Nghiên cứu chế tạo tấm ép mdf trên cơ sở sợi tre phế liệu và nhựa Phenol-Ure-fomandehit

104 Tạp chí Hóa học, T. 45 (5A), Tr. 104 - 110, 2007 NGHIÊN CứU CHế TạO TấM éP MDF TRÊN CƠ Sở SợI TRE PHế LIệU Và NHựA PHENOL-URE-FOMANDEHIT Đến Tòa soạn 16-8-2007 Trần Vĩnh Diệu, Nguyễn Phạm Duy Linh, Phạm Tuấn Anh Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Tr1ờng Đại học Bách khoa H6 Nội Summary This paper shows some results of mechanical properties and morphology of medium density fiberboard (MDF) based on bamboo fibers, one of by-products of bamboo factory, and phenol- and urea-formaldehyde resins. In the case of water soluble phenol-formaldehyde resin the best resin content in composition is 10% wt. and tensile, flexural and impact strengths are 14.7 MPa, 20.7 MPa and 1.9 KJ/m2, respectively. For ethyl alcohol soluble phenol- formaldehyde resin, the best resin content is 15% wt. and tensile, flexural and impact strengths are 18.57 MPa, 37.4 MPa and 2.16 KJ/m2, respectively. The best resin content of water soluble urea- formaldehyde resin is 10% wt and tensile, flexural and impact strengths are 4.97 MPa, 8.7 MPa and 1.08 KJ/m2, respectively. I - Mở ĐầU Việc tận dụng phế liệu của các nh máy sản xuất ván sn xuất khẩu từ tre/luồng đang đ'ợc rất quan tâm. Thí dụ, Bamboo Factory ở khu công nghiệp Đại An, tỉnh Hải D'ơng hng năm thải ra vi trăm tấn sợi tre/luồng ngắn, nếu không tìm cách sử dụng hợp lý sẽ gây ô nhiễm môi tr'ờng. Đề ti ny đE tiến hnh nghiên cứu chế tạo vật liệu MDF (Medium Density Fiberboard) trên cơ sở sợi tre/luồng phế liệu với nhựa phenol fomandehit (PF) v ure fomandehit (UF). II - Thực NGHIệM 1. Nguyên liệu đầu - Phenol loại tinh khiết, hm l'ợng 99% (Trung Quốc). - Fomalin hm l'ợng 37% (Trung Quốc). - Hydroxit amoni 25% (Trung Quốc). - R'ợu etylic 98% (Trung Quốc). - Toluen (Trung Quốc). - Sợi tre/luồng của công ty ván sn Bamboo Factory Hải D'ơng. - Nhựa PF tan trong n'ớc (Trung Quốc). - Nhựa UF (Việt Nam). 2. Phơng pháp chế tạo tấm MDF Sợi tre/luồng đ'ợc sấy trong tủ sấy tr'ớc khi trộn với nhựa để loại bỏ hơi n'ớc. Nhựa v tre/luồng đ'ợc trộn với nhau theo từng tỷ lệ xác định v sấy nhẹ trong vòng 12 h nhằm loại bỏ n'ớc có trong nhựa. Hỗn hợp nhựa v tre/luồng đ'ợc ép sơ bộ tạo prepreg trên máy ép với điều kiện ép 60oC v 100 kG/cm2. Các tấm prepreg đ'ợc xếp vo khuôn ép v gia công tạo tấm MDF thnh phẩm với các điều kiện ép 130oC, 100 kG/cm2 trong 2 phút. Tấm MDF tạo thnh có độ dy 3 mm với các hm l'ợng sợi khác nhau. 3. Các phơng pháp xác định tính chất của vật liệu a) Tính chất của nguyên liệu đầu - Nhựa PF tan trong n'ớc của Trung Quốc v PF tan trong cồn đ'ợc tổng hợp v xác định 105 các tính chất nh' hm l'ợng phenol tự do, hm l'ợng phần khô, thời gian gel hóa v độ nhớt. - Nhựa UF tan trong n'ớc đ'ợc tiến hnh xác định các tính chất nh' hm l'ợng phần khô, thời gian gel hoá, độ nhớt. - Sợi tre đ'ợc xác định hm ẩm v hm l'ợng phần tro. b) Tính chất của tấm MDF th6nh phẩm - Độ bền kéo đứt xác định theo tiêu chuẩn ISO 527-1, độ bền uốn xác định theo tiêu chuẩn ISO 178-1993 (E) trên máy Instron-100 KN (Mỹ), tốc độ kéo 2 mm/phút. Độ bền va đập Charpy xác định theo tiêu chuẩn ISO 179-1993 (E) trên máy đo Radmana ITR-2000 của úc. - Cấu trúc hình thái của vật liệu đ'ợc xác định trên kính hiển vi điện tử quét JOEL JMS 6360LV (Nhật Bản). - ảnh h'ởng của quá trình xử lý hóa học đến cấu trúc bề mặt của sợi tre đ'ợc xác định theo ph'ơng pháp phân tích phổ hồng ngoại trên máy Tensor Brucker (Mỹ). III - KếT QUả V) THảO LUậN 1. Khảo sát tính chất của nguyên liệu đầu a) Nhựa PF tan trong n1ớc - Hm l'ợng phần khô xác định tại 70oC l 43%. - Độ nhớt xác định bằng phễu BZ-4 l 38s ở nhiệt độ phòng. - Khối l'ợng riêng 1,13 g/cm3. - Hm l'ợng phenol tự do l 17,09%. - Thời gian gel hóa của nhựa xác định tại các nhiệt độ khác nhau đ'ợc trình by ở bảng 1. b) Nhựa PF tan trong cồn - Hm l'ợng phenol tự do 4,93%. - Hm l'ợng phần khô xác định ở 70oC l 41%. - Khối l'ợng riêng 1,02 g/cm3. - Độ nhớt đo bằng phễu BZ-4 l 27s ở nhiệt độ phòng. - Thời gian gel hóa đ'ợc trình by ở bảng 2. Bảng 1: Thời gian gel hóa của nhựa PF tan trong n'ớc Nhiệt độ, oC 80 90 100 110 120 130 140 Thời gian, s 183 167 108 90 75 51 40 Bảng 2: Thời gian gel hóa của nhựa PF tan trong cồn Nhiệt độ, oC 100 110 120 130 140 150 Thời gian, s 88 73 69 57 31 26 c) Nhựa UF - Hm l'ợng phần khô xác định ở 70oC l 46%. - Độ nhớt xác định bằng phễu BZ-4 l 13s ở nhiệt độ phòng. - Khối l'ợng riêng 1,12 g/cm3. - Thời gian gel hóa đ'ợc trình by ở bảng 3. Bảng 3: Thời gian gel hóa của nhựa UF Nhiệt độ, oC 100 110 120 130 140 150 160 Thời gian, s 134 127 98 65 57 43 28 106 d) Sợi tre/luồng - Hm ẩm xác định ở 90oC l 9,55%. - Hm l'ợng phần tro xác định ở 500oC trong 2h l 1,35%. - ảnh h'ởng của quá trình xử lý hóa học bằng NaOH 0,1 N trong 72 h đến bề mặt sợi tre/luồng đ'ợc thể hiện ở hình 1. Có thể nhận thấy so với sợi tre luồng ch'a xử lý hóa học thì ở sợi tre/luồng sau khi xử lý đE không còn sự có mặt của nhóm cacbonyl ở vùng pic 1733 cm-1 đặc tr'ng cho sự có mặt của lignin do đó lm cho bề mặt sợi thô ráp hơn dễ thấm nhựa hơn. Khẳng định cho sự loại bỏ lignin ny l sự giảm c'ờng độ pic ở vùng 2918 cm-1 đặc tr'ng cho nhóm metoxy (OCH3) có trong lignin. - Phân bố kích th'ớc của sợi tre/luồng đ'ợc xác định bằng các loại sng có mắt sng khác nhau v kết quả đ'ợc thể hiện ở hình 2. Tre ch'a xử lý Tre đE xử lý -OH -OCH3 -C=O Hình 1: Phổ FT-IR của sợi tre/luồng ch'a xử lý v đE xử lý hóa học 44.7 32 9.57 2.85 7.83 0.582 0.078 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.45- 40 0.2- 0.45 0.15- 0.2 0.125- 0.15 0.105- 0.125 0.088- 0.097 < 0.088 Kớch thc, mm T l ,% | T l, % Hình 2: Phân bố kích th'ớc của sợi tre/luồng phế thải 107 Đ ộ bề n ké o, M Pa 8.96 14.17 9.2 6.74 9.04 6.01 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 ĐE xử lý kiềm Ch'a xử lý kiềm 15.8 20.7 17.2 11.7 9.5 16.3 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 Đ ộ bề n uố n, M Pa 1.84 1.56 1.9 1.7 1.82 1.77 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 0 5 10 15 20 H- l h % khối l Đ ộ bề n va đậ p, K J/ m 2 