Đưa bột gỗ thành vật liệu composite thân thiện với môi trường

Cái tên gỗ nhựa composite (WPC) – một dạng vật liệu tổng hợp được làm từ bột gỗ, nhựa và phụ gia vừa có khả năng chịu lực của gỗ tự nhiên và bền dẻo của nhựa – có vẻ xa lạ với người dùng Việt Nam nhưng thực ra, nó đã trở thành nguyên liệu chính cho rất nhiều vật dụng như đồ nội thất, ván sàn, lan can, gỗ trang trí, tấm chắn, ghế công viên, khung bao cửa và cửa sổ…

Nó có ưu điểm linh hoạt, chi phí thấp hơn so với gỗ tự nhiên mà lại tốn ít chi phí bảo trì hơn. Trong những năm trở lại đây, composite nhựa gỗ đã vượt qua ranh giới của ngành vật liệu xây dựng và bắt đầu thâm nhập vào một số lĩnh vực sử dụng nhựa nhiệt dẻo đòi hỏi tính thẩm mỹ cao như đồ điện tử và đồ gia dụng.

Một trong những bí quyết để các nhà sản xuất có thể tạo ra được một tấm gỗ nhựa composite tốt với những tính năng vượt trội chính là các chất phụ gia – những chất tuy là phụ nhưng lại là “chính” trong công đoạn gắn kết bột gỗ và nhựa.

“Bột gỗ và nhựa là hai vật liệu vốn dĩ không tương hợp với nhau. Bột gỗ với thành phần chính là sợi cellulose có khả năng hút nước, trong khi nhựa nền là các polyme không ưa nước. Khi vật liệu này phối trộn với nhau ở nhiệt độ cao bằng phương pháp ép đùn liên tục tại nhiệt độ 150-180^OC, lượng hơi nước thoát ra lớn sẽ khiến hai pha không thể liên kết được.”, PGS.  Nguyễn Vũ Giang, 180OC Phó viện trưởng Viện Kỹ thuật nhiệt đới, người đã dành hàng chục năm gắn bó với các loại vật liệu polyme composite và vật liệu tổ hợp, cho biết.

Thông thường, để giải quyết vấn đề, nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung vào việc làm biến tính nhựa nền (bằng cách ghép chúng với các monome thông dụng như anhydric maleic, axit acrylic, axit oxalic, acrylamit…) hoặc làm biến tính bề mặt bột gỗ để nâng độ kết dính và hiệu quả phân tán của bột gỗ trong nhựa nền. Tuy nhiên đôi khi, việc cho thêm một số loại chất biến tính nhất định có thể khiến độ bền chịu nhiệt của bột gỗ bị suy giảm.

Ngay từ rất sớm khi những nghiên cứu về vật liệu composite nhựa gỗ ở Việt Nam còn ít ỏi, PGS. Nguyễn Vũ Giang đã đặc biệt quan tâm đến việc xử lý bề mặt gỗ và tìm mọi cách để tối ưu quá trình này. Đây là lý do mà vào năm 2012, anh cùng các cộng sự ở Viện kỹ thuật nhiệt đới đã thực hiện một đề tài cấp Nhà nước (KC.02) nghiên cứu khoa học công nghệ định hướng ứng dụng do Bộ KH&CN tài trợ, sử dụng bột gỗ được nghiền từ các phế phẩm của ngành sản xuất và chế biến gỗ trong nước kết hợp với các loại polyme nhiệt dẻo phổ biến như PE, PP, PVC, PA… và các chất phụ gia khác để tạo ra một hỗn hợp dẻo có thể đùn ép thành các sản phẩm composite nhựa gỗ trên quy mô công nghiệp.

Bằng việc sử dụng những phụ gia và kỹ thuật đặc biệt, không gây ô nhiễm môi trường để tạo ra pha vật liệu thứ ba dạng hạt hoặc màng kích thước nanomet có thể gắn kết gỗ và nhựa, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc xử lý bột gỗ thành vật liệu gia cường cho nhựa nhiệt dẻo.

Họ trộn bột gỗ vào dung dịch TEOS để tạo ra các hạt nano SiO₂ có khả năng liên kết với nhóm -OH trong bột gỗ. Khi các hạt SiO₂ này bám vào bề mặt bột gỗ, chúng sẽ lấp đầy các lỗ trống khiến bột gỗ được phủ tấm áo mới kị nước và trở nên tương thích hơn với bề mặt nhựa. Các chất hóa học trong phụ gia sẽ khơi mào cho những phản ứng tạo liên kết ngang, hình thành nên cầu nối giữa vật liệu nhựa nền và bột gỗ.

Ưu điểm của các hạt hoặc màng nano này là làm tăng bề mặt riêng của bột gỗ tiếp xúc nhựa nền trong quá trình phối trộn nóng chảy, do đó làm tăng khả năng kết dính với nền nhựa khi hình thành sản phẩm cuối. Kỹ thuật phối trộn với tốc độ cao lên tới hàng trăm vòng/phút và nhiệt ma sát trong khi quay sẽ khiến bột gỗ dàn đều trên nền nhựa. Kết thúc quá trình này, hỗn hợp sệt sẽ được đưa vào máy đùn trục vít để đẩy khuôn, qua hệ thống làm mát bằng nước và ra thành phẩm profile composite nhựa gỗ.

“Điểm mới của quy trình này là đã giải quyết được vấn đề tương hợp giữa bột gỗ với nền nhựa, đồng thời đưa được lượng bột gỗ cao lên tới 60-70% khối lượng hoặc hơn vào trong sản phẩm tùy theo chất lượng yêu cầu. Điều này sẽ giúp giảm giá thành sản xuất vật liệu ở Việt Nam và khiến composite có nhiều tính chất giống gỗ hơn, cân đối giữa sức bền và tính thẩm mỹ, nhưng đồng thời vẫn có được các tính chất quan trọng của nhựa như chống ẩm, chống thấm và dễ tạo hình” PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang cho biết.

Quy trình sản xuất trên đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0017173 được công bố ngày 25/8/2017 cho gỗ nhựa composite trong nhà, và bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0001768 được công bố ngày 25/7/2018 cho gỗ nhựa composite ngoài trời.

Trên thực tế, các nhà khoa học đã tìm mọi cách để thiết kế vật liệu composite của mình trở nên thân thiện với môi trường. Việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh cũng góp phần giải quyết bài toán đau đầu tại điểm cuối vòng đời sản phẩm. PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang cho biết, sau nhiều năm sử dụng, ván sàn hay vách cửa làm từ vật liệu gỗ composite có thể thu hồi, làm sạch, nghiền nhỏ và sử dụng phương pháp nhiệt để trở lại dạng hỗn hợp ban đầu trước khi gia công lại. “Với chúng tôi, đây là điều làm cho vật liệu nhựa gỗ này trở nên đáng quý. Nó tận dụng mọi vật liệu và giảm thiểu tối đa rác thải ra môi trường”, anh nói.

Những giải pháp mà các nhà nghiên cứu có được lại sau nhiều năm trăn trở luôn luôn có ý nghĩa. Trong trường hợp này, nó không chỉ tận dụng được nguồn phụ phẩm – vốn chiếm tới 45-63% thể tích gỗ – của ngành khai thác và chế biến gỗ nội địa để tạo nên kinh tế tuần hoàn; mà còn giúp các công ty sản xuất vật liệu composite có thể khai thác được những loại gỗ cấp thấp như keo, bạch đàn, thông, dương…Những loại gỗ này thường được trồng ở các khu rừng có chứng chỉ quản lý bền vững và khả năng truy xuất nguồn gốc dễ dàng để đáp ứng đòi hỏi khắt khe của thị trường Mỹ, EU.

Một số doanh nghiệp đã nhìn thấy tiềm năng này từ sớm. Trong những ngày đầu tiên, các nhà khoa học tại Viện kỹ thuật nhiệt đới đã bắt tay với Công ty Cổ phần Đầu tư & Phát triển Nhựa Gỗ Châu Âu (Eurostark), một trong những doanh nghiệp sản xuất lớn ở miền Bắc, để thử nghiệm và chế tạo sản phẩm này. Đến nay, Công ty này đã đầu tư hàng chục dây chuyền sản xuất để đưa nhiều sản phẩm xuất khẩu tới nhiều quốc gia ở Trung Đông và châu Âu. Trên cơ sở thành công ban đầu, công ty đang tiếp tục hỗ trợ công nghệ cho những nghiên cứu tiếp theo về vật liệu composite chất lượng cao.

Theo ước tính, thị trường gỗ nhựa composite toàn cầu có thể đạt 10,19 tỷ USD vào năm 2028 với tốc độ tăng trưởng 11,5%/năm.