Khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS

đến tớnh chất vật liệu

3.3.5.1. Ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS

VTMS cũng là một trong những hợp chất silan phổ biến trong chế tạo vật liệu nanocompozit. Cỏc tỏc giả [3,36] đó thực hiện phản ứng ghộp VTMS vào PE trước sau đú tiến hành chế tạo vật liệu nanocompozit bằng phương phỏp trộn núng chảy.

Bảng 3.9. Tớnh chất cơ học vật liệu compozit với hàm lượng clay-VTMS khỏc nhau

Mẫu E-Modun (MPa) σ (MPa) ε (%)

PE 71,4 20,7 1005 PE/1%clay-VTMS 98 21,2 952 PE/2%clay-VTMS 112,5 21,8 941 PE/3%clay-VTMS 126,8 20,2 932 PE/4%clay-VTMS 135,3 19,8 894 PE/5%clay-VTMS 141 19,25 855

Kết quả thu được là khỏ khả quan, với sự cú mặt của PE-g-VTMS/clay hữu cơ vật liệu thu được cú cỏc tớnh chất được cải thiện rừ rệt. Trong nghiờn cứu của mỡnh, chỳng tụi thực hiện biến tớnh clay bằng VTMS và tiến hành chế tạo vật liệu với cỏc hàm lượng clay-VTMS khỏc nhau (0-5%). Kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học vật liệu được trỡnh bầy trong bảng 3.9.

Trờn hỡnh 3.20 biểu diễn kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS đến độ bền kộo đứt và độ dón khi đứt của hệ vật liệu PE/clay-VTMS.

Hỡnh 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS đến tớnh chất cơ học của vật liệu

Kết quả ở bảng 3.9 và hỡnh 3.20 cho thấy, khi sử dụng clay-VTMS với hàm lượng thấp (1-2%) mụ đun đàn hồi và độ bền kộo đứt của vật liệu tăng lờn, khi clay- VTMS lớn hơn 2% thỡ độ bền kộo của vật liệu giảm xuống. Riờng độ dón dài khi đứt của vật liệu thỡ giảm nhẹ khi cú mặt của clay-VTMS. Vỡ vậy, chỳng tụi lựa chọn 2% clay-VTMS là hàm lượng thớch hợp nhất để khảo sỏt ảnh hưởng sự cú mặt của chất khơi mào DCP đến cỏc tớnh chất vật liệu.

0 2 4 6 16 18 20 22 24 Do ben Do dan

Ham luong clay-VTMS (%)

Do ben k eo dut (MPa) 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 Do da n keo du t (%)

3.3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến tớnh chất cơ học của vật liệu

DCP là loại chất khơi mào thường được sử dụng đối với PP và PE, do DCP cú nhiệt độ phõn hủy và thời gian bỏn hủy phự hợp với nhiệt độ và thời gian gia cụng tạo mẫu vật liệu. Tuy nhiờn, việc sử dụng DCP cũng cần cú khảo sỏt để sử dụng với hàm lượng thớch hợp, vỡ nếu khụng, chớnh DCP lại là tỏc nhõn gõy phõn hủy mạch polyme dẫn đến suy giảm tớnh chất vật liệu. Trong phần này chỳng tụi tiến hành khảo sỏt với hàm lượng DCP nhỏ, từ 0-0,5%.

Bảng 3.10 và hỡnh 3.21 trỡnh bầy kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học của vật liệu khi thay đổi hàm lượng DCP. Kết quả đo cho thấy, sự cú mặt của chất khơi mào DCP chỉ với hàm lượng nhỏ cũng cú tỏc dụng tăng độ bền cơ học của vật liệu. E-

modun, tớnh chất biểu thị cho độ cứng của vật liệu tăng dần khi cú mặt của DCP.

Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến tớnh chất cơ học của vật liệu

Mẫu E-Modun (MPa) σ (MPa) ε (%)

PE/2%clay-VTMS 112,5 21,8 941 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 145,7 23,3 935 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 166,5 25,8 883 PE/2%clay-VTMS/0,3%DCP 172,8 24,6 875 PE/2%clay-VTMS/0,4%DCP 183,5 22,8 836 PE/2%clay-VTMS/0,5%DCP 192,3 21,4 822

.

Độ bền kộo đứt của vật liệu cũng tăng và đạt cao nhất với hàm lượng DCP là 0,2%, khi hàm lượng DCP trờn 0.2%, khi đú xảy ra hiện tượng phõn hủy mạch PE nờn độ bền vật liệu giảm xuống. Điều đú chứng tỏ, đõy là hàm lượng DCP tối ưu khi ghộp clay-VTMS lờn LLDPE. Nguyờn nhõn cú thể là clay-VTMS cú cỏc nhúm – Si(OCH3)3. Cỏc nhúm này khụng những liờn kết với nhúm OH của clay mà chỳng cũn tự liờn kết với nhau tạo ra liờn kết Si-O-Si. Đõy là liờn kết nối giữa cỏc mạch PE với nhau, tạo ra PE khõu mạch. Vỡ võy, làm cho vật liệu cứng hơn và như vậy làm tăng mụdun đàn hồi và độ bền kộo đứt của vật liệu.

Một số kết quả mục 3.3

1. Điều kiện thớch hợp chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-APS và PE/clay- VTMS là nhiệt độ 170oC, thời gian trộn là 8 phỳt và tốc độ trộn là 70 vũng/phỳt.

2. Hàm lượng clay-APS thớch hợp là 3% và clay-VTMS là 2%.

3. Hàm lượng chất tương hợp PE-g-AM thớch hợp nhất là 10% và hàm lượng chất khơi mào DCP là 0,2%. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 18 20 22 24 26 28 Do ben Do dan Ham luong DCP (%)

Do ben keo dut (M

P a) 820 840 860 880 900 920 940 960

Do dan khi dut (

%)

Hỡnh 3.21. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến tớnh chất cơ học của vật liệu

3.4. Khảo sỏt phổ hồng ngoại và phõn tớch nhiệt 3.4.1. Khảo sỏt phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại là một phương phỏp khỏ phổ biến trong việc đỏnh giỏ một cỏch định tớnh cỏc nhúm chức đặc trưng trong vật liệu nanocompozit. Cỏc tỏc giả [5] cũng đó sử dụng phổ IR cho việc đỏnh giỏ ảnh hưởng của PE-g-VTMS đến tớnh chất vật liệu nanocompozit thu được qua việc đỏnh giỏ sự xuất hiện của cỏc pic đặc trưng của cỏc nhúm chức hoặc cỏc liờn kết đặc trưng trong vật liệu.

Hỡnh 3.22. Phổ hồng ngoại của PE

Trờn cỏc hỡnh 3.22, 3.23 và 3.24 là cỏc phổ IR của PE ban đầu và vật liệu nanocompozit với sự cú mặt của 2 loại clay biến tớnh, chất tương hợp PE-g-AM và chất khơi mào DCP. Trờn phổ IR của PE và của vật liệu nanocompozit 90%PE/10% PE-g-AM /3%clay-APS và PE/2% clay-VTMS/0,2% DCP ta thấy xuất hiện cỏc pic tại vị trớ 2800-2900 cm-1 đặc trưng cho dao động húa trị của nhúm –CH2 trong mạch PE, cũn trờn phổ của vật liệu nanocompozit xuất hiện pic tại vị trớ 3600 cm-1 đặc trưng cho dao động húa trị nhúm –OH trong clay và cỏc pic ở vị trớ 1044, 1079 cm-1

đặc trưng cho dao động húa trị của liờn kết Si-O-Si trong vật liệu nanonocompozit. Kết quả này cho thấy, sự cú mặt của clay biến tớnh trong vật liệu nanocompozit.

