Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu polyme nanôcmpozit trên cơ sở cao su thiên nhiên và cacbon nanotube

50 599 0
Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu polyme nanôcmpozit trên cơ sở cao su thiên nhiên và cacbon nanotube

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Đỗ Quang Kháng tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Em xin trân trọng cảm ơn phòng công nghệ vật liệu Polyme - Viện hóa học - Viện khoa học Công nghệ Việt Nam, khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập nghiên cứu Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, thầy cô bạn bè động viên, giúp đỡ em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên Đỗ Thị Thắm Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học MỤC LỤC GIẢI THÍCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu polyme compozit polyme nanocompozit 1.1.1 Vật liệu polyme compozit 1.1.2 Vật liệu polyme nanocompozit 1.1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit 1.2 Cao su thiên nhiên 1.2.1 Lịch sử phát triển CSTN 1.2.2 Thành phần, cấu tạo, tính chất phương pháp chế biến CSTN 1.2.3 Tình hình sản xuất chế biến CSTN 13 1.2.4 Một số biện pháp biến tính CSTN 14 1.3 Ống cacbon nano (CNTs) 16 1.3.1 Phân loại 16 1.3.2 Cấu trúc CNTs 17 1.3.3 Tính chất CNTs 18 1.3.4 Phương pháp tổng hợp CNTs 20 1.3.5 Phương pháp tinh chế CNTs 22 1.4 Biến tính, phân tán, ghép nhóm chức lên CNTs 22 1.4.1 Hòa tan dung môi chất hoạt động bề mặt 23 1.4.2 Biến tính cách gắn trực tiếp lên thành ống 23 1.4.3 Biến tính axit 23 1.5 Tình hình nghiên cứu, chế tạo vật liệu nanocompozit polyme/CNTs 24 1.5.1 Chế tạo vật liệu nanocompozit polyme/CNTs 24 Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học 1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme CNTs/ nanocompozit nước 25 CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, CHƯƠNG TRÌNH VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 28 2.2 Chương trình nghiên cứu 28 2.3 Vật liệu nghiên cứu 28 2.3.1 Cao su thiên nhiên 28 2.3.2 Ống cacbon nano 29 2.3.3 Các phụ gia khác 29 2.4 Phương pháp nghiên cứu 29 2.4.1 Thành phần mẫu nghiên cứu 29 2.4.2 Chế tạo vật liệu 29 2.4.3 Chế tạo mẫu nghiên cứu 30 2.5 Khảo sát tính chất vật liệu 30 2.5.1 Tính chất lý 30 2.5.2 Đánh giá độ bền nhiệt vật liệu phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 31 2.6 Phân tích cấu trúc hình thái vật liệu 31 2.7 Hệ số già hóa vật liệu 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng ống cacbon nano tới tính chất lý vật liệu 34 3.2 Ảnh hưởng chất gia cường tới cấu trúc hình thái vật liệu 37 3.3 Độ bền nhiệt vật liệu CSTN nanocompozit chúng 49 3.4 Độ bền môi trường vật liệu 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học GIẢI THÍCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT BR Cao su styren butadien CNTs Ống cacbon nano (Carbon nanotube) CSTN Cao su thiên nhiên CVD Lắng đọng hóa học từ pha DBSA Dodexylbenzen sunfonic axit DDA Dodexylamin DMF Dimetyl formamit EPDM Cao su etylen- propylen- dien đồng trùng hợp MWCNTs Ống cacbon nano đa tường NBR Cao su nitrin NMP N - metylpyrolidol PE Polyetylen PP Polypropylen SEM Kính hiển vi điện tử quét SWCNTs Ống cacbon nano đơn tường TGA Phân tích nhiệt trọng lượng Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1: Cấu trúc mạng graphit hai chiều (cuộn lại thành SWCNTs ) Hình 2: Mô hình phân tử dạng cấu trúc hình học SWCNTs Hình 3: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ bền kéo đứt vật liệu Hình 4: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ dãn dài đứt vật liệu Hình 5: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ mài mòn vật liệu Hình 6: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ cứng vật liệu Hình 7: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN phụ gia Hình 8: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN/CNTs (5%) phụ gia Hình 9: Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng vật liệu sở CSTN Hình 10: Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng vật liệu nanocompozit CSTN % CNTs Bảng 1: Thành phần (phần khối lượng - PKL ) CSTN sản xuất phương pháp khác Bảng 2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định tính chất lý CSTN Bảng 3: Sản lượng CSTN Việt Nam năm gần Bảng 4: Tính chất học CNTs số vật liệu thông dụng Bảng 5: Cấu trúc CNTs với số (m, n) Bảng 6: Ảnh hưởng hàm lượng ống cacbon nano tới tính chất học vật liệu Bảng 7: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy tổn hao trọng lượng vật liệu CSTN với phụ gia nanocompozit Bảng 8: Hệ số già hóa vật liệu Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp đại dẫn tới nhu cầu to lớn việc sử dụng vật liệu có tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống đứng riêng rẽ Vật liệu compozit nói chung, polyme compozit nói riêng đời đáp ứng yêu cầu Tính đặc biệt vật liệu vừa bền, vừa nhẹ lại vừa có tính chất chống ăn mòn cao Mặc dù vật liệu dễ chế tạo, cho sản phẩm có giá thành thấp đáp ứng yêu cầu chất lượng như: khả chịu va đập cao, độ bền xé rách lớn, chịu mài mòn tốt, hệ số dãn nở nhiệt thấp, bền môi trường hóa học,…nên vật liệu ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ đời sống hàng ngày Trong thời gian gần đây, khoa học công nghệ nano lĩnh vực thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học vấn đề nghiên cứu chế tạo vật liệu Nhiều công trình nghiên cứu đã, công bố đưa khoa học nano tiếp cận với công nghiệp đời sống đại tạo thành cách mạng công nghệ kỉ XXI Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước nhỏ bé chúng có tác dụng gia cường tính chất lý, kỹ thuật cho vật liệu tạo nên vật liệu có tính ưu việt Ống cacbon nano (CNTs) chất phụ gia phổ biến nay, đặc biệt lĩnh vực kỹ thuật có độ bền lý cao, độ bền nhiệt cao, bề mặt riêng lớn, có khả gia cường cho nhiều loại vật liệu khác Trên giới có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sở ống cacbon nano gợi mở khả ứng dụng tuyệt vời vật liệu Tuy nhiên, Việt Nam có số nghiên cứu bước đầu chưa có kết đáng kể vật liệu Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học polyme nanocompozit sở polyme ống cacbon nano Trước tình hình chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo tính chất vật liệu polyme nanocompozit sở cao su thiên nhiên carbon nanotube ” để thực khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu nghiên cứu đề tài “ Xác định hàm lượng tối ưu ống cacbon nano để nâng cao tính lý kỹ thuật cho vật liệu cao su thiên nhiên.” Để thực mục tiêu trên, tiến hành nội dung nghiên cứu sau đây: - Chế tạo vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit phương pháp cán trộn với hàm lượng CNTs gia cường khác - Khảo sát tính chất học ( độ bền kéo đứt, dãn dài đứt, dãn dư,…) vật liệu - Khảo sát cấu trúc hình thái vật liệu kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Xác định tính chất nhiệt vật liệu phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) - Từ kết khảo sát tính chất lý, cấu trúc vật liệu đánh giá khả ứng dụng vật liệu Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu polyme compozit polyme nanocompozit 1.1.1 Vật liệu polyme compozit Compozit loại vật liệu nhiều pha khác mặt hóa học, không tan vào nhau, phân cách ranh giới pha, kết hợp lại nhờ can thiệp kỹ thuật người theo sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng phát triển tính chất ưu việt pha compozit cần chế tạo Trong thực tế, phần lớn vật liệu compozit loại hai pha gồm pha liên tục toàn khối cốt pha phân bố gián đoạn Trong đóng vai trò chủ yếu liên kết toàn phần tử cốt thành khối compozit thống nhất, tạo khả để tiến hành phương pháp gia công compozit thành chi tiết theo thiết kế che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác động hóa học, học môi trường Ngoài phải nhẹ có độ dẻo cao Cốt đóng vai trò tạo độ bền mô đun đàn hồi cao cho compozit đồng thời cốt phải nhẹ để tạo độ bền riêng cao cho compozit [1] Vật liệu polyme compozit thường có pha vật liệu polyme, pha cốt polyme vật liệu khác Đối với compozit liên kết tốt cốt vùng ranh giới pha yếu tố quan trọng bảo đảm cho kết hợp đặc tính tốt hai pha Tính chất compozit phụ thuộc vào chất nền, cốt, khả liên kết với cốt trình công nghệ chế tạo Nền compozit nói chung sử dụng từ polyme, kim loại, gốm hỗn hợp nhiều pha Polyme làm cho compozit loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, nhóm elastome vật liệu tổ hợp polyme Trên sở compozit có polyme ta phân loại compozit theo đặc điểm cấu trúc cốt compozit cốt hạt, compozit cốt sợi compozit cấu trúc.[1] Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học  Compozit cốt hạt: Đặc điểm cốt hạt hóa bền có nhờ cản trở biến dạng vùng lân cận với hạt cốt chèn ép Người ta đưa hạt với vai trò chất độn vào polyme để tăng độ bền học vật liệu như: độ bền va đập, khả cách âm, tính chịu mài mòn, độ bền kéo đứt, khả chịu nhiệt, khả chịu môi trường ăn mòn muối, axit, kiềm,…Các hạt độn thường bột thạch anh, bột thủy tinh, oxit nhôm, đất sét, bột than đen,…[2]  Compozit cốt sợi: Compozit cốt sợi loại compozit kết cấu quan trọng có độ bền riêng mô đun đàn hồi riêng cao Đặc điểm compozit cốt sợi tính chất phụ thuộc vào phân bố định hướng sợi kích thước hình dạng sợi Cơ tính compozit cốt sợi bị ảnh hưởng yếu tố hình học sợi (chiều dài đường kính sợi) điều quan trọng compozit kết cấu cốt sợi phải có cấu trúc cho trọng tải đặt vào compozit phải dồn vào sợi pha có độ bền cao, tập trung vào pha dẫn đến phá hủy pha cách nhanh chóng Những loại sợi thường dùng sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi kim loại sợi polyme Ngoài ra, người ta dùng hai hay nhiều loại sợi [2]  Compozit cấu trúc: Compozit cấu trúc loại bán thành phẩm dạng nhiều lớp tạo thành cách kết hợp vật liệu đồng với compozit theo phương án cấu trúc khác Do tính chất compozit tạo thành phụ thuộc vào tính chất vật liệu thành phần mà vào thiết kế hình học chúng kết cấu.[2] Compozit cấu trúc thường phân làm hai loại: loại lớp panel sandwich Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học 1.1.2 Vật liệu polyme nanocompozit Công nghệ nano kĩ thuật sử dụng hạt từ 0,1 đến 100 nanomet để tạo biến đổi hoàn toàn lý tính vật liệu hiệu ứng kích thích lượng tử Vật liệu polyme nanocompozit vật liệu có polyme, copolyme polyme blend cốt hạt hay sợi khoáng thiên nhiên tổng hợp có chiều có kích thước khoảng từ 1-100nm (kích cỡ nanomet) [3, 4]  Vật liệu sử dụng chế tạo polyme nanocompozit đa dạng, phong phú bao gồm nhựa nhiệt dẻo nhựa nhiệt rắn, thường là: nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP), nhựa polyeste, cao su thiên nhiên (CSTN), nhựa epoxy, cao su butadien,…Trong khóa luận đề cập tới vật liệu CSTN  Khoáng thiên nhiên: chủ yếu đất sét - vốn hạt silica có cấu tạo dạng lớp montmorillonit, vermicullit, flourominca, bentonit kiềm tính hạt graphit,…  Các hạt nhân tạo: tinh thể silica CdS, PbS, CaCO3,… hay SiO2, ống cacbon nano, sợi cacbon nano Người ta phân biệt ba loại nanocompozit dựa vào số chiều có kích thước nanomet vật liệu gia cường: - Loại 1: loại hạt có chiều có kích thước nanomet, chúng hạt nano Nanocompozit tạo thành phương pháp trùng hợp sol-gel phương pháp in situ - Loại 2: loại hạt có chiều có kích thước nanomet, chiều thứ có kích thước lớn hơn, thường ống nano sợi nano (thường ống, sợi cacbon nano) dùng làm phụ gia nano để chế tạo polyme nanocompozit có tính chất đặc biệt Đỗ Thị Thắm K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học 2.5 Khảo sát tính chất vật liệu 2.5.1 Tính chất lý Tính chất lý vật liệu đo theo tiêu chuẩn hành Việt Nam cụ thể sau:  Độ bền kéo đứt: TCVN 4509 - 88: Công thức: k  F  Mpa  b.h Trong đó: F: lực tác dụng, N b: bề rộng phần eo, mm h: chiều dày mẫu, mm  Độ dãn dài tương đối đứt TCVN 4509 - 88: Công thức:  l  l0  % l0 Trong đó: l: độ dài đứt hai điểm đánh dấu l0: độ dài đánh dấu ban đầu  Độ cứng: Mẫu đo theo TCVN 1595 - 1: 2007 (ISO 7619 - 1: 2004) Phép đo thực đồng hồ đo độ cứng Shore A hãng Techloic Mẫu thử hình khối chữ nhật kích thước mẫu phải cho phép đo điểm Khoảng cách điểm đo không nhỏ 3mm từ điểm đo tới cạnh mẫu không nhỏ 13 mm Đỗ Thị Thắm 31 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội  Khóa luận tốt nghiệp đại học Độ mài mòn: phép đo độ mài mòn Acron vật liệu thực theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1594 - 87 Độ mài mòn tính theo công thức: V m1  m2 [cm3 / 1,61km] d Trong đó: V: lượng mài mòn mẫu m1: khối lượng mẫu trước mài mòn (g) m2: khối lượng mẫu sau mài mòn (g) d: tỷ trọng vật liệu thử (g/cm3) 2.5.2 Đánh giá độ bền nhiệt vật liệu phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) phương pháp phân tích thay đổi liên tục khối lượng mẫu theo nhiệt độ Phương pháp đưa thông tin nhiệt độ bắt đầu phân hủy, tốc độ phân hủy phần trăm khối lượng vật liệu nhiệt độ khác Các điều kiện để phân tích TGA: Chén đựng mẫu: plantin Môi trường khảo sát: không khí Tốc độ tăng nhiệt độ: 100C/ phút Nhiệt độ khảo sát: từ nhiệt độ phòng đến 7000C Quá trình phân tích TGA thực máy DTG - 60H hãng SHIMADZU Nhật Bản đặt phòng Phân tích nhiệt thuộc Viện Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 2.6 Phân tích cấu trúc hình thái vật liệu Đỗ Thị Thắm 32 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học Cấu trúc hình thái vật liệu nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) JSM - 6490 hãng Jeol (Nhật Bản), thực Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Mẫu nghiên cứu nhúng vào nitơ lỏng để làm lạnh đến nhiệt độ thủy tinh hóa, vật liệu trở lên giòn, Dùng kìm bẻ gãy, cắt lấy mẫu (dày khoảng mm), gắn mẫu lên giá cho vào buồng chân không, bề mặt gãy mẫu phủ lớp plantin mỏng Cho giá mẫu vào buồng chụp bề mặt gãy 2.7 Hệ số già hóa vật liệu Phương pháp xác định hệ số già hóa vật liệu polyme thường thực theo tiêu chuẩn TCVN 2229 - 77 Các mẫu thử chuẩn bị theo tiêu chuẩn quy định đưa vào tủ sấy có lưu thông không khí (có thể tủ sấy Memmert CHLB Đức) 700C thời gian 96 Điều kiện thử nghiệm: tủ phải đạt nhiệt độ quy định với dung sai: - Nhiệt độ Trong tủ 10C phải có phận quạt gió liên tục Tủ phải có van vào van Sau thời gian quy định mẫu lấy để yên nhiệt độ phòng không 96 tiến hành đo tính chất mẫu sau thực phép thử già hóa Hệ số già hóa (K B) vật liệu tính theo tích số độ bền kéo đứt độ dãn dài kéo đứt trước sau già hóa theo công thức: Đỗ Thị Thắm 33 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học K Z2 Z1 Trong đó: Z1 tích số độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt trước già hóa Z2 tích số độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt sau già hóa Trong nghiên cứu này, khả bền môi trường vật liệu đánh giá thông qua hệ số già hóa vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam 2229 - 77 môi trường không khí nước muối 10% nhiệt độ 70oC sau thời gian 96 Đỗ Thị Thắm 34 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng ống cacbon nano tới tính chất lý vật liệu Tính chất vật liệu từ cao su nói chung từ CSTN nói riêng không phụ thuộc vào yếu tố chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn công nghệ gia công mà phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất độn Trong phần nghiên cứu này, cố định yếu tố chất vật liệu, thành phần phụ gia khác