Luận án tiến sĩ chế tạo nghiên cứu tính chất và hình thái cấu trúc của vật liệu compozit trên cơ sở copolyme etylen vinyl axetat eva và nanosilica

Nghiên cứu tính chất và hình thái cấu trúc vật liệu compozit từ copolyme etylen vinyl axetat EVA và nanosilica, mở ra ứng dụng mới trong công nghệ.

• Trường học: Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật Liệu Compozit
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất và Cấu Trúc Vật Liệu Compozit Trên Cơ Sở Copolyme Etylen-Vinyl Axetat và Nanosilica
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Compozit

Nghiên cứu về vật liệu compozit trên cơ sở copolyme etylen-vinyl axetat (EVA) và nanosilica đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu. Vật liệu compozit này không chỉ có tính chất cơ học vượt trội mà còn có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Bài viết này sẽ đi sâu vào các tính chất và cấu trúc của vật liệu compozit, từ đó đưa ra những ứng dụng thực tiễn và triển vọng trong tương lai.

1.1. Định Nghĩa và Tính Chất Cơ Bản Của Compozit

Vật liệu compozit là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau để tạo ra một sản phẩm có tính chất vượt trội. Copolime etylen-vinyl axetat (EVA) là một trong những thành phần chính, mang lại độ dẻo dai và khả năng chống nước tốt. Nanosilica, với kích thước nano, giúp cải thiện độ bền và tính chất cơ học của vật liệu.

1.2. Lịch Sử và Xu Hướng Nghiên Cứu Về Compozit

Nghiên cứu về vật liệu compozit đã bắt đầu từ những năm 1960, nhưng gần đây mới trở thành xu hướng chính trong ngành công nghiệp vật liệu. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học và khả năng ứng dụng của vật liệu thông qua việc kết hợp nanosilica với EVA.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Compozit

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu compozit vẫn gặp phải một số thách thức lớn. Các vấn đề như sự phân tán không đồng đều của nanosilica trong EVA và khả năng tương tác giữa các thành phần là những yếu tố cần được giải quyết để tối ưu hóa tính chất của vật liệu.

2.1. Vấn Đề Phân Tán Nanosilica Trong EVA

Sự phân tán không đồng đều của nanosilica trong copolyme etylen-vinyl axetat có thể dẫn đến sự giảm sút về tính chất cơ học của vật liệu. Việc tìm kiếm các phương pháp cải thiện sự phân tán là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của vật liệu.

2.2. Tương Tác Giữa Các Thành Phần Trong Compozit

Khả năng tương tác giữa EVA và nanosilica ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật liệu. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo để tăng cường sự tương tác này, từ đó cải thiện độ bền và tính chất cơ học của vật liệu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Compozit

Để nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp phân tích cấu trúc mà còn đánh giá các tính chất cơ học và hóa học của vật liệu.

3.1. Phương Pháp Phân Tích Nhiệt

Phân tích nhiệt là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá tính chất của vật liệu compozit. Các kỹ thuật như DSC (phân tích quét vi sai) và TGA (phân tích trọng lượng nhiệt) giúp xác định các đặc tính nhiệt của EVA và nanosilica.

3.2. Kỹ Thuật Hiển Vi Điện Tử

Kỹ thuật hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) được sử dụng để quan sát cấu trúc bề mặt của vật liệu compozit. Phương pháp này cho phép nghiên cứu hình thái và kích thước của nanosilica trong EVA, từ đó đánh giá sự phân tán và tương tác giữa các thành phần.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vật Liệu Compozit

Vật liệu compozit trên cơ sở copolyme etylen-vinyl axetat và nanosilica có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Từ ngành công nghiệp xây dựng đến sản xuất đồ dùng hàng ngày, vật liệu này đang chứng tỏ giá trị của mình.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Xây Dựng

Vật liệu compozit được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng nhờ vào tính chất bền vững và khả năng chống nước. EVA kết hợp với nanosilica tạo ra các sản phẩm như màng chống thấm và vật liệu cách nhiệt.

4.2. Ứng Dụng Trong Sản Xuất Đồ Dùng Hàng Ngày

Vật liệu compozit cũng được ứng dụng trong sản xuất đồ dùng hàng ngày như giày dép, đồ chơi trẻ em và các sản phẩm tiêu dùng khác. Tính chất dẻo dai và khả năng chống mài mòn của EVA giúp tăng cường độ bền cho các sản phẩm này.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Compozit

Nghiên cứu về vật liệu compozit trên cơ sở copolyme etylen-vinyl axetat và nanosilica mở ra nhiều triển vọng trong việc phát triển các sản phẩm mới. Những thách thức hiện tại cần được giải quyết để tối ưu hóa tính chất và ứng dụng của vật liệu trong tương lai.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Triển vọng nghiên cứu về vật liệu compozit rất hứa hẹn, với nhiều hướng đi mới trong việc cải thiện tính chất và ứng dụng. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả hơn.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Vật Liệu Compozit

Nghiên cứu về vật liệu compozit không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học mà còn trong thực tiễn sản xuất. Việc phát triển các sản phẩm mới từ EVA và nanosilica sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ****************** CHÕ T¹O, NGHI£N CøU TÝNH CHÊT Vµ H×NH TH¸I CÊU TRóC CñA VËT LIÖU COMPOZIT TR£N C¥ Së COPOLYME ETYLEN-VINYL AXETAT (eva) Vµ NANOSILICA Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ********** CHÕ T¹O, NGHI£N CøU TÝNH CHÊT Vµ H×NH TH¸I CÊU TRóC CñA VËT LIÖU COMPOZIT TR£N C¥ Së COPOLYME ETYLEN- VINYL AXETAT (eva) Vµ NANOSILICA : 62440125 Hà Nội – 2014 Lời cảm ơn. Tôi xi , nơi tôi đang làm việc, đã quan tâm và tham gia giúp đỡ tôi thực hiện các nhiệm vụ của luận án và đóng góp những thảo luận khoa học quý báu. Copolyme etylen vinyl axetat (EVA). Ứng dụng của EVA.

Giới thiệu về silica. Tính chất vật lý của nanosilica. Tính chất hóa học của silica. Kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM).

Phân tích nhiệt. 42 iii sol-gel. Hằng số điện môi. Tổn hao điện môi.

Điện trở suất khối. 118 Tóm tắt kết quả 3. 144 v APTES 3-amino propyl trietoxy silan As CTAB n-hexadexyl trimetylammoni bromua CCT (cone calorimeter test) DCP dicumyl peoxit DSC (differential scanning calorimetry) DTA (differential thermal analysis) DTMA (dynamic thermo mechanical analysis) E mô đun đàn hồi (Young’s modulus; elastic modulus) EVA copolyme etylen vinylaxetat EVAgAM EVAsilX nanocompozit EVA/X%silica chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy, với X = 2, 3, 4, 5 (% về khối lượng so với EVA) EVAsilXgG nanocompozit EVA/X%silica/G%EVAgAM chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy; G = 0.5; 2 (% về khối lượng so với EVA) EVAsolX nanocompozit chế tạo từ EVA và X% TEOS bằng phương pháp sol-gel, với X = 5; 10; 15; 20; 25 (% về khối lượng so với EVA) EVAsolXg nanocompozit chế tạo từ EVA và X%TEOS bằng phương pháp sol-gel có 1%EVAgAM FESEM hiển vi điện tử quét phát xạ trường (field emission scanning electron microscope) FTIR (Fourier transform infrared) G* mô đun đàn hồi phức (complex modulus) G’ (storage modulus) vi G” (loss modulus) GMA glyxidyl metacrylat Hε Hζ Hεtnna Hζtnna HRSEM (high resolution scanning electron microscope) IR (infrared) LOI (limiting oxygen index) NMR (nuclear magnetic resonance) PA6 polyamit PA66 poly hexametylen adipamit PAAm polyacrylamit PC polycacbonat PCL polycaprolacton PDMS polydimetylsiloxan PE ) PEN polyetylen 2, 6-naphtalen PET polyetylen terephtalat PMMA polymetylmetacrylat PMP poly(4-metyl-2-pentyn) PP polypropylen (iPP: isotactic PP) PS polystyren PU polyuretan PVAc poly vinylaxetat SEM (scanning electron microscope) vii TEM (transmssion electron microscope) TEOS tetraetoxysilan Tg TGA (thermal gravimetric analysis) tg δ TMA (thermo-mechanical analysis) UL 94 94 (Underwriter’s Laboratory Test #94) VA vinylaxetat VTES vinyltrietoxysilan VTMS vinyltrimetoxysilan WAXS tán xạ tia X góc rộng (wide angle X-ray scattering) XRD nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) ν νđx, νkđx dao , không đối xứng δ ε độ giãn dài khi đứt ε' hằng số điện môi ρv điện trở suất khối ζ độ bền kéo đứt viii 1. Các dạng liên kết của nhóm Si−O trên bề mặt silica và s.

Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit EVA/Aerosil ở các hàm lượng silica khác nhau. 43 - axit HCl, ở pH = 4. Phổ IR của VAsol10g (pH=4). 46 - nocompozit EVA/EVAgAM/silica - (b).

Ảnh FESEM của silica chế tạo ở pH = 3 (a) và pH = 4 (b). G của EVAsol25 EVAsol25g. nanocompozit EVA/silica. Đường cong ứng suất kéo - độ giãn dài của vật liệu nanocompozit EVA/silica không có và có EVAgAM.

79 EVA/silica không có và có 1% EVAgAM. 81 /silica không có và có 1% EVAgAM. Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit EVAsil3 với các hàm lượng EVAgAM khác nhau. Phổ IR của nanosilica và vật liệu nanocompozit EVAsil3 không c.

Giản đồ mô men xoắn - thời gian trộn của EVA và vật liệu nanocompozit EVA/silica. Giản đồ mô men xoắn - thời gian trộn của vật liệu nanocompozit EVA/silica 1% EVAgAM. Hằng số điện môi của vật liệu nanocompozit EVA/silica không có và có 1% EVAgAM theo hàm lượng nanosilica. Thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm của EVA ở 25°C trong các dung dịch/dung môi.

Thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm của vật liệu nanocompozit EVAsil3 ở 25°C trong các dung dịch/dung môi. Thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm của vật liệu nanocompozit EVAsil3g1 ở 25°C trong các dung dịch/dung môi. Các phản ứng xẩy ra trong quá trình phân huỷ EVA dưới tác động của tia tử ngoại và nhiệt ẩm. 11 , vật liệu compozit EVA/Aerosil, compozit EVA/DCP/Aerosil có và không khâu mạch.

33 EVA và vật liệu nanocom = 1 - 6. Các đặc trưng TG của EVA và vật liệu EVAsol15. Các đặc trưng TG của EVA và vật liệu nanocompozit EVA/silica với hàm lượng TEOS khác nhau. 73 EVA/EVAgAM/silica chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy.

Số sóng đặc trưng c EVAgAM. 86 /silica không c 1% EVAgAM. Tổn hao điện môi của vật liệu nanocompozit EVA/silica không có và có 1%EVAgAM theo hàm lượng nanosilica. Điện trở suất khối của.

Điện áp đánh thủng của. 101 EVA/silica kh. 107 ε của vật liệu nanocompozit EVA/silica 70°C trong 168 giờ. 111 Hζtnna Hεtnna /silica sau 72 và 168 giờ thử nghiệm.

117 ch Hζtnna Hεtnna /EVAgAM/silica (3%) sau 72 và 168 giờ thử nghiệm. 118 vật liệu nanocompozit EVA/silica không có và có EVAgAM theo UL 94HB. 119 1 các , , nano CdS, PbS. Copolyme etylen vinyl axetat của , được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp khối hoặc trong dung dịch.

, EVA trong như , d [26, 42] v [56] [40, 48, 112, 125]. nanocompozit EVA/silica sol-gel [98], và trộn trong dung dịch [24, 25] nhưng , 2 hàm lượng và loại khi -gel. D , đặc trưng bề mặt nanocompozit polyme/silica [20, 52, 71, 75, 86, 112-114] tương h [17]. N tăng EVA, tạo cho : "Chế tạo, nghiên cứu tính chất và hình thái - " : - -gel.

, l nanocompozit EVA/silica có chất lượng cao, bền thời tiết, định hướng ứng dụng trong một số lĩnh vực kỹ thuật. Copolyme etylen vinyl axetat (EVA) 1.1 Copolyme etylen - vinyl axetat (EVA). Trong đại phân tử của EVA có các mắt xích vinyl axetat phân bố ngẫu nhiên dọc theo các mắt xích etylen. EVA thương ) [31] [38, 41, 43, 56, 70] : n H 2C CH2 + m H 2C CH CH2 CH2 CH2 CH n m O O C O C O CH3 CH3 : + Nhóm thứ nhất có hàm lượng VA thấp ( 30%).

, hàm lượng VA và etylen gần tương đương (45-55%), [38]. 4 + Nhóm thứ ba có hàm lượng VA cao (60 – 90 %) - , Vinnapas. Khoảng nhiệt độ làm việc tốt nhất của EVA là từ -60°C tới 65°C -100°C. nhiệt độ trên 218°C đứt mạch đại phân tử EVA [108].

EVA không tan trong nước nhưng tan tốt trong một số dung môi như xilen, toluen, clorofom, tetrahidrofuran, decalin… Độ thẩm thấu của EVA với các chất khí O2, N2, CO2, hơi ẩm tăng khi tăng hàm lượng vinyl axetat [21, 99]. Tính chất hóa học EVA bền với các chất như: ozon, nước lạnh, nước nóng, dung dịch amoniac 30%; kém bền với dầu máy, dầu điezen; không bền với các dung dịch clorua, axeton, axit sunfuric 40%, axit nitric 10%; bị phân hủy bởi bức xạ tử ngoại…[53]. Khi bị phân hủy ở nhiệt độ cao, đầu tiên xảy ra quá trình đề axetyl hóa, tách axit axetic, sau đó là quá trình đứt mạch hidrocacbon [87, 108]. Ứng dụng của EVA Năm 2011, nhu cầu EVA trên thế giới là 3,4 triệu tấn, trong đó 5 2009 - 2015) [68].

EVA , đàn hồi, chịu mài mòn, tính chất cơ học cao nên được sử dụng làm đế giữa, đế trong, tấm lóp các loại giày thể thao và dân dụng [53]. Vì có thể điều chỉnh được hàm lượng vinyl axetat trong EVA nên có thể dùng EVA làm keo dính nóng chảy, keo cách nhiệt. EVA có nhiệt độ nóng chảy thấp, nhiệt độ thủy tinh hóa thấp, khả năng giãn dài cao nên EVA được dùng làm chất hóa dẻo nhằm tăng độ mềm dẻo, đàn hồi, tăng đồ bền va đập cho các loại polyme cứng. Ngoài ra, EVA còn được sử dụng làm đệm, gioăng cửa kính, dụng cụ học tập, đồ chơi trẻ em, mặt nạ, tấm ép, tấm cách âm, cách điện, tấm trải sàn và nhiều sản phẩm khác [68].

Giới thiệu về silica Silic đioxit , là hợp chất gồm hai nguyên tố silic và oxi, 2, phân 2. năm 1914 - n : màu trắng, nhẹ, xốp. được dùng làm chất gia cường cho cao su với tên gọi thương mại là "cacbon trắng". SiCl4 a hydro [55, 97]: 2H2 + O2 → 2H2O ) SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl : 2H2 + O2 + SiCl4 → SiO2 + 4HCl riêng , ít tạp ch khí HCl bị.

) Silica kết tủa (precipitated silica) (Na2SiO3) pH > 7 [74]. như sau [10, 102]: Na2SiO3 + H3O+ → 2Na+ + SiO2 + H2O 8 Silica k chế tạo , do , 2 không cao, 70 - ng 25 - 250 m2. (silicagel), (pH < 7) [94] không gian , > 350 m2 sunfuric theo c : Na2SiO3 + H2SO4 → H2SiO3 + Na2SO4 H2SiO3 → SiO2 + H2O sản phẩm. Silica gel có thể hút một lượng hơi nước b ng 40% trọng lượng của nó và có thể làm độ ẩm tương đối trong hộp kín giảm xuống đến 40%.

Jerzy Chruściel [29] và cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp các hạt nanosilica bằng phương pháp sol-gel từ sự thủy phân tetra alkoxy silan, Si(OR)4. Phản ứng có thể viết gọn như sau: H / OH Si(OR)4 + 2H2O SiO2 + 4ROH Trong đó, R thường là các gốc ankyl như –CH3, –C2H5. Nếu sử dụng xúc tác axit, khả năng tạo dạng Si(OH)4 khó do phản ứng ngưng tụ bắt đầu trước khi xảy ra sự thủy phân hoàn toàn từ Si(OR)4 thành Si(OH)4. Với xúc tác bazơ, phản ứng thủy phân được ưu tiên nên dạng Si(OH)4 dễ dàng được hình thành Si(OR)4 .C gel và silica.

Với điều kiện phản ứng thích hợp, có thể tổng hợp được các hạt nanosilica có dạng hình cầu với kích thước 10 - 200 nm [33, 37, 81, 83, 90]. Cấu trúc của nanosilica là một mạng lưới 3 chiều và các nhóm silanol (Si−OH), siloxan (Si−O−Si) được tạo ra trên bề mặt nanosilica. Do có nhóm silanol và siloxan trên bề mặt nên các hạt silica có khả năng hút và dễ 10 dàng kết tụ ngay ở nhiệt độ phòng. silica tập hợp lại/kết t.

(a) (b) (c) H H H H H O O O O O Si Si Si Si 1. Các dạng liên kết của nhóm Si−O trên bề mặt silica và s. Tính chất vật lý của nanosilica sinh a , ng α 2,648 g/cm3 1,54 - 7 Mohs [11, 97] 4,287 g/cm3 , 1,1 mg/cm3 (As. loại silica [44, 95] Hàmlượng Kích thước As Loại silica pH (%) SiO2 hạt (µm) (m2/g) (g/cm3) Zeosil 175GR > 87 18 180 6,5 2,1 Zeosil 1165MP > 87 20 165 6,5 2,1 Zeosil 1085Gr > 87 20 90 6-7 2,1 Zeosil 1115MP > 87 20 115 6-7 2,1 12 1.

Tính chất hóa học của silica , ở .