Độ bền môi trƣờng của vật liệu đƣợc đánh giá thông qua hệ số già hóa của vật liệu. Hệ số già hóa của vật liệu đƣợc xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2229 – 2007. Các mẫu thử đƣợc chuẩn bị theo tiêu chuẩn quy định và đƣợc đƣa vào tủ sấy có lƣu thông không khí (Memmert của CHLB Đức) ở 1000
C trong thời gian 96 giờ. Hệ số già hóa đƣợc tính theo công thức:
K = Z2 / Z1 Trong đó:
Z1 : là tích số của độ bền kéo đứt và độ độ dãn dài khi đứt trƣớc khi già hóa. Z2 : là tích số của độ bền kéo đứt và độ độ dãn dài khi đứt sau khi già hóa.
Phan Thị Huê 28 K36B- Hóa Học
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của nanosilica đến tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit
Tính chất của vật liệu cao su nói chung và cao su EPDM nói riêng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ bản chất vật liệu, phụ gia sử dụng, điều kiện phối trộn và công nghệ gia công mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lƣợng chất độn. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi cố định các yếu tố về bản chất vật liệu, thành phần các phụ gia khác cũng nhƣ chế độ gia công và chỉ khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất độn nanosilica tới tính chất cơ lý của vật liệu.
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ bền kéo đứt của vật liệu
Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ bền kéo đứt của vật liệu đƣợc trình trên hình 3.1 dƣới đây:
Hình 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ bền kéo đứt của vật liệu Kết quả trên cho thấy, khi biến tính cao su EPDM bằng nanosilica và nanosilica biến tính Si69 thì thì độ bền kéo đứt của vật liệu tăng khi hàm lƣợng nanosilica dƣới 15 pkl và tăng mạnh khi hàm lƣợng nanosilica ở trong khoảng từ
Phan Thị Huê 29 K36B- Hóa Học
15- 30 pkl. Độ bền kéo đứt của vật liệu đạt giá trị lớn nhất đều ở cùng hàm lƣợng là 30 pkl. Trong hai loại nanosilica, nanoslica biến tính cho độ bền kéo đứt của vật liệu tốt hơn so với nanosilica không biến tính. Điều này có thể giải thích, các hạt nanosilica đƣợc biến tính bằng Si69 đã làm tăng khả năng tƣơng tác với nền cao sự và tăng độ phân tán trong chất nền, vì vậy làm tăng độ bền kéo đứt của vật liệu.
3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu
Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu đƣợc trình trên hình 3.2 dƣới đây:
Hình 3.2:Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu
Khi sử dụng nanosilica và nanosilica biến tính có tác dụng làm tăng độ dãn dài khi đứt của vật liệu và giá trị tối ƣu với hàm lƣợng nanosilica là 30 pkl. Kết quả trên cho thấy, với hàm lƣợng 30 pkl nanosilica biến tính độ dãn dài khi đứt của vật liệu đạt giá trị cao nhất là 472%.
Phan Thị Huê 30 K36B- Hóa Học 3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ cứng của vật liệu
Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ cứng của vật liệu đƣợc trình trên hình 3.3 dƣới đây:
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ cứng của vật liệu Kết quả trên cho thấy, khi hàm lƣợng nanosilica tăng độ cứng của vật liệu tăng dần. Trong đó, nanosilica chƣa biến tính cho sự gia tăng mạnh hơn còn nanosilica biến tính cho sự gia tăng chậm, thậm chí còn giảm khi hàm lƣợng nanosilica lớn hơn hoặc bằng 30 pkl. Điều này có thể giải thích, do Si69 để biến tính nanosilica đóng vai trò chất hóa dẻo ở hàm lƣợng nanosilica lớn.
3.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu
Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu đƣợc trình trên hình 3.4 dƣới đây:
Phan Thị Huê 31 K36B- Hóa Học
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu Nhận thấy rằng, khi hàm lƣợng nanosilica tăng đến 30 pkl độ bền mài mòn của của vật liệu đều tăng. Tuy nhiên, khi hàm lƣợng nanosilica vƣợt quá 30 pkl, độ độ bền mài mòn của vật liệu lại giảm.
Từ các kết quả nghiên cứu trên, hàm lƣợng nanosilica tối ƣu để gia cƣờng cho vật liệu cao su EPDM là 30 pkl.
3.2. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới cấu trúc hình thái của vật liệu
Để đánh giá cấu trúc hình thái của vật liệu, chúng tôi dùng kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ (FESEM) để chụp bề mặt cắt của các mẫu vật liệu.
Phan Thị Huê 32 K36B- Hóa Học
Hình 3.5: Ảnh SEM bề mặt cắt của mẫu vật liệu EPDM/35n-SiO2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phan Thị Huê 33 K36B- Hóa Học
Hình 3.7: Ảnh SEM bề mặt cắt của mẫu vật liệu EPDM/30n-SiO2bt
Kết quả ảnh SEM cho thấy, khi hàm lƣợng nanosilica lớn hơn hoặc bằng 30 pkl trên bề mặt của vật liệu có sự kết tụ của các chất độn làm khả năng tƣơng tác giữa chất độn với nền cao su giảm, do vậy tính chất cơ học của vật liệu giảm. Đối với mẫu EDPM chứa 30 pkl nanosilica biến tính làm chất độn cho thấy các hạt nanosilica phân tán đều và tƣơng tác tốt với nền cao su. Do vậy làm cấu trúc hình thái của vật liệu chặt chẽ hơn dẫn đến tính chất cơ học của vật liệu tăng mạnh và cao hơn hẳn so với mẫu EPDM chứa 30 pkl nanosilica chƣa biến tính.
3.3. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới khả năng bền nhiệt của vật liệu
Để đánh giá ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới khả năng bền nhiệt của vật liêu, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng (TGA). Các hình dƣới đây là giản đồ TGA của các mẫu vật liệu cao su EPDM và EPDM chứa nanosilica biến tính.
Phan Thị Huê 34 K36B- Hóa Học
Hình 3.8: Giản đồ TGA mẫu vật liệu cao su EPDM
Hình 3.9: Giản đồ TGA mẫu vật liệu cao su EPDM/30% nanosilica biến tính Những kết quả phân tích chính đƣợc tập hợp trong bảng dƣới đây.
Phan Thị Huê 35 K36B- Hóa Học
Bảng 3.1: Kết quả phân tích TGA của các mẫu vật liệu
Mẫu vật liệu Nhiệt độ bắt đầu phân hủy (0 C) Nhiệt độ phân hủy mạnh nhất (oC) Tổn hao khối lượng đến 600o C (%) EPDM 413,21 436,97 99,961 EPDM/30n-SiO2bt 417,45 448,52 69,222
Từ các giản đồ phân tích nhiệt và bảng tổng hợp cho thấy, nhiệt độ bắt đầu phân hủy và nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của vật liệu tăng khi có nanosilica, đồng thời tổn hao khối lƣợng đến 600oC của vật liệu cũng giảm. Điều này có thể giải thích, một mặt do nanosilica là chất độn vô cơ nên khi đƣa vào nền cao su đã làm tăng khả năng bền nhiệt cho vật liệu. Mặt khác, do silica có cấu trúc nano và đƣợc biến tính bằng hợp chất silan Si69 đã làm cho cấu trúc của vật liệu chặt chẽ hơn, vì vậy vật liệu bền nhiệt hơn.
3.4. Độ bền môi trƣờng của vật liệu EPDM/nanosilica
Trên bảng 3.2 trình bày những kết quả thử nghiệm các mẫu vật liệu EPDM/ nanosilica theo tiêu chuẩn TCVN 2229-2007 (nhiệt độ: 100oC, thời gian: 96 giờ trong môi trƣờng không khí).
Bảng 3.2: Hệ số già hóa của các mẫu vật liệu EPDM/ nanosilica
Mẫu Hệ số già hóa
EPDM 0,87
EPDM/30n-SiO2kbt 0,89
EPDM/30n-SiO2bt 0,92
Kết quả trên bảng cho thấy, mẫu EPDM và các phụ gia có độ bền môi trƣờng thấp nhất, khi có thêm 30 pkl nanosilica và nanosilica biến tính thì khả
Phan Thị Huê 36 K36B- Hóa Học
năng bền nhiệt của vật liệu tăng lên. Đặc biệt ở mẫu EPDM có chứa 30 pkl nanosilica biến tính cho hệ số già hóa đạt giá trị lớn nhất. Điều này đƣợc giải thích do hình thành các liên kết của chất độn với nền chất cao su thông qua hợp chất silan, dẫn tới cấu trúc của vật liệu trở nên đồng đều, chặt chẽ và bền vững hơn. Do vậy làm cho vật liệu tăng khả năng bền với các tác động của nhiệt độ cũng oxy không khí.
Phan Thị Huê 37 K36B- Hóa Học
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu thu đƣợc cho thấy rằng:
- Hàm lƣợng nanosilica và nanosilica biến tính tối ƣu nhất để phối trộn với cao su EPDM là 30 pkl. Tại hàm lƣợng này, độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt cũng nhƣ độ bền mài mòn của vật liệu đƣợc cải thiện.
- Nanosilica đƣợc biến tính bằng Si69 cho hiệu quả gia cƣờng tốt hơn so với nanosilica không biến tính.
- Độ bền nhiệt cũng nhƣ khả năng bền môi trƣờng của vật liệu cao su EPDM đƣợc cải thiện đáng kể khi đƣợc gia cƣờng bằng nanosilica. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend EPDM silica đáp ứng yêu cầu chế tạo một số sản phẩm cao su kĩ thuật và dân dụng.
Phan Thị Huê 38 K36B- Hóa Học
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. M.Novak, Hybrid Nanocomposite Materials-between inorganic glasses and organic polymers, Advanced Materials, Vol 5(6), p. 422-433, 1993.
2. J.E. Mark, Ceramic-reinforced polymers and polymer-modified ceramics,
Polymer Engineering & Science, Vol. 36(24), p. 2905-2920, 1996.
3. D.Vollath and D.V.Szabo, Synthesis and Properties of Nanocomposites, Adv Eng Mater., Vol. 6(3), p. 117-127, 2004.
4. P.B.Messersmith, E.P.Giannelis. Polymer-layered silicate nanocomposites: in situ intercalative polymerization of epsilon-caprolactone in layered silicates,
Chem Mater., Vol.5, p.1064-1066, 1993.
5. E.P.Giannelis, Polymer Layered Silicate Nanocomposites, Adv Mater., Vol. 8(1), p. 29-35 1996.
6. C.Zilg, R.Thomann, J.Finter, R.Mulhaupt, The influence of silicate modification and compatibilizers on mechanical properties and morphology of anhydride-cured epoxy nanocomposites, Macromol Mater Eng, Vol. 280, p.41-46, 2000.
7. S.S.Ray and M.Okamoto, Polymer/layered silicate nanocomposites: a review from preparation to processing, Prog Polym Sci, Vol. 28(11), p.1539-1641, 2003.
8. A.Usuki, N.Hasegawa, M.Kato, Polymer-Clay Nanocomposites, Adv Polym Sci, Vol. 179, p.135-195, 2005.
9. Y.P. Wu, Y.Q.Wang, H.F.Zhang, Y.Z.Wang, D.S.Yu, L.Q.Zhang, Rubber– pristine clay nanocomposites prepared by co-coagulating rubber latex and clay aqueous suspension, Compos Sci Technol, Vol. 65, p. 1195-1202, 2005. 10. P.M.Ajayan, O.Z. Zhou, Carbon nanotubes, Topics Appl Phys, Vol. 80, p.
Phan Thị Huê 39 K36B- Hóa Học
11. L. Dai, A.W.H. Mau, Controlled Synthesis and Modification of Carbon Nanotubes and C60: Carbon Nanostructures for Advanced Polymeric Composite Materials, Adv Mater, Vol. 13(12-13), p. 899-913, 2001.
12. J.N.Coleman, U.Khan, Y.K.Gunoko, Mechanical Reinforcement of Polymers Using Carbon Nanotubes, Adv Mater, Vol. 18(6), p.689-706, 2006. 13. Janna, S.C; Jain, S. Polyme, Vol. 42, p. 6897, 2001.
14. Kim, H.C; Ahn,S.H; Hirai, T Polyme, Vol. 44, p. 5625, 2003.
15. Schadler, L.S; Kumar, S.K; Benicewicz, B.C; Lewis, S.L; Harton;S.E: MRS Bull, Vol. 32, p. 335, 2007.
16. Ying Chen, Zheng Peng, Ling Xue Kong, Mao Fang Huang, Pu Wang Li, Natural rubber nanocompozit reinforced with nano silica, Polyme Engineering & Science, Vol. 48 (9), p. 1674–1677, 2008.
17. A. Bandyopadhyay, M. De Sarkar and A. K. Bhowmick, Epoxidised natural rubber/silica hybrid nanocompozits by sol-gel technique: Effect of reactants on the structure and the properties, Journal of Materials Science ,Vol. 40, Number 1, 53-62, 2000.
18. BANDYOPADHYAY Abhijit; DE SARKAR Mousumi; BHOWMICK Anil K., Rheological behavior of hybrid rubber Nanocompozits, Rubber chemistry and Technology, Vol. 78 (5), p. 806-826, 2005
19. Bokobza, L.; Chauvin, J.P.: Reinforcement of nature rubber: use of in situ generated silicas and nanofibres of sepiolite, Polyme, Vol. 46, p.4144-4151, 2005.
20. Ikeda, Y.; và Poompradub, S.; Morita, Y., et al.: Preparation of high performance nanocoposite elastomer: effect of reaction condition on in situ silica generation of high content in natural rubber, J.Sol – Gel Sci. Technol. Vol. 45, p. 299306, 2008.
Phan Thị Huê 40 K36B- Hóa Học
21. Wunpen Chokaew, W. Mingvanish, U. Kungliean, N. Rochanwipart and Witold Brostow: Vulcanization Characteristics anh Dynamic Mechanical Behavior of Natural Ruber reinforced with silan modified silica, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.11, p. 2018 – 2024, 2011.
22. Ikeda,Y.; Kohjiya, S.: In situ formed silica particles in rubber vulcanizate by the sol –gel method, Polymer, Vol. 38, p. 4417-4422 , 1997.
23. Zhou, D.H.; Mark, J.E: Preparation anh characterization of trans-1,4- polybutadien nanocoposites containing in situ generated silica.
J.Macromol.Sci.Pure, A42, p.1221-1232, 2004.
24. Das, A.; Jurk, R.; Stockelhuber; K.W.; et al: Silica-ethylene propylene diene monomer rubber networking by in situ sol – gel method, J. Macromol.Sci. Part A-Pure Appl. Chem., Vol. 45, p. 101 – 106, 2008. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
25. M. Madani, Effect of silica type and concentrations on the physical properties of EPDM cured by γ –irradiation, Molecular Physics, Vol. 106 (7), p. 849-857, 2008.
26. Marković Gordana, Samaržija Jovanović Suzana, Jovanović Vojislav, Marinović Cincović Milena, Thermal stability of CR/CSM rubber blends filled with nano- and micro-silica particles, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 100(3), p. 881-888, 2010.
27. Hyungsun Kim, Jian Feng Yang, Chuleol Hee Han, Somchai Thongtem and Soo Wohn Lee, Rubber Blend of 80/20 NR/SBR Reinforced with Nanosilica and PS-Encapsulated nanosilica, Materials Science Forum,Vol. 695, p. 332- 335, 2011.
28. Vinay Kumar Singh, Prakash Chandra Gope, Silica-Styrene-Butadiene Rubber Filled Hybrid Compozites: Experimental Characterization and Modeling, Journal of Reinforced Plastics and Compozites, Vol. 29(16), p. 2450-2468, 2010.