nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ QUANG NHƯ NGHIÊN CỨU T Ổ NG HỢP VÀ KH Ả O SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT SỢI THUỶ TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Quang Như NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT SỢI THUỶ TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN Chuyên ngành : Hoá lý thuyết và Hoá lý Mã số : 60.44.31 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN XUÂN HOÀN Hà Nội - 2011 - i - MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về vật liệu compozit 3 1.1.1. Lịch sử phát triển 3 1.1.2. Khái niệm về vật liệu polyme compozit 3 1.1.3. Thành phần của vật liệu polyme compozit 3 1.1.3.1. Nhựa nền 4 1.1.3.2. Chất gia cường 5 1.1.4. Đặc điểm, tính chất của vật li ệu polyme compozit 6 1.1.4.1. Đặc điểm của vật liệu polyme compozit 6 1.1.4.2. Tính chất của vật liệu polyme compozit 6 1.1.5. Các phương pháp gia công 7 1.1.6. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu polyme compozit 7 1.2. Tổng quan về các tiền chất chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO 3 8 1.2.1. Hệ nhựa nền epoxy 8 1.2.1.1. Giới thiệu chung về nhựa epoxy 8 1.2.1.2. Đóng rắn nhựa epoxy 10 1.2.1.3. Đặc điểm và ứng dụng của nhựa epoxy 12 1.2.2. Sợi thủy tinh 13 - ii - 1.2.3. Hạt áp điện bari titanat, BaTiO 3 15 1.2.3.1. Cấu trúc của hạt áp điện BaTiO 3 15 1.2.3.2. Ứng dụng của BaTiO 3 17 1.2.3.3. Tổng hợp BaTiO 3 18 Chương 2. THỰC NGHIỆM 19 2.1. Hoá chất, thiết bị và dụng cụ 19 2.1.1. Hóa chất 19 2.1.2. Thiết bị và dụng cụ 20 2.2. Chế tạo mẫu 20 2.2.1. Tổng hợp hạt BaTiO 3 20 2.2.2. Biến tính hạt nano-BaTiO 3 bằng hợp chất silan γ–APS 21 2.2.3. Quy trình ghép hạt BaTiO 3 lên bề mặt sợi thủy tinh 21 2.2.4. Quy trình chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano-BaTiO 3 22 2.3. Các phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất vật liệu 22 2.3.1. Nhiễu xạ tia X 22 2.3.2. Phân tích phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier 22 2.3.3. Đo hằng số điện môi 23 2.3.4. Ảnh kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét 23 2.3.5. Phương pháp đo thế Zeta 23 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1. Đặc trưng hạt BaTiO 3 tổng hợp bằng phương pháp thuỷ nhiệt 25 3.1.1. Đặc trưng nhiễu xạ tia X 25 3.1.2. Đặc trưng ảnh SEM 26 3.1.3. Đặc trưng hằng số điện môi 27 3.2. Biến tính bề mặt hạt BaTiO 3 bằng hợp chất silan 28 - iii - 3.2.1. Đặc trưng phổ hồng ngoại FT-IR 29 3.2.2. Đặc trưng thế Zeta 30 3.2.3. Đặc trưng hằng số điện môi 32 3.3. Chế tạo vật liệu compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO 3 33 3.3.1. Đặc trưng nguyên liệu đầu 33 3.3.1.1. Nhựa epoxy, diglycidyl ete bisphenol A 33 3.3.1.2. Chất đóng rắn 4,4’-diamino diphenyl metan 34 3.3.2. Vật liệu compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO 3 36 3.4. Nghiên cứu sự biến đổi tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano-BaTiO 3 trong các điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và nước biển nhân tạo 39 3.4.1. Môi trường UV 40 3.4.2. Môi trường nhiệt độ 43 3.4.3. Môi trường ẩm 47 3.4.4. Môi trường nước biển nhân tạo 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 - iv - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTO BaTiO 3 , Bari titanat DDM 4,4’-diamino diphenyl metan DEA Phân tích tính chất điện môi (Dielectric Annalysis) DGEBA Epoxy diglycidyl ete bisphenol A EP, EPR Epoxy, nhựa Epoxy FT-IR Hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) GF Sợi thuỷ tinh (Glass Fiber) IR Phân tích hồng ngoại (Infrared Spectroscopy) IOM Hiển vi quang học (Image Optical Microscopy) SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) XRD Nhiễu xạ tia X (X ray diffraction) ε Hằng số điện môi (Dielectric constant) / Độ thẩm điện môi (Permittivity) γ-APS 3-aminopropyl triethoxy silan PC Polyme compozit RH Độ ẩm (Relative Humidity) BTO/GF Nano-BaTiO 3 ghép trên sợi thuỷ tinh BTO/GF/EP Polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt BTO - v - DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Sợi thủy tinh (nguồn Internet). 14 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương của BaTiO 3 16 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BaTiO 3 26 Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của BaTiO 3 ở các độ phóng đại khác nhau……………… 26 Hình 3.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt BaTiO 3 theo tần số. 27 Hình 3.4. Phổ FT-IR của bề mặt hạt BaTiO 3 biến tính và không biến tính γ-APS. 29 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo tần số. 32 Hình 3.6. Phổ FT-IR của nhựa epoxy, diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA). 33 Hình 3.7. Phổ FT-IR của chất đóng rắn DDM. 35 Hình 3.8. Mẫu polyme compozit EP/GF/BTO được cắt thành lát mỏng. 36 Hình 3.9. Ảnh IOM mẫu polyme compozit EP/GF/BTO. 37 Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu polyme compozit EP/GF/BTO chế tạo. 37 Hình 3.11. Sự phụ thuộc hằng số điện môi theo tần số của các mẫ u polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO 3 . 38 Hình 3.12. Sự phụ thuộc hằng số điện môi theo tần số của các mẫu polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO 3 . 39 Hình 3.13. Phổ FT-IR của mẫu compozit trong môi trường UV theo thời gian. 40 Hình 3.14. Cấu trúc mắt xích trong mạng lưới của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy đóng rắn bằng amin . 41 Hình 3.15. Hình ảnh bề mặt vật liệu polyme compozit được chụp bằng kính hiển vi quang học sau khi phơi mẫu trong môi trường ánh sáng UV sau 150 ngày. . 42 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo thời gian của mẫu polyme compozit khảo sát trong môi trường UV theo thờ i gian. 43 Hình 3.17. Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 60 0 C theo thời gian. 44 Hình 3.18. Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 100 0 C theo thời gian. 44 - vi - Hình 3.19. Mối quan hệ giữa hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 60 0 C theo thời gian. 45 Hình 3.20. Mối quan hệ giữa hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 100 0 C theo thời gian. 46 Hình 3.21. Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 60 0 C sau thời gian 165 ngày. 46 Hình 3.22. Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 100 0 C sau thời gian 165 ngày. 47 Hình 3.23. Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường có độ ẩm 100% theo thời gian. 48 Hình 3.24. Sự phụ thuộc của diện tích pic –OH theo thời gian của mẫu trong môi trường độ ẩm 100%. 48 Hình 3.25. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường độ ẩm 100% theo thời gian. 49 Hình 3.26. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường độ ẩm 80% theo thời gian. 49 Hình 3.27. Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường có độ ẩm tương đối 100% sau 165 ngày. 50 Hình 3.28. Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường có độ ẩm tương đối 80% sau 165 ngày. 50 Hình 3.29. Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian. 51 Hình 3.30. Sự phụ thuộc hằng số đi ện môi vào tần số của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian. . 52 Hình 3.31. Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khi đặt trong môi trường nước biển nhân tạo sau 165 ngày. 52 - vii - DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số hợp chất silan và loại nhựa nền . 14 Bảng 3.1. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của BaTiO 3 biến tính với silan γ-APS 30 Bảng 3.2. Thế Zeta (ζ) của hạt BaTiO 3 . 31 Bảng 3.3. Thế Zeta (ζ) của hạt BaTiO 3 biến tính bề mặt bằng γ-APS. 31 Bảng 3.4. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của DGEBA. 34 Bảng 3.5. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của chất đóng rắn DDM. 35 Bảng 3.6. Một số dao động đặc trưng của một số nhóm nguyên tử của vật liệu polyme compozit EP/GF/BTO. 38 - 1 - MỞ ĐẦU Với những tính năng ưu việt so với các loại vật liệu truyền thống như độ bền riêng, mođun đàn hồi cao, chống mài mòn tốt, bền trong các môi trường xâm thực vật liệu polyme compozit (PC) đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân như công nghiệp đóng tàu biển, chế tạo ô tô, chế tạo vỏ máy bay, tầu vũ trụ, vật liệu xây dựng và nhiề u lĩnh vực khác của đời sống xã hội. Đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm có độ ăn mòn cao, vật liệu polyme compozit là lựa chọn tốt nhất để thay thế sắt, thép, gỗ và trong tương lai thay thế dần cả hợp kim đặc biệt, hay sẽ được sử dụng như lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại. Tuy nhiên, việc đánh giá độ bền cơ nhi ệt trong môi trường khí hậu nóng ẩm đòi hỏi phải dùng đến những phép đo cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc biệt, cần nhiều thời gian và công sức. Do vậy, nghiên cứu chế tạo một vật liệu thông minh có thể tự cảm biến được quá trình lão hóa của vật liệu trước khi vật liệu hỏng hóc là một giải pháp rất hữu hiệu để khắc phục tình trạng trên. Như ta đã biết, sự lão hóa, rạn nứt vật liệu chủ yếu gây ra do sự phá hủy bề mặt giữa các pha trong vật liệu compozit. Sự phá hủy bề mặt pha này lại gây ra do ứng suất biến dạng trong hệ bề mặt pha ba chiều. Sự biến dạng này có thể đo được trực tiếp bằng cách đưa vào hệ các hạt áp điện có kích thước nano như những trung tâm cảm biến. Các vật liệu như BaTiO 3 , PZT, ZnO là các vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến nhất. Đã có nhiều nghiên cứu về hệ áp điện/polyme compozit để ứng dụng làm các thiết bị nghe dưới nước, vật liệu phát sóng âm, trong các thiết bị y tế như đầu dò siêu âm…[12]. Nhưng việc biến các vật liệu này thành các cảm biến để đánh giá quá trình lão hóa của chính vật liệu, từ đó đưa ra giải pháp ngă n chặn và khắc phục là một ý tưởng tương đối mới, không chỉ có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ vật liệu mà còn có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu điều chỉnh và tạo ra các tính chất tốt nhất cho vật liệu. Nhằm mục đích từng bước tiếp cận và bước đầu tìm hiểu khả năng chế tạo và ứng dụng vật liệu compozit chứa hạt áp điện có kích thước [...]... thy tinh, c kộo ra t cỏc loi thy tinh kộo si c (thy tinh dt), cú ng kớnh nh vi chc micro một Khi ú cỏc si ny s mt nhng nhc im ca thy tinh khi nh: giũn, d nt góy, m tr nờn cú nhiu u im c hc hn Thnh phn ca thy tinh dt cú th cha thờm nhng khoỏng cht nh: silic, nhụm, magiờ to ra cỏc loi si thy tinh khỏc nhau nh: si thy tinh E (dn in tt), si thy tinh D (cỏch in tt), si thy tinh A (hm lng kim cao), si thy tinh. .. vt liu compozit si thy tinh cha ht ỏp in c a ra nghiờn cu S cú mt ca cỏc ht ỏp in nano trong thnh phn compozit s gúp phn lm cỏc trung tõm cm bin theo dừi tớn hiu lóo húa ca vt liu compozit theo thi gian s dng -2- Chng 1 TNG QUAN 1.1 Tng quan v vt liu compozit 1.1.1 Lch s phỏt trin Vt liu compozit cú lch s phỏt trin rt sm, ngay t khi hỡnh thnh nn vn minh ca nhõn loi Nhng vic ch to vt liu polyme compozit. .. nanoBaTiO3 trong 5 phỳt, sau ú kộo lờn vi tc 10 mm/phỳt Kt thỳc quỏ trỡnh, si - 21 - thy tinh c sy khụ bng mỏy to giú nhit phũng Si thu tinh sau khi ghộp cỏc ht nano lờn b mt c s dng trc tip ch to vt liu compozit 2.2.4 Quy trỡnh ch to vt liu compozit trờn c s nha epoxy gia cng si thy tinh cha ht ỏp in nano-BaTiO3 Tt c cỏc mu compozit u c chun b theo chu trỡnh sau [10]: - Lm sch khuụn to mu bng Teflon - Hn... polyme compozit 1.1.4.1 c im ca vt liu polyme compozit Polyme compozit l vt liu nhiu pha, cỏc pha ny thng khỏc nhau v bn cht, khụng ho tan ln nhau v phõn cỏch nhau bng b mt phõn chia pha Trong thc t, ph bin nht l PC hai pha: pha liờn tc (nn) v pha phõn tỏn (ct) Trong compozit thỡ hỡnh dỏng, kớch thc cng nh s phõn b ca nn v ct tuõn theo cỏc quy nh thit k trc 1.1.4.2 Tớnh cht ca vt liu polyme compozit. .. cao), si thy tinh C ( bn húa cao), si thy tinh R v si thy tinh S ( bn c hc cao) Loi si thy tinh E l loi ph bin, cỏc loi khỏc thng ớt (chim 10 %) c s dng trong cỏc ng dng riờng bit [22] Si thy tinh thng c s dng lm ct gia cng cho cỏc loi nha epoxy ó ci thin ỏng k bn c v c s dng ch to cỏc lp bc lút bo v thit b chng n mũn húa cht [12, 19, 21] - 13 - Hỡnh 1.1 Si thy tinh (ngun Internet) tng kh nng thm nha... bỏm dớnh tt vi si gia cng do ú lm tng bn ca compozit Vt liu compozit cú tớnh nng cao t nha epoxy thng c ng dng trong nhiu lnh vc nh trong ngnh hng khụng, v tr, ụ tụ, tu thy v cỏc cụng trỡnh xõy dng 1.2.2 Si thy tinh Xut hin ln u vo nhng nm 1960, si thy tinh vi nhiu tớnh cht quý: bn cao, moun cao, bn nhit, bn húa chtó tr thnh vt liu gia cng cho cỏc loi compozit cao cp, ng dng trong ch to mỏy bay,... mỏy bay chin u -7- 1.2 Tng quan v cỏc tin cht ch to vt liu polyme compozit trờn c s nha epoxy gia cng si thu tinh cha cỏc ht nano BaTiO3 Trong phn ny, gii thiu mt vi nột tng quan v cỏc hp cht v vt liu c bn ch to vt liu PC gia cng si thy tinh cha ht ỏp in c s dng trong nghiờn cu ca ti bao gm: vt liu nha nn trờn c s nha epoxy, si thy tinh v ht ỏp in BaTiO3 1.2.1 H nha nn epoxy 1.2.1.1 Gii thiu chung... ý trong 40 nm tr li õy Mc ớch ch to vt liu PC l lm sao phi hp c cỏc tớnh cht m mi vt liu ban u khụng th cú c Nh vy, cú th ch to vt liu compozit t nhng cu t m bn thõn chỳng khụng th ỏp ng c cỏc yờu cu i vi vt liu 1.1.2 Khỏi nim v vt liu polyme compozit Vt liu polyme compozit (PC) l h thng gm hai hay nhiu pha, trong ú pha liờn tc l polyme Tu thuc vo bn cht ca pha khỏc vt liu PC c phõn thnh cỏc loi [21]:... polyme compozit Vt liu polyme compozit núi chung c cu to t hai thnh phn c bn l nn v cht gia cng, ngoi ra cũn cú mt s cht khỏc nh cht mu, ph gia chng dớnh, cht chng chỏy -3- i vi vt liu PC, kh nng liờn kt ca cỏc thnh phn vi nhau l rt quan trng Vt liu cng bn khi cỏc thnh phn liờn kt vi nhau cng cht ch 1.1.3.1 Nha nn Nha nn l pha liờn tc, úng vai trũ liờn kt ton b cỏc phn t gia cng thnh mt khi compozit. .. dng ch to cỏc lp bc lút bo v thit b chng n mũn húa cht [12, 19, 21] - 13 - Hỡnh 1.1 Si thy tinh (ngun Internet) tng kh nng thm nha cng nh ci thin bn liờn kt gia si thy tinh v nha nn trong quỏ trỡnh ch to compozit, b mt si thy tinh thng c x lý Thụng thng, cu trỳc húa hc v hỡnh thỏi hc ca b mt thay i sau khi x lý Cỏc k thut x lý thng s dng bao gm x lý húa hc, x lý plasma, x lý in húa v x lý nhit , . văn có tên: Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện được đưa ra nghiên cứu. Sự có mặt của các hạt áp điện nano trong thành phần compozit sẽ. thiệu một vài nét tổng quan về các hợp chất và vật liệu cơ bản để chế tạo vật liệu PC gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài bao gồm: vật liệu nhựa. NHIÊN Vũ Quang Như NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT SỢI THUỶ TINH CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN Chuyên ngành : Hoá lý thuyết và Hoá lý Mã số : 60.44.31