Tính chất cơ học và hình thái cấu trúc của polyme blend polyamit/polypropylen

T¹p chÝ Hãa häc, T. 44 (4), Tr. 465 - 470, 2006<br /> <br /> <br /> tÝnh chÊt c¬ häc vµ h×nh th¸i cÊu tróc<br /> cña polyme blend polyamit/polypropylen<br /> §Õn Tßa so¹n 26-9-2005<br /> § o ThÕ Minh, TrÞnh S¬n H<br /> ViÖn Kü thuËt NhiÖt ®íi, ViÖn Khoa häc v+ C«ng nghÖ ViÖt Nam<br /> <br /> SUMMARY<br /> The aims of this work were to prepare compatibilizers and polymer blends at a pilot scale<br /> served for the railway branch. Firstly, the grafting of maleic anhydride into polypropylene (PP-g-<br /> AM) was carried out by an industrial single extruder at the temperature zone 165 - 180oC and<br /> was qualitatively and quantitatively characterized by Infrared Spectroscopy. The grafted maleic<br /> anhydride contents were found to be 0.46 - 1%. Afterward, polymer blends of polyamide and<br /> polypropylene were prepared with a industrial injection molding machine in presence of the<br /> maleic anhydride grafted polypropylene as a compatibilizer. It clearly showed that the<br /> mechanical properties of the PA/PP-g-AM/PP blends in term of tensile strength and elongation at<br /> break were 6.43 and 1.34 times higher than those of the PA/PP mixiture without a compatibilizer.<br /> The creep testing results showed that the blend was deformed 1.4% by a load of 9.73 MPa and by<br /> a load of 12.16 MPa the blend was deformed 2.86%, but no break was observed. It proved that<br /> there were no phase separation due to good adhesion between polyamide and polypropylene<br /> thanks to PP-g-AM compatibilizer. The SEM images showed that the blend PA/PP-g-AM/PP had<br /> a fine structure and appeared only the little carckings by imposing a load of 208 MPa while the<br /> grand and long crackings appeared onto the mixture PA/PP only by a load of 56.99 MPa.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu gi¸ th2nh thÊp. §¸ng tiÕc l2 PA v2 PP kh«ng<br /> trén hîp ® îc. Do vËy, cÇn ph¶i ® a thªm v2o<br /> VËt liÖu polyme blend ® îc chÕ t¹o b»ng tæ hîp vËt liÖu polyme blend nh÷ng chÊt t ¬ng<br /> viÖc trén hîp hai hoÆc nhiÒu polyme kh¸c nhau hîp cã kh¶ n¨ng kÕt dÝnh gi÷a hai pha nh»m t¹o<br /> ®Ó kÕt hîp ® îc nh÷ng tÝnh chÊt næi tréi cña mçi ra polyme blend cã tÝnh chÊt c¬ häc tèt. NhiÒu<br /> polyme th2nh phÇn. Polyamit (PA) v2 n¨m trë l¹i ®©y, polyme blend PA/PP ®U ® îc<br /> polypropylen (PP) l2 hai polyme kü thuËt quan nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu [1 - 6]. Trong c«ng<br /> träng. PA th êng ® îc sö dông chÕ t¹o c¸c chi tr×nh n2y chóng t«i tr×nh b2y kÕt qu¶ ghÐp<br /> tiÕt: ®iÖn, c¬ khÝ v2 c¸c chi tiÕt cho « t« do cã anhi®ric maleic (AM) lªn PP trªn thiÖt bÞ ®ïn<br /> tÝnh chÊt c¬ häc cao, chÞu nhiÖt, chÞu m2i mßn, c«ng nghiÖp, tÝnh chÊt c¬ häc v2 h×nh th¸i cÊu<br /> dÔ gia c«ng v2 s¶n xuÊt. Tuy vËy, kh¶ n¨ng chÞu tróc cña vËt liÖu polyme blend PA/PP ® îc chÕ<br /> va ®Ëp, ®é æn ®Þnh vÒ kÝch th íc v2 ®é bÒn ®èi t¹o trªn m¸y phun c«ng nghiÖp nh»m môc ®Ých<br /> víi m«i tr êng Èm kÐm, céng thªm gi¸ th2nh chÕ t¹o mét sè phô kiÖn ®2n håi phôc vô cho<br /> cña PA t ¬ng ®èi ®¾t, do vËy viÖc øng dông ng2nh ® êng s¾t ViÖt Nam.<br /> polyme n2y trong mét sè lÜnh vùc bÞ h¹n chÕ.<br /> Nh÷ng nh îc ®iÓm trªn cña PA cã thÕ kh¾c II - thùc nghiÖm<br /> phôc b»ng viÖc trén hîp víp PP. Nh ®U biÕt PP<br /> cã tÝnh chÊt c¬ häc t ¬ng ®èi cao, chÞu Èm v2 1. Nguyªn liÖu v hãa chÊt chÝnh<br /> <br /> 465<br />  - PA6: S¶n phÈm th ¬ng m¹i cña hUng m¸y hång ngo¹i Perkin Elmmer, dùa v2o sù<br /> Toray (NhËt B¶n) ë d¹ng h¹t, tû träng 1,13 xuÊt hiÖn v2 c êng ®é pic dao ®éng cña nhãm<br /> g/cm3, chØ sè ch¶y 25 g/10 phót (230oC, t¶i cacbonyl CO thuéc vßng anhi®ric maleic ë d¶i<br /> träng 2,16 kg), kho¶ng nhiÖt ®é nãng ch¶y kho¶ng 1786 cm-1. H2m l îng AM ® îc ghÐp<br /> 224oC. lªn PP (% träng l îng) ® îc tÝnh dùa v2o tû lÖ<br /> PP: S¶n phÈm th ¬ng m¹i cña hUng diÖn tÝch A1786/A1166 (A1786: diÖn tÝch cña pic cña<br /> Samsung (H2n Quèc) ë d¹ng h¹t, tû träng 0,9 nhãm CO ë 1786 cm-1 t ¬ng øng víi l îng AM;<br /> g/cm3, chØ sè ch¶y 3,5 g/10 phót (190oC, t¶i A1166: diÖn tÝch cña pic cña nhãm CH3 ë 1166<br /> träng 2,16 kg), kho¶ng nhiÖt ®é nãng ch¶y cm-1 t ¬ng øng víi nhãm CH3 cña PP) v2 ® êng<br /> 165oC. chuÈn A1786/A1166 - h2m l îng AM.<br /> AM: S¶n phÈm th ¬ng m¹i cña hUng Sigma - Ph©n tÝch nhiÖt DTA<br /> Aldrich (Mü), nhiÖt ®é nãng ch¶y 52,8oC, ®é TiÕn h2nh trªn thiÕt bÞ Shimadzu DSC-50,<br /> tinh khiÕt 97%. trong m«i tr êng kh«ng khÝ, ®èt nãng tõ nhiÖt<br /> DCP (dicumyl peoxit): S¶n phÈm th ¬ng ®é phßng ®Õn 400oC víi tèc ®é 10oC/phót.<br /> m¹i cña hUng Aldrich (Mü), ®é tinh khiÕt 97%.<br /> - Kh¶o s¸t h×nh th¸i cÊu tróc cña vËt liÖu<br /> ChÊt t ¬ng hîp so s¸nh (copolyme): §ã l2 polyme blend<br /> s¶n phÈm ®ång trïng hîp gi÷a propylen v2 AM<br /> cña hUng Exxellor (CHLB §øc), cã tªn th ¬ng B»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM). MÉu<br /> m¹i PO 1015, h2m l îng AM l2 0,4%, tû träng ® îc c¾t trªn microtone th2nh b¶n máng 50 µm,<br /> 0,9 g/cm3. phñ kim lo¹i v2 ® îc chôp b»ng thiÕt bÞ kÝnh<br /> hiÓn vi ®iÖn tö quÐt Jeol-5300 (NhËt B¶n).<br /> 2. GhÐp AM lªn PP<br /> - §o tÝnh chÊt c¬ häc<br /> Qu¸ tr×nh ghÐp AM lªn PP chÕ ® îc tiÕn<br /> h2nh nh sau: C êng ®é kÐo ®øt b v2 ®é giUn d2i t ¬ng<br /> - Trén PP víi AM v2 DCP víi c¸c tû lÖ kh¸c ®èi khi ®øt b ® îc ®o trªn m¸y ®o tÝnh chÊt c¬<br /> nhau; häc ZWICK (CHLB §øc). Mçi blend ®o 3 mÉu<br /> ®Ó lÊy gi¸ trÞ trung b×nh.<br /> - GhÐp trªn thiÕt bÞ ®ïn c¾t h¹t ë nhiÖt ®é tõ<br /> 165oC ®Õn 180oC; - §o ®é rWo theo kÐo<br /> - L2m l¹nh v2 c¾t h¹t ; Trªn m¸y STRAINVIS COD. 6800.000 cña<br /> - SÊy kh«. hUng CEAST (ý), t¹i Trung t©m nghiªn cøu vËt<br /> liÖu polyme, Tr êng §¹i häc B¸ch khoa H2 Néi.<br /> 3. ChÕ t¹o polyme blend PA/PP-g-AM/PP MÉu ® îc thö nghiÖm ë t¶i träng 40 kg (9,73<br /> VËt liÖu PA, PP v2 chÊt t ¬ng hîp PP-g-AM MPa), 50 kg (12,16 MPa), ë nhiÖt ®é 40oC trong<br /> ® îc trén trong thiÕt bÞ trén ë c¸c tû lÖ kh¸c 72 giê.<br /> nhau, sau ®ã phun trªn thiÕt bÞ phun Woojin<br /> Selex E-150 cña H2n Quèc ë trong kho¶ng III - KÕt qu¶ v th¶o luËn<br /> nhiÖt ®é 230 - 255oC v2 ¸p suÊt 150 MPa. MÉu<br /> ® îc phun d¹ng h×nh ch2y theo tiªu chuÈn 1. GhÐp anhi®ric maleic lªn PP<br /> ASTM D 638-99. H×nh 1 tr×nh b2y phæ hång ngo¹i cña mÉu<br /> 4. C¸c ph*¬ng ph¸p ph©n tÝch PP v2 mÉu PP-g-AM. ë mÉu PP xuÊt hiÖn pic ë<br /> 1722 cm-1. Pic n2y theo Lion Xavier [7] øng víi<br /> a) X¸c ®Þnh h+m lKîng AM ghÐp v+o PP dao ®éng cña nhãm CO thuéc nhãm hi®ropeoxit<br /> MÉu PP sau khi ghÐp AM ® îc trÝch ly b»ng (COOH) t¹i nguyªn tö cacbon bËc ba, h×nh<br /> axeton trong 8 giê ®Ó lo¹i AM kh«ng ph¶n øng th2nh do PP bÞ oxi hãa trong qu¸ tr×nh l u tr÷<br /> v2 sÊy 70oC trong 8 giê. H2m l îng AM ® îc trong kho. Ng îc l¹i, ë mÉu PP-g-AM, pic n2y<br /> x¸c ®Þnh ë d¹ng m2ng cã chiÒu d2y 50 µm trªn bÞ mÊt v2 xuÊt hiÖn pic mét pic míi ë<br /> <br /> 466<br />  Transmission, %<br /> PP-g-AM<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> PP<br /> <br /> PP-g-MA<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 1: Phæ hång ngo¹i cña PP v2 PP-g-AM<br /> <br /> 1786 cm-1, øng víi dao ®éng cña nhãm CO cña kh¬i m2o ph¶n øng ghÐp AM lªn PP. KÕt qu¶<br /> vßng anhy®ric maleic. §iÒu n2y chøng tá khi x¸c ®Þnh ®Þnh l îng cho thÊy AM ghÐp v2p PP<br /> ghÐp AM v2o PP, nhãm hi®ropeoxit ®U bÞ ph©n l2 0,5 - 1%. PP sau khi ghÐp AM vÉn gi÷ ® îc<br /> hñy t¹o th2nh gèc v2 cïng víi c¸c chÊt kh¬i tÝnh chÊt c¬ häc kh¸ tèt.<br /> m2o ph¶n øng DCP ®U tham gia v2o qu¸ tr×nh 2. Ph©n tÝch nhiÖt<br /> <br /> DTA, uV<br /> 5,00<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0,00<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -5,00<br /> 164,8oC<br /> 224,4oC<br /> <br /> -10,00<br /> 0,00 100 200 300 400<br /> o<br /> NhiÖt ®é, C<br /> H×nh 2: Gi¶n ®å DTA cña blend PA/PP-g-AM/PP<br /> <br /> KÕt qu¶ ph©n tÝch nhiªt cho thÊy polyme pha PA v2 PP chØ ®ãng vai trß chÊt kÕt nèi chø<br /> blend PA/PP-g-AM/PP cã hai pic thu nhiÖt ë kh«ng t¹o mét pha riªng biÖt.<br /> 164,8oC øng víi nhiÖt ®é ch¶y cña pha PP v2 ë §é bÒn kÐo ®øt cña hçn hîp PA/PP, cña<br /> 224,4oC øng víi nhiÖt ®é ch¶y cña pha PA. Gi÷a blend PA/PP-g-AM/PP còng nh cña blend<br /> hai pic trªn kh«ng tån t¹i pic thu nhiÖt cña pha PA/copolyme/PP ® îc tr×nh b2y ë h×nh 3. Qua<br /> hçn hîp PA/PP. §iÒu n2y cho thÊy blend h×nh 3 chóng ta cã thÓ dÔ d2ng nhËn thÊy khi chØ<br /> PA/PP-g-AM/PP chØ cã hai pha v2 chÊt t ¬ng trén hîp ®¬n thuÇn PA v2 PP v2 kh«ng cã mÆt<br /> hîp PP-g-AM tån t¹i ë mÆt ph©n c¸ch gi÷a c¸c cña chÊt t ¬ng hîp th× tÝnh chÊt c¬ häc cña hçn<br /> 467<br /> hîp PA/PP rÊt kÐm, ®é dUn d2i t ¬ng ®èi chØ ®¹t dÝnh víi pha PA qua cÇu liªn kÕt hydro hoÆc<br /> 46% v2 ®é bÒn kÐo ®øt cña hçn hîp PA/PP còng ph¶n øng cña nhãm AM ghÐp trªn m¹ch PP víi<br /> chØ ®¹t 39,04 MPa, thÊp h¬n rÊt nhiÒu so víi PP c¸c nhãm amin v2 amit cña PA.<br /> v2 PA ban ®Çu. Khi cã mÆt cña PP-g-AM tÝnh Khi so s¸nh gi÷a blend PA/PP-g-AM/PP sö<br /> chÊt c¬ häc cña blend t¨ng lªn rÊt nhiÒu (h×nh dông chÊt t ¬ng hîp chÕ t¹o trªn m¸y ®ïn do<br /> 2b): ®é giUn d2i t ¬ng ®èi khi ®øt ®¹t tíi 296% chóng t«i tù chÕ t¹o v2 PA/copolyme/PP sö<br /> tøc l2 cao h¬n so víi PA ban ®Çu. Vai trß cña dông chÊt t ¬ng hîp nhËp ngo¹i chóng t«i nhËn<br /> chÊt t ¬ng hîp ë ®©y cã thÓ gi¶i thÝch qua viÖc thÊy kh«ng cã sù kh¸c biÖt lín vÒ tÝnh chÊt c¬<br /> h×nh th2nh mét líp chuyÓn tiÕp gi÷a hai pha PP häc. C¸c chØ sè vÒ ®é bÒn ®øt, ®é giUn d2i khi<br /> v2 PA tõ PP-g-AM. Nh÷ng ®o¹n m¹ch cña PP- ®øt v2 ®é dÎo cña hai tæ hîp trªn ®Òu t ¬ng<br /> g-AM ®U kÕt dÝnh víi pha PP ®ång thêi còng kÕt ® ¬ng (xem b¶ng 1).<br /> øng suÊt, MPa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> øng suÊt, MPa<br /> 80 80<br /> a b<br /> <br /> 60 60<br /> <br /> <br /> 40 40<br /> <br /> <br /> 20 20<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 0 20 40 60 0 20 40 60<br /> <br /> BiÕn d¹ng, % BiÕn d¹ng, %<br /> 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<br /> kh«ng cã chÊt t ¬ng hîp (a) v2 blend PA/PP-g-AM/PP (b)<br /> <br /> 4. §é bÒn r·o cña vËt liÖu<br /> <br /> 1,5<br /> 1,4<br /> §é biÕn d¹ng, mm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1,3<br /> 1,2<br /> 1,1<br /> 1,0<br /> 0,9<br /> 0,8<br /> 0,7<br /> 0,6<br /> 0,5<br /> 0,4<br /> 0,3<br /> 0,2<br /> 0,1<br /> 0<br /> 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60<br /> Thêi gian chÞu t¶i, h<br /> <br /> H×nh 4: §é biÕn d¹ng rUo kÐo cña blend PA/PP-g-AM/PP<br /> <br /> 468<br />  KÕt qu¶ ®o ®é rUo theo kÐo cña vËt liÖu ë MPa. Nh vËy, d íi t¸c ®éng cña t¶i träng theo<br /> øng suÊt 9,73 v2 12,16 MPa, ë nhiÖt ®é 40oC thêi gian vËt liÖu blend cã bÞ biÕn d¹ng, song<br /> trong thêi gian 55,42 giê ® îc tr×nh b2y ë h×nh kh«ng bÞ ph¸ huû do kh«ng bÞ t¸ch pha. §iÒu ®ã<br /> 4. ë øng suÊt 9,73 MPa mÉu bÞ biÕn d¹ng 1,4%, chøng tá PA v2 PP cã sù kÕt dÝnh tèt.<br /> m«®un rUo gi¶m tõ 4524,7 xuèng 555 MPa v2 ë<br /> øng suÊt 12,16 MPa mÉu bÞ biÕn d¹ng 2,86%, 5. H×nh th¸i cÊu tróc cña polyme blend<br /> m«®un rUo gi¶m tõ 1123,3 MPa xuèng 340,6 PA/PP-g-AM/PP<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Hçn hîp PA/PP (b) Blend PA/PP-g-AM/PP<br /> H×nh 5: ¶nh SEM cña hçn hîp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP<br /> <br /> CÊu tróc cña cña hçn hîp PA/PP v2 vËt liÖu tróc rÊt mÞn, rÊt khã ph©n biÖt ® îc ranh giíi<br /> blend PA/PP-g-AM/PP ® îc thÓ hiÖn ë h×nh 5. cña c¸c pha v2 ho2n to2n kh«ng cã c¸c lç, c¸c<br /> Chóng ta dÔ d2ng nhËn thÊy, ë hçn hîp PA/PP hèc. Râ r2ng nhê cã chÊt t ¬ng hîp c¸c pha cña<br /> (h×nh 5a) cã cÊu tróc rÊt th« cã nhiÒu c¸c hèc, polyme blend ph©n t¸n ®Òu v2 liªn kÕt víi nhau<br /> cßn ë blend PA/PP-g-AM/PP (h×nh 5b) cã cÊu chÆt chÏ h¬n.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Hçn hîp PA/PP ë 56,99 MPa (b) Blend PA/PP-g-AM/PP ë 208 MPa<br /> H×nh 6: ¶nh SEM cña hçn hîp PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bÞ ph¸ hñy<br /> (chôp ph ¬ng song song víi lùc t¸c ®éng)<br /> <br /> H×nh 6 tr×nh b2y cÊu tróc cña hçn hîp dông lùc c¬ häc v2o vËt liÖu xuÊt hiÖn sù biÕn<br /> PA/PP v2 polyme blend PA/PP-g-AM/PP khi bÞ d¹ng cña c¸c pha còng nh sù t¸ch cña c¸c pha.<br /> ph¸ huû kÐo ®øt. DÔ d2ng nhËn thÊy khi t¸c Mét ®iÒu thó vÞ l2 ë hçn hîp PA/PP do kh«ng cã<br /> <br /> 469<br /> chÊt t ¬ng hîp, c¸c pha kh«ng cã sù liªn kÕt T i liÖu tham kh¶o<br /> chÆt chÏ do ®ã chóng bÞ tr ît rÊt m¹nh v2 t¸ch<br /> khái nhau, t¹o ra c¸c vÖt nøt d2i lín ë c êng ®é 1. A. Gonzalez Montiel, H. Keskkula, D. R.<br /> kÐo ®øt 56,99 MPa. Trong khi ®ã ë polyme Paul. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.,<br /> blend PA/PP-g-AM/PP do cã chÊt t ¬ng hîp 33, 12, 1751 - 1767 (1995).<br /> PP-g-AM nªn c¸c pha kÕt dÝnh víi nhau tèt h¬n, 2. S. H. P. Bettini, J. A. M. Agnelli. J. Appl.<br /> qu¸ tr×nh tr ît cña c¸c pha còng x¶y ra Ýt h¬n, Polym. Sci., 74, 247 - 255 (1999).<br /> ngay c¶ ë c êng ®é kÐo ®øt 208 MPa (gÊp 4 lÇn<br /> c êng ®é kÐo ®øt cña hçn hîp PA/PP), song chØ 3. S. H. Jafari, A. K. Gupta. J. Appl. Polym.<br /> xuÊt hiÖn c¸c vÕt r¸ch rÊt nhá. Sci., 71, 11153 - 11161 (1999).<br /> 4. RaJ K. Datta, Malcolm B. Polk and Satish<br /> IV - KÕt luËn Kumar. J. Polym. Plast. Technol. Eng., 34,<br /> 4, 551 - 560 (1995).<br /> - §U chÕ t¹o ® îc chÊt t ¬ng hîp PP-g-AM 5. Martin van Duin, Marcel Aussems, Rein J.<br /> cã h2m l îng AM l2 0,5 - 1% trªn thiÕt bÞ ®ïn M. Borggreve. J. Polym. Sci., Part A:<br /> c«ng nghiÖp. Polym. Chem., 36, 179 - 188 (1998).<br /> - §U sö dông PP-g-AM ®Ó chÕ t¹o polyme 6. Bïi Ch ¬ng, NguyÔn V¨n Huynh. T¹p chÝ<br /> blend PA/PP-g-AM/PP trªn thiÕt bÞ phun c«ng Hãa häc, T. 40, sè §B, Tr. 165 - 167<br /> nghiÖp. VËt liÖu polyme blend cã tÝnh chÊt c¬ (2002).<br /> häc cao ®¸p øng ® îc viÖc chÕ t¹o mét sè phô 7. Lion Xavier. Master thesis, UnivesitÐ Libre<br /> kiÖn ®2n håi cho ng2nh ® êng s¾t. de Bruxelles (1991).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 470<br />