Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức
Kết quả SAXS / WAXS giúp làm sáng tỏ mối quan hệ cấu trúc-chức năng trong bọt xốp
Bọt xốp – khí bị mắc kẹt trong chất rắn hoặc chất lỏng – là những vật liệu phổ biến, được tìm thấy xung quanh chúng ta. Bọt xốp lỏng có thể được tìm thấy trong các công thức mỹ phẩm, sản phẩm chăm sóc gia đình và thực phẩm, trong khi bọt xốp rắn được sử dụng trong nệm, vật liệu cách nhiệt và kết cấu nhẹ trong các ứng dụng ô tô, vũ trụ và máy bay. Bọt xốp rắn là vật liệu có hốc nên có mật độ và tính dẫn nhiệt thấp. Những đặc tính này, cùng với khả năng hấp thụ năng lượng cao và giảm âm, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng làm vật liệu đóng gói, giảm xóc và cách âm.
Để mô hình hóa, dự đoán và điều chỉnh các đặc tính cơ học của những loại bọt xốp này, cần phải mô tả kỹ lưỡng về độ dày của thành, kích thước ô, hình dạng và cách sắp xếp. Ở các kích thước nhỏ hơn, bản thân quá trình sản xuất cũng có ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học. Nhựa nhiệt dẻo như polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyurethane và axit polylactic thường được sử dụng làm vật liệu cơ bản cho bọt xốp; lịch sử nhiệt và mức độ kết tinh cũng như loại tinh thể và định hướng đã được chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến phản ứng của bọt xốp đối với ứng suất cơ học và trạng thái hư hỏng của nó. Phạm vi rộng của chiều dài cần được thăm dò, diễn tả bằng các kỹ thuật tán xạ (Tán xạ ánh sáng tĩnh và động cũng như Quang phổ sóng khuếch tán và Tán xạ tia X/neutron góc nhỏ và góc rộng) và cần thiết để mô tả đầy đủ đặc tính của Foams (bọt).
Trong một ấn phẩm [1] từ Đại học Kỹ thuật Dresden phối hợp với Viện Nghiên cứu Polyme Leibniz ở Dresden, các nhà nghiên cứu đã minh họa tầm quan trọng của việc hiểu đầy đủ về vật liệu cơ sở và những sửa đổi mà nó trải qua trong quá trình xử lý polypropylene (PP) thành hạt bọt kín. Sử dụng phép đo Tán xạ tia X góc rộng (WAXS), họ có thể tìm ra số lượng tuyệt đối của pha α- β- và γ của PP. Tỷ lệ khác nhau của các pha tinh thể được tìm thấy đối với các hạt nguyên sinh so với vật liệu đúc. Hơn nữa, các phép đo này cho thấy các tỷ lệ khác nhau cũng như các tỷ lệ phần trăm khác nhau của thành phần tinh thể khi quét trên các hạt tham gia vào quá trình đúc. Cuối cùng, các phép đo WAXS 2D cho thấy PP được định hướng (hình bên phải trong hình bên dưới) tại các khớp của các hạt đã hợp nhất và ở lớp vỏ ngoài của các hạt nguyên sinh, cũng được đặc trưng bởi sự truyền qua thấp hơn (như được minh họa trong biểu đồ ở giữa), trong khi nó không được định hướng tại các khu vực bên trong (hình bên trái hiển thị tán xạ đẳng hướng). Mức độ kết tinh được tìm thấy là một yếu tố dự báo tốt cho các đường cong ứng suất-biến dạng đối với các vật liệu này.
Trong một ví dụ gần đây về những gì SAXS (tán xạ tia X góc nhỏ) và WAXS có thể tiết lộ về bọt xốp, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Polyme đặc biệt tại Đại học Ninh Ba, báo cáo về ảnh hưởng của các nhiệt độ khác nhau đến sự kết tinh của poly (3-hydroxybutyrate- co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) tạo bọt xốp. Sử dụng cả WAXS và SAXS, họ nhận thấy rằng dạng tinh thể vẫn giống nhau qua các biến đổi về nhiệt độ xử lý. Tuy nhiên, có sự khác biệt trong khoảng cách chu kỳ dài thể hiện khoảng cách trung bình giữa các miền cứng, đặc biệt là giữa PHBV nguyên sinh và có bọt xốp. Họ lý giải rằng quá trình tạo bọt xốp làm giảm hàng rào năng lượng tạo mầm tinh thể, dẫn đến các lớp tinh thể dày lên.
Cuối cùng, Trường Cao đẳng Khoa học và Kỹ thuật Polymer của Tứ Xuyên đã công bố một nghiên cứu [3] trình bày chi tiết về tác động của việc kéo căng lên nhựa nhiệt dẻo polyurethane (TPU). TPU thể hiện sự phân tách vi pha với các pha mềm tạo thành pha liên tục và cố định, miền cứng được phân bố đồng nhất tạo thành liên kết ngang-vật lý. Họ phát hiện ra rằng khoảng cách chu kỳ của bọt nhiệt dẻo polyurethane (TPU) tăng lên khi các bọt được kéo căng, trong khi việc loại bỏ lực kéo làm giảm khoảng cách dài. Sự gia tăng khoảng cách giữa các vùng cứng khi kéo dài được giải thích là do sự kéo dài của chuỗi phân đoạn mềm dọc theo hướng kéo dài. Loại bỏ ngoại lực ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh của các phân đoạn mềm dẫn đến sự giãn dây chuyền của các miền linh hoạt.
Những kết quả này chứng minh rằng SAXS và WAXS là những công cụ hiệu quả để nghiên cứu các đặc tính tinh thể của nhiều loại bọt xốp gốc polyme khác nhau trong các điều kiện động bên ngoài như nhiệt độ và các biến đổi ứng suất / biến dạng.
Nguyễn Tiến Dũng dịch.
Nguồn: Xenocs
Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được sử dụng cho ứng dụng trên tại đây!
Nguồn tư liệu trong bài viết:
