Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở nhựa epoxy mạch vòng no và nanoclay cloisite 20A: Phần 2 - Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay đến tính chất nhiệt và độ hấp thụ nước, axit của vật liệu

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (5A), Tr. 7 - 11, 2007<br /> <br /> <br /> NGHI£N CøU CHÕ T¹O VËT LIÖU NANOCOMPOZIT TR£N C¥ Së<br /> NHùA EPOXY M¹CH VßNG NO Vµ NANOCLAY CLOISITE 20A<br /> PHÇN II - ¶NH H¦ëNG CñA HµM L¦îNG NANOCLAY §ÕN TÝNH CHÊT NHIÖT<br /> Vµ §é HÊP THô N¦íC, AXIT CñA VËT LIÖU<br /> <br /> §Õn Tßa so¹n 16-8-2007<br /> TrÇn VÜnh DiÖu, Phan ThÞ Minh Ngäc, NguyÔn V¨n Huynh, Vò Xu©n B¾c<br /> Trung t©m Nghiªn cøu VËt liÖu Polyme, Tr1êng §¹i häc B¸ch khoa H6 Néi<br /> <br /> SUMMARY<br /> The paper presents research results on the effects of organo-clay content and structure of polymer<br /> nanocomposite based on cycloaliphatic (hexahydrophtalic acid) epoxy resin with hexahydrophtalic<br /> anhydride hardener (Ruetadur AG) and organo-clay (Cloisite 20A) on thermal properties, water<br /> absorption and acid absorption of the nanocomposite.<br /> <br /> <br /> <br /> I - Më §ÇU II - THùC NGHIÖM<br /> <br /> Nh chóng ta ® biÕt viÖc biÕn tÝnh polyme 1. Nguyªn liÖu<br /> nãi chung v" nhùa epoxy nãi riªng b»ng<br /> nanoclay kh«ng chØ c¶i thiÖn tÝnh chÊt c¬ häc - Nhùa epoxy m¹ch vßng no EPR 760<br /> cña nhùa nÒn polyme m" cßn n©ng cao nhiÒu (Ruetapox CY160/MV): H ng s¶n xuÊt:<br /> tÝnh chÊt kh¸c nh : ®é bÒn nhiÖt, tÝnh chÊt che Bakelite (§øc); § ¬ng l îng nhãm epoxy: 173<br /> ch¾n (chèng hót Èm, thÊm khÝ, hÊp thô n íc...), g/® ¬ng l îng; §é nhít: 1150 mPa.s (25oC);<br /> Tû träng: 1,22 g/cm3 (20oC).<br /> tÝnh chèng ch¸y,... [1 - 3]. HiÖu qu¶ t¨ng c êng<br /> cña nanoclay phô thuéc rÊt nhiÒu v"o cÊu tróc - ChÊt ®ãng r¾n EPH 860 (Ruetadur HG):<br /> cña vËt liÖu [1]. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cho H ng s¶n xuÊt: Bakelite (§øc); § ¬ng l îng<br /> thÊy, víi cïng mét hÖ chÊt kÕt dÝnh v" nanoclay, anhydrit: 169 g/® ¬ng l îng; §é nhít: 75 mPa.s<br /> vËt liÖu cã cÊu tróc t¸ch líp cã tÝnh chÊt c¬ lý v" (250C); Tû träng: 1,19 g/cm3 (20oC).<br /> ®é bÒn nhiÖt cao h¬n [2]. Tuy nhiªn, ®èi víi tÝnh - Xóc t¸c EPC 100 (dimetylbenzylamin -<br /> chÊt che ch¾n th× cÊu tróc xen líp hay cÊu tróc DMBA): H ng s¶n xuÊt: Bakelite (§øc); Tû<br /> t¸ch líp u viÖt h¬n ch a ® îc kh¼ng ®Þnh. träng (20oC): 0,91 g/cm3; §é nhít (25oC): 1,5<br /> B"i b¸o n"y tr×nh b"y c¸c kÕt qu¶ nghiªn mPa.s.<br /> cøu ¶nh h ëng cña h"m l îng nanoclay v" cÊu - Nanoclay Cloisite 20A (C20A): H ng s¶n<br /> tróc cña vËt liÖu ®Õn tÝnh chÊt nhiÖt, ®é hÊp thô xuÊt: Southern Clay Product (Mü); H"m l îng<br /> n íc v" ®é hÊp thô axit cña vËt liÖu chÊt biÕn tÝnh: 32%; §é Èm: < 2%; MÊt khi<br /> nanocompozit (NPC) trªn c¬ së nhùa epoxy nung: 38%; kho¶ng c¸ch c¬ së d = 24,2 Å.<br /> m¹ch vßng no EPR 760.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> 2. Ph ¬ng ph¸p gia c«ng mÉu hÊp thô n íc cña vËt liÖu dùa theo tiªu chuÈn<br /> ISO 62:1999.<br /> MÉu vËt liÖu nanocompozit trªn c¬ së nhùa<br /> epoxy CY160/MV v" clay Cloisite 20A ® îc - X¸c ®Þnh ®é bÒn hãa cña vËt liÖu: ®é bÒn<br /> tiÕn h"nh chÕ t¹o nh sau: ho¸ chÊt dùa theo tiªu chuÈn ASTM D543-06.<br /> X¸c ®Þnh sù thay ®æi khèi l îng cña mÉu theo<br /> - KhuÊy hçn hîp b»ng m¸y khuÊy tõ. Sau ®ã<br /> thêi gian ë c¸c thêi ®iÓm sau: 1 ng"y, 7 ng"y, 14<br /> khuÊy t¨ng c êng b»ng m¸y t¹o sãng siªu ©m.<br /> ng"y, 21 ng"y, 28 ng"y ng©m trong c¸c m«i<br /> - §uæi khÝ b»ng tñ sÊy ch©n kh«ng. tr êng axit HCl 10% v" H2SO4 30%.<br /> - §æ hçn hîp v"o khu«n, tiÕn h"nh ®ãng r¾n - X¸c ®Þnh tÝnh chÊt nhiÖt cña vËt liÖu: thùc<br /> ë nhiÖt ®é 100oC trong thêi gian 3 giê. hiÖn trªn m¸y ph©n tÝch nhiÖt vi sai model STA<br /> - §Ó mÉu ë ®iÒu kiÖn phßng trong thêi gian 409 PC/PG cña h ng NETZSCH.<br /> 7 ng"y tr íc khi ®em ®i x¸c ®Þnh c¸c tÝnh chÊt.<br /> - Tû lÖ c¸c th"nh phÇn cña nhùa epoxy ® îc III - KÕT QU¶ V+ TH¶O LUËN<br /> cè ®Þnh l": nhùa epoxy EPR 760/chÊt ®ãng<br /> r¾n/xóc t¸c = 100/44,4/5,45 tÝnh theo khèi l îng 1. Kh¶o s¸t tÝnh chÊt nhiÖt<br /> (PKL) [4]. §å thÞ h×nh 1 biÓu diÔn sù ph©n hñy bëi<br /> nhiÖt cña 2 mÉu vËt liÖu: epoxy EPR760 v" vËt<br /> 3. Ph ¬ng ph¸p thö nghiÖm<br /> liÖu NPC EPR 760/C20A 0,5 PKL trong m«i<br /> - X¸c ®Þnh ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu: ®é tr êng nit¬.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 1: § êng cong TG - DSC cña c¸c mÉu vËt liÖu<br /> (1) MÉu EPR760 nguyªn thÓ; (2) MÉu NPC EPR760/C20A 0,5PKL<br /> <br /> Tõ h×nh 1 cho thÊy, vËt liÖu NPC VËt liÖu NPC b¾t ®Çu bÞ ph©n hñy ë nhiÖt ®é<br /> EPR760/C20A cã cÊu tróc t¸ch líp ® thÓ hiÖn cao h¬n v" tèc ®é ph©n hñy nhá h¬n so víi nhùa<br /> râ rÖt sù c¶i thiÖn tÝnh chÊt nhiÖt so víi nhùa EPR760: VËt liÖu NPC EPR760/C20A b¾t ®Çu<br /> epoxy nguyªn thÓ. MÉu NPC cã ®é bÒn nhiÖt bÞ ph©n hñy t¹i 300oC trong khi mÉu EPR760 ë<br /> lín h¬n v" khèi l îng bÞ ph©n hñy thÊp h¬n so 250oC. T¹i 400oC MÉu EPR760 bÞ ph©n hñy<br /> víi nhùa EPR760. 43,03%, trong khi ®ã mÉu NPC chØ bÞ ph©n hñy<br /> 8<br /> 38,40% (gi¶m 10,76%). T¹i 500oC c¸c møc hiÖu qu¶ cña viÖc biÕn tÝnh ® thÓ hiÖn râ r"ng.<br /> ph©n hñy t ¬ng øng l" 95,91% v" 95,41%. Còng §iÒu ®ã më ra mét tiÒm n¨ng to lín trong viÖc<br /> tõ kÕt qu¶ ph©n tÝch nhiÖt trªn ta thÊy nhiÖt ®é sö dông vËt liÖu NPC EPR760/C20A víi c¸c<br /> m" t¹i ®ã mÉu vËt liÖu EPR760 mÊt 50% khèi môc ®Ých kh¸c nhau.<br /> l îng l" 410oC, trong khi ®ã mÉu NPC l" 405oC.<br /> 2. ¶nh h ëng cña h$m l îng C20A ®Õn<br /> KÕt qu¶ n"y cho thÊy viÖc biÕn tÝnh nhùa ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu<br /> epoxy m¹ch vßng no b»ng nanoclay C20A ®<br /> c¶i thiÖn rÊt râ rÖt ®é bÒn nhiÖt cña vËt liÖu. Víi H×nh 2 tr×nh b"y ¶nh h ëng cña h"m<br /> h"m l îng sö dông C20A rÊt nhá (0,5 PKL) l îng nanoclay ®Õn ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 2: ¶nh h ëng cña h"m l îng clay ®Õn ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu NPC EPR760/C20A<br /> <br /> Tõ ®å thÞ h×nh 2 ta thÊy víi h"m l îng gi¶m. Møc ®é hÊp thô n íc cña mÉu NPC chøa<br /> nanoclay sö dông l" 1; 1,5; 3 PKL th× ® cho 0; 1; 1,5; v" 3 PKL t ¬ng øng l": 2,27%; 1,83%;<br /> thÊy sù gi¶m râ rÖt ®é hÊp thô n íc so víi mÉu 1,71% v" 1,47%. Tøc l", ®é hÊp thô n íc sau 32<br /> EPR 760 nguyªn thÓ. §iÒu n"y ho"n to"n phï ng"y cña mÉu NPC chøa 3 PKL clay gi¶m tíi<br /> hîp víi kÕt qu¶ kh¶o s¸t cÊu tróc v" tÝnh chÊt 35% so víi mÉu EPR760 nguyªn thÓ.<br /> kÐo cña vËt liÖu. §é hÊp thô n íc cña vËt liÖu §é hÊp thô n íc cña mÉu NPC t¸ch líp víi<br /> mét lÇn n÷a kh¼ng ®Þnh cÊu tróc xen líp cña 0,5 PKL clay cao h¬n cña mÉu EPR 760, ®iÒu<br /> NPC EPR 760/C20A khi h"m l îng C20A lín n"y ® îc gi¶i thÝch l" do nanoclay ë d¹ng t¸ch<br /> h¬n 1,0 PKL v" cÊu tróc t¸ch líp khi h"m l îng líp ho"n to"n, h"m l îng sö dông l¹i rÊt nhá<br /> C20A l" 0,5%. CÊu tróc xen líp cña vËt liÖu nªn t¸c dông che ch¾n kh«ng ® îc c¶i thiÖn.<br /> NPC ® cã t¸c dông ng¨n c¶n qu¸ tr×nh khuÕch<br /> t¸n cña c¸c ph©n tö n íc v"o s©u trong lßng vËt 3. ¶nh h ëng cña h$m l îng C20A ®Õn ®é<br /> liÖu. Ng îc l¹i, cÊu tróc t¸ch líp cña vËt liÖu hÊp thô axit<br /> NPC, ®Æc biÖt khi h"m l îng clay nhá, kh«ng cã<br /> t¸c dông ng¨n c¶n sù khuÕch t¸n cña c¸c ph©n KÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña h"m l îng<br /> tö n íc. Trong vïng kh¶o s¸t, khi t¨ng h"m nanoclay ®Õn ®é hÊp thô HCl v" H2SO4 cña vËt<br /> l îng clay ®é hÊp thô n íc cña vËt liÖu NPC liÖu ® îc tr×nh b"y t ¬ng øng trªn h×nh 3 v" 4.<br /> <br /> 9<br />  H×nh 3: ¶nh h ëng cña h"m l îng clay ®Õn ®é hÊp thô axit HCl<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 4: ¶nh h ëng cña h"m l îng clay ®Õn ®é hÊp thô axit H2SO4<br /> <br /> Tõ h×nh 3 v" 4 nhËn thÊy, t ¬ng tù nh ®èi tróc xen líp, khi h"m l îng clay t¨ng th× ®é hÊp<br /> víi ®é hÊp thô n íc, ®é hÊp thô axit cña NPC thô axit gi¶m dÇn mét c¸ch râ rÖt. Cô thÓ, sau<br /> phô thuéc v"o h"m l îng clay v" cÊu tróc cña khi ng©m 28 ng"y, møc hÊp thô axit HCl cña vËt<br /> vËt liÖu. Khi h"m l îng clay thÊp v" vËt liÖu cã liÖu chøa 0; 0,5; 1; 1,5; 3,0 PKL C20A t ¬ng<br /> cÊu tróc t¸ch líp ®é hÊp thô axit cña vËt liÖu øng l" 0,71%; 0,75%; 0,61%; 0,55%; 0,35%.<br /> t ¬ng ® ¬ng víi mÉu nhùa EPR ®èi chøng (®èi Nh vËy, sau 28 ng"y mÉu NPC chøa 3PKL<br /> víi HCl - h×nh 3) hoÆc gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ (®èi C20A cã ®é hÊp thô axit HCl chØ b»ng 49% so<br /> víi H2SO4 - h×nh 4). Tr êng hîp vËt liÖu cã cÊu víi mÉu EPR 760 ®èi chøng.<br /> 10<br />  §èi víi m«i tr êng axit H2SO4 (h×nh 4) còng 400oC gi¶m t ¬ng ®èi 10,76% so víi mÉu ®èi<br /> quan s¸t thÊy sù gi¶m t ¬ng tù nh axit HCl. chøng (38,40% so víi 43,03%).<br /> Khi h"m l îng clay trong NPC t¨ng tõ 0; 0,5; 2. §é hÊp thô n íc cña vËt liÖu NPC ë c¸c<br /> 1,0; 1,5 v" 3,0 PKL th× møc ®é hÊp thô axit thêi gian ng¾n (tíi 32 ng"y) phô thuéc v"o h"m<br /> H2SO4 gi¶m t ¬ng øng l" 1,26%; 1,16%; 0,93%; l îng C20A. Khi t¨ng h"m l îng C20A, ®é hÊp<br /> 0,88% v" 0,61%. Tøc l", sau 28 ng"y mÉu NPC thô n íc cña vËt liÖu gi¶m. §é hÊp thô n íc cña<br /> chøa 3PKL C20A cã ®é hÊp thô axit H2SO4 vËt liÖu NPC víi 3,0 PKL C20A sau 32 ng"y<br /> b»ng 48% so víi mÉu ®èi chøng. ng©m gi¶m 35% so víi mÉu nhùa ®èi chøng.<br /> Nhùa epoxy nãi chung cã ®Æc ®iÓm kÐm bÒn 3. §é hÊp thô axit HCl v" H2SO4 cña vËt liÖu<br /> trong m«i tr êng axit. ViÖc ® a nanoclay v"o ® NPC còng phô thuéc v"o h"m l îng C20A. Khi<br /> cho thÊy sù gi¶m ®¸ng kÓ ®é hÊp thô axit so víi t¨ng h"m l îng C20A, ®é hÊp thô c¶ hai lo¹i<br /> mÉu EPR760 ®èi chøng. Chøng tá khi cho axit cña vËt liÖu ®Òu gi¶m. §é hÊp thô axit HCl<br /> nanoclay v"o nhùa epoxy th× kh¶ n¨ng chÞu m«i v" H2SO4 sau 28 ng"y ng©m t ¬ng øng chØ b»ng<br /> tr êng axit cña vËt liÖu ® ® îc c¶i thiÖn. §iÒu 49% v" 48% so víi mÉu ®èi chøng.<br /> n"y më ra kh¶ n¨ng to lín cho viÖc øng dông<br /> vËt liÖu NPC trªn c¬ së nhùa epoxy m¹ch vßng<br /> T+I LIÖU THAM KH¶O<br /> no EPR 760 trong c¸c m«i tr êng cã tÝnh x©m<br /> thùc m¹nh. 1. Suprakas Sinha Ray, Masami Okamoto.<br /> Prog. Polym. Sci., 28, 1539 - 1641 (2003).<br /> IV - KÕT LUËN 2. Peter C. LeBaron, Zhen Wang, Thomas J.<br /> Pinavaia. Applied Clay Sci., 15, 11 - 29<br /> 1. B»ng ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt vi sai (1999).<br /> ® kh¶o s¸t ®é bÒn nhiÖt cña vËt liÖu NPC trªn<br /> c¬ së nhùa epoxy m¹ch vßng no EPR 760 v"<br /> 3. Michael Alexandre, Philippe Dubois.<br /> Materials Sci. and Engineering, 28, 1 - 63<br /> nanoclay C20A. KÕt qu¶ cho thÊy chØ víi h"m<br /> (2000).<br /> l îng sö dông rÊt nhá (0,5 PKL), C20A ® c¶i<br /> thiÖn ®é bÒn nhiÖt cña vËt liÖu râ rªt: nhiÖt ®é 4. TrÇn VÜnh DiÖu, Ho"ng Nam, NguyÔn ThÞ<br /> b¾t ®Çu ph©n huû t¨ng 50oC (300oC so víi Thuû. T¹p chÝ Hãa häc, T. 39, sè 2, 1 - 8<br /> 250oC cña mÉu ®èi chøng), mÊt khèi l îng t¹i (2001).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 11<br />