3.4.2. Phõn tớch nhiệt trọng lượng-TGA

Với cấu trỳc lớp, clay cú tớnh chất che chắn, và cú tỏc dụng làm tăng độ bền nhiệt của vật liệu nanocompozit. Tuy nhiờn, với những khoỏng sột được biến tớnh bằng cỏc muối ankyl amonium thỡ sự cú mặt của cỏc cation ankyl amonium trong vật liệu lại là tỏc nhõn phõn hủy nhiệt theo cơ chế Hofman [36]. Vỡ vậy với những hàm lượng clay phự hợp sẽ cú tỏc động cải thiện độ bền nhiệt, cũn nếu khụng thớch hợp thỡ

khi đú cơ chế phõn hủy nhiệt trong clay chiếm ưu thế dẫn đến độ bền nhiệt của vật liệu giảm. Khỏc với những trường hợp trờn, cỏc hợp chất silan, do trong cấu trỳc cú liờn kết Si-O-Si bền nhiệt nờn việc biến tớnh clay bằng cỏc chất hữu cơ này hầu như khụng cú tỏc động làm giảm độ bền nhiệt của vật liệu.

Hỡnh 3.25, 3.26 và 3.27 là giản đồ phõn tớch nhiệt của PE ban đầu, của vật liệu nanocompozit PE/3%clay-APS và 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS. Từ cỏc giản đồ này cho thấy, vật liệu nanocompozit cú độ bền nhiệt cao hơn so với PE ban đầu.

Cỏc đặc trưng phõn tớch TGA được ghi nhận thường là: nhiệt độ bắt đầu phõn huỷ (Tonset), nhiệt độ mà tại đú tốc độ phõn hủy của mẫu là nhanh nhất (Tmax).

Hỡnh 3.25. Giản đồ TGA của PE

Bảng 3.11 trỡnh bầy cỏc đặc trưng phõn tớch TGA như Tonset: nhiệt độ mẫu bắt đầu mất khối lượng, T-10%: nhiệt độ mẫu mất 10% khối lượng, T50%: nhiệt độ mẫu mất 50% khối lượng, hay Tmax: nhiệt độ tại đú mẫu cú tốc độ mất khối lượng nhanh

nhất...của PE, PE/3%clay-APS và vật liệu nanocompozit PE/PE-g-AM/3%clay-APS với cỏc tỷ lệ hàm lượng PE/PE-g-AM là 100/0; 95/5; 90/10 và 85/15.

Hỡnh 3.26. Giản đồ TGA của vật liệu PE/3% clay-APS

Hỡnh 3.27. Giản đồ TGA của vật liệu 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay- APS

Bảng 3.11. Đặc trưng phõn tớch nhiệt của PE và vật liệu PE/3%clay-APS với cỏc hàm lượng PE-g-AM khỏc nhau

Kết quả ở bảng 3.11 cho thấy, khi cú mặt clay biến tớnh, độ bền nhiệt của vật liệu đó được cải thiện. Khi cú mặt chất tương hợp PE-g-AM, độ bền nhiệt của vật liệu tăng lờn khi hàm lượng PE-g-AM là 5 và 10%. Quỏ giới hạn này độ bền nhiệt của vật liệu giảm. Điều này cho thấy, khi hàm lượng PE-g-AM thấp, cơ chế che chắn chiếm ưu thế, nờn độ bền nhiệt của vật liệu tăng lờn. Khi tăng hàm lượng PE-g-AM lờn quỏ 10%, khi đú cơ chế phõn hủy nhiệt chiếm ưu thế, dẫn đến độ bền nhiệt của vật liệu giảm xuống.

Cũng tương tự như vậy, trờn cỏc hỡnh 3.28 và 3.29 là giản đồ phõn tớch TGA của hệ vật liệu PE/2%clay-VTMS và PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP. Trờn phổ TGA của vật liệu PE/2%clay-VTMS pic đặc trưng cho Tmax cú giỏ trị là 390,7oC, trong khi đú, hệ vật liệu PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP ngoài Tmax1 ở 390,5oC cú thờm một pớc Tmax2 cũng khỏ mạnh ở 443,6oC. Điều đú chứng tỏ, sự tạo thành vật liệu nanocompozit đó cải thiện rừ rệt độ bền nhiệt của vật liệu.

Đặc trưng TGA Tonset (oC) T-10% (oC) Tmax (oC) T-50% (oC) Mất khối lượng trong khoảng 200-4500C (%) PE 221,6 325 381,3 385 85 PE/3%clay- APS 233,3 310 399,5 393 82 95%PE/5%PE-g-AM /3%clay-APS 238 326 384,8 & 446 392,1 79.5 90%PE/10%PE-g-AM /3%clay-APS 224,7 365 421,5 425 79 85%PE/15%PE-g-AM /3%clay-APS 222,5 313 386,8 395 87

Hỡnh 3.28. Giản đồ TGA của vật liệu PE/2%clay-VTMS

So sỏnh cỏc số liệu phõn tớch TGA đặc trưng của polyme nền PE, vật liệu compozit PE/2%clay-VTMS, vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS/DCP với cỏc hàm lượng từ 0,1-0,3% được ghi lại trong bảng 3.12. Kết quả cho thấy, khi cú mặt 2%clay-VTMS độ bền nhiệt của vật liệu tăng lờn so với PE ban đầu, tuy nhiờn sự mất khối lượng của mẫu trong khoảng từ 200-450oC lại nhiều hơn 2% so vơi PE ban đầu, điều này cho thấy, liờn kết giữa clay-VTMS và polyme nền khụng tốt nờn mới cú hiện tượng này.

Bảng 3.12. Đặc trưng phõn tớch nhiệt TGA của PE và cỏc mẫu vật liệu PE/2%clay-VTMS với cỏc hàm lượng DCP khỏc nhau

Đặc trưng TGA Tonset (oC) T-10% (oC) Tmax(oC) T-50% (oC) Mất khối lượng trong khoảng 200-450oC (%) PE 221,6 325 381,3 385 85 PE/2%clay-VTMS 227,8 329 390,7 387,2 87 PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP 223 331,8 389,5 392,7 79 PE/2%clay-VTMS/0,2%DCP 227 336 390,5 & 443,6 421,8 76 PE/2%clay-VTMS/0,3%DCP 237 365,6 406 & 444,8 425,1 77.8

Với vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/DCP, khi hàm lượng DCP tăng từ 0,1 lờn 0,3% độ bền nhiệt của vật liệu tăng lờn rừ rệt so với PE ban đầu. Kết hợp với tớnh chất cơ học vật liệu thu được cho thấy 0,2% DCP là hàm lượng thớch hợp để ghộp clay-VTMS lờn PE.

Một số kết quả mục 3.4

1. Kết quả khảo sỏt phổ hồng ngoại vật liệu nanocompozit PE/clay-APS/PE-g- AM, PE/clay-VTMS/DCP cho thấy sự cú mặt của clay biến tớnh trong vật liệu.

2. Qua phõn tớch nhiệt trọng lượng TGA, cỏc mẫu vật liệu nanocompozit PE/PE- g-AM/clay-APS, PE/clay-VTMS/DCP đều cú độ bền nhiệt cao hơn so với PE ban đầu.

3.5. Khảo sỏt cấu trỳc vật liệu nanocompozit trờn cơ sở PE/clay-APS và PE/clay-VTMS PE/clay-VTMS

3.5.1. Phổ nhiễu xạ tia X

Phõn tớch nhiễu xạ tia X được sử dụng nhằm so sỏnh sự thay đổi khoảng cỏch cơ bản d001 của clay ban đầu và sau khi đưa vào hệ vật liệu, để từ đú cú thể đỏnh giỏ mức độ phõn tỏn của clay trong chất nền.

