Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu chế tạo cao su nanocompozit tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit từ blend cao su thiên nhiên và cao su nitril butadien cùng phụ gia nan.

• Tác giả: Hồ Thị Oanh
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Quang Kháng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend của cao su thiên nhiên với cao su nitril butadien và một số phụ gia nano
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit
• 1.2. Phân loại và đặc điểm của vật liệu cao su nanocompozit
• 1.3. Ưu điểm của vật liệu cao su nanocompozit
• 1.4. Phương pháp chế tạo
• 1.5. Các phụ gia nano
• 1.5.1. Ống nano carbon
• 1.5.2. Cao su thiên nhiên và cao su nitril butadien
• 1.5.2.1. Cao su thiên nhiên
• 1.5.2.2. Cao su nitril butadien
• 1.5.3. Một số loại vật liệu polyme nanocompozit điển hình
• 1.5.3.1. Vật liệu polyme ống carbon nanocompozit
• 1.5.3.2. Vật liệu polyme silica nanocompozit
• 1.6. Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị và hoá chất sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2.1. Hoá chất, vật liệu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Biến tính phụ gia nano
• 2.3.2. Phối trộn nanosilica với Si69
• 2.3.3. Biến tính CNT bằng polyvinylchloride (PVC)
• 2.3.4. Chế tạo mẫu cao su nanocompozit
• 2.3.5. Phương pháp xác định một số tính chất cơ học của vật liệu
• 2.3.5.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt
• 2.3.5.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt
• 2.3.5.3. Phương pháp xác định độ dãn dài dư
• 2.3.5.4. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu
• 2.3.5.5. Phương pháp xác định độ mài mòn
• 2.3.6. Nghiên cứu khả năng bền dầu mỡ, dung môi của vật liệu
• 2.3.7. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ
• 2.3.8. Nghiên cứu độ bền nhiệt của vật liệu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend của CSTN/NBR và nanosilica
• 3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu
• 3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Si69 tới tính chất cơ học của vật liệu
• 3.1.3. Cấu trúc hình thái của vật liệu
• 3.1.4. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu
• 3.1.5. Nghiên cứu khả năng bền dầu mỡ của vật liệu
• 3.2. Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend của CSTN/NBR và ống nano carbon
• 3.2.1. Biến tính CNT bằng polyvinylchloride
• 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT biến tính và chưa biến tính đến tính năng cơ học của vật liệu
• 3.2.3. Cấu trúc hình thái của vật liệu
• 3.2.4. Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cao su nanocompozit Tính chất và ứng dụng

Nghiên cứu về cao su nanocompozit đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Vật liệu này kết hợp giữa cao su thiên nhiên và các chất độn nano, mang lại nhiều tính chất ưu việt. Cao su nanocompozit không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của vật liệu này là rất cần thiết để phát triển các sản phẩm mới.

1.1. Định nghĩa và phân loại cao su nanocompozit

Cao su nanocompozit là loại vật liệu có nền là cao su và được gia cường bằng các chất độn nano. Các loại chất độn này có thể là nanosilica, ống nano carbon, và nhiều loại khác. Việc phân loại cao su nanocompozit dựa trên kích thước và hình dạng của chất độn, từ đó xác định được tính chất và ứng dụng của chúng.

1.2. Tính chất nổi bật của cao su nanocompozit

Cao su nanocompozit có nhiều tính chất nổi bật như độ bền kéo cao, khả năng chống mài mòn tốt và tính linh hoạt. Những tính chất này được cải thiện nhờ vào sự tương tác giữa các hạt nano và nền cao su, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu nhiệt của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu cao su nanocompozit

Mặc dù cao su nanocompozit có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự phân tán không đồng đều của các hạt nano trong nền cao su. Điều này có thể dẫn đến sự giảm sút tính chất cơ học của vật liệu. Ngoài ra, việc biến tính bề mặt của các hạt nano cũng là một thách thức quan trọng.

2.1. Sự phân tán của hạt nano trong cao su

Sự phân tán đồng đều của các hạt nano trong cao su là yếu tố quyết định đến tính chất của cao su nanocompozit. Nếu các hạt nano không được phân tán tốt, chúng có thể tạo ra các điểm yếu trong cấu trúc, làm giảm hiệu suất của vật liệu.

2.2. Biến tính bề mặt hạt nano Giải pháp cho vấn đề

Biến tính bề mặt của các hạt nano là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng tương tác giữa hạt nano và nền cao su. Các tác nhân ghép nối silan thường được sử dụng để tăng cường sự liên kết giữa các pha, từ đó nâng cao tính chất cơ học của vật liệu.

III. Phương pháp chế tạo cao su nanocompozit hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo cao su nanocompozit, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp trộn hợp, sol-gel và trùng hợp in-situ là ba phương pháp chính được sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phương pháp trộn hợp Đơn giản nhưng hiệu quả

Phương pháp trộn hợp là cách đơn giản nhất để chế tạo cao su nanocompozit. Các hạt nano được trộn vào nền cao su trong trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch. Tuy nhiên, việc phân tán đồng đều các hạt nano vẫn là một thách thức lớn.

3.2. Phương pháp sol gel Tạo ra vật liệu chất lượng cao

Phương pháp sol-gel cho phép tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano với độ đồng nhất cao. Quá trình này bao gồm thủy phân và trùng ngưng các phân tử alcoxide, giúp tạo ra mạng lưới liên kết chắc chắn giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ.

3.3. Trùng hợp in situ Giải pháp nhanh chóng và hiệu quả

Phương pháp trùng hợp in-situ cho phép chế tạo cao su nanocompozit một cách nhanh chóng và hiệu quả. Các hạt nano được xử lý trước và sau đó được phân tán vào monome để tiến hành trùng hợp, tạo ra sản phẩm cuối cùng với tính chất tốt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cao su nanocompozit trong ngành công nghiệp

Cao su nanocompozit đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất lốp xe đến các sản phẩm tiêu dùng. Nhờ vào tính chất vượt trội, vật liệu này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các ứng dụng cụ thể bao gồm sản xuất lốp xe, vật liệu cách điện và các sản phẩm cao su khác.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất lốp xe

Cao su nanocompozit được sử dụng trong sản xuất lốp xe nhờ vào khả năng chống mài mòn và độ bền kéo cao. Việc sử dụng vật liệu này giúp tăng tuổi thọ của lốp xe và cải thiện hiệu suất lái xe.

4.2. Vật liệu cách điện Giải pháp hiệu quả

Cao su nanocompozit cũng được ứng dụng trong sản xuất các vật liệu cách điện. Tính chất điện môi tốt của vật liệu giúp cải thiện hiệu suất cách điện, từ đó nâng cao độ tin cậy của các thiết bị điện.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu cao su nanocompozit

Nghiên cứu về cao su nanocompozit đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực vật liệu. Với những tính chất ưu việt và khả năng ứng dụng đa dạng, vật liệu này hứa hẹn sẽ trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện các phương pháp chế tạo và mở rộng ứng dụng của vật liệu.

5.1. Tương lai của nghiên cứu cao su nanocompozit

Nghiên cứu trong lĩnh vực cao su nanocompozit sẽ tiếp tục phát triển, với mục tiêu cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc phát triển các chất độn nano mới và cải thiện quy trình chế tạo.

5.2. Định hướng phát triển bền vững cho cao su nanocompozit

Định hướng phát triển bền vững cho cao su nanocompozit sẽ là một yếu tố quan trọng trong tương lai. Việc sử dụng các nguyên liệu tái chế và quy trình sản xuất thân thiện với môi trường sẽ giúp nâng cao giá trị của vật liệu này trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đã và đang trở thành lĩnh vực trọng điểm trong nghiên cứu vật liệu mới trên toàn cầu, với đầu tư toàn cầu ước tính lên tới hàng tỷ USD mỗi năm. Vật liệu polyme nanocompozit, đặc biệt là cao su nanocompozit, nổi bật nhờ khả năng kết hợp ưu điểm của vật liệu vô cơ và hữu cơ, đồng thời cải thiện đáng kể tính chất cơ lý nhờ kích thước hạt nano nhỏ (1-100 nm) và diện tích bề mặt lớn. Cao su thiên nhiên (CSTN) có tính cơ học tốt nhưng khả năng bền dầu kém, trong khi cao su nitril butadien (NBR) nổi bật với khả năng bền dầu mỡ. Việc phối trộn CSTN và NBR tạo ra vật liệu blend vừa có tính cơ học tốt vừa bền dầu mỡ, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR gia cường bằng nanosilica và ống nano carbon (CNT). Mục tiêu chính là xác định điều kiện chế tạo tối ưu để nâng cao tính chất cơ học, bền nhiệt và bền dầu mỡ của vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2014-2015, góp phần phát triển vật liệu cao su công nghệ cao, đáp ứng nhu cầu ứng dụng trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử và vật liệu kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết vật liệu polyme nanocompozit: Vật liệu gồm pha nền polyme và pha gia cường kích thước nano, tạo liên kết vật lý và hóa học mạnh mẽ, cải thiện tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu.
• Mô hình tương tác pha nano-polyme: Tác động của diện tích bề mặt lớn và sự phân tán đồng đều của hạt nano (nanosilica, CNT) trong nền cao su giúp truyền ứng suất hiệu quả, tăng độ bền kéo, độ dẻo và độ bền mài mòn.
• Khái niệm biến tính bề mặt hạt nano: Biến tính nanosilica bằng tác nhân silan Si69 và biến tính CNT bằng polyvinylchloride (PVC) nhằm tăng khả năng tương hợp và phân tán trong nền cao su.
• Mô hình phân tích tính chất cơ học và nhiệt: Đánh giá độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ cứng, độ mài mòn, khả năng bền nhiệt và bền dầu mỡ của vật liệu nanocompozit.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng cao su thiên nhiên SVR-3L, cao su nitril butadien Kosyl-KNB35L, nanosilica Reolosil (diện tích bề mặt 200 ± 20 m²/g, kích thước hạt 12-50 nm), ống nano carbon NC7000 (kích thước 10-15 nm), cùng các phụ gia và hóa chất biến tính.
• Phương pháp chọn mẫu: Chế tạo mẫu cao su blend CSTN/NBR tỷ lệ 80/20 với hàm lượng nanosilica hoặc CNT thay đổi, nhằm khảo sát ảnh hưởng hàm lượng phụ gia nano đến tính chất vật liệu.
• Phương pháp phân tích:
  • Biến tính nanosilica với Si69 và CNT với PVC để tăng tương hợp.
  • Chế tạo mẫu bằng máy trộn kín Brabender và ép mẫu dày 2 mm.
  • Đo tính chất cơ học: độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ dãn dư, độ cứng Shore A, độ mài mòn theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Đánh giá khả năng bền dầu mỡ, dung môi qua độ trương mẫu trong hỗn hợp toluen/isooctan.
  • Phân tích cấu trúc hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM).
  • Phân tích độ bền nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) trong môi trường không khí, tốc độ tăng nhiệt 10°C/phút, nhiệt độ đến 600°C.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2015, với các giai đoạn biến tính phụ gia, chế tạo mẫu, đo đạc tính chất và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến tính chất cơ học:

   • Độ bền kéo đứt tăng từ khoảng 15 MPa (không độn) lên tối đa 26 MPa tại hàm lượng nanosilica 7%.
   • Độ dãn dài khi đứt cũng tăng tương ứng, đạt giá trị cao nhất tại 7% nanosilica.
   • Độ mài mòn giảm đáng kể khi tăng nanosilica đến 7%, sau đó tăng nhẹ khi vượt quá hàm lượng này.
   • Độ cứng tăng nhẹ và liên tục với hàm lượng nanosilica, do nanosilica là chất độn mềm.

2. Ảnh hưởng hàm lượng tác nhân biến tính Si69 trên nanosilica:

   • Tăng hàm lượng Si69 từ 0 đến 5% (so với nanosilica) làm tăng độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt lên khoảng 15-20%.
   • Độ cứng và độ mài mòn cũng được cải thiện rõ rệt nhờ tăng tương tác giữa nanosilica và nền cao su.

3. Ảnh hưởng của CNT và CNT biến tính PVC đến tính chất vật liệu:

   • CNT biến tính PVC phân tán tốt hơn, giúp tăng độ bền kéo đứt lên đến 30% so với CNT chưa biến tính ở cùng hàm lượng 3-4%.
   • Độ dãn dài khi đứt và độ cứng cũng được cải thiện, đồng thời giảm độ mài mòn so với vật liệu không có CNT.

4. Cấu trúc hình thái và bền nhiệt:

   • Ảnh FESEM cho thấy nanosilica và CNT biến tính phân tán đồng đều, giảm hiện tượng kết tụ.
   • Phân tích TGA cho thấy vật liệu nanocompozit có nhiệt độ bắt đầu phân hủy cao hơn 20-30°C so với vật liệu blend không gia cường, chứng tỏ khả năng bền nhiệt được cải thiện.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện tính chất cơ học của vật liệu cao su nanocompozit chủ yếu nhờ diện tích bề mặt lớn của hạt nano, tăng cường tương tác vật lý và hóa học với nền cao su. Hàm lượng nanosilica tối ưu là khoảng 7%, vượt quá mức này dẫn đến hiện tượng kết tụ hạt, làm giảm hiệu quả gia cường. Việc biến tính nanosilica bằng Si69 giúp tăng tương hợp, phân tán tốt hơn, từ đó nâng cao tính chất cơ học và bền mài mòn.

CNT biến tính PVC cho thấy khả năng phân tán và tương tác vượt trội so với CNT nguyên bản, giúp tăng cường đáng kể độ bền kéo và độ dẻo của vật liệu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu nanocompozit CNT.

Phân tích cấu trúc hình thái bằng FESEM và phân tích nhiệt trọng lượng TGA minh chứng cho sự phân tán đồng đều và khả năng bền nhiệt cao hơn của vật liệu nanocompozit, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng phụ gia nano và các chỉ số cơ học, nhiệt cho thấy xu hướng tăng đến điểm tối ưu rồi giảm nhẹ, phù hợp với mô hình phân tán hạt nano và tương tác pha nền.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng phụ gia nano: Khuyến nghị sử dụng nanosilica biến tính Si69 ở hàm lượng khoảng 7% và CNT biến tính PVC ở mức 3-4% để đạt hiệu quả gia cường tối ưu, nâng cao độ bền kéo, độ dẻo và bền mài mòn.

2. Ứng dụng phương pháp biến tính bề mặt phụ gia nano: Áp dụng rộng rãi kỹ thuật biến tính bề mặt như sử dụng silan cho nanosilica và PVC cho CNT nhằm tăng tương hợp và phân tán, giảm hiện tượng kết tụ, nâng cao tính chất vật liệu.

3. Phát triển quy trình công nghệ sản xuất quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô chế tạo vật liệu nanocompozit blend CSTN/NBR với phụ gia nano, đồng thời tối ưu hóa quy trình trộn và lưu hóa để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định sản phẩm.

4. Khảo sát ứng dụng thực tế và đánh giá bền môi trường: Thực hiện các thử nghiệm ứng dụng trong sản xuất lốp xe, gioăng cao su, vật liệu chịu dầu mỡ và nhiệt độ cao, đồng thời đánh giá khả năng bền môi trường, tuổi thọ sản phẩm trong điều kiện sử dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Hóa học vật liệu và Công nghệ cao su: Nghiên cứu sâu về vật liệu nanocompozit, phương pháp biến tính phụ gia nano và ứng dụng trong công nghiệp cao su.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp cao su và vật liệu polymer: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao tính năng cơ học và bền môi trường của vật liệu cao su.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu cao su kỹ thuật và lốp xe: Tận dụng công nghệ nanocompozit để phát triển sản phẩm mới có hiệu suất cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe về bền dầu mỡ và nhiệt.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Hóa hữu cơ, Vật liệu polymer: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật biến tính và đánh giá tính chất vật liệu nanocompozit trong luận văn để phát triển đề tài nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu cao su nanocompozit là gì?
   Vật liệu cao su nanocompozit là loại vật liệu cao su được gia cường bằng các hạt nano như nanosilica hoặc ống nano carbon, giúp cải thiện tính chất cơ học, bền nhiệt và bền dầu mỡ so với cao su truyền thống.

2. Tại sao phải biến tính bề mặt phụ gia nano?
   Biến tính bề mặt giúp tăng tương hợp giữa hạt nano và nền cao su, giảm hiện tượng kết tụ, nâng cao khả năng phân tán và truyền ứng suất, từ đó cải thiện tính chất vật liệu.

3. Hàm lượng nanosilica tối ưu trong vật liệu blend CSTN/NBR là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy hàm lượng nanosilica biến tính khoảng 7% là tối ưu, giúp tăng độ bền kéo đứt lên gần gấp đôi so với vật liệu không gia cường.

4. CNT biến tính PVC có ưu điểm gì so với CNT nguyên bản?
   CNT biến tính PVC phân tán tốt hơn trong nền cao su, tăng cường tương tác bề mặt, giúp vật liệu có độ bền kéo và độ dẻo cao hơn, đồng thời giảm độ mài mòn.

5. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu?
   Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được sử dụng để xác định nhiệt độ bắt đầu phân hủy và tốc độ phân hủy của vật liệu, đánh giá khả năng bền nhiệt của nanocompozit.

Kết luận

• Luận văn đã xác định được điều kiện chế tạo vật liệu cao su nanocompozit blend CSTN/NBR gia cường bằng nanosilica biến tính Si69 và CNT biến tính PVC với tính chất cơ học và bền nhiệt vượt trội.
• Hàm lượng nanosilica tối ưu là 7%, CNT biến tính PVC ở mức 3-4% giúp cải thiện đáng kể độ bền kéo, độ dẻo và độ bền mài mòn.
• Phương pháp biến tính bề mặt phụ gia nano là yếu tố then chốt nâng cao hiệu quả gia cường và phân tán hạt nano trong nền cao su.
• Kết quả phân tích cấu trúc hình thái và nhiệt trọng lượng chứng minh sự phân tán đồng đều và khả năng bền nhiệt cao của vật liệu nanocompozit.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế và phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp nhằm khai thác tiềm năng công nghệ cao của vật liệu nanocompozit.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng, đồng thời phát triển sản phẩm cao su nanocompozit chất lượng cao phục vụ công nghiệp trong nước và xuất khẩu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực đang nổi lên trong việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới. Đây là một lĩnh vực rộng và khá mới mẻ đối với thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Với nhiều tính chất ưu việt, vật liệu polyme nanocompozit đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp được cả ưu điểm của vật liệu vô cơ (như tính chất cứng, bền nhiệt,…) và ưu điểm của polyme hữu cơ (như tính linh động, mềm dẻo, là chất điện môi và khả năng dễ gia công…).

Hơn nữa chúng cũng có những tính chất đặc biệt của chất độn nano điều này dẫn tới sự cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu. Một đặc tính riêng biệt của vật liệu polyme nanocompozit đó là kích thước nhỏ của chất độn dẫn tới sự gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung so với các compozit truyền thống [1]. Vật liệu cao su nanocompozit gồm có pha nền là cao su hay cao su blend và các chất độn gia cường. Cao su thiên nhiên (CSTN) có tính chất cơ học tốt nhưng khả năng bền dầu kém.

Trong khi đó, cao su nitril butadien (NBR) được biết đến với đặc tính vượt trội là khả năng bền dầu mỡ rất tốt. Do vậy, vật liệu cao su blend CSTN/NBR vừa có tính chất cơ học tốt của CSTN vừa có khả năng bền dầu mỡ của cao su NBR [6]. Để tăng khả năng ứng dụng cho vật liệu cao su cũng như cao su blend, các vật liệu này thường được gia cường bằng một số chất độn gia cường như than đen, silica, clay,. Khả năng gia cường của chất độn cho cao su phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng, sự phân tán và khả năng tương tác với cao su [24,30].

Các chất độn nano có kích thước từ 1-100 nm, có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của các sản phẩm cao su. Với diện tích bề mặt lớn, các hạt nano sẽ tương tác tốt với các đại phân tử cao su, dẫn đến nâng cao hiệu quả gia cường. Do vậy, các hạt nano rất quan trọng để gia cường cho vật liệu cao su [34]. Nanosilica có tác dụng gia cường tốt hơn so với silica thông thường do chúng có khả năng phân tán tốt hơn trong nền cao su.

Tuy nhiên, chúng lại có xu hướng kết tụ do năng lượng bề mặt cao và hình thành liên kết hydro liên phân tử thông qua các nhóm hydroxyl (silanol) trên bề mặt [3]. Điều này dẫn đến sự tương tác mạnh giữa chất 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] độn với chất độn mà không thuận lợi cho hiệu quả gia cường. Vấn đề này có thể được khắc phục thông qua biến tính bề mặt các hạt silica. Tác nhân ghép nối silan là tác nhân được sử dụng thông dụng nhất để biến tính bề mặt nanosilica [3,41].

Bên cạnh đó, các ống nano carbon (carbon nanotube-CNT) cũng là loại chất gia cường rất tốt cho polyme do CNT có tính linh hoạt cao, tỷ trọng thấp và bề mặt riêng lớn [27], điều này góp phần tạo nên vật liệu cao su nanocompozit có những ưu điểm vượt trội. Từ những cơ sở trên, chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu cao su nano compozit trên cơ sở blend của cao su thiên nhiên với cao su nitril butadien và một số phụ gia nano” làm chủ đề cho luận văn thạc sĩ của mình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định được những điều kiện thích hợp để chế tạo ra các loại vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend của CSTN/NBR gia cường nanosilica và gia cường CNT. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1 - TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit Cũng giống như vật liệu polyme compozit, vật liệu polyme nanocompozit cũng là loại vật liệu gồm pha nền (polyme) và pha gia cường ở các dạng khác nhau. Tuy nhiên, điều khác biệt ở đây là pha gia cường có kích thước cỡ nanomet (dưới 100 nm). Như vậy có thể hiểu, vật liệu polyme nanocompozit là vật liệu có nền là polyme, copolyme hoặc polyme blend và cốt là các hạt hay sợi khoáng thiên nhiên hoặc tổng hợp có ít nhất một trong 3 chiều có kích thước trong khoảng 1-100 nm (kích cỡ nanomet). Do vậy, vật liệu cao su nanocompozit là một trường hợp của polyme nanocompozit có nền là cao su hoặc cao su blend.

Vì vậy, cao su nanocompozit có tất cả các đặc tính chung của polyme nanocompozit [6,7]. Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp được cả ưu điểm của vật liệu vô cơ (như tính chất cứng, bền nhiệt,…) và ưu điểm của polyme hữu cơ (như tính linh động, mềm dẻo, là chất điện môi và khả năng dễ gia công…). Hơn nữa chúng cũng có những tính chất đặc biệt của chất độn nano điều này dẫn tới sự cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu. Một đặc tính riêng biệt của vật liệu polyme nanocompozit đó là kích thước nhỏ của chất độn dẫn tới sự gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung so với các compozit truyền thống (xem bảng 1) [10].

Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo polyme nanocompozit rất đa dạng, phong phú bao gồm cả nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, thường là: nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP), nhựa polyeste, các loại cao su,.1: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng Đường kính hạt Bề mặt riêng [cm2/g] 1 cm 3 1 mm 3.104 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.107 Khoáng thiên nhiên: chủ yếu là đất sét – vốn là các hạt silica có cấu tạo dạng lớp như montmorillonit, vermicullit, bentonit kiềm tính cũng như các hạt graphit,… Các chất gia cường nhân tạo: các tinh thể như silica, CdS, PbS, CaCO3,… hay ống carbon nano, sợi carbon nano,…. Phân loại và đặc điểm của vật liệu cao su nanocompozit 1. Phân loại Polyme nanocompozit nói chung hay cao su nanocompozit nói riêng được phân loại dựa vào số chiều có kích thước nanomet của vật liệu gia cường [7]: - Loại 1: Là loại hạt có cả ba chiều có kích thước nanomet, chúng là các hạt nano (SiO2, CaCO3,…). - Loại 2: Là loại hạt có hai chiều có kích thước nanomet, chiều thứ ba có kích thước lớn hơn, thường là ống nano hoặc sợi nano (thường là ống, sợi nano carbon) và được dùng làm phụ gia nano tạo cho polyme nanocompozit có các tính chất đặc biệt.

- Loại 3: Là loại chỉ có một chiều có kích thước cỡ nanomet. Nó ở dạng phiến, bản với chiều dày có kích thước cỡ nanomet còn chiều dài và chiều rộng có kích thước từ hàng trăm đến hàng ngàn nanomet. Vật liệu dạng này thường có nguồn gốc là các loại khoáng sét, graphen,… 1. Đặc điểm của vật liệu polyme nanocompozit - Với pha phân tán là các loại bột có kích thước nano rất nhỏ nên chúng phân tán rất tốt vào trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các pha với nhau cho nên cơ chế khác hẳn với compozit thông thường.

Các phần tử nhỏ phân tán tốt vào các pha nền, dưới tác dụng của lực bên ngoài tác động vào nền sẽ chịu toàn bộ tải trọng, các phần tử nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền của vật liệu đồng thời làm cho vật liệu cũng ổn định ở nhiệt độ cao [8]. 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Do kích thước nhỏ ở mức độ phân tử nên khi kết hợp với các pha nền có thể tạo ra các liên kết vật lý nhưng có độ bền tương đương với liên kết hóa học, vì thế cho phép tạo ra các vật liệu có nhiều tính chất mới, ví dụ như tạo các polyme dẫn có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. - Vật liệu gia cường có kích thước rất nhỏ nên có thể phân tán trong pha nền tạo ra cấu trúc rất đặc, do đó có khả năng dùng làm vật liệu bảo vệ theo cơ chế che chắn (barie) rất tốt. Ưu điểm của vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit So với vật liệu polyme compozit truyền thống, vật liệu polyme nanocompozit có những ưu điểm chính như sau [7]: - Vật liệu nano gia cường hiệu quả hơn bởi vì kích cỡ của nó nhỏ hơn dẫn tới sự cải thiện đáng kể tính chất của nền (chỉ với một lượng nhỏ vật liệu gia cường) điều này làm cho vật liệu polyme nanocompozit nhẹ hơn, dễ gia công hơn.

- Sự chuyển ứng suất từ nền sang chất độn hiệu quả hơn là do diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác tốt giữa các pha. Phương pháp chế tạo Polyme nanocompozit hay cao su nanocompozit có thể được chế tạo theo một số phương pháp tùy theo cách thức kết hợp giữa hai pha vô cơ và hữu cơ. Cho tới nay, người ta đưa ra 3 phương pháp chính để chế tạo polyme nanocompozit, tuỳ theo nguyên liệu ban đầu và kỹ thuật gia công: phương pháp trộn hợp (nóng chảy hoặc dung dịch,…), phương pháp sol-gel và phương pháp trùng hợp in-situ [1, 6, 7, 35]. Phương pháp trộn hợp Phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các vật liệu gia cường nano vào trong nền polyme.

Quá trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch hoặc ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong quá trình trộn hợp là phân tán các phần tử nano vào trong nền polyme sao cho hiệu quả. Phương pháp sol – gel Phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng các phân tử alcoxide kim loại có công thức M(OR)4, dẫn đến việc hình thành polyme có mạng 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] liên kết M-O-M, ví dụ như Si-O-Si. Phương pháp sol-gel cho phép đưa phân tử hữu cơ R’ có dạng R’n M(OR)4-n vào trong mạnh vô cơ để tạo ra vật liệu hữu cơ-vô cơ lai tạo có kích thước nano.

Có hai loại nanocompozit lai tạo được chế tạo bằng phương pháp sol- gel. Sự phân chia chúng dựa vào bản chất của bề mặt ranh giới giữa thành phần hữu cơ và vô cơ: * Nhóm 1: Các thành phần hữu cơ và vô cơ trong polyme nanocompozit không có liên kết đồng hóa trị. Ở loại vật liệu này, tương tác giữa các thành phần dựa trên lực tương tác hydro, lực tĩnh điện và lực Van-der-Waals. * Nhóm 2: Thành phần hữu cơ và vô cơ trong vật liệu được liên kết với nhau bằng liên kết hóa học.

Phương pháp sol–gel đã được ứng dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu lai vô cơ – hữu cơ. Ưu điểm chính của phương pháp này là điều kiện phản ứng êm dịu: nhiệt độ và áp suất tương đối thấp.