Hình thái học của vật liệu được đánh giá thông qua sự phân bố của các pha trong vật liệu, trong đề tài là đánh giá sự phân bố của pha phân tán là xơ da trên nền pha liên tục là cao su.
Cách tiến hành: Chụp mặt cắt của vật liệu bằng máy chụp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM ở chế độ trường điện thế thấp (1kV) .
Để đảm bảo sự so sánh thì độ các mẫu được tiến hành chụp ở các độ phóng đại chung lần lượt là 100, 300 và 500 lần.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 3.1. Kết quả xác định hàm lượng khô của Latex
Để tiến hành xác định hàm lượng khô của Latex, đề tài đã tiến hành đông tụ độc lập 05 mẫu latex có cùng thể tích là 10ml bằng axit acetic.
Lượng axit acetic được thử nghiệm với nhiều hàm lượng khác nhau cho tới khi lượng axit được sử dụng có khả năng đông tụ hoàn toàn các mẫu.
Mẫu sau khi đông tụ được tiến hành sấy khô, sau một khoảng thời gian sấy mẫu được tiến hành cân để xác định khối lượng cho tới khi nhận thấy khối lượng của các mẫu là không đổi.
Kết quả xác định khối lượng của mẫu sau các khoảng thời gian khác nhau được trình bày trong bảng 3.1
Bảng 3.1:Khối lượng mẫu latex đã đông tụ sau các thời gian sấy khác nhau
Từ kết quả trên nhận thấy với tất cả các mẫu latex sau động tụ khi thay đổi thời gian sấy từ 24h đến 28h thì khối lượng của các mẫu đều không thay đổi.
Như vậy khối lượng xác định được sau sấy 28h có thể coi là khối lượng chất rắn có trong các mẫu latex lỏng đã thí nghiệm.
Hàm lượng chất rắn (cao su) trong dung dịch Latex được xác định thông qua việc lấy tỷ lệ trung bình của 5 mẫu thí nghiệm và thu được kết quả là: 42,21 %.
STT Khối lượng latex lỏng (gam)
Khối lượng latex sấy khô sau các khoảng thời gian khác nhau (gam)
3,5 h 20,5 h 23,5 h 25,5 h 28h 1 9,700 4,600 4,230 4,227 4,225 4,219 2 9,700 4,400 4,228 4,224 4,224 4,224 3 9,727 4,588 4,224 4,216 4,216 4,214 4 9,730 4,805 4,243 4,236 4,232 4,225 5 9,704 4,752 4,235 4,229 4,225 4,221
3.2. Kết quả khảo sát và lựa chọn phương pháp khuấy trộn
Để chế tạo vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều thành phần thì nhiệm vụ đầu tiên cần thực hiện là phải tiến hành phối trộn các thành phần với nhau để tạo thành hỗn hợp đồng nhất.
Phương pháp phối trộn được lựa chọn dựa trên trạng thái, độ nhớt và hình dạng của các loại vật liệu thành phần.
Trong trường hợp cụ thể của nghiên cứu này, nhiệm vụ cần thực hiện là phối trộn vật liệu rắn có cấu trúc xơ và kích thước nhỏ (xơ da) vào môi trường lỏng có độ nhớt cao (latex). Theo lý thuyết, hai pha thuộc thể lỏng và thể rắn có thể phối trộn theo một trong hai phương pháp cơ bản là:
- Trộn theo nguyên lý nghiền (trộn trên thiết bị nghiền hành tinh) - Trộn theo nguyên lý khuấy cơ học
Từ cơ sở đó, ban đầu đề tài thử nghiệm phối trộn bằng thiết bị nghiền kiểu hành tinhvới các tốc độ và thời gian nghiền khác nhau:
- Thời gian nghiền: 10 phút – 2h
- Tốc độ đảo trộn: 50 vòng/phút – 300 vòng/phút Quan sát các mẫu sau nghiền thu được nhận thấy: - Xơ da phân tán không đều trên nền latex
- Mẫu bị vón thành cục lớn có lớp ngoài cùng được bọc bởi một lớp cao su - Mẫu có hiện tượng tự lưu
Từ các thử nghiệm nêu trên có thể nhận định phương pháp nghiền không phù hợp để tiến hành phối trộn xơ da vào môi trường latex lỏng. Điều này có thể lý giải là do trong quá trình nghiền bằng thiết bị nghiền hành tinh thì hỗn hợp chỉ chủ yếu chịu lực ép, đập mà không chịu lực cắt, xé. Với cấu trúc pha rắn là dạng xơ có chiều dài lớn hơn nhiều so với đường kính nên dễ có hiện tượng bện xoắn vào nhau. Khi đó các lực ép, nén, đập trong thiết bị nghiền không đủ khả năng phân tách các búi xơ thành các thành tố nhỏ hơn và do vậy làm hạn chế khả năng phối trộn.
