Kết quả so sánh tính chất cơ lý của nhựa PP/PPgMA khi có và không có mặt 1% CNT ban đầu hoặc 1% CNT biến tính được trình bày tại bảng 3.8.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của CNT đến tính chất cơ lý của nhựa PP/PPgMA
Vật liệu Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) Mô đun đàn hồi (GPa) PP 21,5 560 0,90 PP/PPgMA 27,1 368 1,10 PP/PPgMA/1% CNTbđ 32,6 122 1,20 PP/PPgMA/1% CNTbt 39,5 166 1,93
Kết quả cho thấy với cùng hàm lượng CNT là 1% thì CNTbiến tính cho vật liệu có độ bền cơ lý cao hơn so với việc sử dụng CNT ban đầu. Hệ vật liệu PP/PPgMA/1% CNTbt có độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi tăng 45,7% và 75,4%, cao hơn nhiều so với vật liệu PP/PPgMA/1% CNTbđ (tăng tương ứng so với PP/PPgMA là 20,3% và 9,1%). So sánh PP/PPgMA/1% CNTbt với PP/PPgMA/1% CNTbđ ta thấyđộ bền kéo đứt tăng 21,1%, độ dãn dài khi đứt tăng 36,1% và mô đun đàn hồi tăng 60,8% khi sử dụng CNT biến tính.
Các kết quả nghiên cứu và khảo sát cho thấy luận văn đã chế tạo thành công vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở Polypropylen (PP) với ống nano cacbon đa tường (MWCNT). Phương pháp kỹ thuật tối ưu để chế tạo hệ vật liệu được tiến hành như sau:
+ MWCNT và HNO3 (63%) được trộn lẫn, rung siêu âm trong 30 phút sau đó khuấy gia nhiệt ở 60oC trong 6 giờ. Lọc rửa hỗn hợp (8-10 lần) bằng nước cất và sấy mẫu ở 80oC trong 48 giờ, thu được CNTbt.
+ Trộn 5% CNTbt với PP và chế tạo Master batch bằng máy trộn nóng chảy 2 trục vít ở nhiệt độ trộn 180oC, thời gian trộn 6 phút, tốc độ trộn 300 vòng/phút và
đùn cắt tạo thành các hạt nhựa hình trụ kích thước 2x3mm. Sấy khô hạt nhựa ở nhiệt độ 60oC trong 2 giờ.
+ Hạt Master batch PP/ 5% CNTbt sau khi sấy khô được trộn với hỗn hợp nhựa PP và PPgMA sao cho hàm lượng PPgMA đạt 2% và lượng CNTbt đạt 1% khối lượng vật liệu. Phối trộn sơ bộ hỗn hợp bằng máy trộn kín ở nhiệt độ thường, tốc độ 700 vòng/phút trong 5 phút.
+ Hút nhựa vào phễu nạp liệu của máy ép phun và sấy trong 1 giờ ở nhiệt độ 80oC trước khi ép phun.
+ Quá trình ép phun diễn ra trong thời gian phun 2 giây, thời gian làm mát 20 giây, nhiệt độ khuôn điều chỉnh ở 45oC với chế độ nhiệt, tốc độ phun, áp suất phun, quá trình bảo áp như sau:
Khoang phun Đầu béc phun T1 T2 T3 T4 T5
Chế độ nhiệt (o
C) Tbp= 0,99T1 185 175 170 165 160
Tốc độ phun (%) - 40 60 45 15 10
Áp suất phun (%) - 40 60 40 15 10
Bảo áp (%) - 15 5 3 2 1
Kết quả so sánh tại bảng 3.8 cho thấy vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở PP/PPgMA/1% CNTbt thu được có độ bền kéo đứt tăng 83,7% và mô đun đàn hồi tăng 114,4% so với nhựa PP ban đầu. Kết quả nghiên cứu này mở ra hướng chế tạo các sản phẩm có yêu cầu độ bền cơ lý cao, chịu va đập tốt ứng dụng trong kỹ thuật dân dụng và an ninh quốc phòng.
KẾT LUẬN
Với mục đích nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở polypropylen với ống nano cacbon đa tường, luận văn đã đạt được một số kết quả sau:
1. Đã biến tính MWCNT bằng HNO3 63% và nghiên cứu cấu trúc, hình thái học, tính chất của MWCNT ban đầu và MWCNT biến tính bằng hình ảnh SEM, TEM, phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt. Kết quả nghiên cứu khẳng định nhóm cacboxyl đã được gắn lên trên bề mặt MWCNT. MWCNT biến tính có khả năng phân tán trong nhựa nền tốt hơn MWCNT ban đầu dẫn đến tính chất cơ lý của vật liệu nanocompozit được tăng lên. Đưa ra tỉ lệ MWCNT sử dụng phù hợp là 1%.
2. Đã khảo sát sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến sự phân tán CNT trong nền nhựa và tính chất của vật liệu thu được, từ đó thiết lập phương pháp kỹ thuật tối ưu chế tạo vật liệu PP/PPgMA/CNTbt nanocompozit theo qui trình như sau:
+ Trộn 5% khối lượng CNTbt với 10% khối lượng PPgMA và nhựa PP để chế tạo Master batch bằng máy trộn nóng chảy 2 trục vít ở nhiệt độ trộn 180oC, thời gian trộn 6 phút, tốc độ trộn 300 vòng/phút và đùn cắt tạo thành các hạt nhựa hình trụ kích thước 2x3mm. Sấy khô hạt nhựa ở nhiệt độ 60oC trong 2 giờ.
+ Nhựa PP được trộn với hạt Master batch sao cho hàm lượng PPgMA đạt 2% và CNTbt đạt 1% khối lượng. Phối trộn sơ bộ hỗn hợp ở tốc độ trộn 700 vòng/phút trong 5 phút, ở nhiệt độ thường.
+ Sấy hỗn hợp trong 1 giờ ở nhiệt độ 80oC sau đó tiến hành ép phun ở 185oC trong thời gian phun 2 giây, thời gian làm mát 20 giây, nhiệt độ khuôn điều chỉnh ở 45oC
3. Đã chế tạo thành công vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa PP/2 % PPgMA/ 1% CNTbt. Kết quả cho thấy vật liệu này có độ bền kéo đứt tăng 83,7% và mô đun đàn hồi tăng 114,4% so với nhựa PP ban đầu. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng chế tạo các sản phẩm có độ bền cơ lý cao, chịu va đập tốt ứng dụng trong kỹ thuật dân dụng và an ninh quốc phòng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Phan Thế Anh, Bài giảng k thuật sản xuất chất dẻo, Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
[2] Huỳnh Anh Hoàng, (2012), Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và một số ứng dụng của vật liệu cacbon nano ống bằng phương pháp xúc tác lắng đọng hoá học pha hơi khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) Việt Nam, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Viện Hoá học, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, 39-79.
[3] Nguyễn Đức Nghĩa, (2007), Hóa học Nano - Công nghệ nền và vật liệu nguồn, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.
[4] Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002), Vật liệu compozit cơ học và công nghệ,Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5] Lê Văn Thụ, Nguyễn Thanh Hải, Lê Quốc Trung, Huỳnh Anh Hoàng, (2013)
Tối ưu hóa quá trình tổng hợp ống nano cacbon từ khí dầu mỏ hóa lỏng Việt Nam. Hội nghị Hóa học toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội 22/6/2013.
[6] Lê Quốc Trung, (2011), Nghiên cứu tổng quan về khoa học và công nghệ nanô; Ứng dụng chế tạo vật liệu tổ hợp từ ống nanô cácbon, sợi cácbon và polyme nhiệt dẻo sử dụng làm tấm chống đạn, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ Công an, Hà Nội,
[7] Lê Quốc Trung, Vũ Đình Khiêm, Ngô Cao Long, Lê Văn Thụ, (2012), Công nghệ nano - Công nghệ của thế kỷ XXI, Nhà xuất bản Công an nhân dân, Hà Nội. [8] Ngô Trịnh Tùng, Lê Văn Thụ, Trần Đại Lâm, (2014), Giáo trình công nghệ gia công vật liệu polyme gia công nhựa nhiệt dẻo, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.
Tiếng Anh
[9] Abot J L, Song Y, Schulz M J, Shanov V N, (2008), Novel carbon nanotube array-reinforced laminated compozits materials with high interlaminar elastic properties, Compozit Science Technology, Vol. 68 (13), pp. 2755-2760.
[10] C Emmenegger et al, (2003), Synthesis of carbon nanotubes over Fe catalyst on aluminium and suggested growth mechanism, Carbon, Vol. 41 (3), pp. 539-547. [11] Dimitrios Bikiaris, (2010), Microstructure and properties of Polypropylene/ Carbon nanotube nanocompozits, Materials, Vol. 3, pp. 2884-2946.
[12] Du F, Fischer J E, Winey K I (2003), Coagulation method for preparing single-walled carbon nanotube/ poly(methyl methacrylate) compozits and their modulus, electrical conductivity, and thermal stability, Journal of Polyme Science, part B, Vol. 41, pp. 3333–3338.
[13] E Terrado, M Redrado, E Munoz, W K Maser, A M Benito, M T Martinez, (2006), Aligned carbon nanotubes grown on alumina and quartz substrates by a simple thermal CVD process, Diamond and Related Materials, Vol. 15, pp. 1059- 1063.
[14] Gojny F H, Nastalczyk J, Roslaniec Z, Schulte K, (2003), Surface modified multi-walled carbon nanotubes in CNT/epoxy-compozit, Chemical Physics Letters, Vol. 370 (5–6), pp. 820–824
[15] Harutun G.Karian, Hanbook of Polypropylene and Polypropylen compozits.
Second edition, revised and expanded, copyright 2003 by Marcel Dekker, Inc. [16] Hou Z, Wang K, Zhao P, Zhang Q, Yang C, Chen D, Du R, Fu Q, (2008)
Structural orientation and tensile behavior in the extrusion-stretched sheets of polypropylene/multi-walled carbon nanotubes compozit, Polyme, Vol. 49, pp. 3582- 3589.
[17] Ijima S, Helical S,(1991), Microtubules of graphitie cacbon, Nature, pp. 381- 678.
[18] Jin Z, Pramoda K P, Xu G, Goh S H, (2001), Dynamic mechanical behavior of melt-processed multiwalled carbon nanotube/poly(methyl methacrylate) compozits, Chemical Physics Letters, Vol. 337, pp. 43–47.
[19] Koshio A, Yudasaka A M, Zhang M, Iijima S,(2001), A simple way to chemically react single-wall carbon nanotubes with organic materials using ultrasonication, Nano Letters, Vol. 1, pp. 361–363.
[20] Liming Dai, (2006), Carbon Nanotechnology: Chapter 18, Carbon nanotube and epoxy compozits for military applications, Elsevier, pp 633.
[21] Mauricio Terrones, (2003), Science and technology of the twenty-first century: Synthesis, properties, and applications of carbon nanotubes, Annual review of Materials research, Vol. 33, pp. 419–501.
[22] Potschke P, Fornes T D, Paul D R, (2002), Rheological behaviour of multiwalled carbon nanotubes/polycarbonate compozits, Polyme, Vol. 43, pp. 3247–3255.
[23] Ritter U, Scharff P, Dmytrenko O P, Kulish N P, Prylutskyy Y I, Grabovskiy Y E, Belyi N M, Pinchuk T N, Alekseev A N, Sementsov Y I, Gavrylyuk N A, Shlapatskaya V V, (2010), Strength improvement of iPP/MWCNT nanocompozits. Polyme Compozits, Vol. 31, pp. 179-184.
[24] Van Thu Le, Cao Long Ngo, Quoc Trung Le et al, (2013), Surface modification and functionalization of carbon nanotube with some organic compounds, Advances in natural sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 4.
[25] Yokozeki T, Iwahori Y, Ishibashi M, Yanagisawa T, Imai K, Arai M, (2009),
Fracture toughness improvement of CFRP laminates by dispersion of cup-stacked carbon nanotubes, Compozits Science and Technology, Vol. 69 (14), pp. 2268– 73.37.
[26] Zdenko Spitalsky, Dimitrios Tasis, Konstantinos Papagelis, Costas Galiotis, (2010), Carbon nanotube–polyme compozits: Chemistry, processing, mechanical and electrical properties, Progress in Polyme Science, Vol. 35, pp.357–401.
Tủ sấy hút chân không Memert, Đức
Tủ sấy Memert, Đức
Máy rung siêu âm Sonics 40297 - J (Mỹ)
Máy đo độ bền kéo, nén, uốn
Tinius Olsen H100KU, Mỹ
Máy đo độ bền va đập Radmana ITR 2000, Australia
Máy phân tích nhiệt DSC-TGA
Labsys - Setaram, Pháp
Máy phân tích kích thước hạt nhiễu xạ laser LA 950 - HORIBA, Australia
Máy cắt mẫu Compozit Ceast, Italia Tủ sấy chân không
Máy ép phun SM 210 Máy trộn nhựa