Chế tạo bộ salon từ bìa carton phế thải

Phan Trọng Phúc, Phạm Đức Hòa, Hồ Thị Thu Trang, Phạm Thị Tuyết Anh, Nguyễn Thị Anh Đào, Võ Thị Ngọc Em, Nguyễn Tấn Phú, Đặng Thị Kim Thơ, Huỳnh Nhất Bảo, Nguyễn Quang Khuyến.
Khoa khoa học ứng dụng, Trường đại học Tôn Đức Thắng.
Hiện tại trên thị trường hằng ngày thải ra hàng tấn rác thải trong đó có thùng carton. Tận dụng nguồn nguyên liệu carton dễ tái chế này, nhóm đã phát triển ý tưởng và thiết kế ghế bộ salon từ bìa carton. Sản phẩm bộ salon từ bìa carton phế thải là sản phẩm có tính ứng dụng trong thực tiễn và thân thiện với môi trường. Trong quá trình thi công kết hợp với chất kết dính là Polyester và sơn Epoxy tăng tính cơ lý, độ bền, tăng khả năng chống thấm nước và tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Tải trọng của sản phẩm ghế được kiểm tra thử với 200kg và bàn là 12kg trong 3h. Việc tái sử dụng bìa carton phế thải tăng vòng đời tái sinh cho giấy carton, giảm lượng chất thải rắn, tiết kiệm năng lượng và tránh lãng phí nguồn tài nguyên thiên nhiên.

1.    Giới thiệu
Thị trường ngành giấy Việt Nam ngày càng phát triển về cả cung và cầu với nhiều dự án tập trung phát triển sản xuất bột giấy, sản phẩm giấy, giấy bao bì, giấy in viết, in báo. Ngành bao bì giấy là sản phẩm chính của ngành giấy Việt Nam, chiếm gần 70% tổng tiêu thụ toàn ngành và 45% tổng kim ngạch nhập khẩu giấy năm 2015. Hiện nay ở Việt Nam có 3 phương pháp sản xuất bột giấy chính là phương pháp sử dụng hóa chất, phương pháp cơ-lý, phương pháp tái chế giấy loại, đều là các phương pháp sử dụng nhiều hóa chất, năng lượng tạo ra sản phẩm sản xuất giấy in báo và sản phẩm không đòi hỏi chất lượng cao... Công nghệ sản xuất bột giấy bao gồm công nghệ bột sulfat tẩy trắng, công nghệ sản xuất bột theo phương pháp hóa nhiệt cơ, và phương pháp xút không thu hồi hóa chất, hoặc công nghệ sản xuất theo phương pháp kiềm lạnh – đều là công nghệ lạc hậu và dẫn tới các vấn đề về môi trường [1]. Do đó cần đưa ra biện pháp cấp bách nhằm hạn chế nguồn thải từ ngành công nghiệp này. Việc tái sử dụng giấy carton là một ý tưởng không mới nhưng cần phổ biến rộng rãi. Thùng carton cũ có thể tái sử dụng lại bằng nhiều hình thức. Phương pháp đơn giản nhất là tái sử dụng chúng thành những vật dụng cần thiết cho gia đình mình ví dụ như khung treo tường, ghế, kệ tủ, giá treo…Ngoài ra hầu hết các thùng carton cũ đều được đưa về nhà máy để tái sử dụng lại. Từ những thùng carton cũ qua hệ thống máy móc xử lý ta lại có những thùng carton hoàn toàn mới và tạo nên vòng tái sinh cho thùng carton. Tại đây, giấy phế liệu sẽ được trộn lẫn với nước trong máy xay để trích xuất tất cả các sợi giấy từ nhựa và nhôm. Lúc này, các sợi giấy đã sẵn sàng để đưa vào sản xuất thành giấy cuộn. Từ giấy cuộn đưa vào máy chạy sóng và các máy móc khác tạo thành giấy carton nhưng quá trình này cũng đòi hỏi việc xử lý chất thải môi trường [2]. Vì vậy việc tái sử dụng giấy carton mà không qua xử lý lại để tái tạo ra các sản phẩm có ứng dụng thực tế cần được phát triển hơn nữa.

2.    Chế tạo salon từ giấy carton tái chế
2.1    Nguyên liệu
Giấy carton: giấy Carton chủ yếu thu hồi từ các thùng giấy bao bì đã qua sử dụng còn giữ nguyên cấu  trúc của giấy, loại bỏ những phần giấy đã bị ướt hay mất cấu trúc của giấy.

Hình  1. Thùng carton 5 lớp được sử dụng cho việc tái chế sản phẩm khác.

Polyester resin: là loại nhựa tổng hợp chưa bão hòa hình thành bởi phản ứng hóa học giữa axit hữu cơ hai bazo và rượu polyhydric. Nhựa polyester  thường được sử dụng trong vật liệu SMC (sheet moulding compound), BMC (bulk moulding compound), Hand lay-up, Gun spray-up… trong sản xuất sản phẩm FRP (fiberglass reinforced plastic), nhựa nhiệt rắn với xúc tác MEKP đóng rắn trong vòng 15 phút là chất kết dính nhằm tăng tính cơ lý, độ bền và khả năng chống thấm nước cho giấy[3].
Epoxy resin: là hợp chất hữu cơ gốc nhựa composite, sử dụng xúc tác T.E.T.A thời gian đóng rắn 7-8h, có những tính chất cơ lý đặc biệt, kháng môi trường hơn hẳn các gốc nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay, tàu thủy, giàn khoan. Gốc nhựa Epoxy không có nhóm ester vì vậy có tính chất kết dính và khả năng kháng nước cao. Sơn epoxy có đặc tính khô nhanh, tính chất bay hơi thấp, độ bóng cao sử dụng làm màng bảo vệ sơn và tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm [3].
2.2    Quy trình chế tạo 
2.2.1    Quy trình kiểm tra giấy nguyên liệu
Bước 1: Cắt các mẫu với kích thước nhất định ở đồ án này kiểm tra trên các mẫu với kích thước như sau ( dài x rộng x số lớp giấy) (mm x mm x mm): 30x2x1, 30x2x2, 30x4x1, 30x4x2, 60x4x1, 60x4x2 và 2 mẫu có phủ polyester với kích thước là 60x4x1, 60x4x2.
Bước 2: Sau khi đã hoàn thiện hết các mẫu thì chuẩn bị các vật nặng có khối lượng khác nhau ở đây dung các khối sắt nặng có khối lượng 0,1 kg, 0,2 kg, 0,5 kg, 1 kg, 2 kg và 5 kg.
Bước 3: Vì ở giấy nguyên liệu khả năng chịu lực uốn là nhỏ nhất nên chỉ kiểm tra lực uốn của nguyên liệu và vị trí yếu nhất là trung điểm của mẫu nên ta tác dụng lực ngay vị trí trung điểm của mẫu. Cố định mẫu theo chiều sử dụng là chiều dọc theo song giấy tăng dần khối lượng đến khi mẫu bắt đầu biến dạng thì ghi nhận kết quả.
Bảng 1. Số liệu kiểm tra mẫu giấy

 
Khi mẫu có 2 lớp thì khối lượng tăng lên trung bình là 2,605 lần so với các mẫu cùng kích thước chỉ có một lớp giấy. Khi tăng thêm 1 lớp thì khối lượng tăng lên 1,5 lần. Khi tăng bề dày của tấm giấy gấp 2 lần nhưng không tăng chiều dài thì khối lượng tối đa tăng 2,5 lần. Khi tăng chiều dày và chiều rộng lên gấp đôi thì khối lượng tăng 1,5 lần. Khi sử dụng giấy có tráng một lớp polyester thì khối lượng tối đa tác dụng lên tăng 3,5 lần so với giấy không tráng polyester có cùng kích thước. Như vậy ta có thể tính ra khối lượng thực tế mà sản phẩm có thể chịu được.
 

Hình  2. Cấu trúc giấy kết hợp ngang dọc.

Bảng 2. Số liệu kiểm tra cấu trúc ngang - dọc

Đối với cấu trúc nguyên liệu giấy kết hợp ngang - dọc, kết quả thực nghiệm cho thấy  so với các thanh ghép đơn lẻ so với khi ghép 3 thanh ngang với 9 thanh dọc theo kiểu caro thì khối lượng chịu được trên toàn bộ cấu trúc tăng 8,7 lần so với các thanh đơn.
Xác định được số lớp giấy được ghép nối với nhau để khả năng chịu lực của nguyên liệu lớn hơn tải trọng tối đa mà sản phẩm phải chịu để đảm bảo độ bền cho sản phẩm sau khi sử dụng.
 

         Hình  3. 10 tấm bìa carton được nối với nhau.

Cấu tạo lớp giấy là một cấu trúc hoàn hảo để có thể chịu lực trong thời gian dài các bó sợi xellulose sẽ hấp thụ nước từ môi trường hay bị ẩm do các tác nhân từ môi trường từ đó cần phải có biện pháp xử lý trước khi tiến hành làm sản phẩm.

 
Hình  4. Bìa carton trước khi được phủ polyester bên ngoài.

 Hình  5. Bìa carton sau khi được phủ polyester bên ngoài.

Với cách phủ này thường sử dụng phương pháp nhúng để đảm bảo polyester trải đều trên bề mặt của tấm giấy kể cả phần cấu trúc dạng sóng bên trong tấm giấy với phương pháp này thì giấy carton có thể giảm độ hút ẩm và ngăn chặn nước có thể tiếp xúc với bề mặt tấm giấy. 
Ngoài việc tăng khả năng chống nước và hút ẩm cho giấy thì chúng cũng góp phần làm tăng khả năng kháng xé và cường lực cho giấy carton >300% so với giấy nguyên liệu ban đầu.  Việc phủ này có khả năng kháng nước trên bề mặt rất tốt nhưng nó lại không thể kháng nước ở 2 đầu tấm giấy, tuy nhiên diện tích có khả năng hấp thụ nước rất bé với khả năng hấp thụ theo kiểu mao dẫn nên thời gian ướt rất chậm và không thể chuyền đi xa. Ngoài ra còn có lớp polyester bên ngoài cũng tạo thành cấu trúc giống như bìa carton vì vậy chúng làm tăng khả năng chịu lực. Cách tốt nhất là khi hoàn thiện sản phẩm có thể dùng cao su để lót hay có thể phủ một lớp polyester lên trên bề mặt của chúng để có khả năng chống nước tốt nhất.

Hình 6. Sợi xellulose được phủ bởi polyester.

2.2.2    Bản vẽ thiết kế
Sử dụng thiết kế phần mềm Sketch Up - một phần mềm mô hình hóa 3D cho phép người sử dụng dựng hình vẽ ba chiều trong không gian hai chiều của màn hình với các lệnh cơ bản cần thiết.[4]

Hình  7. Thiết kế 3D mẫu ghế dài.

 
Hình  8. Thiết kế 3D bàn.

2.2.3    Các bước hoàn thiện sau thiết kế

Các bước chế tạo ghế
Cắt giấy carton theo mẫu đã được thiết kế trên phần mềm 2D và 3D và ghép các lớp giấy vào với nhau theo tính toán trước đó. Sau khi cắt hoàn thiện chi tiết của ghế thì tiến hành lắp ráp, kết nối các mối nối với nhau bằng keo epoxy hai thành phần yêu cầu keo epoxy phải chèn kín vào mối ghép nối tránh việc keo ít hay keo không đều tại các mối nối làm giảm độ bền và độ chịu lực của sản phẩm. Sau thời gian từ 3-4 tiếng thì keo sẽ đóng rắn hoàn toàn sản phẩm sẽ được mang đi thử tải. Khi sản phẩm đã đạt yêu cầu sẽ được đem di sơn và phủ màng epoxy, việc phủ epoxy nhằm mục đích là bảo vệ giấy cùng màng sơn, tăng khả năng chống nước và tạo độ bóng của sản phẩm.

Hình  9. Quy trình dựng và ghép nối các chi tiết của ghế.

Các bước chế tạo bàn
Cắt mẫu theo thiết kế 2D và 3D, lắp ghép các chi tiết được gia cường bằng keo dán sắt. Sau đó phủ sơn Epoxy tương tự như sản phẩm ghế. Đối với mặt bàn có kính epoxy gồm 5 lớp nhựa và giữa mỗi lớp có hình vẽ khác nhau. Lớp nhựa cần đóng rắn trong khoảng 12 giờ để có thể vẽ lên và tráng lớp nhựa tiếp theo. Sau khi lấy ra khỏi khuôn kính epoxy trải qua quy trình đánh nhám và làm bóng lại bằng Cana.
 

Hình  10. Quy trình dựng và nối các chi tiết của bàn. 

Hình  11. Bộ salon hoàn thiện.

2.3    Thử tải
Để đảm bảo tuổi thọ của sản phẩm khi đưa vào sử dụng thực tế thì cần phải thử tải cho cả ghế và bàn. Quá trình thử tải phải sát thực tiễn khi đưa vào sử dụng, đối với ghế đơn chỉ sử dụng cho một người ngồi dùng tải trọng 70kg để thử, ghế dài cho ba người sử dụng thử tải 200kg, bàn chỉ dùng để các vật dụng nên chỉ thử tải 12kg, quá trình thử tải tiến hành trong 3 giờ.
3.    Kết luận
Qua quá trình đi từ ý tưởng làm thế nào để cải thiện môi trường sống, sử dụng phần mềm Sketch Up để thiết kế sản phẩm, đến quá trình thi công hoàn thiện, nhóm đã tạo ra bộ salon hoàn thiện đi từ giấy carton phế thải. Áp dụng các kiến thức vào thực tế để kết hợp các nguyên liệu cần thiết giúp giấy carton tăng tính cơ lý, độ bền và khả năng chống nước. Sản phẩm đạt tiêu chuẩn và đã đưa vào sử dụng. Sản phẩm được thực hiện thủ công nên hình thức sản phẩm chưa thực sự đẹp. Khi mở rộng mô hình hóa và sử dụng máy móc vào sản xuất thì sản phẩm sẽ hoàn thiện hơn và đẹp hơn. Ngoài sử dụng để làm bộ bàn ghế, cần tận dụng nguồn nguyên liệu từ carton phế thải để tạo ra nhiều ứng dụng hơn trong thực tiễn thay thế sản phẩm từ gỗ và nhựa. Việc tái chế này giúp giảm thiểu nguồn chất thải vào môi trường, tiết kiệm năng lượng và hạn chế việc sử dụng nguyên liệu gỗ góp phần cho mảng công nghệ xanh phát triển.
Tài liệu tham khảo
 [1] Báo cáo tóm tắt Ngành Giấy Việt Nam, Phòng phân tích - CTCK HABUBANK, 2015 (lưu hành nội bộ).
 [2] Quy trình và lợi ích từ tái chế thùng carton, Công ty Cổ Phần In và Truyền thông Tway, 2017 (lưu hành nội bộ).
 [3] Nguyễn Quang Khuyến, Giáo trình Công nghệ sản xuất chất dẻo, Khoa Khoa Học    Ứng Dụng, Đại học Tôn Đức Thắng, 2017 (lưu hành nội bộ).
 [4] Đỗ Lê Thuận, Quang Hiển, Tường Thụy, Tự học Sketch Up bằng hình ảnh, Nhà xuất bản  Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2011.