Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nano composit trên cơ sở nhựa polyetylen tỷ trọng thấp LDPE và ống cacbon nano Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme nano composit trên cơ sở nhựa polyetylen tỷ trọng thấp LDPE và ống cacbon nano luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa - hµ néi Luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu CHế TạO VậT liệu polyme NANO composit sở nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (ldpe) ống cacbon nano ngành: công nghệ hoá học hoàng thị vân an người hướng dẫn khoa học: TS trần đại lâm hà nội 2007 Mục lục Lời cảm ơn M U Ch¬ng Tỉng quan 1.1 Giíi thiƯu chung vỊ vËt liƯu composit vµ polyme nano composit 1.1.1 VËt liÖu composit……………………………………………… 1.1.2 VËt liÖu polyme nanocomposit 1.2 Tỉng quan vỊ polyetylen (PE)……………………… 11 1.3 Tỉng quan vỊ èng cacbon nano (Carbonnanotubes – CNTs) ……… 16 1.3.1 CÊu tróc cña èng cacbon nano 18 1.3.2 Phương pháp điều chế ống cacbon…………………… 22 1.3.3 TÝnh chÊt cña èng cacbon……………… 25 1.3.4 øng dơng cđa èng cacbon nano 26 1.3.5 Vai trß cđa CNTs vËt liƯu composit 26 1.4 BiÕn tÝnh bỊ mỈt cđa CNTs………… 27 Ch¬ng thùc nghÖm 33 2.1 Ho¸ chÊt 33 2.2 Biến tính ống cacbon nano đa vách 33 2.3 ChÕ t¹o composit lDPE/OCNDV 34 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 34 2.4.1 Phương pháp lưu biến trạng thái nóng chảy 34 2.4.2 Phương pháp xác định tính chất c¬ häc 35 2.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt TGA 37 2.4.4 Phương pháp đo tính chÊt ®iƯn 38 2.4.5 Phương pháp kính hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) 39 2.4.6 Phương pháp kÝnh hiĨn vi ®iƯn tư trun qua (TEM) 40 2.4.7 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 42 2.4.8 Phương pháp phân tÝch phæ Raman……………… 43 2.4.9 Phương pháp nhiễu xạ tia X 43 Chương kết thảo luận 44 3.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới khả phân tán ống cacbon nano đa vách (OCNDV) 44 3.2 Nghiên cứu bề mặt OCNDV trước sau xử lý phương pháp hiển vi điện tử phát xạ FESEM 46 3.3 Ảnh hưởng èng OCNDV tới tính chất lý vật liệu composit 52 3.3.1 Độ bền kéo đứt vật liệu 52 3.3.2 Mođun đàn hồi LDPE / OCNDV composit 54 3.4 Phân tích nhiệt TG mẫu composit LDPE/OCNDV 55 3.5 Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu composit LDPE/OCNDV phương pháp FESEM, TEM XRD 59 3.6 Tính chất điện composit LDPE/OCNDV 63 3.7 Khảo sát suy giảm oxy hoá nhiệt composit LDPE/OCNDV phương pháp đo tính chất häc 66 kÕt luËn 69 tµi liƯu tham kh¶o 71 CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN CNTs Carbon NanoTubes DSC Diffirential Scanning Colometry FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope LDPE Low Density PolyEtylene OCNDV Ống cacbonnano đa vách OCNDVB Ống cacbonnano đa vách biến tính PE PolyEtylene TEM Thermal Electronic Microscope TG Thermalgravimetric TGA Thermalgravimetric Analysis XRD X-ray Diffraction HOÀNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ đại dẫn tới nhu cầu to lớn vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà vật liệu truyền thống đứng riêng rẽ khơng thể có Vật liệu kết hợp vật liệu composit đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách vừa sản phẩm cơng trình nghiên cứu nửa sau kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp quy luật phổ biến tự nhiên Đồng thời với kết đó, ngành khoa học đại composit xuất Dựa thành tựu ngành khoa học này, nhà cơng nghệ vật liệu tạo composit thỏa mãn nhu cầu đa dạng phong phú công nghệ phát triển tương lai Chính gần người ta thường nói: văn minh kỷ XXI văn minh kỷ vật liệu composit [1] Những nghiên cứu vật liệu polyme composit sử dụng sợi gia cường nhằm mục đích chế tạo sản phẩm kỹ thuật địi hỏi có độ bền lý cao (vật liệu cấu trúc) chẳng hạn công nghệ sản xuất ô tô, máy bay, hay tàu thủy Với ưu điểm kích thước nhỏ sợi gia cường, tỉ lệ đường kính/chiều dài lớn ngăn chặn suy yếu vật liệu vết nứt, gãy hình thành trình sử dụng, thân sợi gia cường có mật độ khuyết tật thấp kích thước chúng xấp xỉ kích thước khuyết tật, từ tạo nên vật liệu có tính chất lý vượt trội [2] Ngay từ chế tạo Iijima năm 1991, sợi ống cacbon kích thước nano (carbon nanotubes) thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu ứng dụng nhà khoa học giới xem loại vật liệu gia cường đầy hứa hẹn cho vật liệu polyme composit chúng có -1- HỒNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ưu tính chất độ bền lý, độ bền nhiệt, độ bền quang tốt mối quan hệ độ bền - trọng lượng so với vật liệu polyme ban đầu Polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) vật liệu polyme nhiệt dẻo dùng làm nguyên liệu để sản xuất sản phẩm sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp Tuy nhiên, LDPE có mt s hn ch nh bn kộo t, môđun đàn hồi, độ bền va đập thấp, khả ôxi hóa quang nhiệt cao Bên cạnh đó, nhựa LDPE có điện trở cách điện cao dẫn đến lưu tĩnh điện bề mặt gây tượng bám bụi lên sản phẩm q trình sử dụng Do đó, sản phẩm sử dụng LDPE thường chế tạo dạng vật liệu composit blend, phối trộn pha polyetylen ban đầu với nhiều vật liệu gia cường khác bột CaCO3, talc, gypsum, carbonblack, mica, TiO2…Nhược điểm phụ gia phải sử dụng hàm lượng lớn, điều làm thay đổi tỷ trọng, cấu trúc, độ nhớt composit, gây khó khăn cho việc gia cơng ảnh hưởng đến tính chất cuối sản phẩm Xuất phát từ ưu điểm ống cacbon nano tính chất lý, tính chất nhiệt, tính chất điện khả tổng hợp với polyme nền, luận văn đặt vấn đề nghiên cứu ứng dụng ống cacbon nano, khả phân tán, tương tác, vai trò gia cường tính, khả làm giảm điện trở suất bề mặt nhựa LDPE -2- HOÀNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOSIT VÀ POLYME NANO COMPOSIT 1.1.1 Vật liệu composit (VLC) Định nghĩa VLC vật liệu tạo thành từ hai vật liệu trở lên có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính ưu việt đặc tính vật liệu thành phần xét riêng rẽ Có thể định nghĩa vật liệu composit vật liệu gồm nhiều pha khác mặt hóa học khơng tan vào phân cách với ranh giới pha, kết hợp lại nhờ khoa học kỹ thuật theo sơ đồ thiết kế trước nhằm tận dụng tính chất tốt pha vật liệu Trong thực tế composit phần lớn loại hai pha gồm pha pha liên tục toàn khối, cốt pha phân tán Trong composit đóng vai trị chủ yếu mặt sau; liên kết toàn phần tử cốt thành khối composit thống nhất; tạo khả để tiến hành phương pháp gia công composit thành chi tiết theo thiết kế che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác động hóa học, học mơi trường Ngồi phải nhẹ có độ dẻo cao Cốt đóng vai trị tạo độ bền môđun đàn hồi cao cho composit đồng thời cốt phải nhẹ để tạo độ bền riêng cao cho composit [1] Đối với composit liên kết tốt cốt vùng ranh giới pha yếu tố quan trọng đảm bảo cho kết hợp đặc tính tốt hai pha Tính chất composit phụ thuộc vào chất nền, cốt, khả liên kết cốt q trình cơng nghệ sản xuất -3- HOÀNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nền composit nói chung đựơc sử dụng từ polyme, kim loại, gốm hỗn hợp nhiều pha Nhưng phạm vi luận văn này, tơi đề cập đến composit có polyme, polyme làm cho composit loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, elastome vật liệu tổ hợp polyme (polymer blend) Trên sở cốt composit cốt sợi Composit cốt sợi loại composit có độ bền riêng mơ đun đàn hồi riêng cao Tính chất composit cốt sợi phụ thuộc vào phân bố định hướng sợi kích thước hình dạng sợi Những loại sợi thường dùng để chế tạo composit cốt sợi sợi thủy tinh, sợi bon, sợi polyme sợi kim loại Ngồi người ta cịn dùng hai hay nhiều loại sợi (cốt sơi pha) Đặc điểm Những đặc điểm vật liệu compoisit gồm: − Thứ nhất: vật liệu nhiều pha Các pha tạo nên composit thường khác chất , khơng hồ tan lẫn phân cách ranh giới pha Trong thực tế phổ biến nhiều composit hai pha Pha liên tục toàn khối vật liệu composit goi Pha phân bố giai đoạn , bao bọc , qui định gọi cốt − Thứ hai: composit tỉ lệ hình dáng , kích thước phân bố cốt tuân theo qui định thiết kế trước − Thứ ba: tính chất pha thành phần kết hợp để tạo nên tính chất chung composit Tuy vậy, tính chất composit khơng bao hàm tất tính chất pha thành phần chúng đứng riêng rẽ mà lựa chọn tính chất tốt phát huy thêm -4- HỒNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Phân loại Để phân loại vật liệu composit người ta dựa vào đặc điểm đặc trưng chúng a) Theo chất nền, vật liệu composit phân thành: − composit chất dẻo − composit kim loại − composit gốm − composit hỗn hợp nhiều pha b) Theo hình học cốt đặc điểm cấu trúc , ta phân loại composit thành ba nhóm: composit cốt hạt, composit cốt sợi composit cấu trúc chúng sơ hỡnh 1.1[1] Composit Cốt hạt Hạt thô Composit cấu trúc Cốt sợi Hạt mịn Liên tục Gián đoạn Có híng Líp NgÉu nhiªn Hình 1.1 Sơ đồ phân loại composit -5- TÊm líp Tỉ ong HỒNG THỊ VÂN AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1.1.2 Vật liệu polyme nanocomposit (PNC) Định nghĩa Vật liệu PNC có loại polyme cốt hạt độn khoáng thiên nhiên hạt tổng hợp nhân tạo có kích thước hạt khoảng - 100 nm (Kích thước nanomet) Nền sử dụng chế tạo PNC đa dạng, phong phú, bao gồm nhựa nhiệt dẻo nhựa nhiệt rắn Các polyme thường sử dụng chế tạo vật liệu PNC là: Nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP), nhự polyester, nhựa epoxy, nhựa polystiren (PS), cao su thiên nhiên, cao su butadiene… Trong chế tạo PNC, nay, đa phần cốt dùng dạng hạt Sau số loại hạt thường sử dụng: − Khoáng thiên nhiên: chủ yếu đất sét vốn hạt silicat có cấu tạo dạng lớp montmorillonite, vermiculite, fluoromica, bentonit kiềm tính, hạt grafit,… − Các hạt độn thu từ đường nhân tạo: thường hạt tinh thể CdS, PbS, CaCO3, bột than,… Đặc điểm vật liệu PNC: − Với pha phân tán loại bột có kích thước nano nên chúng phân tán tốt vào polyme, tạo liên kết mức độ phân tử pha với nên chế khác hẳn với composit thông thường Các phần tử nhỏ phân tán tốt vào pha nền, tác dụng lực bên tác động vào chịu toàn tải trọng, phần tử nhỏ mịn phân tán đóng vai trị hãm lệch, làm -6- ... GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU COMPOSIT VÀ POLYME NANO COMPOSIT 1.1.1 Vật liệu composit (VLC) Định nghĩa VLC vật liệu tạo thành từ hai vật liệu trở lên có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính... pha tạo cấu trúc đặc, có khả dùng làm vật liệu bảo vệ theo chế barie tốt − Hầu hết vật liệu PNC có tính chống cháy cao so với vật liệu polyme composit tương ứng Cơ chế khả chống cháy vật liệu. .. cập đến composit có polyme, polyme làm cho composit loại nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, elastome vật liệu tổ hợp polyme (polymer blend) Trên sở cốt composit cốt sợi Composit cốt sợi loại composit