BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRIỆU VĂN HẢI NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG CỦA CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TỪ VỎ CÂY VÀ POLYETHYLENE TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản Mã số: 62 54 03 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Cao Quốc An GS TS Trần Văn Chứ Hà nội, 2016 - Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trường Đại học Lâm nghiệp, Việt Nam - Ngƣời hƣớng dãn khoa học: Hướng dẫn 1: PGS.TS Cao Quốc An Hướng dẫn 2: GS.TS Trần Văn Chứ - Phản biện 1: ………………………………………………………… - Phản biện 1: ………………………………………………………… - Phản biện 1: ………………………………………………………… Luận án đƣợc bảo vệ tại: Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường, Trường Đại học Lâm nghiệp Có thể tìm hiểu luận án tại: - ……………………………………… - Thư viện Trường Đại học Lâm nghiệp iii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận án tiến sỹ, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS TS Cao Quốc An, GS.TS Trần Văn Chứ tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận án Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Lâm nghiệp, lãnh đạo phòng đào tạo sau đại học, thầy cô giáo viện Kiến trúc cảnh quan nội thất, viện Công nghiệp gỗ quan tâm tận tình bảo cho suốt trình học tập, nghiên cứu Trường Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ủy ban nhân dân huyện Hoành Bồ tạo điều kiện cho vật chất, tinh thần thời gian trình học tập nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn cán bộ, công nhân viên thuộc Trung tâm thí nghiệm trọng điểm trường Đại học Lâm nghiệp Nam Kinh Trung Quốc tạo điều kiện thuận lợi giúp hoàn thành phần thực nghiệm luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ ủng hộ trình học tập nghiên cứu./ Hà Nội, tháng 06 năm 2016 Nghiên cứu sinh Triệu Văn Hải MỞ ĐẦU Hiện nay, tài nguyên rừng trồng nước ta như: Keo tràm, Keo tai tượng, Bạch đàn, … phong phú, trở thành loại gỗ công nghiệp chủ yếu nước ta Như biết, gỗ thường gồm phần tổ thành là: tán lá, thân phần rễ Trong phần này, hầu hết loại hình sản xuất chế biến gỗ sử dụng phần gỗ phần thân (trung bình khoảng 90% thể tích cây), phần lại để lại dùng cho lĩnh vực khác thải môi trường Theo tìm hiểu cho thấy, tại, nước hầu hết phần gỗ (vỏ cây, cây, ) chủ yếu chưa có hình thức sử dụng phù hợp Trong nghiên cứu công nghệ vật liệu gỗ nay, vật liệu compozit từ nhựa nhiệt dẻo có ưu điểm lợi dụng hầu hết loại gỗ phế liệu gỗ Ngoài ra, vật liệu bền sử dụng, tuổi thọ sản phẩm cao, có bề mang chất liệu gỗ, có độ cứng cao so với vật liệu nhựa, không chứa formaldehyde, Có nhiều tính chất tốt so với gỗ như: kích thước ổn định hơn, không bị xuất vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, quy cách hình dạng vào yêu cầu người dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao, khả chống chịu chất hóa học, sử dụng nhiều lần thu hồi tái sử dụng Từ thông tin thấy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu compozit gỗ nhựa nói chung sản xuất vật liệu compozit từ phế thải công nghiệp gỗ nói riêng công việc có ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án với tên “Nghiên cứu số yếu tố ảnh hƣởng công nghệ tạo vật liệu compozit từ vỏ polyethelene” bước đệm để phát triển công nghệ lợi dụng phế liệu gỗ - vỏ gỗ rừng trồng để sản xuất vật liệu mới, đồng thời góp phẩn nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên gỗ rừng trồng giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm môi trường Chƣơng TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu compozit gỗ nhựa 1.1 Nghiên cứu nước Vào năm 80, chưa có tảng khoa học để xác định xác chế liên kết sợi gỗ nhựa, song cách sử dụng chất trợ tương hợp (hay chất ghép nối) nhà nghiên cứu tiến hành xử lý hóa học để nâng cao tính tương hợp hai loại vật liệu Các nghiên cứu cho thấy phần lớn chất trợ tương hợp silans, maleic anhydride ghép polyolefin làm tăng khả bám dính hai loại vật liệu (Bledzki and Gassan,1999, ; Kishi 1988; Gatenholm and Felix 1993 Kishi đồng nghiệp (1988) tạo trình este hóa cách xử lý sợi gỗ với dung dịch MAPP Qua phân tích quang phổ cho thấy liên kết MA với gỗ PP xuất Năm 1988, số nhà khoa học nghiên cứu phương pháp biến tính nhựa PP MA nhằm tạo chất có gốc tự do, gốc ghép nối với sợi gỗ liên kết đồng hóa trị Hydro, MAPP làm tăng đáng kể hiệu sử dụng sợi gỗ nhựa Không dừng lại đây, giới có nhiều nghiên cứu chất trợ tương hợp MAPP với tỷ lệ phương pháp khác sở nhựa PP gia cường sợi tự nhiên nghiên cứu như: Jochen Gassan Andrzej K.Bledzki (1999) tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng trình xử lý bề mặt sợi đến tính chất học compozit PP- sợi đay Tác giả tiến hành xử lý sợi dung dịch MAPP toluen với hàm lượng MAPP khác 5phút 10 phút, đem sấy chân không 75oC Kết cho thấy, Hiệu chất trợ tương hợp phụ thuộc vào nồng độ thời gian xử lý, Môđun uốn tăng 90% qua xử lý MAPP phút dung dịch toluen Xử lý lâu nồng độ MAPP cao làm modun uốn giám xuống Độ bền uốn tăng 40% xử lý dung dịch MAPP 0,1% TL toluen với thời gian xử lý 15 phút Khi tăng nồng độ MAPP lên 0,6% thi kết nhận với phút 10 5 Fauzi Febrianto, Dina Styawatti (2006) tiến hành nghiên cứu Ảnh hưởng bột gỗ hàm lượng chất biến tính MA đến tính chất vật lý đặc tính học vật liệu composit Bột gỗ PP tái sinh Nghiên cứu tính chất vật lý đặc tính học vật liệu compozit phụ thuộc vào hàm lượng kích thước bột gỗ-PP Khi tăng tỷ lệ gỗ-nhựa độ bền kéo giảm, modun đàn hồi tăng Tính chất vật lý đặc tính học vật liệu bị ảnh hưởng hàm lượng chất MA, cho 2,5%TL MA tất chi số độ bề kéo, độ bền kéo đứt modun đàn hồi tăng gấp 2.15, 2.27 and 1.18 lần so với compozit MA Flex and gatenholm (1991) sử dụng MAPP để xử lý xenlulo sợi gỗ Kết cho thấy, chất trợ tương hợp MAPP làm giảm góc tiếp xúc hai loại vật liệu góc tiếp xúc nằm khoảng 1300-1400, khả kết dính tăng lên