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 TỔNG HỢP VÀ KHẢO 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 Mã số : Hoá lý thuyết Hoá lý : 60.44.31 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN XUÂN HOÀN Hà Nội - 2011 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 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu compozit .3 1.1.1 Lịch sử phát triển .3 1.1.2 Khái niệm vật liệu polyme compozit 1.1.3 Thành phần vật liệu polyme compozit 1.1.3.1 Nhựa .4 1.1.3.2 Chất gia cường 1.1.4 Đặc điểm, tính chất vật liệu polyme compozit 1.1.4.1 Đặc điểm vật liệu polyme compozit .6 1.1.4.2 Tính chất vật liệu polyme compozit .6 1.1.5 Các phương pháp gia công 1.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng vật liệu polyme compozit 1.2 Tổng quan tiền chất chế tạo vật liệu polyme compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt nano BaTiO3 .8 1.2.1 Hệ nhựa epoxy 1.2.1.1 Giới thiệu chung nhựa epoxy 1.2.1.2 Đóng rắn nhựa epoxy 10 1.2.1.3 Đặc điểm ứng dụng nhựa epoxy 12 1.2.2 Sợi thủy tinh 13 -i- 1.2.3 Hạt áp điện bari titanat, BaTiO3 15 1.2.3.1 Cấu trúc hạt áp điện BaTiO3 .15 1.2.3.2 Ứng dụng BaTiO3 .17 1.2.3.3 Tổng hợp BaTiO3 18 Chương THỰC NGHIỆM .19 2.1 Hoá chất, thiết bị dụng cụ 19 2.1.1 Hóa chất 19 2.1.2 Thiết bị dụng cụ 20 2.2 Chế tạo mẫu 20 2.2.1 Tổng hợp hạt BaTiO3 .20 2.2.2 Biến tính hạt nano-BaTiO3 hợp chất silan γ–APS 21 2.2.3 Quy trình ghép hạt BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh .21 2.2.4 Quy trình chế tạo vật liệu compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano-BaTiO3 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 số điện môi 23 2.3.4 Ảnh kính hiển vi quang học hiển vi điện tử quét 23 2.3.5 Phương pháp đo Zeta 23 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Đặc trưng hạt BaTiO3 tổng hợp 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 số điện môi .27 3.2 Biến tính bề mặt hạt BaTiO3 hợp chất silan 28 - ii - 3.2.1 Đặc trưng phổ hồng ngoại FT-IR 29 3.2.2 Đặc trưng Zeta 30 3.2.3 Đặc trưng số điện môi .32 3.3 Chế tạo vật liệu compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt nano BaTiO3 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 epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt nano BaTiO3 .36 3.4 Nghiên cứu biến đổi tính chất vật liệu polyme compozit chứa hạt nano-BaTiO3 điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm 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 - iii - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTO BaTiO3, Bari titanat DDM 4,4’-diamino diphenyl metan DEA Phân tích tính chất điện mơi (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-BaTiO3 ghép sợi thuỷ tinh BTO/GF/EP Polyme compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BTO - iv - DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Sợi thủy tinh (nguồn Internet) 14 Hình 1.2 Cấu trúc lập phương BaTiO3 16 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu BaTiO3 26 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM BaTiO3 độ phóng đại khác nhau……………… 26 Hình 3.3 Sự phụ thuộc số điện môi hạt BaTiO3 theo tần số 27 Hình 3.4 Phổ FT-IR bề mặt hạt BaTiO3 biến tính khơng biến tính γ-APS 29 Hình 3.5 Sự phụ thuộc số điện mơi theo tần số 32 Hình 3.6 Phổ FT-IR nhựa epoxy, diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA) 