Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocompozit chống cháy trên nền polyvinyl clorua (PVC) đã được chế tạo thành công bằng phương pháp trộn kín trên cơ sở phối trộn PVC với các phụgia chống cháy là nhôm hydroxit (ATH), kẽm borat (ZB) và nanoclay. Ảnh hưởng của phụ gia chống cháy đến cấu trúc, tính chất cơ lý và khả năng chống cháy của vật liệu PVC nanocompozit đã được khảo sát.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CHỐNG CHÁY TRÊN NỀN POLYVINYL CLORUA PREPARATION AND CHARATERIZATION OF FLAME RETARDANT NANOCOMPOSITE BASED ON POLYVINYL CHLORIDE Trương Công Doanh1, Vũ Minh Tân1, Hồ Thị Oanh2, Hắc Thị Nhung2, Hoàng Mai Hà2,* TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocompozit chống cháy polyvinyl clorua (PVC) chế tạo thành cơng phương pháp trộn kín sở phối trộn PVC với phụ gia chống cháy nhôm hydroxit (ATH), kẽm borat (ZB) nanoclay Ảnh hưởng phụ gia chống cháy đến cấu trúc, tính chất lý khả chống cháy vật liệu PVC nanocompozit khảo sát Kết đưa vào polyme PVC với hàm lượng 5% ATH, 5% ZB 1,5% nanoclay vật liệu PVC nanocompozit cho khả chống cháy cao (giá trị LOI đạt 31,2%) tổng thời gian cháy (t1+t2) 1,2s Các tính chất lý mô đun đàn hồi, độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt vật liệu đạt kết tốt, giá trị 34,5MPa, 27,1MPa 295,0% Từ khóa: PVC, nanocompozit, ATH, ZB, nanoclay, chống cháy ABSTRACT In this study, flame retardant polyvinyl chloride (PVC) nanocomposites were prepared successfully by melt blending in the internal mixer of PVC and conventional fire retardants (aluminum hydroxide (ATH), zinc borate (ZB), and nanoclay) The effect of flame retardant on the structure, mechanical, and fireresistant properties of PVC nanocomposites were investigated The results showed that in the nanocomposite with 1.5 wt% nanoclay, wt% ATH, and wt% ZB, limiting oxygen index (LOI) reaches 31.2%, UL-94 V-0 rating was obtained (total time of burn was 1.2 seconds) Moreover, mechanical properties of PVC nanocomposite such as modulus of elasticity, tensile strength, and elongation at break achieved good results, respectively 34.5MPa, 27.1MPa, and 295.0% Keywords: PVC, nanocompozit, ATH, ZB, nanoclay, flame-retardant Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam * Email: hoangmaiha@ich.vast.vn Ngày nhận bài: 20/02/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 MỞ ĐẦU Polyvinyl clorua (PVC) vật liệu tổng hợp nhân tạo sớm có lịch sử dài sản xuất công nghiệp [1] Đây polyme thương mại Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn quan trọng ứng dụng để chế tạo nhiều loại sản phẩm khác [2] Với hàm lượng clo cao (chiếm 57% trọng lượng) nên PVC có khả chống cháy tốt [3] Tuy nhiên, vật liệu PVC compozit ứng dụng thực tế hầu hết bổ sung lượng lớn chất hóa dẻo để dễ gia cơng, có mặt chất hóa dẻo làm giảm khả chống cháy PVC [4] Ngoài ra, độ ổn định nhiệt thấp, dễ bị oxy hóa nhiệt tác động nhiệt độ cao ánh sáng tử ngoại nên khả ứng dụng PVC bị hạn chế [5] Do đó, nhà khoa học nước giới nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu PVC khắc phục nhược điểm nhằm nâng cao tiềm ứng dụng PVC Hiện nay, vật liệu PVC nanocompozit loại vật liệu có tính lý, kỹ thuật cao, khả bền nhiệt chống cháy tốt, có tính chất che chắn (barie) tốt [6] Vật liệu PVC nanocompozit gồm pha PVC pha gia cường vật liệu chống cháy vơ có kích thước nano mét Vật liệu lai hữu - vô hứa hẹn tạo hệ vật liệu đầy triển vọng làm sản phẩm chống cháy ứng dụng ngành công nghiệp xây dựng Hệ vật liệu tích hợp cách tổng thể lợi polyme hữu vật liệu vô Trong số vật liệu chống cháy vô điển hình nhơm hydroxit (ATH) kẽm borat (ZB) hợp chất chống cháy phi halogen lựa chọn sử dụng nhiều rộng rãi giá thành thấp, phổ biến, khơng độc hại có tính tương hợp tốt với pha polyme [7] Các công trình nghiên cứu vật liệu chống cháy PVC compozit cho thấy có mặt ATH hay ZB trình cháy hạn chế phát sinh chất khí độc hại gây ăn mịn, giảm lượng khói cho khả chống cháy tốt [8] Tuy nhiên, tính chất lý vật liệu PVC compozit bị suy giảm phụ gia vô phân bố không đồng polyme hữu Trong đó, nanoclay (đã biến tính) biết đến phụ gia vô chống cháy tốt Các lớp phylosilicat mở rộng, chí bóc tách phân tử hữu điều kiện thích hợp [9] Hơn nữa, lượng nhỏ nanoclay đưa vào polyme nâng cao tính chất lý, khả bền nhiệt, khả chống Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 115 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cháy cho vật liệu [10, 11] Nanoclay biến tính thân thiện với mơi trường giá thành rẻ nhiều so với phụ gia nano khác Trong nghiên cứu này, để nâng cao đồng thời tính chất lý khả chống cháy cho vật liệu PVC, vật liệu PVC nanocompozit chế tạo phương pháp trộn kín sở phối trộn polyme hữu PVC với phụ gia chống cháy vô ATH, ZB nanoclay P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 trình tổng hợp compozit PVC mục 2.2.2.1 Thành phần phối liệu mẫu thể bảng Bảng Thành phần phối liệu vật liệu compozit nanocompozit PVC Kí hiệu mẫu Mẫu THỰC NGHIỆM PVC0 PVC 52,68 0,78 0,78 2.1 Nguyên vật liệu hóa chất PVC1 5ATH/PVC 51,06 0,76 Nhựa polyvinyl clorua (PVC, Nhật Bản) mác TH-1600, dạng bột màu trắng, số Ficken KF = 62 - 63 Chất ổn định bao gồm magie sterat kẽm sterat chất bột màu trắng, xuất xứ Sigma - Đức Chất hóa dẻo dioctyl phtalat (DOP, Hàn Quốc), tỷ trọng 0,986g/cm3 Nhôm hydroxit (ATH), kẽm borat (ZB) sản phẩm bột mịn, xuất xứ Mỹ Nanoclay chế tạo khống sét tự nhiên montmorilonit (Việt Nam) biến tính với dimethyl dioctadecyl ammonium chloride (xuất xứ Mỹ) có khoảng cách lớp d001 = 31,5Å PVC2 10ATH/PVC 49,38 PVC3 15ATH/PVC 47,64 2.2 Tổng hợp vật liệu 2.2.1 Hóa dẻo ổn định PVC Bột PVC nguyên sinh chất hóa dẻo DOP (30% so với khối lượng bột PVC) chất ổn định nhiệt (1,5% magie stearat 1,5% kẽm stearat - so với khối lượng bột PVC) bảng trộn đều, sau ủ nhiệt 85oC tủ sấy có khơng khí tự nhiên đối lưu Sau thời gian giờ, tổ hợp PVC/DOP thu dạng bột khô tơi 2.2.2 Chế tạo vật liệu nanocompozit chống cháy PVC 2.2.2.1 Chế tạo mẫu PVC compozit Các mẫu PVC compozit (từ mẫu PVC0 đến mẫu PVC7 bảng 1) chế tạo theo bước: Trước tiên, hỗn hợp PVC thu mục 2.2.1 phụ gia chống cháy vô ATH ZB (bảng 1) trộn sơ máy nghiền Pulverisette để thu bột mịn tơi Sau đó, hỗn hợp bột nạp vào buồng trộn thiết bị trộn kín Haake (Đức) gia nhiệt đến 170oC, tốc độ quay roto 60 vòng/phút Dưới tác động quay roto nhiệt cung cấp cho buồng trộn, nguyên liệu trộn chuyển sang dạng chảy nhớt Sau phút trộn nóng chảy, hỗn hợp nhựa lấy khỏi buồng trộn nhanh chóng ép phẳng máy thủy lực TOYOSEIKI (Nhật Bản) nhiệt độ 195oC phút, với lực ép 10 - 12MPa, sau mẫu để nguội tự nhiên Trước xác định tính chất hình thái cấu trúc cần lưu trữ, để mẫu ổn định tự nhiên mơi trường phịng thí nghiệm sau 24 2.2.2.2 Chế tạo mẫu PVC nanocompozit Phụ gia nanoclay với hàm lượng khác phối trộn PVC compozit để tạo nanocompozit Các mẫu vật liệu PVC nanocompozit (từ mẫu PVC8 đến mẫu PVC12 bảng 1) thực quy trình chế tạo tương tự quy 116 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) PVC (g) Magie Kẽm DOP ATH ZB sterate sterate (g) (g) (g) (g) (g) 15,8 Nano clay (g) 0 0,76 15,32 3,57 0 0,74 0,74 14,81 7,3 0 0,72 0,72 14,29 11,18 0 PVC4 5ZB/PVC 51,21 0,77 0,77 15,36 3,59 PVC5 10ZB/PVC 49,66 0,75 0,75 7,34 PVC6 15ZB/PVC 48,07 0,72 0,72 14,42 11,28 PVC7 5ATH/5ZB/PVC 49,54 0,74 0,74 14,86 3,66 3,66 PVC8 0,5n-clay/5ATH 43.47 /5ZB/PVC 0.65 0.65 13.05 3.23 3.23 0.32 PVC9 1n-clay/5ATH/ 43,29 5ZB/PVC 0,65 0,65 12,99 3,23 3,23 0,65 PVC10 1,5n-clay/5ATH 43,11 /5ZB/PVC 0,65 0,65 12,93 3,24 3,24 0,97 PVC11 2n-clay/5ATH/ 42,94 5ZB/PVC 0,64 0,64 12,88 3,24 3,24 1,3 PVC12 2,5n-clay/5ATH 42,76 /5ZB/PVC 0,64 0,64 12,83 3,25 3,25 1,62 14,9 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 2.3.1 Phương pháp xác định tính chất lý Các tính chất lý vật liệu bao gồm: độ bền kéo đứt, độ giãn dài đứt mô đun đàn hồi đo theo tiêu chuẩn ASTM D638 máy GOTECH AI-7000M (Đài Loan), tốc độ kéo 50mm/phút nhiệt độ phịng Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Mỗi loại mẫu đo lần để lấy giá trị trung bình 2.3.2 Xác định khả chống cháy theo phương pháp UL-94V Khả chống cháy vật liệu tổ hợp compozit nano compozit PVC đánh giá phương pháp UL94-V (Vertical Burning Test) phương pháp thử nghiệm khả chống cháy vật liệu thử nghiệm với lửa theo phương thẳng đứng Phương pháp áp dụng dựa theo tiêu chuẩn ASTM D 3801 Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Các mẫu kiểm tra khả chống cháy chuẩn bị theo kích thước: 125 x 13 x 3mm3 Sau đó, mẫu thí nghiệm đốt lửa mồi cháy sau 10 giây khí metan xác định thời gian cháy t1, có tự tắt cháy tiếp tục mồi cháy 10 giây ghi lại thời gian cháy t2 Mỗi lần mồi lửa xong, lửa dịch xa mẫu 130cm Sau tắt cháy lần hai, mẫu cịn tàn than dư, thời gian ghi t3 Điều kiện, tiêu chuẩn đánh Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 giá khả chống cháy theo UL94-V với mức chống cháy polyme V-0 (khả chống cháy tốt nhất), V-1 (khả chống cháy khá) V-2 (khả chống cháy trung bình) xu tăng dần ATH ZB chất độn cứng có kích cỡ micromet 2.3.3 Xác định khả chống cháy theo phương pháp LOI Chỉ số oxy giới hạn (Limited oxygen index - LOI) hàm lượng % thể tích oxy thấp đủ để trì cháy vật liệu Phương pháp xác định dựa tiêu chuẩn ASTM D 2863-97 với kích thước mẫu 130 x 10 x 3mm3 Chỉ số LOI mẫu xác định thiết bị Yasuda 214 Đại học Bách khoa Hà Nội KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng phụ gia chống cháy vơ đến tính chất vật liệu compozit chống cháy PVC 3.1.1 Ảnh hưởng phụ gia chống cháy vơ đến tính chất lý mẫu vật liệu PVC compozit Tính chất vật liệu PVC compozit không phụ thuộc vào yếu tố chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn công nghệ gia cơng mà cịn phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất gia cường Trong nghiên cứu này, thành phần khác điều kiện công nghệ cố định, khảo sát ảnh hưởng hàm lượng phụ gia chống cháy vơ tới tính chất học vật liệu Kết nghiên cứu ảnh hưởng chất gia cường chống cháy vô (ATH ZB) tới tính chất lý vật liệu thể bảng Bảng Tính chất lý mẫu vật liệu compozit PVC Độ bền kéo Độ dãn dài đứt đứt (MPa) (%) Mơ đun đàn hồi (MPa) STT Kí hiệu mẫu Mẫu PVC0 PVC 25,7 289,5 30,1 PVC1 5ATH/PVC 24,8 260,6 32,7 PVC2 10ATH/PVC 23,7 230,0 33,1 PVC3 15ATH/PVC 22,5 205,1 33,6 PVC4 5ZB/PVC 23,5 274,1 32,0 PVC5 10ZB/PVC 21,4 257,3 32,3 PVC6 15ZB/PVC 19,2 240,0 33,0 PVC7 5ATH/5ZB/PVC 24,2 271,0 33,3 Nhìn chung có mặt phụ gia chống cháy ATH ZB vật liệu PVC compozit gây suy giảm tính chất lý độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt hỗn hợp PVC Hàm lượng thích hợp vật liệu chống cháy đưa vào polyme tối đa 10%, tăng hàm lượng chúng lên 15% tính hỗn hợp PVC suy giảm rõ rệt Nguyên nhân dẫn tới suy giảm lực liên kết yếu chất độn vô polyme hữu Hơn nữa, hàm lượng kích thước hạt lớn phụ gia chống cháy làm cho khả phân tán chúng polyme khơng đồng đều, có xu hướng dễ kết tập Riêng mô đun đàn hồi vật liệu Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Ảnh SEM PVC (a), compozit ATH/PVC (b) compozit ZB/PVC (c) Hình Biểu đồ so sánh tính chất lý số mẫu vật liệu PVC compozit (a) Độ bền kéo đứt; (b) Độ dãn dài đứt; (c) Mô đun đan hồi Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 117 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng cho thấy mức độ ảnh hưởng chất chống cháy tới tính hỗn hợp PVC khác Việc bổ sung thành phần ATH cho kết độ bền kéo đứt giảm nhẹ so với vật liệu PVC compozit có chứa thành phần ZB Chẳng hạn như, độ bền kéo đứt compozit 10ATH/PVC 23,7MPa, tương ứng giảm 7,78% so với độ bền kéo hỗn hợp PVC ban đầu (25,7MPa) Trong đó, suy giảm độ bền kéo đứt 10ZB/PVC compozit (21,4MPa) lên tới 16,73% so với hỗn hợp PVC ban đầu Đối với tính chất độ dãn dài đứt có mặt ZB sản phẩm compozit cho kết suy giảm thấp so với compozit chứa ATH Cụ thể, độ dãn dài đứt mẫu compozit 10ZB/PVC giảm so với ban đầu 11,12% suy giảm mẫu compozit 10ATH/PVC 20,55% Kết tính cho thấy vật liệu chống cháy có tính chất ưu việt riêng Một số báo cáo chứng minh rằng, kết hợp vật liệu chống cháy vô cho sản phẩm tổ hợp có tác dụng hạn chế suy giảm tính chất lý tốt so với việc sử dụng vật liệu riêng rẽ [12] Thật vậy, có mặt đồng thời 5% ATH 5% ZB mẫu PVC7 cho kết tính chất lý tốt so với mẫu vật liệu PVC compozit chứa thành phần chất chống cháy Sự ưu việt thể hình 3.1.2 Ảnh hưởng phụ gia chống cháy vơ tới tính chất chống cháy vật liệu PVC compozit Để tăng khả chống cháy giảm lượng khí HCl hỗn hợp PVC chứa chất hóa dẻo, vật liệu chống cháy vơ ATH ZB bổ sung trình chế tạo PVC compozit Khả chống cháy mẫu vật liệu đánh giá giá trị LOI (chỉ số oxy giới hạn) tổng thời gian cháy t1+t2 (s) cho mẫu sau lần đốt mẫu theo tiêu UL94-V Kết tính chất chống cháy mẫu vật liệu PVC compozit thể bảng Bảng Kết kiểm tra tính chất chống cháy mẫu PVC compozit Tổng thời Đánh giá LOI gian cháy theo (%) t1 + t2 (s) UL94-V TT Kí hiệu mẫu Mẫu PVC0 PVC 7,5 V-0 25,5 PVC1 5ATH/PVC 3,5 V-0 28,1 PVC2 10ATH/PVC 1,9 V-0 30,0 PVC3 15ATH/PVC 0,5 V-0 32,0 PVC4 5ZB/PVC 3,8 V-0 27,8 Ghi Khơng có giọt cháy rơi xuống, nhiều khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có tàn than cháy dư, khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có tàn than cháy dư, khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có tàn than cháy dư, khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có tàn than cháy dư, giảm khói 118 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) PVC5 10ZB/PVC 2,1 V-0 PVC6 15ZB/PVC 0,7 V-0 PVC7 5ATH/5ZB /PVC 1,7 V-0 Khơng có giọt cháy rơi 29,8 xuống, khơng có tàn than cháy dư, khói Khơng có giọt cháy rơi 31,7 xuống, khơng có tàn than cháy dư, khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có tàn 30,3 than cháy dư, khói Kết thử nghiệm cháy cho thấy tất mẫu tự tắt cháy sau hai lần mồi lửa, khơng có tàn than cháy dư, khơng có giọt cháy rơi xuống, thời gian cháy t3 bỏ qua Đối với mẫu PVC0 ban đầu chưa có mặt phụ gia chống cháy tổng thời gian cháy (t1+t2) 7,5s có nhiều khói từ q trình cháy Các mẫu compozit PVC1 đến PVC7 (có chứa chất độn vơ cơ) cho kết tổng thời gian cháy (t1+t2) ngắn nhiều so với hỗn hợp PVC ban đầu lượng khói Trong đó, mẫu compozit PVC7 (mẫu vật liệu có chứa đồng thời ATH ZB) có tổng thời gian cháy (t1+t2) 1,7s Việc đánh giá số LOI loại compozit PVC cho kết tương đồng với đánh giá khả chống cháy chúng theo UL-94V Có nghĩa giá trị LOI compozit PVC đạt kết cao so với giá trị LOI hỗn hợp PVC bạn đầu Giá trị LOI mẫu PVC7 đạt 30,3% cao compozit chứa thành phần chất chống cháy (PVC2 PVC5) cao hẳn giá trị LOI hỗn hợp PVC ban đầu tới 18,82% Ngoài ra, kết đo số oxy giới hạn cho thấy khơng có chênh lệch nhiều giá trị LOI hai compozit chứa ATH ZB hàm lượng Như thấy rằng, bổ sung đồng thời ATH ZB- hợp chất vơ cơ, khơng cháy, có khả hấp thu nhiệt góp phần giảm khả cháy tổ hợp PVC chứa chất hóa dẻo Cơ chế chống cháy chúng tiếp xúc với nguồn nhiệt, ATH phân hủy thu nhiệt làm chậm trình nhiệt phân giảm tốc độ cháy polyme Trong đó, vật liệu ZB (2ZnO.3B2O3.3.5H2O) giải phóng lượng nước kết tinh hình thành lớp phủ giống thủy tinh (glasslike) Lượng nước kết tinh giải phóng giúp pha loãng nồng độ oxy thành phần khí dễ cháy khác Lớp phủ thủy tinh đóng vai trị chất cách nhiệt tốt, bảo vệ PVC khỏi nhiệt độ oxy, đồng thời giảm lượng khí từ phân hủy polyme Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hợp chất vơ cịn trạng thái rắn nên làm tăng ma sát nội vật liệu PVC dẫn tới tăng mômen xoắn hệ Mẫu vật liệu PVC nanocompozit sau chế tạo phân tích cấu trúc phổ FT-IR, kết thu hình Hình Tính chất mẫu vật liệu PVC compozit (a) Mối tương quan số oxy giới hạn LOI (i) độ giãn dài đứt (ii), (b) Mối tương quan mô đun đàn hồi (iii) độ bền kéo đứt (iv) Như vậy, kết khảo sát tính chất lý khả chống cháy mẫu vật liệu PVC compozit rằng, compozit PVC có tỉ lệ thành phần phụ gia chống cháy 5% ATH + 5% ZB cho kết đạt hai tiêu chí: Vật liệu vừa có tính chất lý tốt vừa cho khả chống cháy cao (hình 3) Do vậy, compozit tiếp tục dùng để nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit PVC 3.2 Kết nghiên cứu chế tạo đánh giá tính chất vật liệu nanocompozit chống cháy PVC 3.2.1 Kết nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit chống cháy PVC Khả chảy nhớt vật liệu phản ánh thay đổi mơmen xoắn q trình trộn hợp nóng chảy hỗn hợp PVC vật liệu chống cháy Sự biến đổi mômen xoắn mẫu vật liệu PVC thể hình Mô men xoắn (N.m) 30 PVC 5ATH/5ZB/PVC 1,5n-clay/5ATH/5ZB/PVC 25 20 15 (ii) 3630 461 1043 510 457 (i) 1718 1478 615 3625 1723 4000 3500 3000 1480 2500 2000 1500 Số sóng (cm-1) 1000 500 Hình Phổ FT-IR mẫu vật liệu (i) PVC; (ii) 1,5n-clay/5ATH/5ZB/PVC; (iii) nanoclay Một số pic đặc trưng nanoclay như: pic hấp thụ tần số 461cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng góc liên kết Si-O-Si, pic 1043cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-O pic 3630 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm O-H tự xuất phổ FT-IR PVC nanocompozit Tuy nhiên, pic không thực rõ nét hàm lượng nanoclay chứa mẫu nanocompozit nhiều so với hàm lượng hỗn hợp PVC Ngược lại pic đặc trưng PVC như: pic 1480cm-1 đặc trưng cho dao động CH2-Cl, pic 615cm-1 đặc trưng cho dao động CCl pic hấp thụ 1723cm-1 đặc trưng C=O DOP thể cách rõ nét phổ hồng ngoại mẫu vật liệu nanocompozit Bên cạnh đó, phổ FT-IR PVC nanocompozit cho thấy có mặt hai phụ gia chống cháy ATH ZB, cụ thể pic hấp thụ tần số 510cm-1 đặc trưng cho liên kết Al-O pic hấp thụ tần số 457cm-1 đặc trưng cho liên kết Zn-O 3.2.2 Đánh giá khả chống cháy vật liệu nanocompozit PVC 10 0.0 Độ truyền qua (%) (iii) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Thời gian trộn (phút) 3.5 Hình Giản đồ mômen xoắn mẫu vật liệu PVC Kết cho thấy, sau nạp hỗn hợp PVC vào buồng trộn mơmen xoắn vật liệu giảm theo thời gian trộn PVC bị mềm nóng chảy Khi có mặt thêm chất độn vơ ATH, ZB nanoclay mơmen xoắn compozit PVC7 (5ATH/5ZB/PVC) nanocompzoit PVC10 (1,5n-clay/5ATH/5ZB/PVC) tăng lên so với mômen xoắn hỗn hợp PVC ban đầu Có nghĩa hỗn hợp PVC khó chảy nhớt thêm vật liệu chống cháy vô Cụ thể, q trình trộn kín, nhiệt độ nóng chảy PVC, Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Khả chống cháy vật liệu PVC nano compozit có chứa hàm lượng phụ gia nanoclay khác khảo sát Kết kiểm tra tính chất chống cháy nanocompozit theo UL94-V cho thấy mẫu đạt V-0 tổng thời gian cháy ngắn (bảng 4) Đồng thời, vật liệu nanocompozit đạt số LOI cao so với mẫu compozit PVC hỗn hợp PVC ban đầu Cụ thể, giá trị LOI mẫu nanocompozit 1,5n-clay/ 5ATH/5ZB/PVC 2n-clay/5ATH/5ZB/PVC 31,2% 31,4%, tăng so với compozit PVC (LOI = 30,3%) hỗn hợp PVC ban đầu (LOI = 25,5%) Nanoclay đóng vai trị chất chống cháy hoạt động pha rắn Sự tương tác tốt clay với PVC hình thành cấu trúc nano bóc tách có khả che chắn, hấp thụ nhiệt cho đại phân tử PVC, hạn chế thâm nhập oxy không khí vào bên vật liệu Do Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 119 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đó, nanoclay chất chống cháy ATH, ZB thể hiệu hiệp đồng cải thiện khả chống cháy hỗn hợp PVC chứa chất hóa dẻo Bảng Kết kiểm tra tính chất chống cháy mẫu vật liệu nanocompozit PVC Mẫu PVC0 PVC PVC7 5ATH/5ZB/PVC PVC8 0,5n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 1n-clay/5ATH/ PVC9 5ZB/PVC 1,5n-clay/5ATH/ PVC10 5ZB/PVC PVC11 2n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 2,5n-clay/5ATH/ PVC12 5ZB/PVC Tổng Đánh LOI thời gian giá cháy theo (%) t1+t2 (s) UL94-V 7,5 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,8 Ghi V-0 Không có giọt cháy 25,5 rơi xuống, nhiều khói V-0 Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 30,3 tàn than cháy dư, khói V-0 Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 30,5 tàn than cháy dư, khói ngắn, khói Khi hàm lượng nanoclay tăng 1,5% tính chất lý PVC nanocompozit giảm Điều có nghĩa là, đưa lượng nhỏ nanoclay (từ đến 1,5%), điều kiện gia công, lớp clay bị bóc tách, phân tán tương đối đồng PVC Khi hàm lượng nanoclay hỗn hợp PVC lớn 1,5% số hạt nanoclay khơng phân tán kích thước nano, dẫn tới lực liên kết pha phụ gia nano yếu đi, từ tính chất lý vật liệu giảm xuống Bảng Tính chất lý vật liệu nanocompozit chống cháy PVC Kí hiệu STT mẫu Độ bền kéo Độ dãn dài đứt đứt (MPa) (%) Mẫu Mô đun đàn hồi (MPa) PVC0 PVC 25,7 289,5 30,1 PVC7 5ATH/5ZB/PVC 24,2 271,0 33,3 V-0 Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 30,8 tàn than cháy dư, khói ngắn, khói PVC8 0,5n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 26,1 290,0 33,5 PVC9 1n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 26,6 292,3 34,1 V-0 Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 31,2 tàn than cháy dư, khói PVC10 1,5n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 27,1 295,0 34,5 PVC11 2n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 26,3 290,7 34,0 PVC12 2,5n-clay/5ATH/ 5ZB/PVC 25,9 287,1 33,8 V-0 V-0 Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 31,4 tàn than cháy dư, khói ngắn, khói Khơng có giọt cháy rơi xuống, khơng có 31,5 tàn than cháy dư, khói ngắn, khói 3.2.3 Tính chất lý vật liệu nanocompozit chống cháy PVC 32 31 LOI (%) Các tính chất lý mô đun đàn hồi, độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt vật liệu nanocompozit chống cháy PVC thể bảng Từ kết khảo sát hàm lượng phụ gia nano tới tính chất vật liệu PVC nanocompozit thấy hàm lượng nanoclay thích hợp đưa vào compozit PVC 1,5% (hình 7) Tại hàm lượng này, vật liệu 1,5n-clay/5ATH/5ZB/PVC cho kết khả chống cháy cao mà giá trị tính vật liệu cải thiện đáng kể so với hỗn hợp PVC ban đầu PVC compozit 300 (a) 295 30 290 29 285 28 280 27 275 (i) (ii) 26 270 120 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) PV C 12 PV C 11 PV C PV C PV C 10 Hình Ảnh TEM mẫu nanocompozit chứa 1,5% clay (a) chứa 2,5% clay (b) PV C 265 PV C 25 Độ dãn dài đứt (%) Kí STT hiệu mẫu Sự có mặt phụ gia nanoclay đưa vào PVC compozit cải thiện đáng kể tính chất lý vật liệu Hàm lượng nanoclay khoảng từ 1% đến 1,5% cho kết mô đun đàn hồi, độ bền đứt độ dãn dài đứt vật liệu nanocompozit tăng dần đạt cực đại hàm lượng nanoclay 1,5% Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 35 28 34 27 33 26 32 25 31 24 30 Độ bền kéo đứt (MPa) Mô đun đàn hồi (MPa) (b) (iii) (iv) 12 C PV C1 PV 10 C9 C PV PV PV C PV PV C8 23 C 29 Hình So sánh tính chất lý khả chống cháy mẫu PVC, PVC compozit PVC nanocompozit (a) Mối tương quan số oxy giới hạn LOI (i) độ giãn dài đứt (ii); (b) Mối tương quan mô đun đàn hồi (iii) độ bền kéo đứt (iv) KẾT LUẬN Đã xây dựng thành công công thức chế tạo vật liệu nanocompozit chống cháy PVC Các tỷ lệ hàm lượng thành phần phối trộn tối ưu lựa chọn (1,5% nanoclay + 5% ATH + 5% ZB + 66,5% PVC + 1% magie stearate + 1% kẽm stearate + 20% DOP) Vật liệu nanocompozit 1,5n-clay/5ATH/5ZB/PVC có mơ đun đàn hồi, độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt tốt, giá trị 34,5MPa, 27,1MPa 295,0% Đồng thời, vật liệu PVC nanocompozit cho khả chống cháy cao với giá trị LOI đạt 31,2% tổng thời gian cháy (t1+ t2) 1,2s [7] G Chai, G Zhu, S Gao, J Zhou, Y Gao, Y Wang, 2019 On improving flame retardant and smoke suppression efficiency of epoxy resin doped with aluminum tri-hydroxide Adv Compos Lett 28, 1-12 [8] Ayşe Çetin, S.Gamze Erzengin, F Burcu Alp, 2019 Various Combinations of Flame Retardants for Poly (vinyl chloride) Open Chem., 17, 980-987 [9] Dao The Minh, 2006 Nghien cuu che tao vat lieu nanocompozit tren co so polyme nhiet deo (PE, PVC) va nano- clay de lam cap dien ben thoi tiet va kho chay Science and technology topics, Vietnam Academy of Science and Technology [10] A.R Horrocks, 2008 - Nanocomposites II: Potential applications for nanocomposite-based flame-retardant systems Advances in Fire Retardant Materials, 124-158 [11] Jayrajsinh S, Gauri Shankar D, Agrawal YK, Lateef Bakre D, 2017 Montmorillonite nanoclay as a multifaceted drug-delivery carrier: A review Journal of Drug Delivery Science and Technology, 39, 200-209 [12] Zuhair Ameer, Diyar Habbeb, 2016 Production Nanoparticles by Chemical Precipitation for Use as Flame Retardant of PVC Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 10(15), 167-176 AUTHORS INFORMATION Truong Cong Doanh1, Vu Minh Tan1, Ho Thi Oanh2, Hac Thi Nhung2, Hoang Mai Ha2 Hanoi University of Industry Institute of Chemistry, Vietnam Academy of Science and Technology LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam theo đề tài mã số “TĐPCCC.04/ 21-23” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Feldman Dorel, 2014 Poly (vinyl chloride) Nanocomposites Journal of Macromolecular Science, Part A, 51(8), 659–667 [2] S Moulay, 2010 Chemical modification of poly (vinyl chloride)-Still on the run Progress in Polymer Science 35(3), 303–331 [3] Jia Puyou, Hu Lihong, Feng Guodong, Bo Caiying, Zhang Meng, Zhou Yonghong, 2017 PVC materials without migration obtained by chemical modification of azide-functionalized PVC and triethyl citrate plasticizer Materials Chemistry and Physics, 190, 25–30 [4] A.A Basfar, 2002 Flame retardantcy of radiation cross-linked poly (vinyl chloride) (PVC) used as an insulating material for wire and cable Polym Degrad Stabil 77, 221-226 [5] Kiyoshi Endo, 2002 Synthesis and Structure of Poly (vinyl chloride) Prog Polym Sci 27, 2021-2050 [6] Pan Ye-Tang, Trempont Cédric, Wang De-Yi, 2016 Hierarchical nanoporous silica doped with tin as novel multifunctional hybrid material to flexible poly (vinyl chloride) with greatly improved flame retardancy and mechanical properties Chemical Engineering Journal, 295, 451–460 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 121 ... nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit PVC 3.2 Kết nghiên cứu chế tạo đánh giá tính chất vật liệu nanocompozit chống cháy PVC 3.2.1 Kết nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit chống cháy PVC... lượng phụ gia chống cháy vơ tới tính chất học vật liệu Kết nghiên cứu ảnh hưởng chất gia cường chống cháy vô (ATH ZB) tới tính chất lý vật liệu thể bảng Bảng Tính chất lý mẫu vật liệu compozit PVC... QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng phụ gia chống cháy vô đến tính chất vật liệu compozit chống cháy PVC 3.1.1 Ảnh hưởng phụ gia chống cháy vơ đến tính chất lý mẫu vật liệu PVC compozit Tính chất vật