Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. Nghiên cứu khả năng gia cường sericit biến đổi bề mặt cho vật liệu CSTN
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng tiến hành nghiên cứu khả năng gia cường của nó cho vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiờn. Để cú thể thấy rừ ảnh hưởng của quỏ trỡnh biến đổi bề mặt, luận văn đó tiến hành nghiên cứu cùng với sản phẩm sericit biến tính bằng một loại silan khác là vinyltrimetoxysilan, đồng thời so sánh với khả năng gia cường của mẫu sericit ban đầu chưa được biến đổi bề mặt.
3.2.1. Khả năng trộn hợp của bột khoáng sericit với CSTN
Trong quá trình gia công cao su và chất dẻo, khả năng trộn hợp của các phụ gia, nhất là các bột độn gia cường là các khoáng vô cơ cần được quan tâm. Đặc tính này ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo vật liệu và tính chất của nó sau này.
Khả năng trộn hợp của khoáng sericit ban đầu, sericit biến tính với aminsilan và khoáng sericit biến tính bằng vinylsilan được so sánh với 2 loại bột độn gia cường thông dụng là SiO2 và Kaolin. Quá trình trộn hợp được khảo sát trên máy Brabender, Momen cực đại, cực tiểu và nhiệt độ cuối được thể hiện trên bảng 3.2.
Trên bảng 3.2 thấy rằng, ở nhiệt độ 50°C các giá trị Mmax và Mmin của các mẫu có chứa khoáng sericit đều nhỏ hơn nhiều so mẫu đối chứng sử dụng chất độn gia cường là SiO2 và Kaolin. Điều này chứng tỏ tổ hợp CSTN/sericit dễ trộn hợp hơn là tổ hợp CSTN/SiO2 hoặc CSTN/Kaolin và dẫn đến thời gian trộn hợp cần thiết để tổ hợp đồng đều được rút ngắn hơn, nhất là khi so sánh với SiO2. Nhiệt độ sinh ra trong quá trình trộn hợp thấp hơn (83°C) so với trường hợp sử dụng SiO2 (99°C) hay Kaolin (85°C).
Bảng 3.2: Khảo sát khả năng trộn hợp của CSTN với các chất gia cường khác nhau ở 50°C
Mẫu Ký
hiệu pkl Mmax
(Nm)
Mmin
(Nm)
Nhiệt độ cuối T (°C) CSTN/Sericit
ban đầu S03 20 22,4 11,6 83
CSTN/Sericit
biến tính với S1A3 20 22,3 12,7 83
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng CSTN/Sericit
biến tính với vinylsilan
S1V3 20 21,9 10,6 83
CSTN/SiO2 OS02 20 28 17,6 99
CSTN/Kaolin K02 20 25,8 12,6 85
Ở nhiệt độ trộn hợp 50°C, mẫu CSTN gia cường sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan (S1A3) có các giá trị Mmax và Mmin không khác nhiều so với mẫu chứa sericit không biến đổi bề mặt (S03) trong khi đó các giá trị này của mẫu có sericit được biến đổi bề mặt bằng vinylsilan (S1V3) là thấp hơn. Điều này có thể là do hợp chất biến đổi bề mặt loại vinylsilan có nhóm vinyl tương thích với các mạch đại phân tử polyisopren của cao su hơn là nhóm amin của hợp chất loại aminsilan. Ở nhiệt độ trộn hợp cao hơn (60°C), sự khỏc biệt này đó thể hiện rừ nột (bảng 3.3). Cỏc giỏ trị Mmax và Mmin của mẫu S1A3 thấp hơn và nhiệt độ phát sinh trong quá trình trộn hợp cũng ít hơn so với mẫu S03.
Bảng 3.3: Khảo sát khả năng trộn hợp khoáng sericit với CSTN ở 60°C
Mẫu Ký hiệu Mmax (N.m)
Mmin (N.m)
Nhiệt độ cuối T (°C) CSTN/Sericit
ban đầu S03 18,1 11,7 87
CSTN/Sericit biến tính với aminsilan
S1A3 15,2 11 80
Như vậy khoáng sericit có thể trộn hợp tốt với cao su. Nếu được xử lý bề mặt thì quá trình trộn hợp sẽ dễ dàng hơn. Khoáng sericit được biến đổi bề mặt bằng hợp chất loại vinylsilan tỏ ra thuận lợi hơn cho quá trình trộn hợp so với loại aminsilan.
3.2.2. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit đến quá trình lưu hóa CSTN
Khả năng lưu hoá cao su là một đặc tính rất quan trọng trong quá trình gia công và nó quyết định trực tiếp đến tính chất cơ lý của vật liệu.
Tác nhân lưu hoá của cao su, nhất là cao su thiên nhiên là các hợp chất có
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng chứa lưu huỳnh. Trong quá trình lưu hoá các liên kết ngang được hình thành, tạo mạng lưới không gian nhờ phản ứng giữa các nối đôi của cao su qua cầu lưu huỳnh, làm cho độ linh động của hỗn hợp giảm dần. Nhờ được lưu hoá mà tổ hợp cao su từ mềm dẻo được chuyển thành đàn hồi bền chắc.
Khảo sát quá trình lưu hoá của tổ hợp cao su được thực hiện trên thiết bị Rheometer. Ảnh hưởng của các loại khoáng sericit ở hàm lượng 10 và 30 pkl đến quá trình lưu hoá đã được nghiên cứu ở 145°C. Các thông số cơ bản được thể hiện trên bảng 3.4.
Các giá trị momen xoắn cực tiểu (Mmin) thể hiện tính dẻo của hỗn hợp cao su ở nhiệt độ lưu hoá. Các giá trị momen xoắn cực đại (Mmax) thể hiện độ bền của cao su sau quá trình lưu hoá. Hầu như ở tất cả các loại sericit, khi hàm lượng sericit tăng lên các giá trị Mmin của hỗn hợp CSTN/sericit giảm đi và ngược lại, các giá trị Mmax lại tăng lên.
Bảng 3.4: Khả năng lưu hoá của tổ hợp CSTN/Sericit
Mẫu Ký hiệu pkl Mmin
(kgf.cm)
Mmax
(kgf.cm)
TC90 (phút-giây)
CSTN S0 0 2,76 13,54 8-54
CSTN/Sericit ban đầu
S01 S03
10 30
2,06 1,21
12,44 13,69
7-45 8-05 CSTN/Sericit
biến tính với aminsilan
S1A1 S1A3
10 30
1,95 1,34
13,46 13,67
6-32 6-04 CSTN/Sericit
biến tính với vinylsilan
S1V3 30 0,93 13,96 7-39
Khi so sánh giữa các mẫu CSTN được gia cường sericit biến đổi bề mặt bằng aminsilan với các sericit ban đầu thấy rằng, các giá trị Mmax của hỗn hợp CSTN/sericit không khác nhau nhiều, song thời gian lưu hoá 90 % (TC90) đã giảm đi rừ rệt. Khoỏng sericit được biến đổi bề mặt bằng loại aminsilan đó cú tỏc dụng
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng của các phụ gia tăng cường. Điều này còn được thể hiện ở sự suy giảm TC90 của hỗn hợp cao su/sericit khi hàm lượng sericit tăng, trong khi đó các giá trị này lại tăng khi sử dụng các sericit không được biến đổi bề mặt tương ứng.
Đối với khoáng sericit được biến đổi bề mặt bằng vinylsilan, giá trị TC90 vẫn giảm nhiều so với mẫu số 0 (mẫu trắng, không có khoáng sericit) song ít thay đổi so với mẫu có chứa sericit không được biến đổi bề mặt. Điều này chứng tỏ khoáng sericit biến đổi bề mặt với vinylsilan không có tác dụng xúc tiến như loại aminsilan, ngược lại nhờ có nối đôi ở gốc vinyl mà mẫu chứa khoáng sericit biến đổi loại này đã tham gia quá trình lưu hoá.
Như vậy, khoáng sericit đã làm giảm thời gian lưu hoá của cao su. Sericit biến đổi bề mặt bằng aminsilan đã có tác dụng như là chất xúc tiến, sericit biến đổi bằng vinylsilan đã tham gia vào quá trình lưu hoá của hỗn hợp cao su.
3.2.3. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit đến tính chất của vật liệu CSTN
Khi đưa khoáng sericit vào vật liệu CSTN, nó có thể làm tăng hoặc giảm tính chất cơ lý của vật liệu. Trong nghiên cứu này, đề tài nghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu cao su được gia cường bằng các loại khoáng sericit với các hàm lượng từ 0 đến 30 pkl.
Độ bền cơ học của vật liệu CSTN khi sử dụng các loại sericit ở các hàm lượng khác nhau (0, 5, 10, 20 và 30 pkl) đã được khảo sát. Các giá trị kđ, dãn dài, dư, (độ bền kéo đứt, độ dãn dài, độ dãn dư tương ứng) và độ cứng của các mẫu nghiên cứu có sử dụng sericit không biến đổi bề mặt và được biến đổi bằng aminsilan cũng như vinyl silan được trình bầy trên bảng 3.5.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng Bảng 3.5: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN
Mẫu Ký hiệu pkl kđ
(MPa)
dãn dài
(%)
dư
(%)
Độ cứng (ShoreA)
CSTN S0 0 11,56 624 7,2 45
CSTN/Sericit ban đầu
S01 S02 S03 S04
5 10 20 30
14,13 14,69 17,91 16,08
640 620 620 524
24,8 34,4 49,6 50,6
47,1 53 53 53,2 CSTN/Sericit
biến đổi bề mặt bằng aminsilan
S1A1 S1A2 S1A3 S1A4
5 10 20 30
15,82 22,3 26,50 20,45
600 692 630 640
13,6 30,4 38 44
46,2 48,6 55,77
58,1 CSTN/Sericit
biến đổi bề mặt bằng vinylsilan
S1V1 S1V2 S1V3 S1V4
5 10 20 30
16,67 25,32 26,51 28,96
640 660 660 660
14,4 20,2 24,,4
26,2
56 64 66,5
68 Từ bảng 3.5 thấy rằng ở tất cả các mẫu, độ dãn dài đều có giá trị khá cao, lớn hơn 600 %, độ dãn dư tăng theo chiều tăng của hàm lượng sericit. Hai giá trị độ bền kéo đứt và độ cứng của vật liệu được quan tâm nhiều hơn. Khi hàm lượng sericit tăng lên, các giá trị kđ cũng tăng theo ở hầu hết các vật liệu có chứa khoáng sericit.
Tuy nhiên ở các vật liệu được gia cường bằng khoáng sericit ban đầu và khoáng sericit biến đổi bề mặt loại aminsilan, giá trị này đạt cực đại ở hàm lượng 20 pkl. Ở hàm lượng này, độ bền kéo đứt của vật liệu có chứa sericit không biến đổi bề mặt tăng gấp 1,5 lần. Trong khi đó mẫu CSTN chứa sericit biến đổi bề mặt bằng aminsilan đã giúp cho độ bền kéo đứt của vật liệu cao su tăng lên 2 lần. Cao su được gia cường bằng khoáng sericit biến đổi với vinylsilan có các giá trị kđ lớn nhất ở hàm lượng 30 pkl, gia tăng tới 260 và 220 % tương ứng.
Như vậy, khoáng sericit là một loại bột khoáng có khả năng gia cường cho cao su, nó đã làm tăng độ bền kéo đứt cho vật liệu. Sericit được sử lý bề mặt có tác
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng bằng aminsilan có thể trộn hợp với cao su đến hàm lượng 20 pkl trong khi khoáng sericit được xử lý bề mặt bằng vinylsilan có thể trộn hợp được đến hàm lượng 30 pkl.
3.2.4. Ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ cách điện của vật liệu cao su
Khả năng gia tăng độ cách điện cho vật liệu CSTN của khoáng sericit biến đổi bằng VTMS được so sánh với khoáng sericit này khi biến đổi bằng 3-APTMS (bảng 3.6)
Khi CSTN được gia cường bằng khoáng sericit, các giá trị điện trở khối và điện trở mặt (v, s) gia tăng đáng kể. Sericit xử lý bằng 3-APTMS đã làm tăng điện trở khối của cao su từ 1011lên 1014, điện trở mặt từ 109 lên 1010. Các giá trị tg, và Eđt không thay đổi nhiều ở tất cả các mẫu thử nghiệm.
So với các mẫu CSTN chứa khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng aminsilan, các mẫu chứa sericit biến đổi bằng vinylsilan có các giá trị điện trở khối, điện trở mặt và điện áp đánh thủng lớn hơn nhiều, điện áp đánh thủng đạt giá trị lớn hơn 170 kVcm-1. Các hợp chất 3-APTMS có các nhóm amin đã ảnh hưởng không tốt tới tính chất cách điện của vật liệu được gia cường. Sericit xử lý bằng VTMS đã tỏ là một vật liệu gia cường phù hợp cho các sản phẩm cao su dùng trong mục đích cách điện.
Bảng 3.6: Tính chất điện của vật liệu CSTN/sericit Mẫu pkl v
(.cm)
s
()
tg Eđt (kVcm-1) S0 0 4,37. 1011 1,02. 109 2,62 8. 10-3 151 S1A2
S1A3 S1A4
10 20 30
1,78. 1014 1,67. 1014 2,90. 1014
6,13. 1010 2,47. 1010 2,45. 1012
2,6 2,68 2,7
7. 10-3 7. 10-3 6. 10-3
152 153 152 S1V2
S1V3 S1V4
10 20 30
2,62. 1015 3,56. 1015 4,63. 1015
3,69. 1015 9,16. 1015 9,69. 1015
2,63 2,65 2,84
8. 10-3 7. 10-3 8. 10-3
172 181 187
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng
3.2.5. Ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ bền nhiệt của vật liệu
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu ở trên, đã chọn 3 mẫu vật liệu CSTN, CSTN chứa 30 pkl sericit ban đầu và CSTN chứa 30pkl sericit biến đổi với VTMS để khảo sát độ bền nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA. Giản đồ nhiệt của 3 loại vật liệu này được thể hiện trên hình 3.7.
Trên giản đồ TGA của CSTN (hình 3.7 đường a) đã xuất hiện 2 vùng phân huỷ mạnh nhất đặc trưng của cao su thiên nhiên ở 340,62°C và 492,71°C, trong đó vùng nhiệt độ ban đầu là rất quan trọng. ở vùng nhiệt độ này khối lượng vật liệu đã suy giảm phần lớn (74,48 %), nó đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu CSTN. Khi cao su được gia cường bằng sericit các vùng nhiệt độ này đã thay đổi.
Hình 3.7: Giản đồ phân tích nhiệt của CSTN/sericit
Hình 3.7 đường b là giản đồ TGA của mẫu CSTN/sericit không biến đổi bề mặt. Nhiệt độ phân huỷ mạnh nhất ban đầu đã tăng lên 7°C, chứng tỏ khoáng sericit
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng hơn nhiều khi sử dụng khoáng sericit được biến đổi bằng VTMS. Nhiệt độ phân huỷ cao nhất ban đầu của mẫu có S1V4 đã tăng lên 24°C, đạt ở 364,71°C (hình 3.7 đường c).
Khoáng sericit được xử lý bằng VTMS đã có tác dụng rất tốt như là chất gia cường cho vật liệu cao su kể cả gia tăng độ bền nhiệt.
3.2.6. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit biến đổi bề mặt đến cấu trúc hình thái của vật liệu
Cấu trúc hình thái của vật liệu cao su được gia cường với 30 pkl khoáng sericit đã được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên bề mặt gẫy của mẫu đo.
Hình biểu diễn ảnh SEM bề mặt gẫy của vật liệu CSTN có chứa sericit chưa biến đổi bề mặt.
Hình 3.8: Ảnh SEM mẫu CSTN có sericit ban đầu
Sericit có cấu trúc dạng hình vảy ngay cả khi có kích thước rất nhỏ 5-10 m, chúng tồn tại tương đối độc lập, không thấy có liên kết với CSTN.
Các phiến sericit được biến đổi bề mặt bằng loại aminsilan (hình 3.9) đã phân bố trong CSTN đều đặn hơn và không thấy tách pha mạnh như các mẫu có sericit nguyên thủy. Tương tác pha giữa sericit biến tính với CSTN tốt hơn nhờ các nhóm chức trên bề mặt sericit làm cho sức căng bề mặt giữa 2 pha giảm.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng
Hình 3.9: Ảnh SEM mẫu cao su có sericit S1A4
Cũng giống như trường hợp Sericit được biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS, sericit biến tính với VTMS S1V (hình 3.10) đã phân bố trong CSTN đều đặn hơn và không thấy tách pha mạnh như các mẫu có sericit chưa biến đổi bề mặt. Tương tác pha giữa sericit S1V với CSTN tốt hơn nhờ có tác nhân ghép nối VTMS trên bề mặt sericit làm cho sức căng bề mặt giữa 2 pha giảm.
Hình 3.10: Ảnh SEM mẫu cao su có S1V4 Nhận xét
Sericit là loại bột khoáng có cấu trúc vảy với nhiều tính chất quí, được nghiên cứu gia cường cho CSTN. Cần phải biến đổi bề mặt của sericit để tăng khả năng
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nguyễn Việt Dũng trộn hợp, tương tác pha và tính chất của vật liệu. Sericit đã giúp cho hỗn hợp CSTN/sericit linh động hơn trong quá trình lưu hóa và thời gian lưu hóa được giảm thiểu.
Sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan có tác dụng thúc đẩy quá trình lưu hóa của CSTN. Thực nghiệm cho thấy, tổ hợp CSTN chứa sericit biến tính bằng aminsilan có tính chất tốt hơn nhất khi sử dụng 20% sericit.
Sericit biến đổi bằng VTMS có khả năng gia cường tính chất cơ, độ cách điện và độ bền nhiệt cho vật liệu CSTN. Với 30 pkl sericit biến đổi bằng VTMS, vật liệu CSTN/sericit đã có độ bền kéo đứt tăng hơn 2,5 lần, điện áp đánh thủng đạt giá trị lớn hơn 180 kVcm-1, độ bền nhiệt tăng 24°C.
Tương tác pha giữa CSTN với sericit đã biến đổi bề mặt tốt hơn so với trường hợp chưa được biến đổi bề mặt. Các tác nhân silan làm cho chúng phân bố đều đặn hơn dẫn đến gia tăng các tính chất của vật liệu.
3.3. Nghiên cứu ứng dụng sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ sơn