5. Điểm mới của đề tài
3.2.Khả năng chảy nhớt của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum
Một trong những ưu điểm của thiết bị trộn nội Haake là có thể xác định được mô men xoắn tức thời của trục vít được ghi lại theo thời gian, thông số này có liên quan đến ma sát nội của dòng chảy vật liệu trong buồng trộn. Theo hình 3.2, ban đầu các nguyên liệu được nạp vào buồng trộn, sau khi đóng buồng trộn, mô men xoắn của trục quay là lớn nhất do ma sát lớn giữa các hạt nguyên liệu ở trạng thái rắn. Khi các nguyên liệu nhận được nhiệt từ buồng trộn và sự quay của roto, polyme mềm dần và nóng chảy, quá trình này làm cho mô men xoắn giảm dần và đạt giá trị khá ổn định khi polyme nóng chảy hoàn toàn. Mô men xoắn ổn định đặc trưng cho độ nhớt chảy tương đối của dòng polyme nóng chảy.
0 2 4 6 8 10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Mo me n xo a n (N m)
Thoi gian tron (phut)
HDPE/EVA HEgsB HEgsP HEgsO
Hình 3.2: Giản đồ momen xoắn của các mẫu compozit HEgsB,
HEgsP và HEgsO tại 7 %kl gypsum
Từ hình 3.2 có thể thấy khi tăng hàm lượng gypsum lên mô men xoắn cân bằng của vật liệu có xu hướng tăng. Nguyên nhân là
31
do khi tăng hàm lượng gypsum, khả năng phân tán vào nền giảm, lượng gypsum nhiều sẽ làm tăng ma sát nội trong quá trình nóng chảy, dẫn đến mô men xoắn của vật liệu tăng. Khi sử dụng gypsum biến tính, khả năng phân tán đều vào nhựa nền hơn, đồng thời EBS đóng vai trò là trợ gia công làm giảm ma sát của vật liệu với trục quay, từ đó làm giảm ma sát nội trong quá trình nóng chảy, vật liệu dễ gia công hơn. So sánh các mô men xoắn cân bằng tại các tỉ lệ gypsum khác nhau cho thấy, các mẫu HEgsB đều có giá trị thấp hơn mẫu HEgsP tại cùng tỉ lệ gypsum. Trong khi các mẫu HEgsO có giá trị mô men xoắn thấp do hàm lượng độn đưa vào thấp hơn hai mẫu còn lại (do không có phụ gia chống cháy).
Bảng 3.1. Momen xoắn cân bằng của vật liệu compozit tại hàm lượng gypsum khác nhau Gypsum (%) HEgsB (Nm) HEgsP (Nm) HEgsO (Nm) 0 8,02 8,02 7,60 2 10,12 10,17 7,90 5 10,25 10,52 8,40 7 10,30 10,93 10,17 10 10,82 10,93 10,93 15 11,49 11,49 10,94 3.3. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp HDPE/EVA/gypsum. 3.3.1. Độ bền kéo đứt
Hình 3.3 trình bày sự phụ thuộc độ bền kéo dứt của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum theo các hàm lượng gypsum khác nhau.
32 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 D o b e n ke o d u t (MPa )
Ham luong gypsum (% kl)
HEgsB HEgsP HEgsO
Hình 3.3: Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit
HDPE/EVA/gypsum tại các hàm lượng gypsum khác nhau
Từ hình 3.3 cho thấy, độ bền kéo đứt của blend HDPE/EVA ban đầu là 21 MPa. Đối với mẫu HEgsO, độ bền kéo đứt có xu hướng giảm nhẹ trước khi tăng trong khoảng từ 0-5% gypsum, trong khi các mẫu HEgsB và HEgsP có xu hướng tăng dần khi hàm lượng gypsum tăng. Tại 5% gypsum, các mẫu HEgsP, HEgsO có độ bền kéo đứt lớn nhất và đạt giá trị lần lượt là 21,6 MPa và 18,4 MPa. Sự vượt trội về độ bền kéo đứt của các mẫu HEgsO có thể được giải thích là do hàm lượng chất độn có trong mẫu ít hơn (do không có phụ gia chống cháy) nhờ đó khả sự phân tán của gypsum trong mẫu tốt hơn. Tuy nhiên, giá trị độ bền kéo đứt của các mẫu này giảm nhanh khi hàm lượng gypsum đưa vào lớn hơn 7%kl. Trái ngược với xu hướng trên, các mẫu HEgsB có độ bền kéo đứt tiếp tục tăng và đạt giá trị cực đại là 19,2 MPa tại 7%kl gypsum. Rõ ràng ở hàm lượng gypsum lớn (> 7%kl), vật liệu compozit sử dụng gypsum biến tính bằng EBS có độ bền kéo đứt lớn hơn so
33
với mẫu còn lại. Điều này là do EBS phủ lên bề mặt gypsum nhờ đó gypsum dễ dàng phối trộn, bám dính và tương hợp tốt với các đại phân tử HDPE và EVA tốt hơn so với mẫu không biến tính.
3.3.2. Độ dãn dài khi đứt
Bảng 3.2 trình bày độ giãn dài khi đứt của các mẫu compozit HEgsB, HEgsP và HEgsO tại các hàm lượng gypsum khác nhau.
Bảng 3.2: Độ dãn dài khi đứt của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum
Gypsum (%kl)
Độ giãn dài khi đứt (%)
HEgsB HEgsP HEgsO
0 430 430 450 2 415 371 400 5 400 154 169 7 356 136 168 10 268 102 107 15 159 90 117
Từ bảng 3.2 cho thấy, HDPE/EVA ban đầu có độ dãn dài khi đứt lớn nhất đạt giá trị 450 %, khi bổ sung thêm gypsum độ giãn dài khi đứt của vật liệu compozit giảm nhanh. Kết quả tại hàm lượng gypsum lớn nhất độ dãn dài khi đứt của mẫu HEgsO chỉ còn lại 117%. Đối với các mẫu HEgsP, sự suy giảm độ dãn dài xảy ra mạnh hơn. Các giá trị độ dãn dài khi đứt của mẫu HEgsP thấp hơn so với mẫu HEgsO do có hàm lượng độn lớn hơn. Ngược lại, các mẫu sử dụng gypsum biến tính EBS có độ dãn khi đứt cao hơn mẫu HEgsP và HEgsO. Điều này có thể do sự có mặt của EBS làm giảm khuyết tật hình thành trong mẫu, và làm giảm sự giải phóng
34
H2O trong gypsum (đây là nguyên nhân gây ra sự tạo thành bọt khí và khuyết tật trong mẫu).
3.3.3. Mô đun đàn hồi
Bảng 3.3 trình bày sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi theo hàm lượng gypsum trong các mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum có và không có phụ gia chống cháy. Mẫu HEgsO ban đầu có giá trị mô đun đàn hồi ban đầu là 100 MPa. Khi có mặt phụ gia chống cháy và gypsum, mô đun đàn hồi của mẫu compozit tăng. Nhìn chung, mô đun đàn hồi của mẫu HEgsB có giá trị cao hơn so với các mẫu HEgsP và HEgsO. Cụ thể, tại hàm lượng 15 %kl gypsum, giá trị mô đun đàn hồi của mẫu HEgsB đạt 905 MPa, trong khi hai mẫu HEgsP và HEgsO chỉ đạt giá trị 845 MPa và 374 MPa. Sự gia tăng giá trị mô đun đàn hồi khi sử dụng gypsum biến tính là do chúng có khả năng phân tán tốt vào giữa các lớp polyme dẫn tới khả năng cản trở chuyển động trượt của mạch polymer điều này làm gia tăng độ cứng của vật liệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.3: Mô đun đàn hồi của vật liệu HEgsB, HEgsP và HEgsO tại các hàm
lượng gypsum khác nhau
Gypsum (%)
Mô đun đàn hồi (MPa)
HEgsB HEgsP HEgsO
0 229 229 100 2 386 392 124 5 142 333 181 7 404 410 250 10 470 413 205 15 905 845 374
35
3.4. Độ cứng
Độ cứng shore là đơn vị đo của độ bền vật liệu chống lại lực ấn từ các mũi thử. Trị số càng cao thì độ bền càng cao. Trong phần này, độ cứng của các mẫu compozit HDPE/EVA/gypsum được xác định trong thang đo shore D và được thể hiện trên hình 3.4. -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 D o cu n g - sh o re D
Ham luong gypsum (% kl) HEgsB
HEgsP HEgsO
Hình 3.4: Độ cứng của mẫu HEgsB, HEgsP và HEgsO ở các hàm
lượng gypsum khác nhau.
Từ kết quả thu được ở trên cho thấy, độ cứng của vật liệu tăng mạnh theo hàm lượng gypsum. Các mẫu HEgsB, HegsP ban đầu (chỉ có phụ gia chống cháy) có độ cứng là 52 cao hơn so với mẫu HEgsO ban đầu (chỉ có nhựa nền ban đầu) có giá trị là 50. Khi tăng hàm lượng gypsum, độ cứng của các mẫu HEgsO luôn thấp hơn so với các mẫu HEgsB, HEgsP do hàm lượng nhựa nền của các mẫu HEgsO luôn cao hơn hai seri còn tại cùng hàm lượng gypsum. So sánh với mẫu HEgsP,độ cứng của mẫu HEgsB luôn
36
cao hơn. Kết quả này do các mẫu HEgsP sử dụng gypsum ban đầu có sự tương hợp với nhựa nền kém, tạo ra phân tách pha và xuất hiện các khuyết tật, bọt khí (một phần do nước trong CaSO4.2H2O giải phóng ra trong quá trình gia công mẫu), kết quả này làm giảm độ cứng khi so sánh với mẫu HEgsP. Ví dụ, tại hàm lượng 7 % gypsum, mẫu HEgsB đạt giá trị là 61,5 trong khi mẫu HEgsP là 60,7.
3.5. Khả năng chống cháy của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum HDPE/EVA/gypsum
Khả năng chống cháy của vật liệu compozit HDPE/EVA/gypsum có và không có phụ gia chống cháy được biểu diễn qua bảng 3.4 và bảng 3.5.
Bảng 3.4. Khả năng chống cháy của vật liệu compozit HEgsO tại các hàm lượng gypsum khác nhau theo phương pháp cháy ngang UL-94
Gypsum (%kl)
Thời gian cháy (giây) Tốc độ cháy (mm/phút) 0 161 28,13 2 190 23,68 5 159 28,30 7 167 26,95 10 173 26,01 15 180 25, 00
Khảo sát khả năng chống cháy của vật liệu compozit HEgsO cho thấy, khi hàm lượng gypsum tăng từ 0 đến 15 %kl thời gian cháy của vật liệu compozit có xu hướng tăng nhẹ từ 161 đến 180 giây. Kết quả này do hàm lượng nhựa trong mẫu giảm và hàm
37
lượng gypsum tăng dần tạo ra một lớp barier ngăn nhiệt, do vậy kéo thời gian cháy của vật liệu. Tốc độ cháy được tính toán từ thời gian cháy của vật liệu, kết quả thu được cho thấy, các mẫu HEgsO có tốc độ cháy nhỏ hơn 29 mm/phút. Kết quả này chứng tỏ, các mẫu này đều đạt tiêu chuẩn UL-94 HB (có tốc độ cháy nhỏ 75 mm/phút với độ dày mẫu nhỏ hơn 3 mm).
Bảng 3.5: Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng gypsum đến thời gian tắt cháy của vật liệu HEgsB và HEgsP theo phương pháp cháy đứng UL-94
Gypsum (%)
Thời gian cháy (giây) HEgsB (Tổng thời gian tắt cháy t1 + t2) Đánh giá HEgsP (Tổng thời gian tắt cháy t1 + t2) Đánh giá 0 150 Đạt V-2 150 Đạt V-2 2 139 Đạt V-2 91 Đạt V-2 5 114 Đạt V-2 122 Đạt V-2 7 112 Đạt V-2 105 Đạt V-2 10 102 Đạt V-2 107 Đạt V-2 15 65 Đạt V-2 84 Đạt V-2
Khi có mặt phụ gia chống cháy amoni polyphotphat và Zn - stearat, vật liệu có khả năng tự dập tắt. Do vậy, để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng gypsum biến tính và không biến tính tới khả năng chống cháy của vật liệu, các mẫu HEgsB và HEgsP đo theo phương pháp cháy đứng UL-94, các kết quả được trình bày trên bảng 3.5. khi tăng hàm lượng gypsum, thì tổng thời gian tắt cháy
38
(t1+t2) của các mẫu compozit có xu hướng giảm dần. Các mẫu sử dụng gypsum biến tính có tổng thời tắt cháy nhanh hơn so với mẫu sử dụng gypsum không biến tính. Điều đó có nghĩa các mẫu này có khả năng dập cháy nhanh hơn khi sử dụng gypsum biến tính. Ví dụ, ở hàm lượng 15% gypsum, tổng thời gian tắt cháy của mẫu HEgsB là 65 giây, trong khi mẫu HegsP là 85. Điều này chứng tỏ rằng, khi được biến tính, gypsum dễ dàng phân tán trong nền nhựa HDPE/EVA, nhờ đó, lớp gypsum bền nhiệt (nhiệt độ phân hủy gypsum > 1200oC) kết hợp với muối Zn-Stearat và amoni polyphotphat để tạo thành lớp sỉ bền nhiệt bao quanh lớp nhựa nền, ngăn chặn sự xâm nhập của oxy vào bên trong vật liệu. Đặc biệt sự bay hơi nước trong gypsum ở nhiệt độ cao góp phần làm giảm nhiệt năng của quá trình phản ứng cháy. Kết quả thu được cho thấy, các mẫu này đạt tiêu chuẩn chống cháy UL-94, cấp độ V-2 (có tổng thời gian cháy nhỏ hơn 250 giây). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.6. Tính chất nhiệt của vật liệu polyme compozit HDPE/EVA/gypsum 400 600 800 -100 -80 -60 -40 -20 0 HEgsB Kho i l uo ng co n la i(% ) Nhiet do ( o C ) HEgsP HE/EVA HEsgO
39
Để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu compzit HDPE/EVA/gypsum, các mẫu được phân tích bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng (TGA) từ nhiệt độ phòng đến 800oC trong môi trường khí nito.
Từ hình 3.5 cho thấy, sự phân hủy nhiệt của các mẫu compozit và mẫu nhựa nền HDPE/EVA trải qua ba giai đoạn. Giai đoạn 1, từ nhiệt độ phòng đến 400oC sự mất khối lượng đạt xấp xỉ 10 %kl. Đối với HDPE/EVA và mẫu HEgsO, sự mất khối lượng trong giai đoạn này nhiều hơn do sự mất nước có trong gypsum và một phần sự phân hủy của EVA ban đầu (hàm lượng nhựa EVA trong hai mẫu này cao hơn so với mẫu HEgsP và HEgsB). Trong khi, đối với mẫu HEgsP, sự giảm khối lượng có thêm sự đóng góp của phụ gia chống cháy amoni polyphotphat (phân hủy sớm trong khoảng từ 240 – 350oC). Bên cạnh đó, mẫu HEgsB có sử dụng chất biến tính EBS (phân hủy trong khoảng 300o
C – 400oC), điều này dẫn tới sự phân hủy nhiệt tại các mẫu sử gypsum biến tính xảy ra sớm hơn và sự mất khối lượng trong giai đoạn này cao hơn so với mẫu không biến tính.
Trong giai đoạn 2, sự mất khối lượng chủ yếu do sự phân hủy của nhựa HDPE và EVA trong khoảng nhiệt độ từ 400 oC đến 550 oC. Các mẫu có hàm lượng EVA và HDPE cao hơn thì sự mất khối lượng xảy ra lớn hơn. Trong giai đoạn 1 + giai đoạn 2, tổng khối lượng phân hủy của mẫu HDPE/EVA và HEgsO đạt giá trị lần lượt là 91,05 % và 84,26 %. Trong khi các mẫu HEgsB và HEgsP đạt giá trị thấp hơn là 81,52 % và 80,23 %.
40
Trong giai đoạn 3, sự mất khối lượng xảy ra trong khoảng từ 550oC đến 800o
C chủ yếu do sự hóa than của mẫu nhựa nền, trong khi gypsum không bị ảnh hưởng bởi nhiệt
400 600 -20 -15 -10 -5 0 HEgsB HEgsP HEsgO HE/EVA D T G (% /mi n ) Nhiet do ( o C ) 363 367
Hình 3.6: Đường DTG của các mẫu vật liệu HDPE/EVA/gypsum
Quan sát giản đồ DTG của các mẫu compozit cho thấy, mẫu HEgsB và HEgsP có hai píc đặc trung cho quá trình phân hủy cực đại. Ở píc đầu tiên, mẫu HEgsB xảy ra sớm hơn do sự phân hủy sớm của EBS tại 363 o
C, trong khi mẫu không biến tính HEgsP xảy chậm hơn tại 367 oC. Điều này cho thấy, EBS không đóng vai trò cải thiện độ bền nhiệt do dễ bị phân hủy. Ở píc 2, quá trình mất khối lượng của mẫu chủ yếu do sự phân hủy của HDPE và EVA. Nhiệt độ phân hủy cực đại của các mẫu này không có sự khác biệt đáng kể.
41
KẾT LUẬN
Kết quả phân tích phổ IR cho thấy EBS đã được ghép thành công lên bề mặt của gypsum. Gypsum biến tính bằng EBS đã cải thiện độ bền kéo đứt, hạn chế sự suy giảm độ giãn dài khi đứt của vật liệu polyme compozit HDPE/EVA/gypsum. Tại hàm lượng 7 % gypsum biến tính, mẫu HEgsB đạt độ bền kéo đứt cao nhất là 19,2 Mpa, độ dãn dài khi đứt là 356 %, mô đun đàn hồi là 404 Mpa. Hơn nữa, việc sử dụng gypsum biến tính làm tăng độ cứng của vật và khả năng chống cháy. Tuy nhiên, sự có EBS dẫn tới sự phân hủy nhiệt xảy ra sớm hơn so với mẫu không biến tính.
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh
[1]. Nicole M. Stark, Laurent M. Matuana (200 ), Surface chemistry changes of weathered HDPE/wood -flour composites
studied by XPS and FTIR spectroscopy,Polymer Degradation and
Stability, Volume 86,Issue 1, [1-9].
[2]. Robert E. Lee, Donald Hallenbeck, Jane Likens (2003),
Stabilization of Flame -Retarded Polyprolene.
[3]. Q.Fu, Y.Men, G.Strobl(2003), Understanding of the tensile deformation in HDPE/LDPE blends based on their crystal
structurre and phase morphology, Page 1927-1933.
[4]. T. Ramos, L.C. Mendes (2014), Recycled high-density polyethylenne/gypsum composites: evaluation of the microscopic, thermal, flammability, and mechanical pro perties, Vol.7, No. 2, 199-208.
[5]. Sibele Piedage, Gerson Alberto Va lencia Albitres, Luis C Mendes, Volker Altstadt, Jair Braga, Gabriel Carvalho Bertassone Avila, Ivan de Sousa dos Silveira (2017), Advanced properties of composites of recycled high -density polyethylene and microfibers of sugaecane bagasse. Journal of C omposite
Materials.Journal ò Composite Materials, Vol.53, Issue 7
[6]. Effect of gypsum modified by stearic acid on properties
and morphology of HDPE/EVA/gypsum c omposites, Vietnam (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Journal of Science and Technology, Vol. 53 (4C), 149 -159(2015). [7]. Marius Muariu, Lei Bonnaud, Paint Yoann, Gaelle