Nghiên cứu biến tính khoáng mica bằng ion sắt (III) và ứng dụng của nó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - *** - NGUYỄN NGỌC VINH NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH KHỐNG MICA BẰNG ION SẮT (III) VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - *** - NGUYỄN NGỌC VINH NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH KHỐNG MICA BẲNG ION SẮT (III) VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ Chun ngành: Hóa vô Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ KẾ THẾ PGS.TS NGHIÊM XUÂN THUNG Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nghiêm Xuân Thung, PGS.TS Ngô Kế Thế giao đề tài tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình học tập nghiên cứu đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn cán phòng thí nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, phòng Polyme - Viện Khoa Học Vật Liệu giúp đỡ, tạo điều kiện cho suốt q trình thực nghiệm Cuối tơi xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ động viên trình học tập hồn thành luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2014 MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU……………………………….……………………………… CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu khái quát mica 1.1.1 Khái niệm phân bố mica…………….…………………… 1.1.2 Cấu tạo, hình dạng màu sắc mica…………………………… 1.1.2.1 Cấu tạo mica… ………………………………………… 1.1.2.2 Hình dạng mica……………………….………………… 1.1.2.3 Màu sắc mica…………………………………………… 1.1.3 Đặc điểm cấu trúc tinh thể khoáng mica…………………………… 1.1.4 Một số ưu điểm ứng dụng mica……………………………… 1.2 Tổng quan phương pháp biến tính mica………………… ………… 1.2.1 Phương pháp biến đổi bề mặt trực tiếp……………………………… 1.2.2 Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp……………………………… 13 1.2.3 Biến đổi khoáng mica phương pháp trao đổi ion bề 15 mặt………………………………………………………………………… 15 1.3 Ứng dụng mica cho việc gia cường vật liệu………………… 16 1.3.1 Mica gia cường cho vật liệu cao su…………………… ……… 17 1.3.2 Mica gia cường cho vật liệu polyme…………………………… 18 1.3.3 Mica gia cường cho lớp phủ bảo vệ…………………… ……… 19 1.3.4 Các nghiên cứu ứng dụng khoáng mica lĩnh vực polymer 20 Việt Nam…………………………………………………………………… 20 1.4 Tổng quan vật liệu sơn epoxy…………………………………………… 21 1.4.1 Giới thiệu sơn epoxy……………………………………… 21 1.4.2 Nguyên liệu sản xuất sơn epoxy…………………………… ……… 22 1.4.2.1 Tổng hợp nhựa epoxy ……………………………………… 1.4.2.2 Đóng rắn epoxy với amin…………….……….…… 1.4.3 Một số ưu điểm sơn epoxy.……….…………………….……… CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…… 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị …….……….……………… ……………… 2.1.1 Hóa chất…………… … ……….……….……………… ……… 2.1.2 Dụng cụ… …….……….…………….……….………… ………… 2.1.3 Thiết bị…………….….……….…………………………………… 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu………………… …….……….…….………… 2.2.1 Phương pháp điều chế mica biến tính….………………… ……… 2.2.2 Phương pháp chế tạo màng sơn phủ epoxy với mica 2.3 Phương pháp nghiên cứu mẫu………………… …….……………………… 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)……………………….………… 2.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)……………………… 2.3.3 Các phương pháp xác định tính chất lý màng sơn…………… CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…….………… …………… 3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình điều chế mica biến tính……………………………………………………………………………… 3.1.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy trương nở………………… 3+ 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ Fe (ppm) bổ sung………………… 3.1.3 Ảnh hưởng pH môi trường phản ứng…….……….…… 3.2 Nghiên cứu tác dụng gia cường khả bảo vệ màng sơn epoxy mica biến tính.……….……….……………………… ……………………… 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng mica đến độ cứng màng sơn………………………………………………………………… 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng mica đến độ bền va đập độ bám dính màng sơn………………………………………………………… 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng mica đến độ bền uốn màng sơn………………………………………………………………………… KẾT LUẬN…….……….……….………………….……….……….…… … TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 62 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần hóa học mica nghiên cứu Bảng 2.2 Bảng đặc trưng kỹ thuật mica Bảng 2.3 Phân bố kích thước hạt mica Bảng 2.4 Thành phần pha trộn nhựa Epoxy với Mica Bảng 2.5 Phân loại độ bám theo kết thử Bảng 3.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy đến giá trị d001 3+ Bảng 3.2 Ảnh hưởng nồng độ Fe (ppm) bổ sung Bảng 3.3 Kết phân tích EDS mẫu mica chưa qua xử lý bề mặt Bảng 3.4 Kết phân tích EDS mẫu mica qua xử lý bề mặt 3+ Fe Bảng 3.5 Ảnh hưởng pH dung dịch Bảng 3.6 Bảng thành phần pha trộn nhựa Epoxy với Mica Bảng 3.7 Kết đo độ cứng mẫu sơn gia cường mica biến tính Bảng 3.8 Kết đo độ cứng mẫu sơn gia cường mica chưa biến tính Bảng 3.9 Kết đo độ bền va đập màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Bảng 3.10 Kết đo độ bám dính màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Bảng 3.11 Kết đo độ bền uốn màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể khống mica Hình 1.2 Sự bóc lớp tinh thể mica Hình 1.3 Q trình khuyếch tán mơi trường ăn mịn qua lớp sơn bảo vệ có pigment đẳng hướng (A) khơng đẳng hướng-mica (B) Hình 2.1 Phân bố hạt mica nghiên cứu Hình 2.2 Quy trình chế tạo màng sơn phủ Epoxy_Mica Hình 2.3 Dụng cụ đo độ bền va đập Hình 2.4 Dụng cụ đo độ cứng màng phủ Hình 2.5 Dụng cụ I, II kiểm tra độ bền uốn Hình 2.6 Dụng cụ xác định độ bám dính màng Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu khuấy 4h Hình 3.2 Giản đồ XRD mẫu khuấy 3h Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu khuấy 2h Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu khuấy 1h Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn thay đổi d 001 ( A ) thời gian khuấy Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu bổ sung Fe 3+ (200ppm) Hình 3.7 Giản đồ XRD mẫu bổ sung Fe 3+ (400ppm) Hình 3.8 Giản đồ XRD mẫu bổ sung Fe 3+ (600ppm) Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ Qua bảng 3.7 3.8, chúng tơi có so sánh kết độ cứng trung bình màng sơn khơng bổ sung mica M00 với mẫu có bổ sung mica biến tính bổ sung mica chưa biến tính thơng qua biểu đồ 0.150 0.145 0.140 0.135 0.130 0.125 0.120 0.115 0.110 0.105 Hình 3.20 Đồ thị so sánh độ cứng trung bình mẫu sơn gia cường mica biến tính mica chưa biến tính Trên đồ thị hình 3.18 3.19 cho thấy độ cứng màng sơn cải thiện đáng kể bổ sung khoáng mica so với không bổ sung, qua so sánh độ cứng mẫu MF00; MF01; MF02; MF03 tương ứng với mẫu M00; M01; M02; M03 theo hình 3.20 màng sơn gia cường mica xử lý bề mặt có độ cứng tốt so với màng sơn gia cường mica thường (chưa biến tính) 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng mica đến độ bền va đập độ bám dính màng sơn Tiến hành đo độ bền va đập độ bám dính màng sơn mẫu: M00; MF01; MF02; MF03 M01; M02; M03 cho kết qua bàng 57 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ Bảng 3.9 Kết đo độ bền va đập màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Mẫu M00 MF01 MF02 MF03 M01 M02 M03 Bảng 3.10 Kết đo độ bám dính màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Mẫu M00 MF01 MF02 MF03 M01 M02 M03 58 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ Từ bảng 3.9 3.10 thấy rằng, bổ sung khống mica khơng làm thay đổi rõ rệt độ bền va đập độ bám dính màng sơn epoxy Các tính chất đạt giá trị cao thang đo không khác biệt với màng epoxy ban đầu M00 (khơng có bổ sung mica) 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng mica đến độ bền uốn màng sơn Kết đo độ bền uốn màng sơn mẫu: M00; MF01; MF02; MF03 M01; M02; M03 Bảng 3.11 Kết đo độ bền uốn màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Mẫu M00 MF01 MF02 MF03 M01 M02 M03 Kết cho thấy màng sơn bổ sung mica có độ uốn tốt so với không bổ sung mica: kết đo mẫu có mica MF01; MF02; MF03 M01; M02; M03 mức cao (mức 1mm) cịn mẫu khơng có mica M00 tiến hành đo mức 1mm bề mặt sơn có dấu hiệu bị nứt, đo mức 2mm khơng bị nứt Có thể lý giải điều khoáng mica sau tiến hành khuấy trương nở ngồi việc kích thước hạt thay đổi (kích thước tăng) tăng 59 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ thêm khả biến dạng dẻo mica, tính chất dẻo màng sơn tăng cường Như mẫu phủ gia cường khống mica biến tính chưa biến tính cho hiệu ứng gia tăng tính chất lý màng sơn, đặc biệt tăng giá trị độ cứng độ bền uốn màng sơn so với mẫu sơn không bổ sung mica Đặc biệt, màng sơn gia cường mica xử lý bề mặt tăng độ cứng rõ rệt hẳn so với loại 60 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ KẾT LUẬN 3+ Fe Các điều kiện tối ưu q trình xử lý bề mặt khống mica ion đề tài nghiên cứu xác định là: - Thời gian khuấy trương nở: - Nồng độ ion Fe - pH môi trường phản ứng: 3+ bổ sung: 600 ppm Sản phẩm khoáng mica sau xử lý bề mặt ion Fe sau: Khoảng cách phiến sét d001: 3.347 Å Kết đo EDS cho thấy Fe mica 3+ có thay Al 3+ 3+ thu bề mặt khoáng Khoáng mica sau biến tính có tác dụng gia tăng tính chất lý màng sơn epoxy - Với tỷ lệ khối lượng Mica : Epoxy = : màng sơn cho độ cứng tốt nhất, kết đo độ cứng màng sơn gia cường mica biến tính tăng rõ rệt so với màng sơn không gia cường - Màng sơn epoxy gia cường mica cho độ bền uốn tốt so với màng sơn epoxy ban đầu ko có mica - Việc bổ sung mica vào màng sơn epoxy chưa cho thấy khác biệt độ bền va đập độ bám dính so với không bổ sung 61 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Vũ Đăng Độ (2006), Các phương pháp vật lý hóa học, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung (2007) Cơ sở hóa học tinh thể, NXB ĐHQG Hà Nội PGS.TS Triệu Thị Nguyệt, Giáo án chun đề: Các phương pháp nghiên cứu hóa vơ Nguyễn Đức Nghĩa (2007) “Hóa học nano cơng nghệ vật liệu nguồn”, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Quang Kháng, Ngô Kế Thế, Lương Như Hải cộng (2004), Hội nghị hố học tồn quốc lần thứ IV, Hà nội, 10 2003, Tr 10-15 Báo cáo khoa học, Viện KH Vật liệu, Ngô Kế Thế (2008), Nghiên cứu ứng dụng bột khoáng sericit để tăng cường khả bảo vệ cho hệ sơn dùng môi trường ẩm xâm thực cao, Viện Khoa học Vật liệu Ngô Kế Thế (2007), Nghiên cứu khả ứng dụng khoáng mica-sericit để gia cường cho vật liệu polyme-compozit, Viện Khoa học Vật liệu PGS.TS Nghiêm Xuân Thung (2008), Bài giảng chuyên đề : Hóa học silicat Phan Văn Tường (2001), Vật liệu vơ cơ, giáo trình chun đề, Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội 10.Quách Đăng Triều (2003), Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu nano polyme Compozit, KC.02.07 62 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ TIẾNG ANH 11.Rothon and Roger (2002) “Particulate filler for Polymer”, Smithers Rapra 12 Karian, Ph.D., Harutun G (1999) “Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites”, Marcel Dekker Incorporated 13.C.R.G Furtado, J.L Leblanc, R.C.R Nunes (2000) European Polymer Journal (36), 1717-1723 14.Gelest (2006) Hydrophobicity, hydrophilicity and silane surface modification., Inc 15.Dow Corning A Guide to Silane Solutions from Dow Corning 16.Krishna G Bhattacharyya (1993) Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 63, 289-306 17.Peter Herder, Lena Vagberg and Per Stenius (1988) Colloid and Surfaces , 34, 117-132 18.E Kiss and C-G Golander (1990) Colloids and Surfaces, 49, 335-342 19.B D Favis, Blandchard, J Leonard and R.E Prud’homme (1983) Journal of Applied Polymer Science, 28, 1235-1244 20.B D Favis, M Leclerc and R.E Prud’homme (1983) Journal of Applied Polymer Science, 28, 3565-3572 21.Tariq M Malik (1991) Polymer Bulletin, 26, 709-714 22.Industrial Grade, C A> S>, 12001/26/2 Sericit 2000 23.Daniel F Castro et Al (2003) Journal of Applied Polymer Science, 90, 21562162 63 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ 24.S Debnath, S K De, D Khastgir (1987) Journal ò Materials Science, 22, 4453-4459 25.H S Katz and J V Milewske (1987), “Handbook of fillers for plastics”, New York, Van Nostrand 26.J Luss, R T Woodhams and M Xanthos (1973): Polym Eng Sci., 13, 139 27.S E Tausz and C E Chaffey (1982), J Appl Polym Sci., 27, 4493 28.K Okuno and R T Woodhams (1975), Polym Eng Sci., 15, 308 29.C Busign, C M Martines and R T Woodhams (1983), Polym Eng Sci., 23, 766 30.M Xanthos, Plast (1979) Compos., 2, 19 31.C Busign, R Lahtinen, C M Martines, G Thomas and R T Woohams (1984), Polym Eng Sci., 24, 169 32.P L Fernando (1988), Polym Eng Sci., 28, 806 33.T Vu-Khanh, B Sanschgrin and B Fisa (1985), Polym Compos.,,5, 249 34.D L Faulkner, J Appl (1988) Polym Sci., 36, 467 35.T Vu-Khanh and B Fisa (1986), Polym Compos., 7, 219 36.M R Piggott, J Mayer (1973) Sci., 8, 1373 37.M S Boara and C E Chapffey (1977), Polym Eng Sci., 17, 715 64 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 Luận văn tốt nghiệp Chun ngành Hóa vơ 38.A Sodergard, K Ekman, B Stenlund and A Lassas, J Appl (1996) Polym Sci., 59, 1709-1714 39.Puspha Bajaj, N K Jha and A Kumar, J Appl (1988) Polym Sci.,, 56, 13391347 40.Xiadong Zhou, Ruohua, Quangfang Lin (2006) Journal of Materials Science , 41, 7879-7885 41.Dipak Baral, P P De, Golok B Nando (1999) Polymer Degradation and Stability, 65, 47-51 42.Petr Kalenda et al (2004) Progress in Organic Coatings, 49, 137-145 65 Nguyễn Ngọc Vinh Cao học K22 ... trời sơn ,và việc có gia cường mica giúp cho sơn có khả bảo vệ xâm thực tốt Từ yêu cầu thực tiễn trên, chọn nghiên cứu đề tài: ? ?Nghiên cứu biến tính khống Mica ion sắt (III) ứng dụng nó? ?? * Với... đo độ cứng mẫu sơn gia cường mica biến tính Bảng 3.8 Kết đo độ cứng mẫu sơn gia cường mica chưa biến tính Bảng 3.9 Kết đo độ bền va đập màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính Bảng... cường mica chưa biến tính mica biến tính Bảng 3.11 Kết đo độ bền uốn màng sơn gia cường mica chưa biến tính mica biến tính DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể khống mica Hình