1.1. MỤC TIÊU
Mục tiêu của đề tài là khảo sát các tỉ lệ PP/EPDM, từ đó tìm ra tỉ lệ PP/EPDM cho tính chất giao thoa tốt nhất của 2 thành phần trộn hợp. Từ tỉ lệ đã tìm ra ,cho hệ này trộn hợp với hệ chất tương hợp đã được chọn và khảo sát những ảnh hưởng của chúng đến tính chất của blend polymer.
1.2. NỘI DUNG THỰC HIỆN
Đồ án nghiên cứu gồm 2 giai đoạn, mỗi giai đoạn có mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau và các bước thực hiện khác nhau , giai đoạn trước là tiền đề cho giai đoạn tiếp theo và cũng để tìm ra kết quả mong muốn cuối cùng.
- Giai đoạn 1: Khảo sát ở 4 tỉ lệ trộn hợp PP/EPDM ( 100/0, 90/10, 70/30, 50/50) trong máy trộn kín để tìm ra tỉ lệ PP/EPDM tạo ra blend có các tính chất cơ lý mong muốn tốt nhất. Tìm ra quy luật trộn, tạo mẫu đo cơ tính.
- Giai đoạn 2: Từ tỉ lệ PP/EPDM đã chọn ở trên, khảo sát sự thay đổi tính chất của blend PP/EPDM theo tỷ lệ chất tương hợp (AMPLIFY™ GR).
CHƯƠNG 2: HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 2.1. HÓA CHẤT
2.1.1. Cao su EPDM
Tên thương mại: Vistalon™ 2504N Nhà sản xuất: Exxomobil Chemical
Là loại cao su có thành phần termonomer là ENB (Ethylidene norbornene)
Bảng 5.2 Các đặc tính vật lý của cao su EPDM
Thông số Giá trị (SI) Tiêu chuẩn đo
Độ nhớt Mooney
(ML 1+4+ 1250C) 25 MU ASTM D1646
% Ethylene 56.0% ASTM D3900
% ENB 3.8% ASTM D6047
2.1.2. Nhựa HDPE
Tên thương mại: Advanced-PP 1100 N, Polypropylen homopolymer Nhà sản xuất: Advanced Petrochemical
Bảng 5.3 Các đặc tính Cơ – lý của nhựa PP
Thơng số Giá trị Tiểu Chuẩn đo
Chỉ số chảy (2300C/ 2.16kg) 12g/10 phút ISO 1133
Tỷ trọng 0.91 g/cm3 ISO 1183
Nhiệt độ nóng chảy (DSC) 1630C ISO 3146
2.1.3. Chất tương hợp MAH-graft- HDPE
Tên thương mại: AMPLIFY™ GR Nhà sản xuất: Dow Chemical
Bảng 5.4 Các đặc tính Cơ – lý của MAH-graft- HPDE
Thông số Giá trị Tiểu Chuẩn đo Chỉ số chảy (1900C/ 2.16kg) 12g/10 phút ISO 1133
ASTM D1238
Tỷ trọng 0.954 g/cm3 ASTM D792
Nhiệt độ nóng chảy (DSC) 1270C Dow Method
2.2. THIẾT BỊ
2.2.1. Cân điện tử
Sai số 0.01g
2.2.2. Máy trộn kín
Máy trộn kín Internal Model MX500 – D75L90
Hãng sản xuất: Chareon Tut, Co., Ltd., Samut Prakan, Thailand.
Page 33
Hình 5-2: Thơng số kỹ thuật máy trộn kín
Thơng số MX500 –
D75L90 Nhiệt độ hoạt động tối đa 3000C Thể tích buồng trộn đối với trục Cam 510 ml
Tốc độ Rotor cao nhất 140 rpm
Motor chính 7.5 kW
2.2.3. Máy ép thủy lực: - Nhiệt độ mâm ép: 0-400 - Áp suất ép: 0-600 bar - Kích thước mâm ép: 170x 170x2 mm 2.2.4. Máy ép Dake Page 35 Hình 5.3 Máy ép thủy lực
Model: Dake 44-226 25 – Tom Laboratory Press Hãng sản xuất: Dake – a JSJ business, USA
Thơng số kỹ thuật:
Nhãn hiệu: Dake
Kích thước mâm: 300 x 300 mm Lực ép cực đại 100,000 lbf
2.2.5. Thiết bị đo độ bền kéo
Page 36
Model: M500-50CT
Hãng sản xuất: Testometric Company Ltd, Rochdale, Lancashire, United Kingdom. Range kN 50 Độ chính xác: +/- 0.5% Khoảng cách dọc: 1180 mm Vận tốc ngàm chạy: 0,001 đến 1000 mm/phút Lực lớn nhất tại vận tốc lớn nhất: 50 kN Vận tốc lớn nhất ở tải lớn nhất: 600 mm/ phút Thiết bị đo độ va đập: Model: IT504
Hãng sản xuất: Tinius Olsen-Anh
Máy kiểm tra va đập với bộ hiển thị model 104
Đặc điểm kỹ thuật:
Các phép thử được thay đổi bằng cách lắp mặt nện tương ứng trên búa đập và bộ giữ mẫu (hoặc đe).
Năng lượng va đập cơ bản là 2.82 J với chiều cao chuẩn 610mm, vận tốc va đập tương ứng 3.46m/s. Tuy nhiên, với
Thiết kế khí động lực (Low Blow) cho phép hạ chiều cao của búa, đáp ứng nhu cầu kiểm tra va đập nhỏ hơn mức 2,82J là 2,75J đến 2 J với vận tốc va đập tương ứng là 3,14 m/s và 2,91 m/s.
Năng lượng va đập có thể dễ dàng thay đổi đến 25J bằng cách sử dụng các bộ tải trọng khác nhau gắn trên búa.
Máy có cấu trúc vững chắc với thiết kế khí động học đảm bảo chính xác hướng va đập và loại bỏ các mất mác nănglượng do gió gây ra.
Từ chiều cao chuẩn 0.61 m (2.00 ft), búa tạo vận tốc va đập 3,46 m/s (11,35 ft./s) theo đúng quy định của ASTM và ISO 179 & 180.
Bộ hiển thị 104: hiển thị LCD và bàn phím nhỏ (key pad membrane) để điều khiển phép thử, hiển thị kết quả, hiệu chuẩn máy và định cấu hình hệ thống.
Khả năng phân giải năng lượng nhỏ hơn 0,03% của năng lượng búa đập. Độ phân giải này vượt trội so với kiểu hiển thị đĩa số và nhiều kiểu hiển thị số khác. Năng lượng được tính tốn và hiển thị nhờ các xung tạo ra bởi bộ giải mã quang được đặt trên trục gắn búa đập.
Các đặc điểm khác của bộ hiển thị model 104:
Cổng giao tiếp RS-232 xuất dữ liệu ra máy in hay máy tính.
Hiệu chỉnh ma sát và tổn thất năng lượng do gió hồn tồn tự động. Cập nhập thủ công hoặc tự động số lượng mẫu.
Lựa chọn năng lượng sử dụng: in.-lbf, ft-lbf, J, kg-m, kg-cm.
Tính tốn và hiển thị hai độ bền dựa trên dữ liệu kích thước nhập vào, lựa chọn giữa ft-lbf/in., J/m, in.-lbf/in., kg-m/m, ft-lbf/in.2, kJ/m2, in.-lbf/in.2, kg-m/m2.
Lựa chọn kiểu phá hủy cho tài liệu báo cáo với tính tốn và hiển thị độ lệch chuẩn và trung bình của một loạt phép thử và bởi các kiểu phá hủy đơn giản.
2.2.6. Các thiết bị khác:
Bao gồm: Khn ép, thước đo độ dày, dao cắt hình quả tạ, cưa….
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 3.1. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Quy trình tạo hỗn hợp PP/EPDM, tạo mẫu và đo cơ tính được thể hiện ở sơ đồ 6.1
Giải Thích quy trình:
Nhựa PP dạng hạt nhựa rắn, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 1650C. Cao su EPDM ở dạng bành lớn được cắt thành từng miếng nhỏ, sau đó cân nhựa và cao su theo các tỷ lệ cần khảo sát.
