Hỡnh 3.36 và hỡnh 3.37 là ảnh FESEM vật liệu PE/2%clay-VTMS và vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP. Kết quả cho thấy, cấu trỳc vật liệu tồn tại dưới dạng cỏc lớp vảy với kớch thước từ 1 dến vài àm, ớt lỗ hổng và chặt chẽ hơn so với chất nền PE.
Hỡnh 3.34. Ảnh SEM vật liệu nanocompozit PE/3% clay-APS
Hỡnh 3.35. Ảnh SEM vật liệu nanocompozit 90%PE/10%PE-g-AM/3% clay-APS Hỡnh 3.33. Ảnh FESEM nhựa PE
3.5.3.Ảnh kớnh hiển vi điện tử truyền qua-TEM 3.5.3.Ảnh kớnh hiển vi điện tử truyền qua-TEM
Khảo sỏt cấu trỳc vật liệu bằng kớnh hiển vi điện tử truyền qua là phương phỏp thụng dụng nhất trong đỏnh giỏ cấu trỳc vật liệu. Bằng phương phỏp này, với độ phõn giải cao, cho phộp nhỡn nhận một cỏch rừ nột cấu trỳc pha của vật liệu.
3.5.3.1.Ảnh TEM vật liệu nanocompozit 90%PE /10%PE-g-AM/3% clay-APS
Hỡnh 3.38 là ảnh TEM của vật liệu nanocompozit 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay- APS với cỏc gúc chụp khỏc nhau.
Hỡnh 3.36. Ảnh SEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS Hỡnh 3.37. Ảnh SEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/0,2%DCP
Hỡnh 3.38. Ảnh TEM vật liệu nanocompozit 90%PE/3% clay-APS/10%PE-g-AM
Từ cỏc ảnh trờn cho thấy: clay(cỏc sợi cú màu đen) cú kớch thước nano được búc tỏch trờn nền PE cú màu sỏng. Điều đú một lần nữa khẳng định, vật liệu 90%PE/10% PE-g-AM/3%clay-APS là vật liệu nanocompozit cú dạng tỏch lớp. Đú là do trong quỏ trỡnh trộn cú mặt PE-g-AM, PE tương hợp tốt với nền PE, cũn cỏc nhúm COO của PE-g-AM tương tỏc mạnh với cỏc nhúm NH2 của clay-APS. Tương tỏc này mạnh hơn tương tỏc giữa cỏc lớp của clay-APS với nhau và làm cho chỳng tỏch ra. Kết quả là vật liệu nanocompozit thu được cú dạng tỏch lớp.
Cũn ở mẫu PE/3%clay-APS, trong quỏ trỡnh trộn, dưới tỏc dụng của ứng suất trộn, PE chui được vào giữa cỏc lớp clay. Song PE là polyme khụng phõn cực, tương tỏc PE-clay-APS yếu hơn tương tỏc giữa cỏc lớp của clay-APS với nhau, do vậy vật liệu naocompozit thu được cú dạng chốn lớp.
3.5.3.2.Ảnh TEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/DCP
Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS với hai hàm lượng DCP khỏc nhau (0,1 và 0,2%) được ghi lại trờn hỡnh 3.39 và 3.40.
Trờn hỡnh 3.39 là ảnh TEM của vật liệu nanocompozit PE/2%clay- VTMS/0,1%DCP, kết quả cho thấy, trờn nền polyme sỏng màu cú cỏc vạch dài clay-
Hỡnh 3.40. Ảnh TEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/0,2%DCP Hỡnh 3.39. Ảnh TEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/0,1%DCP
VTMS nằm song song cỏch nhau với khoảng cỏch từ 1-2 nm, điều này rừ ràng vật liệu nanocompozit thu được cú dạng chốn lớp.
Hỡnh 3.40 là ảnh TEM của vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS/0,2% DCP. Trờn ảnh này cũng cho thấy, cú cỏc vạch dài sẫm màu (vệt clay) nằm song song cỏch nhau khoảng 5- 9 nm trờn nền PE sỏng màu hơn, như vậy, vật liệu thu được cú dạng búc tỏch.
Một số kết quả mục 3.5
1. Phổ XRD của vật liệu nanocompozit PE/clay cho thấy, vật liệu nanocompozit PE/3%clay-APS và PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP cú dạng chốn lớp, cũn vật liệu nanocompozit 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS và PE/2%clay- VTMS/0,2%DCP cú dạng búc lớp.
