Độ bền thời tiết của vật liệu đợc xác định tại viện kỹ thuật nhiệt đới, viện khoa học và công nghệ việt nam trên thiết bị UV – CON 327 (hãng Atlas, Mỹ) với hệ thống đèn xenon theo tiêu chuẩn ASTM 793 – 91 (632). Mỗi chu kì thử nghiệm gồm 8 giờ chiếu xạ tử ngoại ở 70°C và 4 giờ ngừng chiếu xạ, ngng hơi ẩm ở 50°C. Sau đó, mẫu đợc lấy ra để đo tính chất cơ lý (độ bền khi đứt, độ dãn dài khi đứt ) nh đã trình bày ở phần III.3.2.
Phần III. kết qủa và thảo luận
III.1. Nghiên cứu khả năng chảy nhớt của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng gia công của vật liệu polyme blend là mômen xoắn của nó khi đùn trộn. Giá trị mômen xoắn này đặc trng cho độ nhớt chảy của vật liệu polyme blend trong buồng trộn. Vì vậy, cần tiến hành xác định sự biến đổi mômen xoắn của các polyme blend PVC/EVA trong quá trình trộn hợp nóng chảy PVC và EVA.
Quá trình này đợc thực hiện trên thiết bị trộn nội Haake. Để so sánh các giá trị mômen xoắn của PVC và EVA và polyme blend PVC/EVA trong quá trình trộn nóng chảy, nhiệt độ, tốc độ trộn và thể tích của vật liệu đợc giữ cố định. Nhiệt độ buồng trộn và sự quay của rôto làm cho vật liệu nóng chảy dần và đạt đến giá trị mômen xoắn ổn định.
0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 Thời gian trộn (phút) M ô m en x o ắ n ( N .m ) EVA PVC/EVA 10/90 PVC/EVA 80/20 PVC
Hình 1: Giản đồ mômen xoắn - thời gian trộn của PVC, EVA và polyme PVC/EVA ở các tỷ lệ khác nhau.
Trong hình 1 cho thấy giá trị mômen xoắn ở trạng thái cân bằng nóng chảy của EVA là thấp nhất, cao nhất là giá trị mômen xoắn của PVC. Đối với các mẫu polyme blend có các tỷ lệ PVC/EVA khác nhau, giản đồ mômen xoắn – thời gian của chúng phản ánh quá trình chảy lần lợt của EVA, PVC. Các giá trị mômen xoắn ở trạng thái cân bằng nóng chảy của các vật liệu polyme blend này nằm trung gian giữa giá trị mômen xoắn của PVC và EVA ban đầu. Do EVA có giá trị mômen xoắn thấp hơn so với PVC nên nó có tác dụng làm giảm giá trị mômen xoắn của vật liệu polyme blend PVC/EVA, giảm năng lợng cơ học trộn nóng chảy PVC và EVA. Do đó quá trình chế tạo polyme blend PVC/EVA trở nên dễ dàng hơn.
0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 Thời gian trộn (phút) M ô m en x oắ n ( N .m ) PVC/EVA 10/90 PVC/EVA/DCP 10/90/0,075 PVC/EVA/DCP 10/90/0,1 PVC/EVA/DCP 10/90/0,125
Hình 2: Giản đồ mômen xoắn thời gian trộn của polyme blend–
PVC/EVA (10/90) ở các hàm lợng DCP khác nhau.
Hình 2 cho thấy khi có mặt chất trợ tơng hợp DCP giá trị mômen xoắn ở trạng thái nóng chảy của vật liệu polyme blend tăng lên so với vật liệu polyme blend không có DCP. Điều này đợc giải thích do có phản ứng giữa PVC và EVA dới tác dụng của DCP trong quá trình trộn hợp nóng chảy. Khi hàm lợng DCP thêm vào hỗn hợp polyme tăng, giá trị mômen xoắn của polyme tăng.
Hình 3. Giản đồ mômen xoắn - thời gian trộn của polyme blend PVC/EVA (10/90) ở các hàm lợng CaCO3 khác nhau.
Bảng 1: Sự phụ thuộc giá trị mômen xoắn cân bằng của polyme blend PVC/EVA (10/90) vào hàm lợng CaCO3
Quá trình chảy nhớt của vật liệu polyme blend PVC/EVA với hàm lợng CaCO3 khác nhau đợc phản ánh qua sự biến đổi mômen xoắn theo thời gian trộn. Hình 3 và bảng 1 cho thấy giá trị mômen xoắn của vật liệu polyme blend ở trạng thái cân bằng nóng chảy tăng lên theo hàm lợng CaCO3. Vì CaCO3 là chất độn cứng nên khi hàm lợng của nó tăng lên sẽ làm giảm quá trình chảy của vật liệu
Trần Thị Khánh Lớp: polyme - K45 Hàm lợng CaCO3
(pkl) Mômen xoắn ở trạng thái cân bằng(N.m)
0 5,8 10 5,9 15 6,2 20 6,5 25 6,5 30 7,2 35 7,5 31
polyme blend, vì vậy, giá trị mômen xoắn ở trạng thái cân bằng nóng chảy của vật liệu polyme blend tăng lên.
Hình 4: Giản đồ mômen xoắn - thời gian trộn của polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) với các hàm lợng DCP khác nhau.
Từ hình 4 ta thấy, giá trị mômen xoắn của vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) có DCP tại các thời điểm trộn nóng chảy khác nhau đều cao hơn so với vật liệu polyme không có DCP. Kết qủa này cho thấy, phản
ứng giữa các gốc PVC và EVA đợc khơi mào bởi DCP xảy ra ngay cả khi có mặt chất độn CaCO3.
III.2. Nghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Bảng 2: ảnh hởng của tỷ lệ thành phần đến tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Từ bảng 2 cho thấy hiệu ứng không tơng hợp của hệ polyme blend PVC/EVA thể hiện ở sự suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend thu đợc. Độ bền đứt của vật liệu có giá trị cực tiểu khi hàm lợng PVC/EVA là 50/50. Độ dãn khi đứt của vật liệu có giá trị cực tiểu với hàm lợng PVC/EVA là 70/30. Với các polyme blend có hàm lợng PVC hoặc EVA nhỏ (10 pkl), các tính chất cơ lý giảm ít hơn so với polyme blend có thành phần PVC hoặc EVA lớn hơn. Vì
Tỷ lệ PVC/EVA
(pkl/pkl) Độ dãn khi đứt (%) Độ bền kéo đứt (MPa)
100/0 265 23,4 90/10 156 16,8 85/15 100 11,3 80/20 49 7,64 70/30 20 6,64 50/50 263 3,14 30/70 558 5,59 20/80 660 10,1 10/90 667 10,3 0/100 780 13,8
vậy, polyme blend với tỷ lệ PVC/EVA là 10/90 đợc sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Bảng 3: ảnh hởng của hàm lợng DCP đến tính chất cơ lý của polyme blend PVC/EVA (10/90) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3 cho thấy trong vật liệu polyme blend PVC/EVA (10/90), DCP có tác dụng nâng cao độ bền kéo đứt của vật liệu polyme blend. Điều này chứng tỏ khi có DCP trong vật liệu polyme blend có phản ứng giữa các gốc PVC và EVA tạo thành copolyme ghép PVC – g – EVA ở bề mặt phân pha của 2 polyme. Copolyme này dễ trộn lẫn, rối cuộn và tơng tác với các polyme thành phần làm tăng độ kết dính giữa 2 pha [3]. Khi hàm lợng DCP = 0,1%, độ bền đứt của vật liệu polyme blend đạt giá trị cực đại (14,1 MPa). Khi hàm lợng DCP > 0,1%, độ bền đứt của vật liệu polyme blend có xu hớng giảm dần. Điều này có thể giải thích bởi lợng DCP d đã thúc đẩy phân huỷ oxy hoá PVC và EVA. Do đó, tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend giảm. DCP làm giảm độ dãn dài khi đứt của vật liệu polyme blend.
Hàm lợng CaCO3 (pkl) Độ dãn khi đứt (%) Độ bền kéo đứt (MPa) 0 667 10,3 10 650 11,6 Hàm lợng DCP
(%) Độ dãn khi đứt (%) Độ bền kéo đứt (MPa)
0 667 10,3 0,05 650 11,4 0,075 650 13,9 0,1 567 14,1 0,125 550 13,5 0,15 369 11,4
15 650 12,4
20 613 10,7
25 613 10,3
30 563 9,4
35 550 8,4
Bảng 4: ảnh hởng hàm lợng CaCO3 đến tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend PVC/EVA (10/90)
Hình 5: Sự phụ thuộc độ dãn khi đứt của polyme blend PVC/EVA(10/90) vào hàm lợng CaCO3.
Hình 6: Sự phụ thuộc độ bền đứt của vật liệu polyme blend PVC/EVA(10/90) vào hàm lợng CaCO3.
Từ hình 5, 6 và bảng 4 ta thấy khi cho CaCO3 vào vật liệu polyme blend với hàm lợng nhỏ hơn 25 pkl, CaCO3 có khả năng gia cờng cho vật liệu polyme blend nhờ khả năng phối trộn, tơng tác tốt của nó với vật liệu polyme blend. Độ bền đứt của polyme blend đạt cực đại ở 15 pkl CaCO3 (12,4 MPa). Khi hàm lợng CaCO3 lớn hơn 25 pkl, độ bền đứt của vật liệu polyme blend giảm so với mẫu không có CaCO3. Điều này có thể giải thích rằng: khi vợt qúa giới hạn phối trộn và tơng tác, một phần chất độn sẽ trở nên d, phần d này sẽ phân bố vào khoảng trống giữa các pha polyme blend – chất độn, tồn tại thành một pha riêng biệt, phá vỡ cấu trúc đồng nhất của vật liệu, giảm hiệu quả tăng cờng lực cho polyme dẫn đến giảm độ bền của polyme blend [25]. Kết qủa nghiên cứu cho thấy, độ dãn khi đứt của vật liệu polyme blend giảm khi hàm lợng CaCO3 tăng. Từ những khảo sát trên ta thấy polyme blend PVC/EVA (10/90) có 15 pkl CaCO3 đợc dùng cho những nghiên cứu tiếp theo.
Hàm lợng DCP
(%) Độ dãn khi đứt(%) Độ bền kéo đứt(MPa)
0 650 12,4
0,05 625 12,8
0,1 608 15,3
0,15 395 11,7
Bảng 5: ảnh hởng của hàm lợng DCP đến tính chất cơ lý của polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15 theo pkl)
Hình 7: Sự phụ thuộc độ dãn khi đứt của vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) vào hàm lợng DCP.
Độ dãn khi đứt của vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) giảm khi tăng hàm lợng DCP (hình 7).
Hình 8: Sự phụ thuộc độ bền đứt của vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) vào hàm lợng DCP.
Độ bền đứt của vật liệu polyme blend đạt giá trị cực đại khi DCP = 0,1% (15,3 MPa) (hình 8). Nó tăng 23,3 % so với vật liệu polyme blend ban đầu. Nh vậy, DCP với hàm lợng ≤ 0,1 % có tác dụng tăng cờng sự tơng hợp của các polyme thành phần. Hàm lợng CaCO3 (pkl) Độ cứng (shoreA) 0 26 10 31 15 32 20 33 25 33,5 30 35 35 36
Bảng 6: ảnh hởng của hàm lợng CaCO3 đến độ cứng của vật liệu polyme blend PVC/EVA (10/90)
Bảng 7: ảnh hởng của hàm lợng DCP đến độ cứng của vật liệu polyme blend PVC/EVA/ CaCO3 (10/90/15)
Bảng 6, 7 cho thấy sự phụ thuộc độ cứng của vật liệu polyme blend vào hàm lợng chất độn CaCO3 và DCP. Độ cứng của vật liệu polyme blend tăng theo hàm lợng của CaCO3 do CaCO3 là chất độn cứng [22]. Khi có DCP trong vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15), độ cứng của vật liệu polyme blend đạt cc đại ở 0,1% DCP. Khi hàm lợng DCP > 0,1%, độ cứng của vật liệu polyme blend giảm do lợng DCP d đã thúc đẩy phân huỷ oxy hóa các polyme PVC và EVA, giảm tơng tác và trộn lẫn PVC và EVA.
III.3. Nghiên cứu độ bền ôxy hóa nhiệt của vật liệu polyme blend PVC/EVA.
Bảng 8: ảnh hởng của DCP và CaCO3 đến độ bền oxy hoá nhiệt của (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trần Thị Khánh Lớp: polyme - K45
Mẫu Nhiệt độ phân huỷ cực
đại (°C)
Giảm khối lợng mẫu ở nhiệt độ khác nhau (%) Giai đoạn 1 Giai đoạn
2 (300 °C) 400 (°C) 500 (°C) PVC/ EVA(10/90) 287,87 417,3 12,83 31,1 93,73 PVC/EVA/DCp (10/90/0,1) 351,02 413,6 11,65 35,67 93,83 PVC/EVA/CaCO3 (10/90/15) 304,05 446,12 7,72 25,5 85,98 PVC/EVA/CaCO3/DCP (10/90/15/0,1) 323,88 453,81 7,57 27,54 85,56 Hàm lợng DCP (%) Độ cứng (shoreA) 0 32 0,05 34 0,1 37 0,15 36 41
polyme blend PVC/EVA(10/90)
Phân tích TGA là phơng pháp xác định sự giảm khối lợng của vật liệu theo nhiệt độ.
Qua bảng 8 ta thấy vai trò của CaCO3 và DCP đến độ bền oxy hoá của vật liệu polyme blend.
Từ giản đồ ta thấy vật liệu polyme blend PVC/EVA có 2 giai đoạn phân huỷ: giai đoạn đầu là giai đoạn phân huỷ phần lớn EVA, giai đoạn hai là giai đoạn phân huỷ cả PVC và EVA.
Khi có DCP nhiệt độ phân huỷ cực đại ở giai đoạn đầu tăng từ 287,87˚C đến 351,02˚C.
Khi có CaCO3 nhiệt độ phân huỷ cực đại ở giai đoạn đầu tăng từ 287,87˚C đến 304,05˚C.
Khi có cả DCP và CaCO3 nhiệt độ phân huỷ cực đại ở giai đoạn đầu tăng từ 287,87˚C đến 323,88˚C, nhiệt độ phân huỷ của vật liệu ở giai đoạn sau tăng lên 38,51˚C so với vật liệu không có DCP và CaCO3. Quá trình phân huỷ vật liệu polyme blend khi có cả DCP và CaCO3 xảy ra với tốc độ nhỏ hơn so với vật liệu ban đầu. ở 300˚C, vật liệu polyme blend PVC/EVA(10/90) mất 12,83% khối l- ợng, trong khi vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3 mất 7,57% khối lợng. ở 400˚C, vật liệu polyme blend PVC/EVA (10/90) mất 31,1% khối lợng, trong khi vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3/DCP (10/90/15/0,1) chỉ mất 27,54 % khối lợng.
Nh vậy, độ bền oxy hoá nhiệt của vật liệu PVC/EVA đã đợc cải thiện khi có mặt của CaCO3 và DCP. Đó là do sự tạo thành copolyme PVC – EVA tại chỗ (in – situ) khi có mặt DCP trong hỗn hợp polyme. Copolyme này giúp cho PVC và EVA rối cuộn và bám dính vào nhau tốt, do đó cấu trúc polyme blend trở nên chặt chẽ hơn, mặt khác CaCO3 là một khoáng vô cơ bền nhiệt phân tán tốt trong polyme blend, hạn chế sự khuếch tán của oxy vào bên trong vật liệu.
II.4. Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Hình 9: ảnh SEM của polyme blend PVC/EVA (10/90)(a).
Hình 9: ảnh SEM của polyme blend PVC/EVA/DCP (10/90/0,1)(b).
Hình 9 (a) cho thấy khi không có mặt DCP trong vật liệu polyme blend, giữa PVC và EVA có sự tách pha rõ rệt (sự tách pha thể hiện rõ ở phần màu trắng (PVC) tụ lại một chỗ có kích thớc vài chục àm, phần biên giới giữa 2 pha
cũng rõ nét). Khi cho 0,1% DCP vào vật liệu polyme blend, DCP có tác dụng làm tăng khả năng phân tán của PVC vào pha nền EVA. Hình 9(b) cho thấy các pha PVC có kích thớc nhỏ hơn và phân tán đều hơn trong pha nền EVA. Điều này có thể giải thích bởi DCP đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành copolyme PVC-g- EVA- chất tơng hợp tạo thành tại chỗ cho polyme blend PVC/EVA, nhờ đó PVC và EVA phân tán vào nhau tốt hơn.
Hình 10: ảnh SEM của polyme blend PVC/EVA/CaCO3/DCP (10/90/15/0,1) (b).
Hình 10 (a) cho thấy khi không có DCP, CaCO3 phân tán trong polyme blend với kích thớc khá lớn và không đồng đều. Điều này phù hợp với tính chất cơ lý của vật liệu polyme blend PVC/EVA/CaCO3.Trong hình 10(b) ta thấy khi có DCP, CaCO3 phân tán trong polyme blend với kích thớc nhỏ hơn và đồng đều hơn trong pha nền do sự tạo thành copolyme ghép PVC- g–EVA . Copolyme này làm cho PVC, EVA tơng hợp tốt với nhau, CaCO3 tơng tác tốt với PVC và EVA.
III.5. Nghiên cứu tính chất điện của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Những tính chất điện đặc trng của vật liệu là: điện trở suất, độ bền điện (điện áp đánh thủng), hằng số điện môi và tổn hao điện môi.
Bảng 9: ảnh hởng của tỷ lệ thành phần PVC/EVA lên tính chất của vật
liệu polyme blend PVC/EVA.
Từ bảng 9 ta thấy, khả năng dẫn điện của vật liệu polyme blend tăng khi hàm lợng EVA tăng. Điều này thể hiện ở giá trị tổn hao điện môi của vật liệu tăng nhng vẫn nhỏ hơn so với PVC ban đầu. Điện trở suất khối của vật liệu nằm giữa điện trở suất khối của 2 polyme thành phần.
Mẫu PVC/EVA (pkl/pkl) Điện áp đánh thủng (kV/mm)
100/0 28,3 90/10 22,4 70/30 22,36 40/60 27,45 50/50 21,19 20/80 27,94 10/90 32,53 0/100 34,15 Bảng 10: ảnh hởng của tỷ lệ thành phần PVC/EVA đến điện áp đánh thủng của vật liệu polyme blend PVC/EVA
Độ bền điện của vật liệu polyme blend phụ thuộc vào tỷ lệ PVC/EVA. Từ bảng 10 cho thấy với tỷ lệ PVC/EVA là 10/90, polyme blend có điện áp đánh thủng cao hơn hẳn các mẫu còn lại và chỉ thấp hơn mẫu EVA (32,53 kV/mm so với 34,15 kV/mm). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trần Thị Khánh Lớp: polyme - K45 Tỷ lệ PVC/EVA
(pkl/pkl) Hằng số điện môi Tổn hao điện môi Điện trở suất khối (Ω.cm)
100/0 2,93 0,054 1,34E+15 90/10 2,52 0,01 1,26E+15 80/20 2,61 0,011 1E+15 70/30 2,65 0,012 4,71E+14 50/50 2,67 0,011 3,74E+14 40/60 2,69 0,028 4,58E+14 20/80 2,73 0,034 4,87E+14