Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực xây dựng, vật liệu đóng vai trò quyết định đến chất lượng, tiến độ thi công và tuổi thọ của toàn bộ công trình. Chi phí dành cho vật liệu xây dựng thường chiếm tỷ trọng lớn, dao động từ 40% đến 60% tổng chi phí xây dựng. Các loại vật liệu truyền thống như gạch nung, bê tông thông thường, sắt, thép và gỗ tự nhiên tuy có độ bền cao nhưng lại bộc lộ nhiều nhược điểm lớn: khối lượng thể tích nặng (khối lượng riêng của gạch đỏ và bê tông thông thường từ 1.800 kg/m³ đến 2.400 kg/m³), khả năng cách âm, cách nhiệt hạn chế và quá trình sản xuất tiêu tốn nhiều tài nguyên thiên nhiên, gây áp lực lên môi trường.
Sự phát triển của khoa học vật liệu composite nền polymer đã mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu xây dựng. Với ưu điểm tỷ trọng nhẹ (khoảng 900 kg/m³ đến 1.400 kg/m³), độ bền cơ học cao, khả năng chống ăn mòn hóa chất và chống thấm nước tốt, composite kết cấu lõi xốp (cấu trúc sandwich) đang dần được ứng dụng để thay thế các vật liệu nặng truyền thống. Đồng thời, việc tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (như xơ mướp) và phế phẩm công nghiệp (như mút xốp polyurethane - PU) làm cốt gia cường và vật liệu lõi không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Từ thực tiễn đó, đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhẹ ứng dụng trong xây dựng" (Mã số khóa luận: PO.09) được thực hiện bởi sinh viên Võ Minh Quí dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thúc Bội Huyên tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:
- Tận dụng nguồn phế phẩm từ nông nghiệp (xơ mướp) và công nghiệp (xốp PU) kết hợp với nhựa nền polyester không no (UPE) để chế tạo vật liệu composite nhẹ có cấu trúc lõi xốp/sandwich ứng dụng trong xây dựng.
- Khảo sát, so sánh khối lượng thể tích và các chỉ tiêu cơ tính (độ bền uốn, độ bền nén) của vật liệu composite lõi xốp chế tạo được với các loại vật liệu truyền thống.
- Đánh giá mối tương quan giữa khối lượng, kết cấu lớp biên, cấu trúc lõi và cơ tính, đồng thời khảo sát sơ bộ giá thành sản xuất nhằm lựa chọn giải pháp vật liệu tối ưu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu composite có kết cấu lõi xốp trên cơ sở nhựa nhiệt rắn polyester không no (UPE), gia cường bằng xơ mướp xử lý hóa học, sợi thủy tinh và lõi xốp polyurethane (PU).
- Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo mẫu và kiểm tra cơ tính tĩnh trong điều kiện phòng thí nghiệm; định hướng ứng dụng làm tấm vách ngăn tường, trần nhà hoặc cửa trong công trình xây dựng dân dụng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu thuộc loại hình thực nghiệm kết hợp tổng quan tài liệu chuyên ngành vật liệu polymer và composite. Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý tương tác giữa pha nền (nhựa nhiệt rắn) và pha cốt gia cường (sợi vô cơ, sợi tự nhiên), cùng lý thuyết về kết cấu vật liệu nhẹ dạng sandwich chịu tải trọng uốn - nén.
Khung lý thuyết và vật liệu sử dụng
Hệ vật liệu và hóa chất được tác giả sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
- Nhựa nền nhiệt rắn: Nhựa polyester không no (UPE - Unsaturated Polyester Resin). Đây là sản phẩm trùng ngưng giữa acid carboxylic đa chức và polyol chứa liên kết đôi $C=C$, có ưu điểm độ cứng cao, dễ thấm ướt sợi, độ co ngót khoảng 8–10%, gia công tốt ở nhiệt độ phòng và giá thành thấp hơn so với vinylester hay epoxy.
- Hệ xúc tác và xúc tiến đóng rắn: Sử dụng chất xúc tác peroxide dạng methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) với hàm lượng 0,1–0,2% dung dịch, kết hợp chất xúc tiến kim loại naphthenic-cobalt (hàm lượng 0,002–0,02% Co kim loại) để kích hoạt phản ứng tạo gốc tự do và đóng rắn nguội; chất pha loãng/khâu mạch là monomer styrene.
- Pha cốt gia cường: Sợi tự nhiên từ phế phẩm nông nghiệp là xơ mướp (XM); sợi vô cơ thương mại là sợi thủy tinh (STT); các vật liệu phụ trợ như ván ép (VE), giấy (G) và giấy gợn sóng (GGS).
- Vật liệu lõi nhẹ: Bọt xốp polyurethane (PU foam) và các dạng cấu trúc rỗng/gợn sóng nhằm giảm tỷ trọng của tấm vật liệu.
- Chất chống dính khuôn: Sáp (wax) chống dính ngoại vi bôi trực tiếp lên bề mặt khuôn ép.
| Thành phần vật liệu |
Loại/Tên hóa chất |
Vai trò trong cấu trúc composite |
| Nhựa nền |
Polyester không no (UPE) |
Pha liên tục, truyền ứng suất, liên kết các lớp sợi và lõi |
| Chất xúc tác |
Methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) |
Khởi mào phản ứng trùng hợp gốc tự do |
| Chất xúc tiến |
Naphthenic-Cobalt |
Hạ thấp nhiệt độ phân hủy MEKP, hỗ trợ đóng rắn nguội |
| Cốt gia cường bề mặt |
Xơ mướp (XM), Sợi thủy tinh (STT) |
Chịu ứng suất kéo, uốn cho các lớp biên |
| Lớp lõi nhẹ |
Xốp Polyurethane (PU), Giấy gợn sóng |
Chịu ứng suất cắt, giảm khối lượng thể tích |
| Hóa chất xử lý sợi |
Dung dịch Natri Hydroxide (NaOH 10%) |
Tẩy tạp chất, sáp, tăng độ nhám và liên kết phân cực |
Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
- Phương pháp xử lý sơ bộ nguyên liệu: Xơ mướp tự nhiên được làm sạch, cắt định hình và xử lý biến tính bề mặt bằng cách ngâm trong dung dịch kiềm $\text{NaOH } 10%$ trong thời gian 1 giờ. Quá trình này giúp loại bỏ lớp sáp, pectin, hemicellulose và một phần lignin, từ đó làm lộ các bó sợi cellulose, tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện độ bám dính liên pha giữa sợi ưa nước và nhựa nền kỵ nước.
- Phương pháp chế tạo mẫu: Áp dụng phương pháp gia công đắp tay (Hand lay-up). Tỷ lệ khối lượng giữa nhựa nền và sợi gia cường được cố định ở mức $6:4$ (60% nhựa UPE, 40% vật liệu gia cường). Cấu trúc mẫu được chế tạo theo kết cấu sandwich gồm hai lớp biên gia cường sợi và lớp lõi xốp nhẹ ở giữa.
- Phương pháp kiểm tra cơ tính tiêu chuẩn:
- Thử nghiệm độ bền uốn 3 điểm theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D790.
- Thử nghiệm độ bền nén theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D695.
- Phương pháp phân tích hình thái và tính chất liên quan: Đề tài tham khảo và sử dụng ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt xơ mướp trước và sau xử lý; phương pháp cân khối lượng để xác định tỷ trọng; phương pháp tính toán giá thành nguyên vật liệu thực tế.
Nội dung chính theo từng chương
Khóa luận được cấu trúc thành 3 chương chính cùng phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị:
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày hệ thống lý thuyết toàn diện về khoa học vật liệu composite và vật liệu nhẹ trong ngành xây dựng:
- Khái niệm và phân loại composite: Phân loại theo hình dạng pha gia cường (composite độn dạng sợi, composite độn dạng hạt) và phân loại theo bản chất nhựa nền (nền hữu cơ, nền kim loại, nền khoáng). Phân tích chi tiết đặc tính kỹ thuật của các loại nhựa nhiệt rắn thông dụng (UPE, Vinylester, Epoxy), so sánh tính kháng hóa chất, độ bền kéo, sức bền nén và hệ số co ngót.
- Vật liệu gia cường: Khảo sát thành phần hóa học và cơ lý tính của các loại sợi tự nhiên (xơ mướp, xơ dừa, chuối, tre, bã mía, lanh, đay...) và sợi thủy tinh vô cơ (loại E, A, C, S, R). Nêu bật ưu điểm chi phí thấp, nguồn cung tái tạo của sợi tự nhiên cùng nhược điểm ưa ẩm cần khắc phục bằng biến tính hóa học.
- Hệ chất phụ gia và cơ chế đóng rắn: Trình bày vai trò của chất xúc tác peroxide (MEKP, BPO, HCH), chất xúc tiến muối kim loại (naphthenic-cobalt) và amin bậc ba, chất pha loãng khâu mạch styrene và chất róc khuôn.
- Các phương pháp gia công vật liệu composite: Phân tích quy trình, ưu điểm và hạn chế của 5 công nghệ gia công chính: đắp tay (Hand lay-up), súng phun (Spray-up), hút chân không (Vacuum bagging), quấn sợi (Filament winding) và đúc ép nóng (Hot moulding).
- Vật liệu nhẹ và kết cấu sandwich trong xây dựng: Trình bày các dạng vật liệu nhẹ (bê tông bọt, polystyrene, xốp PU, composite lõi tổ ong) và phân tích các cơ chế hư hỏng cơ học điển hình của kết cấu lõi khi chịu tải (uốn cong, võng trượt, gấp nếp, co thắt vật liệu lõi).
| Loại nhựa nhiệt rắn |
Khối lượng riêng (g/cm³) |
Sức bền kéo (MN/m²) |
Sức bền nén (MN/m²) |
Đặc điểm nổi bật |
| Polyester không no (UPE) |
1,10 – 1,46 |
42 – 91 |
90 – 250 |
Giá thành rẻ, dễ gia công ở điều kiện thường |
| Vinylester |
1,12 – 1,30 |
70 – 85 |
100 – 150 |
Kháng hóa chất và kháng nước vượt trội |
| Epoxy |
1,10 – 1,40 |
28 – 91 |
100 – 175 |
Độ bám dính rất cao, cơ tính và cách điện tốt |
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp chế tạo
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm Hóa Polymer:
- Nguyên liệu và thiết bị: Liệt kê các hóa chất gồm nhựa UPE, xúc tác MEKP, xúc tiến Cobalt, NaOH, cồn, chất chống dính khuôn; các loại sợi và lõi gồm xơ mướp, sợi thủy tinh dạng mat, ván ép, giấy gợn sóng, xốp PU; thiết bị đo uốn, đo nén và dụng cụ gia công đắp tay.
- Quy trình xử lý xơ mướp: Xơ mướp khô được làm sạch hạt, cắt thành các tấm có kích thước định sẵn, ngâm trong dung dịch $\text{NaOH } 10%$ ở nhiệt độ phòng trong 60 phút, sau đó xả sạch kiềm bằng nước cất đến pH trung tính và sấy khô ở nhiệt độ ổn định để chuẩn bị gia công.
- Quy trình chế tạo mẫu composite: Tiến hành bôi chất róc khuôn lên bề mặt khuôn phẳng; quét lớp nhựa UPE đã phối trộn chất xúc tác MEKP và xúc tiến Cobalt; xếp lớp sợi gia cường (sợi thủy tinh hoặc xơ mướp); dùng con lăn ép bọt khí và tẩm ướt nhựa; đặt tấm lõi xốp PU hoặc giấy gợn sóng; tiếp tục đắp lớp sợi biên thứ hai và lăn nhựa phủ kín. Tỷ lệ nhựa : sợi được kiểm soát ở mức 6:4. Mẫu được giữ đóng rắn ở nhiệt độ phòng trước khi tháo khuôn và gia công cắt cạnh.
- Phương pháp kiểm tra cơ tính: Tiến hành thử nghiệm uốn 3 điểm (ASTM D790) nhằm xác định độ bền uốn, mô đun đàn hồi uốn; thử nghiệm nén (ASTM D695) nhằm xác định độ bền nén và khả năng chịu tải trọng thẳng đứng của mẫu sandwich.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được từ các phép đo cơ lý tính và phân tích kinh tế:
- Khảo sát khối lượng mẫu: Các mẫu composite có cấu trúc lõi xốp PU và lõi rỗng đạt tỷ trọng nhẹ hơn rõ rệt so với mẫu composite đặc cùng kích thước và nhẹ hơn từ 40% đến 60% so với vật liệu vách xây truyền thống.
- Ảnh hưởng của loại sợi gia cường đến cơ tính: So sánh mẫu gia cường bằng sợi thủy tinh (STT) và xơ mướp (XM). Sợi thủy tinh cho độ bền uốn và độ bền nén cao nhất nhờ cường độ kéo sợi vượt trội; tuy nhiên, xơ mướp sau xử lý kiềm $10%$ cũng thể hiện cơ tính tốt, đủ điều kiện đáp ứng các tiêu chuẩn vật liệu làm vách ngăn không chịu lực kết cấu chính.
- Ảnh hưởng của lớp biên và cấu trúc lõi: Mẫu có kết cấu sandwich với hai lớp biên composite sợi thủy tinh/xơ mướp kết hợp lõi xốp PU thể hiện khả năng phân bổ ứng suất tối ưu. Lớp biên hấp thụ ứng suất kéo/uốn trong khi lớp lõi xốp PU hấp thụ ứng suất trượt và phân tán lực nén, ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định cục bộ.
- Mối tương quan khối lượng – cơ tính: Phân tích chỉ ra rằng khi chuyển từ kết cấu đặc sang kết cấu lõi xốp sandwich, độ bền riêng (tỷ số giữa độ bền cơ học và khối lượng thể tích) tăng lên đáng kể, chứng minh hiệu quả giảm tải trọng bản thân của vật liệu.
- Đánh giá giá trị kinh tế: Phân tích bảng giá thành sản xuất cho thấy việc thay thế một phần sợi thủy tinh bằng phế phẩm xơ mướp và sử dụng lõi xốp PU giúp hạ giá thành sản phẩm đáng kể so với việc sử dụng hoàn toàn composite gia cường sợi tổng hợp hoặc vật liệu gỗ công nghiệp cao cấp.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã hoàn thành các mục tiêu thực nghiệm đặt ra với những kết quả cụ thể:
- Xác định được quy trình công nghệ xử lý bề mặt xơ mướp tối ưu bằng dung dịch kiềm $\text{NaOH } 10%$ trong thời gian 1 giờ, giúp cải thiện khả năng liên kết bề mặt giữa xơ mướp tự nhiên và nhựa nhiệt rắn polyester không no.
- Chế tạo thành công các mẫu vật liệu composite nhẹ kết cấu sandwich (lớp biên gia cường xơ mướp/sợi thủy tinh, lớp lõi xốp PU trên nền nhựa UPE) bằng phương pháp đắp tay thủ công với tỷ lệ phối trộn khối lượng nhựa : sợi là $6:4$.
- Đánh giá đầy đủ chỉ tiêu cơ lý tính của vật liệu theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế: xác định độ bền uốn theo ASTM D790 và độ bền nén theo ASTM D695, chứng minh vật liệu có khối lượng thể tích nhẹ (nằm trong ngưỡng vật liệu nhẹ từ 900 đến 1.400 kg/m³, cường độ nén từ 4,0 đến 12,5 N/mm²), đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ứng dụng làm vách ngăn, tấm ốp tường hoặc trần nhà.
- Đóng góp giải pháp tận dụng hiệu quả nguồn phế phẩm nông nghiệp (xơ mướp) và công nghiệp (xốp PU) sẵn có tại Việt Nam để tạo ra sản phẩm vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, có chi phí sản xuất thấp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận đã chỉ ra một số hạn chế gắn liền với điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm:
- Hạn chế:
- Phương pháp gia công chủ yếu là đắp tay thủ công (Hand lay-up), do đó độ đồng đều về chiều dày, độ phân tán nhựa và sự tồn dư bọt khí trong mẫu phụ thuộc nhiều vào thao tác cơ học của người thực hiện; sản phẩm chỉ có một mặt phẳng nhẵn hoàn hảo.
- Nghiên cứu mới dừng lại ở việc khảo sát độ bền uốn (ASTM D790) và độ bền nén (ASTM D695) ở điều kiện tĩnh, chưa tiến hành các thử nghiệm dài hạn về độ hấp thụ nước, độ bền thời tiết ngoài trời, độ lão hóa nhiệt và kiểm tra chỉ số chống cháy chi tiết cho vật liệu xây dựng.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu chuyển đổi phương pháp gia công sang kỹ thuật hút chân không (Vacuum bagging) hoặc đúc chuyển nhựa có hỗ trợ chân không (VARTM) nhằm nâng cao hàm lượng sợi, giảm tối đa khuyết tật bọt khí và nâng cao độ đồng đều cơ tính.
- Khảo sát bổ sung các phụ gia chống cháy (chất độn vô cơ, hợp chất chứa phốt pho/halogen) và phụ gia kháng tia cực tím (UV) nhằm hoàn thiện tính năng an toàn cho sản phẩm khi ứng dụng thực tế trong công trình xây dựng.
- Mở rộng thử nghiệm chế tạo tấm panel kích thước thực tế để ứng dụng làm vách ngăn nội thất, trần thả hoặc vật liệu cách âm trong xây dựng.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:
- Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu Polymer & Composite, Công nghệ Vật liệu Xây dựng cần tài liệu thực nghiệm về quy trình xử lý sợi thực vật và gia công composite đắp tay.
- Cán bộ nghiên cứu: Tham khảo quy trình xử lý xơ mướp bằng dung dịch kiềm $\text{NaOH } 10%$, phương pháp phối trộn hệ nhựa UPE với xúc tác MEKP/Cobalt và phương pháp đánh giá cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM D790, ASTM D695.
- Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo định hướng phát triển các dòng sản phẩm tấm vách ngăn nhẹ, giá thành thấp từ phế phụ phẩm nông nghiệp kết hợp xốp PU.
Câu hỏi thường gặp
1. Sợi xơ mướp được xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa học nào trước khi đưa vào chế tạo composite?
Sợi xơ mướp được cắt định hình, làm sạch hạt và ngâm xử lý trong dung dịch kiềm $\text{NaOH } 10%$ trong thời gian 1 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó, xơ mướp được rửa sạch bằng nước đến môi trường trung tính và sấy khô nhằm loại bỏ tạp chất, sáp và tăng cường khả năng thấm ướt với nhựa polyester không no.
2. Nhựa nền và hệ xúc tác, xúc tiến đóng rắn được sử dụng trong đề tài gồm những gì?
Đề tài sử dụng nhựa nhiệt rắn polyester không no (UPE). Hệ đóng rắn nguội gồm chất xúc tác methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) với hàm lượng khoảng 0,1–0,2% và chất xúc tiến muối kim loại naphthenic-cobalt với hàm lượng 0,002–0,02% so với khối lượng nhựa.
3. Tỷ lệ khối lượng giữa nhựa nền và cốt sợi gia cường khi gia công đắp tay là bao nhiêu?
Tỷ lệ phối trộn khối lượng giữa nhựa polyester không no và cốt sợi gia cường được tác giả thiết lập cố định ở tỷ lệ $6:4$ (tương ứng 60% khối lượng nhựa UPE và 40% khối lượng sợi).
4. Những tiêu chuẩn kỹ thuật nào được áp dụng để đánh giá cơ tính của vật liệu chế tạo?
Đề tài sử dụng hai tiêu chuẩn quốc tế: tiêu chuẩn ASTM D790 để đo độ bền uốn 3 điểm (Flexural strength) và tiêu chuẩn ASTM D695 để đo độ bền nén (Compressive strength).
5. Cấu trúc sandwich lõi xốp mang lại ưu điểm gì về khối lượng so với vật liệu xây dựng truyền thống?
Vật liệu composite kết cấu lõi xốp đạt khối lượng thể tích nhẹ trong khoảng 900–1.400 kg/m³, nhẹ hơn đáng kể so với gạch đỏ và bê tông thông thường (1.800–2.400 kg/m³), giúp giảm tải trọng tĩnh cho kết cấu công trình và giảm chi phí vận chuyển, lắp đặt.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhẹ ứng dụng trong xây dựng" của sinh viên Võ Minh Quí đã chế tạo thành công vật liệu composite nhẹ kết cấu sandwich sử dụng nhựa nền polyester không no gia cường xơ mướp xử lý kiềm kết hợp lõi xốp polyurethane. Kết quả kiểm tra cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM D790 và ASTM D695 khẳng định vật liệu đạt các chỉ tiêu độ bền uốn và độ bền nén cần thiết, đồng thời sở hữu tỷ trọng nhẹ hơn rõ rệt so với vật liệu xây dựng truyền thống. Đề tài mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong việc tận dụng phế phụ phẩm nông - công nghiệp để sản xuất tấm vách ngăn tường và vật liệu nội thất thân thiện với môi trường.
