4. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1.Tổng hợp sắt stearat
Hòa tan hoàn toàn một lượng NaOH trong 20ml nước cất, thêm 20ml etanol 95 . Sau đó cho 1, g axit stearic vào cốc 150ml rồi rót dung dịch trên vào. Đặt cốc lên máy khuấy và gia nhiệt từ từ đến nhiệt độ 800C, duy trì phản ứng trong 30 phút. Làm lạnh dung dịch đến nhiệt độ phòng thu được natri stearat. Thêm 10ml nước để hòa tan natri stearat thành dung dịch.
Hòa tan 0,95 g sắt sulfat (3,42 mmol) vào cốc 150ml chứa 50ml etanol và 10 ml nước có sục khí nitơ. Gia nhiệt, bật máy khuấy từ, thêm từ từ 10ml natri stearat. Sau 30 phút giảm từ từ lượng nhiệt cung cấp, dung dịch trở nên vẩn đục. Để 10 phút sau thì ngưng nhiệt hoàn toàn, duy trì tốc độ khuấy trong vòng khoảng 20 phút. Cố định bình phản ứng trong 8 giờ. Kết tủa được làm sạch bằng nước và sấy khô tại nhiệt độ 50 – 600C đến khối lượng không đổi. Cân khối lượng sản phẩm để tính hiệu suất của quá trình và phân tích xác định tính chất của sản phẩm.
Các yếu tố cần khảo sát
- Ảnh hưởng của nồng độ NaOH
- Ảnh hưởng của tỷ lệ mol axit stearic/ NaOH - Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 28 K36B – Hoá học 2.2.2. Chế tạo màng polyme phân hủy inh học
2.2.2.1. ế ạ as rba
Phụ gia và hạt nhựa được trộn cơ học trên máy trộn siêu tốc Supermix với tốc độ 50 vòng phút trong 1 giờ để phân tán đồng đều các thành phần rồi đưa vào phễu nạp liệu của máy đùn hai trục vít đã gia nhiệt sẵn ở 1500C. Tổ hợp nhựa đi qua máy đùn trục vít, tốc độ vòng quay 30 vòng phút, có 3 vùng gia nhiệt đã được điều chỉnh trước vùng 1 1500C, vùng 2 1 00
C, vùng 3 1950C. Sản phẩm tổ hợp nhựa ra khỏi đầu đùn. Những sợi nhựa được kéo ra khỏi đầu đùn đi qua máng nước làm lạnh đến máy chém hạt. Tại đây nhựa được cắt thành hạt nhỏ. Độ dài hạt được điều chỉnh để có được kích thước mong muốn (thường là 2mm đến 4mm). Hạt nhựa được làm khô ở 500
C đến khối lượng không đổi.
2.2.2.2. Q rì à
Nhựa hạt LDPE được trộn cơ học với masterbatch với tỷ lệ tính toán để thu được hàm lượng phụ gia chính xác trong màng. Hỗn hợp được đưa vào phễu nạp liệu của máy đùn thổi màng series SJ-45 đã được điều chỉnh các thông số vận hành để thu được màng có chiều dày 50μm (máy đùn thổi có đường kính trục vít 45mm, tỷ lệ L/D 28, tốc độ trục vít 10-120 vòng phút). Nhựa ra khỏi đầu đùn được đưa qua hệ thống định vị ống màng. Tại đây, từ thiết bị cấp khí, nhựa được phân phối và thổi đều trên mặt thớt định vị tạo thành ống màng. Ống màng đã thổi được kéo lên dàn cuộn nhiều lần, nhằm làm cho màng nhựa nguội đi. Sau cùng ống màng được cuộn lại nhờ vào thiết bị cuốn ống đặt dưới dàn làm mát ống. Tiếp tục qua máy cắt, dán ống đục lỗ để gia công thành sản phẩm. Các mẫu màng sau đó được đem phân tích đánh giá.
2.2.2.3. Thử nghiệm gia t c thời tiết
Màng polyme phân hủy sinh học được thử nghiệm gia tốc thời tiết trên thiết bị VCON (Ultra Violet/Condensation Screening Device) Model UC-
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 29 K36B – Hoá học
327-2 theo tiêu chuẩn ASTM D45 7-05. Mẫu được cắt thành hình chữ nhật, kích thước 7x14 (cmxcm), đặt trên tấm nhôm. Thực hiện 100 chu kỳ gia tốc thời tiết ( giờ chiếu V, 4 giờ ngưng 1 chu kỳ). Sau mỗi khoảng 20 chu kỳ, màng được đánh giá các tính chất như hình thái học bề mặt (chụp ảnh SEM), tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ bền xé).
2.3. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của màng
2.3.1. Phư ng pháp xác định độ bền kéo đứt
Độ bền kéo đứt của màng được xác định trên máy AGS-J 10kN của Đài Loan theo tiêu chuẩn TCVN 4509 - 88
Độ bền kéo đứt được tính theo công thức: Sđ = h . B
F Trong đó
Sđ độ bền kéo đứt (MPa) hay N/mm2 F : lực kéo đứt mẫu (N)
B : bề rộng mẫu (chỗ nhỏ nhất) trước khi kéo (mm) h : chiều dày mẫu (chỗ nhỏ nhất) trước khi kéo (mm)
2.3.2. Xác định độ dãn dài khi đứt
Độ dãn dài khi đứt được tính theo công thức: % 100 . 0 0 1 l l l Trong đó
độ dãn dài tương đối khi đứt (%)
l0 độ dài giữa 2 điểm được đánh dấu lên mẫu trước khi kéo (mm) l1: chiều dài giữa 2 điểm đánh dấu trên mẫu ngay khi đứt (mm)
2.3.3. Phư ng pháp đo chỉ số xé
Độ bền chịu xé được đo trên máy Elmendorf theo tiêu chuẩn TCVN 3229-79.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 30 K36B – Hoá học
Chỉ số xé (X) được tính theo công thức:
) / . ( 2 g m mN g F X Trong đó: độ bền chịu xé, (mN)
g định lượng của mẫu thử, (g/m2 )
2.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc
2.4.1. Phư ng pháp phổ hấp thụ h ng ngoại IR
Phổ hồng ngoại I được đo trong vùng 400 - 4000cm-1trên thiết bị Bruker-Equinox 55 của CHLB Đức, tại phòng Phân tích hóa lý, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.4.2. Phư ng pháp kính hiển i điện tử q ét SEM
Cấu trúc hình thái của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), trên thiết bị FESEM S-4800 của hãng Hitachi tại phòng thí nghiệm trọng điểm, và trên thiết bị JSM-6490 (JEOL-Nhật Bản) tại Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu, Viện KH Vật liệu.
Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, cắt lấy kích thước thích hợp. Mẫu tạo thành được gắn lên đế, bề mặt gẫy được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không. Ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện cấu trúc và độ tương hợp giữa các pha trong mẫu đo.
2.4.3.Phư ng pháp phân tích nhiệt trọng ượng (TGA)
Phương pháp TGA được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi khối lượng của mẫu trong quá trình gia nhiệt như quá trình phân huỷ, dehydrat hoá, oxi hoá, khử… Phương pháp này cho biết các thông tin về nhiệt độ bắt đầu và kết túc quá trình phân hủy, tốc độ phân hủy và phần trăm tổn hao khối lượng của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 31 K36B – Hoá học
- Môi trường: khí trơ
- Tốc độ tăng nhiệt độ: 100C phút
- Khoảng nhiệt độ nghiên cứu: từ 0 đến 6000C
2.4.4. Xác định chỉ số cacbonyl
Chỉ số cacbonyl thường dùng để đo mức độ oxy hóa đã xảy ra. Được xác định là tỉ lệ giữa độ hấp thụ của dải sóng ghi lại được so với dải sóng không thay đổi trong quá trình phân hủy, ch ng hạn bước sóng 2 20 cm-1
ứng với dao động kéo đối xứng của liên kết C-H trong nhóm CH2 trong phổ hồng ngoại.
Chỉ số cacbonyl (CI) được tính theo công thức: CI = ấ ụở
ộ ấ ụở Trong đó, pic ở 1715cm1
đặc trưng cho sự hấp thụ bởi nhóm cacbonyl, còn pic ở 2820cm1
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 32 K36B – Hoá học
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp sắt stearat
3.1.1. Phổ h ng ngoại
Hình 3.1.Phổ hồng ngoại của sắt stearat
Hình 3.1 cho thấy phổ hồng ngoại của FeSt3 trong dải phổ từ 400 ÷ 4000cm-1. Các pic trong dải 500 - 1400cm-1 thể hiện của nhóm CH3. Trong miền 1300 ÷ 1600cm-1 xuất hiện ba pic có cường độ mạnh tại 1578cm-1, 1463cm-1 và 1301cm-1. Pic tại 1578cm-1 đặc trưng cho liên kết biến dạng của nhóm -COO bất đối xứng và pic tại 1463cm-1
đặc trưng cho liên kết của nhóm -CH2. Pic tại 1301cm-1 có thể là đặc trưng liên kết trong nhóm -CH2 hoặc liên kết biến dạng trong nhóm -COO. Trong phổ hồng ngoại, các liên kết hóa trị của nhóm -COO được quan sát thấy tại 888cm-1. Sự phân bố này hoàn toàn phù hợp với phổ của sắt stearat như ở tài liệu [10 . Trên ảnh chụp phổ hồng ngoại của mẫu sắt stearat đã tổng hợp không thấy có sự xuất hiện pic trong
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 33 K36B – Hoá học
dải 3000 ÷ 3500cm-1 nhưng xuất hiện pic 1705cm-1, đây là các dải hấp thụ đặc trưng của axit stearic đối xứng. Điều này chỉ ra rằng các nhóm axit cacboxylic có mặt trong sản phẩm cuối cùng.
3.1.2.Ảnh hưởng của n ng độ NaOH
Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất, thực hiện phản ứng tổng hợp FeSt3 trong 8 giờ, tỷ lệ mol axit stearic NaOH được giữ không đổi 0,9. Nồng độ dung dịch NaOH thay đổi từ 30 – 70%. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất tổng hợp FeSt3
Nồng độ dung dịch NaOH (%) Hiệu suất của quá trình (%)
30 55
40 60
50 69
60 85
70 73
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất tổng hợp FeSt3
0 20 40 60 80 100 20 30 40 50 60 70 80 H iệu s uất ( ) Nồng độ dung dịch NaOH (%)
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 34 K36B – Hoá học
Qua bảng số liệu 3.1 và hình 3.2 cho thấy nồng độ dung dịch NaOH sử dụng có ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tổng hợp. Khi dùng dung dịch NaOH với nồng độ loãng (<60 ) thì hiệu suất của quá trình chỉ đạt dưới 70 . Tăng nồng độ dung dịch NaOH thì hiệu suất của quá trình cũng tăng và đạt lớn nhất khi nồng độ NaOH sử dụng là 60 . Tuy nhiên, khi nồng độ này tiếp tục tăng thì hiệu suất của quá trình có chiều hướng giảm xuống. Điều này là do nồng độ dung dịch NaOH sử dụng có ảnh hưởng trực tiếp đến độ đặc của hỗn hợp ở bước phản ứng ban đầu (phản ứng xà phòng hóa). Khi dùng hỗn hợp quá đặc hay quá loãng thì hiệu suất phản ứng sẽ kém. Nồng độ NaOH thích hợp để thực hiện phản ứng xà phòng hóa là 60%.
3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol axit stearic/NaOH
Để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol axit stearic/NaOH đến hiệu suất, thực hiện phản ứng tổng hợp FeSt3 trong 8 giờ, nồng độ dung dịch NaOH 60%. Tỷ lệ mol axit stearic NaOH thay đổi từ 0,7 – 1,2. Kết quả được trình bày trong bảng 3.2
Bảng 3.2.Ảnh hưởng của tỷ lệ molaxit stearic/NaOH đến hiệu suất tổng hợp FeSt3
Tỷ lệ mol
axit stearic/NaOH Hiệu suất (%)
0,7 65
0,8 70
0,9 85
1 77
1,2 63
Từ các kết quả ở bảng 3.2 cho thấy tỷ lệ của các chất tham gia phản ứng ở giai đoạn 1 (phản ứng xà phòng hóa) có ảnh hưởng đến hiệu suất của cả quá
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 35 K36B – Hoá học
trình tổng hợp. Nguyên nhân là do, tỷ lệ NaOH axit stearic có liên quan đến độ pH của dung dịch sau khi kết thúc giai đoạn 1 làm ảnh hưởng đến mức độ tạo sản phẩm kết tủa ở giai đoạn 2 (phản ứng trao đổi ion). Để phản ứng trao đổi ion đạt hiệu suất cao thì độ pH phù hợp của dung dịch xà phòng là 6,5 – 7. Theo như các kết quả khảo sát thì tỷ lệ tối ưu là axit stearic/NaOH là 0,9. Tại tỷ lệ này, hiệu suất của quá trình tổng hợp đạt mức cao nhất là 85%.
3.1.4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất, thực hiện phản ứng với nồng độ dung dịch NaOH 60%, tỷ lệ mol axit stearic NaOH được giữ không đổi 0,9. Thời gian thay đổi từ 5 – 9 giờ. Kết quả được trình bày trong bảng 3.3
Bảng 3.3.Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tạo sắt stearat
Thời gian (giờ) Hiệu suất (%)
5 48
6 60
7 72
8 85
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 36 K36B – Hoá học
Hình 3.3.Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tạo FeSt3
Qua bảng số liệu 3.3 và hình 3.3 có thể kết luận sau khi thời gian tăng thì hiệu suất phản ứng tăng, thời gian phản ứng tối ưu là h. Nếu tiếp tục tăng thời gian thì hiệu suất giảm do quá trình phân hủy hoặc phản ứng sâu hơn tạo thành các sản phẩm phụ. 0 20 40 60 80 100 4 5 6 7 8 9 10 H iệu s uất p hản ứ ng ( )
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 37 K36B – Hoá học 3.1.5. Phân tích nhiệt trọng ượng (TGA)
Hình 3.4. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của FeSt3
Kết quả phân tích nhiệt TGA của FeSt3 cho thấy trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 1100
C FeSt3 mất trọng lượng khoảng 23%. Trong khoảng nhiệt độ 110-1600
C, ở FeSt3 không thấy có hiện tượng mất trọng lượng. Điều đó chứng tỏ FeSt3 bền ở trong khoảng nhiệt độ này. Khi tăng nhiệt lên 3100C, FeSt3 mất hơn 0 trọng lượng. Từ các số liệu thu được này cho thấy, FeSt3 có sự ổn định nhiệt trong quá trình gia công polyme. Điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả đã báo cáo ở các nghiên cứu trước đó [11].
Như vậy: Các điều kiện tối ưu đã lựa chọn để tổng hợp FeSt3 là:
Nồng độ NaOH thích hợp để thực hiện phản ứng xà phòng hóa là 60%.
Tỷ lệ axit stearic/NaOH = 0,9
Hiệu suất của quá trình tổng hợp đạt 85%.
Thời gian tổng hợp 8 giờ.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 38 K36B – Hoá học
Tiến hành thổi màng LDPE có chiều dày 50μm, với hàm lượng phụ gia xúc tiến từ 3-5 . Quá trình phân hủy của màng được đánh giá sau những khoảng thời gian nhất định thử nghiệm gia tốc thời tiết bằng cách xác định một số tính chất cơ lý, hình thái học bề mặt, đặc trưng cấu trúc.
3.2.1. Độ bền kéo đứt
Độ bền kéo đứt của các mẫu màng với các tỷ lệ phụ gia khác nhau trong quá trình gia tốc thời tiết được trình bày trong bảng 3.4
Bảng 3.4. Độ bền kéo đứt (MPa) của các mẫu màng với các hàm lượng phụ gia khác nhau trong quá trình thử nghiệm gia tốc thời tiết
Chu kỳ Phụ gia(%) 0 20 40 60 80 3 25,2 23,42 20,42 17,64 12,6 4 24,8 23,74 21,4 15,0 9,8 5 22,62 15,3 10,84 6,56 -
Kết quả từ bảng 3.4 cho thấy rằng giá trị độ bền kéo đứt của các mẫu màng giảm nhanh trong quá trình thử nghiệm gia tốc thời tiết, đối với mẫu có hàm lượng chất phụ gia cao thì tốc độ suy giảm nhanh hơn. Cụ thể đối với với mẫu có chứa 5% phụ gia sau 40 đến 60 chu kỳ chiếu giá trị độ bền kéo suy giảm khoảng 70%, mẫu chứa 4% phụ gia là 40 và mẫu chứa 3% phụ gia là 30%.
3.2.2. Độ dãn dài khi đứt
Độ giãn dài khi đứt của các mẫu màng ở các tỷ lệ phụ gia khác nhau trong quá trình gia tốc thời tiết được trình bày trong bảng 3.5
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học
Nguyễn Thị Luyến 39 K36B – Hoá học
Bảng 3.5. Độ giãn dài khi đứt (%) của các mẫu màng với các hàm lượng phụ gia khác nhau
Chu kỳ Phụ gia (%) 0 20 40 60 80 3 450,6 424,87 364,83 286,3 184,73 4 398,7 365,44 284,2 203,02 121,8 5 376,2 308,4 220,32 146,88 -
Kết quả từ bảng 3.5 cho thấy rằng tương tự độ bền kéo, độ giãn dài khi