Chế tạo ống gân xoắn HDPE chống cháy từ bã thải công nghiệp

Các sản phẩm tận dụng vật liệu phế thải nên giảm được chi phí sản xuất, giảm ảnh hưởng xấu đến môi trường, nhưng vẫn mang tính mới về công nghệ, đáp ứng các tiêu chí khắt khe hơn trong điều kiện kỹ thuật khắc nghiệt. 

Trong 10 năm trở lại đây, với nhiều ưu điểm như có độ bền cơ học cao, dễ thi công, chịu ăn mòn tốt… nên ống gân xoắn HDPE (polyetylen tỷ trọng cao) được thị trường ưa chuộng hơn ống thép, ống PVC, đã được ứng dụng trong xây dựng hạ tầng hệ thống truyền tải điện lực, viễn thông và các hệ thống thoát nước, phân phối khí. Tuy nhiên, tác động của thời tiết, khí hậu nhiệt đới, nhựa HDPE thông thường dễ bị phân hủy quang-nhiệt-ẩm dẫn tới sự suy giảm nhanh và rõ rệt tới chất lượng sản phẩm. Một hạn chế nữa là nhựa HDPE có nhiệt độ bắt cháy tương đối thấp nên dễ bắt cháy, làm ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng trong một số lĩnh vực đòi hỏi điều kiện kỹ thuật khắc nghiệt. Thực trạng này chính là cơ hội để các nhà khoa học phối hợp với doanh nghiệp tiến hành nghiên cứu, phát triển các dòng sản phẩm ống gân xoắn HDPE chất lượng cao, có tính năng ưu việt hơn như khả năng chống bắt cháy tốt hơn, bền hơn khi để ở điều kiện ngoài trời.

Dựa trên nhu cầu thực tế của thị trường đối với sản phẩm ống gân xoắn, nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã phối hợp cùng một số doanh nghiệp triển khai thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu, chế tạo vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum biến tính ứng dụng chế tạo ống gân xoắn chất lượng cao chống cháy, bền thời tiết phục vụ ngành điện lực và viễn thông”. Từ nguồn vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum biến tính và một số phụ gia, nhóm nghiên cứu đã sản xuất thành công các loại ống gân xoắn chất lượng cao, có khả năng chống cháy, bền thời tiết đáp ứng chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009.

Sản phẩm ống gân xoắn

Sản phẩm ống gân xoắn chống cháy có đường kính 25/32 mm và đường kính 55/65 mm, được sản xuất bằng thành phần nguyên liệu chủ yếu gồm hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum/phụ gia chống cháy và hạt HDPE. Ống có tỷ lệ khối lượng 0,18-0,32 kg/m, thời gian tắt cháy dưới 15-17 giây, độ bền nén 2,89%, độ bền kéo đứt là 22,4-22,67MPa, độ ngấm nước trong 24 giờ là 0,15%.

Thử khả năng chống cháy của sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum chống cháy theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009.

Sản phẩm ống gân xoắn bền thời tiết có đường kính 55/65 mm được sản xuất bằng thành phần nguyên liệu chủ yếu gồm hạt chất chủ HDPE/EVA/gypsum/phụ gia bền thời tiết và hạt HDPE. Sau thử nghiệm gia tốc thời tiết (được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM G154 trong điều kiện 8 giờ chiếu bức xạ tử ngoại ở 60oC và 4 giờ ngưng hơi ẩm ở 50oC là 1 chu kỳ; mẫu được phơi trong tủ thời tiết với thời gian tương đương với 56 chu kỳ), mẫu có độ bền cơ học và độ bền màu sắc vẫn đảm bảo, không có sự thay đổi đáng kể so với mẫu trước thử nghiệm.

Thử nghiệm sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/Gypsum trong tủ gia tốc thời tiết UV-CON

Điểm đặc biệt ở nhiệm vụ là các nhà khoa học đưa gypsum (thạch cao phế thải) vào thành phần vật liệu tổ hợp (HDPE/EVA/gypsum biến tính) chế tạo ống gân xoắn. Gypsum là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân lân, được nhóm nghiên cứu sử dụng làm chất độn, do có các tính năng nổi bật như khả năng chống cháy và bền thời tiết. Trong đó, để nâng cao hàm lượng độn sử dụng, gypsum được biến tính với natri dodecyl sulfat (SDS), hoặc etylen bis stearamide (EBS), để có khả năng tương tác với gypsum tốt hơn (so với axit stearic). Bên cạnh đó, để cải thiện độ bền va đập và độ dẻo dai của sản phẩm, EVA (nhựa copolyme etylen vinylaxetat) được sử dụng đóng vai trò làm chất tương hợp giữa các cấu phần của vật liệu.

PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết: “Gypsum có nhiều ưu điểm như độ bền nhiệt cao, khả năng chống cháy, chịu mài mòn và bền thời tiết nên được nghiên cứu và ứng dụng như một chất độn vô cơ thông thường để tăng tính cơ học, khả năng chống cháy cải thiện độ bền nhiệt của pha nền. So với các loại chất độn và các chất gia cường nhập ngoại, gypsum có nguồn gốc trong nước có giá thành thấp hơn, chỉ khoảng 50 – 75%, góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm tỷ lệ nhập khẩu nguyên vật liệu. Việc nghiên cứu xử lý gypsum phế thải thành các sản phẩm chất độn cho nhựa nhiệt dẻo còn mang tính bảo vệ môi trường cao.”.

Sơ đồ công nghệ chế tạo ống gân xoắn có sử dụng phụ gia chống cháy và bền thời tiết

Về hiệu quả kinh tế, chi phí sản xuất 2 sản phẩm ống gân xoắn chống cháy và bền thời tiết thấp hơn ống truyền thống từ 1-2 triệu đồng/1.000 mét ống. Đó là nhờ sử dụng gypsum nên hạ được chi phí sản xuất trong khi vẫn đảm bảo cải thiện tính chất cơ học, khả năng chống cháy, bền thời tiết. Các sản phẩm cũng mang tính mới, đáp ứng các tiêu chí cao hơn trong lĩnh vực kỹ thuật và đời sống, gia tăng mạnh tính cạnh tranh và làm phong phú thị trường. 

Phơi thử nghiệm sản phẩm ống gân xoắn HDPE/EVA/gypsum bền thời tiết tại trạm thử nghiệm Hạ Long

Về mặt môi trường, việc xử lý và biến tính gypsum mở ra hướng mới trong việc ứng dụng sản phẩm này trong lĩnh vực nhựa compozit. Theo đó, sẽ góp phần làm giảm lượng rác thải công nghiệp cũng như diện tích bãi chứa gypsum phế thải, giảm ô nhiễm không khí, nguồn nước ở các khu vực xung quanh. Mặt khác, lượng gypsum nếu được biến tính tăng tương hợp tham gia vào thành phần các loại nhựa và cao su compozit từ vài phần trăm đến vài chục phần trăm khối lượng cũng sẽ góp phần làm giảm đáng kể giá thành sản xuất các sản phẩm nhựa compozit, đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn cho doanh nghiệp. 

Theo PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang, quy trình tạo gypsum biến tính mà nhóm nghiên cứu đã xây dựng có công suất dự kiến vào khoảng 2.500 tấn/năm. Nhóm cũng xây dựng thành công quy trình sản xuất ống gân xoắn chống cháy và ống gân xoắn bền thời tiết từ vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum biến tính đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 7997:2009, sản xuất được 525 mét ống mỗi loại. Việc xử lý và biến tính gypsum còn có khả năng mở rộng, ứng dụng để làm chất độn cho nhiều sản phẩm khác nhau như: xi măng, bê tông, gạch không nung… 

Từ kết quả của nhiệm vụ, Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM đã đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp cho 2 giải pháp hữu ích là “Phương pháp sản xuất vật liệu nhựa compozit HDPE/EVA chống cháy và vật liệu thu được từ phương pháp này” và “Vật liệu compozit bền thời tiết chứa hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo và thạch cao phế thải biến tính”. Được biết, doanh nghiệp tham gia phối hợp thực hiện triển khai nhiệm vụ cùng Viện Kỹ thuật nhiệt đới cũng rất muốn sớm được nhận chuyển giao công nghệ để tiến hành sản xuất, chế tạo các sản phẩm ống nhựa gân xoắn mới. 

Có thể thấy rằng, nếu được tiếp tục mở rộng quy mô ứng dụng và hoàn thiện công nghệ chế tạo các sản phẩm kỹ thuật từ vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum trong năm tiếp theo, thành quả nghiên cứu từ nhiệm vụ sẽ góp phần rất lớn trong việc thúc đẩy và nâng cao giá trị các sản phẩm hàng hóa sản xuất trong nước, đồng thời khẳng định vai trò của nghiên cứu khoa học trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường.