Nghiên cứu phân tán nhựa epoxy trong nước bằng muối polyamonium ứng dụng làm vữa ximăng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẢO VĂN CHÍNH NGHIÊN CỨU PHÂN TÁN NHỰA EPOXY TRONG NƯỚC BẰNG MUỐI POLYAMONIUM ỨNG DỤNG LÀM VỮA XIMĂNG Chuyên ngành : Công nghệ vật liệu cao phân tử tổ hợp LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐAI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẩn khoa học GS TS NGUYỄN HỮU NIẾU Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẢO VĂN CHÍNH Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1983 Giới tính: Nam Nơi sinh: Bình Định Chun ngành : Vật liệu cao phân tử tổ hợp Khoá: 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÂN TÁN NHỰA EPOXY TRONG NƯỚC BẰNG MUỐI POLYAMONIUM -ỨNG DỤNG LÀM VỮA XIMĂNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS TS NGUYỄN HỮU NIẾU Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Lời Cảm Ơn! Con cảm ơn Ba, Mẹ Gia đình tạo điều kiện cho học tập làm việc Đối với gia đình mãi tảng, nguồn động lực sống, hoc tập làm việc Em xin bày tỏ lòng biết ơn Thầy GS.TS Nguyễn Hữu Niếu, ThS Nguyễn Hồng Dương tận tình hướng dẫn truyền đạt cho em kiến thức khoa học quý báu kinh nghiệm thực tế trình thực luận văn Em xin cảm ơn cô TS La Thị Thái Hà Em xin cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Đắc Thành Em xin cảm ơn Thầy TS Lê Trung Chơn Em xin cảm ơn Thầy TS Nguyễn Thanh Lộc Em xin cảm ơn Thầy TS Võ Hữu Thảo Sự giúp đở thầy cô em quan trọng có ý nghĩa Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tất ln ghi nhớ thầy dành cho em Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Công nghệ Vật liệu đặc biệt Bộ môn Polymer Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer đóng góp ý kiến giúp đỡ em q trình thực luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2009 Trảo Văn Chính ABSTRACT Emulsion is a new research field in material science and emulsion polymer is a wide application field, specific to coating, adhesive… In this thesis, we did a research to synthesize an epoxy resinpolyamonium salt emulsion is based on a liquid epoxy resin (DER 331), a latent curing agent (versamid 125), organic acid (acid formic, acid oxalic), an emulsifier (polyvinyl alcohol 205) and water Moreover, we also did research to evaluate the capacity of appling this emulsion in epoxy resin-cement mortars, in alkaline curing cement mixtures, and in adhesive compositions based on hydraulically setting alkaline cement binders TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC Mục đích nghiên cứu phân tán nhựa epoxy vào nước tạo nhũ tương nhựa epoxy có độ ổn định có khả gia cường tính chất cho vữa ximăng Tuy nhiên sức căng bề mặt nước nhựa epoxy cao, nên thân nhựa epoxy tự phân tán vào nước, hỗn hợp chúng gồm hai lớp riêng biệt epoxy nước giống hổn hợp nước dầu Do để thực việc phân tán nhựa epoxy vào nước ta phải tạo loại chất hoạt động bề mặt vừa tương hợp với nhựa epoxy vừa tan nước nhằm giúp giảm sức căng bề mặt nhựa epoxy-nước từ giúp phân tán nhựa epoxy vào nước hình thức micel Loại chất hoạt động bề mặt mà tạo có tên gọi muối polyamonium Muối polyamonium tên chung loại muối có từ phản ứng polyamine (có tính kiềm) acid hữu (có tính acid) Cụ thể nghiên cứu muối polyamonium tạo từ phản ứng versamid 125 acid hữu acid formic, acid acetic, acid lactic, acid oxalic Mục lục Chương TỔNG QUAN 1.1 NHỰA EPOXY .1 1.1.1 GIỚI THIỆU NHỰA EPOXY .1 1.1.1.1 Nhựa epoxy Bisphenol A 1.1.2 TÍNH CHẤT NHỰA EPOXY .2 1.1.3 CHẤT ĐÓNG RẮN NHỰA EPOXY 1.1.3.1 Chất đóng rắn polyamine 1.1.3.2 Chất đóng rắn polyamide 1.1.3.3 Chất đóng rắn anhydride 1.2 XI-MĂNG .6 1.2.1 ĐỊNH NGHĨA 1.2.2 THÀNH PHẦN KHOÁNG CỦA XIMĂNG 1.2.3 Q TRÌNH ĐĨNG RẮN XIMĂNG 1.2.4 VỮA XIMĂNG 1.2.4.1 Độ lưu động hỗn hợp vữa 1.2.4.2 Khả giữ nước hỗn hợp vữa 1.2.4.3 Tính bám dính 1.2.4.4 Cường độ chịu lực 1.3 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.3.1 SỨC CĂNG BỀ MẶT 1.3.1.1 Sức căng bề mặt chung lỏng-khí 1.3.1.2 Sức căng bề mặt chung lỏng-lỏng 10 1.3.2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 11 1.3.2.1 Khái niệm 11 1.3.2.2 Phân loại chất hoạt động bề mặt 11 1.3.2.3 Sự hấp phụ giảm sức căng bề mặt chung 12 1.3.2.4 Sự hình thành micell 13 1.3.2.5 Cân kị nước – ưa nước HLB 14 1.3.2.6 Một số ứng dụng chất hoạt động bề mặt 15 1.4 NHŨ TƯƠNG .16 1.4.1 KHÁI NIỆM NHŨ TƯƠNG .16 1.4.2 PHÂN LOẠI NHŨ TƯƠNG 16 1.4.3 SỰ HÌNH THÀNH NHŨ TƯƠNG 17 i 1.4.3.1 Nhiệt động học hình thành nhũ tương 17 1.4.3.2 Vai trị chất hoạt động bề mặt hình thành nhũ tương 18 1.4.3.3 Quá trình phân tán tạo nhũ tương 19 1.4.3.3.1 Phân tán hạt 20 1.4.3.3.2 Keo tụ lại 21 1.4.4 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA NHŨ TƯƠNG 22 1.4.4.1 Nồng độ hạt 22 1.4.4.2 Kích thước hạt 23 1.4.4.3 Điện tích hạt 24 1.4.4.4 Tính chất bề mặt chung 25 1.4.4.5 Tương tác hạt 26 1.4.4.6 Tính chất lưu biến nhũ tương 26 1.4.4.7 Tính chất quang học 27 1.4.5 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ ỔN ĐỊNH NHŨ TƯƠNG 29 1.4.5.1 Hiện tượng Lắng Nổi 29 1.4.5.2 Hiện tượng Kết 31 1.4.5.3 Hiện tượng Keo tụ 32 1.4.5.4 Hiện tượng Tăng kích thước hạt 34 1.4.5.5 Hiện tượng Đảo pha 35 1.4.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH NHŨ TƯƠNG .36 1.4.6.1 Cơ chế ổn định điện tích 37 1.4.6.3 Cơ chế ổn định không gian 38 1.5 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO NHỰA EPOXY NHŨ TƯƠNG 41 1.5.1 Phương pháp biến tính hố học 41 1.5.2 Phương pháp biến tính vật lý .41 1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 42 1.5.2.1 Phương pháp phân tán nhựa Epoxy nước muối polyamonium 43 1.6 ỨNG DỤNG TRONG VỮA XIMĂNG BÊTÔNG 48 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU 51 2.1.1 Nhựa Epoxy DR-331 51 2.1.2 Versamid 125 51 2.1.3 Acid 52 2.1.3.1 Acid Formic 52 ii 2.1.3.2 Acid Acetic 52 2.1.3.3 Acid Lactic 53 2.1.3.4 Acid Oxalic 53 2.1.4 Chất trợ ổn định Polyvinyl Alcohol (PVA) 54 2.1.5 Chất phá bọt SN-Defoamer 319 54 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .55 2.2.1 Quy trình chế tạo nhũ tương Epoxy 55 2.2.2 Quy trình tạo mẫu ximăng có trộn nhũ tương epoxy 59 2.2.3 Khảo sát giai đoạn tạo muối Polyamonium 60 2.2.4 Khảo sát giai đoạn phân tán tạo nhũ tương 64 2.2.5 Khảo sát giai đoạn gia cường cho bêtông 67 2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ 67 2.3.1 Phương pháp xác định pH 67 2.3.2 Phương pháp xác định độ nhớt 68 2.3.3 Phương pháp xác định độ bền tách pha nhũ tương ISO 3251 68 2.3.4 Phương pháp xác định kích thước hạt tán xạ Laser 69 2.3.5 Phương pháp xác định tính đá xi măng (TCVN 6016:1995) 69 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Khảo sát giai đoạn tạo muối Polyamonium .71 3.1.1 Khảo sát nhiệt độ phản ứng tạo muối acid Oxalic 71 3.1.2 Khảo sát tỷ lệ đương lượng Acid đơn chức/Acid Oxalic 75 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước đến nhũ tương 80 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng acid formic pha loãng đến nhũ tương 83 3.2 Khảo sát giai đoạn phân tán tạo nhũ tương 92 3.2.1 Khảo sát tốc độ khuấy phân tán epoxy 92 3.2.2 Khảo sát thời gian khuấy phân tán epoxy 96 3.2.3 Khảo sát tỷ lệ đương lượng epoxy/versamid 99 3.2.4 Khảo sát hàm lượng PVA 107 3.3 Khảo sát giai đoạn gia cường cho bêtông 112 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN 115 4.2 KIẾN NGHỊ 116 iii Danh mục hình vẽ bảng biểu Hình 1.1.1: cấu trúc nhóm Epoxy Hình1.1.2 : cấu trúc phân tử nhựa Bisphenol A Hình 1.1.3: chế đóng rắn amine Hình 1.1.4: phản ứng tạo thành polyamide Hình 1.1.5: chế đóng rắn anhydride Hình 1.2.1 Tốc độ đóng rắn thành phần khống Hình1.3.1:Các mơ hình sức căng bề mặt .9 Hình: 1.3.2 Mơ hình sức căng bề mặt chung lỏng-lỏng 10 Hình 1.3.3: mơ hình cấu trúc phân tử chất hoạt động bề mặt 11 Hình 1.3.4: Phương trình hấp phụ Gibbs 12 Hình 1.3.5: mơ hình hấp phụ phân tử chất hoạt động bề mặt 12 Hình 1.3.6 : hình thành micell 13 Hình 1.3.7: dạng cấu trúc micell 13 Hình 1.3.8 : thay đổi tính chất nhũ tương CMC 14 Hình 1.3.9 : Mơ hình cân kị nước – ưa nước 14 Hình 1.3.10 : Ứng dụng làm chất thấm ướt chất hoạt động bề mặt 15 Hình 1.3.11 : Ứng dụng làm chất giặt tẩy chất hoạt động bề mặt 15 Hình 1.3.12 : Ứng dụng làm chất nhũ hóa chất hoạt động bề mặt 15 Hình 1.4.1 Ảnh phóng đại nhũ tương 16 Hình 1.4.2: Mơ hình loại cấu trúc nhũ tương 16 Hình 1.4.3: Sự hình thành nhũ tương làm tăng diện tích bề mặt chung 18 Hình 1.4.4: Mơ hình hình thành nhũ tương O/W W/O 19 Hình 1.4.5 : Mơ hình phân tán tạo nhũ tương 20 Hình 1.4.6: Mơ hình phân tán hạt 20 Hình 1.4.7: Mơ hình dạng dòng chảy tần 21 Hình 1.4.8 : Mơ hình q trình cắt xé hạt 21 Hình 1.4.9: Mơ hình ảnh hưởng tốc độ hấp phụ lên keo tụ lại 22 Hình 1.4.10: thay đổi tính chất nhũ tương theo nồng độ hạt 22 Hình 1.4.11 : nhũ tương đơn phân tán đa phân tán 23 Hình1.4.12 : Biểu đồ kích thước hạt 23 Hình 1.4.13: Ảnh hưởng kích thước hạt đến độ ổn định nhũ tương 24 iv Chương : Kết luận kiến nghị Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Quy trình chế tạo nhũ tương nhựa Epoxy Versamid 125 Nước Acid Formic Gia nhiệt thực phản ứng trung hòa amin acid formic Chất phá bọt (Deformer) Versamid Chưa tan hết Versamid tan hết Acid Oxalic Gia nhiệt thực phản ứng trung hòa amin acid Oxalic pH ≠ Dung dịch Nước + PVA pH ≈ Muối Polyamonium Nhựa Epoxy 331 Phân tán nhựa epoxy PVA vào dung dịch muối để tạo nhũ tương Acid Formic Nước Phân tán nước, acid formic phá bọt cho nhũ tương Nhũ tương nhựa Epoxy 116 Chất phá bọt (Deformer) Chương : Kết luận kiến nghị Thơng số quy trình: Giai đoạn tạo muối polyamonium Tỷ lệ đượng lượng acid/versamid : 1/1 Tỷ lệ đương lượng acid formic/acid oxalic : 7/3 Hàm lượng nước phản ứng tạo muối : 55% lượng nước tổng Hàm lượng chất phá bọt : 0.15% lượng nước tổng Nhiệt độ phản ứng acid formic-versamid :60oC, khuấy 1000v/p, 30 phút Nhiệt độ phản ứng acid oxalic-versamid : acid oxalic cho vào nhiệt độ phòng khuấy với tốc độ 2000v/p 30 phút, sau gia nhiệt lên 70oC thực phản ứng 30phút Giai đoạn phân tán tạo nhũ tương Tỷ lệ đương lượng nhựa epoxy/versamid : 1/1 Tỷ lệ % khối lượng PVA/Versamid : 15% Hàm lượng nước pha loãng : 30% lượng nước tổng Hàm lượng acid formic pha loãng : 0.2 đương lượng versamid Vận tốc khuấy phân tán :6000v/p Thời gian khuấy: 30 phút: 20p đầu phân tán nhựa Epoxy dung dịch PVA; 10p sau phân tán 30% nước lại, 0.2 đương lượng acid formic phá bọt Nhũ tương làm lạnh nước đá trình phân tán Lượng nước tổng chiếm 60% khối lượng nhũ tương: Trong 55% dùng phản ứng tạo muối, 15% dùng để hịa tan PVA 30% dùng để pha lỗng phân tán tạo nhũ tương Tính chất sản phẩm Độ nhớt: 240cP Kích thước hạt: 1.5-1.6µm Độ bền tách pha 60oC: 6.88 ngày không tách, sau15 ngày tách 18.7% Hàm lượng rắn chiếm : 28-30% khối lượng Gia cường bêtông: với hàm lượng sử dụng khoản 10-30% ximăng, nhũ tương giúp tăng cường độ bền nén lên đến 63% độ bền uốn lên đến 26.9% Nhũ tương không sử dụng 30% ximăng bêtông 117 Chương : Kết luận kiến nghị 4.2 Kiến nghị Từ khó khăng hạn chế q trình thí nghiệm tơi xin đề xuất số ý kiến cho trình nghiên cứu sau: Khảo sát khả tổng hợp phối hợp sử dụng loại chất hoạt động bề mặt Khảo sát loại PVA với khối lượng phân tử từ thấp đến cao để đánh giá ảnh hưởng khối lượng phân tử PVA tới tính chất nhũ tương Khảo sát việc phối hợp sử dụng loại nhựa epoxy Khảo sát thêm việc phối hợp loại chất đóng rắn khác DETA… Khảo sát ảnh hưởng hệ nhũ độ bền môi trường xi măng bê tông… Khảo sát tính chống thấm bêtơng gia cường 118 Tài Liệu Tham Khảo [1] Lee, H., and Neville, K., Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill, New York, 1967 [2] Meath, A R., “Epoxy Resin Adhesives,”I., Skeist,ed., van Nostrand Reinhold, New York, 1990 [3] Air Products, “Curing Agents Center for Epoxy,” SpecialChem4Polymer.com, December 2003 [4] Đỗ Quang Minh, “CN SX Ximang Pooclang chất kết dính vơ cơ” NXB ĐH Quốc gia Tp HCM [5] F Tadros (ed.): The Surfactants, Academic Press, London, 1984 [6] M R Porter, Handbook of Surfactants, Blackie, London, 1994 [7] R G Laughlin: The Aqueous Phase Behaviour of Surfactants, Academic Press, London, 1994 [8] I Piirma: Polymeric Surfactants, Marcel Dekker, New York, 1992, Surfactant Science Series No 42 [9] K Holmberg, B Jonsson, B Kronberg,B Lindman: Surfactants and Polymers in Solution, 2nd edition, John Wiley & Sons, Chichester, 2003 [11] M J Schick (ed.): Nonionic Surfactants: Physical Chemistry, Marcel Dekker, New York, 1987 [12] T Tadros: Polymer Colloids, R Buscall, T Corner, and Stageman (eds.),Elsevier Applied Sciences, London, 1985 [13] E H Lucasses-Reynders: Encyclopedia of Emulsion Technology P Becher (ed.): Marcel Dekker, New York, 1996 [14] L M Prince: Microemulsion Theory and Practice, Academic Press, New York, 1977 [15] P Walstra, P E A Smolders: Modern Aspects of Emulsions, B P Binks (ed.): The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1998 [16] Shinoda, K and Friberg, S E (1986) Emulsions and Solubilization, John Wiley & Sons, New York [17] Bourrel, M and Schechter, R S (1988) Microemulsions and Related Systems, Marcel Dekker, New York I [18] L Lobo and A Svereika: “Coalescence During Emulsification Role of Small Molecule Surfactants.” J Colloid Interface Sci (2003) [19] Buehner, R W., and Atzinger, G D., “Waterborne Epoxy Dispersions in Adhesive Applications,” Epoxy Resin Formulators Conference, San Francisco, [20] Buehner and Atzinger, G.D., “Waterborne Epoxy Dispersions in Adhesive Applications.” [21] Oldring, P K T., ed., Waterborne and Solvent Based Epoxies and Their End User Applications, 2d ed., vol 2, SITA Technology Ltd., Edinburgh, UK, 1999 [22] Belm, D T., and Gannon, J., “Epoxies,” in Adhesives and Sealants, Engineered Materials Handbook, ASM International, Materials Park, OH, 1990 [23] Marusin, S., Polymer Modified Concrete , American Concrete Insititute, Detroit (1987) [24] Walters, G D., Polymer-Modified Hydraulic-Cement Mixtures, , American Society for Testing and Materials, Philadelphia (1993) II Phụ lục III IV V VI VII VIII IX X XI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc -o0o - LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC : PHOTO 1.1 Họ tên 1.2 Bí danh 1.3 Năm sinh 1.4 Nơi sinh : TRẢO VĂN CHÍNH : Khơng : 01/01/1983 : Bình Định 1.5 Ngun qn : Ngơ mây, Phù Cát, Bình Định 1.6 Địa thường trú : 110/9/8 lê lợi , P4, Gò Vấp, Tp HCM 1.7 Dân tộc : Kinh 1.8 Tôn giáo : Không 1.9 Quốc tịch : Việt Nam 1.10 Sức khỏe : Tốt 1.11 Ngày vào Đồn TNCS Hồ Chí Minh : 20/05/2005 1.12 Email: traochinh@yahoo.com 1.13 Điện thoại: 0908.680.646 II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC: Chế độ học : Chính quy Thời gian học : Từ 2001 đến 2006 Nơi học : Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Ngành học : Công nghệ vật liệu Chuyên ngành : Polymer Tên luận án TN : NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ CAO SU SBR VÀ NANOCLAY Người hướng dẫn Ngày bảo vệ : : Th.S Nguyễn Thị Lê Thanh 21/01/2006 III HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC KỸ THUẬT: 2006-2007 2007-2009 : : Làm việc công ty sơn Kansai Làm việc công ty cổ phần nhựa Rạng Đông ... Bình Định Chuyên ngành : Vật liệu cao phân tử tổ hợp Khoá: 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÂN TÁN NHỰA EPOXY TRONG NƯỚC BẰNG MUỐI POLYAMONIUM -ỨNG DỤNG LÀM VỮA XIMĂNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: ... cứu phân tán nhựa epoxy vào nước tạo nhũ tương nhựa epoxy có độ ổn định có khả gia cường tính chất cho vữa ximăng Tuy nhiên sức căng bề mặt nước nhựa epoxy cao, nên thân nhựa epoxy tự phân tán. .. Phương pháp phân tán nhựa Epoxy nước muối polyamonium 43 1.6 ỨNG DỤNG TRONG VỮA XIMĂNG BÊTÔNG 48 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU 51 2.1.1 Nhựa Epoxy DR-331