Bai tieu luan cac phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc vật chất

Tóm lược những phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật chất dựa trên những phương pháp và thiết bị phân tích hiện đại như phân tích nhiệt, phân tích hồng ngoại, phương pháp hấp phụ và nhiễu xạ tia X. Thông qua đó để xác định định tính cũng như định lượng các thông tin về cấu trúc của vật chất.

Mục lục

Bài tiểu luận học phần

Các phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu cấu trúc vật chất

1.1 Giới thiệu về cơ sở lý thuyết các phơng pháp phân tích

1.1.1 Nguyên lý của quang phổ hấp thụ Hồng ngoại 1.1.2 Những u nhợc điểm của phơng pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại

1.1.3 Một số điểm mới của Nicolet 6700 spectrometer

1.1.4 Mô tả cấu tạo các máy phân tích phổ hồng ngoại

1.1.5 Một số ứng dụng

1.1.6 Nguyên tắc xác định

1.1.7 Một số hình ảnh kết quả thu đợc

1.1.8 Nguyên lý của quang phổ Tán xạ Raman

1.1.9 Những u nhợc điểm của phơng pháp quang phổ tán xạ Raman

1.1.10 So sánh giữa phổ FTIR và FT-Raman

1.1.11 ứng dụng của FT- Raman 1064nm

2 THIẾT BỊ HẤP PHỤ VẬT Lý TỰ ĐỘNG- ASAP 2010 - MICROMERITICS 2.1 Đặc tớnh:

2.2 Khả năng

3 PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI - STA 409PC – NETZCH 3.1 Đặc tính:

Bài tiểu luận học phần

Các phơng pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu cấu trúc vật chất

I Giới thiệu chung

Hiện nay, khoa học công nghệ vật liệu đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là vật liệu composit, hữu cơ và hoá dầu, v.v Để đạt đợc thành tựu đó phải cần đến những công cụ phân tích hiện đại và chính xác Một trong những môn khoa học

nghiên cứu về vật liệu đó là Phơng pháp phân tích cấu trúc vật liệu Nội dung của

môn học trang bị những kiến thức về phơng pháp nghiên cứu cấu trúc và sử dụng các thiết bị phân tích cấu trúc vật liệu, bao gồm: Phân tích cấu trúc phân tử, Phân tích cấu trúc tinh thể, phân tích cấu trúc mao quản

Các phơng pháp phân tích sử dụng gồm:

- Phơng pháp phổ hồng ngoại

- Phơng pháp phân tích nhiệt

- Phơng pháp nhiễu xạ tia X.

Từ các kết quả phân tích cho ta các thông tin về vật liệu nh: Thành phần, các dạng liên kết, mức độ bền cơ, nhiệt, diện tích mao quản, v.v

Nội dung của bài báo cáo này xin nêu ra các vấn đề chủ yếu sau đây:

- Giới thiệu về cơ sở lý thuyết các phơng pháp phân tích

- Mô tả cấu tạo các máy phân tích

- Vai trò, ứng dụng của máy trong phân tích cấu trúc vật liệu

- Cách tiến hành xác định, đo mẫu

- Một sô kết quả thực nghiệm

II Nội dung báo cáo

1 phổ hồng ngoại.

1.1 Giới thiệu về cơ sở lý thuyết các phơng pháp phân tích.

1.1.1 Nguyên lý của quang phổ hấp thụ Hồng ngoại

Phổ hồng ngoại xây dựng trên sự

t-ơng tác giữa bức xạ điện từ với hệ dao

động của phân tử Khi phân tử hấp thụ

- Phổ hồng ngoại là phơng pháp rất nhạy để phân tích cấu trúc, rẻ tiền và dễtrang bị.

Nhợc điểm:

Phổ IR đợc sử dụng rất nhiều song tồn tại những nwợc điểm sau:

- Rất nhiều vật liệu trong suốt mà tia hồng ngoại trung không xuyên qua đợc: ví

dụ nh muốn nghiên cứu một vật liệu đựng trong thuỷ tinh thì ta phải lấy vật đó ra.Nên rất khó định lợng bằng hồng ngoại nhất là với mẫu lỏng hoặc khí

- IR hấp phụ H2O và CO2 rất mạnh, nên điều kiện môi trờng ảnh hởng trực tiếptới việc đo mẫu Do đó phòng đo mẫu phải luôn đợc ổn định T và độ ẩm thì kết quảmới có thể có độ lặp lại cao

- Rất nhiều trờng hợp IR yêu cầu phải chuẩn bị mẫu rất là phức tạp: trộn KBrtinh khiết, ép viên, pha loãng Nụol…Làm tiêu tốn thơì gian, không thuận tiện.Làm tiêu tốn thơì gian, không thuận tiện

1.1.3 Một số điểm mới của Nicolet 6700 spectrometer

Bộ đo nhanh (Smart Collector) làm cho thao tác trở lên rất nhanh chóng thuậntiện, với sai số cho phép

Nguyên tắc: mẫu đợc trộn với KBr, không cần ép viên Đo phản xạ bề mặt

Nicolet 6700 cho phép đo trong vùng Hồng ngoại gần (NIR): NIR sử dụngbuớc sóng ngắn hơn (trong dải từ 1-2,5mm) do đó nó tơng thích với các vật liệuquang nh thuỷ tinh chẳng hạn (ứng với vùng từ 4000-10000cm-1) Mặc dù nớc vẫn

bị hấp thụ trong vùng này song yếu hơn nhiều so với vùng hồng ngoại Tuy nhiên,

do phổ NIR là do sự hấp thụ của các bớc chuyển cao hơn bớc chuyển cơ bản nêncác pick thờng yếu hơn và rộng hơn so với phổ IR

Làm thông tin thờng không rõ ràng, tính nhạy kém

Nicolet 6700 đợc trang bị buồng môi trờng (environment chamber) cho phép:

- Đo phổ IR chân không

- Đo phổ IR hấp thụ bề mặt: pyridine, NH3, CO…Làm tiêu tốn thơì gian, không thuận tiện

- Nghiên cứu động học của phản ứng

1.1.4 Mô tả cấu tạo các máy phân tích phổ hồng ngoại

Máy phân tích phổ hang ngoại gồm 3 bộ phận chính

- Nguồn phát tia hồng ngoại

- Sử dụng IR hấp pyridine để xác định bản chất tâm axit của xúc tác

-Sử dụng IR chân không để xác định nhóm OH bề mặt và độ axit của xúc tác zeolit

1.1.6 Nguyên tắc xác định:

- Trộn mẫu rắn cần xác định với KBr

- ép mẫu bằng máy nén thuỷ lực khoảng 10 phút hoặc theo chơng trình đặt sẵn

- Đa mẫu vào

- Khởi động chơng trình nhờ kết nối computer

- Lựa chọn, cài đặt các thuộc tính cho chơng trình

559.56 820.02

1080

550 450

Phæ IR cña c¸c mÉu zeolit tæng hîp

- Xác định rezinát bằng phân tích phổ hồng ngoại (IR):

Để kiểm tra sản phẩm tạo thành, tiến hành phân tích bằng phổ hồngngoại truyền qua các sản phẩm thu được (hình 1)

Đỉnh đặc trưng trên phổ IR chuẩn của axít abietic là 1695,25 cm-1 Trênphổ IR xà phòng nátri, rezinát coban và rezinát nhôm đều thấy các đỉnh ở tần sốthấp hơn Với xà phòng nátri,đỉnh hấp thụ đặc trưng ở tần số 1548,32 cm-1;rezinát coban có đỉnh hấp thụ đặc trưng ở tần số 1581,17cm-1, còn rezinát nhôm

có đỉnh hấp thu đặc trưng ở tần số 1595,7 cm-1 Như vậy, đã cósự biến đổi

trong cấu trúc colophan thông, trong đó các ion Na+, Co2+, Al3+ thế H+ của gốc COOH để tạo các rezinát tương ứng.

1-Phổ IR của colophan thông 2-Phổ IR của rezinát nátri

3-Phổ IR của rezinát coban 4-Phổ IR của rezinát nhôm

Hình 1: Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) của các tiền chất

(Theo t¹p chÝ Science & Technology Development, Vol 10, No.10 - 2007

TỔNG HỢP BỘT MẦU COBAN ALUMINAT (CoAl2O4) KÍCH THƯỚC HẠT SIÊU MỊN Ở NHIỆT ĐỘ THẤP, Đỗ Quang Minh, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM

(Bài nhận ngày 09 tháng 02 năm 2007, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 08 tháng 09 năm 2007))

Bảng 1: Các píc phổ hồng ngoại của Ppy và Ppy/Al2O3

( cm-1)

CH thơm

(cm-1)

C=C

thơm (cm-1)

CH

vòng pirole (cm-1)

PPy 3212,9 2926,7 1684,4 1552,5 1312,8 794,5 923,4 PPy/Al2O3 3427,6 3084,1 1623,6 1550,8 1317,4 780,9 1047,7

Hình 3: Phổ hồng ngoại của Ppy (a) và Ppy/Al2O3 (b)

+ Trong vùng 3500 – 2800 cm-1:

Vùng này tập trung dao động của các nhóm chức NH, OH, CH thơm và CH no OH

nằm trong khoảng 3200 – 3600 cm-1 , phổ tù là do ảnh hưởng của nước ẩm có trong mẫu và nó xuất hiện ở cả 2 mẫu đã đo Nhóm NH trong pyrrole với phổ nhọn,cường độ trung bình đã xuất hiện ở cả 2 mẫu PPy, PPy/Al2O3 Nhóm CH thơm thường có CH khoảng 3000 cm-1

Như vậy trong vùng này đã thể hiện được sự tồn tại của các nhóm NH và CH thơm trong PPy

+ Trong vùng 1800 – 1500 cm-1:

Phổ vùng này đặc trưng cho các dao động hóa trị của các liên kết đôi C=O, C=N, C=C thơm, C=C anken và dao động biến dạng của liên kết NH Trong mẫu PPy,

Ppy/Al2O3 ta thấy sự xuất hiện dao động của C=C thơm và dao động biến dạng của NH Cỏc pớc này đều thể hiện tương đối mạnh

+ Vựng 1500-1100 cm-1 Thể hiện sự hiện diện của liờn kết C-N

+ Vựng dưới 1100 cm-1 Cú nhiều phổ với cường độ mạnh đến trung bỡnh ở

1000-700 cm-1 đú là vựng đặc trưng cho dao động biến dạng của CH của vũng pyrrole Ngoài ra cũn thể hiện dao động của CH thơm cú 2H liền kề

Kết quả phõn tớch phổ hồng ngoại, cú thể khẳng định sự tồn tại của polypyrrole trong sản phẩm tổng hợp được

(Theo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CễNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 21)

1.1.8 Nguyên lý của quang phổ Tán xạ Raman

Phổ Raman dựa trên hiện tợng tán xạ không đàn hồi của ánh sáng bởi vật chất:

- Tán xạ đàn hồi hay tán xạ Rayleigh ta có tần số ánh sáng tán xạ bằng với tần số ánh sáng kích thích

- Tán xạ Raman Stock xẩy ra khi phân tử từ trạng thái cơ bản nhảy lên trạng thái ảo rồi chuyển về trạng thái kích thích (n=1) do đó nó phát ra tần số nhỏ hơn tần

Detector: InGaAs

1.1.9 Những u nhợc điểm của phơng pháp quang phổ tán xạ Raman

Ưu điểm:

-Phơng pháp tán xạ Raman tơng thích với các vật liệu trong suốt nh quazit,

t-ơng thích với H2O do đó thao tác đo nhanh chóng, ít bị ảnh hởng bởi môi trờng, chuẩn bị mẫu đơn giản

Nhợc điểm:

- Raman có độ nhạy thấp và đôi khi bị cản trở do sự phát huỳnh quang của mẫu

1.1.10 So sánh giữa phổ FTIR và FT-Raman

So sánh giữa IR và Raman có 2 sự khác biệt là:

- IR yêu cầu sự biến đổi về momen lỡng cực mới dẫn tới sự hấp thụ, trong khi

đó Raman đòi hỏi sự biến đổi sự phân cực một cách hữu hạn (dao động ít phân cực).Phổ IR và Raman có thể có sự khác biệt rất lớn về còng độ tại cùng một vạch phổ

do khác nhau về qui tắc chọn lọc Ví dụ: dao động biến dạng (stretch) của nhóm C=O mạnh trong phổ IR nhng yếu trong phổ Raman Trong khi đó dao động biến dạng nhóm C=C mạnh trong phổ Raman nhng yếu trong phổ IR Các dao động đối xứng nh dao động biến dạng C-C hay dao động biến dạng S-S hay sự dao động co dãn của vòng benzen thờng mạnh trong phổ Raman Trong khi đó rất nhiều các dao

động bất đỗi xứng nh C-H, C=O thờng mạnh trong phổ IR Ta lu ý dao động của nứoc rất phân cực nên phổ Raman rất tơng thích với nứoc và các vật liệu quang khác (không bị ảnh hởng với H2O)

