Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện

Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

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 : Hoá lý thuyết và Hoá lý

Mã số : 60.44.31

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN XUÂN HOÀN

Hà Nội - 2011

- i -

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 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về vật liệu compozit 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Khái niệm về vật liệu polyme compozit 3

1.1.3 Thành phần của vật liệu polyme compozit 3

1.1.3.1 Nhựa nền 4

1.1.3.2 Chất gia cường 5

1.1.4 Đặc điểm, tính chất của vật liệu polyme compozit 6

1.1.4.1 Đặc điểm của vật liệu polyme compozit 6

1.1.4.2 Tính chất của vật liệu polyme compozit 6

1.1.5 Các phương pháp gia công 7

1.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu polyme compozit 7

1.2 Tổng quan về các tiền chất chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO3 8

1.2.1 Hệ nhựa nền epoxy 8

1.2.1.1 Giới thiệu chung về nhựa epoxy 8

1.2.1.2 Đóng rắn nhựa epoxy 10

1.2.1.3 Đặc điểm và ứng dụng của nhựa epoxy 12

1.2.2 Sợi thủy tinh 13

- ii -

1.2.3 Hạt áp điện bari titanat, BaTiO3 15

1.2.3.1 Cấu trúc của hạt áp điện BaTiO3 15

1.2.3.2 Ứng dụng của BaTiO3 17

1.2.3.3 Tổng hợp BaTiO3 18

Chương 2 THỰC NGHIỆM 19

2.1 Hoá chất, thiết bị và dụng cụ 19

2.1.1 Hóa chất 19

2.1.2 Thiết bị và 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 bằng 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 trên cơ 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 hằng số điện môi 23

2.3.4 Ảnh kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét 23

2.3.5 Phương pháp đo thế Zeta 23

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Đặc trưng hạt BaTiO3 tổng hợp bằng 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 hằng số điện môi 27

3.2 Biến tính bề mặt hạt BaTiO3 bằng hợp chất silan 28

- iii -

3.2.1 Đặc trưng phổ hồng ngoại FT-IR 29

3.2.2 Đặc trưng thế Zeta 30

3.2.3 Đặc trưng hằng số điện môi 32

3.3 Chế tạo vật liệu compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các 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 nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt nano BaTiO3 36

3.4 Nghiên cứu sự biến đổi tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano-BaTiO3 trong các điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và 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

- iv -

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 môi (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

RH Độ ẩm (Relative Humidity)

BTO/GF Nano-BaTiO3 ghép trên sợi thuỷ tinh

BTO/GF/EP Polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt

BTO

- v -

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Sợi thủy tinh (nguồn Internet) 14

Hình 1.2 Cấu trúc lập phương của BaTiO3 16

Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BaTiO3 26

Hình 3.2 Ảnh chụp SEM của BaTiO3 ở các độ phóng đại khác nhau……… 26

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt BaTiO3 theo tần số 27

Hình 3.4 Phổ FT-IR của bề mặt hạt BaTiO3 biến tính và không biến tính γ-APS 29

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo tần số 32

Hình 3.6 Phổ FT-IR của nhựa epoxy, diglycidyl ete bisphenol A (DGEBA) 33

Hình 3.7 Phổ FT-IR của chất đóng rắn DDM 35

Hình 3.8 Mẫu polyme compozit EP/GF/BTO được cắt thành lát mỏng 36

Hình 3.9 Ảnh IOM mẫu polyme compozit EP/GF/BTO 37

Hình 3.10 Phổ FT-IR của mẫu polyme compozit EP/GF/BTO chế tạo 37

Hình 3.11 Sự phụ thuộc hằng số điện môi theo tần số của các mẫu polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO3 38

Hình 3.12 Sự phụ thuộc hằng số điện môi theo tần số của các mẫu polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa hạt BaTiO3 39

Hình 3.13 Phổ FT-IR của mẫu compozit trong môi trường UV theo thời gian 40

Hình 3.14 Cấu trúc mắt xích trong mạng lưới của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy đóng rắn bằng amin 41

Hình 3.15 Hình ảnh bề mặt vật liệu polyme compozit được chụp bằng kính hiển vi quang học sau khi phơi mẫu trong môi trường ánh sáng UV sau 150 ngày 42

Hình 3.16 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo thời gian của mẫu polyme compozit khảo sát trong môi trường UV theo thời gian 43

Hình 3.17 Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian 44

Hình 3.18 Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian 44

- vi -

Hình 3.19 Mối quan hệ giữa hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme

compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 600C theo thời gian 45 Hình 3.20 Mối quan hệ giữa hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme

compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nhiệt độ T = 1000C theo thời gian 46 Hình 3.21 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong 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 trong môi trường

nhiệt độ T = 1000C sau thời gian 165 ngày 47 Hình 3.23 Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong

môi trường có độ ẩm 100% theo thời gian 48 Hình 3.24 Sự phụ thuộc của diện tích pic –OH theo thời gian của mẫu trong môi

trường độ ẩm 100% 48 Hình 3.25 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme

compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường độ ẩm 100% theo thời gian 49 Hình 3.26 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi với tần số của các mẫu polyme

compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường độ ẩm 80% theo thời gian 49 Hình 3.27 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường có

độ ẩm tương đối 100% sau 165 ngày 50 Hình 3.28 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường có

độ ẩm tương đối 80% sau 165 ngày 50 Hình 3.29 Phổ FT-IR của các mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khảo sát trong

môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian 51 Hình 3.30 Sự phụ thuộc hằng số điện môi vào tần số của các mẫu polyme compozit

