Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ************** VIỆN HÓA HỌC **************** Nguyễn Việt Dũng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH KHỐNG SERICIT ỨNG DỤNG LÀM CHẤT ĐỘN GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU POLYME LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÓA HỌC ************** **************** Nguyễn Việt Dũng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH KHỐNG SERICIT ỨNG DỤNG LÀM CHẤT ĐỘN GIA CƯỜNG CHO VẬT LIỆU POLYME Chuyên ngành: Hóa học Hữu Mã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS NGÔ KẾ THẾ Hà Nội - 2012 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG i DANH MỤC CÁC HÌNH ii CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU iv MỞ ĐẦU ̉ Chương TÔNG QUAN 1.1 Chất độn công nghiệp Vật liệu Polyme 1.2 Khoáng sericit 1.3 Giới thiệu các đặc tính sericit có liên quan đến vật liệu gia cường .5 1.3.1 Hình thái sericit ảnh hưởng 1.3.2 Tỷ lệ bề mặt ảnh hưởng 1.3.3 Màu sắc ảnh hưởng 1.3.4 Các tính chất quan trọng khác sericit 1.4 Biến đổi bề mặt khoáng sericit 1.4.1 Hợp chất silan vai trị q trình biến đổi bề mặt 1.4.2 Đặc điểm cấu trúc tinh thể khống sericit q trình biến đổi bề mặt 15 1.5 Ứng dụng khoáng sericit cho các vật liệu polyme 21 1.5.1 Sericit gia cường cho vật liệu cao su 21 1.5.2 Sericit gia cường cho chất dẻo 22 1.5.3 Sericit gia cường cho lớp phủ bảo vệ 23 1.6 Các nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit lĩnh vực polyme Việt nam 25 Chương THỰC NGHIỆM 25 2.1 Mẫu sericit các nguyên vật liệu 25 2.1.1 Khoáng sericit 25 2.1.2 Hợp chất silan 27 2.1.3 Cao su thiên nhiên 28 2.1.4 Chất tạo màng cho sơn sở epoxy 28 2.1.5 Các phụ gia cho chế tạo vật liệu CSTN 28 2.1.6 Các hóa chất để chế tạo sơn sở nhựa epoxy 29 2.2 Phương pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng sericit 29 2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu CSTN/sericit 30 2.2.3 Phương pháp chế tạo sơn epoxy/sericit 30 2.3 Thiết bị tiêu chuẩn nghiên cứu 30 2.3.1 Phổ hấp thụ hồng ngoại 31 2.3.2 Nghiên cứu khả trộn hợp khoáng sericit với cao su 31 2.3.3 Nghiên cứu q trình lưu hố cao su 31 2.3.4 Khảo sát tính chất điện vật liệu cao su 31 2.3.5 Nghiên cứu cấu trúc hình thái vật liệu 32 2.3.6 Nghiên cứu tính chất sơn màng sơn 32 ́ ̉ ̉ Chương KÊT QUA VÀ THAO LUẬN 34 3.1 Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit 34 3.1.1 Ảnh hưởng môi trường phản ứng đến q trình silan hóa bề mặt sericit 34 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ silan đến phản ứng silan hóa bề mặt sericit 36 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến q trình silan hóa bề mặt sericit 37 3.1.4 Ảnh hưởng q trình polyme hóa silan đến độ bền lớp bề mặt biến đổi 38 3.1.5 Xác định mức độ silan hóa sericit phân tích nhiệt 40 3.2 Nghiên cứu khả gia cường sericit biến đổi bề mặt cho vật liệu CSTN .41 3.2.1 Khả trộn hợp bột khoáng sericit với CSTN 42 3.2.2 Ảnh hưởng bột khoáng sericit đến q trình lưu hóa CSTN .43 3.2.3 Ảnh hưởng bột khống sericit đến tính chất vật liệu CSTN .45 3.2.4 Ảnh hưởng khoáng sericit đến độ cách điện vật liệu cao su 47 3.2.5 Ảnh hưởng khoáng sericit đến độ bền nhiệt vật liệu 48 3.2.6 Ảnh hưởng bột khoáng sericit biến đổi bề mặt đến cấu trúc hình thái vật liệu 49 3.3 Nghiên cứu ứng dụng sericit để tăng cường khả bảo vệ cho hệ sơn pekepoxy 51 3.3.1 Chế tạo sơn sở nhựa epoxy 51 3.3.2 Khảo sát tính chất sơn 52 3.3.3 Khảo sát tính chất lý màng sơn 53 3.3.4 Khảo sát độ bền hóa chất màng sơn 54 3.3.5 Xác định khả bảo vệ màng sơn thử nghiệm mù muối 55 3.3.6 Khảo sát tính chất che chắn màng sơn 55 3.3.7 Khảo sát cấu trúc hình thái màng sơn 64 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Tên bảng Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên i Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Tên hình Hình 1.1 Ản Hình 1.2 Bộ Hình 1.3 Cầ Hình 1.4 Ch po Hình 1.5 Cơ Hình 1.6 Sử ch Hình 1.7 Cá tố Hình 1.8 Cấ Hình 1.9 Sự Hình 1.10 Bề Hình 1.11 Cơ Hình 1.12 Qu đẳ Hình 2.1 Ph Hình 3.1 Ph eth tín Hình 3.2 Cơ Hình 3.3 Ph eth 4% Hình 3.4 Ph eth (c Hình 3.5 Ph eth (c Hình 3.6 Gi gi Hình 3.7 Gi Hình 3.8 Ản Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên Luận văn Thạc sĩ Khoa học ii Lớp K21 - Hóa học Hữu Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên iii Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU CSTN 3- : Cao su thiên nhiên APTMS : – Aminopropyltrimetoxysilan VTMS : Vinyltrimetoxysilan HDPE : polyetylen tỷ trọng cao Mmin M : momen xoắn cực tiểu : momen xoắn cực đại TC90 : Thời gian lưu hóa 90% ASTM : Tiêu chuẩn đo lường vật liệu Hoa Kỳ TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam SEM : Kính hiển vi điện tử quét TGA : phân tích nhiệt trọng lượng pkl : Phần khối lượng σkđ : Độ bền kéo đứt ε : Độ dãn dài εdư : Độ dãn dài dư ρv : Điện trở khối ρs : Điện trở bề mặt Eđt : Điện áp đánh thủng Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên iv Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng MỞ ĐẦU Sericit biết đến khống chất cơng nghiệp có tính đặc biệt, nên trở thành mặt hàng thương mại có giá trị kinh tế cao giới từ hàng trăm năm Tuy Việt Nam, có trữ lượng lớn quan tâm dạng tiềm khai thác, nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit lĩnh vực khác hạn chế Vừa qua, Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam chủ trì đề tài cấp nhà nước nghiên cứu công nghệ chế biến khống sản sericit mỏ Sơn Bình, Hà Tĩnh Việc nghiên cứu ứng dụng khoáng vật sericit sản phẩm đề tài loại vật liệu polyme vấn đề mẻ Việt Nam vơ cấp thiết, có ý nghĩa khoa học tính ứng dụng thực tiễn cao Xuất phát từ quan điểm nêu trên, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính khống sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme” để thực luận văn thạc sĩ khoa học Trong khuân khổ luận văn thạc sĩ, em đề mục tiêu nghiên cứu cho đề tài sau:  Xác định chế phản ứng biến đổi bề mặt khoáng sericit hợp chất silan  Xác định khả gia cường cho vật liệu polyme sở cao su thiên nhiên sơn epoxy Luận văn phần kết nghiên cứu đề tài cấp nhà nước KC.02.24/06-10 Viện Khoa học Vật liệu chủ trì Quá trình nghiên cứu thực chủ yếu phòng nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu Các kết nghiên cứu luận văn góp phần khẳng định nâng cao giá trị sử dụng khoáng sericit Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 1.60E+03 1.40E+03 1.20E+03 -Imag (Ohm) 1.00E+03 8.00E+02 6.00E+02 4.00E+02 2.00E+02 0.00E+00 2.00E+03 2.50E+03 3.00E+03 3.50E+03 4.00E+03 4.50E+03 5.00E+03 5.50E+03 6.00E+03 Real (Ohm) Hình 3.16: Phổ tổng trở Mẫu EP dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 3.00E+04 -Imag (Ohm) 2.50E+04 2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 -2.00E+04 0.00E+00 2.00E+04 4.00E+04 6.00E+04 8.00E+04 1.00E+05 1.20E+05 Real (Ohm) Hình 3.17: Phổ tổng trở Mẫu EP1 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 59 Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 3.50E+05 3.00E+05 2.50E+05 -Imag (Ohm) 2.00E+05 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 -5.00E+04 -1.00E+05 0.00E+00 2.00E+05 4.00E+05 6.00E+05 8.00E+05 Real (Ohm) Hình 3.18: Phổ tổng trở Mẫu EP3 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 2.50E+05 2.00E+05 -Imag (Ohm) 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 -5.00E+04 -1.00E+05 -3.00E+05 -2.00E+05 -1.00E+05 0.00E+00 1.00E+05 2.00E+05 3.00E+05 4.00E+05 Real (Ohm) Hình 3.19: Phổ tổng trở Mẫu EP4 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 60 Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 3.00E+05 2.50E+05 -Imag (Ohm) 2.00E+05 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 -5.00E+04 -1.00E+05 0.00E+00 1.00E+05 2.00E+05 3.00E+05 4.00E+05 5.00E+05 6.00E+05 Real (Ohm) Hình 3.20: Phổ tổng trở Mẫu EP5 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm - Sau 56 ngày ngâm mẫu thử nghiệm Sau 56 ngày ngâm mẫu thử nghiệm dung dịch NaCl 3% thấy phổ tổng trở mẫu có dạng khác Với mẫu thử nghiệm EP EP (hình 3.21 3.22), phổ đặc trưng cung thứ rõ ràng mẫu lại Độ lớn cung ăn mòn tăng theo chiều tăng hàm lượng sericit, nhiên thấy có cực đại mẫu EP Trên bảng 3.2, điện trở màng sơn sau 56 ngày thử nghiệm thấy khả bảo vệ màng sơn khác mẫu Điện trở màng thông số đặc trưng cho khả bảo vệ màng sơn tác dụng mơi trường xâm thực Theo đánh giá màng sơn xem có khả bảo vệ chống ăn mòn tuyệt vời điện trở màng R f lớn 109 Ω.cm2, điện trở màng sơn khoảng 106 Ω.cm2 , 12001/26/2 Sericit 18 J Lusis, R T Woodhams and M Xanthos (1973), “The effect offlake aspect ratio on the flexural properties of mica reinforced plastics”, Polym Eng Sci., 13 (2), PP 139 19 Karian, Ph.D., Harutun G (1999), “Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites”, Marcel Dekker Incorporated 20 Krishna G Bhattacharyya (1993), “XPS study of mica surfaces”, Journal of Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 69 Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 63, PP 289-306 21 K Okuno and R T Woodhams (1975), “Mica reinforced polypropylene”, Polym Eng Sci., 15, PP 308-315 22 M S Boaira and C E Chapffey (1977), “Effects of coupling agents on the mechanical and rheologica properties and mica-reinforced polypropylene”, Polym Eng Sci., 17, PP 715-718 23 M Xanthos (1979), “Mica Filler/ reinforcement in flake form”, Sheets Plast Compos., 2, PP 19-29 24 Peter Herder, Lena Vagberg and Per Stenius (1988), “ESCA and contact angle studies of the adsorption of aminosilanes on mica”, Colloid and Surfaces, 34, PP 117-132 25 Petr Kalenda et al (2004), “Properties of surface-treated mica in anticorrosive coatings”, Progress in Organic Coatings, 49, PP 137-145 26 P L Fernando (1988), “Fracture toughness of filled polypropylene copolymer systems”, Polym Eng Sci., 28, PP 806-814 27 Puspha Bajaj, N K Jha and A Kumar (1988), “Effect of silane treated Antimony compounds Polymer”, J Appl Polym Sci., 56, PP 1339-1347 28 Rothon and Roger (2002), “Particulate filler for Polymer”, Smithers Rapra 29 S Debnath, S K De, D Khastgir (1987), “Effect of silane coupling agent on vulcanization, network structure, polymer-filler interaction, physical properties and failure mode of mica-filled styrene-butadiene rubber”, Journal ò Materials Science, 22, PP 4453-4459 30 S E Tausz and C E Chaffey (1982), “Coupling of mica as filler in polypropylene”, J Appl Polym Sci., 1982, 27, PP 4493 31 Tariq M Malik (1991), “Morphological and mechanical studies of surface treated mica reinforced high density polyethylene” Polymer Bulletin, 26, PP Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 70 Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng 709-714 32 T Vu-Khanh, B Sanschgrin and B Fisa (1985), “Fracture of mica-reinforced polypropylene: Mica concentration effect”, Polym Compos.,5, PP 249-260 33 T Vu-Khanh and B Fisa (1986), “Fracture behavior of mica-reinforced polypropylene: Effects of coupling agent, flake orientation, and degradation”, Polym Compos., 7, PP 219-226 34 Xiadong Zhou, Ruohua, Quangfang Lin Journal of Materials Science (2006), “Effect of block copolymer coupling agents on properties of mica reinforced polymeric composites”, 41, PP 7879-7885 Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên 71 Lớp K21 - Hóa học Hữu ... tài ? ?Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme? ?? để thực luận văn thạc sĩ khoa học Trong khuân khổ luận văn thạc sĩ, em đề mục tiêu nghiên cứu cho. .. hạt chất độn Xử lý hạt chất độn với silan làm cho khả chất độn với polyme tốt hơn, giúp cho chất độn phân tán tốt làm cho hỗn hợp có độ nhớt thấp so với chất độn không xử lý Điều làm cho trình gia. .. sericit trình biến đổi bề mặt 15 1.5 Ứng dụng khoáng sericit cho các vật liệu polyme 21 1.5.1 Sericit gia cường cho vật liệu cao su 21 1.5.2 Sericit gia cường cho chất dẻo