Ngoài ra, clay bi'n tính khá thân thi6n v:i môi tr Vng và giá rW h n nhiu so v:i các ph% gia nano khác... Các l:p clay b5 bóc tách trong nn PVC và các!. Josef Simonik – Alema Kalendova –
Trang 1T P CHÍ KHOA H C VÀ CÔNG NGH T p 44, s 2, 2006 Tr 18-23
KH� N�NG CH�Y NH�T, C�U TRÚC VÀ TÍNH CH�T CƠ LÍ C�A V�T LI�U COMPOZIT POLYVINYL CLORUA/NANOCLAY
THÁI HOÀNG, NGUY%N TH C KIM, '( QUANG TH*M, NGUY%N TI+N D-NG,
L/ ÁNH NG C, NGUY%N TH+ ANH
I M U
Polyvinyl clorua (PVC) là m t polyme th ng m i r t quan tr ng và ! "c #ng d%ng !& ch'
t o nhi(u lo i s*n ph+m khác nhau Tuy nhiên, nó có m t s3 nh "c !i&m nh ! 4n !5nh nhi6t
th p, d7 b5 oxy hóa nhi6t d :i tác ! ng c;a nhi6t ! cao và ánh sáng t< ngo i Do !ó, PVC và v>t li6u t4 h"p t? PVC b5 h n ch' #ng d%ng trong m t s3 l@nh vAc [1, 2] Vì v>y cFn ph*i phát tri&n các s*n ph+m m:i t? PVC khGc ph%c ! "c các nh "c !i&m trên nhHm mI r ng kh* nJng s< d%ng chúng GFn !ây, lai t o PVC (m t polyme hNu c ) v:i ph% gia vô c có kích th :c nano là
m t ph ng pháp có hi6u qu* và !Fy tri&n v ng !& ch' t o v>t li6u compozit PVC có tính nJng cao (high performance) Trong s3 các ph% gia có kích th :c nano, nano clay ! "c bi'n tính bIi các ion alkyl amoni ! "c chú ý nhi(u nh t vì các l:p silicat c;a clay có th& ! "c mI r ng, th>m chí b5 bóc tách bIi các phân t< hNu c trong nhNng !i(u ki6n thích h"p [3] Ngoài ra, clay bi'n tính khá thân thi6n v:i môi tr Vng và giá rW h n nhi(u so v:i các ph% gia nano khác Các công trình liên quan t:i v>t li6u compozit PVC/nano clay m:i chY ! "c công b3 trong 5 nJm gFn !ây [2 - 6] Các thông tin v( kh* nJng ch*y nh:t và tính ch t c lí c;a v>t li6u r t ít
Bài này trình bày k't qu* nghiên c#u kh* nJng ch*y nh:t, c u trúc và tính ch t c lí c;a v>t li6u compozit PVC/nano clay
II TH C NGHI M
1 Nguyên li u và hóa ch t
Polyvinyl clorua (PVC) mác TH – 1600 (Nh>t B*n s*n xu t), b t màu trGng, hHng s3
Ficken KF= 62 - 63 Ch t 4n !5nh Irgastab 17 M là tên th ng m i c;a m t h"p ch t thi'c hNu
c c;a hãng Ciba – Geigy (Th%y S@) Nó là m t ch t ling nh:t, không màu DFu !>u nành epoxy hóa c;a Malayxia, ch t ling màu vàng nh t, hàm l "ng nhóm epoxy 15,2% Ch t hóa dWo dioctyl phtalat (DOP), tY tr ng 0,986 g/cm3do Hàn Qu3c s*n xu t
Nanoclay I d ng b t, khoáng sét tA nhiên montmorilonit (Bình Thu>n, Vi6t Nam) ! "c bi'n tính bHng mu3i amoni c;a dihexadecyl amin
2 Ch" t#o v%t li u compozit PVC/clay
Hon h"p PVC gpm: PVC, 35% DOP, 3% dFu !>u nành epoxy hóa, 1% Irgastab 17M (c* 3
!(u so v:i PVC) ! "c tr n !(u và ; trong t; s y có không khí !3i l u I 80oC trong 3 giV !& DOP và các ph% gia khác th+m th u vào m ch PVC K't thúc quá trình ; thu ! "c hon h"p b t PVC khô và t i Ti'n hành tr n nóng ch*y hon h"p PVC v:i nanoclay bi'n tính (g i tGt là clay)
I các hàm l "ng khác nhau trong thi't b5 tr n n i HAAKE (t#c) trong 3 phút I 180oC, t3c !
Trang 250 vòng/phút Ti'p !ó, l y mvu ra khii bupng tr n và ép phwng trên máy ép thux lAc TOYOSEIKI I 200oC trong thVi gian 2 phút, sau !ó !& ngu i B*o qu*n mvu I !i(u ki6n chu+n
ít nh t 24 giV tr :c khi xác !5nh các tính ch t và c u trúc
3 Ph-.ng pháp nghiên c0u
- Kh* nJng ch*y nh:t c;a v>t li6u trong quá trình tr n nóng ch*y ! "c ph*n ánh trên gi*n
!p mômen xoGn - thVi gian ghi bIi phFn m(m Polylab 3.1 k't n3i v:i thi't b5 tr n n i Quá trình này ! "c ti'n hành t i Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam
- Xác !5nh các tính ch t c lí c;a v>t li6u theo tiêu chu+n ASTM D 638 trên thi't b5 c lí !a nJng Zwick (t#c) t i Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i
- Xác !5nh ph4 nhi7u x tia X c;a v>t li6u trên máy SIEMENS D5005 (t#c) t i Khoa V>t
lí, Tr Vng t i h c Khoa h c TA nhiên Tia X ! "c quét trên b( m•t mvu v:i t3c ! quét 0,5o/giây v:i góc nhi7u x (2 ) t? 0,6o!'n 40o
- €nh hi&n vi !i6n t< quét c;a v>t li6u ! "c ch%p trên máy JEOL 5300 c;a Nh>t B*n t i Vi6n K{ thu>t Nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam v:i ! phóng ! i 15000 lFn
III K2T QU4 VÀ TH4O LU8N
1 Kh9 n:ng ch9y nh;t c<a v%t li u compozit trong quá trình tr@n nóng ch9y
Kh* nJng ch*y nh:t c;a v>t li6u ! "c ph*n ánh bIi sA thay !4i mômen xoGn trong quá trình tr n h"p nóng ch*y hon h"p PVC và clay (hình 1) Sau khi n p hon h"p PVC và clay vào bupng tr n, mômen xoGn c;a v>t li6u gi*m theo thVi gian tr n do PVC b5 m(m và nóng ch*y Nhìn chung, mômen xoGn c;a v>t li6u compozit PVC/clay tJng theo hàm l "ng c;a clay Nói
m t cách khác, hon h"p PVC khó ch*y nh:t h n khi thêm clay vào Nguyên nhân c;a hi6n
t "ng này là do clay là m t ch t ! n vô c và I nhi6t ! nóng ch*y c;a PVC nó vvn còn I tr ng thái rGn nên làm tJng ma sát n i (hay ! nh:t) c;a v>t li6u PVC dvn !'n làm tJng mômen xoGn c;a h6 Ngoài ra, có th& có sA t ng tác giNa pha n(n PVC (là m t polyme phân cAc do các nguyên t< Cl có ! âm !i6n l:n) và clay (có các nhóm OH trên b( m•t) Do !ó, kh* nJng bám dính c;a PVC và clay tJng lên
Hình 1 Gi*n !p mômen xoGn c;a hon h"p PVC và compozit PVC/clay
0 5 10 15 20 25 30
Thêi gian trén (phót)
PVC/1% clay PVC
Trang 32 PhA nhiBu x# tia X c<a v%t li u compozit PVC/clay
Hình 2 Ph4 nhi7u x tia X c;a hon h"p PVC (1); compozit PVC/ 1% clay (2);
PVC/ 3% clay (3) và clay (4)
Hình 2 bi&u di7n các ph4 nhi7u x tia X c;a hon h"p PVC ban !Fu (! Vng 1), clay (! Vng 4) và compozit PVC/clay v:i hàm l "ng clay 1% (! Vng 2) và 3% (! Vng 3) Trên ph4 nhi7u x tia X c;a clay xu t hi6n pic #ng v:i kho*ng cách c b*n d = 42,1 Aohay 4,21nm I 2 = 2o Sau khi tr n hon h"p PVC v:i clay I tr ng thái nóng ch*y, pic #ng v:i d = 4,21 nm I 2 = 2okhông còn rõ nNa ti(u này cho th y c u trúc l:p c;a clay có th& b5 phá v… hay b5 bóc tách trong n(n PVC do các t ng tác c;a các nhóm OH c;a clay v:i các nguyên t< Cl trong ! i phân t< polyme c†ng nh do tác ! ng c h c trong quá trình tr n PVC và clay I nhi6t ! cao Các ! i phân t< PVC chèn vào giNa các l:p và làm m t c u trúc l:p c;a clay [3] SA phân tán c;a clay trong PVC cho th y tr n h"p clay và PVC I tr ng thái nóng ch*y là ph ng pháp có hi6u qu* !& ch'
t o v>t li6u compozit PVC/clay [2, 4, 5]
3 4nh hiEn vi Fi n tG quét c<a v%t li u compozit PVC/clay
(a) (b)
Hình 3 *nh hi&n vi !i6n t< quét c;a hon h"p PVC v:i 2 % clay (a) và 1% clay (b)
Trang 4Hỡnh 3 mụ t* c u trỳc hỡnh thỏi c;a v>t li6u compozit PVC/clay v:i hàm l "ng clay 2% và 1% ˆ hỡnh 3a, v:i hàm l "ng clay 2%, !a s3 cỏc h t clay (màu trGng) cú kớch th :c t? 300 nm
!'n 3àm Cũn I hỡnh 3b, v:i hàm l "ng clay 1%, cỏc h t clay phõn b3 v:i cú kớch th :c t? 100
nm !'n 2 àm Cỏc *nh trờn c†ng cho th y bờn c nh c u trỳc nano, trong v>t li6u compozit
PVC/clay vvn cũn tpn t i c u trỳc micro
K't qu* ch%p ph4 nhi7u x tia X và *nh hi&n vi !i6n t< quột cho phộp khwng !5nh v>t li6u compozit trờn c sI PVC và clay cú c u trỳc hon h"p, trong !ú cỏc l:p clay !ó b5 búc tỏch trong n(n PVC và cỏc ! i phõn t< PVC chốn vào cỏc l:p clay Ngoài ra, trong v>t li6u vvn tpn t i cỏc
c u trỳc micro compozit
4 Tớnh ch t c lớ c<a v%t li u compozit PVC/clay
SA ph% thu c tớnh ch t c lớ (mụ !un !àn hpi, ! b(n kộo !#t, ! gión dài khi !#t) c;a v>t li6u compozit vào hàm l "ng clay ! "c th& hi6n trờn hỡnh 4 Khi tJng hàm l "ng clay trong kho*ng t? 0 t:i 3%, mụ !un !àn hpi c;a v>t li6u compozit tJng dFn và ! t cAc ! i I hàm l "ng clay 1%, ti'p !ú mụ !un !àn hpi c;a v>t li6u gi*m !i, th>m chớ nhi h n so v:i mvu PVC (khụng
cú clay) n'u hàm l "ng clay ti'p t%c tJng quỏ 2% T ng tA, ! b(n kộo !#t c;a v>t li6u ! t giỏ tr5 l:n nh t I hàm l "ng clay 1% (! b(n kộo !#t ! t 27,95 MPa, tJng 20,3% so v:i hon h"p PVC ban !Fu), ti'p !ú khi hàm l "ng clay l:n h n 1%, ! b(n kộo !#t c;a v>t li6u compozit gi*m (so v:i giỏ tr5 cAc ! i) nh ng vvn l:n h n ! b(n kộo !#t c;a hon h"p PVC ban !Fu t gión dài khi !#t c;a v>t li6u tJng khi hàm l "ng clay tJng và ! t giỏ tr5 l:n nh t 339,8% I hàm
l "ng clay 1% (tJng 36% so v:i hon h"p PVC ban !Fu) Ti'p !ú ! gión dài khi !#t c;a v>t li6u
cú xu h :ng gi*m, th>m chớ nhi h n mvu PVC khi hàm l "ng clay l:n quỏ 1,5%
Hỡnh 4 SA ph% thu c tớnh ch t c lớ c;a v>t li6u compozit vào hàm l "ng clay
Mụ !un !àn hpi và ! b(n kộo !#t c;a v>t li6u tJng theo hàm l "ng clay t:i 1% là do cú sA
t ng tỏc t3t giNa clay hNu c và n(n PVC ti(u này cú th& gi*i thớch bIi sA t ng tỏc giNa cỏc nguyờn t< Cl c;a ! i phõn t< PVC v:i cỏc nguyờn t< H c;a nhúm OH trong clay hỡnh thành liờn k't hydro - Cl H – O- Ngoài ra, cú th& gi* thi't rHng cú ph*n #ng ng ng t% giNa cỏc nguyờn t< Cl kộm b(n (d7 ho t ! ng húa h c) c;a PVC và cỏc nguyờn t< H nhúm OH c;a clay !& t o thành cFu n3i C - O - clay giNa PVC và clay Khi hàm l "ng clay trong hon h"p PVC l:n h n
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
H(m l)ợng clay (%)
280 290 300 310 320 330 340 350
H(m l)ợng clay (%)
15 17 19 21 23 25 27 29
Độ d n d i khi đứt
Độ bền kéo đứt
Trang 51%, các h t clay có kích th :c l:n h n (do sA k't t% c;a các h t clay) làm gián !o n pha n(n PVC, do !ó làm gi*m mô !un !àn hpi và ! b(n kéo !#t c;a v>t li6u
SA tJng ! giãn dài khi !#t c;a v>t li6u khi hàm l "ng clay tJng t:i 1% là do sA phân b3
!png !(u và sA t ng tác t3t c;a clay v:i n(n PVC Ti'p !ó ! giãn dài khi !#t c;a v>t li6u gi*m
!i ti(u này có th& do các nguyên t< H I OH c;a các h t clay “d ” t ng tác v:i các nguyên t<
O nhóm C=O I DOP (t ng tác hydro) làm gi*m hi6u qu* hóa dWo c;a DOP, h n ch' kh* nJng
tr "t c;a các m ch PVC
IV K2T LU8N
- tã ch' t o ! "c v>t li6u nanocompozit trên c sI PVC/clay I tr ng thái nóng ch*y V>t li6u nanocompozit PVC/clay có c u trúc nano lvn c u trúc micro Các l:p clay b5 bóc tách trong n(n PVC và các ! i phân t< PVC chèn vào giNa các l:p clay
- Trong quá trình tr n nóng ch*y, mômen xoGn c;a v>t li6u nanocompozit PVC/clay tJng theo hàm l "ng clay
- V>t li6u nanocompozit PVC/clay có mô !un !àn hpi, ! b(n kéo !#t và ! giãn dài khi
!#t l:n nh t I hàm l "ng clay 1%
L�i c�m ơn Công trình 678c hoàn thành v=i s? h@ tr8 kinh phí cCa HEi 6Fng Khoa hGc t? nhiên
giai 6oIn 2004 – 2005 va Hoi dong Nganh Khoa hoc Vat lieu, Vien Khoa hoc va Cong nghe Viet Nam giai doan 2006-2007
TÀI LI U THAM KH4O
1 Kiyoshi Endo - Synthesis and Structure of Poly(vinyl chloride), Prog Polym Sci 27 (2002)
2021-2050
2 Josef Simonik – Alema Kalendova – Lucie – Kovanova, Polymer/clay Nanocomposites Modified in Poly(vinyl chloride) (PVC) Matrix, 109-111, Brno (2002)
3 Clay-based nanocomposites, http://www.azom.com/detail.asp
4 W Xu, M Ge and W.-P Pan - Glass Poly(vinyl chloride)/momtmorillonite nanocomposites Transition Temperature and Mechanical Properties, Journal of Themal Analysis and
Calorimetry 78 (2004) 2-9
5 J Trillica, A Kalendova, Z Malac, J Simonik, L Posposil - PVC/Clay Nanocomposites, ANTEC, 2001, 2162-2165
6 Josef Simonik - Polymer/Clay Nanocomposites, Nano ’02, Brno 2002
SUMMARY
RELATIVE MELT VISCOSITY, STRUCTURE AND PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF POLY(VINYL CHLORIDE)/NANOCLAY COMPOSITES
Trang 6Poly(vinyl chloride)/organo-nanoclay (PVC/clay) composites were prepared from mixing PVC and clay in the intermixer Haake The relative melt viscosity of composites PVC/clay was evaluated according to changing of torque of the materials during melt mixing process Their structures and physico-mechanical properties were investigated with X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and stress-strain testing The results show that the torques
of PVC/clay composites increase with rising clay content The XRD diagrams indicate that PVC chains could be intercalated into the layers of organically modified clay to form exfoliated PVC/clay nanocomposites The SEM photographs prove the existence of nano-structure and micro-structure in the PVC/clay composites The Young modulus, tensile strength and elongation at break of the composites are maximum with the clay content of 1 %wt The good interaction of OH groups in the face of clay and active Cl atoms in PVC chains plays an important role for improvement of clay particle dispersion in PVC matrix and increase of physico-mechanical properties of the composites
Thái Hoàng, Nguy7n Th c Kim, to Quang Th+m,
Vi6n K{ thu>t nhi6t !:i, Vi6n Khoa h c và Công ngh6 Vi6t Nam
Nguy7n Ti'n D†ng, LN Ánh Ng c, Nguy7n Th' Anh,
Khoa Hóa h c, Tr Vng t i h c S ph m Hà N i
