Luận văn thạc sĩ nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM ************** 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 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 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG i DANH MỤC CÁC HÌNH ii CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU iv MỞ ĐẦU Chương TỔ NG QUAN 1.1 Chấ t đôn công nghiêp Vâ liê Polyme t u 1.2 Khoáng sericit 1.3 Giới thiệu các đặc tính sericit có liên quan đến vật liệu gia cường 1.3.1 Hình thái sericit ảnh hưởng 1.3.2 Tỷ lệ bề mặt ảnh hưởng .7 1.3.3 Màu sắc ảnh hưởng 1.3.4 Các tính chất quan trọng khác sericit .9 1.4 Biến đổi bề mặt khoáng sericit 1.4.1 Hợp chất silan vai trò trình biến đổi bề mặt 1.4 Đặc điểm cấu trúc tinh thể khoáng 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 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 THỰ C NGHIÊM 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 KẾ T QUẢ VÀ THẢ O LUẬN 34 3.1 Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit 34 3.1.1 Ảnh hưởng mơi 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 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 khống sericit đến q trình lưu hóa CSTN 43 3.2.3 Ảnh hưởng bột khoáng 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 DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Nội Dung Bảng 1.1 Cải thiện tính chất điện với tác nhân phân tán silan xử lý thạch anh gia cường cho nhựa epoxy Bảng 2.1 Thành phần hóa học sericit nghiên cứu Bảng 2.2 Phân bố kích thước hạt sericit Bảng 3.1 Lựa chọn nồng độ silan thích hợp cho kích thước hạt khác Bảng 3.2 Khảo sát khả trộn hợp CSTN với chất gia cường khác 50°C Bảng 3.3 Khảo sát khả trộn hợp khoáng sericit với CSTN 60°C Bảng 3.4 Khả lưu hoá tổ hợp CSTN/Sericit Bảng 3.5 Tính chất lý mẫu vật liệu CSTN/sericit Bảng 3.6 Tính chất điện vật liệu CSTN/sericit Bảng 3.7 Thành phần sơn nghiên cứu Bảng 3.8 Tính chất sơn Bảng 3.9 Tính chất lý màng sơn Bảng 3.10 Độ bền hóa chất màng sơn Bảng 3.11 Kết thử nghiệm mù muối sau 480 Bảng 3.12 Điện trở màng sơn sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên i Lớp K21 - Hóa học Hữu Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Nội Dung Hình 1.1 Ảnh SEM khống sericit Hình 1.2 Bột khống sericit Hình 1.3 Cầu nối silic chất vơ với chất hữu Hình 1.4 Chất độn xử lý bề mặt silan phân tán dễ dàng chất polyme Hình 1.5 Cơ chế bảo vệ tái kết tụ hạt chất độn hợp chất silan Hình 1.6 Sử dụng TiO2 xử lý bề mặt silan làm giảm % momen xoắn nồng độ chất đưa vào cao Hình 1.7 Các chất silan cho độ giảm giãn nở nhiệt lớn tác nhân phân tán tốt Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể sericit Hình 1.9 Sự bóc lớp tinh thể muscovit Hình 1.10 Bề mặt chất độn sau biến đổi hợp chất silan Hình 1.11 Cơ chế phản ứng biến đổi bề mặt Hình 1.12 Q trình khuyếch tán mơi trường ăn mịn qua lớp sơn bảo vệ có pigment đẳng hướng (A) khơng đẳng hướng-mica (B) Hình 2.1 Phân bố kích thước hạt sericit nghiên cứu Hình 3.1 Phổ FT-IR khống sericit biến đổi bề mặt 3-APTMS 1% ethanol môi trường phản ứng (a) sericit ban đầu, (b) môi trường trung tính (c) mơi trường axit Hình 3.2 Cơ chế thủy phân phân tử silan mơi trường axit Hình 3.3 Phổ FT-IR khống sericit biến đổi bề mặt 3-APTMS ethanol (a) sericit ban đầu; (b) 0,5% 3-APTMS; (c) 1% 3-APTMS (d) 4% 3-APTMS Hình 3.4 Phổ FT-IR khống sericit biến đổi bề mặt 3-APTMS 1% ethanol với thời gian phản ứng khác (a) sericit không xử lý; (b) giờ; (c) (d) 24 Hình 3.5 Phổ FT-IR khống sericit biến đổi bề mặt 3-APTMS 1% ethanol trước sau sấy 50°C (a) sericit ban đầu, (b) trước sấy, (c) sau sấy Hình 3.6 Giản đồ phân tích nhiệt (a) Sericit ban đầu (b) Sericit xử lý dung dịch 1% silan, môi trường axít Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt CSTN/sericit Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu CSTN có sericit ban đầu Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên vii Lớp K21 - Hóa học Hữu Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu cao su có sericit S1A4 Hình 3.10 Ảnh SEM mẫu vật liệu CSTN/sericit S1V4 Hình 3.11 Phổ tổng trở Mẫu EP dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm Hình 3.12 Phổ tổng trở Mẫu EP1 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm Hình 3.13 Phổ tổng trở Mẫu EP3 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm Hình 3.14 Phổ tổng trở Mẫu EP4 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm Hình 3.15 Phổ tổng trở Mẫu EP5 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm Hình 3.16 Phổ tổng trở Mẫu EP dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Hình 