Tính chất và cấu trúc của vật liệu compozit HDPE-Khoáng sét nano chế tạo bằng phương pháp trộn chảy

219 Tạp chí Hóa học, T. 43 (2), Tr. 219 - 222, 2005 tính chất và cấu trúc của vật liệu compozit HDPE-khoáng sét nano chế tạo bằng ph%ơng pháp trộn chảy Đến Tòa soạn 17-9-2004 Trần Thị Thanh Vân Phòng Vi phân tích, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học v/ Công nghệ Việt Nam Summary HPDE-clay composites materials prepared by melting compounding have discrete change in mechanical physical properties in comparison to the initial HPDE even when a small amount of clays is introduced. It is presented the results of the studying of the structure, the properties and morphology of HPDE- clay composites. The E modulus is increased from 702 MPa in the initial to 993.34 MPa, the tensile strength is raised from 12.37 to 35.33 MPa (most 3 times) and solvent permeability is decreased with 1% clay. A rise in the nanoscale clay leads to reduction in the properties of the HPDE-clay composites. By X-ray diffraction, composites with 1% clay have a rise of cell constant from 41.65 to 33.80 nm. However, composites have more clay content cell indexes decrease dowto 39.35 nm of 5% clay. I - Mở đầu Nanocompozit l vật liệu lai ghép tạo bởi chất nền polyme hữu cơ v chất phân tán l các hạt vô cơ có kích th'ớc nano [1, 2]. Chất phụ gia ở kích th'ớc ny đ0 cải thiện đáng kể tính chất vật lí v tính chất cơ học vĩ mô của polyme mặc dù hm l'ợng đ'a vo rất nhỏ. Sự thay đổi nhảy vọt về tính chất cơ lí ny đ'ợc giả thiết l do sự cộng h'ởng (phụ trội) của cấu trúc nano v t'ơng tác của chất độn với polyme. Do vật liệu polyme-khoáng sét naonocompozit có 'u thế hơn các loại nanocompozit khác [3, 6] nên đ0 đ'ợc nhiều nh nghiên cứu trong n'ớc v quốc tế quan tâm nghiên cứu. PE l một trong những polyolefin đ'ợc sử dụng rộng r0i nhất trong thực tiễn. Trong khung phân tử của PE không có các nhóm phân cực nên khó quan sát đ'ợc sự phân tán đồng thể của khoáng sét [4]. Polyme nanocompozit chế tạo bằng ph'ơng pháp trộn chảy chỉ từ HDPE mới đạt đ'ợc giá trị E-modun v độ bền kéo đứt cao m không lm gẫy mạch chính [6]. Khoáng sét đ'ợc biến tính bằng alkylamoni lm cho bề mặt của khoáng sét vốn 'a n'ớc trở thnh 'a hữu cơ. Tuy nhiên khoáng sét đ0 hữu cơ hóa không thể phân tán tốt trong PP hay PE vì các polyme ny không phân cực v kị n'ớc [4, 5]. Để khoáng sét phân tán tốt th'ờng ng'òi ta chế tạo vật liệu nanocompozit bằng ph'ơng pháp sol-gel, in-situ hoặc maleic hóa polyme nền. Trong khuôn khổ bi báo ny chúng tôi trình by sự thay đổi tính chất cơ lí v cấu trúc của vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit đ'ợc chế tạo bằng ph'ơng pháp trộn chảy thông th'òng v đơn giản, nh'ng thời gian trộn kéo di tới 20 phút để tạo đ'ợc sự phân tán đồng đều của khoáng sét trong chất nền HDPE. II - Phơng pháp nghiên cứu 1. Hóa chất - HDPE Thái Lan. 220 - Khoáng sét đ0 hữu cơ hóa bằng 2-etyl hexyl trimetyl amin của Hn Quốc. - Xylen, toluen v axeton loại PA của Trung Quốc. - Cồn tuyệt đối loại PA của Thái Lan. 2. Thiết bị - Thiết bị trộn kín Haake-Đức, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới. - Phổ nhiễu xạ tia X loại Bruker D5005-Đức, Bộ môn Vật lí chất rắn, Tr'ờng Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG H Nội. - Thiết bị đa năng Zwich-Đức, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới. III - Kết quả v$ thảo luận 1. Chế tạo vật liệu PE-khoáng sét nano- compozit Đ'a nguyên liệu vo khoang trộn của thiết bị trộn kín Haake ở 170oC, tốc độ quay của trục trộn l 70 vòng/phút. Duy trì khối phản ứng ở điều kiện ny trong thời gian 20 phút để khoáng sét phân tán đều vo pha HDPE liên tục. Kết thúc quá trình ny sản phẩm đ'ợc ép tấm trên máy ép thủy lực của Nhật v tạo mẫu đo cơ lí. 2. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X Mức độ tróc lớp của khoáng sét trong HDPE- khoáng sét nanocopozit đ'ợc xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD), sử dụng máy Bruker D5005 do h0ng Siemen-Đức sản xuất. Anot Cu K
có  = 1,56056 Å. Các mẫu đ'ợc ép thnh mng dy cỡ 500 àm v đ'ợc quét với góc 2 từ 1o đến 70o với tốc độ quét 2o/phút; tốc độ ghi mẫu 0,3o/lần. Kết quả đ'ợc trình by trên hình 1. Hình1: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của (a) khoáng sét nano; (b) HDPE chứa 1% khoáng sét; (c) HDPE chứa 3% khoáng sét; (d) HDPE chứa 5% khoáng sét (c) (b)(a) (d) 221 0 10 20 30 40 50 60 V% 0 1 2 3 4 5 6 7 HDPE HDPE-1% HDPE-3% HDPE-5% 0 10 20 30 40 50 60 V% 0 2 4 6 8 HDPE HDPE-1% HDPE-3% HDPE-5% Kết quả phổ XRD cho thấy trong vật liệu HDPE-Khoáng sét nanocompozit có sự thay đổi khoảng không gian giữa các lớp khoáng sét so với ban đầu l 41,65 nm (ứng với pic có c'ờng độ lớn nhất), mẫu chứa 1% khoáng sét khoảng cách ny tăng lên 43,80 nm, mẫu chứa 3% khoáng sét khoảng cách ny giảm còn 40,25 nm v mẫu chứa 5% khoáng sét l 39,35 nm. Kết quả ny đ0 chứng minh đ'ợc sự tróc lớp của khoáng sét trong vật liệu. 3. Kết quả khảo sát độ bền cơ lí Các mẫu đ'ợc đo theo tiêu chuẩn DIN 53505 với lực kẹp mẫu bằng 1 kN v tốc độ kéo mẫu 100mm/phút. Kết quả đ'ợc ghi trong bảng 1. Khi có mặt khoáng sét kích th'ớc nano thì độ bền cơ học của vật liệu tăng đáng kể. Giá trị E-modun tăng từ 702 MPa ban đầu lên 993,4 MPa v độ bền kéo đứt từ 12,37 MPa lên 35,33 MPa khi hm l'ợng khoáng sét đ'a vo l 1% v l giá trị cực đại, kết quả ny cũng phù hợp với kết quả khảo sát bằng XRD l khoảng không gian giữa các lớp tăng lên. Khi hm l'ợng khoáng sét nano tăng thì E-modun v độ bền kéo đứt giảm đi so với mẫu chỉ có 1% khoáng sét do khoảng không gian giữa các lớp giảm đi. Vật liệu HDPE-khoáng sét nanocomposit chế tạo bằng ph'ơng pháp trộn chảy đơn giản hm l'ợng khoáng sét bằng 1% tính chất cơ lí cao nhất. Bảng 1: Độ bền cơ lí của vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit E-modun, MPa , MPa HDPE 701,9 12,37 HDPE-1% khoáng sét 993,4 35,33 HDPE-2% khoáng sét 897,4 32,76 HDPE-3% khoáng sét 866,7 30,34 HDPE-4% khoáng sét 799,32 29,38 HDPE-5% khoáng sét 749,68 28,37 HDPE-6% khoáng sét 684,80 28,30 4. Kết quả khảo sát độ bền dung môi a) Độ thấm toluen Trên hình 1 biểu thị sự so sánh độ thấm toluen của HDPE ban đầu v HDPE có hm l'ợng khoáng sét nano khác nhau. Khi có khoáng sét hữu cơ độ thấm v độ tr'ơng b0o ho đều giảm. Vật liệu HDPE chứa 1% khoáng sét nano có độ thấm chậm nhất. Ngy Hình 1: So sánh độ thấm toluen của HDPE v HDPE-Khoáng sét nanocompozit b) Độ thấm hỗn hợp dung môi xylen/axeton với tỷ lệ 6/4 Hình 2 biểu thị sự so sánh độ thấm hỗn hợp dung môi xylen/axeton với tỷ lệ 6/4 của vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit với độ thấm của HDPE ban đầu. Khi có mặt khoáng sét kích th'ớc nano độ bền dung môi của HDPE tăng lên. Độ thấm hỗn hợp dung môi xylen/axeton = 6/4 của vật liệu HDPE chứa 1% khoáng sét nano l chậm nhất. Độ tr'ơng b0o hòa cũng giảm. Ngy Hình 2: So sánh độ thấm hỗn hợp dung môi xylen/axeton = 6/4 của HDPE v HDPE- Khoáng sét nanocompozit 222 Nhờ sự đan xen đều đặn v sắp xếp đặc khít giữa các lớp khoáng sét v HDPE đ0 tạo ra đ'ợc vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit có độ bền dung môi cao hơn so với HDPE ban đầu. IV - Kết luận Từ các kết quả thực nghiệm thu đ'ợc chúng tôi có những nhận xét sau: 1. Đ0 chế tạo đ'ợc vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit bằng ph'ơng pháp trộn chảy đơn giản. 2. Bằng ph'ơng pháp phổ XRD đ0 khảo sát đ'ợc sự tróc lớp của khoáng sét nano trong chất nền HDPE. Hm l'ợng khoáng sét bằng 1% có sự gi0n cách d, hm l'ợng khoáng sét 3% v 5% có sự thu hẹp d. 3. Độ bền cơ học của HDPE tăng đáng kể khi có khoáng sét nano trong thnh phần. Hm l'ợng khoáng sét bằng 1% độ bền cơ học của vật liệu đạt cực đại. 4. Độ bền dung môi của vật liệu HDPE- khoáng sét nanocompozit tăng so với HDPE ban đầu thể hiện ở độ tr'ơng b0o hòa giảm v độ thấm dung môi chậm. Với vật liệu 1% khoáng sét nano thì độ thấm dung môi chậm nhất. 5. Kết quả nghiên cứu đ0 chứng minh đ'ợc vật liệu HDPE-khoáng sét nanocompozit có hằng số mạng d tăng thì tính chất cơ lý v độ bền dung môi cao hơn so với khi hằng số mạng d giảm. T$i liệu tham khảo 1. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh. Công nghệ nano, Nxb. Khoa học v Kỹ thuật (2004). 2. D. Tomova, S. Reinemann. Vortrag, Tech- nome (2003). 3. T. G. Gopakumar, J. A. Lee, M. Kontopoulo, J. S. Parent. Polymer, 43, P. 5483 - 5491 (2002). 4. K. H. Wang, M. H. Choi, C. M. Koo, Y. S. Choi, I. J. Chung. Polymer, 42, P. 9819 - 9826 ( 2001). 5. Y. H. Jin, H. J. Park, S. S. Im, S. Y. Kwak, S. Kwak. Macromol. Rapid. Commun., P. 135 - 140 (2002). 6. J. Heinemann, P. Reichert, R. Thomann, R. Muelhaupt. Macromol. Rapid. Commun., 20, P. 423 - 430 (1999). 223 5. Khảo sát cấu trúc hình thái học Mẫu đ'ợc cắt lát mỏng trên máy cắt mocrotom có độ dy vi àm, ngâm trong cồn 30 ngy cho bong những tiểu phân khoáng sét không tham gia t'ơng tác sau đó phủ bạc bằng ph'ơng pháp bốc bay chân không v đ'a vo khoang chụp của kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 10 ngn lần. Trên hình 4 cho phép quan sát trực tiếp sự phân lớp của khoáng sét nano trong chất nền HDPE với độ phân giải 1àm. Hình 4: Bề mặt cắt HDPE- Khoáng sét