Ống nano cacbon cực kỳ bền chắc Một lớp graphene được cuộn liền mạch vào trong ống, ống nano rỗng Một tấm hoặc một lớp đơn nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ trong mạng lưới tổ ong lục g
TỔNG QUAN HÓA HỌC VỀ CARBON NANOTUBE
Cấu trúc cơ bản của CNTs
Cacbon có khả năng liên kết theo nhiều cách khác nhau, dẫn đến việc hình thành các dạng thù hình với tính chất vật lý đa dạng Những dạng thù hình đã được biết đến bao gồm than chì, kim cương, fullerene, ống nano và graphene.
Carbon Nanotubes là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong ngành công nghiệp máy tính tương lai Chúng được xem như một cứu tinh, nhờ vào khả năng cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Với cấu trúc độc đáo, carbon nanotubes hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các thiết bị điện tử, giúp tăng cường tốc độ xử lý và giảm thiểu kích thước Sự phát triển của công nghệ này có thể định hình lại cách chúng ta sử dụng máy tính trong tương lai.
Nguồn gốc, hình thái và phương pháp sản xuất của các dạng thù hình cacbon ảnh hưởng lớn đến đặc tính của vật liệu khi sử dụng làm chất phụ gia Sự khác biệt này rất rõ rệt giữa các dạng cacbon Graphene và ống nano cacbon (bao gồm ống nano một lớp - SWCNT và ống nano nhiều lớp - MWCNT) sở hữu sự kết hợp tối ưu về các đặc tính và lợi ích Ống nano cacbon cực kỳ bền chắc, khó bị phá vỡ nhưng vẫn giữ được trọng lượng nhẹ.
Một lớp graphene được cuộn liền mạch vào trong ống, ống nano rỗng
Một tấm hoặc một lớp đơn nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ trong mạng lưới tổ ong lục giác
Sự sắp xếp đồng tâm của SWCNT, tức là nhiều lớp graphene được cuộn liền mạch thành một cấu trúc hình ống đồng tâm
Sản xuất quy mô công nghiệp
Không được thiết kế như một chất phụ gia cho vật liệu (sản lượng tính bằng kg)
Sản xuất quy mô công nghiệp (nghìn tấn)
Mỗi nguyên tử carbon trong
CNTs liên kết với ba nguyên tử carbon lân cận bằng liên kết sp²
Mỗi nguyên tử carbon tạo thành ba liên kết sigma (σ) mạnh, tạo nên mạng lưới lục giác giống như tổ ong
Mỗi nguyên tử carbon trong CNTs liên kết với ba nguyên tử carbon lân cận bằng liên kết sp²
Mỗi nguyên tử carbon tạo thành ba liên kết sigma (σ) mạnh, tạo nên mạng lưới lục giác giống như tổ ong
Khi nhiều CNTs xếp lại với nhau (dưới dạng bó, sợi ), các ống có thể tương tác với nhau thông qua lực Van der Waals
—> đây là lực yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị
Ống nano cacbon được chia thành hai loại chính: ống nano cacbon một lớp (SWCNT) và ống nano cacbon nhiều lớp (MWCNT) Mặc dù có những điểm tương đồng, nhưng SWCNT và MWCNT có các tính chất vật lý khác biệt do cấu trúc của chúng SWCNTs đặc trưng bởi việc chỉ có một lớp graphene, có thể hình dung như các tấm graphene cuộn lại thành hình trụ rỗng, vì vậy chúng thường được gọi là ống nano graphene (GNT).
Ống nano carbon nhiều lớp, khác với ống nano một lớp, được cấu tạo từ nhiều lớp graphene cuộn lại đồng tâm, tạo thành hình ống SWCNT.
Hình 1 Cấu trúc của ống nano carbon một lớp (SWCNT) và nhiều lớp (MWCNT)
Ống nano carbon, với các đặc tính cơ học, điện và nhiệt đặc biệt, là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu nhiều nhất Ống nano carbon nhiều vách cấu trúc gồm nhiều mạng lưới hình trụ đồng tâm của các nguyên tử carbon, trong khi ống nano carbon một vách chỉ có một hình trụ duy nhất của các nguyên tử carbon.
Hình 2a và 2b Mô phỏng cấu trúc MWCNT (hình trên) và các kiểu cấu trúc hình học khác nhau của CNTs theo chỉ số cuộn (n,m) (hình dưới)
❖ So sánh về liên kết và hoạt tính hóa học giữa SWCNT và MWCNT:
Cấu trúc Một lớp graphene cuộn lại thành ống
Nhiều ống graphene cuộn lại đồng tâm
Liên kết nội tại Liên kết cộng hóa trị sp² giữa các nguyên tử C (giống graphene)
Mỗi lớp: liên kết sp²; giữa các lớp: lực Van der Waals
Liên kết giữa các lớp Không có Lực Van der Waals yếu giữa các lớp
Hoạt tính hóa học bề mặt Cao hơn vì toàn bộ bề mặt tiếp xúc Thấp hơn vì chỉ lớp ngoài cùng tương tác mạnh
Hiệu ứng đa lớp Không có
Lớp trong bảo vệ lớp ngoài, làm giảm hoạt tính hóa học
Khả năng dẫn điện Tốt, phụ thuộc vào độ chiral
Kém hơn một chút do tán xạ electron giữa các lớp
Tính ổn định hóa học Kém hơn MWCNT Ổn định hơn nhiều nhờ lớp bảo vệ
Khả năng hấp phụ Tốt Giảm dần từ lớp ngoài vào trong
❖ Vai trò liên kết sp 2 trong cấu trúc CNTs:
Liên kết sp² là yếu tố chính tạo nên cấu trúc và tính chất đặc trưng của ống nano carbon (CNTs), với mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử lân cận qua liên kết cộng hóa trị sp², hình thành mạng lưới lục giác bền vững giống như graphene Điều này mang lại cho CNTs độ bền cơ học cao, khả năng đàn hồi tốt và trọng lượng nhẹ Hệ thống electron π không định xứ từ orbital p_z giúp CNTs dẫn điện hiệu quả và tương tác mạnh với các phân tử thông qua tương tác π–π Hơn nữa, liên kết sp² cho phép chức hóa bề mặt bằng cách chuyển đổi một phần carbon từ sp² sang sp³, tạo điều kiện gắn thêm các nhóm chức như -OH, -COOH,… nhằm nâng cao khả năng ứng dụng trong y sinh, môi trường và vật liệu tiên tiến.
❖ Hiệu ứng đa lớp là gì?
Hiệu ứng đa lớp là hiện tượng mà các lớp bên trong của MWCNT tác động đến tính chất của lớp ngoài thông qua các tương tác vật lý và hóa học.
• Sự che chắn (shielding) về điện và hóa học
• Sự phân tán tải (stress distribution)
• Ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt và khả năng chức hóa
❖ Hiệu ứng đa lớp ảnh hưởng đến hoạt tính hóa học như thế nào?
Trong ống nano cacbon đơn (SWCNTs), mỗi nguyên tử carbon đều dễ tiếp cận và phản ứng do chúng nằm ở bề mặt Ngược lại, trong ống nano cacbon đa (MWCNTs), chỉ lớp ngoài cùng tiếp xúc với môi trường, trong khi các lớp bên trong được bảo vệ hoàn toàn, dẫn đến việc giảm hoạt tính hóa học.
• Khó bị chức hóa hơn (gắn nhóm -OH, -COOH, )
• Hấp phụ phân tử khó hơn
• Dẫn đến hoạt tính hóa học thấp hơn
➢ Tăng độ bền hóa học (chemical stability) ̵ Các lớp trong đóng vai trò như một tấm chắn, giúp MWCNTs:
• Chống lại quá trình oxi hóa, ăn mòn, hoặc phân hủy nhiệt tốt hơn SWCNTs
• Khó bị phá hủy hoàn toàn trong các phản ứng hóa học mạnh
• Ứng dụng tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt
Trong SWCNTs, việc gắn nhóm chức trên toàn bộ bề mặt là khả thi, tuy nhiên để chức hóa bên trong MWCNTs, cần phải thực hiện các bước đặc biệt để tiếp cận lõi bên trong.
• Mở đầu ống (end-opening)
• Dùng phương pháp khắc hóa học mạnh → phức tạp, không hiệu quả ̵ Do đó, MWCNTs thường được chức hóa ở lớp ngoài, với mật độ nhóm chức thấp hơn
Hiệu ứng điện tử (electronic shielding) xảy ra khi các lớp trong của nguyên tử tạo ra sự che chắn cho các electron, từ đó thay đổi cách thức di chuyển và tương tác của chúng với các phân tử bên ngoài Hiệu ứng này có tác động lớn đến tính dẫn điện, khả năng cảm biến và hiệu quả xúc tác của vật liệu.
Một số tính chất nổi bật
Ống nano carbon (CNTs) nổi bật với độ cứng, độ bền và độ đàn hồi vượt trội so với nhiều vật liệu khác Cấu trúc của CNTs được hình thành từ các liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử, mang lại tính bền vững cao Trên mặt phẳng graphen, mỗi nguyên tử liên kết với ba nguyên tử khác, tạo nên một mạng lưới chắc chắn và ổn định.
CNTs có tính bền vững vượt trội so với nhiều vật liệu khác, đặc biệt trong môi trường chân không hoặc khí trơ như N2 và Ar Với độ cứng cao và khả năng chịu lực lớn, CNTs có độ đàn hồi ấn tượng, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong kính hiển vi quét có độ phân giải cao Đặc biệt, độ bền kéo của CNTs cũng nổi bật hơn so với một số vật liệu khác.
Vật liệu Độ bền kéo (GPa)
CNTs là vật liệu có độ dẫn điện cao, vượt trội hơn nhiều kim loại khác Độ dẫn điện của CNTs phụ thuộc vào độ xoắn và đường kính của ống Thay đổi cấu trúc của CNTs sẽ dẫn đến sự thay đổi trong độ dẫn điện của chúng.
SWCNTs có thể có tính chất bán dẫn hoặc kim loại, với điện trở suất không thay đổi dọc theo thành ống khi ở dạng kim loại Ngược lại, khi SWCNTs có tính chất giống chất bán dẫn, điện trở suất phụ thuộc vào vị trí đo Tại 27 oC, điện trở suất của SWCNTs khoảng 10^-4 Ω.cm, cho thấy độ dẫn điện rất cao Đối với MWCNTs, tính dẫn điện phức tạp hơn do điện tử bị giam giữ trong các mặt graphen Khi ống lớn hơn, đường kính tăng, độ cong của mặt graphen giảm, dẫn đến độ dẫn điện tương tự như lớp graphen phẳng với các khe năng lượng gần bằng không, khiến dòng điện chỉ chạy qua lớp vỏ ngoài cùng.
CNTs có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt đặc biệt, với tính chất dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Ở nhiệt độ phòng và cao, khả năng dẫn nhiệt của CNTs tương tự như graphite và kim cương, nhưng lại khác biệt ở nhiệt độ thấp do hiệu ứng lượng tử hóa proton CNTs dẫn nhiệt rất tốt theo trục ống nhưng lại kém hơn theo hướng bán kính giữa các ống Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt của CNTs phụ thuộc gần như tuyến tính vào nhiệt độ, với giá trị dao động từ 1800 đến 6000 W/mK cho bó SWCNTs và MWCTNs tại nhiệt độ phòng.
CNTs không chỉ dẫn nhiệt tốt mà còn bền vững ở nhiệt độ cao khoảng 2800 °C trong chân không và môi trường khí trơ như Argon Nhờ vào khả năng này, CNTs có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và axit mạnh, thường được sử dụng để làm sạch vật liệu CNTs.
CNTs có bề mặt là mạng lưới các nguyên tử carbon liên kết bằng liên kết sp2 bền vững, khiến chúng tương đối trơ về mặt hóa học Tuy nhiên, ống CNTs có kích thước nhỏ hơn lại có hoạt động hóa học mạnh mẽ hơn Để nâng cao hoạt tính hóa học của CNTs, người ta thường tạo ra các sai hỏng trên ống hoặc biến tính bề mặt để giảm độ ổn định của liên kết, từ đó tăng cường khả năng phản ứng hóa học.
Các phương pháp tổng hợp Carbon Nanotube
2.3.1 Phương pháp bốc bay laser
Một phương pháp hiệu quả để chế tạo ống nano carbon là sử dụng chùm tia laser Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho việc tổng hợp vật liệu trong các phân vùng hẹp, nhờ vào nguyên lý hoạt động của chùm tia laser.
Quá trình sản xuất ống cacbon nano (CNTs) diễn ra ở cường độ khoảng 100kW/cm² và nhiệt độ 1200°C, khi bức xạ vào miếng graphít dưới áp suất 500 Torr trong môi trường chân không hoặc khí trơ như He, Ar Hơi nóng tạo ra được làm lạnh nhanh, giúp cacbon ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh bằng điện cực đồng Chất lượng và hiệu suất của CNTs phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian và loại xúc tác sử dụng; ở nhiệt độ dưới 1200°C, chất lượng vật liệu giảm và xuất hiện sai hỏng cấu trúc Sử dụng hỗn hợp xúc tác Ni, Co/Ni sẽ tăng hiệu suất sản xuất Sản phẩm thu được là các ống cacbon nano với đường kính nhỏ, kích cỡ đồng đều và độ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện.
Hình 3 Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng lazer 2.3.2 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là phương pháp phổ biến để chế tạo CNTs, với nhiều biến thể như CVD nhiệt, CVD tăng cường plasma, CVD xúc tác alcohol và CVD có laser hỗ trợ Hệ thống CVD nhiệt bao gồm một ống thạch anh và lò nhiệt, trong đó hiệu suất tổng hợp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bản chất xúc tác kim loại, nguồn hydrocacbon, tốc độ khí, nhiệt độ và thời gian phản ứng Phương pháp CVD nhiệt thường sử dụng axetylene (C2H2) hoặc ethylene (C2H4) làm nguồn hydrocacbon, kết hợp với các hạt nano Fe, Ni, Co làm chất xúc tác để chế tạo MWCNTs.
Nhiệt độ mọc của ống nano carbon (CNTs) thường nằm trong khoảng 500 - 900 °C, nơi các hydrocacbon phân tách thành cacbon và hydro Cacbon sẽ lắng đọng trên các hạt nano kim loại và khuếch tán vào bên trong Khi lượng cacbon đạt đến mức bão hòa, quá trình mọc CNTs bắt đầu diễn ra Đường kính của CNTs phụ thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác kim loại; với hạt kim loại có kích thước 13 nm, đường kính của ống CNTs rơi vào khoảng 30 - 40 nm.
27 nm thì đường kính của ống CNTs dao động từ 100 - 200 nm
Hình 4 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt 2.3.3 Phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt
Bình thép không rỉ chứa các bi thép cứng và bột graphit tinh khiết (98%) được thổi khí Argon với áp suất 300 kPa Quá trình quay bình trong khoảng 15 giờ giúp nghiền bột graphit, tạo ra nhiều cacbon nano ống đa vách Nghiên cứu cho thấy rằng quá trình nghiền tạo ra các hạt graphit có mầm phát triển thành cacbon nano ống, và khi nung ủ nhiệt, các mầm này sẽ phát triển thành CNTs.
2.3.4 So sánh các phương pháp tổng hợp theo góc độ hóa học
Phương pháp bốc bay lazer Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt
Nguồn carbon Graphite Hydrocarbon như CH₄,
C₂H₂, ethanol Graphite hoặc vật liệu carbon khác
Sử dụng tia laser năng lượng cao để bốc bay các nguyên tử carbon từ bia graphite; các nguyên tử này sau đó kết hợp lại thành CNTs
Phân hủy nhiệt các phân tử hydrocarbon trên bề mặt xúc tác, nguyên tử carbon được giải phóng tái tổ hợp thành CNTs
Nghiền bi phá vỡ cấu trúc graphitic → tạo ra khuyết tật, hạt siêu mịn → ủ nhiệt để tái cấu trúc thành CNTs
Vai trò xúc tác Cần xúc tác kim loại
(Fe, Ni, Co) trộn trong bia graphite để xúc tiến sự hình thành CNTs
Kim loại (Fe, Co, Ni ) giúp phân hủy hydrocarbon và định hướng sự phát triển của CNTs
Có thể cần hoặc không; nếu có thường là các kim loại hỗ trợ tái kết tinh carbon Điều kiện phản ứng
500–900°C, thường có môi trường khí H₂ hoặc khí trơ để tránh oxi hóa
Nghiền cơ học mạnh, sau đó ủ ở 700– 1200°C trong khí trơ hoặc khử
Chủ yếu là SWCNTs, độ tinh khiết cao
Có thể thu được cả SWCNTs và MWCNTs, tùy điều kiện và xúc tác
MWCNTs, tạp chất nhiều hơn
VẬT LIỆU POLYMER COMPOSITE CHỨA ỐNG NANO CARBON
Vai trò của CNTs/polymer
Ống nano cacbon (CNTs) là một dạng cacbon có cấu trúc ống rỗng với đường kính nano và chiều dài vài micromet, nổi bật với độ bền cơ học cao, khả năng chống ăn mòn, dẫn điện tốt và chịu nhiệt tốt Tuy nhiên, CNTs nguyên chất gặp phải một số hạn chế như khả năng phân tán kém do lực Van der Waals mạnh, khó chế tạo và xử lý do tính kỵ nước, và tính chất không đồng nhất Để khắc phục những vấn đề này, việc kết hợp CNTs với polymer để tạo thành vật liệu composite là một giải pháp quan trọng, giúp cải thiện khả năng phân tán, tăng độ bám dính và mở rộng ứng dụng Vật liệu composite CNTs/polymer không chỉ khắc phục nhược điểm của CNTs nguyên chất mà còn mang lại tính năng vượt trội, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng trong tương lai.
