Ngày 13/3/2018, Cục Sở hữu trí tuệ đã cấp Bằng độc quyền Sáng chế số 18784 -Quyết định 16470/QĐ-SHTT “Vật liệu compozit dạng hạt chứa polyetylen tỷ trọng cao, tro bay được biến tính bằng axit stearic và muối kẽm stearate” cho GS.TS. Thái Hoàng, PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang và các đồng nghiệp ở Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nhờ sáng chế này và một số giải pháp hữu ích liên quan tới polyetylen và tro bay biến tính, các tác giả đã phối hợp với doanh nghiệp ứng dụng có hiệu quả để sản xuất các loại ống cứng, ống gân xoắn phục vụ các ngành xây dựng, điện lực, viễn thông…

  Sáng chế này đề cập đến chế tạo vật liệu compozit dạng hạt hay hạt masterbatch (chất chủ) chứa polyetylen tỷ trọng cao (HDPE), tro bay được biến tính bởi axit stearic (TBBT) và chất phụ gia là muối stearat kẽm có hàm lượng kẽm 10% (tên thương mại là ultraflow - UF). Chất phụ gia UF có vai trò là chất trợ tương hợp và trợ gia công cho HDPE nóng chảy được phân tán TBBT. Điểm nổi bật của sáng chế này là tro bay được biến tính bằng 4 % axit stearic ở trạng thái rắn trong máy trộn cao tốc (có thể điều chỉnh nhiệt độ) và không sử dụng dung môi, hạn chế ô nhiễm môi trường.  

Sơ đồ phản ứng biến tính tro bay bằng axit stearic

Công nghệ chế tạo hạt masterbatch HDPE/TBBT/UF theo phương pháp trộn - đùn nóng chảy đã được tiến hành trên thiết bị đùn 2 trục vít xoắn có các ưu điểm chủ yếu như HDPE, TBBT và UF được trộn ở nhiệt độ cao, nhiệt do ma sát lớn sinh ra trong xy lanh thiết bị đùn 2 trục vít xoắn giúp cho HDPE và TBBT, các chất phụ gia khác trộn lẫn và bám dính với nhau tốt hơn. Trong quá trình chế tạo hạt masterbatch, nhờ có phụ gia UF, lượng TBBT đưa vào HDPE khá cao (35-45%). Công đoạn cắt, tạo hạt masterbatch, làm nguội bằng không khí tự nhiên, không phải sử dụng hệ thống máng nước làm lạnh, tính chất bề mặt và các đặc trưng khác của hạt masterbatch không bị ảnh hưởng xấu bởi không có sự tiếp xúc của sợi nhựa sau khi đùn nóng chảy với nước như cắt, tạo hạt bằng công nghệ truyền thống. Khi so sánh hạt masterbatch PE/graphen do Công ty hóa chất Grafen (Thụy Điển) sản xuất và masterbatch HDPE/TBBT/UF, có thể thấy điểm nóng chảy và điện trở suất khối của masterbatch HDPE/TBBT/UF lớn hơn hạt GMBTM-U (Bảng 1). 

 So với các loại hạt masterbatch làm chất gia cường, chất độn (có các chất phụ gia và các polyme nền tương tự) phải nhập ngoại, hạt masterbatch được chế tạo theo sáng chế này có giá thành hạ hơn, chỉ bằng 25 – 50 %. GS.TS. Thái Hoàng, PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang và các đồng nghiệp đã sử dụng bằng sáng chế này và 2 bằng độc quyền giải pháp hữu ích đã được cấp (Bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 1147 - Quyết định số 10595/QĐ-SHTT “Vật liệu tổ hợp chứa polyetylen và hỗn hợp tro bay chưa biến tính và đã biến tính dùng để chế tạo ống gân xoắn”, cấp ngày 24/02/2014, Bằng Độc quyền Giải pháp hữu ích số 1308 - Quyết định số 63356/QĐ-SHTT “Vật liệu tổ hợp polyetylen dùng để sản xuất ống gân xoắn chịu lực” cấp ngày 12.10.2015) để phối hợp, thương mại hóa hạt masterbatch HDPE/TBBT/UF trong sản xuất các loại ống cứng, ống gân xoắn tại Công ty Cổ phần An Đạt Phát (Khu công nghiệp Ngọc Hồi, Hà Nội) bằng công nghệ đùn nhựa nóng chảy HDPE/TBBT/UF vào khuôn định gân có hỗ trợ hút chân không để hạn chế phản ứng phân hủy oxy hóa nhiệt các đại phân tử HDPE. Nhờ sử dụng hạt masterbatch với hàm lượng TBBT lớn,  có thể dễ dàng “pha loãng”, điều chỉnh hàm lượng phụ gia  TBBT xuống mức yêu cầu và đảm bảo tính chất cơ học, độ bền nhiệt của các sản phẩm ống. Các loại ống gân xoắn có nhiều ưu điểm hơn ống trơn như  độ bền cơ học cao, dễ uốn, bẻ góc, dễ thi công nên được ứng dụng trong xây dựng hạ tầng, đáp ứng nhu cầu ngầm hóa cáp điện lực, viễn thông, cáp sợi quang, đảm bảo tính mỹ quan và an toàn đô thị. Nhờ khả năng kháng hóa chất tốt, không bị ăn mòn, cách điện tốt, bền va đập cao nên ống gân xoắn HDPE/TBBT/UF với nhiều kích thước khác nhau có thể chôn dưới lòng đất hàng chục năm mà vẫn đảm bảo độ bền và an toàn.

GS. TS. Thái Hoàng (ảnh trái, thứ tư từ trái sang),  PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang (ảnh phải) làm việc và trao đổi với các đồng nghiệp ở Công ty CP An Đạt Phát về công nghệ chế tạo ống gân xoắn sử dụng hạt  masterbatch HDPE/TBBT/UF.  

Ống gân xoắn HDPE/TBBT/UF sau khi chế tạo tại Công ty CP An Đạt Phát và ứng dụng tại hiện trường.

 Các đặc trưng, tính chất của ống gân xoắn Φ 50/65 (đường kính trong/đường kính ngoài, mm) và các ống có đường kính trong khác (Φ 80, 100) sử dụng 10-15 % masterbatch HDPE/TBBT/UF được so sánh với các ống gân xoắn có tên thương mại OSPEL sản xuất từ vật liệu tổ hợp chứa HDPE và phụ gia truyền thống là canxi cacbonat (Bảng 2).

Cả 2 loại ống gân xoắn nói trên đều đáp ứng yêu cầu về tính chất cơ học, mức chống cháy theo tiêu chuẩn ngành xây dựng Việt Nam TCXDVN 272-2002. Ống gân xoắn masterbatch HDPE/TBBT/UF có độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt lớn hơn so với ống gân xoắn OSPEL. 

 Trong những năm qua, nhờ sự phối hợp, gắn bó hữu cơ giữa 2 bên, Công ty Cổ phần An Đạt Phát đã chế tạo và cung cấp ra thị trường gần 3 triệu mét ống gân xoắn HDPE/TBBT/UF đường kính Φ 50, Φ 80, Φ 100 với chất lượng cao.  So với ống gân xoắn chế tạo bằng vật liệu tổ hợp HDPE/canxi cacbonat, ống gân xoắn HDPE/TBBT/UF có giá thành giảm 15 %, đem lại hiệu quả kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp.

 GS.TS. Thái Hoàng, PGS. TS. Nguyễn Vũ Giang

 Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

(Bản tin Khoa học Công nghệ số 73 tháng 01/2021)