Phân tích vật liệu polyme nanocomposite với tán xạ tia X

Vật liệu nanocomposite là một loại vật liệu hiệu suất cao đang thu hút sự chú ý trong các ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như ngành công nghiệp ô tô. Chúng bao gồm một loạt các vật liệu có chi phí thấp nhưng hiệu suất cao và có khả năng thể hiện các đặc tính cơ, nhiệt và các tính chất gia công có giá trị cho sản xuất ô tô. Đặc tính của vật liệu ở kích lớn được xác định bởi cấu trúc của chúng ngay từ kích thước nano, do đó, việc phân tích chính xác cấu trúc ở kích thước nhỏ là điều cần thiết để xác định đặc tính và sự phát triển của nanocomposite. Công nghệ tán xạ tia X có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc chưa từng có về nhiều thông số ảnh hưởng đến các đặc tính của nanocomposite.

 

Nanocomposite là một loại vật liệu tổng hợp trong đó các hạt hoặc sợi có kích thước nano (chất độn) bao gồm một hoặc nhiều vật liệu được phân tán trong một vật liệu khối (ma trận). Cả (các) chất độn và chất nền đều giữ lại các phần tử thuộc tính vật liệu khối của riêng chúng, trong khi các thông số kích thước nano của chất độn đóng góp các đặc tính mới cho tổ hợp nano. Các thông số này bao gồm sự phân tán, hình dạng, định hướng và sự phân bố kích thước của các hạt chất độn, cũng như sự tương tác của chúng với ma trận khối.[1-4]

 

Do đó, nanocomposite là một loại vật liệu rất rộng mà các đặc tính của nó có thể được tinh chỉnh trong quá trình sản xuất bằng cách thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu cấu thành.

 

 

Việc phân tích các vật liệu đó qua kính hiển vi thu được thông tin hữu ích về các dạng hình học riêng lẻ của các hạt nano trong vật liệu composite; tuy nhiên, nó không cung cấp thông tin thống kê về sự phân bố kích thước hạt nano và thể tích từng phần. Do đó, các kỹ thuật kính hiển vi không thể cung cấp thông tin đặc tính có ý nghĩa của các biến thể trong một thể tích mẫu lớn hơn. Ngoài ra, nhiều vật liệu nanocomposite không cho truyền qua đối với ánh sáng nhìn thấy hoặc yêu cầu chuẩn bị mẫu phức tạp, điều này hạn chế đáng kể hiệu quả của phân tích kính hiển vi.

 

Tán xạ tia X góc nhỏ cho biết đặc tính của vật liệu nano

 

Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) cung cấp giải pháp phân tích thống kê các hạt nano trong vật liệu nanocomposite. SAXS sử dụng tán xạ tia X để xác định các thông số kích thước nano trong một thể tích có ý nghĩa thống kê (thường là khoảng 1mm^3), chẳng hạn như sự phân bố kích thước của các hạt nano trong nanocomposite. [8]

 

Hình 1 dưới đây minh họa một ví dụ về các phép đo với SAXS trong trường hợp vật liệu nanocomposite có cấu trúc phân lớp có trật tự cao được tạo ra với chiến lược sản xuất mới [6].

 

Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

 

Nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu và phát thải thấp trong ngành công nghiệp ô tô đã làm tăng nhu cầu về vật liệu kết cấu nhẹ trong xe cộ và vật liệu nanocomposite cung cấp các giải pháp hấp dẫn.[5] Mang lại độ tin cậy tương đương hoặc vượt trội so với kim loại, chuyển sang vật liệu nanocomposite có thể giảm trọng lượng đáng kể mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cấu trúc.

 

Ngoài ra, các đặc tính độc đáo của nanocomposite có thể mang lại nhiều đặc tính mong muốn cho các thành phần phi cấu trúc; bao gồm tăng độ bền, giảm tiếng ồn và chống ăn mòn.[5] Các đặc tính chức năng bổ sung như che chắn tia cực tím cũng có thể đạt được thông qua việc sử dụng nanocomposite.[7]

 

Lốp ô tô là một ví dụ phổ biến về ứng dụng của nanocomposite trong ngành công nghiệp ô tô. Độ bền cực cao cần thiết của lốp xe có thể đạt được và nâng cao thông qua việc sử dụng các chất độn nanocomposite, thường là các hạt nano silica hoặc carbon đen, đã được chứng minh là mang lại độ bền và khả năng chống biến dạng cao hơn so với các polyme cao su chưa được độn. Việc phân tích các cụm silica trong cao su đã cho phép phát triển các vật liệu mới để sản xuất lốp xe.

 

Tán xạ tia X cho biết đặc điểm cấu trúc chất độn đa kích cỡ

 

Sự hiểu biết đầy đủ và có ý nghĩa về các đặc tính của vật liệu nanocomposite đòi hỏi phải phân tích ở phạm vi chiều dài nhiều kích cỡ: từ cấu trúc bề mặt của hạt nano, đến hình học tổng thể của nó, và từ các cụm hạt nano đến các khối kết tụ ở nhiều kích cỡ khác nhau.

 

Thiết lập thí nghiệm SAXS tiêu chuẩn cho phép đo bán kính chuyển động quay quanh trục cố định (một chỉ số về kích thước) của các hạt riêng lẻ và tập hợp các hạt. Với thiết lập Bonse-Hart Tán xạ tia X siêu nhỏ (USAXS), người ta có thể truy cập các thang đo chiều dài lớn hơn và lấy thông tin về các khối kết tụ, như thể hiện trong đường cong bên dưới.

 

 

Trong trường hợp này, mô phỏng đường cong mang lại thông tin về kích thước hạt riêng lẻ cũng như kích thước cụm và kết tụ cùng với kích thước phân dạng (fractal) ở chiều dài 3 kích cỡ khác nhau.

 

Sử dụng SAXS để thu được sự phân bố kích thước của các hạt chất độn trong vật liệu nanocomposite, kết hợp với kỹ thuật kính hiển vi để mô tả các hạt riêng lẻ, có thể đưa ra mô tả toàn diện và giàu thông tin về cấu trúc nanocomposite.

 

Việc phân tích kết quả bằng cách sử dụng các mô hình chuẩn rất nhanh và đặc biệt hữu ích để so sánh các thông số công thức khác nhau của các mẫu. Ngoài ra, nhiều mô hình định lượng của cấu trúc chất độn phức tạp của vật liệu nanocomposite trong công nghiệp đã được phát triển. Ví dụ, việc sử dụng các kỹ thuật kính hiển vi hiệu năng cao như Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) kết hợp với SAXS có thể mô tả đặc tính đầy đủ các tương tác giữa các liên kết tụ, độ phân bố kết tụ và phần trăm thể tích kết tụ trong cấu trúc phân cấp đầy đủ.

 

Xeuss là thiết bị tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) dạng beamline hiệu năng cao sử dụng trong phòng thí nghiệm, được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho Tán xạ tia X siêu nhỏ, nhỏ và góc rộng (USAXS, SAXS & WAXS) cho việc phân tích vật chất mềm và vật liệu nano. Nó cung cấp thông tin đặc tính nhanh chóng của mạng lưới chất độn trong nanocomposite như cao su sinh học[10], chất độn carbon đen cho cao su [11], hoặc oxit graphene với Poly (ethylene methyl acrylate).[12]

 

Xeuss có thể xác định cấu hình cho một loạt chiều dài các kích cỡ khác nhau, có khả năng cung cấp sự phân bố kích thước hạt từ vài nanomet đến 350 nm và thêm mô-đun Bonse-Hart USAXS bổ sung cho phép xác định đặc tính của các cấu trúc lớn trên 4 μm. Mặc dù cung cấp khả năng phân tích tiên tiến, Xeuss được thiết kế với mục đích dễ sử dụng: nó có cấu hình để hoạt động hoàn toàn từ xa và buồng chân không lớn với mẫu cố định trong quá trình đo đảm bảo tính linh hoạt tối đa. [13]

 

Khám phá các thiết bị SAXS của Xenocs khác trên trang sản phẩm Xenocs, và đặc biệt là Nano inxider [8] cho các nghiên cứu SAXS, WAXS và GISAXS trên tất cả các loại mẫu.

 

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch

• Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được sử dụng cho ứng dụng trên tại đây!
• Cập nhật những tin tức KHCN & Đời sống mới nổi bật trên thế giới sử dụng kỹ thuật tán xạ tia X góc nhỏ

Tài liệu tham khảo và đọc thêm:

1. Genix, A.-C., Bocharova, V., Carroll, B., Lehmann, M., Saito, T., Krueger, S., He, L., Dieudonné George, P., Sokolov, A.P., Oberdisse, J.. Understanding the Static Interfacial Polymer Layer by Exploring the Dispersion States of Nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 17863–17872 (2019).
2. Zhang, P. & Kraus, T. Anisotropic nanoparticles as templates for the crystalline structure of an injection-molded isotactic polypropylene/TiO 2 nanocomposite. Polymer. 130, 161–169 (2017).
3. Pletsch, H., Tebbe, M., Dulle, M., Förster, B., Fery, A., Förster, S., Greiner, A. & Agarwal, S., Reversible gold nanorod alignment in mechano-responsive elastomers. Polymer. 66, 167–172 (2015).
4. Heinrich, G., Klüppel, M. & Vilgis, T. A. Reinforcement of elastomers. Opin. Solid State Mater. Sci. 6, 195–203 (2002).
5. Garcés, M., Moll, D. J., Bicerano, J., Fibiger, R. & Mcleod, D. G. Polymeric Nanocomposites for Automotive Applications. Adv. Mat., 12, 1835-1839 (2000).
6. Zhao, C., Zhang, P., Zhou, J., Qi, S., Yamauchi, Y., Shi, R., Fang, R., Ishida, Y., Wang, S., Tomsia, A.P., Jiang, L., Liu, M., Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets. Nature, 580, 210–215 (2020).
7. Olson, E., Li, Y., Lin, F.-Y., Miller, A., Liu, F., Tsyrenova, A., Palm, D., Curtzwiler, G.W., Vorst, K.L., Cochran, E. & Jiang, S., Thin Biobased Transparent UV-Blocking Coating Enabled by Nanoparticle Self-Assembly. ACS Mater. Interfaces 11, 24552–24559 (2019).
8. Size distribution of nanoparticles: powders, dispersions and composites. Available at: https://www.xenocs.com/size-distribution-of-nanoparticles-powders-dispersions-and-composites/
9. Oberdisse, J., Pyckhout-Hintzen, W., Straube, E., Structure Determination of Polymer Nanocomposites by Small Angle Scattering, Recent Advances in Polymer Nanocomposites, Chapter 12 (2019).
10. Manoharan, P. & Naskar, K. Biologically sustainable rubber resin and rubber-filler promoter: a precursor study. Adv. Technol. 28, 1642–1653 (2017).
11. Mondal, T., Bhowmick, A.K., Ghosal, R., Mukhopadhyay, R., Expanded Graphite as an Agent Towards Controlling the Dispersion of Carbon Black in Poly (Styrene –co-Butadiene) Matrix: An Effective Strategy Towards the Development of High Performance Multifunctional Composite, Polymer, 146, 31-41 (2018).
12. Ganguly, S., Mondal, S., Das, P., Bhawal, P., Das, T.K., Ghash, S., Remanan, S. & Das, N.C., An Insight Into the Physico-Mechanical Signatures of Silylated Graphene Oxide in Poly(ethylene methyl acrylate) Copolymeric Thermoplastic Matrix. Macromol. Res. 27, 268–281 (2019).
13. USAXS SAXS WAXS Nanostructure – Lab Beamline Characterization. Available at: https://xenocs.com/products/xeuss-3-0/.