Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở nhựa polystyren biến tính và một số loại nanoclay

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (5A), Tr. 50 - 55, 2007<br /> <br /> <br /> <br /> Nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu nanocompozit trªn c¬ së<br /> nhùa polystyren biÕn tÝnh vµ mét sè lo¹i nanoclay<br /> §Õn Tßa so¹n 16-8-2007<br /> NguyÔn Thanh Liªm, B¹ch Träng Phóc, TrÇn ThÞ Ngäc<br /> Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr1êng §¹i häc B¸ch khoa H6 Néi<br /> <br /> <br /> Summary<br /> This paper will show the results of the first experiments to get nano-clay clay composite<br /> materials based on modified polystyrene resin by melt - mix method. The intercalated<br /> nanocomposite structures are characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron<br /> microscope (SEM) techniques. Polystyrene nano-composites with 2% nanoclay by weight exhibit<br /> an increases about 10% in impact resistance and they also lower the water absortion (nearly 60%<br /> compared with polystyrene resin) without any significant loss of tensile strength, flexural strength<br /> and flexural modulus.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu 2,16kg): 8,3 g/10 phót, nhiÖt ®é ch¶y mÒm: 160<br /> - 165oC.<br /> VËt liÖu polyme nano compozit víi c¸c chÊt - Cloisit 25A cña H$ng Southern Clay<br /> ®én cã kÝch th íc nano m phæ biÕn l c¸c lo¹i Products (M�), ® îc bi�n tÝnh h�u c� b»ng<br /> nanoclay ®$ v ®ang ® îc nghiªn cøu, ph¸t triÓn dimetyl, 2-etylhexyl amoni b�c b�n (2MHTL8)<br /> trªn thÕ giíi còng nh ë ViÖt Nam. ViÖc nghiªn cã c¸c chØ tiªu kü thuËt nh sau: CEC: 95<br /> cøu, chÕ t¹o vËt liÖu nano compozit trªn c¬ së meq/100g clay, h m lư�ng Èm: < 2%, ®é tæn<br /> c¸c lo¹i nhùa nÒn s½n cã còng l mét trong hao khèi l îng khi nung (LOI): 34%.<br /> nh÷ng h íng nghiªn cøu øng dông quan träng<br /> nh»m ®¸p øng kÞp thêi nh÷ng yªu cÇu cô thÓ cña - Nanofil: lo�i nanofil 919 do H$ng GmbH<br /> c¸c ng nh c«ng nghiÖp v ®êi sèng x$ héi. (��c) s�n xu�t v�i t¸c nh©n biÕn tÝnh<br /> dimetylstearylamoni v �� h�t khèi l îng khi<br /> B i b¸o n y ®Ò cËp ®Õn viÖc nghiªn cøu chÕ nung (LOI): 35%.<br /> t¹o vËt liÖu nanocompozit trªn c¬ së nhùa<br /> polystyren biÕn tÝnh b»ng c¸c hîp chÊt acrylat 2. ThiÕt bÞ sö dông<br /> nh metymetacrylat (MMA), trimetylolpropan - M¸y trén Brabender (§øc).<br /> triacrylat (TMPTA) v mét sè lo¹i nanoclay<br /> nh»m t¨ng c êng kh¶ n¨ng che ch¾n gi¶m, ®é - M¸y Ðp phun t¹o mÉu Ray Ran (óc).<br /> hÊp thô n íc cña s¶n phÈm.... - M¸y chôp ¶nh kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt<br /> SEM: Jeol JSM - 6360 (NhËt B¶n).<br /> II - Thùc nghiÖm - M¸y chôp phæ nhiÔu x¹ tia X (XRD)<br /> Bruker - D505 (§øc)<br /> 1. Nguyªn liÖu v hãa chÊt chÝnh<br /> 3. C¸c ph#¬ng ph¸p ph©n tÝch tÝnh chÊt cña<br /> - Nhùa Polystyren biÕn tÝnh ® îc tæng hîp vËt liÖu<br /> t¹i Trung t©m NCVL Polyme Tr êng §¹i häc<br /> - §é bÒn kÐo: ® îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn<br /> B¸ch khoa H Néi, cã chØ sè ch¶y (230oC,<br /> 50<br /> ISO 527-1 trªn m¸y INSTRON-5582 100 KN m�u nanoclay cho th�y kho�ng c¸ch d c�a<br /> (Mü), tèc ®é kÐo 5 mm/phót. cloisit 25A l 23,4 � (h×nh 1.a) v c�a nanofil<br /> - §é bÒn uèn: ® îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn 919 l 25,3 � (h×nh 1.b) (t¹i c¸c gãc 2� = 3,79o<br /> ISO 178-1993(E) trªn m¸y INSTRON-5582 100 v 3,46o t ¬ng øng).<br /> KN (Mü), tèc ®é uèn 5 mm/phót. Theo kÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c t¸c gi¶<br /> - §é bÒn va ®Ëp: ® îc x¸c ®Þnh theo tiªu kh¸c vÒ qu¸ tr×nh chÕ t¹o vËt liÖu nano compozit<br /> chuÈn ISO 179-1993 trªn m¸y RADMANA ITR ®$ lùa chän ®¬n phèi liÖu v ®iÒu kiÖn trén trªn<br /> -2000 (óc), tèc ®é va ®Ëp 3,5 m/s. m¸y trén hë Brabender cho hçn hîp ban ®Çu<br /> nh sau [2, 3, 5]: Nhùa PS biÕn tÝnh: 100 PKL;<br /> III - KÕt qu¶ v' th¶o luËn Nano clay: 1 PKL; NhiÖt ®é trén: 190oC; Thêi<br /> �$ ti�n h nh chôp phæ nhi�u x� tia X c¸c gian trén: 5 phót.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> H×nh 1: Phæ XRD c�a nanoclay, (a) - cloisit 25A , (b) - nanofil 919<br /> <br /> 1. Kh¶o s¸t ¶nh h#ëng cña nhiÖt ®é trén ®Õn nanoclay lo¹i cloisit 25A kho¶ng c¸ch d ban ®Çu<br /> kh¶ n¨ng ph©n t¸n cña nano clay ®$ t¨ng tõ 23,4� lªn 30,6 � ; 32,3� v 30,5 �<br /> tư�ng �ng c¸c nhiÖt ®é trén l 190oC, 200oC v<br /> Nhi�t �� tr�n �nh hư�ng ��n kh¶ n¨ng ph©n<br /> 210oC. M�c �� t�ng l�n nh�t ��t �ư�c � nhi�t<br /> t¸n c�a clay víi n�n nh�a. CÇn l�a ch�n kho¶ng<br /> �� trén l 200oC.<br /> nhi�t �� tr�n thÝch hîp ®Ó nhùa nÒn cã thÓ d�<br /> d ng xen v o gi�a c¸c l�p clay, ��ng th�i §èi víi nano clay lo¹i nanofil 919 còng thu<br /> kh«ng x�y ra s� ph©n h�y c¸c t¸c nh©n bi�n tÝnh ® îc kÕt qu¶ t ¬ng tù: víi nhiÖt ®é trén 2000C<br /> cña clay ®Ó thu ® îc s¶n phÈm cã tÝnh chÊt c¬ lý kho¶ng c¸ch d còng t¨ng lªn nhiÒu nhÊt v ®¹t<br /> cao nhÊt. 37,9 �. Do vËy ®$ lùa chän nhiÖt ®é trén hîp l<br /> 2000C ®èi víi c¶ hai lo¹i nanoclay cho c¸c qu¸<br /> �$ ti�n h nh kh�o s¸t kho¶ng c¸ch d cña tr×nh nghiªn cøu tiÕp theo.