Nhiệt độ được chọn trong quá trình trộn là 1650C, do đó ta cài đặt ở máy là 1650C, vận tốc 60 rpm.
Khi nhiệt độ buồng cài đặt đạt 1650C ta cho nhựa vào để nóng chảy trước. Trên giản đồ Torque- Time (xem phụ lục PHỤ LỤC III: Các giản đồ Torque- Temp) đường Torque biểu thị momen xoắn của trục quay, đường Temp biểu thị nhiệt độ buồng trộn. Khi cho nhựa vào, đường Torque sẽ tăng đến cực đại rồi giảm đến khi ổn định, lúc này nhựa đã nóng chảy hồn tồn, là do khi mới bắt đầu cho vào, độ nhớt của nhựa cao do đó cần cung cấp cho trục quay một momen lớn dần để ma sát, cắt, xé, quay trộn nhựa. Đến khi đạt một giá trị momen cực đạt, lúc này nhựa cũng chảy dần, độ nhớt giảm dần làm giảm momen xoắn của trục quay. Cho đến khi momen của trục quay có giá trị khơng thay đổi nhiều (hay đường Torque gần như nằm ngang) cho thấy độ nhớt của nhựa đã ổn định, nhựa đã nóng chảy hồn tồn. Thời gian nhựa hóa là khoảng 7 phút.
Sau khi nhựa đã nóng chảy hồn tồn, đườngTorque nằm ngang thì cho cao su vào. Cũng tương tự như nhựa, khi cho cao su vào, đường Torque sẽ tăng nhanh qua điểm cực đại rồi giảm dần đến trạng thái ổn định.
Quá trình trộn hợp kết thúc khi đường Torque ổn định nằm ngang. Thời gian trộn hợp là 15 phút. Sau đó, hỗn hợp được cán tấm và cắt thành miếng đủ để ép tấm phẳng.
Quy trình ép:
- Khn được hâm đến 1800C sau đó lót tấm PET để chống dính khn và tạo bộ láng cho bề mặt tấm phẳng. Đặt mẫu trộn vào khuôn, ép từ từ khơng áp để nhựa nóng chảy dần, thời gian để nhựa chảy đều là khoảng 20 phút. Sau khi nhựa chảy đều, ép áp suất lên 50Kgf trong khoảng 5 phút trên máy ép thủy lực.
- Chuyển khuôn ép sang máy ép Dake để làm nguội tự nhiên và vẫn giữ áp như khi ép nóng. Giai đoạn này có tác dụng làm nguội từ từ, đồng đều, giúp sản phẩm tránh bị co rút và đồng thời giữ áp như ép nóng, tạo một lực ép đồng đều lên toàn bộ sản phẩm, làm tránh sinh ra ứng suất nội bên trong sản phẩm. Thời gian làm nguội khoảng 30 phút.
Mẫu tấm phẳng được để ổn định ít nhất là 24 giờ sau đó cắt mẫu và đo cơ tính theo tiêu chuẩn của nhựa: đo kháng đứt theo tiêu chuẩn ASTM D638, đo va đập theo tiêu chuẩn ISO 179 có được các tính chất:
-Ứng suất kháng đứt lớn nhất (Ts) - Biến dạng dài khi đứt Eb (%) - Mô đun đàn hồi E (Mpa)
- Năng lượng phá vỡ mẫu (KJ/m2)
AMH-graft-HDPE Cân Giai đoạ n 2 Trộn PP Cân EPDM Cân Cắt nhỏ Nóng chảy Trộn hợp Đo cơ tính Ép tấm Ổn định Tạo mẫu Hỗn hợp PP/EPDM
3.2. ĐIỀU KIỆN KHẢO SÁT
3.2.1. Khảo sát tỷ lệ PP/EPDM
Khảo sát tính chất của hỗn hợp với các tỷ lệ PP/EPDM khác nhau, đồng thời lựa chọn tỷ lệ PP/EPDM thích hợp cho giai đoạn sau.
Các tỷ lệ trộn hợp PP/EPDM khảo sát là 100/0, 90/10, 70/30, 50/50 Thành phần trộn hợp: Mẫu Hóa chất 100/ 0 90/10 70/30 50/50 Thời điểm nhập liệu ( Phút thứ) PP 100 90 70 50 0 EPDM 0 10 30 50 7 Kết thúc: 15 3.2.2. Khảo sát tỷ lệ chất tương hợp:
Tạo hỗn hợp với sự có mặt của chất tương hợp, thay đổi tỷ lệ hàm lượng chất tương hợp nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của chất tương hợp đến tính chất của hỗn hợp, khảo sát sự biến thiên tính chất cơ lý của hỗn hợp theo hàm lượng chất tương hợp.
Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng chất tương hợp lên tính chất của hỗn hợp bằng cách thay đổi hàm lượng chất tương hợp ( MAH-graft- HPDE) ở 3 tỷ lệ 0.5%, 1% và 2% so với tổng khối lượng hỗn hợp PP/EPDM ở tỷ lệ tối ưu đã chọn ở trên.
Thành phần trộn hợp: Mẫu Hóa chất 0,5% MAH-g- HPDE 1% MAH- g-HPDE 2% MAH- g-HPDE
Thời điểm nhập liệu ( Phút thứ)
PP 90 90 90 0
AMH-graft-HDPE 10 10 10 7
EPDM 0,5 1 2 10
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Sau khi đo cơ tính, chúng em tiến hành xử lý số liệu, so sánh, nhận xét các tính chất của các mẫu từ đó rút ra được tỷ lệ PP/EPDM tối ưu và ảnh hưởng của hàm lượng chất tương hợp đối với tính chất của hỗn hợp PP/EPDM
4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PP/EPDM
Bảng 7.5 Kết quả đo cơ tính của hỗn hợp khi thay đổi tỷ lệ PP/EPDM:
Page 44
Hình 7.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ PP/EPDM đến Modune đàn hồi E (MPa)
Mẫu Modune đàn hồi E
(Mpa) Biến dạng đứt Eb (%) Ứng suất kháng đứt cực đại (Mpa) 100/0 662,25 9,11 37,67 90/10 578,62 73,28 28,04 70/30 396,86 56,27 16,16 50/50 254,91 74,40 9,98
Nhận xét:
Dựa vào giản đồ 7.3, ta thấy khi tăng hàm lượng EPDM thì % biến dạng đứt (hay độ giãn dài tại điểm đứt) tăng lên và tăng mạnh nhất khi tăng hàm lượng cao su tăng lên đến 10%, sau đó biến dạng lại giảm ở tỷ lệ 30% cao su và tăng lên nhẹ ở tỷ lệ 50% cao su. Đồng thời modune đàn hồi và ứng suất giảm kháng đứt cực đại đều giảm khi tăng hàm lượng cao su.
Dựa vào đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu này ở các tỷ lệ khác nhau ( hình7.4) và so sánh hình dạng của các đường này so với dạng đường cong ứng suất biến dạng chuẩn hoàn toàn của nhựa và cao su, ta thấy đường cong 90/10, 70/30 và 50/50 mang hình dạng trung gian giữa tính chất của nhựa và cao su. Đường cong 70/30 và 50/50 mang tính chất giống cao su nhiều hơn như độ dốc của đường cong thấp (modune thấp), độ giãn dài cao và ứng suất kháng đứt cực đại thấp (độ cao của đỉnh peak thấp) đặc biệt đường cong 90/10 lại kết hợp được cả 2 đặt điểm của nhựa và cao su như: độ dốc của đường cong cao (modune cao),ứng suất kháng đứt cực đại
Page 45
Hình 7.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ PP/EPDM đến biến dạng đứt Eb (%)
Hình 7.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ PP/EPDM đến Ứng suất kháng đứt cực đại Ts (MPa)
cao độ (đỉnh peak cao) và độ giãn dài rất tốt, hơn hẳn mẫu 70/30 ( mẫu có hàm lượng cao su lớn hơn).
Có thể giải thích mẫu 70/30 bị đứt sớm hơn ở ứng suất và biến dạng thấp hơn mẫu 90/10 là do, mẫu này có hàm lượng cao su nhiều hơn, sự phân tán cao su vào pha nhựa nền là rất khó khăn dẫn đến kích thích hạt cao su lớn (diện tích tích xúc pha nhỏ), do đó sự truyền dẫn ứng suất từ hạt cao su sang nền nhựa rất kém, khi biến dạng kéo xảy ra, tại những hạt cao su mẫu sẽ dễ dàng bị đứt. Còn đối với mẫu 50/50, hàm lượng cao su nhiều hơn, sự tiếp xúc của các hạt cao su với nhau cũng nhiều hơn nên biến dạng và độ giãn dài có phần cao hơn mẫu 90/10 một ít.
Modune đàn hồi và ứng suất kháng đứt cực đại giảm khi tăng hàm lượng cao su, đặt biệt các giá trị này có bước giảm đáng kể ở mẫu có hàm lượng 30% cao su, có thể giải thích là do khi tăng hàm lượng lượng cao su sẽ làm giảm độ cứng của hỗn hợp nên các giá trị này đều giảm, (khi hàm lượng cao su đạt từ 30 % trở lên thì độ cứng của hỗn hợp sẽ giảm mạnh, điều này phù hợp với kết luận ở nghiên cứu [11] ).
Mẫu 90/10 có biến dạng và độ giãn dài lớn là do hàm lượng cao su tương đối ít, phân tán hạt cao su vào nền cũng dễ hơn, kích thước hạt cao su nhỏ, diện tích tiếp xúc pha lớn do đó truyền lực và ứng suất giữa các pha cũng tốt hơn.
Kết quả đo va đập:
Bảng 7.6 Kết quả đo độ va đập
Mẫu Năng lượng va đập
(KJ/m2) Sai số 100/0 1,48 0.11 90/10 5,51 0,35 70/30 8,23 0,43 50/50 25,74 3,10 Page 46
0 5 10 15 20 25 30 100/0 90/10 70/30 50/50 Tỷ lệ mẫu thử (%) N ăn g l ư ợ n g v a đ ập ( K J/ m 2)
Hình 7.8 Đồ thị năng lượng va đập(KJ/m2) và khoảng sai số
Nhận xét:
Hình 7.6 cho ta thấy: năng lượng va đập càng tăng nhanh khi ta tăng dần hàm lượng cao su, đặc biệt ở mẫu 50/50 độ va đập đạt giá trị rất cao, tăng mạnh so với mẫu 90/10 và 70/30. Tuy nhiên khi hàm lượng cao su trong blend cao lớn hơn 30% như ở thì độ cứng của vật liệu sẽ giảm một cách đáng kể (theo kết luận ở trên). Do đó, về mặt tổng thể thì blend ở tỉ lệ 50% cao su khơng cải thiện được nhiều các tính chất cơ lý.
Sự chênh lệch độ va đập giữa mẫu 90/10 và mẫu 70/30 là không nhiều, tuy nhiên mẫu 90/10 lại có sai số (độ lệch chuẩn so với giá trung bình) thấp hơn cho thấy độ chênh lệch của các mẫu đo là ít, mẫu có độ đồng đều cao hơn.
Có thể giải thích sự gia tăng độ va đập theo sự gia tăng hàm lượng EPDM như sau: do EPDM có tính dẻo dai và chịu biến dạng tốt hơn nhựa, do đó chúng có khả năng chịu va đập tốt hơn (cần phải cung cấp một năng lượng lớn để PP nứt vỡ dẻo) vì thế tăng hàm lượng cao su sẽ
làm tăng tính va đập của blend. Ngồi ra, có thể có là do khi hàm lượng cao su trong blend cao sẽ làm giảm độ kết tinh (dạng kết tinh phổ biến – dạng α) của nhựa, đồng thời có thể làm tăng dạng kết tinh β hoặc tăng sự chuyển đổi giữa dạng kết tinh α sang β. Mà tinh thể dạng β (kiểu lục phương) có khả năng chịu va đập cao hơn dạng α (kiểu đơn tà).
Như vậy: so sánh các kết quả đo kéo và đo va đập thì mẫu blend ở tỉ lệ 90/10 cho kết quả