TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
TRẦN THỊ TÂM
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
COMPOZIT CSTN/NBR/TRO BAY
TÓM TĂT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên nghành: Hóa Công nghệ Môi trường
Người hướng dẫn khoa học
TS. NGÔ KẾ THẾ
HÀ NỘI- 2011
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung
thực và không với kết quả của tác giả khác.
Tác giả: Trần Thị Tâm
Khóa Luận Tốt Nghiệp
iii
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Tro bay.................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển.................................................................................. 3
1.1.2. Các đặc trưng của tro bay ..................................................................... 4
1.1.2.1. Thành phần hoá học trong tro bay..................................................... 4
1.1.2.2 Hình thái học tro bay.......................................................................... 8
1.1.2.3. Phân bố kích thước hạt tro bay........................................................ 11
1.2.3.Một số ứng dụng của tro bay .............................................................. 12
1.2. Cao su thiên nhiên ................................................................................. 14
1.2.1. Lịch sử phát triển................................................................................ 14
1.2.2. Mủ cao su thiên nhiên ( latec)............................................................. 15
1.2.3. Thành phần và cấu tạo hóa học của cao su thiên nhiên ....................... 16
1.2.4. Tính chất của CSTN ........................................................................... 18
1.2.5. Một số ứng dụng của cao su thiên nhiên ............................................. 19
1.3. Cao su Butadien Nitryl (NBR)............................................................... 20
1.3.1. Giới thiệu về cao su butadien nitryl .................................................... 20
1.3.2. Phản ứng tổng hợp NBR..................................................................... 20
1.3.3. Tính chất cơ lý của NBR .................................................................... 22
1.3.4. Tính chất công nghệ của NBR ............................................................ 22
2.3.3 Xác định cấu trúc hình thái .................................................................. 37
2.3.4. Xác định độ bền nhiệt của vật liệu ...................................................... 38
2.3.5. Khảo sát quá trình lưu hóa.................................................................. 38
2.3.6. Xác định độ bền dầu mỡ ..................................................................... 39
2.3.7. Thử nghiệm môi trường...................................................................... 39
Chương 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN........................................................... 40
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng NBR đến tínnh chất của CSTN ................... 40
3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất của blend CSTN/NBR 42
3.3. Ảnh hưởng của tro bay đến quá trình lưu hóa blend CSTN/NBR .......... 43
3.4. Khảo sát tương tác pha của vật liệu ....................................................... 46
3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng tro tới độ bền nhiệt của vật liệu
CSTN/NBR/tro bay...................................................................................... 47
3.6. Độ bền môi trường của vật liệu ............................................................. 49
3.6.1. Hệ số già hóa ...................................................................................... 49
3.6.2. Độ trương trong dầu diezel ................................................................. 50
3.7. Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu CSTN/ tro bay.................................... 51
KẾT LUẬN ................................................................................................. 53
Khóa Luận Tốt Nghiệp
v
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
MỞ ĐẦU
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
CSTN/NBR/tro bay” sẽ nghiên cứu khả năng ứng dụng của tro bay để làm
chất độn gia cường cho tổ hợp blend CSTN/NBR nhằm chế tạo vật liệu mới
– vât liệu cao su nhẹ bền môi trường đồng thời tận dụng lượng tro bay phế
thải, nâng cao một số tính năng cơ lý cho vật liệu cao su đồng thời hạ giá
thành sản phẩm. Đây là vấn đề có ý nghĩa rất quan trọng trong khoa học, đời
sống và kỹ thuật.
2. Muc đích nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng tro bay như là chất độn gia cường cho tổ hợp
blend CSTN/NBR (cao su thiên nhiên/ cao su butadien nitryl) để chế tạo cao
su nhẹ bền môi trường.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng trộn hợp của tro bay với blend CSTN/NBR
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất cơ của vật
liệu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại tro bay được biến đổi bằng hợp chất
silan ở các nồng độ khác nhau đến tính chất cơ và khả trộn hợp của vật liệu
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái và độ bền nhiệt của vật liệu
Khóa Luận Tốt Nghiệp
2
Trần Thị Tâm
chi phí. Trong các tài liệu xuất bản trước đó, các tác giả đã đồng ý với đề nghị
Khóa Luận Tốt Nghiệp
3
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
của Davis (1937) và nhóm của ông ở Berkeley khi cho rằng có sự tương tự
giữa tro núi lửa và tro bay và các ảnh hưởng của chúng khi sử dụng như một
pozzolan hay chất phụ gia cho bê tông.
Tro bay, giống như tro núi lửa, được tạo ra trong các núi lửa nhân tạo
loại nhỏ, từ lò đốt của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá. Tro
của núi lửa và các vâtl liệu nhân tạo hay tự nhiên tương tự khác nhau được sử
dụng để tạo ra loại vật liệu kết dính bằng cách trộn hợp với vôi đã từ rất lâu.
Người La Mã, Trung quốc, Ấn Độ đã sử dụng tro núi lửa và gạch nung nghiền
mịn để tạo ra loại vữa có độ gắn kết cao để xây dựng các công trình kỷ niệm
từ xa xưa và cho đến nay vẫn còn tồn tại. Tro bay được tạo thành rất mịn, các
hạt giống như thủy tinh hình cầu chiếm phần lớn được thu gom trong hệ
thống thu gom bụi từ các khí thải của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu
hóa thạch. Nhìn chung nó mịn hơn xi măng Pooc Lăng. Thành phần hóa học
chủ yếu trong tro bay là oxit silic, oxit nhôm và các oxit của sắt hay canxi. Do
độ mịn và khả năng phản ứng pozzolanic của nó và đôi khi là trạng thái kết
dính tự nhiên của mình, tro bay được sử dụng rộng rãi và được chỉ định rõ
như các vật liệu khoáng trộn lẫn trong xi măng và bê tông. Tro bay đã được
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu
được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan đã tiến hành nghiên cứu thành
phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà
máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [4]:
Bảng 1.1: Thành phần hóa học các mẫu tro bay ở Ba Lan
Loại tro
bay
Thành phần (%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
TiO2
MgO CaO
- ZS-14
54.1
28.5
5.5
1.1
1.9
- ZS-16
47.3
31.4
7.7
1.6
1.9
1.7
Than đen
Than nâu
Khóa Luận Tốt Nghiệp
5
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
500
371
31
2
Wuhan
476
234
3
ZiBuo
506
4
TaYuan
5
Na2O LOI*(%)
34
11.6
4.87
454
293
119
12
6
2
20.1
8.51
KaFeng
460
195
41
39
WuChang
442
236
48
182
12.4
8.4
-
7.40
8
PingDin
586
293
24
24
Khóa Luận Tốt Nghiệp
6
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
Tro bay ở Hy Lạp có hàm lượng CaO cao, nếu theo phân loại ASTM C
618 thì tro bay loại này thuộc loại C, điều này phản ánh đúng thành phần của
nguyên liệu than nâu ban đầu.
Bảng1.3: Thành phần hóa học của nhiên liệu than đá
cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện ở Hy Lạp
Thành phần
Nhiên liệu cung cấp
Tro bay
Ptolemais
Megalopolis
Ptolemais
Megalopolis
CaO
38.1
15.8
31.9
14.9
MgO
4.2
2.2
4.5
2.7
SO3
5.1
14.1
6.8
3.9
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
hàm lượng các kim loại nặng cao.
Bảng1.4: Thành phần các nguyên tố trong tro bay ở Canada
Các
nguyên
tố
As
Cd
Cr
Hg
Mo
Ni
Pb
Se
Than bitum
Than bitum hàm
lượng S thấp
Than bitum hàm
lượng S cao
Than tầng sôi
23.5
2.03
Baghouse
27.80
2.82
201
1.58
12.3
53.8
53.5
11.72
Baghouse
600
0.970
107
0.130
66.3
76.3
86.3
3.70
551
6.54
86.6
2.37
81.0
120
dụng rộng rãi trong công nghiệp cao su và chất dẻo.
Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng.
Thông thường, các hạt tro bay đặc có dạng hình cầu, rắn chắc; các hạt tro bay
rỗng có dạng hình cầu rỗng bên trong với tỷ trọng thấp hơn 1.0 g.cm-3. Một
trong các dạng tro bay thường thấy được tạo thành bởi các hợp chất có dạng
tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như
thủy tinh oxit silic và các oxit khác. Các hạt tro bay đặc với tỷ khối trong
khoảng 2.0 – 2.5 g.cm3 có thể cải thiện các tính chất của vật liệu nền như độ
cứng, độ bền cơ, độ kháng rách và còn có khả năng giảm tỷ trọng của vật liệu.
Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu compozit siêu
nhẹ do tỷ trọng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0.4 – 0.7 cm3, trong khi các
chất nền kim loại có tỷ khối trong khoảng từ 1.6 – 11.0 cm3.
Đa số tro bay có lượng nhỏ các hạt rỗng và lượng lớn hơn các hạt cầu
rỗng mỏng chứa các hạt cầu nhỏ hơn. Cả hai loại hạt tro bay này thường có
lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ). Trên hình 1.4 thấy rõ các hạt cầu rỗng, các
hạt tro bay có lỗ hổng các hạt than chưa cháy hết và các hạt không có dạng
hình cầu.
Hình 1. 4: Các hạt rỗng có chứa các hạt
conKhóa
bên trong,
hạt than còn dư
Luận và
Tốtcác
Nghiệp
9
Hình 1.5: Các hạt tro bay tập hợp lại thành
Thị tinh
HF trong thời gian ngắn
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Hình 1.7 : Cấu trúc hạt tro bay
sau khi tiếp xúc với dung dịch
HF trong thời gian dài
10
Hình 1.8: Cấu trúc bên trong
tro bay với lớp vỏ bị phá vỡ
bằng dung dịch HF
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
Các hạt ở bên phải hình 1.6 chứa một cấu trúc đặc trưng của các hạt
mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim của Al2O3.2SiO2, được tìm thấy
trong hầu hết các hạt tro bay không có từ tính với hàm lượng can xi thấp điển
hình.
Sự vô cùng hỗn tạp của các vỏ bọc thủy tinh và cấu trúc bên dưới được
nhận thấy thể hiện trong hình 1.7. Mẫu tro bay này được tiếp xúc trong thời
gian lâu hơn (1h) với quá trình xử lý bằng axit hydrofloric.
Sự đa dạng trong cấu trúc các hạt được quan sát thấy ở các hạt nhỏ nằm
bên trong với cấu trúc plerosphere. Hình 1.8 biểu diễn các hạt dạng
10.0
200–325
75–45
10.6
9.2
< 325
< 45
79.2
76.3
Khóa Luận Tốt Nghiệp
11
Nam Phi Colombia
(%)
(%)
Trần Thị Tâm
9.761
16.84
22.22
11.06
Wuhan
2.323
5.098
10.50
19.30
32.10
14.12
Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân
đoạn có kích thước khác nhau. Hai loại tro bay thương phẩm của Cty Boud
Minerals & Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo
có kích thước hạt thể hiện trên bảng 1.7 [8].
Bảng 1.7: Kích thước hạt tro bay thương phẩm
Thông số
Mầu sắc
1.2.3. Một số ứng dụng của tro bay
Lượng tro bay thải ra ở các nhà máy trên toàn thế giới không ngừng gia
tăng mỗi năm. Các vấn đề dặt ra như chi phí đất dai để chứa lượng tro bay
thải ra hay các vấn đề môi trường đã thúc đẩy quá trình sử dụng tro bay trong
các lĩnh vực khác nhau.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
12
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
Tro bay đã được sử dụng thành công trong nghành công nghiệp bê
tông trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là
hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [9]. Có nhiều dự án
lớn trong thời gian gần đây dựa vào bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn
nước, các nhà máyđiện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển,
đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường
ống hay xilo,...
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện
trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra nhiều tấn tro bay mỗi năm[5]. Là một
chất thải công nghiệp, nó là nguyên nhân chính làm ô nhiễm môi trường và
làm tổn hại đến đất trông. Do đó chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát
theo 3 con đường chính: thêm vào trong xi măng như một cất trộn hợp
pozzolan, làm các con đập ngăn nước biển và được dự trữ trong các con
đường được đắp cao xung quanh các nhà máy nhiệt điên [10].
Ở Hy Lạp [11], tro bay được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xi
măng để thay thế clanhke và với mục đích tạo ra các xi măng Pooc Lăng đặc
thù.
Ở Việt Nam, lượng tro bay thải ra ở các nhà máy nhiệt điện cũng khá
lớn. Tuy nhiên vấn đề ứng dụng tro bay chưa được chú ý nhiều, mới chỉ có
một số các nghiên cứu bước đầu trong lĩnh vực xây dựng như sử dụng tro bay
làm chất độn nhẹ cho bê tông, làm chất kết dính cho xi măng. Một số tác giả
chế tạo các zeolit từ tro bay để xử lý môi trường.
1.2. Cao su thiên nhiên [12]
1.2.1. Lịch sử phát triển
Cao su thiên nhiên CSTN được loài người phát triển và sử dụng vào
nửa cuối thế kỉ XVI ở Nam Mỹ. Trong thời gian đầu thổ dân ở đây chỉ biết
trích nhựa cây cao su tẩm vào vải sợi làm giầy, dép đi rừng. Những sản phẩm
đầu tiên này có thời gian sử dụng lâu hơn các sản phẩm thông thường. Tuy
nhiên, độ bền chưa ổn định và hay dính gây cảm giác khó chịu, do đó CSTN
chưa được sử dụng rộng rãi.
Đến năm 1839 khi các nhà khoa học Gider và Gencoc phát minh được
Khóa Luận Tốt Nghiệp
14
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
Nước
: 52,367%
Cacbuahidro
: 37.329.5%
Polysaccarit
: 4,21,2%
Nhựa thiên nhiên
: 3,41,0%
Protein
: 2,70,9%
Chất khoáng
: 0,20,4%
Bay hơi
93 - 95
93 - 95
85 – 90
1,50 - 3,50
2,20 - 3,45
3,60 - 5,20
3
Hợp chất chứa nitơ
2,2 - 3,5
2,4 - 3,8
4,2 - 4,8
4
Chất tan trong nước
0,30 - 0,85
16
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
các chất này dao động tương đối lớn phụ thuộc vào phương pháp sản xuất,
tuổi của cây cao su, mùa khai thác mủ cao su…Trong bảng 1.8 trình bày
thành phần hoá học của CSTN, sản xuất bằng các phương pháp khác nhau
Chất trích ly bằng axeton có thành phần bao gồm 51% axít béo (axít
cobic, axít stearic) phần còn lại là các axít amin béo và các hợp chất photpho
hữu cơ.
Các hợp chất chứa nitơ gồm protein và các axít amin (sản phẩm phân
huỷ của protein). Các chất này làm giảm tính năng kỹ thuật của CSTN, đặc
biệt là độ cách điện vì chúng có khả năng hút ẩm.
Chất khoáng (thành phần thu được sau quá trình thiêu kết polyme) gồm
các hợp chất của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ như muối natri, muối kali,
muối magiê, các ôxít kim loại như Fe2O3, MnO2, CuO... Hàm lượng chất
khoáng trong CSTN phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, tuổi cây cao su, khí
hậu, thổ nhưỡng, mùa thu hoạch.
b-Cấu tạo hoá học của cao su thiên nhiên.
Mạch hydro cacbon của CSTN được tạo ra từ các mắt xích isopren:
CH2 C CH CH2
CH3
n
ch 2
ch 2
c=c
h
ch2
h
ch 3
Khối lượng phân tử trung bình của CSTN M = 1,3.106 (đvc) mức độ
dao động của khối lượng phân tử nhỏ từ 105 - 2.106.
1.2.4. Tính chất của CSTN
a-Tính chất vật lý của cao su thiên nhiên
CSTN ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể, độ kết tinh cao nhất ở -250C.
CSTN kết tinh có biểu hiện rõ ràng lên bề mặt như tăng độ cứng, làm mặt vật
liệu mờ không trong suốt.
Các thông số vật lý đặc trưng của CSTN:
+ Khối lượng riêng
: 913 (kg/m3)
+ Hệ số nở thể tích
: 6,56.10-4(dm3/0C)
+ Nhiệt độ hoá thuỷ tinh
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
Cao su thiên nhiên tan tốt trong dung môi hữu cơ mạch thẳng, mạch
vòng, CCl4, CS2, không tan trong rượu và xeton.
b- Tính chất cơ lý của cao su thiên nhiên
Cao su thiên nhiên được lưu hoá bằng lưu huỳnh với một số chất xúc
tiến thông dụng. Tính chất cơ lý của CSTN được xác định theo tính chất của
hợp phần cao su tiêu chuẩn sau:
Bảng 1.9: Thành phần tiêu chuẩn để xác định các tính chất cơ lý của CSTN
STT
Thành phần
Hàm lượng (PKL)
1
Cao su thiên nhiên
100,0
2
Lưu huỳnh
: 12 %
+ Độ cứng tương đối
: 65 Shore
1.2.5. Một số ứng dụng của cao su thiên nhiên
Một số sản phẩm ứng dụng cao su thiên nhiên trong công nghiệp:
-
Nhiều doanh nghiệp ngành sản xuất vỏ xe và một số ngành sử
dụng nguyên liệu cao su thiên nhiên.
-
Kymdan, nhà kinh doanh và sản xuất nệm từ cao su thiên nhiên
Khóa Luận Tốt Nghiệp
19
Trần Thị Tâm
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
Viện Khoa Học Vật Liệu
lớn nhất và lâu đời nhất Việt Nam đã đưa ra thị trường nhiều sản phẩm cao
cấp có giá trị thương phẩm cao khi xuất khẩu như: nệm, gối, giường xếp di
20
Trần Thị Tâm
Copyright: Tài liệu đại học ©