Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:187

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa các hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano; tìm mối quan hệ giữa sự biến đổi cấu trúc và một số hằng số hóa lí của vật liệu này dưới ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và độ mặn muối biển).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2012 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ********* Phan Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT CHỨA CÁC HẠT ÁP ĐIỆN KÍCH THƯỚC NANO VÀ KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62 44 31 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH. Lưu Văn Bôi 2. TS. Nguyễn Xuân Hoàn Hà Nội - 2012 2
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………..vii DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………..……...ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………....xi MỞ ĐẦU……………………………………………..…………….................1 CHƯƠNG1. TỔNG QUAN ……………………………………………5 1.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano…….........................................................................8 1.1.1. Thành phần của vật liệu polyme compozit…………………...….8 1.1.1.1. Nhựa nền……………………………………………....8 1.1.1.2. Chất gia cường…...……………...……………….…...13 1.1.1.3. Giới thiệu về BaTiO3 kích thước nano………………...16 1.1.2. Các kỹ thuật phân tán hạt nano áp điện vào trong vật liệu polyme compozit……...……………..…….……..……………….……...21 1.1.2.1. Phân tán hạt nano áp điện vào nền polyme……….…..22 1.1.2.2. Ghép hạt nano áp điện lên bề mạt sợi gia cường…..…26 1.1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt nano29 1.2. Các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit chứa các hạt áp điện kích thước nano…………………………………………….........29 1.2.1. Tính chất điện môi ………………………………………...…….30 1.2.2. Tính chất cơ học………………………………………….….......31 1.2.3. Độ bền nhiệt………………………………………………..…....31 1.3. Những ứng dụng cơ bản………………………………….…..…..........31 5
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM…….………………………...…….............32 2.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ.………………………………….…….32 2.1.1. Hóa chất…………………………………………...……….....32 2.1.2. Thiết bị và dụng cụ……………………………………..….….33 2.2. Chế tạo vật liệu………………………….……………………............34 2.3.1. Chế tạo mẫu nhựa nền epoxy DGEBA đóng rắn bằng DDM….34 2.3.2. Biến tính hạt BaTiO3 bằng hợp chất γ–APS…………………. 34 2.3.3. Chế tạo polyme compozit nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO334 2.3.4. Ghép hạt nano BaTiO 3 lên bề mặt sợi thủy tinh…......................34 2.2.5. Chế tạo polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh …………………………………………………………..….…….35 2.2.6. Chế tạo polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt áp điện nano BaTiO3…………………………….……...35 2.3. Các phương pháp nghiên cứu đánh giá các đặc trưng và tính chất của vật liệu ………………………………….………….……………...36 2.3.1. Phương pháp đánh giá đặc trưng……...…………………........36 2.3.1.1. Phương pháp đo phổ hồng ngoại FT-IR...…………...36 2.3.1.2. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét DSC...……..38 2.3.1.3. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA)…….…38 2.3.1.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)…...………..................39 2.3.2. Phương pháp đo tính chất điện môi ……………………..........39 2.3.3. Phương pháp đo thế zeta……………………………….……..40 2.3.4. Phương pháp phân tích cơ nhiệt động…………...……..………40 6
2.3.5. Các phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học……...………....41 2.3.5.1. Độ bền kéo………………………………...……...….41 2.3.5.2. Độ bền uốn…..……………………………….......…..41 2.3.5.3. Độ bền va đập…………………………………..........42 2.3.6. Phương pháp xác định độ tăng khối lượng mẫu………………42 2.4. Chuẩn bị các môi trường theo dõi, khảo sát……...………………...43 2.4.1. Điều kiện chiếu bức xạ tử ngoại…….…..……….…….43 2.4.2. Điều kiện nhiệt độ…………………………..………….43 2.4.3.Môi trường ẩm……………………………………...…...43 2.4.4. Môi trường độ mặn muối biển..…………………….....43 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……...……….……….….......44 3.1. Nghiên cứu chế tạo nhựa nền epoxy ………………………….….…44 3.1.1. Đặc trưng nguyên liệu……………………..………..….….....44 3.1.1.1. Nhựa epoxy, diglyxidyl ete bis-phenol A (DGEBA)….44 3.1.1.2. Chất đóng rắn 4,4-diamino diphenyl metan, DDM.….46 3.1.2. Nghiên cứu phản ứng đóng rắn hệ nhựa EP…………………..48 3.1.2.1. Xác định tỷ lệ phối trộn giữa DGEBA với DDM……49 3.1.2.2. Xác định điều kiện đóng rắn tốt nhất cho hệ EP…..…51 3.2. Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3………………………………………………….…...56 3.2.1. Biến tính hạt nano BaTiO3 bằng hợp chất γ–APS…….……….....56 3.2.1.1. Những đặc trưng của BaTiO 3…………....................56 3.2.1.2. Những đặc trưng của silan γ–APS…………..............57 7
3.2.1.3. Nghiên cứu tìm điều kiện phản ứng tốt nhất…............58 3.2.2. Chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3………………………………...…69 3.2.2.1. Ảnh hưởng của sự biến tính bề mặt hạt nano BaTiO3 bằng γ-APS lên các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit…………………………………………………………69 3.2.2.2. Đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy chứa hạt nano BaTiO3……………..….......75 3.3. Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh …………………………….80 3.3.1. Đặc trưng bề mặt sợi thủy tinh……………..….......................80 3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi lên tính chất của vật liệu polyme compozit…….…………………….………….………...…........81 3.3.3. Ảnh hưởng của sự biến tính bề mặt sợi thủy tinh bằng γ-APS đến tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit......................83 3.4. Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh chứa hạt áp điện nano BaTiO3 .85 3.4.1. Ghép hạt nano BaTiO 3 lên bề mặt sợi thủy tinh…..……..........85 3.4.1.1. Ảnh hưởng của hợp chất ghép nối silan γ-APS đến phản ứng ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh……….......85 3.4.1.2. Ảnh hưởng của dung môi………………………….....88 3.4.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt nano BaTiO 3 đến quá trình ghép lên bề mặt sợi thủy tinh ………………………….......89 3.4.2. Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 90 8
3.4.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO3 đến tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozi…...90 3.4.2.2. Ảnh hưởng của hạt nano BaTiO 3 trên bề mặt sợi thủy tinh đến các tính chất đặc trưng của vật liệu polyme compozit..96 3.5. Nghiên cứu sự biến đổi tính chất của vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3 trong một số điều kiện môi trường…….…………...….....…101 3.5.1. Ảnh hưởng của bức xạ... tử ngoại………………......……....101 3.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ……………………………...……...112 3.5.3. Ảnh hưởng của độ ẩm………….……………...…..….........…119 3.5.3.1. Môi trường có độ ẩm tương đối 99 %..........................120 3.5.3.2. Môi trường có độ ẩm tương đối 80 %..........................124 3.5.3.3. Môi trường có độ ẩm tương đối 45 %..........................127 3.5.4. Ảnh hưởng của độ mặn muối biển………….…… …........…129 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT..………….……………………………......….133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN…………………………………...............………………135 TÀI LIỆU THAM KHẢO………..…………………….....…….................137 PHỤ LỤC…………………………………………………..……………..155 9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT aav Độ bền va đập Charpy ASTM Tiêu chuẩn của Mỹ BTO BaTiO3, Bari titanat BTO/EP Polyme nanocompozit nền nhựa epoxy chứa các hạt nano BaTiO3 BTO/GF Sợi thủy tinh ghép các hạt nano BaTiO3 trên bề mặt BTO/GF/EP Polyme compozit nền epoxy gia cường sợi thủy tinh chứa các hạt nano BaTiO3 DDM 4, 4’–điaminođiphenyl metan DEA Phân tích tính chất điện môi (Dielectric Analysis) DGEBA Epoxy diglycidyl ete bis-phenol A DMA Phân tích cơ nhiệt động (Dynamic Mechanical Analysis) DSC Nhiệt lượng kế quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter) E Mođun tích lũy E’ Mođun tổn hao EP Epoxy FT-IR Hồng ngoại biến đổi Fourie (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) GF Sợi thủy tinh (Glass Fiber) IR Hồng ngoại (Infrared) ISO Tiêu chuẩn hóa Quốc tế PC Polyme compozit 10
Ps Phân cực tự phát (Polarisation spontaneous) PVDF Polyvinyliden fluoride PZT Chì Zirconat Titanat (Lead Zirconate Titanate) RH Độ ẩm tương đối (Relative Humidity) RX Tia X SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) tanδ Hệ số tổn hao Tc Nhiệt độ Curie Tg Nhiệt độ hóa thủy tinh TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermo Gravimetry Analysis) UV Tử ngoại (Ultra visual) α Độ chuyển hóa γ-APS γ-aminopropyltrimetoxy silan λ Bước sóng ν Số sóng σk Độ bền kéo σu Độ bền uốn ԑ Hằng số điện môi (Dielectric constant)/Độ thẩm điện môi (Permittivity) HSĐM Hằng số điện môi 11
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại sợi thủy tinh………………15 Bảng 1.2. Tính chất của một số loại sợi thủy tinh………………………….16 Bảng 2.1. Thành phần các chất trong công thức pha 1 lít nước biển…….. .43 Bảng 3.1. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của DGEBA ……46 Bảng 3.2. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của DDM……..…47 Bảng 3.3. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của BaTiO 3……..57 Bảng 3.4. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của γ-APS……….58 Bảng 3.5. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử của γ-APS trước và sau khi thủy phân……………………………………………………..…….60 Bảng 3.6. Chiều cao các pic tại 1567, 1128 và 3440 cm-1 của hạt nao BaTiO3 với hàm lượng thay đổi……………………………….……………………61 Bảng 3.7. Thế Zeta của hạt nano BaTiO3 ghép và không ghép silan………63 Bảng 3.8. Chiều cao các pic tại 1567, 1127 của hạt nano BaTiO 3 với nhiệt độ phản ứng khác nhau………………………………...………………...........67 Bảng 3.9. Chiều cao các pic tại 1567, 1128 cm-1 của hạt nao BaTiO 3 với thời gian phản ứng khác nhau…………………………………...……………...68 Bảng 3.10. Độ chuyển hóa của hệ EP và PC chứa hạt nano BaTiO 3 không biến tính và biến tính γ-APS sau khi đã đóng rắn………..…………...…...73 Bảng 3.11. Dao động của các nhóm nguyên tử trên bề mặt sợi thủy tinh………..80 Bảng 3.12. Dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử trên bề mặt sợi thủy tinh sau khi được ghép hạt nano BaTiO3…….…………………………......87 12
Bảng 3.13. Giá trị C của các mẫu PC, tại f = 1 Hz…………………………93 Bảng 3.14. So sánh năng lượng mặt trời và năng lượng liên kết của các hợp chất hữu cơ……………...…………………………………….……….…..102 Bảng 3.15. Dao động đặc trưng cho một số nhóm nguyên tử của vật liệu EP/GFBTO47 ……………………………...……………………………...103 Bảng 3.16. Giá trị HSĐM của mẫu EP/GFBTO47 sau 84 ngày phơi trong môi trường ẩm khác nhau tại tần số f = 5 kHz…………………………….........129 13
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của một số loại nhựa epoxy…………….….....10 Hình 1.2. Sợi thủy tinh…………………………………………………..…15 Hình 1.3. Cấu trúc lập phương của BaTiO3……………………………..…17 Hình 1.4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ của đơn tinh thể BaTiO 3 theo các trục a và c…………………………………………….......18 Hình 1.5. Mô phỏng hình thái học của sự phân tán hạt nano trong vật liệu nền polyme….........................................................................................................19 Hình 1.6. Mô phỏng vùng phân chia pha giữa hạt nano với nền polyme......19 Hình 1.7. Phản ứng ghép silan lên bề mặt hạt nano BaTiO3………………...21 Hình 1.8. Sơ đồ mô tả các bước tiến hành của phương pháp trộn trong dung dịch……………………… ……………………………………………….....22 Hình 1.9. Quá trình xen kẽ các mạch polyme vào giữa các hạt nano.............22 Hình 1.10. Sơ đồ các bước tiến hành của phương pháp trộn nóng chảy......24 Hình 1.11. Sơ đồ các bước tiến hành của phương pháp trùng hợp in-situ…..24 Hình 1.12. Mô phỏng các bước tiến hành chế tạo vật liệu polyme compozit chứa hạt nano BaTiO3 theo phương pháp trùng hợp in-situ……..…….......26 Hình 1.13. Các giai đoạn của quá trình ghép hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh………………………………………………………………….....26 Hình 1.14. Ảnh SEM chụp bề mặt sợi PP ghép hạt nano TiO2 lên bề mặt sợi trong các dung môi khác nhau……………………………………..…….....27 Hình 1.15. Mô phỏng quá trình phun phủ hạt nano BaTiO 3 lên bề mặt sợi thủy tinh……………………………………………………………………….....28 14
Hình 1.16. Các bước của quá trình nhúng phủ………………………..……28 Hình 2.1. Mô phỏng quá trình nhúng phủ hạt nano BaTiO3 lên bề mặt sợi thủy tinh...................................................................................................................35 Hình 2.2. Hệ đo tính chất điện môi RLC Master PM3550 và Dielectric Analyzer..........................................................................................................39 Hình 2.3. Hệ đo tính chất cơ nhiệt động, DMA 2980 tại PTN MAPIEM- ĐH Nam Toulon-Var.............................................................................................41 Hình 3.1. Cấu trúc hóa học phân tử nhựa epoxy DGEBA………..…..........44 Hình 3.2. Phổ FT-IR của DGEBA………...………………...……………...46 Hình 3.3. Phổ FT-IR của chất đóng rắn DDM…………..…........................47 Hình 3.4. Phổ FT-IR của EP theo thời gian phản ứng……………………...49 Hình 3.5. Phổ FTIR của hệ nhựa epoxy với r thay đổi………………….…50 Hình 3.6. Độ chuyển hóa của hệ EP với r thay đổi…………………….......51 Hình 3.7. Đường DSC của hệ EP: -a: quét lần 1; -b: quét lần 2……………........52 Hình 3.8. Phổ FT-IR của hệ EP theo thời gian tại 4 nhiệt độ khác nhau…....52 Hình 3.9. Độ chuyển hóa của hệ EP tại 4 nhiệt độ theo thời gian………….53 Hình 3.10. Độ chuyển hóa của hệ EP đóng rắn theo hai giai đoạn….............54 Hình 3.11. Độ chuyển hóa của hệ EP theo thời gian tại 180 oC…………….54 Hình 3.12. Sơ đồ quy trình đóng rắn của hệ EP……………………………55 Hình 3.13. Phổ FT-IR của hạt nano BaTiO3………....…..…………….…56 Hình 3.14. Ảnh SEM của hạt nano BaTiO3………………..……...…………56 Hình 3.15. Phổ FT-IR của γ-APS……….………........................................57 Hình 3.16. Đường cong TGA của γ-APS………………..………...……….57 Hình 3.17. Phổ FT-IR của γ-APS trước và sau thủy phân…………..….……60 15
Hình 3.18. Phổ FT-IR của nano BaTiO3 với hàm lượng γ-APS thay đổi….61 Hình 3.19 Đường TGA của BaTiO3 với hàm lượng γ-APS thay đổi……………..63 Hình 3.20. HSĐM của BaTiO 3 với không ghép và ghép γ-APS với hàm lượng thay đổi theo tần số……..................................................................................64 Hình 3.21. Sự phụ thuộc của HSĐM vào tần số (a) và nhiệt độ (b) của BaTiO3 không biến tính và biến tính γ-APS …………………………..……………………....65 Hình 3.22. Mô phỏng sự sắp xếp của các hạt nano BaTiO3 trong mẫu đo hằng số điện môi ………………………………………………………………...66 Hình 3.23. Phổ FT-IR của BaTiO3 ghép γ-APS theo nhiệt độ phản ứng…....67 Hình 3.24. Phổ FT-IR của BaTiO3 ghép γ-APS theo nhiệt độ phản ứng.…68 Hình 3.25. Ảnh SEM chụp bề mặt cắt ngang của EP (a); BTO/EP (b); γ-APS- BTO/EP (c)..…………...…………………………………………………...70 Hình 3.26. Sơ đồ mô phỏng phản ứng giữa các hạt nano BaTiO3 biến tính bằng γ-APS với nhựa nền EP..…………………...…………………………71 Hình 3.27. Phổ FTIR của mẫu BTO/EP và γ-APS-BTO/EP……………….71 Hình 3.28. Đường cong DSC xác định nhiệt phản ứng của các mẫu: EP (a); γ- APS-BTO/EP (b); BTO/EP (c)…………….. …...........................................72 Hình 3.29. Đường cong DSC xác định nhiệt độ thủy tinh hóa của các mẫu: EP (a); (b) γ-APS-BTO/EP (b); BTO/EP (c)………………………………....73 Hình 3.30. HSĐM (a) và hệ số tổn hao điện môi (b) theo tần số của các mẫu EP, BTO/EP và γ-APS-BTO/EP.....................................................................74 Hình 3.31. Ảnh SEM chụp bề mặt cắt ngang các mẫu EP (a); EP/BTO2,5 (b); EP/BTO5 (c); EP/BTO10 (d); EP/BTO15 (e) và EP/BTO20 (f)…….………76 Hình 3.32. Hình 3.32. Sự biến đổi của E’ (a) và tanδ (b) của nhựa nền EP và các mẫu PC với hàm lượng hạt nano BaTiO3 khác nhau theo nhiệt độ……77 16
Hình 3.33. HSĐM của PC theo hàm lượng hạt nano BaTiO3, tại f = 100kHz…78 Hình 3.34. Ảnh SEM của sợi thủy tinh biến tính bằng γ-APS …………….80 Hình 3.35. Phổ FT-IR của bề mặt sợi thủy tinh: không biến tính (a) và biến tính bằng γ-APS (b)………..…………....………………………………..…80 Hình 3.36. Độ bền kéo của vật liệu PC theo hàm lượng sợi thủy tinh……..81 Hình 3.37. Mođun kéo của vật liệu PC theo hàm lượng sợi thủy tinh.….....81 Hình 3.38. Độ bền uốn của vật liệu PC theo hàm lượng sợi thủy tinh……....81 Hình 3.39. Mođun uốn của vật liệu PC theo hàm lượng sợi thủy tinh……....81 Hình 3.40. Độ bền va đập của vật liệu PC theo hàm lượng sợi thủy tinh…...82 Hình 3.41. HSĐM theo tần số của các mẫu PC với hàm lượng sợi thủy tinh thay đổi……………………………………………………………………..82 Hình 3.42. Mô phỏng sự tạo liên kết giữa bề mặt sợi thủy tinh và nhựa EP thông qua γ-APS…………………………………….……...………………83 Hình 3.43. Phổ FT-IR bề mặt sợi thủy tinh không biến tính và biến tính γ-APS đặt trong nhựa EP……………………………………………………...…...84 Hình 3.44. Mođun uốn của PC theo hàm lượng sợi thủy tinh không biến tính và biến tính γ-APS…………………………………………………………..84 Hình 3.45. Ảnh mô phỏng bề mặt sợi thủy tinh: không ghép hạt nano BaTiO3 (a); ghép hạt nano BaTiO3 (b)…………………………………..................86 Hình 3.46. Ảnh SEM của bề sợi thủy tinh: không ghép (a); ghép hạt nano BaTiO 3 không biến tính (b); ghép hạt nano BaTiO 3 biến tính γ-APS (c)........86 Hình 3.47. Phổ FT-IR của bề mặt sợi thủy tinh: trước (a) và sau khi ghép hạt nano BaTiO3 (b)……………………………………………..........................87 Hình 3.48. Ảnh SEM của bề mặt sợi thủy tinh đã được ghép hạt nano BaTiO3 trong môi trường phân tán: axeton (a); etanol (b); isopropanol (c)….…....…..88 Hình 3.49. Ảnh SEM của bề mặt sợi thủy với hàm lượng hạt nano BaTiO3 trong etanol (mg/ml) khác nhau: 0 (a); 5 (b); 10 (c); 15 (d); 20 (e); 25 (f) và 30 (g)…89 17
Hình 3.50. Ảnh kính hiển vi quang học chụp bề mặt cắt của mẫu PC: EP/GFBTO30 (a); EP/GFBTO35 (b); EP/GFBTO40 (c); EP/GFBTO45 (d); EP/GFBTO47 (e) và EP/GFBTO47 (f)…………………………………….91 Hình 3.51. Sự biển đổi của E’ (a); E’’ (b) và tanδ (c) theo nhiệt độ của nhựa nền EP và PC với hàm lượng sợi thủy tinh mang hạt nnao BaTiO 3 khác nhau, tại tần số 1 Hz………………………………………………………..………92 Hình 3.52. Độ bền uốn của PC theo hàm lượng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO 3……………………………………………………………..……….95 Hình 3.53. Mođun uốn của PC theo hàm lượng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO 3……………………………………………………………………….95 Hình 3.54. HSĐM theo tần số của nhựa nền EP và các mẫu PC với hàm lượng sợi thủy tinh mang hạt nano BaTiO3 khác nhau……………………………..95 Hình 3.55. Mô phỏng phản ứng giữa các nhóm –NH2 trên bề mặt hạt nano BaTiO3 và sợi thủy tinh với EP.…………………………..................................96 Hình 3.56. Phổ FT-IR của bề mặt sợi thủy tinh chứa hạt nano BaTiO 3 sau khi đặt trong nhựa EP…………………………………. …..………..…..............97 Hình 3.57. Độ chuyển hóa của EP/GFBTO47 với r thay đổi...........................97 Hình 3.58. Phổ FT-IR sau khi đóng rắn của nhựa nền EP (a), EP/GF47 (b), EP/GFBTO47 (c)…………………………………………………………..98 Hình 3.59. Sự biến đổi của E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) của các mẫu EP/GF47 và EP/GFBTO47 theo nhiệt độ, tại tần số 1Hz……………………………..99 Hình 3.60. HSĐM (a) và hệ số tổn hao điện môi (b) theo tần số của các mẫu EP/GF47 và EP/GFBTO47………………………………………………..100 Hình 3.61. Phổ FT-IR của compozit BTO/GF/EP phơi UV: 0 ngày (phổ màu đen), 56 ngày (phổ màu xanh).......................................................................103 Hình 3.62. Cấu trúc mắt xích trong mạng lưới của vật liệu EP…….…........104 18
Hình 3.63. Phổ FT-IR của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý UV...........104 Hình 3.64. Xác định diện tích các dải phổ FT-IR bằng phần mềm Origin....104 Hình 3.65. Diện tích píc tại 1297 cm-1 với thời gian phơi UV……..………...105 Hình 3.66. Diện tích píc tại 1565 cm-1 với thời gian phơi UV…………….....105 Hình 3.67. Diện tích píc tại 1247 cm-1 với thời gian phơi UV…………….....105 Hình 3.68. Diện tích píc tại 1724 cm-1 với thời gian phơi UV.…...…….....105 Hình 3.69. Cơ chế cắt mạch polyme theo Rivaton……..………………....106 Hình 3.70. Cơ chế hình thành liên kết C=C của Paterson Jones……..…..107 Hình 3.71. Các phản ứng oxi hóa quang hóa theo cơ chế của Paterson Jones.108 Hình 3.72. Sự biến đổi của E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) theo nhiệt độ của các mẫu EP/GFBTO47 trước và sau 56 ngày xử lý UV, tại tần số 1Hz………109 Hình 3.73. Mối quan hệ của HSĐM với tần số của mẫu EP/GFBTO47 với tần số theo thời gian xử lý UV............................................................................110 Hình 3.74. Diện tích pic tại 1297 cm-1 và HSĐM của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý UV …….……………………...............................................111 Hình 3.75. Diện tích pic tại 1297 cm-1 và HSĐM của mẫu EP/GF47 theo thời gian xử lý UV….………..…………………….…………………………..111 Hình 3.76. Phổ FT-IR theo thời gian xử lý ở 600C của mẫu EP/GFBTO47….112 Hình 3.77. Phổ FT-IR theo thời gian xử lý ở 800C của mẫu EP/GFBTO47.…112 Hình 3.78. Phổ FT-IR theo thời gian xử lý ở 1000C của mẫu EP/GFBTO47...113 Hình 3.79. Phản ứng tách hiđro và nhóm -OH…………………………....114 Hình 3.80. Các phản ứng oxi hóa nhiệt…………...…………….……..….115 Hình 3.81. Sự biến đổi E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) theo nhiệt độ của các mẫu EP/GFBTO47 trước và sau 56 ngày xử lý ở 1000C, tại tần số 1Hz………116 19
Hình 3.82. HSĐM vào tần số của mẫu EP/GFBTO47 xử lý ở 600C……..117 Hình 3.83. HSĐM vào tần số của mẫu EP/GFBTO47 xử lý ở 800C……..117 Hình 3.84. HSĐM vào tần số của mẫu EP/GFBTO47 xử lý ở 1000C..…….117 Hình 3.85. Diện tích pic tại 1297 cm-1 và HSĐM của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý ở 1000C……………..………………….....…………..………...119 Hình 3.86. Diện tích pic tại 1297 cm -1 và HSĐM của mẫu EP/GF47 theo thời gian xử lý ở 1000C……………………………………......…………..………...119 Hình 3.87. Phổ FT-IR của mẫu BTO/GF/EP theo thời gian ở độ ẩm 99%.........120 Hình 3.88. Độ tăng khối lượng mẫu và diện tích pic tai 3400 cm-1 theo thời gian phơi mẫu trong môi trường có độ ẩm tương đối 99 %..........................121 Hình 3.89. Hình mô phỏng các loại liên kết hiđro giữa các phân tử nước với các nhóm phân cực trong mạng lưới nhựa EP….……….………....…..….121 Hình 3.90. Sự biến đổi E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) theo nhiệt độ của mẫu EP/GFBTO47 trước và sau 56 ngày xử lý ở độ ẩm 99%, tại tần số 1Hz…122 Hình 3.91.HSĐM của mẫu EP/GFBTO47 theo tần số ở điều kiện có độ ẩm tương đối 99 %..............................................................................................123 Hình 3.92. Mối quan hệ giữa HSĐM với độ tăng diện tích pic tại 3400 cm-1 (a) và độ tăng khối lượng (b) của mẫu EP/GFBTO47 ở độ ẩm 99 %................124 Hình 3.93. Phổ FT-IR của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý trong môi trường có độ ẩm tương đối bằng 80%....................................................................124 Hình 3.94. Độ tăng diện tích pic tai 3400 cm -1 và độ tăng khối lượng mẫu theo thời gian phơi mẫu trong môi trường có độ ẩm tương đối 80%......................125 Hình 3.95. HSĐM của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý ở độ ẩm 80 %....126 Hình 3.96. Mối quan hệ giữa HSĐM với độ tăng diện tích pic tại 3400cm-1 (a) và độ tăng khối lượng mẫu (b) của mẫu EP/GFBTO47 ở độ ẩm 80%..........126 20
Hình 3.97. Phổ FT-IR của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý ở độ ẩm 45%................................................................................................................127 Hình 3.98. Độ tăng khối lượng của mẫu và diện tích pic 3400 cm-1 của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý ở độ ẩm 45%.........................................127 Hình 3.99. HSĐM theo tần số của mẫu EP/GFBTO47 ở độ ẩm 45%..........128 Hình 3.100. Mối quan hệ giữa HSĐM với độ tăng diện tích pic tại 3400 cm-1 (a) và độ tăng khối lượng mẫu (b) của mẫu EP/GFBTO47 ở độ ẩm 45 %...128 Hình 3.101. Phổ FT-IR của mẫu EP/GFBTO47 theo thời gian xử lý ở môi trường nước biển nhân tạo…………………………………..……..……...130 Hình 3.102. Sự biến đổi E’ (a), E’’ (b) và tanδ (c) theo nhiệt độ của mẫu EP/GFBTO47 trước và sau 56 ngày xử lý ở hơi nước biển nhân tạo, tại tần số 1Hz………………………………………………………………………..130 Hình 3.103. Mối quan hệ của HSĐM vào tần số của mẫu EP/GFBTO47 xử lý trong hơi nước biển nhân tạo.………….........……..….………..…............131 21
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Polyme compozit là loại vật liệu có nhiều tính năng ưu việt như độ bền riêng, mođun đàn hồi cao, chống mài mòn tốt, bền trong các môi trường xâm thực và khả năng gia công dễ dàng…Polyme compozit đã và đang được dùng để thay thế dần những vật liệu truyền thống như sắt, thép để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu chịu lực và chịu môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, vật liệu nào thì cũng đến lúc bị lão hóa, ăn mòn, hư hỏng. Vậy, khi nào cần thay thế, khi nào phải rỡ bỏ, đó là câu hỏi đặt ra nhiều thách thức đối với các nhà khoa học và công nghệ. Đã có nhiều ý tưởng đề xuất liên quan đến việc chế tạo vật liệu thông minh cho phép dễ dàng phát hiện sự thay đổi cấu trúc qua một số thông số hóa lý của vật liệu. Một trong những vật liệu đó là polyme compozit chứa hạt áp điện kích thước nano. Cho đến nay, người ta đã chế tạo được polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy, polyanilin, polymetylmetacrylat, polyimit, polycyanat este …chứa hạt áp điện PZT, BaTiO3 kích thước nano. Tuy nhiên, việc nghiên cứu mới bắt đầu, chưa có hệ thống, chưa tìm được mối liên hệ có tính quy luật giữa sự biến đổi cấu trúc với các thông số hóa lý của vật liệu. Đặc biệt, kết quả nghiên cứu về sự tương tác pha và ảnh hưởng của nó đối với tính chất cơ nhiệt của vật liệu còn rất khiêm tốn. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu chế tạo compozit chứa hạt áp điện BaTiO3 kích thước nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt của vật liệu trong điều kiện khí hậu nhiệt đới (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và độ mặn)” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cấp thiết. Luận án là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài hợp tác Quốc tế về Khoa học và Công nghệ theo Nghị định thư song phương giữa hai chính phủ Việt Nam và Cộng hòa Pháp. 22