Tài liệu Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polymer

  • Số trang: 16 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 51 |
  • Lượt tải: 0
dangvantuan

Tham gia: 02/08/2015

Mô tả:

Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polymer Nguyễn Việt Dũng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyên ngành: Hóa hữu cơ; Mã số: 60 44 27 Người hướng dẫn: PGS. TS Ngô Kế Thế Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Tổng quan về vật liệu polyme; khoáng sericit; và biến đổi bề mặt khoáng sericit. Trình bày ứng dụng khoáng sericit cho các vật liệu polyme và nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit trong lĩnh vực polyme ở Việt nam. Tiến hành thực nghiệm: Xác định được cơ chế của phản ứng biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng hợp chất silan; xác định khả năng gia cường cho vật liệu polyme trên cơ sở cao su thiên nhiên và sơn epoxy. Đưa ra kết quả và thảo luận: Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit ; nghiên cứu khả năng gia cường sericit biến đổi bề mặt cho vật liệu cao su thiên nhiên (CSTN); nghiên cứu ứng dụng sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ sơn pek-epoxy. Keywords: Hóa hữu cơ; Vật liệu Polyme; Chất độn; Sericit Content MỞ ĐẦU Sericit được biết đến là một khoáng chất công nghiệp có những tính năng đặc biệt, nên đã trở thành một mặt hàng thương mại có giá trị kinh tế cao trên thế giới từ hàng trăm năm nay. Tuy vậy ở Việt Nam, mặc dù có trữ lượng khá lớn nhưng nó mới chỉ được quan tâm dưới dạng tiềm năng khai thác, các nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit trong các lĩnh vực khác nhau còn rất hạn chế. Vừa qua, Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chủ trì một đề tài cấp nhà nước về nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng sản sericit tại mỏ Sơn Bình, Hà Tĩnh. Việc nghiên cứu ứng dụng khoáng vật sericit là sản phẩm của đề tài này trong các loại vật liệu polyme là một vấn đề hết sức mới mẻ ở Việt Nam nhưng vô cùng cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng thực tiễn cao. Xuất phát từ những quan điểm nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính khoáng sericit ứng dụng làm chất độn gia cường cho vật liệu polyme” để thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học của mình. Trong khuân khổ của một luận văn thạc sĩ, em đã đề ra những mục tiêu nghiên cứu cho đề tài như sau:  Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng hợp chất silan. Xác định cơ chế của phản ứng biến đổi bề mặt.  Nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit trong một số loại vật liệu polyme. Xác định khả năng gia cường của nó trong các loại vật liệu này. Luận văn là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước KC.02.24/06-10 do Viện Khoa học Vật liệu chủ trì. Quá trình nghiên cứu được thực hiện chủ yếu tại phòng nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện Khoa học Vật liệu. Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần khẳng định cũng như nâng cao giá trị sử dụng của khoáng sericit. Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Chấ t đô ̣n trong công nghiêp̣ Vâ ̣t liêụ Polyme Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [28]. Đầu tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất nền, nên còn được gọi là các chất gia cường. 1.2. Khoáng sericit Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể), công thức hoá học của sericit là KAl2(OH)2(AlSi3O10) với thành phần là: SiO2 = 43,13 - 49,04%; Al 2O3 = 27,93 - 37,44%; K2O + Na2O = 9 - 11%; H2O = 4,13 -6,12%. [28] Sericit có thành phần và cấu trúc tương tự kaolinit nên nó có một số tính chất của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ. `1.3. Biến đổi bề mặt khoáng sericit Phương pháp biến đổi bề mặt được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp sử dụng các tác nhân ghép nối silan. Các tác nhân ghép silan là các hợp chất hóa học trên cơ sở silic có chứa hai nhóm hoạt động chính là nhóm vô cơ và hữu cơ trên cùng một phân tử. (RO)3SiCH2CH2CH-X Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay axetoxy và X là nhóm hữu cơ chứa các nhóm chức như amin, metacryloxy, epoxy,… 1.4. Ứng dụng khoáng sericit cho các vật liệu polyme Sericit đã được sử dụng từ lâu ở nhiều nước trên thế giới từ thế kỷ 19. Những năm gần đây, bột sericit đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng để gia cường cho các nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn tạo thành các vật liệu compozit để nâng cao các tính chất của polyme nền. Sericit có cấu trúc vẩy nên đã được nghiên cứu sử dụng trong các lớp phủ bảo vệ cần sự che chắn tốt. 1.6. Các nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit trong lĩnh vực polyme ở Việt nam Những năm 80-90 thế kỷ trước Viện KT nhiệt đới đã sử dụng bột sericit để nghiên cứu tăng cường tính cách điện cho các lớp phủ bảo vệ các thiết bị đầu cáp bằng phương pháp đúc với nhựa epoxy. Gần đây phòng NC vật liệu polyme & compozit cũng đã kết hợp với Viện hoá học, nghiên cứu chế tạo thảm cao su cách điện dùng trong công nghiệp có sử dụng bột khoáng sericit và các chất gia cường khác. Các nghiên cứu trên đây cũng mới chỉ dừng ở mức thăm dò, không được hệ thống vì không có nguồn bột khoáng sericit có độ mịn và độ sạch cần thiết. Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Mẫu sericit và các nguyên vật liệu 2.1.1. Khoáng sericit Đối tượng khoáng sericit sử dụng trong luận văn là kết quả nghiên cứu tuyển tách và chế biến của đề tài nghiên cứu cấp nhà nước KC.02.24/06-10 do Viện Khoa học Vật liệu chủ trì. Bảng 2.1: Thành phần hóa học của sericit nghiên cứu Thành phần Hàm lượng (%) SiO2 51,4 Al2 O3 33,73 Fe2 O3 0,05 FeO 0,04 TiO2 0,27 K2O 7,16 Na2O 0,94 MgO 0,21 MKN 4,8 Độ ẩm 1,0 Độ trắng > 80% Hình 2.1: Phân bố kích thước hạt sericit nghiên cứu 2.1.2. Hợp chất silan - 3-Aminopropyltrietoxysilan (ký hiệu: 3-APTMS): NH2(CH2)3 Si(OC2H5 )3 - Vinyltrimetoxysilan (ký hiệu: VTMS): CH2=CH-Si(OCH3)3 2.1.3. Cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên sử dụng cho nghiên cứu là loại crếp trắng SVR-3L của Việt Nam được đánh giá theo TCVN 3769-95. 2.1.4. Chất tạo màng cho sơn trên cơ sở epoxy Nhựa epoxy: Epicot 1001 trong dung dịch của hãng Shell Chemicals. Chất đóng rắn: Versamid 115 trong dung dịch của hãng Henkel Nhựa than đá: Được chế tạo từ sản phẩm phụ của quá trình cốc hóa 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp biến đổi bề mặt khoáng sericit Quá trình biến đổi bề mặt sericit được tiến hành trong dung dịch Etanol 99.7%. Các phản ứng tiến hành trong dung dịch có các điều kiện phản ứng khác nhau để xác định được điều kiện tối ưu. 2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu CSTN/sericit Quá trình cán trộn và ép lưu hóa các mẫu cao su được thực hiện trên thiết bị TOYOSEYKI (Nhật Bản). 2.2.3. Phương pháp chế tạo sơn epoxy/sericit Chế tạo past của sericit trong nhựa epoxy bằng phương pháp nghiền bi trên máy nghiền hành tinh. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit 3.1.1. Ảnh hưởng của môi trường phản ứng đến quá trình silan hóa bề mặt sericit Hình 3.1: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS 1% trong ethanol ở môi trường phản ứng khác nhau Nhìn trên phổ đồ ta có thể nhận thấy rõ ràng rằng mẫu sericit biến đổi trong môi trường không được điều chỉnh pH gần §é truyÒn qua (a.u) Hình 3.1 biểu diễn phổ hồng ngoại của sericit được biến đổi trong dung dịch 1% Silan trong thời gian 4h lần lượt trong hai môi trường có độ pH khác nhau. như không hấp phụ các phân tử silan trên bề mặt (phổ đồ b), còn với mẫu có được điều chỉnh pH về môi trường axit hấp phụ silan một cách rõ ràng (phổ đồ c). Sè sãng (cm-1) Độ truyền qua (a.u) 3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ silan đến phản ứng silan hóa bề mặt sericit Hình 3.2: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS trong ethanol (a) sericit ban đầu; (b) 0,5% 3-APTMS; (c) 1% 3-APTMS và (d) 4% 3-APTMS Số sóng (cm-1) Cường độ của các vạch phổ đặc trưng cho phân tử 3-APTMS tăng một cách đáng kể ở mẫu sericit biến đổi bề mặt trong dung dịch chứa 1% silan so với mẫu xử lý trong dung dịch chứa 0,5% silan nhưng lại gia tăng không đáng kể ở nồng độ 4% so với ở nồng độ 1%. 3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình silan hóa bề mặt sericit Cường độ của các vạch phổ đặc trưng tăng khi thời gian phản ứng tăng, nó tăng mạnh khi thời gian thực hiện phản ứng là 4h (phổ đồ c) so với thời gian diễn ra phản ứng chỉ là 1h (phổ đồ b). Nếu kéo dài thời gian phản ứng lên 24h thì cường độ của các vạch phổ thay đổi chậm hơn Hình 3.3: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS 1% trong ethanol với thời gian phản ứng khác nhau (a) sericit không xử lý; (b) 1 giờ; (c) 4 giờ và (d) 24 giờ Độ truyền qua (a.u) (phổ đồ d) so với thời gian phản ứng 4h. Hình 3.4: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS 1% trong ethanol trước và sau khi sấy ở 50°C (a) sericit ban đầu, (b) trước khi sấy, (c) sau khi sấy Độ truyền qua (a.u) sóng (cm-1) 3.1.4. Ảnh hưởng của quá trình polyme hóa silan đến độ bền của lớp bề mặtSốbiến đổi Sản phẩm sericit biến đổi bề mặt được rửa ngay Số sóng (cm-1) sau khi phản ứng có rất ít các phân tử silan hấp phụ trên bề mặt (được thể hiện trên phổ đồ b). Trong khi đó, mẫu sericit biến đổi bề mặt được rửa sau khi đã sấy khô ở 50°C có các lớp silan hấp phụ với hàm lượng cao hơn nhiều (được thể hiện trên phổ đồ c). 3.1.5. Xác định mức độ silan hóa sericit bằng phân tích nhiệt Sericit chưa biến đổi bề mặt bị giảm khối lượng ở một vùng nhiệt độ từ 600-800°C với nhiệt độ phân hủy mạnh nhất khoảng 700°C (hình 3.5-a). Hiện tượng này cũng thấy xuất hiện trên giản đồ TGA của mẫu sericit đã được biến đổi bề mặt (hình 3.5-b). a b Hình 3.5: Giản đồ phân tích nhiệt (a) Sericit ban đầu (b) Sericit được xử lý trong 4 giờ ở dung dịch 1% silan, môi trường axít Mẫu sericit đã biến đổi bề mặt còn bị phân hủy trong vùng nhiệt độ 150-320°C với nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ở 274,1°C, tương ứng với nhiệt độ phân hủy của hợp chất silan trên bề mặt sericit. ở vùng nhiệt độ này, mẫu đã bị suy giảm khối lượng 3,06%. 3.2. Nghiên cứu khả năng gia cường sericit biến đổi bề mặt cho vật liệu CSTN 3.2.1. Khả năng trộn hợp của bột khoáng sericit với CSTN 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 3.1: Khảo sát khả năng trộn hợp của CSTN với các chất gia cường khác nhau ở 50°C Mẫu Ký hiệu pkl Mmax (Nm) Nhiệt độ cuối T (°C) Mmin (Nm) CSTN/Sericit S03 20 22,4 11,6 83 ban đầu CSTN/Sericit biến tính với S1A3 20 22,3 12,7 83 aminsilan CSTN/Sericit S1V3 20 21,9 10,6 83 biến tính với vinylsilan CSTN/SiO2 OS02 20 28 17,6 99 CSTN/Kaolin K02 20 25,8 12,6 85 Ở nhiệt độ trộn hợp cao hơn (60°C) các giá 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 3.2: Khảo sát khả năng trộn hợp khoáng sericit với CSTN ở 60°C Nhiệt độ cuối T (°C) Mmax (N.m) Mmin (N.m) S03 18,1 11,7 87 S1A3 15,2 11 80 Mẫu Ký hiệu CSTN/Sericit ban đầu CSTN/Sericit biến tính với aminsilan 3.2.2. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit đến quá trình lưu hóa CSTN 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 3.3: Khả năng lưu hoá của tổ hợp CSTN/Sericit Mẫu Ký hiệu pkl Mmin (kgf.cm) 2,76 2,06 1,21 Mmax (kgf.cm) 13,54 12,44 13,69 TC90 (phút-giây) 8-54 7-45 8-05 CSTN S0 0 CSTN/Sericit S01 10 ban đầu S03 30 CSTN/Sericit S1A1 10 1,95 13,46 6-32 biến tính với S1A3 30 1,34 13,67 6-04 aminsilan CSTN/Sericit biến tính với S1V3 30 0,93 13,96 7-39 vinylsilan 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 Bảng 3.4: Tính chất cơ lý của các mẫu vật liệu CSTN Ký hiệu pkl  kđ (MPa) dãn dài (%) dư (%) S0 S01 S02 S03 S04 0 5 10 20 30 11,56 14,13 14,69 17,91 16,08 624 640 620 620 524 7,2 24,8 34,4 49,6 50,6 45 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 Mẫu CSTN CSTN/Sericit ban đầu Độ cứng (ShoreA) 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 dụng gia tăng độ bền kéo đứt cho cao su hơn là sericit nguyên thuỷ. Sericit xử lý 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 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 1011 lên 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 3.5: Tính chất điện của vật liệu CSTN/sericit v (.cm)  tg Eđt (kVcm -1) 1,02. 109 2,62 8. 10-3 151 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 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 Mẫu pkl S0 0 4,37. 1011 S1A2 S1A3 S1A4 10 20 30 S1V2 S1V3 S1V4 10 20 30 s () 3.2.5. Ảnh hưởng của khoáng sericit đến độ bền nhiệt của vật liệu Trên giản đồ TGA của CSTN (hình 3.6 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 3.6: Giản đồ phân tích nhiệt của CSTN/sericit Hình 3.6 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 đã có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt của CSTN. Sự gia tăng này còn thể hiện mạnh 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 3.6 đường c). 3.2.6. Ảnh hưởng của bột khoáng sericit biến đổi bề mặt đến cấu trúc hình thái của vật liệu Sericit tồn tại tương đối độc lập, không thấy có liên kết với CSTN. Các phiến sericit được biến đổi bề mặt bằng loại aminsilan (a) đã phân bố trong CSTN đều đặn hơn và không thấy tách pha mạnh như các mẫu có sericit nguyên thủy. a b c Hình 3.7. Ảnh SEM mẫu cao su có sericit S1A4 (a); S1V4 (b) và sericit ban đầu (c) Cũng giống như trường hợp Sericit được biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS, sericit biến tính với VTMS S1V (b) 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. 3.3. Nghiên cứu ứng dụng sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ sơn pek-epoxy 3.3.1. Chế tạo sơn trên cơ sở nhựa epoxy Thành phần của các loại sơn nghiên cứu được thể hiện trên bảng 3.7. Các mẫu sơn được kiểm tra các tính chất và tạo màng để khảo sát các tính chất cơ lý. Bảng 3.6: Thành phần sơn nghiên cứu Thành phần Chất tạo màng Sericit Hóa dẻo Đóng rắn Dung môi Hàm lượng chất không bay hơi (%) EP 82,15 0 1,6 17,85 67 60 EPS 1 80,1 2,5 1,57 17,4 67 60 Hàm lượng (pkl) EPS 2 EPS 3 78 74 5 10 1,53 1,45 17 16 67 67 60 60 EPS 4 67,8 15 1,37 15,2 67 60 EPS 5 65,7 20 1,29 14,3 67 60 3.3.2. Khảo sát tính chất của sơn Khi có mặt của sericit thời gian khô của màng sơn được giảm đi, nhất là khô không bắt bụi. Điều này được giải thích là do sự thoát dung môi thuận lợi hơn khi có sericit trong tổ hợp sơn. Mặt khác không loại trừ khả năng quá trình đóng rắn màng sơn được thúc đẩy nhờ các hợp chất silan có trên bề mặt sericit. Độ mịn của các mẫu sơn có chứa sericit không được thấp, phần lớn vào khoảng 50 m. Các hạt thô đã làm ảnh hưởng tới độ mịn của sơn. Bảng 3.7: Tính chất của sơn Mẫu sơn Độ mịn ( m) EP EPS 1 EPS 2 EPS 3 EPS 4 EPS 5 10 40 50 50 50 50 Thời gian khô Không bắt bụi Khô hoàn toàn (giờ) (giờ) 6 25 5 24 5 20 5 20 4 18 4 17 Chiều dày màng sơn ( m) 72,2 62,4 54,4 46 53,4 55,2 3.3.3. Khảo sát tính chất cơ lý của màng sơn Khi có mặt của sericit các tính chất cơ lý của màng sơn hầu như không thay đổi và đạt ở các mức cao theo tiêu chuẩn như độ bám dính và độ bền uốn, đảm bảo cho màng sơn sử dụng tốt. Độ bền va đập có bị suy giảm khi tăng hàm lượng sericit tới 20 %. Tuy nhiên với giá trị 47 KG.cm, màng sơn vẫn đảm bảo tiêu chuẩn cho phép Sericit đã làm tăng độ cứng của màng sơn, giúp cho độ bền của sơn tăng lên, nhất là khi sử dụng ở những nơi có tác động của cơ học, hay bị trà sát như gió và cát bụi. Bảng 3.8: Tính chất cơ lý màng sơn Mẫu sơn Độ bám dính (Điểm) Độ bền uốn (mm) Độ bền va đập (KG.cm) EP EPS 1 EPS 2 EPS 3 EPS 4 EPS 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 50 50 50 50 45 47 Độ cứng (%) Sau 1 tuần 25,09 29,76 41,53 46,24 35,29 36,94 Đóng rắn hoàn toàn 50,1 52,4 56,94 57,76 51,65 42,12 3.3.4. Khảo sát độ bền hóa chất của màng sơn Sau 48 giờ ngâm mẫu màng sơn của tất cả các loại sơn chưa thấy có dấu hiệu hư hỏng. Sau 60 ngày thử nghiệm, màng sơn EP không chứa sericit có bị suy giảm chút ít trong dung dịch axit và kiềm, cũng như màng sơn EPS 1 và EPS 2 trong dung dịch kiềm. Tuy nhiên sự suy giảm này là không đáng kể. Sericit đã thể hiện khả năng tăng cường độ bền hóa chất của sơn. Bảng 3.9: Độ bền hóa chất màng sơn Mẫu sơn EP EPS 1 EPS 2 EPS 3 EPS 4 Độ chịu mặn Sau 48 h 60 ngày 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Độ chịu axit Sau 48 h 60 ngày 0 + 0 0 0 0 0 0 0 0 Độ chịu kiềm Sau 48 h 60 ngày 0 + 0 + 0 + 0 0 0 0 EPS 5 0 0 0 0 0 0 3.3.5. Xác định khả năng bảo vệ màng sơn bằng thử nghiệm mù muối Bảng 3.11 cho thấy kết quả thử nghiệm mù muối của các mẫu sơn không có sericit EP và 3 mẫu sơn có chứa sericit EPS 3, EPS 4, EPS 5. Ở vị trí không bị phá hủy, màng sơn không xuất hiện vết gỉ. Tại các vết rạch, màng sơn có chứa sericit ít bị gỉ hơn. Bảng 3.10: Kết quả thử nghiệm mù muối sau 480 giờ Gỉ tại vùng không rạch Diện tích gỉ, % EP 0 EPS3 0 EPS4 0 EPS5 0 Đánh giá, điểm 10 10 10 10 Gỉ tại vết rạch Bề rộng vết gỉ, mm 0,8 0,5 0,5 0,5 8 9 9 9 Đánh giá, điểm 3.3.6. Khảo sát tính chất che chắn của màng sơn - Sau 1 ngày ngâm mẫu thử nghiệm Khả năng che chắn của màng sơn được khảo sát bằng phương pháp điện hóa. Ở đây thấy rằng, ở tất cả các mẫu không thấy xuất hiện cung trên giản đồ tổng trở. Màng sơn thể hiện độ che chắn rất tốt, chưa thấy có sự xâm nhập của dung dịch điện ly NaCl. - Sau 42 ngày ngâm mẫu thử nghiệm Sau 42 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3%, phổ tổng trở của các mẫu đã bắt đầu hình thành 1 cung ở tần số thấp, song chưa rõ ràng. Ở các mẫu EP và EP1 giản đồ có cung tương đối rõ ràng hơn. Điều này thể hiện chất điện ly NaCl đa bắt đầu xâm nhập vào bề mặt đế thép gây hiện tượng ăn mòn vật liệu. - Sau 56 ngày ngâm mẫu thử nghiệm Sau 56 ngày ngâm mẫu thử nghiệm trong dung dịch NaCl 3% đã thấy phổ tổng trở của các mẫu có dạng khác nhau. Bảng 3.11: Điện trở của màng sơn sau 56 ngày thử nghiệm trong dung dịch NaCl 3,5% TT Mẫu sơn 1 2 3 4 5 EP EP1 EP3 EP4 EP5 Điện trở màng Rf (.cm2) 5,62. 104 5,6. 105 1,12. 107 3,57. 106 2,86. 106 Các mẫu EP3, EP4 và EP5 có khả năng bảo vệ chống ăn mòn khá tốt, giá trị Rf đều lớn hơn 106 .cm2. Sericit đã có tác dụng che chắn, tăng khả năng bảo vệ của mang sơn. Trên bảng 1 còn thấy giá trị điện trở màng có giá trị cực đại ở mẫu EP3, đạt 107 .cm2. Như vạy với hàm lượng 10% sericit màng sơn có khả năng bảo vệ tốt nhất. Ở các hàm lượng lớn hơn, 15 và 20 % , mẫu sơn EP4 và EP5 vẫn còn có điện trở mang đạt giá trị 106 .cm2 , khả năng bảo vệ chống ăn mòn vẫn còn tác dụng. 3.3.7. Khảo sát cấu trúc hình thái màng sơn Trên hình 3.8 thấy rằng tương tác giữa chất kết dính bám không được tốt trên bề mặt sericit, trên bề mặt các phiến sericit ít thấy có nhựa còn lại. Ngược lại, trên hình 3.27 đã thấy tương tác giữa các pha được cải thiện đáng kể, nhựa epoxy đã kết dính tốt với các phiến sericit biến đổi bề mặt. Điều này đồng nghĩa với việc gia tăng tính chất bảo vệ và cơ lý của màng sơn. a b c Hình 3.8: Ảnh SEM mẫu sơn có sericit chưa biến đổi bề mặt a: 10 % sericit; b: 20 % sericit và biến đổi bề mặt (c) KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, luận văn đã đạt được những kết quả sau: 1. Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng 3-aminopropyltrimetoxysilan Quá trình silan hóa bề mặt sericit đã được nghiên cứu bằng các phương pháp phổ hồng ngoại (IR) và phân tích nhiệt (TGA). Từ các nghiên cứu trên ta thấy rằng lượng 3-APTMS hấp phụ trên bề mặt sericit phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ dung dịch silan, thời gian xử lý và môi trường của dung dịch xử lý (độ pH). Quá trình biến đổi bề mặt khoáng sericit bằng hợp chất silan là cần thiết khi đưa khoáng chất này làm chất gia cường cho các loại vật liệu polyme. Quá trình này giúp cải thiện khả năng tương tác pha giữa chất nền và chất gia cường, từ đó nâng cao tính năng cơ lý vật liệu. 2. Nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit gia cường cho cao su thiên nhiên Khả năng trộn hợp của CSTN với sericit thuận lợi hơn so với kaolin và SiO2, tuy nhiên cần phải biến đổi bề mặt của sericit để tăng khả năng trộn hợp, tương tác pha và tính chất của vật liệu. Sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan có tác dụng thúc đẩy quá trình lưu hóa của CSTN. Trong khi đó sericit biến đổi bằng VTMS có khả năng gia cường tính chất cơ, độ cách điện và độ bền nhiệt cho vật liệu CSTN. 3. Nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit biến tính gia cường cho sơn trên cơ sở nhựa epoxy Sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan tương tác tốt hơn với chất tạo màng của hệ sơn epoxy-pek, giúp cho màng sơn có các tính năng bảo vệ tốt hơn, đặc biệt là khả năng che chắn. Màng sơn có khả năng bảo về tốt ở các môi trường ẩm. Sericit có tác dụng tốt để gia tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho các lớp phủ bảo vệ. References Tiếng Việt 1. Đỗ Quang Kháng, Ngô Kế Thế, Lương Như Hải và cộng sự (2004), Hội nghị hoá học toàn quốc lần thứ IV, Hà nội, Tr. 10-15. 2. Ngô Kế Thế (2007), “Nghiên cứu khả năng ứng dụng khoáng mica-sericit để gia cường cho vật liệu polyme-compozit”, Đề tài cơ sở Viện Khoa học Vật liệu. 3. Ngô Kế Thế (2008), “Nghiên cứu ứng dụng bột khoáng sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ sơn dùng ở môi trường ẩm và xâm thực cao”, Đề tài cơ sở Viện Khoa học Vật liệu. Tiếng Anh 4. A Guide to Silane Solutions from Dow Corning (2005), Dow Corning. 5. A. Sodergard, K. Ekman, B. Stenlund and A. Lassas (1996), “The influence of EBcrosslinking on barrier properties of HDPE–mica composites”, J. Appl. Polym. Sci., 59, PP. 1709-1714. 6. B. D. Favis, Blandchard, J. Leonard and R.E. Prud’homme (1983), “The interaction of a cationic silane coupling agent with mica”, Journal of Applied Polymer Science, 28, PP.1235-1244. 7. B. D. Favis, M. Leclerc and R.E. Prud’homme (1983), “Coupling of polystyrene to a silane-treated mica”, Journal of Applied Polymer Science, 28, PP. 3565-3572. 8. C. Busign, C. M. Martines and R. T. Woodhams (1983), “Factors affecting the mechanical properties of mica-filled polypropylenes”, Polym. Eng. Sci., 23, PP. 766-770. 9. C. Busign, R. Lahtinen, C. M. Martines, G. Thomas and R. T. Woohams (1984), “The properties of mica-filled polypropylenes” Polym. Eng. Sci., 24, PP. 169-174. 10. C.R.G. Furtado, J.L. Leblanc, R.C.R. Nunes (2000), “Mica as additional filler in SBR– silica compounds”, European Polymer Journal (36), PP. 1717-1723. 11. Dipak Baral, P. P. De, Golok B. Nando (1999), “Thermal characterization of mica-filled thermoplastic polyurethane composites”, Polymer Degradation and Stability, 65, PP. 4751. 12. D. L. Faulkner (1988), “Toughened mica-filled polypropylene systems”, J. Appl. Polym. Sci., 36, PP. 467. 13. Daniel F. Castro et. al., (2003), “Effect of mica addition on the properties of natural rubber and polybutadien rubber vulcanizates”. Journal of Applied Polymer Science, 90, PP. 2156-2162. 14. E. Kiss and C-G. Golander (1990), “Chemical derivatization of muscovite mica surfaces”, Colloids and Surfaces, 49, PP. 335-342. 15. Hydrophobicity, hydrophilicity and silane surface modification (2006), Gelest, Inc. 16. H. S. Katz and J. V. Milewske (1987), “Handbook of fillers for plastics”, New York, Van Nostrand. 17. Industrial Grade (2000), C. A> S>, 12001/26/2. Sericit. 18. J. Lusis, R. T. Woodhams and M. Xanthos (1973), “The effect offlake aspect ratio on the flexural properties of mica reinforced plastics”, Polym. Eng. Sci., 13 (2), PP. 139. 19. Karian, Ph.D., Harutun G (1999), “Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites”, Marcel Dekker Incorporated. 20. Krishna G. Bhattacharyya (1993), “XPS study of mica surfaces”, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 63, PP. 289-306. 21. K. Okuno and R. T. Woodhams (1975), “Mica reinforced polypropylene”, Polym. Eng. Sci., 15, PP. 308-315. 22. M. S. Boaira and C. E. Chapffey (1977), “Effects of coupling agents on the mechanical and rheologica properties and mica-reinforced polypropylene”, Polym. Eng. Sci., 17, PP. 715-718. 23. M. Xanthos (1979), “Mica Filler/ reinforcement in flake form”, Sheets Plast. Compos., 2, PP. 19-29. 24. Peter Herder, Lena Vagberg and Per Stenius (1988), “ESCA and contact angle studies of the adsorption of aminosilanes on mica”, Colloid and Surfaces, 34, PP. 117-132. 25. Petr Kalenda et. al. (2004), “Properties of surface-treated mica in anticorrosive coatings”, Progress in Organic Coatings, 49, PP. 137-145. 26. P. L. Fernando (1988), “Fracture toughness of filled polypropylene copolymer systems”, Polym. Eng. Sci., 28, PP. 806-814. 27. Puspha Bajaj, N. K. Jha and A. Kumar (1988), “Effect of silane treated Antimony compounds Polymer”, J. Appl. Polym. Sci., 56, PP. 1339-1347. 28. Rothon and Roger (2002), “Particulate filler for Polymer”, Smithers Rapra. 29. S. Debnath, S. K. De, D. Khastgir (1987), “Effect of silane coupling agent on vulcanization, network structure, polymer-filler interaction, physical properties and failure mode of mica-filled styrene-butadiene rubber”, Journal ò Materials Science, 22, PP. 44534459. 30. S. E. Tausz and C. E. Chaffey (1982), “Coupling of mica as filler in polypropylene”, J. Appl. Polym. Sci., 1982, 27, PP. 4493. 31. Tariq M. Malik (1991), “Morphological and mechanical studies of surface treated mica reinforced high density polyethylene”. Polymer Bulletin, 26, PP. 709-714. 32. T. Vu-Khanh, B. Sanschgrin and B. Fisa (1985), “Fracture of mica-reinforced polypropylene: Mica concentration effect”, Polym. Compos.,5, PP. 249-260. 33. T. Vu-Khanh and B. Fisa (1986), “Fracture behavior of mica-reinforced polypropylene: Effects of coupling agent, flake orientation, and degradation”, Polym Compos., 7, PP. 219-226. 34. Xiadong Zhou, Ruohua, Quangfang Lin. Journal of Materials Science (2006), “Effect of block copolymer coupling agents on properties of mica reinforced polymeric composites”, 41, PP. 7879-7885.
- Xem thêm -