Cấu trúc và tính chất ống các bon nano

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘIKHOA HểA HỌCKHểA LUẬN TỐT NGHIỆPCHUYấN NGÀNH: HểA HỮU CƠ Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Vũ Giang Sinh Viờn thực hiện: Tạ Thanh Tỡnh Khúa: K54 – Sư Phạm Húa. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các điều kiện gia công đến mức độ phân tán sợi cacbon nano trong nền LLDPE.Tìm ra tỷ lệ thích hợp để chế tạo vật liệu polyme compozit có tính chất cơ lý tốt hơn so với LLDPE ban đầu.Khảo sát các tính chất cơ lý, nhiệt, điện, hình thái cấu trúc và khả năng lão hoá nhiệt của compozit.MỤC TIấU ĐỀ TÀIGIỚI THIỆU CHUNGỐng cacbon nano đơn vỏch+ Chỉ gồm 1 lớp đơn nguyờn tử.+ Đường kớnh xấp xỉ 1 – 5 nm+ Cú cơ tớnh hoàn hảo.Ống cacbon nano đa vỏch. + Gồm nhiều ống đơn vỏch+ Đường kớnh trong: 1,5 – 15 nm.+ Đường kớnh ngoài: 5 – 80 nm.+ Cú nhiều hiệu ứng về cấu trỳc.Hỡnh 1. Cấu trỳc của ống cacbon nano đơn vỏch và đa vỏchOCDV SCNTs Cấu trỳc và tớnh chất ống cỏc bon nano Ống cacbon gồm 2 loại: ống đơn vỏch và ống đa vỏch. So sánh tính chất của SCNDV với một số loại vật liệu gia cườngTính chấtCNTsVật liệu so sánhGiá trịModul đàn hồi~1~1,8 TPaSợi cacbon P-120840 GPaSợi nhôm borat392 GPađộ bền kéo đứt (GPa)~ 150Sợi cacbon IM7 5,5Sợi nhôm borat 7,84điện trở (Ω)10-4; 10-6 (metallic)đồng1,7x10-6độ dẫn nhiệt (W/mK)~ 1200~1300Kim cương700~2000Phương phỏp chế tạo ống cacbon nano Phúng điện hồ quang. Lắng đọng dựng xung laze.Lắng đọng hoỏ học pha hơi. (CVD) từ hyđrocacbon. Tổng hợp từ ngọn lửa. Áp suất cao và phương phỏp cơ nhiệt. Hợp chất tỏc nhõn kộp silan cú cụng thức tổng quỏt là: XSi(OR)3 * R là ký hiệu đặc trưng cho nhúm cú khả năng thuỷ phõn (như nhúm methyl, ethyl) và cú khả năng tương tỏc với chất gia cường vụ cơ. * X là ký hiệu nhúm chức hữu cơ khụng thuỷ phõn (như nhúm glycidoxyl, amino, methacrilat hoặc vinyl) và cú khả năng tương tỏc với polyme.Mô hình tác nhân kép của silan biến tính bề mặt chất gia cường Bề mặt biến tính nâng cao sự kết dínhNhóm chức hữu cơ phản ứngHình 6. Mô hình tác nhân kép của silan biến tính bề mặt chất gia cường vô cơ. Nhóm silanol hình thành sau phản ứng thủy phân có thể phản ứng với nhóm hydroxyl trên bề mặt chất gia cường vô cơ để hình thành liên kết siloxan nhờ phản ứng ngưng tụ.Mô hình tác nhân kép của silan biến tính bề mặt chất gia cường Vật liệuỐng cacbon nano đa vỏch (OCDV) được cung cấp bởi cụng ty Polyplus, Hàn Quốc đường kớnh 40-80 nm, chiều dài 1-5m,diện tớch bề mặt xấp xỉ 106 m2/g.Polyetylen tỷ trọng thấp mạch thẳng (LLDPE), MFI: 0,25 g/10 phỳt ở nhiệt độ 1900C và tải trọng 2,5 kg ,tỷ trọng 0,945 g/cm3, Chemical, Hàn Quốc.3-glycidoxypropyl- trimethoxysilane, 98%, Mỹ.Bột than đen (BTD), Cabot, Nhật Bản.Axit nitric (68%), axit acetic (99,5%) và etanol (95%) Trung Quốc.THỰC NGHIỆMOCDV được oxy hoá nhiệt ở 300 oC trong không khí, thời gian 1 giờ. Sau đó tiếp tục oxy hoá trong axit nitric đậm đặc trong 2 giờ. Rửa, xấy khô.Thuỷ phân silan trong ethanol 95%, dùng axit acetic để điều chỉnh độ pH, trong 2 giờ. OCDV được bổ sung vào dung dịch, khuấy đều trong 2 giờ, Rửa sạch, xấy khô thu được OCDV biến tính (OCDVB). Biến tớnh OCDVLLDPE, OCDVB được phối trộn, xấy khô trước khi trộn nóng chảy.Hạt nhựa LLDPE, OCDVB trộn núng chảy trờn mỏy trộn kớn Haake ở 130oC trong 3 phỳt đầu và 170oC trong 5 phỳt sau. Tiếp theo hỗn hợp được ộp định hỡnh tạo mẫu trờn mỏy ộp núng Toyoseky (Nhật Bản) ở nhiệt độ 170oC trong 2 phỳt, ỏp suất ộp 5 MPa, sau đú làm nguội xuống nhiệt độ phũng trong khụng khớ. Mẫu sau khi chế tạo được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ phũng ớt nhất 24 giờ trước khi xỏc định cỏc tớnh chất. Chế tạo compozit LLDPE/OCDVBThiết bị lưu biến trạng thái nóng chay Haake (CHLB đức).Tính chất cơ học trên máy Zwick 2.5 (CHLB đức), theo tiêu chuẩn DIN 53503; mỏy kộo đứt WPM của Đức ở nhiệt độ phũng với tốc độ kộo 100mm/phỳt, theo tiờu chuẩn ASTM D638. Phân tích nhiệt (TGA, Shimadzu TGA-50H, Nhật Bản) tốc độ đốt nóng 10 0C/phút trong môi trường nitơ từ nhiệt độ phòng tới 700 0C.Tính chất điện: TR-10C (Ando, Nhật), theo tiêu chuẩn ASTM D-150 tần số 30 kHz; TR 8401 (Takeda, Japan) ở điện áp một chiều 100V.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, Jeol-JEM 1010, Nhat Ban). Kính hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM, S-4500, Hitachi, Nhật Bản).Phổ Raman micro-Raman LabRam hãng Jobin Yvon. Phương phỏp phõn tớchI-/ Xử lý bề mặt OCDV (a) (b)Ảnh FESEM mẫu OCDV trước khi xử lý bề mặt (a) và ảnh FESEM của mẫu OCDV sau khi xử lý bề mặtTrờn hỡnh dễ dàng quan sỏt thấy lớp màng phủ bề mặt của OCDV sau khi được biến tớnh bằng silan (ký hiệu OCDVB) [hỡnh b]. Lớp màng được hỡnh thành nhờ phản ứng ngưng đặc trưng của dung dịch thuỷ phõn silan tạo cỏc liờn kết hoỏ trị hoặc liờn kết hiđro lờn bề mặt OCDV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNI-/ Xử lý bề mặt OCDV (a) (b) Ảnh TEM mẫu OCDV trước (a) và sau (b) khi xử lý bề mặtQuan sỏt ảnh TEM cỏc mẫu OCDV trước và sau khi biến tớnh cho thấy: OCDVB cú hiện tượng kết dớnh lại với nhau tạo thành những đỏm sợi, đường kớnh trung bỡnh của sợi tăng từ 60 nm (OCDV ban đầu) lờn khoảng 70 nm (OCDVB). Sau khi biến tớnh bề mặt bằng silan, G- pic trượt tới vựng cú bước súng lớn hơn(1578 cm-1 ). OCDVB, tỷ lệ cường độ của cỏc pic đặc trưng D – pic/G – pic nhỏ hơn OCDV ban đầu I-/ Xử lý bề mặt OCDVPhổ Raman mẫu OCDV trước và sau khi biến tớnh bề mặt II-/ Nghiờn cứu tớnh lưu biến trạng thỏi núng chảy Momen xoắn của compozit và nhựa LLDPEMomen xoắn của cỏc compozit và LLDPE đều cú xu hướng giảm dần đến giỏ trị cõn bằng. OCDV cú giỏ trị momen xoắn cao hơn (15 Nm ở phỳt thứ 6) so với compozit sử dụng OCDVB và nhựa LLDPE (12 Nm ở phỳt thứ 6). II-/ Nghiờn cứu tớnh lưu biến trạng thỏi núng chảy Momen xoắn cõn bằng của compozit LLDPE/OCDVB ở cỏc hàm lượng OCDVB khỏc nhau.Khi tăng hàm lượng OCDVB, cỏc compozit cú momen xoắn cõn bằng tăng dần và cao hơn nhựa LLDPE. Việc gia cụng cỏc mẫu compozit phức tạp hơn nhựa LLDPE.III-/ Độ bền kộo đứt của cỏc compozit và nhựa LLDPE Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc BTD đến độ bền kộo đứt của compozit.LLDPE/OCDVB ở cỏc hàm lượng khỏc nhau cú giỏ trị tương đối ổn định. Độ bền kộo đứt cao hơn so với nhựa LLDPE, BTD và compozit sử dụng OCDV.IV-/ Modul đàn hồi của LLDPE/OCDVB COMPOZIT Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc BTD đến modul đàn hồi của compozit.Compozit LLDPE/OCDVB cú giỏ trị modul cao hơn compozit dựng OCDV, BTD và nhựa LLDPE. Sử dụng OCDVB làm tăng độ cứng của vật liệu. Compozit LLDPE/BTD, khi tăng hàm lượng BTD, modul đàn hồi của compozit giảm. V-/ Độ dón dài của cỏc compozit và nhựa LLDPE Đồ thị độ dón dài theo hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc BTD.Độ dón dài của cỏc compozit cú xu hướng giảm khi tăng hàm lượng chất gia cường. Compozit LLDPE/OCDVB cú độ dón dài lớn hơn compozit sử dụng OCDV.VI-/ Khảo sỏt sự suy giảm oxi hoa nhiệt của compozit LLDPE/OCDVB bằng phương phỏp đo tớnh chất cơ.Độ bền kộo đứt của compozit trước và sau khi oxi hoỏ nhiệtĐộ bền kộo đứt của compozit LLDPE/OCDVB giảm nhiều so với mẫu LLDPE/OCDVB ban đầu và giảm nhanh hơn so với nhựa LLDPE.VII-/ Tớnh chất điện của compozit LLDPE/OCDVB Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV, OCDVB đến điện trở suất của compozit.Điờn trở khối của cỏc mẫu compozit giảm dần khi tăng hàm lượng chất gia cường. Khi tăng hàm lượng OCDV và OCDVB lờn thỡ hằng số điện mụi tăng. Như vậy, vật liệu compozit mới tạo ra co tớnh chất khỏc biệt so với nhựa ban đầu. OCDVB phõn tỏn tốt trong nền polyme.OCDVB phõn tỏn tốt hơn so với OCDV.VII-/ Tớnh chất điện của compozit LLDPE/OCDVBBảng 3. Tớnh chất điện của cỏc mẫu compozit LLDPE/OCDV và LLDPE/OCDVB:Hàm lượng OCDVĐiện trở suất khối(Ω.cm)Hằng số điện mụiεTổn hao điện mụiTgδ0%silan2%silan0%silan2%silan0%Silan2%silan0%0,5x10150,5x10152,062,060,0010,0010,5%2,1x10145,18x10132,082,130,0020,0031%0,96x10144,56 x10132,112,180,0020,0031,5%0,9 x10143,89 x10132,132,190,0020,0032%0,89 x10141,05 x10132,192,200,0020,0032,5%0,87 x10141,01 x10132,202,210,0020,0033%0,81 x10140,5 x10132,222,250,0030,003Bảng. Tớnh chất điện của cỏc mẫu compozit LLDPE/OCDV và LLDPE/OCDVB.1-/Phương phỏp nhiệt quột vi sai (DSC)VIII-/ Nghiờn cứu phõn tớch nhiệt cỏc mẫu compozit LLDPE/OCDVBBảng 4: Nhiệt độ kết tinh: Tc, nhiệt độ núng chảy: Tm.Mẫu vật liệuTc (0C)Tm (0C)LLDPE1071310,5% OCDVB1111321% OCDVB1151321,5 % OCDVB1121332% OCDVB1171352,5 % OCDVB1101313 % OCDVB111130Từ bảng trờn ta thấy khi tăng hàm lượng OCDVB trong compozit LLDPE/OCDVB thỡ nhiệt độ núng chảy, nhiệt độ kết tinh của cỏc mẫu tăng dần và lớn hơn nhựa LLDPE. Điều đú chứng tỏ OCDVB phõn tỏn khỏ tốt trong nền polyme và cú những ảnh hưởng đến quỏ trỡnh kết tinh của compozit Bảng: Nhiệt độ kết tinh: Tc, nhiệt độ núng chảy: Tm.Đường cong kết tinh khụng đẳng nhiệt của compozit và LLDPEVIII-/ Nghiờn cứu phõn tớch nhiệt cỏc mẫu compozit LLDPE/OCDVBĐường cong kết tinh khụng đẳng nhiệt, cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng OCDVB đến nhiệt độ kết tinh. Cỏc compozit LLDPE/OCDVB hàm lượng 2% OCDVB cú nhiệt độ kết tinh cao hơn compozit ở hàm lượng 1% OCDVB. Compozit hàm lượng 1%, 2% OCDVB cú nhiệt độ kết tinh cao hơn compozit LLDPE/OCDV ở cựng tỷ lệ.VIII-/ Nghiờn cứu phõn tớch nhiệt cỏc mẫu compozit LLDPE/OCDVB2-/ Phương phỏp phõn tớch nhiệt TGAĐường cong TGA của nhựa LLDPE và cỏc mẫu compozit Khi tăng nhiệt độ với tốc độ 100/phỳt, quỏ trỡnh phõn huỷ nhiệt của cỏc mẫu bắt đầu ở nhiệt độ khụng đồng đều và dao động trong khoảng 370-4550C. Compozit sử dụng OCDVB bền nhiệt hơn so với compozit sử dụng OCDV và LLDPE.IX-/ Nghiờn cứu hỡnh thỏi cấu trỳc vật liệu compozit LLDPE/OCDVB bằng phương phỏp FESEMẢnh FESEM bề mặt phỏ huỷ mẫu compozit LLDPE/OCDVB (98,5/1,5%)Ảnh FESEM bề mặt phỏ huỷ mẫu compozit LLDPE/OCDV (98,5/1,5%)OCDVBNền PEIX-/ Nghiờn cứu hỡnh thỏi cấu trỳc vật liệu compozit LLDPE/OCDVB bằng phương phỏp FESEM Tuy nhiờn, khi tăng hàm lượng OCDVB lờn quỏ cao (3%), OCDVB khú phõn tỏn đều trong nền polyme và tạo cỏc bỳi lớn trong cấu trỳc của compozit. Tại những vị trớ này, cỏc vết nứt sẽ xuất hiện và phỏt triển nhanh khi cú tỏc động của ngoại lực. Điều này giải thớch sự suy giảm tớnh chất của compozit như đó trỡnh bày trong phần nghiờn cứu tớnh chất cơ học. Ảnh FESEM bề mặt phỏ huỷ mẫu comozit LLDPE/OCDVB(97/3%)CHƯƠNG IV: KẾT LUẬNỐng cacbon nano đa vỏch được biến tớnh bằng dung dịch silan 2% khối lượng. Kết quả nghiờn cứu ảnh FESEM chứng tỏ rằng cỏc nhúm chức của silan đó gắn vào cỏc ống C.Điện trở suất khối của compozit LLDPE/OCDVB giảm 100 lần so với nhựa LLDPE (từ 0,5.1015 xuống cũn 0,5.1013). Cỏc thụng số điện khỏc như tổn hao điện mụi và hằng số điện mụi đều tăng so với LLDPE nguyờn chất.OCDVB với vai trũ chất gia cường trong compozit làm tăng đỏng kể cỏc tớnh chất cơ học của vật liệu. Độ bền kộo đứt đạt giỏ trị lớn nhất 20,4 MPa khi hàm lượng OCDVB 1,5%, tăng 27,34% so với LLDPE. Modul đàn hồi đạt 186,09 MPa đối với compozit LLDPE/OCDVB cú hàm lượng chất gia cường là 2% và tăng 10% so với compozit LLDPE/OCDV. Độ dón dài đạt giỏ trị lớn nhất 900% ở hàm lượng OCDVB là 2%, tăng 9,7% so với nhựa LLDPE.OCDVB đó làm tăng độ bền nhiệt của compozit thể hiện ở giỏ trị nhiệt độ phõn huỷ, tăng từ 370oC (LLDPE ban đầu) lờn 455oC (compozit LLDPE/OCDVB 1,5%). Nghiờn cứu quỏ trỡnh oxy hoỏ nhiệt cho thấy cỏc compozit cú mức độ suy giảm tớnh chất cơ học lớn hơn nhựa LLDPE ban đầu. Tuy nhiờn, sự thay đổi đú khụng nhiều.Sử dụng cỏc phương phỏp FESEM cho thấy khả năng phõn tỏn của OCDVB trong nền nhựa LLDPE tốt hơn OCDV. Đặc biệt ở hàm lượng 1,5% OCDVB đưa vào polyme được cho là tối ưu nhất. Cảm ơn sự theo dõi của quí thầy cô và các bạn Hỡnh 7. Sự phản ứng và liờn kết cỏc nhúm siloxanHỡnh 8. Alkoxysilan thủy phõn và ngưng tụHỡnh 9. Việc gắn kết siloxan và polymer thụng qua khuếch tỏn