2. Khảo sỏt cấu trỳc của vật liệu bằng ảnh SEM và TEM cho thấy, khi cú mặt của clay-APS và clay-VTMS cấu trỳc vật liệu đồng đều hơn và khi cú mặt chất tương hợp PE-g-AM và chất khơi mào DCP thỡ cấu trỳc vật liệu cú dạng búc lớp.
3.6. Khảo sỏt một số tớnh chất tiờu biểu của vật liệu nanocompozit PE/clay-APS và PE/clay-VTMS ứng dụng làm vỏ bọc cỏp điện
3.6.1. Tớnh chất điện
Cỏc thụng số đặc trưng cho tớnh chất điện của vật liệu như : điện trở suất mặt (ρs) và điện trở suất khối (ρv), điện ỏp đỏnh thủng (Eđt) của vật liệu nanocompozit trờn cơ sở PE/clay-APS và PE/clay-VTMS được thể hiện trờn bảng 3.13 và bảng 3.14. Kết quả thu được ở bảng 3.13 cho thấy, vật liệu nanocompozit PE/3%clay-APS, 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS cú cỏc giỏ trị về điện trở suất mặt, điện trở suất khối cú đụi chỳt thay đổi so với PE, riờng giỏ trị điện ỏp đỏnh thủng cao hơn rừ rệt so với chất nền PE(1,5 lần).
Bảng 3.13. Tớnh chất điện của vật liệu nanocompozit PE/clay-APS Mẫu ε tgδ Eđt (kV/cm) ρs (Ω) ρv (Ω.cm) PE 2,03 0,001 169 7,85x10+12 2,99x10+13 PE/3%clay-APS 2,03 0,004 252 1,57x10+15 3,96x10+13 90%PE/10%PE-AM/3%clay-APS 2,09 0,002 232 9,01x10+15 7,51x10+13
Tương tự như vậy , tớnh chất điện của vật liệu compozit PE/2%clay-VTMS và nanocompozit PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP cũng cú cỏc tớnh chất điện khỏc thay đổi khụng nhiều so với PE ban đầu, riờng cú chỉ tiờu điện ỏp đỏnh thủng là lớn hơn rừ rệt, với vật liệu nanocompozit cú Eđt cao nhất, gấp ~2 lần so với PE ban đầu. Nguyờn nhõn là do clay cú cấu trỳc lớp và PE được che chắn bởi cỏc lớp này và do vậy làm tăng độ bền điện của vật liệu.
Bảng 3.14. Tớnh chất điện của vật liệu nanocompozit PE/clay-VTMS
Mẫu ε tgδ Eđt (kV/cm) ρs (Ω) ρv (Ω.cm) PE 2,03 0,001 169 7,85x10+12 2,99x10+13 PE/2%clay-VTMS 1,93 0,004 238 1,73x10+15 3,96x10+13 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 2,00 0,001 315 3,53x10+15 7,51x10+13
3.6.2. Độ bền oxy húa nhiệt và oxy húa quang 3.6.2.1. Độ bền oxy húa nhiệt 3.6.2.1. Độ bền oxy húa nhiệt
Khảo sỏt độ bền oxy húa nhiệt của vật liệu được tiến hành trong hai điều kiện thử nghiệm: 100oC trong 72 giờ và 136oC trong 72 giờ. Cỏc mẫu sau khi thử nghiệm
được giữ trong điều kiện mụi trường phũng thớ nghiệm 24 giờ trước khi đo tớnh chất cơ học. Bảng 3.15 là kết quả thu được về hệ số bền oxy húa nhiệt của cỏc vật liệu trong điều kiện thử nghiệm ở 100o
C trong 72 giờ.
Kết quả khảo sỏt cho thấy, sau thử nghiệm oxy húa nhiệt ở 100oC trong 72 giờ, tớnh chất cơ học của PE bị giảm mạnh, đặc biệt là độ dón khi đứt. Trong khi đú, độ bền khi đứt và độ gión khi đứt của cỏc mẫu vật liệu nanocompozit vẫn cũn khỏ tốt, nhất là những mẫu vật liệu nanocompozit cú mặt chất tương hợp/chất khơi mào phản ứng DCP độ bền khi đứt cũn lại sau thử nghiệm là 80%- 81%.
