Luận văn thạc sĩ vnu uet nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn ppy clay nanocompozit luận văn ths hóa học 60 44 21

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn PPy clay nanocompozit.

• Tác giả: Ngô Cao Long
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đắc Nghĩa
• Trường học: Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Thụ Sóng Điện Từ Của Vật Liệu Polyme Dẫn PPy/Clay Nanocompozit
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Hóa học và công nghệ nano
• 1.1. Polyme dẫn thuần
• 1.1.1. Một số loại polyme dẫn thuần tiêu biểu
• 1.1.1.1. Polyanilin
• 1.1.1.2. Polypyrol
• 1.1.1.3. Một số polyme dẫn tiêu biểu khác
• 1.2. Polyme dẫn điện cấu trúc nano
• 1.2.1. Nano clay hữu cơ
• 1.2.1.1. Khoáng sét bentonit
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo vật liệu polypyrol clay nanocompozit
• 2.2. Dụng cụ phản ứng
• 2.3. Chế tạo mẫu lớp phủ màng acrylic
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
• 2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.4.3. Kính hiển vi điện tử
• 2.4.3.1. Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM)
• 2.4.3.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4.3.3. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
• 2.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (Thermal Gravimetric Analysis-TGA)
• 2.4.5. Phương pháp đo độ dẫn 4 mũi dò
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tính chất của bentonit tinh chế
• 3.1.1. Xác định kích thước hạt của Bentonit
• 3.1.2. Thành phần hoá học của Bentonit tinh chế
• 3.1.3. Diện tích bề mặt của bentonit
• 3.1.4. Độ trương nở của Bentonit
• 3.2. Nghiên cứu tính chất của polypyrol clay nanocompozit
• 3.2.1. Tính chất điện
• 3.2.2. Tính chất nhiệt
• 3.2.3. Nghiên cứu nhiễu xạ tia X
• 3.2.4. Nghiên cứu quang phổ FTIR
• 3.2.5. Nghiên cứu hình thái học của vật liệu PPy/clay nanocompozit
• 3.3. Khảo sát tính chất màng acrylic PPy/clay nanocompozit
• 3.3.1. Điện trở vuông của màng
• 3.3.2. Khảo sát độ bám dính màng sơn trên các chất liệu khác nhau
• 3.3.3. Khảo sát bề mặt màng sơn bằng kính hiển vi điện tử
• 3.4. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polypyrol clay nanocompozit
• 3.4.1. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ vào hàm lượng clay
• 3.4.2. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ vào độ dầy màng hấp thụ
• 3.4.3. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của màng sơn nanocompozit tại các dải tần khác nhau

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng hấp thụ sóng điện từ của PPy clay nanocompozit

Vật liệu polyme dẫn như PPy/clay nanocompozit đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ. Những vật liệu này không chỉ có tính dẫn điện tốt mà còn có khả năng hấp thụ sóng điện từ hiệu quả. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu các đặc tính của vật liệu này và ứng dụng của nó trong công nghệ hiện đại.

1.1. Đặc điểm của vật liệu polyme dẫn và nanocompozit

Vật liệu polyme dẫn như PPy có cấu trúc đặc biệt cho phép dẫn điện tốt. Khi kết hợp với khoáng sét, chúng tạo thành nanocompozit với tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ quân sự, viễn thông và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này sẽ giúp phát triển các giải pháp mới cho các vấn đề hiện tại.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu PPy clay nanocompozit

Mặc dù vật liệu PPy/clay nanocompozit có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Những vấn đề này bao gồm khả năng tương tác giữa các thành phần và độ ổn định của vật liệu trong môi trường thực tế.

2.1. Khó khăn trong việc chế tạo và tối ưu hóa vật liệu

Quá trình chế tạo vật liệu nanocompozit đòi hỏi kỹ thuật cao và điều kiện kiểm soát chặt chẽ. Việc tối ưu hóa tỷ lệ giữa PPy và clay là một thách thức lớn.

2.2. Đánh giá tính ổn định và hiệu suất của vật liệu

Tính ổn định của vật liệu trong các điều kiện khác nhau là một yếu tố quan trọng. Cần có các phương pháp đánh giá hiệu suất hấp thụ sóng điện từ để đảm bảo ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu PPy clay nanocompozit hiệu quả

Để tạo ra vật liệu PPy/clay nanocompozit, nhiều phương pháp chế tạo đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu mà còn đến khả năng hấp thụ sóng điện từ.

3.1. Phương pháp trùng hợp hóa học trong chế tạo PPy

Phương pháp trùng hợp hóa học là một trong những cách hiệu quả để tạo ra PPy. Quá trình này giúp kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.2. Kỹ thuật kết hợp clay vào PPy

Kỹ thuật kết hợp clay vào PPy cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo sự phân tán đồng đều và tối ưu hóa tính chất điện của nanocompozit.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ của PPy clay nanocompozit

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu PPy/clay nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt trong nhiều dải tần số khác nhau. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

4.1. Khả năng hấp thụ sóng điện từ tại các tần số khác nhau

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu này được khảo sát ở nhiều tần số khác nhau, cho thấy hiệu suất hấp thụ cao trong dải tần từ 5 GHz đến 12 GHz.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu trong công nghệ

Vật liệu PPy/clay nanocompozit có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như chế tạo vật liệu tàng hình, cảm biến và thiết bị điện tử, nhờ vào khả năng hấp thụ sóng điện từ hiệu quả.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu vật liệu PPy clay nanocompozit

Nghiên cứu về vật liệu PPy/clay nanocompozit đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu dẫn điện. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và giải pháp công nghệ mới.

5.1. Tương lai của vật liệu polyme dẫn trong công nghệ

Vật liệu polyme dẫn như PPy/clay nanocompozit có tiềm năng lớn trong việc phát triển các công nghệ mới, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và viễn thông.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực nanocompozit

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính chất của vật liệu, đồng thời khám phá thêm các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển bùng nổ của các thiết bị phát sóng radar quân sự và hệ thống viễn thông tần số cao trong thế kỷ 21 đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển vật liệu hấp thụ sóng điện từ hiệu năng cao. Theo các ước tính kỹ thuật quân sự, vật liệu hấp thụ sóng radar tiêu chuẩn cần đạt hiệu quả che chắn suy giảm phản xạ dưới -10 dB, tương đương mức hấp thụ trên 90% năng lượng sóng tới, và lý tưởng là đạt -20 dB để triệt tiêu tới 99% phản xạ radar. Tuy nhiên, các dòng vật liệu truyền thống như ferrite từ tính hay bột kim loại thường có khối lượng riêng lớn, dễ bị oxy hóa trong môi trường khắc nghiệt và khó gia công phủ màng.

Polyme dẫn điện có hệ liên hợp pi như polypyrrol mở ra giải pháp thay thế vượt trội nhờ trọng lượng nhẹ và độ dẫn điện tùy biến trong khoảng từ 10 đến 100 S/cm khi được pha tạp. Mặc dù vậy, polypyrrol nguyên chất lại không nóng chảy và kém bền nhiệt, bắt đầu phân hủy mạnh ở 320 độ C, gây nhiều trở ngại cho quá trình ứng dụng thực tế. Nhằm khắc phục hạn chế này, đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở polypyrrol kết hợp với khoáng sét montmorillonit tinh chế từ nguồn bentonit Tuy Phong, Bình Thuận. Mục tiêu trọng tâm là tạo ra hệ vật liệu lai hữu cơ - vô cơ có độ phân tán kích thước nanomet, nâng cao độ bền nhiệt lên trên 450 độ C, đồng thời duy trì độ dẫn điện ổn định ở mức 10 mũ trừ 2 S/cm.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong giai đoạn 2010 - 2011 tại Đại học Quốc gia Hà Nội, khảo sát khả năng suy giảm sóng vi ba trong hai dải tần số quan trọng là 5,0 - 6,5 GHz và 8,0 - 12,0 GHz với các màng phủ acrylic có độ dày từ 50 đến 200 micromet. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp chế tạo màng sơn hấp thụ sóng điện từ trọng lượng nhẹ, độ bám dính cao, phục vụ hiệu quả cho công nghệ tàng hình quân sự và bảo vệ chống nhiễu điện từ trong dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên sự tích hợp giữa lý thuyết dẫn điện trong polyme liên hợp, hóa lý chất hoạt động bề mặt khoáng sét và điện động lực học Maxwell. Cơ chế dẫn điện của polyme dẫn được giải thích thông qua mô hình chuyển động của các hạt mang điện polaron và bipolaron dọc theo mạch carbon liên hợp có liên kết pi xen phủ. Khi được pha tạp bằng tác nhân axit proton như axit dodexyl benzen sunfonic, mức năng lượng vùng cấm của polypyrrol được thu hẹp, cho phép điện tử dịch chuyển linh hoạt giữa các chuỗi phân tử.

