BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------

TRẦN THỊ MAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỬ NGHIỆM GIA TỐC
THỜI TIẾT TỚI ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
NANOCOMPOZIT POLYOXYMETHYLEN (POM)/SILICA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------

TRẦN THỊ MAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỬ NGHIỆM GIA TỐC
THỜI TIẾT TỚI ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
NANOCOMPOZIT POLYOXYMETHYLEN (POM)/SILICA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. ĐẶNG THỊ THANH LÊ

2. GS. TS. THÁI HOÀNG

HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành tốt luận văn Thạc sĩ, trước tiên em xin gửi lời cám ơn
chân thành tới tồn thể các thầy cơ giáo trong Phịng thí nghiệm nghiên cứu phát triển
và ứng dụng cảm biến nano, cũng như tồn thể các thầy cơ trong Viện Đào tạo Quốc
tế về Khoa học vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đặng Thị Thanh Lê và GS. TS. Thái
Hồng là những người đã hết lịng giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện
tốt nhất để em hoàn thành luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các
anh, chị trong Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt
Nam đã tận tình giúp đỡ và trực tiếp chỉ bảo cho em trong suốt q trình học tập
nghiên cứu và cho đến khi hồn thành luận văn này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và những
thân đã động viên, hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt q trình học tập, nghiên cứu
và hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2018

Học viên

Trần Thị Mai


LỜI CAM ĐOAN


Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là do tôi tự phân tích một cách trung thực,
khách quan và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.

Học viên Cao học

Trần Thị Mai

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 7
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 12
1.1.

Vật liệu nanocompozit ................................................................................. 12

1.2.

Polyoxymetylen ........................................................................................... 14

1.2.1.

Tính chất của POM ............................................................................... 14


1.2.2.

Ứng dụng của POM .............................................................................. 15

1.2.3. Các đặc trưng, tính chất, hình thái, cấu trúc của POM và vật liệu tổ
hợp trên cơ sở POM chế tạo bằng các phương pháp khác nhau ....................... 17
1.3.

Nanosilica (NS) ........................................................................................... 22

1.3.1.

Giới thiệu về silica ................................................................................ 22

1.3.2.

Tính chất vật lý và hóa học của silica .................................................. 23

1.3.3.

Ứng dụng của silica .............................................................................. 26

1.4.

Tình hình nghiên cứu vật liệu nanocompozit polyme/silica ....................... 26

1.4.1.

Phương pháp trộn nóng chảy ............................................................... 26


1.4.2.

Phương pháp trộn trong dung dịch ..................................................... 27

1.4.3.

Phương pháp sol-gel ............................................................................. 28

1.5.

Tình hình nghiên cứu vật liệu nanocompozit trên cơ sở POM và silica ..... 29

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................. 33
2.1.

Nguyên liệu và hóa chất .............................................................................. 33

2.2.

Chế tạo vật liệu nanocompozit POM/NS .................................................... 33

2.3.

Thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết ................................................... 33

2.4.

Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu ..................................................... 34


2.4.1.

Đặc trưng chảy nhớt ............................................................................. 34

2.4.2.

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ............................................. 35

3


2.4.3.

Xác định tính chất cơ học ..................................................................... 35

2.4.4.

Phân tích nhiệt ...................................................................................... 36

2.4.5.

Xác định các tính chất điện và điện mơi của vật liệu. .......................... 37

2.4.6.

Hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................... 37

2.4.7.

Xác định độ bền thời tiết của vật liệu ................................................... 37


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 38
3.1.

Độ nhớt chảy tương đối của vật liệu nanocompozit POM/NS .................... 38

3.2.

Tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit POM/NS ............................... 39

3.2.1.

Độ bền kéo đứt ....................................................................................... 39

3.2.2.

Mô đun đàn hồi ...................................................................................... 40

3.2.3.

Độ giãn dài khi đứt ................................................................................ 41

3.3.

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ..................................................... 42

3.4.

Tính chất nhiệt của vật liệu nanocompozit POM/NS .................................. 44


3.5.

Tính chất điện của vật liệu nanocompozit POM/NS ................................... 48

3.5.1.

Hằng số điện mơi .................................................................................. 48

3.5.2.

Tang góc tổn hao điện mơi ................................................................... 50

3.5.3.

Điện trở suất khối ................................................................................. 50

3.6.

Hình thái cấu trúc vật liệu nanocompozit POM/NS ..................................... 50

3.7.

Độ bền thời tiết của vật liệu nanocompozit POM/NS ................................. 52

3.7.1.

Phổ hồng ngoại (FTIR) ......................................................................... 52

3.7.2.


Tính chất cơ học.................................................................................... 55

3.7.3.

Tính chất điện ....................................................................................... 58

3.7.4.

Hình thái cấu trúc ................................................................................. 61

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 64
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ............................................................. 70
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 71

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên đầy đủ

CF

Sợi các bon

DSC

Nhiệt lượng quét vi sai


EVA

Copolyme etylen - vinyl axetat

FESEM

Hiển vi điện tử quét phát xạ trường

FTIR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

MFR

Chỉ số chảy

NS

Nanosilica

MFI

Chỉ số chảy

PEO

Polyetylen ơxít

POM


Polyoxymetylen

PP

Polypropylen

PS

Polystyren

PU

Polyurethan

Tbđ

Nhiệt độ bắt đầu phân hủy

Tcđ

Nhiệt độ phân hủy cực đại

TGA

Phân tích nhiệt trọng lượng

TPU

Polyuretan nhiệt dẻo


tgδ

Tang góc tổn hao điện mơi

UV

Tia tử ngoại

ε

Hằng số điện môi

σ

Độ bền kéo đứt

v

Điện trở suất khối

5


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các tính chất của một homopolyme acetal . .............................................15
Bảng 1.2. Tính chất của gel khí (aerogel) so với thủy tinh và khơng khí ................24
Bảng 1.3. Đặc trưng kỹ thuật của một số loại silica khói ........................................24
Bảng 1.4. Đặc trưng kỹ thuật một số loại silica kết tủa ...........................................25

Bảng 2.1. Kí hiệu các mẫu nanocompozit POM/NS.................................................33
Bảng 3.1. Momen xoắn ổn định của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS ......39
Bảng 3.2. Các đỉnh tương ứng với các nhóm chức của POM và vật liệu nanocompozit
POM/NS (hàm lượng NS 0,5 % - 2 %) trên phổ FTIR ............................................44
Bảng 3.3. Các đặc trưng DSC và độ kết tinh (χc) của POM và vật liệu nanocompozit
POM/NS có các hàm lượng NS khác nhau ...............................................................45
Bảng 3.4. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy, nhiệt độ ở đó tốc độ phân hủy mẫu cực đại,
khối lượng mẫu còn lại của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS ở các nhiệt độ
khác nhau...................................................................................................................47
Bảng 3.5. Các thông số điện môi của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS .....50
Bảng 3.6. Chỉ số cacbonyl CI (A1735/A2800) của POM và vật liệu nanocompozit
POM/NS trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết...................................................55
Bảng 3.7. Tính chất cơ học của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS trước và sau
khi thử nghiệm gia tốc thời tiết .................................................................................56
Bảng 3.8. Hệ số lão hóa của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS sau thử nghiệm
gia tốc thời tiết...........................................................................................................57
Bảng 3.9. Các thông số điện môi của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS với
các hàm lượng NS khác nhau sau thử nghiệm gia tốc thời tiết .................................60

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Mơ đun đàn hồi của vật liệu nanocompozit POM/ZnO71 và POM/ZnO250
với các hàm lượng ZnO khác nhau . .........................................................................20
Hình 1.2. Độ dãn dài khi đứt vật liệu nanocompozit POM/ZnO71 và POM/ZnO250
với các hàm lượng ZnO khác nhau . .........................................................................20
Hình 1.3. Các dạng thù hình của silic điơxít .............................................................22
Hình 1.4. Các dạng liên kết của nhóm Si-O trên bề mặt silica và sự kết tụ các hạt

silica ..........................................................................................................................23
Hình 1.5. Độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi của vật liệu compozit POM với các hàm
lượng sợi các bon và silica khác nhau . .....................................................................30
Hình 1.6. Hình thái cấu trúc tại bề mặt đứt gãy của compozit POM/CF với (a) 1 %
SiO2, (b) 3 % SiO2 và 5% SiO2 . ...............................................................................31
Hình 2.1. Thiết bị trộn nội Polylab System Haake (Đức) .........................................34
Hình 2.2. Thiết bị ghi phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ)........................................35
Hình 2.3. Thiết bị đo cơ lí đa năng Zwick (CHLB Đức) ..........................................36
Hình 2.4. Mẫu đo tính chất cơ học của vật liệu ........................................................36
Hình 3.1. Giản đồ momen xoắn – thời gian trộn của POM và vật liệu nanocompozit
POM/NS. ...................................................................................................................38
Hình 3.2. Độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi của POM và vật liệu nanocompozit
POM/NS với các hàm lượng NS khác nhau..............................................................40
Hình 3.3. Độ giãn dài khi đứt của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS. .........41
Hình 3.4. Phổ FTIR của POM, NS và vật liệu nanocompozit POM/NS có các hàm
lượng NS khác nhau. .................................................................................................43
Hình 3.5. Mơ hình liên kết hyđrơ giữa nhóm C = O của POM và nhóm O – H của NS.
...................................................................................................................................44
Hình 3.6. Giản đồ DSC của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS với hàm lượng
khác nhau của NS. .....................................................................................................45
Hình 3.7. Giản đồ TGA của POM và nanocompozit POM/NS. ...............................46

7


Hình 3.8. Giản đồ DrTGA của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS. ..............46
Hình 3.9. Minh họa quá trình phân hủy đại phân tử POM . .....................................48
Hình 3.10. Hằng số điện môi của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS với các
hàm lượng NS khác nhau. .........................................................................................49
Hình 3.11. Ảnh FESEM của POM (a), vật liệu nanocompoozit POM/0,5% NS (b),

POM/1,5% NS (c), POM/2% NS (d). .........................................................................51
Hình 3.12. Phổ FTIR của POM và vật liệu nanocompozit POM/NS sau thử nghiệm gia tốc
thời tiết........................................................................................................................52
Hình 3.13. Các phản ứng phân hủy ơxy hóa quang đại phân tử POM . ...................53
Hình 3.14. Phổ FTIR của POM (trên) và vật liệu nanocompozit POM/1,5NS (dưới)
trước và sau thử nghiệm gia tốc thời tiết. ....................................................................54
Hình 3.15. Hằng số điện mơi (a) và tang góc tổn hao điện mơi (b) của POM và vật
liệu nanocompozit POM/NS sau thử nghiệm gia tốc thời tiết. .................................59
Hình 3.16. Ảnh SEM của POM (a), vật liệu nanocompozit POM/NS: 1% NS (b), 1.5%
NS (c) và 2% NS (d) sau thử nghiệm gia tốc thời tiết. ...............................................61

