Nghiên cứu quá trình phân tán ống nanocacbon đa thành (mwnts) trong nước bằng chất hoạt động bề mặt báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t cnvl 2013 13

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Đề tài: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN TÁN ỐNG NANOCACBON ĐA THÀNH (MWNTs) TRONG NƯỚC BẰNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT Mã số đề tài: T-CNVL-2013-13 Thời gian thực hiện: 05/2013 – 05/2014 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Thị Minh Nguyệt TS Lê Văn Thăng Cán tham gia : KS Lê Lâm ThS Trần Thị Thanh Thủy TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 01/2014   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu           Danh sách cán tham gia thực đề tài       ThS Nguyễn Thị Minh Nguyệt   Khoa Công nghệ Vật liệu   TS Lê Văn Thăng   Khoa Công nghệ Vật liệu   KS Lê Lâm   Khoa Công nghệ Vật liệu   ThS Trần Thị Thanh Thủy   Khoa Công nghệ Vật liệu   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         MỤC LỤC     CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI     CHƯƠNG TỔNG QUAN     2.1 Ống nano carbon (CNTs)     2.1.1 Cấu trúc ống nano carbon     2.2.2 Tính chất ống nano cacbon 11     2.2.3 Khả ứng dụng ống nano cacbon 13     CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16     3.1 Quy trình làm 16     3.2 Xác định hệ số hấp thụ MWNTs quang phổ UV-Vis 17     3.3 So sánh cường độ trợ phân tán hai chất hoạt động bề mặt: SDS and   Triton-X 20     3.4 Xác định tỉ lệ tối ưu MWNTs chất hoạt động bề mặt quang   phổ UV-Vis 21     3.5 Vai trò trình làm đến độ ổn định phân tán ống nanocacbon   đa thành nước 21     CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 23     4.1 Kết trình làm 23       4.1.1 Ảnh SEM TEM 23   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         4.1.2 TGA 25     4.1.3 Raman .26     4.2 Xác định hệ số hấp thụ ε phương pháp phổ UV-Vis 31     4.3 So sánh khả phân tán hai chất hoạt động bề mặt SDS Triton X-   100 34     4.4 Xác định tỉ lệ tối ưu CNT chất hoạt động bề mặt 39     CHƯƠNG KẾT LUẬN .41       TÀI LIỆU THAM KHẢO 43   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         DANH MỤC HÌNH VẼ     Hình 2.1 Lưới graphite vector cuộn CNTs     Hình 2.2 Các hướng cuộn khác graphene .11     Hình 2.3 Tính chất CNTs phụ thuộc vào vector cuộn 11     Hình 2.4 So sánh nhiệt dung riêng ống nano cacbon graphite 12     Hình 3.1 Quy trình làm MWNTs 17     Hình 3.2 Quá trình xử lý nhiều bước để tạo dung dịch đồng nhất, có độ ổn định   phân tán cao dùng để xác định hệ số hấp thụ 19     Hình 4.1 Ảnh SEM mẫu (a) M-raw (b) M-P .23     Hình 4.2 Ảnh TEM mẫu (a) M-raw, (b) M460 (c) M-P 24     Hình 4.3 Kết TGA mẫu MWNTs sau bước làm 25     Hình 4.4 Phổ Raman mẫu M460 M-P 27     Hình 4.5 Mơ hình mơ tả trạng thái phân tán ống nano cacbon trước sau loại bỏ tạp chất xúc tác 29   Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn hấp thụ dung dịch chứa M-raw M-P nồng độ   1.5mg/l sau ly tâm pha loãng 50 lần (sử dụng chất trợ phân tán SDS) .29     Hình 4.7 Hình ảnh mẫu M-P nồng độ 1.15mg/ml sau khoảng thời gian   tồn trữ khác 42       Hình 4.8 Sau tuần đáy ống nghiệm cặn .43   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         Hình 4.9 Phổ UV-Vis dung dịch SDS/M-Pf (40:1) a) sau đánh siêu âm 45 phút b) sau đánh siêu âm 55 phút c) sau ly tâm 32   Hình 4.10 a) Phổ UV-Vis dung dịch chứa M-Pf nồng độ khác and   b) Đường thẳng Lambert-Beer (dùng chất trợ phân tán SDS) .32     Hình 4.11 a) Phổ UV-Vis dung dịch chứa M-Pf nồng độ khác and   b) Đường thẳng Lambert-Beer (dùng chất trợ phân tán Triton X-100) 34     Hình 4.12 Phổ UV-vis MWNTs dung dịch SDS (a) Đồ thị Lambert-Beer   (b) 35     Hình 4.13 Phổ UV-vis MWNTs dung dịch Triton X-100 (a) Đồ thị   Lambert-Beer (b) 36     Hình 4.14 Đường cong phân bố hàm lượng phân tán theo nồng độ MWNTs phân tán dung dịch chứa (a) SDS (b) Triton X-100 46   Hình 4.15 Cấu trúc hóa học (a) SDS (b) Triton X-100 38     Hình 4.16 Đường cong phân bố hàm lượng MWNTs phân tán theo nồng độ khác chất hoạt động bề mặt (a) SDS (b) Triton X-100 39     Hình 4.17 Cơ chế keo tụ CNTs thơng qua phân tử chất hoạt động bề mặt 40   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         DANH MỤC BẢNG BIỂU     Bảng 2.1 So sánh tính ống nano với số dạng vật liệu khác 12     Bảng 4.1 Khối lượng lại mẫu CNTs sau bước làm 25     Bảng 4.2 Kết tỷ lệ ID/IG Mraw, M460 and M-P .27     Bảng 4.3 Nồng độ thực tế phân tán mẫu M-raw M-P sau ly tâm   3000 vòng/phút 20 phút 30           Bảng 4.4 Hệ sộ hấp thụ M-Pf (dùng chất trợ phân tán SDS) 33 Bảng 4.5 Hệ sộ hấp thụ M-Pf (dùng chất trợ phân tán Triton X-100) 33   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI     Việc phát ống nano cacbon (CNTs) thu hút quan tâm to lớn nhiều nhà nghiên cứu giới tính chất đặc biệt chúng tính chất điện, tính chất quang, tính chất học, hóa học…Với tính chất có này,có thể thấy sản phẩm ống nano carbon ứng viên cho nhiều ứng dụng tiềm ứng dụng vật liệu composite, thiết bị phát xạ trường, vi điện tử, đầu dò, lọc quang học ứng dụng sinh học khác Tuy nhiên, để ứng dụng trở thành thực thách thức lớn cần vượt qua khả phân tán đồng sản phẩm Mặc dù có nhiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực công bố việc phân tán giữ ổn định sản phẩm ống nano carbon dung mơi mơi trường kích thước micro nano cịn vấn đề vơ cần thiết đáng quan tâm   Có hai cách tiếp cận khác sử dụng để phân tán CNTs phương pháp học (vật lý) phương pháp hóa học Phương pháp vật lý chủ yếu dựa việc sử dụng sóng siêu âm (ultrasonication) nên tốn nhiều thời gian hiệu không cao Phương pháp hóa học sử dụng chất hoạt động bề mặt gắn nhóm chức để thay đổi lượng bề mặt ống nano cacbon Một vấn đề lớn việc gắn nhóm chức khác phản ứng hóa học làm gia tăng khuyết tật bề mặt ống nano cacbon Điều làm thay đổi tính chất điện tính chất CNTs Để tránh tình trạng cải thiện đáng kể độ phân tán CNTs, đưa phương pháp kết hợp đơn giản mà hiệu trình làm biến tính bề mặt CNTs cách sử dụng chất hoạt động bề mặt để đảm bảo cấu trúc chúng không bị ảnh hưởng đáng kể   Trong phạm vi đề tài này, chúng tơi làm MWNTs thơng qua quy trình đơn giản bao gồm hai giai đoạn: oxi hóa khơng khí xử lý axit clohydric (HCl), sau phân tán chúng mơi trường nước cách sử dụng loại chất hoạt động bề mặt khác nhau: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS)     Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         Triton X-100 Kết nghiên cứu cho thấy sản phẩm cuối có độ tinh khiết cao (95%) vai trị q trình làm thể rõ nét việc phân tán MWNTs cấp độ nano   Bằng cách sử dụng quang phổ UV-Vis, hệ số hấp thụ (ε) MWNTs xác định Thông qua giá trị này, phép phân tích so sánh phân tán MWNTs sử dụng hai chất hoạt động bề mặt – Triton X-100 SDS thực Kết cho thấy Triton X-100 mang lại hiệu phân tán cao SDS Tỷ lệ tối ưu CNT với chất hoạt động bề mặt xác định Thơng số cho thấy có ảnh hưởng đáng kể đến phân tán ống nano cacbon Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt sử dụng cao hay thấp tỉ lệ làm giảm mức độ phân tán MWNTs     Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         CHƯƠNG TỔNG QUAN     2.1 Ống nano carbon (CNTs)     2.1.1 Cấu trúc ống nano carbon     Ống nano cácbon dạng thù hình cacbon, xem cuộn tròn hay vài lớp graphene với đường kính khoảng vài nanometer đến vài chục nanomet (nm) chiều dài lên tới vài centimet, có tên gọi “ống nano” Ống nano cacbon phân chia thành hai nhóm chính:   Ống nano cacbon đơn thành (single-walled carbon nanotubes – SWNTs)   Ống nano cacbon đa thành (multi-walled carbon nanotubes – MWNTs)         Hình 2.1 Lưới graphite vector cuộn CNTs     Cấu trúc nguyên tử cacbon graphene xác định tính chất CNTs Ví dụ, hướng xoắn góc xoắn ống nano cacbon so với trục tubes xác định tính chất điện - điện tử tube Để miêu tả đặc tính tubes, hai vectơ Ch T sử dụng hình     Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu           Hình 4.8 Sau tuần đáy ống nghiệm cặn     4.3 Xác định hệ số hấp thụ ε phương pháp phổ UV-Vis     Tiếp theo q trình làm sạch, chúng tơi tiến hành dùng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) Triton X-100 để tạo hệ phân tán MWNTs Dung dịch sử dụng để xác định hệ số hấp thụ chuẩn bị cách trộn mẫu M-Pf vào dung dịch bề mặt SDS với tỉ lệ SDS: M-Pf 40 Trong đó, M-Pf sản phẩm làm sau xử lý nhiều bước để loại bỏ hầu hết bó, cụm MWNTs có kích thước lớn Sử dụng đầu rung siêu âm để phân tán MWNTs nước với diện chất hoạt động bề mặt Kết TGA FTIR (trình bày phụ lục) chứng minh hiệu trình lọc rửa chất hoạt động bề mặt SDS Điều khẳng định chất hoạt động bề mặt loại bỏ dễ dàng khỏi MWNTs dễ dàng ứng dụng vào quy trình khác tiếp sau   Hình 4.9 so sánh phổ UV-Vis dung dịch SDS/M-Pf (40:1) sau đánh   siêu âm 45 phút, kéo dài thêm 10 phút (tức 55 phút) sau ly tâm với tốc độ   3000 vòng/phút 20 phút Dung dịch phân tán thu có nồng độ tương đối cao để đo độ hấp thụ nên chúng pha loãng 10 lần để dễ dàng đo đạc Từ kết hình 4.14, thấy đường phổ chồng chập lên Điều chứng tỏ dung dịch phân tán hồn tồn, dùng dung dịch để tính tốn hệ số hấp thụ   31   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu             Hình 4.9 Phổ UV-Vis dung dịch SDS/M-Pf (40:1) a) sau đánh siêu âm 45 phút b) sau đánh siêu âm 55 phút c) sau ly tâm   Dung dịch phân tán đem pha loãng 10, 20, 30, 40 lần phân tích quang phổ UV-Vis để kiểm tra thỏa mãn định luật Lambert-Beer         a     e Abs     d 0.5   b a - mg/ml b - 0.00625 mg/ml c - 0.0083 mg/ml d - 0.0125 mg/ml e - 0.025 mg/ml 1.5 1.0     2.0         Abs       c b 500nm 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4     0.0   0.2 a   300 400 500 600 700 800 0.0 0.000 900 Wavelength (nm) 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 concentration (mg/ml)       Hình 4.10 a) Phổ UV-Vis dung dịch chứa M-Pf nồng độ khác and   b) Đường thẳng Lambert-Beer (dùng chất trợ phân tán SDS)   32   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         Hình 4.10 thể thay đổi độ hấp thụ theo nồng độ MWNTs (M-Pf) khác dung dịch nước Nồng độ MWNTs phân tán cao độ hấp thụ lớn Xây dựng đường hấp thụ 500nm theo nồng độ MWNTs, ta thấy đồ thị tuyến tính, điều có nghĩa bước sóng 500nm, nồng độ tuân theo định luật Lambert-Beer   Bảng 4.4 Hệ sộ hấp thụ M-Pf (dùng chất trợ phân tán SDS)                                 Concentration                           (mg/ml) 0.00625 0.0083 0.0125   0.025   average Absorption A500 e 500 =       0.283 0.378 0.574 45.28 45.54 45.92 1.133   A500 (cm2 mg -1 ) b´c 45.32 45.52 Tương tự vậy, hệ số hấp thụ CNTs sử dụng Triton X-100 làm chất trợ phân tán xác định theo bảng 4.5 hình 4.11   Bảng 4.5 Hệ sộ hấp thụ M-Pf (dùng chất trợ phân tán Triton X-100)                                 Concentration     (mg/ml)                     0.00625 0.0083 0.0125   0.025   average Absorption A500 e 500 =     A500 (cm2 mg -1 ) b´c 0.273 0.357 0.546 43.68 42.84 43.68 1.062     33 42.48 43.17   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu             2.5 a 2.0       e a - mg/ml b - 0.00625 mg/ml c - 0.0083 mg/ml d - 0.0125 mg/ml e - 0.025 mg/ml     1.0   c 0.5 b 0.0 a 500nm 1.0   d       1.2 0.8 Abs Abs 1.5      b   0.6   0.4     0.2     300 400 500 600 700 800 0.0 0.000 900 Wavelength (nm) 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 Concentration (mg/ml)       Figure 4.11 a) Phổ UV-Vis dung dịch chứa M-Pf nồng độ khác and   b) Đường thẳng Lambert-Beer (dùng chất trợ phân tán Triton X-100)       Theo kết tính toán bảng 4.4 bảng 4.5, hệ số hấp thụ trung bình 45.52 cm2mg-1 dung dịch phân tán sử dụng SDS 43.17 cm2mg-1 dung dịch phân tán sử dụng Triton-X Các giá trị tương đối gần với hệ số hấp thụ MWNTs mà nghiên cứu khác công bố (ε500 = 46 ± 1.4 cm2mg-1) [14]     4.4 So sánh khả phân tán hai chất hoạt động bề mặt SDS Triton   X-100     Các dung dịch phân tán chuẩn bị với loạt nồng độ MWNTs khác nhau: 0.2; 0.3; 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5 mg/ml Nồng độ MWNTs thực phân tán dung dịch nước xác định thông qua định luật Lambert – Beer với hệ số hấp thụ SDS Triton X-100 bước sóng 500 nm tương ứng εSDS = 45.52 cm2mg-1 εTriton-X = 43.17 cm2mg-1 Bằng cách này, hàm lượng CNTs thực   phân tán tính theo cơng thức sau:   34   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         %extractabi lity = c1 ´100% c     Trong c1 nồng độ MWNTs thực phân tán dung dịch sau   ly tâm     c nồng độ MWNTs ban đầu đưa vào phân tán dung dịch chất hoạt động bề mặt   Thông số thước đo khả phân tán CNTs dung dịch   Hình 4.12 hình 4.13 thể phổ UV-Vis MWNTs với nồng độ khác dung dịch chất hoạt động bề mặt Đồ thị kề bên cho thấy phụ thuộc tuyến tính độ hấp thụ 500nm theo nồng độ MWNTs           (a)   1.6   500 nm   (b)   Abs     0.8         0.0   Concentration (mg/ml)       Hình 4.12 Phổ UV-vis MWNTs dung dịch SDS (a) Đồ thị Lambert-Beer   (b)   35   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu               (a)     1.6         500 nm (b)     Abs   0.8         0.0   Concentration (mg/ml)       Hình 4.13 Phổ UV-vis MWNTs dung dịch Triton X-100 (a) Đồ thị   Lambert-Beer (b)     Để so sánh khả trợ phân tán chất hoạt động bề mặt, hàm lượng phân tán (%extractability) tính tốn nồng độ khác MWNTs Đối với hai loại chất hoạt động bề mặt này, phụ thuộc hàm lượng phân tán theo nồng độ MWNTs tuân theo hàm phân bố Gauss (hình 4.14) Khi nồng độ MWNTs tăng hàm lượng phân tán tăng tuyến tính theo đến đạt cực đại Điều giải thích rằng, nồng độ thấp CNTs, lượng chất hoạt động bề mặt sử dụng (1%) dư để bao bọc bề mặt CNT Nồng độ CNTs thấp tức lượng chất hoạt động bề mặt dư nhiều, dễ xảy tượng keo tụ làm khả phân tán CNTs thấp Khi nồng độ CNTs tăng lượng CNTs bao bọc nhiều, hạn chế tượng keo tụ lượng phân tán tăng Tại giá trị nồng độ CNTs mà chất hoạt động bề mặt vừa đủ để phân tán điểm phân tán cực đại đồ thị (maximum extractable) Nếu tiếp tục tăng nồng độ CNTs, lượng chất hoạt động bề mặt khơng cịn đủ để phân tán hoàn toàn cụm CNTs, kết giảm hàm lượng phân tán (%extractability) nồng độ cao CNTs Theo hình 4.20, lượng MWNTs phân tán cao đạt 92.80% sử dụng Triton X-100 82.94% sử dụng SDS Cũng theo kết hình 4.15, để đạt độ phân tán tối ưu nồng độ MWNTs đề   36   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         nghị sử dụng vào khoảng 2mg/ml SDS 1.6mg/ml Triton X-100 nồng độ chất hoạt động bề mặt khơng đổi (1%) Từ thấy rằng, với hàm lượng chất hoạt động bề mặt sử dụng Triton X-100 phân tán lượng MWNTs cao so với SDS           % extractability Gauss Fit of % extractability 90 % extractability   % extractability       (a) 80       % extractability Gauss Fit of % extractability 90 70 60 (b) 80 70     50 60 Concentration (mg/ml) Concentration (mg/ml)       Hình 4.14 Đường cong phân bố hàm lượng phân tán theo nồng độ MWNTs phân tán dung dịch chứa (a) SDS (b) Triton X-100   Khả phân tán chất hoạt động bề mặt giải thích dựa cấu trúc hóa học chúng (Hình 4.15) Để phân tán CNTs môi trường nước, phân tử chất hoạt động bề mặt tự định hướng cho đuôi kỵ nước hướng vào bề mặt CNTs đầu ưa nước hướng vào pha nước nhằm làm giảm sức căng bề mặt nước CNTs Hiệu phân tán phụ thuộc cường độ hấp phụ chất hoạt động bề mặt lên bề mặt CNT tạo lượng đủ để chống lại kết tụ CNTs   Các phân tử cấu trúc có vịng benzene chứng minh có khả hấp phụ mạnh lên bề mặt có cấu trúc graphit tương tác π–π [15,16] Nói chung, nhóm kỵ nước có xu hướng nằm dài bề mặt graphit tương hợp tốt đơn vị lớp graphit với nhóm methylene mạch hydrocarbon [17] Vì hiệu hấp phụ hay hiệu phân tán bị ảnh   37   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         hưởng mạnh chiều dài đuôi chất hoạt động bề mặt Đuôi dài nghĩa thể tích chiếm chỗ khơng gian lớn tức hiệu ứng án ngữ không gian mạnh, tạo lực đẩy lớn ống nano cacbon đơn lẻ (individual CNTs) [26] Bên cạnh đó, chất hoạt động bề mặt với liên kết bất bão hòa phần góp phần làm tăng khả phân tán CNTs [18]             Hình 4.15 Cấu trúc hóa học (a) SDS (b) Triton X-100     Như ta thấy (hình 4.15), SDS có đuôi hydrocarbon dài so với Triton X-   100 Vịng phenyl có chiều dài tương đương 3,5 ngun tử cacbon, nguyên tử cacbon mạch nhánh tương đương với 0,5 nguyên tử cacbon mạch alkyl Vì chiều dài hiệu dụng Triton X-100 nguyên tử cacbon, ngắn so với SDS (12 nguyên tử cacbon) Theo lý thuyết, Triton X-100 phải có hiệu phân tán thấp SDS, thực nghiệm lại cho kết ngược lại Nguyên nhân diện vòng benzene cấu trúc Triton X-100 Từ kết thực tế đạt đưa đến kết luận rằng: hai yếu tố “chiều dài đi” “vịng benzene” yếu tố “vòng benzene” chiếm ưu việc mang lại hiệu phân tán cao CNTs Tóm lại, Triton X-100 chứng minh có hiệu phân tán cao SDS, nhiên chúng lại độc hại SDS   38   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         