BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP QUÁCH VĂN THIÊM
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VẬT LIỆU
COMPOSITE GỖ NHỰA POLYPROPYLENE
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014

Hà Nội - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 02 tháng 6 năm 2014
NCS. Quách Văn Thiêm
ii LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận án tiến sỹ, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Văn Chứ, PGS.TS Nguyễn Ngọc
Phương đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu
và hoàn thiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Lâm nghiệp, lãnh
đạo khoa Sau đại học, các thầy cô giáo khoa Chế biến Lâm sản đã quan tâm
và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình h
ọc tập, nghiên cứu tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí
chế tạo máy, Trung tâm công nghệ cao, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi về vật chất, tinh thần trong
quá trình học tập và làm việc.


ần trong vật liệu composite gỗ-nhựa 5
1.1.2.1. Vật liệu nền 5
1.1.2.2. Vật liệu cốt 7
1.1.2.3. Chất trợ tương hợp 11
1.1.2.4. Phụ gia 12
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của composite gỗ-nhựa 12
1.1.3.1. Ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến tính chất của WPC 12
1.1.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nhựa nền/trợ tương hợp /bột gỗ 13
1.1.3.3. Ả
nh hưởng của thông số công nghệ đến chất của vật liêu WPC 14
1.2. Các công trình nghiên cứu 15
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước 15
1.2.2. Nghiên cứu trong nước 18
1.2.3. Nhận xét chung 22
Chương 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24
2.1. Thành phần trong vật liệu composite gỗ nhựa 24
iv

2.1.1. Nhựa nền polypropylene 24
2.1.2. Cốt bột gỗ Cao su 25
2.1.3. Chất trợ tương hợp MAPP 27
2.1.4. Chất bôi trơn 28
2.2. Nguyên lý hình thành và cơ chế liên kết 28
2.2.1. Nguyên lý hình thành của vật liệu Composite gỗ – nhựa 28
2.2.2. Cơ chế liên kết giữa bột gỗ, nhựa PP và MAPP 29
2.3. Thiết bị và cơ sở lựa chọn thông số công nghệ 30
2.3.1. Thiết bị ép 30
2.3.2. Cơ sở lựa chọn thông số công nghệ 33
Chương 3ĐỐI TƯỢ
NG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ hút nước 63
4.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền kéo 64
4.1.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền uốn 65
4.1.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới độ bền va đập 66
4.1.7. Xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý và kiểm tra b
ề mặt phá hủy 68
4.1.8. Kết luận ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất của WPC 71
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng đơn yếu tố của chế độ ép tới tính chất của vật liệu
composite gỗ nhựa 72
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép 72
4.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 1 (T
1
) 72
4.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 2 (T
2
) 76
4.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 3 (T
3
) 79
4.2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép vùng 4 (T
4
) 82
4.2.1.5. Nhận xét về ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính chất của WPC 85
4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ép 86
4.2.2.1. Thực nghiệm 86
4.2.2.2. Kết quả nghiên cứu 87
4.2.3. Ảnh hưởng của áp suất ép 90
4.2.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun tới khối lượng thể tích 93
4.2.3.2. Ảnh hưởng của áp suất phun tới độ hút nước 94
4.2.3.3. Ảnh hưởng của áp suất phun tới độ bền kéo 95

vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
Ý nghĩa Đơn vị
WPC Composite gỗ - nhựa
b Chiều rộng mẫu mm
h Chiều dày mẫu mm
Mesh Số dây kim loại đan lưới trên 1inch inch
γ Khối lượng thể tích g/cm
3
σ
u
Độ bền uốn MPa
σ
k
Độ bền kéo MPa
a Độ bền va đập KJ/m
2

W Độ hút nước %
P
max
Lực phá hủy mẫu N
A Năng lượng phá hủy mẫu mJ
PC Polyme composite
PP Polypropylene


2
Áp suất phun vùng 2 MPa
P
3
Áp suất phun vùng 3 MPa
P
4
Áp suất phun vùng 4 MPa

viii DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Tên bảng Trang
2.1 Tính chất cơ lý cơ bản của gỗ Cao su 27
2.2 Thành phần hóa học cơ bản của gỗ Cao su 27
3.1 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột
gỗ tới tính chất WPC
40
3.2 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột
gỗ tới tính chất WPC
41
3.3 Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của các vùng
nhiệt độ tới tính chất WPC
42
3.4 Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng đơn yếu tố của thời gian tới
tính chất WPC
42
3.5 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của các vùng áp suất phun tới
tính chất WPC

4.9 Ảnh hưởng của áp suất phun tới tính chất của WPC 89
4.10 Ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất của WPC 100
4.11 Tỷ lệ pha trộn tối ưu giữa các thành phần 108
4.12 Tính chất của vật liệu tại chế độ gia công thử 1149



_Toc390178028

_Toc390178029
_Toc390178030
_Toc390178031
_Toc390178032
_Toc390178033
_Toc390178034
_Toc390178035
_Toc390178036
_Toc390178037
_Toc390178038


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
1.1 Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời 5
1.2 Sử dụng vật liệu WPC trong xây dựng nhà dân dụng 5
1.3 Công thức cấu tạo cellulose 8
1.4 Liên kết hydro trong cellulose 9
1.5 Cấu trúc hóa học của hemicellulose 10

đập
65
4.9 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ 50% 68
4.10 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
48,8%/MAPP 1,2%
68
4.11 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
46%/MAPP 4%
68
4.12 Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ
43,2%/MAPP 6,8%
69
4.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 1 tới độ bền của WPC 73
4.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 2 tới độ bền của WPC 76
4.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 3 tới độ bền của WPC 79
4.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 4 tới độ bền của WPC 82
4.17 Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của WPC 87
4.18 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới khối lượng thể
tích
90
4.19 Ảnh hưởng của áp suất P
1
và P
2
tới khối lượng thể tích 91
4.20 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới khối lượng thể tích 91

4.29 Ảnh hưởng của áp suất P
3
và P
4
tới độ bền va đập 97
4.30 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền kéo 101
4.31 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và áp suất P
1
tới độ bền kéo 102
4.32 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và thời gian ép tới độ bền kéo 102
4.33 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền uốn 103
4.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và áp suất P
1
tới độ bền uốn 104
4.35 Ảnh hưởng của thời gian và áp suất P
1
tới độ bền uốn 104
4.36 Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền va đập 105
4.37 Ảnh hưởng của nhiệt độ T
1
và thời giantới độ bền va đập 106
4.38 Ảnh hưởng của thời gian và áp suất P
1
tới độ bền va đập 106

góp phần tận dụng một lượng lớn phế liệ
u gỗ từ các Nhà máy như mùn cưa,
dăm bào, gỗ vụn,… để sản xuất ra một loại vật liệu mới có nhiều tính chất tốt
như vật liệu phức hợp giữa gỗ nhựa,…
Vật liệu phức hợp gỗ nhựa là một loại vật liệu mới kết hợp giữa sợi gỗ
và nhựa nhiệt dẻo, sự kết hợp gi
ữa sợi gỗ và nhựa mang lại tính năng ưu việt
cho sản phẩm phức hợp gỗ nhựa như:
Bền khi sử dụng, tuổi thọ của sản phẩm cao, có bề ngoài mang chất liệu
gỗ, có độ cứng cao hơn so với vật liệu nhựa, không có Formaldehyde Có
2

nhiều tính chất tốt ví dụ so với vật liệu gỗ như có kích thước ổn định hơn,
không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễdàng tạo màu sắc cho
sản phẩm, có thể gia công lần thứ 2 giống như vật liệu gỗ, dễdàng cắt gọt,
dùng keo để kết dính, có thể dùng đinh hoặc ốc vít để liên kết, cố định, quy
cách hình dạng có thể c
ăn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính
linh hoạt cao. Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễdàng gia công, tạo
hình, thông thường có thể gia công theo mẫu đặt sẵn hoặc có thể gia công
theo yêu cầu cụ thể, có khả năng ứng dụng rộng.Tính năng hóa học tốt, chịu
được độ PH, chịu được hóa chất, chịu được nước mặn, có thể s
ử dụng được ở
nhiệt độ thấp, Có thể sử dụng nhiều lần hoặc thu hồi tái sử dụng, có lợi ích
trong bảo vệ môi trường.
Hiện nay nhu cầu sử dụng vật composite gỗ nhựa trong nước rất lớn,
tuy nhiên việc đáp ứng nhu cầu này chủ yếu dựa vào nhập khẩu. Còn tình
hình sản xuất trong nước còn rất ít, nguyên nhân của việc này xuất phát từ lý
do là chư
a có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ phù hợp với

nhựa như nhiệt độ, màu sắc, giá thành, độ bền, Do là loại nhựa được sử
dụng rộng rãi nên việc nghiên cứu tạo composite gỗ nhựa PP là phù hợp với
xu thế hiện nay.
Vì vậy việc nghiên cứu tận dụng phế liệu gỗ và nhựa để sản xuất vật
liệu mới là xu hướng mới đượ
c nhiều nước quan tâm nghiên cứu, vừa để nâng
cao giá trị lợi dụng gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, từ đó góp phần giảm thiểu ô
nhiễm môi trường,…Xuất phát từ vấn đề trên, luận án“Nghiên cứu một số
yếu tố công nghệ tạo vật liệu composite gỗ nhựa plypropylene”sẽ góp phần
thúc đẩy nghiên cứu tạo vật liệu mới từ việc tận dụ
ng phế liệu trong các nhà
máy chế biến gỗ kết hợp với các loại nhựa nhiệt dẻo để tạo ra các sản phẩm
phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nước./
4 Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa
1.1.1. Khái niệm và ứng dụng của vật liệu composite gỗ-nhựa
Vật liệu composite gỗ - nhựa là loại vật liệu composite được tổ hợp
chủ yếu từ các loại nhựa nhiệt dẻo PE, PP, PVC , có thể từ nhựa tái sinh
hoặc nguyên sinh cùng với cốt là các loại bột gỗ, sợi gỗ hay các loại sợi thự
c
vật khác. Ngoài ra, có thể có thêm một số chất phụ gia trợ liên kết khác. Sản
phẩm WPC có cơ tính tốt, có độ ổn định kích thước cao và có thể chế tạo ra
các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [4,6,20].
Sản phẩm WPC có thể sản xuất bằng công nghệ ép đùn, ép phun hay
ép phằng trong khuôn. Gỗ có thể được sử dụng ở dạng bột gỗ, dăm gỗ hay
các phế liệu trong ch

chậm. PE là polyme bán tinh thể nên có cả cấu trúc kết tinh và cấu trúc vô
định hình, độ kết tinh khác nhau là nguyên nhân gây ra tỷ trọng khác nhau của
PE.
6 Công thức phân tử
n
C
H
H
C
H
H

Phân loại: dựa vào tỷ trọng PE chia thành 3 loại chính là tỷ trọng thấp
(PELD) 0,910 ÷ 0,925g/cm
3
, chứa 55÷65% pha kết tinh; tỷ trọng trung bình
(PEMD)0,926 ÷ 0,940 g/cm
3
, chứa 63÷73% pha kết tinh; tỷ trọng cao
(PEHD)0,941 ÷ 0, 959 g/cm
3
và cao hơn chứa 74÷95% pha kết tinh.
Tính chất vật lý: Polyetylene màu trắng, hơi trong có ánh mờ, mặt bóng
láng, mềm dẻo, không dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí
thấm qua, chống thấm khí O
2
, CO

phá hủy nhanh polymer.Dưới tác dụng của oxy
không khí, tia tử ngoại, nhiệt thì các tính chất cơ lý và điện môi của PE giảm,
hiện tượng này gọi là lão hóa.
Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ mềm
dẻo của mạch polymer, hàm lượng độn. Tính chất cơ học của PE phụ thuộc
nhiều vào nhiệt độ nhất là độ bền kéo, độ bền uốn, độ
dãn dài.
* Nhựa nền Polypropylene[4,30,54]
Nhựa PP một trong những polyme nhiệt dẻo thông dụng, do PP có giá
thành thấp, có thể tái sinh được, độ bền cao, độ ổn định nhiệt cao và được
dùng làm pha nền cho một số loại composite, đặc biệt là composite thân thiện
7

với môi trường.
Công thức phân tử
CC
H
H
H
CH
3
n

Cấu trúc: PP tồn tại ba cấu trúc không gian cơ bản là Syndiotactic,
Isotactic, Atactic. Trong đó syndiotactic, isotactic là cấu trúc kết tinh (d = 0.91
g/cm
3
) còn atactic là cấu trúc không kết tinh (d = 0.86-0.89 g/cm
3
).

gỗ như mùn cưa, phoi bào, phế liệu gỗ khác của các loại gỗ thông, bạch đàn,
thích, cao su,…thậm chí từ các phế phẩm nông nghiệp khác như vỏ trấu,…
Kích thước bột gỗ sử dụng cho công nghệ chế tạo composite gỗ nhựa thường
8

có kích thước nhỏ hơn 1,2mm tùy theo công nghệ ép phun hay ép đùn.Với
kích thước này, bột gỗ có thể tự cháy ở nhiệt độ 200
o
C. Thông thường, bột gỗ
sử dụng có kích thước trong khoảng 300-420 μm và được phân loại thành các
cấp 50–150 μm, 100–200 μm, 200–450 μm, và 450–700 μm [30].
Các thành phần hóa học chính của bột gỗ bao gồm cellulose, lignin,
hemicellulosevà hợp chất vô cơ khác. Trong đó cellulose, hemicellulose và
lignin là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi. Thành phần
hóa học của sợi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi cây, phương pháp tách
sợi,…[21]
Cellulose[20]: celluloselà polysacarit tự nhiên, có cấ
u trúc mạch
thẳng không phân nhánh, được tạo thành từ các mắt xích cơ bản là anhydro–
D–gluco–pyranozơ, liên kết với nhau qua liên kết 1,4–α–glucozit. Cellulose
có mặt trong tất cả các loài thực vật nhưng mỗi loài có một hàm lượng khác
nhau. Công thức phân tử của cellulose là (C
6
H
10
O
5
)
n
hay [C

Hemicellulose[20]: hemicellulose là nh
ững chất polysaccharides cấu
tạo nên vách tế bào, nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá
học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan
(C
5
H
8
O
4
)
n
và hexosan (C
6
H
10
O
5
)
n
. Hàm lượng pentosan và hexosan trong các
loại gỗ có khác nhau, ở cây lá rộng lượng pentosan nhiều (19 - 23%) và
hexosan (3 - 6%), ở gỗ lá kim tỷ lệ pentosan và hexosan xấp xỷ nhau (10 -
12%). Nói chung hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của
acid.Hemicelluloses có cấu trúc phức tạp hơn celluloses và có cấu trúc phân
tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh
hemicelluloses có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một
ít tồn tại ở vùng tinh thể của celluloses. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung
d
ịch axit, dễ bị trích ly khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm,

o
C. Các chất vô
cơ thường gặp trong thành phần của tro là oxit silic chiếm chủ yếu 90 - 97%,
oxit kali chiếm 1,8 – 2,8%, CaO, PbO, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
… [2]
Tóm lại: khi sử dụng bột gỗ hay sợi thực vật làm vật liệu cốt có ưu
điểm là có thể tạo ra vật liệu composite cótính bền dai cao, khối lượng thể tích
thấp và có khả năng phân hủy sinh học. Hơn nữa bột gỗ dễ kiếm với giá thành
rẻ, có thể triển khai với vốn đầu tư thấp, dễ gia công, không gây kích thích da,
ít ăn mòn thiết bị. Đặc biế
t có thể tái chế được, phế thải sau khi sử dụng có
khả năng phân hủy sinh học, dễ phân hủy hoàn toàn bằng nhiệt. Nhưng nhược
điểm của bột gỗ hay sợi thực vật là bản chất phân cực cao làm chúng không
tương thích với các polymer không phân cực, sự dễ hút ẩm, kích thước sợi
ngắn dẫn đến độ bền uốn kém, dễ cháy bởi nhiệt,
1.1.2.3. Chất trợ tương h
ợp
Chất trợ tương hợp là các hợp chất cao phân tử có khả năng hoạt động
bề mặt trong hỗn hợp polyme không đồng nhất. Thông thường, mạch của chất
trợ tương hợp có cấu trúc khối, trong đó một phần trộn lẫn với một cấu tử của
hỗn hợp và phần còn lại trộn lẫn với cấu tử thứ hai. Cấu trúc khố
i này có thể
được chế tạo trước và thêm vào hỗn hợp polyme không tương hợp, ngoài ra