Độ bền mụi trường của vật liệu được xỏc định theo tiờu chuẩn Việt Nam [TCVN 2229 - 2007]. Mẫu được ngõm nước muối 10 % trong thời gian 72 h và mụi trường khụng khớ trong thời gian 72 h ở nhiệt độ 70 0C. Sau đú được lấy ra và đưa đi đo tớnh chất cơ lý và xỏc định hệ số già hoỏ của vật liệu.
Hệ số già hoỏ được xỏc định bằng biểu thức: Kd=
0
Trong đú:
Chương 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng NBR đến tớnh chất của CSTN
Cao su thiờn nhiờn cú nhiều tớnh chất quớ, nhất là khả năng đàn hồi cao. Tuy nhiờn CSTN dễ bị lóo húa và khụng bền với dầu mỡ. Cao su tổng hợp NBR cú cỏc nhúm chức nitril nờn độ phõn cực rất mạnh đó giỳp cho loại cao su này bền với dầu mỡ. Tuy nhiờn độ bền cơ học của NBR khụng cao. Đưa NBR vào CSTN để tăng khả năng bền dầu mỡ của CSTN song phải cú giới hạn để đảm bảo độ bền cơ học của vật liệu. Chương trỡnh thực tập đó nghiờn cứu ảnh hưởng của hàm lượng NBR đến tớnh chất của vật liệu CSTN/NBR.
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng NBR đến tớnh chất cơ lý của vật liệu Tớnh chất cơ lý
TT
Mẫu nghiờn cứu Hàm lượng
NBR (pkl) (MPa) (%) Eđh (Ncm-2) 1 CSTN/NBR-0 0 19,1 777 4,2 2 CSTN/NBR-20 20 16,4 762 4,6 3 CSTN/NBR-30 30 11,2 683 4,9 4 CSTN/NBR-40 40 8,6 529 6,9 5 CSTN/NBR-50 50 8,8 559 6,4 6 CSTN/NBR-70 70 2,8 394 8,7 7 CSTN/NBR-80 80 2,3 373 8,9
Ở đõy thấy rằng khi hàm lượng NBR tăng, độ bền kộo đứt và độ dón dài của vật liệu suy giảm, trong khi đúa mụ đun đàn hồi tăng, điều đú chứng tỏ
NBR. Độ bền kộo đứt giảm từ 19,1 MPa đến 2,3 MPa khi hàm lượng NBR tăng đến 80 pkl. Với hàm lượng 30 pkl NBR, độ bền kộo đứt cũn đủ lớn để sử dụng vào cỏc mục đớch kỹ thuật, như làm đế giày.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 Thời gian (h) Đ ộ t rư ơ n g ( % ) 0 pkl NBR 20 pkl NBR 30 pkl NBR 40 pkl NBR 50 pkl NBR 70 pkl NBR 80 pkl NBR
Hỡnh 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng NBR trong CSTN đến độ trương của vật liệu
Độ trương trong dầu của vật liệu CSTN/NBR được thể hiện trờn hỡnh 3.1.Thời gian đầu độ trương tăng nhanh sau giảm dần và gần như đạt cõn bằng sau 42 giờ ngõm mẫu. Độ trương trong dầu của vật liệu giảm đỏng kể khi cú cao su NBR, giảm từ 180% xuống cũn 108% khi cú thờm 20 pkl NBR và chỉ cũn 25% khi cú thờm 80 pkl NBR. Ở đõy thấy rằng, khi hàm lượng NBR trong CSTN là 30% thỡ độ trương trong dầu của vật liệu chỉ cũn ẵ so với CSTN ban đầu.
