LỜI CẢM ƠN

Trong nhiều tháng nghiên cứu và học tập, nhờ vào nỗ lực của bản thân
cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, em đã hoàn thành khóa luận của
mình đúng với thời gian quy định.
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc
của mình tới TS Lương Như Hải - Trung tâm Phát triển công nghệ cao - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa
Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã quan tâm giúp đỡ, trang bị
cho em những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình học tập tại
trường.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ cho em hoàn
thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017
Sinh viên


ANH MỤC CHỮ VI T TẮT

AN

Acrylonitril

CEC

Độ thay thế cation



3- metacryloxypropyl trimetoxy silan

NBR

Cao su nitril butadien

NC

Nanoclay

PE

Polyetylen

Pkl

Phần khối lượng

PNC

Polyme nanoclay

PP

Polypropylen

PVC

Polyvinyl clorua

1.1. Giới thiệu về vật liệu polyme nanocompozit, cao su nanocompozit ........3
1.1.1. Phân loại và đặc điểm của vật liệu cao su nanocompozit
....................4
1.1.2. Ưu điểm của vật liệu polyme nanocompozit và cao su
nanocompozit
............................................................................................................................6
1.1.3. Phương pháp chế tạo
..............................................................................6
1.1.4. Vật liệu polyme nanocompozit gia cường nanoclay
............................8
1.2. Polyme blend ...............................................................................................11
1.2.1. Khái niệm và phân loại.........................................................................11
1.2.2. Ưu điểm của vật liệu polyme blend.....................................................11
1.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu
...........................12
1.3. Cao su thi n nhi n, cao su nitril uta ien N R v nanoclay .............13
1.3.1. Cao su thiên nhiên ................................................................................13
1.3.2.Cao su nitril butadien (NBR)
................................................................16
1.3.3. Nanoclay
...............................................................................................18
1.4. T nh h nh nghi n c u trong v ngo i nước ............................................22
Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................26
2.1. Thiết ị v hoá chất sử ụng trong nghi n c u ......................................26


2.1.1. Thiết
bị ..................................................................................................26
2.1.2. Hoá chất, vật liệu
.................................................................................26

.............................................................34
3.2. Nghi n c u ảnh hưởng của quá tr nh iến tính tới độ ền nhiệt v

ền

ầu mỡ của vật liệu ............................................................................................38
3.2.1. Độ bền nhiệt của vật liệu......................................................................38
3.2.2. Khả năng bền dầu mỡ của vật liệu ......................................................40
KẾT LUẬN..........................................................................................................42


TÀI LIỆU THAM KHẢO
..................................................................................43


ANH MỤC CÁC ẢNG
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng
.............................4
Bảng 1.2: Thành phần hoá học của cao su thiên nhiên....................................14
Bảng 1.3: Cấu trúc hóa học vài loại nanoclay (loại smectit) ..........................20
Bảng 1.4: Giá trị CEC và kích thước của một số nanoclay [35].....................21
Bảng 2.1: Thành phần c bản của m u v t liệu cao su nanocompozit ...........27


ANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Nguyên lý chung để chế tạo v t liệu polyme nanocompozit ..............7
Hình 1.2: Các dạng v t liệu polyme/clay nanocompozit....................................9
Hình 1.3: S đồ mô tả tính chất che chắn của v t liệu polyme/clay
nanocompozit [33, 32]........................................................................................10
Hình 1.4: Công thức cấu tạo của cao su thiên nhiên........................................14

như cao su blend, các vật liệu này thường được gia cường bằng một số chất
độn gia cường như than đen, silica, clay,... [40]. 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 [27, 31]. Các chất độn nano có kích thước từ 1100 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 [36]. Nanoclay có kích thước nh (cỡ
2

nanomet), diện tích bề mặt riêng lớn cỡ 700800 m /g. Vì vậy, sự tương tác
giữa cao su
blend CSTN/NBR và nanoclay là rất lớn. Do vậy, chỉ với một lượng nh
nanoclay (cỡ vài phần trăm khối lượng) được đưa vào cao su blend
CSTN/NBR có thể nâng cao tính chất cơ học và khả năng che chắn của vật
liệu.

1


Các phương pháp chế tạo cao su nanocompozit gồm: trộn hợp dung
dịch, trùng in-situ, trộn hợp nóng chảy và phương pháp latex. Trong khi đó ở
nước ta, cây cao su là cây công nghiệp chủ lực nên nguồn latex cao su thiên
nhiên rất dồi dào. Chính vì vậy trong khuôn khổ khóa luận này, tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài“Nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN/NBR/clay
nanocompozit b ng phư ng pháp latex” đã được lựa chọn để nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài
- Nâng cao tính chất cơ học của vật liệu cao su blend CSTN/NBR.
- Đánh giá khả năng phân tán của nanoclay trong nền cao su bằng
phương pháp latex.
Nội dung nghiên cứu

polyeste, các loại cao su,..


Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng
Đường kính hạt

Bề

mặt

riêng

2

[cm /g]
1 cm

3

1 mm

3.10

100 µm

3.10

10 µm

3.10

1.1.1.1. 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 [28]:


- 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).
- 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,…
1.1.1.2. Đặc điểm của v t liệu polyme nanocompozit
- Với pha phân tán là các chất độn có kích thước nano nên chúng phân
tán rất tốt vào trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các
pha với nhau. Các phần tử chất độn nano phân tán tốt vào pha nền, dưới tác
dụng của lực bên ngoài tác động vào nền sẽ chịu toàn bộ tải trọng, các phần
tử nh 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 [10].
- Do kích thước nh 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 nh nên có thể phân tán trong
pha nền tạo ra cấu trúc rất đặc, do đó có khả năng bền nhiệt, bền môi trường
của vật liệu được cải thiện.


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.
1.1.3.3. Trùng hợp insitu
Phương pháp này có ưu điểm dễ chế tạo, nhanh và tính chất sản phẩm
tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba bước: đầu tiên các phụ gia nano
được xử lý bởi chất biến tính bề mặt thích hợp và sau đó được phân tán vào
monome rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo
polyme nanocompozit.
Sơ đồ nguyên lý chung chế tạo vật liệu polyme nanocompozit
Trùng hợp in-situ

Polyme
nanocompozit

Polyme

Monome

Sol - gel

Trộn thông thường

Hạt nano

Tiền chất nano
Sol -


1.1.4.2. Tính chất của v t liệu polyme/clay nanocompozit
Vật liệu polyme/clay nanocompozit có những tính chất ưu việt hơn
hẳn so với vật liệu polyme gia cường bằng các hạt có kích thước micro,
trong đó đáng chú ý là: tính chất cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và chống
cháy tốt, có tính chất che chắn, khả năng phân huỷ sinh học,… [23, 21, 24].
* Tính chất cơ học
Do có tương tác và kết dính tốt giữa pha nền và pha gia cường nên vật
liệu polyme/clay nanocompozit có độ bền kéo đứt và mođun đàn hồi rất cao.
Khi tăng hàm lượng clay thì tính chất cơ học tăng sau giảm dần.
* Khả năng chịu nhiệt và chống cháy
Khả năng chịu nhiệt và chống cháy của polyme/clay nanocompozit
không thuần túy là do khả năng chịu nhiệt và giữ nhiệt của clay như
compozit nền polyme gia cường bằng clay dạng hạt micro thông thường mà
gắn liền với hiệu ứng nano. Trong vật liệu polyme/clay nanocompozit các
phân tử polyme được bao bọc bởi các lớp clay, các lớp này đóng vai trò ngăn
cản sự khuếch tán của oxy cần thiết cho quá trình cháy của polyme. Mặt
khác,


các lớp clay có vai trò giữ nhiệt và cản trở sự thoát các sản phẩm dễ bay hơi
khi polyme cháy [39, 45].
* Tính chất che chắn
Do clay có cấu trúc lớp cũng như sự định hướng của các lớp clay trong
quá trình gia công nên vật liệu polyme/clay nanocompozit có độ thấm khí rất
thấp:

Hình 1.3: S đồ mô tả tính chất che chắn của v t liệu
polyme/clay nanocompozit [33, 32]
Hình 1.3 cho thấy, khí và hơi ẩm khi đi qua vật liệu sẽ không thể đi
theo một đường thẳng mà sẽ bị cản lại bởi các lớp clay trong thành phần, như

không đạt được. Do đó đáp ứng được nhiều yêu cầu kĩ thuật cao của hầu hết
khắp các lĩnh vực khoa học và kinh tế.
- Những kiến thức rộng rãi về cấu trúc, sự tương hợp phát triển rất
nhanh trong những năm gần đây tạo cơ sở cho việc phát triển vật liệu này.


1.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu
Tính chất của vật liệu polyme blend được quyết định bởi sự tương hợp
của các polyme trong tổ hợp. Từ những kết quả nghiên cứu người ta chỉ ra
rằng sự tương hợp của các polyme phụ thuộc vào các yếu tố sau [3, 16, 42]:
- Bản chất hóa học và cấu trúc phân tử của các polyme
- Khối lượng phân tử và sự phân bố của khối lượng phân tử
- Tỷ lệ các cấu tử trong tổ hợp
- Năng lượng bám dính ngoại phân tử
- Nhiệt độ
Tính chất các tổ hợp không tương hợp phụ thuộc:
- Sự phân bố pha
- Kích thước hạt
- Loại bám dính pha
Những yếu tố này bị chi phối bởi điều kiện chuẩn bị và gia công của
vật liệu [3]. Trong thực tế để tăng độ tương hợp cũng như khả năng trộn hợp
của các polyme người ta dùng các chất làm tăng khả năng tương hợp như các
copolyme, chất hoạt tính bề mặt bên cạnh việc chọn chế độ chuẩn bị và gia
công thích hợp cho từng loại tổ hợp thông qua việc khảo sát tính lưu biến của
tổ hợp vật liệu.


1.3. Cao su thiên nhiên, cao su nitril butadien (NBR) và nanoclay
1.3.1. Cao su thiên nhiên
1.3.1.1. Lịch sử phát triển của cao su thiên nhiên

TT

Hong khói

Crêp trắng

Bay hơi

1

Hidrocacbon

93-95

93-95

85-90

2

Chất trích ly bằng axeton

1,5-3,5

2,2-3,45

3,6-5,2

3


Độ ẩm

0,2-0,9

0,2-0,9

1,0-2,5

Hydrocacbon ở đây chính là CSTN, còn các chất khác nằm trong đó có
thể coi là các tạp chất. CSTN có công thức cấu tạo là polyisopren mà các đại
phân tử của nó được tạo thành từ các mắt xích cấu tạo dạng đồng phân cis
liên kết với nhau ở vị trí 1,4 (chiếm khoảng 98%). Công thức cấu tạo của
CSTN
được biểu thị ở hình 1.4.
CH 3

H
C

H2C

C

CH2
CH 2

CH2
C

CH 3

trường, hay một số tác nhân hóa học như H2SO4 , phenol,… cao su có thể
thực hiện phản ứng tạo hợp chất vòng.
- Phản ứng phân hủy: dưới tác dụng của nhiệt, tia tử ngoại hoặc của
oxy, CSTN có thể bị đứt mạch, khâu mạch, tạo liên kết peroxit, carbonyl,…
Tính chất vật lý
Ở nhiệt độ thấp, CSTN có cấu trúc tinh thể. CSTN kết tinh mạnh nhất ở
o

-25 C. Dưới đây là các tính chất vật lý đặc trưng của CSTN:
3

- Khối lượng riêng 913 [kg/m ]