- IR là phơng pháp phổ hấp thụ trong khi Raman lại là phổ tán xạ Phơng pháp đo hấp thụ thông thờng là đo truyền qua hoặc đo phản xạ, trong khi đó ngời tathu tán xạ Stock do vật phát xạ ở một góc bất kỳ nào đó với phơng pháp Raman Do

- Phơng pháp tán xạ Raman sẽ bổ xung cho IR bởi đều cho thông tin về phổ dao động Những vạch mạnh trong phổ IR thờng liên quan tới sự phân cực của các nhóm chức, trong phổ Raman các nhóm chức không phân cực sẽ cho tín hiệu mạnh.1.1.11 ứng dụng của FT- Raman 1064nm

- Trong nghiên cứu cấu trúc xúc tác rắn

2 THIẾT BỊ HẤP PHỤ VẬT Lý TỰ ĐỘNG- ASAP 2010 - MICROMERITICS 2.1 Đặc tớnh:

- Khoảng đo diện tớch bề mặt riờng: 0,01- 3.000 m2/g

- Khoảng đo đường kớnh mao quản: 0,35 - 300 nm

- 2 cổng chuẩn bị mẫu: từ nhiệt độ mụi trường tới 450OC, chõn khụng 10-3 mmHg(torr)

- 1 cổng phõn tớch: chõn khụng đạt tới 3,8.10-9 mm Hg (torr), hấp phụ N2 tại nhiệt

- Xác định diện tích bề mặt riêng theo Langmuir.

- Tính thể tích và phân bố thể tích theo pore (cho vật liệu mesoropore vàmacropore)

- Phân tích micropore bằng t-Plot sử dụng phương trình de Boer

- Xác định phân bố pore theo phương trình BJH từ đường hấp phụ và nhả hấp phụ

- Xác định thể tích pore theo phương trình Horvath-Kawazoe (cho vật liệumicropore)

- Xác định diện tích bề mặt và thể tích pore theo Dubinin (cho vật liệu micropore)

- Tính toán năng lượng hấp phụ theo DFT (Density Functional Theory)

3 PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI - STA 409PC - NETZCH

3.1 Đặc tính:

- Cân có hệ thống bù khối lượng tự động Khối lượng mẫu đo 18g, độ phân giải 0,2g

- Lò ống nhiệt độ cao với thanh đốt SiC tinh khiết, cặp nhiệt S, nhiệt độ tối ưu từ

25 1500 OC, nhiệt độ tối đa 1550 OC

- Tích hợp sensor E, K giúp tăng độ nhậy khi đo ở giải nhiệt độ thấp

- Sensor DSC dạng đĩa cho giải nhiệt độ từ 25 - 1500 OC

- Hệ thống chân không cho phép giảm áp và tạo môi trường sạch Có khả năng thayđổi môi trường đo bằng phương pháp sử dụng các khí khác nhau

- Xác định khoảng nhiệt độ tạo bột mầu CoAl2O4 từ các rezinát:

Kết hợp phân tích nhiệt vi sai (DTA) với đường cong biến đổi khối lượngmẫu khi nung (TG) (hình 2) và phân tích cấu trúc Rơnghen (X – ray) (hình 3) để xác định khoảng nhiệt độ tạo Co2Al2O4 khi phân hủy các rezinát coban và rezinát nhôm

Hình 2:Đường cong phân tích nhiệt vi sai (DTA) và tổn thất khối lượng (TG)

trong phản ứng tổng hợp

CoAl2O4 từ các rezinát coban và rezinát nhôm

Kết quả phân tích nhiệt vi sai (DTA) cho thấy quá trình phân hủy vì nhiệt của hỗn hợp

rezinát coban và rezinát nhôm rất phức tạp Ta có thể chia quá trình thành ba giai đoạn chính

sự tồn tại pha tinh thể d-Al2O3 và CoAl2O4 Mẫu có mầu xanh dương (mầu đặc trưng của Co2Al2O4) lẫn mầu nâu sẫm (mầu đặc trưng của Co2O3,

Co2O4) Ở nhiệt độ cao, dãy biến đổi các oxit coban có thể theo dãy sau:

Co2O3 ⃗600o C Co2O4 ⃗1200o C 4CoO.Co2O3 ⃗¿1300o C CoO

c- Trong khoảng 570 – 7000C: hiệu ứng thu nhiệt mạnh nhất ở 6000C, khối lượng mẫu không có sự biến đổi rõ ràng Phân tích X – ray các mẫu ở 700 và

10000C cho thấy các đỉnh đặc trưng cấu trúc spinel của Co2Al2O4 xuất hiện rõ hơn rất nhiều Ở 10000C chỉ còn những đỉnh đặc trưng pha tinh thể Co2Al2O4

và chỉ có mầu xanh coban đặc trưng

Mẫu nung ban đầu Mẫu nung ở 700 0 C

Mẫu nung ở 1000 0 C

Hình 3: Phổ Rơn ghen của các mẫu phân hủy ở những nhiệt độ khác (I ký hiệu

đỉnh đặc trưng của CoAl2O4)

BISMALEIMIDE BASED ON 4,4’– DIAMINODIPHENYL

METHANE (DDM) - ANHYDRIDE MALEIC (AM) WAS

MODIFIED WITH DDM

Nguyễn Hữu Niếu, Nguyễn Đắc Thành, La Thị Thái Hà,

Nguyễn Quốc Việt

TTNC Vật liệu Polymer, Khoa Công Nghệ Vật liệu, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh

BẢN TÓM TẮT

Chúng tôi đã tổng hợp Bismaleimide (BMI) đi từ 4,4’–diaminodiphenylmethane (DDM) và anhydride maleic (AM) trongdung môi 1-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) theo phương pháp hai giaiđoạn, imide hóa học Sau đó biến tính BMI bằng DDM trong dungmôi NMP, có xúc tác Gia công composite vải cacbon và nhựa BMI,BMI biến tính (BMI.BT) Các tính chất của BMI và BMI.BT được đánh

giá bằng các phương pháp phân tích DSC, TGA và FTIR, GPC Tínhchất của composite được đánh giá bằng DMTA, LLoyd.

Phân tích nhiệt DSC

Hình 4:Giản đồ DSC 2 mẫu BMI và BMI.BT 1,6:1 5h

Nhìn vào giản đồ phân tích nhiệt ta nhận thấy có những điểmkhác biệt sau:

Sản phẩm BMI có một mũi chảy và một mũi đóng rắn rõ ràng, còn với sản phẩm biến tính xuất hiện điểm chuyển (giống điểm

chuyển Tg của cấu trúc vô định hình) và không thể hiện rõ mũi đóng rắn Điều này là do BMI có cấu trúc kết tinh, đồng nhất nên

thể hiệân một mũi chảy rõ ràng Hơn nữa nhiệt độ chảy gần nhiệt độ

đóng rắn nên có sự đóng rắn đồng loạt các nối đôi, tỏa ra lượng lớn năng lượng nên có sự chuyển đổi rõ rệt trên giản đồ Ngược lại,sản phẩm biến tính có mạch phân tử dài hơn và có độ đa phân tánnên có cấu trúc vô định hình, xuất hiện nhiệt độ thủy tinh hóa Ở trạng thái này mạch không được linh động và sắp xếp không đồngnhất nên sự đóng rắn diễn ra không đồng thời và ta không thấy rõ mũi tỏa nhiệt của quá trình đóng rắn trên giản đồ DSC

Hình 7:Giản đồ DSC của 3 mẫu biến tính ở tỉ lệ biếi tính 1,6:1 theo

3 thời gian phản ứng khác nhau

Giản đồ phân tích nhiệt (Hình 7) cho thấy: Ở 2 giờ có mũi chảy 167,70C là mũi chảy của sản phẩm trung gian chứ không phải là mũi chảy của BMI (1630C ) Mặt khác trên đường phân tích nhiệt không có mũi chảy của DDM

4 NhiÔu x¹ tia X.

4.1 C¬ së cña ph¬ng ph¸p.

Tia X có bước sóng trong khoảng: 10 -11 m đến 10 -8 m

Tính chất:

- Khả năng xuyên thấu lớn

- Gây ra hiện tượng phát quang ở một số chất

- Làm đen phim ảnh, kính ảnh

- Ion hóa các chất khí

- Tác dụng mạnh lên cơ thể sống, gây hại cho sức khỏe

4.2 Sự phát sinh tia X

Tùy thuộc vào mức năng lượng bắt

đầu bước chuyển (từ lớp vỏ L hay

M) ta ký hiệu các vạch K(anpha)

hay Kβ Cỏc bước chuyển từ mức

năng lượng cao hơn về lớp vỏ L,

tạo thành cỏc vạch L (L(anpha)

chuyển từ mức M hay Lβ chuyển

từ lớp vỏ N)…

4.3 ứng dụng tia X.

- Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X

- Xác định hàm lợng nguyên tố có trong mẫu bằng huỳnh quang tia X

4.4 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X.