Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở blend EPDMLDPE và nanosilica

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.74 MB, 72 trang )

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

****************

PHẠM THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
NANOCOMPOZIT TRÊN CƠ SỞ
BLEND EPDM/LDPE VÀ NANOSILICA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ môi trƣờng

Hà Nội - 2012
Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

1

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu
cao su nanocompozit trên cơ sở blend EPDM/LDPE và
nanosilica" đã được hoàn thành tại Phòng Công nghệ Vật liệu
Polyme - Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến PGS.TS.
Đỗ Quang Kháng, người đã hướng dẫn tận tình trong suốt quá
trình nghiên cứu. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Lương Như
Hải, ThS. Lưu Đức Hùng, cùng toàn thể cô, chú và các anh, chị tại
Phòng Công nghệ Vật liệu Polyme - Viện Hóa học - Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên em
trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận của mình.
Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô trong Khoa Hóa học, Trường
ĐHSP Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ và cung cấp cho em
những kiến thức cơ bản nhất để giúp em hoàn thành khóa luận của
mình.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo
điều kiện giúp đỡ và động viên em trong quá trình hoàn thành khóa
luận.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2012
Sinh viên

Phạm Thị Hạnh

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

2

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT
TẮT

EPDM:

Cao su etylen- propylen-

dien đồng trùng hợp
SEM:

Kính hiển vi điện tử

quét
IR:

Phổ hồng ngoại

TCVN:

Tiêu chuẩn Việt Nam

LDPE:

Polyetylen tỉ trọng

TGA:

Phân tích nhiệt trọng

HDPE:

High density polietylen

thấp
lƣợng

MA :

Anhydrit maleic

PA:

Polyamit

PET:

Polyetylen terephatalat

PMMA:

Polymetylmetacrylat

Ppy:

Polypyrol

PU:

Polyuretan

PVA :

Polyvinylaxetat

PVC :

Polyvinylclorua

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

3

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn tới
các nhu cầu to lớn về việc sử dụng các vật liệu có tính năng

đặc biệt mà các vật liệu truyền thống khi đứng riêng rẽ
không có đƣợc. Và vật liệu compozit nói chung,
nanocompozit nói riêng ra đời đã đáp ứng đƣợc yêu cầu đó.
Vật liệu compozit là vật liệu tạo thành từ hai
loại vật liệu trở lên có bản chất khác nhau. Tính
chất thú vị của vật liệu này là dễ chế tạo, cho sản
phẩm có giá thành thấp nhƣng vẫn đáp ứng đƣợc
yêu cầu chất lƣợng nhƣ: khả năng chịu va đập cao,
độ bền xé rách lớn, chịu mài mòn tốt, hệ số dãn nở
nhiệt nhỏ, bền môi trƣờng,... nên vật liệu này đã
đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực.
Vật liệu cao su blend EPDM/LDPE (cao su
etylen propylen dien monome/polyetylen tỷ trọng
thấp) là một trong những loại vật liệu đã và đang
đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay.
Vật liệu này có nhiều ƣu điểm nổi bật là kết hợp
đƣợc các tính chất của cao su EPDM nhƣ bền thời
tiết, khả năng chống nƣớc, hóa chất, ozon rất tốt, độ
trong cao và tính chất của nhựa LDPE là độ bền cơ
học cao, mềm dẻo, chống thấm nƣớc, giá thành hợp
lý. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa các tính chất của

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

4

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

vật liệu cao su blend EPDM/LDPE cần phải tiếp tục
nghiên cứu.
Hạt nanosilica là một trong những chất phụ gia
nano phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt là trong các
lĩnh vực kỹ thuật vì chúng có độ bền nhiệt cao, bề
mặt riêng lớn, có khả năng gia cƣờng cho nhiều loại
vật liệu khác nhau. Trên thế giới đã có rất nhiều
công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano trên cơ
sở hạt nanosilica. Trong khi đó, ở nƣớc ta mới có
một số nghiên cứu bƣớc đầu về chế tạo vật liệu
nanosilica tại một số cơ sở nghiên cứu nhƣ Viện Hoá
học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam,… Tuy nhiên,
việc nghiên cứu ứng dụng nanosilica để chế tạo ra
vật liệu cao su nanocompozit mới chỉ đƣợc thực hiện
đối với cao su thiên nhiên. Từ thực tế đó, chúng tôi
đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cao
su nanocompozit trên cơ sở blend EPDM/LDPE và
nanosilica” để thực hiện luận văn tốt nghiệp của
mình.
2. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo ra đƣợc vật liệu cao su nanocompozit
trên cơ sở blend EPDM/LDPE và nanosilica có tính
năng cơ lý, kĩ thuật đáp ứng yêu cầu sản xuất một số
sản phẩm cao su kĩ thuật và dân dụng.
3. Nội dung nghiên cứu

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

5

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

- Chế tạo vật liệu nanocompozit từ blend
EPDM/LDPE và nanosilica
- Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu.
- Xác định các tính chất cơ học của vật liệu
polymenanocompozit.
- Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật
liệu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên

cứu

chế

tạo

vật

liệu

cao

su

nanocompozit trên cơ sở blend EPDM/LDPE và
nanosilica là vấn đề còn mới ở Việt Nam. Những kết
quả nghiên cứu thu đƣợc có giá trị định hƣớng cho
việc mở rộng phạm vi ứng dụng cho cao su trong
sản xuất các sản phẩm cao su kĩ thuật và dân dụng.

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

6

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu polyme compozit và polyme nanocompozit
1.1.1. Vật liệu polyme compozit
Vật liệu compozit là vật liệu tạo thành từ hai
loại vật liệu trở lên có bản chất khác nhau. Vật liệu

tạo thành có đặc tính ƣu việt hơn đặc tính của từng
vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ [4].
Trong thực tế, phần lớn vật liệu compozit là
loại hai pha, gồm nền là pha liên tục trong toàn khối
và cốt là pha phân tán. Trong đó, nền giữ các vai trò
chủ yếu là liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một
khối compozit thống nhất, tạo khả năng để tiến hành
các phƣơng pháp gia công compozit thành các chi
tiết theo thiết kế và che phủ, bảo vệ cốt tránh các hƣ
hỏng do tác động hóa học, cơ học và môi trƣờng.
Ngoài ra, nền phải nhẹ và có độ dẻo cao, cốt đóng
vai trò tạo độ bền và modul đàn hồi cao cho
compozit [19, 21].
Đối với compozit, liên kết tốt giữa nền và cốt
tại vùng danh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đảm
bảo cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên.
Tính chất của compozit phụ thuộc vào bản chất của
nền, khả năng liên kết giữa cốt và nền và quá trình
sản xuất [21].
Nền của compozit có thể đƣợc sử dụng là
polyme, kim loại, gốm và các hỗn hợp nhiều pha.
Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

7

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Với compozit có nền là polyme thì nền có thể là các
loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, các elastome và
các vật liệu tổ hợp polyme (polyme blend). Trên cơ
sở cốt khác nhau để phân loại compozit, có các loại
compozit: compozit cốt hạt, compozit cốt sợi và
compozit cấu trúc [19].
 Compozit cốt hạt:
Đặc điểm của compozit cốt hạt là sự hóa bền có
đƣợc nhờ sự biến dạng của nền ở vùng lân cận với
cốt do sự chèn ép. Ngƣời ta có thể đƣa các hạt với
vai trò là chất độn vào polyme để tăng độ bền cơ học
của vật liệu nhƣ: độ bền va đập, khả năng cách âm,
tính chịu mài mòn - ma sát, độ bền kéo đứt, tăng khả
năng chịu môi trƣờng ăn mòn nhƣ muối, axit,
kiềm,… Các hạt độn thƣờng là bột thạch anh, bột
thủy tinh, oxit nhôm, đất sét, bột CaCO3, bột than
đen,…
 Compozit cốt sợi:
Compozit cốt sợi là loại compozit có độ bền
riêng và modul đàn hồi riêng cao. Tính chất của
compozit cốt sợi phụ thuộc vào sự phân bố và định
hƣớng cũng nhƣ kích thƣớc và hình dạng sợi. Tính
chất cơ học của compozit cốt sợi bị ảnh hƣởng bởi
yếu tố hình học của sợi (chiều dài và đƣờng kính của
sợi) bởi vì điều quan trọng nhất đối với compozit kết
cấu cốt sợi là phải có cấu trúc sao cho tải trọng đặt
vào compozit phải đƣợc dồn vào sợi là pha có độ

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

8

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

bền cao, nếu tập trung vào nền là pha kém hơn sẽ
dẫn đến phá hủy pha này một các nhanh chóng.
Những loại sợi thƣờng dùng là sợi thủy tinh, sợi
cacbon, sợi kim loại và sợi polyme. Ngoài ra, ngƣời
ta còn hay dùng hai hay nhiều loại sợi trong cùng
một nền.
Compozit cấu trúc:
Compozit cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng
tấm nhiều lớp đƣợc tạo thành bằng cách kết hợp vật
liệu đồng nhất với compozit theo những phƣơng
pháp khác nhau. Do đó tính chất của compozit tạo
thành không những phụ thuộc vào tính chất các vật
liệu thành phần mà còn vào cả thiết kế hình học của
chúng trong kết cấu.
Compozit đƣợc phân làm hai loại: Loại lớp và
panen săng đuých (panel sandwich)
1.1.2. Vật liệu polyme nanocompozit
Công nghệ nano là kĩ thuật sử dụng các hạt

từ 0,1 đến 100 nanomet để tạo ra sự biến đổi hoàn
toàn lý tính của vật liệu do hiệu ứng kích thích
lƣợng tử [4,15].
Vật liệu polyme nanocompozit có nền là các
polyme và cốt là các hạt khoáng thiên nhiên hoặc
các hạt tổng hợp nhân tạo có kích thƣớc hạt trong
khoảng 1 - 100 nm (kích thƣớc nanomet) [11].

Phạm Thị Hạnh
K34C – Khoa Hóa học

9

Lớp

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nền sử dụng trong chế tạo polyme nanocompozit rất đa dạng, phong
phú bao gồm cả nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, thƣờng là: nhựa polyetylen
(PE), nhựa polypropylen (PP), nhựa polyeste, nhựa polystyren (PS), cao su
thiên nhiên, cao su butadien, nhựa epoxy,… [4, 22,
đề cập tới nền là vật liệu polyme blend trên cơ sở EPDM/LDPE.
Khoáng thiên nhiên: chủ yếu là đất sét - vốn là các hạt silica có cấu
tạo dạng lớp nhƣ montmorillonit, vermicullit, flourominca, bentonit kiềm tính
cũng nhƣ các hạt graphit,…
Các hạt nhân tạo: các tinh thể nhƣ silica, CdS, PbS, CaCO3, bột
than,… Ngƣời ta phân biệt ba loại nanocompozit dựa vào số chiều có kích

thƣớc nanomet của hạt phân tán [4, 22]:
Loại 1: Là loại hạt có cả ba chiều có kích thƣớc nanomet, chúng là
các hạt nano. Nanocompozit đƣợc tạo thành bằng phƣơng pháp trùng hợp solgel hoặc phƣơng pháp trùng hợp tại chỗ.
Loại 2: Là loại hạt có hai chiều có kích thƣớc nanomet, chiều thứ ba
có kích thƣớc lớn hơn, thƣờng là ống nano hoặc sợi nano và đƣợc dùng làm
phụ gia nano tạo cho polyme các tính chất đặc biệt.
Loại 3: Là loại chỉ có một chiều có kích thƣớc nanomet. Nó ở dạng
phiến, bản với chiều dày có kích thƣớc nanomet còn chiều dài, chiều rộng có
kích thƣớc từ hàng trăm đến hàng ngàn nanomet.
Đặc điểm của vật liệu polyme nanocompozit
[4, 15]:
Với pha phân tán là các loại bột có kích thƣớc nano nên chúng phân
tán rất tốt vào trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các
pha với nhau nên cơ chế khác hẳn với compozit thông thƣờng. Các phần tử
nhỏ phân tán vào pha nền có tác dụng hãm lực bên ngoài tác dụng vào vật

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

10

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

liệu, làm tăng độ bền của vật liệu đồng thời làm cho vật liệu ổn định ở nhiệt
độ cao.
Do các hạt có kích thƣớc nhỏ (ở mức độ phân tử) nên khi phân tán
vào pha nền có thể tạo ra các liên kết vật lý tƣơng đƣơng liên kết hóa học, cho

phép tạo ra vật liệu có nhiều tính chất mới.
Các hạt có kích thƣớc siêu nhỏ nên có thể phân tán trong pha nền tạo
ra cấu trúc rất đặc, do đó có khả năng dùng làm vật bảo vệ theo cơ chế che
chắn rất tốt.
Hầu hết các vật liệu polyme nanocompozit đều có tính chống cháy
cao hơn so với các vật liệu polyme compozit tƣơng ứng. Khả năng chống
cháy cao là do cấu trúc của than đƣợc hình thành trong quá trình cháy, chính
lớp muội than trở thành rào cách nhiệt rất tốt cho vật liệu, đồng thời ngăn cản
sự hình thành và thoát các chất bay hơi trong quá trình cháy.
Tóm lại, nhờ kích thƣớc rất nhỏ của các hạt
nano phân tán trong pha nền polyme, vật liệu
polyme nanocompozit có tính chất tốt hơn hẳn so
với vật liệu compozit thông thƣờng.
1.1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit
1.1.3.1. Phương pháp trộn nóng chảy
Phƣơng pháp trộn nóng chảy thƣờng đƣợc sử
dụng nhiều nhất do tính hiệu quả, tính khả thi và tính
thân thiện với môi trƣờng. Tuy nhiên, nhƣợc điểm
của phƣơng pháp này là trong sản phẩm tạo thành
thƣờng có hiện tƣợng các hạt nano tích tụ lại với
nhau và làm giảm tính chất của sản phẩm [4, 22].

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

11

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.1.3.2. Phương pháp trộn dung dịch
Phƣơng pháp này đang đƣợc sử dụng rộng rãi
để chế tạo vật liệu polyme compozit. Đây là quá
trình chế biến ở dạng bột lỏng nhằm mang lại sự hòa
trộn tốt ở cấp độ phân tử. Phƣơng pháp trộn dung
dịch đã cải thiện đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp
trộn nóng chảy vì ở đây polyme và các hạt nano đã
đƣợc hòa tan trong dung môi. Vấn đề còn lại chỉ phụ
thuộc vào dung môi và khả năng hồi phục của
polyme và hạt nano. Phƣơng pháp này không giới
hạn dạng của dung dịch, có thể bao gồm cả dạng
nhựa mủ (latex) hoặc dạng nhũ tƣơng. Sau khi
khuấy trộn đều polyme và hạt nano, sản phẩm đƣợc
đổ ra khuôn và tiến hành quá trình bay hơi dung môi
[4, 22].
1.1.3.3. Phương pháp tổng hợp tại chỗ
Quá trình tổng hợp tại chỗ bao gồm 3 bƣớc liên
tiếp nhau. Đầu tiên, là quá trình biến tính các hạt
nano và phân tán hạt nano đã biến biến tính vào
monome. Tiếp theo là quá trình polyme hóa dung
dịch hoặc polyme hóa thành phần chính. Cuối cùng
vật liệu nanocompozit hình thành tại chỗ trong suốt
quá trình polyme hóa. Ƣu điểm của phƣơng pháp
này là quá trình thực hiện dễ dàng và tạo sản phẩm
cuối cùng với hiệu suất cao [4, 22].

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

12

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.1.3.4. Phương pháp sol-gel
Đây là phƣơng pháp hữu hiệu nhất hiện nay để
chế tạo vật liệu nano dƣới dạng bột hay dạng màng
mỏng. Cơ sở của phƣơng pháp này là chuyển các
hợp chất (hidroxit, muối, bazơ) về dạng phân tán
cao, sau đó phân hủy dạng phân tán cao này thu
đƣợc hạt có kích thƣớc nano.
1.2. Vật liệu polyme blend, cao su EPDM, nhựa LDPE
1.2.1. Khái niệm, phân loại, ưu nhược điểm về vật liệu polyme blend
1.2.1.1. Khái niệm
Vật liệu tổ hợp polyme (hay còn gọi là polyme blend) là
loại vật liệu polyme đƣợc cấu thành từ hai hay nhiều polyme
nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt dẻo với cao su để làm tăng độ bền
cơ lý hoặc hạ giá thành của vật liệu [7]. Giữa các polyme có
thể tƣơng tác hoặc không tƣơng tác vật lý với nhau.
Polyme blend có thể là hệ thống đồng thể hoặc dị thể.
Trong hệ đồng thể các polyme thành phần không còn đặc tính
riêng, còn trong polyme blend dị thể thì các tính chất của các
polyme thành phần hầu nhƣ vẫn đƣợc giữ nguyên. Polyme
blend thƣờng là loại vật liệu có nhiều pha trong đó có 1 pha
liên tục gọi là pha nền và một hoặc nhiều pha phân tán (pha
gián đoạn) hoặc tất cả các pha đều phân tán, mỗi pha đƣợc tạo

nên bởi một pha thành phần (trƣờng hợp này rất ít gặp).
1.2.1.2. Phân loại polyme blend
Polyme blend đƣợc chia ra làm ba loại theo sự tƣơng hợp
của các polyme thành phần [3, 12, 6].
Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

13

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Polyme blend tƣơng hợp hoặc trộn lẫn hoàn toàn: polyme
thành phần tan hoàn toàn vào nhau thành một khối đồng nhất,
sự đồng nhất đƣợc quan sát ở mức độ nano phân tử.
Polyme blend trộn lẫn hoặc tƣơng hợp một phần: một
phần của polyme này hòa tan trong polyme kia, ranh giới phân
chia pha không rõ ràng. Cả hai pha polyme khá đồng thể và có
giá trị nhiệt độ hóa thủy tinh nằm trong khoảng nhiệt độ hóa
thủy tinh của hai polyme thành phần.
Polyme blend không trộn lẫn và không tƣơng hợp hoàn
toàn: ranh giới phân chia rõ ràng, có hai giá trị nhiệt độ hóa
thủy tinh riêng biệt ứng với nhiệt độ thủy tinh hóa của hai
polyme thành phần.
Theo các kết quả nghiên cứu ngƣời ta thấy rằng, sự tƣơng
hợp của các polyme phụ thuộc vào các yếu tố sau:
• Bản chất hóa học và cấu trúc phân tử các polyme.
• Khối lƣợng phân tử và độ pha phân tán.

• Tỷ lệ các cấu tử trong blend và khả năng kết dính
ngoại.
• Nhiệt độ phối trộn.
Tính chất các vật liệu tổ hợp không tƣơng hợp phụ
thuộc vào:
• Sự phân bố pha
• Kích thƣớc hạt.
• Loại bám dính pha.
Những yếu tố này bị chi phối bởi điều kiện chuẩn bị và
gia công của vật liệu [6].

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

14

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.2.1.3. Những ưu điểm của vật liệu polyme blend
Trong khoa học vật liệu, việc nghiên cứu ứng dụng vật
liệu tổ hợp polyme blend đóng một vai trò rất quan trọng.
Tốc độ tăng trƣởng các sản phẩm từ vật liệu này tới hơn chục
phần trăm mỗi năm. Những ƣu thế của vật liệu này là:
♦ Lấp đƣợc khoảng trống về tính chất công nghệ
cũng nhƣ kinh tế giữa các loại nhựa nhiệt dẻo. Ngƣời ta có
thể tối ƣu hóa về mặt giá thành và tính chất của vật liệu sử
dụng.

♦ Quá trình nghiên cứu và chế tạo sản phẩm mới trên
cơ sở vật liệu tổ hợp polyme nhanh hơn nhiều so với sản
phẩm từ vật liệu mới khác vì nó đƣợc chế tạo trên cơ sở vật
liệu và công nghệ có sẵn.
♦ Tạo khả năng phối hợp các tính chất mà một loại vật
liệu khó hoặc không đạt đƣợc. Do đó đáp ứng đƣợc nhiều yêu
cầu kĩ thuật cao của hầu hết khắp các lĩnh vực khoa học và
kinh tế.
♦ Những kiến thức rộng rãi về cấu trúc, sự tƣơng hợp,
phát triển rất nhanh trong những năm gần đây tạo cơ sở cho
việc phát triển loại vật liệu này.
1.2.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu blend
1.2.2.1. Chế tạo polyme blend từ dung dịch polyme
Theo phƣơng pháp này thì các polyme thành phần phải
hòa tan tốt trong cùng một dung môi hoặc tan tốt trong các
dung môi có khả năng trộn lẫn vào nhau. Để các polyme
trong dung dịch phân tán tốt vào nhau cần phải khấy chúng ở

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

15

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nhiệt độ cao và kèm theo quá trình gia nhiệt trong thời gian
khá dài. Sau khi thu đƣợc màng polyme blend cần phải đuổi

hết dung môi bằng phƣơng pháp sấy ở nhiệt độ thấp và áp
suất thấp để tránh rạn nứt bề mặt màng và tránh hiện tƣợng
màng bị phân hủy nhiệt hay phân hủy oxy hóa nhiệt [3].
1.2.2.2. Chế tạo polyme blend từ hỗn hợp các latex polyme
So với phƣơng pháp chế tạo polyme blend từ dung dịch
thì phƣơng pháp này có ƣu điểm hơn và đa số các sản phẩm
polyme trùng hợp bằng phƣơng pháp nhũ tƣơng tồn tại dƣới
dạng latex với môi trƣờng phân tán là nƣớc. Quá trình trộn
các latex dễ dàng và polyme blend thu đƣợc có hạt phân bố
đồng đều vào nhau.
Phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là: khó tách hết các
chất nhũ hóa, các phụ gia cũng nhƣ nƣớc ra khỏi polyme
blend, chính vì vậy các tính chất cơ, lý, hóa, nhiệt, điện của
polyme giảm đi [3].
1.2.2.3 Chế tạo polyme blend ở trạng thái nóng chảy
Phƣơng pháp chế tạo polyme blend ở trạng thái nóng
chảy là phƣơng pháp kết hợp đồng thời các yếu tố cơ nhiệt,
cơ hóa và các tác động cững bức lên các polyme thành phần,
phụ gia,... trên máy gia công nhựa nhiệt dẻo để trộn hợp
chúng với nhau (nhƣ máy ép đùn, đúc phun).
1.2.3. Cao su EPDM (etylen – propylen – dien đồng trùng hợp)
1.2.3.1. Nguồn gốc và điều chế
Cao su tổng hợp etylen-propylen-dien đồng trùng hợp
(EPDM) là một loại elastome đƣợc tổng hợp muộn hơn so

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

16

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

với các loại cao su tổng hợp khác. EPDM đƣợc tổng hợp lần
đầu tiên vào năm 1961-1962 và đƣợc sản xuất ở qui mô công
nghiệp vào năm 1962 bởi công ty Chemical Enjay. Quá trình
tổng hợp EPDM sử dụng xúc tác dị thể Ziegler. Đến năm
1989 sản lƣợng EPDM trên thế giới vào khoảng 500000 tấn
[20].
a. Phản ứng tổng hợp
Etylen và propylen đƣợc trùng hợp trong dung môi hữu
cơ. Nhiệt của quá trình trùng hợp phụ thuộc vào thành phần
của copolyme.
n C2H4

(C2H4)n

Ho298 = - 2588

n C3H6

(C3H6)n

Ho298 = - 2498

kcal/mol

kcal/mol

Khối lƣợng phân tử trung bình thu đƣợc khoảng 105 –
2.105 đvC.
Cấu trúc phân tử
Phân tử etylen-propylen có cấu trúc xen kẽ,
dạng cis.

CH2 - CH2 - CH - CH2
CH3

n

Dạng cấu trúc xen kẽ này có thể thay đổi bởi ảnh hƣởng
của điều kiện trùng hợp và tỷ lệ monome ban đầu. Do bản
thân phân tử etylen-propylen không có nối đôi nên muốn đạt

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

17

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

hiệu quả cao trong quá trình lƣu hoá thì cần đƣa vào trong
cấu trúc những nối đôi. Một trong những cách đó là đƣa thêm
phân tử 5-etyliden-2-norbornen (từ 1-2% mol):

Ngoài ra cũng có thể sử dụng 1,4-hexandien và dicyclo

pentadien [23]:
CH2 = CH - CH2 - CH = CH - CH3

và

b. Điều kiện phản ứng
Yêu cầu đối với monome
Với etylen
> 99% khối lƣợng

Etylen
Hydrocacbon no

< 1% khối lƣợng

Propylen và sản phẩm nặng < 40 ppm thể tích
CO2

< 5 ppm thể tích

Axetylen

< 1 ppm thể tích

Lƣu huỳnh

< 1 ppm thể tích

H2O

<

CO

< 2 ppm thể tích

O2

<

1

ppm

khối

lƣợng

lƣợng

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

18

1

ppm

khối

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

H2

<

1

ppm

khối

Clo

<

5

ppm

khối

lƣợng
lƣợng
Với propylen
> 99% khối lƣợng

Propylen

< 1% khối lƣợng

Hydrocacbon no
CO2

< 5 ppm thể tích
< 1 ppm khối lƣợng

Metyl axetylen
Lƣu huỳnh

< 1 ppm thể tích

H2O

< 5 ppm thể tích

CO

< 2 ppm thể tích

O2

< 5 ppm thể tích

H2

< 20 ppm thể tích

Clo

< 5 ppm thể tích

Allen

<

Hydrocacbon không no

< 20 ppm thể tích

5

ppm

khối

lƣợng

Xúc tác:
Hệ xúc tác sử dụng là hệ xúc tác Ziegler dị thể nhƣ:
VOCl3 - (C2H5)3Al2Cl3
VOCl3 - (C2H5)2AlCl
VOCl3 - (C4H9)2AlCl
c. Quá trình tổng hợp
Quá trình tổng hợp có thể tiến hành theo hai cách là
trùng hợp dung dịch hay trùng hợp huyền phù.

● Trùng hợp trong dung dịch:
Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

19

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Quá trình đƣợc sản xuất bởi công ty Esso Research and
Engineering. Phản ứng đƣợc tiến hành trong pha lỏng có mặt
dung môi là hexan. Xúc tác là VOCl3 - (C2H5)3Al2Cl3 . Quá
trình phản ứng đƣợc giữ ở nhiệt độ 30-40o C và áp suất 15
bar. Sản phẩm thu đƣợc chứa 50% etylen, 10% propylen, 8%
dien.
● Trùng hợp huyền phù:
Đƣợc sản xuất bởi hãng Montecatini Edison gồm 5 giai
đoạn:
- Giai đoạn 1: Trùng hợp
- Giai đoạn 2: Tách xúc tác bằng toluen
- Giai đoạn 3: Chƣng cất phần hơi, thu hồi dung môi và
monome

chƣa phản ứng

- Giai đoạn 4: Tuần hoàn monome và dung môi
- Giai đoạn 5: Rửa sản phẩm.
Sản phẩm thu đƣợc là EPDM ở dạng rắn [20].

