tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit
Sự hình thành liên kết giữa các hạt nano BaTiO3 và sợi thủy tinh với nhựa EP
Các nhóm amin –NH2 trên bề mặt sợi thủy tinh và các hạt nano BaTiO3
biến tính γ-APS có thể tham gia phản ứng mở vòng epoxy, được mô phỏng trên hình 3.55.
Hình. 3.55. Mô phỏng phản ứng giữa các nhóm amin –NH2 trên bề mặt hạt nano BaTiO3 và bề mặt sợi thủy tinh với EP.
118
Sự tạo thành liên kết hóa học giữa hạt nano BaTiO3 và sợi thủy tinh với nhựa EP được khảo sát bằng phổ FT-IR, được trình bày trên hình 3.56.
Hình 3.56. Phổ FT-IR của bề mặt sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 sau khi đặt trong nhựa EP.
Từ hình 3.56 cho thấy, cường độ pic 915 cm-1 của PC gia cường sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 biến tính γ-APS giảm so với nhựa nền EP. Điều đó chứng tỏ, nhóm -NH2 của γ-APS trên bề mặt sợi thủy tinh và hạt nano BaTiO3 đã tham gia phản ứng mở vòng epoxy.
Như vậy, các nhóm amin –NH2 trên bề mặt hạt nano BaTiO3 và sợi thủy
tinh biến tính γ-APS đã tham gia phản ứng đóng rắn nhựa epoxy. Vì vậy, sẽ làm ảnh hưởng đến tỷ lệ cấu tử giữa chất đóng rắn DDM và nhựa DGEBA ban đầu. Do đó, đã tiếp tục khảo sát bằng phổ FT-IR mẫu PC gia cường 47% thể tích sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 trên nền nhựa EP có tỷ lệ r thay
đổi từ 0,9 đến 1,2. Độ chuyển hóa của hệ xác định theo công thức (2-3) được
trình bày trên hình 3.57.
119
Từ hình 3.57 cho thấy, độ chuyển hóa của hệ đạt cực đại tại r = 1, nghĩa là sự tham gia của hạt nano BaTiO3 biến tính γ-APS có thể giúp giảm khối lượng tác nhân đóng rắn DDM.
Sự tham gia của các hạt nano BaTiO3 trong mạng lưới cấu trúc của hệ nhựa EP được khảo sát bằng phổ FT-IR. Hình 3.58 biểu diễn phổ FT-IR của mẫu nhựa nền EP và mẫu PC gia cường 47% thể tích sợi thủy mang hạt nano BaTiO3 (ký hiệu EP/GFBTO47). Đồng thời sử dụng thêm mẫu PC gia cường 47% thể tích sợi thủy tinh (ký hiệu EP/GF47) để so sánh.
Hình 3.58. Phổ FT-IR sau khi đã đóng rắn của nhựa nền EP (a); EP/GF47 (b) và EP/GFBTO47(c).
Hình 3.58 cho thấy, trong vật liệu PC gia cường sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 xuất hiện pic tại tần số 590 cm-1 rộng hơn so với cả nhựa nền epoxy và PC gia cường sợi thủy tinh, nó đặc trưng cho liên kết Ti–O của hạt nano BaTiO3. Điều này chứng tỏ các hạt nano BaTiO3 đã tham gia vào trong mạng lưới cấu trúc của nhựa nền EP.
Tính chất cơ nhiệt
Để nghiên cứu ảnh hưởng của hạt nano BaTiO3 ghép trên bề mặt sợi thủy tinh đến độ bền cơ nhiệt của vật liệu compozit PC, đã xác định đồng thời độ bền cơ nhiệt của hai mẫu PC cường bằng sợi thủy tinh mang hạt nano
120
BaTiO3 và sợi thủy tinh không mang hạt với cùng hàm lượng 47% thể tích. Sự biến đổi E’, E’’ và tanδ của chúng theo nhiệt độ được trình bày trên hình 3.59.
Hình 3.59. Sự biến đổi của E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) của các mẫu EP/GF47 và EP/GFBTO47 theo nhiệt độ, tại tần số 1Hz.
Từ hình 3.59 có thể thấy, với sự có mặt của hạt nano BaTiO3 trên bề mặt sợi thủy tinh đã làm tăng đáng kể E’ (từ 8,076 đến 20,582 GPa) và Tg của vật liệu PC (từ 1700C đến 1740C). Hiện tượng này có thể do hạt nano BaTiO3
đã tham gia vào mạng lưới cấu trúc của nhựa epoxy và là cầu nối giữa các mắt xích trong vùng phân chia pha giữa nhựa EP với bề mặt sợi thủy tinh (mô phỏng trên hình 3.56), làm giảm độ linh động của các mắt xích này, dẫn đến làm tăng E’ và Tg.
Tính chất điện môi
Ảnh hưởng của sự có mặt các hạt nano BaTiO3 trong vùng phân chia pha
121
xác định thông qua phép đo HSĐM và hệ số tổn hao điện môi, kết quả được trình bày trên hình 3.60 (mẫu được đo trên thiết bị RCL Master PM 3550).
Hình 3.60. HSĐM (a) và hệ số tổn hao điện môi (b) theo tần số của các mẫu EP/GF47 và EP/GFBTO47.
Từ hình 3.60a có thể thấy, sự có mặt của các hạt nano BaTiO3 trong vùng phân chia pha giữa nhựa nền EP và sợi thủy tinh đã làm tăng đáng kể
HSĐM của vật liệu PC trong suốt tải tần số khảo sát (tại f = 100 kHz, tăng từ
31,31 lên 36,27).
Từ hình 3.60b cho thấy, hệ số tổn hao điện môi của PC chứa hạt nano BaTiO3 (EP/GFBTO47) thấp hơn mẫu PC không chứa hạt (EP/GF47). Hiện
tượng này có thể giải thích là do sự có mặt của các hạt nano BaTiO3 và sự tạo
liên kết giữa chúng với cả nhựa nền EP và sợi thủy tinh trong vùng phân chia pha đã làm giảm độ linh động của các mắt xích trong mạng lưới cấu trúc của vật liệu, dẫn đến làm giảm hệ số tổn hao điện môi.
Kết quả này một lần nữa khẳng định lại vai trò của hạt nano BaTiO3 đã làm tăng đáng kể tính chất điện môi của vật liệu PC. Do đó, có thể sử dụng chúng như các trung tâm cảm biến theo dõi sự biến đổi cấu trúc của chính vật liệu PC.
Nhận xét
Đã xác định được điều kiện thích hợp cho quá trình ghép các hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh: hạt nano BaTiO3 biến tính bằng γ-APS phân tán trong dung môi etanol với khối lượng 20 mg/ml.
122
Tính chất cơ lý, cơ nhiệt động và tính chất điện môi của vật liệu PC tốt nhất
ởhàm lượng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 là 45-47% thể tích.
Sự có mặt của hạt nano BaTiO3 trong vùng phân chia pha giữa nhựa nền EP và sợi thủy tinh đã làm tăng độ bền cơ nhiệt (mođun tích lũy tại 300C tăng từ 8,076 đến 20,582 GPa tại f = 1Hz) và tăngHSĐM (từ 31,31 và 36,27 tại tần số 100 kHz), ứng với 47% thể tích sợi.
3.5. NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU POLYME COMPOZIT CHỨA HẠT ÁP ĐIỆN BaTiO3 KÍCH THƯỚC NANO TRONG