Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu pp gs polyme compozit

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải trong chế tạo vật liệu pp gs polyme compozit, mở ra hướng đi mới cho ngành vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Quang Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Giang
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• 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
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 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. Công thức cấu tạo
• 1.5.3. Một số tính chất

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum trong vật liệu polyme

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum trong vật liệu polyme đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu. Hạt gypsum phế thải từ các nhà máy sản xuất phân bón không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn có thể được tái sử dụng để chế tạo các vật liệu polyme composite. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phân tích các tính chất của hạt gypsum và ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu polyme.

1.1. Hạt gypsum và tính chất của chúng

Hạt gypsum (CaSO4) có nhiều tính chất đặc biệt như khả năng hấp thụ nước cao và tính tương tác mạnh với các loại nhựa. Những tính chất này có thể ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và tính chất cuối cùng của vật liệu polyme composite. Việc biến tính hạt gypsum bằng các chất như axit stearic và SDS giúp cải thiện khả năng phân tán và độ bền của vật liệu.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hạt gypsum trong vật liệu polyme

Việc sử dụng hạt gypsum phế thải trong chế tạo vật liệu polyme không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế. Hạt gypsum có thể thay thế cho các chất độn đắt tiền khác, từ đó giảm giá thành sản xuất và cải thiện tính chất cơ lý của sản phẩm cuối cùng.

II. Thách thức trong việc ứng dụng hạt gypsum vào vật liệu polyme

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng hạt gypsum vào vật liệu polyme cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng hấp thụ nước của hạt gypsum, dẫn đến sự co cụm và hình thành khuyết tật trong cấu trúc vật liệu. Ngoài ra, việc biến tính hạt gypsum cũng cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính tương hợp với nhựa nền.

2.1. Vấn đề hấp thụ nước của hạt gypsum

Hạt gypsum có khả năng hấp thụ nước cao, điều này có thể dẫn đến sự tương tác mạnh giữa các hạt trong quá trình chế tạo vật liệu polyme composite. Sự co cụm của các hạt có thể tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc, ảnh hưởng đến độ bền và tính chất cơ lý của sản phẩm.

2.2. Cần thiết phải biến tính hạt gypsum

Để cải thiện khả năng tương hợp và kết dính của hạt gypsum với nhựa nền, việc biến tính hạt là rất cần thiết. Các phương pháp biến tính như sử dụng axit stearic và SDS đã được nghiên cứu và cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện tính chất của vật liệu polyme composite.

III. Phương pháp biến tính hạt gypsum trong vật liệu polyme

Phương pháp biến tính hạt gypsum là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện tính chất của vật liệu polyme composite. Việc sử dụng axit stearic và SDS để biến tính hạt gypsum đã được chứng minh là hiệu quả trong việc giảm ma sát trộn và cải thiện sự phân tán của hạt trong nhựa nền.

3.1. Phương pháp biến tính bằng axit stearic

Biến tính hạt gypsum bằng axit stearic giúp làm giảm tính ưa nước của hạt, từ đó tăng khả năng tương hợp với nhựa nền. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền và tính chất cơ lý của vật liệu.

3.2. Phương pháp biến tính bằng SDS

SDS là một chất hoạt động bề mặt có khả năng làm giảm sức căng bề mặt, giúp cải thiện khả năng phân tán của hạt gypsum trong nhựa nền. Việc sử dụng SDS trong quá trình chế tạo vật liệu polyme composite đã cho thấy sự cải thiện về độ bền kéo đứt và độ bền lão hóa nhiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu polyme composite chứa hạt gypsum

Vật liệu polyme composite chứa hạt gypsum đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xây dựng đến sản xuất đồ dùng hàng ngày. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hạt gypsum không chỉ cải thiện tính chất cơ lý mà còn giảm giá thành sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Vật liệu polyme composite chứa hạt gypsum có thể được sử dụng trong các ứng dụng xây dựng như tấm ốp tường, vật liệu cách âm và cách nhiệt. Những sản phẩm này không chỉ có độ bền cao mà còn thân thiện với môi trường.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất đồ dùng hàng ngày

Ngoài ngành xây dựng, vật liệu polyme composite chứa hạt gypsum còn được ứng dụng trong sản xuất đồ dùng hàng ngày như bao bì, đồ chơi và các sản phẩm tiêu dùng khác. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho nhà sản xuất.

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

Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum trong vật liệu polyme đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc tái sử dụng chất thải và cải thiện tính chất của vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp sáng tạo trong việc phát triển vật liệu mới, thân thiện với môi trường.

5.1. Tương lai của vật liệu polyme composite

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về vật liệu thân thiện với môi trường, việc nghiên cứu và ứng dụng hạt gypsum trong vật liệu polyme composite sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu này.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp biến tính hạt gypsum và ảnh hưởng của chúng đến tính chất của vật liệu polyme composite. Đồng thời, việc mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực khác cũng cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp phân bón tại Việt Nam, lượng gypsum phế thải phát sinh hàng năm ước tính tương đương khoảng 5 triệu tấn, chủ yếu từ các nhà máy như DAP Đình Vũ, Hải Phòng. Gypsum phế thải, thành phần chính là CaSO4.2H2O, chứa nhiều tạp chất và axit dư, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý đúng cách. Việc tích trữ gypsum trong các bể chứa không có mái che dẫn đến nguy cơ rò rỉ axit, ảnh hưởng đến đất đai, nguồn nước và sinh vật xung quanh. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng khoa học và công nghệ để biến gypsum phế thải thành vật liệu polyme compozit kỹ thuật, cụ thể là chế tạo vật liệu PP/GS (polypropylen/gypsum) nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị sử dụng của gypsum phế thải. Nghiên cứu tập trung vào biến tính hạt gypsum bằng axit stearic và natri dodecyl sulfat (SDS) để cải thiện tính tương hợp với nhựa nền isotactic polypropylene (PP), khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt và phương pháp biến tính đến tính chất cơ lý, nhiệt và điện của vật liệu compozit. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam, sử dụng gypsum phế thải từ nhà máy DAP Vinachem Đình Vũ, với thời gian nghiên cứu từ năm 2012 đến 2013. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu compozit thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí sản xuất và góp phần xử lý hiệu quả lượng gypsum phế thải lớn hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu compozit, trong đó vật liệu compozit là sự kết hợp của pha liên tục (nhựa nền) và pha phân tán (chất độn hoặc gia cường). Nhựa nền sử dụng là isotactic polypropylene (PP) – một loại nhựa nhiệt dẻo có tính bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt và khả năng chống hóa chất. Pha phân tán là hạt gypsum phế thải (CaSO4.2H2O) được biến tính để tăng tính kỵ nước, giảm hấp thu nước và cải thiện tương hợp với nhựa nền. Hai phương pháp biến tính chính được áp dụng là biến tính bằng axit stearic và natri dodecyl sulfat (SDS) – chất hoạt động bề mặt giúp tăng cường liên kết giữa hạt gypsum và nhựa PP. Các khái niệm chính bao gồm: mô men xoắn trong lưu biến trạng thái nóng chảy, độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi, độ bền mài mòn, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), và các tính chất điện môi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là gypsum phế thải lấy từ nhà máy DAP Vinachem Đình Vũ, Hải Phòng. Hạt gypsum được xử lý trung hòa axit, sấy khô, nghiền và sàng lọc theo kích thước 0,125 mm, 0,25 mm và 0,5 mm. Biến tính hạt gypsum thực hiện theo hai phương pháp: (1) trộn nóng chảy với 4% axit stearic hoặc 4% SDS ở nhiệt độ 60-206°C trong 2 giờ, sau đó rửa sạch và sấy khô; (2) trộn trực tiếp hạt gypsum, axit stearic hoặc SDS với nhựa PP trong thiết bị trộn nội hai trục vít ở 180°C trong 5 phút. Vật liệu compozit PP/GS được chế tạo với các hàm lượng gypsum từ 5% đến 25%. Các phương pháp phân tích bao gồm: đo lưu biến trạng thái nóng chảy trên máy Haake Rheomix 610 để xác định mô men xoắn; xác định tính chất cơ học (độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi, độ dãn dài khi đứt) trên máy kéo đứt WMP theo tiêu chuẩn ASTM D638; đo độ bền mài mòn trên máy Taber KFG-2061 theo tiêu chuẩn ISO 9352; phân tích FT-IR để xác định nhóm chức trên bề mặt hạt gypsum; phân tích TGA để đánh giá độ bền nhiệt; khảo sát tính chất điện môi và khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL-94; thử nghiệm lão hóa quang nhiệt UV-CON theo tiêu chuẩn ASTM D4587-4595. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu compozit với các kích thước hạt và hàm lượng gypsum khác nhau, được chọn ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ xử lý nguyên liệu đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng kích thước hạt gypsum đến lưu biến và tính chất cơ lý: Mô men xoắn cân bằng của vật liệu compozit PP/OG giảm khi kích thước hạt gypsum nhỏ hơn. Cụ thể, với hạt lọt sàng 0,125 mm, mô men xoắn cân bằng đạt khoảng 3,88 Nm ở hàm lượng 20%, thấp hơn so với hạt 0,25 mm (4,02 Nm) và 0,5 mm (4,3 Nm). Tính chất cơ học cũng cải thiện rõ rệt với hạt nhỏ: độ bền kéo đứt đạt 30,25 MPa và độ dãn dài khi đứt 27,3% ở 10% hàm lượng gypsum, cao hơn so với các kích thước lớn hơn. Mô đun đàn hồi tăng khoảng 1,4 lần khi hàm lượng gypsum tăng lên 20%, phản ánh độ cứng tăng.
2. Hiệu quả biến tính hạt gypsum bằng axit stearic và SDS: Phổ FT-IR cho thấy sự xuất hiện các nhóm hidrocacbon đặc trưng của axit stearic và SDS trên bề mặt gypsum biến tính, chứng tỏ quá trình biến tính thành công. Phân tích TGA cho thấy gypsum biến tính SDS (DG-2B) có sự mất khối lượng nhỏ hơn do tái hút ẩm tốt hơn và có thêm thành phần SDS phân hủy ở 580-660°C. Mô men xoắn cân bằng của vật liệu compozit PP/SG và PP/DG giảm so với PP/OG, cho thấy biến tính giúp giảm ma sát trong quá trình gia công.
3. Tính chất cơ học và điện môi của vật liệu compozit PP/GS: Vật liệu compozit với gypsum biến tính có độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi cao hơn so với vật liệu sử dụng gypsum chưa biến tính. Độ bền mài mòn cũng được cải thiện đáng kể, với lượng tiêu hao giảm khoảng 15-20% so với mẫu không biến tính. Các thông số điện môi như hằng số điện môi và điện trở suất khối được cải thiện, cho thấy sự phân tán và liên kết tốt hơn giữa hạt gypsum và nhựa nền.
4. Khả năng chống cháy và lão hóa: Vật liệu compozit PP/GS đạt tiêu chuẩn UL-94 HB với tốc độ cháy không vượt quá 40 mm/phút ở bề dày 3 mm. Thử nghiệm lão hóa quang nhiệt UV-CON cho thấy vật liệu biến tính có độ bền kéo đứt còn lại sau 21 chu kỳ thử nghiệm cao hơn khoảng 10% so với vật liệu không biến tính, đồng thời sự thay đổi màu sắc (∆E*) thấp hơn, chứng tỏ khả năng chống lão hóa tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt gypsum nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện sự phân tán trong nhựa PP, giảm ma sát nội tại trong quá trình trộn nóng chảy, từ đó giảm mô men xoắn và tăng tính dễ gia công. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu compozit hạt, cho thấy kích thước hạt nhỏ giúp tăng cường tính chất cơ học và nhiệt. Biến tính hạt gypsum bằng axit stearic và SDS làm tăng tính kỵ nước, giảm hấp thu nước, cải thiện tương hợp với nhựa nền PP – điều này được xác nhận qua phổ FT-IR và TGA. Sự cải thiện tính chất cơ học và điện môi của vật liệu compozit PP/GS biến tính so với không biến tính cho thấy hiệu quả của phương pháp biến tính trong việc tăng cường liên kết pha phân tán và pha nền. Khả năng chống cháy và lão hóa được nâng cao nhờ sự phân tán đồng đều và liên kết chắc chắn giữa hạt gypsum và nhựa PP, giúp vật liệu bền hơn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ mô men xoắn theo thời gian, bảng so sánh tính chất cơ học và điện môi giữa các mẫu, cũng như đồ thị thay đổi màu sắc ∆E* theo chu kỳ thử nghiệm UV.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng hạt gypsum kích thước nhỏ (0,125 mm) trong sản xuất vật liệu compozit PP/GS: Động từ hành động là "ưu tiên sử dụng" để tối ưu hóa tính chất cơ học và giảm ma sát gia công. Thời gian áp dụng trong vòng 1 năm, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất vật liệu compozit và nhà máy phân bón có bãi thải gypsum.
2. Triển khai biến tính hạt gypsum bằng axit stearic và SDS: Đề xuất "áp dụng quy trình biến tính" nhằm tăng tính tương hợp và độ bền vật liệu. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, chủ thể là các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.
3. Phát triển dây chuyền sản xuất vật liệu compozit PP/GS quy mô công nghiệp: Động từ "xây dựng" nhằm tận dụng nguồn gypsum phế thải, giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí nguyên liệu. Thời gian 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp công nghiệp và nhà đầu tư.
4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân: Động từ "tổ chức" các khóa đào tạo về công nghệ biến tính và chế tạo vật liệu compozit. Thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.
5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về cải tiến vật liệu và ứng dụng mở rộng: Động từ "khuyến khích" các đề tài nghiên cứu về vật liệu compozit từ gypsum phế thải, mở rộng sang các loại nhựa khác và ứng dụng trong xây dựng, ô tô, điện tử. Thời gian dài hạn, chủ thể là các cơ quan quản lý khoa học và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường, Vật liệu: Giúp hiểu rõ quy trình biến tính hạt gypsum và chế tạo vật liệu compozit PP/GS, áp dụng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit và nhựa kỹ thuật: Cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.
3. Các nhà quản lý môi trường và chính sách công nghiệp: Tham khảo giải pháp xử lý gypsum phế thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy phát triển công nghiệp xanh.
4. Cơ sở đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Là tài liệu tham khảo cho giảng dạy, đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư trong lĩnh vực vật liệu compozit và xử lý chất thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Gypsum phế thải là gì và tại sao cần xử lý?
   Gypsum phế thải là sản phẩm phụ từ sản xuất phân lân, chứa chủ yếu CaSO4.2H2O và tạp chất axit. Nếu không xử lý, nó gây ô nhiễm đất, nước và không khí do rò rỉ axit và phát tán bụi. Ví dụ, tại nhà máy DAP Đình Vũ, nước thải tràn đã làm chết cá hàng loạt.

2. Tại sao phải biến tính hạt gypsum trước khi chế tạo vật liệu compozit?
   Hạt gypsum có tính hút nước cao, dễ kết cụm gây khuyết tật trong vật liệu. Biến tính bằng axit stearic hoặc SDS làm tăng tính kỵ nước, cải thiện tương hợp với nhựa nền, giúp phân tán đồng đều và tăng độ bền cơ học.

3. Kích thước hạt gypsum ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
   Kích thước hạt nhỏ (0,125 mm) giúp giảm mô men xoắn trong quá trình gia công, tăng độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt so với hạt lớn hơn. Điều này do hạt nhỏ dễ phân tán và tương tác tốt hơn với nhựa nền.

4. Vật liệu compozit PP/GS có khả năng chống cháy và lão hóa ra sao?
   Vật liệu đạt tiêu chuẩn UL-94 HB với tốc độ cháy dưới 40 mm/phút. Sau thử nghiệm lão hóa quang nhiệt 21 chu kỳ, độ bền kéo đứt còn lại tăng khoảng 10% so với vật liệu không biến tính, đồng thời thay đổi màu sắc thấp, chứng tỏ khả năng chống lão hóa tốt.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất công nghiệp?
   Cần xây dựng dây chuyền biến tính hạt gypsum và phối trộn với nhựa PP theo quy trình đã nghiên cứu, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành. Việc này giúp tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Nghiên cứu thành công biến tính hạt gypsum phế thải bằng axit stearic và SDS, cải thiện tính tương hợp với nhựa nền PP.
• Kích thước hạt gypsum nhỏ (0,125 mm) giúp tăng tính chất cơ học và giảm mô men xoắn trong quá trình gia công.
• Vật liệu compozit PP/GS biến tính có độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi, độ bền mài mòn và khả năng chống cháy, lão hóa vượt trội so với vật liệu không biến tính.
• Giải pháp chế tạo vật liệu compozit từ gypsum phế thải góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí sản xuất vật liệu kỹ thuật.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghiệp và đào tạo kỹ thuật nhằm phát huy hiệu quả nghiên cứu trong thực tế.

Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp xây dựng dây chuyền sản xuất compozit PP/GS biến tính quy mô công nghiệp, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại nhựa và vật liệu khác.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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.