TT Thời gian, ngày H2O % NaCl 10% % NaOH 10% % HCl 10% % H2SO4 10% % 1 01 0,018 0,022 0,026 0,020 0,021 2 05 0,026 0,065 0,065 0,026 0,028 3 09 0,035 0,069 0,072 0,038 0,031 4 13 0,041 0,075 0,079 0,045 0,049 5 17 0,059 0,083 0,084 0,059 0,072 6 21 0,071 0,089 0,092 0,067 0,079 7 25 0,074 0,092 0,099 0,081 0,087 8 29 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092 9 30 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092 10 31 0,089 0,096 0,105 0,087 0,092
Từ kết quả các bảng trên nhận thấy, các mẫu vật liệu được ngâm trong các môi trường khảo sát đến 29 ngày thì khối lượng hầu như không thay đổi nữa. Mẫu vật liệu pha nền nhựa epoxy pha trộn CNT có độ tăng khối lượng lớn nhất trong môi trường kiềm nhưng cũng không đáng kể. Như vậy vật liệu composite epoxy pha trộn ống cacbon nano có độ hấp thụ nước thấp trong nước, các dung dịch NaCl, NaOH, HCl và H2SO4.
3.4. Khảo sát độ hấp thụ nước của vật liệu PC epoxy/CNT
Một trong những tính chất sử dụng quan trọng của vật liệu PC là khả năng chịu nước
Để khảo sát đặc tính trên, đề tài đã tiến hành chế tạp vật liệu PC từ nhựa nền epoxy với 25 PKL CNT. Mẫu được đúc hình tròn có đường kính 50mm, chiều dày 4mm
Mẫu được ngâm trong nước trong thời gian 30 ngày. Quan sát hiện tượng tượng và ghi nhận sự thay đổi khối lượng mẫu đều đặn ta xây dựng được đồ thì biểu diễn độ hấp thụ nước qua hình
51
Hình 3.4. Độ hấp thụ nước của vật liệu PC nền nhựa epoxy EPIKOTE 828 theo thời gian
Độ hấp thụ nước của vật liệu trên cơ sở nhựa nền epoxy EPIKOTE 828 với CNT là rất nhỏ và hấp thụ nhanh ở 72 giờ ngâm đầu tiên. Có thể là ở giai đoạn này nước thẩm thấu vào vật liệu theo cơ chế mao quản. Sau đó độ hấp thụ nước của vật liệu tăng rất chậm. Điều này có thể giải thích bởi tính kị nước của CNT.
3.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến các tính chất của màng sơn PMMA/CNT
3.5.1. Tính chất cơ học
Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến tính chất cơ học của lớp phủ đã tiến hành chế tạo lớp phủ trên cơ sở nhựa PMMA độn CNT với tỷ lệ CNT/PMMA thay đổi (% theo khối lượng PMMA): : 0/100 , 1/100 , 3/100 , 5/100, 10/100,15/100, 17/100, 20/100, 25/100, 30/100.
Bảng 3.6. Độ bám dính của lớp phủ PMMA với các hàm lượng CNT khác nhau Tên mẫu (tương ứng
với hàm lượng % khối lượng CNT)
Tỉ lệ diện tích sơn bị bong (%)
TCVN
M0 9% Điểm 1
M1 9% Điểm 1
52 M5 11% Điểm 1 M5 11% Điểm 1 M10 13% Điểm 1 M15 15% Điểm 2 M20 19% Điểm 2 M25 23% Điểm 2 M30 25% Điểm 2
Kết quả trên bảng 1 cho thấy tính bám dính của lớp phủ PMMA/CNT giảm dần khi tăng hàm lượng CNT. Khi hàm lượng ống nano cacbon đa tường CNT trong khoảng từ 1% đến 10% độ bám dính của lớp phủ PMMA/CNT rất tốt, đạt điểm 1 (TCVN). Với các hàm lượng CNT lớn hơn 10% (cho đến 30%) độ bám dính của lớp phủ PMMA/CNT giảm tuy nhiên vẫn tương đối tốt, đạt điểm 2 (TCVN). Như vậy, mặc dù tính bám dính của lớp phủ PMMA/CNT giảm khi tăng hàm lượng ống nano cacbon song với các mức tăng hàm lượng như đã khảo sát thì độ bám dính của nó vẫn đạt mức tốt vì vậy có thể tùy theo mục đích sử dụng (mức độ che chắn sóng điện từ khảo sát phần sau) có thể chọn hàm lượng CNT phù hợp.
