Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát chung về vật liệu gỗ nhựa 1. Giới thiệu chung Nhựa Gỗ (WPC – Wood Plastic Composite) là một loại nguyên liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa. Ngoài nhựa và bột gỗ, WPC còn có thể chứa một số chất phụ gia làm đầy có gốc cellulose hoặc vô cơ.
Do đó, WPC còn có thể được gọi là vật liệu composite nhựa sợi tự nhiên hay sợi tự nhiên được gia cường bằng nhựa.1: Nguyên liệu chính hình thành nên WPC 4 Trong những năm gần đây, WPC được nghiên cứu thành công tại Mỹ và đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Thụy điển, Nga, Trung Quốc. WPC có nhiều ứng dụng trên thị trường, đặc biệt là sử dụng làm vật liệu thô. Nhựa gỗ được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình ngoài trời như lãnh vực ván sàn ngoài trời, ngoài ra còn có thể ứng dụng làm lan can, hàng rào ngoài trời, gỗ trang trí, tấm chắn, ghế công viên, khung bao cửa và cửa sổ,. hoặc có thể làm đồ gỗ nội ngoại thất.
Các nhà sản xuất khẳng định nhựa gỗ thân thiện môi trường hơn, và tốn ít chi phí bảo trì hơn các loại gỗ rắn xử lý khác. Ngoài bị nứt nẻ, bị rạn, các loại gỗ rẵn xử lý này còn có thể bị mối mọt, mục rữa nhanh do môi trường ẩm ướt bên ngoài. Những lợi thế của WPC so với các vật liệu khác như ván dăm, ván sợi là có thể tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau và hoàn toàn có thể tái chế sử dụng.2: Ứng dụng WPC trang trí ngoài trời 5 Hình 1.3: Ứng dụng WPC lót nền Hình 1.4: Ứng dụng WPC hàng rào lang can Hình 1.5: Ứng dụng WPC làm ghế 6 Hình 1.6: Ứng dụng WPC trang trí nội thất Nhựa gỗ hiện vẫn là một loại vật liệu rất mới so với lịch sử phát triển lâu dài của gỗ tự nhiên trong ứng dụng làm vật liệu xây dựng, nhưng nó có thể thay thế gỗ trong hầu hết trường hợp không chịu lực (non-structural). Nhựa gỗ được hình thành từ gỗ, (như mùn cưa, sợi bột giấy, vỏ đậu phộng, tre nứa, trấu, .) và nhựa (có thể sử dụng nhựa HDPE, PVC, PP, ABS, PS,.
Bột nhựa gỗ được trồn đều, đồng nhất, sau đó được đùn hoặc ép thành các hình dạng theo yêu cầu. Các phụ gia như chất tạo màu, chất tạo nối, chất ổn định, chất gia cường, chất tạo nổi,. sẽ giúp cho sản phẩm cuối cùng phù hợp cho nhiều hướng ứng dụng.7: Hỗn hợp nhựa WPC 7 Một lợi thế lớn của gỗ - nhựa so với gỗ là khả năng có thể tạo hình thành hầu hết các hình dạng không gian theo yêu cầu. Nó dễ dàng uốn, và cố định để tạo thành các đường cong lớn.
Do sự kết hợp trong quá trình sản xuất, nhựa gỗ vừa có tính chất như gỗ: Có thể gia công bằng các công cụ mộc truyền thống. Đồng thời, nhựa gỗ vừa có tính chất như nhựa: Khả năng chống ẩm và chống mục nát, mặc dù độ cứng chắc không bằng gỗ thường, và có thể hơi biến dạng trong môi trường thời tiết cực nóng. Sản xuất các vật liệu thành phần bao gồm bột gỗ và nhựa là bước đầu trong quá trình hình thành sản phẩm WPC. Trong bước tiếp theo, bột gỗ hoặc sợi gỗ được kết hợp với nhiệt dẻo nóng chảy để tạo nên một hỗn hợp đồng nhất.
Hai phương pháp phổ biến để sản xuất WPC là đùn và đúc áp lực. Ưu – nhược điểm của composite gỗ - nhựa 1. Ưu điểm + Dễ bảo quản - có thể được sơn hoặc nhuộm màu (nếu cần thiết). + Khả năng chống ẩm tốt.
+ Thân thiện với môi trường - sử dụng vật liệu tái chế và bản thân chúng có thể tái chế được. + Có thể được gia công và lắp ghép giống như gỗ. + Không cần bảo trì thường xuyên. Nhược điểm + Giá thành cao hơn các sản phẩm tương tự sản xuất từ các vật liệu khác + Nặng hơn gỗ hơn 2 lần (Tỷ trọng của WPC là 0,95-1,46 và gỗ là 0,35-0,5949).
+ WPC dễ phân hủy, mức độ phụ thuộc vào tỉ lệ gỗ (ví dụ như bị nấm móc khi không sử dụng chất bảo quản). 8 + Bị lão hóa bởi tia cực tím khi ứng dụng ngoài trời. Tình hình sản xuất và phát triển của ngành công nghiệp gỗ nhựa 1. Trên thế giới Composite gỗ nhựa đã được sử dụng ở Mỹ từ lâu.
Mặc dù, nó chỉ mới phát triển mạnh trong những năm gần đây. Trong đó, tấm panel trước của xe hơi bằng WPC là một trong những ứng dụng đầu tiên của loại vật liệu này. Trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay thì việc bảo vệ rừng là việc làm chung của cả thế giới. Muốn bảo vệ rừng hiệu quả thì chúng ta cần phải tìm ra một vật liệu có thể thay thế được cho gỗ tự nhiên và WPC là sự thay thế tốt nhất.
Vào những trước năm 90, thị trường WPC ở Mỹ đã phát triển một cách ấn tượng với tốc độ tăng trưởng gấp đôi hàng năm do những đặc tính về chi phí bảo dưỡng thấp, chống lại sự tác động của môi trường, chi phí sản xuất thấp hơn, … Hiện nay, WPC vẫn chỉ chiếm một phần nhỏ trong ngành công nghiệp gỗ nhưng nó vẫn đang phát triển với tốc độ rất nhanh. Do giá thành sản xuất giảm và đặc tính của WPC không ngừng được nâng cao ngày càng có thể thay thế gần như hoàn toàn gỗ tự nhiên. Hiện nay, WPC được sử dụng ở nhiều quốc gia như: Nhật, Mỹ, Phần Lan, Đức, Trung Quốc, … Mà điển hình là thị trường Mỹ 9 Bảng 1. Nhu cầu WPC ở Mỹ (USD) Năm 1992 1996 2001 2006 2011 Nền và sàn 97 195 410 990 2485 Trang Trí 115 218 330 430 580 Hàng rào chắn 12 55 160 315 560 Hệ thống cửa 1 15 65 135 240 Ứng dụng khác 47 75 105 170 245 Tổng nhu cầu 272 558 1070 1950 4110 Hình 1.8: Biểu đồ nhu cầu sản phẩm gỗ nhựa theo các năm 1.
Ở Việt Nam Hàng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nước ta phải nhập khẩu từ 3.5 - 4 triệu m3 gỗ tròn. Trong khi đó lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu, kích thước tạo sản phẩm, công suất thiết bị và 10 thường chiếm tỷ trọng từ 45-63% thể tích nguyên liệu. Như vậy có thể thấy lượng phế liệu gỗ rất lớn và hiện nay sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu gỗ này nhằm nâng cao tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu đồng thời bảo vệ được môi trường.
Phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa của đồ dùng trong sinh hoạt rất đa dạng và phong phú. Phế liệu này chủ yếu có nguồn gốc từ Polypropylen (PP), Polyethylene (PE) và Polyvinyl cloride (PVC). Số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải trong toàn quốc chưa được thực hiện, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của viện vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội là khá cao (từ 7 đến 8%). Nếu tính lượng rác thải trung bình của Hà Nội là 18.000 tấn/ngày thì mỗi ngày Hà Nội thải ra khoảng trên 120 tấn nhựa phế thải.
Nguồn nguyên liệu (phế liệu chất dẻo và phế liệu gỗ) để sản xuất vật liệu WPC có tiềm năng rất lớn. Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu WPC ở Việt Nam còn ít được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất. Do đó việc nghiên cứu tạo vật liệu WPC ở nước ta có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra xu hướng mới trong sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ và tạo vật liệu mới thay thế gỗ tự nhiên trong xây dựng và nội thất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường. Các công trình nghiên cứu về gỗ - nhựa 1.
Trên thế giới Tại một số quốc gia, vật liệu phức hợp gỗ nhựa được đưa vào ứng dụng từ những năm giữa thế kỷ 20. Thập niên 80 của thể kỷ 20 Italia tạo vật liệu hỗn hợp sử dụng 50% bột gỗ và 50% nhựa pp được gọi là wood-stock. Vật liệu phức hợp gỗ nhựa có các ưu thế như giá thành rẻ, cường độ tốt, độ cứng cao, được hãng ôtô Ford sử dụng trong đồ nội thất ô tô, đến nay đã được sử 11 dụng rộng rãi. Năm 2004 khi mà châu âu và Nhật bản đóng cửa rừng thì sản phẩm gỗ nhựa là sản phẩm thay thế số 1 cho vật liệu gỗ tự nhiên.
Những năm 90 của thế kỷ 20 thì sợi thực vật kết hợp với vật liệu nhựa hình thành lên vật liệu phức hợp gỗ nhựa là sản phẩm lựa chọn hàng đầu, đây là giai đoạn đưa sản phẩm ứng dụng vào thực tế, nhưng sản phẩm chủ yếu được ứng dụng vào tạo ván, đóng thùng…Những năm gần đây trên thế giới kỹ thuật sản xuất các sản phẩm từ vật liệu gỗ nhựa phát triển lên một tầm cao mới, bổ xung phát triển thành phần bột gỗ làm biến tính vật liệu nhựa. Tại Nhật bản sản phẩm nổi tiếng là “Tình yêu với gỗ” là một ví dụ cụ thể; công ty Xiede của canada phát triển và sản xuất các sản phẩm từ vật liệu phức hợp gỗ nhựa(sử dụng phương pháp phun và phương pháp nén áp); tại Autralia, Hàn quốc đều có các công ty sản xuất từ vật liệu này. Vật liệu phức hợp gỗ đã trở thành một ngành công nghiệp phát đạt tại châu Âu, điển hình là sử dụng nội thất xe hơi, như tại Mỹ có tập Ford, GM; tại Đức thì có Volkswagen; Audi, Nhật bản có Toyota, Honda, Nisan các hãng xe đều sử dụng vật liệu phức hợp gỗ nhựa trong làm ván cửa trước, cửa sau và làm giá đỡ, hộp đựng hành lý với những ứng dụng khác nhau. Năm 2004, chỉ tính riêng tại Mỹ vật liệu WPC sử dụng trong xây dựng đã chiếm tỷ lệ 15% -20% trong tổng số các loại vật liệu gỗ.
Lĩnh vực sử dụng vật liệu composite gỗ-nhựa rất rộng rãi: làm ván sàn, ván ốp tường, ván phủ mặt, khung cửa sổ, cửa đi, đồ dùng ngoài trời, sàn tàu, khung cửa sổ, cửa đi, các chi tiết mộc, trang trí, dụng cụ thể thao… Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.