Thiết bị phân tích nhiệt DTG- 60H của hãng Shimadzụ Quátrinhf phân tích được thực hiện ở các điều kiện sau:
- Khoảng nhiệt độ: 25-8000C, - Tốc độ gia nhiệt: 10 0C/phút. - Môi trường: Argon
Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng mica đến tính chất của vật liệu PP/mica
Trong phần nghiên cứu này, 3 loại mica có ký hiệu là Mn, Mt1 và Mt2 đã được sử dụng để chế tạo vật liệu PP/micạ Mn là mica không xử lý bề mặt, Mtv1 và Mtv2 là mica được xử lý bề mặt bằng hợp chất vinylsilan với hàm lượng 1% và 2% tương ứng.
3.1.1. Độ bền kéo đứt
Bảng 3.1: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica ở các hàm lượng khác nhau
Độ bền kéo đứt (MPa) Hàm lượng Mica (%) PP/Mn PP/Mtv2 PP/Mtv1 0 30,3 30,3 30,3 5 17,58 24,2 19,73 10 17,1 23,76 18,04 20 15,6 17,96 16,86 30 14,09 16,3 15,8
Độ bền kéo đứt của vật liệu PP/mica với hàm lượng mica 5, 10, 20 và 30% được thể hiện trên bảng 3.1 và hình 3.1. Ở đây thấy rằng, khi có mica độ bền kéo đứt của PP bị suy giảm. Khi mica không được biến đổi bề mặt, độ bền kéo đứt của vật liệu PP/Mn suy giảm rất nhanh, với 5% mica giá trị độ bền kéo đứt giảm từ 30,3 MPa xuống còn 17,58 MPa và sau đó biến đổi chậm dần và đạt giá trị 14,09 MPa ở hàm lượng mica 30%. Mica có bề mặt trơn nhẵn, không có các nhóm chức trên bề mặt nên khả năng tương tác với PP kém, dẫn đến các tính năng cơ lý giảm.
Để cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu, mica đã được biến đổi bề mặt bằng hợp chất vinylsilan với nồng độ 1% và 2%.
So với mica chưa biến đổi bề mặt Mn, mica được biến đổi bề mặt bằng vinylsilan với nồng độ 1% và 2% đều gia tăng độ bền kéo đứt của vật liệu PP/mica ở tất cả các hàm lượng micạ Tuy nhiên với các mẫu vật liệu PP/mica với nồng độ silan 1% có độ bền kéo đứt thấp hơn so với khi có hàm lượng silan 2%. Như vậy, tác nhân ghép nối vinylsilan đã có tác dụng gia tăng độ bền kéo đứt bằng các liên kết với PP. Trong quá trình trộn hợp với mica ở nhiệt độ nóng chảy, các mạch PP bị đứt một phần tạo thành các gốc hoạt động. Các gốc tự do này rất có thể hoạt hóa các nhóm chức vinyl của tác nhân ghép nối silan trên bề mặt mica tạo thành các liên kết hóa trị, làm cho độ bền của vật liệu được gia tăng.
Hình 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng mica đến độ bền kéo đứt vật liệu PP/mica
a- 2% Vinyl silan b- 1% Vinyl silan c- mica không biến
đổi 12 15 18 21 24 27 30 33 0 10 20 30 40 Hàm lượng sericit Đ ộ b ề n k é o đ ứ t (M P a ) a b c Hàm lượng mica (%)
Vật liệu PP/Mtv2 có độ bền cao nhất khi hàm lượng silan biến đổi bề mặt 2%. Với 2% silan, hàm lượng mica có thể được đưa vào PP tới 20% mà vật liệu vẫn bền vững với độ bền kéo đứt 18 MPa, đạt yêu cầu sử dụng.
3.1.2. Độ dãn dài khi đứt
Độ dãn dài khi đứt của vật liệu PP/Mtv đã suy giảm chút ít khi hàm lượng silan biến đổi bề mặt giảm từ 2% đến 1%. Mica được biến đổi bề mặt cũng đã gia tăng đáng kể độ dãn dài khi đứt của vật liệu PP/mica so với mica không biến đổi bề mặt. Ở 30% mica vật liệu PP/Mtv2 có độ bền kéo đứt đạt giá trị gần gấp đôi so với vật liệu PP/Mn.
Bảng 3.2: Độ dãn dài vật liệu PP/Mica ở các hàm lượng khác nhau
Như đã trình bày ở phần tổng quan, nếu lớp phủ silan trên bề mặt mica quá dày thì sẽ kém bền. Với dung dịch 2% silan, mica có lớp phủ trên bề mặt vừa đủ để bền vững và gia tăng tốt nhất tính chất cơ lý của vật liệu PP/micạ
Độ dãn dài khi đứt (%) Hàm lượng Mica (%) PP/Mn PP/Mtv2 PP/Mtv1 0 710 710 710 5 459 676 645 10 425 653 621 20 377 627 575 30 329 609 557
3.1.3. Kháo sát cấu trúc hình thái của vật liệu PP/mica
Hình 3.2: Ảnh SEM vật liệu PP/Mn
Hình 3.2 là ảnh SEM của vật liệu PP/Mn. Ở đây thấy rằng các phiến mica tồn tại độc lập, hầu như không có tương tác với PP nền. Nhiều phiến mica còn kết tụ với nhau chưa tách thành các vẩy phân tán. Cấu trúc hình thái này đã lý giải cho sự suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu trình bầy ở trên.
Hình 3.3: Ảnh SEM vật liệu PP/Mtv2
Mica biến đổi bề mặt bằng vinylsilan đã tương tác rất tốt với PP nền, thể hiện trên hình 3.3. Hầu như tất cả các vẩy mica 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 khi trộn hợp với mica ở nhiệt độ chảy mềm.
3.2. Ảnh hưởng của các hợp chất silan đến tính chất của vật liệu PP/mica
3.2.1. Độ bền kéo đứt
Khi khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng mica không biến đổi và được biến đổi bề mặt bằng vinylsilan ở nồng độ 1% và 2 % đến tính chất chất và cấu trúc hình thái của vật liệu PP/mica thấy rằng cần phải biến đổi bề mặt mica để tăng khả năng tương tác với nền PP, tạo vật liệu có tính chất tốt hơn. Mica biến đổi bề mặt ở dung dịch silan 2% có khả năng gia cường tốt hơn. Trong phần này ảnh hưởng của các hợp chất silan khác nhau để biến đổi bề mặt mica đến tính chất của vật liệu PP/mica đã được khảo sát để xác định loại hợp chất silan thích hợp. Ngoài mica biến đổi bề mặt bằng vinyl silan, 3 loại mica khác biến đổi bề mặt bằng glicidosilan, aminsilan và vinyl-aminsilan đã được sử dụng để khảo sát.
Bảng 3.3: Độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2% Độ bền kéo đứt (MPa) Hàm lượng Mica Mn Mtg 2% Mtva 2% Mta 2% Mtv 2% 0% 30,3 30,3 30,3 30,3 30,3 5% 17,58 18,4 19,86 18,4 24,2 10% 17,1 18,34 19,46 17,9 23,76 20% 15,6 17,8 15,8 17,06 17,96 30% 14,09 17,3 15,7 16,23 16,3
Trong đó:
Mn: khoáng mica không được xử lý bề mặt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mtg: (glicidosilan), Khoáng mica xử lý bằng Glycidoxypropyltrimethoxysilan
Mtva: (vinyl-aminsilan), Khoáng mica xử lý bằng Vinylbenzylaminoethylaminopropyltrimethoxysilan
Mta: (aminsilan), Khoáng mica xử lý bằng aminopropyltriethoxysilan
Mtv: (vinylsilan), Khoáng mica xử lý bằng Vinyltrimethoxysilan Độ bền kéo đứt của các vật liệu compozit PP/mica với hàm lượng mica khác nhau và được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2% được thể hiện trên bảng 3.3 và hình 3.4
Cũng giống như ở trên, khi có mặt mica không biến đổi bề mặt hay đã biến đổi bề mặt bằng các loại silan khảo sát độ bền kéo đứt của tất cả các mẫu đã bị suy giảm. Sự suy giảm này chứng tỏ mica đóng vai trò như một chất độn, ít làm thay đổi cấu trúc mạch của PP. Tuy nhiên tùy từng loại silan trên bề mặt của mica mà cấu trúc mạch phân tử PP thay đổi khác nhaụ
Ở vật liệu PP/mica chưa biến đổi bề mặt Mn, suy giảm độ bền kéo đứt là lớn nhất, nó suy giảm rất nhanh khi có 5% mica, từ 30,3 MPa xuống còn 17,58 MPa và sau đó biến đổi chậm dần (hình 3.1-c). Tuy nhiên sự suy giảm này đã được cải thiện khi bề mặt mica được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan.
Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm các hợp chất silan khác nhau đến độ bền kéo đứt vật liệu PP/Mica
Bốn loại hợp chất silan sử dụng để khảo sát có các nhóm chức hữu cơ là glycido, vinyl, amin và vinylamin. Trong đó thấy rằng, mica biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan có nhóm chức vinyl Mtv đã có tác dụng làm tăng độ bền kéo đứt của vật liệu hơn cả so với vật liệu PP/Mn không biến đổi bề mặt (hình 3.4-a). Khi có 5% mica, độ bền kéo đứt của vật liệu PP/Mtv đạt được giá trị 24,2, tăng 37% so với vật liệu PP/Mn. Các mẫu vật liệu PP/Mtva cũng có độ bền kéo đứt được cải thiện đáng kể, đạt 19,86 MPa, tăng 12% (hình 3.4- b). Điều này chứng tỏ các hợp chất silan có nhóm chức vinyl (Mtv và Mtva) đã đóng vai trò là tác nhân ghép nối tốt nhất cho mica với polyme nền PP, sau đó là đến Mtg và cuối cùng là Mta (hình 3.4-c và d).
3.2.2. Độ dãn dài khi đứt
Độ dãn dài khi đứt của vật liệu PP/mica giảm khi tăng hàm lượng micạ Sự suy giảm này tương ứng với biến đổi độ bền kéo đứt của vật liệụ
Khi đưa mica chưa biến đổi bề mặt vào PP, hai thành phần này khó
a- PP/Stv b- PP/Stva c- PP/Sta d- PP/Stg e- PP/Sn 12 15 18 21 24 27 30 33 0 10 20 30 40 Đ ộ b ề n k é o đ ứ t (M p a ) a b c d e Hàm lượng sericit (%)
tương hợp với nhau, mica khó phân tán đều trong PP nhất là các phiến của chúng dễ kết tụ, tạo khuyết tật trong vật liệu nên độ dãn dài bị suy giảm. Mặt khác, khi mica không tương tác tốt với nền PP, chúng đơn thuần chỉ là chất độn làm các mạch PP bị tách xa nhau, lực Van der Waals giữa các mạch PP giảm đi đáng kể. Đây cũng là nguyên nhân làm suy giảm độ dãn dài khi đứt của vật liệụ
Cũng giống như độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu PP/mica cũng được gia tăng khi mica biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan. Hợp chất silan đóng vai trò là tác nhân kết nối giữa PP mica và nền PP. Ở đây thấy rằng, các hợp chất silan có nhóm chức vinyl đã có tác dụng gia tăng độ dãn dài khi đứt hơn cả. Ở hàm lượng 20% mica, độ dãn dài khi đứt của vật liệu PP/Mtv đạt 627%, tăng 66,3% so với vật liệu PP/Mn, tăng 9,2% so với vật liệu PP/Mta, tăng 7,1% so với PP/Mtg và tăng 3,6% so với vật liệu PP/Mtvg.
Bảng 3.4: Độ dãn dài vật liệu PP/Mica biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2%
Độ dãn dài khi đứt (%) Hàm
lượng
Mica PP/Mn PP/Mtg PP/Mtva PP/Mta PP/Mtv
0% 710 710 710 710 710
5% 459 655 665 661 676
10% 425 629 547 617 653
20% 377 585 605 574 627
Biến đổi bề mặt mica làm chất độn cho PP là cần thiết để tăng khả năng tương tác pha, giúp cho vật liệu có các tính chất cơ lý tốt hơn. Độ dãn dài khi đứt của các vật liệu PP/mica được biến đổi bề mặt và không biến đổi bề mặt đều thấp hơn so với PP ban đầụ Tuy nhiên các giá trị này vẫn còn đủ lớn (>500%), đáp ứng nhiều mục đích sử dụng khác nhaụ
Kết quả cho thấy, Vật liệu PP/mica, với hàm lượng Mtv 15-20% và 2% vinylsilan có các tính chất cơ lý tốt, như độ bền kéo đứt > 20 Mpa và độ dãn dài khi đứt > 600 %, vật liệu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế khi triển khai ứng dụng.
3.2.3. Độ bền va đập
Trong phần này, độ bền va đập của các vật liệu compozit PP/mica với hàm lượng 10%, 20% và 40% mica biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau ở nồng độ 2% và không biến đổi bề mặt đã được khảo sát. Độ bền va đập là tính chất cơ của vật liệu, phản ánh khá rõ tương tác pha của vật liệu compozit. Chính vì vậy, các loại mica được biến đổi bề mặt bằng nhiều hợp chất silan khác nhau đã được nghiên cứu, khảo sát để xác định loại hợp chất silan phù hợp với chất nền polyme là PP. Các giá trị độ bền va đập của vật liệu compozit PP/mica được thể hiện trên bảng 3.5.
Bảng 3.5. Độ bền va đập của vật liệu PP/Mica Mẫu nghiên cứu Hợp chất silan Hàm lượng mica (%) Độ bền va đập (kJ/m2) PP - 0 51.2 10 37.1 20 22.2
PP/Mn Mica không biến đổi bề mặt 40 20.6 10 48.1 20 36.3 PP/Mtv Vinyltrimetoxysilan 40 33.3 10 38.9 20 34.3 PP/Mta Aminopropyltrimetoxysilan 40 15.8 10 46.7 20 38.1 PP/Mtvba Vinylbenzylaminoetyl- aminopropyltrimetoxysilan 40 33.7 10 38.5 20 28.5 PP/Mtmc Mercaptopropyl- trimetoxysilan 40 13.2 10 45.3 20 41.7 PP/Mtmt Metacryloxypropyl- trimetoxysilan 40 30.1
Từ kết quả ở trên có thể thấy rằng, khi có mặt mica độ bền va đập của tất cả các mẫu đã bị suy giảm. Cũng giống như trong trường hợp độ bền kéo đứt, sự suy giảm này chứng tỏ mica ít có tác dụng gia cường cho PP như là đối với các vật liệu khác như là cao sụ
Với mẫu vật liệu PP chứa mica chưa được biến đổi bề mặt, sự suy giảm độ bền va đập là lớn nhất, nó suy giảm rất nhanh khi có 10% mica, từ 51,2 kJ/m2 xuống còn 37,1 kJ/m2 và sau đó biến đổi chậm dần. Tuy nhiên sự suy giảm này đã được cải thiện đáng kể khi bề mặt mica được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan. Năm loại hợp chất silan sử dụng để khảo sát có các nhóm chức hữu cơ là vinyl, amin, vinylamin, metacryl và mecaptọ Trong đó thấy rằng, hợp chất silan có nhóm chức vinyl đã có tác dụng làm tăng độ bền va đập của vật liệu hơn cả so với vật liệu PP chứa mica không biến đổi bề mặt. Điều này hoàn toàn phù hợp khi đo độ bền kéo đứt của vật liệụ Khi có 10% mica được biến đổi bằng vinylsilan, độ bền va đập của vật liệu PP đạt được giá trị 48,1 kJ/m2 so với vật liệu PP không chứa mica là 51,2 kJ/m2 trong khi đó tăng 29,6% so với vật liệu PP chứa mica không biến đổi bề mặt. Các mẫu vật liệu PP chứa mica được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác cũng có độ bền va đập được cải thiện so với trường hợp không được biến đổi bề mặt. Điều này chứng tỏ các hợp chất silan có nhóm chức vinyl (Mtv và Mtva) đã đóng vai trò là tác nhân ghép nối tốt nhất cho mica với polyme nền PP. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong số các loại silan để biến đổi bề mặt mica, Metacryloxypropyl- trimetoxysilan cho kết quả khá cao, nhất là ở hàm lượng mica 20% (đạt giá trị 41,7 kJ/m2). Tuy nhiên độ bền va đập lại suy giảm nhanh ở hàm lượng mica 40%. Đây cũng là kết quả đáng quan tâm khi sử dụng mica được sử lý bằng loại hợp chất silan này để làm chất độn gia cường. Metacryloxypropyl- trimetoxysilan cũng là một loại hợp chất silan có nối đôi:
Một lần nữa, kết quả này lại khẳng định khả năng gia tăng tương tác pha và dẫn đến gia tăng tính chất của vật liệu của vật liệu compozit PP/mica bởi tác nhân kết nối silan có nối đôi ở cuối mạch.
3.3. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu PP/mica
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu ở trên, chúng tôi đã chọn 3 mẫu vật liệu PP, PP/Mn và PP/Mtv ( PP không có mica, PP được gia cường bằng mica không biến tính và PP được gia cường mica biến tính bằng vinylsilan) để khảo sát độ bền nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGẠ Giản đồ nhiệt của 3 loại vật liệu này được thể hiện trên các hình (3.5, 3.6, 3.7).
Trên giản đồ TGA của hình 3.5 xuất hiện vùng phân huỷ mạnh nhất đặc trưng của polypropylen ở 311,13°C. Ở 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 mica vùng nhiệt độ này đã thay đổị