- Cắt mẫu thành hình mái chèo và đo trên máy đo kéo đứt của Đài Loan theo tiêu chuẩn TCVN 4509:2006 (để đo độ bền kéo đút, dãn dài khi đứt và dãn dư).
Hình 2.ỉ: Mau vật liệu cho chất cơ lý
F
Đô bên kéo đứt đươc tính theo công thức: sd= —B ,H
Trong đó:
sd: độ bền kéo đứt (MPa) hay N/mm2
F: lực kéo đút mẫu (N)
B: bề rộng mẫu (chỗ nhỏ nhất) trước khi kéo (mm) H: chiều dày mẫu (chỗ nhỏ nhất) trước khi kéo (mm)
2.3.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đút cửa vật liệu
Độ dãn dài khi đứt được tính theo công thức:
í = t i . i o o %
lo
Trong đó:
€: độ dãn dài tương đối khi đứt (%)
1(): độ dài giữa 2 điểm đánh dấu lên mẫu trước khi kéo (mm)
1]: chiều dài giữa 2 điểm đánh dấu trên mẫu ngay khi đứt (mm)
2.3.3. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu
Độ cứng của vật liệu xác định theo tiêu chuẩn TCVN 1595-1:2007. Độ cứng của vật liệu được đo bằng máy TECLOK kí hiệu Jisk 6301A. Cách đo: lau sạch bề mặt mẫu, đặt mẫu lên mặt phang nằm ngang. Dùng ngón tay ấn mạnh đồng hồ đo xuống mẫu. Đọc và ghi giá trị hiện trên đồng hồ hiển thị sau 3 giây. Mỗi vật liệu được đo ở 5 vị trí khác nhau và lấy giá trị trung bình.
2.3.4. Phương pháp xác định độ mài mòn của vật liệu
Phép đo được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 1594-87 biên soạn lại năm 2008 và được thực hiện trên máy đo Y- 634 của Đài Loan. Mầu cao su được cắt với bề rộng 15mm và được quấn chặt với con lăn, sau đó đem mài mòn với trục mài mòn. Tổng quãng đường mài mòn là 1,61 km. Sau đó mẫu được tháo ra và xác định khối lượng sau mài mòn.
Trọng lượng quả tải trọng là 2kg.
Độ bền mài mòn tính bằng thể tích của vật liệu bị mài mòn sau khi mài mòn vật liệu trên một quãng đường là 1,61 km.
V = (mI - m2) /d Trong đó:
mi: khối lượng mẫu trước khi mài mòn (g) m2: khối lượng mẫu sau khi mài mòn (g) d: khối lượng riêng của cao su đem thử (g/cm3)
2.4. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Mầu vật liệu được ngâm trong môi trường nitơ lỏng sau đó bẻ gãy rồi cắt với độ dày khoảng 2mm. Sau đó mẫu được gắn lên giá đỡ, bề mặt gãy của mẫu được đem phủ một lớp Pt mỏng, bằng phương pháp bốc hơi bay trong
chân không dưới điện áp để tăng độ tương phản. Mau được cho vào buồng đo của kính hiển vi điện tử quét SEM để chụp ảnh bề mặt gãy.
Cấu trúc hình thái của vật liệu được xác định bằng máy kính hiến vi điện tử quét (SEM) có ký hiệu JEOL JMS 6490 của Nhật Bản, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.5. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) nhiệt trọng lượng (TGA)
Phân tích nhiệt trong lượng (TGA) là một phương pháp phân tích sự thay đổi liên tục về khối lượng của mẫu theo sự tăng nhiệt độ. Phương pháp này cho thấy được các thông tin về nhiệt độ bắt đầu phân hủy, tốc độ phân hủy và phần trăm mất khối lượng của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau.
Các điều kiện đế phân tích nhiệt trọng lượng: + Môi trường: không khí
+ Tốc độ tăng nhiệt độ: 10°c/phút
+ Khoảng nhiệt độ nghiên círu: từ 30°c đến 600°c
Qúa trình phân tích TGA được thực hiện trên máy DTG-60H của hãng Shimadzu (Nhật Bản) đặt tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
C H Ư Ơ N G 3: KẾT QUẢ VÀ TH Ả O LUẬ N
3.1. Nghiên cún biến tính cao su EPDM bằng cao su BR
3.1.1. Anh hưởng của hàm lượng BR tới tính chất cơ lý của vật liệu
Tính chất của vật liệu từ cao su nói chung và cao su EPDM nói riêng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố như bản chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn và công nghệ gia công mà còn phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ các cấu tử polyme trong hợp phần. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi cố định các yếu tố về bản chất vật liệu, thành phần các phụ gia khác cũng như chế độ gia công và chỉ khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cao su tổng họp BR tới tính chất cơ học của vật liệu. Kết quả khảo sát được thể hiện trên các hình vẽ dưới đây:
Nhận thấy rằng, khi tăng hàm lượng BR thì độ bền kéo đút, độ dãn dài tương đối khi đút và độ bền mài mòn của tổ hợp vật liệu tăng dần và đạt cực đại tại hàm lượng BR là 30 %. Khi hàm lượng BR vượt quá tỷ lệ này, các tính chất này của vật liệu giảm. Riêng độ cứng của vật liệu tăng chậm khi hàm lượng cao su BR tăng. Điều này có thể giải thích do BR có độ bền kéo đút, độ dãn dài khi đút cũng như độ bền mài mòn cao hơn hơn so với cao su EPDM, còn độ cứng chỉ cao hơn của EPDM đôi chút do vậy khi phối hợp hai vật liệu này với nhau đã tạo ra hiệu ứng như vậy.
Theo các tác giả Jin Hwan Go và Chang Sik Ha [13] thì EPDM và BR hầu như không tương họp, song qua kết quả trên cho thấy, hai cấu tử này phần nào tương họp với nhau khi đồng lun hóa với DCP (thể hiện sự biến đổi của các tính chất cơ học của blend nằm trong khoảng tính chất của hai vật liệu riêng rẽ). Điều đó có thể giải thích do quá trình đồng khâu mạch với DCP dẫn đến kết quả trên. Đặc biệt ở tỷ lệ EPDM/BR 70/30, khả năng tương hợp của
hai loại cao su này là tốt nhất, chính vì vậy mà tính chất cơ học của vật liệu có phần vượt trội hơn ở các tỷ lệ khác. Từ kết quả này, blend EPDM/BR có tỷ lệ 70/30 được chọn để nghiên cứu tiếp.
3.1.2. Anh hưởng của chất làm tương hợp tới tính chất cơ học của vật liệu
Đe tăng khả năng tương hợp của cao su EPDM và BR, đã sử dụng chất tương họp VLP vào quá trình phối trộn tạo blend. Ket quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng VLP tới tính chất cơ học của vật liệu được thể hiện trên các hình vẽ dưới đây. Trong đó: Mẫu 1: EPDM/BR (70/30) Mầu 2: EPDM/BR/VLP (70/30/1) Mẫu 3: EPDM/BR/VLP (70/30/3) Mầu 4: EPDM/BR/VLP (70/30/5)
Hình 3.5: Ảnh hưởng của chất tương hợp VLP tới độ bền kéo đứt của vật liệu
Hình 3.6: Ảnh hưởng của chất tương hợp VLP tới độ dãn dài khi đút của vật liệu
0.98 ^ 0.97 G 3 0.96 ẹ 0.94 ‘Ọ* © 0.93 0.92 0.91 Mau
Hình 3.7: Ảnh hưởng của chất tương hợp VLP tới độ mài mòn của vật liệu
Hình 3.8: Ánh hưởng của chất tương hợp VLP tới độ cúng của vật liệu Nhận thấy rằng, khi có thêm chất tương hợp VLP, độ bền kéo đứt, độ mài mòn và độ dãn dài tương đối khi đứt của vật liệu được cải thiện rõ rệt. Đặc biệt ở mẫu có hàm lượng VLP là 1 % so với polyme. Điều này có thể giải thích, mặc dù cả hai vật liệu BR và EPDM cùng có độ phân cực thấp song do phân tử cồng kềnh và cấu trúc khác nhau nên việc phân tán vào nhau gặp khó khăn. Khi có thêm VLP cũng là chất phân cực thấp, song có khối lượng phân tử thấp (có Mw = 2.900) được đưa vào đã làm giảm độ nhớt của hệ, tạo điều kiện cho các đại phân tử polyme linh động hơn và dễ dàng phân tán vào nhau. Nhờ vậy làm vật liệu có cấu trúc đều đặn và chặt chẽ hơn, dẫn đến làm tăng tính năng cơ học của vật liệu. Tuy nhiên, khi hàm lượng VLP quá cao sẽ tập họp thành pha riêng, cản trở tương tác giữa các đại phân tử (giống như một chất hóa dẻo) sẽ làm giảm tính năng cơ học của vật liệu. Từ những kết quả này, hàm lượng VLP là 1% được chọn để tiếp tục nghiên cún.
3.1.3. Cấu trúc hình thái của vật liệu
Cấu trúc hình thái của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử
quét. Các hình dưới đây là ảnh chụp SEM bề mặt gãy của một số mẫu vật liệu tiêu biểu.
Hình 3.9: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu cao su blend EPDM/BR (70/30)
Hình 3.10: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu cao su blend EPDM/BR/VLP (70/30/1) Nhận thấy rằng, ở mẫu cao su blend EPDM/BR trên bề mặt gãy của vật liệu có cấu trúc thô ráp, có các vết lõm sâu. Trong khi đó bề mặt gãy ở mẫu
blend EPDM/BR có 1% VLP có cấu trúc đều đặn, chặt chẽ hơn, khả năng bám dính giữa hai cao su được cải thiện đáng kể. Chính vì vậy, vật liệu blend EPDM/BR có VLP có tính chất cơ học cao hơn hẳn.
3.1.4. Anh hưởng của quá trình biến tính tới tính chất nhiệt của vật liệu
Tính chất nhiệt của vật liệu được nghiên cún bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thực hiện trên máy phân tích nhiệt DTG-60H của hãng Shimadzu (Nhật Bản) với tốc độ nâng nhiệt là 10°c/phút trong môi trường không khí. Ket quả thu được, được trình bày trên các hình 3.11 đến hình 3.14.
D rTG A m g m in T G A °/o D TA uV 0.00- -2.0 0- -4.00- -6.00- -8.0 0-
Hình 3.1 ì: Biểu đồ TGA mẫu cao su EPDM
DrTGA mg min O.OOr -4.00* -8.00 -I2.00Ị- -16.00; -20.0(1 ì D rTG A mg min 0.00 -2.0 0- -4.00; -6.00 -8.0 0- TGA ° Ò 150.00- 100.00- 50.00- 0.00- -50.00- -100.00- DTA uV - 800.00 600.00 400.00 200.00 - 0 . 0 0 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 Time [min]
Hình 3.12: Biểu đồ TGA mẫu cao su BR
TG A °/o D TAuV 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 Time [min]
Hình 3.13: Biểu đồ TGA mẫu cao su EPDM/BR (70/30)
DrTCi.A TCÌA D TA m gmin °0 u V 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 Tim e (niinj
Hình 3.14. Giản đồ TGA mẫu cao su EPDM/BR/VLP (70/30/1)
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của quá trình biến tính tới khả năng bền nhiệt của vật liệu
Vật liệu Nhiệt độ phân hủy
mạnh nhất (°C)
Tôn hao khôi lượng tới 600 °c (%)
EPDM 436,97 99,961
BR 476,85 99,237
EPDM/BR (70/30) 452,79 và 475,62 99,810
EPDM/BR/VLP (70/30/1) 458,52 99,222
Nhận thấy rằng, EPDM có độ bền nhiệt thấp hon BR (thể hiện ở phân hủy mạnh nhất). Khi biến tính với BR, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của vật liệu đều tăng lên. Mầu blend EPDM/BR xuất hiện 2 pic nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ở 452,79 và 475,62. Vật liệu blend này khi có thêm 1% chất làm tương hợp VLP, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của vật liệu chỉ còn một pic ở 458,52°c. Điều đó chứng tỏ chất tương họp VLP đã làm tăng khả năng tương họp cho cao su EPDM và BR. Do vậy, với sự có mặt của VLP đã nâng cao khả năng bền nhiệt cũng như tính chất cơ học của vật liệu.
0.00 150.00- -2.00 100.00- -4 0 0 - 50.00- o.oc- -50.00- -10.00 _1 n n A T _
KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu thu được cho thấy rằng:
- EPDM/BR là hai polyme ít tương họp nhau, song ở tỷ lệ EPDM/BR (70/30) các cấu tử này có khả năng hòa trộn tốt với nhau hơn cả. Mặt khác, tác dụng đồng khâu mạch với DCP đã làm tăng khả năng tương họp cho vật liệu.
