Xuất phát từ thực tế

Đời sống vật chất và văn hóa tinh thần của con người ngày càng được nâng cao, vì thế nhu cầu trang trí nội - ngoại thất bởi những vật liệu tiên tiến trong kiến trúc và xây dựng, tạo sự khác biệt, tinh tế cũng ngày càng nhiều. Hiện trên thị trường, các doanh nghiệp chủ yếu nhập những loại vật liệu xây dựng, kiến trúc compozit từ các nước Đức, Ý, Malaysia... Với công nghệ hiện tại, các sản phẩm phần lớn được tạo thành từ những lát gỗ mỏng, qua xử lý bề mặt với nhựa nhiệt rắn (nhựa phenol formaldehyd, melamin, polyeste, epoxy…), sau đó ép ở nhiệt độ cao để định hình sản phẩm. Phương pháp này có nhược điểm là khó gia công các sản phẩm có hình dạng, kết cấu phức tạp, khó tái chế…

Trên cơ sở nghiên cứu, tham khảo kinh nghiệm ở trong và ngoài nước, được sự hỗ trợ của Bộ KH-CN, nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyolefin (polyetylen, polypropylen) khâu mạch (XLPO) và bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội-ngoại thất”.

Ts Nguyễn Vũ Giang, Viện Kỹ thuật nhiệt đới cho biết, kết quả nghiên cứu và tìm hiểu cho thấy, bột gỗ là vật liệu gia cường tốt cho nhựa nhiệt dẻo bởi nó có thành phần chủ yếu gồm cấu trúc kết tinh xelluloza, hemixelluloza và vô định hình lignin, đường kính trung bình từ 0,1 - 0,2mm, có độ bền kéo đứt và modul đàn hồi cao, giá thành thấp, tỷ trọng nhẹ… Hiện việc sử dụng nhựa nền trên cơ sở các nhựa polyolefin có khả năng khâu mạch và vật liệu gia cường bột gỗ để chế tạo vật liệu compozit ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội - ngoại thất cũng chưa được nhiều nhà khoa học trong nước nghiên cứu và công bố. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng loại vật liệu này trong ngành công nghiệp nhựa compozit ngày càng mạnh ở các nước phát triển trên thế giới cũng như ở Việt Nam bởi một số ưu điểm như có khả năng tái chế, tính chất cơ lý tốt, gia công được theo phương pháp nhựa nhiệt dẻo truyền thống như ép phun, đùn, thổi… quy mô công nghiệp. Vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo - gỗ được ứng dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau có cấu trúc, hình dạng phức tạp như chi tiết kết cấu và trang trí cho ngành công nghiệp ôtô, công nghiệp điện - điện tử, công nghiệp giao thông vận tải, xây dựng như tấm lát sàn, tấm ốp tường, thanh profile cho cửa, đồ nội thất…

Công nghệ có tính ứng dụng cao

Xuất phát từ thực tế đó và được sự hỗ trợ của Bộ KH-CN, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polyolefin (polyetylen, polypropylen) khâu mạch và bột gỗ biến tính ứng dụng làm vật liệu xây dựng, kiến trúc nội - ngoại thất. Nhóm đã nghiên cứu biến tính bột gỗ, ghép các phân tử silan lên bề mặt để tăng độ kết dính với nhựa nền, đồng thời, chế tạo các hạt nano SiO2 “in situ” tương tác hóa học trực tiếp với hạt gỗ bởi sự điều khiển phản ứng giữa dung dịch silan và alkoxit (ví dụ như tetrametyl ortosilicat) trong quá trình biến tính. Hạt nano SiO2  có tính chất cơ lý và độ bền cao hơn gỗ. Các hạt nano SiO2  in situ hình thành sẽ lấp đầy các lỗ trống vi mô trên bề mặt gỗ, làm tăng diện tích tiếp xúc của hạt gỗ và nhựa nền, đóng vai trò như những chiếc nệm giữa hai pha của WPC, làm tăng cơ tính của vật liệu.

Bột gỗ sau khi biến tính được phối trộn theo quy trình đặc biệt nhằm tối đa hóa lượng bột gỗ có trong thành phần WPC nhưng vẫn đảm bảo sự phân tán tốt để tạo hạt WPC masterbatch. Hàm lượng dicumyl peoxit (DCP) thích hợp được sử dụng để tạo liên kết giữa các phân tử nhựa và silan biến tính bột gỗ và hình thành các liên kết ngang (giữa các phân tử polyme nền với nhau) trong khối tạo thành nền nhựa XLPO.

Cùng với đó, để khắc phục những nhược điểm của thiết bị đùn ép một trục vít có sẵn của đơn vị, nhóm đã tự nghiên cứu, thiết kế thêm hai bộ phận quan trọng để hình thành dây chuyền đồng bộ chế tạo hạt masterbatch WPC. Bộ phận thứ nhất là thiết bị trộn siêu tốc với tốc độ 1.400 vòng/phút, thể tích buồng trộn 100 lít, có thể điều khiển được nhiệt độ trộn và làm mát thích hợp. Hỗn hợp nhựa, bột gỗ sau biến tính và phụ gia sau khi trộn sẽ được đưa vào máy đùn một trục vít. Thứ hai là thiết bị tạo hạt làm mát bằng không khí. Sợi WPC nóng chảy sẽ qua thiết bị này để tạo hạt. Thiết bị này sẽ ngăn không cho WPC nóng chảy tiếp xúc với nước làm mát như công nghệ thông thường. Lưỡi cắt đặc biệt quay liên tục được ốp sát đầu phun của xilanh đùn, hạt nhựa nóng chảy được hút chân không qua hệ thống thổi gió làm mát trực tiếp tạo sự mất nhiệt nhanh chóng, qua hệ thống sàng phân loại và chuyển sang công đoạn đóng bao gói. Nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo thử nghiệm tấm lát sàn, ốp tường compozit XLPO/bột gỗ qua 5 bước: xử lý và làm sạch bột gỗ, biến tính bột gỗ, phối liệu, tạo hạt, tạo sản phẩm.

Theo ông Nguyễn Vũ Giang, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, chế tạo hạt WPC dạng masterbatch (hàm lượng bột gỗ dự định đạt 80 - 85%kl.) theo công nghệ này vẫn còn mới ở Việt Nam. Sự thành công của công nghệ này có thể nhân rộng quy mô lớn, tạo tiền đề cho việc xây dựng nhiều nhà máy chế tạo các loại hạt masterbatch khác như tro bay, CaCO3, carbon black, mica, oxit silic, hạt màu, hạt chống cháy… với hàm lượng lớn chất vô cơ với chi phí đầu tư thiết bị, chi phí sản xuất thấp cung cấp cho thị trường ngành công nghiệp sản xuất nhựa, compozit trong nước và xuất khẩu. Kết quả của đề tài cũng sẽ đóng góp một phần vào lĩnh vực nghiên cứu đầy triển vọng là chế tạo polyme compozit từ các nhựa nhiệt dẻo thương mại và bột gỗ...