ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HUỲNH HỮU ĐĂNG KHOA

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRO TRẤU LÀM
CHẤT ĐỘN CHO NHỰA POLYPROPYLENE

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vật Liệu
Mã số: 60520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Nguyễn Đắc Thành

..................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS Huỳnh Đại Phú

..................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Phong

..................................................................................................................................
Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 12 tháng 01 năm 2017.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:
1. Chủ tịch: TS. La Thị Thái Hà

2. Thư ký: TS. Nguyễn Thị Lê Thanh

3. Phản biện 1: PGS. TS. Huỳnh Đại Phú

4. Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Phong

5. Ủy viên: TS. Cao Xuân Việt

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
nghành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

TS. La Thị Thái Hà


PGS. TS. Huỳnh Đại Phú

i


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ tên học viên: Huỳnh Hữu Đăng Khoa

MSHV: 13031227

Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1981

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên nghành: Kỹ Thuật Vật Liệu

Mã số: 60520309


I.

TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát khả năng ứng dụng tro trấu làm chất độn cho nhựa
Polypropylene

II.
-

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của: phương pháp xử lý tro trấu, hàm lượng tro
trấu đến tính chất cơ lý của composite tro trấu và nhựa PP.

-

Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của chất trợ tương hợp PP-g-MA đến tính chất
cơ lý của composite tro trấu và nhựa PP.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đắc Thành
Tp. HCM, ngày. . . . tháng. . . . năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PGS.TS Nguyễn Đắc Thành

TS. La Thị Thái Hà

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

PGS.TS Huỳnh Đại Phú

ii


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Lời Cảm ơn
Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của tôi được nghiên cứu và hoàn thành tại
Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Có được kết quả này, tơi xin
chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô Bộ môn Kỹ Thuật Vật
Liệu – Chuyên ngành Công Nghệ Vật Liệu Cao Phân Tử và Tổ Hợp, Phịng
Thí Nghiệm Trọng Điểm Vật Liệu Polymer & Compozite, Trung tâm nghiên
cứu vật liệu polymer Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Phó Giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Đắc Thành đã tận
tâm hướng dẫn, truyền thụ kiến thức khoa học quý báu và dìu dắt tơi trong suốt q
trình nghiên cứu, xây dựng, hồn thành đề tài “Khảo sát khả năng ứng dụng tro trấu
làm chất độn cho nhựa polypropylene”.
Một lần nữa, tôi xin cảm ơn và mong được sự đóng góp, phê bình của quý

Thầy, Cô, các nhà khoa học và các bạn.

T.p HCM, tháng 12 năm 2016
Huỳnh Hữu Đăng Khoa

iii


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nghiên cứu này nhằm tạo ra composite nhựa PP và tro trấu phế phẩm từ lị
hơi cơng nghiệp. Tro trấu sau khi được nghiền bằng máy nghiền búa thì được sàn
qua rây 80 mesh. Tro trấu sau đó được xử lý bằng hai phương pháp rửa nước hoặc
nung 600⁰C trong một giờ. Composite tro trấu và nhựa PP với tỷ lệ khác nhau được
tạo bằng phương pháp trộn hai trục vít, mẫu thử được tạo bằng phương pháp đúc
tiêm.Với hai phương pháp xử lý nguyên liệu tro trấu như rửa nước cất hoặc nung ở
6000C trong một giờ thì khả năng loại bỏ tạp chất không nhiều. Khi nghiền tro trấu
bằng máy nghiền búa thì kích thước hạt vẫn cịn thơ chưa mịn, do đó khi độn tro
trấu vào nhựa PP thì tính năng cơ lý của composite tro trấu giảm hơn so khi so sánh
với composite nhựa PP độn bột talc. Với hàm lượng độn từ 20% trở lại thì cơ tính
(độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền va đập) của composite độn tro trấu vẫn ở mức chấp
nhận được. Khi sử dụng 3% chất trợ tương hợp PP-g-MA thì cơ tính của composite
tro trấu và nhựa PP cải thiện không đáng kể.

iv



Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

ABSTRACT
This study aims to make composite polypropylene and rice husk ash waste
from industrial boilers. Rice husk ash was ground by hammer mill after that it was
sieved by 80 mesh sieve. Sieved rice husk ash was treated in two methods, cleaned
by distilled water or heat it in the oven at 600⁰C for one hour. Rice husk ash
composites of different filler loadings were then compounded using a twin-screw
extruder, ·and test specimens were injection-moulded. With two treatments rice
husk ash as it by distilled water or heat it in the oven at 600⁰C for one hour is
capable of removing impurities is not much. The rice husk ash crushed by a hammer
mill, its partilce size is still coarse, so mechanical properties (tensile strength,
flexural strength, impact strength) of PP filled rice husk ash composite are lower
than that of PP filled talc. When rice husk ash filler does not exceed 20% in
composite PP filled rice husk ash, its mechanical properties are still acceptable.
When using PP-g-MA coupling agent for composite PP filled rice husk ash, its
mechanical propeties are negligible improvement.

v


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

MỤC LỤC
Lời Cảm ơn ............................................................................................................... iii
TĨM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iv

ABSTRACT ................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix
DANH MỤC BẢNG................................................................................................. xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xiii
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE.............................................3
1.1

Định nghĩa ...............................................................................................3

1.2

Yếu tố ảnh hưởng đến tính chất composite .............................................3

1.3

Phân loại ..................................................................................................3

1.4

Phương pháp gia công nhựa nhiệt dẻo .....................................................4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VẬT LIỆU COMPOSITE TRO TRẤU
VÀ NHỰA PP.............................................................................................................7
2.1

Sơ lược composite cốt hạt ............................................................................7

2.2


Vật liệu composite tro trấu và nhựa Polypropylene.....................................7

2.2.1 Nhựa Polypropylene ................................................................................7
2.2.2 Thành phần vỏ trấu .................................................................................10
2.2.3 Thành phần hóa học trong tro trấu..........................................................10
2.3

Những nhân tố ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu composite tro trấu và

nhựa PP ..................................................................................................................11
2.3.1 Ảnh hưởng của tro trấu...........................................................................11
2.3.2 Ảnh hưởng của chất trợ tương hợp.........................................................15
2.3.3 Ảnh hưởng của nhựa nền........................................................................17
2.3.4 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến composite tro trấu nhựa PP....18
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ................................................................................20
3.1

Nguyên liệu và hóa chất .............................................................................20

3.1.1 Nhựa PP Novatec FY5............................................................................20
3.1.2 Tro trấu ...................................................................................................20
3.1.3 Bột talc....................................................................................................20
3.1.4 PP-g-MA.................................................................................................21
3.2

Thiết bị và dụng cụ .....................................................................................21

3.3

Quy trình nghiên cứu..................................................................................23

vi


Luận Văn Thạc Sĩ

3.4

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Giải thích quy trình.....................................................................................23

3.4.1 Xử lý nguyên liệu tro trấu.......................................................................23
3.4.2 Tạo compound bằng phương pháp ép đùn hai trục vít ...........................24
3.4.3 Tạo mẫu tro trấu polypropylene/ bột talc polypropylene/ tro trấu và
polypropylene có 3% PP-g-MA .........................................................................25
3.5

Phương pháp đánh giá ................................................................................26

3.5.1 Phổ phát xạ nguyên tử (AES) .................................................................26
3.5.2 Nhiễu xạ tia X.........................................................................................26
3.5.3 Tán xạ laser.............................................................................................26
3.5.4 Phương pháp TG.....................................................................................26
3.5.5 SEM ........................................................................................................26
3.5.6 Đo cơ lý kéo, uốn, va đập, độ cứng ........................................................27
3.5.7 Đo độ hút nước của vật liệu....................................................................27
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................28
4.1

Tính chất tro trấu trước và sau khi xử lý ....................................................28


4.1.1 Thành phần hóa học trong tro.................................................................28
b.

Khối lượng mất khi nung của tro trấu ....................................................29

Khối lượng mất khi nung của tro trấu đo bằng TGA cho kết quả ở bảng 4.2 29
4.1.2 Thành phần pha trong tro........................................................................29
4.1.3 Kích thước hạt của tro trấu .....................................................................30
4.1.4 Nhận xét..................................................................................................32
4.2

Ảnh hưởng loại, hàm lượng tro trấu đến tính chất cơ lý, độ hút nước, khả

năng chịu nhiệt của vật liệu composite tro trấu và nhựa PP..................................32
4.2.1 Xác định hàm lượng chất độn trong mẫu bằng TGA .............................32
4.2.2 Độ bền kéo, mô đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro
nung 6000C, tro rửa nước và bột talc..................................................................33
4.2.3 Độ bền uốn, mô đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro
nung 6000C, tro rửa nước vàbột talc...................................................................36
4.2.4 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung
6000C, tro rửa nước và bột talc...........................................................................39
4.2.5 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc ............................................................................................40
vii


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa


4.2.6 Độ hút nước của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 600⁰C,
tro rửa nước và bột talc.......................................................................................41
4.2.7 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy (nhiệt độ onset) của composite nhựa PP với
tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro rửa nước và bột talc....................................42
4.2.8 Nhận xét..................................................................................................43
4.3

Ảnh hưởng của chất trợ tương hợp PP-g-MA đến tính chất cơ lý, độ hút

nước, khả năng chịu nhiệt của vật liệu composite tro trấu và nhựa PP. ................43
4.3.1 Độ bền kéo, mô đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro
chưa xử lý có 3% PP-g-MA...................................................................................44
4.3.2 Độ bền uốn, mơ đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý
vàtro chưa xử lý có 3% PP-g-MA ......................................................................45
4.3.3 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử
lý có 3% PP-g-MA .............................................................................................47
4.3.4 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lývà tro chưa xử lý có
3% PP-g-MA ......................................................................................................49
4.3.5 Độ hút nước của composite tro chưa xử lý, tro nung 600⁰C, tro rửa
nước, bột talc và tro chưa xử lý có 3% PP-g-MA ..............................................49
4.3.6 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy (nhiệt độ onset) của composite tro chưa xử
lý, tro nung 6000C, tro rửa nước, bột talc và tro chưa xử lý có 3% PP-g-MA...50
4.3.7 Ảnh chụp SEM của mẫu composite .......................................................51
4.3.8 Nhận xét..................................................................................................56
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................58
5.1

Kết luận ......................................................................................................58


5.2

Kiến nghị ....................................................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................59
PHỤ LỤC..................................................................................................................63

viii


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Máy ép đùn...................................................................................................5
Hình 1.2 Máy ép phun.................................................................................................6
Hình 2.1 Cấu trúc của polypropylene .........................................................................8
Hình 2.2 Cấu trúc phân tử của a xít Maleic phản ứng tạo thành Maleic anhydride
[34] ............................................................................................................................16
Hình 2.3 Một số cơ chế ghép có thể xảy ra khi ghép Maleic anhydride lên PP [34]16
Hình 2.4 Cơ chế phản ứng của PP-g-MA với tro trấu cho thấy liên kết H lẫn cộng
hóa trị [35].................................................................................................................17
Hình 2.5 Cơ chế liên kết của silane và bề mặt vơ cơ ................................................17
Hình 3.1 Kích thước hạt bột talc ...............................................................................21
Hình 3.2 Máy đùn hai truc vít ...................................................................................21
Hình 3.3 Máy ép phun...............................................................................................22
Hình 3.4 Máy nghiền búa..........................................................................................22
Hình 3.5 Lị nung Nabertherm ..................................................................................22
Hình 3.6 Sơ đồ quy trình nghiên cứu chế tạo mẫu tro trấu/polypropylene...............23

Hình 3.7 Tro trước khi nung .....................................................................................24
Hình 3.8 Tro sau khi nung.........................................................................................24
Hình 3.9 Máy đùn hai trục vít ...................................................................................25
Hình 3.10 Quy trình tạo hạt compound từ máy đùn hai trục vít ...............................25
Hình 3.11 Quy trình tạo mẫu từ máy ép phun...........................................................25
Hình 3.12 Mẫu thử tính chất cơ lý của composite tro trấu và nhựa PP ....................26
Hình 4.1 Hàm lượng SiO2 trong 3 loại tro trấu.........................................................28
Hình 4.2 Phổ XRD tro chưa xử lý.............................................................................29
Hình 4.3 Phổ XRD tro nung 600C ..........................................................................30
Hình 4.4 Kích thước hạt tro chưa xử lý ....................................................................30
Hình 4.5 Kích thước hạt tro nung 600C ..................................................................31
Hình 4.6 Kích thước hạt tro rửa nước .......................................................................31
Hình 4.6 Độ bền kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc...................................................................................................33
Hình 4.7 Mơ đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc (Mpa) ..................................................................................34
Hình 4.8 Độ bền uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc...................................................................................................36
ix


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Hình 4.9 Mơ đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc .............................................................................................37
Hình 4.10 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung
6000C, tro rửa nước và bột talc .................................................................................39
Hình 4.11 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro

rửa nước và bột talc...................................................................................................40
Hình 4.12 Độ hút nước của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc .............................................................................................42
Hình 4.13 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro
nung 6000C, tro rửa nước và bột talc ........................................................................42
Hình 4.14 Độ bền kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA ........................................................................................................44
Hình 4.15 Mô đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA ........................................................................................................45
Hình 4.16 Độ bền uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA ........................................................................................................46
Hình 4.17 Mơ đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA ........................................................................................................47
Hình 4.18 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử
lý có 3% PP-g-MA ....................................................................................................48
Hình 4.19 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước, bột talc và tro chưa xử lý có 3% PP-g-MA...............................................49
Hình 4.20 Độ hút nước của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA ........................................................................................................50
Hình 4.21 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, và
tro chưa xử lý có 3% PP-g-MA.................................................................................51
Hình 4.22 Ảnh chụp SEM của composite nhựa PP với tro chưa xử lý có hàm lượng
độn 30% tại mặt cắt của mẫu bị kéo đứt ...................................................................53
Hình 4.23 Ảnh chụp SEM của composite nhựa PP có 3% PP-g-MA với tro chưa xử
lý có hàm lượng độn 30% tại mặt cắt của mẫu bị kéo đứt........................................55

x


Luận Văn Thạc Sĩ


Huỳnh Hữu Đăng Khoa

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Một số nhà sản xuất polypropylene trên thế giới [44].................................9
Bảng 2.2 Thành phần vỏ trấu [46] ............................................................................10
Bảng 2.3 Thành phần hóa học và tính chất vật lý của tro trấu (Rice Husk Ash) [38]
...................................................................................................................................11
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật nhựa PP ........................................................................20
Bảng 3.2 Nhiệt độ cài đặt máy trộn hai trục vít ........................................................25
Bảng 4.1 Thành phần hóa học của tro (Tỷ lệ % theo khối lượng)............................28
Bảng 4.2 Khối lượng mất khi nung của tro trấu .......................................................29
Bảng 4.3 tổng hợp kích thước hạt của tro chưa xử lý, tro nung 600C, tro rửa nước
và bột talc. .................................................................................................................31
Bảng 4.4 Hàm lượng độn trong mẫu composite sau khi đo bằng TGA....................33
Bảng 4.5 Độ bền kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc (Mpa)........................................................................................34
Bảng 4.6 Mô đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 600⁰C,
tro rửa nước và bột talc (Mpa) ..................................................................................35
Bảng 4.7 Độ bền uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc (Mpa)........................................................................................37
Bảng 4.8 Mô đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc (Mpa) ..................................................................................38
Bảng 4.9 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc (mJ/mm)..............................................................................39
Bảng 4.10 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C, tro
rửa nước và bột talc (Shore D)..................................................................................41
Bảng 4.11 Độ hút nước của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro nung 6000C,
tro rửa nước và bột talc (%) ......................................................................................42
Bảng 4.12 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy của composite nhựa PP với tro chưa xử lý, tro

nung 6000C, tro rửa nước và bột talc (0C).................................................................43
Bảng 4.13 Độ bền kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA (Mpa) .............................................................................................44
Bảng 4.14 Mô đun kéo của composite nhựa PP với tro chưa xử lývà tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA (Mpa) .............................................................................................45
xi


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Bảng 4.15 Độ bền uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA (Mpa) .............................................................................................46
Bảng 4.16 Mô đun uốn của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA (Mpa) .............................................................................................47
Bảng 4.17 Độ bền va đập của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử
lý có 3% PP-g-MA (mJ/mm) ....................................................................................48
Bảng 4.18 Độ cứng của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý có
3% PP-g-MA (Shore D) ............................................................................................49
Bảng 4.19 Độ hút nước của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và tro chưa xử lý
có 3% PP-g-MA (%) .................................................................................................50
Bảng 4.20 Nhiệt độ bắt đầu phân hủy của composite nhựa PP với tro chưa xử lý và
tro chưa xử lý có 3% PP-g-MA (0C) .........................................................................51

xii


Luận Văn Thạc Sĩ


Huỳnh Hữu Đăng Khoa

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BWHA:

Tro trấu đen - Black rice husk ash

WRHA:

Tro trấu trắng - White rice husk ash

RHA:

Tro trấu - Rice husk ash

PP:

Polypropylene

MA-g-HDPE:

Maleic anhydride được ghép với nhựa HDPE

PA 6:

Polyamide 6

PA 6.6:

Polyamide 6.6


AES:

Phổ phát xạ nguyên tử - Atomic Emission spectroscopy

TGA:

Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng - Thermogravimetry

XRD:

Nhiễu xạ tia X - X ray power diffraction

SEM:

Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope

PE:

Polyethylene

HDPE:

Nhựa PE tỷ trọng cao - High density polyethylene

ASTM:

Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ

ISO:


Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

PP-g-MA:

Maleic Anhydride được ghép với nhựa PP

TEM:

Kính hiển vi điện tử truyền qua

LOI:

Mất khi nung - Loss on ignition

MFI:

Chỉ số chảy-Melt Flow Index

MFR:

Chỉ số chảy-Melt Flow Rate

MA:

Maleic anhydride

xiii



Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

MỞ ĐẦU
Nước ta với ngành nghề truyền thống là chuyên canh cây lúa nước. Sản
lượng xuất khẩu gạo theo thống kê sơ bộ của Tổng cục Hải Quan, 6 tháng đầu năm
2016, cả nước xuất khẩu gần 2,66 triệu tấn gạo, thu về gần 1,2 tỷ USD [1]. Những
phế phẩm nông nghiệp từ quá trình sản xuất lúa gạo như vỏ trấu, rơm rạ đa số được
dùng để làm nhiên liệu cung cấp năng lượng cho các nghành cơng nghiệp khác như
lị hơi, lị gạch, nhiệt điện. . .Do đó lượng tro trấu thải ra trong quá trình đốt cháy
này là rất lớn. Nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu giá rẻ này sẽ giảm thiểu được
vấn đề ô nhiễm môi trường. Tro trấu hay còn được gọi là tro silica, được xếp vào
chất thải công nghiệp thu được sau khi đốt vỏ trấu, chứa khoảng 55-97% silica (tùy
vào thổ nhưỡng vùng miền), một phần ở dạng tinh thể và vơ định hình tùy vào điều
kiện đốt, được sử dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau tùy theo độ tinh
khiết và tính chất hạt [2,3]
Silica dạng kết tủa và fumed silica được biết đến như là vật liệu cải thiện tính
chất cơ cho vật liệu polymer [4,5]. Tro silica cũng tuơng tự như những silica trên là
vật liệu độn gia cường tiềm năng trong nghành công nghiệp nhựa. Tro silica là vật
liệu bền nhiệt, cứng, nó cũng là nguyên liệu giá rẻ, sẵn có đây là nhân tố quan trọng
khi xem xét vật liệu độn cho nhựa nhiệt dẻo.Trong nước và trên thế giới hiện nay
cũng có một số nghiên cứu của các nhà khoa học về việc ứng dụng tro trấu làm làm
composite cụ thể như:
-

Năm 2014 nhóm nghiên cứu Trần Anh Đăng Khoa, Thạch Sang (Đại học
Cần Thơ), đã nghiên cứu chế tạo vật liệu cơ tính cao từ tro trấu và bột đá.
Nhóm nghiên cứu này sử dụng nhựa polyester, tro trấu và bột đá để tạo
composite có cường độ chịu nén tăng từ 380 (kg/cm²) đến 579 (kg/cm²) khi

tăng khối lượng vật liệu của tro trấu từ 0% đến 30%.[39]

-

Năm 2012 nhóm nghiên cứu E.P. Ayswarya, K.F. Vidya Francis, V.S. Renju,
Eby Thomas Thachil (India), đã nghiên cứu sử dụng tro trấu làm chất độn gia
cường cho nhựa HDPE. Kết quả tỷ lệ cho cơ tính tốt nhất là 1.5% tro trấu và
15% chất tương hợp MA-g-HDPE.[40]

-

Năm 2006 nhóm nghiên cứu Waldir Pedro Ferro, Leonardo Gondim de
Andrade e Silva (Brazil), đã nghiên cứu sử dụng tro trấu làm chất độn cho
PA 6 và
1


Luận Văn Thạc Sĩ

-

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

PA 6.6. Cơ tính của vật liệu khi sử dụng 30% bột talc cũng như 30% tro trấu
là như nhau. [41]

-

Năm 1994 nhóm nghiên cứu M. Y. A. Fuad, Z. Ismail, Z. A. M. Ishak và A.
K. M. Omar, đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất trợ tương hợp Titanat (LICA

38), Zirconat (NZ 44) và Silane (PROSIL 2020 và PROSIL 9234) lên
composite tro trấu và nhựa PP. Trong hầu hết các trường hợp modulus uốn
tăng khi tăng hàm lượng chất độn tro trấu, trong khi độ bền kéo, độ giãn dài
khi đứt và độ bền va đập đều có khuynh hướng giảm. Trong những chất này
thì PROSIL2020 cải thiện độ bền kéo nhiều nhất, độ bền va đập thì được cải
thiện bởi LICA38 và PROSIL 9234. Cơ tính của composite tro trấu này được
so sánh với composite khi độn nhựa PP với fumed silica và bột talc thương
mại. [42]

-

Năm 1993 nhóm nghiên cứu M. Y. Ahmad Fuad , Mustafah Jamaludin , Z.
A. Mohd Ishak & A. K. Mohd Omar đã nghiên cứu sử dụng tro trắng và tro
đen làm chất độn cho nhựa PP. Kết quả là mặc dù khơng có chất gắn kết nào
cơ tính của composite có chứa tro trấu khơng kém nhiều khi so sánh với chất
độn là bột talc thương mại. [43]
Từ những nghiên cứu trên cho thấy tro trấu có thể được sử dụng làm

composite cũng như độn cho khá nhiều loại từ nhựa nhiệt rắn cho đến nhựa nhiệt
dẻo mà tính chất cũng khơng kém nhiều khi so với chất độn thương mại khác.
Dựa trên tình hình thực tế và các ý tưởng trên, tôi chọn đề tài: “Khảo sát khả
năng ứng dụng tro trấu làm chất độn cho nhựa polypropylene” với mục tiêu
khảo sát phân tích thành phần tro trấu với nguồn nguyên liệu tro trấu trong nước.
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu đến tính chất cơ lý của composite
tro trấu và nhựa PP. Khảo sát ảnh hưởng chất trợ tương hợp PP-g-MA đến cơ
tính của composite tro trấu và nhựa PP. So sánh cơ tính của composite nhựa PP
– tro trấu và composite nhựa PP – bột talc nhằm tìm điều kiện tốt để có thể tạo
ra sản phẩm composite tro trấu nhựa PP giá thành thấp với cơ tính được cải thiện
để có thể tận dụng nguồn nguyên liệu tro trấu dồi giàu giá thành thấp đồng thời
hạn chế được phần nào ô nhiễm do tro trấu thải gây ra.


2


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1

Định nghĩa
Composite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác

nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật
liệu ban đầu [6]. Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền
đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có
tính ngun khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả
năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là
polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon.Vật liệu cốt đảm bảo cho
composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của composite có
thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi
kim loại và sợi các bon...
1.2

Yếu tố ảnh hưởng đến tính chất composite
Cơ tính của composite phụ thuộc vào:
-

Cơ tính của các vật liệu thành phần.


-

Tỷ lệ giữa các thành phần vật liệu.

-

Tác dụng tương hỗ của các vật liệu thành phần (đặc tính liên diện).

-

Luật phân bố của vật liệu cốt trong vật liệu composite (ngẫu nhiên
hay có định hướng, phân bố đồng điều hay không đồng điều, hình thái
kiến trúc của tổ hợp vật liệu cốt,…).

-

Hình dạng và kích thước của vật liệu cốt.

-

Kỹ thuật gia cơng.

1.3

Phân loại
Có hai cách phân loại vật liệu composite chính: theo bản chất vật liệu nền

hoặc theo hình dạng vật liệu cốt [6].
Phân loại theo vật liệu nền, ta có các loại sau:

-

Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi
khoáng hoặc sợi kim loại.

-

Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng. Cốt
thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như Bo, C, SiC…

-

Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt
kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.
3


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Phân loại theo vật liệu cốt, ta có các loại sau:
-

Composite cốt sợi: vật liệu cốt sợi thường có modulus đàn hồi cao. Sợi gia
cường có thể ở dạng sợi dài liên tục hay sợi ngắn gián đoạn.

-

Composite cốt hạt: được sử dụng để cải thiện một số tính chất cơ lý theo ý

muốn : độ cứng, cách điện, tính cách nhiệt, bền hố chất… ngồi ra cốt
hạt cịn có tác dụng như chất độn, giúp giảm giá thành sản phẩm. Vật liệu
composite cốt hạt cũng dễ gia công hơn composite cốt sợi.

-

Việc lựa chọn vật liệu cốt dạng sợi hay dạng hạt tùy thuộc vào yêu cầu tính
chất cơ - lý composite, bởi gia cường bằng dạng hạt thì độ bền nén cao hơn
dạng sợi nhưng độ bền uốn lại kém hơn.

1.4

Phương pháp gia cơng nhựa nhiệt dẻo

a.

Phương pháp đùn
Máy đùn trục vít là phương pháp gia công chủ yếu cho nhựa nhiệt dẻo, các

loại vật liệu có độ đàn hồi cao như cao su, đôi khi cũng gia công cho nhựa nhiệt rắn,
vật liệu được đẩy liên tục qua một khe hở có tiết diện khơng đổi gọi là đầu tạo hình.
Sản phẩm được định hình theo hai chiều (những sản phẩm có chiều dài liên tục), độ
chính xác của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chế độ gia công (nhiệt độ, áp
suất), sau khi ra khỏi đầu tạo hình kéo căng định hình hay có bộ phận tiếp nhận. .
.hoặc kết hợp với nhiều bộ phận xử lý phôi đùn khác.
Máy đùn dùng để sản xuất những mặt hàng như: màng mỏng (film), tấm
(sheet), sợi, thanh, ống, bọc cáp điện, các sản phẩm rỗng v.v...
Máy đùn trục vít có thể phân thành nhiều loại:
-


Phân loại theo tính năng cơng dụng: gia công sản phẩm hay dùng để trộn
nguyên liệu.

-

Phân loại theo số vít: máy đùn có thể có 1 vít hay (2 hoặc 3 vít) hoặc đa trục
vít, các vít có thể quay cùng chiều hay ngược chiều nhau do cơ cấu truyền
động. Máy đùn nhiều trục vít thơng thường khơng dùng để định hình mà
dùng để trộn vật liệu.

4


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Hình 1.1 Máy ép đùn
b.

Phương pháp ép phun
Ép phun (đúc dưới áp suất hay đúc tiêm) là phương pháp gia công chủ yếu

trong công nghiệp gia công polymer, các nhựa nhiệt dẻo thường được gia cơng bằng
phương pháp này.
Sản phẩm gia cơng có kích thước khá chính xác theo 3 chiều vì được tạo
hình trong khn kín.
Q trình gia cơng gồm hai q trình: nhựa hóa trong xy lanh ngun liệu,
tạo hình trong khn.
Q trình tạo hình chỉ tiến hành khi làm khít 2 nửa khuôn lại với nhau.

Tùy theo nguyên liệu đúc chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau (nhựa
nhiệt dẻo khác nhựa nhiệt rắn).
Vật liệu chảy vào khuôn qua các rãnh, cửa tiết diện nhỏ.
Khi vùng tạo hình của khn đã được lấp đầy ngun liệu thì khn mới chịu
tác dụng của lực ép.
Ưu điểm: năng suất cao, chu kỳ ngắn, gia công bằng phương pháp ép phun
tiết kiệm được nhiều ngun liệu, ít tốn cơng hồn tất.
Nhược điểm: Q trình ép phun khơng ổn định về nhiệt độ và áp suất. Đây là
một đặc điểm không thuận lợi của phương pháp và chất lượng sản phẩm chịu ảnh
hưởng rất lớn của đặc điểm này.

5


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Hình 1.2 Máy ép phun
Ngồi các phương pháp phổ biến kể trên, cịn rất nhiều phương pháp gia
công composite khác như phương pháp đúc áp suất, đúc ly tâm, phương pháp trộn,
phương pháp pultrusion, quấn sợi…

6


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa


CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VẬT LIỆU COMPOSITE TRO
TRẤU VÀ NHỰA PP
2.1

Sơ lược composite cốt hạt
Composite gia cường hạt là composite được gia cường bởi các hạt có dạng

(hình cầu, que, vảy…) những nguyên liệu có thể làm cốt như bột gỗ, than đen, bột
talc, cao lanh, mica…
Các vật liệu gia cường có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thường có độ
cứng cao hơn vật liệu nền. Một số vật liệu gia cường dạng hạt có thể cải thiện các
tính chất composite như giảm độ co ngót, kháng mài mịn, chịu nhiệt…Tuy nhiên,
khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất
nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào sự liên kết giữa
bề mặt phân chia pha. Chính vì vậy vật liệu composite cốt hạt thường được dùng
trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao. Trong nhiều trường hợp các hạt
được sử dụng nhằm mục đích làm giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm.
2.2

Vật liệu composite tro trấu và nhựa Polypropylene

2.2.1 Nhựa Polypropylene
a.

Giới thiệu
Nhựa PP một trong những polyme nhiệt dẻo thơng 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 với môi trường
[33].

Công thức phân tử

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/cm3) còn atactic là cấu trúc không kết tinh (d = 0.86-0.89 g/cm3).

7


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

Hình 2.1 Cấu trúc của polypropylene
b.

Một số đặc tính quan trọng của polypropylene
Kháng hóa chất: bazơ và a xít lỗng khó phản ứng với polypropylene, do đó

nó là lựa chọn tốt cho các thùng chứa chất lỏng như vậy, chẳng hạn như chất tẩy
rửa, sản phẩm sơ cấp cứu…
Tính đàn hồi và dai: Polypropylene thể hiện tính đàn hồi trong một phạm vi
nhất định (giống như tất cả các chất liệu khác), nhưng nó cũng sẽ trải qua biến dạng
dẻo rất sớm trong quá trình biến dạng, vì vậy nó thường được coi là vật liệu
"dai". Dẻo dai là một thuật ngữ kỹ thuật được định nghĩa là khả năng của vật liệu
biến dạng (dẻo, khơng phải đàn hồi) mà khơng bị phá vỡ.
Tính kháng mỏi: Polypropylene giữ hình dạng của nó sau khi bị xoắn, uốn,
bẻ cong. Do tính chất đặc biệt có gia trị này polypropylene có thể được dùng làm
khớp nối.
Cách điện: polypropylene có khả năng kháng điện cao, do đó nó có thể được

dùng làm vỏ bọc dây cáp điện.
Khả năng truyền qua của ánh sáng:Mặc dù Polypropylene có thể làm ở dạng
trong suốt, nhưng nó thường được tạo ra có màu đục tự nhiên. Polypropylene có
8


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

thể được sử dụng cho các ứng dụng trong đó sự truyền ánh sáng là quan trọng hoặc
cần độ thẩm mỹ. Nếu yêu cầu độ truyền qua cao thì Acrylic hoặc Polycarbonate là
sự lựa chọn tốt hơn.
Tính chất nhiệt: Polypropylene là loại nhựa bán kết tinh có nhiệt độ chảy
lỏng (160-170oC). Ở nhiệt độ155oC, PP còn ở thể rắn nhưng đến gần nhiệt độ chảy
lỏng, PP chuyển sang trạng thái mềm cao. Khi giảm từ nhiệt độ nóng chảy về
120oC, PP bắt đầu kết tinh lại.
Tính chất hóa học: ở nhiệt độ thường, PP không tan trong các dung môi hữu
cơ, trương trong hydrocacbon thơm và clo hóa, khi nhiệt độ lớn hơn 800C thì PP bắt
đầu tan trong hai loại dung mơi trên.
Các tính chất khác: tính chất cơ học PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử
trung bình, độ đồng đều và hàm lượng polymer atactic. Nếu hàm lượng polymer
atactic giảm và khối lượng phân tử trung bình tăng thì tính chất của polymer tăng.
c.

Một vài ứng dụng của polypropylene
Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm, khơng yêu cầu

chống oxy hóa một cách nghiêm ngặt.
Tạo thành sợi, dệt thành bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn. PP

cũng được sản xuất dạng màng phủ ngồi đối với màng nhiều lớp để tăng tính
chống thấm khí, hơi nước, tạo khả năng in ấn cao, và dễ xé rách để mở bao bì (do
có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ bóng cao cho bao bì.
Dùng làm chai đựng nước, bình sữa cho bé, hộp bảo quản thực phẩm
Một số sản phẩm làm từ nhựa PP có khả năng chịu nhiệt tốt dùng được trong
lị vi sóng.
d.

Một vài nhà sản xuất nhựa PP trên thế giới
Bảng 2.1 Một số nhà sản xuất polypropylene trên thế giới [44]
Nhà sản xuất

Tên thương mại của sản phẩm

Arkema

Appryl®

BASF

Neopolen®

Dow Chemical

INSPIRE™

DuPont

Bynel®


Exxon Chemical

Achieve™

Mitsubishi

Lemalloy®

PolyOne Corporation

Edgetek®
9


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

 Polypropylen tuy có nhiều ưu điểm nhưng độ cứng không cao, khả năng
chịu nhiệt chỉ ở mức độ vừa phải. Tro trấu có hàm lượng silica khá cao do
đó có thể sử dụng làm chất độn cho nhựa PP để tăng cường độ cứng, khả
năng chịu nhiệt, giảm độ co rút, tăng mô đun kéo, mô đun uốn, đồng thời
giảm giá thành sản phẩm, giải quyết phần nào đó về ơ nhiễm mơi trường.
2.2.2 Thành phần vỏ trấu
Thành phần hóa học của vỏ trấu thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác,
thổ nhưỡng của từng vùng miền. Nhưng hầu hết trong vỏ trấu chứa trên 75% chất
hữu cơ dễ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% cịn lại chuyển thành tro.
Bảng 2.2 Thành phần vỏ trấu [46]
Thành phần


%

Cellulose

25-35

Hemicellulose

18-21

Lignin

26-31

SiO2 (silica)

15-17

Chất có thể hòa tan

2-5

Độ ẩm

5-10

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết
các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại
rất dễ cháy nên có thể làm chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic
oxit, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực.

Vỏ trấu hiện nay thường được gia công thành viên nén trấu, hoặc củi trấu để
nâng cao hiệu suất đốt cũng như dễ vận chuyển. Những loại này khi dùng cho lị hơi
cơng nghiệp sẽ cho năng lượng nhiều hơn trấu rời nhưng đồng thời do bị nén chặt
khơng khí bên ngồi khó len lỏi vào bên trong dẫn đến quá trình đốt sẽ cho ra tro
đen nhiều hơn, tro này có hàm lượng silica khơng cao so với tro khi đốt bằng trấu
rời. Trong luận văn này sử dụng tro được đốt từ vỏ trấu rời là phế phẩm sau khi đốt
lị hơi tầng sơi.
2.2.3 Thành phần hóa học trong tro trấu
Vỏ trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển hóa thành tro chứa các
thành phần oxit kim loại. Silic oxit là chất có tỷ lệ phần trăm về khối lượng cao nhất
10


Luận Văn Thạc Sĩ

Huỳnh Hữu Đăng Khoa

trong tro chiếm khoảng 80-90%, và chúng có thể thay đổi tùy thuộc vào giống cây
lúa, điều kiện khí hậu, đất đai của từng vùng miền.
Vỏ trấu khi đốt ở ngồi mơi trường bình thường sẽ sinh ra hai loại tro: tro
đen (Black Rice Husk Ash) và tro trắng (White Rice Husk Ash) đều có thể sử dụng
làm chất độn. Bảng 2.3 cho thấy thành phần hóa học và tính chất vật lý của tro trắng
và tro đen. Silica có trong tro trắng chiếm đến 92.2 % trong khi đó chỉ có 53.88 %
Silica trong tro đen [38].
Bảng 2.3 Thành phần hóa học và tính chất vật lý của tro trấu (Rice Husk Ash) [38]
Đặc tính

Tro trắng

Tro đen


Thành phần hóa học (%)
CaO

0.360

0.120

MgO

0.160

0.078

Fe2O3

0.041

0.022

K2 O

0.690

0.950

Na2O

0.034


0.018

Al2O3

0.025

0.023

P2O5

0.570

0.270

SiO2(Silica)

92.200

53.880

1.620

44.480

Mất khi nung (Loss
of ignition)

Tính chất vật lý
Kích thước hạt
(μm)

Tỷ trọng (g/cm3)
2.3

6.60

19.50

2.20

1.80

Những nhân tố ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu composite tro trấu và

nhựa PP
2.3.1 Ảnh hưởng của tro trấu
11