Quy Trình Phân Tán Cnts Trong Chất Lỏng Đặc Chủng Các Bước Cụ Thể Của Quy

biến đổi về mặt hóa học, còn tất cả các lớp phía trong của MWCNTs vẫn giữ nguyên, đóng vai trò ổn định tính chất độc đáo vốn có của CNTs.

3.2.4. Phân tán CNTs trong chất lỏng nền

Để phân tán CNTs trong chất lỏng nền, luận án sử dụng quy trình phân tán

được mô tả như hình 3.4. Trong quy trình này, CNTs được biến tính gắn nhóm chức

-OH như đã trình bày ở phần trên, sau đó tiếp tục được phân tán đồng đều vào nền chất lỏng đặc chủng bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt (Tween-80) dưới sự hỗ trợ của thiết bị rung siêu âm.

Vật liệu CNTs

CNTs

biến tính

Rung siêu âm

Chất lỏng nền

Chất lỏng nền chứa CNTs

Chất hoạt

động bề mặt

Hình 3.4. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng đặc chủng Các bước cụ thể của quy trình như sau:

+ Bước 1: Vật liệu CNTs sau khi biến tính sẽ được hòa tan vào chất lỏng nền.

+ Bước 2: Để tăng cường khả năng phân tán của CNTs trong chất lỏng nền, chất hoạt động bề mặt (Tween-80) và phương pháp rung siêu âm được sử dụng.

Kết quả khảo sát như trên hình 3.5 cho thấy phổ phân tán theo kích thước của CNTs với thời gian rung siêu âm 30 phút có 2 đỉnh là 320 nm và 1,6 μm. Với thời gian rung siêu âm 60 phút, có 1 đỉnh ở 240 nm.

Với thời gian rung siêu âm 90 phút, kích thước của các hạt đã nằm trong khoảng 20 nm đến 80 nm. Nên thời gian rung siêu âm này được chọn cho các thử nghiệm tiếp theo trong luận án.

Chất lỏng nền đặc chủng phải đáp ứng tốt khả năng hoạt động trong dải nhiệt

độ khắc nghiệt trong hệ thống quản lý nhiệt cho vệ tinh (-40oC đến 70oC), do vậy

chúng tôi đã lựa chọn một số loại chất nền bao gồm Methanol, Ethanol, Propanol, Hexane, Heptane, và Coolanol-20.

Hình 3.5. Phổ phân bố kích thước của CNTs phân tán trong Coolanol-20 với thời gian rung siêu âm: a) 30 phút; b) 60 phút; c) 90 phút

3.2.5. Các phương pháp khảo sát và đo đạc

Luận án sử dụng các phương pháp đo đạc là phổ tán xạ Raman, phép đo phổ phân tán theo kích thước Zeta-Sizer, thế Zeta, và phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR để có thể khảo sát tính chất cũng như cấu trúc của CNTs biến tính được chế tạo.

a) Phổ tán xạ Raman

Để phân tích về thành phần của vật liệu cũng như cấu trúc pha và cấu trúc tinh thể, người ta thường dùng phương pháp phổ tán xạ Raman, theo như tên người đầu tiên đã phát minh ra nó, ông C.V. Raman, người Ấn Độ. Nguyên lý của phổ tán xạ Raman như sau: từ một nguồn sáng laser, các tia sẽ được chiếu tới mẫu vật, sau đó dựa trên nguyên lý tán xạ không đàn hồi để xác định các tính chất của mẫu vật. Tán xạ không đàn hồi xảy ra khi tần số của các photon tới khác với tần số của các photon ra khỏi mẫu vật. Tần số này có thể tăng lên hoặc giảm đi so với tần số ban đầu (Hiệu ứng Raman). Từ sự chênh lệch thu được này, người đo sẽ thu thập được thông tin về độ dao động, độ quay cũng như các tần số truyền khác của các phân tử của mẫu vật. Một điểm đáng lưu ý là phương pháp phổ tán xạ Raman khá linh hoạt, có thể được dùng để trích xuất thông tin từ cả các mẫu vật ở thể rắn, lỏng, hay khí.

Để thực hiện các phép đo Raman, luận án sử dụng thiết bị Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) đặt tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

Hình 3.6. Thiết bị Raman LABRAM - 1B dùng để đo phổ Raman Nguồn sáng được sử dụng trong thiết bị là Laser He-Ne, với cấu hình tán xạ

ngược. Ánh sáng kích thích có bước sóng là 514,5 nm của laser Ar. Để tránh ảnh

hưởng không mong muốn của hiệu ứng nhiệt, mật độ công suất kích thích thấp được sử dụng. Để có thể quan sát được vị trí tạo tán xạ không đàn hồi ánh sáng kích thích trên một diện tích rất hẹp (cỡ μm2, hoặc thậm chí 1 vùng nhỏ hơn trên bề mặt mẫu), một camera và màn hình được lắp đặt thêm. Các mẫu cần đo thông số được đặt trên 1 bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch chuyển mỗi lần là 0,5 mm. Hệ đo Raman cũng được nối với kính hiển vi để tăng độ phân giải không gian của phép ghi phổ. Một máy tính với phần mềm chuyên biệt được cài đặt sẵn cũng được kết nối với hệ đo để cho ra kết quả xử lý cuối cùng. Trên màn hình hiển thị, phổ được biểu diễn dưới dạng sự phụ thuộc của cường độ dao động vào số sóng của vạch dao động.

b) Phổ hấp thụ hồng ngoại

Để xác định các nhóm chức hóa học của mẫu một cách nhanh chóng, hiệu quả mà không phá hủy mẫu, luận án chọn sử dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR). Phổ hấp thụ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier để chuyển dữ liệu thô (sự giao thoa) thành phổ thực. FTIR được sử dụng để thu được phổ hồng ngoại của quá trình truyền hoặc hấp thụ của một mẫu vật liệu. Tùy thuộc vào dải tần số hấp thụ hồng ngoại với bước sóng từ 600-4.000 cm-1, các nhóm chức cụ thể trong mẫu sẽ được xác định thông qua dữ liệu phổ trong phần mềm quang phổ tự động. Một lợi thế khác của FTIR đó là nó có thể bao phủ một dải phổ rộng, so với phương pháp thông thường chỉ đọ được cường độ ở một dải phổ hẹp hơn nhiều. Mẫu vật được phân tích có thể ở cả dạng khí, lỏng, và rắn.

Để nhận biết được các nhóm chức trong mẫu cần phân tích, phương pháp FTIR so sánh phổ của mẫu với các phổ đặc trưng ứng với từng loại nhóm chức xác định. Tuy nhiên, một nhược điểm của phương pháp này đó là nó chỉ có thể xác định thành phần chứ không thể xác định được hàm lượng hay phần trăm của nhóm chức đó trong mẫu vật. Một yêu cầu khác đó là mẫu vật phải có độ sạch cao cũng như không được có sự tồn tại cùng 1 lúc của 2 nhóm chức khác nhau trở lên.

Để xác định sự xuất hiện của nhóm chức -COOH và -OH sau quá trình biến tính CNTs, luận án sử dụng phương pháp FTIR. Phép đo phổ truyền qua được thực hiện trên máy IMPAC 410 Nicolet tại Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

Hình 3.7. Thiết bị IMPACT 410 Nicolet dùng để đo phổ FTIR

c) Phổ phân tán Zeta-Sizer

Ngoài ra, để đo phổ phân bố theo kích thước hạt của CNTs được phân tán trong chất lỏng nền, thiết bị Zetasizer Nano ZS tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) cũng được sử dụng. Các kết quả của phép đo cho phép đánh giá sự ổn định của CNTs trong chất lỏng nền. Thiết bị Zetasizer Nano ZS có khả năng đo kích thước hạt dựa trên nguyên lý tán xạ tia laser đỏ (với bước sóng là 532 nm), do vật liệu nano luôn tuân theo định luật Brown khi chuyển động trong chất lỏng nên ánh sáng tán xạ cũng thay đổi theo. Do vậy, dựa vào các thuật toán phân tích tốc độ thay đổi của cường độ ánh sáng, người đo có thể xác định được phổ phân tán theo kích thước của CNTs trong chất lỏng.

Hình 3.8. Thiết bị Zetasizer Nano ZS dùng để đo kích thước hạt

Thế Zeta

Thế Zeta là một thuật ngữ khoa học chỉ thế năng điện động của phân tử trong chất lỏng hoặc chất keo và thường được ký hiệu bằng cách sử dụng chữ cái Hy Lạp zeta (ζ). Đơn vị thông thường là vôn (V) hoặc phổ biến hơn là milivôn (mV). Từ quan điểm lý thuyết, thế Zeta là điện thế trong lớp kép liên bề mặt (Interfacial Double Layer) tại vị trí của mặt phẳng trượt so với một điểm trong chất lỏng cách xa mặt phân cách. Nói cách khác, thế Zeta là hiệu điện thế giữa môi trường phân tán và lớp chất lỏng đứng yên gắn với hạt phân tán.

