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 mịn 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 mịn 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 khơng có GNPs. Cịn với hàm lượng 0,1 và 0,3 pkl thì cũng gấp cũng hơn 5 lần so với mẫu không GNPs.
Nguyên nhân cho việc này có thể là do GNPs chịu nhiệt tốt. Mà GNPs có diện tích bề mặt rất lớn, phân tán vào nền cao su khá đều giúp cho lưu hóa tốt hơn. Đồng thời, GNPs đã được biến tính nên có thể các nhóm –COOH trong GNPs đã tương tác với nhóm –OH hoặc –COOH trong mành polyeste bằng tương tác lưỡng cực và liên kết hydro. Qua đó sẽ làm tăng được tương tác giữa cao su và mành, làm cho độ bền kết dính tăng lên.
Vì vậy, có thể thấy rằng GNPs là một chất độn thích hợp khi sử dụng với mục đích làm tăng khả năng bám dính của hỗn hợp cao su BR với mành polyeste. Từ kết quả trên kết hợp với hàm lượng GNPs cho tính chất cơ lý tốt nhất chọn mẫu có hàm lượng 0,3 pkl GNPs để tiếp tục khảo sát khả năng bám dính mành polyeste của mẫu cao su Blend EPDM/BR.
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ EPDM và BR đến tính chất của vật liệu polyme blend EPDM/BR polyme blend EPDM/BR
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng EPDM 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:
- Tỷ lệ cao su EPDM/BR: 90/10, 80/20, 70/30, 60/40
- Hỗn hợp GNPs/naphtalen có tỉ lệ: 25%:75%.
- Đơn phối liệu theo và quy trình chế tạo mẫu EPDM theo mục 2.3.2
- Đơn phối liệu theo và quy trình chế tạo mẫu BR theo mục 2.3.1.2 (với Hàm
lượng GNPs khảo sát: 0,3 pkl).
- Đơn phối liệu và quy trình chế tạo mẫu Blend EPDM/BR theo mục 2.3.3
- Điều kiện lưu hóa mẫu: 160°C trong 30 phút với áp suất 10 MPa
3.2.1. Nghiên cứu đặc trưng lưu hóa của blend EPDM/BR
Khảo sát đặc trưng lưu hóa của blend EPDM/BR bằng máy đo Rheometer. Đường cong lưu hóa của blend cao su EPDM/BR với tỷ lệ 90/10 được thể hện trong hình 3.7:
Hình 3. 7 Đường cong lưu hóa của blend cao su EPDM/BR
Các thơng số của q trình lưu hóa blend EPDM/BR được thể hiện đầy đủ ở bảng 3.1.
Bảng 3. 1 Thơng số q trình lưu hóa của blend EPDM/BR tỷ lệ 90/10 Blend cao su MH (dN.m) ML (dN.m) t10 (phút) t90 (phút) t90 – 10 (phút) EPDM 28,77` 4,96 1,8 21,5 19,7 BR 16,02 5,34 5,4 25,7 20,3 EPDM/BR (90/10) 23,9 5,09 1,71 18,01 16,3
Số liệu bảng 3.1 cho thấy, EPDM và BR có tốc độ lưu hóa (thể hiện qua khoảng thời gian lưu hóa) tương đương nhau. Tuy vậy, BR lại có thời gian cảm lưu dài hơn so với EPDM. Vì vậy, để cao su trong blend lưu hóa hồn tồn, chọn thời gian lưu hóa cho blend EPDM/BR 30 phút trong 160°C.
3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ blend đến tính chất cơ lý của blend EPDM/BR
Blend EPDM/BR được khảo sát với tỷ lệ EPDM: BR tương ứng lần lượt là 90/10, 80/20, 70/30, 60/40. Phương pháp chế tạo đã được nêu ở mục 2.3.3
Bảng 3. 2 Tỷ lệ phối trộn Đơn chế tạo blend EPDM/BR
Tỷ lệ blend EPDM/BR
Khối lượng cao su (g)
EPDM BR
90/10 27 3
80/20 24 6
70/30 21 9
60/40 18 12
3.2.2.1. Tính chất kéo của blend EPDM/BR
Mẫu blend ở các tỉ lệ sau khi lưu hóa thì được đem đi cắt thành các tấm hình mái chèo để đo độ bền kéo và mô đun 300 trên máy INSTRON, giá trị được lấy là giá trị trung bình của 3 mẫu.
Kết quả độ bền kéo và mô đun 300 của blend các tỉ lệ khác nhau được thể hiện ở hình 3.8.
Hình 3. 8 Tính chất kéo của blend EPDM/BR qua các tỷ lệ
Từ kết quả hình 3.8 nhận thấy độ bền kéo của cao su EPDM thành phần là 18,2 MPa có giá trị cao nhất so với độ bền kéo của mẫu cao su blend EPDM/BR ở các tỷ lệ. Cao su BR có độ bền kéo thấp nhất so với độ bền kéo của cao su EPDM thành phần. Tại tỷ lệ 90/10, độ bền kéo của blend thấp hơn độ bền kéo của cao su EPDM thành phần. Tiếp tục tăng hàm lượng BR thì độ bền kéo vẫn có xu hướng giảm. Tại tỷ lệ EPDM/BR là 60/40 độ bền kéo giảm còn 10,9 MPa.
Cao su EPDM và cao su BR có khả năng tương hợp với nhau kém. Khi phối trộn với nhau thì trong khối vật liệu xuất hiện sự phân pha và sự tương tác giữa các bề mặt phân pha yếu. Khi hàm lượng BR tăng thì bề mặt phân pha càng lớn làm lực liên kết trong khối vật liệu giảm dần, dẫn tới độ bền kéo của blend cao su giảm so với độ bền kéo của cao su thành phần EPDM.
Mặt khác, khi tỷ lệ BR tăng, blend thu được có độ bền kéo suy giảm dần. Điều này có thể giải thích do hàm lượng BR (là hợp phần có độ bền kéo kém hơn rất nhiều so với EPDM) tăng lên đã làm giảm độ bền kéo của blend EPDM/BR.
Qua kết quả hình 3.8 nhận thấy mơ đun 300 (MPa) của blend EPDM/BR cao hơn so với mô đun của hai cao su thành phần EPDM, BR. Tại tỷ lệ EPDM/BR là 90/10, mô đun 300 của blend đạt 1,2 MPa cao hơn so với EPDM (0,94 MPa) và BR (0,38 MPa). Khi tăng hàm lượng BR, mô đun 300 của blend EPDM/BR thay đổi không đáng kể, đạt 1,35 MPa tại tỷ lệ 60/40.
3.2.1.2. Độ bền xé của blend EPDM/BR
Độ bền xé là lực lớn nhất cần thiết để xé một mẫu thử có hình dạng xác định với lực tác động song song với trục chính của mẫu thử. Các tấm blend sau khi được lưu hóa đem đi cắt thành hình 2.9 mục 2.3.5 phần phương pháp nghiên cứu, sau đó được đem đi đo trên máy INSTRON, kết quả được lấy là giá trị trung bình của 2 mẫu.
Kết quả của nghiên cứu độ bền xé ở các tỉ lệ blend EPDM/BR được thể hiện ở hình 3.9.
Hình 3. 9 Độ bền xé của blend EPDM/BR tại các tỷ lệ
Từ kết quả trên hình 3.9 nhận thấy độ bền xé của blend EPDM/BR cao hơn độ