CaCO3 được ứng dụng rộng rói trong rất nhiều lĩnh vực khoa học cụng nghệ và nú rất gần gũi với cuộc sống thường ngày cụ thể là :
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 26 - Từ xa xưa ụng cha ta đó sử dụng CaCO3 làm cụng cụ lao động , làm đồ vật trang trớ.
- CaCO3 được ỏp dụng rất nhiều trong lĩnh vực xõy dựng như sản xuất vụi, làm cốt bờ tụng hay một số chi tiết khỏc trong xõy dựng…
- Ngoài ra CaCO3 cũn là một loại hoỏ chất rất phổ biến trong cụng nghiệp hoỏ học.
- Trong thời đại khoa học cụng nghệ phỏt triển, thế giới đó nghiờn cứu và chế tạo ra nhiều vật liệu mới mà ngày nay trọng tõm nhất là vật liệu Nano compozit thỡ CaCO3 lại đúng vai trũ hết sức quan trọng chỳng đảm nhiệm vai trũ làm vật liệu cốt hạt cỡ Nano cho cỏc vật liệu compzit.
Như vậy cú thể núi CaCO3 vừa là một loại vật liệu vừa là một loại hoỏ chất rất gần gũi và quan trọng trong cuộc sống thường ngày. Trong tương lai vai trũ của nú sẽ được nõng lờn một tầm cao mới nhờ cụng nghệ khoa học phỏt triển.
1.4. Tổng quan về vật liệu Nano compozit.
1.4.1. Giới thiệu chung về vật liệu Nano compozit.
Trong khoa học vật liệu, việc nghiờn cứu để tổng hợp ra vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit đúng vai trũ hết sức quan trọng. Độ tăng trưởng của vật liệu này tăng rất cao sau mỗi năm. Vật liệu này cú những ưu điểm la kết hợp được những đặc điểm tốt của vật liệu nền PVC và cốt CaCO3, vớ dụ như: Để tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mũn, giảm độ co ngút. Trong nhiều trường hợp vật liệu cốt CaCO3 cũn được dựng với mục đớch làm giảm giỏ thành của sản phẩm mà vẫn giữ được cơ tớnh của vật liệu.
Với kớch thước hạt cỡ Nano của CaCO3 thỡ ngoài khả năng phối hợp cỏc tớnh chất mà mỗi loại vật liệu khú hoặc khụng thể đạt được thỡ nú cũn cú thể tạo cho vật liệu một số ưu điểm đặc biệt. Vớ dụ như: Tăng độ bền, độ cứng ... Do vậy cú thể đỏp ứng được yờu cầu kĩ thuật cao của hầu khắp cỏc lĩnh vực khoa học và kinh tế.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 27 Qỳa trỡnh nghiờn cứu chế tạo một sản phẩm mới PVC/CaCO3 Nano compozit nhanh hơn so với tổng hợp sản phẩm polime mới. Vỡ nú được chế tạo trờn cơ sở vật liệu và cụng nghệ sẵn cú.
Những kiến thức rộng rói về cấu trỳc, sự tương hợp, phỏt triển rất nhanh trong những năm gần đõy, tạo điều kiện cho sự phỏt triển của loại vật liệu này. 1.4.2. Một số khỏi niệm cơ bản của vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit.
Vật liệu compozit là loại vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu cơ bản khỏc nhau. Vật liệu tạo thành cú đặc tớnh trộn hợp, đặc tớnh riờng của vật liệu thành phần. Trong nghiờn cứu vật liệu Nano compozit người ta cần quan tõm đến một số khỏi niệm sau:
Pha liờn tục được gọi là pha nền.
Pha giỏn đoạn được gọi là pha cốt hay vật liệu cứng.
Khả năng trộn hợp: Núi lờn khả năng của polime và cốt dưới những điều kiện nhất định cú thể trộn hợp với nhau để tạo thành hỗn hợp đồng thể hoặc dị thể.
Nền
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 28 Trong thực tế cú rất ớt cỏc cặp polime và cốt hạt cú thể tự tương hợp với nhau về nhiệt động học, phần nhiều chỉ tương hợp về mặt kĩ thuật hoặc khụng tương hợp.
Vật liệu Nano là vật liệu cú kớch cỡ hạt Nano ( 1nm = 109m).
1.4.3.Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tớnh chất của vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit. compozit.
Tớnh chất của vật liệu được quyết định bởi sự tương hợp của vật liệu nền là PVC và vật liệu cốt là CaCO3. Qua nghiờn cứu người ta chỉ ra rằng sự tương hợp của pha nền và pha cốt phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:
- Tỷ lệ thể tớch, tỷ lệ khối lượng. - Năng lượng bỏn dớnh ngoài phần tử. - Nhiệt độ.
Tớnh chất của vật liệu phụ thuộc vào : - Sự phõn bố pha.
- Kớch thước hạt.
Những yếu tố này đựoc chi phối bởi sự chuẩn bị và chế tạo gia cụng vật liệu.
Trong thực tế, để tăng độ tương hợp của vật liệu, người ta dựng cỏc chất để làm tăng khả năng tương hợp, chất hoạt tớnh bề mặt và lựa chọn chế độ gia cụng thớch hợp thụng qua việc khảo sỏt tớnh chất lưu biến của vật liệu.
Phần 2. Thực nghiệm
2.1. Nguyên liệu.
PVC sử dụng là loại PVC có trọng l-ợng cao, cú trọng l-ợng phân tử Mw = 88.000 g/mol và Mw/ Mn = 2.1 do hãng Basell sản xuất.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 29 Hạt nano CaCO3 đ-ợc mua của Merck. Hạt Nano CaCO3
đ-ợc sử dụng có chất l-ợng cao và hình thức khá đồng đều.
Tất cả các nguyên liệu trên đ-ợc dùng trực tiếp từ các nguồn cung cấp.
2.2. Chế tạo PVC/CaCO3 nanocompozit.
Để chế tạo vật liệu polyme PVC/CaCO3 nanocompozit, chúng tôi đã sử dụng ph-ơng pháp trộn nóng chảy trên máy trộn kín Haake tại Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Khoa học và công nghệ Việt nam. Điều kiện gia công chế tạo vật liệu compozit nh- sau:
- Nhiệt độ: 1800 C.
- Tốc độ vòng quay 80 vòng/phút. - Thời gian trộn: 15 phút.
Để khảo sát ảnh h-ởng của các thành phần, hàm l-ợng CaCO3 đến chất l-ợng của vật liệu Chúng tôi: Thay đổi hàm l-ợng CaCO3, trong vật liệu theo các tỷ lệ sau: 0 ; 2,5 % ; 5% và 7,5%.
2.3. Các ph-ơng pháp nghiên cứu.
Để đánh giá tính chất cơ lý của Vật liệu, chúng tôi đã đo độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt của vật liệu theo tiêu chuẩn ISO 527-1. Thí nghiệm đ-ợc đo trên máy kéo Zwick tại Viện kỹ thuật nhiệt đới. Tốc độ kéo là 10 mm/phút.
Tính chất nhiệt của vật liệu đ-ợc chúng tôi khảo sát bằng ph-ơng pháp phân tích nhiệt khối l-ợng (TGA)
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 30 trên máy Shimazu TA50 tại Viện Hoá học – Viện Khoa học và công nghệ Việt nam. Nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ phòng 25oC tới 450oC trong môi tr-ờng khí N2.
Phần 3. Kết quả và thảo luận.
3.1. ảnh h-ởng tỷ lệ CaCO3 tới tính chất cơ lý của vật liệu.
Độ bền kéo đứt của vật liệu: Hình 3a biểu diễn sự phụ thuộc của độ bền kéo đứt của vật liệu PVC/CaCO3
nanocompozit vào tỷ lệ CaCO3.
Hình 3a. Độ bền kéo đứt của vật liệu phụ thuộc vào tỉ lệ CaCO3.
Nhìn vào hình 3a ta có thể nhận thấy độ bần kéo đứt của PVC bằng 46Mpa khi tỉ lệ CaCO3. Khi PVC đ-ợc
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 31 gia c-ờng bằng nano CaCO3, độ bền kéo đứt của vật liệu tăng nhẹ ở tỷ lệ CaCO3 = 2.5% và đạt giá trị cao nhất là 47.3 Mpa ở tỷ lệ CaCO3 = 5%. Sau đó, nếu tỷ lệ CaCO3 tiếp tục tăng thì độ bền kéo đứt của vật liệu bắt đầu giảm đi. Theo kết quả trên, tính chất của vật liệu PVC/CaCO3 không tăng một cách liên tục với tỷ lệ CaCO3. Nguyên nhân của sự suy giảm độ bền kéo đứt ở tỷ lệ CaCO3 cao là do sự tạo thành pha riêng rẽ của CaCO3 cùng với độ liên kết 2 pha kém.
Độ giãn dài khi đứt: Hình 3b là sự phụ thuộc
của độ giãn dài khi đứt của vật liệu PVC/CaCO3
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 32
Hình 3b. Độ giãn dài khi đứt của vật liệu phụ thuộc vào tỉ lệ CaCO3.
Kết quả trên cho ta thấy, nano CaCO3 có ảnh h-ởng mạnh mẽ đến độ giãn dài của vật liệu PVC/CaCO3
nanocompozit. ở tỷ lệ CaCO3 = 2.5%, độ giãn dài khi đứt của vật liệu tăng từ 10% lên 27% và đạt giá trị cao nhất là 43% ở tỷ lệ CaCO3 = 5%. Giống nh- độ bền kéo đứt, khi hàm l-ợng CaCO3 tiếp tục tăng lên thì độ giãn dài khi đứt của vật liệu lại giảm mạnh xuống còn 28%.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 33 Mođun đàn hồi: Hình 4 là ảnh h-ởng của CaCO3 vào mođun đàn hồi của vật liệu PVC/CaCO3
nanocompozit.
Hình 4 : ảnh h-ởng của tỷ lệ CaCO3 đến mođun đàn hồi.
Giống nh- đối với độ bền kéo đứt, mođun đàn hồi của vật liệu cũng tăng nhẹ khi gia c-ờng với CaCO3 và đạt giá trị cao nhất ở tỷ lệ CaCO3 = 5%. Độ bền va đập của vật liệu: Hình 5 là ảnh h-ởng của tỷ lệ CaCO3 đến độ bền va đập của vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 34 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 Đ ộ b ề n v a đ ậ p C h a rp y ( K J /m 2 ) Tỷ lệ CaCO3 (%)
Hình 5. Sự phụ thuộc của độ bền va đập vào tỉ lệ CaCO3.
Kết quả trên cho ta thấy, độ bền va đập của vật liệu PVC/CaCO3 tăng lên khi gia c-ờng với CaCO3 và đạt giá trị cao nhất ở tỷ lệ CaCO3 = 5%. Khi hàm l-ợng CaCO3 tiếp tục tăng lên thì độ bền va đập của vật liệu giảm nhanh.
Qua các kết quả trên ta cú thể nhận thấy tỷ lệ CaCO3 tối -u để vật liệu đạt đ-ợc tính chất cơ lý cao nhất là 5%.
3.2. Phân tích cấu trúc của vật liệu.
Để phân tích cấu trúc của vật liệu với các tỉ lệ CaCO3 khác nhau, chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 35 điện tử quét (SEM) tại viện khoa học và vật liệu – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam.
ở tỉ lệ CaCO3 = 5% chúng tôi đã thu đ-ợc kết quả nh- sau:
SEM PVC
SEM PVC /CaCO3 (5%) (b)
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 36
Hình 6: ảnh SEM của vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit ở tỷ lệ CaCO3 = 5%
Qua ảnh SEM ta thấy các hạt nano CaCO3 đ-ợc phân tán khá đồng đều trong vật liệu nền PVC. Một vài điểm có hiện t-ợng kết khối của các hạt CaCO3.
Cũng chính do hiện t-ợng kết khối này là nguyên nhân dẫn tới độ bền kéo đứt và độ bền va đập của vật liệu bị suy giảm.
Cũng t-ơng tự khi quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của vật liệu ở các tỉ lệ CaCO3
khác nhau thì chúng tôi cũng thu đ-ợc kết quả nh- sau:
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 37
Hình 7: ảnh TEM của vật liệu ở các tỷ lệ CaCO3 khác nhau (a,b): 5%; (c,d,e): 7,5%
Qua ảnh TEM một lần nữa cho ta thấy, các hạt nano CaCO3 phân tán khá đồng đều trong vật liệu nền PVC. Hiện t-ợng kết khối của CaCO3 xảy ra nhiều hơn ở tỷ lệ CaCO3 cao (>7,5%). Sự kết khối của CaCO3 ở tỷ lệ cao là nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm độ bền kéo đứt, độ bền va đập của vật liệu ở tỷ lệ CaCO3 cao.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 38
3.3. ảnh h-ởng của tỷ lệ CaCO3 đến độ bền nhiệt của vật liệu .
Tính chất nhiệt của vật liệu đ-ợc khảo sát bằng ph-ơng pháp phân tích nhiệt khối l-ợng (TGA) trên máy Shimazu TA 50. Tại viện Hoá học. Khoảng nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ phòng cho tới 450oC trong môi tr-ờng khí N2.
Trong môi tr-ờng khí N2 không tồn tại sự cháy đó là lý do để chúng tôi sử dụng nó để làm thí nghiệm.
Hình 8: Giản đồ TGA của vật liệu PVC/CaCO3
nanocompozit
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 39 Nhìn vào hình 8 ta có thể nhận thấy nhiêt độ phân huỷ của vật liệu không biến đổi nhiều khi tỉ lệ CaCO3
thay đổi.
Cụ thể ta thu đ-ợc kết quả sau:
Tỉ lệ CaCO3 (%) Tỉ lệ phân huỷ (0C) 0 275 2,5 280 5 276,4 7,5 276,3
Nhìn chung khi gia c-ờng thêm CaCO3 thì độ bền nhiệt của vật liệu tăng lên chút ít và đạt giá trị cao nhất là 280oC ở tỷ lệ CaCO3=2.5%.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 40
Kết luận
Trong luận văn này, vật liệu PVC/CaCO3
nanocompozit đ-ợc chế tạo bằng ph-ơng pháp trộn nóng chảy trên máy trộn kín và các tính chất cơ lý, tính chất nhiệt đ-ợc khảo sát theo ảnh h-ởng của tỷ lệ CaCO3. Khi đ-ợc gia c-ờng với vật liệu nano CaCO3, tính chất của PVC đã thay đổi rõ rệt, đặc biệt là mođun đàn hồi. Độ bền kéo đứt của vật liệu chỉ tăng nhẹ. Các tính chất khác nh- độ bền va đập, độ giãn dài khi đứt cũng tăng mạnh và đạt giá trị cao nhất ở tỷ lệ CaCO3 = 5%. ở tỷ lệ CaCO3 cao hơn thì các tính chất này lại giảm mạnh.
Vì vậy, để đảm bảo các tính năng kỹ thuật của vật liệu khi sử dụng, cần phải có các b-ớc tối -u hoá tỷ lệ, điều kiện chế tạo vật liệu. Độ bền nhiệt của vật liệu PVC cũng đ-ợc cải thiện khi đ-ợc gia c-ờng với CaCO3.
Để có thể tiếp tục và hoàn thiện nâng cao tính chất của vật liệu, cần phải đ-ợc tiếp tục nghiên cứu nhất là làm tăng độ liên kết giữa 2 pha và có sự phân tán tốt hơn của CaCO3 trong vật liệu nền PVC.
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 41
Tài liệu tham khảo Tiếng Việt
1. Nguyễn Đức Nghĩa. Bài thực hành tổng hợp và nghiên cứu tính chất của bán dẫn hữu cơ polyme. Năm 2006.
2. Nguyễn Đức Nghĩa. Một số bài giảng về Hoá Học nano tại tr-ờng ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội. 2006.
3. Nguyễn Đức Nghĩa. Bán dẫn hữu cơ polyme – Công nghệ chế tạo, tính chất và ứng dụng. NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội, 2007.
Tiếng Anh
4. D.Tasis, N.Tagmatarchis, V.Georgakilas and M.Prato, Chem. Eur.J. 9 (2003).
5. K.Balasubramanian and M.Burghard, Small
1(2005).
6. I.Szleifer, R. Yerushalmi – Rozen, Polymer 46 (2005).
SVTH: Trần Văn Thành. Lớp K31C – Hoỏ 42 7. R. Andrews, D. Jacques, M. Minot and T. Rantell, Macromol.
Mater . Eng. 287 (2002).
8. Xie, X-C, Lin Q-X, polimer 45 (2004). 6665. 9. Zishou Zhang, Your Tao, Zhugen Yang, polymer journal 44 (2008)
1055.
10. Dezhen Wu, Xiaodong Wang, Jongzhi Song, Riguang Tin, polyme sci 92
(2004) 2714.
11. T. Kaully, A. Sieg mann and D.Shachain, polyme. Adv. Technol 18 (2007) 696.