Chương 1 : TỔNG QUAN
1.4. Vật liệu polyme nanocompozit
1.4.1. Giới thiệu chung về vật liệu compozit
Compozit là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều vật liệu khỏc nhau tạo nờn vật liệu mới cú tớnh năng hơn hẳn cỏc vật liệu riờng rẽ ban đầu. Những vật liệu compozit đơn giản đó cú từ rất xa xưa, khoảng 5000 năm trước cụng nguyờn con người đó biết trộn những viờn đỏ nhỏ vào đất trước khi làm gạch để trỏnh bị cong vờnh khi phơi nắng. Chớnh thiờn nhiờn đó tạo ra cấu trỳc compozit trước tiờn, đú là thõn cõy gỗ, cú cấu trỳc compozit, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng lignin. Kết quả của sự liờn kết hài hoà ấy là thõn cõy vừa bền và dẻo nhờ một cấu trỳc compozit lý tưởng.
Mặc dự compozit là vật liệu đó cú từ lõu, nhưng ngành khoa học về vật liệu compozit chỉ mới hỡnh thành gắn với sự xuất hiện trong cụng nghệ chế tạo tờn lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đú đến nay, khoa học cụng nghệ vật liệu compozit đó phỏt triển trờn toàn thế giới và cú khi được gọi với thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu compozit".
Nhỡn chung, vật liệu compozit được cấu thành từ hai hay nhiều pha giỏn đoạn phõn bố trờn một pha liờn tục, pha liờn tục được gọi là pha nền [69]. Khi pha phõn bố đạt kớch thước nano, chỳng ta cú vật liệu nanocompozit [50,91,95].
1.4.2. Vật liệu polyme nanocompozit
Vật liệu polyme nanocompozit là vật liệu compozit được tạo thành từ chất nền là một polyme và pha phõn tỏn là cỏc hạt cú kớch thước nano [94,102]. Vật liệu nanocompozit cú những đặc tớnh rất tốt do thừa hưởng những ưu thế của cả 2 loại vật liệu cấu thành chỳng, cỏc hạt nano vụ cơ cú độ cứng và độ ổn định nhiệt cao [66,79,100]; vật liệu polyme cú tớnh mềm dẻo, cỏch điện và dễ gia cụng [42,84]. Cỏc hạt nano vụ cơ cú kớch thước rất nhỏ với diện tớch bề mặt lớn đó làm tăng đỏng kể diện tớch tiếp xỳc pha tạo liờn kết vật lý làm cho vật liệu nanocompozit cú cỏc tớnh chất mà vật liệu compozit thụng thường khụng thể cú được [10,48,90,101]. Chất độn nano được đưa vào polyme với mục đớch chớnh là để nõng cao tớnh chất cơ học của vật liệu polyme [41,59,67]. Nano silica đó được sử dụng làm chất độn gia
cường cho hầu hết cỏc loại cao su như cao su butadien styren, cao su butadien, cao su butadien nitril, cao su thiờn nhiờn [64,78], cao su butyl [45], và cao su thiờn nhiờn epoxy hoỏ [40]. Cú nhiều phương phỏp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit, dưới đõy là sơ đồ một số phương phỏp tổng hợp vật liệu nanocompozit.
Theo như sơ đồ (hỡnh 1.10) [10], vật liệu nanocompozit cú thể được chế tạo bằng 3 phương phỏp chớnh, tuỳ thuộc vào nguyờn liệu đầu vào và kỹ thuật đó cú mà chỳng ta cú thể lựa chọn phương phỏp phự hợp.
Hỡnh 1.10: Sơ đồ cỏc phương phỏp tổng hợp polyme/silicananocompozit 1.4.3. Chế tạo polyme nanocompozit bằng trộn hợp 1.4.3. Chế tạo polyme nanocompozit bằng trộn hợp
1.4.3.1. Trộn hợp núng chảy
Phương phỏp trộn hợp núng chảy là phương phỏp chế tạo vật liệu polyme nanocompozit thụng dụng và hiệu quả nhất. Với phương phỏp trộn hợp núng chảy cú thể tận dụng được cụng nghệ hiện cú, vận hành thiết bị đơn giản, hiệu quả và thõn thiện với mụi trường. Trang thiết bị phục phụ cho quỏ trỡnh trộn hợp núng chảy thường là mỏy đựn trục vớt hoặc mỏy ộp phun sẵn cú vỡ vậy cú thể ỏp dụng trờn quy mụ cụng nghiệp. Tỏc giả Đỗ Quang Khỏng đó sử dụng phương phỏp này để chế tạo vật liệu nanocompozit trờn cơ sở cao su thiờn nhiờn và nano clay [18], cỏc nghiờn cứu tương tự sử dụng chất độn hoạt tớnh [16]. Tỏc giả Ansarifar đó sử dụng kỹ thuật trộn hợp núng chảy để đưa nano silica biến tớnh silan vào cao su butadien để chế tạo nanocompozit [44,83]. Tương tự, việc đưa nano silica vào trong cao su butadien styren, cao su thiờn nhiờn và cao su butadien cũng đó được tỏc giả Qinfu Liu thực hiện thành cụng [92]. Rajasekar R. và cộng sự cũng đó sử dụng phương phỏp này để chế tạo nanocompozit từ nano clay trờn nền NBR và CSE [94].
1.4.3.2. Trộn hợp dung dịch
Trộn hợp dung dịch là phương phỏp được tiến hành khi chất phõn tỏn và chất nền đều cú sự tiếp xỳc với nhau ở cấp độ phõn tử trong dung dịch và quỏ trỡnh gia cụng được thực hiện ở trạng thỏi lỏng. Để chế tạo vật liệu nanocompozit từ latex cao su thiờn nhiờn và silica tỏc giả Zheng Peng cũng đó sử dụng phương phỏp này [116]. Ngoài ra, phương phỏp cũn được sử dụng để phõn tỏn nano clay trờn nền cao su thiờn nhiờn [28].
Vào năm 2002 tỏc giả Reiko Saito và cộng sự [99] đó chế tạo nanocompozit cú sự phõn tỏch pha cỡ micro và cú trật tự cao với pehydropolysilazan (PHPS), một loại polyme cú độ hũa tan lớn trong nhiều dung mụi hữu cơ và cú khả năng phản ứng với nhúm hydroxyl. Phản ứng ghộp tạo ra copolyme hũa tan trong dung mụi (hỡnh 1.11).
Hỡnh 1.11: Sơ đồ biến tớnh polyme 1.4.4. Chế tạo polyme nanocompozit bằng phương phỏp sol-gel 1.4.4. Chế tạo polyme nanocompozit bằng phương phỏp sol-gel
Phương phỏp sol-gel đó được ứng dụng rộng rói trong việc chế tạo polyme compozit trong vài thập kỷ trở lại đõy, mục tiờu của phương phỏp là tiến hành phản ứng sol-gel với sự cú mặt của polyme và polyme chứa cỏc nhúm chức để tăng khả năng liờn kết giữa pha hữu cơ và pha vụ cơ [76]. Tỏc giả Yuko Ikeda đó chế tạo nanocompozit bằng cỏch tổng hợp nano silica ngay trong nền cao su bằng phương phỏp sol-gel, khi đú silica phõn tỏn trờn nền cao su ở kớch thước nano một [114]. Với phương phỏp sol-gel cũng đó được ứng dụng để tổng hợp vật liệu nanocompozit trờn nền cao su thiờn nhiờn [52,115].
1.4.5. Chế tạo polyme nanocompozit bằng phương phỏp trựng hợp in situ
Phương phỏp trựng hợp in situ với những ưu điểm như: dễ tiến hành, phản
ứng nhanh và cho sản phẩm cú tớnh chất tốt. Tỏc giả Kurakami đó sử dụng chất liờn kết cho silica được tổng hợp in situ trong nền CSTN [77]. Cỏc tỏc giải Ou,
Tangpasuthadol đó ứng dụng phương phỏp này để chế tạo nanocompozit PA6/silica, compozit từ latex CSTN và silica [105]. Cũng bằng phương phỏp này Yue và cộng sự tổng hợp nanocompozit silica trờn nền polydimetylsiloxan [113].