luận van: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ POLYETYLEN VÀ NANO CLAY BIẾN TÍNH SILAN pptx

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI ************************** LÊ THỊ MỸ HẠNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ POLYETYLEN VÀ NANO CLAY BIẾN TÍNH SILAN LUẬN ÁN TIẾN SỸ HOÁ HỌC HÀ NỘI-2012 2 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI ************************** LÊ THỊ MỸ HẠNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ POLYETYLEN VÀ NANO CLAY BIẾN TÍNH SILAN LUẬN ÁN TIẾN SỸ HOÁ HỌC Chuyên ngành: Hoá Lý thuyết và hoá lý Mã số: 62.44.31.01 Người hướng dẫn khoa học 1.TS Đào Thế Minh 2.GS. TS Ngô Duy Cường HÀ NỘI-2012 3 LỜI CẢM ƠN! Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn đến GS.TS. Ngô Duy Cường và TS. Đào Thế Minh đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và Tổ tư vấn đào tạo sau đại học Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tư vấn, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cám ơn đến tập thể cán bộ phòng Vi phân tích, phòng Hóa lý và Vật liệu phi kim loại Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nội dung luận án. Tôi xin cám ơn các đồng nghiệp trong và ngoài Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ thực hiện các phép đo và phân tích mẫu thí nghiệm trong nội dung luận án. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành đến gia đình và bạn bè đã động viên, khuyến khích tôi trong quá trình làm luận án. Tác giả luận án Lê Thị Mỹ Hạnh 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Một số nhiệm vụ nghiên cứu là thành quả tập thể và đã được các đồng sự cho phép sử dụng. Các số liệu, kết quả trình bầy trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác. Tác giả luận án Lê Thị Mỹ Hạnh 5 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT APS - Aminopropyltrimetoxysilan BP - benzoyl peoxit CEC - dung lượng trao đổi cation DCP - dicumyl peoxit d 001 - khoảng cách cơ bản của khoáng sét E- modun đàn hồi E đt – điện áp đánh thủng HDPE - PE tỷ trọng cao IR – phổ hồng ngoại MDPE - PE tỷ trọng trung bình MMT- montmorillonit LDPE - PE tỷ trọng thấp LLDPE - PE tỷ trọng thấp mạch thẳng PE-g-AM - PE ghép anhydrit maleic PE- polyetylen PEX - polyetylen khâu mạch PEX-b- PE khâu mạch bằng tia bức xạ beta SEM - kính hiển vi điện tử quét TGA - Phân tích nhiệt trọng lượng tgδ – tang góc tổn hao điện môi TEM - Hiển vi điện tử truyền qua UHMWPE - PE có khối lượng phân tử rất cao 6 XRD - phổ nhiễu xạ tia X VLDPE - PE tỷ trọng rất thấp VTMS- vinyltrimetoxysilan ε – độ dãn dài khi đứt ε e – hằng số điện môi ρ s – điện trở suất mặt ρ v – điện trở suất khối σ – độ bền kéo đứt 7 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG, BIỂU TRONG LUẬN ÁN…………………………………vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN…………………………viii MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN……………………………………… ………… 4 1.1. Khoáng sét tự nhiên và khoáng sét hữu cơ……………………… ………… 4 1.1.1. Khoáng sét tự nhiên, cấu trúc và thành phần 4 1.1.2. Biến tính khoáng sét 5 1.1.3. Ứng dụng của khoáng sét hữu cơ……….……………………… ………… 8 1.2. Polyetylen (PE) 9 1.2.1. Nhu cầu và ứng dụng polyetylen trên thế giới và Việt Nam 9 1.2.2. Ứng dụng của PE 12 1.2.3. Tính chất của PE ……………………………………… ……………………12 1.2.3.1 Cấu trúc phân tử và hình thái học……………………… ………………….12 1.2.3.2. Tính chất của PE…………………………………………………………….14 1.2.3.3. Độ hoà tan ………………………………………………………………….14 1.2.4. Các phương pháp khâu mạch PE …………………………………………… 15 1.2.4.1. Khâu mạch bằng peoxit…………………………………………………… 15 1.2.4.2. Khâu mạch bằng tia bức xạ beta (PEX-b)…………… ……………… 18 1.2.4.3. Khâu mạch bằng các hợp chất silan……………… ……………………….18 1.2.4.4. Khâu mạch PE bằng bức xạ tử ngoại……………………………………… 21 i 8 ii 1.3. Hợp chất liên kết cơ silic………………… ………………………………… 24 1.3.1. Lịch sử phát triển…………………… ………………………………………24 1.3.2. Cấu tạo của các chất liên kết cơ silic………………………………………….25 1.3.3. Cơ chế hoạt động của chất liên kết cơ silic trong vật liệu compozit ……… 25 1.3.4. Lĩnh vực ứng dụng của các chất liên kết cơ silic … ………………… 27 1.4. Vật liệu nanocompozit polyme/clay……………………………… ……….28 1.4.1. Phân loại ………………………………………………………………… 28 1.4.2. Các phương pháp chế tạo nanocompozit polyme/clay ………………… 29 1.4.2.1. Phương pháp chèn lớp……… …………………………………………….29 1.4.2.2. Phương pháp trùng hợp tại chỗ (in- situ polymerisation)………………32 1.4.2.3. Phương pháp trộn hợp ở trạng thái nóng chảy………… ……………… 33 1.4.3. Các phương pháp khảo sát cấu trúc vật liệu nanocompozit polyme/clay… 34 1.4.3.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD)…………………………… …….34 1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)……………………….……35 1.4.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)…………………………….……… 36 1.4.4. Một số tính chất của vật liệu polyme/ clay nanocompozit……………………36 1.4.4.1. Tính chất cơ học…………………………………………………………….36 1.4.4.2. Độ bền nhiệt và tính chất chống cháy……………………………………….38 1.4.4.3. Tính chất che chắn………………………………………………………… 41 1.5. Tình hình nghiên cứu vật liệu nanocompozit PE/clay……………… …… 42 1.5.1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất chống vi khuẩn của vật liệu nanocompozit từ PE/nano bạc………………………………………………42 1.5.2. Chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu PE/clay nanocompozit…………… 43 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM…… ……………………………… … ……….51 2.1 Nguyên liệu và hóa chất……………………………………………….… 51 2.2. Biến tính hữu cơ clay bằng APS và VTMS…………… …….……………… 51 9 iii 2.3. Chế tạo vật liệu compozit PE/clay 51 2.4. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay hữu cơ bằng phương pháp trộn nóng chảy 51 2.4.1. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-APS khi không và có mặt chất tương hợp PE-g-AM 51 2.4.2. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-VTMS khi không và có mặt chất khơi mào DCP. 52 2.5. Các phương pháp nghiên cứu 52 2.5.1. Phổ hồng ngoại IR 52 2.5.2. Phân tích nhiễu xạ tia X-XRD 52 2.5.3. Phân tích nhiệt trọng lượng- TGA 53 2.5.4. Khảo sát cấu trúc hình thái học của vật liệu bằng ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 53 2.5.5. Ảnh kính hiển tử truyền qua (TEM) 53 2.5.6.Khảo sát tính chất cơ học 53 2.5.7. Khảo sát độ bền oxy hóa nhiệt và độ bền oxy hóa quang 54 2.5.7.1. Khảo sát độ bền oxy hóa nhiệt 54 2.5.7.2. Khảo sát độ bền oxy hóa quang 54 2.5.8. Khảo sát khả năng chống cháy của vật liệu 54 2.5.9. Khảo sát khả năng chống thấm khí (hơi nước, axeton) 55 2.5.10. Khảo sát tính chất điện của vật liệu 55 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 3.1. Chế tạo và khảo sát tính chất clay hữu cơ ………………….… …… 56 3.1.1. Phổ hồng ngoại IR 56 3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X-XRD 58 3.1.3. Phổ phân tích nhiệt trọng lượng- TGA 60 10 iv 3.1.4. Khảo sát cấu trúc của clay trước và sau biến tính…………………………… 62 Một số kết quả mục 3.1………………………………………………………… 63 3.2. Khảo sát tính chất vật liệu compozit trên cơ sở PE/clay…………………….64 3.2.1. Tính chất cơ học 64 3.2.2. Tính chất nhiệt TGA 65 3.2.3. Phổ nhiễu xạ tia X 66 Một số kết quả mục 3.2………………………………………………………… 67 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế tạo và thành phần vật liệu đến tính chất cơ học vật liệu nanocompozit 67 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 67 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian trộn……… ……………………………………… 68 3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ trục quay… ………………………………………… 70 3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng clay-APS và chất tương hợp PE-g-AM đến tính chất vật liệu…… ……………… ………….71 3.3.4.1. Tính chất cơ lý vật liệu với các hàm lượng clay-APS khác nhau……… 72 3.3.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PE-g-AM đến tính chất cơ học vật liệu … 73 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS và chất khơi mào DCP đến tính chất vật liệu……………………… …………… 75 3.3.5.1.Tính chất cơ học vật liệu với các hàm lượng clay-VTMS khác nhau……….75 3.3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến tính chất vật liệu ……77 Một số kết quả mục 3.3…………………………………………………………… 78 3.4. Khảo sát phổ hồng ngoại IR và phân tích nhiệt TGA…………… …… …79 3.4.1. Khảo sát phổ hồng ngoại- IR………… …………………………………… 79 3.4.2. Phân tích nhiệt TGA… ………………………………………………………80 Một số kết quả mục 3.4…………………………………………………………… 86 3.5. Khảo sát cấu trúc vật liệu nanocompozit trên cơ sở PE/clay-APS và PE/clay-VTMS………………… ……… ,………… ……….86 [...]... vậy, việc nghiên cứu và tìm ra các biện pháp để chống lão hóa PE và nâng cao thời gian sử dụng của chúng là cần thiết và có ý nghĩa kinh tế [17,31,114] Với những lý do phân tích trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở PE và nano clay biến tính silan với mục đích tạo ra vật liệu nanocompozit bền nhiệt, bền thời tiết và có khả... ứng dụng trong ngành vật liệu bọc cáp điện Các đóng góp mới của luận án gồm: 3 20 - Đã chế tạo được 2 loại clay hữu cơ mới: clay- APS và clay- VTMS bằng việc ghép 2 loại hợp chất silan: APS và VTMS vào clay - Đã nghiên cứu chế tạo được hai được 2 loại vật liệu nanocompozit mới trên cơ sở PE và 2 loại clay hữu cơ, với sự có mặt của chất tương hợp: PE ghép anhyđric maleic (PE-g-AM) và chất khơi mào phản... nhiệt, tính chất chống cháy và tính chống thấm khí của vật liệu  Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án: Luận án đã tập trung nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất vật liệu nhằm đưa ra được quy trình chế tạo, hàm lượng thành phần tối ưu cho hệ vật liệu PE /clay nanocompozit với sự có mặt chất tương hợp /chất khơi mào phản ứng Đây là một trong những yếu tố quan trọng trong việc đưa vật liệu. .. vật liệu nanocompozit PE/3% clay -APS……………….… 89 Hình 3.35 ẢnhFE SEM vật liệu nanocompozit 90%PE/10%PE-g-AM /3% clay -APS ………………………………………… … .89 Hình 3.36 Ảnh FESEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay- VTMS……………… 90 Hình 3.37 Ảnh FESEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay- VTMS/0,2%DCP ……………………………………………………….…… 90 Hình 3.38 Ảnh TEM vật liệu nanocompozit PE/3% clay -APS/10%PE-g-AM………90 Hình 3.39 Ảnh TEM vật liệu. .. PE và PE/3 %clay ….………………………… …… 66 Bảng 3.4 Tính chất cơ học vật liệu nanocompozit PE/1 %clay- APS với nhiệt độ trộn khác nhau………………………………………………………….… ………68 Bảng 3.5 Tính chất cơ học vật liệu nanocompozit PE/1 %clay- APS với thời gian trộn khác nhau…………………….…………………………………… ….69 Bảng 3.6 Tính chất cơ học vật liệu nanocompozit PE/1 %clay- APS với tốc độ trộn khác nhau………………………………………………… ……………….71 Bảng 3.7 Tính. .. vật liệu nanocompozit PE/2% clay -VTMS/0,1%DCP …… 91 Hình 3.40 Ảnh TEM vật liệu nanocompozit PE/2% clay -VTMS/0,2%DCP …… 91 1 18 MỞ ĐẦU Vật liệu nanocompozit là loại vật liệu compozit mới đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước chú trọng nghiên cứu và ứng dụng, do có nhiều tính năng ưu việt như: tính chất cơ học cao, ổn định kích thước, thẩm thấu khí, hơi ẩm và các hợp chất hydrocacbon... 3.5.2.1 Vật liệu nanocompozit từ PE /clay –APS và PE /clay APS/PE-g-AM………………………… ……… ……………………… 88 3.5.2.2 Vật liệu nanocompozit từ PE/ clay –VTMS và PE /clay- VTMS/DCP ……… …………………………….………… ……….……89 3.5.3 Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua- TEM……………… ………………….90 Một số kết quả mục 3.5……………………………………….…………………… 92 3.6 Khảo sát một số tính chất tiêu biểu cho vật liệu nanocompozit trên cơ sở PE /clay- APS và PE /clay- VTMS... thể ứng dụng sản xuất vật liệu bọc dây cáp điện  Mục tiêu của luận án 1) Ghép silan: aminopropyltrimetoxysilan (APS) và vinyltrimetoxysilan (VTMS) lên clay (clay- APS và clay- VTMS) 2) Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/ clay- APS và PE/ clay- VTMS 3) Đánh giá được vai trò của silicon trong việc cải thiện tính chất cơ học, khả năng chịu lão hóa của vật liệu 4) Đánh giá được vai trò của clay trong việc nâng... Bảng 3.7 Tính chất cơ học vật liệu nanocompozit với hàm lượng clay- APS khác nhau…… ………………………………………… …….……….…72 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng PE-g-AM đến tính chất cơ học vật liệu ……74 Bảng 3.9 Tính chất cơ học vật liệu nanocompozit với hàm lượng clay- VTMS khác nhau……………… ………………………………… …… … ………75 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến vii 13 tính chất cơ học của vật liệu ………………………………………………………... Bảng 1.4 Tính chất của HDPE khâu mạch bằng vinyltrimetoxysilan (VTMS)… ….21 Bảng 1.5 Tính chất cơ lý của PE và vật liệu nanocompozit PE /clay ………… … 45 Bảng 1.6 Các thông số phân tích nhiệt đặc trưng của nanocompozit HDPE /clay với các hàm lượng clay khác nhau………………………………….……….48 Bảng 3.1.Đặc trưng phổ IR của clay và clay hữu cơ ……………………………… 59 Bảng 3.2 .Tính chất cơ học của vật liệu compozit PE /clay ………………… . tích trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở PE và nano clay biến tính silan . loại hợp chất silan: APS và VTMS vào clay. - Đã nghiên cứu chế tạo được hai được 2 loại vật liệu nanocompozit mới trên cơ sở PE và 2 loại clay hữu cơ, với