Nghiên cứu vật liệu composite có cấu trúc Sandwich. Ứng dụng trong xây dựng

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOSITE CÓ CẤU TRÚC SANDWICH
ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG
Nguyễn Thúc Bội Huyên(1)
(1) Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM
Ngày nhận bài 14/06/2018; Ngày gửi phản biện 17/06/2018; Chấp nhận đăng 05/07/2018
Email: huyenntb@cntp.edu.vn
Tóm tắt
Vật liệu composite nền nhựa nhiệt rắn được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực giao thông công chánh và hàng không – vũ trụ. Vài thập niên gần đây, vật liệu composite nhựa gỗ (WPC) đã phát triển mạnh mẽ trong ngành xây dựng như ván lát sàn, trần nhà, sân vườn. Vì vậy, bài này sẽ nghiên cứu chế tạo vật liệu composite có cấu trúc sandwich trên cơ sở tận dụng các nguồn phế phẩm trong nông nghiệp và sản xuất công nghiệp tại Việt Nam. Hiệu quả của việc chế tạo vật liệu này là rút ngắn chu kỳ sản phẩm, giảm thiểu khuyết tật trong gia công đồng thời sử dụng nguồn nguyên liệu thân thiện môi trường.
Từ khóa: cấu trúc sandwich, phế phẩm, nông nghiệp, vật liệu composite, xây dựng
Abstract
SANDWICH STRUCTURE BASE COMPOSITE MATERIALS FOR CONSTRUCTION APPLICATION
Composite materials base on thermosets, are typically used in transport and aeronautic applications. In last few decades, wood plastic composites (WPC) are developed in construction area, such as floor covering, ceiling, garden area... In this paper, we study sandwich structure base composite materials by using agricultural and industrial wastes in Vietnam. The effectiveness of these materials is decreased the cycle time, minimized failures and used environmental-friendly sources. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các quốc gia ở Bắc Mỹ và Âu châu đã tiên phong trong việc chế tạo và ứng dụng vật liệu polymer composite trong công nghiệp và đời sống [7,8]. Vào cuối thế kỷ XX, vật liệu composite nhựa gỗ (WPC) được sử dụng để chế tạo sản phẩm nội thất và ngoài trời. Nhiều công nghệ gia công tiên tiến ra đời nhằm giúp sản xuất thành phẩm nhanh hơn và đẹp hơn [3,10-12]. Đến đầu thế kỷ XXI, các quốc gia ở châu Á quan tâm nhiều đến vật liệu WPC để sản xuất các đồ nội thất như cầu thang, ván lát sàn, cửa sổ và cửa đi cũng như ván ốp lát mặt tiền nhà. Các vật liệu WPC được chế tạo trên cơ sở dùng các sợi gia cường thiên nhiên phổ biến như bột gỗ [5,9]. Tại Việt Nam, một số phế phẩm nông nghiệp như trấu; xơ dừa, đay đã sử dụng rộng rãi cho vật liệu composite [2,4,6]. Gần đây, một số cây mọc hoang như cây lục bình, dứa dại hoặc phế phẩm cây hoa màu khác như cây chuối được quan tâm nghiên cứu cho vật liệu composite [1]. Vât liệu composite có cấu trúc sandwich có ưu điểm như nhẹ, có khả năng cách âm và cách nhiệt tốt, có thể sử dụng làm vách ngăn tường. Trước đây, một số phế phẩm trong nông nghiệp và sản xuất công nghiệp thường dùng làm phân bón hoặc cung cấp năng lượng cho các nhà máy. Tuy nhiên hiệu quả kinh tế thấp và quan trọng là gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, trong bài này chúng tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu composite có cấu trúc sandwich nhằm tận dụng một số phế phẩm nêu trên. Nghiên cứu này góp phần tạo ra vật liệu thân thiện môi trường đồng thời đưa ra hướng ứng dụng mới cho các phế phẩm công nông nghiệp.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu là vật liệu composite có cấu trúc sandwich. Vật liệu nền là loại nhựa nhiệt rắn, có thể sử dụng nhiều phương pháp gia công và có cơ tính tốt. Vật liệu gia cường là các phế phẩm tự nhiên được thải ra sau khi thu hoạch nông nghiệp và các phế phẩm bị thải ra trong sản xuất công nghiệp. Các yêu cầu về vật liệu gia cường như sau: (1) Khối lượng nhẹ, (2) Có khả năng thấm ướt bởi nhựa nền, (3) Nguyên liệu sẳn có trong nước, (4) Giá thành thấp, (5) Ở dạng xốp tự nhiên hay xốp tổng hợp.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm: (1) Xử lý sơ bộ nguyên liệu, (2) Chọn cấu trúc sandwich cho vật liệu composite, (3) So sánh khối lượng các vật liệu sandwich, (4) Khảo sát ảnh hưởng của loại gia cường đến cơ tính, (5) Đánh giá hiệu quả gia công vật liệu composite cấu trúc sandwich.
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Chọn nguyên liệu
Chọn vật liệu nền là nhựa polyester không no (UPE), là loại nhựa phổ biến tại Việt Nam. Nhựa UPE có giá thành thấp, có thể gia công ở nhiệt độ phòng với áp suất thường. Nhựa này có tính chất cơ lý tốt, có thể gia công bằng phương pháp thủ công. Ngoài ra, UPE có ưu điểm là giá thành khá thấp so với các loại nhựa nhiệt rắn khác. Sản phẩm cchế tạo dùng làm vách ngăn tường cần nhẹ và không đòi hỏi cơ tính cao. 
	 (b) 	(c)
Hình 1. Vật liệu gia cường tổng hợp: (a): Mat sợi thủy tinh, (b): Xốp PE, (c): Xốp PU
Vật liệu gia cường được chọn các bao gồm vật liệu tự nhiên và tổng hợp: (i) Mat sợi thủy tinh (stt) ở dạng sợi ngắn, phổ biến để gia công sản phẩm composite. Mat thủy tinh có độ bền cơ học cao, phù hợp với nhiều phương pháp gia công. Đặc biệt, sợi thủy tinh tương hợp tốt với nền nhựa UPE. (ii) Xốp polyurethane (PU) là loại nhựa nhiệt rắn, bền với tia tử ngoại, ánh sáng. Xốp PU rất nhẹ, được dùng làm tấm cách nhiệt trong xây dựng và thiết bị làm lạnh. Xốp PU được dùng là các phế phẩm trong sản xuất. (iii) Xốp polyethylene (PE) là loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng. Xốp PE rất bền và nhẹ, được dùng làm vật đệm trong các sản phẩm công nghiệp và hàng hóa tiêu dùng. Xốp PE được dùng là các phế phẩm trong bao bì đóng gói nhằm bảo vệ sản phẩm dưới tác động của ngoại lực. (iv) Xốp thiên nhiên là phụ phẩm của cây mướp. Xơ mướp ở dạng xốp cứng, có độ rỗng cao nên rất nhẹ. Cây mướp được trồng nhiều tại Việt Nam. Xơ mướp dễ thấm nước, khi khô có độ cứng cao và là sản phẩm thân thiện với môi trường.
Hình 2. Xơ mướp (xốp thiên nhiên) 
3.2 Chọn một số cấu trúc sandwich cho vật liệu composite
Vật liệu sandwich chế tạo để làm vách ngăn tường nên cần cứng, vững. Tấm vật liệu phải có bề dày lớn nhưng phải nhẹ để dễ vận chuyển và lắp đặt. Cấu trúc vật liệu bao gồm nhiều lớp. Hai lớp biên cần cứng, chịu lực được làm bằng lớp composite đặc, cứng, trên cơ sở dùng nhựa UPE gia cường mat sợi thủy tinh. Các lớp bên trong cần dày và có cấu trúc xốp nhằm đảm cho vật liệu sandwich có khối lượng nhẹ. Sử dụng các lớp vật liệu ở dạng xốp thiên nhiên và xốp tổng hợp (Hình 1 và 2). Hình 3 đã đưa ra 7 cấu trúc cho vật liệu composite.
	(a) 	(b)	(c)
	(d)	(e)	(f)
Hình 3. Cấu trúc sandwich của vật liệu composite
(a): UPE-sợi thủy tinh (stt) 	(b): UPE-stt/xơ mướp
 (c): UPE-stt/xốp PU 	(d): UPE-stt/xốp PU/stt/xơ mướp
 (e): UPE-stt/xốp PE/stt/xơ mướp	(f): UPE-stt/xốp PE
 (g): UPE-stt/xốp PE/stt/xốp PU.	
	(g)
3.3. So sánh khối lượng vật liệu
Vật liệu composite có cấu trúc sandwich được chế tạo bằng phương pháp hand-lay up. Với nhựa nền là UPE và các lớp gia cường được xếp lần lượt lên khuôn đến khi đạt bề dày theo yêu cầu. Mẫu được ép định hình, rồi sấy trong 3 giờ ở 80oC để nhựa đóng rắn hoàn toàn. Sau khi chế tạo 7 mẫu vật liệu như Hình 3, sẽ tiến hành cân khối lượng mẫu. Kết quả cho ở bảng 1.
Bảng 1. So sánh khối lượng các mẫu vật liệu composite
STT
Vật liệu composite 
Khối lượng (g)
1
Sợi thủy tinh (stt)
7,36
7,31
7,18
7,40
2
Stt/xơ mướp
5,26
5,39
5,42
5,49
3
Stt/xốp PU
2,30
2,29
2,29
2,27
4
Stt/xốp PU/stt/xơ mướp
3,89
3,93
3,92
3,98
5
Stt/xốp PE/stt/xơ mướp
4,33
4,25
4,20
4,23
6
Stt/xốp PE
2,90
2,67
2,76
2,64
7
Stt/xốp PE/stt/xốp PU
2,52
2,51
2,46
2,54
Kết quả ở bảng 1 cho thấy, vật liệu composite sợi thủy tinh có khối lượng cao nhất là 7,31 g. Xét vật liệu chứa 2 loại gia cường là sợi thủy tinh và 1 loại xốp, cho thấy khối lượng vật liệu stt/xơ mướp cao nhất, kế tiếp là vật liệu stt/xốp PE và khối lượng thấp nhất là vật liệu stt/xốp PU; tương ứng 5,39; 2,67 và 2,29 g. Xét các vật liệu composite chứa đồng thời 3 loại gia cường là sợi thuỷ tinh, hỗn hợp xốp thiên nhiên (xơ mướp) và xốp tổng hợp (xốp PE và xốp PU). Kết quả ở Bảng 1 cho thấy khối lượng vật liệu chứa stt/xốp PE/xơ mướp cao nhất, kế đến là vật liệu chứa stt/PU/xơ mướp và thấp nhất là vật liệu chứa stt/xốp PE/xốp PU; tương ứng 4,25; 3,93 và 2,51 g. Như vậy, vật liệu gia cường hoàn toàn sợi thủy tinh nặng nhất so với vật liệu sandwich chứa các lớp xốp. Trong đó, khối lượng composite sợi thủy tinh nặng hơn 3 lần so với vật liệu chứa xốp PU (2,29 g).
3.4. Ảnh hưởng của loại xốp đến cơ tính của vật liệu 
Tiến hành thí nghiệm đo độ bền nén của các mẫu chứa các loại xốp khác nhau. Thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D695 với mẫu hình trụ, kích thước 13x13x30 mm. Sử dụng máy đo LLOYD 30K với tốc độ nén là 1,3 mm/phút.
Bảng 2. Độ bền nén của các vật liệu composite
STT
Vật liệu composite 
Độ bền nén (Mpa)
1
Sợi thủy tinh
109,81
104,52
101,42
102,32
2
Stt/xơ mướp
45,03
44,69
45,18
43,87
3
Stt/xốp PU
0,34
0,32
0,26
0,35
4
Stt/xốp PU/stt/xơ mướp
1,18
1,25
1,33
1,24
5
Stt/xốp PE/stt/xơ mướp
6,13
6,44
5,77
7,41
6
Stt/xốp PE
2,06
2,05
1,90
2,20
7
Stt/xốp PE/stt/xốp PU
0,85
0,85
0,82
0,87
Kết quả đo độ bền nén của 7 mẫu composite cho thấy vật liệu gia cường hoàn toàn sợi thủy tinh có độ bền nén cao nhất (104,52 Mpa). Trong khi vật liệu cấu trúc sandwich chứa các lớp xốp thì độ bền nén thấp. Cụ thể, vật liệu chứa lớp xơ mướp có độ bền nén là 44,69 Mpa (giảm 57,24%). Còn vật liệu chứa xốp PE thì độ bền nén rất thấp, tương ứng 2,25 Mpa (giảm 97,85%). Thấp nhất là vật liệu sandwich chứa xốp PU có độ bền nén là 0,32 Mpa (Bảng 2). 
Điều này cho thấy tấm composite sợi thủy tinh ở dạng đặc và cứng nên độ bền nén cao nhất. Composite chứa lớp xơ mướp có khả năng thấm nhựa tốt nên cơ tính khá tốt. Tuy nhiên, độ bền nén của vật liệu này chỉ bằng 50% so với composite sợi thủy tinh do chứa lớp xốp cứng. Ngược lại, vật liệu sandwich chứa lớp xốp mềm và đàn hồi như PE và PU thì độ bền nén rất thấp. Đối với composite chứa đồng thời 2 loại xốp PE và PU thì độ bền nén cải thiện từ 0,32 Mpa (stt/xốp PU) lên 0,85 Mpa (stt/xốp PE/xốp PU), tăng 2,7 lần. Trường hợp composite chứa xốp PU kết hợp với xơ mướp thì độ bền nén tăng mạnh từ 0,32 Mpa (stt/xốp PU) lên 1,25 Mpa (stt/xốp PU/xơ mướp), nghĩa là tăng khoảng 4 lần. Kết quả trên chứng tỏ độ bền nén của vật liệu composite chứa lớp xốp bị giảm đáng kể, tuy nhiên khi kết hợp với xơ mướp thì độ bền nén được cải thiện.
3.6. Đánh giá hiệu quả chế tạo vật liệu composite cấu trúc sandwich
Để khảo sát hiệu quả việc chế tạo vật liệu sandwich, xét các vật liệu chứa 2 loại gia cường là sợi thủy tinh và 1 loại xốp. Các mẫu bao gồm composite sợi thủy tinh và 3 composite sandwich stt/xơ mướp, sandwich stt/xốp PE, sandwich stt/xốp PU (hình 4). Kết quả so sánh các mẫu về số lớp, khối lượng và cơ tính của vật liệu được cho ở bảng 3. 
Bảng 3. So sánh độ bền và khối lượng của các vật liệu composite
Vật liệu
 Cấu trúc 
(Số lớp)
Khối lượng 
(g)
Độ bền nén 
(Mpa)
Stt
30 stt
7,31
104,52
Stt/xơ mướp
8 stt/7 xơ mướp
6,24
44,69
Stt/xốp PE
4 stt/3 xốp PE
2,76
2,05
Stt/xốp PU
5 stt/4 xốp PU
2,29
0,32
Bảng 3 và Hình 5 cho thấy, composite sợi thủy tinh có độ bền nén cao nhất thì khối lượng nặng nhất. Ngược lại, vật liệu sandwich sợi thủy tinh/xốp PU có độ bền nén thấp nhất lại có khối lượng nhẹ nhất. Điều này cho thấy cấu trúc xốp sẽ làm giảm đáng kể khối lượng tuy nhiên cơ tính cũng giảm rõ rệt. Để tối ưu giữa cơ tính và khối lượng vật liệu, chúng tôi chọn composite cấu trúc sandwich sợi thủy tinh/xơ mướp để đánh giá hiệu quả về chi phí (Bảng 3).
(a) 	(b) 	(c) 	(d) 
Hình 4. Các mẫu vật liệu composite đã chế tạo
(a): Composite sợi thủy tinh, (b) Sandwich stt/xơ mướp, (c): Sandwich stt/xốp PE , (d): Sandwich stt/xốp PU 
(a) Khối lượng	(b) Độ bền nén 
Hình 5. Đồ thị biểu diễn khối lượng và độ bền nén theo cấu trúc vật liệu.
Bảng 3 cho thấy để gia công tấm composite dày 13 mm thì cần 30 lớp sợi thủy tinh. Còn chế tạo tấm vật liệu cấu trúc sandwich stt/xơ mướp thì chỉ cần 8 lớp sợi thủy tinh và 7 lớp xơ mướp. Nghĩa là tổng số lớp sẽ giảm đi phân nửa (15 lớp) khi dùng vật liệu cấu trúc sandwich stt/xơ mướp. Điều này vô cùng quan trọng trong thực tế sản xuất, sẽ rút ngắn chu kỳ sản phẩm, giảm bớt thao tác của người lao động nên khuyết tật sản phẩm trong thi công sẽ giảm đi rất nhiều. Về chi phí nguyên liệu, mat sợi thủy tinh, loại 300 - 450 g/m2, loại KCC của Hàn quốc có giá rẻ nhất là 43.200 đồng/m2. Do đó nếu dùng vật liệu có cấu trúc sandwich stt/xơ mướp (chứa 8 lớp sợi thủy tinh) thì chi phí nguyên liệu stt giảm còn ¼ so với tấm composite dùng hoàn toàn sợi thủy tinh (30 lớp).
4. KẾT LUẬN
Chúng tôi đã chế tạo các mẫu composite cấu trúc sandwich trên cơ sở tận dụng các phế phẩm nông nghiệp như xơ mướp và phế phẩm xốp PE và PU. Kết quả đo cơ tính và khối lượng vật liệu, cho thấy vật liệu sandwich chứa xơ mướp ưu việt hơn so với vật liệu chứa xốp PE và PU. Đặc biệt, so với composite sợi thủy tinh thì việc gia công vật liệu cấu trúc sandwich sẽ rút ngắn chu kỳ sản phẩm, giảm bớt khuyết tật sản phẩm đồng thời giảm tối đa chi phí nguyên liệu do sử dụng nguyên liệu rẻ tiền sẵn có trong nước. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
H. Estrada, S. Pillay, U. Vaidya (2015). Banana fiber composites for automotive and transportation applications. ResearchGate.
A. Getu and O. Sahu (2014). Green Composite Material from Agricultural Waste. Spring Journal.
Nguyễn Thúc Bội Huyên (2015). Phát triển bền vững – Sử dụng vật liệu FRP để sửa chữa và gia cố các công trình bê tông cốt thép. Tạp chí Công nghệ và thực phẩm, số 5.
Nguyễn Thúc Bội Huyên (2013). Nghiên cứu sản xuất vật liệu xanh từ phế liệu nhựa và phế phẩm nông nghiệp. Tạp chí Công nghệ và thực phẩm, số 1.
J. Y. Poirier (1991). Le composite bois – époxy, Techniques de Mise en oeuvres er Applications Ppratiques. Loisirs Nautiques, Dossier 10.
A. R. Rus, O. Nemes, V. F. Soporan and A. M. Chiper (2010). Agricultural waste recycling in composite materials plates. 3rd International Conference, Advanced Composite Materials Engineering, COMAT.
R. P. Sheldon (2003). Composite Polymeric Materials. Applied Science Publishers, London & New York.
G. O. Shonaike, Suresh G. Advani (2003). Advanced Polymeric Materials, Structure Property Relationships. CRC Press.
T. Tabarsa, H. Khanjanzadeh, H. Pirayesh (2011). Manufacturing of wood plastic composite from completely recycled materials. Key Engineering Materials.
Wood and natural fiber, Plastic composite extrusion systems. Eagle Pacific Ltd.
Twin-screw extruder for Wood Plastic Composite. Krauss Maffei Ltd.
Twin Screw Extrudes Wood/Plastic Profile. Icma San Giorgio Ltd.