Luận văn:Nghiên cứu sử dụng nanoclay để cải thiện tính năng cao su mặt lốp công trình

Chia sẻ: Nguyen Vang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

74
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nanoclay (còn gọi là nano khoáng sét) được cấu tạo từ các lớp mỏng, mỗi lớp có chiều dày từ một đến vài nanomét, còn chiều dài từ vài trăm đến vài nghìn nanomet. Loại nanoclay đầu tiên được tìm thấy trên thế giới là montmorillonit (ở Montmorillon, Pháp, năm 1874).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nghiên cứu sử dụng nanoclay để cải thiện tính năng cao su mặt lốp công trình

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG PH M TH ANH PHƯƠNG NGHIÊN C U S D NG NANOCLAY Đ C I THI N TÍNH NĂNG CAO SU M T L P CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: CÔNG NGH HÓA H C Mã s : 60.52.75 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2011
2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. ĐOÀN TH THU LOAN Ph n bi n 1: PGS.TS. LÊ T H I Ph n bi n 2: PGS.TS. PH M NG C ANH Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 29 tháng 07 năm 2011 * Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
3 M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài Hi n nay, lo i ñ n ñư c s d ng ph bi n trong công nghi p cao su là than ñen và silica. Tuy nhiên, v i s phát tri n vư t b c c a khoa h c k thu t ngày nay, ñ c bi t là s phát tri n c a công ngh nano, m t hư ng nghiên c u m i ñem l i hi u qu cao trong ngành công nghi p s n xu t cao su, ñó là s d ng ñ n có kích thư c nano, tiêu bi u là ñ n silicate d ng l p ñã ñư c bi n tính h u cơ hay còn g i là organoclay, khi phân tán vào cao su s tách l p ho c xen l p tr thành ñ n có kích thư c nano. Trong s c nh tranh m nh m c a ngành công nghi p s n xu t l p ô tô, vi c h giá thành và quan tr ng là nâng cao ch t lư ng s n ph m ñóng vai trò quy t ñ nh s thành công c a các doanh nghi p. Trong b i c nh ñó, Công ty c ph n cao su Đà N ng ñã không ng ng nghiên c u ñưa các lo i nguyên v t li u m i vào s d ng nh m m c ñích nâng cao ch t lư ng s n ph m. Chính vì v y, tôi ñã ch n và th c hi n ñ tài: “NGHIÊN C US D NG NANOCLAY Đ C I THI N TÍNH NĂNG CAO SU M T L P CÔNG TRÌNH”. 2. M c ñích nghiên c u Nghiên c u nh hư ng c a nanoclay ñ n tính năng cao su m t l p công trình và ñánh giá kh năng ng d ng c a nanoclay trong ngành công nghi p s n xu t l p ô tô, xe ñ p, xe máy,… 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u Đ i tư ng nghiên c u: - Cao su thiên nhiên c m 1 SVR3L và cao su t ng h p Polybutadien BR40. - Các lo i ph gia cho cao su ñư c nh p trong và ngoài nư c.
4 - Clay có tên thương m i là Bentone SD-1, ñã ñư c bi n tính h u cơ, ñư c cung c p b i công ty Brenntag – TP. H Chí Minh. Ph m vi nghiên c u: - Kh o sát các ñi u ki n phân tán nanoclay, hàm lư ng nanoclay, quy trình luy n, các tính năng cơ lý c a cao su sau lưu hóa. - Ph h ng ngo i truy n qua Fourier FT-IR, nhi u x tia X - XRD, kính hi n vi ñi n t truy n qua - TEM, kính hi n vi ñi n t quét – SEM. 4. Phương pháp nghiên c u ♦ Phương pháp ch t o m u: - Quá trình h n luy n: kh o sát th i gian và quy trình luy n. - Quá trình t o m u: kh o sát th i gian lưu hóa nhi t ñ 0 lưu hóa 160 C. ♦ Phương pháp phân tích và xác ñ nh các tính ch t: - Kh o sát ñ nh tính m u b t nanoclay. - Phương pháp kh o sát s phân tán nanoclay vào cao su. - Kh o sát nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n tính ch t cao su m t l p. - Kh o sát s phân tán b ng phương pháp nhi u x tia X (XRD), kính hi n vi ñi n t truy n qua (TEM). - Kh o sát b m t m u phá h y sau khi ki m tra ñ b n xé rách b ng kính hi n vi ñi n t quét (SEM). 5. Ý nghĩa khoa h c và tính th c ti n c a ñ tài - Ý nghĩa khoa h c: ñánh giá ñư c nh hư ng c a nanoclay ñ n tính năng c a s n ph m cao su. - Ý nghĩa th c ti n: Đánh giá kh năng ng d ng c a nanoclay trong ngành công nghi p s n xu t l p ô tô, xe ñ p, xe máy.
5 6. B c c lu n văn Ngoài ph n m ñ u, k t lu n, tài li u tham kh o lu n văn g m có các chương như sau : - Chương 1: Lý thuy t t ng quan - Chương 2: Nghiên c u th c nghi m - Chương 3: K t qu nghiên c u và th o lu n CHƯƠNG 1 LÝ THUY T T NG QUAN 1.1. T NG QUAN V QUY TRÌNH CÔNG NGH S N XU T L P Ô TÔ 1.1.1. L ch s ra ñ i và phát tri n c a l p ô tô 1.1.2. Phân lo i l p 1.1.3. Gi i thi u v l p công trình – OTR Tire L p công trình bao g m các lo i l p chuyên d ng trên các xe công trình như: máy xúc, máy i, máy ñào, l p ch y c ng,…L p ch y v i t c ñ không cao, nhưng ñi u ki n m t ñư ng s d ng và yêu c u v tính năng ph t i là r t kh c nghi t. L p công trình thư ng s d ng k t c u c a l p b chéo - Bias, không săm, không khí ñư c bơm tr c ti p vào trong lòng l p. Nh ng tính năng ch y u nh hư ng ñ n tu i th s d ng c a l p công trình ñư c kh o sát trên th c t g m: tính ch u mài mòn, tính ch u c t xé khi ch y, tính ch u ñâm th ng, tính ch u ép nén u n g p, tính ch u lão hóa,… [21].
6 1.1.4. Quy trình công ngh s n xu t l p ô tô 1.1.5. K t c u và tác d ng c a các thành ph n l p ôtô L p ô tô do 4 thành ph n chính c u thành: M t l p, thân l p, gót l p và cao su da d u (hình 1.2). Hình 1.2: K t c u m t l p ô tô 1.2. T NG QUAN V NGUYÊN V T LI U S D NG TRONG ĐƠN PHA CH CAO SU M T L P CÔNG TRÌNH ♦ Cao su nguyên v t li u: - Cao su thiên nhiên SVR3L - Cao su t ng h p Butadien ♦ Ch t lưu hóa, ch t xúc ti n, ch t tương h p và phòng t lưu: - Lưu huỳnh - Xúc ti n CZ - Vulkalent PVI - Ch t tương h p Si-69 ♦ Ch t tr xúc ti n: - Oxide k m - Acid Stearic
7 ♦ Ch t ñ n: - Than N330 - Silica - Nanoclay ♦ Ch t hóa d o: - D u Aromatic ♦ Ch t phòng lão: - Antilux 654 - Phòng lão RD - Phòng lão 4020 1.2.1. Cao su thiên nhiên - NR 1.2.1.1. Khái ni m - Công th c phân t c a cao su thiên nhiên như sau: (C5H8)n - Công th c c u t o: H2 C C CH CH2 H3C n 1.2.1.2. S n xu t cao su thiên nhiên 1.2.1.3. Tính ch t cao su thiên nhiên 1.2.2. Cao su Butadien – BR 1.2.2.1. Các lo i c u trúc Polybutadien Monomer dùng ñ s n xu t BR là butadien, c u t o phân t như sau: H2C CH CH CH2 1.2.2.2. Phân lo i cao su Butadien 1.2.2.3. C u trúc cao su Butadien C u trúc c a BR ñư c bi u di n như sau:
8 H 2C CH CH CH2 n 1.2.2.4. Tính năng cao su Butadien 1.2.2.5. ng d ng c a cao su Butadien 1.2.3. Ch t lưu hóa - lưu huỳnh Lưu huỳnh dùng cho lưu hóa cao su thư ng d ng α - d ng t n t i nhi u và b n v ng nhi t ñ thư ng, có tinh th hình thoi, màu vàng, t tr ng 2.07, tnc = 112.80C. Lưu huỳnh d ng α ít tan trong cao su. 1.2.3.1. Ho t tính lưu hóa c a lưu huỳnh 1.2.3.2. nh hư ng c a hàm lư ng lưu huỳnh trong h p ph n cao su 1.2.4. Ch t xúc ti n lưu hóa 1.2.4.1. Khuy t ñi m c a lưu huỳnh khi lưu hóa cao su 1.2.4.2. M c ñích s d ng xúc ti n lưu hóa 1.2.4.3. Cơ ch lưu hóa c a xúc ti n 1.2.4.4. Yêu c u ñ i v i xúc ti n lưu hóa 1.2.4.5. L a ch n xúc ti n lưu hóa 1.2.4.6. Xúc ti n lưu hóa CZ - Xúc ti n s d ng là xúc ti n CZ thu c nhóm Sulfenamid [23]. - Tên g i là N-cyclohexyl-2-benzothiazol sulfonamide - Công th c c u t o: N NH S
