Nghiên cứu tổng hợp graphen epoxy và nghiên cứu cơ lý

Nghiên cứu tổng hợp graphene epoxy và nghiên cứu cơ lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TPHCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GRAPHENE/EPOXY COMPOSITE VÀ KIỂM TRA TÍNH CƠ LÝ Giảng viên hướng dẫn: TS.PHẠM HẢI ĐỊNH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HUỲNH MSSV: 10068851 Lớp: DHHC6 Khố: 2010-2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GRAPHEME/EPOXY VÀ KIỂM TRA TÍNH CHẤT CƠ LÝ Giảng viên hướng dẫn: TS.PHẠM HẢI ĐỊNH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HUỲNH MSSV: 10068851 Lớp: DHHC6 Khố: 2010-2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 i NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN VĂN HUỲNH MSSV: 10068851 Lớp: DHHC6 Chuyên ngành: Cơng nghệ Hóa Hữu Tên khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu tổng hợp graphen oxide/epoxy composites kiểm tra tính chất lý Nhiệm vụ khóa luận: - Tìm hiểu tổng quan graphene ứng dụng graphene - Tìm hiểu tổng quan sơn epoxy sản phẩm chống ăn mòn từ epoxy - Khảo sát tính tương thích graphene với thành phần sơn epoxy - Tổng hợp graphene/epoxy composite - Kiểm tra tính chất lý sản phẩm - Thử nghiệm khả đóng rắn sản phẩm composite Ngày giao khóa luận: 03/12/2014 Ngày hồn thành khóa luận: 07/2014 Họ tên giáo viên hướng dẫn: PHẠM HẢI ĐỊNH Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 12 năm 2013 TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHUYÊN NGHÀNH TS Bùi Tấn Nghĩa TS Phạm Hải Định ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn thầy Phạm Hải Định giáo viên hướng dẫn em Thầy hướng dẫn, bảo em tận tình, giúp đỡ, giải thích thắc mắc động viên em ln cố gắng q trình hồn thành đề tài Em gửi lời cám ơn đến q Thầy/Cơ thuộc Khoa Cơng Nghệ Hóa Học tạo nhiều điều kiện cho em mượn dụng cụ thí nghiệm cần thiết để hồn thành đề tài Thứ đến, em xin dành lời cảm ơn đến quý Thầy/Cơ thuộc Khoa Cơng Nghệ Hóa Học tận tình giảng dạy kiến thức tảng, hành trang vững bước cho em tự tin bước vào đời Cám ơn thầy cô xếp thời gian, tạo điều kiện hướng dẫn cho em suốt thời gian qua để em hồn thành chương trình học Bên cạnh đó, em xin cảm ơn gia đình ln bên cạnh em, động viên em tháng học tập Đồng thời cảm ơn người bạn chia vui buồn giúp đỡ học tập Cuối em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCM tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất, trang thiết bị để chúng em học tập Tp.HCM, ngày 06 tháng năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Văn Huỳnh iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:  Nội dung thực hiện:  Hình thức trình bày:  Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn TS Phạm Hải Định iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:  Nội dung thực hiện:  Hình thức trình bày:  Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên phản biện v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GRAPHENE 1.1 Graphene Định nghĩa Lịch sử phát triển- ứng dụng graphene Cấu trúc graphene Các đặc tính graphene 1.1.4.1 Đặc tính học 1.1.4.2 Đặc tính điện 1.1.4.3 Đặc tính nhiệt Graphite oxide Graphene oxide .6 Các phương pháp tổng hợp graphene 1.1.6.1 Phương pháp vật lý 1.1.6.2 Phương pháp hóa học 12 2.1 Nhựa Epoxy 15 2.1.1 Giới thiệu chung nhựa epoxy .15 2.1.2 Định nghĩa .16 2.1.3 Tính chất hóa lý .16 2.1.3.1 Tính chất vật lý 16 2.1.3.2 Tính chất hóa học 17 2.1.4 Lý thuyết tạo nhựa epoxy 18 2.1.4.1 Phản ứng đa tụ nhựa Epoxy 18 2.1.4.2 Biến tính nhựa Epoxy 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 22 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 22 2.1.2 Nội dung nghiên cứu .22 2.2 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 22 2.3 Tổng hợp graphene oxide từ nguyên liệu graphite 24 2.3.1 Tiến hành tổng hợp theo phương pháp Hummer 24 vi 2.3.1.1 Nguyên liệu flake graphite 24 2.3.1.2 Nguyên liệu expandable graphite 27 2.3.2 Loại bỏ ion Mn2+ 30 2.4 Tạo Graphene/epoxy composite .32 2.4.1 Phân tán GO vào epoxy 32 2.4.2 Đóng rắn composite 34 2.5 Kiểm tra tính chất lý 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39 3.1 Tổng hợp graphene oxide từ nguyên liệu graphite 39 3.1.1 Hiệu suất thu hồi GO .39 3.1.2 Phổ XRD 40 3.1.2 Phổ FTIR 42 3.2 Graphene oxide/epoxy 44 3.2.1 Phổ XRD 44 3.2.2 Phổ FTIR 46 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 4.1 Kết luận 49 4.2 Kiến nghị .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GO : Graphite oxide EG : Expandable graphite XRD : X-ray Diffraction FTIR : Fourier Transform Infrared viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các thông số vật lý nhựa epoxy 17 Bảng 1.2 Các thành phần ảnh hưởng đến trình tạo nhựa epoxy 20 Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng nghiên cứu 22 Bảng 2.2 Dụng cụ sử dụng nghiên cứu 23 Bảng 2.3 Thiết bị sử dụng nghiên cứu .23 Bảng 2.4 Hiệu suất thu hồi GO theo phương pháp Hummer 39 42 So sánh với phổ XRD cơng bố ta thấy GO tổng hợp từ expandable graphite có peak tương đương, điều cho thấy sản phẩm GO tách lớp tốt đồng Ngược lại GO tổng hợp theo phương pháp Hummer từ Flakes graphite có độ tách lớp khơng tốt khơng đồng 3.1.2 Phổ FTIR Hình 3.4 Phổ FTIR GO chuẩn Hình 3.5 Phổ FTIR GO tổng hợp từ falkes grahphite theo phương pháp Hummer 43 Hình 3.6: Phổ FTIR GO tổng hợp từ nguyên liệu expandable theo phương pháp Hummer Dựa vào hình 3.4 3.5, 3.6 ta thấy: - GO tổng hợp theo phương pháp Hummer so với mẫu chuẩn mức độ phân bố nhóm –OH (3434,59) C=O (1726,1) , C-O (1387,41), C=C (1627,64) đồng nhiều - Peak C-O (1115,19 1035,58) so với mẫu (1084,7) có khoảng cách xa hơn, điều cho thấy khả oxy hố tốt rìa bên ngồi graphite so với bên tổng hợp GO theo phương pháp Hummer - Mức độ hấp thu cho thấy hầu hết nhóm mẫu GO thu nhiều so với mẫu chuẩn đặc biệt nhóm –OH - Phổ FTIR GO thu có số peak khác (536,17; 468,84; 430,21) thiếu (CO2) với phổ FTIR từ nghiên cứu khoa học khác Do có xuất vùng hấp thu Graphene oxide Những vùng hấp thu phổ FTIR mẫu GO thu nguyên nhân: 44 + Dụng cụ bị nhiễm hóa chất khác q trình thực chung với nhóm đến liên quan đến hợp chất màu + Do hóa chất sử dụng khơng có độ tinh khiết cao + Từ phổ FTIR loại GO, cho thấy hình thành gốc hữu sản phẩm thu được, điều chứng tỏ graphite oxy hóa - So với nguyên liệu flakes graphite nguyên liệu expandable cho peak GO đồng mức độ hấp thu thấp nhiều chứng tỏ nhóm –OH, C=O, C-O, C=C GO tổng hợp từ flakes graphite nhiều hẳn so với expandable 3.2 Graphene oxide/epoxy 3.2.1 Phổ XRD Hình 3.7 Phổ GO/epoxy chưa khử 45 Hình 3.8 Phổ GO/epoxy sau khử Qua phổ cho thấy peak đặc trưng GO khơng cịn xuất hiện, có vùng bị nhiễu, điều cho thấy GO phân tán tốt epoxy Nguyên nhân peak GO biến GO chiếm tỉ lệ nhỏ so với epoxy (0,7 %) phân tán đồng nên trình chụp mẫu 46 Hình 3.9 Phổ GO/epoxy khử chưa khử ghép chồng 3.2.2 Phổ FTIR Hình 3.10 Phổ FTIR epoxy nguyên chất 47 Hình 3.11 Phổ FTIR GO/Epoxy chưa khử Hình 3.12 Phổ FTIR GO/epoxy khử 48 Qua phổ ta thấy: - So với phổ epoxy nguyên chất phổ graphene/epoxy khử chưa khử có thêm peak nhóm –OH mà phân tử epoxy khơng có - Các peak đặc trưng cho nhóm –OH, C-O, C=O, C=C có nhiều phổ - GO/epoxy khử chưa khử có tương đồng cao, nguyên nhân GO chiểm tỉ lệ nhỏ (0,7%) composite nên khác biệt nhiều - Ngoài phổ GO/epoxy khử chưa khử có xuất thêm số peak khác ngun nhân mẫu khơng hồn toàn tinh khiết sai số chênh lệch trình đo 49 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Quá trình tạo sản phẩm composite nhựa epoxy với vật liệu cốt cho sản phẩm mang đặc tính tốt có tính ứng dụng cao công nghệ vật liệu Việc dùng graphene vật liệu cốt nhằm tăng cường tính lý cho sản phẩm composite (nền epoxy) lý tưởng so với sản phẩm đóng rắn thơng thường Từ việc tổng hợp graphene oxide thử nghiệm đóng rắn sau kiểm tra tính lý, tơi rút kết luận tổng quát sau: - Nguyên liệu expandable cho hiệu suất oxy hoá cao nhiều lần so với nguyên liệu flakes graphite Sản phẩm nguyên liệu flakes graphite chứa nhiều nhóm –OH, C=C, C-O, C=O đồng so với nguyên liệu expandable graphite - GO phân tán tốt đồng epoxy thơng qua dung mơi THF - GO/epxoy đóng rắn tốt nhiệt độ thường với chất đóng rắn TETA, phản ứng toả nhiều nhiệt - Sản phẩm composite bám dính với gỗ, (khn) kim loại so với thuỷ tinh, nhựa - Sản phẩm composite có bề mặt nhẵn, bóng độ cứng cao so với epoxy nguyên chất 4.2 Kiến nghị Do hạn chế thời gian thiết bị nghiên cứu trục trặc kĩ thuật trình kiểm tra tính lý nên đề tài chưa thực được: - Kiểm tra độ bền uốn sản phẩm composite - Kiểm tra độ bền va đập sản phẩm composite 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Huỳnh Trần Mỹ Hòa, Chế tạo khảo sát tính chất đặc trưng Graphene, Luận văn thạc sĩ, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Thành phố Hồ chí Minh, 2010 [2] Nguyễn Thị Hải Yến, Tổng hợp graphene oxide khảo sát tương thích graphene oxide lên thành phần sơn epoxy, Luận văn tốt nghiệp, Đại Học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 Tiếng Anh [1] Jianguo Song, Xinzhi Wang, and Chang-Tang Chang, Preparation and Characterization of Graphene Oxide, College of Environment and Materials Engineering, Yantai University, 11 December 2013; Accepted February 2014 [2] Daniela C Marcano,Dmitry V Kosynkin, Jacob M Berlin, Alexander Sinitskii, Zhengzong Sun, Alexander Slesarev, Lawrence B Alemany, Wei Lu, and James M Tour, Improved Synthesis of Graphene Oxide, 4806-4813,2010 [3] Ji Chen, Chun Li, and Gaoquan Shi “Graphene Materials for Electrochemical Capacitors”, 1245-1250, 2013 [4] Ji Chen, Chun Li, and Gaoquan Shi, Graphene Materials for Electrochemical Capacitors, 1245-1250, 2013 [5] Isabella Gierz, Christian Riedl, Ulrich Starke, Christian R Ast, and Klaus Kern, Atomic Hole Doping of Graphene, Nano Letters, 8, 4603 – 4607, 2008 [6] James G Puckett, Evidence and Consequence of Dirac Fermions in Graphene, Department of Physics, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695-8202, 2008 [7] Jean-Noel Fuchs, Mark Oliver Goerbig, Introduction to the Physical Properties of Graphene, Lecture Notes 2008 [8] Zhi An, Sourangsu Sarkar, Owen C Compton, Son Binh T Nguyen Northwestern University, Functionalized Graphene and Graphene Oxide: Materials Synthesis and Electronic Applications, 1263 – 1273, 2012 [9] Dreyer, Daniel R., Park Sungjin, Bielawski, Christopher W., Ruoff, Rodney S, The chemistry of graphene oxide, Chemical Society Reviews 228 – 240, 2010 51 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Phổ FTIR Hình 1.1 Phổ FTIR GO theo phương pháp Hummer từ nguyên liệu Flakes graphite 52 Hình 1.2 Phổ FTIR GO theo phương pháp Hummer từ nguyên liệu expandable graphite Hình 1.3 Phổ FTIR GO/epoxy chưa khử 53 Hình 1.4 Phổ FTIR GO/epoxy sau khử 54 PHỤ LỤC 2: Phổ XRD Hình 2.1 Phổ XRD GO theo phương pháp Hummer nguyên liệu flakes graphite 55 Hình 2.2 Phổ XRD GO theo phương pháp Hummer từ nguyên liệu expandable graphite Hình 2.3 Phổ XRD GO/epoxy chưa khử 56 Hình 2.4 Phổ XRD GO/epoxy sau khử Hình 2.5 Phổ chồng GO/epoxy chưa khử sau khử ... việc nghiên cứu vật liệu mới, đề tài hướng đến ? ?Nghiên cứu tổng hợp graphene /epoxy kiểm tra tính chất lý? ?? nhằm tạo sản phẩm composite có tính chất lý tốt 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GRAPHENE 1.1 Graphene... ngành: Cơng nghệ Hóa Hữu Tên khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu tổng hợp graphen oxide /epoxy composites kiểm tra tính chất lý Nhiệm vụ khóa luận: - Tìm hiểu tổng quan graphene ứng dụng graphene... tài hướng đến tổng hợp graphene từ nguyên liệu graphite dạng Flake Expandable ứng dụng graphene oxide cải thiện tính chất lý cho nhựa epoxy 2.1.2 Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp graphene oxide