3.3.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng clay-APS
Cỏc hàm lượng clay trong vật liệu khỏc nhau, sẽ cú mức độ phõn tỏn đồng đều trong hốn hợp cũng như sự tương tỏc giữa chất phõn tỏn và chất nền khỏc nhau. Khi điều đú xảy ra, nú thể hiện rừ nột nhất qua cơ tớnh của vật liệu. Thụng thường, clay được đưa vào chất nền với hàm lượng nhỏ (< 10%), bảng dưới đõy thể hiện tớnh chất vật liệu khi hàm lượng clay-APS đưa vào thay đổi từ 0-5% trọng lượng so với chất nền PE. Trong bảng 3.7 là tổng hợp một số tớnh chất cơ học tiờu biểu của vật liệu khi thay đổi hàm lượng clay-APS.
Bảng 3.7. Tớnh chất cơ học vật liệu nanocompozit với hàm lượng clay-APS khỏc nhau
Mẫu E-Modun (MPa) σ (MPa) ε (%)
PE 71,4 20,7 1005 PE/1% clay-APS 121 21,45 1042 PE/2% clay-APS 150,7 22,7 1033 PE/3% clay-APS 160,4 25 1040 PE/4% clay-APS 172,8 23,5 1006 PE/5% clay-APS 185,9 22,45 959,3
Kết quả đo độ bền kộo đứt và độ dón khi đứt của vật liệu được biểu diễn trong hỡnh 3.18.
Kết quả ở bảng 3.7 và hỡnh 3.18 cho thấy, sự cú mặt của clay-APS cú tỏc dụng cải thiện rừ rệt độ bền cơ học của vật liệu. Tớnh chất cơ học của vật liệu đạt tối ưu ở hàm lượng 3% clay-APS, sau đú giảm nhẹ. Điều đú chứng tỏ, với 3% clay-APS, độ phõn tỏn của chất gia cường là tốt nhất. Nếu tiếp tục tăng hàm lượng clay-APS, khi đú sẽ xảy ra hiện tượng kết tụ phần gia cường khụng phõn tỏn trong polyme dẫn đến tớnh chất vật liệu giảm.
Hỡnh 3.18. Ảnh hưởng của hàm lượng clay-APS đến tớnh chất cơ học của vật liệu
Vỡ vậy, chỳng tụi lựa chọn hàm lượng clay-APS là 3% để tiếp tục khảo sỏt ảnh hưởng của chất tương hợp PE-g-AM đến tớnh chất vật liệu.
3.3.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PE-g-AM đến tớnh chất cơ học vật liệu
Với vật liệu nanocompozit polyme/clay mà polyme nền là cỏc polyme khụng phõn cực (như PE, PP) thỡ ngay cả khi clay đó được biến tớnh hữu cơ thỡ mức độ tương hợp giữa polyme nền và chất gia cường vẫn bị hạn chế [28]. Vỡ vậy, người ta thường đưa vào hệ vật liệu chất tương hợp để làm tăng mức độ tương hợp giữa polyme và clay. Cỏc chất tương hợp này thường là cỏc chất cú chứa đa nhúm chức vừa cú khả năng tương hợp với clay và vừa tương tỏc tốt với polyme nền. Với PE, thường người ta sử dụng chất tương hợp là PE ghộp anhydrit maleic (PE-g-AM) [48]. Tuy nhiờn, sự cú mặt của PE-g-AM với hàm lượng dư thừa lại gõy ảnh hưởng đến một số tớnh chất khỏc của vật liệu, như độ bền nhiệt, độ bền thời tiết [42]. Vỡ vậy, chỳng tụi lựa chọn khảo sỏt hàm lượng của PE-g-AM trong khoảng từ 0-20%.
Kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học của vật liệu nanocompozit từ PE/3%clay-APS với cỏc tỷ lệ hàm lượng PE/PE-g-AM khỏc nhau (100/0,95/5,90/10, 85/15 và 80/20) được trỡnh bày ở bảng 3.8. Kết quả ở bảng 3.7 và 3.8 cho thấy, PE ban đầu cú mụ
0 1 2 3 4 5 20 21 22 23 24 25 Do d an ke o d ut (%) Do b en ke o d ut (M Pa)
Ham luong clay-APS (%)
940 960 980 1000 1020 1040
đun đàn hồi là 71,4 MPa và độ bền kộo đứt là 20,7 MPa. Khi cú mặt clay-APS, mụ đun đàn hồi và độ bền kộo đứt tăng lờn và đạt giỏ trị cao nhất ở hàm lượng 3% clay- APS.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng PE-g-AM đến tớnh chất cơ học của vật liệu
Mẫu E-modun (MPa) (MPa) (%) PE/3%clay-APS 160,4 25 1040 95%PE/3%clay-APS/5%PE-g-AM 163,05 25,04 1043 90%PE/3%clay-APS/10%PE-g-AM 183,3 27,2 1073 85%PE/3%clay-APS/15%PE-g-AM 187 25,04 1037 80%PE/3%clay-APS/20%PE-g-AM 189,3 24,8 1028
Hỡnh 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tương hợp PE-g-AM đến tớnh chất cơ học của vật liệu
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Do ben Do dan
Ham luong PE-g-AM (%)
Do ben keo dut (MPa) 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 Do dan keo dut (%)
Khi cú mặt 10% chất tương hợp PE-g-AM độ bền kộo đứt của vật liệu tăng lờn từ 25 MPa lờn 27,2 MPa, do cú sự tương hợp tốt giữa PE và PE của PE-g-AM và tương tỏc tốt giữa PE-g-AM với clay-APS và làm cho cỏc cấu tử của toàn bộ khối vật liệu 90%PE/10%PE-g-AM/3%clay-APS liờn kết với nhau chặt chẽ hơn.
Cỏc kết quả trờn cũng cho thấy, ở tất cả cỏc mẫu nanocompozit mụdun đàn hồi đều tăng lờn so với PE ban đầu. Nguyờn nhõn là: clay-APS là cỏc hạt nano gia cường. Cỏc hạt này cứng, chỳng ớt bị biến dạng khi cú lực bờn ngoài tỏc dụng và cú vai trũ điền vào cỏc khuyết tật vi mụ để khử ứng suất tập trung, do vậy làm tăng mụdun đàn hồi.
3.3.5. Khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS và chất khơi mào DCP đến tớnh chất vật liệu 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