Xem mẫu
T¹p chÝ Hãa häc, T. 44 (4), Tr. 465 - 470, 2006
tÝnh chÊt c¬ häc vµ h×nh th¸i cÊu tróc cña polyme blend polyamit/polypropylen
§Õn Tßa so¹n 26-9-2005
§o ThÕ Minh, TrÞnh S¬n H
ViÖn Kü thuËt NhiÖt ®íi, ViÖn Khoa häc v+ C«ng nghÖ ViÖt Nam
SUMMARY
The aims of this work were to prepare compatibilizers and polymer blends at a pilot scale served for the railway branch. Firstly, the grafting of maleic anhydride into polypropylene (PP-g-AM) was carried out by an industrial single extruder at the temperature zone 165 - 180oC and was qualitatively and quantitatively characterized by Infrared Spectroscopy. The grafted maleic anhydride contents were found to be 0.46 - 1%. Afterward, polymer blends of polyamide and polypropylene were prepared with a industrial injection molding machine in presence of the maleic anhydride grafted polypropylene as a compatibilizer. It clearly showed that the mechanical properties of the PA/PP-g-AM/PP blends in term of tensile strength and elongation at break were 6.43 and 1.34 times higher than those of the PA/PP mixiture without a compatibilizer. The creep testing results showed that the blend was deformed 1.4% by a load of 9.73 MPa and by a load of 12.16 MPa the blend was deformed 2.86%, but no break was observed. It proved that there were no phase separation due to good adhesion between polyamide and polypropylene thanks to PP-g-AM compatibilizer. The SEM images showed that the blend PA/PP-g-AM/PP had a fine structure and appeared only the little carckings by imposing a load of 208 MPa while the grand and long crackings appeared onto the mixture PA/PP only by a load of 56.99 MPa.
I - Më ®Çu
VËt liÖu polyme blend ®îc chÕ t¹o b»ng viÖc trén hîp hai hoÆc nhiÒu polyme kh¸c nhau ®Ó kÕt hîp ®îc nh÷ng tÝnh chÊt næi tréi cña mçi polyme th2nh phÇn. Polyamit (PA) v2 polypropylen (PP) l2 hai polyme kü thuËt quan träng. PA thêng ®îc sö dông chÕ t¹o c¸c chi tiÕt: ®iÖn, c¬ khÝ v2 c¸c chi tiÕt cho « t« do cã tÝnh chÊt c¬ häc cao, chÞu nhiÖt, chÞu m2i mßn, dÔ gia c«ng v2 s¶n xuÊt. Tuy vËy, kh¶ n¨ng chÞu va ®Ëp, ®é æn ®Þnh vÒ kÝch thíc v2 ®é bÒn ®èi víi m«i trêng Èm kÐm, céng thªm gi¸ th2nh cña PA t¬ng ®èi ®¾t, do vËy viÖc øng dông polyme n2y trong mét sè lÜnh vùc bÞ h¹n chÕ. Nh÷ng nhîc ®iÓm trªn cña PA cã thÕ kh¾c phôc b»ng viÖc trén hîp víp PP. Nh ®U biÕt PP cã tÝnh chÊt c¬ häc t¬ng ®èi cao, chÞu Èm v2
gi¸ th2nh thÊp. §¸ng tiÕc l2 PA v2 PP kh«ng trén hîp ®îc. Do vËy, cÇn ph¶i ®a thªm v2o tæ hîp vËt liÖu polyme blend nh÷ng chÊt t¬ng hîp cã kh¶ n¨ng kÕt dÝnh gi÷a hai pha nh»m t¹o ra polyme blend cã tÝnh chÊt c¬ häc tèt. NhiÒu n¨m trë l¹i ®©y, polyme blend PA/PP ®U ®îc nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu [1 - 6]. Trong c«ng tr×nh n2y chóng t«i tr×nh b2y kÕt qu¶ ghÐp anhi®ric maleic (AM) lªn PP trªn thiÖt bÞ ®ïn c«ng nghiÖp, tÝnh chÊt c¬ häc v2 h×nh th¸i cÊu tróc cña vËt liÖu polyme blend PA/PP ®îc chÕ t¹o trªn m¸y phun c«ng nghiÖp nh»m môc ®Ých chÕ t¹o mét sè phô kiÖn ®2n håi phôc vô cho ng2nh ®êng s¾t ViÖt Nam.
II - thùc nghiÖm
1. Nguyªn liÖu v hãa chÊt chÝnh
465
- PA6: S¶n phÈm th¬ng m¹i cña hUng Toray (NhËt B¶n) ë d¹ng h¹t, tû träng 1,13 g/cm3, chØ sè ch¶y 25 g/10 phót (230oC, t¶i träng 2,16 kg), kho¶ng nhiÖt ®é nãng ch¶y 224oC.
PP: S¶n phÈm th¬ng m¹i cña hUng Samsung (H2n Quèc) ë d¹ng h¹t, tû träng 0,9 g/cm3, chØ sè ch¶y 3,5 g/10 phót (190oC, t¶i träng 2,16 kg), kho¶ng nhiÖt ®é nãng ch¶y 165oC.
AM: S¶n phÈm th¬ng m¹i cña hUng Sigma Aldrich (Mü), nhiÖt ®é nãng ch¶y 52,8oC, ®é tinh khiÕt 97%.
DCP (dicumyl peoxit): S¶n phÈm th¬ng m¹i cña hUng Aldrich (Mü), ®é tinh khiÕt 97%.
ChÊt t¬ng hîp so s¸nh (copolyme): §ã l2 s¶n phÈm ®ång trïng hîp gi÷a propylen v2 AM cña hUng Exxellor (CHLB §øc), cã tªn th¬ng m¹i PO 1015, h2m lîng AM l2 0,4%, tû träng 0,9 g/cm3.
2. GhÐp AM lªn PP
Qu¸ tr×nh ghÐp AM lªn PP chÕ ®îc tiÕn h2nh nh sau:
- Trén PP víi AM v2 DCP víi c¸c tû lÖ kh¸c nhau;
- GhÐp trªn thiÕt bÞ ®ïn c¾t h¹t ë nhiÖt ®é tõ 165oC ®Õn 180oC;
- L2m l¹nh v2 c¾t h¹t ; - SÊy kh«.
3. ChÕ t¹o polyme blend PA/PP-g-AM/PP
VËt liÖu PA, PP v2 chÊt t¬ng hîp PP-g-AM ®îc trén trong thiÕt bÞ trén ë c¸c tû lÖ kh¸c
nhau, sau ®ã phun trªn thiÕt bÞ phun Woojin
Selex E-150 cña H2n Quèc ë trong kho¶ng nhiÖt ®é 230 - 255oC v2 ¸p suÊt 150 MPa. MÉu ®îc phun d¹ng h×nh ch2y theo tiªu chuÈn ASTM D 638-99.
4. C¸c ph*¬ng ph¸p ph©n tÝch
a) X¸c ®Þnh h+m lKîng AM ghÐp v+o PP
MÉu PP sau khi ghÐp AM ®îc trÝch ly b»ng axeton trong 8 giê ®Ó lo¹i AM kh«ng ph¶n øng v2 sÊy 70oC trong 8 giê. H2m lîng AM ®îc x¸c ®Þnh ë d¹ng m2ng cã chiÒu d2y 50 µm trªn
m¸y hång ngo¹i Perkin Elmmer, dùa v2o sù xuÊt hiÖn v2 cêng ®é pic dao ®éng cña nhãm cacbonyl CO thuéc vßng anhi®ric maleic ë d¶i kho¶ng 1786 cm-1. H2m lîng AM ®îc ghÐp lªn PP (% träng lîng) ®îc tÝnh dùa v2o tû lÖ diÖn tÝch A1786/A1166 (A1786: diÖn tÝch cña pic cña nhãm CO ë 1786 cm t¬ng øng víi lîng AM; A1166: diÖn tÝch cña pic cña nhãm CH3 ë 1166 cm t¬ng øng víi nhãm CH3 cña PP) v2 ®êng chuÈn A1786/A1166 - h2m lîng AM.
- Ph©n tÝch nhiÖt DTA
TiÕn h2nh trªn thiÕt bÞ Shimadzu DSC-50, trong m«i trêng kh«ng khÝ, ®èt nãng tõ nhiÖt ®é phßng ®Õn 400oC víi tèc ®é 10oC/phót.
- Kh¶o s¸t h×nh th¸i cÊu tróc cña vËt liÖu polyme blend
B»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM). MÉu ®îc c¾t trªn microtone th2nh b¶n máng 50 µm, phñ kim lo¹i v2 ®îc chôp b»ng thiÕt bÞ kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt Jeol-5300 (NhËt B¶n).
- §o tÝnh chÊt c¬ häc
Cêng ®é kÐo ®øt b v2 ®é giUn d2i t¬ng ®èi khi ®øt b ®îc ®o trªn m¸y ®o tÝnh chÊt c¬ häc ZWICK (CHLB §øc). Mçi blend ®o 3 mÉu ®Ó lÊy gi¸ trÞ trung b×nh.
- §o ®é rWo theo kÐo
Trªn m¸y STRAINVIS COD. 6800.000 cña hUng CEAST (ý), t¹i Trung t©m nghiªn cøu vËt
liÖu polyme, Trêng §¹i häc B¸ch khoa H2 Néi. MÉu ®îc thö nghiÖm ë t¶i träng 40 kg (9,73 MPa), 50 kg (12,16 MPa), ë nhiÖt ®é 40oC trong 72 giê.
III - KÕt qu¶ v th¶o luËn
1. GhÐp anhi®ric maleic lªn PP
H×nh 1 tr×nh b2y phæ hång ngo¹i cña mÉu
PP v2 mÉu PP-g-AM. ë mÉu PP xuÊt hiÖn pic ë 1722 cm-1. Pic n2y theo Lion Xavier [7] øng víi dao ®éng cña nhãm CO thuéc nhãm hi®ropeoxit (COOH) t¹i nguyªn tö cacbon bËc ba, h×nh th2nh do PP bÞ oxi hãa trong qu¸ tr×nh lu tr÷ trong kho. Ngîc l¹i, ë mÉu PP-g-AM, pic n2y bÞ mÊt v2 xuÊt hiÖn pic mét pic míi ë
466
PP-g-AM
PP
PP-g-MA
H×nh 1: Phæ hång ngo¹i cña PP v2 PP-g-AM
1786 cm-1, øng víi dao ®éng cña nhãm CO cña vßng anhy®ric maleic. §iÒu n2y chøng tá khi ghÐp AM v2o PP, nhãm hi®ropeoxit ®U bÞ ph©n hñy t¹o th2nh gèc v2 cïng víi c¸c chÊt kh¬i m2o ph¶n øng DCP ®U tham gia v2o qu¸ tr×nh
kh¬i m2o ph¶n øng ghÐp AM lªn PP. KÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®Þnh lîng cho thÊy AM ghÐp v2p PP l2 0,5 - 1%. PP sau khi ghÐp AM vÉn gi÷ ®îc tÝnh chÊt c¬ häc kh¸ tèt.
2. Ph©n tÝch nhiÖt
DTA, uV 5,00
0,00
-5,00
164,8oC
224,4oC
-10,00
0,00 100 200
300 400
NhiÖt ®é, oC
H×nh 2: Gi¶n ®å DTA cña blend PA/PP-g-AM/PP
KÕt qu¶ ph©n tÝch nhiªt cho thÊy polyme blend PA/PP-g-AM/PP cã hai pic thu nhiÖt ë 164,8oC øng víi nhiÖt ®é ch¶y cña pha PP v2 ë 224,4oC øng víi nhiÖt ®é ch¶y cña pha PA. Gi÷a hai pic trªn kh«ng tån t¹i pic thu nhiÖt cña pha hçn hîp PA/PP. §iÒu n2y cho thÊy blend PA/PP-g-AM/PP chØ cã hai pha v2 chÊt t¬ng hîp PP-g-AM tån t¹i ë mÆt ph©n c¸ch gi÷a c¸c
pha PA v2 PP chØ ®ãng vai trß chÊt kÕt nèi chø kh«ng t¹o mét pha riªng biÖt.
§é bÒn kÐo ®øt cña hçn hîp PA/PP, cña blend PA/PP-g-AM/PP còng nh cña blend PA/copolyme/PP ®îc tr×nh b2y ë h×nh 3. Qua h×nh 3 chóng ta cã thÓ dÔ d2ng nhËn thÊy khi chØ trén hîp ®¬n thuÇn PA v2 PP v2 kh«ng cã mÆt cña chÊt t¬ng hîp th× tÝnh chÊt c¬ häc cña hçn
467
hîp PA/PP rÊt kÐm, ®é dUn d2i t¬ng ®èi chØ ®¹t 46% v2 ®é bÒn kÐo ®øt cña hçn hîp PA/PP còng chØ ®¹t 39,04 MPa, thÊp h¬n rÊt nhiÒu so víi PP v2 PA ban ®Çu. Khi cã mÆt cña PP-g-AM tÝnh chÊt c¬ häc cña blend t¨ng lªn rÊt nhiÒu (h×nh 2b): ®é giUn d2i t¬ng ®èi khi ®øt ®¹t tíi 296% tøc l2 cao h¬n so víi PA ban ®Çu. Vai trß cña chÊt t¬ng hîp ë ®©y cã thÓ gi¶i thÝch qua viÖc h×nh th2nh mét líp chuyÓn tiÕp gi÷a hai pha PP v2 PA tõ PP-g-AM. Nh÷ng ®o¹n m¹ch cña PP-g-AM ®U kÕt dÝnh víi pha PP ®ång thêi còng kÕt
dÝnh víi pha PA qua cÇu liªn kÕt hydro hoÆc ph¶n øng cña nhãm AM ghÐp trªn m¹ch PP víi c¸c nhãm amin v2 amit cña PA.
Khi so s¸nh gi÷a blend PA/PP-g-AM/PP sö dông chÊt t¬ng hîp chÕ t¹o trªn m¸y ®ïn do chóng t«i tù chÕ t¹o v2 PA/copolyme/PP sö dông chÊt t¬ng hîp nhËp ngo¹i chóng t«i nhËn thÊy kh«ng cã sù kh¸c biÖt lín vÒ tÝnh chÊt c¬ häc. C¸c chØ sè vÒ ®é bÒn ®øt, ®é giUn d2i khi ®øt v2 ®é dÎo cña hai tæ hîp trªn ®Òu t¬ng ®¬ng (xem b¶ng 1).
80 80
a b
60 60
40 40
20 20
0 0 20 40 60 0 0 20 40 60
BiÕn d¹ng, % BiÕn d¹ng, %
H×nh 3: Gi¶n ®å phô thuéc cña ®é bÒn kÐo ®øt v2o ®é giUn d2i t¬ng ®èi cña hçn hîp PA/PP kh«ng cã chÊt t¬ng hîp (a) v2 blend PA/PP-g-AM/PP (b)
4. §é bÒn r·o cña vËt liÖu
1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Thêi gian chÞu t¶i, h
H×nh 4: §é biÕn d¹ng rUo kÐo cña blend PA/PP-g-AM/PP
468
KÕt qu¶ ®o ®é rUo theo kÐo cña vËt liÖu ë øng suÊt 9,73 v2 12,16 MPa, ë nhiÖt ®é 40oC trong thêi gian 55,42 giê ®îc tr×nh b2y ë h×nh
4. ë øng suÊt 9,73 MPa mÉu bÞ biÕn d¹ng 1,4%, m«®un rUo gi¶m tõ 4524,7 xuèng 555 MPa v2 ë øng suÊt 12,16 MPa mÉu bÞ biÕn d¹ng 2,86%, m«®un rUo gi¶m tõ 1123,3 MPa xuèng 340,6
(a) Hçn hîp PA/PP
MPa. Nh vËy, díi t¸c ®éng cña t¶i träng theo thêi gian vËt liÖu blend cã bÞ biÕn d¹ng, song kh«ng bÞ ph¸ huû do kh«ng bÞ t¸ch pha. §iÒu ®ã chøng tá PA v2 PP cã sù kÕt dÝnh tèt.
5. H×nh th¸i cÊu tróc cña polyme blend PA/PP-g-AM/PP
(b) Blend PA/PP-g-AM/PP
H×nh 5: ¶nh SEM cña hçn hîp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP
CÊu tróc cña cña hçn hîp PA/PP v2 vËt liÖu blend PA/PP-g-AM/PP ®îc thÓ hiÖn ë h×nh 5. Chóng ta dÔ d2ng nhËn thÊy, ë hçn hîp PA/PP (h×nh 5a) cã cÊu tróc rÊt th« cã nhiÒu c¸c hèc, cßn ë blend PA/PP-g-AM/PP (h×nh 5b) cã cÊu
(a) Hçn hîp PA/PP ë 56,99 MPa
tróc rÊt mÞn, rÊt khã ph©n biÖt ®îc ranh giíi cña c¸c pha v2 ho2n to2n kh«ng cã c¸c lç, c¸c hèc. Râ r2ng nhê cã chÊt t¬ng hîp c¸c pha cña polyme blend ph©n t¸n ®Òu v2 liªn kÕt víi nhau chÆt chÏ h¬n.
(b) Blend PA/PP-g-AM/PP ë 208 MPa
H×nh 6: ¶nh SEM cña hçn hîp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bÞ ph¸ hñy (chôp ph¬ng song song víi lùc t¸c ®éng)
H×nh 6 tr×nh b2y cÊu tróc cña hçn hîp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bÞ ph¸ huû kÐo ®øt. DÔ d2ng nhËn thÊy khi t¸c
dông lùc c¬ häc v2o vËt liÖu xuÊt hiÖn sù biÕn d¹ng cña c¸c pha còng nh sù t¸ch cña c¸c pha. Mét ®iÒu thó vÞ l2 ë hçn hîp PA/PP do kh«ng cã
469
...
- tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn