Ảnh Hưởng Của Hàm Lượng Ống Nano Carbon (Cnt) Phối Hợp Tới Tính Chất Cơ Lý

Hình 3.25. Cấu tạo của axit α-eleostearic

Trong nghiên cứu này, quy trình công nghệ chế tạo vật liệu và các thành phần phụ gia khác không đổi, sử dụng các phụ gia nano với hàm lượng NSTESPT 12 pkl, than đen 25 pkl, bổ sung thêm 2% D01. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tác nhân D01 được thể hiện trong bảng 3.15.

Bảng 3.15. Ảnh hưởng của D01 tới tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở CSTN/BR gia cường NSTESPT và than đen

Từ kết quả bảng 3.15 ở trên cho thấy, khi có thêm tác nhân D01 (2%), các tính chất cơ học của vật liệu đã được cải thiện, trong đó độ bền kéo khi đứt đạt 20,01 MPa (tăng 4,2 % so với vật liệu CSTN/BR/NSTESPT/CB). Điều này có thể giải thích, vì D01 có khối lượng phân tử thấp, D01 vừa có khả năng hòa trộn than đen vừa có thể phối trộn tốt vào nền CSTN/BR và giúp giảm bớt độ nhớt của hệ cao su, làm cho các cấu tử phân tán dễ dàng vào nền cao su hơn; đồng thời D01 cũng giống như một chất hóa dẻo (làm cho độ cứng của vật liệu giảm xuống); hơn nữa D01 sẽ nằm trên bề mặt phân pha giữa các cấu tử, vừa làm cầu nối trung gian để liên kết các cấu tử không tương hợp với nhau nên D01 có tác dụng như một chất hoạt động bề mặt.

Hơn nữa, trong phân tử của axit α-eleostearic có nhiều nối đôi, càng dễ tham gia vào quá trình đồng lưu hóa với nền CSTN/BR. Nhờ đó làm cho cấu trúc của vật liệu chặt chẽ và đều đặn hơn, tăng tương tác giữa các cấu tử trong vật liệu, dẫn tới tính chất cơ học của vật liệu tăng lên, nhất là độ bền mài mòn của vật liệu. Những

kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả của các tác giả [134] đã công bố.

(a)

(b)

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 164 trang tài liệu này.

Hình 3.26. Hình ảnh FESEM bề mặt cắt các mẫu vật liệu

(a) CSTN/BR/NSTESPT/CB và (b) CSTN/BR/NSTESPT/CB/D01

Qua hình ảnh (FESEM) bề mặt cắt của các vật liệu cũng cho thấy, với mẫu vật liệu có tác nhân D01, các hạt gia cường (NSTESPT và than đen) phân tán đều đặn, bề mặt mịn hơn (hình 3.26b); trong khi đó ở mẫu không có D01 (hình 3.26a) các hạt NSTESPT và than đen phân tán kém hơn và có xuất hiện tập hợp hạt kích thước khá lớn, bề mặt gồ ghề. Qua hình 3.26b cho thấy, khi có D01, CSTN và BR dễ tương hợp nhau hơn vì bề mặt cắt của vật liệu blend hầu như không thấy sự phân pha giữa CSTN và BR. Chính vì vậy, khi sử dụng thêm tác nhân D01, tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit trên cơ sơ blend CSTN/BR được cải thiện hơn.

3.3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng ống nano carbon (CNT) phối hợp tới tính chất cơ lý của vật liệu blend CSTN/BR

Trong các nghiên cứu ở trên, hàm lượng gia cường phối hợp thích hợp cho blend CSTN/BR (75/25) đã được xác định là 12 pkl NSTESPT và 25 pkl CB. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi giữ nguyên thành phần gia cường này, bổ sung 2% tác nhân D01 để tăng khả năng phân tán phụ gia gia cường cũng như tăng khả năng tương hợp của 2 cao su, và giữ nguyên các điều kiện gia công, chỉ thay đổi hàm lượng CNT để khảo sát. Mặt khác, trên cơ sở những kết quả của các tác giả khác đã công bố, khi phối hợp CNT với than đen để gia cường cho vật liệu cao su, cao su

blend, hàm lượng CNT thay thế than đen ở hàm lượng gia cường thích hợp từ 0,5 đến 5 pkl. Riêng trong trường hợp này, CNT phối hợp thêm vào hợp phần cao su gia cường CB và NS ở hàm lượng thích hợp rồi. Do vậy, hàm lượng CNT phù hợp để phối hợp sẽ thấp hơn so với cách giảm hàm lượng than đen để thay thế bằng CNT. Chính vì vậy, hàm lượng CNT bổ sung vào được chọn từ 0,3 tới 1,2 pkl vào thành phần đơn. CNT được lựa chọn là loại đã được biến tính bề mặt gắn PEG (CNTPEG) (nêu trong mục 3.1.1). Kết quả khảo sát được thể hiện trong bảng 3.16.

Bảng 3.16. Hàm lượng CNTPEG phối hợp ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR gia cường NSTESPT và than đen

Nhận thấy rằng, hàm lượng CNTPEG phối hợp vào hợp phần cao su blend CSTN/BR/NSTESPT/CB tăng lên đến 0,6 pkl, độ bền kéo khi đứt của vật liệu tăng thêm 10,3%; độ dãn dài dư và độ cứng tăng không nhiều, lần lượt là 3,87% và 0,7%. Riêng độ mài mòn và độ dãn dài khi đứt giảm tương ứng khoảng 12,6% và 6,4%. Nếu hàm lượng CNTPEG tiếp tục tăng (> 0,6pkl) thì độ bền kéo khi đứt và độ dãn dài khi đứt của vật liệu lại giảm, còn độ mài mòn lại tăng. Riêng độ dãn dài dư và độ cứng vẫn tiếp tục tăng. Song mức độ tăng, giảm là không nhiều.

Điều này được giải thích như sau: trong hợp phần cao su blend CSTN/BR gia cường NSTESPT phối hợp với than đen ở hàm lượng thích hợp rồi, khi phối hợp thêm CNTPEG nhưng chỉ với một lượng CNTPEG nhỏ cũng đã có thể tạo thành mạng lưới gia cường mới của CNTPEG đan xen vào các mạng lưới gia cường của NSTESPT và than đen sẵn có trong vật liệu, làm tăng tính năng cơ học cho vật liệu [55, 65].

Tuy nhiên, với hàm lượng CNTPEG vượt quá giới hạn nhất định, chúng giảm khả năng phân tán đồng đều trong vật liệu, khi mà lượng dư sẽ tập hợp (co cụm) lại thành pha riêng, làm cản trở tương tác giữa các cấu tử với nhau hay giữa phụ gia với các phân tử cao su, như vậy một số tính chất cơ học của vật liệu sẽ giảm xuống. Với

độ cứng và độ dãn dài dư xu hướng tăng, còn độ dãn dài khi đứt vẫn giảm xuống, do sự có mặt của CNTPEG cũng như các chất gia cường “cứng” khác (như than đen) làm cản trở tính linh động của các phân tử cao su. Tuy nhiên, mức độ tăng hay giảm của các tính chất cơ học là không nhiều vì hàm lượng CNTPEG bổ sung vào cao nhất cũng chỉ 1,2 pkl (lượng không lớn) nên sự tác động tiêu cực cũng không quá mạnh. Trên cơ sở những kết quả khảo sát thu được, hàm lượng CNTPEG là 0,6 pkl được lựa chọn để gia cường phối hợp với 12 pkl NSTESPT và 25 pkl CB cho blend CSTN/BR (75/25) để nghiên cứu tiếp theo.

3.3.3.4. Cấu trúc hình thái của vật liệu

Sử dụng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) để nghiên cứu, đánh giá cấu trúc hình thái của vật liệu. Trên hình 3.27 là hình ảnh chụp (FESEM) bề mặt gãy của mẫu vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/BR (có sử dụng 2% tác nhân D01) với 12 pkl NSTESPT và 25 pkl than đen có phối hợp thêm 0,6 pkl CNTPEG (Hình 3.27a) và 1,2 pkl CNTPEG (Hình 3.27b).

CNTPEG

co cụm

Hình 3.27. Ảnh FESEM bề mặt gãy của mẫu vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR (75/25) được gia cường 12 pkl NSTESPT và 25 pkl CB có phối hợp thêm CNTPEG 0,6 pkl (a) và 1,2 pkl (b)

Nhận thấy rằng, với ảnh mẫu vật liệu gia cường thêm 0,6 pkl CNTPEG, trên bề mặt gãy của vật liệu có cấu trúc đều đặn và bền chặt, các chất gia cường NSTESPT, CB và CNTPEG phân tán đều đặn, đan xen vào nhau và đều ở mức độ nanomet (dưới 100nm - Hình 3.27a). Trong khi đó, với mẫu vật liệu gia cường phối hợp thêm 1,2 pkl CNTPEG, các chất gia cường phân tán không còn đồng đều nữa mà có chỗ CNTPEG dư đã tập hợp lại thành những cụm riêng (Hình 3.27b). Chính vì vậy, các tính năng cơ học của vật liệu đã giảm xuống như phần 3.3.3.3 ở trên đã chỉ rõ.

3.3.4. Nghiên cứu một số tính chất của vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/BR

3.3.4.1. Ảnh hưởng của quá trình biến tính tới tính chất nhiệt của vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR

Tính chất nhiệt là một trong nhiều tính chất quan trọng của vật liệu polyme cũng như cao su, thông qua đó ta có thể biết được khả năng ứng dụng của vật liệu. Trong nghiên cứu này, phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được sử dụng để đánh giá tính chất nhiệt của vật liệu. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của các mẫu vật liệu cao su gồm có: CSTN, BR, CSTN/BR, CSTN/BR/NSTESPT, CSTN/BR/NSTESPT/CB và CSTN/BR/NSTESPT/CB/CNTPEG được thể hiện trong bảng

3.17 và các hình ở PL4 và PL5 (trong phần phụ lục).

Bảng 3.17. Tính chất nhiệt của vật liệu từ CSTN, BR và một số blend CSTN/BR

Kết quả bảng 3.17 cho thấy, CSTN và BR có nhiệt độ bắt đầu phân hủy tương ứng ở 278oC và 395oC; còn nhiệt độ phân hủy mạnh nhất 1 tương ứng ở 356,3oC và 463,2oC. Với mẫu blend CSTN/BR (75/25) gia cường 12 pkl NSTESPT và 25 pkl CB, nhiệt độ bắt đầu phân hủy của vật liệu là 317oC và phân hủy mạnh đầu tiên là 374,6oC (tương ứng của CSTN), nhiệt độ phân hủy mạnh thứ 2 là 433,7oC (tương ứng của BR). Khi có thêm 0,6 pkl CNTPEG, nhiệt độ bắt đầu phân hủy của vật liệu tăng thêm tăng 3oC và đạt 320oC, nhiệt độ phân hủy mạnh nhất 1 (ứng với CSTN) là 377,2 oC (tăng 2,6oC) và nhiệt độ phân hủy mạnh thứ 2 (ứng với BR) là 433,4oC (giảm 0,3oC).

Như vậy, sự có mặt của CNTPEG ở hàm lượng thích hợp đã giúp cho CSTN với BR tương hợp nhau hơn (nhiệt độ phân hủy mạnh nhất của hai cấu tử thu hẹp lại

gần nhau hơn) và làm tăng độ bền nhiệt của vật liệu khi mà nhiệt độ bắt đầu phân hủy tăng thêm tương ứng 3 oC và 19 oC so với CSTN/BR/NSTESPT/CB và CSTN/BR.

3.3.4.2. Nghiên cứu quá trình sinh nhiệt do chuyển động quay và ma sát của vật liệu

Một trong những ứng dụng điển hình của vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/BR là sản xuất lốp xe và mặt lốp xe. Trong ứng dụng này, nhiệt nội sinh do quá trình chuyển động quay và ma sát là một trong những yếu tố ảnh hưởng quyết định tới độ bền của cao su làm lốp, mặt lốp. Để đánh giá quá trình sinh nhiệt này, chúng tôi đánh giá sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật liệu trong quá trình thử nghiệm mài mòn trên mẫu cao su hình trụ. Những kết quả khảo sát thu được trong bảng 3.18 và trình bày trong hình 3.28.

