Luận án 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

Nội dung tài liệu: Luận án 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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2012 1
2. 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
3. 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
4. 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 BaTiO3 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
5. 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 BaTiO3 ....................56 3.2.1.2. Những đặc trưng của silan γ–APS ..............57 7
6. 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 BaTiO3 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 BaTiO3 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
7. 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 BaTiO3 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
8. 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
9. 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
10. 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 BaTiO3 ..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 -1 Bảng 3.6. Chiều cao các pic tại 1567, 1128 và 3440 cm 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 BaTiO3 với nhiệt độ phản ứng khác nhau ... ...........67 -1 Bảng 3.9. Chiều cao các pic tại 1567, 1128 cm của hạt nao BaTiO3 với thời gian phản ứng khác nhau ... ...68 Bảng 3.10. Độ chuyển hóa của hệ EP và PC chứa hạt nano BaTiO3 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