Luận án tiến sĩ khảo sát một sô yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyamit 6 nhựa polycacbonat và ống cacbon nano đa tường

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của vật liệu polyme nanocompozit từ nhựa polyamit 6, polycacbonat và ống cacbon nano.

• Tác giả: Hà Văn Thức
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thanh Vân
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hoá lý
• Đề tài: Khảo Sát Một Số Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Hóa Lý Của Vật Liệu Polyme Nanocompozit Trên Cơ Sở Nhựa Polyamit 6, Nhựa Polycacbonat Và Ống Cacbon Nano Đa Tường
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: Polyme blend trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo PA6 và PC
• 1.1. Đặc trưng của nhựa nhiệt dẻo PA6 và PC
• 1.2. Đặc điểm của polyme blend
• 1.3. Chế tạo polyme blend và polyme nanocompozit
• 1.4. Nhiệt động học các quá trình trộn lẫn
• 1.5. Một số chất tương hợp cho các polyme blend của PA6 và PC
• 1.6. Tình hình nghiên cứu, chế tạo polyme blend PA6/PC ở trong và ngoài nước
• 1.7. Polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa nền là PA6, PC gia cường CNT
• 1.7.1. Đặc điểm ống cacbon nano
• 1.7.2. Đặc điểm vật liệu polyme nanocompozit của PA6, PC gia cường CNT
• 1.7.3. Phương pháp chế tạo polyme nanocompozit của PA6, PC gia cường CNT
• 1.7.4. Tình hình nghiên cứu, chế tạo polyme nanocompozit của PA6, PC và một số polyme khác gia cường CNT
• 1.8. Sản phẩm chống va đập trên cơ sở vật liệu PA6, PC
• 1.8.1. Các vật liệu đã dùng sản xuất sản phẩm chống va đập
• 1.8.2. Xác định khả năng chống va đập của vật liệu bằng phương pháp mô phỏng số
• 1.8.3. Khái quát về các nguyên tắc và các quy chuẩn đánh giá khả năng chịu va đập của mũ bảo hiểm và bộ ốp bảo vệ tay chân dành cho cảnh sát
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2. Chế tạo polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 2.3. Chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT
• 2.4. Xác định các thông số gia công chế tạo polyme nanocompozit
• 2.5. Chế tạo masterbatch của polyme nanocompozit
• 2.6. Sản xuất thử nghiệm
• 2.7. Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất của các mẫu
• 2.7.1. Phổ hồng ngoại
• 2.7.2. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.7.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.8. Nghiên cứu khả năng chảy nhớt của polyme
• 2.9. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và nhiệt lượng vi quét (DSC)
• 2.10. Khảo sát hình thái học của các mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.11. Khảo sát tính chất cơ lý của các mẫu polyme và của sản phẩm ốp bảo vệ tay chân, mũ bảo hiểm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát cấu trúc và tính chất của polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 3.1.1. Khảo sát tính chất cơ lý của blend PA6/PC
• 3.1.2. Khảo sát tính chất cơ lý của blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 3.1.3. Khảo sát vi cấu trúc của blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 3.1.4. Khảo sát mô men xoắn của các mẫu blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 3.1.5. Phân tích phổ hồng ngoại của các mẫu
• 3.1.6. Cơ chế tương tác và mô hình phân tán của các thành phần trong blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA
• 3.2. Khảo sát cấu trúc và tính chất của polyme nanocompozit trên cơ sở polyme blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA và chất gia cường CNT
• 3.2.1. Cấu trúc và tính chất của CNT trước và sau biến tính
• 3.2.2. Cấu trúc và tính chất của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT
• 3.2.3. Tối ưu hóa các thông số trong gia công chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT
• 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn hợp nóng chảy đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit
• 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian trộn hợp nóng chảy đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit
• 3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ trục vít đến cấu trúc và tính chất cơ lý của polyme nanocompozit
• 3.2.7. Chế tạo masterbatch của polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT
• 3.2.8. Khảo sát tính chất cơ lý của polyme nanocompozit được chế tạo theo các quy trình khác nhau
• 3.2.9. Khảo sát hình thái học của polyme nanocompozit được chế tạo theo các quy trình khác nhau
• 3.2.10. Khảo sát thời điểm trộn PA6 phù hợp vào masterbatch
• 3.2.11. Ứng dụng polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT vào sản xuất một số sản phẩm chống va đập
• 3.2.11.1. Kết quả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định độ dày tối ưu cho các sản phẩm
• 3.2.11.2. Sản xuất thử nghiệm bộ ốp che tay và mũ bảo hiểm sử dụng vật liệu là polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT
• 3.2.11.3. Thử nghiệm thực tế về chất lượng các sản phẩm mũ và bộ ốp che tay
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Polyme Nanocompozit Khái Niệm Ưu Điểm

Vật liệu polyme nanocompozit (PNC) ngày càng thu hút sự quan tâm do khả năng đáp ứng nhiều tiêu chí quan trọng: bền nhiệt, cơ tính cao, kháng hóa chất, nhẹ và dễ gia công. Trong số đó, PNC với nền polyme nhiệt dẻo và cốt là ống cacbon nano (CNT) được đặc biệt chú trọng. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh CNT gia cường hiệu quả cơ tính của polyme nền. PNC gia cường CNT có độ bền cao và tính chất đặc biệt, tạo ra sự tăng đột biến về cơ tính so với compozit truyền thống. Cấu trúc polyme compozit gồm ba thành phần chính: pha phân tán (sợi hoặc hạt gia cường), nhựa nền polyme và chất liên kết (tăng độ bám dính giữa pha phân tán và nhựa nền). Mối liên kết giữa ba thành phần này quyết định tính chất của polyme compozit. Theo [1], mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng quyết định đến tính chất của polyme compozit.

1.1. Định Nghĩa và Cấu Trúc Vật Liệu Polyme Nanocompozit

Vật liệu polyme nanocompozit là vật liệu composite trong đó ít nhất một pha có kích thước nanomet (1-100 nm). Cấu trúc điển hình bao gồm một polyme nền và các hạt nano phân tán trong nền này. Các hạt nano có thể là các hạt vô cơ (ví dụ, đất sét, silica), các hạt hữu cơ (ví dụ, polyme khác), hoặc các cấu trúc nano cacbon (ví dụ, ống nano cacbon, graphene). Sự phân tán đồng đều của các hạt nano trong polyme nền là yếu tố quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Vật Liệu Polyme Nanocompozit

So với vật liệu polyme truyền thống, polyme nanocompozit sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Chúng có độ bền cơ học cao hơn, khả năng chịu nhiệt tốt hơn, tính chất rào cản (chống thấm khí, chất lỏng) được cải thiện, và có thể có các tính chất đặc biệt như dẫn điện, dẫn nhiệt. Ngoài ra, việc sử dụng các hạt nano cho phép giảm trọng lượng của vật liệu, một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng. Các tính chất này làm cho polyme nanocompozit trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

II. Thách Thức Trong Chế Tạo Polyme Nanocompozit PA6 PC CNT

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/CNT vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo sự phân tán đồng đều của CNT trong nền polyme. CNT có xu hướng kết tụ do lực Van der Waals mạnh giữa các ống. Sự phân tán kém có thể làm giảm hiệu quả gia cường và ảnh hưởng đến các tính chất khác của vật liệu. Ngoài ra, sự tương thích giữa CNT và polyme nền cũng là một yếu tố quan trọng. CNT thường trơ về mặt hóa học, do đó cần phải biến tính bề mặt để cải thiện khả năng tương tác với polyme nền. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp cũng rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn.

2.1. Vấn Đề Phân Tán Ống Nano Cacbon CNT Trong Nền Polyme

Sự phân tán không đồng đều của ống nano cacbon (CNT) trong nền polyme là một vấn đề lớn. CNT có xu hướng tạo thành các cụm do lực hút Van der Waals mạnh giữa chúng. Các cụm CNT này làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc giữa CNT và polyme, làm giảm hiệu quả gia cường. Để cải thiện sự phân tán, cần sử dụng các phương pháp như siêu âm, khuấy trộn mạnh, hoặc biến tính bề mặt CNT.

2.2. Tương Thích Giữa Ống Nano Cacbon và Polyme Nền PA6 PC

Sự tương thích giữa ống nano cacbon và polyme nền (PA6/PC) cũng là một yếu tố quan trọng. CNT thường trơ về mặt hóa học và không tương tác tốt với polyme nền. Để cải thiện sự tương thích, cần biến tính bề mặt CNT bằng cách gắn các nhóm chức hóa học có khả năng tương tác với polyme. Các nhóm chức này có thể là các nhóm carboxyl, hydroxyl, hoặc amin.

2.3. Ảnh Hưởng Của Quy Trình Chế Tạo Đến Tính Chất Vật Liệu

Quy trình chế tạo có ảnh hưởng lớn đến tính chất của polyme nanocompozit. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian trộn, tốc độ trộn, và áp suất có thể ảnh hưởng đến sự phân tán của CNT và sự tương tác giữa CNT và polyme nền. Cần tối ưu hóa các thông số quy trình để đạt được các tính chất mong muốn.

III. Phương Pháp Chế Tạo Polyme Nanocompozit PA6 PC CNT Hiệu Quả

Để giải quyết các thách thức trên, nhiều phương pháp chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/CNT đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm trộn dung dịch, trộn nóng chảy và trùng hợp tại chỗ. Phương pháp trộn dung dịch liên quan đến việc phân tán CNT trong dung môi, sau đó trộn với dung dịch polyme. Phương pháp trộn nóng chảy liên quan đến việc trộn CNT trực tiếp với polyme nóng chảy. Phương pháp trùng hợp tại chỗ liên quan đến việc trùng hợp monomer trong sự hiện diện của CNT. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại polyme, loại CNT và các tính chất mong muốn.

3.1. Kỹ Thuật Trộn Dung Dịch Ưu Điểm và Hạn Chế

Kỹ thuật trộn dung dịch là một phương pháp phổ biến để chế tạo polyme nanocompozit. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng kiểm soát sự phân tán của CNT trong dung môi. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, bao gồm việc sử dụng dung môi có thể gây ô nhiễm môi trường, và khó loại bỏ hoàn toàn dung môi khỏi vật liệu.

3.2. Phương Pháp Trộn Nóng Chảy Ứng Dụng Thực Tế

Phương pháp trộn nóng chảy là một phương pháp hiệu quả để chế tạo polyme nanocompozit với quy mô lớn. Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng dung môi, và có thể dễ dàng tích hợp vào các quy trình sản xuất hiện có. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị trộn chuyên dụng để đảm bảo sự phân tán đồng đều của CNT trong polyme nóng chảy.

3.3. Trùng Hợp Tại Chỗ Kiểm Soát Cấu Trúc Nanocompozit

Phương pháp trùng hợp tại chỗ cho phép kiểm soát tốt cấu trúc của polyme nanocompozit. Trong phương pháp này, monomer được trùng hợp trong sự hiện diện của CNT, tạo ra sự liên kết hóa học giữa CNT và polyme. Điều này giúp cải thiện sự phân tán của CNT và tăng cường tính chất của vật liệu.

IV. Biến Tính Ống Nano Cacbon CNT Để Tăng Cường Tính Chất

Biến tính ống nano cacbon (CNT) là một bước quan trọng để cải thiện sự phân tán và tương thích của CNT trong polyme nền. Có nhiều phương pháp biến tính CNT, bao gồm biến tính hóa học và biến tính vật lý. Biến tính hóa học liên quan đến việc gắn các nhóm chức hóa học lên bề mặt CNT. Biến tính vật lý liên quan đến việc hấp phụ các phân tử lên bề mặt CNT. Việc lựa chọn phương pháp biến tính phù hợp phụ thuộc vào loại polyme, loại CNT và các tính chất mong muốn. Theo nghiên cứu, CNT có xu hướng phân tán vào PA6 tốt hơn vào PC, đặc biệt là khi CNT đã được hữu cơ hóa [9,11,12,13,16,19,21,28,36,37,67].

4.1. Biến Tính Hóa Học Gắn Nhóm Chức Nâng Cao Tương Tác

Biến tính hóa học là phương pháp phổ biến nhất để biến tính ống nano cacbon. Phương pháp này liên quan đến việc sử dụng các phản ứng hóa học để gắn các nhóm chức lên bề mặt CNT. Các nhóm chức này có thể là các nhóm carboxyl, hydroxyl, amin, hoặc epoxy. Các nhóm chức này giúp cải thiện sự tương tác giữa CNT và polyme nền, và tăng cường sự phân tán của CNT.

4.2. Biến Tính Vật Lý Hấp Phụ Phân Tử Cải Thiện Phân Tán

Biến tính vật lý là một phương pháp đơn giản để biến tính ống nano cacbon. Phương pháp này liên quan đến việc hấp phụ các phân tử lên bề mặt CNT. Các phân tử này có thể là các polyme, các chất hoạt động bề mặt, hoặc các chất phân tán. Các phân tử này giúp ngăn chặn sự kết tụ của CNT và cải thiện sự phân tán của chúng trong polyme nền.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Biến Tính CNT Bằng Các Phương Pháp Phân Tích

Hiệu quả của quá trình biến tính CNT có thể được đánh giá bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau, bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại (FTIR), và nhiễu xạ tia X (XRD). Các phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc, hình thái, và thành phần hóa học của CNT trước và sau khi biến tính.

V. Ứng Dụng Polyme Nanocompozit PA6 PC CNT Trong Sản Xuất

Vật liệu polyme nanocompozit PA6/PC/CNT có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Do có độ bền cao, khả năng chịu va đập tốt và trọng lượng nhẹ, chúng được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm chống va đập như mũ bảo hiểm và bộ ốp bảo vệ. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong sản xuất các bộ phận ô tô, thiết bị điện tử và vật liệu xây dựng. Việc phát triển các ứng dụng mới cho polyme nanocompozit PA6/PC/CNT đang được tiến hành liên tục.

5.1. Sản Xuất Mũ Bảo Hiểm và Bộ Ốp Bảo Vệ Chống Va Đập

Một trong những ứng dụng quan trọng của polyme nanocompozit PA6/PC/CNT là sản xuất mũ bảo hiểm và bộ ốp bảo vệ. Vật liệu này có khả năng hấp thụ năng lượng va đập tốt, giúp bảo vệ người sử dụng khỏi chấn thương. Các sản phẩm này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm thể thao, xây dựng và quân sự.

5.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Ô Tô và Hàng Không

Polyme nanocompozit PA6/PC/CNT có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận ô tô và máy bay nhẹ hơn và bền hơn. Việc giảm trọng lượng của các phương tiện này giúp cải thiện hiệu quả nhiên liệu và giảm lượng khí thải. Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.

5.3. Vật Liệu Xây Dựng Mới Bền Nhẹ và Thân Thiện Môi Trường

Polyme nanocompozit PA6/PC/CNT có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu xây dựng mới bền hơn, nhẹ hơn và thân thiện với môi trường hơn. Vật liệu này có thể được sử dụng để xây dựng các tòa nhà, cầu đường và các công trình hạ tầng khác. Việc sử dụng vật liệu này giúp giảm chi phí xây dựng và bảo trì, và giảm tác động đến môi trường.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Polyme Nanocompozit

Nghiên cứu và phát triển vật liệu polyme nanocompozit PA6/PC/CNT là một lĩnh vực đầy hứa hẹn. Việc cải thiện sự phân tán của CNT, tăng cường sự tương thích giữa CNT và polyme nền, và tối ưu hóa quy trình chế tạo là những hướng nghiên cứu quan trọng. Ngoài ra, việc phát triển các ứng dụng mới cho vật liệu này cũng là một ưu tiên hàng đầu. Với những nỗ lực không ngừng, polyme nanocompozit PA6/PC/CNT sẽ đóng góp quan trọng vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng CNT để gia cường polyme nền PA6/PC có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học, nhiệt và điện của vật liệu. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả gia cường tối ưu, cần phải giải quyết các vấn đề liên quan đến sự phân tán của CNT và sự tương thích giữa CNT và polyme nền.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp biến tính CNT mới hiệu quả hơn, và tìm kiếm các polyme nền có khả năng tương tác tốt hơn với CNT. Ngoài ra, việc phát triển các quy trình chế tạo mới cho phép kiểm soát tốt hơn cấu trúc của polyme nanocompozit cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng.

6.3. Tầm Quan Trọng Của Hợp Tác Nghiên Cứu và Phát Triển

Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và các nhà sản xuất là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của vật liệu polyme nanocompozit. Việc chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và nguồn lực giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển, và đưa các sản phẩm mới ra thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nghiên cứu chế tạo các vật liệu blend và vật liệu compozit đã mang lại nhiều lợi ích to lớn trong thực tế cuộc sống và các kết quả nghiên cứu về các hệ vật liệu này cũng đem lại nhiều ý nghĩa cho khoa học. Trong số các loại vật liệu đó thì polyme nanocompozit (PNC) ngày càng được chú trọng phát triển, do chúng có thể đáp ứng được nhiều tiêu chí quan trọng như tính bền nhiệt, tính chất cơ học cao, bền với nhiều môi trường hoá chất, nhẹ, tương đối dễ gia công. Một trong những PNC được quan tâm nghiên cứu hiện nay là vật liệu với pha nền là các polyme nhiệt dẻo và pha cốt là ống cacbon nano (carbon nanotubes, CNT). Trong rất nhiều các báo cáo và các công trình khoa học đã công bố đều kết luận tác nhân CNT gia cường cho các tính chất cơ lý của polyme nhiệt dẻo nền rất hiệu quả.

PNC trên cơ sở gia cường bằng CNT có độ bền cao và có nhiều tính chất đặc biệt, tạo cho hệ vật liệu có sự tăng đột biến về tính chất cơ lý so với các compozit truyền thống [4,5,10,17,19,20,34,64]. Trong cấu trúc của polyme compozit bao gồm ba nhóm cấu tử chính. Cấu tử thứ nhất còn gọi là pha phân tán, đó là các vật liệu thường ở dạng sợi hoặc hạt, làm nhiệm vụ gia cường và truyền lực vào cấu tử thứ hai là các nhựa nền polyme (còn gọi là vật liệu lớp). Cấu tử thứ ba là chất liên kết (coupling agent) có tác dụng làm tăng độ bám dính giữa pha phân tán và nhựa nền.

Mối liên kết giữa ba cấu tử đó ảnh hưởng quyết định đến tính chất của polyme compozit [1]. Hai trong số các nhựa nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến để chế tạo vật liệu PNC là nhựa polyamit 6 (còn gọi là nilon 6, PA6) và nhựa polycacbonat (PC). PA6 có một số tính chất ưu việt như bền với dung môi hidrocacbon, chịu mòn, chịu mỏi tốt, dẻo dai, ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng chống cháy, dễ gia công và bề mặt sản phẩm đẹp. Nhựa PC có các đặc tính nổi bật là độ trong suốt quang học cao, chịu va đập tốt hơn hầu hết các nhựa nhiệt dẻo khác.

Các PNC dạng PA6/CNT và PC/CNT được biết tới có sự thay đổi nhiều tính chất so với nhựa nhiệt dẻo ban đầu, như tính chất cơ học, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, khả năng chịu nhiệt, …. Trong các công bố khoa học, hầu hết đều khẳng định CNT có xu hướng phân tán vào PA6 tốt hơn vào PC, đặc biệt là khi CNT đã được hữu cơ hóa [9,11,12,13,16,19,21,28,36,37,67]. 1 Ngoài ứng dụng để chế tạo PNC thì PA6 và PC cũng đã được sử dụng để chế tạo vật liệu blend với chất trợ tương hợp cho hai polyme nhiệt dẻo là copolyme triblock styren-etylen-butylen-styren (SEBS) và copolyme SEBS ghép anhydrit maleic (SEBS-g-MA). Lợi thế của các polyme blend là chúng có thể kết hợp được những tính chất tốt nhất của các polyme thành phần [1,38,42,52].

Như vậy, nếu một PNC được chế tạo trên cơ sở gia cường CNT vào blend PA6/PC thì hệ vật liệu ấy có thể phát huy được các tính chất tốt của các PNC dạng PA6/CNT, PC/CNT hay blend PA6/PC. Mục tiêu của luận án: Xuất phát từ các nhận định trên, luận án “Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa polyamit 6, nhựa polycacbonat và ống cacbon nano đa tường” đặt ra mục tiêu: § Chế tạo thành công polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT với các tính chất cơ lý tốt nhất. § Tối ưu hóa được các thông số gia công và quy trình phối trộn phù hợp để chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT. Nội dung nghiên cứu của luận án: (1) Chế tạo blend PA6/PC trên cơ sở sử dụng các chất tương hợp là SEBS và SEBS-g-MA.

(2) Biến tính CNT sau đó chế tạo polyme nanocompozit trên cơ sở CNT biến tính với blend PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA. (3) Tối ưu hóa các thông số gia công và xác định trình tự phối trộn phù hợp để chế tạo polyme nanocompozit PA6/PC/SEBS/SEBS-g-MA/CNT. (4) Sản xuất thử nghiệm một số sản phẩm chống va đập (bộ ốp che tay, mũ bảo hiểm) từ vật liệu polyme nanocompozit đã chế tạo. Polyme blend trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo PA6 và PC 1.

Đặc trưng của nhựa nhiệt dẻo PA6 và PC 1. Nhựa PA6 Nhựa PA6 là polyme nhiệt dẻo được sản xuất bằng một số phương pháp như trùng hợp mở vòng ε–caprolactam hay trùng ngưng axit ε–amino caproic [3,58,100,101]. nH2N - (CH2)5 - COOH à H - [NH - (CH2)5 - CO]n - OH + (n - 1)H2O Trong thực tế, cấu trúc PA6 kết tinh từ trạng thái nóng chảy bị ảnh hưởng rất nhiều bởi yếu tố như điều kiện nhiệt, áp suất, sự có mặt của hơi ẩm, tạp chất, phụ gia, … Tinh thể α thường hình thành từ quá trình làm nguội chậm từ trạng thái nóng chảy trong khi tinh thể γ được hình thành trong quá trình biến dạng đơn hướng (kéo sợi polyme theo một hướng với tốc độ cao) hoặc làm lạnh nhanh từ trạng thái nóng chảy. Tinh thể dạng γ có thể chuyển thành tinh thể dạng α bằng phương pháp ủ nhiệt, bằng kéo dãn sau đó ủ nhiệt.

Tinh thể dạng α có thể chuyển thành tinh thể dạng γ bằng cách xử lý nhựa PA6 với dung dịch KI loãng. Cấu trúc tinh thể cũng như hàm lượng tinh thể có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của polyme bán tinh thể. Hàm lượng tinh thể tăng lên sẽ làm tăng độ cứng, khối lượng riêng, ứng suất biến dạng, độ bền kéo, bền hoá học, độ mài mòn và ổn định kích thước trong khi đó làm giảm độ dãn dài khi đứt, độ bền va đập, độ giãn nở nhiệt và khả năng hấp thụ nước của nhựa PA6 [3]. PA6 là nhựa kỹ thuật có nhiều tính chất quý như: bền với dung môi hidrocacbon, chịu mòn, 3 chịu mỏi tốt, dẻo dai, ổn định ở nhiệt độ cao, có khả năng chống cháy, gia công dễ dàng và bề mặt sản phẩm đẹp [4,6].

Nhựa PA6 khá nhạy cảm với bức xạ UV nên nếu thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ gây ra sự lão hoá polyme [3]. Một số tính chất cơ bản của nhựa PA6 loại 200A của hãng RTP imagineering plastics, Mỹ được trình bày tại bảng 1. Tính chất của nhựa PA6 RTP 200A [8] Tính chất Phương pháp đo Kết quả Độ bền kéo đứt ASTM D638 76 MPa Độ dãn dài khi đứt ASTM D638 100 ÷ 400% Mô đun kéo ASTM D790 2758 MPa Độ bền uốn ASTMD790 110 MPa Độ bền va đập Izod: Có khía ASTM D256 43 J/m Không khía ASTM D4812 Không phá huỷ Nhiệt độ biến dạng nhiệt: Ở 1,82 MPa 71 oC ASTM D648 Ở 0,46 MPa 171 oC Khối lượng riêng (g/cm3) ASTM D792 1,13 Hàm ẩm, 24 giờ ở 23 oC ASTM C570 1,9 % Chỉ số chảy 230 oC / 2,16 kg ASTM D955 6 g/10 phút Nhiệt độ nóng chảy (Tm, oC) DSC/TGA 243 ÷ 279 Áp suất phun - 82 ÷ 172 MPa Độ ẩm của vật liệu - < 0,2 % Nhiệt độ khuôn - 54 ÷ 93 oC Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) ~50 oC 4 Do có nhiều các tính chất ưu việt nên hiện nay PA6 được sử dụng với một số lượng rất lớn trong các ứng dụng lĩnh vực khác nhau như may mặc; công nghiệp sản xuất xe ô tô: lưới lọc nhiên liệu, bộ lọc nhiên liệu, vật dụng đựng đồ tiêu hao, bình đựng dầu máy, …; công nghiệp điện, điện tử: sản xuất nồi bán dẫn, máy hút bụi, …; máy móc chính xác và thiết bị y tế: ống truyền máu, máy hút máu.; an ninh quốc phòng: thiết bị chống va đập, mũ bảo hiểm, … [38,57,58]. Ngay tại Việt Nam, theo thống kê của Hiệp hội nhựa Việt Nam (VPA), lượng tiêu thụ PA6 cũng tăng lên hàng năm (bảng 1.2: Lượng nhựa PA6 nhập về Việt Nam trong một số năm Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Số lượng (tấn) 20603 42796 42000 46203 56237 62826 1.

Nhựa PC Nhựa PC được xem như polyeste của axit cacbonic với các nhóm –O-CO-O- trong các mắt xích. Nhựa nhiệt dẻo này được phát triển đầu tiên bởi hãng Bayer (Đức), có tên thương mại là LEXAN. PC được tổng hợp từ bisphenol A qua nhiều công đoạn và được tóm tắt như sau: 5 Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) và nhiệt độ nóng chảy (Tm) của PC lần lượt xấp xỉ 150 oC và 230 oC. PC có các tính chất nổi bật bao gồm độ trong suốt quang học cao, chịu va đập tốt hơn hầu hết các nhựa nhiệt dẻo khác.

Với độ cứng và độ bền rão cao cũng góp phần làm PC trở thành loại nhựa nhiệt dẻo kĩ thuật tốt cho các ứng dụng kết cấu. Trạng thái tự nhiên không kết tinh của PC có liên quan tới sự co ngót nhỏ trong quá trình đúc. Khả năng ổn định kích thước của các sản phẩm là tốt, cùng với sự hút ẩm rất nhỏ. Nhiều loại PC đặc biệt có giá trị về khả năng chống cháy [3].

Các aren, xăng có chỉ số octan cao, dẫn xuất halogen, este, xeton, amin, các bazơ mạnh, … có thể ảnh hưởng xấu tới tính chất của PC. PC bền với sự oxi hóa trong không khí tại nhiệt độ cao [3]. PC vẫn nhận được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các ngành công nghiệp. Hiện nay, đã có hơn 5800 bằng sáng chế và 3100 ấn phẩm liên quan đến PC [3,14,18,33,38,63].

Theo thống kê năm 2015, toàn thế giới sử dụng khoảng 4850000 tấn, tập trung chủ yếu tại các quốc gia công nghiệp phát triển (như Mỹ: 766 nghìn tấn (15,8%), Hàn Quốc: 534 nghìn tấn (11%), Nhật Bản: 485 nghìn tấn (10%), Đức: 485 nghìn tấn (10%), Trung Quốc: 582 nghìn tấn (12%). Ở trong nước, theo thống kê từ Hiệp hội nhựa Việt Nam (VPA), lượng PC nhập về cũng tăng dần theo các năm (bảng 1.3: Lượng nhựa PC nhập về Việt Nam trong một số năm Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Số lượng (tấn) 30050 35440 39064 51571 57443 61148 1. Đặc điểm của polyme blend Một trong những thành tựu quan trọng của khoa học và công nghệ vật liệu trong các năm qua là đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng có kết quả các vật liệu polyme trộn hợp, polyme tổ hợp. Vật liệu blend polyme với các polyme (và copolyme) kết hợp được nhiều các tính chất tốt của các polyme thành phần, vừa đáp ứng được các yếu tố kỹ thuật, đồng thời có sự hạ giá thành vật liệu.

Hơn nữa, khi thay đổi tỉ lệ các polyme thành phần và điều kiện chế tạo thì tính chất của vật liệu có thể 6 được điều chỉnh ở một dải khá rộng.