<br /> c¸c mÉu trén víi tõng lo¹i nanoclay ë c¸c nhiÖt<br /> ®é kh¸c nhau: 190oC, 200oC v 210oC. KÕt qu¶ 2. Kh¶o s¸t ¶nh h#ëng cña h m l#îng nano<br /> chôp phæ XRD cña c¸c mÉu vËt liÖu ë c¸c nhiÖt clay ®Õn kh¶ n¨ng ph©n t¸n v o nhùa PS<br /> ®é trén kh¸c nhau ® îc tr×nh b y trong h×nh 2a §$ tiÕn h nh kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña h m l-<br /> v 2b. îng nanoclay ®Õn kh¶ n¨ng ph©n t¸n cña chóng<br /> K�t qu� cho th�y nhiÖt ®é trén thay ®æi cã v o trong hçn hîp nhùa nÒn ë nhiÖt ®é trén<br /> ¶nh h ëng ®Õn kh¶ n¨ng ph©n t¸n cña nanoclay 200oC. C¸c tû lÖ nano clay lùa chän l 1, 2 v<br /> v o trong m¹ch ®¹i ph©n tö cña nhùa nÒn. Víi 3% ®èi víi c¶ hai chñng lo¹i cloisit 25A v<br /> 51<br /> nanofil 919.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Cloisit 25A (b) Nanofil 919<br /> H×nh 2: Ph� XRD c�a v�t li�u PS biÕn tÝnh - nano clay � c¸c nhi�t �� trén kh¸c nhau<br /> § êng 1 - NhiÖt ®é trén 190oC; § êng 2 - NhiÖt ®é trén 200oC; § êng 3 - NhiÖt ®é trén 210oC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Cloisit 25A (b) Nanofil 919<br /> Hình 3: Phæ XRD c�a v�t li�u nanocompozit v�i các hàm lư�ng nanoclay khác nhau<br /> § êng 1- vËt liÖu nanocompozit v�i 2% clay; § êng 2- vËt liÖu nanocompozit v�i 1% clay;<br /> § êng 3- vËt liÖu nanocompozit v�i 3% clay<br /> <br /> KÕt qu¶ h×nh 3 cho thÊy víi c¶ hai lo¹i Nano clay do cã kÝch th íc nhá víi h m<br /> nanoclay th× h m l îng l 2% thÝch hîp nhÊt, l îng ® a v o ®$ lùa chän l 2% nªn rÊt khã<br /> vËt liÖu thu ® îc cã møc ®é t¨ng kho¶ng c¸ch d x¸c ®Þnh ® îc thêi ®iÓm kÕt thóc qu¸ tr×nh trén.<br /> lªn nhiÒu nhÊt: t¨ng tõ 30,5 � lªn 32,3 � ®èi H¬n n÷a do qóa tr×nh trén hîp chØ l qu¸ tr×nh<br /> víi cloisit 25A v 35,9 � lªn 37,7 � ®èi víi ph©n t¸n c¸c h¹t phô gia cã kÝch th íc nano v o<br /> nanofil 919. §iÒu ®ã cho thÊy víi c¶ hai lo¹i trong nhùa nÒn nªn biÓu ®å ¶nh h ëng cña thêi<br /> nanoclay th× h m l îng thÝch hîp nhÊt cho qu¸ gian trén ®Õn momen xo¾n, nhiÖt ®é cña hçn<br /> tr×nh trén hîp víi nhùa PS biÕn tÝnh l 2% v ®$ hîp kh«ng thÝch hîp ®Ó t×m ra kho¶ng thêi gian<br /> lùa chän tû lÖ n y cho c¸c b íc nghiªn cøu tiÕp trén tèi u. Dùa v o kÕt qu¶ nghiªn cøu cña mét<br /> theo. sè t¸c gi¶ kh¸c vÒ sö dông ph ¬ng ph¸p trén<br /> hîp nãng ch¶y ®Ó chÕ t¹o vËt liÖu<br /> 3. ¶nh h#ëng cña thêi gian trén ®Õn kh¶ nanocompozit, ®$ lùa chän c¸c thêi gian trén<br /> n¨ng ph©n t¸n cña nano clay kh¸c nhau l 5, 10 v 15 phót [1, 3, 5].<br /> <br /> 52<br />  KÕt qu¶ chôp phæ XRD cña c¸c mÉu vËt liÖu nano clay cloisit 25A v nanofil 919. Khi kÐo<br /> víi thêi gian trén kh¸c nhau cho thÊy, c¶ hai d i thêi gian trén lªn (15 phót) th× cã thÓ ®$ x¶y<br /> lo¹i nano clay lùa chän ®Òu cã kho¶ng thêi gian ra hiÖn t îng biÕn ®æi, keo tô nanoclay dÉn ®Õn<br /> trén tèi u trong kho¶ng thêi gian l 10 phót. kho¶ng c¸ch d bÞ gi¶m xuèng (gi¶m tõ 34,4 �<br /> Víi thêi gian trén n y kho¶ng c¸ch d t¨ng lªn xuèng cßn 30,6 � víi cloisit 25 A v tõ 38,1 �<br /> cao nhÊt l 34,4 � v 38,1 � t ¬ng øng víi xuèng cßn 36,5 � víi nanofil 919).