Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp
thụ sóng điện từ của vật liệu Polyme dẫn
PPy/CLAY Nanocompozit Ngô Cao Long

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khoa Hóa học
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý; Mã số: 60 44 31
Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Đức Nghĩa
Năm bảo vệ: 2011

Abstract. Tổng quan về công nghệ nano; plyme dẫn clay nanocompozit. Trình bày
phương pháp thực nghiệm: chế tạo vật liệu polypyrol clay nanocompozit; chế tạo
mẫu lớp phủ màng acrylic; phương pháp nghiên cứu (phương pháp phổ hồng ngaoij
FT-IR, phương pháp nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử, phương pháp phân tích
nhiệt khối lượng, phương pháp đo độ dẫn 4 mũi dò). Đưa ra kết quả và thảo luận:
nghiên cứu tính chất của bentonit tinh thể; nghiên cứu tính chất của polypyrol clay
nanocompozit; khảo sát tính chất màng acrylic PPy/clay nanocompozit.

Keywords. Hóa lý; Sóng điện từ; Vật liệu Polyme

Content

MỞ ĐẦU

Từ khi được phát minh đến nay, polyme dẫn đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu
của các nhà khoa học, mở ra một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực vật liệu. Các loại vật
liệu polyme dẫn như polypyrol, polyanilin, polyphenylen, polythiophen là những polyme có
cấu trúc đôi liên hợp đã được nghiên cứu nhiều hơn cả. Vật liệu polyme dẫn đã được ứng

1.2.3.3. Công nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit từ khoáng sét và polyme
1.2.2.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng nanocompozit
1.2.3. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong kỹ thuật tàng hình
1.2.3.2. Nguyên lý hấp thụ sóng điện từ
1.2.4. Polypyrol clay nanocompozit

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo vật liệu polypyrol clay nanocompozit
2.1.1. Nguyên liệu
- Metanol, Xilong, Trung Quốc.
2.1.2. Dụng cụ phản ứng
2.1.3. Thao tác
2.2. Chế tạo mẫu lớp phủ màng acrylic
2.3. Các phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
2.3.3. Kính hiển vi điện tử
2.3.3.1. Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM)
2.3.3.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
2.3.3.3. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
2.3.4. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (Thermal Gravimetric Analysis-TGA)
2.3.5. Phương pháp đo độ dẫn 4 mũi dò

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu tính chất của bentonit tinh chế
3.1.1. Xác định kích thước hạt của Bentonit
Kết quả xác định kích thước hạt phân tích trên thiết bị phân tích bằng laze Horiba
partica LA-950 (Viện kỹ thuật Hóa Sinh và Tài liệu nghiệp vụ, Bộ Công an) cho thấy kích
thước hạt tập trung trong vùng 1- 5m và có xác suất cao nhất tại vùng 2m (chiếm trên

Diện tích bề mặt của Bentonit được xác định từ đường đẳng nhiệt hấp phụ của nitơ tại
-196
o
C. Số liệu hấp phụ được xử lý theo phương pháp BET tại khoa Hóa lý, trường đại học
Sư phạm Hà Nội. Diện tích bề mặt xác định được là 61,8m
2
/g.

3.1.4. Độ trương nở của Bentonit
Kết quả kiểm nghiệm độ trương nở của bentonit Tuy Phong - Bình Thuận đã tinh chế
bằng thí nghiệm đưa 1cm
3
bentonit vào trong ống thí nghiệm. Độ trương của khoáng sét
trong nước lên đến trên 6 lần.

3.2. Nghiên cứu tính chất của polypyrol clay nanocompozit
3.2.1. Tính chất điện
Xác định độ dẫn của các mẫu vật liệu polypyrol clay nanocompozit theo tỷ lệ
clay/polypyrol = 0%, 3%, 5%, 7 % và 10%. Mẫu đo độ dẫn được ép mỏng ở áp suất 100
kg/cm
2
. Kết quả đo độ dẫn của vật liệu polypyrol clay nanocompozit được trình bày tại bảng
3.2.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3

Giản đồ TGA của polypyrol ở hình 3.4a cho thấy ở nhiệt độ 320
o
C polypyrol đã phân
huỷ và đến 422,8
o
C phân huỷ đã vượt trên 50% và PPy phân huỷ hoàn toàn ở nhiệt độ 500
o
C.
Giản đồ TGA của PPy/clay nanocompozit ở hình 3.4b cho thấy sự phân huỷ nước
trong mạng tinh thể (hấp thụ vật lý ở 100
o
C) là 2% tiếp sau đó hỗn hợp nanocompozit bền
vững đến tận nhiệt độ 451,44
o
C thì phản ứng phân huỷ polypyrol mới xảy ra.
3.2.3. Nghiên cứu nhiễu xạ tia X
Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ Rơnghen cho thấy sự thay đổi khoảng cách giữa các lớp
MMT. Trên giản đồ Rơnghen của bentonit Bình Thuận khi chưa hữu cơ hoá thì khoảng cách
của các lớp MMT tại pic d
(001)
với góc quay 2 = 6
o
là khoảng 12,25 A
o
.

(a)
(b)
(a)



Hình 3.7. Phổ hồng ngoại của clay tinh chế
Phổ hồng ngoại của clay tinh chế trình bày tại hình 3.7 cho thấy xuất hiện vùng phổ
3447 - 3627 cm
-1
đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm -OH trong mạng tinh thể liên kết
với các cation Al
3+
với Mg
2+
, Fe
2+
trong nhóm bát diện. Cực đại phổ chuyển dịch về phía tần
số cao hoặc thấp tuỳ thuộc vào hàm lượng cation Mg
2+
hoặc Fe
2+
thay thế ion Al
3+
ở tâm bát
diện. Dao động biến dạng của nhóm -OH cũng được thấy ở vùng 550 - 560 cm
-1
và cũng phụ
thuộc vào hàm lượng Mg
2+
thay thế ion Al
3+
trong tâm bát diện. Nếu hàm lượng Mg
2+
lớn thì
Hình 3.8. Phổ hồng ngoại của polypyrol

Hình 3.9. Phổ hồng ngoại của polypyrol clay nanocompozit
Trên phổ hồng ngoại của polypyrol clay nanocompozit trình bày tại hình 3.9 cho thấy
vẫn xuất hiện nhóm phổ ở vùng tần số 3416 đến 3618 cm
-1
và nhóm phổ ở 500 cm
-1
đặc trưng
cho dao động biến dạng nhóm -OH trong mạng tinh thể bát diện, nhóm phổ ở vùng 1041 cm
-1

là dao động đặc trưng của liên kết Si - O trong tứ diện. Đồng thời xuất hiện pic đặc trưng của
polypyrol dao động biến dạng vòng pyrol 1467 cm
-1
, 1557 cm
-1
, 1628 cm
-1
, có sự dịch
chuyển pic về phía sóng ngắn hơn do tương tác với clay. Điều này chứng tỏ polypyrol đã
được hình thành trong khoảng giữa hai lớp MMT.
3.2.5. Nghiên cứu hình thái học của vật liệu PPy/clay nanocompozit
Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen, phương pháp quang phổ hồng ngoại đã chứng minh
được cấu cấu trúc của các vật liệu. Để bổ sung cho việc nghiên cứu cấu trúc nano này, chúng
tôi đã nghiên cứu hình thái học của vật liệu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM),
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi lực nguyên tử (AFM).


8000
9000
10000
0 2 4 6 8 10
Hàm lượng clay trong nanocompozit (%)
Điện trở vuông

Hình 3.12. Quan hệ giữa tỷ lệ clay và điện trở vuông của màng acrylic PPy/clay
nanocompozit
Kết quả cho thấy điện trở của các màng với hàm lượng clay trong nanocompozit từ 0
đến 5% nhỏ hơn nhiều so với các màng với hàm lượng clay trong nanocompozit cao hơn.
3.3.2. Khảo sát độ bám dính màng sơn trên các chất liệu khác nhau
Tiến hành quét sơn acrylic đã trộn nanocompozit lên trên các bề mặt khác nhau. Các
mẫu được để khô tự nhiên trong 24 giờ, sau đó sấy ở 50
o
C trong 6 giờ. Kết quả đo độ bám
dính trên máy Adhesion tester AT được trình bày tại bảng 3.4.

Bảng 3.4. Độ bám dính của màng sơn acrylic trộn nanocompozit trên các bề mặt
khác nhau
a
b
c
STT
Vật liệu
Độ bám dính (MPa)
1
Gốm
3,1
2

b
c
Quan sát ảnh AFM của mẫu màng acrylic trộn PPy/5% clay nanocompozit trình bày
tại hình 3.14 cho thấy bề mặt của mẫu có sự phân bố đều của các hạt nanocompozit, bề mặt
của màng gồ ghề, diện tích bề mặt lớn.

Hình 3.14. Ảnh AFM của mẫu màng acrylic trộn PPy/5% clay nanocompozit
3.3.4. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polypyrol clay nanocompozit
3.3.4.1. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ vào hàm lượng clay
Tiến hành chế tạo các mẫu màng sơn phủ trên cơ sở acrylic và polypyrol clay nano
compozit với hàm lượng clay lần lượt là 0%, 3%, 5%, 7%, 10% theo tỷ lệ
acrylic/nanocompozit là 1:1. Các mẫu sơn được quét đều lên đế gỗ với độ dầy màng sơn 50
μm. Tiến hành đo độ hấp thụ sóng điện từ của các mẫu màng sơn bằng máy phân tích mạng
vectơ E8362B tại Viện Rađa, Viện Khoa học và công nghệ quân sự:
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 2 4 6 8 10
Hàm lượng clay trong nanocompozit (%)
Độ giảm cường độ hấp thụ (dB)
2.5 GHz
2.7 GHz
3 GHz
3.2 GHz

-9
-7
-5
50 100 150 200
Độ dầy lớp phủ (μm)
Độ giảm cường độ hấp thụ (dB)
2.5 GHz
2.7 GHz
3.0 GHz
3.2 GHz
3.5 GHz

Hình 3.24. Sự phụ thuộc cường độ sóng bị hấp thụ vào độ dầy lớp phủ
Kết quả khảo sát sự phụ thuộc cường độ sóng điện từ bị hấp thụ vào độ dầy lớp phủ
trình bày tại bảng 3.6 và hình 3.24 cho thấy màng càng dầy thì khả năng hấp thụ sóng điện từ
càng cao. Khi độ dầy màng cao hơn 150 μm thì khả năng hấp thụ sóng điện từ cũng không
tăng lên nhiều (khả năng hấp thụ sóng điện từ tại độ dầy lớp phủ 150 μm là gần tương đương
với lớp phủ 200 μm). Luận văn lựa chọn độ dầy lớp phủ chế tạo màng sơn là 150 μm để tiến
hành các nghiên cứu tiếp theo.
3.3.2.2. Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của màng sơn nanocompozit tại các dải tần
khác nhau
Tiến hành chế tạo mẫu màng sơn phủ trên cơ sở acrylic và polypyrol clay nano
compozit với hàm lượng clay 5% theo tỷ lệ acrylic/ nanocompozit là 1:1. Mẫu sơn được quét
đều lên đế gỗ với độ dầy màng sơn 150 μm. Tiến hành đo độ hấp thụ sóng điện từ của màng
sơn ở các dải tần số khác nhau. Kết quả đo khả năng hấp thụ sóng điện từ của màng sơn ở dải
tần từ 2,5 GHz đến 3,5 GHz đã được trình bày tại hình 3.22.
-20
-18
-16
-14

6,0
6,2
6,5
97
95
97
98
96
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
<90
<90
<90
<90
<90

Kết quả cho thấy, với màng sơn phủ trên cơ sở acrylic và polypyrol clay nano compozit
với hàm lượng clay 5% theo tỷ lệ acrylic/ nanocompozit là 1:1. quét trên đế gỗ với độ dầy
màng sơn 150 μm cho khả năng hấp thụ sóng điện từ tới 97,5% ở dải tần số 2,5-3,5 GHz, 97%
ở dải tần 5,0-6,5 GHz và < 90% ở dải tần 8,0-12,0 GHz.

KẾT LUẬN
Thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của
vật liệu polyme dẫn polypyrol clay nanocompozit” luận văn đã đạt được một số kết quả sau:
1. Đã khảo sát tính chất và thành phần của clay Thuận Hải tinh chế; hữu cơ hóa clay bằng
monome pyrol, tổng hợp được vật liệu polypyrol clay nanocompozit bằng công nghệ
trùng hợp ken giữa các lớp clay.

tạo, nghiên cứu tính chất và ứng dụng, Báo cáo công trình trọng điểm nổi bật”, Chương
trình khoa học và công nghệ nano.
4. Nguyễn Đức Nghĩa, 2007, "Hóa học Nano, Công nghệ và Vật liệu nguồn", NXB Khoa
học Tự nhiên và Công nghệ.
5. Nguyễn Đức Nghĩa, 2007, "Thử nghiệm ứng dụng vật liệu hấp thụ sóng điện từ chế tạo ca
nô tàng hình trên biển", đề tài cấp viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
6. Nguyễn Đức Nghĩa, 2009, Polyme chức năng & vật liệu lai cấu trúc nano", NXB Khoa
học Tự nhiên và Công nghệ.
7. Vũ Hùng Sinh, Lê Xuân Quế, Đỗ Trà Hương, Đặng Ứng Vận (2001), “Tác động của oxi
hoá đến cấu trúc điện tử của PANi”, Tạp chí Hoá học, T.39(4),32-36.
8. Nguyễn Đình Triệu (2001), “Các phương pháp phân tích Vật lý và Hoá lý”, Nhà xuất bản
Khoa học và kỹ thuật.

TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH
9. Abdul Shakoor, (2008), "Preparation, Characterization and Conductivity Study of
Polypyrrole-Pillared Clay Nanocomposites", Journal of Composite Materials, Vol. 42,
no. 20, pp. 2101-2109.
10. Adam K. Wanekay, Yu Lei, Elena Bekyarova, “Wilfred Chen, Robert Haddon, Ashok
Mulchandani, Nosang V. Myung”, (2006), “Fabrication and Properties of Conducting
Polypyrrole/SWNT-PABS Composite Films and Nanotubes”, Electroanalysis, Vol. 18,
No. 11, pp. 1047 – 1054.
11. AMalinauskas, JMalinauskiene, A Ramanaviˇcius, (2005), "Conducting polymer-based
nanostructurized materials: electrochemical aspects", Nanotechnology, Vol. 16, pp. 51–
62.
12. Bafna A., Beaucage G., “Mirabella F., Mehta S., 2003, 3D hierarchical orientation in
polymer-clay nanocomposite films”, Polymer, Vol. 44, pp. 1103–1115.
13. Bagrodia, S., Germinario, L.T., Gilmer, J.W., Tant, M.R., 2001. “Structure-property
relationships in Polyamide based nanocomposites”, Antec, Vol. 2, pp. 176–179.
14. C. Bower, R. Rosen, L. Jin, J. Han, O. Zhou, 1999, “Deformation of carbon nanotubes in
nanotube–polymer composites”, Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 22, pp. 3317-3319.

26. Khatereh Abron, 2011, Mat Uzir B. Wahit and Sobhan Bahraeian, A study on thermal
and electrical properties of high density polyethylene/high density polyethylene grafted
maleic anhydride/montmorillonite/ polypyrrole blend, Scientific Research and Essays,
Vol. 6(28), pp. 5895-5902.
27. Letaıef, S., Aranda, P., Ruiz-Hitzky, E., 2005. Influence of iron in the formation of
conductive polypyrrole-clay nanocomposites. Applied Clay Science 28, 183–198.
28. Luis Cabedo , Izabela Mróz , José M. Lagarón , Enrique Giménez, (2011), "Development
of conducting nanofillers based on polypyrrole and nanoclays", European Polymer
Congress.
29. Mohammad Rezaul Karim, Jeong Hyun Yeum, (2008) "n situ intercalative
polymerization of conducting polypyrrole/montmorillonite nanocomposites", Journal of
Polymer Science Part B: Polymer Physics, Vol. 46, Iss. 21, pp. 2279–2285.
30. N Srivastava, Y Singh, and R A Singh, 2011, Preparation of intercalated
polyaniline/clay nanocomposite and its exfoliation exhibiting dendritic structure, Bull.
Mater. Sci., Vol. 34, No. 4, pp. 635–638.
31. Quang T. Nguyen, Donald G. Baird, (2006), Preparation of Polymer–Clay
Nanocomposites and Their Properties, Advances in Polymer Technology, Vol. 25, No. 4,
pp. 270–285.
32. R. Turcu, AL. Darabont, A. Nan, N. Aldea, D. Macovei, D. Bica, L. Vekas, O. Pana, M.
L. Soran, A. A. Koos, L. P. Biro, 2006, New polypyrrole-multiwall carbon nanotubes
hybrid materials, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 8, No. 2, pp.
643 - 647.
33. Rajapakse R.M.G., Murakami kenji, Bandara H.M. N., Rajapakse R. M.M.Y.,
Velauthamurti K., Wijeratne S., (2010), "Preparation and characterization of
electronically conducting polypyrrole-montmorillonite nanocomposite and its potential
application as a cathode material for oxygen reduction", Electrochimica acta, vol. 55, No.
7, pp. 2490-2497
34. Reza Ansari, 2006, Review Article, Polypyrrole Conducting Electroactive Polymers:
Synthesis and Stability Studies, E-Journal of Chemistry, Vol. 3, No.13, pp 186-201,
October.