Ứng dụng nhiệt lượng kế quét vi sai của TA Instruments trong nghiên cứu chất độn cho ngành nhựa được đăng trên tạp chí Applied Surface Science năm 2016

Các nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu vật liệu ở Athlone và Westmeath (Ireland) hợp tác với Đại học Bách khoa Grenoble (Pháp) đã sử dụng thiết bị nhiệt lượng kế quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry, DSC) của TA Instruments trong công trình nghiên cứu được đăng trên tạp chí Applied Surface Science (chỉ số mức độ ảnh hưởng IF = 5.155). Nghiên cứu này, tiêu đề là “Thay đổi bề mặt hóa học của các phân tử calcium carbonate bằng stearic acid với các phương pháp khác nhau”, đã cung cấp cho chúng ta những thông tin vô cùng quý giá để cải tiến quy trình xử lý bề mặt chất độn cho nhựa.

Chất độn cho nhựa là những phụ gia được cho thêm vào nhựa giúp tiết kiệm vật liệu nền, đồng thời có thể có một số tác dụng cải thiện tính chất vật lý cũng như bề mặt của vật liệu. Calcium carbonate (CaCO3), thành phần chính của bột đá vôi, thường được sử dụng rộng rãi với các loại nhựa PE, PP, ABS, EVA, HIPS, PC… như một chất độn giảm chi phí thành phẩm, tạo độ trắng sứ và tăng độ cứng cho vật liệu. Tuy nhiên, do đặc tính phân cực thân nước của phân tử, CaCO3 không trực tiếp tương thích được hoàn toàn với các loại polymer kỵ nước (chẳng hạn như HDPE hay LDPE, hay LLDPE) mà phải trải qua công đoạn xử lý với chất hoạt động bề mặt (surfactant). Chất hoạt động bề mặt thường được dùng với CaCO¬3 trong công nghiệp nhựa là stearic acid. Theo hình 1, stearic acid có cấu tạo phân tử gồm 1 đầu thân nước và 1 đuôi kỵ nước, trong quá trình xử lý bề mặt, theo lý thuyết thì stearic acid sẽ bị hấp phụ vào bề mặt các phân tử CaCO3 bởi phản ứng hóa học giữa đầu thân nước của stearic acid và ion Ca2+, qua đó hình thành nên bề mặt đơn lớp (monolayer) được tạo bởi đuôi kỵ nước bọc lấy các phân tử CaCO3.

Hình 1. Công thức phân tử, cơ chế phản ứng và nguyên lý hình thành bề mặt CaCO3 đơn lớp (monolayer) tạo nên bởi phản ứng với stearic acid (hình ảnh được sao chép và sửa đổi dựa theo Zhi Cao et al., 2016).

Tuy nhiên, trên thực tế, có rất nhiều yếu tố có thể tác động đến quá trình trên, chẳng hạn như phương pháp xử lý, điều kiện phản ứng, thành phần độ ẩm của đá vôi, kích thước hạt và nồng độ của CaCO3, cũng như lượng stearic acid được sử dụng để bao phủ bề mặt đơn lớp. Các lỗi phổ biến trong quy trình thường tạo ra khoảng trống thiếu kết dính trên bề mặt vật liệu, dù chỉ xảy ra ở tỉ lệ thể tích rất nhỏ, cũng có thể làm tổn hại rất lớn đến đặc tính của vật liệu. Bột CaCO3 siêu mịn thường được sử dụng để giảm thiểu việc hình thành các khoảng trống kết dính trên bề mặt, tuy nhiên chúng lại thường có xu hướng kết tụ lại. Do đó, các nhà nghiên cứu của chúng ta muốn tập trung phát triển quy trình xử lý CaCO3 với stearic acid để giảm thiểu việc hình thành các khoảng thể tích trống thiếu kết dính.
3 quy trình được các nhà nghiên cứu đem ra so sánh trong công trình nghiên cứu này gồm: quy trình khô, quy trình ướt, và quy trình phức hợp. Sau đó thành phẩm được phân tích các đặc điểm như phân tích thành phần hóa học (dựa trên tiêu chuẩn ASTM C1301), phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích tỉ lệ thể tích trống theo tiêu chuẩn ASTM D2734, phân tích khối lượng riêng theo tiêu chuẩn ASTM D792-08, phân tích độ thấm ướt bề mặt, phân tích tính chất cơ học theo tiêu chuẩn ASTM D638-10. Đặc biệt là phân tích các đặc tính nhiệt và sự kết tinh của vật liệu được thực hiện bởi thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) của TA Instruments đã đóng góp một phần không nhỏ vào kết quả của công trình nghiên cứu. Theo hình 2, sử dụng chất độn có thể làm giảm nhiệt độ nóng chảy của nhựa đến 3oC. Ngoài ra, chất độn trải qua các phương pháp xử lý ướt và phức hợp còn tăng giá trị nhiệt nóng chảy và độ kết tinh của vật liệu, cho thấy dấu hiệu của việc nén phân tử ở mức độ dày hơn, tức là giảm được thể tích trống.

Hình 2. Kết quả phân tích DSC cho thấy nhiệt đồ và các giá trị nhiệt nóng chảy (ΔHm), độ kết tinh (C), nhiệt độ nóng chảy (Tm) của vật liệu. Ký hiệu vật liệu nhựa nền (HDPE), nhựa + chất độn CaCO3 không qua xử lý bề mặt bằng acid stearic (PE-C), nhựa + CaCO3 trải qua các phương pháp xử lý khác nhau (xử lý khô PE-C1, xử lý ướt PE-C2, xử lý phức hợp PE – C3).*Chú thích: (a) khác biệt có ý nghĩa thống kê so với HDPE, (b) khác biệt có ý nghĩa thống kê so với PE-C1.(hình ảnh được sao chép và sửa đổi dựa theo Zhi Cao et al., 2016).

Khi kết quả của DSC được kết hợp với các kết quả khác, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng: phương pháp xử lý ướt và phương pháp phức hợp giúp tăng sức bền về nhiệt, độ kháng ẩm, độ bền sức kéo của vật liệu tốt hơn so với phương pháp khô; ngoài ra phương pháp phức hợp còn tăng khối lượng riêng và giảm tỉ lệ thể tích trống của vật liệu so với phương pháp xử lý ướt, qua đó thích hợp với các ứng dụng mà đặc biệt cần đến những tính chất này này.
Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai DSC của TA Instruments đã đặt ra một chuẩn mực mới cho ngành khoa học vật liệu. Dòng sản phẩm Discovery DSC tạo ra độ tin cậy tối đa cho người sử dụng với dữ liệu ưu việt về độ chính xác, độ chụm cũng như độ tái lặp, đồng thời cải thiện quy trình và năng suất làm việc trong phòng thí nghiệm. Với các công nghệ Fusion CellTM, công nghệ dòng nhiệt Tzero®, DSC điều biến nhiệt (MDSC®), giao diện One-Touch-AwayTM, phần mềm TRIOS cùng bộ lấy mẫu tự động, TA Instruments - cam kết chất lượng và bảo hành lên tới 5 năm – được các nhà khoa học hàng đầu trên thế giới tin dùng.

Bài viết dựa trên bài báo gốc của tạp chí “Applied Surface Science”:
Cao, Zhi & Daly, Michael & Clémence, Lopez & Geever, Luke & Major, Ian & Higginbotham, Clement & Devine, Declan. (2016). Chemical surface modification of calcium carbonate particles with stearic acid using different treating methods. Applied Surface Science 378, 320-329.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.205

Vũ Sỹ