Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyeste không NO và phân tử nanosilica Aerosil 200 và Aerosil 7200 có mặt chất liên kết Geniosil

Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyeste không NO và phân tử nanosilica Aerosil 200 và Aerosil 7200 có mặt chất liên kết Geniosil Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyeste không NO và phân tử nanosilica Aerosil 200 và Aerosil 7200 có mặt chất liên kết Geniosil luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN TRƯỞNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NHỰA POLYESTE KHÔNG NO VÀ PHẦN TỬ NANOSILICA (AEROSIL 200 VÀ AEROSIL 7200) CÓ MẶT CHẤT LIÊN KẾT GENIOSIL LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn : TS Bạch Trọng Phúc Hướng dẫn phụ : NCS Trịnh Minh Đạt Hà Nội -2010 LỜI CẢM ƠN Trong q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp em nhận bảo tận tình cán Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme – Compozit trường đại học Bách Khoa Hà Nội Trung tâm Vật liệu hữu & Hóa phẩm xây dựng - Viện Vật liệu xây dựng Em xin chân thành cảm ơn thầy cô, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS Bạch Trọng Phúc, ThS Trịnh Minh Đạt giúp em hoàn thành báo cáo tốt nghiệp Hà Nội, ngày 27/10/2010 Học viên Phạm Văn Trưởng Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình tơi nghiên cứu thực q trình nghiên cứu học tập khn khổ chương trình cao học Cơng nghệ vật liệu hóa học Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 27 tháng 10 năm 2010 Người thực Phạm Văn Trưởng Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 MỤC LỤC Lời cam đoan DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH TÓM TẮT NỘI DUNG 10 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG : TỔNG QUAN 12 1.1.VẬT LIỆU POLYME – COMPOZIT (PC) 12 1.1.1 Giới thiệu vật liệu PC 12 1.1.2.Thành phần vật liệu PC 13 1.1.2.1 Nền polyme 13 1.1.2.3 Phụ gia 15 1.2.NHỰA NỀN POLYESTE KHÔNG NO (PEKN) 15 1.2.1.Lịch sử phát triển 15 1.2.2.Nguyên liệu để sản xuất nhựa polyeste không no 16 1.2.3.Tổng hợp nhựa polyeste không no 17 1.2.4 Phản ứng đóng rắn nhựa PEKN 18 a.Một số hệ khởi đầu xúc tiến dùng đóng rắn polyeste không no 18 b.Cơ chế đóng rắn nhựa polyeste khơng no 19 1.2.4.Quan hệ cấu trúc tính chất nhựa polyeste khơng no 19 1.2.5 Ứng dụng 20 1.3 Chất độn nanô silica chế gia cường 20 1.3.1 Cơ chế gia cường 21 I.3.2 Đặc điểm cấu trúc, tính chất silica 22 1.4 Chất trợ tương hợp silan 29 1.4.1 Giới thiệu chung chất trợ tương hợp silan 29 1.4.2 Các dạng silan 32 1.4.2.1 Silan tan nước 32 1.4.2.2 Oligome silan 32 1.4.3 Thuỷ phân silan 33 1.4.4 Phản ứng silan với chất độn 34 1.4.5 Phản ứng chất độn xử lý bề mặt với polyme 35 1.4.5 Các phương pháp kết hợp silan với chất độn 39 Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 1.4.5.1 Phương pháp khô 39 1.4.5.2 Phương pháp ướt 39 1.5 Vật liệu polyme – nanocompozit 39 1.5.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit 40 1.5.2 Phương pháp tổng hợp 40 1.5.3 Các tính chất vật liệu polyme nanocompozit 44 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1 Các phương pháp nghiên cứu nguyên liệu đầu 47 2.1.1 Nguyên liệu hóa chất 47 2.1.2 Phương pháp xác định tỷ trọng 47 2.1.3 Phương pháp xác định số axit 47 2.1.4 Phương pháp xác định độ nhớt Brookfield 48 2.1.5 Phương pháp xác định thời gian gel hóa 48 2.1.6 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel 48 2.1.7 Qui trình chế tạo vật liệu polyme compozit sở nhựa PEKN nanô silica 49 2.2 Các phương pháp xác định tính chất vật liệu PC 50 2.2.1 Xác định độ bền kéo đứt 50 2.2.2 Xác định độ bền va đập 50 2.2.3 Xác định độ bền uốn 51 2.2.4 Xác định độ bền nén 51 2.2.5 Xác định độ mài mòn 52 2.2.6 Xác định mức độ tổn hao khối lượng nhiệt (TGA) 52 2.2.7 Phương pháp phân tích nhiệt DSC 52 2.2.8 Phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét SEM FE – SEM 53 2.2.9 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng kích thước hạt (BET) 53 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 3.1.Phân tích nguyên liệu đầu 54 3.1.1.Đặc tính nguyên liệu đầu 54 3.1.2 Khảo sát thời gian gel hóa hàm lượng phần gel 56 3.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy đến tính chất vật liệu PC 57 3.3 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khuấy đến tính chất vật liệu PC 58 3.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nano silica đến tính chất vật liệu 59 3.5 Khảo sát ảnh hưởng dung mơi phụ (Methanol) đến tính chất học vật liệu PC 63 Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 3.6 Khảo sát ảnh hưởng phụ gia liên kết đến tính chất vật liệu PC 65 3.7 Khảo sát ảnh hưởng chất độn nano silica biến tính (AEROSIL R7200) đến tính chất học vật liệu PC 69 3.8 Khảo sát cấu trúc vật liệu PC phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM FE – SEM) 71 3.9 Khảo sát độ bền nhiệt vật liệu PC 74 PHẦN IV: KẾT LUẬN 79 PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PC : Polyme Compozit PEKN: Polyeste không no SEM: Scanning Electron Microscopy DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1.1 : Phân loại silanol Bảng 3.1: Tính chất vật lý nhựa PEKN Bảng 3.2: Các tiêu kỹ thuật chất độn nano silica AEROSIL A200 AEROSIL R7200 Bảng 3.3: Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác MEKPO đến thời gian gel hàm lượng phần gel nhựa PEKN Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Q trình đóng rắn nhựa Hình 1.2: Sự phân bố kích thước đứt polyme khuyết tật Hình 1.3: Biểu đồ phân loại chất độn Hình 1.4 : Mô tả cấu trúc hạt silica chưa biến tính Hình 1.5: Các dạng silanol bề mặt silica Hình1.6: Biến tính silica MPTS Hình 1.7: Cấu trúc chung silan hữu Hình 1.8: Phương trình tổng hợp hợp chất silan Hình 1.9: Qúa trình thuỷ phân trialkoxysilan Hình1.10 : Cấu trúc hố học vinyl oligomesilan Hình 1.11: Phản ứng nhóm silanol với bề mặt chất độn Hình 1.12: Phóng đại bề mặt silan hố Hình 1.13: Cầu nối phân tử silan Hình 1.14: Cải thiện độ bám dính Silan nâng cao độ bám dính màng phủ tới nhiều bề mặt Hình 1.15: Xử lý bề mặt Silan cải thiện khả tương hợp chất độn với polyme Hình 1.16: Tạo cầu nối Hình 1.17 : Nhóm cuối Hình 1.18 : Ghép gốc Hình 1.19 : Đồng trùng hợp Hình 1.20: Sơ đồ phương pháp tổng hợp polyme/slica nanocompozit Hình 1.21: Các dạng cấu trúc nPC Hình 1.22: Sơ đồ mơ tả phương pháp dung dịch Hình 1.23: Sơ đồ mơ tả phương pháp insitu Hình 3.1: Đồ thị diện tích bề mặt riêng (BET) chất độn AEROSIL A200 Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 Hình 3.2: Đồ thị diện tích bề mặt riêng (BET) chất độn AEROSIL R7200 Hình 3.3: Độ bền học vật liệu PC theo thời gian khuấy Hình 3.4:Ảnh hưởng tốc độ khuấy đến tính chất học vật liệu PC Hình 3.5: Độ bền kéo vật liệu PC theo hàm lượng AEROSIL A200 Hình 3.6: Độ dãn dài tương đối PC kéo Hình 3.7: Độ bền uốn vật liệu PC theo hàm lượng AEROSIL A200 Hình 3.8: Độ bền nén vật liệu PC theo hàm lượng AEROSIL R200 Hình 3.9: Độ mài mịn vật liệu PC theo hàm lượng AEROSIL R200 Hình 3.10: Ảnh hưởng hàm lượng chất độn A200 đến độ nhớt hỗn hợp Hình 3.11: Ảnh hưởng hàm lượng A200 đến tính chất học vật liệu PC chế tạo theo phương pháp dùng dung môi phụ Hình 3.12: Ảnh hưởng hàm lượng chất độn A200 đến độ nhớt hỗn hợp Hình 3.13: Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến độ nhớt hỗn hợp Hình 3.14: Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến tính chất học vật liệu PC Hình 3.14b: Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến độ mài mòn vật liệu PC Hình 3.15: Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến độ nhớt hỗn hợp Hình 3.16 : Ảnh hưởng chất liên kết đến tính chất học vật liệu PC Hình 3.17 Ảnh hưởng chất liên kết đến độ mài mòn vật liệu PC Hình 3.18 : Độ nhớt hỗn hợp theo loại chất độn Hình 3.19a : Độ bền học vật liệu Hình 3.19b Độ mài mịn vật liệu PC Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 2000 vịng/phút Hình 3.21: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 4000 vịng/phút Hình 3.22: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 5000 vịng/phút Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 Hình 3.23: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 6000 vịng/phút Hình 3.24:Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN khơng chứa chất độn Hình 3.25: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.75% Hình 3.26: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.22% dùng dung môi phụ Hình 3.27: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.75% có sử dụng chất liên kết Hình 3.28: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.22% dùng dung môi phụ có chất liên kết Hình 3.29: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn R7200 với hàm lượng 1.75% Phạm Văn Trưởng CNVLHH 2008-2010 Qua số liệu ta thấy tăng hàm lượng chất liên kết tính chất học vật liệu PC tăng lên so với khơng có chất liên kết Khi hàm lượng chất liên kết 5% so với khối lượng chất độn ta có độ bền kéo tăng 4.87%, độ bền uốn tăng 5.36%, độ bền nén tăng 8.42%, độ mài mịn giảm 34.375% so với khơng sử dụng chất liên kết 3.6.2 Ảnh hưởng chất liên kết đến tính chất vật liệu PC chế tạo theo phương pháp dùng dung môi phụ Tiến hành chế tạo mẫu PC điều kiện tối ưu tìm là: 0,5% chất xúc tác MEKPO, thời gian khuấy: 8h, tốc độ khuấy: 5000vòng/phút, hàm lượng chất độn A200: 1,22%PKL Đề tài tiến hành khảo sát độ nhớt tính chất lý hỗn hợp nhựa chất độn đưa vào chất liên kết với tỷ lệ khác nhau: 3%, 5%, 7%, 9% PKL so với chất độn Kết trình bày hình sau: 1400 1200 Độ nhớt cP 1000 800 600 400 200 Độ nhớt 1177 1120 1051 995 968 Hình 3.15: Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến độ nhớt hỗn hợp Khi cho chất liên kết vào hợp phần PC, độ nhớt hỗn hợp giảm so với chất liên kết Phạm Văn Trưởng 67 CNVLHH 2008-2010 60 50 MPa 40 30 20 10 0 Độ bền kéo 27.68 29.87 28.76 28.81 28.85 Độ bền uốn 37.66 43 41.27 41.85 41.56 Độ bền nén 53.51 55.4 54.61 54.57 54.8 Hình 3.16 : Ảnh hưởng chất liên kết đến tính chất học vật liệu PC 0.06 0.05 Độ mài mòn (mg/1000 vòng) 0.04 0.03 0.02 0.01 Độ mài mòn 0.056 0.0294 0.02856 0.028 0.0255 Hình 3.17 Ảnh hưởng chất liên kết đến độ mài mòn vật liệu PC Qua số liệu ta thấy tăng hàm lượng chất liên kết tính chất học vật liệu PC tăng lên so với khơng có chất liên kết Khi hàm lượng chất liên kết 3% so với khối lượng chất độn ta có độ bền kéo tăng 7.91%, độ bền uốn tăng 14.12%, độ bền nén tăng 3.53%, độ mài mòn giảm 47.5% Phạm Văn Trưởng 68 CNVLHH 2008-2010 3.7 Khảo sát ảnh hưởng chất độn nano silica biến tính (AEROSIL R7200) đến tính chất học vật liệu PC Việc khảo sát ảnh hưởng chất độn AEROSIL R7200 đến tính chất học vật liệu PC quan trọng qua ta đánh giá khả tương hợp nhựa PEKN với chất độn nano silica chưa biến tính chất độn nano silica biến tính Đã tiến hành chế tạo mẫu vật liệu PC sở nhựa PEKN gia cường chất độn AEROSIL R7200 với hàm lượng chất độn 1,75 PKL nhựa với tốc độ khuấy 5000 vòng/phút thời gian hàm lượng chất xúc tác đóng rắn MEKPO 0,5% để đo tính chất học Kết đo trình bày hình sau: 1400 1200 Độ nhớt cP 1000 800 600 400 200 Độ nhớt Mẫu trống PEKN + 1.75PKL A200 PEKN + 1.75PKL A200 + CLK PEKN + 1.75PKL R7200 260 1296 1186 677 Hình 3.18 : Độ nhớt hỗn hợp theo loại chất độn Phạm Văn Trưởng 69 CNVLHH 2008-2010 70 60 50 MPa 40 30 20 10 Mẫu trống PEKN + 1.75PKL A200 PEKN + 1.75PKL A200 + CLK PEKN + 1.75PKL R7200 Độ bền kéo 25.02 28.72 30.12 34.19 Độ bền uốn 52.18 53 55.84 57.68 Độ bền nén 49.61 57.5 62.35 65.62 Hình 3.19a : Độ bền học vật liệu PC Độ mài mòn (mg/1000 vòng) 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 Độ mài mòn Mẫu trống PEKN + 1.75PKL A200 PEKN + 1.75PKL A200 + CLK PEKN + 1.75PKL R7200 0.10192 0.0485 0.0318 0.0195 Hình 3.19b Độ mài mịn vật liệu PC Tính chất học vật liệu PC sở nhựa PEKN gia cường AEROSIL R7200, AEROSIL A200, mẫu khơng có chất độn trình bày Phạm Văn Trưởng 70 CNVLHH 2008-2010 hình 3.18; 3.19; cho thấy: Tính chất học vật liệu PC gia cường chất độn có tính chất học cao hẳn so với vật liệu PC khơng có chất độn, độ tương hợp loại chất độn với nhựa PEKN tương đối tốt Mẫu PC chế tạo sử dụng chất độn AEROSIL R7200 có: Độ bền kéo tăng 36,65%; Độ bền uốn tăng 10,54%; Độ bền nén tăng 32,27 %; Độ mài mòn giảm 80,88% so với mẫu PC khơng có chất độn Tính chất học mẫu vật liệu chứa chất độn AEROSIL R7200 cao loại vật liệu chứa chất độn AEROSIL A200 chứng tỏ độ tương hợp AEROSIL R7200 tốt AEROSIL A200 3.8 Khảo sát cấu trúc vật liệu PC phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM FE – SEM) Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 2000 vòng/phút Phạm Văn Trưởng 71 CNVLHH 2008-2010 Hình 3.21: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 4000 vịng/phút Hình 3.22: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 5000 vịng/phút Hình 3.23: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 tốc độ khuấy 6000 vịng/phút Quan sát hình ảnh chụp cấu trúc bể mặt phá hủy mẫu PC sở nhựa PEKN gia cường chất độn AEROSIL A200 tốc độ khuấy khác cho thấy bề mặt phá hủy mẫu PC với tốc độ khuấy 5000 vịng/phút có bề mặt mịn chứng tỏ độ tương hợp nhựa PEKN chất độn AEROSIL A200 tương đối tốt Phạm Văn Trưởng 72 CNVLHH 2008-2010 Để thấy kích thước hạt nano silica vật liệu PC tiến hành chụp bề mặt gãy mẫu trống mẫu chứa chất độn AEROSIL A200 Kết nhận thấy qua hình chụp đây: Hình 3.24:Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN khơng chứa chất độn Hình 3.25: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1,75PKL Hình 3.26: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.22% dùng dung môi phụ Phạm Văn Trưởng 73 CNVLHH 2008-2010 Hình 3.27: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.75% có sử dụng chất liên kết /Hình 3.28: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn A200 với hàm lượng 1.22% dùng dung mơi phụ có chất liên kết Hình 3.29: Ảnh SEM bề mặt gãy vật liệu PC sở nhựa PEKN với chất độn R7200 với hàm lượng 1.75% Qua hình ta thấy phân tán chất độn nano silica nhựa PEKN đồng đều.Ta nhận thấy kích thước hạt chất độn AERSOIL A200 nhỏ (