Khoá luận tốt nghiệp Trường đại học sư phạm hà nội KHOA HOÁ HỌC - - TRẦN VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẦT LIỆU PVC/CaCO3 NANO COMPOZIT Khóa luận tốt nghiệp đại học Chun ngành: Hóa cơng nghệ - Mơi trường Người hướng dẫn khoa học: TS.Ngô Trịnh Tùng Hà Nội - 2009 SVTH: Trần Văn Thành Lớp K31C – Hoá LỜI CẢM ƠN Được giúp đỡ thầy giáo khoa Hố học trường ĐHSP Hà Nội thầy Viện Hố học thuộc viện khoa học công nghệ Việt Nam tạo điều kiện cho em thực tập viện Qua đợt thực tập em vận dụng đựơc kiến thức lí thuyết học trường để rèn luyện thao tác tay nghề em thu số kết khả quan Để đạt thành cơng ngồi nỗ lực thân em nhận nhiều giúp đỡ thầy cô giáo khoa Hoá học đặc biệt thầy giáo TS Ngơ Trịnh Tùng người hướng dẫn em hồn thành báo cáo Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo ! Sinh viên: Trần Văn Thành Lời cam đoan Khố luận em hồn thành hướng dẫn thầy giáo TS.Ngô Trịnh Tùng Trong q trình nghiên cứu thực khố luận, em có tham khảo tài liệu số tác giả ( nêu mục tài liệu tham khảo) Em xin cam đoan kết khoá luận kết nghiên cứu thân, không trùng với kết tác giả khác Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Sinh viên: Trần Văn Thành MỤC LỤC Trang PHẦN 1: TỔNG QUAN…………………………………………… 1.1 Giới thiệu công nghệ Nano…………………………………… 1.1.1 Khái niệm đời công nghệ Nano……………… 1.1.2 Cơ sở khoa học công nghệ Nano……………………… 1.1.3 Các phương pháp hoá học chế tạo vật liệu Nano…………… 1.1.3.1 Phương pháp lắng đọng pha hoá học (CVD)……… 1.1.3.2 Phương pháp Sol – gel………………………………… 1.1.3.3 Phương pháp điện hoá…………………………………… 1.1.3.4 Phương pháp đảo Mixen………………………………… 10 1.1.3.5 Sử dụng hạt Nano có sẵn tự nhiên…………… 11 1.2 Polyvinylclorua (PVC)………………………………………… 12 1.2.1 Giới thiệu vật liệu PVC…………………………………… 12 1.2.2 Nguyên liệu tổng hợp PVC…………………………………… 12 1.2.3 Phản ứng tổng hợp PVC……………………………………… 13 1.2.3.1 Phản ứng trùng hợp khối PVC…………………………… 14 1.2.3.2 Phản ứng trùng hợp huyền phù PVC…………………… 14 1.2.3.3 Phản ứng trùng hợp nhũ tương PVC…………………… 15 1.2.3.4 Phản ứng trùng hợp dung môi PVC……………………… 16 1.2.4 Ưu nhược điểm phương pháp tổng hợp PVC………… 16 1.2.5 Tính chất PVC…………………………………………… 17 1.2.6 Ứng dụng PVC……………………………………… 18 1.3 Canxicacbonat (đá vôi) CaCO3…………………………………… 19 1.3.1 Giới thiệu CaCO3……………………………………… 19 1.3.2 Tính chất CaCO3……………………………………… 21 1.3.3 øng dụng CaCO3……………………………………… 21 1.4 Tổng quan vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit………… 22 1.4.1 Giới thiệu chung vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit … 22 1.4.2 Một số khái niệm vật liệu Nano compozit……… 22 1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit………………………………………………………… 23 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM………………………………………… 25 2.1 Nguyên liệu…………………………………………………… 25 2.2 Chế tạo PVC/CaCO3 nano compozit………………………… 25 2.3 Các phương pháp nghiên cứu…………………………………… 25 PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………… 27 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng CaCO3 tới tính chất lí vật liệu 27 3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu…………………………………… 30 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng CaCO3 tới độ bền nhiệt vật liệu 33 KẾT LUẬN ………………………………………………………… 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… 36 CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT PVC : PolivinylClorua VC : VinylClorua SEM: Kính hiển vi điện tử quét TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua PE: Polietilen CVD: Phương pháp lắng đọng pha TNP-35: Pentadecaoxyethylennonylphonyl ete NP5: Poli(oxyethylen)nonyl phenol ete MMT: Tinh thể Montmorillonit 10.MCF: Thiết bị điều chỉnh tốc độ dòng khí LỜI NĨI ĐẦU Trong xu phát triển thời đại ngày ngành khoa học kĩ thuật, công nghệ sản xuất quan trọng Đặc biệt ngành khoa học công nghệ chế tạo vật liệu Công nghệ Nano ngành công nghệ phát triển mạnh có nhiều đặc điểm tối ưu để phục vụ cho sống Thực tế vật liệu compozit xuất lâu ví dụ bê tơng áp dụng xây dựng Tuy nhiên với thời đại khoa học cơng nghệ phát triển ngày xã hội cần nhiều sản phẩm có nhiều đặc điểm tối ưu tiện ích công nghệ sản xuất vật liệu trước dần thay cơng nghệ ví dụ công nghệ Nano compozit Công nghệ Nano compozit chứa đựng nhiều đặc điểm tốt pha pha cốt Ngồi chứa đựng đặc điểm tối ưu kết hợp pha pha cốt mà thân vật liệu vật liệu cốt khơng có Chính lí mà em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu PVC CaCO3 nano compozit ” PHẦN : TỔNG QUAN 10.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1.1.1.ái niệm đời công nghệ Nano Thuật ngữ công nghệ nano xuất từ năm 70 kỷ 20, liên quan đến công nghệ chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử Độ xác đòi hỏi cao, từ 0,1 đến 100nm, tức phải xác đến lớp nguyên tử, phân tử Mặt khác q trình vi hình hố linh kiện đòi hỏi người ta phải nghiên cứu lớp mỏng có bỊ dày cỡ nm, sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, hạt có đường kính cỡ nm Phát hàng loạt tượng, tính chất mẻ, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác để hình thành chuyên ngành gắn thêm chữ nano Hơn nữa, việc nghiên cứu trình sống xảy tế bào cho thấy sản xuất chất sống protein, thực việc lắp ráp vô tinh vi, đơn vị phân tử với mà thành, tức phạm vi công nghệ nano 1.1.2 Cơ sở khoa học công nghệ nano Khoa học nano nghiên cứu vấn đề vật lí học, hố học, sinh học cấu trúc nano Dựa kết khoa học nano đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano Công nghệ nano dựa sở khoa học chủ yếu sau: + Hiệu ứng kích thước lượng tử: Các hệ bán dẫn thấp chiều hệ có kích thước theo một, hai ba chiều so sánh với bước sóng DeBroglie kích thước tinh thể Trong hệ này, kích thước ( điện tử, lỗ trống) chịu ảnh hưởng giam giữ lượng tử quan sát thông qua dịch đỉnh phía sóng xanh phổ hấp thụ với giảm kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, có thay đổi mạnh mẽ cấu trúc điện tử tính chất vật lí + Hiệu ứng kích thước : Các đại lượng vật lí thường đặc trưng số đại lượng vật lí khơng đổi, ví dụ độ dẫn điện kim loại, nhiệt độ nóng chảy…Nhưng đại lượng đặc trưng khơng đổi kích thước vật đủ lớn thang nano Khi giảm kích thước vật xuống đến thang nano, tức vật trở thành cấu trúc nano đại lượng đặc trưng nói khơng bất biến nữa, ngược lại chúng thay đổi theo kích thước gọi hiệu ứng kích thước Sự giảm theo kích thước giải thích vai trò tán xạ điện tử bề mặt tăng bề dày lớp nano giảm Khoá luận tốt nghiệp + Hiệu ứng bề mặt : Các cấu trúc nano có kích thước theo chiều nhỏ nên chúng có diện tích bề mặt đơn vị thể tích lớn Hiệu ứng bề mặt thường liên quan đến trình thụ động hoá bề mặt, trạng thái xạ bề mặt sức căng bề mặt vật liệu Một số tính chất đặc biệt vật liệu cấu trúc nano có nguyên nhân tương tác điện từ chúng qua lớp bề mặt hạt nano cạnh Lực tương tác nhiều trường hợp lớn lực tương tác Vander Waals Đường Diện kính tích/g 1cm cm mm 30 cm 100m 300cm 10m 3000cm 1m 3m 100nm 30m 10nm 300m 1nm 3000m 2 2 2 2 Bảng 1: Diện tích bề mặt hạt thay đổi theo kích thứơc hạt Ở có giả thiết khối lượng riêng hạt cầu 2g/cm Khoa học nano công nghệ nano : Có ý nghĩa quan trọng hẫp dẫn lý sau đây: - Tương tác nguyên tử điện tử vật liệu bị ảnh hưởng biến đổi phạm vi thang nano Do đó, làm thay đổi cấu hình thang nano vật liệu ta “ điều khiển ” tính chất vật liệu theo ý muốn mà không cần phải thay đổi thành phần hố học Ví dụ thay đổi kích thước hạt nano làm cho chúng đổi màu ánh sáng phát Khoá luận tốt nghiệp Trong thực tế có cặp polime cốt hạt tự tương hợp với nhiệt động học, phần nhiều tương hợp mặt kĩ thuật không tương hợp 9 Vật liệu Nano vật liệu có kích cỡ hạt Nano ( 1nm = 10 m) 1.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PVC/CaCO3 Nano compozit Tính chất vật liệu định tương hợp vật liệu PVC vật liệu cốt CaCO3 Qua nghiên cứu người ta tương hợp pha pha cốt phụ thuộc vào yếu tố sau: - Tỷ lệ thể tích, tỷ lệ khối lượng - Năng lượng bán dính ngồi phần tử - Nhiệt độ Tính chất vật liệu phụ thuộc vào : - Sự phân bố pha - Kích thước hạt Những yếu tố đựoc chi phối chuẩn bị chế tạo gia công vật liệu Trong thực tế, để tăng độ tương hợp vật liệu, người ta dùng chất để làm tăng khả tương hợp, chất hoạt tính bề mặt lựa chọn chế độ gia cơng thích hợp thơng qua việc khảo sát tính chất lưu biến vật liu Phần Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu PVC sử dụng loại PVC có trọng lợng cao, cú trọng lợng phân tử Mw = 88.000 g/mol v Mw/ Mn = 2.1 h·ng Basell s¶n xt Khố luận tt nghip Hạt nano CaCO3 đợc mua Merck Hạt Nano CaCO3 đợc sử dụng có chất lợng cao hình thức đồng Tất nguyên liệu đợc dùng trực tiếp từ nguồn cung cấp 2.2 Chế tạo PVC/CaCO3 nanocompozit Để chế tạo vật liệu polyme PVC/CaCO3 nanocompozit, sử dụng phơng pháp trộn nóng chảy máy trộn kín Haake Viện kỹ thuật nhiệt đới Viện Khoa học công nghệ Việt nam Điều kiện gia công chế tạo vật liệu compozit nh sau: - Nhiệt độ: 1800 C - Tốc độ vòng quay 80 vòng/phút - Thời gian trộn: 15 phút Để khảo sát ảnh hởng thành phần, hàm lợng CaCO3 đến chất lợng vật liệu Chúng tôi: Thay đổi hàm lợng CaCO3, vật liệu theo c¸c tû lƯ sau: ; 2,5 % ; 5% 7,5% 2.3 Các phơng pháp nghiên cứu Để đánh giá tính chất lý Vật liệu, đo độ bền kéo đứt, độ giãn dài đứt vật liệu theo tiêu chuẩn ISO 527-1 Thí nghiệm đợc đo máy kéo Zwick Viện kỹ thuật nhiệt đới Tốc độ kéo 10 mm/phút Tính chất nhiệt vật liệu đợc khảo sát phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng (TGA) Khoỏ lun tt nghip máy Shimazu TA50 Viện Hoá học Viện Khoa học công nghệ Việt nam Nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ phòng 25oC tới 450oC môi trờng khí N2 Phần Kết thảo luận 3.1 ảnh hởng tỷ lệ CaCO3 tới tính chất lý vật liệu Độ bền kéo đứt vật liệu: Hình 3a biểu diễn phơ thc cđa ®é bỊn kÐo ®øt cđa vËt liƯu PVC/CaCO3 nanocompozit vào tỷ lệ CaCO3 Hình 3a Độ bền kéo đứt vật liệu phụ thuộc vào tỉ lệ CaCO3 Nhìn vào hình 3a ta nhận thấy ®é bÇn kÐo ®øt cđa PVC b»ng 46Mpa tØ lệ CaCO3 Khi PVC đợc Khoỏ lun tt nghip gia cờng nano CaCO3, độ bền kéo đứt vật liệu tăng nhẹ tỷ lệ CaCO3 = 2.5% đạt giá trị cao 47.3 Mpa tỷ lƯ CaCO3 = 5% Sau ®ã, nÕu tû lƯ CaCO3 tiếp tục tăng độ bền kéo đứt vật liệu bắt đầu giảm Theo kết trên, tính chất vật liệu PVC/CaCO3 không tăng cách liên tục với tỷ lệ CaCO3 Nguyên nhân suy giảm độ bền kéo đứt tỷ lệ CaCO3 cao tạo thành pha riêng rẽ CaCO3 với độ liên kết pha Độ giãn dài đứt: Hình 3b phụ thuộc ®é gi·n dµi ®øt nanocompozit vµo tû lƯ CaCO3 vật liệu PVC/CaCO3 Hình 3b Độ giãn dài ®øt cđa vËt liƯu phơ thc vµo tØ lƯ CaCO3 Kt cho ta thấy, nano CaCO3 có ảnh hởng mạnh mẽ đến độ giãn dài vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit ë tû lƯ CaCO3 = 2.5%, ®é gi·n dài đứt vật liệu tăng từ 10% lên 27% đạt giá trị cao 43% tỷ lệ CaCO3 = 5% Giống nh độ bền kéo đứt, hàm lợng CaCO3 tiếp tục tăng lên độ giãn dài đứt vật liệu lại giảm mạnh xuống 28% Moun n hi: Hình ảnh hởng CaCO3 vào mođun đàn hồi vật Hình ảnh liệu PVC/CaCO3 nanocompozit : hởng tỷ lệ CaCO3 đến mođun đàn hồi Giống nh độ bền kéo đứt, mođun đàn hồi vật liệu tăng nhẹ gia cờng với CaCO3 đạt giá trị cao tỷ lệ CaCO3 = 5% Độ bền va đập vật liệu: Hình ảnh hởng tỷ lệ CaCO3 đến độ bền va đập vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit Đ ộ bỊn va ®Ëp Charpy ( KJ/m2) 0 10 Tû lƯCaCO3 (%) H×nh Sù phụ thuộc độ bền va đập vào tỉ lệ CaCO3 Kết cho ta thấy, độ bền va đập vật liệu PVC/CaCO3 tăng lên gia cờng với CaCO3 đạt giá trị cao tỷ lệ CaCO3 = 5% Khi hàm lợng CaCO3 tiếp tục tăng lên độ bền va đập vật liệu giảm nhanh Qua kết ta cú th nhn thy tỷ lệ CaCO3 tối u để vật liệu đạt đợc tính chất lý cao 5% 3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu Để phân tÝch cÊu tróc cđa vËt liƯu víi c¸c tØ lƯ CaCO3 khác nhau, sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) viện khoa học vật liệu Viện khoa học công nghệ Việt Nam tỉ lệ CaCO3 = 5% thu đợc kết nh sau: SEM PVC SEM PVC /CaCO3 Hình 6: ảnh SEM vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit ë tû lƯ CaCO3 = 5% Qua ¶nh SEM ta thấy hạt nano CaCO3 đợc phân tán đồng ®Ịu vËt liƯu nỊn PVC Mét vµi ®iĨm cã tợng kết khối hạt CaCO3 Cũng tợng kết khối nguyên nhân dẫn tới độ bền kéo đứt độ bền va đập vật liệu bị suy giảm Cũng tơng tự quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cđa vËt liƯu ë c¸c tØ lƯ CaCO3 kh¸c thu đợc kết nh sau: Hình 7: ảnh TEM vật liệu tû lƯ CaCO3 kh¸c (a,b): 5%; (c,d,e): 7,5% Qua ảnh TEM lần cho ta thấy, hạt nano CaCO3 phân tán đồng vật liệu PVC Hiện tợng kết khối CaCO3 xảy nhiỊu h¬n ë tû lƯ CaCO3 cao (>7,5%) Sù kÕt khối CaCO3 tỷ lệ cao nguyên nhân dẫn đến suy giảm độ bền kéo đứt, độ bỊn va ®Ëp cđa vËt liƯu ë tû lƯ CaCO3 cao 3.3 ảnh hởng tỷ lệ CaCO3 đến ®é bỊn nhiƯt cđa vËt liƯu TÝnh chÊt nhiƯt vật liệu đợc khảo sát phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng (TGA) máy Shimazu TA 50 Tại viện Hoá học Khoảng nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ phòng 450oC môi trờng khí N2 Trong môi trờng khí N2 không tồn cháy lý để sử dụng để làm thí nghiệm Hình 8: Giản đồ TGA cđa vËt liƯu PVC/CaCO3 nanocompozit ë c¸c tû lƯ CaCO3 khác Khoỏ lun tt nghip Nhìn vào hình ta nhận thấy nhiêt độ phân huỷ vật liệu không biến đổi nhiều tỉ lệ CaCO3 thay đổi Cụ thể ta thu đợc kết sau: TØ lƯ CaCO3 TØ lƯ ph©n (%) hủ (0C) 275 2,5 280 276,4 7,5 276,3 Nh×n chung gia cờng thêm CaCO3 độ bền nhiệt vật liệu tăng lên chút đạt giá trị cao nhÊt lµ 280oC ë tû lƯ CaCO3=2.5% KÕt luận Trong luận văn này, vật liệu PVC/CaCO3 nanocompozit đợc chế tạo phơng pháp trộn nóng chảy máy trộn kín tính chất lý, tính chất nhiệt đợc khảo sát theo ảnh hởng tỷ lệ CaCO3 Khi đợc gia cờng với vật liệu nano CaCO3, tính chất PVC thay đổi rõ rệt, đặc biệt mođun đàn hồi Độ bền kéo đứt vật liệu tăng nhẹ Các tính chất khác nh ®é bỊn va ®Ëp, ®é gi·n dµi ®øt còng tăng mạnh đạt giá trị cao tỷ lƯ CaCO3 = 5% ë tû lƯ CaCO3 cao h¬n tính chất lại giảm mạnh Vì vậy, để đảm bảo tính kỹ thuật vật liệu sử dụng, cần phải có bớc tối u hoá tỷ lệ, điều kiện chế tạo vật liệu Độ bền nhiệt vật liệu PVC đợc cải thiện đợc gia cờng với CaCO3 Để tiếp tục hoàn thiện nâng cao tính chất vật liệu, cần phải đợc tiếp tục nghiên cứu làm tăng độ liên kết pha có phân tán tốt CaCO3 vật liệu PVC Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Đức Nghĩa nghiên cứu tính Bài thực chất hành tổng hợp dẫn hữu bán polyme Năm 2006 Nguyễn Đức Nghĩa Một số giảng Hoá Học nano trờng ĐH Công Nghệ - §H Qc Gia Hµ Néi 2006 Ngun §øc NghÜa Bán dẫn hữu polyme Công nghệ chế tạo, tính chất ứng dụng NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội, 2007 Tiếng Anh D.Tasis, N.Tagmatarchis, V.Georgakilas M.Prato, Chem Eur.J K.Balasubramanian and (2003) and M.Burghard, Small 1(2005) I.Szleifer, (2005) R Yerushalmi – Rozen, Polymer 46 R Andrews, D Jacques, M Minot and T Rantell, Macromol Mater Eng 287 (2002) Xie, X-C, Lin Q-X, polimer 45 (2004) 6665 Zishou Zhang, Your Tao, Zhugen Yang, polymer journal 44 (2008) 1055 10 Dezhen Wu, Xiaodong Wang, Jongzhi Song, Riguang Tin, polyme sci 92 (2004) 2714 11 T Kaully, A Sieg mann and D.Shachain, polyme Adv Technol 18 (2007) 696 ... phát triển 1.4 Tổng quan vật liệu Nano compozit 1.4.1 Giới thiệu chung vật liệu Nano compozit Trong khoa học vật liệu, việc nghiên cứu để tổng hợp vật liệu PVC /CaCO3 Nano compozit đóng vai trò quan... kiện cho phát triển loại vật liệu 1.4.2 Một số khái niệm vật liệu PVC /CaCO3 Nano compozit Vật liệu compozit loại vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác Vật liệu tạo thành có đặc tính trộn... liệu Nano vật liệu có kích cỡ hạt Nano ( 1nm = 10 m) 1.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PVC /CaCO3 Nano compozit Tính chất vật liệu định tương hợp vật liệu PVC vật liệu cốt CaCO3