Luận văn thạc sĩ về nanocomposite polystyrene montmorillonite biến tính bằng PEO

Luận văn thạc sĩ phân tích tổng hợp nanocomposite trên cơ sở polystyrene montmorillonite biến tính bằng peo theo phương pháp, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Người hướng dẫn: PGS.TS Hà Thúc Huy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano
• Đề tài: Nghiên cứu nanocomposite polystyrene montmorillonite biến tính bằng PEO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Vật liệu nanocomposite
• 1.2. Giới thiệu về Polystyrene và trường hợp nhũ tương
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu polymer/clay nanocomposite
• 1.4. Các nghiên cứu tổng hợp PS/MMT nanocomposite
• 1.5. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP PS/MMT NANOCOMPOSITE
• 2.1. Hệ phản ứng. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 2.3. Thực nghiệm
• 2.3.1. Biến tính đất sét bằng PEO
• 2.3.2. Tổng hợp polystyrene
• 2.3.3. Tổng hợp PS/MMT nanocomposite với các % organoclay khác nhau
• 2.4. Khảo sát tính chất của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kích thước hạt đất sét
• 3.2. Kết quả từ phổ XRD
• 3.3. Khảo sát cấu trúc các liên kết của clay, organoclay, PS/MMT qua FTIR
• 3.4. Khảo sát hình thái học của PS/MMT qua ảnh TEM, SEM
• 3.5. Xác định trọng lượng phân tử trung bình của PS
• 3.6. Ảnh hưởng hàm lượng đất sét lên độ chuyển hóa của phản ứng trường hợp
• 3.7. Khảo sát tính chịu nhiệt của vật liệu PS/MMT nanocomposite
• 3.8. Khảo sát tính chất cơ lý của PS/N757-PEO nanocomposite theo phương pháp cô-nhiệt động học (DMTA)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nanocomposite

Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu có ít nhất một pha có kích thước nanomet (dưới 100 nm) trong một ma trận polymer. Các thành phần chính của nanocomposite thường bao gồm một ma trận polymer và các chất gia cường như montmorillonite (MMT). Việc sử dụng montmorillonite trong nanocomposite giúp cải thiện các tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp montmorillonite với polymer như polystyrene (PS) có thể tạo ra các sản phẩm với tính chất vượt trội hơn so với polymer đơn thuần. Đặc biệt, nanocomposite có khả năng chống thấm khí và nhiệt tốt hơn, nhờ vào cấu trúc lớp của montmorillonite. Sự phân tán đồng đều của các lớp montmorillonite trong ma trận polymer là yếu tố quyết định đến hiệu suất của vật liệu. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa tỷ lệ giữa montmorillonite và polymer có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong tính chất cơ lý của nanocomposite.

1.1. Khái niệm về vật liệu nanocomposite

Vật liệu nanocomposite được định nghĩa là loại composite mà trong đó có ít nhất một pha có kích thước nanomet. Các pha này thường là các khoáng chất như montmorillonite được phân tán trong ma trận polymer. Sự kết hợp này không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn tăng cường khả năng chống thấm và độ bền nhiệt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng montmorillonite trong nanocomposite giúp tạo ra các sản phẩm có tính chất vượt trội hơn so với các loại polymer thông thường. Đặc biệt, nanocomposite có khả năng chống thấm khí và nhiệt tốt hơn, nhờ vào cấu trúc lớp của montmorillonite. Sự phân tán đồng đều của các lớp montmorillonite trong ma trận polymer là yếu tố quyết định đến hiệu suất của vật liệu.

II. Tính chất của vật liệu nanocomposite

Tính chất của nanocomposite phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại polymer, loại khoáng chất và phương pháp chế tạo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng polystyrene khi kết hợp với montmorillonite có thể tạo ra các sản phẩm với tính chất cơ học và nhiệt tốt hơn. Tính chất cơ học của nanocomposite thường được cải thiện nhờ vào sự tương tác giữa polymer và khoáng chất, giúp tăng cường độ bền và độ cứng. Ngoài ra, tính chất nhiệt của nanocomposite cũng được cải thiện, với nhiệt độ phân hủy cao hơn so với polymer đơn thuần. Việc sử dụng PEO (polyethylene oxide) trong quá trình chế tạo nanocomposite cũng góp phần nâng cao tính chất của vật liệu, giúp tăng cường khả năng phân tán của montmorillonite trong ma trận polymer. Điều này dẫn đến việc cải thiện đáng kể các tính chất vật lý và hóa học của nanocomposite.

2.1. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của nanocomposite được cải thiện đáng kể nhờ vào sự kết hợp giữa polystyrene và montmorillonite. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm montmorillonite vào polystyrene có thể làm tăng độ bền kéo và độ cứng của vật liệu. Sự tương tác giữa polymer và khoáng chất giúp tạo ra một mạng lưới liên kết chặt chẽ, từ đó nâng cao khả năng chịu lực của nanocomposite. Đặc biệt, việc sử dụng PEO trong quá trình chế tạo cũng giúp cải thiện tính chất cơ học, nhờ vào khả năng tăng cường sự phân tán của montmorillonite trong ma trận polymer. Điều này dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm có tính chất cơ học vượt trội hơn so với polymer đơn thuần.

III. Ứng dụng của nanocomposite

Vật liệu nanocomposite có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhờ vào tính chất vượt trội của nó. Trong ngành công nghiệp xây dựng, nanocomposite được sử dụng để sản xuất các vật liệu xây dựng nhẹ và bền hơn. Ngoài ra, trong ngành công nghiệp ô tô, nanocomposite giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của các linh kiện. Các ứng dụng khác bao gồm sản xuất bao bì, vật liệu cách nhiệt và các sản phẩm tiêu dùng. Việc sử dụng PEO trong chế tạo nanocomposite không chỉ giúp cải thiện tính chất vật lý mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới. Sự phát triển của công nghệ nano cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và phát triển các sản phẩm nanocomposite với tính năng đặc biệt, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

3.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Trong ngành xây dựng, nanocomposite được sử dụng để sản xuất các vật liệu nhẹ và bền hơn. Việc sử dụng montmorillonite trong nanocomposite giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng. Các sản phẩm từ nanocomposite có khả năng chống thấm và chịu nhiệt tốt, rất phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt. Sự kết hợp giữa polystyrene và montmorillonite tạo ra các vật liệu có tính chất vượt trội, giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả trong xây dựng. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của nanocomposite trong việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của các công trình xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, vật liệu nanocomposite dựa trên polymer/clay đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu polymer truyền thống. Theo ước tính, sản lượng polystyrene (PS) toàn cầu đạt khoảng 18 triệu tấn năm 2004 và dự kiến tăng lên 23 triệu tấn vào năm 2010, cho thấy nhu cầu ứng dụng rộng rãi của loại polymer này trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, PS có nhược điểm về độ bền nhiệt và khả năng phân hủy sinh học thấp, do đó việc cải thiện tính chất của PS thông qua pha gia cường bằng các loại đất sét như Montmorillonite (MMT) là cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nanocomposite dựa trên polystyrene và Montmorillonite biến tính bằng polyethylene oxide (PEO) theo phương pháp trùng hợp in-situ. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng organoclay đến cấu trúc và tính chất cơ lý, nhiệt của vật liệu nanocomposite PS/MMT. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp và đánh giá vật liệu tại phòng thí nghiệm Polymer, Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh trong năm 2008. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu polymer gia cường có tính năng vượt trội, phù hợp với xu hướng công nghiệp vật liệu nano hiện đại.

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 về vật liệu nanocomposite polymer/clay, trong đó:

• Vật liệu nanocomposite: Là composite có pha gia cường có kích thước ít nhất một chiều ở thang nanomet (dưới 100 nm), với polymer làm nền và các lớp đất sét Montmorillonite làm chất gia cường. Nanocomposite có ưu điểm về độ bền cơ học, nhiệt và khả năng chống thấm khí vượt trội so với polymer nguyên bản.

• Cấu trúc Montmorillonite (MMT): Là khoáng sét có cấu trúc lớp 2:1, mỗi lớp dày khoảng 1 nm, chiều dài từ 50 đến 300 nm, có khả năng trao đổi cation (CEC ~ 92 meq/100g). Việc biến tính MMT bằng các chất hoạt động bề mặt như polyethylene oxide (PEO) giúp tăng khả năng tương tác với polymer nền, tạo điều kiện cho quá trình phân tán và exfoliation lớp đất sét trong polymer.

• Phương pháp trùng hợp in-situ: Monomer styrene được phân tán trong khoang của organoclay biến tính, sau đó tiến hành trùng hợp trong môi trường nhũ tương với chất khơi mào potassium persulfate (KPS). Phương pháp này giúp tạo ra nanocomposite có cấu trúc exfoliated, tăng cường tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: exfoliation (phân tán hoàn toàn các lớp đất sét), intercalation (chen giữa các lớp đất sét), polymer latex, và các kỹ thuật phân tích như XRD, FTIR, TEM, SEM, DSC, DMTA, TGA.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và phân tích vật liệu nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO tại phòng thí nghiệm Polymer, Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm các mẫu nanocomposite với hàm lượng organoclay từ 3% đến 11% theo trọng lượng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• XRD (X-ray Diffraction): Xác định cấu trúc lớp đất sét, khoảng cách giữa các lớp (d001) và trạng thái phân tán trong polymer.
• FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy): Phân tích liên kết hóa học giữa polymer và đất sét biến tính.
• TEM (Transmission Electron Microscopy) và SEM (Scanning Electron Microscopy): Quan sát hình thái học, cấu trúc phân tán của nanocomposite.
• DSC (Differential Scanning Calorimetry) và DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analysis): Đánh giá tính chất nhiệt, nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg), mô đun đàn hồi.
• TGA (Thermogravimetric Analysis): Xác định nhiệt độ phân hủy (Td) và hàm lượng chất gia cường trong mẫu.

Quy trình tổng hợp gồm biến tính đất sét bằng PEO, trộn với styrene và các chất phụ gia, tiến hành trùng hợp in-situ trong môi trường nhũ tương với điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng được kiểm soát nghiêm ngặt. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, từ chuẩn bị nguyên liệu đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc nanocomposite: Qua phân tích XRD và TEM, các mẫu PS/MMT với hàm lượng organoclay từ 3% đến 7% đạt trạng thái sermi-exfoliation, thể hiện sự phân tán tốt của các lớp đất sét trong polymer. Khoảng cách giữa các lớp đất sét tăng lên đáng kể so với đất sét nguyên bản, chứng tỏ hiệu quả biến tính bằng PEO.

2. Ảnh hưởng hàm lượng organoclay đến tính chất nhiệt: Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) của nanocomposite tăng từ 86°C (PS nguyên bản) lên đến mức cao hơn khi hàm lượng organoclay tăng từ 1% đến 10%, với mức tăng tương ứng khoảng 5-10%. Nhiệt độ phân hủy (Td) cũng tăng khi hàm lượng organoclay tăng đến 5%, sau đó giảm nhẹ khi hàm lượng vượt quá 7%, cho thấy sự cân bằng giữa gia cường và sự phân tán của đất sét.

3. Tính chất cơ học và cơ lý: Phân tích DMTA cho thấy mô đun trích (E’) tăng đáng kể khi hàm lượng organoclay tăng từ 1% đến 5%, đạt đỉnh tại 5%, sau đó giảm nhẹ ở hàm lượng cao hơn. Điều này phản ánh sự gia tăng độ cứng và khả năng chịu lực của nanocomposite nhờ sự tương tác giữa polymer và đất sét biến tính.

4. So sánh giữa Montmorillonite N757 và Montmorillonite Lâm Đồng (MMTLĐ) biến tính bằng PEO: MMTLĐ-PEO cho kết quả phân tán và exfoliation tương đương hoặc tốt hơn so với N757-PEO, đồng thời cải thiện tính chất nhiệt và cơ lý của nanocomposite PS/MMT. Điều này mở ra khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu đất sét trong nước với hiệu quả kinh tế cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất vật liệu là do hiệu quả biến tính đất sét bằng PEO, giúp tăng tương tác giữa polymer và các lớp đất sét, tạo điều kiện cho quá trình phân tán và exfoliation. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về nanocomposite PS/MMT tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp in-situ trong môi trường nhũ tương.

So với các phương pháp biến tính truyền thống sử dụng muối alkylammonium, biến tính bằng PEO có ưu điểm là ít độc hại, thân thiện môi trường và tạo ra nanocomposite có cấu trúc phân tán tốt hơn. Các biểu đồ XRD thể hiện sự dịch chuyển đỉnh d001 về góc nhỏ hơn, chứng tỏ sự nở rộng khoảng cách lớp đất sét, trong khi ảnh TEM minh họa rõ ràng sự phân tán đều của các lớp đất sét trong ma trận polymer.

Tuy nhiên, khi hàm lượng organoclay vượt quá 7%, hiện tượng kết tụ và giảm hiệu quả gia cường xuất hiện, làm giảm tính chất nhiệt và cơ học. Do đó, việc kiểm soát hàm lượng và điều kiện tổng hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa tính năng vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hàm lượng organoclay: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng organoclay biến tính bằng PEO trong khoảng 3-7% để đạt trạng thái exfoliation tối ưu, nâng cao tính chất cơ lý và nhiệt của nanocomposite PS/MMT. Thời gian áp dụng: 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu polymer.

2. Phát triển nguồn nguyên liệu đất sét trong nước: Khuyến khích khai thác và biến tính Montmorillonite Lâm Đồng (MMTLĐ) để thay thế nguyên liệu nhập khẩu, giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp khai thác khoáng sản và viện nghiên cứu.

3. Ứng dụng phương pháp trùng hợp in-situ trong công nghiệp: Đề xuất chuyển giao công nghệ tổng hợp nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO theo phương pháp trùng hợp in-situ vào quy trình sản xuất công nghiệp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai: 2-3 năm, chủ thể là các nhà máy sản xuất vật liệu polymer.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng nanocomposite: Khuyến nghị nghiên cứu ứng dụng nanocomposite PS/MMT trong các lĩnh vực như bao bì, điện tử, vật liệu xây dựng để tận dụng tính năng vượt trội của vật liệu. Thời gian: 3-5 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu polymer và nanocomposite: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tổng hợp và phân tích nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu nano.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polymer: Thông tin về phương pháp tổng hợp và cải thiện tính chất vật liệu giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và mở rộng ứng dụng.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano: Tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp, phân tích và đánh giá vật liệu nanocomposite, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển công nghệ vật liệu nano, thúc đẩy ứng dụng công nghệ cao trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO có ưu điểm gì so với các phương pháp biến tính khác?
   Biến tính bằng PEO giúp tăng tương tác giữa polymer và đất sét, tạo cấu trúc exfoliation tốt hơn, nâng cao tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu. Đồng thời, PEO ít độc hại và thân thiện môi trường hơn so với muối alkylammonium truyền thống.

2. Phương pháp trùng hợp in-situ trong môi trường nhũ tương có điểm mạnh gì?
   Phương pháp này cho phép monomer styrene phân tán đều trong khoang organoclay, tạo điều kiện cho polymer hóa và phân tán đất sét hiệu quả, giúp nanocomposite đạt trạng thái exfoliation và tính chất vật liệu vượt trội.

3. Hàm lượng organoclay tối ưu trong nanocomposite là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy hàm lượng organoclay từ 3% đến 7% là tối ưu để đạt trạng thái phân tán tốt và cải thiện tính chất vật liệu. Hàm lượng vượt quá 7% có thể gây kết tụ, giảm hiệu quả gia cường.

4. Các kỹ thuật phân tích nào được sử dụng để đánh giá nanocomposite?
   Các kỹ thuật chính gồm XRD để xác định cấu trúc lớp đất sét, FTIR để phân tích liên kết hóa học, TEM và SEM để quan sát cấu trúc phân tán, DSC và DMTA để đánh giá tính chất nhiệt và cơ học, TGA để xác định nhiệt độ phân hủy.

5. Nanocomposite PS/MMT có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Nanocomposite này phù hợp cho các ứng dụng trong bao bì, điện tử, vật liệu xây dựng, thiết bị gia dụng và các sản phẩm cần tính năng cơ lý và nhiệt cao, đồng thời có thể mở rộng sang lĩnh vực y sinh và công nghệ sinh học.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO theo phương pháp trùng hợp in-situ, đạt trạng thái sermi-exfoliation với phân tán tốt của đất sét trong polymer.
• Hàm lượng organoclay tối ưu từ 3% đến 7% giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu, với Tg và Td tăng lên tương ứng.
• So sánh giữa Montmorillonite N757 và Montmorillonite Lâm Đồng biến tính bằng PEO cho thấy nguồn nguyên liệu trong nước có tiềm năng thay thế hiệu quả.
• Phương pháp trùng hợp in-situ trong môi trường nhũ tương được chứng minh là kỹ thuật hiệu quả, phù hợp cho sản xuất nanocomposite công nghiệp.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ nhằm phát triển vật liệu polymer gia cường chất lượng cao.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm vật liệu nano tiên tiến, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp vật liệu trong nước và quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HAØ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THAØNH PHOÁ TRƯỜNG ĐẠI HỌC COÂNG NGHỆ HOÀ CHÍ MINH PTN COÂNG NGHỆ NANO LEÂ VAÊN KHAÛI TOÅNG HÔÏP NANOCOMPOSITE TREÂN CÔ SÔÛ POLYSTYRENE/MONTMORILLONITE BIEÁN TÍNH BAÈNG PEO THEO PHÖÔNG PHAÙP TRUØNG HÔÏP IN-SITU Chuyeân ngaønh: Vật liệu vaø Linh kiện Nano (Chuyeân ngaønh ñaøo tạo thí điểm) LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ Ngöôøi hướng daãn khoa học: HAØ THUÙC HUY Thaønh phoá Hoà Chí Minh –Naêm 2008 i z MUÏC LUÏC Trang phuï bìa Trang Lôøi cam ñoan .ii Danh muïc caùc kyù hieäu, caùc chöõ vieát taét.iv Danh muïc caùc baûng. v Danh muïc caùc hình. v Lôøi caùm ôn .viii LÔØI NOÙI ÑAÀU .ix Chöông 1 TOÅNG QUAN VAØ MUÏC TIEÂU CUÛA ÑEÀ TAØI .1 Vaät lieäu nanocomposite .1 Toång quan veà vaät lieäu nanocomposite .3 Caùc loaïi polymer neàn .4 Phaân loaïi composite treân cô sôû polymer/clay .5 Caùc phöông toång hôïp polymer/clay nanocomposite .2 Giôùi thieäu veà Polystyrene vaø truøng hôïp nhuõ töông .1 Giôùi thieäu veà Polystyrene vaø caùc öùng duïng cuûa noù.2 Truøng hôïp nhuõ töông .3 Phöông phaùp nghieân cöùu vaät lieäu polymer/clay nanocomposite .4 Caùc nghieân cöùu toång hôùp PS/MMT nanocomposite .5 Muïc tieâu vaø phaïm vi nghieân cöùu cuûa ñeà taøi .1 Phaân tích phöông höôùng cho ñeà taøi .52 Muïc tieâu cuûa ñeà taøi vaø phaïm vi nghieân cöùu .36 Chöông 2 THÖÏC NGHIEÄM TOÅNG HÔÏP PS/MMT NANOCOMPOSITE .1 Hệ phản ứng.2 Hoùa chaát vaø thieát bò .2 Thiết bị thí nghieäm .3 Thöïc nghieäm .3 1 Bieán tính ñaát seùt baèng PEO.2 Tổng hợp polystyrene .3 Tổng hợp PS/MMT nanocomposite vôùi caùc %organoclay khaùc nhau 40 2.4 Khaûo saùt tính chaát cuûa vaät .43 ii z Chöông 3 KEÁT QUAÛ VAØ BAØN LUAÄN .1 Kích thöôùc haït ñaát seùt .2 Keát quaû töø phoå XRD.3 Khaûo saùt caáu truùc caùc lieân keát cuûa clay, organoclay, PS/MMT qua FTIR.4 Khaûo saùt hình thaùi hoïc cuûa PS/MMT qua aûnh TEM, SEM .5 Xaùc định troïng löôïng phaân töû trung bình cuûa PS .6 Ảnh hưởng haøm lượng đất seùt leân độ chuyển hoùa cuûa phaûn öùng truøng hôïp 58 3.7 Khaûo saùt tính chòu nhieät cuûa vaät lieäu PS/MMT nanocomposite 59 3.8 Khaûo saùt tính chaát cô lyù cuûa PS/N757-PEO nanocomposite theo phöông phaùp cô-nhieät ñoäng hoïc (DMTA) .65 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO. 68 iii z DANH MUÏC CAÙC KYÙ HIEÄU, CAÙC TÖØ VIEÁT TAÉT AIBN 2,2’-Azobisobutyronitrile BPO Benzoyl peroxide Clay Ñaát seùt CEC Cationic Exchange Capacity (khaû naêng trao ñoåi cation) CMC Critical Micelle Concentration (noàng ñoä micelle tôùi haïn) DSC Differential Scanning Calorimetry(nhieät luôïng queùt vi sai) DMA Dynamic mechanical themo analysis (phaân tích cô nhieät ñoäng) EDS Energy Dispersive Spectrometer (phaân tích thaønh phaàn vuøng heïp) E’ Storage modulu (modul trích) E’’ Loss modulus (modul thoaùt) FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy (phoå hoàng ngoaïi) GPC Gel Permeation Chromatography (saéc kyù gel) MMT Montmorillonite MMTLÑ Montmorillonite cuûa Laâm Ñoàng MMTLÑ-PEO Montmorillonite cuûa Laâm Ñoàng bieán tính baèng PEO N757 Teân thöông maïi cuûa ñaát seùt chöùa Montmorillonite-Na N757-PEO Ñaát seùt N757 bieán tính baèng PEO Organoclay Ñaát seùt bieán tính PS Polystyrene PS/MMT Nanocomposite treân nhöïa neàn Polystyrene duøng pha gia cöôøng Montmorilonite PEG Polyethylene glycol PEO Polyethylene oxide SEM Scanning Electron Microscope (kính hieån vi ñieän töû queùt) SAXS Small angle X-ray scattering: taùn xaï goùc heïp Td Nhieät ñoä phaân huûy Tg Nhieät ñoä thuûy tinh hoùa TGA Thermogravimetric Analysis (phaân tích nhieät- troïng löôïng) THF Tetrahydrofuran TEM Transmission Electron Microscop (kính hieån vi ñieän töû truyeàn qua) TX-405 Triton 405 VBTAC Ar-vinylbenzyl Trimethylammonium Chloride XRD X-ray Diffraction (nhieãu xaï tia X) WAXD Wide angle X-ray diffraction (nhieãu xaï tia X goùc roäng) iv z DANH MUÏC CAÙC BAÛNG Trang Baûng 1.1 Caùc loaïi ñaát seùt thoâng duïng .2 Troïng löôïng trung bình cuûa PS trong caùc maãu PS/MMT.1 Keát quaû xaùc ñònh troïng löôïng phaân töû trung bình baèng GPC .2 Ñoä chuyeån hoùa theo %organoclay .3 Nhieät ñoä phaân huûy Td cuûa caùc maãu PS/MMT .4 Nhieät ñoä thuûy tinh hoùa Tg cuûa caùc maãu PS/N757-PEO .61 DANH MUÏC CAÙC HÌNH Hình 1.1 AÛnh TEM cuûa caùc lôùp ñaát seùt phaân taùn trong neàn polymer .2 So saùnh hai loaïi macrocomposite vaø nanocomposite .3 AÛnh TEM cuûa Polypropylen/MMT nanocomposite .4 AÛnh SEM beà maët cuûa ñaát seùt Bentonite (Southern clay) .5 Minh hoïa söï trao ñoåi cation giöõa ñaát seùt vaø caùc chaát bieán tính.6 Haït bentonite khoaûng 8 µm coù treân moät trieäu lôùp ñaát seùt .7 Söï phaân taùn caùc lôùp ñaát seùt vaøo neàn polymer .8 Caáu truùc lôùp cuûa MMT.9 Minh hoïa caáu truùc lôùp cuûa ñaát seùt MMT.10 Caáu truùc cuûa caùc lôùp ñaát seùt khi phaân taùn trong neàn polymer .11 Bieán tính ñaát seùt baèng chaát hoaït ñoäng beà maët ion .12 Caùc daïng phaân boá daây alkylammonium trong khoang seùt .13 Khoaûng caùch hai lôùp ñaát seùt sau khi bieán tính baèng muoái alkylammonium 9 Hình 1.14 Khaû naêng nong khoang seùt theo chieàu daøi daây alkylammonium .15 Phöông phaùp bieán tính baèng chaát hoaït ñoäng beà maët khoâng ion .16 Daïng phaân boá daây PEO trong khoang ñaát seùt .17 Caùc daïng nanocomposite treân cô sôû polymer/MMT .18 Hai loaïi nanocomposite thöôøng taïo ra khi toång hôp polymer/clay .19 Minh hoïa caùc giai ñoaïn trong truøng hôïp in-situ .20 Cô cheá boùc taùch caùc lôùp ñaát seùt trong quaù trình ñan xen noùng chaûy .21 Caùc loaïi nanocomposite taïo ra trong quaù trình ñan xen noùng chaûy .22 Minh hoïa cô cheá cuûa phöông phaùp hoøa tan trong dung moâi .23 Söï phaân boá PS ôû caùc nöôùc chaâu AÙ .24 Phaân chia öùng duïng cuûa PS vaøo caùc muïc ñích khaùc nhau .25 Minh hoïa caùc öùng duïng cuï theå cuûa PS .26 Moâ hình truøng hôïp nhuõ töông .27 Caáu taïo chaát hoaït ñoäng beà maët vaø micelle .28 Chaát hoaït ñoäng beà maët taïo ra micelle.29 Caùc daïng micelle trong nöôùc .30 Minh hoïa caùc quaù trình xaûy ra ôû 3 giai ñoaïn khi truøng hôïp goác töï do .31 Minh hoïa cho giai ñoaïn 1 .32 Minh hoïa cho giai ñoaïn 2 .33 Minh hoïa cho giai ñoaïn 3 .34 Caùc quaù trình xaûy ra khi truøng hôïp PS baèng kyõ thuaät vi nhuõ töông .35 Truøng hôïp PS trong heä vi nhuõ töông coù organoclay .36 Minh hoïa phaûn öùng truøng hôïp PS/MMT trong heä vi nhuõ töông .37 Moâ hình cuûa XRD xaùc ñònh khoaûng caùch 2 lôùp ñaát seùt .38 Traïng thaùi cuûa nanocomposite qua phoå WXRD vaø aûnh TEM .39 Phoå IR cuûa organoclay .40 Phoå WXRD cuûa caùc maãu PS, PS/MMT, clay, organoclay .41 Giaûn ñoà DSC vôùi caùc nhieät ñoä Tg töông öùng cuûa caùc maãu PS.42 Giaûn ñoà TGA cuûa a) PS b) CLPS1 c) CLPS3 d) CLPS5 e) CLPS10 .43 AÛnh TEM cuûa CLPS5 öùng vôùi traïng thaùi sermi-exfoliation.44 Giaûn ñoà DMA cuûa PS/MMT vôùi caùc modul trích theo %MMT .45 AÛnh TEM cuûa PS/5.6%VDC-MMT ñaït exfoliation .46 Phoå WXRD cuûa cuûa caùc maãu PS/MMT .47 AÛnh TEM cuûa a) PS-TMOMMT b) PS-TMDMMT .48 Ñöôøng DSC cuûa a) PS , PS/TMOMMT vôùi %MMT: b)1% c) 2.49 Ñöôøng DTG cuûa a) PS, PS/TMOMMT vôùi %MMT: b)1% c) 2.50 DMA cuûa a) PS, PS/TMOMMT vôùi %MMT: b) 1% c) 2.51 Phoå WXRD cuûa organosaponite, PS-organosaponite, PS-saponite .52 AÛnh TEM theå hieän söï bao boïc caùc haït nanosaponite bôûi PS latex .53 AÛnh TEM cuûa caùc maãu PS/saponite ñöôïc bieán tính vaø khoâng bieán tính.1 Hệ phản ứng truøng hôïp PS/MMT nanocomposite.1 Söï phaân boá kích thöôùc haït cuûa N757 44 Hình 3.2 Söï phaân boá kích thöôùc haït cuûa MMTLÑ.3 Phoå WXRD cuûa N757 .4 Phoå WXRD cuûa MMTLÑ.5 Phoå XRD goùc heïp cuûa organoclay N757-PEO .6 Phoå XRD goùc heïp cuûa N757-PEO.7 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/3%N757-PEO .8 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/5%N757-PEO .9 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/7%N757-PEO .10 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/9%N757-PEO .11 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/11%N757-PEO .12 Phoå øXRD goùc heïp cuûa PS/3%MMTLÑ-PEO .13 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/5%MMTLÑ-PEO .14 Phoå XRD goùc heïp cuûa PS/7%MMTLÑ-PEO .15 Phoå XRD goùc heïp cuûa caùc maãu PS/MMT.16 Phoå FTIR cuûa MMTLÑ .17 Phoå FTIR cuûa MMTLÑ-PEO .18 Phoå FTIR cuûa PS/3%MMTLÑ-PEO.19 Phoå FTIR cuûa MMTLÑ, MMTLÑ-PEO, PS/MMTLÑ-PEO .20 AÛnh TEM cuûa PS/3%N757-PEO .21 AÛnh TEM cuûa maãu PS/5%N757-PEO 55 Hình 3.22 AÛnh TEM maãu PS/7%MMTLÑ-PEO.23 AÛnh SEM cuûa PS/5%MMTLÑ-PEO .24 Giaûn ñoà TGA cuûa PS/N757-PEO vôùi caùc %N757-PEO .25 Giaûn ñoà DTG cuûa PS/N757-PEO theo %N757-PEO .26 Giaûn ñoà DMTA cuûa tan delta (δ) vôùi caùc Tg töông öùng .27 Giaûn ñoà DMTA vôùi modul trích (E’) cuûa caùc maãu .28 Giaûn ñoà DMTA vôùi modul thoaùt (E’’) töông öùng %N757-PEO .29 Giaûn ñoà DSC cuûa caùc maãu PS/MMTLÑ-PEO .30 Phoå IR cuûa clay, organoclay, PS/MMT .31a GPC cuûa PS .31b GPC cuûa PS .32a GPC cuûa PS/3%N757-PEO .32b GPC cuûa PS/3%N757-PEO .33a GPC cuûa PS/5%N757-PEO .33b GPC cuûa PS/5%N757-PEO .34a GPC cuûa PS/7%N757-PEO .34b GPC cuûa PS/7%N757-PEO .35a GPC cuûa PS/3%MMT-PEO .35b GPC cuûa PS/3%MMT-PEO .36a GPC cuûa PS/5%MMT-PEO .36b GPC cuûa PS/5%MMT-PEO .80 vii z LÔØI CAÙM ÔN Toâi xin chaân thaønh caùm ôn caùc laõnh ñaïo cuûa Ñaïi hoïc Coâng ngheä (ÑHQGHN) vaø phoøng thí nghieäm Coâng ngheä Nano TPHCM, cuõng nhö PGS.TS Ñaëng Maäu Chieán, PGS.TS Nguyeãn Naêng Ñònh, nhöõng ngöôøi ñaõ ñöa Vaät lieäu vaø Linh kieän Nano thaønh moät chuyeân ngaønh chính thöùc ñeå hoâm nay coù caùc coâng trình ñöôïc baùo caùo.

Toâi cuõng xin chaân thaønh caùm ôn thaày PGS.TS Haø Thuùc Huy – moät ngöôøi thaày luoân taän taâm vôùi khoa hoïc nano – ñoàng thôøi laø thaày höôùng daãn toâi thöïc hieän ñeà taøi naøy. Thaày ñaõ taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi vaø coù caùc chæ daãn quan troïng khi toâi tieán haønh thöïc nghieäm, nhôø ñoù toâi môùi hoaøn thaønh ñeà taøi naøy. Cuoái cuøng toâi xin caùm ôn laõnh ñaïo Phoøng thí nghieäm Polymer (ÑH Khoa hoïc Töï Nhieân,TPHCM) cuõng nhö caùc anh, chò, em trong phoøng thí nghieäm ñaõ giuùp ñôõ toâi raát nhieàu trong thôøi gian toâi tieán haønh thöïc nghieäm taïi ñaây. Hoïc vieân thöïc hieän ñeà taøi Leâ Vaên Khaûi viii z LÔØI NOÙI ÑAÀU Söï phaùt trieån choùng maët cuûa coâng ngheä thoâng tin trong maáy naêm qua: chaïy ñua veà toác maùy tính, chaát löôïng saûn phaåm, sieâu nheï, sieâu moûng cuõng nhö söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä sinh hoïc, söï tieán boä cuûa nghaønh y hoïc trong vieäc chöõa caùc beänh ung thö, trong phaãu thuaät,….ñaït ñöôïc laø nhôø vaøo khoa hoïc vaø coâng ngheä nano maø baét ñaàu baèng vieäc nghieân cöùu vaø cheá taïo caùc vaät lieäu, linh kieän nano phuïc vuï cho cuoäc soáng caùch ñaây vaøi naêm.

Theá giôùi thay ñoåi töøng giôø, töøng ngaøy vaø ñaõ tieán moät böôùc xa hôn nöõa laø ñaõ ñi vaøo coâng ngheä nguyeân töû, phaân töû trong vaøi naêm gaàn ñaây. Theo döï ñoaùn cuûa caùc nhaø nghieân cöùu, vaät lieäu nano seõ trôû neân phoå bieán vaø öùng duïng trong moïi lónh vöïc cuûa ñôøi soáng trong moät töông lai khoâng xa. Cho neân nghieân cöùu vaø cheá taïo vaät lieäu nano laø caàn thieát vaø phuø hôïp vôùi xu höôùng phaùt trieån cuûa theá giôùi. Taïi Vieät Nam, vaät lieäu nano chæ môùi baét ñaàu ñöôïc nghieân cöùu, caàn coù nhieàu coâng trình coù chaát löôïng ñeå baét kòp theá giôùi trong lónh vöïc vaät lieäu nano cuõng nhö môû ñöôøng cho nhöõng nghieân cöùu tieáp theo.

Vaät lieäu polymer vaø composite laø loaïi vaät lieäu coù nhöõng öùng duïng roäng raõi nhaát trong moïi lónh vöïc cuûa ñôøi soáng vaø noù ñang thay theá daàn caùc loaïi vaät lieäu khaùc. Nanocomposite treân cô sôû polymer/clay ñaõ coù nhieàu öùng duïng thöïc teá cuï theå.