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Cloisit 25A (b) Nanofil<br /> H×nh 4: Ph� XRD c�a PS- nanoclay víi c¸c th�i gian trén kh¸c nhau.<br /> § êng 1: thêi gian trén 5 phót; § êng 2: thêi gian trén 10 phót; § êng 3: thêi gian trén 15 phót<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> ¶nh 1: �nh SEM c�a các m�u v�t li�u<br /> a-PS/cloisit 25A; b-PS/nanofil 919<br /> <br /> C¸c kÕt qu¶ chôp phæ nhiÔu x¹ tia X cho v 1b).<br /> thÊy c¶ hai lo¹i nano clay cloisit 25 A v nanofil<br /> 4. Kh¶o s¸t tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu<br /> 919 trong ®iÒu kiÖn trén nªu trªn ®$ ® îc ph©n<br /> t¸n trong khèi vËt liÖu ë d¹ng xen kÏ. ¶nh chôp §$ tiÕn h nh Ðp mÉu trªn m¸y Ðp phun t¹o<br /> kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt cho thÊy bÒ mÆt ph¸ mÉu Ray Ran v ®o c¸c tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt<br /> huû cña vËt liÖu cã chøa hai lo¹i phô gia nano liÖu. KÕt qu¶ ®o tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu cã<br /> clay nãi trªn tr¬n mÞn v gÇn nh nhau (¶nh 1 a v kh«ng cã phô gia nanoclay ® îc tr×nh b y<br /> <br /> 53<br /> trong b¶ng 1. KÕt qu¶ thu ® îc trong b¶ng 1 cho do c¸c h¹t nano clay ®îc ph©n bè trong vËt liÖu<br /> thÊy: c¸c tÝnh chÊt nh ®é bÒn kÐo, ®é bÒn uèn ë d¹ng xen kÏ, l m gi¶m mËt ®é c¸c lç trèng<br /> cña vËt liÖu gi¶m ®i so víi nhùa PS biÕn tÝnh ban trong m¹ch ®¹i ph©n tö, gi¶m sè l îng khuyÕt<br /> ®Çu, tuy nhiªn ®é bÒn va ®Ëp l¹i t¨ng lªn (t¨ng tËt v l m cho cÊu tróc cña vËt liÖu trë nªn chÆt<br /> kho¶ng 10%). §iÒu n y cã thÓ ® îc gi¶i thÝch l chÏ h¬n dÉn ®Õn ®é bÒn va ®Ëp t¨ng lªn.<br /> <br /> B¶ng 1: TÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu<br /> V�t li�u �� b�n kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2<br /> PS biÕn tÝnh 42,8 59,2 3,8<br /> <br /> PS biÕn tÝnh/cloisit 25A 39.7 45,5 4,1<br /> PS biÕn tÝnh/nanofil 919 37.5 42,1 4,2<br /> <br /> 5. Kh¶o s¸t ®é hÊp thô n#íc cña vËt liÖu<br /> §$ tiÕn h nh kh¶o s¸t møc ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu nh»m ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng che ch¾n<br /> trong m«i tr êng Èm cña s¶n phÈm thu ® îc, kÕt qu¶ ®o ®é hÊp thô n íc cña mÉu vËt liÖu cã v<br /> kh«ng cã phô gia nano ® îc tr×nh b y trong h×nh 5.<br /> <br /> <br /> 0.018<br /> 0.016<br /> 0.014<br /> 0.012<br /> PS biÕn tÝnh/cloisit 25A<br /> 0.010<br /> PS biÕn tÝnh<br /> 0.008<br /> PS biÕn tÝnh/nanofil 919<br /> 0.006<br /> 0.004<br /> 0.002<br /> 0<br /> 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ng y<br /> <br /> <br /> H×nh 5: §é hÊp thô n íc theo thêi gian ng©m mÉu vËt liÖu<br /> <br /> KÕt qu¶ tr×nh b y trong h×nh 5 cho thÊy viÖc n¨ng che ch¾n n íc tèt nhÊt, tèt h¬n khi sö dông<br /> sö dông phô gia nano ®$ cã t¸c dông t¨ng ®¸ng nano clay lo¹i cloisit 25A, ®é hÊp thô n íc khi<br /> kÓ kh¶ n¨ng che ch¾n trong m«i tr êng n íc ®¹t ®Õn c©n b»ng gi¶m h¬n h¼n so víi khi kh«ng<br /> cña vËt liÖu. Sau 20 ng y ®é hÊp thô n íc cña sö dông kho¶ng 60% (gi¶m tõ 0,016% xuèng<br /> vËt liÖu PS biÕn tÝnh v PS biÕn tÝnh/cloisit 25A cßn 0,01%).<br /> b¾t ®Çu ®¹t ®Õn c©n b»ng trong khi nÕu sö dông<br /> nanofil 919 th× chØ sau 15 ng y. KÕt qu¶ kh¶o IV - KÕt luËn<br /> s¸t ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu còng cho thÊy,<br /> nanofil 919 cã t¸c dông t¹o cho vËt liÖu kh¶ 1. §$ chÕ t¹o ® îc vËt liÖu nanocompozit<br /> 54<br />  trªn c¬ së nhùa PS biÕn tÝnh, nanoclay cloisit 0,01% (gi¶m kho¶ng 60%).<br /> 25A v nanofil 919 b»ng ph ¬ng ph¸p trén hîp<br /> nãng ch¶y trªn m¸y trén Brabender v t×m ra T'i liÖu tham kh¶o<br /> ®iÒu kiÖn trén hîp thÝch hîp nhÊt l : Nhi�t ��<br /> tr�n: 200oC; Th�i gian tr�n: 10 phót; V�n t�c 1. Pulickel M. Ajiayan, Linda S. Schadler,<br /> tr�n: 50 vßng/phót; H m lư�ng nanoclay: 2%. Paul. V. Braun. Polymer - based and<br /> KÕt qu¶ chôp phæ nhiÔu x¹ tia X cho thÊy Polymer-filled Nanocomposites,<br /> kho¶ng c¸ch d cña nano clay ®$ t¨ng lªn ®¸ng Nanocomposite Sience and Technology, P.<br /> kÓ t¨ng tõ 23,4 � v 25,3 � lªn ®Õn 34,4 � v 77 - 144 (2003).<br /> 38,1 � t ¬ng øng víi nano clay cloisit 25A v 2. A. Poloso and M. B. Bradley. Engineering<br /> nanofil 919. Plastic, Vol. 2, P. 194 - 199 (1988).<br /> 2. KÕt qu¶ kh¶o s¸t tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt 3. Peter C. LeBaron, Zhen Wang, Thomas J.<br /> liÖu cho thÊy, vËt liÖu nanocompozit chÕ t¹o Pinnavaia. Applied Clay Science, Vol., 15,<br /> ® îc cã ®é bÒn kÐo, ®é bÒn uèn thÊp h¬n so víi P. 11 - 29 1999.<br /> nhùa PS biÕn tÝnh nh ng ®é bÒn va ®Ëp t¨ng lªn 4. Q. H. Zeng, A. B. Yu, G. Q. (Max) Lu, D.<br /> kho¶ng 10% (t¨ng tõ 3,8 KJ/m2 lªn ®Õn 4,2 R. Paul. Journal of Nanoscience and<br /> KJ/m2). Nanotechnology, Vol. 5, No. 10, 1574 -<br /> 3. §$ x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng che ch¾n cña vËt 1592 (2005).<br /> liÖu trong m«i tr êng n íc, kÕt qu¶ cho thÊy ®é 5. Michael Alexandre, Philippe Dubois.<br /> hÊp thô n íc cña vËt liÖu ®$ gi¶m ®i ®¸ng kÓ khi Material Science and Engineering: Reports,<br /> sö dông nanofil 919: gi¶m tõ 0,016% xuèng cßn Vol. 28, P. 1 - 63 (2000).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 55<br />