Nghiên cứu sử dụng xơ da thuộc phế liệu để chế tạo vật liệu composite nền nhựa polyester không no

Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Số 43B, 2020

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

NGUYỄN THỊ MỸ LINH¹, PHẠM THỊ HỒNG PHƢỢNG²

¹Khoa Công nghệ may & Thời trang, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh,

²Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh,

nguyenthimylinh_tt@iuh.edu.vn

Tóm tắt. Nghiên cứu này trình bày các kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch polyester

không no (UPE), hàm lƣợng chất đóng rắn methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), hàm lƣợng xơ da, tỷ lệ

khối lƣợng phối trộn xơ da với sợi thủy tinh và mùn cƣa trong cốt gia cƣờng đến thời gian đóng rắn, độ

bền cơ học, sự phân bố các pha và màu sắc của vật liệu composite thu đƣợc. Xơ da sử dụng trong nghiên

cứu là các loại xơ đƣợc nghiền từ phế liệu da thuộc phát sinh trong quá trình sản xuất giầy dép. Trong

khoảng khảo sát về nồng độ dung dịch UPE (40 – 60%), chất đóng rắn MEKP (1 – 2%), hàm lƣợng xơ da

(7 – 11%), tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) và xơ da/sợi

thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) trong cốt gia cƣờng, điều kiện thích hợp để chế tạo vật liệu composite là

UPE 60%, MEKP 1% và xơ da 7%. Điều kiện này đảm bảo thu đƣợc vật liệu có tính chất cơ học (độ bền

kéo, độ bền va đập và độ bền nén) tƣơng đối tốt. Mẫu có tỷ lệ khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh

(50/50) có độ bền cơ học và phân bố pha tốt nhất. Kết quả từ nghiên cứu này bƣớc đầu cho thấy khả năng

sử dụng xơ da thuộc phế liệu để chế tạo các loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng trong dân dụng và

công nghiệp.

Từ khóa. Composite xơ da, xơ da thuộc, sợi thủy tinh, mùn cƣa, polyester không no.

STUDY ON RECYCLING OF CHROME-TANNED LEATHER FIBERS TO

FABRICATE UNSATURATED POLYESTER COMPOSITE

Abstract. This work presents influence of unsaturated polyester (UPE) concentration, hardener catalyst

methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), leather fiber contain, blending ratio mass of leather fiber/glass

fiber/sawdust filler on the completely curing time, some mechanical properties, phase distribution and

color of obtained composite materials. Leather fibres used in this research were grinded from tanned

leather waste of shoe making company. According to the results of research with UPE concentration (40 –

60%), MEKP (1 – 2%), leather fiber ratio (7 – 11%), blending ratio mass of leather fiber/glass fiber

(50/50), leather fiber/sawdust (50/50) and và leather fiber/glass fiber/sawdust filler (40/30/30), the

optimal technical parameters for composite fabrication were UPE 60%, MEKP 1% and leather fiber ratio

7%. Some mechanical properties of the obtained composite like tensile strength, tensile modulus, Izod

impact strength and compressive strength were enhanced significantly at these conditions. The

mechanical properties of the composites with reinforcing filler of leather fiber/glass fiber (50/50) were

found to be best. The successful fabrication of composites using waste leather fibers as reinforcement and

unsaturated polyester as matrix could make these materials very promising for industrial and civil

engineering applications.

Keywords. Composite leather, chrome-tanned leather fiber, glass fiber, sawdust, unsaturated polyester.

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một trong những nƣớc sản xuất và xuất khẩu các sản phầm giầy, dép, túi, cặp hàng đầu trên

thế giới. Do vậy, lƣợng nhập khẩu và tiêu thụ da thuộc là rất lớn và luôn có sự tăng trƣởng theo hàng

năm. Kết quả khảo sát của Viện Nghiên cứu Da giầy về tiêu hao các loại nguyên vật liệu và chất thải rắn

trong ngành da giầy Việt Nam cho thấy hàng năm các doanh nghiệp da giầy nƣớc ta thải ra trên 150 nghìn

tấn chất thải rắn, trong đó khoảng 60% là da thuộc phế liệu [1]. Theo dự báo đến năm 2025, với tốc độ

phát triển nhƣ hiện nay thì lƣợng chất thải rắn của ngành da giầy sẽ đạt khoảng 300 nghìn tấn. Với cách

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

123

xử lý chôn lấp hoặc đốt bỏ hiện đang đƣợc áp dụng cho chất thải rắn của ngành da giầy không chỉ gây ô

nhiễm môi trƣờng mà còn lãng phí nguồn xơ colagen tự nhiên trong da. Do đó, tái sử dụng phế liệu da

thuộc để chế tạo ra các vật liệu và sản phẩm mới nhằm tạo ra giá trị gia tăng và xử lý các phế thải là

hƣớng nghiên cứu đang đƣợc các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm.

