1. 2.2 Thành phần
2.4.5Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu
Để đánh giá khả năng bền nhiệt của vật liệu, chúng tôi dùng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng(TGA). Phân tích này được thực hiện trên máy phân tích TGA-TA50 của hãng Shimadzu (Nhật Bản).
Nguyên lý của phương pháp này như sau: Khi nâng nhiệt độ dần lên sẽ có những quá trình hoá lý xảy ra: đầu tiên là bốc hơi nước và các hợp chất thấp phân tử, sau đó đến một giai đoạn nào đó phản ứng phân huỷ nhiệt của vật liệu. Do quá trình này, khối lượng của vật liệu bị giảm mạnh cho tới khi chỉ còn lại tro và quá trình kết thúc. Trên biểu đồ phân tích, người ta có thể đọc được: nhiệt độ bắt đầu phân huỷ, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất, tốc độ phân huỷ và phần trăm khối lượng của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau.
Các điều kiện để phân tích TGA:
- Môi trường : Không khí - Tốc độ nâng nhiệt độ : 100C/ phút
- Khoảng nhiệt độ nghiên cứu: Nhiệt độ phòng đến 6000C Phân tích này được tiến hành tại phòng thí nghiệm Phân tích nhiệt thuộc Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.4.6 Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Để nghiên cứu cấu trúc vật liệu, chúng tôi dùng kính hiển vi điện tử quét JSM 5300 của Nhật Bản. Mẫu vật liệu được cắt bằng dụng cụ chuyên dụng LEICA ( có ký hiệu RM 2125 RT) ở nhiệt độ thường. Mẫu được cắt với kích thước thích hợp, gắn lên giá đỡ, bề mặt của mẫu được đem phủ
một lớp bạc bằng phương pháp bốc bay trong chân không trong máy AGAR AUTO SPUTTER COATER để tăng độ tương phản. Mẫu được cho
vào buồng đo của kính hiển vi điện tử quét để chụp bề mặt cắt.
Phép phân tích này được tiến hành tại phòng Nghiên cứu vi cấu trúc Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Vũ Đình Chuyên 39 K31D – Hoá
Chương III
Kết quả và thảo luận
3.1. ảnh hưởng của hàm lượng cao su thiên nhiên tới các tính chất của vật liệu
3.1.1 ảnh hưởng tới tính chất cơ lý của vật liệu
Căn cứ vào kết quả nghiên cứu trước đây đã thu được blend NBR/PVC tỷ lệ 70/30 - 80/20 có tính chất tốt nhất nên chúng tôi chọn blend NBR/PVC ở tỷ lệ 80/20 để biến tính với cao su thiên nhiên. Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cao su thiên nhiên đến tính chất cơ lý của vật liệu, chúng tôi chế tạo mẫu (NBR/PVC)/CSTN với các tỷ lệ 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 và 50/50. Những kết quả khảo sát được trình bày ở bảng và các hình dưới đây:
Bảng 4: ảnh hưởng của hàm lượng CSTN tới tính chất cơ lý của vật liệu
Tính chất Hàm lượng CSTN [%] Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài khi đứt (%) Độ dãn dư (%) Độ cứng (Shore A) 0 17,70 733 48 64 10 16,49 685 36,3 61 20 16,87 634 29,4 60 30 19,45 656 27,4 59 40 17,93 605 28,3 59 50 16,56 563 28,5 58
Vũ Đình Chuyên 40 K31D – Hoá 16.49 16.87 19.45 17.93 16.56 17.7 16 17 18 19 20 0 10 20 30 40 50 Hµm l- î ng CSTN [% ] § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a )
Hình 3.1: ảnh hưởng của hàm lượng CSTN tới độ bền kéo đứt
685 634 656 605 563 733 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50 Hµm l- î ng CSTN [% ] § é d · n d µ i k h i ® ø t (% )
Vũ Đình Chuyên 41 K31D – Hoá 36.3 29.4 27.4 28.3 28.5 48 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 Hàm l- î ng CSTN [% ] § é d · n d - (% )
Hình 3.3: ảnh hưởng của hàm lượng CSTN tới độ dãn dư
61 60 59 59 58 64 50 55 60 65 70 0 10 20 30 40 50 Hµm l- î ng CSTN (% ) § é c ø n g (S h o r e A )
Vũ Đình Chuyên 42 K31D – Hoá Từ bảng và các hình trên thấy rằng khi hàm lượng CSTN từ 0 – 20% độ bền kéo đứt của vật liệu giảm, hàm lượng CSTN tiếp tục tăng thì độ bền kéo đứt tăng lên và đạt giá trị cực đại tại hàm lượng CSTN 30%. Nguyên nhân có thể do hàm lượng CSTN 30% khả năng tương hợp của các cấu tử là tốt nhất, làm vật liệu có cấu trúc chặt chẽ dẫn đến độ bền kéo đứt tăng lên. Khi hàm lượng CSTN nhỏ hơn hoặc lớn hơn 30% khả năng tương hợp của các cấu tử kém dẫn đến độ bền kéo đứt của vật liệu giảm xuống.
Mặt khác khi hàm lượng CSTN tăng lên thì độ dãn dài khi đứt có xu hướng giảm xuống tới hàm lượng CSTN là 20%, từ 20-30% thì độ dãn dài khi đứt tăng lên và đạt giá trị lớn nhất tại hàm lượng CSTN 30%. Điều này có thể giải thích là do vật liệu blend NBR/PVC ban đầu có hàm lượng DOP lớn nên độ dãn dài khi đứt khá cao. Khi được biến tính bằng CSTN thì ở hàm lượng CSTN nhỏ hơn hoặc lớn hơn 30% khả năng tương hợp của các cấu tử kém dẫn đến độ dãn dài khi đứt giảm xuống, khi hàm lượng CSTN 30% thì khả năng tương hợp là tốt nhất làm vật liệu có cấu trúc chặt chẽ, mà CSTN có độ đàn hồi và mềm dẻo cao nên độ dãn dài khi đứt đạt giá trị lớn nhất nhưng vẫn thấp hơn so với vật liệu blend chưa được biến tính.
Bên cạnh đó, khi hàm lượng CSTN tăng lên, giá trị độ dãn dư của vật liệu giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất khi hàm lượng CSTN là 30%. Ta đã biết độ dãn dư có liên quan tới khả năng đàn hồi của vật liệu, độ dãn dư càng lớn thì khả năng đàn hồi càng thấp. Điều đó chứng tỏ khi hàm lượng CSTN 30% khả năng đàn hồi của vật liệu tăng lên so với vật liệu không được biến tính bằng CSTN. Nguyên nhân là do bản thân CSTN có độ đàn hồi cao, tuy nhiên khi hàm lượng CSTN nhỏ hơn hoặc lớn hơn 30% độ dãn dư của vật liệu vẫn còn cao có thể do khả năng tương hợp giữa các cấu tử không tốt và hàm lượng DOP trong vật liệu blend ban đầu cao làm giảm khả năng đàn hồi của vật liệu.
Vũ Đình Chuyên 43 K31D – Hoá Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy độ cứng của vật liệu giảm dần khi hàm lượng CSTN tăng lên, điều này có thể được giải thích là do CSTN có độ cứng thấp hơn vật liệu blend NBR/PVC.
3.1.2 ảnh hưởng tới độ bền dầu của vật liệu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng CSTN đến độ bền dầu của vật liệu, chúng tôi tiến hành ngâm vật liệu trong dầu biến thế và xác định độ trương trong dầu. Quá trình nghiên cứu cho thấy ở thời gian đầu, độ trương trong dầu không đáng kể, sau đây là các kết quả thu được sau khi ngâm vật liệu trong dầu biến thế với thời gian là 120 giờ.
Bảng 5: ảnh hưởng của hàm lượng CSTN tới độ trương trong dầu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
biến thế của vật liệu Hàm lượng CSTN
[%]
Khối lượng ban đầu
(mo)
Khối lượng sau 120 h (ml) Độ trương (%) 0 1,15 1,15 - 10 1,26 1,26 - 20 1,03 1,04 0,97 30 1,19 1,24 4,42 40 1,19 1,02 13,33 50 0,95 1,18 24,21
Các kết quả nghiên cứu trong bảng cho thấy khi hàm lượng CSTN tăng lên, khả năng bền dầu của vật liệu giảm dần được thể hiện ở độ trương trong dầu tăng lên. Khi hàm lượng CSTN nhỏ hơn 10% độ trương trong dầu là không đáng kể, từ 20 – 30% độ trương trong dầu tăng lên, nhưng vẫn thấp và khi hàm lượng CSTN lớn hơn 30% độ trương trong dầu của vật liệu tăng
Vũ Đình Chuyên 44 K31D – Hoá mạnh. Nguyên nhân có thể là do ở hàm lượng CSTN nhỏ (<10%) nên ảnh hưởng rất ít còn khi hàm lượng CSTN từ 20 – 30% ba cấu tử NBR, PVC và CSTN tương hợp với nhau là tốt nhất nên phát huy khả năng bền dầu của vật liệu. Khi CSTN có hàm lượng cao hơn (trên 30%) thì khả năng tương hợp của ba cấu tử giảm xuống làm cấu trúc của vật liệu không được chặt chẽ, mà ta biết rằng khả năng bền dầu của CSTN thấp dẫn đến độ trương trong dầu tăng lên.
3.1.3 ảnh hưởng tới độ già hoá của vật liệu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính chất vật liệu, chúng tôi xác định hệ số già hoá của vật liệu sau khi thử nghiệm ở 1000C với thời gian 96 giờ trong môi trường không khí. Kết quả thu được trình bày trên đồ thị dưới đây : 0.85 0.87 0.89 0.86 0.84 0.89 0.8 0.85 0.9 0 10 20 30 40 50 Hµm l- î ng CSTN (% ) H Ö s è g iµ h o ¸
Hình 3.5 : ảnh hưởng của hàm lượng CSTN tới hệ số già hoá của vật liệu
Từ đồ thị trên nhận thấy rằng, vật liệu khi được biến tính bằng CSTN khả năng bền bức xạ nhiệt ẩm giảm đi so với vật liệu ban đầu là do CSTN kém
Vũ Đình Chuyên 45 K31D – Hoá bền với bức xạ nhiệt ẩm. Tuy nhiên khi hàm lượng CSTN từ 20 – 30% hệ số già hoá lại xấp xỉ với vật liệu blend NBR/PVC không biến tính. Nguyên nhân có thể là do ở hàm lượng này các cấu tử tương hợp với nhau tốt hơn làm cấu trúc vật liệu chặt chẽ, dẫn đến khả năng che chắn tốt hơn, ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân oxi hoá.
3.2. ảnh hưởng của quá trình biến tính CSTN tới khả năng bền nhiệt của vật liệu
Để đánh giá khả năng bền nhiệt của vật liệu khi được biến tính bằng CSTN, chúng tôi tiến hành khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) trên máy phân tích nhiệt TGA-TA50 của hãng SINMADZU (Nhật Bản) với tốc độ nâng nhiệt 100
C/phút, trong môi trường không khí. Dưới đây là biểu đồ phân tích và bảng kết quả phân tích TGA của một số mẫu tiêu biểu.
Vũ Đình Chuyên 46 K31D – Hoá
Hình 3.6 : Biểu đồ TGA mẫu vật liệu blend
Vũ Đình Chuyên 47 K31D – Hoá
Hình 3.7 : Biểu đồ TGA mẫu vật liệu blend
Vũ Đình Chuyên 48 K31D – Hoá
Bảng 6: Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng mẫu vật liệu blend trên cơ
sở (PVC/NBR)/CSTN (70/30) Chỉ tiêu Mẫu Tmax1 [oC] Tốc độ thkl [mmg/phút] Mất kl đến 300oC [%] Tmax2 [oC] Tốc độ thkl [mmg/phút] Mất kl đến 600oC [%] PVC/NBR 255,73 0,139 19,046 438,48 0,348 91,301 (PVC/NBR) / CSTN 262,24 0,128 15,205 432,66 0,325 90,702
Các kết quả thu được từ biểu đồ TGA được biểu diễn trên bảng 6. Qua kết quả trên nhận thấy rằng khi vật liệu PVC/NBR được biến tính bằng CSTN, ở giai đoạn 1 thì nhiệt độ bắt đầu phân huỷ tăng lên, tổn hao khối lượng giảm; còn ở giai đoạn 2 thì nhiệt độ phân huỷ giảm, tổn hao khối lượng vẫn giảm so với vật liệu PVC/NBR ban đầu. Tuy nhiên khả năng bền nhiệt được quyết định chủ yếu ở giai đoạn 1. Tốc độ phân huỷ của vật liệu ở cả 2 giai đoạn đều giảm xuống so với vật liệu không biến tính. Như vậy vật liệu PVC/NBR khi được biến tính bằng CSTN có khả năng bền nhiệt tốt hơn.
Từ biểu đồ TGA còn thấy khoảng cách giữa hai nhiệt độ phân huỷ ở giai đoạn 1 và 2 của vật liệu khi được biến tính bằng CSTN tiến lại gần nhau hơn (T(PVC/NBR)/CSTN=170,42 < 182,75=TPVC/NBR), điều đó chứng tỏ ở tỷ lệ này có sự tương hợp tốt nhất giữa ba cấu tử và CSTN có vai trò như chất tương hợp cho hệ blend này.
3.3. ảnh hưởng của quá trình biến tính CSTN tới cấu trúc hình thái của vật liệu
Vũ Đình Chuyên 49 K31D – Hoá Cấu trúc hình thái của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Sau đây là ảnh chụp bề mặt cắt của một số mẫu tiêu biểu của vật liệu blend trên cơ sở cao su NBR, nhựa PVC và CSTN.
Hình 3. 8: ảnh SEM bề mặt cắt của mẫu vật liệu
Vũ Đình Chuyên 50 K31D – Hoá
Hình 3. 9: ảnh SEM bề mặt cắt của mẫu vật liệu
(PVC/NBR)/CSTN (50/50) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qua 2 hình ảnh các mẫu vật liệu chụp trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) thấy rằng ở tỉ lệ là 50/50 bề mặt có cấu trúc thô, không đồng nhất và có sự phân tách pha, trong khi đó ở tỉ lệ 70/30 bề mặt đồng đều, sự phân tách pha không thể hiện rõ, cấu trúc vật liệu chặt chẽ hơn. Điều này chứng tỏ ở hàm lượng CSTN 30% khả năng tương hợp của các cấu tử với nhau tốt hơn, nó cũng giải thích là tại sao ở tỷ lệ này vật liệu có tính chất cơ lý và khả năng bền môi trường hơn.
Vũ Đình Chuyên 51 K31D – Hoá
Kết luận
Từ những kết quả nghiên cứu thu được nhận thấy rằng:
1. Hàm lượng CSTN thích hợp nhất để biến tính blend PVC/NBR (20/80) vào khoảng 30 phần khối lượng (so với blend). ở đây CSTN đóng vai trò là chất trợ tương hợp tạo ra sự tương tốt nhất giữa 3 cấu tử.
2. ở tỉ lệ biến tính thích hợp, vật liệu có tính năng cơ lý cao nhất: + Độ bền kéo đứt : 19,45 MPa
+ Độ dãn dài khi đứt : 656% + Độ dãn dư :27,4%
+ Độ cứng :59 Shore A + Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ : 262,240
C
+Tổn hao khối lượng, tốc độ tổn hao khối lượng giảm + Vật liệu hầu như không trương trong dầu biến thế +Vật liệu có hệ số già hoá cao
3. ở tỉ lệ biến tính thích hợp, vật liệu có cấu trúc đều đặn và chặt chẽ hơn so với vật liệu ở các tỉ lệ khác (đã được chỉ rõ ở ảnh chụp SEM bề mặt cắt của vật liệu). Đây cũng chính là lý do làm tăng tính năng cơ lý, kỹ thuật của vật liệu.
4. Vật liệu cao su blend ba cấu tử (PVC/NBR)/CSTN ở tỉ lệ thích hợp có tính năng cơ lý cao, bền nhiệt, bền dầu, giá thành hợp lý, đáp ứng được yêu cầu chế tạo một số sản phẩm cao su kỹ thuật có yêu cầu bền dầu mỡ và môi trường.
Vũ Đình Chuyên 52 K31D – Hoá
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1. Phạm Hữu Lý (1993). Tính trộn hợp và tương hợp: Những vấn đề
nghiên cứu quan trọng nhất của vật liệu blend, Trung tâm khoa học
tự nhiên và công nghệ quốc gia.
2. Thái Hoàng (2003). Vật liệu Polyme blend, Tập bài giảng cho sinh viên ngành công nghệ polyme, Đại học Bách khoa Hà Nội.
3. Đỗ Quang Kháng, Nguyễn Văn Khôi, Đỗ Trường Thiện (1996). Vật
liệu tổ hợp Polyme và khả năng ứng dụng, Tạp chí hoạt động khoa
học, số 3, Tr.40 – 42.
4. Ngô Phú Trù (1995). Kỹ thuật chế biến và gia công cao su, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Hà Nội.
5. www.ruthimex.com.vn. Từ vật liệu đến sản phẩm cao su kỹ thuật,
27/09/2007.
6. www.vinachem.com.vn. Vật liệu cao su sản xuất giầy chất lượng cao. 7. Thái Hoàng (1990). PVC và gia công PVC, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới
– Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội .
8. Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong (2006). Hoá học hữu cơ 3, Nhà xất bản giáo dục, Tr.342.
9. Bộ môn cao phân tử ĐHBK Hà Nội (1977). Kỹ Thuật gia công và
sản xuất chất dẻo, tập 1ê, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
10. Nguyễn Thạch Kim, Nguyễn Phi Trung, Trần Thanh Sơn, Hoàng Thị Ngọc Lân, Nguyễn Vũ Giang, Trịnh Sơn Hà (2001), Tạp chí hoá học, T.39, số 1, Tr. 1 - 13.
Vũ Đình Chuyên 53 K31D – Hoá 11. Nguyễn Phi Trung, Trần Thanh Sơn, Nguyễn Thạc Kim (2000), Tạp
chí khoa học và công nghệ, T. XXXVIII, số 4, Tr. 547-51.
12. Hà Thị Ngọc Thuý (2007). Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su blend
bền nhiệt chống cháy, luận văn tốt nghiệp.
13. Nguyễn Phi Trung (2001). Tuyển tập báo cáo Hội thảo vật liệu