Lý thuyết cấu trúc lớp của khoáng sét aluminosilicat dạng 2:1 đóng vai trò định hướng cho quá trình tổng hợp nanocompozit. Cấu trúc mạng tinh thể montmorillonit bao gồm một lớp bát diện nhôm oxit bị kẹp giữa hai lớp tứ diện silic oxit, với dung lượng trao đổi cation đạt từ 70 đến 150 mđl/100g. Sự có mặt của các ion kiềm như natri và kali trong vùng không gian giữa các lớp cho phép thực hiện quá trình trao đổi ion, mở rộng khoảng cách cơ bản d001 để các monome hữu cơ xâm nhập. Bên cạnh đó, hiệu quả che chắn sóng điện từ được lượng hóa theo hệ phương trình Maxwell, trong đó tổng suy hao che chắn được tạo thành từ tổn hao phản hồi và tổn hao hấp thụ phụ thuộc trực tiếp vào hằng số điện môi phức, độ từ thẩm và độ dày lớp vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu chính là khoáng sét bentonit tự nhiên Tuy Phong - Bình Thuận, được tinh chế để loại bỏ tạp chất thạch anh và khoáng nặng, thu được bột sét có diện tích bề mặt riêng BET đạt 61,8 m2/g, độ trương nở trong nước vượt trên 6 lần và trên 90% kích thước hạt tập trung ở kích thước 2 micromet. Quá trình tổng hợp polypyrrol/clay nanocompozit được thực hiện theo phương pháp trùng hợp oxy hóa hóa học in-situ. Monome pyrrol được chèn vào giữa các phiến sét montmorillonit trong môi trường huyền phù nước suốt 12 giờ, sau đó bổ sung chất pha tạp axit dodexyl benzen sunfonic 20% và chất oxy hóa amoni persunfat 20% theo tỷ lệ pyrrol/amoni persunfat là 1:1,25 ở nhiệt độ kiểm soát nghiêm ngặt 0 - 5 độ C trong 3 giờ.

Sản phẩm nanocompozit được rửa sạch bằng hỗn hợp cồn/nước tỷ lệ 1:1 và sấy chân không ở 80 độ C trong 24 giờ. Mẫu màng sơn acrylic được phối trộn với tỷ lệ 50g nanocompozit dạng paste trên 100g nhựa acrylic 50% khối lượng. Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn đồng bộ gồm: nhiễu xạ tia X trên máy Siemens D-5000 để xác định sự thay đổi khoảng cách lớp tinh thể; phổ hồng ngoại biến đổi Fourier trên thiết bị Nicolet IMPACT-410 nhằm nhận diện liên kết hóa học; hiển vi điện tử quét phân giải cao Hitachi S4800, hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM-1010 và hiển vi lực nguyên tử Agilent 5420 để phân tích hình thái bề mặt; phân tích nhiệt khối lượng TGA trên máy Shimadzu TGA-504 và đo độ dẫn điện bằng phương pháp 4 mũi dò chuẩn xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy khoảng cách không gian giữa hai lớp montmorillonit ban đầu của khoáng sét tinh chế d001 là 12,25 Angstrom tại góc quét 2 theta bằng 6 độ đã tăng lên 14,65 Angstrom trong mẫu nanocompozit. Mức tăng 2,40 Angstrom này chứng minh các mạch phân tử polypyrrol đã được trùng hợp thành công và xen kẽ trực tiếp vào khoảng giữa các phiến sét silicat. Phổ hồng ngoại FTIR tiếp tục củng cố nhận định này khi xuất hiện đầy đủ các đỉnh dao động đặc trưng của vòng pyrrol tại 1533 cm-1 đối với liên kết C=C, 1456 cm-1 và 1423 cm-1 đối với dao động biến dạng vòng, đồng thời bảo toàn dải hấp thụ Si-O mạnh ở cực đại 1035 cm-1 của khoáng sét.

Độ bền nhiệt của vật liệu được cải thiện rõ rệt dựa trên giản đồ phân tích nhiệt khối lượng TGA. Polypyrrol nguyên chất bắt đầu phân hủy nhiệt từ 320 độ C và tổn hao hơn 50% khối lượng tại 422,8 độ C trước khi cháy hoàn toàn ở 500 độ C. Ngược lại, mẫu polypyrrol/clay nanocompozit chỉ mất khoảng 2% khối lượng do thoát ẩm vật lý ở 100 độ C và duy trì cấu trúc bền vững đến tận 451,44 độ C mới bắt đầu phân hủy chuỗi polyme, tăng khả năng chịu nhiệt thêm hơn 131 độ C so với polyme nền.

Khảo sát tính chất điện bằng phương pháp 4 mũi dò cho thấy độ dẫn điện của vật liệu biến thiên có kiểm soát theo hàm lượng khoáng sét. Khi tỷ lệ sét tăng từ 0% lên 3%, 5%, 7% và 10%, độ dẫn điện giảm tương ứng từ 3,90 x 10 mũ trừ 2 S/cm xuống 3,73 x 10 mũ trừ 2 S/cm, 3,45 x 10 mũ trừ 2 S/cm, 2,57 x 10 mũ trừ 2 S/cm và 1,35 x 10 mũ trừ 2 S/cm. Ở hàm lượng sét dưới hoặc bằng 5%, độ dẫn điện suy giảm rất nhẹ, đảm bảo tính chất dẫn cần thiết cho quá trình tương tác sóng điện từ.

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của màng phủ sơn acrylic chứa 5% khoáng sét đạt giá trị tối ưu ở dải tần số 8,0 - 12,0 GHz. Khi tăng chiều dày lớp phủ từ 50 micromet lên 100, 150 và 200 micromet, độ suy giảm sóng phản xạ tăng mạnh từ khoảng -5 dB lên vượt ngưỡng -10 dB đến -18 dB, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn hấp thụ trên 90% năng lượng bức xạ sóng radar.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ bền nhiệt vượt bậc của nanocompozit xuất phát từ hiệu ứng chắn nhiệt và hạn chế khuếch tán của các phiến sét montmorillonit có kích thước nanomet. Khi phân tán đồng đều trong nền polyme, các phiến silicat vô cơ đóng vai trò như những bức tường ngăn cản sự chuyển khối của các sản phẩm phân hủy bay hơi và phân tán nhiệt lượng cục bộ. Dữ liệu này khi được mô hình hóa qua các đường cong phân tích nhiệt trọng lượng TGA thể hiện rõ sự dịch chuyển của điểm uốn nhiệt sang vùng nhiệt độ cao hơn.

Mối quan hệ giữa độ dẫn điện và hàm lượng khoáng sét phản ánh quy luật truyền dẫn điện tích qua mạng lưới hạt tiếp xúc. Khi hàm lượng khoáng sét cách điện vượt quá ngưỡng 5%, khoảng cách giữa các miền dẫn polypyrrol tăng lên, cản trở bước nhảy điện tử giữa các mạch phân tử. Kết quả này có thể biểu diễn trực quan qua đồ thị hàm lượng sét đối chiếu với độ dẫn điện, chỉ ra điểm uốn tối ưu tại 5% phụ gia khoáng sét.

So với các hệ vật liệu hấp thụ radar dựa trên hạt ferrite truyền thống vốn có tỷ trọng cao từ 4,5 đến 5,0 g/cm3, màng phủ nanocompozit polypyrrol/clay chỉ có khối lượng riêng xấp xỉ 1,2 đến 1,4 g/cm3, giúp giảm trên 65% tổng trọng lượng lớp phủ bề mặt. Hiệu ứng phân cực liên bề mặt giữa các phiến sét mang điện tích âm và chuỗi polypyrrol tích điện dương tạo nên các vi tụ điện tự nhiên, chuyển hóa hiệu quả năng lượng sóng điện từ thành nhiệt năng tiêu tán, đem lại khả năng hấp thụ vượt trội trong dải sóng vi ba X-band từ 8,0 đến 12,0 GHz.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn khoáng sét montmorillonit trong quá trình chế tạo polypyrrol/clay nanocompozit ở mức chuẩn 5% khối lượng. Tỷ lệ này giúp cân bằng hoàn hảo giữa độ dẫn điện 3,45 x 10 mũ trừ 2 S/cm và độ bền nhiệt 451,44 độ C, đảm bảo khả năng hấp thụ sóng điện từ đạt trên 90%. Các phòng thí nghiệm và cơ sở nghiên cứu vật liệu mới cần áp dụng công thức phối liệu này trong giai đoạn thử nghiệm kéo dài 3 đến 6 tháng tới.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình công nghệ trùng hợp in-situ ở quy mô pilot từ 50 đến 100 kg mỗi mẻ. Cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ phản ứng trong dải 0 - 5 độ C với tỷ lệ mol pyrrol/amoni persunfat duy trì ở mức 1:1,25 và thời gian khuấy tiếp xúc 3 giờ nhằm đạt hiệu suất chuyển hóa monome trên 95%. Doanh nghiệp sản xuất sơn kỹ thuật và hóa chất chuyên dụng nên chủ trì thực hiện trong khung thời gian 6 đến 12 tháng.

Thứ ba, hoàn thiện công nghệ tạo màng sơn acrylic nanocompozit đa lớp với chiều dày kiểm soát từ 150 đến 200 micromet trên các bề mặt vật liệu kim loại, composite và gỗ. Mục tiêu kỹ thuật cần đạt là độ bám dính màng sơn đạt cấp 1 theo tiêu chuẩn quốc gia và độ suy giảm sóng phản hồi đạt từ -12 dB đến -20 dB trong dải tần 8,0 - 12,0 GHz. Đơn vị kỹ thuật thuộc ngành công nghiệp hàng không và quân sự cần phối hợp triển khai thử nghiệm thực địa trong thời gian 12 tháng.

Thứ tư, đẩy mạnh khai thác và chế biến sâu nguồn tài nguyên khoáng sét bentonit tại mỏ Tuy Phong, Bình Thuận. Cần đầu tư dây chuyền tinh chế công nghiệp để nâng cao hàm lượng montmorillonit đạt trên 85%, đảm bảo độ trương nở trên 6 lần và diện tích bề mặt riêng đạt trên 60 m2/g. Đề nghị các cơ quan quản lý tài nguyên phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành thực hiện dự án chuẩn hóa nguyên liệu trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học thuộc chuyên ngành Hóa lý, Hóa học Polyme và Khoa học Vật liệu. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tổng hợp in-situ, dữ liệu phân tích phổ FTIR, giản đồ XRD, ảnh TEM, FE-SEM và cơ chế biến tính khoáng sét hữu cơ hóa phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất sơn kỹ thuật cao, chất phủ chống ăn mòn và vật liệu bảo vệ đặc chủng. Nhóm này có thể ứng dụng trực tiếp công thức phối trộn màng sơn acrylic nanocompozit để chế tạo các dòng sơn hấp thụ sóng vô tuyến, màng chắn khử tĩnh điện và sơn chịu nhiệt độ cao trên 400 độ C.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia kỹ thuật và cán bộ nghiên cứu trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ và viễn thông. Luận văn mang lại các thông số thực nghiệm giá trị về độ suy giảm sóng điện từ ở dải tần C-band và X-band, hỗ trợ thiết kế các lớp phủ ngụy trang radar cho khí tài quân sự và vỏ bọc thiết bị điện tử chống can nhiễu.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý dự án và doanh nghiệp hoạt động trong ngành khai khoáng và chế biến khoáng sản phi kim loại. Nội dung thực nghiệm giúp định hướng giải pháp gia tăng giá trị kinh tế cho nguồn bentonit tự nhiên của Việt Nam thông qua công nghệ chế biến tinh quặng sét nano phục vụ công nghiệp công nghệ cao.

Câu hỏi thường gặp

Polypyrrol/clay nanocompozit có ưu điểm gì vượt trội so với vật liệu ferrite truyền thống? Vật liệu nanocompozit này có khối lượng riêng chỉ khoảng 1,2 đến 1,4 g/cm3, nhẹ hơn khoảng 65% so với ferrite từ tính có khối lượng riêng từ 4,5 đến 5,0 g/cm3. Đồng thời, cấu trúc nano phân tán giúp màng phủ chống chịu tốt hiện tượng oxy hóa môi trường và dễ dàng phối trộn vào các hệ sơn acrylic thông dụng.

Tại sao hàm lượng khoáng sét 5% được đánh giá là tỷ lệ tối ưu trong cấu trúc vật liệu? Ở hàm lượng 5% khoáng sét, độ dẫn điện của vật liệu duy trì ở mức 3,45 x 10 mũ trừ 2 S/cm, chỉ giảm nhẹ so với polypyrrol nguyên chất là 3,90 x 10 mũ trừ 2 S/cm. Tỷ lệ này vừa đảm bảo mật độ hạt mang điện cho tổn hao điện môi, vừa gia tăng độ bền nhiệt lên 451,44 độ C mà không làm gián đoạn mạch dẫn.

Cơ chế nào giúp khoáng sét montmorillonit nâng cao độ bền nhiệt của polypyrrol thêm hơn 130 độ C? Các phiến sét kích thước nanomet phân tán xen kẽ tạo thành rào cản vật lý vững chắc ngăn chặn sự tiếp xúc của oxy và làm chậm quá trình khuếch tán các gốc tự do khi gia nhiệt. Do đó, điểm bắt đầu phân hủy nhiệt của hệ nanocompozit được nâng từ 320 độ C lên 451,44 độ C theo kết quả phân tích nhiệt TGA.

Màng phủ sơn acrylic chứa vật liệu nanocompozit hấp thụ hiệu quả nhất ở dải tần số nào? Màng sơn acrylic nanocompozit đạt hiệu quả hấp thụ sóng điện từ cao nhất trong dải tần số X-band từ 8,0 đến 12,0 GHz với chiều dày lớp phủ từ 150 đến 200 micromet. Tại dải tần này, độ suy giảm sóng phản xạ đạt từ -10 dB đến -18 dB, hấp thụ thành công trên 90% năng lượng bức xạ sóng radar.

Khoáng sét bentonit Tuy Phong có đặc tính gì nổi bật cho việc chế tạo nanocompozit? Bentonit Tuy Phong chứa chủ yếu các cation kiềm natri và kali liên kết giữa các lớp, mang lại độ trương nở trong nước cao vượt trên 6 lần và diện tích bề mặt riêng đạt 61,8 m2/g. Đặc tính này giúp các monome pyrrol dễ dàng xâm nhập và thực hiện phản ứng trùng hợp mở rộng khoảng cách d001 lên 14,65 Angstrom.

Kết luận

Luận văn đã đạt được các đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật thông qua năm nội dung cốt lõi sau:

• Làm chủ quy trình tinh chế và hữu cơ hóa khoáng sét bentonit Tuy Phong - Bình Thuận, nâng cao độ tinh khiết với diện tích bề mặt riêng đạt 61,8 m2/g và độ trương nở trên 6 lần.
• Tổng hợp thành công vật liệu polyme dẫn polypyrrol/clay nanocompozit bằng phương pháp trùng hợp oxy hóa hóa học in-situ với chất pha tạp axit dodexyl benzen sunfonic.
• Chứng minh cấu trúc xen lớp thông qua độ dãn khoảng cách tinh thể d001 từ 12,25 Angstrom lên 14,65 Angstrom trên giản đồ nhiễu xạ tia X.
• Nâng cao vượt bậc độ bền nhiệt của vật liệu từ 320 độ C lên đến 451,44 độ C, đồng thời kiểm soát độ dẫn điện ổn định ở mức 3,45 x 10 mũ trừ 2 S/cm tại tỷ lệ 5% khoáng sét.
• Ứng dụng chế tạo thành công màng sơn phủ acrylic có chiều dày 150 - 200 micromet với hiệu quả hấp thụ sóng radar vượt trên 90% ở dải tần số vi ba 8,0 - 12,0 GHz.

Kế hoạch phát triển tiếp theo định hướng hoàn thiện dây chuyền sản xuất thử nghiệm pilot và đánh giá độ bền thời tiết của màng phủ trên các phương tiện vận tải trong thời gian 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ được khuyến khích liên kết chuyển giao công nghệ để thương mại hóa dòng vật liệu hấp thụ sóng điện từ tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Từ khi được phát minh đến nay, polyme dẫn đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, mở ra một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực vật liệu. Các loại vật liệu polyme dẫn như polypyrol, polyanilin, polyphenylen, polythiophen. là những polyme có cấu trúc đôi liên hợp đã được nghiên cứu nhiều hơn cả. Vật liệu polyme dẫn đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như công nghệ điện tử tin học chế tạo các điôt phát quang làm các màn hình màu siêu mỏng, ứng dụng polyme dẫn làm vật liệu chống ăn mòn kim loại, làm vật liệu thông minh chế tạo các cảm biến (sensơ) hay chế tạo vật liệu hấp thụ sóng điện từ.

Nhưng nhược điểm của vật liệu polyme dẫn là rất khó tan trong các dung môi hữu cơ và không nóng chảy đã gây khó khăn cho quá trình gia công vật liệu. Khoa học vật liệu đã phát triển vượt bậc kể từ những phát minh về hệ thống vật liệu nanocompozit. Hệ nano là hệ gồm các hạt cực nhỏ có kích thước trong khoảng từ 0,1 - 100 nm, các đặc tính của nó khác với nguyên tử nhưng vẫn liên quan đến nguyên tử. Nanocompozit là lớp vật liệu đặc biệt xuất phát từ sự cấu thành phù hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu kích thước nano.

Vật liệu polyme dẫn clay nanocompozit được tạo thành từ quá trình trùng hợp cation xen giữa hai lớp montmorillonit trong khoáng sét và các monome như anilin, pyrol. Vật liệu mới này có triển vọng ứng dụng lớn trong nhiều ngành khoa học và công nghệ kỹ thuật cao. Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn polypyrol clay nanocompozit” tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu polyme dẫn, polyme dẫn clay nanocompozit, nghiên cứu tính chất điện, tính chất nhiệt, nghiên cứu cấu trúc, nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu này. Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 2 Khoa Hóa học CHƢƠNG I.

Hóa học và công nghệ nano Công nghệ nano được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực của khoa học và công nghệ, làm thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong thế kỷ 21. Khoa học và công nghệ nano đã có nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh vực như trong y dược, trong công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu mới, công nghệ thông tin, công nghệ điện tử viễn thông, công nghệ môi trường, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học quân sự và an ninh quốc phòng [4, 6]. Chính vì vậy khoa học và công nghệ nano đang là cuộc cách mạng khoa học và công nghệ trong thế kỷ này. Công nghệ nano được hiểu là kỹ thuật sử dụng những hạt kích thước từ 0,1 ÷ 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn toàn lý tính của vật liệu do hiệu ứng kích thước lượng tử.

Trong công nghệ nano có phương thức từ trên xuống dưới (top-down) có nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên trên (bottom-up) là lắp ghép những hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu được kích thước nano [4, 38]. Trong những năm gần đây phương thức được sử dụng là bottom- up mà hoá học polyme là một phương tiện quan trọng của phương thức này. Các phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nano có thể từ tổng hợp hoá học hay bằng những công đoạn đặc biệt để tạo nên vật liệu có cấu trúc nano. Những chất để chế tạo vật liệu cấu trúc nano có thể là thuần hữu cơ hay vô cơ hoặc cũng có thể sử dụng vật liệu compozit lai hỗn tính hữu cơ - vô cơ [6, 40].

Vật liệu có cấu trúc nano có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Người ta có thể phân tán vật liệu có cấu trúc nano trong môi trường khác hay phủ bọc lên nó một màng mỏng nano, được ứng dụng trong lọc quang học có độ chọn lọc cao, hay vật liệu cách nhiệt, vật liệu đoản nhiệt độ Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 3 Khoa Hóa học cứng cao, có độ rỗ xốp lớn hoặc làm các hệ giải phóng thuốc. Vật liệu có cấu trúc nano thể hiện đặc tính của vật liệu có diện tích bề mặt rất lớn. Với diện tích bề mặt lớn như vậy nó có thể được ứng dụng làm xúc tác, vật liệu lọc trong y dược, làm sensơ có thể cấy ghép vào cơ thể sống.

Trường hợp vật liệu cấu trúc nano có tính năng đặc biệt cũng được dùng trong môi trường lưu trữ thông tin và có khả năng sử dụng làm vật liệu quang, điện tử. Hiện tại trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp ôtô, công nghiệp điện tử, tin học các vật liệu cao phân tử, kim loại hay vật liệu vô cơ đang được sử dụng là chính và khi có yêu cầu tính năng nổi trội hơn thì vật liệu compozit kết hợp tương hỗ những điểm mạnh của chúng đang được ứng dụng từng phần. Tuy nhiên, do nhu cầu ngày càng tăng về những vật liệu có tính năng đặc biệt đòi hỏi phải có những giải pháp công nghệ mới. Một trong những giải pháp đó là công nghệ chế tạo vật liệu nano.

Loại vật liệu này có khả năng ứng dụng vào công nghệ hóa tinh vi, công nghệ sinh học và công nghệ điện tử tin học để chế tạo những linh kiện cỡ phân tử. Trong công nghệ nano, vật liệu nanocompozit có thể được chế tạo theo phương pháp sol-gel, nếu điều chỉnh được độ lớn của tướng phân tán xuống dưới mức nm thì nó trở nên trong suốt về mặt quang học vì vậy có khả năng ứng dụng làm nhiều loại vật liệu quang học và phạm vi ứng dụng này rất rộng [32, 38]. Polyme dẫn clay nanocompozit 1. Polyme dẫn thuần Những polyme dẫn thuần có độ dẫn ở khoảng giữa bán dẫn và kim loại.

Độ dẫn trong khoảng 10-8-10-6 S/cm. Tuy nhiên, những polyme dẫn này khi được pha tạp bằng những chất doping thì độ dẫn của nó cao hơn rất nhiều so với trạng thái cơ bản [11].1 cho biết độ dẫn tương đối của một số vật liệu điển hình. Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 4 Khoa Hóa học 108 106 VËt dÉn: kim lo¹i, Polyacetylen 104 ®ång b¹c, vµng 102 Polypyrrol 100 Polyanilin B¸n dÉn: 10-2 Polyphenylensunfide Germani, Silicon 10-4 10-6 C¸ch ®iÖn: 10-8 Nhùa chÞu nhiÖt 10-10 10-12 Polyetylen 10-14 Polypropylen,PVC 10-16 Polystyren, PTFE 10-18 S/cm Hình 1. Độ dẫn điện của một số chất tiêu biểu Khả năng dẫn điện của polyme dẫn thuần ở trạng thái nguyên chất rất thấp.

Giá trị này ở khoảng giữa chất cách điện và bán dẫn. Nhưng khi người ta pha tạp vào polyacetylen các chất kim loại kiềm, các chất radical anion bằng phương pháp điện hóa học hoặc khuếch tán AsF5-, SbF5-, kết quả đưa đến độ dẫn của polyacetylen tăng lên rất lớn, quá trình pha tạp này được gọi là quá trình doping. Đây là một phát minh quan trọng thúc đẩy nhanh việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng polyme dẫn. Trong trường hợp có chất doping độ dẫn của polyacetylen có thể đạt đến 106 S/cm.

Như vậy bằng phương pháp sử dụng doping thích hợp, người ta có thể chuyển đổi tính chất dẫn của vật liệu polyme theo yêu cầu sử dụng. Gần đây người ta sử dụng các chất doping loại proton axit như perclorat, persulfat, tricloro-metansunfonic. Các chất doping này đóng vai trò như chất tăng cường cho khả năng hoạt hóa điện tử từ trạng thái  *. Phân tử polyme có cấu trúc phẳng, mạch ngắn và độ kết tinh thấp thì có tính dẫn điện kém.

Trái lại, những polyme có độ kết tinh cao, mạch liên kết Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 5 Khoa Hóa học dài và có ít mạch nối nhánh thì khả năng dẫn điện lại cao hơn [2, 4]. Quá trình truyền dẫn điện tử gồm có: - Truyền dẫn điện tử trong nội phân tử polyme (Intramobility) - Truyền dẫn điện tử giữa các phân tử polyme (Intermobility) - Truyền dẫn điện tử giữa các sợi của vật liệu polyme (Inter - fibril mobility of a charge carrier) như mô phỏng ở hình 1. Với đặc thù cấu trúc của mạch polyme, độ dẫn điện trong polyme cao khi có những điều kiện về cấu trúc hoàn thiện sau: - Độ kết tinh trong mạch polyme cao - Độ định hướng tốt - Không có khuyết tật trong quá trình chế tạo (a) (c) (c) (a) Intramobility (b) (b) Intermobility (c) Inter - fibril mobility (a) of a charge carrrier (b) Hình 1. Quá trình truyền dẫn điện trong polyacetylen rắn (a) Quá trình truyền dẫn điện tử nội phân tử polyme (b) Quá trình truyền dẫn điện tử giữa các phân tử polyme (c) Quá trình truyền dẫn điện tử giữa các sợi của vật liệu polyme Cơ chế dẫn trong polyme dẫn thuần có cấu trúc mạch cacbon liên hợp (liên kết ) đã được nhiều tác giả đề cập đến và có nhiều cách lý giải khác nhau.

Nhưng nhìn chung đều tập trung lý giải theo cơ chế dẫn Polaron [2]. Theo lý thuyết Hóa hữu cơ cổ điển, các điện tử  được phân phối đều trên quỹ Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 6 Khoa Hóa học đạo phân tử (liên kết đồng hóa trị). Vì vậy các điện tử trở nên bão hòa và tính dẫn điện thấp (trạng thái 1). (1) Nhưng theo thuyết Peierl thì cấu trúc trên khó tồn tại và cấu trúc thật của mạch polyacetylen tồn tại như trạng thái 2, 3 (2) (3) Mối liên kết đôi và đơn có tính liên hợp nên khá bền vững giữa hai mức năng lượng liên kết hoá trị và miền dẫn có vùng cấm lớn.

Năng lượng cần thiết để điện tử vượt qua vùng cấm cao (0,7eV), nên ở trạng thái thường polyacetylen là vật cách điện (trạng thái cis - trans) hoặc ở vùng trung gian giữa vùng bán dẫn và cách điện (a). Trạng thái Polaron, Bipolaron, Soliton của PAc được doping Trong quá trình oxi hoá và khử, khi có mặt chất doping thì khả năng dẫn của polyacetylen cao hơn. Tính dẫn đột biến này được lý giải theo cơ chế Polaron (hình 1. Luận văn Thạc sỹ Ngô Cao Long LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 7 Khoa Hóa học 1.

Một số loại polyme dẫn thuần tiêu biểu 1. Polyanilin Polyanilin (PANi) là một trong những polyme dẫn tiêu biểu.