2.5.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt
Độ bền kéo đứt của vật liệu đƣợc xác định đo theo tiêu chuẩn ASTM D638.
Độ bền kéo đứt đƣợc tính theo công thức sau: Sđ = F/ (a.b) Máy trộn kín gia nhiệt Polyamit 6.6 Boehmit Máy ép gia nhiệt Polyamit/Boehmit nanocompozit
Trong đó:
- Sđ là độ bền kéo đứt (MPa) hay N/mm2 - F là lực kéo đứt mẫu (kgf)
- a là bề rộng mẫu ở phần nhỏ nhất (mm) - b là chiều dày mẫu ở phần nhỏ nhất (mm)
2.5.2. Phương pháp xác định hệ số mài mòn Taber
Chỉ số mài mòn Taber đƣợc tính theo tiêu chuẩn ASTM D4060-01 và đƣợc thực hiện trên thiết bị TABER® Abraser (Abrader) - Model 5135 của hãng Neurtek, Tây Ban Nha. Chỉ số mài mòn Taber cho biết tỷ lệ hao mòn và đƣợc tính bằng cách đo sự tổn hao khối lƣợng (tính theo miligam) trên một ngàn chu kỳ mài mòn. Chỉ số mài mòn thấp thì khả năng bền mài mòn càng cao. Công thức tính chỉ số mài mòn Taber đƣợc tính theo công thức sau: I = [(A - B) * 1000] / C
Trong đó:
I: mòn chỉ số mài mòn Taber
A: khối lƣợng mẫu trƣớc khi mài mòn (mg) B: khối lƣợng mẫu sau khi mài mòn (mg)
C: số chu kỳ kiểm tra
2.5.3. Độ bền va đập
Độ bền va đập Charpy xác định theo tiêu chuẩn ISO 179 - 2010, đo trên
Hình 2.2: Mẫu và máy thử va đập charpy
2.6. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ (FESEM) phát xạ (FESEM)
Phƣơng pháp này sử dụng một chùm tia electron năng lƣợng cao để chiếu vào bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu bị bắn ra tạo thành một chùm hạt thứ cấp đi tới catot. Tại đây nó chuyển thành tín hiệu và đƣợc khuếch đại sau đó đƣợc quét lên màn hình tạo ảnh. Mức độ rõ nét của ảnh phụ thuộc vào các hạt electron thứ cấp đến cactot, mà điều này lại phụ thuộc vào chuyển động của các hạt electron sau khi bắn ra khỏi bề mặt vật liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm của bề mặt vật liệu. Vì vậy hình ảnh thu đƣợc chính là bề mặt vật liệu.
Mẫu vật liệu ngâm trong nitơ lỏng, sau đó đƣợc bẻ gãy. Mẫu bẻ gãy đƣợc gắn lên giá đỡ, bề mặt gãy của mẫu đƣợc đem phủ một lớp platin mỏng bằng phƣơng pháp bốc bay trong chân không.
Cấu trúc hình thái của vật liệu đƣợc nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ (FESEM) thực hiện trên máy S-4800 của hãng Hitachi (Nhật Bản).
2.7. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu trên máy phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) lƣợng (TGA)
Phân tích nhiệt lƣợng TGA là một phƣơng pháp phân tích sự thay đổi liên tục về khối lƣợng của mẫu theo nhiệt độ. Phƣơng pháp này đƣa ra những thông tin về: nhiệt độ bắt đầu phân hủy, tốc độ phân hủy và phần trăm mất khối lƣợng của vật liệu ở nhiệt độ khác nhau. Các điều kiện phân tích TGA nhƣ sau:
- Môi trƣờng khảo sát: không khí. - Tốc độ tăng nhiệt độ: 10oC/phút.
- Nhiệt độ khảo sát: từ nhiệt độ phòng đến 700o
C.
Quá trình phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) đƣợc thực hiện trên máy Labsys Evo S60/58988 của hãng Setaram (Pháp).