chế độ gia công khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất độn ống cacbon nano (CNTs) tới tính chất lý vật liệu Kết khảo sát ảnh hưởng CNTs tới tính chất học vật liệu tổng hợp bảng Bảng 6: Ảnh hưởng hàm lượng carbon nanotube tới tính chất học vật liệu Tính chất Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài đứt (%) Độ mài mòn (cm3/1,61 km) Độ cứng (Shore A) 13,2 756 1,075 42 17,1 728 1,042 43 18,3 705 1,036 46 19,8 675 1,015 47 17,4 643 1,023 49 10 16,3 630 1,031 50 Hàm lượng CNTs (%) Đỗ Thị Thắm 35 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học Trên hình đến hình trình bày kết khảo sát biến đổi tính lý vật liệu thay đổi hàm lượng CNTs từ đến 10% Độ bền kéo đứt (MPa) so với CSTN Hàm lượng CNTs (%) Độ dãn dài đứt (%) Hình 3: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ bền kéo đứt vật liệu Hàm lượng CNTs (%) Hình 4: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ dãn dài đứt vật liệu Đỗ Thị Thắm 36 K35C - Hóa Khóa luận tốt nghiệp đại học Độ mài mòn (cm3/1.61 km ) Trường ĐHSP Hà Nội Hàm lượng CNTs (%) Độ cứng ( Shore A) Hình 5: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ mài mòn vật liệu Hàm lượng CNTs (%) Hình 6: Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ cứng vật liệu Đỗ Thị Thắm 37 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học  Nhận xét: Từ kết cho thấy, hàm lượng CNTs tăng: độ bền kéo đứt, độ bền mài mòn vật liệu tăng lên nhanh (hay độ mài mòn giảm) đến giới hạn định khoảng 5% sau lại bắt đầu giảm Trong đó, độ dãn dài đứt lại giảm nhanh Riêng độ cứng tăng dần Sự biến đổi giá trị hàm lượng CNTs nằm vùng giới hạn tối ưu hạt chất độn CNTs tạo thành mạng lưới đồng thời tách phân tử CSTN hướng tạo thành mạng lưới hydrocacbon Hai mạng lưới đan xen, móc xích vào tạo thành cấu trúc cao su - chất độn liên tục làm tăng tính chất lý vật liệu Khi hàm lượng CNTs vượt hàm lượng tối ưu hạt độn dư không tham gia vào mạng lưới tạo thành pha riêng biệt phá vỡ cấu trúc đồng hệ làm giảm độ bền kéo đứt độ mài mòn vật liệu Mặt khác, hàm lượng CNTs tăng làm phần tử cao su linh động hơn, cản trở liên kết chúng Hơn nữa, thân CNTs cứng khả linh động làm giảm độ dãn dài tương đối đứt độ bền mài mòn vật liệu Từ kết cho thấy hàm lượng CNTs 5% so với CSTN độ bền kéo đứt độ bền mài mòn tăng độ dãn dài tương đối đứt giảm khoảng 2% Chính vậy, vào kết chọn hàm lượng CNTs 5% để tiến hành khảo sát tiếp 3.2 Ảnh hưởng chất gia cường tới cấu trúc hình thái vât liệu Nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu thực kính hiển vi điện tử quét Trên hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt gãy mẫu vật liệu tiêu biểu từ CSTN/CNTs phụ gia biến tính Đỗ Thị Thắm 38 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học Hình 7: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN phụ gia Hình 8: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN/CNTs (5%) phụ gia Từ kết thu ta nhận thấy rằng, mẫu vật liệu CSTN với phụ gia, bề mặt gãy vật liệu có cấu trúc đặn (hình7) Chính mẫu có thêm 5% chất gia cường CNTs (hình 8) pha hòa trộn tốt vào nhau, hạt CNTs phân tán polyme với kích thước khoảng vài chục Đỗ Thị Thắm 39 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học nano met, bề mặt gãy có cấu trúc đặn cấu tử bám vào chặt chẽ Như vậy, rõ ràng chất gia cường CNTs làm thay đổi hẳn cấu trúc hình thái vật liệu theo hướng tích cực Nhờ vậy, tính lý vật liệu cải thiện 3.3 Độ bền nhiệt vật liệu CSTN nanocompozit chúng Độ bền nhiệt vật liệu đánh giá thông qua trình phân hủy nhiệt số mẫu vật liệu tiêu biểu phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Kết nghiên cứu trình bày hình bảng Hình 9: Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng vật liệu sở CSTN Đỗ Thị Thắm 40 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học Hình 10: Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng vật liệu nanocompozit CSTN % CNTs Bảng 7: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy tổn hao trọng lượng vật liệu CSTN với phụ gia nanocompozit Nhiệt độ Nhiệt độ Tốc độ Mất khối bắt đầu phân hủy khối lượng lượng đến phân hủy mạnh mg/ phút 420 0C [%] [oC] [oC] CSTN phụ gia 291,00 392,40 0,71 89,65 CSTN/ % CNTs 305,00 398,10 0,57 87,81 Mẫu vật liệu phụ gia Nhận thấy rằng, độ bền nhiệt vật liệu có CNTs tăng lên đáng kể Ở mẫu vật liệu sở CSTN phụ gia chưa có CNTs, nhiệt độ bắt đầu phân hủy 291,00oC phân hủy mạnh 392,37oC, mẫu vật liệu có 5% CNTs tăng lên tương ứng 305,00oC Đỗ Thị Thắm 41 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học 398,05oC Bên cạnh đó, tổn hao khối lượng đến 420oC tốc độ tổn hao khối lượng mẫu vật liệu có 5% CNTs nhỏ mẫu vật liệu CSTN phụ gia Như vật liệu CSTN gia cường 5% CNTs có độ bền nhiệt cao hẳn so với vật liệu CSTN không gia cường 3.4 Độ bền môi trường vật liệu Như phần trình bày độ bền môi trường vật liệu đánh giá thông qua hệ số già hóa vật liệu xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2229 - 77 môi trường không khí nước muối 10% nhiệt độ 700C thời gian 96 Kết nghiên cứu thu được trình bày bảng sau: Bảng 8: Hệ số già hóa vật liệu 700C thời gian 96 Hệ số già hóa Hệ số già hóa nước không khí muối CSTN phụ gia 0,89 0,86 CSTN/ 5% CNTs 0,93 0,89 Vật liệu phụ gia Nhận thấy rằng, mẫu vật liệu có 5% CNTs vật liệu có độ bền môi trường tốt CSTN phụ gia (hệ số già hóa không khí nước muối 10% vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit cao vật liệu CSTN) Điều giải thích CNTs kích thước nano phân bố vật liệu CSTN làm cho vật liệu có cấu trúc chặt chẽ hiệu ứng nano Nhờ hạn chế xâm nhập phá hủy vật liệu oxy không khí nước muối Thông qua vật liệu trở nên bền vững với môi trường Đỗ Thị Thắm 42 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thu cho thấy rằng: - Bằng phương pháp cán trộn chế tạo vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit có cấu trúc đặn chặt chẽ - Hàm lượng tối ưu CNTs gia cường cho CSTN 5% khối lượng (so với CSTN) Tại tỷ lệ biến tính vật liệu có tính chất học vượt trội (so với CSTN không gia cường) cụ thể:  Độ bền kéo đứt đạt: 19,8 MPa, tăng 50%  Độ mài mòn: 1,015 cm3/1,61 km, giảm 33% nghĩa độ bền mài mòn tăng 33%  Độ dãn dài đứt: 675%  Độ cứng đạt: 47 shore A - Vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit có độ bền nhiệt cao hẳn so với CSTN không gia cường Cụ thể:  Nhiệt độ bắt đầu phân hủy: 3050C (tăng 140C)  Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất: 3980C (tăng 60C)  Tổn hao khối lượng đến 4200C: 88% (giảm 2%) - Vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit có độ bền môi trường tốt CSTN không biến tính Với tính chất lý trên, vật liệu CSTN/CNTs nanocompozit đáp ứng yêu cầu chế tạo số sản phẩm cao su kỹ thuật loại đệm chống va đập cầu cảng sản phẩm cao su kỹ thuật khác Đỗ Thị Thắm 43 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO Vigo - kinzig, composite application the role of matrix fiber and interface, VHC publisher Inc, p - 30, 1992 Đỗ Quang Kháng, Vật liệu polyme, giáo trình 2: Vật liệu polyme tính cao, Nhà xuất KHTN & CN, Hà Nội, 2013 M.Arroyo, Organo -Montmorillonite as substitute of carbon black in natural rubber compounds, polymer, 44, p 2447-2453, 2003 Xavier Kornmann, Synthesis, and characterization of thermoset - clay nanocomposites, Lulea Tekinska University Hua Zou, Shishan Wu, Jian Shen, Polymer/Silica Nanocomposite: Preparation, Characterization, Properties, and Applications, Chem Rev, Vol 108, 3893 - 3957, (2008) Nguyễn Hữu Trí: Khoa học kỹ thuật công nghệ cao su thiên nhiên, in lần thứ có sửa chữa, bổ sung, Nhà xuất trẻ (2003) Ngô Phú Trù: kỹ thuật chế biến gia công cao su, Trường đại học Bách khoa Hà Nội, 1995 “Bản tin dự báo thị trường mặt hàng cao su tháng 4/2012”, nguồn: thitruongcaosu.net Nguyễn Việt Bắc, Nghiên cứu triển khai ứng dụng cao su thiên nhiên làm vật liệu compozit, Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KHCN - 03.03, tr.8-12, 1998 10 Đỗ Quang Kháng, Cao su - cao su blend ứng dụng, Nhà xuất KHTN & CN, Hà Nội, 2012 11 Qin S, Qin D, Ford WT, Herrera JE, et al, (2004), Solubilization and purification of single - wall carbon nanotubes in water by in situ radical polymerization of sodium - styrenesulfonate, Macromolecules, Vol 37, pp 3965 - 3967 Đỗ Thị Thắm 44 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp đại học 12 Qin S, Qin D, Ford WT, Resasco DE, Herrera JE, (2004), Polymer brushes on single - walled carbon nanotubes by atom transfer radical polymerization of n - butyl methacrylate, Journal of the American Chemical Society, Vol 126, pp 170 -176 13 Eklund PC, Pradhan BK, et al, (2002), Large - Scale Production of Single - Walled Carbon nanotubes Using Utrafast Pulses from a Free Electron Laser, Nano Letters, Vol 2(6), pp 561 - 566 14 Czerw R, Guo Z, Sun YP, et al, (2001), Organization of polymers onto carbon nanotubes: a route to nanoscale assembly, Nano Letters, Vol 1, pp 423 - 427 15 Liu Y, Tang J, Xin JH, (2004), Fabrication of nanowires with polymer shells using treated carbon nanotube bundles as macro - initiators, Chemical communication, pp 2828 -2829 16 Huang W, Fernando S, Allard LF, Sun YP, (2003), Solubilization of single - walled carbon nanotubes with diamine - terminated oligomeric poly(ethylene glycol) in diffirent functionalization reactions, Nano Letters, Vol 3, pp 565 - 568 17 Zhao B, Hu H, mandal SK, Haddon RC, (2005), A bone mimic bassed on the self - assembly of hydroxyapatite on chemically functionalized single walled carbon nanotubes, Chemistry of materials, Vol 17, pp 3235 - 3241 18 Geng H, Rosen R, Zheng B, Shimoda H, Fleming L, Liu J, et al, (2002), Fabrication and properties of composites of poly(ethylene oxide) and functionalized carbon nanotubes, Advanced Materials, Vol 14, pp 1387 - 1390 19 Du F, Fischer J E, Winey K I, (2003), Coagulation method for preparing single - walled carbon nanotube/poly(methyl methacrylate) composites and their modulus, electrical conductivity, and thermal stability, Journal of polymer Science, part B, Vol 41, pp 3333 - 3338 20 Gojny FH, Wichmann M, Kopke U, Fiedler B, Schulte K, (2004), CNT reinforced epoxy composites: enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotubes content, Composites Science Technology, Vol 64, pp 2363 - 2371 Đỗ Thị Thắm 45 K35C - Hóa [...]... mạch cao su, sử dụng làm keo dán cao su - kim loại, làm chất tương hợp cho vật liệu polyme blend trên cơ sở CSTN 1.2.4.2 Nâng cao tính năng cơ lý cho cao su bằng cách cho chất độn hoạt tính Đối với hợp phần cao su khi đưa một chất trộn vào, độ bền kéo đứt và một vài tính chất cơ lý cao su lưu hóa ở trạng thái đàn hồi tăng một cách đáng kể Các chất độn làm tăng tính năng cơ lý cho cao su, tăng tính. .. phần cao su, khảo sát các tính năng cơ lý của vật liệu tạo thành để tìm ra hàm lượng tối ưu của CNTs dùng biến tính CSTN Nghiên cứu cấu trúc, độ bền nhiệt của vật liệu Từ những kết quả thu được đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu 2.3 Vật liệu nghiên cứu Những vật liệu được nghiên cứu trong khóa luận này bao gồm CSTN, CNTs và các phụ gia khác được trình bày cụ thể dưới đây 2.3.1 Cao su thiên nhiên Cao. .. dụng của vật liệu này trong thực tế Vì vậy vấn đề nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu polyme - ống cacbon nano compozit nói chung và CSTN - ống cacbon nano compozit nói riêng đang là lĩnh vực nghiên cứu còn rộng mở và hứa hẹn những tương lai tốt đẹp cho