Bảng 3.18. Khảo sát sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật liệu trong quá trình thử nghiệm mài mòn trên bề mặt mẫu quay tròn của các mẫu vật liệu [oC]

Thời gian (phút)

0	2	4	6	8	10	15	20	25	30	35	40	45	50
CSTN/BR	0	1,20	2,03	2,59	3,13	3,52	4,05	4,31	4,45	4,55	4,61	4,65	4,69	4,70
CSTN/BR/NSTESPT/CB	0	1,50	2,30	2,80	3,30	3,70	4,00	4,23	4,38	4,49	4,49	4,50	4,50	4,50
CSTN/BR/NSTESPT/CB/CNTPEG	0	1,40	2,20	2,70	3,20	3,60	3,85	4,05	4,11	4,19	4,20	4,22	4,22	4,22

Hình 3.28. Sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt do chuyển động quay và ma sát một số vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR

Từ bảng 3.18 và hình 3.28 cho thấy rằng, do chuyển động quay và đặc biệt lực ma sát giữa mẫu vật liệu và đá mài trên bề mặt tiếp xúc đã làm gia tăng nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật liệu. Quá trình gia tăng nhiệt ban đầu nhanh, sau chậm dần và sau khoảng 30 phút, nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật liệu gia tăng không nhiều. Đối với mẫu vật liệu cao su blend CSTN/BR, ban đầu nhiệt độ tăng chậm hơn, sau 15 phút

tăng nhanh hơn các mẫu blend được gia cường. Sau 15 phút đạt 4,05oC, khi đến 40 phút đạt 4,65oC và sau 50 phút đạt 4,70oC. Bên cạnh đó, mẫu được gia cường phối hợp 12 pkl NSTESPT với 25 pkl CB nhiệt độ bề mặt vật liệu tăng khoảng 4,5oC sau 40 phút và cho tới 50 phút nhiệt độ bề mặt hầu như không tăng nữa. Trong khi đó mẫu vật liệu này có thêm 0,6 pkl CNTPEG có mức tăng nhiệt độ bề mặt thấp hơn, chỉ là 4,22oC ở 40 phút và đến 50 phút hầu như không tăng nữa. Hiện tượng này được giải thích là do ở mẫu vật liệu cao su gia cường phối hợp NSTESPT/CB/CNTPEG có độ dẫn nhiệt cao hơn (như mục trên đã chỉ rõ), nhờ vậy, nhiệt sinh ra sẽ nhanh chóng được lan truyền ra toàn vật liệu cũng như môi trường xung quanh, làm giảm sự gia tăng nhiệt trên bề mặt mẫu do quá trình chuyển động và ma sát.

3.3.4.3. Nghiên cứu độ dẫn nhiệt của vật liệu cao su nanocompozit

Để đo độ dẫn nhiệt của vật liệu, máy đo độ dẫn nhiệt THB500 của hãng Linseis (Đức) đã được sử dụng. Bảng 3.19 và Hình 3.29 ở trên là kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau của một số vật liệu.

Bảng 3.19. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau của một số vật liệu [W/m.oK]

Nhiệt độ (oC)

30	40	50	60	70	80
CSTN/BR	0,180	0,182	0,183	0,184	0,185	0,186
CSTN/BR/NSTESPT	0,201	0,203	0,205	0,207	0,209	0,211
CSTN/BR/NSTESPT/CB	0,260	0,262	0,265	0,267	0,270	0,273
CSTN/BR/NSTESPT/CB/CNTPEG	0,275	0,279	0,284	0,290	0,297	0,306

Nhận thấy rằng, độ dẫn nhiệt của blend CSTN/BR chưa gia cường khá thấp, khi có thêm NSTESPT gia cường, độ dẫn nhiệt của vật liệu đã được cải thiện hơn do cấu trúc vật liệu được chặt chẽ hơn. Khi phối hợp thêm than đen (25 pkl), độ dẫn nhiệt của vật liệu đã được nâng cao hơn hẳn (độ dẫn nhiệt tăng thêm 44% ở 30oC và 47% ở 80oC). Với mẫu có phụ gia NSTESPT và CB, khi cho thêm 0,6 pkl CNTPEG, độ dẫn nhiệt của vật liệu đã tăng thêm 8,3% ở 30oC và 17,7% ở 80oC.

Hình 3.29. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ dẫn nhiệt của một số mẫu vật liệu trên cơ sở blend CSTN/BR

Điều này được giải thích là do than đen và đặc biệt là CNT có khả năng dẫn nhiệt cao, khi được phối trộn đều trong cao su nền, chúng tạo thành các mạng lưới riêng đan xen chặt chẽ, tạo thành đường dẫn nhiệt liên tục, làm khả năng dẫn nhiệt cho vật liệu tăng lên; do vậy mà độ dẫn nhiệt của vật liệu tăng mạnh khi có mặt than đen và CNT.

3.3.5. Nhận xét