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