8


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Sự ra đời của vật liệu compozit là một cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay
thế cho vật liệu truyền thống trong khoa học kỹ thuật với những ưu điểm như nhẹ,
chắc, bền, khơng gỉ, chịu hóa chất, chịu thời tiết… Cùng với sự phát triển của công
nghệ polyme, vật liệu compozit đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công
nghiệp và đời sống như: vật liệu gia đình, trang trí nội thất, ngoại thất, tượng đài, bể
bơi, tấm lợp, vỏ ô tô, tàu thủy, xe lửa, máy bay, cấu kiện điện tử, cấu kiện cho các
ngành hàng không vũ trụ…Trong những thập kỷ gần đây, polyme là một loại vật liệu
thay thế cho các vật liệu truyền thống khác, nó có nhiều ứng dụng khác nhau và là
vật liệu đầy hứa hẹn trong tương lai. Việc nghiên cứu và chế tạo thành công nhiều
loại vật liệu polyme nanocompozit với chất gia cường có kích thước nanomet (nm)
mang nhiều tính chất nổi trội đã mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực khoa học
và công nghệ vật liệu…
Mặc dù mới ra đời và bắt đầu phát triển cách đây không lâu, song vật liệu
polyme nanocompozit đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế

giới. Các chất gia cường kích thước nano được sử dụng phổ biến hiện nay là khoáng
sét nano, ống nano các bon, các ơxít có kích thước nano, sợi thủy tinh nano, muội các
bon, sợi nano các bít, nano CdS, PbS…Trong số các chất vơ cơ có cấu trúc và kích
thước nanomét, nanosilica (NS) là một loại chất gia cường phổ biến và quan trọng.
Với nhiều tính chất nổi bật của nanosilica như bền nhiệt, bền cơ học, hệ số dãn nở
nhiệt nhỏ, có các nhóm silanol trên bề mặt có khả năng tạo các liên kết và tương tác
với nền polyme, vật liệu nanocompozit polyme/silica đã và đang thu hút sự quan tâm
nghiên cứu của các nhà khoa học trên trong nước và thế giới [12, 38, 41-42, 50-52].
Polyoxymetylen (POM) là một trong những polyme kỹ thuật quan trọng nhất.
Nó có tính chất cơ học, độ cứng tốt, chống ăn mịn tốt, tự bôi trơn và ma sát, độ bền
nhiệt cao, độ bền cơ học và cách điện tốt được sử dụng trong ngành cơng nghiệp máy
móc (sản xuất bánh răng, lị xo, trụ, bánh xe, thanh truyền...); ngành cơng nghiệp ô tô;
thiết bị điện, điện tử... Tuy vậy POM vẫn còn một số nhược điểm như khả năng kháng

9


axít kém, khả năng chống chịu thời tiết khơng tốt, đặc biệt là chống lại tia UV, khó
gắn keo và khó sơn. Để khắc phục những nhược điểm trên của POM, một số chất gia
cường có kích thước nano đã được đưa vào nhựa POM. Nghiên cứu sử dụng các hạt
nanosilica là một giải pháp mới, có thể nâng cao hơn nữa tính chất cơ học, độ bền của
nhựa POM nhờ kích thước nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn của các hạt nano. Các
hạt nanosilica có thể phân tán sâu vào bên trong polyme để tăng khả năng gia cường
và tạo thành vật liệu mới có các đặc trưng, tính chất nổi trội hơn so với vật liệu polyme
ban đầu. Trong đó, hiệu ứng che chắn của nanosilica trong POM được phát huy, hạn
chế tác động của tia UV, ozon, các yếu tố thời tiết, môi trường...
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chất, hình thái, cấu trúc, độ bền của vật liệu
nanocompozit POM/silica trong các môi trường khác nhau, trong đó có độ bền thời
tiết vẫn chưa được nghiên cứu và cơng bố. Vì vậy, học viên lựa chọn thực hiện đề tài
luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết tới

đặc trưng, tính chất của vật liệu nanocompozit polyoxymetylen (POM)/silica”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Chế tạo thành công vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica, đồng thời đánh
giá được ảnh hưởng của các yếu tố thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết đến
sự biến đổi của một số đặc trưng, tính chất của vật liệu nanocompozit
polyoxymetylen/silica.

-

Đánh giá được vai trò của nanosilica trong việc cải thiện một số tính chất, đặc biệt
là độ bền thời tiết của POM.

3. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, đánh giá các tính chất hóa lý và hình thái cấu trúc của vật liệu
nanocompozit polyoxymetylen/silica.
5. Nội dung nghiên cứu

10


-

Chế tạo vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica bằng phương pháp trộn
nóng chảy.

-


Xác định khả năng chảy nhớt của vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica

-

Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica
trước và sau khi thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết.

-

Nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica trước
và sau khi thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết.

-

Nghiên cứu tính chất điện và điện mơi của vật liệu nanocompozit
polyoxymetylen/silica trước và sau khi thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết.

-

Nghiên cứu hình thái cấu trúc (SEM) của vật liệu nanocompozit
polyoxymetylen/silica trước và sau khi thử nghiệm gia tốc (tăng cường) thời tiết.

6. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp chế tạo: Phương pháp trộn nóng chảy.

-


Phương pháp phân tích: Ghi giản đồ mơmen xoắn, phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier (FTIR), xác định tính chất cơ học, phân tích nhiệt khối lượng (TGA), nhiệt
lượng quét vi sai (DSC), xác định tính chất điện và điện mơi, hiển vi điện tử quét
trường phát xạ (FESEM),

7. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới
-

Chế tạo thành cơng vật liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica bằng phương
pháp trộn nóng chảy.

-

Đánh giá được vai trị của nanosilica trong việc cải thiện một số tính chất như:
tính chất cơ, tính chất nhiệt, tính chất điện và cải thiện độ bền thời tiết của vật liệu
nanocompozit polyoxymetylen/silica. Đồng thời, đánh giá được ảnh hưởng của
các yếu tố thời tiết (độ ẩm, tia tử ngoại) đến tính chất, hình thái cấu trúc của vật
liệu nanocompozit polyoxymetylen/silica.

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Vật liệu nanocompozit
Vật liệu compozit hay compozit là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều loại

vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn so với các vật liệu thành
phần ban đầu.

Những thành phần của vật liệu compozit bao gồm: Thứ nhất, thành phần cốt
(các sợi, hạt …) nhằm đảm bảo compozit có những tính năng cơ học cần thiết. Thứ
hai, thành phần nền kết dính nhằm đảm bảo cho sự liên kết và làm hài hòa giữa các
thành phần của compozit với nhau. Khả năng khai thác của vật liệu compozit phụ
thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa của các thành phần, cấu trúc phân bố của vật
liệu cốt cũng như độ bền vững liên kết giữa nền và cốt. Thông thường, thành phần
cốt đảm bảo cho vật liệu compozit có độ cứng, độ bền cơ học cao. Cịn chất liệu nền
khơng những đảm bảo cho các thành phần compozit liên kết hài hòa với nhau đảm
bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra kết cấu compozit phân bố lại chịu tải khi một
phần cốt đã bị đứt gãy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu mà chất liệu nền cũng
chịu một phần lớn khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn của vật liệu và cũng chính vật
liệu nền là cơ sở để xác định phương thức cơng nghệ chế tạo sản phẩm. Ngồi hai
thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu compozit cịn có các phụ gia khác như chất
xúc tác, chất xúc tiến, chất tạo màu … Vật liệu compozit có nhiều tính năng tốt như
nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt, chịu hóa chất và giá thành phù hợp nên được sử
dụng rộng rãi. Hầu hết, vật liệu compozit được ứng dụng trong các lĩnh vực như giao
thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, y tế, hàng không, vũ trụ …
Vật liệu nanocompozit là compozit với vật liệu gia cường có kích thước
nanomét. Tính chất đặc biệt của loại vật liệu này là sự kết hợp thành cơng các tính
chất riêng nổi trội của mỗi vật liệu riêng rẽ trong hiệu ứng kích thước lượng tử. Khi
phân tán đều vật liệu nano trong vật liệu nền, chúng sẽ tạo ra diện tích tương tác
khổng lồ giữa các tiểu phân nano với vật liệu nền cho hiệu ứng bề mặt lớn (diện tích
này có thể đạt đến 700 m2/g trong trường hợp chất gia cường là nanoclay). Khi đó

12


khoảng cách giữa các phân tử nano sẽ tương đương với kích thước của chúng và tạo
ra những tương tác hồn tồn khác các bột độn gia cường kích thước micromét
truyền thống. Khi trộn trong polyme, vật liệu nano cho các tính chất đặc biệt khác

với khi trộn các hạt thơng thường, nó làm tăng độ bền ứng suất nhưng vẫn duy trì
được độ dẻo. Điều này có được là do hạt độn nano làm giảm đáng kể các khuyết tật
trong vật liệu so với hạt độn thông thường [1, 2].
Vật liệu polyme nanocompozit
Vật liệu polyme compozit và vật liệu polyme nanocompozit (PNC) là sự kết
hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau với thành phần chính là nền polyme và vật
liệu gia cường ở dạng hạt, dạng sợi hoặc dạng lớp, ngồi ra cịn có chất đóng rắn, hoá
dẻo, chất độn và chất màu nếu cần.
- Pha nền polyme: là chất kết dính (pha liên tục) có nhiệm vụ bao bọc, liên kết và
chuyển ứng suất tập trung cho vật liệu gia cường. Polyme nền có thể là nhựa nhiệt
rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo:
+ Nhựa nhiệt ẻo: PE, PP, PA, PS, BS, PVC… thường được chế tạo ở trạng thái nóng
chảy.
+ Nhựa nhiệt rắn: polyuretan, epoxy, polyeste khơng no... thường có thể tiến hành
chế tạo bằng tay ở điều kiện thường.
- Pha gia cường được trộn vào nền polyme, đóng vai trị chịu ứng suất tập trung, làm
tăng độ bền của vật liệu. Cấu trúc ban đầu của cốt, hàm lượng cốt, hình dạng kích
thước cốt, tương tác giữa cốt tăng cường và nhựa nền, độ bền mối liên kết giữa chúng
ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu và quyết định khả năng chế tạo của vật liệu.
Polyme compozit là vật liệu quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,
từ lĩnh vực yêu cầu cao như máy bay, tàu vũ trụ đến những ứng dụng thông thường
trong cuộc sống hàng ngày. Trong những năm gần đây, những tính chất tối ưu của vật
liệu compozit sử dụng chất gia cường với kích thước micro đã đạt đến mức tới hạn
do tính chất của compozit ln là sự hài hồ của các tính chất riêng biệt. Thêm vào
đó những khuyết tật kích thước micro ln tồn tại do chất độn chiếm phần thể tích rất
lớn trong vật liệu dẫn đến làm giảm tính chất của compozit [1]. Chất gia cường kích
cỡ nano đang ngày càng được sử dụng nhiều trong vật liệu compozit.
13



Một trong những hạn chế trong chế tạo nanocompozit là sự phân tán chất gia
cường. Nếu không phân tán và phân bố chất gia cường tốt thì diện tích bề mặt bị thu
hẹp, và sinh ra các khối kết tụ có thể trở thành khuyết tật trong pha nền, làm hạn chế
các tính chất của vật liệu
1.2.

