Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit thân thiện môi trường trên cơ sở dầu thực vật epoxy hóa gia cường bằng hạt thạch anh và thủy tinh tái chế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Anh Tuấn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ DẦU THỰC VẬT EPOXY HÓA, GIA CƯỜNG BẰNG HẠT THẠCH ANH VÀ THỦY TINH TÁI CHẾ Chuyên ngành : Khoa học Kỹ thuật Vật liệu phi kim LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ MINH ĐỨC Hà Nội - 2012 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, cán nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Trung tâm Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Vũ Minh Đức, người tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu, PGS.TS Phan Minh Ngọc giúp đỡ, định hướng hỗ trợ phương pháp nghiên cứu kinh nghiệm thực tế để áp dụng kết nghiên cứu đề tài vào thực tiễn sản xuất nơi làm việc Công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Công ty đồng nghiệp nơi công tác giúp đỡ, hỗ trợ, tạo điều kiện để tơi thử nghiệm kết nghiên cứu phịng thí nghiệm thực tế sản xuất có thành cơng định Dù cố gắng, song luận văn chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót hạn chế Do mong tiếp tục nhận chia sẻ nhận xét góp ý thầy cô giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp để tiếp tục hoàn thiện đưa đề tài áp dụng vào sản xuất đạt kết tốt Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2012 Tác giả Phạm Anh Tuấn Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 MỤC LỤC Trang phụ bìa 1  Lời cảm ơn 2  Lời cam đoan 6  Danh mục ký hiệu, viết tắt 7  Danh mục hình vẽ, đồ thị 8  Danh mục bảng biểu 10  MỞ ĐẦU 11  Chương 1  TỔNG QUAN 13  1.1 Một số loại dầu thực vật phổ biến 13  1.1.1 Dầu hạt cải 14  1.1.2 Dầu đậu nành 14  1.1.3 Dầu hướng dương 15  1.1.4 Dầu cọ 16  1.1.5 Dầu lanh 17  1.1.6 Một số axit quan trọng dầu thực vật 18  1.2 Dầu lanh epoxy hóa (Epoxy linseed oil-ELO) 21  1.2.1 Chiết xuất dầu lanh 21  1.2.2 Epoxy hóa dầu lanh 24  1.2.3 Phản ứng đóng rắn dầu lanh epoxy hóa 26  1.3 Chất gia cường thạch anh thủy tinh tái chế 30  1.3.1 Thạch anh (Quartz) 30  1.3.2 Thủy tinh tái chế 35  1.4 Vật liệu compozit sở dầu thực vật epoxy hóa 37  Chương 2  THỰC NGHIỆM 41  2.1 Nguyên liệu 41  2.2 Các phương pháp xác định tính chất quan trọng ELO 42  2.2.1 Phương pháp xác định đương lượng nhóm epoxy 42  Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 2.2.2 Phương pháp xác định tỷ trọng 43  2.2.3 Phương pháp xác định cực đại tỏa nhiệt đóng rắn 43  2.2.4 Phương pháp xác định độ nhớt 44  2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit sở dầu lanh epoxy hóa, gia cường thạch anh thủy tinh tái chế 44  2.4 Các phương pháp xác định tính chất vật liệu 46  2.4.1 Phương pháp xác định độ hấp thụ nước 46  2.4.2 Phương pháp xác định độ bền uốn 47  2.4.3 Phương pháp xác định độ mài mòn sâu 48  2.4.4 Phương pháp xác định độ cứng bề mặt 49  2.5 Một số phương pháp phân tích 50  2.5.1 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel 50  2.5.2 Phương pháp xác định phân bố kích thước hạt 51  2.5.3 Phương pháp quét nhiệt vi sai nhiệt khối lượng (DSC-TGA) 52  2.5.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 53  Chương 3  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54  3.1 Lựa chọn hệ đóng rắn cho dầu lanh epoxy hóa 54  3.1.1 Lựa chọn chất đóng rắn 54  3.1.2 Lựa chọn chất xúc tác cho trình đóng rắn 55  3.1.3 Lựa chọn chất mở vòng anhydrit 56  3.2 Phân tích nhiệt vi sai quét nhiệt khối lượng (DSC-TGA) 56  3.3 Khảo sát q trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA/NMI/PT1 58  3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến q trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA/NMI/PT1 