ĐE xử lý kiềm Ch'a xử lý kiềm 2. ảnh hởng của h-m lợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu MDF a) ảnh h1ởng của h6m l1ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu MDF trên cơ sở nhựa PF tan trong n1ớc ảnh h'ởng của hm l'ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu đ'ợc tiến hnh khảo sát với cả sợi tre đE xử lý kiềm v ch'a xử lý kiềm với các hm l'ợng nhựa l 5%, 10% v 15% khối l'ợng. Kết quả về tính chất cơ học đ'ợc trình by ở hình 3, 4 v 5. Qua hình 3, 4 v 5 cho thấy vật liệu MDF trên cơ sở nhựa PF tan trong n'ớc sử dụng sợi tre/luồng đE xử lý kiềm cho tính chất cơ học cao hơn so với sợi tre/luồng ch'a xử lý hóa học. Bên cạnh đó, hm l'ợng nhựa PF tan trong n'ớc tối 'u cho tính chất cơ học cao nhất l 10% khối l'ợng với độ bền kéo 14,17 MPa, độ bền uốn 20,7 MPa v độ bền va đập 1,9 KJ/m2. Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hình 3: Độ bền kéo đứt của vật liệu MDF Hình 4: Độ bền uốn của vật liệu MDF Hình 5: Độ bền va đập của vật liệu MDF b) ảnh h1ởng của h6m l1ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu MDF trên cơ sở nhựa PF tan trong cồn ảnh h'ởng của hm l'ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu đ'ợc tiến hnh khảo sát với cả sợi tre đE xử lý kiềm v ch'a xử lý kiềm với các hm l'ợng nhựa l 5%, 10%, 15% v 20% khối l'ợng. Kết quả xác định tính chất cơ học đ'ợc trình by ở hình 6, 7 v 8. Qua hình 6, 7 v 8 cho thấy vật liệu MDF trên cơ sở nhựa PF tan trong cồn sử dụng sợi tre/luồng đE xử lý hóa học cho độ bền cơ học cao hơn v đạt giá trị cao nhất tại hm l'ợng nhựa PF tan trong cồn l 15%. Trong đó, độ bền kéo đạt 18,57MPa, độ bền uốn đạt 37,4 MPa v độ bền va đập đạt 2,16 KJ/m2. c) ảnh h1ởng của h6m l1ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu MDF trên cơ sở nhựa UF ảnh h'ởng của hm l'ợng nhựa đến tính chất cơ học của vật liệu đ'ợc tiến hnh khảo sát với cả sợi tre đE xử lý kiềm v ch'a xử lý kiềm với các hm l'ợng nhựa l 5%, 10%, 15% v 20% khối l'ợng. Kết quả về tính chất cơ học đ'ợc trình by ở hình 9, 10 v 11. 108 9.669.04 18.57 16.77 8.82 5.05 11.82 8.67 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 Đ ộ bề n ké o, M Pa 24.9 9.4 14.2 37.4 25.3 17.6 17.4 20.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 Đ ộ bề n uố n, M Pa 0.86 1.08 0.99 2.16 0.86 0.76 1.43 0.82 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 10 20 30 Đ ộ bề n va đậ p, K J/ m 2 3.7 4.97 2.77 3.75 3.4 2.51 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 1.01 0.74 0.79 1.08 0.93 1.03 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 0 5 10 15 20 8.7 5.1 3.5 3.9 4.6 7.3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 Đ ộ bề n ké o, M Pa ĐE xử lý kiềm Ch'a xử lý kiềm Đ ộ bề n uố n, M Pa Đ ộ bề n va đậ p, K J/ m 2 ĐE xử lý kiềm Ch'a xử lý kiềm ĐE xử lý kiềm Ch'a xử lý kiềm Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hình 6: Độ bền kéo đứt của vật liệu MDF Hình 7: Độ bền uốn của vật liệu MDF Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hình 8: Độ bền va đập của vật liệu MDF Hình 9: Độ bền kéo đứt của vật liệu MDF Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hm l'ợng nhựa, % khối l'ợng Hình 10: Độ bền uốn của vật liệu MDF Hình 11: Độ bền va đập của vật liệu MDF 109 Hình 9, 10 v 11 cho thấy tính chất cơ học của vật liệu MDF đạt cao nhất khi sử dụng sợi tre/luồng đE xử lý kiềm v hm l'ợng nhựa UF l 10% khối l'ợng với các giá trị độ bền kéo, độ bền uốn v độ bền va đập t'ơng ứng l 4,97 MPa, 8,7 MPa v 1,08 KJ/m2. 3. Khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu MDF trên cơ sở nhựa PF v- UF Cấu trúc hình thái của vật liệu đ'ợc xác định bằng kính hiển vi điện tử quét với các mẫu phá huỷ kéo chứa 10% khối l'ợng nhựa PF tan trong cồn v sợi tre/luồng đE xử lý hóa học; chứa 10% khối l'ợng nhựa PF tan trong cồn v sợi tre/luồng ch'a xử lý hóa học; chứa 10% khối l'ợng nhựa PF tan trong n'ớc v sợi tre/luồng đE xử lý kiềm; chứa 10% nhựa khối l'ợng nhựa UF v sợi tre/luồng đE xử lý kiềm. ảnh SEM của các mẫu trên đ'ợc trình by ở các hình 12, 13, 14 v 15. Hình 11, 12, 13 v 14 cho thấy đối với mẫu chứa sợi tre ch'a xử lý kiềm thì sự tách ra của sợi dễ dng hơn, mẫu phá huỷ kéo xuất hiện nhiều lỗ trống hơn so với mẫu sử dụng sợi tre/luồng đE xử lý kiềm. Bên cạnh đó, mẫu phá huỷ kéo của vật liệu MDF trên cơ sở nhựa UF Nhựa liên kết với sợi luồng Hình 12: ảnh SEM của MDF chứa 10% nhựa PF tan trong cồn v sợi tre đE xử lý kiềm Hình 14: ảnh SEM của MDF chứa 10% nhựa PF tan trong n'ớc v sợi tre đE xử lý kiềm Hình 15: ảnh SEM của MDF chứa 10% nhựa UF tan trong cồn v sợi tre đE xử lý kiềm Hình 13: ảnh SEM của MDF chứa 10% nhựa PF tan trong cồn v sợi tre ch'a xử lý kiềm 110 thì hầu nh' không còn sự xuất hiện của nhựa trên bề mặt sợi. Điều ny chứng minh đ'ợc cho các kết quả về tính chất cơ học của vật liệu trình by ở trên. IV - KếT LUậN 1. Nhựa PF tan trong cồn cho vật liệu MDF có độ bền cơ học cao nhất, độ bền uốn đạt giá trị cao nhất (37,4 MPa); Độ bền kéo đạt cao nhất (18,57 MPa); Độ bền va đập đạt cao nhất (2,16 KJ/m2) ở hm l'ợng nhựa 15%. 2. Phoi luồng sau khi xử lý kiềm cho vật liệu có tính chất tốt hơn so với khi ch'a xử lý. 3. ĐE khảo sát cấu trúc hình thái của vật liệu chế tạo từ các loại nhựa khác nhau với luồng đE xử lý v ch'a xử lý kiềm. 4. ứng với mỗi loại nhựa khác nhau sẽ cho một giá trị hm l'ợng nhựa sử dụng tối 'u trong tấm ép MDF. Đối với nhựa PF tan trong n'ớc l 10% khối l'ợng; nhựa PF tan trong cồn l 15% khối l'ợng v nhựa UF l 10% khối l'ợng. T)i liệu tham khảo 1. Dieu Tran Vinh. Third International Workshop on Green Composites. March 16- 17, 2005, Kyoto, Japan. 2. A. K. Bledzki, J. Gassan. Prog. Polym. Sci. (1999), vol.24, P. 221 - 2274.. 3. Kazuya Okubo, Toru Fujii, Yuzo Yamamoto. Development of bamboo-based polymer composites and their mechanical properties. Composites: Part A: Applied science and manufaturing, 2003. 4. Phenolic Resins. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 5. Xiaobo Li. Physical, Chemical and Mechanical Properties of bamboo and its utilization potential for fiberboard manufacturing. www.etd.lsu.edu.