Nghiên cứu ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu PP GS polyme compozit

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN QUANG MINH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HẠT GYPSUM PHẾ THẢI CHẾ TẠO VẬT LIỆU PP/GS POLYME COMPOZIT Chun ngành : Hóa mơi trường Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VŨ GIANG PGS.TS ĐỖ QUANG TRUNG Hà Nội - Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Vũ Giang thầy Đỗ Quang Trung tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình làm thực nghiệm để hoàn thành luận văn Thạc sĩ Em xin chân thành cảm ơn tập thể nhà khoa học- Phịng Hóa lý vật liệu phi kim loại- Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, thầy giáo Khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên tận tình giúp đỡ em suốt trình làm thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Hải Phịng tạo điều kiện cơng tác để tơi có thời gian nghiên cứu, học tập Và tơi chân thành cảm ơn Công ty DAP Vinachem Việt Nam, Hải Phòng cung cấp mẫu gypsum phế thải cho nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Quang Minh DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ Ký hiệu Tên đầy đủ ABS Acrylonitrin butadien styrene PP Polypropylen CaSO4.BT CaSO4 biến tính SDS a-PP Atactic polypropylene DAP Diamoniphotphat i-PP Isotactic polypropylene DSC Quét nhiệt vi sai PP/GS Nhựa PP có gia cường hạt gypsum DG Gypsum biến tính SDS DG-1B Gypsum biến tính SDS PVA q trình chế tạo vật liệu Polyvinylacrylic DG-2B Gypsum biến tính SDS trước PVC đưa vào chế tạo vật liệu Poly vinylclorua EVA Copolyme etylen vinylaxetat Polystrylen FESEM Hiển vi điện tử quét phát xạ SBF trường Dung dich ̣ mô ph ỏng thể người FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi SDS Fourrier Natri dodecyl sunfat GS Gypsum (thạch cao) SG Gypsum biến tính axit stearic HDPE Nhựa polyetylen tỉ trọng cao SG-1B Gypsum biến tính axit stearic PU PS Polyuretan trình chế tạo vật liệu LDPE Polyelylen tỉ trọng thấp SG-2B Gypsum biến tính axit stearic trước đưa vào chế tạo vật liệu MAP Mono amoniphotphat TGA Phân tích nhiệt trọng lượng NR Cao su tự nhiên XRD Nhiễu xa ̣ tia X OG Gypsum sau xử lý làm PE Polyelylen DANH MỤC HÌNH VẼ TÊN HÌNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Các loại compozit: a) Compozit hạt; b) Compozit sợi; c) Compozit phiến; d) Compozit vảy; e) Compozit đổ đầy Độ giãn dài vật liệu khác nhiệt độ cao: 1- PE tỷ trọng thấp; 2- Polymetylmetaacrylat; 3- PE tỷ trọng cao; 4- PVC; 5- PP Các sản phẩm làm từ PP Bãi tập kết gypsum hồ nước thải cơng ty Dap- Vinachem Đình Vũ Cá chết trắng sau nước từ hồ chứa nước thải cơng ty DAP- Hình 1.5 vinachem Đình Vũ Hải Phịng bị tràn sang diện tích ni trồng thủy sản dân Ảnh FE-SEM chụp bề mặt nứt gãy vật liệu tổ hợp sử dụng (a) thạch cao ban đầu, (b) thạch cao-PI (poly(vinyl ancol), (c) thạch cao- Hình 1.6 PII (poly (vinyl ancol-co-vinyl axetat-co-axit itaconic)), (d) thạch cao-PIII (poly(vinyl clorua – co-vinyl axetat – co-vinyl ancol)) sau ngâm dung dịch SBF ngày Hình 1.7 Hình 1.8 Ảnh hưởng bám dính màng mỏng polyme SBR phủ lên vi cấu trúc gốm vật liệu sử dụng thạch cao Nền thạch cao chưa biến tính - mạng tinh thể khối a) Sử dụng 10% cao su SBR gốm (có thể quan sát thấy cao Hình 1.9 su hình thành mạng polyme phân tán tốt thạch cao); b) Sử dụng 20% cao su SBR gốm (có kết lắng polyme thạch cao) Hình 1.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X canxi cacbonat, thạch cao thương mại thạch cao phế thải Hình 1.11 Momen xoắn cực tiểu (ML) vật liệu compozit NR/chất độn Hình 1.12 Momen xoắn cực đại (MH) vật liệu compozit NR/chất độn Ảnh FESEM GS biến tính axit stearic hàm lượng khác nhau: a) Gypsum chưa biến tính; b) Gypsum biến tinh 1% axit Hình 1.13 stearic; c) Gypsum biến tinh 2% axit stearic;d) Gypsum biến tính 3% axit stearic;e) Gypsum biến tinh 4% axit stearic; f) Gypsum biến tinh 5% axit stearic Hình1.14 Hình 2.1 Hình 2.2 Ảnh FE-SEM vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/gypsum: a) sử dụng gypsum chưa biến tính; b) sử dụng gypsum biến tính axit stearic Q trình xử lý hạt OG ban đầu Máy trộn kín hai trục hệ thống đo lưu biến trạng thái nóng chảy Rheomix 610 Hình 2.3 Mẫu đo tính chất lý Hình 2.4 Máy xác định tính chất học Zwick Z2.5 Hình 2.5 Máy xác định độ bền mài mòn Taber KFG-2061 (Mỹ) Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo lắp mẫu Hình 2.7 Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ) Hình 2.8 Máy phân tích nhiệt Shimadzu TGA 50H Hình 2.9 Máy hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) S-4800 Hình 2.10 Máy đo tính chất điện mơi TR-10C Hình 2.11 Mẫu cắt đánh dấu theo tiêu chuẩn 94HB Hình 2.12 Mẫu đặt nằm ngang theo tiêu chuẩn 94HB Hình 2.13 Mặt cắt ngang thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON Hình 3.1 Giản đồ mô men xoắn vật liệu compozit PP/OG (80/20) với kích thước hạt OG khác Hình 3.2 Phổ FT-IR mẫu OG, DG-2B CaSO4.BT Hình 3.3 TGA mẫu OG DG-2B Hình 3.4 Giản đồ mô men xoắn vật liệu compozit hàm lượng 20%kl gypsum: a) PP/OG PP/SG; b) PP/OG PP/DG Hình3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Mô đun đàn hồi PP/OG, PP/SG-1B, PP/SG-2B, PP/DG-1B, PP/DG-2B Ảnh hưởng hàm lượng chất phân tán tới độ bền kéo đứt mẫu compozit Mô đun đàn hồi PP/OG, PP/DG-2B PP/CaSO4.BT Phổ FT-IR vật liệu compozit PP, PP/OG, PP/DG-2B PP/CaSO4.BT Hình 3.9 Ảnh FE-SEM (a) PP/OG (95/5) (b) PP/DG (95/5) Hình 3.10 TGA mẫu PP mẫu compozit Hình 3.11 Phần trăm độ bền kéo đứt lại sau 10 chu kỳ thử nghiệm thời tiết Hình 3.12 Phần trăm độ bền kéo đứt lại sau 21 chu kỳ thử nghiệm thời tiết Hình 3.13 Sự phụ thuộc ∆E* theo thời gian thử nghiệm DANH MỤC BẢNG TÊN BẢNG Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Tính chất chung vật liệu compozit Thành phần kim loại gypsum phế thải từ nhà máy DAP Đình Vũ- Hải Phịng Thành phần hoá học gypsum phế thải từ nhà máy DAP Đình VũHải Phịng Bảng 1.4 Thành phần nước ao bãi thải gypsum Bảng 3.1 Mô men xoắn cân vật liệu PP/OG Bảng 3.2 Ảnh hưởng kích thước hạt gypsum đến tính chất lý vật liệu compozit Bảng 3.3 Mô men xoắn cân vật liệu compozit Bảng 3.4 Độ bền kéo đứt vật liệu PP/GS (đơn vị MPa) Bảng 3.5 Mô đun đàn hồi mẫu PP/GS (đơn vị MPa) Bảng 3.6 Kết độ giãn dài đứt vật liệu PP/GS Bảng 3.7 Kết độ mài mòn mẫu compozit PP/DG-2B Bảng 3.8 Kết độ bền mài mòn mẫu compozit Bảng 3.9 Số sóng số nhóm nguyên tử đặc trưng vật liệu compozit PP/GS Bảng 3.10 Đặc trưng phân hủy nhiệt mẫu PP, PP/OG, PP/DG-2B PP/CaSO4.BT hàm lượng 10% chất độn Bảng 3.11 Bảng 3.12 Hằng số điện mơi (ε) tg góc tổn hao điện môi (tgδ) vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT Điện trở suất khối v (.cm) vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT Bảng 3.13 Thời gian tốc độ cháy mẫu compozit Bảng 3.14 Độ bền kéo đứt (ζs) sau thử nghiệm oxy hoá nhiệt vật liệu tổ hợp PP/GS MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu phân bón nay, nước ta xây dựng 10 nhà máy phân bón Văn Điển, Lâm Thao, Ninh Bình, Hải Phịng, Long Thành sản xuất theo quy trình trích ly quặng apatit làm giàu với axit sunfuric Công suất nhà máy từ vài trăm ngàn đến triệu tấn/năm [5, 9, 15] Hàng năm, nhà máy thải lượng chất thải rắn - gypsum phế thải tương đương (thành phần chủ yếu CaSO4– ngồi cịn có lượng nhỏ số tạp chất khác) Gypsum từ nguyên tiếng Anh, dich sang tiếng Việt có nghĩa thạch cao, nhiên, để phân biệt với thạch cao có tự nhiên (nhiều tạp chất pha lẫn), luận văn giữ nguyên tên gọi gypsum thí nghiệm Hiện nay, lượng bã thải rắn tích trữ bể chứa khơng có mái che Đây nguy tiềm ẩn môi trường như: cần nhiều diện tích xây bể, mưa lớn thiên tai động đất lở đất… làm bể tràn, nứt, rò rỉ nước thải chứa axit thoát gây hại cho khu vực xung quanh Mỗi năm, giới có khoảng 150 triệu gypsum xả thải mơi trường từ nhà máy sản xuất phân bón [23, 38, 39] Ở Việt Nam, năm lượng phân lân nước ta cần khoảng triệu tấn/năm cho nhu cầu nơng nghiệp Cùng với khối lượng tương đương gypsum phế thải xả thải môi trường, riêng bãi thải gypsum công ty TNHH thành viên DAP Vinachem (Tập đồn Hóa chất & phân bón Việt Nam) Hải Phịng có khoảng 750 ngàn tấn/năm chứa diện tích đất 10 (theo ông Vũ Văn Bằ ng – PTGĐ Cty TNHH thành viên DAP – Vinachem) Khó khăn giải quyế t lươ ̣ng gypsum phế thải nói riêng chấ t thải rắ n phát thải quá trin ̀ h sản xuấ t không chỉ là vấ n đề của riêng công ty DAP Đình Vũ thực trạng chung của ngành cơng nghiê ̣p - Hải Phịng mà là sản xuất phân bón Việt Nam Vấn đề cần có giải pháp khoa học cơng nghệ nhằm giảm tối đa ảnh hưởng gypsum phế thải đến môi trường Hiện nay, nhà khoa học bước đầu ứng dụng thành cơng gypsum q trình sản xuất gốm sứ vệ sinh, vật liệu xây dựng, chất phụ gia hay chất độn cho cao su polyme Vật liệu polyme compozit với pha phân tán sử dụng hạt vơ đóng vai trị chất độn chất gia cường cải thiện đáng kể tính chất lý, nhiệt giảm giá thành sản xuất Các vật liệu vô phổ biến CaCO3, bột talc, bột than đen, hạt clay, bentonit Tuy nhiên giá bán nguyên liệu cao [21, 22, 42] nên việc sử dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu polyme compozit không góp phần giải vấn đề nhiễm mơi trường mà cịn có ý nghĩa khoa học, cải thiện độ bền vật liệu compozit hiệu kinh tế đáng kể Một vấn đề đặt hạt gypsum (GS) có khả hấp thu nước cao dẫn tới tương tác mạnh hạt, điều dẫn đến co cụm hạt trình chế tạo vật liệu compozit, hình thành khuyết tật cấu trúc compozit Do đó, trước phân tán vào nhựa nền, bề mặt hạt GS ban đầu cần biến tính để giảm tính ưa nước, tăng tính kỵ nước, nhờ làm tăng khả tương hợp kết dính hạt nhựa nền, đặc biệt dòng polyolefin Một số nghiên cứu biến tính hạt gypsum axit stearic góp phần làm giảm ma sát trộn, cải thiện phân tán độ bền nhiệt vật liệu compozit polyvinyl clorua/gypsum [6, 31, 40] Bên cạnh đó, việc nghiên cứu tổng hợp hạt CaSO4 biến tính natri dodecyl sunfat (SDS) từ canxi hydro photphat ứng dụng để chế tạo compozit HDPE/CaSO4 biến tính cơng bố [7] Kết nghiên cứu cho thấy độ bền kéo đứt độ bền lão hóa nhiệt compozit HDPE/CaSO4 biến tính cải thiện đáng kể so với compozit sử dụng hạt CaSO4 khơng biến tính, nhờ tương tác nhóm hydrocacbon SDS với nhựa HDPE Tuy nhiên, việc tổng hợp hạt CaSO4 biến tính trực tiếp SDS không tận dụng nguồn nguyên liệu hạt gypsum phế thải Với mục tiêu góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường tìm giải pháp khoa học sử dụng gypsum phế thải chế tạo vật liệu compozit kỹ thuật, học viên chọn đề tài luận văn thạc sĩ với tiêu đề: “Nghiên cứu, ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu PP/GS polyme compozit” Trong nghiên cứu này, vật liệu polyme compozit chế tạo với nhựa loại isotactic polypropylene (PP) sử dụng hạt GS biến tính khơng biến tính axit stearic SDS (gypsum cung cấp từ nhà máy DAP Đình Vũ – Hải Phịng) Biến tính hạt gypsum phế thải axit stearic SDS sử dụng phương pháp phối trộn vật lý kết hợp lượng nhiệt CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu compozit 1.1.1 Khái niệm tính chất [8, 12, 14, 29] Vật liệu compozit vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác tạo nên vật liệu có tính kết hợp vật liệu ban đầu Vật liệu compozit gồm hay nhiều pha phân tán (hay gián đoạn) phân bố pha liên tục Pha liên tục gọi vật liệu nền, có vai trị liên kết pha gián đoạn Pha phân tán gọi cốt hay vật liệu gia cường trộn vào pha làm tăng tính, chống mịn, chống xước, độ bền nhiệt, Bảng 1.1 So sánh số vật liệu compozit Gia cƣờng Tỉ lệ gia cƣờng, % Tỉ trọng, g/cm3 Độ bền, MPa Modun, GPa Mạt thủy tinh 30 1,5 70 - 100 4–6 Vải thủy tinh 60 1,7 320 - 360 – 13 Sợi thủy tinh 70 1,8 1100 -1500 38 – 53 Vải thủy tinh 60 1,9 300 - 600 23 – 26 Vải aramit 50 1,3 520 - 550 31- 32 Vải cacbon 60 1,6 570 - 820 72 – 100 Sợi thủy tinh 60 1,9 1100 - 1500 39 – 42 Sợi aramit 60 1,4 1380 - 1450 72 -105 Sợi cacbon 60 1,6 1400 130 Thép 7,8 500 - 1500 210 Nhôm 2,7 100 - 800 70 Nền Polyeste Epoxy  Cơ tính vật liệu thành phần, vật liệu thành phần có tính tốt vật liệu compozit có tính tốt tốt tính chất vật liệu thành phần  Luật phân bố hình học vật liệu cốt, vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu compozit bị phá huỷ trước hết nơi có vật liệu cốt  Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần Vật liệu cốt phải liên kết chặt chẽ với có khả tăng cường bổ sung tính chất cho Ví dụ, liên kết cốt thép xi măng bê tông mẫu vật liệu compozit PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT có giá trị 1015 (Ω.cm) Giá trị nằm giới hạn cho phép sử dụng làm vật liệu cách điện Bảng 3.12 Điện trở suất khối v (.cm) vật liệu tổ hợp PP/OG, PP/DG-2B, PP/CaSO4.BT Điện trở suất khối v (.cm) Hàm lƣợng chất gia cƣờng (%kl) PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT 5,46.1015 5,46.1015 5,46.1015 2,81.1015 2,70.1015 2,12.1015 10 2,75.1015 2,60.1015 2,34.1015 15 3,19.1015 1,95.1015 2,17.1015 20 3,29.1015 5,01.1015 2,33.1015 25 1,78.1015 3,03.1015 3,41.1015 3.3.4 Khả chống cháy Khả chống cháy vật liệu compozit đo theo tiêu chuẩn UL-94 (Underwriters Laboratories Inc) Mỹ, mẫu đo đặt theo phương nằm ngang 94-HB (Horizontal Burning) [36] Với mẫu PP ban đầu, giọt cháy rơi liên tục, với mẫu vật liệu compozit PP/GS giọt cháy rơi ngắt quãng lửa nhỏ dần Trong bảng 3.13 kết xác định khả chống cháy PP vật liệu compozit PP/GS Từ kết bảng 3.13 cho thấy vật liệu compozit PP/GS có tốc độ cháy nhỏ PP ban đầu Tốc độ cháy mẫu có sử dụng SDS thấp - 4% so với mẫu không sử dụng SDS Nguyên nhân hạt gypsum phối trộn học đơn có kết tụ với nhau, chúng khơng cịn phân tán dễ hình thành khuyết tật nền, tác dụng che chắn oxy xâm nhập vào bên vật liệu giảm đi, tốc độ cháy vật liệu tăng lên Trong khi, mẫu có sử dụng SDS biến tính cải thiện phân tán hạt gypsum, chúng có vai trị che chắn ngăn cản xâm nhập oxy vào bên vật liệu làm giảm khả gây cháy vật liệu compozit 57 Bảng 3.13 Thời gian tốc độ cháy mẫu compozit Thời gian cháy (s) Gypsum, % PP/OG PP/DG-2B 166,4 166,4 170,2 10 Tốc độ cháy (mm/phút) PP/CaSO4 PP/CaSO4 PP/OG PP/DG-2B 166,4 27,04 27,04 27,04 172,7 173,8 26,43 26,05 25,89 175,6 179,4 180,4 25,62 25,08 24,94 15 180 185,2 186,1 25 24,29 24,18 20 190 192,1 192 23,68 23,43 23,42 25 197,1 200,3 202,9 22,83 22,46 22,17 BT BT 3.3.5 Độ bền oxi hóa nhiệt vật liệu Dưới tác đô ̣ng của nhiê ̣t đô ̣ c ao và oxy , PP vật liệu t ổ hợp PP/GS bị phân huỷ nhiệt phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t , đó thành phầ n polyme - PP - bị phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t ma ̣nh nhấ t Phân huỷ oxy hoá nhiê ̣t P P nguyên nhân gây nên sự suy giảm các tí nh chấ t của vâ ̣t liê ̣u polyme , điể n hình là các tính chấ t [11] Độ bền oxy hoá nhiệt vật liệu tổ hợp PP/GS đánh giá theo phầ n trăm còn la ̣i của đ ộ bền kéo đứt (ζs) vật liệu tổ hợp sau thử nghiê ̣m oxy hoá nhiệt so với ζt vâ ̣t liê ̣u t ổ hợp ban đầ u (Hζ = ζs/ζt.100%) Giá trị tỷ đối Hζ đươ ̣c go ̣i là ̣ số kháng laõ hoá oxy hoá nhiê ̣t theo đô ̣ bề n kéo đứt Giá trị Hζ lớn , vâ ̣t liê ̣u có đô ̣ bề n oxy hoá nhiê ̣t càng cao Bảng 3.14 trình bày k ết khảo sát độ bền kéo đứt ban đầu sau thử nghiê ̣m oxy hoá nhiê ̣t (ζt, ζs) vật liệu tổ hợp PP/GS với hàm lượng gypsum khác Nhìn chung , dễ dàng nhận thấy độ bền kéo đứt vâ ̣t liê ̣u t ổ hợp PP/GS chưa biến tính biến tính sau già nhiê ̣t (ζs) giảm so với các giá tri ̣ ζ ban đầ u (ζt) 58 Bảng 3.14 Độ bền kéo đứt (ζs) sau thử nghiệm oxy hoá nhiệt vật liệu tổ hợp PP/GS Tên mẫu Hàm lƣợng chất gia cƣờng (%kl) PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT Độ bền kéo đứt (MPa) Ban đầu Thời gian thử nghiệm 10 chu kỳ 21 chu kỳ 31,65 15,03 10,96 30,38 15,90 10,71 10 30,25 19,03 11,51 15 29,03 18,56 13,25 20 27,92 20,82 14,76 25 27,14 21,12 15,48 34,18 19,61 13,07 10 33,78 24,50 15,05 15 32,05 25,60 15,69 20 28,3 23,68 17,33 25 27,64 24,15 18,52 35 20,15 13,65 10 34 24,90 15,51 15 32,29 26,16 15,50 20 29,32 24,98 18,62 25 27,8 25,02 19,33 Từ hình 3.11 cho thấy, tác động yếu tố thời tiết như: xạ tử ngoại, nhiệt độ, độ ẩm… độ bền kéo đứt mẫu PP có tốc độ suy giảm nhanh so với mẫu vật liệu PP/OG, PP/DG-2B PP/CaSO4.BT Sự suy giảm phụ thuộc vào hàm lượng chất phân tán Với mẫu sử dụng gypsum biến tính khơng biến tính cho thấy độ bền kéo đứt giảm so với PP Đặc biệt với mẫu sử dụng DG-2B CaSO4.BT cho suy giảm gần Tại 10 chu kỳ, độ bền kéo đứt mẫu lại tương đối sau 21 chu kỳ mẫu có biến động lớn Mẫu PP cịn lại 34,63%, PP/OG phần trăm độ bền kéo đứt trung bình cịn lại 45,77%, mẫu PP/DG-2B cịn lại khoảng 59 52% mẫu PP/CaSO4.BT cho phần trăm độ bền kéo đứt cịn lại cao 53,14% Điều khẳng định gypsum chất gia cường tốt cải thiện tính chất lão hóa thời tiết vật liệu PP PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT 100 80 60 40 20 -5 10 15 20 25 30 Hình 3.11 Phần trăm độ bền kéo đứt cịn lại sau 10 chu kỳ thử nghiệm thời tiết 100 PP PP/OG PP/DG-2B PP/CaSO4.BT 80 60 40 20 -5 10 15 20 25 30 Hình 3.12 Phần trăm độ bền kéo đứt lại sau 21 chu kỳ thử nghiệm thời tiết Chất biến tính SDS phát huy tác dụng làm cho gypsum từ chất ưa nước trở thành ưa nước khó bị ngậm nước độ bền lão hóa tăng 60 3.3.6 Độ ổn định màu Sự biến đổi màu sắc bề mặt PP mẫu compozit PP/OG, PP/DG2B PP/CaSO4.BT xác định cách đo a*; b*; L* -những thơng số sử dụng để tính tốn thay đổi EQS (4) - (7) Hình 3.13 trình bày kết xác định thay đổi Δ E* sau 684 thử nghiệm gia tốc thời tiết 30 PP PP/OG (90/10) PP/OG (80/20) PP/DG-2B (90/10) PP/DG-2B (80/20) PP/CaSO4.BT (90/10) 20 PP/CaSO4.BT (80/20) 10 0 200 400 600 800 Hình 3.13 Sự phụ thuộc ∆E* theo thời gian thử nghiệm Kết cho thấy, thay đổi màu sắc (∆E*) phụ thuộc tuyến tính theo thời gian chiếu UV, nhiên thay đổi khác mẫu compozit Nhìn chung, thay đổi màu sắc mẫu nằm khoảng giá trị từ đến 20, mẫu PP cho thấy thay đổi màu sắc bền mặt mẫu mạnh Sự thay đổi màu sắc vật liệu compozit dựa thay đổi giá trị ∆a*, ∆b*, ∆L* Quan sát thay đổi mẫu PP cho thấy, màu trắng vật liệu bị biến đổi mạnh Sự thay đổi tác động tia UV đến cấu trúc PP, hình thành nên nhóm C=O [43] Sự xuất làm vật liệu trở nên trắng đục so với mẫu PP ban đầu Khi PP phối trộn với OG DG CaSO4, thay đổi màu sắc mẫu compozit giảm đáng kể Trong đó, mẫu DG CaSO4 có độ bền màu sắc 61 so với mẫu OG Các hạt gypsum biến tính CaSO4.BT cho thấy phân tán PP tốt, nhờ đóng vai trị ngăn chặn tác động trực tiếp UV đến PP Mặt khác, gypsum CaSO4 chất độn bền nhiệt, vậy, tác động yếu tố nhiệt ẩm đến vật liệu compozit có hàm lượng cao (20%) hạn chế so với mẫu có hàm lượng gypsum thấp (10%) Kết thay đổi màu sắc mẫu xảy chậm so với mẫu PP/OG PP ban đầu 62 KẾT LUẬN Chế tạo thành cơng vật liệu compozit PP/GS với kích thước hạt nhỏ 125 μm Với hàm lượng DG-2B phân tán nhựa PP 5%kl Mô đun đàn hồi độ bền kéo đứt tăng lên 22% 10,8% so với PP; 7,78% 13,33% so với PP/OG Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR phân tích nhiệt cho thấy tương tác SDS bề mặt hạt gypsum Tính chất chống cháy vật liệu PP/DG-2B cao – 9% so với nhựa PP Gypsum chất gia cường tốt cải thiện tính chất lão hóa thời tiết vật liệu PP Kết cho thấy phù hợp với độ ổn định màu sắc vật liệu Tính chất điện vật liệu PP/GS có số điện mơi nhỏ khoảng 1,6-2,3, điện trở khối lớn từ 1,8.1015-5.1015 (Ωcm), nên vật liệu đáp ứng yêu cầu cách điện vật liệu xây dựng 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện Kỹ thuật nhiệt đới (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng chất gia cường CaCO3 biến tính đến tính chất cấu trúc polypropylen (PP), Mã số CA.TN05/05-07, Hà Nội Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam giai đoạn 2008-2009 (2009), Nghiên cứu chế tao vật liệu compozit từ số nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, EVA)/tro bay nhà máy nhiệt điện ứng dụng làm số sản phẩm dân dụng, Mã số KCO2.TN11/11-15, Hà Nội Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm Viện Kỹ thuật nhiệt đới (2013), Hồn thiện cơng nghệ chế tạo vật liệu compozit PE/gypsum làm ống nhựa cứng sử dụng số lĩnh vực kỹ thuật, Mã số VAST.SXTN.02/11-12, Hà Nội Trần Vĩnh Diệu, Trần Trung Lê (2006), Môi trường gia công chất dẻo Compozit, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội TS Nguyễn Tiến Dũng (2011), Thực trạng thị trường phân bón Việt Nam công tác quản lý tốt chât lượng sản xuất supe lân NPK Lào Cai, Công ty CP Vật tư Nông sản (Apromaco) Nguyễn Vũ Giang Myung Yul Kim (2006), “Ảnh hưởng lớp phủ axit stearic lên màng lọc chất thải – thạch cao hỗn hợp PVC/thạch cao phế thải”, Hội nghị khoa học lần thứ 20, ĐHBK Hà Nội, số 12 237-241 Nguyễn Vũ Giang, Trần Hữu Trung, Mai Đức Huynh, Khương Việt Hà (2012), “Tổng hợp biến tính canxi sunfat ứng dụng vật liệu compozit”, Tạp chí hóa học, T 50(5B) 204-209 Phạm Minh Hải, Nguyễn Trường Kỳ (2009), Vật liệu phi kim công nghệ gia công, Nhà xuất giáo dục Việt Nam Hiệp hội Phân bón quốc tế (IFA) (5-2013), “Triển vọng thị trường phân bón giới thời kỳ 2013-2017”, Tạp chí CN Hố chất, số 64 10 Thái Hoàng, Nguyễn Vũ Giang, Nguyễn Thúy Chinh, Nguyễn Thị Thu Trang, Trần Hữu Trung, Mai Đức Huynh, Vũ Mạnh Tuấn (2013), “Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất vật liệu tổ hợp EVA/LDPE/gypsum”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T 51(5A) 327-333 11 Trần Minh Hương (1998), Nghiên cứu trích ly ion C1 khỏi thạch cao Cà Ná, luận văn thạc sĩ hóa học, Đại học Quốc gia Thành phố HCM 12 Hoàng Xuân Lượng (chủ biên, 2003), Cơ học vật liệu composite, Nhà xuất Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 13 Trần Thanh Sơn, Vũ Đình Cự (chủ biên) (2003), Cơ sở kỹ thuật nhiê ̣t đới , Nhà xuấ t bản Văn hóa - thông tin, Hà Nội, 318-390 14 Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002), Vật liệu compozit – học công nghệ, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 15 Hồng Vân (2010), “Tình hình cung ứng phân bón giới năm qua - Dự báo triển vọng trung hạn”, Tạp chí CN Hố chất, số Tiếng Anh 16 A Grecoa, A Maffrezzoli, O Manni (2005), “Development of polimeric foams from recycled polyethylene and recycled gypsum”, Polymer Degradation and Stability, 90, 256-263 17 American Society for Testing and Materials (ASTM) (1998), ASTM G 154-98 In: 1998 Annual book of ASTM Standards, West Conshohocken, PA: ASTM 18 Annual Book of ASTM Standards 1971, Part 29 (1971), pp 51-80 19 Billmeyer FW (1981), Saltzman M Principles of color technology, John Wiley New York 20 Cornelis Klein and Cornelius S Hurlbut, Jr (1985), Manual of Mineralogy, John Wiley, 20th ed., pp 352–353 21 EM El Afifi, MA Hilal, MF Attallah and SA EL-Reefy (2009), “Characterization of phosphogypsum wastes associated with phosphoric acid and fertilizers production”, Journal of Environmental Radioactivity, 100(5) 407-412 65 22 G Anbalagan, S Mukundakumari, K Sakthi Murugesan, S Gunasekaran Infrared (2009), “Optical absorption and EPR spectroscopic studies on natural gypsum”, Vibrational Spectroscopy, 50, 226-230 23 H F El-Maghraby et al, “Apatite formation on gypsum and gypsum/polymer composites”, www.ceramics-silikaty.cz/biomaterialy/ biomaterialy.htm 24 H.F El-Maghraby, et al (2010), “Copressive strength anh preliminary invitro evaluation of gypsum and gypsum-polymer composite in protein-free SBF at 370C”, Ceramics International, 36, 1561-1569 25 Harutun G Karian (2003), Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites, Marcel Dekker Press, U.S.A 26 International Organization for Standardization (ISO), ISO 2470 In: ISO Standards, (1999), Geneva, Switzerland: ISO 27 J.C Rubio-Avalos, et al (2005), “Flexural behavior and microstructure analysis of a gypsum-SBR composite material”, Materials Letters, 59, 230-233 28 Jan F Rabek (1989), Experimental Methods in polymer Chemistry, John wiley & sons, New York 29 M Reyne (1991), Les plastiques dans l’emballage, Hermis, Paris, 42 - 43 30 Nguyen Vu Giang (2005), “A study of polymer composite based on poly(vinyl chloride) and waste-gypsum fillers”, PhD Thesis, Sunchon National University, Korea 31 Nguyen Vu Giang, Thai Hoang, Myung Yul Kim (2006), “Surface modification of waste-gypsum fillers in PVC/waste-gypsum composites”, Fourteenth international conference on composites/nano engineering, Colorado, USA, July 2-8, 467-468 32 Per Almh and Inger Ericsson (1995), “Quantification of Sodium Dodecyl Sulfate in a Two-Phase System Using Filament-Pulse-Pyrolysis- Gas Chromatograph”, Langmuir, Vol-ll, 108-110 33 R.Elansezhian, L.Saravanan (2011), “Effect of nano silica filler on mechanical and abrasive wear behaviour of vinyl ester resin”, Inter Jour Of App Research in Mecha Eng, Vol-1, N0 1, p.105-108 66 34 Sittiporn Ngamsurat, et al (2011), “Curing characteristics of natural rubber filled with gypsum”, Energy Procedia, 8, 452-458 35 “Sodium dodecyl sulfate”, http/wikipedia.org/wiki/Sodium_dodecyl_sulfate 36 Sun S S., Li C Z, Zhang L., Du H L., Burnell J S.-G (2006), “Effects of surface modification of fumed silica on interfacial structures and mechanical properties of poly(vinyl chloride) composites”, European Polymer Journal, 42, 1643-1652 37 Thai Hoang, Nguyen Vu Giang, Tran Huu Trung (2012), “Weathering and combustion resistance of modified ưaste gypsum and high density polyethylene composite”, Viet Nam journal of chemistry, Vol 50(6B) 167-170 38 “The effect of phosphogypsum on the acoustic properties of PVC-based composites”, http://www.maik.ru/abstract/polscia/96/polscia6_ 96p650abs htm 39 Vivak M Malhotra and Francois B Botha (2005), “New strategies in the ultilization of FGD gypsum and sulfite-rich materials”, World of coal ash, Lexington, Kentucky, USA, April 11-15 40 Vu Giang Nguyen, Jin Hwan Go and Myung Yul Kim (2013), “Surface modification of waste using stearic acid in PVC/waste- gypsum composites”, J of advanced engineering and technology, Vol No.3, pp 199-207 41 Zaki Ajji (2005), “Preparation of polyester/gypsum/composite using gamma radiation and its radiation stability”, Radiation Physics and Chemistry, 73(3), 183-187 42 ZH Liu, KW Kwok, RKY Li, CL Choy (2002), “Effects of coupling agent and morphology on the iMPact strength of high density polyethylene/CaCO3 composites”, Polymer, 43(8), 2501-2506 43 Z Muasher, M Sain (2006), “The efficacy of photostabilizers on the color change of wood filled plastic composites”, Polymer Degradation and Stability, Part 91 1156-1165 67 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Nguyễn Vũ Giang, Đỗ Quang Trung, Nguyễn Quang Minh, Trần Hữu Trung, Mai Đức Huynh, “Nghiên cứu tính chất lý cấu trúc vật liệu compozit nhựa polypropylen hạt thạch cao biến tính natri dodecyl sunphat”, Tạp chí Hóa học, phản biện xong đăng vào T.52, (2014) 68 MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu compozit 1.1.1 Khái niệm tính chất 1.1.2 Phân loại .4 1.1.3 Cấu tạo vật liệu polyme compozit .4 1.1.4 Ứng dụng vật liệu compozit 1.2 Nhựa polypropylen (PP) 1.2.1 Giới thiệu chung PP .6 1.2.2 Một số tính chất 1.2.3 Ưu điểm nhược điểm PP 1.2.4 Ứng dụng nhựa PP .9 1.3 Tổng quan gypsum (thạch cao) 10 1.3.1 Gypsum tự nhiên 10 1.3.2 Gypsum phế thải .12 1.4 Thực trạng tác động gypsum phế thải đến môi trƣờng 13 1.4.1 Thực trạng gypsum phế thải .13 1.4.2 Ảnh hưởng gypsum phế thải đến môi trường xung quanh 15 1.5 Các hƣớng nghiên cứu, giải pháp cho gypsum 17 1.5.1 Nghiên cứu vật liệu tổ hợp chứa gypsum giới 17 1.5.2 Nghiên cứu vật liệu tổ hợp chứa gypsum nước 21 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 25 2.1 Nguyên liệu hóa chất 25 2.2 Xử lý kích thƣớc hạt gypsum 25 69 2.3 Biến tính hạt OG 26 2.3.1 Biến tính hạt OG axit stearic 26 2.3.2 Biến tính hạt OG SDS 27 2.4 Tổng hợp CaSO4 biến tính SDS 27 2.5 Chế tạo vật liệu polyme compozit 28 2.6 Các phƣơng pháp thiết bị nghiên cứu 28 2.6.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy .28 2.6.2 Các phương pháp xác định tính chất học 29 2.6.3 Phổ hồng ngoại phân tích chuỗi Fourie (FT-IR) 32 2.6.4 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 32 2.6.5 Phương pháp hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) 33 2.6.6 Phương pháp đo tính chất điện 34 2.6.7 Xác định khả chống cháy vật liệu .34 2.6.8 Khảo sát suy giảm oxy hóa quang-nhiệt-ẩm .35 2.6.9 Độ ổn định màu 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Khảo sát ảnh hƣởng kích thƣớc hạt gypsum tới tính chất vật liệu PP/GS polyme compozit 38 3.1.1 Ảnh hưởng kích thước hạt tới tính chất lưu biến trạng thái nóng chảy 38 3.1.2 Ảnh hưởng kích thước hạt gypsum tới tính chất lý vật liệu 40 3.2 Ảnh hƣởng phƣơng pháp biến tính tới tính chất cấu trúc vật liệu compozit PP/OG 41 3.2.1 Các tính chất gypsum biến tính SDS theo bước (DG-2B) 41 3.2.1.1 Phổ FT-IR 41 3.2.1.2 Tích chất nhiệt (TGA) 42 3.2.2 Khảo sát tính chất lưu biến trạng thái nóng chảy 43 3.2.3 Khảo sát độ bền kéo đứt 45 3.2.4 Khảo sát mô đun đàn hồi 45 70 3.3 Tính chất hình thái cấu trúc vật liệu compozit PP/GS 47 3.3.1 Tính chất lý vật liệu compozit 47 3.3.1.1 Độ bền kéo đứt 47 3.3.1.2 Độ giãn dài đứt 48 3.3.1.3 Mô đun đàn hồi 49 3.3.1.4 Độ mài mòn 50 3.3.2 Phổ FT-IR hình thái cấu trúc vật liệu PP/GS 52 3.3.2.1 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 52 3.3.2.2 Hình thái cấu trúc vật liệu 53 3.3.2.3 Phân tích nhiệt TGA mẫu PP ban đầu mẫu compozit .54 3.3.3 Tính chất điện vật liệu compozit PP/GS 55 3.3.3.1 Hằng số điện mơi tang góc tổn hao điện mơi 55 3.3.3.2 Điện trở suất mặt, điện trở suất khối 56 3.3.4 Khả chống cháy .57 3.3.5 Độ bền oxi hóa nhiệt vật liệu .58 3.3.6 Độ ổn định màu 61 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68 71 ... đề: ? ?Nghiên cứu, ứng dụng hạt gypsum phế thải chế tạo vật liệu PP/ GS polyme compozit? ?? Trong nghiên cứu này, vật liệu polyme compozit chế tạo với nhựa loại isotactic polypropylene (PP) sử dụng hạt. .. vậy, sử dụng gypsum biến tính hữu để chế tạo vật liệu compozit PP/ GS cần thiết * Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu biến tính hạt GS phế thải axit stearic hợp chất SDS, chế tạo vật liệu PP/ GS - Khảo... nghiên cứu, giải pháp cho gypsum 1.5.1 Nghiên cứu vật liệu tổ hợp chứa gypsum giới Quá trình nghiên cứu ứng dụng gysum phế thải làm chất gia cường chế tạo vật liệu polyme compozit thu hút quan tâm