Ảnh hưởng hàm lượng khoáng talc và khả năng tương tác pha đến tính chất cơ lý và độ dẫn nhiệt của vật liêu compozit trên cơ sở polypropylen

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 Ảnh hưởng hàm lượng khoáng talc khả tương tác pha đến tính chất lý độ dẫn nhiệt vật liệu compozit sở polypropylen Nguyễn Việt Dũng*, Ngô Kế Thế, Nguyễn Văn Thủy, Nguyễn Thị Ngọc Tú, Trần Thu Trang, Phạm Thị Lánh Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nhận ngày 04 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 23 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2016 Tóm tắt: Tính chất lý độ dẫn nhiệt vật liệu compozit sở nhựa nhiệt dẻo polypropylen với chất độn khoáng talc (với hàm lượng 10%, 30% 50% khối lượng) nghiên cứu Bên cạnh khoáng talc ban đầu, ảnh hưởng hai loại hợp chất biến đổi bề mặt chất độn bao gồm aminopropyltrietoxysilan vinyltrimetoxysilan xác định Kết cho thấy rằng, trình biến đổi bề mặt giúp cho hạt chất độn phân bố đồng hơn, hạn chế lỗ trống xuất bề mặt chất độn chất Môđun đàn hồi vật liệu tăng đơn điệu theo hàm lượng chất độn Chất độn khoáng talc gia tăng độ bền kéo đứt vật liệu đạt giá trị lớn hàm lượng 30% (đạt giá trị 38,36 Mpa), độ giãn dài đứt giảm mạnh chất độn đưa vào Khoáng talc có tác dụng gia tăng hệ số dẫn nhiệt vật liệu polypropylen từ 0,28 W/mK lên đến 1,07 W/mK hàm lượng 50% chất độn Từ khóa: Polypropylen, talc, tính chất lý, độ dẫn nhiệt Tổng quan* polyme phương pháp thông dụng để cải thiện khả dẫn nhiệt vật liệu Talc khống chất vơ có cơng thức hóa học 3MgO.4SiO2.H2O Với cấu trúc hình thái dẹt độc đáo, bột khống talc có nhiều lợi sử dụng làm chất độn cho vật liệu polyme, đặc biệt PP Từ năm 2010, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam chủ trì đề tài cấp nhà nước khai thác chế biến khoáng chất talc vùng Thanh Sơn, Phú Thọ Các nhà khoa học Việt Nam với số nhà khoa học Pháp tiến hành phân tích đánh giá tính chất khả ứng dụng chúng [3] Kết cho thấy khơng có Polypropylen (PP) polyme bán tinh thể nghiên cứu ứng dụng rộng rãi thực tế điều kiện gia cơng thuận lợi tính chất biến đổi khoảng rộng [1] Tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt thấp rào cản lớn để ứng dụng vật liệu polyme nói chung PP nói riêng lĩnh vực vật liệu dẫn nhiệt [2] Phương pháp đưa chất độn gia cường vào vật liệu _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-914035533 Email: dungnv@ims.vast.ac.vn 77 78 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 trữ lượng lớn, nguồn nguyên liệu đáp ứng yêu cầu sử dụng lĩnh vực vật liệu polyme hóa, mỹ phẩm Nghiên cứu này, nghiên cứu bước đầu Việt Nam nhằm đánh giả khả ứng dụng khống talc sẵn có nước lĩnh vực vật liệu polyme compozit Thực nghiệm 2.1 Nguyên vật liệu Polypropylen sử dụng đề tài loại isotactic polypropylen, sản phẩm thương mại hãng Chemopetrol, Hàn Quốc sản xuất Các vật liệu dạng hạt, tỷ trọng 0,940,95 g/cm3 Hai loại hợp chất silan sử dụng đề tài sản phẩm thương mại hãng Dow Corning (Mỹ): Aminopropyltriethoxysilan (viết tắt: amin silan): NH2-CH2-CH2-CH2-Si(OC2H5)3 Vinyltrimetoxysilan (viết tắt: vinyl silan): CH2=CH-Si(OCH3)3 Khống talc có nguồn gốc từ Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ với thành phần phần chủ yếu oxit kim loại thống kê bảng Bảng 1: Thành phần hóa học bột khoáng talc Thanh Sơn STT Thành phần Hàm lượng (%) SiO2 61,80 MgO 28,50 CaO 0,22 2.2 Phương pháp nghiên cứu a Phương pháp chế tạo mẫu Chất độn khoáng talc biến đổi bề mặt hai loại hợp chất silan khác bao gồm amin silan (sản phẩm biến đổi ký hiệu T2A) vinyl silan (sản phẩm biến đổi ký hiệu T2V) Chi tiết trình biến đổi bề mặt khoáng talc hợp chất silan chúng tơi trình bày báo cáo cơng bố [4] Q trình đồng PP bột khống talc (có khơng có biến đổi bề mặt) thực phương pháp trộn tạo hạt thiết bị ép đùn hai trục vít hãng Leistritz trung tâm Polyme, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hàm lượng chất độn chiếm 10%, 30% 50% b Phương pháp xác định tính chất vật liệu Hình thái bề mặt gẫy vật liệu xác định kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM), thiết bị Hitachi S-4800 phịng thí nghiệm trọng điểm, Viện khoa học vật liệu Al2O3 0,19 Fe2O3 0,15 K 2O 0,02 Na2O 0,15 Mất nung 8,51 Tính chất giãn dài mẫu vật liệu PP compozit xác định thiết bị GOTECH AI-7000-M, cảm biến lực 20 kN Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt vật liệu xác định Phòng Nghiên cứu vật liệu chống cháy, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng theo tiêu chuẩn ASTM C-518 Kết thảo luận 3.1 Quan sát hình thái tương tác pha Để tăng cường khả tương tác pha với chất PP, bột khoáng talc biến đổi bề mặt hai hợp chất silan khác bao gồm vinyl silan amin silan Hình thể ảnh SEM bề mặt gẫy mẫu vật liệu compozit PP chứa 30% chất độn khoáng talc với khả tương tác pha khác N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 a) b) 79 c) Hình Ảnh SEM vật liệu PP chứa 30% bột khống talc khơng biến đổi bề mặt (a), bột khoáng talc biến đổi bề mặt với amin silan (b) bột khoáng talc biến đổi bề mặt với vinyl silan (c) Hình 1-a cho thấy trường hợp không biến đổi bề mặt, phiến talc phân tán không đồng chất Ảnh SEM cho thấy tồn lỗ trống phiến talc với chất PP Khi bột khoáng talc biến tính bề mặt hợp chất silan, khả phân tán chúng chất polyme trở nên đồng (hình 1-b 1-c) Chất polyme bám dính lên bề mặt chất độn khơng cịn thấy xuất lỗ trống chất độn chất b) c) 3.2 Tính chất giãn dài Hình biểu diễn tính chất lý bao gồm môđun đàn hồi, độ bền kéo đứt độ giãn dài đứt vật liệu compozit a) Hình Tính chất vật liệu compozit sở PP khoáng talc Trong hầu hết trường hợp, đưa chất độn vô vào chất polyme, độ cứng xác định thông qua môđun đàn hồi vật liệu tăng theo hàm lượng chất độn đưa vào Điều thực tế độ cứng hầu hết loại chất độn cao độ cứng pha hữu Như quan 80 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 sát thấy hình 2-a, môđun đàn hồi mẫu vật liệu compozit tăng tuyến tính theo hàm lượng khống talc (chưa biến đổi bề mặt) đưa vào chất Kết môđun đàn hồi mẫu vật liệu chứa bột khoáng talc biến đổi bề mặt tác nhân ghép nối silan tăng cách đơn điệu theo hàm lượng chất độn Từ kết thấy tác nhân ghép nối vinyl silan amin silan không ảnh hưởng nhiều đến môđun đàn hồi hay độ cứng vật liệu Không giống nhiều chất độn micro thông thường, bột khống talc có khả gia tăng độ bền kéo đứt cho chất PP (hình 2-b) Khi bột khống talc đưa vào vật liệu, độ bền kéo đứt tăng dần đạt giá trị lớn hàm lượng khảo sát 30%, hàm lượng giá trị độ bền kéo đứt giảm nhanh Xu hướng tương tự ghi nhận bột khoáng talc biến đổi bề mặt Độ bền kéo đứt mẫu vật liệu compozit chứa bột khoáng talc biến đổi bề mặt cao mẫu bột talc không biến đổi bề mặt hàm lượng tương ứng Điều chứng tỏ khả tương tác pha tốt ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo đứt vật liệu Isotactic polypropylen thân loại vật liệu đa hình kết tinh loại tinh thể khác bao gồm đơn tà (α), lục giác (β) tam tà (γ) [5] Các sản phẩm PP thương mại điều kiện chuẩn thường kết tinh dạng α Tuy nhiên vài trường hợp xuất dạng tinh thể dạng thấp pha β Có nhiều báo cáo cho biết độ bền pha β cao nhiều so với pha α [6-7] Mặt khác, số tài liệu chứng minh xuất khống talc làm gia tăng có mặt pha β tinh thể PP Hàm lượng pha tinh thể tăng dần đạt giá trị cao khoảng 30% bột khoáng talc Điều giải thích bột khống talc có tác dụng gia tăng độ bền kéo đứt PP đạt giá trị cao hàm lượng 30% chất độn Độ giãn dài đứt đặc trưng cho độ giãn phân tử polyme thường tỷ lệ nghịch với độ bền kéo đứt Điều có nghĩa gia tăng độ bền kéo đứt thường dẫn đến suy giảm độ giãn dài đứt ghi nhận kết đo hình 2-c 3.3 Độ dẫn nhiệt Các vật liệu polyme nói chung biết đến vật liệu cách nhiệt với hệ số dẫn nhiệt thấp Độ dẫn nhiệt PP theo tài liệu nằm khoảng 0,14 - 0,28 W/mK [2] Kết đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu thể bảng Bảng 2: Hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit sở PP khoáng talc STT Mẫu vật liệu PP PP/talc PP/talc PP/talc PP/T2V PP/T2A Tỷ lệ khối lượng 100 90/10 70/30 50/50 70/30 70/30 Xét ảnh hưởng bột khoáng talc đến hệ số dẫn nhiệt vật liệu thấy hàm lượng bột khoáng thấp (hàm lượng 10% bột Chất biến đổi bề mặt Vinyl silan Amin silan Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) 0,28 0,31 0,88 1,07 0,79 0,92 khoáng talc) hệ số dẫn nhiệt vật liệu khơng có thay đổi đáng kể với hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu PP ban đầu mẫu vật liệu chứa N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 10% bột khoáng talc 0,28 W/mK 0,31 W/mK Tuy nhiên, hàm lượng bột khoáng talc tăng lên đến 30%, hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu đo tăng gấp lần, đạt giá trị 0,88 W/mK tiếp tục tăng đến 1,07 W/mK 50% bột khoáng talc đưa vào vật liệu Rõ ràng, bột khống talc có ảnh hưởng tích cực làm gia tăng hệ số dẫn nhiệt vật liệu PP ban đầu Giải thích cho xu hướng tăng hệ số dẫn nhiệt, nhận thấy tương đồng với kết đo độ bền kéo đứt Một số kết chứng minh bột talc có ảnh hưởng mạnh đến q trình kết tinh lại vật liệu làm gia tăng hàm lượng tinh thể beta có xếp phân tử mức cao tinh thể alpha có độ xếp phân tử thấp chiếm phần lớn vật liệu Mặt khác, có số nghiên cứu nhận thấy tạo thành cấu trúc trật tự phân tử PP bề mặt phiến talc đưa vào [8]: 81 dẫn nhiệt vật liệu, nhiên ảnh hưởng không rõ rệt Kết luận Giống hầu hết chất độn vơ khác, bột khống talc gia tăng độ cứng hay mô đun đàn hồi vật liệu Trong đó, độ bền kéo đứt vật liệu tăng cường với có mặt khống talc đạt giá trị cực đại hàm lượng 30% Khả tương tác pha tốt trường hợp chất độn biến đổi bề mặt giúp cải thiện độ bền kéo đứt so với trường hợp không biến đổi bề mặt Độ giãn dài đứt mẫu vật liệu giảm theo hàm lượng chất độn đưa vào Bột khống talc có tác dụng tăng cường hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu Khi hàm lượng chất độn tăng, hệ số dẫn nhiệt tăng, đặc biệt hàm lượng 30% Giá trị hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu cao đạt 1,07 W/mK mẫu vật liệu compozit polypropylen chứa 50% bột khoáng talc Lời cảm ơn Hình Sự xếp phân tử PP với có mặt khống talc Như vậy, nhận thấy mối liên hệ gia tăng hệ số dẫn nhiệt vật liệu với cấu trúc tinh thể vật liệu PP Nói rộng hơn, chất polyme có cấu trúc tinh thể cao với xếp chặt khít chuỗi phân tử giúp cho trình truyền nhiệt vật liệu dễ dàng từ nâng cao hệ số dẫn nhiệt vật liệu Bên cạnh đó, ảnh hưởng khả tương tác pha nhận thấy có ảnh hưởng đến khả Nghiên cứu thực khuân khổ đề tài sở chọn lọc cấp Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2015, mã số CSCL01.15 Tài liệu tham khảo [1] Karger - Kocsis J, editor, Polypropylene: an a-z reference, Dordrecht: Kluwer, 1999 [2] I.A Tsekmes, R Kochetov, P.H.F Morshuis, J.J Smit, Thermal conductivity of polymeric composites: a review, 2013 IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, June 30 – July (2013) 678 82 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 77-82 [3] Angela Dumas, Franỗois Martin, The Ngo Ke, Hanh Nguyen Van, Dung Nguyen Viet, Vinh Nguyen Tat, Nam Kieu Quy, Pierre Micoud and Philippe de Parseval, The crystal-chemistry of Vietnamese talcs from the Thanh Son district (Phu Tho province, Vietnam), Clay Minerals 50 (2015) 607 [4] Ngô Kế Thế, Nguyễn Việt Dũng, Nguyễn Văn Thủy, Nguyễn Thị Ngọc Tú, Vũ Ngọc Hùng Ngô Đức Tùng, Nghiên cứu biến đổi bề mặt khống talc hợp chất silan, Tạp chí Khoa học Công nghệ, 50(1A) (2012) 241 [5] Jiri Kotek , Ivan Kelnar, Josef Baldrian, Miroslav Raab, Tensile behaviour of isotactic polypropylene modified by specific nucleation and active fillers, European Polymer Journal 40 (2004) 679 [6] Varga J, Modification of isotactic polypropylene: preparation, structure, processing, properties and application, J Macromol Sci B., 41 (2002) 1121 [7] Kotek J., Raab M., Baldrian J., Grellmann W., The effect of specific beta-nucleation on morphology and mechanical behavior of isotactic polypropylene, J Appl Polym Sci; 85 (2002) 1174 [8] Takao Nomura, Nano Composite TSOP, Toyota Motor Corporation, presentation, 1998 Effects of Talc Mineral Content and Interfacial Adhesion on Mechanical Properties and Thermal Conductivity of Composites Based on Polypropylene Nguyen Viet Dung, Ngo Ke The, Nguyen Van Thuy, Nguyen Thi Ngoc Tu, Tran Thu Trang, Pham Thi Lanh Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology Abstract: Mechanical properties and thermal conductivity of composites based on thermoplastic polypropylene with talc mineral filler (10, 30 and 50 vol %) were studied In addition to original talc mineral, effects of two surface modification agents consist of aminopropyltriethoxysilane and vinyltrimethoxysilane were also evaluated The results showed that surface modification improving dispersion of filler particles in the polymer matrix Young’s modulus monotonically increased as a function of the filler content The talc mineral filler increased tensile strength of composites and maximum value achieved at 30 vol % (38,36 MPa), while strain at break strongly decreased with the introduction of filler By the addition of talc mineral, the thermal conductivity of polypropylene was improved from 0,28 W/mK to 1,07 W/mK at 50 vol % filler Keywords: Polypropylene, talc, mechanical properties, thermal conductivity  ... đổi bề mặt Độ giãn dài đứt mẫu vật liệu giảm theo hàm lượng chất độn đưa vào Bột khống talc có tác dụng tăng cường hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu Khi hàm lượng chất độn tăng, hệ số dẫn nhiệt tăng,... liệu compozit sở PP khoáng talc STT Mẫu vật liệu PP PP /talc PP /talc PP /talc PP/T2V PP/T2A Tỷ lệ khối lượng 100 90/10 70/30 50/50 70/30 70/30 Xét ảnh hưởng bột khoáng talc đến hệ số dẫn nhiệt vật. .. giãn dài đứt vật liệu compozit a) Hình Tính chất vật liệu compozit sở PP khoáng talc Trong hầu hết trường hợp, đưa chất độn vô vào chất polyme, độ cứng xác định thông qua môđun đàn hồi vật liệu tăng