Nghiên cứu sử dụng tro bay gia cường cho vật liệu cao su

Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cao su loại vật liệu vừa mềm dẻo, vừa có độ bền học cao khả biến dạng đàn hồi lớn nên sử dụng ngày rộng rãi đời sống công nghiệp Những tính kỹ thuật cao su phụ thuộc vào loại cao su (cao su thiên nhiên, cao su tổng hợp từ loại monome khác nhau) Trong khuôn khổ đề tài này, nghiên cứu, khảo sát với đối tượng cao su thiên nhiên (CSTN) Việt Nam nước sản xuất cao su thiên nhiên với sản lượng cao Tuy nhiên, cao su ta sản xuất sử dụng nước ít, phần lại xuất dạng thô với giá thấp Trong phải nhập sản phẩm từ cao su với giá thành cao Nghiên cứu biện pháp biến tính, mở rộng phạm vi ứng dụng cao su thiên nhiên nhằm phục vụ nhu cầu nước vấn đề Đảng Nhà nước quan tâm Tro bay sản phẩm phụ trình đốt than đá nhà máy nhiệt điện sử dụng bột than đá Tro bay vốn phế thải, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường Đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay để sản xuất vật liệu khác với mục đích tận dụng phế thải bảo vệ môi trường Ở nước ta, việc sử dụng tro bay hạn chế, ứng dụng số ngành, chủ yếu sản xuất vật liệu xây dựng Tro bay có cấu trúc đặc biệt, hạt hình cầu chứa bên hạt vi cầu có thành phần chủ yếu oxit silic oxit nhôm, tỷ trọng thấp Tro bay sử dụng phù hợp làm chất độn gia cường cho vật liệu từ cao su Từ lý trên, đề tài “Nghiên cứu sử dụng tro bay để gia cường cho vật liệu cao su” sử dụng tro bay để gia cường cho CSTN, nhằm tận dụng lượng tro bay phế thải, nâng cao số tính lý cho vật liệu cao Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu su đồng thời hạ giá thành sản phẩm Đây vấn đề có ý nghĩa quan trọng khoa học, đời sống kỹ thuật Mục đích nghiên cứu Đánh giá vai trò khả ứng dụng tro bay ngành công nghiệp cao su Chế tạo vật liệu CSTN có sử dụng tro bay đạt tính lý phù hợp Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng tro bay chưa biến đổi bề mặt tới tính chất lý cấu trúc vật liệu CSTN - Nghiên cứu ảnh hưởng tro đổi bề mặt tới tính chất lý cấu trúc vật liệu CSTN - Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay bến đổi bề mặt tới trình gia công chế tạo vật liệu CSTN Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ NHỮNG BIỆN PHÁP NÂNG CAO TÍNH CHẤT 1.1.1 Cao su thiên nhiên 1.1.1.1 Lịch sử phát triển cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên hay gọi cao su tự nhiên phát sử dụng từ cuối kỷ XVI Nam Mĩ Trong thời kỳ người ta biết trích lấy nhựa tẩm vải sợi làm giầy dép leo núi, rừng Những sản phẩm có thời gian sử dụng lâu sản phẩm thông thường, nhiều nhược điểm độ bền chưa thực ổn định hay dính gây cảm giác khó chịu, cao su tự nhiên chưa sử dụng rộng rãi Đến năm 1939, nhà khoa học Gider Gencoc phát minh trình lưu hoá CSTN, chuyển cao su từ trạng thái chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi cao, bền vững cao su tự nhiên sử dụng rộng rãi để sản xuất nhiều sản phẩm thông dụng Đến đầu kỷ XX với phát triển ngành hoá học đặc biệt đời thuyết cấu tạo polyme cao su tự nhiên nghiên cứu cách kỹ lưỡng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học sống 1.1.1.2 Mủ cao su tự nhiên ( latec ) Mủ cao su thiên nhiên nhũ tương nước hạt cao su với hàm lượng phần khô ban đầu từ 28→ 40% Các hạt cao su có kích thước nhỏ từ 0,05μm→ 0,3μm, trạng thái chuyển động Các hạt latec có hai lớp, bên cacbuahydrua, bên lớp hấp phụ làm nhiệm vụ bảo vệ latec không bị keo tụ Thành phần lớp hấp phụ hợp chất chứa nitơ thiên nhiên protêin, chất béo muối Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu xà phòng axit béo Trong trình bảo quản, hạt latec thường bị keo tụ Để ngăn chặn tượng người ta thường sử dụng chất ổn định PH môi trường amôniăc 0,5% (duy trì pH khoảng 10 →11) Thành phần tính chất mủ CSTN phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nhiên xác định khoảng định : Nước : 52,3 - 67% Cacbuahidro : 29,5 - 37,3% Polysaccrit : 1,2 - 4,2% Nhựa thiên nhiên : 1,0 - 3,4% Protêin : 0,9 - 2,7% Chất khoáng : 0,2 - 0,4% 1.1.1.3 Thành phần cấu tạo hoá học cao su tự nhiên a Thành phần: Cao su tự nhiên sản xuất từ latec nhiều phương pháp: - Phương pháp tạo keo tụ mủ cao su - Phương pháp cho bay nước khỏi mủ cao su Thành phần hoá học CSTN gồm nhiều chất hoá học khác nhau: cacbuahydro (thành phần chủ yếu), chất trích ly axetôn, chất chứa nitơ mà chủ yếu protêin chất khoáng Hàm lượng chất dao động lớn, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi cây, cấu tạo thổ nhưỡng, khí hậu, mùa khai thác mủ… Trong bảng 1.1 trình bày thành phần hoá học CSTN, sản xuất nhiều phương pháp hoá học khác Chất trích ly axetôn có thành phần bao gồm 51% axit béo (axit cobic, Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu axit stearic) phần lại axit amin hợp chất photpho hữu Các hợp chất chứa nitơ gồm protêin axit amin (sản phẩm phân huỷ protêin) Bảng 1.1: Thành phần hoá học cao su thiên nhiên Hàm lượng (%) STT Thành phần Crêp khói Crep trắng Bay Hidrocacbon 93 – 95 93 – 95 85 - 90 Chất trích ly Bằng axeton 1,5 - 3,5 2,2 - 3,45 3,6 - 5,2 Hợp chất chứa nitơ 2,2 - 3,5 2,4 -3,8 4,2 - 4,8 Chất tan nước 0,3 -0,85 0,2 - 0,4 5,5 - 5,72 Chất khoáng 0,25 – 0,85 0,16 -0,85 1,5 - 1,8 Độ ẩm 0,2 - 0,9 0,2 - 0,9 1,0 - 2,5 Chất khoáng (thành phần thu sau trình thiêu kết polime) gồm hợp chất kim loại kiềm, kiêm thổ muối natri, kali, magie, ôxit kim loại Fe2O3, MnO2, CuO b Cấu tạo hoá học cao su tự nhiên Thành phần chủ yếu cao su thiên nhiên polyisopren mà mạch đại phân tử hình thành từ mắt xích isopenten cis đồng phân liên kết với vị trí 1,4 CH3 H C=C CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 Khoá luận tốt nghiệp C=C CH2 CH2 H C=C CH2 H Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Ngoài mắt xích isopren đồng phân 1,4-cis, CSTN có khoảng 2% mắt xích isopren tham gia vào hình thành mạch đại phân tử vị trí 3,4 Khối lượng phân tử trung bình CSTN 1,3.106 1.1.1.4 Tính chất cao su thiên nhiên a Tính chất vật lý Ở nhiệt độ thấp, cao su thiên nhiên có cấu trúc tinh thể, CSTN kết tinh mạnh 250C Các thông số đặc trương CSTN: (kg/cm3) + Khối lương riêng : 913 + Hệ số dãn nở thể tích : 656.10-4 [dm3 / 0C] + Nhiệt dẫn riêng : 0,14 (W/m.k) + Nhiệt rung riêng : 1.88 (kJ/ kg.k) + Nửa chu kỳ kết tinh : 2- (h) + Điện trở riêng (Ωm) - Crep trắng : 5.1012 (Ωm) - Crep hong khói : 3.1012 (Ωm) CSTN tan tốt dung môi hữu mạch thẳng, mạch vòng, CCl 4, CS2, không tan rượu axetôn b Tính chất lý CSTN có khả lưu hoá lưu huỳnh phối hợp với loại xúc tiến Tính chất lý CSTN xác định theo tính chất hợp phần cao su theo tiêu chuẩn sau: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Bảng 1.2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định tính chất lý CSTN Thành phần STT Hàm lượng (pkl) Cao su tự nhiên Lưu huỳnh Mercaptobenzolthiazol Kẽm oxit Axit stearic 100 0,7 0,5 Hỗn hợp lưu hoá nhiệt độ 145- 1500C với thời gian tối ưu 20 30 phút có tính chất lý sau: + Độ bền kéo đứt : 23 MPa + Độ dãn dài tương đối : 700% + Độ dãn dư : ≤ 12% + Độ cứng tương đối : 65 shore A 1.1.2 Một số biện pháp nâmg cao tính chất cao su thiên nhiên 1.1.2.1 Biến tính cao su thiên nhiên nhựa cao su tổng hợp khác Trong khoa học vật liệu, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp polyme đóng vai trò quan trọng Các loại vật liệu polyme chế tạo theo hướng: - Hướng thứ nhất: trùng hợp loại monome - Hướng thứ hai: tổng hợp copolyme khối; copolyme ghép copolyme thống kê từ monome thông dụng - Hướng thứ ba: trộn hợp polyme sẵn có trạng thái nóng chảy, dung dịch, để tạo loại vật liệu tổ hợp có tính chất đặc biệt, Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu khác hẳn tính chất polyme riêng rẽ ban đầu, đáp ứng yêu cầu sống kỹ thuật Trong ba hướng trên, hướng thứ ba đặc biệt quan tâm nghiên cứu phát triển phương pháp đơn giản nhất, nhanh kinh tế tạo vật liệu mới, đáp ứng yêu cầu ngày cao đời sống kỹ thuật Theo chuyên gia lĩnh vực Hoá học Cao phân tử, hướng chủ đạo Hoá học hợp chất Cao phân tử năm cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 có ưu điểm sau:  Lấp khoảng trống tính chất công nghệ kinh tế loại nhựa nhiệt dẻo Người ta tối ưu hoá mặt giá thành tính chất vật liệu sử dụng  Tạo khả phối hợp tính chất mà loại vật liệu khó đạt được, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao lĩnh vực khoa học