TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
**********
ĐOÀN THỊ VÂN ANH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU POLYPROPYLEN/TALC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
ThS. NGUYỄN VIỆT DŨNG
PGS. TS. NGÔ KẾ THẾ
HÀ NỘI – 2015
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
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 Việt
Dũng 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.
Đoàn Thị Vân Anh
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các bảng
Bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 2.1
Thành phần hóa học của khoáng Talc
26
Bảng 2.2
Thành phần các mẫu vật liệu polypropylen chứa
các loại bột talc khác nhau
Hoa Kỳ các năm 2003 và 2010
13
Hình 1.5
Isotactic Polypropylene
16
Hình 1.6
Syndiotactic Polypropylene
16
Hình 1.7
Atactic Polypropylene
17
Hình 1.8
Ảnh hưởng của khoáng Talc đến nhiệt độ kết tinh
của vật liệu
21
Hình 1.9
Hình 2.5
Máy tạo khía mẫu đo độ bền va đập
30
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
Hình 2.6
Thiết bị đo độ bền va đập
30
Hình 3.1
Ảnh SEM mẫu vật liệu polypropylene chứa bột
Talc chưa biến đổi bề mặt
31
Hình 3.2
36
Hình 3.7
Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc
37
Hình 3.8
Độ bền giãn dài vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc biến đổi bề mặt bằng các tác nhân
ghép nối khác nhau
38
Hình 3.9
Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc
39
Hình 3.10
Độ bền va đập vật liệu polypropylene chứa bột
khoáng Talc
2.3. Phƣơng pháp xác định các tính chất của vật liệu.............................................. 28
2.3.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét .................................................................... 28
2.3.2. Xác định tính chất cơ giãn dài ................................................................. 29
2.3.3. Xác định độ bền va đập ............................................................................ 30
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 31
3.1. Hình thái bề mặt vật liệu compozit ..................................................................... 31
3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng khoáng Talc đến tính chất cơ của vật liệu .......... 32
3.2.1. Tính chất cơ giãn dài ............................................................................... 32
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
3.2.2. Độ bền va đập Charpy ............................................................................. 35
3.3. Ảnh hƣởng của các chất biến đổi bề mặt khác nhau ........................................ 36
3.3.1. Tính chất cơ giãn dài ............................................................................... 36
3.3.2. Độ bền va đập Charpy ............................................................................. 39
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 42
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Viện Khoa học Vật liệu
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc và bề mặt với các tác nhân ghép
nối khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu polypropylene.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Chế tạo vật liệu compozit polypropylen/talc với hàm lượng và các
loại bột khoáng talc khác nhau
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng khoáng talc đến tính chất
cơ của vật liệu polypropylen/talc.
Nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt khoáng talc với các tác nhân
ghép nối khác nhau đến tính chất cơ của vật liệu được gia cường.
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
nối (titanat, silan).
Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm,
trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó
người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi
(CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm.
Talc là khoáng vật tự nhiên, trong đó hàm lượng oxit silic chiếm thành
phần chủ yếu. Cùng với các đặc trưng về hình dạng, khoáng vật này ngày
càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm chất
độn gia cường trong công nghiệp cao su và chất dẻo.Talctrong các vật liệu
polyme đã có nhiều ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của vật liệu.
1.1.2. Khoáng vật-chất độn cho vật liệu polyme [3-4]
Hầu như tất cả các vật liệu polyme đều có chứa ít nhiều chất độn với
nhiều mục đích khác nhau. Trong vật liệu polyme compozit, các chất độn
được phân tán ở 3 dạng: một chiều, hai chiều và ba chiều. Chất độn một
chiều hay còn gọi là chất độn đẳng hướng là các loại bột mà kích thước của
hạt nhỏ và không khác nhau nhiều theo các hướng.
Các chất độn cho vật liệu polyme có nguồn gốc chủ yếu từ khoáng
chất.Khoáng chất ở nước ta có nhiều ở các dạng mica, talc, thạch anh,
dolomit, khoáng sét, bột đá..., song còn ít được tinh chế thành sản phẩm
thương mại để sử dụng làm chất độn trong ngành cao su và polyme.Các
chất độn này chủ yếu phải nhập ngoại.Nghiên cứu biến đổi bề mặt các bột
khoáng và khả năng ứng dụng chúng làm chất độn trong lĩnh vực công
nghệ cao su và chất dẻo còn chưa được quan tâm thích đáng ở các chương
trình khoa học công nghệ. Đây là hướng nghiên cứu có thể nói còn là mới ở
alumin silicat nhưng chúng là những loại khoáng riêng biệt, có cấu trúc
tinh thể và đặc tính khác nhau, liên quan đến khả năng sử dụng làm chất
độn gia cường cho các vật liệu polyme.
Độ cứng Mohs là một khái niệm tương đối thể hiện độ mài mòn và
khả năng chịu mài mòn của khoáng. Talc là khoáng mềm nhất và kim
cương có độ cứng lớn nhất (hình 1.1). Những loại khoáng cứng sẽ có khả
năng chịu chùi rửa và chịu được sự đánh bóng tốt hơn. Do tính mài mòn,
khoáng cứng dễ làm hỏng thiết bị công nghệ hơn khoáng mềm
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Talc
Thạch cao
Khoáng canxi
Khoáng fluorit
Apatite
Feldspar
Thạch anh
Khoáng topaz
9. Khoáng corundum
10. Kim cương
Hình 1.1. Độ cứng của các khoáng
Độ hấp thụ dầu của khoáng là một đặc tính có liên quan đến khả năng
hưởng đến khả năng gia cường trong vật liệu của chất độn bao gồm các yếu
tố chính: hình dạng, kích thước hạt, diện tích bề mặt và khả năng tương tác
của chất độn với chất nền polyme.
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Hình cầu
Viện Khoa học Vật liệu
Hình Khối lập phương
Hình kim
Hình khối hộp
Hình phiến (tấm)
Hình sợi
Hình dạng phổ biến của các loại chất độn dạng hạt như hình cầu, hình
khối, hình lập phương, hình kim, dạng phiến hay dạng sợi. Một vài loại
chất độn chứa nhiều loại hình dạng khác nhau. Các chất độn khoáng đặc
trưng bởi các dạng tấm, dạng kim và dạng sợi có những ảnh hưởng sâu sắc
bởi tỷ lệ bề mặt của chúng.
c. Tỷ lệ bề mặt
d. Kích thước hạt
Kích thước hạt chất độn có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng gia cường
tính chất của vật liệu polyme. Người ta thấy rằng nếu kích thước hạt:
>10 000 nm (10µm)
: làm suy giảm tính chất vật liệu
1000 – 10 000 nm (1-10µm)
: có tác dụng như chất pha loãng
10 – 1000 nm (0,1-1µm)
: có tác dụng như chất bán gia cường
10 – 100 nm (0,01-0,1µm)
: có tác dụng gia cường tính chất vật
liệu
Với các chất đàn hồi, nếu kích thước hạt của các hạt chất độn lớn hơn
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
thích và kết dính chất độn với chất nền polyme. Việc cải thiện khả năng
tương thích hay kết dính giữa chất độn và chất nền bằng các phương pháp
xử lý bề mặt có thể phân ra theo các phương thức:
- Xử lý bề mặt chất độn cùng các chất trợ công nghệ: Quá trình
xử lý bề mặt này sử dụng các hợp chất có hoặc không tạo ra liên
kết với chất độn và không tạo ra liên kết với chất nền. Nó chỉ
hoạt động như một tác nhân thấm ướt để tạo lớp bề mặt kỵ nước
trên chất độn và lớp phủ này tương thích hơn với chất nền
polyme.
- Xử lý bề mặt làm tăng khả năng phân tán và chống kết tụ của
chất độn và cho phép đưa được hàm lượng chất độn cao hơn.
- Biến đổi bề mặt với sự có mặt của tác nhân ghép nối. Một chất
độn được biến đổi bề mặt bằng tác nhân ghép nối qua các liên
kết cộng hóa trị bền vững. Các tác nhân hóa học cũng liên kết
với chất nền qua các phản ứng hóa học hoặc sự đan xen các
chuỗi mạch.
Các tác nhân ghép nối được sử dụng như những chất biến đổi bề mặt,
chúng cải thiện khả năng kết dính, nâng cao cũng như duy trì tính chất của
vật liệu khi tiếp xúc với môi trường.
1.2. Khoáng chất talc và ứng dụng trong các ngành công nghiệp
1.2.1.Các đặc điểm cơ bản của khoáng talc
Talc là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là
Mg3Si4O10(OH)2. Cấu trúc của talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp
giữa hai lớp tứ diện silic.Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng
lực liên kết yếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc
lợi thế trong ứng dụng talc [9].
Hình 1.3. Một số quặng talc có màu khác nhau [9]
Talc có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3 (giá trị tỉ trọng theo
tính toán là 2,78 g/cm3). Talc có ánh mờ; màu xanh lá cây nhạt đến đậm,
trắng, trắng phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.3),
talc có thể không màu trong lát mỏng thạch học [6].
Kích thước của các hạt tan riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu
trúc cơ sở) có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm phụ thuộc vào quá trình
hình thành. Tùy từng mỏ, talc có thể có dạng tấm với các hạt riêng rẽ lớn,
trong khi có những mỏ, talc tồn tại ở hạt riêng rẽ, kích thước rất nhỏ.
Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930°C, mất nước cấu trúc trong
khoảng 930 - 970ºC tạo thành enstatit (MgSiO 3). Thông thường các sản
phẩm talc thương mại giảm khối lượng ở dưới 930°C do có chứa carbonat phá hủy ở 600°C và chlorit - mất nước ở 800°C. Talc nóng chảy ở nhiệt độ
1.500°C [11].
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
Xu hướng hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô là chế tạo các bộ
phận mỏng, nhẹ và kích thước chính xác, điều này đòi hỏi nhựa có tính lưu
biến cao hơn.Mặt khác, các loại nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn.
Các xe ô tô ngày nay thường chứa tới khoảng 1.000 các thành phần từ cao
su và chất dẻo, trung bình một xe ô tô sử dụng tới 8 kg bột talc làm chất
độn gia cường.
Sử dụng bột talc không thấm nước trong lốp xe giúp các nhà sản xuất
chế tạo ra những lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ
nhiên liệu ít hơn. Bột talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt
của hợp chất cao su làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn, thiết bị
khuôn ít bị mài mòn hơn.
Vừa qua, Công ty Rio Tinto Minerals đã phát triển một loại bột talc
(HAR) siêu mịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp
lực, do có độ phân tán tốt hơn trong nhựa nên duy trì độ cứng cho các phụ
tùng đúc [14].
Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20%, tăng nhiệt độ biến
dạng của hợp chất PP với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% và tỉ lệ co ngót
thấp trong khi không làm giảm độ dẻo của các bộ phận đúc. Loại PP chứa
bột talc HAR được dùng bên ngoài các bộ phận của ô tô (bộ giảm chấn, bộ
phận cân bằng và tấm chắn bùn) và các bộ phận cần chống va đập cao.
Trong cao su, bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình chế
biến và làm chất độn gia cường. Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe
giảm độ dày và trọng lượng của lốp. Việc này không chỉ làm tăng sức cản
lăn mà nó còn khiến cho lốp xe được sản xuất rẻ hơn nhiều. Cao su bổ sung
thương mại quan trọng là polyetylen, polyizobutylen và đồng trùng hợp
izobutylen-izopren.Người ta đã chế tạo các polyme từ những olefin khác
nhưng không nhận được sản phẩm có giá trị thương mại.
Năm 1954, G.Natta(Ý) và K.Ziegler(Đức) đã tìm ra xúc tác “Ziegler” có
khả năng sản xuất các polyme có khối lượng phân tử cao từ propylen và nhiều
olefin khác. Bằng cách thay đổi công thức xúc tác, Natta có khả năng sản xuất
ra polypropylen có khối lượng phân tử cao với nhiều tính chất khác nhau
[15].Natta sử dụng các chất xúc tác phát triển cho ngành công nghiệp
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
polyetylen và áp dụng công nghệ khí propylen. Sản xuất thương mại bắt đầu
vào năm 1957 và polypropylen sử dụng đã hiển thị tăng trưởng mạnh mẽ kể
từ ngày này. Sự linh hoạt của các polymer (khả năng thích ứng với một loạt
các phương pháp chế tạo và ứng dụng) đã duy trì tốc độ tăng trưởng cho phép
PP thách thức thị phần của một loạt các vật liệu thay thế trong rất nhiều ứng
dụng.
PP là một lọai nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trùng
hợp các monome propylen. Các monome có thể kết hợp với nhau theo nhiều
cách tạo nên các đoạn mạch polyme có hình thái cấu tạo khác nhau ảnh hưởng
đến khả năng kết tinh của polyme [16].
1.3.2. Cấu trúc phân tử [15]
PP là một hidrocacbon mạch thẳng no thuần túy hay có một phần nhỏ
isotactic cho phép các phân tử bó kết chặt chẽ trong cấu trúc tinh thể.Trong sự
sắp xếp syndiotactic và atactic, nhóm metyl bên cạnh là khá lớn nên không
cho phép phân tử bó kết chặt chẽ trong vùng tinh thể. Do vậy PP izotactic
cứng và chắc hơn PP syndiotactic và PP atactic có bản chất tựa cao su.
Công thức của PP có nguyên tử H ở cacbon bậc ba linh động do đó PP
dễ bị oxi hóa, lão hóa. Sự có mặt nhóm metyl luân phiên ở cacbon mạch
chính của PP làm thay đổi một số tính chất của polyme.Thí dụ, nhóm metyl
tham gia vào đối xứng phân tử nên làm tăng nhiệt độ nóng chảy.Trong trường
hợp của PP izotactic có cấu trúc điều hòa nhiệt độ nóng chảy cao hơn PE
50ºC.Nhóm metyl bên cạnh ảnh hưởng đến bản chất hóa học của PP. Cacbon
bậc ba là vị trí dễ bị oxi hóa nên PP ít bền oxi hóa so với PE.
1.3.3. Tính chất của polypropylen
a.Tính chất vật lý
Vật liệu PP thu được bằng phương pháp huyền phù có cấu trúcđồngđều
(tỉ lệ isolactic cao), Mtb=80000-150000 đvC, tỷ trọng khoảng 0,9-0,91 g/cm3.
Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không
Khóa luận tốt nghiệp
Đoàn Thị Vân Anh
Đại học sư phạm Hà Nội 2
Viện Khoa học Vật liệu
mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc
biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.
Sản phẩm thương mại PP có Tm trong khoảng 160-170ºC, với PP nguyên chất
thì Tm có thể đạt tới 176ºC. Tuy nhiên chỉ nên hạn chế nhiệt độ làm việc trong
Khóa luận tốt nghiệp
: 2÷60 gr/10 phút
Đoàn Thị Vân Anh
Copyright: Tài liệu đại học ©