Để khảo sỏt ảnh hưởng của tro bay đến tớnh chất của vật liệu CSTN/NBR, chỳng tụi đó chọn 2 tỷ lệ CSTN/NBR=80/20 và 70/30 để so sỏnh với 2 loại vật liệu thành phần ban đầu là CSTN và NBR
3.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tớnh chất của blend CSTN/NBR
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tro bay đến tớnh chất cơ lý của vật liệu Tớnh chất cơ lý TT
Mẫu nghiờn cứu Hàm lượng
Tro bay (pkl) (MPa) (%) Eđh (Ncm -2 ) 1 CSTN 30 20,4 738 4,3 2 NBR 30 3,4 430 12,6 3 CSTN/NBR/FA 80/20/30 30 19,8 650 5,6 4 CSTN/NBR/FA 70/30/30 30 15,0 648 5,5 5 CSTN/NBR/FA 80/20/50 50 13,9 550 5,8
Chỳng tụi đó sử dụng 30 pkl tro bay để gia cường cho vật liệu CSTN và cỏc blend CSTN/NBR ở 2 tỷ lệ lựa chọn 70/30 và 80/20. Tro bay được biến đổi bề mặt bằng sulfidosilan (ký hiệu thương mại là Si69) trong dung dịch 4%. Ở đõy vẫn thấy rằng, khi hàm lượng NBR tăng thỡ độ bền kộo đứt và độ dón dài của vật liệu đều giảm. Tuy nhiờn độ bền kộo đứt đều lớn hơn ở cỏc mẫu khụng cú tro bay tương ứng, trong khi đú độ dón dài lại giảm tương ứng. Điều này chứng tỏ tro bay đó cú tỏc dụng gia tăng độ tương hợp của cỏc pha trong vật liệu, dẫn đến độ bền kộo đứt tăng. Độ dón dài giảm và mụmen đàn
hồi tăng là do cú thờm chất độn, vật liệu cứng và kộm đàn hồi hơn so với CSTN ban đầu. Để cú thể giảm giỏ thành sản phẩm, hàm lượng tro bay đó được tăng lờn tới 50 pkl ở mẫu số 5. Với thành phần CSTN/NBR=80/20 được độn thờm 50 pkl tro bay, vật liệu cú độ bền kộo đứt 14 MPa. Giỏ trị này vẫn đảm bảo cho vật liệu cú độ bền cơ cần thiết sử dụng để chế tạo một số sản phẩm kỹ thuật. Phần tiếp theo đề tài nghiờn cứu quỏ trỡnh lưu húa của vật liệu trờn thiết bị Rheometer.
3.3. Ảnh hưởng của tro bay đến quỏ trỡnh lưu húa blend CSTN/NBR
Khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến quỏ trỡnh lưu húa với cỏc mẫu blend cú hàm lượng tro bay được biến đổi bằng bis- triethoxysilylpropyltetrasulfidosilane lần lượt là 10, 30 và 50 pkl. Kết quả thể hiện trờn bảng 3.3 và cỏc hỡnh 3.2 đến 3.4.
Bảng 3.3: Khả năng lưu húa của vật liệu
Mẫu nghiờn cứu Hàm lượng
tro bay (pkl) Mmin (kgf.cm) Mmax (kgf.cm) TC90 (phỳt – giõy) CSTN/NBR/FA 80/20/10 10 9.45 18.82 11-07 CSTN/NBR/FA 80/20/30 30 10.35 18.15 10-33 CSTN/NBR/FA 80/20/50 50 11.16 18.91 8-39
Ở đõy thấy rằng, khi tăng hàm lượng tro bay từ 10 đến 50 pkl thời gian lưu húa 90% (TC90) giảm đi rừ rệt. Tro bay đó cú tỏc dụng giảm thời gian lưu húa của tổ hợp blend CSTN/NBR/FA, Điều này phự hợp với kết luận ở trờn,
tro bay biến đổi bề mặt với Si69 ớt làm ảnh hưởng tới quỏ trỡnh lưu húa.
Giỏ trị Mmin tăng theo chiều tăng của hàm lượng tro bay từ 10 đến 50%. Tro bay biến đổi bề mặt bằng Si69 khụng cú khả năng tăng tương hợp cho CSTN với NBR. Với cỏc giỏ trị momen xoắn cực đại, cú thể nhận thấy rằng cỏc giỏ trị này thay đồi khụng nhiều khi tăng hàm lượng tro bay, chứng tỏ rằng độ bền của vật liệu sau quỏ trỡnh lưu húa ớt bị ảnh hưởng bởi hàm lượng tro bay, Tuy nhiờn ở hàm lượng 50% tro bay, mụ men cực đại cú giỏ trị cao nhất 18,91 MPa. Đề tài đó chọn hàm lượng tro bay này để nghiờn cứu xỏc định một số tớnh chất của vật liệu blend CSTN/NBR/FA với mục đớch giảm giỏ thành sản phẩm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 3.3: Blend CSTN/NBR chứa 30% tro bay biến đổi bề mặt
3.4. Khảo sỏt tương tỏc pha của vật liệu
Cấu trỳc hỡnh thỏi của vật liệu cao su gia cường bằng tro bay được khảo sỏt bằng kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) trờn bề mặt gẫy của mẫu đo.
Cỏc mẫu vật liệu CSTN được gia cường với hàm lượng tro bay 50% chưa được biến đổi bề mặt và cú biến đổi bề mặt bằng tỏc nhõn ghộp nối.
Hỡnh 3.5 cho biết cấu trỳc hỡnh thỏi của vật liệu cao su thiờn nhiờn cú chứa tro bay chưa được biến đổi bề mặt:
Hỡnh3.5.: Ảnh SEM vật liệu CSTN chứa 50% tro bay chưa được biến đổi bề mặt
Cú thể dễ dàng quan sỏt thấy khả năng tương tỏc pha giữa cỏc hạt chất độn tro bay với chất nền cao su là kộm. Cỏc hạt chất độn gần như bị tỏch pha trờn bề mặt gẫy của vật liệu.
Hỡnh 3.6 biểu diễn cấu trỳc hỡnh thỏi của vật liệu cao su thiờn nhiờn cú chứa tro bay đó được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan loại Bis- Triethoxysilylpropyltetrasulfidosilane (Si69).
Hỡnh3.6: Ảnh SEM vật liệu CSTN chứa 50% tro bay đó được biến đổi bề mặt
Rừ ràng khả năng tương tỏc pha của tro bay với chất nền cao su đó được cải thiện rừ rệt khi chất độn được biến đổi bề mặt bằng tỏc nhõn ghộp nối. Khụng chỉ tham gia vào quỏ trỡnh lưu húa, hợp chất silan chứa cỏc nhúm hữu cơ cũn làm giảm sức cằng bề mặt giữa hai pha làm khả năng phõn tỏn của chất độn vào trong pha nền được tốt hơn, khả năng liờn kết giữa chất độn với chất nền được cải thiện, từ đú nõng cỏo tớnh chất của vật liệu.
3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới độ bền nhiệt của vật liệu CSTN/NBR/tro bay
Trờn giản đồ TGA của cỏc mẫu vật liệu blend CSTN/NBR cú chứa tro bay được biến đổi bề mặt trong dung dịch 4% Si69 đó xuất hiện 2 vựng phõn huỷ mạnh nhất đặc trưng của cao su trong những khoảng 388,95 0C và 716,43
0
Hỡnh 3.7: Giản đồ phõn tớch nhiệt blend CSTN/NBR
Hỡnh 3.7 là giản đồ phõn tớch nhiệt của blend CSTN/NBR khụng cú tro bay. Ở vựng nhiệt độ từ 300 đến 500 0C, khối lượng vật liệu đó suy giảm phần lớn, nú đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu. Trong vựng nhiệt độ này ở hỡnh 3.7, chỉ thấy xuất hiện một nhiệt độ phõn hủy mạnh nhất ở 388,95 0C, điều này chứng tỏ 2 pha CSTN và NBR đó tương hợp khỏ tốt vào nhau. Hai nhiệt độ phõn hủy đặc trưng cho 2 pha thành phần đó tiến gần lại nhau và chập làm một.
Đề tài đó khảo sỏt ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và hàm lượng silan Si69 đến độ bền nhiệt của vật liệu
Bảng 3.4 trỡnh bày nhiệt độ phõn hủy mạnh nhất ở vựng phõn hủy đầu tiờn của cỏc mẫu blend CSTN/NBR cú chứa tro bay ở cỏc hàm lượng khỏc nhau. Cỏc mẫu tro bay được biến đổi với 4% hợp chất silan cú nhúm sunfit.
Furnace temperature /°C 0 100 200 300 400 500 600 700 TG/% -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 d TG/% /min -80 -60 -40 -20 HeatFlow/àV -30 -20 -10 0 10 Mass variation : -80.83 % Mass variation : -18.41 % Peak :388.95 °C Peak :716.43 °C Peak :629.12 °C Figure: 19/08/2010 Mass (mg): 11.61
Crucible:PT 100 àl Atmosphere:Argon
Experiment:CS
Procedure:30 ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2)
Labsys TG
Bảng 3.4. Độ bền nhiệt của cỏc mẫu CSTN cú chứa tro bay ở cỏc hàm lượng khỏc nhau
Hàm lượng tro bay (%) 0 10 20 30 50 Nhiệt độ phõn hủy (°C) 388,95 390,13 391,61 390,67 390,59 Khối lượng suy giảm (%) 80,83 80,07 70,23 68,05 58,90
Giống như hầu hết cỏc chất độn, tro bay cũng làm tăng nhiệt phõn hủy của vật liệu cao su. Ở khoảng nồng độ đầu khi tăng hàm lượng tro bay thỡ nhiệt độ phõn hủy cú xu hướng tăng lờn, đạt giỏ trị lớn nhất ở 20% hàm lượng tro bay. Trờn hàm lượng này, nhiệt độ phõn hủy của mẫu vật liệu cao su lại cú chiều hướng giảm xuống.
Nhiệt độ phõn hủy của mẫu vật liệu CSTN đạt giỏ trị lớn nhất ở 20% tro bay cú thể được giải thớch là ở hàm lượng này tro bay phõn bố đồng đều trong vật liệu, cú sự liờn kết chặt chẽ với chất nền tạo thành một cấu trỳc bền vũng hơn của vật liệu, vỡ vậy mà nhiệt độ phõn hủy của nú lớn hơn so với cỏc hàm lượng khỏc. Điều này hoàn toàn phự hợp khi đo tớnh chất cơ lý của cỏc mẫu vật liệu cú chứa tro bay khi mà độ bền kộo đứt của mẫu vật liệu cao su thiờn nhiờn cú chứa tro bay đạt giỏ trị lớn nhất trong khoảng nồng độ 20-30%.
3.6. Độ bền mụi trường của vật liệu CSTN/NBR/tro bay
3.6.1. Hệ số già húa
Từ cỏc kết quả đó nghiờn cứu, mẫu blend CSTN/NBR/tro bay biến đổi bằng 4% Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfit đó được thử nghiệm để xỏc định độ bền mụi trường của vật liệu.
Bảng 3.5: Hệ số già húa của vật liệu blend CSTN/NBR/tro bay (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ số già hoá Mẫu
Trong không khí
Kd
Trong nước muối
Kd
CSTN/NBR 0,80 0,82
CSTN/NBR/FAn (80/20/30) 0,86 0,83
CSTN/NBR/FAt (80/20/30) 0,92 0,91
Trờn bảng 3.5 trỡnh bày những kết quả thử nghiệm thu được theo tiờu chuẩn TCVN 2229 - 77 (nhiệt độ thử 700C, thời gian thử 72 giờ trong mụi trường khụng khớ và nước muối 10%).
Từ kết quả nhận thấy rằng, mẫu blend CSTN/NBR và cỏc phụ gia cú độ bền mụi trường thấp nhất, khi cú thờm tro bay thỡ khả năng ổn định trong khụng khớ tăng lờn nhưng trong nước muối chỉ tăng chỳt ớt.
Khi mẫu cao su cú chứa tro bay được biến đổi bề mặt bằng Si69 thỡ hệ số già hoỏ trong khụng khớ và nước muối đều tăng lờn đỏng kể. Vỡ khi tro bay được biến đổi bề mặt, khả năng phõn tỏn của chất độn tốt hơn, cấu trỳc của vật liệu trở nờn đồng đều, chặt chẽ và bền vững hơn do cú được cỏc liờn kết của chất độn với chất nền cao su thụng qua hợp chất silan. Điều này làm cho khả năng bền với cỏc tỏc động của nhiệt độ, ụxy khụng khớ và nước muối của vật liệu tăng lờn.
3.6.2. Độ trương trong dầu diezel
Với tro bay biến đổi bằng silan 4%, đề tài đó khảo sỏt khả năng bền dầu của vật liệu blend khi gia tăng hàm lượng tro bay từ 10-40 pkl (hỡnh 3.8). Ở
0 50 100 150 200 250 300 350 1 8 15 22 29 36 43 50
Thời gian (giờ)
Đ ộ t rư ơ n g ( % ) CSTN Blend-tro bay 10 pkl Blend-tro bay 20 pkl Blend-tro bay 30 pkl Blend-tro bay 50 pkl
đõy thấy rằng độ trương trong dầu diezel giảm dần khi tăng hàm lượng tro bay. Sau 48 giờ ngõm mẫu, độ trương thấp nhất của mẫu cú 50% tro bay ở vào khoảng 100%.
Hỡnh 3.8: Độ trương trong dầu diezel
của vật liệu CSTN và blend CSTN/NBR/tro bay biến đổi bằng 2% Si69
3.7. Tỷ trọng và độ cứng vật liệu CSTN/tro bay
Dựa trờn kết quả đo tỷ trọng của cỏc mẫu vật liệu cao su thiờn nhiờn chứa tro bay cú thể nhận thấy rằng hầu hết cỏc mẫu vật liệu đều cú tỷ trọng < 1,2. Như vậy việc sử dụng tro bay làm chất độn cho cao su thiờn nhiờn ở những khoảng nồng độ đến 50 pkl khụng làm ảnh hưởng đỏng kể đến tỷ trọng của cỏc vật liệu blend CSTN/NBR, cỏc sản phẩm này hoàn toàn cú khả năng ứng dụng cho cỏc sản phẩm thực tế như cỏc loại đế giầy.
Bảng 3.6 : Tỷ trọng của cỏc mẫu vật liệu CSTN cú chứa tro bay Mẫu cao su
chứa tro bay
Hàm lượng tro bay (pkl) D (g/cm3) Độ cứng (Shore A) M0 0 0,99 42 M1 10 1,027 43 M2 20 1,059 45 M3 30 1,110 46 M4 50 1,195 49
Độ cứng của vật liệu CSTN tăng theo chiều tăng của hàm lượng tro bay, từ 42 shore A đến 49 Shore A. Cỏc giỏ trị này khụng được cao, cần thiết phải gia tăng bằng cỏc chất độn cú độ cứng cao hơn như TiO2 hoặc than đen.
KẾT LUẬN
Tro bay là sản phẩm phụ của quỏ trỡnh đốt than đỏ. Thu hồi và sử dụng tro bay trong cỏc mục đớch khỏc nhau vừa cú tớnh kinh tế, vừa cú ý nghĩa bảo vệ mụi trường.
Vật liệu trờn cơ sở cao su thiờn nhiờn và cao su nitril sử dụng tro bay làm chất độn cú độ bền nhiệt cao hơn so với so với mẫu vật liệu khụng chứa tro bay. Độ bền nhiệt của vật liệu cú một giỏ trị cực đại ở hàm lượng 20% tro bay làm (nhiệt độ phõn hủy mạnh nhất tăng gần 4°C).
Hợp chất silan cú tỏc dụng tăng khả năng tương tỏc pha giữa cao su thiờn nhiờn và cao su nitril giỳp cho cấu trỳc của vật liệu trở nờn đồng nhất hơn.
Khụng chỉ làm gia tăng độ bền nhiệt, tro bay cũn làm tăng độ bền mụi trường của vật liệu đặc biệt là với mẫu tro bay được được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan. Hệ số già húa của vật liệu trong khụng khớ đó tăng từ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});