Luận văn thạc sĩ hus 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 nan

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: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• 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
• MỞ ĐẦU
• 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 polyme nanocompozit và cao su nanocompozit
• 1.4. Phương pháp chế tạo
• 1.4.1. Phương pháp trộn hợp
• 1.4.2. Phương pháp sol – gel
• 1.4.3. Trùng hợp in-situ
• 1.5. Các phụ gia nano
• 1.5.1. Ống nano carbon
• 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
• 2.3. Hoá chất, vật liệu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Biến tính phụ gia nano
• 2.4.2. Phối trộn nanosilica với Si69
• 2.4.3. Biến tính CNT bằng polyvinylchloride (PVC)
• 2.4.4. Chế tạo mẫu cao su nanocompozit
• 2.4.5. Phương pháp xác định một số tính chất cơ học của vật liệu
• 2.4.5.1. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt
• 2.4.5.2. Phương pháp xác định độ dãn dài khi đứt
• 2.4.5.3. Phương pháp xác định độ dãn dài dư
• 2.4.5.4. Phương pháp xác định độ cứng của vật liệu
• 2.4.5.5. Phương pháp xác định độ mài mòn
• 2.4.6. Nghiên cứu khả năng bền dầu mỡ, dung môi của vật liệu
• 2.4.7. Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ
• 2.4.8. 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 chế tạo cao su nanocompozit

Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cao su nanocompozit từ blend cao su thiên nhiên và nitril butadien đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành vật liệu. Vật liệu này không chỉ kết hợp những ưu điểm của hai loại cao su mà còn cải thiện đáng kể tính chất cơ học và khả năng bền dầu mỡ. Việc nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển các sản phẩm cao su có tính năng vượt trội, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp.

1.1. Đặc điểm của cao su nanocompozit

Cao su nanocompozit là loại vật liệu có pha nền là cao su và pha gia cường là các hạt nano. Những hạt này có kích thước từ 1-100 nm, giúp tăng cường tính chất cơ học và khả năng bền nhiệt của vật liệu. Sự kết hợp này tạo ra một sản phẩm có độ bền cao và khả năng chống mài mòn tốt.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng blend cao su thiên nhiên và nitril butadien

Việc kết hợp cao su thiên nhiên và nitril butadien mang lại nhiều lợi ích. Cao su thiên nhiên có tính đàn hồi tốt, trong khi nitril butadien nổi bật với khả năng bền dầu mỡ. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có tính chất cơ học tốt hơn, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Thách thức trong nghiên cứu cao su nanocompozit

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo cao su nanocompozit cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự phân tán của các hạt nano trong pha nền. Nếu không được phân tán đồng đều, tính chất của vật liệu sẽ không đạt yêu cầu. Ngoài ra, việc lựa chọn các phụ gia nano phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế tạo.

2.1. Vấn đề phân tán hạt nano

Sự phân tán không đồng đều của các hạt nano có thể dẫn đến việc giảm hiệu quả gia cường. Các hạt nano cần được phân tán tốt trong pha nền để tối ưu hóa tính chất cơ học của vật liệu. Việc sử dụng các tác nhân biến tính bề mặt có thể giúp cải thiện tình trạng này.

2.2. Lựa chọn phụ gia nano phù hợp

Việc lựa chọn phụ gia nano như nanosilica hay ống nano carbon là rất quan trọng. Mỗi loại phụ gia có những đặc tính riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của cao su nanocompozit. Nghiên cứu cần xác định được loại phụ gia nào mang lại hiệu quả tốt nhất cho từng ứng dụng cụ thể.

III. Phương pháp chế tạo cao su nanocompozit hiệu quả

Có nhiều phương pháp để chế tạo cao su nanocompozit, trong đó phương pháp trộn hợp và sol-gel là hai phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp trộn hợp

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

3.2. Phương pháp sol gel

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 kim loại, giúp tạo ra mạng lưới liên kết giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cao su nanocompozit

Cao su nanocompozit có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như ô tô, điện tử, và xây dựng. Với tính chất cơ học vượt trội và khả năng bền dầu mỡ, vật liệu này đang được sử dụng để sản xuất các linh kiện và sản phẩm có yêu cầu khắt khe về chất lượng.

4.1. Ứng dụng trong ngành ô tô

Trong ngành ô tô, cao su nanocompozit được sử dụng để sản xuất lốp xe, gioăng và các linh kiện khác. Tính năng bền dầu mỡ và khả năng chịu nhiệt của vật liệu giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất của các sản phẩm này.

4.2. Ứng dụng trong ngành điện tử

Cao su nanocompozit cũng được ứng dụng trong ngành điện tử để sản xuất các linh kiện cách điện và bảo vệ. Tính linh hoạt và khả năng chống mài mòn của vật liệu giúp nâng cao độ bền cho các sản phẩm điện tử.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của cao su nanocompozit

Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cao su nanocompozit từ blend cao su thiên nhiên và nitril butadien mở ra nhiều triển vọng cho ngành vật liệu. Với những ưu điểm vượt trội, cao su nanocompozit hứa hẹn sẽ trở thành một trong những vật liệu chủ chốt trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu cao su nanocompozit

Nghiên cứu về cao su nanocompozit sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới được khám phá. Các công nghệ chế tạo tiên tiến sẽ giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của vật liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Định hướng phát triển bền vững

Định hướng phát triển bền vững trong nghiên cứu cao su nanocompozit sẽ tập trung vào việc sử dụng các nguyên liệu tái chế và giảm thiểu tác động đến môi trường. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra những sản phẩm có giá trị cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường vật liệu polymer nanocompozit toàn cầu đã nhận được nguồn vốn đầu tư công hơn 4,6 tỷ USD từ các quốc gia phát triển, mở đường cho cuộc cách mạng nâng cấp các dòng sản phẩm đàn hồi kỹ thuật cao. Tại Việt Nam, cao su thiên nhiên (CSTN) là nguồn tài nguyên dồi dào với độ bền cơ học và độ đàn hồi tự nhiên vượt trội nhờ chứa trên 98% cấu trúc cis-1,4-polyisopren. Tuy nhiên, điểm hạn chế lớn nhất của cao su thiên nhiên là tính kháng dầu mỡ, dung môi và độ bền nhiệt kém. Ngược lại, cao su tổng hợp nitril butadien (NBR) nổi tiếng với khả năng kháng dung môi không phân cực nhưng lại có giá thành cao và độ bền kéo đứt đơn thuần chưa đáp ứng được các điều kiện chịu tải khắc nghiệt.

Nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật này, nghiên cứu đặt mục tiêu xác định điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR theo tỷ lệ phối trộn 80/20, gia cường bằng hệ phụ gia nano tiên tiến gồm nanosilica (cỡ hạt 12–50 nm, diện tích bề mặt 200 m2/g) và ống nano carbon đa tường (MWCNT độ tinh khiết 95%). Đề tài được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Viện Hóa học và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2015–2016. Kết quả nghiên cứu tạo ra bước đột phá khi cải thiện độ bền kéo đứt lên hơn 25%, giảm độ mài mòn thể tích và hạ thấp độ trương nở trong hỗn hợp dung môi toluen/isooctan (tỷ lệ 50:50) xuống dưới 30%, mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành công nghiệp sản xuất phụ tùng làm kín, gioăng phớt kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng Thuyết hấp phụ phân cực và Thuyết che chắn không gian để làm sáng tỏ cơ chế tương tác liên pha giữa chuỗi polyisopren không phân cực của cao su thiên nhiên với các nhóm nitril phân cực (-CN) trong cao su NBR. Năng lượng liên kết nội mạnh mẽ từ nhóm -CN tạo nên rào cản ngăn chặn sự xâm nhập của các phân tử hydrocacbon trong dầu mỡ. Bên cạnh đó, mô hình tương tác bề mặt vô cơ - hữu cơ được thiết lập dựa trên 4 khái niệm cốt lõi:

1. Pha nền đàn hồi blend CSTN/NBR: Tận dụng tính đàn hồi cao của polyisopren kết hợp với tính bền hóa chất của NBR.
2. Nanosilica biến tính silan Si69: Sử dụng tác nhân bis-(3-triethoxysilylpropyl)tetrasulphit nhằm triệt tiêu liên kết hydro giữa các nhóm silanol (-Si-OH) tự do trên bề mặt hạt nano cỡ 12–50 nm, ngăn ngừa hiện tượng tự kết tụ.
3. Ống nano carbon chức hóa (CNT-g-PVC): Ghép mạch polyvinyl chloride lên thành ống carbon thông qua phản ứng Friedel-Crafts để tăng ái lực phân tán vào nền cao su.
4. Mạng lưới liên kết đan xen (Interpenetrating Network): Cơ chế gia cường vật lý kết hợp hóa học giữa mạng lưới lưu hóa cao su và khung nano phân tán.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu sử dụng gồm cao su thiên nhiên SVR-3L tiêu chuẩn Việt Nam, cao su NBR Kosyl KNB35L và hệ lưu hóa lưu huỳnh (2,0 phần khối lượng) phối hợp kẽm oxit (4,5 phần khối lượng), axit stearic (1,0 phần khối lượng) cùng các chất xúc tiến DM, D.

Quy mô thực nghiệm quy định cỡ mẫu gồm 5 mẫu thử lặp lại cho từng phép đo cơ lý nhằm bảo đảm độ tin cậy thống kê với sai số thực nghiệm kiểm soát dưới 5%. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ lấy mẫu ngẫu nhiên từ các tấm cao su ép lưu hóa dày 2 mm.

Phương pháp phân tích được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn đo lường nghiêm ngặt:

• Phối trộn cơ học trên máy trộn kín Brabender ở tốc độ 60 vòng/phút, sau đó lưu hóa trên máy ép gia nhiệt Toyoseiki.
• Độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt xác định theo TCVN 4509:2006 trên máy đo kéo Gester.
• Độ cứng xác định bằng đồng hồ đo Teclock JIS K7215 A theo TCVN 1595-1:2007.
• Độ mài mòn thể tích kiểm tra trên máy Akron theo TCVN 1594-87 (năm 2008) với vận tốc đá mài 33–35 vòng/phút.
• Hình thái vi cấu trúc phân tán quan sát qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM S-4800 (Hitachi).
• Độ bền phân hủy nhiệt đánh giá qua phổ nhiệt trọng lượng TGA Netzsch STA 490 PC/PG với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút từ nhiệt độ phòng đến 600°C trong môi trường không khí.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa thực nghiệm sâu sắc:

1. Hàm lượng nanosilica tối ưu đạt 7% phần khối lượng: Khi tăng hàm lượng nanosilica từ 0% đến 7%, độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của vật liệu tăng trưởng liên tục. Tuy nhiên, khi hàm lượng vượt quá 10%, độ bền kéo bắt đầu suy giảm khoảng 12% do các hạt nano có xu hướng kết tụ lại thành các đám lớn.
2. Tác nhân ghép nối Si69 phát huy hiệu quả vượt trội ở tỷ lệ 5%: Nanosilica được biến tính với 5% Si69 giúp độ bền kéo đứt của blend tăng thêm 18,5% so với mẫu không biến tính, đồng thời độ mài mòn thể tích giảm xuống mức thấp nhất.
3. Ống nano carbon ghép PVC (CNT-g-PVC) cho khả năng gia cường vượt bậc: Biến tính CNT bằng PVC ở 60°C trong 30 giờ giúp ống nano phân tán đồng đều tuyệt đối. Tại hàm lượng 3% CNT-g-PVC, độ bền kéo đứt của vật liệu cao hơn 22% so với khi sử dụng CNT chưa biến tính.
4. Nâng cao độ bền nhiệt và tính kháng dung môi: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt trên giản đồ TGA tăng thêm từ 15°C đến 20°C. Đồng thời, độ trương nở thể tích của cao su trong hỗn hợp toluen/isooctan tỷ lệ 50:50 giảm hơn 35% so với mẫu cao su thiên nhiên không blend.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia cường được làm rõ thông qua việc tác nhân silan Si69 phản ứng hóa học với các nhóm silanol trên bề mặt nanosilica, tạo cầu nối liên kết cộng hóa trị bền vững với đại phân tử cao su trong quá trình lưu hóa. Hiện tượng này ngăn chặn hoàn toàn sự vón cục của phụ gia nano.

Khi quan sát dữ liệu biểu diễn qua đồ thị tương quan hàm lượng - độ bền kéo, đường cong phản ánh rõ đỉnh cực đại tại mốc 7% nanosilica trước khi suy giảm dốc. Bảng kết quả phân tích nhiệt TGA cho thấy nhiệt độ mất 50% khối lượng của mẫu chứa 7% nanosilica biến tính 5% Si69 dịch chuyển từ 380°C lên xấp xỉ 405°C. Ảnh chụp vi cấu trúc FESEM bề mặt gãy cắt thể hiện các sợi CNT-g-PVC và hạt nanosilica phân bố đồng nhất dạng mạng lưới đan xen, không phát hiện ranh giới tách pha giữa CSTN và NBR. Kết quả này vượt trội hơn các công bố về blend cao su thông thường nhờ hiệu ứng gia cường đa tầng của phụ gia nano chức hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa quy trình biến tính bề mặt nanosilica: Sử dụng tỷ lệ 5% tác nhân silan Si69 so với khối lượng nanosilica Reolosil, thực hiện nghiền trộn cơ hóa học đồng nhất trước khi đưa vào đơn phối luyện. Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D tại các nhà máy sản xuất cao su kỹ thuật. Thời gian hoàn thành: 6 tháng. Mục tiêu định lượng: Giảm tỷ lệ kết tụ hạt nano xuống dưới 2% trên toàn mẻ trộn.
2. Thiết lập quy trình luyện kín 2 giai đoạn cho blend CSTN/NBR 80/20: Kiểm soát nhiệt độ buồng trộn Brabender trong khoảng 70–90°C nhằm bảo đảm NBR phân tán mịn đều vào pha liên tục CSTN trước khi thêm phụ gia lưu hóa. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư công nghệ phân xưởng cán luyện. Thời gian áp dụng: 3 tháng. Mục tiêu định lượng: Tăng năng suất ép lưu hóa thêm 15% và hạn chế hoàn toàn hiện tượng tự lưu hóa sớm.
3. Chuyển giao công nghệ ghép mạch CNT-g-PVC quy mô bán công nghiệp: Tối ưu hóa phản ứng Friedel-Crafts sử dụng xúc tác AlCl3 ở 60°C với các dung môi công nghiệp an toàn thay thế cho THF trong phòng thí nghiệm. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu chuyên ngành phối hợp với doanh nghiệp hóa chất. Thời gian triển khai: 12 tháng. Mục tiêu định lượng: Cắt giảm 25% chi phí tổng hợp phụ gia nano carbon.
4. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho gioăng phớt chịu dầu thế hệ mới: Ứng dụng công thức blend CSTN/NBR gia cường 7% nanosilica và 3% CNT-g-PVC vào sản xuất đệm làm kín công nghiệp. Chủ thể thực hiện: Hiệp hội Cao su Việt Nam phối hợp các đơn vị kiểm định chất lượng. Thời gian thực hiện: 9 tháng. Mục tiêu định lượng: Nâng tuổi thọ làm việc của chi tiết cao su lên trên 36 tháng trong môi trường dầu mỡ bôi trơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư công nghệ và chuyên viên R&D ngành cao su: Tiếp cận công thức phối trộn tối ưu blend CSTN/NBR (tỷ lệ 80/20) gia cường 7% nanosilica và 5% Si69 để ứng dụng trực tiếp vào sản xuất gioăng, phớt, ống dẫn nhiên liệu với chi phí cạnh tranh.
• Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Hóa Polyme - Hóa Hữu cơ: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật ghép mạch PVC lên ống nano carbon qua phản ứng Friedel-Crafts và cơ chế biến tính silan cho oxit vô cơ.
• Doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy và thiết bị cơ khí: Nắm bắt giải pháp công nghệ vật liệu mới thay thế cao su nhập khẩu đắt tiền, giúp tiết kiệm 20% chi phí sản xuất linh kiện làm kín máy móc.
• Cơ quan quản lý tiêu chuẩn và trung tâm đo lường chất lượng: Khai thác quy trình kiểm tra cơ lý theo TCVN 4509:2006, TCVN 1595-1:2007 và phương pháp phân tích nhiệt TGA, FESEM để hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm compozit đàn hồi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn tỷ lệ phối trộn CSTN/NBR cố định là 80/20? Tỷ lệ 80/20 phát huy tối đa độ đàn hồi, độ bền kéo tự nhiên của 80 phần khối lượng cao su thiên nhiên, đồng thời tích hợp khả năng kháng dầu từ 20 phần khối lượng NBR phân cực. Thực nghiệm chứng minh tỷ lệ này giúp giảm độ trương nở trong dung môi toluen/isooctan xuống dưới 30% mà không làm suy giảm độ mềm dẻo.

2. Tác nhân ghép nối silan Si69 đóng vai trò gì đối với nanosilica? Si69 phản ứng trực tiếp với nhóm silanol (-Si-OH) trên bề mặt hạt nanosilica 12–50 nm, triệt tiêu lực hút tĩnh điện liên hạt để chống vón cục. Cầu nối tetrasulphit của Si69 sau đó tham gia liên kết hóa học với mạch cao su, giúp tăng độ bền kéo đứt thêm 18,5% ở hàm lượng 5% Si69.

3. Kỹ thuật biến tính ống nano carbon bằng PVC mang lại lợi ích cụ thể nào? Phản ứng ghép mạch PVC lên bề mặt MWCNT ở 60°C giúp các chuỗi polymer hữu cơ hoạt động như cánh tay đòn không gian, hỗ trợ CNT phân tán đồng nhất tuyệt đối trong dung môi và nền cao su. Nhờ đó, vật liệu gia cường 3% CNT-g-PVC nâng cao độ bền kéo thêm 22% so với CNT nguyên bản.

4. Nanosilica cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu blend như thế nào? Các hạt nanosilica phân tán tạo thành màng chắn vật lý ngăn cản sự truyền nhiệt và giữ chậm quá trình giải phóng các sản phẩm phân hủy bay hơi. Giản đồ TGA ghi nhận nhiệt độ phân hủy cực đại của mẫu chứa 7% nanosilica dịch chuyển từ 380°C lên 405°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút.

5. Sản phẩm từ nghiên cứu này có thể ứng dụng trong các môi trường làm việc nào? Vật liệu đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong môi trường tiếp xúc liên tục với dầu nhớt, xăng khoáng và chịu ma sát động học lớn. Ứng dụng điển hình bao gồm màng bơm xăng dầu, gioăng đệm nắp máy động cơ và vòng đệm làm kín hộp số với độ bền làm việc trên 3 năm.

Kết luận

• Làm chủ thành công quy trình chế tạo vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/NBR (80/20) gia cường đồng thời nanosilica và ống nano carbon đa tường.
• Xác lập đơn phối liệu tối ưu với 7% nanosilica kết hợp 5% tác nhân ghép nối Si69, mang lại độ bền kéo đứt và độ bền mài mòn cơ học vượt trội.
• Hoàn thiện phương pháp chức hóa ống nano carbon bằng kỹ thuật ghép mạch PVC (CNT-g-PVC), giúp nâng cao hiệu quả gia cường cơ tính thêm 22% ở hàm lượng 3%.
• Nâng cao đồng thời tính kháng dung môi toluen/isooctan (độ trương giảm hơn 35%) và tăng độ bền phân hủy nhiệt thêm 15–20°C trên phân tích TGA.
• Tạo tiền đề khoa học và công nghệ vững chắc để nội địa hóa các dòng sản phẩm cao su kỹ thuật cao phục vụ công nghiệp cơ khí, chế tạo ô tô và giao thông vận tải.

Kế hoạch tiếp theo hướng đến triển khai thử nghiệm pilot quy mô 50 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới. Các doanh nghiệp và đơn vị sản xuất quan tâm có thể kết nối ngay với nhóm tác giả để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ và khai thác tối đa tiềm năng ứng dụng của nghiên cứu này.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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.