Thế Zeta gây ra bởi tổng điện tích chứa trong vùng được giới hạn bởi mặt phẳng trượt, và cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt phẳng đó. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi để định lượng độ lớn của điện tích. Tuy nhiên, thế Zeta không bằng thế Stern hoặc thế bề mặt trong lớp kép, vì chúng được xác định tại các vị trí khác nhau. Mặc dù vậy, thế Zeta thường là cách khả thi duy nhất để mô tả đặc tính của các thuộc tính hai lớp.

Thế Zeta là một chỉ số quan trọng và dễ đo lường về độ ổn định của sự phân tán trong keo hoặc chất lỏng. Độ lớn của thế Zeta cho biết mức độ đẩy tĩnh điện giữa các hạt mang điện tương tự, liền kề trong một sự phân tán. Đối với các phân tử và hạt đủ nhỏ, thế Zeta cao sẽ mang lại sự ổn định, tức là dung dịch hoặc sự phân tán sẽ chống lại sự kết tụ. Khi thế Zeta nhỏ, lực hấp dẫn có thể vượt quá lực đẩy, sự phân tán có thể bị phá vỡ và các phân tử sẽ tụ lại với nhau. Vì vậy, chất keo hoặc lỏng có thế Zeta cao (âm hoặc dương) sẽ có sự ổn định về điện trong khi chất keo hoặc lỏng có thế Zeta thấp có xu hướng lắng đọng như được nêu trong bảng sau:

Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của độ ổn định vào thế Zeta

Thế Zeta (mV)

Độ ổn định
0 tới ±5	Tụ đám
±10 to ±30	Bắt đầu
±30 to ±40	Trung bình
±40 to ±60	Tốt
±40 to ±60	Rất cao

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

d) Thiết bị đo độ dẫn nhiệt

Hình 3.9. Thiết bị đo độ dẫn nhiệt

Phương pháp đo nhiệt THB là kỹ thuật dây nóng được phát triển bởi Viện Đo lường Quốc gia Đức. Đây là một phương pháp được tinh chỉnh để đo nhiều tính chất khác nhau của chất lỏng như: độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng với độ chính xác cao và thời gian đo nhanh. Có thể thấy như trên hình 3.9, một nguồn nhiệt kết hợp với cảm biến có chiều dày rất mỏng được nhúng vào giữa hai mảnh vật liệu mẫu. Khi được tăng cường nhiệt, tốc độ tăng nhiệt độ của cảm biến phụ thuộc vào công suất tăng cường nhiệt và độ dẫn nhiệt của vật liệu cần đo bao quanh. Luận án sử dụng cảm biến QSS với kích thước 42x22 mm, thời gian đo được tính bằng giây, phép đo kéo dài cho đến khi vượt quá độ chênh lệch tối đa hoặc đến khi điện áp ở trạng thái ổn định. Trong luận văn này, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp đo nhiệt THB được đặt tại Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

3.3. Khảo sát tính chất của chất lỏng đặc chủng chế tạo được

3.3.1. Kết quả biến tính

Để khảo sát sự tạo thành của liên kết CNTs-OH sau quá trình biến tính, phương pháp phân tích phổ FTIR truyền qua đã được sử dụng để xác định sự tồn tại của các nhóm chức -OH. Kết quả đo phổ hồng ngoại truyền qua, như trên hình 3.10: Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs-COOH và CNTs-OH cho thấy sự xuất hiện thêm hai đỉnh trong vùng 2810 cm-1 đến 2950 cm-1 sau khi được xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3, đỉnh này tương ứng với dao động của liên kết O-H trong nhóm cacboxyl (-COOH). Các kết quả này đã chứng minh sự thành công của quá trình biến tính gắn nhóm chức -OH lên bề mặt CNTs, từ đó tăng cường khả năng phân tán của CNTs trong chất lỏng nền.

Hình 3.10. Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức -OH

Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH đã được đo đạc phân tích như trên hình 3.10. Trên phổ tán xạ có hai dải phổ đặc trưng là dải D (1333,69 cm-1) và dải G (1583,10 cm-1). Dải G sinh ra từ mạng graphene của CNTs và đặc trưng cho tính trật tự của cấu trúc trong đó các nguyên tử cacbon sắp xếp theo trật tự dạng vòng sáu cạnh. Trong khi đó dải D lại đặc trưng cho các khuyết tật trong cấu trúc của CNTs và dải D được hình thành từ dao động của các nguyên tử cácbon ở trạng thái sp3. Tỉ lệ giữa cường độ hai đỉnh của dải D và dải G phụ thuộc vào độ sạch và độ tinh thể hóa của CNTs [105].

Hình 3.11. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức -OH