Tiểu luận: Vật liệu nano trong công nghiệp Polymer

Với đề tài nghiên cứu: Vật liệu nano trong công nghiệp Polymer bài tiểu luận ngành hóa học dưới đây có thể là tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên đang chuẩn bị cho bài tiểu luận hết môn, bài tập nhóm sắp tới đây của mình. Chúc các bạn có bài tiểu luận được đánh giá cao!

GIỚI THIỆU

Vật liệu vô cơ, hữu cơ cấu trúc nano đã trở thành một lĩnh vực quan tâm chuyên sâu cho các nhà khoa học và trong công nghiệp do tính chất đa dạng và ưu việt của nó. Gần đây, một nhóm vật liệu mới dựa trên chất liệu polymer/nano đã được tạo nên một chiều hướng mới cho lĩnh vực này. Vật liệu nanocomposite được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ cao như vật liệu dẫn điện, vật liệu chống ăn mòn, dây phân tử, các thiết bị cảm biến, cửa sổ thông minh, các thiết bị điện hóa...

Ống cacbon nano (carbon nanotube CNT) là một trong những loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Là loại vật liệu linh hoạt, nhiều ứng dụng, tính chất phong phú – hấp thụ quang, phát xạ, cơ học (Young modulus). Có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, vật lý, sinh học, vật liệu.

1. Carbon nanotube

CNT là cấu trúc dạng chuỗi các phân tử fullerene được tìm thấy bởi Tiến sĩ Sumio Iijima vào năm 1991. Trong đó các phân tử C sắp xếp với nhau thành dạng hình 6 cạnh trong các ống có kích thước rất nhỏ. Chúng có đường kính các vòng từ vài Å đến trên 10nm và chiều dài cỡ vài mm. CNT đa lớp có dạng hình trụ gồm nhiều lớp graphane bọc xung quanh lõi CNT đơn lớp và 2 đầu trụ được bọc bởi các bán cầu fullerene.

Phun khí chứa carbon (CO, C₂H₄, C₂H₂...) qua 1 lò nung ở 800-1200^oC. Khí sẽ phân giải ra các phân tử carbon. Những phân tử này tụ lại trên 1 bề mặt rắn phủ các hạt kim loại như Fe, Ni, Co với kích cỡ nano. Tại các hạt xúc tác kim loại này, phân tử carbon sẽ chồng lên nhau tạo thành ống nano, đường kính của hạt kim loại cũng chính là đường kính ống. Sự tạo thành ống nano không phức tạp, nhưng tạo thành những ống có cùng đặc tính, cấu trúc, kích thước trong nhiều lần tổng hợp và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất, đòi hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác.

Quá trình hình thành carbon nanotube:

(a) Các hạt xúc tác nano kim loại; (b) Nguyên tố carbon chồng lên nhau phát triển thành ống, đồng thời nâng hạt kim loại lên; (c) Kết thúc sự hình thành.

2. Tính chất carbon nanotube

• Tính chất cơ học và đặc tính điện của CNT chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hình học và cấu trúc không gian của nó. CNT có hệ số module rất cao và có thể là vật liệu nhẹ và bền nhất so với các loại vật liệu trước đây.
• Tính chất cơ học: Cho đến hiện nay, người ta cho rằng cơ tính của CNT được thể hiện là do sự tương đồng với graphite vì CNT có độ bền và độ cứng khá cao. Do tính chất của các liên kết C-C; graphite có module khoảng 1,06 TPa; độ bền kéo khoảng 130 Gpa; độ bền uốn khoảng 20 Gpa.

Đối với CNT, tùy thuộc vào đường kính và kiểu ống, module đàn hồi trên 1Tpa tương đương kim cương, độ bền kéo khoảng 200 Gpa. CNT có khả năng uốn gập cao nhất do liên kết cộng hóa trị C-C và cấu trúc hình 6 cạnh. Tỷ lệ giữa độ bền và khối lượng lớn hơn nhôm, thép và titan đến vài trăm lần.

• Tính chất nhiệt: Do ống nano có khả năng dẫn photon rất tốt nên người ta cho rằng CNT có thể có tính dẫn nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt của nó khoảng 3000 W/m.K theo hướng trục với sự thay đổi đường kính rất nhỏ.
• Tính chất điện: Một tấm graphene có thể được cuộn lại theo nhiều cách khác nhau để tạo thành ống CNT đơn lớp, quá trình cuộn lại làm mất tính đối xứng của hệ thống phẳng và tạo ra phương riêng theo trục với cấu trúc các mắt lưới lục giác.

Bởi vì các đặc tính riêng biệt của MWCNTs mà nhiều nghiên cứu đã khai thác những đặc tính ngạc nhiên đó để hội tụ trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, như là polymer nanocomposite, bộ phát xạ, các thiết bị điện nano, cảm biến hoá học và vật liệu sinh học. Đối với nanocomposite polymer/MWCNT, việc thêm MWCNT vào sẽ làm thay đổi một cách rộng rãi các tính chất cơ, nhiệt, điện của polymer nền, điều đó sẽ làm kéo dài rõ rệt các miền ứng dụng của chúng.

Tuy nhiên, một vài báo cáo chỉ ra rằng các cải thiện về tính chất cơ học của composite polymer/CNT bị giới hạn bởi sự phân chia pha giữa polymer nền và CNT. Cho đến nay, sự phân phối đều của CNT trong polymer nền vẫn là vấn đề rất quan trọng.