Trước tình hình trên đề tài đã tiến hành lựa chọn, thiết kế và chế tạo máy khuấy cơ học để phối trộn hỗn hợp nguyên liệu. Các cơ sở lựa chọn thiết kế là:
- Thiết bị phải không có góc chết và có khả năng khuấy đều trên toàn bộ thể tích khuấy.
- Cánh khuấy phải có cấu tạo phù hợp tránh hiện tượng cuốn và mắc xơ gây kẹt hoặc giảm hiệu suất khuấy.
- Phải có tốc độ khuấy cao để có thể khuấy các dung dịch có độ nhớt cao. (cụ thể là Latex)
- Tốc độ khuấy có thể thay đổi và điều chỉnh dễ dàng.
- Cánh khuấy có thể tháo lắp dễ dàng để thuận lợi cho các nghiên cứu tiếp theo. - Giá đỡ cốc linh hoạt phù hợp với nhiều loại cốc khuấy có kích cỡ khác nhau. Từ các cơ sở trên, đã tiến hành chế tạo loại máy khuấy cơ học có các đặc điểm như sau:
- Cánh khuấy dạng xoắn hở với chu vi hoạt động bằng 70% chu vi của cốc khuấy.
- Cánh khuấy được hàn gắn trên trục khuấy và có khả năng kết nối linh hoạt vào bộ phận truyền động của động cơ.
- Động cơ khuấy có thể hoạt động ở hai tần số dòng điện khác nhau và ứng với mỗi tần số dòng điện là 5 mức tốc độ từ thấp đến cao.
- Hệ thống giá đỡ cốc vững chắc, tránh hiện tượng rung lắc và có thể điều chỉnh bộ gá để phù hợp với các cốc khuấy có kích thước khác nhau.
Hình ảnh về thiết bị cũng như các bộ phận và cơ cấu chính được thể hiện trong hình 3.1
(a) (b)
(c ) (d)
Hình 3.1: (a) máy khuấy; (b) Cánh khuấy;(c) Hệ thống điều tốc
(d) Gá đỡ cốc và cốc khuấy
3.3. Kết quả nghiên cứu khảo sát trình tự gia công
Ngoài hai thành phần chính là xơ da và latex thì trong vật liệu tổ hợp còn chứa các phụ gia lưu hóa có vai trò thực hiện phản ứng tạo mạng không gian ba chiều của nền cao su. Để xác định trình tự phối trộn các phụ gia lưu hoá phù hợp nhất, đề tài đã tiến hành các thực hiện chế tạo mẫu theo hai trình tự khác nhau:
- Trình tự 1: Trộn tất cả các hoá chất và phụ gia (trừ lưu huỳnh), sau đó sấy khô trước khi cán trộn lưu huỳnh và cán xuất tấm (các mẫu Ma341, Ma342, Ma343)
- Trình tự 2: Trộn tất cả hoá chất và phụ gia (bao gồm cả tác nhân lưu hóa là lưu huỳnh dạng bột rắn) vào latex lỏng, sau đó sấy khô và cán tấm (các mẫu Mb341, Mb342, Mb343).
Để đánh giá chính xác ảnh hưởng của trình tự gia công tới tính chất của vật liệu tổ hợp tạo thành thì các điều kiện công nghê như: tốc độ và thời gian khuấy trộn, thời gian đông tụ và hàm lượng axit sử dụng để đông tụ, thời gian cán, thời gian và nhiệt độ lưu hóa được giữ cố định với tất cả các mẫu thí nghiệm.
Để so sánh một cách khách quan ảnh hưởng của trình tự gia công tới các mẫu có hàm lượng latex khác nhau (cả mẫu có chứa nhiều và ít latex), đề tài đã tiến hành thử nghiệm với hai bộ mẫu (tương ứng với 2 trình tự phối trộn) có tỷ lệ xơ da/latex thay đổi từ 1/0.67; 1/1 và 1/1.5.
Hàm lượng các chất lưu hóa và phụ gia được tính theo hàm lượng cao su khô tuyệt đối trong các mẫu và với cùng một hệ tỷ phần khối lượng tương ứng thống nhất như đã nêu trong phần phương pháp thực nghiệm ở chương 2.
