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 c

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 CHƯƠNG1 TỔNG QUAN 1.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano 1.1.1 Thành phần vật liệu polyme compozit 1.1.1.1 Nhựa .8 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 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 môi 30 1.2.2 Tính chất học 31 1.2.3 Độ bền nhiệt .31 1.3 Những ứng dụng 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 Chế tạo polyme compozit nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO334 2.3.4 Ghép hạt nano BaTiO3 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 BaTiO3 56 3.2.1.2 Những đặc trưng silan γ–APS 57 3.2.1.3 Nghiên cứu tìm điều kiện phản ứng tốt 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 BaTiO3 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 BaTiO3 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 BaTiO3 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 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 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 công 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 BaTiO3 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 BaTiO3 với nhiệt độ phản ứng khác 67 Bảng 3.9 Chiều cao pic 1567, 1128 cm-1 hạt nao BaTiO3 với thời gian phản ứng khác 68 Bảng 3.10 Độ chuyển hóa hệ EP PC chứa hạt nano BaTiO3 không 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 OH I-IOC QUOC GIA IIA NOI CONG IIOA XA HOI CH IJ NGI HA VIEW NAM Doc leap - Tir - Hanh phuc So: AJ0 /QD-DT Hâ N J, ngây thing nfim 2fi/2 QUYET D}NH Ve viec thñnh leap Hoi dong cap Dat hpc Quñc gia chfim luan in tién sI GIAM DOC DAI HOC QUOC GIA HA NOI Can cir Nghi dinh sñ 07/2001/ND-t?P 01/02/2001 cua Chinh phu vé Dat hoc Quñc gia; Can ct Quy ché vé To chic va I4oat dong cua Dai hoc Quoc gia ban hanh theo Quyet dinh so 16/2001/QO-"F"fg 12/02/2001 cua )“hu tuñng Chinh phu; Can cu’ Qiiy dlnh vé To chic va Hoat dong cua Dai hpc Quñc gia Ha Nñi born hash thco Quyét dinh so 600/TCt?13, 01/10/2001 cua Giâm dsc Dai hoc Qufic gia Ha NOi; Can cu Quy ché dao tao sau dai hpc ñ Dai hpc Quoc gia Ha Noi ban hanh theo Quyét dlnh sñ 3810/KIJCN, 10/10/2007 ciia Giâm dñc ) hpc Quoc gia Ha Noi; Xét dé ngh{ cua Truñng Bari Dao tao, BUY-ET G}NH: Dieu "fhanh leap Hoi dong cap Dat hoc Quoc gia chem luian ari tién st cua nghién cue sinh Phan Thi Tuy0t Mai, sinh 19/04/1982 tai Ninh Binh Dé th: “Nghién cuu ché tao vât liéu compozit chua câc hat âp dién kich thu:âc nano vâ khâo sât su bié’n dci tinh châ’t cv nhiét dié“u kien khl hâu nhiét dâi”, C.huycn ngânh: Hâa li thuyé"t vâ hoa li, Ma sñ: 62 44 31 01, Danh sach cac vien cua Hoi dong hem theo quyét dinh Dieu High truñng Trirñng Dat hoc Khoa hoc To nhien cfi nhiém vu tñ chic cho nghién cpu sinh bao ve cap Dat hpc Quoc gia luian an tién si theo dung Quy che duo tao sau dat hoc ñ Dat hoc Quoc gia Ha Noi Dieu Chânh van phñng, Tru0ng Ban Dao tao, Hieu tru g Trirong Dat hoc Khoa hoc To nhien va cac vien Hoi dñng cap Dai hoc Quoc gia cham luan an ticn si ch|u trach nhi rn th1 hanh quyct dlnh nay./.' T GIAM DOC IAM DCC No’i nIi n - Nhu diéu 3; - Lti'u: VT, Ban DT, H15 KH Vu Minh Giang DANIJ SAC?H THANII VIEN HOI DONG CAP DAI HQ(? QUOC GIA CHAM LU,AN AN TIEN SI (Kérn theo Quyét dinh so 9JJJ /QD-DT &J / cua Giam doe Dir hpc Quoc gia Ha N i) STT Hp vñ tén Chuyén ngânh - Linh virc chuyén mñn Cñng ngh hoa hpc vat lieu polyme vl coinpozit /2012 Co quan cñng tac rréch nhiim Hoi dong Trañng Dat hoc Bach Ha Nfii GS.TSKH Trñn Vlnh Dieu GS.TS Ngo Duy Cirong Hoa li (Cao phân ftf) Truñng Dat hoc Khoa hoc Tii nhi0n, DHQGHN Phan bicn PGS.TS Ng6 Ké Thé" Cong nghé v'at liéu polyme Viñn Khoa hoc Vfit Iron, Viñn KH&CN VN Phan bicm PGS.TS Do Truñng Thién Hoa polyme Vién Hoa hoc, Vien KIT&CN VN PGS.TO Pham Ngoc Lin 1-Ioa polyme Trirñng Dat hoc Khoa hoc Ttr nhién, DHQGHN 3“hu ky PGS.TS Vñ Ngoc Ban Hña li thuyét va hoa 11 Truñng Dpi hoc Khoa Doc Ttr nhien, DHQGHN Uy vién PGS.TS› To Thi Xuân Hiing Hña vat lieii Vi6n Ky thuat Nhiét dđi, Vi§n KH&CN VN Hâi dong gom 07 thñnh viân 180 N i dung cac cñng tiinh phii hpp vñi noi dung lu n an Tom tat luân an phân anh dñng nfii dung 1u}an an Ket qua luân ân (kh6i lirpng cfing nhu chat lumig hoan toân dâp ring yen edu khoa hpc cua mht 1u}an an TS theo quy dinh cua BE Giao die va Dao tao Tfii dd nghi NC5 dVeic bao vie lu n ân tien st cua mlnh trade Hoi dong châm lu}an an tion sI cap Dat hoc quoc gia, NCS xirng dang nh n bang tien sI Hâ Nâi, ngâ y 10 thâng nâm 2012 xét ”hñn GS.TS Ngâ Duy Cu:âng 184 ... pháp chế tạo, tính chất đ? ?c trưng ứng dụng vật liệu PC chứa hạt áp điện kích thư? ?c nano 1.1 C? ?C PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯ? ?C NANO Đối với vật liệu PC,... gia c? ?ờng 26 1.1 Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt nano2 9 1.2 C? ?c tính chất đ? ?c trưng vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thư? ?c nano 29 1.2.1 Tính chất điện. .. H? ?C QU? ?C GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI H? ?C KHOA H? ?C TỰ NHIÊN ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN C? ??U CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA C? ?C HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯ? ?C NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT C? ?