Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng và gia tăng nhu cầu sử dụng vật liệu trong sản xuất và sinh hoạt, vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa ngày càng trở nên nghiêm trọng. Theo ước tính, chỉ có khoảng 9% rác thải nhựa được tái chế, trong khi 79% tồn tại trong các bãi chôn lấp, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Polyethylene terephthalate tái chế (rPET) là một trong những loại nhựa tái chế phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất sợi, chai lọ, màng nhựa và vật liệu xây dựng. Bên cạnh đó, tro bay (fly ash) – phụ phẩm từ các nhà máy nhiệt điện – chứa hàm lượng silica cao, được xem là nguyên liệu tiềm năng để phát triển vật liệu composite thân thiện môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu composite aerogel từ sợi rPET và tro bay, nhằm tạo ra vật liệu có tính năng cách nhiệt, cách âm và chống cháy hiệu quả. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021 tại Công ty Nhiệt điện Duyên Hải 1, TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng rPET (1-4% khối lượng), Polyvinyl Alcohol (PVA) (0,25-1% khối lượng), tro bay (0-3% khối lượng) và Xanthan gum (0,4% khối lượng) đến cấu trúc, tính chất vật lý và ứng dụng thực tiễn của composite aerogel.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa và tận dụng hiệu quả phụ phẩm công nghiệp. Vật liệu composite aerogel rPET/tro bay có mật độ riêng thấp (0,053-0,084 g/cm³), độ rỗng cao (94,81-97,02%), khả năng chịu nhiệt lên đến 430°C, hệ số dẫn nhiệt thấp (0,035-0,04 W/(m.K)) và khả năng cách âm tốt với hệ số giảm tiếng ồn NRC từ 0,36 đến 0,49. Đây là những chỉ số vượt trội so với vật liệu cách âm thương mại cùng độ dày, đồng thời có khả năng chống cháy hiệu quả, mở ra nhiều ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu composite, aerogel và các thành phần hóa học liên quan:

  • Lý thuyết vật liệu composite: Composite là vật liệu tổng hợp từ hai hoặc nhiều thành phần khác nhau gồm pha nền (matrix) và pha gia cường (reinforcement). Tính chất composite phụ thuộc vào cấu trúc, tính chất của từng thành phần và sự liên kết giữa chúng. Trong nghiên cứu này, rPET đóng vai trò pha gia cường, tro bay là phụ gia chức năng, còn PVA và Xanthan gum là chất liên kết ngang và chất ổn định.

  • Mô hình sol-gel và tổng hợp aerogel: Quá trình sol-gel tạo thành gel từ dung dịch keo, sau đó làm khô dung môi bằng phương pháp sấy siêu tới hạn hoặc sấy đông khô để tạo vật liệu aerogel với cấu trúc xốp, mật độ thấp và diện tích bề mặt lớn. Các liên kết cross-linking vật lý và hóa học trong gel ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất cuối cùng của aerogel.

  • Khái niệm về tính chất vật lý của aerogel: Bao gồm mật độ riêng, độ rỗng, hệ số dẫn nhiệt, khả năng chịu nhiệt, cơ tính (độ cứng, mô đun đàn hồi Young’s modulus), khả năng cách âm (NRC) và khả năng chống cháy (tốc độ cháy, thời gian chịu lửa).

  • Thuật ngữ chuyên ngành: rPET (Recycled Polyethylene terephthalate), FA (Fly ash), PVA (Polyvinyl Alcohol), XG (Xanthan gum), NRC (Noise Reduction Coefficient), TGA (Thermogravimetric Analysis), SEM (Scanning Electron Microscopy).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu rPET được thu thập từ Công ty Nhiệt điện Duyên Hải 1, tro bay lấy từ các nhà máy nhiệt điện, các hóa chất PVA và Xanthan gum mua từ các nhà cung cấp hóa chất công nghiệp. Dữ liệu thí nghiệm bao gồm các phép đo vật lý, hóa học và cơ học của mẫu composite aerogel.

  • Phương pháp tổng hợp: Sợi rPET được xử lý bằng dung dịch NaOH 4%, sau đó phối trộn với dung dịch PVA, Xanthan gum và tro bay theo tỷ lệ khác nhau (rPET 1-4% wt., PVA 0,25-1% wt., tro bay 0-3% wt., XG 0,4% wt.). Hỗn hợp được khuấy trộn, tạo gel và sấy đông khô bằng phương pháp freeze-drying để thu được vật liệu aerogel composite.

