khả năng chảy nhớt, cấu trúc và tính chất cơ lí của vật liệu doc

18 TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH Tp 44, s 2, 2006 Tr. 18- 23 KH NNG CHY NHT, CU TRÚC VÀ TÍNH CHT C LÍ CA VT LIU COMPOZIT POLYVINYL CLORUA/NANOCLAY THÁI HOÀNG, NGUY%N THC KIM, '( QUANG TH*M, NGUY%N TI+N D-NG, L/ ÁNH NGC, NGUY%N TH+ ANH I. M U Polyvinyl clorua (PVC) là mt polyme thng mi rt quan tr ng và !"c #ng d%ng !& ch' to nhi(u loi s*n ph+m khác nhau. Tuy nhiên, nó có mt s3 nh"c !i&m nh ! 4n !5nh nhi6t thp, d7 b5 oxy hóa nhi6t d:i tác !ng c;a nhi6t ! cao và ánh sáng t< ngoi Do !ó, PVC và v>t li6u t4 h"p t? PVC b5 hn ch' #ng d%ng trong mt s3 l@nh vAc [1, 2]. Vì v>y cFn ph*i phát tri&n các s*n ph+m m:i t? PVC khGc ph%c !"c các nh"c !i&m trên nhHm mI rng kh* nJng s< d%ng chúng. GFn !ây, lai to PVC (mt polyme hNu c) v:i ph% gia vô c có kích th:c nano là mt phng pháp có hi6u qu* và !Fy tri&n v ng !& ch' to v>t li6u compozit PVC có tính nJng cao (high performance). Trong s3 các ph% gia có kích th:c nano, nano clay !"c bi'n tính bIi các ion alkyl amoni !"c chú ý nhi(u nht vì các l:p silicat c;a clay có th& !"c mI rng, th>m chí b5 bóc tách bIi các phân t< hNu c trong nhNng !i(u ki6n thích h"p [3]. Ngoài ra, clay bi'n tính khá thân thi6n v:i môi trVng và giá rW hn nhi(u so v:i các ph% gia nano khác. Các công trình liên quan t:i v>t li6u compozit PVC/nano clay m:i chY !"c công b3 trong 5 nJm gFn !ây [2 - 6]. Các thông tin v( kh* nJng ch*y nh:t và tính cht c lí c;a v>t li6u rt ít. Bài này trình bày k't qu* nghiên c#u kh* nJng ch*y nh:t, cu trúc và tính cht c lí c;a v>t li6u compozit PVC/nano clay. II. THC NGHIM 1. Nguyên liu và hóa cht Polyvinyl clorua (PVC) mác TH – 1600 (Nh>t B*n s*n xut), bt màu trGng, hHng s3 Ficken K F = 62 - 63. Cht 4n !5nh Irgastab 17 M là tên thng mi c;a mt h"p cht thi'c hNu c c;a hãng Ciba – Geigy (Th%y S@). Nó là mt cht ling nh:t, không màu. DFu !>u nành epoxy hóa c;a Malayxia, cht ling màu vàng nht, hàm l"ng nhóm epoxy 15,2%. Cht hóa dWo dioctyl phtalat (DOP), tY tr ng 0,986 g/cm 3 do Hàn Qu3c s*n xut. Nanoclay I dng bt, khoáng sét tA nhiên montmorilonit (Bình Thu>n, Vi6t Nam) !"c bi'n tính bHng mu3i amoni c;a dihexadecyl amin. 2. Ch" t#o v%t liu compozit PVC/clay Hon h"p PVC gpm: PVC, 35% DOP, 3% dFu !>u nành epoxy hóa, 1% Irgastab 17M (c* 3 !(u so v:i PVC) !"c trn !(u và ; trong t; sy có không khí !3i lu I 80 o C trong 3 giV !& DOP và các ph% gia khác th+m thu vào mch PVC. K't thúc quá trình ; thu !"c hon h"p bt PVC khô và ti. Ti'n hành trn nóng ch*y hon h"p PVC v:i nanoclay bi'n tính (g i tGt là clay) I các hàm l"ng khác nhau trong thi't b5 trn ni HAAKE (t#c) trong 3 phút I 180 o C, t3c ! 19 50 vòng/phút. Ti'p !ó, ly mvu ra khii bupng trn và ép phwng trên máy ép thux lAc TOYOSEIKI I 200 o C trong thVi gian 2 phút, sau !ó !& ngui. B*o qu*n mvu I !i(u ki6n chu+n ít nht 24 giV tr:c khi xác !5nh các tính cht và cu trúc. 3. Ph ng pháp nghiên c0u - Kh* nJng ch*y nh:t c;a v>t li6u trong quá trình trn nóng ch*y !"c ph*n ánh trên gi*n !p mômen xoGn - thVi gian ghi bIi phFn m(m Polylab 3.1 k't n3i v:i thi't b5 trn ni. Quá trình này !"c ti'n hành ti Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam. - Xác !5nh các tính cht c lí c;a v>t li6u theo tiêu chu+n ASTM D 638 trên thi't b5 c lí !a nJng Zwick (t#c) ti Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i. - Xác !5nh ph4 nhi7u x tia X c;a v>t li6u trên máy SIEMENS D5005 (t#c) ti Khoa V>t lí, TrVng ti h c Khoa h c TA nhiên. Tia X !"c quét trên b( m•t mvu v:i t3c ! quét 0,5 o /giây v:i góc nhi7u x (2) t? 0,6 o !'n 40 o . - €nh hi&n vi !i6n t< quét c;a v>t li6u !"c ch%p trên máy JEOL 5300 c;a Nh>t B*n ti Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam v:i ! phóng !i 15000 lFn. III. K2T QU4 VÀ TH4O LU8N 1. Kh9 n:ng ch9y nh;t c<a v%t liu compozit trong quá trình tr@n nóng ch9y Kh* nJng ch*y nh:t c;a v>t li6u !"c ph*n ánh bIi sA thay !4i mômen xoGn trong quá trình trn h"p nóng ch*y hon h"p PVC và clay (hình 1). Sau khi np hon h"p PVC và clay vào bupng trn, mômen xoGn c;a v>t li6u gi*m theo thVi gian trn do PVC b5 m(m và nóng ch*y. Nhìn chung, mômen xoGn c;a v>t li6u compozit PVC/clay tJng theo hàm l"ng c;a clay. Nói mt cách khác, hon h"p PVC khó ch*y nh:t hn khi thêm clay vào. Nguyên nhân c;a hi6n t"ng này là do clay là mt cht !n vô c và I nhi6t ! nóng ch*y c;a PVC nó vvn còn I trng thái rGn nên làm tJng ma sát ni (hay ! nh:t) c;a v>t li6u PVC dvn !'n làm tJng mômen xoGn c;a h6. Ngoài ra, có th& có sA tng tác giNa pha n(n PVC (là mt polyme phân cAc do các nguyên t< Cl có ! âm !i6n l:n) và clay (có các nhóm OH trên b( m•t). Do !ó, kh* nJng bám dính c;a PVC và clay tJng lên. Hình 1. Gi*n !p mômen xoGn c;a hon h"p PVC và compozit PVC/clay 0 5 10 15 20 25 30 0123 Thêi gian trén (phót) M« men xo¾n (N.m) PVC/ 2% clay PVC/1% clay PVC 20 2. PhA nhiBu x# tia X c<a v%t liu compozit PVC/clay Hình 2. Ph4 nhi7u x tia X c;a hon h"p PVC (1); compozit PVC/ 1% clay (2); PVC/ 3% clay (3) và clay (4). Hình 2 bi&u di7n các ph4 nhi7u x tia X c;a hon h"p PVC ban !Fu (!Vng 1), clay (!Vng 4) và compozit PVC/clay v:i hàm l"ng clay 1% (!Vng 2) và 3% (!Vng 3). Trên ph4 nhi7u x tia X c;a clay xut hi6n pic #ng v:i kho*ng cách c b*n d = 42,1 A o hay 4,21nm I 2 = 2 o . Sau khi trn hon h"p PVC v:i clay I trng thái nóng ch*y, pic #ng v:i d = 4,21 nm I 2 = 2 o không còn rõ nNa. ti(u này cho thy cu trúc l:p c;a clay có th& b5 phá v… hay b5 bóc tách trong n(n PVC do các tng tác c;a các nhóm OH c;a clay v:i các nguyên t< Cl trong !i phân t< polyme c†ng nh do tác !ng c h c trong quá trình trn PVC và clay I nhi6t ! cao. Các !i phân t< PVC chèn vào giNa các l:p và làm mt cu trúc l:p c;a clay [3]. SA phân tán c;a clay trong PVC cho thy trn h"p clay và PVC I trng thái nóng ch*y là phng pháp có hi6u qu* !& ch' to v>t li6u compozit PVC/clay [2, 4, 5]. 3. 4nh hiEn vi Fin tG quét c<a v%t liu compozit PVC/clay (a) (b) Hình 3. *nh hi&n vi !i6n t< quét c;a hon h"p PVC v:i 2 % clay (a) và 1% clay (b) 21 Hình 3 mô t* cu trúc hình thái c;a v>t li6u compozit PVC/clay v:i hàm l"ng clay 2% và 1%. ˆ hình 3a, v:i hàm l"ng clay 2%, !a s3 các ht clay (màu trGng) có kích th:c t? 300 nm !'n 3 µm. Còn I hình 3b, v:i hàm l"ng clay 1%, các ht clay phân b3 v:i có kích th:c t? 100 nm !'n 2 µm. Các *nh trên c†ng cho thy bên cnh cu trúc nano, trong v>t li6u compozit PVC/clay vvn còn tpn ti cu trúc micro. K't qu* ch%p ph4 nhi7u x tia X và *nh hi&n vi !i6n t< quét cho phép khwng !5nh v>t li6u compozit trên c sI PVC và clay có cu trúc hon h"p, trong !ó các l:p clay !ã b5 bóc tách trong n(n PVC và các !i phân t< PVC chèn vào các l:p clay. Ngoài ra, trong v>t li6u vvn tpn ti các cu trúc micro compozit. 4. Tính cht c. lí c<a v%t liu compozit PVC/clay SA ph% thuc tính cht c lí (mô !un !àn hpi, ! b(n kéo !#t, ! giãn dài khi !#t) c;a v>t li6u compozit vào hàm l"ng clay !"c th& hi6n trên hình 4. Khi tJng hàm l"ng clay trong kho*ng t? 0 t:i 3%, mô !un !àn hpi c;a v>t li6u compozit tJng dFn và !t cAc !i I hàm l"ng clay 1%, ti'p !ó mô !un !àn hpi c;a v>t li6u gi*m !i, th>m chí nhi hn so v:i mvu PVC (không có clay) n'u hàm l"ng clay ti'p t%c tJng quá 2%. Tng tA, ! b(n kéo !#t c;a v>t li6u !t giá tr5 l:n nht I hàm l"ng clay 1% (! b(n kéo !#t !t 27,95 MPa, tJng 20,3% so v:i hon h"p PVC ban !Fu), ti'p !ó khi hàm l"ng clay l:n hn 1%, ! b(n kéo !#t c;a v>t li6u compozit gi*m (so v:i giá tr5 cAc !i) nhng vvn l:n hn ! b(n kéo !#t c;a hon h"p PVC ban !Fu. t giãn dài khi !#t c;a v>t li6u tJng khi hàm l"ng clay tJng và !t giá tr5 l:n nht 339,8% I hàm l"ng clay 1% (tJng 36% so v:i hon h"p PVC ban !Fu). Ti'p !ó ! giãn dài khi !#t c;a v>t li6u có xu h:ng gi*m, th>m chí nhi hn mvu PVC khi hàm l"ng clay l:n quá 1,5%. Hình 4. SA ph% thuc tính cht c lí c;a v>t li6u compozit vào hàm l"ng clay Mô !un !àn hpi và ! b(n kéo !#t c;a v>t li6u tJng theo hàm l"ng clay t:i 1% là do có sA tng tác t3t giNa clay hNu c và n(n PVC. ti(u này có th& gi*i thích bIi sA tng tác giNa các nguyên t< Cl c;a !i phân t< PVC v:i các nguyên t< H c;a nhóm OH trong clay hình thành liên k't hydro - Cl H – O Ngoài ra, có th& gi* thi't rHng có ph*n #ng ngng t% giNa các nguyên t< Cl kém b(n (d7 hot !ng hóa h c) c;a PVC và các nguyên t< H nhóm OH c;a clay !& to thành cFu n3i C - O - clay giNa PVC và clay. Khi hàm l"ng clay trong hon h"p PVC l:n hn 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0123 H(m l)îng clay (%) M« ®un ®(n håi (MPa) 280 290 300 310 320 330 340 350 0123 H(m l)îng clay (%) §é d·n d(i khi ®øt (%) 15 17 19 21 23 25 27 29 §é bÒn kÐo ®øt (MPa) §é dn di khi ®øt §é bÒn kÐo ®øt 22 1%, các ht clay có kích th:c l:n hn (do sA k't t% c;a các ht clay) làm gián !on pha n(n PVC, do !ó làm gi*m mô !un !àn hpi và ! b(n kéo !#t c;a v>t li6u. SA tJng ! giãn dài khi !#t c;a v>t li6u khi hàm l"ng clay tJng t:i 1% là do sA phân b3 !png !(u và sA tng tác t3t c;a clay v:i n(n PVC. Ti'p !ó ! giãn dài khi !#t c;a v>t li6u gi*m !i. ti(u này có th& do các nguyên t< H I OH c;a các ht clay “d” tng tác v:i các nguyên t< O nhóm C=O I DOP (tng tác hydro) làm gi*m hi6u qu* hóa dWo c;a DOP, hn ch' kh* nJng tr"t c;a các mch PVC. IV. K2T LU8N - tã ch' to !"c v>t li6u nanocompozit trên c sI PVC/clay I trng thái nóng ch*y. V>t li6u nanocompozit PVC/clay có cu trúc nano lvn cu trúc micro. Các l:p clay b5 bóc tách trong n(n PVC và các !i phân t< PVC chèn vào giNa các l:p clay. - Trong quá trình trn nóng ch*y, mômen xoGn c;a v>t li6u nanocompozit PVC/clay tJng theo hàm l"ng clay. - V>t li6u nanocompozit PVC/clay có mô !un !