Trên thế giới, các phế thải rắn dạng xơ sợi thƣờng đƣợc sử dụng làm thành phần phân tán cho vật liệu

composite [2-6]. Đối với da thuộc phế liệu, các nghiên cứu thƣờng dùng để chế tạo vật liệu composite với

các nền polymer khác nhau nhƣ nhựa nhiệt dẻo (polyvinyl butyral, polyvinyl clorua, polymethyl

methaacrylat...), nhựa nhiệt rắn (epoxy, nhựa gốc phenol), cao su tổng hợp (butadien, styren butadien,

cao su nitril) [2-6]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu trong lĩnh vực da giầy chủ yếu tập trung vào công nghệ

thuộc da, công nghệ chế tạo giầy chức năng,... [1, 8]. Vấn đề nghiên cứu chế tạo các vật liệu mới từ da

thuộc phế liệu đã bắt đầu đƣợc triển khai nghiên cứu [9].

Nhựa polyester không no (UPE) là một loại nhựa nhiệt rắn tồn tại ở trạng thái lỏng nhớt, khi có mặt

của chất đóng rắn sẽ chuyển sang trạng thái rắn. Nhựa UPE đƣợc sử dụng phổ biến để sản xuất các vật

liệu composite với cốt gia cƣờng khác nhau [5]. Do xơ da có tỷ trọng thấp, chỉ với hàm lƣợng xơ nhỏ thì

thể tích nguyên liệu xơ da đã khá lớn nên việc phối trộn với nhựa có độ nhớt cao sẽ khó đồng đều. Sự

phân tán của xơ da trong vật liệu composite không đồng đều sẽ làm giảm các tính chất cơ học của vật liệu

composite thu đƣợc. Hơn nữa, khả năng tƣơng hợp giữa một số polymer kỵ nƣớc với xơ da kém nên cần

lựa chọn phƣơng pháp gia công phù hợp, hàm lƣợng xơ da hợp lý, hoặc biến tính xơ da, hay bổ sung thêm

các vật liệu gia cƣờng khác vào hệ composite. Trong nghiên cứu này, ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn xơ

da/UPE, xơ da/sợi thủy tinh/UPE, xơ da/mùn cƣa/UPE, xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa/UPE đến một số tính

chất cơ học của vật liệu composite tạo thành sẽ đƣợc khảo sát. Kết quả nghiên cứu này là tiền đề cơ bản

cho việc tái sử dụng xơ da để chế tạo vật liệu conposite nền nhựa polyester không no cho ứng dụng làm

ván lát sàn.

2 THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu và hóa chất

Nhựa UPE R2803 có xuất xứ từ Đài Loan, hàm lƣợng nhóm styrene 30 - 35%, đã chứa 0,5% chất xúc tiến

Octoat coban.

Chất đóng rắn methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) sản xuất tại Trung Quốc, là chất khơi mào phản

ứng đóng rắn nhựa UPE.

Xơ da mịn có đƣờng kính trung bình 0.1 mm, chiều dài trung bình 10 mm thu đƣợc sau quá trình

nghiền xé khô bằng máy nghiền búa, từ phế liệu da bò cật không nhuộm màu.

Sợi thuỷ tinh E-Glass có đƣờng kính sợi 0.02 mm,chiều dài trung bình 15 mm đƣợc sản xuất tại Trung

Quốc. Mùn cƣa đƣợc cung cấp từ các xƣởng chế biến gỗ tại Củ Chi thành phố Hồ Chí Minh.

Dung môi xylene sản xuất tại Trung Quốc, đƣợc dùng để pha loãng nhựa UPE.

2.2 Nội dung nghiên cứu

Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ UPE trong dung dịch ban đầu (60%, 55%, 50% và 40%) và hàm lƣợng

chất đóng rắn MEKP (1% và 2%) với hàm lƣợng xơ da 7% đến thời gian đóng rắn của composite.

Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ UPE trong dung dịch ban đầu (60%, 55% và 50%), hàm lƣợng xơ da

(7%, 9% và 11%), tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh và mùn cƣa trong cốt gia cƣờng tới độ bền cơ

học của vật liệu composite và sự phân tán cốt gia cƣờng trong vật liệu composite.

Nghiên cứu sự biến đổi màu sắc vật liệu composite thu đƣợc theo tỷ lệ phối trộn cốt gia cƣờng với

UPE và thành phần cốt gia cƣờng.

2.3 Quy trình thực nghiệm

Các mẫu thí nghiệm đƣợc chuẩn bị theo quy trình trong hình 1. Trƣớc tiên, UPE đƣợc pha loãng bằng

dung môi xylene để thu đƣợc các dung dịch có nồng độ khối lƣợng 40 - 60% và khuấy trộn với chất khơi

mào phản ứng đóng rắn nhựa MEKP với hàm lƣợng 1-2%, trong 60 giây. Khuôn ép (12-12 cm²) đƣợc

tiến hành vệ sinh sạch bằng các chất làm sạch khuôn chuyên dụng, đƣợc phủ một lớp dầu silicon trợ gia

công để tránh bám dính khuôn.

124

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

Tiếp theo, 1/2 khối lƣợng hỗn hợp nhựa UPE đã chứa chất đóng rắn đƣợc điền đều vào khuôn. Sau 15

phút, cốt gia cƣờng với hàm lƣợng 7 - 11% so với tổng lƣợng dung dịch nhựa UPE ban đầu đƣợc rải đều

trong khuôn và ép sơ bộ bằng trục lăn cho tới khi đạt độ đồng đều bề mặt. Cốt gia cƣờng đƣợc khảo sát

bao gồm 100% xơ da, xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) và xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa

(40/30/30).

Sau đó, 1/2 khối lƣợng hỗn hợp nhựa UPE đã chứa chất đóng rắn còn lại đƣợc thêm tiếp vào khuôn và

tiến hành quá trình nén ép ở nhiệt độ phòng, trong khoảng thời gian là 24 giờ, với áp lực ép duy trì là 5

MPa. Sau khi tách khuôn, vật liệu composite dạng tấm sẽ đƣợc cắt theo kích thƣớc tiêu chuẩn để đo các

tính chất cơ học.

Hình 1. Quy trình công nghệ chế tạo mẫu composite

2.4 Các phương pháp phân tích

- Phân tích sự phân bố các pha trong vật liệu composite:

Sử dụng phƣơng pháp phân tích ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope EVO18 -

CARL ZEISS tại trung tâm công nghệ sinh học TP HCM, để quan sát sự phân bố các pha trong vật liệu

composite chế tạo [2-7, 9].

- Phân tích sự biến đổi màu sắc:

Màu sắc của các mẫu composite đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo màu quang phổ theo tiêu chuẩn

TCVN 9882:2013, trên thiết bị Ci4200 Spectrophotometer của hãng X-rite, tại phòng thí nghiệm Hóa dệt,

trƣờng ĐHBK Hà Nội. Kết quả đo màu đƣợc thể hiện theo hệ không gian màu CIE L*a*b với các thông

số màu L, a, b, C và h. Sự khác biệt màu sắc (E) giữa các mẫu đƣợc tính theo công thức: E =

[(L)²+ (a)²+(b)²]^0.5[8].

- Phân tích tính chất cơ học:

Độ bền kéo đứt (ASTM D638), độ bền va đập (ASTM D256-10) và độ bền nén (ASTM D1621-16) đƣợc

thực hiện trên thiết bị AG-X plus Shimadzu và Tinius Olsen IT504 Impact Tester, tại trung tâm hỗ trợ và

phát triển doanh nghiệp TP HCM. Tất cả các mẫu thử nghiệm đều đƣợc thực hiện lặp lại 5 lần và lấy giá

trị trung bình [2-7, 9].

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

125

3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng UPE và chất đóng rắn MEKP đến thời gian đóng rắn

composite xơ da/UPE

Thời gian đóng rắn composite là một thông số quan trọng của quá trình gia công vật liệu. Do đó, nghiên

cứu này khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ UPE trong dung dịch ban đầu, hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP

với lƣợng xơ da cố định đến thời gian đóng rắn của composite.

Kết quả trên hình 2 cho thấy với cùng lƣợng xơ da sử dụng làm cốt gia cƣờng cho vật liệu composite

(7% so với lƣợng dung dịch UPE ban đầu), hàm lƣợng UPE và MEKP trong dung dịch nhựa ban đầu tỉ lệ

nghịch với thời gian đóng rắn composite. Thời gian đóng rắn tăng gần gấp đôi khi nồng độ chất khơi mào

đóng rắn MEKP giảm đi một nửa trong khi giữ nguyên các thông số công nghệ khác trong hệ. Thời gian

đóng rắn giảm khi tăng nồng độ chất khơi mào đóng rắn là phù hợp với lý thuyết do tốc độ khâu mạch

polymer tăng [5, 9]. Thêm nữa, khi nồng độ UPE trong dung dịch nhựa tăng từ 40% lên 60% thì thời gian

đóng rắn giảm từ 34.8 phút xuống 18.2 phút (với 1% MEKP) và giảm từ 18.0 phút xuống 9.3 phút (với

2% MEKP). Do xơ da là vật liệu tự nhiên ƣa nƣớc, nhựa UPE kỵ nƣớc nên khả năng thấm nhựa trên bề

mặt xơ da và khả năng phân tán xơ da vào dung dịch UPE phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ thể tích giữa xơ da và

nhựa UPE. Vì vậy, dù hàm lƣợng xơ da đƣợc cố định 7% so với tổng lƣợng dung dịch UPE sử dụng thì

khi tăng nồng độ UPE trong dung dịch sẽ làm giảm tỉ lệ xơ da/UPE, làm giảm sự cản trở quá trình khâu

mạch polymer và tăng khả năng khuếch tán MEKP trong hệ. Hệ quả là quá trình khơi mào đóng rắn nhựa

UPE dễ dàng hơn, giảm thời gian đóng rắn nhựa.

Hình 2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng UPE và chất đóng rắn MEKP đến thời gian đóng rắn của composite với lƣợng xơ

da sử dụng là 7% khối lƣợng dung dịch UPE ban đầu.

Cũng cần lƣu ý rằng chất đóng rắn nhựa thƣờng là các hóa chất độc hại nên cần hạn chế sử dụng. Chỉ

một lƣợng nhỏ tồn dƣ của chất đóng rắn trong sản phẩm cũng có thể gây hại đến môi trƣờng và ngƣời sử

dụng. Thêm nữa, dung môi styrene dùng để pha loãng UPE cũng là một hóa chất độc hại, dễ bay hơi, dễ

cháy nổ nên cần hạn chế sử dụng bằng cách tăng nồng độ dung dịch UPE cho thực nghiệm. Tuy nhiên,

dung dịch UPE nồng độ cao sẽ có độ nhớt lớn, cản trở sự thấm nhựa lên bề mặt xơ da, có thể gây phân

lớp giữa xơ da và nhựa trong vật liệu composite tạo thành. Sự phân lớp này có thể làm giảm tính chất cơ

học của vật liệu. Do vậy, để chọn nồng độ UPE thích hợp cho các nghiên cứu tiếp theo cần phải xác định

tính chất cơ học của vật liệu composite.

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch UPE ban đầu đến tính chất cơ học của composite xơ

da/UPE

Kết quả ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch UPE ban đầu đến tính chất cơ học của composite xơ da/UPE

trình bày trên bảng 1. Ta thấy với cùng lƣợng xơ da sử dụng làm cốt gia cƣờng cho vật liệu composite

(7%) và hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP (1%), khi thay đổi nồng độ dung dịch UPE trong khoảng 50 -

126

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

60%, các tính chất cơ học của các vật liệu composite thu đƣợc có sự khác nhau tƣơng đối. Cụ thể, độ bền

kéo, độ giãn dài và độ bền nén tăng nhẹ tƣơng ứng từ 79.91 MPa lên 81.44 MPa, 5.32 % lên 5.97 % và

79.3 kPa lên 81.4 kPa khi nồng độ dung dịch UPE ban đầu giảm từ 60% xuống 55%. Khi nồng độ dung

dịch UPE ban đầu giảm tiếp xuống 50% thì các giá trị độ bền kéo, độ giãn dài và độ bền nén giảm mạnh

xuống tƣơng ứng 76 MPa, 4.94 % và 74 kPa.

Điều này có thể giải thích nhƣ sau: Để vật liệu composite có tính chất cơ học tốt thì tỉ lệ giữa cốt gia

cƣờng (xơ da) và nhựa nền (UPE) phải thích hợp để đảm bảo tiếp sự tiếp xúc giữa các pha là tốt nhất. Nếu

hàm lƣợng nhựa quá lớn sẽ làm xơ da phân tán quá mức hoặc bó cụm, không liên kết chặt chẽ với nhau.

Nếu hàm lƣợng nhựa quá nhỏ sẽ không đủ thấm ƣớt hết xơ da, làm các pha phân tán không liên tục. Cả

hai trƣờng hợp này đều làm giảm các tính chất cơ học của vật liệu composite. Nhƣ vậy, dựa vào các số

liệu đo độ bền trên cho thấy dung dịch UPE có nồng độ 55% cho sản phẩm composite các giá trị độ bền

kéo, độ giãn dài và độ bền nén tốt nhất. Tuy nhiên, mẫu composite này lại có giá trị modun đàn hồi thấp

nhất. Dựa trên kết quả đo thời gian đóng rắn, độ bền cơ học của vật liệu, trong các thí nghiệm khảo sát

tiếp theo về ảnh hƣởng của hàm lƣợng xơ da, tỉ lệ phối trộn trong cốt gia cƣờng, nồng độ dung dịch UPE

và hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP đƣợc chọn lần lƣợt là 60% và 1%.

Bảng 1. Kết quả xác định tính chất cơ học của vật liệu composite xơ da/UPE với nồng độ UPE trong dung dịch ban

đầu khác nhau.

Nồng độ dung

dịch UPE

(%)

Độ giãn

dài

(%)

Modun

đàn hồi

(N/mm²)

Độ bền va

đập Izod

(KJ/m²)

Độ bền

nén

(kPa)

Độ bền kéo

Tên mẫu

(MPa)

P1-7L1

P2-7L1

P3-7L1

60

55

50

79.91

81.44

76.00

5.32

5.79

4.94

1990.63

1952.21

2078.84

1.70

1.80

1.70

77.30

81.40

74.00

Ký hiệu: P1÷3 – UPE 60÷50%; 7L - 7% cốt gia cường (100% Xơ da); 1 – MEKP 1%

3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng xơ da đến tính chất cơ học của composite xơ da/UPE

Với mục đích tái sử dụng xơ da phế liệu làm vật liệu composite và định hƣớng làm ván lát sàn, lƣợng xơ

da trong composite cần đƣợc nghiên cứu tối ƣu để đảm bảo điều kiện chế tạo và các tính chất cơ học của

sản phẩm cuối cùng. Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 2 và hình 3 cho thấy các tính chất cơ học

của composite thu đƣợc đa số giảm dần khi tăng hàm lƣợng xơ da từ 7 - 11%.

