Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu rất hay và hiếm về "Vật liệu nanocomposite kết hợp giữa kim loại và polymer". Tính chất, đặc trưng, tổng hợp và ứng dụng. VD: Tổng hợp vật liệu Nanocomposite Ag/PVA
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN MÔN HOÁ HỌC NANO Đề tài: NANOCOMPOSITE METAL – POLYMER I GVHD: PSG.TS. Nguyễn Ngọc Hạnh HVTH: Phan Nguyễn Thu Xuân-13050206 zz TP. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2014 TP. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2014 LỜI NHẬN XÉT TP. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 03 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hạnh II MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC BẢNG iii Giới thiệu về công nghệ nano 1 Tổng hợp hạt nano bạc 15 Kết quả: 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 I DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Biểu diễn hai phương pháp in-situ và ex -situ 4 Hình 1.2 Tổng hợp nanocomposite bằng phương pháp khử hoá học 5 Hình 1.3 Sự mở rộng khe dải và mức năng lượng của các nguyên tử với sự gia tăng kích thước 8 Hình 1.4 Sự phân bố của các nguyên tử trên bề mặt so với tổng nguyên tử có trong các hạt 11 Hình 1.5 Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng 13 Hình 1.6 Sự thay đổi phổ UV – Vis của các hạt có kích thước khác nhau 14 Hình 1.7 Phổ UV – Vis của hạt que nano 14 Hình 2.8 Phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên 15 Hình 3.9 Phổ UV – Vis của dung dịch PVA 22 Hình 3.10 Phổ UV – Vis của dung dịch AgNO3 22 Hình 3.11 Phổ UV – Vis của dung dịch AgNO3/PVA 23 Hình 3.12 Phổ UV – Vis của dung dịch nanocomposite AgNO3/PVA 23 Hình 3.13 Phổ UV – Vis của dung dịch nanocomposite (1 ÷ 7%) trong dải bước sóng từ 350 ÷ 700nm 24 Hình 3.14 Ảnh TEM của hạt nano Ag trong vật liệu nanocomposite (1%) (thang đo 50nm) 25 Hình 3.15 Ảnh TEM của hạt nano Ag trong vật liệu nanocomposite (4%) 26 Hình 3.16 Ảnh TEM của hạt nano Ag trong vật liệu nanocompsite (6%) (thang đo 100nm) 26 II DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu 7 Bảng 2.2 Tính chất của PVA 18 Bảng 3.3 Bảng số liệu khảo sát ảnh hưởng hàm lượng AgNO3 tới quá trình tổng hợp nanocomposite 24 III NANOCOMPOSITES METAL - POLYMER Khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng tạo ra các vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1-100nm. Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ nano thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở liên hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển, đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi trường… Việc kết hợp giữa các loại polymer với các hạt nano Ag nhằm mục đích tạo ra một loại vật liệu mới, khai thác những tính chất vật lý, hóa học, sinh học, đặc thù. Ví dụ: một số tính chất quang, nhiệt, điện ,từ tính, hay xúc tác Vì vậy, hạt nano kim loại có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bán dẫn, xúc tác, vật lý lượng tử, y học, sinh học, mội trường, công nghệ hóa học, công nghệ thực phẩm và bao bì,…[30]. Polyvinylancol sử dụng để tạo nanocomsite bởi tính công nghệ thuận lợi như: dễ gia công, ổn định tốt đối với các hạt kim loại nhỏ, nó có tác dụng bảo vệ cũng như ngăn ngừa sự kết tụ và lắng đọng [30]. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1.1 KHÁI NIỆM VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ NANO 1.1.1 Khái niệm [2] Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nano mét nano mét. Về trạng thái của vật lệu người ta chia thành ba trạng thái rắn, lỏng, khí. Hiện nay, vật liệu nano được nghiên cứu chủ yếu là vật liệu ở trạng thái rắn. Về hình dáng vật liệu người ta phân chia thành các loại sau: ba chiều có kích thước nano (hạt nano, đám nano), hai chiều có kích thước nano (màng mỏng), một chiều (dây mỏng). Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều. Các chất rắn ở nhiệt độ thường có thể được chia (kim loại, gốm, chất bán dẫn polymer ). Các chất này có thể chia nhỏ nữa thành (vật liệu sinh học, vật liệu xúc tác ). PHAN NGUYỄN THU XUÂN 1 Tất cả các chất này có tính chất biến thiên rộng, có nhiều tính chất khác dưới dạng nano. 1.1.2 Sự ra đời của công nghệ nano [2] Thuật ngữ công nghệ nano xuất hiện từ những năm 70 của thế kỷ 20 liên quan đến công nghệ chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Độ chính xác ở đây đòi hỏi rất cao từ 0.1 – 100nm tức là phải chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử. Mặt khác, quá trình vi hình hóa các linh kiện cũng đòi hỏi người ta phải nghiên cứu các lớp mỏng bề dày cỡ nm, các sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, các hạt có đường kính cỡ nm. Phát hiện ra hàng loạt hiện tượng, tính chất mới mẻ có thể ứng dụng vào nhiều chuyên ngành rất khác nhau để tạo thành các ngành khoa học mới gắn thêm chữ nano. Hơn nữa, việc nghiên cứu các quá trình sống xảy ra trong tế bào cho thấy sự sản xuất ra các chất cho sự sống như protein đều được thực hiện bởi sự lắp ráp vô cùng tinh vi các phân tử với nhau mà thành. Tức là cũng ở trong công nghệ nano. 1.1.3 Ý nghĩa của công nghệ nano và khoa học nano [2] Khoa học và công nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và cực kỳ hấp dẫn vì những lý do: - Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano. Do đó, khi làm thay đổi cấu hình trong thang nano của vật liệu ta có thể “điều khiển” được tính chất của vật liệu mà không phải thay đổi thành phần hóa học của chúng. Ví dụ, thay đổi kích thước hạt nano sẽ làm chúng đổi màu ánh sáng phát ra hoặc thay đổi các hạt nano từ tính để chúng trở thành một đomen thì tính chất từ của chúng thay đổi hẳn. - Vật liệu nano có diện tích mặt ngoài rất lớn nên rất lý tưởng dùng vào chức năng xúc tác cho hệ phản ứng hóa học, hấp phụ, nhả thuốc chữa bệnh từ từ trong cơ thể, lưu trữ năng lượng và liệu pháp mỹ phẩm. - Vật liệu có chứa các cấu trúc nano có thể cứng hơn nhưng lại bền hơn vật liệu không hàm chứa cấu trúc nano. Các hạt nano phân tán trên một nền thích hợp có thể tạo ra các loại vật liệu composite siêu cứng. - Tốc độ tương tác và truyền tín hiệu giữa các cấu trúc nano nhanh hơn giữa các cấu trúc micro rất nhiều và có thể sử dụng các tính chất siêu việt này để chế tạo các hệ thống nhanh hơn với hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn. PHAN NGUYỄN THU XUÂN 2 - Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano nên các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự nhiên thì chúng sẽ tương hợp sinh học. Điều này cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe. 1.2 COMPOSITE [1] Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Những thành phần của vật liệu nanocomposite bao gồm: Thứ nhất, thành phần cốt (các sợi, hạt ) nhằm đảm bảo composite có những tính năng cơ học cần thiết. Thứ hai, thành phần nền kết dính nhằm đảm bảo cho sự liên kết và làm hài hòa giữa các thành phần của composite với nhau. Khả năng khai thác của vật liệu composite phụ thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa của các thành phần, cấu trúc phân bố của vật liệu cốt cũng như độ bền vững liên kết giữa nền và cốt. Thông thường, thành phần cốt đảm bảo cho vật liệu composite có độ cứng độ bền cơ học cao. Còn chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần composite liên kết hoài hòa với nhau đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra kết cấu composite phân bố lại chịu tải khi một phần cốt đã bị đứt gãy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu mà chất liệu nền cũng chịu một phần lớn khả năng chịu nhiệt chịu ăn mòn của vật liệu và cũng chính vật lệu nền là cơ sở để xác định phương thức công nghệ chế tạo sản phẩm. Ngoài hai thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu composite còn có các phụ gia khác như chất xúc tác, chất xúc tiến, chất tạo màu Vật liệu composite có nhiều tính năng tốt là nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt, chịu hóa chất và giá thành phù hợp nên được sử dụng rất rộng rãi. Hầu hết, vật liệu composite được ứng dụng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, y tế, hàng không, vũ trụ… 1.3 NANOCOMPOSITE KIM LOẠI – POLYME Nano kim loại – polyme: là loại vật liệu mà trong đó polyme đóng vai trò như một chất bao bọc bên ngoài và ổn định hạt kim loại bên trong, thể hiện nhiều tính năng khác nhau (thể hiện tính năng cơ tính: bền nhiệt hay không bền nhiệt; tính năng ưa nước hay kỵ nước, thể hiện tính năng điện tính: dẫn điện hay không dẫn điện). [24] Do bản chất của nano kim loại và polyme rất khác nhau – nano kim loại là chất vô cơ và có tính ưa nước, còn polyme là chất hữu cơ và nói chung không ưa nước, nên việc đưa nano kim loại vào trong mạng nền polyme là rất khó khăn. Do vậy, nano thường được biến tính trước khi PHAN NGUYỄN THU XUÂN 3 cho vào polyme bằng cách kết hợp với các chất hoạt tính bề mặt (surfactants) hoặc các tác nhân tương hợp(compatibilizing agents hoặc compatibilisers) như các axít aminô, các iôn alkyl amonium, silan, crown ete Thông thường, các phương pháp chế tạo được phân loại thành: • Trộn hợp nóng chảy (Melt intercalation) • Trộn hợp polyme trong dung dịch (Polymer solution intercalation) • Trùng hợp nhũ tương (Emulsion intercalation) Ngày nay công nghệ chế tạo có nanocomposite kim loại/polyme có thể chia thành phương pháp in-situ và ex -situ: Hình 1.1 Biểu diễn hai phương pháp in-situ và ex -situ - Phương pháp in-situ: monome được trùng hợp, ion kim loại được đưa vào trước hay sau quá trình trùng hợp. Sau đó ion kim loại trong nền polyme được khử bởi tác nhân hóa học, bởi nhiệt hay bức xạ, để hình thành hạt nano. Phương pháp này thường không đơn giản và thuận lợi như ex-situ, nhưng cho kết quả tốt hơn và có thể điều chỉnh chất lượng sản phẩm vật liệu nanocomposite. [25] - Phương pháp ex-situ: hạt nano kim loại được tổng hợp trước và bề mặt được thụ động hữu cơ. Từ đó hạt nano được phân tán vào dung dịch polyme hay dịch monome sau đó tiến hành trùng hợp. [25] + Đầu tiên, hạt nano kim loại được chuẩn bị và tránh sự lắng đọng, đồng thời ổn định ngay mầm tinh thể. Quá trình được thực hiện bởi sự khử dung dịch muối trong dung môi thích hợp. Phương pháp tạo hạt này nhằm ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt. [25] + Tiếp theo, hạt nano được đưa vào trong polyme. Quá trình được thực hiện do sự trộn các hạt nano kim loại với dung dịch của polyme hoặc monome, mà sự khuấy trộn này tùy thuộc PHAN NGUYỄN THU XUÂN 4 vào quá trình gia công polyme. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi sự phân tán. Do đó, quá trình này rất khó có thể thu được composite có sự phân bố tốt và sẽ kết tụ lại. [25] Hiện nay trên thế giới thì phương pháp in-situ được phổ biến và dùng rộng rãi hơn phương pháp ex-situ để chế tạo nanocomposite kim loại/polyme. Vì: phương pháp in-situ đơn giản, thuận lợi, cho kết quả tốt hơn và có thể điều chỉnh được chất lượng sản phẩm. 1.4 TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC [24] Phương pháp khử hóa học: là phương pháp được đặc trưng bởi sự phân bố cỡ hạt nano hẹp, quá trình tổng hợp đơn giản và hạt nano được ổn định trong hệ tốt. Phương pháp khử hóa học dựa vào nhiều tiến trình khử khác nhau và liên quan nhiều đến polyme, copolyme… Hình 1.2 Tổng hợp nanocomposite bằng phương pháp khử hoá học 1.4.1 Chất khử Những chất khử thường dùng là hydro và những hợp chất có chứa hydro. Những chất khử hiệu quả cao NaBH 4 (chất khử mạnh), LiAlEt 3 H, Et 3 SiH (khử mạnh, chậm), (EG) ethylene glycol, (DG) diethylene glycol, (TG) triethylene glycol PHAN NGUYỄN THU XUÂN 5 [...]... ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý đã biết Nhưng... học các kim loại trong dung dịch muối của chúng Các kim loại như Cu, Cr, Ag thường được điều chế bằng phương pháp khử điện hóa hay khử bằng bức xạ hóa học Trong trường hợp này thực tế một lượng nhất định kim loại có thể cho vào polyme Phương pháp khử trong môi trường polyme: phương pháp này bao gồm sự khử các phân tử kim loại trong một hỗn hợp tạo với polyme Hỗn hợp này khoảng 1 – 15% kim loại Sự tập... hạt nhỏ trong vật liệu khối, nhưng riêng rẽ, bởi hiệu ứng giam cầm điện tử Vì thế, tính chất vật lý của hạt nano được xác định bởi kích thước của các hạt [3] Vật liệu nano có những tính chất kỳ lạ khác hẳn với tính chất vật liệu khối đã nghiên cứu trước Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối được bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây: Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước... thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó Ví dụ, đối với kim loại, quãng... và ngang (transverse) Sự cộng hưởng theo chiều dọc giống với các hạt hình cầu, theo cách thức dịch chuyển đỏ Hình 1.6 Sự thay đổi phổ UV – Vis của các hạt có kích thước khác nhau Hình 1.7 Phổ UV – Vis của hạt que nano Các hạt nano kim loại được dùng cho các ứng dụng thuộc quang học và lượng tử, chúng thường được cho vào trong vật liệu nền thích hợp như polyme hay thủy tinh Sự kết hợp hạt nano kim loại. .. ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt Tính chất điện Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh PHAN NGUYỄN THU XUÂN 9 thể và tán xạ với dao động nhiệt của... một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối... so với hiệu ứng ở vật liệu Phổ quang học chỉ ra rằng cấu trúc điện tử của đám kim loại nhỏ hơn khoảng 5nm so với vật liệu khối Một lượng nhỏ các nguyên tử kéo theo kết quả của sự thành lập các dải electron với phạm vi của các electron hóa trị lớn hơn, và trong vùng nhỏ hơn của dải hóa trị Sự biến đổi năng lượng và cấu trúc điện tử được phát ra bởi độ cong bề mặt của hạt nano kim loại làm tăng độ co... vị trí, và cường độ của sự tương tác plasmon biểu lộ bởi hạt nano phụ - Hằng số điện môi của kim loại và vật liệu nền - Kích thước và hình dạng hạt - Sự tương tác giữa các hạt và chất nền - Sự phân bố của các hạt trong chất nền Hình 1.5 Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng Do ảnh hưởng của các tác yếu tố trên nên một số tính chất mong muốn của vật liệu có... sẽ giống với kim loại tự nhiên, nhưng nếu kT hạ xuống dưới khe Kubo nó sẽ trở thành phi kim loại Tại nhiệt độ thường kT có giá trị khoảng 26 meV, vì thế hạt nano Ag cở 3nm sẽ biểu hiện tính chất của một kim loại Tuy nhiên, nếu kích cỡ của hạt nano được giảm đi, hay nhiệt độ thấp hơn thì hạt nano sẽ thể hiện tính chất phi kim loại Sử dụng học thuyết này và mức năng lượng Fermi của kim loại Ag là 5,5 . dung dịch nanocomposite AgNO3/PVA 23 Hình 3.13 Phổ UV – Vis của dung dịch nanocomposite (1 ÷ 7%) trong dải bước sóng từ 350 ÷ 700nm 24 Hình 3.14 Ảnh TEM của hạt nano Ag trong vật liệu nanocomposite. PVA 18 Bảng 3.3 Bảng số liệu khảo sát ảnh hưởng hàm lượng AgNO3 tới quá trình tổng hợp nanocomposite 24 III NANOCOMPOSITES METAL - POLYMER Khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và. ex-situ để chế tạo nanocomposite kim loại/polyme. Vì: phương pháp in-situ đơn giản, thuận lợi, cho kết quả tốt hơn và có thể điều chỉnh được chất lượng sản phẩm. 1.4 TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE BẰNG