Luận Văn nghiên cứu ảnh hưởng của các chất pha loãng đến quá trình khâu mạch quang trong điều kiện ánh sáng t

Đề tài: nghiên cứu ảnh hưởng của các chất pha loãng đến quá trình khâu mạch quang trong điều kiện ánh sáng tự nhiên của cao su butađien nitril.

Lời cảm ơnĐồ án tốt nghiệp được hoàn thành tại pḥng Vật liệu Cao su và Dầu nhựa Thiên nhiên (VLCS & DNTN), Viện kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù có nhiều hạn chế nhưng được sự hướng dẫn tận t́nh của TS. NGUYễN THị vIệT TRIềU cùng các anh chị pḥng VLCS & DNTN và sự giúp đỡ tận t́nh của các thầy cô giáo tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, em đă hoàn thành đồ án đúng thời hạn và theo yêu cầu của nhà trường. Qua đây em xin chân thành bày tỏ ḷng biết ơn sâu sắc tới TS.NGUyễN THị VIệT TRIềU cùng các anh các chị pḥng VLCS & DNTN và các thầy cô giáo tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme.


Mục lụcTrangĐẶT VẤN ĐỀ . 4
PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP KHÂU MẠCH QUANG 6
I. PHẢN ỨNG QUANG HOÁ 6
I.1. Khái niệm chung 6
I.2. Khơi mào quang và phản ứng quang 6
II. KHÂU MẠCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HOÁ . 9
II.1. Nguyên lư của khâu mạch quang . 9
II.2. Các thành phần chủ yếu được sử dụng để khâu mạch quang hoá . 10II.3. Các nguồn sáng sử dụng để khâu mạch quang . 11
II.4. Phản ứng khâu mạch quang . 12II.4.1. Khâu mạch quang dạng gốc . 12
II.4.1.1 Khơi mào quang dạng gốc 12
II.4.1.1.1 Sự h́nh thành các gốc tự do bởi sự phân quang trực tiếp 12
II.4.1.1.2. Sự h́nh thành các gốc tự do bằng cách nhận hydro 12
II.4.1.2 Các hệ nhựa có khả năng khâu mạch quang dạng gốc 14
II.4.1.2.1 Hệ nhựa polyeste không no . 14
II.4.1.2.2 Hệ thiol – polyene . 15
II.4.1.2.3 Hệ monome acrylat và oligome acrylat . 17
II.4.2.4. Hệ lai ghép . 19
II.4.1.3 Khâu mạch quang dạng cation . 19
II.4.1.3.1 Khơi mào quang dạng cation . 20
II.4.1.3.2 Các kiểu nhóm chức có thể khâu mạch quang dạng cation . 22
III. KHÂU MẠCH CAO SU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HOÁ . 22
III.1. Khâu mạch quang cao su thiên nhiên epoxy hoá và cao su butađien epoxy hóa 22
III.2. Khâu mạch quang cao su thiên nhiên acrylat hoá . 23
III.3. Khâu mạch quang cao su butađien – styren 24
III.4. Khâu mạch quang cao su butađien nitril 25
III.4.1. Cấu tạo cao su butađien nitril 25
III.4.2. Quá tŕnh khâu mạch quang theo cơ chế gốc của cao su butađien nitril 26
PHẦN II : PHẦN THỰC NGHIỆM 32
I. NGUYÊN LIỆU VÀ HOÁ CHẤT . 32
II. CHẾ ĐỘ CHIẾU SÁNG . 32
III. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH . 33
III.1 Xác định phần gel và độ trương của tổ hợp cao su butađien nitril – monome acrylat trong quá tŕnh khâu mạch quang . 33
III.2 Xác định độ cứng tương đối của tổ hợp cao su butađien nitril – monome acrylat trong quá tŕnh khâu mạch quang . 33
III.3 Khảo sát sự giảm hàm lượng liên kết đôi của monome acrylat bằng phổ hồng ngoại 34
III.4 Khảo sát sự giảm của chất khơi mào quang Lucirin TPO và hàm lượng liên kết đôi của cao su CBN – 40 bằng quang phổ tử ngoại . 34
PHẦN III : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . 35
PHẦN IV: KẾT LUẬN . 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 44












Đặt vấn đề

Cao su là một vật liệu có vị trí rất quan trọng trong đời sống, kinh tế và xă hội do nó có những tính chất vô cùng quư giá. Khác với vật thể rắn, cao su có độ bền cơ học thấp hơn, nhưng có đại lượng biến dạng đàn hồi lớn hơn nhiều lần. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, sản phẩm cao su có khả năng biến dạng hàng chục lần so với kích thước ban đầu và kích thước ban đầu lại được thiết lập ngay sau khi loại bỏ ngoại lực. Khác với các chất lỏng được đặc trưng bằng độ bền cơ học vô cùng nhỏ và đại lượng biến dạng chảy nhớt không thuận nghịch lớn, cao su trong nhiều lĩnh vực được sử dụng nh­ một vật liệu chịu lực có đại lượng biến dạng đàn hồi nhỏ. Sự đa dạng của lĩnh vực sử dụng, chủng loại sản phẩm, tính năng kỹ thuật của cao su và các sản phẩm cao su đă làm cho loại vật liệu này trở nên phổ biến và không thể thiếu được trong bất kỳ một lĩnh vực nào. Phương pháp gia công sản phẩm cao su là yếu tố quan trọng nâng cao các tính năng kỹ thuật, thời gian sử dụng các sản phẩm đó.

Trong gia công và chế biến cao su, lưu hoá là công đoạn cuối cùng. Trong quá tŕnh lưu hoá, tính chất mềm dẻo, chảy nhớt của cao su giảm dần và thay vào đó là tính chất đàn hồi cao của hỗn hợp cao su tăng dần. Các tính chất cơ lư của hợp phần cao su đều có xu hướng tốt hơn (độ bền kéo đứt, độ dăn dài khi đứt, tính bền lạnh, khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ đều tăng đáng kể sau khi lưu hoá). Ngày nay nhiều loại cao su được sử dụng cho những mục đích khác nhau và có nhiều phương pháp lưu hoá khác nhau, trong đó cao su butađien nitril có nhiều tính chất quí đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.

Cùng với sự ra đời và phát triển của khoa học kĩ thuật, phư­ơng pháp quang hoá khâu mạch vật liệu polyme đă ra đời và có những ứng dụng quan trọng. Ngay từ thời cổ đại, ng­ười Ai Cập đă biết ứng dụng phư­ơng pháp quang hoá để tạo ra thuyền bè đi lại bằng cách tẩm vật liệu bitum rồi phơi dư­ới ánh sáng mặt trời. Cuối thế kỉ XIX, nhà khoa học Niepce đă ứng dụng sự hấp thụ ánh sáng trong kỹ thuật tạo ảnh, cùng trong thời gian này các nhà khoa học Pháp đă nghiên cứu sự đóng rắn mực in bằng cách dùng phư­ơng pháp quang.

Tuy có lịch sử phát triển lâu dài nhưng phải đến năm 1940 việc sử dụng phương pháp quang để tạo ra vật liệu polyme mạng lư­ới không gian mới thực sự được đ­ưa ra nghiên cứu với việc khâu mạch hệ styren-polyeste không no bằng cách dùng bức xạ tử ngoại tạo ra loại vật liệu có giá thành thấp như­ng lại có những tính chất thích hợp cho việc sử dụng làm vật liệu phủ cho đồ gỗ.

Đến năm 1960, các hệ nhựa có thể đóng rắn bằng tia tử ngoại tiếp tục tăng lên và được dùng nhiều cho đồ gỗ. Năm 1971 mực in đóng rắn bằng phương pháp quang được sử dụng ở Nhật bản.

Cùng với sự phát triển của các hệ nhựa sử dụng trong khâu mạch quang, vật liệu elastome cũng được nghiên cứu và đưa vào sử dụng ngày càng nhiều do tính năng vượt trội của loại vật liệu này kết hợp với các điều kiện khác như: nguồn nguyên liệu phong phú, có khả năng khâu mạch quang

Việt Nam là đất n­ước có vị trí địa lư nằm ở khu vực nhiệt đới, nhiều ánh nắng, thuận lợi cho việc sử dụng bức xạ mặt trời để khâu mạch vật liệu bằng phương pháp quang. Do vậy việc sử dụng ánh sáng mặt trời để khâu mạch các vật liệu bằng phương pháp quang sẽ đem lại hiệu quả kinh tế.

Cao su butađien nitril là vật liệu rắn khi ở nhiệt độ thường, để tăng nhanh quá tŕnh khâu mạch quang người ta thường đưa thêm vào cao su một thành phần monome như là một chất pha loăng hoạt tính để làm tăng độ linh động của màng cao su. Đồ án tốt nghiệp mà em được giao với nhiệm vụ là nghiên cứu ảnh hưởng của các chất pha loăng đến quá tŕnh khâu mạch quang trong điều kiện ánh sáng tự nhiên của cao su butađien nitril.



phần I:
tổng quan về phương pháp khâu mạch quang

i. phản ứng quang hoá
I.1 Khái niệm chung
Các phản ứng quang hoá là quá tŕnh cơ bản khử hoạt tính các trạng thái kích thích. Sự chọn lọc hấp thụ ánh sáng bởi các nhóm mang mầu hoặc các phân tử hoạt tính đặc biệt của các trạng thái kích thích cho phép thực hiện các phản ứng quang hoá: sau khi hấp thụ photon, phân tử bị kích thích chứa một năng lượng dư có nhiệt động phù hợp để biến đổi thành một vài sản phẩm mà không thể đạt được bằng phương pháp nhiệt [1].

Để một phản ứng quang hoá có thể xảy ra, nó cần phải cạnh tranh với các quá tŕnh khử hoạt tính các trạng thái kích thích khác. V́ thế, nh́n chung các phản ứng quang hoá xảy ra từ các trạng thái kích thích thấp nhất mức một và mức ba mà thời gian sống của chúng vừa đủ. Các phân tử điện tử bị kích thích có thể chịu một vài quá tŕnh quang hoá đầu tiên: sắp xếp lại, h́nh thành các gốc, đồng phân hoá, ion hoá

I.2 Khơi mào quang và phản ứng quang
Khi chiếu tia tử ngoại các monome hoặc oligome khó tự nó tạo ra gốc để khơi mào sự trùng hợp. V́ thế cần phải đưa vào hệ một chất nhậy quang, đóng vai tṛ chủ yếu hấp thụ một cách có hiệu quả ánh sáng để h́nh thành các trung tâm hoạt tính. Chất hoạt tính trung gian thường được sử dụng để khơi mào các phản ứng quang hoá. Các chất hoạt tính quang này được gọi là các chất khơi mào quang. Dưới tác dụng của tia tử ngoại, phân tử của chất khơi mào chuyển vào các trạng thái kích thích và sau đó tạo thành các ion hoặc các gốc hoạt tính. Các trung tâm hoạt tính này khơi mào cho phản ứng quang hoá. Phản ứng khơi mào quang được biểu diễn theo sơ đồ sau:

a) Sự hấp thụ ánh sáng bởi chất khơi mào (PA)
PA + hn PA[SUP]*[/SUP] PA[SUP]*[/SUP]
(S[SUB]o[/SUB]) (S[SUB]1[/SUB]) (T[SUB]1[/SUB])
b) Sự h́nh thành các gốc:
PA[SUP]*[/SUP] R[SUP]·[/SUP]

Dưới tác dụng của ánh sáng, chất khơi mào chuyển từ trạng thái cơ bản (S[SUB]o[/SUB]) sang trạng thái kích thích mức một (S[SUB]1[/SUB]), nhờ sự chuyển trong hệ lại chuyển sang trạng thái mức ba (T[SUB]1[/SUB]). Một trạng thái điện tử kích thích chứa hai điện tử không ghép đôi trong các obital khác nhau. ở trạng thái mức ba, các điện tử có cùng một spin, trong khi ở trạng thái mức một các spin đối nhau. Quá tŕnh biến đổi trạng thái của chất khơi mào quang được biểu diễn theo sơ đồ sau [2,3].







II. Khâu mạch bằng phương pháp quang hoá
Hiện nay, khâu mạch quang các monome hoặc oligome chức hoá là một trong những phương pháp có hiệu quả để nhận được polyme mạng lưới không gian ba chiều có mức độ khâu lưới cao. Phương pháp khâu mạch bằng tia tử ngoại ngày càng được ứng dụng rộng răi trong nhiều lĩnh vực tạo các lớp phủ bảo vệ cho các vật liệu (kim loại, đồ gỗ, sứ, thuỷ tinh, bao b́ ), làm keo dán, dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử (các vi mạch điện tử) và tạo các vật liệu compozit. Phương pháp khâu mạch này cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực quang học và y học [4]. Khâu mạch bằng phương pháp quang hoá có nhiều ưu điểm so với phương pháp khâu mạch bằng gia nhiệt [2]:
- Tổ hợp khi khâu mạch quang không chứa dung môi, điều này làm giảm sự ô nhiễm môi trường.
- Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường, không cần tiêu tốn năng lượng, giảm được giá thành.
- Phản ứng khâu mạch xảy ra nhanh chóng trong vài giây hoặc vài phút ở điều kiện thích hợp.
- Sản phẩm đă được khâu mạch quang có các tính chất cơ lư, hoá tốt.
Tuy nhiên, khâu mạch bằng phương pháp quang có một vài hạn chế:
- Khâu mạch quang có khó khăn khi thực hiện ở lớp màng dầy và màng có bột mầu.
- Sự ức chế phản ứng do oxy có thể xảy ra với một vài hệ.

II.1 Nguyên lư của khâu mạch quang
Khâu mạch quang là quá tŕnh cho phép nhận polyme mạng lưới không gian ba chiều từ các monome hoặc các oligome có nhiều nhóm chức hoạt tính. Quá tŕnh khâu mạch này xảy ra do phản ứng phát triển mạch, được khơi mào do các gốc sinh ra bởi chiếu tia tử ngoại. Nếu khơi mào phản ứng bằng phương pháp quang hoá, sự khâu mạch quang xảy ra rất nhanh (tính bằng giây hoặc phút tuỳ điều kiện phản ứng). Khi được chiếu bức xạ tử ngoại, hầu hết các monome đều khó tạo ra dạng khơi mào dạng gốc hoặc ion với một hiệu suất đủ lớn, do đó cần thiết phải đưa vào hệ một thành phần nhạy cảm với ánh sáng và dễ phân quang, tạo ra các trung tâm hoạt tính, thành phần này đóng vai tṛ là chất khơi mào quang. Việc tạo ra polyme không gian ba chiều bằng phương pháp quang hoá thực chất là do phản ứng khâu mạch các hệ nhựa nhạy sáng. Tuỳ thuộc vào bản chất của các hệ này mà cơ chế của quá tŕnh khâu mạch sẽ khác nhau, một số hệ nhựa quá tŕnh khâu mạch diễn ra theo cơ chế ion, một hệ nhựa khác quá tŕnh khâu mạch xảy ra theo cơ chế gốc. Quá tŕnh khâu mạch quang có thể được biểu diễn theo sơ đồ sau [5]:


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]