Bảng 3.7. Độ bền va đập của lớp phủ PMMA với các hàm lượng CNT khác nhau
Tên mẫu (tương ứng với hàm lượng % khối lượng CNT)
Độ bền va đập (kg.cm) M0 16 M1 18 M3 20 M5 23 M10 26 M15 26 M20 25 M25 22 M30 21
53
Khảo sát độ bền va đập của lớp phủ PMMA/CNT trên hình 3.2 cho thấy: độ bền va đập của lớp phủ PMMA/CNT tăng khi tăng hàm lượng MWCTs trong khoảng từ 0 đến 10%. Sau đó tiếp tục tăng hàm lượng MWCTs độ bền va đập của lớp phủ lại giảm dần, điều này hoàn toàn dễ hiểu bởi do hiệu ứng về kích thước quá bé (cỡ nm) nên mặc dù chỉ với hơn 10% MWCTs theo khối lượng nhưng nếu tính theo hàm lượng thể tích thì lại rất lớn vì vậy khả năng liên kết nhựa-nhựa cũng như nhựa-CNT đều kém đi dẫn đến khả năng liên kết giữa chúng với các bề mặt vật liệu được phủ cũng giảm. Ở hàm lượng CNT/PMMA=10% lớp phủ polyuretan/CNT cho độ bền va đập tốt nhất.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến độ bền uốn và độ cứng của màng sơn PMMA/CNT
Tên mẫu Độ bền uốn (mm) Độ cứng(%)
M0 1 57,2 M1 1 64,5 M3 1 76,1 M5 1 83,4 M10 2 90,5 M15 2 86,1 M20 2 85,6 M25 3 83,5 M30 3 75,9
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng ống nano cacbon đa tường (CNT) đến độ bền uốn của lớp phủ PPMA/CNT, kết quả khảo sát cho thấy rằng: Ở hàm lượng ống nano cacbon từ 0 đến 5% độ bền uốn của lớp phủ PMMA/CNT là tốt nhất (đạt 1 mm). Tiếp tục tăng hàm lượng ống nano cacbon độ bền uốn có sự suy giảm. Khi hàm lượng ống nano cacbon đa tường lớn hơn 20% thì độ bền uốn của màng suy giảm đến mức thấp nhất (mức 3mm). Đáng chú ý hơn cả là ở sự thay đổi độ cứng
54
của màng phủ, nó được gia tăng khá nhiều khi có mặt của ống nano cacbon. Độ cứng của mẫu không có ống nano cacbon đa tường M0 có giá trị 57,2% , khi được gia cường bằng ống nano cacbon đa tường với hàm lượng từ 1% đến 20% giá trị này đã tăng lên và đạt giá trị cực đại ở mẫu M10 (90,5%). Sau giá trị cực đại, độ cứng lại giảm dần và đạt giá trị thấp nhất ở mẫu M25 (75,9%). Như vậy ống nano cacbon đa tường CNT đã có tác dụng gia tăng độ cứng cho màng phủ PMMA, hiệu ứng nano đã thể hiện rõ nét ở mẫu M10 với hàm lượng ống nano cacbon đa tường 10% , độ cứng đã được gia tăng 160%.
3.5.2. Tính chất điện
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến độ dẫn điện của màng sơn PMMA/CNT Tên mẫu (hàm lượng CNT) Điện trở khối ( Ω∙cm) Độ dẫn (S.cm -1) M0 1,76.1016 0,568.10-16 M1 57,47.107 0,017.10-7 M3 13,07.107 0,076.10-7 M5 0,50.107 1,984.10-7 M10 7,26.103 0,138.10-3 M15 3,89.103 0,257.10-3 M20 2,31.102 0,432. 10-2 M25 6,8.10 1 1,47.10-1 M30 3,07.101 3,257.10-1
Kết quả khảo sát tính chất điện của lớp phủ PMMA/CNT cho thấy: khả năng dẫn điện của lớp phủ PMMA/CNT tăng khi tăng hàm lượng CNT. Khi chưa có CNT màng PMMA không dẫn điện. Khi tăng hàm lượng CNT từ 1% lên 5% thì độ dẫn điện của màng PMMA/CNT tăng lên rõ rệt (tăng đến trên 8 bậc so với PMMA không có CNT). Ở hàm lượng CNT từ 10% đến 20% độ dẫn điện của màng không
55
có sự thay đổi nhiều tuy nhiên bắt đầu với 25% độ dẫn điện của màng gần đạt đến độ dẫn của các vật dẫn. Sau đó việc tiếp tục tăng hàm lượng CNT có thể làm làm ảnh hưởng đến tính liên tục của pha polyme nền, ảnh hưởng đến đặc tính liên kết và phá vỡ cấu trúc bền vững của màng phủ dẫn đến làm giảm sút tính dẫn điện của nó.
Hiệu lực chắn sóng điện từ
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng ống nano cacbon đa tường (CNT) đến hiệu lực chắn sóng điện từ của lớp phủ PMMA/CNT qua các mẫu thử nghiệm có kích thước 100 x 70mm x 1mm bằng bìa caton, chiều dày lớp quét khoảng 60 μm (2 lớp quét) bằng máy phân tích
vạch vectơ HP 8720D. Nghiên cứu tính chắn sóng điện từ của vật liệu với các bức xạ phát ở dải băng tần RF (100 MHz-3 GHz) và X-band từ 8 đến 12 GHz kết quả nhận được như trong bảng
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến hiệu lực chán sóng điện từ của màng sơn PMMA/CNT
Tên mẫu (hàm lượng CNT)
Hiệu lực chắn trung bình ở dải 100MHz – 3 GHz (dB)
Hiệu lực chắn trung bình ở dải X –band (dB) M0 0,05 0,02 M1 1,39 0,99 M3 2,83 2,18 M5 3,53 2,64 M10 12,47 11,58 M15 13,61 12,24 M20 18,22 17,64 M25 27,2 26,66 M30 31,89 31,36
Hiệu lực chắn sóng điện từ của lớp phủ PMMA/CNT phụ thuộc chặt chẽ vào tính dẫn điện của nó. Như vậy khi tăng hàm lượng CNT hiệu lực chắn sóng điện từ của vật liệu tăng. Tuy nhiên ban đầu khi tăng hàm lượng CNT (ở khoảng 0-10%)
56
hiệu lực chắn tăng không đáng kể. Bởi theo kết quả nghiên cứu trước đó, ngưỡng dẫn điện của lớp phủ PMMA/CNT chỉ đạt được ở mức độ hàm lượng CNT đủ lớn để khi đó trong vật liệu xuất hiện hiệu ứng tunnel…Độ dẫn điện của vật liệu lúc đó
sẽ không dưới 10-1 S/cm. Vì vậy ở hàm lượng CNT từ 25 đến 30 % hiệu lực chắn
tăng đột biến và đạt mức trung bình cao nhất là 31,36 dB SE =31,36 dB = 10log|P1/P2|
P1/P2 = 103,136 = 1367,73
Từ đây có thể thấy cường độ sóng điện từ truyền qua chỉ bằng 1/1367,73 (0,0073%) cường độ sóng điền từ trường tới, nghĩa là lớp phủ PMMA/CNT có khả năng che chắn 99,99% sóng điện từ tới.
( P1 và P2 là cường độ sóng điện từ tới và cường độ sóng điện từ truyền qua ). Sau đó việc tiếp tục tăng hàm lượng CNT có thể làm làm ảnh hưởng đến tính liên tục của lớp phủ, phá vỡ cấu trúc bền vững của màng và dẫn đến làm giảm sút tính chắn sóng điện từ của lớp phủ PMMA/CNT.
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của độ dày màng sơn đến hiệu lực chắn sóng điện từ và thiết lập mức hiệu lực chắn an toàn
Việc khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp phủ đến hiệu lực chắn sóng điện từ được tiến hành trên hai mẫu thí nghiệm; một mẫu được phủ một mặt bởi 3 lớp quét có chiều dày tổng cộng khoảng 100 µm; mẫu kia được phủ cả hai mặt trong đó mỗi mặt phủ có chiều dày khoảng 100 µm (chiều dày tổng cộng khoảng 200 µm). Tất cả các lớp phủ đều được gia công bởi hỗn hợp PMMA/CNT có hàm lượng CNT là 25%.
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của độ dày màng sơn đến hiệu lực chắn sóng điện từ của màng sơn PMMA/CNT
Độ dày lớp phủ (µm) Hiệu lực chắn trung bình ở dải 100MHz – 3 GHz (dB) Hiệu lực chắn trung bình ở dải X –band (dB) 100 27,21 26,68 200 29,83 29,17
57
KẾT LUẬN
Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, đề tài đã rút ra các kết luận sau:
1. Phương pháp nghiền cơ học có sử dụng dung môi trợ phân tán đã giúp cho CNT tương hợp và phân tán tốt trong nhựa PMMA, phương pháp khuấy kết hợp rung siêu âm đã phân tán được CNT trong nhựa nền epoxy.
2. Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến độ bền kéo, uốn, va đập của vật liệu PC nền nhựa EPIKOTE 828. Kết quả cho thấy độ bền cơ học của vật liệu tăng khi hàm lượng CNT nhỏ hơn 3PKL. Tiếp tục tăng hàm lượng CNT (đến 30%) các tính chất cơ học suy giảm.
3. Đã khảo sát được sự thay đổi khối lượng của vật liệu PC trong các môi trường nước cất, NaCl 10%, NaOH 10%, HCl 10%, H2SO4 10%. Qua thời gian ngâm 0 ngày, cho thấy khả năng chịu môi trường ăn mòn mạnh của vật liệu là tương đối tốt, chỉ có trong môi trường kiềm là kém hơn.
4. Đã khảo sát độ hấp thụ nước của vật liệu PC. Kết quả vật liệu tương đối bền nước.
5. Đã khảo sát sát ảnh hưởng của hàm lượng ống nano cacbon đa tường đến độ bền bám dính, độ bền va đập, độ bền uốn, độ cứng của lớp phủ PMMA/CNT cho thấy: Với hàm lượng CNT tăng từ 1% đến 10% các tính chất cơ lý của lớp phủ cũng tăng theo. Tiếp tục tăng hàm lượng CNT (từ 10 đến 30%) đồng nghĩa với việc suy giảm các tính chất trên.
6. Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến tính chất điện. Khi chưa có CNT vật liệu epoxy và màng PMMA không dẫn điện. Khi tăng hàm lượng CNT từ 1PKL đến 5PKL thì độ dẫn điện của vật liệu PC nền nhựa EPIKOTE 828 và màng sơn PMMA/CNT đều tăng lên rõ rệt (tăng 09 bậc so với nhựa không có CNT). Ở hàm lượng CNT từ 10 đến 20PKL độ dẫn điện của vật liệu không có sự thay đổi nhiều tuy nhiên với 25PKL CNT, độ dẫn điện của cả vật liệu PC nền nhựa EPIKOTE 828 và màng sơn PMMA/CNT đều đạt đến độ dẫn của các vật dẫn
7. Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến hiệu lực chắn sóng điện từ ở hai dải tần số 100 MHz ÷ 3 GHz và 8 -12 GHz. Kết quả cho thấy hiệu lực chắn sóng
58
điện từ tăng theo hàm lượng của CNT. Hiệu lực chắn sóng điện từ đạt 99% khi hàm lượng CNT trong vật liệu PC nền nhựa EPIKOTE 828 và sơn trên cơ sở nhựa PMMA bằng 25PKL. Số lớp của vật liệu cũng ảnh hưởng đến hiệu lực chắn của nó. 2 lớp vật liệu PC nền nhựa EPIKOTE 828 hoặc 2 lớp sơn PMMA có hiệu lực chắn cao hơn gần 2 dB so với 1 lớp.
59
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT
1. GS. Phan Hồng Khôi, (2006), “Bài giảng Nhập môn Khoa học và Công nghệ Nano”, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
2. TS. Phan Ngọc Minh và GS. Phan Hồng Khôi. (2006) “Bài giảng Vật liệu các bon có cấu trúc nano và một số ứng dụng ban đầu”, Trường Đại Học Công Nghệ.
60
TIẾNG ANH
1. Hoang Anh Son, (2011), Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2, 025007.
2. V.-T. Truong, S. Z. Riddell, R. F. Muscat, “Polypyrrole based microwave absorbers”, J. Mater. Sci., 33, p.4971, 1998.
3. Chandrasekhar P., (1999),Conducting Polymers, Fundamentals and Applications: A Practical Approach.; Kluwer Academic Publishers: London.
4. Nguyen T A, Nguyen P T H, Dinh D H, Dang M C, Song W, Jung D, Kim S K
and Park C, (2010),Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol., 1, 015010,
5. . M. Daenen(N), R.D. de Fouw (ST), B. Hamers (ST, Treasurer), P.G.A. Janssen(ST), K. Schouteder (N), M.A.J. Veld (ST, Project Manager), (2003) The Wondrous Warld of Carbon Nanotubes,
6. . Dai.H. Carbon Nanotubes as Scanning Probe Tips et. al, Nature, 384, 147 (1996).
7. P. J. F. Harris, “Carbon nanotube composites”, International Materials Reviews, V.49 (1), 31-43, 2004
8. Valentin N. Popov, (2004), “Carbon nanotubes: properties and application”, Materials Science and Engineering R 43 61–102
9. J. Sandler, M.S.P. Shaffer, T. Prasse, W. Bauhofer, K. Schulte, A.H. Windle, “Development of a dispersion process for carbon nanotubes in matrix and the resulting electrical properties”, Polymer 40 (1999) 5967–5971
10. Yan Geng, Ming Yang Liu, Jing Li, Xiao Mei Shi, Jang Kyo Kim, “Effects of surfactant treatment on mechanical and electrical properties of CNT/epoxy nanocomposites”, Composites: Part A 39 (2008) 1876–1883
11. Kai Yang, Mingyuan Gu, Yiping Guo, Xifeng Pan, Guohong Mu, “Effects of carbon nanotube functionalization on the mechanical and thermal properties of epoxy composites”, CA R B O N47 (2009) 1723–1737
12. Russell E. Gorga, Robert E. Cohen, “Toughness Enhancements in Poly(methyl methacrylate) by Addition of Oriented Multiwall Carbon Nanotubes”, Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 42, n2690–2702, 2004
61
13. David Blond,Valerie Barron,Manuel Ruether,Kevin P. Ryan, Valeria Nicolosi,Werner J. Blau, and Jonathan N. Colemanm, “Enhancement of Modulus, Strength, and Toughness in Poly(methylmethacrylate)-Based Composites by the Incorporation of Poly(methyl methacrylate)-Functionalized Nanotubes”, Adv. Funct. Mater.0000,00, 1–7, 2006
14. Shailaja Pand, B. P. Singh, R. B. Mathur, T. L. Dhami, P. Saini, S. K. Dhawan, “Improved Electromagnetic Interference Shielding Properties of MWCNT– PMMA Composites Using Layered Structures”, Nanoscale Res Lett (2009) 4:327–334
15. Hideberto Nava. (2004), Epoxy Resin, Encyclopedia of Polymer Science and Technology-Vol 9