HỒ thị oanh nghiên cứu chế TẠo và TÍnh chất vật liệu cao su nanocompozit trên cơ SỞ blend của cao su thiên nhiêN
tải về 490.05 Kb.
|
- Điều hướng trang này:
- 1.2.2. Nanosilica
1.2. Các phụ gia nano1.2.1. Ống nano carbonỐ  ng nano carbon (carbon nanotube - CNT) là cấu trúc dạng chuỗi các phân tử nhỏ bé của fulleren. Trong đó các nguyên tử carbon sắp xếp với nhau dạng hình 6 cạnh trong các ống có kích thước rất nhỏ, đường kính của các ống nano carbon có kích thước từ vài A0 đến trên hàng chục nanomet, song có chiều dài cỡ vài micromet. Có thể đơn giản hóa rằng coi CNT có dạng hình trụ một trục gồm các ống rỗng được tạo thành từ các tấm graphen cuốn quanh trục và được đóng lại ở hai đầu bằng các bán fulleren.
Hình 1.2: Cơ chế cuộn tấm hình thành CNT từ graphen Bản chất của liên kết trong ống CNT được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ obital. Trạng thái lai hóa của nguyên tử carbon trong CNT là sp2, mỗi nguyên tử carbon liên kết với 3 nguyên tử lân cận, cấu trúc liên kết lục giác này mạnh hơn liên kết sp3 trong kim cương tạo cho CNT độ cứng đặc biệt [30]. Dựa vào đặc tính đơn tường hay đa tường của tấm graphen ta có thể chia CNT thành 2 loại [9]: + Ống nano carbon đơn tường (Single Wall carbon Nanotube - SWCNT) được xem như là tấm graphen dài có độ dày một nguyên tử, được cuộn lại thành một hình trụ liền và được gắn kín hai đầu bằng hai bán cầu fulleren có cùng đường kính. + Ống nano carbon đa tường (Multi Wall carbon Nanotube-MWCNT) có thể được xem như là một tập hợp các SWCNT đồng trục với đường kính khác nhau. Chiều dài và đường kính của các cấu trúc này khác nhiều so với các SWCNT và các tính chất của chúng cũng khác nhau.
.
Hình 1.3: Hình mô phỏng của ống nano carbon đơn tường (a) và đa tường (b) - Tính chất cơ học: Modul Young của CNT vào khoảng 1 TPa nếu đường kính ống là đủ lớn, ngoài ra độ bền kéo khoảng 11- 63 GPa, khối lượng riêng khoảng 2,6 g/cm3 đối với MWCNT và 1,4 g/cm3 đối với SWCNT. Trong khi đó modul Young của thép chỉ cỡ 300 GPa, độ bền kéo chỉ đạt 2 GPa [24, 25]. - Tính chất nhiệt: Nói chung, độ dẫn nhiệt của bó CNT đơn lẻ ở nhiệt độ phòng khoảng 1800 – 6000 W/mK. Trong khi đồng vốn được biết đến là một kim loại dẫn nhiệt tốt thì độ dẫn nhiệt là 385 W/mK. Sở dĩ đạt được giá trị cao như vậy, theo giả thiết của các nhà khoa học là do photon có quãng đường tự do trung bình lớn, ít bị tán xạ hơn [17,26]. - Tính chất điện- điện tử: Điện trở của CNT không phụ thuộc chiều dài ống vì quãng đường chuyển động tự do trung bình của điện tử dài hơn bản thân ống nhiều lần. Các electron di chuyển thông qua các hầm cộng hưởng giữa các mức năng lượng không liên tục của ống nano và dịch chuyển qua chiều dài mở rộng của ống. Độ dẫn điện của CNT được dự đoán rất cao bởi vì trong cấu trúc một chiều, photon rất khó để tán xạ nghĩa là điện tử chỉ chuyển động dọc theo trục ống. Độ dẫn điện tối đa của SWCNT là 2G0, với G0 = 2e2/h = (12,9 kΩ)-1 = 7,5μS là độ dẫn của một lượng tử đạn đạo duy nhất [37,38]. - Tính chất hóa học: So với graphen thì CNT hoạt động hóa học mạnh hơn. Tuy nhiên ở một mức độ đánh giá chủ quan cho thấy, CNT tương đối bền vững với các tác nhân oxy hóa thông thường. Có thể dùng những tác nhân oxy hóa mạnh để oxy hóa đầu ống và phá hủy lớp vỏ ngoài, do cấu trúc ngũ giác của nguyên tử carbon trong CNT không bền vững. Việc gắn các nhóm chức lên bề mặt CNT có thể thay đổi khả năng dẫn điện của ống nano carbon. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, CNT có đường kính càng nhỏ thì khả năng hoạt động hóa học càng mạnh. Song do ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano nên CNT rất dễ bị kết tụ. Sự kết tụ này làm giảm khả năng hoạt động của CNT khiến CNT không thể hiện được nhiều tính chất ưu việt vốn có của chúng. Vì vậy, vấn đề quan trọng là bằng các phương pháp lý hóa thế nào để tách bó CNT thành các ống riêng rẽ [26,39]. - Tính chất phát xạ điện tử trường CNT có thể xem như một dây dẫn điện có đường kính cực nhỏ, thuận lợi cho các ứng dụng trong điện tử hay quang điện tử. Với hình dạng ống dẫn đến một tính chất đặc biệt quan trọng là sự truyền điện tử đạn đạo, trong đó electron chuyển động thẳng theo một phương hướng nhất định, không bị vướng mắc và không có sự va chạm đến các nguyên tử của vật liệu. Không chỉ truyền điện tử với tốc độ cao hơn, CNT còn có thể phát hiện những thay đổi về điện tích gấp khoảng 70 lần so với bóng bán dẫn silicon [4]. - Các ứng dụng của ống nano carbon Với cấu trúc tinh thể độc đáo, tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, tính phát xạ điện tử mạnh,... vật liệu CNT đã và đang mở ra nhiều ứng dụng mới như trong công nghệ năng lượng, thiết bị phát xạ điện tử trường, đầu dò nano và sensor, tái tạo chức năng xúc giác, cảm biến ống nano carbon dùng để theo dõi tình trạng của bệnh nhân tiểu đường, áp dụng công nghệ nano cho thiết bị lọc nước, xử lý các chất hữu cơ độc hại,… Các ứng dụng của ống nano carbon được cụ thể hóa trong hình dưới đây [40] 
Hình 1.4: Các ứnng dụng của ống carbon nano - Phương pháp biến tính bề mặt CNT Thực chất, việc biến tính vật liệu CNT là sự biến đổi các đặc tính của vật liệu sao cho phù hợp với các yêu cầu ứng dụng. Về mặt lý thuyết để biến tính vật liệu, chúng ta có thể dùng các phương pháp cơ, lý, hóa tác động lên bề mặt của vật liệu. Nhưng chủ yếu là tập trung vào việc xử lý hóa học bề mặt của vật liệu CNT để gắn các nhóm chức lên bề mặt của CNT [28,29]. Việc xử lý hóa học có thể hiểu đơn giản là dùng các tác nhân hóa học tác dụng lên các nguyên tử carbon trên thành ống. Các nhóm chức trên bề mặt ống làm tăng khả năng tương tác hoá học, qua đó tăng khả năng hòa tan và phân tán của CNT trong các dung môi và các vật liệu khác [47]. 1.2.2. Nanosilica1.2.2.1. Cấu trúc của silica T Hình 1.5: Sự biến đổi dạng tinh thể của silic dioxit Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở tâm của hình tứ diện, liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở đỉnh của dình tứ diện. Mỗi nguyên tử O lại liên kết với hai nguyên tử Si nằm ở hai tứ diện khác nhau. Góc liên kết O – Si – O là 109o, độ dài liên kết Si – O là 1,61Ao. Tính trung bình trên một nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silic dioxit là SiO2. Để mô tả cấu trúc các dạng SiO2 tốt nhất là dùng phương pháp ghép các tứ diện SiO4 lại với nhau qua đỉnh O chung. Sự khác nhau giữa các dạng thù hình là vị trí tương đối của hai tứ diện SiO4 hay là sự khác nhau của góc Si–O– Si.
Silic dioxit tinh thể nóng chảy ở 1713oC, sôi ở 2230oC, không tan trong nước. Trong tự nhiên, silic dioxit tinh thể chủ yếu tồn tại ở dưới dạng khoáng vật thạch anh, là tinh thể lớn, không màu, trong suốt. Cát là silic dioxit có nhiều tạp chất [16]. Khi nóng chảy, SiO2 chuyển thành chất lỏng không màu, làm lạnh chất lỏng này ta thu được khối SiO2 vô định hình trong suốt tương tự thủy tinh.
Trong các loại axit, SiO2 chỉ tác dụng được với axit HF, người ta lợi dụng tính chất này để khắc chữ hay tạo hình lên thủy tinh. SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O SiO2 tan trong kiềm hoặc trong muối carbonat của kim loại kiềm nóng chảy tạo thành silicat: SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3+ CO2 Na2SiO3 trông bề ngoài giống thủy tinh và tan được trong nước nên được gọi là thủy tinh lỏng. Khi nung SiO2 với than cốc theo tỉ lệ xác định trong lò điện ở khoảng 2000- 2500oC ta thu được silica cacbua SiC. SiC có cấu trúc tinh thể giống kim cương, rất cứng và bền, chịu được nhiệt độ cao. Nó được dùng làm chất mài, vật liệu chịu lửa, chất bán dẫn trong chế tạo compozit và trong luyện kim [51]. 1.2.2.4. Tính chất của hạt silica kích thước nano Bề mặt silica nhẵn và có diện tích lớn, do đó khả năng tiếp xúc vật lý với polyme nền lớn. Silica có thể tồn tại ở nhiều dạng, mỗi dạng thể hiện tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Silica không thể hút nước nếu bề mặt của nó có các nhóm siloxan (-Si-O-Si), khả năng hút nước của nó chỉ thể hiện khi bề mặt có các nhóm silanol (Si-OH). Sự có mặt của 2 nhóm này ảnh hưởng đến tính chất của bề mặt silica và ứng dụng của nó [1]. Silica kị nước có thể được chuyển thành silica ưa nước bằng phản ứng hydroxyl hóa nhóm siloxan thành silanol. Phản ứng này có thể làm ngược lại, silica ưa nước có thể chuyển thành silica kị nước bằng phản ứng đề hydroxyl hóa,… hoặc đun nóng ở nhiệt độ lớn hơn 300oC [2]. Bề mặt của silica trung bình có 5-6 nhóm silanol trên 1 nm2 nên nó có tính ưa nước, các nhóm siloxan còn lại không tham gia phản ứng. Cấu trúc của nanosilica là mạng 3 chiều. Do có nhóm silanol và siloxan trên bề mặt nên các hạt silica có khả năng hút nước. Bề mặt silica được đặc trưng bởi 3 dạng silanol: silanol tự do, silanol liên kết hidro với nhóm bên cạnh và silanol ghép đôi. Các nhóm silica trên các phần tử kề nhau tập hợp lại với nhau bằng liên kết hidro. Liên kết này giúp cho các phần tử silica tập hợp lại với nhau ngay cả khi bị pha trộn mạnh dù cho không có phản ứng với polyme nền [41]. Các nhóm silanol hoạt động trên bề mặt silica có nhiệm vụ kết tụ các phần tử lại với nhau. Ban đầu, các hạt silica ghép đôi với nhau nhờ liên kết hidro để tạo thành dạng kết tụ bậc 1 và sau đó, chúng tiếp tục kết tụ với nhau bền chặt hơn để tạo thành dạng kết tụ bậc 2. Khuynh hướng kết tụ của các phần tử silica có thể được minh họa như sau:
Chính tính ưa nước của nhóm silanol trên bề mặt silica là nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của silica, do đó cần biến tính silica. Trong quá trình biến tính, nhóm silanol phản ứng với nhóm thế của tác nhân biến tính, làm tăng khối lượng của silica. Do đó xảy ra sự phân hủy dạng kết tụ và xuất hiện dạng đơn của các hạt silica trong silica biến tính: 
Dạng kết tụ bậc 2 Dạng kết tụ bậc 1 Dạng đơn hạt Phản ứng của các nhóm silanol trên bề mặt silica với các hợp chất hữu cơ đã làm giảm hoặc làm mất đi khả năng hút nước của silica và làm tăng số lượng các nhóm thế hữu cơ có ái lực lớn với hợp chất hữu cơ trên bề mặt của silica. Nhờ có các nhóm silanol nên bề mặt của silica có thể phản ứng với hợp chất silan, halogen của kim loại hoặc phi kim, rượu, các chất có hoạt tính bề mặt,… Sau khi biến tính, mức độ phân tán của nanosilica trong pha hữu cơ, sự bám dính giữa nanosilica và các phần tử hữu cơ tăng lên, do đó độ bền của các sản phẩm polyme (cao su, chất dẻo,…) được tăng lên đáng kể.
SiO2 có nhiều ứng dụng trong thực tế. Tùy theo chất lượng cụ thể mà nó được sử dụng trong công nghiệp và đời sống [2]. Ứng dụng đầu tiên và lâu đời nhất của bột SiO2 mịn là làm chất gia cường hay chất tăng cường trong các sản phẩm dẻo như đế giày, các loại cao su kĩ thuật, dây cáp và các loại lốp. Đưa 20-50% khối lượng bột mịn SiO2 vào cao su thiên nhiên hay cao su tổng hợp giúp cải thiện độ dai, độ cứng, độ bền xé của sản phẩm cao su. Khả năng gia cường của bột mịn SiO2 cũng vượt hơn hẳn các chất độn tự nhiên và khác với muội than, nó cho phép tạo ra những sản phẩm cao su trắng và cao su màu. Với công nghệ dây cáp, bột này được sử dụng chủ yếu làm vỏ bọc đặc biệt cho các loại cáp dùng ngoài trời, độ bền ma sát và độ bền xé lớn của vỏ cáp giúp bảo vệ phần lõi cáp khỏi mài mòn và va đập. Trong các sản phẩm nhựa chịu nhiệt, bột mịn SiO2 được sử dụng như tác nhân chống trượt để tránh hiện tượng trượt phim trong máy ảnh hay cải thiện cơ tính của PVC. Bột mịn SiO2 ngày càng được sử dụng nhiều làm chất làm trắng trong kem đánh răng bởi khả năng làm sạch rất tốt mà gần như không gây xước. Bột SiO2 được ứng dụng phổ biến trong sản xuất sơn và vecni. Nhờ độ nhấp nhô của bề mặt ở mức độ hiển vi nên ánh sáng không còn phản xạ thẳng nữa mà bị phân tán. Trong công nghiệp giấy, bột mịn SiO2 được sử dụng trong các sản phẩm giấy đặc biệt (có độ chìm màu lớn và tương phản tốt khi in). Ở đây, hạt SiO2 đã lấp đầy vào các lỗ xốp trên giấy và tạo ra bề mặt nhẵn. Ngoài các ứng dụng kể trên, bột mịn SiO2 còn được ứng dụng làm chất tăng độ bền kết cấu trong nhựa, trong chất lọc và ổn định bia, trong phân tích máu,… Каталог: files -> ChuaChuyenDoi ChuaChuyenDoi -> ĐẠi học quốc gia hà NỘi trưỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Thị Hương XÂy dựng quy trình quản lý CÁc công trìNH ChuaChuyenDoi -> TS. NguyÔn Lai Thµnh ChuaChuyenDoi -> Luận văn Cao học Người hướng dẫn: ts. Nguyễn Thị Hồng Vân ChuaChuyenDoi -> 1 Một số vấn đề cơ bản về đất đai và sử dụng đất 05 1 Đất đai 05 ChuaChuyenDoi -> Lê Thị Phương XÂy dựng cơ SỞ DỮ liệu sinh học phân tử trong nhận dạng các loàI ĐỘng vật hoang dã phục vụ thực thi pháp luật và nghiên cứU ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Hà Linh ChuaChuyenDoi -> ĐÁnh giá Đa dạng di truyền một số MẪu giống lúa thu thập tại làO ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiêN ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Văn Cường tải về 490.05 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
uy có công thức phân tử là SiO2 nhưng silic dioxit (silica) không tồn tại ở dạng phân tử riêng rẽ mà dưới dạng tinh thể. Silic dioxit tinh thể có ba dạng thù hình chính là: thạch anh, tridimit và cristobalit. Mỗi dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp và dạng 
bền ở nhiệt độ cao. Ngoài ba dạng thù hình chính trên, silic dioxit còn tồn tại ở một số dạng phụ khác: dạng ẩn tích, vô định hình [46, 49, 50]. Dưới đây là sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của silic dioxit: