Nguyên tắc: Xác định độ bền kéo đứt theo tiêu chuẩn ISO 527-1993 bằng cách kéo hai đầu mẫu vật liệu trên máy kéo đứt cho đến khi mẫu bị đứt. Máy đo sẽ tự động ghi lại lực kéo đứt, tiết diện mẫu và tính lực kéo đứt mẫu thử. Độ bền kéo đứt được tính theo công thức:
Trong đó: k: Độ bền giới hạn khi kéo, MPa. F: Tải trọng phá huỷ mẫu, N. a: Chiều dày của mẫu, mm. b: Chiều rộng mẫu, mm
Cách tiến hành:
Chế tạo mẫu vật liệu có bề mặt nhẵn, bằng phẳng, không phồng rộp có hình dạng mái chèo với chiều dài 150 mm, chiều rộng 20 mm, chiều dày theo kích thước thực của mẫu. Sử dụng máy cắt mẫu Ceast, Italia cắt các mẫu vật liệu trên hình dạng mái chèo theo tiêu chuẩn ISO 527-1993.
Hình 2.1: Mẫu đo độ bền kéo đứt
+ Chiều dài khoảng làm việc(lo): 100 mm. + Đường kính góc lượn: 20 25 mm.
k = F a.b
+ Chiều rộng khoảng làm việc: 10 mm.
Số lượng mẫu cho kết quả trung bình từ 3 5 mẫu.
Gắn chặt hai đầu mẫu vật liệu vào ngàm kẹp và tiến hành kéo đứt trên máy xác định tính chất cơ học với tốc độ kéo 1mm/phút, máy đo sẽ tự động cho kết quả. Số lượng mẫu đo từ 3-5 mẫu để lấy kết quả trung bình.
Thiết bị: Độ bền kéo đứt: Xác định trên máy Tinius Olsen H100KU
Hounsfield, Anh, đặt tại Phòng thí nghiệm Vật liệu chuyên dụng, Viện Kỹ thuật Hoá Sinh và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công an.
2.3.7.2.. Phương pháp xác định độ bền va đập
Nguyên tắc: Xác định độ bền va đập Charpy theo tiêu chuẩn ISO 179: 1993
(E) bằng cách sử dụng đầu đo cơ học tác dụng lực vào giữa mẫu, phá hủy nhanh mẫu với tốc độ cao. Độ bền va đập được tính theo công thức:
3 vd W = .10 b.h vd: Độ bền giới hạn va đập, kJ/m2 . W: Tải trọng phá huỷ mẫu, J. b: Chiều rộng của mẫu, mm. h: Chiều dày của mẫu, mm.
Cách tiến hành: Chế tạo mẫu vật liệu hình chữ nhật có bề mặt nhẵn, bằng
phẳng, không phồng rộp. Để mẫu vật liệu lên giá đỡ, đặt tải trọng ở điểm giữa của giá đỡ và trùng với điểm giữa của mẫu. Tiến hành đo trên máy xác định độ bền va đập với tốc độ va đập lớn (1 7 m/s), máy sẽ ghi lại lực phá huỷ mẫu và tiết diện mẫu để xử lý và tự động cho kết quả. Số lượng mẫu đo từ 3 5 mẫu để lấy kết quả trung bình.
Thiết bị: Máy xác định độ bền va đập Radmana ITR 2000, tốc độ va đập 1-7
m/s, Úc, đặt tại Phòng thí nghiệm Vật liệu chuyên dụng, Viện Kỹ thuật Hoá Sinh và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công an.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát mẫu CNT ban đầu và CNT biến tính.
Kết quả chụp ảnh TEM của CNT tổng hợp từ LPG Việt Nam bằng phương pháp CVD được trình bày tại hình 3.1. Kết quả cho thấy CNT hình thành có dạng đa tường (MWCNT) với đường kính ống CNT đồng đều, ổn định; đường kính ngoài của CNT từ 10 20 nm, đường kính trong từ 5 10 nm khoảng cách giữa các lớp ống là 0,3 0,5 nm và chiều dài CNT lên đến vài m.
Hình 3.1. Ảnh TEM của CNT tổng hợp từ LPG Việt Nam
Hình 3.2. Ảnh SEM của CNT
Để nghiên cứu quá trình biến tính CNT, luận văn tiến hành chụp SEM mẫu CNT và CNTbt. Hình 3.2 là ảnh SEM của CNT ban đầu. Kết quả cho thấy, CNT có dạng hình bó ống kích thước cỡ vài micromet đan xen lẫn nhau tạo thành những
“hạt xốp” khi quan sát bằng mắt thường sau quá trình tổng hợp CNT. Kết quả chụp SEM của mẫu CNTbt với cùng độ phóng đại được thể hiện ở hình 3.3.
Hình 3.3. Ảnh SEM của CNTbt
Hình 3.4. Ảnh SEM của CNTbt bị đứt đoạn (a) và xếp chặt (b)
Kết quả cho thấy, các bó ống CNT hầu như bị đánh bung ra, sắp xếp ngẫu nhiên ép chặt vào nhau và có những phân đoạn CNT như bị “đứt” rời, điều này được thể hiện rõ hơn với các ảnh SEM có độ phóng đại lớn hơn trình bày trên hình 3.4. Thực tế cho thấy, do bị kết tụ ở dạng hạt xốp nên CNT chưa biến tính khi cho vào nước rất ít phân tán và nổi “bồng bềnh” trên bề mặt nước; khi khuấy và rung siêu âm thì sau một thời gian chúng thấm ướt và bị lắng nhanh chóng xuống đáy cốc. Khi đã biến tính, do kích thước CNT rất nhỏ và không bị co cụm nên CNTbt phân tán tốt trong nước và ít có xu hướng lắng xuống đáy cốc.
Kết quả đo phổ hồng ngoại của CNT và CNTbt được trình bày trên hình 3.5.
Hình 3.5. Phổ hồng ngoại của CNT (a) và CNTbt (b)
Kết quả phổ hồng ngoại của CNT (hình 3.5a) cho thấy do quá trình oxi hóa CNT hoặc độ ẩm của không khí, của nước hấp phụ trên bề mặt của CNT nên xuất hiện các pic ở 3437 cm-1
, 1047 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị và dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của nhóm -OH, pic ở 1385 cm-1
do sự biến dạng uốn của -OH, đỉnh 1635 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của vòng sáu cạnh trong cấu trúc của CNT như trong phổ hồng ngoại của CNTbt (hình 3.5b). Tuy nhiên có thể nhận thấy cường độ của các pic trong phổ hồng ngoại của CNTbt cao hơnso với phổ hồng ngoại của CNT. Xuất hiện các đỉnh pic ở 1719 cm-1
đặc trưng cho dao động hoá trị của liên kết -C=O và đỉnh hấp thụ ở 1165 cm-1
đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết -C-O trong nhóm chức –COOH chứng tỏ sự có mặt của nhóm chức - COOH gắn trên CNTbt.
a
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CNT (a) và CNTbt (b)
Kết quả đo nhiễu xạ tia X của CNT và CNTbt được trình bày tại hình 3.6. Kết quả cho thấy, sản phẩm CNT sau quá trình tổng hợp có tính ổn định cao và hầu như chỉ có pic cực đại ứng với góc 2 ở 26,2 độ là cacbon, nút mạng tinh thể d=3,4. Bên cạnh đó, kết quả hình 3.6a cũng cho thấy trong mẫu có tồn tại Fe3C, α-Fe từ quá trình tổng hợp là điều hợp lý. Hình 3.6b cho thấy CNT sau khi biến tính cũng có tính ổn định cao. Tuy nhiên, với hàm lượng kim loại trong CNT thấp nên nhiễu xạ
a
tia X không xuất hiện pic rõ được. Để biết hàm lượng cacbon, kim loại Fe và Al trong mẫu CNT trước và sau biến tính, chúng tôi tiến hành đo phổ EDX, kết quả được trình bày tại hình 3.8.
Element Weight (%) Atomic (%) Element Weight (%) Atomic (%)
C 92,35 98,42 C 85,85 90,53 Al 1,31 0,62 O 10,91 8,64 Fe 0,44 0,10 Al 0,95 0,45 Br 3,73 0,60 Fe 0,35 0,08 Pd 2,17 0,26 Br 1,94 0,31 Totals 100,00 Totals 100,00
Hình 3.7. Phổ tán sắc EDX của CNT (a) và CNTbt (b)
Kết quả cho thấy, CNT ban đầu có hàm lượng cacbon cao chiếm 92,35% về khối lượng và 98,42% theo nguyên tử. Trong khi đó hàm lượng Fe và Al lần lượt là 0,44%; 1,31% theo khối lượng và 0,1%; 0,62% tính theo nguyên tử. CNT sau khi biến tính có hàm lượng cacbon thấp hơn so với lúc chưa biến tính, chiếm 85,85% về khối lượng và 90,53% tính theo nguyên tử đồng thời xuất hiện một hàm lượng oxi lớn, chiếm 10,91% về khối lượng và 8,64% tính theo nguyên tử chứng tỏ sự có mặt của nhóm chức -COOH gắn trên CNTbt. Bên cạnh đó, hàm lượng Fe và Al cũng giảm lần lượt còn là 0,35%; 0,95% theo khối lượng và 0,08%; 0,45% tính theo nguyên tử. Như vậy, việc biến tính CNT đã đính các gốc cacboxyl -COOH lên thành ống cacbon và làm tăng độ sạch cho CNT.
Để xác định sự thay đổi tính chất của CNT, chúng tôi tiến hành kiểm tra mẫu CNT trước và sau biến tính theo sự thay đổi nhiệt độ trong môi trường không khí và khí argon. Kết quả đo TGA/DTA được thể hiện trên hình 3.8 và hình 3.9.
Hình 3.8. Giản đồ TGA/DTA của CNT (a) và CNTbt (b) trong môi trường không khí
Kết quả hình 3.8 cho thấy, trong môi trường không khí đối với CNT ban đầu thì vùng nhiệt độ dưới 550o
C là quá trình thoát ẩm với khối lượng giảm không đáng kể, từ 550-700oC là vùng mất khối lượng đến 87% do cacbon cháy phân hủy; sau 700-900oC là vùng hầu như không có thay đổi, khối lượng của những chất còn lại không cháy (Fe, Al) hoặc tro muội, chiếm 13%. Trong khi đó, với CNTbt vùng nhiệt
a
độ thoát ẩm thấp hơn ở dưới 450oC, từ 450-700o
C là vùng là vùng mất khối lượng đến 82% do cacbon cháy phân hủy; sau 700-900oC giống như CNT không biến tính là vùng hầu như không có thay đổi khối lượng chiếm 18%. Như vậy, trong môi trường không khí CNT có điểm nhiệt độ cháy phân hủy ≥550oC cao hơn so với CNTbt (450oC).
Hình 3.9. Giản đồ TGA/DTA của CNT (a) và CNTbt (b) trong môi trường argon
Tương tự, kết quả hình 3.9 cho thấy trong môi trường argon, CNT và CNTbt
bắt đầu có sự phân hủy giảm khối lượng từ 400-450oC. Đối với CNT khi nhiệt độ đến 900oC lượng chất mất đi do thoát ẩm hay phân hủy là 22%, trong khi đó CNTbt
a
là 42%. Điều này cho thấy, 20% mất đi của mẫu CNTbt có thể là của các nhóm chức -COOH gắn lên thành ống cacbon bị phân hủy. Kết quả nghiên cứu giản đồ TGA/DTA cho thấy, khi sử dụng CNT trong việc nghiên cứu ứng dụng, nhiệt độ nung CNT trong môi trường không khí nên chọn ở khoảng 400oC trở xuống và nung trong dòng khí trơ nên chọn ở khoảng 600-650oC trở xuống.
3.2. Khảo sát điều kiện gia công chế tạo mẫu
Căn cứ vào điều kiện thực tế và ưu nhược điểm của các phương pháp phân tán CNT vào nền nhựa PP, đề tài lựa chọn phương pháp trộn hợp nóng chảy.
Các hạt Master batch được sấy khô và trộn với hỗn hợp nhựa PP và PPgMA trong máy trộn Super mix trong 5 phút với tốc độ 700 vòng/ phút sau đó được đưa vào phễu nạp liệu của máy ép phun SM210 và sấy trong vòng 1 giờ ở nhiệt độ 80o
C trước khi ép phun ra mẫu sản phẩm.
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
a ) Nhiệt độ trong lòng xylanh
Yếu tố nhiệt độ luôn có ảnh hưởng lớn đến tính chất của sản phẩm ép phun. Nhựa PP là nhựa nhiệt dẻo, có nhiệt độ gia công trong khoảng 160÷ 210oC. Để tìm ra khoảng nhiệt độ phun thích hợp, luận văn khảo sát ba chế độ nhiệt độ trong lòng xylanh khác nhau như trình bày tại bảng 3.1.
Bảng 3.1. Chế độ nhiệt trong lòng xylanh
Chế độ nhiệt Đầu béc phun T1 T2 T3 T4 T5
I Tbp= 0,99T1 160 150 145 140 135
II Tbp= 0,99T1 185 175 170 165 160
III Tbp= 0,99T1 210 200 195 190 185
Kết quả chế tạo mẫu vật liệu cho thấy, khi nhiệt độ trong lòng xylanh giảm xuống dưới 160o
C (chế độ nhiệt I) thì quá trình phun và quá trình cấp liệu gặp khó khăn, sản phẩm thu được bị thiếu và bề mặt sản phẩm bị lõm do đó không thể thực hiện được chế độ chạy ở nhiệt độ nhỏ hơn 160o
C. Chế độ nhiệt II và III cho sản phẩm có bề mặt căng và bóng đẹp, tuy nhiên ở chế độ III đã xuất hiện ba via trên
sản phẩm. Tiến hành đo tính chất cơ lý của các mẫu sản phẩm thu được theo chế độ II và chế độ III. Kết quả được trình bày tại bảng 3.2.
Bảng 3.2. Tính chất cơ lý của nhựa PP theo các chế độ nhiệt khác nhau
STT Tính chất vật liệu Đơn vị đo
Kết quả đo
Chế độ nhiệt II Chế độ nhiệt III
1 Độ bền kéo đứt Mpa 27,0 23,6
2 Mô đun đàn hồi Mpa 1100 930
3 Độ dãn dài khi đứt % 368 290
Kết quả đo tính chất cơ lý và biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng của chế độ nhiệt trong lòng xylanh đến tính chất cơ lý của nhựa PP cho thấy khi ép phun ở nhiệt độ 210oC thì sản phẩm có xuất hiện bavia và tính chất cơ lý thu được thấp hơn so với khi ép phun ở nhiệt độ 185oC, điều này được giải thích là do khi ở nhiệt độ cao thì nhựa chảy lỏng hơn, khi ép phun dễ xuất hiện ba via hơn. Nhựa ở nhiệt độ cao hơn và có thời gian lưu trong lòng xylanh lâu hơn thì các mạch phân tử trong polyme dễ bị bẻ gãy hơn và bị phân hủy nhiệt nhiều hơn. Từ các kết quả nêu trên, luận văn lựa chọn chế độ nhiệt II với nhiệt độ gia nhiệt cho nhựa PP ở 185o
C cho các nghiên cứu tiếp theo.
b) Nhiệt độ khuôn và thời gian làm mát
Ngoài ảnh hưởng của nhiệt độ phun và nhiệt độ xylanh thì nhiệt độ khuôn là thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình gia công và định hình sản phẩm, đặc biệt là khi ép phun các sản phẩm từ nhựa kĩ thuật có nhiệt độ chảy nhớt cao.
Khi nhiệt độ khuôn thấp thì có thể làm giảm thời gian làm mát nhưng nó cũng sẽ cản trở quá trình nóng chảy khi tiến hành phun nhựa vào khuôn nếu áp suất phun và thời gian phun không cao, nếu tiết diện sản phẩm lớn thì sản phẩm có thể bị thiếu hụt đặc biệt là ở các góc, cạnh của sản phẩm. Khi nhiệt độ khuôn cao thì khả năng kết tinh tăng, giảm ứng suất nội trong sản phẩm, cấu tạo của nhựa đều đặn hơn, bề mặt sản phẩm bóng đẹp hơn và khả năng bị co ngót cũng được giảm xuống, tuy
nhiên khi nhiệt độ khuôn cao thì thời gian làm mát phải dài hơn và sản phẩm sẽ có thể bị bavia.
Do đó, tùy thuộc vào nhiệt độ chảy nhớt của nguyên liệu, tiết diện và thể tích của sản phẩm, cũng như thiết kế kỹ thuật của khuôn mà ta có thể điều chỉnh nhiệt độ khuôn và thời gian làm mát cho phù hợp. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn thì sản phẩm có chiều dày mỏng và tiết diện nhỏ nên nhiệt độ của khuôn được điều chỉnh ở 45o
C và thời gian làm mát là 20 giây.
3.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ phun và áp suất phun
Cùng với nhiệt độ, tốc độ phun và áp suất phun là hai yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tính chất của sản phẩm. Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tốc độ phun, áp suất phun và thời gian bảo áp với 3 mức cao, trung bình và thấp tới tính chất của sản phẩm. Thông số tiến hành các chế độ ép phun khác nhau được trình bày tại bảng 3.3. Kết quả so sánh tính chất cơ lý của nhựa PP thu được ở các chế độ ép phun khác nhau được trình bày tại hình 3.1.
Bảng 3.3. Tốc độ phun, áp suất phun và thời gian bảo áp ở các chế độ khác nhau
Nhiệt độ (o C) Chế độ phun T1 (185) T2 (175) T3 (170) T4 (165) T5 (160) Tốc độ phun (%) Cao 45 65 50 20 15 Trung bình 40 60 45 15 10 Thấp 35 55 40 10 5 Áp suất phun (%) Cao 45 60 45 20 15 Trung bình 40 60 40 15 10 Thấp 35 55 35 10 5 Bảo áp (%) Cao 25 20 15 10 5 Trung bình 15 5 3 2 1 Thấp 10 3 0 0 0
Từ kết quả đo tính chất cơ lý của nhựa PP ở các chế độ ép phun khác nhau, luận văn có một số nhận xét như sau:
Ảnh hưởng của tốc độ phun:
Mục đích của tốc độ phun là đảm bảo áp suất đồng đều trong lòng khối nhựa, trong quá trình nén, vật liệu được phân bố đồng đều trong toàn bộ sản phẩm, vị trí điền khuôn đầu tiên không bị đông cho đến khi toàn bộ khuôn được điền đầy.
Nếu tốc độ phun cao thì có thể gây ra một số khuyết tật mà chủ yếu là hiện tượng bọt khí, cháy ám khói và sản phẩm có bavia dẫn đến tính chất cơ lý của sản phẩm giảm. Để khắc phục hiện tượng bọt khí và cháy ám khói trong khuôn ta cần phải đặt tốc độ phun vừa phải và thiết kế hệ thống thoát khí trong khuôn một cách