Đặc trưng phá hủy của vật liệu Polyamit 6/Clay nanocompozit

T¹p chÝ Hãa häc, T. 44 (1), Tr. 67 - 70, 2006<br /> <br /> <br /> §Æc tr ng ph¸ hñy cña vËt liÖu Polyamit 6/Clay<br /> nanocompozit<br /> §Õn Tßa so¹n 3-8-2005<br /> Bïi ch ¬ng, trÇn h¶I ninh, lª mai loan<br /> Trung t©m nghiªn cøu vËt liÖu polyme, Tr/êng §¹i häc B¸ch Khoa H4 Néi<br /> <br /> SUMMARY<br /> In this study, fracture property and deformation mechanisms of nanoclay-reinforced<br /> polyamide 6 were investigated. Tensile yield stress and modulus increased steadily with an<br /> increase in the clay loading. The fracture toughness of nanocomposites was characterized using<br /> linear elastic fracture mechanic (LEFM) approach. The critical energy release rate, GIC,<br /> decreased with an increase in the clay content. The fracture characterization showed a transition<br /> from ductile to brittle fracture. The reduction in ductility and toughness was attributed to the<br /> constrained mobility of polymer chains in the presence of nanoclay particles. SEM<br /> photomicrographs were consistent in showing ductile voiding and fibrous structures and<br /> featureless cleavage at relatively low and high loading of clay, respectively.<br /> <br /> <br /> I - §Æt vÊn ®Ò - §é bÒn kÐo ® îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn<br /> ASTM D638-02a trªn m¸y INSTRON 5582<br /> Trong b i b¸o tr íc [1], t¸c gi¶ ® chÕ t¹o 100KN (Mü). Tèc ®é kÐo 5 mm/phót ë nhiÖt ®é<br /> ® îc vËt liÖu PA6/clay nanocompozit b»ng phßng.<br /> ph ¬ng ph¸p nãng ch¶y v x¸c ®Þnh c¸c d¹ng - §é dai ph¸ hñy cña vËt liÖu (®Æc tr ng<br /> cÊu tróc nano tån t¹i trong vËt liÖu b»ng ph ¬ng b»ng hÖ sè c êng ®é øng suÊt tíi h¹n, KIC<br /> ph¸p nhiÔu x¹ R¬nghen. Trong b i n y c¬ chÕ (MPa.m-1/2), v tèc ®é gi¶i phãng n¨ng l îng tíi<br /> biÕn d¹ng, tr¹ng th¸i ph¸ hñy cña vËt liÖu ® îc h¹n, GIC (kJ/m2)) x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p c¬<br /> quan t©m nghiªn cøu theo ph ¬ng ph¸p c¬ häc häc ph¸ hñy ® n håi tuyÕn tÝnh theo tiªu chuÈn<br /> ph¸ hñy ® n håi tuyÕn tÝnh th«ng qua ®¸nh gi¸ ISO 13586. MÉu ®o kiÓu uèn ba ®iÓm víi h×nh<br /> ®é dai ph¸ hñy v h×nh th¸i häc bÒ mÆt ph¸ hñy d¹ng v kÝch th íc ® îc m« t¶ trªn h×nh 1<br /> cña vËt liÖu. Tõ ®ã cã thÓ hiÓu râ h¬n vai trß v (chiÒu d i L = 80 mm, chiÒu réng w = 16 mm,<br /> t¸c dông gia c êng cña nanoclay trong nÒn chiÒu d y h = 3,5 mm, kho¶ng c¸ch 2 gèi ®ì S =<br /> polyamit. 60 mm). VÕt nøt víi chiÒu d i a (mm) ® îc t¹o<br /> th nh b»ng c¸ch Ên l ìi dao v o ®Çu r nh khÝa<br /> II - thùc nghiÖm h×nh ch÷ V. ChiÒu d i vÕt nøt a tho¶ m n ®iÒu<br /> kiÖn a/h = 0,45 ÷ 0,55.<br /> - Polyamit 6 (PA6) cña h ng UB (Th¸i Lan), MÉu ® îc ®o trªn m¸y LLOYD LRXPlus 5<br /> cã chØ sè ch¶y 10g/10phót (230oC, 2,16 kg). KN víi tèc ®é ®o 10 mm/phót, ë nhiÖt ®é<br /> Nanoclay, Nanomer® I28E cña h ng Nanocor phßng. Trªn ®å thÞ t¶i träng - biÕn d¹ng, x¸c<br /> Inc., Mü, víi kÝch th íc h¹t kho¶ng 8 - 10 m. ®Þnh F0(N) l t¶i träng m t¹i ®ã vÕt nøt b¾t ®Çu<br /> - PA6/clay nanocompozit ® îc chÕ t¹o trªn ph¸t triÓn ®ét ngét. Khi ®ã hÖ sè c êng ®é øng<br /> m¸y trén Brabender ë nhiÖt ®é 230oC, tèc ®é suÊt tíi h¹n v tèc ®é gi¶i phãng n¨ng l îng tíi<br /> trén 100 vßng/phót. h¹n ® îc tÝnh theo c«ng thøc (1) v (2) [2].<br /> 67<br />  L h<br /> III - kÕt qu¶ v# th¶o luËn<br /> <br /> TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu khi chÞu kÐo<br /> w<br /> a H×nh 2 biÓu diÔn c¸c ® êng cong øng suÊt-<br /> biÕn d¹ng cña PA6 v PA6/clay nanocompozit<br /> S khi vËt liÖu chÞu t¸c dông cña lùc kÐo. Mèi quan<br /> hÖ gi÷a øng suÊt biÕn d¹ng dÎo (giíi h¹n ch¶y<br /> H×nh 1: MÉu uèn 3 ®iÓm ®Ó x¸c ®Þnh c), modun ® n håi víi h m l îng nanoclay<br /> <br /> ®é dai ph¸ hñy ® îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3. KÕt qu¶ cho thÊy khi<br /> h m l îng nanoclay t¨ng lªn øng suÊt biÕn d¹ng<br /> FQ (1) dÎo t¨ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i (kho¶ng 85 MPa víi<br /> K IC = f ( a w )<br /> h w 4 PTL nanoclay, t¨ng 42% so víi PA6), modun<br /> ® n håi cã xu h íng t¨ng ®Òu, trong khi ®é d n<br /> d i khi ph¸ hñy gi¶m xuèng ®¸ng kÓ (h×nh 2)<br /> dÉn ®Õn gi¶m ®é dÎo dai cña vËt liÖu. §©y l ®Æc<br /> WB (2)<br /> GIC = tr ng cña chÊt dÎo ® îc gia c êng víi vËt liÖu<br /> h × w × ( a w) cøng. Theo K. Masenelli [5] sù ph©n t¸n clay<br /> ®Õn kÝch th íc nano trong nÒn polyme v liªn<br /> Trong ®ã: WB l n¨ng l îng ph¸ hñy (J); f(a/w) kÕt pha gi÷a c¸c mÆt nanoclay (mang ®iÖn tÝch<br /> l hÖ sè hiÖu chØnh h×nh häc mÉu; (a/w) l hÖ ©m) v c¸c m¹ch polyamit (cã chøa nhãm amin<br /> sè hiÖu chØnh n¨ng l îng; f(a/w) v4 (a/w) phô mang ®iÖn tÝch d ¬ng) l m t¨ng nhanh øng suÊt<br /> thuéc v o chiÒu d i vÕt nøt a v ® îc tÝnh theo biÕn d¹ng dÎo cña nanocompozit víi h m l îng<br /> c«ng thøc cho trong tiªu chuÈn. rÊt nhá (kho¶ng 3 - 4 PTL). HiÖn t îng n y<br /> BÒ mÆt ph¸ hñy cña mÉu t¹i vïng vÕt nøt còng l m gi¶m kh¶ n¨ng linh ®éng cña m¹ch<br /> ph¸t triÓn æn ®Þnh ® îc quan s¸t trªn kÝnh hiÓn polyme gãp phÇn l m t¨ng modun v gi¶m ®é<br /> vi ®iÖn tö quÐt JEOL JSM-6360LV. biÕn d¹ng khi ph¸ hñy.<br /> øng suÊt biÕn d¹ng dÎo, MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1 - PA6<br /> 2 - PA6 + 2% organoclay<br /> 100 3<br /> 120 3 - PA6 + 4% organoclay<br /> 4 - PA6 + 6% organoclay<br /> 5 - PA6 + 8% organoclay 90<br /> 100 6 - PA6 + 10% organoclay<br /> 3 2<br /> <br /> Modun, GPa<br /> 2<br /> øng suÊt, MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 80 80<br /> 4<br /> 60 70<br /> 5 1 1<br /> 40<br /> 6<br /> 60<br /> 20<br /> <br /> 50 0<br /> 0<br /> 0 2 4 6 8 10 12<br /> 0 5 10 15 20 25 30<br /> H m l îng nanoclay, PTL<br /> BiÕn d¹ng, %<br /> H×nh 2: § êng cong øng suÊt - biÕn d¹ng cña H×nh 3: ¶nh h ëng h m l îng nanoclay ®Õn<br /> vËt liÖu PA6/clay nanocompozit v PA6 øng suÊt biÕn d¹ng dÎo v modun cña vËt liÖu<br /> PA6/clay nanocompozit<br /> <br /> Tr¹ng th¸i ph¸ hñy cña vËt liÖu. H×nh 4 biÓu diÔn sù phô thuéc ®é<br /> §Æc tr ng ph¸ hñy cña vËt liÖu d íi t¸c dai ph¸ hñy (GIC v KIC) v o h m l îng<br /> dông cña lùc kÐo s¸ng tá h¬n khi nghiªn cøu c¬ nanoclay. KÕt qu¶ cho thÊy ®é dai ph¸ hñy t¨ng<br /> chÕ ph¸ hñy th«ng qua ®¸nh gi¸ ®é dai ph¸ hñy lªn víi 2 PTL nanoclay, sau ®ã gi¶m dÇn khi<br /> <br /> 68<br /> h m l îng nanoclay t¨ng lªn. Xu h íng gi¶m 8 PTL, mÆc dï ® îc quan s¸t víi ®é phãng ®¹i<br /> ®é dai ph¸ hñy ng îc víi xu h íng t¨ng øng ×3000. Ph¸ hñy dÎo cÇn nhiÒu n¨ng l îng h¬n<br /> suÊt biÕn d¹ng dÎo v ®é cøng (h×nh 3). ph¸ hñy dßn do tiªu tèn v o biÕn d¹ng dÎo cña<br /> m¹ch polyme. KÕt qu¶ thu ® îc khi nghiªn cøu<br /> 18 8<br /> h×nh th¸i häc bÒ mÆt ph¸ hñy phï hîp víi sù<br /> 16<br /> thay ®æi gi¸ trÞ ®é dai ph¸ hñy GIC nh ® tr×nh<br /> 14<br /> 7 b y ë trªn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> KIC (MPa.m1/2)<br /> 12<br /> GIC (kJ/m2)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br /> 10<br /> IV - kÕt luËn<br /> 8 5<br /> <br /> 6<br /> 1. Nanoclay l m t¨ng ®é bÒn kÐo v modun,<br /> 4<br /> 4<br /> nh ng ®ång thêi còng l m gi¶m ®é dai ph¸ hñy<br /> 2 3<br /> cña vËt liÖu PA6/clay nanocompozit.<br /> 0 2 4 6 8 10<br /> 2. Tr¹ng th¸i ph¸ hñy cña PA6/clay<br /> H m l îng nanoclay (PTL) nanocompozit chuyÓn tõ ph¸ hñy dÎo sang ph¸<br /> hñy dßn. §iÒu n y ® îc chøng minh b»ng sù<br /> H×nh 4: ¶nh h ëng cña h m l îng nanoclay gi¶m GIC v thay ®æi h×nh th¸i häc bÒ mÆt ph¸<br /> ®Õn ®é dai ph¸ hñy cña vËt liÖu nanocompozit hñy.<br /> §Ó thÊy râ h¬n vÒ hiÖn t îng n y, ® tiÕn<br /> h nh chôp ¶nh SEM cïng ®é phãng ®¹i ×1000 T#i liÖu tham kh¶o<br /> bÒ mÆt ph¸ hñy t¹i vïng vÕt nøt ph¸t triÓn æn<br /> ®Þnh víi h m l îng nanoclay thay ®æi tõ 0 ®Õn 8 1. Bïi Ch ¬ng, TrÇn H¶i Ninh, TrÇn Kh¸nh<br /> PTL (tõ h×nh 5a ®Õn h×nh 5e). Nh×n tæng thÓ, Duy. T¹p chÝ Hãa häc, T. 42, sè 4, Tr. 488 -<br /> ®Æc tr ng ph¸ hñy cña vËt liÖu chuyÓn tõ ph¸ 491 (2004).<br /> hñy dÎo sang ph¸ hñy dßn khi h m l îng 2. International Standard ISO 13586. Plastics-<br /> nanoclay t¨ng lªn. §iÒu n y chøng tá sù cã mÆt Determination of fracture toughness (GIC<br /> cña nanoclay ® l m thay ®æi ®¸ng kÓ c¬ chÕ and KIC) - Linear elastic fracture mechanics<br /> biÕn d¹ng cña m¹ch polyme d íi t¸c dông cña (LEFM) approach.<br /> ngo¹i lùc. Víi PA6 kh«ng gia c êng (h×nh 5a), 3. Suprakas Sinha Ray, Masami Okamoto.<br /> bÒ mÆt ph¸ hñy xuÊt hiÖn nh÷ng d¶i do m¹ch Progress in Polymer Science, No. 28, P.<br /> polyme biÕn d¹ng theo khèi d íi lùc t¸c dông 1539 (2003).<br /> bªn ngo i. Tuy nhiªn, bÒ mÆt ph¸ hñy cña mÉu<br /> víi 2 PTL nanoclay (h×nh 5b) kh¸c biÖt h¼n so 4. J. W. Cho, D. R. Paul. Polymer, No. 41,<br /> víi PA6 kh«ng gia c êng. Nh÷ng cÊu tróc d¹ng P.1083 (2001).<br /> bã sîi (® îc chØ ra ë ®Çu mòi tªn) v “kho¶ng 5. K. Masenelli, et al. J. Appl. Polym. Sci.:<br /> rçng” (® îc khoanh b»ng h×nh trßn) xuÊt hiÖn Part B: Polym. Phys. No. 40, P. 272 (2002).<br /> to n bé trªn vïng vÕt nøt ph¸t triÓn æn ®Þnh. 6. Xiaohui Liu, et al. Polymer, No. 42, P. 8235<br /> HiÖn t îng n y lÆp l¹i víi h m l îng nanoclay (2001).<br /> 4 v 6 PTL (h×nh 5b v 5c), tuy nhiªn víi 6 PTL<br /> nanoclay nh÷ng cÊu tróc d¹ng bã sîi cã kÝch 7. T. D. Fornes, D. L. Hunter, D. R. Paul.<br /> th íc nhá h¬n v “kho¶ng rçng” xuÊt hiÖn Ýt Polymer, No. 43, P. 2321 (2004).<br /> h¬n. §Æc biÖt cÊu tróc d¹ng bã sîi kh«ng cßn 8. H. R. Denis, D. R. Paul, et al. Polymer, No.<br /> xuÊt hiÖn khi h m l îng nanoclay t¨ng lªn 42, P. 9513 (2001).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 69<br />  (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (e) (f)<br /> vïng ph¸ hñy nhanh<br /> triÓn æn ®Þnh<br /> Vïng vÕt nøt ph¸t<br /> vÕt nøt tù t¹o<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> vÞ trÝ chôp SEM<br /> <br /> <br /> (g)<br /> <br /> H×nh 5: ¶nh SEM bÒ mÆt ph¸ hñy cña PA6/clay nanocompozit (a) 0 PTL, (b) 2 PTL, (c) 4 PTL, (d) 6<br /> PTL, (e) v (f) 8 PTL nanoclay. Mòi tªn v ® êng khoanh trßn (h×nh 5b) chØ cÊu tróc d¹ng bã sîi v<br /> “kho¶ng rçng” ® îc h×nh th nh; 5 g miªu t¶ vÞ trÝ chôp ¶nh SEM, mòi tªn chØ h íng vÕt nøt ph¸t<br /> Ó<br /> 70<br />