Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu

Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu lát sàn polymer composite từ xơ da thuộc phế liệu, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Thị Mỹ Linh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hồng Phượng
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ May – Thời Trang
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ và chế tạo vật liệu lát sàn polymer composite từ xơ da thuộc phế liệu
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài khoa học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu

Nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Với sự gia tăng lượng phế thải từ ngành da giày, việc tái chế và sử dụng chúng để tạo ra các sản phẩm mới không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển quy trình công nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu, nhằm tối ưu hóa các tính chất cơ học và ứng dụng thực tiễn của sản phẩm.

1.1. Tầm quan trọng của việc tái chế xơ da thuộc

Việc tái chế xơ da thuộc không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Theo thống kê, ngành da giày Việt Nam thải ra khoảng 150 nghìn tấn chất thải rắn mỗi năm, trong đó 60% là da thuộc phế liệu. Tái chế nguồn nguyên liệu này có thể tạo ra các sản phẩm mới, giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên.

1.2. Các ứng dụng của vật liệu composite từ xơ da

Vật liệu composite từ xơ da thuộc có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, nội thất, và sản xuất đồ dùng hàng ngày. Chúng có khả năng chịu lực tốt, độ bền cao và tính thẩm mỹ, phù hợp với nhu cầu thị trường hiện đại.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu composite

Mặc dù việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như khả năng tương hợp giữa xơ da và polymer, cũng như việc phân tán đồng đều trong quá trình chế tạo là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Khó khăn trong việc phối trộn xơ da với polymer

Sự khác biệt về tính chất giữa xơ da và các loại polymer có thể gây khó khăn trong việc phối trộn. Đặc biệt, nhựa polyester không no (UPE) có độ nhớt cao, làm cho việc phân tán xơ da trong hỗn hợp trở nên khó khăn, dẫn đến giảm chất lượng của vật liệu composite.

2.2. Tác động của hàm lượng xơ da đến tính chất vật liệu

Hàm lượng xơ da trong vật liệu composite có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ bền va đập và độ bền nén. Việc sử dụng quá nhiều xơ da có thể làm giảm hiệu suất của vật liệu, trong khi hàm lượng quá thấp có thể không phát huy được lợi thế của việc tái chế.

III. Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu composite hiệu quả

Để chế tạo vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu, một quy trình nghiên cứu khoa học bài bản đã được áp dụng. Quy trình này bao gồm việc khảo sát các thông số công nghệ, phân tích tính chất cơ học và đề xuất quy trình chế tạo phù hợp.

3.1. Quy trình chế tạo vật liệu composite

Quy trình chế tạo bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, phối trộn xơ da với nhựa UPE, và gia công thành phẩm. Các thông số như nồng độ UPE, hàm lượng chất đóng rắn và tỷ lệ phối trộn xơ da với các vật liệu gia cường khác được tối ưu hóa để đạt được sản phẩm có chất lượng tốt nhất.

3.2. Phân tích tính chất cơ học của vật liệu

Các tính chất cơ học của vật liệu composite được đánh giá thông qua các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn như độ bền kéo, độ bền va đập và độ bền nén. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn xơ da và các vật liệu gia cường có thể cải thiện đáng kể các tính chất này.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng xơ da thuộc phế liệu để chế tạo vật liệu composite có thể đạt được các tính chất cơ học tương đối tốt. Mẫu vật liệu composite với tỷ lệ phối trộn xơ da và sợi thủy tinh 50/50 cho thấy độ bền cơ học và phân bố pha tốt nhất, mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng trong công nghiệp.

4.1. Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Các mẫu vật liệu composite được chế tạo và thử nghiệm cho thấy tính chất cơ học đạt yêu cầu. Điều kiện chế tạo tối ưu được xác định là UPE 60%, MEKP 1% và xơ da 7%, đảm bảo sản phẩm có độ bền cao và thời gian gia công hợp lý.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất ván lát sàn

Vật liệu composite từ xơ da thuộc có thể được ứng dụng trong sản xuất ván lát sàn, đáp ứng nhu cầu thị trường về sản phẩm thân thiện với môi trường. Việc phát triển sản phẩm này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra giá trị kinh tế cho ngành công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Việc tái chế và sử dụng xơ da không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều ứng dụng mới.

5.1. Tương lai của vật liệu composite từ xơ da

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về sản phẩm thân thiện với môi trường, vật liệu composite từ xơ da thuộc phế liệu sẽ có nhiều cơ hội để phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện quy trình chế tạo, tối ưu hóa các thông số công nghệ và mở rộng ứng dụng của vật liệu composite trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, nội thất và sản xuất đồ dùng hàng ngày.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trên toàn thế giới có khoảng 600.000 tấn chất thải rắn mỗi năm được tạo ra bởi ngành công nghiệp giầy da, trong đó 70% là giầy dép có nguồn gốc từ da [2]. Bên cạnh việc thải vào môi trường chất thải rắn trong quá trình sản xuất, hàng năm có hàng nghìn tấn sản phẩm da giầy đã qua sử dụng được thải vào môi trường. Cho đến nay nước ta chưa có giải pháp xử lý chất thải rắn cho ngành da giầy.

Các cơ sở sản xuất da giầy thường thuê các công ty môi trường vận chuyển đến các bãi rác để chôn lấp hoặc đốt. Rác thải rắn ngành da giầy (phần lớn là các loại vật liệu tổng hợp) là các chất khó tiêu hủy (tồn tại lâu) khi bị chôn lấp. Khi xử lý chúng bằng phương pháp đốt sinh ra nhiều loại hơi khí độc hại cho môi trường, đặc biệt là các khi đốt cao su và chất dẻo. Do vậy lượng chất thải rắn từ da thuộc chiếm tỷ phần lớn trong tổng lượng chất thải rắn ngành Da giầy.

Trong sản xuất sản phẩm da giầy không tránh khỏi lượng phế liệu rắn của ngành Da giầy. Lượng phế liệu tạo ra do không thể sử dụng hữu ích 100% diện tích vật liệu. Do nhiều nguyên nhân khác nhau mà tỷ lệ tận dụng da thuộc nguyên liệu trong các quá trình sản xuất giầy chỉ chiếm khoảng 70 - 80%. Đồng nghĩa với việc một lượng lớn da thuộc đã trở thành phế liệu, gây lãng phí nguyên liệu, tạo ra lượng chất thải rắn lớn[10,11].

Đã có nhiều phương án được đưa ra như: giảm nguồn sử dụng các sản phẩm da giầy, tái chế, phục hồi các sản phẩm, hay kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra một vật liệu mới. Sản phẩm lát sàn polymer composite sử dụng xơ da thuộc phế liệu của ngành công nghệ sản xuất giày chính là tận dụng nguồn phế thải trong công nghiệp để tái chế và tái sử dụng chúng thành vật liệu mới hữu dụng trong cuộc sống. Xơ da thuộc là dạng xơ mềm, nhẹ, xốp được dùng như vật liệu nền để gia cường trong vật liệu composite. Các sản phẩm sau sử dụng của sản xuất giầy dép, hoặc các sản phẩm giầy dép bị hư hỏng trong sản xuất bị thải bỏ ra ngoài môi trường là rất nhiều, vòng đời sử dụng của sản phẩm này là tương đối ngắn nên lượng rác thải là cực lớn.

Việc tái chế và tìm hướng xử lí rác thải là một vấn đề lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu. Một trong các 1 hướng giải quyết chúng là tận dụng và tái sử dụng lại nguồn nguyên liệu da thuộc bị thải bỏ ngay sau quá trình sản xuất giầy dép để tạo thành vật liệu mới an toàn, thân thiện với con người và ứng dụng được vào cuộc sống. Do đó, đề tài “Nghiên cứu công nghệ và chế tạo vật liệu lát sàn polymer composite từ xơ da thuộc phế liệu” đã được lựa chọn để phát triển vật liệu polymer composite mới trên cơ sở nhựa nhiệt rắn polyeste không no (UPE) với nền xơ da thành vật liệu lát sàn đồng thời đề xuất quy trình chế tạo vật liệu mẫu polymer composite trong thực tế. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất được quy trình chế tạo vật liệu mẫu polymer composite.

Xác định được các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu Polymer composite được chế tạo từ xơ da bò cật thuộc phế liệu không nhuộm màu thu được từ các nhà máy sản xuất giầy da tại Hà Nội được phối trộn với nhựa UPE.  Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu mẫu polymer composite. Xác định cấu trúc hình thái: Quan sát sự phân bố xơ da trong mặt cắt ngang của vật liệu trên ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM.

Xác định sự biến đổi màu sắc vật liệu composite thu được theo tỷ lệ phối trộn cốt gia cường với UPE và thành phần cốt gia cường. Xác định sự ảnh hưởng của nồng độ UPE trong dung dịch ban đầu (60%, 55% và 50%), hàm lượng xơ da (7%, 9% và 10%), tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh và mùn cưa trong cốt gia cường tới độ bền cơ học của vật liệu composite và sự phân tán cốt gia cường trong vật liệu composite. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ UPE trong dung dịch ban đầu (60%, 55%, 50% và 40%) và hàm lượng chất đóng rắn MEKP (1% và 2%) với hàm lượng xơ da 7% đến thời gian đóng rắn của composite. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kế thừa các kết quả nghiên cứu đã công bố làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm.

Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất, cấu trúc hình thái của vật liệu polymer composite. Phân tích, tổng hợp và so sánh đánh giá sự ảnh hưởng của các tính chất cơ lý, cấu trúc hình thái của vật liệu polymer composite. Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu polymer composite trên cơ sở thực nghiệm lên mẫu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Cung cấp thông tin khoa học về quy trình công nghệ chế tạo mẫu composite xơ da/ UPE.

Cung cấp thông tin, kiến thức về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến vật liệu polymer composite được tạo thành. Cung cấp thông tin, kiến thức về sự thay đổi màu sắc của vật liệu polymer composite được tạo thành. Phế liệu da giầy và khả năng tái sử dụng 1.1 Giới thiệu chung về da nguyên liệu [1,12,13] Da đã được sử dụng để làm sản phẩm da từ hàng nghìn năm trước (Ở Ấn Độ 3000 năm trước Công Nguyên, Ở Ai Cập cổ đại 5000 nước trước Công Nguyên). Hiện nay trên thế giới có khoảng 9.000 nhà máy thuộc da, sản xuất trên 20 tỷ feet vuông da với giá trị 43.

Trung Quốc đang là nước sản xuất nhiều da thuộc. Các nước như Ấn Độ, Pakistan, Đài Loan, Thái Lan, Hàn Quốc và các nước châu Á khác cũng sản xuất nhiều da thuộc. Ý, Tây Ban Nha và Thổ Nhĩ Kỳ, Brazil … là các nhà sản xuất sản phẩm da chất lượng cao. Da là lớp bì của con da động vật, về cơ bản được cấu thành từ các cấu trúc xơ.

Tùy thuộc vào loại da và khối lượng, người ta chia nguyên liệu da thành 3 loại: nhỏ, lớn và heo. Nguyên liệu da nhỏ gồm có da bê (da thai bê, bê nhỏ, bê lớn), da lạc đà con, da ngựa con, da cừu, da dê. Nguyên liệu da lớn gồm có da động vật lớn có sừng (da bò con, bò đực, da bò cái, trâu, nai, bò rừng), ngựa, lạc đà, lừa, la và 1 số động vật khác (hươu, hải mã…). Có 1 số ít da được chế biến từ bộ da các động vật biển, cá và bò sát (cá voi, hải cẩu, cá mập…).

Da dùng trong ngành giầy chủ yếu được sản xuất từ bộ da của các động vật lớn có sừng (hơn 50% số lượng). Ngoài ra, hiện nay việc sử dụng da heo ngày càng phổ biến hơn trong ngành Da - Giầy. Da trâu bò chiếm 68,8% của tổng số sản phẩm da thuộc mỗi năm; da cừu 12,9%, da dê 11,6%, lợn 6,7%, da các loài động vật khác khoảng 1%. Các chỉ số đặc trưng của các bộ da động vật thông dụng trong sản xuất da giầy được thống kê trong bảng 1.1: Chỉ số của các bộ da động vật sử dụng trong ngành Da - Giầy Độ dày ở điểm Khối lượng hơi, Loại bộ da Diện tích, dm2 chuẩn H, mm Kg Da thai bê 40-50 1,2-1,5 1,2-2,5 Da bê nhỏ 70-100 1,3-2,5 1,8-3 Da bê lớn 100-160 1,5-3 Đến 10 Da bò con 120-220 2,5-3,5 10-13 Da bò đực 200-300 3,5-4,5 13-17 Da bò thiến - Nhẹ 250-350 3,5-5,5 17-25 - Nặng 400-450 3,5-5,5 Hơn 25 Da bò cái - Nhẹ 200-450 3-3,5 13-17 - Vừa ,, 3-3,5 17-25 - Nặng ,, 3,5-4,5 Hơn 25 Da thai ngựa 30-50.

1-2 Da ngựa nhỏ 80-130 1,5-2 Đến 5 Da ngựa trẻ 120-200 2-2,5 5-10 Da ngựa lớn - Nhẹ Đến 450 Đến 6,5 10-17 - Nặng ,, ,, Hơn 17 Da heo Đến 30 Đến 2 Đến 1,5 - Nhẹ 30-70 2-2,3 1,5-4 - Vừa 70-120 1,5-2,6 4-7 - Nặng Hơn 120 2,7-4 Hơn 7 Da heo thiến 180-300 … Hơn 7  Thành phần và cấu trúc hóa học của da nguyên liệu Thành phần hóa học của da nguyên liệu Xét về mặt hóa học, da gồm có 4 thành phần chính là: 1. Các chất khoáng 3. Thành phần nước: Hàm lượng nước trong da khá lớn và phụ thuộc vào hàm lượng chất béo, tuổi da, loài động vật và nhiều yếu tố khác. 5 Khi hàm lượng chất béo trong da cao thì hàm lượng nước giảm.

Da động vật ít tuổi chứa nhiều nước hơn da động vật nhiều tuổi. Trong da bò lượng nước chiếm khoảng 60%. Trong da, nước tập trung chủ yếu ở lớp trung bì (reticular). Lớp biểu bì và bạc nhạc chứa ít hơn.

Nước trong da chia thành 2 loại: - Nước tự do: Nằm giữa các khoảng trống của các sợi colagen. Nước tự do chiếm 60% toàn bộ lượng nước có trong da. Phần nước này dễ dàng bị tách ra trong quá trình bảo quản và ép nước. - Nước tham gia liên kết: Chiếm 40% toàn bộ lượng nước chứa trong da.

Chúng liên kết chặt chẽ với sợi da tạo thành một hệ keo nên người ta còn gọi là “nước keo”. Ngoài ra nước còn liên kết bằng nhiều mối liên kết khác rất bền vững, muốn tách ra phải dùng phương pháp hóa học và sấy khô. Các khoáng chất: Các chất khoáng chiếm một lượng vô cùng nhỏ, khoảng 0,5% khối lượng da. Chúng tồn tại dạng các muối vô cơ của các kim loại khác nhau như: Mn, Cu, Fe, Al, Si, Mg… Các khoáng chất này hầu như không ảnh hưởng gì đến quá trình thuộc da.

Các chất béo: Các chất béo trong da bao gồm: Các este, sáp, rượu bậc cao (10-35 chức). Hàm lượng chất béo có trong da liên quan chặt chẽ đến hàm lượng nước, phụ thuộc vào chế độ chăn nuôi, khí hậu…Các chất béo là những chất quan trọng trong da động vật. Thông thường các chất béo chứa trong lớp trung bì và lớp bạc nhạc. Các chất béo trong da là những este của các axit béo, rượu béo với H3PO4 hoặc glyceride.

Chúng thường tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp như: photpho lipid hoặc triglyceride. Ở các nước có khí hậu lạnh, các chất béo có trong da thường là những acid béo loại không no ở dạng lỏng, điển hình là axit ôlêic C17H33COOH. Ngược lại, ở các nước có khí hậu nóng, các chất béo có trong da thường chứa acid panmitic (C17H31COOH) và stearic (C17H35COOH) ở dạng rắn như sáp.