ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA: HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
CHUYÊN NGÀNH: HÓA POLYME

ĐỀ TÀI:

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CNTS
BẰNG URÊ DÙNG LÀM CHẤT GIA CƢỜNG
CHO MÀNG SƠN EPOXY

Lớp: 13H4
ĐÀ NẴNG: 4/6/2018


{Trang trắng này dùng để dán bản Nhận xét của người hướng dẫn, hoặc thay
trang này bằng Nhận xét của người hướng dẫn}


{Trang trắng này dùng để dán bản Nhận xét của người phản biện, hoặc thay
trang này bằng Nhận xét của người phản biện}


TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu biến tính CNTs bằng urê dùng làm chất gia cường cho màng
sơn epoxy.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thị Ngọc - Lê Thị Thủy

Lớp: 13 CNVL
Nghiên cứu biến tính CNTs bằng urê dùng làm chất gia cường cho màng sơn
epoxy, mục đích dùng để ứng dụng cho màng sơn chống ăn mòn cho các công trình
biển, các công trình xây dựng. Một số các tính chất cơ lý của màng sơn như độ bền
bám dính, độ bền va đập hay độ bền uốn, khả năng chống ăn mòn đã dược đo trong
quá trình nghiên cứu. Thông qua kết quả đo này có thể đưa ra nhận xét về đặc điểm
của CNTs biến tính bằng urê dùng làm chất gia cường cho màng sơn epoxy.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÕA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Huỳnh Thị Ngọc

107130023

13CNVL Công nghệ vật liệu polymer

2

Lê Thị Thủy

107130044

13CNVL Công nghệ vật liệu polymer

1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu biến tính CNTs bằng urê dùng làm chất gia cường cho màng sơn epoxy.
Đề tài thuộc diện: ☐Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Nguyên liệu: Cacbon nanotubes (CNTs) từ nhà cung cấp Bảo Lâm Khoa, nhựa
epoxy dạng lỏng loại SWANCOR 2511-1A (Đài Loan), chất đóng rắn SWANCOR 2511-BT (Đài Loan).
Hóa chất: Axit clohidric HCl 36.5%, axit HNO3 đặc 68%, Urea, Ethanol, axeton,
NaOH, KCl, ZnO, H3PO4...
Dụng cụ: ống sinh hàn xoắn, bình cầu 3 cổ (250ml), nhiệt kế, ống đong (200ml),
cốc, giấy lọc…
Thiết bị: Máy khuấy từ gia nhiệt tại phòng điện hóa ăn mòn, khoa Hóa
ĐHBKĐN. Cân điện tử (200±0.01g) và cân điện tử (200±0.001g). Thiết bị khuấy siêu
âm hãng SONICS tại Phòng thí nghiệm Cơ lý, bộ môn Công nghệ Vật liệu. Bếp hồng
ngoại và máy khuấy cơ học. Máy lọc hút chân không.
3. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Sơ đồ quá trình tổng hợp, các bảng số liệu các kết quả nghiên cứu. Các đồ thị,
hình ảnh chụp kết quả bằng các phương pháp phân tích vật lý và hóa học liên quan.


4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Huỳnh Thị Ngọc

2

Lê Thị Thủy

Nội dung
Khái quát lí thuyết về CNTs, epoxy, urê (tính chất,
ứng dụng), CNTs chức hóa, tổng quan lý thuyết sơn,
phốt phát kẽm - xử lý bề mặt thép trước khi sơn.

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Huỳnh Thị Ngọc

CNTs đa lớp được oxi hóa bằng hỗn hợp axit
HCl/HNO3, sau khi oxi hóa (O-CNT) tiếp tục được sử
dụng để biến tính trong Urê

2

Lê Thị Thủy

Đo các đặc trưng hóa lý, các tính chất cơ lý của màng
sơn CNTs chức hóa/Epoxy

5. Họ tên người hướng dẫn: Ths. Phan Thị Thúy Hằng
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

17/02/2018.

7. Ngày hoàn thành đồ án:

30/05/2018.
Đà Nẵng, ngày 17 tháng 02 năm 2018

Trƣởng Bộ môn……………………….

Ngƣời hƣớng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo đã tận tình
hướng dẫn, giảng dạy cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Với tấm lòng chân thành và sự biết ơn sâu sắc nhất, em xin được gửi lời cảm ơn
đến cô giáo, Thạc sĩ Phan Thị Thúy Hằng, người đã tạo điều kiện và tận tình hướng
dẫn, hỗ trợ chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Kim Sơn, cô Huỳnh Thị Thanh Thắng,
người đã tạo mọi điều kiện cơ sở vật chất, tận tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến để
chúng em hoàn thiện đề tài.
Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè và đặc biệt là gia
đình, những người luôn kịp thời động viên, khích lệ chúng em trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành đề tài này.

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Huỳnh Thị Ngọc
Lê Thị Thủy

i


CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng nhóm chúng tôi và không
trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu kết quả là trung thực, và
những kết quả này là chung của nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan
Thị Thúy Hằng – Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn và các thông tin

trích dẫn trong đồ án đều được ghi rõ nguồn gốc.
Sinh viên thực hiện
Huỳnh Thị Ngọc
Lê Thị Thủy

ii


MỤC LỤC

TÓM TẮT................................................................................................................... 4
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ i
CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................iii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vi
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .............................................................. 3
1.1.Ống Cacbon nanotubes (CNTs).......................................................................... 3
1.1.1.Giới thiệu ........................................................................................................... 3
1.1.2.Cấu trúc và phân loại......................................................................................... 3
1.1.2.1. Cacbon Nanotubes đơn lớp (SWCNT) ......................................................... 4
1.1.2.2. Cacbon Nanotubes đa lớp (MWCNT) .......................................................... 5
1.1.3.Tính chất chung của CNTs................................................................................ 6
1.1.4.Ứng dụng ........................................................................................................... 7
1.2.Chức hóa Cacbon nanotubes (CNTs) ......................................................................... 8
1.3.Nhựa epoxy .................................................................................................................. 10

1.3.1.Khái niệm và phân loại ................................................................................... 10
1.3.2.Tổng hợp ......................................................................................................... 10
1.3.3.Ứng dụng ......................................................................................................... 11
1.4. Urê ..................................................................................................................... 13

1.4.1 Tính chất vật lý ................................................................................................ 13
1.4.2 Tính chất hóa học ............................................................................................ 14
1.4.3 Ứng dụng ......................................................................................................... 14
1.5 Tổng quan lý thuyết về sơn .............................................................................. 15
1.5.1. Khái niệm về sơn ............................................................................................ 15
1.5.2. Đặc điểm của sơn ........................................................................................... 15
1.5.2.1.

u điểm ....................................................................................................... 15

1.5.2.2. Nhược điểm ................................................................................................. 16
iii

1


1 5 3 Thành phần c a s n ....................................................................................... 16
1.5.3.1. Chất tạo màng.............................................................................................. 16
1.5.3.2. Bột màu ....................................................................................................... 16
1.5.3.3. Dung môi – môi trường phân tán ................................................................ 17
1.5.3.4. Một số thành phần phụ ................................................................................ 18
1.5.4. Đặc điểm sơn Epoxy ...................................................................................... 18
1.5.5 Ứng dụng của sơn epoxy ................................................................................ 19
1.6 Vật liệu Nanocomposite..................................................................................... 20
1.6. Đặc điểm và chế tạo .......................................................................................... 20
1.6.2. Vật liệu nanocomposite CNTs/epoxy ............................................................. 21
1.6.2.1. Đặc điểm ...................................................................................................... 21
1.6.2.2. Chế tạo sơn trên cở sở nanocomposite CNTs/Epoxy .................................. 22
1.7Phốt Phát Kẽm - Xử Lý Bề Mặt Kim Loại Sắt Thép Trƣớc Khi Sơn .............. 23
1.7.1Giới thiệu chung ............................................................................................... 23

1.7.2 Mục đích .......................................................................................................... 23
1.7.3 Tác dụng .......................................................................................................... 24
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................. 25
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị. .................................................................... 25
2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất ................................................................................. 25
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................... 25
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 26
2 2 1 Phư ng pháp biến tính O-CNTs trong Urê..................................................... 26
2 2 2 Phư ng pháp phân tán CNTs và trong nhựa nền epoxy ................................ 26
2 2 3 Phư ng pháp xử lý bề mặt và gia công màng s n .......................................... 27
2 2 4 Các phư ng pháp phân tích hóa lý ................................................................. 28
2 2 5 Phư ng pháp xác định tính chất c lý c a màng s n .................................... 31
2.2.6 Sơ đồ thực nghiệm .......................................................................................... 34
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 36
3.1.Phƣơng pháp đánh giá amin hóa O-CNTs bằng Urê ..................................... 36
3.2.Khảo sát phân tán trong nƣớc .......................................................................... 37
iv


3.3.Khảo sát các tính chất cơ lý của màng sơn...................................................... 39
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 43
KIẾN NGHỊ ................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 45
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Graphene - vật liệu có cấu trúc c bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D). .............................................................................................................. 4
Hình 1.2. Cấu trúc các ống nano carbon được cuộn tròn về phía mép a), và ống nano
carbon được cuộn lệch b) ................................................................................................ 4
Hình 1.3 Mô hình cách tạo ra CNT đ n lớp từ tấm grapheme ..................................... 5
Hình 1.4 Các cấu trúc khác nhau c a CNTs (a) zigzag, (b) armchair, (c) chiral ......... 5

Hình 1.5 Cấu trúc “ Russian Doll” ( trái) , “ Herringbone” ( giữa) và “ Bamboo”
(phải) c a CNT đa lớp [2]. .............................................................................................. 6
Hình 1.6. Mô hình sự xen giữa c a Li và hấp thụ H2 ..................................................... 8
Hình 1.7. Típ STM, AFM có gắn CNTs .......................................................................... 8
Hình 1.8 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs ................................... 8
Hình 1.9 Transistor trường sử dụng ống nanno carbon................................................ 9
Hình 1.10. Các dạng biến tính cấu trúc SWCNT .......................................................... 10
Hình 1.11. Ứng dụng c a nhựa Epoxy ......................................................................... 12
Hình 1.12. Epoxy được ứng dụng nhiều trong các bộ phận cửa oto và máy bay......... 13
Hình 2.1 Ảnh SEM và TEM c a CNTs......................................................................... 25
Hình 2.2 Thiết bị khuấy siêu âm ................................................................................... 26
Hình 2.3 S đồ phư ng pháp đo .................................................................................. 29
Hình 2.4. Thiết bị đo phổ hồng ngoại (FTIR) ............................................................... 29
Hình 2.5. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn...................... 30
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................. 31
Hình 2.7 Thiết bị thử uốn loại 2.................................................................................... 32
Hình 2.8. Thiết bị r i tải trọng ..................................................................................... 32
Hình 2.9.Mô hình kiểm tra độ bám dính c a màng s n ............................................... 33
Hình 2.10. S đồ nghiên cứu thực nghiệm ................................................................... 34
Hình 3.1 Kết quả đo SEM c a (a) O-CNTs và (b) O-CNTs AMH ................................ 35
Hình 3.2 Kết quả đo phổ hồng ngoại FTIR .................................................................. 36
Hình 3.3 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................... 37
Hình 3.4 Hình ảnh ngay sau khi phân tán c a O-CNTs và O-CNTs AMH .................. 37
Hình 3.5 Hình ảnh sau khi phân tán 1 giờ c a O-CNTs và O-CNTs AMH.................. 38
v


Hình 3.6 Hình ảnh sau khi phân tán 1 tuần c a O-CNTs và O-CNTs AMH ............... 38
Hình 3.7 Mẫu sau khi đo va đập c a màng s n epoxy gia cường bằng CNTs, O-CNTs
và O-CNTs AMH ........................................................................................................... 39

Hình 3.8 Đo bám dính c a màng s n epoxy gia cường bằng CNTs, O-CNTs và
O-CNTs AMH ................................................................................................................ 40
Hình 3.9 Đo độ bền uốn c a màng s n epoxy gia cường bằng CNTs, O-CNTs và
O-CNTs AMH ................................................................................................................ 41
Đồ thị 1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ bền va đập c a màng s n epoxy gia cường
bằng CNTs, O-CNTs và O-CNTs AMH ......................................................................... 39
Đồ thị 2: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ bám dính c a màng s n epoxy gia cường
bằng CNTs, O-CNTs và O-CNTs AMH ......................................................................... 40
Đồ thị 3: Đồ thị độ bền uốn c a màng s n epoxy gia cường bằng CNTs, O-CNTs và
O-CNTs AMH ................................................................................................................ 41

vi


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

CNTs

Cacbon nanotubes

2

CNTs/Epoxy

Nanocomposite CNTs/Epoxy

3

SWCNT

Cacbon nanotubes đơn lớp

4

MWCNT

Cacbon nanotubes đa lớp

5

O-CNTs

Cacbon nanotubes oxi hóa

6

O-CNTs-AMH

Cacbon nanotubes amin hóa bằng urê

7

XRD

X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

8

FTIR

Fourier transform infrared spectroscopy

9

SEM

Scanning Electron Microscope

vii


LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta đang trong quá trình phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa việc ưu
tiên và phát triển các ngành công nghiệp nặng, nhẹ là một điều không thể thiếu trong
việc xây dựng và phát triển đất nước. Trong đó có ngành công nghệ vật liệu đang được
xem là ngành công nghiệp ưu tiên ở nước ta đang chú trọng được phát triển ngày càng
cải thiện và tìm ra những loại vật liệu mới có tính chất ưu việt hơn.
Một trong những vật liêu tiên tiến hiện nay đang được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu sử dụng trong lĩnh vực vật liệu polyme nano composite là ống nano
cacbon (CNTs) có các tính chất nổi trội hơn rất nhiều vật liệu khác như: độ bền cơ học
cao, dẫn điện dẫn nhiệt tốt, chịu môi trường hóa chất... nên nó có ứng dụng rộng rãi

trong các lĩnh vực như công nghệ nano, điện tử, quang học, y sinh và các lĩnh vực
khác của khoa học vật liệu. Do vậy, CNTs có thể gia cường và làm thay đổi tính chất
cơ lý của polymer, dẫn điện và quang học của polyme.
CNTs cũng được coi là vật liệu tiềm năng trong các lớp phủ nanocomposite để
bảo vệ chống ăn mòn, một số lớp sơn phủ như epoxy, polyuretan có chứa CNTs thì
khả năng chống ăn mòn mạnh, bám dính cao, bền tử ngoại và tính chất cơ lý tốt hơn
hẳn so với vật liệu polyme nền. Sự gia tăng các tính chất đó được chứng minh do sự
phân tán và sự tương tác của CNTs với polyme làm mạng lưới polyme composite trở
nên dày đặc hơn.
.

Tuy nhiên, do những đặc điểm về cấu trúc bề mặt ống cacbon nano, nên việc phân

tán cũng như tương tác với các môi trường phân tán trong đó bao gồm dung môi hữu
cơ phân cực, nước, polyme phân cực... rất hạn chế. Đặc biệt là do ảnh hưởng của hiệu
ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu nano nên CNTs rất dễ xảy
ra hiện tượng kết tụ. Sự kết tụ này được hỗ trợ thêm bởi liên kết Van der Walls khiến
cho CNTs càng khó phân tán trong các môi trường phân cực. Cũng chính hiện tượng
này làm cho khả năng phân tán và liên kết của CNTs với môi trường phân tán không
được tốt. Bên cạnh đó dưới những tác động nhất định sẽ dễ dàng kéo CNTs ra khỏi
hệ phân tán dẫn đến hiện tượng lắng tụ

[9]

. Chính vì vậy, để giúp cho khả năng phân

tán và ổn định trạng thái phân tán của CNTs vào các môi trường phân tán phân cực
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

1


tốt, người ta thường phải biến tính hóa học CNTs nhằm gắn các nhóm chức có khả
năng liên kết tốt với các phân tử môi trường phân tán tương ứng

[4]

. Trong đó đáng

chú ý là các quá trình nhằm biến đổi từ cấu hình C lai hóa sp2 sang C sp3, việc này
cho phép thay đổi các tính chất điện tử của CNTs cũng như có thể điều chỉnh các
tính chất bề mặt của chúng, nhờ đó các tính năng mới có thể xuất hiện mà CNTs
nguyên bản không thể có được [15].
Đó là lý do chúng em chọn đề tài“Nghiên cứu chức hóa ống nanocacbon (CNTs)
bằng urea dùng làm chất gia cường cho màng s n Epoxy”

Đà Nẵng, tháng 5 năm 2018
Nhóm sinh viên
Huỳnh Thị Ngọc
Lê Thị Thủy

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

2

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1.

Ống Cacbon nanotubes (CNTs)

1.1.1. Giới thiệu
Trong nhiều năm, các nhà khoa học giả định rằng Sumio Iijima của NEC đã phát
hiện ra các ống nano carbon vào năm 1991. Ông đã viết bài báo của mình về sự phát
hiện đó, điều này đã tạo cảm hứng cho nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu về các
ứng dụng của ống nano carbon lúc ấy. Mặc dù cấu trúc dạng chuỗi của CNTs được tìm
thấy bởi Tiến sĩ Sumio Iijima vào năm 1991, nhưng CNTs đã được biết đến trước đó
khoảng 40 năm [1].
Sau báo cáo của tiến sĩ Sumio Iijima năm 1991, CNTs đã thu hút sự quan tâm
của khoa học. Với các tính chất ưu việt và tuyệt vời của mình, cacbon nanotube đang
được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn như là một loại vật liệu của tương lai [1].
1.1.2. Cấu trúc và phân loại
Cấu trúc của CNTs xem như một tấm graphene được cuộn tròn lại thành hình trụ
với đường kính cỡ nanomet, vì vậy để hiểu rỏ hơn về CNTs chúng ta nên tìm hiểu đôi
nét về graphene.
Graphene là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp
chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Trong đó, mỗi nguyên tử
carbon liên kết với ba nguyên tử carbon gần nhất bằng liên kết  tạo thành bởi sự xen
phủ của các vân đạo lai s-p, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2. Khoảng cách giữa các
nguyên tử carbon gần nhất là a = 0,142 nm. Graphene được cuộn lại sẽ tạo nên dạng
thù hình fullerene 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình cacbon nanotube 1D,
hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphite 3D

Hình 1.1. Graphene - vật liệu có cấu trúc c bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D).
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

3


Ống nano carbon (Carbon Nanotube – CNT) là một dạng thù hình của carbon
với cấu trúc như hình 2, tỷ lệ chiều dài trên bán kính của ống là rất lớn, vào năm 2010
thì chiều dài của ống được công bố là 18mm trong khi đường kính chỉ vài nanomet
(xấp xỉ 1/50.000 bề dày sợi tóc của con người).

Hình 1.2. Cấu trúc các ống nano carbon được cuộn tròn về phía mép a), và ống nano
carbon được cuộn lệch b)
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. CNTs đa lớp có dạng hình trụ gồm nhiều lớp graphane bọc xung quanh
lõi CNTs đơn lớp và 2 đầu ống được bọc bởi các bán cầu fullerene.

1.1.2.1. Cacbon Nanotubes đơn lớp (SWCNT)
Để tưởng tượng đơn giản, CNTs đơn lớp giống như một tấm graphene được cuộn
lại thành hình ống, sau đó hai đầu được đóng kín bằng hai đầu chóp. Đầu chóp này là
một nửa phân tử fullerene với đường kính thích hợp.

Hình 1.3 Mô hình cách tạo ra CNT đ n lớp từ tấm graphene
Về hình học, không có sự hạn chế về đường kính ống nhưng các tính toán chỉ ra
rằng sự biến đổi ống CNTs đơn lớp thành dải phẳng hai lớp có xu hương dễ xảy ra khi
giá trị đường kính vượt qua 2,5 nm. Và cũng không có hạn chế về độ dài của CNTs, nó
chỉ bị giới hạn bởi phương pháp tổng hợp và từng điều kiện cụ thể được sử dụng trong
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

4


quá trình tổng hợp. Hai kết quả quan trọng thu được từ cấu trúc SWCNT là: 1- Tất cả
nguyên tử cacbon bị cuốn lại trong các vòng thơm 6 cạnh và ở các vị trí cân bằng. 2Mặc dù các nguyên tử cacbon được cuốn lại trong vòng aromatic nhưng các góc liên
kết C=C không phẳng như lý tưởng. Điều này nghĩa là sự lai hóa của các nguyên tử
cacbon không đơn thuần chỉ có sp2 mà có khoảng vài phần trăm sp3, khi tăng bán kính
ống thì sự uốn cong CNT giảm. [2]
Có nhiều cách để cuộn một tấm graphene thành CNTs đơn lớp, do đó cũng hình
thành các loại CNTs đơn lớp khác nhau. Trong đó tồn tại 3 loại CNTs chính là zigzag,
armchair và chiral. Đặc trưng cho từng loại là vector chiral ( n,m ). [2]

Hình 1.4 Các cấu trúc khác nhau c a CNTs (a) zigzag, (b) armchair, (c) chiral

1.1.2.2 Cacbon Nanotubes đa lớp (MWCNT)
Loại CNTs đa lớp sớm nhất được hình dung là loại đồng tâm, trong đó các CNT
đơn lớp với đường kính tăng dần được sắp xếp đồng trục với nhau theo mô hình búp
bê Nga (Russian Doll) thành nanotube đa lớp. Các nanotube được hình thành bằng
phương pháp hồ quang điện (không có xúc tác) hoặc cracking các khí hydrocacbon có
xúc tác. Một cấu trúc thường thấy khác là cấu trúc “herringbone” (h-MWCNT) trong
đó các tấm graphene tạo một góc với trục của nanotube. Các góc này biến đổi theo
điều kiện quá trình tổng hợp như hình thái xúc tác, thành phần môi trường khí từ 0 tới
900C. Ngoài ra còn một cấu trúc cũng khá phổ biến là “bamboo” hay “đốt tre”. Trong
cấu trúc này, một số tấm graphene định hướng vuông góc với trục của nanotube tạo
nên hình dạng các “ đốt tre”. Tính chất của cacbon nanotube chủ yếu phụ thuộc vào độ
hoàn hảo và sự định hướng của các tấm graphene hơn là các yếu tố khác [2].

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

5


Hình 1.5 Cấu trúc “ Russian Doll” ( trái) , “ Herringbone” ( giữa) và “ Bamboo”(
phải) c a CNT đa lớp [2].
1.1.3. Tính chất chung của CNTs
Đường kính CNTs đơn lớp vào khoảng nanomet và chiều dài có thể lên đến hàng
trăm micromet, là sợi nhỏ nhất trong kích thước nanomet được quan sát trong thiết bị
có tia electron. CNTs đơn lớp có độ bền lên tới 7500C trong không khí và 1500 –
18000C trong môi trường khí trơ. CNTs có khối lượng riêng bằng một nửa so với kim
loại nhôm. Với đường kính có kích thước phân tử, tính chất CNTs đơn lớp bị ảnh
hưởng bời cách các nguyên tử bị sắp xếp cùng với hướng phân tử. Tính chất vật lý và
hóa học vì thế liên quan tới đặc điểm cấu trúc của chúng. [2]


Tính chất cơ học và đặc tính điện của CNTs chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hình

học và cấu trúc không gian của nó. CNTs 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 CNTs được
thể hiện là do sự tương đồng với graphite vì CNTs 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 CNTs, tùy thuộc vào đường kính và kiểu ống, module đàn hồi trên 1Tpa
tương đương kim cương, độ bền kéo khoảng 200 Gpa. CNTs 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 CNTs 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.
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

6


Tính chất điện: Một tấm graphene có thể được cuộn lại theo nhiều cách khác
nhau để tạo thành ống CNTs 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 k 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/CNTs bị giới hạn bởi sự phân chia pha giữa polymer nền và CNTs.
Cho đến nay, sự phân phối đều của CNTs trong polymer nền vẫn là vấn đề rất quan
trọng.
1.1.4. Ứng dụng

* Các ứng dụng về năng lƣợng
- Sử dụng CNTs trong pin litium có thể tăng dung lượng pin lên 10 lần, được ứng
dụng trong xe hơi, các thiết bị điện tử cầm tay.
- Vì vậy CNTs có thể được sử dụng cho việc tích trữ Hidro, làm thành pin nhiên
liệu dùng cho ô tô.

Hình 1.6. Mô hình sự xen giữa c a Li và hấp thụ H2
* Đầu dò nano và sensơ
Do tính dẻo dai nên CNT được ứng dụng trong đầu dò quét của các thiết bị kính
hiển vi điện tử AFM và STM.

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

7


Hình 1.7. Típ STM, AFM có gắn CNTs
* Ống nano carbon tạo ra các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ
Theo các chuyên gia, ứng dụng quan trọng của sợi carbon mới này là sản xuất
áo chống đạn , vỏ tầu vì CNTs là vật liệu siêu bền và siêu nhẹ.

Hình 1.8 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs
* Ống nano carbon tạo ra các linh kiện điện tử nano
Hiện nay với sự xuất hiện của ống nano carbon, cùng với khả năng chế tạo ra
các ống carbon có tính chất như là bán dẫn loại p hay loại n.

Hình 1.9. Transistor trường sử dụng ống nanno carbon
1.2.

Chức hóa Cacbon nanotubes (CNTs)

Đối với vật liệu nanocomposite, sự phân tán vật liệu gia cường vào trong chất
nền là rất quan trọng. Nó quyết định đến độ bền cũng như tính ổn định của vật liệu,
tránh hiện tượng chất độn tập hợp lại với nhau tách ra khỏi vật liệu nền. Điều này rất
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

8


khó kiểm soát trong trường hợp chất độn ở dạng sợi nano như CNTs (do diện tích bề
mặt rất lớn). Để giải quyết vấn đề này, người ta thường khuấy trộn cơ học trong quá
trình chế tạo nanocomposte để giúp phân tán CNTs và trong vật liệu nền. Tuy nhiên,
cách phân tán hiệu của nhất là chức hóa bề mặt của CNTs, giúp ổn định sự phân tán, vì
nó có thể ngăn ngừa sự tái tập hợp của các ống nano và cũng làm tăng liên kết của
CNTs với nền polymer. Liên kết giữa CNTs và polymer quyết định đến hiệu quả
truyền ứng suất từ nền trong vật liệu sang CNTs, quyết định đến độ bền của vật liệu
composite.[8]
Các phương pháp chức hóa CNTs bao gồm:
Chức hóa ống CNTs trong môi trường acid mạnh có chứa nguyên tử oxy.
Chức hóa ống CNTs bằng các hợp chất chứa nhóm chức amin ( amino) mạch
thẳng hay vòng thơm.
Chức hóa ống nano carbon bằng các hợp chất chứa nhóm chức sulfur.
Chức hóa ống nano carbon bằng các hợp chất chứa nhóm alkyl hoặc vòng
thơm.
Chức hóa bằng cách sử dụng nguyên tố kim loại, hợp chất vô cơ, và các chất
Grignard.

-

Chức hóa ống nano bằng hợp chất vòng đại phân tử [9].

Hình 1.10. Các dạng biến tính cấu trúc SWCNT
Mục đích của các phương pháp trên là tạo nên các nhóm chức trên bề mặc ống
nanocacbon nhằm tăng khả năng phân tán của chúng trong các môi trường khác nhau.

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

9


Khi môi trường phân tán là polymer thì phương pháp biến tính nhóm cacboxyl
bằng hỗn hợp axit có chứa oxi được sử dụng phổ biến nhất, do cách tiến hành đơn giản
nhưng đạt hiệu quả cao [10].
1.3.

Nhựa epoxy

1.3.1. Khái niệm và phân loại
Epoxy là một trong những loại nhựa nhiệt rắn được sử dụng làm vật liệu nền
phổ biến trong vật liệu composite cao cấp cho độ cứng, tính chất cơ lý tốt, khả năng ổn
định kích thước và kháng hóa chất tuyệt vời. Hạn chế chính của nhựa epoxy là độ giòn
vốn có của nó. Hiện này, nhiều công trình nghiên cứu tập trung và cải thiện khả năng
gia cường cho nền epoxy nhờ vào carbon nanotubes (CNTs). Epoxy hiện nay được sản
xuất với ba loại chính.
Nhựa Diepoxy: loại này có hai nhóm epoxy ở hai đầu mạch phân tử. Được điều

chế bằng phản ứng đa tụ giữa epyclohydrin và bis-phenol A (tên gọi thương mại là
dian) với NaOH làm chất xúc tác. Nhựa Diepoxy trên cơ sở epyclohydrin và bisphenol A có thể là chất lỏng nhớt hay là sản phẩm dạng rắn (ở dạng cục hoặc hạt).
Nhựa polyepoxy: là loại nhựa chứa nhiều nhóm epoxy (≥ 3) trong mạch phân
tử, ví dụ như điều chế từ nhựa phenol formandehit đa tụ với epyclohydrin. Loại nhựa
này có độ nhớt không cao lắm và có khả năng đóng rắn cao nhưng do có nhóm -OH
trong mạch đại phân tử nên ngay trong trạng thái đóng rắn cũng không chịu được nhiệt
và nước tốt. Do vậy nên người ta thường dùng để phối trộn với nhựa epoxy thông
thường. Có thể sử dụng nhựa polyepoxy làm keo dán rất tốt do trong mạch có chứa
nhiều nhóm -OH nên có khả năng bám dính rất cao.
-

Loại thứ ba: là nhựa thu được bằng phương pháp epoxy hoá các hợp chất không

no có chứa nhóm epoxy ở trong mạch chính.[3]
1.3.2. Tổng hợp
Nhựa diepoxy là sản phẩm ngưng tụ từ hợp chất có chứa nhóm epoxy với một
rượu đa chức hay một phenol đa chức trong môi trường kiềm ở nhiệt độ khoảng 70 0C,
thường sử dụng epiclohydrin và dian (D). Khi tổng hợp nhựa diepoxy, thường hoà tan
dian vào một lượng thừa epyclohydrin rồi thêm dần dần dung dịch kiềm và khống chế
nhiệt độ ở khoảng từ 60 - 700C. Phản ứng thu được ete diglixit dioxi difenyl propan.[3]

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

10




Cơ chế phản ứng:

Các sản phẩm ban đầu tiếp tục ngưng tụ với dian cho nhựa epoxy:

Công thức tổng quát:

1.3.3. Ứng dụng
Nhựa epoxy được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống hằng ngày cũng như
trong nhiều ngành công nghiệp, nhất là trong lĩnh vực sơn, keo dán và composite. Đây
là 3 lĩnh vực phổ biến nhất (hình 1.20).[3]

Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

11


Hình 1.11. Ứng dụng c a nhựa Epoxy
Nhựa epoxy là loại nhựa có nhiều ưu điểm tốt như độ bám dính cao trên bề mặt
kim loại, có tính ổn định hóa học, bền hóa chất. Việc sử dụng nhựa epoxy trên nền cốt
sợi thủy tinh làm tăng tính bền cơ lên đáng kể và rất thích hợp để chế tạo lớp bọc lót
bảo vệ thiết bị chống ăn mòn hóa chất.
Composite sợi cacbon nổi tiếng vì nhẹ và bền, ít tác dụng hóa học nếu thay sợi
cacbon thành ống nanocacbon chắc chắn sẽ làm vật liệu nhẹ hơn nhiều, được sử dụng
trên các phương tiện cần giảm trọng lượng như máy bay...
Hiện nay, sợi cacbon và các bó ống cacbon đa lớp được dùng gia cường cho
epoxy để điều khiển và nâng cao tính dẫn, dùng làm bao bì chống tĩnh điện hay làm
vật liệu cấy vào cơ thể vì cacbon dễ tương hợp với xương, mô..., làm các màng lọc
cũng như linh kiện phi tuyến.

Polyme đặc biệt là epoxy gia cường bởi đất sét được ứng dụng khá nhiều như
dùng trong bộ phận hãm xe hơi. Ngoài ra có thể sử dụng hạt cacbon đen có kích thước
10÷100nm để gia cường cho vỏ xe hơi.
Các hạt nano được sử dụng trong sơn epoxy có thể cải thiện tính chất như làm cho
lớp sơn mỏng hơn, nhẹ hơn, sử dụng trong máy bay nhằm giảm trọng lượng máy bay.
Ngoài đất sét ra thì trong vật liệu nano compoisite polyme còn sử dụng các hạt
ở kích thước nanomet như hạt CuS, CdS, CdSe...được sử dụng như những vật liệu cảm
quan trong phim, giấy ảnh, mực in,bột photocopy, mực in màu.
Nhìn chung vật liệu nanocompoisite có tính chất tốt hơn composite thông
thường nên có nhiều ứng dụng đặc biệt và hiệu quả hơn. Đây sẽ là vật liệu mở ra nhiều
hướng nghiên cứu mới và mở ra nhiều tính năng ứng dụng cao.
Một ví dụ khác cũng rất rõ ràng, đó chính là trong ngành công nghiệp ô tô và
hàng không. Đa số các bộ phận vỏ, bao bọc,..của các loại phương tiện này đều sử dụng
Sinh Viên Thực Hiện: Huỳnh Thị Ngọc- Lê Thị Thủy

Giáo Viên Hướng Dẫn: Phan Thị Thúy Hằng

12