kinh tế  Quá trình nghiên cứu, chế tạo sản phẩm sở vật liệu tổ hợp polyme nhanh nhiều so với sản phẩm từ vật liệu khác chế tạo sở vật liệu công nghệ có sẵn  Những kiến thức rộng rãi cấu trúc, tương hợp phát triển nhanh năm gần tạo sở cho việc phát triển loại vật liệu 1.1.2.2 Biến tính CSTN phương pháp hoá học CSTN không phân cực có tính chất nên độ bám dính không tốt Cấu trúc mạch CSTN không chặt chẽ nên tính chịu nhiệt Vì nhiều nhà nghiên cứu cố gắng biến tính cao su nhằm khắc phục mặt hạn chế mở rộng khả ứng dụng vật liệu a Hóa vòng cao su Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu Hoá vòng CSTN thực dung dịch toluene có mặt xúc tác SnCl4 Quá trình hoá vòng diễn đồng thời với phản ứng cắt mạch CSTN làm cho khối lượng sản phẩm giảm dần theo thời gian Quá trình phân huỷ xảy chủ yếu mạch, tiếp tục diễn sau phản ứng hoá vòng kết thúc Nồng độ cao su, nồng độ xúc tác, nhiệt độ, dung môi có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hoá vòng [1] Khi độ hoá vòng sâu độ cứng lớn dẫn đến sản phẩm bị giòn Cao su hoá vòng bền với tác dụng axit, bazơ nhiệt độ thường có mặt oxi chúng bị oxi hoá nhanh có nguyên tử cacbon bậc Các sản phẩm hoá còng cao su sử dụng rộng rãi để làm sơn bảo vệ, làm keo dán, mực in, làm bao gói, vật liệu cảm quang b Gắn nhóm phân cực vào mạch cao su Bên cạnh việc hoá vòng cao su, người ta biến tính cách gắn nhóm phân cực vào mạch cao su phenol hoá, epoxy hoá,…để sử dụng ngành sản xuất keo dán, sơn phủ, vật liệu cách điện, vật liệu compozit… Trong số phương pháp biến đổi CSTN, người ta tập trung vào nghiên cứu epoxy hoá CSTN, sản phẩm tạo có tính ưu việt khả ứng dụng rộng rãi Sự có mặt nhóm epoxy mạch chủ cho phép thực nhiều phản ứng chuyển hoá cao su Cao su epoxy hoá (ENR) thu trực tiếp từ latec phản ứng epoxy hoá theo cách [2]  Dùng peroxyt có sẵn  Phương pháp Insitu (peroxyt sinh) Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 10 Viện Khoa học Vật liệu 1.1.2.3 Biến tính cao su biện pháp hoá lý a Chất độn vô hoạt tính Các chất độn vô sử dụng nhiều công nghiệp, gia công cao su như: bột nhẹ, bazit, thạch cao, silicdioxit… Trong chất độn silicdioxit chất độn có hiệu tăng cường cao Cũng chất độn tăng cường khác, mức độ phân tán đặc trưng quan trọng mà đặc trưng đánh giá mức độ tăng cường silicdioxit Silicdioxit sử dụng làm chất độn tăng cường cho hợp phần cao su-nhựa tổng hợp khác Đối với loại cao su không kết tinh cao su có cấu trúc vô định hình, silicdioxit có tác dụng tăng cường tính chất lý Silicdioxit có chứa nhiều nhóm phân cực bề mặt có khả hấp thụ hầu hết chất phối hợp khác bề mặt làm giảm tác dụng chúng, đặc biệt chất lưu hoá chất xúc tiến lưu hoá cho cao su b Các chất độn hữu hoạt tính Chất độn hữu hoạt tính hay chất độn hữu gia cường hợp chất hữu với kích thước hạt nhỏ, có tác dụng gia tăng tính chất lý vật liệu đưa vào hợp phần cao su c Than đen Than đen kỹ thuật sản phẩm cháy không hoàn toàn hợp chất cacbuahydro Than đen chất độn tăng cường chủ yếu sử dụng công nghệ gia công cao su Sự có mặt than đen hợp phần cao su với hàm lượng cần thiết làm tăng tính chất lý cao su như: giới hạn bền kéo đứt, xé rách, khả chống mài mòn, độ cứng môđun đàn hồi vật liệu Sự có mặt nhóm phân cực bề mặt than đen yếu tố định Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Độ dãn dài tương đối (%) Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 40 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Hàm lượng tro bay (%) Hình 3.6: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay chưa biến đổi bề mặt tới độ dãn dài đứt vật liệu CSTN 40 Độ dãn dư (%) 35 30 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Hàm lượng tro bay (%) Hình 3.7: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay chưa biến đổi bề mặt tới độ dãn dư vật liệu CSTN Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 41 Viện Khoa học Vật liệu Độ cứng (Shore A) 55 50 45 40 35 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Hàm lượng tro bay (%) Hình 3.8: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay chưa biến đổi bề mặt tới độ cứng vật liệu CSTN Từ hình 3.5 đến hình 3.8 trình bày kết khảo sát biến đổi tính lý vật liệu thay đổi hàm lượng tro bay từ đến 150% so với CSTN Từ kết trên, nhận thấy rằng, hàm lượng tro bay tăng từ đến khoảng 30% tính chất lý vật liệu tăng (độ bền kéo đứt tăng khoảng 20%, độ dãn dài đứt tăng, độ dãn dư tăng, độ bền mài mòn vật liệu tăng chậm) Khi hàm lượng tro bay khoảng 30% đến 50% độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt giảm chậm, độ dãn dư độ cứng tiếp tục tăng Khi hàm lượng tro bay lớn 50%, độ bền kéo đứt, độ dãn dài đứt giảm mạnh, độ dãn dư độ cứng tăng mạnh Như vậy, với loại tro bay chưa biến đổi bề mặt, hàm lượng tro bay đưa vào tối ưu vật liệu cao su thiên nhiên đạt khoảng 30% Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 42 3.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY BIẾN ĐỔI BỀ MẶT TỚI TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU CSTN 3.3.1 Ảnh hƣởng hợp chất silan khác đến tính chất lý vật liệu CSTN Khả tương tác pha chất độn chất polyme ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất lý vật liệu Không giúp chất độn phân tán tốt chất mà có tác dụng tạo liên kết bền vững pha không tương thích Độ bền kéo đứt mẫu cao su chứa tro đổi bốn hợp chất silan thể biểu đồ đây: 140 129.5 Độ bền kéo đứt (%) 120 100 107.6 102.7 108.9 100 80 60 40 20 Hợp chất silan khác Hình 3.9 : Độ bền kéo đứt mẫu cao su chứa tro đổi hợp chất silan khác Trong : 1- Tro bay chưa biến đổi bề mặt 2- Tro đổi bề mặt aminoetylaminopropyltrietoxysilan 3- Tro đổi Mercaptopropyltrimetoxysilan 4- Tro đổi γ-Aminopropyltrimetoxysilan 5- Tro đổi Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfit Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 43 Viện Khoa học Vật liệu Có thể nhận thấy tất mẫu cao su có chứa tro bay biến đổi bề mặt có độ bền kéo đứt lớn mẫu có chứa tro bay chưa biến đổi bề mặt, mẫu có chứa tro đổi Bis-(3trimetoxysilylpropyl) tetrasulfit lớn (tăng 29,5% so với mẫu chứa tro bay chưa biến đổi bề mặt) Điều cho thấy tác nhân ghép nối silan có ảnh hưởng đáng kể đến khả tương tác tro bay với chất cao su, đặc biệt loại Bis-Trimetoxysilylpropyltetrasulfit Hợp chất BisTrimetoxysilylpropyltetrasulfit tham gia vào trình lưu hóa vật liệu Trong trình trộn hợp lưu hóa, mạch sulfit phân tử silan bị bẻ gẫy tạo gốc tự để thực phản ứng lưu hóa với cao su Cơ chế trình lưu hóa có tham gia phân tử silan mô tả theo sơ đồ đây: Hình 3.10: Cơ chế tương tác tro bay chất cao su thiên nhiên qua tác nhân ghép silan Có thể cho tác nhân sunfua sinh có khả hoạt động tốt hơn, tạo liên kết bền vững so với hợp chất khác Tuy nhiên theo nhiều tài liệu công bố, hàm lượng lớn loại hợp chất silan lại bị bất lợi yếu tố cản trở không gian với chuỗi alkyl dài gây khó khăn cho trình lưu hóa mạch cao su Do lượng silan vừa đủ để có tính chất tối ưu điều cần nghiên cứu Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 44 3.3.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng tro đổi bề mặt tới tính chất lý vật liệu CSTN Từ kết ảnh hưởng hợp chất silan đến tính chất lý vật liệu cao su thiên nhiên, lựa chọn loại Bis- Trimetoxysilylpropyltetrasulfit biến đổi bề mặt tro bay để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng tro bay ảnh hưởng hàm lượng hợp chất silan tới tính chất lý vật liệu CSTN Các mẫu tro bay biến đổi với 2% hợp chất silan bis-(3trimethoxysilylpropyl) tetrasulfit gia cường cho CSTN hàm lượng khác từ 10 đến 50% Các tính chất vật liệu thể hình 30 Độ bền kéo đứt (MPa) 25 20 15 10 0 10 20 30 40 50 60 Hàm lượng tro bay Hình 3.11: Ảnh hưởng hàm lượng tro đổi bề mặt tới độ bền kéo đứt vật liệu CSTN Có thể thấy tro bay biến đổi bề mặt với 2% hợp chất Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 45 silan, độ bền vật liệu tăng đáng kể gia cường hàm lượng 30% (độ bền kéo đứt tăng 30%) Ở nồng độ này, độ bền vật liệu giảm nhanh 3.3.3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng hợp chất silan tới tính chất lý Lựa chọn hàm lượng tro đổi bề mặt 30% hàm lượng tối ưu, chứng tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng hợp chất silan tới tính chất lý vật liệu Các mẫu tro bay biến đổi 0.5%, 1%, 2%, 4%, 6% 8% 30 Độ bền kéo đứt (MPa) 25 20 15 10 0 10 Hàm lượng hợp chất silan Hình 3.12 : Ảnh hưởng hàm lượng silan tới độ bền kéo đứt CSTN Từ kết nhận thấy, khoảng nồng độ thấp, tăng nồng độ hợp chất silan độ bền kéo đứt vật liệu tăng lên đạt giá trị lớn 2% Ở nồng độ độ bền kéo đứt vật liệu giảm đáng kể Điều giải thích nồng độ cao hợp chất silan có ảnh hưởng đến trình lưu hóa vật liệu phân tử cồng kềnh hợp chất silan Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 46 Viện Khoa học Vật liệu 3.3.4 Ảnh hƣởng hợp chất silan đến khả tƣơng tác pha CSTN Cấu trúc hình thái vật liệu cao su gia cường tro bay khảo sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt gẫy mẫu đo Các mẫu vật liệu CSTN gia cường với hàm lượng tro bay 30% chưa biến đổi bề mặt có biến đổi bề mặt tác nhân ghép nối Hình 3.13 cho biết cấu trúc hình thái vật liệu cao su thiên nhiên có chứa tro bay chưa biến đổi bề mặt: Hình3.13: Ảnh SEM vật liệu CSTN chứa 30% tro bay chưa biến đổi bề mặt Có thể dễ dàng quan sát thấy khả tương tác pha hạt chất độn tro bay với chất cao su Các hạt chất độn gần bị tách pha bề mặt gẫy vật liệu Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 47 Viện Khoa học Vật liệu Hình 3.14 biểu diễn cấu trúc hình thái vật liệu cao su thiên nhiên có chứa tro bay biến đổi bề mặt hợp chất silan loại BisTriethoxysilylpropyltetrasulfidosilane Hình3.14: Ảnh SEM vật liệu CSTN chứa 30% tro bay biến đổi bề mặt Rõ ràng khả tương tác pha tro bay với chất cao su cải thiện rõ rệt chất độn biến đổi bề mặt tác nhân ghép nối Không tham gia vào trình lưu hóa, hợp chất silan chứa nhóm hữu làm giảm sức cằng bề mặt hai pha làm khả phân tán chất độn vào pha tốt hơn, khả liên kết chất độn với chất cải thiện, từ nâng cáo tính chất vật liệu 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng tro đổi bề mặt tới trình gia công chế tạo vật liệu CSTN Khả lưu hoá cao su đặc tính quan trọng trình gia công định trực tiếp đến tính chất lý vật liệu Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 48 Tác nhân lưu hoá cao su, cao su thiên nhiên hợp chất có chứa lưu huỳnh Trong trình lưu hoá liên kết ngang hình thành, tạo mạng lưới không gian nhờ phản ứng nối đôi cao su qua cầu lưu huỳnh, làm cho độ linh động hỗn hợp giảm dần Nhờ lưu hoá mà tổ hợp cao su từ mềm dẻo chuyển thành đàn hồi bền Trong đề tài này, tiến hành nghiên cứu khả lưu hóa mẫu vật liệu CSTN có chứa tro bay hàm lượng khác biến đổi với tác nhân ghép nối khác nồng độ tác nhân ghép nối khác Các tác nhân ghép nối lựa chọn mục đích cải thiện khả tương tác pha hạt chất độn tro bay với chất cao su, chúng chứa lưu huỳnh nhằm tăng khả lưu hóa vật liệu có chứa nhóm chức amin để thúc đẩy trình lưu hóa Khảo sát trình lưu hoá tổ hợp cao su thực thiết bị Rheometer Quá trình lưu hóa thực 140 ºC Thời gian khảo sát 30 phút Các giá trị momen xoắn cực tiểu (Mmin) thể tính dẻo hay độ linh động hỗn hợp cao su trạng thái chảy mềm ban đầu Các giá trị momen xoắn cực đại (Mmax) thể độ bền, cứng cao su sau trình lưu hoá 3.4.1 Ảnh hƣởng hợp chất silan khác đến trình lƣu hóa CSTN Bảng 3.1: Khả lưu hóa CSTN có chứa tro bay biến đổi hợp chất silan khác Phần Ký hiệu khối Hợp chất silan lƣợng FA-4Mc 50 Khoá luận tốt nghiệp Mercaptopro- Nồng độ M Mmax TC90 dung (kgf.cm (kgf.cm dịch (phút–giây) ) ) silan (%) 8.78 17.22 8-58 Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 49 pyltrimethoxysilan FA-4A 50 Aminoethylaminopropylsilane triol 9.12 18.08 10-12 FA-4S50 Bis-(350 trietoxysilylpropyl) tetrasulfit 7.45 17.59 12-05 FA-50 50 - 9.55 18.33 10-55 - Ảnh hưởng hợp chất silan khác đến trình lưu hóa CSTN biểu diễn bảng 3.1: Ảnh hưởng loại hợp chất silan khác đến khả lưu hóa vật liệu khảo sát mẫu FA-4Mc, FA4A FA-4S-50 chứa 50 phần khối lượng tro bay biến đổi bẳng mercaptopropyltrimetoxysilane, aminoetylaminopropylsilane triol bis-(3triethoxysilylpropyl) tetrasulfit tương ứng Ở thấy rằng, mẫu có tro đổi Mercaptopropyltrimethoxysilan có thời gian lưu hóa 90% thấp so với hai loại hợp chất silan lại Điều giải thích mercaptopropyltrimethoxysilan có chứa nhóm SH, nhóm chức tham gia vào trình lưu hóa mẫu vật liệu So với Bis-Triethoxysilylpropyltetrasulfidosilane, hợp chất silan loại này, với nhóm SH tham gia vào trình lưu hóa dễ dàng trải qua trình cắt chuỗi mạch lưu huỳnh phân tử Bis-Triethoxysilylpropyltetrasulfidosilane hiệu ứng cản trở không gian nhỏ Chính vậy, làm tăng tốc độ lưu hóa vật liệu, đồng nghĩa với việc giảm thời gian lưu hóa Ngoài momen xoắn cực tiểu mẫu vật liệu chứa tro tính loại bis-(3trietoxysilylpropyl) tetrasulfit thấp chứng tỏ rằng, loại hợp chất silan cho khả linh động vật liệu tốt nhất, khả tương hợp tro tính hợp chất silan với chất cao su tốt Tuy nhiên, momen xoắn cực đại lại cho thấy ba mẫu vật liệu không khác Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu 50 nhiều, điều cho thấy ảnh hưởng hợp chất silan đến độ bền vật liệu nồng độ gần không thay đổi 3.4.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng tro đổi bề mặt đến trình lƣu hóa CSTN Bảng 3.2: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay biến đổi Bis-(3triethoxysilylpropyl) tetrasulfit đến khả lưu hóa CSTN Phần Ký hiệu khối lượng Hợp chất silan Nồng độ Mmin Mmax TC90 dung dịch silan (%) (kgf.cm) (kgf.cm) (phút – giây) 100 Bis-(3trietoxysilylpropyl) tetrasulfit 9.8 19.96 12-46 FA-4S50 50 -nt- 7.45 17.59 12-05 FA-4S30 30 -nt- 4.76 15.49 11-53 FA-50 50 - - 9.55 18.33 10-55 FA-4S100 Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến trình lưu hóa với mẫu ký hiệu FA-4S-30, FA-4S-50 FA-4S-100 có hàm lượng tro bay 30, 50 100 phần khối lượng thấy rằng, tăng hàm lượng tro bay thời gian lưu hóa 90% (TC90) tăng lên Kết cho biết tăng hàm lượng tro bay khoảng cách mạch phân tử cao su tăng khó va chạm với phân tử lưu huỳnh Tổ hợp cao su buồng trộn linh động cứng nhắc hàm lượng tro bay tăng dẫn đến làm tăng momen xoắn lúc đầu sau trình lưu hóa (M Mmax) Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 51 Viện Khoa học Vật liệu KẾT LUẬN Tro bay sản phẩm phụ trình đốt cháy than đá nhà máy nhiệt điện với hạt có dạng hình cầu chứa bên hàng loạt hạt vi cầu Thành phần chủ yếu hạt tro bay oxit silic oxit nhôm phù hợp để làm chất độn gia cường cho vật liệu cao su vật liệu polyme khác Nghiên cứu sử dụng tro bay để chế tạo vật liệu compozit CSTN/tro bay thấy rằng, tro bay có tác dụng gia cường cho cao su Tính chất vật liệu thay đổi theo hàm lượng tro bay song xuất giá trị cực đại 30% tro bay chưa biến đổi biến đổi bề mặt hợp chất silan Triethoxysilylpropyl-tetrasulfidosilane (Si69) Hợp chất silan có tác dụng gia tăng độ bền kéo cho vật liệu so với hợp chất silan khác có gốc amin mercapto Khi khảo sát tính chất lý vật liệu có chứa 30% tro bay biến đổi bề mặt với hàm lượng Triethoxysilylpropyl-tetrasulfidosilane khác cho thấy có tính chất cực đại độ bền kéo đứt 2% silan Ảnh SEM thể khả tương tác pha CSTN với tro bay biến đổi bề mặt tốt hẳn so với tro bay chưa biến đổi bề mặt Quá trình lưu hóa CSTN có chứa tro đổi bề mặt Mercaptopropyltrimethoxysilan diễn nhanh so với loại silan khác khảo sát, song Triethoxysilylpropyl-tetrasulfidosilane lại giúp cho tổ hợp cao su linh động hơn, tương tác tốt Hàm lượng tro bay biến đổi bề mặt loại silan (Triethoxysilylpropyl-tetrasulfidosilane) tăng kéo dài thời gian lưu hóa làm tăng moment xoắn cực đại cực tiểu Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 52 Viện Khoa học Vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Phiên, Lê Xuân Hiền, Phạm Ngọc Lân (1982), “Cao su vòng ứng dụng chúng’’, Tạp chí Hoá học, 20 (4), tr 11- 14 Nguyễn Việt Bắc (1998), Nghiên cứu triển khai ứng dụng cao su thiên nhiên làm vật liệu compozit, Báo cáo tổng kết đề tà cấp Nhà nước KHCN – 03.03, tr 8-12 Đào Thế Minh, Tạp chí Hóa học, T 35, Số 1, Tr 69 - 71, 1997 Nguyễn Việt Bắc, Chu Chiến Hữu, Vũ Hồng Quân, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hoá học lần 3, Hội Hoá học Việt Nam, Trang 318 - 319, 1998 Trần Quang Hân, Phan Văn Ninh, Trần Quang Thanh, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hoá học lần 2, Hội Hoá học Việt Nam, Trang 72, 1993 Lê Xuân Hiền, Nguyễn Thị Việt Triều, Phạm Thị Hồng, Tạp chí Hoá học, T 36, Số 4, Trang 55 - 57, 1999 Nguyễn Thị Việt Triều, Lê Xuân Hiền, Christian Decker, Tuyển tập báo cáo hội nghị Hoá học lần 3, Hội Hoá học Việt Nam, Trang 308 - 311, 1998 Lê Xuân Hiền, Hoàng Ngọc Tảo, Trần Thanh Vân, Tạp chí Hoá học, T 37, Số 2, Trang - 4, 1999 Nguyễn Quốc Hiến, Đoàn Bình, Võ Tấn Thiện, Lê Hải, Tạp chí Hoá học, T 34, Số, Trang 53 - 55, 1996 10 Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T 35, Số 6, Trang 27 - 30, 1997 11 Đinh Gia Thành, Nguyễn Văn Khôi, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T 37, Số 6, Trang 38 - 43, 1999 12 Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Quang, Lương Như Hải, Trần Thị Bính, Tạp chí Hoá học, T 38, Số 1, Trang 59 - 63, 2000 13 Lê Anh Tuấn, Tạp chí Hoá học, T 40, Số 3, Trang 53 – 56, 2002 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 53 Viện Khoa học Vật liệu 14 S H El-Sabbagh, Polymer Testing 22, p 93 - 100, 2003 15 K T Varughese, G B Nando, P P DE, Jour Nat Sci., Vol 23, p 3894 - 3920, 1998 16 Nguyễn Quang, Tạp chí Hoá học, T 36, Số 3, Trang 17 - 22, 1998 17 Đỗ Quang Kháng, Đỗ Trường Thiện, Nguyễn Văn Khôi, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T 35, Số 1, Trang 24 - 27, 1997 18 Đặng Văn Luyến, Tống Công Minh, Phạm Hữu Lý, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hoá học lần 2, Hội Hoá học Việt Nam, Trang 74, 1993 19 Lê Anh Tuấn, Nguyễn Đức Nghĩa, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hoá học lần 2, Hội Hoá học Việt Nam, Trang 83, 1993 20 Nguyễn Quang, Phạm Thị Hồng, Trịnh Văn Thành, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T 36, Số 1, Trang 18 - 23, 1997 21 Đặng Tấn Tài, Hà Phúc Huy, Lê Quang Hồng, Tạp chí Hoá học, T 36, Trang 32 - 35, 1998 22 Huỳnh Đại Phú, Nguyễn Hữu Niếu, Tôn Thất Minh Tân, Nguyễn Đắc Thành, Tạp chí Hoá học, T 35, Số 4, Trang 47 - 50, 1997 23 Thái Hoàng, Vũ Minh Đức, Tạp chí Hoá học, T 34, Số 4, Trang 65 - 68, 1996 24 Rothon and Roger “Particulate filler for Polymer”, 2002, Smithers Rapra 25 C.R.G Furtado, J.L Leblanc, R.C.R Nunes European Polymer Journal 2000 (36), 1717-1723 26 C.R.G Furtado, J.L Leblanc, R.C.R Nunes European Polymer Journal 2000 (36), 1717-1723 27 Fariborz Goodarzi Fuel, No 85, 2006, 1418-1427 28 Sidney Diamond Cement and concrete Research, vol 16, 1986, 569-579 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 54 Viện Khoa học Vật liệu 29 Railroad grade crossing surfaces, Comprehensive procurement guideline program 2002, www.epa.gov.cpg 30 Z Sarbak, M Kramer-Wachowiak Powder Technology, No 123, 2002, 53-58 31 O Figovsky, D Beilin, N Bank, J Poltapov, V Chernyshev Cement and Concrete Compostes, Vol 18 (6), 1996, 437-444 32 N A N Alkadasi, D G Hundiwale, U R Kapadi Poly Plast Technol and Engin., Vol 45, 2006, 415-420 33 O Figovsky, D Beilin, N Bank, J Poltapov, V Chernyshev Cement and Concrete Compostes, Vol 18 (6), 1996, 437-444 34 G Hundiwale, U R Kapadi, M C Desai, A G Patil, S H Bidkar New economical filler for elastomer composites, Polymer-Plastics Technology and Enngineering, Vol 43 (3), 2004, 615-630 35 R R Menon, T A Sonia, J D Sudha Journal of Applied Polymer Science, Vol 102, No 5, 2006, 4801-4808 36 S Thongsang and N Sombatsompop Antec, 2005, 3278-3282 37 T Matsugana, J K Kim, S Hardcastle, P K Rohatgi Materials Science and Engineering, A, Structural Material, Vol 325 (1-2), 2002, 333-343 38 Z Sarbak, M Kramer-Wachowiak Powder Technology, No 123, 2002, 53-58 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân [...]... độn gia cường cho các vật liệu từ cao su thiên nhiên, cao su clopren, cao su butadien và cao su nitril Tro bay đã làm tăng độ bền kéo đứt và modun đàn hồi của vật liệu Tro bay cùng với các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa vào cao su tái sinh để chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [31] M Hossain và tập thể nghiên cứu của trường Đại họ c Kansas đã công bố kết quả sử dụng cao su tái... chủ yếu làm phụ gia cho các vật liệu xi măng, cao su và nhựa tổng hợp Nhóm nghiên cứu của Nam Phi đã sử dụng 2 loại tro bay thương phẩm plasfill 5 và plasfill 15 để nghiên cứu gia cường cho CSTN [38] Qua khảo sát tính chất lưu biến (momen quay cực đại và cực tiểu, thời gian lưu hoá ) thấy rằng độ nhớt của cao su giảm thiểu và như vậy, tro bay đã giúp cho quá trình gia công tốn ít thời gian hơn 1.2.4.2... Một trong các ứng dụng rất có hữu ích của tro bay là sử dụng như chất độn gia cường cho các vật liệu polyme và cao su Nó có tác dụng làm tăng độ bền cơ học, độ cứng, giảm độ co ngót cho chất dẻo như polypropylen (PP), polyetylen (PE) để chế tạo các vật liệu kết cấu Trong công nghiệp cao su, tro bay có thể thay thế một số bột độn khác để tăng độ bền mài mòn, giảm tỷ trọng và giá thành sản phẩm Tro bay. .. của tro bay Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của tro bay được hoạt hóa nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl Khi gia cường cho các vật liệu polyme hay cao su, tro bay có thể tạo liên kết hóa học hay vật lí với các pha nền mô tả trong 2 trường hợp dưới đây: - Tham gia phản ứng lưu hóa cao su - Tạo liên kết vật lí với polyme: Như vậy tùy từng loại polyme hay cao su gia cường. .. lý tro bay từ khí thải các nhà máy nhiệt điện mới chỉ bắt đầu Gần đây nhất, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam mới phê duyệt một đề tài nghiên cứu ứng dụng tro bay để chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo PE, PP và EVA Hiện tại, phòng NC vật liệu polyme và compozit thuộc Viện KH Vật liệu đang tiến hành đề tài nghiên cứu ứng dụng tro bay để gia cường và giảm giá thành cho các vật liệu. .. nhằm nâng cao tính mềm dẻo của nhựa vinyleste [22] Thái Hoàng, Vũ Minh Đức đã nghiên cứu một số tính chất của vật liệu polyme blend trên cơ sở CSTN từ đó rút ra thành phần và chế độ gia công thích hợp cho tổ hợp cao su kỹ thuật sử dụng trong lĩnh vực giầy da [23] 1.2 TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC POLYME 1.2.1 Các đặc tính của tro bay liên quan đến vật liệu đƣợc gia cƣờng Hiện tượng tăng cường tính... tế chưa có nhà máy nào sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng (trừ các nhà máy xi măng liên doanh nhưng lại sử dụng tro bay nhập ngoại) Trong lĩnh vực cao su và chất dẻo, nước ta chưa thấy có công trình Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 27 Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu nào sử dụng tro bay Lý do chính của sự thiếu vắng các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này là... tăng Tuy nhiên, khi đưa tro bay vào, quá trình trộn hợp cũng bị thay đổi Tro bay đã được nghiên cứu gia cường cho cao su clopren [33] Tác giả đã thấy rằng tro bay không xử lý và đã xử lý đều có tác dụng làm tăng độ bền kéo đứt và môdun đàn hồi của vật liệu Khi sử dụng 10-100% tro bay được Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 25 Viện Khoa học Vật liệu xử lý bề mặt bởi 1%... silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lí biến đổi trên bề mặt tro bay 1.2.4 Nghiên cứu ứng dụng tro bay trong polyme và cao su Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Xuân Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 24 Viện Khoa học Vật liệu 1.2.4.1 Trên thế giới Trên thế giới, tro bay đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong sản xuất bê tông xi măng, làm chất hấp thụ kim loại nặng trong xử lý nước, làm chất xúc tác trong... định chi tiết hình thái bề mặt ráp của tro bay Thử nghiệm khả năng gia cường của vật liệu tro bay đã biến đổi bề mặt này cho thấy bề mặt ráp của tro bay đã cải thiện khả năng tương tác pha giữa tro bay và polime nền Khi so sánh khả năng gia cường PP của tro bay chưa xử lí bề mặt với tro bay đã xử lí bề mặt, kết quả cho thấy với trường hợp đã xử lí bề mặt đều cho các chỉ số như độ bền kéo đứt, độ bền ... độn gia cường cho vật liệu cao su vật liệu polyme khác Nghiên cứu sử dụng tro bay để chế tạo vật liệu compozit CSTN /tro bay thấy rằng, tro bay có tác dụng gia cường cho cao su Tính chất vật liệu. .. trình công bố kết nghiên cứu ứng dụng đa dạng tro bay vào công nghiệp, chủ yếu làm phụ gia cho vật liệu xi măng, cao su nhựa tổng hợp Nhóm nghiên cứu Nam Phi sử dụng loại tro bay thương phẩm plasfill... từ cao su thiên nhiên, cao su clopren, cao su butadien cao su nitril Tro bay làm tăng độ bền kéo đứt modun đàn hồi vật liệu Tro bay với phụ gia khác bột kim loại với chất dẻo đưa vào cao su