Luận văn Nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của chất độn muội than và cacbon nanotubes lên tính chất và cấu trúc các vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở cao su thiên nhiên NR và cao su tổng hợp SBR, PP

dul đàn hồi (%) 8,8 7,8 5 Dãn dài tương đối (%) 600 600 6 Độ cứng (shore) 62 61 Do cao su butadien-styren là sản phẩm đồng trùng hợp nên tính chất của nó phụ thuộc vào điều kiện trùng hợp như (nhiệt độ, xúc tác, tỷ lệ cấu tử). Khi hàm lượng monome styren tham gia vào phản ứng tạo mạch đại phân tử nhỏ hơn 30%, các monome butadien và styren sắp xếp xen kẽ nhau dạng - A - B - A - B-. Copolyme nhận được mềm dẻo như các loại cao su khác và sản phẩm nhận được trong phản ứng trùng hợp này là cao su butadien styren [8,29]. Trong trường hợp khác khi hàm lượng monome styren tham gia hình thành mạch đại phân tử lớn hơn 30%, mạch đại phân tử có cấu tạo từng đoạn mạch butadien styren xen kẽ nhau sản phẩm trùng hợp này gọi là block copolyme có cấu dạng AA...BB...AA. Cao su butadien styren là cao su phân cực tồn tại ở trạng thái vô định hình. Các chất độn hoạt tính cho các loại cao su khác không có tác dụng tăng cường đáng kể cho cao su butadien styren [29]. Một số đặc trưng quan trọng của loại cao su này là modun vật liệu tăng trong quá trình lão hóa. Hiện tượng tăng modun (độ cứng) của vật liệu trong quá trình lão hóa được gọi là hiện tượng giòn nhiệt. Hiện tượng này có thể giải thích khả năng định hướng lại mạch đại phân tử dưới tác dụng của quá trình lão hóa. Cao su butadien styren có độ cứng lớn, khả năng chống mài mòn tốt nên trong công nghiệp sản xuất săm lốp ôtô chúng thường được sử dụng làm mặt lốp. Trong công nghiệp hóa chất chúng thường được dùng để bọc lót các thiết bị chịu tác dụng ăn mòn của các loại axít, bazơ và các loại muối [27]. IV.2. Tính chất cơ lý và tính chất công nghệ của SBR Block copolyme butadien styren có tính chất đặc trưng cho các loại nhựa nhiệt dẻo. Để sản xuất ra sản phẩm từ block copolyme butadien styren có thể sử dụng các phương pháp gia công thông thường dùng cho nhựa nhiệt dẻo: ép phun, đúc dưới áp suất thấp, đúc chân không, cán, tạo màng.. Ở Liên Xô cũ các cao su butadien styren được sản xuất bằng cả hai phương pháp: trùng hợp trong dung dịch và trùng hợp huyền phù. Khối lượng phân tử trung bình của cao su butadien styren được xác định bằng cách xác định độ nhớt theo staudinger dao dộng từ 150000 đến 400000 [1]. Cao su butadien-styren còn được sản xuất ở nhiều nước khác: Mỹ, Nhật bản, cộng hòa liên bang Đức, Áo, Thụy Sĩ. Cao su butadien styren là loại cao su mà ở mạch đại phân tử có chứa các liên kết không no. Hàm lượng các mắt xích không no dao động từ 84%-86% mol. Đặc trưng không no trong mạch đại phân tử cho phép cao su butadien styren lưu hóa bằng lưu huỳnh với sự có mặt của các loại xúc tiến lưu hóa thông dụng. Tính chất công nghệ, cơ lý của cao su butadien styren phụ thuộc vào hàm lượng monome styren liên kết để hình thành mạch đại phân tử. Cùng với hàm lượng các nhóm này tăng đàn tính và khả năng chịu lạnh của vật liệu giảm nhanh chóng. Các tính chất cơ học của cao su butadien styren không phụ thuộc tuyến tính vào hàm lượng nhóm styren liên kết mà thay đổi qua điểm cực đại ở hàm lượng styren khoảng 30-50% mol [8]. V. Nhựa nhiệt dẻo polypropylen (PP) V.1. Thành phần và cấu tạo của phân tử PP Trong các vật liệu cao phân tử thông dụng trên thế giới và ở Việt Nam thì PP là một trong nhựa nhiệt dẻo được ứng dụng nhiều nhất. PP là nhựa nhiệt dẻo được tổng hợp từ hydrocacbon không no propylen. PP có thể được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp áp suất thấp và áp suất cao. Năm 1954 Ziegler đã tổng hợp được PP có trọng lượng phân tử cao khi tiến hành trùng hợp dưới tác dụng của Trietyl Nhôm và Tetraclorua Titan. Sản phẩm là hỗn hợp của các loại PP có cấu trúc không gian và khối lượng phân tử khác nhau. Cùng năm Nattha cũng đã tổng hợp được loại PP hoàn chỉnh hơn và công nghệ này ứng dụng ở nhiều nước khác nhau trên toàn thế giới [21]. Do có nhóm –CH3 nên trong mạch đại phân tử, tính chất của PP phụ thuộc vào sự phân bố của nhóm –CH3 trong phân tử [2]. Cấu trúc PP đồng trùng hợp thường được chia thành hai loại tùy theo cấu trúc hóa học, đó là PP copolyme khối và PP copolyme nhánh (block copolyme và random copolyme). Cấu tạo của PP có một đặc tính là cứ hai nguyên tử cacbon của mạch thẳng thì có một nguyên tử có các nhóm metyl gắn vào và sự xắp xếp của các nhóm này quyết định đến khả năng kết tinh của PP. Chỉ có PP izotactic và syndiotactic mới có khả năng kết tinh, còn dạng atactic là dạng vô định hình [6,26]. V.2. Các tính chất của PP PP có cấu trúc đồng đều là sản phẩm cứng, không độc, không mùi vị. Tính chất cơ học của PP phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình, vào độ đồng đều, độ phân bố và hàm lượng polyme atactic. Độ bền kéo đứt và độ ổn định nhiệt cao hơn PE, PS và một số loại nhựa PVC, còn có tính chất cơ học khác gần như PVC và PS. Tính chất cách điện và thấm nước gần giống PE [8]. Nhược điểm của PP là kém chịu nhiệt độ thấp (-20oC đến -15oC) và dễ bị oxy hóa, đặc biệt dưới tác dụng của ánh sáng. Đặc tính cơ lý của PP có trọng lượng phân tử từ 80000 - 130000 trình bầy ở bảng sau. Bảng 6. Đặc tính cơ lý của nhựa PP Đặc tính Giá trị Tỷ trọng, g/cm3 0,90 – 0,91 Giới hạn bền kéo đứt, Kg/cm2 300 – 350 Giới hạn bền nén, Kg/cm2 600 – 700 Giới hạn bền uốn, Kg/cm2 900 – 1200 Độ giãn dài tương đối, % 300 – 700 Nhiệt độ chảy, oC 167 – 170 Độ ổn định nhiệt, oC 103 - 100 PP có nhiệt độ nóng chảy từ 160 - 175oC, tùy thuộc vào độ tinh thể của nó. Nếu không có lực cơ học ở bên ngoài tác động thì PP không bị biến dạng cho đến nhiệt độ 150oC. Dưới tác động của tải trọng 15kg/cm2 và nhiệt độ tăng dần với tốc độ 50oC/giờ ở 140oC với tải trọng trên thì PP có thể chịu đựng được từ 60 - 80 ngày mà vật liệu không bị phá hủy [21]. Các tạp chất và sự tiếp xúc với kim loại như Cu, Mn hay hợp kim có chứa kim loại này có ảnh hưởng đến tính ổn định nhiệt của PP. Các tính chất lý nhiệt của PP: - Tỷ nhiệt ở 20oC, Kcal/kg.oC : 0,4-0,46 - Hệ số dẫn nhiệt, Kcal/m.g.o : 0,12-0,1 - Hệ số dãn dài ở 30-120oC : (1,1-2,1).10-4 - Hệ số giãn nở thể tích : (4,8-5,0).10-4 Bảng 7. Một số tính chất cơ học và tính chất nhiệt của PP thương phẩm Tính chất PP nguyên chất PP Copolyme Chỉ số chảy 3,0 0,7 0,2 3,0 0,2 Độ bền kéo (MPa) 34 30 29 29 25 Độ dãn dài tương đối(%) 350 115 175 40 240 Modul uốn (Ibf/in2) 190,000 170,000 160,000 187,000 150,000 Nhiệt độ dòn(oC) +15 0 0 -15 -20 Nhiệt độ nóng chảy(oC) 140-150 148 148 148 147 Độ cứng Rockwell 95 90 90 95 88,5 Độ bền va đập (j.cm2) 13,5 34 46 46 57,5 Ở nhiệt độ thường, PP không hòa tan trong dung môi hữu cơ, ngay cả khi tiếp xúc trong thời gian dài mà chỉ trương trong các hydrocacbon thơm và hydrocacbon clo hóa. Nhưng ở 80oC, PP bắt đầu tan trong hai lọai dung môi này. Độ bền đối với các dung môi tăng theo độ kết tinh của polyme. Khi tiếp xúc với các dung môi có cực, PP không bị dòn và tính chất không bị thay đổi ngay cả trong thời gian dài [21]. Tính chất cơ lý của PP ít thay đổi dưới tác dụng của H2SO4 80% ở 20oC trong 30 ngày và 7 ngày đêm ở 90oC. Dưới tác dụng của H2SO4 98% ở 90oC trong 7 ngày đêm thì PP bắt đầu tối màu, trở thành dòn và bị phân hủy. Trong môi trường NaOH 40% PP ổn định cho đến nhiệt độ 110oC. Tất cả các loại PP đều không ngấm nước và tính chất cơ học không phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường [8]. V.3. Tính chất cơ lý và tính chất công nghệ của PP PP là một loại nhựa nhiệt dẻo, do vậy có thể gia công bằng phương pháp như đúc dưới áp suất, thổi ép, tạo hình trong chân không và các phương pháp khác. PP thường được sử dụng để gia công là hạt hình trụ. PP tương đối khó dán, các chi tiết làm bằng PP có thể được ghép bằng cách hàn, tán đinh ốc . Ống PP có khả năng chịu nhiệt tốt, có thể được sản xuất bằng phương pháp như ép đùn, ép phun. Ống PP được ứng dụng để vận chuyển nước nóng, các chất lỏng nóng, dung môi hữu cơ và dầu khoáng. Tạo màng: Do có độ bền cao nên màng PP có thể làm mỏng hơn và lĩnh vực ứng dụng rộng hơn. Độ thấm khí, thấm nước và các loại khí khác của màng PP nhỏ hơn màng PE. Màng PP có thể thay thế màng PE trong lĩnh vực ứng dụng. Các sản phẩm tạo hình và đúc: Các tấm PP có chiều dày từ 0,2 - 0,3 mm thường được gia công theo phương pháp ép đùn. Đối với những sản phẩm lớn và phức tạp hơn thì có thể tạo hình chân không. Với phương pháp này có thể gia công các loại bình, thùng cho công nghiệp hóa chất, công nghiệp dệt. Ngoài ra nhựa PP còn có thể ứng dụng khác trong lĩnh vực cách điện, tạo màng bảo vệ cho các sản phẩm để tránh các tác động của môi trường. Tạo ra các loại sợi và các vật dụng gia đình khác như: nắp chai, thân, nắp bút. két bia, hộp, chai lọ, màng mỏng, vật liệu cách điện tần số cao, sợi dệt PP. VI. Vật liệu polyme tổ hợp VI.1. Khái niệm về vật liệu tổ hợp Người ta định nghĩa polyme blend là loại vật liệu tổ hợp có các mối liên kết và cấu trúc pha nhất định của hai hay nhiều loại polyme [8]. Như vậy, có thể thấy là polyme blend cũng có thể được tổ hợp từ cùng một loại monome với cấu trúc mạch khác nhau (giữ cấu trúc mạch thẳng và mạch nhánh). Polyme blend cũng có thể là một hệ đa thành phần, trong đó các đại phân tử của mỗi thành phần có khả năng khâu mạch với nhau nhờ các nhóm chức hoạt động trong mạch hoặc nhờ một tác nhân khâu mạch trung gian. Vật liệu polyme blend có thể được chế tạo bằng các phương pháp như trộn hợp trong dung dịch trong latex hoặc ở trạng thái nóng chảy với một hoặc nhiều hơn các tính chất cùng đóng góp để đạt yêu cầu tính năng hoàn thiện cho một ứng dụng riêng biệt. Các tổ hợp này có thể là một polyme nhiệt dẻo/polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt dẻo/cao su hoặc cao su/cao su... [20]. Đối với những polyme blend được tạo thành từ quá trình trộn hợp ở trạng thái nóng chảy, quá trình diễn biến đi từ trạng thái rắn sang trạng thái nóng chảy, từ trạng thái nóng chảy phân tán thô chuyển dần sang trang thái trộn lẫn. Cân bằng nhiệt động của quá trình chịu ảnh hưởng của các yếu tố động học hay các yếu tố công nghệ. Do vậy, tốc độ trộn càng cao, độ nhớt của polyme thành phần và chênh lệch độ nhớt giữa chúng càng thấp, thì quá trình khuyếch tán xảy ra càng nhanh hệ nhanh đạt tới trạng thái cân bằng. Khi đó polyme nào có độ nhớt thấp và hàm lượng lớn hơn sẽ tạo thành pha liên tục, polyme nào có độ nhớt cao và hàm lượng thấp hơn sẽ tạo thành pha phân tán [8,26]. VI.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu tổ hợp Đối với các polyme thông thường người ta thường trộn hợp chúng ở trạng thái nóng chảy trên thiết bi trộn kín. Ngoài ra còn có thể tiến hành chế tạo vật liệu tổ hợp trực tiếp trong các máy trộn hợp polyme ở dạng huyền phù hoặc nhũ tương. Cho dù tiến hành theo phương pháp nào thì thời gian trộn, nhiệt độ trộn, tốc độ trộn cũng ảnh hưởng quyết định đến tính chất, cấu trúc pha của vật liệu tổ hợp [4,5]. Sự tương hợp của các polyme: là điều kiện cho sự tạo thành một pha tổ hợp ổn định và đồng thể từ hai hay nhiều polyme. Khả năng trộn hợp của các polyme nói lên khả năng của các polyme ở điều kiện nhất định có thể trộn vào nhau tạo thành những tổ hợp đồng thể hoặc dị thể. Có những tổ hợp polyme trong đó các cấu tử có thể trộn lẫn vào ngay tới mức phân tử và cấu tử này tồn tại ở trạng thái cân bằng người ta gọi hệ này là tương hợp về mặt nhiệt động học ” Miscibility”, hoặc có thể như thế tạo thành nhờ một biện pháp gia công nhất định ngưới ta gọi là tương hợp về mặt kỹ thuật hay “Compatible”. Những tổ hợp polyme trong đó tồn tại những pha dù kích thước rất bé (micro) gọi là tổ hợp không tương hợp hay”Incompatible blends” hoặc “Alloys” [3,8]. Hình dạng, kích thước và sự phân bố không gian của pha là kết quả của sự tương tác ảnh hưởng qua lại lẫn nhau giữa độ nhớt và tính đàn hồi, tính chất của bề mặt phân cách, thành phần của tổ hợp và các điều kiện của quá trình trộn hợp [23]. Tính chất của vật liệu tổ hợp phụ thuộc chủ yếu vào khả năng trộn hợp cũng như sự tương hợp pha giữa các polyme. Khả năng trộn hợp của các polyme quyết định cơ bản tính chất của vật liệu tổ hợp. Khả năng trộn hợp được đặc trưng bởi tương tác, thẩm thấu của các thành phần trên bề mặt phân tử, tương tự như hóa học các hợp chất thấp phân tử. Flogy và Hugins đã đưa ra mô hình sắp xếp các chuỗi polyme theo mô hình học lưới. Mối tương quan giữa năng lượng tự do Gibbs (ÄGmix) và entanpi (ÄHmix), entropi (ÄSmix) trong quá trình trộn hợp đối với hệ thuận nghịch, khi trộn n1 mol polyme 1 với n2 polyme 2 dưới dạng phương trình sau [26]. ÄGmix = ÄHmix - TÄSmix = RT[n1lnệ1+ n2lnệ2+ Xệ1ệ2(n1P1 + n2P2)] ÄGmix : Năng lượng tự do của hỗn hợp. ÄHmix : Eentanpi của hỗn hợp hai polyme nói trên ÄSmix : Entropi của hỗn hợp hai polyme nói trên ệ1, ệ2: Phần thể tích của hai polyme X : Tham số tương tác flory-Hugins Về nguyên tắc hai polyme chỉ có thể trộn hợp với nhau khi thỏa mãn điều kiện ÄGmix <0 Như vậy thành phần của các polyme, các đại lượng nhiệt động học đặc trưng cho các polyme, độ phân cực, trọng khối phân tử, trạng thái nóng chảy có ý nghĩa quyết định đến khả năng trộn hợp. Thông thường các polyme được trộn hợp ở trạng thái nóng chảy khi đó khả năng trộn hợp cũng bị ảnh hưởng lớn bởi khả năng dính ướt ở trạng thái nóng chảy hay sức căng bề mặt của chúng. úMix = ú1 - ú2 –W Trong đó ú1, ú2,, úMix là sức căng bề mặt của polyme 1, polyme 2 và hỗn hợp, w thể hiện khả năng dính ướt. úMix càng nhỏ thì khả năng trộn hợp càng cao tức là sức căng bề mặt của hai polyme càng gần nhau, khả năng dính ướt càng cao thì độ trộn hợp càng cao. Các đại lượng này tỷ lệ với độ nhớt của các polyme ở trạng thái chảy lỏng. Độ nhớt càng thấp (trạng thái chảy lỏng càng cao) thì sức căng bề mặt càng nhỏ và khả năng trộn hợp càng lớn [26]. Sự tương hợp của các polyme cũng quyết định đến tính chất của vật liệu tổ hợp. Sau đây là những yếu tố ảnh hưởng đến sự tương hợp này [8,26]. + Bản chất hóa học và cấu trúc phân tử của các polyme. + Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử. + Tỷ lệ các cấu tử trong tổ hợp. + Năng lượng bám dính ngoại vi phân tử. + Nhiệt độ. Tính chất các tổ hợp không tương hợp phụ thuộc vào: + Sự phân bố pha. + Kích thước hạt. + Loại bám dính. Những yếu tố này bị chi phối bởi điều kiện chuẩn bị và gia công của vật liệu. Để tăng sự tương hợp cũng như khả năng trộn hợp thì sử dụng các chất làm tăng khả năng tương hợp như các copolyme, chất hoạt tính bề mặt đồng thời chọn chế độ và điều kiện gia công thích hợp cho từng loại tổ hợp thông qua việc khảo sát tính chất lưu biến (rheology) của tổ hợp vật liệu. CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM I. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng các chất độn cacbon gia cường cho vật liệu polyme cho thấy vấn đề nghiên cứu ứng dụng và khảo sát khả năng gia cường của các vật liệu polyme tổ hợp gia cường bằng cacbon nanotubes ngay cả trên thế giới cũng còn rất mới mẻ. Để góp phần tiếp tục nghiên cứu việc sử dụng cacbon nanotube gia cường cho vật liệu polyme, luận văn này thực hiện nội dung: “Nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của chất độn gia cường muội than và cacbon nanotube lên tính chất và cấu trúc vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở sao su thiên nhiên CSTN và cao su tổng hợp SBR, PP”. Để thực hiện nội dung của luận văn, đã tiến hành các công việc như sau: Khảo sát và so sánh quá trình trộn hợp vật liệu trên máy trộn kín Haake của Đức. Khảo sát và so sánh ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần hỗn hợp polyme, cấu trúc của các chất gia cường muội than và cacbon nanotubes đến tính chất cơ lý của các vật liệu thu được. Khảo sát và so sánh sự phân bố pha. Khả năng kết dính giữa hai pha, sự phân tán của chất gia cường trong vật liệu tổ hợp thu được qua phương pháp chụp cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM và TEM). Khảo sát và so sánh các tính chất cơ nhiệt, ứng xử nhiệt của các vật liệu tổ hợp tạo thành, phụ thuộc vào công nghệ và phương pháp trộn hợp, cơ chế gia cường và phân bố cacbon trong các pha polyme. II. Nguyên liệu và hoá chất Polypropylen (PP) tên thương mại Novolen 3000MC của hãng Targor: Cao su thiên nhiên: Crep hong khói loại RSS – 1 của Việt Nam (theo tiêu chuẩn TCVN 3769 – 83). Cao su Butadien Styren loại CKC – 1052. Cacbon nanotubes loại Cacbon nanotubes đa tường MWNTS – 4060 của hãng Shenzhen Nanotech Port Co.Ltd của Trung Quốc. Muội than loại 6400 của Nhật. Dycumyl peroxit (DCP) của hãng Peoxidchemie Muechen Pullach Xúc tiến M, TMTD là hoá chất công nghiệp của Singapo. Lưu huỳnh, Oxit kẽm, axit Stearic do Trung Quốc sản xuất. Chất phòng lão do Đức sản xuất. III. Phương pháp chế tạo mẫu III.1. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở cao su CSTN và cao su SBR III.1.1. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở cao su CSTN và cao su SBR gia cường bằng muội than. Đơn phối liệu STT Thành phần Hàm lượng (pkl) 1 Cao su CSTN 50 2 Cao su SBR 50 3 ZnO 1 4 Axit Stearic 1 5 Phòng lão 1 6 TMTD 0.45 7 Xúc tiến M 0.6 8 Lưu huỳnh 2 9 Muội than 10 ữ 50 Quá trình chế tạo hỗn hợp cao su CSTN và SBR gia cường bằng muội than được thực hiện theo quy trình công nghệ sau: Quá trình sơ luyện và hỗn luyện hỗn hợp cao su được thực hiện trên máy cán hai trục Toyoseiky của Nhật. Trước tiên, thực hiện cán cắt mạch để nguyên liệu cao su đạt độ dẻo cần thiết và bám đều trên mặt hai trục cán, tiến hành cán cho đến khi hỗn hợp hai cao su đạt đến độ đồng đều nhất định. Sau đó lần lượt cho các chất phối hợp: axit stearic, oxit kẽm, phòng lão, xúc tiến, muội than và sau cùng là lưu huỳnh. Muội than được đưa vào nhào luyện thành từng phần nhỏ vì khi hàm lượng muội than quá cao, độ cứng của hỗn hợp tăng lên, mặt khác khi chất độn tập trung ở một vài điểm nó là chất cách ly làm giảm độ kết dính của cao su và dải cao su cán sẽ bị đứt thành nhiều phần, khả năng phân tán chất độn và các chất phối hợp khác và hỗn hợp cao su giảm. Để hạn chế quá trình tự lưu của hỗn hợp cao su, lưu huỳnh được đưa vào sau cùng trước khi tiến hành quá trình lưu hoá. Bằng phương pháp trực quan, khi hỗn hợp cao su đồng nhất, kết thúc quá trình hỗn luyện. Hỗn hợp cao su sau khi được cán trộn đều được ép thành tấm trên máy ép lưu hoá Toyoseiky của Nhất với các điều kiện như sau: Nhiệt độ ép 150oC Thời gian ép 20 phút Lực ép 300 KG/cm2 Sau khi kết thúc quá trình lưu hoá, khuôn mẫu được để nguội đến nhiệt độ phòng rồi lấy sản phẩm ra. Sau một tuần, mẫu được đem cắt theo tiêu chuẩn (ISO 53504) để đo tính chất cơ lý, mỗi loại được đo 5 lần sau đó lấy giá trị trung bình. III.1.2. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở cao su CSTN và cao su SBR gia cường bằng cacbon nanotubes. Quá trình chế tạo hỗn hợp CSTN và SBR gia cường bằng cacbon nanotube được thực hiện theo quy trình sau: Phân tán cacbon nanotube vào cao su thiên nhiên. Quá trình phân tán được thực hiện trong dung dịch sử dụng dung môi là xylen. Hòa tan cao su thiên nhiên vào dung môi, phân tán cacbon nanotubes vào dung dịch. Sau đó để tăng độ phân tán của cacbon nanotubes và tránh sự vón cục cacbon nanotubes, hỗn hợp được rung trong máy rung siêu âm cho đến khi trở thành một hỗn hợp đồng nhất. Làm bay hơi dung môi trong hỗn hợp CSTN-cacbon nanotubes ở nhiệt độ phòng cho đến khi trong hỗn hợp không còn dung môi. Tiến hành trộn hợp hỗn hợp CSTN-cacbon nanotubes với cao su SBR cùng các chất phối hợp khác trong hợp phần cao su trên máy cán hai trục. Phương pháp cán luyện như phương pháp chế tạo vật liệu gia cường bằng muội than. Điều kiện lưu hoá của hỗn hợp vật liệu này không thay đổi so với hỗn hợp trên. Sau khi đã được ép thành tấm một tuần mẫu được cắt theo tiêu chuẩn (ISO 53504) để đo tính chất cơ lý. III.2. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở CSTN và PP. III.2.1. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở CSTN và PP gia cường bằng muội than. Quá trình trộn hợp được thực hiện trong khoang trộn kín máy Haake của Đức với thể tích của khoang trộn là 48.3 cm3. Khoang trộn được gia nhiệt và giữ ổn định ở nhiệt độ 180oC để đảm bảo vật liệu được nóng chảy hoàn toàn và peroxit được phân huỷ hoàn toàn. Tổng khối lượng hỗn hợp là 40g, tốc độ quay của trục vít là 50 vòng/phút. Quá trình trộn hợp được thực hiện trong 6 phút cho đến khi peroxit phân huỷ hoàn toàn. Sau khi trộn hợp, hỗn hợp được ép thành tấm trên máy ép Toyoseiky của Nhật. Sau khi khuôn ép nguội, tháo sản phẩm ra và sau đó một ngày đem cắt mẫu theo tiêu chuẩn (ISO 53504) để đo tính chất cơ lý. III.2.2. Chế tạo vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở CSTN và PP gia cường bằng cacbon nanotubes. Cacbon nanotube được phân tán trước hết vào CSTN theo phương pháp dung dịch như đã nêu ở trên. Quá trình trộn hợp được thực hiện trong khoang trộn kín máy Haake của Đức với các điều kiện tương tự (III.2.1). Hỗn hợp sau khi trộn cũng được ép thành tấm và cắt mẫu theo tiêu chuẩn (ISO 53504) để đo tính chất cơ lý. IV. Các phương pháp nghiên cứu IV.1. Khảo sát quá trình trộn hợp vật liệu trên máy trộn kín. Quá trình trộn hợp được theo dõi trên màn hình vi tính nhờ phần mềm Polylab kết nối trực tiếp với thiết bị trộn Haake. Quá trình trộn hợp mẫu vật liệu được khảo sát thông qua biểu đồ thể hiện sự biến đổi momen xoắn M [Nm] theo thời gian trong quá trình trộn hợp. Từ việc xác định momen xoắn thu được tương quan định tính giữa độ nhớt chảy và quá trình trộn hợp của vật liệu. IV.2. Phương pháp xác định tính chất cơ lý. Các tính chất cơ lý: modun đàn hồi, độ bền kéo đứt, được xác định trên máy Zwick Z2.5 của Đức, tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới theo tiêu chuẩn ISO/DIN 527 với tốc độ kéo 100mm/phút, ở 250C. Mỗi loại mẫu đo 3 mẫu để lấy giá trị trung bình. IV.2.1. Modun đàn hồi Modun đàn hồi của vật liệu được xác định theo công thức EZ: E-Modun [N/mm2] F1: Lực tại độ dãn dài 0,05% [N] F2: Lực tại độ dãn dài 0,25% [N] A0: Diện tích tiết diện mẫu [mm2] IV.2.2. Độ bền kéo đứt Độ bền kéo đứt của vật liệu được xác định theo công thức Trong đó: : Độ bền kéo đứt [MPa] F: Lực kéo đứt [N] A0: Diện tích tiết diện [mm2] IV.2.3. Độ d•n dài khi đứt Độ d•n dài khi đứt được xác định theo công thức : Độ d•n dài khi đứt [%] L0: Chiều dài khoảng chịu lực tác dụng của mẫu trước khi đứt [mm] L1: Chiều dài khoảng giữa hai điểm đánh dấu trên mẫu ngay khi đứt [mm] IV.2.4. Độ cứng (Shore A, Shore D) Độ cứng của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn ISO 868, ASTM D2240, DIN 53505, trên dụng cụ đo độ cứng Zwick. Điều kiện tiến hành phép đo: - Độ dày mẫu: 3-5 mm - Lực tác dụng: F=49N - Số điểm đo: 5 điểm - Chỉ số độ cứng của vật liệu được đọc trên thang chia độ của đồng hồ đo sau 5 – 10 giây IV.3. Phương pháp phân tích nhiệt (TMA). Mẫu được đo trên máy Shimadzu TMA 50H của Viện Hoá học,Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tốc độ đốt nóng: 100C/phút trong môi trường không khí, từ nhiệt độ phòng đến 3000C. IV.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Mẫu được đo trên máy JEOL JEM 1010 thuộc phòng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM),Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương. Mẫu đo được tạo thành màng mỏng trên đế epoxy, với điện thế gia tốc 80kV. IV.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Phương pháp này được sử dụng nhằm nghiên cứu cấu trúc hình thái học, sự phân bố của các cấu tử trong tổ hợp, sự bám dính trên bề mặt phân chia pha. Việc chụp mẫu được tiến hành như sau: Cắt lớp mỏng mẫu trên máy cắt lớp mỏng Mikrotom (Đức) chụp quan sát cấu trúc mặt cắt của mẫu. Mẫu sau khi ngâm trong xilen được phủ một lớp Ag bằng máy phủ Agar Sputtering (Bỉ) độ dày lớp phủ là 20nm. Sau đó đem mẫu chụp ảnh trên máy JEOL5300 của Nhật. Máy đặt tại phòng thí nghiệm Vi phân tích Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Chương III. Kết quả và thảo luận I. Khảo sát quá trình trộn hợp vật liệu tổ hợp trên cơ sở CSTN/SBR và CSTN/PP. I.1. Khảo sát quá trình trộn hợp chế tạo vật liệu tổ hợp CSTN/SBR Việc khảo sát diễn biến của quá trình trộn hợp vật liệu polyme tổ hợp trên cơ sở CSTN/SBR và CSTN/PP được thực hiện bằng việc xác định sự thay đổi Momen xoắn (MR) theo thời gian trộn hợp. Các hỗn hợp vật liệu với tỷ lệ thành phần khác nhau được trộn hợp vật lý trên thiết bị trộn kín Haake. Sự thay đổi momen xoắn theo thời gian trộn hợp thu được trên biểu đồ đánh giá định tính độ nhớt chảy, quá trình trộn hợp của vật liệu. Hình 4. Sơ đồ trộn hợp các vật liệu tổ hợp trên cơ sở CSTN/SBR với các tỷ lệ khác nhau: (1)CSTN/SBR=75/25; (2)CSTN/SBR=50/50; (3)CSTN/SBR=25/75 Các khảo sát về quá trình trộn hỗn hợp nóng chảy bằng thiết bị trộn kín Haake các mẫu vật liệu tổ hợp có tỷ lệ CSTN/SBR khác nhau và hệ lưu hóa bằng tổ hợp xúc tiến M+TMTD được trình bày trên hình 4. Qua sơ đồ biến thiên của momen trộn (MR), có thể nhận thấy biến đổi độ nhớt chảy của các mẫu CSTN/SBR có sự khác biệt. Sau biến động ban đầu, mô men trộn của các hỗn hợp CSTN/SBR=25/75 và 50/50 giảm dần và đi vào ổn định sau thời gian trộn hợp từ 2,5 đến 3 phút. Trong khi đó, độ nhớt của hỗn hợp CSTN/SBR=75/25 tăng cao hơn và không ổn định, chứng tỏ quá trình khâu mạch xảy ra mạnh hơn đối với CSTN và yếu hơn đối với SBR. Xảy ra đồng thời với quá trình khâu mạch còn có sự đứt mạch xảy ra đối với phân tử CSTN và SBR dưới tác dụng của nhiệt độ cao và năng lượng trộn cơ học. Trên cơ sở các kết quả trên chọn mẫu tỷ lệ CSTN/SBR = 50/50 để khảo sát về ảnh hưởng của chất độn đến tính chất của vật liệu tổ hợp. I.2. Khảo sát quá trình trộn hợp của vật liệu tổ hợp CSTN/PP Hình