(Tiểu luận) báo cáo bài tập lớn môn hóa lý polymer đề tài pha trộn và thử nghiệm chất trợ dung chậm cháy của nbr pvc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa Công Nghệ Vật Liệu  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn Hóa lý polymer Đề tài PHA TRỘN VÀ THỬ NGHIỆM CHẤT TRỢ DUNG CHẬM CHÁY CỦA NBR / PVC GVHD TS La Thị Th[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Công Nghệ Vật Liệu



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Môn: Hóa lý polymer

Đề tài: PHA TRỘN VÀ THỬ NGHIỆM CHẤT TRỢ DUNG CHẬM

CHÁY CỦA NBR / PVC

GVHD: TS La Thị Thái Hà Lớp: L01

Tp Hồ Chí Minh ngày tháng 12 năm 2022

MỤC LỤC

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Hỗn hợp polyme-blend 3

1.2 Phân loại 4

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng tương hợp của polymer 4

1.4 Tính chất của hỗn hợp polyme 5

PHẦN 2 THỰC NGHIỆM 5

2.1 Mục đích 5

2.2 Nguyên liệu 5

2.2.1 PVC (PolyvinylChloride) 5

2.2.2 NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber) 6

2.2.3 Ca Stearate 7

2.2.4 Zn Stearate 8

2.2.5 Sắt oxit 8

2.3 Thực hiện 8

2.3.1.Chuẩn bị mẫu 8

2.3.2 Các thử nghiệm 9

2.4 Kết quả 10

2.4.1 Nhiệt độ hóa mềm và phân hủy 10

2.4.2 Kiểm tra độ cứng 10

2.4.3 Chỉ số trương nở 11

2.4.4 Độ bền va đập 12

2.4.5 Máy đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) 13

2.5 Kết luận 14

PHẦN 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Hỗn hợp polyme-blend

Vật liệu polymer blend hay polymer trộn hợp là vật liệu mà trong đó có ít nhất hai polymer được pha trộn với nhau để tạo ra một loại vật liệu mới với tính chất vật lý mới mà từng polymer thành phần không có hoặc là sự cộng hợp các tinh chất của các loại polymer thành phần với nhau hay làm tăng độ bền cơ lý hoặc hạ giá thành của vật liệu Giữa các polymer có thể tương tác hoặc không tương tác vật lý, hóa học với nhau

do sự tương thích hay không tương thích vốn có giữa polymer được pha trộn

Polymer blend có thể là hệ đồng thế hay dị thể:

 Hỗn hợp polymer dị thể: Đây là nhóm phổ biến nhất Tính chất của polymer thành phần được giữ nguyên

 Hỗn hợp polymer đồng thể: Sự pha trộn polymer mà là một cấu trúc một pha Tính chất của polymer thành phần không còn đặc tính riêng và tính chất của polyme blend thường là trung bình cộng của hai polyme đó

Về hình thái cấu trúc pha của polyme blend: polyme blend là loại vật liệu có nhiều pha, trong đó có một pha liên tục (matrix) và một hoặc nhiều pha phân tán (pha gián đoạn) hoặc hai pha đồng liên tục (co-polymer) xen kẽ nhau Mỗi một pha được tạo nên bởi một polyme thành phần

Một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá đặc tính của polyme blend như tính chất, hình thái, cấu trúc là khả năng hòa trộn và tương hợp giữa các polyme thành phần trong hệ Do khác nhau về khối lượng phân tử, nhiệt độ nóng chảy, độ phân cực, cấu trúc, độ nhớt, khả năng hòa tan trong dung môi nên khi trộn hợp hầu hết các polyme không có khả năng hòa trộn và tương hợp với nhau

Để đánh giá mức độ trộn hợp của các polyme, người ta đưa ra các khái niệm về khả năng hỏa trộn (miscibility) và khả năng tương hợp (compatibility) Khả năng hòa trộn các polyme thể hiện sự trộn hợp các polyme ở mức độ phân tử và tạo thành hệ vật liệu polyme đồng thể, một pha Khi đó mức độ phân tán của một polyme trong polyme nền đạt kích thước phân tử hay kích thước nanomet Khi các polyme thành phần không có khả năng trộn hợp về mặt nhiệt động, hệ các polyme sẽ tách pha Khả năng tương hợp của các polyme thể hiện khả năng trộn các polyme vào nhau bằng biện pháp kỹ thuật

để tạo thành một hệ vật liệu mới đáp ứng các yêu cầu đề ra như tăng cường tính chất

cơ lý, độ bền nhiệt, độ bền dung môi Thực tế, có nhiều polyme không có khả năng trộn hợp về mặt nhiệt động nhưng polymer blend của chúng vẫn có tinh chất cơ lý, độ bền nhiệt tốt, tức là các polymer thành phần có khả năng tương hợp tốt, đáp ứng được các yêu cầu sử dụng nhất định

1.2 Phân loại

Dựa vào mức độ trộn hợp các Polymer thành phần, người ta chia polyme blend thành ba loại:

 Polyme blend hòa trộn và tương hợp hoàn toàn: Loại polyme này có entanpy

trộn lẫn ∆H<0 và chỉ có một nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) ở giữa Tg của hai polyme thành phần

 Polyme blend hòa trộn một phần và tương hợp một phần: Một phần của

polyme này tan trong polyme kia, ranh giới phân chia pha không rõ ràng Cả hai pha polyme là đồng thể và có hai giá trị Tg Có sự chuyển dịch Tg của polyme này về phía Tg của polyme kia

 Polyme blend không hòa trộn và không tương hợp: Hình thái pha của hai

polyme thô, ranh giới phân chia pha rõ ràng, bám dính bề mặt hai pha kém, cả hai Tg riêng biệt ứng với Tg của hai polyme ban đầu

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng tương hợp của polymer

 Cấu trúc hóa học và độ phân cực: Các polymer có cấu trúc hóa học và tính

phân cực tương tự nhau thì có thể hình thành hỗn hợp tan lẫn, tính tương hợp của các polymer trong blend cao

 Sự tương tác của các nhóm chức trên mạch phân tử polymer: Nếu trên mạch

phân tử của các polymer thành phần có các nhóm chức có thể tương tác với nhau về mặt hóa học hoặc vật lý thi lực liên kết giữa các polymer làm tăng tinh tương hợp, khó tách pha và tạo thành một hỗn hợp bền vững

 Trọng lượng phân tử: Polymer có trọng lượng phân tử thấp thì sẽ dễ cho phép

các mạch phân từ sắp xếp ngẫu nhiên hơn trong quá trình trộn lẫn và vì thế có entropy cao Khi những polymer có trọng lượng phân tử tương tự nhau thi khả năng trộn lẫn của chúng cao hơn nhiều so với những polymer có trọng lượng phần tử rất khác nhau

 Tỷ lệ các cấu tử trong polymer blend: Chúng ta có thể tạo được polymer blend

của polymer A và polymer B với tỉ lệ nảy nhưng khi thay đổi tỷ lệ khác thì sự tách pha xuất hiện Vì thế, đôi lúc một polymer blend ứng với một tỷ lệ nhất định các cấu tử tạo thành Tỷ lệ này còn ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng chất tương hợp Sự hòa tan này còn phụ thuộc vào nhiệt độ của hỗn hợp; ở nhiệt độ cao và tỷ lệ các cấu tử bằng nhau thì có thể hòa tan được nhưng khi hạ nhiệt độ thấp hơn hay cao hơn thì chúng lại không tan lẫn

 Độ kết tinh: Độ kết tinh của polymer cũng ảnh hưởng đến khả năng tương hợp

tạo thành polymer blend Sự hình thành các vùng kết tinh của một polymer sẽ khiến cho polymer khác khó xâm nhập vào mạng lưới của polymer đó, do vùng kết tinh có cấu trúc sắp xếp trật tự chặt chẽ và do đó đẩy các thành phần vô định hình ra khỏi mạng lưới của nó Do đó làm giảm tính tương hợp của các polymer với nhau Nếu cả hai polymer trộn hợp đều có pha kết tinh thì rất khó

để trộn lẫn chúng lại với nhau để tạo thành một pha kết tinh duy nhất

1.4 Tính chất của hỗn hợp polyme

- Một hỗn hợp polyme tan lẫn có các tính chất trung gian các tính chất của polyme khi chưa trộn lẫn

- Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg:

+ Phụ thuộc vào tỉ lệ trộn hợp các polyme, về tổng thể là tuyến tính

+ Nếu khác nhau về năng lượng liên kết giữa 2 phân tử polyme  Không tuyến tính

PHẦN 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Mục đích

Mục đích của việc pha trộn nhựa và cao su là cải thiện các tính chất vật lý, nhiệt và cơ học cũng như sửa đổi các đặc tính xử lý và giảm chi phí của sản phẩm cuối cùng

2.2 Nguyên liệu

2.2.1 PVC (PolyvinylChloride)

PVC là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo thành từ phản ứng trùng hợp vinylchloride (CH2=CHCl)

- Tính chất hóa học :

 Công thức phân tử: (C2H3Cl)n

 Loại nhựa này khá trơ về mặt hóa học

 Có phản ứng tiêu biểu là phản ứng đề hidroclo hóa

- Tính chất vật lý :

 PVC có 2 dạng là bột màu vàng nhạt hoặc màu trắng

 Chúng tồn tại ở 2 dạng là huyền phù ( PVC Suspension ) có kích thước hạt lớn

và nhũ tương ( PVC Emulsion ) có độ mịn cao

 PVC nguyên chất không hề độc Khi sản xuất chúng người ta thêm vào các phụ gia kết hợp mới trở nên độc

 Chịu va đập kém nên trong sản xuất bổ sung thêm các chất như MBS hay ABS,

…

 PVC có tính cách điện rất tốt nên chúng được ứng dụng làm các vỏ bọc cách điện khi sản xuất cho thêm một số chất hoá dẻo để tăng tính mềm dẻo

- Ứng dụng:

 Vật liệu nhựa PVC được sử dụng trong vật liệu xây dựng: ống thoát nước, , van khóa, đai ốc, mái che, film cách nhiệt, la phông, Cuộn keo dán…

 Vật liệu xe ô tô: phụ tùng ô tô, vât liệu cách nhiệt ô tô, thảm da nhân tạo

 Thực phẩm: Sản xuất vật dụng đựng thức ăn dùng một lần, bao bì đóng gói

 Thiết bị điện gia dụng, vỏ tủ lạnh, vỏ bảo vệ điện, vỏ ghế nệm …

 Thiết bị y tế: ống kim tiêm, ống chuyền nước …

2.2.2 NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber)

Cao su nitrile, còn được gọi là Buna-N, Perbunan, hoặc NBR, là một chất đồng trùng hợp cao su tổng hợp của acrylonitrile (ACN) và butadien

Cấu trúc của NBR:

- Tính chất vật lý:

 Nhiệt độ hoạt động tối đa là 100°C và không có tính khoáng cháy

 Tính kháng kém với ánh nắng mặt trời, Ozon và thời tiết

- Tính chất hóa học:

 So với các vật liệu đàn hồi thì NBR có ưu điểm là tính kháng dầu và kháng mài mòn

 Chất liệu này thể hiện tính kháng dầu, nước và lưu chất thủy lực rất tốt

 Ngoài khả năng kháng dầu, dầu mỏ và hydrocarbon thơm NNó còn có khả năng chống dầu thực vật và nhiều loại axit

 Bên cạnh đó, nó cũng có tính kéo dãn tốt cũng như là khả năng đàn hồi đối với lực căng và cả lực nén

- Ứng dụng:

 Các thiết bị được nối với nhau thường không kín trong môi trường xăng dầu Vậy nên người ta thường sử dụng gioăng cao su chịu dầu nhằm để làm kín các

thiết bị kỹ thuật, các máy móc có chứa chất dầu đi qua Nhằm mục đích giúp cho dòng vật chất không bị thất thoát trong các thiết bị

 Nó chịu dầu được sử dụng chủ yếu ở những nơi có độ bền cao như trong các con dấu ô tô, các miếng đệm, những vật được tiếp xúc với dầu nóng Gioăng cao su chịu dầu cũng được sử dụng trong dệt Nơi ứng dụng vào vải dệt và vải không dệt cải thiện tính chống thấm

 Oring là vật liệu tiêu chuẩn cho khí nén và thủy lực Nó chống lại chất lỏng, chất béo và dầu động vật, thực vật Ngoài ra còn có chất chống cháy (HFA, HFC, HFB), dầu mỡ, nước và không khí

 NBR có thể chống được mài mòn rất tốt như là làm vỏ xe

 Nó được sử dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như đời sống hiện nay Thông thường các sản phẩm từ NBR sử dụng trong các nhà máy chống nước

Nó giúp chèn khe hở nhằm chống rỉ và chống thất thoát dòng vật chất bên trong

2.2.3 Ca Stearate

Calcium Stearate là loại muối hình thành khi carboxyl hóa calci Nó là một thành phần của một số chất bôi trơn, chất hoạt động bề mặt, cũng như nhiều thực phẩm Bề ngoài

có dạng bột sáp trắng

Calcium Stearate được sản xuất bằng cách nung nóng axit stearic và calci oxit:

2 C17H35COOH + CaO → (C17H35COO)2Ca + H2O

-Bề ngoài: bột từ trắng đến trắng hơi ngả vàng

- Khối lượng riêng: 1,08 g/cm³

- Điểm nóng chảy: 155 °C (428 K; 311 °F)

- Độ hòa tan trong nước: 0,004 g/100 mL (15 °C)

- Độ hòa tan: hòa tan trong pyridine nóng, hòa tan yếu trong dầu, không hòa tan trong alcohol, ete

2.2.4 Zn Stearate

Kẽm stearat là một hợp chất hóa học hữu cơ Kẽm stearat là dạng xà phòng của kẽm không ưa nước Nó không hòa tan trong các dung môi phân cực như rượu và ete nhưng hòa tan trong các hydrocarbon thơm như benzen và các hydrocarbon clo hóa khi bị đốt nóng Ứng dụng chính của nó là trong công nghiệp cao su và chất dẻo (plastic) được sử dụng như là tác nhân tẩy rửa và chất bôi trơn

- Công thức phân tử: Zn(C18H35O2)2

- Khối lượng mol: 632,3394 g/mol

- Bề ngoài: bột trắng, mềm

- Khối lượng riêng: 1,095 g/cm³, rắn

- Điểm nóng chảy: 120–130 °C

- Điểm sôi: phân hủy

- Độ hòa tan trong nước: không hòa tan

- Độ hòa tan trong benzen: hòa tan nhẹ

2.2.5 Sắt oxit

2.3 Thực hiện

2.3.1.Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị hỗn hợp PVC/NBR bao gồm các bước sau:

a) Phủ nhựa PVC bằng hệ chất ổn định để tạo thành nhựa PVC phủ trước

b) Trộn PVC đã phủ trước nói trên với NBR để tạo thành hỗn hợp NBR/PVC ổn định trước

c) Sử dụng nhiệt và áp suất để trộn đều hỗn hợp NBR/PVC đã ổn định trước thành hỗn hợp NBR/PVC trợ dung

2.3.2 Các thử nghiệm

Quá trình ổn định trước của PVC:

Các hạt PVC trước tiên được phủ một chất ổn định sao cho các hạt PVC về cơ bản được bao phủ bởi chất ổn định trước khi trộn và vận hành trợ dung Quá trình tiền ổn định được thực hiện trong Brabender Plasticoder (PLE-330) để tăng nhiệt độ của hỗn hợp hạt/chất ổn định PVC lên ít nhất khoảng 60oC nhưng không cao hơn 80oC Ở

80oC, PVC tiền ổn định được loại bỏ khỏi máy trộn

Pha trộn và làm chảy PVC/NBR:

Cao su NBR, ở dạng đã nghiền, được trộn với PVC đã ổn định trước trong máy trộn brabender với nhiệt độ 350 - 450oF

Máy trộn đã được làm nóng đến 175 độ trước khi vận hành chất trợ dung

NBR/PVC Hỗn hợp NBR và PVC đã ổn định trước theo các tỷ lệ khác nhau được đưa vào máy trộn brabender với tốc độ vận hành đặt trước là 50 vòng/phút, trong quá trình

xử lý, tốc độ được tăng lên 60 vòng/phút Khi NBR/PVC được nạp hoàn toàn, tốc độ hỗn hợp được tăng lên 80 vòng/phút trong 1 phút và sau đó lại giảm xuống 60

vòng/phút cho đến khi đạt được nhiệt độ 188 độ Ở 188 độ, tốc độ trộn lại giảm xuống

50 vòng / phút và mẫu được rút ra Tổng thời gian trộn khoảng 5 phút

Hỗn hợp NBR/PVC được đúc nén trong máy ép thủy lực gia nhiệt bằng điện ở nhiệt

độ 210-220oC và áp suất 10 MPa để chuẩn bị các tấm thử nghiệm hình tròn Các lá nhôm được sử dụng để giảm các vết co ngót trên bề mặt khuôn Sau 10 phút đúc, các mẫu được làm lạnh dưới áp suất Điều này đảm bảo sự ổn định kích thước tổng thể

của các tấm Bảng 1 cho thấy các thành phần khác nhau của hỗn hợp NBR/PVC với

nồng độ chất ổn định không đổi

Bảng 1: Thành phần pha trộn PVC/NBR

Ca Stearate (g) 1.5 1.5 1.5 1.5

Nhiệt độ làm mềm và phân hủy:

Nhiệt độ làm mềm và phân hủy được đo bằng thiết bị Melting Point

Kiểm tra cơ học

- Kiểm tra tác động:

Cường độ tác động được xác định với sự trợ giúp của Máy kiểm tra tác động hình ống Các thử nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 2794 Trọng lượng của

mũi thử là 1,8 kg Độ dày của các mẫu nằm trong khoảng 0,4-0,8 mm.

- Kiểm tra độ cứng:

Độ cứng của máy đo độ cứng (ASTM D 2240) là một phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn công nghiệp đối với vật liệu cao su, bao gồm hai loại máy đo độ cứng A và D Máy đo độ cứng là thiết bị đo độ cứng; và thuật ngữ độ cứng máy đo độ cứng thường được sử dụng với các giá trị độ cứng Shore Độ dày của các mẫu nằm trong khoảng 0,4-0,8 mm

- Chỉ số trương nở:

Để xác định tỷ lệ trương nở của hỗn hợp, các mẫu thử có kích thước 2 mm×5

mm×30 mm được cân theo tiêu chuẩn ASTM D 1817 và đây được coi là trọng lượng ban đầu Các mẫu thử được ngâm trong toluen ở nhiệt độ phòng trong 46 giờ Sau khi loại bỏ toluen, chúng được lau bằng giấy lụa để loại bỏ toluen thừa trên bề mặt và cân(trọng lượng trương nở) Chỉ số trương nở của hỗn hợp được tính toán như sau: Chỉ số trương nở = Trọng lượng trương nở / Trọng lượng ban đầu

2.4 Kết quả

2.4.1 Nhiệt độ hóa mềm và phân hủy

Bảng 2: Nhiệt độ hóa mềm và phân hủy

Nhiệt độ hóa mềm 160-180 180-200 196-206 170-183

Nhiệt độ phân hủy 220-225 240-250 210-215 230-240

PVC dẻo có thể tồn tại trong thời gian dài hơn ở nhiệt độ 110oF hoặc 43oC mà không

bị phân hủy nhưng nhiệt độ phân hủy này đã tăng lên tới 250oC bằng cách sử dụng các chất ổn định nhiệt, ví dụ như canxi stearate, kẽm stearate, oxit sắt

2.4.2 Kiểm tra độ cứng

Khi nồng độ PVC trong hỗn hợp tăng lên thì Shore D tăng do độ cứng tăng và Shore

A giảm do độ đàn hồi giảm Trong mẫu, nếu nồng độ PVC lớn hơn NBR thì Shore D

sẽ lớn hơn Shore A Do đó, khi nồng độ NBR trong hỗn hợp tăng lên, tấm trở nên dẻo

hơn và có Shore A lớn hơn Shore D Bảng 3 cho thấy các giá trị khác nhau của độ

cứng Shore A, Shore D cho các thành phần pha trộn khác nhau

Bảng 3: Giá trị độ cứng Shore A, Shore D

Shore A 41.6 35.3 28.55 21.3