MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Mỗi năm, thế giới thải ra khoảng 300 triệu tấn rác thải nhựa, phần lớn trong số này không được xử lý và xả thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Điều này gây các hệ lụy xấu làm ô nhiễm đất và nước do các chất thải từ nhựa và nylon rất khó phân hủy trong tự nhiên. Tại Hội nghị Davos, Thụy Sĩ đã có báo cáo ước tính lượng rác thải nhựa thải xuống biển cho đến năm 2050 sẽ nhiều hơn lượng cá (tính theo trọng lượng). Nhưng phải mất hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm, các chất thải từ nhựa và nylon mới bị phân hủy.
Một điều đáng lo ngại theo thống kê, Việt Nam hiện đứng thứ 4 trên thế giới về khối lượng rác thải nhựa với mỗi năm có khoảng 730.000 tấn rác thải nhựa ra biển người Việt thải ra hàng trăm nghìn tấn rác thải nhựa mỗi năm nhưng việc tái chế chất thải nhựa vẫn chưa phát triển và tỷ lệ phân loại chất thải tại nguồn rất thấp. Một lượng lớn chất thải nhựa được chôn lấp cùng lượng rác thải sinh hoạt và một lượng lớn khác được thải trực tiếp ra môi trường. Điều đó thật khủng khiếp khi lượng chất thải trên được xả thẳng ra ngoài môi trường bởi chúng sẽ phá hủy môi trường tự nhiên, ảnh hưởng đến các lại sinh vật trong môi trường khi những hạt vi nhựa có nguồn gốc từ rác thải nhựa có thể xâm nhập và phá hủy tế bào. Để khắc phục nhược điểm này, thế giới hiện nay tập trung phát triển các loại vật liệu xanh, nguồn gốc sinh học, có khả năng tự phân hủy, tái sinh và thân thiện với môi trường, thay thế các loại polyme có nguồn gốc dầu mỏ.
Các nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường đang thu hút nhiều nhóm nghiên cứu. Trong đó, xu hướng sử dụng các loại vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên để dần thay thế các vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đang ngày càng được quan tâm. Những loại vật liệu xanh, vật liệu tái tạo có khả năng phân hủy sinh học, như poly-axit lactic (PLA), polyhydroxylbutyrat (PHB) được xem là các ứng cử viên cho hướng phát triển này. PLA là loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học cao với thời 4 gian phân hủy ngắn, vì vậy có thể tiết kiệm được nguồn năng lượng nhất định để xử lý PLA.
Đồng thời loại polyme này có độ tương thích sinh học cao, không độc hại với cơ thể người, nên được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực đặc biệt là y sinh. Hiện nay, PLA đang là sản phẩm được sản xuất và ứng dụng đại trà trong công nghiệp với giá thành rẻ hơn so với các loại nhựa phân hủy sinh học khác (2-3,2 USD/kg) với độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao. Chính vì những ưu điểm trên mà PLA được xem là sự lựa chọn hàng đầu trong các polyme sinh học có khả năng thay thế các loại polyme dầu mỏ. Tuy nhiên do độ giòn vốn có nên độ bền va đập kém khiến các ứng dụng của vật liệu PLA còn bị hạn chế.
Một sự thay thế phù hợp hơn là sử dụng các hạt gia cường vô cơ như CaCO3, hydroxyapatit, CaSO4 để cải thiện độ bền va đập, nhưng vẫn đảm bảo độ bền kéo và độ bền nhiệt của vật liệu. Việc kết hợp vật liệu PLA với thạch cao tạo ra vật liệu sinh học thân thiện môi trường với nhiều ưu điểm về tính chất cơ học cao. Đó là lý do đề tài: "Nghiên cứu chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylatic axit và thạch cao" được lựa để làm luận văn tốt nghiệp. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Tối ưu thành phần, các điều kiện công nghệ chế tạo và xác định hình thái cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit polylatic axit và thạch cao.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu mới, vật liệu thân thiện môi trường. Cụ thể vật liệu compozit thân thiện môi trường trên cơ sở PLA/thạch cao. Phạm vi nghiên cứu: Phòng thí nghiệm. Địa điểm: Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm KHCNVN).
Nội dung 1: 5 -Thu thập tài liệu tìm hiểu về cấu tạo, thành phần, điều kiện gia công, tính chất lý-hóa của PLA và thạch cao. Từ đó xây dựng tổng quan đánh giá tình hình nghiên cứu vật liệu polyme compozit PLA/thạch cao trong và ngoài nước. Nội dung 2: - Chế tạo, xử lý và biến tính thạch cao bằng ethylene bis stearamide. - Chế tạo các mẫu compozit PLA/ thạch cao với các hàm lượng thạch cao là 0%, 5%, 10%, 15%, 20% 25% về khối lượng.
- Tiến hành gia công mẫu compozit PLA với hàm lượng thạch cao khác nhau. Nội dung 3: - Kiểm tra độ bền kéo và uốn với các mẫu trên thiết bị kéo nén đa năng Zwick/Z2. - Khảo sát tính chất lưu biến nóng chảy, tính chất nhiệt và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit PLA/thạch cao. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN Nghiên cứu khả sát chế tạo vật liệu mới thân thiên với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học và tính chất cơ học cao.
Đồng thời nghiên cứu xử lý và biến tính và xử lý chất độn thạch cao phế thải giả quyết vấn đề môi trường, tăng tính ứng dụng của thạch cao phế thải là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân bón. TỔNG QUAN TÀI LIỆU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT [1,2,3] 1.1 Khái niệm Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu compozit bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục.
Pha gián đoạn thường có tính chất cơ học trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforce).2 Lịch sử hình thành Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý rằng vật liệu compozit đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống. Bởi vì khoảng 5000 năm trước Công Nguyên, người cổ đại đã tình cờ chế tạo ra vật liệu compozit để phục vụ cho cuộc sống hằng ngày ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét.
Trong cuộc sống đời thường, ít người để ý được rằng vật liệu compozit để đảm bảo được sự dãn nở trong quá trình nung gốm. Người Ai Cập đã biết sử dụng vật liệu compozit từ khoảng 5000 năm trước Công Nguyên. Sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy, tẩm pitum, sau này các thuyền đan tre trát mùn cưa và nhựa thông hay vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm compozit được áp dụng rộng dãi trong đời sống xã hội hằng ngày. Sự phát triển của vật liệu compozit đã được khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930, khi Stayer và Thomas đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thủy tinh.
Fillis và Foster sử dụng chất độn cho poly este không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho Đại chiến thế giới lần thứ hai. Năm 1950, bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu compozit là sự 7 xuất hiện nhựa epoxy và các sợi gia cường như polyeste, nilon… Từ năm 1970 đến nay, vật liệu nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự…[1] 1.3 Đặc điểm chung Vật liệu compozit là vật liệu nhiều pha. Trong vật liệu compozit có tỉ lệ, hình dạng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của compozit.
Ưu điểm của vật liệu compozit là khả năng chế tạo vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Các thành phần cốt của compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong tính chất nổi bật nhất của polyme compozit đó là tỉ trọng nhẹ, độ bền cao, dễ lắp đặt và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường hóa học, độ dẫn điện thấp [2].4 Đặc tính Cơ tính của vật liệu compozit phụ thuộc vào những đặc tính sau đây: - Cơ tính của các vật liệu thành phần: các vật liệu thành phần có cơ tính tốt vật liệu compozit cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của 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 vật liệu cốt.
Với compozit cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu. 8 - 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.5 Phân loại Phân loại theo hình dạng a) b) c) d) e) Hình 1. Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit sợi; c) Compozit phiến d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy Vật liệu compozit độn dạng sợi: Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu compozit, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn.
Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ compozit trong tên gọi. Các sản phẩm compozit dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu compozit cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu. Vật liệu compozit độn dạng hạt: Thường được sử dụng để cải thiện một 9 số tính chất cơ tính của vật liệu hoặc vật liệu nền như tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, giảm độ co ngót và giảm giá thành sản phẩm. Việc lựa chọn phương án phụ thuộc vào cơ-lý tính mà ta muốn bởi gia cường bằng dạng hạt thì tính chất cơ-lý yếu hơn so với dạng sợi.