ bền và khả năng chịu tải của vật liệu trong các ứng dụng này.

VI. Kết luận và hướng phát triển vật liệu Compozit cốt gỗ

Nghiên cứu và chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ PLA cho công nghệ in 3D là một hướng đi đầy hứa hẹn trong bối cảnh tìm kiếm các giải pháp vật liệu bền vững và thân thiện với môi trường. Mặc dù còn nhiều thách thức cần vượt qua, nhưng tiềm năng ứng dụng của vật liệu compozit cốt gỗ PLA là rất lớn. Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về tối ưu hóa thành phần, quy trình chế tạo và tính chất của vật liệu để mở rộng phạm vi ứng dụng của nó. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và chính phủ là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

6.1. Tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo vật liệu

Để nâng cao chất lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu compozit cốt gỗ PLA, cần tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc lựa chọn loại bột gỗ phù hợp, sử dụng các chất tương hợp hiệu quả và điều chỉnh các thông số trong quá trình ép đùn hoặc ép phun. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như nano-composites và xử lý bề mặt cũng có thể cải thiện đáng kể tính chất của vật liệu.

6.2. Hướng nghiên cứu phát triển vật liệu compozit cốt gỗ PLA

Trong tương lai, các hướng nghiên cứu phát triển vật liệu compozit cốt gỗ PLA cần tập trung vào các lĩnh vực sau: cải thiện tính chất cơ học, tăng cường khả năng chống cháy, nâng cao khả năng phân hủy sinh học và mở rộng phạm vi ứng dụng. Việc nghiên cứu sử dụng các loại polyme sinh học khác thay thế PLA cũng là một hướng đi tiềm năng. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu về đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA) để đảm bảo tính bền vững thực sự của vật liệu compozit cốt gỗ PLA.

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, một trong những trụ cột của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, công nghiệp sản xuất và nghệ thuật. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc phát triển công nghệ này còn gặp nhiều hạn chế, đặc biệt là về nguồn nguyên liệu in 3D chủ yếu phải nhập khẩu, gây ảnh hưởng đến chi phí và khả năng phát triển bền vững. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ trên nền polylactic axit (PLA) có khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D-FDM là một hướng đi thiết thực nhằm chủ động nguồn nguyên liệu, giảm chi phí và góp phần bảo vệ môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sinh học từ PLA và bột gỗ mít với kích thước hạt khoảng 10 µm, pha trộn theo các tỷ lệ 10%, 15%, 20%, 25% và 30%. Vật liệu được tạo thành dạng sợi có đường kính khoảng 2 mm, phù hợp với tiêu chuẩn sợi vật liệu in 3D-FDM (1,75-3,0 mm). Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ đến các tính chất cơ học như độ bền va đập, độ bền kéo, mô đun Young, độ bền uốn, mô đun uốn, cũng như các tính chất nhiệt, lưu biến, cấu trúc tinh thể và vi cấu trúc của vật liệu compozit.

Nghiên cứu có phạm vi thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2023, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng: nâng cao giá trị sử dụng bột gỗ phế thải, giảm thiểu tác động môi trường, đồng thời phát triển vật liệu in 3D nội địa có tính bền cơ học cao, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp in 3D trong nước phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu compozit sinh học, đặc biệt là:

• Lý thuyết vật liệu compozit: Nghiên cứu sự tương tác giữa chất nền PLA và chất độn bột gỗ, ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu.
• Mô hình phân bố hạt trong compozit: Phân tích sự phân bố đồng đều hay kết tụ của bột gỗ trong nền PLA, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vi cấu trúc.
• Khái niệm về tính chất lưu biến và nhiệt của polyme: Ứng dụng các phương pháp DSC (Phân tích nhiệt quét vi sai) và DMTA (Phân tích cơ nhiệt động) để đánh giá tính ổn định nhiệt và cơ học của vật liệu compozit.
• Tiêu chuẩn ASTM D638-14 và ISO 527:1993: Áp dụng trong đo độ bền kéo, uốn và va đập của mẫu vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền va đập, mô đun Young, độ bền kéo, độ bền uốn, tính chất nhiệt (nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển thủy tinh), tính chất lưu biến (mô đun tích, mô đun thoát), cấu trúc tinh thể (XRD), và vi cấu trúc (SEM).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là nhựa PLA dạng hạt Ingeo Biopolymer 4043D và bột gỗ mít kích thước khoảng 10 µm được xử lý sạch, sấy khô. Các mẫu vật liệu compozit được pha trộn với tỷ lệ bột gỗ từ 0% đến 30% theo khối lượng.
• Quy trình chế tạo: Hỗn hợp PLA và bột gỗ cùng các phụ gia được trộn và ép đùn bằng máy ép đùn hai trục vít Leistritz (Đức) với dải nhiệt độ từ 180°C đến 210°C, tạo thành sợi compozit đường kính khoảng 2 mm. Sợi sau đó được cắt hạt và ép phun thành mẫu Type-I theo tiêu chuẩn ASTM D638-14 trên máy ép phun NISSEI NEX50T (Nhật Bản).
• Phương pháp phân tích:
  • Đo chỉ số chảy (MI) theo ISO 1133:2022 để đánh giá khả năng gia công của vật liệu.
  • Đo độ bền kéo, uốn trên máy INSTRON 5582 – 100KN theo ISO 527:1993 và ISO 178:1993.
  • Đo độ bền va đập trên máy Tinius Olsen theo tiêu chuẩn Izod (ISO 180 & ASTM D256).
  • Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Quan sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Phân tích tính chất nhiệt bằng DSC và tính chất lưu biến bằng DMTA.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích diễn ra trong năm 2023 tại các phòng thí nghiệm của Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột gỗ đến độ bền va đập: Độ bền va đập của vật liệu compozit PLA/BG đạt giá trị cao nhất khi tỷ lệ bột gỗ là 15%, tăng đáng kể so với PLA nguyên chất. Khi tỷ lệ bột gỗ vượt quá 20%, độ bền va đập giảm do vật liệu trở nên giòn hơn.

2. Tính chất cơ học kéo và uốn: Độ bền kéo, mô đun Young và khả năng giãn dài kéo giảm rõ rệt khi tỷ lệ bột gỗ vượt quá 20%. Độ bền uốn giảm khoảng 40% ở tỷ lệ 20% bột gỗ so với PLA nguyên chất, cho thấy sự ảnh hưởng tiêu cực của việc kết tụ bột gỗ.

3. Phân bố vi cấu trúc: Quan sát SEM cho thấy bột gỗ phân bố đồng đều trong nền PLA khi tỷ lệ bột gỗ dưới 20%. Tuy nhiên, khi tỷ lệ bột gỗ lớn hơn 20%, hiện tượng kết tụ bột gỗ xuất hiện, làm giảm tính đồng nhất và ảnh hưởng đến tính chất cơ học.

4. Tính chất nhiệt và lưu biến: Kết quả DSC và DMTA cho thấy sự thay đổi cấu trúc tinh thể và tính chất nhiệt của vật liệu compozit phụ thuộc vào tỷ lệ bột gỗ. Tỷ lệ bột gỗ phù hợp giúp cải thiện tính ổn định nhiệt và mô đun lưu biến của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi tính chất cơ học là do sự tương tác giữa bột gỗ và nền PLA. Ở tỷ lệ bột gỗ thấp đến trung bình (10-15%), bột gỗ phân bố đều, tạo liên kết cơ học tốt, tăng cường độ bền va đập và độ cứng. Khi tỷ lệ bột gỗ vượt quá 20%, hiện tượng kết tụ bột gỗ làm giảm khả năng truyền tải ứng suất, gây ra các điểm tập trung ứng suất và làm vật liệu trở nên giòn hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về vật liệu compozit PLA với sợi tự nhiên, kết quả này phù hợp với xu hướng giảm độ bền kéo và uốn khi hàm lượng chất độn quá cao. Việc sử dụng bột gỗ kích thước nhỏ (khoảng 10 µm) giúp hạn chế tắc nghẽn đầu in trong công nghệ in 3D-FDM, khắc phục nhược điểm của sợi tự nhiên kích thước lớn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền va đập, kéo và uốn theo tỷ lệ bột gỗ, cùng bảng tổng hợp các thông số nhiệt và lưu biến. Hình ảnh SEM minh họa sự phân bố bột gỗ cũng giúp làm rõ mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỷ lệ bột gỗ trong vật liệu compozit: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ bột gỗ từ 10% đến 15% để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tính chất cơ học và khả năng gia công trong công nghệ in 3D-FDM. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.