àn hpi, ! b(n kéo !#t và ! giãn dài khi !#t l:n nht I hàm l"ng clay 1%. Li cm n. Công trình 678c hoàn thành v=i s? h@ tr8 kinh phí cCa HEi 6Fng Khoa hGc t? nhiên giai 6oIn 2004 – 2005 va Hoi dong Nganh Khoa hoc Vat lieu, Vien Khoa hoc va Cong nghe Viet Nam giai doan 2006-2007 TÀI LIU THAM KH4O 1. Kiyoshi Endo - Synthesis and Structure of Poly(vinyl chloride), Prog. Polym. Sci. 27 (2002) 2021-2050. 2. Josef Simonik – Alema Kalendova – Lucie – Kovanova, Polymer/clay Nanocomposites Modified in Poly(vinyl chloride) (PVC) Matrix, 109-111, Brno (2002). 3. Clay-based nanocomposites, http://www.azom.com/detail.asp 4. W. Xu, M. Ge and W P. Pan - Glass Poly(vinyl chloride)/momtmorillonite nanocomposites. Transition Temperature and Mechanical Properties, Journal of Themal Analysis and Calorimetry 78 (2004) 2-9. 5. J. Trillica, A. Kalendova, Z. Malac, J. Simonik, L. Posposil - PVC/Clay Nanocomposites, ANTEC, 2001, 2162-2165. 6. Josef Simonik - Polymer/Clay Nanocomposites, Nano ’02, Brno 2002. SUMMARY RELATIVE MELT VISCOSITY, STRUCTURE AND PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF POLY(VINYL CHLORIDE)/NANOCLAY COMPOSITES 23 Poly(vinyl chloride)/organo-nanoclay (PVC/clay) composites were prepared from mixing PVC and clay in the intermixer Haake. The relative melt viscosity of composites PVC/clay was evaluated according to changing of torque of the materials during melt mixing process. Their structures and physico-mechanical properties were investigated with X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and stress-strain testing. The results show that the torques of PVC/clay composites increase with rising clay content. The XRD diagrams indicate that PVC chains could be intercalated into the layers of organically modified clay to form exfoliated PVC/clay nanocomposites. The SEM photographs prove the existence of nano-structure and micro-structure in the PVC/clay composites. The Young modulus, tensile strength and elongation at break of the composites are maximum with the clay content of 1 %wt. The good interaction of OH groups in the face of clay and active Cl atoms in PVC chains plays an important role for improvement of clay particle dispersion in PVC matrix and increase of physico-mechanical properties of the composites. a ch: Nhn bài ngày 7 tháng 5 nm 2005 Thái Hoàng, Nguy7n Thc Kim, to Quang Th+m, Vi6n K{ thu>t nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam. Nguy7n Ti'n D†ng, LN Ánh Ng c, Nguy7n Th' Anh, Khoa Hóa h c, TrVng ti h c S phm Hà Ni. . thông tin v( kh* nJng ch*y nh:t và tính cht c lí c;a v>t li6u rt ít. Bài này trình bày k't qu* nghiên c#u kh* nJng ch*y nh:t, cu trúc và tính cht c lí c;a v>t li6u compozit PVC/nano. 18 TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH Tp 44, s 2, 2006 Tr. 18- 23 KH NNG CHY NHT, CU TRÚC VÀ TÍNH CHT C LÍ CA VT LIU COMPOZIT POLYVINYL CLORUA/NANOCLAY. trình trn PVC và clay I nhi6t ! cao. Các !i phân t< PVC chèn vào giNa các l:p và làm mt cu trúc l:p c;a clay [3]. SA phân tán c;a clay trong PVC cho thy trn h"p clay và PVC I trng