MỞ ĐẦU Trộn hợp hay blend các polyme (nhất là các polyme và copolyme đã được thương mại hoá) trên các thiết bị gia công nhựa nhiệt dẻo là một hướng rất có triển vọng để chế tạo các vật liệu polyme mới, kết hợp được nhiều tính chất của các polyme thành phần, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật. Công nghệ này rẻ hơn và tốn ít thời gian hơn so với trùng hợp hay đồng trùng hợp các monome mới cũng như chế tạo copolyme khối, copolyme ghép và copolyme thống kê từ các monome thông dụng.Trộn hợp các polyme, không những có thể chế tạo vật liệu polyme blend có các tính chất mong muốn nhờ điều chỉnh tỷ lệ các polyme thành phần, nhiệt độ trộn hợp, thời gian trộn hợp các polyme, hàm lượng phụ gia tương hợp. mà còn làm giảm bớt các khó khăn khi gia công và làm giảm giá thành của sản phẩm [1-5]. Dây dẫn tín hiệu nổ (dây dẫn nổ) là phương tiện truyền sóng kích nổ từ kíp nổ đến một hoặc nhiều khối chất nổ hoặc từ khối chất nổ này đến khối chất nổ khác ở một khoảng cách nhất định hoặc từ mặt đất xuống các lỗ khoan sâu ở các công trường nổ mìn ngoài mỏ hầm lò có khí bụi nổ.
Dây dẫn tín hiệu nổ cấu tạo gồm một vỏ ống được chế tạo từ vật liệu polyme blend PE/ EVA và PE/PP, bên trong được rắc một lớp mỏng thuốc hoạt tính (thuốc nổ hexogen). Dây dẫn tín hiệu nổ được sử dụng khai thác than, khai thác đá, khác thác dầu mỏ. Tuy nhiên, dây dẫn hiện nay chế tạo ra có một số nhược điểm như: tỷ lệ dập, nứt nhỏ dọc theo dây dẫn cao, độ bám dính của thuốc dẫn nổ vào dây dẫn kém, có hiện tượng phân lớp giữa lớp vỏ và lớp lõi sau khi bọc vỏ, tỷ lệ phế phẩm cao. Bên cạnh đó, do nhu cầu sử dụng thuốc nổ công nghiệp AD1 cho khai thác than, khai thác đá… là rất lớn nên nhu cầu về bi nghiền để nghiền, trộn thuốc nổ này là không nhỏ.
Bi nghiền thuốc nổ công nghiệp AD1 được gia công bằng gỗ nghiến. Tuy nhiên, bi gỗ nghiến có một số nhược điểm như: bị sứt, vỡ trong quá trình nghiền, độ kháng mài mòn thấp, sự khan hiếm gỗ nghiến do cạn kiệt nguồn tài nguyên rừng… 2 Mặc dù, dây dẫn tín hiệu nổ, bi nghiền thuốc nổ hiện nay có nhiều nhược điểm nhưng việc nghiên cứu về các sản phẩm này hầu như chưa được đề cập. Xuất phát từ thực tế này, tôi chọn vật liệu chế tạo dây dẫn tín hiệu nổ, vật liệu chế tạo bi nghiền thuốc nổ công nghiệp AD1 làm đối tượng nghiên cứu. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme blend PE/EVA, PP/PE đạt yêu cầu kỹ thuật làm dây dẫn tín hiệu nổ và khắc phục được các nhược điểm hiện nay; Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme blend PA/PP đạt yêu cầu kỹ thuật làm bi nghiền thuốc nổ công nghiệp AD1 và khắc phục được các nhược điểm hiện nay của bi gỗ nghiến.
Để giải quyết vấn đề này, luận án “Nghiên cứu chế tạo tổ hợp vật liệu trên cơ sở polyolefin và ứng dụng trong ngành vật liệu nổ” sẽ nghiên cứu vật liệu polyme blend PE/EVA, PP/PE và PA/PP được chế tạo ở trạng thái nóng chảy và ứng dụng của chúng với những nội dung chính: - Phương pháp và quá trình trộn hợp vật liệu polyme blend trên cơ sở PE/EVA, PE/PP và PP/PA. - Ảnh hưởng của một số loại phụ gia tương hợp lên tính chất của vật liệu polyme blend trên cơ sở PE/EVA. - Ảnh hưởng của một số loại phụ gia tương hợp, chống oxy hóa, chống tĩnh điện lên tính chất của vật liệu polyme blend trên cơ sở PA/PP. - Nghiên cứu một số các tính chất và cấu trúc vật liệu polyme blend trên cơ sở PE/EVA, PE/PP và PA/PP khi không có chất phụ gia và có chất phụ gia.
- Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng sản phẩm trong thực tế vào chế tạo sản phẩm: dây dẫn tín hiệu nổ; bi nghiền thuốc nổ công nghiệp AD1. Các nghiên cứu trong luận án này nhằm mục đích tìm ra tỷ lệ thành phần cũng như các điều kiện công nghệ thích hợp để chế tạo vật liệu polyme blend PE/EVA, PP/PE có các tính chất tốt, đạt yêu cầu kỹ thuật làm dây dẫn tín hiệu nổ và polyme blend PA/PP có các tính chất tốt, đạt yêu cầu kỹ thuật làm bi nghiền dùng để nghiền thuốc nổ công nghiệp AD1 cũng như để ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống. Giới thiệu chung về polyme blend Vật liệu polyme blend là vật liệu được tạo ra từ hai hoặc nhiều polyme nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su, qua đó có thể tối ưu hóa về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử dụng nhất định. Nhìn chung, polyme blend có thể tồn tại ở dạng đồng thể hoặc dị thể.
Trong polyme blend đồng thể, các polyme thành phần không còn giữ được các đặc tính riêng và các tính chất của vật liệu blend thường có giá trị trung bình giữa các tính chất của các polyme thành phần. Trong trường hợp hệ dị thể, các tính chất của polyme thành phần không được giữ nguyên [5]. Vật liệu polyme blend có một số ưu điểm như sau: - Vật liệu polyme blend ra đời đã lấp được khoảng trống về tính chất công nghệ và giá thành giữa các loại polyme thành phần. Qua đó người ta có thể tối ưu hóa về mặt giá thành và tính chất của vật liệu sử dụng.
- Vật liệu polyme blend tạo khả năng phối hợp tính chất mà những loại vật liệu khác khó có thể đạt được từ các tính chất quý của các vật liệu thành phần. Do vậy, đáp ứng những yêu cầu cao của hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật. - Quá trình nghiên cứu chế tạo sản phẩm trên cơ sở polyme blend nói chung thường nhanh hơn nhiều so với nghiên cứu chế tạo sản phẩm từ vật liệu mới khác vì có thể sử dụng những vật liệu với những tính chất đã biết và công nghệ sẵn có [6]. Trong quá trình gia công polyme blend, tính tương hợp của các cấu tử thành phần và phương pháp trộn hợp có vai trò quan trọng trong việc quyết định tính chất của polyme blend.
Ở một số loại polyme blend, các cấu tử có thể tự hòa trộn vào nhau tới mức độ phân tử và cấu trúc này tồn tại ở trạng thái cân bằng, người ta gọi những hệ này là những hệ tương hợp về mặt nhiệt động học. Cũng có những hệ khác mà trong đó tính tương hợp được tạo thành nhờ những biện pháp gia công nhất định, chúng được gọi là những hệ tương hợp về mặt kỹ 4 thuật. Những tổ hợp polyme trong đó tồn tại những pha khác nhau dù rất nhỏ (micro) gọi là tổ hợp không tương hợp [7]. Phân loại polyme blend Polyme blend có thể chia làm 3 loại theo sự tương hợp của các polyme thành phần [7]: Polyme blend trộn lẫn và tương hợp hoàn toàn: có entanpy < 0 do có các tương tác đặc biệt và sự đồng nhất được quan sát ở mức độ phân tử.
Đặc trưng của hệ này là chỉ có một giá trị nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) nằm ở khoảng giữa Tg của hai pha thành phần. Polyme blend trộn lẫn và tương hợp một phần: một phần polyme này tan trong polyme kia, ranh giới phân chia pha không rõ ràng. Cả hai pha polyme (một pha giàu polyme 1, một pha giàu polyme 2) là đồng thể và có hai giá trị Tg. Cả hai giá trị Tg chuyển dịch từ giá trị Tg của polyme thành phần ban đầu về phía polyme kia.
Polyme blend không trộn lẫn và không tương hợp: hình thái pha rất thô, không mịn, ranh giới phân chia pha rõ ràng, bám dính bề mặt hai pha rất tồi, có hai giá trị Tg riêng biệt ứng với giá trị Tg của polyme ban đầu. Các polyme không tương hợp tồn tại ở các pha dưới 3 dạng như ở hình 1. Phân bố pha trong tổ hợp polyme blend không tương hợp 1.a - một pha liên tục và một pha phân tán; 1.b - hai pha liên tục 1.c - hai pha phân tán 5 I. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của polyme blend Tính chất của polyme blend được quyết định bởi sự tương hợp của các polyme trong tổ hợp.
Từ những kết quả nghiên cứu người ta chỉ ra rằng sự tương hợp của các polyme phụ thuộc vào các yếu tố sau [8]: • Bản chất hóa học và cấu trúc phân tử của các polyme • Khối lượng phân tử và sự phân bố của khối lượng phân tử • Tỷ lệ các cấu tử trong tổ hợp • Năng lượng bám dính ngoại phân tử • Nhiệt độ. Tính chất các tổ hợp không tương hợp phụ thuộc: • Sự phân bố pha • Kích thước hạt • Loại bám dính pha. Những yếu tố này bị chi phối bởi điều kiện chuẩn bị và quá trình gia công vật liệu. Thực tế để tăng độ tương hợp cũng như khả năng trộn hợp của các polyme người ta dùng các chất làm tăng khả năng tương hợp như các copolyme, chất hoạt tính bề mặt bên cạnh việc chọn chế độ chuẩn bị và gia công thích hợp cho từng loại tổ hợp thông qua việc khảo sát tính lưu biến của tổ hợp vật liệu [9].
Các phương pháp xác định sự tương hợp của polyme blend Đánh giá khả năng tương hợp của các polyme thường căn cứ vào các thông tin tổng hợp từ nhiều phương pháp như quan sát bề mặt, cấu trúc hình thái học, năng lượng tương tác tự do giữa các polyme, tính chất điện, tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, tính chất quang, khả năng hòa tan. Dưới đây là một số phương pháp thường dùng để xác định sự tương hợp của polyme blend [1, 2, 6]. - Hòa tan các polyme trong cùng một dung môi: nếu xảy ra sự tách pha thì các polyme không tương hợp với nhau. Phương pháp này được xác định trên cơ sở sự tách pha phụ thuộc vào nồng độ các polyme và nhiệt độ nên phương pháp này chi để tham khảo sơ bộ và đưa ra các nhận định tương đối về vật liệu.
6 - Tạo màng mỏng từ dung dịch loãng của hỗn hợp polyme: nếu màng thu được mờ và dễ vỡ vụn thì các polyme không tương hợp. Phương pháp này chỉ dùng để đánh giá sơ bộ. - Quan sát bề mặt và hình dạng bên ngoài của sản phẩm polyme blend thu được ở trạng thái nóng chảy: nếu các tấm mỏng thu được bị mờ thì các polyme không tương hợp. Nếu tấm mỏng thu được trong suốt thì các polyme có thể tương hợp.