Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung Luận văn trình bày về vật liệu compozit cacbon-cacbon (CCC) giữ một vị trí then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới và là một trong những lĩnh vực đang thu hút được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng compozit để có thể ứng dụng chúng trong ngành kỹ thuật cao như: y tế, thể thao, xây dựng cho đến các ngành công nghiệp nặng, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ---------------------------------------- VŨ THU THỦY NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON-CACBON Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Văn Thụ THÁI NGUYÊN – 2018 9
LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Lê Văn Thụ đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cám ơn các cán bộ Phòng Hóa lý, Viện Hóa học -Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực nghiệm và hoàn thành luận văn. Em xin cám ơn các thầy cô khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã trang bị cho em kiến thức để tiếp cận với các vấn đề nghiên cứu khoa học. Tôi xin cảm ơn các bạn học viên lớp K10B1 - lớp cao học Hóa phân tích đã trao đổi và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình tôi, bạn bè và đồng nghiệp của tôi - những người đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này. Hải Phòng, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Tác giả luận văn Vũ Thu Thủy 2
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................ 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................... 5 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ 9 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 1 1.1. Tổng quan về vật liệu compozit cacbon-cacbon ........................................ 1 1.1.1. Nguyên liệu chế tạo ................................................................................... 1 1.1.1.1. Cốt vải cacbon .................................................................................. 2 1.1.1.2. Vật liệu gia cường tính chất cơ lý ................................................... 6 1.1.1.3. Nhựa nền phenolfomandehit ........................................................ 10 1.1.2. Công nghệ chế tạo vật liệu compzit cacbon-cacbon............................. 12 1.1.2.1. Phương pháp pha khí ..................................................................... 12 1.1.2.2. Phương pháp pha lỏng .................................................................. 14 1.1.2.3. Phương pháp kết hợp .................................................................... 15 1.1.3. Tính chất của vật liệu compozit cacbon-cabon .................................... 16 1.2. Các phương pháp phân tích vật liệu ........................................................ 18 1.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ............................. 18 1.2.2. Các loại kính hiển vi điện tử ............................................................ 19 1.2.3. Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis - DTA)...... 24 1.2.4. Phân tích nhiệt lượng vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry - DSC)..................................................................................... 27 1.2.5. Phổ Raman ........................................................................................ 32 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 33 3
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị ............................................................... 33 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất ....................................................................... 33 2.1.2. Thiết bị ............................................................................................... 33 2.2. Quy trình thực nghiệm .............................................................................. 34 2.2.1. Biến tính bề mặt CNT....................................................................... 34 2.2.2.Phân tán CNT vào nhựa nền ............................................................ 35 2.2.3.Xử lí bề mặt vải cacbon bằng phương pháp nhiệt.......................... 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 37 3.1. Phân tích tính chất của vật liệu chế tạo compozit cacbon-cacbon ........ 37 3.1.1. Phân tích tính chất của vải cacbon.................................................. 37 3.1.2. Phân tích tính chất của bột graphit ................................................ 38 3.1.3. Phân tích tính chất ống nanocacbon ............................................... 40 3.1.4. Phân tích tính chất nhựa nền phenolfomaldehit dạng novolac .... 42 3.2. Phân tích tính chất vật liệu sau khi biến tính, xử lý ............................... 44 3.2.1. Phân tích vải cacbon sau xử lí bề mặt bằng oxi hóa nhiệt ............ 44 3.2.2. Phân tích tính chất ống nanocacbon sau khi biến tính ................. 50 3.2.3. Phân tích tính chất nhựa nền PF sau khi phân tán MWCNT ...... 55 3.2.3.1. Phân tích độ nhớt và tính chất nhiệt ............................................ 55 3.2.3.3. Phân tích cấu trúc .......................................................................... 58 3.2.3.4. Xác định nhiệt độ đóng rắn .......................................................... 59 3.2.3.5. Xác định thời gian đóng rắn ......................................................... 60 3.2.3.6. Phân tích khả năng bám dính với cốt sợi cacbon ....................... 61 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 64 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Chữ viết tắt Ý nghĩa Energy-dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X spectroscopy Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét phát FE-SEM Microscopy xạ trường Fouriertransform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi đều FTIR spectroscopy Fourier Vật liệu compozit cacbon – CCC Composites carbon - carbon cacbon PA Pure Analysis Tinh khiết phân tích PAN Polyacrylonitrile Sợi polyacrylonitril PF Phenolformaldehyde Nhựa phenolformandehit TEM Tranmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua Phương pháp phân tích nhiệt TGA Thermogravimetric analysis khối lượng MWCNT Multi - Walled carbon nanotubes Ống nanocacbon đa tường SWCNT Single - Walled carbon nanotubes Ống nanocacbon đơn tường CNT Carbon nanotubes Ống nanocacbon SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Phân tích nhiệt lượng vi sai DSC Differential Scanning Calorimetry quét DTA Differential Thermal Analysis Phân tích nhiệt vi sai 5
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ quy trình chế tạo sợi cacbon ......................................................... 3 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi E (a) và giới hạn bền σB (b) của sợi cacbon trên cơ sở PAN vào nhiệt độ quá trình xử lý nhiệt ..................................... 4 Hình 1.3. Ống nanocacbon đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT) ........... 6 Hình 1.4. Quá trình ghép nối nhóm chức lên thành ống nanocacbon..................... 8 Hình 1.5. Sơ đồ quá trình biến tính CNT bằng axit ................................................ 9 Hình 1.6. Công thức tổng quát của nhựa phenolic................................................ 10 Hình 1.7. Sơ đồ buồng lò phương pháp đẳng nhiệt thu lắng pirocacbon ............. 13 Hình 1.8. Sơ đồ buồng lò phương pháp giảm nhiệt thu lắng pirocacbon ............. 14 Hình 1.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua............................................................. 19 Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua ............. 20 Hình 1.11. Kính hiển vi điện tử quét SEM ........................................................... 22 Hình 1.12. Sơ đồ hệ đo DTA ................................................................................ 25 Hình 1.13. Các thông số cơ bản của giản đồ DTA ............................................... 26 Hình 1.14 . Nguyên lý kỹ thuật phân tích nhiệt lượng vi sai quét DSC ............... 27 Hình 1.15. Giản đồ DSC dạng 3 trục tọa độ (Dữ liệu từ thiết bị NETZSCH STA 409 PC/PG, Viện Hóa học - Vật liệu) ................................................................... 28 Hình 1.16. Giản đồ DSC dạng 2 trục tọa độ ......................................................... 28 Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý DSC bù trừ nhiệt ...................................................... 29 Hình 1.18. Detector DSC dòng nhiệt .................................................................... 30 Hình 1.19. Chương trình điều biến nhiệt cho MDSC ........................................... 31 Hình 3.1. Ảnh SEM sợi cacbon với độ phóng đại khác nhau ............................... 37 6
Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt trong môi trường không khí của mẫu sợi cacbon ............................................................................................................................... 38 Hình 3.3. Ảnh SEM mẫu bột graphit (độ phóng đại 500 lần)............................... 39 Hình 3.4. Giản đồ phân tích nhiệt trong không khí của mẫu bột graphit ............. 39 Hình 3.5. Ảnh TEM cấu trúc của MWCNT ban đầu ............................................ 41 Hình 3.6. Phổ Raman của MWCNT ban đầu ........................................................ 41 Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF trong môi trường N2, với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1200ºC ....................................................................... 43 Hình 3.8.Giản đồ phổ hồng ngoại của sợi cacbon trước xử lý (Cf), xử lý ở 300; 400; 500; 600 và 700oC trong môi trường không khí ......... ………………… ….45 Hình 3.9. Giản đồ phân tích nhiệt vi sai của mẫu sợi cacbon trong môi trường không khí ............................................................................................................... 46 Hình 3.10. Ảnh FeSEM bề mặt của sợi cacbon trước xử lý (Cf), xử lý ở 300; 400; 500; 600 và 700℃ trong môi trường không khí.................................................... 47 Hình 3.11. Giản đồ phân tích thành phần hoá học bề mặt của sợi cacbon trước xử lý (Cf), xử lý ở 300; 400; 500; 600 và 700 oC trong môi trường không khí ......... 49 Hình 3.16. Phổ EDX của MWCNT sau khi biến tính bằng axit ........................... 53 Hình 3.17. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu MWCNT ban đầu (2) và mẫu MWCNT sau khi biến tính bằng axit (1) .............................................................. 54 Hình 3.18. Trạng thái của MWCNT ban đầu và MWCNT sau biến tính bằng axit trong etanol sau 1 giờ ............................................................................................ 55 Hình 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT đến độ nhớt của hỗn hợp 50% nhựa PF trong cồn ở 25ºC ..................................................................................... 56 Hình 3.20. Giản đồ phân tích nhiệt các hỗn hợp nhựa PF chứa MWCNT trong môi trường N2, với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1200ºC ............................. 57 7
Hình 3.21. Ảnh SEM mẫu nhựa PF chứa 1% MWCNT ....................................... 59 Hình 3.22. Ảnh SEM bề mặt mẫu PF/1%MWCNT/sợi cacbon với độ phóng đại khác nhau ............................................................................................................... 61 8
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất của một số vật liệu compozit cacbon-cacbon ..................... 17 Bảng 3.1. Một số tính chất của ống nanocacbon đa tường (MWCNT) .............. 40 Bảng 3.2. Tính chất của nhựa nền phenolfomandehit dạng novolac .................. 42 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT đến hàm lượng cốc hóa của nhựa PF......................................................................................................................... 57 Bảng 3.4. Sự phụ thuộc HLPG của hỗn hợp nhựa PF chứa 1% MWCNT ......... 59 Bảng 3.5. Sự phụ thuộc HLPG của hỗn hợp nhựa PF chứa 1% MWCNT vào thời gian đóng rắn ở nhiệt độ 165oC ........................................................................... 60 9
MỞ ĐẦU Trong thời gian gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ nano cho phép sản xuất vật liệu nano số lượng lớn và ứng dụng rộng hơn trong chế tạo các vật liệu kết cấu. Các vật liệu nano, đặc biệt là ống nano cacbon (CNT) được sử dụng rất nhiều làm chất gia cường trong chế tạo vật liệu nanocompozit. Do các tính chất cơ, lý điện đặc biệt và diện tích bề mặt lớn nên khi CNT phân tán vào vật liệu nền sẽ tạo ra những tính chất ưu việt của vật liệu nanocompozit. Cùng với xu hướng đó thì rất nhiều loại vật liệu mới cũng được nghiên cứu, trong đó vật liệu compozit cacbon-cacbon (CCC) giữ một vị trí then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới và là một trong những lĩnh vực đang thu hút được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng compozit để có thể ứng dụng chúng trong ngành kỹ thuật cao như: y tế, thể thao, xây dựng cho đến các ngành công nghiệp nặng, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân. Đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ thì vật liệu compozit cacbon- cacbon giữ vai trò quyết định, do có tính năng vượt trội với khối lượng riêng nhỏ, khả năng làm việc ở nhiệt độ cao mà tính chất cơ lý ít thay đổi, khả năng chịu sốc nhiệt và khả năng chịu hoá chất tốt. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ vật liệu này thì việc kiểm soát chất lượng của vật liệu là hết sức cần thiết. Xuất phát từ yêu cầu đó, luận văn "Nghiên cứu phân tích cấu trúc, tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon" có ý nghĩa quyết định góp phần vào thành công của quá trình chế tạo vật liệu. 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật liệu compozit cacbon-cacbon Trong những năm gần đây có rất nhiều công trình công bố về vật liệu compozit trên cơ sở gia cường sợi cacbon làm cốt có tính năng chịu nhiệt cao (3000oC), sốc nhiệt và cách nhiệt. Những hệ vật liệu này hiện nay trên thế giới đã và đang được quan tâm mạnh mẽ và kết quả nghiên cứu đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị liên quan đến quốc phòng, an ninh, hàng không - vũ trụ. Vật liệu compozit cacbon-cacbon (CCC) có thành phần cốt là vải cacbon gia cường cho nhựa nền phenolic. Các vật liệu compozit có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống cháy thường sử dụng sợi thủy tinh và sợi cacbon làm cốt. Hệ cốt sợi này có có khả năng tương thích với hệ polyme tốt. Đặc biệt sợi cacbon có độ dẫn nhiệt, dẫn điện, chịu sốc nhiệt, không bị phân hủy ở nhiệt độ cao và chỉ thăng hoa ở nhiệt độ trên 3640oC. 1.1.1. Nguyên liệu chế tạo Vật liệu CCC có thành phần cốt là vải cacbon gia cường cho nhựa nền phenolic. Tùy theo mục đích chế tạo mà tỷ lệ vải - nhựa thay đổi, có hoặc không có các hoạt chất phụ gia nano gia cường tính chất cơ lý cho vật liệu (CNTs, nano Si, nano graphit,...). Các cấu trúc nanocompozit cũng có khả năng hạn chế sự bay hơi khuếch tán và tăng cường điểm nóng chảy nhiệt của polyme. Tính ổn định nhiệt của polyme cũng có thể được tăng cường bằng cách đưa các hoạt tính hóa học vào nền polyme. Độ chịu nhiệt lớn của các thành phần hoạt tính pha tạp này giúp tản nhiệt và nâng cao độ ổn định nhiệt [1, 2], không bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Vật liệu CCC gồm có 2 thành phần chính: cốt vải cacbon, nền nhựa phenolic liên kết các cốt sợi cacbon. Ngoài ra, có phân tán thêm các hoạt chất nano gia cường tính chất cơ lý. Mỗi thành phần cấu tạo có ảnh hưởng nhất định 1
đến tính chất của sản phẩm compozit. Do đó việc phân tích khảo sát, lựa chọn các chủng loại cho từng thành phần đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm vật liệu compozit có được các tính chất mong muốn. Dưới đây trình bày một số thông tin về các thành phần của vật liệu CCC, từ đó đề xuất phương án lựa chọn thành phần vật liệu thích hợp cho chế tạo CCC. 1.1.1.1. Cốt vải cacbon Vải cacbon là cấu tử cơ bản đóng vai trò tăng độ bền (vật liệu cốt) trong CCC. Loại vải này được đan dệt từ các bó sợi cacbon theo các cấu trúc đơn hướng 1D, hoặc đa hướng 2D, 3D,... tùy theo yêu cầu của vật liệu. Sợi cacbon được chế tạo từ ba nguồn nguyên liệu chính: xenlulozo, hắc ín và polyacrylonitril (PAN) * Quy trình chế tạo sợi cacbon Như đã trình bày ở phần trên, sợi cacbon là cấu tử cơ bản đóng vai trò tăng bền (vật liệu cốt) trong vật liệu compozit, đồng thời có tác dụng làm tăng hiệu quả bảo vệ nhiệt của vật liệu theo cơ chế tải mòn. Sợi cacbon có các chỉ số cơ lý tính cao như khả năng chịu nhiệt cao, hệ số ma sát nhỏ, độ giãn nở nhiệt thấp, trơ trong môi trường không khí cũng như hóa chất, độ bền riêng và mô đun đàn cao. Tùy thuộc vào chế độ xử lý nhiệt mà sợi cacbon được chia thành sợi được cacbon hóa và sợi được graphit hóa. Sợi được cacbon hóa chứa khoảng 80 ÷ 90% cacbon (sợi được xử lý nhiệt ở 1173 ÷ 2273K) còn sợi đã được graphit hóa chứa trên 99% cacbon (sợi được xử lý nhiệt đến 3273K) [5]. Đến nay sợi cacbon được chế tạo từ ba nguồn nguyên liệu chính: xenlulozơ, polyacrylonitril (PAN) và hắc ín. Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà quy trình chế tạo sợi cacbon cũng khác nhau (hình 1.3). Trong các giai đoạn của quy trình chế tạo, hai giai đoạn xử lý nhiệt (cacbon hóa và graphit hóa) đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định đến tính chất cuối cùng của sợi cacbon. 2
Xenlulozơ PAN Hắc ín Chuẩn bị vật Vuốt sơ bộ Kéo sợi từ pha liệu nóng chảy Oxy hóa Ổn định hóa Đóng rắn liên 350÷400ºC 220ºC tục Cacbon hóa Cacbon hóa Cacbon hóa 900÷1500ºC 1000÷1500ºC 900÷1200ºC Graphit hóa Graphit hóa Graphit hóa 2600÷2800º 1800÷3000ºC 2800÷3000ºC C Sợi cacbon Hình 1.1. Sơ đồ quy trình chế tạo sợi cacbon Cacbon hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ từ 900ºC đến 1500°C trong môi trường khí trơ. Trong giai đoạn này chủ yếu diễn ra sự thoát các sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân, gần như tất cả các nguyên tố bị loại bỏ khỏi sợi, trừ cacbon. Graphit hóa được thực hiện ở nhiệt độ rất cao trong môi trường có khí bảo vệ. Nhiệt độ cuối của quá trình graphit hóa có thể lên đến 3000°C. Hàm lượng cacbon trong sản phẩm sau quá trình này không dưới 99% [6]. * Tính chất sợi cacbon Tính chất của sợi cacbon phụ thuộc nguyên liệu ban đầu và các yếu tố của quá trình công nghệ, trong đó quan trọng nhất là nhiệt độ của quá trình xử lý nhiệt. 3
Độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao của sợi cacbon có được do tính dị hướng cao của tinh thể graphit. Để đạt được cơ lý tính cao nhất thì các mặt cơ sở của tinh thể graphit phải song song với trục của sợi. Trong tinh thể graphit lý tưởng, mô đun đàn hồi của tinh thể phụ thuộc rất lớn vào hướng của nó so với mặt cơ sở. Theo mặt cơ sở mô đun đàn hồi đạt 1000 GPa, nhưng chỉ lệch đi 15° giá trị đó đã giảm xuống còn 70 GPa. Do đó sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao phải có cấu trúc mặt cơ sở định hướng nhất so với trục sợi. Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi và giới hạn bền sợi cacbon trên cơ sở PAN vào nhiệt độ quá trình xử lý nhiệt được trình bày trên hình 1.2. Hình 1.2. Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi E (a) và giới hạn bền σB (b) của sợi cacbon trên cơ sở PAN vào nhiệt độ quá trình xử lý nhiệt [8] Mô đun đàn hồi bắt đầu tăng nhanh ngay ở nhiệt độ thấp của quá trình xử lý nhiệt và tiếp tục tăng khi gia tăng nhiệt độ. Tuy nhiên không chỉ nhiệt độ quá trình nhiệt phân ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của sợi cacbon. Như trên đã trình bày, mô đun đàn hồi cao của sợi còn thu được khi tạo được hướng ưu tiên trong sợi song song với trục sợi. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của sợi cacbon trên cơ sở PAN phức tạp hơn. Trên hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc giới hạn bền vào nhiệt độ cacbon hóa 4
sợi PAN. Giới hạn bền của sợi thay đổi khi tăng nhiệt độ nhiệt phân. Giá trị giới hạn bền cao nhất đạt được khoảng 3100 MPa của sợi khi nhiệt độ quá trình xử lý nhiệt khoảng 1200 ÷ 1400°C. Những sợi được xử lý ở nhiệt độ cao hơn thì độ bền giảm rõ rệt. Độ bền của sợi bị giới hạn được giải thích do sự có mặt của khuyết tật trong sợi. Những khuyết tật chính trong sợi có thể được chia thành bốn loại chính: tạp chất vô cơ; tạp chất hữu cơ; lỗ hổng; lỗ rỗ. Những khuyết tật này ảnh hưởng rõ rệt nhất từ nhiệt độ 1500°C, giải thích sự giảm độ bền của sợi khi sợi được xử lý ở khoảng nhiệt độ này. * Xử lý bề mặt sợi cacbon Liên kết giữa sợi và nền chủ yếu là liên kết cơ học và liên kết nhờ thấm ướt. Liên kết cơ học là sự kết nối thuần tuý cơ học giữa nền và cốt do sự thô nhám bề mặt sợi hoặc do lực ma sát. Liên kết nhờ thấm ướt là liên kết vật lý nhờ năng lượng sức căng bề mặt. Đối với compozit có kiểu liên kết cơ học, khi chế tạo, pha nền ở dạng lỏng và thấm ướt cốt luôn xảy ra quá trình khuếch tán lẫn nhau có thể là rất nhỏ. Sức căng bề mặt trên ranh giới nền-cốt sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định đến độ bền của kiểu liên kết này. Như vậy, cả hai kiểu liên kết này đều đòi hỏi sự tiếp xúc tốt giữa sợi và nền. Bề mặt thô nhám sẽ làm tăng liên kết cơ học và tăng sức căng bề mặt giữa vật liệu nền nóng chảy (ở trạng thái chảy sệt) và sợi cacbon. Đối với sợi có đặc trưng cơ học cao, đặc biệt là sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao rất giòn, đường kính sợi nhỏ (khoảng vài μm). Nên các sợi đơn rất dễ bị gãy hoặc bị rối trong khi thao tác cuốn lô hoặc vận chuyển. Để khắc phục hiện tượng này, các nhà sản suất đã phủ trên mặt sợi một chất cố kết cho phép tập trung các sợi nhỏ thành bó sợi. Khi dùng sợi làm vật liệu compozit, các lớp phủ này sẽ là nhân tố ngăn cản tiếp xúc giữa sợi và nền, kết quả là cơ tính vật liệu kém. Để giải quyết vấn đề này, cần phải xử lý sợi trước khi sử dụng. Có một số phương pháp để xử lý bề mặt sợi cacbon: xử lý bề mặt bằng chùm tia điện tử, plasma, phương pháp điện hoá, bằng hóa chất có tính oxy hóa 5
cacbon cao, xử lý nhiệt trong môi trường không khí, bằng hơi nước quá nhiệt, bằng khí CO2. Phương pháp xử lý bề mặt bằng hơi nước quá nhiệt và xử lý bằng dòng khí CO2 ở nhiệt độ cao thường áp dụng để hoạt hóa cacbon trong công nghệ chế tạo cacbon hoạt tính dùng trong lĩnh vực у học và xử lý môi trường. Tuy nhiên, nếu kiểm soát tốt thời gian và nhiệt độ hợp lý của quá trình có thể áp dụng để xử lý bề mặt sợi cacbon tăng bền cho compozit cacbon-cacbon. 1.1.1.2. Vật liệu gia cường tính chất cơ lý Ngày nay, CNT được sử dụng làm vật liệu gia cường cho vật liệu CCC. Các cấu trúc nanocompozit có khả năng hạn chế sự bay hơi khuếch tán và tăng cường điểm nóng chảy nhiệt của polyme. * Ống nanocacbon (CNT) Năm 1991, S.Ijima (Nhật Bản) phát hiện ra trong muội than của quá trình phóng điện hồ quang có những ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào catốt. Các ống tinh thể sau này gọi là ống nanocacbon đa tường (MWCNT, multi-walled carbon nanotubes). Nghiên cứu sâu hơn, năm 1993, ông tìm ra ống nanocacbon đơn tường (SWCNT, single-walled carbon nanotubes) và khảo sát các tính chất đặc biệt của nó. Ống nanocacbon đơn tường chỉ gồm một lớp nguyên tử cacbon cuộn lại thành ống có đường kính từ 1  5 nm. MWCNT gồm nhiều SWCNT lồng vào nhau (số lượng có thể lên tới 50 SWCNT) với đường kính trong từ 1,5  15 nm, đường kính ngoài từ 2,5  30 nm, khoảng cách giữa các SWCNT từ 0,34  0,36 nm. Hình 1.3 biểu diễn các SWCNT và MWCNT. Hình 1.3. Ống nanocacbon đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT) 6
Từ khi phát hiện ra các tính chất cơ lý ưu việt về của nó, CNT đã và đang thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà khoa học vật liệu với các tính chất và cấu trúc độc nhất vô nhị và thể hiện nhiều đặc tính ưu việt hơn vật liệu thông thường như: + Độ bền cao gấp 100 lần so với thép nhưng lại nhẹ bằng 1/6 thép. + Mô đun cao tới 1 TPa (của kim cương là 1,2 TPa). + Dẫn tốt như kim loại bán dẫn + Bền nhiệt tới 2800oC trong chân không + Tính dẫn nhiệt cao. + Hấp thụ khí, sensơ, phân tử. + Có thể biến đổi hoá học (đưa vào trong nền, hữu cơ hoá) + Làm chất phát xạ trường hiệu quả cao + Khả năng chịu mài mòn, diện tích bề mặt tiếp xúc cao.... Do cấu trúc hình học độc đáo nên CNT có nhiều tính chất cơ học (độ cứng, độ đàn hồi, độ bền…) vượt trội so với các vật liệu khác. Việc xác định trực tiếp các thông số cơ học của CNT rất khó nên các thông số này thu được chủ yếu từ mô phỏng trên máy tính hoặc thông qua các phép đo gián tiếp. * Biến tính, phân tán và ghép các nhóm chức lên CNT Do CNT nhỏ, nhẹ và có độ bền cao nên nó có tiềm năng lớn để sử dụng làm chất gia cường cho vật liệu polyme compozit. Trước đây, compozit làm từ sợi và bột cacbon đã nổi tiếng là nhẹ và bền, ít bị tác động của hóa học, đồng thời dễ đồng hóa với cơ thể sống. Nếu có thể thay thế sợi cacbon bằng CNT thì nanocompozit tạo thành sẽ có nhiều ưu điểm hơn nữa. Tuy nhiên, để ứng dụng CNT vào lĩnh vực này còn gặp nhiều khó khăn do CNT có bề mặt ngoài phẳng, nhẵn nên khó bám dính với polyme. Ngoài ra, CNT có kích thước quá nhỏ nên dễ bị kết tụ, khó phân tán đều trong nền polyme. Do đó, để ứng dụng CNT làm 7
chất gia cường cho vật liệu compozit, cần phải biến tính và phân tán chúng trong dung môi và hóa chất. +) Hòa tan trong dung môi và chất hoạt động bề mặt: CNT có thể được hòa tan trong một số dung môi như dimetyl formamit, N-metylpyrolidon. Tuy nhiên quá trình phân tán này xảy ra không đồng đều và chậm. Khảo sát sự hòa tan của CNT trong một số dung môi khác nhau cho thấy dung môi chứa nhóm chức amin (-NH2) cho khả năng hòa tan tốt hơn, nhưng nói chung vẫn tương đối khó khăn. Khắc phục khó khăn trên, người ta thêm vào các chất hoạt động bề mặt để làm tăng khả năng phân tán của CNT trong dung môi hữu cơ. Chất hoạt động bề mặt có tác dụng như một tác nhân ghép nối làm giảm năng lượng liên kết bề mặt, kéo dãn CNT ra, làm cho CNT không bị kết tụ. Khi đó thì CNT dễ dàng phân tán vào trong dung môi hơn. Một số chất hoạt động bề mặt hay dùng là dodexylbenzen sunfonic axit, polyelectrolyt … Hình 1.4. Quá trình ghép nối nhóm chức lên thành ống nanocacbon +) Biến tính bằng cách gắn trực tiếp lên thành ống: Một phương pháp khác để biến tính CNT là gắn trực tiếp các nhóm chức lên thành ống bằng phản 8
ứng hóa học. Trước đây, hiệu suất của quá trình này tương đối thấp, chỉ cỡ 1÷3% (1÷3 nguyên tử trong 100 nguyên tử C ở thành ống phản ứng được), ngày nay bằng cách điều khiển điều kiện của phản ứng, hiệu suất của quá trình có thể đạt đến 10%. Một số phương pháp gắn nhóm chức trực tiếp lên CNT được trình bày tại hình 1.4. +) Biến tính bằng axit: Thực hiện quá trình biến tính CNT bằng các axit vô cơ mạnh như HNO3, H2SO4…, hỗn hợp CNT và axit được trộn lẫn và rung siêu âm trong nhiều giờ. Quá trình biến tính sẽ làm đứt gẫy CNTs và mở vòng nhờ gắn thêm các gốc chứa oxi (chủ yếu là nhóm cacboxyl -COOH). Sau đó các ống có chứa các gốc -COOH này có thể tham gia phản ứng với các hợp chất amin, este một cách tương đối dễ dàng như trình bày tại hình 1.5. Hình 1.5. Sơ đồ quá trình biến tính CNT bằng axit Quá trình biến tính axit làm giảm năng lượng liên kết bề mặt giữa các ống CNT (giảm lực liên kết VanderWaals) nhờ đó mà CNT dãn ra, thuận tiện cho quá 9
trình phân tán sau này. Bằng cách gắn thêm vào các gốc hữu cơ thích hợp, CNT biến tính có thể hòa tan được trong nước và dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, việc biến tính CNT bằng axit mạnh cũng có thể gây ra việc đứt, gẫy thậm chí phá hủy cấu trúc của CNT dẫn đến việc suy giảm các tính chất của vật liệu. 1.1.1.3. Nhựa nền phenolfomandehit *Nhựa nền PF dạng novolac Có nhiều loại nhựa nhiệt rắn được sử dụng làm vật liệu nền cho CCC như: nhựa polyeste, polyimit, polyacetat, expoxy, phenolformaldehit (PF),... Nhưng nhựa PF thường được sử dụng để chế tạo CCC, do nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ và đặc biệt là tương hợp tốt với cốt vải cacbon. Nhược điểm duy nhất của hệ nhựa này là giòn và có độ rỗng cao. Tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp, nhựa phenolic được chia làm hai loại là novolac và resol. Nhựa novolac: được điều chế bằng phương pháp trùng ngưng phenol (P) với formandehit (F) khi tỷ lệ mol P/F>1, sử dụng xúc tác axit. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol của phenol và fomandehit mà nhựa thu được có khối lượng phân tử khác nhau. Thông thường khối lượng phân tử trung bình của nhựa trong khoảng 600 ÷ 1200. Công thức tổng quát của nhựa novolac thể hiện trên hình 1.6a. Nhựa resol: Được điều chế bằng phương pháp trùng ngưng phenol với formandehit khi tỷ lệ mol P/F