Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend cao su thiên nhiên và cao su nitril butadien với nanoclay

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
----------

CAO THỊ TRANG

TÍNH CHẤT CƠ CỦA VẬT LIỆU
POLYPROPYLEN ĐỘN HẠT THỦY TINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi Trƣờng

HÀ NỘI - 2016


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được hoàn thành tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme
& Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Việt
Dũng và PGS.TS Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật
liệu Polyme & Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại
học Sư Phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá

trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này.
Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên
không tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy em rất mong được nhận sự góp ý, chỉ
bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm.
Em xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, tháng 5 năm 2016
Sinh viên

Cao Thị Trang

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các bảng
Bảng
Bảng 2.1

Tên bảng

Trang

Thành phần các mẫu vật liệu polypropylen chứa các
loại chất độn hạt thủy tinh khác nhau

16

2. Danh mục các hình
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1 Vật liệu compozit với các chất độn gia cường khác nhau

3

Hình 1.2 Isotactic polypropylen

9

Hình 1.3 Syndiotactic polypropylen

9

Hình 1.4 Atactic polypropylen

9

Hình 1.5 Các sản phẩm làm từ PP

12

Hình 2.1 Máy trộn kín Brabender

17

Hình 2.2 Máy SEM JSM- 6490

18

Hình 2.3 Máy đo tính chất cơ giãn dài

19

Hình 2.4 Máy tạo khía mẫu đo độ bền va đập

20

Hình 2.5 Thiết bị đo độ bền va đập

20

Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
chưa biến đổi bề mặt

21

Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
biến đổi bề mặt bằng dầu silicon

22

Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylen chứa hạt thủy tinh
biến đổi bề mặt bằng hợp chất vinyl silan

23

Hình 3.4 Mô đun đàn hồi của vật liệu PP độn hạt thủy tinh

24

Hình 3.5 Độ bền kéo đứt của vật liệu PP độn hạt thủy tinh

25

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3.6 Độ giãn dài khi đứt của vật liệu PP độn hạt thủy tinh

26

Hình 3.7 Tính chất cơ phá hủy của vật liệu PP độn hạt thủy tinh

27

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC VIẾT TẮT

PC

Polyme compozit

PP

Polypropylen

PE

Polyetylen

PVC

Polyvinylclorua

PS

Polystylen

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 2
Chương 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 3
1.1. Vật liệu polyme compozit (PC) ............................................................. 3
1.1.1. Khái niệm vật liệu polyme compozit ............................................... 3
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển ..................................................... 3
1.1.3. Phân loại vật liệu polyme compozit ................................................ 4
1.1.4. Thành phần chính của vật liệu polyme compozit............................ 5
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PC ............................................................... 6
1.2. Nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP)......................................................... 7
1.2.1. Cấu trúc phân tử ............................................................................. 8
1.2.2. Tính chất của polypropylen .......................................................... 10
1.2.3. Ứng dụng ....................................................................................... 11
1.3. Chất độn trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit.............................. 13
Chương 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 15
2.1. Nguyên vật liệu .................................................................................... 15
2.2. Phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu ................................................. 15

2.3. Phương pháp xác định các tính chất của vật liệu ................................ 17
2.3.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét ........................................................ 17
2.3.2. Xác định tính chất cơ giãn dài ....................................................... 19
2.3.3. Xác định độ bền va đập ................................................................. 19
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 21
3.1. Tương tác pha giữa chất độn hạt thủy tinh và chất nền polypropylen ....... 21

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

3.2. Tính chất cơ giãn dài ............................................................................ 23
3.2.1. Mô đun đàn hồi ............................................................................. 23
3.2.2. Độ bền kéo đứt .............................................................................. 24
3.2.3. Độ giãn dài khi đứt ....................................................................... 25
3.3. Tính chất cơ phá hủy ............................................................................ 26
KẾT LUẬN............................................................................................................................ 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................. 29