- Vật liệu blend EPDM/BR có tính chất cơ học, độ bền nhiệt cao hơn cao su EPDM. Đặc biệt blend EPDM/BR (70/30) có thêm 1% VLP, các tính năng này của vật liệu được cải thiện đáng kể.
- Việc biến tính EPDM bằng BR ngoài việc tăng cường tính chất cơ học, độ bền nhiệt mà còn làm giảm giá thành cho vật liệu (BR có giá thấp hơn so với EPDM). Do vậy, kết quả này còn có khả năng mở ra triển vọng ứng dụng trong thực tế của vật liệu này.
TÀI LIỆU TH A M K H ẢO
1. Hoàng Hải Hiền, Nghiên cứu chế tạo các blend trên cơ sở cao su thiên nhiên, Luận án tiến sĩ Hóa Học, Trường Đại học Vinh, 2014.
2. Thái Hoàng, Vật liệu polyme blend, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công Nghệ, 2011.
3. Thái Hoàng, Các biện pháp tăng cườìĩg sự tương hợp của các polyme trong tổ họp, Trung tâm KHTN &CNQG- Trung tâm thông tin tư liệu, Hà Nội,
2001.
4. Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện, Vật liệu tổ hợp polyme- những iru điềm và ứng dụng, Tạp chí hoạt động khoa học, số 10,
trang 37- 41,1995.
5. Nguyễn Phi Trung, Trần Thanh Sơn, Nguyễn Thạc Kim, Hoàng Thị Ngọc Lân, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 37 (3), trang 59- 63,1990.
6. B. Jungnickel, Polymer Blends, Carl Hanser Verlag, Muenchen, Wien, 3- 8,1990.
7. C. Koning, M. Van Duin, C. Pagnoulle, R. Jerome, Straegies for Compatibilization of Polymer Blend, Progress in Polymer Science, 23 (4), p. 707-757,1998.
8. Dryodhan Mangaraj, Elastomer Blends, Rubber Chemistry and Technology, 2002, 75(3), 365- 428.
9. D. R. Paul, Polymer Blend, 1, 2, Academic Press, New York, San Francisco, 1987, London.
10. D. R. Paul, Polymer Blends and Mixtures (Walsh, D. p, Higgins, J. s, Maconnachic, A.ed.), Dordrecht, 1985.
11. G. Holden, N. R. Legge, R. Quirk, H. Eschroeder, Thermoplastic Elastomer, Hanser Publisher, 2nd Edition, Munich Vienna New York, p. 369- 370,1996.
12. I. Fanta, Elastome and rubber compounding material, Amsterdam- Oxford- New York- Tokyo, p. 138- 139,1989.
13. Jin Hwan Go, Chang Sik Ha, Effect of a compatibilizer on the properties of EPDM/BR blend, Korea Polymer Journal, 3(1), 25-34, 1995.
14. J. George, L. Prasannakumari, P. Koshy, K. T. Varughese, S. Thomas, Tensile Impact Strength of blend of high-Density polyethylene and Acrylonitrile-butadiene Rubber. Effect of blend Ratio and Compatibilization, Polymer- Plastics Technology and Engineering, 1995, 34 (4), 561-579.
15. J. Noolandi, K. M. Hong, Interfacial Properties of Immiscible Homopolymer Blends in the Presence of Block Copolymers,
Macromolecules, 1982, 15 (2), 482- 492.
16. J. Noolandi, K. M. Hong, Effect of Block Copolymer at a Demixed Homopolymer Interface, Macromolecules, 1984, 17 (8), 1531- 1537.
17. J. P. Arlie, Synthetic Rubbers, 2nd, Edition, Edition technip 27 Rueginoux 75737 pari calex 15 technip, p. 45- 54,1993.
18. L. A. Utracki, Polymer Alloys and Blends, Hanser Press, New York,
1990.
19. L. A. Utracki, Compatibilization of Polymer blends, The Canadian Journal o f Chemical Engineering, 2002, 80, 1008-1016.
20. Lloyd M. Robeson, Polymer Blends, Hanser Verlag, 2007.
21. M. H. Youssef, Temperature dependence of the degree of compatibility in SBR/NBR blends by ultrasonic attenuation measurements: influence of unsutaruted polyester additive, polymer, 2001, 42 (25), 10055- 10062.