Tiến Sĩ Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit trên cơ sở polyetylen và nano clay biến tính s

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG, BIỂU TRONG LUẬN ÁN vi
DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN . 4
1.1. Khoáng sét tự nhiên và khoáng sét hữu cơ . 4
1.1.1. Khoáng sét tự nhiên, cấu trúc và thành phần .4
1.1.2. Biến tính khoáng sét 5
1.1.3. Ứng dụng của khoáng sét hữu cơ . . 8
1.2. Polyetylen (PE) 9
1.2.1. Nhu cầu và ứng dụng polyetylen trên thế giới và Việt Nam .9
1.2.2. Ứng dụng của PE .12
1.2.3. Tính chất của PE . 12
1.2.3.1 Cấu trúc phân tử và hình thái học . .12
1.2.3.2. Tính chất của PE .14
1.2.3.3. Độ hoà tan .14
1.2.4. Các phương pháp khâu mạch PE 15
1.2.4.1. Khâu mạch bằng peoxit 15
1.2.4.2. Khâu mạch bằng tia bức xạ beta (PEX-b) . .18
1.2.4.3. Khâu mạch bằng các hợp chất silan . .18
1.2.4.4. Khâu mạch PE bằng bức xạ tử ngoại 21
1.3. Hợp chất liên kết cơ silic 24
1.3.1. Lịch sử phát triển . 24
1.3.2. Cấu tạo của các chất liên kết cơ silic .25
1.3.3. Cơ chế hoạt động của chất liên kết cơ silic trong vật liệu compozit . 25
1.3.4. Lĩnh vực ứng dụng của các chất liên kết cơ silic . 27
1.4. Vật liệu nanocompozit polyme/clay . .28
1.4.1. Phân loại .28
1.4.2. Các phương pháp chế tạo nanocompozit polyme/clay .29
1.4.2.1. Phương pháp chèn lớp . .29
1.4.2.2. Phương pháp trùng hợp tại chỗ (in- situ polymerisation) 32
1.4.2.3. Phương pháp trộn hợp ở trạng thái nóng chảy . .33
1.4.3. Các phương pháp khảo sát cấu trúc vật liệu nanocompozit polyme/clay 34
1.4.3.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) . .34
1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . 35
1.4.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) . 36
1.4.4. Một số tính chất của vật liệu polyme/ clay nanocompozit 36
1.4.4.1. Tính chất cơ học .36
1.4.4.2. Độ bền nhiệt và tính chất chống cháy .38
1.4.4.3. Tính chất che chắn 41
1.5. Tình hình nghiên cứu vật liệu nanocompozit PE/clay . 42
1.5.1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất chống vi khuẩn của
vật liệu nanocompozit từ PE/nano bạc 42
1.5.2. Chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu PE/clay nanocompozit .43
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .51
2.1 Nguyên liệu và hóa chất . .51
2.2. Biến tính hữu cơ clay bằng APS và VTMS . . 51
2.3. Chế tạo vật liệu compozit PE/clay .51
2.4. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay hữu cơ bằng
phương pháp trộn nóng chảy .51
2.4.1. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-APS khi không và
có mặt chất tương hợp PE-g-AM .51
2.4.2. Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/clay-VTMS khi không
và có mặt chất khơi mào DCP. .52
2.5. Các phương pháp nghiên cứu 52
2.5.1. Phổ hồng ngoại IR .52
2.5.2. Phân tích nhiễu xạ tia X-XRD .52
2.5.3. Phân tích nhiệt trọng lượng- TGA .53
2.5.4. Khảo sát cấu trúc hình thái học của vật liệu bằng ảnh kính hiển
vi điện tử quét (SEM) 53
2.5.5. Ảnh kính hiển tử truyền qua (TEM) 53
2.5.6.Khảo sát tính chất cơ học 53
2.5.7. Khảo sát độ bền oxy hóa nhiệt và độ bền oxy hóa quang 54
2.5.7.1. Khảo sát độ bền oxy hóa nhiệt 54
2.5.7.2. Khảo sát độ bền oxy hóa quang 54
2.5.8. Khảo sát khả năng chống cháy của vật liệu .54
2.5.9. Khảo sát khả năng chống thấm khí (hơi nước, axeton) .55
2.5.10. Khảo sát tính chất điện của vật liệu .55
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56
3.1. Chế tạo và khảo sát tính chất clay hữu cơ . . .56
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR .56
3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X-XRD 58
3.1.3. Phổ phân tích nhiệt trọng lượng- TGA 60
3.1.4. Khảo sát cấu trúc của clay trước và sau biến tính 62
Một số kết quả mục 3.1 63
3.2. Khảo sát tính chất vật liệu compozit trên cơ sở PE/clay .64
3.2.1. Tính chất cơ học 64
3.2.2. Tính chất nhiệt TGA 65
3.2.3. Phổ nhiễu xạ tia X 66
Một số kết quả mục 3.2 67
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế tạo và thành phần
vật liệu đến tính chất cơ học vật liệu nanocompozit .67
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 67
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian trộn 68
3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ trục quay 70
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng clay-APS
và chất tương hợp PE-g-AM đến tính chất vật liệu . .71
3.3.4.1. Tính chất cơ lý vật liệu với các hàm lượng clay-APS khác nhau .72
3.3.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PE-g-AM đến tính chất cơ học vật liệu .73
3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng clay-VTMS
và chất khơi mào DCP đến tính chất vật liệu . 75
3.3.5.1.Tính chất cơ học vật liệu với các hàm lượng clay-VTMS khác nhau .75
3.3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào DCP đến tính chất vật liệu 77
Một số kết quả mục 3.3 78
3.4. Khảo sát phổ hồng ngoại IR và phân tích nhiệt TGA . 79
3.4.1. Khảo sát phổ hồng ngoại- IR .79
3.4.2. Phân tích nhiệt TGA 80
Một số kết quả mục 3.4 86
3.5. Khảo sát cấu trúc vật liệu nanocompozit trên cơ sở
PE/clay-APS và PE/clay-VTMS . , . .86
3.5.1. Phổ nhiễu xạ tia X-XRD 86
3.5.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường- FESEM .88
3.5.2.1. Vật liệu nanocompozit từ PE/clay –APS và
PE/clay–APS/PE-g-AM . 88
3.5.2.2. Vật liệu nanocompozit từ PE/ clay –VTMS và
PE/clay-VTMS/DCP . . 89
3.5.3. Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua- TEM .90
Một số kết quả mục 3.5 . .92
3.6. Khảo sát một số tính chất tiêu biểu cho vật liệu nanocompozit
trên cơ sở PE/clay-APS và PE/clay-VTMS mục đích ứng dụng
làm vỏ bọc cáp điện . .92
3.6.1. Tính chất điện 92
3.6.2. Độ bền oxy hóa nhiệt và oxy hóa quang . .93
3.6.2.1. Độ bền oxy hóa nhiệt 93
3.6.2.2. Độ bền oxy hóa quang 95
3.6.3. Tính chất chống cháy .96
3.6.4. Tính chất chống thấm khí 98
3.6.4.1. Tính chống thấm hơi nước 99
3.6.4.2. Tính chống thấm hơi axeton .99
Một số kết quả mục 3.6 . .100
KẾT LUẬN . . .101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .102
MỞ ĐẦU
Vật liệu nanocompozit là loại vật liệu compozit mới đã và đang được các nhà
khoa học trên thế giới và trong nước chú trọng nghiên cứu và ứng dụng, do có nhiều
tính năng ưu việt như: tính chất cơ học cao, ổn định kích thước, thẩm thấu khí, hơi ẩm
và các hợp chất hydrocacbon thấp, bền nhiệt, chịu bức xạ tử ngoại, chống cháy tốt và
phân hủy sinh học nhanh [37,94]. Vì vậy, vật liệu nanocompozit được ứng dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực: giao thông, thông tin liên lạc, điện, điện tử, xây dựng và vật
liệu chống cháy.
Một trong các loại vật liệu nanocompozit đã và đang được quan tâm nghiên
cứu hiện nay là vật liệu nanocompozit nền polyme được gia cường bằng khoáng sét ở
kích thước nano (nanocompozit polyme/nano-clay). Đây là hướng nghiên cứu được
chú trọng nhiều do kết hợp được những tính chất ưu việt của cả hợp chất vô cơ, lẫn
hữu cơ cũng như nguyên liệu clay rẻ tiền, sẵn có trong tự nhiên. Theo các tài liệu
nghiên cứu đã công bố thì các tính chất như: độ bền, mô đun đàn hồi, khả năng chịu
nhiệt, không thấm khí, nhẹ, chống cháy của vật liệu nanocompozit polyme/nanoclay có tính năng vượt trội hơn so với nanocompozit gia cường bằng các hạt có kích
thước khác nhau [67].
Trong tự nhiên có nhiều loại khoáng sét, song loại khoáng sét hay được sử
dụng nhiều nhất là montmorillonit (MMT). Đây là loại khoáng sét thuộc nhóm
smectit. Sở dĩ MMT hay được dùng do cấu trúc đặc biệt của nó khác hẳn so với các
loại khoáng sét khác như: khoảng cách giữa các lớp lớn và các ion trong khoáng sét
dễ thay thế bằng một ion khác. Vì vậy, người ta dễ dàng biến tính MMT bằng nhiều
hợp chất hữu cơ khác nhau để tạo ra sự tương hợp giữa khoáng sét và polyme nền
[67,111].
Polyetylen (PE) là một trong những nhựa nhiệt dẻo thông dụng nhất, được
ứng dụng nhiều trong đời sống cũng như trong công nghiệp, do PE không đắt, dễ gia
công trên các thiết bị công nghiệp, có tính chất cơ học tốt, không độc Chính vì vậy,
hàng năm trên thế giới sản xuất một lượng lớn PE: khoảng 60 triệu tấn [102]. Tuy
nhiên, PE có nhược điểm là: độ cứng thấp, dễ bị lão hoá dưới tác động của các yếu tố
môi trường như: nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm và tính chất chống cháy của loại vật liệu này
kém .Kết quả là tính chất và thẩm mỹ của sản phẩm bị thay đổi nhanh chóng, thời
gian sử dụng bị rút ngắn. Do vậy, việc nghiên cứu và tìm ra các biện pháp để chống
lão hóa PE và nâng cao thời gian sử dụng của chúng là cần thiết và có ý nghĩa kinh tế
[17,31,114].
Với những lý do phân tích trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Chế
tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở PE và nano clay
biến tính silan” với mục đích tạo ra vật liệu nanocompozit bền nhiệt, bền thời tiết và
có khả năng chống cháy cao để từ đó có thể ứng dụng sản xuất vật liệu bọc dây cáp
điện.
 Mục tiêu của luận án
1) Ghép silan: aminopropyltrimetoxysilan (APS) và vinyltrimetoxysil an (VTMS) lên
clay (clay-APS và clay-VTMS).
2) Chế tạo vật liệu nanocompozit PE/ clay-APS và PE/ clay-VTMS.
3) Đánh giá được vai trò của silicon trong việc cải thiện tính chất cơ học, khả năng
chịu lão hóa của vật liệu.
4) Đánh giá được vai trò của clay trong việc nâng cao khả năng chịu nhiệt, tính chất
chống cháy và tính chống thấm khí của vật liệu.
 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án:
Luận án đã tập trung nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất vật liệu nhằm đưa ra
được quy trình chế tạo, hàm lượng thành phần tối ưu cho hệ vật liệu PE/clay
nanocompozit với sự có mặt chất tương hợp/chất khơi mào phản ứng. Đây là một
trong những yếu tố quan trọng trong việc đưa vật liệu thu được ứng dụng trong ngành
vật liệu bọc cáp điện. Các đóng góp mới của luận án gồm:
- Đã chế tạo được 2 loại clay hữu cơ mới: clay-APS và clay-VTMS bằng việc
ghép 2 loại hợp chất silan: APS và VTMS vào clay.
- Đã nghiên cứu chế tạo được hai được 2 loại vật liệu nanocompozit mới trên
cơ sở PE và 2 loại clay hữu cơ, với sự có mặt của chất tương hợp: PE ghép
anhyđric maleic (PE-g-AM) và chất khơi mào phản ứng dicumyl peoxit
(DCP).
- Đã nghiên cứu một số tính chất của vật liệu nanocompozit mới thu được:
khả năng chịu lão hóa, khả năng chịu nhiệt, tính chất chống cháy và tính
chống thấm khí của vật liệu nhằm định hướng chế tạo vật liệu bọc cáp điện.