33 Hình 3.7 Phổ FT-IR chất đóng rắn DDM 35 Hình 3.8 Mẫu polyme compozit EP/GF/BTO cắt thành lát mỏng 36 Hình 3.9 Ảnh IOM mẫu polyme compozit EP/GF/BTO 37 Hình 3.10 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO chế tạo 37 Hình 3.11 Sự phụ thuộc số điện mơi theo tần số mẫu polyme compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO3 38 Hình 3.12 Sự phụ thuộc số điện môi theo tần số mẫu polyme compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO3 39 Hình 3.13 Phổ FT-IR mẫu compozit môi trường UV theo thời gian 40 Hình 3.14 Cấu trúc mắt xích mạng lưới vật liệu polyme compozit sở nhựa epoxy đóng rắn amin 41 Hình 3.15 Hình ảnh bề mặt vật liệu polyme compozit chụp kính hiển vi quang học sau phơi mẫu môi trường ánh sáng UV sau 150 ngày 42 Hình 3.16 Sự phụ thuộc số điện môi theo thời gian mẫu polyme compozit khảo sát môi trường UV theo thời gian 43 Hình 3.17 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian 44 Hình 3.18 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian 44 -v- Hình 3.19 Mối quan hệ số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian 45 Hình 3.20 Mối quan hệ số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian 46 Hình 3.21 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C sau thời gian 165 ngày 46 Hình 3.22 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C sau thời gian 165 ngày 47 Hình 3.23 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát mơi trường có độ ẩm 100% theo thời gian 48 Hình 3.24 Sự phụ thuộc diện tích pic –OH theo thời gian mẫu môi trường độ ẩm 100% 48 Hình 3.25 Sự phụ thuộc số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường độ ẩm 100% theo thời gian 49 Hình 3.26 Sự phụ thuộc số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường độ ẩm 80% theo thời gian 49 Hình 3.27 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát mơi trường có độ ẩm tương đối 100% sau 165 ngày 50 Hình 3.28 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát mơi trường có độ ẩm tương đối 80% sau 165 ngày 50 Hình 3.29 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian 51 Hình 3.30 Sự phụ thuộc số điện môi vào tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian 52 Hình 3.31 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO đặt môi trường nước biển nhân tạo sau 165 ngày 52 - vi - DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Một số hợp chất silan loại nhựa 14 Bảng 3.1 Dao động đặc trưng nhóm ngun tử BaTiO3 biến tính với silan γ-APS 30 Bảng 3.2 Thế Zeta (ζ) hạt BaTiO3 31 Bảng 3.3 Thế Zeta (ζ) hạt BaTiO3 biến tính bề mặt γ-APS 31 Bảng 3.4 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử DGEBA 34 Bảng 3.5 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử chất đóng rắn DDM 35 Bảng 3.6 Một số dao động đặc trưng số nhóm nguyên tử vật liệu polyme compozit EP/GF/BTO 38 - vii - MỞ ĐẦU Với tính ưu việt so với loại vật liệu truyền thống độ bền riêng, mođun đàn hồi cao, chống mài mòn tốt, bền môi trường xâm thực vật liệu polyme compozit (PC) ứng dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân công nghiệp đóng tàu biển, chế tạo tơ, chế tạo vỏ máy bay, tầu vũ trụ, vật liệu xây dựng nhiều lĩnh vực khác đời sống xã hội Đặc biệt điều kiện khí hậu nóng ẩm có độ ăn mòn cao, vật liệu polyme compozit lựa chọn tốt để thay sắt, thép, gỗ tương lai thay dần hợp kim đặc biệt, hay sử dụng lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại Tuy nhiên, việc đánh giá độ bền nhiệt mơi trường khí hậu nóng ẩm đòi hỏi phải dùng đến phép đo phương pháp nghiên cứu đặc biệt, cần nhiều thời gian công sức Do vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu thơng minh tự cảm biến q trình lão hóa vật liệu trước vật liệu hỏng hóc giải pháp hữu hiệu để khắc phục tình trạng Như ta biết, lão hóa, rạn nứt vật liệu chủ yếu gây phá hủy bề mặt pha vật liệu compozit Sự phá hủy bề mặt pha lại gây ứng suất biến dạng hệ bề mặt pha ba chiều Sự biến dạng đo trực tiếp cách đưa vào hệ hạt áp điện có kích thước nano trung tâm cảm biến Các vật liệu BaTiO3, PZT, ZnO vật liệu áp điện sử dụng phổ biến Đã có nhiều nghiên cứu hệ áp điện/polyme compozit để ứng dụng làm thiết bị nghe nước, vật liệu phát sóng âm, thiết bị y tế đầu dò siêu âm…[12] Nhưng việc biến vật liệu thành cảm biến để đánh giá q trình lão hóa vật liệu, từ đưa giải pháp ngăn chặn khắc phục ý tưởng tương đối mới, khơng có ý nghĩa thực tiễn việc bảo vệ vật liệu mà cịn có ý nghĩa khoa học việc nghiên cứu điều chỉnh tạo tính chất tốt cho vật liệu Nhằm mục đích bước tiếp cận bước đầu tìm hiểu khả chế tạo ứng dụng vật liệu compozit chứa hạt áp điện có kích thước -1- 40 ngμy ngμy 14 ngμy 21 ngμy H»ng sè ®iƯn m«i 35 30 25 20 MÉu UV, 2-2-11; 50%V 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.16 Sự phụ thuộc số điện môi theo thời gian mẫu polyme compozit khảo sát môi trường UV theo thời gian Như vậy, lão hóa vật liệu kèm theo giảm số điện mơi theo thời gian phơi mẫu Có thể thấy mối tương quan thay đổi cấu trúc vật liệu (sự xuất thêm liên kết C=O có đỉnh pic dao động đặc trưng tần số 1657 cm-1 phổ FT-IR) thay đổi giá trị số điện môi vật liệu theo thời gian phơi mẫu môi trường chiếu tia UV 3.4.2 Mơi trường nhiệt độ Mục đích phần tiến hành nghiên cứu biến đổi tính chất vật liệu compozit phơi mẫu điều kiện nhiệt độ thay đổi Hai giá trị nhiệt độ lựa chọn khảo sát hệ phơi mẫu nhiệt độ 600C 1000C Tương tự trên, sử dụng phổ hồng ngoại, đo số điện môi chụp hình ảnh bề mặt mẫu kính hiển vi quang học để nghiên cứu, đánh giá trình thay đổi cấu trúc vật liệu PC điều kiện chiếu tia UV, mẫu lấy thời điểm định để đo đặc trưng - 43 - Hình 3.17 3.18 đặc trưng phổ FT-IR mẫu polyme compozit điều kiện phơi chiếu nhiệt độ 600C 1000C tương ứng theo mốc thời gian khác (a) §é trun qua, % (b) (c) (d) (e) 1657 (a) - ngμy; (b) - ngμy; (c) - 14 ngμy (d) - 21 ngμy; (e) - 28 ngμy 4000 3500 3000 2500 NhiƯt ®é 60 C 2000 1500 1000 -1 TÇn sè, cm Hình 3.17 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian (a) §é trun qua, % (b) (c) (d) 1657 (a) - ngμy; (b) - ngμy (c) - 14 ngμy; (d) - 21 ngμy 4000 3500 3000 2500 NhiƯt ®é 100 C 2000 1500 1000 -1 TÇn sè, cm Hình 3.18 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian - 44 - Có thể thấy nhiệt độ tăng xảy phá vỡ cầu liên kết hiđro nhóm chứa liên kết –OH (ancol) hay amin, cầu ete (-CH2-CH(OH)-CH2-O-) Sau xảy q trình cắt đứt mạch mạng lưới vật liệu polyme compozit Có thể thấy rõ nhiệt độ 1000C, phổ hồng ngoại sau thời gian phơi mẫu ngày bắt đầu xuất dao động đặc trưng 1657 cm–1 ứng với tạo thành nhóm C=O, cacbonyl gốc chứa nhóm amit [13], phân huỷ mạng lưới polyme, đó, phơi mẫu môi trường 600C, thấy rõ xuất dao động đặc trưng sau thời gian 21 ngày Các liên kết với sợi gia cường hạt nano bị cắt đứt nguyên nhân gây nên giảm số điện môi vật liệu phơi mẫu môi trường nhiệt độ cao Sự lão hóa vật liệu kèm theo giảm số điện môi theo thời gian phơi mẫu giá trị giảm mạnh nhiệt độ môi trường lớn, thể hình 3.19 hình 3.20 40 ngμy; 14 ngμy; ngμy 21 ngμy Hằng số điện môi 35 30 25 20 Nhiệt ®é 60 C 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.19 Mối quan hệ số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian Qua kết khảo sát số điện môi ta thấy môi trường nhiệt độ số điện mơi giảm lão hố vật liệu, giá trị số điện mơi giảm mạnh nhiệt độ phơi mẫu cao Ở tần số MHz số điện mơi - 45 - sau 21 ngày phơi mẫu nhiệt độ 1000C giảm 29,4%, so với nhiệt độ 600C giảm 17,2 % 40 ngμy; 14 ngμy; ngμy 21 ngy Hằng số điện môi 35 30 25 20 NhiƯt ®é 100 C 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.20 Mối quan hệ số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian Sự giảm số điện mơi cuả mẫu polyme compozit EP/GF/BTO minh chứng rõ quan sát hình thái bề mặt mẫu polyme compozit sau phơi mẫu 165 ngày nhiệt độ 600C 1000C tương ứng (xem hình 3.21 hình 3.22) Hình 3.21 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 600C sau thời gian 165 ngày - 46 - Hình 3.22 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nhiệt độ T = 1000C sau thời gian 165 ngày Ở nhiệt độ 1000C, bề mặt compozit bị phá huỷ nhanh chóng hơn, kèm theo hình thành vệt nứt gãy micro rõ nét bề mặt 3.4.3 Mơi trường ẩm Mục đích phần nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đo phổ hồng ngoại số điện môi để xác định thay đổi cấu trúc tính chất vật liệu compozit nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện có kích thước nano BaTiO3 mơi trường có độ ẩm tương đối 100% 80% Ngồi ra, mục đích nghiên cứu cịn để đưa mối quan hệ thay đổi số điện môi thay đổi cấu trúc vật liệu với mong muốn xây dựng phương pháp nghiên cứu thay đổi tính chất vật liệu mà không phá hủy mẫu Sử dụng phổ hồng ngoại để nghiên cứu trình thay đổi cấu trúc vật liệu PC phơi mẫu môi trường có độ ẩm tương đối 100% Mẫu lấy thời điểm định để đo Phổ FT-IR trình bày hình 3.23 Sử dụng phần mềm Origin cho phép tính diện tích pic Trên hình 3.24 thể phụ thuộc diện tích pic –OH theo thời gian mẫu môi trường có độ ẩm tương đối 100% - 47 - (a) §é truyÒn qua, % (b) (c) (d) (a) - ngμy (b) - ngμy (c) - 14 ngμy (d) - 21 ngμy MÉu ®é Èm 100% - 50%V 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -1 TÇn sè, cm Hình 3.23 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát mơi trường có độ ẩm 100% theo thời gian (A-OH/A1509)t - (A-OH/A1509)0 §é Èm 100% 10 15 20 25 30 35 40 Thêi gian, ngμy Hình 3.24 Sự phụ thuộc diện tích pic –OH theo thời gian mẫu môi trường độ ẩm 100% Khi thời gian phơi mẫu tăng, xâm nhập nước vào mẫu tương ứng với cường độ dao động đặc trưng mẫu vị trí ~ 3400 cm–1 tăng dần Hình 3.25 3.26 đường đặc trưng tính chất số điện môi mẫu phơi môi trường có độ ẩm tương đối 100%, 80% tương ứng theo thời gian - 48 - 40 ngμy; 14 ngy; 28 ngy Hằng số điện môi 35 ngμy 21 ngμy 30 25 20 §é Èm 100% 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.25 Sự phụ thuộc số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường độ ẩm 100% theo thời gian 40 ngy; 14 ngy; 28 ngy Hằng số điện môi 35 ngμy 21 ngμy 30 25 20 §é Èm 80% 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.26 Sự phụ thuộc số điện môi với tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường độ ẩm 80% theo thời gian Qua kết khảo sát ta thấy đặt mẫu mơi trường độ ẩm số điện môi ban đầu giảm, sau khoảng thời gian (21 ngày) số điện mơi tăng Diện tích pic –OH tăng dần trường hợp Điều giải thích ban đầu nước xâm nhập vào vật liệu compozit làm cho liên kết sợi thuỷ tinh, hạt BaTiO3 nhựa epoxy bị phân cắt dần nên làm giảm - 49 - số điện môi Sau lượng nước xâm nhập vào vật liệu đủ lớn nước có số điện mơi lớn nên góp phần làm cho giá trị số điện môi vật liệu tăng lên Hình 3.27 hình 3.28 cho biết hình thái bề mặt mẫu polyme compozit sau phơi mẫu 165 ngày mơi trường có độ ẩm tương đối 100% 80% tương ứng Có thể quan sát thấy vài dấu hiệu nứt gãy micro rõ nét bề mặt Hình 3.27 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát mơi trường có độ ẩm tương đối 100% sau 165 ngày Hình 3.28 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường có độ ẩm tương đối 80% sau 165 ngày 3.4.4 Mơi trường nước biển nhân tạo Mục đích nghiên cứu phần theo dõi biến đổi vật liệu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian Nước biển nhân tạo pha chế theo tỉ lệ sau lít nước gồm có: - 50 - Chất NaCl MgCl2.6H2O Na2SO4 CaCl2 Khối lượng 24,53 gam 5,26 gam 4,09 gam 1,16 gam Chất NaHCO3 KCl KBr Khối lượng 0,201 gam 0,695 gam 0,101 gam Kết đo thể hình 3.29 đến hình 3.31 (a) §é trun qua, % (b) (c) (d) 1655 (a) - ngμy; (b) - ngμy (c) - 14 ngμy; (d) - 28 ngμy 4000 3500 3000 2500 Môi trờng muối 2000 1500 1000 -1 Tần số, cm Hình 3.29 Phổ FT-IR mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian Qua kết thực nghiệm khảo sát mơi trường nước biển nhân tạo thấy phổ IR sau thời gian 28 ngày có xuất pic khoảng 1655 cm–1 (đặc trưng nhóm C=O, cacbonyl gốc chứa nhóm amit) [13], điều giải thích đặt mơi trường nước biển nhân tạo có xâm nhập nước ion K+, Ca2+, Ba2+…dẫn đến phá huỷ liên kết cấu trúc compozit tín hiệu kết chồng phổ nhóm cacbonyl, axit cacboxylic, hợp chất muối cation với axit cacboxylic… - 51 - Từ kết đo số điện môi (hình 3.30) cho thấy số điện mơi khoảng thời gian nghiên cứu có có xu hướng giảm dần theo chiều tăng tần số Ở thời gian đầu ngày, giá trị số điện môi tăng nhẹ xâm nhập nước giống quan sát khảo sát mẫu môi trường ẩm Tuy nhiên, sau thời gian 14 ngày, giá trị số điện mơi có xu hướng giảm Ngun nhân ion K+, Ca2+, Ba2+ có độ dẫn điện cao compozit nên chúng xâm nhập vào bên vật liệu compozit làm cho khả dẫn điện hệ vật liệu tăng lên, kéo theo số điện môi giảm 40 ngμy; 14 ngy; ngy 21 ngy Hằng số điện môi 35 30 25 20 MÉu muèi biÓn, 50%V 15 200 400 600 800 1000 TÇn sè, kHz Hình 3.30 Sự phụ thuộc số điện môi vào tần số mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian Lỗ thủng Lỗ thủng Hình 3.31 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO đặt môi trường nước biển nhân tạo sau 165 ngày - 52 - Sự phá huỷ bề mặt mẫu (tạo dải vết nứt miron lỗ thủng rõ nét) quan sát rõ nét sau 165 ngày hình 3.31 góp phần giải thích lý giải nêu Tóm lại, kết khảo sát biến đổi tính chất vật liệu polyme compozit chứa hạt nano-BaTiO3 điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm nước biển nhân tạo cho thấy triển vọng đưa vào sử dụng hạt nano BaTiO3 gắn kết cấu trúc mạng lưới vật liệu compozit đóng vai trị trung tâm tự cảm biến góp phần theo dõi đánh giá lão hoá vật liệu theo thời gian - 53 - KẾT LUẬN Trong trình thực nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện”, chúng tơi thu kết sau: - Đã tổng hợp hạt BaTiO3 phương pháp thuỷ nhiệt sử dụng tiền chất TiCl3, BaCl2 KOH điều kiện nhiệt độ 1500C/ Sản phẩm bột thu có độ tinh khiết cao, hình thái học hạt BaTiO3 đồng với kích thước hạt xấp xỉ 80 nm, có số điện mơi lớn - Đã sử dụng quy trình biến tính hạt nano BaTiO3 với tác nhân ghép nối γ-aminopropyl trimethoxy silan sử dụng phương pháp phân tích hồng ngoại IR, đo Zeta chứng minh ghép thành công γ-APS lên bề mặt hạt BaTiO3 - Đã sử dụng điều kiện tối ưu chế tạo polyme compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa không chứa hạt nano BaTiO3 đo đặc trưng số điện môi chúng Kết cho thấy với mẫu compozit gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO3 có số điện mơi cao mẫu khơng chứa hạt BaTiO3 - Với mẫu polyme compozit chế tạo, bước đầu tiến hành nghiên cứu khảo sát vật liệu loại mơi trường ánh sáng UV, độ ẩm tương đối 80% 100%, nhiệt độ 600C 1000C, môi trường nước biển nhân tạo nhằm theo dõi phá huỷ cấu trúc vật liệu compozit theo thời gian Bằng cách sử dụng phối hợp phương pháp đo phổ IR, đo số điện môi, hình thái học bề mặt vật liệu giải thích mối tương quan đặc trưng tính chất vật liệu môi trường khảo sát Kết cho thấy triển vọng sử dụng hạt nano BaTiO3 trung tâm tự cảm biến góp phần theo dõi đánh giá lão hố vật liệu theo thời gian - 54 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Công nghệ chất dẻo - lựa chọn cho tương lai nhà khoa học Việt Nam, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, số tháng 3/2005 [2] Nguyễn Đăng Cường (2006), “Compozit sợi thuỷ tinh ứng dụng”, NXB KHKT, Chương 2, trang 408 [3] Trần Vĩnh Diệu, Lê Thị Phái (1998), “Vật liệu polyme compozit, hướng phát triển ứng dụng”, Trung tâm KHKT CNQG, Trung tâm thông tin tư liệu [4] Lưu Viết Khoa, Nguyễn Xn Hồn (2009), “Kiểm sốt cấu trúc kích cỡ vật liệu nano BaTiO3 dạng bột điều chế phương pháp thuỷ nhiệt’’ Tạp chí Khoa học, Khoa học Tự nhiên Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội, Tập 25, (số 2S), trang 231 - 235 [5] Phan Thị Tuyết Mai, Chu Ngọc Châu, Lưu Văn Bơi, Pascal Carrière, Nguyễn Xn Hồn (2010), “Nghiên cứu phản ứng ghép γ-aminopropyl-trimetoxysilan lên bề mặt hạt nano BaTiO3” Tạp chí Hố học, Tập 48, (số 4A), trang 13 - 18 [6] Phan Thị Tuyết Mai, Vũ Thị Hải Ninh, Lại Năng Duy, Lưu Văn Bôi, Nguyễn Xuân Hoàn, Pascal Carrière (2010), “Ảnh hưởng hợp chất ghép nối silan đến phản ứng đóng rắn hệ nano – BaTiO3/epoxy compozit” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Tập 48, (số 2A), trang 419 - 424 [7] Phan Thị Tuyết Mai, Lê Thị Hồng Phong, Nguyễn Minh Quân, Lưu Văn Bơi, Pascal Carrière, Nguyễn Xn Hồn (2011), “Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng tới trình ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thuỷ tinh” Tạp chí Hố học, Tập 49, (số 2ABC), trang 464 - 468 [8] Phan Thị Tuyết Mai (2008), Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh sợi tự nhiên chứa hạt áp điện kích thước nano khảo sát biến đổi tính chất nhiệt điều kiện khí hậu nhiệt đới, Đề cương thuyết minh luận án Tiến sĩ - 55 - [9] Vũ Thị Hải Ninh (2009), Tổng hợp tính chất polime nanocompozit gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt áp điện BaTiO3, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Nam Toulon-Var, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (bản dịch Tiếng Việt) [10] Nguyễn Minh Qn (2010), Tối ưu hố tính chất compozit epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt nano BaTiO3, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Nam Toulon-Var, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (bản dịch Tiếng Việt) Tiếng Anh: [11] A.M Clayton, (1998), “Epoxy Resin”, Chemistry and Technology 2nd Ed Mancel Dekker Inc New York and Basel, 794 [12] K.L Edwards, (1998), “An Overview of the Technology of Fiber – Reinfoced Plastics for Deign Purposes”, Material and Design, Vol 19, - 10 [13] B.G Kimar, R.P Singh, T Nakamura, (2002), “Degradation of Carbon Fiber reinforced Epoxy Composites by Ultraviolet Radiation and Condensation”, Journal of Composite Materials, Vol 36, 2713 - 2733 [14] I Hamerton, (2000), “Recent Developments in Epoxy Resins” Shropshire: Rapra Technology [15] Nguyen Xuan Hoan, Luu Viet Khoa (2008), “Hyđrothermal Synthesis and Grain Growth Kinetic of Nanocrystalline BaTiO3”, Proceedings of the International Scientific conference on Chemistry for development and Integration, Hanoi, Publishing House for Science and Technology, 867 - 872 [16] M Iijima, N Sato, I W Lenggoro, H Kamiya, (2009) “Surface modification of BaTiO3 particles by silane couping agents in different solvants and their effect on dielectric properties of BaTiO3/epoxy composites” Colloids Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol 352, 88-93 [17] F.R Jone, (2007), “Interface Design of Polymer Matrix Composites Mechnics, Chemistry, Modelling and Manufacturing”, Proceedings of the 28th Riso Intenational Symposium on Materials Science, 22 - 44 [18] Phan Thi Tuyet Mai, Chu Ngoc Chau, Luu Van Boi, Nguyen Xuan Hoan , Ho Thi Anh, Pham Duc Thang, Isabelle Martin, Pascal Carrière (2009), “Influence of - 56 - surface properties of nano-BaTiO3 particles on the dielectric behavior of BaTiO3/epoxy nanocomposites” International Symposium on Nano - Materials, Technology and Applications, November 2009, Hanoi Submitted to Physica B (2010), 13 pages [19] E Oleinik, (1980), “Epoxy – aromatic amine networks in the glassy state structure and properties”, Epoxy resin and composites, Vol IV, 49-99 [20] Reymond, B Seymour, (1990), “Polymer composites”, Polymer composite, Ultrecht, Nerthrlands, 43 - 59 [21] N Sbirrazzuoli, A.M Mija, L Vincent, C Alzina, (2006), “Isoconversional kinetic analysis of stoichiometric and off – stoichiometric epoxy – amine cures” Thermochimica Acta, Vol, 447, 167 - 177 [22] J.F Tresler, S Alkoy, A Dogan, R.E Newham, (1999), “Functional composites for sensor, actua and transducers”, Composites: Part A, Vol 30, 477 482 [23] Ullmann’s Encyclopedia of Industrials Chemistry (1994), “Composite Materials” Federal Republic of Germany, Vol.47, 369 - 409 [24] Ullmann’s Encyclopedia of Industrials Chemistry (1994), “Composite Materials” Federal Republic of Germany, Vol.A7, 369-409 [25] J.W Weetons, D.M.Peter, K Thomas, (1987), “Engineers Guide to Composite Materials” Americal Society for Metal [26] Zeta potential; http://en.wikipedia.org/wiki/Zeta_potential - 57 -