EP/GF/BTO khảo sát trong môi trường nước biển nhân tạo theo thời gian 52 Hình 3.31 Bề mặt mẫu polyme compozit EP/GF/BTO khi đặt trong môi trường

nước biển nhân tạo sau 165 ngày 52

- vii -

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Một số hợp chất silan và loại nhựa nền 14

Bảng 3.1 Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của BaTiO3 biến tính với silan γ-APS 30

Bảng 3.2 Thế Zeta (ζ) của hạt BaTiO3 31

Bảng 3.3 Thế Zeta (ζ) của hạt BaTiO3 biến tính bề mặt bằng γ-APS 31

Bảng 3.4 Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của DGEBA 34

Bảng 3.5 Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của chất đóng rắn DDM 35

Bảng 3.6 Một số dao động đặc trưng của một số nhóm nguyên tử của vật liệu polyme compozit EP/GF/BTO 38

- 1 -

MỞ ĐẦU

Với những tính năng ưu việt so với các loại vật liệu truyền thống như độ bền riêng, mođun đàn hồi cao, chống mài mòn tốt, bền trong các môi trường xâm thực vật liệu polyme compozit (PC) đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân như công nghiệp đóng tàu biển, chế tạo ô tô, chế tạo vỏ máy bay, tầu vũ trụ, vật liệu xây dựng và nhiều lĩnh vực khác của đời sống xã hội Đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm có độ ăn mòn cao, vật liệu polyme compozit là lựa chọn tốt nhất để thay thế sắt, thép, gỗ và trong tương lai thay thế dần cả hợp kim đặc biệt, hay sẽ được sử dụng như lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại Tuy nhiên, việc đánh giá độ bền cơ nhiệt trong môi trường khí hậu nóng ẩm đòi hỏi phải dùng đến những phép đo cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc biệt, cần nhiều thời gian

và công sức Do vậy, nghiên cứu chế tạo một vật liệu thông minh có thể tự cảm biến được quá trình lão hóa của vật liệu trước khi vật liệu hỏng hóc là một giải pháp rất hữu hiệu để khắc phục tình trạng trên Như ta đã biết, sự lão hóa, rạn nứt vật liệu chủ yếu gây ra do sự phá hủy bề mặt giữa các pha trong vật liệu compozit Sự phá hủy bề mặt pha này lại gây ra do ứng suất biến dạng trong hệ bề mặt pha ba chiều

Sự biến dạng này có thể đo được trực tiếp bằng cách đưa vào hệ các hạt áp điện có kích thước nano như những trung tâm cảm biến Các vật liệu như BaTiO3, PZT, ZnO là các vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến nhất

Đã có nhiều nghiên cứu về hệ áp điện/polyme compozit để ứng dụng làm các thiết bị nghe dưới nước, vật liệu phát sóng âm, trong các thiết bị y tế như đầu dò

siêu âm…[12] Nhưng việc biến các vật liệu này thành các cảm biến để đánh giá

quá trình lão hóa của chính vật liệu, từ đó đưa ra giải pháp ngăn chặn và khắc phục

là một ý tưởng tương đối mới, không chỉ có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ vật liệu mà còn có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu điều chỉnh và tạo ra các tính chất tốt nhất cho vật liệu Nhằm mục đích từng bước tiếp cận và bước đầu tìm hiểu khả năng chế tạo và ứng dụng vật liệu compozit chứa hạt áp điện có kích thước

- 2 -

nano ở điều kiện Việt Nam, luận văn có tên: “Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát

tính chất vật liệu compozit sợi thủy tinh chứa hạt áp điện” được đưa ra nghiên

cứu Sự có mặt của các hạt áp điện nano trong thành phần compozit sẽ góp phần làm các trung tâm cảm biến để theo dõi tín hiệu lão hóa của vật liệu compozit theo thời gian sử dụng

1.1.2 Khái niệm về vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit (PC) là hệ thống gồm hai hay nhiều pha, trong đó pha liên tục là polyme Tuỳ thuộc vào bản chất của pha khác vật liệu PC được phân thành các loại [21]:

- Vật liệu có phụ gia phân tán

- Vật liệu được gia cường bằng sợi ngắn

- Vật liệu được gia cường bằng sợi liên tục

- Vật liệu độn khí hay xốp

- Vật liệu là hỗn hợp polyme-polyme

1.1.3 Thành phần của vật liệu polyme compozit

Vật liệu polyme compozit nói chung được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản

là nền và chất gia cường, ngoài ra còn có một số chất khác như chất mầu, phụ gia chống dính, chất chống cháy

Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh không chỉ đến chế độ công nghệ mà còn đến các đặc tính sử dụng của compozit như: nhiệt độ làm việc, độ bền, khối lượng riêng, khả năng chống tác dụng của môi trường bên ngoài… Do vậy, nhựa nền cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được sự kết hợp về hoá học với vật liệu gia cường

- Có khả năng biến dạng trong quá trình đóng rắn để giảm ứng suất nội xảy ra

- 5 -

được sử dụng để sản xuất các kết cấu từ compozit: phenolfomandehyt, polyeste, epoxy…

Nhựa nhiệt dẻo [24]

Compozit nền nhựa nhiệt dẻo có độ tin cậy cao bởi mức độ ứng suất dư nảy sinh trong những giờ đầu tiên ngay sau khi tạo thành sản phẩm rất thấp Ưu điểm nữa là về mặt công nghệ: giảm công đoạn đóng rắn, khả năng thi công tạo dáng sản phẩm dễ thực hiện và có thể khắc phục những khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ 2…

Nhược điểm chính của compozit nền nhựa nhiệt dẻo là không chịu được nhiệt độ cao Tuy nhiên, nền polyme nhiệt dẻo đang được quan tâm nghiên cứu do khả năng ứng dụng rất rộng rãi và khả năng tái sinh chúng Một số nhựa nhiệt dẻo thường được dùng làm nền cho compozit: polyetylen, polypropylen

1.1.3.2 Chất gia cường

Chất gia cường đóng vai trò chịu ứng suất tập chung trong vật liệu, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu Cấu trúc, hàm lượng, hình dáng và kích thước, tương tác của chất gia cường và nhựa nền cũng như độ bền liên kết giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu PC và quyết định khả năng gia công của vật liệu Sự liên kết giữa chất gia cường và polyme được quyết định bởi tính chất hoá học ban đầu của polyme và đặc trưng hình học của chất gia cường Liên kết bền được tạo thành khi giữa chất gia cường và nền polyme xuất hiện những liên kết hoá học hay lực bám dính [25]

Chất gia cường có thể ở dạng bột hoặc dạng sợi

Chất gia cường dạng sợi

Chất gia cường dạng sợi có khả năng gia cường rất lớn, do đó vật liệu có độ bền cơ lý cao hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng bột Việc lựa chọn loại sợi phụ thuộc vào giá thành và các đặc tính, tính chất của sợi Để sử dụng làm chất gia cường sợi cần có độ bền và độ bền nhiệt cao, tỷ trọng thấp…

- 6 -

Sợi được sử dụng làm chất gia cường có thể ở dạng liên tục (sợi dài, vải…) hay gián đoạn (sợi ngắn, vụn, mạt…) Một số cốt dạng sợi thường được sử dụng: sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi aramit, sợi đay, sợi tre, sợi dừa…

Một số chất gia cường dạng bột thông dụng: đất sét, cao lanh, bột nhẹ, mica, bột talc, điôxit silic, ôxit nhôm, hyđroxit nhôm [13]

1.1.4 Đặc điểm, tính chất của vật liệu polyme compozit

1.1.4.1 Đặc điểm của vật liệu polyme compozit

Polyme compozit là vật liệu nhiều pha, các pha này thường khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha Trong thực tế, phổ biến nhất là PC hai pha: pha liên tục (nền) và pha phân tán (cốt)

Trong compozit thì hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước

1.1.4.2 Tính chất của vật liệu polyme compozit

Tính chất của vật liệu PC chính là sự tổ hợp tính chất của các thành phần khác nhau có mặt trong vật liệu Tuy nhiên tính chất của compozit không bao hàm tất cả các tính chất của các cấu tử thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm

- 7 -

1.1.5 Các phương pháp gia công

Quá trình gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu Các thông

số của quá trình gia công như: áp suất, nhiệt độ cũng như thời điểm gia nhiệt…là rất quan trọng đối với từng loại vật liệu

Một số phương pháp gia công vật liệu PC: lăn ép bằng tay, ép nóng trong khuôn, đúc kéo, quấn…

1.1.6 Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu polyme compozit

Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng vật liệu polyme compozit (PC) là hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơn giản như bồn tắm, thùng chứa nước, tấm lợp … cho đến những chi tiết và kết cấu phức tạp có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ trụ Những ứng dụng quan trọng của vật liệu PC có thể quy về bốn lĩnh vực chính sau:

- Việc dùng vật liệu PC trong chế tạo ô tô và các phương tiện giao thông trên mặt đất đã đem lại những hiệu quả: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí sản xuất, tăng độ chịu ăn mòn…

- Vật liệu PC được sử dụng cho các kết cấu: boong tàu, cột buồm, thùng chứa, phao… trong công nghiệp đóng tàu dân dụng hay quân sự do chúng phối hợp được nhiều tính chất đặc biệt: độ bền riêng lớn, tuổi thọ cao, bền hoá, cách điện, độ dẫn nhiệt thấp…

- Sử dụng vật liệu PC trong chế tạo máy bay và tàu vũ trụ có ưu điểm chính: hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm được tiêu hao năng lượng, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa

- Trong các công trình xây dựng, vật liệu PC được sử dụng khá rộng rãi để làm các mái nhà vòm có kết cấu và kích thước khác nhau Ở Việt nam, từ năm

1995 đã chế tạo được các nhà vòm bằng vật liệu PC để bảo vệ máy bay chiến đấu

- 8 -

1.2 Tổng quan về các tiền chất chế tạo vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thuỷ tinh chứa các hạt

Trong phần này, giới thiệu một vài nét tổng quan về các hợp chất và vật liệu

cơ bản để chế tạo vật liệu PC gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài bao gồm: vật liệu nhựa nền trên cơ sở nhựa epoxy, sợi thủy tinh và hạt áp điện BaTiO3

1.2.1 Hệ nhựa nền epoxy

1.2.1.1 Giới thiệu chung về nhựa epoxy

Nhựa epoxy được chế tạo từ năm 1938 và ngày nay chủ yếu được sử dụng làm nhựa nền cho vật liệu polyme compozit chất lượng cao [11, 14, 19, 23] Nhựa này được hình thành từ phản ứng ngưng tụ dị thể epyclohyđrin và polyhyđroxyl, đó

là các phản ứng nối tiếp song song tạo ra các oligome có độ trùng hợp n = 1, 2, 3, 4…Trạng thái tồn tại của nhựa thay đổi từ dạng lỏng, lỏng nhớt đến dạng rắn tùy thuộc vào khối lượng phân tử Trước khi đóng rắn, nhựa epoxy có tính chất của một nhựa nhiệt dẻo, và chỉ trở thành nhiệt rắn sau khi đã xảy ra phản ứng khâu mạch với các chất đóng rắn ở đây là amin mạch thẳng, amin thơm và các anhyđrit…Do đó, tính chất của nhựa epoxy thay đổi rất lớn tùy thuộc vào việc sử dụng loại chất đóng rắn nào Epoxy có độ bền cao, chịu môi trường hóa chất rất tốt và khả năng bám dính sợi tốt hơn hẳn polyeste không no Đặc biệt là độ co ngót của nhựa này rất nhỏ: 0,25 ÷ 2% [12, 22]

Trong khoảng 25 năm trở lại đây sản lượng nhựa epoxy trên toàn thế giới tăng từ 30000 tấn/năm lên 1 triệu tấn/năm Trong đó chủ yếu là epoxy-dian (diglycidyl ete bisphenol A – DGEBA) chiếm 90-92 % tổng sản lượng epoxy [21, 23] Phần lớn nhựa epoxy-dian được điều chế trong công nghiệp là sản phẩm trùng ngưng giữa epyclohyđrin với bisphenol A thông qua phản ứng kết hợp nối tiếp luân phiên của nhóm epoxy với nhóm hyđroxylphenol và tái tạo nhóm epoxy nhờ khử

CH3

CH3R

Các thông số quan trọng của nhựa epoxy

• Hàm lượng nhóm epoxy (HLE): là trọng lượng nhóm epoxy có trong 100 g

nhựa

• Đương lượng epoxy (ĐLE): là số lượng nhựa chứa một mol epoxy (16 g oxi

ở dưới dạng epoxy) được tính bằng gam

• Đương lượng hyđroxyl (ĐLH): là số lượng nhựa chứa một mol hyđroxyl (16 g oxi ở dưới dạng nhóm hiđroxy) được tính bằng gam

Ngoài ra còn có một số thông số kỹ thuật khác như: độ nhớt, chỉ số khúc xạ,

Tính chất hóa học của nhựa epoxy

Nhựa epoxy có hai nhóm chức hoạt động: nhóm epoxy và hydroxyl Tùy

thuộc vào khối lượng phân tử (M) mà nhóm chức nào chiếm ưu thế Với những

epoxy có khối lượng phân tử thấp (M < 1200) nhóm epoxy chiếm đa số, còn với

những phân tử có khối lượng phân tử lớn (M > 3000) nhóm hyđroxyl là chủ yếu

Tính phân cực và sức căng vòng tạo cho vòng epoxy có hoạt tính mạnh, do đó

chúng có thể tham gia rất nhiều loại phản ứng như: phản ứng với các hợp chất

nucleophin, phản ứng với các hợp chất nitơ hoặc phốtpho, phản ứng sắp xếp lại

mạch phân tử, và do hoạt tính cao nhóm epoxy có thể tham gia phản ứng polyme

hóa

Tính chất lý học của nhựa epoxy

Tùy thuộc khối lượng phân tử mà nhựa epoxy có thể ở dạng lỏng (M < 450),

đặc (M < 800) đến rắn (M > 800); có thể tan tốt trong các dung môi hữu cơ: xeton,

hyđrocacbon

- 10 -

Nhựa epoxy có thể chuyển sang cấu trúc mạng lưới không gian, có trọng lượng phân tử cao hơn và tính chất cơ lý tốt hơn khi tác dụng với các chất đóng rắn Phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao Nhựa epoxy

đã đóng rắn cứng và dòn, nhưng độ bền của nhựa epoxy phụ thuộc vào chiều dài, bản chất của đoạn mạch polyme nằm giữa 2 nhóm epoxy: polyme có mạch dài sẽ bền hơn so với polyme có mạch ngắn hơn cùng loại, tuy nhiên lại có mật độ kết ngang (số liên kết ngang trên 1 đơn vị chiều dài) thấp hơn dẫn đến có độ cứng thấp hơn, nhạy hơn đối với sự tấn công của dung môi và chịu nhiệt kém hơn

1.2.1.2 Đóng rắn nhựa epoxy

Cấu trúc nhựa epoxy, chất đóng rắn và điều kiện phản ứng có ảnh hưởng

quyết định đến nhiệt độ hóa thủy tinh Tg, độ bền môi trường, tính chất cơ lý của nhựa epoxy nhiệt rắn Việc lựa chọn sử dụng chất đóng rắn tùy thuộc vào mục đích

sử dụng và công nghệ gia công

Nhựa epoxy thường dùng 3 loại chất đóng rắn là: chất đóng rắn loại amin, chất đóng rắn loại axit và chất đóng rắn loại khác Do có nhiều ưu điểm, có ý nghĩa thực tiễn nên amin là chất đóng rắn phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất cho nhựa epoxy Phản ứng đóng rắn bằng amin có thể có hoặc không có xúc tác

Chất đóng rắn loại amin và polyamit được chia làm 3 loại: Chất đóng rắn là amin mạch thẳng, amin thơm và polyamit phân tử thấp

Khi đóng rắn bằng amin thơm, nhựa epoxy có nhiều ưu điểm hơn so với amin thẳng:

- Có thời gian sống dài hơn (ở nhiệt độ thường)

- Có tính chất cơ lý cao hơn

- Độ bền hóa chất trội hơn hẳn

- Đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao hơn, nói cách khác là có Tg cao

Vật liệu ép đúc từ nhựa epoxy và DDM có độ bền cơ học cao, khả năng duy trì tính cách điện ở độ ẩm cao nên được sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử

Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy

Phản ứng đóng rắn nhựa epoxy là một phản ứng cộng, do đó lượng chất đóng rắn phải được tính toán chính xác Đối với phản ứng của amin bậc 1 với epoxy thì ít nhất có 4 phản ứng xảy ra [11]:

Phản ứng thứ 1: Phản ứng giữa nguyên tử hyđro linh đông ở nhóm amin cộng hợp

vào oxy epoxy, tạo thành các amin bậc 2 và các nhóm hyđroxyl bậc 2 mới

OH

H H

Phản ứng thứ 2: Amin bậc 2 mới hình thành này có khả năng phản ứng tiếp tục với

nhóm epoxy khác tạo ra các amin bậc 3 và các nhóm hyđroxyl bậc 2 mới

OH

H H

C

H

O

CH2

- 12 -

Phản ứng thứ 3: Phản ứng ete hóa giữa nhóm – OH của amin bậc 2 với nhóm epoxy

tạo ra liên kết ete và nhóm hyđroxyl mới Phản ứng ete hóa là phản ứng xúc tác của nhóm hyđroxyl và amin bậc 3

+ CH

OH

k3CH

O

OH

CH2 O R H

Phản ứng thứ 4: Các nhóm epoxy có khả năng tham gia phản ứng polyme hóa tại

nhiệt độ cao, phản ứng này tạo ra liên kết ete:

1.2.1.3 Đặc điểm và ứng dụng của nhựa epoxy

Đặc điểm

Nhựa epoxy có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi để chế tạo compozit có tính chất cơ học cao, độ bám dính cao với nhiều loại chất gia cường, tiện lợi khi xử lý công nghệ, tạo dáng các kết cấu và có thể giữ lâu ở trạng thái chưa đóng rắn nên thuận lợi cho việc chế tạo kết cấu compozit và các bán thành phẩm Quá trình đóng rắn nhựa epoxy có dải nhiệt độ rộng và không kéo theo việc thoát ra các chất dễ bay hơi, độ co ngót thấp, bền với tác động của nhiều loại dung môi và những môi trường độc hại, độ hút ẩm thấp [19, 23]

Nhược điểm của nhựa epoxy là chịu nhiệt tương đối thấp Đặc trưng cơ học của nhựa epoxy bị giảm đi rất nhanh với nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh của polyme

- 13 -

Ứng dụng

Nhựa epoxy có độ cứng, độ bền đối với dung môi và khả năng chịu nhiệt cao hơn hẳn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác nên thường được ứng dụng làm các lớp phủ chất lượng cao, sơn, keo dán và tấm lót cho tàu thuyền, bể chứa, làm các thiết bị trong ngành điện, làm vật liệu trang trí

Nhựa epoxy cũng được ứng dụng rất có hiệu quả trong công nghiệp chế tạo vật liệu compozit Nhờ có các nhóm phân cực, epoxy có khả năng bám dính tốt với sợi gia cường do đó làm tăng độ bền của compozit Vật liệu compozit có tính năng cao từ nhựa epoxy thường được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong ngành hàng không, vũ trụ, ô tô, tàu thủy và các công trình xây dựng

1.2.2 Sợi thủy tinh

Xuất hiện lần đầu vào những năm 1960, sợi thủy tinh với nhiều tính chất quý: độ bền cao, mođun cao, bền nhiệt, bền hóa chất…đã trở thành vật liệu gia cường cho các loại compozit cao cấp, ứng dụng trong chế tạo máy bay, tầu vũ trụ, dụng cụ thể thao, các đường ống dẫn chất lỏng và nhiên liệu, cũng như ứng dụng làm vật liệu trong ngành xây dựng

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt),

có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối như: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê… tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao) Loại sợi thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 10 %) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt [22] Sợi thủy tinh thường được sử dụng làm cốt gia cường cho các loại nhựa epoxy đã cải thiện đáng kể độ bền cơ và được sử dụng để chế tạo các lớp bọc lót bảo vệ thiết bị chống ăn mòn hóa chất [12, 19, 21]

xử lý Thông thường, cấu trúc hóa học và hình thái học của bề mặt thay đổi sau khi

xử lý Các kỹ thuật xử lý thường sử dụng bao gồm xử lý hóa học, xử lý plasma, xử

lý điện hóa và xử lý nhiệt , trong đó phương pháp xử lý hóa học được sử dụng phổ biến nhất [17] Để tạo được sự kết nối giữa sợi và nhựa nền, thường sử dụng các hợp chất ghép nối có hai thành phần, một thành phần có khả năng kết nối với bề mặt sợi, thành phần còn lại có khả năng kết nối với nhựa nền

Bảng 1.1 Một số hợp chất silan và loại nhựa nền [17]

- R Nhựa nền Công thức cấu tạo của silan

- 15 -

không có khả năng thủy phân, trong khi X là nhóm có khả năng thủy phân để tạo ra nhóm silanol Nhóm silanol phản ứng với nhóm hyđroxyl trên bề mặt sợi thủy tinh Tùy thuộc vào loại nhựa nền sử dụng mà lựa chọn loại hợp chất ghép nối silan có nhóm R phù hợp Một số hợp chất silan và loại nhựa nền thích hợp như được trình bày trong bảng 1.1

1.2.3 Hạt áp điện bari titanat, BaTiO 3

1.2.3.1 Cấu trúc của hạt áp điện BaTiO 3

Hạt áp điện là những loại hạt mà khi phân tán chúng trong vật liệu thì vật liệu đó có khả năng tạo ra một điện áp (dòng điện, hay sự chênh lệch về thế) khi có tác dụng của một ứng suất cơ học (kéo hoặc nén) làm biến đổi kích thước của vật liệu, hiệu ứng đó người ta gọi là hiệu ứng điện thuận Ngược lại, tác động của điện trường sẽ tạo nên một biến dạng cơ học của vật liệu, gọi là hiệu ứng điện nghịch Hiệu ứng áp điện có thể thấy trong các vật liệu vô cơ như thạch anh SiO2, Bari titanat BaTiO3, chì zirconat titanat PZT, kẽm oxit, nhôm nitrit hay trong các vật liệu hữu cơ như polyvinyl điflo (CH2F2)n hay trong các đối tượng sinh học như tóc và xương [10] Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành nghiên cứu tính chất

áp điện của loại hạt phổ biến nhất đó là BaTiO3

Vật liệu BaTiO3 được chế tạo với kích thước nano, khi vật liệu này càng nhỏ

và kích thước càng đồng đều thì tính chất áp điện (hay kể cả một số tính chất vật lý khác) càng được thể hiện một cách rõ nét

a) Cấu trúc của perovskit

Cấu trúc tinh thể của BaTiO3 giống hoàn toàn với cấu trúc perovskit tự nhiên CaTiO3 với cấu trúc dạng A(II)B(IV)O3 và có dạng lập phương thuộc nhóm Pm-3m

Trong cấu trúc tinh thể, B là cation có 6 liên kết với oxi còn A có số liên kết với oxi

là 12 Trong cấu trúc lý tưởng, độ dài liên kết B-O là a/2 (a là kích thước ô mạng lập phương đơn vị), còn độ dài liên kết A-O là a/ 2, do đó biểu thức liên hệ giữa các bán kính ion:

- 16 -

r A + r O = 2 ( rB + rO )

trong đó: rA, rB và rO là bán kính các ion A, B và O

Người ta thấy rằng cấu trúc lập phương vẫn được giữ khi phương trình trên

không hoàn toàn đúng Thừa số dung sai t, được định nghĩa bằng phương trình sau :

Hình 1.2 Cấu trúc lập phương của BaTiO3

Phương trình được áp dụng ở nhiệt độ phòng Trong thực tế cấu trúc lập

phương perovskit xuất hiện khi 0,75< t < 1 Ngoài cấu trúc lý tưởng lập phương,

các perovskit còn có các cấu trúc đối xứng khác như tà phương, hình thoi, tứ giác, đơn tà, và tam tà Các perovskit còn xuất hiện trong các dạng không tỷ lượng hoá học như AxBO3, A2BO4, ABO3-x… do các khiếm khuyết về mặt tinh thể

b) Vật liệu BaTiO3

Một trong các hợp chất quan trọng của nhóm perovskit là BaTiO3 Đây là chất áp điện đầu tiên thu được dưới dạng gốm và có hằng số điện môi lớn nên được

sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các điện trở nhiệt, và các thiết bị quang điện

Bari titanat có hai dạng thù hình chính Dạng lục phương không có tính áp

điện (nhóm đối xứng P4mm, a = 3,994 Ǻ, c =4,034 Ǻ), dạng lập phương và có tính

áp điện (nhóm đối xứng Pm-3m, a = 4,0177 Ǻ) Tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp

mà có thể thu được các dạng cấu trúc khác nhau của perovskit BaTiO3

- 17 -

Một điều đặc biệt nữa là cấu trúc perovskit có thể tạo thành dung dịch rắn thay thế với nhau trong một giới hạn rất lớn Ví dụ: PbTiO3, SrTiO3, BaZrO3, BaSnO3, KNbO3, có thể tạo thành dãy dung dịch rắn không hạn chế với BaTiO3 Sự thay thế Ba2+, Ti4+ trong bari titanat bằng các cation hoá trị hai và bằng Zr4+ có thể cải thiện nhiều tính chất vật lý của gốm áp điện bari titanat [2]

1.2.3.2 Ứng dụng của BaTiO 3

Vật liệu BaTiO3 được sử dụng trong nhiều ứng dụng dân dụng Dựa vào trạng thái tồn tại của vật liệu, chúng ta có thể chia ra làm hai nhóm chính: vật liệu dạng bột và vật liệu dạng lớp màng mỏng [4, 15]

Dưới dạng bột

Do sự phát triển của kỹ thuật tổng hợp vật liệu và yêu cầu thực tiễn, các hạt BaTiO3 được tổng hợp với kích thước hạt ngày càng nhỏ, cho đến nay nó đã đạt được đến kích cỡ khoảng chục nanomet Nó làm đối tượng để sản xuất các lớp mỏng để chế tạo các thiết bị điện tử, điện tử hiệu năng cao Hạt áp điện BaTiO3 ở kích cỡ nanomet được phân tán trong nền polyme để chế tạo các sensơ cảm biến

nhiệt hoặc khí Với loại hạt có kích cỡ mao quản trung bình (mesoporeous) nó còn

được sử dụng là đối tượng để làm vật liệu xúc tác

Dưới dạng lớp mỏng

Vật liệu BaTiO3 được nghiên cứu chủ yếu để sử dụng trong các hệ thống vi

cơ điện tử (Micro ElectroMechanical – MEMS ); chế tạo tụ điện cho bộ nhớ máy tính: bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DRAM (Dynamic Random Access Memory),

bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên FRAM (Ferroelctric Random Access Memory) và RAM điện tử sắt từ không dễ thay đổi NVRAM (Non Volatile Random Access Memory)

