5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
3.2 Khảo sát sự chuyển pha của vật liệu nanocomposite MWCNT/TGS và
OMWCNT/TGS.
Kết quả khảo sát được trình bày trên Hình 3.2. Đối vơi TGS tinh khiết, giá trị hằng số điện môi ε đạt giá trị khá cao (ε ~30.000) tại nhiệt độ chuyển pha và hệ số tổn
hao không cao tgδ ~ 0.07. Khi có sự tham gia của ống nanocacbon dạng thông
thường vào trong cấu trúc, nhiệt độ chuyển pha của TGS hồn tồn khơng đổi (Tc = 49 oC). Hay nói cách khác, MWCNT khơng giúp mở rộng vùng phân cực của TGS. Thêm vào đó, với khả năng dẫn điện cao, MWCNT còn gây ra sự tổn hao khá lớn so với TGS ban đầu (tgδ ~ 0.24). Khi bị oxi hóa, ống nanocacbon đa vách giúp cải thiện nhiệt độ chuyển pha lên cao hơn (Tc ~ 52.3 oC) (Hình 3.2a) trong khi khơng làm gia tăng đáng kể hệ số tổn hao (tgδ ~ 0.13).
Theo kết quả trên, sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ thu được trong thực nghiệm khá phù hợp với định luật Curie-Weiss [42]:
(3.1)c c C T T
Trong đó, ɛ là hằng số điện môi, C là hằng số phụ thuộc vào bản chất từng loại vật liệu sắt điện, Tc là nhiệt độ chuyển pha và T là nhiệt độ môi trường. Việc tuân theo định luật này chứng tỏ ống nanocacbon đa vách dạng thường và oxi hóa không làm thay đổi bản chất sắt điện TGS, ngược lại còn giúp cải thiện hai tham số quan trọng là nhiệt độ chuyển pha. Mặc dù hằng số điện môi trong trường hợp sử dụng
43
OMWCNT có giảm nhưng vẫn khá cao và không ảnh hưởng nhiều về mặt ứng dụng.
Dưới ảnh hưởng của độ ẩm tương đối tương đối cao (RH=90%), sự chuyển pha vật liệu có sự ảnh hưởng rất rõ rệt, đặc biệt đối với sự tham gia của ống nanocacbon đa vách bị oxi hóa (Hình 3.3). Các mẫu vật liệu trước khi đo đã được lưu trữ trước đó trong tủ giữ ẩm vào các khoảng thời gian khác nhau (3, 5, 7, 9 ngày). Có thể thấy, nhiệt độ chuyển pha của nanocomposite OMWCNT/TGS được cải thiện đáng kể lên đến 55.2 oC sau 3 ngày lưu trữ (Bảng 3.1). Việc kéo dài thời gian lưu trữ không làm tăng đáng kể nhiệt độ chuyển pha nhưng lại có xu hướng kéo hằng số điện môi xuống thấp hơn. Mặc dù vậy, theo kết quả nghiên cứu của chúng tôi, hằng số điện môi dần đạt giá trị ổn định khoảng 10.000 nếu kéo dài thêm. Giá trị này vẫn chấp nhận được trong điều kiện ứng dụng thực tế. Trong điều kiện có độ ẩm cao như Việt Nam, kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng. Đối với ống nano thông thường, nhiệt độ chuyển pha gần như khơng đổi mặc dù có sự tăng lên của hằng số điện môi. Đối với cả hai vật liệu MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS, sự ảnh hưởng của độ âm gây ra sự tổn hao rất cao, đây là nhược điểm cần cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.2 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi (a) và hệ số tổn hao (b) đối với các mẫu MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS trong điều kiện độ ẩm tương đối
44
Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha của vật liệu vào MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS độ ẩm (RH = 90%)
Số ngày lưu trữ (ngày) 3 5 7 9
Tc (oC), MWCNT/TGS 49.1 49.2 49.2 49.2
Tc (oC), OMWCNT/TGS 55.2 57.4 57.6 57.7
Nguyên nhân dẫn đến những bất thường khi sử dụng ống nanocacbon đa vách bị oxi hóa có thể liên đến khả năng giữ nước của lớp oxi hóa (OH) nằm trên bề mặt ống nano như minh họa trên Hình 3.4a. Thêm vào đó, TGS cũng là vật liệu có khả năng tương tác với các vật liệu có liên kết hydro ở cấp độ phân tử rất tốt. Chính vì vậy,
Hình 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm lên sự chuyển pha của
MWCNT+TGS(a,b_ hằng số điện môi) và OMWCNT+TGS (c,d_hệ số tổn hao) ở các khoảng thời gian lưu trữ khác nhau
45
lượng nước mà nanocomposite OMWCNT/TGS hấp thụ sẽ cao hơn MWCNT/TGS và tốc độ hấp thụ cũng nhanh hơn, dẫn đến đạt bão hòa khoảng sau 3 ngày lưu trữ.
Nguyên nhân dẫn đến sự tăng của nhiệt độ chuyển pha trong vật liệu OMWCNT/TGS phản ảnh độ bền vững của pha sắt điện khi có sự tham gia của OMWCNT. Lý do có thể là, trên bề mặt của MWCNT có lớp OH- giúp tương tác tĩnh điện tốt hơn với các domen trong TGS. Đặc biệt, điều này còn xảy ra mạnh hơn khi có sự tham gia của nước khi đặt trong mơi trường có độ ẩm cao (Hình 3.4b). Cần nhấn mạnh rằng, sự tồn tại của nhóm -OH đã được chứng minh bằng phổ hồng ngoại (chương 2).