2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2. Khảo sát tính chất của khoáng talc biến đổi bề mặt
3.2.1. Phổ hồng ngoại của khoáng talc
Hình 3.3 biểu diễn phổ hồng ngoại của γ- MPTMS. Các băng sóng hấp thụ ở 2947 cm-1 và 2842 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C-H. Băng sóng hấp thụ nhọn và mạnh ở 1719 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm C=O. Dao động hóa trị của nhóm vinyl C=C có đỉnh hấp thụ ở 1637 cm-1. Do ảnh hưởng của hiệu ứng truyền điện tử liên hợp trong phân tử
38
silan giữa nhóm vinyl và cabonyl C=C-C=O làm cho tần số hấp thụ đặc trưng của các nhóm này chuyển dịch về phía tần số hấp thụ thấp hơn so với các hợp chất biệt lập
Hình 3.3: Phổ FT-IR của γ- MPTMS
Hình 3.4: Phổ FT-IR của mẫu bột talc ban đầu
Hình 3.4 biểu diễn phổ hồng ngoại của mẫu khoáng talc ban đầu. Băng sóng hấp thụ ở 3676,84 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết của nhóm OH không tạo liên kết hydro. Nhóm hydroxyl này có trong tinh thể của
39
khoáng talc. Liên kết Si-O-Si có các dao động hóa trị đặc trưng ở vùng 1010 cm-1.
Hình 3.5 biểu diễn phổ hồng ngoại của mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng 1% γ-MPTMS.
Hình 3.5: Phổ FT-IR của mẫu bột talc biến đổi với 1% γ- MPTMS Phổ hồng ngoại của mẫu talc biến đổi với 1% γ-MPTMS xuất hiện các pic hấp thụ mới đặc trưng cho phân tử silan. Các pic này không xuất hiện trên phổ đồ hồng ngoại mẫu bột talc ban đầu. Băng sóng hấp thụ ở 2936 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-H bão hòa có trong các phân tử γ-MPTMS. Băng sóng hấp thụ có đỉnh ở 1719 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=O trong phân tử silan. Ngoài ra ta còn thấy băng sóng hấp thụ yếu ở khoảng 1647 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=C.
3.2.2. Độ hấp thụ dầu của khoáng talc
Độ hấp thụ dầu hay khả năng hấp thụ dầu phản ánh tính chất bề mặt của các chất độn vô cơ. Với các chất có bề mặt phân cực, ưa nước không tương thích với các chất nền hữu cơ có độ hấp thụ dầu thấp, khả năng phân tán trong các chất nền hữu cơ kém. Ngược lại, với các chất có bề mặt chứa các nhóm ưa hữu cơ, khả năng hấp thụ dầu cao, khả năng phân tán trong chất
40 nền hữu cơ sẽ cao hơn.
Quá trình biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan sẽ làm tăng khả năng hấp thụ dầu của bột talc khi bề mặt của nó được phủ lớp hợp chất silan có chứa các nhóm chức hữu cơ.
Hình 3.6 biểu diễn đồ thị hấp thụ dầu của mẫu bột talc ban đầu và các mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau.
56 61 62 69 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 Mẫu bột talc Đ ộ hấ p thụ dầ u (m l/ 1 0 0 g)
Hình 3.6: Độ hấp thụ dầu của các mẫu bột talc
Trong đó: 1- Mẫu bột talc ban đầu
2- Bột talc biến đổi bề mặt với Amin silan 3- Bột talc biến đổi bề mặt với Metacryl silan 4- Bột talc biến đổi bề mặt với Vinyl silan
5- Bột talc biến đổi bề mặt với Vinylbenzylamin silan Nhìn vào đồ thị độ hấp thụ dầu của mẫu bột talc chưa biến đổi bề mặt và các mẫu đã được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan khác nhau, chúng tôi nhận thấy đã có sự gia tăng độ hấp thụ dầu của các mẫu bột talc biến đổi bề mặt so với mẫu ban đầu. Có thể thấy các mẫu bột talc được biến đổi bề mặt bằng các hợp chất có chứa nhóm vinyl cho độ hấp thụ dầu cao hơn (mẫu 4,5)
41
3.3. Xác định tác nhân kết nối silan của khoáng talc biến đổi bề mặt phù hợp với PP, CSTN và nhựa epoxy. hợp với PP, CSTN và nhựa epoxy.
3.3.1. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với CSTN
Độ bền kéo đứt
Các hợp chất silan trên bề mặt khoáng talc đều có những tương tác hóa học hoặc vật lý khác nhau đối với nền CSTN. Trong phần này, ảnh hưởng của các hợp chất biến đổi bề mặt đến tính chất của vật liệu CSTN đã được khảo sát, nhằm xác định hợp chất biến đổi phù hợp cho CSTN.
Hình 3.8 biểu diễn độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của các mẫu CSTN có chứa 30% bột talc ban đầu chưa biến đổi và bột talc biến đổi bằng các hợp chất silan khác nhau.
Trong đó:
- T0 : Mẫu CSTN không chứa bột talc - T30 : Mẫu CSTN chứa 30% talc ban đầu
- T2A : Mẫu CSTN chứa 30% talc biến đổi bằng aminsilan - T2Mc: Mẫu CSTN chứa 30% talc biến đổi bằng mecaptosilan - T2S : Mẫu CSTN chứa 30% talc biến đổi bằng silan Si69
42 16 22 23 21 21 700 699 561 581 588 0 5 10 15 20 25 T0 T30 T2A T2Mc T2S Các mẫu vật liệu CSTN Đ ộ bề n ké o đứ t ( MP a) 400 500 600 700 800 Đ ộ gi ãn d ài k hi đ ứt (%)
Độ bền kéo đứt (Mpa) Độ giãn dài khi đứt (%)
Hình 3.7: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN có chứa bột talc Từ hình 3.7 có thể thấy rằng, tất cả các khoáng talc được biến đổi bề mặt đều có tác dụng gia tăng độ bền kéo đứt cho vật liệu CSTN, trong đó vật liệu được gia cường talc biến đổi bằng aminsilan có độ bền kéo đứt lớn hơn cả, đạt giá trị 23 MPa.
Với mẫu vật liệu chứa bột talc biến đổi bằng các hợp chất mecaptosilan và Si69, độ bền của vật liệu có tăng song lại tăng ít hơn mẫu chứa bột talc chưa biến đổi bề mặt. Điều này có thể là do phản ứng biến đổi bề mặt mẫu bột talc với hai loại hợp chất silan này hiệu quả không cao.
Mặt khác, aminsilan có tác dụng xúc tiến quá trình lưu hóa bởi các nhóm amin –NH2, làm cho quá trình lưu hóa nhanh và triệt để hơn nên độ bền kéo đứt của vật liệu tăng. Mecaptosilan và Si69 tham gia quá trình lưu hóa, song không có hoạt tính bằng lưu huỳnh do án ngữ không gian và không bền vững trên bề mặt bột khoáng talc. Chính vì vậy độ bền kéo đứt của vật liệu thấp hơn. Điều này cũng được thể hiện bằng sự suy giảm của độ giãn dài.
Như vậy, qua nghiên cứu này có thể thấy hợp chất aminsilan thích hợp nhất để biến đổi bề mặt khoáng talc.
43
Môđun đàn hồi
Hình 3.8: Giản đồ ứng suất biến dạng vật liệu CSTN có 30% khoáng talc biến đổi bề mặt bằng các silan khác nhau
Hình 3.8 thể hiện giản đồ ứng suất biến dạng vật liệu CSTN có 30% khoáng talc biến đổi bề mặt bằng các silan khác nhau. Ở đây thấy rằng, môđun đàn hồi thay đổi khi vật liệu được gia cường bằng khoáng talc biến đổi bề mặt khác nhau. Mẫu T2A30 chứa khoáng talc biến đổi bề mặt bằng aminsilan có môđun đàn hồi thấp nhất trong tất cả các mẫu CSTN, kể cả khoáng talc chưa biến đổi bề mặt. Điều này càng chứng tỏ rằng, các nhóm aminsilan chỉ có tác dụng xúc tiến quá trình lưu hóa.
Môđun đàn hồi của mẫu T2A30 có độ lớn 0,042 MPa đảm bảo cho vật liệu có độ cứng phù hợp với các yêu cầu sử dụng (bảng 3.4).
44
Bảng 3.4: Môđun đàn hồi vật liệu CSTN có 30% khoáng talc biến đổi bề mặt bằng các silan khác nhau
3.3.2. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với PP
Độ bền kéo đứt
Hai loại khoáng talc được biến đổi bề mặt bằng tác nhân kết nối vinylsilan và metacryl silan, ký hiệu là T2V và T2Mt tương ứng đã được sử dụng để gia cường cho vật liệu PP. Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc thể hiện trên bảng 3.5. Hàm lượng khoáng talc được khảo sát ở các tỷ lệ PP/talc = 100/0; 90/10; 70/30 và 50/50.
Bảng 3.5: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc
Hàm lượng PP/talc Độ bền kéo (MPa) PP/T PP/T2V PP/T2Mt 100/0 31,5 31,5 31,5 90/10 32,6 33,5 34 70/30 33 34 34,7 50/50 30 32 33
Giản đồ Tên mẫu Môđun đàn hồi E (MPa)
1 T0 0,023 2 T30 0,049 3 T2A30 0,042 4 T2Mc30 0,050 5 T2S30 0,043
45
Trên bảng 3.5 thấy rằng, khi hàm lượng bột talc tăng, độ bền kéo đứt của mẫu tăng, ở tỷ lệ PP/talc là 70/30 độ bền kéo đứt đạt giá trị cực đại ở tất cả các mẫu. Khi tỷ lệ PP/talc tăng lên 50/50 thì độ bền kéo đứt của các mẫu giảm (hình 3.9). 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 100/0 90/10 70/30 50/50 Tỷ lệ PP/talc Đ ộ b ề n k é o ( M P a ) PP/T PP/V PP/Mt
Hình 3.9: Độ bền kéo đứt mẫu compozit PP/talc
Với mẫu bột talc biến đổi bề mặt bằng vinylsilan và metacrylsilan thì độ bền kéo đứt của mẫu có cao hơn so với mẫu bột talc chưa biến đổi bề mặt. Trong 2 loại tác nhân ghép nối silan này, metacrylsilan tỏ ra có hiệu ứng hơn với vật liệu PP.
3.3.3. Xác định tác nhân kết nối silan phù hợp với nhựa epoxy
3.3.3.1. Ảnh hưởng đến phản ứng đóng rắn
Phổ hồng ngoại của các mẫu màng phủ epoxy có chứa các khoáng talc được biến đổi bằng các tác nhân kết nối silan khác nhau được thể hiện trên hình dưới đây.
46
Ten may: GX-PerkinElmer-USA Resolution: 4cm-1
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai Ten mau: T2A-30
Date: 10/17/2012 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 -0.020 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.100 cm-1 A 3676 3445 3036 2965 2931 2872 1708 1607 1582 1505 1463 1413 1384 1362 1296 1246 1182 1018 916 829 772 735 669 573 468
Ten may: GX-PerkinElmer-USA Resolution: 4cm-1
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai Ten mau: T2Mt-30 Date: 10/17/2012 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 0.000 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.000 cm-1 A 3676 3442 3036 2965 2931 2872 1708 1607 1582 1509 1459 1413 1383 1362 1296 1244 1183 1106 1015 916 829 772 734 670 573 465
Ten may: GX-PerkinElmer-USAResolution: 4cm-1
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai Ten mau: Talc-30
Date: 10/17/2012 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 0.000 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.000 cm-1 A 3676 3440 3036 2964 2931 2872 1708 1607 1582 1508 1462 1413 1383 1362 1296 1244 1182 1014 916 828 772 734 670 573 463
Trong đó: epoxy-TA, epoxy-TMt và epoxy-T0, có thành phần bột talc được biến đổi bề mặt bằng -APTMS và -MPTMS và không biến đổi bề mặt tương ứng, với cùng hàm lượng 30%.
Độ chuyển hóa nhóm epoxy được thể hiện trên bảng 3.6
epoxy-TA epoxy-TMt
Hình 3.10: Phổ FT-IR màng phủ epoxy có các bột talc biến đổi bằng
các hợp chất ilan khác nhau epoxy-T0
47
Bảng 3.6: Độ chuyển hóa nhóm epoxy của các lớp phủ có bột talc khác nhau
Mẫu Độ chuyển hóa, %
Epoxy-T0 0 Epoxy-TA 4.8 Epoxy-TMt 2.1
Kết quả cho thấy rằng, bột talc không có ảnh hưởng đến phản ứng đóng rắn epoxy. Bột talc biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan đã có ảnh hưởng tới quá trình đóng rắn epoxy. Trong đó aminsilan đã làm cho hàm lượng nhóm epoxy giảm thiểu tới 4,8%. Có thể khẳng định rằng các nhóm amin của silan trên bề mặt bột talc đã tham gia phản ứng với nhóm epoxy. Metacryl silan trên bề mặt khoáng talc có làm suy giảm hàm lượng epoxy song không nhiều. Aminsilan có tác dụng làm tác nhân kết nối với nhựa epoxy tốt hơn so với metacrylsilan.
3.3.3.2. Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý màng phủ epoxy
Để nghiên cứu, chúng tôi tiến hành chế tạo 4 mẫu chứa hàm lượng bột talc khác nhau. Mẫu trắng được ký hiệu là M0, các mẫu có chứa 10, 20, 30% bột khoáng talc T2A được ký hiệu bằng M1, M2, M3 tương ứng.
Độ bám dính của màng phủ được xác định và trình bày trong bảng 3.7 và hình 3.11. Kết quả đo bám dính cho thấy độ bám dính của màng phủ epoxy tăng nhẹ khi có mặt 10 %. Độ bám dính tăng từ 2,7 lên 3,2 N/mm2 khi nồng độ bột talc tăng từ 10 % lên 30 %. Như vậy sự có mặt của bột talc đã có tác dụng tăng độ bám dính của màng phủ epoxy. Sự tăng độ bám dính có thể được giải thích do tác dụng của silan sử dụng để biến tính bột talc.
48
Bảng 3.7: Kết quả đo độ bám dính của các màng phủ
Mẫu Độ bám dính dính (N/mm2) M0 2,6 M1 2,7 M2 3,0 M3 3,2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 M0 M1 M2 M3 Đ ộ bá m dí nh củ a m àn g sơ n (N /m m 2) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 M0 M1 M2 M3 Đ ộ bá m dí nh củ a m àn g sơ n (N /m m 2) Hình 3.11: Độ bám dính của các màng phủ
49
KẾT LUẬN
1. Tinh thể khoáng talc có dạng hình vẩy. Bề mặt các phiến của khoáng talc trơn nhẵn và không chứa các nhóm hydroxyl. Biến đổi bề mặt khoáng talc là cần thiết đề tăng khả năng tương tác với nền polyme. Với γ- MPTMS, phản ứng silan hóa khoáng talc được thực hiện trong etalnol, với nồng độ tác nhân kết nối 2%, ở nhiệt độ 400C, trong thời gian 4 giờ thu được sản phẩm có hàm lượng silan trên bề mặt 1,132% và độ hấp thụ dầu 62ml/100g.
2. Mỗi loại polyme cần có các tác nhân kết nối silan phù hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc làm chất phụ gia hoạt tính. Trong các loại hợp chất silan khảo sát thấy rằng:
- Aminsilan thích hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia hoạt tính cho CSTN và nhựa epoxy.
- Metacrylsilan thích hợp để biến đổi bề mặt khoáng talc sử dụng làm phụ gia hoạt tính cho PP.
50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wikipedia (2010). The Free Encyclopedia. URL: http://en.wikipedia.org/ [2] Phan Văn Tường, Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB ĐHQGHN, (2007)
[3] G.D. Stucky, D.E.Morse, P.K.Hansma; Materials science end Engineering
7,37 (1999).
[4] Đỗ Quang Kháng, Vật liệu polymer, NXB KHTN & CN
[5] Deer W.A., Howie R.A., Zussman J. (2009). Rock-forming minerals. Volume 3B-Layered Silicates Excluding Micas and Clay Minerals. 2nd
edition. The Geological Society.
[6] Power Chemical Corporation Limited (2009). Silane Coupling Agents Guide. SiSiB® SILANES. http://www.PCC.asiawww.SiSiB.com
[7] Đỗ Quang Minh, Kỹ thuật xản suất vật liệu gốm, NXB ĐHQG TPHCM, 255-256 (2006).
[8] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, ấn bản lần thứ 6, Talc [9] Mondo Minerals. http://www.mondominerals.com
[10] Nguyễn Văn Nhân (2004). Các mỏ khoáng. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội,197p.
[11] Arthur A.traction, Coatings Materials and Surface Coatings, Taylor and Fancis Group 2006.
[12] Dwight G. Weldon, Failure Analysis of Pains and Coatings, John Willey and Sons Ltd., 2009.
[13] Rose A.Runtz, Philip V.Yaneff, Coatings of Polymer and Plastics, Mmarcel Dekker Inc, USA 2003.
[14] Hans-Joanchim streitberger, Edmud Urbano, Richard Laible, Bernd D.Meyer, Engin Bagda, Michel Philips, Frederick A.