TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 0-0-0 NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘT GỖ PHẾ THẢI, CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN NHỰA NỀN POLYVINYL CLORUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 0-0-0 NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘT GỖ PHẾ THẢI, CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN NHỰA NỀN POLYVINYL CLORUA Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN VŨ GIANG Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS. Nguyễn Vũ Giang và tập thể phòng thí nghiệm vật liệu phi kim – Viện Kỹ Thuật Nhiệt Đới đã giao đề tài, tạo điều kiện và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn PGS.TS Đỗ Quang Trung và các anh chị trong phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường, khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của gia đình, bạn bè trong suốt thời gian thực hiện luận văn này Hà Nội, 2014 Học viên Nguyễn Văn Sơn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu compozit nhựa/gỗ 3 1.1.1. Vật liệu nền polyvinyl clorua (PVC) 4 1.1.2. Bột gỗ và bột gỗ keo tai tượng (BG) 9 1.1.3. Phụ gia gia cường silica 14 1.1.4. Bột gỗ biến tính hạt nano silica (SiO 2 ) 16 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 18 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1.Nguyên liệu và hóa chất 22 2.2. Chế tạo vật liệu compozit PVC/BG 22 2.2.1. Xử lý bột gỗ bằng xút nóng (NaOH) 22 2.2.2. Biến tính bề mặt bột gỗ bằng TEOS [23 - 25] 23 2.2.2. Chế tạo vật liệu compozit PVC/BG 23 2.3. Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu 23 2.3.1.Nghiên cứu các đặc trưng nóng cháy của vật liệu PVC/BG 23 2.3.2. Phương pháp xác định tính chất cơ học 24 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 25 2.3.4. Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourrie (FT-IR) 25 2.3.5. Phương pháp kính hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) 26 2.3.6. Phương pháp lưu biến trạng thái rắn 27 2.3.7. Khảo sát khả năng ngấm ẩm của vật liệu 28 2.3.8. Khảo sát sự suy giảm oxy hóa quang-nhiệt-ẩm 28 2.3.9. Sự thay đổi màu sắc 29 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Tính chất nóng chảy, tính chất cơ học của vật liệu compozit PVC/BG 31 3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng DOP lên các đặc trưng nóng chảy của vật liệu compozit 31 3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng BG đến khả năng nóng chảy của vật liệu . 35 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất biến tính TEOS trên bột gỗ có và không có xử lý kiềm tới tính chất của compozit 37 3.2.1. Tính chất nóng chảy và tính chất cơ học của PVC/BG và PVC/BKT . 37 3.2.2. Tích chất uốn 42 3.2.3. Lưu biến trạng thái rắn 44 3.3. Tính chất nhiệt của vật liệu compozit PVC/BG 46 3.4. Hình thái cấu trúc của compozit của vật liệu compozit PVC/BG 49 3.5. Nghiên cứu tính ngấm ẩm (Khả năng hấp thụ nước) 49 3.6. Thử nghiệm gia tôc thời tiết 51 3.6.1. Tính chất cơ học 51 3.6.2. Phổ hồng ngoại (IR) 52 3.6.3. Độ suy giảm màu sắc 54 3.6.4. Cấu trúc hình thái bề mặt compozit 58 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 65 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Giải thích 1 BG Bột gỗ 2 BT Bột gỗ biến tính TEOS 3 BKT Bột gỗ xử lý kiềm, biến tính TEOS 4 DMA Phân tích cơ động (Dynamic Mechanical Analysis) 5 DOP Dioctyl phtalat 6 HDPE Polyetylen tỷ trọng cao 7 FESEM Máy hiển vi trường điện tử phát xạ 8 FT-IR Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourrie 9 LDPE Polyetylen tỷ trọng thấp 10 PVC/BG Compozit poly vinyl clorua/ bột gỗ 11 PE Polyetylen 12 PP Polypropylen 13 PVC Polyvinyl clorua 14 PVC/BG Compozit polyvinylclorua/ bột gỗ 15 PVC/BT Compozit poly vinyl clorua/ bột gỗ biến tính TEOS 16 PVC/BKT Compozit poly vinyl clorua/ bột gỗ xử lý kiềm, biến tính TEOS 17 VTMS Vinyl–trimethoxy silane 18 SEM Kính hiển vi điện tử quét 19 TEOS Tetra etylortho silicat 20 TGA Phân tích nhiệt 21 WPC Compozit bột gỗ - nhựa nhiệt dẻo DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Diễn biến giá nhập khẩu một số loại nhựa thông dụng 5 Bảng 1. 2.Sản lượng PVC trên thế giới(đơn vị tính: 1.000 tấn) 7 Bảng 1. 3. Thành phần hóa học của một số cây tự nhiên 12 Bảng 3. 1. Các thông số đặc trưng nóng chảy của vật liệu compozit PVC/BG theo hàm lượng chất hóa dẻo khác nhau. 32 Bảng 3. 2. Ảnh hưởng của hàm lượng DOP đến tính chất vật liệu compozit 34 Bảng 3. 3. Ảnh hưởng của hàm lượng DOP tới modun đàn hồi và độ bền kéo đứt của compozit 34 Bảng 3. 4. Các thông số đặc trưng nóng chảy của vật liệu compozit PVC/BG theo hàm lượng bột gỗ (BG) khác nhau 36 Bảng 3. 5. Tính chất cơ học của compozit với các hàm lượng bột gỗ khác nhau 36 Bảng 3. 6. Ảnh hưởng của hàm lượng hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ đến tính chất vật liệu compozit 38 Bảng 3. 7. Tính chất cơ lý của compozit PVC/BT và PVC/BKT theo hàm lượng TEOS biến tính 42 Bảng 3. 8. Tính chất uốn của compozit theo hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ 42 Bảng 3. 9. Các nhiệt độ bắt đầu và kết thc sự phân hủy nhiệt của các mẫu compozit PVC/BG, PVC/BT ở giai đoạn phân hủy 1 và 2. 48 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Ván ép gỗ nhựa (a), ngoại thất gia đình (b) 4 Hình 1. 2. Trùng hợp monome vinyl clorua 4 Hình 1. 3. Nhu cầu chất dẻo năm 2007 của thế giới Theo: CMAI 5 Hình 1. 4. Sơ đồ phát triển ngành hóa dầu ở Việt Nam 8 Hình 1. 5. Tình hình cung cầu nhựa PVC tại Việt Nam theo TPC Vina, Hiệp hội nhựa Việt Nam 9 Hình 1. 6. Sơ đồ các giai đoạn trong sản xuất bột gỗ 10 Hình 1. 7. Các cơ cấu mài khác nhau của một số loại máy mài bột gỗ 10 Hình 1. 8. Giá bột gỗ keo xuất khẩu (USD/tấn) 11 Hình 1. 9. Cấu trúc hóa học của xenluloza 11 Hình 1. 10. Cấu trúc hoá học của hemixenluloza 11 Hình 1. 11. Cấu trúc hóa học của lignin 12 Hình 1. 12. Ảnh gỗ, cây keo tai tượng 13 Hình 1. 13. Các dạng thù hình của silic đioxit 15 Hình 1. 14. Các dạng liên kết của nhóm Si-O trên bề mặt silica và sự kết tụ các hạt silica 16 Hình 1. 15. Kiềm hóa và axetylate hóa bề mặt sợi xenluloza 17 Hình 1. 16. Cơ chế ghép silan lên sợi gỗ 18 Hình 2. 1. Thiết bị trộn nóng chảyRheomix 610 (Đức), thiết bị ép nhiệt Toyoseky (Nhật Bản) và máy tính chạy phần mềm polylab. 24 Hình 2. 2. Mẫu đo độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi 24 Hình 2. 3. Máy xác định tính chất cơ học Zwick Z2.5 (a) và thiết bị đo đa năng Instron 100kN (b) 25 Hình 2. 4. Máy phân tích nhiệt Shimadzu TGA 50H và máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ) 26 Hình 2. 5. Máy hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) S-4800 (Nhật) 26 Hình 2. 6. Máy lưu biến C-VOR 150 (Anh) 27 Hình 2. 7. Cân phân tích 3 số Precisa XB 320M 28 Hình 2. 8. Mặt cắt ngang, thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON 29 Hình 3. 1. Biểu đồ nóng chảy của PVC 31 Hình 3. 2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa dẻo (DOP) tới momen xoắn trong quá trình gia công của compozit 33 Hình 3. 3. Ảnh hưởng của hàm lượng DOP tới modun đàn hồi và độ bền kéo đứt của compozit 34 Hình 3. 4. Ảnh hưởng của hàm lượng bột gỗ tới momen xoắn trong quá trình gia công của compozit 35 Hình 3. 5. Ảnh hưởng của hàm lượng bột gỗ tới độ bền kéo đứt, modun đàn hồi của compozit 37 Hình 3. 6. Momen xoắn của compozit PVC/BT, PVC/BKT 39 Hình 3. 7. Độ bền kéo đứt của compozit theo hàm lượng biến tính TEOS 40 Hình 3. 8. Môđun đàn hồi của compozit theo hàm lượng TEOS biến tính 41 Hình 3. 9. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ lên cường độ uốn của vật liệu PVC/BG. 43 Hình 3. 10. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ lên modul uốn của vật liệu PVC/BG. 44 Hình 3. 11. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ đến G’ của compozit 45 Hình 3. 12. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ lên G’’ của compozit 45 Hình 3. 13. Giản đồ phân tích nhiệt (TGA) mẫu PVC 46 Hình 3. 14. Giản đồ phân tích nhiệt của compozit PVC/BT theo hàm lượng TEOS dng để biến tính bột gỗ. 47 Hình 3. 15. Ảnh SEM vật liệu compozit PVC/BG và PVC/BT 5%. 49 Hình 3. 16. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS biến tính bột gỗ lên độ ngấm ẩm của vật liệu PVC/BG. 50 Hình 3. 17. So sánh độ bền kéo đứt của PVC, vật liệu compozit PVC/BG, PVC/BT và PVC/KBT trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết. 51 Hình 3. 18. Môđun đàn hồi của PVC, vật liệu compozit PVC/BG, PVC/BT và PVC/KBT trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết. 52 Hình 3. 19. Phổ hồng ngoại của vật liệu compozit PVC/BG, PVC/BT5 và PVC/BKT5 trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết 54 Hình 3. 20. Cơ chế phân hủy quang của PVC 55 Hình 3. 21. Cơ chế phân hủy lignin khi tiếp xúc UV 55 Hình 3. 22. Mức độ suy giảm màu sắc ∆E* của PVC và các mẫu vật liệu compozit 56 Hình 3. 23. Sự thay đổi giá trị màu L* theo thời gian thử nghiệm gia tốc thời tiết 56 Hình 3. 24. Độ suy giảm màu sắc của các mẫu theo thời gian thử nghiệm 58 Hình 3. 25. Ảnh bề mặt của compozit trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết 59 [...]... ngoại thất Với những lý do nêu trên, luận văn mang tên Nghiên cứu sử dụng bột gỗ phế thải, chế tạo vật liệu compozit trên nhựa nền polyvinylclorua” làm đề tài nghiên cứu trong luận văn của mình Trong luận văn này, vật liệu compozit PVC/BG đã được chế tạo từ bột gỗ và bột gỗ biến tính bề mặt bằng các hạt nano SiO2 được tổng hợp 1 trực tiếp trên bề mặt bột gỗ (in situ), nghiên cứu các tính chất cơ lý, tính... của vật liệu compozit Loại bột gỗ được lựa chọn trong nghiên cứu này là loại bột gỗ cây keo tai tượng được trồng phổ biến ở Việt Nam 2 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu compozit nhựa /gỗ Vật liệu compozit nhựa /gỗ là một loại vật liệu tổng hợp, được tạo thành từ bột gỗ và nhựa nền Trong đó bột gỗ gọi là cốt hay pha gián đoạn, đóng vai trò gia cường, tăng độ bền và độ cứng cho vật liệu. .. tái chế sau sử dụng nên loại vật liệu này đang được coi là vật liệu xanh, thân thiện với môi trường Trong đó, vật liệu 3 compozit trên nền nhựa polyvinyl clorua (PVC) và bột gỗ (BG) có nhiều ưu điểm nhờ độ cứng cao, bền thời tiết và bền hóa học Các đặc tính này thể hiện sự vượt trội so với vật liệu WPC trên nền nhựa polyolefin Do vậy, vật liệu PVC/BG được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo vật liệu. .. cứng của nhựa, vật liệu tổng hợp có những thuộc tính thẩm mỹ đặc biệt, có khả năng tái chế, sản phẩm đa dạng phong phú Nhựa nền sử dụng trong chế tạo vật liệu compozit nhựa /gỗ rất đa dạng, phong phú, bao gồm cả nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn - Nhựa nhiệt rắn bao gồm: nhựa epoxy, nhựa polyeste không no, nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amino, nhựa polyimit, nhựa polyuretan… - Nhựa nhiệt dẻo được sử dụng. .. sinh thái bền vững Với sự phát triển của thế giới, vật liệu compozit nhựa /gỗ đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng rộng rãi trong tất cả các ngành phục vụ đời sống và sản xuất công nghiệp Vật liệu compozit polyvinyl clorua /bột gỗ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xây dựng như:... loại bỏ dung môi, thu được bột gỗ đã gắn hạt silica 2.2.2 Chế tạo vật liệu compozit PVC/BG Vật liệu compozit PVC/BG được chế tạo theo phương pháp phối trộn nóng chảy trên thiết bị trộn kín Haake Rheomix 610 (CHLB Đức).Các mẫu vật liệu compozit ược chế tạo với nhiệt độ 180oC, thời gian4 phút, tốc độ vòng trộn từ 75 vòng/phút, tỉ lệ hàm lượng bột gỗ thay đổi từ 20 – 40% (tính theo compozit) và tỉ lệ hàm... Nam lại nhập khẩu các mặt hàng sản xuất từ vật liệu compozit nhựa /gỗ từ các nước đó để bán trong nước Do đó, việc tận dụng nguồn phế liệu bột gỗtrong nước để chế tạo các vật liệu polyme compozit nhựa /gỗ phục vụ trong các ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, kiến trúc, giao thông vận tải, nông nghiệp… thay thế các sản phẩm nhập ngoại có tiềm năng to lớn trên phương diện khoa học, kinh tế song... cường để chế tạo vật liệu compozit PVC/BG 1.1.3.Phụ gia gia cường silica Giới thiệu chung về phụ gia gia cường Phụ gia gia cường kích thước nanomet cho vật liệu compozit bột nhựa /gỗ nhiệt dẻo được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây Bột gỗ sau quá trình gia công chế tạo từ vật liệu gỗ tự nhiên ban đầu qua các công đoạn như băm, nghiền, xay, lọc… bề mặt bột gỗ xuất hiện... polyamit (PA), polyvinyl clorua (PVC)… Vật liệu compozit nhựa /gỗ, trên nền nhựa nhiệt rắn gia công bằng phương pháp ép nhiệt truyền thống được quan tâm đáng kể trong những thập kỷ qua nhờ có những lợi thế chủ yếu như: độ bền cao, cải thiện được tính chất cơ lý, có tính thẩm mỹ đặc biệt Tuy nhiên vật liệu compozit nhựa /gỗ, nền nhựa nhiệt dẻo có những đặc tính hạn chế được nhược điểm của nền nhựa nhiệt rắn... Trong nước đã có một số công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit “xanh” thân thiện môi trường Có thể nói đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu compozit sử dụng sợi thực vật là các công trình nghiên cứu của GS Trần Vĩnh Diệu và GS Bùi Chương cùng các nhà khoa hoc cộng sự-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2003) Họ đã thành công trong việc chế tạo và đưa chất độn dạng sợi xenuluzo . mang tên Nghiên cứu sử dụng bột gỗ phế thải, chế tạo vật liệu compozit trên nhựa nền polyvinylclorua” làm đề tài nghiên cứu trong luận văn của mình. Trong luận văn này, vật liệu compozit PVC/BG. KHOA HỌC TỰ NHIÊN 0-0-0 NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘT GỖ PHẾ THẢI, CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN NHỰA NỀN POLYVINYL CLORUA Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120. KHOA HỌC TỰ NHIÊN 0-0-0 NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘT GỖ PHẾ THẢI, CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN NHỰA NỀN POLYVINYL CLORUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC