Luận văn Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit chế tạo từ cao su thiên nhiên và sét biến tính

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TỪ ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CHẾ TẠO TỪ CAO SU THIÊN NHIÊN VÀ SÉT BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nghiêm Xuân Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Hóa học Trường ĐHSP Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, phòng Polyme - Viện Khoa Học Vật Liệu và đặc biệt là TS. Ngô Kế Thế, NCS. Phạm Thị Hà Thanh đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cùng với sự biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, tổ chuyên môn Trường THPT Hải Đảo đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 7 năm 2011 Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Từ Đức Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên i MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cảm ơn Mục lục ................................................................................................................. i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .............................................................. iv Danh mục các bảng ............................................................................................. v Danh mục các hình ............................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 2 1.1. Tổng quan về khoáng sét bentonit. .......................................................... 2 1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit ........................................................ 2 1.1.2. Tính chất của bentonit ............................................................................... 4 1.2. Tổng quan về sét hữu cơ ............................................................................ 6 1.2.1. Phương pháp điều sét sét hữu cơ .............................................................. 6 1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ ................................................................................... 9 1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ ......................................................................... 10 1.2.4. Ứng dụng của sét hữu cơ ........................................................................ 10 1.3. Tổng quan cao su thiên nhiên. ................................................................ 11 1.3.1. Thành phần của cao su thiên nhiên (CSTN) . ......................................... 11 1.3.2. Cấu tạo hóa học của CSTN ..................................................................... 13 1.3.3. Tính chất của cao su thiên nhiên. ............................................................ 13 1.4. Tổng quan vật liệu polyme/clay nanocompozit. .................................... 15 1.4.1. Khái niệm ................................................................................................ 15 1.4.2. Các loại vật liệu polyme/clay nanocompozit ......................................... 17 1.4.3. Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme - clay nanocompozit. ................... 18 1.4.4. Tính chất của vật liệu polyme - clay nanocompozit. .............................. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ii 1.5. Các hƣớng nghiên cứu vật liệu polyme/clay nanocompozit và vật liệu CSTN/clay nanocompozit. ....................................................................... 20 CHƢƠNG II : THỰC NGHIỆM ................................................................... 25 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ................................................................. 25 2.1.1 Hóa chất .................................................................................................. 25 2.1.2. Dụng cụ .................................................................................................. 28 2.1.3 Thiết bị .................................................................................................... 28 2.2. Phƣơng pháp chế tạo mẫu ....................................................................... 29 2.2.1. Phương pháp điều chế sét hữu cơ ........................................................... 29 2.2.2. Phương pháp chế tạo hỗn hợp chủ CSTN/sét hữu cơ ............................. 29 2.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu CSTN clay nanocompozit ............... 29 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu mẫu ................................................................ 30 2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) ............................................. 30 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 31 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt .................................................................. 32 2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 33 2.3.5. Phương pháp xác định các tính chất cơ lý .............................................. 33 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 35 3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ ...... 35 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .......................................................... 35 3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit ............................... 37 3.1.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch ................................................................. 39 3.2. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của CSTN ......................................................................................................... 43 3.2.1. Nghiên cứu phương pháp phân tán sét hữu cơ vào nền cao su ............... 43 3.2.2. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ (P-DMDOA) cho vật liệu CSTN ......................................................................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên iii 3.2.3. Nghiên cứu khả năng gia cường của sét hữu cơ I.28E cho vật liệu CSTN .. 50 3.2.4. So sánh ảnh hưởng của các chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN ............................................................................................. 51 3.2.5. Nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu CSTN/clay nanocompozit ....... 52 3.3. Nghiên cứu khả năng gia cƣờng của sét hữu cơ đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit CSTN/tro bay ............................................................. 52 3.3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên. .......... 52 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính đến tính chất vật liệu cao su thiên nhiên/nanoclay P-DMDOA. ............................................ 54 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 57 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1. ABS Acryonitrile butadiene styrene 2. CSTN Cao su thiên nhiên 3. DMDOA Đimetylđioctađecylammoni clorua 4. HDPE High density poly ethylene 5. MMT Montmorillonit 6. NBR Cao su nitril 7. PCL Poly ε – caprolactone 8. PEO Poly etylen oxit 9. PLA Poly lactide 10. PMMA Poly metyl metacrylat 11. PP Poly propylene 12. PS Poly styren 13. PVA Poly vinyl ancol 14. Tg Nhiệt độ thủy tinh hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các chất hữu cơ dùng làm tác nhân biến tính MMT đang được sử dụng [6] ...................................................................................................... 8 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên ............................................. 12 Bảng 1.3. Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN .......... 14 Bảng 2.1. Thành phần của bentonit Prolabo – Pháp. ............................................... 25 Bảng 2.2. Đặc trưng kỹ thuật của nanoclay I. 28E. ................................................. 25 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay ............................................................. 26 Bảng 2.4 . Chỉ tiêu kỹ thuật CSTN .......................................................................... 27 Bảng 2.5. Hợp phần tiêu chuẩn chế tạo mẫu CSTN ................................................. 30 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 ................................... 36 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến (%) xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ. ................................................................................................ 36 Bảng 3.3. Hàm lượng DMDOA xâm nhập vào bentonit ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit khác nhau ................................................................... 38 Bảng 3.4. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo bằng phương pháp khối và dung dịch : .......................................................................... 43 Bảng 3.5. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/sét hữu cơ chế tạo trong dung dịch bằng khuấy cơ học và kết hợp với rung siêu âm : ........................... 44 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ P-DMDOA đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/P-DMDOA ............................................................ 48 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng sét hữu cơ I.28E đến tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/I.28E ................................................................................ 50 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của chất phụ gia nanoclay đến tính chất cơ lý của CSTN ..... 51 Bảng 3.9. Đánh giá vùng phân hủy nhiệt ban đầu .................................................... 52 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay tới tính chất của vật liệu CSTN ...... 53 Bảng 3.11. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính. ............................. 53 Bảng 3.12. Tính chất cơ lý của vật liệu CSTN/tro bay biến tính Si69/nanoclay. ..... 54 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay biến tính Si69 tới tính chất của vật liệu CSTN/sét hữu cơ ......................................................................... 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6 ..................................................... 2 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT ................................................................... 3 Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa hai lớp MMT ...................................................................................... 4 Hình 1.4. Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét ............................................................... 7 Hình 1.5. Cấu trúc của sét hữu cơ .............................................................................. 9 Hình 1.6. Các dạng vật liệu polyme/clay nanocompozit .......................................... 17 Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn của vật liệu polyme - clay nanocompozit ........................................................................................... 20 Hình 2.1. Phân bố kích thước hạt tro bay .................................................................. 26 Hình 2.2. Hình dạng và kích thước mẫu đo độ bền kéo đứt ..................................... 33 Hình 3.1. Giản đồ XRD của bentonit (Pháp) (a) và các mẫu sét hữu cơ ở các nhiệt độ 40oC, 50oC, 60oC; 70oC; 80oC tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5 (b). ............................................................................. 36 Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ ở các tỉ lệ khối lượng DMDOA/bentonit là 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;1,0; 1,1 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4, 5, 6 (a) và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 vào tỷ lệ khối lượng DMDOA/bentonit của các mẫu sét hữu cơ (b). .......................................................................................... 38 Hình 3.3. Giản đồ XRD (a) của các mẫu sét hữu cơ ở các giá trị pH 7, 8, 9, 10 tương ứng lần lượt với các đường 1, 2, 3, 4 và đồ thị (b) biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 vào pH dung dịch của các mẫu sét hữu cơ. ...... 40 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào thời gian phản ứng ............................... 41 Hình 3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bentonit (1) và sét hữu cơ (2) ...................... 41 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu bentonit (a) và sét hữu cơ (b) ..................................... 42 Hình 3.7. Phổ XRD của sét hữu cơ P-DMDOA ....................................................... 45 Hình 3.8. Phổ XRD của hỗn hợp chủ CSTN/P-DMDOA ........................................ 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên