Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu polyme compozit (PC) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh mẽ trong hơn 40 năm qua, với sự ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, đóng tàu, xây dựng và giao thông vận tải. Theo ước tính, sản lượng tiêu thụ vật liệu PC tại Nhật Bản năm 2001 đạt khoảng 382 triệu tấn, cho thấy mức độ phổ biến và nhu cầu ngày càng tăng của loại vật liệu này. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ cũng kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải từ các sản phẩm PC gia cường bằng sợi thủy tinh không phân hủy sinh học. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu PC thân thiện với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học, là một hướng đi cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polypropylene (PP) gia cường bằng bột trấu – một loại nguyên liệu tự nhiên, tái tạo, có nguồn gốc lignoxenlulo phong phú tại Việt Nam. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình chế tạo vật liệu PC có độ bền cơ học và tính chất nhiệt phù hợp, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường thông qua việc sử dụng nguyên liệu tái tạo. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi nguyên liệu PP và bột trấu xử lý hóa học, với các phương pháp gia công và phân tích tính chất vật liệu tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Việc phát triển vật liệu PC từ nhựa PP và bột trấu không chỉ góp phần giảm thiểu sử dụng sợi thủy tinh nhân tạo mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp phong phú, giảm chi phí sản xuất và tăng khả năng phân hủy sinh học. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất vật liệu xanh, thân thiện môi trường, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp nhẹ và xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vật liệu compozit: Vật liệu PC là hệ thống gồm hai hoặc nhiều pha khác nhau, trong đó pha liên tục (matrix) là polyme và pha gia cường là bột trấu. Tính chất cơ học và nhiệt của PC phụ thuộc vào sự tương tác giữa các pha, phân bố kích thước hạt và liên kết pha.

  • Lý thuyết biến tính polyme: Polypropylene (PP) là nhựa nhiệt dẻo có tính chất cơ lý tốt, nhiệt độ nóng chảy khoảng 160-170°C, khối lượng riêng 0,9-0,91 g/cm³. PP có thể được biến tính bằng cách ghép anhydrit maleic (MAPP) để tăng khả năng tương tác với pha gia cường.

  • Lý thuyết xử lý bột trấu: Bột trấu chứa chủ yếu xenlulo (35%), hemixenlulo (25%), lignin (20%) và tro (17%). Xử lý hóa học bằng dung dịch kiềm NaOH giúp loại bỏ lignin và hemixenlulo, tăng cường khả năng liên kết với nhựa PP.

Các khái niệm chính bao gồm: pha liên tục và pha gia cường trong compozit, biến tính polyme bằng MAPP, xử lý bề mặt bột trấu, và các tính chất cơ lý như độ bền kéo, độ bền va đập, mô đun đàn hồi.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm nhựa PP CY130, chất biến tính MAPP, bột trấu thu mua từ thị xã Hà Đông, Việt Nam. Bột trấu được cắt nhỏ, xử lý hóa học bằng dung dịch NaOH 0,1N trong 72 giờ, rửa sạch và sấy khô.

  • Phương pháp chế tạo mẫu: PP, MAPP và bột trấu được trộn theo tỷ lệ khác nhau, sau đó nung chảy và trộn đều bằng máy đùn hai trục Leistriz ở 190°C, tốc độ 50 vòng/phút. Hạt nhựa compozit được tạo thành và ép phun thành mẫu thử nghiệm.

  • Phân tích tính chất vật liệu:

    • Độ bền kéo được đo theo tiêu chuẩn ISO 527 trên máy đo lực kéo LLOYD 0,5 kN.
    • Độ bền va đập IZOD theo ASTM D256 trên máy Tinius Olsen 92T.
    • Mô đun uốn theo ISO 178/1993.
    • Phân tích cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JMS 6360LV.
    • Phân tích thành phần hóa học bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trên máy Tensor 27.
    • Phân tích tính chất nhiệt bằng phương pháp nhiệt trọng lượng (TGA) và nhiệt sai lệch (DSC).

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình xử lý bột trấu và chế tạo mẫu kéo dài khoảng 3 tháng, tiếp theo là các bước phân tích tính chất vật liệu trong 2 tháng. Tổng thời gian nghiên cứu khoảng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định tính chất bột trấu sau xử lý:

    • Hàm lượng ẩm trung bình của bột trấu sau xử lý là 7,16%.
    • Hàm lượng tro trung bình là 16,88%, giảm so với bột trấu chưa xử lý.
    • Phân bố kích thước hạt bột trấu chủ yếu trong khoảng 0,2-0,3 mm.
    • Phân tích TGA cho thấy bột trấu xử lý kiềm có khả năng chịu nhiệt cao hơn, với tỷ lệ hao khối lượng ở 300°C là 18,4% so với 33% của bột trấu chưa xử lý.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng bột trấu đến tính chất cơ học của vật liệu PC:

    • Độ bền kéo giảm dần khi tăng hàm lượng bột trấu: từ 29,3 MPa (PP nguyên chất) xuống còn 16,6 MPa với 55% bột trấu.
    • Độ bền kéo cao nhất đạt 21,84 MPa ở hàm lượng bột trấu 30%, giảm 21% so với PP nguyên chất.
    • Mô đun đàn hồi dao động trong khoảng 0,7-1 GPa, đạt giá trị cao nhất 0,602 GPa tại hàm lượng bột trấu 45%.

  3. Phân tích cấu trúc bề mặt và liên kết pha:

    • SEM cho thấy bề mặt bột trấu sau xử lý kiềm có ít lignin hơn, tăng khả năng tương tác với nhựa PP.
    • FTIR xác nhận sự giảm nhóm hydroxyl trên bề mặt bột trấu sau xử lý, đồng thời xuất hiện liên kết este giữa bột trấu và PP biến tính MAPP, cải thiện tính bám dính pha.

  4. Tính chất nhiệt của vật liệu PC:

    • TGA và DSC cho thấy vật liệu PC có khả năng chịu nhiệt phù hợp với điều kiện gia công và sử dụng, nhiệt độ nóng chảy PP khoảng 160-170°C.
    • Vật liệu PC gia cường bằng bột trấu xử lý có nhiệt độ phân hủy cao hơn so với bột trấu chưa xử lý, cho thấy sự ổn định nhiệt được cải thiện.

Thảo luận kết quả

Việc xử lý bột trấu bằng dung dịch kiềm NaOH giúp loại bỏ lignin và hemixenlulo, làm tăng khả năng tương tác giữa bột trấu và nhựa PP biến tính MAPP. Điều này được thể hiện qua các kết quả SEM và FTIR, cho thấy sự cải thiện liên kết pha, từ đó nâng cao tính chất cơ học của vật liệu compozit.

Tuy nhiên, khi hàm lượng bột trấu vượt quá 30-40%, độ bền kéo và mô đun đàn hồi giảm do hiện tượng tập trung ứng suất tại các điểm phân bố bột trấu, cũng như sự không đồng đều trong phân tán pha. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành vật liệu compozit sử dụng sợi tự nhiên, cho thấy cần cân bằng giữa hàm lượng pha gia cường và tính chất cơ học.

Tính chất nhiệt của vật liệu PC được cải thiện nhờ xử lý bột trấu, giúp vật liệu phù hợp với các quy trình gia công nhiệt như ép phun. Các biểu đồ TGA và DSC minh họa rõ ràng sự khác biệt về nhiệt độ phân hủy và nhiệt độ nóng chảy giữa các mẫu vật liệu, hỗ trợ cho việc lựa chọn điều kiện gia công tối ưu.

Nhìn chung, nghiên cứu đã chứng minh khả năng sử dụng bột trấu xử lý làm pha gia cường cho nhựa PP để tạo ra vật liệu PC thân thiện môi trường, có tính chất cơ học và nhiệt phù hợp với yêu cầu ứng dụng công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hàm lượng bột trấu trong vật liệu PC
    Khuyến nghị duy trì hàm lượng bột trấu trong khoảng 30-45% để đảm bảo cân bằng giữa tính chất cơ học và chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: các nhà sản xuất vật liệu compozit và viện nghiên cứu.

  2. Nâng cao hiệu quả xử lý bột trấu
    Áp dụng quy trình xử lý kiềm NaOH kết hợp với xử lý bề mặt bằng silan hoặc copolyme để tăng cường liên kết pha, giảm hiện tượng tập trung ứng suất. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

  3. Phát triển quy trình gia công phù hợp
    Thiết lập quy trình ép phun và đùn với điều kiện nhiệt độ và tốc độ trục phù hợp nhằm đảm bảo phân tán đồng đều bột trấu trong nhựa PP. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: nhà máy sản xuất vật liệu compozit.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu PC bột trấu
    Khai thác ứng dụng trong ngành xây dựng, đóng tàu, và sản xuất đồ gia dụng thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phát triển sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành công nghệ vật liệu
    Hưởng lợi từ các phương pháp xử lý bột trấu và biến tính polyme, áp dụng trong nghiên cứu phát triển vật liệu compozit sinh học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu compozit
    Áp dụng quy trình chế tạo vật liệu PC thân thiện môi trường, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao giá trị sản phẩm.

  3. Chuyên gia trong ngành công nghiệp xây dựng và đóng tàu
    Tìm hiểu về vật liệu nhẹ, bền, có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn, phù hợp thay thế vật liệu truyền thống.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường
    Tham khảo giải pháp giảm thiểu ô nhiễm từ rác thải nhựa, thúc đẩy phát triển vật liệu xanh, tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu polyme compozit là gì?
    Vật liệu polyme compozit là sự kết hợp của hai hoặc nhiều pha vật liệu khác nhau, trong đó pha liên tục là polyme và pha gia cường có thể là sợi hoặc bột, nhằm tạo ra vật liệu có tính chất vượt trội hơn từng thành phần riêng lẻ.

  2. Tại sao chọn bột trấu làm pha gia cường?
    Bột trấu là nguyên liệu tự nhiên, tái tạo, có hàm lượng xenlulo cao, giá thành thấp và khả năng phân hủy sinh học, giúp giảm thiểu tác động môi trường so với sợi thủy tinh truyền thống.

  3. Xử lý bột trấu bằng kiềm có tác dụng gì?
    Xử lý kiềm giúp loại bỏ lignin và hemixenlulo, làm sạch bề mặt bột trấu, tăng khả năng tương tác với nhựa PP, cải thiện tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu compozit.

  4. Hàm lượng bột trấu tối ưu trong vật liệu PC là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng bột trấu từ 30-45% là tối ưu, cân bằng giữa độ bền cơ học và tính chất nhiệt, đồng thời đảm bảo chi phí hợp lý.

  5. Vật liệu PC từ PP và bột trấu có thể ứng dụng ở đâu?
    Vật liệu này phù hợp cho ngành xây dựng, đóng tàu, sản xuất đồ gia dụng và các ứng dụng cần vật liệu nhẹ, bền, thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa polypropylene gia cường bằng bột trấu là giải pháp thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo phong phú tại Việt Nam.
  • Xử lý bột trấu bằng dung dịch kiềm NaOH giúp cải thiện tính chất bề mặt, tăng cường liên kết với nhựa PP biến tính MAPP.
  • Hàm lượng bột trấu tối ưu trong vật liệu PC là 30-45%, đảm bảo tính chất cơ học và nhiệt phù hợp với yêu cầu ứng dụng.
  • Các phương pháp phân tích SEM, FTIR, TGA và DSC đã chứng minh hiệu quả xử lý và tính chất vật liệu đạt yêu cầu.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy trình gia công và ứng dụng thực tế nhằm thúc đẩy sản xuất vật liệu xanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình chế tạo vật liệu PC từ PP và bột trấu, đồng thời phát triển các sản phẩm thân thiện môi trường, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp vật liệu tại Việt Nam.