Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 26 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
26
Dung lượng
1,28 MB
Nội dung
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
1
Nghiên cứuchếtạovàkhảosátkhảnăng
hấp thụsóngđiệntừcủavậtliệupolyme
dẫn PPy/clay nanocompozit
Ngô Cao Long
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học
Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí; Mã số: 604431
Ngƣời hƣớng dẫn: GS., TS. Nguyễn Đức Nghĩa
Năm bảo vệ: 2011
Abstract. Tổng quan về công nghệ nano; plyme dẫnclay nanocompozit. Trình bày
phƣơng pháp thực nghiệm: chếtạovậtliệu polypyrol clay nanocompozit; chếtạo
mẫu lớp phủ màng acrylic; phƣơng pháp nghiêncứu (phƣơng pháp phổ hồng ngaoij
FT-IR, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử, phƣơng pháp phân tích
nhiệt khối lƣợng, phƣơng pháp đo độ dẫn 4 mũi dò). Đƣa ra kết quả và thảo luận:
nghiên cứu tính chất của bentonit tinh thể; nghiêncứu tính chất của polypyrol clay
nanocompozit; khảosát tính chất màng acrylic PPy/clay nanocompozit.
Keywords. Hóa lý; Sóngđiện từ; VậtliệuPolyme
Content.
MỞ ĐẦU
Từ khi đƣợc phát minh đến nay, polymedẫn đã thu hút đƣợc sự quan
tâm nghiêncứucủa các nhà khoa học, mở ra một cuộc cách mạng mới trong
lĩnh vực vật liệu. Các loại vậtliệupolymedẫn nhƣ polypyrol, polyanilin,
polyphenylen, polythiophen là những polyme có cấu trúc đôi liên hợp đã
đƣợc nghiêncứu nhiều hơn cả. Vậtliệupolymedẫn đã đƣợc ứng dụng thành
công trong nhiều lĩnh vực nhƣ công nghệ điệntử tin học chếtạo các điôt phát
quang làm các màn hình màu siêu mỏng, ứng dụng polymedẫn làm vậtliệu
chống ăn mòn kim loại, làm vậtliệu thông minh chếtạo các cảm biến (sensơ)
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
2
hay chếtạovậtliệuhấpthụsóngđiệntừ Nhƣng nhƣợc điểm củavậtliệu
polyme dẫn là rất khó tan trong các dung môi hữu cơ và không nóng chảy đã
gây khó khăn cho quá trình gia công vật liệu.
Khoa học vậtliệu đã phát triển vƣợt bậc kể từ những phát minh về hệ
thống vậtliệu nanocompozit. Hệ nano là hệ gồm các hạt cực nhỏ có kích
thƣớc trong khoảng từ 0,1 - 100 nm, các đặc tính của nó khác với nguyên tử
nhƣng vẫn liên quan đến nguyên tử. Nanocompozit là lớp vậtliệu đặc biệt
xuất phát từ sự cấu thành phù hợp của hai hoặc nhiều loại vậtliệu kích thƣớc
nano. Vậtliệupolymedẫnclaynanocompozit đƣợc tạo thành từ quá trình
trùng hợp cation xen giữa hai lớp montmorillonit trong khoáng sét và các
monome nhƣ anilin, pyrol Vậtliệu mới này có triển vọng ứng dụng lớn
trong nhiều ngành khoa học và công nghệ kỹ thuật cao.
Đề tài: “Nghiên cứuchếtạovàkhảosátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ
của vậtliệupolymedẫn polypyrol clay nanocompozit” tập trung nghiêncứu
công nghệ chếtạovậtliệupolyme dẫn, polymedẫnclay nanocompozit,
nghiên cứu tính chất điện, tính chất nhiệt, nghiêncứu cấu trúc, nghiêncứu
khả nănghấpthụsóngđiệntừcủavậtliệu này.
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
3
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Hóa học và công nghệ nano
1.2. Polymedẫnclaynanocompozit
1.2.1. Polymedẫn thuần
1.2.2. Một số loại polymedẫn thuần tiêu biểu
1.2.2.1. Polyanilin
1.2.2.2. Polypyrol
1.2.2.3. Một số polymedẫn tiêu biểu khác
1.2.2.4. Polymedẫnđiện cấu trúc nano
1.2.3. Nano clay hữu cơ
1.2.3.1. Khoáng sét bentonit
1.2.3.2. Biến tính hữu cơ hoá khoáng sét.
1.2.3.3. Công nghệ chếtạovậtliệunanocompozittừ khoáng sét vàpolyme
1.2.2.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng nanocompozit
1.2.3. Vậtliệuhấpthụsóngđiệntừ
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng vậtliệuhấpthụsóngđiệntừ trong kỹ
thuật tàng hình
1.2.3.2. Nguyên lý hấpthụsóngđiệntừ
1.2.4. Polypyrol claynanocompozit
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
4
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1. Chếtạovậtliệu polypyrol claynanocompozit
2.1.1. Nguyên liệu
- Metanol, Xilong, Trung Quốc.
2.1.2. Dụng cụ phản ứng
2.1.3. Thao tác
2.2. Chếtạo mẫu lớp phủ màng acrylic
2.3. Các phƣơng pháp nghiêncứu
2.3.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại FT-IR
2.3.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
2.3.3. Kính hiển vi điệntử
2.3.3.1. Kính hiển vi điệntử quét phân giải cao (FE-SEM)
2.3.3.2. Kính hiển vi điệntử truyền qua (TEM)
2.3.3.3. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
2.3.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt khối lƣợng (Thermal Gravimetric
Analysis-TGA)
2.3.5. Phƣơng pháp đo độ dẫn 4 mũi dò
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
5
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiêncứu tính chất của bentonit tinh chế
3.1.1. Xác định kích thước hạt của Bentonit
Kết quả xác định kích thƣớc hạt phân tích trên thiết bị phân tích bằng
laze Horiba partica LA-950 (Viện kỹ thuật Hóa Sinh và Tài liệu nghiệp vụ,
Bộ Công an) cho thấy kích thƣớc hạt tập trung trong vùng 1- 5m và có xác
suất cao nhất tại vùng 2m (chiếm trên 90%).
3.1.2. Thành phần hoá học của Bentonit tinh chế
Bảng 3.1. Thành phần hoá học của Bentonit tinh chế
Thành phần
Hàm lượng (%)
SiO
2
50,20
Al
2
O
3
14,80
Fe
2
O
3
2,53
FeO
0,21
(Ca, Mg)O
2,12
(K, Na)O
4,05
Thành phần khác
7,62
Mất khi nung
15,67
3.1.3. Diện tích bề mặt của bentonit
Diện tích bề mặt của Bentonit đƣợc xác định từ đƣờng đẳng nhiệt hấp
phụ của nitơ tại -196
o
C. Số liệuhấp phụ đƣợc xử lý theo phƣơng pháp BET
tại khoa Hóa lý, trƣờng đại học Sƣ phạm Hà Nội. Diện tích bề mặt xác định
đƣợc là 61,8m
2
/g.
3.1.4. Độ trương nở của Bentonit
Kết quả kiểm nghiệm độ trƣơng nở của bentonit Tuy Phong - Bình
Thuận đã tinh chế bằng thí nghiệm đƣa 1cm
3
bentonit vào trong ống thí
nghiệm. Độ trƣơng của khoáng sét trong nƣớc lên đến trên 6 lần.
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
6
3.2. Nghiêncứu tính chất của polypyrol claynanocompozit
3.2.1. Tính chất điện
Xác định độ dẫncủa các mẫu vậtliệu polypyrol claynanocompozit
theo tỷ lệ clay/polypyrol = 0%, 3%, 5%, 7 % và 10%. Mẫu đo độ dẫn đƣợc ép
mỏng ở áp suất 100 kg/cm
2
. Kết quả đo độ dẫncủavậtliệu polypyrol clay
nanocompozit đƣợc trình bày tại bảng 3.2.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Độ dẫnđiện (S/cm)
Hàm lượng clay trong nanocompozit (%)
Hình 3.2. Hàm lượng clayvà độ dẫncủa PPy/clay nanocompozit
Ta thấy polypyrol claynanocompozit có độ dẫn thấp hơn độ dẫncủa
polypyrol ban đầu. Độ dẫn này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa clayvà polypyrol.
Hàm lƣợng clay càng cao thì độ dẫn càng giảm, do clay không dẫn điện. Hàm
lƣợng clay ≤ 5% độ dẫn giảm nhẹ, giảm nhiều khi hàm lƣợng >5%.
3.2.2. Tính chất nhiệt
Tính chất nhiệt của polypyrol claynanocompozit đƣợc xác định bằng
phƣơng pháp phân tích nhiệt DTA và TGA trên máy Shimadzu TGA- 504 của
Viện Hoá học, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
7
Hình 3.3. Giản đồ TGA củaclay Thuận Hải đã tinh chế
Giản đồ TGA củaclay Thuận Hải tinh chế trình bày tại hình 3.3 cho
thấy ở khoảng nhiệt độ 60
o
C đến 178
o
C xảy ra quá trình tách nƣớc hấpthụvật
lý trong mẫu (11,6%). Tiếp theo là quá trình mất nƣớc trong cấu trúc tinh thể
ở nhiệt độ 500
o
C.
Hình 3.4. Giản đồ phân tích nhiệt TGA củaPPy (a) và
PPy/clay nanocompozit (b)
Giản đồ TGA của polypyrol ở hình 3.4a cho thấy ở nhiệt độ 320
o
C
polypyrol đã phân huỷ và đến 422,8
o
C phân huỷ đã vƣợt trên 50% vàPPy
phân huỷ hoàn toàn ở nhiệt độ 500
o
C.
(a)
(b)
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
8
Giản đồ TGA của PPy/clay nanocompozit ở hình 3.4b cho thấy sự phân
huỷ nƣớc trong mạng tinh thể (hấp thụvật lý ở 100
o
C) là 2% tiếp sau đó hỗn
hợp nanocompozit bền vững đến tận nhiệt độ 451,44
o
C thì phản ứng phân huỷ
polypyrol mới xảy ra.
3.2.3. Nghiêncứu nhiễu xạ tia X
Kết quả nghiêncứu nhiễu xạ Rơnghen cho thấy sự thay đổi khoảng
cách giữa các lớp MMT. Trên giản đồ Rơnghen của bentonit Bình Thuận khi
chƣa hữu cơ hoá thì khoảng cách của các lớp MMT tại pic d
(001)
với góc quay
2 = 6
o
là khoảng 12,25 A
o
.
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X củaclay tinh chế (a), polypyrol (b)
Trên hình 3.5 không thấy có pic tinh thể củaclay tại góc 2 = 6
o
.
Polypyrol là polyme, không có cấu trúc tinh thể dạng lớp nên giản đồ nhiễu
(a)
(b)
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
9
xạ tia X không có pic đặc trƣng. Điều này cho thấy, polypyrol không gây
nhiễu pic của tinh thể MMT khi đo nhiễu xạ tia X của polypyrol nanoclay
compozit.
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của polypyrol claynanocompozit
Hình 3.6 là giản đồ nhiễu xạ tia X của polypyrol clay nanocompozit.
Khoảng cách hai lớp tinh thể này trong trƣờng hợp polypyrol clay nano
compozit là 14,65 A
o
tại góc quay 2 = 6
o
, hàm lƣợng clay thấp nên pic khó
quan sát.
Kết quả nhiễu xạ Rơnghen chứng tỏ đã có sự xâm nhập của polypyrol
giữa hai lớp montmorillonit và đẩy xa khoảng cách hai lớp montmorillonit từ
12,25 A
o
lên đến 14,65 A
o
.
3.2.4. Nghiêncứu quang phổ hồng ngoại FT-IR
Tiến hành chụp phổ hồng ngoại mẫu clay, mẫu PPyvà PPy/clay
nanocompozit trên máy FT-IR của Viện Hoá học. Mẫu đƣợc nghiền nhỏ, sấy
khô trong chân không 24 giờ và đƣợc nghiền với KBr tinh khiết 5mg/1gKBr.
Ép viên dƣới lực 50 kg/cm
2
. Kết quả cho thấy nhƣ sau:
Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long
10
Hình 3.7. Phổ hồng ngoại củaclay tinh chế
Phổ hồng ngoại củaclay tinh chế trình bày tại hình 3.7 cho thấy xuất
hiện vùng phổ 3447 - 3627 cm
-1
đặc trƣng cho dao động hoá trị của nhóm -
OH trong mạng tinh thể liên kết với các cation Al
3+
với Mg
2+
, Fe
2+
trong
nhóm bát diện. Cực đại phổ chuyển dịch về phía tần số cao hoặc thấp tuỳ
thuộc vào hàm lƣợng cation Mg
2+
hoặc Fe
2+
thay thế ion Al
3+
ở tâm bát diện.
Dao động biến dạng của nhóm -OH cũng đƣợc thấy ở vùng 550 - 560 cm
-1
và
cũng phụ thuộc vào hàm lƣợng Mg
2+
thay thế ion Al
3+
trong tâm bát diện. Nếu
hàm lƣợng Mg
2+
lớn thì phổ dịch chuyển về phía tần số cao, còn hàm lƣợng
Mg
2+
nhỏ thì phổ dịch chuyển về phía tần số thấp 520 cm
-1
. Phổ lớn nhất trong
mẫu bentonit biểu diễn dao động hoá trị của liên kết Si-O trong tứdiện ở
khoảng 900 - 1200 cm
-1
với cực đại của phổ nằm ở 1035 cm
-1
.
Phổ hồng ngoại củacủa polypyrol trình bày tại hình 3.8 cho thấy các
đỉnh tại 1533 cm
-1
(C=C), 1456 cm
-1
, 1423 cm
-1
đặc trƣng cho dao động biến
dạng của vòng pyrol, đỉnh tại 844 cm
-1
đặc trƣng cho dao động hóa trị liên kết
C-H, đỉnh 1144 cm
-1
và 1320 cm
-1
là dao động của nhóm C-H trong mặt
phẳng và đỉnh 1066 cm
-1
là dao động của nhóm C-H của pyrol thế ở vị trí 2, 5.
[...]... PPy/ 5% claynanocompozit trình bày tại hình 3.14 cho thấy bề mặt của mẫu có sự phân bố đều của các hạt nanocompozit, bề mặt của màng gồ ghề, diện tích bề mặt lớn Hình 3.14 Ảnh AFM của mẫu màng acrylic trộn PPy/ 5% claynanocompozit 3.3.4 Khảo sátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ của vậtliệu polypyrol claynanocompozit 3.3.4.1 Khảo sátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ vào hàm lượng clay Tiến hành chếtạo các... DTA Kết quả cho thấy vậtliệu PPy/ claynanocompozit có nhiệt độ phân huỷ ở 451,4oC, cao hơn polypyrol (422,8oC) Nghiêncứu hình thái học củavậtliệu bằng ảnh SEM, TEM, AFM đã chứng minh đƣợc sự hình thành cấu trúc nano củavậtliệuchếtạo 5 Khảo sátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ của vậtliệu polypyrol clay nano compozit cho thấy ở hàm lƣợng 5% clay cho khảnănghấpthụsóngđiệntừ tốt nhất, độ dày... Hình 3.24 Sự phụ thuộc cường độ sóng bị hấpthụ vào độ dầy lớp phủ Kết quả khảosát sự phụ thuộc cƣờng độ sóngđiệntừ bị hấpthụ vào độ dầy lớp phủ trình bày tại bảng 3.6 và hình 3.24 cho thấy màng càng dầy thì khảnănghấpthụsóngđiệntừ càng cao Khi độ dầy màng cao hơn 150 μm thì khảnănghấpthụsóngđiệntừ cũng không tăng lên nhiều (khả nănghấpthụsóngđiệntừ tại độ dầy lớp phủ 150 μm là... chứa PPy có độ hấpthụ kém hơn màng chứa claynanocompozit Kết quả cũng cho thấy ở các tần số 2,5 GHz, 2,7GHz, 3,2GHz, 3,5GHz thì khảnănghấpthụsóngđiệntừ cực đại đều ở tại hàm lƣợng clay 5% trong nanocompozit tức là với hàm lƣợng 5% clay trong nanocompozit thì khảnănghấpthụsóngđiệntừ là tốt nhất Điều này là do khi tăng hàm lƣợng clay sẽ làm tăng khảnănghấpthụsóngđiệntừcủa màng nanocompozit. .. đổi từ 12Ao lên đến 14,5Ao 3 Đã xác định tính chất dẫnđiệncủavật liệu, độ dẫncủavậtliệu giảm dần khi thêm lƣợng clay vào nanocompozit, từ 0-5% clay thì độ dẫn giảm nhẹ và lớn hơn 5% thì độ dẫn giảm nhanh hơn Điện trở vuông của màng tăng dần theo hàm lƣợng clay, từ 0-5% clay thì điện trở vuông tăng nhẹ và lớn hơn 5% thì điện trở vuông tăng nhanh hơn 4 Nghiêncứu tính chất nhiệt củavậtliệu nanocompozit. .. giảm khảnăng tán xạ sóngđiệntừTừ các kết quả nghiên Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Hóa học 17 cứu trên, luận văn lựa chọn hàm lƣợng clay trong nanocompozitchếtạo màng sơn là 5% để tiến hành các nghiêncứu tiếp theo 3.3.4.2 Khảo sátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ vào độ dầy màng hấpthụ Tiến hành chếtạo các mẫu màng sơn phủ trên cơ sở acrylic và polypyrol clay nano... tinh thể củaclay tăng lên dẫn đến sóngđiệntừ phản xạ lại giữa hai mặt mạng và bị hấpthụ bởi polypyrol giữa chúng Nano clay làm tăng diện tích bề mặt màng, làm tán xạ sóngđiệntừ theo các hƣớng khác nhau dẫn đến làm tăng khảnănghấpthụsóngđiệntừ Khi hàm lƣợng clay quá cao thì chúng bị co cụm lại dẫn đến độ dẫncủananocompozit giảm, sự phân bố củananocompozit trên bề mặt lớp phủ kém hơn dẫn đến... lƣợng clay 5% theo tỷ lệ acrylic/ nanocompozit là 1:1 quét trên đế gỗ với độ dầy màng sơn 150 μm cho khảnănghấpthụsóngđiệntừ tới 97,5% ở dải tần số 2,5-3,5 GHz, 97% ở dải tần 5,0-6,5 GHz và < 90% ở dải tần 8,0-12,0 GHz Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên 20 Khoa Hóa học KẾT LUẬN Thực hiện đề tài Nghiêncứuchếtạovà khảo sátkhảnănghấpthụsóngđiệntừ của vậtliệu polyme. .. cƣờng độ sóng bị hấpthụ vào tần số đo trình bày tại bảng 3.7 và hình 3.27 cho thấy với các dải tần số khác nhau thì vậtliệuhấpthụsóngđiệntừ với các mức độ khác nhau Kết quả cho thấy màng polyacrylic PPy/ 5% claynanocompozit với độ dầy 150 μm có khảnănghấpthụsóngđiệntừ ở các dải tần số 2,0 - 3,5GHz và 5,5 - 6,5 GHz tốt hơn ở dải tần số 8,0 - 12 GHz Trên cơ sở cƣờng độ hấpthụsóngđiện từ, ta... thấy các lớp polyme đã bao bọc lấy các hạt clay, pha nền liên tục với các hạt clay 3.3 Khảosát tính chất màng acrylic PPy/ claynanocompozit 3.3.1 Điện trở vuông của màng Mục đích tạo sản phẩm là vậtliệuhấpthụsóngđiện từ, chúng tôi đã tiến hành chếtạo màng phủ polypyrol claynanocompozit với acrylic phủ trên đế gỗ với tỷ lệ polypyrol clay nanocompozit/ acrylic là 1:1 và tiến hành đo điện trở vuông . cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ
của vật liệu polyme dẫn polypyrol clay nanocompozit tập trung nghiên cứu
công nghệ chế tạo vật liệu. PPy/ 5% clay nanocompozit
3.3.4. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polypyrol clay
nanocompozit
3.3.4.1. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện