PHẦN 4 :GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản vừa đủ của tài liệu tại đây ( 830.44 KB, 48 trang )

Đồ án công nghệ 1

GVHD: TS. Lê Minh Đức

lượng chất gia cường thấp (1-7%) và chất gia cường này phải ở kích thước nanomet.

Pha gia cường ở kích thước nanomet được sử dụng trong lĩnh vực nanocomposite

thường là hạt nano và cacbon ống nano (carbon nanotube). Các phương pháp được sử

dụng phổ biến hiện nay để chế tạo vật liệu polyme nanocomposite là phương pháp

trùng hợp, phương pháp trộn hợp, phương pháp dung dịch.

33

Cái Nhật Hoàng

GVHD: TS. Lê Minh Đức

Đồ án công nghệ 1

PHẦN 5

GIỚI THIỆU VẬT LIỆU POLYME – CLAY

NANOCOMPOSITE

Trong số các vật liệu có kích thước hay cấu trúc nano thì sét thu hút được sự quan

tâm chú ý của rất nhiều các nhà khoa học bởi các đặc tính ưu việt của nó như diện tích bề

mặt riêng lớn cỡ 700 ÷ 800 m2/g, giá thành rẻ, dễ điều chế… Chỉ với một lượng nhỏ cỡ vài

phần trăm khối lượng được đưa vào polyme người ta có thể nâng cao nhiều tính chất cơ lý

của vật liệu, nâng cao khả năng chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà

không làm tăng đáng kể trọng lượng, độ trong của vật liệu.

Vật liệu polyme – clay nanocomposite đã được nghiên cứu từ khá sớm, chẳng hạn

vật liệu nylon 6 – clay nanocomposite là vật liệu nanocomposite đầu tiên được hãng

Toyota nghiên cứu ứng dụng cùng công nghiệp ôtô. Cho đến nay người ta đã chế tạo

thành công nhiều loại polyme – clay nanocomposite trên các nền nhựa khác nhau như:

epoxy, polystyren, polyamit, polyolefin (PE, PP)…

Polyme – clay nanocomposite có thể làm vật liệu chống cháy, ví dụ như một số loại

nanocomposite của nylon 6 – silicat, PS – silicat lớp…hay vật liệu dẫn điện như

nanocomposite PEO – Li – MMT (MMT: montmorillonite, thành phần chính của khoáng

sét bentonite) dùng trong pin, vật liệu phân hủy sinh học như PCL – MMT hay PLA MMT.

Ngoài ra, khi các polyme như ABS, PS, PVA…được gia cường hạt sét sẽ cải thiện

đáng kể tính chất cơ lý của polyme và có những ứng dụng khác nhau như ABS – MMT

làm khung xe hơi hay khung máy bay, PMMA – MMT làm kính chắn gió, PVA – MMT

làm bao bì…

Các hạt nano sét được sử dụng trong sơn có thể cải thiện đáng kể tính chất như làm cho

lớp sơn mỏng hơn, khả năng bảo vệ tốt hơn, bền hơn….

34

Cái Nhật Hoàng

Đồ án công nghệ 1

1. Các loại vật liệu polyme – clay nanocomposite

GVHD: TS. Lê Minh Đức

Tuỳ theo cách thức phân bố hay dạng tồn tại của sét ở trong nền polyme mà người ta

chia vật liệu polyme – clay composite thành ba loại khác nhau: dạng tách pha, dạng chèn

lớp và dạng bóc tách lớp.

• Dạng tách pha (phase separated microcomposite)

Khi polyme không có khả năng xen lớp vào giữa các lớp sét, khi đó chỉ thu được

những hạt sét phân tán đều trong mạng polyme ở dạng tách pha. Vật liệu thu được chỉ đơn

thuần là vật liệu composite có cấu trúc kích thước micromet.

• Dạng chèn lớp ( intercalated nanocomposite)

Trong trường hợp này các phân tử polyme được chèn vào giữa các lớp sét và khoảng

cách giữa các lớp sét được tăng lên song sét trong polyme – clay nanocomposite vẫn còn

cấu trúc lớp như khi chưa kết hợp với polymer.

• Dạng bóc lớp (exfoliated nanocomposite)

Trong trường hợp này các lớp sét được tách hoàn toàn khỏi nhau và phân tán đều

trong nền polyme. Vì các lớp sét được tách hoàn toàn ra khỏi nhau và phân tán đều trong

nền polyme nên tương tác giữa pha nền và pha gia cường trong trường hợp này là tốt

nhất. Hiện tượng bóc lớp xảy ra khi hàm lượng sét nhỏ và pha nền polyme tương tác tốt

với sét.

Hình dưới mô tả các dạng tồn tại của polyme – clay composite:

35

Cái Nhật Hoàng

GVHD: TS. Lê Minh Đức

Đồ án công nghệ 1

Hình 7: Các dạng vật liệu polyme – clay composite

2. Tính chất của polyme – clay nanocomposite

Vật liệu polyme – clay nanocomposite có những tính chất ưu việt hơn hẳn so với vật

liệu polyme gia cường bằng các hạt có kích thước micro, trong đó đáng chú ý là: tính chất

cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và chống cháy tốt, có tính chất che chắn, khả năng phân

huỷ sinh học…

• Tính chất cơ học cao:

Do có tương tác và kết dính tốt giữa pha nền và pha gia cường nano, ngoài ra với

kích thước nhỏ bé và khả năng phân tán tốt của hạt gia cường nên vật liệu polyme – clay

nanocomposite có các tính chất cơ học vượt trội hơn hẳn so với vật liệu ban đầu khi chỉ

cần thêm một lượng nhỏ hạt gia cường.

• Khả năng chịu nhiệt và chống cháy tốt:

Khả năng chịu nhiệt và chống cháy của polyme – clay nanocomposite không thuần

tuý là do khả năng chịu nhiệt và giữ nhiệt của sét như composite nền polyme gia cường

bằng sét dạng hạt thông thường mà gắn liền với hiệu ứng nano. Trong vật liệu polyme clay nanocomposite các phân tử polyme được bao bọc bởi các lớp sét, các lớp này đóng

vai trò ngăn cản sự khuyếch tán của oxy cần thiết cho quá trình cháy của polyme. Mặt

36

Cái Nhật Hoàng

Đồ án công nghệ 1

GVHD: TS. Lê Minh Đức

khác, các lớp sét có vai trò giữ nhiệt và cản trở sự thoát các sản phẩm dễ bay hơi khi

polyme cháy .

• Tính chất che chắn:

Do vai trò của các lớp sét trong nền polyme cũng như sự định hướng của các lớp

sét trong quá trình gia công nên polyme – clay nanocomposite có độ thấm khí rất thấp:

Hình 8:Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn

của vật liệu polyme – clay nanocomposite

Khí và hơi ẩm khi đi qua vật liệu sẽ không thể đi theo một đường thẳng mà sẽ bị

cản lại bởi các lớp sét trong thành phần, như những hàng rào che chắn. Do đó vật liệu

polyme – clay nanocomposite có khả năng che chắn sự thấm khí và hơi ẩm hơn hẳn các

loại vật liệu polyme khác. Tính chất này của vật liệu polyme – clay nanocomposite được

ứng dụng để làm bao gói cho thực phẩm, dược phẩm, màng sơn phủ.

• Khả năng phân huỷ sinh học cao:

Polyme trong vật liệu polyme – clay nanocomposite có khả năng phân huỷ sinh học

tốt hơn so với vật liệu polyme hoặc được gia cường bằng hạt thông thường. Cơ chế của

quá trình này đến nay vẫn chưa được hiểu rõ nhưng có một số tác giả cho rằng đó là do

vai trò xúc tác phản ứng phân huỷ polyme của sét hữu cơ.

3. Công nghệ chế tạo vật liệu polyme clay nanocomposite

Khác với các loại vật liệu composite truyền thống là sử dụng các loại chất độn gia

cường thông thường có kích thước hạt lớn cỡ vài micromet, vật liệu nanocomposite sử

37

Cái Nhật Hoàng

Đồ án công nghệ 1

GVHD: TS. Lê Minh Đức

dụng chất độn gia cường có kích thước cỡ nano đã đem đến cho loại vật liệu composite

này có những tính chất cơ lý vượt qua tầm của vật liệu composite truyền thống như: độ

bền cơ học, độ trong suốt, khả năng chịu nhiệt và không tách pha và đạt đến mức vật liệu

thông minh. Do đó, công nghệ chế tạo vật liệu polyme – clay nanocomposite có những nét

đặc trưng riêng và trải qua các giai đoạn sau:

+ Lựa chọn khoáng sét có chứa hàm lượng MMT cao.

+ Biến tính hữu cơ hóa khoáng sét (MMT – hữu cơ hay organoclay)

+ Tiến hành khuếch tán MMT – hữu cơ vào trong polyme bằng các phương pháp:

phương pháp dung dịch;

phương pháp trộn hợp; phương pháp trùng hợp, để tạo

nanocomposite trạng thái xen lớp (Intercalated state) hoặc trạng thái tách lớp (Exfoliated

state).

* Phương pháp dung dịch

Polyme nền được hoà tan trong dung môi hữu cơ. Tiếp theo cho khuếch tán sét hữu

cơ vào dung dịch polyme. Dung môi hữu cơ xâm nhập vào các lớp MMT đã hữu cơ hóa.

Với tính ưa dầu, MMT hữu cơ từ từ khuếch tán trong dung dịch polyme theo các giai

đoạn, cuối cùng được hỗn hợp dung dịch có các phần tử MMT khuếch tán đều trong

polyme.

* Phương pháp trộn hợp

Phương pháp trộn hợp được tiến hành cho khuếch tán trực tiếp sét hữu cơ trong dung

dịch polyme nóng chảy. Phương pháp này chủ yếu áp dụng cho những polyme nhiệt dẻo

và phải dùng đến máy trộn siêu tần. Phương pháp này bao gồm cả trùng hợp oligome như

epoxy, polyeste. Theo phương pháp này thì đầu tiên hữu cơ hóa sét bằng hợp chất hữu cơ

có gốc cation sau đó đưa tiếp chất đóng rắn nhận được nanocomposite nhiệt rắn.

* Phương pháp trùng hợp

Đây là phương pháp trùng hợp polyme được tiến hành trong các lớp sét của khoáng

38

Cái Nhật Hoàng

Đồ án công nghệ 1

GVHD: TS. Lê Minh Đức

sét. Ban đầu người ta tiến hành đưa monome có điện tích dương vào trong các lớp sét của

khoáng sét. Sau đó tiến hành trùng hợp polyme xen kẽ trong các lớp sét. Phương pháp này

có hạn chế là chỉ tiến hành được phản ứng trùng hợp cation.

39

Cái Nhật Hoàng

GVHD: TS. Lê Minh Đức

Đồ án công nghệ 1

PHẦN 6:

VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE CLAY/EPOXY

1. Tổng hợp Composite từ sét hữu cơ và Epoxy:

Quy trình tổng hợp vật liệu epoxy – clay composite từ epoxy và sét hữu cơ:

Epoxy

Sét hữu cơ biến tính

Khuấy trộn

Chất đóng rắn

Đóng rắn

Composite

Hình 2.6: Quy trình chế tạo vật liệu epoxy – clay composite

– Clay đã được biến tính được sấy ở 1050C trong 2 giờ

-Cân hàm lượng nanoclay thích hợp rồi trộn với nhựa epoxy, tiến hành khuấy trộn

bằng máy khuấy siêu âm trong 1 giờ với biên độ 40% trên máy siêu âm loại Ultrasonic

Processor 750 Watt Model để đạt được sự phân tán tốt.

– Tiếp theo cho chất đóng rắn vào hỗn hợp (chất đóng rắn khoảng 20% trọng lượng

so với epoxy) và khuấy cho đến khi hỗn hợp đồng nhất.

-Cho hỗn hợp vào khuôn được khử khí bằng chân không và ở nhiệt độ phòng trong

24 giờ, sau đó sấy ở 750C trong 5 giờ để mẫu đóng rắn hoàn toàn

-Sau khi sấy xong, mẫu được để nguội ở nhiệt độ phòng rồi tháo sản phẩm ra khỏi

khuôn.

2.Tính chất cơ lý của clay nanocomposite clay/epoxy

Các tính chất cơ học của mẫu nanocompozit được thể hiện: độ bền kéo đứt, độ dãn

40

Cái Nhật Hoàng

Đồ án công nghệ 1

dài khi đứt, độ bền uốn.

GVHD: TS. Lê Minh Đức

Mẫu epoxy nguyên chất có độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt bé. Khi được gia

cường bằng nanoclay, mẫu có độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt lớn hơn so với nhựa

nền epoxy. Khi đó, độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của mẫu nanocompozitđạt cực

đại ở hàm lượng nanoclay 2%. Tuy nhiên, nếu tăng hàm lượng nanoclay lên 3% thì độ

bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của mẫu nanocompozitepoxy/clay lại giảm xuống.

Trong khối epoxy nguyên chất, giữa các cấu trúc thường tồn tại những điểm cấu trúc rỗng

(khuyết tật). Ở những điểm kết bó rỗng này, các đoạn mạch phân tử có độ linh động lớn

và lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử rất nhỏ. Dưới tác dụng lực cơ học, chẳng hạn

lực kéo đứt thì ứng suất xuất hiện trong khối polyme không đồng đều nên polyme sẽ bị

phá hủy với giá trị lực không lớn lắm. Khi các kết bó rỗng này được điền đầy bằng

nanoclay hoặc mạch đại phân tử epoxy chèn vào giữa các lớp nanoclay, độ bền liên kết

giữa mạch đại phân tửepoxy với các lớp nanoclay được tăng lên. Ngoài ra, nanoclay còn

có tác dụng lấp đầy các khuyết tậttrong khối vật liệu, ngăn chặn sự phá hủy của cáctinh

thể trên bề mặt epoxy bởi lực tác dụng từ bên ngoài và ngăn ngừa sự lớn lên của các vết

nứt tế vi tồn tại bên trong epoxy ra bề mặt nên độ bền chịu tải trọng của vật liệu tăng lên.

Do vậy, độ bền của các mẫu nanocoposite epoxy/clay được cải thiện.

41

Cái Nhật Hoàng

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments