Nghiên Cứu Một Số Yếu Tố Công Nghệ Tạo Vật Liệu Composite Từ Chỉ Xơ Dừa Ngắn Với Chất Nền Là Nhựa Phế Liệu Sử Dụng Làm Nguyên Liệu Cho Sản Xuất Đồ Mộc

Đề tài: Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite từ chỉ

xơ dừa ngắn với chất nền là nhựa phế liệu sử dụng làm nguyên liệu cho

sản xuất đồ mộc

GVHD: TS. Nguyễn Minh Hùng, PGS, TS. Hoàng Xuân Niên

Học viên: Trần Nguyên Hà

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ

nguồn gốc.

Tác giả

Trần Nguyên Hà

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian hoàn thành đƣợc bản luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự

quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp này cho phép tôi đƣợc

bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới giáo viên hƣớng dẫn thầy giáo

TS. Nguyễn Minh Hùng, PGS, TS. Hoàng Xuân Niên đã dành nhiều thời gian chỉ

bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tôi trong suốt thời gian thực

hiện luận văn tốt nghiệp của mình.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Quý thầy cô trong Ban Công nghiệp và Kiến

trúc, Ban Khoa học Công nghệ cùng cán bộ giáo viên, công nhân viên chức Cơ sở 2

Trƣờng Đại học Lâm nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để

tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.

Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm ơn cán bộ, giảng viên Khoa Lâm nghiệp,

Trung tâm Nghiên cứu lâm sản, Giấy và bột giấy Trƣờng Đại học Nông Lâm TP.

Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ trong việc kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu của

đề tài luận văn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Đồng Nai, ngày 30 tháng 12 năm 2016

TÁC GIẢ

Trần Nguyên Hà

iii

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Lời cam đoan ................................................................................................... …...i

Lời cảm ơn ....................................................................................................... …..ii

Mục lục ............................................................................................................ ….iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................. …..v

Danh mục các bảng ......................................................................................... …..vi

Danh mục các hình ........................................................................................... ….vii

Đặt vấn đề……………………………………………………………………………8

Chƣơng 1.............................................................................................................. 10

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................ 10

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ KHÁI NIỆM COMPOSITE................................ 10

1.1.1. Đôi nét về lịch sử phát triển. ........................................................................... 10

1.1.2. Vật liệu composite. .......................................................................................... 11

1.1.3. Cấu trúc của vật liệu composite. ..................................................................... 18

1.2. NGHIÊN CỨU VỀ XƠ DỪA VÀ COMPOSITE XƠ DỪA ............................... 19

1.2.1. Một số kết quả nghiên cứu ở ngoài nước........................................................ 19

1.2.2. Một số công trình nghiên cứu trong nước ...................................................... 23

Chƣơng 2.............................................................................................................. 26

MỤC TIÊU, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 26

2.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU................................................................................. 26

2.1.1. Mục tiêu tổng quát:......................................................................................... 26

Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu composite từ sợi thực vật và nhựa phế liệu. .. 26

2.1.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................................... 26

2.2. ĐỐI TƢỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU................................. 26

2.2.1. Đối tượng nghiên cứu:.................................................................................... 26

Thông số công nghệ chế tạo vật liệu composite.......................................................... 26

2.2.2. Vật liệu nghiên cứu: ....................................................................................... 26

Xơ dừa và phế liệu nhựa. ........................................................................................... 26

2.2.3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 26

2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU................................................................................. 27

2.3.1. Nghiên cứu sự liên kết giữa xơ dừa và nhựa phế liệu............................................ 27

2.3.1.1. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm........................................................................ 27

2.3.1.2. Vật liệu thí nghiệm.......................................................................................... 27

2.3.1.3. Thực nghiệm ................................................................................................... 27

2.3.2. Nghiên cứu công nghệ trộn vật liệu xơ dừa và nhựa ............................................. 30

2.3.2. 1. Thí nghiệm trộn vật liệu................................................................................30

2.3.2. 2. Tính các thông số vật liệu thí nghiệm………………………………………….31

2.3.2. 3. Thí nghiệm trộn xơ dừa với nhựa phế liệu…………………………………....34

iv

2.3. 3. Xác định thông số công nghệ sản xuất composite…....…….………………….34

2.3.3. 1. Xác định thông số công nghệ tối ưu…………......………………………….34

2.3.3.2. Chế tạo mẫu theo các thông số tối ưu……......……………………………...37

2.3.3.3. Đo cơ tính mẫu composite...........................................................................37

2.3.4. Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa và nhựa

phế liệu………………………………………..............………………………………………37

2.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................ 37

2.4.1. Phương pháp lý thuyết.................................................................................... 38

2.4.2. Phương pháp kế thừa...................................................................................... 38

2.4.3. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................. 38

Chƣơng 3.............................................................................................................. 42

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................... 42

3.1. VẬT LIỆU COMPOSITE ................................................................................... 42

3.2. XƠ DỪA............................................................................................................... 43

3.2.1. Cấu tạo và thành phần sợi .............................................................................. 43

3.2.2. Sản xuất sợi xơ dừa........................................................................................ 44

3.3. NHỰA PHẾ THẢI............................................................................................... 47

3.3.1 Polyethylene (PE)............................................................................................. 48

3.3.2. Polypropylene (PP).......................................................................................... 49

3.4. NHẬN XÉT CHUNG........................................................................................... 49

Chƣơng 4.............................................................................................................. 51

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.................................................................................. 51

4.1. NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT GIỮA XƠ DỪA VÀ NHỰA PHẾ LIỆU.......... 51

4.1.1. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ....................................................................... 51

4.1.2. Vật liệu thí nghiệm.......................................................................................... 51

4.1.3. Thực nghiệm................................................................................................... 51

4.2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRỘN VẬT LIỆU XƠ DỪA VÀ NHỰA.......... 57

4.2.1. Thí nghiệm trộn vật liệu.................................................................................. 57

4.2.2. Tính các thông số vật liệu thí nghiệm ............................................................. 59

4.2.3. Thí nghiệm trộn xơ dừa với nhựa phế liệu...............................................63

4.3. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT COMPOSITE................ 66

4.3.1. Xác định thông số công nghệ tối ưu ............................................................... 66

4.3.2. Chế tạo mẫu theo các thông số tối ưu……….......…………………………..72

4.3.3. Đo cơ tính mẫu composite…..……….….........……………………………….74

4.3.3.1. Đo kéo…………………............……………………………………………….74

4.3.3.2. Đo uốn…...........……………………………………………………………….75

v

4.4. Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu composite từ xơ dừa và nhựa

phế liệu……………...............………………………………………………………………...77

1. KẾT LUẬN……..………………………………………………………………...84

2. KIẾN NGHỊ............................................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASTM .................................. American Standard Test Methods

TCVN................................... Tiêu chuẩn việt nam

PP......................................... Polypropylene

PE......................................... Polyethylene

STT....................................... Số thứ tự

STN....................................... Số thí nghiệm

Mpa........................................ Megapacal

KLTT..................................... Khối lƣợng thể tích

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Một vài thông số của một số sợi tự nhiên...............................................15

Bảng 1.2. Sợi tự nhiên ...........................................................................................20

Bảng 1.3. Composite cốt xơ dừa - sợi thuỷ tinh – tóc ngƣời - xơ dừa nền nhựa ..... 22

Bảng 2.1. Bảng biến thiên các yếu tố nghiên cứu................................................... 39

Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm ………………………………………….……….......21

Bảng 3.1. Tính chất cơ - lý của xơ dừa .................................................................. 44

Bảng 3.2. Thành phần hóa học của xơ dừa ............................................................. 44

Bảng 3.3. Tính chất cơ học và vật lý của sợi xơ dừa .............................................. 46

Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm lần thứ nhất với xơ dừa ........................................... 51

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm lần thứ hai với xơ dừa ............................................. 52

Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm lần thứ ba với xơ dừa .............................................. 52

Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm với nhựa.................................................................. 53

Bảng 4.5. Kết quả tính toán khối lƣợng thể tích của nhựa ...................................... 58

Bảng 4.6. Kết quả tính toán xơ dừa trong một đơn vị thể tích vật liệu composite ... 60

Bảng 4.7. Kết quả phân loại vật liệu bằng bộ phận sàng ........................................ 63

Bảng 4.8. Kết quả trộn vật liệu qua các lớp sàng– Thí nghiệm lần thứ1 ................. 63

Bảng 4.9. Kết quả trộn vật liệu qua các lớp sàng– Thí nghiệm lần thứ 2 ................ 64

Bảng 4.10. Miền biến thiên của các biến số ........................................................... 45

Bảng 4.11. Quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố ....................................................... 45

Bảng 4.12. Định lƣợng nguyên liệu và thông số trộn cho thí nghiệm ..................... 45

Bảng 4.13. Các yếu tố tác động và miền biến thiên thí nghiệm ..............................47

Bảng 4.14. Ma trận dạng mã hoá ........................................................................... 49

Bảng 4.15. Kết quả tính toán tối ƣu hóa đa mục tiêu............................................. .51

Bảng 4.16. Kích thƣớc mẫu đo kéo theo ASTM D638-03………………………....74

Bảng 4.17. Kích thƣớc mẫu đo uốn theo ASTM D790-03………………………....75

Bảng 4.18. Kết quả kiểm tra tính chất composite xơ dừa - nhựa phế liệu………....76

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại compsite theo thành phần cốt....................................... .16

Hình 1.2. Sơ đồ phân loại composite theo vật liệu nền.......................................... .18

Hình 3.1. Cấu tạo hiển vi của sợi xơ dừa ............................................................... 43

Hình 3.2. Sản xuất sợi xơ dừa ................................................................................ 45

Hình 3.3. Nhựa phế thải đƣợc thu gom từ nhiều nguồn khác nhau ......................... 47

Hình 4.1. Mẫu composite xơ dừa – nhựa thí nghiệm lần 1 ..................................... 55

Hình 4.2. Mẫu composite xơ dừa - nhựa thí nghiệm lần 2...................................... 56

Hình 4.3. Nguyên liệu sử dụng trong thí nghiệm trộn ............................................ 57

Hình 4.4. Thảm hỗn hợp nguyên liệu xơ dừa – nhựa phế liệu ............................... .57

Hình 4.5. Máy ép thí nghiệm…………………………………………………..…..62

Hình 4.6. Mẫu sản phẩm ép theo thông số công nghệ tối ƣu.……………………...63

Hình 4.7. Hình dạng mẫu kéo chuẩn……………………………………………….64

Hình 4.8. Hình dạng mẫu đo uốn…………………………………………………..65

Hình 4.9. Sơ đồ công nghệ sản xuất composite xơ dừa – nhựa phế liệu……….…. 66

8

ĐẶT VẤN ĐỀ

Composite là vật liệu đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp tổng hợp từ hai hay

nhiều thành phần khác nhau, nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt

hơn hẳn những vật liệu thành phần ban đầu. Với quan niệm này, có thể thấy vật

liệu composite có sẵn trong tự nhiên nhƣ gỗ, tre, thân cây có sợi và những loại

khác. Trong đời sống xã hội, con ngƣời cũng sử dụng rơm rạ trộn với mật mía,

vôi cát để tạo nên một composite hỗn hợp sử dụng trong xây dựng.

Vật liệu composite có rất nhiều đặc tính ƣu việt mà những vật liệu khác

không có. Để mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu composite trong tất cả những

lĩnh vực kinh tế xã hội khác, các nhà khoa học đã nghiên cứu những vật liệu cốt

và nền khác nhau, phƣơng pháp phân bố cốt trong cấu trúc vật liệu, lựa chọn vật

liệu nền và phƣơng pháp công nghệ phù hợp để tạo ra những vật liệu composite

có đặc tính và giá thành phù hợp. Nghiên cứu sợi tự nhiên làm vật liệu cốt là một

hƣớng phát triển mới của ngành vật liệu composite nhằm sử dụng nguồn sợi thực

vật có sẵn với mục đích giảm giá thành sản phẩm composite để mở rộng phạm vi

sử dụng.

Ở Việt Nam, trong các loại sợi thực vật đã đƣợc nghiên cứu, xơ dừa là loại

sợi tự nhiên có thể sử dụng nhiều vào chế tạo vật liệu composite ở khu vực Tây

Nam bộ và Duyên Hải miền Trung vì khả năng tái tạo nhanh (8 – 10 tháng), số

lƣợng nhiều (năng suất dừa bình quân của Việt Nam đạt 9.863 trái/ha/năm). Giá

của xơ dừa thấp so với các loại cốt sợi nhân tạo.

Cũng nhƣ vật liệu cốt, vật liệu nền cần đƣợc nghiên cứu sử dụng theo hƣớng

giảm giá thành của vật liệu, tránh ô nhiễm môi trƣờng trong sản xuất, nâng cao

giá trị của vật liệu gốc mà vẫn đảm bảo đƣợc tính năng sử dụng của vật liệu

composite mới tạo thành.

Các sản phẩm nhựa đƣợc sử dụng rất nhiều trong đời sống xã hội và các

ngành kinh tế kỹ thuật; khi hƣ hỏng phế liệu nhựa trở thành chất thải rắn rất khó

phẩn huỷ. Có hàng trăm loại phế liệu nhựa, nhƣng rẻ nhất và chất lƣợng thấp nhất

là phế liệu hỗn hợp từ nhiều loại sản phẩm nhựa thƣờng dùng hàng ngày hƣ hỏng.