Nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến đổi bề mặt một số khoáng chất đến tương tác pha và tính chất cơ lý của vật liệu tổ hợp trên cơ sở nhựa nền polypropylen tt

Tuy nhiên, việc xác định rõ vai trò, ảnh hưởng cũng như thiết lập một mối liên hệ giữa các tham số cấu trúc của lớp tương tác pha giữa các hạt chất độn và chất nền polyme này đến tính ch

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của luận án

Quá trình gia cường polyme nhiệt dẻo bằng các chất độn dạng hạt đã có một lịch sử lâu dài

và nó vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng cho đến tận ngày nay [1] Khả năng biến đổi tính chất linh hoạt của các vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo đã gia tăng khả năng ứng dụng trong thực tế cũng như trong lĩnh vực nghiên cứu của các loại vật liệu này

Khi các chất độn được gia cường cho vật liệu polyme, nhiều đặc trưng của vật liệu nền thay đổi Thông thường, chất độn ảnh hưởng đến độ cứng, khả năng truyền nhiệt và giãn nở nhiệt Phụ thuộc vào tính chất của các hạt chất độn và sự thay đổi hình thái đại phân tử của chất nền, chất độn cũng có thể cải thiện độ bền và độ dai của vật liệu Các chất độn vô cơ thường được bắt gặp nhiều

nhất trong lĩnh vực nhựa nhiệt dẻo như là CaCO3, SiO2, talc, mica và Mg(OH)2

Các nghiên cứu đã thực hiện ở cả trong nước và trên thế giới hầu hết tập trung vào ảnh hưởng của các yếu tố như: (i) thành phần; (ii) hình dạng và kích thước hạt, (iii) nồng độ và (iv) độ kết dính giữa chất độn và chất nền đến tính chất cơ của vật liệu Nhiều nghiên cứu đã cho biết sự tồn tại của một lớp polyme có tính chất khác biệt, đặc biệt là tính linh động của các phân tử, ở vùng chuyển pha giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme Tuy nhiên, việc xác định rõ vai trò, ảnh hưởng cũng như thiết lập một mối liên hệ giữa các tham số cấu trúc của lớp tương tác pha giữa các

hạt chất độn và chất nền polyme này đến tính chất cơ của vật liệu compozit bao gồm độ bền kéo đứt và độ bền va đập vẫn còn chưa được rõ ràng

Trên cơ sở đó, thầy giáo hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực hiện luận án

“Nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến đổi bề mặt một số khoáng chất đến tương tác pha và tính chất

cơ lý của vật liệu tổ hợp trên cơ sở nhựa nền polypropylen ”

2 M ục tiêu của luận án

Ứng dụng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (ss-NMR) trên các hệ vật liệu microcompozit của polypropylen và chất độn dạng hạt với các tương tác pha khác nhau, tìm hiểu mối liên hệ giữa sự thay đổi cấu trúc phân tử, trong đó nhấn mạnh đến tính linh động phân tử, đến sự thay đổi tính chất cơ của vật liệu

3 Các n ội dung nghiên cứu chính của luận án

1 Chế tạo các vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen và các chất độn có và không có

xử lý bề mặt với các hàm lượng chất độn khác nhau

2 Nghiên cứu và khảo sát hình thái tương tác pha, xác định các tính chất cơ của vật liệu bao gồm độ bền kéo đứt và độ bền va đập (tích phân J)

3 Ứng dụng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (ss-NMR) xác định tính linh động phân tử trong vật liệu polyme compozit, tìm hiểu mối liên hệ với tính chất cơ của vật liệu

B ố cục của tóm tắt luận án: tóm tắt luận án có 24 trang bao gồm phần mở đầu, 4 chương

nội dung, những đóng góp mời và danh mục công trình công bố

Các k ết quả chính của luận án được công bố trong:

- 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI (IF = 3.7)

- 04 bài báo đăng trên tạp chí quốc gia

- 05 báo cáo tham dự hội nghị Khoa học quốc tế (1 hội nghị quốc tế xuất bản ISBN)

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Nh ựa nhiệt dẻo polypropylen

Polypropylen (PP) được các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ và Châu Âu phát minh vào đầu những năm 1950 Quá trình sản xuất PP thương mại bắt đầu vào năm 1957 ở Mỹ và năm

1958 ở Châu Âu Mặt khác, PP đứng đầu trong nhóm các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo được sử dụng

với khối lượng lớn nhất như: polyetylen (PE), polyvinylclorua (PVC) và polystyren (PS) Mức tiêu thụ trung bình của PP tăng khoảng 10% mỗi năm và dự báo về xu hướng sử dụng PP trong tương lai vẫn còn khá lạc quan

Tính linh hoạt của PP là yếu tố chính đem đến thành công cho loại vật liệu này Cấu trúc và đặc tính (bao gồm cả khả năng gia công) của PP có thể được điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng PP

có nhiều tính chất được xem là lợi thế như tỷ trọng thấp, chịu hóa chất, quá trình gia công dễ dàng

và có khả năng tái chế Ngoài ra, tính chất cơ của nó rất phù hợp với các chất dẻo kỹ thuật Bên cạnh đó, PP cũng có một số nhược điểm như suy giảm tính chất ở nhiệt độ thấp và độ bền va đập kém Đây là động lực của nhiều nghiên cứu để phát triển thương mại hoá các copolyme PP khác nhau cũng như các blend của chúng

1.2 V ật liệu polyme compozit trên cơ sở PP gia cường các chất độn dạng hạt

Vật liệu compozit của PP với các chất độn gia cường dạng hạt đã được sử dụng với một khối lượng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: linh kiện ô tô, đồ nội thất, thiết bị điện, … Không những được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng mà tốc độ tăng trưởng của vật liệu loại này cũng rất cao Sự thành công của vật liệu PP gia cường các chất độn dạng hạt được cho là nằm ở lợi thế rất lớn của mối quan hệ giữa giá thành và tính chất đạt được, compozit PP đã thâm nhập thành công vào các lĩnh vực truyền thống của các vật liệu khác như ABS Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để mở rộng phạm vi ứng dụng của nó trong các lĩnh vực nơi mà các vật liệu nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật đã và đang được ứng dụng

Có nhiều loại chất độn hay chất gia cường được đưa vào trong PP, trong đó có 3 loại chất độn có vai trò quan trọng nhất và chúng vẫn còn tiếp tục duy trì vị trí của mình trong thời gian tới bao gồm: CaCO3, talc và sợi thủy tinh Trong khi CaCO3 chiếm một tỷ trọng áp đảo trong thị trường chất độn cho nhựa nhiệt dẻo, thì trong lĩnh vực PP nó chỉ đứng ở vị trí thứ 2 sau chất độn khoáng talc Loại chất độn hay chất gia cường thứ 3 là sợi thủy tinh được sử dụng với khối lượng nhỏ hơn Các nghiên cứu chuyên sâu và phát triển được dành riêng cho PP gia cường sợi thủy tinh

để cải thiện khả năng và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó Mặc dù đã có nhiều nỗ lực song điều này vẫn chỉ ở dạng tiềm năng cũng như kỳ vọng Khối lượng ứng dụng sợi thủy tinh trong thực tế cho PP cũng như tốc độ tăng trưởng đều thấp hơn so với các chất độn dạng hạt

Ngày nay, các yêu cầu về mặt kỹ thuật và thẩm mỹ ngày càng tăng lên, cũng như chi phí gia công và nguyên vật liệu tăng Đáp ứng cho những yêu cầu này, việc sử dụng tất cả các ưu điểm của chất độn hay chỉ sử dụng chúng như chất pha loãng để giảm giá thành đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải hiểu được các đặc tính liên quan của các chất độn cũng như ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu compozit

1.3 P hương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn và ứng dụng của nó để xác định tính linh động phân tử trong vật liệu compozit polypropylen

Ngày nay, phổ 13C NMR phân giải cao là một dụng cụ thông dụng để nghiên cứu cấu trúc của polyme Tuy vậy, quá trình phân tích với 1H NMR, loại phổ được coi là một tiêu chuẩn trong phân tích cấu trúc của các chất trạng thái lỏng, không phải là dễ dàng trong các chất ở trạng thái rắn Khi áp dụng kỹ thuật phổ ss-NMR cho polypropylen, nó đã thể hiện là một hệ thống hết sức phức tạp Isotactic polypropylen được biết đến là một vật liệu đa hình được cho là do sự biến đổi cách sắp xếp các chuỗi polyme Việc phân tích đặc biệt khó khăn hơn nữa nếu hàm lượng các thành phần đóng vai trò quyết định thay đổi tính chất polyme thấp hơn đáng kể so với chất nền chưa được biến đổi do sự chênh lệch hàm lượng này ngăn cản việc sử dụng phân tích dạng đường chuẩn Do

đó, các quy trình đặc biệt phải được sử dụng để mô tả sự khác biệt tinh vi giữa các phần vô định hình và phần tinh thể bị rối loạn ở vùng tương tác pha giữa chất độn – chất nền

Việc sử dụng phân tích đa biến cho thấy tiềm năng lớn như một công cụ có thể thực hiện các phân tích dữ liệu thực nghiệm Tuy nhiên, có ít sự quan tâm dành cho việc phân tích đa phân tử của phổ ss-NMR của các chất rắn vô định hình hoặc bị rối loạn, có thể coi là một giới hạn cực đoan

do khoảng tần số là quá nhiều với các tín hiệu mà chỉ có một tín hiệu bao phủ được xác định Do

đó, một trong những mục tiêu của luận án là chứng minh rằng phân tích nhân tố phổ 13C MAS NMR là một công cụ nhanh, đáng tin cậy để mô tả các dạng tinh thể hết sức phức tạp trong hệ vật liệu PP để làm rõ mối liên quan giữa các dữ liệu phổ ở cấp độ phân tử và các tính chất vĩ mô của vật liệu như các tính chất cơ lý

ss-1.4 Nh ững nghiên cứu ở trong nước

Các nghiên cứu cơ bản ở trong nước về vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo nói chung và polypropylen nói riêng nổi bật là các nghiên cứu của nhóm GS Thái Hoàng ở Viện kĩ thuật nhiệt đới và nhóm nghiên cứu của GS Trần Vĩnh Diệu ở ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trong nghiên cứu tính chất cơ và cấu trúc hình thái của vật liệu compozit của Polypropylen

và các hạt nano titandioxit hay nano BaSO4, nhóm nghiên cứu của GS Thái Hoàng, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã sử dụng hợp chất silan để xử lý bề mặt của các hạt nano Quá trình biến đổi bề mặt này đã làm cho tính chất cơ của vật liệu compozit được cải thiện đáng kể so với trường hợp các hạt nano không được xử lý bề mặt Độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi của vật liệu compozit của PP và các hạt nano tiandioxit biến đổi bề mặt lần lượt là 42 Mpa và

979 Mpa ở 2% nồng độ các hạt nano tương ứng Xác định mô đun tích lũy (G’) cũng như khả năng tương tác pha của vật liệu qua phân tích nhiễu xạ tia X và FE-SEM cho biết vật liệu chứa các hạt nano tiandioxit được biến đổi có tính chất cao hơn và khả năng tương tác pha tốt hơn so với trường hợp các hạt nano không được biến đổi

Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu của GS Thái Hoàng đã trộn hợp ở trạng thái nóng chảy polypropylen với các hạt tro bay được xử lý bề mặt bằng hợp chất Vinyl silan Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến các đặc trưng về độ nhớt, tính chất cơ và hình thái vật liệu đã được xác định Các kết quả có được cho biết rằng độ nhớt của hỗn hợp giảm xuống khi tăng hàm lượng tro bay Độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt của vật liệu với các hàm lượng tro bay chưa được xử lý bề mặt khác nhau là thấp hơn so với PP ban đầu Sau khi biến đổi bề mặt tro bay với hợp chất vinyl silan, vật liệu compozit PP/tro bay thể hiện độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt cao hơn trong khi độ nhớt của hỗn hợp thấp hơn

Nhóm nghiên cứu của GS Trần Vĩnh Diệu, trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội, đã có nhiều nghiên cứu về vật liệu compozit trên nền nhựa polypropylen gia cường bằng sợi thực vật Cho rằng độ bám dính giữa nền chất dẻo và sợi tự nhiên có cực có tác dụng quyết định đến tính chất của compozit, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chất trợ tương hợp như MAPP (polypropylen ghép anhydrit maleic) hay xử lý bề mặt sợi thực vật bằng anhydrit axetic

và acrylonitril Khi so sánh tính chất cơ của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polypropylen chứa sợi đay với sợi thủy tinh, nhóm nghiên cứu thấy rằng mặc dù độ bền kéo và mô đun đàn hồi của sợi đay thấp hơn sợi thủy tinh nhưng mô đun riêng của sợi đay lại cao hơn sợi thủy tinh và nếu so sánh dựa trên giá thành của mô đun thì sợi đay lại cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh Ảnh hưởng của sợi đay và MAPP lên độ bền kéo và bền uốn của PP đã được xác định Khi đưa vào 50% trọng lượng sợi đay tăng được độ bền uốn của PP nguyên sinh từ 31,33 Mpa lên 49,97 Mpa và tăng mạnh lên đến 87,66 Mpa khi bổ sung 3% trọng lượng MAPP Độ bền kéo không tăng lên nhiều nếu không

có MAPP Tuy nhiên, khi có MAPP độ bền kéo của compozit tăng lên khoảng 2 lần (từ 28,92 MPa lên 59,12 MPa)

Tương tự như vậy, khi sử dụng chất trợ tương hợp MAPP có hàm lượng 0,6% trọng lượng

và sợi tre ngắn được xử lý bằng dung dịch NaOH, độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập của compozit lần lượt tăng lên 24%; 23% và 40% so với PP nguyên sinh Nhóm tác giả cũng đã thực hiện quá trình axetyl hóa sợi tre và xác định ảnh hưởng của quá trình này đến khả năng gia cường cho vật liệu compozit trên cơ sở nhựa polypropylen Quá trình axetyl hóa làm giảm khả năng hút

ẩm của sợi tre, tăng độ bám dính giữa sợi tre và nhựa nền PP Vật liệu PC nhận được trên cơ sở PP gia cường bằng sợi tre ngắn với hàm lượng 50% có độ bền kéo đạt cao nhất (36,45 MPa) tăng 2%

so với PP nguyên sinh

Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên v ật liệu

2.1.1 Chất nền polyme

Chất nền polypropylen sử dụng trong nghiên cứu là loại isotactic polypropylen thương mại

mã Mosten GB003 của hãng Unipetrol, Cộng hòa Séc

2.1.2 Chất độn

Chất độn hạt thủy tinh sử dụng trong nghiên cứu là các hạt hình cầu với bề mặt nhẵn; kích thước hạt trung bình 20 µm; độ cứng 5,6 Mohs ; tỷ trọng 2,46 g/cm3 ; có thành phần chính là SiO2 Chất độn được cung cấp bởi SOVITEC, Pháp

Có hai loại chất độn canxi cacbonat (CaCO3) với kích thước hạt khác nhau được sử dụng CaCO3 ký hiệu 1VA với kích thước hạt trung bình 1,7 µm và ký hiệu 15VA với kích thước hạt trung bình 12 µm Cả hai loại đều được cung cấp bởi hãng OMYCARB, Thụy Sĩ

Khoáng talc có nguồn gốc từ Thu Ngạc, tỉnh Phú Thọ với thành phần phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 62,6% và MgO chiếm 32,16%

2.1.3 Ch ất biến đổi bề mặt

Chất biến đổi bề mặt vinyltrietoxysilan của hãng Momentive (Thụy Sĩ) Chất biến đổi bề mặt metacryloxypropyltrimetoxysilan của hãng DowCorning (Mỹ) Axit stearic và Axit oleic tiêu chuẩn kỹ thuật với hàm lượng trên 95% của hãng Sigma-Aldrich

2.1.4 Hóa chất khác

Dicumyl peroxit tiêu chuẩn kỹ thuật với hàm lượng trên 98% của hãng Sigma-Aldrich

2.2 Phương pháp chế tạo mẫu

2.2.1 Phương pháp biến đổi bề mặt chất độn

Quá trình biến đổi bề mặt các hạt chất độn được tiến hành trong dung dịch Etanol 96% chứa 2% chất biến đổi bề mặt

2.2.2 Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu compozit

Polypropylen và các chất độn khác nhau với tỷ lệ khối lượng khác nhau được trộn hợp theo phương pháp trộn nóng chảy trên thiết bị ép đùn hai trục vít Brabender DSE và thiết bị ép phun ENGEL Spex victory 50

2.3 Phương pháp đánh giá tính chất vật liệu

2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét SEM

Hình thái bề mặt các mẫu vật liệu PP/hạt thủy tinh và PP/CaCO3 được chụp trên thiết bị Vega Plus TS5135 của hãng TESCAN Hình thái bề mặt các mẫu vật liệu compozit PP/talc được chụp trên thiết bị ảnh kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM) Hitachi S-4800

2.3.2 Độ bền kéo

Độ bền kéo của vật liệu bao gồm: mô đun đàn hồi, độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt được xác định trên thiết bị INSTRON 5800, cảm biến lực 100 kN tại Viện hóa học Cao phân tử, Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn 1H MAS NMR, 1H MAS Hahn- echo NMR và

13C CP/MAS NMR của các mẫu vật liệu compozit PP/hạt thủy tinh được đo ở 350K và tần số 6 kHz Phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn 13C MAS NMR và 13C CP/MAS NMR của các mẫu vật liệu compozit PP/CaCO3 được đo trong khoảng nhiệt độ từ 295K đến 355K và tần số 6 kHz

2.3.5 Phân tích nhân t ố

Phân tích nhân tố (FA – Factor analysis) là phương pháp sử dung thuật toán phân tách giá trị đơn tính (Singular Value Decomposition – SVD) để trích xuất các thông tin cụ thể từ dư liệu thực nghiệm Kỹ thuật này cho phép hiển thị và phân biệt sự khác biệt vô cùng nhỏ giữa các mẫu microcompozit PP/CaCO3 đã chế tạo được trong các biểu đồ 2D và 3D

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 V ật liệu compozit trên cơ sở PP và chất độn hạt thủy tinh

3.1.1 Hình thái tương tác pha

Quan sát trên ảnh SEM trong trường hợp của vật liệu compozit có chứa hạt thủy tinh không được biến đổi bề mặt có thể thấy được khả năng tương tác pha kém giữa các hạt chất độn và chất

nền PP Không có sự liên kết hay bám dính của chất nền polyme lên bề mặt của các hạt chất độn Điều này dẫn đến nhận định rằng có sự tồn tại của các lỗ trống trong chất nền ở những vị trí có sự xuất hiện của các hạt chất độn

a) b) c)

Hình 3.1 Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu chứa các hạt thủy tinh (a) không biến đổi bề mặt; (b) biến

đổi với dầu silicone và (c) biến đổi với silan

Trong trường hợp bề mặt các hạt thủy tinh được xử lý bằng dầu silicon, lớp phủ silicon gần như triệt tiêu toàn bộ liên kết giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme Điều này dẫn đến kết quả là các hạt chất độn tách pha hoàn toàn trong chất nền như có thể quan sát thấy trên ảnh SEM (hình 3.1-b) Cũng giống như trường hợp các hạt thủy tinh không được xử lý bề mặt, có thể nhận định sự tồn tại của các lỗ trống bên trong chất nền ở những vị trí của các hạt chất độn

Khi bề mặt các hạt chất độn được tiền xử lý bề mặt hợp chất vinyl silan, sau đó là quá trình trộn hợp đồng nhất PP với chất độn hạt thủy tinh biến đổi với sự có mặt của DCP đóng vai trò chất xúc tác Một tương tác pha mạnh có được giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme như quan sát thấy trên ảnh SEM (hình 3.1-c) khả năng tương tác pha đã được cải thiện rõ rệt Ảnh SEM cho thấy không còn các khe trống ở phần tiếp xúc giữa các hạt chất độn được xử lý bề mặt với chất nền

PP, ngoài ra cũng quan sát thấy những phần chất nền PP bám dính lên bề mặt của các hạt thủy tinh

Kết quả phân tích ảnh SEM các mẫu vật liệu compozit polypropylen chứa chất độn hạt thủy tinh có thể nhận xét rằng: trong trường hợp chất độn không được xử lý bề mặt hoặc được xử

lý bề mặt với dầu silicon, có sự tồn tại các lỗ trống trong vật liệu nền PP là những vị trí của chất độn tương tác pha kém với chất nền Trong trường hợp chất độn được xử lý bề mặt làm cho tương tác pha với chất nền được cải thiện, vật liệu có xu hướng tạo thành pha liên tục do được hạn chế các lỗ trống trong vật liệu

3.1.2 Độ bền kéo

a Mô đun đàn hồi

Kết quả thu được trên hình 3.2 cho thấy rằng trong cả ba trường hợp tương tác pha giữa chất độn và chất nền, mô đun đàn hồi của vật liệu đều tăng theo hàm lượng chất độn Điều này là

do thực tế rằng độ cứng của hầu hết các hạt chất độn vô cơ đều lớn hơn khi so sánh với các chất

nền hữu cơ Cùng với sự xuất hiện của các hạt chất độn cứng nhắc trong chất nền, ứng suất của vật liệu tập trung xung quanh bề mặt của các hạt chất độn Bên cạnh đó, mô đun đàn hồi được xác định

ở giai đoạn đầu của quá trình xác định tính chất giãn dài, nơi mà độ biến dạng của vật liệu rất nhỏ

và chưa đủ lớn để chịu ảnh hưởng của tương tác pha giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme Do

đó, kết quả trên hình 3.5 cũng cho thấy không có sự khác biệt rõ nét giá trị mô đun đàn hồi thu được đối với các trường hợp có tương tác pha khác nhau

Hình 3.2 Mô đun đàn hồi của vật liệu PP/hạt thủy tinh

b Độ bền kéo đứt

Kết quả đo độ bền kéo đứt trên hình 3.3 cho thấy ở các hàm lượng tương ứng, khả năng tương tác pha mạnh giữa chất độn và chất nền (mẫu vật liệu kết dính tốt) cho giá trị độ bền kéo đứt cao hơn so trường hợp tương tác pha yếu hoặc không có sự tương tác pha (mẫu vật liệu không biến đổi và không kết dính) Như đã được trình bày ở trên, cùng với sự có mặt của các hạt chất độn trong chất nền, có sự tập trung ứng suất xung quanh các vị trí của các hạt chất độn trong quá trình giãn dài Các tương tác pha mạnh giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme đóng góp vào ứng suất của vật liệu đưa đến ứng suất tổng cộng trong các trường hợp này lớn hơn so với các trường hợp tương tác pha yếu Bên cạnh đó, kết quả cũng chỉ ra rằng độ bền kéo đứt của vật liệu giảm theo hàm lượng chất độn được đưa vào Rõ ràng, liên kết hay tương tác pha mạnh giữa bề mặt chất độn với chất nền polyme làm tăng độ bền kéo đứt của vật liệu Điều này được thể hiện đặc biệt rõ ở các hàm lượng chất độn cao nơi mà hàm lượng và khả năng tương tác pha của chất độn đóng vai trò quan trọng quyết định đến độ bền kéo đứt của vật liệu

Hình 3.3 Mô đun đàn hồi của vật liệu PP/hạt thủy tinh

c Độ giãn dài khi đứt

Độ giãn dài khi đứt thường tỷ lệ nghịch với độ bền kéo đứt Điều này có nghĩa rằng độ giãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu với khả năng tương tác pha tốt có giá trị thấp hơn các mẫu có độ tương tác pha yếu hơn ở các hàm lượng tương ứng như kết quả thu được trên hình 3.4

Hình 3.4 Độ giãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu PP/hạt thủy tinh

Việc gia tăng khả năng tương tác giữa bề mặt các hạt chất độn với chất nền polyme cũng làm giảm khả năng linh động của các phần tử polyme liên kết với bề mặt chất độn dẫn đến khả năng giãn dài của các phân tử polyme bị hạn chế

3.1.3 Độ bền va đập

Tính chất phá hủy do va đập của các vật liệu nền polyme nói chung và của polypropylen nói riêng bị ảnh hưởng mạnh bởi việc thêm các hạt chất độn cứng nhắc Việc đưa các hạt chất độn thủy tinh vào trong chất nền polypropylen đưa đến sự thay đổi toàn bộ quá trình nứt vỡ và phá hủy Quá trình này thông thường bắt đầu bằng biến dạng dẻo ở phía trước các vết nứt vỡ Tương tác pha mạnh giữa các phân tử polyme với bề mặt các hạt chất độn tạo ra sự cứng nhắc trong toàn bộ cấu trúc Điều này đưa đến sự khơi mào và lan truyền các vết nứt vỡ xảy ra sớm hơn và dễ dàng hơn Kết quả được thể hiện trên kết quả thu được ở hình 3.5 trong trường hợp của tương tác pha tốt với

sự suy giảm mạnh của giá trị năng lượng hấp thụ trong quá trình phá hủy va đập - tích phân J Biến dạng đàn hồi của chất nền polyme là quá trình hấp thụ năng lượng chính trong quá trình va đập của

vật liệu và năng lượng này tăng lên khi tương tác pha giữa các hạt chất độn và chất nền polyme giảm xuống trong trường hợp của không biến đổi bề mặt và không kết dính

Hình 3.5 Độ bền va đập của các mẫu vật liệu compozit PP/hạt thủy tinh

Như các nhận xét về hình thái vật liệu qua ảnh SEM, có sự tồn tại của các lỗ trống trong trường hợp tương tác pha yếu giữa chất độn và chất nền Chính các lỗ trống tồn tại trong vật liệu này sẽ hấp thụ năng lượng cũng như ngăn chặn quá trình khơi mào và lan truyền các vết nứt vỡ, kết quả là làm tăng độ bền phá hủy của vật liệu

3.1.4 Phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn

Thông thường, việc thu hẹp hình dạng phổ tín hiệu 1H cho biết sự gia tăng động học phân đoạn toàn phần như các kết nối lưỡng cực 1H-1H được tính trung bình động Như được trình bày trong hình 3.6 trong trường hợp cụ thể mẫu vật liệu trong nghiên cứu, các phân đoạn polyme linh động nhất được tìm thấy ở mẫu vật liệu PP ban đầu Động học phân đoạn bị cản trở nhẹ trong trường hợp của các mẫu vật liệu compozit PP chứa chất độn hạt thủy tinh không biến đổi bề mặt hoặc biến đổi bề mặt bằng dầu silicon (trường hợp tương tác pha yếu) Điều này đươc phản ánh bởi

sự mở rộng của các tín hiệu tương ứng Phân đoạn polyme cứng nhắc nhất được tìm thấy trong vật liệu compozit PP chứa hạt thủy tinh được biến đổi bề mặt bằng vinyl silan (tương tác pha mạnh), được phản ánh bởi sự mở rộng mạnh nhất của đường cộng hưởng từ khối 1H

Hình 3.6 Phổ MAS NMR 1H của PP ban đầu và compozit PP chứa chất độn hạt thủy tinh

Ngược lại với phổ cộng hưởng từ trạng thái rắn 1H, thường chấp nhận rằng sự thu hẹp các tín hiệu 13C CP/MAS NMR cho biết sự gia tăng theo thứ tự cấu hình và trong các trường hợp lý tưởng của pha tinh thể được phát triển hoàn hảo thì các tín hiệu rất hẹp được mong chờ Trong các

hệ thống polypropylen sự xuất hiện của dạng thù hình alpha (α) được phản ánh bởi tín hiệu duplet của CH ở 44 ppm Tín hiệu duplet này được biểu diễn bởi các đường đứt nét trên hình 3.8 và sự phát triển của tín hiệu duplet đối xứng hẹp yêu cầu thời gian ủ lâu dài Nếu như lượng đáng kể pha

vô định hình xuất hiện hơn mong đợi thì tín hiệu duplet đối xứng sẽ biến mất Thay vào đó là một đường mở rộng không đối xứng được mong chờ Giống như tín hiệu được xác định là của PP ban đầu Ngược lại, các vật liệu compozit của PP thể hiện sự đối xứng của tín hiệu duplet và gia tăng

độ phân giải phổ Phát hiện này có thể được giải thích bởi trật tự cấu tạo có được trong trường hợp của compozit PP chứa chất độn hạt thủy tinh không biến đổi bề mặt (độ kết tinh tăng, tổ chức lại pha vô định hình, hình thành các pha tiền tinh thể, …)

Hình 3.8 Phổ 13C CP/MAS NMR của PP và các mẫu vật liệu compozit

của PP và các hạt thủy tinh được ghi ở 300K và tần số 6 kHz

3.3 V ật liệu compozit trên cơ sở polypropylen và chất độn canxi cacbonat

3.3.1 Hình thái tương tác pha

Quan sát trên ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu compozit PP/CaCO3 cho thấy rằng ở kích thước hạt nhỏ 1,7 µm khả năng tương tác pha giữa các hạt chất độn và chất nền polyme khá tốt mặc

dù CaCO3 chưa được biến đổi bề mặt (hình 3.9-a) Không chỉ có sự tương tác pha tốt, các hạt chất độn CaCO3 phân bố khá đồng đều trong chất nền PP (hình 3.9-b)

(a) (b)

Hình 3.9: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 không xử lý bề mặt

với kích thước hạt trung bình 1,7 µm, hàm lượng chất độn 40%

Trong trường hợp CaCO3 được biến đổi bề mặt với axit béo, có thể nhận thấy sự phân tách giữa bề mặt các hạt chất độn với chất nền PP Điều này là do các axit béo xử lý bề mặt CaCO3 đóng vài trò như các chất triệt tiêu liên kết giữa bề mặt chất độn và chất nền

(a) (b)

Hình 3.10: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 xử lý bề mặt bằng

axit oleic với kích thước hạt trung bình 1,7 µm, hàm lượng chất độn 40%

a) (b)

Hình 3.11: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 xử lý bề mặt bằng

axit stearic với kích thước hạt trung bình 1,7 µm, hàm lượng chất độn 40%

Trong trường hợp kích thước hạt CaCO3 lớn hơn (12 µm), quan sát hình thái bề mặt vật

liệu trên ảnh SEM (hình 3.12-3.14) nhận thấy không có sự khác biệt rõ rệt giữa các trường hợp CaCO3 được biến đổi và không biến đổi bề mặt Khả năng tương tác pha trong cả 3 trường hợp là

yếu Sự phân tách pha ở các vị trí chất độn trong chất nền là khá rõ ràng

(a) (b)

Hình 3.12: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 không xử lý bề

mặt với kích thước hạt trung bình 12 µm, hàm lượng chất độn 40%

(a) (b)

Hình 3.13: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 xử lý bề mặt bằng

axit oleic với kích thước hạt trung bình 12 µm, hàm lượng chất độn 40%

(a) (b)

Hình 3.14: Ảnh SEM/SE (a) và SEM/BSE (b) của vật liệu PP gia cường CaCO3 xử lý bề mặt bằng

axit stearic với kích thước hạt trung bình 12 µm, hàm lượng chất độn 40%

Như vậy, qua quan sát ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu cho thấy rằng ở kích thước hạt nhỏ khả năng tương tác của bề mặt hạt chất độn với chất nền PP tốt hơn so với trường hợp kích thước hạt lớn Bên cạnh đó, khi các hạt chất độn được xử lý bề mặt bằng các axit béo, các hạt chất độn có

sự tách pha rõ rệt, tạo ra các lỗ trống trong chất nền PP

3.3.2 Độ bền kéo

a Mô đun đàn hồi

Hình 3.15 Mô tả mô đun đàn hồi của vật liệu compozit PP/CaCO3 với kích thước hạt nhỏ 1,7 µm Cũng giống như trường hợp của vật liệu compozit PP/hạt thủy tinh, mô đun đàn hồi của vật liệu tăng đơn điệu theo hàm lượng của chất độn và không ảnh hưởng bởi quá trình biến tính bề mặt

Hình 3.15 Mô đun đàn hồi của mẫu vật liệu

compozit PP với các hạt CaCO3 có kích thước

trung bình 1,7 µm

Hình 3.16 Mô đun đàn hồi của mẫu vật liệu

compozit PP với các hạt CaCO3 có kích thước

trung bình 12 µm

Xu hướng tương tự cũng được xác định qua kết quả đo mô đun đàn hồi của mẫu vật liệu compozit PP/CaCO3 với kích thước hạt lớn hơn là 12 µm (hình 3.16) Mô đun đàn hồi của vật liệu cũng không bị ảnh hưởng bởi quá trình biến tính bề mặt

b Độ bền kéo đứt

Độ bền kéo đứt của vật liệu PP/CaCO3 với kích thước hạt nhỏ được thể hiện trên hình 3.20 Kết quả cho thấy rằng khi đưa CaCO3 vào vật liệu, độ bền kéo đứt của vật liệu giảm dần Đồ thị biểu diễn kết quả cũng cho biết trong trường hợp bề mặt chất độn được biến tính bằng các axit béo, giá trị độ bền kéo đứt của vật liệu thấp hơn so với trường hợp không được biến tính bề mặt ở các hàm lượng tương ứng Sự khác biệt được thể hiện rõ rệt ở hàm lượng chất độn cao Kết quả này