nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nghiêm Xuân Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Hóa học Trường ĐHSP Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, phòng Polyme - Viện Khoa Học Vật Liệu và đặc biệt là TS. Ngô Kế Thế, NCS. Phạm Thị Hà Thanh đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cùng với sự biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, tổ chuyên môn Trường THPT Hải Đảo đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 7 năm 2011 Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cảm ơn Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iv Danh mục các bảng v Danh mục các hình vi MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 2 1.1. Tổng quan về khoáng sét bentonit. 2 1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit 2 1.1.2. Tính chất của bentonit 4 1.2. Tổng quan về sét hữu cơ 6 1.2.1. Phương pháp điều sét sét hữu cơ 6 1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ 9 1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ 10 1.2.4. Ứng dụng của sét hữu cơ 10 1.3. Tổng quan cao su thiên nhiên. 11 1.3.1. Thành phần của cao su thiên nhiên (CSTN) . 11 1.3.2. Cấu tạo hóa học của CSTN 13 1.3.3. Tính chất của cao su thiên nhiên. 13 1.4. Tổng quan vật liệu polyme/clay nanocompozit. 15 1.4.1. Khái niệm 15 1.4.2. Các loại vật liệu polyme/clay nanocompozit 17 1.4.3. Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme - clay nanocompozit. 18 1.4.4. Tính chất của vật liệu polyme - clay nanocompozit. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 1.5. Các hƣớng nghiên cứu vật liệu polyme/clay nanocompozit và vật liệu CSTN/clay nanocompozit. 20 CHƢƠNG II : THỰC NGHIỆM 25 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 25 2.1.1 Hóa chất 25 2.1.2. Dụng cụ 28 2.1.3 Thiết bị 28 2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu 29 2.2.1. Phương pháp điều chế sét hữu cơ 29 2.2.2. Phương pháp chế tạo hỗn hợp chủ CSTN/sét hữu cơ 29 2.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu CSTN clay nanocompozit 29 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu mẫu 30 2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) 30 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 31 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt 32 2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 2.3.5. Phương pháp xác định các tính chất cơ lý 33 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ 35 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 35 3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit 37 3.1.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch 39 3.2. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của CSTN 43 3.2.1. Nghiên cứu phương pháp phân tán sét hữu cơ vào nền cao su 43 3.2.2. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ (P-DMDOA) cho vật liệu CSTN 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii 3.2.3. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ I.28E cho vật liệu CSTN 50 3.2.4. So sánh ảnh hưởng của các chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN 51 3.2.5. Nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu CSTN/clay nanocompozit 52 3.3. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit CSTN/tro bay 52 3.3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên. 52 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên/nanoclay P-DMDOA. 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1. ABS Acryonitrile butadiene styrene 2. CSTN Cao su thiên nhiên 3. DMDOA Đimetylđioctađecylammoni clorua 4. HDPE High density poly ethylene 5. MMT Montmorillonit 6. NBR Cao su nitril 7. PCL Poly ε – caprolactone 8. PEO Poly etylen oxit 9. PLA Poly lactide 10. PMMA Poly metyl metacrylat 11. PP Poly propylene 12. PS Poly styren 13. PVA Poly vinyl ancol 14. Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các chất hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT đang được sử dụng [6] 8 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên 12 Bảng 1.3. Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN 14 Bảng 2.1. Thành phần của bentonit Prolabo – Pháp. 25 Bảng 2.2. Đặc trưng kỹ thuật của nanoclay I. 28E. 25 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay 26 Bảng 2.4 . Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN 27 Bảng 2.5. Hợp phần tiêu chuẩn chế tạo mẫu CSTN 30 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d 001 36 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến (%) xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ. 36 Bảng 3.3. Hàm lượng DMDOA xâm nhập vào bentonit ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit khác nhau 38 Bảng 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo bằng phương pháp khối và dung dịch : 43 Bảng 3.5. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo trong dung dịch bằng khuấy cơ học và kết hợp với rung siêu âm : 44 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ P-DMDOA đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/P-DMDOA 48 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ I.28E đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/I.28E 50 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của CSTN 51 Bảng 3.9. Đánh giá vùng phân hủy nhiệt ban đầu 52 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới tính chất của vật liệu CSTN 53 Bảng 3.11. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính. 53 Bảng 3.12. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính Si69/nanoclay. 54 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính Si69 tới tính chất của vật liệu CSTN/sét hữu cơ 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO 4 và bát diện MeO 6 2 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 3 Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na + trong khoảng giữa hai lớp MMT 4 Hình 1.4. Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét 7 Hình 1.5. Cấu trúc của sét hữu cơ 9 Hình 1.6. Các dạng vật liệu polyme/clay nanocompozit 17 Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn của vật liệu polyme - clay nanocompozit 20 Hình 2.1. Phân bố kích thước hạt tro bay 26 Hình 2.2. Hình dạng và kích thước mẫu đo độ bền kéo đứt 33 Hình 3.1. Giản đồ XRD của bentonit (Pháp) (a) và các mẫu sét hữu cơ ở các nhiệt độ 40 o C, 50 o C, 60 o C; 70 o C; 80 o C tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5 (b). 36 Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit là 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;1,0; 1,1 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5, 6 (a) và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d 001 vào tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit của các mẫu sét hữu cơ (b). 38 Hình 3.3. Giản đồ XRD (a) của các mẫu sét hữu cơ ở các giá trị pH 7, 8, 9, 10 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4 và đồ thị (b) biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d 001 vào pH dung dịch của các mẫu sét hữu cơ. 40 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của giá trị d 001 vào thời gian phản ứng 41 Hình 3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bentonit (1) và sét hữu cơ (2) 41 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu bentonit (a) và sét hữu cơ (b) 42 Hình 3.7. Phổ XRD của sét hữu cơ P-DMDOA 45 Hình 3.8. Phổ XRD của hỗn hợp chủ CSTN/P-DMDOA 46 [...]... việc nghiên cứu ứng dụng của sét hữu cơ vào trong cao su thiên nhiên để nâng cao các tính chất cơ lý mong muốn là một hướng nghiên cứu rộng mở, cần thiết và có ứng dụng thực tiễn Do đó, với mong muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này nhằm tạo ra vật liệu polyme-clay nanocompozit có tính chất ưu việt, tôi chọn đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su. .. từ cao su thiên nhiên và sét biến tính Mục đích nghiên cứu: - Điều chế sét hữu cơ - Chế tạo vật liệu cao su - clay nanocompozit - Khảo sát một vài tính chất của vật liệu thu được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về khoáng sét bentonit 1.1.1 Thành phần và cấu trúc của bentonit Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành... đưa vào polyme để tạo vật liệu polyme/clay nanocompozit đã có thể nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu, nâng cao khả năng chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà không làm thay đổi đáng kể trọng lượng, độ trong của vật liệu 1.3 Tổng quan cao su thiên nhiên 1.3.1 Thành phần của cao su thiên nhiên (CSTN) [7] Mủ CSTN là nhũ tương trong nước của các hạt latex cao su với hàm lượng phần khô từ. .. trình nghiên cứu trong và ngoài nước khác về vật liệu polyme/clay nanocompozit nói chung và vật liệu CSTN/clay nanocompozit nói riêng Trong bản luận văn này, chúng tôi nghiên cứu điều chế sét hữu cơ (nanoclay) bằng cách thực hiện phản ứng trao đổi ion giữa bentonit và muối amin bậc 4 là dimetyl diocdecyl amoni clorua, sau đó tiến hành chế tạo vật liệu CSTN/clay nanocompozit và nghiên cứu tính chất của. .. tốt với các chất độn và chất phụ gia trên máy luyện kín hoặc hở, có khả năng cán tráng, ép phun tốt, mức độ co ngót kích thước sản phẩm nhỏ 1.4 Tổng quan vật liệu polyme/clay nanocompozit 1.4.1 Khái niệm Vật liệu compozit: là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ Vật liệu compozit truyền... giá bằng TEM và XRD TEM cho thấy sét đã được phân tán vào nền polyme một hoặc vài lớp XRD cho thấy khoảng cách cơ bản trong đất sét đã được tăng lên, chứng tỏ một số phân tử polyme đã xen vào các hành lang của lớp đất sét Lớp đất sét có thể được phân tán giống nhau trong nền cao su ở mức độ nanomet, vật liệu nanocompozit đã có tính chất cơ học tốt Một số tính chất của vật liệu cao su nanocompozit còn... từ PP và nanoclay I.28E với hàm lượng nanoclay lên tới 60% Trên cơ sở đó đã chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu PP nanocompozit từ chất chủ này Nanocompozit chế tạo từ chất chủ có tính chất cơ học vượt trội so với PP, đặc biệt là độ bền uốn (tăng gần 50%) khi hàm lượng nanoclay chiếm 5% Khảo sát tính chất cơ nhiệt động cho thấy có sự hình thành mạng không gian đàn hồi trong PP nanocompozit và khả... loại vật liệu compozit này có những tính chất cơ lý vượt qua tầm của vật liệu compozit truyền thống như: độ bền cơ học, độ trong su t, khả năng chịu nhiệt và không tách pha đã đạt đến mức vật liệu thông minh Do đó, công nghệ chế tạo vật liệu polyme/clay nanocompozit có những nét đặc trưng riêng và trải qua các giai đoạn sau: + Lựa chọn khoáng sét có chứa MMT + Biến tính hữu cơ hóa khoáng sét (sét hữu... vậy việc nghiên cứu về vật liệu nano là một trong những mục tiêu hàng đầu của nhiều viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm trên thế giới Kể từ khi lần đầu tiên chế tạo thành công vật liệu polyme/nanoclay compozit tại phòng thí nghiệm của công ty Toyota từ polyamit 6 và montmorillonit năm 1993 thì hướng nghiên cứu về vật liệu này đã và đang được nhiều quốc gia quan tâm phát triển Khoáng sét khá phổ biến trong... trội hơn so với các tính chất của cao su gia cường với than đen Như vậy, khoáng sét có thể được sử dụng như là một tác nhân gia cường quan trọng giống như than đen Ở Việt Nam, những năm gần đây, việc chế tạo vật liệu polyme/clay nanocompozit đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Tác giả Trần Thị Thanh Vân [9] đã tiến hành nghiên cứu tính chất và cấu trúc vật liệu HDPE/clay nanocompozit bằng phương . chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính . Mục đích nghiên cứu: - Điều chế sét hữu cơ. - Chế tạo vật liệu cao su - clay nanocompozit. - Khảo sát một vài tính chất của vật liệu thu được hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này nhằm tạo ra vật liệu polyme-clay nanocompozit có tính chất ưu việt, tôi chọn đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao. đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên. 52 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên/ nanoclay P-DMDOA. 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU