Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu PP/GS polyme compozit

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải trong chế tạo vật liệu polymer compozit, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Quang Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Giang
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu, Ứng Dụng Hạt Gypsum Phế Thải Chế Tạo Vật Liệu PP/GS Polyme Compozit
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Vật liệu compozit
• 1.1. Khái niệm và tính chất
• 1.2. Phân loại
• 1.3. Cấu tạo của vật liệu polyme compozit
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu compozit
• 1.5. Nhựa nền polypropylen (PP)
• 1.5.1. Giới thiệu chung về PP
• 1.5.2. Một số tính chất

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải trong chế tạo vật liệu polyme compozit đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu. Hạt gypsum phế thải, chủ yếu là CaSO4, có thể được tái chế và sử dụng để cải thiện tính chất của các loại nhựa, đặc biệt là polypropylen (PP). Việc sử dụng hạt gypsum không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại giá trị kinh tế cao cho ngành sản xuất vật liệu. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum phế thải.

1.1. Đặc điểm và tính chất của hạt gypsum phế thải

Hạt gypsum phế thải có nhiều đặc điểm nổi bật như khả năng hấp thụ nước cao và tính chất hóa học ổn định. Những đặc điểm này giúp hạt gypsum trở thành một chất độn lý tưởng trong chế tạo vật liệu polyme compozit. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính bề mặt hạt gypsum có thể cải thiện đáng kể khả năng tương hợp với nhựa nền, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Việc tái chế hạt gypsum phế thải có thể giảm thiểu chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp. Hơn nữa, nghiên cứu này còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm vật liệu mới với tính năng vượt trội.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng hạt gypsum phế thải

Mặc dù hạt gypsum phế thải có nhiều lợi ích, nhưng việc sử dụng chúng trong chế tạo vật liệu polyme compozit cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng hấp thụ nước cao của hạt gypsum, dẫn đến sự tương tác mạnh giữa các hạt trong quá trình chế tạo. Điều này có thể gây ra sự co cụm của các hạt và hình thành các khuyết tật trong cấu trúc vật liệu. Do đó, cần có các phương pháp biến tính hiệu quả để cải thiện tính chất của hạt gypsum.

2.1. Khó khăn trong việc biến tính hạt gypsum

Việc biến tính hạt gypsum để giảm tính ưa nước và tăng tính kỵ nước là một thách thức lớn. Các phương pháp biến tính như sử dụng axit stearic và natri dodecyl sunfat (SDS) đã được nghiên cứu, nhưng cần phải tối ưu hóa quy trình để đạt được hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính hạt gypsum có thể cải thiện đáng kể khả năng phân tán và độ bền nhiệt của vật liệu polyme compozit.

2.2. Tác động môi trường từ việc sử dụng hạt gypsum

Mặc dù việc sử dụng hạt gypsum phế thải giúp giảm thiểu ô nhiễm, nhưng cần phải xem xét các tác động môi trường khác có thể phát sinh trong quá trình chế tạo và sử dụng vật liệu. Việc xử lý và tái chế hạt gypsum cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo không gây ra ô nhiễm thứ cấp cho môi trường.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum

Để chế tạo vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum phế thải, các phương pháp chế tạo hiện đại đã được áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là phối trộn vật lý kết hợp với năng lượng nhiệt. Phương pháp này giúp cải thiện sự phân tán của hạt gypsum trong nhựa nền, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh tỷ lệ hạt gypsum và nhựa nền có thể ảnh hưởng lớn đến các tính chất của vật liệu cuối cùng.

3.1. Quy trình chế tạo vật liệu compozit

Quy trình chế tạo vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum bao gồm các bước như chuẩn bị hạt gypsum, biến tính bề mặt, và phối trộn với nhựa nền. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian trộn và tỷ lệ hạt gypsum cần được tối ưu hóa để đạt được sản phẩm có tính chất tốt nhất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hạt gypsum biến tính có thể cải thiện đáng kể độ bền kéo và độ bền lão hóa nhiệt của vật liệu.

3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chất vật liệu

Các yếu tố như kích thước hạt gypsum, tỷ lệ hạt và nhựa nền, cũng như phương pháp chế tạo có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ lý của vật liệu polyme compozit. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu nhiệt của vật liệu, từ đó mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum

Vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum phế thải đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chúng có thể được sử dụng trong sản xuất gạch, vật liệu xây dựng, và các sản phẩm tiêu dùng khác. Việc sử dụng hạt gypsum không chỉ giúp cải thiện tính chất của vật liệu mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các sản phẩm từ vật liệu polyme compozit có thể đạt được các tiêu chuẩn chất lượng cao và đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum có thể được sử dụng trong ngành xây dựng để sản xuất các sản phẩm như gạch, tấm lợp, và vật liệu cách âm. Những sản phẩm này không chỉ có tính năng vượt trội mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng hạt gypsum phế thải trong xây dựng có thể góp phần vào việc phát triển bền vững cho ngành công nghiệp này.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất sản phẩm tiêu dùng

Ngoài ngành xây dựng, vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum còn có thể được ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm tiêu dùng như đồ gia dụng, bao bì, và các sản phẩm nhựa khác. Việc sử dụng hạt gypsum phế thải không chỉ giúp cải thiện tính chất của sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải trong chế tạo vật liệu polyme compozit đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Việc tái chế hạt gypsum không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại giá trị kinh tế cao. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong công nghệ chế tạo. Các nhà khoa học cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của vật liệu polyme compozit từ hạt gypsum phế thải.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp biến tính hạt gypsum hiệu quả hơn, cũng như nghiên cứu các ứng dụng mới cho vật liệu polyme compozit. Việc kết hợp với các công nghệ mới như công nghệ nano có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp vật liệu

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải có thể tạo ra những thay đổi tích cực trong ngành công nghiệp vật liệu, từ việc giảm thiểu ô nhiễm đến việc nâng cao hiệu quả sản xuất. Điều này không chỉ có lợi cho các doanh nghiệp mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu phân bón hiện nay, nước ta đã xây dựng hơn 10 nhà máy phân bón như Văn Điển, Lâm Thao, Ninh Bình, Hải Phòng, Long Thành sản xuất theo quy trình trích ly quặng apatit làm giàu với axit sunfuric. Công suất mỗi nhà máy từ vài trăm ngàn đến 1 triệu tấn/năm [5, 9, 15]. Hàng năm, mỗi nhà máy thải ra lượng chất thải rắn - gypsum phế thải tương đương (thành phần chủ yếu là CaSO4– ngoài ra còn có lượng nhỏ một số tạp chất khác). Gypsum là từ nguyên bản tiếng Anh, dich sang tiếng Việt có nghĩa là thạch cao, tuy nhiên, để phân biệt với thạch cao có trong tự nhiên (nhiều tạp chất pha lẫn), luận văn này giữ nguyên tên gọi gypsum trong các thí nghiệm.

Hiện nay, lượng bã thải rắn này đang được tích trữ trong các bể chứa không có mái che. Đây cũng là một nguy cơ tiềm ẩn về môi trường như: cần nhiều diện tích xây bể, khi mưa lớn hoặc thiên tai như động đất hoặc lở đất… làm bể tràn, nứt, rò rỉ nước thải chứa axit thoát ra gây hại cho các khu vực xung quanh. Mỗi năm, trên thế giới có khoảng 150 triệu tấn gypsum được xả thải ra môi trường từ các nhà máy sản xuất phân bón [23, 38, 39]. Ở Việt Nam, mỗi năm lượng phân lân nước ta cần khoảng 5 triệu tấn/năm cho nhu cầu nông nghiệp.

Cùng với đó một khối lượng tương đương gypsum phế thải được xả thải ra môi trường, riêng bãi thải gypsum tại công ty TNHH một thành viên DAP Vinachem (Tập đoàn Hóa chất & phân bón Việt Nam) ở Hải Phòng có khoảng trên 750 ngàn tấn/năm được chứa trên diện tích đất 10 ha (theo ông Vũ Văn Bằ ng – PTGĐ Cty TNHH một thành viên DAP – Vinachem). Khó khăn trong giải quyế t lươ ̣ng gypsum phế thải nói riêng và chấ t thải rắ n phát thải trong quá trin ̀ h sản xuấ t không chỉ là vấ n đề của riêng công ty DAP Đình Vũ - Hải Phòng mà đang là thực trạng chung của ngành công nghiê ̣p sản xuất phân bón Việt Nam. Vấn đề này cần có những giải pháp khoa học và công nghệ nhằm giảm tối đa ảnh hưởng của gypsum phế thải đến môi trường. Hiện nay, các nhà khoa học đã bước đầu ứng dụng thành công gypsum trong quá trình sản xuất gốm sứ vệ sinh, vật liệu xây dựng, chất phụ gia hay chất độn cho cao su và polyme.

1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Vật liệu polyme compozit với pha phân tán sử dụng các hạt vô cơ đóng vai trò chất độn hoặc chất gia cường có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ lý, nhiệt và giảm giá thành sản xuất. Các vật liệu vô cơ phổ biến là CaCO3, bột talc, bột than đen, hạt clay, bentonit. Tuy nhiên giá bán của những nguyên liệu này khá cao [21, 22, 42] nên việc sử dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu polyme compozit không chỉ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn có ý nghĩa khoa học, cải thiện độ bền của vật liệu compozit và hiệu quả kinh tế đáng kể. Một vấn đề đặt ra là các hạt gypsum (GS) có khả năng hấp thu nước cao dẫn tới sự tương tác mạnh giữa các hạt, điều này dẫn đến sự co cụm của các hạt trong quá trình chế tạo vật liệu compozit, hình thành các khuyết tật trong cấu trúc compozit.

Do đó, trước khi phân tán vào nhựa nền, bề mặt hạt GS ban đầu cần được biến tính để giảm tính ưa nước, tăng tính kỵ nước, nhờ đó làm tăng khả năng tương hợp và kết dính của hạt và nhựa nền, đặc biệt là đối với dòng polyolefin. Một số nghiên cứu biến tính hạt gypsum bởi axit stearic góp phần làm giảm ma sát trộn, cải thiện sự phân tán và độ bền nhiệt của vật liệu compozit polyvinyl clorua/gypsum [6, 31, 40]. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu tổng hợp hạt CaSO4 biến tính bởi natri dodecyl sunfat (SDS) từ canxi hydro photphat và ứng dụng để chế tạo compozit HDPE/CaSO4 biến tính đã được công bố [7]. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo đứt và độ bền lão hóa nhiệt của compozit HDPE/CaSO4 biến tính cải thiện đáng kể so với compozit sử dụng hạt CaSO4 không biến tính, nhờ sự tương tác của các nhóm hydrocacbon trong SDS với nhựa nền HDPE.

Tuy nhiên, việc tổng hợp hạt CaSO4 biến tính trực tiếp SDS không tận dụng được nguồn nguyên liệu hạt gypsum phế thải. Với mục tiêu góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tìm giải pháp khoa học sử dụng gypsum phế thải chế tạo vật liệu compozit kỹ thuật, học viên đã chọn đề tài luận văn thạc sĩ với tiêu đề: “Nghiên cứu, ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu PP/GS polyme compozit”. Trong nghiên cứu này, vật liệu polyme compozit được chế tạo với nhựa nền loại isotactic polypropylene (PP) sử dụng hạt GS biến tính và không biến tính bởi axit stearic và SDS (gypsum được cung cấp từ nhà máy DAP Đình Vũ – Hải Phòng). Biến tính hạt gypsum phế thải bằng axit stearic và SDS sử dụng phương pháp phối trộn vật lý kết hợp năng lượng nhiệt.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1. Vật liệu compozit 1. Khái niệm và tính chất [8, 12, 14, 29] Vật liệu compozit là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng là sự kết hợp của các vật liệu ban đầu. Vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha phân tán (hay gián đoạn) được phân bố trong một pha liên tục duy nhất.

Pha liên tục gọi là vật liệu nền, có vai trò liên kết các pha gián đoạn. Pha phân tán được gọi là cốt hay vật liệu gia cường được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, chống mòn, chống xước, độ bền nhiệt,. So sánh một số vật liệu compozit Tỉ lệ gia Tỉ trọng, Độ bền, Modun, Nền Gia cƣờng cƣờng, % g/cm3 MPa GPa Mạt thủy tinh 30 1,5 70 - 100 4–6 Polyeste Vải thủy tinh 60 1,7 320 - 360 8 – 13 Sợi thủy tinh 70 1,8 1100 -1500 38 – 53 Vải thủy tinh 60 1,9 300 - 600 23 – 26 Vải aramit 50 1,3 520 - 550 31- 32 Vải cacbon 60 1,6 570 - 820 72 – 100 Epoxy Sợi thủy tinh 60 1,9 1100 - 1500 39 – 42 Sợi aramit 60 1,4 1380 - 1450 72 -105 Sợi cacbon 60 1,6 1400 130 Thép 7,8 500 - 1500 210 Nhôm 2,7 100 - 800 70  Cơ tính của các vật liệu thành phần, trong đó các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu compozit có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất từng vật liệu thành phần.  Luật phân bố hình học của vật liệu cốt, khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu compozit bị phá huỷ trước hết ở những nơi có ít vật liệu cốt.

 Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ, liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Phân loại [8, 12] a) Phân loại theo hình dạng Compozit sợi, compozit vảy, compozit hạt, compozit điền đầy, compozit phiến. Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit sợi; c) Compozit phiến d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy b) Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần  Compozit nền hữu cơ (polyme compozit): nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi, hạt khoáng hoặc oxit kim loại.  Compozit nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.  Compozit nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.

Cấu tạo của vật liệu polyme compozit [8, 12] Vật liệu polyme compozit được chế tạo gồm 2 pha: pha liên tục hay polyme nền và pha phân tán (chất gia cường hay chất độn). a) Polyme nền: Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền.

 Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PS, ABS, PVC,… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy.  Nhựa nhiệt rắn: PU, UF, Epoxy, Polyeste, không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với Epoxy và Polyeste không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay. Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. b) Chất độn (cốt): Mục tiêu:  Tăng khả năng chịu được va đập, giãn nở cao, khả năng cách âm tốt, tính chiụ ma sát - mài mòn, độ nén, độ uốn dẻo và độ đứt cao, khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axit…  Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hóa, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường.

 Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.  Giảm giá thành. Tùy thuộc vào yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn:  Độn dạng sợi: Sợi có tính năng cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên, sợi có giá thành cao hơn, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi Cacbua Silic, sợi amit…  Độn dạng hạt: thường được sử dụng là: BaSO4, CaSO4, CuS, CdS, Silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, cao lanh, đất sét, graphite, cacbon, bột tale, hay graphite,… 1.

Ứng dụng của vật liệu compozit [12] Compozit sợi cacbon sử dụng để chế tạo than vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ, chế tạo các loại ăngten, đặc biệt ăngten cho tàu vũ trụ, chế tạo các thiết bị y tế, các bộ phận thay thế như: xương, vỏ sọ não, chế tạo các thiết bị thể thao như: khung xe đạp đua, vợt các loại, thuyền buồm, cán và cánh cung, chế tạo ống dẫn, các loại 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] máy bơm,… compozit sợi Bor được sử dụng trong các chi tiết hang không, của kĩ thuật tên lửa vũ trụ như các dầm, khung panen, các sống dọc của phần chịu lực.