Quy trình chế tạo ống gân xoắn chất lượng cao từ vật liệu mới

 

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp sản xuất ống nhựa trên thế giới có sự phát triển nhanh chóng với tốc độ hàng năm đạt 8,7%, giá trị sản xuất lên tới 15 tỷ đô la (thống kê tại thời điểm năm 2012). Trong đó, nhu cầu về ống nhựa polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) ngày càng tăng do việc sử dụng ống dẫn HDPE thay thế các ống PVC (polyvinyl clorua) trong hệ thống thoát nước, nước uống và các ứng dụng phân phối khí tự nhiên, làm các ống hạ cáp trong điện lực, viễn thông,…

 

Phần lớn các loại ống bảo vệ cáp điện lực, viễn thông được chế tạo sử dụng nhựa nhiệt dẻo (như HDPE, PVC, polypropylen - PP) nhờ những tính chất ưu việt, khả năng gia công thuận lợi so với nhựa nhiệt rắn. Bên cạnh đó, các loại nhựa nhiệt dẻo có giá thành sản xuất thấp, có thể tạo ra các chi tiết với hình dạng phức tạp, thể hiện được các thuộc tính về tính dẻo dai, độ bền cơ học, độ bền hóa chất cao và khả năng cách điện tốt.

  

 

Tại Việt Nam, ống nhựa gân xoắn được sản xuất và phát triển khoảng 8-10 năm gần đây với tốc độ tăng trưởng thị trường vào khoảng 30%/năm. Năm 2019, tổng dung lượng thị trường ống nhựa xoắn vào khoảng 900 tỷ/năm. Phần lớn các ống nhựa hiện nay sử dụng HDPE (nhựa polyetylen tỷ trọng cao) nhờ các ưu điểm như độ bền cơ học cao, dễ uốn/bẻ góc, dễ thi công, nên được ứng dụng trong xây dựng hạ tầng hệ thống truyền tải điện lực và viễn thông.

 

Tuy nhiên, vấn đề mà các doanh nghiệp sản xuất ống gân xoắn HDPE đang phải đối mặt là quá trình bảo quản, lưu kho, bãi, thi công ngoài công trường trong thời gian dài (từ nhiều tháng tới hàng năm). Dưới tác động của thời tiết, khí hậu nhiệt đới (ánh nắng mặt trời, nhiệt độ, mưa ẩm, nấm mốc...), HDPE thông thường dễ bị phân hủy quang-nhiệt-ẩm dẫn tới sự suy giảm nhanh tính chất, tuổi thọ. Một hạn chế nữa của ống HDPE là khả năng dễ bắt cháy, do HDPE có nhiệt độ bắt cháy tương đối thấp, quá trình cháy tạo ra các thành phần hữu cơ phân tử thấp có tính cháy cao. Điều này làm ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của ống HDPE trong một số lĩnh vực đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao như điện lực và viễn thông. Do đó, nhu cầu cấp thiết hiện nay là cần có sự cải tiến về chất lượng sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao và đa dạng của thị trường, đồng thời giá thành sản phẩm phải có tính cạnh tranh.

 

 

 

Theo PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang (Phó Viện trưởng - Viện Kỹ thuật Nhiệt đới), cho đến nay, việc nghiên cứu chế tạo ống gân xoắn ở Việt Nam mới đạt được một số kết quả ban đầu, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào khả năng cải thiện độ bền cơ học của sản phẩm và mục tiêu giảm giá thành. Một hướng đi đang được chú ý trong việc cải thiện chất lượng và hạ giá thành sản phẩm đó là sử dụng các chất bã thải công nghiệp (tro bay, thạch cao phế thải, bùn đỏ,...) có khả năng thay thế các chất độn truyền thống như bột đá, talc, cao lanh. Các chất độn từ bã thải công nghiệp có ưu điểm là giá thành rẻ (chỉ bằng một nửa so với chất độn truyền thống), trong khi vẫn đảm bảo được độ bền cơ học cho sản phẩm.

 

Một chất độn khác cũng có tiềm năng sử dụng cho chế tạo ống gân xoắn là thạch cao (gypsum). Gypsum tự nhiên là một hợp chất vô cơ có công thức phân tử là CaSO4.2H2O, thành phần hóa học chính là canxi sunphat. Đây là chất rắn, độ cứng loại 3-3,5 trong thang độ cứng Mohr, màu trắng, xám hoặc hung, không tan trong nước. Gypsum phế thải là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân lân, công nghệ sản xuất phân lân trong nước theo quy trình trích ly quặng apatit làm giàu với axit sunfuric theo phản ứng hóa học. 

 

 

Gypsum có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, từ xây dựng cho đến y học, nghệ thuật; đã được sử dụng phổ biến làm chất độn trong nhựa nhiệt dẻo do có các tính chất như có độ trắng, độ bền chịu hóa chất, bền chịu nhiệt, có độ cứng,… Đặc biệt, do có tỷ khối lớn nên gypsum được ứng dụng trong chế tạo vật liệu polyme compozit giúp giảm độ co ngót, tăng chịu kéo uốn hay chịu va đập, cải thiện độ bóng cho vật liệu. Việc nghiên cứu xử lý gypsum phế thải thành các sản phẩm chất độn cho nhựa nhiệt dẻo là vấn đề có ý nghĩa mang tính bảo vệ môi trường cao.

 

PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang cho biết, với các ưu điểm như độ bền nhiệt cao, khả năng chống cháy, chịu mài mòn và bền thời tiết, gypsum được nghiên cứu sử dụng như một chất độn vô cơ thông thường để tăng tính cơ học, tăng 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 bằng 50 – 75% giá thành), góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm tỉ lệ nhập khẩu nguyên vật liệu.

 

Hiện nay, công nghệ sản xuất ống gân xoắn của các công ty trong nước đã có sự đầu tư về trang thiết bị, tập trung vào các thiết bị phối trộn và cấp liệu với khả năng tự động hóa cao để giảm số lượng lao động trên mỗi dây chuyền sản xuất. Trong đó, công nghệ đùn ống xoắn chủ yếu vẫn là dạng đùn 1 trục vít và làm mát trực tiếp bằng nước để tạo thành sản phẩm ống gân xoắn. Ưu điểm của công nghệ này là đòi hỏi vốn đầu tư không cao, chi phí thực hiện thấp, thích hợp chế tạo vật liệu blend truyền thống,... Tuy nhiên, công nghệ này cũng có một số nhược điểm như tốc độ đùn thấp, khó khăn trong khâu phối trộn nếu ở các hàm lượng độn lớn, có thể gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, công nghệ đùn 1 trục vít chủ yếu sử dụng nguyên liệu HDPE nguyên sinh kết hợp với phụ gia tạo màu, nên giá thành sản phẩm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu HDPE nhập khẩu. Trong khi đó, việc sử dụng nguồn HDPE tái chế từ trong nước có giá thành cạnh tranh sẽ góp phần làm giảm giá thành sản phẩm.

 

Từ thực trạng này và 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) phối hợp cùng Công ty An Đạt Phát Sài Gòn 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”. Qua đó đã sản xuất được 2 dòng sản phẩm ống gân xoắn chất lượng cao, có khả năng chống cháy, bền thời tiết, đáp ứng chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 7997:2009.

 

 

 

 

Để chế ống gân xoắn sử dụng hệ vật liệu mới HDPE/EVA/gypsum biến tính, các bước thực hiện được trình bày như sau:

+ Xử lý và biến tính gypsum: thạch cao phế thải (gypsum) ban đầu lấy từ bãi thải nhà máy DAP, Khu Công nghiệp Đình Vũ (Hải Phòng) được sàng lọc, loại bỏ tạp chất, trung hòa axit, sau đó làm khô và nghiền mịn. Sau xử lý, gypsum được phối trộn tốc độ cao với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt (EBS) trong thiết bị phản ứng (có kiểm soát nhiệt độ, tốc độ khuấy) để thu được hỗn hợp sau quá trình biến tính. Nhờ nhiệt ma sát sinh ra trong quá trình khuấy và nhiệt độ phối trộn sẽ làm bay hơi dung môi để thu được gypsum biến tính.

+ Chế tạo chất chủ HDPE/EVA/gypsum có chứa phụ gia chống cháy hoặc bền thời tiết: một hỗn hợp bao gồm EVA (nhựa copolyme etylen vinyl axetat) với hàm lượng VA=18%kl, nhựa HDPE 80 (tỷ lệ EVA:HDPE là 90:10), hạt gypsum và các loại phụ gia (chống cháy, ổn định nhiệt, chống lão hóa, trợ gia công, trợ phân tán,…) được phối liệu trên thiết bị trộn cao tốc có điều khiển tốc độ và nhiệt độ. Sau đó hỗn hợp được đưa vào máy ép đùn trộn hai trục vít (D=90, tỷ lệ L/D=30) để tạo hạt chất chủ. Hỗn hợp nóng chảy đùn và làm mát bằng nước trước khi cắt tạo hạt.

+ Chế tạo ống gân xoắn: hạt chất chủ được phối liệu với hỗn hợp HDPE 80 (HDPE 80 nguyên sinh và có thể bổ sung HDPE tái chế) bằng thiết bị phối trộn cơ học để pha loãng hàm lượng chất độn xuống mức yêu cầu và đảm bảo tính chất cơ học của sản phẩm. Sau quá trình phối liệu, hỗn hợp này được cấp vào thiết bị đùn một trục vít có gắn khuôn định gân dạng xoay (có tích hợp hệ thống hút chân không ở đầu) để tạo hình sản phẩm ống gân xoắn bền thời tiết và chống cháy. Ống xoắn sau khi hình thành được làm nguội bằng nước, qua hệ thống kéo và tiến hành cuộn ống.

 

 

Với quy trình công nghệ trên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ vật liệu mới HDPE/EVA/gypsum biến tính phục vụ cho việc sản xuất ống gân xoắn chống cháy và bền thời tiết. Sản phẩm ống gân xoắn chống cháy có đường kính 25/32mm và đường kính 55/65mm, 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 22,4-22,67 MPa, độ ngấm nước trong 24 giờ là 0,15%. Sản phẩm ống gân xoắn bền thời tiết có đường kính 55/65mm 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. Các chỉ tiêu kỹ thuật của ống xoắn bền thời tiết đều đạt yêu cầu. Sau thử nghiệm gia tốc thời tiết, 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.

 

Theo PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang, điểm đặc biệt trong quy trình này là nhóm nghiên cứu đưa gypsum (thạch cao phế thải) vào thành phần vật liệu tổ hợp (HDPE/EVA/gypsum biến tính) để chế tạo ống gân xoắn. Về mặt kinh tế, việc sử dụng gypsum làm chất độn, thay thế phụ gia chống cháy để chế tạo vật liệu hỗn hợp compozit có khả năng giảm giá thành sản phẩm, cải thiện tính chất cơ học, bền thời tiết mà vẫn đảm bảo khả năng chống cháy cũng như đảm bảo chất lượng sản phẩm. Về mặt môi trường, việc xử lý và biến tính thạch cao phế thải giúp mở ra hướng mới trong việc ứng dụng sản phẩm này vào lĩnh vực nhựa compozit; mở rộng khả năng ứng dụng gypsum làm chất độn cho nhiều sản phẩm khác nhau như như xi măng, bê tông, gạch không nung,… Qua đó góp phần làm giảm diện tích bãi chứa thạch cao phế thải, giảm ô nhiễm không khí, nguồn nước ở các khu vực xung quanh. Ngoài ra, 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 lớn cho doanh nghiệp.

 

PGS.TS. Nguyễn Vũ Giang cho biết, quy trình xử lý và biến tính gypsum được nhóm xây dựng có công suất dự kiến 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. Chi phí sản xuất sản phẩm ống gân xoắn chống cháy và bền thời tiết trong quy trình này cao hơn sản phẩm truyền thống khoảng 1 – 2 triệu đồng/1000 mét ống. Tuy nhiên, sản phẩm truyền thống đang gặp sự cạnh tranh nên giá bán ra sẽ phụ thuộc vào thị trường. Trong khi đó, 2 dòng sản phẩm ống gân xoắn chống cháy và ống gân xoắn bền thời tiết có tính mới, đáp ứng các tiêu chí cao hơn trong lĩnh vực kỹ thuật và đời sống, gia tăng mạnh tính cạnh tranh, được kỳ vọng giá bán ra sẽ cao hơn, từ đó mang lại lợi nhuận và hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.

 

Hiện tại, nhóm nghiên cứu của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới tiếp tục hợp tác với Sàn Giao dịch công nghệ Techport.vn (thuộc Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ – Sở KH&CN TP.HCM) để sẵn sàng chuyển giao quy trình công nghệ cho các cơ sở, đơn vị, doanh nghiệp có nhu cầu áp dụng sản xuất.

 

Thông tin chuyên gia, hỗ trợ

Điện thoại: 0904 710 876

Email: vugiang.lit@gmail.com

Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Điện thoại: (024) 38361322

 

Phòng Giao dịch Công nghệ

Địa chỉ: 79 Trương Định, P. Bến Thành, Q.1, TP. HCM

Điện thoại: (028) 3822 1635 - Fax: (028) 3829 1957

Email: giaodichcongnghe@cesti.gov.vn