Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất nhiệt của vật liệu polyme

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ****** CHU THỊ LIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG TALC ĐẾN TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA VẬT LIỆU POLYME KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trường Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. NGÔ KẾ THẾ HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Ngô Kế Thế người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu tại phòng nghiên cứu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Phòng Vật liệu Polyme và Compozit đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học trường ĐHSP Hà Nội 2 cùng gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất, là nguồn động viên lớn cho em hoàn thành tốt bản khóa luận này. Trong quá trình nghiên cứu đề tài và bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học nên khóa luận của em khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2014 Sinh viên Chu Thị Liên DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT L 2 PC: Dạng đối xứng một nghiêng lăng trụ trực thoi TOT: Lớp tứ diện - bát diện - tứ diện SEM: Kính hiển vi điện tử quét TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng UV: Tia tử ngoại PS: Polystyren PP: Polypropylen PVC: Polyvinylchlorid LPDE: Polyetylen tỷ trọng thấp HPDE: Polyetylen tỷ trọng cao APP: Ammonium polyphotphat PER: Pentaerythritol MEL: Melamin ECH: Epyclohydrin DPP: Diphenylol propan EA: Etylendiamin DETA: Dietylen triamin TETA: Trietylen tetramin DDM: 4,4'-diamino diphenyl metan DDS: 4,4'-diamino diphenyl DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa Kỳ Bảng 2.1: Thành phần lớp phủ phồng nở có chứa khoáng talc Bảng 3.1: Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất và % khối lượng của các mẫu D1, D2, D3, D4 và D5 ở 850 0 C Bảng 3.2: Kết quả đo khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 của 5 mẫu D1, D2, D3, D4 và D5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tam giác cháy của Emmon Hình 1.2: Mô hình polyme bảo vệ cách nhiệt khi cháy không có lớp bảo vệ (a) và có lớp bảo vệ (b) Hình 1.3: Cơ chế của quá trình phồng nở Hình 1.4: Cấu trúc khoáng vật talc Hình 1.5: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét Hình 1.6: Ứng dụng talc trong các ngành công nghiệp khác nhau ở Hoa Kỳ năm 2003 Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc Hình 2.2: Chu trình gia nhiệt đốt cháy mẫu Hình 3.1: Lớp phủ trước và sau khi đem nung đối với phương pháp nghiền hỗn hợp Hình 3.2: Lớp phủ trước và sau khi đem đốt đối với phương pháp nghiền thành phần Hình 3.3: Mức độ phồng nở của các mẫu với hàm lượng talc thay đổi Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu D1 Hình 3.5: Ảnh SEM của mẫu D4 Hình 3.6: Đường cong TG của APP, PER, MEL, talc và hỗn hợp APP – PER – MEL Hình 3.7: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu D1 (a), D2 (b), D3(c), D4 (d) và D5 (e). MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME 3 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển 3 1.2. Tính chất của polymer 4 2. CƠ CHẾ CHỐNG CHÁY 5 3. THÀNH PHẦN CỦA LỚP PHỦ PHỒNG NỞ 8 3.1. Chất chống cháy 10 3.1.1. Chất chống cháy chứa halogen 10 3.1.2. Chất chống cháy vô cơ 11 3.2. Chất kết dính 11 3.2.1. Nhựa epoxy 11 3.2.2. Đóng rắn amin 13 4. KHOÁNG TALC 16 4.1. Thành phần, cấu trúc của khoáng talc 16 4.1.1. Thành phần của khoáng talc 16 4.1.2. Cấu trúc của khoáng talc 16 4.2. Tính chất của talc 18 4.3. Ứng dụng 18 4.3.1. Talc trong các ngành công nghiệp 19 4.3.2. Ứng dụng của talc trong sơn 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 21 2.1. Hóa chất 21 2.1.1. Nhựa epoxy và chất đóng rắn 21 2.1.2. Ammonium polyphotphat (APP) 21 2.1.3. Pentaerythritol (PER) 22 2.1.4. Melamin (MEL) 22 2.1.5. Titan dioxit (TiO 2 ) 23 2.1.6. Axit boric (H 3 BO 3 ) 23 2.1.7. Talc (Mg 3 Si 4 O 10 .H 2 O) 24 2.2. Phương pháp chế tạo mẫu 24 2.3. Phương pháp nghiên cứu 26 2.3.1. Phương pháp đốt cháy lớp phủ trong buồng đốt 26 2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) 26 2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27 2.3.4. Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1. Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ chống cháy có sử dụng bột khoáng talc 29 3.1.1. Phương pháp 1: nghiền hỗn hợp 29 3.1.2. Phương pháp 2: nghiền thành phần 31 3.2. Khảo sát cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM 36 3.3. Khảo sát tính chất nhiệt của hệ sơn chống cháy có sử dụng bột khoáng talc 38 3.4. Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 41 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 1 MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỷ 20 là sự phát triển và ứng dụng của vật liệu polyme tổng hợp, một loại vật liệu có nhiều tính năng quý báu mà không loại vật liệu khác nào có thể có được. Chúng có thể mềm dẻo, đàn hồi như một số nhựa nhiệt dẻo và cao su, song cũng có thể cứng hơn cả sắt thép và có thể làm việc ở nhiệt độ cao tới hàng ngàn độ như các loại compozit carbon-carbon được chế tạo từ polyme. Chúng có thể là vật liệu cách điện song cũng có thể là vật liệu dẫn điện… Bên cạnh đó các loại vật liệu polyme thường có tỷ trọng nhỏ, dễ gia công và có thể tạo màu tùy ý. Chính vì vậy khả năng ứng dụng của chúng rất đa dạng, từ làm các sản phẩm thông dụng như các đồ dùng trong sinh hoạt tới các lĩnh vực kỹ thuật cao như kỹ thuật điện, điện tử và đặc biệt là kỹ thuật hàng không và nghiên cứu vũ trụ. Để tạo cho polyme những tính năng cần thiết người ta thường cho thêm chất độn hay gia cường. Một trong những chất độn vô cơ có nguồn gốc thiên nhiên là talc có các đặc trưng về hình dạng nên ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt sử dụng làm chất độn gia cường trong gia công polyme do talc có nhiều ảnh hưởng tích cực tới tính chất của polyme. Trước thực tế đó, “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất nhiệt của vật liệu polyme” đã được lựa chọn làm đề tài nghiên cứu cho khóa luận tốt nghiệp này. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích của đề tài là xác định khả năng gia tăng độ bền nhiệt của vật liệu polyme bằng khoáng talc. 2 3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ chống cháy có sử dụng bột khoáng talc. - Khảo sát cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM. - Khảo sát tính chất nhiệt của hệ sơn chống cháy có sử dụng bột khoáng talc. - Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU POLYME 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển Vật liệu polyme thiên nhiên vốn có trong cơ thể động, thực vật nhưng polyme tổng hợp mãi tới nửa sau của thế kỷ 19 mới ra đời. Mở đầu cho công nghiệp polyme là việc phát hiện dùng lưu huỳnh để lưu hóa cao su do Goodyear năm 1839. Năm 1869, Hyatt chế tạo những quả bóng bi-a đầu tiên bằng nitrat xenlulo và đến năm 1909, Baekeland sản xuất nhựa phenolformandehit. Ở giai đoạn đầu này sản lượng vật liệu polyme tổng hợp chưa đáng kể. Đến khoảng những năm 30 của thế kỷ 20 vật liệu polyme tổng hợp mới được phát triển mạnh mẽ. Vào thời gian này, các loại nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn được đưa ra thị trường, đầu tiên là polystyren (PS) vào năm 1920, polyvinylchlorid (PVC) vào năm 1927, polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) năm 1933, polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) năm 1953 và mãi tới năm 1963, polypropylen (PP) mới được đưa ra thị trường. Tiếp theo đó, bên cạnh các loại polyme tiêu chuẩn, các vật liệu polyme kỹ thuật (các loại polyme biến tính, polyme tổng hợp có tính năng cao) ra đời. Từ năm 1950 tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme là 15% mỗi năm. Đến năm 1979 sản lượng vật liệu này đạt 60 triệu tấn/năm. Cũng từ đó, tốc độ phát triển của vật liệu này đã chậm lại với mức tăng trưởng chỉ còn 5 - 6% mỗi năm. Ở những nước có truyền thống phát triển tốt như Đức, Mỹ vẫn giữ được tốc độ phát triển khá cao (8 - 9% mỗi năm). Từ năm 2000 tới nay, ngành công nghiệp vật liệu polyme thế giới vẫn duy trì được tốc độ tăng trưởng khá cao với mức bình quân 9%/năm. Tổng sản lượng năm 2002 khoảng 200 triệu tấn/năm, đến năm 2006 đã lên tới 245 triệu tấn và năm [...]