Phân tích TGA được đo trên máy SETARAM - khoa Hóa trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên. Các điều kiện phân tích: môi trường không khí, tốc độ tăng nhiệt độ: 10℃/phút, khoảng nhiệt độ nghiên cứu: 0 - 900℃.
23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu PVA/TBKT/nanoclay
Về bản chất giữa các phân tử PVA và TBKT liên kết với nhau bởi liên kết hidro như mô tả dưới đây:
CH2 HC OH CH2 CH OH O O O OH OH CH2OH O OH OH CH2OH CH2 HC HO CH2 CH OH
K2S2O8 được bổ sung trong quá trình tạo mẫu đóng vai trò là chất khâu mạch, cơ chế của quá trình này diễn ra theo ba giai đoạn [1316]
+ Giai đoạn khơi mào tạo gốc tự do:
' 1 k 2 2 2 8 4 S O 2SO 1
+ Giai đoạn phát triển mạch tạo liên kết ngang (khâu mạch): 2 4 SO + CH OH 2 k OH C (2)
24 + Giai đoạn tắt mạch. 2 4 HSO ' 4 k (5) OH C + SO24 C = O
Trên cơ sở nền PVA/TBKT được khâu mạch bởi K2S2O8, chúng tôi đã tiến hành cố định điều kiện chế tạo, chỉ khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất của vật liệu PVA/TBKT. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất cơ học của vật liệu được mô tả trong bảng 3.1 và các hình dưới đây.
Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của vật liệu PVA/TBKT/nanoclay
Mẫu Độ bền kéo đứt
(MPa)
Độ dãn dài (%) Khả năng thấm ướt
PVA/TBKT 12,0 154 Không thấm ướt
PVA/TBKT/0,5 Nanoclay 13,2 147 Không thấm ướt PVA/TBKT/1,0 Nanoclay 13,9 138 Không thấm ướt PVA/TBKT/1,5 Nanoclay 14,8 120 Không thấm ướt PVA/TBKT/2,0 Nanoclay 15,6 111 Không thấm ướt PVA/TBKT/2,5 Nanoclay 15,0 100 Không thấm ướt PVA/TBKT/3,5 Nanoclay 13,8 92 Không thấm ướt
25
Từ dữ liệu trên bảng 3.1 ta biểu diễn được đồ thị trong hình 3.1 và hình 3.2
Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ bền kéo đứt của vật liệu
Hình 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ dãn dài của vật liệu
Nhận thấy rằng, khi thêm nanoclay làm cho độ bền cơ học của vật liệu
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Đ ộ bền kéo đứt (M P a) hàm lượng nanoclay(%) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Đ ộ dãn dà i (% ) Hàm lượng nanoclay (%)
26
tăng khá mạnh. Độ bền kéo đứt đạt tối ưu khi sử dụng 2% nanoclay, khi hàm lượng nanoclay vượt quá 2% thì giá trị độ bền kéo đứt của vật liệu lại giảm. Riêng độ dãn dài khi đứt của vật liệu luôn giảm khi tăng hàm lượng nanoclay. Điều này có thể giải thích do tới 2% nanoclay, sự phân bố của nanoclay trong nền polyme là hợp lý, các hạt nanoclay phân bố đều trong nền polyme, không chỉ CTAB đóng vai trò tách lớp nanoclay mà chính các phân tử polymer cũng đan xen làm các lớp nanoclay tách ra. Chính cấu trúc polyme – chất độn đan xen như vậy làm tăng độ bền cho vật liệu (hình 3.1). Tuy nhiên, khi vượt quá 2 % các hạt nanoclay này có thể tập hợp lại, tạo các hạt lớn hơn và thành các pha riêng biệt, làm giảm tính năng cơ học của vật liệu.
Cấu tạo hóa học của vật liệu có thể được mô tả trong sơ đồ hình 3.3:
Hình 3.3. Cấu tạo hóa học của vật liệu PVA/TBKT/nanoclay
3.2. Cấu trúc hình thái của vật liệu
Cấu trúc hình thái của vật liệu PVA/TBKT/nanoclay được biểu diễn trong ảnh SEM (hình 3.4). Khi hàm lượng nanoclay gia cường cho mẫu là 2% (hình 3.4a) thấy nanoclay phân tán khá đều trong vật liệu, kích thước mỗi lớp nanoclay khoảng 20 nm. Khi hàm lượng nanoclay tăng đến 3% (hình
27
3.4b) thì pha gia cường phân tán không còn đồng đều, có vị trí tồn tại nanoclay có bề dày khoảng 10-20 nm, đồng thời cũng có vị trí nanoclay kết cụm có bề dày khoảng 40-100 nm. Vì vậy hàm lượng thích hợp của nano trong vật liệu chỉ trong ngưỡng 2%.
(a)
(b) Hình 3.4. Ảnh SEM của PVA/TBKT/2% nanoclay (a); PVA/TBKT/3%
28
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu màng PVA/TBKT/nanoclay
Cũng từ hình 3.5 có thể thấy rõ pic phản xạ (001) của nanoclay xuất hiện tại góc 2 = 20o với khoảng cách cơ sở d = 0,45 nm. Với khoảng cách cơ sở này, các lớp của nanoclay ban đầu vẫn ở trạng thái trật tự. Sau khi được đưa vào nền vật liệu tổ hợp PVA/TBKT, khoảng cách cơ sở của nanoclay tăng lên 1,26 nm với góc phản xạ 2 = 8,35o. Với sự dịch chuyển về phía góc hẹp này cho thấy rằng, cấu trúc các lớp của nanoclay đã bị thay đổi và chuyển thành cấu trúc xen lớp trong mạng nền blend của PVA/TBKT. Chính vì vậy mà hầu hết các tính năng cơ học của vật liệu tăng lên đáng kể.
Phân tích nhiệt của vật liệu PVA/TBKT được xác định trên máy SETARAM trong khoảng nhiệt độ từ 0oC đến 900o
C. Những kết quả phân tích thu được, được thể hiện ở hình 3.6 dưới đây.
1,26 nm
29
Hình 3.6. Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu PVA/TBKT
Có 4 vùng giảm khối lượng, vùng 1 khoảng 40 – 200 ℃ là vùng giảm khối lượng do mất nước bao quanh phân tử tinh bột và PVA, vùng giảm khối lượng thứ hai trong khoảng 205 – 355℃ được cho là sự phân hủy chủ yếu của amylose trong tinh bột, vùng giảm khối lượng thứ ba từ 360 – 580℃ là sự phân hủy của amylopectin và PVA. Và cuối cùng gắn với sự suy giảm khối lượng do phân hủy các chất hữu cơ còn lại và nanoclay.
PVA/TBKT sẽ bị phân hủy hoàn toàn cho đến khoảng 5000C, nhưng cho đến khoảng nhiệt độ đó thì vật liệu PVA/TBKT/2% nanoclay chỉ phân hủy khoảng 72%, điều này chứng tỏ sự gia tăng mạnh độ bền nhiệt thông qua các lớp nanoclay đan xen bên trong. Có thể hiểu rằng, một mặt do nanoclay là chất độn vô cơ làm hàng rào ngăn cản quá trình chuyển khối của các chất dễ bay hơi sinh ra trong quá trình phân hủy nhiệt.
171,08℃ 291,11oC 444,05oC 752,16o C Mass variation:-16,45% Mass variation:-37,02% Mass variation:-21,35% Mass variation:-24.25%
30
3.3. Bước đầu chế tạo màng phủ nông nghiệp có khả năng phân hủy
Màng phủ nông nghiệp có tác dụng giữ ẩm, diệt cỏ dại, giữ nhiệt cho đất, chống rửa trôi, chống xói mòn cho cây trồng vì vậy làm tăng tốc độ phát triển của cây trồng; đồng thời khi phân hủy cũng đóng vai trò như một loại phân bón cho đất.
Để khảo sát sự phân hủy của màng phủ, chúng tôi tiến hành thí nghiệm phủ màng phân hủy trên thùng xốp trồng gieo hạt bầu.
Thí nghiệm cho thấy sau 5-10 ngày, màng phân hủy có hiện tượng co rút và xuất hiện mốc trắng. Sau 30 ngày vết mốc xuất hiện càng rộng, màng bị co rút đáng kể.
a) Mẫu màng phủ đất khi mới gieo b)Mẫu màng phủ khi được 10 ngày
31
KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu thu được cho thấy rằng:
- Hàm lượng thích hợp để biến tính blend PVA/TBKT bằng nanoclay là 2%. Tại hàm lượng này, vật liệu có độ bền kéo đứt là 15,6 MPa, độ dãn dài khi đứt là 111%.
- Khi hàm lượng nanoclay đạt 2% sẽ làm cho vật liệu có cấu trúc xen lớp, các hạt nanoclay phân tán đều đặn, làm gia tăng độ bền nhiệt so với vật liệu PVA/TBKT.
- Bước đầu chúng tôi đã sử dụng màng để làm màng phủ phân hủy và cho kết quả khá tốt.
32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đức Nghĩa (2009), Polyme chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano, NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ Hà Nội.
[2] Đỗ Quang Kháng (2013), Vật liệu polyme – vật liệu polyme tính năng cao,NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ Hà Nội.
[3]David Wong and Jagdish Parasrampuria (1996). “Polyvinyl alcohol”. Analytical profiles of drugsubtances and excipents, Volume 24, p. 397-441.
[4] Maria Rapa, Elena Grosu, Petruța Stoica, Mihaela Andreica, Mihaela Hetvary(2014)“ Polyvinyl alcohol and starchblends: properties and biodegra dationbehavior ”. Journal of Environmental Research and Protection, Volume 11,p.34–42.
[5] Thái Doãn Tĩnh (2005) “Hóa học hợp chất cao phân tử”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội tr.404-406.
[6] Mostafa, H. M., Sourell, H. and Bockisch.F. J (2010).“The mechanical propertiesof some bioplastics under different soil types for use as a biodegradable drip tubes”.Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript 1497, Vol.1 2 , p . 1 - 1 6 .
[7] O k a d a . M . ( 2 0 0 2 ) . “Chemical synthesis of biodegradable polymers”, Prog. Polym.Sci. 27,p.87-133.
[8] Frost. K, (2010). “Thermoplastic starch composite and blend”. School of Applied Sciences College of Sciences Engineering.
[9] Sathya Kalambur and Syed S. H. Rizvi (2006). “ An overview of starch- based plastic blends from reactive extruxion”. Journal of plastic film & sheeting.
[10] Harith I. Jaafar, Kawakib J. Majeed, Mohanad I. Kamil (2014).
33
the influence of 𝛼 − 𝑎𝑚𝑦𝑙𝑎𝑠𝑒 Solution Immersion, Soil Burial and
Water immersion”. Iraqi Journal of Science, Vol 55, No.2A, p.419 – 424.
[11] Shafik S. Shafik, Kawakib J. Majeed, Mohanad I. Kamil (2014).
“Preparation of PVA/corn starch blend fimls and studying the influence of gamma irradiation on mechanical properties”.
International Journal of Materials Science and Applications, 3(2), p.25 – 28.
[12] Nguyễn Thị Thu Thảo (2013), “Nghiên cứu tổng hợp polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polyvinyl ancol và polysaccarit tự nhiên”. Luận án tiến sĩ Khoa học Vật liệu. Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
[13]D . A . H o u s e ( 2 0 1 3 ) . “Kinetics and mechanism of oxidation byperoxy disulfate”.Victoria Univ0 ersity of Wellington, New Zealand, p.185-204. [14] I.M. Kolthofand, I. K. Miller (2011). ”The Chemistry of Persulfate. I.
The Kineticsand Mechanism of the Decomposition of the
PersulfateIonin Aqueous Medium1”Contribution from the School of
chemistry of the University of Minnesota, p. 3055-3059.
[15] Warren H. Philipp and Li-Chen Hsu (1999). “Three Methods for In Situ Cross- LinkingofPolyvinyl Alcohol FilmsforApplication as Ion-Conducting
Membranesin PotassiumHydroxide Electrolyte”, NASA Technical Paper.
[16] Yoshito Ikada, Yasuko Nishizaki, and Ichiro Sakurada (2004). “Reaction of Poly(vinyl Alcohol) with PotassiumPersulfate and Graft Copoly merization”.Journalof Polymer Science, Vol.12, p.1829-1839.