Ống nano cacbon có dạng một hình trụ liền được tạo thành do sự cuộn lại của một lớp than chì có độ dày một nguyên tử và được khép kín ở mỗi đầu bằng một
nửa phân tử fullerenes. Ống nano cacbon được chia thành 3 dạng chính bao gồm: (1) ống nano cacbon đơn tường (SWCNT), (2) ống nano cacbon 2 tường (DWCNT), (3) ống nano cacbon đa tường (MWCNT). Sự xắp sếp của các nguyên tử cacbon có thể chia thành 3 nhóm gồm zizac, dạng chiral và dạng ghế bành (hình 1.12).
Ống nano cacbon (CNT) được phát hiện lần đầu bởi Iijima vào năm 1993. Do có cấu trúc độc đáo, độ bền cơ học cao, tính chất dẫn điện và nhiệt tốt nên chúng thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học [41].
Hình 1.12: Sơ đồ minh họa cách thức các tấm graphen có cấu trúc lục giác cuộn
tròn lại để hình thành các ống nano cacbon với các hình dạng khác nhau (A: dạng ghế bành - armchair, B: zigzac; C: dạng chiral) [41]
Mục đích chính của việc đưa CNT vào nhựa epoxy là nhằm cải thiện các tính chất cơ học như tăng độ bền uốn cũng như hạn chế độ giòn của nhựa epoxy. Tuy nhiên, do bề mặt CNT khá trơ về hóa học nên khả năng tương tác tạo liên kết cũng như phân tán của ống nano cacbon vào khung mạng nhựa còn khá kém. Các nghiên cứu gần đây thường tập trung vào hoạt hóa bề mặt, trong đó chủ yếu là hoạt hóa hóa học ống nano cacbon trước khi phân tán chúng vào nhựa [42- 45].
Gkikas và cộng sự [46] đã nghiên cứu phương pháp phân tán CNT vào nền nhựa epoxy, ảnh hưởng của thời gian và biên độ sóng siêu âm giúp tăng độ bền dai của nhựa lên 550%. Tang và cộng sự đã sử dụng vật liệu MWCNT hoạt hóa bằng ozon để làm tác nhân biến tính nhằm cải thiện tính chất của nhựa epoxy [47].
Gojny và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của SWCNT, DWCNT và MWCNT cũng như những ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa đến tính chất cơ học của nhựa epoxy [48]. Nhựa epoxy ban đầu có độ bền dai tách lớp (GIC) vào khoảng 163 J/m2 và tăng lên 45 % ở mức 237 J/m2 khi được gia cường bằng SWCNT chưa
24
hoạt hóa. CNT chưa hoạt hóa làm tăng độ bền dai của nhựa khi chúng được sử dụng ở hàm lượng thấp. Khi hàm lượng của SWCNT tăng trên mức 0,3% khối lượng, sẽ làm giảm độ bền dai của nhựa. Sự kết tụ của CNT khi được sử dụng với hàm lượng cao được cho là nguyên nhân của hiện tượng trên. Mô đun Young của nhựa được gia cường bằng DWCNT-NH2 là cao nhất. Vật liệu CNT hoạt hóa bằng amin thúc đẩy quá trình phân tán, quá trình thấm ướt cũng như sự tương tác bề mặt giữa hạt nano và nền nhựa. Với hàm lượng sử dụng 0,5 % DWCNT hoạt hóa bằng amin làm tăng độ bền dai của nhựa epoxy lên 43 %. Xu hướng tương tự cũng được ghi nhận khi sử dụng MWCNT hoạt hóa làm chất gia cường, góp phần làm tăng độ bền dai của nhựa epoxy lên 39% (hình 1.13).
(a)
Hình 1.13. Độ bền dai của nhựa epoxy compozit gia cường bằng CNT không hoạt
hóa (a) và hoạt hóa (b) [48]
Gojny và cộng sự cho rằng yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình gia cường là sự phân tán tốt của CNT vào trong cấu trúc nhựa và sự hình thành liên kết ở bề mặt tiếp xúc giữa hạt gia cường và nhựa [48-50]. Sử dụng SWCNT và DWCNT đã giúp cải thiện độ bền cơ học của nhựa epoxy, trong khi sử dụng với MWCNT, một số tính chất của nhựa lại giảm. Theo nhóm tác giả, nhựa epoxy gia cường bằng SWCNT có giá trị độ bền kéo đứt cao nhất là do SWCNT có cấu trúc đơn lớp nên có diện tích bề mặt riêng và tỉ lệ chiều dài/đường kính lớn. DWCNT có diện tích bề mặt nhỏ hơn do chúng có hai lớp vách đồng tâm khiến khả năng phân tán và gia cường hạn chế lẫn nhau. Vật liệu MWCNT hoạt hóa không ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo đứt của nhựa epoxy. Đó là do bản chất đồng tâm của các lớp vách của vật liệu MWCNT khiến các lớp vách bên trong không đóng góp cho việc
truyền tải ứng suất. Ngoài ra, khi tăng hàm lượng của CNT, hiệu quả gia cường tăng không đáng kể, do khả năng phân tán kém của CNT trong nền nhựa làm xuất hiện các khuyết tật bên trong vật liệu.
Như vậy, trong hầu hết các nghiên cứu, tính chất cơ học của nhựa epoxy được cải thiện khi sử dụng hàm lượng CNT nhỏ. Các nghiên cứu khác nhau đều cho kết quả khá tương đồng về hàm lượng sử dụng thích hợp của CNT. Trong số các loại CNT, DWCNT đã hoạt hóa giúp cải thiện tốt nhất độ bền uốn của vật liệu nanocompozit. Mô đun Young của nhựa gia cường bằng MWCNT thấp hơn so với nhựa được gia cường bằng SWCNT và DWCNT. Điều đó được giải thích là do sự khác nhau về cấu trúc và diện tích bề mặt riêng của các chất gia cường.