Nghiên cứu gia tăng tính chất cơ lý của polyolefin bằng khoáng talc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ****** VŨ THỊ MAI NGHIÊN CỨU GIA TĂNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYOLEFIN BẰNG KHOÁNG TALC 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 Đề tài này được hoàn thành tại phòng nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Ngô Kế Thế người đã hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm khóa luận tại phòng nghiên cứu polyme compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ trong phòng nghiên cứu Vật liệu polyme compozit, Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị trong thời gian làm khóa luận tại phòng. Em cũng chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Hoá học, 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 đề tài khóa luận này tập này. Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Sinh viên Vũ Thị Mai DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT PP Nhựa Polypropylen PE Nhựa Polyetylen T g Nhiệt độ thủy tinh hóa PS Polystyren PVC Polyvinylclorua UV Tia cực tím ABS Cao su Acrylonitril butadien styren 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 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam T Mẫu bột talc ban đầu T2Mt Mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng Metacrylsilan T2V Mẫu bột talc biến dổi bề mặt bằng Vinylsilan FT-IR Quang phổ hồng ngoại biến đổi fourrier TGA Phân tích nhiệt trọng lượng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kê sử dụng bột talc trong một số lĩnh vực khác nhau ở Hoa Kỳ 19 Bảng 3.1: Các hợp chất silan sử dụng làm tác nhân kết nối 31 Bảng 3.2: Mômen xoắn ổn định của compozit PP/talc 37 Bảng 3.3: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc 40 Bảng 3.4: Độ dãn dài khi đứt của mẫu compozit PP/talc 41 Bảng 3.5: Môđun đàn hồi của vật liệu 42 Bảng 3.6: Độ cứng của vật liệu compozit PP/talc 43 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ bền nhiệt của PP 44 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới 10 Hình 1.2: Cấu trúc khoáng vật talc 12 Hình 1.3: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét 12 Hình 1.4: Cơ chế phản ứng silan hóa trên bề mặt chất độn 16 Hình 1.5: Ảnh SEM mẫu PP chứa talc và talc được biến đổi bề mặt 17 Hình 1.6: Độ cứng của hợp chất PP có chứa khoáng talc với tỷ lệ bề mặt cao, tỷ lệ bề mặt trung bình và canxicacbonat 21 Hình 1.7: Nhiệt độ biến dạng của PP chứa talc với tỷ lệ bề mặt trung bình (I), talc có tỷ lệ bề mặt cao (II) và PP nguyên chất 22 Hình 1.8: Tính dẫn nhiệt của PP/talc 22 Hình 1.9: Độ bền va đập và độ cứng của hợp chất PP/talc 23 Hình 2.1: Phân bố kích thước khoáng talc 24 Hình 2.2: Máy đo độ bền cơ lý 27 Hình 2.3: Hình dạng và kích thước mẫu đo độ bền kéo đứt 28 Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng talc ban đầu 32 Hình 3.2: Phổ FT-IR của talc biến đổi bề mặt với γ-MTPMS 33 Hình 3.3: Phổ FT-IR của talc biến đổi bề mặt với vinyltriethoxysilan 34 Hình 3.4: Giản đồ phân tích nhiệt khoáng talc 35 Hình 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu talc biến đổi bằng metacrylsilan 36 Hình 3.6: Giản đồ trộn hợp PP ở 180 0 C 37 Hình 3.7: Ảnh SEM vật liệu PP/T (70:30) 39 Hình 3.8: Ảnh SEM vật liệu PP/T2V (70:30) 40 Hình 3.9: Đồ thị ứng suất - biến dạng vật liệu compozit PP/talc 42 Hình 3.10: Giản đồ phân tích nhiệt mẫu PP 44 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Nhựa polypropylen (PP) 3 1.1.1. Tính chất 4 1.1.1.1 Tính chất nhiệt (độ bền nhiệt) 4 1.1.1.2. Khả năng bền thời tiết 4 1.1.1.3. Độ bền hóa học 5 1.1.1.4. Các tính chất khác 5 1.1.2. Sản xuất polypropylen 5 1.1.3. Ưu nhược điểm của PP 7 1.1.4. Ứng dụng của nhựa PP 8 1.1.5. Chất độn gia cường 8 1.2. Bột talc 9 1.2.1. Nguồn gốc hình thành và thành phần của bột talc 9 1.2.1.1. Nguồn gốc hình thành 10 1.2.1.2. Thành phần của bột talc 10 1.2.2. Cấu trúc của talc 11 1.2.3. Tính chất của talc 12 1.2.4. Biến đổi bề mặt bột talc bằng hợp chất silan 14 1.3. Vật liệu kết cấu trên cơ sở polyolefin và khả năng ứng dụng của khoáng talc 17 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1. Nguyên vật liệu 24 2.1.1. Polypropylen 24 2.1.2. Khoáng talc 24 2.1.3. Chất biến đổi bề mặt 24 2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 25 2.2.1. Biến đổi bề mặt khoáng talc 25 2.2.2. Xác định tính chất bề mặt khoáng bằng phổ hồng ngoại 25 2.2.3. Chế tạo vật liệu compozit PP/talc 26 2.2.4. Xác định độ cứng của vật liệu compozit PP/talc 26 2.2.5. Xác định tính chất cơ lý của vật liệu compozit PP/talc 27 2.2.6. Xác định khả năng tương tác của talc với chất nền PP 29 2.2.7. Xác định độ bền nhiệt của vật liệu PP/talc 29 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Xác định tác nhân kết nối 31 3.2. Xác định tính chất khoáng talc xử lý bề mặt 31 3.2.1. Xác định cấu trúc bằng phổ FT-IR 31 3.2.2. Xác định hàm lượng silan bằng phân tích nhiệt 34 3.3. Khả năng tương tác của khoáng talc với nền PP 36 3.3.1. Tương tác trong quá trình trộn hợp 36 3.3.2. Khả năng tương tác pha của vật liệu PP/talc 38 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu PP/talc 40 3.4.1. Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit PP/talc 40 3.4.2. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu compozit PP/talc 41 3.4.3. Xác định môđun đàn hồi 41 3.4.4. Độ cứng của vật liệu PP/talc 42 3.4.5. Độ bền nhiệt của của vật liệu compozit PP/talc 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỉ 20 là sự phát triển và ứng dụng của vật liệu compozit. Ngay từ khi mới ra đời, compozit đã chứng minh được khả năng vượt trội của mình nên các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến vật liệu compozit ngày càng nhiều. Trong số đó phải kể đến vật liệu polyolefin. Nhựa Polypropylen (PP) là một polyolefin được sử dụng rộng rãi nhờ một số đặc tính như tính chất bền cơ học cao, gia công dễ dàng, giá thành thấp Tuy nhiên nhựa PP còn một số hạn chế như độ chịu nhiệt thấp, dễ bị phá hủy bởi các tác nhân bên ngoài như ánh sáng tử ngoại, oxi không khí [15]… Để giải quyết những vấn đề trên thì người ta thường cho thêm chất độn gia cường phối trộn với nhựa PP. Khoáng talc có cấu trúc lớp, dạng hạt hình phiến, thường sử dụng làm chất độn gia cường cho polyolefin nói chung và nhựa PP nói riêng. Khoáng talc có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền va đập, độ dẫn nhiệt… của vật liệu. Nhờ có cấu trúc lớp và dạng hạt hình phiến, talc còn giúp cho nhựa PP không dễ bị lão hóa dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm cho vật liệu có tính chất che chắn tốt, chống lại sự xâm nhập của không khí, hơi nước… Khoáng talc có bề mặt trơn nhẵn, có độ cứng thấp nhất trong các loại khoáng nên có thể trộn hợp với vật liệu polyme với hàm lượng lớn làm vật liệu kết cấu có mô đun đàn hồi cao. Trước thực tế đó em đã chọn đề tài khóa luận là “Nghiên cứu gia tăng tính chất cơ lý của polyolefin bằng khoáng talc”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU [...]... gia tăng tính chất cơ lý của vật liệu polyolefin (PP), hàm lượng khoáng talc tối ưu trong vật liệu polyolefin/ talc 3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với polyme nền PP - Xác định ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc biến đổi và không biến đổi bề mặt đến tính chất của polyolefin - Đánh giá tính chất của vật liệu polyolefin/ talc và khả năng ứng dụng 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Polyolefin. .. thiện tính chất cơ của PP /talc, Lucia Castillo và cộng sự đã ghép nhóm acetoxy (-COOCH3) lên bề mặt bột talc Quá trình xử lý bề mặt khoáng talc đã giúp cải thiện độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu [5] Chuah Ai Wah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân ghép nối Titan đến tính chất lưu biến, các đặc trưng phân tán và tính chất cơ lý của vật liệu PP được gia cường bột talc. .. polyme, tương tác pha giữa các hạt talc và polyme nền, tất cả đều ảnh hưởng tới tính chất của polyolefin/ talc Talc được phối trộn với polyolefin, kết quả là độ phân bố thấp Bên cạnh đó khả năng tương thích kém giữa bề mặt talc và PP dẫn đến độ bám dính bề mặt pha thấp kết quả tính chất cơ lý của vật liệu thấp Để tăng cường khả năng tương tác pha, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu, phương pháp được... học hay vật lý với các pha nền nhờ lớp silan có trên bề mặt sau khi biến tính Như vậy tùy từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần phải lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến đổi bề mặt khoáng 16 S Díez-Gutiérrez và các đồng nghiệp đã nghiên cứu các tính chất của vật liệu polypropylen được gia cường bằng bột talc có và không có xử lý bề mặt bằng hợp chất silan... mặt các chất độn nói chung bằng hợp chất silan ngày càng trở nên phổ biến do có được nhiều ưu điểm, đặc biệt là tăng cường tính chất của vật liệu Các hợp chất silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic với hợp chất hóa học đơn giản nhất là SiH4 (silan) Trong các hợp chất silan, nếu có chứa ít nhất 1 liên kết Si - C được gọi là các hợp chất silan hữu cơ Tác nhân ghép nối silan là các hợp chất hóa... một tác nhân bôi trơn trong quá trình gia công chế tạo vật liệu Tuy nhiên, cũng giống như nhiều chất độn vô cơ khác, khả năng tương tác pha kém của bột talc với các chất nền polyme đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của chúng Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm cải thiện khả năng tương tác pha, từ đó nâng cao tính chất của vật liệu polyme gia cường bằng bột talc, trong đó phương pháp sử dụng các... các liên kết không no như vinyl hay metacryl Ngoài việc cải thiện khả năng tương tác pha giữa chất nền với các chất gia cường biến đổi bề mặt, nó còn tham gia liên kết với chất nền giúp cho tính chất của vật liệu được tăng cường 1.3 Vật liệu kết cấu trên cơ sở polyolefin và khả năng ứng dụng của khoáng talc Polyolefin là các sản phẩm polyme tạo ra từ các olefin đơn giản như etylen (sản phẩm polyetylen... tạp chất kim loại), có khả năng cháy nhưng chậm… Để khắc phục nhược điểm này người ta phải đưa vào vật liệu các chất gia cường khác nhau để tăng cường tính chất của vật liệu Khoáng talc với nhiều tính chất quý, đặc biệt là ở hình thái dạng vảy cũng như các tính chất về quang học (độ trắng), nhiệt (chịu nhiệt, ổn định nhiệt), hóa học (độ tinh khiết, độ mất khi nung, độ trơ, ái lực với các chất hữu cơ) ,... ngày nay là biến đổi chất nền, bề mặt chất độn hoặc cả hai Biến đổi chất nền thực hiện bằng cách sử dụng peroxit, nhưng tính chất cuối cùng bị suy giảm bởi vì khối lượng phân tử suy giảm do sự 13 cắt mạch Tương tác pha giữa chất độn – chất nền có thể đạt được bằng biến đổi bề mặt chất độn Sử dụng tác nhân ghép nối làm giảm sự kết tụ của hạt chất độn cũng như tăng khả năng phân bố của nó trong nền polyme... đặc trưng hóa học của bề mặt chất độn và nhiều yếu tố khác 8 Talc là một chất độn quan trọng cho nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo, nó có tác dụng chủ yếu là để gia cường cho nhựa, đặc biệt là nhựa PP Khi talc được gia cường cho các loại vật liệu polyolefin, nó làm tăng độ cứng, tăng khả năng bền nhiệt, nhiệt độ kết tinh của vật liệu tăng trong khi độ co ngót của sản phẩm lại giảm xuống Talc cũng được . là Nghiên cứu gia tăng tính chất cơ lý của polyolefin bằng khoáng talc . 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2 Xác định khả năng gia tăng tính chất cơ lý của vật liệu polyolefin (PP), hàm lượng khoáng. phần của bột talc 9 1.2.1.1. Nguồn gốc hình thành 10 1.2.1.2. Thành phần của bột talc 10 1.2.2. Cấu trúc của talc 11 1.2.3. Tính chất của talc 12 1.2.4. Biến đổi bề mặt bột talc bằng hợp chất. ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ****** VŨ THỊ MAI NGHIÊN CỨU GIA TĂNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYOLEFIN BẰNG KHOÁNG TALC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa công nghệ