Phổ Ftir Của Bis-(3-Trietoxysilylpropyl) Tetrasulphit (Tespt)

a) Phổ FTIR

Trước khi phân tích phổ hồng ngoại FTIR của NS chưa biến tính và đã được biến tính bằng TESPT, chúng tôi đã xác định phổ hồng ngoại FTIR của TESPT và kết quả được biểu diễn trong hình 3.5 dưới đây:

Hình 3.5. Phổ FTIR của bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulphit (TESPT)

Từ hình 3.5 trên cho thấy rằng, trong khoảng số sóng từ 4000 đến 400 cm-1 có xuất hiện một số dải phổ hấp thụ đặc trưng và cụ thể như sau: với khoảng số sóng từ 3000 cm-1 đến 2800 cm-1 đã xuất hiện dao dộng dãn của nhóm etoxy (CH3CH2OR); pic ở số sóng 1395 cm-1 và 2989 cm-1 là dao động dãn không đối xứng và dao động biến dạng đối xứng của nhóm metyl (CH3) có trong etoxy, còn pic ở số sóng 2882 cm-1 là dao động không đối xứng của C–H trong nhóm metyl (CH3). Pic ở số sóng 1295 cm-1 và 1445cm-1 lần lượt là biến dạng không đối xứng của C–H trong nhóm metyl (CH3) và metylen (-CH2). Ở khoảng số sóng từ 1200 đến 1000 cm-1 là dao động dãn không đối xứng của C–O–Si, còn ở khoảng số sóng từ 1000 đến 600 cm-1 là dao động dãn và dao động dãn đối xứng, tương ứng của C– C và C–O–Si; ở số sóng nhỏ hơn 500 cm-1 là dao động biến dạng của C–O–Si.

Hình 3.6 là phổ hồng ngoại FTIR của nanosilica chưa được biến tính.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 164 trang tài liệu này.

Hình 3.6. Phổ FTIR của nanosilica

Qua hình 3.6 cho thấy rằng, trong khoảng số sóng từ 4000 đến 400 cm-1, nanosilica chưa được biến tính xuất hiện một số dải phổ hấp thụ đặc trưng và cụ thể như sau: ở số sóng 474 cm-1 xuất hiện dao động biến dạng của Si–O–Si, còn ở số sóng 811 cm-1 lại là dao động dãn đối xứng của Si–O–Si trong mạng silica, nhưng ở số sóng 1110 cm-1 lại có dao động dãn không đối xứng của Si–O–Si. Pic chân rộng ở khoảng số sóng 3700 - 3000 cm-1 được gán cho dao động hóa trị của nhóm -OH (trong Si–OH và nước liên kết) với pic ở số sóng 3442 cm-1.

Hình 3.7 là phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của mẫu NS đã được biến tính bằng TESPT.

Hình 3.7. Phổ FTIR của nanosilica biến tính

Từ hình 3.7 này cho thấy, các dao động biến dạng, dao động dãn đối xứng và dao động dãn không đối xứng của Si–O–Si vẫn thấy xuất hiện nhưng chỉ có chút biến đổi về số sóng, lần lượt là ở 466 cm-1, 810 cm-1 và 1101 cm-1. Nhưng rõ ràng pic ở số sóng 1101 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của các liên kết Si–O–Si trong nanosilica chiếm thành phần chủ yếu. Xuất hiện thêm pic ở 971 cm-1 đặc trưng cho dao động dãn của Si–O trong nhóm silanol. Trong khoảng số sóng 3700 cm-1 - 3000 cm-1 vẫn thấy có pic chân rộng đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết O-H (của H2O liên kết và trong Si–OH) khi có pic ở số sóng 3439 cm-1. Với mẫu NS biến tính bằng TESPT (NSTESPT), trên phổ FTIR có thấy xuất hiện pic mới là dao động đặc trưng cho phân tử silan trên bề mặt NS. Pic ở số sóng 2980 cm-1 được gán cho là dao động biến dạng đối xứng của liên kết C–H trong nhóm metylen (-CH2) (trong khi ở mẫu NS chưa biến tính không xuất hiện pic này). Cơ bản trong mẫu nanosilica được biến tính TESPT, các pic có xu hướng dịch chuyển về số sóng thấp hơn một chút so với pic đặc trưng trên phổ FTIR của TESPT (2989 cm-1). Qua đó cho thấy, trên bề mặt của nanosilica đã xuất hiện và có gắn các phân tử TESPT .

b) Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

Hàm lượng và khả năng nhóm TESPT được gắn trên bề mặt NS đã được chúng tôi xác định qua kết quả phân tích giản đồ TGA (phân tích nhiệt trọng lượng). Hình 3.8 và 3.9 là giản đồ TGA của mẫu NS và mẫu NSTESPT ở điều kiện thích hợp.

Hình 3.8. Giản đồ TGA của nanosilica

Hình 3.9. Giản đồ TGA của nanosilica được biến tính bằng TESPT

Đánh giá sự mất khối lượng (mass loss) của hai mẫu nanosilica (chưa biến tính và đã được biến tính TESPT) có thể thấy rằng, đối với mẫu nanosilica chưa biến tính thì mức độ giảm khối lượng (mất khối lượng) rất chậm và cho đến khi nhiệt độ đạt 800oC thì chỉ mất khối lượng là 3,60%. Trong khi đó đối với mẫu NS được biến tính bằng TESPT, trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 200oC thì mức độ mất khối lượng xảy ra chậm và từ từ, nhưng khoảng 250oC - 280oC thì mức độ mất khối lượng xảy ra nhanh và nhanh nhất ở 261,8oC, sau đó vẫn tiếp tục giảm nhẹ khối lượng, cho đến khi đạt 800oC thì tổng tổn hao (mất) khối lượng của mẫu là 7,28%. Trên cơ sở khối lượng hao hụt (mất đi), có thể thấy TESPT đã được gắn trên bề mặt NS, với hàm lượng là 7,28 – 3,60 = 3,68%. Kết quả như vậy cũng khá tương đồng với kết quả của tác giả Hoàng Thị Hòa đã công bố [132].

3.1.3. Nhận xét

3.2. Nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho cao su thiên nhiên bằng cách phối hợp nanosilica với than đen

3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

3.2.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica chưa biến tính đến tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng NS tới tính chất kéo của vật liệu CSTN

Kết quả trong bảng 3.2 cho biết rằng, hàm lượng nanosilica phù hợp để gia cường cho vật liệu cao su trên cơ sở CSTN là 3 pkl (phần khối lượng), khi mà tại hàm lượng đó, cả độ bền kéo khi đứt và độ dãn dài khi đứt đạt giá trị cao nhất, tương ứng đạt là 19,43 (MPa) và 751 (%). Điều này có thể được giải thích như sau, khi hàm lượng NS nhỏ hơn hoặc bằng 3 pkl (tối ưu), các hạt NS sẽ được phân tán đều đặn trong nền cao su, giúp cho cấu trúc của vật liệu trở nên bền chặt hơn, giúp tăng cường tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt là độ bền kéo khi đứt. Còn khi hàm lượng NS vượt quá điểm tối ưu, không còn sự phân tán các hạt NS đồng đều nữa, các hạt NS dư thừa sẽ kết tụ lại thành tập hợp riêng, cản trở tương tác giữa các thành phần cũng như với các phân tử cao su, là nguyên nhân làm giảm tính chất cơ học của vật liệu.

Với những kết quả thu được ở trên, chúng tôi đã lựa chọn hàm lượng NS thích hợp cho gia cường CSTN là 3pkl để nghiên cứu tiếp.

3.2.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica biến tính TESPT đến tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

Căn cứ kết quả nghiên cứu của tác giả Hoàng Thị Hòa, hàm lượng NS chưa biến tính và được biến tính TESPT đối với nền CSTN gần như không khác nhau [132]; vì vậy, chúng tôi cũng chọn hàm lượng nanosilica được biến tính với tác nhân kết nối TESPT (NSTESPT) cho vào theo hàm lượng thích hợp đã nghiên cứu ở trên là 3pkl với vật liệu nền là CSTN để nghiên cứu tiếp. Quy trình chế tạo vật liệu và các thành phần khác không thay đổi. Dưới đây là bảng kết quả nghiên cứu khảo sát hàm lượng NS và NSTESPT ảnh hưởng tới một số tính chất cơ học của vật liệu (Bảng 3.3).

Bảng 3.3. Hàm lượng nanosilica (không biến tính và biến tính TESPT) ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở CSTN

+ Độ bền kéo đứt tăng thêm 17,6% và 41,7%

+ Độ dãn dài khi đứt tăng thêm 6,4% và 11,3%

+ Độ mài mòn giảm từ 0,81cm3/1,61km xuống còn 0,77 cm3/1,61km (đối với mẫu có NS) và 0,73 cm3/1,61km (đối với mẫu có NSTESPT).

Về độ dãn dài dư và độ cứng, khi sử dụng NS chưa biến tính hay NSTESPT đều có xu hướng tăng một chút so với ban đầu, do cấu trúc của vật liệu được chặt chẽ hơn nên làm cho độ cứng lớn hơn.

3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng than đen phối hợp tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

3.2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng than đen phối hợp với nanosilica không biến tính tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

Tính chất của vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN sẽ phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác nhau như: bản chất cao su nền, phụ gia gia cường được sử dụng (loại và hàm lượng), các điều kiện phối trộn và công nghệ gia công chế tạo vật liệu.

Việc sử dụng phối hợp các chất phụ gia gia cường có kích thước nano vừa có thể tạo hiệu ứng cộng hưởng, vừa có thể phát huy những đặc tính gia cường nổi trội của từng loại phụ gia. Trong nghiên cứu này, phối hợp nanosilica với than đen (CB) đã được chúng tôi sử dụng để phối trộn trong nền CSTN. Hàm lượng nanosilica thích hợp là 3pkl (như đã được nghiên cứu ở mục 3.2.1) và các phụ gia khác không thay đổi; tiến hành khảo sát hàm lượng than đen thay đổi từ 0-50 pkl. Kết quả khảo sát hàm lượng than đen phối hợp ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN được thể hiện trong bảng 3.4 dưới đây.

Bảng 3.4. Hàm lượng than đen phối hợp ảnh hưởng tới tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN

Từ kết quả bảng 3.4 thấy rằng, khi hàm lượng than đen tăng dần lên thì độ bền kéo khi đứt của vật liệu cũng có xu hướng tăng dần, nhưng chỉ tăng đến khoảng hàm lượng 25pkl; vì nếu tăng tiếp, nghĩa là hàm lượng than đen lớn hơn 25pkl thì khi đó độ bền kéo khi đứt lại có xu hướng giảm dần và khi hàm lượng than đen

càng lớn (>30pkl trở lên) trong hỗn hợp cao su thì độ bền kéo khi đứt càng giảm mạnh.

Tất cả những điểm này có thể được giải thích rằng, khi hàm lượng than đen tăng dần đến mức thích hợp là 25pkl, than đen sẽ được phân tán rất đều trong nền CSTN, các đại phân tử cao su có liên kết chặt chẽ với bề mặt than đen, khi đó vật liệu chế tạo được sẽ có cấu trúc đồng nhất và chặt chẽ, nên tính chất cơ lý của vật liệu sẽ được gia tăng [4]. Nhưng khi lượng than đen lớn hơn hàm lượng thích hợp (25pkl), lượng than đen dư thừa không tham gia vào liên kết giữa phân tử cao su – than đen nữa, sẽ tách thành pha riêng biệt và tập hợp thành hạt kích thước lớn nên phá vỡ cấu trúc đều đặn của vật liệu làm giảm độ bền kéo khi đứt và độ mài mòn cũng như các đặc tính khác của vật liệu. Mặt khác, khi lượng than đen tăng lên sẽ cản trở liên kết giữa các đại phân tử cao su, làm các phân tử cao su trở nên kém linh động hơn dẫn đến độ dãn dài khi đứt giảm đi và độ cứng của vật liệu tăng lên.

Qua các kết quả trên cho thấy, hàm lượng than đen và nanosilica thích hợp gia cường cho CSTN tương ứng là 25pkl và 3pkl.

3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng than đen phối hợp với nanosilica biến tính TESPT tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở cao su thiên nhiên

Như các mục trên đã trình bày, hàm lượng NS chưa biến tính không khác nhau nhiều so với hàm lượng NS biến tính TESPT (NSTESPT) để gia cường cho CSTN. Mặt khác, hàm lượng than đen thích hợp là 25pkl được sử dụng để phối trộn với nanosilica gia cường cho CSTN. Do vậy, để đơn giản, chúng tôi lựa chọn hàm lượng NSTESPT là 3pkl phối trộn với than đen 25pkl gia cường cho CSTN. Những kết quả thu được, được thể hiện trong bảng 3.5.