Chế tạo vật liệu nanosilica và nghiên cứu ảnh hưởng của nó trong cơ tính của composite nền cao su thiên nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TRONG CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN MÃ SỐ: T2019-14TĐ SKC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NĨ TRONG CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN Mã số: T2019-14TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Minh Tài TP HCM, Tháng 4/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NĨ TRONG CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN Mã số: T2019-14TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Minh Tài TP HCM, Tháng 4/2020 DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH A Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu: Họ tên, học hàm học vị TS Lê Minh Tài Chức danh trình thực nhiệm vụ Chủ nhiệm NV Tổ chức công tác Phụ trách chung Nội dung công việc tham gia Bao quát toàn nội dung từ khảo sát, nghiên cứu, chế tạo thực nghiệm, thuyết minh viết báo khoa học: -Nghiên cứu lý thuyết tổng quan -Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu Nanosilica -Tối ưu hóa quy trình cơng nghệ chế tạo thực nghiệm kiểm tra -Chế tạo Nanosilica/Composite cao su thiên nhiên -Chế tạo Nanosilica/Composite cao su butadiene -Chế tạo Nanosilica/Composite lai cao su thiên nhiên butadiene Thời gian làm việc cho nhiệm vụ (Số tháng quy đổi) 12 tháng B Các đơn vị phối hợp chính: Phịng thí nghiệm Vật liệu học- Khoa Cơ khí Chế tạo máy-Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM: Hỗ trợ thiết bị để nung vỏ trấu, chuẩn bị mẫu Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Polymer, Khoa Cơng nghệ Hóa thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM: Tiến hành thực nghiệm, chế tạo nanosilica composite Phịng thí nghiệm Nano Trung tâm công nghệ cao, Khu Công nghê cao Quận 9: Kiểm tra chất lượng sản phẩm vật liệu nanosilica tạo Trung tâm đo lường chất lượng III: Kiểm tra tính vật liệu composite tạo MỤC LỤC THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU INFORMATION ON RESEARCH RESULTS CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu .9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Vỏ trấu 11 2.1.1 Nguồn gốc vỏ trấu 11 2.1.2 Hiện trạng chất thải vỏ trấu Việt Nam [3] 11 2.1.3 Các ứng dụng vỏ trấu 13 2.1.3.1 Dùng vỏ trấu để lọc nước [4] 13 2.1.3.2 Trấu phế phẩm khác làm pin sạc 14 2.1.3.3 Vỏ trấu làm vật liệu xây dựng nhẹ không nung 15 2.1.3.4 Vỏ trấu cịn làm nguyên liệu xây dựng 16 2.1.3.5 Vỏ trấu làm sản phẩm mỹ nghệ [5] 16 2.1.3.6 Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu 17 2.1.3.7 Sử dụng làm chất đốt 18 2.2 Tro trấu 19 2.3 Giới thiệu vật liệu nano 20 2.3.1 Khái niệm .20 2.3.2 Phân loại vật liệu nano 20 2.3.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano 22 2.3.3.1 Phương pháp từ xuống (top-down) 22 2.3.3.2 Phương pháp từ lên (bottom-up) 23 2.3.4 Ứng dụng vật liệu nano 24 2.3.4.1.Trong y học 24 2.3.4.2 Trong sinh học 24 2.3.4.3 Trong phân tích tế bào 25 2.4 Giới thiệu nanosilica 25 2.4.1 Khái niệm silica 25 2.4.2 Phân loại silica 25 2.4.3 Cấu trúc silica 26 2.4.4.Tính chất nanosilica 27 2.4.4.1 Tính chất chung nanosilica 27 2.4.4.2 Tính chất hút kỵ nước Nano silica .28 2.4.5 Ứng dụng nanosilica 29 2.5 Giới thiệu cao su tổng hơp 29 2.5.1 Khái niệm .29 2.5.2 Cấu trúc đặc tính cao su tổng hợp 30 2.5.3 Ứng dụng 31 2.6 Giới thiệu vật liệu polymer nanocomposite cao su nanosilica composite 31 2.6.1 Phân loại 32 2.6.2 Ưu điểm vật liệu polymer nanocomposite cao su nanosilica composite 32 2.6.3 Phương pháp chế tạo 32 2.6.4 Tính chất vật liệu polymer nanosilica composite 34 2.7 Phương pháp kiểm tra SEM 36 2.8 Tổng quan phương pháp Taguchi 36 2.9 Phương pháp xác định số tính chất học vật liệu .42 2.9.1 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt 42 2.9.2 Phương pháp xác định độ dãn dài đứt 42 2.9.3 Thiết bị kiểm tra độ bền kéo 43 2.9.4 Xác định độ cứng Shore theo tiêu chuẩn ISO 868 .43 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA 45 3.1 Điều kiện thí nghiệm 45 3.1.1 Dụng cụ, thiết bị 45 3.1.2 Hóa chất 45 3.2 Điều chế Nanosilica 45 3.2.1 Quy trình thực nghiệm 45 3.2.2 Tổng hợp hạt nanosilica .46 3.2.3 Kết kiểm định SEM 51 3.2.4 Một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng nanosilica 53 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO NANOSILICA 54 4.1 Lựa chọn yếu tố kiểm soát 54 4.2 Dữ liệu nghiên cứu 55 4.3 Kết từ nghiên cứu phương pháp Taguchi 56 4.4 ANOVA cho khối lượng SiO2 58 4.5 Lựa chọn thông số tối ưu 58 4.6 Kết sử dụng thông số tối ưu 59 4.7 Kiểm chứng thông số tối ưu 59 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANOSILICA TRONG VIỆC CHẾ TẠO COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN 61 5.1 Tổng hợp cao su tự nhiên / nanosilica composite .61 5.1.1 Quy trình chế tạo mẫu composite 61 5.1.2 Kiểm tra kéo 64 5.1.2.2 Kết kiểm tra kéo 64 5.1.3 Kết phân tích tế vi mặt cắt thu 71 5.2 Tổng hợp cao su butadiene / nanosilica composite 73 5.2.1 Quy trình tạo mẫu composite .73 5.2.2 Kết kiểm tra độ bền kéo 76 5.2.3 Kết kiểm tra độ cứng .89 CHƯƠNG 6: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VỀ VIỆC PHA TRỘN NANOSILICA VÀO CAO SU 92 6.1 Kết phân tích độ bền kéo 92 6.2 Kết phân tích độ cứng 95 6.3 Kết luận .97 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 7.1 Kết luận .99 7.2 Kiến nghị 99 PHỤ LỤC 104 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thành phần hữu vỏ trấu 11 Bảng 2.2: Chi phí sử dụng nguồn nguyên liệu năm 2006 18 Bảng 2.3: Thành phần hóa học tro trấu 20 Bảng 2.4: Bảng tính giá trị SN trung bình cho yếu tố 41 Bảng 2.5: Bảng tính giá trị SN cho thơng số cấp độ 41 Bảng 4.1: Các cấp độ thông số 54 Bảng 4.2: Các thí nghiệm thể mối quan hệ thông số cấp độ 55 Bảng 4.3: Bảng tổng hợp Warp tỷ lệ S/N 56 Bảng 4.4: Bảng giá trị S/N trung bình cho cấp độ thông số 57 Bảng 4.5: Anova cho khối lượng SiO2 58 Bảng 4.6: Bảng thông số tối ưu cho khối lượng SiO2 58 Bảng 4.7: Giá trị trung bình khối lượng SiO2 60 Bảng 5.1: Mẫu cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0% 64 Bảng 5.2: Cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 2% 65 Bảng 5.3: Cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 4% 66 Bảng 5.4: Cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 6% 67 Bảng 5.5: Cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 8% 67 Bảng 5.6: Cao su/nanosilica composite hàm lượng nanosilica 10% 68 Bảng 5.7: Chỉ tiêu tính 69 Bảng 5.8: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0% 76 Bảng 5.9: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0.1% 78 Bảng 5.10: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0.2% .79 Bảng 5.11: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0.5% .80 Bảng 5.12: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 0.75% .80 Bảng 5.13: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 1% 81 Bảng 5.14: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 2% 82 Bảng 5.15: Cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 3% 83 Bảng 5.16: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 4% 84 Bảng 5.17: Cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 5% 85 Bảng 5.18: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 6.5% .86 Bảng 5.19: Mẫu cao su nanosilica composite hàm lượng nanosilica 8% 87 Bảng 5.20: Bảng tổng hợp tiêu tính vật liệu composite 87 Bảng 5.21: Kết đo độ cứng Shore-D 89 Bảng 6.1: Kết đo độ bền kéo trung bình mẫu dung chất phụ gia DCP+S 92 Bảng 6.2: Tổng hợp số liệu quy hoạch thực nghiệm mẫu 93 Bảng 6.3: Kết đo độ cứng trung bình mẫu 95 Bảng 6.4: Tổng hợp số liệu quy hoạch thực nghiệm mẫu 96 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Trấu thải bỏ sông 13 Hình 2.2: Thiết bị lọc nước vỏ trấu 13 Hình 2.3: Trấu làm pin sạc 15 Hình 2.4: Trấu làm vật liệu không nung 15 Hình 2.5: Các sản phẩm từ tro trấu 17 Hình 2.6: Máy ép củi trấu, củi trấu 17 Hình 2.7: Lò đốt sử dụng vỏ trấu dùng sinh hoạt .19 Hình 2.8: Lò đốt sử dụng vỏ trấu luyện gạch 19 Hình 2.9: Hạt nano .21 Hình 2.10: Ống nano 21 Hình 2.11: Màng mỏng 21 Hình 2.12: Nanocomposite 22 Hình 2.13: Phương pháp từ lên 24 Hình 2.14: Silica dạng tự nhiên 26 Hình 2.15: Nguyên lý chung để chế tạo vật liệu polymer nanocomposite 34 Hình 2.16: Bảng lựa chọn mảng trực giao Taguchi đề xuất phụ thuộc vào thơng 39 Hình 2.17: Mẫu chuẩn đo tính chất kéo vật liệu 42 Hình 2.18: Máy thử kéo INSTRON 5566 – CN 2081 43 Hình 2.19: Đồng hồ Shore-D DESIK 44 Hinh 3.1: Nguyên liệu hóa chất 47 Hinh 3.2: Sấy khô nung trấu 47 Hinh 3.3: Trấu nghiền mịn 48 Hinh 3.4: Tạo hỗn hợp 48 Hinh 3.5: Đun hỗn hợp 49 Hinh 3.6: Lọc dung dịch 49 Hinh 3.7: Tạo kết tủa trắng 50 Hinh 3.8: Quay ly tâm mẫu 50 Hinh 3.9: Sấy nung mẫu 51 Hinh 3.10: Bột nanosilica 51 Hinh 3.11: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) JSM-6010 PLUS/LV 52 Hinh 3.12: Kết kiểm định SEM 52 Hinh 3.13: Kích thước hạt SiO2 thời gian phản ứng .53 Hinh 3.14: Kích thước hạt SiO2 thời gian phản ứng .53 Hình 4.1: Bảng trực giao 54 Hình 4.2: Mức độ ảnh hưởng yếu tố đến khối lượng SiO2 57 Hình 4.3: Kết khối lượng SiO2 sử dụng tối ưu 59 Hình 5.1: Pha trộn 61 Hình 5.2: Đánh đông 62 Hình 5.3: Thoa parafin .62 Hình 5.4: Rót mẫu vào khn 63 Hình 5.5: Nung mẫu 63 Hình 5.6: Máy thử kéo INSTRON 5566 – CN 2081 64 Hình 5.7: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu với hàm lượng 2% nanosilica 71 Hình 5.8: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu với hàm lượng 4% nanosilica 71 Hình 5.9: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu với hàm lượng 6% nanosilica 72 Hình 5.10: Ảnh SEM bề mặt cắt mẫu với hàm lượng 8% nanosilica 72 Hình 5.11: Pha trộn hỗn hợp 73 Hình 5.12: Lưu hóa 74 Hình 5.13: Thoa paraffin 74 Hình 5.14: Rót mẫu vào khuôn 75 Hình 5.15: Thường hóa 75 Hình 5.16: Nung mẫu 76 Hình 5.17: Composite nanosilica butadiene 76 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 5.1: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 0% 65 Biểu đồ 5.2: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 2% 66 Biểu đồ 5.3: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 4% 66 Biểu đồ 5.4: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 6% 67 Biểu đồ 5.5: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 8% 68 Biểu đồ 5.6: Biểu đồ kéo mẫu cao su/nanosilica composite 10% 69 Biểu đồ 5.7: Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng nanosilica tới độ bền kéo độ dãn dài đứt vật liệu 70 Biểu đồ 5.8: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 0% nanosilica 77 Biểu đồ 5.9: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 0.1% nanosilica 78 Biểu đồ 5.10: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 0.2% nanosilica 79 Biểu đồ 5.11: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 0.5% nanosilica 80 Biểu đồ 5.12: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 0.75% nanosilica 81 Biểu đồ 5.13: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 1% nanosilica 82 Biểu đồ 5.14: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 2% nanosilica 83 Biểu đồ 5.15: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 3% nanosilica 84 Biểu đồ 5.16: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 4% nanosilica 85 Biểu đồ 5.17: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 5% nanosilica 85 Biểu đồ 5.18: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 6.5% nanosilica 86 Biểu đồ 5.19: Biểu đồ kéo mẫu cao su nanosilica composite 8% nanosilica 87 Biểu đồ 5.20: Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng nanosilica tới độ bền kéo 88 Biểu đồ 5.21: Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng nanosilica tới độ dãn dài đứt 89 Biểu đồ 5.22: Độ cứng trung bình mẫu 90 Biểu đồ 6.1: Đồ thị, biểu thức thể độ bền kéo trung bình ứng với tỉ lệ nanosilica mẫu 93 Biểu đồ 6.2: Mơ hình hồi quy thể tương quan độ cứng trung bình tỉ lệ nanosilica 96 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNT Carbon nanotube CSTN Cao su thiên nhiên EPDM Ethylen Propylene-Diene Monomer Rubber HNBR Hydroxyl NitrileButadiene Rubber MWCNT PP Multi-walled Carbon Nanotube Polypropylene SBR Styren Butadiene Rubber SEM Scanning Electron Microscope SEMPA TEM Scanning Electron Microscope with Polarization Analysis Transmission Electron Microscope TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2019 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TRONG CƠ TÍNH CỦA COMPOSITE NỀN CAO SU THIÊN NHIÊN - Mã số: T2019-14TĐ - Chủ nhiệm: TS Lê Minh Tài - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: Nanosilica hay “silica siêu mịn” sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, mực in, chất làm đặc kim loại mềm, chất đánh bóng, chất đột cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp, phun vật liệu, y học bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu điều chế nanosilica tìm hiểu ứng dụng giúp nâng cao giá trị sử dụng vỏ trấu, giảm thiểu tình trạng nhiễm mơi trường tăng thêm thu nhập cho người dân Đề tài nghiên cứu đưa quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanosilica tối ưu, kích thước nano đồng đảm bảo < 50 nm Sau ứng dụng vật liệu nanosilica vừa chế tạo việc sản xuất composite với cao su có tính cao Tính sáng tạo: Vật liệu nanosilica chế tạo phương pháp kết tủa có chất lượng vượt trội (độ tinh khiết) so với nanosilica thị trường Vật liệu nanocomposite cao su thiên nhiên butadiene với cốt nanosilica vật liệu chưa có thị trường Phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế chế tạo ứng dụng thực đề tài Kết nghiên cứu: - Đã chế tạo thành cơng vật liệu nanosilica đạt chuẩn kích thước nano