Khóa luận Nghiên cứu chế tạo và tính chất cao su cstn / graphen nanocompozit bằng phương pháp latex

trị rất chặt chẽ, tạo ra màng mỏng có cấu trúc 2D gồm các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững. Tấm graphen này chỉ dày bằng 1 nguyên tử, mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của nó có độ rộng vùng 11 cấm bằng 0. Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn trùng nhau như hình 1.4. Graphen đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cacbon, có độ di động của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất, khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng chúng có nhược điểm, đó là không có vùng cấm, làm hạn chế việc sử dụng graphen trong lĩnh vực điện tử. Vì không có vùng cấm nên màng đơn lớp graphen không được xem là chất bán dẫn. Nếu có vùng cấm, các nhà khoa học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường bằng graphen rất hiệu quả. * Graphen kép Gồm 2 tấm graphen đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích thước 2 lớp nguyên tử. Khi xếp 2 tấm graphen chồng lên nhau sẽ xảy ra hai trường hợp: Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể của graphen Hình 1.4: Cấu trúc vùng năng lượng của graphen đơn Hình 1.5: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp graphen đơn 12 Hình 1.6: Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép graphen có cấu trúc đối xứng Hình 1.7: Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép graphen không đối xứng - Đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 1.6. - Không đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 1.7. Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có vùng cấm năng lượng. 1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của graphen * Ưu điểm của graphen - Graphen có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1000 Ghz. - Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn các chất khác. - Graphen có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần và điều quan trọng là những transistor tạo ra từ graphen có thể hoạt động ở nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử. Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa ở gigahertz, có thể đạt tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa, nhưng với graphen, tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz. 13 - Graphen là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn vì nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao. - Cấu trúc và sự gắn kết của graphen giúp cho nó bền vững và trong suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cương không thể làm được. Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện. - Graphen có nhiều tính chất hấp dẫn hơn ống nano cacbon cách đây một thập niên, nhưng nó dễ làm và dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy vọng có thể chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế. Các nhà vật lý đã làm transistor bên ngoài graphen và dùng khảo sát hiện tượng lượng tử trống ở nhiệt độ phòng. * Nhược điểm của graphen - Sản xuất những màng graphen rất khó khăn và đắt đỏ. - Do khó chế tạo với quy mô lớn nên việc ứng dụng graphen trong cuộc sống hàng ngày vẫn còn hạn chế. - Các nhà vật lý cũng cho biết khả năng nghiên cứu các tính chất điện động lượng tử của graphen là rất sáng sủa. Tuy nhiên, những tiến bộ dường như bị giới hạn bởi chất lượng điện tử không đủ trong các cấu trúc graphen nhân tạo. Ngoài ra, chất nền của graphen và môi trường xung quanh có xu hướng huỷ hoại tính chất. 1.3. Vật liệu polyme nanocompozit, cao su nanocompozit Cũng giống như vật liệu polyme compozit, vật liệu polyme nanocompozit cũng là loại vật liệu gồm pha nền (polyme) và pha gia cường ở các dạng khác nhau. Tuy nhiên, điều khác biệt ở đây là pha gia cường có kích thước cỡ nanomet (dưới 100 nm). Như vậy có thể hiểu, vật liệu polyme nanocompozit là vật liệu có nền là polyme, copolyme hoặc polyme blend và cốt là các hạt hay sợi khoáng thiên nhiên hoặc tổng hợp có ít nhất một trong 3 14 chiều có kích thước trong khoảng 1-100 nm (kích cỡ nanomet). Vì vậy, cao su nanocompozit có tất cả các đặc tính chung của polyme nanocompozit [5,6]. Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp được cả ưu điểm của vật liệu vô cơ (như tính chất cứng, bền nhiệt,) và ưu điểm của polyme hữu cơ (như tính linh động, mềm dẻo, và khả năng dễ gia công). Một đặc tính riêng biệt của vật liệu polyme nanocompozit đó là kích thước nhỏ của chất độn dẫn tới sự gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt chung so với các compozit truyền thống (xem bảng 1.4) [2]. Vật liệu nền sử dụng trong chế tạo polyme nanocompozit rất đa dạng, phong phú bao gồm cả nhựa nhiệt dẻo như nhựa polyetylen (PE), nhựa polypropylen (PP), và nhựa nhiệt rắn như polyeste, các loại cao su,.. Bảng 1.5: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và bề mặt riêng Đƣờng kính hạt Bề mặt riêng [cm2/g] 1 cm 3 1 mm 3.10 100 µm 3.10 2 10 µm 3.10 3 1 µm 3.10 4 100 nm 3.10 5 10 nm 3.10 6 1 nm 3.10 7 Khoáng thiên nhiên: chủ yếu là đất sét – vốn là các hạt silica có cấu tạo dạng lớp như montmorillonit, vermicullit, bentonit kiềm tính cũng như các hạt graphit, Các chất gia cường nhân tạo: các tinh thể như silica, CdS, PbS, CaCO3, hay ống carbon nano, sợi carbon nano,. 15 1.3.1. Phân loại và đặc điểm của vật liệu cao su nanocompozit * Phân loại Polyme nanocompozit nói chung hay cao su nanocompozit nói riêng được phân loại dựa vào số chiều có kích thước nanomet của vật liệu gia cường [26]: - Loại 1: Là loại hạt có cả ba chiều có kích thước nanomet, chúng là các hạt nano (SiO2, CaCO3,). - Loại 2: Là loại hạt có hai chiều có kích thước nanomet, chiều thứ ba có kích thước lớn hơn, thường là ống nano hoặc sợi nano (thường là ống, sợi nano carbon). - Loại 3: Là loại chỉ có một chiều có kích thước cỡ nanomet. Nó ở dạng phiến, bản với chiều dày có kích thước cỡ nanomet còn chiều dài và chiều rộng có kích thước từ hàng trăm đến hàng ngàn nanomet. Vật liệu dạng này thường có nguồn gốc là các loại khoáng sét, graphen, * Đặc điểm của vật liệu polyme nanocompozit Với pha phân tán là các chất độn có kích thước nano nên chúng phân tán rất tốt vào trong polyme, tạo ra các liên kết ở mức độ phân tử giữa các pha với nhau. Các phần tử chất độn nano phân tán tốt vào pha nền, dưới tác dụng của lực bên ngoài tác động vào nền sẽ chịu toàn bộ tải trọng, các phần tử nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng độ bền của vật liệu đồng thời làm cho vật liệu cũng ổn định ở nhiệt độ cao [7]. Do kích thước nhỏ ở mức độ phân tử nên khi kết hợp với các pha nền có thể tạo ra các liên kết vật lý nhưng có độ bền tương đương với liên kết hóa học, vì thế cho phép tạo ra các vật liệu có nhiều tính chất mới, ví dụ như tạo các polyme dẫn có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Vật liệu gia cường có kích thước rất nhỏ nên có thể phân tán trong pha nền tạo ra cấu trúc rất đặc, do đó có khả năng bền nhiệt, bền môi trường của vật liệu được cải thiện.. 16 1.3.2. Ưu điểm của vật liệu polyme nanocompozit và cao su nanocompozit So với vật liệu polyme compozit truyền thống, vật liệu polyme nanocompozit có những ưu điểm chính như sau [6]: Vật liệu nano gia cường hiệu quả hơn bởi vì kích cỡ của nó nhỏ hơn dẫn tới sự cải thiện đáng kể tính chất của nền (chỉ với một lượng nhỏ vật liệu gia cường) điều này làm cho vật liệu polyme nanocompozit nhẹ hơn, dễ gia công hơn. Sự chuyển ứng suất từ nền sang chất độn hiệu quả hơn là do diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác tốt giữa các pha. 1.3.3. Phương pháp chế tạo Polyme nanocompozit hay cao su nanocompozit có thể được chế tạo theo một số phương pháp tùy theo cách thức kết hợp giữa hai pha vô cơ và hữu cơ. Cho tới nay, người ta đưa ra 3 phương pháp chính để chế tạo polyme nanocompozit, tuỳ theo nguyên liệu ban đầu và kỹ thuật gia công: phương pháp trộn hợp (nóng chảy hoặc dung dịch,), phương pháp sol-gel và phương pháp trùng hợp in-situ [2,13,15, 26]. * Phương pháp trộn hợp Phương pháp này chỉ đơn giản là phối trộn các vật liệu gia cường nano vào trong nền polyme. Quá trình phối trộn có thể thực hiện trong dung dịch hoặc ở trạng thái nóng chảy. Khó khăn lớn nhất trong quá trình trộn hợp là phân tán các phần tử nano vào trong nền polyme sao cho hiệu quả. * Phương pháp sol – gel Phương pháp sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và trùng ngưng các phân tử alcoxide kim loại có công thức M(OR)4, dẫn đến việc hình thành polyme có mạng liên kết M-O-M, ví dụ như Si-O-Si. Phương pháp sol-gel cho phép đưa phân tử hữu cơ R’ có dạng R’n M(OR)4-n vào trong mạnh vô cơ để tạo ra vật liệu hữu cơ-vô cơ lai tạo có kích thước nano. Có hai loại nanocompozit lai tạo được chế tạo bằng phương pháp sol- gel. Sự phân 17 chia chúng dựa vào bản chất của bề mặt ranh giới giữa thành phần hữu cơ và vô cơ. * Trùng hợp in-situ Phương pháp này có ưu điểm dễ chế tạo, nhanh và tính chất sản phẩm tốt. Quá trình trùng hợp in-situ trải qua ba bước: đầu tiên các phụ gia nano được xử lý bởi chất biến tính bề mặt thích hợp và sau đó được phân tán vào monome rồi tiến hành trùng hợp trong dung dịch hoặc trong khối để tạo polyme nanocompozit. Sơ đồ nguyên lý chung chế tạo vật liệu polyme nanocompozit: Hình 1.8: Nguyên lý chung để chế tạo vật liệu polyme nanocompozit Những nội dung trên đã được tác giả Đỗ Quang Kháng tập hợp và trình bày khá đầy đủ trong tài liệu [6]. 1.4. Tình hình nghiên cứu vật liệu cao su/graphen nanocompozit trong và ngoài nƣớc 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới Những tính chất ấn tượng này của graphen đã thu hút được nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực polyme nanocompozit. Các nghiên cứu gần đây về vật liệu polyme nanocompozit chủ yếu tập trung vào ống nano cacbon (CNT). Tuy nhiên, graphen được dự đoán là sẽ thay thế CNT làm chất độn gia cường cho polyme và hứa hẹn sẽ thay thế hoặc phối hợp với các chất gia cường 18 truyền thống như than đen và silica. Graphen là chất độn nano được đề cập đầu tiên bởi Stankovich và cộng sự. Kết quả nghiên cứu cho thấy graphen là chất gia cường đa năng chỉ với hàm lượng tương đối nhỏ (khoảng 0,1-2%) [41,45,51]. Khi phân tán trong nền polyme, graphen có thể cung cấp các tính chất mà chỉ đạt được thông thường bằng cách sử dụng kết hợp hai hoặc nhiều chất độn, như nanoclay (tính thấm khí) và CNT (dẫn nhiệt và điện) [23,43,50]. Rào cản chính của việc sử dụng graphen (GE) để gia cường cho polyme là độ hòa tan của GE rất thấp trong hầu hết các dung môi. Để khai thác các tính chất của graphen, vật liệu này cần phải được phân tán tốt trong nền polyme. Tuy nhiên, việc phân tán đồng nhất graphen trong nền polyme là một thách thức khá lớn vì chúng có xu hướng tự kết hợp thành cấu trúc lớp graphit bởi lực Van der Waals [24,29]. Các phương pháp phân tán graphen vào nền polyme được sử dụng như phương pháp dung dịch, nóng chảy và trùng hợp in-situ. Tuy nhiên, những phương pháp này đều có nhược điểm là do các tấm graphen có xu hướng kết hợp với nhau thành cấu trúc graphit. Để phân tán graphen tốt trong nền polyme, cần phải giảm bớt sự tương tác Van der Waals, mà không ảnh hưởng đến các tính chất graphen. Hai phương pháp chính để nâng cao khả năng phân tán của graphen là biến đổi đồng hóa trị hoặc không đồng hóa trị. Biến đổi đồng hóa trị là chức hóa bề mặt GE, điều này có thể làm tăng khả năng tương tác của graphen với nền polyme. Tuy nhiên, sự có mặt của các nhóm chức sẽ tạo ra khuyết tật và làm gián đoạn mạng liên hợp sp2, do đó hạn chế khả năng gia cường của graphen [16,21,30]. Trong khi đó, biến đổi bề mặt không đồng hóa trị được dựa trên tương tác yếu liên phân tử như tương tác π-π, lực Van der Waals và tương tác tĩnh điện với bề mặt graphen, hoặc dựa vào các hiệu ứng ổn định của thành phần thứ ba được thêm vào, chẳng hạn như polyme hoặc chất hoạt động bề mặt [19,35,38]. Phương pháp này vừa cải thiện sự 19 phân tán của graphen, lại vừa làm giảm thiểu sự mất mát các thuộc tính của graphen [19,31]. Trong một số trường hợp, sự có mặt của chất ổn định có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của các sản phẩm sau cùng chứa graphen [25,46,47], giống như với CNT [18]. Hình 1.9: Sơ đồ chế tạo polyme/graphen nanocompozit bằng công nghệ latex Công nghệ latex sử dụng chất hoạt động bề mặt là một phương pháp hữu dụng cho việc phân tán graphen vào các nền polyme, hình 1.9. Nguyên tắc này đã được đưa ra từ năm 1980, khi phân tán clay trong nền polyme bởi Lagaly trong việc chế tạo polyme/clay nanocompozit [22]. Khi phân tán clay trong nền polyme, rất khó để tạo ra polyme/clay nanocompozit dạng tách lớp, vì clay có khuynh hướng kết. Sự tách lớp hoàn toàn có thể đạt được bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt. Bằng phương pháp chế tạo này, Tkalya và cộng sự đã chế tạo được polyme/graphen nanocompozit với chất lượng phân tán tương đối tốt, vì vậy đã làm gia tăng rõ rệt các tính chất điện của vật liệu so với các phương pháp chế tạo khác [47]. Để có được khả năng phân tán tốt của graphen cho công nghệ latex, các chất hoạt động bề mặt đã được sử dụng. 20 Các tính chất độc đáo của chất hoạt động bề mặt là làm thay đổi năng lượng bề mặt và hình thành micel tạo thuận lợi cho sự ổn định của hệ huyền phù. Các polyme hay được sử dụng để chế tạo polyme/graphen nanocompozit bằng công nghệ latex, đó là các polyme hydrocacbon no và không no. Các polyme hydrocacbon no không có liên kết đôi, vì vậy chúng rất ổn định và khó biến dạng. Trong khi đó, các hydrocacbon không no có chứa liên kết đôi, dự kiến sẽ tạo ra sự tương tác trực tiếp với bề mặt graphen thông qua các tương tác π-π. Cao su thiên nhiên (CSTN) là polyme hydrocacbon không no, gần đây chúng đã được nghiên cứu rộng rãi trong việc chế tạo cao su nanocompozit với các chất gia cường CNT hoặc graphen. Vật liệu này có các tính chất lý, hóa thú vị, và được định hướng để sản xuất nhiều loại sản phẩm cao su kỹ thuật, tính năng cao. Hình 1.10: Hai mô hình có thể cho cấu trúc của bề mặt hạt latex cao su (A) Mô hình của hạt latex cao su được bao quanh bởi hai lớp protein và phospholipid (B) Mô hình mới được đề xuất với lớp bao quanh là hỗn hợp protein và phospholipid Latex cao su thiên nhiên (L-CSTN) là một hệ nhũ tương của các hạt cao su phân tán trong trong nước [32]. Với thành phần chủ yếu là cis-1,4 polyisoprene được bao quanh bởi một lớp sinh khối protein-phospholipid 21 (hình 1.10.A) [32,36,42]. Gần đây, Nawamawat và cộng sự [36] đã công bố kết quả nghiên cứu, cho thấy các hạt cao su tồn tại ở dạng cấu trúc lõi vỏ với polyisoprene là lõi kị nước được bao bọc bởi hỗn hợp gồm 84% protein (tích điện dương) và 16% phospholipid (tích điện âm) nằm trên bề mặt để làm cho chúng ưa nước (hình 1.10.B). Protein tồn tại chủ yếu trên bề mặt hạt latex, do đó chúng được coi là một thành phần quan trọng cho việc phân tán, ổn định latex CSTN. Một nghiên cứu gần đây của Mohamed và cộng sự [34] đã minh chứng rằng, trong hệ nhũ tương gồm CNT, latex và chất hoạt động bề mặt, phần ưa nước của L-CSTN sẽ tương tác với phần đầu chất HĐBM, trong khi phần đuôi chất HĐBM hấp thụ trên bề mặt CNT, dẫn đến sự phân tán đồng nhất của CNT sau khi siêu âm. Nhiều công trình nghiên cứu về các tính chất cơ học của nanocompozit trên cơ sở cao su/graphen. Phần lớn các báo cáo này cho thấy, graphen đã cải thiện đáng kể modul Young và độ bền kéo đứt của cao su nanocompozit so với cao su tinh khiết. Tuy nhiên, kết quả độ dãn dài khi đứt của cao su nanocompozit lại phụ thuộc vào quá trình gia công và một số yếu tố khác; đôi khi tính chất này được cải thiện với hàm lượng graphen thấp, và suy giảm ở hàm lượng graphen cao hơn do sự hình thành kết khối. Tác giả D. G. Papageorgiou và cộng sự [20] đã báo cáo tổng hợp và các tính chất của graphen, graphen oxide và cao su/graphen nanocompozit đã được xem xét. Kết quả cho thấy rằng, cả graphen và graphen oxide với các tính chất độc đáo có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và hứa hẹn đây là các chất gia cường cho các sản phẩm cao su nanocompozit cao cấp. 22 Hình 1.11: Mối quan hệ giữa ứng suất-sức căng của vật liệu cao su/graphen nanocompozit bằng (a) phương pháp latex (b) phương pháp nóng chảy Hiện nay nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Châu Âu, Anh, Hàn Quốc, Trung Quốc, đã và đang đầu tư rất mạnh vào nghiên cứu cũng như thương mại hóa các sản phẩm từ graphen. Thậm chí trên thị trường thế giới bắt đầu xuất hiện những sản phẩm thương mại cao su chứa nano graphen như lốp xe, cao su kỹ thuật [53]. Hãng Alliance Rubber đang nghiên cứu sản xuất dây chun từ vật liệu graphen bền nhất thế giới. Hãng này sẽ làm việc cùng các nhà nghiên cứu của Đại học Sussex để quyết định tỷ lệ phù hợp giữa graphen với cao su để chế tạo dây chun, vì dây chun nếu quá ít graphen thì không thể tối đa hóa độ bền, còn nếu quá nhiều graphen thì sẽ mất tính co giãn. Graphen sẽ giúp bổ sung nhiều tính năng mà dây chun truyền thống không có như tính chất khử tĩnh điện. 23 Hình 1.12: Dây chun đang được hãng Alliance Rubber nghiên cứu để sản xuất Hình 1.13: Graphen nhàu được xếp lớp trên một tấm polyme Các nhà nghiên cứu tại Đại học Duke vừa phát hiện ra rằng bằng cách dính graphen vào một tấm film mỏng polyme kéo giãn được, họ có thể làm nhàu và sau đó duỗi vật liệu ra. Với thuộc tính này, vật liệu cao su/graphen có thể được định hướng chế tạo ra một loại cơ nhân tạo mới. Trong khi đó, các nhà khoa học ở Ireland và Anh đã kết hợp vật liệu graphen với cao su để tạo ra các cảm biến đeo trên cơ thể có thể dùng để theo dõi chuyển động của thở, nhịp tim. Graphen có các đặc tính điện và cơ điện phù hợp với cảm biến chuyển động hiệu suất cao, công trình của Coleman và cộng sự đã mở ra một loạt các ứng dụng mới cho các cảm biến được làm từ cao su. Theo dõi sức khoẻ cá nhân chỉ là một trong số các ứng dụng cho các thiết bị này, ngoài ra còn có thể ứng dụng như giám sát hiệu suất của vận động viên, các thiết bị an toàn trong ô tô, robot. Gần đây, Cục nguyên vật liệu công nghiệp của Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin Trung Quốc (MIIT) đã tổ chức hội nghị chuyên đề về sự phát triển của ngành công nghiệp graphen tại Bắc Kinh. Vật liệu này, theo phân tích, sẽ được sử dụng trong tương lai nhiều hơn và trong nhiều lĩnh vực như thiết bị thông minh, xe năng lượng mới, quá trình tổng hợp compozit, các sản phẩm bảo vệ thông minh, năng lượng sạch và các lĩnh vực khác. Cấu trúc đơn nhất và lai hóa của graphen cũng đã làm dấy lên sự quan tâm của 24 những người có tầm nhìn trong ngành công nghiệp sản xuất lốp xe. Gần đây, hãng lốp xe Double Star đã thành lập phòng thí nghiệm lốp xe graphen đầu tiên. Sau đó, hãng lốp xe Long Ling cũng đã ký một hợp đồng với Trường Đại học Công nghệ hóa học Bắc Kinh để nghiên cứu và phát triển vật liệu mới cho lốp xe như graphen. Dự báo graphen sẽ được sử dụng trong sản xuất lốp xe (8% -10%) trong tương lai trên quy mô lớn. Với vật liệu này, các lốp xe sẽ có khả năng chống mài mòn, chống đâm thủng tốt hơn, và cải thiện đáng kể tuổi thọ. Ngoài ra, lốp xe chứa graphen sẽ nhẹ hơn và bám dính tốt hơn. Như vậy, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm khai thác các tính chất của graphen thông qua việc cải thiện sự phân tán của chúng trong nền polyme sử dụng chất HĐBM [39,47,49,51]. Đặc tính của các chất HĐBM trong việc phân tán graphen cũng tương tự như với ống nano cacbon và các vật liệu cacbon khác [33,52]. Số lượng vật liệu polyme/graphen nanocompozit được chế tạo thông qua công nghệ latex ngày một gia tăng. Nhìn chung, có hai cách khác nhau được sử dụng để phân tán, ổn định graphen bằng chất HĐBM, hoặc là từ vật liệu graphite ban đầu (khử graphen oxit với sự có mặt của chất HĐBM) hoặc phân tán graphen trong dung dịch chất HĐBM bằng siêu âm (thời gian có thể thay đổi từ vài phút tới hàng giờ). Lợi ích của việc sử dụng chất HĐBM trong việc phân tán graphen trong nền polyme là rõ ràng. Tuy nhiên, các chất HĐBM để phân tán và ổn định graphen cho mỗi hệ polyme là khác nhau, do vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của chất HĐBM tới tính chất của polyme vẫn được nhiều nhà khoa học quan tâm. 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu vật liệu cao su nanocompozit cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các phụ gia nano hay được sử dụng nghiên cứu là nanoclay, nanosilica, ống nano cacbon, Tác giả Đặng Việt Hưng [3] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ sở cao su thiên 25 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. Cũng tác giả trên [4] đã nghiên cứu chế tạo chủ liệu (masterbatch) bằng phương pháp latex. Với phương pháp này, các phụ gia nano (nanosolica và nanoclay) được phối trộn cùng với nước và chất hoạt động bề mặt với tỷ lệ xác định để tạo huyền phù. Sau đó phối trộn huyền phù với latex cao su. Hỗn hợp được đông kết bằng axit rồi rửa sạch và sấy khô. Phương pháp này thích hợp với các polyme dạng tự nhiên hoặc tổng hợp (dạng nhũ tương), đặc biệt thích hợp với latex cao su thiên nhiên. Tác Lê Như Đa và cộng sự [9] đã nghiên cứu chế tạo cao su blend CSTN/EPDM/clay nanocompozit, kết quả cho thấy nanoclay đóng vai trò như chất trợ tương hợp trong cao su blend. Tác giả Lương Như Hải và cộng sự [10] đã chế tạo vật liệu cao su nanocompozit trên cơ sở blend CSTN/CR với nanoclay bằng phương pháp cán trộn qua dung môi. Vật liệu cao su nanocompozit thu được có cấu trúc vừa tách lớp và vừa xen lớp. Hàm lượng tối ưu của nanoclay gia cường cho blend CSTN/CR là 5%. Ở hàm lượng này, vật liệu có các tính chất cơ học, khả năng bền nhiệt và bền môi trường vượt trội so với mẫu CSTN/CR không gia cường. Tác giả Trần Hải Ninh và cộng sự [15] 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. Tác giả Nguyễn Thị Thái [14] 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/EPDM, CSTN/BR. Tác giả Đỗ Quang Kháng và cộng sự [1] đã chế tạo cao su nanocompozit trên cơ sở cao su blend CSTN/CR với CNT biến tính và chưa biến tính bằng phương pháp trộn nóng chảy trong máy trộn kín. Kết quả cho thấy, hàm lượng CNT và CNT-g-TESPT tối ưu cho cao su blend CSTN/CR lần lượt là 4% và 3,5%. Tính chất cơ học của vật liệu 26 CSTN/CR/CNT-g-TESPT cao hơn so với vật liệu CSTN/CR/CNT ở cùng hàm lượng. Ống CNT được biến tính bằng TESPT đã làm tăng khả năng phân tán và tương tác với nền cao su, cấu trúc của vật liệu đồng đều và chặt chẽ hơn dẫn đến tính chất cơ học, khả năng bền nhiệt và môi trường được cải thiện đáng kể. Cao su thiên nhiên (CSTN) là nguồn nguyên liệu thế mạnh của Việt Nam, CSTN nguyên liệu ở hai dạng là crếp và latex. Trong khi đó, việc nghiên cứu nâng cao tính năng cơ lý, kỹ thuật, mở rộng khả năng ứng dụng cho CSTN để sản xuất các sản phẩm cao su kỹ thuật phục vụ nhu cầu trong nước cũng như xuất khẩu đang là vấn đề cần được quan tâm. Vật liệu polyme nanocompozit nói chung và cao su nanocompozit trên cơ sở cao su thiên nhiên gia cường bằng graphen là một loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng to lớn. 27 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu Vật liệu Latex cao su thiên nhiên với hàm lượng khô 60% từ Công ty cao su Phước Hòa, Việt Nam 2.1.2. Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu gồm: - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng graphen tới tính chất cơ học của vật liệu; - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất hoạt động bề mặt CTAB tới tính chất cơ học của vật liệu; - Nghiên cứu cấu trúc hình thái của vật liệu CSTN/graphen nanocompozit; - Nghiên cứu khả năng bền nhiệt của vật liệu CSTN/graphen nanocompozit. 2.2. Thiết bị và hóa chất 2.2.1. Thiết bị 1. Máy ép gia nhiệt của hãng Toyoseiki, Nhật Bản. 2. Máy cán hai trục của hãng Toyoseiki, Nhật Bản. 3. Máy đo độ bền kéo đứt Gotech AI-7000M của Đài Loan. 4. Đồng hồ đo độ cứng TECLOCK, ký hiệu JIS K 7215 A của Nhật Bản. 5. Cân phân tích. 6. Khuôn ép mẫu và dao cắt. 7. Thước đo chiều dày. 8. Kính hiển vi điện tử quét (FESEM) của hãng Hitachi, Nhật Bản. 9. Máy phân tích nhiệt trọng lượng TGA209F1 NETZSCH của CHLB Đức. 2.2.2. Hoá chất - Latex cao su thiên nhiên: hàm lượng khô 60% của công ty cao su Phước 28 Hòa, Việt Nam. - Graphen (GE) là loại N008-N ở dạng tấm của hãng Angstron Materials, Mỹ. - Chất hoạt động bề mặt CTAB với độ tinh khiết 99% của Công ty Beijin