1.3. Tình hình nghiên cứu phát triển vật liệu polyme nanocompozit và cao su
1.3.1.2. Vật liệu cao su nanocompozit
Về cơ bản, tính chất của hệ nanocompozit polyme/silica sẽ cao hơn hẳn so với các polyme đơn lẻ hay polyme microcompozit [65].
thì vật liệu CSTN được gia cường có độ bền nhiệt cao hơn nhiều và năng lượng hồi phục hoạt hóa đạt đến 125,8 KJ/mol (so với 90,1 KJ/mol của CSTN) [66]. Tác giả Zheng Peng cũng đã thực hiện chế tạo vật liệu nanocompozit CSTN/silica tự ghép, đã cho thấy khi hàm lượng NS < 6,5% và kích thước trong khoảng 60-150 nm sẽ được phân tán đồng đều trong nền cao su. Ở hàm lượng NS là 4% nâng cao được tính chất cơ lý và độ bền nhiệt cho CSTN, trong đó độ bền kéo đứt của vật liệu tăng lên 26,3 Mpa so với CSTN không được gia cường NS là 15,1 Mpa [67]. Nhóm tác giả Saowaroj Chuayjuljit và cộng sự bằng phương pháp kết hợp latex, cũng tiến hành chế tạo vật liệu nanocompozit từ CSTN sử dụng Polysulfit (PSf) có chứa NS. Kết quả nghiên cứu cho thấy các hạt nano lai ghép giữa polysulfit – nanosilica (PSf-NS) nhận được có cấu trúc hình thái nhân-vỏ có đường kính trung bình khoảng 40 nm. Khi có mặt của hạt lai nano (PSf-NS) ở hàm lượng 3-9 phần khối lượng (pkl), các tính chất cơ học (như độ bền kéo khi đứt, modul kéo) của CSTN tăng lên 300%, và khi ở hàm lượng 9 pkl thì độ bền chống cháy của vật liệu cũng được tăng lên. Khi gia tăng hàm lượng của NS, tác giả đã tiếp tục đánh giá tính chất cơ động học của vật liệu và thấy rằng tính đàn hồi của CSTN (gần với nhiệt độ thủy tinh hóa) được tăng cường, điều này được giải thích là do sự đan xen cấu trúc nano trong nanocompozit [68].
Vào năm 1991, Iijima phát hiện ống nano carbon (CNT) [69] có nhiều tác dụng tăng cường các tính chất cho vật liệu polyme, từ đó đã có nhiều nghiên cứu về chế tạo vật liệu nanocompozit polyme/CNT. Các nghiên cứu ứng dụng CNT để gia cường cho polyme và cao su nhằm cải thiện các tính chất cơ học, tính chất điện cho vật liệu [70-78]. Gần đây, đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu đã công bố về sử dụng CNT (chủ yếu là ống nano carbon đa tường (MWCNT)) với hàm lượng thấp ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu. Sử dụng phương pháp dung dịch để phân tán CNT trong nền cao su, quá trình này yêu cầu cao su tan trong dung môi, tiếp đến làm bay hơi dung môi và nhận được nanocompozit [79-84]. Với phương pháp trộn hợp nóng chảy, sử dụng CNT được chức hóa bề mặt để chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN cũng đã được cơng bố nhiều [85-91].
Nhóm tác giả Ika Maria Ulfah [92] đã nghiên cứu khi sử dụng phối hợp CB và NS để gia cường cho CSTN ảnh hưởng đến cấu trúc hình thái và tính chất cơ lý của nanocompozit chế tạo được. Sử dụng phương pháp trộn kín ở khoảng nhiệt độ 80-100oC, tốc độ khuấy trộn là 32 v/ph và thời gian là 10 phút để chế tạo nanocompozit; theo tác giả này, ở tỷ lệ CB/NS 40/20 là tối ưu để gia cường cho CSTN, khi đó CSTN có được độ bền (kéo khi đứt và mài mịn) là cao nhất, nhưng khi đó độ cứng của CSTN lại có xu hướng giảm mạnh. Với tác giả N. Rattanasom và cộng sự [93] lại đưa ra tỷ lệ hợp lý của CB/NS là 20/30 (nanosilica sử dụng là Hisil (233 - 150m2/g)), làm tăng các tính chất cơ lý của CSTN. Trong khi đó Young Chun Ko và Gayoung Park [94] cũng chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN sử dụng kết hợp silica (Coupsil 8108) với than đen CB (N330) để gia cường, tỷ lệ thích hợp CB/NS là 30-40/20-10 đã cho thấy nanocompozit có độ bền xé tăng mạnh. Cũng bằng phương pháp trộn kín, Bin Dong, Chang Liu, You-Ping Wu [95] đã sử dụng gia cường phối hợp NS/CB cho CSTN, kết quả chỉ ra rằng, trong tổng số chất gia cường (50% so với cao su), khi thay thế than đen bằng nanosilica với tỷ lệ NS/CB từ 0/42 cho đến 24/26 thì làm tăng độ bền mỏi, giảm hiện tượng nứt bên trong vật liệu. Như vậy có thể thấy rằng, tùy theo tỷ lệ CB/NS gia cường mà một hay nhiều tính chất nào đó của vật liệu sẽ tăng hoặc giảm và cũng tùy từng loại nanosilica mà tỷ lệ tối ưu phối trộn cũng khác nhau. Xu hướng chung là thay thế một phần than đen gia cường bằng nanosilica sẽ tăng cường cho cao su được một số tính chất cơ lý.