Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất của composit polymer/oxit kim loại
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Anilin, và các dị vòng một dị tử như thiophen, pirol, furan,
piriđin, inđol, là những hợp chất quen thuộc và có nhiều ứng dụng
trong nhiều ngành khoa học, kĩ thuật cũng như trong cuộc sống.
Ngoài tác dụng hoạt tính sinh học, các dị vòng một dị tử còn có khả
năng tạo ra hợp chất mới có khả năng chống ăn mòn kim loại, có tính
truyền quang, tính dẫn điện v.v… Những hợp chất mới này chính là
polymer. Trong số các loại polymer tạo ra thì polymer có cấu trúc
liên hợp có khả năng dẫn điện. Tuy nhiên các sản phẩm tạo ra từ
polymer hữu cơ thường kém bền, dễ bị oxi hóa dưới tác dụng của
chất oxi hóa. Mặt khác, dưới sự phát triển của khoa học kĩ thuật, sự
kết hợp polymer dẫn và một số oxit kim loại như: TiO2, Fe3O4,
Fe2O3, SiO2 v.v... được tổng hợp ở kích thước nano đã tạo ra loại vật
liệu mới có nhiều tính năng ưu việt hơn: nhẹ hơn, bền hơn, độ quang
hóa được tăng lên. Đó chính là composit polymer liên hợp. Trong
thực tế hiện nay, ngành công nghiệp điện tử đòi hỏi phải sản xuất ra
những chất dẫn bền, nhẹ, rẻ tiền tan được trong một số dung môi hữu
cơ để có thể thay thế những chất dẫn có giá thành cao. Góp phần vào
nhu cầu đó, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp
và khảo sát tính chất của composit polymer/oxit kim loại”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp nanocomposit vỏ: polymer và lõi : oxit kim loại
- Khảo sát tính chất của chúng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:
- Tổng hợp polianilin, polipirol hạt nano với chất hoạt động
bề mặt là SDS, tác nhân oxi hoá là FeCl3.
2
- Tổng hợp vật liệu nanocomposit – polianilin, nanocomposit
- polipirol dạng vỏ - lõi với tác nhân oxi hóa là FeCl3 trong môi
trường propan-2-ol , chất hoạt động bề mặt là SDS, lõi là TiO2 kích
thước 100nm.
- Phân tích cấu trúc của sản phẩm polymer: IR, phổ UV,
Rơnghen, chụp ảnh SEM, TEM, phân tích nhiệt vi sai.
- Xác định các tính chất vật lý, hằng số vật lý: màu sắc, trạng
thái.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều chế vật liệu: phương pháp vi nhũ tương
- Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu composit polymer/TiO2
bằng phổ IR, UV – Vis, nhiễu xạ tia X, TEM, SEM.
- Phương pháp đo tổng trở bằng máy đo Zahner.
5. Bố cục đề tài
Nội dung luận văn chia làm 3 chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm
Chương 3. Kết quả và thảo luận
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Phần tổng quan của luận văn đã tham khảo 16 tài liệu khoa
học về cấu tạo, tính chất, điều chế các polymer polianilin (PaNi),
polipirol (PPy) và các vật liệu composit giữa chúng với TiO2 nano
cùng các kiến thức liên quan. Tình hình công bố cho thấy, việc
nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất của các vật liệu nano tổ
hợp giữa các polymer nêu trên với TiO2 là cần thiết, nhằm cải thiện
độ bền, độ dẫn điện, giá thành, mở rộng khả năng ứng dụng của
chúng trong thực tế.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.SƠ LƯỢC VỀ SỰ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA
POLYMER DẪN, POLYMER COMPOSIT
1.1.1. Sơ lược về polymer dẫn
1.1.2. Sơ lược về polianilin (PaNi) và polipirol (PPy)
1.1.3. Giới thiệu về polymer composit
1.1.4. Phân loại các loại polymer composit
a. Polymer mạng composit
b. Composit hạt nano (core – shell composite nanoparticle)
c. Composit hạt nano kiểu hình cầu (microsphere composit
nanoparticle)
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC POLYMER DẪN
HẠT NANO
1.2.1. Phương pháp “khuôn” mềm
Phương pháp “khuôn” mềm đã được dùng để tổng hợp
polymer hạt nano với nhiều loại hình dạng khác nhau. Có rất nhiều
loại khuôn mềm như là: chất hoạt động bề mặt, polymer tinh thể
lỏng, xiclodextrin, và các loại polymer chức năng khác. Trong số đó,
những chất hoạt động bề mặt như cationic, anionic, không ionic, hầu
hết được dùng để hình thành hạt micell. Vi nhũ tương là hỗn hợp
đồng thể của dầu, nước và chất bề mặt dựa trên mức độ siêu nhỏ của
từ trường của dầu và nước được tách riêng rẽ thành một lớp của phân
tử có đầu cực gắn với đuôi phân tử kị nước.
1.2.2. Phương pháp “khuôn” cứng
Phương pháp “khuôn cứng” dùng để tạo ra polymer dẫn cấu
trúc nano dạng 1 chiều (1D) như là nanotube, nanorod và nanofibre.
Khuôn thông thường được dùng là AAO hoặc PC với kích thước lỗ
4
từ 10 nm và 1m. Phương pháp khuôn cứng dùng để tổng hợp vật liệu
polymer dẫn cấu trúc nano đã được ứng dụng nhiều trong những
năm gần đây.
1.2.3. Phương pháp “khuôn” tự do
Phương pháp “khuôn tự do” được tiến hành sử dụng rộng rãi
hơn trong quá trình tổng hợp vật liệu polymer dẫn hạt nano. So với
phương pháp khuôn mềm và phương pháp khuôn cứng, hệ phương
pháp này cung cấp quy trình tạo ra nanofibre có độ tinh khiết cao.
Phương pháp khuôn tự do bao gồm: tổng hợp điện hóa, tổng hợp hóa
học, trùng hợp giao diện bề mặt, trùng hợp phân tán, v.v… Polianilin
là loại polymer thường hay tổng hợp theo phương pháp này và
thường tạo ra hình dạng que “nanorod”.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYMER COMPOSIT
1.3.1. Phương pháp “ex situ”
1.3.2. Phương pháp hỗn hợp hóa học
1.3.3. Phương pháp vật lí " in situ"
1.4.GIỚI THIỆU VỀ ANILIN, PIROL VÀ TiO2
1.4.1. Giới thiệu về anilin và pirol
a. Giới thiệu về anilin
Công thức cấu tạo
NH
2
to = 184oC; tonc = -6oC; d = 1,022g/ml.
s
b. Giới thiệu về pirol
Công thức cấu tạo
5
Pirol
1.4.2. Giới thiệu về TiO2
a. Vai trò của TiO2 trong cuộc sống
Titanđioxit TiO2 là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc
sống hàng ngày của chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha
chế tạo màu sơn, màu men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm. Ngày nay
lượng TiO2 được tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 3 triệu tấn. TiO2 còn
được biết đến trong vai trò của một chất xúc tác quang hóa quang trọng.
b. Các dạng cấu trúc của TiO2
TiO2 trong tự nhiên tồn tại ba dạng thù hình khác nhau là rutile,
anatase, và brookite. Cả ba dạng tinh thể này đều có chung một công
thức hóa học TiO2, tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng là khác nhau
c. Tính chất vật lý
Bảng 1.1. Các thông số vật lý
Tính chất
Hệ tinh thể
Anatase
Tetragonal
I41/amd
3,78 A
Rutile
Tetragonal
P42/mnm
4,58 A
Nhóm không gian
Thông số mạng a
Thông số mạng c
Khối lượng riêng
Độ khúc xạ
9,49 A
3,895 g/cm3
2,95 A
4,25 g/cm3
2,52
2,71
Độ cứng (thang Mox)
Hằng số điện môi
5,5 6,0
31
6,0 7,0
114
Nhiệt độ nóng chảy To cao chuyển sang dạng rutile
1858 oC
6
d. Tính chất xúc tác quang hoá của TiO2 ở dạng anatase
e. Các ứng dụng của TiO2
1.5. CƠ CHẾ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP POLIANILIN,
POLIPIROL
1.5.1. Tổng hợp polianilin
1.5.2. Tổng hợp polipirol
1.6. CẤU TRÚC CỦA PaNi, Ppy
1.6.1. Cấu trúc của PaNi
1.6.2. Cấu trúc của PPy
7
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ
2.1.1. Hóa chất: TiO2 (PA25 đường kính 100nm), anilin (Merck),
pirol, SDS: Natri lauryl sunfat (sodium dedecyl sunfonat):
C12H25OSO3Na, propan-2-ol, (NH4)2S2O8, HCl,
FeCl3.6H2O,
C2H5OH, nước cất.
2.1.2. Dụng cụ: Bình cầu 3 cổ, máy khuấy từ, nhiệt kế, cốc thuỷ
tinh, pipet, đũa thuỷ tinh, giấy lọc băng xanh, muỗng lấy hoá chất,
phễu nhỏ giọt, phễu lọc, máy lọc chân không.
2.2. SƠ ĐỒ PHẢN ỨNG VÀ CÁCH TIẾN HÀNH
2.2.1. Sơ đồ hệ thống phản ứng (hình 2.1)
8
2.2.2. Cách tiến hành
a. Tổng hợp polianilin, polipirol hạt nano
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp PaNi hạt nano
b. Tổng hợp nanocomposit polianilin – TiO2, polipirol -
TiO2 (vỏ: polianilin hoặc polipirol, lõi : TiO2)
Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp PaNi – TiO2
9
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp đo phổ hồng ngoại
Lấy khoảng 0,3mg mẫu chất rắn đem nghiền nhỏ cùng với
KBr khan. Sau đó tiến hành ép viên dưới trọng lực 10 tấn . Mẫu được
đo trên máy đo phổ hông ngoại GBC Cintra40 Nicolet Nexus 670
FT-IR.[3].
2.3.2. Phương pháp đo nhiễu xạ tia X
Để tiến hành xác định cấu trúc của polymer, có thể dùng
nhiễu xạ tia X dựa theo phương trình Brag:
2.d.sin = n.
Để xác định cấu trúc của polymer, ta cân khoảng 2g sản
phẩm, đem nghiền nhỏ cẩn thận, dát mỏng. Mẫu được đo trên máy
Siemens D500. Chế độ đo, nhiệt độ phòng, chu kì xung là 0.7s, bước
sóng 1.540Ao, góc quét giữa hai xung là 0.03Ao.
2.3.3. Phương pháp xác định độ dẫn điện
Độ dẫn điện của vật liệu được đo theo phương pháp sử dụng
hệ 4 điện cực trong đó hai điện cực cấp dòng và hai điện cực làm
nhiệm vụ so sánh .
2.3.4. Phương pháp đo nhiệt vi sai
Cân khoảng 0,5mg sản phẩm đã được sấy khô trên cân điện
tử. Sau đó cho lần lượt vào các lọ đốt bằng platin đặt trong máy điều
nhiệt với tốc độ 10oC/phút. Mẫu được đo trên máy NETZSCH STA
409/PC/PG tại trường đại học Bách khoa Hà Nội.
2.3.5. Phương pháp tiến hành chụp ảnh SEM, TEM
Hình ảnh SEM của mẫu được đo bởi máy S4800-Hitachi của
Nhật Bản và TEM là JEM1010-JEOL của Nhật Bản tại phòng thí
nghiệm Hiển Vi Điện Tử, Viện Vệ Sinh Dịch Tễ Trung Ương.
10
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. MỘT SỐ THÔNG SỐ HÓA LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CẢM
QUANG CỦA SẢN PHẨM TỔNG HỢP PaNi VÀ PPy, PaNi –
TiO2, PPy – TiO2
Bảng 3.1. Thông số hóa lý và đặc tính cảm quang của sản phẩm tổng
hợp.
Sản phẩm
PaNi
PPy
PaNi – TiO2
Xanh trắng
PPy – TiO2
Đen trắng
Tính chất
Màu sắc
Xanh
Đen
Không tan nhiều Không tan nhiều Không tan nhiều Không tan nhiều
Khả năng
trong dung môi
trong dung môi trong dung môi trong dung môi
hòa tan
hữu cơ
hữu cơ
hữu cơ
hữu cơ
Trạng thái
Bột mịn
Bột mịn
Bột mịn
Bột mịn
tonc(oC)
Không xác định Không xác định Không xác định Không xác định
Bị phân hủy
trước khi nóng trước khi nóng trước khi nóng trước khi nóng
chảy chảy chảy chảy
Bị phân hủy
Bị phân hủy
Bị phân hủy
to (oC)
s
3.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI
3.2.1. Phổ hồng ngoại của pirol
11
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của pirol
3.2.2. Phổ hồng ngoại của anilin
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của Anilin
12
3.2.3. Phổ hồng ngoại của PaNi, PaNi – TiO2
a. Phổ IR của PaNi
Mau
1
4.6
4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Wavenumbers (cm-1)
Number of sample scans: 64
Number of background scans: 64
Resolution: 4.000
Sample gain: 8.0
Mirror velocity: 0.6329
Aperture: 100.00
Hình 3.3. Phổ IR của PaNi
Với những dữ kiện trên, có thể dự đoán cấu trúc như sau:
NH
NH
N
N
x
b. Phổ IR của PaNi - TiO2
Mau
2
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Wavenumbers (cm-1)
Number of sample scans: 64
Number of background scans: 64
Resolution: 4.000
Sample gain: 2.0
Mirror velocity: 0.6329
Aperture: 100.00
Hình 3.4. Phổ IR của PaNi-TiO2
13
Từ các pic trong phổ cho ta thấy, các liên kết C = N, C – N
trở nên yếu đi khi có sự hình thành composit giữa PaNi – TiO2.
Chứng tỏ rằng composit từ PaNi và TiO2 đã được tổng hợp thành
công.
c. Phổ IR của PPy
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Ten may: GX-PerkinElmer-USAResolution: 4cm-1 Date: 9/27/2012
Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai
Mau 4
101.0
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
2851
2921
677
3428
1455
1300
964
1546
1088
782
%T
897
45
40
35
30
25
20
15
10
5
1169
1038
0.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
600.0
Hình 3.5. Phổ IR của PPy
Đặc biệt sự xuất hiện của vạch 782 cm-1(m) là tần số dao
động của C-H ngoài mặt phẳng thế và sự thế 1 lần tại vị trí . Điều
này chứng tỏ các monome pirol đã liên kết với nhau tại vị trí -’.
Kết hợp với việc đo độ dẫn cho thấy sản phẩm không chỉ có
ở dạng trung hòa mà còn có thể xuất hiện dạng dẫn điện đó là
polaron, vì vậy có thể dự đoán được cấu trúc của sản phẩm như sau:
14
d. Phổ IR của PPy – TiO2
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Ten may: GX-PerkinElmer-USAResolution: 4cm-1 Date: 9/27/2012 Nguoi do: Phan Thi Tuyet Mai
Mau 1
98.5
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
1383
1308
1467
3416
1171
1546
964
1038
680
780
903
%T
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
600.0
Hình 3.6. Phổ IR của PPy – TiO2
Như vậy, từ kết quả phân tích phổ IR và kết hợp phân tích
phổ UV – Vis cho thấy sự có mặt của TiO2 trong PPy.
3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ UV-Vis
3.3.1. Kết quả phân tích phổ UV- Vis của PaNi và PaNi – TiO2
Hình 3.7. Phổ UV – Vis của PaNi và PaNi – TiO2.
15
Từ kết quả phổ UV – Vis cho thấy PaNi hấp thụ bước sóng
từ 300 – 800 nm. Trong đó, bước sóng 330 nm tương ứng chuyển
mức - * ứng với trạng thái chuyển tiếp trong vòng benzoit, bước
sóng 653 nm ứng với trạng thái quionit trong cấu trúc của PaNi. Khi
pha tạp với TiO2, cường độ hấp thụ giảm xuống, do đó có thể kết
luận TiO2 đã tác động đến PaNi dẫn đến sự biến đổi trên.
3.3.2. Kết quả phân tích phổ UV- Vis của PPy và PPy – TiO2
a
b
Hình 3.8. Phổ UV – Vis của PPy (a) và PPy – TiO2 (b)
3.4. KẾT QUẢ ẢNH SEM CỦA PaNi, PPy
Ảnh SEM của các mẫu PaNi, PPy lần lượt được trình bày
trong hình 3.9 a và b
a
b
Hình 3.9. Ảnh SEM của mẫu PaNi (a) và PPy (b)
16
Nhìn vào ảnh SEM của PaNi, có thể nhận thấy ở nhiệt độ
thấp, thì hạt PaNi tổng hợp được có kích thước nhỏ và đều. Thí dụ
hình 3.9.a: hạt PaNi có kích thước trung bình là từ 8 – 10nm. Điều
này có thể lý giải là ở nhiệt độ thấp, khả năng hấp thụ của chất hoạt
động bề mặt cao hơn khi tiến hành trùng hợp theo phương pháp vi
nhũ tương.
3.5. KẾT QUẢ ẢNH SEM VÀ TEM CỦA NANOCOMPOSIT
3.5.1. Ảnh SEM của PaNi - TiO2 với nồng độ SDS khác nhau
Ảnh SEM của các mẫu PaNi-TiO2 với nồng độ SDS thay đổi
trong hệ tổng hợp
a
b
c
Hình 3.10. Ảnh SEM của hạt nanocomposit PaNi – TiO2 (hình b và c
ứng với trường hợp tăng nồng độ SDS lên 2 hoặc 3 lần so với trường
hợp hình a)
17
3.5.2. Ảnh TEM của PaNi – TiO2 với nồng độ SDS khác nhau
a
b
c
Hình 3.11. Ảnh TEM của PaNi – TiO2 (hình b, c ứng với trường hợp
tăng nồng độ SDS lên 2 hoặc 3 lần so với trường hợp hình a)
Từ hình ảnh 3.11.a cho thấy, PaNi – TiO2 có hình dạng khối
cầu tương đối đồng đều, và ở dạng vỏ - lõi. Ảnh TEM cũng cho thấy,
kích thước của phần lõi là TiO2 và phần vỏ là PaNi tương ứng
khoảng: 100 nm và 24nm. Ở trường hợp 3.11.b, 3.11c cho thấy khi
tăng nồng độ SDS cho thấy hạt nanocomposit có hình dạng không
còn khối cầu tròn nguyên vẹn nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc vỏ - lõi.
Như vậy, có thể khẳng định PaNi – TiO2 đã tổng hợp thành công.
3.5.3. Ảnh SEM của PPy – TiO2 với các nồng độ SDS khác
nhau
18
Ảnh SEM của các mẫu PPy-TiO2 với nồng độ SDS thay đổi
trong hệ tổng hợp được trình bày trong hình 3.12.
a
b
c
Hình 3.12. Ảnh SEM của nanocomposit PPy – TiO2 (hình b, c ứng với
trường hợp tăng nồng độ SDS lên 2 hoặc 3 lần so với trường hợp hình a)
3.5.4. Ảnh TEM của PPy – TiO2
Ảnh TEM của các mẫu PPy-TiO2 với nồng độ SDS thay đổi
trong hệ tổng hợp
a
b
Tải về để xem bản đầy đủ
26 trang
31/03/2022
4700
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất của composit polymer/oxit kim loại", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_nghien_cuu_tong_hop_va_khao_sat_tinh_chat_c.pdf