58  3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất đóng rắn MHHPA đến q trình đóng rắn ELO 61  3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất xúc tác NMI đến q trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA 63  3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng polyol-PT1 đến q trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA 66  3.4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit thân thiện môi trường sở dầu lanh epoxy hóa, gia cường thạch anh thủy tinh tái chế 69  3.4.1 Xác định đơn phối liệu tối ưu chế tạo vật liệu compozit thân thiện môi trường 69  Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết đến tính chất vật liệu 72  3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đóng rắn đến tính chất học vật liệu compozit 75  KẾT LUẬN 80  TÀI LIỆU THAM KHẢO 81  Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết thực nghiệm trình bày luận văn trung thực, tơi thực Các kết nêu luận văn chưa công bố cơng trình khác Tác giả Phạm Anh Tuấn Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT STT Tên Viết tắt Dầu lanh epoxy hóa (Epoxy Linseed Oil) ELO Anhydrit metylhexahydrophtalic MHHPA Polyol-PT1 PT1 1-metyl imidazol NMI polyme compozit PC                                               Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ/đồ thị N0 1.1 Một số hình ảnh lanh 1.2 Cơng thức cấu tạo axit oleic 1.3 Công thức cấu tạo axit linoleic (cis, cis-9,12-octadecadienoic acid) 1.4 Công thức cấu tạo axit α - linolenic (cis,cis,cis-9,12,15-Octadecatrienoic acid) 1.5 Công thức cấu tạo axit stearic 1.6 Công thức cấu tạo axit palmitic 1.7 Sơ đồ q trình chiết xuất epoxy hóa dầu lanh 1.8 Sơ đồ quy trình ép học 1.9 Sơ đồ chiết xuất dung môi 1.10 Sơ đồ phản ứng epoxy hóa dầu thực vật 1.11 Cấu trúc dầu lanh trước sau epoxy hóa 1.12 1.13 1.14 Cơ chế đóng rắn dầu lanh epoxy hóa sử dụng imidazol làm chất xúc tác, đóng rắn anhydrit Cơ chế phản ứng đóng rắn dầu thực vật epoxy hóa anhydrit có mặt amin bậc nhóm –OH Cơ chế phản ứng đóng rắn dầu lanh epoxy hóa MHHPA có mặt chất imidazol hợp chất chứa nhóm –OH 1.15 Mơ hình cấu trúc tinh hệ sáu phương ba phương 1.16 Dạng tinh thể lý tưởng thạch anh mặt 1.17 Các trục đối xứng tinh thể thạch anh 1.18 Các dạng tinh thể thạch anh 2.1 Nhớt kế LVDV-E Bình ổn nhiệt WBH14 2.2 Sơ đồ chế tạo vật liệu compozit 2.3 Máy khuấy trộn liệu máy rung ép môi trường chân không 2.4 Máy đo độ bền uốn Flexi-1000 hãng Gabbrielli,Ý 2.5 Máy đo độ mài mòn sâu Deep Unglazed hãng Gabbrielli, Ý Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 2.6 Thiết bị đo độ cứng Barcol dụng cụ đo độ cứng Mohs 2.7 Bộ Soxhlet phịng thí nghiệm 2.8 Máy xác định phân bố kích thước hạt laze sàng rây 2.9 Máy DSC-TGA Model NETZSCH STA409 PC/PG 2.10 Máy SEM hãng Jeol, Nhật Bản 3.1 Sự biến thiên nhiệt độ sử dụng imidazol khác đến trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA 3.2 Giản đồ DSC-TGA hệ ELO/MHHPA/NMI/PT1 3.3 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian phản ứng đóng rắn ELO 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến mức độ đóng rắn ELO 3.5 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian phản ứng đóng rắn ELO với hàm lượng chất đóng rắn MHHPA khác 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng chất MHHPA đến mức độ đóng rắn ELO 3.7 Ảnh hưởng hàm lượng NMI đến trình đóng rắn hệ ELO/MHHPA 3.8 Ảnh hưởng hàm lượng NMI đến mức độ đóng rắn hệ ELO/MHHPA 3.9 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian phản ứng đóng rắn ELO với hàm lượng polyol –PT1 khác 3.10 Ảnh hưởng hàm lượng polyol-PT1 đến mức độ đóng rắn hệ ELO/MHHPA 3.11 Ảnh SEM bề mặt phá hủy vật liệu PC khơng có có 1,4% Glymo Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu N0 1.1 Hàm lượng dầu số Iot số loại dầu 1.2 Thành phần hoá học dầu hạt cải 1.3 Thành phần hoá học dầu đậu nành 1.4 Thành phần hoá học dầu hướng dương 1.5 Thành phần hoá học dầu cọ 1.6 Thành phần hóa học dầu lanh 1.7 Một số tính chất – lý –quang thạch anh 1.8 Thành phần hóa học thủy tinh tái chế 2.1 Bảng quy đổi chiều dài thể tích mài mịn sâu 3.1 Tính chất ELO sau đóng rắn từ số anhydrit khác 3.2 Một số đặc trưng ELO sau đóng rắn nhiệt độ phản ứng khác 3.3 Một số đặc trưng nhựa sau đóng rắn với hàm lượng chất đóng rắn MHHPA khác 3.4 Một số đặc trưng nhựa sau đóng rắn với hàm lượng xúc tác NMI khác 3.5 Ảnh hưởng hàm lượng polyol-PT1 đến số đặc trưng nhựa sau đóng rắn 3.6 Kết sàng dải hạt cốt liệu dùng để nghiên cứu 3.7 Đơn phối liệu tối ưu chế tạo mẫu compozit 3.8 Ảnh hưởng hàm lượng glymo đến tính chất lý vật liệu 3.9 Một số tính chất vật liệu đá ốp lát nhân tạo theo tiêu chuẩn EN15258:2008 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ đóng rắn đến tính chất vật liệu compozit 3.11 Ảnh hưởng thời gian đóng rắn đến tính chất vật liệu compozit 10 Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 SpA (Ý) - hãng chuyên cung cấp chuyển giao công nghệ sản xuất đá nhân tạo theo công nghệ rung ép môi trường chân không Dưới công thức thực nghiệm Bolomey: P =A + (100 – A) * d/D Trong đó: • P: % lượng cốt liệu qua sàng với đường kính lỗ sàng d • D: đường kính hạt cốt liệu lớn nhất, mm • A: Hệ số phụ thuộc hình dạng hạt, từ 12 (hình cầu) đến 14 (hình dẹt) Kết sàng phân tích dải hạt dùng nghiên cứu trình bày cụ thể bảng 3.6 Bảng 3.6: Kết sàng dải hạt cốt liệu dùng để nghiên cứu Dải hạt Qua sàng Sót sàng % sót sàng 0,6-1,2 mm 79,2 (100-79,2) = 20.8 30,4 0,3-0,6 mm 56,0 (79,2-56,0) = 23.2 34,0 0,1-0,3 mm 37,4 (56,0-37,4) = 18.6 27,2 Cốt liệu Thủy tinh tái chế Thủy tinh tái chế Thạch anh Tỷ trọng 2,33 2,33 2,65 Khi phối trộn hạt cốt liệu này, đơn phối liệu, hạt cốt liệu chiếm thể tích tổng tích phối liệu A, giá trị tuyệt đối tính theo lý thuyết Thực tế, thể tích A nhân với hệ số K, để đảm bảo tính an tồn đơn phối liệu tạo thành 70 Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 Trong cách xây dựng đơn phối liệu dùng đến hệ số linh động lượng vật liệu điền đầy Lượng vật liệu điền đầy lượng hỗn hợp nhựa bột mịn cần thiết để điền đầy khoảng trống mà hạt cốt liệu lớn tạo ra, Hệ số linh động tính theo cơng thức: H=%Vnhựa/(%Vnhựa+%Vbột mịn)*100 Trong đó: • %Vresin: phần trăm thể tích nhựa 100% thể tích phối liệu • %Vbột mịn: phần trăm thể tích bột mịn 100% thể tích phối liệu • H: Hệ số linh động hỗn hợp vật liệu điền đầy Thực tế, hệ số thực nghiệm lấy khoảng giá trị 43-49 Như vậy, từ giá trị H lựa chọn (từ 43-49), tính ngược phần trăm thể tích nhựa bột mịn cơng thức phối liệu • Thể tích phần cốt liệu: Vcốt liệu = A*K • Thể tích hỗn hợp nhựa bột điền đầy: Vpaste = 100-A*K • Thể tích nhựa: Vnhựa =(100-A*K)*H • Thể tích bột điền đầy: Vbột = (100-A*K)*(1-H) Bằng thực nghiệm tính tốn, vào đặc tính nhựa sử dụng làm thí nghiệm, xác định được: Giá trị: A = 67,68%; K = 0,88 H = 0,46 Khi đó, 100% thể tích khối vật liệu, bao gồm: • Thể tích phần cốt liệu: Vcốt liệu = A*K =59,56 • Thể tích hỗn hợp nhựa bột điền đầy: Vpaste = 100-A*K = 40,44 • Thể tích nhựa: Vnhựa =(100-A*K)*H = 18,60 • Thể tích bột điền đầy: Vbột = (100-A*K)*(1-H)= 21,83 71 Phạm Anh Tuấn Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Phi kim Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 2012 Đơn phối liệu tối ưu trình bày bảng 3.7 Bảng 3.7: Đơn phối liệu tối ưu chế tạo mẫu compozit Thành phần % thể % khối Tỷ tích, v lượng,m trọng,d (%) Tỷ trọng mẫu,Dmẫu (cm3) (%) Nhựa (ELO:MHHPA= 1:0.96) 18,60 9,38 Bột