1- Tro bay không biến tính 2 Tro bay biến tính bằng AEAPT
3.2.6. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu CSTN/FA
Độ bền nhiệt của vật liệu CSTN/FA được đánh giá bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Trên hình 3.30 là giản đồ TGA của vật liệu trên cơ sở CSTN. Từ giản đồ thu được có thể thấy, trong quá trình nâng nhiệt, vật liệu đã xuất hiện 2 vùng phân huỷ mạnh nhất đặc trưng của cao su thiên nhiên trong những vùng nhiệt độ là 379,63 oC và 534,29 oC. Ở vùng nhiệt độ 379,63oC cao su bị phân hủy ở các mạch hydrocacbon với độ tổn thất khối lượng lên tới 84,12 %.
Hình 3.30: Giản đồ TGA của mẫu CSTN
Ở vùng nhiệt độ đầu khối lượng vật liệu đã suy giảm phần lớn, nó đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu. Khi cao su được gia cường bằng tro bay các vùng nhiệt độ này đã thay đổi. Dưới đây trình bày các ảnh hưởng cụ thể của tro bay đến độ bền nhiệt của vật liệu cao su thiên nhiên.
3.2.6.1. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới độ bền nhiệt của vật liệu
Trên bảng 3.4 trình bày độ bền nhiệt của các mẫu CSTN chứa tro bay biến tính bằng 2% Si69 ở các hàm lượng khác nhau.
Bảng 3.4: Độ bền nhiệt của các mẫu CSTN chứa tro bay biến tính bằng Si69 với hàm lượng khác nhau
Hàm lượng tro bay
(pkl) 0 10 20 30 40
Nhiệt độ phân hủy
mạnh nhất (°C) 379,63 384,39 389,43 387,78 386,21 Tổn hao khối lượng
đến 460 o
C (%) 84,12 76,96 73,75 66,41 66,46 Giống như hầu hết các chất độn, tro bay cũng làm tăng nhiệt phân hủy Giống như hầu hết các chất độn, tro bay cũng làm tăng nhiệt phân hủy của vật liệu cao su thiên nhiên. Ở hàm lượng thấp, khi tăng hàm lượng tro bay
thì nhiệt độ phân hủy có xu hướng tăng lên, nhiệt độ phân hủy đạt giá trị lớn nhất ở hàm lượng 20 pkl tro bay. Trên hàm lượng này, nhiệt độ phân hủy của mẫu vật liệu cao su lại có chiều hướng giảm xuống.
Nhiệt độ phân hủy của mẫu vật liệu CSTN đạt giá trị lớn nhất ở 20-30 pkl tro bay có thể được giải thích là ở hàm lượng này tro bay phân bố đồng đều trong vật liệu, vừa đủ liên kết chặt chẽ với chất nền tạo thành một cấu trúc bền vững nên nhiệt độ phân hủy của vật liệu chứa 20-30 pkl tro bay cao hơn so với các mẫu vật liệu chứa tro bay ở hàm lượng khác. Ở hàm lượng 30 pkl tro bay, vật liệu có nhiệt độ phân hủy thấp hơn một chút, song độ tổn hao khối lượng là thấp nhất (66,41%). Điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả thu được khi đo tính chất cơ học của các mẫu vật liệu CSTN/tro bay, độ bền kéo đứt của mẫu vật liệu cao su thiên nhiên chứa tro bay đạt giá trị lớn nhất trong khoảng hàm lượng 20-30 pkl.
3.2.6.2. Ảnh hưởng của loại hợp chất silan biến tính bề mặt tro bay tới độ bền nhiệt của vật liệu
Đã khảo sát độ bền nhiệt của các mẫu vật liệu cao su thiên nhiên có chứa 30 pkl tro bay được biến tính bề mặt bằng 4 loại hợp chất silan khác nhau: bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit (CSTN/FA2S); (3-Mercaptopropyl) trimetoxysilan (CSTN/FA2Mc); N-(2-Aminoetyl)-3-aminopropyl silantriol (CSTN/FA2A) và γ-Aminopropyl trimetoxysilan (CSTN/FA2Am). Những kết quả thu được, được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5: Độ bền nhiệt của các mẫu CSTN chứa tro bay biến tính bằng các hợp chất silan khác nhau
Loại tro bay FA FA2S FA2Mc FA2A FA2Am
Nhiệt độ phân hủy
mạnh nhất (°C) 385,16 387,78 383,24 382,47 386,18 Khối lượng suy giảm
đến 460 o
C (%) 69,09 66,41 66,27 67,38 68,05
Các hợp chất silan biến tính bề mặt tro bay đều là các hợp chất hữu cơ, vì vậy nhiệt độ phân hủy của chúng khá thấp. Khi được sử dụng làm chất biến
tính bề mặt, chúng làm tăng khả năng liên kết giữa chất độn với chất nền hữu cơ, từ đó làm tăng nhiệt độ phân hủy của vật liệu. Tuy nhiên bản thân các hợp chất silan cũng phân hủy, vì vậy mà tùy từng loại khác nhau có thể làm tăng hoặc giảm nhiệt độ phân hủy của vật liệu. Từ kết quả phân tích nhiệt các mẫu cao su chứa tro bay biến tính bằng 4 loại hợp chất silan khác nhau cho thấy, chỉ có hai mẫu cao su có chứa tro bay biến tính bằng Si69 và APTMS là bền nhiệt hơn, trong đó mẫu cao su chứa FA2S có nhiệt độ phân hủy lớn nhất. Tro bay biến tính bằng Si69 đã gia tăng độ bền nhiệt cho vật liệu CSTN, loại hợp chất silan này tạo ra mạng lưới bền vững trên bề mặt tro bay và có khả năng liên kết hóa học với CSTN bằng phản ứng lưu hóa.
3.2.6.3. Ảnh hưởng của nồng độ silan biến tính bề mặt tro bay tới độ bền nhiệt của vật liệu
Trong phần nghiên cứu tiếp theo, ảnh hưởng của nồng độ chất biến tính bề mặt bằng Si69 tới độ bền nhiệt của vật liệu đã được khảo sát. Các mẫu CSTN đều chứa 30 pkl tro bay biến tính bằng hợp chất silan với nồng độ khác nhau. Kết quả phân tích TGA được trình bày trong bảng 3.6 dưới đây.
Bảng 3.6: Độ bền nhiệt của các mẫu CSTN chứa tro bay biến tính bằng hợp chất silan với nồng độ khác nhau
Kết quả phân tích nhiệt cho thấy ở nồng độ hợp chất silan 2% thì độ bền nhiệt của mẫu vật liệu đạt giá trị lớn nhất, ở các nồng độ hợp chất silan cao, độ bền nhiệt giảm xuống. Như vậy tro bay được biến tính bằng 2% hợp chất silan là phù hợp để tạo ra lớp phủ bền vững trên bề mặt. Ở trên nồng độ này, khả năng polyme hóa xảy ra khó khăn hơn, làm giảm độ bền liên kết của tro bay với chất nền, từ đó làm giảm tính chất cơ học cũng như độ bền nhiệt của vật liệu.
Nồng độ silan (%) 0 2 4 6 8
Nhiệt độ phân hủy
mạnh nhất (°C) 385,16 387,78 384,45 383,88 385,22 Khối lượng suy giảm
đến 460 o