4.5 Xác định tỉ lệ tối ưu CNT chất hoạt động bề mặt     Để xác đinh tỉ lệ tối ưu CNT với chất hoạt động bề mặt, loạt thí nghiệm tiến hành lượng chất hoạt động bề mặt thay đổi từ 0.5% đến 1.5% với bước nhảy 0.1% cố định nồng độ MWNTs Nồng độ MWNTs chọn 1.6 mg/ml mg/ml tương ứng với phân tán SDS Triton X-100 (dựa vào kết thí nghiệm trên) Tương tự, giá trị hấp thụ 500 nm xác định hàm lượng phân tán MWNTs (% extractability) tính tốn với thí nghiệm Kết cho thấy thay đổi hàm lượng phân tán (% extractability) theo nồng độ chất hoạt động bề mặt tuân theo quy luật phân bố Gauss (Hình 4.16)   Hàm lượng phân tán đạt cực đại giá trị xấp xỉ 1% Triton X-100 1.2% SDS (Hình 4.16) Với kết này, tỉ lệ tối ưu CNT chất hoạt động bề mặt tính tốn vào khoảng 1:7.5 1:5 tương ứng SDS Triton X-100             % extractability Gauss Fit of % extractability 100 % extractability Gauss Fit of % extractability 100     80 (b) (a) % extractability   % extractability   60 80 60     40 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 Concentration of surfactant (%) Concentration of surfactant (%)       Hình 4.16 Đường cong phân bố hàm lượng MWNTs phân tán theo nồng độ khác chất hoạt động bề mặt (a) SDS (b) Triton X-100   Hàm lượng phân tán (% extractability) tăng tuyến tính theo gia tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt Tuy nhiên, sau đạt cực đại hàm lượng phân tán lại giảm xuống Vấn đề giải thích dựa vào lý thuyết hình thành mixel   39   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         chất hoạt động bề mặt Hình 4.17 minh họa chế tương đối hợp lý keo tụ thông qua cầu nối phân tử chất hoạt động bề mặt Ở nồng độ cao, chất hoạt động bề mặt hình thành mixel dung dịch Kích thước mixel gia tăng theo gia tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt tương tác nhóm có độ phân cực Tương tự, phân tử chất hoạt động bề mặt hình thành đa lớp bề mặt CNTs tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt cố định nồng độ MWNTs Hệ bề mặt rắn bao phủ chất hoạt động bề mặt với mật độ cao đến mức khuếch trương vào pha lỏng tương tác với phân tử chất hoạt động bề mặt bao phủ CNT kế cận [15] Nếu lớp chất hoạt động bề mặt ngồi nhóm kỵ nước định hướng vào pha nước, chúng tương tác với theo xu hướng làm giảm lượng bề mặt [16] Cầu nối CNTs thông qua phân tử chất hoạt động bề mặt dư thừa gây nên keo tụ Hiện tượng keo tụ CNTs nguyên nhân dẫn đến việc giảm hàm lượng phân tán tức giảm khả phân tán nồng độ chất hoạt động bề mặt cao         Hình 4.17 Cơ chế keo tụ CNTs thông qua phân tử chất hoạt động bề mặt   40   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         CHƯƠNG KẾT LUẬN     Nghiên cứu chứng minh quy trình làm phân tán đưa tương đối đơn giản hiệu đồng thời không làm ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc CNTs tức bảo tồn tính chất đặc biệt chúng Khả ổn định phân tán CNTs sử dụng hai loại chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulfate (SDS) and Triton X-100 khảo sát Các kết đạt sau:   Đã đưa phương pháp làm đơn giản, hiệu không tác động   đến cấu trúc MWNTs Qua nhiều bước xử lý, độ đạt 95% MWNTs Q trình làm dựa hai giai đoạn oxy hóa khơng khí xử lý acid HCl Q trình oxy hóa nhằm loại bỏ tạp chất carbon tiến hành 4600C Do trình loại bỏ tạp carbon vơ định hình, carbon graphite tạp carbon khác đồng thời loại bỏ lớp tạp carbon bao phủ hạt xúc tác nên xúc tác lộ giúp thuận tiện cho giai đoạn hòa tan chúng acid Tuy nhiên tất hạt kim loại lộ nên khó để loại bỏ hết chúng, cịn khoảng 5% xúc tác cịn tồn mẫu Q trình làm ngồi mục đích loại bỏ tạp chất khỏi MWNTs, cịn thể vai trị quan trọng trình phân tán MWNTs Quá trình làm làm giảm chiều dài, đường kính ống nanocarbon đồng thời loại bỏ xúc tác giúp tách cụm CNTs Do đó, MWNTs dễ dàng phân tán với nồng độ cao cấp độ nano Nghiên cứu đưa phương pháp phân tán nhanh CNTs dung dịch   nước xác định hệ số hấp thụ - thông số vô quan trọng để đánh giá định lượng độ bền phân tán CNTs môi trường nước Trong phương pháp này, CNTs làm đưa vào dung dịch chứa loại chất hoạt động bề mặt khác nhau: Sodium dodecyl sulfate (SDS) and Triton X-100 phân tán đầu đánh siêu âm Bằng cách sử dụng phổ UV-Vis   41   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         định luật Lambert – Beer, hệ số hấp thụ mẫu CNTs làm bước sóng 500nm phân tán dung dịch SDS Triton X-100 tương ứng 45.52 cm2mg-1 43.17 cm2mg-1 Hiệu phân tán hai chất hoạt động bề mặt đánh giá so   sánh Triton X-100 chứng minh có khả phân tán MWNTs cao SDS Với hàm lượng 1% chất hoạt động bề mặt Triton X-100 SDS phân tán MWNTs tốt nồng độ tương ứng 2mg/ml 1.6mg/ml Một kết khác đạt từ nghiên cứu tỉ lệ tối ưu CNTs với chất hoạt động bề mặt Chất lượng phân tán CNTs cho thấy suy giảm lệch khỏi tỉ lệ tối ưu Vì vậy, khuyến cáo nên sử dụng chất hoạt động bề mặt với lượng vừa đủ để đạt độ phân tán tốt Tỉ lệ tối ưu MWNTs với chất hoạt động bề mặt tính tốn 1:7.5 SDS 1:5 Triton X-100     Nếu tiếp tục phát triển đề tài, đề nghị số hướng nghiên cứu sau:     Khảo sát số loại chất hoạt động bề mặt thông dụng khác việc hỗ   trợ phân tán MWNTs CTAB, NaDDBS, chất hoạt động bề mặt thuộc họ Tween, họ Pluronic… Khảo sát yếu tố khác ảnh hưởng đến khả phân tán chất hoạt   động bề mặt loại ionic non-ionic như: cấu trúc chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ môi trường phân tán… Các chất hoạt động bề mặt sử dụng thường tạo lượng bọt lớn tác dụng sóng siêu âm, lớp bọt khí ngăn cản sóng siêu âm tác động vào bề mặt CNTs để phân tán Vì vậy, nên nghiên cứu loại chất chống bọt để tăng cường hiệu dùng sóng siêu âm phân tán CNTs   42   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         Nghiên cứu sản xuất composite loại polymer tan nước   (PVA, epoxy…) với chất độn MWNTs nhằm cải thiện tính chất cơ, tính   chất nhiệt, điện vật liệu polymer     TÀI LIỆU THAM KHẢO     [1] M Meyyappan, Carbon nanotubes science and applications, CRC PRESS,   2005     [2] R Saito, G Dresselhaus, M S Dresselhaus, Physical Properties of Carbon   Nanotubes, Imperial College Press 1998     [3] Michael J O’Connell, Carbon nanotubes properties and applications, Taylor & Francis, 2006   [4] Michael D Clark, Sachin Subramanian, Ramanan Krishnamoorti, Understanding surfactant aided aqueous dispersion of multi-walled carbon nanotubes, Journal of Colloid and Interface Science, Vol.354, pp 144-151 (2010)   [5] D.W Lynch, W.R Hunter, in: E.D Palik (Ed.), Handbook of Optical Constants of Solids, vol II, Academic Press, New York, pp.409 (1991)   [6] Seelenmeyer S, Ballauff M, Analysis of surfactants adsorbed onto the surface of latex particles by small-angle x-ray scattering, Langmuir 2000, 16, pp 4094-4099 (2000)   [7] Clarke, J.G., Wicks, S.R., and Farr, S.J., Surfactant mediated effects in pressurized metered dose inhalers formulated as suspensions I Drug/surfactant interactions in a model propellant system, Int J Pharm., 93, pp 221–231 (1993)   [8] Green JH, Parfitt GD, Electrostatic stabilization of concentrated colloidal dispertions, Colloids Surf V 29, pp 391-402 (1998)   43   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         [9] Singh BP, Menchavez R, Takai C, Fuji M, Takahashi M, Stability of Dispersions of Colloidal Alumina Particles in Aqueous Suspensions, J Colloid Interface Sci., 291, pp 181-186 (2005)   [10] Rosen, Milton J, Surfactants and interfacial phenomena, John Wiley & Sons   (2004)     [11] Lin et al., Method for fast dispersing carbon nanotube in aqueous solution, United States Patent Application Publication, US 20100227409A1.2010-09-09 (2010)   [12] Dan H Marsh, Graham A Rance, Mujtaba H Zaka, Richard J Whitby and Andrei N Khlobystov, Comparison of the stability of multiwalled carbon nanotube dispersions in water, Physical Chemistry Chemical Physics, Vol.9, pp 5490-5496, (2007)   [13] Michael D Clark, Sachin Subramanian, Ramanan Krishnamoorti, Understanding surfactant aided aqueous dispersion of multi-walled carbon nanotubes, Journal of Colloid and Interface Science, Vol.354, pp 144-151 (2010)   [14] M.D Clark, R Krishnamoorti, Dispersion of Functionalized Multiwalled   Carbon Nanotubes, J Phys Chem C, Vol 113, pp 20861-20868 (2009)     [15] M.F Islam, E Rojas, D.M Bergey, A.T Johnson, A.G Yodh, High weightfraction surfactant solubilization of single-wall carbon nanotubes in water, Nano Letters 3, pp 269 (2003)   [16] J.F Liu, W.A Ducker, Surface-Induced Phase Behavior of Alkyltrimethylammonium Bromide Surfactants Adsorbed to Mica, Silica, and Graphite, Langmuir 16, pp 3467 (2000)   44   Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Báo cáo nghiệm thu         [17] Cyr, D M., B Venkataraman, and G W Flynn, STM investigations of organic molecules physisorbed at the liquid-solid interface, Chem Mater., 8(8), pp 1600– 1615 (1996)     [18] D.H Napper, Polymeric Stabilization of Colloidal Dispersion, Academic   Press, London, 1983         Tp.HCM, ngày tháng năm 2014 Tp.HCM, ngày tháng năm 2014   Chủ nhiệm đề tài TL HIỆU TRƯỞNG                           ThS Nguyễn T Minh Nguyệt TS Lê Văn Thăng 45 ... kỵ nước ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t M? ?t hấp phụ phân t? ?? ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t bề m? ?t h? ?t thi? ?t lập, t? ?? xếp t? ?? chức phân t? ?? ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t thành mixel (cấu trúc t? ??p hợp ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t) ... (%extractability) nồng độ ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t t? ?nh t? ??n cơng thức nêu T? ?? bi? ?t nồng độ ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t phân t? ?n MWNTs với hàm lượng cao Dựa vào k? ?t k? ?t suy t? ?? lệ t? ??i ưu MWNTs ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t. .. ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t hình thành mixel dung dịch Kích thước mixel gia t? ?ng theo gia t? ?ng nồng độ ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t t? ?ơng t? ?c nhóm có độ phân cực T? ?ơng t? ??, phân t? ?? ch? ?t ho? ?t động bề m? ?t hình