Polymer đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất và mở rộng ứng dụng của ống nano cacbon (CNTs) nhờ khả năng tương tác tốt, giúp khắc phục các hạn chế của CNTs nguyên chất Một trong những lợi ích chính của polymer là cải thiện khả năng phân tán của CNTs trong vật liệu, nhờ vào liên kết hóa học hoặc các lực tương tác yếu như lực Van der Waals, giúp CNTs phân tán đồng đều hơn và giảm tình trạng kết tụ Điều này tối ưu hóa các đặc tính cơ, điện và nhiệt của vật liệu composite Hơn nữa, polymer cũng tăng cường độ bám dính giữa CNTs và các thành phần khác trong vật liệu composite, tạo ra một mạng lưới liên kết vững chắc.
2 EUROPLAS Sợi Carbon có dẫn điện không? Truy cập từ: https://europlas.com.vn/blog/soi-carbon-co-dan-dien- khong
15 chắc, giúp cải thiện đáng kể khả năng xử lý, tính gia công và khả năng định hình sản phẩm
Polymer không chỉ phát huy tính chất sẵn có của CNTs mà còn nâng cao độ bền cơ học và ổn định nhiệt của vật liệu composite Sự tương tác giữa phân tử polymer và CNTs giúp composite chịu được ứng suất lớn hơn, bền bỉ hơn trước tác động cơ học, đồng thời duy trì khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với polymer thuần Điều này khiến composite CNTs/polymer trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi vật liệu nhẹ và bền Hơn nữa, sự kết hợp này cho phép CNTs giữ được các tính chất ưu việt và dễ dàng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y sinh, hàng không và vật liệu cấu trúc tiên tiến Với khả năng cải thiện đáng kể các đặc tính của CNTs, polymer đóng vai trò quan trọng trong phát triển vật liệu composite CNTs/polymer, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng trong khoa học và công nghệ.
Nanocomposite là vật liệu composite với pha kích thước nano (1-100 nm), mang lại cải thiện vượt trội về tính chất cơ học, điện và nhiệt so với vật liệu truyền thống Sự hiện diện của các thành phần nano giúp nanocomposite có những đặc tính độc đáo, nâng cao hiệu suất ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao.
Composite CNTs/polymer là một loại nanocomposite nổi bật, kết hợp ống nano cacbon (CNTs) và polymer, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống Với độ bền kéo cao gấp 100 lần thép nhưng nhẹ hơn, composite này có độ cứng và khả năng chịu lực vượt trội, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và trọng lượng nhẹ Ngoài ra, CNTs còn cải thiện khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt, mở ra cơ hội ứng dụng trong hệ thống chống tĩnh điện, linh kiện điện tử và thiết bị truyền nhiệt hiệu quả.
Composite CNTs/polymer không chỉ nổi bật với độ bền, khả năng dẫn điện tốt mà còn có trọng lượng nhẹ và tính đa chức năng, chống ăn mòn, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp và khoa học Tùy thuộc vào hàm lượng CNTs, nanocomposite có thể duy trì độ trong suốt và cung cấp các chức năng bổ sung như chống tia.
Polymer có tính linh hoạt cao trong chế tạo, giúp composite dễ dàng gia công và định hình thành nhiều sản phẩm khác nhau, từ thiết bị điện tử đến công nghệ y sinh Nhờ những ưu điểm vượt trội, composite CNTs/polymer không chỉ nâng cao hiệu suất vật liệu mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng, trở thành một trong những vật liệu tiên tiến với tiềm năng lớn trong tương lai.
Mối quan hệ hóa học giữa CNTs và polymer
Ống nano carbon (CNT) có đặc tính cơ học, điện và nhiệt vượt trội, là vật liệu gia cường tiềm năng cho polyme Tuy nhiên, việc khai thác tối đa tiềm năng của chúng gặp khó khăn do lực hút van der Waals mạnh mẽ.
Vật liệu composite là loại vật liệu tổng hợp được tạo ra từ việc kết hợp nhiều thành phần khác nhau, nhằm nâng cao các đặc tính cơ học và độ bền so với vật liệu truyền thống Composite bao gồm hai thành phần chính: vật liệu cốt giúp gia cường và vật liệu nền đóng vai trò kết dính Các loại composite phổ biến hiện nay như sợi thủy tinh, sợi carbon và composite gỗ nhựa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo tàu thuyền, ống dẫn nước và thiết bị điện Mặc dù có nhiều ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn, nhưng composite cũng gặp phải một số nhược điểm như khó tái chế và yêu cầu kỹ năng cao trong gia công.
Các ống nano carbon (CNT) có xu hướng tự tụ tập thành các bó lớn do diện tích bề mặt riêng cực lớn, gây khó khăn trong việc phân tán đều trong nền polyme Bề mặt hóa học tương đối trơ của CNT nguyên thủy dẫn đến tương tác yếu và độ bám dính kém với các chuỗi polyme xung quanh Để tạo ra vật liệu composite polyme-CNT với hiệu suất vượt trội, cần thiết phải thiết lập các tương tác mạnh mẽ ở cấp độ phân tử giữa hai thành phần này Các nhà khoa học đã phát triển hai hướng tiếp cận chính: chức năng hóa cộng hóa trị và chức năng hóa phi cộng hóa trị để cải thiện mối liên kết này.
3.1.1 Chức năng hóa cộng hóa trị
Chức năng hóa cộng hóa trị tạo ra các liên kết hóa học mạnh mẽ giữa nguyên tử carbon trên bề mặt CNT và các chuỗi polyme, giúp tăng cường độ bền vững của vật liệu composite Liên kết này cho phép ứng suất được truyền hiệu quả từ nền polyme mềm dẻo sang các ống nano CNT cứng chắc, từ đó nâng cao đáng kể các đặc tính cơ học như độ bền kéo, mô đun đàn hồi và độ cứng của vật liệu tổng thể.
Quá trình oxy hóa bề mặt của ống nano carbon (CNT) là một phương pháp phổ biến và được nghiên cứu kỹ lưỡng, thường sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như axit nitric (HNO₃) hoặc axit sunfuric (H₂SO₄), thậm chí là hỗn hợp của cả hai Phản ứng này chủ yếu tấn công các vị trí khiếm khuyết trên mạng lưới carbon của CNT, hình thành các nhóm chức chứa oxy, trong đó nhóm axit cacboxylic (-COOH) là quan trọng nhất Mặc dù quá trình oxy hóa mạnh có thể làm gián đoạn cấu trúc sp² của CNT và gây hư hại nếu điều kiện quá khắc nghiệt, nhưng nó lại tạo ra các điểm bám hữu ích trên bề mặt CNT vốn trơ.
Các nhóm axit cacboxylic (-COOH) hoạt động như các trung tâm phản ứng linh hoạt, cho phép thực hiện các biến đổi hóa học để kết nối trực tiếp carbon nanotube (CNT) với polymer Hai ví dụ điển hình về quá trình này là
• Amid hóa: Các nhóm -COOH trên CNT có thể phản ứng với các nhóm amin (-
NH₂ có mặt ở đầu chuỗi polyme hoặc trên các monome trong quá trình trùng hợp tại chỗ, tạo thành liên kết amid (-CONH-) Liên kết này là một liên kết cộng hóa trị bền vững, phổ biến trong hóa học polyme, và tạo ra cầu nối trực tiếp giữa CNT và mạch polyme.
• Este hóa: Tương tự, các nhóm -COOH có thể phản ứng với các nhóm hydroxyl
Liên kết este (-COO-) được hình thành từ nhóm hydroxyl (-OH) trên polyme hoặc monome, tạo nên một liên kết cộng hóa trị mạnh Liên kết này giúp gắn kết chặt chẽ các carbon nanotube (CNT) vào ma trận polyme.
3.2.2 Chức năng hóa phi cộng hóa trị
Chức năng hóa phi cộng hóa trị nhằm cải thiện sự phân tán và tương tác giữa CNT và polyme thông qua các lực hút yếu như van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương tác xếp chồng π-π và liên kết hydro Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là bảo toàn cấu trúc mạng lưới carbon sp² và hệ thống gần như nguyên vẹn.
17 điện tử π của CNT, do đó duy trì được các đặc tính điện, nhiệt và cơ học độc đáo vốn có của chúng
Các chiến lược phi cộng hóa trị nhằm cải thiện tính tương thích của bề mặt CNT với môi trường polyme hoặc dung môi phân tán.
Bao bọc bằng polymer là một kỹ thuật hiệu quả giúp ổn định không gian cho CNT, ngăn chặn sự kết tụ và cải thiện khả năng phân tán trong ma trận polymer Sự hấp phụ này được thúc đẩy bởi lực Van der Waals hoặc tương tác π-π giữa polymer và CNT, đặc biệt khi polymer chứa vòng thơm Ví dụ điển hình bao gồm việc sử dụng các polymer liên hợp như poly(3-alkylthiophenes) hoặc các polymer hòa tan trong nước như carboxymethyl cellulose (CMC) Tương tác xếp chồng π-π cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng phân tán của CNT trong các ứng dụng công nghệ.
Sự hấp phụ giữa polymer và CNT có thể được tăng cường bởi lực Van der Waals hoặc tương tác π-π, đặc biệt khi polymer có chứa vòng thơm Ví dụ điển hình là việc bọc CNT bằng các polymer liên hợp như poly(3-alkylthiophenes) hoặc các polymer hòa tan trong nước như carboxymethyl cellulose (CMC).
Các polymer như poly(vinyl alcohol) và polyamid, với khả năng tạo liên kết hydro, có thể tương tác hiệu quả với các nhóm chức năng trên bề mặt của CNT Những tương tác này, xảy ra tại các vị trí khuyết tật do được đưa vào có chủ đích hoặc tự nhiên, giúp tăng cường độ bám dính giao diện Điều này đặc biệt quan trọng trong các polymer phân cực hoặc khi bề mặt CNT được biến đổi để tích hợp các nhóm chức năng phân cực.
Phương pháp tổng hợp CNTs/polymer composites
Có nhiều kỹ thuật tổng hợp được áp dụng để đưa CNT vào các nền polymer khác nhau, nhằm phá vỡ các khối tụ của CNT và phân tán đồng đều bên trong nền polymer Hiện tại, không có kỹ thuật nào phù hợp cho mọi tình huống, mà việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào tính chất nhiệt hoặc hóa học của polymer nền, độ dễ dàng tổng hợp từ monomer, các chỉ số hiệu suất mong muốn và ràng buộc chi phí Bài viết này sẽ mô tả ngắn gọn các kỹ thuật xử lý quan trọng để tổng hợp vật liệu nanocomposite polymer nền CNT.
Xử lý dung dịch là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất vật liệu nanocomposite polymer nền CNT, sử dụng các kỹ thuật khuấy trộn mạnh như hồi lưu, khuấy cơ học, lắc mạnh và siêu âm để trộn CNT với polymer trong dung môi Kỹ thuật này giúp tách bó các ống nano và phân tán chúng hiệu quả trong polymer Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp này chỉ áp dụng cho các polymer có khả năng hòa tan trong dung môi.
Hình 5 Biểu đồ sơ đồ của phương pháp xử lý dung dịch
Quá trình chế tạo màng nanocomposite bắt đầu bằng việc phân tán các ống nano carbon (CNTs) trong dung môi phù hợp, sau đó trộn với dung dịch polymer Việc đúc màng và bay hơi dung môi sẽ tạo ra màng/tấm nanocomposite Lựa chọn dung môi chủ yếu dựa vào độ hòa tan của polymer nền, và có thể sử dụng dung môi giống hoặc khác nhau cho CNTs và polymer, miễn là chúng có khả năng hòa trộn tốt để đảm bảo sự đồng nhất trong pha.
Trong quá trình sản xuất nanocomposite dựa trên ống nano carbon (CNTs), CNTs thường được thêm trực tiếp vào dung dịch polymer và trộn kỹ trước khi đúc màng Tuy nhiên, việc sử dụng siêu âm công suất cao hoặc trộn mạnh có thể làm rút ngắn chiều dài của CNTs, dẫn đến suy giảm tính chất của vật liệu Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng chất hoạt động bề mặt để phân tán CNTs hoặc CNTs chức năng hóa bằng phương pháp vật lý/hóa học có thể cải thiện khả năng phân tán và bám dính với polymer, nhưng chất hoạt động bề mặt có thể để lại dư lượng, ảnh hưởng đến tính chất dẫn nhiệt và điện của nanocomposite Điểm sôi của dung môi phân tán cũng đóng vai trò quan trọng; dung môi có điểm sôi thấp dễ loại bỏ hơn, trong khi dung môi có điểm sôi cao có thể bị giữ lại trong vật liệu, cản trở quá trình đóng rắn và làm giảm các tính chất điện, nhiệt hoặc cơ học Việc loại bỏ dung môi cũng làm tăng độ phức tạp và chi phí do yêu cầu hệ thống kiểm soát nhiệt độ và áp suất.
Một hạn chế phổ biến trong phương pháp xử lý dung dịch là quá trình bay hơi dung môi diễn ra chậm, tạo điều kiện cho các ống nano carbon (CNTs) kết tụ và lắng đọng.
Sự phân tán không đồng nhất của CNTs trong polymer nền gây ra tính chất không đồng đều và kém chất lượng, với hàm lượng CNTs thấp nhất ở bề mặt màng/tấm được đúc và phân bố theo dạng gradient ngẫu nhiên dọc theo chiều dày, đạt cực đại ở cả hai bề mặt do hiện tượng lắng ống nano mạnh.
Các hạn chế về tốc độ bay hơi dung môi có thể được khắc phục bằng cách sử dụng phương pháp spin coating hoặc drop-casting để áp dụng dung dịch CNT/polymer Phương pháp spin coating chỉ phù hợp cho các màng mỏng vài nanomet và không thể bóc ra khỏi bề mặt, trong khi phương pháp drop-casting lại gặp khó khăn với việc sấy khô không đồng đều và có nguy cơ hình thành lỗ rỗng.
Một phương pháp linh hoạt trong việc xử lý dung dịch phân tán CNT/polymer là sử dụng chất không hòa tan để đạt được sự kết tủa nhanh của các chuỗi polymer Phương pháp này giúp giữ lại các CNTs mà không cho chúng có đủ thời gian để khuếch tán và lắng xuống Dù vậy, việc xử lý dung dịch vẫn là một bước quan trọng và phổ biến trong quá trình chế tạo vật liệu nanocomposite có nền nhựa nhiệt rắn.
Phương pháp gia công nóng chảy là lựa chọn hiệu quả để sản xuất vật liệu composite CNT/polymer với nền nhựa nhiệt dẻo, nhờ vào chi phí thấp và khả năng thích ứng cho quy mô sản xuất lớn trong công nghiệp Phương pháp này sử dụng nhiệt độ cao để làm nóng chảy polymer, tạo ra chất lỏng nhớt có khả năng chảy Dòng chảy của polymer nóng chảy tạo ra lực cắt lớn, giúp phá vỡ sự kết tụ của các bó CNTs và phân tán chúng đều trong nền polymer.
Quá trình trộn nóng chảy có thể thực hiện theo mẻ hoặc liên tục bằng máy trộn lực cắt lớn như máy trộn Sigma, thường dùng để tạo ra masterbatch nanocomposite với nồng độ CNTs cao Sau đó, masterbatch này được pha trộn với polymer nền bằng máy đùn, có thể là một hoặc hai trục vít, trong đó máy đùn hai trục vít mang lại hiệu quả trộn cao hơn Máy đùn hai trục vít gồm hai trục vít quay trong cùng một hoặc ngược chiều, giúp nóng chảy các hạt polymer trong vùng cấp nhiệt nhờ nhiệt độ và lực cắt CNTs được đưa vào máy đùn qua phễu riêng, cho phép trộn trong pha nóng chảy Khi hỗn hợp đạt độ đồng nhất, nó được đẩy qua khuôn để tạo thành sợi bán rắn, sau đó có thể được làm nguội và cắt thành hạt để sử dụng trong các phương pháp như ép nóng hoặc ép phun để tạo hình sản phẩm mong muốn.
Máy đùn hai trục vít được sử dụng để trộn pha nóng chảy của CNTs với polymer nhiệt dẻo, như minh họa trong hình 6 Hình ảnh này được tái bản với sự cho phép của Wiley Ngoài ra, máy đùn hai trục vít còn có cơ chế tuần hoàn nóng chảy, được tái bản với sự cho phép của Elsevier.
Trong quá khứ, phương pháp trộn nóng chảy đã thành công trong việc phân tán CNTs vào nhiều loại polymer nhiệt dẻo như polystyrene, polypropylene, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamide-6 và polyethylene Mặc dù kỹ thuật này đơn giản, nhưng cần phải xử lý đúng cách các vấn đề về lực cắt cao và nhiệt độ cao để bảo đảm chất lượng nanocomposite Lực cắt cao có thể hỗ trợ phân tán CNTs nhưng cũng có nguy cơ gây phân mảnh CNTs hoặc cắt đứt chuỗi polymer, do đó cần tối ưu hóa lực cắt để đạt được sự phân tán mong muốn mà không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc của CNTs.
Nhiệt độ cao có thể thúc đẩy sự phân tán của CNTs nhưng cũng làm suy giảm các tính chất của polymer, do đó việc tối ưu hóa nhiệt độ là cần thiết Phương pháp trộn nóng chảy không hiệu quả trong việc phá vỡ sự kết tụ của CNTs so với xử lý dung dịch và không thể phân tán CNTs với hàm lượng cao (>5 wt%) vào polymer nền do độ nhớt tăng và giới hạn về tốc độ quay trục vít Gần đây, vấn đề này đã được giải quyết bằng máy đùn hai trục vít với cơ chế tuần hoàn nóng chảy, cho phép tải lên tới 10 wt% CNTs vào polymer copolymer polypropylene (PPCP) mà không ảnh hưởng đến tính chất cơ học.
Polymer hóa tại chỗ là phương pháp duy nhất khả thi để tạo ra các composite với nền polymer không hòa tan hoặc không ổn định nhiệt, không thể xử lý bằng các phương pháp dung dịch hoặc nóng chảy Phương pháp này cũng thường được áp dụng trong các trường hợp khác nhờ vào những lợi ích nổi bật, như khả năng tạo ra nanocomposite với hàm lượng CNTs cao, hỗ trợ phân tán tốt CNTs trong nền polymer và đảm bảo sự gắn kết chặt chẽ giữa CNTs và polymer nền.
Hình 7 Sơ đồ minh họa quá trình polymer hóa tại chỗ
Chiến lược phân tán CNTs vào monomer và tiến hành polymer hóa tại chỗ tạo ra nanocomposite CNT/polymer, giúp cải thiện sự phân tán của ống nano trong monomer Việc chức năng hóa CNTs hoặc sử dụng CNTs gắn monomer tạo ra giao diện mạnh mẽ giữa ống nano và polymer, rất quan trọng cho hiệu suất nanocomposite trong các ứng dụng cấu trúc, điện tử, điện từ và điện hóa Phương pháp này đã được áp dụng để tổng hợp composite với các loại polymer khác nhau như polymer nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn và polymer có liên kết conjugated Ngoài việc tạo composite, polymer hóa tại chỗ còn được sử dụng để chức năng hóa vật lý CNTs thông qua việc bao bọc polymer, nhằm sử dụng chúng như chất độn hybrid cho nanocomposite.
Tính chất của nanocomposite CNT/polymer
Sự xuất hiện của CNTs trong công nghệ đã mở ra nhiều khả năng điều chỉnh tính chất của nanocomposite CNT/polymer, với những cải thiện đáng kể về điện, nhiệt, điện môi, lưu biến và cơ học so với polymer nguyên chất Tuy nhiên, việc cải thiện một tính chất có thể dẫn đến sự giảm sút của tính chất khác, tạo ra thách thức trong quá trình phát triển Các yếu tố như bản chất của polymer nền, tỷ lệ hình học, chiều dài/đường kính của CNTs, xử lý trước của CNTs, mức độ tải, kỹ thuật xử lý và sự hiện diện của pha phụ đều ảnh hưởng đến tính chất của nanocomposite Phần tiếp theo sẽ tóm tắt các tính chất quan trọng của nanocomposite CNT/polymer.
Với khả năng dẫn điện cao và tỷ lệ hình học thấp, các ống nano carbon (CNTs) đã thúc đẩy nghiên cứu về nanocomposite dẫn điện chứa CNTs Sự kết hợp này tạo ra độ dẫn điện trong polymer, vốn là chất cách điện, nhờ vào sự hình thành mạng lưới dẫn điện 3D trong polymer nhiệt rắn Điều này cho phép electron dễ dàng di chuyển giữa các hạt độn phân tán Ngưỡng thấm (percolation threshold) được xác định là mức độ tải độn tối thiểu cần thiết để hình thành mạng lưới liên tục đầu tiên, tại đó độ dẫn điện của composite tăng mạnh, có thể đạt đến vài bậc độ lớn.
Hình 8 (a) Sơ đồ minh họa sự khác biệt trong hành vi thấm của CNTs so với carbon đen
Độ dẫn điện của nanocomposite SWNT/polycarbonate phụ thuộc vào hàm lượng nanotube, cho thấy hành vi thấm điển hình với các giới hạn thấp cho độ dẫn điện trong các ứng dụng cụ thể Biến đổi độ dẫn điện (σdc) của hỗn hợp dung dịch polystyrene chứa PANIMWCNT nanofiller cũng được phân tích, với phần phụ hiển thị chi tiết về thấm và tỷ lệ Đồ thị độ dẫn điện (σ) theo tỷ lệ MWCNT (vol%) cho composite được trình bày rõ ràng.
PPCP/MWCNTs Phần phụ hiển thị đồ thị log-log của r theo (vc)
Các nanocomposite dẫn điện có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực tùy thuộc vào mức độ dẫn điện đạt được, bao gồm chắn nhiễu điện từ (EMI), lớp phủ dẫn điện trong suốt, sơn tĩnh điện và phân tán tĩnh điện Đặc biệt, composite CNT-polymer nổi bật trong các ứng dụng này.
Dẫn điện được ứng dụng rộng rãi trong bao bì chống tĩnh điện và các thành phần chuyên biệt trong ngành điện tử, ô tô và hàng không vũ trụ.
Mức độ tải độn dẫn điện, hay còn gọi là ngưỡng thấm, cho sự kết hợp giữa nền và độn cụ thể có thể được xác định thông qua việc vẽ đồ thị độ dẫn điện theo hàm số phân chia thể tích giảm của độn Quá trình này bao gồm việc điều chỉnh dữ liệu bằng một hàm số mũ để tính toán chính xác hơn.
Trong nghiên cứu về điện dẫn của composite, σ đại diện cho điện dẫn của vật liệu, σo là điện dẫn đặc trưng, 𝜗 là phân đoạn thể tích của chất độn, 𝜗 𝑐 là phân đoạn thể tích tại ngưỡng percolation, và t là số mũ quan trọng Đồ thị log (σ) so với log (𝜗 − 𝜗 𝑐 ) cho thấy mối quan hệ tuyến tính theo phương trình 10 Trong thực tế, khi mật độ của ma trận polymer và chất độn tương đồng, như với các chất độn hữu cơ như ICPs, CNTs hoặc graphene, phân phần khối lượng và phân phần thể tích của chất độn có thể được coi là giống nhau Ngưỡng percolation có thể xác định thông qua đồ thị log (σ) so với log (v), tìm điểm giao nhau của các đường thẳng tương ứng với các giá trị (β) khác nhau.
Composite CNT/polymer có ngưỡng thấm dẫn điện rất thấp, với composite SWCNT/polymer dao động từ 0.005 vol% đến vài vol%, trong khi composite MWCNT/polymer có ngưỡng thấm lên tới 0.002 vol% Sự kết hợp giữa độ dẫn điện cao của CNT và tỷ lệ khối lượng lớn giải thích cho hiện tượng này Ngưỡng thấm trong nanocomposite CNT/polymer phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự phân tán, căn chỉnh và tỷ lệ chiều dài/đường kính của CNT Tỷ lệ chiều dài/đường kính cao, đạt được khi nanotube được phân tán tốt, sẽ làm giảm ngưỡng thấm Bryning và cộng sự đã chỉ ra rằng ngưỡng thấm nhỏ hơn với nanotube có tỷ lệ chiều dài/đường kính cao trong composite SWCNT/epoxy Hơn nữa, sự căn chỉnh của nanotube trong ma trận polymer cũng ảnh hưởng đáng kể đến ngưỡng thấm, với ít tiếp xúc giữa các ống nanotube trong điều kiện căn chỉnh dẫn đến độ dẫn điện giảm và ngưỡng thấm cao hơn so với khi chúng được sắp xếp ngẫu nhiên.
Mặc dù chức năng hóa thường được cho là làm giảm độ dẫn điện của nanotube do gián đoạn cấu trúc π-conjugation, nhưng một số nghiên cứu cho thấy nó có thể cải thiện đặc tính điện của composite Các tác động tiêu cực của chức năng hóa đối với độ dẫn điện của SWCNT thường được bù đắp bởi sự phân tán tốt hơn, dẫn đến hiệu quả tích cực tổng thể.
Với khả năng dẫn nhiệt xuất sắc của CNTs, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để tích hợp chúng vào các ma trận polymer nhằm nâng cao độ dẫn nhiệt của các composite Độ dẫn nhiệt của nanocomposites CNT/polymer không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng CNTs mà còn liên quan đến trạng thái phân tán, căn chỉnh, tỷ lệ chiều dài/đường kính và sự hiện diện của tạp chất kim loại Biercuk và cộng sự đã chứng minh rằng composite epoxy với 1 wt% SWCNTs có thể tăng độ dẫn nhiệt lên 125% ở nhiệt độ phòng Trong khi đó, Choi và cộng sự ghi nhận sự gia tăng 300% độ dẫn nhiệt với 3 wt% SWCNTs trong epoxy, cùng với 10% tăng thêm khi có căn chỉnh từ tính.
Nghiên cứu về 24 phương pháp thẩm thấu với epoxy và pha giàu nanotube cho thấy sự gia tăng 220% độ dẫn nhiệt khi sử dụng 2.3 wt% SWCNTs Trong các biến thể CNTs như SWCNTs, MWCNTs và DWCNTs trong composite epoxy, MWCNTs được xác định là có khả năng cải thiện đáng kể độ dẫn nhiệt của polymer composite Nguyên nhân chính là do diện tích bề mặt giao diện tương đối thấp, dẫn đến ít sự tán xạ phonon tại giao diện, cùng với sự hiện diện của các lớp trong bảo vệ, giúp nâng cao dẫn nhiệt của phonon và giảm thiểu sự mất mát kết nối ma trận.
CNTs không chỉ cải thiện độ dẫn nhiệt mà còn tăng cường độ ổn định nhiệt của polymer composite nhờ vào khả năng tản nhiệt tốt hơn Những nanocomposite này được xem là ứng cử viên tiềm năng cho nhiều ứng dụng, bao gồm vật liệu giao diện nhiệt, bộ tản nhiệt, bảng mạch in, các kết nối và hệ thống quản lý nhiệt hiệu suất cao.
Các tính chất cơ học vượt trội của CNTs, bao gồm sức mạnh và mô-đun cao, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng để sử dụng làm chất độn trong composite CNT-polymer CNTs đã được đề xuất cho các dây cáp composite trong dự án thang máy vũ trụ của NASA, dẫn đến nhiều nỗ lực nhằm cải thiện tính chất cơ học của nanocomposites Mô đun kéo và sức mạnh kéo của nanocomposite CNT-polymer thường tăng khi nạp nanotube, nhưng sức mạnh kéo không tăng đều do các vấn đề như tái kết tụ CNTs, tích tụ độ nhớt và phân tán kém Việc tối ưu hóa nạp CNTs và khắc phục các yếu tố tiêu cực là rất quan trọng để đạt được composite với tính chất cơ học tốt Ngoài ra, sự khác biệt giữa các dự đoán lý thuyết và kết quả thực nghiệm có thể xuất phát từ các vấn đề như lỗ rỗng, thiếu định hướng hoàn hảo và sự truyền tải tải trọng không đủ do thiếu liên kết bề mặt.
Hình 9 trình bày đồ thị mô phỏng độ căng-giãn của sợi composite SWNT-nylon-6 với các mức độ nạp SWCNT khác nhau (a), đồng thời thể hiện sức mạnh kéo và mô đun kéo của nanocomposite epoxy chứa các % nạp CNTs tinh khiết (p-CNT) và CNTs chức amino (CNT-NH2) (b, c) Ngoài ra, đường cong căng-giãn điển hình cho các tấm sợi nanofiber PAN terpolymer được điện ly và nạp MWCNTs đã graft cũng được mô tả, với các tỷ lệ nạp 2 wt% và kéo nóng khác nhau (d) Tất cả hình ảnh đều được tái bản với sự cho phép của ACS.
Sự kết tụ của nanotube làm giảm mô đun so với các nanotube tách rời do lực phân tán yếu giữa chúng Nghiên cứu của Liao et al chỉ ra rằng khi không có liên kết nguyên tử giữa nanotube và ma trận, có hai nguồn lực dính kết chính: tương tác tĩnh điện và van der Waals, cùng với ứng suất do sự khác biệt trong hệ số giãn nở nhiệt Các nhóm chức trên bề mặt nanotube cải thiện sự tương thích với ma trận polymer, giúp truyền tải tải trọng hiệu quả hơn và nâng cao các tính chất cơ học, với sự gia tăng 153% và 103% trong mô đun Young và độ bền kéo Việc căn chỉnh CNTs cũng rất quan trọng, với các composite căn chỉnh thể hiện độ bền và mô đun tốt hơn so với các composite căn chỉnh ngẫu nhiên Mặc dù có ưu và nhược điểm, các composite CNTs nhẹ nhưng bền vẫn được coi là vật liệu hứa hẹn cho các ứng dụng cấu trúc như trang phục chống đạn, áo giáp, và linh kiện máy bay hoặc ô tô.
