Tiểu luận Phân tích nanocomposite PC/MWCNT điều chế bằng phương pháp nóng chảy

BÁO CÁO TIỂU LUẬNPHÂN TÍCH POLYMER ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA HOÁ Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Polymer GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. ĐOÀN THỊ THU LOAN SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ VIẾT VIỆT NHÂN HUỲNH TẤN LUÂN LỚP: 12H4LT ĐỀ TÀI: Phân tích nanocomposite PC/MWCNT điều chế bằng phương pháp nóng chảy * NỘI DUNG Giới thiệu Chế tạo nanocomposite PC/MWCNT bằng phương pháp nóng chảy Phân tích thực nghiệm Kết luận * GIỚI THIỆU Vật liệu thành phần Carbon nanotube (CNT) CNT là cấu trúc dạng chuỗi các phân tử fullerene được tìm thấy bởi Tiến sĩ Sumio Iijima vào năm 1991. Hình 1. Cấu trúc phân tử Fullerene Các phân tử C sắp xếp với nhau thành dạng hình 6 cạnh trong các ống có kích thước rất nhỏ. Đường kính các vòng từ vài Å đến trên 10nm và chiều dài cỡ vài mm. Hình 2. Cấu trúc ống nanocarbon * GIỚI THIỆU Vật liệu thành phần Carbon nanotube (CNT) CNT đa lớp (MWCNT) có dạng hình trụ gồm nhiều lớp graphane bọc xung quanh lõi CNT 1 lớp. 2 đầu trụ được bọc bởi các bán cầu fullerene. * GIỚI THIỆU Vật liệu thành phần Tính chất của Carbon nanotube (CNT) Tính chất cơ học và tính điện phụ thuộc vào cấu trúc hình học và cấu trúc không gian. CNT có module rất cao (cao hơn 1TPa), độ bền, độ cứng rất lớn (bền kéo ~200GPa). Dẫn nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt của CNT ~3000 W/mK theo hướng trục. Tính chất điện: có tính bán dẫn, độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc bó lớp. * GIỚI THIỆU Vật liệu thành phần Quá trình hình thành ống carbon nanotube (CNT) Các hạt xúc tác nano kim loại. Nguyên tố carbon phát triển chồng lên thành ống đồng thời nâng hạt kim loại lên. Sự hình thành chấm dứt. * Nanocomposite PC/MWCNT CARBONANOTUBE (CNT) POLYCARBONATE (PC) PHƯƠNG PHÁP NÓNG CHẢY Phương pháp chế tạo CHẾ TẠO NANOCOMPOSITE * Trong nghiên cứu này, mẫu PC/MWCNT được làm sẵn bằng cách trộn PC và axit carboxylic chứa MWCNT trong dung dịch tetrahydrofuran (THF) để chức năng hóa. PC được thêm vào các mẻ PC/MWCNT với những lượng khác nhau (2%, 5%, 7%) bằng cách làm nóng chảy ngay sau đó tạo thành nanocomposite. Phương pháp chế tạo Chế tạo nanocoposite PC/MWCNT CHẾ TẠO NANOCOMPOSITE * Các tấm MWCNT tổng hợp từ quá trình lắng đọng pha hơi (CVD) etylen (xúc tác Al2O3/Fe2O3, nền nhôm, hạt sắt). PC với chỉ số nóng chảy MI là 12g/10phút. Đường kính MWCNT khoảng 40nm, độ tinh khiết đạt hơn 90% sau khi làm sạch. Các chất như axit nitric, THF, và cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) cũng được khi tinh chế. Phương pháp chế tạo Các thông số tổng hợp MWCNT CHẾ TẠO NANOCOMPOSITE * Hình 2. Sơ đồ chế tạo nanocomposite PC/MWCNT Phương pháp chế tạo CHẾ TẠO NANOCOMPOSITE * PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Kết quả thực nghiệm Cấu trúc, hình thái học và tính chất vật lý của nanocomposite PC/MWCNT được biểu thị đặc trưng bởi: Phổ Raman của các thành phần. Ảnh FESEM (Hiển vi điện tử quét phát xạ trường) Ảnh HRTEM (Hiển vi điện tử truyền qua TEM độ phân giải cao). Đường cong phân tích nhiệt trọng lượng TGA . Đường cong phân tích cơ động lực DMA. * Kết quả thực nghiệm Phổ Raman của: (a) MWCNT. (b) c-MWCNT. (c) c-MWCNT phủ CTAB. Nhận xét cường độ tăng dần theo thứ tự (c), (b), (a). Sự chức năng hóa của axit nitric làm tăng mức độ bất ổn định. Phổ Raman của c-MWCNT phủ CTAB có peak đặc trưng khác nhau so với c-MWCNT, cho thấy CTAB được phủ thành công trên bề mặt của c-MWCNT. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Kết quả thực nghiệm Giản đồ TGA của: (a) MWCNT. (b) c-MWCNT. c-MWCNT được phủ CTAB. Phân tích TGA để xác định tính ổn định nhiệt của MWCNT, c-MWCNT và c-MWCNT phủ CTAB. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Kết quả thực nghiệm Khối lượng MWCNT giảm chủ yếu là do mất đi carbon vô định hình. Khối lượng c-MWCNT giảm do sự phân hủy hữu cơ của các nhóm axit cacboxylic sau khi biến tính bề mặt. Độ giảm lớn nhất của c-MWCNT phủ CTAB quan sát được trong khoảng nhiệt độ 200 ÷ 250oC, có thể do sự phân hủy nhiệt cation CTAB hình thành trên bề mặt của c-MWCNT. Cả hai dữ liệu phổ Raman và TGA chỉ ra rằng chất hoạt động bề mặt cation được phủ thành công trên bề mặt c-MWCNT. PC/MWCNT dạng masterbatch được chế tạo sử dụng các lượng khác nhau c-MWCNT có phủ CTAB và PC trong dung dịch THF. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Phân tích thực nghiệm Ảnh HRTEM của PC/MWCNT dạng master batch. Nhận xét Hình ảnh HRTEM của masterbatch PC/MWCNT. Quan sát thấy rõ hình thái dạng ống đặc trưng cho c-MWCNT trong nền PC được tách ra và phân bố ngẫu nhiên. Cho thấy sự hiệu quả từ phương pháp trộn trong dung dịch dưới tác động siêu âm. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Kết quả thực nghiệm FESEM của nanocomposite với (a) 2%, (b) 5%, (c)7% khối lượng PC/MWCNT và nhựa PC. Nhận xét Cấu trúc hình ống của MWCNT được phân bố ngẫu nhiên trong nền PC. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * GIỚI THIỆU Kết quả thực nghiệm Ảnh hiển vi HRTEM của mẫu (a) 2% khối lượng,(b) 5% khối lượng và mẫu (c) 7% PC/MWCNT trong nanocomposite. Nhận xét Ảnh HRTEM cho thấy sự phân bố khá đồng đều của MWCNT trong composite. * Kết quả thực nghiệm Giản đồ TGA của: (a) nền PC tinh khiết. (b) 2% khối lượng PC/MWCNT. (c) 5% khối lượng PC/MWCNT. (d) 7% khối lượng PC/MWCNT. Đường cong TGA của PC và nanocomposite với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Ảnh khuếch đại TGA từ 440C đến 540C của: (a) nền PC tinh khiết. (b) 2% khối lượng PC/MWCNT. (c) 5% khối lượng PC/MWCNT. (d) 7% khối lượng PC/MWCNT trong nanocomposites Kết quả thực nghiệm PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Kết quả thực nghiệm Phân tích TGA xác định sự phân hủy nhiệt của PC và composite PC/MWCNT. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy (Tonset) của PC và nanocomposite PC/MWCNT được tóm tắt trong bảng 1. Tonset được xác định bằng cách ngoại suy từ các đường cong phân hủy lớn nhất so với khối lượng ban đầu của polymer. * Kết quả thực nghiệm Bảng 1. Giá trị nhiệt độ bắt đầu phân hủy (T onset), module đàn hồi động (G'), độ dẫn điện của nền PC và nanocomposite PC/MWCNT. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Nhận xét Về Tonset Tonset của PC là 488oC và tăng lên 495, 497, 498oC tương ứng với 2, 5, và 7% khối lượng PC/MWCNT. Kết quả trên cho thấy sự có mặt của MWCNT trong nền PC tạo ra tính ổn định nhiệt tốt hơn. Theo phổ đồ, sự suy thoái bắt đầu thể hiện đổi rõ ràng với nhiệt độ cao. Module của PC bắt đầu giảm trong khoảng 150oC, có thể trong khoảng Tg của PC. Tg của nanocomposite thấp hơn so với nền PC tinh khiết, có thể do có mặt của cation CTAB phủ trên bề mặt MWCNT tạo ra sự giảm Tg. * Nhận xét Về module đàn hồi động (G’) Tại 40oC, module đàn hồi của PC là 3,48.108 Pa, giảm khi nhiệt độ tăng. Ở 160oC, module giảm xuống 6,36.106 Pa. Nguyên nhân là do không đủ nhiệt lượng để vượt qua hàng rào thế năng trong chuyển động quay và chuyển động chuyển tiếp của các đoạn phân tử polymer trong vùng Tg. Khi nhiệt độ vượt Tg, năng lượng nhiệt tiến gần đến rào cản thế năng trong các chuyển động đó. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Nhận xét Đối với nanocomposite PC/MWCNT, G’ tăng nhanh trong phạm vi nhiệt độ thấp, nghĩa là việc đưa MWCNT vào nền PC sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất đàn hồi của nền. Dưới Tg, G’ của nanocomposite tăng khi so với PC nguyên chất là 20,7%, 58,3%, và 102% tương ứng với 2%, 5%, và 7% khối lượng masterbatch PC/MWCNT. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM * Nhận xét PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Về độ dẫn điện Độ dẫn diện của nền PC, PC/MWCNT dạng masterbatch và nanocomposites PC/MWCNT được đo bằng tiêu chuẩn Van Der Pauw với phương pháp thăm dò 4 bước. Độ dẫn điện của nền PC ở nhiệt độ phòng là 10-13 S/cm. Khi thêm 2% khối lượng MWCNT vào PC, độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng tăng đáng kể từ 10-13 S/cm lên 2.10-8 S/cm . Khi tăng hàm lượng của MWCNT, các giá trị độ dẫn ở nhiệt độ phòng tăng dần từ 1,9.10-8 S/cm đến 1,8.10-6 S/cm cho 2%, 5% khối lượng nanocomposites PC/MWCNT. * Nhận xét PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Khi tăng hàm lượng của MWCNT , độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng tiến gần đến độ dẫn điện của PC/MWCNT dạng master patch (4,9*10-5 S/cm). Tuy nhiên, độ dẫn của nanocomposite đúc sẵn với hàm lượng MWCNT ở nhiệt độ phòng rất thấp nhưng có cường độ cao hơn 4 bậc so với PC mà không chứa MWCNT. Kết quả này có thể do sự có mặt của MWCNTs với tỉ lệ lớn và ở vùng bề mặt , do đó vùng dẫn điện nằm giữa vùng PC cách điện và tăng độ dẫn khi tăng hàm lượng MWCNT. * Kết quả thực nghiệm PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Module đàn hồi động (G') của (a) nền PC tinh khiết. (b) 2% khối lượng PC/MWCNT. (c) 5% khối lượng PC/MWCNT. (d) 7% khối lượng PC/MWCNT. * Nhận xét PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Sự có mặt của MWCNT ảnh hưởng đến khả năng gia cường trong nanocomposite. Sự ảnh hưởng tương hỗ xảy ra giữa c-MWCNT phủ CTAB và PC tạo ra vùng phân chia pha hình khuyên của polymer bao bọc cố định xung quanh MWCNT. Chỉ ra sự tăng lên đáng kể modun đàn hồi của nanocomposite trên nhiệt độ Tg với việc đưa MWCNT vào nền PC. * Nhận xét PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Trên giá trị Tg , module đàn hồi của nền PC tinh khiết giảm khoảng 2 bậc về độ lớn. Module đàn hồi của nanocomposite vẫn còn khoảng 20-30% độ lớn so với những số liệu ở nhiệt độ dưới Tg. Nanocomposite PC/MWCNT cải thiện độ lớn của module đàn hồi cao hơn 1 bậc so với nền PC không có MWCNT. Sự có mặt của MWCNT trong PC /MWCNT có thể giới hạn và làm chậm từng chuỗi chuyển động của PC trên bề mặt tiếp xúc. Sự phân bố đồng đều của MWCNT cỡ nano có thể kết luận mudule đàn hồi của vật liệu nanocomposite PC/MWCNT tăng lên. * Kết quả thực nghiệm PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Giá trị tan ᵟ của: (a) nền PC tinh khiết. (b) 2% khối lượng PC/MWCNT. (c) 5% khối lượng PC/MWCNT. (d) 7% khối lượng PC/MWCNT. * Nhận xét PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Peak tại vị trí 152⁰C của nền PC tinh khiết có cường độ lớn nhất. Hình dạng peak của PC/MWCNT thay đổi rõ nét trong khoảng nhỏ quanh nhiệt độ 140⁰C với cường độ bé và peak rộng hơn mẫu PC tinh khiết. Sự giảm của giá trị tan ᵟ trong nanocomposites chế tạo sẵn là do sự có mặt của cation bề mặt CTAB được phủ lên bề mặt của MWCNT. Các hình dạng peak rộng hơn của nanocomposite chỉ ra một chuỗi chuyển động của nanocomposite PC/MWCNT bị kìm hãm do các PC bao bọc bên ngoài MWCNT. * KẾT LUẬN Chế tạo thành công nanocomposite PC/MWCNT bằng phương pháp trộn masterbatch PC/MWCNT với các hạt PC thông qua quá trình nóng chảy. Các ảnh HRTEM của nanocomposite cho thấy MWCNT được phân tách và phân bố đồng đều trong nền PC. Các module đàn hồi của nanocomposite PC/MWCNT chế tạo sẵn tăng đáng kể so với nền PC tinh khiết. * KẾT LUẬN Sự tác động gia cường của nanocomposite PC/MWCNT cao hơn khi có mặt của MWCNT và tương tác tốt hơn giữa các MWCNT và PC. Độ dẫn điện của nanocomposite PC/MWCNT với hàm lượng 2% và 5% khối lượng tăng hơn 4 và 7 bậc so với PC không chứa MWCNT tương ứng. Độ dẫn điện của MWCNT được xen như là giá trị trung gian giữa PC cách điện và vùng dẫn , tăng độ dẫn điện khi tăng hàm lượng MWCNT. *