1.2.3.2. Tính chất và ứng dụng của EPDM
EPDM có thể đƣợc lƣu hoá bằng lƣu huỳnh cùng với
các chất xúc tiến lƣu hoá nhƣ thiazol, sulphenamit, thiuram,
dithiocacbamat. Sau khi đƣợc lƣu hoá, EPDM sẽ chịu đƣợc
tác động của môi trƣờng (nhất là tia UV), oxi, ozon và ăn
mòn hoá học, chịu nƣớc rất tốt, bền màu, có tính cách điện và
chịu nhiệt độ trên 100oC [20,14]. Ngoài ra EPDM cũng đƣợc
sử dụng làm thành phần trong tổ hợp polyme để chế tạo các
sản phẩm chịu dầu, bám dính tốt và có tính chất cơ lý cao.
Bên cạnh đó, EPDM cũng còn một số nhƣợc điểm nhƣ
độ đàn hồi và độ bền kéo thấp hơn cao su thiên nhiên và cao
Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

20

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

su isopren, khả năng chịu dầu của EPDM không cao và có thể
bị phá huỷ bởi dầu mỏ, dung môi hay các hydrocacbon thơm.
Khả năng cách điện bị kém đi khi trộn hợp với than đen nên
cũng ít sử dụng thuần tuý EPDM trong vật liệu cách điện.
1.2.4. Nhựa LDPE (Polyetylen tỉ trọng thấp)
1.2.4.1. Cấu tạo hoá học của polyetylen
Polyetylen (PE) là sản phẩm của phản ứng trùng hợp
etylen:
n CH2= CH2

[ - CH2- CH2- ]n

n: là hệ số độ trùng hợp
Phân tử PE cấu tạo nên từ các nhóm metylen có thể có
cấu trúc mạch thẳng dài hay cấu trúc mạch nhánh:
Cấu tạo mạch thẳng của PE:
CH2

CH2
CH2

CH2

CH2
CH2

CH2

Cấu tạo mạch nhánh của PE:
CH2
CH2
CH
CH2

CH2
(CH2)x

CH2

CH2
CH2

CH
CH2

CH2

Cấu trúc mạch thẳng làm cho PE có độ sắp xếp chặt chẽ hơn, độ kết
tinh cao hơn dạng PE có cấu trúc mạch nhánh. Nếu mạch nhánh càng nhiều
và càng dài thì độ kết tinh càng kém. Độ kết tinh của PE không đạt 100% vì

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

21

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

xen lẫn pha kết tinh luôn có pha vô định hình. Polyetylen tỷ trọng thấp
(LDPE) có độ kết tinh khoảng 55 – 65%, polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) có
độ kết tinh khoảng 74 - 95%. Khi nhiệt độ tăng lên, tỷ lệ pha vô định hình
tăng lên và tăng nhanh khi gần đạt nhiệt độ chảy mềm của PE. Độ kết tinh ở
nhiệt độ thƣờng có ảnh hƣởng đến các tính chất nhƣ tỷ trọng, độ rắn bề mặt,
modul đàn hồi, giới hạn bền kéo đứt, độ trƣơng nở và hoà tan trong các dung
môi hữu cơ, độ thấm khí và hơi nƣớc của PE.
1.2.4.2. Tính chất vật lý của polyetylen

PE là chất rắn ở nhiệt độ thƣờng, PE ở dạng màng mỏng
thì trong suốt. Độ cứng của PE không cao, HDPE có độ cứng
cao hơn LDPE.
Tính chất vật lý của PE phụ thuộc vào phƣơng pháp sản
xuất.
Bảng dƣới đây trình bày một số tính chất vật lý của PE
sản xuất theo các phƣơng pháp khác nhau [19]

Phạm Thị Hạnh
Lớp K34C – Khoa Hóa học

22

Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của PE
Loại

A

B

C

0

0