rõ rệt Cùng với nghiên cứu đó, số nghiên cứu khác đánh giá ảnh hưởng chất trợ tương hợp đến khả thấm ướt gỗ liên kết góc tiếp xúc tỷ lệ chất trợ tương hợp Tất nghiên cứu cho thấy liên kết nhựa gỗ chịu ảnh hưởng nhiều phương pháp xử lý bề mặt gỗ nhựa, tỷ lệ chất trợ tương hợp phương pháp gia công 1.2 Nghiên cứu nước Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu đồng nghiệp nghiên cứu chế tạo composite sở PP gia cường sợi đay Vật liệu chế tạo cách xếp lớp màng PP-MAPP sợi đay theo thiết kế ép máy ép thủy lực (ép phẳng khuôn kín) áp suất 7MPa 50 phút; kết cho thấy hàm lượng MAPP có ảnh hưởng đến tính chất học composite, độ bền kéo độ bền uốn cực đại dùng 7% trọng lượng MAPP, độ bền va đập giảm khoảng 50% Năm 2003, Trần Vĩnh Diệu, Phạm Gia Huân nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme-compozit sở nhựa PP gia cường hệ lai tạo tre, luồng-sợi thủy tinh Vật liệu chế tạo cách nhựa sợi xếp lớp vào khuôn theo nguyên tắc nhựa sợi xen kẽ; hàm lượng sợi chiếm 60% ép nhiệt độ 190oC, áp suất ép 100KG/cm2, gia nhiệt 60 phút, ép 30 phút, làm nguội đến 80oC phương pháp ép phẳng khuôn; kết cho thấy việc xử lý sợi tre luồng dung dịch NaOH làm tăng hàm lượng cellulose sợi làm tăng khả bám dính sợi nhựa Năm 2006, Trần Vĩnh Diệu đồng nghiệp tiến hành khảo sát độ bền va đập composite PP- Bột trấu Kết độ bền va đập composite khảo sát hàm lượng bột: 30, 35, 40, 45, 50 55%, với chất trợ tương hợp MAPP có hàm lượng MA 0,5% Kết cho thấy, composite với hàm lượng bột trấu 55% có độ bền va đập đạt 2,5KJ/m2, cao gấp lần so với PP nguyên sinh Năm 2011, Hà Tiến Mạnh đồng nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ nhựa polypropylene đến tính chất composite gỗ-nhựa Nguyên liệu sử dụng gỗ Keo tai tượng, nhựa tái chế PP pha trộn tỷ lệ gỗ/nhựa theo cấp (50/50; 60/40; 70/30) trộn tạo hạt máy ép hai trục vít nhiệt độ 175oC tạo thành hạt gỗ nhựa; sau ép sản phẩm máy ép phẳng nhiệt độ 170oC áp lực 1,5-7,5MPa chu kỳ ép 40 phút Kết nghiên cứu xác định ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ - nhựa đến số tính chất composite gỗ-nhựa PP Tuy nhiên ảnh hưởng chưa có khác biệt lớn Năm 2012, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ PGS.TS Vũ Huy Đại nghiên cứu công nghệ sản xuất composite từ phế liệu gỗ chất dẻo phế thải Vật liệu chế tạo từ nhựa PP, PE, PVC tái chế với phế liệu gỗ Keo tai tượng Kết đạt như: xây dựng bước công nghệ chủ yếu để xử lý tái chế loại nhựa bước công nghệ tạo bột gỗ Keo tai tượng từ mun cưa, phoi bào, bìa bắp; Đã xác định ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ/nhựa tái chế đến tính chất hạt thiết lập quy trình công nghệ tạo hạt gỗ nhựa với cấp tỷ lệ cho nhựa PP PE (bột gỗ 50%/nhựa 45%/ trợ tương hợp 5%) đề xuất công nghệ sản xuất composite gỗ-nhựa từ phế liệu gỗ nhựa tái chế PP, PE, PVC máy ép đùn hai trục vít Cinnanici TS 80 Năm 2013, đề tài thuộc chương KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11-15 TS Nguyễn Vũ Giang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite sở nhựa polylefin (polyetylen, polypropylene) khâu mạch (XLPO) bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội- ngoại thất [10] Vật liệu chế tạo từ bột gỗ Giáng hương sau xử lý bột gỗ kiềm nóng để loại bỏ tạp chất có bột gỗ rửa nước cất sấy khô; sau biến tính bề mặt bột gỗ tetraethyl ortosilicat 3-glyxidoxyl propyl trimetoxy silan Dùng bột gỗ biến tính chế tạo vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính XLPP/bột gỗ biến tính với yếu tố thay đổi tỷ lệ bột gỗ thay đổi từ 20-60%, nhiệt độ gia công từ 170-200oC, thời gian trộn từ 3-8 phút; phương pháp gia công dùng thiết bị ép đùn trục tạo hạt sau chuyển sang máy ép định hình phẳng,… Kết đề tài xác định thông số công nghệ ảnh hưởng tới trình biến tính bột gỗ Giáng hương điều kiện gia công tối ưu cho hai loại vật liệu XLPE/bột gỗ biến tính XLPP/bột gỗ biến tính Năm 2014, nghiên cứu sinh Quách Văn Thiêm với Luận án “Nghiên cứu số yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene” nghiên cứu tạo vật liệu compozit gỗ cao su nhựa PP, luận án xây dựng mối quan hệ thông số công nghệ sản xuất chất lượng WPC Ngoài ra, luận án đề xuất thông số công nghệ tối ưu để sản xuất WPC từ gỗ cao su nhựa PP với quy mô phòng thí nghiệm 1.3 Những đóng góp luận án (1) Luận án công trình Việt Nam nghiên cứu cách hệ thống công nghệ sản xuất vật liệu compozit từ vỏ nhựa HDPE (2) Luận án nghiên cứu sử dụng hạt nano TiO2 để tạo vật liệu compozit vỏ nhựa HDPE nhằm nâng cao khả chịu tia UV (độ bền màu) sản phẩm (3) Luận án xác định tỉ lệ phối trộn vỏ thông số công nghệ ép đùn hợp lý để sản xuất vật liệu compozit từ vỏ HDPE Ý nghĩa luận án (1) Ý nghĩa khoa học Luận án làm rõ mối quan hệ gồm: tỉ lệ trộn vỏ với chất lượng compozit, yếu tố công nghệ ép đùn (nhiệt độ đầu đùn, tốc độc quay trục vít) với chất lượng compozit Ngoài ra, luận án lập phương trình tương quan thể mối quan hệ yếu tố công nghệ sản xuất compozit vỏ nhựa HDPE góp phần làm rõ sở khoa học công nghệ sản xuất vật liệu vỏ nhựa (2) Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu luận án sở để sử dụng vỏ Keo tai tượng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu compozit ứng dụng lĩnh vực sống sản xuất đồ mộc, xây dựng, Với việc sử dụng vỏ Keo tai tượng nói riêng, vỏ gỗ rừng trồng nói chung góp phần tăng hiệu kinh tế sử dụng gỗ rừng trồng đồng thời góp phần giảm thiểu chất thải bảo vệ môi trường Chƣơng ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu (1) Mục tiêu lý luận Xác định mối quan hệ thông số công nghệ với chất lượng compozit từ vỏ gỗ rừng trồng (2) Mục tiêu thực tiễn - Xác định thông số công nghệ hợp lý để sản xuất WPC từ vỏ Keo tai tượng nhựa HDPE nguyên sinh với quy mô thí nghiệm; - Đánh giá khả sử dụng hạt nano TiO2 việc nâng cao độ bền màu WPC từ vỏ Keo tai tượng nhựa HDPE nguyên sinh 2.2 Đối tƣợng nghiên cứu (1) Đối tượng nghiên cứu tổng quát Công nghệ sản xuất vật liệu compozit từ vỏ Keo tai tượng nhựa nhiệt dẻo HDPE (WPC) (2) Đối tượng nghiên cứu cụ thể - Tỉ lệ trộn bột vỏ cây, bột gỗ, nhựa HDPE, chất trợ tương hợp MAPE - Ảnh hưởng đơn yếu tố thông số công nghệ gồm tỉ lệ trộn vỏ cây, nhiệt độ đầu đùn, tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC - Mối quan hệ đồng thời nhiệt độ đầu đùn tốc độ quay trục vít đến chất lượng WPC - Hiệu chịu tia UV WPC cho thêm hạt nano TiO2 2.3 Phạm vi nghiên cứu 2.3.1 Các yếu tố cố định (1) Nguyên liệu + Vật liệu cốt: bột gỗ bột vỏ gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium); kích thước bột (2 4)mm; độ ẩm bột 4% + Vật liệu nền: Polyetylen khối lượng riêng cao (HDPE) + Chất trợ tương hợp: MAPE (2) Thiết bị công nghệ ép đùn - Thiết bị sử dụng: Máy ép đùn trục vít (ESYMASTER) - Công nghệ ép: Sử dụng công nghệ ép đùn giai đoạn - Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện công nghiệp gỗ trường ĐH lâm nghiệp Nam Kinh, Trung Quốc 2.3.2 Các yếu tố thay đổi (1) Tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu Trong luận án, ảnh hưởng tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu đến tính chất compozit nghiên cứu thông qua hai bước: - Bước 1: Xây dựng mối quan hệ tỉ lệ trộn bột gỗ Keo tai tượng nhựa HDPE với tính chất compozit (cố định thông số công nghệ khác) để xác định tỉ lệ trộn hợp lý + Tỉ lệ trộn bột gỗ thay đổi khoảng 26% đến 54%; + Tỉ lệ trộn MAPE thay đổi khoảng 0,2% đến 5,8%; - Bước 2: Trên sở tỉ lệ trộn bột gỗ HDPE bước 1, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ trộn bột vỏ bột gỗ (cố định thông số công nghệ khác) để xác định tỉ lệ trộn bột vỏ hợp lý cho sản xuất compozit vỏ nhựa HDPE Tỉ lệ thay bột vỏ thay đổi khoảng 0% đến 100% Chi tiết trình bày phần mô tả phương pháp thực nghiệm (2) Thông số công nghệ ép đùn Để nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ ép đùn giai đoạn đến tính chất WPC, luận án tiến hành thiết lập thí nghiệm sau: - Cố định thông số gồm: tỉ lệ trộn hỗn hợp, nhiệt độ vùng trước đầu đùn, kích thước miệng đùn - Các thông số thay đổi gồm: nhiệt độ đầu đùn tốc độ quay trục vít + Vùng nghiên cứu nhiệt độ đầu đùn biến động khoảng 120oC đến 160oC 8 + Vùng nghiên cứu tốc độ quay trục vít biến động khoảng 10 vòng/phút đến 30 vòng/phút Chi tiết trình bày phần mô tả phương pháp thực nghiệm 2.3.3 Các tiêu cần kiểm tra + Tính chất vật lý gồm: khối lượng riêng, độ hút nước; + Tính chất học: độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh, độ mài mòn; + Khả chịu tia UV mẫu biến tính TiO2: độ lệch màu trước sau chiếu tia UV 2.4 Nội dung nghiên cứu Với mục tiêu luận án trên, nội dung luận án sau: (1) Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ (chưa cho thêm vỏ cây), tỉ lệ chất trợ tương để sản xuất WPC từ gỗ Keo tai tượng nhựa HDPE Mục đích xác định tỉ lệ HDPE MAPE hợp lý để nghiên cứu sử dụng bột vỏ thay bột gỗ (2) Xác định ảnh hưởng lượng trộn bột vỏ đến chất lượng WPC, (3) Xác định mối quan hệ thông số chế độ ép đùn (đơn yếu tố, đa yếu tố) đến chất lượng WPC, (4) So sánh khả chịu tia UV WPC cho thêm nano TiO2 WPC đối chứng Mục đích nghiên cứu thăm dò để đề xuất công nghệ cải thiện khả chịu thời tiết cho WPC Chƣơng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Đặc điểm vỏ Keo tai tƣợng Việc sử dụng vỏ làm nguyên liệu gia cường vừa có ý nghĩa việc lợi dụng triệt để tài nguyên gỗ đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải môi trường Đối với loài khác nhau, lượng vỏ hay tỉ lệ vỏ không giống nhau, ra, số đặc điểm khác chiều dài đường kính sợi vỏ khác Do luận án tiến hành xác định số đặc điểm vỏ làm sở cho việc sử dụng để làm nguyên liệu gia cường sản xuất vật liệu WPC từ bột vỏ nhựa HDPE Các đặc vỏ xác định gồm: chiều dày vỏ, tỉ lệ vỏ, khối lượng riêng vỏ, kích thước sợi vỏ Kết nghiên cứu thể sau: 3.1.1 Độ dày vỏ tỉ lệ vỏ theo chiều cao thân Độ dày vỏ tỉ lệ vỏ gỗ Keo tai tượng theo chiều cao thân thể bảng sau: Bảng 3.1 Chiều dày vỏ tỉ lệ vỏ Keo tai tƣợng theo chiều cao thân Vị trí theo chiều cao (m) Độ dày vỏ (cm) Tỉ lệ vỏ (%) 1,85 7,6 1,3 1,5 7,1 3,6 1,2 6,0 5,6 0,95 5,3 7,6 0,9 5,6 9,6 0,75 5,5 >10 0,6 5,1 Trung bình 1,10 6,03 Từ bảng ta thấy theo chiều cao thân độ dày vỏ tỉ lệ vỏ có xu hướng giảm dần Độ dày vỏ trung bình khoảng 1,1 cm, tỉ lệ vỏ trung bình khoảng 6,0% so với thể tích thân 9 Bảng 3.2 Hình thái sợi vỏ Keo tai tƣợng Vị trí Chiều dài (µm) Sd Đƣờng kính (µm) Sd Độ thon Sd Gốc 1.056 207 21,1 3,6 51 11,4 Thân 1.077 194 20,0 3,5 55 11 Ngọn 1.107 201 19,7 2,6 57 10 Ghi chú: Số liệu bảng chiều dài đường kính trung bình, nhiên nên vào tần số xuất chiều dài đường kính sợi để đánh giá hình thái sợi 3.1.2 Thành phần hoá học Căn tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T 2677.1 đến GB/T 2677.10 tiến hành xác định thành phần hoá học vỏ Keo tai tượng, kết thể bảng sau: Bảng 3.3 Thành phần hoá học vỏ Keo tai tƣợng (giá trị trung bình) Độ pH Xenlulo (%) Hemixenlulo (%) Lignin (%) Chất chiết xuất (%) Nƣớc nguội Nƣớc nóng 1% NaOH 0,45 17,4 25,8 24,7 14,5 19,2 49,8 Từ số liệu thành phần hoá học cho thấy, tỉ lệ thành phần vỏ Keo tai tượng có hàm lượng xenlulo thấp nhiều so với gỗ nói chung, hàm lượng chất chiết xuất lớn, điều gây ảnh hưởng định đến công nghệ sản xuất chất lượng sản phẩm compozit từ bột vỏ nhựa 3.2 Ảnh hƣởng tỉ lệ trộn bột gỗ chất trợ tƣơng hợp đến chất lƣợng WPC Trên sở thông số thí nghiệm bố trí trên, tiến hành tạo vật liệu WPC từ bột gỗ nhựa polyetylen khối lượng riêng lớn (HDPE), tiến hành đánh giá ảnh hưởng đồng thời nhân tố gồm tỉ lệ trộn bột gỗ tỉ lệ trộn chất trợ tương hợp MAPE đến số tính chất WPC như: khối lượng riêng, độ hút nước, độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh độ mài mòn với mục đích tìm tỉ lệ trộn bột gỗ (tỉ lệ vật liệu cốt) nhựa HDPE (vật liệu nền) phù hợp dùng để nghiên cứu tạo WPC có sử dụng thêm phế thải chế biến gỗ - vỏ Keo tai tượng Trong thí nghiệm này, thông số thay đổi tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ MAPE (X2), thành phần khác tạo WPC thay đổi theo cho tổng khối lượng thành phần hỗn hợp tạo WPC đạt 100 phần khối lượng 3.2.1 Ảnh hưởng đến khối lượng riêng khối lượng riêng tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng vât liệu nói chung, vật liệu WPC nói riêng Qua nghiên cứu xác định khối lượng riêng WPC với thông số công nghệ khác cho thấy khối lượng riêng WPC có khác biệt không đáng kể (bảng 4.7) Bảng 3.4 Khối lƣợng riêng WPC với tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) KLTT (g/cm3) -1 -1 1,41 -1,41 0 -1 -1 1 0 1,41 -1,41 30 50 30 50 54 26 40 40 40 1 5 3 5,8 0,2 1,030 1,092 0,988 1,044 1,080 0,998 1,006 1,070 1,037 10 Từ kết thấy, ảnh hưởng tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu nghiên cứu đến khối lượng riêng không đáng kể, với tiêu luận án không xây dựng phương trình tương quan 3.2.2 Ảnh hưởng đến độ hút nước Độ hút nước WPC có ảnh hưởng đến độ bền độ ổn định sản phẩm từ WPC trình sử dụng Do đó, tiêu quan trọng cần nghiên cứu, sản xuất mong muốn vật liệu có độ hút nước nhỏ tốt Trong nghiên cứu xác định độ hút nước sau ngày ngâm nước tinh khiết nhiệt độ môi trường WPC tỉ lệ thành phần hỗn hợp nguyên liệu thay đổi, kết trình bày bảng 3.5 Bảng 3.5 Độ hút nƣớc WPC tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) Độ hút nƣớc (%) 0,86 -1 -1 30 1,33 -1 50 0,82 -1 30 1,29 1 50 1,41 1,41 54 0,81 -1,41 26 0,98 1,41 40 5,8 1,08 -1,41 40 0,2 1,05 0 40 Phương trình tương quan tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ hút nước (W) WPC sau: W = 1,12-0,17X1 + 0,03X12 - 0,23X22 - 0,07X1X2 + 0,03X22 Hệ số tương quan: R = 0,89 3.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền chịu kéo Độ bền chịu kéo vật liệu WPC tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm dùng trường hợp chi tiêu chịu lực kéo thường xuyên, tiêu học cần thiết Kết xác định độ bền kéo WPC tỉ lệ thành phần khác trình bày bảng 3.6 Bảng 3.6 Độ bền kéo WPC với tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) Độ bền kéo (MPa) 21,5 -1 -1 30 16,6 -1 50 22,7 -1 30 20,7 1 50 18,2 1,41 54 23,5 -1,41 26 21,5 1,41 40 5,8 18,4 -1,41 40 0,2 20,6 0 40 Phương trình tương quan tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ bền chịu kéo (S) WPC sau: S = 22,076 + 0,877X1 - 0,441X12 - 1,123X22 + 0,233X1X2 + 0,242X22 Hệ số tương quan: R = 0,92 3.2.4 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 11 Độ bền uốn tĩnh vật liệu nói chung, vật liệu WPC nói riêng tiêu thiếu để đánh giá chất lượng làm sở để tính toán thiết kế chi tiết sản phẩm Trong nghiên cứu này, độ bền uốn tĩnh xác định với loại sản phẩm WPC tạo với tỉ lệ trộn nguyên liệu khác Kết bảng 3.7 Bảng 3.7 Độ bền uốn tĩnh WPC tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) Độ bền uốn (MPa) 22,3 -1 -1 30 20,0 -1 50 23,7 -1 30 22,3 1 50 20,4 1,41 54 24,5 -1,41 26 22,3 1,41 40 5,8 19,9 -1,41 40 0,2 22,2 0 40 Phương trình tương quan tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ bền uốn tĩnh (MOR) WPC sau: MOR = 20,06 + 2,38X1 + 0,09X12 - 0,69X22 + 1,55X1X2 + 0,89X22 Hệ số tương quan: R = 0,88 3.2.4 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh Kết cho thấy, độ lớn mô đun đàn hồi biến động rõ rệt tỉ lệ trộn nguyên liệu thay đổi, mô đun đàn hồi thay đổi phạm vi 1,06 GPa đến 1,70 Gpa (bảng 3.8) Bảng 3.8 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) Mô đun đàn hồi uốn (GPa) 1,063 -1 -1 30 1,226 -1 50 1,439 -1 30 1,666 1 50 1,354 1,41 54 1,155 -1,41 26 1,559 1,41 40 5,8 1,063 -1,41 40 0,2 1,487 0 40 Phương trình tương quan tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ trộn MAPE (X2) với mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) WPC sau: MOE = 1,44 + 0,06X1 - 0,17X2 - 0,03X1X2 + 0,09X22 Hệ số tương quan: R = 0,87 3.2.5 Ảnh hưởng đến độ mài mòn bề mặt Kết xác định độ mài mòn WPC sản xuất với tỉ lệ trộn hỗn hợp nguyên liệu khác thể bảng 3.9 Bảng 3.9 Độ mài mòn WPC với tỉ lệ thành phần khác TT X1 X2 Tỉ lệ bột gỗ (PKL) Tỉ lệ MAPE (PKL) Độ mài mòn (g/100 vòng) -1 -1 -1 -1 30 50 30 1 0,354 0,409 0,480 12 Khối lượng riêng, g/cm3 1 50 0,489 1,41 54 0,451 -1,41 26 0,402 1,41 40 5,8 0,496 -1,41 40 0,2 0,354 0 40 0,492 Phương trình tương quan tỉ lệ trộn bột gỗ (X1) tỉ lệ trộn MAPE (X2) với độ mài mòn (AS - Abrasion resistant) WPC sau: AS = 0,48 + 0,02X1 - 0,03X12 + 0,02X2 0,004X1X2 - 0,02X22 Hệ số tương quan: R = 0,92 Từ phương trình tương quan ta xác định tỷ lệ hỗn hợp bột gỗ, nhựa HDPE MAPE hợp lý, để làm sở cho việc nghiên cứu thay tỷ lệ bột vỏ cho bột gỗ 3.3 Xác định tỉ lệ trộn bột gỗ, HDPE MAPE hợp lý Nhằm xác định tỉ lệ trộn phù hợp chất gia cường (bột gỗ) MAPE với điều kiện thí nghiệm, luận án tiến hành giải toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ - Các phương trình tương quan lập phần sau: + Độ hút nước (W) W = 1,12-0,17X1 + 0,03X12 - 0,23X22 - 0,07X1X2 + 0,03X22 + Độ bền kéo (S) S = 22,076 + 0,877X1 - 0,441X12 - 1,123X22 + 0,233X1X2 + 0,242X22 + Độ bền uốn tĩnh (MOR) MOR = 20,06 + 2,38X1 + 0,09X12 - 0,69X22 + 1,55X1X2 + 0,89X22 + Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) MOE = 1,44 + 0,06X1 - 0,17X2 - 0,03X1X2 + 0,09X22 + Độ mài mòn (AS) AS = 0,48 + 0,02X1 - 0,03X12 + 0,02X2 0,004X1X2 - 0,02X22 Giải hệ phương trình gồm phương trình tương quan với điều kiện hàm mục tiêu, kết thu sau: - Lượng dùng bột gỗ: 43,53 phần khối lượng - Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng - Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng tỉ lệ bột vỏ đến chất lƣợng WPC 3.4.1 Ảnh hưởng đến khối lượng riêng Kết xác định khối lượng riêng WPC tỉ lệ bột vỏ thay thay đổi có quy luật biểu đồ hình 3.1 1,100 1,080 1,060 1,040 1,020 1,000 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ : bột gỗ Hình 3.1 Sự thay đổi khối lƣợng riêng tỉ lệ bột vỏ thay đổi 13 Độ hút nước, % Từ hình thấy, tỉ lệ vỏ tăng lên khối lượng riêng gỗ giảm xuống Hiện tượng gia nhiệt ép, bột vỏ có thành phần hóa học khác nhiều so với gỗ, dẫn đến sau hình thành sản phẩm tồn nhiều khoảng trống bột vỏ cây, kết khối lượng riêng vỏ sản phẩm sau ép thấp, hay khối lượng riêng WPC thấp 3.4.2 Ảnh hưởng đến độ hút nước Độ hút nước WPC tăng (hình 3.2) độ xốp sau ép bột vỏ gây số thành phần hóa học bột vỏ làm giảm khả liên kết bột gỗ với nhựa gây 1,8 1,6 1,4 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ : bột gỗ Hình 3.2 Sự thay đổi độ hút nƣớc tỉ lệ bột vỏ thay đổi Độ bền kéo, MPa 3.4.3 Ảnh hưởng đến độ bền kéo Kết xác định độ bền kéo WPC sản xuất từ bột gỗ, bột vỏ Keo tai tượng HDPE thể hình 3.3 20 10 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ : bột gỗ Hình 3.3 Sự thay đổi độ bền kéo tỉ lệ bột vỏ thay đổi Độ uốn tĩnh, MPa Từ hình nhận thấy, tỉ lệ bột vỏ thay tăng lên, độ bền kéo có xu hướng giảm xuống, giảm tới 30% (từ 18,7 MPa đến 13,2 MPa lượng dùng bột gỗ 100% giảm xuống 0%) 3.4.4 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh Kết xác định độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh vật liệu WPC trộn bột vỏ thể biểu đồ hình 3.4 3.5 30 20 10 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ : bột gỗ Hình 3.4 Độ bền uốn tĩnh WPC tỉ lệ bột vỏ thay tăng lên Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa 14 1500 1000 500 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ : bột gỗ Hình 3.5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC tỉ lệ bột vỏ thay tăng lên Độ mài mòn, g/100 vòng Từ hình ta thấy, quy luật thay đổi độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh tương tự độ bền kéo WPC trộn bột vỏ Khi tỉ lệ bột vỏ tăng lên mô đun đàn hồi uốn tĩnh độ bền uốn tĩnh giảm theo 3.4.5 Ảnh hưởng đến độ mài mòn Kết thí nghiệm xác định độ mài mòn vật liệu WPC trộn bột vỏ thể biểu đồ hình 3.6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ cây: bột gỗ Hình 3.6 Độ mài mòn WPC tỉ lệ bột vỏ thay tăng lên Như biết, cấu tạo bột gỗ khác nhiều so với bột vỏ thành phần hoá học tính chất lý Khả chịu ngoại lực bột vỏ thường so với bột gỗ hàm lượng xenlulo bột vỏ thường thấp Cũng lượng bột vỏ trộn vào vật liệu WPC tăng lên làm cho khả chịu mài mòn vật liệu giảm rõ rệt, thể lượng mài mòn tăng lên lượng bột vỏ thay bột gỗ tăng lên 3.5 Tiểu kết (1) Keo tai tượng có chiều dày vỏ tỉ lệ vỏ giảm dần theo chiều cao thân với tỉ lệ trung bình khoảng 6,03% Khối lượng riêng vỏ khác lớn phần gốc phần với giá trị phần gốc, thân 0,453 g/cm3, 0,285 g/cm3 0,189 g/cm3 Đường kính sợi vỏ trung bình khoảng 19-21 µm, chiều dài trung bình khoảng 1.050-1100 µm Hàm lượng xenlulo vỏ chiếm 17,4%, hemixenlulo chiếm 25,8%, lignin chiếm 24,7%, chất chiết xuất nước nguội chiếm 14,5%, chất chiết xuất nước nóng chiếm 19,2% chất triết xuất dung dịch 1% NaOH chiếm 49,8% (2) Tỉ lệ trộn bột gỗ chất trợ tương hợp MAPE có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng WPC Giá trị tỉ lệ trộn bột gỗ MAPE hợp lý theo điều kiện thí nghiệm là: - Lượng dùng bột gỗ: 43,53 phần khối lượng - Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng - Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng (3) Tỉ lệ thay bột gỗ bột vỏ có ảnh hưởng định đến tính chất lý WPC Căn xu hướng biến đổi tính chất WPC tỉ lệ bột vỏ tăng lên, thấy lượng vỏ 15 cho thêm nhiều lợi cho chất lượng sản phẩm, để thu sản phẩm có chất lượng đạt yêu cầu số lĩnh vực ứng dụng, luận án khuyến nghị nên trộn khoảng 30% lượng vỏ thay cho bột gỗ Có nghĩa, tỉ lệ trộn bột vỏ bột gỗ 30 : 70 (trong tổng số 43,53 phần khối lượng) tương đối hợp lý 3.6 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng công nghệ ép đùn đến chất lƣợng WPC 3.6.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ ép đến chất lƣợng WPC 3.6.1.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước Kết xác định độ hút nước WPC thể hình 3.7 Độ hút nước, % 1,5 0,5 120 130 140 150 Nhiệt độ đầu 160 đùn,oC Hình 3.7 Độ hút nƣớc WPC nhiệt độ đầu đùn thay đổi Độ bền kéo, MPa Từ hình vẽ ta thấy, nhiệt độ đầu đùn tăng lên, độ hút nước sản phẩm giảm xuống không đáng kể (từ khoảng 1,5% xuống khoảng 0,9%), độ hút nước đạt đến giá trị nhỏ nhiệt độ đầu đùn lên 150-160oC Điều cho thấy, chất vật liệu compozit gỗ nhựa loại vật liệu có khả chịu nước tốt Nếu xét đến chi phí lượng trình sản xuất, để sản phẩm có độ hút nước thấp mà chi phí không cao chọn nhiệt độ đầu đùn khoảng 140-150oC 3.6.1.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo Độ bền kéo WPC với nhiệt độ đầu đùn khác thể biểu đồ hình 3.8 21 19 17 15 13 11 120 130 140 150 160 Nhiệt độ đầu đùn, oC Hình 3.8 Độ bền kéo WPC nhiệt độ đầu đùn thay đổi Kết thí nghiệm cho thấy, với nhiệt độ đầu đùn lựa chọn từ 120 oC đến 160 oC sản phẩm WPC có độ bền kéo thay đổi rõ, đặc biệt nhiệt độ tăng từ 120oC lên đến 140oC mức độ tăng lên độ bền kéo nhanh Tuy nhiên, nhiệt độ tiếp tục tăng đến 160oC độ bền kéo lại có xu hướng ổn định giảm nhẹ, điều nhiệt độ tăng lên cao nhiều làm cho liên kết bột gỗ, bột vỏ nhựa bị ảnh hưởng, làm cho độ bền kéo giảm theo 3.6.1.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh Tương tự độ bền kéo, độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC tạo với nhiệt độ đầu đùn khác có quy luật thay đổi rõ rệt Thường nhiệt độ tăng lên độ bền 16 Độ bền uốn tĩnh, MPa uốn mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng lên sau giảm xuống Điều quan sát rõ hình 3.9 3.10 28 27 26 25 24 23 22 120 130 140 150 Nhiệt độ đầu đùn, 160 oC Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, MPa Hình 3.9 Độ bền uốn tĩnh WPC nhiệt độ đầu đùn thay đổi 2000 1500 1000 500 120 130 140 150 160 Nhiệt độ đầu đùn, oC Hình 3.10 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC nhiệt độ đầu đùn thay đổi Độ mài mòn, g/100 vòng Từ kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đầu đùn đến tiêu chất lượng chọn nhận thấy, nhiệt độ đầu đùn có ảnh hưởng lớn đến độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh vật liệu WPC, nhiệt độ biến động khoảng 120 oC đến 160 oC làm cho độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh thay đổi rõ rệt, nhiên mức độ thay đổi khoảng nhiệt độ không giống Khi nhiệt độ tăng từ 120oC đến 140oC làm cho độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng lên đáng kể 3.6.1.4 Ảnh hưởng đến độ mài mòn Kết xác định độ mài mòn WPC thay đổi nhiệt độ đầu đùn thể biểu đồ hình 3.11 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 120 130 140 150 160 Nhiệt độ đầu đùn, oC Hình 3.11 Độ mài mòn WPC nhiệt độ đầu đùn thay đổi Từ hình ta thấy, nhiệt độ đầu đùn tăng lên, độ mài mòn vật liệu có thay đổi rõ Xu hướng biến đổi có quy luật định, cụ thể nhiệt độ tăng từ 120oC lên 160oC độ mài mòn giảm xuống, đến khoảng 140oC có xu hướng tăng lên Nguyên nhân nhiệt độ đầu đùn thấp khả trộn lẫn hỗn hợp không tốt làm cho độ mài mòn cao, nhiệt độ tăng làm cho nhựa hỗn hợp chất gia cường (bột gỗ bột vỏ cây) trộn 17 Độ hút nước, % nhiệt độ 140oC chưa gây ảnh hưởng đến hỗn hợp chất gia cường này, nhiệt độ lên 140oC gây tác động đến tính chất chúng, dẫn đến độ mài mòn tăng lên 3.7 Nghiên cứu ảnh hƣởng tốc độ quay trục vít đến chất lƣợng WPC 3.7.2.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước Từ thí nghiệm thiết kế, luận án tạo mẫu WPC với tốc độ quay trục vít ép đùn khác tiến hành đánh giá độ hút nước sau ngày ngâm nước nhiệt độ thường Kết nghiên cứu hình 3.12 1,5 0,5 10 15 20 25 30 Tốc độ quay trục vít, vòng/phút Hình 3.12 Độ hút nƣớc WPC tốc độ quay trục vít thay đổi Độ bền kéo, MPa Biểu đồ hình cho thấy, tốc độ quay trục vít tăng lên, độ hút nước sản phẩm giảm xuống từ khoảng gần 1,8% đến khoảng 1,3% Hơn nữa, giá trị độ hút nước gần vào khoảng 1,3% có xu hướng không giảm tiếp tốc độ quay trục vít thay đổi khoảng 20-30 vòng/phút Từ cho thấy, lựa chọn tốc độ quay trục vít, xem xét đến độ hút nước cần lựa chọn tốc độ quay trục vít vào khoảng 20 vòng/phút 3.7.2.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo Trong công nghệ ép đùn, trục vít chi tiết tạo áp lực ép cho sản phẩm, đó, tốc độ quay trục vít thay đổi áp suất ép thay đổi Vì vậy, theo lý thuyết tốc độ quay trục vít gây ảnh hưởng định đến tính chất học WPC nói chung, độ bền kéo nói riêng Trong nghiên cứu luận án, độ bền kéo WPC tạo tốc độ quay trục vít khác xác định trình bày biểu đồ hình 3.13 25 20 15 10 10 15 20 25 30 Tốc độ quay trục vít, vòng/phút Hình 3.13 Độ bền kéo WPC tốc độ quay trục vít thay đổi Từ kết nghiên cứu cho thấy, tốc độ quay trục vít tăng lên, độ bền kéo WPC tăng theo, có xu hướng đạt giá trị ổn định tốc độ quay từ 20 vòng/phút trở lên Điều cho thấy, tốc độ quay trục vít nhỏ, tốc độ đùn sản phẩm tương đối nhỏ, làm cho sản phẩm chưa đạt đến khối lượng riêng mong muốn Nhưng tốc độ quay trục vít cao (trên 25 vòng/phút) sản phẩm đạt đến khối lượng riêng mong muốn ổn định, làm cho độ bền kéo sản phẩm không thay đổi Từ thấy, tốc độ quay trục vít vào khoảng 20-30 vòng/phút tương đối hợp lý 3.7.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh Độ bền uốn tĩnh, MPa 18 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 10 15 20 25 30 Tốc độ quay trục vít, vòng/phút Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, MPa Hình 3.14 Độ bền uốn tĩnh WPC tốc độ quay trục vít thay đổi 1210 1200 1190 1180 1170 1160 1150 1140 10 15 20 25 30 Tốc độ quay trục vít, vòng/phút Hình 3.15 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC tốc độ quay trục vít thay đổi Độ mài mòn, g/100 vòng Từ kết thí nghiệm thấy, tốc độ quay trục vít có ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh sản phẩm Khi tốc độ quay trục vít tăng từ 10 lên 20 vòng/phút độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng lên nhanh Điều tốc độ quay trục vít tăng lên làm cho độ nén ép tăng lên, điều làm cho khối lượng riêng sản phẩm tăng lên theo 3.7.2.4 Ảnh hưởng đến độ mài mòn Độ mài mòn vật liệu tốc độ quay trục vít máy ép đùn thay đổi thể biểu đồ hình 3.16 0,44 0,42 0,40 0,38 0,36 10 15 20 25 30 Tốc độ quay trục vít, vòng/phút Hình 3.16 Độ mài mòn WPC tốc độ quay trục vít thay đổi Từ hình ta thấy, tốc độ quay trục vít tăng lên, tức áp suất ép lên sản phẩm tăng, làm cho hỗn hợp ép chặt dẫn đến chất lượng bề mặt tốt thể lượng mài mòn giảm xuống, nói cách khác khả chịu mài mòn tăng lên 3.8 Nghiên cứu xác định thông số công nghệ phù hợp để tạo WPC từ bột vỏ HDPE 3.8.1 Ảnh hưởng đến độ hút nước Kết xác định độ hút nước sau ngày ngâm nước mẫu WPC tạo với thông số công nghệ ép đùn khác trình bày bảng 3.9 Bảng 3.9 Độ hút nƣớc WPC với chế độ ép khác TT X1 X2 Tốc độ quay trục vít Nhiệt độ đầu phun (oC) Độ hút nƣớc (%) 19 (v/phút) 20 130 1,5 -1 -1 30 130 1,2 -1 20 150 1,0 -1 30 150 0,8 1 32 140 0,9 1,41 18 140 1,4 -1,41 25 154 0,9 1,41 25 126 1,08 -1,41 25 140 1,05 0 Phương trình tương quan tốc độ quay trục vít (X1) nhiệt độ đầu phun (X2) với độ hút nước (W) WPC sau: W = 1,43 + 0,07X1 - 0,07X12 + 0,18X2 + 0,03X1X2 - 0,09X22 Hệ số tương quan: R = 0,89 3.8.2 Ảnh hưởng đến độ bền kéo Kết xác định độ bền kéo WPC với thông số chế độ ép khác trình bày bảng 3.10 Bảng 3.10 Độ bền kéo WPC với chế độ ép khác TT X1 X2 Tốc độ quay trục vít (v/phút) Nhiệt độ đầu phun (oC) Độ bền kéo (MPa) 20 130 17,5 -1 -1 30 130 22,6 -1 20 150 21,7 -1 30 150 22,7 1 32 140 23,2 1,41 18 140 18,5 -1,41 25 154 24,5 1,41 25 126 18,5 -1,41 25 140 21,7 0 Phương trình tương quan tốc độ quay trục vít (X1) nhiệt độ đầu phun (X2) với độ bền kéo (S) WPC sau: S = 21,41 + 1,22X1 - 0,78X12 + 0,56X2 - 1,08X1X2 + 0,22X22 Hệ số tương quan: R = 0,92 3.9.3 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh Trong nghiên cứu này, độ bền uốn tĩnh xác định với loại sản phẩm WPC tạo với thông số chế độ ép đùn khác Kết bảng 3.11 Bảng 3.11 Độ bền uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác TT X1 X2 Tốc độ quay trục vít (v/phút) Nhiệt độ đầu phun (oC) Độ bền uốn (MPa) -1 -1 1,41 -1,41 -1 -1 1 0 1,41 20 30 20 30 32 18 25 130 130 150 150 140 140 154 18.8 24.0 24.8 30.2 28.8 21.9 28.3 20 25 126 18.9 -1,41 25 140 26.7 0 Phương trình tương quan tốc độ quay trục vít (X1) nhiệt độ đầu phun (X2) với độ bền uốn tĩnh (MOR) WPC sau: MOR = 2,16 + 2,17X1 + 12,83X12 + 0,44X2 - 0,58X1X2 + 14,0X22 Hệ số tương quan: R = 8,6 3.9.4 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác thể bảng 5.4 Bảng 5.4 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh WPC với chế độ ép khác TT X1 X2 Tốc độ quay trục vít (v/phút) Nhiệt độ đầu phun (oC) Mô đun đàn hồi uốn (GPa) 20 130 1,097 -1 -1 30 130 1,215 -1 20 150 1,247 -1 30 150 1,464 1 32 140 1,356 1,41 18 140 1,086 -1,41 25 154 1,367 1,41 25 126 1,010 -1,41 25 140 1,394 0 Phương trình tương quan tốc độ quay trục vít (X1) nhiệt độ đầu phun (X2) với mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) WPC sau: MOE = 1,54 + 0,17X1 - 0,77X12 + 0,17X2 + 0,23X1X2 - 0,09X22 Hệ số tương quan: R = 0,85 3.9.5 Ảnh hưởng đến độ mài mòn Kết xác định độ mài mòn WPC với chế độ ép khác thể bảng 3.12 Bảng 3.12 Độ mài mòn WPC với chế độ ép khác TT X1 X2 Tốc độ quay trục vít (v/phút) Nhiệt độ đầu phun (oC) Độ mài mòn (g/100 vòng) 20 130 -1 -1 0,41 30 130 -1 0,37 20 150 -1 0,38 30 150 1 0,39 32 140 1,41 0,37 18 140 -1,41 0,41 25 154 1,41 0,39 25 126 -1,41 0,41 25 140 0 0,36 Phương trình tương quan tốc độ quay trục vít (X1) nhiệt độ đầu phun (X2) với độ mài mòn (AS) WPC sau: AS = 0,44 + 0,33X1 - 0,02X12 + 0,04X2 + 0,01X1X2 - 0,01X22 Hệ số tương quan: R = 8,9 3.9.6 Xác định thông số công nghệ ép phù hợp để sản xuất WPC - Yêu cầu hàm mục tiêu: + Độ hút nước (W) nhỏ + Độ bền kéo (S) lớn + Độ bền uốn tĩnh (MOR) lớn 21 + Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) lớn + Độ mài mòn (AS) nhỏ (khả chịu mài mòn lớn nhất) - Các phương trình tương quan lập phần sau: + Độ hút nước (W) W = 1,43 + 0,07X1 - 0,07X12 + 0,18X2 + 0,03X1X2 - 0,09X22 + Độ bền kéo (S) S = 21,41 + 1,22X1 - 0,78X12 + 0,56X2 - 1,08X1X2 + 0,22X22 + Độ bền uốn tĩnh (MOR) MOR = 2,16 + 2,17X1 + 12,83X12 + 0,44X2 - 0,58X1X2 + 14,0X22 + Mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) MOE = 1,54 + 0,17X1 - 0,77X12 + 0,17X2 + 0,23X1X2 - 0,09X22 + Độ mài mòn (AS) AS = 0,44 + 0,33X1 - 0,02X12 + 0,04X2 + 0,01X1X2 - 0,01X22 Giải hệ phương trình gồm phương trình tương quan với điều kiện hàm mục tiêu trên, kết thu sau: - Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút - Nhiệt độ đầu đùn : 147, oC 3.10 Nghiên cứu khả chịu tia UV WPC từ bột vỏ thêm hạt Nano 3.10.1 Thực nghiệm tạo WPC cho thêm hạt nano TiO2 Trong thí nghiệm thông số công nghệ tạo WPC sử dụng thông số công nghệ hợp lý mà ta có từ việc giải toán tối ưu phần - Tỉ lệ hỗn hợp thành phần sau: Chất gia cường : HDPE : MAPE = 43,53 (70% bột gỗ + 30% bột vỏ cây) : 53,22 : 3,25 - Tỉ lệ dụng TiO2 so với lượng HDPE: 0,5%, 1%, 1,5% - Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút - Nhiệt độ đầu đùn : 147, oC Phương pháp đưa nano vào sau : Phân tán MAPE đồng vào dung môi nước, sau sử dụng sóng siêu âm cao tần để phân tán hạt nano vào dung dịch hòa tan MAPE 3.10.2 Khả chịu tia UV WPC cho thêm hạt nano TiO2 Kết kiểm tra số màu sắc WPC từ bột vỏ Keo tai tượng nhựa HDPE sau chiếu tia UV thời gian 960h thể hình từ 3.17 đến 3.20 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 200 400 600 800 1000 Thời gian chiếu UV, Delta_L* Delta_E Hình 3.17 Biến đổi màu sắc chiếu tia UV mẫu WPC không chứa TiO2 22 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 200 400 600 800 1000 Thời gian chiếu UV, Delta_L* Delta_E Hình 3.18 Biến đổi màu sắc chiếu tia UV mẫu WPC chứa 0,5% TiO2 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 200 400 600 800 1000 Thời gian chiếu UV, Delta_L* Delta_E Hình 3.19 Biến đổi màu sắc chiếu tia UV mẫu WPC chứa 1,0% TiO2 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 200 400 600 800 1000 Thời gian chiếu UV, Delta_L* Delta_E Hình 3.20 Biến đổi màu sắc chiếu tia UV mẫu WPC chứa 1,5% TiO2 Từ kết thí nghiệm cho thấy, độ sáng (L*) ván mỏng sau chiếu tia UV thay đổi rõ, có tính quy luật Hơn mẫu WPC với lượng dùng TiO2 tăng lên thay đổi độ sáng giảm xuống từ giá trị L khoảng đến xuống khoảng đến Độ chênh lệch màu tổng E mẫu WPC không chứa TiO2 mẫu chứa TiO2 có xu hướng biến đổi tương tự với L Với mẫu không chứa TiO2 E có giá trị khoảng đến 10, với mẫu chứa TiO2 giá trị E giảm xuống khoảng 40-50% (khoảng đến 5) Điều 23 có nghĩa, cho thêm TiO2 vào trình sản xuất WPC từ vỏ Keo tai tượng làm tăng độ ổn định màu sắc vật liệu chiếu tia UV Với kết khuyến nghị, trình sản xuất WPC từ vỏ Keo tai tượng dùng làm sản phẩm trời nên cho thêm lượng TiO2 định (khoảng từ 1,0-1,5% so với nhựa HDPE hợp lý) Do điều kiện nghiên cứu phạm vi luận án nên chưa tiến hành nghiên cứu sâu ảnh hưởng khác TiO2 đến chất lượng WPC từ vỏ Keo tai tượng HDPE Tuy nhiên, hướng nghiên cứu tương lai nhằm nâng cao tuổi thọ sử dụng cho vật liệu compozit gỗ nhựa từ vỏ Keo tai tượng HDPE KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Từ kết nghiên cứu ta rút số kết luận sau: (1) Bột vỏ keo tai tượng làm nguyên liệu thay phần bột gỗ sản xuất vật liệu WPC (2) Tỉ lệ thay bột vỏ cho bột gỗ có ảnh hưởng định đến tính chất lý WPC, tỷ lệ sử dụng bột vỏ cao tiêu chí độ bền vật liệu giảm, khuyến nghị nên trộn khoảng 30% lượng vỏ thay cho bột gỗ, có nghĩa, tỉ lệ trộn bột vỏ bột gỗ 30 : 70 (trong tổng số 43,53 phần khối lượng) tương đối hợp lý (3) Giá trị thông số công nghệ hợp lý để sản xuất WPC từ vỏ Keo tai tượng theo phạm vi nghiên cứu luận án sau: - Lượng dùng bột vỏ + bột gỗ: 43,53 phần khối lượng - Lượng dùng MAPE: 3,25 phần khối lượng - Lượng dùng HDPE : 53,22 phần khối lượng - Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút - Nhiệt độ đầu đùn : 147, oC (4) Khi cho thêm hạt nano TiO2 vào trình sản xuất WPC từ vỏ Keo tai tượng nhựa HDPE nâng cao khả chịu tia UV vật liệu Cụ thể, hàm lượng dùng TiO2 tăng từ 0,0% lên 1,5% khả chịu tia UV WPC tăng khoảng 50-60% Khuyến nghị Để đưa vào sản xuất nâng cao chất lượng WPC từ vỏ Keo tai tượng, luận án có số khuyến nghị sau: (1) Trên sở thông số công nghệ tối ưu luận án tìm ra, tiếp tục tiến hành nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu thiết bị sản xuất công nghiệp hoá (nếu có) để hoàn thiện công nghệ sản xuất sản phẩm WPC từ vỏ Keo tai tượng nhựa HDPE loại nhựa khác (2) Nghiên cứu nâng cao khả chống chịu tia UV vật liệu WPC từ vỏ Keo tai tượng vỏ loài khác số loại vật liệu có khả hấp thụ chống tia UV nano TiO2 (3) Đánh giá cách tổng hợp hiệu kinh tế, kỹ thuật môi trường áp dụng công nghệ sản xuất WPC từ vỏ gỗ rừng trồng 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU, BÀI BÁO ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Triệu Văn Hải, Cao Quốc An, Phạm Thị Ánh Hồng Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố công nghệ sản xuất vật liệu composite từ vỏ polyethylene Tạp chí khoa học công nghệ lâm nghiệp, số năm 2015 Cao Quốc An, Triệu Văn Hải, Vũ Mạnh Tường, Lê Văn Tung Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ ép đùn đến chất lượng composite nhựa vỏ Tạp chí khoa học công nghệ lâm nghiệp, số năm 2015 [...]... môi trường nếu áp dụng công nghệ sản xuất WPC từ vỏ cây gỗ rừng trồng 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU, BÀI BÁO ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1 Triệu Văn Hải, Cao Quốc An, Phạm Thị Ánh Hồng Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ trong sản xuất vật liệu composite từ vỏ cây và polyethylene Tạp chí khoa học công nghệ lâm nghiệp, số 4 năm 2015 2 Cao Quốc... hành nghiên cứu sâu các ảnh hưởng khác của TiO2 đến chất lượng WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và HDPE Tuy nhiên, đây có thể là một hướng nghiên cứu mới trong tương lai nhằm nâng cao tuổi thọ sử dụng cho vật liệu compozit gỗ nhựa từ vỏ cây Keo tai tượng và HDPE KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1 Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu ta rút ra được một số kết luận sau: (1) Bột vỏ cây keo tai tượng có thể làm nguyên liệu. .. sản xuất công nghiệp hoá (nếu có) để có thể hoàn thiện công nghệ sản xuất sản phẩm WPC từ vỏ cây Keo tai tượng và nhựa HDPE hoặc loại nhựa khác (2) Nghiên cứu nâng cao khả năng chống chịu tia UV của vật liệu WPC từ vỏ cây Keo tai tượng hoặc vỏ loài cây khác bằng một số loại vật liệu có khả năng hấp thụ hoặc chống tia UV ngoài nano TiO2 (3) Đánh giá một cách tổng hợp hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi... chịu tia UV của vật liệu Cụ thể, khi hàm lượng dùng TiO2 tăng từ 0,0% lên 1,5% thì khả năng chịu tia UV của WPC tăng khoảng 50-60% 2 Khuyến nghị Để có thể đưa vào sản xuất cũng như nâng cao chất lượng của WPC từ vỏ cây Keo tai tượng, luận án có một số khuyến nghị sau: (1) Trên cơ sở thông số công nghệ tối ưu của luận án tìm ra, tiếp tục tiến hành nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu trên thiết... nguyên liệu thay thế được một phần bột gỗ trong sản xuất vật liệu WPC (2) Tỉ lệ thay thế bột vỏ cây cho bột gỗ có ảnh hưởng nhất định đến tính chất cơ lý của WPC, khi tỷ lệ sử dụng bột vỏ cây càng cao thì các tiêu chí về độ bền của vật liệu càng giảm, khuyến nghị nên trộn khoảng 30% lượng vỏ cây thay cho bột gỗ, có nghĩa, tỉ lệ trộn bột vỏ cây và bột gỗ là 30 : 70 (trong tổng số 43,53 phần khối lượng)... xenlulo trong bột vỏ cây thường thấp Cũng vì thế khi lượng bột vỏ cây trộn vào vật liệu WPC tăng lên đã làm cho khả năng chịu mài mòn của vật liệu giảm đi rõ rệt, thể hiện ở lượng mài mòn tăng lên khi lượng bột vỏ cây thay thế bột gỗ tăng lên 3.5 Tiểu kết (1) Keo tai tượng có chiều dày vỏ và tỉ lệ vỏ giảm dần theo chiều cao thân cây với tỉ lệ trung bình khoảng 6,03% Khối lượng riêng của vỏ cây khác nhau... kiện của hàm mục tiêu như trên, kết quả thu được như sau: - Tốc độ quay trục vít: 24,36 vòng/phút - Nhiệt độ đầu đùn : 147, 5 oC 3.10 Nghiên cứu khả năng chịu tia UV của WPC từ bột vỏ cây khi thêm hạt Nano 3.10.1 Thực nghiệm tạo WPC khi cho thêm hạt nano TiO2 Trong thí nghiệm này các thông số công nghệ tạo WPC được sử dụng ngay các thông số công nghệ hợp lý mà ta có được từ việc giải bài toán tối ưu... xác định độ mài mòn của vật liệu WPC trộn bột vỏ cây thể hiện trong biểu đồ hình 3.6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ cây: bột gỗ Hình 3.6 Độ mài mòn của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay thế tăng lên Như chúng ta đã biết, do cấu tạo của bột gỗ khác nhiều so với bột vỏ cây cả về thành phần hoá học và tính chất cơ lý Khả năng chịu ngoại lực của bột vỏ cây thường kém hơn... riêng của vỏ cây trong sản phẩm sau khi ép thấp, hay khối lượng riêng của WPC thấp 3.4.2 Ảnh hưởng đến độ hút nước Độ hút nước của WPC tăng (hình 3.2) có thể do độ xốp sau khi ép của bột vỏ cây gây ra hoặc cũng có thể do một số thành phần hóa học trong bột vỏ cây làm giảm khả năng liên kết của bột gỗ với nhựa gây ra 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ cây. .. tới 30% (từ 18,7 MPa đến 13,2 MPa khi lượng dùng bột gỗ là 100% giảm xuống 0%) 3.4.4 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh Kết quả xác định độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh của vật liệu WPC trộn bột vỏ cây thể hiện trong biểu đồ hình 3.4 và 3.5 30 20 10 0 0:100 10:90 20:80 30:70 40:60 100:0 Tỉ lệ bột vỏ cây : bột gỗ Hình 3.4 Độ bền uốn tĩnh của WPC khi tỉ lệ bột vỏ cây thay