compozit PP/OG
3.2.1. Các tính chất của gypsum biến tính SDS theo 2 bƣớc (DG-2B) 3.2.1.1. Phổ FT-IR [28]
Phổ FT-IR của các mẫu OG, DG-2B và CaSO4.BT được trình bày trên hình 3.2. Từ phổ IR của OG có thể thấy số sóng 1133 - 1157 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị (dao động trong mặt phẳng) của nhóm SO42-. Dao động tại số sóng 600 và 675 cm-1 tương ứng dao động biến dạng (dao động ngoài mặt phẳng) của nhóm SO42-. Vùng pic rộng có số sóng từ 3300 cm-1 -3500 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị nhóm -OH của nước ẩm trên bề mặt gypsum [42].
Ngoài ra, các pic tìm thấy ở 3486 và 3529 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị nhóm -OH trong nước liên kết với gypsum. So sánh với phổ IR của OG, ngoài các pic đặc trưng của nhóm SO42- trong gypsum, trên phổ FT-IR của DG-2B xuất hiện một số pic mới như pic đặc trưng cho dao động hoá trị đối xứng và bất đối xứng của nhóm -CH2- ở 2929 cm-1, 2931 cm-1, 2854 cm-1 và 2862 cm-1, pic ở 1371 cm-1 đặc trưng cho dao động scissoring của nhóm -CH2- hoặc dao động biến dạng của nhóm CH3-. Sự xuất hiện của các pic mới đặc trưng cho nhóm hidrocacbon trong mạch đại phân tử của SDS chứng tỏ SDS đã được gắn lên bề mặt gypsum sau quá trình biến tính.
1000 2000 3000 4000 0 10 20 30 40 OG CaSO4.BT DG-2B
Hình 3.2. Phổ FT-IR của các mẫu OG, DG-2B và CaSO4.BT
3.2.1.2. Tích chất nhiệt (TGA)
Giản đồ TGA của các mẫu OG biến tính 4% SDS (DG-2B) và mẫu gypsum chưa biến tính (OG) được ghi từ nhiệt độ phòng đến 800oC trong môi trường argon được trình bày trên hình 3.3.
Từ hình 3.3 có thể thấy, sự giảm khối lượng mạnh của các mẫu xảy ra chủ yếu trong khoảng nhiệt độ 60-150oC. Ban đầu, sự mất khối lượng của mẫu xảy ra do sự bay hơi của nước tự do có trong mẫu, quá trình này diễn ra trong khoảng 60 đến 100oC. Trong khoảng từ 100oC đến khoảng 150oC, quá trình mất khối lượng do sự tách nước trong tinh thể xảy ra theo quá trình sau [21, 22]:
CaSO4.2H2O → CaSO4.1/2H2O → CaSO4
Sự chênh lệch mất khối lượng của các mẫu OG và DG trong giai đoạn này là do quá trình biến tính trong khoảng nhiệt độ 205oC của mẫu DG [35] (nhiệt độ nóng chảy của SDS) đã làm mất nước tinh thể trong mẫu. Tuy nhiên sau biến tính, quá
trình tái hút ẩm của mẫu đã xảy ra, điều này giải thích sự mất khối lượng của mẫu DG-2B nhỏ hơn và xảy ra sớm hơn so với mẫu OG.
0 200 400 600 800 86 88 90 92 94 96 98 100 -2,475% -10,150% -3,902% -3,153% SDS OG DG-2B
Hình 3.3. TGA của các mẫu OG và DG-2B
Sau quá trình tách nước, mất khối lượng tiếp tục xảy ra do phân hủy chậm của thành phần khác trong gypsum. Trong khoảng nhiệt độ 150 đến 800oC, mất khối lượng của các mẫu DG-2B và OG lần lượt là 3,90% và 3,15%. Chênh lệch này do sự đóng góp của SDS có trong mẫu DG-2B. Quá trình phân hủy của SDS được quan sát xảy ra trong khoảng từ 580 đến 660 oC [32], khối lượng mất của mẫu được tính toán trong khoảng nhiệt độ này là 0,73%.
3.2.2. Khảo sát tính chất lƣu biến ở trạng thái nóng chảy
Giản đồ mô men xoắn của vật liệu compozit PP/GS được trình bày trên hình 3.4. Khi sử dụng SG và DG mô men xoắn cân bằng của vật liệu giảm so với vật liệu compozit PP/OG. Điều này, chứng tỏ axit stearic và SDS trong GS có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình gia công vật liệu compozit.
0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 PP/OG PP/SG-1B PP/SG-2B (a) 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 PP/OG PP/DG-1B PP/DG-2B (b)
Hình 3.4. Giản đồ mô men xoắn của vật liệu compozit tại hàm lượng 20%kl gypsum: a) PP/OG và PP/SG; b) PP/OG và PP/DG
Hình 3.4(a) là mô men xoắn của vật liệu compozit PP/OG và PP/SG ở hàm lượng 20% gypsum. Có thể thấy các mẫu compozit PP/SG có mô men xoắn cân bằng thấp hơn so với mẫu PP/OG. Mô men xoắn giảm là do axit stearic gắn trên bề mặt hạt gypsum đã trộn lẫn với nền PP, do đó, hạt SG phân tán tốt hơn trong nền PP, đồng thời các tác nhân biến tính cũng đóng vai trò như các chất bôi trơn, do vậy làm giảm ma sát nội trong quá trình trộn nóng chảy nên mô men xoắn cân bằng giảm. Mặt khác, từ bảng 3.3 mô men xoắn cân bằng của vật liệu PP/SG-1B tại 2 hàm lượng 10% và 20% gypsum đều có giá trị nhỏ hơn so với vật liệu không biến tính và mẫu biến tính axit stearic 2 bước.
Tương tự hình 3.4(b) và bảng 3.3 cho thấy với hạt gypsum biến tính SDS cũng hạn chế sự tăng của mô men xoắn. Vật liệu compozit PP/DG-2B cho độ nhớt thấp hơn so với PP/OG và PP/DG-1B. Rõ ràng là các mẫu compozit sử dụng SG-1B và DG-2B có mô men xoắn cân bằng thấp hơn so với các mẫu còn lại, chứng tỏ vật liệu compozit sử dụng SG-1B và DG-2B dễ gia công hơn.
Bảng 3.3. Mô men xoắn cân bằng của vật liệu compozit Hàm lƣợng GS, %kl PP/OG, Nm PP/SG-1B, Nm PP/SG-2B, Nm PP/DG-1B, Nm PP/DG- 2B, Nm 10 4,18 4,07 4,12 4,13 4,07 20 4,3 3,83 4,14 4,16 4,00 3.2.3. Khảo sát độ bền kéo đứt
Bảng 3.4 trình bày kết quả xác định độ bền kéo đứt của các mẫu compozit ở các hàm lượng gypsum khác nhau.
Bảng 3.4. Độ bền kéo đứt của vật liệu PP/GS (đơn vị MPa)
Hàm lƣợng
GS (%kl) PP/OG PP/SG-1B PP/SG-2B PP/DG-1B PP/DG-2B
0 31,65 31,65 31,65 31,65 31,65
10 30,25 30,06 29,30 30,32 33,78
20 27,92 27,03 26,83 27,51 28,03
Độ bền kéo đứt của mẫu PP ban đầu là 31,65 MPa. Có thể thấy độ bền kéo đứt của các mẫu compozit giảm khi tăng hàm lượng gypsum có và không biến tính. Các mẫu sử dụng OG và SG-1B, SG-2B, DG-1B có độ bền kéo đứt thấp hơn so với mẫu PP ban đầu ở tất cả các hàm lượng. Tuy nhiên có một điều thú vị là mẫu compozit sử dụng 10% DG-2B có giá trị độ bền kéo đứt lớn hơn so với mẫu PP ban đầu. Khi tiếp tục tăng hàm lượng DG-2B, giá trị độ bền kéo đứt của mẫu compozit giảm dần. Như vậy, ở hàm lượng chất độn thấp, SDS phát huy tốt vai trò của chất biến tính hơn so với axit stearic nhờ khả năng khuếch tán bởi gốc hidrocacbon mạch dài của phân tử SDS bám trên hạt gypsum tương tác với nền PP tốt hơn. Nhờ đó đã cải thiện được tính chất cơ lý so với nhựa nền ban đầu và vật liệu sử dụng OG, SG.
3.2.4. Khảo sát mô đun đàn hồi
Bảng 3.5 và hình 3.5 trình bày kết quả xác định mô đun đàn hồi của các mẫu compozit PP/GS.
0 5 10 15 20 25 700 800 900 1000 1100 1200 PP/OG PP/SG-1B PP/SG-2B PP/DG-1B PP/DG-2B
Hình 3.5. Mô đun đàn hồi của PP/OG, PP/SG-1B, PP/SG-2B, PP/DG-1B, PP/DG-2B
Bảng 3.5 và hình 3.5 cho thấy GS đã làm tăng mô đun đàn hồi của vật liệu. Vật liệu có mô đun đàn hồi càng cao thì độ cứng càng lớn. Mẫu PP ban đầu có mô đun đàn hồi là 756,24 MPa. Khi phối trộn PP với hạt gypsum và gypsum biến tính, giá trị mô đun đàn hồi của các mẫu compozit tăng dần và lớn hơn so với mẫu PP ban đầu. Với các mẫu sử dụng gypsum biến tính cho thấy mô đun đàn hồi tăng hơn nhiều so với các mẫu sử dụng gypsum không biến tính. Điều này đã cho thấy axit stearic và SDS đã giúp hạt gypsum tương tác và phân tán tốt trong nhựa nền PP. Trong đó, các mẫu sử dụng DG-2B có giá trị mô đun đàn hồi lớn hơn so với các mẫu sử dụng SG và OG cho thấy sự hiệu quả của phương pháp biến tính 2 bước bởi SDS. Kết quả này phù hợp với kết quả xác định độ bền kéo đứt ở phía trên. Ở hàm lượng 20% chất độn, giá trị mô đun đàn hồi của các mẫu PP/OG, PP/SG-1B, PP/SG-2B, PP/DG-1B và PP/DG-2B lần lượt đạt giá trị là 970,95; 1040,66; 1037,35; 1021,59 MPa và 1118,11 MPa, các giá trị này tăng từ 1,3 – 1,5 lần so với mẫu PP ban đầu. Kết quả này cho thấy, gypsum có và không biến tính đóng vai trò làm tăng độ cứng của nền PP ban đầu.
Bảng 3.5. Mô đun đàn hồi của các mẫu PP/GS (đơn vị MPa)
Gypsum, % PP/OG PP/SG-1B PP/SG-2B PP/DG-1B PP/DG-2B
0 756,24 756,24 756,24 756,24 756,24
10 878,59 908,77 971,72 920,26 1035,46
20 970,95 1040,66 1037,35 1021,59 1118,11
Từ các kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy việc sử dụng axit stearic và SDS biến tính hạt OG đã cải thiện đáng kể các tính chất của vật liệu PP/OG: giảm mô men xoắn cân bằng, tăng độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt và mô đun đàn hồi của vật liệu. Kết quả khảo sát cho thấy với DG-2B có độ bền cơ học tốt hơn các mẫu còn lại. Vì vậy DG-2B sẽ được sử dụng để chế tạo vật liệu cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.3. Tính chất và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit PP/GS3.3.1. Tính chất cơ lý của vật liệu compozit 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