2. Cải tiến quy trình trộn và ép đùn: Áp dụng kỹ thuật trộn và ép đùn hai trục vít với kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt nhằm đảm bảo phân bố đồng đều bột gỗ trong nền PLA, hạn chế kết tụ. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu in 3D trong nước.

3. Phát triển vật liệu compozit sinh học thân thiện môi trường: Khuyến khích nghiên cứu bổ sung các chất tương hợp và phụ gia sinh học để tăng cường liên kết giữa bột gỗ và PLA, nâng cao tính bền cơ học và khả năng phân hủy sinh học. Thời gian nghiên cứu: 1-2 năm tiếp theo.

4. Ứng dụng vật liệu trong công nghệ in 3D-FDM nội địa: Đẩy mạnh sản xuất và ứng dụng vật liệu compozit PLA/bột gỗ trong các doanh nghiệp in 3D trong nước nhằm giảm nhập khẩu nguyên liệu, tiết kiệm chi phí và phát triển thị trường in 3D bền vững. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu sâu về vật liệu compozit sinh học, phương pháp chế tạo và đánh giá tính chất vật liệu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu in 3D và công nghệ in 3D: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu in 3D nội địa, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ: Tham khảo để phát triển các dự án nghiên cứu tiếp theo về vật liệu sinh học, vật liệu compozit và công nghệ in 3D.

4. Ngành công nghiệp chế biến gỗ và tái chế phế liệu: Tận dụng nguồn bột gỗ phế thải làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất vật liệu compozit, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu compozit PLA/bột gỗ có ưu điểm gì so với PLA nguyên chất?
   Vật liệu compozit PLA/bột gỗ có độ bền va đập cao hơn khi tỷ lệ bột gỗ khoảng 15%, đồng thời thân thiện môi trường do sử dụng nguyên liệu tái tạo và có khả năng phân hủy sinh học. Ví dụ, độ bền va đập tăng rõ rệt so với PLA nguyên chất.

2. Tỷ lệ bột gỗ tối ưu để sử dụng trong vật liệu compozit là bao nhiêu?
   Tỷ lệ bột gỗ từ 10% đến 15% được xác định là tối ưu, giúp tăng cường tính chất cơ học mà không gây kết tụ bột gỗ làm giảm chất lượng vật liệu.

3. Phương pháp chế tạo vật liệu compozit được sử dụng là gì?
   Phương pháp chính là ép đùn hai trục vít để trộn đồng đều PLA và bột gỗ, tạo sợi compozit đường kính khoảng 2 mm, phù hợp cho công nghệ in 3D-FDM.

4. Vật liệu compozit PLA/bột gỗ có thể ứng dụng trong công nghệ in 3D nào?
   Vật liệu này phù hợp với công nghệ in 3D Fused Deposition Modelling (FDM), do kích thước sợi và tính chất nhiệt phù hợp với yêu cầu của phương pháp này.

5. Làm thế nào để hạn chế hiện tượng kết tụ bột gỗ trong vật liệu compozit?
   Kiểm soát tỷ lệ bột gỗ dưới 20%, cải tiến quy trình trộn và ép đùn, sử dụng chất tương hợp và phụ gia giúp phân tán bột gỗ đồng đều, hạn chế kết tụ và tăng tính đồng nhất của vật liệu.

Kết luận

• Đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu polyme compozit PLA/bột gỗ với các tỷ lệ bột gỗ từ 10% đến 30%, tạo sợi compozit đường kính khoảng 2 mm phù hợp cho công nghệ in 3D-FDM.
• Tỷ lệ bột gỗ 15% là mức tối ưu giúp tăng độ bền va đập và duy trì tính chất cơ học tốt, trong khi tỷ lệ trên 20% gây kết tụ bột gỗ và giảm tính chất cơ học.
• Phân tích vi cấu trúc, cấu trúc tinh thể, tính chất nhiệt và lưu biến cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của tỷ lệ bột gỗ đến tính chất vật liệu.
• Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu in 3D nội địa, tận dụng nguồn phế thải bột gỗ, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cải tiến quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng vật liệu compozit PLA/bột gỗ trong công nghiệp in 3D trong nước.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu áp dụng kết quả để phát triển sản phẩm vật liệu in 3D nội địa, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các phụ gia tương hợp và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.