9 1.2.5. Ch t tr xúc ti n ZnO và axit stearic - ZnO: là ch t b t ho c tình th màu tr ng, tr ng lư ng riêng 5.41 ~ 5.67 g/cm3, nhi t ñ nóng ch y 19750C, gia nhi t ñ n 18000C thì thăng hoa, lư ng dùng thư ng t 3 ~ 5 PKL [23]. - Acid Stearic: công th c c u t o là CH3(CH2)16COOH, thư ng có d ng h t hay phi n, t tr ng tương ñ i 0.9480 ( 200C), nhi t ñ nóng ch y 70 ~ 710C. Lư ng dùng Acid Stearic thông thư ng t 0.5 ~ 2 PKL [23]. 1.2.6. Ch t ch ng lão hóa 1.2.6.1. Phòng lão v t lý Antilux Là ch t b o v s thâm nh p c a Oxy không khí vào trong cao su. 1.2.6.2. Ch t phòng lão hóa h c 4020 và RD • Phòng lão 4020: - 4020 là ch t phòng lão kháng Ozon cho cao su thiên nhiên và cao su t ng h p, th r n, màu xám ñen, t tr ng 0.986 ~ 1.00, nhi t ñ nóng ch y 40 ~ 450C [23]. • Phòng lão RD: - Phòng lão RD là ch t ch ng lão hóa Oxy cho cao su NR, SBR và NBR. 1.2.6.3. Các yêu c u ñ i v i ch t phòng lão 1.2.7. Ch t hóa d o 1.2.7.1. Yêu c u k thu t ñ i v i ch t hóa d o 1.2.7.2. D u hóa d o Aromatic - D u hóa d o Aromatic th l ng nh t màu vàng, ánh xanh ñ m, mùi d u nh .
10 1.2.8. Ch t ñ n 1.2.8.1. Than ñen N330 Than N330 còn g i là than HAF hay than c ng thu c lo i than lò ch u mài mòn cao. Than N330 có t c ñ lưu hóa trung bình, kích thư c bình quân c a h t than n m trong kho ng 26 ~ 30 nm [23]. 1.2.8.2. Silica - SiO2 Silica d ng vô ñ nh hình, trong k t c u hóa h c c a than tr ng có ñ n 95 ~ 99% là SiO2, g m nguyên t Silic và Oxy s p x p thành c u trúc t di n. Kích thư c h t t 1 – 100 nm [22]. 1.2.9. Ch t tương h p Si-69 Ch t tương h p hay tác nhân liên k t là các h p ch t Silane. 1.2.10. Ch t phòng t lưu - Vulkalent PVI - D ng tinh th màu vàng nh t. Nhi t ñ nóng ch y 89 - 94 C. Đi m ch p cháy 2800C. 0 1.3. C I THI N TÍNH NĂNG CAO SU M T L P CÔNG TRÌNH B NG CLAY BI N TÍNH H U CƠ - ORGANOCLAY 1.3.1. Gi i thi u v clay 1.3.1.1. C u trúc clay Clay hay còn g i là khoáng sét, ñư c c u t o t các l p m ng, m i l p có chi u dày g n 1 nanomet, còn chi u dài t vài trăm ñ n vài nghìn nanomet. 1.3.1.2. Clay bi n tính h u cơ - Organoclay ♦ Các phương pháp bi n tính clay: • Phương pháp trao ñ i ion: • S d ng ch t liên di n:
11 1.3.2. Cao su gia cư ng b ng nanoclay Tùy theo ñ b n liên k t b m t gi a cao su và clay, có th chia cao su-clay thành ba lo i như sau [2]: - D ng k t t (thông thư ng) - D ng chèn l p (intercalated) - D ng tách l p Hình 1.11: Các d ng c u trúc c a cao su gia cư ng nanoclay 1.3.3. Các phương pháp ch t o cao su gia cư ng b ng nanoclay ♦ Trùng h p In-situ ♦ S chèn l p thông qua dung d ch ♦ Phương pháp nóng ch y tr c ti p ♦ S chèn l p c a cao su thông qua h n h p latex 1.3.4. Các y u t nh hư ng ñ n morphology c a cao su gia cư ng b ng clay trong phương pháp nóng ch y 1.3.5. Tính năng c a cao su gia cư ng b ng nanoclay
12 1.3.5.1. Kích thư c nano 1.3.5.2. Tính xúc tác 1.3.5.3. T l kích thư c (aspect ratio) 1.3.6. Ưu ñi m và nh ng thách th c c a cao su gia cư ng b ng ñ n kích thư c nano CHƯƠNG 2 NGHIÊN C U TH C NGHI M 2.1. Đ I TƯ NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U 2.1.1. Nguyên v t li u ♦Cao su: - Cao su thiên nhiên SVR3L ñư c cung c p b i Công ty Cao su Chưprông, Gia Lai, Vi t Nam. - Cao su Butadien BR40 ñư c cung c p b i T p ñoàn Heartychem, Hàn Qu c. ♦ Ch t lưu hóa, ch t xúc ti n, ch t tương h p và phòng t lưu: - Ch t tương h p Si-69 - Silane JH S69 - Jingzhou Jianghan Fine Chemical. - Lưu huỳnh - Sulphur Powder Miwon Chemical Korea. - Xúc ti n CZ - Accelerator CBS Taian Tianli China. - Vulkalent PVI - Shandong Yanggu Huatai Chemical China. ♦ Ch t tr xúc ti n: - Oxide k m - ZnO x hi m - Acid Stearic - Taiko Malaysia. ♦ Ch t hóa d o:
13 - D u Aromatic - Mexon P-140 c a nhà cung c p Mekong Petrochemical, Vĩnh Long, Vi t Nam. ♦ Ch t phòng lão: - Antilux 654 RheinChemie. - Phòng lão RD - Antioxidant RD Henan Richon Chemical China. - Phòng lão 4020 - Santoflex 6PPD Flexsys Belgium. ♦ Ch t ñ n: - Than N330 Hitech Carbon, tr c thu c công ty Aditya Birla Nuvo, n Đ . - Silica – Ultrasil VN3GR ñư c cung c p b i Công ty Evonik Wellink Silica (Nangping), Trung Qu c. - Clay có tên thương m i là Bentone SD-1, ñã ñư c bi n tính h u cơ, d ng b t, s n xu t b i công ty Elementis Specialties và ñư c cung c p b i công ty Brenntag - H Chí Minh. 2.1.2. Đơn pha ch D a trên cơ s ñơn pha ch “Cao su m t l p công trình”, d a vào các nghiên c u trư c ñây, s d ng thêm ch t tương h p Si- 69 [21] và thay ñ i hàm lư ng nanoclay 1PKL, 2PKL, 3PKL, 5PKL, ta có các thí nghi m như sau: B ng 2.1: Đơn pha ch thí nghi m STT Nguyên v t li u Hàm lư ng (PKL) 1 Cao su thiên nhiên SVR3L 80 2 Cao su Butadien BR40 20 3 ZnO x hi m 5 4 Acid Stearic 2 5 Phòng lão RD 1.5 6 Phòng lão 4020 1.5
14 7 Antilux 1 8 Silica 5 9 Si-69 0.5 10 Than N330 50 11 D u Aromatic 12 12 Nanoclay 0, 1, 2, 3, 5 13 Lưu huỳnh 1.9 14 Xúc ti n CZ 1.2 15 Vulkalent PVI 0.2 2.1.3. Thi t b và d ng c thí nghi m 2.2. N I DUNG NGHIÊN C U 2.2.1.Quá trình nghiên c u Quá trình nghiên c u ñư c th hi n b ng sơ ñ kh i th hi n hình 2.12. 2.2.2. Quy trình gia công t o m u 2.2.2.1. Luy n kín 2.2.2.2. Luy n h 2.2.2.3. Ki m tra ñi m lưu hóa 2.2.2.4. Lưu hóa m u 2.2.3. Phân tích ñ nh tính nanoclay 2.2.4. Kh o sát s phân tán c a nanoclay trong cao su 2.2.4.1. Phương pháp nhi u x tia X (XRD) 2.2.4.2. Phương pháp hi n vi ñi n t truy n qua (TEM) 2.2.5. Kh o sát nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n tính ch t c a cao su lưu hóa 2.2.5.1. Đo ñ b n xé rách 2.2.5.2. Ki m tra các tính năng cơ lý 2.2.5.3. Đo ñ c ng
15 2.2.5.4. Đo ñ ñàn h i - ñ n y cao su 2.2.5.5. Đo mài mòn DIN 2.2.5.6. Đo mài mòn AKRON 2.2.5.7. Đo ñ n i sinh nhi t do ép nén
16 Các lo i ph gia Cao su Nanocla FTIR y Kh o sát ñi u ki n phân tán: Luy n kín + Th i gian phân tán n ñ nh 8h, to phòng + Lưu huỳnh + Xúc ti n Luy n h n ñ nh 24h, to Ki m tra ñi m lưu hóa phòng phòng Lưu hóa m u Kh o sát kh năng Kh o sát các tính năng cơ Kh o sát b phân tán: lý c a m u: m t phá h y + Phân tích nhi u + Kh năng ch u mài mòn m u b ng kính x tia X (XRD) + Đ c ng, ñ ñàn h i hi n vi ñi n t + Phân tích hi n + Đ b n kéo ñ t quét (SEM) vi ñi n t truy n + Đ b n xé rách qua (TEM) + Đ n i sinh nhi t K t lu n Hình 2.1: Sơ ñ nghiên c u nh hư ng c a nanoclay ñ n tính năng cao su m t l p công trình 2.2.6. Kh o sát b m t phá h y c a m u sau khi ño ñ b n xé rách
17 CHƯƠNG 3 K T QU VÀ TH O LU N 3.1. K T QU PHÂN TÍCH Đ NH TÍNH NANOCLAY Các peak ñ c trưng c a octadecylamine t i s sóng 2922.9, 2851.8 cm-1 cũng xu t hi n trên ph FTIR c a m u nanoclay, so sánh v i nh ng ph trong nh ng nghiên c u khác, th y r ng clay ñã ñư c bi n tính b ng octadecylamine (hình 3.2) [10]. Hình 3.1: Ph FTIR c a m u b t nanoclay 3.2. NH HƯ NG C A HÀM LƯ NG NANOCLAY Đ N S PHÂN TÁN NANOCLAY TRONG H P PH N CAO SU 3.2.1. Ph nhi u x tia X (XRD) Sau khi phân tán clay trong cao su thì các peak này d ch chuy n v bên trái và di n tích peak gi m cho th y ñã x y ra s chèn và tách l p clay.
18 (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.3: Ph XRD c a nanoclay (a) và cao su gia cư ng nanoclay v i các hàm lư ng khác nhau tương ng: (b) 5 PKL, (c) 3 PKL, (d) 2 PKL, (e) 1 PKL 3.2.2. Hi n vi ñi n t truy n qua (TEM) (a) (b) Hình 3.4: K t qu TEM c a m u nanoclay/cao su v i hàm lư ng nanoclay là 2PKL v i các ñ phóng ñ i 30000 l n (a) và 200000 l n (b) ñ phóng ñ i 30000 l n, có th nhìn th y nanoclay phân tán ñ u trong h n h p cao su, và ñ phóng ñ i 200000 l n, có th th y rõ s tách l p c a clay trong h n h p cao su.
19 Cùng v i k t qu nhi u x tia X (hình 3.3), k t qu kh o sát hi n vi ñi n t truy n qua (hình 3.4) ñã kh ng ñ nh v t li u nanocomposite trên cơ s cao su và nanoclay ñư c phân tán b ng phương pháp nóng ch y có c u trúc xen l p và tách l p. Các m ch ñ i phân t cao su ñã chèn vào gi a các l p clay và các l p clay ñã b bóc tách. 3.3. KH O SÁT TH I GIAN LUY N THEO NHI T Đ THÁO SU Đ th bi u di n th i gian h n luy n 350 Th i gian h n luy n (s) 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 Hàm lư ng nanoclay (PKL) Hình 3.5: nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n th i gian h n luy n T ñ th cho th y, cùng m t nhi t ñ tháo li u là 1500C, khi tăng hàm lư ng nanoclay thì th i gian h n luy n tăng. 3.4. KH O SÁT TH I GIAN LƯU HÓA T ñ th cho th y khi tăng hàm lư ng nanoclay thì làm gi m th i gian lưu hóa.
20 Th i gian lưu hóa ts1 tc90 2.5 2 Th i gian (phút) 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 Hàm lư ng nanoclay (PKL) Hình 3.6: nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n th i gian lưu hóa 3.5. NH HƯ NG C A HÀM LƯ NG NANOCLAY Đ N Đ B N XÉ RÁCH D a vào ñ th ta th y ñ b n xé rách c a m u cao su tăng khi gia cư ng b ng nanoclay và ñ t k t qu t t nh t 2PKL, sau ñó gi m d n khi ti p t c tăng hàm lư ng nanoclay. Đ b n xé rách 1400 1200 Đ b n xé rách (N/cm) 1000 800 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 Hàm lư ng nanoclay (PKL) Hình 3.8: nh hư ng c a hàm lư ng nanoclay ñ n ñ b n xé rách c a cao su