Xác định độ bền nhiệt của vật liệu PP/talc

Độ bền nhiệt của mẫu PP có chứa talc được thực hiện bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA thực hiện trên thiết bị Labsys TG/DSC Setaram (Pháp) của

30

khoa hóa học, trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Sử

dụng chén nung bằng platin, tốc độ gia nhiệt là 100C/phút, khoảng nhiệt độ

nghiên cứu từ 25 – 9000C.

Phân tích được thực hiện ở các điều kiện:

 Tốc độ nâng nhiệt : 100C/phút

 Khoảng nhiệt độ nghiên cứu : 25 – 8000C

31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định tác nhân kết nối

Khác với các loại khoáng vật khác, talc không có các nhóm hydroxyl trên bề mặt các phiến. Các nhóm hydroxyl này lại nằm ở các cạnh của phiến talc. Chính đặc điểm này mà khoáng talc có tính ưa hữu cơ hơn. Tuy nhiên biến đổi bề mặt khoáng talc để tăng khả năng tương tác với nền polyme như là chất phụ gia hoạt tính vẫn được quan tâm. Trong nghiên cứu này, hai loại tác nhân kết nối silan đã được lựa chọn để nghiên cứu biến đổi bề mặt của khoáng talc. Sản phẩm khoáng talc biến đổi bề mặt có ký hiệu là T2Mt và T2V được thể hiện trên bảng 3.1

Bảng 3.1: Các hợp chất silan sử dụng làm tác nhân kết nối

TT Tác nhân kết nối Nồng độ dung dịch silan Sản phẩm talc biến đổi bề mặt 1 - - T 2 Metacrylsilan 2 T2Mt 3 Vinylsilan 2 T2V

Tác nhân kết nối phù hợp cho khoáng talc sử dụng làm phụ gia cho PP được đánh giá và lựa chọn thông qua các tính chất cơ lý của sản phẩm compozit PP/talc.

3.2. Xác định tính chất khoáng talc xử lý bề mặt

32

Cấu trúc của hai mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng vinylsilan và metacrylsilan đã lựa chọn ở trên được xác định bằng phổ hồng ngoại biến đổi fourrier.

Hình 3.1 biểu diễn phổ hồng ngoại của khoáng talc ban đầu, chưa biến đổi bề mặt.

Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng talc ban đầu

Píc hấp thụ ở 3676,84 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết của

nhóm OH không tạo liên kết hydro. Nhóm hydroxyl này có trong tinh thể của khoáng talc. Liên kết Si – O – Si có các dao động hóa trị đặc trưng ở vùng 1010 cm-1.

33

Với các mẫu bột talc được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan, phổ hồng ngoại sẽ xuất hiện các pic hấp thụ mới đặc trưng cho phân tử silan, không xuất hiện trên phổ đồ của mẫu bột talc ban đầu.

Hình 3.2 biểu diễn phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng γ- Metacryloxypropyltrimethoxysilan (γ-MTPMS).

Nhìn trên phổ đồ ta thấy xuất hiện các pic đặc trưng mới, không xuất hiện

trên phổ của mẫu bột talc ban đầu. Pic hấp thụ ở vùng 2900 cm-1 đặc trưng cho

liên kết C - H bão hòa. Pic hấp thụ có đỉnh nhọn ở 1720 cm-1 đặc trưng cho dao

động hóa trị của liên kết C=O trong phân tử silan. Ngoài ra ta còn thấy pic hấp

thụ yếu ở khoảng 1650 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=C.

Như vậy, phổ hồng ngoại đã xác nhận sự có mặt của các phân tử metacrylsilan có trên bề mặt bột talc.

34

Quá trình biến đổi bề mặt bột talc bằng vinyltriethoxysilan được xác nhận bằng phổ FT-IR trên hình 3.3

Hình 3.3: Phổ FT-IR của talc biến đổi bề mặt với vinyltriethoxysilan Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng hợp chất vinylsilan có

các píc đặc trưng của liên kết C-H không no ở khoảng 3040 cm-1. Dao động hóa

trị của liên kết C=C ở 1627 cm-1.

3.2.2. Xác định hàm lượng silan bằng phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt là kỹ thuật phân tích định lượng hàm lượng silan được hấp phụ trên bề mặt talc trên cơ sở xác định độ suy giảm khối lượng của mẫu đo trong quá trình gia nhiệt.

Hình 3.4 thể hiện giản đồ phân tích nhiệt của mẫu khoáng talc ban đầu

35

Hình 3.4: Giản đồ phân tích nhiệt khoáng talc

Khoáng talc khá bền với nhiệt. Sự thay đổi về khối lượng chỉ diễn ra từ

khoảng 8000C. Dưới nhiệt độ này gần như không có sự thay đổi về khối lượng

nào. Với các mẫu bột talc biến đổi bằng hợp chất silan, có nhiệt độ phân hủy

thấp, đề tài chỉ khảo sát các mẫu bột talc biến đổi bề mặt đến 4000C, tốc độ gia

nhiệt thấp 50C/phút.

Nếu ở mẫu bột talc ban đầu, ở khoảng nhiệt độ dưới 8000C gần như không

có sự suy giảm khối lượng thì với mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng metacrylsilan đã có sự suy giảm 2,261% khối lượng (hình 3.5). Sự suy giảm khối

lượng chủ yếu diễn ra ở khoảng 2000C – 3000C. Phần khối lượng suy giảm này

chính là phần khối lượng của hợp chất silan có trên bề mặt bột talc sau quá trình biến đổi.

36

Hình 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột talc biến đổi bằng metacrylsilan

3.3. Khả năng tương tác của khoáng talc với nền PP

3.3.1. Tương tác trong quá trình trộn hợp

Khi khảo sát độ nhớt của polyme trong buồng kín ở nhiệt độ chảy mềm ta thấy rằng, mômen xoắn tăng nhanh ở thời gian đầu và đạt cực đại, sau đó nó giảm dần và ổn định ở giá trị cực tiểu. Hình 3.6 là giản đồ trộn hợp của PP

nguyên chất ở nhiệt độ 1800C. Sau 4 - 5 phút trộn, mômen xoắn đạt giá trị ổn

định ở 5,1 Nm. Mômen xoắn ổn định thể hiện khả năng trộn hợp ở trạng thái chảy mềm của vật liệu polyme.

37

Hình 3.6: Giản đồ trộn hợp PP ở 1800C

Các giá trị mômen xoắn ổn định của PP khi trộn hợp với bột talc chưa biến đổi bề mặt và biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau với tỷ lệ PP/talc lần lượt là 100/0, 90/10, 70/30, 50/50 được thể hiện trên bảng 3.2

Bảng 3.2: Mômen xoắn ổn định của compozit PP/talc

Hàm lượng PP/talc Mômen xoắn ổn định (N.m) PP/T PP/T2V PP/T2Mt 100/0 5,1 5,1 5,1 90/10 5,7 5,3 5,7 70/30 6,3 5,9 5,8 50/50 6,9 6,7 6,3

38

Trong đó: T: Bột talc chưa biến đổi bề mặt

T2V: Bột talc biến đổi bề mặt bằng vinyl silan

T2Mt: Bột talc biến đổi bằng metacryl silan

Từ kết quả thấy rằng, khi tăng hàm lượng bột talc đưa vào PP, mômen xoắn ổn định của các mẫu đều tăng. Khi hàm hượng bột talc cao thì quá trình phân tán của chúng vào trong nền PP trở nên khó khăn hơn, sự linh động giữa các mạch đại phân tử PP ở trạng thái chảy mềm không còn do đó mômen xoắn của hỗn hợp tăng dần và cao hơn mômen xoắn của PP không có khoáng talc.

Trường hợp bột talc biến đổi bề mặt với vinylsilan và metacrylsilan, mômen xoắn ổn định của các mẫu cũng tăng nhưng tăng chậm hơn mẫu bột talc chưa biến đổi bề mặt, điều này có thể do nhóm vinyl và metacyl trên bề mặt bột talc tạo gốc tự do, các gốc tự do này tấn công vào mạch mạch PP làm cho chúng có xu hướng bị cắt mạch tạo ra sự linh động hơn giữa các phân tử. Momen xoắn ổn định của các tổ hợp PP/T2V và PP/T2Mt ở tất cả các hàm lượng bột talc đều thấp hơn giá trị này của tổ hợp PP/T tương ứng.

3.3.2. Khả năng tương tác pha của vật liệu PP/talc

Khả năng tương tác pha của khoáng talc với nền PP được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên bề mặt gẫy của mẫu đo các vật liệu PP được gia cường bằng talc biến tính bề mặt bằng vinylsilan hoặc không biến tính bề mặt ở hàm lượng 30%.

Hình 3.7 là ảnh SEM của vật liệu PP/T (70:30). Ở đây thấy rằng các phiến talc chưa biến đổi bề mặt tồn tại độc lập, tương tác với PP nền kém. Nhiều phiến talc còn kết tụ với nhau chưa tách thành các vẩy phân tán.

39

Hình 3.7: Ảnh SEM vật liệu PP/T (70:30)

Không kể đến hình dạng và kích thước của chất độn thì khả năng tiếp xúc giữa chất nền và các chất độn quyết định đến tính chất của vật liệu. Cấu trúc hình thái của vật liệu PP được gia cường với talc không xử lý bề mặt đã lý giải cho sự suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu mà đề tài đã nghiên cứu, được trình bày ở trên. Do đó, độ bền của hợp chất được cải thiện nhiều hơn khi chất nền bám dính lên bề mặt khoáng qua các liên kết hóa học.

Talc biến đổi bề mặt bằng vinylsilan đã tương tác rất tốt với PP nền, thể hiện trên hình 3.8. Hầu như tất cả các vẩy talc đã được bao phủ bằng nhựa PP, chúng đã phân tán đều và tốt hơn vào nền PP. Các nhóm chức vinyl đã đóng vai trò kết nối rất tốt với các mạch PP mà còn có khả năng tạo liên kết hóa học khi các mạch PP bị đứt gãy trong quá trình trộn hợp với talc ở nhiệt độ chảy mềm.

40

Hình 3.8: Ảnh SEM vật liệu PP/T2V (70:30)

3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu PP/talc

3.4.1. Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit PP/talc

Bảng 3.3: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc

Hàm lượng PP/talc Độ bền kéo (Mpa) PP/T PP/T2V PP/T2Mt 100/0 31,5 31,5 31,5 90/10 32,6 33,5 34 70/30 33 34 34,7 50/50 30 32 33

41

Khi hàm lượng bột talc tăng, độ bền kéo đứt của mẫu tăng, ở tỉ lệ PP/talc là 70/30 độ bền kéo đứt đạt giá trị cực đại ở tất cả các mẫu. Khi tỉ lệ PP/talc tăng lên 50/50 thì độ bền kéo đứt của mẫu giảm.

Với mẫu bột talc biến đổi bằng vinylsilan và metacrylsilan thì độ bền kéo đứt của mẫu có cao hơn so với mẫu bột talc chưa biến đổi bề mặt. Trong 2 loại tác nhân ghép nối này, metacrylsilan tỏ ra hiệu ứng hơn so với vật liệu PP.

3.4.2. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu compozit PP/talc

Bảng 3.4: Độ dãn dài khi đứt của mẫu compozit PP/talc Hàm lượng PP/talc Độ dãn dài khi đứt (%) PP/T PP/T2V PP/T2Mt 100/0 418 418 418 90/10 12,3 13 11 70/30 5,8 8,5 8 50/50 3,3 3 3,4

Với mẫu bột talc ban đầu, độ dãn dài khi đứt là khá cao 418%, nhưng khi cho bột talc vào trong nền PP, độ bền kéo đứt giảm mạnh ở tất cả các mẫu. Khi hàm lượng PP/talc là 70/30 thì độ bền kéo đứt của tất cả các mẫu đều nhỏ hơn 10%.

42

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu compozit PP/talc với hàm lượng talc 30% có các tính năng cơ lý tốt nhất. Mođun đàn hồi là đại lượng thể hiện độ cứng của vật liệu, có liên quan đến phạm vi ứng dụng của vật liệu kết cấu.

Hình 3.9 thể hiện đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng của 2 vật liệu composite PP/T2V và PP/T2Mt có hàm lượng bột talc là 30%.

Hình 3.9: Đồ thị ứng suất - biến dạng vật liệu compozit PP/talc a) PP/T2V (70:30) b) PP/T2Mt (70:30)

Bảng 3.5 cho thấy momen đàn hồi của PP được gia cường bằng khoáng talc biến đổi bề mặt bằng vinylsilan và metacrylsilan đều có giá trị khá cao trong đó vật liệu PP/T2V có môđun đàn hồi cao hơn, đáp ứng yêu cầu của đề tài.

Bảng 3.5: Môđun đàn hồi của vật liệu

Tên mẫu Môđun đàn hồi (MPa)

PP/T2V (70/30) 1600

PP/T2Mt (70/30) 730

3.4.4. Độ cứng của vật liệu PP/talc

Độ cứng của vật liệu thể hiện thể hiện trên bảng 3.3.

43

Bảng 3.6: Độ cứng của vật liệu compozit PP/talc

Hàm lượng PP/talc

Độ cứng của vật liệu (Shore D)

PP/T PP/T2V PP/T2Mt

100/0 70 70 70

90/10 72 72 72

70/30 74 74 74

50/50 76 76 76

Khi cho khoáng talc vào nhựa PP, độ cứng của các mẫu compozit chứa khoáng talc đều cao hơn mẫu PP ban đầu. Hàm lượng bột talc tăng, độ cứng các mẫu đều tăng dần. Không có sự khác nhau về độ cứng giữa mẫu bột talc biến đổi bề mặt và không biến đổi bề măt.