Hỡnh 3.30 là phổ nhiễu xạ tia X của clay-APS (1) và vật liệu nanocompozit PE/clay-APS khi khụng (2) và cú mặt chất tương hợp PE-g-AM (3). Kết quả cho thấy

Hỡnh3.30. Phổ nhiễu xạ tia X của clay-APS (1), vật liệu nanocompozit PE/3% clay-APS (2) và 90%PE /10%PE-g-AM/3% clay-APS (3)

2 3

trờn đường 3.30(1), pic ở vị trớ 4,5o

tương ứng với khoảng cỏch cơ bản d001 của clay- APS là 1,97 nm. Trong khi đú, trờn đường 3.30(2) là phổ XRD của vật liệu nanocompozit PE/3% clay-APS cho thấy, pic d001 dịch chuyển về vị trớ 2,5o và khoảng cỏch cơ bản d001 tăng lờn 3,24 nm. Cũn trờn đường 3.30(3), khụng thấy xuất hiện pic d001.

Như vậy cú thể khẳng định, vật liệu nanocompozit PE/clay-APS khi khụng cú mặt chất tương hợpcú dạng chốn lớp, cũn khi cú mặt chất tương hợp PE-g-AM vật liệu cú dạng búc lớp.

Hỡnh 3.31 phổ XRD của clay-VTMS (1) và vật liệu nanocompozit PE/2%clay- VTMS (2). Như hỡnh trờn cho thấy, khoảng cỏch cơ bản d001 của clay-VTMS và của vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS hầu như khụng cú sự thay đổi, như vậy, clay-VTMS trong vật liệu ở dưới dạng kết tụ.

Cũn trờn hỡnh 3.32 là phổ XRD của clay-VTMS (1) và vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP (2) và PE/2%clay-VTMS/ 0,2%DCP(3). Kết quả cho

Hỡnh3.31. Phổ nhiễu xạ tia X của clay-VTMS (1), vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS (2)

1

thấy, clay-VTMS cú khoảng cỏch cơ bản d001 là 1,57 nm ở vị trớ 5,5o, cũn vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/0,1%DCP, pic này đó dịch chuyển về vị trớ 2,5o và tăng lờn 3,49 nm. Khi cú mặt 0,2% DCP khụng cũn thấy xuất hiện pic d001 nữa. Như vậy, vật liệu nanocompozit PE/2%clay-VTMS/0,1%DCP cú dạng chốn lớp, cũn khi tăng lờn 0,2% DCP vật liệu thu được cú dạng búc lớp.

3.5.2. Ảnh kớnh hiển vi điện tử quột phỏt xạ trường (FESEM)

3.5.2.1. Vật liệu nanocompozit từ PE/clay-APS và PE/clay-APS/PE-g-AM

Cấu trỳc hỡnh thỏi học của vật liệu được khảo sỏt trờn kớnh hiển vi điện tử quột với độ phõn giải cao. Hỡnh 3.33, 3.34 và 3.35 là ảnh FESEM của PE ban đầu, vật liệu nanocompozit PE/3%clay-APS và vật liệu nanocompozit 90%PE /10%PE-g- AM/3%clay-APS. Từ cỏc ảnh trờn cho thấy, PE ban đầu do chưa cú chất gia cường và cũng như chưa cú chất tương hợp nờn cấu trỳc pha khụng đồng đều và cú những khoảng trống trong vật liệu. Khi cú mặt của 3%clay-APS và nhất là khi cú mặt PE-g- AM, cấu trỳc của vật liệu đặc khớt hơn, đồng đều hơn.

Hỡnh3.32. Phổ nhiễu xạ tia X của clay-VTMS (1), vật liệu nanocompozit PE/2% clay -VTMS/0,1%DCP (2) và PE/2% clay -VTMS/0,2%DCP(3)

1 3 2 1 2 3

3.5.2.2. Vật liệu nanocompozit từ PE/clay-VTMS và PE/clay-VTMS/DCP

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