Đồ án tốt nghiệp công nghệ chế tạo máy nghiên cứu chế tạo vật liệu polybutylene terephthalate

Khám phá đồ án tốt nghiệp về công nghệ chế tạo máy, nghiên cứu vật liệu polybutylene terephthalate và ứng dụng trong ngành công nghiệp.

• Tác giả: Lê Tấn Chung
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Thị Hồng Nga
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Từ Phế Thải Bàn Chải Đánh Răng
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ của nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về PP
• 2.2. Tổng quan về PBT và PA6
• 2.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Lý thuyết về Polymer
• 3.2. Lý thuyết về PP
• 3.3. Lý thuyết về PBT
• 3.4. Lý thuyết về PA6
• 3.5. Vật liệu trộn hợp Polymer
• 3.6. Những yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu trộn hợp polymer
• 3.7. Phân loại vật liệu trộn hợp polymer
• 3.8. Xác định sự tương hợp hoặc không tương hợp của vật liệu trộn hợp polymer
• 3.9. Những yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu trộn hợp polymer
• 3.10. Các phương pháp chế tạo vật liệu trộn hợp polymer
• 3.11. Ưu điểm và ứng dụng của vật liệu trộn hợp polymer
• 3.12. Công nghệ tạo hạt nhựa
• 3.13. Công nghệ ép phun và máy ép phun
• 3.14. Các phương pháp đánh giá cơ tính
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM
• 4.1. Các tỷ lệ của hỗn hợp nhựa được sử dụng trong thí nghiệm
• 4.2. Chuẩn bị vật liệu
• 4.3. Quá trình ép phun mẫu thử
• 4.4. Đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638
• 4.5. Đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790
• 4.6. Đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM D256
• 4.7. Đo độ cứng theo tiêu chuẩn ASTM D2240
• 4.8. Quan sát tổ chức tế vi
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Kết quả sau quá trình ép phun mẫu của các tỉ lệ
• 5.2. Kết quả đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638
• 5.2.1. Kết quả đo của mẫu PP0
• 5.2.2. Kết quả đo của mẫu PP70
• 5.2.3. Kết quả đo của mẫu PP80
• 5.2.4. Kết quả đo của mẫu PP90
• 5.2.5. Kết quả đo của mẫu PP100
• 5.2.6. Phân tích kết quả độ bền kéo của các tỉ lệ hỗn hợp
• 5.3. Kết quả đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790
• 5.3.1. Kết quả đo của mẫu PP0
• 5.3.2. Kết quả đo của mẫu PP70
• 5.3.3. Kết quả đo của mẫu PP80
• 5.3.4. Kết quả đo của mẫu PP90
• 5.3.5. Kết quả đo của mẫu PP100
• 5.3.6. Phân tích kết quả độ bền uốn của các tỉ lệ hỗn hợp
• 5.4. Kết quả đo độ dai va đập Izod theo tiêu chuẩn ASTM D256
• 5.5. Kết quả đo độ cứng theo tiêu chuẩn ASTM D2240
• 5.6. Tổ chức tế vi
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu chế tạo vật liệu từ phế thải bàn chải đánh răng

Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ phế thải bàn chải đánh răng đang trở thành một xu hướng quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Với lượng rác thải nhựa ngày càng gia tăng, việc tái chế và sử dụng lại các vật liệu này là cần thiết. Đặc biệt, bàn chải đánh răng, một sản phẩm tiêu dùng hàng ngày, thường bị bỏ đi mà không được tái chế. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển vật liệu mới từ phế thải bàn chải đánh răng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Tầm quan trọng của việc tái chế phế thải nhựa

Tái chế phế thải nhựa không chỉ giúp giảm lượng rác thải mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Việc sử dụng lại các vật liệu như nhựa từ bàn chải đánh răng có thể tạo ra các sản phẩm mới với giá trị sử dụng cao.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu chế tạo vật liệu mới

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển vật liệu Polybutylene Terephthalate/Polyamide 6/Polypropylene từ phế thải bàn chải đánh răng, nhằm cải thiện các đặc tính cơ học và mở rộng ứng dụng trong đời sống.

II. Vấn đề và thách thức trong việc tái chế phế thải nhựa

Mặc dù việc tái chế phế thải nhựa mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng tương thích giữa các loại nhựa khác nhau. Đặc biệt, Polybutylene Terephthalate (PBT) và Polyamide 6 (PA6) có sự tương thích kém, dẫn đến việc khó khăn trong việc tạo ra hỗn hợp có tính chất cơ học tốt.

2.1. Khó khăn trong việc xử lý phế thải nhựa

Phế thải nhựa thường chứa nhiều loại nhựa khác nhau, điều này gây khó khăn trong việc phân loại và tái chế. Việc xử lý không đúng cách có thể dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

2.2. Thách thức trong việc cải thiện cơ tính của vật liệu

Cải thiện cơ tính của vật liệu từ phế thải nhựa là một thách thức lớn. Cần có các phương pháp nghiên cứu và phát triển hiệu quả để tạo ra các sản phẩm có độ bền và tính năng tốt hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu từ phế thải bàn chải đánh răng

Nghiên cứu sử dụng công nghệ ép phun để chế tạo vật liệu mới từ phế thải bàn chải đánh răng. Các mẫu thử được tạo ra với tỷ lệ khác nhau của PBT, PA6 và Polypropylene (PP) nhằm khảo sát các đặc tính cơ học của hỗn hợp.

3.1. Quy trình chế tạo vật liệu bằng công nghệ ép phun

Quy trình ép phun được thực hiện để tạo ra các mẫu thử với tỷ lệ khác nhau của các loại nhựa. Điều này giúp đánh giá được ảnh hưởng của từng loại nhựa đến các đặc tính cơ học của vật liệu.

3.2. Tỷ lệ phối trộn các loại nhựa

Các tỷ lệ phối trộn giữa PBT, PA6 và PP được xác định để tối ưu hóa các đặc tính cơ học. Việc lựa chọn tỷ lệ phù hợp là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng cao.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của vật liệu mới

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp PBT, PA6 và PP mang lại những cải thiện đáng kể về cơ tính của vật liệu. Các mẫu thử cho thấy độ bền kéo và độ dai va đập tăng lên khi thêm PP vào hỗn hợp.

4.1. Đánh giá cơ tính của vật liệu mới

Các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập được khảo sát và phân tích. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi sử dụng tỷ lệ phối trộn tối ưu.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Vật liệu mới có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất nội thất ô tô, đồ điện gia dụng và các sản phẩm tiêu dùng khác, góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ phế thải bàn chải đánh răng mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tái chế nhựa. Việc phát triển các vật liệu mới không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ phế thải.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn trong việc bảo vệ môi trường. Việc tái chế phế thải nhựa là một giải pháp bền vững cho tương lai.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hơn nữa các đặc tính của vật liệu và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Việc hợp tác với các doanh nghiệp trong ngành công nghiệp cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển công nghiệp và nhu cầu tiêu dùng gia tăng kéo theo lượng chất thải rắn sinh hoạt và phế thải công nghiệp xả ra môi trường ngày càng lớn, đặc biệt là các hợp chất polymer khó phân hủy sinh học. Trong quy trình sản xuất bàn chải đánh răng công nghiệp, phần lông bàn chải thừa sau công đoạn cắt tỉa bị loại bỏ với khối lượng đáng kể. Thành phần chính của phần lông phế thải này bao gồm hai loại nhựa kỹ thuật là Polybutylene Terephthalate (PBT) và Polyamide 6 (PA6). Mặc dù sợi PA6 thường được ưu tiên thu hồi do giá thành cao, sợi PBT lại ít được tái chế do các nhược điểm cố hữu như độ co ngót lớn, tính nhạy cảm với vết nứt và độ dai va đập thấp, dẫn đến việc lãng phí nguồn tài nguyên tái chế tiềm năng.

Nhằm giải quyết bài toán xử lý phế liệu và nâng cao giá trị sử dụng của PBT/PA6, phương pháp trộn hợp polymer với chất nền Polypropylene (PP) được lựa chọn. Nhựa PP là loại nhiệt dẻo phổ biến có giá thành thấp, khả năng kháng hóa chất tốt và dễ gia công, nhưng độ bền kéo và độ cứng còn hạn chế so với các dòng nhựa kỹ thuật. Để kiểm soát chính xác các biến số thực nghiệm và thiết lập bộ số liệu chuẩn, nhóm nghiên cứu sử dụng hạt nhựa nguyên sinh tương đương đại diện cho các thành phần polymer. Đề tài hướng tới việc tạo ra hệ vật liệu polymer blend ba cấu tử (PP/PBT/PA6) bằng công nghệ ép phun, tối ưu hóa cơ tính và mở rộng khả năng ứng dụng trong sản xuất linh kiện ô tô, thiết bị điện - điện tử và đồ gia dụng.

Mục tiêu nghiên cứu:

1. Chế tạo vật liệu composite/blend mới trên cơ sở PP/PBT/PA6 nhằm cải thiện các chỉ tiêu cơ tính (độ bền kéo, độ bền uốn, độ cứng) so với nhựa nền ban đầu.
2. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu nhằm đạt được sự cân bằng cơ tính phục vụ định hướng ứng dụng thực tế.
3. Đánh giá khả năng tương hợp và phân tích hình thái vi cấu trúc của hỗn hợp ba cấu tử PP/PBT/PA6.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Phối trộn nhựa PA6 và PBT theo tỷ lệ khối lượng 50/50, tiến hành tạo hạt và ép phun mẫu thử chuẩn.
2. Phối trộn nhựa PP với hỗn hợp tiền chế PBT/PA6 theo các tỷ lệ xác định (0%, 70%, 80%, 90% và 100% trọng lượng PP) và tiến hành gia công ép phun.
3. Thực nghiệm đo đạc các chỉ tiêu cơ lý bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập Izod có rãnh V, độ cứng Shore D và đo chỉ số chảy (MFI).
4. Quan sát cấu trúc tế vi bề mặt phá hủy bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để giải thích cơ chế tương tác pha và sự biến đổi cơ tính.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mẫu thử nghiệm cơ tính của nhựa PP nguyên chất, hỗn hợp nhị phân PBT/PA6 (tỷ lệ 50/50) và hỗn hợp tam phân PP/PBT/PA6 tại các tỷ lệ khác nhau.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quá trình gia công ép phun trên máy ép trục đứng với chế độ nhiệt độ khuôn cố định; đánh giá cơ tính tĩnh và động của 5 nhóm mẫu (PP0, PP70, PP80, PP90, PP100) theo các bộ tiêu chuẩn ASTM tương ứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hóa lý polymer và công nghệ gia công vật liệu nhiệt dẻo (Polymer Blend). Các khái niệm và mô hình lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Đặc tính các polymer thành phần: Nhựa Polypropylene ((C₃H₆)ₙ), Polybutylene Terephthalate ((C₁₂H₁₂O₄)ₙ) và Polyamide 6 ((C₆H₁₁NO)ₙ).
• Lý thuyết trộn hợp polymer (Polymer Blending): Bản chất tương hợp nhiệt động học giữa các pha polymer không đồng cực; các yếu tố ảnh hưởng như sức căng bề mặt pha, độ nhớt nóng chảy, sự phân tán kích thước hạt và cấu trúc hình thái học (morphology).
• Các phương pháp nhận diện tính tương hợp: Phân tích nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$), độ nhớt tương đối, giản đồ pha, momen xoắn trạng thái nóng chảy và quan sát hình thái học qua ảnh vi cấu trúc SEM.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tiêu chuẩn đo lường:

• Phương pháp gia công: Trộn cơ học trạng thái rắn, tạo hạt qua máy đùn tạo hạt (máy ó) kết hợp máy băm, sau đó tạo mẫu thử bằng công nghệ ép phun trục đứng.
• Thử nghiệm cơ lý tính:
  • Đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638: Xác định giới hạn bền kéo ($\sigma = F/A_0$), độ biến dạng tỷ đối ($\varepsilon = \Delta l/l_0$) và mô-đun đàn hồi Young ($E$).
  • Đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790: Phương pháp uốn 3 điểm, xác định ứng suất uốn ($\sigma_f = 3FL / 2bd^2$), mô-đun uốn ($E_B = L^3F / 4bd^3$) và độ biến dạng uốn ($\varepsilon_f = 6\delta d / L^2$).
  • Đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM D256: Phương pháp Notched Izod (rãnh V sâu 2 mm), xác định công phá hủy và độ dai va đập ($a_k = A/F$).
  • Đo độ cứng theo tiêu chuẩn ASTM D2240: Sử dụng thang đo Shore D.
  • Phân tích chỉ số dòng chảy (MFI) và kiểm tra hình thái bề mặt gãy bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Nguồn dữ liệu và thiết bị nghiên cứu:

• Hạt nhựa PBT mã PBT – TC BN60 (Hãng Bình An / Công ty Tacoma, Việt Nam).
• Hạt nhựa PP mã PP-5704 PR (Hãng Sabic, Ả Rập Saudi / Nhà cung cấp Trường Thông).
• Hạt nhựa PA6 mã PA6-N140 (Hãng LiBoLon, Đức / Công ty TNHH MoSuCo, Hồng Kông).
• Thiết bị kiểm nghiệm: Máy đo độ bền kéo Testometric, máy thử độ bền vạn năng Shimadzu Autograph AG-X Plus, máy đo độ dai va đập Tinius Olsen IT504, thiết bị đo độ cứng Shore D, kính hiển vi điện tử quét HITACHI TM4000Plus. Số liệu kiểm định được phối hợp thực hiện cùng Trung Tâm Hỗ Trợ Và Phát Triển Doanh Nghiệp TP.HCM và Xưởng thực hành Khoa Cơ khí Chế tạo máy - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm rác thải nhựa công nghiệp và sinh hoạt. Tác giả phân tích tiềm năng tái chế sợi lông bàn chải đánh răng chứa PBT và PA6, đồng thời nêu rõ lý do lựa chọn hạt nhựa nguyên sinh tương đương để phục vụ mục tiêu chuẩn hóa thí nghiệm. Chương này công bố mục tiêu, 4 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm, đối tượng, phạm vi khảo sát và các phương pháp nghiên cứu khoa học được áp dụng xuyên suốt đồ án.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương 2 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về các hệ vật liệu polymer blend chứa PP, PBT và PA6. Tác giả tổng hợp các công trình tiêu biểu như nghiên cứu của Sankar Das và Arvind Kumar (hệ PP/LDPE), Sihama E. Salih (hệ PP/HDPE), L. Zare (hệ PP/PBT 70/30), Baolong Wang (hệ ternary blend HDPE/PBT/PA6) và Hongrui Li về tương tác liên pha giữa PBT và PA6. Tổng quan khẳng định tính khả thi của việc phối trộn hệ ba cấu tử, đồng thời chỉ ra khoảng trống nghiên cứu về tỷ lệ phối trộn tối ưu của PP trên nền PBT/PA6 khi gia công bằng phương pháp ép phun.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về cấu trúc phân tử, tính chất cơ lý hóa và ứng dụng của ba loại polymer PP, PBT và PA6. Nội dung tập trung phân tích lý thuyết vật liệu polymer blend:

• Khái niệm về tính tương hợp (compatibility) và khả năng hòa trộn (miscibility).
• Các phương pháp xác định trạng thái tương hợp (qua $T_g$, độ nhớt, giản đồ pha, SEM, momen xoắn nóng chảy, độ trong suốt).
• Các công nghệ chế tạo blend (nóng chảy, dung dịch, latex) và quy trình sản xuất hạt nhựa.
• Nguyên lý hoạt động của máy ép phun trục ngang và trục đứng.
• Thiết lập cơ sở toán học và công thức tính toán cho 4 phương pháp đánh giá cơ tính: độ bền kéo (ASTM D638), độ bền uốn (ASTM D790), độ dai va đập Notched Izod (ASTM D256) và độ cứng Shore D (ASTM D2240).

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm và chuẩn bị mẫu thử theo các bước chuẩn hóa:

• Thiết lập 5 tỷ lệ khảo sát: PP0 (0% PP, 50% PBT, 50% PA6), PP70 (70% PP, 15% PBT, 15% PA6), PP80 (80% PP, 10% PBT, 10% PA6), PP90 (90% PP, 5% PBT, 5% PA6) và PP100 (100% PP). Tổng khối lượng mỗi mẻ phối trộn là 1200 g.
• Quy trình chuẩn bị: Hỗn hợp tiền chế PBT/PA6 (50/50) được trộn cơ học, gia công qua máy tạo hạt (máy ó) và máy băm. Toàn bộ nguyên liệu được sấy/phơi ở 39 °C trong 3–4 giờ để đạt độ ẩm yêu cầu $\le 0.2%$.
• Gia công ép phun mẫu thử kéo, uốn, va đập trên máy ép trục đứng với hệ thống khuôn chuyên dụng cho từng tiêu chuẩn ASTM.
• Thiết lập quy trình vận hành và thông số đo đạc trên các thiết bị phân tích cơ tính và kính hiển vi điện tử quét SEM HITACHI TM4000Plus.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 5 phân tích chi tiết dữ liệu thực nghiệm thu được từ các phép đo cơ tính và hình ảnh vi cấu trúc:

• Độ bền kéo: Mẫu PP90 đạt ứng suất kéo cao nhất là 31.97 MPa, tăng 2.6% so với mẫu PP nguyên chất (PP100). Đồ thị ứng suất - biến dạng chỉ ra xu hướng tăng dần độ bền kéo khi tăng hàm lượng PP trong nền PBT/PA6.
• Độ bền uốn: Ứng suất uốn giảm từ 41.87 MPa (mẫu PP70) xuống 41.40 MPa (mẫu PP80), nhưng tăng đột biến lên 42.22 MPa ở mẫu PP90, cao hơn 14.85% so với mẫu PP nguyên chất.
• Độ dai va đập Notched Izod: Giá trị tăng dần theo hàm lượng PP trong hệ tam phân, từ 2.83 kJ/m² (PP70) lên 3.55 kJ/m² (PP90). Tuy nhiên, giá trị này vẫn thấp hơn 40.13% so với mẫu PP nguyên chất do ảnh hưởng của sự không tương hợp liên pha giữa PP không phân cực và PBT/PA6 phân cực.
• Độ cứng Shore D: Độ cứng giảm từ hệ PBT/PA6 xuống mức 72.2 Shore D ở mẫu PP90, nhưng vẫn duy trì cao hơn so với PP nguyên chất.
• Hình thái học SEM: Ảnh chụp bề mặt phá hủy cho thấy ở tỷ lệ PP thấp (PP70), các hạt phân tán PBT/PA6 có kích thước không đồng đều, phân bố phân tán kém trên nền PP gây tập trung ứng suất. Ở tỷ lệ PP cao (PP90), các hạt PBT/PA6 phân tán mịn hơn, khoảng cách giữa các hạt đồng đều giúp cải thiện khả năng truyền ứng suất và nâng cao độ bền kéo, độ bền uốn.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về cơ tính và cấu trúc của hệ vật liệu PP/PBT/PA6, khẳng định tính hiệu quả của tỷ lệ 90% PP. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu về mặt thực nghiệm và công nghệ nhằm hoàn thiện khả năng thương mại hóa vật liệu tái chế.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ tính thực nghiệm

Tên mẫu	Tỷ lệ phối trộn PP/PBT/PA6 (% khối lượng)	Ứng suất kéo tối đa (MPa)	Ứng suất uốn tối đa (MPa)	Độ dai va đập Notched Izod (kJ/m²)	Độ cứng (Shore D)
PP0	0 / 50 / 50	Hệ nhị phân PBT/PA6	Hệ nhị phân PBT/PA6	—	Cao nhất
PP70	70 / 15 / 15	Thấp hơn PP90	41.87	2.83	> 72.2
PP80	80 / 10 / 10	Tăng dần	41.40	Trung bình	Trung bình
PP90	90 / 5 / 5	31.97 (Tăng 2.6% so với PP100)	42.22 (Tăng 14.85% so với PP100)	3.55	72.2
PP100	100 / 0 / 0	Thấp hơn PP90	Thấp hơn PP90	Cao nhất (Cao hơn PP90 40.13%)	Thấp nhất

Đóng góp kỹ thuật và giải pháp đề xuất

• Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu: Nghiên cứu chứng minh tỷ lệ phối trộn 90% PP / 5% PBT / 5% PA6 (mẫu PP90) mang lại các chỉ tiêu cơ lý vượt trội nhất trong hệ ba cấu tử. Ở tỷ lệ này, vật liệu đồng thời đạt độ bền kéo cao nhất (31.97 MPa), độ bền uốn cao nhất (42.22 MPa, tăng 14.85% so với PP nguyên chất) và độ cứng Shore D được cải thiện rõ rệt so với nền PP thuần.
• Giải thích cơ chế vi cấu trúc: Dữ liệu SEM làm sáng tỏ mối quan hệ giữa kích thước hạt phân tán và cơ tính: khi tỷ lệ PP đạt 90%, pha phân tán PBT/PA6 đạt độ mịn và mức độ phân tán đồng đều cao nhất trong pha liên tục PP, hạn chế các điểm tập trung ứng suất lớn so với các tỷ lệ có hàm lượng PBT/PA6 cao hơn (PP70, PP80).
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Công trình cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về hệ trộn ba cấu tử PP/PBT/PA6 gia công bằng máy ép phun trục đứng. Kết quả mở ra giải pháp tái sử dụng phế liệu lông bàn chải đánh răng (PBT/PA6) làm chất gia cường cơ tính cho nhựa nền PP, giúp hạ giá thành nguyên liệu trong sản xuất các chi tiết nhựa công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong nghiên cứu:

• Nhằm kiểm soát độ lặp lại của thí nghiệm, tác giả sử dụng hạt nhựa PBT và PA6 nguyên sinh để mô phỏng thành phần lông bàn chải, chưa tiến hành trực tiếp trên phế phẩm sợi lông bàn chải sau phân loại thực tế.
• Khả năng tương thích giữa pha PP không phân cực và pha PBT/PA6 phân cực còn hạn chế, dẫn đến độ dai va đập của hệ blend bị suy giảm đáng kể (thấp hơn 40.13% so với PP nguyên chất).
• Nghiên cứu chưa sử dụng thêm các chất trợ tương hợp (compatibilizer) chuyên dụng như PP ghép maleic anhydride (PP-g-MA) để tăng cường liên kết liên pha.
• Bước nhảy tỷ lệ khảo sát còn rộng (khoảng cách 10% giữa các dải 70%, 80%, 90% PP).

Hướng phát triển tiếp theo:

• Thực hiện quy trình tiền xử lý, băm nhỏ và ép phun trực tiếp từ nguồn sợi phế thải lông bàn chải thu gom từ các nhà máy sản xuất.
• Bổ sung các loại chất trợ tương hợp (compatibilizer) hoặc chất tăng dai để khắc phục sự suy giảm độ dai va đập của hệ vật liệu.
• Khảo sát chi tiết hơn các dải tỷ lệ lân cận 90% PP (ví dụ: 85%, 88%, 92%, 95% PP) để tinh chỉnh điểm tối ưu hóa cơ tính.
• Mở rộng đánh giá các chỉ tiêu về độ bền nhiệt động (DSC, TGA, HDT), độ ổn định kích thước và khả năng chống lão hóa quang học dưới tác động của tia cực tím (UV).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu Polymer, Kỹ thuật Cơ khí và Quản lý Môi trường/Tái chế Chất thải.
• Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp gia công nhựa ép phun, sản xuất linh kiện phụ tùng ô tô, xe máy và đồ gia dụng đang tìm kiếm giải pháp phối trộn tái chế nhằm giảm chi phí vật liệu.
• Các phần có giá trị tham khảo cao trong văn bản:
  • Quy trình công nghệ phối trộn và thông số ép phun trên máy ép trục đứng (Chương 4).
  • Phương pháp luận đánh giá cơ tính chuẩn hóa theo hệ thống tiêu chuẩn ASTM D638, D790, D256, D2240 (Chương 3 và Chương 4).
  • Phân tích tương quan giữa hình thái bề mặt gãy SEM và các chỉ tiêu cơ lý tính của hệ polymer blend đa cấu tử (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài hướng tới tái chế lông bàn chải đánh răng nhưng trong thực nghiệm lại sử dụng hạt nhựa nguyên sinh?
Trả lời: Phần lông bàn chải đánh răng thừa sau sản xuất chứa thành phần chính là sợi PBT và PA6. Tuy nhiên, sợi phế thải có kích thước không đồng nhất và lẫn tạp chất, gây khó khăn cho việc kiểm soát thông số thực nghiệm ban đầu. Do đó, tác giả sử dụng hạt nhựa nguyên sinh PBT (mã PBT-TC BN60) và PA6 (mã PA6-N140) theo tỷ lệ chuẩn 50/50 để mô phỏng thành phần phế thải, tạo tiền đề khoa học chuẩn xác trước khi triển khai trực tiếp trên nguyên liệu phế thải thực tế.

2. Mẫu phối trộn nào cho kết quả cơ tính kéo và uốn tối ưu nhất trong nghiên cứu?
Trả lời: Mẫu PP90 (chứa 90% PP, 5% PBT, 5% PA6 tính theo khối lượng) đạt cơ tính kéo và uốn tốt nhất. Cụ thể, độ bền kéo đạt 31.97 MPa (tăng 2.6% so với PP nguyên chất) và độ bền uốn đạt 42.22 MPa (tăng 14.85% so với PP nguyên chất).

3. Việc bổ sung hỗn hợp PBT/PA6 ảnh hưởng như thế nào đến độ dai va đập của nhựa PP?
Trả lời: Bổ sung PBT/PA6 vào PP làm suy giảm độ dai va đập so với PP thuần (mẫu PP90 đạt 3.55 kJ/m², thấp hơn 40.13% so với mẫu PP100). Tuy nhiên, trong nội bộ hệ ba cấu tử (PP/PBT/PA6), khi tăng tỷ lệ PP từ 70% lên 90%, độ dai va đập có xu hướng tăng dần từ 2.83 kJ/m² lên 3.55 kJ/m² nhờ sự phân tán hạt mịn và đồng đều hơn.

4. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) phản ánh điều gì về cấu trúc liên pha của vật liệu?
Trả lời: Ảnh SEM bề mặt gãy cho thấy ở tỷ lệ PP thấp (PP70), các hạt PBT/PA6 phân bố không đều trên nền PP, tạo ra các vùng tập trung ứng suất dễ gây đứt gãy. Khi tăng hàm lượng PP lên 90% (PP90), các hạt phân tán PBT/PA6 trở nên nhỏ hơn, phân bố đồng đều và diện tích tiếp xúc bám dính pha tăng lên, giúp giải thích sự gia tăng độ bền cơ học của mẫu thử.

5. Đồ án sử dụng những bộ tiêu chuẩn ASTM nào để kiểm tra cơ tính của các mẫu ép phun?
Trả lời: Đồ án áp dụng 4 bộ tiêu chuẩn quốc tế: ASTM D638 (kiểm tra độ bền kéo), ASTM D790 (kiểm tra độ bền uốn 3 điểm), ASTM D256 (kiểm tra độ dai va đập Notched Izod có rãnh V) và ASTM D2240 (kiểm tra độ cứng Shore D).

Kết luận

Đồ án đã chế tạo thành công hệ vật liệu polymer blend ba cấu tử Polypropylene/Polybutylene Terephthalate/Polyamide 6 bằng công nghệ ép phun trên máy ép trục đứng. Kết quả thực nghiệm khẳng định tỷ lệ phối trộn 90% PP kết hợp cùng 5% PBT và 5% PA6 mang lại sự cải thiện rõ rệt về độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng Shore D so với nhựa PP nguyên chất. Công trình xác lập cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng, làm tiền đề cho việc tái sử dụng phế phẩm lông bàn chải đánh răng trong sản xuất vật liệu kỹ thuật ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển không ngừng của thế giới, bên cạnh đó là nền sản xuất giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của mọi người. Và đi kèm với đó là sự ô nhiễm môi trường từ các nhà máy, các khu công nghiệp sản xuất. Vì vậy, việc xử lý chất thải từ các nhà máy, hay các khu công nghiệp khu dân cư là vấn đề thiết yếu đối với các nước có nền kinh tế đang phát triển như Việt Nam hiện nay.

Sự ô nhiễm không chỉ từ việc sản xuất trong nền công nghiệp mà còn đến từ rác thải sinh hoạt của người dân hàng ngày. Đặc biệt, việc đốt, xả chất thải, phế liệu ảnh hưởng xấu đến môi trường hiện nay. Chính vì thế, việc tái chế lại các phế liệu là vấn đề được quan tâm hiện nay. Việc sản xuất bàn chải đánh răng, phần lông bàn chải thừa sẽ được cắt bỏ.

Phần lông bàn chải thừa này có thành phần chính là sợi Polybutylene terephthalate (PBT) và Polyamide-6 (PA6). Bằng một số phương pháp đặc thù người ta đã phân loại được sợi PBT riêng và sợi PA riêng. Với giá thành cao nên sợi PA được ưu tiên tái chế hơn so với sợi PBT. Để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu, nhóm thực hiện đã chọn nhựa PA6 và PBT nguyên sinh để thay thế cho sợi PBT từ lông bàn chải đánh răng trong thí nghiệm này.1: Phần lông của bàn chải đánh răng Trong thời đại ngày nay, luôn luôn có sự thay đổi trong môi trường sống, bên cạnh đó là việc sản xuất nhựa từ ứng dụng trong công nghiệp, đến ứng dụng trong đời sống sinh hoạt hàng ngày.

Hàng ngày, có hàng nghìn tấn chất thải có thể được thải ra môi trường sống bên trong đó không ít là chất thải mang nhiều loại vật liệu nhựa. Để tiết kiệm chi phí có thể sản xuất, việc sử dụng lại hay tái chế những vật liệu nhựa đã sử dụng là vấn đề cấp bách có thể giúp giảm thiểu số lượng rác thải và còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy, xí nghiệp, … Vì vậy ở nghiên cứu này, ngoài việc tái chế 2 loại nhựa PBT và PA6, thì còn bổ sung vào hỗn hợp này là Polypropylene (PP) nhằm mục đích tăng cường cơ tính của hỗn hợp PP/PBT/PA6, 1 cũng như thay thế PP nguyên sinh nhằm mục đích giảm giá thành sản xuất, và mở ra nhiều ứng dụng hơn trong công nghiệp thực tiễn. Nhựa PBT là một loại nhựa kỹ thuật nhiệt dẻo với nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt, độ ổn định kích thước và kháng hóa chất, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử, điện gia dụng và dệt may. Tuy nhiên, PBT cũng có nhược điểm như dễ bị suy giảm tính chất khi tiếp xúc với tia UV, dễ bị hydrolysis khi tiếp xúc với nước ở nhiệt độ cao, chi phí sản xuất cao và độ dai va đập thấp hơn so với một số loại nhựa khác.

Các ứng dụng phổ biến của PBT bao gồm sản xuất bộ nối điện, vỏ bọc động cơ, các chi tiết nhựa trong ngành ô tô, linh kiện điện tử và vải kỹ thuật trong ngành dệt may. Nhựa PA6 là một loại nhựa kỹ thuật phổ biến với nhiều ưu điểm, bao gồm độ bền cơ học cao, độ đàn hồi tốt, khả năng chịu mài mòn và kháng hóa chất tốt. Tuy nhiên, PA6 cũng có một số nhược điểm như độ hút ẩm cao, dẫn đến sự thay đổi kích thước và tính chất cơ học khi tiếp xúc với độ ẩm, và nhiệt độ chịu nhiệt thấp hơn một số loại nhựa khác.