Tài liệu Nghiên cứu tính chất hóa lý và hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp pe eva tro bay biến tính hữu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI ---------------- VŨ MINH TRỌNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ HÌNH THÁI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP PE/EVA/TRO BAY BIẾN TÍNH HỮU CƠ LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Hà Nội, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI ---------------- VŨ MINH TRỌNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ HÌNH THÁI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP PE/EVA/TRO BAY BIẾN TÍNH HỮU CƠ LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số : 62440119 Người hướng dẫn: GS.TS Thái Hoàng Hà Nội, 2015 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài " nghiên cứu tính chất hóa lý và hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp PE/EVA/tro bay biến tính hữu cơ " đã hoàn thành tại Phòng Hoá t i u hi im oại, i n i n Hàn âm hoa học à Công ngh thu t nhi t đới, i t Nam. Tôi xin bày tỏ òng biết ơn sâu sắc à chân thành nhất đến GS. TS. Thái Hoàng, người Thầy đã hướng dẫn t n tình à chu đáo trong suốt quá trình xây dựng à hoàn thi n u n án. Tôi xin bày tỏ òng biết ơn tới Phòng Hoá t i u hi im oại, i n Công ngh thu t nhi t đới, i n Hàn âm hoa học à i t Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hóa, i n hoa học Cơ bản, Trường Đại học Hàng hải i t Nam-nơi tôi công tác, đã tạo mọi điều i n thu n ợi để tôi hoàn thành u n án này. Tôi xin bày tỏ òng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghi đã tạo điều i n giú đỡ, chia sẻ à động iên tôi trong quá trình hoàn thành u n án. Hà nội, tháng 4 năm 2015 Tác giả luận án VŨ MINH TRỌNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Một số nhiệm vụ nghiên cứu là thành quả tập thể và đã được các đồng sự cho phép sử dụng. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác. Tác giả luận án VŨ MINH TRỌNG i MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. iv BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ v DANH MỤC BẢNG, BIỂU TRONG LUẬN ÁN............................................... vii DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN ...................................... ix MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .................................................................................. 4 1.1. Tro bay ............................................................................................................ 4 1.1.1. Thành phần, đặc điểm, hình thái cấu trúc của tro bay ................................. 4 1.1.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ tro bay trên thế giới và Việt Nam ................... 8 1.1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới .................................. 8 1.1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay tại Việt Nam ............................... 12 1.1.3. Biến tính tro bay ......................................................................................... 13 1.1.4. Ứng dụng của tro bay ................................................................................. 17 1.2. Copolime etylen vinyl axetat và polyetylen .................................................. 19 1.2.1. Cấu tạo, hình thái cấu trúc, tính chất, ứng dụng của copolyme etylen vinyl axetat ........................................................................................................... 19 1.2.1.1. Cấu tạo, hình thái cấu trúc của copolyme etylen vinyl axetat (EVA) .... 19 1.2.1.2. Tính chất của EVA .................................................................................. 21 1.2.1.3. Ứng dụng của EVA ................................................................................. 22 1.2.2. Cấu tạo, hình thái cấu trúc, tính chất, ứng dụng của polyetylen ................ 23 1.2.2.1. Cấu tạo, hình thái cấu trúc của polyetylen .............................................. 23 1.2.2.2. Tính chất của PE ..................................................................................... 25 ii 1.2.2.3. Ứng dụng của PE .................................................................................... 26 1.2.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ EVA và PE trên thế giới và Việt Nam ...... 27 1.2.3.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ EVA........................................................ 27 1.2.3.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ PE ........................................................... 28 1.3. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở PE và EVA .......................................................... 29 1.3.1. Vật liệu polyme blend LDPE/EVA............................................................ 29 1.3.2. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở polyme blend LDPE/EVA/phụ gia vô cơ ........ 35 1.3.3. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở các polyme EVA, PE và tro bay ...................... 37 1.3.3.1. Vật liệu tổ hợp EVA/tro bay ................................................................... 37 1.3.3.2. Vật liệu tổ hợp PE/tro bay ....................................................................... 39 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 46 2.1. Nguyên liệu và hoá chất ................................................................................ 46 2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay ................................................. 47 2.2.1. Biến tính tro bay ......................................................................................... 47 2.2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay .............................................. 48 2.3. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu.............................................................. 48 2.3.1. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X ......................................................... 48 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét .............................................................. 49 2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại .................................................................... 49 2.3.4. Xác định khả năng chảy nhớt ..................................................................... 50 2.3.5. Xác định tính chất cơ học........................................................................... 50 2.3.5.1. Độ bền kéo đứt ........................................................................................ 51 2.3.5.2. Độ dãn dài khi đứt ................................................................................... 52 2.3.6. Xác định tính chất lưu biến ........................................................................ 52 2.3.7. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng ................................................... 52 2.3.8. Xác định độ bền bức xạ tử ngoại nhiệt ẩm ................................................ 53 2.3.9. Xác định tính chất điện .............................................................................. 54 iii 2.3.10. Xác định khả năng chống cháy ................................................................ 54 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 57 3.1. Xác định thành phần hoá học của tro bay ..................................................... 57 3.2. Biến tính tro bay bằng các hợp chất silan ..................................................... 59 3.2.1. Phổ hồng ngoại của tro bay trước và sau khi biến tính hợp chất silan ...... 60 3.2.2. Tính chất nhiệt của tro bay trước và sau khi biến tính hợp chất silan ....... 66 3.2.3. Hình thái cấu trúc của tro bay trước và sau khi biến tính hợp chất silan... 69 3.3. Xác định điều kiện thích hợp chế tạo vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay chưa biến tính và biến tính silan .......................................................................... 71 3.3.1. Ảnh hưởng của bản chất và hàm lượng hợp chất silan .............................. 72 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn...................................................................... 77 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian trộn .................................................................... 78 3.3.4. Ảnh hưởng của tốc độ trộn ......................................................................... 80 3.3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần LDPE/EVA ............................................. 81 3.4. Đặc trưng và hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) .................................................................................................................... 83 3.4.1. Khả năng chảy nhớt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) trong quá trình trộn nóng chảy ............................................................................. 83 3.4.2. Phổ hồng ngoại của vật liệu blend LDPE/EVA và vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA ................................................................................................. 86 3.4.3. Hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) ............ 89 3.5. Tính chất của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) ............................. 94 3.5.1. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) .............. 94 3.5.2. Tính chất lưu biến của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) .......... 100 3.5.3. Độ bền oxi hóa nhiệt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) ..... 104 3.5.4. Độ bền thời tiết của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) .............. 107 3.5.5. Tính chất điện của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) ................ 110 iv 3.5.6. Khả năng chống cháy của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) .... 114 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 117 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .................................................. 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ...................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 120 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 133 v BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ATH: Nhôm hydroxit BA (Bottom ash): Tro đáy BO: Oxit bo BS (Boiler slag): Xỉ lò hơi CCP (Coal combustion products): Sản lượng than đốt CFA (Coal fly ash): Tro bay than DSC (Differential scanning calorimetry): Phân tích nhiệt lượng quét vi sai Eđt: Điện áp đánh thủng EFA: Tro bay biến tính vinyl trietoxi silan EVA: Etylen-vinylaxetat FA (Fly ash): Tro bay FAc: Tro bay chưa xử l FAs: Tro bay sạch FBC (Fluidized bed combustion): Tro đốt lò hơi tầng sôi FGD (Flue gas desulfurisation): Khí lò khử lưu huỳnh G’: Mô đun trữ động học (storage modulus) G”: Mô đun tổn hao (loss modulus) GFA: Tro bay biến tính 3-Glyxidoxypropyltrimetoxysilan GPTMS: 3-glyxidoxypropyltrimetoxysilan HDPE (High density polyethylene): Polyetylen tỷ trọng cao Hε: Hệ số lão hóa oxi hóa nhiệt theo độ dãn dài khi đứt Hσ: Hệ số lão hóa oxi hóa nhiệt theo độ bền kéo đứt LDPE (Low density polyethylene ): Polyetylen tỷ trọng thấp LOI (Limiting oxygen index): Chỉ số giới hạn oxy MDPE (Medium density polyethylene): Polyetylen tỷ trọng trung bình MFA: Tro bay biến tính vinyltrimetoxysilan vi NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân OFA: Tro bay ban đầu PE : Polyetylen PET: Polyetylen terephtalat Pkl: Phần khối lượng PP: Polypropylen PVA: Polyvinyl axetat SBET: Diện tích bề mặt riêng SDA (Spray dry absorption): Sản phẩm hút bụi khô Si-69: Bis-[3-(tri-etoxysilyn)propyl] tetrasulphit TGA (Thermal gravimetric analysis): Phân tích nhiệt khối lượng Tmax: Nhiệt độ ở đó tốc độ phân hủy mẫu lớn nhất Tonset: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy mẫu VTES: Vinyltrietoxisilan VTMS: Vinyltrimetoxisilan vii DANH MỤC BẢNG, BIỂU TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1. Hàm lượng các oxit chủ yếu trong tro bay loại C và loại F .................. 4 Bảng 1.2. Thành phần tro bay của các nhà máy ở miền Bắc nước ta .................... 6 Bảng 1.3. Thành phần hoá học của tro bay ở một số nhà máy nhiệt điện miền Bắc nước ta ............................................................................................................. 7 Bảng 1.4. Lượng tro bay của các nhà máy nhiệt điện miền Bắc ......................... 12 Bảng 1.5. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/các chất độn khác nhau .. 40 Bảng 1.6. Tốc độ cháy (mm/phút) của vật liệu tổ hợp PE/FA............................. 44 Bảng 3.1. Thành phần hoá học (% khối lượng) của tro bay Phả Lại ................... 59 Bảng 3.2. Phổ IR của một số nhóm nguyên tử trong FA, MFA, EFA và GFA ... 63 Bảng 3.3. Hiệu suất ghép các hợp chất silan: VTMS , VTES và GPTMS vào tro bay ................................................................................................................... 68 Bảng 3.4. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay chưa biến tính và biến tính bằng 3 loại hợp chất silan ......................................................... 73 Bảng 3.5. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA theo nhiệt độ trộn........................................................................................................................ 77 Bảng 3.6. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA (tỷ lệ 60/40)/có 10% tro bay theo thời gian trộn ........................................................................... 79 Bảng 3.7. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA theo tốc độ trộn........................................................................................................................ 81 Bảng 3.8. Tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA theo các tỷ lệ LDPE/EVA........................................................................................................... 82 Bảng 3.9. Phổ IR của một số nhóm chức trong polyme blend LDPE/EVA và vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA ........................................................................ 88 Bảng 3.10. Đặc trưng TG của polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(có 10-15%)(FA và MFA) ............................................................. 107 viii Bảng 3.11. Độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) trước và sau 96 giờ thử nghiệm bức xạ tử ngoại nhiệt ẩm .............................................................................................................. 108 Bảng 3.12. Độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) trước và sau 288 giờ thử nghiệm bức xạ tử ngoại nhiệt ẩm .............................................................................................................. 108 Bảng 3.13: Tính chất điện của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA......................... 111 Bảng 3.14. Tính chất điện của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA ..................... 112 ix DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình 1.1. Hình dạng các hạt tro bay ...................................................................... 5 Hình 1.2. (A) và (B) là dạng hình cầu và dạng bất thường của tro bay. ................ 6 Hình 1.3. Hình thái cấu trúc tro thô và tro mịn của nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc nước ta ............................................................................................................. 8 Hình 1.4. Sử dụng tro bay trong bê tông tại Thái Lan. .......................................... 9 Hình 1.5. Sản phẩm và sử dụng tro bay tại Nhật Bản .......................................... 10 Hình 1.6. Biểu đồ sản xuất, sử dụng và phần trăm sử dụng tro bay ở Hoa Kỳ giai đoạn 1991 – 2011 .......................................................................................... 10 Hình 1.7. Khối lượng sản phẩm đốt than ở châu Âu từ năm 1993 đến 2007 ...... 11 Hình 1.8. Ảnh SEM của tro bay chưa biến tính (A) và tro bay biến tính axit stearic (B) ............................................................................................................. 14 Hình 1.9. Ảnh SEM của tro bay trước và sau khi tráng phủ. .............................. 16 Hình 1.10. Ảnh SEM của tro bay chưa biến tính (A) và biến tính bằng Si-69 (B)......................................................................................................................... 16 Hình 1.11. Phổ 13C- NMR của EVA .................................................................... 20 Hình 1.12. Cấu trúc hóa học của phân tử PE. ...................................................... 23 Hình 1.13. Cấu trúc vùng tinh thể trong PE ......................................................... 24 Hình 1.15. Cấu trúc tinh thể hình cầu và cấu trúc phiến lá mỏng của PE. .......... 24 Hình 1.16. Cấu trúc của 3 loại PE chính .............................................................. 26 Hình 1.17. Nhu cầu sử dụng các loại polyme trên thế giới.................................. 28 Hình 1.18. DSC của vật liệu blend LDPE/EVA tại nhiệt độ trộn 180 oC............ 30 Hình 1.19. DSC của vật liệu blend LDPE/EVA (tỷ lệ 25/75 pkl) tại các nhiệt độ trộn khác nhau ................................................................................................. 31 Hình 1.20. Độ bền kéo đứt của LDPE, EVA và blend LDPE/EVA. ................... 32 Hình 1.21. Độ dãn dài khi đứt của LDPE, EVA và vật liệu blend LDPE/EVA. . 33 x Hình 1.22. Ảnh SEM vật liệu blend LDPE/EVA ở các tỷ lệ: 75/25 (A), 50/50 (b), 25/75 (c) (pkl) ................................................................................................ 34 Hình 1.23. Giản đồ TG của các vật liệu tổ hợp LDPE/EVA ............................... 37 Hình 1.24. Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp EVA/tro bay ............................. 38 Hình 1.25. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp EVA/OFA (a) và EVA/MFA (biến tính GPTMS) (b), hàm lượng tro bay: 20 % ........................................................ 39 Hình 1.26. Các chi tiết, bộ đỡ dây điện trong thân ôtô chế tạo từ vật liệu tổ hợp LDPE/tro bay của hãng General Motor ........................................................ 41 Hình 1.27. Chốt, kẹp định vị trên ôtô chế tạo từ vật liệu tổ hợp LDPE/tro bay của hãng Chryler .................................................................................................. 41 Hình 1.28. Ảnh hiển vi điện tử quét của vật liệu tổ hợp HDPE/tro bay (80/20) . 42 Hình 1.29. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PE/OFA (a), PE/MFA (biến tính 3 % VTMS) (b), hàm lượng tro bay: 10 %.................................................................. 44 Hình 2.1. Thiết bị trộn nội Polylab System Haake (Đức). ................................... 50 Hình 2.2. Thiết bị xác định tính chất cơ học Zwick Z2.5 (Đức). ........................ 51 Hình 2.3. Mẫu đo tính chất cơ học của vật liệu. .................................................. 51 Hình 2.4. Mẫu được cắt và đánh dấu theo tiêu chuẩn UL-94HB. ....................... 55 Hình 2.5. Mẫu được đặt nằm ngang theo tiêu chuẩn UL-94HB. ......................... 55 Hình 3.1. Phổ huỳnh quang tia X của tro bay đầu lò. .......................................... 57 Hình 3.2. Phổ huỳnh quang tia X của tro bay trung lò. ....................................... 58 Hình 3.3. Phổ huỳnh quang tia X của tro bay silo. .............................................. 58 Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của tro bay (FA) và tro bay biến tính VTMS (MFA)................................................................................................................... 60 Hình 3.5. Phổ hồng ngoại của FA, GFA. ............................................................. 61 Hình 3.6. Phổ hồng ngoại của FA, EFA. ............................................................. 62 Hình 3.7. Giản đồ TGA của tro bay ban đầu (FA) và tro bay biến tính bằng 3 hợp chất silan (MFA; EFA; GFA). ...................................................................... 67 xi Hình 3.8. Ảnh SEM của FA, độ phóng đại 10.000 lần. ....................................... 69 Hình 3.9. Ảnh SEM của FA (A) và MFA (B), độ phóng đại 1000 lần. ............. 70 Hình 3.10. Ảnh SEM của MFA với độ phóng đại 100.000 lần (A) và 200.000 lần (B). .................................................................................................................. 70 Hình 3.11. Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay biến tính VTMS (MFA), VTES (EFA), GPTMS (GFA). ................................................... 74 Hình 3.12. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay biến tính VTMS (MFA), VTES (EFA), GPTMS (GFA). ............................................ 74 Hình 3.13. Mô hình liên kết giữa tro bay biến tính với nền polyme. .................. 76 Hình 3.14. Giản đồ mô men xoắn của polyme blend LDPE/EVA và vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA. ............................................................................................ 84 Hình 3.15. Giản đồ mô men xoắn của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA. .......... 85 Hình 3.16. Mô men xoắn ổn định của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA). ................................................................................................................... 86 Hình 3.17. Phổ hồng ngoại của polyme blend LDPE/EVA và vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA. ................................................................................................ 87 Hình 3.18. Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của polyme blend LDPE/EVA (tỷ lệ 20/80). .................................................................................................................. 89 Hình 3.19. Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của polyme blend LDPE/EVA (tỷ lệ 30/70). .................................................................................................................. 90 Hình 3.20. Ảnh SEM bề mặt vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA (A) và LDPE/EVA/MFA (B). ......................................................................................... 91 Hình 3.21. Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA. ........ 92 Hình 3.22. Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA...... 93 Hình 3.23. Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA). ....... 94 Hình 3.24. Mô hình giả thiết về quá trình đứt ở bên trong vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA .................................................................................................... 95 xii Hình 3.25. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA). .. 97 Hình 3.26. Ảnh SEM bề mặt tro bay trong vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/FA (A, B) và vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/MFA (C, D). .................................................. 99 Hình 3.27. Sự biến thiên G’ của polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) theo tần số............................................................... 101 Hình 3.28. Sự biến thiên G’’ của polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) theo tần số............................................................... 102 Hình 3.29. Sự biến thiên G’ của vật liệu polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) theo nhiệt độ. ................................................... 103 Hình 3.30. Sự biến thiên G’’ của polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) theo nhiệt độ. .......................................................... 103 Hình 3.31. Giản đồ TGA của polyme blend LDPE/EVA, vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA). ................................................................................ 105 Hình 3.32. Điện áp đánh thủng của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA) . ........................................................................................................................... 113 Hình 3.33. Tốc độ cháy của vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/(FA và MFA). .......... 115 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các sản phẩm được sản xuất từ vật liệu polyme tổ hợp ngày càng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Một trong những vật liệu polyme tổ hợp được các nhà khoa học chú là vật liệu tổ hợp polyme/tro bay. Tro bay (fly ash-FA) là khói bụi của các nhà máy nhiệt điện, một loại phế thải đã gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường trầm trọng. Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện đã thải ra một lượng rất lớn tro bay làm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của con người. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu, ứng dụng thành công tro bay vào các lĩnh vực khác nhau để tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này. Ở nước ta, việc sử dụng tro bay mới bắt đầu trong quá trình sản xuất chất kết dính và bê tông xây dựng với khối lượng hạn chế. Nghiên cứu ứng dụng tro bay trong sản xuất vật liệu tổ hợp trên nền polyme còn khá mới mẻ. Do sự khác nhau về cấu trúc, bản chất hoá học, tro bay và polyme khó trộn lẫn, tương hợp với nhau dẫn đến sự tách pha. Vì vậy, để tăng cường khả năng tương tác, bám dính và trộn lẫn tro bay với polyme, cần phải biến tính tro bay bằng các hợp chất thích hợp như các hợp chất silan, các axit hữu cơ. Một số công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay bằng hợp chất silan và sử dụng tro bay biến tính để chế tạo vật liệu tổ hợp ở trạng thái nóng chảy như polypropylen (PP)/tro bay [26 , polyetylen tỷ trọng cao (HDPE)/tro bay [8], polyetylen (PE)/tro bay [7], copolyme etylen vinyl axetat (EVA)/tro bay [9]... Các kết quả thu được cho thấy biến tính tro bay đã cải thiện khả năng phân tán của tro bay trong nền polyme và làm tăng các tính chất cơ học, tính chất nhiệt, tính chất điện của vật liệu tổ hợp. Tuy nhiên, các công trình nêu trên mới chỉ nghiên cứu chế tạo, xác định các đặc trưng, tính chất của vật liệu tổ hợp trên cơ sở 1 polyme mà chưa đề cập đến vật liệu có 2 polyme khác nhau và tro bay biến tính. Các nghiên cứu đưa tro bay vào hỗn 2 hợp polyme có độ phân cực khác nhau vẫn chưa được công bố. Trong đề tài luận án này, chúng tôi sử dụng copolyme etylen vinyl axetat (EVA) phối trộn với polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) nhằm kết hợp các tính chất tốt của EVA và LDPE như tính mềm dẻo, đàn hồi, khả năng phối trộn với một lượng lớn chất phụ gia của EVA [48 và độ dai, độ bền kéo đứt cao và độ bền va đập ở nhiệt độ thấp, ít phân cực, tính chất điện môi tốt, độ thẩm thấu hơi nước thấp, độ bền hóa chất tốt của LDPE. Đưa tro bay với thành phần hoá học chủ yếu là hỗn hợp của các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O... và tro bay biến tính silan hữu cơ (MFA) vào polyme blend LDPE/EVA có thể cải thiện độ bền thời tiết, tính chất điện, khả năng chống cháy của polyme blend LDPE/EVA cũng như giảm giá thành của sản phẩm khi ứng dụng trong một số lĩnh vực kỹ thuật. Với những l do trên, nghiên cứu sinh tiến hành đề tài: “Nghiên cứu tính chất hóa lý và hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp PE/EVA/tro bay biến tính hữu cơ” với mục đích tạo ra vật liệu tổ hợp có tính chất cơ học cao, bền nhiệt, bền thời tiết, khả năng chống cháy cao, cách điện tốt. Từ đó, có thể ứng dụng vật liệu này trong sản xuất các sản phẩm kỹ thuật và dân dụng như vỏ bọc dây điện, cáp điện lực, cáp thông tin và một số sản phẩm kỹ thuật. * Các nội dung chủ yếu của luận án như sau: 1. Biến tính tro bay bằng các các hợp chất silan, lựa chọn một loại hợp chất silan biến tính tro bay có hiệu quả nhất. 2. Khảo sát điều kiện chế tạo (nhiệt độ, tốc độ quay roto, thời gian trộn), tỉ lệ thành phần giữa tro bay và hợp chất silan, tỉ lệ khối lượng LDPE/EVA, từ đó xác định điều kiện và thành phần thích hợp để chế tạo vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay chưa biến tính và biến tính. 3 3. Nghiên cứu hình thái cấu trúc, tính chất cơ học, tính chất điện, độ bền oxi hóa nhiệt, độ bền bức xạ tử ngoại – nhiệt ẩm và khả năng chống cháy của vật liệu LDPE/EVA/tro bay biến tính và chưa biến tính. 4. Lựa chọn được vật liệu tổ hợp LDPE/EVA/tro bay biến tính có thể định hướng ứng dụng chế tạo vỏ dây cáp thông tin và cáp điện lực. 4 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tro bay 1.1.1. Thành phần, đặc điểm, hình thái cấu trúc của tro bay Tro bay là loại bụi sinh ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện thải ra môi trường. Nó được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo. Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp của các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O... Hàm lượng cacbon còn lại trong tro bay nhỏ hơn 4 %. Ngoài ra, trong tro bay còn có vết của một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, một lượng nhỏ nhóm OH ở bề mặt và amonia... Có 2 loại tro bay là tro bay loại C (hàm lượng Ca và Mg cao, tới 20 %) và tro bay loại F (hàm lượng Ca và Mg nhỏ hơn nhiều so với tro bay loại C) [5, 33, 34, 66, 83]. Hàm lượng các oxit chủ yếu của tro bay loại C và loại F được thể hiện trên các bảng 1.1 [33]. Bảng 1.1. Hàm ượng các oxit chủ yếu trong tro bay oại C à oại F [33] Hợp chất Tro bay loại F (%) Tro bay loại C (%) SiO2 55 40 Al2O3 26 17 Fe2O3 7 6 CaO 9 24 MgO 2 5 SO3 1 3