Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit mica CSTN (KL03466)

Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, phát triển ngành Khoa học vật liệu cho nhiều loại vật liệu khác từ nhựa tổng hợp, compozit, kim loại, silicon…nhưng có loại nguyên vật liệu truyền thống có gần hai kỷ cao su thiên nhiên (CSTN) giữ mạnh Nhờ tính chất lý đặc trưng, CSTN ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Trong kỹ thuật gia công cao su, để tạo cho cao su có tính cần thiết, cao su sống hỗn luyện với thành phần khác có nguồn gốc hữu vô Một chất độn vô có nguồn gốc tự nhiên mica, quan tâm khai thác, tinh chế nước ta Cùng với đặc trưng hình dạng, mica ngày trở nên quan trọng nhiều lĩnh vực, đặc biệt sử dụng làm chất độn gia cường công nghiệp cao su chất dẻo Mica vật liệu polyme có nhiều ảnh hưởng tích cực đến tính chất vật liệu Trước thực tế đó, ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu Compozit CSTN/mica’’ lựa chọn để làm đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích đề tài nghiên cứu ứng dụng Mica chất độn gia cường cho vật liệu compozit/CSTN để chế tạo vật liệu cao su có tính kĩ thuật cao NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu khả trộn hợp khoáng Mica với CSTN - Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng khoáng Mica đến tính chất vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội - Viện Khoa học Vật Liệu Nghiên cứu ảnh hưởng loại Mica biến đổi hợp chất Silan khác đến tính chất khả trộn hợp vật liệu - Nghiên cứu cấu trúc hình thái độ bền nhiệt vật liệu Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Chương 1: TỔNG QUAN TÌM HIỂU VỀ CAO SU THIÊN NHIÊN 1.1 Lịch sử phát triển Người Âu châu biết đến cao su thiên nhiên (CSTN) có lẽ Christophe Colomb Trong hành trình thám hiểm sang châu Mỹ lần thứ hai, ông có biết tới trò chơi dân địa phương Haiti (quần đảo thuộc châu Mỹ) sử dụng bóng tạo từ chất nhựa có tính đàn hồi, kích thước bóng nay, tung chuyền đưa qua lỗ khoét tường vai cùi tay, bắp vế, thay dùng bóng làm vải độn lúc châu Âu [1] Đến năm 1839, nung nóng cao su với lưu huỳnh nhà khoa học (Guder Gencoc) nhận thấy sau khoảng thời gian định tính chất cao su ban đầu: biến dạng dẻo, chảy nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ cao, độ bền học thấp thay đổi biến dạng đàn hồi cao, độ bền học cao bền tác dụng nhiệt độ Quá trình thay đổi tính chất vật liệu tác dụng lưu huỳnh gọi trình lưu hóa [2] Từ đó, CSTN ứng dụng rộng rãi để sản xuất nhiều loại sản phẩm thông dụng Đến đầu kỉ XX, với phát triển ngành hóa học đặc biệt đời thuyết cấu tạo polyme CSTN nghiên cứu cách kỹ lưỡng có ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học đời sống 1.2 Chế biến mủ cao su (latex) [2] 1.2.1 Mủ CSTN Mủ CSTN nhũ tương nước hạt cao su với hàm lượng phần khô ban đầu từ 28 – 40% Các hạt cao su có kích thước nhỏ (0,05 – 3µm), hạt cao su trạng thái chuyển động Hạt latex có hai lớp, bên hydrocacbon, bên lớp hấp phụ có nhiệm vụ bảo vệ latex không bị keo tụ Thành phần hóa học lớp hợp chất chứa nitơ Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu thiên nhiên protein, chất béo muối xà phòng axit béo Mủ cao su sau chiết từ có chứa nhiều nước gây nhiều trở ngại cho trình bảo quản, vận chuyển…Do mủ phải sơ chế để cô đặc lại Thông thường sử dụng ba phương pháp để cô đặc mủ CSTN : Phương pháp lắng Do khác biệt khối lượng riêng phần khô (cao su) serum nên áp dụng tượng lắng tách tự nhiên pha cao su Phương pháp thu hàm lượng polime cao, dễ làm tốn lượng Tuy cho suất thấp thời gian cô đặc dài Phương pháp li tâm Phương pháp sử dụng máy li tâm với vận tốc