Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit

1.5. Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit

Mỹ là quốc gia đi đầu trong việc phát triển công nghệ nano. Cùng với việc thông qua đạo luật R&D (reaserch and devolop) Công nghệ nano thế kỷ 21 và tiếp theo đó là Sáng kiến Công nghệ nano quốc gia, Mỹ đã dành 3,7 tỷ USD đầu tư cho công nghệ nano giai đoạn 2005-2008. Tại châu Âu, mỗi nước đều theo đuổi những chương trình phát triển công nghệ nano theo mục tiêu của riêng mình; và cả cấp độ EU, với một chương trình có nền tảng rộng rãi hơn. Ví dụ, theo chương trình Khung về Nghiên cứu và Phát triển công nghệ lần thứ 6 (FP 6), EU cam kết tài trợ 350 triệu euro cho công nghệ nano năm 2003, chiếm 1/3 tổng chi tiêu châu Âu. Tại châu Á, theo báo cáo của Chương trình Thông tin về công nghệ châu Á (ATIP) thì Nhật Bản là nước đầu tư mạnh cho công nghệ nano hàng đầu thế giới, năm 2004 Nhật đã đầu tư cho lĩnh vực này đạt 900 triệu USD và tăng lên 950 triệu USD vào cuối năm 2005. Chính phủ Nhật đã coi việc “phát triển những linh kiện mới sử dụng công nghệ nano” là một trong “5 dự án hàng đầu” nhằm phục hồi kinh tế đất nước. Ngoài ra các nước châu Á khác như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Đài Loan, Thái Lan,… cũng đưa ra những kế hoạch dài hạn và những khoản đầu tư lớn cho việc nghiên cứu và phát triển đầu tư công nghệ nano ứng dụng cho các ngành khác nhau.

Trong số các vật liệu có kích thước nano thì nanoclay thu hút được sự quan tâm chú ý của rất nhiều nhà khoa học bởi các đặc tính ưu việt của chúng như diện tích bề mặt riêng lớn cỡ 700800 m²/g, giá thành rẻ, dễ điều chế,... Chỉ với một lượng nhỏ cỡ vài phần trăm khối lượng được đưa vào polyme người ta có thể nâng cao nhiều tính chất cơ lý của vật liệu, nâng cao khả năng chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà không làm tăng đáng kể trọng lượng, độ trong của vật liệu [23,35].

Hiện nay, số lượng các công trình công bố về polyme/silica nanocompozit ngày càng tăng. Những phát triển gần đây về việc chế tạo, đặc điểm, tính chất và ứng dụng của loại nanocompozit này đã được xem xét. Chủ yếu có ba phương pháp để chế tạo polyme/silica nanocompozit có thể được sử dụng là trộn nóng chảy, quá trình sol gel và trùng hợp in-situ, cả ba phương pháp này đã được nghiên cứu rộng rãi. Ngoài các tính chất của các thành phần cấu tử trong nanocompozit, mức độ phân tán của các hạt nano trong polyme và sự tương tác bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc gia cường hoặc hạn chế các tính chất chung của hệ. Xu hướng cho thấy không có mô hình chung cho các tính chất của vật liệu polyme nanocompozit có thể được suy luận tổng quát. Tuy nhiên các tính chất của polyme/silica nanocompozit, nói chung là cao hơn hẳn với những polyme tinh khiết và polyme microcompozit [43,46].

Polyme/silica nanocompozit nói chung và cao su/silica nanocompozit nói riêng cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là cao su thiên nhiên/silica nanocompozit. Tính chất của vật liệu cao su thiên nhiên/nanosilica cho thấy, nanosilica làm tăng thời gian lưu hóa, ứng suất kéo của cao su-nanosilica ở độ dãn dài thấp nhỏ hơn với cao su thường. Zheng Peng và cộng sự [50] đã nghiên cứu cao su thiên nhiên/silica nanocompozit tự ghép, kết quả cho thấy nano-SiO₂ phân tán đồng nhất trong nền cao su, kích cỡ hạt vào khoảng 60-150nm khi hàm lượng SiO₂ dưới 6,5%. Ở hàm lượng 4% nano-SiO₂ nâng cao khả năng bền nhiệt và tính chất cơ học cho cao su thiên nhiên trong đó độ bền kéo đứt của vật liệu tăng mạnh (cao su thiên nhiên không độn là 15,1 MPa còn cao su thiên nhiên có 4% nano-SiO₂ là 26,3 MPa). Tác giả Ying Chen [49] đã nghiên cứu vật liệu nanocompozit từ cao su thiên nhiên được gia cường bằng nanosilica. Kết quả cho thấy các hạt nano-SiO₂ phân tán đồng nhất vào nền cao su thiên nhiên để hình thành các đám nano hình cầu với kích thước trung bình 80 nm khi hàm lượng nano-SiO₂ là 4 phần khối lượng. Với sự có mặt của nano-SiO₂ độ bền nhiệt của cao su thiên nhiên tăng lên đáng kể, năng lượng hồi phục hoạt hóa của nanocompozit cao hơn cao su thiên nhiên ban đầu từ 90,1 đến 125,8 KJ/mol. Saowaroj Chuayjuljit, và Anyaporn Boonmahitthisud [41] nghiên cứu vật liệu nanocompozit của cao su thiên nhiên và PS có chứa nanosilica được chế tạo bằng phương pháp kết hợp latex. Nanolatex của PS có chứa nanosilica được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp huyền phù micro trực tiếp. Các hạt nano lai thu được có hình thái cấu trúc nhân-vỏ với đường kính trung bình của các hạt là 40 nm. Các hạt nanosilica lai được sử dụng làm chất độn cho vật liệu cao su thiên nhiên nanocompozit. Các tính chất của cao su thiên nhiên như độ bền kéo đứt và modul kéo 300% được cải thiện với sự có mặt của PS có chứa nanosilica ở 3 và 3-9 phần khối lượng ngoại trừ độ dãn dài khi đứt và ở 9 phần khối lượng độ bền cháy được cải thiện đáng kể. Khi nghiên cứu tính chất cơ động học cho thấy các tính chất đàn hồi của CSTN ở gần nhiệt độ hóa thủy tinh được cải thiện cùng với sự gia tăng hàm lượng của nanosilica được giả thích là do cấu trúc nano đan xen nhau trong vật liệu.

Kể từ khi phát hiện ống nano carbon (CNT) của Iijima vào năm 1991, vật liệu polyme/CNT nanocompozit đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu trong Viện hàn lâm và trong công nghiệp. Việc sử dụng CNT làm chất độn cho polyme nói chung và cao su nói riêng nhằm để cải thiện tính chất cơ học và tính chất điện của vật liệu [38,44]. CNT có thể được phân loại theo số lớp tường trong ống là đơn tường và đa tường, mỗi lớp tường có thể tiếp tục phân thành các dạng đối xứng hoặc không đối xứng.

Gần đây, rất nhiều bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của CNT tới chất chất nền cao su bằng cách độn CNT vào trong cao su ở hàm lượng thấp (thường dùng ống nano carbon đa tường hơn ống nano carbon đơn tường). CNT được phân tán trong cao su bằng phương pháp dung dịch, quá trình này đòi hỏi CNT và cao su tan trong một dung môi, sau đó cho dung môi bay hơi thì thu được nanocompozit [22,28,48]. Việc chế tạo nanocompozit trên cơ cao su với CNT chức năng hóa bằng phương pháp trộn nóng chảy đã được báo cáo [45].

Các loại cao su được sử dụng nhiều trong nghiên cứu CNT nanocompozit là cao su thiên nhiên (CSTN) [29] tiếp theo là cao su styren-butadien (SBR) [18], cao su silicon [30], cao su nitril hydro hóa (HNBR) và cao su etylen-propylen-dien monome (EPDM). Đến năm 2010 đã có riêng một cuốn sách về vật liệu “Cao su nanocompozit” được xuất bản. Cho tới nay, hướng nghiên cứu này vẫn đang được quan tâm với nhiều công trình công bố mỗi năm.

Riêng ở Việt Nam, hướng nghiên cứu vật liệu polyme nanocompozit cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các phụ gia nano hay được sử dụng nghiên cứu là nanoclay, nanosilica, ống nano carbon,… Tác giả Đặng Việt Hưng [5] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở cao su tự nhiên và chất độn nano-silica bằng hai phương pháp là trộn hợp nóng chảy và trộn huyền phù. Trong hai phương pháp trên thì phương pháp trộn huyền phù cho kích thước hạt silica phân tán ở kích thước 30-100 nm. Lê Văn Thụ [14] đã gắn thành công dodexylamin (DDA) và 3- amino propyltrietoxy silan (ATS) lên bề mặt ống nano carbon đa tường (MWCNT) và ứng dụng chúng trong chế tạo vật liệu nanocompozit vải carbon/MWCNT/epoxy; hay Nguyễn Thị Thái [10] đã thực hiện thành công quá trình hữu cơ hóa bề mặt CNT bằng quá trình oxi hóa gắn nhóm -COOH từ đó nghiên cứu các vật liệu nanocompozit trên cơ sở CSTN/PP, CSTN/SBR, CSTN/EPDM, CSTN/BR. Tiếp theo đó, các tác giả Trần Hải Ninh và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cao su thiên nhiên epoxy hóa tới tính chất của vật liệu cao su thiên nhiên/silica nanocompozit [8] và gần đây, các tác giả Thái Hoàng, Đỗ Quang Thẩm, Đinh Thị Mai Thanh tiếp tục công bố một số kết quả nghiên cứu về cấu trúc, tính chất của vật liệu EVA/silica nanocompozit,… Tuy nhiên những kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này cho tới nay cũng chỉ dừng lại ở kết quả nghiên cứu, chưa có triển khai tiếp tục ở quy mô lớn hơn vào thực tế.

Từ những nội dung trên, cho thấy vật liệu polyme nanocompozit nói chung và cao su nanocompozit trên cơ sở cao su gia cường bằng nanoclay, nanosilica, ống nano carbon là một loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng to lớn. Tuy nhiên, cho tới nay trên thế giới và đặc biệt ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều ứng dụng của vật liệu này trong thực tế. Vì vậy vấn đề nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu cao su, cao su blend nanocompozit đang là lĩnh vực nghiên cứu còn rộng mở và hứa hẹn những tương lai tốt đẹp cho những ứng dụng công nghệ cao của loại vật liệu này.