CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan vật liệu composite 1. Giới thiệu vật liệu composite Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các thành tựu của khoa học đã mang đến cho con người nhiều tiện nghi trong cuộc sống. Trong đó vật liệu composite được xem là bước tiến mới trong khoa học vật liệu.
Vật liệu composite là vật liệu được tổ hợp từ hai thành phần trở lên có bản chất khác nhau. Vật liệu tạo thành có tính chất vượt trội hơn tính chất của các vật liệu thành phần khi xét riêng lẻ. Hai thành phần chính của vật liệu composite bao gồm hai thành phần chính là vật liệu nền (pha liên tục) và vật liệu gia cường (pha gián đoạn) (hình 1. Hai thành phần này phải có bản chất khác nhau, khi kết hợp lại không tan lẫn vào nhau và không xảy ra phản ứng hoá học.
Thành phần vật liệu composite Vật liệu nền có vai trò kết dính, đồng thời tạo môi trường phân tán để kết nối và phân tán đều vật liệu gia cường trên toàn bộ thể tích. Vật liệu nền giúp bảo vệ vật liệu gia cường khỏi bị hư hại do những tác động từ môi trường. Bên cạnh đó, vật liệu nền đóng vai trò truyền ứng suất sang vật liệu gia cường khi có ngoại lực tác động, song song đó có khả năng phân bố lại khả năng chịu tải của vật liệu khi một phần vật liệu gia cường bị đứt gãy. Vật liệu nền giúp tạo nên bề mặt cho vật liệu composite, đóng góp những tính chất cần thiết như khả năng chịu nhiệt, bền với môi trường, chịu hoá chất,… Vật liệu gia cố (hay còn gọi là vật liệu gia cường) thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền, điều này đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng, độ bền kéo đứt, độ bền va đập,… cải thiện hơn.
Khả năng truyền tải trọng từ vật liệu nền sang vật liệu gia cường 1 phụ thuộc: vật liệu nền, vật liệu gia cường, sự kết dính tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu nền và vật liệu gia cường. Cơ chế gia cường được hiểu như sau: dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu gia cường sẽ là những điểm chịu ứng suất tập trung do vật liệu nền truyền sang [1]. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu, thay thế nhiều vật liệu truyền thống trong đời sống và sản xuất. Composite đã cải thiện nhiều tính chất, nhược điểm của các loại vật liệu cũ như: Vật liệu nhẹ nhưng cứng, chịu va đập, có độ uốn, chịu kéo tốt, khả năng chịu va đập cao, không bị gỉ sét, chống ăn mòn.
Có khả năng chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hóa, chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy, chịu ma sát, cường độ lực cao, nhiệt độ cao. Dễ tạo hình thiết kế, có nhiều công nghệ sản xuất, quá trình sản xuất không phức tạp. Với những ưu điểm vượt trội của mình, cùng với sự phát triển của công nghệ polymer, vật liệu composite phát triển không ngừng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: vật dụng gia đình, xây dựng, sản xuất,. Giới thiệu vật liệu nanocomposite 1.
Vật liệu nanocomposite Tương tự vật liệu composite, vật liệu nanocomposie cũng gồm 2 thành phần cơ bản, là chất nền và vật liệu gia cố, nhưng các vật liệu gia cố này có kích thước dưới 100 nm. Ngoài ưu điểm cơ bản, đặc trưng của thành phần thì nanocomposite còn có cơ tính rất tốt do kích thước bề mặt của chất gia cường rất nhỏ, mang lại hiệu quả tương tác cao. Thông thường vật liệu nanocomposite được phân loại dựa vào kích thước: Loại 1: là loại hạt gia cường có cả ba chiều đều có kích thước là nanomet, thường là các loại hạt. Loại 2: là loại gia cường có hai chiều có kích thước nano, chiều thứ ba có kích thước lớn hơn, thường là các sợi nano.
2 Loại 3: là loại gia cường chỉ có một chiều có kích thước nano. Chúng thường ở dạng phiến, với chiều dày là kích thước nano, còn dài và rộng lên đến hàng tram hoặc hàng nghìn nano. So với vật liệu composite truyền thống thì nanocomposite có những ưu điểm như sau: Vật liệu nano gia cường rất hiệu quả do kích thước nhỏ dẫn đến sự cải thiện đáng kể tính chất của chất nền, chỉ một lượng nhỏ gia cường đã có thể nâng cao tính chất của vật liệu. Điều này giúp nanocomposite trở nên nhẹ hơn, và giá thành cũng thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng tốt.
Sự chuyển ứng suất từ nền sang chất độn hiệu quả hơn là do diện tích bề mặt lớn và khả năng bám dính bề mặt phân cách pha tốt [2]. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite Nanocomposite có thể được tổng hợp theo một số phương pháp tuỳ vào cách thưc kết hợp giữa hai pha vô cơ và hữu cơ. Cho tơi nay, người ta đưa ra ba phương pháp chính để chế tạo nanocomposite, bao gồm phương pháp trộn hợp, phương pháp sol-gel và phương pháp trùng hợp in-situ. Phương pháp trộn hợp: phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các vật liệu gia cường nano vào trong nền polyme.
Quá trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch hay ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong quá trình trộn hợp là phân tán các phần từ nano vào trong nền polyme một cách hiệu quả. Phương pháp sol -gel: phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng các phân tử alcoxide kim loại có công thức M(OR)4, dẫn đến việc hình thành polyme có mạng liên kết M-O-M, ví dụ như Si-O-Si. Phương pháp sol-gel cho phép đưa phân từ hữu cơ R’ có dạng R’n M(OR)4-n vào trong mạnh vô cơ để tạo ra vật liệu hữu cơ-vô cơ lai tạo có kích thước nano.
Trùng hợp in-situ: Phương pháp này có ưu điểm dễ chế tạo, nhanh và tính chất sản phẩm tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba bước, bao gồm xử lý biến tính bề mặt nano, phân tán vào monomer rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo polymer nanocomposite [2]. Ảnh hưởng của vật liệu nano đến polymer Tác dụng của chất độn nano đối với chất nền là một sự khác biệt so với chất độn khác. Trước hết là do kích thước rất nhỏ của các hạt chất độn.
Kích thước hạt nhỏ sẽ không tạo ra các vùng tập trung ứng suất vật liệu, nhờ đó độ bền kéo tăng trong khi độ dẻo của vật liệu không thay đổi nhiều. Kích thước hạt nhỏ cũng làm tăng cường tính chất của bản thân chất độn, do các hạt kích thước nhỏ và rất ít khuyết tật trên bề mặt, nhờ đó, độ bền của hạt độn là rất cao. Hơn nữa, kích thước hạt nhỏ dẫn đến bề mặt tương tác pha giữa cao su và chất độn rất lớn. Diện tích bề mặt tương tác pha lớn sẽ làm tính chất của vật liệu tăng mạnh.
Chính vì vậy, để có thể phát triển vật liệu nano thì cần kiểm soát được mức độ tương tác bề mặt này. Ngoài các chất độn thông thường hiện nay như silica, carbon đen,… thì nanocellulose là một nguyên liệu khá lý tưởng để tổng hợp nanocomposite. Nanocellulose có các tính chất chung của nano như đồ bền kéo cao, modul đàn hồi cao và diện tích bề mặt riêng lớn, hơn nữa nanocellulose còn có khả năng tái tạo, tương thích sinh học cao, không độc do có nguồn gốc từ tự nhiên. Do diện tích bề mặt riêng rất lớn và năng lượng hấp phụ bề mặt cao, các hạt độn nano có xu hướng kết tụ với nhau tạo thành một tập hợp kích thước lớn hơn thông qua các liên kết vật lý, ví dụ như liên kết hydro.
Để ngăn chặn hiện tượng này, đồng thời tăng cường khả năng tương tác giữa chất độn và chất nền, các hạt độn thường được biên tính bề mặt, hoặc biến đổi cấu tạo vật liệu nền, hoặc lựa chọn sử dụng các phương pháp tổng hợp phù hợp [3]. Tổng quan về nanocellulose 1. Giới thiệu nanocellulose Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5.000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật.2) 4 Trong thời gian gần đây, nanocellulose thu hút được nhiều sự chú ý trong cả lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp do các đặc tính cơ học tốt, diện tích bề mặt cao, giàu nhóm hydroxyl để biến tính và các đặc tính tự nhiên 100% thân thiện với môi trường. Nanocellulose là chất xơ tự nhiên có thể được chiết xuất từ cellulose, kích thước đường kính dưới 100 nm, dài vài micromet.
Nanocellulose là một sợi nano phân hủy sinh học có trọng lượng nhẹ, mật độ thấp và đặc tính bền cực tốt, có độ cứng cao lên đến 220 GPa, có độ bền kéo cao lên đến 10 GPa. Công thức cấu tạo của cellulose Tinh thể nanocellulose (CNC) là một trong ba loại nanocellulose, thường được chiết xuất từ các sợi cellulose bằng cách thuỷ phân acid. CNC có hình dạng giống que ngắn hoặc hình râu với đường kính 2–20 nm và dài 100–500 nm.3 tóm tắt quá trình chế tạo CNC từ cellulose bằng cách thuỷ phân. Các phần vô định hình được thủy phân và loại bỏ bởi acid trong khi các phần kết tinh vẫn được duy trì, phần kết tinh chứa 100% thành phần hóa học cellulose [4].
Quy trình chế tạo CNC 1. Tổng quan về cao su thiên nhiên Cao su tự nhiên là nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất nhiều sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ đồ dùng gia đình, dụng cụ y tế, đến vỏ lốp xe, lốp máy bay,… Cao su tự nhiên có cấu trúc là một polymer mạch thẳng, được cấu tạo từ các mắc xích là isoprene. Vì vậy, cao su tự nhiên còn có thể gọi là polyisoprene. Cao su tự nhiên gần 5 như được cấu tạo hoàn toàn từ cis-1,4 polyisoprene (hình 1.
Các phân tử polymer rất dài, gây ra sự vướng víu giữa các phân tử. Nhưng khi có lực tác động vào, các phân tử polymer này có xu hướng gỡ rối và thẳng ra, trượt lên nhau. Khi ngừng tác động, lực được giải phóng, khối lượng phân tử polymer có thể không như ban đầu, các chuỗi polymer cũng có thể bị đứt gãy, không khôi phục hoàn toàn. Với việc phát hiện ra quá trình lưu hoá, các liên kết như lưu huỳnh đã liên kết các chuỗi polymer lại với nhau, tạo thành mạng không gian ba chiều, cải thiện tính chất của cao su tự nhiên.
Chúng trở nên đàn hồi hơn, bền hơn nhờ vào các liên kết lưu huỳnh giữa các chuỗi cao su [5].