Chế tạo graphene đa lớp chất lượng cao bằng phương pháp rung siêu âm công suất lớn và thử nghiệm ứng dụng gia cường cho một số vật liệu composite

Trong các hệ vật liệu polymer composite, graphene đóng vai trò chất gia cường hiệu quả, giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học (như độ bền kéo, độ cứng, khả năng chịu va đập), tính chất nhiệt (tăng cường khả năng dẫn nhiệt, ổn định nhiệt) và tính chất điện (nâng cao độ dẫn điện, kháng tĩnh điện). Sự phân tán tốt của graphene trong nền polymer giúp tạo ra các mạng liên kết bền vững ở cấp độ nano, từ đó hình thành các nanocomposite có tính năng tốt hơn so với các composite truyền thống.

Bên cạnh đó, graphene được ứng dụng để cải tiến tính năng cho các loại vật liệu polymer kỹ thuật, màng phủ chức năng, vật liệu chống ăn mòn, sơn dẫn điện, vật liệu cách nhiệt và các sản phẩm công nghệ cao như màng cảm biến, thiết bị lưu trữ năng lượng, vật liệu dẫn nhiệt trong điện tử và trong công nghiệp. Do đó, nghiên cứu phát triển các quy trình chế tạo graphene hiệu quả và ứng dụng trong các hệ vật liệu polymer composite là hướng đi quan trọng nhằm nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng khả năng ứng dụng thực tiễn của loại vật liệu chiến lược này.

Viện Khoa học vật liệu là một trong những đơn vị đầu tiên trong nước triển khai nghiên cứu tách lớp graphite thành graphene trong pha lỏng bằng các phương pháp tiên tiến như khuấy cắt tốc độ cao và rung siêu âm công suất lớn. Từ năm 2018, Viện Khoa học vật liệu đã làm chủ công nghệ tách bóc graphite thành graphene nhiều lớp bằng hệ khuấy cắt hai trục so le công suất 1-2 kW. Trên cơ sở đó nhiệm vụ: “Chế tạo graphene đa lớp chất lượng cao bằng phương pháp rung siêu âm công suất lớn và thử nghiệm ứng dụng gia cường cho một số vật liệu composite”, mã số: UDPTCN. 04/21-23, do ThS. Nguyễn Thị Ngọc Tú và TS. Bùi Hùng Thắng cùng các cộng sự đã được triển khai để phát triển phương pháp bóc tách graphene trong pha lỏng sử dụng sóng siêu âm mật độ công suất lớn để chế tạo vật liệu graphene ít lớp.

Nhiệm vụ đã thiết kế và chế tạo thành công một thiết bị rung siêu âm công suất lớn dùng để tách lớp graphene từ graphite. Thiết bị có tần số sóng siêu âm 40 kHz và mật độ công suất lên tới 2,4 kW/lít - phù hợp với yêu cầu phá vỡ liên kết giữa các lớp graphite trong môi trường pha lỏng. Graphene thu được sau quá trình xử lý bằng thiết bị này có kích thước tấm nhỏ hơn 500nm, chiều dày khoảng 3nm, diện tích bề mặt riêng trên 60 m²/g và độ tinh khiết cao, với hàm lượng carbon trên 99%.

Hình 1. Hình ảnh chế tạo của thiết bị

    
Hình 2. Ảnh TEM của vật liệu graphen chế tạo được

Graphene đa lớp được tổng hợp đã được ứng dụng để gia cường cho hai hệ vật liệu composite điển hình là cao su thiên nhiên và epoxy. Đối với cao su thiên nhiên, vật liệu gia cường thu được có độ bền kéo đứt đạt 18,6 MPa, độ giãn dài khi đứt 565,8% và độ cứng 56,5 Shore A, thể hiện sự cải thiện rõ rệt so với vật liệu nền. Trong khi đó, mẫu vật liệu epoxy gia cường với graphene cũng cho thấy các chỉ tiêu cơ lý ấn tượng, với độ bền va đập đạt 100 kg/cm, độ bền uốn và độ bám dính đều ở mức cấp 1 và độ cứng tương đối là 0,9.

Hình 3. Bằng độc quyền sáng chế 44422 được Cục Sở hữu trí tuệ cấp

Nhiệm vụ đã được Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đánh giá cao về mặt khoa học, công nghệ, ứng dụng và Hội đồng đánh giá xếp loại xuất sắc. Nhiệm vụ đã hoàn thành bằng độc quyền sáng chế số 44422 do Cục Sở hữu trí tuệ cấp về “Thiết bị rung siêu âm mật độ công suất lớn và quy trình tách lớp graphit thành graphen”; 01 đơn đăng ký sáng chế số 1-2022-01007 đang trong quá trình thẩm định nội dung để tiến tới cấp bằng; 01 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCI-E (Materials Research Express), 02 bài báo trên các tạp chí khoa học quốc gia và báo cáo tại 02 hội thảo khoa học quốc gia, quốc tế và hỗ trợ 01 nghiên cứu sinh thực hiện luận án tiến sĩ.

Nguồn tin: Bùi Hiển – Ban Ứng dụng và Triển khai công nghệ
Xử lý tin: Minh Tâm