Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend cao su thiên nhiên và cao su nitril butadien với nanoclay

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== NGUYỄN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CAO SU NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ BLEND CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ CAO SU NITRIL BUTADIEN VỚI NANOCLAY KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI – 2016 Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình tới PGS.TS. Đỗ Quang Kháng, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận. Em xin cảm ơn TS. Đỗ Trung Sỹ, ThS. Lưu Đức Hùng cùng các anh chị phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trường đã giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong thời gian qua. Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo là giảng viên khoa Hóa học- trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho em những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình học tập tại trường. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè động viên khuyến khích em hoàn thành tốt khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thị Huyền Nguyễn Thị Huyền ii K3 - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các phương pháp khác nhau....................................................................................................... 5 Bảng 1.2. Các tính chất vật lý đặc trưng của cao su thiên nhiên .......................................... 7 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất cơ lý của blend CSTN/NBR .......................................................................................................... 32 Bảng 3.2. Kết quả phân tích TGA của các mẫu vật liệu...................................................... 39 Nguyễn Thị Huyền iii K3 - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cis và Trans - 1,4- polyisopren .............................................................................. 6 Hình 1.3. Cấu trúc lý tưởng của nanoclay montmorillonit .................................................. 19 Hình 1.4 : Các dạng vật liệu polyme clay nanocompozit .................................................... 20 Hình 2.1. Hình dạng mẫu kéo ................................................................................................ 27 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý phương pháp nhiễu xạ tia X .................................................... 30 Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ bền kéo đứt của vật liệu ............... 33 Hình 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu ......... 33 Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới độ cứng của vật liệu .......................... 34 Hình 3.5. Ảnh FESEM bề mặt gãy mẫu vật liệu cao su blend trên cơ sở CSTN/NBR gia cường 5% nanoclay ......................................................... 35 Hình 3.6. Ảnh FESEM bề mặt gãy mẫu vật liệu cao su blend trên cơ sở CSTN/NBR gia cường 10 % nanoclay............................................................. 36 Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nanoclay .................................................................... 37 Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu CSTN/NBR chứa 5% nanoclay ..................... 37 Hình 3.9. Giản đồ TGA mẫu vật liệu cao su blend trên cơ sở CSTN/NBR và các phụ gia ..................................................................................................................... 38 Hình 3.10. Giản đồ TGA mẫu vật liệu cao su CSTN/NBR/Nanoclay (80/20/5) và các phụ gia .............................................................................................................. 39 Nguyễn Thị Huyền iv K3 - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AN Acrylonitril CSTN Cao su thiên nhiên d Khoảng cách cơ bản EPM Cao su etylen – propylen đồng trùng hợp FESEM Kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ ISO Tiêu chuẩn Quốc tế MMT Montmorillonit MPTS Silan 3 – metacryloxypropyl trimetoxy NBR Cao su nitril butadiene PA Polyamid PA 6 Nylon 6 PE Polyetylen PP Polypropylen PS Polystyren PVC Polyvinylclorua TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TESPT Trietoxysilylpropyltetrasulfur Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa TGA Phân tích nhiệt trọng lượng Nguyễn Thị Huyền v K3 - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................iii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. v MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Cao su và cao su blend ............................................................................... 4 1.1.1. Cao su thiên nhiên ................................................................................... 4 1.1.2. Cao su nitril butadien (NBR) .................................................................. 8 1.1.3. Cao su blend .......................................................................................... 10 1.2. Vật liệu nanocompozit và cao su nanocompozit gia cường nanoclay ..... 16 1.2.1. Vật liệu nanocompozit .......................................................................... 16 1.2.2. Nanoclay................................................................................................ 18 1.2.3. Vật liệu nanocompozit gia cường nanoclay .......................................... 19 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit ............................. 23 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM.............................................................................. 26 2.1. Vật liệu nghiên cứu .................................................................................. 26 2.2. Thiết bị nghiên cứu .................................................................................. 26 2.3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 26 2.4. Phương pháp xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu ......................... 27 2.4.1. Phương pháp xác định tính chất cơ học ................................................ 27 2.4.2 Phương pháp xác định cấu trúc hình thái của vật liệu ........................... 29 2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA ................................... 30 2.4.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X .................................................................. 30 Chƣơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................... 32 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất cơ học của vật liệu.... 32 3.2. Cấu trúc hình thái của vật liệu ................................................................. 35 3.3. Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ....... 37 3.4. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu ............................................ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 42 Nguyễn Thị Huyền vi K3 - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ nano phát triển rộng trên nhiều lĩnh vực hóa học, vật lý, sinh học, điện tử và y học… Các thành tựu của công nghệ nano có những ứng dụng thiết thực cao nhờ khả năng tạo ra những vật liệu, hợp chất hay hệ thống nhỏ, bền, nhẹ, tiện ích, tiết kiệm nhiên liệu, làm giảm khối lượng chất thải và khí thải, ít tổn hại đến môi trường. Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ vật liệu, polyme nanocompozit được chú ý nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ do có những ưu điểm hơn hẳn so với vật liệu polyme compozit truyền thống như: độ bền, mô đun đàn hồi cao, tính ổn định kích thước, thẩm thấu khí, nước, hidrocacbon thấp, bền nhiệt, chịu bức xạ tử ngoại tốt, chống cháy và bền hóa chất. Hơn nữa, hàm lượng chất gia cường sử dụng khá thấp (khoảng từ 0,5÷5%) so với các chất gia cường truyền thống nên trọng lượng (hoặc chi phí) chế tạo vật liệu polyme giảm đáng kể. Vật liệu nanocompozit là vật liệu trong đó pha gia cường có kích thước nhỏ hơn 100nm. Do pha gia cường có kích thước rất nhỏ, diện tích bề mặt riêng (m3/g) của pha gia cường rất lớn. Vì vậy, sự tương tác giữa pha nền và pha gia cường trong vật liệu nanocompozit là rất lớn. Hơn nữa, do kích thước nhỏ nên mật độ pha gia cường trong pha nền cũng rất lớn và khoảng cách giữa các hạt (hoặc các sợi) gia cường rất gần nhau. Hai đặc điểm trên đã làm cho tương tác giữa pha gia cường và pha nền là rất mạnh. Chính sự tương tác mạnh hay sự kết dính tốt giữa pha nền và pha gia cường làm cho vật liệu nanocompozit có những tính năng vượt trội so với vật liệu compozit có cốt hạt (hoặc sợi) thông thường. Một trong các loại vật liệu nanocompozit đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay là vật liệu nanocompozit nền polyme được gia cường bằng khoáng sét ở kích thước nano (nanocompozit polyme/clay). Đây là hướng Nguyễn Thị Huyền 1 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu được chú trọng nhiều hơn cả nhờ khả năng kết hợp được những tính chất ưu việt của cả hợp chất vô cơ lẫn hữu cơ, cũng như nguyên liệu rẻ tiền. Theo các tài liệu nghiên cứu đã công bố thì vật liệu polyme/clay nanocompozit có tính năng vượt trội hơn so với gia cường bằng các hạt (hoặc sợi) khác, như: độ bền, mô đun đàn hồi, khả năng chịu nhiệt, thấm khí ít, nhẹ, bền chống cháy. Ngày nay, người ta đã chế tạo được nhiều loại nanocompozit polyme/clay trên các nền nhựa khác nhau như: epoxy, polystyren (PS), polyamit (PA), polyolefin… hoặc nền là các vật liệu blend (tổ hợp của hai hay nhiều polyme). Vật liệu nanocompozit trên nền blend có nhiều ưu điểm hơn so với nền chỉ có một polyme vì blend là vật liệu tổ hợp của hai hay nhiều polyme làm nền, mặt khác còn giảm bớt chi phí khi kết hợp với những polyme rẻ tiền hơn, bền với môi trường và cải thiện tính năng cơ lý trước hết của vật liệu nền sau đó là của compozit. Vật liệu blend chế tạo tổng hợp từ nhựa polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyvinylclorua (PVC),…và cao su thiên nhiên (CSTN), cao su nitril butadien (NBR), cao su etylen-propylen đồng trùng hợp (EPM),… tạo ra vật liệu cao su nhiệt dẻo vừa có tính chất như cao su lưu hóa lại vừa có khả năng gia công ở nhiệt độ cao như polyme nhiệt dẻo. Điều này mang lại ý nghĩa rất lớn trong việc chế tạo vật liệu nanocompozit gia cường bằng nanoclay vì vật liệu polyme/nanoclay có độ bền, mô đun đàn hồi cao và khả năng chịu nhiệt, chống thấm khí, chống cháy tốt… còn cao su nhiệt dẻo có tính năng cơ lý tốt, bền với môi trường và có khả năng gia công như nhiệt nhựa dẻo. Do đó, vật liệu này có thể ứng dụng tốt làm vật liệu bền thời tiết và khó cháy, vật liệu chịu mài mòn, chịu nhiệt, ít thấm khí… Vì những lý do trên, trong khuôn khổ khóa luận này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend cao su thiên nhiên và cao su nitril butadien với nanoclay”. Nguyễn Thị Huyền 2 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu của đề tài là chế tạo vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR với nanoclay và đánh giá sơ bộ về khả năng ứng dụng của vật liệu này trong các ngành kinh tế, kỹ thuật. Để thực hiện mục tiêu trên, chúng tôi tiến hành các nội dung nghiên cứu sau đây: - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay tới tính chất cơ lý của vật liệu. - Nghiên cứu cấu trúc, hình thái của vật liệu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét trường phát xạ và nhiễu xạ tia X. - Nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu. - Từ những kết quả nghiên cứu thu được đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của vật liệu. Nguyễn Thị Huyền 3 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Cao su và cao su blend 1.1.1. Cao su thiên nhiên 1.1.1.1. Nguồn gốc và lịch sử phát triển của cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên (CSTN) là một polyme thiên nhiên được tách ra từ nhựa cây cao su (Hevea Brasiliensis), có thành phần hóa học là polyisopren. Vì vậy, trong tiêu chuẩn của Mỹ, người ta định nghĩa “Polyisopren được trích ly từ cây Hevea braziliensis được g i là cao su thiên nhiên” [23]. Cao su thiên nhiên có một lịch sử phát triển lâu đời với những kết quả nghiên cứu về khảo cổ, người ta phát hiện ra “các nhà công nghệ cao su” đầu tiên ở trong bộ tộc Aztecs và Mayas của Nam Mỹ, đó là những người đã sử dụng cao su để làm đế giày, áo sợi và tạo những quả bóng khoảng 2000 năm trước đây. Trải qua hàng ngàn năm lịch sử cây cao su đã được trồng nhiều trên thế giới. Với những tính năng tuyệt vời và khả năng ứng dụng rộng rãi của cao su, sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới không ngừng tăng theo thời gian. 1.1.1.2. Thành phần hoá h c của cao su thiên nhiên Thành phần của cao su thiên nhiên gồm nhiều nhóm các chất hoá học khác nhau: cacbuahidro (thành phần chủ yếu), độ ẩm, các chất trích ly bằng axeton, các chất chứa nitơ mà thành phần chủ yếu của nó là protein và các chất khoáng. Hàm lượng các chất này có thể dao động tương đối lớn và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: phương pháp sản xuất, khí hậu nơi cây sinh trưởng, phát triển và mùa khai thác mủ cao su [5, 7]. Trong bảng dưới đây là thành phần hóa học của Crếp cao su thiên nhiên (cao su sống được sản xuất bằng các phương pháp khác nhau). Nguyễn Thị Huyền 4 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Bảng 1.1. Thành phần hoá h c của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các phương pháp khác nhau Thành phần chính STT 1. 2. Hidrocacbon Loại crếp Hong khói Crếp trắng Bay hơi 93-95 93-95 85-90 2,2-3,45 3,6-5,2 Chất trích ly bằng axeton 1,5-3,5 3. Chất chứa nitơ 2,2-3,5 2,4-3,8 4,2-4,8 4. Chất tan trong nước 0,3-0,85 0,2-0,4 5,5-5,72 5. Chất khoáng 0,15-0,85 0,16-0,85 1,5-1,8 6. Độ ẩm 0,2-0,9 0,2-0,9 1,0-2,5 Thành phần hoá học các chất được trích ly bằng axeton bao gồm: 51% axit béo (axit oleic, axit steroit) có khả năng làm trợ xúc tiến cho quá trình lưu hoá cao su. Axit béo trong cao su tồn tại ở dạng khác nhau: 3% là các este, 7% là glucozit, còn lại là axit amin, các hợp chất photpho hữu cơ, các chất hữu cơ kiềm tính,… Các chất này có khả năng ổn định cho cao su. Các hợp chất chứa nitơ trong cao su thiên nhiên gồm chủ yếu là các protein và axit amin với hàm lượng khá cao (từ 2,2 đến 3,8% tuỳ loại). Khối lượng phân tử trung bình của protein này khoảng 3400. Các protein này cũng có khả năng xúc tiến cho quá trình lưu hoá và ổn định cho cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, sự có mặt của chúng lại làm tăng khả năng hút ẩm, giảm tính cách điện của vật liệu. Hidrocacbon ở đây chính là CSTN, còn các chất khác nằm trong đó có thể coi là các tạp chất. CSTN có công thức cấu tạo là polyisopren mà các đại phân tử của nó được tạo thành từ các mắt xích cấu tạo dạng đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4 (chiếm khoảng 98%). Nguyễn Thị Huyền 5 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.1. Cis và Trans - 1,4- polyisopren Ngoài ra còn có khoảng 2% các mắt xích liên kết với nhau tạo thành mạch đại phân tử ở vị trí 1,2 hoặc 3,4. Khối lượng phân tử trung bình của CSTN khoảng 1,3.106 đvC. Tính năng cơ lý, kỹ thuật của CSTN phụ thuộc nhiều vào cấu tạo hóa học cũng như khối lượng phân tử của nó. 1.1.1.3. Tính chất của cao su thiên nhiên - Tính chất hoá học: Do công thức hoá học của cao su thiên nhiên là một hydrocacbon không no nên nó có khả năng cộng hợp với các chất khác. Mặt khác, trong phân tử nó có nhóm α-metylen có khả năng phản ứng cao nên có thể thực hiện các phản ứng thế, phản ứng đồng phân hoá, vòng hoá,…[18] Phản ứng cộng: do có liên kết đôi trong mạch đại phân tử, trong những điều kiện nhất định, cao su thiên nhiên có thể cộng hợp với hydro tạo sản phẩm hydrocacbon no dạng parafin, cộng halogen, cộng hợp với oxi, nitơ,… Phản ứng đồng phân hoá, vòng hoá: do tác dụng nhiệt, điện trường, hay một số tác nhân hoá học như H2SO4, phenol,… cao su có thể thực hiện phản ứng tạo hợp chất vòng. Nguyễn Thị Huyền 6 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Phản ứng phân huỷ: Dưới tác dụng của nhiệt, tia tử ngoại hoặc oxi, cao su thiên nhiên có thể bị đứt mạch, khâu mạch, tạo liên kết peroxit, carbonyl,… - Tính chất vật lý: Ở nhiệt độ thấp, cao su thiên nhiên có cấu trúc tinh thể, kết tinh mạnh nhất ở -250C. Trong bảng 1.2 dưới đây là một số tính chất vật lý đặc trưng của CSTN Bảng 1.2. Các tính chất vật lý đặc trưng của cao su thiên nhiên [kg/m3] Khối lượng riêng 913 Nhiệt độ thủy tinh hóa Tg -70 đến -720C [0C] Hệ số dãn nở thể tích 656.10-4 [dm3/0C] Nhiệt dẫn riêng 0,14 [W/m.0K] Nhiệt dung riêng 1,88 [KJ/ kg0K] Nửa chu kỳ kết tinh ở -250C 2-4 [ giờ] Hệ số thẩm thấu điện môi ở tần số 1000Hz 2,4 - 2,7 Tang của góc tổn hao điện môi 1,6.10-3 Điện trở riêng: Crep trắng 5.1012 [Ω.m] Crep hong khói 3.1012 [Ω.m] Do đặc điểm cấu tạo, CSTN có thể phối trộn tốt với nhiều loại cao su như cao su isopren, cao su butadien, cao su butyl,.. hoặc một số loại nhựa nhiệt dẻo không phân cực như polyetylen, polypropylen,... trong máy trộn kín hay máy luyện hở tùy loại cao su hay nhựa. Mặt khác, CSTN có khả năng phối trộn với các loại chất độn cũng như các phụ gia sử dụng trong công nghệ cao su [22]. Nguyễn Thị Huyền 7 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 1.1.1.4. Khả năng ứng dụng của cao su thiên nhiên Do các đặc điểm về tính năng cơ, lý, hoá của cao su thiên nhiên có thể thấy rằng cao su thiên nhiên có khả năng ứng dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống, kinh tế và kỹ thuật. - Trong đời sống, cao su thiên nhiên có thể sử sụng làm các loại đế giày, dép, nệm cao su xốp (giường, ghế,…). - Trong kỹ thuật, cao su thiên nhiên có thể sử dụng chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật có yêu cầu tính năng cơ học cao, làm việc trong môi trường ôn hoà, không bị tác động trực tiếp của các loại hoá chất, xăng, dầu, ozon. Mặt khác, do ưu điểm nổi bật của cao su thiên nhiên là không độc, do vậy có thể sử dụng chế tạo các chi tiết, dụng cụ dùng trong y dược và công nghệ thực phẩm. 1.1.2. Cao su nitril butadien (NBR) 1.1.2.1. Lịch sử phát triển của cao su nitril butadien Cao su nitril butadien công nghiệp ra đời năm 1937 ở Cộng hòa Liên bang Đức. Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, cao su nitril butadien được tổ chức sản xuất công nghiệp ở Liên Xô cũ. Ngày nay, cao su NBR trở thành một trong những cao su được sử dụng nhiều nhất [7, 19]. 1.1.2.2. Đặc điểm cấu tạo Cao su nitril butadien là sản phẩm trùng hợp của Butadien - 1,3 và acrylonitril với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử là persunfat kali (K2S2O8) và trietanolamin (N(CH2CH2OH)3). Acrylonitril (AN) có khả năng tham gia vào phản ứng với đien để tạo thành hai loại sản phẩm khác nhau, sản phẩm chủ yếu có mạch phân tử dài – mạch đại phân tử cao su nitril butadien Nguyễn Thị Huyền 8 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Sản phẩm phụ ở dạng mạch vòng Đien Acrylonitril 4 – xianoxiclohexen Phản ứng tạo sản phẩm phụ 4 – xianoxiclohexen xảy ra càng mạnh khi hàm lượng monome acrylonitril trong hỗn hợp phản ứng càng cao. Cao su nitril butadien chứa càng nhiều 4 – xianoxiclohexen có màu thẫm hơn và có mùi rõ hơn (mùi nhựa cây đu đủ). Khối lượng phân tử trung bình của cao su nitril butadien dao động trong khoảng từ 200.000 đến 300.000 đvC. 1.1.2.3. Tính chất cơ lý Cao su nitril butadien có cấu trúc không gian không điều hòa vì thế nó không kết tinh trong quá trình biến dạng. Tính chất cơ lý, tính chất công nghệ của cao su nitril butadien phụ thuộc vào hàm lượng nhóm nitril trong phân tử: khả năng chịu môi trường dầu mỡ, dung môi hữu cơ tăng cùng với hàm lượng nhóm acrylonitril tham gia vào phản ứng tạo mạch phân tử cao su. Cao su nitril butadien có sự phân cực lớn nên nó có khả năng trộn hợp với hầu hết các polyme phân cực, với các loại nhựa tổng hợp phân cực,… Tổ hợp của cao su nitril butadien với nhựa phenol foocmandehit có rất nhiều tính chất quý giá như chịu nhiệt cao, chống xé rách tốt, bền với ozon, oxi và độ bền kết dính ngoại. Những tính chất đặc biệt quý giá này cùng với khả năng phân giải điện tích tích tụ ở vật liệu trong vật liệu ma sát đã mở rộng lĩnh vực sử dụng của cao su nitril butadien. Cao su nitril butadien có liên kết không no trong mạch nên nó có khả năng lưu hóa bằng lưu huỳnh phối hợp với các loại xúc tiến lưu hóa thông Nguyễn Thị Huyền 9 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp dụng, cao su nitril butadien còn có khả năng lưu hóa bằng xúc tiến lưu hóa nhóm thiuram, nhựa phenol foocmandehit. Cao su nitril butadien lưu hóa bằng thiuram hoặc nhựa phenol foocmandehit có tính chất cơ lý cao, khả năng chịu nhiệt tốt. 1.1.2.4. Ứng dụng Cao su NBR được sử dụng làm các vật liệu bền dầu, mỡ. Ngoài ra, nó còn là nguyên liệu để chế tạo ra các vật liệu polyme blend có nhiều tính chất ưu việt hơn như khả năng chịu mài mòn, chuyển động ma sát. 1.1.3. Cao su blend 1.1.3.1. Khái niệm và phân loại Vật liệu tổ hợp polyme (hay gọi là polyme blend) là loại vật liệu polyme được cấu thành từ hai hay nhiều polyme nhiệt dẻo với cao su để làm tăng độ bền cơ lý hoặc hạ giá thành vật liệu [4]. Giữa các polyme có thể tương tác hoặc không tương tác vật lý với nhau. Polyme blend có thể là hệ đồng thể hoặc dị thể. Trong hệ đồng thể các polyme thành phần không còn đặc tính riêng, còn trong polyme blend dị thể thì tính chất các polyme thành phần hầu như được giữ nguyên. Polyme blend thường là loại vật liệu có nhiều pha trong đó có một pha liên tục gọi là pha nền và một hoặc nhiều pha phân tán (pha gián đoạn) hoặc tất cả các pha đều phân tán, mỗi pha được tạo nên bởi một pha thành phần. Sơ đồ chế tạo và phân loại các polyme blend nói chung và cao su blend nói riêng được thể hiện trên hình 1.2 dưới đây: Nguyễn Thị Huyền 10 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Polyme (Polymer) Copolyme (Copolymer) Polyme blend (Polymer Blends) Tương hợp Không tương hợp Đồng thể Dị thể Làm tương hợp Polyme blend dị thể (Polymer Alloys) Hình 1.2. Sơ đồ hình thành và phân loại vật liệu polyme blend [5] 1.1.3.2. Ưu điểm của vật liệu polyme blend - Lấp được khoảng trống về tính chất công nghệ cũng như kinh tế giữa các loại nhựa nhiệt dẻo. Người ta có thể tối ưu hoá về mặt giá thành và tính chất của vật liệu sử dụng. Quá trình nghiên cứu và chế tạo sản phẩm mới trên cơ sở vật liệu tổ hợp polyme nhanh hơn nhiều so với sản phẩm từ vật liệu mới khác vì nó được chế tạo trên cơ sở vật liệu và công nghệ có sẵn. - Tạo khả năng phối hợp các tính chất mà một loại vật liệu khó hoặc không đạt được. Do đó đáp ứng được nhiều yêu cầu kĩ thuật cao của hầu hết khắp các lĩnh vực khoa học và kinh tế. - Những kiến thức rộng rãi về cấu trúc, sự tương hợp phát triển rất nhanh trong những năm gần đây tạo cơ sở cho việc phát triển vật liệu này. Nguyễn Thị Huyền 11 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 1.1.3.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Tính chất của vật liệu 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 [6, 16, 17]: - 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 gia công của vật liệu [6]. Trong 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. 1.1.3.4. Các phương pháp xác định sự tương hợp của polyme blend - Hòa tan các polyme trong cùng một dung môi: nếu xảy ra sự tách pha thì các polyme không tương hợp với nhau. - 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. - 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. Nguyễn Thị Huyền 12 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp - Dựa vào việc xác định chiều dày bề mặt tiếp xúc hai pha polyme: khi đặt các màng polyme lên nhau và gia nhiệt tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của chúng, nếu hai polyme tương hợp thì chiều dày bề mặt tiếp xúc hai pha sẽ giảm theo thời gian. - Dựa vào nhiệt độ nóng chảy: nếu polyme blend thu được giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy của các polyme thành phần thì các polyme này không tương hợp. Nếu polyme blend thu được có nhiệt độ nóng chảy chuyển dịch so với các nhiệt độ nóng chảy của các polyme ban đầu thì sự tương hợp không hoàn toàn. Nếu polyme blend chỉ có một nhiệt độ nóng chảy nhất định là sự tương hợp hoàn toàn. - Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM): chụp ảnh hiển vi của bề mặt cắt hoặc gẫy của polyme blend có thể quan sát thấy tính đồng nhất hoặc không đồng nhất, đồng thể hay dị thể của polyme blend. - Phương pháp đo tán xạ ánh sáng. - Phương pháp đo độ nhớt của dung dịch polyme blend: khi trộn lẫn hai polyme cùng hòa tan tốt trong một dung môi, nếu hai polyme tương hợp thì độ nhớt của hỗn hợp tăng và ngược lại [14]. 1.1.3.5. Những biện pháp tăng cường tính tương hợp của các polyme blend Sự tương hợp polyme là sự tạo thành một pha tổ hợp ổn định và đồng thể từ hai hay nhiều polyme. Sự tương hợp của các polyme cũng chính là khả năng trộn lẫn tốt của các polyme vào nhau, tạo nên một vật liệu polyme mớivật liệu polyme blend - Thêm vào hệ các hợp chất thấp phân tử + Đưa vào các peoxit: dưới tác dụng của nhiệt, peoxit bị phân hủy tạo gốc tương tác với các polyme thành phần tạo copolyme nhánh của các polyme thành phần ban đầu. Nguyễn Thị Huyền 13 K38B - Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp + Đưa vào các hợp chất hai nhóm chức: hợp chất hai nhóm chức sẽ tương tác với nhóm chức cuối mạch của các polyme thành phần để tạo copolyme khối. + Đưa vào hỗn hợp của peoxit và hợp chất đa chức: phương pháp này kết hợp cả vai trò của peoxit và hợp chất đa chức nên có khả năng tăng cường tốt hơn cho sự tương hợp của các polyme. Trong đó, peoxit hoạt hóa phản ứng giữa một polyme và ít nhất với một nhóm chức của hợp chất đa chức. Sau đó sẽ xảy ra phản ứng giữa nhóm chức còn lại với polyme thứ hai và tạo thành copolyme ghép. - Thêm vào hệ các chất khâu mạch chọn lọc + Chất tương hợp đưa vào chỉ tương tác với một polyme nhất định trong hệ polyme. Nếu không có chất khâu mạch chọn lọc thì vật liệu sẽ khâu mạch hoàn toàn dẫn đến không có tính nhiệt dẻo và không có khả năng tái gia công mạch. Phương pháp này có thể thu được polyme có pha phân tán mịn. - Thêm vào các ionme + Các ionme là các đoạn mạch polyme chứa một lượng nhỏ các nhóm ion, các ionme có thể tăng cường khả năng tương hợp của các polyme thành phần. - Thêm vào polyme thứ ba có khả năng trộn hợp với tất cả các pha + Polyme thứ ba có khả năng trộn lẫn với tất cả các pha thì polyme thứ ba được xem như là dung môi cho tất cả các pha ban đầu. - Sử dụng các chất tương hợp là các polyme + Thêm vào hệ polyme blend các copolyme khối và ghép làm chất tương hợp. Khối lượng các copolyme được điều chỉnh với từng loại polyme blend để đạt được tính chất mong muốn. Độ dài của từng khối càng lớn thì khả năng tương hợp càng cao nhưng độ dài không được quá lớn để tạo thành pha thứ ba cũng như tạo thành các mixen. Nguyễn Thị Huyền 14 K38B - Hóa h c