Ki
Cs
CT =
Khả năng chống chỏy của mẫu vật liệu được thử nghiệm theo tiờu chuẩn UL 94 HB (Mỹ) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Đõy là phương phỏp thụng dụng cho cỏc loại vật liệu và được mụ tả như sau: cỏc mẫu cú kớch thước 1,25cm x 12,5cm được kẹp vào giỏ theo phương nằm ngang (hoặc nghiờng 45o). Trờn mẫu được đỏnh dấu 2 vạch tại cỏc vị trớ 2,5 và 10cm. Quỏ trỡnh đốt mẫu được thực hiện trong 30 giõy hoặc đến khi mẫu chỏy đến vạch 2,5cm thỡ bắt đầu tớnh thời gian chỏy. Nếu mẫu thớ nghiệm chỏy quỏ vạch 10cm thỡ thời gian chỏy được ghi lại từ vạch 2,5 đến vạch 10cm. Nếu mẫu dừng chỏy trước vạch 10cm thỡ thời gian chỏy và chiều dài của đoạn mẫu bị phỏ hủy được ghi lại. Mẫu thớ nghiệm cú chiều dầy dưới 3 mm sẽ đạt chỉ tiờu theo UL 94 HB nếu cú tốc độ chỏy nhỏ hơn 76 mm/phỳt hoặc dừng chỏy trước vạch 10cm.
2.5.9. Khảo sỏt khả năng chống thấm hơi nước/axeton
Cỏc mẫu vật liệu được ộp dưới dạng màng mỏng cú chiều dầy: 50-60 àm. Cỏc cốc đong 50 ml đựng nước/axeton được bịt kớn bằng cỏc màng này và được cõn chớnh xỏc bằng cõn phõn tớch xỏc định khối lượng mo. Sau những thời gian nhất định, cỏc cốc này được cõn lại, cho ta khối lượng mt. Lượng nước/axeton thoỏt qua màng được xỏc định theo phần trăm khối lượng mất đi.
2.5.10. Khảo sỏt tớnh chất điện của vật liệu
- Hằng số điện mụi (εe) và tổn hao điện mụi (tgδ) được xỏc định trờn thiết bị TR-10C (Nhật Bản), theo tiờu chuẩn ASTM D150, ở tần số 30 kHz.
- Điện trở suất mặt (s)và điện trở suất khối (v) được xỏc định trờn thiết bị TR- 8401 của hóng Takeda Ricken (Nhật Bản) bằng phương phỏp 3 điện cực theo tiờu chuẩn ASTM D 257, với điện ỏp một chiều 100V.
- Điện ỏp đỏnh thủng (Edt) được xỏc định theo tiờu chuẩn ASTM- D149 trờn thiết bị AII 70 (Liờn Xụ cũ), ở tần số 50 Hz với tốc độ tăng điện ỏp là 0,5 kV/giõy.
Cỏc phộp đo tớnh chất điện được tiến hành tại ViệnKỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chế tạo và khảo sỏt tớnh chất của clay hữu cơ (clay-APS và clay-VTMS) 3.1.1. Phổ hồng ngoại
Hỡnh 3.1, 3.2 và 3.3 là phổ IR của clay ban đầu và hai loại clay biến tớnh: clay- APS và clay-VTMS. Kết quả cho thấy, trờn cả 3 phổ IR đều xuất hiện pic với cường độ khỏ rộng trong vựng bước súng 3400-3600 cm-1
đặc trưng cho dao động hoỏ trị của nhúm -OH. Trờn hỡnh 3.1 cú pic ở vị trớ khoảng 1639,4 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của nhúm -OH trong clay, và cỏc pic tại 1035,49 và 469,29 cm-1
đặc trưng cho dao động hoỏ trị và dao động biến dạng của liờn kết Si-O trong clay.
Hỡnh 3.1. Phổ hồng ngoại của clay
Trờn phổ IR của clay-APS ở hỡnh 3.2 xuất hiện pic mới tại bước súng 2933,8 cm-1 đặc trưng cho dao động hoỏ trị của nhúm -CH2 trong nhúm propyl của APS [36].
Cũn trờn phổ IR của clay-VTMS xuất hiện, ngoài pic tại vị trớ 1022,76 cm-1 đặc trưng cho liờn kết Si-O trong clay cũn xuất hiện 2 vai pic tại 1129,9 cm-1
và 1079 cm-
1. Cỏc vai pic này đặc trưng cho liờn kết Si-O-Si, tạo thành bởi phản ứng giữa nhúm Si-O-CH3 của VTMS và nhúm –OH trờn bề mặt của clay.
Hỡnh 3.2. Phổ hồng ngoại của clay-APS
Hỡnh 3.3. Phổ hồng ngoại của clay-VTMS
Cỏc đặc trưng phổ hồng ngoại của cỏc mẫu clay và clay hữu cơ được tổng hợp và ghi lại trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Đặc trưng phổ IR của clay và clay hữu cơ
Đặc trưng liờn kết Tần số hấp thụ đặc trưng (cm-1)
Clay Clay -APS Clay -VTMS
ν –OH của clay 3633.8 3635 3620.8
ν–OH của nước hấp thụ 3447.4 3456 3413.3
δ–OH của nước hấp thụ 1639.4 1634.2 1640.3
ν- Si-O của clay 1035.5 1034.9 1022.7
δ- Si-O của clay 469.3 468.5 478.5
ν –CH2(mạch ankyl) // 2933.86 //
ν- Al-O của clay 523.2 529 520.8
ν-Si-O của clay-VTMS // // 1129,9 & 1079
3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X-XRD
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