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


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 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

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


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.


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


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


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

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


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


C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

CH3 H

CH3 H

CH3 H

H

H

CH3 H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C


H

H

CH3 H

...

Hình 1.3: Syndiotactic Polypropylen
CH3
C
H

H
CH2

C

CH3

CH3
CH2

C

CH3

H

CH2


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


- 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

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

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

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


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

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