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano boehmit tới tính chất cơ học của vật liệu liệu
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nano boehmit tới độ bền kéo của vật liệu
Tính chất của vật liệu từ polyme nói chung và từ polyamit 6,6 nói riêng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn và công nghệ gia công mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lƣợng chất độn. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi cố định các yếu tố về bản chất vật liệu cũng nhƣ chế độ gia công và chỉ khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano boehmit (BM) tới tính chất cơ lý của vật liệu. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của BM tới độ bền kéo đứt của vật liệu đƣợc trình bày trên hình 3.1:
60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 2 4 6 8 10 Hàm lượng boehmit (pkl) Đ ộ b ề n ké o đ ứ t ( M P a )
Hình 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng BM tới độ bền kéo đứt của vật liệu
Từ các kết quả trên cho thấy, khi hàm lƣợng boehmit tăng độ bền kéo đứt của vật liệu tăng mạnh và đạt giá trị lớn nhất ở hàm lƣợng boehmit là 6
pkl. Sự biến đổi các giá trị này là do khi hàm lƣợng boehmit nằm trong vùng giới hạn tối ƣu, các hạt chất độn boehmit tạo thành mạng lƣới của mình đồng thời tách các phân tử polyme ra mọi hƣớng tạo thành mạng lƣới hidrocacbon. Hai mạng lƣới đan xen, móc xích vào nhau tạo thành một cấu trúc polyme - chất độn liên tục làm tăng tính chất cơ lý của vật liệu. Khi hàm lƣợng boehmit vƣợt quá hàm lƣợng tối ƣu các hạt độn dƣ không tham gia vào mạng lƣới sẽ tạo thành pha riêng biệt phá vỡ cấu trúc đồng nhất của hệ dẫn đến làm giảm độ bền kéo đứt của vật liệu.
3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nano boehmit tới độ bền va đập của vật
liệu
Độ bền va đập của các mẫu vật liệu polyamit/boehmit với hàm lƣợng boehmit khác nhau đã đƣợc khảo sát. Các kết quả khảo sát đƣợc trình bày trên hình 3.2.
0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 Hàm lượng boehmit (pkl) Đ ộ b ề n va đ ậ p ( K J/ m 2 )
Hình 3.2: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng boehmit tới độ bền va đập của vật
liệu
Nhận thấy rằng, khi hàm lƣợng boehmit tăng thì độ bền va đập của vật liệu lại giảm. Độ va đập là hiện tƣợng phá hủy ở tốc độ cao và bị ảnh hƣởng bởi các cấu tử thành phần. Hàm lƣợng boehmit thấp thì sự phân tán cũng nhƣ sự bám dính, bao bọc của polyme vào chất gia cƣờng là rất lớn, lúc này hình thành các mạng đều, liên tục. Khi hàm lƣợng boehmit lớn hơn thì các hạt boehmit có xu hƣớng kết khối là giảm sự tƣơng tác giữa polyme và boehmit, dẫn đến cấu trúc của vật liệu không còn chặt chẽ. Dó đó, hàm lƣợng boehmit càng lớn thì độ bền va đập của vật liệu lại có xu hƣớng giảm.
3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nano boehmit tới độ mài mòn của vật liệu
Độ bền mài mòn của vật liệu polyamit/boehmit đƣợc đánh giá bằng hệ số mài mòn Taber. Các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trên bảng 3.3
0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 2 4 6 8 10 Hàm lượng boehmit (pkl) H ệ số m à i m ò n T a b e r
Hình 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng boehmit tới độ bền mài mòn của vật liệu
Kết quả trên hình 3.3 cho thấy, hệ số mài mòn của vật liệu đạt giá trị thấp nhất khi hàm lƣợng boehmit vào khoảng 4-6 pkl. Điều này có thể giải thích, ở hàm lƣợng chất độn thấp thì khả năng tƣơng tác giữa polyme và chất độn còn chặt chẽ. Khi hàm lƣợng chất độn lớn hơn, thì khả năng tƣơng tác giữa chất độn và polyme giảm dẫn đến tăng hệ số mài mòn.
3.2. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu
Cấu trúc hình thái của vật liệu polyamit 6,6 với boehmit đƣợc xác định bằng phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ (FESEM). Ảnh FESEM bề mặt gãy của các mẫu vật liệu tiêu biểu đƣợc thể hiện trên hình 3.4 đến 3.6.
Hình 3.4: Ảnh FESEM mẫu polyamit 6,6/boehmit tỷ lệ (100/4)
Hình 3.6: Ảnh FESEM mẫu polyamit 6,6/boehmit tỷ lệ (100/8)
Từ các ảnh FESEM cho thấy, ở các mẫu polyamit chứa hàm lƣợng nano boehmit thấp (4 hoặc 6 pkl), các hạt boehmit phân bố tƣơng đối đồng đều trên bề mặt của nền polyme. Trong đó, mẫu polyamit chứa 6 pkl boehmit, các hạt phân bố đồng đều hơn, bề mặt gãy của vật liệu khá mịn màng, nên cấu trúc hình thái của vật liệu chặt chẽ hơn. Do vậy, độ bền kéo đứt của vật liệu đạt giá trị lớn nhất (kết quả ở mục 3.1). Khi hàm lƣợng boehmit tiếp tục tăng (hàm lƣợng 8 pkl), trên bề mặt gãy của vật liệu có hiện tƣợng kết khối của các chất độn, dẫn tới phá vỡ cấu trúc chặt chẽ của vật liệu và tạo cho vật liệu các khuyết tật, vì vậy làm cho tính chất cơ học của vật liệu giảm.
3.3. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu
Độ bền nhiệt của vật liệu đƣợc đánh giá bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA). Kết quả phân tích nhiệt TGA của các mẫu vật liệu trên cơ sở cao su polyamit 6,6 đƣợc thể hiện trên các hình và bảng dƣới đây:
Hình 3.7: Giản đồ TGA của mẫu polyamit 6,6
Bảng 3.1: Kết quả phân tích TGA của các mẫu vật liệu trên cơ sở polyamit 6,6
Mẫu
Nhiệt độ bắt đầu phân hủy
(oC) Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất (oC) Tổn hao khối lượng đến 700o C (%) Polyamit 6,6 339,63 423,77 90,467 Polyamit 6,6/boehmit 341,38 425,28 87,306
Các kết quả trên cho thấy, độ bền nhiệt của vật liệu polyamit 6,6 đƣợc cải thiện rõ rệt khi có thêm 6 pkl boehmit, thông qua nhiệt độ bắt đầu phân hủy của vật liệu tăng từ 339,63o
C lên 341,38oC và nhiệt độ phân hủy mạnh nhất tăng gần 2oC, tổn hao khối lƣợng giảm từ 90,467% xuống 87,306%. Điều này có thể giải thích, một mặt do boehmit là chất độn vô cơ nên khi đƣa vào nền polyme đã làm tăng ổn định nhiệt, mặt khác chúng đóng vai trò cách nhiệt và làm hàng rào ngăn cản quá trình chuyển khối của các chất dễ bay hơi sinh ra trong quá trình phân hủy. Chính vì vậy, với hàm lƣợng nano boehmit thích hợp đã làm tăng khả năng bền nhiệt cũng nhƣ tính chất cơ học của vật liệu.
KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu thu đƣợc cho thấy rằng:
- Nano boehmit là chất độn gia cƣờng tốt cho polyamit 6,6, chúng có thể cải thiện một số tính chất cơ lý của vật liệu. Hàm lƣợng nano boehmit tối ƣu dùng để gia cƣờng cho polyamit là 6 pkl.
- Với hàm lƣợng nano boehmit thấp (≤ 6 pkl), cấu trúc của vật liệu chặt chẽ hơn, các hạt boehmit phân tán đồng đều trong nền polyme với kích thƣớc nhỏ hơn và tƣơng tác với nền polyme tốt hơn.
- Độ bền nhiệt của polyamit 6,6 đƣợc cải thiện đáng kể với 6 pkl boehmit (nhiệt độ bắt đầu phân hủy và phân hủy mạnh nhất tăng thêm gần 2oC).
Vật liệu polyamit 6,6/boehmit (100/6) nanocompozit có tính chất cơ lý, kỹ thuật đáp ứng đƣợc cho việc chế tạo bi văng xe ga và các sản phẩm nhựa kỹ thuật chất lƣợng cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. La Văn Bình, Khoa học và công nghệ vật liệu, NXB Đại học Bách khoa, Hà Nội (2002).
2. Đỗ Quang Kháng, Vật liệu Polyme - Vật liệu Polyme tính năng cao, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Hà Nội (2013).
3. Bùi Chƣơng, Trần Hải Ninh, Trần Khánh Duy, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyamit 6/clay nanocompozit bằng phƣơng pháp nóng chảy, Tạp chí Hóa học, 42(4), 488-491, (2004).
4. Bùi Chƣơng, Trần Hải Ninh, Lê Mai Loan, Đặc trƣng phá hủy của vật liệu polyamit 6/clay nanocompozit, Tạp chí Hóa học, 44(1), 67-70, (2006). 5. Nguyễn Hữu Niếu, Dƣơng Tử Tiên, Nguyễn Tiến Cƣờng, Nguyễn Hoàng
Dƣơng, Nghiên cứu chế tạo PA6/clay nanocompozit để làm vật liệu bạc lót trƣợt hoạt động trong môi trƣờng nƣớc, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 14(K1), 39-45, (2011).
6. Đỗ Quang Kháng, Cao su-Cao su blend và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ Hà Nội (2012).
Tiếng Anh
7. P. Jawahar, M. Balasubramanian, Preparation and Properties of Polyester- Based Nanocompozites Gel Coat System, Journal of Nanomaterials, 1-7 (2009).
8. Vigo-kinzig, Composite applications the role of matrix fiber and interface, VHC Publisher Inc, p. 3-30, (1992).
9. Bahadur S., Gong D., Anderegg J., Investigation of the Influence of CaS, CaO and CaF2 Fillers on the Transfer and Wear of Nylon by Microscopy and XPS Analysis, Wear, 197, 271-279, (1996).
10. Garcia M., De Rooij M., Winnbust L., Van Zyl W.E., Verweij H.,
Friction and Wear Studies on Nylon 6/SiO2 Nanocomposites, Journal of Applied Polymer Science, 92, 1855-1862, (2004).
11. Dasari A., Yu Z.Z., Mai Y.K., Hu G.H., Varlet J., Clay Exfoliation and Organic Modification on Wear of Nylon 6 Nanocomposites Processed by Different Routes, Composite Science and Technology, 65, 2314-2328, (2005).
12. Zhou Q., Wang K., Loo L.S., Abrasion Studies of Nylon 6/Montmorillonite Nanocomposites Using Scanning Electron Microscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and X-ray Photoelectron Spectroscopy, Journal of Applied Polymer Science, 113, 3286-3293, (2009).
13. Sirong Y., Zhongzhen Y., Yiu-Wing M., Effects of SEBS-g-MA on Tribological Behavior of Nylon 66/organoclay Nanocomposites, Tribology International, 40, 855-862, (2007).
14. Xavier Kornmann, Synthesis and characterisation of Thermoset – clay nanocomposites”, Lulea Tekniska Universite (1999).
15. Chang L., Zhang Z., Zhang H., Schlarb A.K., On the Sliding Wear of Nanoparticle Filled Polyamide 66 Composites, Composite Science and Technology, 66, 3188-3198, (2006).
16. Zhenghai Tang, Chengfeng Zhang, Lixin Zhu, Baochun Guo, Low permeability styrene butadiene rubber/boehmite nanocomposites modified with tannic acid, Materials and Design, 103, 25–31, (2016).
17. Noraiham Mohamad, Andanastuti Muchatar, Mariyam Jameelah Ghazali, Dahlan Mohd and Che Husna Azhari, Investigation on impact fracture of epoxidized natural rubber-alumina nanoparticle composites, Global Engineers & Technologist Review, 1(2), 26-34, (2011).
18. T. Lin, L. Zhu, W. Chen, S. Wu, B. Guo, D. Jia, Reactivity of sulfide- containing silane toward boehmite and in situ modified rubber/boehmite composites by the silane, Appl. Surf. Sci., 280, 888–897 (2013).
19. W. Chen, S. Wu, Y. Lei, Z. Liao, B. Guo, X. Liang, D. Jia, Interfacial structure and performance of rubber/boehmite nanocomposites modified by methacrylic acid, Polymer, 52, 4387–4395 (2011).
20. Z. Florjanczyk, M. Debowski, A. Wolak, M. Malesa, J. Plecha, Dispersions of organically modified boehmite particles and a carboxylated styrene– butadiene latex: a simple way to nanocomposites, Journal of Applied Polymer Science, 105, 80–88 (2007).
21. F. Tuba, V.M. Khumalo, J. Karger-Kocsis, Essential work of fracture of poly (ϵ-caprolactone)/boehmite alumina nanocomposites: effect of surface coating, J. Appl. Polym. Sci., 129, 2950–2958 (2013).
22. M. Arroyo, Organo-Montmorrillonite as substitue of carbon black in natural rubber compounds, Polymer, 44, 2447-2453, (2003).
23. Nanotechnology: The Technology for the 21st Centery, Vol. II The Full Report, Bangkok, Thailand, August, (2002).