Bảng 3.15. Hệ số độ bền oxy húa nhiệt của vật liệu sau thử nghiệm ở 100o C trong 72 giờ Mẫu Kσ Kε PE 0,55 0,12 PE/1%clay-APS 0,78 0,77 PE/3%clay-APS 0,79 0,76 PE/5%clay-APS 0,79 0,755 95%PE/5%PE-g-AM/3%clay-APS 0,8 0,77 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS 0,81 0,78 PE/1%clay-VTMS 0,7 0,64 PE/2%clay-VTMS 0,71 0,65 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 0,79 0,7 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 0,8 0,71
Cũn cỏc mẫu khi thử nghiệm độ bền oxy húa nhiệt ở 136oC trong 72 giờ được trỡnh bày trong bảng 3.16 dưới đõy. Kết quả thu được cho thấy khi thử nghiệm độ bền
oxy húa nhiệt ở 136oC, PE bị chảy sau khi quỏ trỡnh bắt đầu khoảng 30 phỳt, tớnh chất vật liệu sau khi thử nghiệm hầu hết đều giảm mạnh, riờng mẫu PE/2%clay- VTMS/0,2%DCP tớnh chất cũn lại là cao nhất đạt 0,65 về độ bền kộo đứt và 0,57 về độ dón khi đứt.
Bảng 3.16. Hệ số độ bền oxy húa nhiệt của vật liệu sau thử nghiệm ở 136o
C trong 72 giờ
Mẫu Kσ Kε
PE Bị chảy sau khi đưa vào thử nghiệm 30 phỳt
PE/1%clay-APS 0,41 0,37 PE/3%clay-APS 0,45 0,375 PE/5%clay-APS 0,42 0,355 95%PE/5%PE-g-AM/3%clay-APS 0,51 0,47 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS 0,53 0,48 PE/1%clay-VTMS 0,4 0,34 PE/2%clay-VTMS 0,41 0,35 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 0,61 0,52 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 0,65 0,57
3.6.2.2. Độ bền oxy húa quang
Cỏc mẫu vật liệu được thử nghiệm độ bền oxy húa quang trong 72 giờ với 6 chu kỳ, mỗi chu kỳ bao gồm 8 giờ bức xạ tử ngoại ở 70oCvà 4 giờ ngưng ẩm ở 50oC. Sau quỏ trỡnh thử nghiệm, cỏc mẫu được để trong mụi trường phũng thớ nghiệm trong 24 giờ sau đú mới khảo sỏt tớnh chất cơ học. Kết quả xỏc định hệ số độ bền oxy húa quang của vật liệu được ghi lại trong bảng 3.17.
Kết quả khảo sỏt cho thấy, sau thử nghiệm 6 chu kỳ oxy húa quang, tớnh chất của PE bị giảm mạnh, độ bền kộo đứt cũn lại dưới 50%, trong khi đú tớnh chất của vật liệu nanocompozit bị giảm đi khụng đỏng kể, nhất là cỏc hệ vật liệu PE/3%clay- APS/10%PE-g-AM và PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP, độ bền kộo đứt đều cũn lại trờn 80%.
Bảng 3.17. Hệ số độ bền oxy húa quang của vật liệu sau thử nghiệm
Mẫu Kσ Kε PE 0,45 0,52 PE/1%clay-APS 0,79 0,77 PE/3% clay-APS 0,80 0,78 PE/5%clay-APS 0,80 0,77 95%PE/5%PE-g-AM/3%clay-APS 0,81 0,8 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS 0,815 0,8 PE/1% clay-VTMS 0,72 0,74 PE/2% clay-VTMS 0,72 0,75 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 0,8 0,77 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 0,81 0,79 3.6.3. Tớnh chất chống chỏy
Cỏc vật liệu nanocompozit trờn cơ sở PE/clay-APS/PE-g-AM và PE/clay- VTMS/DCP và PE ban đầu được khảo sỏt tớnh chất chống chỏy theo tiờu chuẩn UL- 94 theo phương nằm ngang (UL 94 HB) [98]. Quỏ trỡnh đốt mẫu được thực hiện trong 10-15 giõy hoặc đến khi mẫu chỏy đến vạch 2,5cm thỡ bắt đầu tớnh thời gian chỏy. Theo dừi quỏ trỡnh thử nghiệm cho thấy, cỏc mẫu đều tiếp tục chỏy sau quỏ trỡnh mồi
lửa 10 giõy, trong quỏ trỡnh chỏy cú giọt chỏy rơi xuống. Với PE ban đầu, giọt chỏy rơi liờn tục, và chỏy sỏt phần kẹp mẫu, với cỏc mẫu vật liệu nanocompozit giọt chỏy rơi ngắt quóng và ngọn lửa nhỏ dần, đến gần sỏt vạch 10cm thỡ gần như tự tắt. Trong cỏc bảng 3.18 và 3.19 là kết quả thử nghiệm tớnh chất chỏy của PE và cỏc hệ vật liệu nanocompozit.
