STT Thành phần Hàm lượng (pkl) 1 EPDM 6160D 100 2 Axit stearic 1,5 3 Phòng lão 4020 1,5 4 ZnO 5 5 Than đen N330 40 6 TMTD 0,7 7 DM 1,5 8 DCP 3 9 Nhựa EM 331 1,5
10 Dầu gia công 10
11 ENR Thay đổi
Quy trình cán trộn được thực hiện trên máy trộn kín Labo Plastomil theo quy trình hình 2.3:
Hình 2. 3 Sơ đồ chế tạo mẫu đơn cao su EPDM
2.3.3. Chế tạo blend EPDM/BR
Trong blend EPDM/BR, cao su EPDM là pha nền, cao su BR là pha phân tán với tỷ lệ blend EPDM/BR theo tỷ lệ cho kết quả tính năng cơ lý tốt nhất.
Blend EPDM/BR được hỗn luyện chéo trên máy trộn kín Labo Plastomil ở 60°C với tốc độ trục là 50 vòng/phút. Thời gian hỗn luyện chéo là 3 - 5 phút. Quy trình cụ thể được thể hiện ở sơ đồ hình 2.4:
Hình 2. 4 Sơ đồ phối trộn Blend EPDM/BR
Mẫu blend sau khi hỗn luyện chéo được đem đi cán và xuất tấm. Sau đó, mẫu blend EPDM/BR được ép lưu hóa ở 160°C trong 30 phút với áp suất 10 MPa.
Mẫu sau khi ép lưu hóa sẽ được đem đi cắt và đo tính chất cơ lý.
2.3.3. Chế tạo mẫu khảo sát bám dính blend EPDM/BR với mành polyeste
Sử dụng khn ép kim loại có kích thước hình chữ nhật 13 x 11,5cm.
Cao su sau khi được trộn hóa chất trên máy trộn kín sẽ đem đi cán và xuất tấm. Cắt các tấm cao su thành hình chữ nhật với kích thước bằng với kích thước khn. Mành polyeste đã đem cắt với kích thước bằng khn ép kim loại. Xếp cao su và mành polyeste theo thứ tự như sau:
Hình 2. 5 Thứ tự định hình mẫu mành và cao su
Ép mẫu ở nhiệt độ 160°C trong 30 phút với áp suất 10 MPa. Sản phẩm sau khi ép được cắt thành các mẫu có chiều rộng 25mm đem đi đo độ bền kết dính với mành của blend cao su EPDM/BR ở máy Lloyd.
2.4. Các phương pháp xác định tính chất vật liệu
2.4.1. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng lưu hóa của cao su
xác định các thơng số cơ bản đầu vào của hỗn hợp.
Hình 2. 6 Thiết bị Rheometer
Đối với hỗn hợp cao su, kết quả lưu biến sẽ là đường cong lưu hóa. Từ đường cong lưu hóa sẽ xác định được những thơng số sau:
- ML: momen xoắn cực tiểu.
- MH: momen xoắn cực đại.
- ts1: Thời gian chảy, phút.
- t10: Thời gian bắt đầu lưu hóa, phút.
- t90: Thời gian khi cao su lưu hóa được 90%, phút. Để xác định thời gian lưu hóa của sản phẩm, ta có:
t lưu hóa = t90 + , phút
2.4.2. Phương pháp xác định độ bền kéo
Hình 2. 7 Máy đo độ bền kéo Instron
Tốc độ kéo mẫu 500 mm/phút, mẫu đo được cắt theo hình mái chèo. Kết quả được tính là giá trị trung bình của 3 mẫu đo.
Hình 2. 8 Hình dạng mẫu đo độ bền kéo
Độ bền kéo của mẫu được tính theo cơng thức sau: бk = , MPa Trong đó:
бk: Độ bền kéo đứt, MPa. F: Lực tác dụng, N. b: Bề rộng phần co, mm. h: Chiều dày mẫu, mm.
2.4.3. Phương pháp xác định độ bền xé
Độ bền xé được đo trên máy INSTRON theo TCVN 1592 - 1987 với tốc độ kéo mẫu 500 mm/phút, mẫu được cắt theo hình. Kết quả được tính là giá trị trung bình của 3 mẫu đo.
Hình 2. 9 Hình dạng mẫu đo độ bền xé
Độ bền xé của mẫu được tính theo cơng thức sau:
τ = , N/mm
Trong đó:
τ: Độ bền xé, N/mm.
Fmax: Lực cực đại khi vết nứt bắt đầu phát triển, N. h: Chiều dày của mẫu, mm.
2.4.4. Phương pháp xác định độ giãn dài khi đứt của vật liệu
Độ giãn dài khi đứt là độ giãn dài khi kéo trên chiều dài thử tại điểm đứt. Các tiêu chuẩn về mẫu đo và phép đo giống như phương pháp đo độ bền kéo đứt. Độ giãn dài khi đứt được tính theo cơng thức sau:
ԑ = .100%, %
trong đó:
ε: Độ giãn dài khi đứt, %.
l: Độ dài 2 điểm đánh dấu trên mẫu ngay khi đứt, mm.
lo: Độ dài giữa 2 điểm được đánh dấu trên mẫu đo trước khi kéo, mm. Kết quả được tính trung bình từ 3 - 5 mẫu đo.
2.4.5. Phương pháp xác định độ giãn dư
Độ giãn dư là hiệu số chiều dài của mẫu sau khi bị kéo đứt và để yên 3 phút ghép lại và trước khi bị kéo đứt, tính bằng phần trăm so với đoạn ban đầu. Tiêu chuẩn mẫu đo giống như phương pháp xác định độ bền kéo đứt. Độ giãn dư được tính theo cơng thức:
ԑd = , % trong đó:
εd: Độ giãn dư, %
l’: Độ dài giữa 2 điểm đánh dấu trước khi kéo, mm.
lo: Độ dài 2 điểm đánh dấu trên mẫu thử sau khi kéo 3 phút, mm.
2.4.6. Phương pháp xác định độ cứng
Xác định độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 1595 - 1988 của Việt Nam. Mẫu đo có hình dạng khối chữ nhật. Kích thước của mẫu đo cho phép đo ở ít nhất 3 điểm. Khoảng cách vng góc từ điểm đo ra cạnh mẫu khơng nhỏ hơn 13 mm. Chiều dày mẫu thử: 6 3 mm. Phép đo được thực hiện ở máy đo độ cứng ShoreA Teclock 709N. Kết quả đo được lấy trung bình sau 5 giá trị đo.
Hình 2. 10 Máy đo độ cứng ShoreA
2.4.7. Phương pháp xác định độ mài mòn
Độ mài mòn được xác định trên máy đo độ mài mòn APGI của GOTECH (Đài Loan) theo tiêu chuẩn DIN 35588.
Mẫu đo hình trụ cơn theo mẫu máy cắt. Mài mịn vật liệu trên trục quấn giấy ráp có kích thước 450 x 450 (mm x mm) với quả nặng 2,5N trong hành trình 100 vịng quay.
Độ mài mịn được tính theo cơng thức:
G = go - g, (g/chu kì) trong đó:
go: Khối lượng mẫu trước khi mài mòn, g. g: Khối lượng mẫu sau khi mài mòn, g.
Hình 2. 11 Máy đo độ mài mịn APGI (GOTECH)
2.4.8. Phương pháp xác định độ bền kết dính giữa cao su và mành
Độ bền kết dính giữa cao su và mành polyeste được xác định trên máy Lloyd 500N của Anh theo TCVN 1596 - 2006.
Hình 2. 12 Thiết bị đo độ bền Lloyd Instruments LR50K
Tốc độ kéo mẫu 100 mm/phút. Mẫu đo có dạng hình chữ nhật, chiều rộng 25 mm ± 5 mm và chiều dài đủ để bóc tách, ít nhất 100 mm. Các thành phần hợp thành
phải có độ dày tối thiểu sao cho thành phần yếu nhất có thể truyền lực cần thiết để bóc tách mà khơng bị đứt. Bóc tách bằng tay lớp sợi và cao su với khoảng cách xấp xỉ 50 mm. Cố định các đầu tách các mẫu thử vào trong má kẹp của thiết bị thử nghiệm và điều chỉnh sao cho sức căng được phân bố đồng đều và mẫu thử không bị xoắn trong lúc thử.
Độ bền kết dính giữa cao su và mành polyeste được xác định theo công thức: σ = , N/mm
Trong đó:
σ: Độ bền kết dính giữa cao su và mành, N/mm. F: Lực bóc tách cao su và mành, N.
b: Chiều rộng của mẫu đo, mm.
2.4.9. Đánh giá khả năng phân tán, hình thái cấu trúc vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Hình thái học của vật liệu được đánh giá thông qua sự phân bố của các pha trong vật liệu. Cách tiến hành: Chụp bề mặt mài mòn của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), Joel (Nhật Bản) với độ phóng đại khác nhau.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu nâng cao tính chất của cao su BR bằng nanographen
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến các tính chất cơ lý của vật liệu cao su nano compozit BR/GNPs được thực hiện bằng phương pháp trộn hở. Mẫu được chế tạo theo phương pháp phân tán gián tiếp GNPs qua masterbatch 2% khối lượng từ hỗn hợp GNPs/naphtalen. Mẫu khảo sát được thực hiện với điều kiện chế tạo sau:
- Hàm lượng GNPs khảo sát: 0; 0,1; 0,3; 0,5 pkl.
- Hỗn hợp GNPs/naphtalen có tỉ lệ: 25%:75%.
- Đơn phối liệu và quy trình chế tạo như mục 2.3.1.
- Điều kiện lưu hóa mẫu: 10 MPa, 160°C, 25 phút.
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ bền kéo
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ bền kéo của vật liệu được thể hiện dưới hình 3.1:
Từ đồ thị hình 3.1 có thể thấy khi đưa thêm GNPs vào hỗn hợp cao su BR thì chưa thể cải thiện được độ bền kéo của vật liệu. Giữa các hàm lượng GNPs khác nhau thì giá trị độ bền kéo của vật liệu khơng có sự chênh lệch nhiều. Giá trị độ bền kéo có xu hướng tăng khi thêm từ 0,1 đến 0,3 pkl GNPs vào hỗn hợp cao su BR, tuy nhiên khi tăng hàm lượng lên, thực tế, từ 0,3 đến 0,5 pkl GNPs thì độ bền kéo lại có xu hướng giảm xuống.
Từ đó, nhận thấy tại hàm lượng 0,3 pkl GNPs thì vật liệu cao su nano compozit BR/GNPs có độ bền kéo đạt giá trị cao nhất là 15,95 MPa so với các mẫu phân tán hàm lượng GNPs khác và độ lớn cũng gần tương đương với độ bền kéo của mẫu trống. Điều này có thể giải thích, do GNPs khi đưa vào hỗn hợp cao su được phân tán đều, đặc biệt tại mẫu 0,3 pkl, lượng chất độn GNPs vừa đủ qua đó GNPs len lỏi lấp đầy khoảng trống giữa các mạch phân tử cao su, bắt đầu phát huy tác dụng gia cường tăng độ bền cho vật liệu. Nhưng khi tăng hàm lượng GNPs lên 0,5 pkl độ bền kéo giảm đi có thể do tại các hàm lượng này bắt đầu xuất hiện sự kết tụ GNPs tạo ra các điểm tập trung ứng suất gây phá hủy vật liệu. Còn đối với hàm lượng GNPs 0,1 pkl thì khi hàm lượng GNPs chưa đủ để có thể có tác dụng gia cường nó thậm chí có thể trở thành tác nhân gây ứng suất nội từ đó làm giảm tính chất.
3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ dãn dài
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ dãn dài của vật liệu được thể hiện hình 3.2:
Hình 3. 2 Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ dãn dài của vật liệu
Từ đồ thị hình 3.2 có thể thấy độ dãn dài của mẫu có 0,1 pkl giảm so với mẫu trống. Riêng tại hàm lượng 0,3 và 0,5 pkl GNPs thì độ dãn dài lại cao hơn. Điều này có thể do khi phân tán GNPs vào hỗn hợp cao su, GNPs phân tán vào các chỗ trống giữa các phân tử cao su, khi có lực tác dụng GNPs cản trở sự duỗi ra và trượt lên nhau của các mạch cao su dẫn đến độ dãn dài tại các hàm lượng GNPs đều giảm so
với mẫu trống. Cịn đối với mẫu có hàm lượng 0,3 và 0,5 pkl GNPs thì khi GNPs được đưa vào với lượng đủ thì có thể được sắp xếp một cách có định hướng tạo thành chuỗi GNPs khi đó sự trượt lên nhau của các mạch lại dễ dàng hơn dẫn đến độ dãn dài tăng so với mẫu trống.
3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ bền xé
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ bền xé được thể hiện hình 3.3:
Hình 3. 3 Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ bền xé của vật liệu
Từ đồ thị hình 3.3 có thể thấy được khi hàm lượng GNPs được thêm vào là 0,1 và 0,3 pkl thì độ bền xé nhỏ hơn so với mẫu trống khi chưa có GNPs, tuy nhiên, sự chênh lệch giữa các giá trị này khơng lớn. Tại hàm lượng 0,5 pkl GNPs thì độ bền xé có giá trị lớn nhất và cũng lớn hơn, tuy không đáng kể so với mẫu trống. Nguyên do cho việc tại hàm lượng 0,5 pkl độ bền xé cao hơn có thể là do tại hàm lượng này, là bắt đầu có khả năng xuất hiện kết tụ nhưng nó vẫn chưa đủ lớn và nhiều qua đó khi tác động lực xé thì các điểm GNPs này sẽ cản trở sự xé rách của vật liệu, dẫn đến độ bền xé tăng.
3.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ cứng
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ cứng của vật liệu được thể hiện hình 3.4:
Hình 3. 4 Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ cứng của vật liệu
Từ đồ thị 3.4 có thể thấy rằng khi cho thêm GNPs vào hỗn hợp cao su BR thì độ cứng của cao su khơng thay đổi nhiều so với mẫu khơng có GNPs. Điều này có thể là do GNPs được đưa vào hỗn hợp cao su là GNPs đã được biến tính và được phân tán trong dầu naphtalen nên khi thêm GNPs sẽ kèm theo một lượng dầu gia cơng nhất định làm dẻo hóa cao su nên mặc dù nano graphen là một chất độn có độ cứng rất lớn thì cũng khơng ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của hỗn hợp cao su.
Qua các khảo sát các tính chất cơ lý của vật liệu cao su BR/GNPs ở trên thì thấy được hàm lượng 0,3 pkl GNPs cho vật liệu tính chất cơ lý tốt nhất. Và chọn hàm lượng này để khảo sát đến khả năng bám dính mành polyeste ở phần sau.
3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến tính mài mịn của vật liệu cao su BR/GNPs cao su BR/GNPs
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ mài mòn của vật liệu thể hiện hình 3.5:
Hình 3. 5 Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ mài mòn của vật liệu
Từ đồ thị 3.5 nhận thấy rằng khi đưa GNPs vào hỗn hợp cao su BR thì độ mài mịn của hỗn hợp cao su tăng dần lên khi hàm lượng GNPs tăng lên nhưng đều thấp hơn so với mẫu trống, qua đó phần nào thể hiện được khả năng kháng mài mòn cũng như sự phân tán GNPs vào hỗn hợp cao su BR.
Việc tăng độ mài mòn khi tăng dần GNPs vào hỗn hợp cao su BR so với mẫu khơng có GNPs có thể là do nano graphen là loại chất độn có độ cứng (cứng hơn rất nhiều so với các vật liệu khác-cứng hơn cả kim cương và gấp khoảng 200 lần so với thép) và diện tích bề mặt đều rất lớn. Đồng thời, GNPs có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ thường. Việc GNPs có được ưu điểm này là do nhờ các liên kết cacbon-cacbon trong graphen cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphen. Từ các đặc điểm của GNPs cho thấy nó là một loại chất độn nano có khả năng kháng được mài mịn và ma sát nhờ vào độ cứng siêu việt của nó. Khi phân tán đều GNPs vào cao su chúng sẽ lấp đầy các lỗ trống còn tồn tại giữa các mạch phân tử cao su. Nên khi đưa vào sẽ có thể làm tăng tính kháng mài mịn của vật liệu.
Như vậy, việc đưa thêm GNPs vào hỗn hợp cao su BR có khả năng làm gia tăng tính kháng mài mòn của vật liệu.
3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến khả năng bám dính mành polyeste của vật liệu cao su BR/GNPs polyeste của vật liệu cao su BR/GNPs
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến khả năng bám dính mành polyeste của vật liệu thể hiện hình 3.6:
1,9 9,88 11,23 14,25 0 5 10 15 0 0,1 0,3 0,5 Đ ộ b ền k ết d ín h (N /m m ) Hàm lượng GNPs (pkl)
Hình 3. 6 Ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến khả năng bám dính mành polyeste của vật liệu
Từ đồ thị hình 3.6 nhận thấy rằng, khi tăng dần hàm lượng GNPs vào hỗn hợp cao su BR thì khả năng bám dính mành polyeste của vật liệu cao su nano compozit BR/GNPs cũng tăng dần và đều cao hơn nhiều so với mẫu khơng có GNPs. Cụ thể, với hàm lượng GNPs là 0,5 pkl thì độ bền kết dính của hỗn hợp cao su và mành polyeste là cao nhất với giá trị là 14,25 N/mm, cao gấp hơn 7 lần so với mẫu không