Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ô nhiễm môi trường từ chất thải rắn công nghiệp và nông nghiệp đang là một trong những thách thức sinh thái nghiêm trọng trên toàn cầu. Hằng năm, một lượng sinh khối phế thải khổng lồ chưa được xử lý triệt để mà chủ yếu bị thải bỏ qua hình thức chôn lấp hoặc đốt lộ thiên, gây phát thải lượng lớn khí nhà kính như mêtan ($\text{CH}_4$), cacbon đioxit ($\text{CO}_2$) và làm rò rỉ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm đất, nguồn nước. Trong bối cảnh đó, xu hướng nghiên cứu tận dụng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp có nguồn gốc lignocellulose (vỏ trấu, xơ dừa, vỏ cà phê, bã cà phê...) để làm chất độn gia cường cho vật liệu composite polyme thân thiện với môi trường đang nhận được sự quan tâm lớn từ giới khoa học và công nghiệp.
Cà phê là một trong những loại đồ uống được tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới. Bã cà phê thải (Spent Coffee Grounds - SCG) phát sinh trong quá trình chế biến và tiêu dùng chiếm khoảng 45% trọng lượng hạt cà phê, tạo ra khoảng 6 triệu tấn chất thải mỗi năm trên thế giới. Tại Việt Nam – một trong những quốc gia xuất khẩu cà phê hàng đầu thế giới, ước tính lượng bã cà phê phát sinh mỗi ngày lên tới 40.000 tấn. Phần lớn lượng bã này bị chôn lấp hoặc đốt, làm phát tán $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$ và giải phóng các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học như caffeine, tannin vào môi trường tự nhiên. Do đó, đề tài "Nghiên cứu sử dụng bã cà phê làm độn gia cường cho vật liệu composite" được thực hiện nhằm tận dụng nguồn phế thải dồi dào này để chế tạo vật liệu mới dạng tấm trên nền nhựa nhiệt rắn novolac, hướng tới giảm thiểu chi phí nguyên liệu và giảm tải áp lực ô nhiễm môi trường.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu và xây dựng quy trình xử lý bã cà phê và xây dựng quy trình gia công vật liệu composite theo phương pháp ép nhiệt.
- Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng urotropin, tỷ lệ giữa bã cà phê trên nhựa và mật độ của vật liệu composite đến cơ tính vật liệu composite.
- Khảo sát cơ tính của vật liệu composite khi độn thêm sợi thủy tinh.
- Khảo sát độ hấp thụ và độ bền của vật liệu composite trong các dung môi khác nhau.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu composite dạng tấm chế tạo từ nền nhựa nhiệt rắn novolac, chất độn gia cường sinh khối bã cà phê, chất đóng rắn urotropin và chất hỗ trợ tách khuôn axit stearic, có kích thước tấm mẫu thí nghiệm $17 \times 17 \times 0,4\text{ cm}$.
- Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 8 năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào hóa học vật liệu composite nền polyme nhiệt rắn gia cường bằng cốt hạt hữu cơ tự nhiên, cùng các đặc tính cấu trúc của hệ liên kết phenol-formaldehyde dạng novolac và sinh khối lignocellulose từ bã cà phê.
1. Cơ sở vật liệu và hóa chất
- Nhựa nền Novolac: Nhựa nhiệt rắn hình thành từ phản ứng trùng ngưng giữa phenol và formaldehyde với xúc tác axit. Nhựa novolac ở trạng thái rắn, giòn, hút ẩm, tan trong hỗn hợp cồn/axeton và chỉ đóng rắn tạo mạng không gian ba chiều khi có mặt tác nhân đóng rắn cung cấp nhóm methylen.
- Chất đóng rắn Urotropin (Hexamethylenetetramine): Hợp chất tinh thể rắn, nóng chảy ở khoảng 263–280°C. Khi đun nóng trong quá trình ép nhiệt, urotropin phân hủy giải phóng formaldehyde và amoniac, đóng vai trò tạo liên kết chéo bắc cầu nối các mạch phân tử novolac.
- Bã cà phê (SCG): Thành phần chứa cellulose (polyme mạch thẳng của các đơn vị $\beta$-D-glucose liên kết qua cầu $\beta$-1,4-glucosidic, đóng vai trò tạo độ cứng cấu trúc), hemicellulose (polysaccharide mạch phân nhánh, độ trùng hợp thấp), lignin (polyme mạng không gian 3 chiều gốc thơm gồm các đơn vị phenylpropanoid) và lipid (chiếm 10–13% gồm dầu và sáp).
- Dung môi Hexan ($\text{C}6\text{H}{14}$): Hydrocarbon no không phân cực dùng để trích ly dầu và axit béo tự do trong bã cà phê.
- Axit Stearic ($\text{C}{18}\text{H}{36}\text{O}_2$): Axit béo no mạch dài đóng vai trò là chất bôi trơn và hỗ trợ tách khuôn trong quá trình ép nóng.
- Cốt phụ trợ Sợi thủy tinh: Cốt vô cơ dạng sợi ngắn chứa thành phần chính là $\text{SiO}_2$ (46–75%) được đưa vào khảo sát khả năng đồng gia cường.
2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích đặc tính
- Phương pháp gia công ép nhiệt (Hot Press Molding): Hỗn hợp bột nguyên liệu được đưa vào khuôn kim loại và ép gia nhiệt trên máy ép thủy lực YASUDA. Các thông số kiểm soát gồm nhiệt độ ép, áp suất ép và thời gian lưu nhiệt để tối ưu hóa quá trình tạo hình và phản ứng đóng rắn mạng lưới không gian.
- Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Dùng để phân tích sự thay đổi các nhóm chức hóa học đặc trưng trên bã cà phê trước và sau khi trích ly dầu bằng hexan tại các mốc thời gian 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ.
- Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC): Thực hiện trên dải nhiệt độ 30–400°C để xác định nhiệt độ phản ứng đóng rắn, thời gian phản ứng và động học nhiệt của hỗn hợp nhựa novolac và urotropin (đặc biệt tại 120°C).
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt bã cà phê trước/sau trích ly, bề mặt gãy và bề mặt tiếp xúc pha của vật liệu composite trước/sau khi ngâm dung môi và khi có/không có sợi thủy tinh.
- Phương pháp kiểm tra cơ tính:
- Kiểm tra độ bền uốn và mô đun uốn: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D790 (phương pháp uốn 3 điểm trên gối đỡ).
- Kiểm tra độ bền kéo và mô đun kéo: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D638 trên mẫu thử dạng quả tạ. Thử nghiệm cơ lý tiến hành trên máy đo vạn năng Testometric tải trọng tối đa 10 kN.
- Phương pháp xác định độ hấp thụ và độ bền dung môi: Ngâm mẫu composite trong dung môi nước cất (phân cực) và hexan (không phân cực) trong thời gian 7 ngày để xác định tỷ lệ khối lượng hấp thụ dung môi và mức độ suy giảm cơ tính uốn.
| STT |
Tên nguyên liệu / Thiết bị |
Đặc điểm kỹ thuật / Xuất xứ |
Vai trò trong nghiên cứu |
| 1 |
Nhựa nền Novolac |
Dạng bột, xuất xứ Trung Quốc |
Pha nền liên kết truyền ứng suất |
| 2 |
Bã cà phê |
Thu hồi từ Công ty TNHH Hoàng Hiệp F&B |
Cốt độn gia cường chính |
| 3 |
Sợi thủy tinh ngắn |
Công ty TNHH Kiên Trung Long - TP.HCM |
Cốt độn gia cường phụ trợ |
| 4 |
Dung môi Hexan |
Dạng lỏng kỹ thuật, xuất xứ Trung Quốc |
Trích ly dầu và khử béo bã cà phê |
| 5 |
Chất đóng rắn Urotropin |
Dạng tinh thể, xuất xứ Trung Quốc |
Đóng rắn mạng lưới nhựa nhiệt rắn |
| 6 |
Máy ép nhiệt YASUDA |
Áp suất 0–60 $\text{kg/cm}^2$, nhiệt độ max 300°C (Nhật Bản) |
Gia công chế tạo mẫu tấm composite |
| 7 |
Máy DSC |
Dải nhiệt độ chạy từ 30°C đến 400°C (Nhật Bản) |
Đánh giá tính chất nhiệt và đóng rắn |
| 8 |
Máy đo cơ tính Testometric |
Tải trọng tối đa 10 kN (Vương quốc Anh) |
Đo độ bền kéo, uốn theo ASTM |
| 9 |
Tủ sấy Memmert |
Tủ sấy đối lưu tự nhiên, nhiệt độ 30–300°C (Đức) |
Sấy khô bã cà phê và sấy đuổi dung môi |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tổng quan về vật liệu composite, bao gồm định nghĩa, phân loại theo dạng cốt (cốt hạt, cốt sợi ngắn, cốt sợi liên tục) và phân loại theo bản chất vật liệu nền (nền polyme, nền kim loại, nền gốm/khoáng). Tác giả trình bày nguyên lý của 5 phương pháp gia công composite phổ biến: phương pháp đắp tay, phương pháp súng phun, phương pháp cuộn sợi, phương pháp đùn kéo và phương pháp ép nhiệt, chỉ rõ ưu nhược điểm và sự phù hợp của phương pháp ép nhiệt đối với composite nền novolac.
Phần tiếp theo của chương tập trung phân tích thành phần hóa học và cấu trúc của các nguyên liệu tham gia hệ composite: hóa học mạng polymer novolac, cơ chế đóng rắn qua phân hủy nhiệt của urotropin, tính chất dung môi hexan, vai trò chất trợ tách khuôn axit stearic, và đặc biệt là giải phẫu cấu trúc sinh khối bã cà phê gồm chuỗi cellulose, mạng hemicellulose, liên kết polyphenol lignin và 10–13% phần lipid (dầu, sáp). Chương 1 cũng trình bày nguyên lý các phương pháp phân tích hóa lý và cơ lý hiện đại (FTIR, DSC, SEM, ASTM D638, ASTM D790), cùng bức tranh tổng quan về tình hình nghiên cứu tận dụng bã cà phê trên thế giới (chiết xuất dầu, gia cường composite nền nhiệt dẻo PP, HDPE) và tại Việt Nam (sản xuất biodiesel, cơ chất trồng nấm).
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, thiết bị, dụng cụ và quy trình chế tạo vật liệu trong phòng thí nghiệm. Quy trình xử lý bã cà phê được chuẩn hóa qua 5 bước liên tiếp:
- Rửa bã cà phê đã qua sử dụng bằng nước cất để loại bỏ các tạp chất và hợp chất tan trong nước.
- Sấy khô bã cà phê trong tủ sấy Memmert ở 105°C trong 24 giờ nhằm triệt tiêu hơi ẩm.
- Nghiền mịn khối bã khô để đồng đều hóa kích thước hạt độn.
- Trích ly dầu và axit béo bằng cách ngâm bã cà phê trong dung môi hexan theo tỷ lệ 5 g bã cà phê trong 25 mL hexan trong các khoảng thời gian khảo sát (24h, 48h, 72h).
- Lọc thu bã cà phê đã chiết dầu (Extracted Spent Coffee Grounds - ESCG) và sấy ở 80°C trong 2 giờ để bay hơi hoàn toàn lượng hexan còn sót lại.
Quy trình chế tạo composite được thực hiện bằng cách phối trộn cơ học bột nhựa novolac, chất đóng rắn urotropin, bã cà phê (chưa xử lý SCG hoặc đã xử lý ESCG), axit stearic và sợi thủy tinh (đối với mẫu khảo sát sợi) theo các tỷ lệ thành phần quy định. Hỗn hợp bột sau đó được nạp vào khuôn định hình kích thước $17 \times 17 \times 0,4\text{ cm}$ và tiến hành gia công ép nhiệt trên máy ép YASUDA. Tiếp đó, chương này thiết lập các điều kiện thử nghiệm cơ tính uốn (ASTM D790), cơ tính kéo (ASTM D638), chụp ảnh vi cấu trúc (SEM), đo nhiệt vi sai (DSC) và đo mức độ trương nở hấp thụ dung môi trong nước cất và hexan trong 7 ngày.
Chương 3: Kết quả và biện luận
Chương 3 trình bày và phân tích toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu được qua các giai đoạn khảo sát:
- Xử lý bã cà phê và trích ly dầu: Phổ FTIR cho thấy sự biến đổi rõ nét của các dải hấp thụ đặc trưng cho liên kết este và nhóm béo của lipid sau khi xử lý hexan ở các mốc 24h, 48h và 72h. Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt hạt ESCG sau xử lý sạch hơn, lộ rõ cấu trúc xốp vi mô và không còn các màng béo gây kết tụ hạt như mẫu SCG ban đầu.
- Xác định chế độ nhiệt gia công qua DSC: Đường cong DSC của hỗn hợp novolac/urotropin tại 120°C cho phép xác định rõ thời điểm và khoảng nhiệt độ tỏa nhiệt đóng rắn tối ưu, làm căn cứ thiết lập chu trình ép nhiệt.
- Ảnh hưởng của hàm lượng urotropin (10%–16%): Khi tăng urotropin từ 10% đến 14%, mật độ liên kết chéo trong mạng lưới novolac tăng lên làm độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền kéo và mô đun kéo của composite tăng liên tục. Tuy nhiên, khi tăng tiếp lên 16%, cơ tính bị suy giảm do lượng urotropin dư thừa gây giòn vật liệu và làm phát sinh bọt khí do phân hủy amoniac quá mức.
- Ảnh hưởng của tỷ lệ bã cà phê/nhựa novolac: Khảo sát các tỷ lệ phối trộn bã cà phê : nhựa từ 4:6, 5:5, 6:4 đến 7:3 cho thấy các tính chất cơ học gia tăng khi tăng hàm lượng chất độn từ 4 phần lên 6 phần nhờ khả năng phân tán lực của hạt độn cứng. Ngược lại, tại tỷ lệ 7:3 (hàm lượng độn quá cao), cơ tính sụt giảm nghiêm trọng do lượng nhựa novolac không đủ để thấm ướt và liên kết bao bọc toàn bộ bề mặt hạt độn, dẫn đến xuất hiện lỗ xốp và ứng suất cục bộ (hình ảnh SEM xác nhận sự kết tụ hạt và lỗ trống).
- Ảnh hưởng của mật độ composite: Khảo sát các mức khối lượng riêng cho thấy tính chất cơ lý uốn và kéo của tấm vật liệu đạt giá trị cực đại tại mật độ $1,30\text{ g/cm}^3$, đảm bảo độ nén chặt cấu trúc tối ưu.
- So sánh composite từ bã cà phê trước (SCG) và sau xử lý (ESCG): Kết quả đo cơ tính và quan sát SEM khẳng định mẫu sử dụng ESCG có độ bền cơ lý vượt trội so với mẫu dùng SCG. Việc loại bỏ lớp dầu bề mặt giúp tăng cường diện tích tiếp xúc thực tế và lực bám dính liên pha giữa hạt bã cà phê với ma trận nhựa novolac, hạn chế hiện tượng trượt pha và tách lớp.
- Ảnh hưởng của việc bổ sung sợi thủy tinh ngắn (5%, 10%, 15%): Kết quả thử nghiệm độ bền uốn và ảnh SEM cho thấy việc bổ sung sợi thủy tinh ngắn phân tán ngẫu nhiên không mang lại hiệu quả gia cường cơ tính rõ rệt, do sự thiếu tương thích liên pha đồng thời giữa ba thành phần nhựa - sợi thủy tinh - bã cà phê.
- Khả năng hấp thụ dung môi và độ bền sau ngâm: Vật liệu thể hiện độ ổn định cấu trúc rất cao trong dung môi không phân cực hexan (độ hấp thụ chỉ dao động từ 1,83% đến 9,35%), trong khi độ hấp thụ nước cất lên tới 29,37% – 89,80%. Sự hấp thụ nước lớn của các nhóm hydroxyl tự do trong cellulose/hemicellulose của bã cà phê dẫn đến sự suy giảm độ bền uốn của vật liệu sau 7 ngày ngâm nước, trong khi cơ tính sau khi ngâm hexan được duy trì ổn định hơn nhiều.
Kết quả và đóng góp
| Yếu tố khảo sát |
Khoảng khảo sát |
Giá trị / Điều kiện tối ưu |
Kết quả đặc tính và tác động cơ học |
| Hàm lượng Urotropin |
10% – 16% khối lượng nhựa |
14% |
Cơ tính tăng tối đa ở 14%; ở 16% cơ tính giảm do dư thừa chất đóng rắn gây giòn và tạo khí. |
| Tỷ lệ Bã cà phê : Nhựa |
4:6 đến 7:3 (phần khối lượng) |
6:4 (hoặc 4:6 đến 6:4) |
Cơ tính gia tăng từ tỷ lệ 4:6 đến 6:4; suy giảm mạnh ở tỷ lệ 7:3 do thiếu nhựa liên kết bao bọc hạt độn. |
| Mật độ vật liệu composite |
Các mức mật độ nén |
$1,30\text{ g/cm}^3$ |
Đạt giá trị độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền kéo và mô đun kéo cao nhất. |
| Xử lý trích dầu bã cà phê |
SCG (chưa xử lý) vs ESCG (xử lý hexan) |
Mẫu ESCG |
ESCG triệt tiêu lớp dầu béo, tăng diện tích tiếp xúc và liên kết pha, cải thiện rõ rệt cơ tính so với SCG. |
| Bổ sung Sợi thủy tinh ngắn |
0%, 5%, 10%, 15% |
Không độn thêm (0%) |
Thử nghiệm cho thấy bổ sung sợi thủy tinh không có tác động tích cực đến tính chất cơ học. |
| Độ hấp thụ dung môi (7 ngày) |
Nước cất và Hexan |
Dung môi Hexan |
Độ hấp thụ hexan thấp (1,83% – 9,35%); độ hấp thụ nước cao (29,37% – 89,80%) làm giảm độ bền uốn trong nước. |
1. Kết quả chính từ thực nghiệm
- Xác lập thành công quy trình công nghệ xử lý bã cà phê qua trích ly dung môi hexan (tỷ lệ 5 g bã : 25 mL hexan, sấy đuổi dung môi ở 80°C trong 2 giờ) và quy trình ép nhiệt composite dạng tấm ($17 \times 17 \times 0,4\text{ cm}$).
- Xác định thông số công nghệ tối ưu: hàm lượng chất đóng rắn urotropin đạt 14%, tỷ lệ chất độn bã cà phê trên nhựa đạt 6:4 phần khối lượng, mật độ composite đạt $1,30\text{ g/cm}^3$.
- Đánh giá khả năng kháng dung môi: vật liệu có độ bền hóa học và độ ổn định rất cao trong dung môi không phân cực (hexan) với độ hấp thụ từ 1,83% đến 9,35%, trong khi độ hấp thụ nước cao từ 29,37% đến 89,80%.
2. Giải pháp và kiến nghị ứng dụng đề xuất
- Tận dụng bã cà phê sau trích ly dầu để thay thế một phần đáng kể nhựa novolac trong sản xuất vật liệu composite dạng tấm, ứng dụng trong ngành xây dựng và nội thất như: tấm ván ép nhân tạo, cửa gỗ composite, vách ngăn chống ẩm nhẹ, tấm ốp tường và các cấu kiện nội thất thông dụng.
- Đề xuất quy trình tiền xử lý khử béo bắt buộc cho bã cà phê bằng dung môi hữu cơ trước khi đưa vào phối trộn công nghiệp nhằm đảm bảo độ bám dính bề mặt pha và ngăn ngừa hiện tượng vón cục hạt độn.
3. Đóng góp khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về động học đóng rắn DSC của hệ novolac/urotropin, cơ chế liên kết pha giữa bề mặt lignocellulose bã cà phê với nhựa nhiệt rắn, và tương quan giữa các thông số công nghệ (tỷ lệ độn, hàm lượng chất đóng rắn, mật độ nén) đối với cơ tính uốn (ASTM D790) và cơ tính kéo (ASTM D638).
- Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần giải quyết bài toán xử lý chất thải rắn cho ngành công nghiệp chế biến và tiêu thụ cà phê tại Việt Nam (nguồn phát sinh 40.000 tấn/ngày), biến phế phẩm thành nguyên liệu thứ cấp có giá trị kinh tế, giảm thiểu chi phí chế tạo vật liệu tấm và giảm phát thải khí nhà kính từ các bãi chôn lấp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế của nghiên cứu
- Mức độ hút ẩm và hấp thụ nước của tấm composite còn rất cao (độ hấp thụ nước từ 29,37% đến 89,80% sau 7 ngày ngâm), làm suy giảm đáng kể độ bền uốn của vật liệu khi tiếp xúc lâu ngày trong môi trường nước/ẩm ướt. Nguyên nhân do bản chất ưa nước của các nhóm hydroxyl tự do trong cellulose/hemicellulose của bã cà phê chưa được bao bọc hoặc biến tính triệt để.
- Việc kết hợp sợi thủy tinh ngắn vào hệ composite chưa phát huy được hiệu quả gia cường cơ tính như kỳ vọng lý thuyết, do chưa giải quyết được bài toán tương thích bề mặt đồng thời giữa pha hữu cơ (nhựa novolac, bã cà phê) và pha vô cơ (sợi thủy tinh).
- Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô thực nghiệm phòng thí nghiệm với kích thước mẫu nhỏ ($17 \times 17 \times 0,4\text{ cm}$), chưa tiến hành khảo sát các chỉ tiêu về độ bền thời tiết ngoài trời, khả năng chống cháy, độ dẫn nhiệt và độ bền lão hóa nhiệt.
2. Hướng nghiên cứu tiếp
- Nghiên cứu các phương pháp biến tính hóa học bề mặt bã cà phê chuyên sâu hơn (như xử lý kiềm hóa NaOH nồng độ cao, acetyl hóa hoặc sử dụng chất ghép đôi silane) nhằm giảm tính ưa nước của hạt độn, từ đó hạ thấp độ hút ẩm của tấm composite.
- Tối ưu hóa chất tương hợp hoặc xử lý bề mặt sợi thủy tinh khi muốn phát triển hệ composite lai (hybrid composite) nhằm cải thiện lực liên kết ba pha.
- Mở rộng đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật mở rộng gồm độ chống cháy, độ cách âm, cách nhiệt, khả năng kháng nấm mốc và thử nghiệm gia công trên dây chuyền ép bán công nghiệp hướng tới sản xuất ván ép thương mại.
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:
- Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Polyme & Composite, Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Chế biến Nông sản.
- Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, ván ép nhân tạo, bao bì sinh học và tái chế phụ phẩm nông nghiệp.
Các nội dung và số liệu thực nghiệm có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong đồ án gồm:
- Quy trình chuẩn bị và trích ly dầu từ bã cà phê bằng dung môi hexan kèm các dữ liệu phổ hồng ngoại FTIR và ảnh SEM đối chứng hình thái hạt.
- Quy trình công nghệ ép nhiệt vật liệu tấm và phương pháp xác định chế độ ép qua đường cong DSC của hệ nhựa novolac có urotropin.
- Bộ số liệu thực nghiệm cơ lý hoàn chỉnh theo chuẩn ASTM D638 và ASTM D790 khảo sát ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng chất đóng rắn, tỷ lệ phối trộn độn/nhựa và mật độ nén ép.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao cần phải xử lý bã cà phê bằng dung môi hexan trước khi đưa vào chế tạo composite?
Bã cà phê tự nhiên chứa từ 10% đến 13% lipid (gồm dầu và sáp). Lớp chất béo không phân cực này bao phủ ngoài bề mặt hạt bã cà phê làm cản trở sự tiếp xúc trực tiếp giữa các nhóm chức trên chuỗi cellulose/lignin với nhựa novolac, đồng thời gây hiện tượng vón cục hạt độn. Việc ngâm chiết bằng hexan giúp loại bỏ triệt để lớp dầu và axit béo tự do, làm bề mặt hạt bã cà phê xốp mịn hơn (được chứng minh qua ảnh SEM), từ đó tăng cường độ bám dính liên pha giữa hạt độn và ma trận nhựa, nâng cao độ bền cơ lý của composite.
2. Hàm lượng chất đóng rắn urotropin tối ưu trong đồ án là bao nhiêu và cơ chế ảnh hưởng như thế nào?
Hàm lượng urotropin tối ưu được xác định là 14% so với khối lượng nhựa novolac. Khi tăng hàm lượng urotropin từ 10% lên 14%, mật độ các liên kết chéo tạo thành giữa các mạch novolac tăng lên giúp vật liệu đạt độ bền uốn, mô đun uốn, độ bền kéo và mô đun kéo cao nhất. Khi tăng lên 16%, lượng urotropin dư thừa không tham gia phản ứng hết sẽ đóng vai trò như tạp chất gây giòn cấu trúc, đồng thời khí amoniac ($\text{NH}_3$) thoát ra nhiều trong quá trình phân hủy urotropin tạo nên các bọt khí khuyết tật bên trong tấm composite làm suy giảm cơ tính.
3. Tỷ lệ bã cà phê : nhựa novolac nào cho tính chất cơ học tốt nhất và điều gì xảy ra khi tăng tỷ lệ lên 7:3?
Tỷ lệ phối trộn cho tính chất cơ học tốt nhất là 6:4 (6 phần bã cà phê : 4 phần nhựa novolac). Trong dải từ 4:6 đến 6:4, bã cà phê đóng vai trò là chất độn gia cường phân tán ứng suất hiệu quả. Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ bã cà phê lên 7:3, lượng nhựa novolac trong hệ quá ít, không đủ để thấm ướt và bao bọc toàn bộ diện tích bề mặt hạt bã cà phê. Điều này tạo ra nhiều lỗ rỗng cấu trúc, các hạt bã cà phê bị kết tụ cục bộ và liên kết liên pha bị phá vỡ, dẫn đến độ bền kéo và độ bền uốn bị suy giảm rõ rệt.
4. Vì sao việc bổ sung thêm sợi thủy tinh ngắn không làm tăng cơ tính của composite trong nghiên cứu này?
Kết quả thực nghiệm cho thấy việc đưa thêm 5%, 10% và 15% sợi thủy tinh ngắn không cải thiện được tính chất cơ học của sản phẩm composite bã cà phê/novolac. Nguyên nhân là do các sợi thủy tinh ngắn phân tán ngẫu nhiên chưa có sự tương thích bề mặt tốt với pha nền novolac và pha hạt bã cà phê (thiếu chất ghép đôi liên kết thích hợp). Sự xuất hiện của các sợi vô cơ không được liên kết chặt chẽ vô tình tạo ra các điểm tập trung ứng suất và các khe nứt tế vi bên trong cấu trúc vật liệu khi chịu lực tác động.
5. Khả năng kháng dung môi nước và dung môi hữu cơ của vật liệu composite trong đề tài khác nhau như thế nào?
Vật liệu thể hiện sự khác biệt rất lớn giữa hai môi trường dung môi:
- Trong hexan (dung môi hữu cơ không phân cực): Tấm composite có tính ổn định rất cao, độ hấp thụ dung môi chỉ từ 1,83% đến 9,35%, cơ tính uốn sau 7 ngày ngâm hầu như không suy giảm đáng kể.
- Trong nước (dung môi phân cực): Độ hấp thụ nước lên tới 29,37% đến 89,80% sau 7 ngày ngâm. Do bã cà phê chứa hàm lượng lớn cellulose và hemicellulose với nhiều nhóm hydroxyl (-OH) ưa nước tự do, nước dễ dàng khuếch tán vào cấu trúc gây trương nở hạt độn, làm suy yếu lực liên kết liên pha và làm giảm rõ rệt độ bền uốn của vật liệu.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và làm chủ thành công quy trình công nghệ xử lý khử béo bã cà phê bằng dung môi hexan và quy trình gia công chế tạo tấm vật liệu composite thân thiện môi trường trên nền nhựa nhiệt rắn novolac bằng phương pháp ép nhiệt. Các điều kiện công nghệ tối ưu được xác lập rõ ràng gồm hàm lượng chất đóng rắn urotropin 14%, tỷ lệ bã cà phê trên nhựa đạt 6:4 phần khối lượng và mật độ vật liệu $1,30\text{ g/cm}^3$, mang lại các giá trị cơ tính uốn và kéo vượt trội so với mẫu dùng bã cà phê chưa xử lý. Mặc dù vật liệu còn hạn chế về khả năng kháng nước do tính ưa ẩm tự nhiên của sinh khối lignocellulose, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi cao trong việc chuyển hóa nguồn phế phẩm bã cà phê dồi dào thành vật liệu tấm kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng và nội thất.
