MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Nhựa vốn là một phát minh tuyệt vời và có mặt hầu hết trong các lĩnh vực cuộc sống của con người. Tốc độ tăng trưởng trung bình trong 10 năm trở lại đây của ngành sản xuất hạt nhựa nguyên sinh Polyethylene (PP) là gần 15 – 20%. Được xem là một trong những ngành công nghiệp đang phát triển nhanh nhất tại Việt Nam. Hạt nhựa nguyên sinh PP được ưu tiên dùng cho sản xuất các sản phẩm nhựa đòi hỏi chỉ số an toàn nghiêm ngặt và giá thành rất cao.
Vì vậy, những sản phẩm thông thường thì các nhà sản xuất chỉ sử dụng nhựa tái sinh PP để giảm chi phí, hạn chế ô nhiễm môi trường nhờ việc tái chế lại nhựa nguyên sinh [15]. PP là sự lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng cho những sản phẩm cần sự trong suốt. Tuy nhiên, do một vài yếu tố khách quan như chọn nhựa nền không phù hợp khi kết hợp hỗn hợp nhựa PP, hoặc để giảm giá thành nên phải sử dụng nhựa PP tái sinh, hoặc thêm chất độn. Chất độn giúp các nhà sản xuất giảm chi phí và nhiều khi cũng giúp nâng cao tính năng của sản phẩm.
Chất độn trong sản xuất chất dẻo thường là các khoáng vật không tan, chúng làm tăng thể tích của polyme. Chúng đóng nhiều vai trò trong các hệ thống polyme và có thể được xếp hạng rộng như các chất độn gia cường hoặc chất độn không gia cường. Các vật liệu độn đắt tiền như sợi thủy tinh, sợi và ống nano cacbon nhìn chung không được sử dụng trong ngành sản xuất polyme. Các chất độn khoáng chất như bột Talc chủ yếu được bổ sung để tăng độ cứng và cải thiện các tính chất của polyme.
Chính vì thế, mỗi năm có khoảng hơn 200 nghìn tấn bột Talc kỹ thuật được trộn với PP. Một trong những ứng dụng nổi bật của bột Talc là ứng dụng trong sản phẩm nhựa. Với tác dụng tăng độ cứng, độ bền, độ bền nhiệt, khả năng chống lão hóa và chống tác hại của các tia tử ngoại, chống xước tốt. Bột Talc được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm nhựa làm chi tiết máy như ô tô, xe máy, cũng như các sản phẩm nhựa gia đình như túi nylon, chậu nhựa.
Sản xuất các sản phẩm nhựa dùng cho ô tô, xe máy là một trong những ngành công nghiệp sử dụng bột Talc mạnh nhất. Theo thống kê thì trung bình 1 xe ô tô sẽ dùng hết 1kg bột Talc cho các sản phẩm nhựa và 1 kg cho các sản phẩm cao su. Xu hướng hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô là chế tạo các bộ phận mỏng, nhẹ và kích thước chính xác, điều này đòi hỏi nhựa có tính lưu biến cao hơn mà chất độn Talc có thể đáp ứng được điều này [16]. Tuy nhiên, ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về tác dụng của Talc trong nhựa, đặc biệt là trong PP.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đối với ngành công nghiệp nhựa nói chung và đặc biệt về bên lĩnh vực cung cấp nguyên vật liệu nhựa hiện tại ở Việt Nam thì tìm được chất độn mới, rẻ, thích hợp cải thiện cơ tính của vật liệu nhựa khi chất độn được thêm vào, góp phần giảm đáng kể chi phí thất thoát bỏ ra để mua nguyên liệu nhựa nguyên sinh đắt tiền.
- Giúp giảm giá thành cho các sản phẩm từ nhựa PP có sử dụng chất độn.3 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng của hỗn hợp PP/Talc với các hàm lượng bột Talc khác nhau. Từ đó, có thể lựa chọn hàm lượng Talc tối ưu cho các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.4 Nhiệm vụ nghiên cứu - Thêm các thành phần bột Talc vào Polypropylence với tỉ lệ khác nhau. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất độn đến cơ tính của Polypropylence: nghiên cứu độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng. - Quy hoạch thực nghiệm tìm ra thành phần tối ưu.5 Đối tượng nghiên cứu - PP và bột Talc - Cơ tính (độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng) của nhựa PP khi thêm bột Talc với các tỉ lệ khác nhau.6 Phạm vi nghiên cứu - Khối lượng bột Talc đưa vào PP giới hạn dưới 30%wt.
- Chỉ nghiên cứu một số các chỉ tiêu cơ tính thông dụng (độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng) 1.7 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp 1: Xác định hàm lượng khoáng Talc cho vật liệu PP: Chế tạo các mẫu với hàm lượng Talc thay đổi từ 10%wt. trong vật liệu PP/Talc. - Phương pháp 2: Xác định hàm lượng khoáng Talc tối ưu cho vật liệu PP: Gửi mẫu đến các trung tâm kiểm nghiệm, đo lường để xác định các thông số kỹ thuật (Trung tâm kỹ thuật chất dẻo và cao su) để xác định cơ tính cho vật liệu nhựa PP, cụ thể là các thông số về độ bền kéo, bền uốn và độ cứng. Từ các kết quả nghiên cứu, có thể điều chỉnh hàm lượng Talc cho phù hợp với yêu cầu của sản phẩm.
2 Luan van CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Nhựa PP với những đặc điểm cơ tính như độ bền cơ học cao (bền xé và bên kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo dãn dài do đó được chế tạo thành sợi; trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ. Tuy nhiên, những đặc điểm cơ tính trên vẫn có những nhược điểm nhất định, PP dễ bị xé rách khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ, cùng với đó là độ cứng, độ dai va đập thấp nên chỉ thích hợp trong sản xuất bao bì, in ấn… thêm vào đó, giá thành cao nên nhựa PP ít được sử dụng trong chế tạo nhựa composite. Vì vậy, hiện nay đã có nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước tiến hành nghiên cứu về các loại nhựa PP cũng như là chất độn trong nhựa PP. Chất độn đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập chung cho vật liệu, vì chất độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa.
Đặc điểm của chất độn là tăng tính gia cường cơ học cho vật liệu, tăng tính kháng hóa chất, nhiệt độ, khả năng phân tán vào nhựa tốt, thuận lợi cho quá trình gia công, giá thành hạ, nhẹ. Các chất độn dạng hạt thường sử dụng là Silica, CaCO3, Talc, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, cacbon… 2.1 Tình hình nghiên cứu ở Thế giới Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về chất độn Canxicacbonat (CaCO3). Chất độn CaCO3 đã được sử dụng ở dạng hạt mịn với kích thước dưới 10µm, hàm lượng sử dụng là 5, 10, 15, 20, 25 và 30% theo tỉ lệ khối lượng, kết quả cho thấy khi cho thêm CaCO3 cải thiện đáng kể các tính chất nhiệt và cơ học của các vật liệu tổng hợp. Nghiên cứu của Hamid Essabir và cộng sự cho thấy, thêm 20% chất độn sẽ cải thiện độ ổn định nhiệt khoảng 27.5oC với CaCO3, trong khi với hàm lượng là 30% các module kéo tăng 97% (CaCO3) khi so với PP nguyên chất [5].
Tương tự, với chất độn được sử dụng là CaCO3 với tỉ lệ là 5,10 và 20% tỉ lệ khối lượng, kết quả của nghiên cứu đã chỉ rõ ra rằng việc bổ sung các chất độn gia tăng mô đun đàn hồi, ứng suất kéo và ứng suất đàn hồi. da Silva và cộng sự cũng đã xác nhận rằng độ nhớt trong quá trình chảy tăng với việc bổ sung chất gia cường và đạt giá trị cao nhất với 15% talc [13]. Ngoài CaCO3, chất độn cao lanh cũng dành được sự quan tâm của giới khoa học. Theo công trình của Samir Nassaf Mustafa và cộng sự về tác dụng của cao lanh tới cơ tính của PP/Polyethylene, thông qua việc trộn chất độn cao lanh với hàm lượng 1, 3, 5, 10, 14 wt.%, kết quả thu được cho thấy độ bền kéo tăng đồng thời với tăng nồng độ chất độn từ 2MPa của PP/PE không độn và lên tới 9MPa với sự xuất hiện của 14% cao lanh, và độ cứng shore D cũng tăng với nồng độ chất độn tăng từ 40HD lên tới 70HD với sự xuất hiện của 14% cao lanh [11].2 Các nghiên cứu về chất độn Talc trên thế giới a.
Độ bền kéo Nghiên cứu của Shri Kant và cộng sự với hàm lượng Talc được cho thêm vào lần lượt là 10, 20, 30, 40 và 50 wt.%, kết quả cho thấy sự cải thiện các tính chất cơ 3 Luan van học như độ bền kéo từ 271.72 kG/cm2 với PP nguyên sinh lên tới 239.5 kG/cm2 với 50% Talc [7]. da Silva với chất độn được sử dụng là Talc tỉ lệ là 5, 10 và 20 wt.%, kết quả đã chỉ rõ ra rằng việc bổ sung các chất độn gia tăng độ bền kéo, từ 28±5 MPa của PP nguyên sinh tới 130±4 MPa với 15% Talc [13]. Công trình của Wei Pan với lượng bột Talc sử dụng là từ 5 tới 25% tỉ lệ khối lượng. Cơ tính của vật liệu ví dụ như độ bền thử va đập Charpy và độ bền kéo được cải thiện.
Độ bền kéo đạt được giá trị tối đa (33.9 MPa) với sự hiện diện của 10% tỉ lệ khối lượng Talc so với 30.8 MPa của PP nguyên sinh [12]. Các kết luận của A. Zihlif cũng cho thấy với nồng độ Talc được sử dụng là 25 và 30% tỉ lệ khối lượng Talc, lại cho thấy độ bền kéo của composite giảm với cả khi tăng nồng độ Talc cũng như nhiệt độ. Ở nhiệt độ 20oC, độ bền kéo của composite có 25% Talc là 24 MPa còn với 30% Talc là 22.
Độ bền uốn Theo Shri Kant và cộng sự với hàm lượng Talc được cho thêm vào lần lượt là 10, 20, 30, 40 và 50% tỉ lệ khối lượng, kết quả cho thấy độ bền uốn cũng có sự tăng từ 233.116 (Kq/cm2) với PP nguyên sinh lên tới 336. Một công trình khác của Mubbasher Ali Khan đã sử dụng bột Talc với thành phần 10, 20 & 30% tính theo trọng lượng và các mẫu vật đã được thực hiện với áp lực phun là 4, 5 & 6 MPa. Composite PP thêm Talc cho thấy sự gia tăng của mô đun đàn hồi khi cho lượng bột Talc lên tới 20% so với PP tinh khiết từ 85,719 (MPa) lên tới 150. Một bài báo nữa của Wei Pan với lượng bột Talc sử dụng là từ 5 tới 25% tỉ lệ khối lượng kết quả cho thấy sự cải thiện về độ bền uốn.
Độ bền uốn tăng dần từ 39 MPa của PP nguyên sinh và đạt được giá trị tối đa 61 MPa với sự hiện diện của 25% tỉ lệ khối lượng Talc [11].