Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học và khả năng dẫn nhiệt của nhựa epoxy sử dụng phụ gia vô cơ

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ KHẢ NĂNG DẪN NHIỆT CỦA NHỰA EPOXY SỬ DỤNG PHỤ GIA VÔ CƠ Sinh viên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ KHẢ NĂNG DẪN

NHIỆT CỦA NHỰA EPOXY SỬ DỤNG PHỤ GIA VÔ CƠ

Sinh viên thực hiện: Vũ Minh Đức

Mã sinh viên: 18010191

Lớp: K12 CNVL

Ngành: Công nghệ vật liệu

Hà Nội – 8/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ KHẢ NĂNG DẪN

NHIỆT CỦA NHỰA EPOXY SỬ DỤNG PHỤ GIA VÔ CƠ

Sinh viên thực hiện: Vũ Minh Đức

Mã sinh viên: 18010191

Lớp: K12 CNVL

Ngành: Công nghệ vật liệu

Hà Nội – 8/2023

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học và khả năng dẫn nhiệt của nhựa epoxy sử

dụng phụ gia vô cơ” đã sử dụng các phương pháp tiên tiến, hiện đại, có độ chính xác cao:

phương pháp phân tích nhiệt khối lượng; phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt; nhóm các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các phụ gia vô cơ gồm nano silica, bột AlN, bột Talc đến tính chất cơ lý, độ bền nhiệt và hệ số dẫn nhiệt của nhựa epoxy, cụ thể:

- Khảo sát ảnh hưởng của nano silica đến khả năng khâu mạch, tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ nano silica đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ

lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- Khảo sát ảnh hưởng của AlN đến khả năng khâu mạch, tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ AlN đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- Khảo sát ảnh hưởng của bột Talc đến khả nan khâu mạch, tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ bột Talc đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- So sánh tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của 3 phụ gia nanosilica, AlN, bột Talc ở tỷ lệ tối ưu khi đưa vào nhựa epoxy Tìm ra được phụ gia cho tính chất cơ

lý, độ bền nhiệt và hệ số dẫn nhiệt là tốt nhất khi đưa vào nhựa epoxy

Kết quả đạt được như sau:

- Với 2% nanosilica: độ bền kéo, modul kéo, độ bền uốn và modul uốn tăng 23% ÷ 25%

so với mẫu trống (M0) Độ bền nhiệt của mẫu compozit epoxy/nanosilica tại 10% mất mát khối lượng - T10 tăng 6,8%, tại 50% khối lượng – T50 tăng 1,5% Hệ số dẫn nhiệt tăng 130,0% so với mẫu epoxy trống, đạt 0,355W/mK

- Với 0,7% AlN: độ bền kéo, modul kéo, độ bền uốn và modul uốn tăng 8,6% ÷ 11,2%

so với mẫu trống (M0) Độ bền nhiệt của mẫu compozit epoxy/AlN thông qua phương pháp phân tích nhiệt khối lượng thấy nhiệt độ tại đó mất 10% khối lượng - T10 tăng 4,5%, nhiệt

độ tại đó mất 50% khối lượng – T50 tăng 1,3% Hệ số dẫn nhiệt tăng 85,6%)so với mẫu epoxy trống, đạt 0,304W/mK

- Với 5% bột Talc tính chất cơ lý (độ bền kéo, modul kéo, độ bền uốn và modul uốn) của nhựa epoxy giảm không đáng kể so với mẫu trống Độ bền nhiệt của mẫu compozit epoxy/AlN thông qua phương pháp phân tích nhiệt khối lượng thấy nhiệt độ tại đó mất 10% khối lượng - T10 tăng 20,45oC, nhiệt độ tại đó mất 50% khối lượng – T50 tăng 6,77oC Hệ

số dẫn nhiệt tăng 122,4% so với mẫu epoxy trống, đạt 0,372W/mK

LỜI CẢM ƠN

Đồ án này được thực hiện tại Trung Tâm NCVL Polyme thuộc Tập đoàn Phenikaa

Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Khoa KH&KT Vật liệu, TS Phạm Thị Lánh đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn các Anh/Chị lãnh đạo và nhân viên Trung Tâm Polyme đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong thời gian qua Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy

cô trong khoa đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em

có thể hoàn thành đồ án này

Quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp trong thời không quá dài, bản thân cá nhân em còn nhiều vấn đề cần học hỏi, trau dồi thêm nên không tránh khỏi một số sai sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng… năm 2023

SINH VIÊN

VŨ MINH ĐỨC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và giảng viên hướng dẫn Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực và không trùng với kết quả của tác giả khác

Hà Nội, ngày … tháng… năm 2023

Sinh viên

Vũ Minh Đức

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

PHẦN I: TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu polyme 4

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.1.2 Tính chất của vật liệu polyme 4

a Tính dẫn nhiệt 4

b Độ bền cơ học 4

c Tính chất điện 4

1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme dẫn nhiệt trong và ngoài nước 4

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

a Vật liệu dẫn nhiệt trên cơ sở nhựa epoxy 4

b Một số polyme dẫn nhiệt khác 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.3 Các phụ gia nâng cao độ dẫn nhiệt cho nhựa epoxy 4

1.3.1 Nano silica 4

1.3.2 Khoáng Talc 4

1.3.3 Nhôm nitrit (AlN) 4

PHẦN II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

2.1 Hóa chất 4

2.2 Phương pháp nghiên cứu 4

2.2.1 Biến đổi bề mặt chất độn 4

2.2.2 Phân tán chất độn vào trong nhựa epoxy 4

2.2.3 Chế tạo mẫu 4

2.2 Các phương pháp phân tích hóa lý và xác định tính chất cơ học 4

2.2.1 Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) 4

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 4

2.2.3 Phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt 4

2.2.4 Phương pháp xác định khả năng khâu mạch thông qua phân tích nhiệt vi sai (DSC) 4 2.2.5 Các phương pháp xác định tính chất cơ học 4

PHẦN III: KẾT QUẢ 4

3.1 Ảnh hưởng của nano silica đến tính chất của nhựa epoxy 4

3.1.1 Ảnh hưởng của nano silica đến tính chất cơ lý của nhựa epoxy 4

3.1.2 Ảnh hưởng của nano silica đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

3.1.3 Ảnh hưởng của nano silica đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4

3.2 Ảnh hưởng của AlN đến tính chất nhựa epoxy 4

3.2.1 Ảnh hưởng của AlN đến tính chất cơ lý của nhựa epoxy 4

3.2.2 Ảnh hưởng của phụ gia AlN đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

3.2.3 Ảnh hưởng của phụ gia AlN đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4

3.3 Ảnh hưởng của bột Talc đến tính chất của nhựa epoxy 4

3.3.1 Ảnh hưởng của bột Talc đến tính chất cơ lý của nhựa epoxy 4

3.3.2 Ảnh hưởng của bột Talc đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

3.3.3 Ảnh hưởng của bột Talc đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4

3.4 Đánh giá hệ số dẫn nhiệt của mẫu composite epoxy và phụ gia vô cơ 4

KẾT LUẬN 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân đoạn phân tử polyme 4

Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của kim loại 4

Hình 1.3: Cấu trúc hạt nano silica 4

Hình 1.4: Các loại hydroxyl trên bề mặt silica 4

Hình 1.5: Phản ứng của chất xúc tiến với silica 4

Hình 1.6: Liên kết của silan với bề mặt silica 4

Hình 2.1: Thiết bị phân tích nhiệt TGA4000, Perkin Elmer, Mỹ 4

Hình 2.2: Thiết bị phân tích nhiệt vi sai DSC8000, Perkin Elmer, Mỹ 4

Hình 2.3: Mẫu đo độ bền kéo đứt của vật liệu polyme composite 4

Hình 2.4: Mẫu đo độ bền uốn của vật liệu polyme composite 4

Hình 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng silica đến độ bền kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.2: Ảnh hưởng của hàm lượng silica đến modul kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng silica đến độ bền uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng silica đến modul uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.5: Ảnh hưởng của nano silica đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

Hình 3.6: Đường cong TG và DTG của các mẫu nhựa epoxy/nano silica được đốt cháy trong điều kiện không khí 4

Hình 3.7: Ảnh hưởng của AlN đến độ bền kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.8: Ảnh hưởng của AlN modul kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.9: Ảnh hưởng của AlN đến độ bền uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.10:Ảnh hưởng của AlN đến modul uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.11: Ảnh hưởng của AlN đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

Hình 3.12: Đường cong TG và DTG của các mẫu nhựa epoxy/AlN được đốt cháy trong điều kiện không khí 4

Hình 3.13: Ảnh hưởng của bột Talc đến độ bền kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.14: Ảnh hưởng của bột Talc đến modul kéo của nhựa epoxy 4

Hình 3.15: Ảnh hưởng của bột Talc đến độ bền uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.16: Ảnh hưởng của bột Talc đến modul uốn của nhựa epoxy 4

Hình 3.17: Ảnh hưởng của bột Talc đến khả năng khâu mạch của nhựa epoxy 4

Hình 3.18: Giản đồ TGA và DTG của các mẫu nhựa epoxy/bột Talc được đốt cháy trong điều kiện không khí 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Độ dẫn nhiệt của một số polyme 4 Bảng 1.2: Độ dẫn nhiệt của một số chất độn dẫn nhiệt 4 Bảng 1.3: Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy 4 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nano silica đến nhiệt độ đóng rắn và thời gian đóng rắn nhựa epoxy 4 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nano silica đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của AlN đến nhiệt độ đóng rắn và thời gian đóng rắn nhựa epoxy 4 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của AlN đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của bột Talc đến nhiệt độ đóng rắn và thời gian đóng rắn của nhựa epoxy 4 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của bột Talc đến độ bền nhiệt của nhựa epoxy 4

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của lưới điện, nhu cầu sử dụng thiết bị điện phục vụ thi công các công trình điện áp truyền tải điện xoay chiều và một chiều ngày càng tăng, lượng thiết bị tăng dần theo từng năm Vật liệu epoxy sử dụng trong lĩnh vực này làm vật liệu cách điện chịu tác động của nhiệt, hóa, cơ trong quá trình hoạt động lâu dài sẽ sinh ra nhiệt lượng lớn Nếu đồng thời, nhiệt lượng tỏa ra trong vật liệu cách điện lớn hơn nhiệt lượng tỏa ra trong vật dẫn điện thì nhiệt độ điện môi sẽ tăng liên tục, gây phân hủy và cacbon hóa chất cách điện, làm suy giảm tính chất của vật cách điện ban đầu Do đó, việc tăng tính khuếch tán nhiệt cho vật liệu epoxy để truyền nhiệt ra khỏi thiết bị điện, điện tử… là cần thiết

Bản thân độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy rất thấp (0,17 W/m.K), không đáp ứng được nhu cầu thực tế Hiện nay, phương pháp làm tăng nhanh độ dẫn nhiệt cho nhựa epoxy

là bổ sung chất độn có độ dẫn nhiệt cao như Al2O3, AlN, BN, silica, khoáng Talc… Do

đó, đề tài “Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học và khả năng dẫn nhiệt của nhựa epoxy sử dụng phụ gia vô cơ” được nghiên cứu nhằm cải thiện khả năng dẫn nhiệt cho

nhựa epoxy để mở rộng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử…

Đề tài đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Khảo sát ảnh hưởng của nano silica đến khả năng khâu mạch, tính chất cơ lý và

độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ nano silica đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- Khảo sát ảnh hưởng của AlN đến khả năng khâu mạch, tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ AlN đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- Khảo sát ảnh hưởng của bột Talc đến khả nan khâu mạch, tính chất cơ lý và độ bền nhiệt của nhựa epoxy Tìm ra tỷ lệ bột Talc đưa vào trong nhựa là tăng tính chất cơ

lý và bền nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt

- So sánh tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của 3 phụ gia nanosilica, AlN, bột Talc ở tỷ lệ tối ưu khi đưa vào nhựa epoxy Tìm ra được phụ gia cho tính chất

cơ lý, độ bền nhiệt và hệ số dẫn nhiệt là tốt nhất khi đưa vào nhựa epoxy

PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu polyme

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Polyme (hay hợp chất cao phân tử) đã xuất hiện từ khi trái đất còn sơ khai, tồn tại trong tự nhiên như: cellulose, protein…và loài người cũng biết sử dụng các loại polyme này từ rất sớm Như sử dụng sợi bông, sợi gai, lông thú, da thú… để làm quần

áo giữ ấm Tuy nhiên, đến tận thế kỷ 19, loài người mới bắt đầu tổng hợp ra các loại polyme bằng phương pháp hóa học, từ đó, ngành vật liệu polyme đã có sự phát triển vượt bậc, trở thành loại vật liệu phổ biến, có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống

và đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại Năm 1862, Alexender Parkes lần đầu tiên chưng bầy các sản phẩm chế tạo từ nitro xenlulo đã được hóa dẻo Tiếp đó, năm 1870 John và Isaiah Hyatt đã sử dụng long não làm chất hóa dẻo cho nitro xenluol

và nhận được vật liệu dễ gia công hơn, vật liệu đó gọi là xenluloit [1] Đến năm 1909, Baekeland sản xuất nhựa phenolfomadehit Ở giai đoạn đầu này, sản lượng polyme chưa đáng kể Đến khoảng năm 30 của thế kỷ 20 vật liệu polyme tổng hợp mới được phát triển mạnh mẽ Vào thời gian này, các loại nhựa nhiệt dẻo tiêu chuẩn được đưa ra thị trường, đầu tiên là nhựa polystyren (PS) vào năm 1920, polyvinylclorit (PVC) vào năm

1927, nhựa polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE) năm 1933, polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) năm 1953… Từ năm 1950, tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme là 15% mỗi năm Đến năm 1979 sản lượng vật liệu này đạt 60 triệu tấn/năm

Ngày nay, sản lượng các polyme thông dụng phổ biến như polyetylen, polypropylen, polystyren… cũng như các các polyme kỹ thuật như polycacbonat, polyamit, nhựa epoxy… ngày càng tăng [1]

Các lĩnh vực lớn trong công nghiệp hóa chất, ví dụ cao su, chất dẻo… vật liệu compozit, đều dựa trên cơ sở các hợp chất polyme

Vật liệu polyme được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân vì nhiều loại polyme tương đối rẻ, có thể điều chỉnh tính chất trong giới hạn rộng

và trong nhiều mục đích sử dụng còn ưu việt hơn vật liệu truyền thống [1]

1.1.2 Tính chất của vật liệu polyme

a Tính dẫn nhiệt

Một đặc tính chung quan trọng của polyme là không dẫn điện và khả năng dẫn nhiệt thấp Thật vậy, polyme thường được dùng làm vật cách điện rất hữu hiệu Chẳng

hạn như poly(vinylclorit) (PVC), PE là vật liệu được dùng để bọc lõi dây điện, và còn rất nhiều polyme thông dụng khác được sử dụng vì tính cách điện của nó Trong kim loại sự dẫn điện xảy ra là do sự di động của các điện tử tự do (free electron) giữa hai điện áp khác nhau Dòng điện tử tự do mang điện âm (-) này di động sinh ra dòng điện

đi từ điện áp cao đến thấp như một dòng nước chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp Vì vậy, điện tử tự do trong kim loại được gọi là hạt tải điện (charge carrier) Gỗ, đá và những polyme thông thường khác là chất cách điện vì không có những hạt tải điện Sự dẫn điện, bán dẫn và cách điện được giải thích rõ ràng qua khái niệm khe dải năng lượng (energy band gap) trong vật lý chất rắn (solid state physics) Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện tính chất của chúng và đặc biệt là khả năng dẫn nhiệt Mục đích tạo ra vật liệu có độ dẫn nhiệt cao để giúp cho quá trình tiêu tán nhiệt hiệu quả Theo cách này, nhiệt độ làm việc được giữ ở mức thấp, tránh các khiếm khuyết cách điện do quá nhiệt Các polyme thể hiện độ dẫn nhiệt thấp (λpolyme ≈ 0.2 W/m.K) [2] do ba nguyên nhân chủ yếu sau:

- Sự định hướng ngẫu nhiên của các phân đoạn mạch phân tử polyme

- Liên kết lỏng lẻo giữa các mạch

- Các dao động chỉ truyền hiệu quả dọc theo 1 chuỗi xác định (1 chiều)

Hình 1.1: Phân đoạn phân tử polyme

Độ dẫn nhiệt của một vài polyme điển hình được liệt kê trong bảng dưới đây

Bảng 1.1: Độ dẫn nhiệt của một số polyme [2,3,4]

Poly(etylen vinyl axetat) (EVA) 0,34

Poly(dimetylsiloxan) (PDMS) 0,25

Truyền phonon là cơ chế dẫn nhiệt chính trong hầu hết các polyme Các phonon chuyển năng lượng nhiệt thông qua các tương tác với nhau và với các hạt hạ nguyên tử [29] Các khiếm khuyết trong mạng lưới như các vết gẫy, lỗ trống và độ không tinh khiết

có thể đưa đến sự không điều hòa từ đó làm tán xạ các phonon Trong hệ đa pha như các vật liệu polyme compozit quá trình tán xạ cũng diễn ra khi các phonon lan truyền qua bề mặt phân cách giữa các pha

Trong kim loại hay các loại vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể, các dao động có thể truyền hiệu quả theo hai hoặc ba chiều Chính vì vậy, giá trị độ dẫn nhiệt của các loại vật liệu này khá cao:

- λkim loại ≈ 100 W/mK

- λgốm ≈ 1 – 100 W/mK

Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của kim loại

Để cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme, có thể áp dụng các kỹ thuật trùng hợp để sản xuất các loại polyme theo mong muốn, có độ dẫn nhiệt cao Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra cách biến đổi một loại polyme được sử dụng rộng rãi nhất (polyetylen), thành một vật liệu dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn có khả năng cách điện Phương pháp được sử dụng là định hướng các mạch phân tử

PE từ dung dịch, vật liệu tạo thành có độ dẫn nhiệt gấp 300 lần PE ban đầu Polythiophen cũng là vật liệu polyme dẫn nhiệt mới được tổng hợp có độ dẫn 4,4 W/m K ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới chỉ bắt đầu, chưa thể ứng dụng trong thực

tế

Việc đưa chất độn vào trong các polyme cách điện cũng là một cách tiếp cận thông dụng để cải thiện các tính chất điện, tính chất cơ và tính chất nhiệt của vật liệu [5] Việc sử dụng các polyme có độ dẫn nhiệt cao sẽ mở ra nhiều ứng dụng cho loại vật liệu này Vật liệu compozit có độ dẫn nhiệt khoảng 1-30 W/m K có thể sử dụng để chế tạo bộ tản nhiệt trong các hệ thống điện, điện tử ,… [6] Theo cách truyền thống, độ dẫn nhiệt của polyme đã được tăng cường bởi việc bổ sung các chất độn dẫn nhiệt như than chì, than đen, sợi cacbon, hạt ceramic hay kim loại…

Bảng 1.2: Độ dẫn nhiệt của một số chất độn dẫn nhiệt [7, 8]

(W/m.K)

3 Carbon Nanotubes 2000 - 6000

5 PAN-based Carbon Fibre (dọc trục) 8 - 70

6 Pitch-based Carbon Fibre (dọc trục) 530 - 1100

Hàm lượng độn cao (> 30% thể tích) là cần thiết để đạt được độ dẫn nhiệt cao trong vật liệu polyme compozit và là một thông số công nghệ quan trọng Trong quá trình gia công như ép đùn và đúc phun, thường giới hạn lượng chất độn đưa vào đơn phối liệu Hơn nữa, hàm lượng chất độn vô cơ cao làm thay đổi đáng kể các tính chất cơ học và tỷ trọng của polyme Với những lý do kể trên, chế tạo các vật liệu compozit có độ dẫn nhiệt cao hơn 4 W/m K và gia công các vật liệu này là rất khó khăn hiện nay [9]

b Độ bền cơ học

Độ bền – là tính chất của vật liệu trong điều kiện xác định có thể tiếp nhận các tác động nào đó (lực cơ học, nhiệt độ, trường điện từ…) mà không bị phá hủy Sự phá hủy của vật liệu – đó là lúc vật liệu không còn chống lại được sự biến dạng do các tác nhân

ở trên gây ra Nếu không có các giải thích gì thêm, thì độ bền ở đây được hiểu là độ bền

cơ học, tức là khả năng của vật chống lại sự phá hủy dưới tác động của các lực cơ học

Để đánh giá độ bền về mặt định lượng, người ta thường sử dụng các đặc trưng khác nhau, chia ra làm bốn nhóm chính:

- Các đặc trưng lực: ứng suất phá hủy, lực phá hủy, độ bền mỏi, …

- Các đặc trưng thời gian: độ bền lâu, sức bền chống mỏi

- Các đặc trưng biến dạng: biến dạng tương đối với các dạng phá hủy khác nhau

- Các đặc trưng năng lượng: độ bền va đập, năng lượng bề mặt khi phá hủy

Các đại lượng trên được xác định theo các tiêu chuẩn tương ứng Ứng suất phá hủy chính là đại lượng lúc phá hủy tính trên 1 đơn vị thiết diện mẫu Nó sẽ gây ra sự tách mẫu thành nhiều thành phần trong những điều kiện thử nghiệm đã cho Ứng suất phá hủy (ký hiệu: δp) có thể được xác định tại những dạng biến dạng khác nhau như: kéo, nén, uốn, xoắn… Đại lượng δp phụ thuộc cả vào tình chất của vật liệu polyme và các yếu tố khác như: nhiệt độ, tốc độ và thời gian tác dụng lực…thường dẫn đến hậu quả là giá trị δp xác định theo phương pháp tiêu chuẩn không phù hợp với giá trị tương ứng với điều kiện sử dụng

c Tính chất điện

Trong các vật thể rắn, sự chuyển đổi điện tích được thực hiện bằng các ion (chất điện giải hay chất dẫn ion) hay bằng các điện tử (chất dẫn điện tử) Căn cứ vào độ dẫn điện của vật thể có thể chia thành ba loại: dẫn điện, bán dẫn và cách điện; chúng có độ dẫn điện K như sau:

1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu polyme dẫn nhiệt trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

a Vật liệu dẫn nhiệt trên cơ sở nhựa epoxy

Vật liệu compozit của nhôm nitrit với cycloaliphatic và epoxytrimetacrylat (TMPTMA) với kích thước hạt nano-AlN khác nhau đã được chế tạo để nghiên cứu hình thái học, độ dẫn nhiệt, độ ổn định nhiệt và đặc trưng quá trình đóng rắn [10] Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit tăng khi tăng hàm lượng nano-AlN, đạt giá trị cao nhất là 0,47W/m.K Khi thêm một lượng nhỏ hợp chất nano-AlN vào hệ epoxy/TMPTMA đã cải thiện đáng kể khả năng ổn định nhiệt của vật liệu Việc sử dụng silan để xử lý các hạt nano-AlN không làm thay đổi cơ chế phản ứng đóng rắn nhưng

có thể mang lại hiệu quả cho quá trình gia công do giảm được thời gian cảm lưu cure time) và nhiệt độ ban đầu (pre-temperature)

(pre-Nhóm tác giả Mousam Choudhury và cộng sự [30] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt bột nhôm nitrit đến các đặc trưng nhiệt và điện của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy Để cải thiện khả năng phân tán của các hạt chất độn nhôm nitrit ở các cấp độ hạt micro và nano trong chất nền polyme, nhóm tác giả đã sử dụng hợp chất aminopropyltriethoxysilan để biến đổi bề mặt của nhôm nitrit Bên cạnh đó, kết quả đo tính chất điện và nhiệt cho biết rằng việc đưa hợp chất biến đổi

bề mặt đã cải thiện hệ số dẫn nhiệt và tính chất điện của vật liệu nanocompozit so với trường hợp không dùng chất biến đổi bề mặt Ở 20% chất độn nhôm nitrit có và không

có biến đổi bề mặt có một sự gia tăng đáng kể độ dẫn nhiệt so với chất nền epoxy (từ 0,167 W/mK lên 0,207 W/mK)

Pravuram Panda và cộng sự [11] đã nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học, nhiệt

và điện của vật liệu compozit gia cường bằng sợi thủy tinh sử dụng chất nền là nhựa epoxy chứa AlN Đầu tiên AlN được tổng hợp từ Al2O3, than hoạt tính trong môi trường amoniac bằng phương pháp plasma Sau đó phân tán AlN đã được tổng hợp vào nhựa epoxy với hàm lượng thay đổi từ 0 ÷ 15% khối lượng Kết quả cho thấy, với 10% KL AlN trong nhựa epoxy độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit gia cường sợi thủy tinh tăng gấp 2,11 lần so với mẫu compozit không có AlN Việc đưa các hạt AlN tổng hợp bằng phương pháp plasma vào vật liệu tổng hợp nhựa epoxy gia cường bằng sợi thủy tinh cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt và không làm thay đổi nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của nhựa epoxy

Độ dẫn nhiệt của các hạt kích thước nano được thừa nhận là có cùng khoảng độ dẫn nhiệt với vật ban đầu Tuy nhiên, hiệu quả của cách tiếp cận này là không chắc chắn

Độ dẫn nhiệt của các chất độn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể, độ tinh khiết, độ hoàn hảo của cấu trúc, các hiện tượng tán xạ phonon,… và có thể khác biệt so với cấu trúc dạng khối của vật liệu ban đầu [3]

Bảng 1.3: Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy [6,8,12]

Trong trường hợp của AlN, chất độn được mong chờ sẽ làm cho độ dẫn nhiệt của vật liệu cao hơn do độ dẫn nhiệt của chất độn cao hơn, kích thước hạt trung bình lớn hơn Do đó, có thể thấy rằng không phải độ dẫn nhiệt của chất độn cao thì độ dẫn nhiệt của vật liệu sẽ cao

Việc sử dụng các tác nhân ghép nối đã được nhiều nhóm nghiên cứu để có được tương tác tốt hơn giữa chất độn và chất nền [13] Kết quả cho thấy, mức độ kháng nhiệt giữa bề mặt tương tác pha suy giảm, loại bỏ tán xạ photon khi bề mặt chất độn được xử

lý So sánh kết quả giữa các vật liệu có và không có biến đổi bề mặt, tác giả cho biết độ dẫn nhiệt mẫu đã xử lý cao hơn Kochetov [12], Irwin [14] và Choudhury [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tác nhân ghép nối đến độ dẫn nhiệt của vật liệu

Compozit của nhựa epoxy và BN đã được nghiên cứu bởi Kochetov Độ dẫn nhiệt của compozit là cao hơn (gần 3%) khi tác nhân ghép nối silan được sử dụng Các nanocomposite polyamit được nghiên cứu bởi Irwin Compozit với các chất độn nano được xử lý bề mặt thể hiện độ dẫn nhiệt cao hơn (trung bình 11%) so với khi không được xử lý và được cho là do tương tác giữa chất độn và chất nền được cải thiện Cuối cùng, Choudhury đã nghiên cứu epoxy – AlN nanocompozit và độ truyền nhiệt hiệu quả hơn (tăng 13%) với compozit mà bề mặt chất độn nano được xử lý

Một vật liệu sử dụng trong thiết bị điện tử hiệu suất cao, cả dẫn nhiệt và cách điện được phát triển bởi Xue và Xie et al [16] Họ đã kết hợp các dây nano bạc và các hạt nano silica trong một loại nhựa epoxy đóng rắn bằng imidazole Việc bổ sung nanosilica

đã tăng cường khả năng dẫn nhiệt tăng 325% khi sử dụng 15% trọng lượng SiO2 so với mẫu không có nanosilica Việc bổ sung các hạt nano silica làm tăng điện trở suất, đặc biệt là đối với các mức tải cao hơn, tức là 2,62 × 10 12 Ωcm ở 15% trọng lượng Balaji v và cộng sự [18] đã nghiên cứu nâng cao tính cơ học, độ dẫn nhiệt và độ hấp thụ nước của vật liệu compozit sử dụng cốt là sợi sơ dừa và chất nền là nano silica – epoxy Đầu tiên phân tán nanosilica ở các tỷ lệ khác nhau vào trong nhựa epoxy Tiếp tục bổ sung thêm chất đóng rắn, khuấy trộn hỗn hợp với tốc độ 1050 vòng/ phút trong thời gian 30 phút Sau đó chế tạo vật liệu compozit cốt sợi sơ dừa sử dụng hỗn hợp nano silica – epoxy – chất đóng rắn làm chất nền Kết quả cho thấy, với 20% nanosilica độ dẫn nhiệt của vật liệu là 0,33 W/m/K tăng gấp 2 lần so với mẫu không sử dụng nano silica

Việc cải thiện độ dẫn nhiệt được tin rằng do sự liên quan đến tương tác giữa chất độn và chất nền Khả năng kết dính tốt hơn giữa chất độn và polyme nền có thể làm giảm sự tán xạ phonon đưa đến giá trị độ dẫn nhiệt cao hơn Nhiều mô hình và lý thuyết

về tương tác pha đã được đưa ra để giải thích vai trò của chúng

Trong một vài tài liệu, sự kết tụ các hạt đã được báo cáo là có ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu Han và cộng sự [17] nhận thấy có sự gia tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy khi sự kết tụ của các hạt xuất hiện Evans và đồng nghiệp

đã phát triển một mô hình để làm rõ đóng góp của các kết tụ đến độ dẫn nhiệt Họ cho biết độ dẫn nhiệt của các nanocompozit tăng khi các hạt nano kết tụ

b Một số polyme dẫn nhiệt khác

Vật liệu microcompozit chứa một chất nền polyme và các hạt micro với kích thước điển hình trong khoảng 1-100 µm Trong trường hợp hàm lượng chất độn lớn (trên 30 % khối lượng), các vật liệu thể hiện độ dẫn nhiệt cao so với polyme ban đầu Trong trường hợp này, 2 thông số quan trọng có thể được xem như đóng vai trò chủ yếu trong việc xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu microcompozit, đó là độ dẫn nhiệt của chất độn và tương tác giữa chúng

Huang và đồng sự [33] đã xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu poly(phenylene) sulfit dựa trên bo nitrit (BN) Có một sự liên quan tuyến tính đã được tìm thấy giữa hàm lượng BN và độ dẫn nhiệt của vật liệu Tính chất này có thể được đóng góp bởi tương tác giữa các hạt Các chuỗi dẫn trực tiếp dòng nhiệt có thể đưa đến 1 sự gia tăng của độ dẫn nhiệt

Một phần trong nghiên cứu của Weidenfeller và cộng sự [34] được tóm tắt trong bảng sau

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tản nhiệt trong các thiết bị điện, điện tử ở nước ta hiện nay mới chỉ thấy các nhóm nghiên cứu của phòng nghiên cứu vật liệu cácbon nano, Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu chế tạo loại kem tản nhiệt có chứa CNTs dùng trong bộ phận tản nhiệt của máy tính Nhóm nghiên cứu của PGS TS Đoàn Đình Phương và cộng sự ở Phòng Nghiên cứu Vật liệu Kim loại Tiên tiến, Viện Khoa học Vật liệu cũng đã bước đầu nghiên cứu chế tạo vật liệu kim loại có chứa CNTs có

độ dẫn nhiệt cao bằng phương pháp luyện kim bột, định hướng ứng dụng trong ngành

kỹ thuật điện, điện tử Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu polyme dẫn nhiệt và đặc biệt là các vật liệu polyme dẫn nhiệt có khả năng ứng dụng trong thực tế mới chỉ được bắt đầu ở phòng nghiên cứu vật liệu polyme & compozit, viện Khoa học vật liệu

Từ năm 2015, tập thể nghiên cứu của phòng bắt đầu nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo polypropylen, các chất độn được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm Talc, nhôm nitrit và bo nitrit Các nghiên cứu bước đầu cho thấy các kết quả khá thú vị là bột khoáng Talc có hệ số dẫn nhiệt thấp nhưng lại gia tăng hệ số dẫn nhiệt cao hơn cho nền polyme so với hai loại chất độn còn lại là nhôm nitrit và bo nitrit ở cùng nồng độ so sánh Tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu polyme chế tạo được trong các nghiên cứu này chưa cao trong khoảng 0,6 – 0,8 W/m.K [31]

Tiếp tục hướng nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt, trong năm 2016 tập thể phòng tập trung nghiên cứu gia tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và polycacbonat Trong nghiên cứu này, một số vấn đề về cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu cũng đã được chỉ ra Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cao nhất đạt được là 1,143 W/m.K cho vật liệu compozit PC/BN với tỷ lệ khối lượng 60/40 Tuy nhiên, đối với vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu vẫn chưa được cải thiện đáng kể [26]

Hiện nay, nghiên cứu về vật liệu có độ dẫn nhiệt cao ứng dụng để chế tạo các thiết bị tản nhiệt trong lĩnh vực điện tử mới chỉ là bắt đầu ở nước ta Các công trình nghiên cứu chủ yếu được thực hiện tại viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học

và công nghệ Việt Nam

1.3 Các phụ gia nâng cao độ dẫn nhiệt cho nhựa epoxy

1.3.1 Nano silica

a Giới thiệu chung về nano silica

Nanosilica là loại vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao do có ưu điểm: tỷ trọng

thấp, bền nhiệt và cơ học và trơ hóa học [24, 25] Kích thước hạt có vai trò quan trọng trong quá trình ứng dụng vật liệu nanosilica, do đó có nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc giảm kích thước hạt của vật liệu này Stśber và các cộng sự [26] đã nghiên cứu phương pháp tổng hợp các hạt nanosilica đơn lớp dạng cầu trong các dung dịch ancol khác nhau chứa các silicon alkoxide, với có mặt của xúc tác NH3, đạt được các hạt nanosilica có kích thước từ 50nm đến 1μm Chrusciel và Slusarski đã công bố quá trình tổng hợp vật liệu nanosilica dùng tiền chất là sản phẩm trao đổi ester giữa tetraethoxysilan với n-dexyl ancol và (aminopropyl) trimethoxysilane trong môi trường chất nhũ hóa [27] Venkatathri [28] nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt đến kích thước và sự phân bố kích thước các hạt nanosilica cho kết quả khi có sự xuất hiện của các chất hoạt động bề mặt, hiệu suất tạo nanosilica cũng như kích thước các hạt đều được cải thiện Từ đó có thể thấy, quy trình chung để tổng hợp vật liệu nanosilica phải có các tiền chất chứa Si như các silicon alkoxide, môi trường phân tán

có thể là nước hoặc các rượu như ethanol, isopropanol và chất xúc tác giúp đẩy nhanh quá trình thủy phân tiền chất như NH3 và một số amin bậc thấp khác

b Cấu trúc nano silica

Silica kết tủa dạng vô định hình của SiO2 được điều chế từ phản ứng dung dịch natrisilicat với axit sunfuric, hoặc hỗn hợp của cacbondioxit và axit clohydric Các hạt silica tạo thành ban đầu là các hạt cơ bản, các hạt cơ bản này kết tụ thành những tập hợp Sau đó silica kết tụ sẽ được lọc, rửa sấy khô và nghiền

Silica tồn tại ở cả dạng tinh thể và vô định hình, nhưng trong công nghiệp người

ta thường sử dụng dạng vô định hình

Nano silica là các hạt SiO2 dạng vô định hình có cấu trúc xốp với bề mặt riêng khoảng 283mg và bán kính trung bình của mao quản là 50 A° (dạng MCM-41) Nano silica được sử dụng rộng rãi trong thực tế để làm chất hấp phụ, chất mang xúc tác và chất xúc tác nS có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau như phản ứng giữa kiềm silicát với axit hay muối axit Nano silica thường điều chế từ thủy tinh lỏng

và axit sunfuric Oxit silic sử dụng làm chất nền là SiO2 vô định hình được tổng hợp theo phương pháp Sol-Gel do đó nó có diện tích bề mặt tương đối lớn Đây là phương pháp đơn giản và tiết kiệm [19, 20, 21]

Hạt silica cơ bản có dạng hình cầu với kích thước từ 10-30 nm, chúng sẽ kết gắn lại thành bó hoặc chuỗi tạo mạng lưới và trở nên chặt khít taọ nên dạng tập hợp với kích thước dao động từ 30-150 nm

Hình 1.3: Cấu trúc hạt nano silica

Trên bề mặt của silica có chứa các nhóm silanol với mật độ khoảng 4,6 nhóm OH/nm2 Có ba loại silanol là: dạng cô lập, dạng kế tiếp, dạng cặp đôi Ta có bảng sau:

STT Các loại silanol Cấu trúc

2 Silanol kế tiếp:

− Cặp liên kết H

− Liên kết H của H2O

2a 2b

3 Silanol cặp đôi 3

Hình 1.4: Các loại hydroxit trên bề mặt silica

Các đặc trưng tính chất của silica được thể hiện qua kích thước hạt, diện tích bề mặt, cấu trúc và mức độ hoạt động bề mặt của chất độn

Diện tích bề mặt tỉ lệ nghịch với kích thước hạt silica nên khi kích thước hạt nhỏ thì diện tích bề mặt lớn Diện tích bề mặt lớn làm tăng khả năng tương tác của chất độn với cao su, do đó làm tăng khả năng gia cường của chất độn cho cao su

Cấu trúc của silica là yếu tố đặc trưng quyết định khả năng gia cường của chúng Hình dạng ban đầu của hạt silica thương mại có ảnh hưởng không quan trọng tới hoạt

Si O

1a ; 1c

Si O

H

Si O

O Si O H

Si

H O

1b

2a

tính của chất độn bằng hình dạng của chúng sau khi đã phân tán vào trong cao su Các hạt silica cơ bản sẽ kết hợp lại dạng tập hợp thì tính chất của tập hợp silica như hình dạng, khối lượng riêng, kích thước quyết định cấu trúc của chất độn này

Mức độ hoạt động bề mặt cũng góp phần vào khả năng tăng cường lực Chất độn

có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc cao nhưng khả năng gia cường lại kém do mức độ hoạt động bề mặt thấp Mức độ hoạt động bề mặt của chất độn được tính trên một đơn vị diện tích tương tác chất độn – cao su xác định bằng phương pháp vật lý và hóa học Các chất độn không phân cực sẽ trộn hợp tốt với cao su không phân cực và ngựơc lại Ví dụ như than đen có chứa nhóm cacboxyl và các nhóm chức hữu cơ khác nên ái lực lớn với cao

su, còn các hạt silica có ái lực và hoạt động bề mặt kém hơn Do đó ta cần phải xử lý bề mặt silica để tăng khả năng gia cường cho cao su tốt hơn

Bề mặt silica có chứa nhóm silanol nên có tính ưa nước, phân cực lớn, mang tính axit có khả năng phản ứng với các nhóm như amin, alcol, ion kim loại Nước trên bề mặt silica làm giảm hoạt tính của nhóm silanol, nhưng khi xảy ra quá trình trộn hợp ở nhiệt độ cao có sự bay hơi nước hấp phụ sẽ làm cho bề mặt trở nên hoạt động hơn Một vài phản ứng của hợp phần cao su với nhóm silanol làm ảnh hưởng tới tính chất của sản phẩm trong đó có ảnh hưởng tới quá trình khâu mạch Phần lớn các chất xúc tiến được

sử dụng trong lưu hóa bằng lưu huỳnh đều có nhóm amin Phản ứng của chất xúc tiến với chất độn có thể làm giảm lượng chất xúc tiến cần thiết cho quá trình lưu hóa, do đó làm giảm tốc độ lưu hóa và tốc độ khâu mạch Phản ứng của ion kẽm với chất độn cũng ảnh hưởng tương tự

Ví dụ nhóm silanol hoạt động bề mặt silica sẽ phản ứng với kẽm stearat và tạo cầu nối kẽm với hai nhóm silanol (Hình 1.5):

Hình 1.5: Phản ứng của chất xúc tiến với silica

Axit stearic tạo thành từ phản ứng trên sẽ kết hợp với ZnO, nếu phản ứng xảy ra đến cùng thì tất cả ZnO sẽ hết, không còn đủ cho phản ứng lưu hóa Khi diện tích bề mặt chất độn silica nhỏ thì phản ứng với ion kẽm cũng xảy ra nhưng ít ảnh hưởng hơn

vì nó có ít nhóm silanol trên bề mặt hơn

c Các phương pháp biến tính bề mặt nanosilica [22, 23]

Như đã nêu ở trên bề mặt silica có nhóm silanol phân cực lớn, có ảnh hưởng lớn đến tính chất của sản phẩm Vì vậy để khắc phục những nhược điểm đó ta cần phải biến tính trên bề mặt silica Có hai phương pháp xử lý là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học

Phương pháp vật lý: người ta thường đưa vào những chất hoạt động bề mặt để

hấp phụ lên bề mặt silica gọi là các phụ gia Các chất thường dùng như dietylen glycol (DEG), polyetylen glycol (PEG), hexametylen tetramin, hexamethoxyl metyl melamin (HMMM) và trianolamin (TEA) Các chất này được trộn vào hợp phần cao su trước khi đưa chất xúc tiến và ZnO vào Các phụ gia này làm giảm mức độ phân cực của bề mặt silica và do đó cải thiện khả năng thấm ướt và khả năng phân tán của chất độn trong cao

su

Phương pháp hóa học: biến tính silica bằng chất biến tính silan Các hợp chất

silan có công thức chung là RSiX3 trong đó X là nhóm thủy phân được, thường là nhóm

metoxy, etoxyl hay clo Nhóm hữu cơ R chứa các nhóm chức được chọn sao cho phù hợp với nền polyme

Quá trình xử lý bề mặt silica bằng silan có thể tiến hành bằng cách trộn thông thường Các nhóm metoxyl, etoxyl sẽ phản ứng với silanol trên bề mặt silica trong quá trinh phối trộn tạo liên kết hóa học bền Liên kết giữa silan và silica hình thành làm tăng khả năng tương tác giữa silica với cao su vì khi đó trên bề mặt silica biến tính chứa có các nhóm chức liên kết với cao su trong quá trình lưu hóa

Liên kết giữa silan với bề mặt silica được mô tả như sau: phản ứng biến tính silica bằng silan:

Hình 1.6: Liên kết của silan với bề mặt silica 1.3.2 Khoáng Talc

Talc là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là

Mg3Si4O10(OH)2 Cấu trúc của Talc bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ diện silic Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu van der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau Tinh thể Talc kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng; hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi

Talc rất đặc trưng bởi độ mềm của nó Trên thang độ cứng Mohs, nó có độ cứng thấp nhất là 1, thấp nhất so với các khoáng chất khác trong tự nhiên và có thể vạch móng tay lên được

Ngoài ra, Talc rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (do đó, tên gọi đá

“xà phòng” còn được dùng để gọi cho loại đá biến chất có thành phần chính là Talc) Talc có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưu hợp chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn

Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của Talc là MgO chiếm 31,7%, SiO2 chiếm 63,5%, và H2O chiếm 4,8% Tuy nhiên, thành phần hóa học

và khoáng vật của đá Talc thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ hợp đá mẹ và lịch sử địa chất của vùng Các khoáng vật đi cùng với Talc thường là chlorit, tremolit và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit Thay thế đồng hình trong cấu trúc chính khoáng vật Talc thường là sắt (Fe) thay thế cho magie (Mg) và flo (F) thay thế cho nhóm hydroxyl (OH) Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và thay thế đồng hình

sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc lợi thế trong ứng dụng Talc (Tomaino, 2005)

Talc có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 – 2,83 g/cm3 (giá trị tỉ trọng theo tính toán là 2,78 g/cm3); ánh mờ; màu xanh lá cây nhạt đến đậm, trắng, trắng phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu; không màu trong lát mỏng thạch học (Mineral Data Publishing, 2001; Mindat.org)

Kích thước của các hạt Talc riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu trúc cơ sở)

có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm phụ thuộc vào quá trình hình thành Tùy từng

mỏ, Talc có thể có dạng tấm với các hạt riêng rẽ lớn, trong khi có những mỏ, Talc tồn tại ở hạt riêng rẽ, kích thước rất nhỏ

Talc tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930oC, mất nước cấu trúc trong khoảng 930 –

970oC tạo thành enstatit (MgSiO3) Thông thường các sản phẩm Talc thương mại giảm khối lượng ở dưới 930 oC do có chứa carbonat – phá hủy ở 600 oC và chlorit – mất nước

ở 800oC Talc nóng chảy ở nhiệt độ 1.500oC (McCarthy, 2000)

1.3.3 Nhôm nitrit (AlN)

Nhôm nitrit (AlN) là một nitrit của nhôm được tổng hợp lần đầu tiên năm 1877 Tuy nhiên, nó không được chú ý nhiều cho đến giữa những năm 1980 tiềm năng của nó trong các ứng dụng vi điện tử mới được nhận ra do độ dẫn nhiệt cao và được ứng dụng

trong các vật liệu gốm cách điện (70-210 W/m.K cho các vật liệu đa tinh thể và cao đến

285 W/m.K cho các đơn tinh thể)

Nhôm nitrit ổn định ở nhiệt độ cao trong khí trơ và nóng chảy ở 2800°C Trong chân không, AlN phân hủy ở khoảng 1800°C Trong không khí, quá trình oxy hóa bề mặt xảy ra ở trên 700°C, và thậm chí ngay ở nhiệt độ phòng, lớp oxit bề mặt được phát hiện dầy khoảng 5-10 nm Lớp oxit này bảo vệ vật liệu đến 1370°C Ở trên nhiệt độ này quá trình oxy hóa xảy ra mạnh Nhôm nitrit ổn định trong khí quyển hydro và cacbon dioxit tới 980°C