Luận văn thạc sĩ 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 kỹ thuật phân tích nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn ppy clay, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• 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 Nanocompozit Polyme Dẫn Ppy Clay
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• 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
• 1.2. Một số loại polyme dẫn thuần tiêu biểu
• 1.2.1. Polyanilin
• 1.2.2. Polypyrol
• 1.2.3. Một số polyme dẫn tiêu biểu khác
• 1.3. Polyme dẫn điện cấu trúc nano
• 1.4. Nano clay hữu cơ
• 1.4.1. 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 hóa 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 dày 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. Giới thiệu về nanocompozit polyme dẫn ppy clay

Nanocompozit polyme dẫn ppy clay là một loại vật liệu mới, được tạo thành từ sự kết hợp giữa polyme dẫn và khoáng sét. Vật liệu này không chỉ có tính dẫn điện tốt mà còn có khả năng hấp thụ sóng điện từ. Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit này được nghiên cứu nhằm tìm ra ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghệ điện tử, vật liệu tàng hình và bảo vệ môi trường. Việc nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và khả năng ứng dụng thực tiễn của nó trong các sản phẩm công nghệ cao.

1.1. Tính chất điện từ của nanocompozit

Tính chất điện từ của nanocompozit polyme dẫn ppy clay được xác định thông qua các phương pháp phân tích hiện đại như phổ hồng ngoại FT-IR và nhiễu xạ tia X. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi hàm lượng clay trong nanocompozit tăng lên, tính năng hấp thụ sóng điện từ cũng tăng theo. Điều này cho thấy rằng, việc tối ưu hóa tỉ lệ giữa polyme dẫn và khoáng sét là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong việc hấp thụ sóng điện từ.

II. Phương pháp chế tạo nanocompozit

Quá trình chế tạo nanocompozit polyme dẫn ppy clay bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị nguyên liệu đến quá trình trùng hợp. Các phương pháp chế tạo như trùng hợp hóa học và điện hóa học được áp dụng để tạo ra vật liệu với cấu trúc mong muốn. Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hạt có kích thước nano, giúp tăng cường tính chất của vật liệu. Việc sử dụng khoáng sét bentonit trong quá trình chế tạo không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý mà còn tăng cường khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit.

2.1. Quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo nanocompozit bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch polyme, thêm khoáng sét bentonit và thực hiện quá trình trùng hợp. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ giữa các thành phần cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng, việc tối ưu hóa quy trình chế tạo có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit.

III. Khả năng hấp thụ sóng điện từ

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit polyme dẫn ppy clay được đánh giá qua các thí nghiệm thực nghiệm. Các mẫu nanocompozit được chế tạo với các tỉ lệ khác nhau của clay và được thử nghiệm trong các dải tần số khác nhau. Kết quả cho thấy rằng, khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu này phụ thuộc vào hàm lượng clay và độ dày của lớp phủ. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu hấp thụ sóng điện từ hiệu quả hơn.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Nanocompozit polyme dẫn ppy clay có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ quân sự, chế tạo vật liệu tàng hình và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng vật liệu này trong các sản phẩm công nghệ cao không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu vật liệu này có thể dẫn đến những phát triển mới trong lĩnh vực vật liệu thông minh và công nghệ nano.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ nano, vật liệu polyme dẫn điện đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm với nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử, vật liệu thông minh và kỹ thuật quân sự. Theo ước tính, vật liệu polyme dẫn thuần có độ dẫn điện trong khoảng từ 10^-8 đến 10^-6 S/cm, tuy nhiên khi được pha tạp (doping) có thể tăng lên đến 10^6 S/cm, mở ra nhiều khả năng ứng dụng mới. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn polypyrol clay nanocompozit, một loại vật liệu mới được tổng hợp từ polypyrol và khoáng sét bentonit montmorillonit có kích thước nano.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển công nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit polypyrol/clay, khảo sát các tính chất điện, nhiệt, cấu trúc và đặc biệt là khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu này. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu clay thu được từ mỏ Tuy Phong, Bình Thuận, với các tỷ lệ pha trộn polypyrol và clay khác nhau, trong phạm vi thời gian nghiên cứu từ năm 2010 đến 2011 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp vật liệu mới có khả năng hấp thụ sóng điện từ hiệu quả, phục vụ cho các ứng dụng kỹ thuật cao như công nghệ tàng hình, chống nhiễu sóng rađa trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết dẫn điện trong polyme dẫn thuần: Cơ chế dẫn điện được giải thích qua mô hình Polaron, Bipolaron và Soliton, trong đó các điện tử π trong mạch cacbon liên hợp đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền dẫn điện tử nội phân tử và giữa các phân tử polyme.
• Mô hình cấu trúc khoáng sét montmorillonit (MMT): Cấu trúc lớp 2:1 của bentonit với các lớp tứ diện SiO4 và bát diện AlO6, khả năng trương nở và trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa các lớp, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu nanocompozit.
• Lý thuyết nanocompozit và công nghệ chế tạo: Phương pháp trùng hợp cation monome pyrol xen kẽ giữa các lớp MMT, tạo thành vật liệu nanocompozit có kích thước hạt nano, phân tán đều trong polyme nền.
• Nguyên lý hấp thụ sóng điện từ: Vật liệu hấp thụ sóng điện từ hoạt động dựa trên sự tổn hao năng lượng bức xạ thông qua thay đổi tổng trở, độ từ thẩm và hằng số điện môi, với hiệu quả che chắn (SE) được tính theo công thức liên quan đến tổn hao phản hồi và hấp thụ sóng.

Các khái niệm chính bao gồm: polyme dẫn điện, nanocompozit, bentonit montmorillonit, trùng hợp cation, hấp thụ sóng điện từ, hiệu quả che chắn (SE).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu polypyrol clay nanocompozit được chế tạo trong phòng thí nghiệm từ clay tinh chế lấy từ mỏ Tuy Phong, Bình Thuận và monome pyrol. Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

• Chế tạo vật liệu: Trộn monome pyrol với clay trong dung dịch huyền phù, trùng hợp cation bằng chất xúc tác amoni persunphat (APS) ở nhiệt độ 0-5°C, tạo thành polypyrol clay nanocompozit với các tỷ lệ clay từ 0% đến 10%.
• Chế tạo mẫu phủ màng acrylic: Trộn sản phẩm nanocompozit với sơn acrylic, phủ lên các bề mặt khác nhau và sấy khô để tạo màng sơn nanocompozit.
• Phân tích và khảo sát: Sử dụng các phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM), truyền qua (TEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), phân tích nhiệt khối lượng (TGA), và đo độ dẫn điện bằng phương pháp 4 mũi dò.
• Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ: Đo cường độ sóng điện từ bị hấp thụ ở các dải tần số khác nhau, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng clay và độ dày màng phủ đến hiệu quả hấp thụ.

Cỡ mẫu vật liệu được chuẩn bị với các tỷ lệ clay khác nhau (0%, 3%, 5%, 7%, 10%) để đánh giá ảnh hưởng của thành phần đến tính chất vật liệu. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn tỷ lệ clay theo từng mức để so sánh. Phân tích dữ liệu sử dụng các thiết bị chuyên dụng tại các viện nghiên cứu trong nước, đảm bảo độ chính xác và tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất điện của polypyrol clay nanocompozit: Độ dẫn điện giảm khi tăng hàm lượng clay. Cụ thể, mẫu không chứa clay có độ dẫn 3,90×10^-2 S/cm, trong khi mẫu 10% clay chỉ còn 1,35×10^-2 S/cm, giảm khoảng 65%. Hàm lượng clay ≤ 5% chỉ làm giảm nhẹ độ dẫn, nhưng khi vượt quá 5% thì độ dẫn giảm mạnh.

2. Tính chất nhiệt: Phân tích TGA cho thấy clay tinh chế mất nước hấp thụ vật lý khoảng 11,6% ở 60-178°C. Polypyrol phân hủy trên 50% ở 422,8°C và hoàn toàn ở 500°C. Nanocompozit PPy/clay bền hơn, phân hủy bắt đầu ở 451,44°C, tăng khoảng 30°C so với polypyrol thuần, cho thấy sự cải thiện tính ổn định nhiệt nhờ clay.

3. Cấu trúc vật liệu: Nhiễu xạ tia X xác định khoảng cách giữa các lớp montmorillonit tăng từ 12,25 Å (clay tinh chế) lên 14,65 Å trong nanocompozit, chứng tỏ polypyrol đã xâm nhập và đẩy lớp clay ra xa hơn. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức đặc trưng của clay và polypyrol trong nanocompozit.

4. Khả năng hấp thụ sóng điện từ: Màng acrylic trộn nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ cao, đặc biệt ở dải tần 5,0-6,5 GHz và 8,0-12,0 GHz. Cường độ sóng bị hấp thụ tăng theo hàm lượng clay và độ dày lớp phủ, với hiệu quả hấp thụ đạt trên 90% khi tổn hao phản hồi ≤ -20 dB và tổn hao hấp thụ ≤ -9 dB.

Thảo luận kết quả

Việc giảm độ dẫn điện khi tăng hàm lượng clay là do clay không dẫn điện, làm gián đoạn mạng dẫn điện của polypyrol. Tuy nhiên, sự giảm này không quá lớn ở hàm lượng clay thấp, cho phép cân bằng giữa tính dẫn và tính ổn định cơ lý. Sự gia tăng nhiệt độ phân hủy nanocompozit so với polypyrol thuần cho thấy clay đóng vai trò như chất ổn định nhiệt, làm chậm quá trình phân hủy vật liệu.

Khoảng cách lớp montmorillonit tăng lên trong nanocompozit chứng minh hiệu quả của phương pháp trùng hợp cation trong việc xen kẽ polypyrol vào giữa các lớp clay, tạo nên cấu trúc nano đồng nhất. Kết quả phổ FT-IR hỗ trợ cho sự tương tác hóa học giữa polypyrol và clay.

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit được cải thiện rõ rệt so với polypyrol thuần, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu hấp thụ sóng rađa. Việc tăng hàm lượng clay và độ dày lớp phủ làm tăng hiệu quả hấp thụ, điều này có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng clay, độ dày và cường độ sóng hấp thụ.

So với các vật liệu hấp thụ sóng điện từ truyền thống như ferrit, nanocompozit polypyrol/clay có ưu điểm nhẹ, bền nhiệt và dễ gia công, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật cao như tàng hình quân sự.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hàm lượng clay trong nanocompozit: Khuyến nghị duy trì hàm lượng clay trong khoảng 3-5% để cân bằng giữa độ dẫn điện và khả năng hấp thụ sóng điện từ, đảm bảo hiệu quả sử dụng và tính ổn định vật liệu. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

2. Phát triển công nghệ phủ màng đa lớp: Áp dụng kỹ thuật phủ nhiều lớp màng acrylic trộn nanocompozit để tăng độ dày lớp phủ, nâng cao hiệu quả hấp thụ sóng điện từ trên các bề mặt vật liệu khác nhau. Thời gian: 1 năm, chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

3. Nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và công nghiệp: Thử nghiệm vật liệu trên các thiết bị tàng hình, lưới ngụy trang và lớp phủ chống nhiễu sóng rađa, đánh giá hiệu quả thực tế và độ bền trong môi trường khắc nghiệt. Thời gian: 2 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu quốc phòng và công nghiệp.

4. Mở rộng nghiên cứu với các loại polyme dẫn khác: Khảo sát khả năng kết hợp clay với các polyme dẫn khác như polyanilin, polythiophen để đa dạng hóa vật liệu nanocompozit, nâng cao tính năng và mở rộng ứng dụng. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và polyme dẫn: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về công nghệ chế tạo và tính chất vật liệu nanocompozit, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

2. Chuyên gia công nghệ vật liệu trong lĩnh vực quốc phòng: Thông tin về khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit giúp thiết kế vật liệu tàng hình, chống rađa hiệu quả.

3. Kỹ sư phát triển sản phẩm công nghiệp sơn và phủ bề mặt: Nghiên cứu về công nghệ phủ màng acrylic trộn nanocompozit và ảnh hưởng của thành phần đến tính năng vật liệu có thể ứng dụng trong sản xuất.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành hóa học vật liệu và công nghệ nano: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích và ứng dụng vật liệu nanocompozit trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu polypyrol clay nanocompozit có ưu điểm gì so với polyme dẫn thuần?
   Polypyrol clay nanocompozit có tính ổn định nhiệt cao hơn, khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt hơn và dễ gia công hơn do sự kết hợp với clay, trong khi polyme dẫn thuần thường khó tan và không nóng chảy.

2. Tại sao hàm lượng clay ảnh hưởng đến độ dẫn điện của nanocompozit?
   Clay không dẫn điện nên khi tăng hàm lượng clay, mạng dẫn điện của polypyrol bị gián đoạn, làm giảm độ dẫn điện tổng thể của vật liệu.

3. Phương pháp trùng hợp cation có vai trò gì trong chế tạo nanocompozit?
   Phương pháp này giúp monome pyrol xâm nhập và trùng hợp xen kẽ giữa các lớp montmorillonit, tạo cấu trúc nanocompozit đồng nhất với tính chất vật liệu cải thiện.

4. Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit được đo như thế nào?
   Sử dụng thiết bị đo cường độ sóng điện từ ở các dải tần số khác nhau, đánh giá tổn hao phản hồi và hấp thụ sóng, từ đó tính hiệu quả che chắn (SE) của vật liệu.

5. Ứng dụng thực tế của vật liệu này trong kỹ thuật tàng hình là gì?
   Vật liệu có thể được sử dụng làm lớp phủ trên máy bay, tàu chiến hoặc thiết bị quân sự để hấp thụ sóng rađa, giảm phản hồi và tăng khả năng tàng hình.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu polypyrol clay nanocompozit với cấu trúc nano đồng nhất, tăng khoảng cách lớp montmorillonit từ 12,25 Å lên 14,65 Å.
• Vật liệu nanocompozit có độ dẫn điện giảm khi tăng hàm lượng clay, nhưng tính ổn định nhiệt được cải thiện rõ rệt, phân hủy muộn hơn polypyrol thuần khoảng 30°C.
• Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit đạt hiệu quả cao, đặc biệt ở dải tần 5-12 GHz, với hiệu quả hấp thụ trên 90% khi tổn hao phản hồi và hấp thụ đạt mức tiêu chuẩn.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp thụ sóng điện từ nhẹ, bền nhiệt, dễ gia công, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật cao trong quốc phòng và công nghiệp.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hàm lượng clay, phát triển công nghệ phủ màng đa lớp và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực quân sự và công nghiệp trong giai đoạn 1-3 năm tới.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và chuyên gia công nghệ vật liệu tiếp tục khai thác tiềm năng của vật liệu nanocompozit polypyrol/clay để phát triển các sản phẩm công nghệ cao, góp phần nâng cao năng lực khoa học công nghệ trong nước.

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 z 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 z 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 z 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 z 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 z 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 z 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. Nó được tổng hợp từ anilin bằng phương pháp trùng hợp oxi hóa hóa học và điện hóa học [24].