18
TPCHÍ KHOA HCVÀ CÔNG NGHTp44, s2, 2006 Tr. 18-
23
KH�N�NG CH�YNH�T, C�UTRÚC VÀ TÍNH CH�T CƠLÍ C�A
V�TLI�UCOMPOZIT POLYVINYL CLORUA/NANOCLAY
THÁI HOÀNG, NGUY%NTHCKIM, '( QUANG TH*M, NGUY%NTI+N D-NG,
L/ÁNH NGC, NGUY%NTH+ANH
I. MU
Polyvinyl clorua (PVC) là mt polyme thng mi rtquan tr ng và !"c#ng d%ng !& ch'
to nhi(uloi s*n ph+mkhác nhau. Tuy nhiên, nó có mt s3nh"c!i&m nh ! 4n!5nh nhi6t
thp, d7b5oxy hóa nhi6t d:itác !ng c;anhi6t! cao và ánh sáng t<ngoi... Do !ó, PVC và
v>tli6u t4h"p t?PVC b5hnch' #ng d%ng trong mt s3l@nh vAc[1, 2]. Vì v>y cFn ph*iphát
tri&ncác s*n ph+m m:i t?PVC khGc ph%c!"ccác nh"c!i&m trên nhHm mIrng kh*nJng s<
d%ng chúng. GFn!ây, lai toPVC (mtpolyme hNu c) v:iph%gia vô ccó kích th:c nano là
mt phng pháp có hi6u qu*và !Fytri&n v ng !& ch'to v>tli6ucompozit PVC có tính nJng
cao (high performance). Trong s3các ph%gia có kích th:cnano, nano clay !"c bi'ntính bIi
các ion alkyl amoni !"cchú ý nhi(u nhtvì các l:psilicat c;aclay có th&!"c mIrng, th>m
chí b5bóc tách bIicác phân t<hNu ctrong nhNng !i(uki6nthích h"p[3]. Ngoài ra, clay bi'n
tính khá thân thi6n v:imôi trVng và giá rWhn nhi(uso v:icác ph%gia nano khác. Các công
trình liên quan t:i v>tli6ucompozit PVC/nano clay m:ichY !"ccông b3trong 5 nJm gFn!ây
[2 - 6]. Các thông tin v(kh*nJng ch*y nh:tvà tính cht clí c;a v>tli6u rtít.
Bài này trình bày k't qu*nghiên c#ukh*nJng ch*y nh:t, cutrúc và tính cht clí c;a v>t
li6u compozit PVC/nano clay.
II. THCNGHIM
1. Nguyên liu và hóa cht
Polyvinyl clorua (PVC) mác TH – 1600 (Nh>t B*n s*n xut), btmàu trGng, hHng s3
Ficken KF= 62 - 63. Cht4n!5nh Irgastab 17 M là tên thng mi c;a mt h"pchtthi'c hNu
cc;ahãng Ciba – Geigy (Th%y S@). Nó là mtcht ling nh:t, không màu. DFu!>u nành epoxy
hóa c;aMalayxia, cht ling màu vàng nht, hàm l"ng nhóm epoxy 15,2%. Cht hóa dWo
dioctyl phtalat (DOP), tYtr ng 0,986 g/cm3do Hàn Qu3c s*n xut.
Nanoclay Idng bt, khoáng sét tAnhiên montmorilonit (Bình Thu>n, Vi6tNam) !"c
bi'n tính bHng mu3i amoni c;a dihexadecyl amin.
2. Ch"t#o v%tliu compozit PVC/clay
Hon h"pPVC gpm: PVC, 35% DOP, 3% dFu!>unành epoxy hóa, 1% Irgastab 17M (c*3
!(uso v:iPVC) !"ctrn!(uvà ;trong t;sy có không khí !3i luI80oC trong 3 giV !&
DOP và các ph%gia khác th+mthuvào mch PVC. K'tthúc quá trình ;thu !"c hon h"p bt
PVC khô và ti. Ti'nhành trnnóng ch*y hon h"pPVC v:inanoclay bi'ntính (g i tGtlà clay)
Icác hàm l"ng khác nhau trong thi't b5trn niHAAKE (t#c) trong 3 phút I180oC, t3c!
