Nghiên cứu phối hợp phụ gia nano để nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu cao su thiên nhiên và một số blend của nó

Nhận thấy rằng, cấu trúc lỗ xốp của tất cả các mẫu vật liệu đều khá đều đặn. Tuy nhiên, ở vật liệu gia cường nanoclay (Hình 3.43A) và nanosilica (Hình 3.43B) lỗ xốp có kích thước khá to, cấu trúc lỗ xốp tương tự nhau, còn ở vật liệu CSTN được gia cường CNT các lỗ xốp nhỏ hơn một chút (Hình 3.37C). Trong khi ở mẫu vật liệu được gia cường 30pkl than đen (Hình 3.43D) và 3pkl nanosilica phối hợp 30pkl than đen (Hình 3.43E), các lỗ xốp nhỏ và phân tán khá đều. Điều này được giải thích là do khi gia cường than đen chất tạo xốp phân tán “tinh” hơn, tạo thành những điểm với lượng nhỏ hơn do than đen nhiều, xốp và dễ phân tán vào nền. Do vậy tạo ra các lỗ xốp dầy đặc và nhỏ hơn trong toàn khối vật liệu.

Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu thu được, chúng tôi lựa chọn vật liệu được gia cường nanosilica phối hợp than đen để chế tạo cao su xốp và ứng dụng vật liệu này trong chế tạo lốp không cần bơm hơi.

3.5.6. Nhận xét

- Phụ gia tạo xốp phù hợp để chế tạo cao su xốp trên cơ sở CSTN có kích thước các lỗ xốp đồng đều là Dinitrosopentametylen tetramin đã hoạt hóa (ký hiệu trong nghiên cứu là TXC) với hàm lượng thích hợp là 2 pkl và thời gian lưu hóa phù hợp là 150 phút.

- Trong cùng một thành phần đơn phối liệu và điều kiện gia công, CSTN gia cường các phụ gia nano (nanoclay, nanosilica, ống nano carbon hay than đen đều có khả năng tạo ra vật liệu cao su xốp có cấu trúc đều đặn. Tuy nhiên, vật liệu CSTN gia cường 3pkl NS phối hợp với 30pkl CB tạo ra cao su xốp có các tính năng cơ học tốt hơn cả do tác dụng đồng gia cường của của 2 thành phần phụ gia này.

- Sử dụng phối hợp phụ gia nano có thể nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật cho vật liệu cao su xốp trên cơ sở CSTN, đây là hướng đi mới đầy triển vọng để nâng cao chất lượng cho các sản phẩm từ cao su xốp trên cơ sở CSTN để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của quá trình phát triển kinh tế-kỹ thuật.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 164 trang tài liệu này.

KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của luận án rút ra được các kết luận như sau:

1. Bằng phản ứng este hóa Fischer được thực hiện theo các bước oxy hóa, clo hóa và gắn nhóm PEG lên bề mặt CNT, đã thu được CNT biến tính với hàm lượng PEG được gắn trên bề mặt là 16,33%.

2. Bằng phương pháp biến tính bởi TESPT theo cơ chế của phản ứng ngưng tụ kèm theo sự tách nước giữa các nhóm silanol của phân tử silan với nhau và với các nhóm hydroxyl trên bề mặt nanosilica, đã thu được nanosilica biến tính với hàm lượng TESPT gắn trên bề mặt là 3,68%.

3. Hàm lượng thích hợp của các phụ gia nano để gia cường cho CSTN là 3 pkl NS phối hợp với 25 pkl CB trong 100 pkl CSTN. Tại hàm lượng này, vật liệu cao su nanocompozit CSTN/NS/CB và CSTN/NSTESPT/CB có các tính năng cơ lý, kỹ thuật đạt giá trị cao nhất với các giá trị tương ứng là độ bền kéo đứt đạt 22,64 MPa và 26,01 MPa; độ dãn dài khi đứt là 683% và 693%; Độ mài mòn giảm xuống một chút; nhiệt độ bắt đầu phân hủy tăng thêm 19,05oC và 19,59oC. Rõ ràng ở cùng hàm lượng thích hợp, vật liệu sử dụng NSTESPT có tính chất cơ học, các tính chất nhiệt và độ bền môi trường được cải thiện hơn so với vật liệu sử dụng NS.

4. Hàm lượng thích hợp của các phụ gia nano phối hợp gia cường cho blend CSTN/BR (75/25) là 12 pkl NSTESPT, 25 pkl than đen (CB) và 0,6 pkl CNTPEG, có sử dụng tác nhân D01 (2%) như một chất trợ phân tán, chất tương hợp. Vật liệu CSTN/BR/NSTESPT/CB/CNTPEG chế tạo được có các tính năng cơ lý, kỹ thuật được cải thiện đáng kể khi so với vật liệu CSTN/BR/NSTESPT/CB, với độ bền kéo khi đứt tăng thêm 10,3%, nhiệt độ bắt bắt đầu phân hủy tăng thêm 3oC. Hơn nữa, vật liệu cao su nanocompozit CSTN/BR/NSTESPT/CB/CNTPEG có khả năng bền mài mòn, bền nhiệt, bền môi trường, chịu ma sát tốt, giảm nhiệt nội sinh và dẫn nhiệt nhanh, đáp ứng yêu cầu chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật tính năng cao như mặt lốp ôtô.

5. Hàm lượng thích hợp các phụ gia nano phối hợp gia cường cho blend cao su thiên nhiên/cao su etylen propylen dien monome (CSTN/EPDM) (60/40) là 10

pkl NSTESPT, 24 pkl than đen và 6 pkl bari sulfat trong 100 pkl cao su. Tại tỷ lệ này, vật liệu CSTN/EPDM/NSTESPT/CB/BS có cấu trúc chặt chẽ, các tính năng cơ lý, kỹ thuật cao với độ bền kéo khi đứt đạt 18,5 MPa, độ dãn dài khi đứt là 396%; đặc biệt vật liệu CSTN/EPDM/NSTESPT/CB/BS này có khả năng bền môi trường kiềm, bền nhiệt cao, bền mài mòn và giảm nhiệt nội sinh do chuyển động quay và ma sát. Vật liệu này đáp ứng yêu cầu chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật cao có yêu cầu chịu nhiệt, bền kiềm, giảm nhiệt nội sinh trong điều kiện chuyển động quay và ma sát như các loại băng tải chịu nhiệt sử dụng trong công nghiệp xi măng.

6. Chế tạo thành công vật liệu cao su xốp tính năng cao trên cơ sở CSTN sử dụng chất tạo xốp TXC (Dinitrosopentametylen tetramin đã hoạt hóa) kết hợp gia cường 3 pkl NS với 30 pkl CB và các phụ gia khác. Vật liệu cao su xốp này có cấu trúc lỗ xốp đều đặn, tính năng cơ lý, kỹ thuật tốt, độ đàn hồi cao, bền kéo đứt và đáp ứng yêu cầu sử dụng cho chế tạo các loại lốp không cần bơm hơi, một sản phẩm đang được thế giới quan tâm.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

1. Bằng phương pháp trộn kín ở trạng thái nóng chảy đã chế tạo ra được vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend cao su thiên nhiên/cao su butadien (CSTN/BR) gia cường phối hợp nanosilica với than đen và ống nano carbon có tính năng cơ lý, kỹ thuật cao, đặc biệt bền mài mòn, chịu ma sát tốt, bền môi trường, bền nhiệt và thoát nhiệt nhanh đáp ứng yêu cầu làm cao su mặt lốp ô tô và các sản phẩm cao su kỹ thuật cao khác.

2. Xác định được hàm lượng phù hợp của than đen, nanosilica và bari sulfat phối hợp gia cường cho cao su blend trên cơ sở cao su thiên nhiên/cao su etylen propylen dien monome (CSTN/EPDM) tạo ra vật liệu cao su nanocompozit có tính năng cơ lý, kỹ thuật cao, đặc biệt bền nhiệt, bền mài mòn, bền trong môi trường kiềm và giảm nhiệt nội sinh do chuyển động quay và ma sát. Vật liệu cao su nanocompozit này có khả năng ứng dụng để chế tạo các sản phẩm cao su kỹ thuật cao, như băng tải chịu nhiệt, bền môi trường kiềm sử dụng trong công nghiệp xi măng.

3. Ứng dụng thành công các phụ gia nano, đặc biệt là phối hợp nanosilica (3 pkl) với than đen (30 pkl) để chế tạo ra vật liệu cao su xốp trên cơ sở CSTN có độ xốp, độ đàn hồi và độ bền phù hợp để chế tạo các loại lốp không cần bơm hơi – một xu hướng mới của ngành sản xuất lốp hiện tại.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ

1. Đỗ Trung Sỹ, Ngô Quang Hiệp, Phạm Công Nguyên, Trần Hữu Quang, Lưu Đức Hùng, Đỗ Quang Minh, Nguyễn Thanh Liêm, Đỗ Quang Kháng. Chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở cao su thiên nhiên và một số blend của nó gia cường nanosilica. Tạp chí Hóa học. Tập 57, số 6E1,2, tháng 12 - 2019. Trang 14 - 19.

2. Ngô Quang Hiệp, Phạm Công Nguyên, Trần Hữu Quang, Trần Hữu Huy, Đỗ Trung Sỹ, Phạm Quỳnh Trang, Lương Như Hải, Nguyễn Thanh Liêm, Đỗ Quang Kháng. Chế tạo, tính chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend cao su thiên nhiên/cao su butadien gia cường phối hợp nanosilica, than đen và ống nanocacbon. Tạp chí Hóa học. Tập 57, số 6E1,2, tháng 12 - 2019. Trang 20- 26.

3. Đỗ Trung Sỹ, Ngô Quang Hiệp, Trần Hữu Huy, Phạm Công Nguyên, Trần Hữu Quang, Lưu Đức Hùng, Vương Quốc Tuấn, Đỗ Quang Minh, Phạm Quỳnh Trang, Đỗ Quang Kháng. Nghiên cứu vật liệu và Công nghệ chế tạo lốp không cần bơm hơi. Công nghiệp Hóa chất, 2/2020. ISSN 0866 - 7004.

4. Tran Huu Quang, Do Trung Sy, Nguyen Tien Dung, Tran Huu Huy, Nguyen Thi Diep, Pham Quynh Trang, Pham Cong Nguyen, Do Quang Khang. Preparation and properties of rubber nanocomposites based on natural rubber/ethylene propylene diene monomer reinforced with nanosilica, carbon black and barium sulfate. Vietnam Journal of Science and Technology 60 (2), (2022).

5. Đỗ Quang Kháng, Đỗ Trung Sỹ, Trần Hữu Quang và các đồng tác giả. Giải pháp hữu ích: Quy trình chế tạo vật liệu cao su chịu nhiệt, bền kiềm, đã được chấp nhận đơn hợp lệ theo quyết định số 110129/QĐ-SHTT, ngày 05 tháng 12 năm 2019.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Đỗ Quang Kháng, Cao su-Cao su blend và ứng dụng. Bộ sách chuyên khảo. Ứng dụng và phát triển công nghệ cao. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2012, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.

2. Bùi Chương, Đặng Việt Hưng, Nguyễn Phạm Duy Linh, Công nghệ và kỹ thuật vật liệu cao su – Quyển 1: Công nghệ cao su. 2021, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.

3. Nguyễn Hữu Trí, Khoa học kỹ thuật công nghệ cao su thiên nhiên. 2004, Nhà xuất bản Trẻ.

4. Ngô Phú Trù, Kỹ thuật chế biến và gia công cao su. 1995, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

5. Richard B Simpson, Rubber basics. 2002, Shawbury, U.K: Rapra Technology Ltd.

6. Surya I, Muniyadi M, & Ismail H, A review on clay‐reinforced ethylene propylene diene terpolymer composites. . Polymer Composites, 2021. 42(4), 1698–1711.

7. Amit Dasa, Debdipta Basua and Gert Heinrich, Rubber nanocomposites. 2014, Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials, pp 1–5.

8. AyeshaKausar, RezaTaherian, 3 - Electrical Conductivity Behavior of Polymer Nanocomposite with Carbon Nanofillers. In book: "Electrical Conductivity in Polymer-Based Composites". Experiments, Modelling, and Applications. 2019, Plastics Design Library. Pages 41-72.

9. Gennady Evtugyn, Tibor Hianik, Chapter 9 - Electroanalytical Bioplatforms Based on Carbon Nanostructures as New Tools for Diagnosis. Nanotechnology and Biosensors. 2018, Advanced Nanomaterials. Pages 269-306.

10. Feng Guo, Saman Aryana, Yinghui Han, Yunpeng Jiao, A Review of the Synthesis and Applications of Polymer–Nanoclay Composites. 2018. Applied sciences. Vol 8, 1696.

11. Zhang Y, Choi J.R, Park S.-J, Interlayer polymerization in amine-terminated macromolecular chain-grafted expanded graphite for fabricating highly thermal

conductive and physically strong thermoset composites for thermal management applications. Compos. Part A Appl. 2018. Sci. Manuf. vol 109, 498–506.

12. Thakur V.K, Kessler M.R, Self-healing polymer nanocomposite materials: A review. 2015. Polymer, vol 69, 369–383.

13. K. Zdiri, A. Elamri & M. Hamdaoui, Advances in Thermal and Mechanical Behaviors of PP/Clay Nanocomposites. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2017. Vol 56 (8), 824-840.

14. Lucilene Betega de Paiva, Ana Rita Morales, Francisco R. Valenzuela Díaz, Review article. Organoclays: Properties, preparation and applications. Applied Clay Science, 2008. Vol 42, p 8–24.

15. Bergaya F, Theng B.K.G, Lagaly G., Handbook of Clay Science. 2006, First Edition. Elsevier.

16. Sabu Thomas, Ranimol Stephen, Rubber Nanocomposites - Preparaton, Properties and Applications. 2010, John Wiley & Sons (ASia) Pte Ltd 2 Clementi Loop, # 02-01, Singapore 129809.

17. Shinji Yamashita, Nonlinear optics in carbon nanotube, graphene, and related 2D materials. APL Photonics, 2019. Vol 4 (3), 034301.

18. Dondero W.E and Gorga R.E., Morphological and mechanical properties of carbon nanotube/polymer composites via melt compounding. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 2006. Vol 44, 864.

19. Pham J.Q, Mitchell C.A, Bahr J.L. et al, Glass transition of polymer/single- walled carbon nanotube composite ﬁlms. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 2003. Vol 41, 3339.

20. Du F, Fischer J.E and Winey K.I, Coagulation method for preparing single- walled carbon nanotube/ poly(methyl methacrylate) composites and their modulus, electrical conductivity, and thermal stability. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 2003. Vol 41, 3333.

21. Xie H, Liu B, Yuan Z. et al, Cure kinetics of carbon nanotube/tetrafunctional epoxy nanocomposites by isothermal differential scanning calorimetry. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 2004. Vol 42, 3701.

22. Ramanathan T, Liu H and Brinson L.C, Functionalized SWNT/polymer nanocomposites for dramatic property improvement. Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 2005. Vol 43, 2269.

23. Gong X, Liu J, Baskaran S. et al, Surfactant-assisted processing of carbon nanotube/polymer composites. Chemistry of Materials, 2000. Vol 12, 1049.

24. Ham H.T, Choi Y.S, Chee M.G, and Chung I.J, Singlewall carbon nanotubes covered with polystyrene nanoparticles by in-situ miniemulsion polymerization. Journal of Polymer Science Part A Polymer Chemistry, 2006. Vol 44, 573.

25. Phan Thị Thúy Hằng, Nghiên cứu gia cường màng phủ nhựa epoxy bằng ống nanocacbon biến tính và graphen oxit. 2019, Luận án Tiến sĩ Hóa học.

26. Wang J, Fang Z, and Gu A, Effect of multi-walled carbon nanotubes dispersity on the light transmittancy of multi-walled carbon nanotubes/epoxy composites. Polymer Engineering and Science, 2006. Vol 46, 635.

27. Zhang N, Xie J, Guers M and Varadan V.K, Chemical bonding of multiwalled carbon nanotubes to polydimethylsiloxanes and modiﬁcation of the photoinitiator system for microstereolithography processing. Smart Materials & Structures, 2004. Vol 13, N1.

28. Bahun G.J, Wang C, and Andronov A, Solubilizing single-walled carbon nanotubes with pyrene-functionalized block copolymers. Journal of Polymer Science Part A Polymer Chemistry, 2006. Vol 44, 1941.

29. Narain R, Housni A, and Lane L, Modiﬁcation of carboxyl-functionalized single- walled carbon nanotubes with biocompatible, water-soluble phosphorylcholine and sugar-based polymers: bioinspired nanorods. Journal of Polymer Science Part A Polymer Chemistry, 2006. Vol 44, 6558.

30. Dimitrios Tasis, Nikos Tagmatarchis, Alberto Bianco and Maurizio Prato,

Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews, 2006. Vol 106, 1105−1136.

31. Monthioux M, Smith B.W, Burteaux B, Claye A, Fischer J.E, Luzzi D.E, Sensitivity of single wall carbon nanotubes to chemical processing: an electron microscopy investigation. Carbon, 2001. Vol 39, pp. 1251-1272.

32. Hai-Chen Wu, Xueling Chang, Lei Liu, Feng Zhaoa and Yuliang Zhao, Chemistry of carbon nanotubes in biomedical applications. Journal of Materials Chemistry, 2010. Vol 20, 1036–1052.