lớn (1800 vòng/phút) Phương pháp li tâm cho hàm lượng mủ cao su đạt từ 60 – 65%, nhanh cho suất cao Tuy nhiên, nhược điểm latex thu bền tác dụng lực li tâm lớn Phương pháp bay tự nhiên Đây phương pháp dùng rộng rãi nhiều sở sản xuất nhỏ Phương pháp đòi hỏi phải có nhà xưởng rộng, thoáng thiết bị lớn Tuy không tốn lượng dễ tiến hành 1.2.2 Chế biến mủ cao su, cao su sống CSTN sản xuất từ latex chủ yếu hai phương pháp : - Keo tụ mủ cao su, rửa phần keo tụ nước mềm sấy cao su đến độ ẩm cần thiết Phương pháp cho sản phẩm có độ tinh khiết cao - Cho bay nước khỏi mủ cao su, sau rửa sấy, phương pháp cho chất lượng Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Trên trường quốc tế, CSTN thường trao đổi hai dạng chính: crep hong khói (Ribbed smokedsheets) với loại chất lượng khác crep trắng (Palecreprubber) Phương pháp sản xuất cao su crep hong khói (xông khói) Crep hong khói (Ribbed smokedsheets) sản xuất từ mủ CSTN phương pháp keo tụ Công nghệ sản xuất loại dây chuyền bao gồm giai đoạn khép kín : lọc → pha loãng → keo tụ → cán ép nước→ cán rãnh → ngâm nước → sấy hong khói → KCS + đóng gói.[2] Phương pháp sản xuất crep trắng Crep trắng sản xuất gồm công đoạn tương tự crep xông khói, nhiên có khác giai đoạn sau : Trước keo tụ latex cho vào dung dịch NaHSO3 1% (tỉ lệ 1/10) 2NaHSO3 → Na2SO3 + H2SO3 Axit H2SO3 bền phân hủy thành SO2 có tác dụng tẩy trắng mủ cao su trước keo tụ: H2SO3 → SO2 + H2O Sau tiếp tục cho dung dịch axit axetic 1% vào để tiến hành keo tụ mủ cao su Với phần cao su keo tụ qua sàng nhiều tầng cán rửa cao su máy trục Sau cán xuất dây khoảng 6mm, đem treo giá chuyển vào lò sấy khô nhiệt độ 30 – 35 0C Trong khoảng thời gian từ - tuần[2] 1.3 Thành phần cao su cấu tạo hóa học CSTN Thành phần hóa học CSTN gồm nhiều chất khác nhau: hidrocacbon (thành phần chủ yếu), chất trích ly axeton, chất chứa nitơ mà chủ yếu protein chất khoáng Hàm lượng chất dao động lớn phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi cây, cấu tạo thổ nhưỡng khí hậu nơi sinh trưởng mùa khai thác mủ Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Bảng 1.1: Thành phần hóa học CSTN Loại cao su STT Thành phần Crep hong khói Crep trắng Bay Hidrocacbon 93 ÷ 95 93 ÷ 95 85 ÷ 90 Các chất trích Axeton 1,3 ÷ 1,5 2,2 ÷ 3,45 3,6 ÷ 5,2 Các 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 0,15 ÷ 0,85 0,16 ÷ 0,85 1,5 ÷ 1,8 Độ ẩm 0,2 ÷ 0,9 0,2 ÷ 0,9 1,0 ÷ 2,5 Về mặt hóa học, CSTN polyisopren- polyme isopren Mạch đại phân tử CSTN hình thành từ mắt xích isopren đồng phân cis liên kết với vị trí 1,4 Ngoài đồng phân cis 1,4, CSTN có khoảng 2% mắt xích liên kết với vị trí 3,4 Các chất trích ly axeton có thành phần bao gồm 51% axit béo (axit cobic, axit stearic) phần lại axit amin béo hợp chất photpho hữu Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Các hợp chất chứa nitơ gồm protein axit amin (sản phẩm phân hủy protein) Các chất làm giảm tính kĩ thuật CSTN, đặc biệt độ cách điện chúng có khả hút ẩm Chất khoáng (thành phần thu sau trình thiêu kết polyme) gồm hợp chất kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ muối natri, muối kali, oxit kim loại Fe2O3, MnO2, CuO,… Hàm lượng chất khoáng CSTN phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi cao su, khí hậu, thổ nhưỡng, mùa thu hoạch mủ 1.4 Tính chất cao su ứng dụng 1.4.1 Tính chất cao su a) Tính chất vật lý Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể CSTN kết tinh mạnh -25oC Các thông số vật lý đặc trưng CSTN: Khối lượng riêng 913 kg/m3 Nhiệt độ hóa thủy tinh -70 oC Hệ số giãn nở thể tích 656.10-4 dm3/oC Nhiệt dẫn riêng 0,14 w/mK Nhiệt dung riêng 1,88 kJ/kgK Nửa chu kì kết tinh 25oC - Thẩm thấu điện môi tần số dao động 1000Hz/s 2,4-2,7 Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu 1,6.10-3 Tang góc tổn hao điện môi Điện trở riêng: - Crep trắng 5.1012 Ω.m - Crep hong khói 3.1012 Ω.m CSTN kết tinh có biểu rõ ràng lên bề mặt tăng độ cứng, làm mặt vật liệu mờ không suốt CSTN tan tốt nhiều dung môi hữu mạch thẳng, mạch vòng, CCl4, CM2 không tan rượu, xeton b) Tính chất lý CSTN lưu hóa lưu huỳnh phối hợp với số loại chất xúc tiến thông dụng Hỗn hợp cao su lưu hóa nhiệt độ từ 145oC - 150oC với thời gian tối ưu 20 – 30 phút có tính chất lý sau: Độ bền kéo đứt 23 Độ dãn dài tương đối 700 [%] Độ dãn dư Độ cứng tương đối [MPa] ≤ 12 [%] 65 [shoreA] Tính chất lý CSTN xác định theo tính chất hợp phần cao su tiêu chuẩn sau: Bảng 1.2: Thành phần tiêu chuẩn xác định tính chất lý CSTN STT Khóa luận tốt nghiệp CSTN 100,0 Lưu huỳnh Thành phần Mercaptobenzolthiazol 3,0 Hàm lượng (PKL) 0,7 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Kẽm oxit 5,0 Axit stearic 0,5 Hợp phần CSTN với chất độn hoạt tính có độ đàn hồi cao, chịu lạnh tốt, chịu tác dụng động lực tốt,… c) Tính chất công nghệ - Độ kết tinh : 40% 25-30oC - Độ nhớt phụ thuộc vào loại CSTN - Độ dẻo phụ thuộc vào độ nhớt - Hệ số ổn định độ dẻo (PRI): tỷ số độ dẻo cao su sau 30 phút 144oC độ dẻo ban đầu PRI cao vận tốc hóa dẻo nhỏ, tức khả chống lão hóa tốt CSTN có khả trộn hợp tốt với loại chất độn,… loại cao su không phân cực khác 1.4.2 Ứng dụng Một số sản phẩm ứng dụng CSTN công nghiệp: - Nhiều doanh nghiệp ngành sản xuất vỏ xe số ngành sử dụng nguyên liệu CSTN - Kymdan, nhà kinh doanh sản xuất nệm từ CSTN lớn lâu đời Việt Nam đưa thị trường nhiều sản phẩm cao cấp có giá trị thương phẩm cao xuất như: nệm, gối, giường xếp di động, salon, búp bê, tay mái chèo, ruột banh, joint ống nước,… - Chế tạo ống mềm chịu lực từ cao su compozit cho tàu nạo vét sông, biển có chất lượng tương đương Khóa luận tốt nghiệp Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu - Viên lát gạch vỉa hè, gờ giảm tốc sàn thể thao CSTN Và nhiều sản phẩm khác Nhờ tính chất lý đặc trưng, CSTN trở thành loại vật liệu kết cấu quan trọng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Những năm gần có nhiều loại cao su tổng hợp, polyme đời thay vai trò CSTN Trong tương lai, CSTN vật liệu chế biến sở CSTN không ngừng phát triển CÁC CHẤT PHỐI HỢP CHO CSTN 2.1 Các phụ gia cho phản ứng lưu hóa Lưu hóa cao su biến đổi cao su sống có xu hướng trì tính đàn hồi vừa làm giảm tính dẻo 2.1.1 Chất lưu hóa Chất lưu hóa đa dạng chủng loại Trong tiểu luận xin đề cập tới lưu huỳnh số chất lưu hóa điển hình a) Lưu huỳnh Lưu huỳnh nguyên tố phổ biến vỏ trái đất Nó gọi nhiều tên khác : lưu hoàng, diêm sinh, soufre, sufua…có kí hiệu S Trên thực tế, lưu huỳnh thương mại trao đổi với dạng : lưu huỳnh thỏi, lưu huỳnh thăng hoa, lưu huỳnh thăng hoa rửa lại lưu huỳnh kết tủa *Công dụng Lưu huỳnh sử dụng làm chất lưu hóa cho cao su latex thiên nhiên, tổng hợp ngoại trừ cao su cloropren Đây chất sử dụng phổ biến cho mặt hàng cao su tiêu dùng 100 năm qua Hoạt động lưu huỳnh hỗn hợp cao su phụ thuộc vào có Khóa luận tốt nghiệp 10 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu a- Phương pháp xác định độ bền kéo đứt: Cắt mẫu thành hình mái chèo đo máy đo kéo đứt Đài Loan theo tiêu chuẩn TCVN 4509-88 (để đo độ bền kéo đứt, độ giãn dài đứt) Độ bền kéo đứt tính theo công thức: kđ  F Bh Trong : kđ : độ bền kéo đứt (N/mm2, MPa) F : lực kéo đứt mẫu (N) B : bề rộng mẫu trước kéo (mm) H : chiều dày mẫu trước kéo (mm) b- Phương pháp xác định độ giãn dài đứt: Độ dãn dài đứt xác định theo công thức:  l1  l0 100 l0 (%) Trong đó: l0: độ dài hai điểm đánh dấu lên mẫu trước kéo [ mm] l1: chiều dài hai điểm đánh dấu mẫu đứt [ mm] c- Phương pháp xác định môdun đàn hồi: Modun đàn hồi xác định công thức: Eđh =  đh (MPa)  đh Môdun đàn hồi xác định thời điểm kéo đứt hay Khóa luận tốt nghiệp 42 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu độ dãn dài khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu khảo sát vật liệu 2.3.3 Khảo sát khả trộn hợp Khả trộn hợp mica với CSTN xác định thiết bị trộn kín BRABENDER Nhiệt độ trộn hợp lựa chọn Các giá trị moment xoắn cực đại, cực tiểu (Mmax Mmin) nhiệt độ cuối moment xoắn đạt cân giá trị cần quan tâm 2.3.4 Xác định cấu trúc hình thái Cấu trúc hình thái vật liệu nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM), thiết bị JSM-6490 (JEOL-Nhật Bản) Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu, Viện khoa học vật liệu Mẫu nghiên cứu ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gãy, cắt lấy kích thước thích hợp Mẫu tạo thành gắn lên đế, bề mặt gãy phủ lớp platin mỏng phương pháp bốc bay chân không 2.3.5 Xác định độ bền nhiệt vật liệu Thiết bị phân tích nhiệt DTG60H hãng Shimadzu Quá trình phân tích thực điều kiện sau: - Khoảng nhiệt độ: 25-8000C, - Tốc độ gia nhiệt: 10 0C/phút - Môi trường: Argon Khóa luận tốt nghiệp 43 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khả trộn hợp bột khoáng mica với CSTN Trong trình gia công chất dẻo cao su, khả trộn hợp phụ gia, bột độn gia cường khoáng vô cần quan tâm Đặc tính ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo vật liệu tính chất sau Hình 3.1: Giản đồ trộn hợp CSTN/mica Trên giản đồ trộn hợp CSTN/mica có giá trị moment xoắn cực đại, cực tiểu (Mmax Mmin) nhiệt độ cuối moment xoắn đạt cân giá trị cần quan tâm Lúc đầu moment xoắn tăng nhanh hệ CSTN/mica chưa đồng nhiệt độ thấp Sau đạt giá trị cực đại Mmax, moment xoắn giảm dần với gia tăng nhiệt độ lực ma sát gây Moment xoắn đạt giá trị cân thể khối vật liệu đồng Các giá trị Mmax Mmin thấp khả trộn hợp tổ hợp vật liệu dễ dàng Khóa luận tốt nghiệp 44 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Trong khuôn khổ đề tài này, khảo sát khả trộn hợp loại khoáng mica (ký hiệu M1n, M2n, M1ta, M2ta, M1tv M2tv) so sánh với loại bột độn gia cường thông dụng SiO2 Kaolin Quá trình trộn hợp khảo sát máy Brabender 3.1.1 Khả trộn hợp CSTN với mica chưa biến đổi bề mặt Trên bảng 3.1 thấy rằng, nhiệt độ 50 0C giá trị Mmax Mmin mẫu có loại khoáng mica M1 M2 nhỏ nhiều so với SiO2 Kaolin Điều chứng tỏ tổ hợp CSTN/ mica dễ trộn hợp tổ hợp CSTN/SiO2 (Kaolin), dẫn đến thời gian trộn hợp cần thiết để tổ hợp đồng lớn hơn, SiO2 Nhiệt độ sinh trình trộn hợp CSTN với SiO2 cao (99 0C) Bảng 3.1: Quá trình trộn hợp mica chưa biến đổi bề mặt với CSTN 50 0C Mẫu NM120 Mica Mmax Mmin Nhiệt độ cuối Ký hiệu PKL (Nm) (Nm) T (0C) 22,4 11,6 83 20,3 11,6 83 28 17,6 99 25,8 12,6 85 M1n M2n NM220 ĐC1 SiO2 ĐC2 Kaolin 20 20 Ghi chú: - M1, M2 ký hiệu loại khoáng mica Như mica có khả trộn hợp tốt với CSTN Với tính ưu việt giá hấp dẫn, mica thay số phụ gia khác để làm chất gia cường cho CSTN 3.1.2 Khả trộn hợp CSTN với mica biến đổi bề mặt Các giá trị Mmax Mmin trình trộn hợp CSTN với mica Khóa luận tốt nghiệp 45 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu biến đổi bề mặt 50 0C thể bảng 3.2: Bảng 3.2: Quá trình trộn hợp mica biến đổi bề mặt với CSTN 50 0C Mẫu Mica Mmax Mmin Nhiệt độ cuối Ký hiệu PKL (Nm) (Nm) T (0C) 22,3 12,7 83 20,1 11,3 82 21,9 10,6 83 19,9 11,6 82 AM1-20 M1ta AM2-20 M2ta VM1-20 M1tv VM2-20 M2tv 20 20 Ghi chú: - M1, M2 ký hiệu loại khoáng mica - ta, tv: Được xử lý aminsilan vinylsilan tương ứng Cao su sử dụng mica biến đổi bề mặt aminsilan (các mẫu AM1-20 AM2-20) có giá trị Mmax Mmin cao so với mẫu có sử dụng mica biến đổi bề mặt vinylsilan (các mẫu VM1-20 VM2-20) Bảng 3.3: Quá trình trộn hợp mica biến đổi bề mặt với CSTN 60 0C Mẫu Mica Mmax Mmin Nhiệt độ cuối (N.m) (N.m) T (0C) NM1-20 M1n 18,1 11,7 87 NM2-20 M2n 18 11,5 86 AM1-20 M1ta 15,2 11 80 AM2-20 M2ta 16,6 11,1 82 Ghi chú: - M1, M2 ký hiệu loại khoáng mica - ta: Được xử lý aminsilan So với mẫu có mica chưa biến đổi bề mặt giá trị không Khóa luận tốt nghiệp 46 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu khác nhiều, nhiên nhiệt độ trộn hợp cao (60 0C) khác biệt thể rõ nét (bảng 3.3) Các giá trị Mmax Mmin mẫu chứa mica có xử lý bề mặt (M1ta M2ta) thấp nhiệt độ phát sinh trình trộn hợp Như vậy, hợp chất silan biến đổi bề mặt khoáng mica giúp cho trình trộn hợp với CSTN thuận lợi nhiều 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng mica đến độ bền kéo đứt vật liệu cao su Độ bền kéo đứt vật liệu CSTN có chứa mica không biến đổi biến đổi bề mặt hàm lượng khác trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4: Độ bền kéo đứt vật liệu cao su gia cường khoáng mica Loại khoáng mica pkl M1n M2n M1ta M2ta M1tv M2tv 100 100 100 100 100 100 122,2 109,8 136,8 105,3 150,6 149,1 10 126,8 115,9 192,9 116,9 228,7 205,1 20 154,9 145,5 229,2 204,3 239,5 216,4 30 139,1 107,6 176,9 175,9 261,6 220,5 Ghi chú: - M1, M2 ký hiệu loại khoáng mica - ta, tv: Được xử lý aminsilan vinylsilan tương ứng Từ bảng 3.4 thấy hàm lượng mica tăng lên, giá trị kđ tăng theo hầu hết vật liệu có chứa khoáng mica Tuy nhiên vật liệu gia cường mica M1n, M2n M1ta, M2ta (mica M1 M2 chưa biến đổi bề mặt biến đổi bề mặt aminsilan tương ứng) giá trị Khóa luận tốt nghiệp 47 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu đạt cực đại hàm lượng 20 pkl Ở hàm lượng này, độ bền kéo đứt vật liệu có chứa mica không biến đổi bề mặt tăng gấp 1,5 lần, có chứa mica biến đổi bề mặt M1ta M2ta tăng lên lần Trong đó, cao su gia cường mica M1tv M2tv (mica M1 M2 biến đổi bề mặt vinylsilan) có giá trị kđ lớn hàm lượng 30 pkl, gia tăng tới 260 220 % tương ứng Như vậy, khoáng mica loại bột gia cường có ích cho cao su, làm tăng độ bền kéo đứt cho vật liệu Mica xử lý bề mặt có tác dụng gia tăng độ bền kéo đứt cho cao su mica nguyên thuỷ Mica M1tv M2tv có ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo đứt vật liệu Hàm lượng mica cao trộn hợp với CSTN 20 % mica chưa biến đổi bề mặt biến đổi bề mặt aminsilan, 30 % mica biến đổi bề mặt vinylsilan 3.3 Ảnh hưởng khoáng mica đến độ bền nhiệt vật liệu Trên sở kết nghiên cứu trên, chọn mẫu vật liệu Mo, NM1-30 VM1-30 để khảo sát độ bền nhiệt phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA Giản đồ nhiệt loại vật liệu thể hình 3.2 Trên giản đồ TGA CSTN (hình 3.2a) xuất vùng phân huỷ mạnh đặc trưng CSTN 340,62 0C 492,71 0C, vùng nhiệt độ ban đầu quan trọng Ở vùng nhiệt độ khối lượng vật liệu suy giảm phần lớn (74,48 %), đặc trưng cho độ bền nhiệt vật liệu CSTN Khi cao su gia cường mica vùng nhiệt độ thay đổi Hình 3.2b giản đồ TGA mẫu CSTN/mica không biến đổi bề mặt (M1n) Nhiệt độ phân huỷ mạnh ban đầu tăng lên 0C, chứng tỏ Khóa luận tốt nghiệp 48 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu khoáng mica có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt CSTN Sự gia tăng thể mạnh nhiều sử dụng khoáng mica biến đổi vinylsilan (M1tv) Nhiệt độ phân huỷ cao ban đầu mẫu có M1tv tăng lên 240C, đạt 364,71 0C (hình 3.2c) Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt CSTN/mica Khoáng mica xử lý vinylsilan có tác dụng tốt chất gia cường cho vật liệu cao su kể gia tăng độ bền nhiệt 3.4 Ảnh hưởng bột khoáng mica biến đổi bề mặt đến cấu trúc hình thái vật liệu Cấu trúc hình thái vật liệu cao su gia cường khoáng mica khảo sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt gãy Khóa luận tốt nghiệp 49 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu mẫu đo Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu CSTN có mica M1n Hình 3.3 3.4 ảnh SEM CSTN có chứa mica không biến đổi bề mặt M1n M2n Mica có cấu trúc dạng hình vảy có kích thước nhỏ 5-10 m, chúng tồn tương đối độc lập, không thấy có liên kết với CSTN Hình 3.4: Ảnh SEM mẫu CSTN có mica M2n Khóa luận tốt nghiệp 50 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Các mica biến đổi bề mặt M1ta M2ta (hình 3.5 3.6) phân bố CSTN đặn không thấy tách pha mạnh mẫu có mica nguyên thủy Tương tác pha mica M1ta M2ta với CSTN tốt nhờ nhóm chức bề mặt mica làm cho sức căng bề mặt pha giảm Hình 3.5: Ảnh SEM mẫu cao su có mica M1ta Hình 3.6: Ảnh SEM mẫu cao su có mica M2ta Khóa luận tốt nghiệp 51 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Trên ảnh SEM này, khác biệt tương tác với pha cao su loại mica M1 M2 rõ, nhiên độ mịn chúng phản ánh Mica loại M2 có kích thước độ phân bố hạt nhỏ so với mica loại M1 Khóa luận tốt nghiệp 52 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu KẾT LUẬN CSTN loại polyme thiên nhiên phát từ lâu Ở nước ta cao su qui hoạch trồng cấy, phát triển từ cuối kỷ trước Sản lượng cao su Việt Nam ngày gia tăng Vật liệu từ CSTN có nhiều đặc tính quí tính đàn hồi Tuy nhiên người ta luôn tìm nhiều biện pháp để nâng cao tính chất loại vật liệu nhằm đáp ứng yêu cầu đa dạng lĩnh vực sử dụng Nhiều phụ gia hay chất độn hoạt tính có khả gia tăng tính chất CSTN Mica loại khoáng có cấu trúc vảy, bền hóa chất, cách điện cao, chống tia tử ngoại có khả ngăn cản xâm nhập chất khí nước Đề tài sử dụng khoáng mica có nguồn gốc từ loại khác để nghiên cứu khả gia cường cho CSTN Kết cho thấy khoáng mica dễ dàng trộn hợp với CSTN, khả trộn hợp mica tốt so với kaolin SiO2 Khoáng mica M2 có khả trộn hợp tốt so với mica M1 Khoáng mica gia tăng tính chất lý độ bền kéo đứt, độ dãn dài độ cứng vật liệu lưu hóa Trong khoáng mica ký hiệu M1 có tính chất gia cường tốt hơn, thể chất lượng sản phẩm cao Khoáng mica biến đổi bề mặt hợp chất silan có tác dụng gia tăng đáng kể tính chất công nghệ độ bền vật liệu CSTN không biến đổi bề mặt Với nhóm chức silan bề mặt, khoáng mica tham gia vào trình lưu hóa (bởi gốc vinyl) đóng vai trò chất xúc tiến (bởi gốc amyl) Nghiên cứu sử dụng có ích loại bột khoáng có mica việc làm góp phần vào chương trình khai thác sử dụng có hiệu tài nguyên Quốc gia Khóa luận tốt nghiệp 53 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Trí, Khoa học kĩ thuật CSTN Ngô Phú Trù, Kĩ thuật chế biến gia công cao su, ĐHBKHN, 1995 C.R.G Furtado, J.L Leblanc, R.C.R Nunes European Polymer Journal 2000 (36), 1717-1723 Hydrophobicity, hydrophilicity and silane surface modification 2006, Gelest, Inc A Guide to Silane Solutions from Dow Corning, Dow Corning Rothon and Roger “Particulate filler for Polymer”, 2002, Smithers Rapra Peter Herder, Lena Vagberg and Per Stenius Colloid and Surfaces, 1988, 34, 117-132 E Kiss and C-G Golander Colloids and Surfaces, 1990, 49, 335-342 B D Favis, Blandchard, J Leonard and R.E Prud’homme Journal of Applied Polymer Science, 1983, 28, 1235-1244 10 B D Favis, M Leclerc and R.E Prud’homme Journal of Applied Polymer Science, 1983, 28, 3565-3572 11 Tariq