I. Giới thiệu về ống nano cacbon đa thành
Ống nano cacbon đa thành (MWCNT) là một trong những vật liệu nano có cấu trúc độc đáo, được hình thành từ nhiều lớp graphene cuộn lại. Chúng có đường kính từ vài nanomet đến hàng chục nanomet và chiều dài có thể lên đến vài micromet. MWCNT có nhiều tính chất vượt trội như độ bền cơ học cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, cùng với bề mặt riêng lớn. Tuy nhiên, do hiện tượng kết tụ, việc phân tán MWCNT trong các dung môi và polymer gặp nhiều khó khăn. Do đó, việc chức năng hóa bề mặt của MWCNT trở thành một giải pháp quan trọng nhằm cải thiện khả năng phân tán và tương tác của chúng trong các ứng dụng thực tiễn.
1.1. Tính chất của ống nano cacbon
Tính chất của MWCNT bao gồm độ bền kéo cao, mô-đun đàn hồi lớn và khả năng dẫn điện tốt. Các nghiên cứu cho thấy, MWCNT có thể đạt được độ bền kéo lên đến 200 GPa và mô-đun đàn hồi khoảng 1 TPa. Những tính chất này làm cho MWCNT trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, vật liệu composite và cảm biến. Tuy nhiên, để phát huy tối đa các tính chất này, việc chức năng hóa bề mặt là cần thiết. Quá trình này không chỉ giúp cải thiện khả năng phân tán mà còn tạo ra các nhóm chức hóa học có khả năng tương tác tốt hơn với các môi trường khác nhau.
II. Phương pháp oxi hóa bề mặt ống nano cacbon
Phương pháp oxi hóa bề mặt MWCNT sử dụng hỗn hợp KMnO4 và H2SO4 là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chức năng hóa bề mặt. Quá trình này giúp tạo ra các nhóm chức như -COOH trên bề mặt của MWCNT, từ đó cải thiện khả năng phân tán trong các dung môi. Nghiên cứu cho thấy, thời gian và nhiệt độ oxi hóa có ảnh hưởng lớn đến mức độ chức năng hóa. Việc tối ưu hóa các điều kiện này sẽ giúp đạt được hiệu quả cao nhất trong việc cải thiện tính chất của MWCNT.
2.1. Quy trình thực hiện
Quy trình oxi hóa bắt đầu bằng việc hòa tan KMnO4 trong H2SO4 để tạo ra dung dịch oxi hóa. Sau đó, MWCNT được thêm vào dung dịch này và tiến hành khuấy ở nhiệt độ nhất định trong một khoảng thời gian. Sau khi hoàn tất quá trình oxi hóa, mẫu MWCNT sẽ được rửa sạch và sấy khô. Các phương pháp phân tích như FE-SEM, TGA và Raman sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu quả của quá trình chức năng hóa. Kết quả cho thấy, sự hình thành các nhóm chức trên bề mặt MWCNT không chỉ cải thiện khả năng phân tán mà còn làm thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
III. Ứng dụng của ống nano cacbon sau khi chức năng hóa
Sau khi thực hiện quá trình chức năng hóa bề mặt, MWCNT có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong lĩnh vực vật liệu composite, nơi mà MWCNT được sử dụng để cải thiện tính chất cơ học và điện của vật liệu. Ngoài ra, MWCNT cũng được sử dụng trong các cảm biến hóa học và sinh học, nhờ vào khả năng tương tác tốt với các phân tử khác. Việc chức năng hóa bề mặt giúp tăng cường khả năng nhạy cảm của các cảm biến, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của chúng.
3.1. Tăng cường tính chất vật liệu composite
Việc sử dụng MWCNT đã được chứng minh là có thể làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng của vật liệu composite. Các nghiên cứu cho thấy, khi thêm một lượng nhỏ MWCNT vào trong polymer, độ bền kéo của composite có thể tăng lên đến 50%. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các vật liệu mới với tính chất vượt trội, phục vụ cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và xây dựng.