  • Phương pháp phân tích:

    • Cấu trúc và hình thái vật liệu được khảo sát bằng SEM và XRF.
    • Tính chất nhiệt được đánh giá bằng TGA và đo hệ số dẫn nhiệt.
    • Tính cơ học được xác định qua thử nghiệm nén và đo mô đun đàn hồi Young’s modulus.
    • Khả năng cách âm được đo bằng hệ số NRC theo tiêu chuẩn ASTM.
    • Khả năng chống cháy được kiểm tra bằng thử nghiệm tốc độ cháy và thời gian chịu lửa trên mẫu kích thước 125x13 mm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu composite aerogel được tổng hợp với các tỷ lệ thành phần khác nhau để khảo sát ảnh hưởng từng yếu tố. Mỗi điều kiện thí nghiệm được thực hiện ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong 4 tháng, từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, tổng hợp vật liệu, phân tích tính chất và đánh giá ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và mật độ vật liệu: Composite aerogel rPET/tro bay có mật độ riêng rất thấp, dao động từ 0,053 đến 0,084 g/cm³, với độ rỗng cao từ 94,81% đến 97,02%. Sự gia tăng hàm lượng rPET từ 1% đến 4% làm tăng nhẹ mật độ và cải thiện độ bền cơ học của vật liệu.

  2. Tính chịu nhiệt và dẫn nhiệt: Mẫu composite có khả năng chịu nhiệt lên đến 430°C, vượt trội so với nhiều vật liệu cách nhiệt truyền thống. Hệ số dẫn nhiệt đo được trong khoảng 0,035-0,04 W/(m.K), cho thấy vật liệu có khả năng cách nhiệt rất tốt, phù hợp cho các ứng dụng cách nhiệt trong xây dựng và công nghiệp.

  3. Cơ tính và độ bền: Thử nghiệm nén cho thấy mô đun đàn hồi Young’s modulus của composite aerogel nằm trong khoảng 1-7,57 kPa, thể hiện vật liệu có độ cứng và khả năng chịu lực phù hợp với các ứng dụng cách âm và cách nhiệt nhẹ.

  4. Khả năng cách âm: Hệ số giảm tiếng ồn NRC của composite aerogel đạt từ 0,36 đến 0,49, cao hơn so với vật liệu cách âm thương mại Basmel cùng độ dày 3 mm (NRC = 0,4). Điều này chứng tỏ vật liệu có hiệu quả cách âm tốt, có thể ứng dụng trong các công trình xây dựng cần giảm tiếng ồn.

  5. Khả năng chống cháy: Mẫu composite có tốc độ cháy chậm (60-150 mm/s) và thời gian chịu lửa dài (50-125 giây) trên mẫu kích thước 125x13 mm, cho thấy vật liệu có khả năng chống cháy hiệu quả, phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn cháy nổ trong xây dựng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các tính chất ưu việt trên là do cấu trúc xốp cao và sự liên kết chặt chẽ giữa các thành phần rPET, tro bay, PVA và Xanthan gum. PVA và Xanthan gum đóng vai trò chất liên kết ngang, giúp tro bay phân tán đều và tăng cường liên kết cơ học trong vật liệu. Tro bay với hàm lượng silica cao góp phần tăng cường khả năng chịu nhiệt và chống cháy.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về aerogel từ rPET và các vật liệu phụ gia khác, kết quả cho thấy việc sử dụng tro bay làm phụ gia không chỉ tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ phẩm công nghiệp mà còn nâng cao tính năng vật liệu. Các chỉ số mật độ, độ rỗng, hệ số dẫn nhiệt và NRC đều đạt hoặc vượt mức các vật liệu aerogel truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng rPET, tro bay với mật độ, mô đun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt và NRC. Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm chống cháy cũng giúp minh họa hiệu quả của vật liệu trong điều kiện thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần: Khuyến nghị tăng hàm lượng rPET lên khoảng 3-4% và tro bay 2-3% để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa mật độ, cơ tính và khả năng cách nhiệt, cách âm. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do các thử nghiệm cần được lặp lại và kiểm chứng.

  2. Phát triển quy trình sản xuất công nghiệp: Áp dụng quy trình tổng hợp và sấy đông khô freeze-drying đã nghiên cứu để sản xuất vật liệu composite aerogel quy mô lớn, giảm chi phí và tăng tính ổn định sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và công ty tái chế nhựa.

  3. Mở rộng ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng composite aerogel rPET/tro bay làm vật liệu cách nhiệt, cách âm cho các công trình dân dụng, công nghiệp và các thiết bị cần chống cháy. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị xây dựng và kiểm định chất lượng.

  4. Nghiên cứu bổ sung về tính bền vững và môi trường: Đề xuất đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA) để xác định tác động môi trường của vật liệu composite aerogel, từ khâu thu gom nguyên liệu đến xử lý sau sử dụng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu môi trường và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tổng hợp vật liệu composite aerogel từ nguyên liệu tái chế, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong nghiên cứu khoa học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và cách nhiệt: Thông tin về quy trình tổng hợp và tính năng vật liệu giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm mới thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế và cạnh tranh trên thị trường.

  3. Các cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Nghiên cứu góp phần cung cấp giải pháp giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa và tận dụng phụ phẩm công nghiệp, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải và phát triển kinh tế tuần hoàn.

  4. Người tiêu dùng và nhà thiết kế công trình xanh: Vật liệu composite aerogel rPET/tro bay là lựa chọn mới cho các công trình cần tiết kiệm năng lượng, giảm tiếng ồn và tăng cường an toàn cháy nổ, phù hợp với xu hướng xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite aerogel rPET/tro bay có ưu điểm gì so với vật liệu cách nhiệt truyền thống?
    Vật liệu có mật độ rất thấp (0,053-0,084 g/cm³), độ rỗng cao (94,81-97,02%), hệ số dẫn nhiệt thấp (0,035-0,04 W/(m.K)) và khả năng cách âm tốt (NRC 0,36-0,49), vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống như bông thủy tinh hay xốp EPS.

  2. Quy trình tổng hợp vật liệu có thân thiện với môi trường không?
    Quy trình sử dụng nước tinh khiết làm dung môi xanh, nguyên liệu tái chế rPET và tro bay là phụ phẩm công nghiệp, đồng thời áp dụng phương pháp sấy đông khô tiết kiệm năng lượng, nên rất thân thiện môi trường.

  3. Khả năng chống cháy của composite aerogel như thế nào?
    Mẫu composite có tốc độ cháy chậm (60-150 mm/s) và thời gian chịu lửa dài (50-125 giây), đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cháy nổ, phù hợp sử dụng trong các công trình xây dựng và thiết bị công nghiệp.

  4. Có thể ứng dụng vật liệu này trong các lĩnh vực nào?
    Vật liệu thích hợp cho cách nhiệt, cách âm trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, làm lớp bảo vệ chống cháy, cũng có tiềm năng ứng dụng trong ngành ô tô, điện tử và đóng gói.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa tính năng vật liệu composite aerogel?
    Điều chỉnh tỷ lệ thành phần rPET, tro bay, PVA và Xanthan gum để cân bằng mật độ, cơ tính và tính năng cách nhiệt, cách âm. Nghiên cứu thêm về các chất phụ gia và quy trình tổng hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp vật liệu composite aerogel từ sợi rPET tái chế và tro bay với các chất liên kết PVA và Xanthan gum.
  • Vật liệu có mật độ thấp (0,053-0,084 g/cm³), độ rỗng cao (94,81-97,02%), khả năng chịu nhiệt đến 430°C và hệ số dẫn nhiệt thấp (0,035-0,04 W/(m.K)).
  • Composite aerogel thể hiện khả năng cách âm tốt (NRC 0,36-0,49) và khả năng chống cháy hiệu quả, vượt trội so với vật liệu thương mại cùng loại.
  • Nghiên cứu góp phần tận dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu tái chế và phụ phẩm công nghiệp, hướng tới phát triển vật liệu thân thiện môi trường và bền vững.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa công nghệ sản xuất, mở rộng ứng dụng và đánh giá tác động môi trường trong các giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp triển khai sản xuất quy mô công nghiệp, đồng thời nghiên cứu sâu hơn về tính bền vững và ứng dụng đa dạng của vật liệu composite aerogel rPET/tro bay.