những ứng dụng công nghệ cao của loại vật liệu này CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, CHƯƠNG TRÌNH VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên. .. tính năng sử dụng cho vật liệu được gọi là các chất độn tăng cường (chất độn hoạt tính) các chất độn không làm thay đổi tính chất cơ lý của cao su được gọi là chất độn trơ Tác dụng tăng cường của chất độn phụ thuộc vào bản chất hóa học của bản thân nó và polyme, vào đặc trưng tương tác lẫn nhau của vật liệu polyme với chất độn Mặt khác mức độ tăng cường lực cho cao su còn phụ thuộc vào Đỗ Thị Thắm 15... chuỗi polyme trong dung dịch 1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme CNTs/ nanocompozit trong và ngoài nước Trên thế giới đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu polyme nanocompozit của nhiều tác giả khác nhau đã được công bố Trong đó có một số công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit/CNTs của một số tác giả như: Zhou và cộng sự [18] sử dụng kỹ thuật cán ép tạo. .. việc đứt gãy thậm chí phá hủy cấu trúc của CNTs dẫn đến việc suy giảm các tính chất của vật liệu. [17] 1.5 Tình hình nghiên cứu ,chế tạo vật liệu nanocompozit polyme/ CNTs 1.5.1 Chế tạo vật liệu nanocompozit polyme/ CNTs Hiện nay có 3 phương pháp chủ yếu để chế tạo vật liệu CNTs polyme nanocompozit là trộn hợp trong dung môi, trộn hợp nóng chảy và trùng hợp in- situ 1.5.1.1 Phương pháp trộn hợp trong dung... thành in - situ trong su t quá trình polyme hóa Đỗ Thị Thắm 7 K35C - Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp đại học Ưu điểm của phương pháp này là quá trình thực hiện dễ dàng và tạo sản phẩm cuối cùng với hiệu su t cao 1.2 Cao su thiên nhiên 1.2.1 Lịch sử phát triển của CSTN Cao su thiên nhiên là vật liệu polyme được tách từ nhựa cây cao su Cây cao su được phát hiện lần đầu tiên vào cuối thế kỉ thứ... lượng chất độn có trong thành phần, kích thước và hình dáng hình học của chất độn và nhiều yếu tố khác * Phân loại các chất độn hoạt tính: - Chất độn vô cơ hoạt tính: các chất sử dụng nhiều trong công nghệ gia công cao su là: bột nhẹ, cao lanh, SiO2 ,…trong các chất độn này SiO2 là chất độn tăng cường hiệu quả nhất - Các chất độn hữu cơ hoạt tính: các chất độn hữu cơ hoạt tính là các chất hữu cơ có... thước hạt nhỏ khi đưa nó vào thành phần của hợp phần cao su các tính chất cơ lý của cao su tốt hơn Các chất độn hữu cơ tăng cường được sử dụng rộng rãi nhất là phenol focmandehit, amino focmandehit, các loại nhựa có nguồn gốc từ động vật sống,… - Than hoạt tính: than hoạt tính là chất độn tăng cường chủ yếu được dùng trong công nghệ gia công cao su, làm tăng tính chất cơ lý của cao su: giới hạn bền kéo... TRÌNH VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Tìm ra hàm lượng tối ưu của CNTs để chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở CSTN và CNTs đáp ứng yêu cầu chế tạo một số sản phẩm cao su kỹ thuật 2.2 Chương trình nghiên cứu Sử dụng phương pháp cán trộn trực tiếp trên máy cán hai trục để chế tạo vật liệu Thay đổi hàm lượng của CNTs: 0, 1, 3, 5, 7, 10 PKL so với Đỗ Thị Thắm 28 K35C ... thực dễ dàng tạo sản phẩm cuối với hiệu su t cao 1.2 Cao su thiên nhiên 1.2.1 Lịch sử phát triển CSTN Cao su thiên nhiên vật liệu polyme tách từ nhựa cao su Cây cao su phát lần vào cuối kỉ thứ... tương hợp cho vật liệu polyme blend sở CSTN 1.2.4.2 Nâng cao tính lý cho cao su cách cho chất độn hoạt tính Đối với hợp phần cao su đưa chất trộn vào, độ bền kéo đứt vài tính chất lý cao su lưu hóa... Vật liệu nghiên cứu Những vật liệu nghiên cứu khóa luận bao gồm CSTN, CNTs phụ gia khác trình bày cụ thể 2.3.1 Cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên sử dụng cao su SVR - 3L công ty cao su Việt

Ngày đăng: 28/11/2015, 17:26

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan