Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở polyaniline và graphit

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở polyaniline và graphit Đặng Duy Trung Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện nano Người hướng dẫn: TS. Ngô Trịnh Tùng Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Tổng quan Polyaniline, graphit và graphene: Giới thiệu về graphit; Tổng quan về graphene; Phương pháp chế tạo graphene và tấm nanographit; Giới thiệu về polyaniline. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu: Thực nghiệm; Các phướng pháp khảo sát và nghiên cứu. Trình bày kết quả và biện luận: Khảo sát công nghệ tách lớp graphit; Khảo sát cấu trúc và tính chất của PANi/GNS-PSS nanocompozit. Keywords: Công nghệ Nano; Vật liệu Polyme; Vật liệu dẫn điện Content MỞ ĐẦU Vật liệu polyme dẫn điện là một trong những loại vật liệu polyme chức năng đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước do chúng có tiềm năng ứng dụng to lớn trong một số nghành công nghệ cao như chế tạo các linh kiện quang điện tử. Polyaniline (PANi) được đánh giá là loại vật liệu polyme dẫn điện đã được chế tạo và ứng dụng rộng rãi do PANi có giá thành chế tạo thấp, bền với môi trường, có khả năng chịu nhiệt độ cao và có độ dẫn điện khá tốt. Tùy theo chất doping, độ dẫn điện của PANi có thể đạt tới 100 S/cm . Trong thời gian gần đây, với sự phát hiện ra vật liệu nano trên cơ sở vật liệu cacbon như ống nano cacbon, graphen, tấm nanographit ( có độ dày nanomet) với các tính chất cơ học tốt và độ dẫn điện cao đồng thời có khả năng chịu nhiệt tốt đã được coi là vật liệu gia cường lý tưởng cho chế tạo các loại vật liệu polyme compozit mới. Trong năm 2010, 2 nhà khoa học có công phát hiện ra graphen đã được trao giải Nobel vật lý. Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng graphen cũng như tấm nanographit ở Việt nam còn ở bước đi ban đầu. Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở polyaniline và graphit”. Mục tiêu của đề tài là chế tạo tấm nanographit có độ dày < 200 nm từ vật liệu graphit tự nhiên có giá thành thấp và ứng dụng làm vật liệu gia cường cho PANi nhằm nâng cao tính chất của PANi, nhất là độ dẫn điện, độ bền nhiệt. Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu qui trình công nghệ tách lớp graphit từ graphit tự nhiên - Nghiên cứu biến tính nanographit và chế tạo PANi/nanographit polyme nanocompozit. Cấu trúc và tính chất của vật liệu được nghiên cứu và khảo sát bằng phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis , phổ hồng ngoại FTIR, phân tích nguyên tố EA , phân tích nhiệt trọng lượng TGA và đo độ dẫn điện bằng phương pháp 4 mũi dò. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ POLYANILINE, GRAPHIT VÀ GRAPHENE 1.1 Giới thiệu về graphit 1.1.1 Cấu trúc của graphit Graphit là một trong các dạng thù hình của cacbon. Nguyên tố cacbon ở vào khoảng đầu của bảng tuần hoàn Mendeleev có nguyên tử lượng là 12, vào loại nhẹ. 1.1.2 Tính chất của graphit So với vật liệu gia cường gốc cacbon khác như ống nanocacbon, vật liệu graphit cũng có các tính chất cơ lý cao như độ bền kéo đứt dao động 10-20 Gpa, modun đàn hồi khoảng 1Tpa và đặc biệt có độ dẫn điện cao (104 S/cm ở nhiệt độ thường) và độ dẫn nhiệt lớn (3000 W/mK). Các thuộc tính âm học và nhiệt học của graphit là không đẳng hướng, vì các phonon lan truyền rất nhanh dọc theo các mặt phẳng liên kết chặt chẽ, nhưng lại chậm hơn khi lan truyền từ một mặt phẳng sang mặt phẳng khác. 1.1.3 Phân loại graphit Có hai dạng graphit được sử dụng chủ yếu là graphit nhân tạo (tổng hợp) và graphit tự nhiên: 1.2 Tổng quan về graphene 1.2.1 Tính chất của graphene 1.2.1.1. Graphene là vật liệu mỏng nhất : Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc 1.2.1.2 Graphene là vật liệu dẫn nhiệt và dẫn điện tốt : Graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường. Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. 1.2.1.3 Độ bền của graphene: Sức bền nội tại của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi (hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. Về cơ bản thì mọi chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, như các vết nứt hay xước vi mô, chúng yếu hơn chất liệu xung quanh. 1.2.1.4 Graphene cứng hơn cả kim cƣơng: Giáo sư cơ khí thuộc Đại học Columbia, đã kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng để bẻ gãy loại vật liệu này. Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cương. 1.2.1.5 Graphene hoàn toàn không để không khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. 1.2.1.6. Graphene dễ chế tạo và thay đổi hình dạng Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại. 2 1.2.1.7. Hiệu ứng Hall lƣợng tử trong graphene Hiệu ứng lượng tử Hall thường chỉ được thấy ở nhiệt độ rất thấp trong các bán dẫn, nhưng nó lại xuất hiện trong graphene ở nhiệt độ phòng. Theo nguyên tắc vật lý, vật liệu mới này không thể tồn tại ổn định và rất dễ bị hủy hoại bởi nhiệt độ, sở dĩ loại màng này có thể tồn tại ổn định là do chúng không ở trạng thái tĩnh mà rung động nhẹ theo dạng sóng. 1.2.1.8 Chuyển động của điện tử trong graphene Graphene tổng hợp được có tính chất rất đặc biệt. Chuyển động của các electron rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon. 1.2.2 Phân loại graphene: 1.2.2.1 Graphene đơn 1.2.2.2 Graphene kép 1.2.3.3 Graphene móc ghép đa lớp 1.2.3 Ứng dụng của graphene 1.2.3.1 Dây dẫn và điện cực trong suốt: Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California, Mỹ, đã phát triển một phương pháp mới sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. 1.2.3.2 FET graphene Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo, cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một lớp poly-hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. 1.2.3.3 Chip máy tính Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. 1.2.3.4 Màn hình tivi cảm ứng Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. 1.2.3.5 Chất phụ gia trong dung dịch khoan Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động của graphene trong nước để bít kín các lỗ rỗng và phát triển vấn đề này nhằm tạo ra được những công thức dung dịch khoan thích hợp có chứa graphene. 1.2.3.6 Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Các nhà vật lý Mỹ vừa khẳng định họ đã sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát một đơn nguyên tử Hydro, một nguyên tử rất nhẹ. Bước đột phá này được tạo ra bằng cách đưa nguyên tử trên một tấm graphene. 1.3 Phƣơng pháp chế tạo graphene và tấm nano graphit 1.3.1 Phƣơng pháp băng keo Scotch Việc khám phá ra cách chế tạo graphene là câu chuyện hy hữu trong lịch sử khoa học, bởi nó xuất phát từ một cuộn băng keo. Tiến sĩ Geim đặt mảnh graphite lên một miếng băng 3 keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, rồi mở băng keo ra... Cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng. 1.3.2 Phƣơng pháp micromechanical cleavage Một phương pháp khác để chế tạo graphen là phương pháp micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành những miếng mỏng bằng cách nạo hoặc chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử. 1.3.3 Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp 1.3.4. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi 1.3.5 Phƣơng pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn 1.3.6 Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash Khi chiếu một camera flash vào graphite oxit đủ để tạo ra graphene.. Một sự bùng phát ngắn ngủi của ánh sáng có thể thực hiện phản ứng trong một mili giây. Điều then chốt đối với tiến trình là hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối một xung năng lượng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit. Xung năng lượng phát ra từ camera flash này gây cảm ứng một “vụ nổ nano” trong màng graphite-oxit. 1.3.7 Chế tạo graphen và nanographit từ vật liệu graphit tự nhiên Khoảng cách giữa các lớp graphen rất nhỏ, nên chỉ có các phân tử nhỏ bé mới có thể xen kẽ vào giũa các lớp graphen. Brodi đã nghiên cứu phương pháp đưa các phân tử axit H2SO4 xen kẽ giưa các lớp graphen trong môi trường oxi hóa mạnh HNO3, tiếp theo là quá trình sốc nhiệt ở nhiệt độ cao để chế tạo graphen cũng như nanographit 1.3.8 Phƣơng pháp khử graphit oxit Hình 24: Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo tấm nanographit từ vật liệu graphit tự nhiên Hạn chế chính của phương pháp này là các tấm oxit nano graphene có một số nhóm oxy chức năng, bao gồm hydroxyl, epoxy, cacbonyl và cacboxy làm cho tấm oxit nano graphit ưu nước và cách điện. Vì vậy để làm cho tấm oxit nano graphene dẫn điện lại cần phải loại bỏ các nhóm oxy, để khôi phục lại cấu trúc graphit. Cho đến nay việc khôi phục lại tấm oxit nano graphene được thực hiện bằng cách nhiệt phân ở nhiệt độ cao hoặc sự dụng hóa chất như hydrazine, sodium borohydride, hoặc hydroquinone. Phƣơng pháp sử dụng nhiệt độ: Đây là phương pháp sử dụng nhiệt độ để phân hủy các nhóm chức trên bề mặt Graphene oxit. Phƣơng pháp sử dụng hóa chất : Phương pháp này sử dụng hydrazine để khôi phục lại GO. Go được cho vào dung dịch hydrazine tại 100oC trong 24h. GO sau đó được lọc và rửa với nước và methanol. 1.4 Giới thiệu về polyaniline Polyaniline có thể được tạo ra trong dung môi nước hoặc dung môi không nước sản phẩm tạo ra ở dạng emeraldine màu đen, cấu trúc của nó ngày nay vẫn còn là vấn đề cần nghiên cứu. 1.4.1 Điều chế polyaniline 4 Polyaniline được tạo ra bằng con đường điện hoá, sản phẩm tạo ra ở anốt của hệ phản ứng ba điện cực. Điện cực anốt thường sử dụng là điện cực Pt hoặc Au. Quá trình polyme hoá điện hoá tạo màng polyaniline từ các monome hoà tan trong dung dịch muối, hoặc axít. 1.4.2. Cấu trúc của polyaniline Hiện nay, các nhà khoa học chấp nhận PANi có cấu trúc như sau 1.4.3. Tính chất của polyaniline 1.4.3.1. Tính chất hóa học Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất hóa học mạnh nhất của polyaniline là thuộc tính trao đổi anion và là tính khác biệt với những polyme trao đổi ion thông thường. Lý do có thể do sự phân tán điện tích trên polyaniline. 1.4.3.2. Tính chất quang học Polyaniline có đặc tính điện sắc vì màu của nó thay đổi do phản ứng oxy hoá khử của màng. Người ta đã chứng minh rằng PANi thể hiện nhiều màu từ vàng nhạt đến xanh lá cây, xanh sẫm và tím đen tùy vào phản ứng oxy hoá khử ở các thế khác nhau 1.4.3.3. Tính chất cơ học Thuộc tính cơ học của PANi phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp. PANi tổng hợp điện hóa cho độ xốp cao, độ dài phân tử ngắn, độ bền cơ học kém. Phương pháp hóa học thì ít xốp hơn và được sử dụng phổ biến, PANi tồn tại dạng màng, sợi hay phân tán hạt. 1.4.3.4. Tính dẫn điện Polyalinin có thể tồn tại cả ở trạng thái cách điện và cả ở trạng thái dẫn điện. Trong đó trạng thái muối emeraldin có độ dẫn điện cao nhất và ổn định nhất. Sự chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện 1.4.3.5. Tính chất điện hóa và cơ chế dẫn điện Quá trình oxy hoá PANi quan sát được bằng cách quét thế tuần hoàn trong dung dịch axit cho thấy rõ hai sóng: sóng đầu tiên (Ox1) bắt đầu ở thế khoảng 0V, đạt pic khoảng 0,2V và không nhạy với pH. Sóng thứ hai (Ox2) nằm trong khoảng 0,2 ÷ 0,8V và phụ thuộc mạnh vào pH. Đặc tính điện hoá của PANi phụ thuộc vào pH. Ở pH cao không có quá trình proton hoá xảy ra và PANi ở trạng thái cách điện. Nếu chất điện ly đủ tính axit thì xảy ra quá trình proton hoá tạo thành dạng nigraniline và PANi có độ dẫn điện nhất định. 1.4.4 Ứng dụng của polyme dẫn điện 1.4.4.1 Ứng dụng trong dự trữ năng lƣợng 1.4.4.2. Làm điot 1.4.4.3. Thiết bị điều khiển logic 1.4.4.4. Transistor hiệu ứng trƣờng 1.4.4.5 Điot phát quang 1.4.4.6. Sensor 1.4.4.7 Thiết bị đổi màu điện tử 5 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thực nghiệm 2.1.1 Chế tạo nano graphit Trong nghiên cứu này, 10 g bột graphit được cho vào bình chứa 200 ml H2SO4 và 50 ml HNO3 và khuyâý đều trong 16 h. Sau đó, graphit được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất và sấy khô ở 100oC trong 24h. Sau đó graphit đã qua sử lý axit được đem vào sốc nhiệt ở lò nung có nhiệt độ cao trong các thời gian khác nhau. Kết quả của quá trình tách lớp ta thu được các tấm nanographit oxit (GNS). 2.1.2 Khử và biến tính GNS Graphit oxit do có các nhóm chức ưa nước như OH, COOH nên dễ phân tán trong nước. Khi người ta khử các nhóm chức trên thì một mặt cấu trúc của graphit được khôi phục lại đồng thời do mất các nhóm chức thì GNS lại có tính kị nước, khó phân tán trong dung môi nước. Vì vậy, để có thể vừa nâng cao tính chất của GNS và vừa có thể phân tán GNS tốt trong nước , chúng tôi đã thực hiện chu trình khử và biến tính GNS theo Stankovich. 2.1.3 Tổng hợp PANi/GNS-PSS nanocompozit Tổng hợp nano composit PANi/GNS-PSS : nano composit PANi/GNS-PSS được tổng hợp bằng cách trùng hợp in situ với sự hiện diện của GNS-PSS. Trong thí nghiệm GNS-PSS được phân tán trong 5ml ethanol (ethanol : water = 3 : 2, v/v) sau đó rung siêu âm trong 1h. Hệ huyền phù sau đó được thêm vào 25ml 1M HCl và 0.931g aniline. Hỗn hợp được khuấy đều 30 phút, sau đó thêm vào 25ml dung dịch HCl có chứa 1.14g APS. Hỗn hợp sau phản ứng được lưu giữ ở điều kiện tĩnh trong 6h tại 0-5oC. Sau phản ứng, hỗn hợp được lọc, rửa với ethanol, sau đó được sây khô trong chân không tại 50 oC trong 6h. 2.2. Các phƣớng pháp khảo sát và nghiên cứu 2.2.1. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR 2.2.2. Phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA 2.2.3 Phân tích nguyên tố ( Elemental Analysis) 2.2.4 Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 2.2.5 XRD 2.2.6 UV-VIS CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1. Khảo sát công nghệ tách lớp graphit 3.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian sốc nhiệt đến sự tách lớp graphit Ở nhiệt độ sốc nhiệt là 400oC, hệ số giãn nở thể tích của graphit là 46 lần. Khi nhiệt độ sốc nhiệt tăng lên, hệ số giãn nở thể tích graphit tăng mạnh lên 205 lần ở nhiệt độ 900 oC. Tuy nhiên, độ gia tăng của hệ số giãn nở thể tích graphit tăng chậm lại từ nhiệt độ sốc nhiệt 800 oC. 6 250 HÖ sè gi·n në thÓ tÝch Kv 200 150 100 50 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 o NhiÖt ®é ( C) Hình 44: Hệ số giãn nở thể tích của graphit vào nhiệt độ sốc nhiệt 3.1.2. Cấu trúc graphit trƣớc và sau quá tình tách lớp Qua giản đồ tia X của graphit, 2 đỉnh đặc trưng cho cấu trúc graphít là đỉnh nhọn ở góc 2Ө = 26.89o, tương ứng với khoảng cách d=3.314 Ao và đỉnh rộng ở góc 2Ө ở khoảng 22.3o, tương ứng với khoảng cách d~ 7 – 16Ao. So với giản đồ nhiễu xạ tia X của graphit ban đầu, trong giản đồ nhiễu xạ tia X sau khi được tách lớp vẫn xuất hiện đỉnh nhọn ở góc 2Ө=26.89o . Tuy nhiên, đỉnh rộng ở góc 22.3o đã bị biến mất. Kết quả này cho thấy, quá trình tách lớp graphit, tuy không tách được hoàn toàn các đơn lớp graphit nhưng các nhóm lớp graphit đã được tách ra hoàn toàn. Hình 46 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của graphit ban đầu (a) và sau khi tách lớp (b) 3.2. Khảo sát cấu trúc và tính chất của PANi/GNS-PSS nanocompozit 3.2.1. Biến tính GNS với PSS PSS có 2 đỉnh hấp thụ tại 225 và 261nm, GNS không có đỉnh hấp thụ, sau khi biến tính với PSS xuất hiện 2 đỉnh hấp thụ 228 và 282 cho PSS-GNS. Điều này chứng tỏ PSS gắn thành công trên GNS. PSS được gép lên bề mặt GNS không cộng hóa trị mà qua liên kết π-π của các phân tử thơm trên mặt phẳng graphen. 7 Hình 49: Phổ UV-Vis của PSS, GNS và PSS-GNS 3.2.2 Cấu trúc của PANi/GNS-PSS nanocompozit 3.2.2.1 Phổ FTIR của PANi/GNS-PSS nanocompozit Đối với PSS-GNS có 1 đỉnh phổ sắc nét tại 1242 cm-1 được gắn cho C-O-C . Cường độ nhỏ hơn là đỉnh 1470 và 1665 cm-1 được gán cho C-OH và C=O trong cacbonxylic and carbonyl moieties. Kết quả này chỉ ra rằng trong quá trình tổng hợp GNSs từ oxy hóa graphit một số lượng lớn nhóm epoxy được hình thành trên graphit. PSS với đỉnh đặc trưng S=O 1050 và 1030 cm-1, S-O xuất hiện tại 895 cm-1 và đỉnh sắc nét 1050 cm-1.. PANi có các đỉnh đặc trưng của vòng quinoid tại 1630 cm-1, vòng benzen tại 1512 cm-1, liên kết C-N 1347 cm-1, N=Q=N (Q là quinoid) tại 1191 cm-1, liên kết C-H tại 825 cm-1. Đối với nano composit PANi/PSS-GNS phổ ATR-FTIR tương tự của PANi ngoại trừ 1 đỉnh mới xuất hiện tại 1376 cm-1. Hình 51 : Phổ FTIR của PANi và PANi/PSS-GNS(1%) 3.2.2.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể của PANi/GNS-PSS nanocompozit Giản đồ nhiễu xạ tia X : Đối với PSS-GNS đỉnh sắc nét của graphit biến mất và xuất hiện đỉnh cao rộng tại 23.4o. Hỉnh ảnh XRD của PSS-GNS tiêu biểu cho sự rối loạn cấu trúc graphit được báo cáo bằng Dresslhaus [9]. Kết quả này khẳng định sự tách lớp thành công graphit thành tấm nano graphene. PANi chuẩn bị có cấu trúc bán tinh thể. Các đỉnh nhiễu xạ chính tại 8.9, 15.0, 20.7 và 25.5o tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (001), (010), (100) và (110). Cấu trúc của tinh thể PANi là loại tinh thể ES-I được báo cáo bởi Pouget. Đối với nano composit PANi/PSS-GSS đỉnh nhiễu xạ của PSS-GNS tại 23.4o hoàn toàn biến mất, hình ảnh XRD gần giống PANi. Kết quả này chỉ ra trong quá trình cùng trùng hợp với PANi, cấu trúc của PSS-GNS bị phá hủy, lớp PSS-GNS bị phân tán trong ma trận PANi. 8 Hình 52: Giản đồ nhiễu xạ tia X của Graphit(a), PSS-GNS (b), PANi (c) và nano composit PANi/PSS-GNS (5% 3.2.2.3 Cấu trúc hình thái học của PANi/GNS-PSS nanocompozit Hình ảnh SEM của PANi và nano composit PANi/PSS-GNS (1%). Đối với PANi có hình thái dạng que với đường kính từ 100 đến 170nm. Trong polyme nano composit hình thái dạng que không còn nhìn thấy, thay vào đó là cấu trúc dạng hạt, PANi như 1 thành phần gắn lên PSS-GNS. Nó cũng chỉ ra rằng khi HCl được sử dụng làm chất kích thích, các monome aniline được hấp thụ lên bề mặt GNS qua lực hút tĩnh điện tạo thành khu phức hợp yếu giữa monome aniline và cấu trúc graphit của GNSs. Hình 53 : Ảnh SEM của PANi và PANi/PSS-GNS(1%) 3.2.4. Khảo sát độ dẫn điện của PANi/GNS-PSS nanocompozit Độ dẫn điện của PANi/PSS-GNS như 1 hàm của PSS-GNS được thể hiện trong hình 54 Rõ ràng tăng PSS-GNS độ dẫn điện tăng từ 0.84 S/cm cho PANi đến 4.96 S/cm cho nồng độ 5% PSS-GNS. Sai số của phép đo độ đẫn điện khoảng 3%. Hình 54 : Độ dẫn điện của nano composit PANi/PSS-GNS theo nồng độ của PSS-GNS 3.2.5. Khảo sát độ bền nhiệt của PANi/GNS-PSS nanocompozit PSS-GNS không có sự tổn thất đáng kể nào về trọng lượng trong khoảng nhiệt độ ngoại trừ mất độ ẩm trong mẫu tại 100oC. Ba bước mất trọng lượng được quan sát thấy ở PANi: sự mất trọng lượng đầu tiên tại 100 oC là do mất độ ẩm trong mẫu, sự mất trọng lượng thứ hai tại 170oC do mất trọng lượng chất kích thích (dopant). Cuối cùng polyme bắt đầu phân hủy tại 360oC. Điều này tương tự trong báo cáo của Bhadra. Đối với PANi/PSS-GNS ba bước 9 mất trọng lượng cũng được quan sát thấy . Hai bước mất trọng lượng đầu tiên tương tự PANi,khác biệt xảy ra ở nhiệt độ phân hủy polyme tăng từ 360 oC lên 400oC Hình 55 : Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của PANi, PSS-GNS, PANi/PSS-GNS(0.5%), PANi/PSS-GNS(1%), PANi/PSS-GNS(3%) và PANi/PSS-GNS(5%) KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tôi đã nghiên cứu công nghệ tách lớp graphit từ graphit tự nhiên và tiến hành khử các nhóm chức cơ trên bề mặt nanographit oxit đồng thời biến tính bề mặt nanographit bằng PSS để tạo nanographit có thể dễ dàng phân tán trong nước. Vật liệu nanographit đã được biến tính được nghiên cứu sử dụng làm vật liệu gia cường cho PANi. Kết quả cho thấy, các tấm nanographit có độ dầy từ 50-100 nm đã được chế tạo bằng phương pháp tách lớp hóa học kết hợp sốc nhiệt ở nhiệt độ cao 900 oC trong 30s. Bằng quá trình khử nanographit oxit bằng hydrazin, cấu trúc của graphit ban đầu đã được khôi phục lại một phần qua sự gia tăng độ dẫn điện của nanographit từ 1.7 10 -7S/cm của nanographit oxit lên 0.3 S/cm của nanographit sau khi được khử. Nanographit sau khi khử được biến tính với PSS tạo ra vật liệu GNS-PSS có thể phân tán tốt trong nước. PANi khi được gia cường với GNS-PPS đã có sự cải thiện đáng kể độ dẫn điện của vật liệu. Độ dẫn điên của PANi tăng từ 0.84 S/cm lên 4.96 S/cm ở tỷ lệ GNS-PSS 5%. Tương tự như vậy, độ bền nhiệt của PANi cũng tăng lên từ 360oC lên 400oC trong PANi/GNS-PSS (5%). Nghiên cứu cấu trúc hình thái học của PANi/GNS-PSS cho thấy, PANi được bám một phần trên các tấm GNS-PSS do lớp PSS đã ngăn cản quá trình bám dính PANi lên cấu trúc GNS. Tuy nhiên kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X cho thấy, GNS-PSS được phân tán tốt trong polyme nền PANi khi đỉnh 23.4 o của GNS-PSS đã biến mất hoàn toàn trong PANi/GNS-PSS nanocompozit. Các tính chất hấp dẫn của PANi/PSS-GNS hứa hẹn ứng dụng trong thiết bị điện tử. References Tiếng Việt 1. Nguyễn Quang Báu (2004), Lý thuyết bán dẫn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội. 2. Đào Trần Cao (2007), Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007). 3. Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương (2003), Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại, Nhà xuất bản giáo dục. 4. Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng (2009), Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục Việt Nam. 5. Hoàng Nhâm (2005), Hóa học vô cơ, tập 2, NXB Giáo Dục. 6. Trương Văn Tân (2008), Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ. 7. Ngô Trịnh Tùng, Ngô Kế Thế, Đặng Duy Trung (2009), Tạp chí Hóa học T47(6B) tr.1923. 8. Ngô Trịnh Tùng, Nguyễn Đức Nghĩa, Lê Văn Thụ, Đặng Duy Trung (2010), Tạp chí Hóa học T48(4A) tr. 514-517 10 Tiếng Anh 9. A.B. Bourlinos, D. Gournis, D. Petridis, T. Szabo, A. Szeri, I. Dekany(2003), Langmuir 19 10. A.K. Geim, K.S. Novoselov(2007), Nat. Mater. 3, pp.183. 11. J.E. Mark, Polymer Data Handbook(1999), Oxford University Press, pp. 180. 12. K.C. Divya, J. Østergaard(2009), Electr. Power Syst. Res. 79, pp. 511. 13. J. P. Pouget, M. E. Jozefowicz, A. J. Epstein, X. Tang, and A.G. MacDiarmid (1991), Macromolecules 24, pp.779. 14. Lee, C. Wei X. D. Kysar, J. W. & Hone, J. (2008). Science 321, pp.385−388. 15. Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J(2008), Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, pp.321-385 16. Li, Z. Q. Lu, C. J. Xia, Z. P.; Zhou, Y. & Luo, Z. (2007). Carbon 45, 1686–1695. 17. M. Zhang,D.J. Li,D.F.Wu, C.H. Yan, P. Lu, G.M.Qiu(2008), Appl. Polym. Sci. 108 pp.1482. 18. M. Xiao, X.S. Du, Y.Z. Meng, K.C. Gong(2004), New Carbon Mater, pp.92. 19. Seung Hun Huh, Thermal Reduction of Graphene Oxide . 20. Sungjin Park, Jinho An, Jeffrey R. Potts, Aruna Velamakanni, Shanthi Murali, Rodney S. Ruoff, Hydrazine-reduction of graphite- and graphene oxide. 21. S.S. Stankovich, R.D. Piner, X.Q. Chen, N.Q.Wu, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff (2006), J.Mater. Chem., pp.16 . 22. S.S. Stankovich, D.A. Dikin, G.H.B. Dommett, K.M. Kohlhaas, E.J. Zimney, E.A. Stach, R.D. Piner, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff(2006), Nature 442, pp.282. 23. S. Stankovich, D.A. Dikin, N.T. Sonbinh, R.S. Ruoff(2007), Carbon 45, pp.1558. 24. X. S. Du, M. Xiao, and Y. Z. Meng(2004), Euro. Polym. Sci. 40, pp.1489. 25. Y. Si and E. T. Samulski(2008)., Nano Letter 8, pp.1679 . Y.W. Mai, Z.Z. Yu(2006) ; Polymer Nanocomposites, 11