Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính chất của vật liệu cao su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
----------

NGUYỄN THỊ YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA KHOÁNG TALC ĐẾN TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU CAO SU

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi Trường

Người hướng dẫn khoa học
ThS. NGUYỄN VĂN THỦY
PGS. TS. NGÔ KẾ THẾ

HÀ NỘI – 2016


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được hoàn thành tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme
& Compozit, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Văn
Thủy và PGS.TS Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật
liệu Polyme & Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại
học Sư Phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá
trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này.
Qúa trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn nên
không tránh khỏi một số sai sót, em sẽ hoàn thiện sau khi nhận được ý kiến
chỉ bảo của Hội đồng.
Em xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Thị Yến

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KLPT

Khối lượng phân tử


NBR

Cao su nitril butadien

Phòng lão 4020

Chất phòng lão N-(1,3 dimetylbutyl)
N’fenyl-p-fenylendiamin

PKL

Phần khối lượng

PP

Nhựa polypropylen

PVC

Nhựa Polyvinyl clorua

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VC

Vinyl clorua

Xúc tiến M

Xúc tiến mercaptobenzothiazol

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể khoáng talc .......................................................... 10
Hình 1.2: Quá trình biến đổi bề mặt khoáng ................................................... 12
Hình 1.3: Tỷ lệ bề mặt của chất độn ............................................................. 15
Hình 1.4: Phụ thuộc mô đun uốn và tỷ lệ bề mặt của chất độn ...................... 16
Hình 1.5: Phụ thuộc mô đun uốn và kích thước hạt chất độn ......................... 17
Hình 1.6: Mô đun uốn khi kích thước hạt từ 1-3µm ...................................... 17
Hình 1.7: Độ cứng của hợp chất PP có chứa khoáng talc với tỷ lệ bề mặt cao,
tỷ lệ bề mặt trung bình và canxicacbonat ........................................................ 18
Hình 1.8: Phụ thuộc hàm lượng chất độn và mô đun uốn ............................. 18
Hình 2.1: Máy cán hãng TOYOSEIKI- Nhật Bản .......................................... 22
Hình 2.2: Máy ép hãng TOYOSEIKI (Nhật Bản). ......................................... 23
Hình 2.3: Thiết bị đo lực kéo/ độ dãn dài hãng Gotech AI – 7000M ............. 24
Hình 2.4: Thiết bị đo độ cứng TECLOCK Jisk 6301A .................................. 25
Hình 3.1: Phân bố kích thước khoáng talc A .................................................. 27
Hình 3.2: Phân bố kích thước khoáng talc B .................................................. 27
Hình3.3: Phân bố kích thước khoáng talc C ................................................... 28
Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ bền kéo vật liệu .......... 29
Hình 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ dãn dài khi đứt của
vật liệu ............................................................................................................ 30
Hình 3.6: Ảnh hưởng của kích thước bột talc đến độ bền kéo vật liệu .......... 32
Hình 3.7: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt
vật liệu ............................................................................................................ 33
Hình 3.8: Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn vật liệu..... 34
Hình 3.9: Độ trương các mẫu trong môi trường dầu diezen ........................... 35

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Ảnh hưởng khoáng talc đến độ bền kéo đứt vật liệu ..................... 29
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu ... 30
Bảng 3.3: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ bền kéo đứt vật liệu .... 31
Bảng 3.4: Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt vật
liệu ................................................................................................................... 32
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn ......... 33
và độ cúng vật liệu .......................................................................................... 33

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1.1. Cao su nitril butadien .............................................................................. 3
1.1.1. Lịch sử phát triển của cao su nitril butadien ......................................... 3
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo .................................................................................... 3
1.1.3. Tính chất cơ lý và công nghệ .................................................................. 4
1.2. Polyvinylclorua ( PVC ) ........................................................................... 5
1.2.1. Giới thiệu về PVC ................................................................................... 5
1.2.2. Nguyên liệu tổng hợp PVC ...................................................................... 5
1.2.3. Phản ứng tổng hợp PVC ......................................................................... 6
1.2.4. Tính chất của PVC .................................................................................. 7
1.4.5. Ứng dụng của PVC ................................................................................. 8
1.3. Blend NBR/PVC ....................................................................................... 8
1.4. Bột Talc ................................................................................................. 10
1.4.1. Biến đổi bề mặt bột talc ....................................................................... 11
1.4.2. Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến tính chất vật liệu polymer 15
1.4.3. Ứng dụng khoáng talc trong polyme..................................................... 19
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................... 21
2.1. Nguyên vật liệu ....................................................................................... 21
2.1.1. Cao su và các phụ gia ........................................................................... 21
2.1.2. Khoáng talc ........................................................................................... 21
2.1.3. Chất biến đổi bề mặt ............................................................................. 21

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu ................................................... 21
2.2.1. Biến đổi bề mặt bột khoáng talc............................................................ 21
2.2.2. Phương pháp chế tạo mẫu .................................................................... 22
2.3. Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu............................... 23
2.3.1. Tính chất cơ lý của vật liệu ................................................................... 24
2.3.1.1 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt................................................ 24
2.3.1.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt ......................................... 25
2.3.1.3. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu ..................................... 25
2.3.1.4. Phương pháp xác định độ bền mài mòn ........................................... 26
2.3.2. Đánh giá độ bền môi trường dầu điezen............................................... 26
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 27
3.1. Khảo sát kích thước hạt của các loại khoáng talc ................................ 27
3.2. Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ bền kéo đứt của vật liệu cao su P70K.. 28
3.3. Ảnh hưởng của khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu cao
su P70K........................................................................................................... 30
3.4. Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ bền kéo vật liệu cao
su P70K .......................................................................................................... 31
3.5. Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến độ dãn dài khi đứt vật
liệu cao su P70K............................................................................................. 32
3.6. Ảnh hưởng của kích thước hạt khoáng talc đến độ mài mòn và độ
cúng vật liệu ................................................................................................... 33
3.7. Khảo sát độ trương các mẫu trong môi trường dầu diezen ...... 35
KẾT LUẬN .................................................................................................... 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 37

Nguyễn Thị Yến

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên có tên gọi hóa học
là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là Mg3Si4O16(OH)2.
Trong tự nhiên quặng talc thường chứa các tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O,
CaO... hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm.
Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp. Cấu trúc lớp
cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2/hyđroxyl nằm kẹp giữa
2 lớp tứ diện SiO2. Hình thái dẹt độc đáo của nó có nhiều lợi thế khi được sử
dụng làm chất đột cho các vật liệu polyme. Talc tăng cường độ bền uốn của
các vật liệu trên cơ sở polypropylen, tăng khả năng chống xâm thực của các
loại sơn bảo vệ . Talc góp phần làm ổn định huyền phù, kiểm soát độ phẳng,
tăng độ bền hóa học, phủ lấp để tạo mặt phẳng, hoàn thiện màng phim và gia
tăng khả năng chịu tác động thời tiết của màng phủ. Talc thường tự lơ lửng
trong sơn và hỗ trợ các chất tạo màu khác lơ lửng, khi sự lắng xảy ra thì nó
thường tự động trở lại trạng thái lơ lửng do nó rất nhẹ. Mặc dù talc là chất kị
nước nhưng nó lại phân tán dễ dàng trong hầu hết các loại sơn, bao gồm cả
môi trường dung dịch nước.
Trong công nghiệp cao su: Talc được làm chất phụ gia cho quá trình
chế biến và làm chất độn gia cường. Giúp các nhà sản xuất lốp xe làm giảm
độ dày và trọng lượng của lốp. Cao su bổ sung bột tan talc sẽ tiết kiệm giá
thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so với dùng nguyên liệu
cao su. Sử dụng bột talc không thấm nước giúp nhà sản xuất tạo lốp xe nhẹ,
mỏng với sức cản lăn thấp và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn. Talc cũng tiết kiệm
năng lượng do việc làm giảm độ nhớt của hợp chất cao su làm cho các bộ
phận đúc và ép dễ dàng hơn.

Nguyễn Thị Yến

1

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Đề tài khóa luận “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến tính
chất của vật liệu cao su” nhằm tìm ra hàm lượng khoáng talc với phân bố
kích thước thích hợp để cho vật liệu cao su có tính chất tốt.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm ra hàm lượng khoáng talc với kích thước hạt thích hợp để cao su
có tính chất cơ lý, độ mài mòn, độ cứng tốt nhất
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc đến tính chất của vật
liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc tính chất của vật liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng của khoáng talc đến độ mài mòn và bền môi
trường của vật liệu.
- Xác định thành phần vật liệu tối ưu.

Nguyễn Thị Yến

2

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Cao su nitril butadien

1.1.1. Lịch sử phát triển của cao su nitril butadien
Cao su nitril butadien công ngiệp ra đời năm 1937 ở Cộng hòa Liên
bang Đức. Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, cao su nitril butadien được tổ
chức sản xuất công nghiệp ở Liên Xô cũ. Ngày nay, cao su NBR trở thành
một trong những cao su được sử dụng nhiều nhất [1,2].
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo
NBR là sản phẩm đồng trùng hợp butadien-1,3 và acrylonitril với sự có
mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử persunfat kali và trietanolamin. Phản ứng
diễn ra như sau:
n CH 2

=CH
(

CH

CH 2

= CH 2

+ mCH 2

=

CH CH

CH2

=CH

CN

) a ( CH 2 =CH ) b
CN

Sản phẩm này là sản phẩm chính, ngoài ra còn có sản phẩm phụ là sản
phẩm mạch vòng 4-xiano xiclohecxen tạo cho NBR mùi đặc trưng (mùi nhựa
cây đu đủ).
HC

CH2
+

CH2
HC

HC

HC
CN

CH2

HC

CH2
CH

CN

CH2

CH2

Hàm lượng của monome acrylonitril trong hỗn hợp càng cao thì sản
phẩm phụ tạo ra càng nhiều. NBR có nhiều sản phẩm phụ càng có màu thẫm
hơn và có mùi rõ hơn.
Monome butadien-1,3 tham gia vào phản ứng hình thành mạch đại
phân tử chủ yếu ở vị trí 1,4 trans đồng phân.

Nguyễn Thị Yến

3

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Ví dụ: Trong cao su CKH-26 được sản suất ở Liên Xô cũ có 77,4%
monome butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 trans và 12,4% monome
butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 - cis và 10,2% monome butadien tham
gia vào phản ứng ở vị trí 1,2.
Khối lượng phân tử trung bình của NBR dao động trong khoảng từ
200.000 đến 300.000.
1.1.3. Tính chất cơ lý và công nghệ
NBR có cấu trúc không gian không điều hòa, vì thế nó không kết tinh
trong quá trình biến dạng. Tính chất cơ lý, tính chất công nghệ của NBR phụ
thuộc vào hàm lượng nhóm nitril trong nó. Khả năng chịu môi trường dầu
mỡ, dung môi hữu cơ tăng cùng với hàm lượng nhóm nitril tham gia vào phản
ứng tạo mạch phân tử cao su. Ảnh hưởng của nhóm nitril đến khả năng chịu
dầu mỡ của NBR có thể giải thích theo hai cách sau:
 Theo thuyết hấp phụ
Do liên kết

C N trong cao su có độ phân cực lớn (+ ở nguyên tử

Carbon và - ở nguyên tử nitơ) nên lực tác dụng tương hỗ giữa các đoạn mạch
phân tử có chứa nhóm –CN tăng. Năng lượng liên kết vật lý giữa các đoạn
mạch cao, năng lượng kết dính nội càng lớn khi hàm lượng nhóm –CN càng
cao. Năng lượng liên kết nội ngăn chặn hiện tượng tách các phân tử polyme ra
xa trong quá trình trương và hoà tan. Vì thế cùng với hàm lượng nhóm nitril
tăng khả năng chịu dầu mỡ của cao su cũng tăng.
 Theo thuyết che chắn
Do kích thước không gian các nhóm –CN lớn và khoảng cách không
gian giữa nhóm này với liên kết không no gần nên nó đã bao trùm lên không
gian các liên kết không no, ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân tác dụng
(phân tử của dầu, mỡ,…) vào không gian liên kết đôi và khoảng không gian
giữa các mạch đại phân tử. Khi hàm lượng nhóm nitril trong mạch cao su

Nguyễn Thị Yến

4

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

càng cao và hiệu quả che chắn càng cao hay nói cách khác khả năng chịu dầu
mỡ càng cao.
Tuy nhiên, nhóm –CN trong mạch đại phân tử làm tăng độ thẩm thấu
nước của NBR so với một số loại cao su không phân cực khác [3].
NBR là loại cao su phân cực lớn nên nó có khả năng trộn hợp với hầu
hết các poyme phân cực, với các loại nhựa tổng hợp phân cực,… NBR có
chứa liên kết không no trong mạch chính mạch đại phân tử nên nó có khả
năng lưu hoá bằng lưu huỳnh phối hợp với các xúc tiến lưu hoá thông dụng.
Ngoài hệ thống lưu hoá thông dụng NBR còn có khả năng lưu hoá bằng
xúc tiến lưu hoá nhóm thiuram, nhựa phenol formandehit cho tính chất cơ lý
cao và chịu nhiệt tốt.
Để cải thiện tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng, người
ta thường tạo blend của NBR với những vật liệu khác như cao su thiên nhiên
hoặc nhựa Polyvinyl clorua (PVC)…
1.2. Polyvinylclorua ( PVC )
1.2.1. Giới thiệu về PVC
PVC được nhắc đến bắt đầu từ năm 1837. Nhưng mãi đến năm 1872
mới ra đời PVC có độ cứng cao, có nhiệt độ nóng chảy bé hơn 130 0C, là loại
nhựa có độ chịu nhiệt không cao lắm.
Nhựa này được nghiên cứu và biến đổi tính chất đầu tiên với chất hoá
dẻo, sản phẩm khi đó là sự tổ hợp của PVC và DBP/DOP.
Đến năm 1930 sản phẩm PVC đã bắt đầu được thương mại hoá.
1.2.2. Nguyên liệu tổng hợp PVC
PVC được tổng hợp từ CH2=CHCl (vinylclorua). Ở điều kiện thường
vinyl clorua (VC) là khí có mùi khó chịu như ete. Ở - 13,9 0C VC hoá lỏng,
có khối lượng riêng là 0.969 (g/cm3). Nhiệt độ nóng chảy của VC là – 159
0

C.

Nguyễn Thị Yến

5

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Là một chất khí độc, khi bảo quản cần chú ý để không bị rò rỉ. VC
tan tốt trong clorofom, rượu, các hydrocacbon mạch vòng thơm…không
tan trong nước.
Trong công nghiệp VC được tổng hợp từ axetylen:
C2H2 + HCl  CH2=CHCl
Quá trình diễn ra trong pha lỏng hoặc pha khí, xúc tác Ag kim loại. Khi
điều chế cần chú ý loại bỏ hơi nước trong nguyên liệu đầu, phản ứng diễn ra ở
120 – 200 0C. Hỗn hợp sản phẩm sau đó cần được tinh chế ở nhiệt độ thấp.
Vinylclorua được chế tạo lần đầu tiên từ etylen
CH2=CH2 + Cl2  ClCH2 - CH2Cl  CH2=CHCl + HCl
Phương pháp này có ưu điểm là nguyên liệu dễ kiếm, dễ tìm, sản phẩm
thu được có độ tinh khiết cao hơn [4].
1.2.3. Phản ứng tổng hợp PVC
Có thể sử dụng cả 4 phương pháp để tổng hợp PVC: huyền phù, nhũ
tương, dung dịch, trùng hợp khối.
nCH2=CHCl  [ - CH2 – CHCl - ]n
Xúc tác sử dụng là: peroxyt, persunfat,… Nhiệt độ phản ứng phải nhỏ
hơn 750C, để tránh phân huỷ clo làm đứt mạch phân tử.
Ngoài quá trình đứt mạch còn có quá trình chuyển mạch từ monome lên
polyme. Sản phẩm trong quá trình tổng hợp thu được có cấu trúc là đầu - đầu,
đầu–đuôi, đuôi – đuôi. Sản phẩm thương mại thường có cấu trúc là đầu - đầu.
Quá trình trùng hợp diễn ra qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn sơ bộ: Mức độ chuyển hoá < 10%.
- Giai đoạn sâu hơn: Cần đưa thêm các chất khơi mào và monome. Sản
phẩm thu được có KLPT từ 30.000 đến 90.000.
Trong thực tế vẫn tồn tại 4 loại sản phẩm PVC được tổng hợp bằng 4
phương pháp khác nhau:

Nguyễn Thị Yến

6

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- Phương pháp huyền phù chiếm 80%.
- Phương pháp nhũ tương chiếm 10 – 15%.
- Phương pháp trùng hợp khối chiếm 10%.
- Phương pháp trùng hợp dung dịch chiếm phần còn lại.
1.2.4. Tính chất của PVC
Nhựa PVC có KLPT trung bình từ 30.000 – 90.000 được xác định liên
quan đến hệ số K của PVC và nhiệt độ của hỗn hợp dung dịch. Hầu hết PVC
thương phẩm có K = 50 – 80.
K liên quan đến độ nhớt được tính là độ nhớt của 0,05g PVC/độ nhớt
của 1ml dung môi ở 25 0C.
PVC là loại nhựa nhiệt dẻo có t0g = 80 0C và t0cm = 160 0C, nghĩa là
dưới 800C PVC ở trạng thái thuỷ tinh, từ 80 0C đến 160 0C thì PVC ở trạng
thái co giãn nhiều và trên 160 0C thì PVC ở trạng thái chảy dẻo. Nhưng có
một đặc điểm là trên 140 0C thì PVC đã bắt đầu bị phân huỷ và giải phóng
HCl trước khi chảy dẻo.
Nhựa PVC là một polyme vô định hình ở dạng bột màu trắng đôi khi
hơi vàng nhạt. Trọng lượng riêng là 1,4 g/ml và chỉ số khúc xạ là 1,544.
Nhựa PVC ở nhiệt độ thường có độ ổn định hóa học tốt, bền với axit,
kiềm yếu, có tính chất cơ lý, cách điện tốt.
PVC là nguyên liệu không dễ cháy. Nhiệt độ bốc cháy của nó cao hơn
nhiệt độ bốc cháy của gỗ, PVC dễ cháy hơn khi có mặt chất hóa dẻo. Khi
cháy tạo ra khí CO2, CO và một lượng khí HCl nên rất độc.
PVC có tính hoạt động hoá học khá lớn ở nhiệt độ cao, trong các quá
trình biến đổi hoá học đều có các nguyên tử clo tham gia vào phản ứng và
thường kéo theo cả nguyên tử hydro ở cacbon bên cạnh.

Nguyễn Thị Yến

7

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nhựa PVC có độ chịu mài mòn cao, cách điện tần số cao kém. Nhựa
PVC có độ bền nhiệt thấp, kháng thời tiết tốt, ổn định kích thước tốt, chống
lão hoá cao, dễ tạo màu sắc [5].
1.4.5. Ứng dụng của PVC
Nhựa PVC được chia làm 2 loại:
- PVC không hoá dẻo (PVC cứng): Màng và tấm PVC cứng dùng để
bọc lót thùng điện phân, làm thùng chứa axit, kiềm, chi tiết trong máy bơm,
màng ngăn trong thùng acquy,… Ống PVC cứng dùng chuyên chở các chất
lỏng ăn mòn. Dùng làm lược, cúc,… trong điện kỹ thuật dùng thay ebonit.
- PVC hoá dẻo: Dùng làm ống dẫn nước, dẫn khí, băng tải. Trong xây
dựng dùng để sản xuất tấm lợp. Chế tạo các sản phẩm sử dụng trong dân dụng
và y tế.
Khi clo hóa PVC tạo thành Perclovinyl, có thể clo hoá đến 65 đến 68 %
clo trong PVC. Perclovinyl hoà tan trong nhiều dung môi như axeton,
clobenzen,...
Perclovinyl dùng để sản xuất ra một loại sợi tổng hợp rất tốt gọi là tơ
clorin dùng để sản xuất vải lọc, băng chuyền và quần áo bảo hộ lao động.
Ngoài ra perclovinyl có khả năng hoà tan trong một số dung môi, lại có khả
năng bám dính tốt nên được dùng để làm sơn bảo vệ thời tiết tốt.
PVC là chất dẻo đa dạng và được xếp thứ 2 sau PE về mức độ tiêu thụ,
PVC sử dụng nhiều nhất trong ngành xây dựng và kết cấu.
1.3. Blend NBR/PVC
Vật liệu polyme blend là vật liệu được cấu thành từ hai hay nhiều
polyme nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su. Thông qua đó có thể tối ưu
hóa về mặt tính năng cơ lý và giá thành cho mục đích sử dụng nhất định [6].
Vật liệu blend NBR/PVC đã được chế tạo từ năm 1936. Cho đến nay,
đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu

Nguyễn Thị Yến

8

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

blend này. Trước năm 1970, NBR thường được phối trộn cùng với một lượng
PVC thấp hơn để chế tạo blend cao su chưa được lưu hóa bằng phương pháp
thông thường. Các vật liệu này có ưu điểm hơn hẳn cao su NBR, đó là độ bền
cơ lý cao, chống chịu tác động ozon và các điều kiện môi trường cũng như
bền oxy hóa nhiệt và thường được ứng dụng để chế tạo các loại ống dẫn dầu,
dẫn khí, vỏ bọc cáp điện, trục in và đế giày đặc chủng… Thông thường blend
cao su trên cơ sở NBR và PVC có độ đàn hồi kém hơn và độ biến dạng dư cao
hơn so với NBR.
Từ hơn 2 thập kỉ nay, các công trình nghiên cứu đã chú trọng vào lĩnh
vực blend cao su nhiệt dẻo, trong đó PVC là thành phần chính và là thành
phần có cấu trúc pha liên tục trong hệ. Ban đầu các blend chủ yếu được chế
tạo từ PVC và NBR dạng bánh trên máy trộn kín hoặc máy cán có gia nhiệt
một cách liên tục. Từ năm 1983, NBR dạng bột được chế tạo từ dạng bánh
với nhiều chủng loại khác nhau.
Cũng như các polyme blend khác, tính chất cơ lý của blend NBR/PVC
phụ thuộc vào nhiều thông số của vật liệu và điều kiện công nghệ.
Các chất độn thông thường như bột Talc, CaCO3, CaSO4… được đưa
vào blend có tác dụng cải thiện một số tính chất của sản phẩm, song chủ yếu
để hạ giá thành của vật liệu [7].
Khi cho NBR vào PVC, NBR hoạt động như một chất hóa dẻo cho
nhựa PVC trong các lĩnh vực như làm sợi dây và cáp cách điện, thùng chứa
thực phẩm, vỏ thùng dùng để chứa dầu… Mặt khác, PVC giúp cải thiện tính
kháng ozon, lão hóa nhiệt và kháng chất hóa học của NBR trong các lĩnh vực
như làm các miếng đệm, vỏ băng tải, vỏ trục in ấn,… PVC cũng cải thiện tính
bền mài mòn, chịu mòn, và các tính chất bền kéo, làm tăng đặc tính chống
cháy. Blend PVC/NBR có thể được xay nghiền, ép đùn và đúc nén dễ dàng
khi sử dụng các thiết bị gia công truyền thống cho CSTN và CSTH [8].

Nguyễn Thị Yến

9

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Trên thị trường hiện nay thường có các hỗn hợp blend NBR/PVC với tỉ
lệ 80/20 ÷ 70/30 có tính năng cơ lý cao, có khả năng bền nhiệt, chống cháy và
đặc biệt có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến 100oC, hệ số già hóa đạt
0,9 [20]. Vật liệu làm tăng khả năng kháng ozon, kháng trương nở trong dầu
và tăng độ bền kéo. Nhưng khả năng kháng ozon chỉ được cải thiện khi PVC
phải chảy và phân tán tốt vào hỗn hợp [9].
1.4. Bột Talc [12]
Talc là một khoáng chất trong tự nhiên được khai thác từ lớp vỏ trái
đất. Chính xác hơn talc là hydrat magie silicat thuộc họ của phyllosilicates. Bình
thường, talc cho là đá xà phòng do cảm giác giống xà bông khi chạm vào.
Công thức hóa học của talc là Mg3Si4O10(OH)2, nó như là sandwich có
cấu trúc tinh thể. Talc bao gồm một lớp Mg(OH)2 kẹp giữa là hai lớp SiO2.

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể khoáng talc

Theo lý thuyết, thành phần hóa học của talc gồm 31,88% MgO, 63,37%
SiO2 và 4,75% H2O. Trong tự nhiên, talc không tồn tại theo dạng lý thuyết.
Một lượng nhỏ nguyên tử Mg và Si trong khoáng talc có thể thay thế bằng sắt
(Fe), nhôm (Al), niken (Ni) và các cation khác có kích thước tương tự. Hơn
nữa khi quặng talc được khai thác nó cũng có thể bao gồm các loại khoáng
khác như là magnesite, dolomite, chlorite, calcite, quartz và tremolite. Để đảm
bảo độ tinh khiết cao, thường sử dụng kỹ thuật tuyển nổi để loại bỏ các loại
khoáng khác. Độ tinh khiết của khoáng talc thu được cao hơn, độ đồng nhất
của sản phẩm được cải thiện.

Nguyễn Thị Yến

10

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Talc là chất kỵ nước, là loại ưa dầu đảm bảo tương tác tốt với các loại
nhựa. Điều này trái với khoáng đi kèm thường được tìm thấy trong talc, chúng
ưa nước hơn.
Do talc có cấu trúc phiến, dễ dàng phối trộn với các loại nhựa, nó là
hàng rào tốt chống lại sự xâm nhập nước, dầu và khí (CO2 và O2). Điều này
có lợi thế rõ ràng khi sử dụng trong bao bì thực phẩm và bao bì khác. Ngoài
ra, talc trơ hóa học, không talc trong axit, trong dầu.
Talc tinh khiết có độ cứng mềm nhất so với các loại khoáng với độ
cứng là 1.
Giữa mạng tinh thể khoáng talc có lực liên kết Van der Waal yếu, do đó
các lớp talc phân tách dễ dàng, nó rất mềm có cảm giác giống xà phòng.
Talc là một thành phần được sử dụng trong công nghiệp giấy, sơn,
nhựa, cao su, ceramic, phân bón, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, dược phẩm và
các ứng dụng khác.
Talc sử dụng để tăng độ cứng của nhựa nhiệt dẻo, chủ yếu là
polypropylene, polyetylen và polyamit (nylon). Ứng dụng chủ yếu trong các
bộ phận động cơ tự động, thiết bị gia dụng và nhựa kỹ thuật.
Tuy nhiên việc phân lớp, phân tán, phân bố của talc bên trong polyme,
tương tác pha giữa các hạt talc và polyme nền, đều có ảnh hưởng tới tính chất
của polyme/talc. Talc chưa xử lý bề mặt sẽ dẫn đến quá trình kết tụ khi được
phối trộn với polyme, kết quả là độ phân bố thấp. Bên cạnh đó, khả năng
tương thích kém giữa bề mặt talc và polyme dẫn đến độ bám dính bề mặt pha
thấp làm suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu.
1.4.1. Biến đổi bề mặt bột talc [13,14]
Talc cũng như các vật liệu vô cơ khác như sợi thuỷ tinh, mica, các oxit
kim loại... thường tương tác bề mặt kém với các polyme và cao su. Khi sử
dụng các vật liệu này làm chất gia cường thì cần phải nâng cao độ tương tác

Nguyễn Thị Yến

11

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

giữa các pha để sản phẩm đạt được các tính năng cơ lý hoá cao. Tùy thuộc
vào lĩnh vực ứng dụng mà bột khoáng talc cần được biến tính bề mặt để tạo ra
sự tương tác thích hợp của talc với các vật liệu nền lựa chọn. Biến đổi bề mặt
khoáng talc bằng các hợp chất silan là một phương pháp đang được sử dụng
phổ biến hiện nay để đạt được mục đích trên.
Silan là hợp chất hoá học của silic có chứa 2 loại nhóm hoạt tính trên
cùng một phân tử [3]. Một hợp chất silan đặc trưng được mô tả như sau:
(RO)3SiCH2CH2CH-X
Trong đó RO là nhóm chức rất dễ bị thuỷ phân như là các nhóm methoxy,
ethoxy, acetoxy...; X là nhóm chức hữu cơ như là amino, epoxy, vinyl ...
Silan có thể thực hiện tương tác giữa các đế vô cơ như thuỷ tinh, kim
loại hay khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành
các liên kết hoá học hay kết nối khác.
Quá trình biến đổi bề mặt khoáng xảy ra qua bốn giai đoạn.
1. Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị thuỷ phân tạo ra các thành phần chứa silanol.
2. Tiếp đó là quá trình ngưng tụ của các silanol thành oligome.
3. Các oligome sau đó tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl có
trên bề mặt của chất nền.
4. Cuối cùng là quá trình polyme hóa cùng với sự tách nước để tạo
thành các liên kết hóa trị giữa hợp chất silan với đế vô cơ.

Hình 1.2: Quá trình biến đổi bề mặt khoáng

Nguyễn Thị Yến

12

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của talc được hoạt hoá
nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia cường cho
các vật liệu polyme hay cao su, talc có thể tạo liên kết hoá học hay vật lý với
các pha nền nhờ lớp silan có trên bề mặt sau khi biến tính.
Như vậy tùy từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần phải
lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến đổi tính
chất bề mặt talc.
Để biến đổi bề mặt khoáng nói chung bằng các hợp chất silan, có ba
phương pháp thông dụng đươc mô tả chung như sau [13]:
Phương pháp ướt: được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp ướt khoáng
chất với một dung dịch loãng của hợp chất silan. Phương pháp này có thể biến
đổi bề mặt của các khoáng chất với độ đồng đều cao.
Phương pháp khô: phương pháp này cần đến một máy trộn có tốc độ
cao để phân tán các tác nhân ghép silan lên trên bề mặt vật khoáng chất. Hợp
chất silan thường được sử dụng ở dạng tinh khiết hoặc dung dịch đặc. Phương
pháp này thường được áp dụng khi phải xử lý bề mặt của một khối lượng lớn
khoáng chất. Phương pháp này chỉ cần thời gian ngắn và cũng giải phóng ít
chất thải. Tuy nhiên nó khó có được độ đồng đều cao như phương pháp ướt.
Phương pháp phun: Các tác nhân ghép silan được phun lên bề mặt của
khoáng chất có nhiệt độ cao, thường diễn ra trong tủ sấy. Phương pháp này có
thể rút ngắn thời gian vì bỏ qua giai đoạn sấy khô để thực hiện phản ứng
polyme hóa và quá trình thực hiện đơn giản hơn, nhưng phải chú ý tới khả
năng bắt cháy.
Biến đổi bề mặt talc là một quá trình quan trọng. Khác với một số chất
độn gia cường khác như oxit silic, talc có đặc trưng kiềm nhẹ trong nước nên
quá trình biến đổi bề mặt phải có mặt của một tác nhân có tính axit. Khi tác
nhân kết nối được sử dụng, các liên kết hóa học có thể được tạo ra trên bề mặt
chất độn giữa các nhóm hydroxyl hay silanol và các nhóm alkoxy của tác

Nguyễn Thị Yến

13

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nhân ghép nối.
Quá trình biến đổi bề mặt được thực hiện với nhiều mục đích khác nhau
như để làm giảm sức căng bề mặt, phân bố không gian đồng đều hơn của chất
độn trong nền cao su hay nền polyme. Do đó, cao su hấp phụ lên bề mặt của
các hạt chất độn tăng lên và có đặc trưng màng. Chính vì vậy, độ cứng và độ
bền cao su tăng. Các phiến trong các hạt talc riêng lẻ là kỵ nước nhưng ở các
cạnh của các phiến này lại ưu nước do có mặt của các nhóm hydroxyl. A.
Krysztafkiewicz [15] và đồng nghiệp đã thực hiện quá trình biến đổi bề mặt
của talc bằng ba loại hợp chất silan khác nhau và sử dụng bột talc đã biến đổi
gia cường cho cao su. Kết quả chỉ ra rằng, trong tất cả các trường hợp chất
độn được biến đổi bề mặt, tính chất lưu biến của cao su lưu hóa đều được tăng
cường so với trường hợp chất độn không được biến đổi bề mặt. Bên cạnh đó,
kết quả nghiên cứu cũng chứng minh rằng quá trình biến đổi bề mặt talc với
sự có mặt của một tác nhân axit đã cải thiện khả năng thấm ướt bề mặt đối với
benzen và gia tăng số phân tử silan trên mỗi đơn vị của bột talc được xác định.
Chuah Ai Wah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tác
nhân ghép nối Titan đến tính chất lưu biến, các đặc trưng phân tán và tính
chất cơ lý của vật liệu PP được gia cường bột talc. Kết quả chỉ ra rằng độ
chảy nhớt của vật liệu giảm trong khi khả năng phân tán của các hạt chất độn
trong chất nền được tăng cường với sự có mặt của tác nhân ghép nối [19].
Xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh cho thấy hiện tượng dẻo hóa gây ra bởi
tác nhân ghép nối, từ đó dẫn tới thay đổi đáng kể các đặc trưng về hình thái
cấu trúc và các tính chất cơ lý.
S. Dı´ez-Gutie´rrez và các cộng sự đã khảo sát tính chất cơ của PP có
độn bột talc chưa xử lý bề mặt và đã xử lý bề mặt bằng tác nhân ghép nối
metacryloxypropyl silan và loại vinyl silan. Silan với hàm lượng rất nhỏ đã
cải thiện đáng kể độ bám dính giữa chất độn và nền PP, tăng khả năng sử
dụng cho vật liệu [20].

Nguyễn Thị Yến

14

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Lợi ích của biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan [14]
Xử lý bằng silan có thể cải thiện quá trình gia công, hiệu suất, và độ
bền của sản phẩm chứa khoáng biến đổi bề mặt:
-

Cải thiện độ bám dính giữa khoáng và polyme.

- Cải thiện độ thấm ướt của khoáng bởi polyme.
- Cải thiện độ phân tán của khoáng trong polyme.
- Cải thiện tính chất điện.
- Tăng tính chất cơ.
- Giảm độ nhớt hỗn hợp polyme/chất độn.
1.4.2. Ảnh hưởng kích thước hạt khoáng talc đến tính chất vật liệu polymer
Khi chọn một khoáng để làm tăng độ cứng của nhựa, có hai yếu tố quan
trọng là tỷ lệ bề mặt của khoáng và kích thước hạt của nó. Tỷ lệ bề mặt của một
hạt được định nghĩa là chiều dài lớn nhất của hạt chia cho chiều dày của nó.
Các hạt thường có dạng hình cầu, chẳng hạn như canxi cacbonat, có
chiều dài và độ dày ngang bằng nhau và tỷ lệ bề mặt là 1:1. Talc dài, mỏng,
có hình phiến, trong ảnh chụp kính hiển vi ảnh chụp quét, talc có tỷ lệ bề mặt
cao hơn canxi cacbonat, tỷ lệ bề mặt thường khoảng 20:1.

Hình 1.3: Tỷ lệ bề mặt của chất độn [10]

Nguyễn Thị Yến

15

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Các hạt có tỷ lệ bề mặt là 1:1 cũng làm tăng độ cứng của nhựa nhưng
khi các hạt có tỷ lệ bề mặt cao hơn độ cứng của nhựa sẽ tăng nhiều hơn. Talc
là khoáng có tỷ lệ bề mặt cao, là một trong những khoáng hiệu quả nhất để cải
thiện mô đun uốn.

Hình 1.4: Phụ thuộc mô đun uốn và tỷ lệ bề mặt của chất độn[11]

Kích thước hạt là nhân tố thứ hai để xem xét khi lựa chọn chất độn làm
tăng độ cứng của polymer. Thông thường, tỷ lệ bề mặt của một loại khoáng là
không thay đổi khi nó được nghiền mịn, nhưng với công nghệ nghiền talc đặc
biệt, chẳng hạn như dùng SMI để sản xuất talc siêu mịn, tỷ lệ bề mặt tăng lên
bởi vì chiều dày hạt giảm nhanh hơn chiều dài của nó. Do đó, talc nghiền theo
SMI có tỷ lệ bề mặt cao hơn làm cho nhựa có độ cứng lớn hơn. Hình 1.5 biểu
thị môđun uốn của copolymer polypropylene chứa 30% khối lượng bột talc
khi kích thước của bột talc giảm từ 10 micro tới 1 micro.

Nguyễn Thị Yến

16

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.5: Phụ thuộc mô đun uốn và kích thước hạt chất độn

Khi kích thước bột talc giảm xuống còn 3 micro, tỷ lệ bề mặt của
khoáng là tương đối ổn định. Hình 1.6 biểu thị phụ thuộc mô đun uốn của
nhựa khi kích thước bột talc giảm ừ 3 micro xuống cồn 1 micro.

Hình 1.6: Mô đun uốn khi kích thước hạt từ 1-3µm [10]

Nhìn chung, độ cứng của một polyolefin sẽ tăng gấp đôi khi thêm 20%
bột talc. Tuy nhiên hình dạng hạt là rất quan trọng, bột talc có hình phiến
nhiều hơn, độ cứng sẽ lớn hơn. Với mỗi hạt có dạng hạt nhất định, độ cứng
tăng nhẹ khi kích thước hạt giảm. Do đó, một thân quặng được được nghiền

Nguyễn Thị Yến

17

K38B - Hóa học


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

mịn sẽ có độ cứng cao hơn một chút so với thân quặng nghiền thô [23].
Độ cứng của hợp chất PP phụ thuộc vào hàm lượng bột talc, tỷ lệ bề
mặt và độ mịn của bột talc. Nhìn chung, khi lượng khoáng sử dụng nhiều hơn,
lượng chất độn cao hơn mô đun-mô đun tăng nhiều hơn.

Hình 1.7: Độ cứng của hợp chất PP có chứa khoáng talc với tỷ lệ bề mặt cao,
tỷ lệ bề mặt trung bình và canxicacbonat[22]

Điều này được thấy rõ trong ví dụ này, khoáng talc đặc biệt Flextalc@
610, cỡ hạt 1 micro, trong nhựa 7523 Basell (là một copolymer polypropylene).
Mô đun uốn tăng đều đặn khi thêm hàm lượng bột talc từ 0 tới 30% [10].

Hình 1.8: Phụ thuộc hàm lượng chất độn và mô đun uốn [10]

Nguyễn Thị Yến

18

K38B - Hóa học


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×