3.17 Phổ tổng trở Mẫu EP1 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Hình 3.18 Phổ tổng trở Mẫu EP3 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Hình 3.19 Phổ tổng trở Mẫu EP4 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Hình 3.20 Phổ tổng trở Mẫu EP5 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm Hình 3.21 Phổ tổng trở Mẫu EP sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Hình 3.22 Phổ tổng trở Mẫu EP1 sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Hình 3.23 Phổ tổng trở Mẫu EP3 sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Hình 3.24 Phổ tổng trở Mẫu EP4 sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Hình 3.25 Phổ tổng trở Mẫu EP5 sau 56 ngày thử nghiệm dung dịch NaCl 3,5% Hình 3.26 Ảnh SEM mẫu sơn có sericit chưa biến đổi bề mặt a: 10 % sericit; b: 20 % sericit Hình 3.27 Ảnh SEM mẫu sơn có 20 % sericit biến đổi bề mặt CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU CSTN : Cao su thiên nhiên 3-APTMS : – Aminopropyltrimetoxysilan VTMS : Vinyltrimetoxysilan HDPE : polyetylen tỷ trọng cao Mmin : momen xoắn cực tiểu Mmin : 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 εdãn dài : Độ dãn dài εdư : Độ dãn dài dư ρv : Điện trở khối ρs : Điện trở bề mặt Eđt : Điện áp đánh thủng Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng MỞ ĐẦU Sericit biết đến khoáng 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 Công nghệ Việt Nam chủ trì đề tài cấp nhà nước nghiên cứu cơng 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 vô 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 2.50E+08 2.00E+08 1.50E+08 1.00E+08 Im 5.00E+07 ag (O 0.00E+00 h m) -5.00E+07 -1.00E+08 -1.50E+08 -2.00E+08 -2.00E+08 -1.00E+08 0.00E+00 1.00E+08 2.00E+08 3.00E+08 Real (Ohm) Hình 3.13: Phổ tổng trở Mẫu EP3 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm 8.00E+08 7.00E+08 6.00E+08 Im 5.00E+08 ag (O h 4.00E+08 3.00E+08 2.00E+08 1.00E+08 Hình 3.14: Phổ tổng trở Mẫu EP4 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm 0.00E+00 -1.00E+08 -1.00E+09 -8.00E+08 -6.00E+08 -4.00E+08 -2.00E+08 0.00E+00 2.00E+08 4.00E+08 6.00E+08 Real (Ohm) 8.00E+08 6.00E+08 4.00E+08 2.00E+08 Im ag (O h 0.00E+00 -2.00E+08 -4.00E+08 -6.00E+08 -5.00E+08 0.00E+00 5.00E+08 1.00E+09 1.50E+09 2.00E+09 2.50E+09 3.00E+09 3.50E+09 Real (Ohm) Hình 3.15: Phổ tổng trở Mẫu EP5 dung dịch NaCl 3.5% sau ngày thử nghiệm - Sau 42 ngày ngâm mẫu thử nghiệm Sau 42 ngày ngâm dung dịch NaCl 3%, phổ tổng trở mẫu bắt đầu hình thành cung tần số thấp, song chưa rõ ràng Ở mẫu EP EP1 giản đồ có cung tương đối rõ ràng (hình 3.16 3.17) Điều thể chất điện ly NaCl đa bắt đầu xâm nhập vào bề mặt đế thép gây tượng ăn mòn vật liệu Vận tốc ăn mịn điện hóa lúc phụ thuộc vào q trình khuyếch tán chất điện ly Ở ta thấy tác dụng che chắn sericit thể Tính che chắn tăng theo hàm lượng sericit Ở hàm lượng sericit thấp 0,5% khả che chắn sericit chưa thể rõ 1.60E+03 1.40E+03 1.20E+03 Im ag 1.00E+03 (O h 8.00E+02 6.00E+02 4.00E+02 2.00E+02 Hình 3.16: Phổ tổng trở Mẫu EP dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 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+0 Real (Ohm) 3.00E+04 2.50E+04 Im 2.00E+04 ag (O h 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 -2.00E+04 0.00E+002.00E+044.00E+046.00E+048.00E+041.00E+051.20E+05 Real (Ohm) Hình 3.17: Phổ tổng trở Mẫu EP1 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 3.50E+05 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 - 1.50E+05 Im ag (O 1.00E+05 h 5.00E+04 0.00E+00 -5.00E+04 -1.00E+05 0.00E+00 2.00E+05 4.00E+05 Real (Ohm) 6.00E+05 8.00E+05 Hình 3.18: Phổ tổng trở Mẫu EP3 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 2.50E+05 2.00E+05 1.50E+05 Im ag (O h 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+0 Real (Ohm) Hình 3.19: Phổ tổng trở Mẫu EP4 dung dịch NaCl 3.5% sau 42 ngày thử nghiệm 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 Im ag (O h 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 -5.00E+04 -1.00E+05 0.00E+00 Real (Ohm) 1.00E+052.00E+053.00E+054.00E+05 5.00E+056.00E+05 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 môi trường xâm thực Theo đánh giá màng sơn xem có khả bảo vệ chống ăn mòn tuyệt vời điện trở màng Rf 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 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 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 ... 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... 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. ..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