Cao Thị Trang

K38B- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit, nhựa nhiệt dẻo polypropylen
là một trong những loại vật liệu được ứng dụng nhiều nhất do khả năng biến
đổi tính chất trong một khoảng rộng cũng như như tỷ lệ khả năng/giá thành hấp
dẫn. Polypropylen cũng là đối tượng trong rất nhiều các nghiên cứu khác nhau.
Chất độn hạt thủy tinh có dạng hình cầu đặc trưng. Không giống như
những chất độn dạng hạt khác như bột khoáng talc (chất độn 2D), sợi thủy tinh
(1D),… hạt thủy tinh là chất độn đẳng hướng. Ảnh hưởng của bề mặt chất độn
hay khả năng tương tác pha của nó đến tính chất của vật liệu compozit không
ảnh hưởng bởi hình dạng hay quá trình gia công. Do đó, lựa chọn chất độn hạt
thủy tinh để nghiên cứu ảnh hưởng của khả năng tương tác pha tới tính chất của
vật liệu nhằm loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng do đặc điểm hình học.
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu cơ bản trên thế giới đều tập trung
nghiên cứu độ bền va đập của hệ polypropylen/talc hay polypropylen/CaCO3.
Cũng đã có một số nghiên cứu về tính chất cơ của vật liệu polypropylen có
chứa chất độn hạt thủy tinh. Tuy nhiên, việc đánh giá ảnh hưởng chất độn hạt
thủy tinh đến tính chất cơ bao gồm cơ giãn dài và độ bền va đập trong mối
liên quan đến tính chất bề mặt của chất độn vẫn còn chưa được rõ ràng. Ở
Việt Nam, các nghiên cứu cơ bản về tính chất cơ của các loại vật liệu polyme
compozit có chứa chất độn như bột khoáng talc, CaCO3 hay hạt thủy tinh mới
chỉ thấy được bắt đầu ở phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit,
Viện Khoa học Vật liệu.
Với cách tiếp cận trên, đề tài “Tính chất cơ của vật liệu Polypropylen
độn hạt thủy tinh’’ sẽ góp phần làm rõ ảnh hưởng của bề mặt chất độn đến
tính chất cơ của vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen.

Cao Thị Trang

1

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt chất độn hay khả năng tương tác pha
khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu polypropylen.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu


Chế tạo vật liệu compozit polypropylen/hạt thủy tinh với hàm
lượng và những khả năng tương tác pha khác nhau.



Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến tính chất cơ
của vật liệu compozit polypropylen/hạt thủy tinh.



Nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt hạt thủy tinh với những khả

năng tương tác pha khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu được
gia cường.

Cao Thị Trang

2

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu polyme compozit (PC)
1.1.1. Khái niệm vật liệu polyme compozit
Vật liệu Polyme Compozit (Polymer Composite Material viết tắt là PC)
là một loại hợp chất bao gồm 2 hay nhiều pha, trong đó có một pha liên tục là
polyme nền (matrix) phụ thuộc vào hình dạng và bản chất của chất. Pha còn
lại (chất độn) PC có thể chia thành các nhóm sau:
- Chất độn phân tán
- Chất độn dạng sợi liên tục và có tính gia cường
- Chất độn khí hay các vật liệu xốp
- Hỗn hợp polyme-polyme

Hình 1.1. Vật liệu compozit với các chất độn gia cường khác nhau

1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu PC đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống. Khoảng 5.000 năm
trước Công nguyên, người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu PC vào cuộc sống
(ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự giãn nở trong quá trình

Cao Thị Trang

3

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nung đồ gốm). Khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, Người Ai Cập đã biết
vận dụng vật liệu PC với sản phẩm điển hình là vỏ thuyền bằng lau, sậy đan
tẩm bitum. Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho
ebonit. Năm 1920, Bakeland đã dùng bột nhựa độn vào nhựa bakelit và Jonh
đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa ure [10].
Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng việc chế tạo vật liệu PC mới
thực sự được chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Sự phát triển của vật liệu PC
đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi Stayer và
Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh và được Ellis và
Goster dùng gia cường cho Polyeste không no. Polyeste gia cường bằng sợi
thủy tinh được sử dụng trong ngành hàng không năm 1938.
Năm 1950, chất lượng của vật liệu PC được nâng lên rất nhiều nhờ sự

ra đời của nhựa Epoxy và hàng loạt các sợi gia cường như sợi cacbon,
polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay, các chi tiết chế tạo từ vật liệu
compozit nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp, dân dụng, y tế, thể thao, quân sự v.v...[6]
1.1.3. Phân loại vật liệu polyme compozit
Vật liệu PC được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu
thành phần [2, 5].
a) Phân loại theo hình dạng của vật liệu cốt
 Vật liệu PC cốt sợi là vật liệu compozit được gia cường bởi sợi có độ
bền riêng và modun đàn hồi cao như compozit sợi thủy tinh, cacbon,
xenlulozo,…Vật liệu compozit cốt sợi thường có hai loại là sợi liên
tục và sợi gián đoạn.
 Vật liệu PC cốt hạt là vật liệu compozit được gia cường bởi các hạt
với các dạng và kích thước khác nhau như bê tông, gỗ ép,…Cốt hạt
khác cốt sợi ở chỗ không có kích thước ưu tiên.

Cao Thị Trang

4

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

b) Phân loại theo bản chất của vật liệu thành phần

 Compozit nền hữu cơ: Có thể chịu được nhiệt độ dưới 300oC.
 Compozit nền kim loại: Có thể chịu được nhiệt độ đến 600oC.
 Compozit nền khoáng (gốm): Có thể chịu được nhiệt độ lên đến 1000oC.
1.1.4. Thành phần chính của vật liệu polyme compozit
a. Polyme nền [4]
Đây là một trong những cấu tử chính của vật liệu PC, polyme là pha
liên tục giữ vai trò là chất kết dính làm nhiệm vụ liên kết các vật liệu gia
cường, chuyển ứng suất lên chúng. Nền polyme sử dụng cho vật liệu PC có
thể là nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo.
 Nhựa nhiệt dẻo: là loại polyme có khả năng chảy mềm khi tăng nhiệt
độ lên và đóng rắn khi làm nguội. Nhựa nhiêt dẻo có khả năng tái sinh
nhiều lần. Một số nhựa nhiệt dẻo: polyetylen (PE), polypropylen (PP),
polyvinyl clorua (PVC), polystylen (PS),…
 Nhựa nhiệt rắn: là loại polyme khi chịu tác động của nhiệt hoặc các
phương pháp xử lý hóa học sẽ trở nên đóng rắn. Nhựa nhiệt rắn sau
khi đóng rắn không còn khả năng chuyển sang trạng thái chảy mềm
dưới tác dụng của nhiệt do nó không có khả năng tái sinh. Một số
nhựa nhiệt rắn: nhựa phenolic, nhựa epoxy, nhựa ure,…
Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.
b. Chất độn (cốt)
Chất độn( cốt) đóng vai trò làm tăng độ cứng, độ bền, khả năng chịu va
đập; cải thiện tính dẫn nhiệt, chịu nhiệt, khả năng chống mài mòn, khả năng dẫn
nhiệt của polyme nền. Một vai trò khá quan trọng của cốt đó là giảm giá thành
sản phẩm. Vật liệu cốt có thể là hạt, bột hoặc sợi (ngắn hoặc dài), thủy tinh, gốm,
kim loại và đặc biệt là có thể sử dụng sợi tự nhiên. Tùy thuộc vào yêu cầu của
từng loại sản phẩm mà người ta có thể chọn loại vật liệu cốt cho thích hợp.

Cao Thị Trang

5

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Có hai dạng cốt:
 Cốt dạng sợi: có tính chất cơ lý hóa cao hơn cốt dạng hạt, thường
dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp như: Sợi thủy tinh, sợi
cacbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amide.
 Cốt dạng hạt: thường sử dụng là silica, CaCO3 , vẩy mica, vẩy kim
loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphit,…được dùng
để cải thiện một số tính chất cơ lý của vật liệu PC như: tăng khả năng
chịu nhiệt, chịu mài mòn,…
c. Phụ gia [3]
Phụ gia sử dụng trong công nghiệp sản xuất các vật liệu PC là các chất
chống cháy, chống dính, chất liên kết, chất chống lão hóa,…
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PC
a) Thế giới
Với lịch sử phát triển phong phú, PC đã được nhiều nhà nghiên cứu
khoa học trên thế giới biết đến. Trong đại chiến thế giới thứ hai, nhiều nước
đã sử dụng PC để sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc
chiến. Cho đến nay, PC đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện
chế tạo ôtô dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tăng độ chịu
ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành
hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy

bay và một số linh kiện, máy móc khác. Trong ngành công nghiệp điện tử, PC
được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. PC
còn được sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành
dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…), ngành thể
thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng,
quốc tế dân sinh khác.

Cao Thị Trang

6

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

b) Việt Nam
Vật liệu PC được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền
kinh tế quốc dân. Nhựa dùng để sản xuất vật liệu PC được tiêu thụ ở Việt
Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về PC
cấp thành phố được tuyển trọn. Theo đó, vật liệu PC được sử dụng nhiều
trong đời sống xã hội: các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách
đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và
ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu,… Tại khoa răng- hàm- mặt của bệnh
viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu PC vào trong việc ghép
răng thưa.

Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu PC vào các lĩnh vực điện dân
dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện.
1.2. Nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP)
Từ rất xa xưa, con người đã sử dụng vật liệu polyme có nguồn gốc từ
thiên nhiên trong đời sống hằng ngày. Chẳng hạn như thuyền được quét
Bitum tăng khả năng chống thấm nước hay như những thổ dân ở Nam Mỹ vào
đầu thế kỷ 16 đã biết trích cây lấy nhựa để tẩm vào vải sợi để làm giầy dép đi
rừng [9]. Tuy nhiên những ứng dụng đó mới chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ và được
phát hiện một cách ngẫu nhiên. Chỉ đến đầu thế kỷ 19 thì ngành công nghiệp
polyme mới được phát triển và có qui mô, mở đầu là phát hiện dùng lưu
huỳnh lưu hóa cao su của Goodyear vào năm 1839. Tiếp đến vào năm 1859
việc tinh chế được xenlulo axetat, xenlulo nitrat… Đến năm 1909, Bakenland
đã ngiên cứu tổng hợp được nhựa phenol fomandehit. Tuy vậy chỉ đến những
thập niên 30 của thế kỷ 20 cùng với sự phát triển của các loại xúc tác như
Ziegler Natta, xúc tác philips và các nghiên cứu hóa lý và hóa học polyme thì
các loại nhựa mới liên tiếp được tổng hợp và sản xuất ở qui mô công nghiệp.
Cụ thể như năm 1920 polystyrol được đưa ra thị trường, polyvinylclorua vào

Cao Thị Trang

7

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

năm 1927, polyetylen tỉ trọng thấp (LDPE) vào năm 1933. Cho đến giữa
những năm 1950 (thế kỷ 20) thì các polyolefin có giá trị thương mại quan
trọng là polyetylen, polyizobutylen và đồng trùng hợp izobutylen-izopren.
Người ta đã chế tạo các polyme từ những olefin khác nhưng không nhận được
sản phẩm có giá trị thương mại.
Năm 1954, G.Natta (Ý) và K.Ziegler (Đức) đã tìm ra xúc tác “Ziegler”
có khả năng sản xuất các polyme có khối lượng phân tử cao từ propylen và
nhiều olefin khác. Bằng cách thay đổi công thức xúc tác, Natta có khả năng
sản xuất ra polypropylen có khối lượng phân tử cao với nhiều tính chất khác
nhau [9]. Natta sử dụng các chất xúc tác phát triển cho ngành công nghiệp
polyetylen và áp dụng công nghệ khí propylen. Sản xuất thương mại bắt đầu
vào năm 1957 và polypropylen sử dụng đã hiển thị tăng trưởng mạnh mẽ kể từ
ngày này. Sự linh hoạt của các polyme( khả năng thích ứng với một loạt các
phương pháp chế tạo và ứng dụng) đã duy trì tốc độ tăng trưởng cho phép PP
thách thức thị phần của một loạt các vật liệu thay thế trong rất nhiều ứng dụng.
PP là một lọai nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trùng
hợp các monome propylen. Các monome có thể kết hợp với nhau theo nhiều
cách tạo nên các đoạn mạch polyme có hình thái cấu tạo khác nhau ảnh hưởng
đến khả năng kết tinh của polyme [8].
1.2.1. Cấu trúc phân tử [9]
PP là một hidrocacbon mạch thẳng no thuần túy hay có một phần nhỏ
không no, có công thức cấu tạo là:
CH2

CH

n

CH3

Khi xem xét công thức hóa học của PP nhận thấy, do có nhóm -CH3
nên cho phép tạo thành 3 loại đồng phân lập thể:

Cao Thị Trang

8

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Khi xem xét công thức hóa học của PP nhận thấy, do có nhóm -CH3
nên cho phép tạo thành 3 loại đồng phân lập thể:
...

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

CH3 H

CH3 H

CH3 H

CH3 H

CH3 H

CH3 H

CH3 H

CH3 H

...

Hình 1.2: Isotactic Polypropylen
...

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

CH3 H

...

Hình 1.3: Syndiotactic Polypropylen
CH3
C
H

H
CH2

C

CH3

CH3
CH2

C

CH3

H

CH2

C
H

n

Hình 1.4: Atactic Polypropylen

Ở hình thái cấu trúc isotactic, các nhóm –CH3 đều sắp xếp cùng một
phía. Ở syndiotactic các nhóm -CH3 sắp xếp cách đều trên - dưới. Còn ở dạng
atactic nhóm –CH3 sắp xếp không theo một quy luật nào. Các hình thái cấu
trúc này có hàm lượng khác nhau: phần lớn là isotactic, một phần nhỏ là
syndiotactic và atactic. Sự khác nhau về cách sắp xếp này dẫn đến sự khác
nhau về tính chất giữa PP isotactic, syndiotactic và atactic. Chỉ có sự sắp xếp
isotactic cho phép các phân tử bó kết chặt chẽ trong cấu trúc tinh thể. Trong
sự sắp xếp syndiotactic và atactic, nhóm metyl bên cạnh là khá lớn nên không
cho phép phân tử bó kết chặt chẽ trong vùng tinh thể. Do vậy PP izotactic
cứng và chắc hơn PP syndiotactic và PP atactic có bản chất tựa cao su.
Công thức của PP có nguyên tử H ở cacbon bậc ba linh động do đó PP
dễ bị oxi hóa, lão hóa. Sự có mặt nhóm metyl luân phiên ở cacbon mạch
chính của PP làm thay đổi một số tính chất của polyme. Ví dụ, nhóm metyl

Cao Thị Trang

9

K3

- SP Hóa h c

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng chảy. Trong
trường hợp của PP izotactic có cấu trúc điều hòa nhiệt độ nóng chảy cao hơn
PE 50ºC. Nhóm metyl bên cạnh ảnh hưởng đến bản chất hóa học của PP.
Cacbon bậc ba là vị trí dễ bị oxi hóa nên PP ít bền oxi hóa so với PE.
1.2.2. Tính chất của polypropylen [1,7]
a) Tính chất vật lý
PP không màu, không mùi,không vị, không độc. PP cháy sáng với ngọn
lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su.
Vật liệu PP thu được bằng phương pháp huyền phù có cấu trúc đồng đều
(tỉ lệ isolactic cao), Mtb=80000-150000 đvC, tỷ trọng khoảng 0,9-0,91 g/cm3.
Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không
mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc
biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.
Sản phẩm thương mại PP có Tm trong khoảng 160-170ºC, với PP nguyên chất
thì Tm có thể đạt tới 176ºC. Tuy nhiên chỉ nên hạn chế nhiệt độ làm việc trong
khoảng từ 100 - 120ºC.
Khi không có lực tác dụng, PP bắt đầu biến dạng ở 150ºC. Ở nhiệt độ
dưới 140ºC có tải trọng, PP chịu được 80 ngày mà không bị phá huỷ. Các tính
chất nhiệt của PP bị ảnh hưởng lớn bởi các tạp chất kim loại như Mn, Cu…
Khi có mặt chất ổn nhiệt, PP vẫn chưa bị oxy hoá ở 300ºC và bị phân
huỷ sau khi đun nóng trong vài giờ. Một trrong những nhược điểm của PP là
nếu như không có chất ổn định (ví dụ: than đen) thì PP bị giòn sau vài tháng
dưới tác dụng của ánh sáng, ngoài ra PP cũng chịu được nhiệt độ thấp.
Do có nguyên tử H ở cacbon bậc ba nên dễ bị oxi hóa và lão hóa:
 PP không có chất ổn định: dưới ánh sáng khuyếch tán vẫn ổn định

tính chất trong 2 năm. Khi có ánh sáng trực tiếp thì chỉ sau vài tháng
sẽ bị giòn và phá hủy ngay.

Cao Thị Trang

10

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

 PP có chất ổn định (hoặc dùng muội than 2%) dưới ánh sáng trực
tiếp (tia cực tím) thì sau 2 năm tính chất không thay đổi và bền trong
20 năm.
- Tỷ trọng

: 0,90 – 0,91 g/cm2

- Giới hạn bền kéo đứt

: 300 - 350 kG/cm2

- Giới hạn độ bền nén

: 600 - 700 kG/cm2(tuỳ thuộc vào Wtb)

- Giới hạn bền uốn

: 900 - 1200 kG/cm2

- Độ giãn dài tương đối

: 300 - 700 %

- Độ ổn định nhiệt

: 103 - 100°C

- Chỉ số chảy

: 2 ÷ 60 gr/10 phút

- Tg δ (106, t° = 25°C)

: 0,0002 ÷ 0,0003

- Tính chất điện

: cách điện tần số cao tốt

- Tính ứng suất nứt

: tốt

- Tính chất bám dính

: kém

b. Tính chất hoá h c
Do cấu trúc tinh thể và không phân cực nên tại nhiệt độ thường PP
không tan trong các dung môi hữu cơ, bền khoáng với dầu mỡ và dầu thực
vật, chống thấm nước (độ thấm nước tối đa là 0,2%). PP có thể trương trong
hydrocacbon thơm và các hidrocacbon clo hoá.
Ngoài ra PP còn chịu H2SO4 20 % ở 20ºC trong vòng 30 ngày, với
HNO3 50% thì chỉ chịu được ở nhiệt độ thường và bị phá huỷ khi nồng độ
HNO3 đạt 94%. Với NaOH thì PP có thể chịu được nhiệt độ nhỏ hơn 110ºC.
1.2.3. Ứng dụng
Dựa vào các tính chất khác nhau của PP, người ta tạo ra nhiều sản
phẩm có tính năng ưu việt ứng dụng trong đời sống.
PP có khối lượng phân tử cao dùng để sản xuất ống, màng, dây cách
điện, các sản phẩm đúc, sợi [5].

Cao Thị Trang

11

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

PP có khối lượng phân tử thấp có thể trộn với PS, PF, PVC để giảm
độ chảy của chúng ở trạng thái mềm và tăng một vài tính chất như chịu
nhiệt, độ cứng.
PP có độ dai lớn và giá thành thấp hơn so với chất dẻo khác nên được sử
dụng vào một số kết cấu. Nếu cần tăng thêm độ dai và độ bền, có thể đưa thêm
chất gia cường vào nhựa PP. Ví dụ đưa thêm 30% sợi thủy tinh ngắn làm chất
gia cường có thể tăng gấp đôi độ bền kéo và độ bền va đập của PP [8-9].
Khác với PE, PP có điểm hóa mềm cao hơn PE nên khả năng chịu
nhiệt cũng cao hơn. Các sản phẩm từ PP chịu được nước sôi và khử trùng
nhiều lần bằng hơi nước. Ví dụ, các vật phẩm tạo hình từ PP trải qua khử
trùng trong bệnh viện trên 1000 giờ ở 135ºC trong điều kiện khô hay ướt đều
không bị hư hỏng.
Những tấm PP còn được sử dụng làm các chất điện môi trong những
mạch hiệu năng cao và bộ điện dung.

Màng nhựa

Ghế nhựa

Cuộn yarn

Tấm panel

Hình 1.5: Các sản phẩm làm từ PP

Cao Thị Trang

12

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.3. Chất độn trong lĩnh vực vật liệu polyme compozit
Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò
sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [12]. Đầu
tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có
tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm
được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác
nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật
liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất
nền, nên còn được gọi là các chất gia cường.
Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong
công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng
dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [13]. Tuy nhiên, tính không ổn
định của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên
khác, như các hợp chất của oxit silic.
Năm 1950, oxit silic tổng hợp bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia
cường cho các sản phẩm cao su[13]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ
việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt
các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện
như sự kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng,
môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với
sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử
lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý

nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép
nối (titanat, silan).
Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm,
trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó

Cao Thị Trang

13

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi
(CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm.
Talc là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm
thành phần chủ yếu. Cùng với các đặc trưng về hình dạng, khoáng vật này
ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm
chất độn gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo.Talc trong các vật
liệu polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu.
Khoáng vật - chất độn cho vật liệu polyme [11-14]
Hầu như tất cả các vật liệu polyme đều có chứa ít nhiều chất độn với
nhiều mục đích khác nhau. Trong vật liệu polyme compozit, các chất độn
được phân tán ở 3 dạng: một chiều, hai chiều và ba chiều. Chất độn một
chiều hay còn gọi là chất độn đẳng hướng là các loại bột mà kích thước của

hạt nhỏ và không khác nhau nhiều theo các hướng.
Các chất độn cho vật liệu polyme có nguồn gốc chủ yếu từ khoáng
chất. Khoáng chất ở nước ta có nhiều ở các dạng mica, talc, thạch anh,
dolomit, khoáng sét, bột đá,... song còn ít được tinh chế thành sản phẩm
thương mại để sử dụng làm chất độn trong ngành cao su và polyme. Các
chất độn này chủ yếu phải nhập ngoại. Nghiên cứu biến đổi bề mặt các bột
khoáng và khả năng ứng dụng chúng làm chất độn trong lĩnh vực công
nghệ cao su và chất dẻo còn chưa được quan tâm thích đáng ở các chương
trình khoa học công nghệ. Đây là hướng nghiên cứu có thể nói còn là mới ở
nước ta, cần được đầu tư để góp phần tăng cường chế tạo các sản phẩm
khai khoáng tinh, hạn chế xuất khẩu khoáng thô và tạo điều kiện cho ngành
công nghiệp gia công polyme và cao su phát triển.

Cao Thị Trang

14

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu
a. Polypropylen (PP)
Polypropylen sử dụng trong đề tài là loại isotactic polypropylen, là sản

phẩm thương mại do hãng Chemopetrol, Hàn Quốc sản xuất. Vật liệu ở dạng
hạt, tỷ trọng 0,94-0,95 g/cm3.
b. Chất độn hạt thủy tinh
Hạt thủy tinh được sử dụng làm chất độn trong đề tài có dạng hình cầu,
thành phần chủ yếu là oxit silic (SiO2, hàm lượng khoảng 75%). Kích thước
hạt trung bình 20 µm được cung cấp bởi hãng SOVITEC.
c. Hợp chất silan
Loại hợp chất silan được khảo sát trong đề tài là loại vinyltrietoxysilan
(ký hiệu Silquest A-151NT) được cung cấp bởi hãng Momentive, Thụy Sĩ.
Công thức hóa học:
CH2 = CH- Si(OC2H5)3
d. Chất xúc tác
Để tăng cường khả năng kết dính giữa bề mặt chất độn được biến đổi với
chất nền polyme, đề tài đã sử dụng hợp chất Dicumyl peroxit làm xúc tác. Hợp
chất sử dụng có độ tinh khiết 98% được cung cấp bởi Sigma – Aldrich (Mỹ).
2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu nghiên cứu
Vật liệu compozit polypropylen/hạt thủy tinh được chế tạo bằng
phương pháp trộn kín trên thiết bị Brabender. Chi tiết thành phần các mẫu
được trình bày trong bảng 2.1.

Cao Thị Trang

15

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

ảng 2.1. Thành phần các mẫu vật liệu polypropylen chứa các loại chất độn hạt
thủy tinh khác nhau
Hàm lƣợng PP

Hàm lƣợng chất độn

(% khối lượng)

(% khối lượng)

PP

100

0

PP/hạt thủy tinh

80

20

- không biến đổi

60

40

PP/hạt thủy tinh

80

20

- không kết dính

60

40

PP/hạt thủy tinh

80

20

- kết dính tốt

60

40

Ký hiệu

Loại chất biến
đổi bề mặt chất
độn

-

Dầu silicon

Vinyltrietoxysilan

Hỗn hợp PP và hạt thủy tinh được đưa vào máy trộn kín đã được gia
nhiệt trước đến 190°C, tốc độ quay của roto 5 vòng/phút.
Sau khi nạp xong nguyên liệu PP và chất độn hạt thủy tinh, tốc độ quay
của trục được nâng dần lên đến 60 vòng/phút. Duy trì thời gian trộn trong 10
phút sau đó lấy hỗn hợp đã được đồng nhất ép nóng trong khuôn có kích
thước 200mm x 200mm bằng máy ép thủy lực.

Cao Thị Trang

16

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 2.1: Máy trộn kín Brabender

Mẫu được để ổn định ít nhất 24h trước khi cắt mẫu theo tiêu chuẩn để
xác định tính chất cơ.

2.3. Phƣơng pháp xác định các tính chất của vật liệu
2.3.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét
Bề mặt gẫy của mẫu vật liệu sau quá trình đo độ bền va đập được phủ
một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không. Hình thái
bề mặt gẫy của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét
(SEM), trên thiết bị JSM-6490 (JEOL-Nhật Bản) tại Trung tâm đánh giá hư
hỏng vật liệu (COMFA), Viện khoa học vật liệu.

Cao Thị Trang

17

K3

- SP Hóa h c


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 2.2. Máy SEM JSM-6490

Ảnh SEM bề mặt gẫy thể hiện hình thái và độ tương hợp giữa các pha
trong vật liệu.

Cao Thị Trang

18

K3

- SP Hóa h c