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


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

Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản
Mã số:62 54 03 01

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.
Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ, công nhân viên thuộc Trung tâm
nghiên cứu Chế biến lâm sản, giấy và bột giấy thuộc Trường Đại Học Nông
Lâm TP. Hồ Chí Minh; Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia, Khoa Công
nghệ vật liệu thuộc Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh; Viện công
nghệ hóa học TP. Hồ Chí Minh; Trung tâm thông tin khoa học thư viện
Trường Đại học Lâm nghiệp; Công ty TNHH Chính Phát Thanh đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu./
Hà Nội, ngày 02tháng 6 năm 2014
Nghiên cứu sinh

Quách Văn Thiêm


iii

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ...........................................................................................................................i
Lời cảm ơn .............................................................................................................................ii
Mục lục.................................................................................................................................. iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................................... vii
Danh mục các bảng ........................................................................................................... viii
Danh mục các hình ................................................................................................................x

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 TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................................................37
3.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................................37
3.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................37
3.3. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................................38
3.4. Nội dung nghiên cứu.....................................................................................................38
3.5. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................................39
3.5.1. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu..............................................................................39
3.5.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết...........................................................................40
3.5.3. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................................40
3.5.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất của WPC ...40
3.5.3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính chất của WPC ...............................42
3.5.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ép tới tính chất của WPC........................43
3.5.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun tới tính chất của WPC.......................43
3.5.3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới tính chất của WPC ...........46
3.3.4. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm ..................................................................49
3.3.5. Thiết bị và phương pháp xác định các thông số nghiên cứu..................................50
3.6. Ý nghĩa của luận án.......................................................................................................54
3.7. Những đóng góp mới của luận án ...............................................................................55


v

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...............................................................................56
4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa, bột gỗ, trợ tương hợp tới tính chất của vật liệu
composite gỗ nhựa...........................................................................................................56
4.1.1. Thực nghiệm tạo vật liệu WPC ................................................................................56

4.2.4. Kết luận ảnh hưởng đơn yếu tố công nghệ tới tính chất của WPC.................... 101
4.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới tính chất của vật liệu composite gỗ nhựa102
4.3.1. Thí nghiệm tạo vật liệu........................................................................................... 102
4.3.2. Kết quả nghiên cứu................................................................................................. 103
4.3.2.1. Ảnh hưởng của chế độ ép tới khối lượng thể tích............................................. 103
4.3.2.2. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ hút nước ........................................................ 105
4.3.2.3. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền kéo.......................................................... 105
4.3.2.4. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền uốn.......................................................... 107
4.3.2.5. Ảnh hưởng của chế độ ép tới độ bền va đập..................................................... 109
4.3.3. Nhận xét ảnh hưởng của chế độ ép tới tính chất của WPC..................................111
4.4. Sản xuất thử và đánh giá chất lượng .........................................................................112
4.4.1. Kiểm tra kết quả nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm......................................113
4.4.1.1. Tạo mẫu thí nghiệm..............................................................................................113
4.4.1.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm ............................................................................114
4.4.2. Sản xuất thử một số sản phẩm ................................................................................115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................................................116
1. Kết luận ...........................................................................................................................116
2. Kiến nghị.........................................................................................................................117
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
WPC
b

Độ bền uốn
Độ bền kéo
Độ bền va đập
Độ hút nước
Lực phá hủy mẫu
Năng lượng phá hủy mẫu
Polyme composite
Polypropylene
Polyetylene
Polyvinyclorua
Maleic anhydride polypropylene
Nhiệt độ vùng 1
Nhiệt độ vùng 2
Nhiệt độ vùng 3
Nhiệt độ vùng 4
Thời gian
Áp suất phun vùng 1
Áp suất phun vùng 2
Áp suất phun vùng 3
Áp suất phun vùng 4

Đơn vị

mm
mm
inch
g/cm3
MPa
MPa
KJ/m2


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

40

gỗ tới tính chất WPC
3.2

Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột

41

gỗ tới tính chất WPC
3.3

Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của các vùng

42

3.8

Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đa yếu tố tới

48

tính chất WPC
4.1

Kế hoạch pha trộn các thành phần tạo vật liệu

58

4.2

Nhiệt độ chảy mềm và chỉ số chảy của hạt gỗ nhựa

60

4.3

Ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa PP/MAPP/bột gỗ tới tính chất

61

của WPC
4.4

Ảnh hưởng của nhiệt độ vùng 1 tới tính chất của vật liệu
WPC


85

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 


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

1.6

Công thức cấu tạo của lignin

11

2.1


Ảnh sơ đồ nguyên lý máy ép phun

31

2.7

Ảnh bảng cài đặt các vùng nhiệt độ

32

2.8

Ảnh bảng cài đặt một số thông số công nghệ phun

32

2.9

Ảnh bảng cài đặt một số thông số đóng mở khuôn

33

3.1

Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu

38

3.2


Máy RADMANA

51

3.8

Kính hiển vi điện tử FE – SEM JSM 7401F

52

4.1

Sơ đồ tạo hạt gỗ nhựa

55

4.2

Quá trình tạo hạt gỗ nhựa

57


xi

4.3

Mẫu thử tính chất cơ lý của vật liệu WPC



65

đập
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

68

48,8%/MAPP 1,2%
4.11

Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ

68

46%/MAPP 4%
4.12

Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ nhựa PP 50%/bột gỗ

69



4.18

Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới khối lượng thể

90

tích
4.19

Ảnh hưởng của áp suất P1 và P2 tới khối lượng thể tích

91

4.20

Ảnh hưởng của áp suất P3 và P4 tới khối lượng thể tích

91

4.21

Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền kéo

92

4.22

Ảnh hưởng của áp suất P1 và P2 tới độ bền kéo



Mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy tới độ bền va đập

96

4.28

Ảnh hưởng của áp suất P1 và P2 tới độ bền va đập

97

4.29

Ảnh hưởng của áp suất P3 và P4 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 T1và áp suất P1 tới độ bền kéo

102

4.32


Ảnh hưởng của nhiệt độ T1 và thời giantới độ bền va đập

106

4.38

Ảnh hưởng của thời gian và áp suất P1 tới độ bền va đập

106

4.39

Ảnh SEM vật liệu WPC với tỷ lệ thành phần và chế độ gia

109

công tối ưu
4.40

Sản xuất thử một số sản phẩm từ vật liệu WPC

110


1

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của đất nước, Ngành gỗ Việt Nam đã đạt được trong
những năm qua là có tốc độ phát triển cao, và là một trong 10 ngành xuất

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 căn 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 sử 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 chưa có nhiều nghiên cứu về máy móc thiết bị và công nghệ phù hợp với
yêu cầu sản xuất trong nước;còn nhập công nghệ và máy móc thiết bị về Việt
Nam thì chi phí rất lớn. Để sản xuất trong nước được phát triển thì đòi hỏi
việc nghiên cứu về công nghệ, máy móc thiết bị, nguyên vật liệu phù hợp với
đặc điểm phát triển ở trong nước là việc rất quan trọng đòi hỏi các nhà nghiên
cứu cần giải quyết vấn đề này.
Khi nghiên cứu về công nghệ sản xuất vật liệu composite gỗ nhựa chìa
khóa của thành công là chọn được tỷ lệ hợp lý giữa các thành phần trong vật
liệu và chế độ gia công như: nhiệt độ ép, áp suất phun, thời gian ép,… Từ đó
xây dựng được quy trình sản xuất loại vật liệu này phù hợp với điều kiện ở
Viêt Nam sẽ góp phần thúc đẩy sản xuất trong nước phát triển thay thế hàng
ngoại nhập.
Miền Đông Nam Bộ là khu vực sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ chiếm
khoảng 70% cả nước, nguyên liệu sản xuất sử dụng chủ yếu là một số loại gỗ


3


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 thực
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 chế biến gỗ như mùn cưa, vỏ bào,… Nhựa nhiệt dẻo có
thể sử dụng là nhựa tái sinh hoặc nguyên sinh tuỳ vào lĩnh vực và yêu cầu sử
dụng của vật liệu [23-25].
Vật liệu WPC là vật liệu được biết đến sớm vào năm 1900, tuy nhiên
vào năm 1983công ty American Woodstock ở Sheboygan, Wisconsin bắt đầu
sản xuất WPC cho nội thất ôtô bằng phương pháp ép đùn sử dụng nhựa nền
PP và bột gỗ, từ đó sản phẩm WPC được phổ biến rộng trên thế giới [57].
Vật liệu WPC hiện nay được sử dụng nhiều trong công nghiệp như làm
sàn tàu, khung cửa, ván sàn, ốp tường, ốp trần nhà, làm hàng rào trang trí.
Nhờ những đặc tính ưu việt mà WPC được dùng để thay thế cho gỗ tự nhiên,
ván dăm, ván sợi dùng trong xây dựng, giao thông, các công trình nội thất,
ngoại thất, đồ nội thất ô tô, máy bay,... Một số ứng dụng cụ thể của vật liệu
composite như: Làm ván sàn ngoài trời (hình 1.1), sử dụng làm vật liệu nhà
dân dụng (hình 1.2)…[65]


5

Hình 1.1: Vật liệu WPC sử dụng làm ván sàn ngoài trời

Hình 1.2: Sử dụng vật liệu WPC trong xây dựng nhà dân dụng

(PEMD)0,926 ÷ 0,940 g/cm3, chứa 63÷73% pha kết tinh; tỷ trọng cao
(PEHD)0,941 ÷ 0, 959 g/cm3 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 O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém. Tùy thuộc vào
loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh khoảng -700C và nhiệt độ chảy
lỏng khoảng 110 - 1300C.
Tính chất hóa học: PE là polymer không cực nên có tính cách điện cao,
ở nhiệt độ thường, PE không tan trong dung môi, nhưng axit H2SO4 và HNO3
đậm đặc, hỗn hợp nitro hóa, xăng và axit Cromic thì tác dụng mạnh. Nhiệt độ
trên 700C, PE tan yếu trong toluen, xilen, amin acetate, dầu thông, paraffin,…
Ở 90 -1000C, H2SO4 và HNO3 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


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full