Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên nền nhựa nhiệt rắn có sử dụng nano bạc cho ứng dụng kháng khuẩn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN TRƯNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN
NỀN NHỰA NHIỆT RẮN CÓ SỬ DỤNG NANO BẠC CHO
ỨNG DỤNG KHÁNG KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN TRƯNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN
NỀN NHỰA NHIỆT RẮN CÓ SỬ DỤNG NANO BẠC CHO
ỨNG DỤNG KHÁNG KHUẨN

Chuyên ngành : Kỹ thuật Hoá học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Nguyễn Thị Thuỷ
2. TS. Phạm Anh Tuấn

Hà Nội - 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Trưng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên nền nhựa nhiệt rắn
có sử dụng nano bạc cho ứng dụng kháng khuẩn
Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học
Mã số SV: CA170298
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
05/11/2019 với các nội dung sau:
-

Điều chỉnh kết luận trong luận văn: Bổ sung các số liệu cụ thể ở phần tính
chất cơ lý của sản phẩm.

-

Bổ sung phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ theo thời gian đóng rắn.

-

Chỉnh sửa một số lỗi chính tả cịn sai sót trong luận văn.

-

Điều chỉnh phần tổng quan ngắn gọn hơn.
Ngày 26 tháng 11 năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Nguyễn Thị Thuỷ

Nguyễn Văn Trưng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TS. Bùi Chường


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan những nội dung mà tác giả viết trong Luận văn này là do
sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân và các cộng sự dưới sự hướng dẫn tận tình của tập
thể hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Thị Thuỷ và TS. Phạm Anh Tuấn. Mọi số liệu và
kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một
cơng trình khoa học nào khác, trừ các phần tham khảo đã được trích dẫn nguồn gốc cụ
thể trong Luận văn.
Hà Nội, tháng 10 năm 2019
Tác giả

Nguyễn Văn Trưng

1


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn
Thị Thuỷ và TS. Phạm Anh Tuấn, những người đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn, tạo
mọi điều kiện trong suốt q trình học tập, nghiên cứu, thực hiện hồn thành bản luận
văn tốt nghiệp này.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo và các anh chị em
Trung tâm Công nghệ Polyme - Compozit và Giấy Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, các
anh chị em đồng nghiệp khối R&D Tập đồn Phenikaa nơi tơi đang công tác đã giúp
đỡ, trao đổi kinh nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành bản luận văn này.
Sự động viên và giúp đỡ của bạn bè là nguồn động lực to lớn và không thể thiếu
giúp tơi từng bước vượt qua những khó khăn để hồn thành tốt luận văn. Tơi xin được
gửi lời cảm ơn chân thành tới những người bạn của mình.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ sự trân trọng và biết ơn sâu nặng, những tình cảm
đặc biệt nhất cho sự ủng hộ và động viên của gia đình mình. Những người đã luôn chia
sẻ, giúp đỡ, động viên cho tôi vững tin về tinh thần và thêm nghị lực để giúp tơi vượt
qua mọi khó khăn, thử thách trong cuộc sống.
Hà Nội, tháng 10 năm 2019
Tác giả

Nguyễn Văn Trưng

2


MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. 8
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 10
PHẦN 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 11
1.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOZIT- POLYME NANOCOMPOZIT .......... 11
1.1.1. Định nghĩa vật liệu compozit.................................................................... 11
1.1.2. Phân loại vật liệu compozit ...................................................................... 12
1.2.1.1. Phân loại dựa theo cấu trúc vật liệu gia cường .................................... 12
1.2.1.2. Phân loại theo bản chất vật liệu nền ..................................................... 12
1.1.3. Chất gia cường trong vật liệu compozit .................................................. 13
1.1.3.1. Chất gia cường dạng sợi ....................................................................... 13
1.1.3.2. Chất gia cường dạng hạt ....................................................................... 14
1.1.4. Nhựa nền vật liệu compozit ...................................................................... 15
1.1.4.1. Chất nền polyme nhiệt dẻo .................................................................... 16
1.1.4.2. Chất nền nhựa nhiệt rắn ........................................................................ 17
1.1.5. Vật liệu polyme nanocompozit ................................................................. 18
1.1.5.1. Gới thiệu chung về vật liệu polyme nanocompozit ............................... 18
1.1.5.2. Vật liệu nano bạc tổ hợp với polyme ..................................................... 22
1.2. DẦU THỰC VẬT EPOXY HOÁ TỪ DẦU HẠT CAO SU - NHỰA
POLYESTE KHÔNG NO .................................................................................... 26
1.2.1. Giới thiệu về dầu thực vật ........................................................................ 26
1.2.2. Dầu thực vật epoxy hóa. ........................................................................... 28
1.2.3. Dầu hạt cao su epoxy hóa ......................................................................... 30
1.2.4. Nhựa polyeste khơng no ........................................................................... 33
1.3. NANO BẠC VÀ TÍNH CHẤT KHÁNG KHUẨN CỦA NANO BẠC .............. 35
1.3.1. Tình hình nghiên cứu nano bạc trên thế giới ......................................... 35

3

1.3.2. Khả năng kháng, diệt khuẩn của nano bạc ............................................ 37
1.3.3. Nghiên cứu chế tạo nano bạc ................................................................... 40
1.3.3. Cơ chế kháng khuẩn của compozit nền polyme bổ sung nano bạc ...... 41
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ COMPOZIT VÀ NANO BẠC KHÁNG KHUẨN..... 42
PHẦN 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 45
2.1. NGUYÊN LIỆU .................................................................................................... 45
2.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................................................... 46
2.2.1. Phương pháp phân tán nano bạc vào nhựa nền..................................... 46
2.2.1.1. Phân tán bằng cánh khuấy cơ học ........................................................ 46
2.2.1.2. Phân tán bằng khuấy siêu âm ............................................................... 48
2.2.1.3. Phân tán bằng cánh khuấy tốc độ cao .................................................. 49
2.2.2. Phương pháp xác định độ nhớt ................................................................ 50
2.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu đo cơ lý ......................................................... 51
2.2.4. Phương pháp xác định độ bền uốn .......................................................... 52
2.2.5. Phương pháp xác định độ bền kéo .......................................................... 53
2.2.6. Phương pháp xác định độ bền va đập ..................................................... 54
2.2.7. Phân tích cấu trúc hình thái của vật liệu ................................................ 54
2.2.8. Phương pháp kiểm tra tính kháng khuẩn của vật liệu .......................... 55
2.2.9. Phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ theo thời gian đóng rắn .... 55
PHẦN 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN .......................................................................... 57
3.1. NGHIÊN CỨU PHÂN TÁN NANO BẠC VÀO NHỰA NỀN........................... 57
3.1.1. Phân tán bằng khuấy siêu âm .................................................................. 57
3.1.2. Phân tán nano bạc bằng cánh khuấy cơ học .......................................... 58
3.1.3. Phân tán bằng máy khuấy siêu tốc .......................................................... 59
3.1.3.1. Ảnh hưởng của thời gian khuấy ............................................................ 59
3.1.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc. ................................................... 60
3.1.3.2. Ảnh hưởng của chất liên kết silan ......................................................... 61
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NANO BẠC ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA NHỰA NỀN ....... 63
3.2.1. Ảnh hưởng của nano bạc đến độ nhớt của nhựa nền ............................ 63

4


3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến đặc trưng đóng rắn của nhựa
nền............................................................................................................... 64
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NANO BẠC ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ HỌC
CỦA NANOCOMPOZIT ..................................................................................... 68
3.4. HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA NANOCOMPOZIT ............................... 72
3.4.1. Kiểm định hoạt tính kháng khuẩn của hệ nhựa nền cho chế tạo nano
compozit trước khi đóng rắn.................................................................... 72
3.4.1.1. Kết quả kiểm đinh tại phịng thí nghiệm sinh học - Trung tâm Cao Su
D2A, đại học Bách Khoa Hà Nội ........................................................... 72
3.4.1.2. Kết quả kiểm định tại Khoa vi sinh thực phẩm và sinh học phân tử Viện dinh dưỡng quốc gia, Hà Nội. ........................................................ 75
3.4.2. Kiểm định hoạt tính kháng khuẩn của nanocompozit với vi khuẩn. ... 79
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 82

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PC

Polyme compozit

PE

Polyethylen

PP

Polypropylen

PEKN

Nhựa polyeste không no

PVA

Polyvinyl alcohol

PLA

Poly Lactic Acid

PVP

Poly Vinyl Pyrolidone

PHMG

Polyhexamethylene Guanidine Hydrochloride

P(S-VP)

Polystyrene-block-poly (2-vinyl pyridine)

PHMB

Polyhexamethylene Biguanide Hydrochloride

PVC

Polyvinyl clorua

PET

Poly ethylen terephthalat

PBT

Poly butylene terephthalat

MPD

Poly metaphenylen

PPD

p-Phenylen phthalamit

PVP

Polyvinyl pyrrolidon

CTS

Chitosan

ERSO

Dầu hạt cao su epoxy hoá

6


DANH MỤC BẢNG
Stt Số bảng

Tên bảng

Trang

1

Bảng 1.1 So sánh các tính chất sợi

13

2

Bảng 1.2 Đặc trưng nền polyme nhiệt dẻo và nhiệt rắn

16

3

Bảng 1.3

4

Bảng 1.4 Tính chất một số loại nhựa

5

Bảng 1.5

Diện tích bề mặt mỗi đơn vị đối lập với kích cỡ hạt đối với
các hạt hình cầu phân tán lý tưởng

21

6

Bảng 1.6

Tổng hợp các nghiên cứu về chế tạo vật liệu nano tổ hợp
Ag-polyme và ứng dụng

25

7

Bảng 1.7 Hàm lượng dầu và chỉ số Iot của một số dầu thực vật

26

8

Bảng 1.8 Hàm lượng một số axit trong dầu thực vật

27

9

Bảng 1.9 Hàm lượng một số axit trong dầu hạt cao su

31

Một vài tính chất của polyme nhiệt dẻo kết tinh và vơ định
hình

17
17

10 Bảng 1.10 Đặc trưng lý học của dầu hạt cao su và một số dầu thực vật

32

11 Bảng 1.11 Một số tính chất của nhựa PEKN đóng rắn

34

12 Bảng 1.12

Hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc đối với một số chủng
vi khuẩn Gram âm và Gram dương

38

13 Bảng 1.13

Một số chủng vi khuẩn, nấm, dịch thực vật đã được nghiên
cứu để tổng hợp sinh học nano bạc

40

14 Bảng 2.1

Môi trường thạch và chủng vi khuẩn thực hiện phép đo định
lượng vi khuẩn

55

15 Bảng 3.1

Ảnh hưởng của nano bạc đến đặc trưng đóng rắn nhựa
epoxy dầu hạt cao su

65

16 Bảng 3.2

Ảnh hưởng của nano bạc đến đặc trưng đóng rắn của nhựa
PEKN

67

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

25
26

Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1 Mơ tả vật liệu compozit
Hình 1.2 Mơ tả các chất gia cường kích thước nano
Hình 1.3 Tương quan độ lớn và số lượng hạt cầu trong đơn vị thể tích
Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-polyme theo phương
Hình 1.4
pháp Ex-situ
Hình 1.5 Cấu trúc phân tử triglyxerit, thành phần chính trong dầu thực vật
Hình 1.6 Vịng đời của vật liệu bio polyme thân thiện với mơi trường
Hình 1.7 Hạt cây cao su Việt Nam
Số cơng trình cơng bố liên quan đến nano bạc từ 2000 – 2015,
Hình 1.8
thống kê từ trang ISI web of sciencetm
Tỉ trọng các nghiên cứu về nano bạc chia theo
Hình 1.9
(a) lĩnh vực nghiên cứu và (b) quốc gia nghiên cứu
Hình 1.10 Ảnh TEM của mẫu ở các độ phóng đại khác nhau
Mơ hình tóm tắt q trình tương tác giữa hạt nano bạc và tế bào
Hình 1.11
vi khuẩn
Cơ chế hoạt động kháng khuẩn của vật liệu nano kim
Hình 1.12

loại/polyme dựa trên nền nhựa nhiệt dẻo
Hình 2.1 Máy khuấy và cấu tạo cánh khuấy
Hình 2.2 Khuấy trộn nhựa bằng cánh khuấy cơ học
Hình 2.3 Máy khuấy siêu âm đầu dị
Hình 2.4 Máy khuấy siêu tốc
Hình 2.5 Thiết bị đo độ nhớt Brookfiel
Hình 2.6 Khn định hình tạo mẫu đo tính chất cơ lý
Hình 2.7 Mẫu đang đo bền uốn
Hình 2.8 Mẫu đang đo bền kéo
Hình 2.9 Máy đo độ bền va đập Izod
Hình 2.10 Kính hiển vi phát xạ trường
Hình 2.11 Đĩa thạch ni cấy vi khuẩn xung quanh các mẫu nhựa lỏng
Ảnh hưởng của thời gian đến sự phân tán nano bằng phương
Hình 3.1
pháp khuấy siêu âm
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến sự phân tán nano vào
Hình 3.2
nhựa
Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến lớp cặn sau phân tán

8

11
18
20
24
28
29
31
36

36
38
39
41
47
48
48
49
50
51
52
53
54
54
56
57
58
58


27

Hình 3.4

28

Hình 3.5

29

Hình 3.6

30
31
32

Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9

33 Hình 3.10
34 Hình 3.11
35 Hình 3.12
36
37
38
39

Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16

40 Hình 3.17
41 Hình 3.18
42 Hình 3.19
43 Hình 3.20
44 Hình 3.21
45 Hình 3.22
46 Hình 3.23

47 Hình 3.24
48 Hình 3.25

49 Hình 3.26

Lớp cặn cịn lại sau khi phân tán bằng phương pháp
khuấy cơ học và khuấy siêu âm
Ảnh hưởng thời gian khuấy siêu tốc đến lớp cặn của mẫu
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến lớp cặn của mẫu phân
tán bằng phương pháp khuấy siêu âm
Ảnh hưởng của silan đến mẫu và lớp cặn sau phân tán
Ảnh hưởng của silan đến mẫu và lớp cặn mẫu sau hai tuần khuấy
Ảnh hưởng của nano bạc đến độ nhớt của nhựa
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến nhiệt độ tỏa ra của
phản ứng đóng rắn nhựa epoxy dầu hạt cao su
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến nhiệt độ tỏa ra của
phản ứng đóng rắn nhựa PEKN
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến tính chất uốn của vật
liệu
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến mô đun uốn của vật liệu
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến độ bền kéo của vật liệu
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến mô đun kéo của vật liệu
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến độ bền Izod của vật liệu
Ảnh FESEM: a) bột nano bạc, b) mẫu nanocompozit nền ERSO 60 ppm nano bạc, mẫu nanocompozit nền PEKN - 60 ppm
Ảnh chụp thể hiện tính kháng khuẩn của nhựa nền trên cơ sở:
a,b) nhựa ERSO c,d) nhựa PEKN
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến tính kháng khuẩn của
nhựa nền trên cơ sở nhựa ERSO
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến tính kháng khuẩn của
nhựa nền trên cơ sở nhựa PEKN

Ảnh chụp thể hiện tính kháng khuẩn của nhựa nền trên cơ sở
nhựa ERSO
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến tính kháng khuẩn của
nhựa nền trên cơ sở nhựa ERSO
Ảnh chụp thể hiện tính kháng khuẩn của nhựa nền trên cơ sở
nhựa PEKN
Ảnh hưởng của hàm lượng nano bạc đến tính kháng khuẩn của
nhựa nền trên cơ sở nhựa PEKN
Ảnh chụp mẫu nanocompozit kiểm định tại phịng thí nghiệm
sinh học - Trung tâm Cao Su D2A, Đại học Bách Khoa Hà Nội:
a,b) nhựa ERSO c,d) nhựa PEKN
Ảnh chụp mẫu nanocompozit kiểm định tại Khoa vi sinh thực
phẩm và sinh học phân tử- Viện dinh dưỡng quốc gia, Hà Nội
a,b) nhựa ERSO c,d) nhựa PEKN

9

59
60
61
62
63
64
65
66
68
69
69
70
71

72
73
74
74
75
76
77
78
79

80


MỞ ĐẦU
Vật liệu compozit nói chung và đá nhân tạo nói riêng với các tính chất ưu việt
đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Cùng với sự phát triển của xã hội
và các yêu cầu không chỉ bó hẹp ở hình thức hay độ bền mà cần phải đáp ứng các yêu
cầu khắt khe hơn để nâng cao chất lượng cuộc sống như khả năng kháng khuẩn.
Bạc đã được biết đến từ xa xưa là một nguyên tố với hoạt tính kháng khuẩn tự
nhiên mạnh nhất. Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ nano, hoạt tính kháng khuẩn
của bạc đã được tăng lên rất nhiều lần và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
để sử dụng cho mục đích khử trùng, kháng khuẩn.
Thực tế hiện nay Tập đoàn Phenikaa đang sản xuất đá nhân tạo trên nền nhựa
polyeste không no và định hướng sử dụng nhựa nền bio-resin chủ yếu xuất khẩu đi các
thị trường Mỹ, Châu Âu, Úc… với thương hiệu Vicostone. Sản phẩm đá nhân tạo
Vicostone là một sản phẩm đá cao cấp được thiết kế với độ bền cao, có khả năng chống
thấm, chống xước, chống bám bẩn và chịu nhiệt tốt hơn nhiều lần so với các loại vật
liệu ốp lát khác…
Theo xu hướng phát triển của xã hội, các yêu cầu của các nhà tiêu thụ cũng được
nâng cao lên. Do vậy, vật liệu đá nhân tạo chất lượng tốt và có đặc tính kháng khuẩn

cao là định hướng sản phẩm mới đang được các nhà sản xuất đá nhân tạo trên thế giới
nói chung và đá nhân tạo thương hiệu Vicostone nói riêng rất quan tâm. Hiện nay, Tập
đoàn Phenikaa cũng đang nỗ lực nghiên cứu và áp dụng các công nghệ tiên tiến cho ra
đời sản phẩm đá nhân tạo mới này. Vì vậy, là một thành viên trong Tập đoàn Phenikaa,
tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên nền nhựa nhiệt
rắn có sử dụng nano bạc cho ứng dụng kháng khuẩn” cho luận văn tốt nghiệp của
mình. Khơng chỉ nghiên cứu mang tính chất học thuật, đề tài còn định hướng ứng dụng
vào sản xuất do vậy đề tài không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà cịn có giá trị thực tiến
rất lớn.
 Mục tiêu của luận văn:
- Nghiên cứu để chế tạo được vật liệu nanocompozit trên nền nhựa nhiệt rắn có
sử dụng nano bạc.
- Đánh giá được các đặc trưng tính chất của vật liệu nanocompozit
 Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu phân tán nano bạc vào nền nhựa nhiệt rắn.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của nhựa nền/vật liệu
nanocompozit có sử dụng nano bạc.
- Đánh giá tính chất kháng khuẩn của hệ vật liệu.
10


PHẦN 1. TỔNG QUAN
1.1.

TỔNG QUAN VẬT LIỆU COMPOZIT- POLYME NANOCOMPOZIT

1.1.1. Định nghĩa vật liệu compozit
Vật liệu compozit là một hệ thống tổ hợp hai hay nhiều pha có bản chất vật liệu
khác nhau, được kết hợp với nhau nhằm tạo ra một loại vật liệu mới với tối ưu các tính
chất của thành phần vật liệu ban đầu. Loại vật liệu này có thể gồm nhiều pha gián đoạn

(cịn gọi là cốt hay vật liệu gia cường) được phân bố trong một pha liên tục (gọi là vật
liệu nền). Trong tự nhiên cũng có nhiều loại vật liệu được coi là compozit, ví dụ gỗ là
một compozit của xenlulozo trong nền liên kết là lignin hoặc xương bền và nhẹ được
hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatit (một hợp chất của canxi) và những sợi
protein collagen [1].

Hình 1.1. Mơ tả vật liệu compozit
Vật liệu nền trong compozit có tác dụng liên kết các vật liệu cốt lại với nhau,
đảm bảo tính nguyên khối của một loại vật liệu có nhiều thành phần. Đồng thời, vật liệu
nền cịn là mơi trường truyền lực cơ học vào vật liệu cốt và bảo vệ vật liệu cốt khỏi các
tác động cơ lý hóa từ mơi trường, quyết định đến tính chất bền nhiệt, bền hóa, khả năng
gia cơng của compozit... Vật liệu nền của compozit phổ biến là các polyme hữu cơ.
Ngồi ra các hợp chất vơ cơ kim loại cũng đã được ứng dụng. Dưới tác dụng của ngoại
lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó có tính chất cơ lý cao
hơn vật liệu nền. Ngược lại, chúng có độ bền, dẻo dai, giãn dài kém hơn. Vật liệu gia
cường có tác dụng tăng cường tính chất cơ học (độ cứng, độ bền, khả năng chịu mỏi và

11


chịu va đập), cải thiện tính chất dẫn nhiệt, chịu nhiệt, chịu mơi trường cho vật liệu nền.
Ngồi ra, vật liệu cốt còn được sử dụng để giảm giá thành sản phẩm. Trong công nghiệp
chế tạo compozit, khối lượng phần vật liệu gia cường trong sản phẩm thường chiếm
khoảng 45 - 50%, nhưng cũng có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn, thậm chí vật liệu gia cường
cịn có thể chiếm đến 90 - 95% khối lượng sản phẩm [1]. Đối với đá nhân tạo, vật liệu
nền chiếm từ 7 - 30% khối lượng tuỳ theo kích thước của vật liệu cốt và cơng nghệ chế
tạo.
Vật liệu compozit có nhiều ưu điểm so với vật liệu truyền thống, trong đó nổi
bật nhất phải nói đến tính chất có thể thiết kế cấu trúc vật liệu của compozit. Để có thể
tạo ra một kết cấu - sản phẩm cụ thể, sẽ chọn một tổ hợp của các nguyên vật liệu đơn

(monolithic material) đáp ứng yêu cầu cầu kĩ thuật của sản phẩm. Tùy vào các yêu cầu
về độ cứng, độ bền, nhiệt độ làm việc, điều kiện sử dụng mà có thể đưa ra cách chế tạo
theo một tỉ lệ thành phần, kết cấu phù hợp để tạo ra một sản phẩm compozit. Thêm vào
đó, trong cách chế tạo, có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố vật liệu để tạo ra
vật liệu đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của nền cơng nghiệp kĩ thuật hiện đại.
Chính vì vậy, vật liệu compozit đã và đang giữ vai trò then chốt trong ngành vật liệu
phục vụ cho khoa học kĩ thuật thời đại mới [1].
1.1.2. Phân loại vật liệu compozit
Dựa vào các tính chất và nguồn gốc tạo ra vật liệu, trong khoa học người ta phân
loại compozit theo các cách sau:
1.2.1.1.

Phân loại dựa theo cấu trúc vật liệu gia cường

Compozit được phân thành 3 nhóm chính:
 Compozit gia cường sợi (cốt sợi)
 Compozit gia cường hạt (cốt hạt)
 Compozit cấu trúc
1.2.1.2.

Phân loại theo bản chất vật liệu nền

Trong nền polyme compozit lại được chia thành các loại nền:
 Compozit nền polyme nhiệt dẻo
 Compozit nền polyme nhiệt rắn
12


 Compozit nền elastome
1.1.3. Chất gia cường trong vật liệu compozit

1.1.3.1.

Chất gia cường dạng sợi

Sợi được sử dụng rất đa dạng trong chế tạo vật liệu compozit. Sợi có thể dùng ở
dạng sợi đơn hay bó sợi. Thường sợi đơn chỉ có đường kính từ một đến vài chục
micromet, do kích thước nhỏ khó xứ lí mà sợi thương phẩm được dùng thường ở dạng
bó sợi. Một bó sợi gồm từ vài trăm đến vài ngàn sợi xoắn hoặc không xoắn với nhau.
Những sợi này có thể được ép lại tạo tấm mat đa hướng (sợi ngắn hay sợi dài), hoặc
phân đan, dệt tạo dạng vải, tấm đan. Ngoài ra từ các bó sợi, bán thành phẩm có thể được
định dạng để dùng trong compozit cấu trúc [1].
Phân loại sợi: sợi được phân thành hai nhóm chính là sợi tự nhiên và sợi nhân
tạo. Sợi tự nhiên có nguồn gốc khống vật, thực vật và động vật: ví dụ như sợi bông,
sợi xenlulo, lông da động vật… Sợi tổng hợp có nguồn gốc từ các polyme tổng hợp (sợi
PP, PE, PA…), polyme thiên nhiên biến tính hoặc khơng phải polyme (sợi thép).
Bảng 1.1. So sánh các tính chất sợi
Tính chất

Cơ học

Tên sợi
Thủy tinh

Bor

Cacbon

Aramit

Độ bền riêng

Cao

Cao

Trung bình

Rất cao

Modul riêng

Thấp

Cao

Rất cao

Trung bình

Rất tốt

Bình thường

Thấp

Trung bình

Cao

Thấp

Trung bình

Trung bình

Cao

Thấp

Tốt

Tốt

Độ bền va đập
Độ giãn dài

Độ nhạy cảm với hư
Công hỏng hoặc gia công
nghệ Khả năng gia cơng lại ở
dạng vải hoặc dải mảnh

Bình
Bình thường
thường
Tốt

Kém

Một số loại vải, sợi được sử dụng trong công nghệ gia công compozit là sợi thủy
tinh, sợi aramit, sợi cacbon, sợi bor hay các sợi cốt tạp lai. Mỗi loại sợi đều có các ưu

khuyết điểm riêng (bảng 1.1). Ngồi ra, các sợi khác ít được sử dụng hơn nhưng cũng

13


đã xuất hiện trong sản phẩm compozit như sợi bazan, sợi xaphia, sợi cacbuasilic, sợi
polyetylen.
1.1.3.2. Chất gia cường dạng hạt
Các chất gia cường dạng hạt nói chung có vai trị quan trọng trong việc thể hiện
tính chất của vật liệu. Sự có mặt của các chất gia cường dạng hạt đặc biệt là các hạt vô
cơ ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc polyme do đó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của
vật liệu. Sự ảnh hưởng đó có thể là giảm khối lượng nhựa nền trong quá trình gia cơng
hoặc cũng có thể làm thay đổi cấu trúc mạng lưới và khối lượng phân tử nhựa nền do
ảnh hưởng đến q trình đóng rắn. Các chất gia cường dạng hạt có thể hấp thu nhiệt tỏa
ra trong khi đóng rắn làm thay đổi động học, tốc độ quá trình đóng rắn. Một số loại chất
gia cường dạng hạt tự nhiên được sử dụng phổ biến như bột canxi cacbonat, bột talc,
clay, cao lanh, mica và một số loại hạt tổng hợp như than đen, silica kết tủa, silica khói.
Đặc điểm của vật liệu gia cường dạng hạt:
Giá thành: Thường rẻ hơn nhiều so với nhựa, do vậy khi đưa vào nhựa sẽ làm
giảm đáng kể giá thành sản phẩm.
Theo bản chất hóa học, chất gia cường dạng hạt được chia làm hai dạng là hạt
trơ và hạt hoạt tính. Đối với dạng hạt trơ khơng có phản ứng hóa học với nhựa nền ví
dụ như mica, talc, thạch anh… Cịn dạng hoạt tính sẽ phản ứng với mơi trường tiếp xúc
(ví dụ gipsit phản ứng với các chất có tính axit hoặc kiềm, ở khoảng 200°C nó mất nước
trong tinh thể và tạo thành khả năng chống cháy cho vật liệu compozit).
Hóa học bề mặt: Tính chất này rất quan trọng do chúng quyết định mức độ thấm
ướt và độ liên kết của hạt gia cường với nền polyme.
Khối lượng riêng: Các nguyên tử có nguyên tử khối càng nặng và mức độ sắp
xếp trong tinh thể càng chặt chẽ thì khối lượng riêng của chất gia cường dạng hạt càng
lớn. Phần lớn chất gia cường dạng hạt phổ biến có khối lượng riêng từ 1,68-1,80 g/cm3

trong khi nền polyme thơng thường có khối lượng riêng trong khoảng 0,9-1,4 g/cm3.
Độ dẫn nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt, đổ ổn định nhiệt: Các tính chất nhiệt của chất
gia cường dạng hạt thường tốt hơn nhiều so với nền polyme, nên khi đưa chúng vào nền
nhựa thì sẽ cải thiện tốt tính chất nhiệt của vật liệu.

14


Hình dạng và kích thước chất gia cường dạng hạt: Có nhiều hình dạng và kích
thước khác nhau. Một số hình dạng phổ biến như hình cầu, lập phương, vảy, que… và
kích thước cũng phân bố đa dạng từ macro, xuống micro và gần đây là nano được sử
dụng. Trong thực tế, chất gia cường dạng hạt khó có thể ở trạng thái đơn lẻ mà hay bị
kết tụ thành dạng cục hay khối. Khi gia công cần phá vỡ các kết tụ này để có thể có tính
chất vật liệu tốt.
1.1.4. Nhựa nền trong vật liệu compozit
Vật liệu nền thường chứa 30 - 40% khối lượng sản phẩm compozit, đặc biệt có
khi chỉ chiếm 6 - 7% như đá nhân tạo. Nhựa nền có vai trị chính là liên kết các vật liệu
gia cường với nhau, đảm bảo tính thống nhất của vật liệu compozit. Để chế tạo ra sản
phẩm compozit thì vai trị của vật liệu nền là cực kì quan trọng. Vì vậy chúng phải đáp
ứng được những yêu cầu khắt khe về tính chất cơ học và công nghệ của vật liệu. Bản
thân vật liệu nền sẽ quyết định sản phẩm tạo ra có thể làm việc trong môi trường nào,
ảnh hưởng đến khả năng chịu tác động cơ lý hóa và các đặc tính khác của vật liệu nói
chung. Chính vì vai trị quan trọng như vậy mà vật liệu compozit ngoài cách phân loại
theo cấu trúc vật liệu gia cường, còn được phân loại theo vật liệu nền như: nền kim loại,
nền cacbon - gốm, nền polyme… [2].
Polyme compozit (PC) chiếm tỉ trọng lớn trong tổng sản phẩm của ngành gia
công vật liệu. Lý do của sự phổ biến này là do độ tương hợp tốt hơn của nền polyme
với các loại chất gia cường, trong khi kim loại lỏng có độ nhớt và sức căng bề mặt lớn,
nên khó thấm ướt bề mặt vật liệu gia cường, gây khó khăn cho những kĩ thuật gia công
hiện nay. Nền ceramic cũng gặp trở ngại tương tự, vì vậy, compozit nền kim loại hay

ceramic tồn tại trong những trường hợp rất đặc biệt khi yêu cầu vật liệu chịu nhiệt độ
cao.
Polyme được sử dụng làm nền compozit chủ yếu là các loại nhựa nhiệt rắn và
nhiệt dẻo, chỉ một số trường hợp hạn chế mới thấy nền cao su được sử dụng. Do tính
chất của hai loại nhựa này khác nhau nên công nghệ gia cơng và ứng dụng của chúng
cũng hồn tồn khác nhau. Một vài đặc điểm của hai loại nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt
dẻo trong bảng 1.2.

15


Bảng 1.2. Đặc trưng của nền polyme nhiệt dẻo và nhiệt rắn
Polyme nhiệt dẻo

Polyme nhiệt rắn
- Chưa đóng rắn: mạch thẳng hoặc
nhánh
- Đã đóng rắn: mạng lưới khơng gian

Cấu trúc - Mạch thẳng hoặc nhánh

- Sau đóng rắn khơng có khả năng
- Có khả năng nóng chảy, hịa tan
- Có khả năng tái sinh nhiều lần, sửa hòa tan hoặc nóng chảy. Phân hủy
ở nhiệt độ cao nên hồn tồn khơng
chữa các sản phẩm hư hỏng, lỗi.
Tính
chất đặc - Độ dẻo cao và hạn chế sự phát triển thể tái sinh
- Độ dẻo dai thấp
trưng

vết nứt.
- Độ biến dạng phá hủy thấp
- Độ biến dạng phá hủy cao
- Thời gian bảo quản có hạn
- Thời gian bảo quản vơ hạn
1.1.4.1. Chất nền polyme nhiệt dẻo
Polyme nhiệt dẻo có mạch cacbon rất dài, từ vài trăm đến vài nghìn liên kết CC. Vì vậy, chúng kém linh động ở nhiệt độ thường và nhiệt độ tương đối thấp. Điều này
đòi hỏi công nghệ gia công nhựa phải thực hiện ở nhiệt độ cao. Tại nhiệt độ gia công,
độ nhớt của nhựa khi chảy mềm vẫn cao, còn khi được làm nguội thì chúng định hình
nhanh nên thời gian gia cơng nhựa nhiệt dẻo (vài phút) ngắn hơn rất nhiều so với nhựa
nhiệt rắn (vài giờ đến vài ngày). Đây là điều vô cùng thuận lợi khi gia công sản phẩm
của nhựa nhiệt dẻo đối với nhựa nhiệt rắn. Thời gian gia công ngắn sẽ làm tăng năng
suất sản phẩm, giảm đi cơng đoạn đóng rắn, khả năng thi cơng, tạo dáng sản phẩm dễ
thực hiện. Nhiều công nghệ đã được áp dụng vào gia công nhựa nhiệt dẻo như dập, đùn,
uốn, hàn… Khuyết tật của vật liệu khi gia cơng có thể được khắc phục dễ dàng, phế
liệu gia cơng có thể tận dụng tái sản xuất lần tiếp theo… Tất cả đem lại lợi ích kinh tế
lớn trong ngành gia cơng sản xuất. Chính vậy, compozit nền nhựa nhiệt dẻo phổ biến
và có giá thành thấp hơn [2].
Polyme nhiệt dẻo có thể tồn tại ở trạng thái kết tinh (bán kết tinh) hoặc vơ định
hình. Mức độ kết tinh thay đổi trong q trình gia cơng compozit và chịu ảnh hưởng
bởi tốc độ làm nguội, độ dày sản phẩm. Hàm lượng tinh thể ảnh hưởng đến tính chất cơ
lý của sản phẩm. Một số loại polyme có khả năng kết tinh như polypropylen, polyetylen,

16


polycacbonat, polyamit… Bảng 1.3 trình bày một số tính chất của 2 loại polyme nhiệt
dẻo.
Bảng 1.3. Một vài tính chất của polyme nhiệt dẻo tinh thể và vơ định hình
Polyme nhiệt dẻo vơ định hình

Polyme nhiệt dẻo tinh thể








Điểm nóng chảy rõ rệt
Thường mờ đục
Co ngót cao
Kháng hóa chất tốt
Kháng mài mịn tốt
Độ cứng cao
Khả năng duy trì các tính chất cơ học
ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ hóa thủy
tinh tốt.









Giới hạn chảy mềm rộng
Thường trong suốt

Co ngót thấp hơn
Kháng hóa chất kém hơn
Kháng mài mịn kém hơn
Độ cứng thấp hơn
Khả năng duy trì các tính chất cơ học
ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ hóa thủy
tinh kém hơn.

1.1.4.2. Chất nền nhựa nhiệt rắn
Nhựa nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hịa tan và đóng rắn ở nhiệt độ cao (hoặc nhiệt
độ thường) khi có chất xúc tác. Sau khi đóng rắn tạo thành cấu trúc phân tử mạng lưới
không gian với mật độ khâu mạng lớn gấp nhiều lần mật độ khâu mạng của cao su lưu
hóa. Một số loại nhựa nhiệt rắn hay được sử dụng làm nền vật liệu compozit đó là
phenolfomandehit, polyeste khơng no, epoxy… Tính chất và ứng dụng của nhựa nhiệt
rắn khác nhiều so với nhựa nhiệt dẻo.
Bảng 1.4. Tính chất một số loại nhựa
Tính chất

PP

PC

Epoxy

PEKN

0,9

1,1 - 1,2

1,1 - 11,9

1,2 - 1,5

Modun đàn hồi, GPa

1,0 - 1,4

2,2 - 2,4

3,0 - 6,0

2,0 - 2,5

Độ bền kéo, MPa

25 - 38

45 - 70

35 - 100

0,39

Độ giãn dài, %

300

50 - 100

1,0 - 6,0

40 - 90

Độ dẫn nhiệt, W/mđộ

0,2

0,2

0,1

0,2

Hệ số dãn nở nhiệt,10-6/°C

110

70

60

0,2

Nhiệt độ biến dạng, °C

60 - 65

110 -140

50 - 300

100 - 200

Nhiệt độ nóng chảy, °C

175

-

-

50 - 100

Khối lượng riêng, g/cm3

17


1.1.5. Vật liệu polyme nanocompozit
1.1.5.1. Giới thiệu chung về vật liệu polyme nanocompozit
Polyme compozit là vật liệu quan trọng không chỉ về khoa học, cơng nghệ mà
cịn cả trong thương mại. Nó được ứng dụng làm vật liệu đàn hồi, sử dụng cho giảm
chấn, làm vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện và compozit tính năng cao sử dụng trong
máy bay hàng không vũ trụ… Polyme compozit là vật liệu tổ hợp gồm polyme nền và
có chất gia cường mang tính hỗ trợ lựa chọn, để tạo ra vật liệu có các tính chất như
mong muốn. Ví dụ như, những sợi cacbon mođun cao nhưng giòn được cho vào polyme
mođun thấp để tạo ra compozit trọng lượng nhẹ, cứng, có độ bền vừa phải. Tuy nhiên,
trong những năm gần đây polyme compozit đã đạt được đến giới hạn các tính chất tối
ưu ứng với chất gia cường ở mức kích thước micro. Mặt khác, các tính chất thu được

của vật liệu compozit thường có tính trao đổi, độ cứng được thay cho độ bền, hoặc độ
bền thu được lại mất đi độ sáng quang học. Bên cạnh đó, độ hụt vĩ mơ do phạm vi thể
tích riêng cao hay thấp của chất gia cường thường dẫn tới việc hư hỏng hay phá hủy vật
liệu [3].

Hình 1.2. Mơ tả các chất gia cường kích thước nano
Cơng nghệ nano đã khắc phục các hạn chế của polyme compozit gia cường kích
thước micro bằng việc chế tạo polyme compozit với chất gia cường nano nhỏ hơn 100
nm ít nhất ở mỗi chiều (hình 1.2). Mặc dù một số compozit gia cường cỡ nano (polyme
18


độn muội than và silic hun khói) đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ nay, nhưng việc
nghiên cứu và phát triển polyme gia cường cỡ nano mới thực sự phát triển trong những
năm gần đây vì một số lý do [3]:
Thứ nhất, đó là sự kết hợp chưa từng có các tính chất được quan sát thấy trong
một số polyme nanocompozit. Ví dụ như, chất gia cường hạt nano đẳng trục trong nhựa
nhiệt dẻo, đặc biệt trong nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể, làm tăng ứng suất chảy mềm, độ
bền kéo và mô đun đàn hồi so với polyme nguyên chất. Phần thể tích của silicat kiểu
mica 0,04 (Mica Type Silicate - MTS) trong epoxy làm tăng mođun dưới nhiệt độ
chuyển hóa thủy tinh khoảng 58% và tăng khoảng 450% trong vùng biến dạng mềm.
Thêm vào đó, tính thấm nước trong poly (e-caprolacton) giảm xuống do gia cường thêm
4,8% thể tích silicat. Yano và cộng sự chỉ ra rằng tính thấm nước của polyimide giảm
50% khi có mặt 2% MTS. Rất nhiều các nanocompozit này là trong suốt về mặt quang
học hoặc hoạt động về mặt quang học.
Lý do thứ hai sự ra đời của cacbon nanotube vào đầu những năm 90 thế kỷ 20.
Chính xác hơn nanotube được phát hiện từ những năm 1960, nhưng chỉ đến giữa những
năm 1990 chúng mới được sản xuất hàng loạt, tạo điều kiện cho việc chế tạo và đánh
giá tính chất của cacbonnanocompozit. Tính chất của cacbon nanotube này, đặc biệt là
độ bền và tính chất điện khác nhiều so với độ bền và tính chất điện của graphit, nó cho

thấy triển vọng rất tốt cho vật liệu compozit mới.
Thứ ba là, sự phát triển đáng kể cơng nghệ hóa học chế tạo vật liệu cấu trúc nano
và công nghệ xử lý In-situ hạt nano đã khắc phục được những hạn chế về hình thái học
của các compozit. Nó cũng tạo ra khả năng gần như không giới hạn để kiểm soát mặt
phân cách giữa chất nền và chất gia cường.
Vì những lý do trên, polyme nanocompozit đã và đang được tập trung nghiên
cứu và phát triển. Đồng thời nó cũng mang lại nhiều hy vọng nhằm chế tạo được những
siêu vật liệu đáp ứng nhu cầu khoa học, công nghệ cũng như thương mại. Mặc dù đã
đạt được nhiều tiến bộ trong xử lý nanocompozit, nhưng việc kết hợp công nghệ và kỹ
thuật đa ngành để hiểu rõ, điều chỉnh và tối ưu hóa các tính chất của vật liệu
nanocompozit vẫn đang ở giai đoạn ban đầu. Câu hỏi đặt ra là đặc trưng khác biệt của
chất gia cường nano so với micro là gì và nanocompozit có tính chất khác biệt so với

19


compozit thơng thường? Sự khác nhau rõ ràng nhất chính là kích thước nhỏ nhất của
chất gia cường [3].

Hình 1.3. Tương quan độ lớn và số lượng hạt cầu trong đơn vị thể tích
Ví dụ các hạt nano rất nhỏ tán xạ ánh sáng khơng đáng kể vì vậy có khả năng
chế tạo compozit có các tính chất cơ học hoặc tính chất điện thay đổi mà khơng làm
mất đi độ sáng quang học của chúng. Thêm vào đó, kích thước nhỏ nghĩa là các hạt
không tạo ra sự tập trung ứng suất lớn vì vậy khơng làm ảnh hưởng đến tính dẻo của
polyme. Kết quả tương tự cũng được áp dụng cho điện áp đánh thủng.
Kích thước nhỏ của chất gia cường nano cũng có thể làm cho các hạt tự chúng
có các tính chất khác biệt. Ví dụ các nanotube vách đơn (single-walled) về bản chất là
các phân tử, khơng có khuyết tật (defect), có mođun cao 1 TPa và cường độ có thể lên
tới 500 GPa. Các hạt đơn tinh thể ở kích thước nano hoạt động về mặt quang học có thể
được kết hợp trong polyme để thu được vật liệu có độ sáng quang học cao hơn và làm

cho việc xử lý dễ dàng hơn. Điều này không thể đạt được với chất gia cường kích thước
micro [3].

20


Bảng 1.5. Mối quan hệ giữa diện tích bề mặt và kích thước hạt
đối với hình cầu phân tán lý tưởng
Đường kính

Diện tích bề mặt/g

1 cm

3 cm2

1 mm

30 cm2

100 𝜇𝑚

300 cm2

10 𝜇𝑚

3000 cm2

1 𝜇𝑚

3 m2

100 nm

30 m2

10 nm

300 m2

1 nm

3000 m2

Bên cạnh ảnh hưởng của kích thước lên tính chất hạt, kích thước nhỏ của chất
gia cường cũng làm tăng mạnh diện tích riêng của chúng nên làm cho diện tích mặt
phân cách pha trong compozit trở nên vơ cùng lớn. Bảng 1.5 cho thấy diện tích bề mặt
trên mỗi đơn vị khối lượng như là hàm của kích thước hạt đối với các hạt hình cầu mà
các hạt này được phân tán lý tưởng. Mặt phân cách điều chỉnh mức độ tương tác giữa
chất gia cường và polyme vì vậy điều chỉnh cả tính chất của compozit. Do đó, thách
thức lớn nhất trong phát triển polyme nanocompozit là nghiên cứu để tăng sự tương hợp
giữa polyme và hạt nano từ đó giảm thiểu bề mặt phân cách pha do tính chất của vật
liệu liên quan đến bề mặt phân cách pha [3].
Trong compozit thông thường, mặt phân cách là phạm vi bắt đầu tại điểm trên
chất gia cường mà ở đó tính chất khác so với tính chất của khối chất gia cường và kết
thúc tại một điểm trong chất nền mà tại đó các tính chất khơng giống với các tính chất
của khối chất nền. Đó có thể là phạm vi của biến đổi hóa học, như tính linh động mạch
polyme, mức độ xử lý biến đổi, và độ kết tinh thay đổi. Kích thước mặt phân cách được
cơng bố là có thể dài từ 2 nm - 50 nm. Hình 1.3 cho thấy số lượng của hạt độn và kích
thước hạt đối với hạt nanocompozit phân tán lý tưởng: Tại những thể tích riêng nhỏ,

chất nền nguyên chất về thực chất là một phần của bề mặt phân cách pha. Ví dụ như,
21


đối với các hạt 15 nm thì chất gia cường chiếm 10% thể tích do đó khoảng cách giữa
các hạt chỉ là 10 nm. Thậm chí nếu như phạm vi mặt phân cách chỉ là một vài nanomet
thì tính chất của polyme nguyên chất cũng khác xa với khối chất nền. Vì vậy, bằng cách
điều chỉnh mức độ tương tác giữa polyme và chất gia cường nano, tính chất của vật liệu
có thể được điều chỉnh [3].
Để có thể nhận được tính chất mới của nanocompozit theo ý muốn thì các
phương pháp xử lý điều chỉnh kích thước hạt nano, điều chỉnh sự phân tán và tương tác
mặt phân cách có tính chất then chốt. Cơng nghệ chế tạo nanocompozit khác hẳn so với
công nghệ chế tạo compozit chất gia cường kích thước micromet và những phát triển
mới trong chế tạo nanocompozit là một trong số các lý do góp phần tạo nên thành công
gần đây trong việc chế tạo vật liệu mới.
1.1.5.2. Vật liệu nano bạc tổ hợp với polyme
Hiện nay, vật liệu nano bạc tổ hợp với polyme (Ag-polyme) đang nhận được sự
quan tâm đặc biệt do chúng có khả năng ổn định và phân tán tốt. Bề mặt của nano bạc
được chức năng hóa bởi nhiều nhóm chức hữu cơ khác nhau có trong thành phần cấu
tạo của polyme như OH, COOH, NH2… tạo cho vật liệu có khả năng tương thích sinh
học cao, dễ dàng liên kết với các phân tử sinh học (vi khuẩn, tế bào) và hóa học (ion
kim loại, hóa chất tồn dư, …). Với các đặc trưng trên, vật liệu nano tổ hợp Ag-polyme
được ứng dụng phổ biến làm tác nhân diệt khuẩn, vật liệu quang học, cảm biến quang
so màu, … Để chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-polyme, hai phương pháp chính thường
được sử dụng là (i) phương pháp tổng hợp In-situ và (ii) phương pháp tổng hợp Ex-situ.
Trong đó, phương pháp In-situ được coi là phương pháp phổ biến được sử dụng trong
chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-polyme [4].
Trong phương pháp tổng hợp In-situ, các hạt nano được chế tạo từ quá trình khử
tiền chất muối kim loại đã được phân tán vào polyme bởi tác nhân khử hóa học, sinh
học hoặc quang hóa. Trong một số trường hợp, polyme vừa đóng vai trị như một tác

nhân khử vừa đóng vai trị là chất ổn định bề mặt. Một số loại polyme đã được sử dụng
để chế tạo thành công một số vật liệu nano tổ hợp Ag-polyme theo phương pháp In-situ
như: PVA (Poly vinyl alcohol)/chitosan, PLA (Poly lactic Acid), gelatin, chitosan, PVP
(Poly Vinyl Pyrolidone), P(S-VP) (Polystyrene-block-poly (2-vinyl pyridine)), pectin,

22