TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
NGUYỄN THỊ LINH
NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ
NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ
TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng
HÀ NỘI, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
**************
NGUYỄN THỊ LINH
NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ
NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ
TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS.TS. Ngô Kế Thế
ThS. Nguyễn Việt Dũng
HÀ NỘI, 2018
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
LỜI CẢM ƠN
Khóa luận này được thực hiện tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme &
Compozit, Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Việt
Dũng và PGS.TS. Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
Học và Công Nghệ Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong
suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật
liệu Polyme và Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học
trường Đại đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức
cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này.
Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn không
tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo
của các thầy cô và các bạn sinh viên.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy
hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và không trùng với kết quả của tác giả khác.
Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1.Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 2
1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia
cường dạng hạt .................................................................................................. 2
1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt ............................................... 4
1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme .............................. 7
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................ 9
1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................... 9
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước ................................................................... 14
2. THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 16
2.1. Nguyên liệu .............................................................................................. 16
2.1.1. Chất tạo màng ....................................................................................... 16
2.1.2. Chất độn gia cường ............................................................................... 16
2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 17
2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao ...................................................... 17
2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm ................... 17
2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt ........................................................... 17
2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu ............................... 17
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 19
3.1. Ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn ................................ 19
3.2. Ảnh hưởng của loại chất độn ................................................................... 21
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất độn ........................................................ 23
3.4. Ảnh hưởng của chất tạo màng.................................................................. 29
4. KẾT LUẬN ................................................................................................. 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 32
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme ................................................................ 5
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại ..................................................... 6
Hình 1.3. Bóng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhôm ............................................ 8
Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau .................................................................................. 19
Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng
phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm
(ET73). ............................................................................................................ 20
Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với
phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung
siêu âm (b) ....................................................................................................... 21
Hình 3.3. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc ....... 22
Hình 3.4. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng
khoáng talc ...................................................................................................... 25
Hình 3.5. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc ....... 25
......................................................................................................................... 27
Hình 3.6. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột
đồng ................................................................................................................. 27
Hình 3.9. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/nhôm .... 29
Hình 3.10. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/pek và
epoxy-pek/talc. ................................................................................................ 30
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] ................................ 5
Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn ....................................................... 7
Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở ................ 9
18°C [9,10] .......................................................................................................... 9
Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene ............. 10
Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy ................... 11
Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy ................... 13
Bảng 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy compozit chứa các loại
chất độn độn khác nhau. .................................................................................... 22
Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau. ................................................................................... 24
Bảng 3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/đồng ở các tỷ lệ khối
lượng khác nhau. ............................................................................................... 26
Bảng 3.5. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/nhôm ở các tỷ lệ khối
lượng khác nhau. ............................................................................................... 28
Bảng 3.6. thể hiện kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit . 30
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
Nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu polyme compozit để thay thế vật
liệu truyền thống như kim loại, gỗ, gốm sứ,… trong một số lĩnh vực đã và
đang thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nhiều năm
qua. Trong lĩnh vực chiếu sáng bằng đèn LED, các bộ phận tản nhiệt chủ yếu
sử dụng vật liệu kim loại. Tuy có hệ số dẫn nhiệt cao nhưng loại vật liệu này
có một số hạn chế như tỷ trọng lớn, khó gia công, chi phí nguyên liệu và sản
xuất cao. Vật liệu polyme compozit có thể khắc phục được những hạn chế
này, tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt thấp đang là rào cản lớn nhất để có thể ứng
dụng vật liệu này trong thực tế.
Đề tài “NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA
MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY” xuất phát từ nhu cầu thực tế đặt
ra và mở ra một hướng ứng dụng mới cho loại vật liệu polyme compozit.
2. Mục đích của đề tài
Tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy sử
dụng các phụ gia tản nhiệt khác nhau.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Chế tạo vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy có chứa các phụ gia tản nhiệt
khác nhau.
Khảo sát độ dẫn nhiệt của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM.
Đánh giá ảnh hưởng của các loại chất độn khác nhau đến khả năng tản
nhiệt của vật liệu.
1 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
1. TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia
cƣờng dạng hạt
Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng một vai
trò sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [1]. Đầu
tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có
tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm
được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác
nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật
liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất
nền, nên còn được gọi là các chất gia cường.
Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong
công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng
dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [2]. Tuy nhiên, tính không ổn định
của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên
khác, như các hợp chất của oxit silic.
Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia
cường cho các sản phẩm cao su [2]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ
việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có
mặt các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải
thiện như sự kháng xé rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt,
tăng độ cứng, môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ
rệt. Kết hợp với sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi
với các quá trình xử lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn
hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử
dụng các tác nhân ghép nối (titanat, silan).
2 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm,
trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó
người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi
(CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Cùng
với sự phát triển của khoa học và công nghệ, những hạn chế mà các loại
chất độn mang lại cho polyme nền đã được cải thiện. Cùng với đó, những
tính năng mới của những vật liệu polyme compozit này mang lại không
ngừng được khám phá.
Quá trình biến đổi các vật liệu polyme nhiệt dẻo thông qua việc thêm
vào các chất độn dạng hạt cũng đã có một lịch sử lâu dài và nó vẫn tiếp tục
đóng một vai trò quan trọng cả trong lĩnh vực nghiên cứu và thương mại [1].
Lý do dẫn đến điều này là khả năng thiết kế được các loại vật liệu có tính
năng phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Việc sử dụng các loại
vật liệu polyme compozit để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống như
kim loại, gỗ và gốm đang nhận được rất nhiều sự quan tâm trong thập kỷ trở
lại đây. Vật liệu polyme compozit có một số lợi thế so với các vật liệu truyền
thống như dễ dàng gia công, dễ tạo hình sản phẩm, tỷ trọng thấp và trong
nhiều trường hợp làm giảm chi phí sản xuất [1,3].
Các loại vật liệu polyme phải được gia cường do các yêu cầu cao về độ
bền cũng như độ cứng trong rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng
không, ô tô, điện tử, vi điện tử, cơ sở hạ tầng và xây dựng, dược phẩm và
công nghiệp hóa chất. Các chất độn gia cường trong vật liệu compozit giúp
tăng cường độ cứng và độ bền nhiệt, giảm độ co ngót và thay đổi màu sắc của
vật liệu [4]. Các chất độn cũng có thể giúp cho quá trình gia công trở nên dễ
dàng hơn thông qua việc làm giảm nhiệt dung riêng của hệ vật liệu và tăng
khả năng dẫn nhiệt [1,4]. Ngoài ra, các chất độn thường được đưa vào polyme
3 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
để tạo ra các tính chất mới mà nó không có được bởi các hầu hết polyme nền
như khả năng chống cháy và độ dẫn nhiệt [5].
Cải thiện khả năng dẫn nhiệt là một trong những ứng dụng mới nhất của
vật liệu polyme compozit. Nâng cao hệ số dẫn nhiệt mà vẫn đảm bảo được
các tính năng cơ lý cũng như một số tính chất khác của vật liệu đã và đang thu
hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong thời gian gần đây.
1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt
Một đặc tính chung quan trọng của polyme là không dẫn điện. Thật vậy,
polyme thường được dùng làm vật cách điện rất hữu hiệu. Chẳng hạn như
poly(vinylchloride) (PVC), PE là vật liệu được dùng để bọc lõi dây điện, và
còn rất nhiều polyme thông dụng khác được sử dụng vì tính cách điện của nó.
Trong kim loại sự dẫn điện xảy ra là do sự di động của các điện tử tự do (free
electron) giữa hai điện áp khác nhau. Dòng điện tử tự do mang điện âm (-)
này di động sinh ra dòng điện đi từ điện áp cao đến thấp như một dòng nước
chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp. Vì vậy, điện tử tự do trong kim loại được gọi là
hạt tải điện (charge carrier). Gỗ, đá và những polyme thông thường khác là
chất cách điện vì không có những hạt tải điện. Sự dẫn điện, bán dẫn và cách
điện được giải thích rõ ràng qua khái niệm khe dải năng lượng (energy band
gap) trong vật lý chất rắn (solid state physics).
Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện tính
chất của chúng và đặc biệt là khả năng dẫn nhiệt. Mục đích tạo ra vật liệu có
độ dẫn nhiệt cao để giúp cho quá trình tiêu tán nhiệt hiệu quả. Theo cách này,
nhiệt độ làm việc được giữ ở mức thấp, tránh các khiếm khuyết cách điện do
quá nhiệt. Các polyme thể hiện độ dẫn nhiệt thấp (λpolyme ≈ 0.2 W/m.K) do ba
nguyên nhân chủ yếu sau:
- Sự định hướng ngẫu nhiên của các phân đoạn mạch phân tử polyme.
- Liên kết lỏng lẻo giữa các mạch.
4 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
- Các dao động chỉ truyền hiệu quả dọc theo 1 chuỗi xác định (1 chiều)
Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme
Độ dẫn nhiệt của một vài polyme điển hìnhđược liệt kê trong bảng dưới
đây.
Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6]
Polyme
Độ dẫn nhiệt (W/m.K)
LDPE
0.28-0.32
HDPE
0.38-0.58
Nhựa Epoxy
0.17-0.21
Polypropylen
0.18-0.24
Nhựa phenol
0.24-0.29
Truyền phonon là cơ chế dẫn nhiệt chính trong hầu hết các polyme. Các
phonon chuyển năng lượng nhiệt thông qua các tương tác với nhau và với các
hạt hạ nguyên tử [7]. Các khiếm khuyết trong mạng lưới như các vết gẫy, lỗ
trống và độ không tinh khiết có thể đưa đến sự không điều hòa từ đó làm tán
xạ các phonon. Trong hệ đa pha như các vật liệu polyme compozit quá trình
tán xạ cũng diễn ra khi các phonon lan truyền qua bề mặt phân cách giữa các
pha.
5 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Trong kim loại hay các loại vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể, các dao
động có thể truyền hiệu quả theo hai hoặc ba chiều. Chính vì vậy, giá trị độ
dẫn nhiệt của các loại vật liệu này khá cao:
- λkim loại ≈ 100 W/mK
- λgốm ≈ 1 – 100 W/mK
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại
Để cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme, áp dụng quá trình
trùng hợp điện để sản xuất các mảng liên kết của các sợi nano polime, các nhà
nghiên cứu của Mỹ đã phát triển một vật liệu polyme có thể dẫn nhiệt tốt hơn
20 lần so với polyme ban đầu. Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm
ra một cách biến polyme được sử dụng rộng rãi nhất (polyethylene), thành
một chất dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn là một chất cách
điện. Phương pháp của nhóm tác giả sử dụng là định hướng các mạch phân tử
PE từ dung dịch, vật liệu tạo thành có độ dẫn nhiệt gấp 300 lần PE ban đầu.
Polythiophen cũng là vật liệu polyme dẫn nhiệt mới được tổng hợp có độ dẫn
lên đến 4,4 W/mK ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới
chỉ bắt đầu, chưa thể ứng dụng trong thực tế.
Việc đưa chất độn vào trong các polyme cách điện là một cách tiếp cận
thông dụng để cải thiện các tính chất điện, tính chất cơ và tính chất nhiệt. Các
vật liệu polyme cách điện được cải thiện có thể làm việc ở nhiệt độ cao với
6 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
ứng suất điện lớn hơn. Độ dẫn nhiệt của polyme được tác động theo cách
truyền thống bằng việc đưa vào các chất độn dẫn nhiệt cao bao gồm:
Graphite, than đen, sợi cacbon, gốm hay các hạt kim loại [8].
Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn
Khoảng dẫn
Chất độn
nhiệt (W/m.K)
Aramid fiber (0.04-0.05), calcium carbonate (2.4-3),
ceramic beads (0.23), glass fiber (1), magnesium oxide (8-
32), fumed silica (0.015), fused silica (1.1), molybdenum
Dưới 10
disulfide (0.13-0.19), PAN-based carbon fiber (9-100),
sand (7.2-13.6), talc (0.02), titanium dioxide (0.065),
tungsten (2.35), vermiculite (0.062-0.065)
Aluminum oxide (20.5-29.3), pitch-based carbon fiber (25-
10-29
1000)
100-199
Graphite (110-190), nickel (158)
Aluminum flakes and powder (204), beryllium oxide (250),
Trên 200
boron nitride (250-300), copper (483), gold (345), silver
(450)
Tuy nhiên, để có thể sử dụng các vật liệu độn này ứng dụng trong các
thiết bị điện, cần xem xét đến tính chất cách điện của vật liệu. Đặc biệt là các
ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED cần có các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao
nhưng vẫn đảm bảo khả năng cách điện.
1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme
LED (Light Emitting Diode – điốt phát quang) được coi là giải pháp ánh
sáng của tương lai. So với các phương pháp ánh sáng thông thường như: bóng
đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng đèn huỳnh quang, sử dụng bóng đèn LED
đem đến nhiều lợi thế: tiết kiệm năng lượng, hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ
kéo dài, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường. Giải thưởng Nobel Vật lý
7 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
2014 được công bố hôm 7/10, tôn vinh phát minh các điốt phát quang LED
xanh dương, có khả năng tạo ra các nguồn ánh sáng trắng tiết kiệm năng
lượng và sáng hơn. Các nhà khoa học được vinh danh là Isamu Akasaki,
Hiroshi Amano và Shuji Nakamura.
Để nâng cao tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của bóng đèn LED,
vấn đề tản nhiệt cho đèn LED mang ý nghĩa quyết định. Các bóng đèn LED
hiện thời có tản nhiệt thường được làm bằng nhôm:
Tấm tản nhiệt nhôm
Hình 1.3. Bóng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhôm
Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng kim loại mang lại hiệu suất tản nhiệt
cao, tuy nhiên nó cũng có một số bất lợi như: khối lượng lớn, gia công phức
tạp, chi phí nguyên liệu cao. Điều này đặc biệt bất lợi với các loại đèn LED có
công suất cao khi phải sử dụng các tấm tản nhiệt có kích thước lớn và nặng
nề. Giải pháp sử dụng các tấm tản nhiệt được làm từ vật liệu polyme nhằm
khắc phục các hạn chế nói trên. Trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử, các loại
vật liệu polyme thường được biết đến trong các ứng dụng cách điện do khả
năng chế tạo dễ dàng, khối lượng nhẹ và chi phí thấp. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt
thấp dẫn đến một số hạn chế ứng dụng của loại vật liệu này. Do đó, các nỗ lực
hiện nay đang được tiến hành nhằm cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu
polyme nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết bị
điện, điện tử nói chung và chế tạo đèn LED nói riêng.
8 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới
a. Microcompozit
Vật liệu microcompozit chứa một chất nền polyme và các hạt micro với
kích thước điển hình trong khoảng 1-100 µm. Trong trường hợp hàm lượng
chất độn lớn (trên 30 % khối lượng), các vật liệu thể hiện độ dẫn nhiệt cao so
với polyme ban đầu. Trong trường hợp này, 2 thông số quan trọng có thể
được xem như đóng vai trò chủ yếu trong việc xác định độ dẫn nhiệt của vật
liệu microcomposite, đó là độ dẫn nhiệt của chất độn và tương tác giữa chúng.
Bảng 3 đưa ra nghiên cứu của Kochetov [9] trong đó vật liệu bao gồm
nhựa epoxy (EP) với các hạt micro nhôm oxit và oxit silic.
Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở
18°C [9,10]
Kích thƣớc hạt
λEP
λcđ
λcompozit
Vật liệu
% KL
(W/mK)
(W/mK)
(µm)
(W/mK)
31.2
0.17
20-30
4
0.67
EP-Al2O3
45
0.17
0.7-1.7
20
0.72
EP-SiO2
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở hàm lượng Al2O3 thấp, độ dẫn nhiệt của vật
liệu là tương tự nhau. Các hạt micro với độ dẫn nhiệt cao và hàm lượng chất
độn cao có thể tăng cường tốc độ truyền nhiệt như là độ dẫn nhiệt chủ yếu có
được thông qua chúng.
Huang và đồng sự [11] đã xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu
poly(phenylene) sulfit dựa trên bo nitrit (BN). Có một sự liên quan tuyến tính
đã được tìm thấy giữa hàm lượng BN và độ dẫn nhiệt của vật liệu. Tính chất
này có thể được đóng góp bởi tương tác giữa các hạt. Các chuỗi dẫn trực tiếp
dòng nhiệt có thể đưa đến 1 sự gia tăng của độ dẫn nhiệt.
9 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Khả năng hình thành các chuỗi hạt dẫn nhiệt ở hàm lượng chất độn cao
đã được nghiên cứu bởi Agari và Uno [12]. Trong vật liệu chứa hàm lượng
chất độn cao, các chuỗi dẫn có thể được hình thành ở nơi mà khoảng cách
giữa các hạt là nhỏ hơn trong các phần khác, đưa đến độ dẫn nhiệt cao dọc
theo các chuỗi.
Một phần trong nghiên cứu của Weidenfeller và cộng sự [13] được tóm
tắt trong bảng 4.
Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene
λPP
λcđ
λcompozit
Vật liệu
% KL
(W/mK)
(W/mK)
(W/mK)
PP-đồng
30
0.25
400
1.25
PP-talc
30
0.25
10.6
2.5
Sự khác biệt lớn của độ dẫn nhiệt giữa 2 vật liệu được cho là do sự khác
biệt ghép nối bên trong của các chất độn như là kết quả không thể giải thích
được chỉ bởi sử dụng tính chất của các hạt.
Tuy nhiên, tác giả cũng chỉ ra rằng ở hàm lượng chất độn thấp (ít hơn 20
% KL), sự cải thiện độ dẫn nhiệt thường được thấy ít quan trọng. Độ dẫn
nhiệt thấp của nền polymer quyết định chủ yếu đến độ dẫn nhiệt của vật liệu
compozit.
Nhóm tác giả Mousam Choudhury và cộng sự [14] đã nghiên cứu ảnh
hưởng của quá trình biến đổi bề mặt bột nhôm nitrit đến các đặc trưng nhiệt
và điện của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy. Để cải thiện khả
năng phân tán của các hạt chất độn nhôm nitrit ở các cấp độ hạt micro và nano
trong chất nền polyme, nhóm tác giả đã sử dụng hợp chất
aminopropyltriethoxysilan để biến đổi bề mặt của nhôm nitrit. Bên cạnh đó,
kết quả đo tính chất điện và nhiệt cho biết rằng việc đưa hợp chất biến đổi bề
mặt đã cải thiện hệ số dẫn nhiệt và tính chất điện của vật liệu nanocompozit
10 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
so với trường hợp không dùng chất biến đổi bề mặt. Ở 20% chất độn nhôm
nitrit có và không có biến đổi bề mặt có một sự gia tăng đáng kể độ dẫn nhiệt
so với chất nền epoxy (từ 0,167 W/mK lên 0,207 W/mK)
b. Nanocompozit
Hình dạng các chất độn nano có thể là 1 chiều (dạng sợi), 2 chiều (dạng
tấm hay phiến) hoặc 3 chiều (dạng cầu) nhưng phải có ít nhất một thông số có
kích thước nhỏ hơn 100 nm. Trong trường hợp của nanocompozit, sự phân bố
của chất độn sẽ phải đồng nhất tối đa và nếu các kết tụ xuất hiện, kích thước
hạt trung bình của chúng phải thấp hơn 100 nm. Một số vật liệu đã được chế
tạo bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau [15, 16]. Nói chung, việc đưa các
chất độn nano vào vật liệu polymer có thể đưa đến độ dẫn nhiệt cao hơn khi
so sánh với polymer nền.
Kochetov [9] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt BN đến độ dẫn nhiệt
của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và kết quả được liệt kê trong bảng 5.
Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy
λEP
λcompozit
Vật liệu % KL
Hình dạng Kích thƣớc hạt
(W/mK)
(W/mK)
0.17
Cầu
70 nm
0.240
EP-BN
5.8
0.17
Tấm, phiến 0.5 µm
0.274
EP-BN
5.8
0.17
Cầu
1.5 µm
0.242
EP-BN
5.8
Mặc dù kích thước hạt trung bình của BN tăng từ 70 nm (nanocompozit)
đến 1500 nm (microcompozit), độ dẫn nhiệt là gần như không đổi. Sự khác
biệt giữa các hạt 70 nm và 500 nm có thể được cho là do hình dạng chứ không
phải là do sự khác biệt về kích thước. Trong trường hợp của các hạt dạng tấm,
do tỷ lệ bề mặt cao, khoảng cách trung bình giữa các hạt là nhỏ hơn. Khoảng
cách giữa các hạt giảm có thể là lý do cho việc truyền nhiệt hiệu quả hơn.
11 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Han và đồng nghiệp đã xác định độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy với việc
thêm các chất độn BN với kích thước hạt khác nhau. BN-micro, BN-meso và
BN-nano được sử dụng. Trong trường hợp BN-nano, đã quan sát thấy các kết
tụ lục giác kích thước micro . Các tác giả đã thấy rằng không có sự khác biệt
lớn trong độ dẫn nhiệt giữa các vật liệu đã đề cập ở trên. Do đó, họ kết luận
rằng ở nồng độ chất độn thấp và trung bình, kích thước hạt không phải là yếu
tố quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu.
Trong cả hai trường hợp đã được đề cập, kích thước của các hạt BN
không ảnh hưởng nhiều đến độ truyền nhiệt của vật liệu. Ngược lại, các hạt
với tỷ lệ bề mặt cao có thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt theo cách tích cực. Tỷ
lệ bề mặt cao có thể gia tăng sự hình thành mạng lưới dẫn bởi sự làm giảm
giới hạn thấm qua và rút ngắn các vai trò bất lợi kháng nhiệt tương tác pha
trong việc truyền nhiệt [17]. Tuy nhiên, việc phân tán tốt các hạt kích thước
nano với tỷ lệ bề mặt lớn hơn là khó hơn do sự gia tăng tương tác giữa các hạt
[18].
Độ dẫn nhiệt của các hạt kích thước nano được thừa nhận là có cùng
khoảng độ dẫn nhiệt với vật gốc ban đầu. Tuy nhiên, hiệu quả của cách tiếp
cận này là không chắc chắn. Độ dẫn nhiệt của các chất độn bị ảnh hưởng bởi
cấu trúc tinh thể của chúng, độ tinh khiết, độ hoàn hảo của cấu trúc, các hiện
tượng tán xạ phonon,… và có thể khác biệt so với cấu trúc dạng khối của vật
liệu ban đầu [19].
Trong bảng 6, hai vật liệu khác nhau dựa trên nhựa epoxy đã được xác
định [9-10, 20].
12 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy
λEP
λcđ
λcompozit
Vật liệu
% KL
Kích thƣớc hạt
(W/mK)
(W/mK)
(W/mK)
EP-AlN
0.7
0.17
150-320
60 nm
0.179
EP-MgO
0.7
0.17
45-50
22 nm
0.175
Nhôm nitrit và magie oxit được sử dụng ở cùng hàm lượng. Kết quả cho
biết rằng bản chất độ dẫn nhiệt của các chất độn không đóng góp quan trọng
cho độ dẫn nhiệt của vật liệu.
Trong trường hợp của AlN, chất độn được mong chờ sẽ có độ dẫn nhiệt
của vật liệu cao hơn do độ dẫn nhiệt của chất độn cao hơn, kích thước hạt
trung bình lớn hơn (bởi yếu tố 3). Do đó, có thể thấy rằng không phải độ dẫn
nhiệt của chất độn cao sẽ đưa đến độ dẫn nhiệt của vật liệu cao.
Việc sử dụng các tác nhân ghép nối đã được nỗ lực bởi nhiều nhóm
nghiên cứu để có được tương tác tốt hơn giữa chất độn và chất nền [21]. Nó
được thấy rằng khả năng kháng nhiệt giữa bề mặt tương tác pha suy giảm,
loại bỏ tán xạ phonon khi bề mặt chất độn được xử lý. So sánh kết quả giữa
các vật liệu có và không có biến đổi bề mặt, những người thực hiện thường
cho biết độ dẫn nhiệt cao hơn mẫu sau. Kochetov [9], Irwin [22] và
Choudhury [23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tác nhân ghép nối đến độ dẫn
nhiệt của vật liệu.
Compozit của nhựa epoxy và BN đã được nghiên cứu bởi Kochetov. Độ
dẫn nhiệt của compozit là cao hơn (gần 3%) khi tác nhân ghép nối silane được
sử dụng. Các nanocompozit polyamide được nghiên cứu bởi Irwin. Compozit
với các chất độn nano được xử lý bề mặt thể hiện độ dẫn nhiệt cao hơn (trung
bình 11%) so với khi không được xử lý và nó được cho là do tương tác giữa
chất độn và chất nền được cải thiện. Cuối cùng, Choudhury đã nghiên cứu
13 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
epoxy – AlN nanocompozit và độ truyền nhiệt hiệu quả hơn (cải thiện trung
bình 13%) được tìm thấy cho compozit khi bề mặt chất độn nano được xử lý.
Việc cải thiện độ dẫn nhiệt được tin rằng do sự liên quan đến tương tác
giữa chất độn và chất nền. Khả năng kết dính tốt hơn giữa chất độn và
polymer nền có thể làm giảm sự tán xạ phonon đưa đến giá trị độ dẫn nhiệt
cao hơn. Nhiều mô hình và lý thuyết về tương tác pha đã được đưa ra để giải
thích vai trò của chúng.
Sự kết tụ các hạt đã được báo cáo trong các tài liệu theo một hướng
nghiên cứu khác rằng, nó có ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Han
[24] đã thông báo sự gia tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy
khi sự kết tụ của các hạt xuất hiện. Evans và đồng nghiệp đã phát triển một
mô hình để làm rõ đóng góp của các kết tụ đến độ dẫn nhiệt. Họ đã cho biết
độ dẫn nhiệt của các nanocompozit tăng khi các hạt nano kết tụ.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
Trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tản nhiệt trong các thiết bị điện, điện
tử ở nước ta hiện nay mới chỉ thấy các nhóm nghiên cứu của phòng nghiên
cứu vật liệu cácbon nano, Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu chế tạo loại
kem tản nhiệt có chứa CNTs dùng trong bộ phận tản nhiệt của máy tính.
Nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Đoàn Đình Phương và cộng sự ở Phòng
Nghiên cứu Vật liệu Kim loại Tiên tiến, Viện Khoa học Vật liệu cũng đã bước
đầu nghiên cứu chế tạo vật liệu kim loại có chứa CNTs có độ dẫn nhiệt cao
bằng phương pháp luyện kim bột, định hướng ứng dụng trong ngành kỹ thuật
điện, điện tử.
Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu polyme dẫn nhiệt và đặc biệt là các vật liệu
polyme dẫn nhiệt có khả năng ứng dụng trong thực tế mới chỉ được bắt đầu ở
phòng nghiên cứu vật liệu polyme & compozit, viện Khoa học vật liệu.
14 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Từ năm 2015, tập thể nghiên cứu của phòng bắt đầu nghiên cứu về vật
liệu polyme dẫn nhiệt trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo polypropylen, các chất độn
được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm talc, nhôm nitrit và bo nitrit. Các
nghiên cứu bước đầu cho thấy các kết quả khá thú vị là bột khoáng talc có hệ
số dẫn nhiệt thấp nhưng lại gia tăng hệ số dẫn nhiệt cao hơn cho nền polyme
so với hai loại chất độn còn lại là nhôm nitrit và bo nitrit ở cùng nồng độ so
sánh. Tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu polyme chế tạo được trong
các nghiên cứu này chưa cao trong khoảng 0,6 – 0,8 W/m.K [25].
Tiếp tục hướng nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt, trong năm 2016
tập thể phòng tập trung nghiên cứu gia tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu
trên cơ sở nhựa epoxy và polycacbonat. Trong nghiên cứu này, một số vấn đề
về cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu cũng đã được chỉ ra. Hệ số dẫn nhiệt của vật
liệu cao nhất đạt được là 1,143 W/m.K cho vật liệu compozit PC/BN với tỷ lệ
khối lượng 60/40. Tuy nhiên, đối với vật liệu compozit trên cơ sở nhựa
epoxy, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu vẫn chưa được cải thiện đáng kể [26].
15 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên liệu
2.1.1. Chất tạo màng
a. Nhựa epoxy
- Nhựa epoxy Epotec YD 128 (Thái Lan) với các đặc trưng sau:
Đương lượng epoxy là 185~194 g/eq.
Độ nhớt ở 25 °C là 11000~14000 cPs.
Hàm rắn 100%
b. Chất đóng rắn
- Chất đóng rắn Epotec TH 703: chất đóng rắn polyamine. Là dạng biến
tính của cycloaliphatic polyamine, là chất lỏng màu vàng nhạt.
c. Nhựa than đá: Được chế tạo từ sản phẩm phụ của quá trình cốc hóa
: 65-70 0C - Nhiệt độ chảy mềm
: đen - Màu sắc
2.1.2. Chất độn gia cường
a. Khoáng talc
Khoáng talc có nguồn gốc từ Thanh Sơn, Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ với
thành phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 61,8% và MgO
chiếm 28,5%. Đề tài sử dụng hai loại bột talc: có và không có biến đổi bề mặt
bằng hợp chất amin silan.
b. Nhôm nitrit
Bột nhôm nitrit (AlN) có nguồn gốc từ Trung Quốc, kích thước hạt trung
bình trong khoảng 5-10 µm.
c. Bột kim loại và oxit kim loại
- Bột kim loại: bột đồng, bột nhôm
- Bột oxit kim loại: oxit sắt, oxit nhôm, oxit kẽm.
Các nguyên vật liệu đều là sản phẩm thương mại của Trung Quốc.
16 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp chế tạo
mẫu đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, hai phương pháp chế tạo mẫu được
áp dụng. Hai phương pháp này bao gồm phương pháp khuấy trộn tốc độ cao
có gia nhiệt và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm.
2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao
Các chất độn gia cường được trộn hợp đồng nhất với nhựa epoxy Epotec
YD128 ở nhiệt độ 70°C ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau sử dụng thiết bị
khuấy cơ. Ủ hỗn hợp ít nhất 24 tiếng sau đó khuấy tốc độ cao ở tốc độ 1000
vòng/phút ở nhiệt độ 70°C. Quá trình khuấy kết thúc sau 8 giờ, hỗn hợp được
pha chất đóng rắn và tạo mẫu đo hệ số dẫn nhiệt.
2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm
Trong phương pháp chế tạo mẫu này, hỗn hợp sau khi đã được trộn hợp
bằng phương pháp khuấy trộn tốc độ cao được trình bày trong mục 2.2.1, hỗn
hợp tiếp tục được gia nhiệt lên khoảng 70°C sau đó đưa vào bể rung siêu âm
đã được gia nhiệt đến 70°C trong thời gian 2 giờ. Thiết bị sử dụng của hãng
Branson, model 3510E-MTH (Mỹ), công suất siêu âm 100W, tần số rung
42kHz.
2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và các chất độn dạng
hạt được đo trên thiết bị THB 500 của hãng Linseis (Mỹ) tại phòng thí
nghiệm trung tâm công nghệ cao, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. Mẫu
dạng hình chữ nhật kích thước 40 x 60 x 5 mm.
2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu
Hình thái bề mặt gẫy của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi
điện tử quét phân giải cao (FE-SEM), trên thiết bị Hitachi S-4800 tại phòng
thí nghiệm trọng điểm, Viện khoa học vật liệu.
17 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gẫy, bề mặt gẫy
được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không.
Ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện khả năng phân tán độ tương hợp giữa các pha
trong mẫu vật liệu đo.
18 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong khuân khổ của luận văn này, các nghiên cứu tăng cường khả năng
dẫn nhiệt của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy tập trung vào phương
pháp chế tạo cũng như sử dụng các loại chất độn dạng hạt khác nhau. Ngoài
việc tiếp tục ứng dụng khoáng talc, các chất độn dạng hạt có hệ số dẫn nhiệt
cao như các loại bột kim loại và oxit kim loại cũng được sử dụng.
3.1. Ảnh hƣởng của khả năng phân tán các hạt chất độn
Để xác định ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn trong
chất nền epoxy đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, nhóm nghiên cứu thực
hiện đề tài đã thử nghiệm hai phương pháp chế tạo mẫu khác nhau bao gồm:
phương pháp khuấy trộn tốc độ cao và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết
hợp với rung siêu âm để phân tách các hạt chất độn. Kết quả đo hệ số dẫn
nhiệt được thể hiện trên bảng 3.1 và hình 3.1.
Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau
Tỷ lệ
Thành
Phƣơng pháp
λepoxy
λcompozit
Ký hiệu
khối
(W/m.K)
*λchất độn (W/m.K)
(W/m.K)
phần
chế tạo
lƣợng
E0
Epoxy
100/0
-
0,237
-
0,237
ET73-K Epoxy/talc
70/30 Khuấy tốc độ
0,622
0,237
10,6
cao
ET73
Epoxy/talc
70/30 Khuấy tốc độ
cao có rung
0,237
10,6
1,028
siêu âm
*: theo tài liệu tham khảo
19 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
ET73-K ET73
Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng
phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm
(ET73).
Nhìn vào bảng kết quả đo hệ số dẫn nhiệt thấy rằng bột khoáng talc đã
có tác dụng gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ 0,237 W/m.K của mẫu
epoxy (E0) ban đầu lên 0,622 W/m.K của mẫu Epoxy/talc (chứa 30% bột
khoáng talc, ET73-K). Đặc biệt, khi hỗn hợp được khuấy tốc độ cao kết hợp
rung siêu âm, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tăng đáng kể lên đến 1,028 W/m.K.
Xem xét kỹ hơn khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền
epoxy qua ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM (hình 3.2) cho thấy các hạt chất
độn phân tách và phân tán đồng đều hơn khi hỗn hợp được rung siêu âm so
với trường hợp hỗn hợp chỉ được khuấy tốc độ cao.
20 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
(a) (b)
Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với
phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung
siêu âm (b)
Quá trình truyền nhiệt trong các vật liệu rắn chủ yếu thông qua quá trình
truyền dao động. Rõ ràng, sự phân tán của các hạt chất độn trong chất nền hay
nói cách khác là sự đồng nhất của vật liệu đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng
đến khả năng truyền nhiệt trong vật liệu. Bằng phương pháp khuấy tốc độ cao
kết hợp rung siêu âm giúp cho quá trình phân tán các hạt chất độn trong chất
nền tốt hơn từ đó gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.
Trong quá trình chế tạo mẫu nghiên cứu tiếp theo, nhóm nghiên cứu tiếp
tục sử dụng phương pháp khuấy tốc độ cao kết hợp với rung siêu âm để chế
tạo mẫu.
3.2. Ảnh hƣởng của loại chất độn
Trong nghiên cứu này, một số loại chất độn với hệ số dẫn nhiệt khác
nhau được đưa vào chất nền epoxy với hàm lượng 30% để khảo sát hệ số dẫn
nhiệt của vật liệu compozit. Kết quả được thể hiện trên bảng 3.2. và hình 3.3
21 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Bảng 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy compozit chứa các
loại chất độn độn khác nhau.
Tỷ
lệ
Phƣơng
Ký
λepoxy
*λchất độn
λcompozit
Thành phần
khối
pháp
chế
(W/m.K)
(W/m.K)
(W/m.K)
hiệu
lƣợng
tạo
E0
Epoxy
100
-
0,237
-
0,237
ET73
Epoxy/talc
70/30
1,028
10,6
0,237
(biến tính bề mặt)
10,6
ET073 Epoxy/talc
70/30
0,947
0,237
(không biến tính)
Khuấy
EC73
Epoxy/đồng
70/30
0,237
> 400
0,861
tốc
độ
0,237
EA73
Epoxy/nhôm
70/30
> 200
1,876
cao
kết
EAO
Epoxy/oxit nhôm
70/30
hợp rung
0,237
20-29
0,814
siêu âm
EFO
Epoxy/oxit sắt
70/30
0,237
5,8
0,586
EZO
Epoxy/oxit kẽm
70/30
0,237
50
0,743
EAN
Epoxy/nhôm nitrit
70/30
0,237
150-320
0,730
EP73
Epoxy/pek
70/30
0,237
-
0,495
*: theo các tài liệu tham khảo
ET073 EA73
Hình 3.3. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc
Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit cho thấy rằng
mẫu vật liệu có chứa bột nhôm cho kết quả cao nhất với 1,876 W/m.K. Tiếp
theo là mẫu compozit có chứa bột khoáng talc (biến đổi bề mặt) với 1,081
22 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
W/m.K. Các mẫu vật liệu còn lại đều có hệ số dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với
mẫu nhựa epoxy E0 ban đầu.
Bảng số liệu đo được cũng cho thấy rằng, hệ số dẫn nhiệt của bột talc
không cao (λ = 10,6 W/m.K) nhưng cho kết quả hệ số dẫn nhiệt của compozit
đạt 1,081 W/m.K. Trong khi đó các loại chất độn có hệ số dẫn nhiệt cao như
bột đồng (λ > 400) hay nhôm nitrit (λ = 150-320) cho hệ số dẫn nhiệt của
compozit lần lượt là 0,861 W/m.K và 0,730 W/m.K. Điều này cho thấy rằng,
hệ số dẫn nhiệt cao của chất độn không đóng vai trò quyết định đến hệ số dẫn
nhiệt của vật liệu compozit thu được.
So sánh hệ số dẫn nhiệt của hai mẫu vật liệu compozit có chứa bột talc
có và không có biến tính bề mặt thấy rằng mẫu có chứa bột talc biến tính bề
mặt có hệ số dẫn nhiệt cao hơn so với mẫu có chứa bột talc không được biến
tính bề mặt, điều này một lần nữa khẳng định khả năng phân tán của chất độn
có trong chất nền có ảnh hưởng mạnh đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu
compozit.
3.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất độn
Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến hệ số dẫn nhiệt
của vật liệu, nhóm nghiên cứu lựa chọn 3 loại chất độn mang lại hệ số dẫn
nhiệt cao nhất cho compozit bao gồm: bột talc (biến tính bề mặt), bột đồng và
bột nhôm.
Bảng 3.3, hình 3.4 và hình 3.5 trình bày kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của
các mẫu vật liệu epoxy/talc với các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Các kết quả
đo cho thấy rằng, trong trường hợp chất độn khoáng talc nhận thấy rằng, hệ số
dẫn nhiệt của vật liệu compozit đạt giá trị lớn nhất 1,028 W/m.K khi hàm
lượng talc đưa vào khoảng 30%. Ở trên hàm lượng này, hệ số dẫn nhiệt của
vật liệu giảm dần. Kết quả này cho thấy xu hướng tương tự với các kết quả
23 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
tính chất cơ lý của vật liệu compozit mà chúng tôi đã thực hiện khi đều đạt
các trạng thái tính chất cao nhất ở hàm lượng khoáng talc khoảng 30%.
Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau.
Ký
Thành
Tỷ
lệ
khối
Phƣơng pháp
λcompozit
(W/m.K)
hiệu
phần
lƣợng
chế tạo
E0
Epoxy
100
-
0,237
ET91 Epoxy/talc 90/10
0,677
ET82 Epoxy/talc 80/20
0,839
Khuấy tốc độ
ET73 Epoxy/talc 70/30
1,028
cao kết hợp
rung siêu âm
ET64 Epoxy/talc 60/40
1,002
0,911
ET55 Epoxy/talc 50/50
24 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
1.2
1.028
1.002
1
.
0.839
/
0.911
0.8
K m W
0.677
i
0.6
0.4
0.2374
, λ , t ệ h n n ẫ d ố s ệ H
0.2
0
0
10
20
30
40
50
Hàm lượng khoáng talc (%)
Hình 3.4. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng
khoáng talc
ET64 ET55
Hình 3.5. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc
Với chất độn là bột đồng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit (bảng
3.4) tăng dần khi hàm lượng chất độn đưa vào từ 10% đến 40%. Ở 40% bột
đồng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit đạt giá trị lớn nhất với 1,084
W/m.K. Như vậy, xu hướng tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit
epoxy/đồng cũng khá giống với trường hợp của vật liệu compozit epoxy/talc
khi vật liệu đều đạt giá trị lớn nhất của hệ số dẫn nhiệt ở khoảng 30-40% hàm
lượng chất độn.
25 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Bảng 3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/đồng ở các tỷ lệ khối
lượng khác nhau.
Ký
Thành
Tỷ lệ khối
Phƣơng pháp
λcompozit
(W/m.K)
hiệu
phần
lƣợng
chế tạo
E0
Epoxy
100
-
0,237
EC91 Epoxy/đồng 90/10
0,647
EC82 Epoxy/đồng 80/20
0,663
Khuấy tốc độ
EC73 Epoxy/đồng 70/30
0,861
cao kết hợp
rung siêu âm
EC64 Epoxy/đồng 60/40
1,084
0,961
EC55 Epoxy/đồng 50/50
26 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
1.2
1.084
1
.
0.961
/
0.861
0.8
K m W
0.647
0.663
0.6
i
0.4
0.2374
0.2
, λ , t ệ h n n ẫ d ố s ệ H
0
0
10
20
30
40
50
Hàm lượng bột đồng (%)
Hình 3.6. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột
EC64 EC55
đồng
Hình 3.7. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compoxit epoxy/đồng
Với chất độn là bột nhôm, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit cao hơn nhiều
so với hai trường hợp chất độn là bột khoáng talc và bột đồng ở các hàm lượng
tương ứng. Giá trị hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xác định được cao nhất cho trường
hợp vật liệu compozit chứa 35% bột nhôm.
27 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Bảng 3.5. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/nhôm ở các tỷ lệ
khối lượng khác nhau.
Ký
Thành
Tỷ lệ khối
Phƣơng
λcompozit
(W/m.K)
hiệu
phần
lƣợng
pháp chế tạo
E0
Epoxy
100
-
0,237
EA91
Epoxy/nhôm 90/10
0,804
Khuấy tốc độ
EA82
Epoxy/nhôm 80/20
1,691
cao kết hợp
EA73
Epoxy/nhôm 70/30
1,876
rung siêu âm
EA6535 Epoxy/nhôm 65/35
2,506
28 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
3
2.506
2.5
.
K m / W
2
1.691
1.876
i
1.5
1
0.804
, λ , t ệ h n n ẫ d ố s ệ H
0.5
0.237
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Hàm lượng bột nhôm, %
Hình 3.8 Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột
nhôm
EA82 EA6535
Hình 3.9. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/nhôm
Như vậy, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến hệ số dẫn
nhiệt nhận thấy rằng các mẫu vật liệu compozit có xu hướng đạt được giá trị
hệ số dẫn nhiệt cao khi ở hàm lượng chất độn trong khoảng 30%.
3.4. Ảnh hƣởng của chất tạo màng
Nhựa epoxy và hỗn hợp epoxy/pek đã được sử dụng để khảo sát hệ số
dẫn nhiệt có và không có khoáng talc.
29 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
Bảng 3.6. thể hiện kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit
Tỷ
lệ
khối
Ký
λcompozit
Thành phần
(W/m.K)
hiệu
lƣợng
E0
Epoxy
100
0,237
EP91
Epoxy/pek
90/10
0,547
EP82
Epoxy/pek
80/20
0,560
EP73
Epoxy/pek
70/30
0,506
60/40
0,495
EP64
Epoxy/pek
50/50
0,523
EP55
Epoxy/pek
70(70-30)/30
0,957
EPT73
(Epoxy-pek)/talc
EP55 EPT73
Hình 3.10. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/pek và
epoxy-pek/talc.
Khi sử dụng pek kết hợp với nhựa epoxy làm chất tạo màng, hệ số dẫn
nhiệt của vật liệu đã tăng lên, điều này cho thấy pek có tác dụng làm tăng khả
năng truyền nhiệt của nền nhựa epoxy. Tuy nhiên, khả năng dẫn nhiệt của vật
liệu không phụ thuộc vào hàm lượng của phần pek được thêm vào. Giá trị hệ
số dẫn nhiệt của epoxy/pek đạt giá trị dao động trong khoảng 0,5 W/m.K.
Khi thêm bột khoáng talc ở hàm lượng 30% trong chất nền là nhựa
epoxy/pek, hệ số dẫn nhiệt đo được của vật liệu compozit là 0,957 W/m.K.
Giá trị hệ số dẫn nhiệt này tương đương với hệ số dẫn nhiệt của mẫu vật liệu
30 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
chứa 30% bột khoáng talc trong nền nhựa epoxy. Như vậy, sự thay đổi thành
phần chất tạo màng không dẫn đến sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của mẫu vật
liệu compozit.
4. KẾT LUẬN
31 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
- Quá trình phân tán các hạt chất độn có ảnh hưởng nhiều đến khả năng
dẫn nhiệt của vật liệu. Sử dụng phương pháp rung siêu âm để phân tán tốt hơn
các hạt chất độn trong chất nền epoxy, hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu đã
được cải thiện đáng kể.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất độn đến khả năng dẫn nhiệt của
vật liệu cho thấy rằng, giá trị hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu đạt giá trị
cao nhất trong khoảng 30-40% chất độn. Mẫu vật liệu compozit epoxy/talc có
hệ số dẫn nhiệt cao nhất 1,028 W/m.K ở hàm lượng 30% bột khoáng talc.
Mẫu vật liệu compozit epoxy/đồng có hệ số dẫn nhiệt cao nhất 1,084 W/m.K
ở hàm lượng 40% bột đồng. Trong khi đó, mẫu vật liệu compozit epoxy/nhôm
có hệ số dẫn nhiệt cao nhất 2,506 W/m.K ở hàm lượng 35% bột nhôm.
- Hệ số dẫn nhiệt cao của chất độn không dẫn đến hệ số dẫn nhiệt cao
của vật liệu compozit chế tạo được.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
32 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
1. R.N Rothon, Particulate-Filled Polymer Composites, Shrewsbury: Rapra
Technology Limited (2003).
2. C.R.G. Furtado, J.L. Leblanc, R.C.R. Nunes, Mica as additional filler in SBR -
silica compounds, European Polymer Journal, 36(3), 1717-1723 (2000)
3. George Wypych. Handbook of Fillers, Toronto, Ont.: ChemTec; Norwich,
N.Y.: Plastics Design Library (2000).
4. Karger - Kocsis J, editor, Polypropylene: an a-z reference, Dordrecht: Kluwer
(1999).
5. Arencon D, Velasco JI. Fracture toughness of polypropylene-based particulate
composites, Materials, 2, 2046-2094 (2009).
6. Takezawa, M. Akatsuka, and C. Farren, High thermal conductive epoxy resins with controlled high order structure, Proc. 7th Intern. Confer. Prop. Appl. Diel.
Materials, 3, 1146-1149 (2003).
7. E.H.Weber,
Development
and
modeling
of
thermally
conductivepolymer/carbon
composites,
PhD
dissertation, Michigan
Technological University (2001).
8. Z. Han and A. Fina, Thermal conductivity of carbon nanotubes and their
polymer nanocomposites: a review, Progr. Polym. Sci., 36(7), 914-944 (2011).
9. R. Kochetov, Thermal and electrical properties of nanocomposites, including
material processing, PhD dissertation, Delft University of Technology, 2012.
10. R. Kochetov, T. Andritsch, U. Lafont, P.H.F. Morshuis, and J.J. Smit, Thermal
conductivity of nano-filled epoxy systems,” IEEE Conf. El. Ins. Diel. Phen.,
Virginia Beach, Virginia, USA, 658-661 (2009).
11. X. Huang, W. Liu, P. Jiang, and T. Tanaka, Boron nitride based poly(phenylene
sulfide) composites with enhanced thermal conductivity and breakdown
strength, Conf. Proc. Inter. Symp. Ins. El, 35-38 (2011).
12. Y. Agari and T. Uno, Thermal conductivity of polymer filled with carbon
materials: effect of conductive particle chains on thermal conductivity, J. Appl.
Polym. Sci., 30(5), 2225-2235 (1985).
33 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
13. B. Weidenfeller, M. Höfer, and F. R. Schilling, Thermal conductivity, thermal
diffusitivity, and specific heat capacity of particle filled polypropylene, Comp.
Part A: Appl. Sci. Manuf., 35(4), 423-429 (2004).
14. Mousam Choudhury, Smita Mohanty, Sanjay K. Nayak, Effect of Surface
Modification of Aluminum Nitride on Electrical and Thermal Characterizations
of Thermosetting Polymeric Nanocomposites, Polymer Composites, 34(1), 1-14
(2013).
15. T. Tanaka, M. Kozako, and K. Okamoto, Toward high thermal conductivity
nano micro epoxy composites with sufficient endurance voltage, J. of Inter.
Council on El. Eng., 2(1), 90-98 (2012).
16. J. Jordan, K.I. Jacob, R. Tannenbaum, M.A. Sharaf, and I. Jasiuk, Experimental
trends in polymer nanocomposites – a review, Mater. Sci. Eng.: A, 393(1-2), 1-
11 (2005).
17. W. Evans, R. Prasher, J. Fish, P. Meakin, P. Phelan, and P. Keblinski, Effect of
aggregation and interfacial thermal resistance on thermal conductivity of
nanocomposites and colloidal nanofluids, Inter. J. Heat and Mass Transfer,
51(5-6), 1431-1438 (2008).
18. C. Sun, Controlling the rheology of polymer/silica nanocomposites, PhD
dissertation, Eindhoven University of Technology (2010).
19. S.L. Shindé and J.S. Goela, High Thermal Conductivity Materials, Springer
(2006).
20. R. Kochetov, T. Andritsch, U. Lafont, P.H.F. Morshuis, S.J. Picken, and J.J.
Smit, Thermal behavior of epoxy resin filled with high thermal conductivity
nanopowders, IEEE El. Ins. Conf., Montreal, QC, Canada, 524-528 (2009).
21. M. Z. Rong, M. Q. Zhang, and W. H. Ruan, Surface modification of nanoscale
fillers for improving properties of polymer nanocomposites: a review, Mater.
Sci. Techn., 22(7), 787-796 (2006).
34 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu
22. P.C. Irwin, Y. Cao, A. Bansal, and L.S. Schadler, Thermal and mechanical
properties of polyimide nanocomposites, IEEE Conf. El. Ins. Diel. Phen.,
Albuquerque, New Mexico, USA, 120-123 (2003).
23. M. Choudhury, S. Mohanty, S. K. Nayak, and R. Aphale, Preparation and
characterization of electrically and
thermally conductive polymeric
nanocomposites, J. Minerals Mater. Charact. Eng., 11,744-756 (2012).
24. Z. Han, J.W. Wood, H. Herman, C. Zhang, and G.C. Stevens, Thermal
properties of composites filled with different fillers, IEEE Inter. Symp. El. Ins.,
497-501 (2008).
25. Nguyễn Việt Dũng, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn nhiệt định hướng
ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED. Đề tài cơ sở chọn lọc cấp
Viện khoa học vật liệu, 2015.
26. Phạm Thị Lánh, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn nhiệt từ polycacbonat
và nhựa epoxy định hướng ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng bằng đèn
LED. Đề tài cơ sở cấp Viện Khoa học vật liệu, 2016.
35 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
