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

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu tổng hợp nanocomposite polystyrene montmorillonite biến tính bằng PEO qua phương pháp trùng hợp in situ.

• Tác giả: Lê Văn Khải
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Hà Thúc Huy
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano
• Đề tài: Tổng hợp nanocomposite trên cơ sở polystyrene/montmorillonite biến tính bằng PEO theo phương pháp trùng hợp in-situ
• 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
• 1.1.1. Tổng quan về vật liệu nanocomposite
• 1.1.2. Giới thiệu về Polystyrene và trường hợp nhũ tương
• 1.1.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu polymer/clay nanocomposite
• 1.1.4. Các nghiên cứu tổng hợp PS/MMT nanocomposite
• 1.1.5. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.1.5.1. Phân tích phương hướng cho đề tài
• 1.1.5.2. Mục tiêu của đề tài và phạm vi nghiên cứu
• 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 nanocomposite polystyrene montmorillonite biến tính bằng PEO

Nanocomposite là một loại vật liệu composite có ít nhất một chiều ở cấp độ nano. Trong nghiên cứu này, nanocomposite polystyrene-montmorillonite (PS/MMT) được biến tính bằng polyethylene oxide (PEO) nhằm cải thiện tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu. Việc kết hợp giữa polystyrene và montmorillonite tạo ra một cấu trúc nanocomposite với nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng chịu nhiệt tốt hơn và độ bền cao hơn so với vật liệu truyền thống.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của nanocomposite

Nanocomposite là loại vật liệu composite có cấu trúc nano, thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, điện tử và y tế. Chúng có khả năng cải thiện tính chất cơ học, nhiệt và điện, giúp mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

1.2. Tại sao chọn polystyrene và montmorillonite

Polystyrene là một loại polymer phổ biến với tính chất nhẹ và dễ chế tạo. Montmorillonite, một loại đất sét tự nhiên, có khả năng tăng cường tính chất cơ học và nhiệt cho nanocomposite. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có tính năng vượt trội.

II. Thách thức trong việc tổng hợp nanocomposite PS MMT biến tính bằng PEO

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tổng hợp nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc phân tán đồng đều montmorillonite trong polystyrene. Nếu không được phân tán tốt, tính chất của nanocomposite sẽ không đạt yêu cầu. Ngoài ra, việc kiểm soát tỷ lệ giữa các thành phần cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Vấn đề phân tán montmorillonite trong polystyrene

Phân tán montmorillonite trong polystyrene là một thách thức lớn. Nếu montmorillonite không được phân tán đều, nó có thể tạo ra các điểm yếu trong cấu trúc nanocomposite, làm giảm tính chất cơ học.

2.2. Kiểm soát tỷ lệ giữa các thành phần

Tỷ lệ giữa polystyrene, montmorillonite và PEO cần được kiểm soát chặt chẽ. Việc thay đổi tỷ lệ này có thể ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của nanocomposite, do đó cần có các phương pháp tối ưu hóa hợp lý.

III. Phương pháp tổng hợp nanocomposite PS MMT biến tính bằng PEO

Phương pháp tổng hợp nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO thường được thực hiện theo quy trình in-situ. Quy trình này cho phép montmorillonite được phân tán trong polystyrene trong quá trình polymer hóa, giúp cải thiện tính chất của vật liệu. Các bước chính bao gồm chuẩn bị dung dịch, trộn đều các thành phần và thực hiện quá trình polymer hóa.

3.1. Quy trình in situ trong tổng hợp nanocomposite

Quy trình in-situ cho phép montmorillonite được phân tán trong polystyrene trong quá trình polymer hóa. Điều này giúp cải thiện tính chất cơ học và nhiệt của nanocomposite.

3.2. Các bước chuẩn bị và thực hiện thí nghiệm

Các bước chuẩn bị bao gồm chuẩn bị dung dịch polystyrene và montmorillonite, sau đó trộn đều và thực hiện quá trình polymer hóa. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu về tính chất của nanocomposite PS MMT biến tính bằng PEO

Kết quả nghiên cứu cho thấy nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO có tính chất cơ học và nhiệt tốt hơn so với polystyrene thông thường. Các thử nghiệm cho thấy độ bền kéo và khả năng chịu nhiệt của nanocomposite này cao hơn đáng kể. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như xây dựng và điện tử.

4.1. Đánh giá tính chất cơ học của nanocomposite

Các thử nghiệm cho thấy nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO có độ bền kéo cao hơn so với polystyrene thông thường. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng montmorillonite đã cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu.

4.2. Khả năng chịu nhiệt của nanocomposite

Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO cho thấy khả năng chịu nhiệt tốt hơn, giúp mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tính chịu nhiệt cao.

V. Ứng dụng thực tiễn của nanocomposite PS MMT biến tính bằng PEO

Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như xây dựng, điện tử và y tế. Với tính chất vượt trội, vật liệu này có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm như màng chắn, vật liệu cách nhiệt và linh kiện điện tử. Sự phát triển của nanocomposite này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp.

5.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO có thể được sử dụng trong các ứng dụng xây dựng như vật liệu cách nhiệt và chống thấm. Tính chất chịu nhiệt và độ bền cao giúp cải thiện hiệu suất của các công trình.

5.2. Ứng dụng trong ngành điện tử

Với khả năng dẫn điện tốt, nanocomposite này có thể được sử dụng trong sản xuất linh kiện điện tử, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử.

VI. Kết luận và tương lai của nanocomposite PS MMT biến tính bằng PEO

Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO là một vật liệu hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất của nanocomposite mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật liệu nano. Tương lai của nanocomposite này rất sáng sủa, với khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

6.1. Tóm tắt những lợi ích của nanocomposite

Nanocomposite PS/MMT biến tính bằng PEO mang lại nhiều lợi ích như tính chất cơ học và nhiệt tốt hơn, khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

6.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện tính chất của nanocomposite, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp polymer toàn cầu chứng kiến bước nhảy vọt về sản lượng Polystyrene (PS) khi đạt mức 18 triệu tấn vào năm 2004 và chạm mốc ước tính 23 triệu tấn vào năm 2010. Nhờ các ưu điểm về độ nhẹ, khả năng gia công linh hoạt và chi phí gia công tối ưu, vật liệu PS chiếm tỷ trọng ứng dụng lớn trong đời sống, bao gồm 27.5% cho bao bì đóng gói, 12% cho vật dụng văn phòng phẩm, 9.1% cho linh kiện kết cấu và 7.1% cho vỏ bọc thiết bị điện tử. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của loại nhựa nhiệt dẻo vô định hình này là độ bền nhiệt kém và tính chất cơ lý hạn chế, khiến vật liệu dễ bị biến dạng dưới tác động của nhiệt độ và cơ lực kéo dài.

Nghiên cứu được triển khai nhằm mục tiêu giải quyết triệt để các nhược điểm trên thông qua việc tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite trên cơ sở Polystyrene gia cường bằng khoáng sét Montmorillonite (MMT). Đề tài tập trung khai thác chất biến tính thân thiện không ion Polyethylene oxide (PEO) với khối lượng phân tử 10.000 g/mol để nong rộng khoang phiến sét, kết hợp phương pháp trùng hợp in-situ trong hệ nhũ tương.

Phạm vi thực nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm trọng điểm chuyên ngành vật liệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, tiến hành so sánh hệ đối chứng giữa khoáng sét thương mại Montmorillonite-Na (N757 của Pháp) và khoáng sét tự nhiên Montmorillonite Lâm Đồng. Khảo sát được thực hiện ở các dải nồng độ organoclay từ 3% đến 11% khối lượng. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp gia tăng độ ổn định nhiệt từ 15°C đến 25°C, đồng thời nâng cao module cơ học trên 35%, mở ra tiềm năng thương mại hóa nguồn khoáng sét tự nhiên nội địa cho các ngành công nghiệp kỹ thuật cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nanocomposite polymer-layered silicate (PLS). Khoáng sét Montmorillonite (MMT) thuộc nhóm phyllosilicate 2:1, có cấu tạo gồm một lớp bát diện nhôm kẹp giữa hai lớp tứ diện silic, bề dày mỗi phiến khoảng 1 nm và chiều dài đạt từ 50 đến 150 nm. Bề mặt các phiến sét tích điện âm và chứa các cation bù trừ trong khoang với dung lượng trao đổi cation (CEC) đạt xấp xỉ 92 meq/100g sét.

Quá trình trùng hợp được giải thích bằng mô hình động học trùng hợp gốc tự do trong hệ nhũ tương của Harkins, Smith và Ewart thông qua 3 giai đoạn: tạo mầm trong micelle, phát triển hạt latex và tiêu thụ monomer cạn kiệt. Hệ vi nhũ tương chứa chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulfate (SDS) kết hợp Arkopal giúp tạo các micelle kích thước nhỏ dưới 10 nm, phân tán monomer styrene đồng nhất.

Bốn khái niệm cốt lõi làm chuẩn mực đánh giá cấu trúc gồm:

1. Composite thông thường (Conventional composite): Các hạt sét tồn tại dạng vi mô tổng hợp mà không có sự thâm nhập của mạch polymer.
2. Trạng thái xen lớp (Intercalated): Mạch polymer chui vào giữa các phiến sét làm tăng khoảng cách lớp d001 nhưng vẫn duy trì trật tự không gian.
3. Trạng thái bóc tách hoàn toàn (Exfoliated): Các phiến sét dày 1 nm bị tách rời hoàn toàn và phân tán ngẫu nhiên trong nền polymer, mang lại cơ tính tối ưu nhất.
4. Trạng thái bán bóc tách (Semi-exfoliated): Tồn tại các cụm vài phiến sét nhỏ đan xen trong nền polymer phân tán cao.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm sử dụng 10 gam khoáng sét tự nhiên MMT Lâm Đồng và N757 thương mại, biến tính cùng 5 gam PEO tan trong 800 ml nước cất ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ, sau đó ly tâm 3.500 vòng/phút trong 15 phút và sấy chân không ở 70°C. Phản ứng trùng hợp in-situ sử dụng 50 gam monomer styrene, 5 gam hexadecane, 1 gam SDS, 5 gam Arkopal, 0.05 gam Na2HPO4 và 0.05 gam chất khơi mào Potassium persulfate (KPS).

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 10 hệ mẫu chính, tương ứng với 5 mức hàm lượng organoclay (3%, 5%, 7%, 9%, 11% so với khối lượng monomer) trên cả hai loại khoáng sét N757 và MMT Lâm Đồng. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu phân tầng theo nồng độ nạp phụ gia để so sánh chính xác với mẫu PS nguyên sinh đối chứng.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học chặt chẽ:

• Phổ nhiễu xạ tia X (XRD/WXRD) trong vùng góc quét 2θ từ 1° đến 10° nhằm xác định sự dịch chuyển khoảng cách d001 và sự biến mất của đỉnh nhiễu xạ khi phiến sét bóc tách.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để quan sát trực tiếp hình thái học phiến nano trong cấu trúc mạng polymer.
• Phân tích nhiệt khối lượng (TGA/DTG) và nhiệt lượng quét vi sai (DSC) nhằm xác định chính xác nhiệt độ phân hủy Td và nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh Tg.
• Phân tích cơ nhiệt động (DMTA) để đo lường biến thiên của module tích trữ (E'), module tổn hao (E'') và hệ số tổn hao cơ học (tan delta).
• Sắc ký gel (GPC) xác định trọng lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán của chuỗi PS.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đem lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá về cấu trúc và tính chất của vật liệu:

Thứ nhất, kết quả phổ WXRD và ảnh chụp TEM xác nhận vật liệu đạt trạng thái bóc tách nano (exfoliation) tối ưu ở hàm lượng nạp 3% và 5% N757-PEO. Trên giản đồ WXRD góc hẹp, đỉnh nhiễu xạ đặc trưng d001 của khoáng sét biến mất hoàn toàn trong khoảng quét 2θ từ 1° đến 10°. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM thể hiện rõ các phiến khoáng sét đơn lẻ có độ dày khoảng 1 nm phân tán đồng nhất, không xảy ra hiện tượng kết tụ cục bộ.

Thứ hai, độ ổn định nhiệt của vật liệu nanocomposite gia tăng vượt bậc so với nền nhựa Polystyrene tinh khiết. Phân tích TGA ghi nhận nhiệt độ bắt đầu phân hủy (Td) của mẫu PS/5% N757-PEO tăng thêm 21°C so với PS nguyên sinh. Tốc độ tổn thất khối lượng cực đại tại đường đạo hàm nhiệt DTG cũng dịch chuyển về vùng nhiệt độ cao hơn từ 18°C đến 25°C.

Thứ ba, các thông số cơ nhiệt động (DMTA) và nhiệt lượng vi sai (DSC) cho thấy nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) của các mẫu chứa từ 3% đến 5% organoclay tăng khoảng 9°C đến 12°C. Module tích trữ (Storage Modulus E') ở trạng thái thủy tinh đo bằng DMTA ghi nhận mức tăng trưởng từ 38% đến 45% so với PS đối chứng, chứng minh khả năng kháng biến dạng cơ học xuất sắc của cấu trúc nano phân tán.

Thứ tư, khoáng sét Montmorillonite Lâm Đồng biến tính bằng PEO thể hiện khả năng tương thích cao, đạt trạng thái bán bóc tách đồng đều ở tỷ lệ nạp 5% đến 7%. Các chỉ số cải thiện nhiệt độ phân hủy và module đàn hồi của hệ vật liệu sử dụng MMT Lâm Đồng đạt tương đương 85% đến 90% so với hệ sử dụng khoáng sét N757 nhập ngoại.

Thảo luận kết quả

Cơ chế bóc tách thành công của khoáng sét trong nền Polystyrene bắt nguồn từ cấu trúc linh hoạt của phân tử PEO không ion. Chuỗi PEO với khối lượng phân tử 10.000 g/mol có độ dài mạch lớn, dễ dàng thâm nhập vào các khoang sét và làm suy yếu lực liên kết tĩnh điện giữa các phiến silicat. Khi monomer styrene khuếch tán vào khoang sét và tiến hành phản ứng trùng hợp in-situ, chuỗi polystyrene đang phát triển sẽ đẩy mạch PEO ra ngoài, làm bung tách hoàn toàn các phiến sét thành các lớp đơn nguyên phân tán trong khối latex.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng chất biến tính muối alkylammonium, phương pháp sử dụng PEO thể hiện tính ổn định cao hơn, hạn chế tối đa nguy cơ phân hủy nhiệt sớm của chất hoạt động bề mặt ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, khi hàm lượng organoclay vượt ngưỡng 7% lên đến 11%, module cơ tính và độ bền nhiệt có xu hướng giảm nhẹ do sự cản trở không gian, khiến các phiến sét khó phân tán đồng đều và xuất hiện một số cấu trúc xen lớp cục bộ.

Để trình bày trực quan các dữ kiện phức tạp này, dữ liệu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa qua bảng so sánh đa thông số (bao gồm tỷ lệ % organoclay, Td, Tg, Mw và module E') kết hợp biểu đồ đường biểu diễn sự biến thiên của module tích trữ E' và tan delta theo dải nhiệt độ quét từ -50°C đến 150°C. Cách tiếp cận trực quan này giúp người đọc nhận diện ngay điểm cực đại tối ưu của vật liệu tại mốc 3% - 5% chất độn nano.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa tỷ lệ nạp nano ở ngưỡng tối ưu: Các đơn vị gia công và chế tạo composite cần duy trì tỷ lệ phối trộn organoclay cố định trong khoảng 3% đến 5% khối lượng styrene. Đây là khoảng nồng độ đảm bảo đạt trạng thái bóc tách hoàn toàn (exfoliation), giúp tối ưu hóa 100% các chỉ số cơ nhiệt mà không gây lãng phí phụ gia hoặc suy giảm độ trong suốt của nhựa.
2. Nâng cấp quy trình tinh chế khoáng sét Lâm Đồng: Khuyến nghị các viện nghiên cứu và doanh nghiệp địa phương đầu tư hệ thống phân tuyển và đồng hóa ion cho bentonite Lâm Đồng trong lộ trình 12 tháng, mục tiêu nâng dung lượng trao đổi cation (CEC) từ mức hiện tại lên trên 90 meq/100g sét, tiệm cận tiêu chuẩn quốc tế để thay thế hoàn toàn nguồn phụ gia nhập khẩu.
3. Mở rộng quy mô phản ứng in-situ công nghiệp: Cần mở rộng quy mô tổng hợp từ hệ bình cầu phòng thí nghiệm (50 gam/mẻ) lên hệ phản ứng pilot dung tích từ 5 đến 10 kg/mẻ trong vòng 18 đến 24 tháng. Việc nâng cấp đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ tần số bể siêu âm công nghiệp và tốc độ khuấy cơ ở mức 600 đến 800 vòng/phút nhằm đảm bảo độ đồng nhất nhiệt lượng.
4. Triển khai ứng dụng sản xuất vỏ linh kiện kỹ thuật: Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử và bao bì chịu nhiệt nên ứng dụng ngay vật liệu PS/MMT-PEO vào dây chuyền ép phun. Việc thay thế này giúp nâng giới hạn chịu nhiệt của sản phẩm thêm 20°C, tăng tuổi thọ sử dụng lên 30% và cắt giảm ước tính 15% chi phí nguyên liệu so với việc sử dụng các dòng nhựa kỹ thuật đắt tiền khác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học Vật liệu, Hóa Polymer: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết, phương pháp luận nghiên cứu cấu trúc silicat lớp và hướng dẫn từng bước quy trình phân tích phổ XRD, TEM, DMTA chuẩn mực.
• Kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất nhựa và composite: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật cụ thể về phương pháp trùng hợp in-situ nhũ tương, công thức phối trộn PEO và kỹ thuật xử lý bề mặt khoáng sét ứng dụng trực tiếp vào dây chuyền sản xuất thực tế.
• Các đơn vị khai thác và chế biến khoáng sản tự nhiên: Tiếp cận quy trình công nghệ nâng cao giá trị thương phẩm cho khoáng sét bentonite Lâm Đồng, phục vụ định hướng phát triển sản phẩm công nghệ cao cho thị trường nội địa.
• Giảng viên và nhà khoa học chuyên ngành Hóa học và Vật liệu Nano: Sử dụng toàn bộ số liệu thực nghiệm, hệ thống bảng biểu và mô hình động học trùng hợp làm học liệu giảng dạy chuyên sâu cho các học phần Polymer nâng cao và Vật liệu lai nanocomposite.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nên dùng Polyethylene oxide (PEO) thay cho muối alkylammonium để biến tính sét? PEO là hợp chất cao phân tử không ion, tương tác với khoáng sét thông qua lực liên kết phối trí êm dịu, giúp chuỗi PS dễ dàng đẩy tách phiến sét trong quá trình in-situ. Hơn nữa, PEO có độ bền nhiệt cao hơn các muối alkylammonium bậc bốn, hạn chế nguy cơ phân hủy sớm khi gia công ở nhiệt độ trên 180°C.

2. Phương pháp trùng hợp in-situ có điểm gì vượt trội so với phương pháp trộn nóng chảy? Trùng hợp in-situ cho phép monomer styrene kích thước phân tử nhỏ thâm nhập sâu vào từng khoang sét trước khi phản ứng tạo polymer diễn ra. Quá trình phát triển mạch đại phân tử tự sinh bên trong khoang sẽ bóc tách hoàn toàn các phiến sét dày 1 nm, tạo trạng thái phân tán đồng đều vượt trội so với lực cắt cơ học của phương pháp trộn nóng chảy.

3. Tỷ lệ khoáng sét biến tính bao nhiêu là tối ưu nhất cho hệ nền Polystyrene? Hàm lượng organoclay tối ưu được xác định chính xác trong khoảng từ 3% đến 5% khối lượng so với styrene. Tại dải nồng độ này, vật liệu đạt trạng thái bóc tách hoàn toàn, module tích trữ E' tăng trên 38% và nhiệt độ phân hủy Td tăng thêm 21°C mà không làm giảm độ linh động của mạch polymer.

4. Khoáng sét Montmorillonite Lâm Đồng có khả năng thay thế sét ngoại nhập không? Kết quả thực nghiệm khẳng định MMT Lâm Đồng sau khi biến tính bằng PEO đạt hiệu quả gia cường cơ nhiệt tương đương 85% đến 90% so với MMT N757 thương mại của Pháp. Nếu được phân tuyển tinh sạch để nâng cao dung lượng CEC, nguồn khoáng nội địa này hoàn toàn có thể thay thế nguồn nhập khẩu.

5. Cần những kỹ thuật phân tích then chốt nào để khẳng định cấu trúc bóc tách nano? Hai phương pháp quyết định nhất là phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp (WXRD/SAXS) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Sự biến mất hoàn toàn của đỉnh nhiễu xạ d001 trên phổ WXRD ở vùng 2θ từ 1° đến 10°, kết hợp với hình ảnh các phiến sét đơn lẻ dưới 1 nm trên ảnh TEM, là bằng chứng khoa học khẳng định trạng thái bóc tách.

Kết luận

• Đề tài đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite trên cơ sở Polystyrene/Montmorillonite bằng phương pháp trùng hợp in-situ trong hệ nhũ tương với hiệu suất chuyển hóa cao.
• Khẳng định tính ưu việt của chất biến tính không ion Polyethylene oxide (PEO, Mw = 10.000 g/mol) trong việc mở rộng khoang sét và hỗ trợ bóc tách phiến nano triệt để.
• Xác lập nồng độ nạp tối ưu ở mức 3% đến 5% organoclay, giúp nâng cao nhiệt độ phân hủy thêm 21°C và gia tăng module cơ nhiệt động E' hơn 38%.
• Chứng minh thành công giá trị ứng dụng thực tiễn của nguồn khoáng Montmorillonite Lâm Đồng, mở ra tiềm năng tự chủ nguồn nguyên liệu nano silicat trong nước.
• Xây dựng quy trình tổng hợp an toàn, kiểm soát kích thước hạt latex đồng đều, tạo tiền đề vững chắc cho việc chuyển giao công nghệ ở quy mô bán công nghiệp.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo vật liệu polymer nanocomposite thân thiện môi trường với chi phí thấp. Trong kế hoạch phát triển tiếp theo từ 12 đến 24 tháng tới, nhóm nghiên cứu định hướng tối ưu hóa hệ phản ứng pilot quy mô 10 kg/mẻ và mở rộng thử nghiệm khả năng chống cháy, cản khí của màng vật liệu.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp công nghệ chế tạo vật liệu nano composite hiệu năng cao có thể liên hệ trực tiếp đơn vị nghiên cứu để trao đổi chuyên môn, tiếp nhận chuyển giao quy trình hoặc hợp tác phát triển ứng dụng thực 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 .17 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.46 vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.