3.3.1. Tính chất cơ lý của vật liệu compozit
3.3.1.1. Độ bền kéo đứt
Hình 3.6 trình bày mối tương quan giữa độ bền kéo đứt của vật liệu compozit theo hàm lượng chất phân tán. Để nghiên cứu hiệu quả của gypsum biến tính tới tính chất của nền PP, CaSO4.BT được lựa chọn khảo sát để so sánh với gypsum biến tính.
Độ bền kéo đứt của mẫu PP ban đầu là 31,65 MPa. Khi sử dụng OG, giá trị độ bền kéo đứt của các mẫu compozit giảm dần khi tăng hàm lượng OG. Các mẫu sử dụng DG-2B và CaSO4.BT có độ bền kéo đứt lớn hơn so với OG, các mẫu sử dụng CaSO4.BT cho độ bền kéo đứt lớn hơn cả. Các mẫu sử dụng DG-2B và CaSO4.BT nhìn chung cho thấy độ bền kéo đứt không có sự khác biệt lớn. Đặc biệt tại hàm lượng 5% DG-2B, độ bền kéo đứt của mẫu compozit đạt giá trị 34,18 MPa, tăng 8% so với mẫu PP ban đầu lớn và gần với độ bền kéo đứt CaSO4.BT 35 MPa . Khi tiếp tục tăng hàm lượng DG-2B, độ bền kéo đứt của vật liệu giảm dần. Tuy nhiên sự suy giảm này chậm hơn đáng kể so với mẫu compozit sử dụng OG. Với mẫu sử dụng 25% chất phân tán, độ bền kéo đứt đạt giá trị lần lượt là 27,14; 27,64 và 27,8 MPa
tương ứng các mẫu sử dụng OG; DG-2B và CaSO4.BT. Như vậy, ở hàm lượng chất độn thấp, SDS thể hiện rõ vai trò của chất biến tính nhờ khả năng khuếch tán bởi gốc hidrocacbon mạch dài của phân tử SDS bám trên hạt gypsum tương tác với nền PP. Do đó, độ bền kéo đứt của vật liệu PP/DG-2B được cải thiện so với nhựa nền PP ban đầu và vật liệu PP/ OG. Nhưng khi tiếp tục tăng lượng DG vượt quá 15%, sự phân tán trở lên khó khăn hơn, các hạt DG và CaSO4.BT dễ co cụm và hình thành các khuyết tật trong cấu trúc, do đó làm suy giảm mạnh độ bền kéo đứt của vật liệu compozit. 0 5 10 15 20 25 30 26 28 30 32 34 36 PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT
Hình 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng chất phân tán tới độ bền kéo đứt của các mẫu compozit
3.3.1.2. Độ giãn dài khi đứt
Bảng 3.6 mô tả ảnh hưởng của hàm lượng chất phân tán tới độ giãn dài khi đứt của các mẫu compozit.
Kết quả ở bảng 3.6 cho thấy khi có mặt chất phân tán, độ giãn dài khi đứt của vật liệu compozit có xu hướng giảm, mức độ giảm phụ thuộc hàm lượng hạt gypsum trong nền polyme.
Bảng 3.6.Kết quả độ giãn dài khi đứt của vật liệu PP/GS
Gypsum, %kl
Độ giãn dài khi đứt, %
PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT 0 618 618 618 5 38 40,6 60,5 10 27,3 30,1 45,5 15 19,78 26,5 36,7 20 17,99 21,9 27,4 25 15,34 17,9 22
Các mẫu compozit sử dụng OG có tốc độ giảm độ giãn dài khi đứt nhanh hơn so với mẫu sử dụng DG-2B và CaSO4.BT. Mẫu PP ban đầu có độ giãn dài khi đứt là 618%. Khi hàm lượng chất phân tán nhỏ, độ giãn dài khi đứt của vật liệu compozit giảm chậm so với mẫu PP ban đầu. Cụ thể là, ở hàm lượng 5% gypsum, độ giãn dài của mẫu PP/OG đạt giá trị là 38%, mẫu sử dụng DG-2B là 40,6%, trong khi đó mẫu sử dụng CaSO4.BT là 60,5%. Khi tăng hàm lượng gypsum lên từ 15-25% độ giãn dài khi đứt của các mẫu compozit giảm mạnh hơn. Tại hàm lượng 25% gypsum, độ giãn dài của mẫu sử dụng OG chỉ còn 15,34%, trong khi đó mẫu sử dụng DG-2B giảm nhanh hơn còn 17,9%, mẫu sử dụng CaSO4.BT còn 22% lớn hơn so với OG và DG- 2B. Kết quả này phù hợp với kết quả độ bền kéo đứt của vật liệu compozit, tức là sự tỉ lệ nghịch giữa độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt. Các hạt DG-2B cải thiện độ bền kéo đứt của PP, do vậy không cải thiện được độ dãn dài khi đứt của PP.
3.3.1.3. Mô đun đàn hồi
Mô đun đàn hồi là đại lượng đặc trưng cho độ cứng của vật liệu (thông số quan trọng đối với các sản phẩm kết cấu), được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất kéo chia cho biến dạng kéo.
Hình 3.7 phản ánh sự phụ thuộc mô đun đàn hồi vào hàm lượng gypsum. Mẫu PP ban đầu có mô đun đàn hồi là 756,24 MPa. Khi phối trộn PP với hạt gypsum, giá trị mô đun đàn hồi của các mẫu compozit tăng dần và lớn hơn so với mẫu PP ban
đầu. Trong đó, các mẫu sử dụng CaSO4.BT, DG-2B có giá trị mô đun đàn hồi lớn hơn so với mẫu sử dụng OG.
-5 0 5 10 15 20 25 30 0 200 400 600 800 1000 1200 PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT
Hình 3.7. Mô đun đàn hồi PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT
Ở hàm lượng khảo sát lớn nhất 25% gypsum, giá trị mô đun đàn hồi của các mẫu PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT đạt giá trị lần lượt là 1021, 1129,44 MPa và 1149,5 MPa, các giá trị này tăng gần 1,49 lần so với mẫu PP ban đầu. Kết quả này cho thấy, chất phân tán đóng vai trò làm tăng độ cứng đối với nền PP ban đầu. Đồng thời, sử dụng gypsum phế thải biến tính với SDS cho kết quả mô đun đàn hồi tương tự như sử dụng CaSO4 tổng hợp.
3.3.1.4. Độ mài mòn
Bảng 3.7 trình bày kết quả xác định độ mài mòn của mẫu PP và các mẫu compozit PP/GS. R.Elansezhian và cộng sự [33] đã chỉ ra rằng thể tích mài mòn là một hàm của thiết diện mài mòn ở tải trọng 1000g, các số liệu đo độ mài mòn ở 1000 vòng đã chứng minh rằng thể tích mài mòn có xu hướng tăng tuyến tính với việc tăng thiết diện mài mòn và phụ thuộc đáng kể vào thành phần của vật liệu compozit hay nói cách khác là phụ thuộc bản chất của chất độn.
Bảng 3.7. Kết quả độ mài mòn của các mẫu compozit PP/DG-2B Hàm lƣợng DG-2B (%kl) Tổn hao khối lƣợng (mg/1000 vòng) Độ mài mòn (mg/cm2) 0 0,6 4,208 5 0,62 4,348 10 0,66 4,628 15 0,9 6,311 20 1,4 9,818 25 2,9 20,337
Kết quả ở bảng 3.7 cho thấy, độ mài mòn của của vật liệu compozit PP/DG-2B phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của gypsum. Như vậy, vật liệu có độ cứng càng lớn thì độ mài mòn càng mạnh hơn. Điều này có thể thấy rõ, với mẫu PP ban đầu, độ mài mòn của vật liệu đạt giá trị ban đầu 0,004208 (g/cm2), khi có mặt DG giá trị này có xu hướng tăng tuyến tính theo hàm lượng chất độn.
Bảng 3.8 đưa ra kết quả độ độ mài mòn của các mẫu compozit PP/DG-2B ở các hàm lượng DG-2B khác nhau. Có thể thấy khi tăng hàm lượng DG-2B, độ mài mòn của vật liệu tăng lên do các hạt DG-2B phân bố trên bề mặt nhựa làm cho vật liệu dễ bị mài mòn. Khi hàm lượng DG-2B càng lớn, các hạt DG-2B dễ dàng kết tụ lại với nhau hình thành các khuyết tật bên trong và trên bề mặt mẫu, làm cho mẫu càng dễ bị mài mòn.
Bảng 3.8. Kết quả độ bền mài mòn của các mẫu compozit với 10% chất độn
Vật liệu Tổn hao khối lƣợng (mg/1000 vòng) Độ mài mòn (mg/cm2) PP 0,6 4,208 PP/ OG 0,7 4,909 PP/ DG-2B 0,66 4,628
3.3.2. Phổ FT-IR và hình thái cấu trúc của vật liệu PP/GS
3.3.2.1. Phổ hồng ngoại (FT-IR) [28]
Hình 3.8 trình bày phổ FT-IR của các mẫu vật liệu compozit PP, PP/OG, PP/CaSO4.BT và PP/DG-2B. Phổ FT-IR của mẫu PP/OG cho thấy các pic đặc trưng của nền PP. Pic ở số sóng 2913 cm-1 và 2860 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm -CH2, pic có số sóng 1458 cm-1 và 721 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng và dao động ngoài mặt phẳng của nhóm -CH. Trên phổ hồng ngoại của các mẫu compozit, ngoài dao động dặc trưng của PP, còn thấy các dao động của CaSO4
và nước kết tinh. Píc có số sóng 3400-3600 cm-1 và 1621 cm-1 đặc trưng cho các dao động của nước có trong CaSO4. Các dao động tại 1155 cm-1 là dao động của nhóm SO42-, số sóng 674 và 597 cm-1 đặc trưng cho dao động ngoài mặt phẳng của SO42-. Đây là các dao động đặc trưng của CaSO4 có trong gypsum và trong CaSO4.BT. 1000 2000 3000 4000 PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT
Hình 3.8. Phổ FT-IR của vật liệu compozit PP, PP/OG, PP/DG-2B và
PP/CaSO4.BT
Bảng 3.9 trình bày số sóng đặc trưng của một số nhóm nguyên tử trong vật liệu compozit.
Bảng 3.9. Số sóng của một số nhóm nguyên tử đặc trưng trong vật liệu compozit PP/GS Mẫu Số sóng (cm -1 ) OH -CH OH CH2 CH3 SO4 SO4 PP - 2839 2952 - 1458 1376 - - PP/OG 3400- 3600 2839 2919 1621 1457 1376 1155 674 597 PP/DG-2B 3400- 3600 2839 2919 1621 1458 1376 1157 674 595 PP/CaSO4.BT 3548- 3607 2841 2919 1622 1457 1374 1155 659 602
3.3.2.2. Hình thái cấu trúc của vật liệu
Hình 3.9 là các ảnh FESEM chụp bề mặt kéo đứt của các mẫu PP/OG và PP/ DG-2B tại hàm lượng 5% gypsum.
Hình 3.9.Ảnh FE-SEM của (a) PP/OG (95/5) và (b) PP/DG (95/5)
Quan sát trên hình 3.9(a) cho thấy, hạt OG phân tán trong nền PP không đồng đều, kích thước từ 0,5-2 µm. Các hạt OG kết tụ lại với nhau trong nền PP tạo thành các cụm kết tụ với kích thước lên tới 4-5µm. Sự liên kết kém giữa nhựa nền và OG
là khá rõ, phản ánh khả năng kết dính và tương hợp thấp giữa PP và OG, gây ra các khuyết tật cho vật liệu compozit PP/OG. Hình 3.9(b) cho thấy các hạt DG-2B phân tán đồng đều trong nền nhựa PP, kích thước hạt từ 0,2-0,5 µm, nhỏ hơn 4 lần so với các hạt OG. Sự phân tán đồng đều thể hiện sự kết dính chặt chẽ giữa pha phân tán và nhựa nền. Kết quả này cho thấy khả năng tương hợp giữa pha nhựa nền và pha phân tán đã được cải thiện đáng kể nhờ vai trò của SDS. Điều này đã giải thích sự gia tăng giá trị độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi của các mẫu PP/DG-2B so với mẫu compozit PP/OG.
3.3.2.3. Phân tích nhiệt TGA của mẫu PP ban đầu và các mẫu compozit
Hình 3.10 mô tả quá trình phân huỷ bởi nhiệt của PP, PP/OG và PP/DB-2B và PP/CaSO4.BT. Khi tăng nhiệt độ với tốc độ 10o/phút, quá trình phân huỷ nhiệt của các mẫu bắt đầu trong khoảng nhiệt độ 220-400 oC. Quan sát trên hình cho thấy, quá trình mất khối lượng của mẫu PP xảy ra sớm hơn so với các mẫu compozit. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy của mẫu PP là 269oC và quá trình phân hủy hoàn toàn PP kết thúc tại nhiệt độ 465oC. 0 200 400 600 800 0 20 40 60 80 100 PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT
Đối với các mẫu compozit sử dụng gypsum và CaSO4.BT, quá trình phân hủy nhiệt của mẫu xảy ra chậm hơn so với mẫu PP. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy bởi nhiệt của mẫu PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT lần lượt là 375oC, 402oC và 412oC. Như vậy sự có mặt của gypsum và CaSO4.BT đã cải thiện rõ rệt độ bền nhiệt của mẫu. Ở nhiệt độ 465 oC, khối lượng còn lại là 9,4%; 16,7% và 16,9% tương ứng với các mẫu PP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT.
Bảng 3.10 phản ánh các đặc trưng nhiệt của mẫu PP và các mẫu compozit. Nhìn chung, sự có mặt của chất độn không ảnh hưởng rõ rệt tới nhiệt độ nóng chảy của nhựa PP trong khoảng 161oC, tuy nhiên nhiệt độ phân hủy của PP đã thay đổi rõ nét từ 355oC lên đến 450oC. Điều này tương ứng với tốc độ phân hủy cực đại của các mẫu compozit cũng tăng mạnh so với mẫu PP. Như vậy, OG, DG và CaSO4 đã góp phần nâng cao độ bền nhiệt của vật liệu compozit so với nhựa nền PP ban đầu.
Bảng 3.10. Đặc trưng phân hủy nhiệt của các mẫu PP, PP/OG, PP/DG-2B và
PP/CaSO4.BT tại hàm lượng 10% chất độn
Mẫu Tphân hủy
(oC) Tmax (oC) Tnóng chảy (oC) mcòn lại (%kl) 465oC Tm1(oC) Tm2(oC) PP 269 333 161 355 0 PP/OG 375 428 160 421 9,4 PP/DG-2B 402 448 162 445 16,7 PP/CaSO4.BT 411 452 162 447 16,9
3.3.3. Tính chất điện của vật liệu compozit PP/GS [18]
3.3.3.1. Hằng số điện môi và tang góc tổn hao điện môi
Bảng 3.11 trình bày hằng số điện môi (ε)và tang góc tổn hao điện môi (tgδ) của vật liệu tổ hợpPP/OG, PP/DG-2B và PP/CaSO4.BT ở các hàm lượng khác nhau.
Bảng 3.11. Hằng số điện môi (ε) và tg góc tổn hao điện môi (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 không theo quy luật. Đặc biệt là mẫu PP/DG-2B có hằng số điện môi 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 không 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 SDSđều 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 không còn 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