Lượng hóa chất và phụ gia sử dụng cũng như các thông số công nghệ cơ bản được thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2:Đơn công nghệ của các bộ mẫu có trình tự gia công khác nhau Thành phần phối trộn Bộ mẫu Ma341- Mb341 Bộ mẫu Ma342- Mb342 Bộ mẫu Ma343- Mb343
Latex dung dịch (gam) 34,5 23 15,35
Latex khô (gam) 15 10 6,67
Xơ da (gam) 10 10 10 ZnO (g) 1,5 1 0,67 Stearic (ml) 0,6 0,4 0,27 DM (g) 0,453 0,3 0.2 TMTD (g) 0.45 0.3 0.2 RD (g) 0.3 0.2 0.13 S (g) 0.753 0.5 0.33 Nước (ml) 70 70 70 Amoniac (ml) 2 2 2 Tốc độ khuấy (vòng/phút) 1750 1750 1750 T/gian khuấy (phút) 10 10 10
Nhiệt độ sấy khô sau đông tụ (oC)
80 80 80
Thời gian sấy khô sau đông tụ (giờ)
24 24 24
Nhiệt độ lưu hóa (oC) 110 110 110
Hình ảnh trực quan của các mẫu vật liệu được trình bày trong hình 3.2
Hình 3.2:Hình ảnh trực quan các mẫu vật liệu gia công theo các trình tự khác nhau
Bảng 3.3:Kết quả đo độ bền cơ học của các cặp mẫu gia công
ở các trình tự khác nhau Mã hóa mẫu Độ bền kéo đứt Độ bền xé Lực kéo đứt trung bình (N) Độ bền kéo đứt trung bình (N/mm2) Độ giãn dài trung bình (%) Lực xé trung bình (N) Độ bền xé trung bình (N/mm2) Độ giãn dài trung bình (%) Ma341 10,65 0,71 140 7,83 0,26 153 Mb341 5,45 0,36 140 4,23 0,14 211 Ma342 28,95 1,93 173 8,91 0,30 208 Mb342 9,13 0,61 128 3,14 0,10 192 Ma343 6,5 0,43 109 3,50 0,12 153 Mb343 1,08 0,07 118 1,18 0,04 210
Biểu đồ cột so sánh độ bền cơ học của các cặp mẫu được thể hiện trên hình 3.3: 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Ma341 Mb341 Ma342 Mb342 Ma343 Mb343
Độ bền đứt trung bình của vật liệu (N/mm2) Độ bền xé trung bình của vật liệu (N/mm2)
Hình 3.3: Biểu đồ so sánh độ bền cơ học các cặp mẫu vật liệu gia công theo các trình tự khác nhau
Nhận xét :
-Trình tự thứ hai có thao tác đơn giản hơn, giảm được nguyên công. Tuy nhiên, tất cả các mẫu làm theo trình tự thứ nhất đều cho độ bền cơ học cao hơn. Điều này có thể lý giải là do khi phối trộn chất lưu hóa từ quá trình khuấy trộn tạo phối liệu thì khối vật liệu sẽ bị lưu hóa cục bộ tại một số vị trí trước khi cán thành tấm dẫn đến hiện tượng thiếu đồng nhất của vật liệu sau cán làm giảm độ bền.
3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xơ da/latex
Để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn giữa xơ da và latex tới hình thái học và tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp tạo thành thì đề tài đã tiến hành chế tạo các mẫu có tỷ lệ phối trộn khác nhau. Các thông số gia công cơ bản được giữ là:
- Tốc độ khuấy trộn giữ thống nhất ở mức 1750 vòng/phút - Thời gian khuấy trộn giữ cố định tại mức 10 phút
- Các mẫu được phối trộn với tỷ lệ xơ da/latex thay đổi lần lượt là: 1/1, 1/1,5 1/0,67 , 1/0,54.
- Khối lượng các chất phụ gia được tính bằng % so với khối lượng latex khô
Bảng 3.4:Đơn và thông số công nghệ các mẫu có tỷ lệ xơ da/latex khác nhau cần so sánh
Thành phần phối trộn Ma341 Ma342 Ma343 Ma344
Latex dung dịch (gam) 34,5 23 15,35 12,43
Latex khô (gam) 15 10 6,67 5,4
Xơ da (gam) 10 10 10 10 ZnO (g) 1,5 1 0,67 0,54 Stearic (ml) 0,6 0,4 0,27 0,213 DM (g) 0,453 0,3 0.2 0,16 TMTD (g) 0.45 0.3 0.2 0,16 RD (g) 0.3 0.2 0.13 0,107 S (g) 0.753 0.5 0.33 0,266 Nước (ml) 70 70 70 70 Amoniac (ml) 2 2 2 2 Tốc độ khuấy (vòng/phút) 1750 1750 1750 1750 T/gian khuấy (phút) 10 10 10 10
Nhiệt độ sấy khô sau đông tụ (oC)
80 80 80 80
Thời gian sấy khô sau đông tụ (giờ)
24 24 24 24
Nhiệt độ lưu hóa (oC) 110 110 110 110
Thời gian lưu hóa (giờ) 2 2 2 2
Các mẫu vật liệu thu được được tiến hành đo các chỉ tiêu cơ học là độ bền đứt và độ bền xé. Các số liệu thu được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.5:Kết quả đo độ bền kéo và độ bền xé của các mẫu có tỷ lệ xơ da/latex khác nhau
Mã hóa mẫu Độ bền kéo đứt Độ bền xé rách Lực kéo đứt trung bình (N) Độ bền kéo đứt trung bình (N/mm2) Độ giãn dài trung bình (%) Lực xé rách trung bình (N) Độ bền xé trung bình (N/mm2) Độ giãn dài trung bình (%) Ma341 10,65 0,71 140 7,83 0,26 153 Ma342 28,95 1,93 173 8,91 0,3 208 Ma343 6,50 0,43 109 3,50 0,12 153 Ma344 5,54 0,36 104 1,46 0,05 164
Biểu đồ cột so sánh độ bền cơ học của các mẫu Ma341, Ma342, Ma343 và Ma344
được thể hiện trên hình 3.4.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Ma341 Ma342 Ma343 Ma344
Độ bền đứt trung bình của vật liệu (N/mm2) Độ bền xé trung bình của vật liệu (N/mm2)
Hình 3.4:Biểu đồ cột so sánh độ bền cơ học của các mẫu có tỷ lệ xơ da / latex khác nhau
Hình thái học mặt cắt của các mẫu có tỷ lệ latex / xơ da khác nhau được thể hiện trên hình 3.5
Ma341 Ma342
Ma343 Ma344 Hình 3.5:Ảnh chụp FESEM mặt cắt của các mẫu
Nhận xét :
Từ các kết quả thu được có thể nhận thấy tỷ lệ phối trộn xơ da/latex có ảnh hưởng trực tiếp và rõ ràng tới cả hình thái học cũng như tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp tạo thành.
Trong các mẫu đã khảo sát nhận thấy mẫu có tỷ lệ phối trộn 1/1 cho kết quả độ bền đứt và độ bền xé đều lớn nhất. Với các mẫu có tỷ lệ xơ da lớn hơn latex thì cả hai độ bền nêu trên đều giảm đi nhưng độ bền xé có mức giảm nhiều hơn. Ngược lại với mẫu có tỷ lệ Latex cao hơn hẳn xơ da thì độ bền đứt giảm đi nhiều nhưng độ bền xé lại giảm không thật sự đáng kể. Kết quả này cho thấy độ bền xé phụ thuộc chủ yếu vào thành phần pha phân tán còn độ bền đứt phụ thuộc nhiều hơn vào pha liên tục.
Các kết quả so sánh về độ bền cơ học có sự phù hợp với các hình thái học của mặt cắt các mẫu vật liệu quan sát được.
Từ các hình ảnh FE-SEM có cùng độ phóng đại của các mẫu được trình bảy trên hình 3.5 có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Mẫu Ma342 có tỷ lệ phối trộn xơ da/latex là 1/1 có hình thái đồng đều nhất,
pha phân tán có kích thước 5 đến 7 µm phân bố đều đặn trên nền pha liên tục. Các xơ da có độ định hướng rất đồng đều phân bố theo chiều dọc (thể hiện qua hình ảnh mặt cắt ngang của xơ có hình tròn tương ứng với đường kính của xơ. Kết quả này cho thấy sự phân tán đồng đều của xơ da trong nền cao su, liên kết giữa pha nền và pha phân tán tốt. Kết quả này cũng phù hợp với giá trị cao nhất về độ bền đứt và độ bền kéo so với các mẫu khác.
- Mẫu Ma341 có tỷ lệ xơ da / latex là 1 :1,5 cho mặt cắt tương đối đồng đều, tuy
nhiên kích thước pha phân tán lớn hơn mẫu Ma342 và độ định hướng của xơ có xu hướng giảm. Điều này phù hợp với kết quả giảm của độ bền đứt đo được.
- Các mẫu Ma343 và Ma344 có tỷ lệ xơ da/latex lần lượt là là 1/0,67 và 1/0.54
đều có hàm lượng xơ da lớn hơn latex. Quan sát mặt cắt của hai mẫu này nhận thấy pha phân tán có hiện tượng kết khối, kích thước tăng lên rõ rệt. Các xơ không còn sắp xếp một cách có định hướng mà có xu hướng sắp xếp tự do. Xu hướng này tăng khi hàm lượng tương đối giữa xơ da và latex tăng.
Từ các phân tích trên cho thấy để có được tính chất cơ học tốt nhất thì xơ da và latex phải được phối trộn ở một tỷ lệ tương thích với nhau. Việc tăng hàm lượng xơ da quá cao hoặc hàm lượng latex quá cao đều làm giảm độ bền cơ học của vật liệu tổ hợp thu được. Khi hàm lượng xơ da quá cao thì khả năng tạo cầu liên kết các phần tử pha phân tán của pha liên tục bị giảm, sự phân bố của pha liên tục không