3.4.5. Độ bền nhiệt của của vật liệu composite PP/talc

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trên, đề tài chọn 4 mẫu vật liệu PP, PP/T (70/30), PP/T2V (70/30), PP/T2Mt (70/30) để khảo sát độ bền nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA.

44

Hình 3.10: Giản đồ phân tích nhiệt mẫu PP

Trên giản đồ phân tích nhiệt TGA của PP (hình 3.10), xuất hiện vùng phân

hủy mạnh nhất đặc trưng của polypropylen ở 434,70C. Vùng nhiệt độ này khối

lượng vật liệu đã suy giảm hoàn toàn nó đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu PP. Khi vật liệu được gia cường bằng bột talc vùng nhiệt độ này đã thay đổi.

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ bền nhiệt của PP

PP PP/T PP/T2V PP/T2Mt

Nhiệt độ phân hủy, 0C 434,7 441,0 440,0 438,2

Mất khối lượng, % 98,47 72,14 75,46 69,79

Trên bảng 3.7 thấy rằng, PP được gia cường bằng khoáng talc không biến

đổi bề mặt có nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ở 4410C, đã tăng lên 6,30C so với vật

liệu PP. Điều này chứng tỏ khoáng talc có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt của PP. Khoáng talc có cấu trúc dạng phiến, nên nó có tác dụng che chắn, ngăn cản

45

sự xâm nhập của không khí từ đó hạn chế sự phân hủy oxy hóa nhiệt của vật liệu. Sự gia tăng này cũng được thể hiện khi sử dụng khoáng talc biến đổi bề mặt bằng vinylsilan và metacrylsilan.

Mẫu PP/T2V (70:30) có nhiệt độ phân hủy mạnh nhất là 4400C, đã tăng

lên 5,30C so với mẫu PP.

Mẫu PP/T2Mt (70:30) phân hủy mạnh nhất ở vùng nhiệt độ 438,20C và

cao hơn 3,70C so với mẫu PP ban đầu.

Khi bột talc được biến đổi bề mặt bằng vinylsilan và metacrylsilan có sự giảm đôi chút nhiệt phân hủy so với mẫu chứa bột talc không biến đổi bề mặt. Điều này có thể là do trong quá trình trộn hợp ở trạng thái chảy mềm của PP với khoáng talc, các nhóm vinyl và metacryl trên phân tử silan tạo ra các gốc tự do, nó dễ dàng tạo ra liên kết với các mạch phân tử PP ở nhiệt độ cao làm cho các mạch đại phân tử PP có xu hướng bị cắt mạch hay khối lượng phân tử trung bình giảm xuống, dẫn đến nhiệt độ phân hủy của vật liệu giảm so với mẫu chứa khoáng talc không được biến đổi bề mặt.

46

KẾT LUẬN

Tác nhân kết nối vinylsilan và metacrylsilan có hoạt tính cao, thích hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polypropylen.

Khoáng talc đã có tác dụng gia tăng tính chất cơ của vật liệu PP. Hàm lượng khoáng talc trong tổ hợp PP/talc được xác định tối ưu là 30%. Ở hàm lượng 30% bột talc, các vật liệu PP/T, PP/T2V và PP/T2Mt đều có độ bền kéo đứt lớn nhất, đạt các giá trị 33; 34 và 34,7 MPa tương ứng.

Khoáng talc đã có tác dụng gia tăng độ bền nhiệt của vật liệu PP. Ở hàm lượng 30% bột talc, các vật liệu PP/T, PP/T2V và PP/T2Mt đều có độ bền nhiệt

lớn hơn so với vật liệu PP ban đầu, nhiệt độ phân hủy của chúng tăng 6,30C;

5,30C và 3,70C tương ứng.

Khoáng talc đã làm giảm độ nhớt nội của tổ hợp PP/talc. Như vậy khoáng talc đã có tác dụng giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình gia công chế tạo, đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản phẩm.

Với PP/T2V ở hàm lượng bột talc 30% có thể sử dụng làm vật liệu kết cấu trong xây dựng và các ngành công nghiệp khác.

47

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Mondo Minerals. http://www.mondominerals.com

[2] Deer W.A., Howie R.A., Zussman J. (2009), Rock-forming minerals,

Volume 3B-Layered Silicates Excluding Micas and Clay Minerals, 2nd edition,

The Geological Society.

[3] Wikipedia (2010), The Free Encyclopedia, URL: http://en.wikipedia.org/