66 Trang 4 PC Polyme compozit PNC Polyme nano compozit VLC Vật liệu compozit PE Polyetylen HDPE Hight Density polyetylen Polyetylen tỷ trọng cao LDPE Low Density polyetylen Polyetylen
Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành công nghệ hoá học Nghiên cứu chế tạo Vật liệu Polyme compozit sở nhựa polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) ống cácbon nano Đoàn Thanh Ngọc Hà nội, 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17062857682841000000 ac64526 Mục lục Trang Mở đầu Chơng I Tỉng quan………………………………………………… 1.1 Giíi thiƯu chung vỊ vËt liƯu compozit vµ polyme nano compozit… 1.1.1 VËt liƯu compozit (VLC) 1.1.1.1 Định nghĩa 1.1.1.2 Đặc ®iÓm 1.1.2 VËt liÖu polyme nano compozit (PNC) 1.1.2.1 Định nghĩa 1.1.2.2 Đặc điểm vật liệu PNC 1.1.2.3 Các phơng pháp chÕ t¹o 1.1.2.4 Mét sè vËt liƯu sư dơng lµm chÊt gia cêng 1.2 Tỉng quan vỊ polyetylen (PE) 11 1.2.1 Định nghĩa 11 1.2.2 Phân loại 11 1.2.3 TÝnh chÊt 12 1.3 Tỉng quan vỊ èng cacbon nano 14 1.3.1 CÊu tróc cña èng cacbon nano 16 1.3.2 Phơng pháp điều chế ống cacbon nano 20 1.3.3 TÝnh chÊt cña èng cacbon nano 22 1.3.4 øng dơng cđa vËt liƯu èng cacbon nano 23 1.3.5 Vai trß cđa CNTs vËt liƯu compozit……………………… 24 1.4 BiÕn tÝnh bỊ mỈt cđa CNTs 24 Ch¬ng II Thùc nghiÖm 30 2.1 VËt liÖu 30 2.2 BiÕn tÝnh ống cacbon nano đa vách (MWCNTs) 30 2.3 Chế tạo compozit HDPE/ MWCNTs 30 2.4 Các phơng pháp ph©n tÝch 31 2.4.1 Phơng pháp lu biến trạng thái nóng chảy 31 2.4.2 Phơng pháp xác định tính chất học 31 2.4.3 Phơng pháp phân tích nhiệt 33 2.4.4 Phơng pháp ®o tÝnh chÊt ®iÖn 34 2.4.5 Phơng pháp kính hiển vi trờng điện tử phát xạ (FESEM) 35 2.4.6 Phơng pháp kính hiển vi ®iƯn tư trun qua (TEM) 36 2.4.7 Phơng pháp phân tích phổ Raman 37 Chơng III Kết thảo luận 39 3.1 Kh¶o sát ảnh hởng nhiệt độ tới khả phân tán ống cacbon nano đa vách (MWCNTs) 39 3.2 Xư lý bỊ mỈt MWCNTs 41 3.3 Nghiên cứu tính lu biến trạng thái nóng chảy 45 3.4 Độ bền kéo đứt HDPE/MWCNTsB 47 3.5 Modun đàn hồi HDPE/MWCNTsB 49 3.6 Ph©n tÝch nhiƯt TGA, DTG mẫu compozit HDPE/MWCNTsB 51 3.6.1 Phơng pháp nhiÖt quÐt vi sai (DSC) 51 3.6.2 Phân tích nhiệt phơng pháp TGA 52 3.7 3.7.1 3.7.2 Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit HDPE/MWCNTsB phơng pháp phổ Raman tần số cao, FESEM TEM 55 Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit HDPE/ MWCNTsB phơng pháp phổ Raman 55 Nghiªn cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit HDPE/ MWCNTsB phơng pháp FESEM TEM 57 TÝnh chÊt ®iƯn cđa compozit HDPE/MWCNTsB Khảo sát suy giảm oxy hóa nhiệt compozit 61 HDPE/MWCNTsB phơng pháp đo tính chất c¬ häc 64 KÕt luËn 66 Tµi liƯu tham kh¶o 68 3.8 3.9 Chơng IV Những chữ viÕt t¾t PC PNC VLC PE HDPE CNTs Polyme compozit Polyme nano compozit VËt liÖu compozit Polyetylen Hight Density polyetylen Polyetylen tû träng cao Low Density polyetylen Polyetylen tû träng thÊp Carbon nano tubes SCNTs èng cacbon kÝch thíc nano Single – Walled Carbon nano tubes MWCNTs èng cacbon kÝch thớc nano đơn vách Multi - Walled Carbon nano tubes LDPE ống cacbon kích thớc nano đa vách MWCNTsB ống cacbon kích thớc nano đa vách đà biến tính BTD FESEM TEM SEM CVD Bét than ®en KÝnh hiĨn vi trờng điện tử phát xạ Kính hiển vi trờng điện tư trun qua KÝnh hiĨn vi ®iƯn tư qt Chemical vapor deposition Phơng pháp lắng đọng pha Differential Scanning Calorymetry Ph©n tÝch nhiƯt vi sai DSC MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ đại dẫn tới nhu cầu to lớn vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà vật liệu truyền thống đứng riêng rẽ có Vật liệu kết hợp vật liệu compozit đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách vừa sản phẩm cơng trình nghiên cứu nửa sau kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp quy luật phổ biến tự nhiên Đồng thời với kết đó, ngành khoa học đại compozit xuất Dựa thành tựu ngành khoa học này, nhà cơng nghệ vật liệu tạo compozit thỏa mãn nhu cầu đa dạng phong phú công nghệ phát triển tương lai Chính gần người ta thường nói: văn minh kỷ XXI văn minh kỷ vật liệu compozit [1] Những nghiên cứu vật liệu polymer compozit sử dụng sợi gia cường nhằm mục đích chế tạo sản phẩm kỹ thuật địi hỏi có độ bền lý cao (vật liệu cấu trúc) chẳng hạn công nghệ sản xuất ô tơ, máy bay, hay tàu thủy Với ưu điểm kích thước nhỏ sợi gia cường, tỉ lệ đường kính/chiều dài lớn ngăn chặn suy yếu vật liệu vết nứt, gãy hình thành trình sử dụng, thân sợi gia cường có mật độ khuyết tật thấp kích thước chúng xấp xỉ kích thước khuyết tật, từ tạo nên vật liệu có tính chất lý vượt trội [2] Ngay từ chế tạo Iijima năm 1991, sợi cacbon kích thước nano (carbon nanotubes) thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu ứng dụng nhà khoa học giới xem loại vật liệu gia cường đầy hứa hẹn cho vật liệu polymer compozit chúng có ưu tính chất độ bền lý, độ bền nhiệt, độ bền quang tốt mối quan hệ độ bền - trọng lượng so với vật liệu polymer ban đầu [3] Polyetylen tû träng cao (HDPE) vật liệu polyme nhiệt dẻo đợc dùng làm nguyên liệu để sản xuất sản phẩm sử dụng rộng rÃi ngành công nghiệp nh dụng cụ gia đình Tuy nhiên vật liệu polyetylen tỷ trọng cao ban đầu thờng có số hạn chế nh độ bền kéo đứt, modul đàn hồi, độ bền va đập thấp, khả oxy hoá quang nhiệt cao Bên cạnh đó, nhựa HDPE khó sơn in ấn bề mặt có độ phân cực thấp (hoặc không có), điện trở cách điện vào loại cao số polyme thơng mại dẫn đến hiệu ứng tĩnh điện bề mặt gây tợng bám bụi lên sản phẩm trình sử dụng [4] Do đó, sản phẩm sử dụng HDPE thờng đợc chế tạo dới dạng vật liệu compozit blend, phối trộn pha polyetylen ban đầu với nhiều vật liƯu gia cêng kh¸c nh bét CaCO 3, talc, gypsum, carbon black, mica, TiO Nhợc điểm phụ gia phải sử dụng với hàm lợng lớn, ®iỊu nµy lµm thay ®ỉi tû träng, cÊu tróc, ®é nhớt compozit, gây khó khăn cho việc gia công ảnh hởng đến tính chất cuối sản phẩm Xuất phát từ u điểm có đợc từ đặc thù cấu trúc sợi cacbon nano tính chất lý, tính chất nhiệt, tính chất điện khả tơng hợp với polyme nền, đề tài đợc xây dựng nhằm nghiên cứu ứng dụng sợi cacbon nano, khả phân tán, tơng tác, vai trò gia cờng tính, khả làm giảm điện trở suất bề mặt nhựa HDPE Chơng I: Tổng quan 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT VÀ POLYME NANO COMPOZIT 1.1.1 Vật liệu compozit (VLC) 1.1.1.1 Định nghĩa VLC vật liệu tạo thành từ vật liệu trở lên có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính ưu việt đặc tính vật liệu thành phần xét riêng rẽ Có thể định nghĩa vật liệu compozit vật liệu gồm nhiều pha khác mặt hóa học không tan vào phân cách với ranh giới pha, kết hợp lại nhờ khoa học kỹ thuật theo sơ đồ thiết kế trước nhằm tận dụng tính chất tốt pha vật liệu Trong thực tế compozit phần lớn loại hai pha gồm pha pha liên tục toàn khối, cốt pha phân tán Trong compozit đóng vai trị chủ yếu mặt sau; liên kết toàn phần tử cốt thành khối compozit thống nhất; tạo khả để tiến hành phương pháp gia công compozit thành chi tiết theo thiết kế che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác động hóa học, học mơi trường Ngồi phải nhẹ có độ dẻo cao Cốt đóng vai trị tạo độ bền môđun đàn hồi cao cho compozit đồng thời cốt phải nhẹ để tạo độ bền riêng cao cho compozit [5] Đối với compozit liên kết tốt cốt vùng ranh giới pha yếu tố quan trọng đảm bảo cho kết hợp đặc tính tốt hai pha Tính chất compozit phụ thuộc vào chất nền, cốt, khả liên kết cốt trình cơng nghệ sản xuất Nền compozit nói chung đựơc sử dụng từ polymer, kim loại, gốm hỗn hợp nhiều pha Nhưng phạm vi luận văn này, đề cập đến compozit có polymer, polymer làm cho compozit loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, elastome vật liệu tổ hợp polymer (polymer blend)[5-7] Compozit cốt sợi loại compozit có độ bền riêng mơ đun đàn hồi riêng cao Tính chất compozit cốt sợi phụ thuộc vào phân bố định hướng sợi kích thước hình dạng sợi Những loại sợi thường dùng để chế tạo compozit cốt sợi sợi thủy tinh, sợi bon, sợi polymer sợi kim loại Ngoài người ta dùng hai hay nhiều loại sợi (cốt sợi pha) 1.1.1.2 Đặc điểm Những đặc điểm vật liệu compozit gồm: - Thứ nhất: Đó vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên compozit thường khác chất , khơng hồ tan lẫn phân cách ranh giới pha Trong thực tế phổ biến nhiều compozit hai pha Pha liên tục toàn khối vật liệu compozit goi Pha phân bố giai đoạn , bao bọc, qui định gọi cốt - Thứ hai: compozit tỉ lệ hình dáng, kích thước phân bố cốt tuân theo qui định thiết kế trước - Thứ ba: tính chất pha thành phần kết hợp để tạo nên tính chất chung compozit Tuy vậy, tính chất compozit khơng bao hàm tất tính chất pha thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm Để phân loại vật liệu compozit người ta dựa vào đặc điểm đặc trưng chúng - Theo chất nền, vật liệu compozit phân thành: - Compozit chất dẻo - Compozit kim loại - Compozit gốm - Compozit hỗn hợp nhiều pha - Theo hình học cốt đặc điểm cấu trúc, ta phân loại compozit thành ba nhóm: Compozit cốt hạt, compozit cốt sợi compozit cấu trúc 1.1.2 Vật liệu polymer nano compozit (PNC) 1.1.2.1 Đ ịnh nghĩa Vật liệu PNC có loại polymer cốt hạt độn khoáng thiên nhiên hạt tổng hợp nhân tạo có kích thước hạt khoảng – 100 nm (Kích thước nanomet) Nền sử dụng chế tạo PNC đa dạng, phong phú, bao gồm nhựa nhiệt dẻo nhựa nhiệt rắn [6] Các polymer thường sử dụng chế tạo vật liệu PNC là: Nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP), nhự polyester, nhựa epoxy, nhựa polystyrene (PS), cao su thiên nhiên, cao su butadiene… Trong chế tạo PNC, nay, đa phần cốt dùng dạng hạt Sau số loại hạt thường sử dụng: - Khoáng thiên nhiên: chủ yếu đất sét vốn hạt silicat có cấu tạo dạng lớp montmorillonite, vermiculite, fluoromica, bentonit kiềm tính, hạt grafit,… - Các hạt độn thu từ đường nhân tạo: thường hạt tinh thể CdS, PbS, CaCO , bột than,… 1.1.2.2 Đặc điểm vật liệu PNC: - Với pha phân tán loại bột có kích thước nano nên chúng phân tán tốt vào polymer, tạo liên kết mức độ phân tử pha với nên chế khác hẳn với compozit thông thường Các phần tử nhỏ phân tán tốt vào pha nền, tác dụng lực bên tác động vào chịu toàn tải trọng, phần tử nhỏ mịn phân tán đóng vai trị hãm lệch, làm tăng độ bền vật liệu, đồng thời làm cho vật liệu ổn định nhiệt độ cao [15] - Do kích thước nhỏ mức độ phân tử nên kết hợp với pha tạo liên kết vật lý tương đương với liên kết hóa học, cho phép tạo vật liệu có tính chất mới, ví dụ tạo polymer dẫn có nhiều ứng dụng thực tế - Vật liệu độn có kích thước nhỏ nên phân tán pha tạo cấu trúc đặc, có khả dùng làm vật liệu bảo vệ theo chế barie tốt - Hầu hết vật liệu PNC có tính chống cháy cao so với vật liệu polymer compozit tương ứng Cơ chế khả chống cháy vật liệu cấu trúc than hình thành trình cháy, lớp than trở thành hàng rào cách nhiệt tốt cho polymer, đồng thời ngăn cản hình thành thất chất bay q trình cháy Tóm lại, nhờ kích thước nhỏ hạt phân tán pha vật liệu PNC tạo vật liệu có tính chất tốt hẳn so với vật liệu compozit thông thường 1.1.2.3 Các phương pháp chế tạo Trùng hợp in–situ (In-situ polymerization) Trộn hợp nóng chảy (Melt intercalation) 3.Trộn hợp polymer dung dịch (Polymer solution intercalation) Trộn hợp nhũ tương (Emulsion intercalation) 1.1.2.4 Một số vật liệu sử dụng làm chất gia cường Trong công nghiệp, người ta thường đưa chất gia cường vào để nâng cao tính chất lý hạ giá thành sản phẩm Mỗi loại chất gia cường với hàm lượng thích hợp nâng cao số tính vật liệu Vì người ta chọn chất gia cường với hàm lượng thích hợp tuỳ theo yêu cầu sản phẩm Rõ ràng với đặc tính lý đưa