Hỡnh 3.4 là phổ XRD của clay(1) và clay-APS(2) cho thấy, clay cú khoảng cỏch cơ bản ban đầu d001 là 1,49 nm ở vị trớ 2= 6o. Sau khi biến tớnh với APS, khoảng cỏch này tăng lờn 1,97 nm ở vị trớ 4,5o. Như vậy, hợp chất silan APS đó chốn vào giữa cỏc lớp của clay và làm tăng khoảng cỏch cơ bản lờn, đồng thời làm dịch chuyển vị trớ của pic này về gúc nhỏ hơn[4].
Hỡnh 3.4. Phổ XRD của clay (1) và clay-APS (2)
Trong khi đú phổ XRD của clay biến tớnh bằng VTMS ở hỡnh 3.5 cho thấy, pic d001 của clay trước và sau khi biến tớnh hầu như khụng cú sự khỏc biệt nhiều. Điều đú cho thấy, phản ứng ghộp giữa VTMS với clay khụng làm tăng khoảng cỏch d001 của clay hữu cơ do phản ứng ghộp xảy ra trờn bề mặt của clay.
Hỡnh 3.5. Phổ XRD của clay (1) và clay-VTMS (2)
2 1 1,53 9 1,49 2 1 1,49 1,97
3.1.3. Phõn tớch nhiệt trọng lượng-TGA
Phõn tớch nhiệt trọng lượng là phương phỏp phổ biến trong đỏnh giỏ sự thay đổi khối lượng của mẫu theo sự thay đổi của nhiệt độ.
Hỡnh 3.7 là giản đồ TGA của clay (1) và clay-APS (2). Kết quả cho thấy, trong khoảng từ nhiệt độ phũng đến 200oC cú hiện tượng mất trọng lượng nhẹ, khoảng 4- 6%. Đõy là quỏ trỡnh mất nước vật lý. Từ 200 đến 600o
C, ở clay khụng thấy cú hiện tượng mất trọng lượng (hỡnh 3.6). Điều đú chứng tỏ clay bền ở trong khoảng nhiệt độ này. Trong khi đú trong khoảng nhiệt độ 200-600o
C mẫu clay-APS mất khoảng 6% trọng lượng, do quỏ trỡnh phõn huỷ của APS trong clay-APS.
Khi tăng nhiệt độ từ 600o
C lờn 900oC, ở clay và clay-APS lại xảy ra hiện tượng mất khoảng 2% trọng lượng, đõy cú thể là do quỏ trỡnh mất nhúm -OH của clay và nhúm - OH cũn lại của clay-APS. Như vậy, từ giản đồ TGA ở hỡnh 3.7 cho thấy, khoảng 6% APS đó được ghộp vào clay [36].
Hỡnh 3.8 là giản đồ TGA của clay-VTMS. Kết quả cho thấy, trong khoảng từ nhiệt độ phũng đến 200oC clay-VTMS mất trọng lượng khoảng 7%. Đõy là quỏ trỡnh mất nước cú trong clay-VTMS. Trong khoảng nhiệt độ 200-500oC, ở clay khụng thấy cú hiện tượng mất trọng lượng. Điều đú chứng tỏ clay bền ở trong khoảng nhiệt độ này. Trong khi đú ở mẫu clay-VTMS cú xảy ra quỏ trỡnh mất trọng lượng. Nguyờn nhõn là do quỏ trỡnh phõn huỷ của VTMS đó được ghộp lờn clay. Khi tăng nhiệt lờn 900oC, clay mất khoảng 2,6% trọng lượng, cũn clay-VTMS mất khoảng 4,2%. Từ cỏc số liệu thu được này cho thấy, khoảng 2% VTMS đó được ghộp vào clay.
Hỡnh 3.7. Giản đồ TGA của clay (1) và clay-APS (2)
82.00 84.00 86.00 88.00 90.00 92.00 94.00 96.00 98.00 100.00 102.00 0 200 400 600 800 1000 Nhiệt độ( C) % T rọng l-ợng Bentonit M3 1 1 2
3.1.4. Khảo sỏt cấu trỳc của clay trước và sau biến tớnh
Trờn cỏc hỡnh 3.9-3.11 là ảnh FESEM của cỏc mẫu clay và clay hữu cơ. Từ cỏc ảnh FESEM ở độ phúng đại 5.000 và 50.000 lần cho thấy, sau quỏ trỡnh ghộp, clay hữu cơ cú cấu trỳc chặt trẽ và đặc khớt hơn so với clay ban đầu. Clay-APS thu được cú kớch thước hạt nhỏ hơn so với clay-VTMS.
Hỡnh 3.8. Giản đồ TGA của clay(1) và clay-VTMS(2)
75.00 80.00 85.00 90.00 95.00 100.00 0 200 400 600 800 1000 % T rọn g l-ợ ng Nhiệt độ ( C) Bentonit Clay-VTMS
Hỡnh 3.9. Ảnh FESEM của clay ban đầu
1
1
2
Một số kết quả mục 3.1
1. Đó chế tạo được 2 loại clay hữu cơ: clay-APS và clay-VTMS. Kết quả phõn tớch nhiệt cho thấy, cú khoảng 6% APS và 2% VTMS được ghộp vào clay. 2. 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.
Hỡnh 3.10 . Ảnh FESEM của clay-APS
3.2. Khảo sỏt tớnh chất vật liệu compozit trờn cơ sở PE/clay
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