Tấm nano graphen (Graphene nano plates - GNP) là tấm phẳng, chiều dày bằng một lớp nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành cấu trúc tinh thể dạng tổ ong. Graphen được xem là đơn vị cơ bản để tạo ra các dạng hình thù cacbon khác nhau như graphit, fulleren và ống nano cacbon (hình 1.14). Với việc tạo ra graphen, hai nhà khoa học Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselovra đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2010 [51].
Hình 1.14. Các dạng khác nhau của graphen; nó có thể được gói lại thành quả bóng
bucky (0D), cuộn thành ống nano (1D) và chồng lại thành các mảng graphit (3D) [48] Graphen thể hiện tính chất cơ học cũng như tính dẫn điện tuyệt vời, cùng với đó là tính bền dai cao [52-56]. Tỉ lệ diện tích/thể tích của graphen cao hơn của SWCNT vì bề mặt bên trong ống nano không thể tiếp xúc với các đại phân tử polyme. Điều này làm cho graphen trở thành một ứng viên tiềm năng để thay đổi tính chất của nền nhựa.
26
Hoạt hóa bề mặt của graphen đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc gia tăng độ bền dai của nhựa. Zaman và cộng sự đã nghiên cứu độ bền dai của nhựa epoxy được gia cường bằng màng graphen (GPL) và màng graphen đã được hoạt hóa bề mặt (m-GPL) [57]. Mô đun Young và UTS của nhựa epoxy nguyên chất lần lượt là 2,7 GPa và 64 MPa. Mô đun của nhựa Epoxy/GPL tăng đáng kể khi hàm lượng GPL trong khoảng 1 đến 2,5 %, tuy nhiên độ bền uốn lại bất ngờ giảm khi hàm lượng sử dụng ở mức 4,0 %. Giá trị mô đun Young của nhựa epoxy/m-GPL đạt cực đại khi hàm lượng sử dụng là 4,0 % và đạt mức 3,25 GPa. Ở cùng hàm lượng sử dụng 1,0%, độ bền uốn của epoxy/GPL tăng 12,5% trong khi độ bền uốn của epoxy/m-GPL chỉ tăng 3,7% (hình 1.15). Khi hàm lượng graphen tăng lên 4,0%, độ bền dai của epoxy/m-GPL tăng lên 20% so với nhựa epoxy ban đầu. Graphen oxit (GO), một dẫn xuất của graphen cũng nổi lên là một ứng viên tiềm năng để gia cường, cải thiện tính chất cơ học cũng như độ bền dai của nhựa epoxy [58].
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng graphen oxit để gia cường cho nhựa epoxy. Borzt và cộng sự [59] đã nghiên cứu tính chất cơ học của nanocompozit epoxy/graphen oxit kết quả cho thấy mô đun Young và độ bền kéo đứt có xu hướng tăng khi hàm lượng GO ở mức thấp. Nhưng khi hàm lượng chất gia cường vượt quá 0,5 % thì mô đun Young và độ bền kéo đứt của nhựa đều giảm.
1/ 2 M Pa .m m IC 2,J/m IC G K
Hình 1.15: Độ bền dai và năng lượng phá hủy của nhựa epoxy
nguyên chất, nhựa epoxy compozit với GPL và với m-GPL [58] Qiu và cộng sự cho rằng GO đã hạn chế sự lan truyền vết nứt bằng cách tạo ra một lượng lớn các biến dạng mềm [60]. Các nghiên cứu của Chatterjee và cộng sự
cho thấy màng nano graphen có kích cỡ lớn hơn thì hiệu quả gia tăng độ bền dai cho nhựa epoxy cũng tốt hơn [61].
Như vậy, sử dụng tấm nano graphen và GO với hàm lượng nhỏ giúp tăng cường đáng kể đặc tính cơ học như độ bền kéo đứt, độ bền dai và mô đun Young của nhựa epoxy. Hướng nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu vào biến tính bề mặt và phát triển các cấu trúc mới nhằm cải thiện vai trò gia cường của graphen và graphen oxit cho nhựa epoxy.