Tính chất và cấu trúc của vật liệu compozit HDPE - khoáng sét nano chế tạo bằng phương pháp trộn chảy

T¹p chÝ Hãa häc, T. 43 (2), Tr. 219 - 222, 2005<br /> <br /> <br /> tÝnh chÊt vµ cÊu tróc cña vËt liÖu compozit<br /> HDPE-kho¸ng sÐt nano chÕ t¹o b»ng ph%¬ng ph¸p<br /> trén ch¶y<br /> §Õn Tßa so¹n 17-9-2004<br /> TrÇn ThÞ Thanh V©n<br /> Phßng Vi ph©n tÝch, ViÖn Kü thuËt NhiÖt ®íi, ViÖn Khoa häc v/ C«ng nghÖ ViÖt Nam<br /> <br /> <br /> Summary<br /> HPDE-clay composites materials prepared by melting compounding have discrete change in<br /> mechanical physical properties in comparison to the initial HPDE even when a small amount of<br /> clays is introduced. It is presented the results of the studying of the structure, the properties and<br /> morphology of HPDE- clay composites. The E modulus is increased from 702 MPa in the initial<br /> to 993.34 MPa, the tensile strength is raised from 12.37 to 35.33 MPa (most 3 times) and solvent<br /> permeability is decreased with 1% clay. A rise in the nanoscale clay leads to reduction in the<br /> properties of the HPDE-clay composites. By X-ray diffraction, composites with 1% clay have a<br /> rise of cell constant from 41.65 to 33.80 nm. However, composites have more clay content cell<br /> indexes decrease dowto 39.35 nm of 5% clay.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu m kh«ng l m gÉy m¹ch chÝnh [6].<br /> Kho¸ng sÐt ®'îc biÕn tÝnh b»ng alkylamoni<br /> Nanocompozit l vËt liÖu lai ghÐp t¹o bëi l m cho bÒ mÆt cña kho¸ng sÐt vèn 'a n'íc trë<br /> chÊt nÒn polyme h÷u c¬ v chÊt ph©n t¸n l c¸c th nh 'a h÷u c¬. Tuy nhiªn kho¸ng sÐt ®0 h÷u<br /> h¹t v« c¬ cã kÝch th'íc nano [1, 2]. ChÊt phô gia c¬ hãa kh«ng thÓ ph©n t¸n tèt trong PP hay PE<br /> ë kÝch th'íc n y ®0 c¶i thiÖn ®¸ng kÓ tÝnh chÊt v× c¸c polyme n y kh«ng ph©n cùc v kÞ n'íc [4,<br /> vËt lÝ v tÝnh chÊt c¬ häc vÜ m« cña polyme mÆc 5]. §Ó kho¸ng sÐt ph©n t¸n tèt th'êng ng'ßi ta<br /> dï h m l'îng ®'a v o rÊt nhá. Sù thay ®æi nh¶y chÕ t¹o vËt liÖu nanocompozit b»ng ph'¬ng<br /> vät vÒ tÝnh chÊt c¬ lÝ n y ®'îc gi¶ thiÕt l do sù ph¸p sol-gel, in-situ hoÆc maleic hãa polyme<br /> céng h'ëng (phô tréi) cña cÊu tróc nano v nÒn. Trong khu«n khæ b i b¸o n y chóng t«i<br /> t'¬ng t¸c cña chÊt ®én víi polyme. Do vËt liÖu tr×nh b y sù thay ®æi tÝnh chÊt c¬ lÝ v cÊu tróc<br /> polyme-kho¸ng sÐt naonocompozit cã 'u thÕ cña vËt liÖu HDPE-kho¸ng sÐt nanocompozit<br /> h¬n c¸c lo¹i nanocompozit kh¸c [3, 6] nªn ®'îc chÕ t¹o b»ng ph'¬ng ph¸p trén ch¶y th«ng<br /> ®0 ®'îc nhiÒu nh nghiªn cøu trong n'íc v th'ßng v ®¬n gi¶n, nh'ng thêi gian trén kÐo<br /> quèc tÕ quan t©m nghiªn cøu. d i tíi 20 phót ®Ó t¹o ®'îc sù ph©n t¸n ®ång ®Òu<br /> PE l mét trong nh÷ng polyolefin ®'îc sö cña kho¸ng sÐt trong chÊt nÒn HDPE.