Bảng 2. Kết quả xác định tính chất cơ học của vật liệu composite xơ da/UPE với hàm lƣợng xơ da khác nhau.

Hàm lượng

xơ da

Độ giãn

dài

(%)

Modun

đàn hồi

(N/mm²)

Độ bền va

đập Izod

(KJ/m²)

Độ bền

nén

(kPa)

Độ bền kéo

Tên mẫu

(MPa)

(%)

P1-7L1

P1-9L1

P1-11L1

7

9

79.91

79.53

76.76

5.32

5.24

7.52

1990.63

1914.66

1521.71

1.70

1.60

77.30

81.20

76.80

11

Ký hiệu: P1 – UPE 60%; 7÷11L - 7÷11% cốt gia cường (100% Xơ da); 1 – MEKP 1%

Khi tăng hàm lƣợng xơ da từ 7% lên 9% độ bền kéo và modun đàn hồi của mẫu giảm nhẹ; khi hàm

lƣợng xơ da đạt 11% thì độ bền kéo và modun đàn hồi của mẫu có giảm mạnh tƣơng ứng từ 79.53 MPa

và 1914.66 N/mm²(mẫu 9%) xuống mức 76.76 MPa và 1521.71 N/mm². Điều này có thể do tỷ trọng của

xơ da rất nhỏ so với nhựa UPE, nên khi hàm lƣợng của xơ tăng lên, khả năng khuếch tán của nhựa cũng

nhƣ khả năng thấm ƣớt bề mặt xơ da giảm. Khi hàm lƣợng của xơ càng tăng, mức độ thấm ƣớt đồng đều

nhựa UPE càng giảm, mức độ phân bố xơ da/UPE giảm, giữa các xơ thiếu mối liên kết nhựa, do vậy làm

giảm độ bền kéo và modun đàn hồi của mẫu. Ngoài ra, khi tăng hàm lƣợng xơ da độ bền va đập của

composite cũng giảm; trong khi độ bền nén của mẫu đạt cực đại ở mẫu 9% xơ da sau đó giảm dần khi

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

127

tăng hàm lƣợng xơ da. Độ bền va đập đặc trƣng cho khả năng hấp thụ năng lƣợng tác động đột ngột của

vật liệu. Chính vì vậy loại lực này tác động rất mạnh tới mối liên kết giữa thành phần pha phân tán (xơ

da) và pha liên tục (nhựa nền UPE). Để đạt đƣợc độ bền va đập tốt, độ bền mối liên kết này phải cao.

Cũng nhƣ giải thích với độ bền kéo, khi hàm lƣợng xơ da tăng sẽ làm giảm mối liên kết nhựa giữa các xơ

da dẫn đến giảm độ bền va đập. Từ các giá trị đo độ bền cơ học của các mẫu composite cho thấy hàm

lƣợng cốt gia cƣờng xơ da thích hợp là 7%. Do vậy, trong các thí nghiệm khảo sát tiếp theo về ảnh hƣởng

của tỉ lệ phối trộn xơ da, sợi thủy tinh và mùn cƣa trong cốt gia cƣờng, nồng độ dung dịch UPE và hàm

lƣợng chất đóng rắn MEKP và hàm lƣợng cốt gia cƣờng đƣợc chọn lần lƣợt là 60%, 1% và 7%.

Hình 3. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của hàm lƣợng xơ da đến tính chất cơ học của composite.

3.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cưa đến tính chất cơ học của

composite

Nhƣ đã biết, sợi thủy tinh là một vật liệu thông dụng để làm cốt gia cƣờng cho composite nhờ độ bền cơ

học vƣợt trội của nó. Do vậy, để tăng cƣờng cơ tính cho composite xơ da/UPE, sợi thủy tinh đƣợc nghiên

cứu phối trộn với xơ da. Thêm nữa, để giảm tỉ lệ nhựa nền UPE trong composite thành phẩm, mùn cƣa

cũng đƣợc nghiên cứu sử dụng nhƣ chất độn cho composite. Bảng 3 và hình 4 trình bày kết quả khảo sát

các tính chất cơ học của composite với hàm lƣợng cốt gia cƣờng là 7% và tỉ lệ phối trộn vật liệu trong cốt

gia cƣờng là 100% xơ da, xơ da/sợi thủy tinh (50/50), xơ da/mùn cƣa (50/50) và xơ da/sợi thủy tinh/mùn

cƣa (40/30/30).

Bảng 3. Kết quả xác định tính chất cơ học của vật liệu composite với tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa

trong cốt gia cƣờng khác nhau.

Tỉ lệ phối trộn

Độ giãn

dài

(%)

Modun

đàn hồi

(N/mm²)

Độ bền va

đập Izod

(KJ/m²)

Độ bền

nén

(kPa)

xơ da/sợi thủy Độ bền kéo

Tên mẫu

tinh/mùn cưa

(MPa)

(%)

P1-7L1

P1-7LG

P1-7LS

P1-7LGS

100/0/0

50/50

79.91

91.30

65.79

71.22

5.32

5.19

6.42

5.81

1990.63

2189.97

1508.69

1673.30

1.70

5.20

1.60

3.60

77.30

91.30

65.80

71.20

50/50

40/30/30

Ký hiệu: P1 – UPE 60%; 7 - 7% cốt gia cường; L - xơ da, G - sợi thủy tinh; S – mùn cưa

Ta thấy mẫu composite có tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50) có giá trị độ bền kéo, modun đàn

hồi, độ bền va đập và độ bền nén cao nhất, với giá trị lần lƣợt là 91.30 MPa, 2189.97 N/mm², 5.20 KJ/m²

và 91.30 kPa. Và mẫu này cũng có giá trị độ giãn dài thấp nhất là 5.19 %. Các tính chất cơ học của vật

liệu composite phụ thuộc vào sự liên kết và sự phân bố cốt gia cƣờng với lớp nhựa nền. Khác với xơ da,

sợi thủy tinh là vật liệu kỵ nƣớc nên hoàn toàn tƣơng hợp với nhựa UPE. Không những thế, sợi thủy tinh

còn có độ bền cơ học vƣợt trội so với xơ da. Do vậy, khi bổ sung sợi thủy tinh để thay thế một phần xơ

128

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

da, khả năng thấm nhựa và liên kết giữa lớp cốt gia cƣờng với nhựa nền UPE tăng, làm cải thiện hầu hết

các tính chất cơ học của vật liệu composite.

Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa đến tính chất cơ học của

composite.

Trái ngƣợc với mẫu composite cốt xơ da/sợi thủy tinh, mẫu composite cốt xơ da/mùn cƣa (50/50) có

các giá trị độ bền kéo, modun đàn hồi, độ bền va đập và độ bền nén thấp nhất, với giá trị lần lƣợt là 65.79

MPa, 1508.69 N/mm², 1.6 0 KJ/m²và 65.80 kPa. Và mẫu này có giá trị độ giãn dài cao nhất là 6.42 %.

Nhƣ vậy, xơ da có hiệu quả tăng bền cho composite nên khi thay thế một lƣợng xơ da bằng mùn cƣa làm

chất độn sẽ làm giảm bền mẫu thí nghiệm. Hơn nữa, mùn cƣa là vật liệu ƣa nƣớc nên khả năng tƣơng

thích với nhựa UPE kém cũng là một nguyên nhân giảm bền vật liệu. Độ giãn dài của mẫu composite này

lớn nhất trong các mẫu thí nghiệm là do phần nhựa nền UPE quyết định bởi hàm lƣợng xơ da ít nên sự

liên kết giữa chúng lỏng lẻo.

Đối với mẫu composite có cốt gia cƣờng xơ da/sợi thủy tinh/mùn cƣa (40/30/30) có các giá trị cơ học

ở mức trung gian giữa mẫu composite cốt xơ da/sợi thủy tinh (50/50) và mẫu composite cốt xơ da/mùn

cƣa (50/50). Kết quả nghiên cứu này sẽ mang lại nhiều sự lựa chọn trong điều kiện phối trộn cốt gia

cƣờng cho vật liệu composite có các tính chất cơ học mong muốn, đồng thời tái sử dụng đƣợc hai phế thải

rắn là xơ da và mùn cƣa.

Hình 5. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu composite với hàm lƣợng xơ da 7%(P1-7L1), 9%(P1-9L1), 11%(P1-11L1); và

tỉ lệ phối trộn trong cốt gia cƣờng xơ da/sợi thủy tinh 50/50 (P1-7LG) và xơ da/mùn cƣa 50/50 (P1-7LS); độ phóng

đại 100×.

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

129

3.5 Hình thái cấu trúc và sự phân bố pha trong composite

Để đánh giá một cách trực quan về hình thái cấu trúc và sự phân bố các pha trong composite thu đƣợc,

phƣơng pháp phân tích ảnh chụp hiển vi điện tử quét bề mặt vật liệu (SEM) thƣờng đƣợc sử dụng [2-7,

9]. Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang các mẫu composite trình bày trên Hình 5 cho thấy sự phân bố xơ da, sợi

thủy tinh và mùn cƣa trong pha phân tán là nhựa UPE. Từ ảnh SEM ta thấy các mẫu composite đều có sự

phân chia pha rõ ràng và có nhiều vùng nhựa UPE phân lập và xơ da kết bó. Điều này chứng tỏ sự tƣơng

hợp và khả năng phân tán xơ da trong nhựa UPE kém. Ảnh SEM các mẫu có hàm lƣợng xơ da lớn cho

thấy mật độ xơ da trong composite tăng lên, nhiều vùng xơ da riêng biệt không đƣợc nhựa UPE bao bọc.

Mẫu P1-7LG composite cốt xơ da/sợi thủy tinh (50/50) cho thấy các sợi thủy tinh phân bố đan xen cùng

xơ da; trong khi mẫu P1-7LS composite cốt xơ da/mùn cƣa (50/50) cho thấy vùng nhựa UPE chiếm chủ

yếu, xơ da kết bó và phân bố riêng rẽ. Kết quả phân tích hình ảnh SEM các mẫu composite cho thấy sự

phù hợp với ứng xử cơ tính của các mẫu vật liệu đã phân tích ở trên.

3.6 Sự biến đổi màu sắc của vật liệu composite theo hàm lượng và tỉ lệ phối trộn cốt gia

cường khác nhau

Bảng 4. Các giá trị L*, a*, b*, C*, h° trong hệ không gian màu CIELab của các mẫu composite.

Nguồn sáng D65 - góc quan sát 10°

Mẫu

L*

a*

b*

C*

h°

ΔE

P1

84.80

2.43

14.58

14.78

80.55

0.0

P1-7L1

P1-9L1

P1-11L1

P1-7LG

P1-7LS

P1-7LGS

55.53

54.06

54.04

55.63

56.58

57.86

-3.79

-3.83

-4.01

-4.23

-3.87

-3.73

3.12

2.9

1.77

1.96

2.5

79.67

77.2

15.87

17.25

19.41

25.81

16.22

14.84

2.38

0.23

2.97

3.8

74.28

68.39

77.61

81.63

4.66

1.9

2.4

Ký hiệu: P1 – UPE 60%; 7÷9 - 7÷9% cốt gia cường; L - xơ da, G - sợi thủy tinh; S – mùn cưa

130

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

Để đánh giá sự khác nhau về màu sắc của các mẫu composite, việc đo màu đƣợc thực hiện theo hệ

không gian màu CIELab thu đƣợc các thông số màu thông số màu L, a, b, C và h. Hệ không gian

màu CIELab đƣợc xây dựng dựa trên khả năng cảm nhận màu của mắt ngƣời. Do vậy, tất cả những màu

mà mắt ngƣời có thể nhìn thấy đƣợc đều đƣợc biểu diễn thông qua các giá trị L, a, b. Thông số L đặc

trƣng cho độ sáng, sáng hơn (+L) và tối hơn (-L); a* thông số màu đỏ - lục, ngả đỏ (+a) và ngả lục (-a);

b* thông số màu vàng - lam, ngả vàng (+b) và ngả lam (-b). Tất cả các màu có cùng độ sáng L nằm trên

cùng một mặt phẳng có 2 trục tọa độ vuông góc a* và b*. Độ sáng L của màu thay đổi theo trục dọc. Kết

quả đo màu trình bày trong bảng 4 và đồ thị hóa trong hình 6 cho thấy mẫu đối chứng là nhựa UPE đóng

rắn không cốt gia cƣờng (P1) có độ sáng cao (L = 84.8), màu ngả đỏ vàng (a = 2.43, b = 14.58); các

mẫu composite có cốt gia cƣờng (xơ da, sợi thủy tinh, mùn cƣa) đều có độ sáng giảm mạnh. Khi tăng hàm

lƣợng xơ da trong composite từ 7 – 11%, độ sáng giảm dần, màu của mẫu ngả lục và giảm ánh vàng. Khi

thay thế một phần xơ da bằng sợi thủy tinh, mẫu P1-7LG có ánh vàng giảm mạnh (b = 0.23) và ánh lục

tăng mạnh (a = -4.23).

Hình 6. Đồ thị so sánh các giá trị L*, a*, b* và R của các mẫu composite.

Sự khác biệt màu sắc giữa các mẫu composite với mẫu đối chứng (P1) đƣợc đánh giá thông qua giá trị

E. Đây là thông số đánh giá tổng sự khác biệt về độ sáng và màu sắc của các mẫu. Thông thƣờng, giá trị

E < 1.0 thì mắt ngƣời không phân biệt đƣợc sự khác biệt màu sắc giữa hai mẫu vật liệu. Kết quả tính

E trình bày trong bảng 4 cho thấy sự khác biệt màu sắc giữa các mẫu composite với mẫu đối chứng (P1)

là rất lớn và sự khác biệt màu sắc giữa các mẫu composite là phân biệt đƣợc. Điều này cũng đƣợc thể hiện

qua sự khác biệt lớn về giá trị sắc độ màu (C = [(a*)²+ (b*)²]^0.5) và sắc thái màu (h = tan^-1(b/a)) của

các mẫu thí nghiệm. Điều này là phù hợp với ảnh chụp mẫu thực gắn kèm trong bảng 4. Ngoài ra, đồ thị

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

131

biểu diễn độ phản xạ (R) của các mẫu composite theo bƣớc sóng () trong hình 6 cho thấy độ phản xạ của

các mẫu đạt cực tiểu ở bƣớc sóng 620-630nm, tức là vật liệu composite hấp thụ cực đại các tia sáng có

ánh đỏ. Việc sử dụng hệ không gian màu CIELab để đo màu cho các mẫu composite đã cho phép mô tả

chính xác màu và sắc độ của mẫu, giống với màu sắc mà mắt ngƣời bình thƣờng cảm nhận đƣợc.

4 KẾT LUẬN

Trong nghiên cứu này, ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch UPE, hàm lƣợng chất đóng rắn MEKP, hàm

lƣợng xơ da, tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh và mùn cƣa trong cốt gia cƣờng đến thời gian đóng

rắn, độ bền cơ học, sự phân bố các pha và màu sắc của vật liệu composite đã đƣợc thực hiện. Sử dụng xơ

da phế liệu liệu kết hợp với nhựa nền UPE có thể chế tạo vật liệu composite có các tính chất cơ học tƣơng

đối tốt. Nghiên cứu cho thấy xơ da cản trở và làm chậm tốc độ đóng rắn nhựa và làm suy giảm một số

tính chất cơ học của composite bao gồm độ bền kéo, độ bền va đập và độ bền nén khi lƣợng xơ da sử

dụng quá mức. Độ bền cơ học của các mẫu composite tăng khi thay thế một phần xơ da bằng sợi thủy tinh

và giảm khi bổ sung mùn cƣa. Phân tích mặt cắt ngang các mẫu bằng ảnh SEM cho thấy sự phân bố xơ da

trong composite có sự liên quan mật thiết đến các tính chất cơ học của vật liệu. Sử dụng phƣơng pháp đo

màu quang phổ để đánh giá màu sắc của các mẫu theo hệ không gian màu CIELab cho thấy có sự khác

nhau rõ ràng về cƣờng độ màu và sắc độ của các mẫu theo hàm lƣợng xơ da sử dụng và tỉ lệ pha trộn cốt

gia cƣờng trong vật liệu composite. Với các điều kiện đã khảo sát, nồng độ UPE, chất đóng rắn MEKP và

hàm lƣợng xơ da thích hợp để chế tạo vật liệu composite xơ da/UPE lần lƣợt là 60%, 1% và 7%. Điều

kiện này vừa đảm bảo thu đƣợc vật liệu có đặc tính cơ học tốt vừa đảm bảo thời gian gia công phù hợp.

Với các tỷ lệ phối trộn xơ da với sợi thủy tinh và mùn cƣa trong cốt gia cƣờng đã khảo sát, mẫu có tỷ lệ

khối lƣợng phối trộn xơ da/sợi thủy tinh (50/50) có độ bền cơ học và phân bố pha tốt nhất. Kết quả của

nghiên cứu này bƣớc đầu cho thấy có thể sử dụng xơ da phế liệu để chế tạo vật liệu composite và là cơ sở

để định hƣớng cho việc nghiên cứu tiếp theo làm ván lát sàn.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ Trƣờng Đại học Công nghiệp TP.HCM thông qua đề tài

cấp Trƣờng mã số 171.1041. Đồng thời cảm ơn ban chủ nhiệm khoa May thời trang và khoa Công nghệ

Hóa trƣờng Đại học Công nghiệp TP.HCM; Phòng thí nghiệm hóa dệt trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

đã hỗ trợ để chúng tôi hoàn thành nghiên cứu này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Dự án “Khảo sát, đánh giá thực trạng tiêu hao các loại nguyên vật liệu và chất thải rắn trong ngành Da giầy Việt

Nam”, Viện Nghiên cứu Da Giầy, năm 2014.

[2] El‐Sabbagh, Salwa H., and Ola A. Mohamed. Recycling of chrome‐tanned leather waste in acrylonitrile

butadiene rubber. Journal of Applied Polymer Science 121(2), 2011, 979-988.

[3] Garcia, N.G., et. al. Natural rubber/leather waste composite foam: A new eco‐friendly material and recycling

approach. Journal of Applied Polymer Science, 132(11), 2015.

[4] Popita, G.E., et. al. Industrial tanned leather waste embedded in modern composite materials. Mater Plast, 53,

2016, 308-311.

[5] Talib, S., et. al. Tensile properties of chrome tanned leather waste short fibre filled unsaturated polyester

composite. AIP Conference Proceedings, 1901(1), 2017, 30013.

[6] Santos, R.J., et. al. Recycling leather waste: preparing and studying on the microstructure, mechanical, and

rheological properties of leather waste/rubber composite. Polymer Composites, 36(12), 2015, 2275-2281.

[7] G. Andreopoulos and P.A. Tarantili, Waste leather particles as a filler for poly (vinyl chloried) plastisols, Journal

of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, A37 (11), 2000, 1353–1362.

132

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XƠ DA THUỘC PHẾ LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE NỀN NHỰA POLYESTER KHÔNG NO

[8] Nguyễn Ngọc Thắng, Nguyễn Thị Thu Hằng. Nghiên cứu sự biến đổi cấu trúc và các tính chất cơ lý của cá sấu

Hoa cà trƣớc và sau khi thuộc bằng muối crom. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trƣờng Đại học Công nghiệp

thành phố Hồ Chí Minh, 2019 (chấp nhận đăng).

[9]. Bùi Văn Huấn, Đoàn Anh Vũ, Nguyễn Phạm Duy Linh, Ngô Thị Kim Thoa, Nghiên cứu khả năng sử dụng xơ

da thuộc để chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 29, 2018.

Ngày nhận bài: 13/01/2020

Ngày chấp nhận đăng: 20/03/2020