Để cú thể so sỏnh và thấy được ảnh hưởng của clay hữu cơ đến tớnh chất vật liệu so với clay ban đầu, chỳng tụi đó tiến hành chế tạo và khảo sỏt tớnh chất cỏc mẫu vật liệu PE/clay với hàm lượng clay thay đổi từ 0-3% so với khối lượng của PE.
3.2.1. Tớnh chất cơ học
Cỏc tớnh chất cơ học của vật liệu, thể hiện sự tương tỏc giữa pha phõn tỏn và pha nền khỏ rừ nột. Khi mức độ tương tỏc tốt, tớnh chất cơ học của vật liệu sẽ tăng lờn, nếu tớnh chất cơ học của vật liệu hầu như khụng thay đổi hoặc giảm xuống, khi đú độ tương tỏc giữa pha phõn tỏn và pha nền thấp. Trờn bảng 3.2 là kết quả đo tớnh chất cơ học của vật liệu với cỏc hàm lượng clay khỏc nhau (0-3%)
Bảng 3.2. Tớnh chất cơ học của vật liệu compozit PE/clay
Mẫu E-modun (MPa) σ (MPa) ε (%)
PE 71,4 20,7 1005
PE/1% clay 73,9 20,4 1000
PE/2% clay 76,2 20,1 924
PE/3% clay 78,3 19,6 910
Kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học cho thấy, khi cú mặt clay E-modun của vật liệu tăng nhẹ, tuy nhiờn, cả độ bền kộo đứt và độ dón khi đứt của vật liệu đều giảm. Điều đú cho thấy, mức độ tương hợp giữa PE và clay kộm dẫn đến hiện tượng giảm tớnh chất cơ lý của vật liệu, riờng E-modun, với sự cú mặt của clay, độ cứng của vật liệu tăng nhẹ nờn E-modun tăng lờn so với PE ban đầu.
3.2.2. Phõn tớch nhiệt- TGA
Qua việc khảo sỏt sự thay đổi cỏc điểm phõn tớch đặc trưng trờn phổ TGA của cỏc mẫu PE và vật liệu compozit trờn cơ sở PE/clay cho biết sự tương thớch giữa PE và clay cú xảy ra khụng. Khi cú sự tương tỏc tốt giữa PE và chất gia cường clay, cỏc đặc trưng phõn tớch nhiệt trọng lượng của vật liệu sẽ tăng lờn so với PE ban đầu, khi tương tỏc giữa PE và clay kộm, độ bền nhiệt của vật liệu khụng thay đổi hoặc cú thể bị giảm xuống.
Từ cỏc kết quả khảo sỏt phõn tớch TGA của mẫu PE/3% clay trờn cho thấy, độ bền nhiệt của vật liệu compozit so với PE ban đầu hầu như khụng cú sự khỏc biệt. Điều đú cho thấy sự tương tỏc giữa PE và clay kộm, nờn khi cú mặt của clay, độ bền nhiệt của vật liệu thay đổi khụng đỏng kể.
Hỡnh 3.12. Giản đồ phõn tớch TGA của PE Hỡnh 3.13. Giản đồ phõn tớch TGA của vật liệu PE/3%clay
Bảng 3.3. Đặc trưng TGA của PE và PE/3%clay
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/3%clay 220 319 386,84 387,2 86
3.2.3. Phổ XRD
Phổ nhiễu xạ tia X của clay và vật liệu compozit PE/3%clay được ghi lại trờn hỡnh 3.14 và 3.15, kết quả khảo sỏt cho thấy, khoảng cỏch cơ bản d001 của vật liệu và của clay ban đầu khụng cú sự thay đổi (d001 của clay là 1,49 nm và của vật liệu compozit là 1,47 nm). Điều này chứng tỏ là, khi khụng cú sự biến tớnh clay bằng cỏc hợp chất hữu cơ, sự tương hợp giữa clay và PE kộm nờn vật liệu ở dưới dạng compozit kết tụ.
Hỡnh 3.14. Phổ nhiễu xạ tia X của clay Hỡnh 3.15. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu compozit PE/3%clay
Một số kết quả mục 3.2
1. Kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học của PE và vật liệu compozit PE/clay cho thấy, tớnh chất cơ học của vật liệu compozit giảm nhẹ so với PE ban đầu. 2. Kết quả khảo sỏt phõn tớch nhiệt TGA và phổ XRD cho thấy, độ bền nhiệt của
vật liệu khụng thay đổi khi cú mặt clay, trờn phổ XRD pic d001 của clay và của vật liệu compozit khụng cú sự khỏc biệt, cho thấy sự tạo thành compozit kết tụ.
3.3. Khảo sỏt ảnh hưởng của điều kiện chế tạo và thành phần vật liệu đến tớnh chất cơ học của vật liệu nanocompozit chất cơ học của vật liệu nanocompozit
Trộn hợp núng chảy là phương phỏp thụng dụng trong chế tạo vật liệu nanocompozit polyme nhiệt dẻo/clay, do đõy là phương phỏp dễ tiến hành trờn cỏc thiết bị cụng nghiệp và khụng sử dụng dung mụi làm gõy ụ nhiễm mụi trường [19,30,44] . Tuy nhiờn, ở phương phỏp này, cỏc điều kiện cụng nghờ như: nhiệt độ trộn, thời gian trộn và tốc độ trục quay cú ảnh hưởng quan trọng đến tớnh chất vật liệu thu được. Vỡ vậy, việc khảo sỏt cỏc điều kiện cụng nghệ trờn đến tớnh chất của vật liệu là cần thiết. Trong phần khảo sỏt điều kiện chế tạo vật liệu này, chỳng tụi chọn mẫu vật liệu PE với hàm lượng clay biến tớnh bằng APS là 1% so với khối lượng của PE (1% clay-APS).
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ của quỏ trỡnh trộn là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quỏ trỡnh núng chảy của vật liệu, từ đú cú liờn quan giỏn tiếp đến độ nhớt của vật liệu. Nếu nhiệt độ quỏ cao hoặc quỏ thấp so với nhiệt độ núng chảy của polyme sẽ dẫn đến hiện tượng polyme phõn huỷ hoặc núng chảy khụng hoàn toàn, dẫn đến tớnh chất vật liệu bị suy giảm.
Với vật liệu PE/clay-APS, chỳng tụi chọn nhiệt độ gia cụng trong khoảng 160- 175oC để khảo sỏt ảnh hưởng của nhiệt độ gia cụng đến tớnh chất cơ học của vật liệu. Kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ lý của vật liệu với cỏc thụng số dặc trưng nhất gồm: E- moddun, độ bền kộo đứt và độ dón khi đứt được thể hiện trong bảng 3.4.
Kết quả ở bảng 3.4 cho thấy, nhiệt độ trộn cú ảnh hưởng nhiều đến tớnh chất cơ học của vật liệu. Tớnh chất cơ học đạt kết quả cao nhất ở nhiệt độ 170oC, chứng tỏ đõy là nhiệt độ gia cụng thớch hợp nhất cho hệ vật liệu này. Ở nhiệt độ thấp hơn 170oC, PE núng chảy khụng hoàn toàn, dẫn đến sự phõn tỏn giữa PE và clay-APS khụng đồng đều, làm giảm tớnh chất cơ học. Khi nhiệt độ lớn hơn 170o
C, cú thể xảy ra phõn hủy nhiệt của PE và dẫn đến hiện tượng suy giảm tớnh chất cơ học.
Bảng 3.4. Tớnh chất cơ học của vật liệu nanocompozit PE/1% clay-APS với nhiệt độ trộn khỏc nhau
Nhiệt độ (oC) E-modun (MPa) σ (MPa) ε (%)
160 81,53 20,82 1003
165 90,6 20,9 1012
170 111 21,45 1032
175 113,3 20,75 1016
Vỡ vậy, chỳng tụi chọn nhiệt độ 170oC làm nhiệt độ trộn cho cỏc nghiờn cứu tiếp theo.
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian trộn
Trong cỏc yếu tố cụng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit, thời gianchế tạo mẫu là yếu tố ảnh hưởng khỏ lớn đến tớnh chất sản phẩm. Nếu thời gian chế tạo mẫu quỏ ngắn, polyme chưa cú độ nhớt gia cụng thớch hợp hoặc chất phõn tỏn khụng phõn tỏn đều sẽ dẫn đến tớnh chất của sản phẩm khụng tốt. Nếu thời gian của quỏ trỡnh kộo dài, dưới tỏc động của nhiệt độ sẽ cú sự phõn huỷ nhiệt của polyme xảy ra làm suy giảm tớnh chất vật liệu và gõy lóng phớ nguyờn, nhiờn liệu.Vỡ võy, chỳng tụi tiến hành khảo sỏt ảnh hưởng của thời gian trộn đến tớnh chất của vật liệu. Qua khảo sỏt sơ bộ ban đầu, PE cú thời gian trộn chảy đồng đều trong khoảng thời gian 3-5 phỳt, vỡ vậy với mẫu vật liệu PE/1%clay-APS, thời gian trộn mẫu chỳng tụi khảo sỏt trong khoảng từ
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 M om en x oa n (N m )
Thoi gian (phut)
5 phỳt 6 phỳt 7 phỳt 8 phỳt
5-8 phỳt. Sơ đồ trộn mẫu vật liệu với cỏc thời gian trộn mẫu khỏc nhau được thể hiện trờn hỡnh 3.16. Qua sơ đồ trộn cỏc mẫu vật liệu cho thấy, từ phỳt thứ 3 trở đi đó cú sự núng chảy hoàn toàn của hỗn hợp trộn, sau đú độ nhớt chảy của mẫu khỏ ổn định trong vũng từ 5-8 phỳt, từ đú cho thấy giữa cỏc mẫu trộn với thời gian trộn khỏc nhau cú độ nhớt chảy khỏc nhau khụng đỏng kể.
Hỡnh 3.16. Giản đồ haake trộn mẫu vật liệu nanocompozit với thời gian trộn khỏc nhau
Tớnh chất cơ học của cỏc mẫu vật liệu cũng được khảo sỏt qua cỏc thụng số đặc trưng như trong phần 3.3.1 và được ghi lại trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Tớnh chất cơ học của vật liệu nanocompozit PE/1% clay-APS với thời gian trộn khỏc nhau
Thời gian (phỳt) E-modun (MPa) σ (MPa) ε (%)
5 82,6 20,75 997
6 85,3 20,8 998,5
7 94 21,2 1001
Bảng 3.5 trỡnh bầy kết quả khảo sỏt tớnh chất cơ học của vật liệu nanocompozit PE/clay-APS ở nhiệt độ 170oC với thời gian trộn thay đổi từ 5 đến 8 phỳt. Kết quả cho thấy, thời gian trộn mẫu cũng cú ảnh hưởng tới tớnh chất cơ học của vật liệu. Thời gian trộn mẫu thớch hợp nhất là 8 phỳt. Nếu kết thỳc quỏ trỡnh trộn mẫu trước 8 phỳt, độ phõn tỏn của clay trong polyme nền chưa đồng đều, dẫn đến tớnh chất vật liệu khụng cao.
3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ trục quay
Thiết bị trộn nội Haake là thiết bị được chế tạo với hai trục quay ngược chiều nhau, tốc độ trục quay càng lớn, năng lượng ma sỏt của vật liệu trong quỏ trỡnh trộn càng mạnh, điều đú làm cho nhiệt độ trong buồng trộn thay đổi nhanh chúng. Nếu nhiệt độ đú thớch hợp cho quỏ trỡnh núng chảy của polyme thỡ tớnh chất vật liệu tối ưu, nếu nhiệt độ khụng thớch hợp sẽ làm giảm tớnh chất vật liệu. Nếu tốc độ trục quay nhỏ, khi đú sự phõn tỏn của chất gia cường trong khối polyme sẽ khụng đồng đều, tớnh chất vật liệu bị suy giảm. Với vật liệu nanocompozit PE/clay-APS, chỳng tụi thực hiện việc khảo sỏt tốc độ trục quay thay đổi từ 50 vũng/phỳt đến 80 vũng/phỳt.
Hỡnh 3.17. Giản đồ haake với cỏc tốc độ trộn mẫu khỏc nhau
0 1 2 3 4 5 6 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 M om en xoan (Nm )
Thoi gian (phut)
50 vũng/phỳt 60 vũng/phỳt 70 vũng/phỳt 80 vũng/phỳt
Bảng 3.6 trỡnh bày kết quả sự phụ thuộc của tớnh chất cơ học của vật liệu vào tốc độ trục quay khỏc nhau.
Bảng 3.6. Tớnh chất cơ hoc vật liệu nanocompozit PE/1%clay-APS với tốc độ trộn khỏc nhau
Tốc độ trục quay (vũng/phỳt)
E-modun (MPa) σ (MPa) ε (%)
50 89 20,7 989
60 96,5 20,9 996
70 109 21,3 999
80 93 21,1 991
Kết quả cho thấy khụng cú sự khỏc nhau lớn về modun đàn hồi và độ dón dài tương đối khi đứt, tuy nhiờn độ bền kộo đứt của vật liệu đạt kết quả cao nhất tại tốc độ trộn 70 vũng/phỳt. Điều này cho thấy, khi tốc độ trục quay nhỏ hơn 70 vũng/phỳt, sự phõn tỏn của clay-APS trong PE chưa đạt độ đồng đều tốt nhất, làm cho độ bền vật liệu chưa cao. Nhưng nếu tốc độ trục quay lớn hơn 70 vũng/phỳt, khi đú ma sỏt trượt trong quỏ trỡnh trộn lớn, dẫn đến gẫy mạch phõn tử PE làm cho độ bền kộo đứt giảm.
Như vậy, từ hệ vật liệu PE/1% clay-APS, chỳng tụi lựa chọn được điều kiện cụng nghệ thớch hợp cho quỏ trỡnh chế tạo vật liệu trong thiết bị trộn kớn Haake như sau:
- Nhiệt độ trộn: 170oC - Thời gian trộn: 8 phỳt - Tốc độ trộn: 70 vũng/phỳt
3.3.4. Khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng clay-APS và chất tương hợp PE-g-AM đến tớnh chất cơ học của vật liệu đến tớnh chất cơ học của vật liệu
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