Tính chất nhiệt của vật liệu

Tính chất nhiệt của vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) là một phương pháp phân tích sự thay đổi liên tục về khối lượng của mẫu theo nhiệt độ. Phương pháp này đưa ra những thông tin về nhiệt độ bắt đầu phân hủy, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất

tốc độ phân hủy và phần trăm mất khối lượng của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau. Các điều kiện để phân tích TGA:

Chén đựng mẫu : platin Môi trường khảo sát : không khí Tốc độ tăng nhiệt độ : 10oC/phút

Nhiệt độ khảo sát : từ nhiệt độ phòng đến 600oC.

Quá trình phân tích TGA được thực hiện trên máy phân tích nhiệt trọng lượng TGA DTG-60H của hãng Shimadzu (Nhật Bản).

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu

Blend trên cơ sở CSTN/SBR đã được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng làm lốp xe cộ, làm các loại ống mềm cao su chịu áp lực cho tàu nạo vét sông, biển,… Qua kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với tỷ lệ CSTN/SBR 80/20 tạo ra blend có tính năng cơ lý kỹ thuật khá tốt [10]. Vì vậy, để đánh giá ảnh hưởng của nanosilica tới cấu trúc, tính chất vật liệu này, chúng tôi chọn ngay blend CSTN/SBR có tỷ lệ 80/20 để nghiên cứu mà không khảo sát lại ảnh hưởng của tỷ lệ cấu tử tới tính chất vật liệu.

Cũng như các hệ vật liệu nền khác, để xác định được hàm lượng nanosilica tối ưu cho vào blend CSTN/SBR, chúng tôi cố định các thành phần khác và các điều kiện công nghệ như nhiệt độ trộn, tốc độ trục quay và thời gian trộn, chỉ khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến tính chất cơ học của vật liệu.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu được trình bày trong bảng và các hình dưới đây.

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở CSTN/SBR và các phụ gia

Tính chất Hàm lượng nanosilica(%) Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) Độ mài mòn (cm3/1,61km) Độ cứng (Shore A) 0 14,31 515 1,16 49,5 1 14,83 523 1,11 50,0 3 15,65 530 1,03 50,4 5 16,28 540 0,97 51,0 7 17,59 545 0,93 51,8 10 16,45 512 0,94 52,5 12 15,28 496 0,98 53,1

Những kết quả thu được, được trình bày trong các hình dưới đây.

Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ bền kéo đứt của vật liệu 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hàm lượng nanosilica (%) Độ b ền k éo đ ứt (M Pa ) Độ bền kéo đứt

Hình 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu

Hình 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu 490 500 510 520 530 540 550 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hàm lượng nanosilica (%) Đ ộ dã n dà i k hi đ ứt (% ) Độ dãn dài khi đứt 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hàm lượng nanosilica (%) Đ ộ m ài m òn (c m 3/ 1, 61 km ) Độ mài mòn

Hình 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ cứng của vật liệu Nhận thấy rằng, khi hàm lượng nanosilica tăng đến khoảng 7% khối lượng, độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ bền mài mòn và độ cứng của của vật liệu đều tăng. Tuy nhiên, khi hàm lượng nanosilica vượt quá 7 %, độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt và độ bền mài mòn của vật liệu lại giảm. Riêng độ cứng của vật liệu tiếp tục tăng nhưng không nhiều do nanosilica là chất độn mềm, ít làm tăng độ cứng. Những kết quả này có thể giải thích do tới 7 % silica, sự phân bố của nanosilia trong nền SBR là hợp lý, các hạt nanosilica phân bố đều trong nền cao su, tạo màng lưới độn-polyme đan xen nhau, làm tăng độ bền cho vật liệu. Tuy nhiên, khi vượt quá 7 % các hạt silica có thể tập hợp lại, tạo các hạt lớn hơn và thành các pha riêng biệt làm giảm tính năng cơ học của vật liệu.

Từ những kết quả trên cho thấy rằng, khi có mặt của nanosilica, tính chất cơ học của vật liệu thay đổi khá rõ. Điều này có thể do phương pháp trộn kín đã phân tán các hạt độn trong nền polyme khá tốt. Cũng từ những kết quả trên

49 50 51 52 53 54 55 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hàm lượng nanosilica (%) Đ ộ cứn g (S ho re A ) Độ cứng

cho thấy, hàm lượng nanosilica cho vào blend của cao su thiên nhiên với cao su styrenbutadien khoảng 7% là hợp lý.

3.2. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới cấu trúc hình thái của vật liệu

Cấu trúc hình thái của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) thực hiện trên máy S-4800 (HITACHI-Nhật Bản). Trên các hình dưới đây là ảnh chụp bề mặt cắt của một số mẫu vật liệu trên cơ sở cao su CSTN/SBR gia cường bằng nanosilica.

Hình 3.5. Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu compozit trên cơ sở blend CSTN/SBR và 7% nano-SiO2

42 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Hình 3.6. Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu compozit trên cơ sở blend CSTN/SBR và 12% nano-SiO2

Nhận thấy rằng ở mẫu vật liệu có 7% nanosilica, các hạt nanosilica phân tán khá đều đặn trong vật liệu với đa số các hạt ở kích thước dưới 100 nm (hình 3.5). Trong khi đó, ở mẫu có 12% nanosilica, các hạt nanosilica phân tán không đều trong nền cao su và có nhiều hạt nanosilica tập hợp thành những khối có kích thước tới vài µm. Những kết quả này đã lý giải vì sao khi tăng hàm lượng nanosilica, tính chất cơ học của vật liệu bị giảm xuống khi hàm lượng nanosilica vượt quá 7%.

3.3. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới hệ số già hóa của vật liệu

Kết quả xác định hệ số già hóa của vật liệu thu được thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây.

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của quá trình biến tính tới hệ số già hóa của vật liệu trong không khí và nước muối 10%

Hệ số già hóa

Mẫu Trong không khí Trong nước muối 10%

Blend CSTN/SBR 0,84 0,82

NR/SBR/7% Nanosilica 0,87 0,84

NR/SBR/12%Nanosilica 0,83 0,80

Nhận thấy rằng, mẫu blend CSTN/SBR và các phụ gia có độ bền môi trường trong không khí và trong nước muối 10% tương ứng là 0,84 và 0,82, khi có thêm nanosilica với hàm lượng 7% khả năng ổn định trong không khí cũng như trong nước muối đều tăng lên, song trong nước muối tăng không nhiều. Trong khi đó, ở mẫu vật liệu biến tính 12% nanosilica hệ số già hóa trong không khí và trong nước muối đều giảm, đặc biệt trong nước muối giảm mạnh hơn.

Nguyên nhân do khi cho nanosilica vào với hàm lượng thích hợp (7%) làm cho vật liệu có cấu trúc chặt chẽ hơn do nanosilica có thể có tác dụng làm tăng tương hợp cho hai cao su này. Nhờ vậy, vật liệu bền vững hơn với tác động của môi trường. Tuy nhiên khi hàm lượng nanosilica quá cao. Sự phân tán của chúng trong nền blend không đồng đều, nhiều chỗ tạo thành những tập hợp hạt khá to (cỡ một vài µ), những tập hợp này sẽ tạo thành những điểm yếu, tạo điều kiện cho các yếu tố xâm thực của môi trường, đặc biệt trong môi trường nước muối xâm nhập vào vật liệu, làm giảm tính năng cơ học của vật liệu. Chính vì vậy hệ số già hóa của vật liệu ở thành phần này giảm xuống.

3.4. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu

Để đánh giá khả năng bền nhiệt của vật liệu, chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Dưới đây là giản đồ TGA của các mẫu vật liệu CSTN, cao su SBR, cao su blend CSTN/SBR và nanocompozit CSTN/SBR/nanosilica.

Hình 3.9. Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng của mẫu cao su blend trên cơ sở CSTN/SBR

Hình 3.10. Biểu đồ phân tích nhiệt trọng lượng của mẫu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/SBR/Nanosilica

Những kết quả phân tích biểu đồ trên được thể hiện trong bảng 3.3 dưới đây. Bảng 3.3. Kết quả phân tích TGA của các mẫu vật liệu

Mẫu vật liệu

Nhiệt độ bắt đầu phân hủy

(oC) Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất (oC) Tổn hao khối lượng đến 600oC, [%] CSTN 267 352,54 98,792 SBR 370 435,93 98,675 CSTN/SBR 345 398,09 97,673 CSTN/SBR/nanosilica 355 406,61 96,03

Nhận thấy rằng, ở mẫu vật liệu CSTN có độ bền nhiệt thấp hơn cả (cả nhiệt độ bắt đầu phân hủy và nhiệt độ phân hủy mạnh nhất đều thấp nhất), trong khi mẫu vật liệu trên cơ sở SBR có độ bền nhiệt cao hơn cả (nhiệt độ bắt đầu phân hủy là 370oC, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất 435,93oC). Mẫu vật liệu blend trên cơ sở CSTN/SBR có độ bền nhiệt nằm trong vùng giữa CSTN và SBR. Điều đó chứng tỏ hai cao su này phần nào tương hợp vào nhau. Khi có thêm 7% nanosilica, nhiệt độ bắt đầu phân hủy và nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của vật liệu đều cao hơn hẳn so với blend CSTN/SBR, bên cạnh đó tổn hao khối lượng của vật liệu tới 600oC cũng nhỏ hơn các cao su và cao su blend. Những kết quả này một lần nữa đã khẳng định vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở CSTN/SBR và nanosilica có tính năng cơ lý, kỹ thuật cao hơn so với cao su blend trên cơ sở CSTN và SBR.

KẾT LUẬN

Bằng phương pháp trộn hợp ở trạng thái nóng chảy đã chế tạo ra vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở CSTN/SBR và nanosilica. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Hàm lượng nanosilica để chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/SBR là 7%. Tại hàm lượng này, các hạt silica đã phân tán tới mức nano (dưới 100 nm), vật liệu có cấu trúc đều đặn, chặt chẽ hơn so với vật liệu blend CSTN/SBR (độ bền kéo đứt tăng 23%, độ dãn dài khi đứt tăng 6%, độ bền mài mòn tăng 25%), nhiệt độ bắt đầu phân hủy tăng 10oC, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất tăng 8oC). Mặt khác, hệ số già của vật liệu cũng tăng lên.

Từ những kết quả nghiên cứu thu được cũng khẳng định rằng, chế tạo vật liệu cao su nanocompozit là một hướng nghiên cứu có hiệu quả để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật, mở rộng phạm vi ứng dụng theo vật liệu cao su.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. http://vi.wikipedia.org/wiki/polyme_nanocompozit.

2. Hua Zou, Shishan Wu, Jian Shen: Polymer/Silica Nanocomposites- Preparation, Characterization, Properties, and Application, Chem.Rev,

Vol.108,3893-3597, (2008).

3. Đỗ Quang Kháng, Vật liệu polyme - quyển 2: Vật liệu polyme tính năng cao; NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội tr 79-80, (2013).

4. Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện, Vật liệu tổ hợp polyme và ứng dụng, Tạp chí hoạt động khoa học, số 10, tr 37-41, (1995). 5. Đỗ Quang Kháng, Cao su-Cao su blend và ứng dụng; NXB Khoa học tự

nhiên và Công nghệ, 2012.

6. Thái Hoàng, Vật liệu polyme blend, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, (2011).

7. Ngô Phú Trù, Kỹ thuật chế biến và gia công cao su, NXB Đại học Bách khoa Hà Nội, (1995).

8. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ tập 2, NXB Giáo dục Hà Nội, tr134, (2000). 9. Đỗ Quang Kháng, Lương Như Hải, Vũ Ngọc Phan, Hồ Hoài Thu, Một số

kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su thiên nhiên clay nanocompozit, Tạp chí Hóa học, tập 45, số 1, Tr. 72-76 (2007).

10. Đặng Việt Hưng, Bùi Chương, Phạm Thương Giang, Sử dụng TESPT làm chất độn gia cường cho hỗn hợp cao su thiên nhiên-butadien, Tạp chí Hóa học, tập 45, Số 5A, Tr. 67-77,(2007).

11. Đặng Việt Hưng, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở cao su tự nhiên và chất độn nano, Luận án tiến sỹ hóa học, Hà Nội, (2010).

12. Hoàng Tuấn Hưng, Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở một số polyme blend và nanoclay, Luận án tiến sỹ hóa học, Hà Nội, (2012).

13. Lê Văn Thụ, Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng chống đạn của vật liệu tổ hợp sợi carbon, ống carbon nano với sợi tổng hợp, Luận án tiến sỹ hóa học, Hà Nội, (2011).

14. Đỗ Quang Kháng, Vật liệu polyme bend - quyển 1: Vật liệu polyme cơ sở, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, (2013).

15. http://Vi.wikipedia.org/wiki/polyme_nanocompozit. 16. http://www.rubberimpex.com.

Mục lục