M Malik Polymer Bulletin, 1991, 26, 709-714 12 Ngô Kế Thế, Nghiên cứu ứng dụng bột khoáng mica để tăng cường khả bảo vệ cho hệ sơn dùng môi trường ẩm xâm thực cao, Viện Khoa học Vật liệu, 2-2008 13 Ngô Kế Thế, Nghiên cứu khả ứng dụng khoáng Mica-sericit để gia cường cho vật liệu polyme-compozit, Viện Khoa học Vật liệu, 2-2007 14 Industrial Grade, C A> S>, 12001/26/2 Mica 2000 15 Daniel F Castro et al Journal of Applied Polymer Science, 2003, 90, 2156-2162 Khóa luận tốt nghiệp 54 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu 16 S Debnath, S K De, D Khastgir Journal ò Materials Science, 1987, 22, 4453-4459 17 H S Katz and J V Milewske, “Handbook of fillers for plastics”, 1987, New York, Van Nostrand 18 J Luss, R T Woodhams and M Xanthos: Polym Eng Sci., 1973, 13, 139 19 S E Tausz and C E Chaffey, J Appl Polym Sci., 1982, 27, 4493 20 K Okuno and R T Woodhams, Polym Eng Sci., 1975, 15, 308 21 C Busign, C M Martines and R T Woodhams, Polym Eng Sci., 1983, 23, 766 22 M Xanthos, Plast Compos., 1979, 2, 19 23 C Busign, R Lahtinen, C M Martines, G Thomas and R T Woohams, Polym Eng Sci., 1984, 24, 169 24 P L Fernando, Polym Eng Sci., 1988, 28, 806 25 T Vu-Khanh, B Sanschgrin and B Fisa, Polym Compos., 1985,5, 249 26 D L Faulkner, J Appl Polym Sci., 1988, 36, 467 27 T Vu-Khanh and B Fisa, Polym Compos., 1986, 7, 219 28 M R Piggott, J Mayer Sci., 1973, 8, 1373 29 M S Boara and C E Chapffey, Polym Eng Sci., 1977, 17, 715 a Sodergard, K Ekman, B Stenlund and A Lassas, J Appl Polym Sci., 1996, 59, 1709-1714 30 Puspha Bajaj, N K Jha and A Kumar, J Appl Polym Sci., 1988, 56, 1339-1347 31 Xiadong Zhou, Ruohua, Quangfang Lin Journal of Materials Science, 2006, 41, 7879-7885 32 Dipak Baral, P P De, Golok B Nando Polymer Degradation and Stability, 1999, 65, 47-51 Khóa luận tốt nghiệp 55 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu 33 Petr Kalenda et al Progress in Organic Coatings, 2004, 49, 137-145 34 Đỗ Quang Kháng, Ngô Kế Thế, Lương Như Hải cộng sự, Hội nghị hoá học toàn quốc lần thứ IV, Hà nội, 10 2003, Tr 10-15 Báo cáo khoa học, Viện KH Vật liệu, 2004 Khóa luận tốt nghiệp 56 Vũ Thị Phương Thảo [...]... 3-APTMS trên bề mặt mica Kết quả nghiên cứu đã nhận thấy được sự cần thiết của việc biến đổi bề mặt mica bằng các hợp chất silan khi đã làm cho chất độn có thể tương tác tốt với chất nền và làm tăng các tính chất cơ lý của vật liệu Trước đó, trong đề tài nghiên cứu cơ sở Viện KH vật liệu năm 2007, phòng nghiên cứu vật liệu Polyme và Compozit cũng đã nghiên cứu biến đổi bề mặt mica bằng hai hợp chất silan... điện cao như của mica thì cơ chế cho sự ghép nối với các aminsilan là các tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm trên bề mặt của mica [7]: Khóa luận tốt nghiệp 34 Vũ Thị Phương Thảo Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật Liệu Trong khuôn khổ đề tài cơ sở của Viện khoa học vật liệu năm 2008 [12], phòng nghiên cứu vật liệu Polyme và Compozit đã nghiên cứu biến đổi bề mặt của mica bằng 3-aminopropyltrimethoxysilan... vật liệu polyme & compozit cũng đã kết hợp với Viện hoá học, nghiên cứu chế tạo thảm cao su cách điện dùng trong công nghiệp có sử dụng bột khoáng mica và các chất gia cường khác [35] Các nghiên cứu trên đây cũng mới chỉ dừng ở mức thăm dò, không được hệ thống vì không có nguồn bột khoáng mica có độ mịn và độ sạch cần thiết Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản phẩm mica, ... của mica để gia cường cho các vật liệu polyme 3.1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới a) Mica gia cường cho vật liệu cao su Furtado cùng các đồng nghiệp đã sử dụng mica làm chất độn trong các thành phần lưu hóa của cao su styren-butadien để thay thế một phần oxit silic [3] Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mica có những ảnh hưởng rõ rệt tới quá trình lưu hóa của vật liệu như là kết quả của sự giảm... sắp xếp tinh thể mica trong tổ hợp [23-25] Tuy nhiên bột mica không xử lý đã làm suy giảm độ bền va đập của vật liệu Pirkko A và cộng sự đã khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa thêm polyvinylbutyral (PVB) vào tổ hợp PP -mica để tạo thành compozit 3 pha Faulkner [26] cũng đã cải thiện độ bền va đập compozit PP -mica bằng cao su EPDM Theo lý thuyết, mica có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP Tuy... tuyển, nhiều sản phẩm mica, đặc biệt là dưới dạng Mica- sericit đã dần trở thành thương phẩm Nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm mica để gia cường, nâng cao các tính chất cho các vật liệu cao su, chất dẻo là việc làm cần được quan tâm, phát triển ở nước ta Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước mã số KC 02.24.0610 Nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng sản mica- sericit và ứng dụng Khóa luận tốt nghiệp... học Vật Liệu thể thêm các chất mầu vào vật liệu có chứa mica để tạo ra các vật liệu có màu d) Các tính chất quan trọng khác của mica Mica là hợp chất trơ với axit và bazơ và tất cả các dung môi Không giống như phlogopit mica bị hòa tan trong axit mạnh, Mica- sericit chỉ có thể bị hòa tan bởi axit hydrofloric nóng Nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng chống ăn mòn Mica cho khả năng chống trầy xước tốt... metacryloxypropyltrimethoxysilan làm chất xử lý bề mặt mica để nghiên cứu khả năng che chắn của tổ hợp HDPE -mica Vật liệu được gia cường bằng mica đã xử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải thiện Pushpa Bajaj [18] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện của vật liệu tổ hợp epoxy với mica được xử lý bề mặt bằng 3 loại hợp chất silan khác nhau Kết quả đều cho thấy cần thiết phải xử lý bề mặt bột mica để tăng khả năng tương... nhất là độ bền xé rách của SBR Mica được xử lý bề mặt bằng - methacryloxypropyltrimethoxysilane đã cải thiện liên kết pha giữa SBR và mica, dẫn đến gia tăng môđun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu b) Mica gia cường cho vật liệu polyme Trong công nghiệp nhựa, mica có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, bền va đập, tăng khả năng bôi trơn nội và cách điện của vật liệu Mica không những có hệ số dẫn nhiệt... bị mài mòn vì thế hao mòn thiết bị gia công vật liệu chứa mica là nhỏ Độ cứng của khoáng mica theo thang độ Moh thay đổi từ 2.0 đến 2.5 moh với muscovit mica và từ 2.5 đến 3.0 moh cho phlogopit mica Các sản phẩm mica rất bền ở nhiệt độ cao Phân tích nhiệt trọng lượng cho biết rằng cả hai muscovit mica và phlogopit mica đều bền nhiệt trên 450ºC, đặc biệt là Mica- sericit có độ bền nhiệt trong khoảng từ ... dụng nhiều mặt mica nói chung micasericit nói riêng 3.1.4 Nghiên cứu ứng dụng mica để gia cường cho vật liệu polyme 3.1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới a) Mica gia cường cho vật liệu cao su Furtado... phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật Liệu Trong khuôn khổ đề tài sở Viện khoa học vật liệu năm 2008 [12], phòng nghiên cứu vật liệu Polyme Compozit nghiên cứu biến đổi bề mặt mica 3-aminopropyltrimethoxysilan... tăng tính chất lý vật liệu Trước đó, đề tài nghiên cứu sở Viện KH vật liệu năm 2007, phòng nghiên cứu vật liệu Polyme Compozit nghiên cứu biến đổi bề mặt mica hai hợp chất silan 3-aminopropyltriethoxysilan