Nghiên cứu phối hợp nanosilica và than đen làm phụ gia trong gia công cao su tự nhiên

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC - - TRẦN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP NANO SILICA VÀ THAN ĐEN LÀM PHỤ GIA TRONG GIA CÔNG CAO SU TỰ NHIÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: HÓA CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ QUANG KHÁNG HÀ NỘI- 2012 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Lời cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp em hoàn thành phòng Công nghệ Vật liệu Polyme – Viện Hóa học - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đỗ Quang Kháng giao đề tài, tận tình bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Lương Như Hải ThS Lưu Đức Hùng - phòng Công nghệ Vật liệu Polyme – Viện Hóa học góp ý, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập, nghiên cứu Cũng em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Lê Cao Khải thầy cô giáo khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội nhiệt tình dạy truyền đạt cho em kiến thức quý báu năm học qua Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình bạn bè bên quan tâm giúp đỡ để em có kết ngày hôm Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2012 Sinh viên Trần Thị Thúy Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cao su tự nhiên 1.1.1 Lịch sử phát triển cao su tự nhiên 1.1.2 Thành phần, cấu tạo, tính chất phương pháp chế biến CSTN 1.1.3 Tình hình sản xuất chế biến CSTN 12 1.1.4 Một số biện pháp biến tính CSTN 13 1.2 Giới thiệu silica 18 1.2.1 Cấu trúc silica 18 1.2.2 Tính chất vật lý 19 1.2.3 Tính chất hóa học 19 1.2.4 Tính chất hạt silica kích thước nano 20 1.2.5 Ứng dụng hạt nano silica 22 1.2.6 Các phương pháp chế tạo hạt SiO2 22 1.3 Giới thiệu than đen (than hoạt tính) 25 1.3.1 Cấu trúc than đen 25 1.3.2 Tính chất vật lý 26 1.3.3 Tính chất hóa học 26 1.3.4 Ứng dụng 26 1.3.5 Ứng dụng công nghiệp cao su 26 Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Vật liệu nghiên cứu 26 2.1.1 Cao su tự nhiên 28 2.1.2 Các chất độn hoạt tính 28 2.1.3 Các phụ gia khác 28 2.2 Phương pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Thành phần mẫu nghiên cứu 29 2.2.2 Chế tạo vật liệu 30 2.3 Phương pháp xác định tính chất, cấu trúc vật liệu 31 2.3.1 Nghiên cứu cấu trúc hình thái vật liệu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.3.2 Khảo sát tính chất lý vật liệu 31 2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA 33 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng than đen tới tính chất lý vật liệu 34 3.2 Ảnh hưởng phối hợp nano-SiO2 tới tính chất lý vật liệu 37 3.3 Nghiên cứu trình biến tính tới cấu trúc hình thái vật liệu 41 3.4 Nghiên cứu trình biến tính tới khả bền nhiệt vật liệu 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học KÍ HIỆU VIẾT TẮT CB: Than đen CSTN: Cao su tự nhiên ENR: Cao su epoxy hóa NBR: Cao su Nitril PKL: Phần khối lượng TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng SEM: Kính hiển vi điện tử quét Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học MỞ ĐẦU Cao su tự nhiên loại nguyên liệu sử dụng phổ biến thiếu nghiên cứu khoa học sản xuất Để nâng cao tính lý cho sản phẩm sản xuất từ cao su tự nhiên từ lâu người ta biết sử dụng nhiều loại phụ gia khác Than hoạt tính chất độn tăng cường chủ yếu dùng công nghệ gia công cao su Nó giúp cho việc làm tăng tính lý cao su như: giới hạn bền kéo đứt, xé rách, khả chống mài mòn, độ cứng, modul đàn hồi vật liệu,… Cùng với than đen, silica loại chất độn mang lại hiệu cao việc gia cường cao su Đặc biệt, silica với kích thước nano cho hiệu tăng cường vượt trội việc nâng cao tính lý cao su Do kích thước nhỏ nên hạt nanosilica phân bố rộng khắp mạng phân tử cao su tạo vật liệu có nhiều đặc điểm quý Trên thực tế, phối hợp chất độn vào cao su người ta thu loại vật liệu có tính tốt hẳn so với vật liệu gia cường loại chất độn riêng rẽ Trên sở đó, với mục đích tạo loại vật liệu có nhiều tính ưu việt độ bền kéo đứt, độ cứng, độ bền mài mòn cao nên chọn đề tài “Nghiên cứu phối hợp nanosilica than đen làm phụ gia gia công cao su tự nhiên” để làm đề tài cho khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu đề tài là: Chế tạo vật liệu CSTN/than đen/silica nanocompozit có tính lý, kỹ thuật đáp ứng yêu cầu ứng dụng làm đệm chống va đập tàu biển chất lượng cao Để thực mục tiêu thực nghiên cứu sau: Sử dụng phưong pháp cán trộn trực tiếp máy cán hai trục để chế tạo vật liệu Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Thay đổi hàm lượng nanosilica than đen hợp phần cao su, khảo sát tính lý vật liệu tạo thành để tìm hàm lượng tối ưu nanosilica than đen dùng để biến tính cao su Nghiên cứu cấu trúc hình thái, độ bền nhiệt vật liệu Từ kết thu đánh giá khả ứng dụng vật liệu Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cao su tự nhiên Cao su tự nhiên vật liệu polyme tách từ nhựa cao su Cây cao su (Hevea Brasiliensis) phát sử dụng lần vào cuối kỷ XVI Nam Mỹ Trong thời gian thổ dân biết trích nhựa cao su để tẩm vào vải sợi làm giầy, dép 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, CSTN chưa sử dụng rộng rãi Đến năm 1839 nhà khoa học Guder Gencoc phát minh trình lưu hoá CSTN, chuyển cao su từ trạng thái chảy nhớt sang trạng thái đàn hồi cao, bền vững CSTN ứng 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 CSTN nghiên cứu cách kỹ lưỡng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống [7] 1.1.2 Thành phần, cấu tạo, tính chất phương pháp chế biến CSTN 1.1.2.1 Thành phần CSTN Thành phần cao su tự nhiên gồm nhiều nhóm chất hoá học khác nhau: hydrocacbon (thành phần chủ yếu), chất trích ly axeton, chất chứa nitơ, chất khoáng Các thành phần thay đổi chút (bảng 3) phụ thuộc vào yếu tố: phương pháp sản xuất, tuổi cao su, khí hậu, thổ nhưỡng nơi trồng Trong bảng trình bày thành phần hoá học CSTN, sản xuất phương pháp khác Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Bảng 1: Thành phần (phần khối lượng – PKL) CSTN sản xuất phương pháp khác Loại cao su Thành phần STT Hong khói Crếp trắng Bay Hydrocacbon 93 – 95 93 – 95 85 – 90 Chất trích ly axeton 1,5 – 3,5 2,2 – 3,45 3,6 – 5,2 Chất chứa nitơ 2,2 – 3,5 2,4 – 3,8 4,2 – 4,3 Chất tan nước 0,3 – 0,85 0,2 – 0,4 5,5 – 5,72 Chất khoáng 0,2 – 0,85 0,16 – 0,85 1,5 – 1,8 Độ ẩm 0,2 – 0,9 0,2 – 0,85 1,0 – 2,5 1.1.2.2 Cấu tạo CSTN CSTN polyisopren Mạch đại phân tử CSTN hình thành từ mắt xích isopren đồng phân cis liên kết với vị trí 1, Trong CSTN khoảng 2% mắt xích liên kết với vị trí 3, Khối lượng phân tử trung bình CSTN 1,3.106 Dưới công thức cấu tạo cao su tự nhiên: H3C H H3C C CH2 H CH2 C CH2 CH2 C C C C CH2 CH3 CH2 H 1.1.2.3 Tính chất CSTN * Tính chất vật lý: Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể Vận tốc kết tinh lớn xác định -250C Cao su tinh thể nóng chảy 400C Cao su tự nhiên kết tinh có biểu rõ ràng lên bề mặt: độ cứng tăng, bề mặt vật liệu mờ (không suốt) Quá trình nóng chảy cấu trúc tinh thể cao su tự nhiên xảy Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học với tượng hấp phụ nhiệt (17 kj/mol) Ở 20– 300C cao su sống dạng crếp kết tinh đại lượng biến dạng dãn dài 70% Hỗn hợp cao su lưu hóa kết tinh đại lượng dãn dài khoảng 200% CSTN đặc trưng số tính chất vật lý sau: Khối lượng riêng: 913 kg/m3 Nhiệt độ thủy tinh hóa: -700C Hệ số dãn nở thể tích: 656.10-4 dm3/0C Nhiệt dẫn riêng: 0,14 W/m.0K Nhiệt dung riêng: 1,88 k j/ kg.0K Nửa chu kì kết tinh -250 C: 2-4 Thẩm thấu điện môi tần số dao động 1000Hz/s: 2,4 – 2,7 Tang góc tổn thất điện môi: 1,6.10-3 Điện trở riêng: + Crếp trắng: 5.1012 m 3.1012 m + Crếp hong khói: CSTN tan tốt dung môi hữu mạch thẳng, mạch vòng, tetraclorua cacbon sunfua cacbon CSTN không tan rượu, xeton Khi pha vào dung dịch cao su dung môi hữu rượu, xeton xuất hiện tượng kết tủa (keo tụ) cao su từ dung dịch [7] * Tính chất công nghệ: Trong trình bảo quản, cao su tự nhiên thường chuyển sang trạng thái tinh thể: Ở nhiệt độ môi trường (25-300C) hàm lượng pha tinh thể CSTN 40% Trạng thái tinh thể làm giảm tính mềm dẻo cao su tự nhiên Độ nhớt cao su phụ thuộc vào loại chất lượng: CSTN thông dụng độ nhớt 1440C 95 muni, cao su loại SMR -50 có độ nhớt 75 muni CSTN có khả phối trộn tốt với loại chất độn, chất phụ gia, máy luyện kín máy luyện hở Hợp phần sở CSTN có độ bền kết dính nội cao, có khả cán tráng ép phun tốt, mức độ co ngót kích thước sản phẩm nhỏ CSTN có khả phối trộn tốt với loại cao su Trần Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học nhựa nhiệt dẻo không phân cực Để đánh giá mức độ ổn định tính chất công nghệ CSTN, thương trường quốc tế sử dụng hệ số ổn định độ dẻo PRI Hệ số đánh giá tỉ số (tính phần trăm) độ dẻo cao su xác định sau 30 phút đốt nóng nhiệt độ 1400C so với độ dẻo ban đầu Hệ số cao hệ số hóa dẻo cao su nhỏ Điều có nghĩa cao su có hệ số PRI lớn, có khả chống lão hóa tốt [1] *Tính chất lý: Cao su tự nhiên có khả lưu hóa lưu huỳnh phối hợp với loại xúc tiến lưu hóa thông dụng Tính chất lý CSTN xác định theo tính chất cao su lưu hóa tiêu chuẩn Bảng 2: Thành phần tiêu chuẩn để xác định tính chất lý CSTN Thành phần STT Hàm lượng( PKL) CSTN 100 Lưu huỳnh 3,0 Mercaptobenzothiazol 0,7 ZnO 5,0 Axit stearic 0,5 Các tính chất lý đạt được: + Độ bền kéo đứt (MPa): 23 + Độ dãn dài tương đối (%): 700 + Độ dãn dư: ≤ 12 + Độ cứng tương đối (Shore A): 65 1.1.2.4 Quá trình chế biến CSTN CSTN sản xuất lừ latex chủ yếu hai phương pháp: + Keo tụ mủ cao su, rửa thành phần keo tụ sấy đến độ ẩm cần thiết + Cho bay nước khỏi mủ cao su Trần Thị Thúy 10 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng than đen tới tính chất lý vật liệu Tính chất vật liệu từ cao su nói chung từ CSTN nói riêng không phụ thuộc vào yếu tố chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn công nghệ gia công mà phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất độn Trong phần nghiên cứu này, cố định yếu tố chất vật liệu, thành phần phụ gia khác chế độ gia công khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất độn than đen (CB) tới tính chất lý vật liệu Kết khảo sát ảnh hưởng CB tới tính chất học vật liệu tổng hợp qua bảng Bảng 4: Ảnh hưởng hàm lượng than đen tới tính chất học vật liệu Tính chất Hàm lượng CB (%) Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài đứt (%) Độ mài mòn (cm3/1,61 km) Độ cứng (Shore A) 13,2 756 1,075 42 10 17,1 728 1,042 48 15 18,3 705 1,036 51 20 19,8 675 1,015 54 25 21,4 643 0,985 56 30 22,3 630 0,993 60 35 21,5 620 1,028 65 40 18,3 550 1,041 69 50 17,2 462 1,083 74 Trên hình đến hình trình bày kết khảo sát biến đổi tính lý vật liệu thay đổi hàm lượng CB từ đến 50% so với CSTN Trần Thị Thúy 33 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Những kết thể hình đây: 25.0 22.3 Độ bền kéo đứt (MPa) 20.0 21.5 21.4 19.8 18.3 18.3 17.2 17.1 15.0 13.2 10.0 5.0 0.0 10 15 20 25 30 35 40 50 Hàm lượng CB (%) Hình 3: Ảnh hưởng hàm lượng CB tới độ bền kéo đứt vật liệu 800 700 756 728 705 600 Độ dãn dài đứt (% ) 630 675 620 643 550 500 462 400 300 200 100 0 10 15 20 25 30 35 40 50 Hàm lượng CB (%) Hình 4: Ảnh hưởng hàm lượng CB tới độ dãn dài đứt vật liệu Trần Thị Thúy 34 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học 1.100 Độ mài mòn (cm3/1,61 km ) 1.083 1.075 1.080 1.060 1.042 1.036 1.040 1.041 1.028 1.020 1.015 1.000 0.993 0.980 0.985 0.960 0.940 0.920 10 15 20 25 30 35 40 50 Hàm lượng CB (%) Hình 5: Ảnh hưởng hàm lượng CB tới độ mài mòn vật liệu 80 74 70 69 65 60 Độ cứng (S hore A) 60 50 48 40 51 56 54 42 30 20 10 0 10 15 20 25 30 35 40 50 Hàm lượng CB (%) Hình 6: Ảnh hưởng hàm lượng CB tới độ cứng vật liệu Trần Thị Thúy 35 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học  Nhận xét: Từ kết cho thấy, hàm lượng CB tăng: độ bền kéo đứt, độ bền mài mòn vật liệu tăng lên nhanh (hay độ mài mòn giảm) đến giới hạn định khoảng 30% sau lại bắt đầu giảm Trong đó, độ dãn dài đứt lại giảm nhanh, đặc biệt hàm lượng CB hợp phần cao su vượt 35% giảm mạnh Riêng độ cứng tăng dần Sự biến đổi giá trị hàm lượng CB nằm vùng giới hạn tối ưu hạt chất độn CB tạo thành mạng lưới đồng thời tách phân tử CSTN hướng tạo thành mạng lưới hidrocacbon Hai mạng lưới đan xen, móc xích vào tạo thành cấu trúc cao su - chất độn liên tục làm tăng tính chất lý vật liệu Khi hàm lượng CB vượt hàm lượng tối ưu hạt độn dư không tham gia vào mạng lưới tạo thành pha riêng biệt phá vỡ cấu trúc đồng hệ làm giảm độ bền kéo đứt độ mài mòn vật liệu Mặt khác, hàm lượng CB tăng làm phần tử cao su linh động hơn, cản trở liên kết chúng Hơn nữa, thân CB cứng khả linh động làm giảm độ dãn dài tương đối đứt độ bền mài mòn vật liệu Từ kết cho thấy hàm lượng CB 25% so với CSTN độ bền kéo đứt độ bền mài mòn tăng độ dãn dài tương đối đứt giảm khoảng 15% Chính vậy, vào kết chọn hàm lượng CB 25% để tiến hành khảo sát tiếp 3.2 Ảnh hƣởng phối hợp nano-SiO2 tới tính chất lý vật liệu Việc sử dụng phối hợp chất độn hoạt tính cho hiệu ứng cộng hưởng, đặc biệt với chất độn có kích cỡ nanomet Vì phần này, sử dụng phối hợp CB với nano-SiO2 Các kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nano-SiO2 tới tính lý vật liệu từ CSTN có 25% CB biểu diễn hình đây: Trần Thị Thúy 36 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Bảng 5: Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica tới tính chất học vật liệu CSTN chứa 25% than đen Tính chất Độ bền kéo đứt (MPa) Hàm lượng nano-SiO2 (%) Độ dãn dài đứt (%) Độ mài mòn (cm3/1,61 km) Độ cứng (Shore A) 21,4 643 0,985 56,0 22,6 649 0,976 56,5 22,94 663 0,948 57,1 23,72 675 0,944 58,3 19,81 632 0,973 58,8 10 17,34 601 1,042 59,6 15 16,56 567 1,083 60,4 Những kết mô tả cụ thể qua hình 25 23.72 22.6 Độ bền kéo đứt (MPa) 20 22.94 21.4 19.81 17.34 16.56 15 10 0 10 15 Hàm lượng nano-SiO2 (%) Hình 7: Ảnh hưởng hàm lượng nano- SiO2 tới độ bền kéo đứt vật liệu CSTN có chứa 25% CB Trần Thị Thúy 37 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học 700 680 675 Độ dãn dài đứt (% ) 660 640 663 649 643 632 620 601 600 580 567 560 540 520 500 Hàm lượng nano-SiO2 (%) Hình 8: Ảnh hưởng hàm lượng nano- SiO2 tới độ dãn dài đứt vật liệu CSTN có chứa 25% CB 1.100 Độ mài mòn (c m3/1,61 km) 1.083 1.050 1.042 1.000 0.976 0.985 0.973 0.950 0.944 0.948 0.900 0.850 10 15 Hàm lượng nano-SiO2 (%) Hình 9: Ảnh hưởng hàm lượng nano- SiO2 tới độ mài mòn vật liệu CSTN có chứa 25% CB Trần Thị Thúy 38 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học 61 60.4 60 59.6 Độ c ứng (S hore A) 59 58.8 58.3 58 57 57.1 56.5 56 56 55 54 53 10 15 Hàm lượng nano-SiO2 (%) Hình 10: Ảnh hưởng hàm lượng nano- SiO2 tới độ cứng vật liệu CSTN có chứa 25% CB  Từ kết hình đến hình 10, nhận thấy độ bền kéo đứt, độ dãn dài đứt vật liệu tăng hàm lượng nano-SiO2 tăng dần hợp phần cao su đến 5% Sau tiếp tục tăng hàm lượng nano-SiO2 tính chất vật liệu lại giảm Độ mài mòn vật liệu giảm dần (hay độ bền mài mòn tăng) khoảng hàm lượng nano-SiO2 từ - 5%, sau độ mài mòn vật liệu lại tăng hàm lượng nano-SiO2 lớn 5% Riêng độ cứng vật liệu tăng chậm hàm lượng nano-SiO2 tăng Hiện tượng thay đổi tính chất giải thích sau: lúc đầu hạt độn nano-SiO2 có mặt khối vật liệu tạo thành pha riêng làm sở tạo thành mạng lưới độn Khi hàm lượng nano-SiO2 tăng đến 5%, mặt, hạt độn tiếp tục hoàn chỉnh mạng lưới độn đan xen vào mạng lưới CSTN CB, mặt khác hiệu ứng kích cỡ nanomet với diện tích bề mặt lớn làm tăng khả tương tác chất độn với cao su chất độn với chất độn nhờ làm tăng độ bền kéo đứt, độ dãn dài đứt độ bền mài mòn vật liệu Nếu tiếp tục tăng hàm lượng nano-SiO2, hạt độn dư tập hợp thành pha nêm cản trở tương tác Trần Thị Thúy 39 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học pha vật liệu làm suy giảm nhanh tính lý vật liệu Vì vậy, hàm lượng nano-SiO2 tối ưu phối hợp với CB cho vật liệu từ CSTN 5% 3.3 Nghiên cứu trình biến tính tới cấu trúc hình thái vật liệu Để đánh giá cấu trúc hình thái vật liệu, dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để chụp bề mặt gãy số mẫu vật liệu tiêu biểu Hình 11: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN/25% CB Trần Thị Thúy 40 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Hình 12: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN/25% CB/5% nano-SiO2 Hình 13: Ảnh SEM bề mặt gãy mẫu vật liệu CSTN/25% CB/15% nano-SiO2 Trần Thị Thúy 41 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Từ kết phân tích cấu trúc hình thái thu nhận thấy rằng: mẫu cao su tự nhiên có 25% CB, chất độn CB phân bố tương đối đồng bề mặt CSTN Tuy nhiên, bề mặt gãy vật liệu có tượng lồi lõm Khi có thêm 5% nano-SiO2 vào mẫu trên, làm cấu tử khối vật liệu trộn vào tốt hơn, bề mặt gãy vật liệu mịn màng, nên cấu trúc hình thái vật liệu chặt chẽ Khi tiếp tục tăng hàm lượng nano-SiO2 (15%) bề mặt gãy vật liệu xuất kết tụ chất độn Do cấu trúc hình thái vật liệu không chặt chẽ dẫn tới tính chất vật liệu giảm (như nêu phần khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nano-SiO2 tới tính chất lý vật liệu) Như vậy, với hàm lượng 5% nano-SiO2 làm thay đổi cấu trúc hình thái vật liệu theo chiều hướng tích cực, làm tăng tính chất lý vật liệu 3.4 Nghiên cứu trình biến tính tới khả bền nhiệt vật liệu Độ bền nhiệt vật liệu đánh giá thông qua trình phân hủy nhiệt số mẫu vật liệu tiêu biểu phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Kết nghiên cứu trình bày hình bảng Trần Thị Thúy 42 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Hình 14: Biểu đồ TGA mẫu vật liệu CSTN/25%CB Hình 15: Biểu đồ TGA mẫu vật liệu CSTN/25% CB/5% nano-SiO2 Trần Thị Thúy 43 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học Hình 16: Biểu đồ TGA vật liệu CSTN/25% CB/15% nano-SiO2 Bảng 6: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy tổn hao trọng lượng vật liệu Mẫu vật liệu Nhiệt độ bắt đầu phân hủy [oC] CSTN/25% CB CSTN/25% CB/5% nano-SiO2 CSTN/25% CB/15% nano-SiO2 Nhiệt độ phân hủy mạnh [oC] 547,09 Mất khối lượng đến 440 0C [%] 302,2 Nhiệt độ phân hủy mạnh [oC] 374,05 303,6 374,07 555,22 65,829 299,0 375,06 550,22 62,625 66,359 Từ kết bảng cho thấy, độ bền nhiệt vật liệu biến đổi biến tính CSTN/25% CB nanosilica Tuy nhiên, nhiệt độ bắt đầu phân hủy vật liệu có biến đổi rõ rệt tăng hàm lượng nanosilica (15%) điều giải thích hàm lượng nanosilica hợp phần cao su lớn dẫn tới tạo thành pha riêng biệt, làm giảm kết cấu chặt chẽ vật liệu dẫn đến tính bền nhiệt vật liệu giảm Trần Thị Thúy 44 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thu cho thấy rằng: - Hàm lượng CB tối ưu dùng để biến tính CSTN 25%, tỉ lệ vật liệu đạt tính học sau: o Độ bền kéo đứt: 21,4 MPa o Độ dãn dài đứt: 643 % o Độ bền mài mòn: 0,985 cm3/1,61km o Độ cứng: 56 Shore A - Khi phối hợp thêm nanosilica, tính chất học vật liệu tăng mạnh đạt cực đại 5% nanosilica với giá trị sau: o Độ bền kéo đứt: 23,72 MPa o Độ dãn dài đứt: 675 % o Độ bền mài mòn: 0,944 cm3/1,61km o Độ cứng: 58,3 Shore A - Ở hàm lượng nanosilica 5%, cấu trúc hình thái vật liệu mịn màng chặt chẽ, chất độn phân phân tán đồng cao su Khi hàm lượng nanosilica lớn (15%) có tượng chất độn kết tụ, làm giảm tính chất học vật liệu - Sử dụng phối hợp nanosilica với than đen ảnh hưởng đáng kể tới độ bền nhiệt vật liệu (thể nhiệt độ bắt đầu phân hủy, nhiệt độ phân hủy cực đại tổn hao khối lượng thay đổi không đáng kể) - Vật liệu CSTN gia cường than đen phối hợp nanosilica đáp ứng yêu cầu chế tạo sản phẩm cao su có độ bền học cao nói chung đệm chống va đập tàu biển chất lượng cao nói riêng Trần Thị Thúy 45 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt La Văn Bình (2002), Khoa học công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Bùi Chương, Đặng Việt Hưng, Phạm Thương Giang (2007), “Sử dụng silica biến tính (3–trietoxysilylpropyl) tetrasunfit (TESPT) làm chất độn gia cường cho hỗn hợp cao su tự nhiên – butadien”, Tạp chí hóa học, T.45, N4, tr.67-71 “Dự báo tình hình giá cả, thị trường cao su năm 2011” Trung tâm Tin học Thống kê Bộ NN PTNT Việt Nam 10/2/2011 Thái Hoàng, Vật liệu polyme Blend; Tập giảng cho lớp Công nghệ vật liệu polyme khóa 45 Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện (1995), Vật liệu tổ hợp polyme ứng dụng; Tạp chí hoạt động khoa học, số 10, tr 37 - 41 Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện (1996), Quá trình phát triển ứng dụng vật liệu polyme; Tạp chí hoạt động khoa học, số 3, tr 40 - 42 Ngô Phú Trù (1995), Kỹ thuật chế biến gia công cao su Nhà xuất trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trần Đức Viên, “Phát triển bền vững ngành cao su Việt Nam thời kỳ hội nhậpkinh tế quốc tế”, Báo cáo tham luận trường ĐH Nông Nghiệp Hà Nội, Trung tâm thông tin Công Nghiệp thương mại, Bộ Công Thương tổ chức Hà Nội năm 2008 Tiếng Anh Polymer nanocomposites, http://vi.wikipedia.org/wiki/polyme_nano composites Trần Thị Thúy 46 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Hóa học 10 Hua Zou, Shishan Wu, Jian Shen (2008), Polymer/Silica Nanocomposites: Preparation, Characterization, Properties, and Applications, Chem Rev, Vol 108, 3893–3957 11 Sol-gel methods, http://cheminfo.chemi.muni.cz/materials/InorgMater/ sol_gel Pdf 12 T Jesionowski, J.Zurawska, A.Krysztafkiewicz (2008), Surface properties and dispersion behaviour of precipitated silicas, Journal of materials science, Vol 37, 1621 – 1633 13 Yu E Pivinskii (2007), Nanodisperse silica and some aspects of nanotechnologies in the field of silicate materials science, part 1, Refractories and Industrial Ceramics, Vol 48, No 14 T L Vigo and B J Kinzig, “An Overview of Organic Polymeric Matrix Resins for Composites”, Composite applications: The role of matrix fiber and interface, p 3-30, VHC publisher Inc, 1992 15 M Arroyo (2003), Organo-Montmorillonite as substitute of carbon black in natural rubber compounds, Polymer, Vol 44, p 2447-2453 Trần Thị Thúy 47 Khóa luận tốt nghiệp [...]... định và biện luận tính chất cơ lý của cao su độn [5, 7] Trần Thị Thúy 26 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoa Hóa học Chƣơng 2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Những vật liệu nghiên cứu trong khóa luận này bao gồm: CSTN, nanosilica, than đen, các phụ gia khác được trình bày cụ thể dưới đây: 2.1.1 Cao su tự nhiên * Cao su tự nhiên đã được sử dụng là cao su. .. loại cao su kỹ thuật, dây cáp và các loại lốp Đưa 20-50% khối lượng bột mịn SiO2 vào cao su tự nhiên hay cao su tổng hợp giúp cải thiện độ dai, độ cứng, độ bền xé của sản phẩm cao su Khả năng tăng cường của bột mịn SiO 2 cũng vượt hơn hẳn các chất độn tự nhiên và khác với muội than, nó cho phép tạo ra những sản phẩm cao su trắng và cao su màu Với công nghệ dây cáp, bột này được sử dụng chủ yếu làm vỏ... nâng cao tính năng cơ lý, mở rộng khả năng ứng dụng cho CSTN người ta thường biến tính bằng cao su tổng hợp, hoặc nhựa nhiệt dẻo tạo ra vật liệu cao su blend Nhiều vật liệu cao su blend đã được chế tạo và ứng dụng rộng rãi như cao su blend của CSTN/SBR làm các loại lốp xe cộ, blend CSTN /cao su nitril (NBR) chế tạo các sản phẩm cao su bền dầu như giày, ủng,… 1.1.4.4 Biến tính cao su bằng nanosilica và than. .. Nội 2 Khoa Hóa học Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng than đen tới tính chất cơ lý của vật liệu Tính chất của vật liệu từ cao su nói chung và từ CSTN nói riêng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố như bản chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn và công nghệ gia công mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng chất độn Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi cố định các yếu... than đen Silica và than đen được coi là chất độn gia cường trong công nghiệp cao su Hình dưới đây là biểu đồ phân loại các chất độn cũng như khả năng gia cường của chúng đối với cao su Trần Thị Thúy 16 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoa Hóa học Hình 2: Biểu đồ phân loại chất độn Như vậy, silica và than đen là các chất độn có hiệu quả cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp... vào hợp phần cao su với hàm lượng khác nhau: 0, 10, 15, 20, 25, 50 PKL so với cao su Chế tạo mẫu thử và khảo sát tính chất cơ lý, từ đó rút ra hàm lượng tối ưu của than đen Tiếp đó chúng tôi phối hợp vật liệu có hàm lượng than đen tối ưu với nano-SiO2 và khảo sát tính chất cơ lý để rút ra hàm lượng nano-SiO2 phối hợp thích hợp 2.2.2 Chế tạo vật liệu CSTN được cắt mạch sơ bộ rồi phối trộn với than đen, ... của than hoạt tính với các nhóm phân cực, các liên kết đôi có trong mạch đại phân tử Dựa vào các thành phần nguyên tố hoá học của than hoạt tính có thể chọn loại than hoạt tính thích hợp cho từng loại cao su để đạt được lực tác dụng giữa than và mạch cao su lớn nhất Ngày nay, ở Mỹ chủ yếu sản xuất 3 loại than hoạt tính: than lò, than nhiệt phân và than máng Ở Nga thì sự phân loại than hoạt tính dựa vào... pháp nghiên cứu 2.2.1 Thành phần mẫu nghiên cứu Do yêu cầu của một số sản phẩm cao su kỹ thuật, chúng tôi nghiên cứu và đưa ra đơn pha chế (Mo) của một sản phẩm cao su gồm các thành phần sau: Trần Thị Thúy 28 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoa Hóa học Cao su tự nhiên Axit stearic Lưu huỳnh Oxit kẽm Phòng lão A Phòng lão D Xúc tiến DM Xúc tiến D Trên cơ sở đó thêm dần than đen vào... thuật: than hoạt tính là một thành phần lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, miếng hoạt tính trong khẩu trang), miếng khử mùi trong tủ lạnh và điều hòa nhiệt độ,… - Trong xử lý nứơc (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vi lượng - Tác dụng tốt trong phòng tránh các tác hại của tia đất, 1.3.5 Ứng dụng trong công nghiệp cao su Than hoạt tính là chất độn tăng cường chủ yếu được dùng trong công. .. giữa polyme và than hoạt tính có nhiều loại tác dụng - lực Van der Waals, lực liên kết hidro và trong nhiều trường hợp giữa polyme và than hoạt tính xuất hiện những liên kết hoá học đảm bảo cho hợp phần cao su - than hoạt tính có độ bền cơ học cao Sự có mặt những ái lực giữa hai loại vật liệu này giữ vai trò quan trọng trong quá trình tăng cường lực Hiệu quả tăng cường lực cao su bằng than hoạt tính ... mòn cao nên chọn đề tài Nghiên cứu phối hợp nanosilica than đen làm phụ gia gia công cao su tự nhiên để làm đề tài cho khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu đề tài là: Chế tạo vật liệu CSTN /than đen/ silica... LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Những vật liệu nghiên cứu khóa luận bao gồm: CSTN, nanosilica, than đen, phụ gia khác trình bày cụ thể đây: 2.1.1 Cao su tự nhiên * Cao su tự. .. quan cao su tự nhiên Cao su tự nhiên vật liệu polyme tách từ nhựa cao su Cây cao su (Hevea Brasiliensis) phát sử dụng lần vào cuối kỷ XVI Nam Mỹ Trong thời gian thổ dân biết trích nhựa cao su để