... lượng thế giới) 1.2 Tính chất của polyme Tính chất cơ bản của polyme có thể được dự đoán qua cấu trúc của vật liệu Vật liệu polyme có tính chất dẫn điện và nhiệt kém do trong các cặp liên kết điện tử không có điện tử tự do Tỷ trọng của vật liệu polyme thấp hơn so với các vật liệu khác vì cấu trúc của vật liệu polyme không được chặt chẽ Độ bền nhiệt của vật liệu polyme bị hạn chế, ở nhiệt độ tương đối... bản chất, cấu trúc của đại phân tử polyme Ngoài ra, một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật liệu polyme là 4 nhiệt độ Tất cả vật liệu polyme đều có nhiệt độ phân hủy và nhiệt độ này không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian mà còn phụ thuộc vào môi trường xung quanh Do cấu trúc của nó, ở vật liệu polyme, khi nhiệt độ tăng lên sẽ xảy ra sự giãn nở thể tích tương đối lớn Khi có chất độn hay gia... trên màn ảnh Độ sáng tới trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào bề mặt mẫu nghiên cứu Ảnh SEM được sử dụng để nghiên cứu bề mặt của vật liệu, cho phép xác định kích thước và hình dạng của vật liệu 2.3.4 Khảo sát khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn UL 94 UL 94 dùng để xác định tính dễ bốc cháy của vật liệu Tùy theo sự phân loại tính dễ cháy của vật liệu mà... độ giãn nở nhiệt giảm đi tùy theo chủng loại và tỷ lệ của chất độn hay gia cường Do trong vật liệu polyme không có các điện tử tự do cho nên khả năng dẫn nhiệt của nó kém và được dùng làm chất cách nhiệt Hiệu quả cách nhiệt được tăng lên ở vật liệu polyme xốp do có các bọt khí 2 CƠ CHẾ CHỐNG CHÁY Hiểu được cơ chế hoạt động của tất cả các chất chống cháy là điều quan trọng, tam giác cháy của Emmon [1]... khả năng phản ứng thấp hơn amin mạch thẳng Nhiệt độ đóng rắn cao (120 ÷ 1500C) Tuy nhiên sản phẩm nhận được có tính chất cơ lý, tính cách điện, chống ăn mòn tốt hơn đóng rắn bằng amin mạch thẳng 15 4 KHOÁNG TALC 4.1 Thành phần, cấu trúc của khoáng talc 4.1.1 Thành phần của khoáng talc Thành phần hóa học Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên Bột talc có tên gọi hóa học là hydrous magnesium... 3.1.2 Chất chống cháy vô cơ Chất chống cháy vô cơ không bay hơi dưới ảnh hưởng của nhiệt, chúng phân hủy phần nào, phát ra các khí không cháy như nước hay cacbon dioxit làm loãng hỗn hợp các khí nhiệt phân dễ cháy và che chắn bề mặt của polyme, chống lại sự tấn công của oxy và nhiệt Chúng tạo ra lớp than bảo vệ về hóa lý ở nhiệt độ phân hủy polyme để che chắn cho vật liệu bên trong Một số hợp chất vô... Chất chống cháy dưới tác động của nhiệt tạo ra sản phẩm khí không cháy ở nhiệt độ bắt lửa của chất cháy Sự có mặt của khí này trong vùng lửa sẽ làm giảm hay pha loãng các sản phẩm cháy của chất cháy Nghĩa là chúng làm giảm đi nồng độ các gốc tự do hoạt động ▪ Hiệu ứng làm lạnh: các phản ứng phân hủy chất chống cháy có thể là quá trình thu nhiệt Do đó có thể làm giảm nhiệt độ của polyme xuống dưới nhiệt. .. mềm hóa hay phân hủy vật liệu Trong khi đó, độ bền hóa học của vật liệu polyme lại rất tốt, không cần có biện pháp bảo vệ bề mặt đặc biệt nào Tuy nhiên, vật liệu polyme có độ nhạy cảm khác nhau với các hóa chất hay các yếu tố xâm thực nhất định như dung môi, tia tử ngoại (UV) Quá trình lão hóa hay tạo ra vết rạn trong vật liệu cũng có thể xảy ra Những ưu điểm khi sử dụng vật liệu polyme: ▪ Tỷ trọng... gia nhiệt đốt cháy mẫu 2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp rất phổ biến để nghiên cứu sự biến đổi pha cũng như các phản ứng xảy ra trong quá trình gia nhiệt vật liệu (với tốc độ tăng nhiệt đều đặn) Sự biến đổi này được ghi nhận bằng các hiệu ứng nhiệt (thu nhiệt hay tỏa nhiệt) và các hiệu ứng mất khối lượng xảy ra trong quá trình đun nóng 26 Nguyên lý của. .. của quá trình phồng nở 3.1 Chất chống cháy 3.1.1 Chất chống cháy chứa halogen ▪ Các chất chống cháy có chứa các nguyên tố halogen như brom, clo hay dạng kết hợp halogen/antimony ▪ Các halogen này có tác dụng dập tắt gốc tự do sinh ra trong quá trình vật liệu cháy, làm giảm khả năng cháy của vật liệu ▪ Các chất chống cháy chứa halogen có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, đến môi trường nên thường . làm chất độn gia cường trong gia công polyme do talc có nhiều ảnh hưởng tích cực tới tính chất của polyme. Trước thực tế đó, Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất nhiệt của vật. trơn Tính chất của polyme phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc của đại phân tử polyme. Ngoài ra, một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật liệu polyme là 5 nhiệt độ. Tất cả vật liệu polyme. sản lượng thế giới). 1.2. Tính chất của polyme Tính chất cơ bản của polyme có thể được dự đoán qua cấu trúc của vật liệu. Vật liệu polyme có tính chất dẫn điện và nhiệt kém do trong các cặp