Bên cạnh đó nó còn được sử dụng làm các vách ngăn cho các lớp màng phát quang được sử dụng trong các thiết bị quang điện, sử dụng làm lớp điện môi (do có

độ thẩm điện môi điện áp đánh thủng rất cao) trong công nghệ chế tạo tụ điện gồm

nhiều lớp (MLC – Multilayer Ceramic Chip capacitor)

liệu sinh học (biomedical)

1.2.3.3 Tổng hợp Bari titanat BaTiO 3

Trước đây có phương pháp tổng hợp BaTiO3 là phương pháp nung cổ điển Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm là kích thước hạt không đồng đều, thường có lẫn các tạp chất cacbonat, silicat… Hoặc một số phương pháp như đồng kết tủa, sol- gel, vi nhũ tương,… cho phép chế tạo BaTiO3 kích thước từ nanomet đến micromet nhưng đòi hỏi phải xử lý tiền sản phẩm ở nhiệt độ cao Một số phương pháp khác cho phép điều chế vật liệu bột nano BaTiO3 : phương pháp vi sóng, phương pháp thuỷ nhiệt, … Chúng tôi sử dụng phương pháp thuỷ nhiệt để điều chế nano BaTiO3 từ các hóa chất là TiCl3, BaCl2.2H2O và KOH [4,15]

Chúng tôi chọn qui trình tổng hợp BaTiO3 theo phương pháp thuỷ nhiệt vì những lí do sau đây: Phương pháp thuỷ nhiệt có điểm thuận lợi là nhiệt độ tiến hành phản ứng thấp, phản ứng tiến hành trong dung dịch Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, kích thức hạt nhỏ (< 100 nm) và kích thước hạt đồng đều Hơn nữa, sử dụng phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát một cách dễ dàng các điều kiện phản ứng, nồng độ các chất phản ứng, môi trường và nhiệt độ của phản ứng

- BaCl2.2H2O (99,9% xuất xứ: Merck)

- Dung dịch TiCl3 15% (xuất xứ Nga)

- KOH (> 86%, xuất xứ Merck)

- HCl 37% (xuất xứ Merck)

- Hợp chất ghép nối γ-aminopropyl trimethoxy silan (γ-APS), (Sigma Aldrich,

Fluka); khối lượng phân tử: Mn = 179,29 g/mol; khối lượng riêng: 1,027 g/ml

- Sợi thủy tinh biến tính silan SGVI 600 Tex, (Saint-Gobain, CH Pháp), khối lượng riêng 2,5 g/cm3, Φ19 µm

- Nhựa epoxy, tên gọi Epikote 828, (Hexion Specialty Chemicals, Mỹ) Khối lượng phân tử trung bình: Mn = 385 g/mol; dạng lỏng Khối lượng đương lượng 186-190 g/đương lượng Khối lượng riêng: 1,16 g/cm3 Hằng số điện môi 3-5 tại tần số 1MHz

- Chất đóng rắn, 4,4’-diamino diphenyl metan (DDM), (Fluka.Co); khối lượng phân

tử trung bình: Mn = 198,27 g/mol; dạng rắn; hàm lượng: 97%; khối lượng riêng: 1,16 g/cm3; nhiệt độ nóng chảy: 1100C

- Etanol tuyệt đối, axeton (dùng cho HPLC, Merck)

- Thiết bị Dip-coating HWTL-01 (MIT Corporation, Mỹ)

- Hệ thiết bị chế tạo polyme compozit nền epoxy, các khuôn mẫu

- Máy cắt, máy mài compozit

- Tủ sấy, tủ sấy chân không

- Hệ lọc Bushner

- Máy li tâm

- Bể rung siêu âm

- Hệ thống thí nghiệm khảo sát, theo dõi độ ẩm môi trường

- Hệ thống thí nghiệm khảo sát trong điều kiện chiếu tia UV

- Hệ thống thí nghiệm khảo sát theo nhiệt độ

- Hệ thống bị thí nghiệm khảo sát, theo dõi trong môi trường nước biển nhân tạo

Chúng tôi tiến hành tổng hợp hạt BaTiO3 trong bình thuỷ nhiệt theo quy trình

đã công bố trong các tài liệu [4, 15]

- 21 -

- Cho BaCl2.2H2O hoà tan vào nước cất Nhỏ từ từ dung dịch TiCl3 đến hết theo tỷ lệ xác định Khuấy đều hỗn hợp phản ứng rồi thêm từ từ dung dịch KOH Sau đó chuyển toàn bộ hỗn hợp vào bình thuỷ nhiệt, xử lý ở nhiệt độ 1500C trong 7 giờ

- Kết thúc phản ứng, điều chỉnh về pH trung tính bằng dung dịch HCl loãng Lọc rửa lại bằng nước cất nhiều lần trên bộ hút chân không để loại bỏ hết ion dư Cuối cùng sấy sản phẩm ở 900C trong 12 giờ Sản phẩm thu được nghiền mịn và đặc trưng các tính chất bằng phổ hồng ngoại (IR), nhiễu xạ tia X (XRD), chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), đo tính chất điện môi (DEA) và thế zeta

2.2.2 Biến tính hạt nano-BaTiO 3 bằng hợp chất silan γ–APS

Quy trình biến tính ghép hạt nano BaTiO3 với silan γ-APS được thực hiện

theo quy trình đã công bố trong tài liệu [5]

Hạt nano BaTiO3 được phân tán vào trong hỗn hợp theo tỷ lệ của nước cất/

etanol = 1/19 và silan γ-APS, khuấy nhẹ khoảng 5 phút, tiếp đến rung siêu âm hỗn

hợp trong 30 phút, và thực hiện phản ứng tại các điều kiện nhiệt độ và thời gian khác nhau Kết thúc phản ứng, dung môi được tách ra khỏi các hạt BaTiO3 nhờ sử dụng máy ly tâm Tiến hành rửa lại hạt bằng etanol để loại bỏ silan dư Cuối cùng, mẫu được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 500C trong 1 giờ

2.2.3 Quy trình ghép hạt BaTiO 3 lên bề mặt sợi thủy tinh

Quy trình biến tính ghép hạt nano BaTiO3 đã biến tính silan γ-APS lên bề

mặt sợi thuỷ tinh được thực hiện theo quy trình đã công bố trong tài liệu [7, 10] Quá trình ghép được thực hiện trên thiết bị Dip-coating HWTL

Hạt nano-BaTiO3 được phân tán trong dung môi etanol nhờ thiết bị rung siêu

âm trong 30 phút Tiếp theo, sợi được nhúng trong môi trường phân tán hạt BaTiO3 trong 5 phút, sau đó kéo lên với tốc độ 10 mm/phút Kết thúc quá trình, sợi

nano 22 nano

thủy tinh được sấy khô bằng máy tạo gió ở nhiệt độ phòng Sợi thuỷ tinh sau khi ghép các hạt nano lên bề mặt được sử dụng trực tiếp để chế tạo vật liệu compozit

2.2.4 Quy trình chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia

cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano-BaTiO 3

Tất cả các mẫu compozit đều được chuẩn bị theo chu trình sau [10]:

- Làm sạch khuôn tạo mẫu bằng Teflon

- Hỗn hợp nhựa epoxy (DGEBA) và chất đóng rắn (DDM) được phối trộn với tỷ lệ phần khối lượng chính xác, khuấy liên tục ở nhiệt độ 1100C cho đến khi DDM tan hoàn toàn trong epoxy tạo thành dung dịch đồng nhất Một nửa hỗn hợp nhựa trên được rót vào khuôn, sau đó đặt sợi thủy tinh đơn hướng ghép và/hoặc chưa ghép hạt nano-BaTiO3 vào khuôn và đổ nốt phần nhựa còn lại lên trên sợi Tiến hành hút chân không trong 15 phút để đuổi hết bọt khí Tiếp theo, mẫu được đóng rắn theo chu trình nhiệt độ/thời gian: 500C/30 phút, 1100C/30 phút, 1800C/180 phút [6] Cuối cùng, làm nguội mẫu tự nhiên đến nhiệt độ phòng Tất cả các mẫu đều được để ổn định ít nhất 1 tuần trong bình hút ẩm trước khi đi đo các tính chất

2.3 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất vật liệu

2.3.1 Nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X được đo trên thiết bị nhiễu xạ D8 ADVANCE - Bruker tại Phòng thí nghiệm Vật liệu, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Điều kiện đo: Dải quét từ 200 - 700; bước nhảy 0,030, nguồn tia X lấy từ catot bằng Cu với bước sóng λ = 1,5408 Ǻ

2.3.2 Phân tích phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier

Phổ hồng ngoại được thực hiện trên thiết bị hồng ngoại Perkin Elmer GX tại Phòng thí nghiệm Vật liệu, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

- 23 -

Điều kiện đo: khoảng tần số 4000 - 400 cm-1, độ phân giải 4 cm-1, số lần quét

là 4

2.3.3 Đo hằng số điện môi

Tính chất điện môi của các mẫu bột BaTiO3 và mẫu compozit được đo trên thiết bị RCL Master PM3550 tại Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội (cặp điện cực bằng lá vàng mỏng, điện thế 5 V, khoảng tần số từ 1 kHz đến 5000 kHz)

Hằng số điện môi được tính qua giá trị điện dung của mẫu theo công thức:

Trong đó d là độ dày mẫu; C là điện dung mẫu; 2,5 mm và 4,7 mm là chiều

rộng và chiều dài của điện cực đo Giá trị 8,854.10-12 là hằng số điện môi của khí

trong chân không

2.3.4 Ảnh kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét

Hình thái học, bề mặt vật liệu hạt BaTiO3 chế tạo được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét kết hợp phân tích nguyên tố EDS (SEM, Hitachi S4800, JEOL JMS 6360 LV) tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hình thái học, bề mặt vật liệu compozit chế tạo được quan sát trên kính hiển

vi quang học (OMI, Olympus) tại Bộ môn Hoá lý, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

2.3.5 Phương pháp đo thế Zeta

Phương pháp đo thế Zeta nhằm xác định thế điện động học (hay thế Zeta) của hạt keo BaTiO3 và BaTiO3 biến tính bề mặt bằng γ-APS dựa trên hiện tượng

điện di trên thiết bị Zeta Phoremeter IV – CAD Instrumentation) tại Bộ môn Hoá lý, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

- 24 -

Khi hạt keo di chuyển trong dung dịch, thì lớp ion cũng di chuyển theo Nhưng khi cách hạt keo một khoảng giới hạn nào đó thì lớp ion không di chuyển cùng hạt keo Khoảng cách này gọi là bề mặt trượt và giá trị thế đo được tại đó gọi

là thế Zeta (ζ – thế điện động học)