19
50 vòng/phút. Ti'p!ó, ly mvura khii bupng trnvà ép phwng trên máy ép thuxlAc
TOYOSEIKI I200oCtrong thVigian 2 phút, sau !ó!& ngui. B*o qu*n mvuI !i(uki6nchu+n
ít nht 24 giVtr:c khi xác !5nh các tính chtvà cutrúc.
3. Ph-.ng pháp nghiên c0u
-Kh*nJng ch*y nh:t c;a v>tli6utrong quá trình trn nóng ch*y!"c ph*nánh trên gi*n
!p mômen xoGn - thVigian ghi bIi phFn m(mPolylab 3.1 k't n3i v:ithi't b5trn ni. Quá trình
này !"cti'n hành tiVi6n K{thu>tNhi6t!:i, Vi6nKhoa h cvà Công ngh6Vi6tNam.
-Xác !5nh các tính cht clí c;a v>tli6u theo tiêu chu+n ASTM D 638 trên thi't b5clí !a
nJng Zwick (t#c) tiVi6n K{thu>tNhi6t!:i.
-Xác !5nh ph4nhi7u xtia X c;a v>tli6utrên máy SIEMENS D5005 (t#c) tiKhoa V>t
lí, TrVng ti h cKhoa h c TAnhiên. Tia X !"cquét trên b(m•t mvu v:i t3c! quét
0,5o/giây v:igóc nhi7u x(2) t?0,6o!'n 40o.
-€nh hi&nvi !i6n t<quét c;a v>tli6u!"cch%ptrên máy JEOL 5300 c;aNh>t B*n ti
Vi6n K{thu>tNhi6t!:i, Vi6nKhoa h cvà Công ngh6Vi6tNam v:i! phóng !i15000 lFn.
III. K2TQU4VÀ TH4OLU8N
1. Kh9n:ng ch9ynh;t c<a v%tliucompozit trong quá trình tr@nnóng ch9y
Kh*nJng ch*y nh:t c;a v>tli6u!"c ph*nánh bIi sAthay !4imômen xoGntrong quá
trình trn h"p nóng ch*y hon h"pPVC và clay (hình 1). Sau khi np hon h"pPVC và clay vào
bupng trn, mômen xoGn c;a v>tli6ugi*mtheo thVigian trndoPVC b5m(mvà nóng ch*y.
Nhìn chung, mômen xoGn c;a v>tli6ucompozit PVC/clay tJng theo hàm l"ng c;aclay. Nói
mtcách khác, hon h"pPVC khó ch*y nh:t hn khi thêm clay vào. Nguyên nhân c;a hi6n
t"ng này là do clay là mtcht!nvô cvà Inhi6t! nóng ch*y c;aPVC nó vvncòn Itrng
thái rGnnên làm tJng ma sát ni(hay ! nh:t) c;a v>tli6uPVC dvn!'nlàm tJng mômen xoGn
c;a h6.Ngoài ra, có th&có sAtng tác giNa pha n(nPVC (là mtpolyme phân cAc do các
nguyên t<Cl có ! âm !i6n l:n) và clay (có các nhóm OH trên b(m•t). Do !ó, kh*nJng bám
dính c;aPVC và clay tJng lên.
Hình 1. Gi*n!p mômen xoGn c;a hon h"pPVC và compozit PVC/clay
0
5
10
15
20
25
30
0123
Thêi gian trén (phót)
M« men xo¾n (N.m)
PVC/ 2% clay
PVC/1% clay
PVC
20
2. PhAnhiBu x#tia X c<a v%tliu compozit PVC/clay
Hình 2.Ph4nhi7u xtia X c;a hon h"pPVC (1); compozit PVC/ 1% clay (2);
PVC/ 3% clay (3) và clay (4).
Hình 2 bi&u di7ncác ph4nhi7u xtia X c;a hon h"pPVC ban !Fu (!Vng 1), clay (!Vng
4) và compozit PVC/clay v:i hàm l"ng clay 1% (!Vng 2) và 3% (!Vng 3). Trên ph4nhi7u x
tia X c;aclay xuthi6n pic #ng v:ikho*ng cách cb*n d = 42,1 Aohay 4,21nm I2= 2o.Sau
khi trn hon h"pPVC v:iclay Itrng thái nóng ch*y, pic #ng v:i d = 4,21 nm I2= 2okhông
còn rõ nNa. ti(unày cho thy cutrúc l:p c;aclay có th&b5phá v…hay b5bóc tách trong n(n
PVC do các tng tác c;acác nhóm OH c;aclay v:icác nguyên t<Cl trong !iphân t<polyme
c†ng nhdo tác !ng ch ctrong quá trình trnPVC và clay Inhi6t! cao. Các !iphân t<
PVC chèn vào giNacác l:pvà làm mt cutrúc l:p c;aclay [3]. SAphân tán c;aclay trong
PVC cho thytrn h"pclay và PVC Itrng thái nóng ch*ylà phng pháp có hi6u qu*!&ch'
to v>tli6u compozit PVC/clay [2, 4, 5].
3. 4nh hiEnvi Fin tGquét c<a v%tliu compozit PVC/clay
(a) (b)
Hình 3.*nh hi&nvi !i6n t<quét c;a hon h"pPVC v:i 2 % clay (a) và 1% clay (b)
21
Hình 3 mô t*cutrúc hình thái c;a v>tli6ucompozit PVC/clay v:ihàm l"ng clay 2% và
1%. ˆhình 3a, v:i hàm l"ng clay 2%, !a s3các htclay (màu trGng) có kích th:c t?300 nm
!'n3µm. Còn Ihình 3b, v:i hàm l"ng clay 1%, các htclay phân b3v:icó kích th:c t?100
nm !'n2µm. Các *nh trên c†ng cho thy bên cnh cu trúc nano, trong v>tli6u compozit
PVC/clay vvn còn tpn ti cu trúc micro.
K't qu*ch%p ph4nhi7u xtia X và *nh hi&nvi !i6n t<quét cho phép khwng !5nh v>tli6u
compozit trên csIPVC và clay có cutrúc hon h"p, trong !ócác l:pclay !ã b5bóc tách trong
n(nPVC và các !iphân t<PVC chèn vào các l:pclay. Ngoài ra, trong v>tli6u vvn tpn ticác
cu trúc micro compozit.
4. Tính cht c.lí c<a v%tliu compozit PVC/clay
SAph%thuctính cht clí (mô !un !àn hpi, ! b(nkéo !#t, ! giãn dài khi !#t) c;a v>t
li6ucompozit vào hàm l"ng clay !"cth&hi6ntrên hình 4. Khi tJng hàm l"ng clay trong
kho*ng t?0 t:i3%, mô !un !àn hpi c;a v>tli6ucompozit tJng dFnvà !t cAc!iIhàm l"ng
clay 1%, ti'p!ómô !un !àn hpi c;a v>tli6ugi*m!i, th>mchí nhihnso v:i mvuPVC (không
có clay) n'uhàm l"ng clay ti'p t%c tJng quá 2%. Tng tA,! b(nkéo !#t c;a v>tli6u!tgiá
tr5l:n nhtIhàm l"ng clay 1% (! b(nkéo !#t!t 27,95 MPa, tJng 20,3% so v:i hon h"p
PVC ban !Fu), ti'p!ó khi hàm l"ng clay l:n hn1%, ! b(nkéo !#t c;a v>tli6u compozit
gi*m(so v:igiá tr5cAc!i) nhng vvn l:n hn! b(nkéo !#t c;a hon h"pPVC ban !Fu. t
giãn dài khi !#t c;a v>tli6u tJng khi hàm l"ng clay tJng và !tgiá tr5l:nnht 339,8% Ihàm
l"ng clay 1% (tJng 36% so v:i hon h"pPVC ban !Fu). Ti'p!ó! giãn dài khi !#t c;a v>tli6u
có xu h:ng gi*m, th>mchí nhihn mvu PVC khi hàm l"ng clay l:n quá 1,5%.
Hình 4. SAph%thuctính cht clí c;a v>tli6ucompozit vào hàm l"ng clay
Mô !un !àn hpivà ! b(nkéo !#t c;a v>tli6u tJng theo hàm l"ng clay t:i 1% là do có sA
tng tác t3tgiNaclay hNu cvà n(nPVC. ti(unày có th&gi*ithích bIi sAtng tác giNacác
nguyên t<Cl c;a!iphân t<PVC v:icác nguyên t<H c;a nhóm OH trong clay hình thành liên
k'thydro - Cl ... H – O-. Ngoài ra, có th&gi*thi't rHng có ph*n#ng ngng t%giNacác nguyên
t<Cl kém b(n(d7hot!ng hóa h c) c;aPVC và các nguyên t<H nhóm OH c;aclay !& to
thành cFu n3i C - O - clay giNaPVC và clay. Khi hàm l"ng clay trong hon h"pPVC l:n hn
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0123
H(m l)îng clay (%)
M« ®un ®(n håi (MPa)
280
290
300
310
320
330
340
350
0123
H(m l)îng clay (%)
§é d·n d(i khi ®øt (%)
15
17
19
21
23
25
27
29
§é bÒn kÐo ®øt (MPa)
§é dn dikhi ®øt
§é bÒn kÐo ®øt
22
1%, các htclay có kích th:c l:n hn(do sAk't t%c;acác htclay) làm gián !on pha n(n
PVC, do !ólàm gi*mmô !un !àn hpivà ! b(nkéo !#t c;a v>tli6u.
SAtJng ! giãn dài khi !#t c;a v>tli6ukhi hàm l"ng clay tJng t:i 1% là do sAphân b3
!png !(uvà sAtng tác t3t c;aclay v:i n(nPVC. Ti'p!ó! giãn dài khi !#t c;a v>tli6ugi*m
!i. ti(unày có th&do các nguyên t<HIOH c;acác htclay “d” tng tác v:icác nguyên t<
O nhóm C=O IDOP (tng tác hydro) làm gi*m hi6u qu*hóa dWo c;aDOP, hnch'kh*nJng
tr"t c;acác mch PVC.
IV. K2TLU8N
-tãch'to!"c v>tli6unanocompozit trên csIPVC/clay Itrng thái nóng ch*y. V>t
li6unanocompozit PVC/clay có cu trúc nano lvn cutrúc micro. Các l:pclay b5bóc tách trong
n(nPVC và các !iphân t<PVC chèn vào giNacác l:pclay.
-Trong quá trình trn nóng ch*y, mômen xoGn c;a v>tli6unanocompozit PVC/clay tJng
theo hàm l"ng clay.
- V>tli6unanocompozit PVC/clay có mô !un !àn hpi, ! b(nkéo !#tvà ! giãn dài khi
!#t l:n nhtIhàm l"ng clay 1%.
L�i c�mơn. Công trình 678choàn thành v=i s?h@tr8kinh phí cCa HEi6Fng Khoa hGc t?nhiên
giai 6oIn2004 – 2005 va Hoi dong Nganh Khoa hoc Vat lieu, Vien Khoa hoc va Cong nghe Viet
Nam giai doan 2006-2007
TÀI LIUTHAM KH4O
1. Kiyoshi Endo - Synthesis and Structure of Poly(vinyl chloride), Prog. Polym. Sci. 27 (2002)
2021-2050.
2. Josef Simonik – Alema Kalendova – Lucie – Kovanova, Polymer/clay Nanocomposites
Modified in Poly(vinyl chloride) (PVC) Matrix, 109-111, Brno (2002).
3. Clay-based nanocomposites, http://www.azom.com/detail.asp
4. W. Xu, M. Ge and W.-P. Pan - Glass Poly(vinyl chloride)/momtmorillonite nanocomposites.
Transition Temperature and Mechanical Properties, Journal of Themal Analysis and
Calorimetry 78 (2004) 2-9.
5. J. Trillica, A. Kalendova, Z. Malac, J. Simonik, L. Posposil - PVC/Clay Nanocomposites,
ANTEC, 2001, 2162-2165.
6. Josef Simonik - Polymer/Clay Nanocomposites, Nano ’02, Brno 2002.
SUMMARY
RELATIVE MELT VISCOSITY, STRUCTURE AND PHYSICO-MECHANICAL
PROPERTIES OF POLY(VINYL CHLORIDE)/NANOCLAY COMPOSITES