<br /> dông réng r0i nhÊt trong thùc tiÔn. Trong khung<br /> ph©n tö cña PE kh«ng cã c¸c nhãm ph©n cùc II - Ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> nªn khã quan s¸t ®'îc sù ph©n t¸n ®ång thÓ cña<br /> kho¸ng sÐt [4]. Polyme nanocompozit chÕ t¹o 1. Hãa chÊt<br /> b»ng ph'¬ng ph¸p trén ch¶y chØ tõ HDPE míi<br /> ®¹t ®'îc gi¸ trÞ E-modun v ®é bÒn kÐo ®øt cao - HDPE Th¸i Lan.<br /> 219<br />  - Kho¸ng sÐt ®0 h÷u c¬ hãa b»ng 2-etyl 1. ChÕ t¹o vËt liÖu PE-kho¸ng sÐt nano-<br /> hexyl trimetyl amin cña H n Quèc. compozit<br /> - Xylen, toluen v axeton lo¹i PA cña Trung §'a nguyªn liÖu v o khoang trén cña thiÕt<br /> Quèc. bÞ trén kÝn Haake ë 170oC, tèc ®é quay cña trôc<br /> trén l 70 vßng/phót. Duy tr× khèi ph¶n øng ë<br /> - Cån tuyÖt ®èi lo¹i PA cña Th¸i Lan. ®iÒu kiÖn n y trong thêi gian 20 phót ®Ó kho¸ng<br /> 2. ThiÕt bÞ sÐt ph©n t¸n ®Òu v o pha HDPE liªn tôc. KÕt<br /> thóc qu¸ tr×nh n y s¶n phÈm ®'îc Ðp tÊm trªn<br /> - ThiÕt bÞ trén kÝn Haake-§øc, ViÖn Kü m¸y Ðp thñy lùc cña NhËt v t¹o mÉu ®o c¬ lÝ.<br /> thuËt NhiÖt ®íi. 2. KÕt qu¶ ph©n tÝch phæ nhiÔu x¹ tia X<br /> - Phæ nhiÔu x¹ tia X lo¹i Bruker D5005-§øc, Møc ®é trãc líp cña kho¸ng sÐt trong HDPE-<br /> Bé m«n VËt lÝ chÊt r¾n, Tr'êng §¹i häc Khoa kho¸ng sÐt nanocopozit ®'îc x¸c ®Þnh b»ng phæ<br /> häc tù nhiªn, §HQG H Néi. nhiÔu x¹ tia X (XRD), sö dông m¸y Bruker<br /> D5005 do h0ng Siemen-§øc s¶n xuÊt. Anot Cu<br /> - ThiÕt bÞ ®a n¨ng Zwich-§øc, ViÖn Kü K cã = 1,56056 Å. C¸c mÉu ®'îc Ðp th nh<br /> thuËt NhiÖt ®íi.<br /> m ng d y cì 500 µm v ®'îc quÐt víi gãc 2 tõ<br /> 1o ®Õn 70o víi tèc ®é quÐt 2o/phót; tèc ®é ghi mÉu<br /> III - KÕt qu¶ v$ th¶o luËn 0,3o/lÇn. KÕt qu¶ ®'îc tr×nh b y trªn h×nh 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (d)<br /> (c)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh1: Phæ nhiÔu x¹ tia X (XRD) cña<br /> (a) kho¸ng sÐt nano; (b) HDPE chøa 1% kho¸ng sÐt;<br /> (c) HDPE chøa 3% kho¸ng sÐt; (d) HDPE chøa 5% kho¸ng sÐt<br /> <br /> 220<br />  KÕt qu¶ phæ XRD cho thÊy trong vËt liÖu toluen cña HDPE ban ®Çu v HDPE cã h m<br /> HDPE-Kho¸ng sÐt nanocompozit cã sù thay ®æi l'îng kho¸ng sÐt nano kh¸c nhau.<br /> kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c líp kho¸ng sÐt so Khi cã kho¸ng sÐt h÷u c¬ ®é thÊm v ®é<br /> víi ban ®Çu l 41,65 nm (øng víi pic cã c'êng tr'¬ng b0o ho ®Òu gi¶m. VËt liÖu HDPE chøa<br /> ®é lín nhÊt), mÉu chøa 1% kho¸ng sÐt kho¶ng 1% kho¸ng sÐt nano cã ®é thÊm chËm nhÊt.<br /> c¸ch n y t¨ng lªn 43,80 nm, mÉu chøa 3%<br /> 8<br /> kho¸ng sÐt kho¶ng c¸ch n y gi¶m cßn 40,25 nm<br /> v mÉu chøa 5% kho¸ng sÐt l 39,35 nm. KÕt<br /> 6<br /> qu¶ n y ®0 chøng minh ®'îc sù trãc líp cña<br /> kho¸ng sÐt trong vËt liÖu.<br /> 4<br /> 3. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ®é bÒn c¬ lÝ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> V%<br /> C¸c mÉu ®'îc ®o theo tiªu chuÈn DIN 2<br /> 53505 víi lùc kÑp mÉu b»ng 1 kN v tèc ®é kÐo<br /> mÉu 100mm/phót. KÕt qu¶ ®'îc ghi trong b¶ng HDPE<br /> HDPE-1%<br /> 0<br /> 1. Khi cã mÆt kho¸ng sÐt kÝch th'íc nano th× HDPE-3%<br /> HDPE-5%<br /> ®é bÒn c¬ häc cña vËt liÖu t¨ng ®¸ng kÓ. Gi¸ trÞ<br /> E-modun t¨ng tõ 702 MPa ban ®Çu lªn 993,4 0 10 20 30 40 50 60<br /> MPa v ®é bÒn kÐo ®øt tõ 12,37 MPa lªn 35,33 Ng y<br /> MPa khi h m l'îng kho¸ng sÐt ®'a v o l 1% H×nh 1: So s¸nh ®é thÊm toluen cña HDPE v<br /> v l gi¸ trÞ cùc ®¹i, kÕt qu¶ n y còng phï hîp HDPE-Kho¸ng sÐt nanocompozit<br /> víi kÕt qu¶ kh¶o s¸t b»ng XRD l kho¶ng kh«ng<br /> gian gi÷a c¸c líp t¨ng lªn. Khi h m l'îng b) §é thÊm hçn hîp dung m«i xylen/axeton víi<br /> kho¸ng sÐt nano t¨ng th× E-modun v ®é bÒn tû lÖ 6/4<br /> kÐo ®øt gi¶m ®i so víi mÉu chØ cã 1% kho¸ng H×nh 2 biÓu thÞ sù so s¸nh ®é thÊm hçn hîp<br /> sÐt do kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c líp gi¶m ®i. dung m«i xylen/axeton víi tû lÖ 6/4 cña vËt liÖu<br /> VËt liÖu HDPE-kho¸ng sÐt nanocomposit chÕ HDPE-kho¸ng sÐt nanocompozit víi ®é thÊm<br /> t¹o b»ng ph'¬ng ph¸p trén ch¶y ®¬n gi¶n h m cña HDPE ban ®Çu. Khi cã mÆt kho¸ng sÐt kÝch<br /> l'îng kho¸ng sÐt b»ng 1% tÝnh chÊt c¬ lÝ cao th'íc nano ®é bÒn dung m«i cña HDPE t¨ng lªn.<br /> nhÊt. §é thÊm hçn hîp dung m«i xylen/axeton = 6/4<br /> cña vËt liÖu HDPE chøa 1% kho¸ng sÐt nano l<br /> B¶ng 1: §é bÒn c¬ lÝ cña vËt liÖu HDPE-kho¸ng chËm nhÊt. §é tr'¬ng b0o hßa còng gi¶m.<br /> sÐt nanocompozit<br /> 7<br /> <br /> E-modun, 6<br /> MPa , MPa<br /> 5<br /> HDPE 701,9 12,37<br /> 4<br /> HDPE-1% kho¸ng sÐt 993,4 35,33<br /> V%<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> HDPE-2% kho¸ng sÐt 897,4 32,76<br /> 2<br /> HDPE-3% kho¸ng sÐt 866,7 30,34<br /> 1 HDPE<br /> HDPE-4% kho¸ng sÐt 799,32 29,38 HDPE-1%<br /> HDPE-3%<br /> 0 HDPE-5%<br /> HDPE-5% kho¸ng sÐt 749,68 28,37<br /> HDPE-6% kho¸ng sÐt 684,80 28,30 0 10 20 30 40 50 60<br /> <br /> Ng y<br /> 4. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ®é bÒn dung m«i<br /> H×nh 2: So s¸nh ®é thÊm hçn hîp dung m«i<br /> a) §é thÊm toluen xylen/axeton = 6/4 cña HDPE v HDPE-<br /> Trªn h×nh 1 biÓu thÞ sù so s¸nh ®é thÊm Kho¸ng sÐt nanocompozit<br /> 221<br />  Nhê sù ®an xen ®Òu ®Æn v s¾p xÕp ®Æc khÝt 5. KÕt qu¶ nghiªn cøu ®0 chøng minh ®'îc<br /> gi÷a c¸c líp kho¸ng sÐt v HDPE ®0 t¹o ra ®'îc vËt liÖu HDPE-kho¸ng sÐt nanocompozit cã<br /> vËt liÖu HDPE-kho¸ng sÐt nanocompozit cã ®é h»ng sè m¹ng d t¨ng th× tÝnh chÊt c¬ lý v ®é<br /> bÒn dung m«i cao h¬n so víi HDPE ban ®Çu. bÒn dung m«i cao h¬n so víi khi h»ng sè m¹ng<br /> d gi¶m.<br /> IV - KÕt luËn<br /> T$i liÖu tham kh¶o<br /> Tõ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ®'îc chóng<br /> t«i cã nh÷ng nhËn xÐt sau: 1. Vò §×nh Cù, NguyÔn Xu©n Ch¸nh. C«ng<br /> 1. §0 chÕ t¹o ®'îc vËt liÖu HDPE-kho¸ng nghÖ nano, Nxb. Khoa häc v Kü thuËt<br /> sÐt nanocompozit b»ng ph'¬ng ph¸p trén ch¶y (2004).<br /> ®¬n gi¶n. 2. D. Tomova, S. Reinemann. Vortrag, Tech-<br /> 2. B»ng ph'¬ng ph¸p phæ XRD ®0 kh¶o s¸t nome (2003).<br /> ®'îc sù trãc líp cña kho¸ng sÐt nano trong chÊt 3. T. G. Gopakumar, J. A. Lee, M. Kontopoulo,<br /> nÒn HDPE. H m l'îng kho¸ng sÐt b»ng 1% cã J. S. Parent. Polymer, 43, P. 5483 - 5491<br /> sù gi0n c¸ch d, h m l'îng kho¸ng sÐt 3% v 5% (2002).<br /> cã sù thu hÑp d.<br /> 4. K. H. Wang, M. H. Choi, C. M. Koo, Y. S.<br /> 3. §é bÒn c¬ häc cña HDPE t¨ng ®¸ng kÓ Choi, I. J. Chung. Polymer, 42, P. 9819 -<br /> khi cã kho¸ng sÐt nano trong th nh phÇn. H m 9826 ( 2001).<br /> l'îng kho¸ng sÐt b»ng 1% ®é bÒn c¬ häc cña<br /> vËt liÖu ®¹t cùc ®¹i. 5. Y. H. Jin, H. J. Park, S. S. Im, S. Y. Kwak, S.<br /> Kwak. Macromol. Rapid. Commun., P. 135<br /> 4. §é bÒn dung m«i cña vËt liÖu HDPE- - 140 (2002).<br /> kho¸ng sÐt nanocompozit t¨ng so víi HDPE ban<br /> ®Çu thÓ hiÖn ë ®é tr'¬ng b0o hßa gi¶m v ®é 6. J. Heinemann, P. Reichert, R. Thomann, R.<br /> thÊm dung m«i chËm. Víi vËt liÖu 1% kho¸ng Muelhaupt. Macromol. Rapid. Commun., 20,<br /> sÐt nano th× ®é thÊm dung m«i chËm nhÊt. P. 423 - 430 (1999).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 222<br /> 5. Kh¶o s¸t cÊu tróc h×nh th¸i häc<br /> MÉu ®'îc c¾t l¸t máng trªn m¸y c¾t mocrotom cã ®é d y v i µm, ng©m trong cån 30 ng y cho bong<br /> nh÷ng tiÓu ph©n kho¸ng sÐt kh«ng tham gia t'¬ng t¸c sau ®ã phñ b¹c b»ng ph'¬ng ph¸p bèc bay<br /> ch©n kh«ng v ®'a v o khoang chôp cña kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt víi ®é phãng ®¹i 10 ng n lÇn.<br /> Trªn h×nh 4 cho phÐp quan s¸t trùc tiÕp sù ph©n líp cña kho¸ng sÐt nano trong chÊt nÒn HDPE víi<br /> ®é ph©n gi¶i 1µm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 4: BÒ mÆt c¾t HDPE- Kho¸ng sÐt<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 223<br />