Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62 44 31 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH Lưu Văn Bơi TS Nguyễn Xn Hồn Hà Nội - 2012 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT…………………… vii DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………… …… ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ………………………………… xi MỞ ĐẦU…………………………………………… …………… .1 CHƯƠNG1 TỔNG QUAN ……………………………………………5 1.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano…… .8 1.1.1 Thành phần vật liệu polyme compozit………………… ….8 1.1.1.1 Nhựa nền…………………………………………… 1.1.1.2 Chất gia cường… …………… ……………….… 13 1.1.1.3 Giới thiệu BaTiO3 kích thước nano……………… 16 1.1.2 Các kỹ thuật phân tán hạt nano áp điện vào vật liệu polyme compozit…… …………… …….…… ……………….…… 21 1.1.2.1 Phân tán hạt nano áp điện vào polyme……….… 22 1.1.2.2 Ghép hạt nano áp điện lên bề mạt sợi gia cường… …26 1.1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt nano29 1.2 Các tính chất đặc trưng vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano…………………………………………… .29 1.2.1 Tính chất điện mơi ……………………………………… …….30 1.2.2 Tính chất học………………………………………….… .31 1.2.3 Độ bền nhiệt……………………………………………… … 31 1.3 Những ứng dụng bản………………………………….… … 31 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM…….……………………… …… 32 2.1 Hóa chất, thiết bị dụng cụ.………………………………….…….32 2.1.1 Hóa chất………………………………………… ……… 32 2.1.2 Thiết bị dụng cụ…………………………………… ….….33 2.2 Chế tạo vật liệu………………………….…………………… 34 2.3.1 Chế tạo mẫu nhựa epoxy DGEBA đóng rắn DDM….34 2.3.2 Biến tính hạt BaTiO3 hợp chất γ–APS………………… 34 2.3.3 Chế tạo polyme compozit nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO334 2.3.4 Ghép hạt nano BaTiO lên bề mặt sợi thủy tinh… 34 2.2.5 Chế tạo polyme compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh ………………………………………………………… ….…….35 2.2.6 Chế tạo polyme compozit sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3…………………………….…… 35 2.3 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá đặc trưng tính chất vật liệu ………………………………….………….…………… 36 2.3.1 Phương pháp đánh giá đặc trưng…… ………………… 36 2.3.1.1 Phương pháp đo phổ hồng ngoại FT-IR ………… 36 2.3.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét DSC …… 38 2.3.1.3 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA)…….…38 2.3.1.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)… ……… 39 2.3.2 Phương pháp đo tính chất điện mơi …………………… 39 2.3.3 Phương pháp đo zeta……………………………….…… 40 2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt động………… …… ………40 2.3.5 Các phương pháp nghiên cứu tính chất học…… ……… 41 2.3.5.1 Độ bền kéo……………………………… …… ….41 2.3.5.2 Độ bền uốn… ……………………………… .… 41 2.3.5.3 Độ bền va đập………………………………… 42 2.3.6 Phương pháp xác định độ tăng khối lượng mẫu………………42 2.4 Chuẩn bị môi trường theo dõi, khảo sát…… ……………… 43 2.4.1 Điều kiện chiếu xạ tử ngoại…….… ……….…….43 2.4.2 Điều kiện nhiệt độ………………………… ………….43 2.4.3.Môi trường ẩm…………………………………… … 43 2.4.4 Môi trường độ mặn muối biển …………………… 43 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…… ……….……….… .44 3.1 Nghiên cứu chế tạo nhựa epoxy ………………………….….…44 3.1.1 Đặc trưng nguyên liệu…………………… ……… ….… 44 3.1.1.1 Nhựa epoxy, diglyxidyl ete bis-phenol A (DGEBA)….44 3.1.1.2 Chất đóng rắn 4,4-diamino diphenyl metan, DDM.….46 3.1.2 Nghiên cứu phản ứng đóng rắn hệ nhựa EP………………… 48 3.1.2.1 Xác định tỷ lệ phối trộn DGEBA với DDM……49 3.1.2.2 Xác định điều kiện đóng rắn tốt cho hệ EP… …51 3.2 Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3………………………………………………….… 56 3.2.1 Biến tính hạt nano BaTiO3 hợp chất γ–APS…….……… 56 3.2.1.1 Những đặc trưng BaTiO 3………… 56 3.2.1.2 Những đặc trưng silan γ–APS………… 57 3.2.1.3 Nghiên cứu tìm điều kiện phản ứng tốt nhất… 58 3.2.2 Chế tạo đặc trưng tính chất vật liệu polyme compozit nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3……………………………… …69 3.2.2.1 Ảnh hưởng biến tính bề mặt hạt nano BaTiO3 γ-APS lên tính chất đặc trưng vật liệu polyme compozit…………………………………………………………69 3.2.2.2 Đặc trưng cấu trúc tính chất vật liệu polyme compozit sở nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3…………… … .75 3.3 Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất vật liệu polyme compozit nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh …………………………….80 3.3.1 Đặc trưng bề mặt sợi thủy tinh…………… … .80 3.3.2 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên tính chất vật liệu polyme compozit…….…………………….………….……… … 81 3.3.3 Ảnh hưởng biến tính bề mặt sợi thủy tinh γ-APS đến tính chất đặc trưng vật liệu polyme compozit 83 3.4 Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất vật liệu polyme compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano BaTiO3 85 3.4.1 Ghép hạt nano BaTiO lên bề mặt sợi thủy tinh… …… 85 3.4.1.1 Ảnh hưởng hợp chất ghép nối silan γ-APS đến phản ứng ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh……… .85 3.4.1.2 Ảnh hưởng dung môi………………………… 88 3.4.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng hạt nano BaTiO đến trình ghép lên bề mặt sợi thủy tinh ………………………… .89 3.4.2 Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất vật liệu polyme compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 90 3.4.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 đến tính chất đặc trưng vật liệu polyme compozi… 90 3.4.2.2 Ảnh hưởng hạt nano BaTiO bề mặt sợi thủy tinh đến tính chất đặc trưng vật liệu polyme compozit 96 3.5 Nghiên cứu biến đổi tính chất vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3 số điều kiện môi trường…….………… … …101 3.5.1 Ảnh hưởng xạ tử ngoại……………… …… 101 3.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ…………………………… …… 112 3.5.3 Ảnh hưởng độ ẩm………….…………… … … .…119 3.5.3.1 Mơi trường có độ ẩm tương đối 99 % 120 3.5.3.2 Môi trường có độ ẩm tương đối 80 % 124 3.5.3.3 Mơi trường có độ ẩm tương đối 45 % 127 3.5.4 Ảnh hưởng độ mặn muối biển………….…… … …129 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ………….…………………………… ….133 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN………………………………… .………………135 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… …………………… …… .137 PHỤ LỤC………………………………………………… …………… 155 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT aav Độ bền va đập Charpy ASTM Tiêu chuẩn Mỹ BTO BaTiO3, Bari titanat BTO/EP Polyme nanocompozit nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3 BTO/GF Sợi thủy tinh ghép hạt nano BaTiO3 bề mặt BTO/GF/EP Polyme compozit epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 DDM 4, 4’–điaminođiphenyl metan DEA Phân tích tính chất điện mơi (Dielectric Analysis) DGEBA Epoxy diglycidyl ete bis-phenol A DMA Phân tích nhiệt động (Dynamic Mechanical Analysis) DSC Nhiệt lượng kế quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter) E Mođun tích lũy E’ Mođun tổn hao EP Epoxy FT-IR Hồng ngoại biến đổi Fourie (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) GF Sợi thủy tinh (Glass Fiber) IR Hồng ngoại (Infrared) ISO Tiêu chuẩn hóa Quốc tế PC Polyme compozit 10 Ps Phân cực tự phát (Polarisation spontaneous) PVDF Polyvinyliden fluoride PZT Chì Zirconat Titanat (Lead Zirconate Titanate) RH Độ ẩm tương đối (Relative Humidity) RX Tia X SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) tanδ Hệ số tổn hao Tc Nhiệt độ Curie Tg Nhiệt độ hóa thủy tinh TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermo Gravimetry Analysis) UV Tử ngoại (Ultra visual) α Độ chuyển hóa γ-APS γ-aminopropyltrimetoxy silan λ Bước sóng ν Số sóng σk Độ bền kéo σu Độ bền uốn ԑ Hằng số điện môi (Dielectric constant)/Độ thẩm điện môi (Permittivity) HSĐM Hằng số điện môi 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Thành phần hóa học số loại sợi thủy tinh………………15 Bảng 1.2 Tính chất số loại sợi thủy tinh………………………….16 Bảng 2.1 Thành phần chất cơng thức pha lít nước biển…… 43 Bảng 3.1 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử DGEBA ……46 Bảng 3.2 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử DDM…… …47 Bảng 3.3 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử BaTiO 3…… 57 Bảng 3.4 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử γ-APS……….58 Bảng 3.5 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử γ-APS trước sau thủy phân…………………………………………………… …….60 Bảng 3.6 Chiều cao pic 1567, 1128 3440 cm-1 hạt nao BaTiO3 với hàm lượng thay đổi……………………………….……………………61 Bảng 3.7 Thế Zeta hạt nano BaTiO3 ghép không ghép silan………63 Bảng 3.8 Chiều cao pic 1567, 1127 hạt nano BaTiO với nhiệt độ phản ứng khác nhau……………………………… ……………… 67 Bảng 3.9 Chiều cao pic 1567, 1128 cm-1 hạt nao BaTiO với thời gian phản ứng khác nhau………………………………… …………… 68 Bảng 3.10 Độ chuyển hóa hệ EP PC chứa hạt nano BaTiO khơng biến tính biến tính γ-APS sau đóng rắn……… ………… … 73 Bảng 3.11 Dao động nhóm nguyên tử bề mặt sợi thủy tinh……… 80 Bảng 3.12 Dao động đặc trưng nhóm nguyên tử bề mặt sợi thủy tinh sau ghép hạt nano BaTiO3…….………………………… 87 12 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 ... ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI Chuyên ngành: Hóa... vật liệu cịn khiêm tốn Vì vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo compozit chứa hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano khảo sát biến đổi tính chất nhiệt vật liệu điều kiện khí hậu nhiệt đới (ánh sáng, nhiệt. .. dụng vật liệu PC chứa hạt áp điện kích thước nano 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO Đối với vật liệu PC, trình chế tạo có ảnh hưởng lớn đến tính