Mô tả:
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
-----
-----
BÙI THỊ HỒNG ĐÀO
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ
CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU
BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng
HÀ NỘI – 2016
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
-----
-----
BÙI THỊ HỒNG ĐÀO
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ
CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU
BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS. TS. Đỗ Quang Kháng
HÀ NỘI – 2016
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 hƣớng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận.
Em xin cảm ơn TS. Đỗ Trung Sỹ, ThS. Lƣu Đức Hùng cùng các anh
chị phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trƣờng 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- trƣờng Đại học Sƣ 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
trƣờng.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ng ƣời thân, bạn bè động
viên khuyến khích em hoàn thành tốt khóa luận này.
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp dù cố gắng nhƣng em
không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em kính mong nhận đ ƣợc sự chỉ bảo
của các thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên quan tâm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm 2016
Sinh viên
Bùi Thị Hồng Đào
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
ABS
Acrylonitrile butadiene styrene
BR
Cao su butadien
CTAB
Cetyl trimetylamoni bromit
CNT
Ống nano cacbon
CSTN
Cao su thiên nhiên
DTAB
Detyl trimetylamoni bromit
GPE
Gylcydyl phenylete
HNBR
Cao su nitril butadien
HNT
Ống nano halloysit
MPTS
Silan 3-metacryloxypropyltrimetoxyl
SBR
Styren butadien
SWCNT
Nano cacbon đơn tƣờng
FESEM
Kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ
ISO
Tiêu chuẩn quốc tế
MWSCT
Nano cacbon đa tƣờng
PBT
Polybutylen terephtalat
PE
Polyetylen
PP
Polypropylen
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
TESPT
Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit
TGA
Phân tích nhiệt trọng lƣợng
TDI
Toluen-2,4-đi-iso-cyanat
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các
phƣơng pháp khác nhau................................................................................... 9
Bảng 2.1: Thành phần nanosilica và phụ gia trong mẫu CSTN......................27
Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật
liệu cao su blend CSTN/BR............................................................................ 31
Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của quá trình biến tính D01 tới tính chất cơ học của vật
liệu cao su compozit trên cơ sở CSTN/BR gia cƣờng phụ gia nanosilica.....35
Bảng 3.3: Tính chất nhiệt của CSTN, BR và một số vật liệu trên cơ sở blend
CSTN/BR........................................................................................................ 36
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica..................................................................... 3
Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên bề mặt silica................................................ 4
Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của silica................................................................4
Hình 1.4: Mô hình nanocacbon đơn tƣờng (SWCNT) và đa tƣờng (MWCNT)...6
Hình 1.5: Cấu tạo mạch cao su thiên nhiên............................................................. 8
Hình 1.6: Phân tử 1,3 - butadien............................................................................10
Hình 1.7: Sơ đồ hình thái và phân loại vật liệu polyme blend...............................13
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý chung để chế tạo vật liệu polyme nanocompozit........23
Hình 2.1. Hình dạng mẫu kéo................................................................................28
Hình 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ bền kéo khi đứt của vật liệu
CSTN/BR...............................................................................................................32
Hình 3.2: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu
CSTN/BR...............................................................................................................32
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ dãn dƣ của vật liệu CSTN/BR........33
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu CSTN/BR......33
Hình 3.5: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ cứng của vật liệu CSTN/BR............34
Hình 3.6: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/2%nanosilica/1%CNT
................................................................................................................................38
Hình 3.7: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/20%nanosilica/2%D01
................................................................................................................................38
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................3
1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano..............................................3
1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica.............................................................3
1.1.2. Giới thiệu về ống nano cacbon................................................................ 5
1.2. Vật liệu cao su và cao su blend...................................................................7
1.2.1. Cao su thiên nhiên................................................................................... 7
1.2.2. Cao su butadien (Butadien Rubber BR)................................................ 10
1.2.3. Cao su blend.......................................................................................... 13
1.3. Vật liệu nanocompozit và cao su nanocompozit gia cƣờng nanosilica...15
1.3.1. Vật liệu polyme nanocompozit..............................................................15
1.3.2 Vật liệu polyme silica nanocompozit..................................................... 17
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit...........18
1.4.1. Các phƣơng pháp biến tính silica......................................................... 18
1.4.1.1 Biến tính bằng phƣơng pháp vật lý.................................................... 18
1.4.1.2. Biến tính bằng phƣơng pháp hóa học................................................19
1.4.2. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit...........................21
1.4.2.1. Phƣơng pháp trộn hợp.......................................................................21
1.4.2.2. Phƣơng pháp sol-gel..........................................................................22
1.4.2.3. Phƣơng pháp trùng hợp in-situ..........................................................23
1.5. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit..................24
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................26
2.1. Vật liệu nghiên cứu...................................................................................26
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................26
2.3. Phƣơng pháp xác định một số tính chất của cao su.................................27
2.3.1. Tính chất cơ học.................................................................................... 27
2.3.2. Phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng TGA...........................................30
2.3.3. Phƣơng pháp xác định cấu trúc hình thái của vật liệu..........................30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................. 31
3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu 31
3.2. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính bằng phụ gia D01 tới tính chất cơ học
của vật liệu.......................................................................................................35
3.3. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới tính chất nhiệt của vật liệu.........36
3.4. Cấu trúc hình thái của vật liệu..................................................................37
KẾT LUẬN..................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 41
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
Ngày nay sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện đại đã
dẫn đến các nhu cầu to lớn về sử dụng các vật liệu mới có tính chất đặc biệt
mà các vật liệu truyền thống (kim loại, gốm…) đứng riêng rẽ không đáp ứng
đƣợc. Nhiều vật liệu mới ra đời, đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Trong đó
có vật liệu polyme nanocompozit ra đời từ vài chục năm gần đây đã đáp ứng
đƣợc yêu cầu đó .
Vật liệu polyme nanocompozit là một vật liệu mới kết hợp đ ƣợc ƣu điểm
của vật liệu vô cơ (độ cứng, độ bền nhiệt…) và ƣu điểm của polyme hữu cơ
(nhƣ linh động, mềm dẻo, là chất điện môi và dễ gia công…). Hơn nữa, chúng
còn có những tính chất đặc biệt của chất độn nano dẫn tới gia tăng mạnh mẽ diện
tích bề mặt chung khi so với các compozit truyền thống. Vật liệu nền sử dụng
trong chế tạo polyme nannocompozit là trên cơ sở blend CSTN/BR đây là nguồn
nguyên liệu rất dồi dào giá thành rẻ và thân thiện môi tr ƣờng.
Vật liệu polyme nanocompozit đƣợc gia cƣờng bằng các chất độn cỡ
nanomet (kích thƣớc của chúng có một trong 3 chiều dƣới 100 nm), chúng
đƣợc chế tạo bằng các kĩ thuật khác nhau, nhƣ trộn hợp ở trạng thái nóng
chảy, trộn dung dịch, trộn ở trạng thái latex tiếp nối bằng phƣơng pháp cùng
đông tụ và polyme hóa xung quanh các hạt chất độn. So với cao su gia c ƣờng
bằng chất độn micro, cao su gia cƣờng bằng chất độn cở nano có độ cứng,
modul và các tính chất chống lão hóa cũng nhƣ chống thấm khí tốt hơn. Nhƣ
vậy chất độn nano rất phù hợp cho gia cƣờng cao su để tạo các sản phẩm ứng
dụng cuối cùng từ cao su [18].
Nhƣ vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme
nanocompozit là rất cần thiết vì nó không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn giá
trị thực tế cao. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu
cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su butadien với than và
nanosilica” làm đề tài nghiên cứu.
Bùi Thị Hồng Đào
1
K3 B – Hóa h c
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Chế tạo ra đƣợc vật liệu cao su nanocompozit có tính năng cơ lý, kỹ
thuật phù hợp, đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể trong thực tế.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học
của vật liệu CSTN/BR.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của CNT và CNT biến tính D01 tới tính chất cơ
học của vật liệu CSTN/BR
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử
quét trƣờng phát xạ.
- Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu bằng phƣơng pháp phân
tích nhiệt trọng lƣợng.
Bùi Thị Hồng Đào
2
K3 B – Hóa h c
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano
1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica
Silica là tên gọi thông thƣờng của silic đioxit có công thức phân tử SiO2.
Khi ở kích thƣớc nanomet, silica đƣợc gọi là nanosilica. Hạt nanosilica là
một trong những chất phụ gia phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực
kĩ thuật vì nó có độ bền cơ học cao, bền nhiệt cao, bề mặt riêng lớn và có khả
năng gia cƣờng cho nhiều loại vật liệu khác nhau.
Hạt silica cơ bản có cấu trúc ba chiều, dạng cầu đ ƣợc mô tả trên hình 1.1.
Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica
Trên bề mặt silica có các nhóm silanol với ba loại silanol là: dạng cô lập
(isolated), dạng kế cận (vicinal) và dạng song sinh (geminal) – tức là có hai
nhóm silanol trên cùng một nguyên tử Si đƣợc mô tả trên hình 1.2.
Các nhóm chức này phân bố ngẫu nhiên trên toàn bộ bề mặt silica.
Ngƣợc với than đen, các nhóm chức chỉ phân bố trên các cạnh của tinh thể.
Các nhóm silanol và siloxan trên bề mặt silica làm cho hạt silica có tính
ƣa nƣớc. Các nhóm silanol nằm trên các hạt khác nhau tạo liên kết hidro với
nhau dẫn sự hình thành cấu trúc tập hợp hạt liên hợp đƣợc mô tả trong hình
1.3
Bùi Thị Hồng Đào
3
K3 B – Hóa h c
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khóa luận tốt nghiệp
H
H
O
Si
H H
O O
Si Si
H
O
O
H
H
O
O
H
O
Si
Si
Si
Si
Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên
Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của
bề mặt silica
silica
Các liên kết này giữ các hạt silica với nhau nên tập hợp liên hợp vẫn tồn
tại trong điều kiện khuấy trộn tốt nhất nếu nh ƣ không có sự t ƣơng tác mạnh
giữa silica và nên polyme. Phần còn lại trên bề mặt silica cũng có khả năng
phản ứng với các hợp chất hóa học khác nhau nhƣ axit stearic, polyancol và
amin [1].
Khi dùng làm chất gia cƣờng cho cao su, kích thƣớc trung bình của các
tập hợp hạt silica trong nền cao su phụ thuộc vào mật độ của nhóm silanol. Số
lƣợng nhóm silanol lớn sẽ làm tăng kích thƣớc tập hợp hạt do đó làm tăng
mật độ các nút mạng cao su. Các nhóm silanol còn lại không tham gia tạo hợp
trên bề mặt silica cũng có khả năng tƣơng tác với các chất xúc tiến dẫn đến
giảm tốc độ lƣu hóa và mật độ kết ngang. Chúng có thể phản ứng với các hợp
chất hóa học khác nhƣ axit stearic, polyancol và amin. Những hợp chất này
cạnh tranh nhau với tác nhân tƣơng hợp để hấp phụ lên bề mặt hạt độn làm
giảm số nhóm silanol trên bề mặt silica [1].
Diện tích bề mặt có ảnh hƣởng trái ngƣợc đến tính chất của cao su: một
mặt nó có tác tác dụng có hại trong quá trình chế tạo,ví dụ diện tích bề mặt
lớn làm tăng độ nhớt và làm giảm khả năng hoạt động của phụ gia (các chất
xúc tiến). Mặt khác diện tích bề mặt lớn có lợi tới sự phân tán của hạt độn [2].
Tính chất của các hạt silica với kích thước nano
Bề mặt silica nhẵn có diện tích lớn, do đó khả năng tiếp xúc vật lý với
polyme nền lớn. Silica có thể tồn tại ở nhiều dạng, mỗi dạng thể hiện tính chất
vật lý và hóa học khác nhau. Silica không thể hút n ƣớc nếu bề mặt của nó có
các nhóm siloxan (-Si-O-Si-), khả năng hút nƣớc của nó chỉ thể hiện khi bề
Bùi Thị Hồng Đào
4
K3 B – Hóa h c
- Xem thêm -