------ CAO THỊ TRANG TÍNH CHẤT CƠ CỦA VẬT LIỆU POLYPROPYLEN ĐỘN HẠT THỦY TINH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi Trường... Lý do chọn đề tài Trong lĩnh
Trang 1- -
CAO THỊ TRANG
TÍNH CHẤT CƠ CỦA VẬT LIỆU
POLYPROPYLEN ĐỘN HẠT THỦY TINH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi Trường
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được hoàn thành tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme
& Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Việt
Dũng và PGS.TS Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này
Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên không tránh khỏi một số sai sót Vì vậy em rất mong được nhận sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm
Em xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, tháng 5 năm 2016
Sinh viên
Cao Thị Trang
Trang 3DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1 Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Thành phần các mẫu vật liệu polypropylen chứa các
Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
Hình 3.4 Mô đun đàn hồi của vật liệu PP độn hạt thủy tinh 24 Hình 3.5 Độ bền kéo đứt của vật liệu PP độn hạt thủy tinh 25
Trang 4Hình 3.6 Độ giãn dài khi đứt của vật liệu PP độn hạt thủy tinh 26 Hình 3.7 Tính chất cơ phá hủy của vật liệu PP độn hạt thủy tinh 27
Trang 6MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 2
3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2
Chương 1: TỔNG QUAN 3
1.1 Vật liệu polyme compozit (PC) 3
1.1.1 Khái niệm vật liệu polyme compozit 3
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 3
1.1.3 Phân loại vật liệu polyme compozit 4
1.1.4 Thành phần chính của vật liệu polyme compozit 5
1.1.5 Ứng dụng của vật liệu PC 6
1.2 Nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP) 7
1.2.1 Cấu trúc phân tử 8
1.2.2 Tính chất của polypropylen 10
1.2.3 Ứng dụng 11
1.3 Chất độn trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit 13
Chương 2: THỰC NGHIỆM 15
2.1 Nguyên vật liệu 15
2.2 Phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu 15
2.3 Phương pháp xác định các tính chất của vật liệu 17
2.3.1 Ảnh kính hiển vi điện tử quét 17
2.3.2 Xác định tính chất cơ giãn dài 19
2.3.3 Xác định độ bền va đập 19
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21
3.1 Tương tác pha giữa chất độn hạt thủy tinh và chất nền polypropylen 21
Trang 73.2 Tính chất cơ giãn dài 23
3.2.1 Mô đun đàn hồi 23
3.2.2 Độ bền kéo đứt 24
3.2.3 Độ giãn dài khi đứt 25
3.3 Tính chất cơ phá hủy 26
KẾT LUẬN 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO 29
Trang 8MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit, nhựa nhiệt dẻo polypropylen
là một trong những loại vật liệu được ứng dụng nhiều nhất do khả năng biến đổi tính chất trong một khoảng rộng cũng như như tỷ lệ khả năng/giá thành hấp dẫn Polypropylen cũng là đối tượng trong rất nhiều các nghiên cứu khác nhau
Chất độn hạt thủy tinh có dạng hình cầu đặc trưng Không giống như những chất độn dạng hạt khác như bột khoáng talc (chất độn 2D), sợi thủy tinh (1D),… hạt thủy tinh là chất độn đẳng hướng Ảnh hưởng của bề mặt chất độn hay khả năng tương tác pha của nó đến tính chất của vật liệu compozit không ảnh hưởng bởi hình dạng hay quá trình gia công Do đó, lựa chọn chất độn hạt thủy tinh để nghiên cứu ảnh hưởng của khả năng tương tác pha tới tính chất của vật liệu nhằm loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng do đặc điểm hình học
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu cơ bản trên thế giới đều tập trung nghiên cứu độ bền va đập của hệ polypropylen/talc hay polypropylen/CaCO3 Cũng đã có một số nghiên cứu về tính chất cơ của vật liệu polypropylen có chứa chất độn hạt thủy tinh Tuy nhiên, việc đánh giá ảnh hưởng chất độn hạt thủy tinh đến tính chất cơ bao gồm cơ giãn dài và độ bền va đập trong mối liên quan đến tính chất bề mặt của chất độn vẫn còn chưa được rõ ràng Ở Việt Nam, các nghiên cứu cơ bản về tính chất cơ của các loại vật liệu polyme compozit có chứa chất độn như bột khoáng talc, CaCO3 hay hạt thủy tinh mới chỉ thấy được bắt đầu ở phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu
Với cách tiếp cận trên, đề tài “Tính chất cơ của vật liệu Polypropylen
độn hạt thủy tinh’’ sẽ góp phần làm rõ ảnh hưởng của bề mặt chất độn đến
tính chất cơ của vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen
Trang 92 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt chất độn hay khả năng tương tác pha khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu polypropylen
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
Chế tạo vật liệu compozit polypropylen/hạt thủy tinh với hàm lượng và những khả năng tương tác pha khác nhau
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến tính chất cơ của vật liệu compozit polypropylen/hạt thủy tinh
Nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt hạt thủy tinh với những khả năng tương tác pha khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu được gia cường
Trang 10CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Vật liệu polyme compozit (PC)
1.1.1 Khái niệm vật liệu polyme compozit
Vật liệu Polyme Compozit (Polymer Composite Material viết tắt là PC)
là một loại hợp chất bao gồm 2 hay nhiều pha, trong đó có một pha liên tục là polyme nền (matrix) phụ thuộc vào hình dạng và bản chất của chất Pha còn lại (chất độn) PC có thể chia thành các nhóm sau:
Trang 11nung đồ gốm) Khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu PC với sản phẩm điển hình là vỏ thuyền bằng lau, sậy đan tẩm bitum Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho ebonit Năm 1920, Bakeland đã dùng bột nhựa độn vào nhựa bakelit và Jonh
đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa ure [10]
Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng việc chế tạo vật liệu PC mới thực sự được chú ý khoảng 60 năm trở lại đây Sự phát triển của vật liệu PC
đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh và được Ellis và Goster dùng gia cường cho Polyeste không no Polyeste gia cường bằng sợi thủy tinh được sử dụng trong ngành hàng không năm 1938
Năm 1950, chất lượng của vật liệu PC được nâng lên rất nhiều nhờ sự
ra đời của nhựa Epoxy và hàng loạt các sợi gia cường như sợi cacbon, polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ vật liệu compozit nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, dân dụng, y tế, thể thao, quân sự v.v [6]
1.1.3 Phân loại vật liệu polyme compozit
Vật liệu PC được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần [2, 5]
a) Phân loại theo hình dạng của vật liệu cốt
Vật liệu PC cốt sợi là vật liệu compozit được gia cường bởi sợi có độ bền riêng và modun đàn hồi cao như compozit sợi thủy tinh, cacbon, xenlulozo,…Vật liệu compozit cốt sợi thường có hai loại là sợi liên
tục và sợi gián đoạn
Vật liệu PC cốt hạt là vật liệu compozit được gia cường bởi các hạt với các dạng và kích thước khác nhau như bê tông, gỗ ép,…Cốt hạt khác cốt sợi ở chỗ không có kích thước ưu tiên
Trang 12b) Phân loại theo bản chất của vật liệu thành phần
Compozit nền hữu cơ: Có thể chịu được nhiệt độ dưới 300o
Nhựa nhiệt dẻo: là loại polyme có khả năng chảy mềm khi tăng nhiệt
độ lên và đóng rắn khi làm nguội Nhựa nhiêt dẻo có khả năng tái sinh nhiều lần Một số nhựa nhiệt dẻo: polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyvinyl clorua (PVC), polystylen (PS),…
Nhựa nhiệt rắn: là loại polyme khi chịu tác động của nhiệt hoặc các phương pháp xử lý hóa học sẽ trở nên đóng rắn Nhựa nhiệt rắn sau khi đóng rắn không còn khả năng chuyển sang trạng thái chảy mềm dưới tác dụng của nhiệt do nó không có khả năng tái sinh Một số nhựa nhiệt rắn: nhựa phenolic, nhựa epoxy, nhựa ure,…
Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo
b Chất độn (cốt)
Chất độn( cốt) đóng vai trò làm tăng độ cứng, độ bền, khả năng chịu va đập; cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt, khả năng chống mài mòn, khả năng dẫn nhiệt của polyme nền Một vai trò khá quan trọng của cốt đó là giảm giá thành sản phẩm Vật liệu cốt có thể là hạt, bột hoặc sợi (ngắn hoặc dài), thủy tinh, gốm, kim loại và đặc biệt là có thể sử dụng sợi tự nhiên Tùy thuộc vào yêu cầu của từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu cốt cho thích hợp
Trang 13Có hai dạng cốt:
Cốt dạng sợi: có tính chất cơ lý hóa cao hơn cốt dạng hạt, thường dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide
Cốt dạng hạt: thường sử dụng là silica, CaCO3 , vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphit,…được dùng
để cải thiện một số tính chất cơ lý của vật liệu PC như: tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn,…
ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác Trong ngành công nghiệp điện tử, PC được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện PC còn được sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…), ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc tế dân sinh khác
Trang 14b) Việt Nam
Vật liệu PC được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Nhựa dùng để sản xuất vật liệu PC được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về PC cấp thành phố được tuyển trọn Theo đó, vật liệu PC được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội: các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu,… Tại khoa răng- hàm- mặt của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu PC vào trong việc ghép răng thưa
Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu PC vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện
1.2 Nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP)
Từ rất xa xưa, con người đã sử dụng vật liệu polyme có nguồn gốc từ thiên nhiên trong đời sống hằng ngày Chẳng hạn như thuyền được quét Bitum tăng khả năng chống thấm nước hay như những thổ dân ở Nam Mỹ vào đầu thế kỷ 16 đã biết trích cây lấy nhựa để tẩm vào vải sợi để làm giầy dép đi rừng [9] Tuy nhiên những ứng dụng đó mới chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ và được phát hiện một cách ngẫu nhiên Chỉ đến đầu thế kỷ 19 thì ngành công nghiệp polyme mới được phát triển và có qui mô, mở đầu là phát hiện dùng lưu huỳnh lưu hóa cao su của Goodyear vào năm 1839 Tiếp đến vào năm 1859 việc tinh chế được xenlulo axetat, xenlulo nitrat… Đến năm 1909, Bakenland
đã ngiên cứu tổng hợp được nhựa phenol fomandehit Tuy vậy chỉ đến những thập niên 30 của thế kỷ 20 cùng với sự phát triển của các loại xúc tác như Ziegler Natta, xúc tác philips và các nghiên cứu hóa lý và hóa học polyme thì các loại nhựa mới liên tiếp được tổng hợp và sản xuất ở qui mô công nghiệp
Cụ thể như năm 1920 polystyrol được đưa ra thị trường, polyvinylclorua vào
Trang 15năm 1927, polyetylen tỉ trọng thấp (LDPE) vào năm 1933 Cho đến giữa những năm 1950 (thế kỷ 20) thì các polyolefin có giá trị thương mại quan trọng là polyetylen, polyizobutylen và đồng trùng hợp izobutylen-izopren Người ta đã chế tạo các polyme từ những olefin khác nhưng không nhận được sản phẩm có giá trị thương mại
Năm 1954, G.Natta (Ý) và K.Ziegler (Đức) đã tìm ra xúc tác “Ziegler”
có khả năng sản xuất các polyme có khối lượng phân tử cao từ propylen và nhiều olefin khác Bằng cách thay đổi công thức xúc tác, Natta có khả năng sản xuất ra polypropylen có khối lượng phân tử cao với nhiều tính chất khác nhau [9] Natta sử dụng các chất xúc tác phát triển cho ngành công nghiệp polyetylen và áp dụng công nghệ khí propylen Sản xuất thương mại bắt đầu vào năm 1957 và polypropylen sử dụng đã hiển thị tăng trưởng mạnh mẽ kể từ ngày này Sự linh hoạt của các polyme( khả năng thích ứng với một loạt các phương pháp chế tạo và ứng dụng) đã duy trì tốc độ tăng trưởng cho phép PP thách thức thị phần của một loạt các vật liệu thay thế trong rất nhiều ứng dụng
PP là một lọai nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trùng hợp các monome propylen Các monome có thể kết hợp với nhau theo nhiều cách tạo nên các đoạn mạch polyme có hình thái cấu tạo khác nhau ảnh hưởng đến khả năng kết tinh của polyme [8]
Trang 16Khi xem xét công thức hóa học của PP nhận thấy, do có nhóm -CH3 nên cho phép tạo thành 3 loại đồng phân lập thể:
H
CH3C
n
Hình 1.4: Atactic Polypropylen
Ở hình thái cấu trúc isotactic, các nhóm –CH3 đều sắp xếp cùng một phía Ở syndiotactic các nhóm -CH3 sắp xếp cách đều trên - dưới Còn ở dạng atactic nhóm –CH3 sắp xếp không theo một quy luật nào Các hình thái cấu trúc này có hàm lượng khác nhau: phần lớn là isotactic, một phần nhỏ là syndiotactic và atactic Sự khác nhau về cách sắp xếp này dẫn đến sự khác nhau về tính chất giữa PP isotactic, syndiotactic và atactic Chỉ có sự sắp xếp isotactic cho phép các phân tử bó kết chặt chẽ trong cấu trúc tinh thể Trong
sự sắp xếp syndiotactic và atactic, nhóm metyl bên cạnh là khá lớn nên không cho phép phân tử bó kết chặt chẽ trong vùng tinh thể Do vậy PP izotactic cứng và chắc hơn PP syndiotactic và PP atactic có bản chất tựa cao su
Công thức của PP có nguyên tử H ở cacbon bậc ba linh động do đó PP
dễ bị oxi hóa, lão hóa Sự có mặt nhóm metyl luân phiên ở cacbon mạch chính của PP làm thay đổi một số tính chất của polyme Ví dụ, nhóm metyl
Trang 17tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng chảy Trong trường hợp của PP izotactic có cấu trúc điều hòa nhiệt độ nóng chảy cao hơn
PE 50ºC Nhóm metyl bên cạnh ảnh hưởng đến bản chất hóa học của PP Cacbon bậc ba là vị trí dễ bị oxi hóa nên PP ít bền oxi hóa so với PE
Khi không có lực tác dụng, PP bắt đầu biến dạng ở 150ºC Ở nhiệt độ dưới 140ºC có tải trọng, PP chịu được 80 ngày mà không bị phá huỷ Các tính chất nhiệt của PP bị ảnh hưởng lớn bởi các tạp chất kim loại như Mn, Cu…
Khi có mặt chất ổn nhiệt, PP vẫn chưa bị oxy hoá ở 300ºC và bị phân huỷ sau khi đun nóng trong vài giờ Một trrong những nhược điểm của PP là nếu như không có chất ổn định (ví dụ: than đen) thì PP bị giòn sau vài tháng dưới tác dụng của ánh sáng, ngoài ra PP cũng chịu được nhiệt độ thấp
Do có nguyên tử H ở cacbon bậc ba nên dễ bị oxi hóa và lão hóa:
PP không có chất ổn định: dưới ánh sáng khuyếch tán vẫn ổn định tính chất trong 2 năm Khi có ánh sáng trực tiếp thì chỉ sau vài tháng
sẽ bị giòn và phá hủy ngay
Trang 18 PP có chất ổn định (hoặc dùng muội than 2%) dưới ánh sáng trực tiếp (tia cực tím) thì sau 2 năm tính chất không thay đổi và bền trong
Ngoài ra PP còn chịu H2SO4 20 % ở 20ºC trong vòng 30 ngày, với HNO3 50% thì chỉ chịu được ở nhiệt độ thường và bị phá huỷ khi nồng độ HNO3 đạt 94% Với NaOH thì PP có thể chịu được nhiệt độ nhỏ hơn 110ºC