SLIDE khóa luận tốt nghiệp chế tạo ống cacbon nano

I-/ Xử lý bề mặt OCDV b Ảnh TEM mẫu OCDV trước a và sau b khi xử lý bề mặt Quan sát ảnh TEM các mẫu OCDV trước và sau khi biến tính cho thấy: OCDVB có hiện tượng kết dính lại với nhau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

KHOA HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ

Người hướng dẫn : TS Nguyễn Vũ Giang

Sinh Viên thực hiện: Tạ Thanh Tình

Khóa: K54 – Sư Phạm Hóa.

 Nghiên cứu sự ảnh h ởng 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 TÀI

GIỚI THIỆU CHUNG

 Ống cacbon nano đơn vách

+ Chỉ gồm 1 lớp đơn nguyên tử

+ Đường kính xấp xỉ 1 – 5 nm

+ Có cơ tính hoàn hảo

 Ống cacbon nano đa vách

đa vách

OCDV SCNTs

Cấu trúc và tính chất ống các bon nano

Ống cacbon gồm 2 loại: ống đơn vách và ống đa vách

So sánh tính chất của SCNDV với một

số loại vật liệu gia c ờng

Tính chất CNTs Vật liệu so sánh Giá trị

Modul đàn hồi ~1~1,8 TPa Sợi cacbon

Sợi nhôm borat 392 GPa

Phương pháp chế tạo ống cacbon nano

Hợp chất tác nhân kép silan có công thức tổng quát

là: XSi(OR)3

* R là ký hiệu đặc trưng cho nhóm có khả

năng thuỷ phân (như nhóm methyl, ethyl) và có

khả năng tương tác với chất gia cường vô cơ.

* X là ký hiệu nhóm chức hữu cơ không thuỷ phân (như nhóm glycidoxyl, amino, methacrilat

hoặc vinyl) và có khả năng tương tác với polyme.

M« h×nh t¸c nh©n kÐp cña silan biÕn tÝnh

bÒ mÆt chÊt gia c êng

Bề mặt biến tính nâng cao sự kết dính Nhóm chức hữu cơ phản ứng

Hình 6 Mô hình tác nhân kép của silan biến tính bề mặt chất gia c ờng vô cơ

Nhóm silanol hình thành sau phản ứng thủy phân có thể phản ứng với nhóm hydroxyl trên bề mặt chất gia c ờng vô cơ để hình thành liên kết siloxan nhờ phản ứng ng ng tụ

Mô hình tác nhân kép của silan biến tính

bề mặt chất gia c ờng

 Vật liệu

 Ống cacbon nano đa vách (OCDV) được cung cấp bởi công ty Polyplus, Hàn Quốc đường kính 40-80 nm, chiều dài 1-5m,diện tích bề mặt xấp xỉ 106 m2/g

 Polyetylen tỷ trọng thấp mạch thẳng (LLDPE), MFI: 0,25 g/10 phút 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 NGHIỆM

 OCDV đ ợc 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 đ ợc bổ sung vào dung dịch, khuấy đều trong 2 giờ, Rửa

sạch, xấy khô thu đ ợc OCDV biến tính (OCDVB).

 Biến tớnh OCDV

 LLDPE, OCDVB ® îc phèi trén, xÊy kh« tr íc khi trén nãng ch y LLDPE, OCDVB ® îc phèi trén, xÊy kh« tr íc khi trén nãng ch y. ảy ảy.

 Hạt nhựa LLDPE, OCDVB trộn nóng chảy trên máy trộn kín

Haake ở 130oC trong 3 phút đầu và 170oC trong 5 phút sau

 Tiếp theo hỗn hợp được ép định hình tạo mẫu trên máy ép nóng

Toyoseky (Nhật Bản) ở nhiệt độ 170oC trong 2 phút, áp suất ép 5 MPa, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng trong không khí

 Mẫu sau khi chế tạo được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ phòng ít

nhất 24 giờ trước khi xác định các tính chất.

– Thiết bị l u biến trạng thái nóng chay Haake (CHLB đức).

53503; mỏy kộo đứt WPM của Đức ở nhiệt độ phũng với tốc độ kộo

100mm/phỳt, theo tiờu chuẩn ASTM D638.

30 kHz; TR 8401 (Takeda, Japan) ở điện áp một chiều 100V.

 Phương phỏp phõn tớch Phương phỏp phõn tớch

I-/ Xử lý bề mặt OCDV

Ảnh FESEM mẫu OCDV trước khi xử lý bề mặt (a) và ảnh FESEM của mẫu

OCDV sau khi xử lý bề mặt

Trên hình dễ dàng quan sát thấy lớp màng phủ bề mặt của OCDV sau khi được biến tính bằng silan (ký hiệu OCDVB) [hình b] Lớp màng được hình thành nhờ phản ứng ngưng đặc trưng của dung dịch thuỷ phân silan tạo các liên kết hoá trị hoặc liên kết hiđro lên bề mặt OCDV

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

I-/ Xử lý bề mặt OCDV

(b)

Ảnh TEM mẫu OCDV trước (a) và sau (b) khi xử lý bề mặt

Quan sát ảnh TEM các mẫu OCDV trước và sau khi biến tính cho thấy: OCDVB có hiện tượng kết dính lại với nhau tạo thành những đám sợi, đường kính trung bình của sợi tăng từ 60 nm (OCDV ban đầu) lên khoảng 70 nm (OCDVB).

Sau khi biến tính bề mặt bằng silan, G- pic trượt tới vùng có bước sóng lớn hơn(1578 cm-1 ) OCDVB, tỷ lệ cường độ của các pic đặc trưng

D – pic/G – pic nhỏ hơn OCDV ban đầu

II-/ Nghiên cứu tính lưu biến trạng thái nóng chảy

Thoi gian tron (phut)

LLDPE

LLDPE/OCDV 98/2

LLDPE/OCDVB 98/2

Momen xoắn của compozit và nhựa LLDPE

Momen xoắn của các compozit và LLDPE đều có xu hướng giảm dần đến giá trị cân bằng OCDV có giá trị momen xoắn cao hơn (15 Nm ở phút thứ 6) so với compozit sử dụng OCDVB và nhựa LLDPE (12 Nm ở phút thứ 6)

II-/ Nghiên cứu tính lưu biến trạng thái nóng chảy

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Khi tăng hàm lượng OCDVB, các compozit có momen xoắn cân bằng tăng dần

và cao hơn nhựa LLDPE Việc gia công các mẫu compozit phức tạp hơn nhựa LLDPE

III-/ Độ bền kéo đứt của các compozit và

Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc BTD đến độ bền

kéo đứt của compozit.

LLDPE/OCDVB ở các hàm lượng khác nhau có giá trị tương đối ổn định Độ bền kéo đứt cao hơn so với nhựa LLDPE, BTD và

compozit sử dụng OCDV

IV-/ Modul đàn hồi của LLDPE/OCDVB COMPOZIT

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc BTD đến

modul đàn hồi của compozit.

Compozit LLDPE/OCDVB có giá trị modul cao hơn compozit dùng 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 dãn dài của các compozit và nhựa LLDPE

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Đồ thị độ dãn dài theo hàm lượng OCDV hoặc OCDVB hoặc

BTD.

Độ dãn dài của các compozit có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng chất gia cường Compozit LLDPE/OCDVB có độ dãn dài lớn hơn compozit sử dụng OCDV

VI-/ Khảo sát sự suy giảm oxi hoa nhiệt của compozit

LLDPE/OCDVB bằng phương pháp đo tính chất cơ.

LLDPE/OCDV(sau khi oxh)

Độ bền kéo đứt của compozit trước và sau khi oxi hoá nhiệt

Độ bền kéo đứt của compozit LLDPE/OCDVB giảm nhiều so với mẫu LLDPE/OCDVB ban đầu và giảm nhanh hơn so với nhựa LLDPE

VII-/ Tính chất điện của compozit LLDPE/OCDVB

5.00E+14

2.10E+14 5.00E+14

9.00E+13 9.60E+13 8.90E+13

8.10E+13 8.70E+13

4.56E+13 5.20E+13

Ảnh hưởng của hàm lượng OCDV, OCDVB đến điện trở suất

VII-/ Tính chất điện của compozit LLDPE/OCDVB

Bảng 3 Tính chất điện của các mẫu compozit LLDPE/OCDV và LLDPE/OCDVB:lượng Hàm

0% 0,5x10 15 0,5x10 15 2,06 2,06 0,001 0,001 0,5% 2,1x10 14 5,18x10 13 2,08 2,13 0,002 0,003 1% 0,96x10 14 4,56 x10 13 2,11 2,18 0,002 0,003 1,5% 0,9 x10 14 3,89 x10 13 2,13 2,19 0,002 0,003 2% 0,89 x10 14 1,05 x10 13 2,19 2,20 0,002 0,003 2,5% 0,87 x10 14 1,01 x10 13 2,20 2,21 0,002 0,003 3% 0,81 x10 14 0,5 x10 13 2,22 2,25 0,003 0,003

Bảng Tính chất điện của các mẫu compozit LLDPE/OCDV và

LLDPE/OCDVB.

1-/ Phương pháp nhiệt quét vi sai (DSC)

VIII-/ Nghiên cứu phân tích nhiệt các mẫu

Từ bảng trên ta thấy khi tăng hàm lượng OCDVB trong compozit

LLDPE/OCDVB thì nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ kết tinh của các mẫu tăng dần và lớn hơn nhựa LLDPE Điều đó chứng tỏ OCDVB phân tán khá tốt trong nền

polyme và có những ảnh hưởng đến quá trình kết tinh của compozit

Bảng: Nhiệt độ kết tinh: Tc, nhiệt độ nóng chảy: Tm.

Đường cong kết tinh không đẳng nhiệt của compozit và LLDPE

VIII-/ Nghiên cứu phân tích nhiệt các mẫu

compozit LLDPE/OCDVB

Đường cong kết tinh không đẳng nhiệt, cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng OCDVB đến nhiệt độ kết tinh Các compozit LLDPE/OCDVB hàm lượng 2% OCDVB có nhiệt độ kết tinh cao hơn compozit ở hàm lượng 1% OCDVB Compozit hàm lượng 1%, 2% OCDVB

có nhiệt độ kết tinh cao hơn compozit LLDPE/OCDV ở cùng tỷ lệ.

LLDPE OCDVB 0,5%

OCDVB 1,5%

OCDVB 2,5%

VIII-/ Nghiên cứu phân tích nhiệt các mẫu

compozit LLDPE/OCDVB 2-/ Phương pháp phân tích nhiệt TGA

Đường cong TGA của nhựa LLDPE và các mẫu compozit

Khi tăng nhiệt độ với tốc độ 100/phút, quá trình phân huỷ nhiệt của các mẫu bắt đầu ở nhiệt độ không 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-/ Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit LLDPE/

OCDVB bằng phương pháp FESEM

IX-/ Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu compozit LLDPE/

OCDVB bằng phương pháp FESEM

Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng OCDVB lên quá cao (3%), OCDVB khó phân tán đều trong nền polyme và tạo các búi lớn trong cấu trúc của

compozit

Tại những vị trí này, các vết nứt sẽ xuất hiện và phát triển nhanh khi có tác động của ngoại lực Điều này giải thích sự suy giảm tính chất của

compozit như đã trình bày trong phần nghiên cứu tính chất cơ học

Ảnh FESEM bề mặt phá huỷ mẫu comozit

LLDPE/OCDVB(97/3%)

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN

quả nghiên cứu ảnh FESEM chứng tỏ rằng các nhóm chức của silan đã gắn vào các ống C

môi và hằng số điện môi đều tăng so với LLDPE nguyên chất

cơ học của vật liệu Độ bền kéo đứt đạt giá 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 có hàm lượng chất gia cường là 2% và tăng 10%

so với compozit LLDPE/OCDV Độ dãn dài đạt giá trị lớn nhất 900% ở hàm

lượng OCDVB là 2%, tăng 9,7% so với nhựa LLDPE

1,5%)

tính chất cơ học lớn hơn nhựa LLDPE ban đầu Tuy nhiên, sự thay đổi đó không nhiều

nền nhựa LLDPE tốt hơn OCDV Đặc biệt ở hàm lượng 1,5% OCDVB đưa vào polyme được cho là tối ưu nhất

Hình 7 Sự phản ứng và liên kết các nhóm siloxan

Hình 8 Alkoxysilan thủy phân và ngưng tụ

Hình 9 Việc gắn kết siloxan và polymer thông qua khuếch tán