Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su butadien với than và nanosilica

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HOÁ HỌC ™˜ ----- ----- BÙI THỊ HỒNG ĐÀO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI – 2016 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HOÁ HỌC ™˜ ----- ----- BÙI THỊ HỒNG ĐÀO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAO SU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CAO SU THIÊN NHIÊN, CAO SU BUTADIEN VỚI THAN VÀ NANOSILICA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. TS. Đỗ Quang Kháng HÀ NỘI – 2016 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình tới PGS.TS. Đỗ Quang Kháng, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận. Em xin cảm ơn TS. Đỗ Trung Sỹ, ThS. Lƣu Đức Hùng cùng các anh chị phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trƣờng đã giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong thời gian qua. Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo là giảng viên khoa Hóa học- trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho em những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình học tập tại trƣờng. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ng ƣời thân, bạn bè động viên khuyến khích em hoàn thành tốt khóa luận này. Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp dù cố gắng nhƣng em không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em kính mong nhận đ ƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên quan tâm. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 5 năm 2016 Sinh viên Bùi Thị Hồng Đào DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ABS Acrylonitrile butadiene styrene BR Cao su butadien CTAB Cetyl trimetylamoni bromit CNT Ống nano cacbon CSTN Cao su thiên nhiên DTAB Detyl trimetylamoni bromit GPE Gylcydyl phenylete HNBR Cao su nitril butadien HNT Ống nano halloysit MPTS Silan 3-metacryloxypropyltrimetoxyl SBR Styren butadien SWCNT Nano cacbon đơn tƣờng FESEM Kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ ISO Tiêu chuẩn quốc tế MWSCT Nano cacbon đa tƣờng PBT Polybutylen terephtalat PE Polyetylen PP Polypropylen TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TESPT Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng TDI Toluen-2,4-đi-iso-cyanat DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học của cao su thiên nhiên sản xuất bằng các phƣơng pháp khác nhau................................................................................... 9 Bảng 2.1: Thành phần nanosilica và phụ gia trong mẫu CSTN......................27 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu cao su blend CSTN/BR............................................................................ 31 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của quá trình biến tính D01 tới tính chất cơ học của vật liệu cao su compozit trên cơ sở CSTN/BR gia cƣờng phụ gia nanosilica.....35 Bảng 3.3: Tính chất nhiệt của CSTN, BR và một số vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR........................................................................................................ 36 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica..................................................................... 3 Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên bề mặt silica................................................ 4 Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của silica................................................................4 Hình 1.4: Mô hình nanocacbon đơn tƣờng (SWCNT) và đa tƣờng (MWCNT)...6 Hình 1.5: Cấu tạo mạch cao su thiên nhiên............................................................. 8 Hình 1.6: Phân tử 1,3 - butadien............................................................................10 Hình 1.7: Sơ đồ hình thái và phân loại vật liệu polyme blend...............................13 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý chung để chế tạo vật liệu polyme nanocompozit........23 Hình 2.1. Hình dạng mẫu kéo................................................................................28 Hình 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ bền kéo khi đứt của vật liệu CSTN/BR...............................................................................................................32 Hình 3.2: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới độ dãn dài khi đứt của vật liệu CSTN/BR...............................................................................................................32 Hình 3.3: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ dãn dƣ của vật liệu CSTN/BR........33 Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ mài mòn của vật liệu CSTN/BR......33 Hình 3.5: Ảnh hƣởng của nanosilica tới độ cứng của vật liệu CSTN/BR............34 Hình 3.6: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/2%nanosilica/1%CNT ................................................................................................................................38 Hình 3.7: Ảnh FESEM bề mặt cắt mẫu vật liệu CSTN/BR/20%nanosilica/2%D01 ................................................................................................................................38 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................3 1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano..............................................3 1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica.............................................................3 1.1.2. Giới thiệu về ống nano cacbon................................................................ 5 1.2. Vật liệu cao su và cao su blend...................................................................7 1.2.1. Cao su thiên nhiên................................................................................... 7 1.2.2. Cao su butadien (Butadien Rubber BR)................................................ 10 1.2.3. Cao su blend.......................................................................................... 13 1.3. Vật liệu nanocompozit và cao su nanocompozit gia cƣờng nanosilica...15 1.3.1. Vật liệu polyme nanocompozit..............................................................15 1.3.2 Vật liệu polyme silica nanocompozit..................................................... 17 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit...........18 1.4.1. Các phƣơng pháp biến tính silica......................................................... 18 1.4.1.1 Biến tính bằng phƣơng pháp vật lý.................................................... 18 1.4.1.2. Biến tính bằng phƣơng pháp hóa học................................................19 1.4.2. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit...........................21 1.4.2.1. Phƣơng pháp trộn hợp.......................................................................21 1.4.2.2. Phƣơng pháp sol-gel..........................................................................22 1.4.2.3. Phƣơng pháp trùng hợp in-situ..........................................................23 1.5. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nanocompozit..................24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................26 2.1. Vật liệu nghiên cứu...................................................................................26 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................26 2.3. Phƣơng pháp xác định một số tính chất của cao su.................................27 2.3.1. Tính chất cơ học.................................................................................... 27 2.3.2. Phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng TGA...........................................30 2.3.3. Phƣơng pháp xác định cấu trúc hình thái của vật liệu..........................30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................. 31 3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu 31 3.2. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính bằng phụ gia D01 tới tính chất cơ học của vật liệu.......................................................................................................35 3.3. Ảnh hƣởng của quá trình biến tính tới tính chất nhiệt của vật liệu.........36 3.4. Cấu trúc hình thái của vật liệu..................................................................37 KẾT LUẬN..................................................................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 41 Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện đại đã dẫn đến các nhu cầu to lớn về sử dụng các vật liệu mới có tính chất đặc biệt mà các vật liệu truyền thống (kim loại, gốm…) đứng riêng rẽ không đáp ứng đƣợc. Nhiều vật liệu mới ra đời, đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Trong đó có vật liệu polyme nanocompozit ra đời từ vài chục năm gần đây đã đáp ứng đƣợc yêu cầu đó . Vật liệu polyme nanocompozit là một vật liệu mới kết hợp đ ƣợc ƣu điểm của vật liệu vô cơ (độ cứng, độ bền nhiệt…) và ƣu điểm của polyme hữu cơ (nhƣ linh động, mềm dẻo, là chất điện môi và dễ gia công…). Hơn nữa, chúng còn có những tính chất đặc biệt của chất độn nano dẫn tới gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung khi so với các compozit truyền thống. Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo polyme nannocompozit là trên cơ sở blend CSTN/BR đây là nguồn nguyên liệu rất dồi dào giá thành rẻ và thân thiện môi tr ƣờng. Vật liệu polyme nanocompozit đƣợc gia cƣờng bằng các chất độn cỡ nanomet (kích thƣớc của chúng có một trong 3 chiều dƣới 100 nm), chúng đƣợc chế tạo bằng các kĩ thuật khác nhau, nhƣ trộn hợp ở trạng thái nóng chảy, trộn dung dịch, trộn ở trạng thái latex tiếp nối bằng phƣơng pháp cùng đông tụ và polyme hóa xung quanh các hạt chất độn. So với cao su gia c ƣờng bằng chất độn micro, cao su gia cƣờng bằng chất độn cở nano có độ cứng, modul và các tính chất chống lão hóa cũng nhƣ chống thấm khí tốt hơn. Nhƣ vậy chất độn nano rất phù hợp cho gia cƣờng cao su để tạo các sản phẩm ứng dụng cuối cùng từ cao su [18]. Nhƣ vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme nanocompozit là rất cần thiết vì nó không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn giá trị thực tế cao. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su compozit trên cơ sở cao su thiên nhiên, cao su butadien với than và nanosilica” làm đề tài nghiên cứu. Bùi Thị Hồng Đào 1 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Chế tạo ra đƣợc vật liệu cao su nanocompozit có tính năng cơ lý, kỹ thuật phù hợp, đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể trong thực tế. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu CSTN/BR. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của CNT và CNT biến tính D01 tới tính chất cơ học của vật liệu CSTN/BR - Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ. - Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng. Bùi Thị Hồng Đào 2 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vài nét về chất gia cƣờng kích thƣớc nano 1.1.1. Giới thiệu về silica và nanosilica Silica là tên gọi thông thƣờng của silic đioxit có công thức phân tử SiO2. Khi ở kích thƣớc nanomet, silica đƣợc gọi là nanosilica. Hạt nanosilica là một trong những chất phụ gia phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực kĩ thuật vì nó có độ bền cơ học cao, bền nhiệt cao, bề mặt riêng lớn và có khả năng gia cƣờng cho nhiều loại vật liệu khác nhau. Hạt silica cơ bản có cấu trúc ba chiều, dạng cầu đ ƣợc mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1: Cấu trúc hình cầu của silica Trên bề mặt silica có các nhóm silanol với ba loại silanol là: dạng cô lập (isolated), dạng kế cận (vicinal) và dạng song sinh (geminal) – tức là có hai nhóm silanol trên cùng một nguyên tử Si đƣợc mô tả trên hình 1.2. Các nhóm chức này phân bố ngẫu nhiên trên toàn bộ bề mặt silica. Ngƣợc với than đen, các nhóm chức chỉ phân bố trên các cạnh của tinh thể. Các nhóm silanol và siloxan trên bề mặt silica làm cho hạt silica có tính ƣa nƣớc. Các nhóm silanol nằm trên các hạt khác nhau tạo liên kết hidro với nhau dẫn sự hình thành cấu trúc tập hợp hạt liên hợp đƣợc mô tả trong hình 1.3 Bùi Thị Hồng Đào 3 K3 B – Hóa h c Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp H H O Si H H O O Si Si H O O H H O O H O Si Si Si Si Hình 1.2: Các dạng nhóm silanol trên Hình 1.3 cấu trúc dạng tập hợp của bề mặt silica silica Các liên kết này giữ các hạt silica với nhau nên tập hợp liên hợp vẫn tồn tại trong điều kiện khuấy trộn tốt nhất nếu nh ƣ không có sự t ƣơng tác mạnh giữa silica và nên polyme. Phần còn lại trên bề mặt silica cũng có khả năng phản ứng với các hợp chất hóa học khác nhau nhƣ axit stearic, polyancol và amin [1]. Khi dùng làm chất gia cƣờng cho cao su, kích thƣớc trung bình của các tập hợp hạt silica trong nền cao su phụ thuộc vào mật độ của nhóm silanol. Số lƣợng nhóm silanol lớn sẽ làm tăng kích thƣớc tập hợp hạt do đó làm tăng mật độ các nút mạng cao su. Các nhóm silanol còn lại không tham gia tạo hợp trên bề mặt silica cũng có khả năng tƣơng tác với các chất xúc tiến dẫn đến giảm tốc độ lƣu hóa và mật độ kết ngang. Chúng có thể phản ứng với các hợp chất hóa học khác nhƣ axit stearic, polyancol và amin. Những hợp chất này cạnh tranh nhau với tác nhân tƣơng hợp để hấp phụ lên bề mặt hạt độn làm giảm số nhóm silanol trên bề mặt silica [1]. Diện tích bề mặt có ảnh hƣởng trái ngƣợc đến tính chất của cao su: một mặt nó có tác tác dụng có hại trong quá trình chế tạo,ví dụ diện tích bề mặt lớn làm tăng độ nhớt và làm giảm khả năng hoạt động của phụ gia (các chất xúc tiến). Mặt khác diện tích bề mặt lớn có lợi tới sự phân tán của hạt độn [2]. Tính chất của các hạt silica với kích thước nano Bề mặt silica nhẵn có diện tích lớn, do đó khả năng tiếp xúc vật lý với polyme nền lớn. Silica có thể tồn tại ở nhiều dạng, mỗi dạng thể hiện tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Silica không thể hút n ƣớc nếu bề mặt của nó có các nhóm siloxan (-Si-O-Si-), khả năng hút nƣớc của nó chỉ thể hiện khi bề Bùi Thị Hồng Đào 4 K3 B – Hóa h c