Tính chất cơ học và hình thái cấu trúc polymer pps

465
Tạp chí Hóa học, T. 44 (4), Tr. 465 - 470, 2006
tính chất cơ học và hình thái cấu trúc
của polyme blend polyamit/polypropylen
Đến Tòa soạn 26-9-2005
Đo Thế Minh, Trịnh Sơn H
Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học v+ Công nghệ Việt 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 - 180
o
C 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 - Mở đầu
Vật liệu polyme blend đợc chế tạo bằng
việc trộn hợp hai hoặc nhiều polyme khác nhau
để kết hợp đợc những tính chất nổi trội của mỗi
polyme th2nh phần. Polyamit (PA) v2

polypropylen (PP) l2 hai polyme kỹ thuật quan
trọng. PA thờng đợc sử dụng chế tạo các chi
tiết: điện, cơ khí v2 các chi tiết cho ô tô do có
tính chất cơ học cao, chịu nhiệt, chịu m2i mòn,
dễ gia công v2 sản xuất. Tuy vậy, khả năng chịu
va đập, độ ổn định về kích thớc v2 độ bền đối
với môi trờng ẩm kém, cộng thêm giá th2nh
của PA tơng đối đắt, do vậy việc ứng dụng
polyme n2y trong một số lĩnh vực bị hạn chế.
Những nhợc điểm trên của PA có thế khắc
phục bằng việc trộn hợp vớp PP. Nh đU biết PP
có tính chất cơ học tơng đối cao, chịu ẩm v2
giá th2nh thấp. Đáng tiếc l2 PA v2 PP không
trộn hợp đợc. Do vậy, cần phải đa thêm v2o
tổ hợp vật liệu polyme blend những chất tơng
hợp có khả năng kết dính giữa hai pha nhằm tạo
ra polyme blend có tính chất cơ học tốt. Nhiều
năm trở lại đây, polyme blend PA/PP đU đợc
nhiều tác giả nghiên cứu [1 - 6]. Trong công
trình n2y chúng tôi trình b2y kết quả ghép
anhiđric maleic (AM) lên PP trên thiệt bị đùn
công nghiệp, tính chất cơ học v2 hình thái cấu
trúc của vật liệu polyme blend PA/PP đợc chế
tạo trên máy phun công nghiệp nhằm mục đích
chế tạo một số phụ kiện đ2n hồi phục vụ cho
ng2nh đờng sắt Việt Nam.
II - thực nghiệm
1. Nguyên liệu v hóa chất chính
466
- PA6: Sản phẩm thơng mại của hUng

Toray (Nhật Bản) ở dạng hạt, tỷ trọng 1,13
g/cm
3
, chỉ số chảy 25 g/10 phút (230
o
C, tải
trọng 2,16 kg), khoảng nhiệt độ nóng chảy
224
o
C.
PP: Sản phẩm thơng mại của hUng
Samsung (H2n Quốc) ở dạng hạt, tỷ trọng 0,9
g/cm
3
, chỉ số chảy 3,5 g/10 phút (190
o
C, tải
trọng 2,16 kg), khoảng nhiệt độ nóng chảy
165
o
C.
AM: Sản phẩm thơng mại của hUng Sigma
Aldrich (Mỹ), nhiệt độ nóng chảy 52,8
o
C, độ
tinh khiết 97%.
DCP (dicumyl peoxit): Sản phẩm thơng
mại của hUng Aldrich (Mỹ), độ tinh khiết 97%.
Chất tơng hợp so sánh (copolyme): Đó l2
sản phẩm đồng trùng hợp giữa propylen v2 AM

của hUng Exxellor (CHLB Đức), có tên thơng
mại PO 1015, h2m lợng AM l2 0,4%, tỷ trọng
0,9 g/cm
3
.
2. Ghép AM lên PP
Quá trình ghép AM lên PP chế đợc tiến
h2nh nh sau:
- Trộn PP với AM v2 DCP với các tỷ lệ khác
nhau;
- Ghép trên thiết bị đùn cắt hạt ở nhiệt độ từ
165
o
C đến 180
o
C;
- L2m lạnh v2 cắt hạt ;
- Sấy khô.
3. Chế tạo polyme blend PA/PP-g-AM/PP
Vật liệu PA, PP v2 chất tơng hợp PP-g-AM
đợc trộn trong thiết bị trộn ở các tỷ lệ khác
nhau, sau đó phun trên thiết bị phun Woojin
Selex E-150 của H2n Quốc ở trong khoảng
nhiệt độ 230 - 255
o
C v2 áp suất 150 MPa. Mẫu
đợc phun dạng hình ch2y theo tiêu chuẩn
ASTM D 638-99.
4. Các ph*ơng pháp phân tích
a) Xác định h+m lKợng AM ghép v+o PP

Mẫu PP sau khi ghép AM đợc trích ly bằng
axeton trong 8 giờ để loại AM không phản ứng
v2 sấy 70
o
C trong 8 giờ. H2m lợng AM đợc
xác định ở dạng m2ng có chiều d2y 50 àm trên
máy hồng ngoại Perkin Elmmer, dựa v2o sự
xuất hiện v2 cờng độ pic dao động của nhóm
cacbonyl CO thuộc vòng anhiđric maleic ở dải
khoảng 1786 cm
-1
. H2m lợng AM đợc ghép
lên PP (% trọng lợng) đợc tính dựa v2o tỷ lệ
diện tích A
1786
/A
1166
(A
1786
: diện tích của pic của
nhóm CO ở 1786 cm
-1
tơng ứng với lợng AM;
A
1166
: diện tích của pic của nhóm CH
3
ở 1166
cm
-

1
tơng ứng với nhóm CH
3
của PP) v2 đờng
chuẩn A
1786
/A
1166
- h2m lợng AM.
- Phân tích nhiệt DTA
Tiến h2nh trên thiết bị Shimadzu DSC-50,
trong môi trờng không khí, đốt nóng từ nhiệt
độ phòng đến 400
o
C với tốc độ 10
o
C/phút.
- Khảo sát hình thái cấu trúc của vật liệu
polyme blend
Bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Mẫu
đợc cắt trên microtone th2nh bản mỏng 50 àm,
phủ kim loại v2 đợc chụp bằng thiết bị kính
hiển vi điện tử quét Jeol-5300 (Nhật Bản).
- Đo tính chất cơ học
Cờng độ kéo đứt
b
v2 độ giUn d2i tơng
đối khi đứt
b
đợc đo trên máy đo tính chất cơ

học ZWICK (CHLB Đức). Mỗi blend đo 3 mẫu
để lấy giá trị trung bình.
- Đo độ rWo theo kéo
Trên máy STRAINVIS COD. 6800.000 của
hUng CEAST (ý), tại Trung tâm nghiên cứu vật
liệu polyme, Trờng Đại học Bách khoa H2 Nội.
Mẫu đợc thử nghiệm ở tải trọng 40 kg (9,73
MPa), 50 kg (12,16 MPa), ở nhiệt độ 40
o
C trong
72 giờ.
III - Kết quả v thảo luận
1. Ghép anhiđric maleic lên PP
Hình 1 trình b2y phổ hồng ngoại của mẫu
PP v2 mẫu PP-g-AM. ở mẫu PP xuất hiện pic ở
1722 cm
-1
. Pic n2y theo Lion Xavier [7] ứng với
dao động của nhóm CO thuộc nhóm hiđropeoxit
(COOH) tại nguyên tử cacbon bậc ba, hình
th2nh do PP bị oxi hóa trong quá trình lu trữ
trong kho. Ngợc lại, ở mẫu PP-g-AM, pic n2y
bị mất v2 xuất hiện pic một pic mới ở
467
Hình 1: Phổ hồng ngoại của PP v2 PP-g-AM

1786 cm
-1
, ứng với dao động của nhóm CO của
vòng anhyđric maleic. Điều n2y chứng tỏ khi

ghép AM v2o PP, nhóm hiđropeoxit đU bị phân
hủy tạo th2nh gốc v2 cùng với các chất khơi
m2o phản ứng DCP đU tham gia v2o quá trình
khơi m2o phản ứng ghép AM lên PP. Kết quả
xác định định lợng cho thấy AM ghép v2p PP
l2 0,5 - 1%. PP sau khi ghép AM vẫn giữ đợc
tính chất cơ học khá tốt.
2. Phân tích nhiệt

Hình 2: Giản đồ DTA của blend PA/PP-g-AM/PP
Kết quả phân tích nhiêt cho thấy polyme
blend PA/PP-g-AM/PP có hai pic thu nhiệt ở
164,8
o
C ứng với nhiệt độ chảy của pha PP v2 ở
224,4
o
C ứng với nhiệt độ chảy của pha PA. Giữa
hai pic trên không tồn tại pic thu nhiệt của pha
hỗn hợp PA/PP. Điều n2y cho thấy blend
PA/PP-g-AM/PP chỉ có hai pha v2 chất tơng
hợp PP-g-AM tồn tại ở mặt phân cách giữa các
pha PA v2 PP chỉ đóng vai trò chất kết nối chứ
không tạo một pha riêng biệt.
Độ bền kéo đứt của hỗn hợp PA/PP, của
blend PA/PP-g-AM/PP cũng nh của blend
PA/copolyme/PP đợc trình b2y ở hình 3. Qua
hình 3 chúng ta có thể dễ d2ng nhận thấy khi chỉ
trộn hợp đơn thuần PA v2 PP v2 không có mặt
của chất tơng hợp thì tính chất cơ học của hỗn

164,8
o
C
5,00
0,00
-5,00
-10,00
0,00 100 200 300
400
224,4
o
C
DTA, uV
Nhiệt độ,
o
C
PP
-
g
-
AM
PP
Transmission, %
PP
-
g
-
MA
468
hợp PA/PP rất kém, độ dUn d2i tơng đối chỉ đạt

46% v2 độ bền kéo đứt của hỗn hợp PA/PP cũng
chỉ đạt 39,04 MPa, thấp hơn rất nhiều so với PP
v2 PA ban đầu. Khi có mặt của PP-g-AM tính
chất cơ học của blend tăng lên rất nhiều (hình
2b): độ giUn d2i tơng đối khi đứt đạt tới 296%
tức l2 cao hơn so với PA ban đầu. Vai trò của
chất tơng hợp ở đây có thể giải thích qua việc
hình th2nh một lớp chuyển tiếp giữa hai pha PP
v2 PA từ PP-g-AM. Những đoạn mạch của PP-
g-AM đU kết dính với pha PP đồng thời cũng kết
dính với pha PA qua cầu liên kết hydro hoặc
phản ứng của nhóm AM ghép trên mạch PP với
các nhóm amin v2 amit của PA.
Khi so sánh giữa blend PA/PP-g-AM/PP sử
dụng chất tơng hợp chế tạo trên máy đùn do
chúng tôi tự chế tạo v2 PA/copolyme/PP sử
dụng chất tơng hợp nhập ngoại chúng tôi nhận
thấy không có sự khác biệt lớn về tính chất cơ
học. Các chỉ số về độ bền đứt, độ giUn d2i khi
đứt v2 độ dẻo của hai tổ hợp trên đều tơng
đơng (xem bảng 1).

Biến dạng, % Biến dạng, %
Hình 3: Giản đồ phụ thuộc của độ bền kéo đứt v2o độ giUn d2i tơng đối của hỗn hợp PA/PP
không có chất tơng hợp (a) v2 blend PA/PP-g-AM/PP (b)

4. Độ bền rão của vật liệu

Hình 4: Độ biến dạng rUo kéo của blend PA/PP-g-AM/PP
b

0 20 40
60
80
60
40
20
0
ứ
ng suất, MPa
a
0 20 40 60
80
60
40
20
0
ứ
ng suất, MPa
Thời gian chịu tải, h
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
Độ biến dạng, mm
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
469
Kết quả đo độ rUo theo kéo của vật liệu ở
ứng suất 9,73 v2 12,16 MPa, ở nhiệt độ 40
o
C
trong thời gian 55,42 giờ đợc trình b2y ở hình
4. ở ứng suất 9,73 MPa mẫu bị biến dạng 1,4%,
môđun rUo giảm từ 4524,7 xuống 555 MPa v2 ở
ứng suất 12,16 MPa mẫu bị biến dạng 2,86%,
môđun rUo giảm từ 1123,3 MPa xuống 340,6
MPa. Nh vậy, dới tác động của tải trọng theo
thời gian vật liệu blend có bị biến dạng, song
không bị phá huỷ do không bị tách pha. Điều đó
chứng tỏ PA v2 PP có sự kết dính tốt.
5. Hình thái cấu trúc của polyme blend
PA/PP-g-AM/PP

(a) Hỗn hợp PA/PP (b) Blend PA/PP-g-AM/PP
Hình 5: ảnh SEM của hỗn hợp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP

Cấu trúc của của hỗn hợp PA/PP v2 vật liệu
blend PA/PP-g-AM/PP đợc thể hiện ở hình 5.
Chúng ta dễ d2ng nhận thấy, ở hỗn hợp PA/PP

(hình 5a) có cấu trúc rất thô có nhiều các hốc,
còn ở blend PA/PP-g-AM/PP (hình 5b) có cấu
trúc rất mịn, rất khó phân biệt đợc ranh giới
của các pha v2 ho2n to2n không có các lỗ, các
hốc. Rõ r2ng nhờ có chất tơng hợp các pha của
polyme blend phân tán đều v2 liên kết với nhau
chặt chẽ hơn.

(a) Hỗn hợp PA/PP ở 56,99 MPa (b) Blend PA/PP-g-AM/PP ở 208 MPa
Hình 6: ảnh SEM của hỗn hợp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bị phá hủy
(chụp phơng song song với lực tác động)

Hình 6 trình b2y cấu trúc của hỗn hợp
PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bị
phá huỷ kéo đứt. Dễ d2ng nhận thấy khi tác
dụng lực cơ học v2o vật liệu xuất hiện sự biến
dạng của các pha cũng nh sự tách của các pha.
Một điều thú vị l2 ở hỗn hợp PA/PP do không có
470
chất tơng hợp, các pha không có sự liên kết
chặt chẽ do đó chúng bị trợt rất mạnh v2 tách
khỏi nhau, tạo ra các vệt nứt d2i lớn ở cờng độ
kéo đứt 56,99 MPa. Trong khi đó ở polyme
blend PA/PP-g-AM/PP do có chất tơng hợp
PP-g-AM nên các pha kết dính với nhau tốt hơn,
quá trình trợt của các pha cũng xảy ra ít hơn,
ngay cả ở cờng độ kéo đứt 208 MPa (gấp 4 lần
cờng độ kéo đứt của hỗn hợp PA/PP), song chỉ
xuất hiện các vết rách rất nhỏ.
IV - Kết luận

- ĐU chế tạo đợc chất tơng hợp PP-g-AM
có h2m lợng AM l2 0,5 - 1% trên thiết bị đùn
công nghiệp.
- ĐU sử dụng PP-g-AM để chế tạo polyme
blend PA/PP-g-AM/PP trên thiết bị phun công
nghiệp. Vật liệu polyme blend có tính chất cơ
học cao đáp ứng đợc việc chế tạo một số phụ
kiện đ2n hồi cho ng2nh đờng sắt.
Ti liệu tham khảo
1. A. Gonzalez Montiel, H. Keskkula, D. R.
Paul. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.,
33, 12, 1751 - 1767 (1995).
2. S. H. P. Bettini, J. A. M. Agnelli. J. Appl.
Polym. Sci., 74, 247 - 255 (1999).
3. S. H. Jafari, A. K. Gupta. J. Appl. Polym.
Sci., 71, 11153 - 11161 (1999).
4. RaJ K. Datta, Malcolm B. Polk and Satish
Kumar. J. Polym. Plast. Technol. Eng., 34,
4, 551 - 560 (1995).
5. Martin van Duin, Marcel Aussems, Rein J.
M. Borggreve. J. Polym. Sci., Part A:
Polym. Chem., 36, 179 - 188 (1998).
6. Bùi Chơng, Nguyễn Văn Huynh. Tạp chí
Hóa học, T. 40, số ĐB, Tr. 165 - 167
(2002).
7. Lion Xavier. Master thesis, Univesité Libre
de Bruxelles (1991).