chế tạo và khảo sát một số tính chất của chất tạo màng, trên cơ sở nhựa epoxy thu được từ quá trình tái chế polycarbona phế thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN DUY TOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT TẠO MÀNG, TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY THU ĐƯỢC TỪ QUÁ TRÌNH TÁI CHẾ POLYCARBONATE PHẾ THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN DUY TOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT TẠO MÀNG, TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY THU ĐƯỢC TỪ QUÁ TRÌNH TÁI CHẾ POLYCARBONATE PHẾ THẢI Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 604431 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. TRẦN THỊ THANH VÂN Hà Nội - 2011 67 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 1.1. Polycarbonate 5 1.1.1. Tính chất và ứng dụng 5 1.1.2. Tổng hợp polycarbonate 7 1.2. Bisphenol A 9 1.2.1. Tính chất và ứng dụng 9 1.2.2. Độc tính của bisphenol A 12 1.2.3. Phương pháp tổng hợp 12 1.3. Nhựa epoxy 12 1.3.1. Cấu tạo, tính chất của nhựa epoxy 12 1.3.2. Phân loại nhựa epoxy 14 1.3.3. Tổng hợp nhựa epoxy 16 1.3.4. Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy 19 1.3.5. Ứng dụng của nhựa epoxy 23 1.4. Nhựa alkyd 23 1.4.1. Phương pháp điều chế và tính chất nhựa alkyd 23 1.4.2. Ứng dụng của sơn alkyd 25 1.5. Rác thải điện tử 27 1.5.1. Nguồn rác thải điện tử 27 1.5.2. Thành phần của rác thải điện tử 27 1.5.3. Các hướng nghiên cứu xử lý polycarbonate phế thải hiện nay 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1. Hóa chất – Thiết bị 30 2.1.1. Hóa chất 30 2.1.2. Thiết bị 30 2.2. Thực nghiệm 31 2.2.1. Tổng hợp bisphenol A từ polycarbonate phế thải 31 2.2.2. Tổng hợp nhựa epoxy từ bisphenol A 31 2.2.3. Chế tạo màng trên cơ sở nhựa epoxy sản phẩm 32 2.2.3.1. Chế tạo màng epoxy 32 2.2.3.2. Chế tạo màng alkyd 32 2.2.3.3. Chế tạo màng epoxy – alkyd 32 68 2.3. Các phương pháp nghiên cứu 33 2.3.1. Khảo sát cấu trúc sản phẩm 33 2.3.1.1. Xác định điểm nóng chảy bằng phương pháp phân tích nhiệt 33 2.3.1.2. Khảo sát cấu trúc sản phẩm bằng phổ hồng ngoại 33 2.3.1.3. Khảo sát cấu trúc sản phẩm bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 33 2.3.1.4. Khảo sát bề mặt màng bằng kính hiển vi điện tử quét 33 2.3.2. Xác định khối lượng phân tử 33 2.3.3. Xác định chỉ số Epoxy 33 2.3.4. Xác định các thông số, tính chất cơ lý của màng 34 2.3.5. Khảo sát độ bền nhiệt ẩm và độ bền dung môi của màng phủ 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Tổng hợp bisphenol A từ polycarbonate phế thải 36 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất phản ứng 36 3.1.2. Khảo sát cấu trúc của Bisphenol A sản phẩm 37 3.1.2.1. Phổ hồng ngoại của Bisphenol A sản phẩm 37 3.1.2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của Bisphenol A sản phẩm 38 3.1.2.3. Kết quả phân tích nhiệt 40 3.2. Tổng hợp epoxy từ bisphenol A 41 3.2.1. Hiệu suất phản ứng 41 3.2.2. Xác định chỉ số epoxy của sản phẩm 41 3.2.3. Khảo sát cấu trúc epoxy sản phẩm 41 3.2.3.1. Phổ hồng ngoại của epoxy sản phẩm 41 3.2.3.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của epoxy sản phẩm 43 3.2.4. Kết quả đo khối lượng lượng phân tử 46 3.3. Khảo sát một số tính chất của chất tạo màng trên cở sở nhựa epoxy sản phẩm 47 3.3.1. Xác định các thông số kỹ thuật và tính chất cơ lý của màng 47 3.3.1.1. Chiều dày, độ cứng của màng 47 3.3.1.2. Độ bền va đập, độ bền uốn, độ bám dính 49 3.3.2. Khảo sát độ bền nhiệt ẩm và độ bền dung môi của màng phủ. 50 3.3.2.1. Độ bền nhiệt ẩm 50 3.3.2.2. Độ bền dung môi 51 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 62 3 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, cuộc sống của con người ngày càng được trợ giúp nhiều hơn bởi các thiết bị hiện đại, đặc biệt là các thiết bị điện, điện tử, viễn thông. Sự phát triển bùng nổ của những ngành này trong những năm gần đây đã tạo ra lượng phế thải điện tử khổng lồ, gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy việc xử lý loại rác thải này đang là yêu cầu cấp thiết của xã hội. Nhờ có những tính năng ưu việt như độ bền cơ lý cao, chịu nhiệt, trơ về mặt hóa học trong khoảng 60 năm qua polycarbonate (PC) đã được đưa vào sử dụng với lượng ngày càng lớn trong kỹ thuật và dân dụng, đặc biệt là trong ngành công nghệ số. Ứng dụng chính của PC trong ngành công nghiệp này là sản xuất đĩa CD, vỏ máy vi tính và vỏ điện thoại di động. Mỗi năm có hàng nghìn tấn đĩa CD được sản xuất. Lượng PC phế thải cũng ngày càng tăng cao. Đây là loại chất thải khó phân hủy và không thân thiện với môi trường, vì vậy đòi hỏi phải có các giải pháp tái chế hợp lý và hiệu quả. Trên thế giới hiện nay đã có nhiều hướng nghiên cứu về vấn đề này như gia công lại PC cũ, nhiệt phân để thu nhiên liệu dạng khí hoặc lỏng, thủy phân trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao và áp suất cao để thu hồi bisphenol A và các sản phẩm khác Nhưng quá trình tái chế thông thường phải tách loại các dung môi như toluen hay xylen nên thường gây ô nhiễm môi trường. Trong nội dung bản luận văn này, chúng tôi tiến hành tái chế polycarbonate bằng phương pháp hóa học tạo ra nguyên liệu đầu để tổng hợp nhựa epoxy. Sản phẩm thu được sau phản ứng là epoxy đã hòa tan trong dung môi toluene. Điểm mới của luận án là dung dịch epoxy sản phẩm không cần tách loại dung môi mà được sử dụng trực tiếp làm lớp phủ bảo vệ chịu hóa chất. Như vậy sẽ hạn chế được sự ô nhiễm do dung môi gây ra và tiết kiệm được chi phí. Mục đích của đề tài Khảo sát tìm ra quy trình khép kín và điều kiện phản ứng tối ưu để tổng hợp nhựa epoxy từ polycarbonate phế thải, góp phần giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường do rác thải của ngành công nghiệp điện tử gây ra. 4 Chế tạo và khảo sát một số tính chất của chất tạo màng trên cơ sở nhựa epoxy thu được từ quá trình tái chế. Nội dung nghiên cứu - Thủy phân polycarbonate phế thải trong môi trường kiềm thu lấy sản phẩm Bisphenol A. Khảo sát cấu trúc sản phẩm bằng phân tích nhiệt, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Khảo sát ảnh hưởng dung môi đến hiệu suất phản ứng. - Tổng hợp nhựa epoxy từ bisphenol A và epiclohidrin trong môi trường kiềm. Khảo sát chỉ số epoxy, đo khối lượng phân tử của nhựa epoxy sản phẩm. Khảo sát cấu trúc sản phẩm bằng phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân. - Chế tạo màng epoxy và màng epoxy – alkyd trên cơ sở nhựa epoxy thu được từ quá trình tái chế. - Xác định các tính năng cơ lý, thử nghiệm độ bền hóa chất, độ bền khí hậu của màng phủ. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Polycarbonate 1.1.1. Tính chất và ứng dụng Polycarbonate (PC) là tên chung của của một nhóm nhựa nhiệt dẻo (thermoplastics). Tên gọi polycarbonate là do trong phân tử polyme các monome được liên kết với nhau bằng nhóm cacbonat (-O-CO-O-) tạo thành một mạch phân tử dài. Polycarbonate phổ biến nhất là loại được làm từ Bisphenol A. Hình 1.1: Một đoạn mạch polycarbonate Polycarbonate do nhà hoá học người Đức, Eihorn tìm ra lần đầu tiên vào năm 1898. Trong khi điều chế hợp chất cacbonat vòng từ phản ứng của Hiđroquinon với Photgen, Eihorn đã thấy chất rắn không tan, khó nóng chảy. Năm 1902, Bischoff và Hedenstom đã xác định được sự liên kết mạch có nhóm cacbonat của hợp chất cao phân tử polycarbonate. Đến năm 1953, phòng thí nghiệm của công ty Bayer đã sản xuất được nhựa nhiệt dẻo polycarbonate. Năm 1957, cả hai công ty Bayer và General Electric đã độc lập phát triển các ứng dụng của polycarbonate và sản xuất polycarbonate với số lượng lớn. Đến mùa hè năm 1960, cả hai công ty đều bắt đầu sản xuất polycarbonate thương mại. Nhựa polycarbonate bền nhiệt, tính chất cơ lý cao, bền hoá học (bảng 1.1) nên được sử dụng rộng rãi trong đời sống như làm vỏ điện thoại di động, vỏ máy vi tính, dụng cụ thể thao, đồ điện, đĩa CD, DVD, đồ dùng gia đình, kính chống đạn, vât liệu chống cháy, cách nhiệt cách âm. Trong kỹ thuật hạt nhân được dùng làm vách che trong lò phản ứng hạt nhân. Nhờ có khả năng cho ánh sáng truyền Nhóm cacbonat 6 qua tốt nên polycarbonate còn được sử dụng làm nhà kính trồng cây trong nông nghiệp do có độ trong suốt cao, chiết suất 1,585  0,001, ánh sáng truyền qua 90%  1% nên Polycarbonate được sử dụng làm kính chắn, thay thế kính trong các công trình xây dựng, làm tấm lợp lấy sáng, làm đồ trang trí, v.v… Bảng 1.1: Một số thông số của Polycarbonate Polycarbonate Khối lượng riêng: 1220 kg/m 3 Mođun đàn hồi (E) 2000-2200 MPa Độ bền kéo đứt (σ t ) 60-65 MPa Độ dãn dài khi đứt 80-150% Nhiệt độ nóng chảy 270-300°C Hệ số truyền nhiệt (λ) 0.21 W/m.K Hệ số nở dài (α) 6.5 10 -5 /K Nhiệt dung riêng (c) 1.3 kJ/kg.K Nhiệt độ sử dụng từ -100 o C đến +235 o C Tính chất của polycarbonate là tổ hợp tính chất của các cấu tử có mặt trong vật liệu. Tính chất của cấu tử polyme trong vật liệu polycarbonate phụ thuộc vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác dụng lên và được biểu diễn qua cơ tính: Modun xé rách và hệ số Poison đặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo và độ bền nén cho biết khả năng chịu tải của vật liệu. Hệ số giãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Ngoài các yêu cầu về tính 7 chất cơ lý còn phải biết các thông số như độ dẫn điện, độ thấm chất lỏng hoặc khí, hệ số khuyếc tán…. Tính chất nổi bật của vật liệu polycarbonate so với các vật liệu khác là nhẹ, bền, chịu môi trường, dễ lắp ráp. Không giống như hầu hết các nhựa nhiệt dẻo, polycarbonate có thể trải qua biến dạng dẻo lớn mà không bị nứt gãy. Vì vậy chúng được gia công và tạo thành các tấm kim loại kỹ thuật sử dụng ở nhiệt độ phòng, ví dụ như làm các đường cong trên phanh xe. Thậm chí để làm những góc uốn cong sắc nét với bán kính hẹp cũng không cần gia nhiệt. Tính chất cơ lý của vật liệu polycarbonate phụ thuộc các yếu tố sau: + Tính chất cơ lý của sợi tăng cường. + Sự thay đổi hàm lượng sợi – nhựa. + Khả năng kết hợp giữa pha nhựa và sợi . + Các khuyết tật và tính không liên tục của nhựa nền. Polycarbonate còn được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng tương thích với nhiều loại polyme làm tăng khả năng chịu va đập. Blend của polycarbonate và polybutadien có cơ tính cao trong khoảng nhiệt độ rất rộng. Blend có ý nghĩa quan trọng nhất là của Polycarbonate với ABS (Acrylonitrin Butadien Styren) vì PC/ABS có nhiệt độ nóng chảy cao, độ dai rất cao ở nhiệt độ thấp và khả năng tránh bị rạn nứt cao hơn hẳn so với polycarbonate nguyên chất. 1.1.2. Tổng hợp polycarbonate Polycarbonate được sản xuất từ nguyên liệu đầu là Bisphenol A và Photgen: 8 Trong môi trường kiềm, quá trình tổng hợp polycarbonate xảy ra theo các bước sau: Bước 1: Đầu tiên kiềm phản ứng với Bisphenol A, giải phóng một phân tử nước và tạo thành muối. Phản ứng xảy ra tương tự với nhóm OH - còn lại của phân tử Bisphenol A. Sản phẩm muối này tác dụng với Photgen. Sự chuyển dịch electron để tái tạo nhóm cacbonyl làm tách ion Cl - và tạo phân tử chloroformate. Bước 2: Phân tử chloroformate tạo thành bị tấn công tiếp bởi phân tử Bisphenol A khác giống như Photgen. Phân tử Bisphenol A thứ hai tấn công giống như phân tử đầu. [...]... thép, thu tinh hữu cơ, gốm, sứ, gỗ, chất dẻo (nhiệt độ dán khoảng 150oC) Ta cũng có thể duy trì một tải trọng ép trên mối dán tới khi hoàn thành quá trình Keo từ nhựa epoxy biến tính: Để tăng cường tính đàn hồi, tính chịu nhiệt và một số tính năng kỹ thu t khác, người ta biến tính nhựa epoxy bằng nhựa phenol formaldehit, poliamit, peclovinil, alkyd và một số hợp chất cơ kim Keo epoxyphenol được dùng... và ngấm vào đất thì các loại chất thải điện tử như các thân tủ lạnh, máy nén từ máy điều hoà và nhựa thải từ máy vi tính, điện thoại di động, đĩa CD đang được chất thành đống Hàng năm, có 19.000 tấn rác thải điện tử được tái chế Rác thải điện tử là mối quan tâm lớn do tính độc hại và khả năng gây ung thư của một số chất Các chất độc hại có trong rác thải điện tử bao gồm chì, thủy ngân và cađimi, chất. .. tổng hợp bisphenol A 1.3 Nhựa epoxy 1.3.1 Cấu tạo, tính chất của nhựa epoxy Nhựa epoxy là một polyme mạch thẳng mà trong phân tử chứa những nhóm epoxy (oxietilen) thu được do phản ứng đa ngưng tụ của một phenol lưỡng chức (điển hình nhất là điphenolpropan – Bisphenol A) với epiclohidrin[5] Công thức cấu tạo tổng quát của nhựa epoxy từ bisphenol A như sau: 12 Hình 1.3: Cấu tạo nhựa epoxy Hình 1.4: Câu trúc... trung tính hoặc axit yếu Thêm 100ml toluen vào hỗn hợp phản ứng, giữ nhiệt độ ở 75÷76oC và khuấy thêm 30 phút Sau đó ngừng khuấy và giảm nhiệt độ xuống 60÷65oC và chờ cho hỗn hợp tách thành 2 lớp, tiến hành chiết thu lấy sản phẩm Cơ chế phản ứng được chỉ ra ở trang 14, 15 2.2.3 Chế tạo màng trên cơ sở nhựa epoxy sản phẩm 2.2.3.1 Chế tạo màng epoxy Epoxy sản phẩm được thêm dung môi cho phù hợp và kiểm... nhựa đã đóng rắn có tính đàn hồi do sự linh động của các phân tử Nhóm hidroxyl của phenol bị ete hóa khiến nhựa không có màu và không bị thay đổi màu khi bảo quản[8,9] 1.3.2 Phân loại nhựa epoxy Trên cơ sở nhựa epoxy, người ta chế biến thành 2 loại keo: keo đóng rắn lạnh và keo đóng rắn nóng, khác nhau về cơ chế đóng rắn, tính chất và kỹ thu t sử dụng 14 Keo đóng rắn lạnh dùng chất đóng rắn là các... gian phân tử nhựa epoxy Trong công thức trên n có thể nhận giá trị từ 0 ÷ 20, tuỳ thu c vào điều kiện phản ứng Sản phẩm nhựa thương mại đầu tiên từ epiclohidrin được sản xuất ở Mỹ năm 1927 Ngày nay, hầu hết epoxy thông thường được sản xuất từ epiclohidrin và bisphenol A Vào năm 1936, Pierre Castan của Thu Sĩ và S.O Greenlee của Mỹ là những người đầu tiên sản xuất các sản phẩm nhựa epoxy từ bisphenol... hexametilendiamin và polietilenpoliamin Bản chất của chất đóng rắn cũng như tỷ lệ của chúng có ảnh hưởng đến tính chất của keo Thời gian sống (thời gian kể từ lúc pha trộn chất dóng rắn tới khi keo rắn lại) của keo dao động từ vài phút đến vài giờ tùy loại amin sử dụng Sự có mặt của oxy cũng không tham gia vào quá trình đóng rắn Keo đóng rắn nóng có độ bền cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn keo đóng rắn lạnh và có thể... trị từ 0 đến 20 Tính chất hóa học của nhựa epoxy - Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động: nhóm epoxy và nhóm hydroxyl Tùy thu c khối lượng phân tử (M) mà nhóm chức chiếm ưu thế Với nhựa epoxy có khối lượng phân tử thấp (M < 1200) nhóm epoxy chiếm đa số, còn những epoxy có khối lượng phân tử lớn (M > 3000), nhóm hydroxyl là chủ yếu - Tính phân cực và sức căng vòng tạo cho vòng oxytetylen có hoạt tính. .. kim loại và vật liệu phi kim loại Chất đóng rắn thường dùng là anhidrit của axit dicacboxylic, dixiandiamit, ure, diure… Xúc tác cho quá trình đóng rắn có thể là kiềm, axit photphoric, muối nhôm, kẽm, chì… của axit hữu cơ và các chất khác Cơ chế đóng rắn nóng của nhựa epoxy khác với cơ chế đóng rắn lạnh Không phải nhóm epoxy như trong trường hợp trước mà là những nhóm OH- tham gia vào việc tạo nên những... dụng các sản phẩm từ nhựa polycarbonate rất lớn Chỉ tính riêng các sản phẩm đĩa dùng cho hệ thống đọc laze (một ứng dụng phổ biến của polycarbonate) theo thống kê của Cục Thống kê năm 2003, giá trị nhập khẩu vào Việt Nam đã hơn 15 triệu USD 1.5.3 Các hướng nghiên cứu xử lý polycarbonate phế thải hiện nay Trước đây polycarbonate phế thải chủ yếu được xử lý bằng cách chôn lấp hoặc tái chế cơ học để làm nguyên . CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT TẠO MÀNG, TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY THU ĐƯỢC TỪ QUÁ TRÌNH TÁI CHẾ POLYCARBONATE PHẾ THẢI Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: . NGUYỄN DUY TOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT TẠO MÀNG, TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY THU ĐƯỢC TỪ QUÁ TRÌNH TÁI CHẾ POLYCARBONATE PHẾ THẢI LUẬN VĂN THẠC. Chế tạo và khảo sát một số tính chất của chất tạo màng trên cơ sở nhựa epoxy thu được từ quá trình tái chế. Nội dung nghiên cứu - Thủy phân polycarbonate phế thải trong môi trường kiềm thu