Polyoxymetylen
Polyoxymetylen (POM) cịn được gọi là polyacetal hoặc polyformaldehyde,

là một loại vật liệu polyme bán tinh thể và nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật. POM có hai dạng
chính là homopolyme và copolyme.
1.2.1. Tính chất của POM
POM là một loại vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, hệ số ma sát rất thấp. Tuy
nhiên, nó là polyme dễ bị phân hủy bởi xúc tác axit. POM có khối lượng riêng là ρ =
1,410-1,420 g/cm3. Nhựa POM được phân thành hai dạng điển hình là: homopolyme
(polyme đồng nhất) và copolyme (polyme đồng trùng hợp). Nhựa POM là một polyme
bán tinh thể (75–85% tinh thể), có nhiệt độ nóng chảy là 175C (homopolyme). Các
copolyme POM có điểm nóng chảy thấp hơn. Homopolyme có độ bền cao, độ bền mỏi
rất tốt nhưng không dễ gia công. Copolyme có tính ổn định nhiệt, độ bền hóa chất tốt
và dễ gia công. POM là loại vật liệu nhiệt dẻo có tính đàn hồi và ở nhiệt độ thấp vẫn
có những đặc tính tốt như kháng va đập hình học rất tốt, độ cứng cao. POM là vật liệu
không dễ hấp thụ nước nhưng vì độ kết tinh khá cao nên POM có tỉ lệ co rút (shrinkage)
khá cao, có thể đạt đến 2 ~ 3.5 % [36]. Một số tính chất điển hình của homopolyme
POM được trình bày trong bảng 1.1.
POM dễ bị ảnh hưởng bởi q trình ơxy hóa, do đó các chất chống ơxy hóa
thường được đưa vào POM trong q trình đúc vật liệu.
Ngồi ra, các tính chất vật lý của POM có thể được thay đổi bằng việc bổ sung
các chất tương hợp, chẳng hạn như polyme nhiệt dẻo polyurethane. Polyme (ví dụ như
PU) với các mức độ trùng hợp trong khoảng 100-300 là chất rắn giịn. Có thể thay đổi
mức độ trùng hợp bằng cách bổ sung thêm các chất phụ gia thích hợp. Việc phối hợp

với các polyme nhiệt dẻo khác có thể cải thiện các tính chất dịng nóng chảy (Melt
flow properties) của POM.
14


Bảng 1.1 Các tính chất của một homopolyme acetal [8, 36].
Tính chất

Giá trị

Đơn vị

Khối lượng riêng

1,42

g/cm3

Hấp thụ nước ở 23 °C

0,9

%

Môđun kéo

31,200

MPa


Độ giãn dài

75

%

Môđun uốn

2,890

MPa

Nhiệt dung (25 °C)

1,42

Jkg-1K-1

Độ dẫn nhiệt

0,04

W m-1K-1

Nhiệt độ phân hủy

428

°C


Nhiệt độ nóng chảy

178

°C

 Ưu điểm của POM
 Chịu mài mòn cao
 Hệ số ma sát thấp
 Khả năng chịu nhiệt cao
 Tính dẫn điện và điện môi tốt
 Hấp thụ nước thấp
 Khuyết điểm của POM
 Kém bền với ánh sáng, đặc biệt là tia tử ngoại (UV)
 Khó sơn và khó dính keo
 Dễ cháy
1.2.2. Ứng dụng của POM
POM là một nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật có các tính chất cơ học và kháng hóa chất
tuyệt vời. POM thường được dùng làm các chi tiết, bộ phận chính xác địi hỏi có độ

15


cứng cao, ma sát thấp và ổn định kích thước. POM được sử dụng nhiều để làm bánh
răng, vòng bi, dây chuyền, ốc vít, các bộ phận của máy móc … ứng dụng trong các
ngành công nghiệp như ô tô, máy xây dựng, điện và điện tử … do nó có ma sát thấp
và khả năng kháng hóa chất, dung mơi và nhiên liệu ở nhiệt độ phịng. Các loại POM
với chỉ số chảy (MFI) thấp (ví dụ: POM MFI = 2,5g/10phút) được dùng để sản xuất
các vật liệu xây dựng có độ dày thấp và hình dạng khơng phức tạp [21-22, 36]. Với
các loại POM có MFI trên 9g/10phút và cao hơn thích hợp cho việc sản xuất các chi

tiết, bộ phận chính xác.
Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền POM và các chất phụ gia có kích nano cũng đã
và đang được nghiên cứu, chế tạo. Đây là những vật liệu duy trì được các đặc tính nổi
trội của POM và có thêm những đặc tính mới hoặc khắc phục được những hạn chế
của POM thông qua việc thêm vào các chất độn nano hoặc vi cầu để đáp ứng nhu cầu
của sản phẩm [5, 7, 16, 39, 44, 48-50].
Do vật liệu tổ hợp của POM với các chất phụ gia thường có độ bền cơ học tăng
lên và ổn định nhiệt hơn so với nhựa nền POM. Vì vậy, vật liệu tổ hợp được sử dụng
rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và kỹ thuật. Trên cơ sở đó, một số chất
phụ gia, polyme khác đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng nhằm cải thiện một số
tính chất của POM để phù hợp với ứng dụng thực tế như:


Điều chỉnh độ bền va đập (với việc thêm polyurethane) [8]



Điều chỉnh độ cứng và độ rắn (hợp chất silicon) [23, 38]



Sợi thủy tinh hoặc bóng [38, 44, 48]

Các biến đổi hóa học và vật lý đều không ảnh hưởng xấu đến khả năng tạo màu
của POM. Do đó, sản phẩm từ POM với nhiều màu sắc khác nhau đã được thương mại
hóa. Các chất tạo màu thường phải trơ trong điều kiện gia công polyme để khơng làm
ảnh hưởng đến q trình cân bằng nhiệt động (thermodynamic equilibrium process) và
tránh làm suy giảm tính chất của POM. Các vật liệu POM được tạo màu có thể được
ứng dụng trong các sản phẩm mà ngồi những đặc tính nổi trội về tính chất thì tính
thẩm mỹ cũng đóng vai trị quan trọng. Ví dụ như POM hay vật liệu nanocompozit của

POM có thể được sử dụng như thành phần cấu trúc của máy bay và tàu lượn, các sản

16


phẩm trong ngành công nghiệp xây dựng và nội thất như đồ nội thất, vật liệu lợp, nhà
kính, hồ bơi, bồn tắm hoặc các sản phẩm vệ sinh khác.
Nhựa POM được sử dụng trong công nghệ y tế chủ yếu để sản xuất thiết bị y tế
cơ bản, thường là vật liệu thay thế cho kim loại. Độ bám dính của tạp chất vào POM
thấp bởi vật liệu tạo điều kiện cho việc duy trì độ sạch của thiết bị. Hơn nữa, các tính
chất cơ học tuyệt vời của POM cho phép sản xuất các thành phần thiết bị y tế chịu tải
trọng nặng.
Hiện nay, trong lĩnh vực y tế, POM được ứng dụng làm nguyên liệu để sản xuất
khung chỉnh răng [30]. Các thiết bị, máy móc thường có trọng lượng lớn, nên vật liệu
để chế tạo các chi tiết máy thường địi hỏi phải có đủ sức bền. Do đó, kim loại và gốm
là những vật liệu thường được dùng nhiều nhất để chế tạo các thiết bị, chi tiết máy...
Tuy nhiên, ở khía cạnh thẩm mỹ của các thiết bị chỉnh hình răng, đặc biệt là với những
bệnh nhân là người lớn, điều này đang ngày một trở nên quan trọng. Thành phần kim
loại có tính thẩm mỹ không cao, trong khi các sản phẩm gốm sứ lại gây trầy xước và
mài mòn men răng, đặc biệt trong một số trường hợp có thể làm phá vỡ men răng. Một
giải pháp lý tưởng sẽ là ứng dụng thành phần làm từ POM. Theo đó, các thành phần
này vừa có độ bền cơ học cần thiết, vừa có thể dễ dàng tạo màu, đây là điều kiện cần
thiết để đáp ứng các yêu cầu thẩm mỹ.
1.2.3. Các đặc trưng, tính chất, hình thái, cấu trúc của POM và vật liệu tổ hợp
trên cơ sở POM chế tạo bằng các phương pháp khác nhau
Djurner và Kubdt [11] đã chế tạo các thanh POM bằng phương pháp ép phun
các hạt POM ở trạng thái nóng chảy với áp suất phun lớn, 100 – 500 MPa. Kết quả
thu được cho thấy các tính chất của thanh POM khơng thay đổi nhiều, ngoại trừ có
sự tăng lên của độ giãn dài khi đứt từ 65% tại áp suất phun 100 MPa lên 250% tại áp
suất phun 500 MPa.

Quy trình 3 giai đoạn (trộn nóng chảy/ủ/kéo dãn một chiều) để sản xuất màng
POM vi xốp đã được Johnson và Wilkes sử dụng [21-22]. Các tác giả đã thử nghiệm
3 loại nhựa POM khác nhau với trọng lượng phân tử khối trung bình và độ đa phân
tán khác nhau. Các tác giả đã thu được các hình thái bản mỏng của POM xếp chồng
17


lên nhau (các mặt phẳng hoặc xoắn). Định hướng của màng POM phụ thuộc cả vào
đặc tính của nhựa POM và điều kiện nóng chảy POM.
Shibing và Qi [35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ phun đến hình thái,
trạng thái kết tinh và các tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp POM/polyetylen ơxít
(POM/PEO) chế tạo bằng phương pháp ép phun tổ hợp nhựa POM và PEO ở trạng
thái nóng chảy. Các tác giả nhận thấy rằng, khi tăng tốc độ phun, kích thước của pha
PEO giảm và vị trí của PEO thay đổi từ vùng vơ định hình giữa tinh thể hình cầu
POM đến khu vực giữa các sợi bản mỏng tinh thể hoặc giữa các tinh thể bản mỏng
trong POM. Điều này giúp ngăn ngừa hiện tượng nứt gãy vật liệu và tăng hấp thụ
năng lượng va đập của vật liệu. Trong đó, độ bền va đập của vật liệu tổ hợp tăng từ
7,8 đến 11,3 kJ/m2.
Suchalinee và các cộng sự [40] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ phun
lên hình thái và tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp POM/polylactic axít (PLA). Kết
quả thu được cho thấy với tốc độ phun là 50 mm/s, tính chất cơ học của POM/PLA
tăng khi giảm hàm lượng POM. Ở hàm lượng 20% POM, tính chất cơ học của vật
liệu tổ hợp POM/PLA giảm rõ ràng do sự phân bố không đều của POM và PLA. Sự
phân bố của pha POM có xu hướng mở rộng khi tốc độ phun tăng từ 100 đến 300
mm/s. Sự mở rộng vùng phân bố của pha POM có ảnh hưởng đến sự cải thiện tính
chất cơ học của vật liệu tổ hợp. Mô đun kéo của vật liệu tổ hợp POM/PLA ở hàm
lượng 20% POM tăng từ 2,8 GPa đến 3,0 GPa. Trong khi độ bền kéo đứt của vật liệu
tổ hợp tăng từ 50,5 MPa đến 55 MPa. Như vây, tốc độ phun cao có thể tăng cường
sự phân bố pha và tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp ở hàm lượng POM thấp nhưng
không ảnh hưởng nhiều khi hàm lượng POM trên 40%.

Palanivelu và các cộng sự [27] đã sử dụng máy đùn hai trục vít để trộn đùn
nóng chảy 2 polyme POM và TPU khi chế tạo vật liệu tổ hợp POM/TPU ở 4 hàm
lượng POM khác nhau (60, 70, 80 và 90%). Các tác giả nhận thấy độ bền kéo đứt, độ
bền uốn và độ võng nhiệt của vật liệu tổ hợp giảm khi tăng hàm lượng TPU. Trong
khi độ bền va đập của vật liệu tổ hợp POM/TPU tăng lên đáng kể. Pielichowski and
Leszczyńska cũng đã chế tạo một loạt vật liệu tổ hợp POM/TPU với các hàm lượng

18


TPU khác nhau. Kết quả thu được cho thấy enthalpy nóng chảy của tổ hợp giảm dần
khi tăng dần hàm lượng TPU. Ngược lại, độ giãn dài khi đứt của vật liệu tổ hợp
POM/TPU tăng khi hàm lượng TPU trong tổ hợp tăng [32].
Nhựa POM [36] và vật liệu nanocompozit của POM với hyđrôxyapatit (HAp)
đã được nghiên cứu làm vật liệu cấy ghép xương [31]. Nền polyme POM cung cấp
các đặc tính cơ học cần thiết cho vật liệu cấy ghép xương, trong khi thành phần
khoáng như HAp được sử dụng như khung xương, đồng thời nó góp phần tăng khả
năng tương hợp sinh học của vật liệu cấy ghép xương với cơ thể con người. Công
nghệ đùn hai trục vít đã được áp dụng để chế tạo vật liệu nanocomposit POM với
hyđrôxyapatit (HAp) dùng làm vật liệu cấy ghép xương [29-31]. Trong quá trình chế
tạo vật liệu nanocompozit POM/HAp, nồng độ của formandehit thoát ra tăng theo
hàm lượng HAp. Từ kết quả phân tích DSC, nhóm tác giả thấy rằng độ kết tinh của
vật liệu POM/HAp với hàm lượng 0,5% HAp tăng lên nhưng bắt đầu giảm xuống ở
các mẫu có hàm lượng HAp lớn hơn 1%. Mơ đun đàn hồi của vật liệu POM/HAp
tăng lên khi hàm lượng HAp tăng dần, trong khi đó độ giãn dài khi đứt lại có xu
hướng giảm dần. Kết quả phân tích TG cũng chỉ ra rằng, độ bền nhiệt của vật liệu
POM/HAp tăng nhẹ so với POM. Tuy nhiên, ở các hàm lượng HAp lớn như 5 và
10%, độ bền nhiệt bắt đầu suy giảm, vật liệu trở nên kém bền nhiệt hơn so với POM
[31].
Sirirat Wacharawichanant và các đồng nghiệp đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của

kích thước hạt ZnO lên tính chất cơ học, tính chất nhiệt và hình thái cấu trúc của vật
liệu nanocompozit POM/ZnO chế tạo bằng phương pháp trộn nóng chảy trên máy
đùn hai trục vít xoắn. Sự phân tán của các hạt ZnO trong POM đã được khảo sát bằng
việc quan sát ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Sự kết tụ của hạt ZnO71 (71 nm) trong
nền polyme tăng khi tăng hàm lượng ZnO. Nghiên cứu tính chất cơ học của các vật
liệu nanocompozit POM/ZnO71 và POM/ZnO250 (250 nm), các tác giả nhận thấy
độ bền kéo đứt của vật liệu nanocompozit POM/ZnO giảm, trong khi mô đun đàn hồi
và ứng suất khi đứt của vật liệu nanocompozit POM/ZnO tăng khi tăng hàm lượng
ZnO (các hình 1.1 và 1.2) [39].

19


Hình 1.1. Mơ đun đàn hồi của vật liệu nanocompozit POM/ZnO71 và POM/ZnO250
với các hàm lượng ZnO khác nhau [39].

Hình 1.2. Ứng suất khi đứt vật liệu nanocompozit POM/ZnO71 và POM/ZnO250
với các hàm lượng ZnO khác nhau [39].
Thontree Kongkhlang và các cộng sự đã nghiên cứu vai trò của amin bậc 1 tới
q trình biến tính bentonite và sự hình thành vật liệu nanocompozit POM/bentonite
chế tạo thành công bằng phương pháp trộn nóng chảy. Kết quả thu được cho thấy muối

20


amơni là một chất hoạt hóa bề mặt bentonite có hiệu quả. Nó góp phần cải thiện các
tính chất cơ học như độ bền uốn, mô đun uốn, độ giãn dài khi đứt và khả năng cản khí
(gas barrier properties) của vật liệu nanocompozit POM/bentonite biến tính hữu cơ
[43].
Xiaodong Wang và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của copolyme trên

cơ sở axít etylen metacrylic được ion hóa với cation natri (EMA-Na) và cation kẽm
(EMA-Zn) đến tính chất cơ học, hình thái cấu trúc và đặc tính lưu biến của các vật liệu
tổ hợp POM/MBS. Hai copolyme này được sử dụng như một chất biến tính trong q
trình chế tạo vật liệu tổ hợp với nền là POM bằng phương pháp đùn nóng chảy.
Copolyme của metyl methcrylat styren butadien (MBS) cũng được sử dụng như một
chất biến tính đưa vào vật liệu tổ hợp 2 thành phần POM/EMA-Na và POM/EMA-Zn.
Nhờ đưa các ionomer vào vật liệu tổ hợp POM/MBS, các tích chất cơ học của vật liệu
tổ hợp POM/MBS được cải thiện bởi tác dụng tương hợp của ionomer trong hỗn hợp
2 polyme POM và MBS. Kết quả DSC cũng cho thấy, độ kết tinh của POM giảm
xuống khi có mặt của các ionomer. Việc đánh giá các chỉ số chảy của vật liệu cho thấy
độ nhớt của tổ hợp tăng lên, do có sự tương tác giữa POM và các ionomers [46].
Afshin Zamani Zakaria và Karim Shelesh-Nezhad đã nghiên cứu ảnh hưởng
của tách pha và các đặc trưng của mặt phân chia pha đến độ bền kéo đứt của vật liệu
nanocompozit POM/CaCO3. Trong nghiên cứu này, tính chất cơ học của
nanocompozit POM/CaCO3 bao gồm mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt được phân
tích bằng cách sử dụng các mơ hình tốn học khác nhau và phần mềm Ansys FEM.
Các cơ chế của sự biến dạng dẻo và nứt của nanocompozit POM/CaCO3 được nghiên
cứu bằng cách sử dụng Ansys FEM. Độ bền kéo đứt của nanocompozit POM/CaCO3
nhỏ hơn so với của POM do sự sai hỏng bắt đầu từ pha nền. Bằng việc làm cứng bề
mặt phân cách giữa các pha và tăng độ bám dính giữa các hạt nano và polyme, mô đun
đàn hồi và độ bền kéo đứt được tăng lên. Sự kết dính ở bề mặt phân giới của pha nền
với các hạt CaCO3 đã dẫn tới sự hình thành và lan truyền các vết nứt dọc theo trục kéo
trong nền POM [5].

21


1.3.

Nanosilica (NS)


1.3.1. Giới thiệu về silica
Silic điơxít, thường được gọi là silica, là hợp chất gồm hai nguyên tố silic và
ơxy, có cơng thức phân tử là SiO2, phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên
kết lại với nhau thành phân tử rất lớn. Silica có cấu trúc mạng lưới khơng gian 3 chiều,
trong đó mỗi ngun tử ơxy nằm ở đỉnh cịn Si nằm ở tâm của tứ diện đều [1-3]. Silica
tinh thể có ba dạng thù hình chính là: thạch anh, triđimit và cristobalit. Mỗi dạng thù
hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao.
Ngồi ba dạng thù hình chính trên, silic điơxít cịn tồn tại ở một số dạng phụ khác:
dạng ẩn tích, vơ định hình, hình 1.3 là sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của silic điơxít:

Hình 1.3. Các dạng thù hình của silic điơxít.
Các dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua
những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở tâm của hình tứ
diện, liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở đỉnh của hình tứ diện. Mỗi
nguyên tử O lại liên kết với hai nguyên tử Si nằm ở hai tứ diện khác nhau. Góc liên
kết O-Si-O là 109o, độ dài liên kết Si-O là 1,61Ao. Tính trung bình trên một ngun
tử Si, có hai ngun tử O và cơng thức kinh nghiệm của silic điơxít là SiO2. Để mơ
tả cấu trúc các dạng SiO2 tốt nhất là dùng phương pháp ghép các tứ diện SiO4 lại với
nhau qua đỉnh O chung. Sự khác nhau giữa các dạng thù hình là vị trí tương đối của
hai tứ diện SiO4 hay là sự khác nhau của góc Si–O–Si. Cấu trúc của silica là một
mạng lưới 3 chiều và các nhóm silanol (Si-OH), siloxan (Si-O-Si) được tạo ra trên bề
mặt silica [17, 28]. Do có nhóm silanol và siloxan trên bề mặt nên các hạt silica có
khả năng hút nước ngay ở nhiệt độ phòng và dễ dàng kết tụ. Bề mặt silica được đặc

22


trưng bởi 3 dạng silanol được mơ tả bởi hình 1.4: silanol đơn (a), silanol liên kết
hyđrơ với nhóm bên cạnh (b) và silanol ghép đơi (c). Nhóm silanol trên bề mặt hạt

silica liền kề nhau tập hợp lại bằng liên kết hyđrơ và dần đến hình thành một khối.
Liên kết này giúp cho các hạt silica tập hợp lại/kết tụ với nhau (hình 1.4) ngay cả khi
bị pha trộn mạnh dù cho khơng có phản ứng với polyme nền [13].

Hình 1.4. Các dạng liên kết của nhóm Si-O trên bề mặt silica và sự kết tụ các hạt
silica.
1.3.2. Tính chất vật lý và hóa học của silica
1.3.2.1.

Tính chất vật lý

Silica ở dạng nguyên sinh có màu trắng hoặc trong suốt tùy thuộc vào dạng
tồn tại của silica, trong đó ở dạng bột nó thường có màu trắng và ở dạng tinh thể,
trong suốt hoặc không màu. Khối lượng riêng của silica thay đổi tùy thuộc vào dạng
tồn tại của nó. Trong đó, ở dạng tinh thể, silica có khối lượng riêng lớn hơn các dạng
khác. Thạch anh α có khối lượng riêng 2,648 g/cm3, chiết suất 1,54-1,55; độ cứng
bằng 7 Mohs [2, 33]. Tinh thể stishovit có khối lượng riêng 4,287 g/cm3. Silica gel
khí có khối lượng riêng rất nhỏ, có thể đạt đến 1,1 mg/cm3 và có rất nhiều lỗ xốp và
diện tích bề mặt riêng trung bình (As) rất lớn. Các bảng 1.2 - 1.4 trình bày một số tính
chất của silica gel khí, silica khói và silica kết tủa.

23