Bảng 3.18. Tốc độ chỏy của PE và vật liệu nanocompozit PE/clay-APS
Mẫu Thời gian chỏy trung
bỡnh (giõy) Tốc độ chỏy (mm/phỳt) PE 91 50 PE/1% clay-APS 113 39.8 PE/3% clay-APS 118 38 PE/5% clay-APS 128 35 95%PE/5%PE-g-AM/3%clay-APS 132 34 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS 154 29 85%PE/15%PE-g-AM/3%clay-APS 153 29,4
Từ kết quả trờn cho thấy, khi tăng hàm lượng của clay-APS tốc độ chỏy của vật liệu giảm dần, khi cú mặt chất tương hợp PE-g-AM, độ phõn tỏn của khoỏng sột trong vật liệu tốt hơn nờn tốc độ chỏy của vật liệu tiếp tục giảm xuống.
Cỏc số liệu thu được trong bảng 3.19 là kết quả đo tốc độ chỏy của vật liệu compozit PE/clay-VTMS và nanocompozit PE/2%clay-VTMS/DCP. Kết quả thu được cho thấy, so với PE ban đầu, tốc độ chỏy của vật liệu compozit và nanocompozit đều giảm xuống, tốc độ chỏy của vật liệu thấp nhất đối với hệ vật liệu PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP, khi đú tốc độ chỏy của mẫu thu được giảm 33% so với PE ban đầu.
Bảng 3.19. Tốc độ chỏy của PE và vật liệu nanocompozit PE/clay-VTMS
Mẫu Thời gian chỏy trung bỡnh (giõy) Tốc độ chỏy (mm/phỳt) PE 91 50 PE/1%clay-VTMS 104,6 43 PE/2%clay-VTMS 118 39,5 PE/5%clay-VTMS 128 38 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 121 37,2 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 141 32,2 PE/2%clay-VTMS/0,3%DCP 136 33,2 3.6.4. Tớnh chất chống thấm khớ
Khảo sỏt khả năng chống thấm khớ của vật liệu được thực hiện với nước và axeton. Mẫu vật liệu được ộp mỏng thành màng cú độ dầy từ 50-60 àm trờn mỏy ộp gia nhiệt TOYOSEIKY. Trong cỏc cốc đong thủy tinh 50ml chứa 25 ml nước và axeton, sau đú cỏc cốc này được bịt kớn bằng cỏc màng mỏng vật liệu nanocompozit, cõn trờn cõn phõn tớch xỏc định trọng lượng m0 ban đầu và đặt trong phũng thớ nghiệm ở nhiệt độ mụi trường. Sau một khoảng thời gian nhất định (2 ngày/lần) cỏc cốc đong đựng nước (hoặc axeton) được cõn lại để xỏc định lượng nước (hoặc axeton) mt đó mất qua màng vật liệu.
3.6.4.1. Tớnh chống thấm hơi nước
Trong bảng 3.20 là phần %nước cũn lại trong cốc đong qua cỏc thời gian thử nghiệm 2 ngày/lần. Kết quả khảo sỏt cho thấy, sự cú mặt của clay biến tớnh, chất tương hợp PE-g-AM và chất khơi mào phản ứng DCP cú tỏc dụng làm giảm đỏng kể độ thấm hơi nước qua màng vật liệu. Sự cú mặt của 3%clay-APS làm giảm độ thấm
hơi nước là 22%, khi cú mặt chất tương hợp PE-g-AM độ thấm hơi nước của vật liệu giảm 25,2% . Kết quả thử nghiệm với vật liệu nanocompozit khi cú mặt clay-VTMS và chất khơi mào DCP cho thấy mức độ thấm hơi nước của màng vật liệu cú mặt 2%clay-VTMS giảm 16,4% và khi cú mặt 0,2%DCP độ thấm hơi nước của màng giảm đi 24,8%.
Bảng 3.20. Tớnh chống thấm hơi nước của vật liệu
Kớ hiệu mẫu Độ thấm hơi nước(%/ngày)
2 4 6 8 10 12 14 PE 0,0253 0,0251 0,0249 0,0244 0,0239 0,0235 0,0229 PE/3%clay-APS 0,0198 0,01971 0,0193 0,0189 0,01857 0,01812 0,0181 90%PE/10%PE-g- AM /3%clay-APS 0,0189 0,0189 0,0184 0,0182 0,0181 0,0180 0,0179 PE/2%clay-VTMS 0,0212 0,0222 0,0223 0,0219 0,0212 0,0209 0,0203 PE/2%clay- VTMS/0,2%DCP 0,0190 0,0190 0,0189 0,0188 0,0188 0,0186 0,0183 3.6.4.2. Tớnh chống thấm hơi axeton
Ngoài việc khảo sỏt tớnh chống thấm hơi nước, axeton là một dung mụi nhẹ, nờn chỳng tụi cũng lựa chọn dung mụi này để khảo sỏt tớnh chống thấm khớ của vật liệu thu được. Cỏc số liệu thu được trong bảng 3.21 là mức độ thoỏt hơi axeton (%) theo thời gian thử nghiệm 2ngày/lần. Qua kết quả khảo sỏt tớnh chống thấm axeton cho thấy, sự cú mặt của clay-APS và chất tương hợp PE-g-AM cũng như clay-VTMS và chất khơi mào DCP làm giảm tốc độ thấm axeton qua màng vật liệu. Mức độ thoỏt của axeton qua màng PE và vật liệu nanocompozit nhiều hơn so với hơi nước với cỏc
số liệu về mức độ giảm đi lần lượt là 16,4%, 19,25%, 14,5% và 19,5% so với màng PE ban đầu.
Bảng 3.21. Tớnh chống thấm hơi axeton của vật liệu
Kớ hiệu mẫu Độ thấm hơi axeton (%/ngày)
2 4 6 8 10 12 14 PE 0,0512 0,0501 0,0497 0,0485 0,0468 0,0473 0,0422 PE/3% clay-APS 0,0428 0,0422 0,0423 0,0419 0,0409 0,0401 0,0401 90%PE/10%PE-g- AM /3%clay-APS 0,0413 0,0412 0,0401 0,0401 0,0399 0,0398 0,0399 PE/2% clay-VTMS 0,0438 0,0436 0,0435 0,0432 0,0433 0,0432 0,0431 PE/2% clay- VTMS/0,2%DCP 0,0412 0,0410 0,0409 0,0409 0,0408 0,0409 0,0403 Một số kết quả mục 3.6
1. Tớnh chất cỏch điện và độ bền điện của vật liệu tăng lờn khi cú mặt khoỏng sột biến tớnh, chất tương hợp PE-g-AM và chất khơi mào phản ứng DCP.
2. Độ bền oxy húa quang và oxy húa nhiệt của vật liệu được cải thiện rừ rệt khi cú mặt chất gia cường và cỏc chất tương hợp PE-g-AM /chất khơi mào DCP. 3. Khả chống thấm hơi nước/ axeton của vật liệu nanocompozit tốt hơn so với
PE ban đầu, mức độ thoỏt hơi nước/axeton qua màng vật liệu giảm đi thấp nhất là 14,5% và cao nhất là 25,2%.
4. Tốc độ chỏy của vật liệu nanocompozit giảm 1/3 so với PE ban đầu và đạt tiờu chuẩn chống chỏy theo UL-94HB.
KẾT LUẬN
1. Đó chế tạo được 2 loại clay hữu cơ: clay-APS và clay-VTMS. Kết quả phõn tớch phổ hồng ngoại và phổ nhiễu xạ tia X cho thấy: APS được chốn vào giữa cỏc lớp của clay và làm tăng khoảng cỏch cơ bản d001 của clay từ 1,49 nm lờn 1,97 nm, cũn VTMS được ghộp lờn bề mặt của clay. Từ phõn tớch nhiệt TGA cho thấy, cú khoảng 6% APS và 2% VTMS được ghộp vào clay.
2. Đó đưa ra điều kiện thớch hợp chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-APS và PE/clay-VTMS trờn thiết bị trộn Haake ở nhiệt độ 170oC, thời gian trộn là 8 phỳt và tốc độ trộn là 70 vũng/phỳt.
3. Đó khảo sỏt được hàm lượng clay-APS thớch hợp là 3% và clay-VTMS là 2%. Hàm lượng chất tương hợp PE-g-AM thớch hợp nhất là 10% và hàm lượng chất khơi mào DCP là 0,2%.
4. Khảo sỏt phõn tớch nhiệt TGA cho kết quả cỏc mẫu vật liệu nanocompozit PE/clay -APS/PE-g-AM, PE/clay-VTMS/DCP đều cú độ bền nhiệt cao hơn so với PE ban