Tính chất điện của vật liệu compozit PP/GS

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.3. Tính chất và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit PP/GS

3.3.3. Tính chất điện của vật liệu compozit PP/GS

3.3.3.1. Hằng số điện mơi và tang góc tổn hao điện mơi

Bảng 3.11 trình bày hằng số điện mơi (ε) và tang góc tổn hao điện mơi (tgδ) của vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT ở các hàm lượng khác nhau.

Bảng 3.11. Hằng số điện mơi (ε) và tg góc tổn hao điện mơi (tgδ) của vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT Hàm lƣợng chất gia cƣờng (%) OG DG-2B CaSO4.BT ε Tgδ ε Tgδ ε tgδ 0 1,727 0,017 1,727 0,017 1,727 0,017 5 1,777 0,152 1,675 0,254 2,032 1,170 10 1,834 0,290 1,702 0,361 1,832 0,101 15 1,878 0,769 1,612 0,377 1,968 0,786 20 1,958 1,208 1,802 0,374 1,909 0,517 25 2,232 2,157 1,943 1,587 1,926 0,944

Có thể thấy sự gia tăng hằng số điện môi của tổ hợp PP /OG là liên tục theo hàm lượng OG. Các mẫu sử dụng CaSO4.BT và DG-2B có sự biến đổi khơng theo quy luật. Đặc biệt là mẫu PP/DG-2B có hằng số điện mơi nhỏ hơn nền PP ở hàm lượng dưới 20% DG-2B. Sự suy giảm này phu ̣ thuô ̣c vào bản chất phân cực và hàm lượng của chất biến tính có trong gypsum và khả năng kết dính giữa gypsum và chất biến tính. Như vâ ̣y, có thể thấy rõ SDS có khả năng tạo liên kết với cá c ha ̣t gypsum tốt hơn. Do đó sẽ ha ̣n chế khả năng quay của các lưỡng cực điê ̣n trong điê ̣n trường xoay chiều. Nói cách khác, gypsum biến tính bởi SDS có hằng số điê ̣n môi nhỏ hơn so với CaSO4 tổng hợp biến tính SDS.

3.3.3.2. Điện trở suất mặt, điện trở suất khối

Điện trở suất khối (v) của vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT với các hàm lư ợng chất phân tán khác nhau được thể hiện trong bảng 3.12. Có thể thấy v của vật liệu t ổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT nằm trong khoảng 1- 6.1015 .cm. Khi có mặt hạt gypsum biến tính thì điện trở suất khối của các mẫu vật liệu compozit có giảm nhưng sự khác biệt là khơng nhiều. Điện trở suất khối của PP

và các mẫu vật liệu compozit PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT đều có giá trị 1015 (Ω.cm). Giá trị này nằm trong giới hạn cho phép sử dụng làm vật liệu cách điện.

Bảng 3.12. Điện trở suất khối v (.cm) của vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B,

PP/CaSO4.BT

Hàm lƣợng chất gia cƣờng (%kl)

Điện trở suất khối v (.cm)

PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT 0 5,46.1015 5,46.1015 5,46.1015 5 2,81.1015 2,70.1015 2,12.1015 10 2,75.1015 2,60.1015 2,34.1015 15 3,19.1015 1,95.1015 2,17.1015 20 3,29.1015 5,01.1015 2,33.1015 25 1,78.1015 3,03.1015 3,41.1015 3.3.4. Khả năng chống cháy

Khả năng chống cháy của vật liệu compozit được đo theo tiêu chuẩn UL-94 (Underwriters Laboratories Inc) của Mỹ, các mẫu đo được đặt theo phương nằm ngang 94-HB (Horizontal Burning) [36]. Với mẫu PP ban đầu, giọt cháy rơi liên tục, với các mẫu vật liệu compozit PP/GS giọt cháy rơi ngắt quãng và ngọn lửa nhỏ dần. Trong bảng 3.13 là kết quả xác định khả năng chống cháy của PP và vật liệu compozit PP/GS.

Từ kết quả ở bảng 3.13 cho thấy vật liệu compozit PP/GS đều có tốc độ cháy nhỏ hơn PP ban đầu. Tốc độ cháy của các mẫu có sử dụng SDS đều thấp hơn 2 - 4% so với các mẫu không sử dụng SDS. Nguyên nhân là do các hạt gypsum phối trộn cơ học đơn thuần có sự kết tụ với nhau, chúng khơng cịn phân tán đều và dễ hình thành khuyết tật trong nền, tác dụng che chắn oxy xâm nhập vào bên trong vật liệu giảm đi, vì vậy tốc độ cháy của vật liệu tăng lên. Trong khi, các mẫu có sử dụng SDS biến tính đã cải thiện sự phân tán đều của các hạt gypsum, chúng có vai trị che chắn và ngăn cản sự xâm nhập của oxy vào bên trong vật liệu cũng làm giảm khả năng gây cháy đối với vật liệu compozit.

Bảng 3.13. Thời gian và tốc độ cháy của các mẫu compozit

Gypsum, %

Thời gian cháy (s) Tốc độ cháy (mm/phút)

PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4. BT PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4. BT 0 166,4 166,4 166,4 27,04 27,04 27,04 5 170,2 172,7 173,8 26,43 26,05 25,89 10 175,6 179,4 180,4 25,62 25,08 24,94 15 180 185,2 186,1 25 24,29 24,18 20 190 192,1 192 23,68 23,43 23,42 25 197,1 200,3 202,9 22,83 22,46 22,17

3.3.5. Độ bền oxi hóa nhiệt của vật liệu

Dưới tác đơ ̣ng của nhiê ̣t đô ̣ c ao và oxy , PP và vật liệu t ổ hợp PP/GS có thể bị phân huỷ nhiệt và phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t , trong đó thành phần polyme - PP - bị phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t ma ̣nh nhất . Phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t P P là nguyên nhân gây nên sự suy giảm các tí nh chất của vâ ̣t liê ̣u polyme , điển hình là các tính chất cơ [11]. Độ bền oxy hoá nhiệt của vật liệu tổ hợp PP/GS được đánh giá theo phần trăm còn la ̣i của đ ộ bền kéo đứt (ζs) của vật liệu tổ hợp sau thử nghiê ̣m oxy hoá nhiệt so với ζt của vâ ̣t liê ̣u t ổ hợp ban đầu (Hζ = ζs/ζt.100%). Giá trị tỷ đối Hζ đươ ̣c go ̣i là hê ̣ số kháng lão hoá oxy hoá nhiê ̣t theo đô ̣ bền kéo đứt . Giá trị của Hζ càng lớn , vâ ̣t liê ̣u có đô ̣ bền oxy hoá nhiê ̣t càng cao .

Bảng 3.14 trình bày k ết quả khảo sát độ bền kéo đứt ban đầu và sau thử

nghiê ̣m oxy hoá nhiê ̣t (ζt, ζs) của vật liệu tổ hợp PP/GS với các hàm lượng gypsum khác nhau . Nhìn chung , có thể dễ dàng nhận thấy độ bền kéo đứt của các vâ ̣t liê ̣u t ổ hợp PP/GS chưa biến tính và biến tính sau khi già nhiê ̣t (ζs) đều giảm so với các giá tri ̣ ζ ban đầu (ζt).

Bảng 3.14. Độ bền kéo đứt (ζs) sau thử nghiệm oxy hoá nhiệt vật liệu tổ hợp PP/GS Tên mẫu Hàm lƣợng chất gia cƣờng (%kl) Độ bền kéo đứt (MPa)

Ban đầu Thời gian thử nghiệm 10 chu kỳ 21 chu kỳ PP 0 31,65 15,03 10,96 PP/OG 5 30,38 15,90 10,71 10 30,25 19,03 11,51 15 29,03 18,56 13,25 20 27,92 20,82 14,76 25 27,14 21,12 15,48 PP/DG-2B 5 34,18 19,61 13,07 10 33,78 24,50 15,05 15 32,05 25,60 15,69 20 28,3 23,68 17,33 25 27,64 24,15 18,52 PP/CaSO4.BT 5 35 20,15 13,65 10 34 24,90 15,51 15 32,29 26,16 15,50 20 29,32 24,98 18,62 25 27,8 25,02 19,33

Từ hình 3.11 cho thấy, dưới tác động của các yếu tố của thời tiết như: bức xạ tử ngoại, nhiệt độ, độ ẩm… độ bền kéo đứt của mẫu PP có tốc độ suy giảm nhanh nhất so với các mẫu vật liệu PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT. Sự suy giảm này phụ thuộc vào hàm lượng chất phân tán. Với mẫu sử dụng gypsum biến tính và khơng biến tính cho thấy độ bền kéo đứt giảm ít hơn so với PP. Đặc biệt với các mẫu sử dụng DG-2B và CaSO4.BT cho sự suy giảm gần nhau.

Tại 10 chu kỳ, độ bền kéo đứt của các mẫu còn lại tương đối đều và sau 21 chu kỳ thì tại các mẫu có sự biến động lớn. Mẫu PP chỉ còn lại 34,63%, PP/OG phần trăm độ bền kéo đứt trung bình cịn lại là 45,77%, mẫu PP/DG-2B còn lại khoảng

52% và mẫu PP/CaSO4.BT cho phần trăm độ bền kéo đứt còn lại cao nhất 53,14%. Điều này có thể khẳng định gypsum là chất gia cường tốt cải thiện tính chất lão hóa bởi thời tiết của vật liệu nền PP.

-5 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 PPPP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT

Hình 3.11. Phần trăm độ bền kéo đứt còn lại sau 10 chu kỳ thử nghiệm thời tiết

-5 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT

Hình 3.12. Phần trăm độ bền kéo đứt cịn lại sau 21 chu kỳ thử nghiệm thời tiết

Chất biến tính SDS đã phát huy tác dụng làm cho gypsum từ một chất ưa nước trở thành ít ưa nước do đó khó bị ngậm nước độ bền lão hóa tăng.

3.3.6. Độ ổn định màu

Sự biến đổi màu sắc trên bề mặt của PP và các mẫu compozit PP/OG, PP/DG- 2B và PP/CaSO4.BT được xác định bằng cách đo a*; b*; L* -những thông số đã được sử dụng để tính tốn sự thay đổi trong EQS (4) - (7). Hình 3.13 trình bày kết quả xác định sự thay đổi Δ E* sau 684 giờ thử nghiệm gia tốc thời tiết.

0 200 400 600 800 0 10 20 30 PP PP/OG (90/10) PP/OG (80/20) PP/DG-2B (90/10) PP/DG-2B (80/20) PP/CaSO4.BT (90/10) PP/CaSO4.BT (80/20)

Hình 3.13. Sự phụ thuộc ∆E* theo thời gian thử nghiệm

Kết quả cho thấy, sự thay đổi màu sắc (∆E*) phụ thuộc tuyến tính theo thời gian chiếu UV, tuy nhiên sự thay đổi này là khác nhau đối với các mẫu compozit. Nhìn chung, sự thay đổi màu sắc của mẫu nằm trong khoảng giá trị từ 0 đến 20, trong đó mẫu PP cho thấy được sự thay đổi màu sắc trên bền mặt mẫu là mạnh nhất. Sự thay đổi màu sắc của vật liệu compozit dựa trên sự thay đổi của giá trị ∆a*, ∆b*, ∆L*. Quan sát sự thay đổi mẫu PP cho thấy, màu trắng của vật liệu bị biến đổi mạnh nhất. Sự thay đổi này là do tác động của tia UV đến cấu trúc PP, hình thành nên các nhóm C=O [43]. Sự xuất hiện làm vật liệu trở nên trắng đục hơn so với mẫu PP ban đầu. Khi PP phối trộn với OG và DG và CaSO4, sự thay đổi màu sắc của mẫu compozit này giảm đáng kể. Trong đó, các mẫu DG và CaSO4 có độ bền màu sắc

hơn so với mẫu OG. Các hạt gypsum biến tính và CaSO4.BT đã cho thấy sự phân tán trong nền PP tốt, nhờ đó nó đóng vai trị ngăn chặn tác động trực tiếp của UV đến nền PP. Mặt khác, gypsum và CaSO4 là chất độn bền nhiệt, do vậy, sự tác động của yếu tố nhiệt ẩm đến vật liệu compozit có hàm lượng cao hơn (20%) đã được hạn chế so với các mẫu có hàm lượng gypsum thấp (10%). Kết quả là sự thay đổi màu sắc của các mẫu này xảy ra chậm hơn so với mẫu PP/OG và PP ban đầu.

KẾT LUẬN

1. Chế tạo thành cơng vật liệu compozit PP/GS với kích thước hạt nhỏ hơn 125 μm.

2. Với hàm lượng DG-2B phân tán trên nền nhựa PP là 5%kl. Mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt tăng lên lần lượt là 22% và 10,8% so với nền PP; và 7,78% và 13,33% so với PP/OG.

3. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR và phân tích nhiệt đã cho thấy sự tương tác của SDS trên bề mặt hạt gypsum.

4. Tính chất chống cháy của vật liệu PP/DG-2B cao hơn 3 – 9% so với nhựa nền PP.

5. Gypsum là chất gia cường tốt cải thiện tính chất lão hóa bởi thời tiết của vật liệu nền PP. Kết quả này cũng cho thấy sự phù hợp với độ ổn định màu sắc của vật liệu.

6. Tính chất điện vật liệu PP/GS có hằng số điện môi nhỏ khoảng 1,6-2,3, điện trở khối lớn từ 1,8.1015-5.1015 (Ωcm), nên vật liệu đáp ứng được yêu cầu cách điện của vật liệu xây dựng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện Kỹ thuật nhiệt đới (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng của chất gia cường CaCO3 biến tính đến tính chất và cấu trúc của polypropylen (PP), Mã số CA.TN05/05-07, Hà Nội.

2. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam giai đoạn 2008-2009 (2009), Nghiên cứu chế tao vật liệu compozit từ một số nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, EVA)/tro bay nhà máy nhiệt điện và ứng dụng làm một số sản phẩm dân dụng, Mã số KCO2.TN11/11-15, Hà Nội.

3. Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm Viện Kỹ thuật nhiệt đới (2013),

Hồn thiện cơng nghệ chế tạo vật liệu compozit PE/gypsum làm ống nhựa cứng sử dụng trong một số lĩnh vực kỹ thuật, Mã số VAST.SXTN.02/11-12,

Hà Nội.

4. Trần Vĩnh Diệu, Trần Trung Lê (2006), Môi trường trong gia công chất dẻo và

Compozit, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.

5. TS. Nguyễn Tiến Dũng (2011), Thực trạng thị trường phân bón ở Việt Nam hiện

nay và cơng tác quản lý tốt chât lượng trong sản xuất supe lân và NPK Lào Cai, Công ty CP Vật tư Nông sản (Apromaco).

6. Nguyễn Vũ Giang và Myung Yul Kim (2006), “Ảnh hưởng của lớp phủ ngoài axit stearic lên màng lọc chất thải – thạch cao trong hỗn hợp PVC/thạch cao phế thải”, Hội nghị khoa học lần thứ 20, ĐHBK Hà Nội, số 12. 237-241. 7. Nguyễn Vũ Giang, Trần Hữu Trung, Mai Đức Huynh, Khương Việt Hà (2012),

“Tổng hợp và biến tính canxi sunfat ứng dụng trong vật liệu compozit”, Tạp

chí hóa học, T. 50(5B) 204-209.

8. Phạm Minh Hải, Nguyễn Trường Kỳ (2009), Vật liệu phi kim và công nghệ gia

công, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.

9. Hiệp hội Phân bón quốc tế (IFA) (5-2013), “Triển vọng thị trường phân bón thế giới thời kỳ 2013-2017”, Tạp chí CN Hố chất, số 9.

10. Thái Hoàng, Nguyễn Vũ Giang, Nguyễn Thúy Chinh, Nguyễn Thị Thu Trang, Trần Hữu Trung, Mai Đức Huynh, Vũ Mạnh Tuấn (2013), “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/gypsum”,

Tạp chí Khoa học và Công nghệ, T. 51(5A) 327-333.

11. Trần Minh Hương (1998), Nghiên cứu trích ly ion C1 khỏi thạch cao Cà Ná, luận văn thạc sĩ hóa học, Đại học Quốc gia Thành phố HCM.

12. Hoàng Xuân Lượng (chủ biên, 2003), Cơ học vật liệu composite, Nhà xuất bản Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.

13. Trần Thanh Sơn, Vũ Đình Cự (chủ biên) (2003), Cơ sở kỹ thuật nhiê ̣t đới , Nhà xuất bản Văn hóa - thông tin, Hà Nội, 318-390.

14. Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002), Vật liệu compozit – cơ học và công nghệ, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.

15. Hoàng Vân (2010), “Tình hình cung ứng phân bón trên thế giới trong những năm qua - Dự báo triển vọng trung hạn”, Tạp chí CN Hố chất, số 4.

Tiếng Anh

16. A. Grecoa, A. Maffrezzoli, O. Manni (2005), “Development of polimeric foams from recycled polyethylene and recycled gypsum”, Polymer Degradation and Stability, 90, 256-263.

17. American Society for Testing and Materials (ASTM) (1998), ASTM G 154-98.

In: 1998 Annual book of ASTM Standards, West Conshohocken, PA: ASTM.

18. Annual Book of ASTM Standards 1971, Part 29 (1971), pp. 51-80.

19. Billmeyer FW (1981), Saltzman M. Principles of color technology, John Wiley

New York.

20. Cornelis Klein and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985), Manual of Mineralogy, John Wiley, 20th ed., pp. 352–353.

21. EM. El Afifi, MA. Hilal, MF. Attallah and SA. EL-Reefy (2009), “Characterization of phosphogypsum wastes associated with phosphoric acid and fertilizers production”, Journal of Environmental Radioactivity, 100(5)

22. G. Anbalagan, S. Mukundakumari, K. Sakthi Murugesan, S. Gunasekaran. Infrared (2009), “Optical absorption and EPR spectroscopic studies on natural gypsum”, Vibrational Spectroscopy, 50, 226-230.

23. H. F. El-Maghraby et al, “Apatite formation on gypsum and gypsum/polymer composites”, www.ceramics-silikaty.cz/biomaterialy/ biomaterialy.htm. 24. H.F. El-Maghraby, et al. (2010), “Copressive strength anh preliminary invitro

evaluation of gypsum and gypsum-polymer composite in protein-free SBF at 370C”, Ceramics International, 36, 1561-1569.

25. Harutun G. Karian (2003), Handbook of Polypropylene and Polypropylene

Composites, Marcel Dekker Press, U.S.A.

26. International Organization for Standardization (ISO), ISO 2470. In: ISO

Standards, (1999), Geneva, Switzerland: ISO.

27. J.C Rubio-Avalos, et al. (2005), “Flexural behavior and microstructure analysis of a gypsum-SBR composite material”, Materials Letters, 59, 230-233. 28. Jan F. Rabek (1989), Experimental Methods in polymer Chemistry, John wiley

& sons, New York.

29. M. Reyne (1991), Les plastiques dans l’emballage, Hermis, Paris, 42 - 43.

30. Nguyen Vu Giang (2005), “A study of polymer composite based on poly(vinyl chloride) and waste-gypsum fillers”, PhD. Thesis, Sunchon National University, Korea.

31. Nguyen Vu Giang, Thai Hoang, Myung Yul Kim (2006), “Surface modification of waste-gypsum fillers in PVC/waste-gypsum composites”, Fourteenth international conference on composites/nano engineering, Colorado, USA,

July 2-8, 467-468.

32. Per Almh and Inger Ericsson (1995), “Quantification of Sodium Dodecyl Sulfate in a Two-Phase System Using Filament-Pulse-Pyrolysis- Gas Chromatograph”, Langmuir, Vol-ll, 108-110.

33. R.Elansezhian, L.Saravanan (2011), “Effect of nano silica filler on mechanical and abrasive wear behaviour of vinyl ester resin”, Inter. Jour. Of App.