Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng biến đổi bề mặt khoáng chất đến tính chất vật liệu PP compozit - Nguyễn Việt Dũng (HVKHCNVN)

Tính cấp thiết của luận án Gia cường polyme bằng các chất độn dạng hạt đã có một lịch sử lâu dài và nó vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng cho đến tận ngày nay [1]. Khả năng biến đổi tính chất linh hoạt của các vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo đã gia tăng khả năng ứng dụng trong thực tế cũng như trong lĩnh vực nghiên cứu của các loại vật liệu này. Trong số các loại polyme nhiệt dẻo, polypropylen là loại nhựa nhiệt dẻo được ứng dụng nhiều nhất và nó cũng thu hút được nhiều sự quan tâm trong nghiên cứu do khả năng biến đổi tính chất linh hoạt. Khi nghiên cứu gia cường các chất độn vô cơ cho polypropylen, các nghiên cứu đã thực hiện ở cả trong nước và trên thế giới hầu hết tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của các yếu tố như: (i) thành phần; (ii) hình dạng và kích thước hạt, (iii) nồng độ và (iv) độ kết dính giữa chất độn và chất nền đến tính chất cơ của vật liệu.

Đối với vật liệu tồn tại nhiều dạng tinh thể như polypropylen, đặc biệt là sự ảnh hưởng mạnh của bề mặt chất độn đến quá trình kết tinh của vật liệu, các kết quả nghiên cứu vẫn còn tồn tại nhiều mâu thuân. Nhiều nghiên cứu đã cho biết sự tồn tại của một lớp polyme có tính chất khác biệt, đặc biệt là tính linh động của các phân tử, ở vùng chuyển pha giữa bề mặt chất độn và chất nền polyme. Việc xác định rõ vai trò, ảnh hưởng cũng như thiết lập được sự thay đổi có tính quy luật trong cấu trúc của lớp tương tác pha giữa các hạt chất độn và chất nền polyme đến tính chất cơ của vật liệu compozit bao gồm độ bền kéo đứt và độ bền va đập vẫn còn chưa được rõ ràng và thường chỉ được coi là giả thuyết được chấp nhận. Cùng với sự phát triển các kỹ thuật phổ cộng hưởng từ trạng thái rắn ss-NMR, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp này trong việc phân tích cấu trúc phân tử, đặc biệt là xem xét đến động học phân tử của các chuỗi phân tử polypropylen hứa hẹn mang đến nhiều kết quả thú vị góp phần làm rõ nguồn gốc sự thay đổi tính chất cơ của vật liệu.

Trên cơ sở đó, luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến đổi bề mặt một số khoáng chất đến tương tác pha và tính chất cơ lý của vật liệu tổ hợp trên cơ sở nhựa nền polypropylen” đã được lựa chọn để thực hiện. Mục tiêu của luận án Tìm hiểu mối liên hệ giữa sự thay đổi cấu trúc phân tử, trong đó nhấn mạnh đến tính linh động phân tử, đến sự thay đổi tính chất cơ của vật liệu trên các hệ vật liệu microcompozit của polypropylen và chất độn dạng hạt với các tương tác pha khác nhau. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án 1. Chế tạo các vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen và các chất độn có và không có xử lý bề mặt với các hàm lượng chất độn khác nhau.

Nghiên cứu và khảo sát hình thái tương tác pha, xác định các tính chất cơ của vật liệu bao gồm độ bền kéo đứt và độ bền va đập (tích phân J). Ứng dụng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (ss- NMR) xác định tính linh động phân tử trong vật liệu polyme compozit, tìm hiểu mối liên hệ với tính chất cơ của vật liệu. Nội dung trình bày của luận án bao gồm: Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu polyme nhiệt dẻo, đặc biệt là vật liệu polypropylen với các đặc trưng về cấu trúc, tính chất vật lý, tính chất hóa học. Các đặc trưng của vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen có chứa các chất độn dạng hạt, các nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới cũng như ở Việt Nam cho loại vật liệu này.

Trong chương 2, các quy trình chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở polypropylen và các chất độn: hạt thủy tinh, canxi cacbonat và bột khoáng talc. Các phương pháp thực nghiệm xác định hình thái và tính chất của vật liệu. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu của 3 hệ vật liệu compozit: PP/hạt thủy tinh; PP/CaCO3; và PP/talc với các đặc trưng như hình thái tương tác pha trên bề mặt phá hủy của vật liệu (SEM); các tính chất cơ bao gồm độ bền kéo đứt và độ bền va đập (tích phân J). Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn ss-NMR đã được áp dụng trên hai đối tượng vật liệu compozit PP/hạt thủy tinh và PP/CaCO3 để xác nhận sự thay đổi tính linh động phân tử trong các hệ vật liệu này.

Bố cục của Luận án: Luận án có 105 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo), bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung, những đóng góp mời và danh mục công trình công bố. Cụ thể như sau: 3 MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: THỰC NGHIỆM Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Các kết quả chính của luận án được công bố trong: - 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI (IF = 3.7) - 04 bài báo đăng trên tạp chí quốc gia - 05 báo cáo tham dự hội nghị Khoa học quốc tế (1 hội nghị quốc tế xuất bản ISBN) 4 Chương 1: TỔNG QUAN 1. Nhựa nhiệt dẻo polypropylen 1. Giới thiệu chung Trong các giai đoạn lịch sử khác nhau xuyên suốt chiều dài phát triển nền văn minh của con người, vật liệu luôn được sử dụng để chế tạo công cụ, xây dựng nên nhà cửa hay tạo ra các sản phẩm cụ thể khác.

Quá trình này bắt đầu từ thời kỳ đồ đá, tiếp đến là thời kỳ của kim loại (đồ đồng và đồ sắt) và đến những vật liệu phát triển tiên tiến hơn nữa [2]. Sang đến thế kỷ thứ 20, được coi là kỷ nguyên của chất dẻo và nó đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày của con người cho đến tận ngày nay. Các phương tiện như ô tô hay các sản phẩm dân dụng ngày càng chứa nhiều hơn các bộ phận được làm từ nhựa. Thậm chí quần áo của chúng ta mặc hàng ngày cũng được làm từ nhựa tổng hợp.

Chúng đã khẳng định mình là một ngành vật liệu quan trọng với rất nhiều lý do khác nhau. Tổng sản lượng polyme trên toàn thế giới tính đến thời điểm 2015 ước đạt 300 triệu tấn [3]. Vật liệu polyme có thể chia thành 3 nhóm: (i) nhóm các chất dẻo thông dụng (CP), (ii) các chất dẻo kỹ thuật và (iii) các polyme đặc biệt.1 trình bày sự phân bố các loại polyme trong thị trường toàn cầu. Phân bố tiêu thụ nguyên liệu trên thị trường toàn cầu năm 2015 theo loại sản phẩm [3] 5 Như có thể được quan sát, 85% khối lượng thị trường thuộc về nhóm các chất dẻo thông dụng như: PE, PP, PVC, PS, PUR và PET (các chất dẻo có sản lượng tiêu thụ trên 5% mỗi năm).

Ở châu Âu, tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm nhựa trong năm 2016 đạt 49,9 triệu tấn trong đó PP chiếm khối lượng lớn nhất với hơn 9 triệu tấn trong cả 2015 và 2016 [4]. Đến năm 2019, quy mô thị trường nhựa toàn cầu được định giá vào khoảng 568,7 tỷ USD. Dự đoán đến năm 2027 tốc độ tăng trưởng dựa trên doanh thu các sản phẩm nhựa đạt khoảng 3,5% mỗi năm, trong đó PE, PP và PU vẫn là các sản phẩm chủ đạo (hình 1. Sản lượng nhựa tính theo giá trị thị trường giai đoạn 2016 - 2027 Các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo có sự kết hợp tốt của các tính chất như tính chất cơ học và cách điện tốt, tỷ trọng thấp và khả năng định hình cao.

Ứng dụng thành công nhựa nhiệt dẻo trong thực tế đã được khẳng định khi tạo ra được các sản phẩm có tính chất tốt với giá cả hợp lý, điều mà mà khó có thể đạt được với các vật liệu truyền thống khác như thủy tinh, gỗ, kim loại, polyme nhiệt rắn hay gốm sứ. Nhựa nhiệt dẻo, như đúng theo tên gọi của chúng, là loại vật liệu có thể chảy mềm ở nhiệt độ cao và đông cứng lại khi nguội. Chúng có thể được gia công bằng các kỹ thuật khác nhau như ép phun, thổi hay đúc ly tâm. Đặc biệt, phương pháp ép phun nhựa nhiệt dẻo cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp và có thể hàn nối các chi tiết nhỏ với các bộ phận lớn hơn, do đó có thể tiết kiệm chi phí lắp ráp.

Với việc dễ dàng xử lý khi nóng chảy, nhựa nhiệt dẻo có khả năng được tái chế bằng cách làm chảy mềm để tạo thành các vật liệu mới, hoặc bị đốt cháy để tạo ra năng lượng điện. Hiện nay, các quy định luật pháp mới đang được đặt ra để khuyến khích tái chế các sản phẩm có thể tái sử dụng được này. Quá trình sản xuất PP thương mại bắt đầu vào năm 1957 ở Mỹ và năm 1958 ở Châu Âu. Mặt khác, PP đứng đầu trong nhóm các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo được sử dụng với khối lượng lớn nhất như: polyetylen (PE), polyvinyl clorit (PVC) và polystyren (PS).

Mức tiêu thụ trung bình của PP tăng khoảng 10% mỗi năm và dự báo về xu hướng sử dụng PP trong tương lai vẫn còn khá lạc quan. Tính linh hoạt của PP là yếu tố chính đem đến thành công cho loại vật liệu này. Cấu trúc và đặc tính (bao gồm cả khả năng gia công) của PP có thể được điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng. PP là một polyme hình sao, tồn tại dưới các đồng phân lập thể khác nhau và trong các hình dạng tinh thể khác nhau ảnh hưởng đến đặc tính tổng thể của nó.

PP có nhiều tính chất được xem là lợi thế như tỷ trọng thấp, chịu hóa chất, quá trình gia công dễ dàng và có khả năng tái chế. Ngoài ra, tính chất cơ của nó rất phù hợp với các chất dẻo kỹ thuật. Tuy nhiên, PP cũng có một số nhược điểm như suy giảm tính chất ở nhiệt độ thấp và độ bền va đập kém. Đây là động lực của nhiều nghiên cứu để phát triển thương mại hoá các copolyme PP khác nhau cũng như các blend của chúng.

Điều chế và cấu trúc phân tử [5] PP được điều chế bởi phản ứng trùng hợp propylen, một sản phẩm phụ của quá trình lọc hóa dầu, với sự có mặt của xúc tác và các điều kiện phản ứng (nhiệt độ và áp suất) được kiểm soát chặt chẽ.