Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học polymer, vật liệu polyme ngày càng giữ vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và đời sống với nhu cầu ngày càng cao về độ bền, hiệu suất và giá thành hợp lý. Polybutylene terephthalate (PBT) là một loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật bán tinh thể được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đồ gia dụng, linh kiện máy móc và điện tử nhờ độ bền kéo cao, khả năng chịu nhiệt lên đến 120°C và ổn định kích thước tốt. Tuy nhiên, PBT có nhược điểm là tính giòn và độ dai va đập thấp, dễ gãy khi có vết nứt vi mô. Ngược lại, thermoplastic polyurethane (TPU) là nhựa nhiệt dẻo có độ đàn hồi cao, khả năng chống mài mòn và độ bền va đập vượt trội, được sử dụng trong nhiều ứng dụng như vỏ điện thoại, giày thể thao và dây bọc cáp.

Mục tiêu nghiên cứu là cải thiện độ dai va đập của PBT bằng cách trộn với TPU, đồng thời đánh giá hiệu quả và nhược điểm của việc pha trộn này. Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh cơ tính của hỗn hợp PBT/TPU với các tỷ lệ khác nhau, từ 0% đến 20% TPU, nhằm lựa chọn tỷ lệ tối ưu để nâng cao tính năng cơ học. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022, với các thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm Cao su và Chất dẻo TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu polyme blend mới, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy và sản xuất linh kiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu polyme blend, trong đó sự pha trộn hai hoặc nhiều loại polyme tạo ra vật liệu mới với đặc tính vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết tương hợp polyme blend: Phân loại polyme blend thành ba loại dựa trên mức độ tương hợp giữa các pha: tương hợp hoàn toàn, tương hợp một phần và không tương hợp. Tính tương hợp ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của vật liệu. Trong nghiên cứu này, PBT và TPU được xác định là hai pha không tương hợp hoàn toàn, thể hiện qua cấu trúc vi mô phân tán pha rõ ràng.

  • Lý thuyết cơ tính vật liệu polyme: Đánh giá các đặc tính cơ học như độ bền kéo, độ dai va đập và biến dạng đứt gãy dựa trên các tiêu chuẩn ASTM D638 và ISO 179-1. Lý thuyết này giúp phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ TPU đến cơ tính của hỗn hợp PBT/TPU.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền kéo (tensile strength), độ dai va đập (impact toughness), nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), và cấu trúc vi mô (microstructure) quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu PBT, TPU và hỗn hợp PBT/TPU với tỷ lệ TPU từ 0% đến 20% trọng lượng. Tổng cộng có 36 mẫu được chuẩn bị và thử nghiệm, mỗi nhóm mẫu gồm 5 mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D638 cho kiểm tra độ bền kéo và 60 mẫu cho kiểm tra độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179-1.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Chuẩn bị mẫu: Hạt nhựa PBT và TPU được sấy chân không ở 80°C trong 6 giờ, sau đó trộn theo tỷ lệ xác định và ép phun bằng máy SHINE WELL 120T với nhiệt độ trục vít 190-193°C, nhiệt độ đầu khuôn 203-212°C, thời gian làm nguội 8 giây.

  • Thí nghiệm cơ tính: Đo độ bền kéo trên máy kéo vạn năng AG-X plus Shimadzu với tải trọng tối đa 20 kN, sử dụng camera đo biến dạng không tiếp xúc. Đo độ dai va đập bằng máy đo va đập IT504 theo phương pháp Charpy.

  • Quan sát tổ chức tế vi: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 để khảo sát cấu trúc bề mặt và phân bố pha của các mẫu trước và sau khi thử nghiệm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, từ chuẩn bị vật liệu, thiết kế mẫu, tiến hành thí nghiệm đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ bền kéo giảm khi tăng tỷ lệ TPU: Độ bền kéo trung bình của PBT nguyên chất đạt 37.13 MPa, trong khi hỗn hợp 20% TPU chỉ còn khoảng 13 MPa, giảm 63.6%. Độ bền kéo giảm dần theo tỷ lệ TPU tăng (5% TPU: ~31 MPa; 10% TPU: ~28 MPa; 15% TPU: ~26 MPa). Điều này được thể hiện rõ qua biểu đồ ứng suất-biến dạng, cho thấy sự giảm ứng suất tối đa và tăng biến dạng đứt gãy.

  2. Độ dai va đập tăng rõ rệt với TPU: Độ dai va đập trung bình của PBT nguyên chất là 3.66 kJ/m², trong khi TPU nguyên chất đạt 34.61 kJ/m². Hỗn hợp PBT/TPU có độ dai va đập tăng dần theo tỷ lệ TPU, ví dụ mẫu 20% TPU đạt khoảng 8.45 kJ/m², gấp hơn 2 lần so với PBT nguyên chất.

  3. Biến dạng đứt gãy tăng theo TPU: Biến dạng đứt gãy của PBT rất thấp (khoảng 1%), trong khi TPU có biến dạng rất lớn (trung bình 298%). Hỗn hợp PBT/TPU thể hiện sự gia tăng biến dạng đứt gãy theo tỷ lệ TPU, cho thấy tính dẻo dai được cải thiện.

  4. Cấu trúc vi mô không đồng nhất: Quan sát SEM cho thấy hỗn hợp PBT/10% TPU có cấu trúc hai pha rõ ràng, với pha TPU phân tán dưới dạng giọt trong nền PBT. Không có sự kết dính mạnh giữa hai pha, thể hiện tính không tương hợp hoàn toàn, ảnh hưởng đến cơ tính hỗn hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm độ bền kéo khi tăng TPU là do sự khác biệt về nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) giữa PBT (55-65°C) và TPU (-44°C). Ở nhiệt độ phòng (khoảng 37°C), PBT vẫn ở trạng thái cứng, trong khi TPU mềm và dẻo, làm giảm tính liên kết cơ học của hỗn hợp. TPU hoạt động như các vùng đàn hồi tập trung ứng suất, dẫn đến giảm ứng suất chịu kéo tối đa.

Tuy nhiên, TPU cải thiện đáng kể độ dai va đập và biến dạng đứt gãy của hỗn hợp, giúp khắc phục nhược điểm giòn của PBT. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về polyme blend không tương hợp, trong đó sự phân tán pha mềm trong pha cứng giúp tăng khả năng hấp thụ năng lượng va đập.

Biểu đồ ứng suất-biến dạng và độ dai va đập có thể được trình bày qua các biểu đồ cột và đường cong để minh họa rõ ràng xu hướng thay đổi theo tỷ lệ TPU. Bảng số liệu chi tiết hỗ trợ phân tích độ biến thiên và sai số trong các nhóm mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ TPU trong hỗn hợp: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ TPU từ 5-10% để cân bằng giữa độ bền kéo và độ dai va đập, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính dẻo dai cao mà vẫn giữ được cơ tính tương đối.

  2. Nâng cao tính tương hợp pha: Áp dụng các chất tương hợp hoặc phương pháp xử lý bề mặt để cải thiện liên kết giữa PBT và TPU, từ đó tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dai va đập.

  3. Mở rộng nghiên cứu với phụ gia nano: Thêm các hạt nano như đất sét, ống nano carbon (CNT) hoặc sợi carbon (CF) để tăng cường cơ tính và ổn định cấu trúc vi mô của hỗn hợp.

  4. Ứng dụng trong sản xuất linh kiện chịu va đập: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử, ô tô và đồ gia dụng áp dụng hỗn hợp PBT/TPU với tỷ lệ phù hợp để nâng cao độ bền va đập sản phẩm, giảm thiểu hư hỏng do va chạm.

Các giải pháp nên được triển khai trong vòng 1-2 năm với sự phối hợp giữa viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy, Vật liệu polymer: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích cơ bản về vật liệu polyme blend, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nhựa và linh kiện điện tử: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm nâng cao tính năng cơ học và độ bền va đập.

  3. Chuyên gia thiết kế sản phẩm công nghiệp: Áp dụng kiến thức về cơ tính và cấu trúc vi mô để thiết kế sản phẩm có độ bền cao, giảm thiểu rủi ro gãy vỡ trong quá trình sử dụng.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ vật liệu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để định hướng chính sách phát triển vật liệu mới, thúc đẩy ứng dụng khoa học công nghệ trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần pha trộn PBT với TPU?
    PBT có độ bền kéo cao nhưng giòn và dễ gãy, trong khi TPU có độ dai va đập và đàn hồi tốt. Pha trộn giúp cải thiện tính dẻo dai của PBT, mở rộng ứng dụng trong các sản phẩm yêu cầu chịu va đập.

  2. Tỷ lệ TPU nào là tối ưu để cải thiện cơ tính?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ TPU từ 5-10% là phù hợp để tăng độ dai va đập mà không làm giảm quá nhiều độ bền kéo, cân bằng giữa hai tính chất cơ học quan trọng.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá cơ tính?
    Độ bền kéo được đo theo tiêu chuẩn ASTM D638 trên máy kéo vạn năng AG-X plus Shimadzu, độ dai va đập theo tiêu chuẩn ISO 179-1 bằng máy đo va đập IT504.

  4. Cấu trúc vi mô ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Cấu trúc vi mô không đồng nhất với pha TPU phân tán trong nền PBT tạo ra sự không tương hợp, ảnh hưởng đến liên kết pha và cơ tính tổng thể, đặc biệt làm giảm độ bền kéo nhưng tăng độ dai va đập.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế không?
    Có, kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển vật liệu polyme blend mới, giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm linh kiện chịu va đập, nâng cao chất lượng và độ bền sản phẩm.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng của TPU đến cơ tính hỗn hợp PBT/TPU, với độ bền kéo giảm và độ dai va đập tăng theo tỷ lệ TPU.
  • Tỷ lệ TPU từ 5-10% được khuyến nghị để cân bằng giữa độ bền và độ dai va đập.
  • Cấu trúc vi mô SEM cho thấy sự phân tán pha TPU không đồng nhất, ảnh hưởng đến tính tương hợp và cơ tính.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu polyme blend mới, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy và sản xuất linh kiện.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cải thiện tính tương hợp pha và bổ sung phụ gia nano để nâng cao cơ tính hỗn hợp.

Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm với chất tương hợp, mở rộng tỷ lệ pha trộn và ứng dụng thực tế trong sản xuất. Độc giả và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.