›

Khóa luận Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy

pdf 43 trang thiennha21 15/04/2022 3871
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_tang_cuong_kha_nang_tan_nhiet_cua_mang.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy

  1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HĨA HỌC  NGUYỄN THỊ LINH NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hĩa Cơng nghệ - Mơi trƣờng HÀ NỘI, 2018
  2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HĨA HỌC NGUYỄN THỊ LINH NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hĩa Cơng nghệ - Mơi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS.TS. Ngơ Kế Thế ThS. Nguyễn Việt Dũng HÀ NỘI, 2018
  3. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu LỜI CẢM ƠN Khĩa luận này được thực hiện tại Phịng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam. Em xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Việt Dũng và PGS.TS. Ngơ Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa Học và Cơng Nghệ Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khĩa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phịng Nghiên cứu Vật liệu Polyme và Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Hĩa học trường Đại đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em cĩ thể hồn thành khĩa luận này. Quá trình thực hiện khĩa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn khơng tránh khỏi một số sai sĩt. Vì vậy, em rất mong nhận được sự gĩp ý chỉ bảo của các thầy cơ và các bạn sinh viên. Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Linh
  4. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và thầy hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khĩa luận là hồn tồn trung thực và khơng trùng với kết quả của tác giả khác. Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Linh
  5. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1.Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích của đề tài 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 1 1. TỔNG QUAN 2 1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia cường dạng hạt 2 1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt 4 1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme 7 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 9 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 9 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước 14 2. THỰC NGHIỆM 16 2.1. Nguyên liệu 16 2.1.1. Chất tạo màng 16 2.1.2. Chất độn gia cường 16 2.2. Phương pháp nghiên cứu 17 2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao 17 2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm 17 2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt 17 2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu 17
  6. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19 3.1. Ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn 19 3.2. Ảnh hưởng của loại chất độn 21 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất độn 23 3.4. Ảnh hưởng của chất tạo màng 29 4. KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
  7. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme 5 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại 6 Hình 1.3. Bĩng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhơm 8 Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau 19 Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm (ET73). 20 Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung siêu âm (b) 21 Hình 3.3. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc 22 Hình 3.4. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng khống talc 25 Hình 3.5. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc 25 27 Hình 3.6. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột đồng 27 Hình 3.9. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/nhơm 29 Hình 3.10. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/pek và epoxy-pek/talc. 30
  8. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] 5 Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn 7 Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở 9 18°C [9,10] 9 Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene 10 Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy 11 Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy 13 Bảng 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy compozit chứa các loại chất độn độn khác nhau. 22 Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau. 24 Bảng 3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/đồng ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. 26 Bảng 3.5. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/nhơm ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. 28 Bảng 3.6. thể hiện kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit . 30
  9. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài Nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu polyme compozit để thay thế vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, gốm sứ, trong một số lĩnh vực đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nhiều năm qua. Trong lĩnh vực chiếu sáng bằng đèn LED, các bộ phận tản nhiệt chủ yếu sử dụng vật liệu kim loại. Tuy cĩ hệ số dẫn nhiệt cao nhưng loại vật liệu này cĩ một số hạn chế như tỷ trọng lớn, khĩ gia cơng, chi phí nguyên liệu và sản xuất cao. Vật liệu polyme compozit cĩ thể khắc phục được những hạn chế này, tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt thấp đang là rào cản lớn nhất để cĩ thể ứng dụng vật liệu này trong thực tế. Đề tài “NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY” xuất phát từ nhu cầu thực tế đặt ra và mở ra một hướng ứng dụng mới cho loại vật liệu polyme compozit. 2. Mục đích của đề tài Tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy sử dụng các phụ gia tản nhiệt khác nhau. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu  Chế tạo vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy cĩ chứa các phụ gia tản nhiệt khác nhau.  Khảo sát độ dẫn nhiệt của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM.  Đánh giá ảnh hưởng của các loại chất độn khác nhau đến khả năng tản nhiệt của vật liệu. 1 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  10. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia cƣờng dạng hạt Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đĩng một vai trị sống cịn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [1]. Đầu tiên, chúng được xem như các chất pha lỗng để giảm giá thành, do đĩ cĩ tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mơ tả các vật liệu khơng chỉ để giảm giá thành mà cịn cải thiện nhiều tính chất của chất nền, nên cịn được gọi là các chất gia cường. Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong cơng nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hĩa cũng như khả năng ứng dụng mà nĩ mang lại cho cao su lưu hĩa [2]. Tuy nhiên, tính khơng ổn định của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khống tự nhiên khác, như các hợp chất của oxit silic. Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia cường cho các sản phẩm cao su [2]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự cĩ mặt các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện như sự kháng xé rách, tính mềm mại, kháng mài mịn, cách nhiệt, tăng độ cứng, mơđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc khơng rõ rệt. Kết hợp với sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự cĩ mặt của các chất hoạt hĩa hay việc sử dụng các tác nhân ghép nối (titanat, silan). 2 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  11. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm, trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đĩ người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khống khác như sét, đá vơi (CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Cùng với sự phát triển của khoa học và cơng nghệ, những hạn chế mà các loại chất độn mang lại cho polyme nền đã được cải thiện. Cùng với đĩ, những tính năng mới của những vật liệu polyme compozit này mang lại khơng ngừng được khám phá. Quá trình biến đổi các vật liệu polyme nhiệt dẻo thơng qua việc thêm vào các chất độn dạng hạt cũng đã cĩ một lịch sử lâu dài và nĩ vẫn tiếp tục đĩng một vai trị quan trọng cả trong lĩnh vực nghiên cứu và thương mại [1]. Lý do dẫn đến điều này là khả năng thiết kế được các loại vật liệu cĩ tính năng phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Việc sử dụng các loại vật liệu polyme compozit để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ và gốm đang nhận được rất nhiều sự quan tâm trong thập kỷ trở lại đây. Vật liệu polyme compozit cĩ một số lợi thế so với các vật liệu truyền thống như dễ dàng gia cơng, dễ tạo hình sản phẩm, tỷ trọng thấp và trong nhiều trường hợp làm giảm chi phí sản xuất [1,3]. Các loại vật liệu polyme phải được gia cường do các yêu cầu cao về độ bền cũng như độ cứng trong rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng khơng, ơ tơ, điện tử, vi điện tử, cơ sở hạ tầng và xây dựng, dược phẩm và cơng nghiệp hĩa chất. Các chất độn gia cường trong vật liệu compozit giúp tăng cường độ cứng và độ bền nhiệt, giảm độ co ngĩt và thay đổi màu sắc của vật liệu [4]. Các chất độn cũng cĩ thể giúp cho quá trình gia cơng trở nên dễ dàng hơn thơng qua việc làm giảm nhiệt dung riêng của hệ vật liệu và tăng khả năng dẫn nhiệt [1,4]. Ngồi ra, các chất độn thường được đưa vào polyme 3 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  12. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu để tạo ra các tính chất mới mà nĩ khơng cĩ được bởi các hầu hết polyme nền như khả năng chống cháy và độ dẫn nhiệt [5]. Cải thiện khả năng dẫn nhiệt là một trong những ứng dụng mới nhất của vật liệu polyme compozit. Nâng cao hệ số dẫn nhiệt mà vẫn đảm bảo được các tính năng cơ lý cũng như một số tính chất khác của vật liệu đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong thời gian gần đây. 1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt Một đặc tính chung quan trọng của polyme là khơng dẫn điện. Thật vậy, polyme thường được dùng làm vật cách điện rất hữu hiệu. Chẳng hạn như poly(vinylchloride) (PVC), PE là vật liệu được dùng để bọc lõi dây điện, và cịn rất nhiều polyme thơng dụng khác được sử dụng vì tính cách điện của nĩ. 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. Dịng điện tử tự do mang điện âm (-) này di động sinh ra dịng điện đi từ điện áp cao đến thấp như một dịng 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 thơng thường khác là chất cách điện vì khơng cĩ 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, cĩ 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 cĩ 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) 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. 4 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  13. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu - 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 hìnhđược liệt kê trong bảng dưới đây. Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] Polyme Độ dẫn nhiệt (W/m.K) LDPE 0.28-0.32 HDPE 0.38-0.58 Nhựa Epoxy 0.17-0.21 Polypropylen 0.18-0.24 Nhựa phenol 0.24-0.29 Truyền phonon là cơ chế dẫn nhiệt chính trong hầu hết các polyme. Các phonon chuyển năng lượng nhiệt thơng qua các tương tác với nhau và với các hạt hạ nguyên tử [7]. Các khiếm khuyết trong mạng lưới như các vết gẫy, lỗ trống và độ khơng tinh khiết cĩ thể đưa đến sự khơng điều hịa từ đĩ 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. 5 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  14. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Trong kim loại hay các loại vật liệu gốm cĩ cấu trúc tinh thể, các dao động cĩ 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 vật liệu kim loại Để cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme, áp dụng quá trình trùng hợp điện để sản xuất các mảng liên kết của các sợi nano polime, các nhà nghiên cứu của Mỹ đã phát triển một vật liệu polyme cĩ thể dẫn nhiệt tốt hơn 20 lần so với polyme ban đầu. Viện Cơng nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra một cách biến polyme được sử dụng rộng rãi nhất (polyethylene), thành một chất dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn là một chất cách điện. Phương pháp của nhĩm tác giả sử dụng là định hướng các mạch phân tử PE từ dung dịch, vật liệu tạo thành cĩ độ dẫn nhiệt gấp 300 lần PE ban đầu. Polythiophen cũng là vật liệu polyme dẫn nhiệt mới được tổng hợp cĩ độ dẫn lên đến 4,4 W/mK ở nhiệt độ phịng. 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 là một cách tiếp cận thơng dụng để cải thiện các tính chất điện, tính chất cơ và tính chất nhiệt. Các vật liệu polyme cách điện được cải thiện cĩ thể làm việc ở nhiệt độ cao với 6 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  15. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu ứng suất điện lớn hơn. Độ dẫn nhiệt của polyme được tác động theo cách truyền thống bằng việc đưa vào các chất độn dẫn nhiệt cao bao gồm: Graphite, than đen, sợi cacbon, gốm hay các hạt kim loại [8]. Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn Khoảng dẫn Chất độn nhiệt (W/m.K) Aramid fiber (0.04-0.05), calcium carbonate (2.4-3), ceramic beads (0.23), glass fiber (1), magnesium oxide (8- 32), fumed silica (0.015), fused silica (1.1), molybdenum Dưới 10 disulfide (0.13-0.19), PAN-based carbon fiber (9-100), sand (7.2-13.6), talc (0.02), titanium dioxide (0.065), tungsten (2.35), vermiculite (0.062-0.065) Aluminum oxide (20.5-29.3), pitch-based carbon fiber (25- 10-29 1000) 100-199 Graphite (110-190), nickel (158) Aluminum flakes and powder (204), beryllium oxide (250), Trên 200 boron nitride (250-300), copper (483), gold (345), silver (450) Tuy nhiên, để cĩ thể sử dụng các vật liệu độn này ứng dụng trong các thiết bị điện, cần xem xét đến tính chất cách điện của vật liệu. Đặc biệt là các ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED cần cĩ các loại vật liệu cĩ độ dẫn nhiệt cao nhưng vẫn đảm bảo khả năng cách điện. 1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme LED (Light Emitting Diode – điốt phát quang) được coi là giải pháp ánh sáng của tương lai. So với các phương pháp ánh sáng thơng thường như: bĩng đèn sợi đốt, bĩng halogen, bĩng đèn huỳnh quang, sử dụng bĩng đèn LED đem đến nhiều lợi thế: tiết kiệm năng lượng, hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ kéo dài, giảm thiểu ảnh hưởng đến mơi trường. Giải thưởng Nobel Vật lý 7 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  16. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 2014 được cơng bố hơm 7/10, tơn vinh phát minh các điốt phát quang LED xanh dương, cĩ khả năng tạo ra các nguồn ánh sáng trắng tiết kiệm năng lượng và sáng hơn. Các nhà khoa học được vinh danh là Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura. Để nâng cao tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của bĩng đèn LED, vấn đề tản nhiệt cho đèn LED mang ý nghĩa quyết định. Các bĩng đèn LED hiện thời cĩ tản nhiệt thường được làm bằng nhơm: Tấm tản nhiệt nhơm Hình 1.3. Bĩng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhơm Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng kim loại mang lại hiệu suất tản nhiệt cao, tuy nhiên nĩ cũng cĩ một số bất lợi như: khối lượng lớn, gia cơng phức tạp, chi phí nguyên liệu cao. Điều này đặc biệt bất lợi với các loại đèn LED cĩ cơng suất cao khi phải sử dụng các tấm tản nhiệt cĩ kích thước lớn và nặng nề. Giải pháp sử dụng các tấm tản nhiệt được làm từ vật liệu polyme nhằm khắc phục các hạn chế nĩi trên. Trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử, các loại vật liệu polyme thường được biết đến trong các ứng dụng cách điện do khả năng chế tạo dễ dàng, khối lượng nhẹ và chi phí thấp. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp dẫn đến một số hạn chế ứng dụng của loại vật liệu này. Do đĩ, các nỗ lực hiện nay đang được tiến hành nhằm cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử nĩi chung và chế tạo đèn LED nĩi riêng. 8 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  17. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới a. Microcompozit 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 thơng số quan trọng cĩ thể được xem như đĩng vai trị chủ yếu trong việc xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu microcomposite, đĩ là độ dẫn nhiệt của chất độn và tương tác giữa chúng. Bảng 3 đưa ra nghiên cứu của Kochetov [9] trong đĩ vật liệu bao gồm nhựa epoxy (EP) với các hạt micro nhơm oxit và oxit silic. Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở 18°C [9,10] λEP λcđ Kích thƣớc hạt λcompozit Vật liệu % KL (W/mK) (W/mK) (µm) (W/mK) EP-Al2O3 31.2 0.17 20-30 4 0.67 EP-SiO2 45 0.17 0.7-1.7 20 0.72 Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở hàm lượng Al2O3 thấp, độ dẫn nhiệt của vật liệu là tương tự nhau. Các hạt micro với độ dẫn nhiệt cao và hàm lượng chất độn cao cĩ thể tăng cường tốc độ truyền nhiệt như là độ dẫn nhiệt chủ yếu cĩ được thơng qua chúng. Huang và đồng sự [11] đã xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu poly(phenylene) sulfit dựa trên bo nitrit (BN). Cĩ một sự liên quan tuyến tính đã được tìm thấy giữa hàm lượng BN và độ dẫn nhiệt của vật liệu. Tính chất này cĩ thể được đĩng gĩp bởi tương tác giữa các hạt. Các chuỗi dẫn trực tiếp dịng nhiệt cĩ thể đưa đến 1 sự gia tăng của độ dẫn nhiệt. 9 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  18. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Khả năng hình thành các chuỗi hạt dẫn nhiệt ở hàm lượng chất độn cao đã được nghiên cứu bởi Agari và Uno [12]. Trong vật liệu chứa hàm lượng chất độn cao, các chuỗi dẫn cĩ thể được hình thành ở nơi mà khoảng cách giữa các hạt là nhỏ hơn trong các phần khác, đưa đến độ dẫn nhiệt cao dọc theo các chuỗi. Một phần trong nghiên cứu của Weidenfeller và cộng sự [13] được tĩm tắt trong bảng 4. Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene λPP λcđ λcompozit Vật liệu % KL (W/mK) (W/mK) (W/mK) PP-đồng 30 0.25 400 1.25 PP-talc 30 0.25 10.6 2.5 Sự khác biệt lớn của độ dẫn nhiệt giữa 2 vật liệu được cho là do sự khác biệt ghép nối bên trong của các chất độn như là kết quả khơng thể giải thích được chỉ bởi sử dụng tính chất của các hạt. Tuy nhiên, tác giả cũng chỉ ra rằng ở hàm lượng chất độn thấp (ít hơn 20 % KL), sự cải thiện độ dẫn nhiệt thường được thấy ít quan trọng. Độ dẫn nhiệt thấp của nền polymer quyết định chủ yếu đến độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit. Nhĩm tác giả Mousam Choudhury và cộng sự [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt bột nhơm 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 nhơm nitrit ở các cấp độ hạt micro và nano trong chất nền polyme, nhĩm tác giả đã sử dụng hợp chất aminopropyltriethoxysilan để biến đổi bề mặt của nhơm nitrit. Bên cạnh đĩ, 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 10 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  19. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu so với trường hợp khơng dùng chất biến đổi bề mặt. Ở 20% chất độn nhơm nitrit cĩ và khơng cĩ biến đổi bề mặt cĩ một sự gia tăng đáng kể độ dẫn nhiệt so với chất nền epoxy (từ 0,167 W/mK lên 0,207 W/mK) b. Nanocompozit Hình dạng các chất độn nano cĩ thể là 1 chiều (dạng sợi), 2 chiều (dạng tấm hay phiến) hoặc 3 chiều (dạng cầu) nhưng phải cĩ ít nhất một thơng số cĩ kích thước nhỏ hơn 100 nm. Trong trường hợp của nanocompozit, sự phân bố của chất độn sẽ phải đồng nhất tối đa và nếu các kết tụ xuất hiện, kích thước hạt trung bình của chúng phải thấp hơn 100 nm. Một số vật liệu đã được chế tạo bởi các nhĩm nghiên cứu khác nhau [15, 16]. Nĩi chung, việc đưa các chất độn nano vào vật liệu polymer cĩ thể đưa đến độ dẫn nhiệt cao hơn khi so sánh với polymer nền. Kochetov [9] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt BN đến độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và kết quả được liệt kê trong bảng 5. Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy λEP λcompozit Vật liệu % KL Hình dạng Kích thƣớc hạt (W/mK) (W/mK) EP-BN 5.8 0.17 Cầu 70 nm 0.240 EP-BN 5.8 0.17 Tấm, phiến 0.5 µm 0.274 EP-BN 5.8 0.17 Cầu 1.5 µm 0.242 Mặc dù kích thước hạt trung bình của BN tăng từ 70 nm (nanocompozit) đến 1500 nm (microcompozit), độ dẫn nhiệt là gần như khơng đổi. Sự khác biệt giữa các hạt 70 nm và 500 nm cĩ thể được cho là do hình dạng chứ khơng phải là do sự khác biệt về kích thước. Trong trường hợp của các hạt dạng tấm, do tỷ lệ bề mặt cao, khoảng cách trung bình giữa các hạt là nhỏ hơn. Khoảng cách giữa các hạt giảm cĩ thể là lý do cho việc truyền nhiệt hiệu quả hơn. 11 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  20. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Han và đồng nghiệp đã xác định độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy với việc thêm các chất độn BN với kích thước hạt khác nhau. BN-micro, BN-meso và BN-nano được sử dụng. Trong trường hợp BN-nano, đã quan sát thấy các kết tụ lục giác kích thước micro . Các tác giả đã thấy rằng khơng cĩ sự khác biệt lớn trong độ dẫn nhiệt giữa các vật liệu đã đề cập ở trên. Do đĩ, họ kết luận rằng ở nồng độ chất độn thấp và trung bình, kích thước hạt khơng phải là yếu tố quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Trong cả hai trường hợp đã được đề cập, kích thước của các hạt BN khơng ảnh hưởng nhiều đến độ truyền nhiệt của vật liệu. Ngược lại, các hạt với tỷ lệ bề mặt cao cĩ thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt theo cách tích cực. Tỷ lệ bề mặt cao cĩ thể gia tăng sự hình thành mạng lưới dẫn bởi sự làm giảm giới hạn thấm qua và rút ngắn các vai trị bất lợi kháng nhiệt tương tác pha trong việc truyền nhiệt [17]. Tuy nhiên, việc phân tán tốt các hạt kích thước nano với tỷ lệ bề mặt lớn hơn là khĩ hơn do sự gia tăng tương tác giữa các hạt [18]. Độ dẫn nhiệt của các hạt kích thước nano được thừa nhận là cĩ cùng khoảng độ dẫn nhiệt với vật gốc ban đầu. Tuy nhiên, hiệu quả của cách tiếp cận này là khơng chắc chắn. Độ dẫn nhiệt của các chất độn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể của chúng, độ tinh khiết, độ hồn hảo của cấu trúc, các hiện tượng tán xạ phonon, và cĩ thể khác biệt so với cấu trúc dạng khối của vật liệu ban đầu [19]. Trong bảng 6, hai vật liệu khác nhau dựa trên nhựa epoxy đã được xác định [9-10, 20]. 12 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  21. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy λEP λcđ λcompozit Vật liệu % KL Kích thƣớc hạt (W/mK) (W/mK) (W/mK) EP-AlN 0.7 0.17 150-320 60 nm 0.179 EP-MgO 0.7 0.17 45-50 22 nm 0.175 Nhơm nitrit và magie oxit được sử dụng ở cùng hàm lượng. Kết quả cho biết rằng bản chất độ dẫn nhiệt của các chất độn khơng đĩng gĩp quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Trong trường hợp của AlN, chất độn được mong chờ sẽ cĩ độ dẫn nhiệt của vật liệu cao hơn do độ dẫn nhiệt của chất độn cao hơn, kích thước hạt trung bình lớn hơn (bởi yếu tố 3). Do đĩ, cĩ thể thấy rằng khơng phải độ dẫn nhiệt của chất độn cao sẽ đưa đến độ dẫn nhiệt của vật liệu cao. Việc sử dụng các tác nhân ghép nối đã được nỗ lực bởi nhiều nhĩm nghiên cứu để cĩ được tương tác tốt hơn giữa chất độn và chất nền [21]. Nĩ được thấy rằng khả năng kháng nhiệt giữa bề mặt tương tác pha suy giảm, loại bỏ tán xạ phonon khi bề mặt chất độn được xử lý. So sánh kết quả giữa các vật liệu cĩ và khơng cĩ biến đổi bề mặt, những người thực hiện thường cho biết độ dẫn nhiệt cao hơn mẫu sau. Kochetov [9], Irwin [22] và Choudhury [23] 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 silane được sử dụng. Các nanocompozit polyamide 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 khơng được xử lý và nĩ được cho là do tương tác giữa chất độn và chất nền được cải thiện. Cuối cùng, Choudhury đã nghiên cứu 13 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  22. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu epoxy – AlN nanocompozit và độ truyền nhiệt hiệu quả hơn (cải thiện trung bình 13%) được tìm thấy cho compozit khi bề mặt chất độn nano được xử lý. 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 polymer nền cĩ thể làm giảm sự tán xạ phonon đưa đến giá trị độ dẫn nhiệt cao hơn. Nhiều mơ hình và lý thuyết về tương tác pha đã được đưa ra để giải thích vai trị của chúng. Sự kết tụ các hạt đã được báo cáo trong các tài liệu theo một hướng nghiên cứu khác rằng, nĩ cĩ ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Han [24] đã thơng báo 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 mơ hình để làm rõ đĩng gĩp của các kết tụ đến độ dẫn nhiệt. Họ đã cho biết độ dẫn nhiệt của các nanocompozit tăng khi các hạt nano kết tụ. 1.4.2. Các 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 nhĩm nghiên cứu của phịng nghiên cứu vật liệu cácbon nano, Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu chế tạo loại kem tản nhiệt cĩ chứa CNTs dùng trong bộ phận tản nhiệt của máy tính. Nhĩm nghiên cứu của PGS. TS. Đồn Đình Phương và cộng sự ở Phịng 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 cĩ chứa CNTs cĩ 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 cĩ khả năng ứng dụng trong thực tế mới chỉ được bắt đầu ở phịng nghiên cứu vật liệu polyme & compozit, viện Khoa học vật liệu. 14 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  23. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Từ năm 2015, tập thể nghiên cứu của phịng 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, nhơm nitrit và bo nitrit. Các nghiên cứu bước đầu cho thấy các kết quả khá thú vị là bột khống talc cĩ hệ số dẫn nhiệt thấp nhưng lại gia tăng hệ số dẫn nhiệt cao hơn cho nền polyme so với hai loại chất độn cịn lại là nhơm 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 [25]. Tiếp tục hướng nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt, trong năm 2016 tập thể phịng 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]. 15 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  24. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Chất tạo màng a. Nhựa epoxy - Nhựa epoxy Epotec YD 128 (Thái Lan) với các đặc trưng sau: Đương lượng epoxy là 185~194 g/eq. Độ nhớt ở 25 °C là 11000~14000 cPs. Hàm rắn 100% b. Chất đĩng rắn - Chất đĩng rắn Epotec TH 703: chất đĩng rắn polyamine. Là dạng biến tính của cycloaliphatic polyamine, là chất lỏng màu vàng nhạt. c. Nhựa than đá: Được chế tạo từ sản phẩm phụ của quá trình cốc hĩa - Nhiệt độ chảy mềm : 65-70 0C - Màu sắc : đen 2.1.2. Chất độn gia cường a. Khống talc Khống talc cĩ nguồn gốc từ Thanh Sơn, Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đĩ SiO2 chiếm 61,8% và MgO chiếm 28,5%. Đề tài sử dụng hai loại bột talc: cĩ và khơng cĩ biến đổi bề mặt bằng hợp chất amin silan. b. Nhơm nitrit Bột nhơm nitrit (AlN) cĩ nguồn gốc từ Trung Quốc, kích thước hạt trung bình trong khoảng 5-10 µm. c. Bột kim loại và oxit kim loại - Bột kim loại: bột đồng, bột nhơm - Bột oxit kim loại: oxit sắt, oxit nhơm, oxit kẽm. Các nguyên vật liệu đều là sản phẩm thương mại của Trung Quốc. 16 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  25. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn này, để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp chế tạo mẫu đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, hai phương pháp chế tạo mẫu được áp dụng. Hai phương pháp này bao gồm phương pháp khuấy trộn tốc độ cao cĩ gia nhiệt và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm. 2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao Các chất độn gia cường được trộn hợp đồng nhất với nhựa epoxy Epotec YD128 ở nhiệt độ 70°C ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau sử dụng thiết bị khuấy cơ. Ủ hỗn hợp ít nhất 24 tiếng sau đĩ khuấy tốc độ cao ở tốc độ 1000 vịng/phút ở nhiệt độ 70°C. Quá trình khuấy kết thúc sau 8 giờ, hỗn hợp được pha chất đĩng rắn và tạo mẫu đo hệ số dẫn nhiệt. 2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm Trong phương pháp chế tạo mẫu này, hỗn hợp sau khi đã được trộn hợp bằng phương pháp khuấy trộn tốc độ cao được trình bày trong mục 2.2.1, hỗn hợp tiếp tục được gia nhiệt lên khoảng 70°C sau đĩ đưa vào bể rung siêu âm đã được gia nhiệt đến 70°C trong thời gian 2 giờ. Thiết bị sử dụng của hãng Branson, model 3510E-MTH (Mỹ), cơng suất siêu âm 100W, tần số rung 42kHz. 2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và các chất độn dạng hạt được đo trên thiết bị THB 500 của hãng Linseis (Mỹ) tại phịng thí nghiệm trung tâm cơng nghệ cao, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. Mẫu dạng hình chữ nhật kích thước 40 x 60 x 5 mm. 2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu Hình thái bề mặt gẫy của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM), trên thiết bị Hitachi S-4800 tại phịng thí nghiệm trọng điểm, Viện khoa học vật liệu. 17 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  26. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gẫy, bề mặt gẫy được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân khơng. Ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện khả năng phân tán độ tương hợp giữa các pha trong mẫu vật liệu đo. 18 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  27. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong khuân khổ của luận văn này, các nghiên cứu tăng cường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy tập trung vào phương pháp chế tạo cũng như sử dụng các loại chất độn dạng hạt khác nhau. Ngồi việc tiếp tục ứng dụng khống talc, các chất độn dạng hạt cĩ hệ số dẫn nhiệt cao như các loại bột kim loại và oxit kim loại cũng được sử dụng. 3.1. Ảnh hƣởng của khả năng phân tán các hạt chất độn Để xác định ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn trong chất nền epoxy đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, nhĩm nghiên cứu thực hiện đề tài đã thử nghiệm hai phương pháp chế tạo mẫu khác nhau bao gồm: phương pháp khuấy trộn tốc độ cao và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp với rung siêu âm để phân tách các hạt chất độn. Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt được thể hiện trên bảng 3.1 và hình 3.1. Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau Tỷ lệ * Thành Phƣơng pháp λepoxy λchất độn λcompozit Ký hiệu khối phần chế tạo (W/m.K) (W/m.K) (W/m.K) lƣợng E0 Epoxy 100/0 - 0,237 - 0,237 ET73-K Epoxy/talc 70/30 Khuấy tốc độ 0,622 0,237 10,6 cao ET73 Epoxy/talc 70/30 Khuấy tốc độ cao cĩ rung 0,237 10,6 1,028 siêu âm *: theo tài liệu tham khảo 19 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  28. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu ET73-K ET73 Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm (ET73). Nhìn vào bảng kết quả đo hệ số dẫn nhiệt thấy rằng bột khống talc đã cĩ tác dụng gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ 0,237 W/m.K của mẫu epoxy (E0) ban đầu lên 0,622 W/m.K của mẫu Epoxy/talc (chứa 30% bột khống talc, ET73-K). Đặc biệt, khi hỗn hợp được khuấy tốc độ cao kết hợp rung siêu âm, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tăng đáng kể lên đến 1,028 W/m.K. Xem xét kỹ hơn khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền epoxy qua ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM (hình 3.2) cho thấy các hạt chất độn phân tách và phân tán đồng đều hơn khi hỗn hợp được rung siêu âm so với trường hợp hỗn hợp chỉ được khuấy tốc độ cao. 20 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  29. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu (a) (b) Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung siêu âm (b) Quá trình truyền nhiệt trong các vật liệu rắn chủ yếu thơng qua quá trình truyền dao động. Rõ ràng, sự phân tán của các hạt chất độn trong chất nền hay nĩi cách khác là sự đồng nhất của vật liệu đĩng vai trị quan trọng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt trong vật liệu. Bằng phương pháp khuấy tốc độ cao kết hợp rung siêu âm giúp cho quá trình phân tán các hạt chất độn trong chất nền tốt hơn từ đĩ gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Trong quá trình chế tạo mẫu nghiên cứu tiếp theo, nhĩm nghiên cứu tiếp tục sử dụng phương pháp khuấy tốc độ cao kết hợp với rung siêu âm để chế tạo mẫu. 3.2. Ảnh hƣởng của loại chất độn Trong nghiên cứu này, một số loại chất độn với hệ số dẫn nhiệt khác nhau được đưa vào chất nền epoxy với hàm lượng 30% để khảo sát hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit. Kết quả được thể hiện trên bảng 3.2. và hình 3.3 21 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  30. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Bảng 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy compozit chứa các loại chất độn độn khác nhau. Tỷ lệ Phƣơng * Ký λepoxy λchất độn λcompozit Thành phần khối pháp chế hiệu (W/m.K) (W/m.K) (W/m.K) lƣợng tạo E0 Epoxy 100 - 0,237 - 0,237 ET73 Epoxy/talc 70/30 10,6 1,028 0,237 (biến tính bề mặt) ET073 Epoxy/talc 70/30 10,6 0,947 0,237 (khơng biến tính) Khuấy EC73 Epoxy/đồng 70/30 tốc độ 0,237 > 400 0,861 EA73 Epoxy/nhơm 70/30 cao kết 0,237 > 200 1,876 EAO Epoxy/oxit nhơm 70/30 hợp rung 0,237 20-29 0,814 EFO Epoxy/oxit sắt 70/30 siêu âm 0,237 5,8 0,586 EZO Epoxy/oxit kẽm 70/30 0,237 50 0,743 EAN Epoxy/nhơm nitrit 70/30 0,237 150-320 0,730 EP73 Epoxy/pek 70/30 0,237 - 0,495 *: theo các tài liệu tham khảo ET073 EA73 Hình 3.3. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit cho thấy rằng mẫu vật liệu cĩ chứa bột nhơm cho kết quả cao nhất với 1,876 W/m.K. Tiếp theo là mẫu compozit cĩ chứa bột khống talc (biến đổi bề mặt) với 1,081 22 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  31. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu W/m.K. Các mẫu vật liệu cịn lại đều cĩ hệ số dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với mẫu nhựa epoxy E0 ban đầu. Bảng số liệu đo được cũng cho thấy rằng, hệ số dẫn nhiệt của bột talc khơng cao (λ = 10,6 W/m.K) nhưng cho kết quả hệ số dẫn nhiệt của compozit đạt 1,081 W/m.K. Trong khi đĩ các loại chất độn cĩ hệ số dẫn nhiệt cao như bột đồng (λ > 400) hay nhơm nitrit (λ = 150-320) cho hệ số dẫn nhiệt của compozit lần lượt là 0,861 W/m.K và 0,730 W/m.K. Điều này cho thấy rằng, hệ số dẫn nhiệt cao của chất độn khơng đĩng vai trị quyết định đến hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit thu được. So sánh hệ số dẫn nhiệt của hai mẫu vật liệu compozit cĩ chứa bột talc cĩ và khơng cĩ biến tính bề mặt thấy rằng mẫu cĩ chứa bột talc biến tính bề mặt cĩ hệ số dẫn nhiệt cao hơn so với mẫu cĩ chứa bột talc khơng được biến tính bề mặt, điều này một lần nữa khẳng định khả năng phân tán của chất độn cĩ trong chất nền cĩ ảnh hưởng mạnh đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu compozit. 3.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất độn Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, nhĩm nghiên cứu lựa chọn 3 loại chất độn mang lại hệ số dẫn nhiệt cao nhất cho compozit bao gồm: bột talc (biến tính bề mặt), bột đồng và bột nhơm. Bảng 3.3, hình 3.4 và hình 3.5 trình bày kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy/talc với các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Các kết quả đo cho thấy rằng, trong trường hợp chất độn khống talc nhận thấy rằng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit đạt giá trị lớn nhất 1,028 W/m.K khi hàm lượng talc đưa vào khoảng 30%. Ở trên hàm lượng này, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu giảm dần. Kết quả này cho thấy xu hướng tương tự với các kết quả 23 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  32. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu tính chất cơ lý của vật liệu compozit mà chúng tơi đã thực hiện khi đều đạt các trạng thái tính chất cao nhất ở hàm lượng khống talc khoảng 30%. Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau. Ký Thành Tỷ lệ khối Phƣơng pháp λcompozit hiệu phần lƣợng chế tạo (W/m.K) E0 Epoxy 100 - 0,237 ET91 Epoxy/talc 90/10 0,677 ET82 Epoxy/talc 80/20 Khuấy tốc độ 0,839 ET73 Epoxy/talc 70/30 cao kết hợp 1,028 ET64 Epoxy/talc 60/40 rung siêu âm 1,002 ET55 Epoxy/talc 50/50 0,911 24 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  33. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1.2 1.028 1.002 1 0.839 0.911 0.8 , W/m.K , λ 0.677 0.6 0.4 0.2374 Hệ số Hệ dẫn nhiệt, 0.2 0 0 10 20 30 40 50 Hàm lượng khống talc (%) Hình 3.4. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng khống talc ET64 ET55 Hình 3.5. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc Với chất độn là bột đồng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit (bảng 3.4) tăng dần khi hàm lượng chất độn đưa vào từ 10% đến 40%. Ở 40% bột đồng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit đạt giá trị lớn nhất với 1,084 W/m.K. Như vậy, xu hướng tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit epoxy/đồng cũng khá giống với trường hợp của vật liệu compozit epoxy/talc khi vật liệu đều đạt giá trị lớn nhất của hệ số dẫn nhiệt ở khoảng 30-40% hàm lượng chất độn. 25 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  34. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Bảng 3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/đồng ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Ký Thành Tỷ lệ khối Phƣơng pháp λcompozit hiệu phần lƣợng chế tạo (W/m.K) E0 Epoxy 100 - 0,237 EC91 Epoxy/đồng 90/10 0,647 EC82 Epoxy/đồng 80/20 Khuấy tốc độ 0,663 EC73 Epoxy/đồng 70/30 cao kết hợp 0,861 EC64 Epoxy/đồng 60/40 rung siêu âm 1,084 EC55 Epoxy/đồng 50/50 0,961 26 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  35. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1.2 1.084 1 0.861 0.961 0.8 , W/m.K , λ 0.647 0.6 0.663 0.4 0.2 0.2374 Hệ số Hệ dẫn nhiệt, 0 0 10 20 30 40 50 Hàm lượng bột đồng (%) Hình 3.6. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột đồng EC64 EC55 Hình 3.7. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compoxit epoxy/đồng Với chất độn là bột nhơm, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit cao hơn nhiều so với hai trường hợp chất độn là bột khống talc và bột đồng ở các hàm lượng tương ứng. Giá trị hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xác định được cao nhất cho trường hợp vật liệu compozit chứa 35% bột nhơm. 27 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  36. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Bảng 3.5. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/nhơm ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Ký Thành Tỷ lệ khối Phƣơng λcompozit hiệu phần lƣợng pháp chế tạo (W/m.K) E0 Epoxy 100 - 0,237 EA91 Epoxy/nhơm 90/10 0,804 Khuấy tốc độ EA82 Epoxy/nhơm 80/20 1,691 cao kết hợp EA73 Epoxy/nhơm 70/30 1,876 rung siêu âm EA6535 Epoxy/nhơm 65/35 2,506 28 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  37. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 3 2.506 2.5 2 , , W/m.K λ 1.691 1.876 1.5 1 0.804 Hệ số Hệ dẫn nhiệt, 0.5 0.237 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Hàm lượng bột nhơm, % Hình 3.8 Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột nhơm EA82 EA6535 Hình 3.9. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/nhơm Như vậy, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất độn đến hệ số dẫn nhiệt nhận thấy rằng các mẫu vật liệu compozit cĩ xu hướng đạt được giá trị hệ số dẫn nhiệt cao khi ở hàm lượng chất độn trong khoảng 30%. 3.4. Ảnh hƣởng của chất tạo màng Nhựa epoxy và hỗn hợp epoxy/pek đã được sử dụng để khảo sát hệ số dẫn nhiệt cĩ và khơng cĩ khống talc. 29 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  38. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Bảng 3.6. thể hiện kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit Ký Tỷ lệ khối λcompozit Thành phần hiệu lƣợng (W/m.K) E0 Epoxy 100 0,237 EP91 Epoxy/pek 90/10 0,547 EP82 Epoxy/pek 80/20 0,560 EP73 Epoxy/pek 70/30 0,506 EP64 Epoxy/pek 60/40 0,495 EP55 Epoxy/pek 50/50 0,523 EPT73 (Epoxy-pek)/talc 70(70-30)/30 0,957 EP55 EPT73 Hình 3.10. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/pek và epoxy-pek/talc. Khi sử dụng pek kết hợp với nhựa epoxy làm chất tạo màng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đã tăng lên, điều này cho thấy pek cĩ tác dụng làm tăng khả năng truyền nhiệt của nền nhựa epoxy. Tuy nhiên, khả năng dẫn nhiệt của vật liệu khơng phụ thuộc vào hàm lượng của phần pek được thêm vào. Giá trị hệ số dẫn nhiệt của epoxy/pek đạt giá trị dao động trong khoảng 0,5 W/m.K. Khi thêm bột khống talc ở hàm lượng 30% trong chất nền là nhựa epoxy/pek, hệ số dẫn nhiệt đo được của vật liệu compozit là 0,957 W/m.K. Giá trị hệ số dẫn nhiệt này tương đương với hệ số dẫn nhiệt của mẫu vật liệu 30 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  39. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu chứa 30% bột khống talc trong nền nhựa epoxy. Như vậy, sự thay đổi thành phần chất tạo màng khơng dẫn đến sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của mẫu vật liệu compozit. 4. KẾT LUẬN 31 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  40. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu - Quá trình phân tán các hạt chất độn cĩ ảnh hưởng nhiều đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Sử dụng phương pháp rung siêu âm để phân tán tốt hơn các hạt chất độn trong chất nền epoxy, hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu đã được cải thiện đáng kể. - Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất độn đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu cho thấy rằng, giá trị hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu đạt giá trị cao nhất trong khoảng 30-40% chất độn. Mẫu vật liệu compozit epoxy/talc cĩ hệ số dẫn nhiệt cao nhất 1,028 W/m.K ở hàm lượng 30% bột khống talc. Mẫu vật liệu compozit epoxy/đồng cĩ hệ số dẫn nhiệt cao nhất 1,084 W/m.K ở hàm lượng 40% bột đồng. Trong khi đĩ, mẫu vật liệu compozit epoxy/nhơm cĩ hệ số dẫn nhiệt cao nhất 2,506 W/m.K ở hàm lượng 35% bột nhơm. - Hệ số dẫn nhiệt cao của chất độn khơng dẫn đến hệ số dẫn nhiệt cao của vật liệu compozit chế tạo được. TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  41. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1. R.N Rothon, Particulate-Filled Polymer Composites, Shrewsbury: Rapra Technology Limited (2003). 2. C.R.G. Furtado, J.L. Leblanc, R.C.R. Nunes, Mica as additional filler in SBR - silica compounds, European Polymer Journal, 36(3), 1717-1723 (2000) 3. George Wypych. Handbook of Fillers, Toronto, Ont.: ChemTec; Norwich, N.Y.: Plastics Design Library (2000). 4. Karger - Kocsis J, editor, Polypropylene: an a-z reference, Dordrecht: Kluwer (1999). 5. Arencon D, Velasco JI. Fracture toughness of polypropylene-based particulate composites, Materials, 2, 2046-2094 (2009). 6. Takezawa, M. Akatsuka, and C. Farren, High thermal conductive epoxy resins with controlled high order structure, Proc. 7th Intern. Confer. Prop. Appl. Diel. Materials, 3, 1146-1149 (2003). 7. E.H.Weber, Development and modeling of thermally conductivepolymer/carbon composites, PhD dissertation, Michigan Technological University (2001). 8. Z. Han and A. Fina, Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites: a review, Progr. Polym. Sci., 36(7), 914-944 (2011). 9. R. Kochetov, Thermal and electrical properties of nanocomposites, including material processing, PhD dissertation, Delft University of Technology, 2012. 10. R. Kochetov, T. Andritsch, U. Lafont, P.H.F. Morshuis, and J.J. Smit, Thermal conductivity of nano-filled epoxy systems,” IEEE Conf. El. Ins. Diel. Phen., Virginia Beach, Virginia, USA, 658-661 (2009). 11. X. Huang, W. Liu, P. Jiang, and T. Tanaka, Boron nitride based poly(phenylene sulfide) composites with enhanced thermal conductivity and breakdown strength, Conf. Proc. Inter. Symp. Ins. El, 35-38 (2011). 12. Y. Agari and T. Uno, Thermal conductivity of polymer filled with carbon materials: effect of conductive particle chains on thermal conductivity, J. Appl. Polym. Sci., 30(5), 2225-2235 (1985). 33 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  42. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 13. B. Weidenfeller, M. Hưfer, and F. R. Schilling, Thermal conductivity, thermal diffusitivity, and specific heat capacity of particle filled polypropylene, Comp. Part A: Appl. Sci. Manuf., 35(4), 423-429 (2004). 14. Mousam Choudhury, Smita Mohanty, Sanjay K. Nayak, Effect of Surface Modification of Aluminum Nitride on Electrical and Thermal Characterizations of Thermosetting Polymeric Nanocomposites, Polymer Composites, 34(1), 1-14 (2013). 15. T. Tanaka, M. Kozako, and K. Okamoto, Toward high thermal conductivity nano micro epoxy composites with sufficient endurance voltage, J. of Inter. Council on El. Eng., 2(1), 90-98 (2012). 16. J. Jordan, K.I. Jacob, R. Tannenbaum, M.A. Sharaf, and I. Jasiuk, Experimental trends in polymer nanocomposites – a review, Mater. Sci. Eng.: A, 393(1-2), 1- 11 (2005). 17. W. Evans, R. Prasher, J. Fish, P. Meakin, P. Phelan, and P. Keblinski, Effect of aggregation and interfacial thermal resistance on thermal conductivity of nanocomposites and colloidal nanofluids, Inter. J. Heat and Mass Transfer, 51(5-6), 1431-1438 (2008). 18. C. Sun, Controlling the rheology of polymer/silica nanocomposites, PhD dissertation, Eindhoven University of Technology (2010). 19. S.L. Shindé and J.S. Goela, High Thermal Conductivity Materials, Springer (2006). 20. R. Kochetov, T. Andritsch, U. Lafont, P.H.F. Morshuis, S.J. Picken, and J.J. Smit, Thermal behavior of epoxy resin filled with high thermal conductivity nanopowders, IEEE El. Ins. Conf., Montreal, QC, Canada, 524-528 (2009). 21. M. Z. Rong, M. Q. Zhang, and W. H. Ruan, Surface modification of nanoscale fillers for improving properties of polymer nanocomposites: a review, Mater. Sci. Techn., 22(7), 787-796 (2006). 34 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  43. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 22. P.C. Irwin, Y. Cao, A. Bansal, and L.S. Schadler, Thermal and mechanical properties of polyimide nanocomposites, IEEE Conf. El. Ins. Diel. Phen., Albuquerque, New Mexico, USA, 120-123 (2003). 23. M. Choudhury, S. Mohanty, S. K. Nayak, and R. Aphale, Preparation and characterization of electrically and thermally conductive polymeric nanocomposites, J. Minerals Mater. Charact. Eng., 11,744-756 (2012). 24. Z. Han, J.W. Wood, H. Herman, C. Zhang, and G.C. Stevens, Thermal properties of composites filled with different fillers, IEEE Inter. Symp. El. Ins., 497-501 (2008). 25. Nguyễn Việt Dũng, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn nhiệt định hướng ứng dụng trong cơng nghệ chiếu sáng bằng đèn LED. Đề tài cơ sở chọn lọc cấp Viện khoa học vật liệu, 2015. 26. Phạm Thị Lánh, Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn nhiệt từ polycacbonat và nhựa epoxy định hướng ứng dụng trong cơng nghệ chiếu sáng bằng đèn LED. Đề tài cơ sở cấp Viện Khoa học vật liệu, 2016. 35 Khĩa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh