Nghiên cứu chế tạo màng composite từ celluslose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol ứng dụng trong máy phát điện nano

Thủ Đức, ngày tháng năm 2023 Trang 8 LỜI CAM KẾT Em xin cam kết khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải và pol

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

GVHD: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH

TS BÙI VĂN TIẾN SVTH : NGUYỄN VÕ ANH KHOA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG COMPOSITE TỪ

CELLULOSE BÔNG TẨY TRANG PHẾ THẢI VÀ POLYVINYL ALCOHOL ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN NANO

S K L 0 1 1 7 9 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TP Hồ Chí Minh, tháng 09, năm 2023

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG COMPOSITE TỪ

CELLULOSE BÔNG TẨY TRANG PHẾ THẢI VÀ POLYVINYL ALCOHOL ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN NANO

GVHD : TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH

MSSV : 19130028 KHÓA : 2019

TS BÙI VĂN TIẾN SVTH : NGUYỄN VÕ ANH KHOA

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2022

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Võ Anh Khoa MSSV: 19130028

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải

và polyvinyl alcohol ứng dụng trong máy phát điện nano

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vũ Việt Linh

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Địa chỉ: số 1 Võ Văn Ngân, phường Linh Chiểu, Thành phố Thủ Đức

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

Sinh viên đảm bảo đầy đủ nội dung và khối lượng thực hiện được yêu cầu của một khóa luận tốt nghiệp

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên:

Sinh viên có tinh thần học hỏi và và tiếp thu ý kiến của GV hướng dẫn

SV trung thực và chăm chỉ trong quá trình thực hiện các nghiên cứu

3 Ưu điểm:

- Sinh viên có tính kỷ luật tốt và nghiêm túc thực hiện đề tài

- Nội dung luận văn được trình bày rõ ràng, có hệ thống và hoàn thành đủ các nhiệm

vụ đã được đề ra

- Luận văn đã xây dựng thành công quy trình chế tạo màng composite có cấu trúc lồi

từ bông tẩy trang phế thải và PVA Đề tài nghiên cứu của sinh viên có tính ứng dụng cao trong chế tạo máy phát điện nano (TENG)

4 Khuyết điểm: SV còn hạn chế trong việc trình bày, sử dụng các từ ngữ học thuật trong khóa luận tốt nghiệp Tính cẩn thận chưa cao dẫn đến còn nhiều sai sót trong trình bày khóa luận tốt nghiệp

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đồng ý cho bảo vệ

6 Điểm: 9,0 (Bằng chữ: chín điểm)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2023

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Vũ Việt Linh

BQ M6N C6NG NGH� V�T Ll�U D�c IQp - Tlf do - llcm/1 phuc

NH�N XET CUA GIAO VIEN PHAN Blf:N

HQ va ten Sinh vien: Nguy�n Vu Anh Khoa

Nganh: Cong ngh� V�t Li�u

MSSV: 19130028 Khoa: Khoa hQc lJng d\mg Ten d� tai: Nghien cuu ch� t�o mang composite polyvinyl alcohol va cellolose tu ph� li�u cotton ung di.mg trong may phat di�n nano

HQ va ten Ghio vien phan hien: TS Phi.im Thanh True

Ccr quan cong tac ctia GV phan hien: Truong DH Su Ph�m Ky Thu�t TpHCM

Dia chi: 01 Vo Van Ngan, P Linh Chi�u, Tp Thu Due, TpHCM

Y KIEN NH�N XET

1 V� n9i dung d� tai va kh6i hr(fng thvc hifn:

Sinh vien Nguy�n Vii Anh Khoa da thi,rc hi�n kh6i Im.mg cong vi�c dap ung dugc tieuchuin ctia KL TN d�i hQc, bao g6m cac n(>i dung:

- Tai ch� va danh gia tinh chit cellulose tu bong tAy trang ph� thai

- Ch� t�o mang composite cellulose/PY A va danh gia cac tinh chit co ban ctiamang

- Danh gia kha nang ung di,mg cua mang cellulose/PY A vao may phat di�n nano

2 Uu di�m:

- NQi dung trinh bay d§y dti, ro rang, hc;rp ly

- D� tai mang y nghia thi,rc ti�n, vi�c sir di.mg PV A thay cho cac lo�i nhi,ra ngu6ng6c d§u mo kh6 phan htiy ciing nhu cellulose tu bong tiy trang ph� thai giaiquy�t v!n d� o nhi�m moi trucmg

3 Khuy�t di�m

- Bai vi�t c6 nhi�u 16i chinh ta, l6i cu phap cau, 16i d6 thj, dn dugc xem l�i dnth�n hcrn

- Chua ghi ro tai li�u tham khao trong cac phdn phan tich du true, tinh ch!t v�tIi�u.

4 Ki@n nghi va cau hoi

Cau hoi

- Vai tro ctia cellulose la gi?

- Vi sao khi tang PV A len 20 %kl thl PV A tran ra ngoai khuon?

- Khi phan tich nhi�t, mang cotton/PY A bi�u hi�n 2 thanh phdn c6 tinh ch!t nhi�t

gifing nhau hay khac nhau? Tfic d(> gia nhi�t trong phan tich nhi�t la bao nhieud� thu dugc bi�u df> nay?

- Y nghia ctia cac xung am, ducmg trong bi�u df> di�n th€ cua TENG Vi sao c6 1xung ducmg, 2 xung am?

- D� th�p sang 65 den LEDs, em cdn dong di�n c6 cuong d(> bao nhieu? Em dndung m�u mang c6 di�n tich bao nhieu d� th�p sang?

- D(> b�n cua TENG trong 11000 chu ky la t6t hay chua? Tin hi�u di�n c6 An djnhkhong?

Kiin nghj:

- Nen thfing nh!t l�i ten m�u:

o Cotton/PY A hay cellulose/PV A

o Trang 46: Nen thay d6i th(r tlJ d�t ten CoA, CoB, CoC

- Thuy€t minh quy trinh nen trinh bay phu hqp v6i so d6

- M(>t s6 phep do dn ghi ro n(>i dung: Kich thu6c chinh xac cua m�u do ca tinh,

cac di�u chinh tdn sfi khi khao sat kha nang phat di�n cua TENG

- Trang 50, ph6 FTIR: Cac dinh a khoang 1300-1700 cm·1 trong ph6 FTIR la gi?

- Nen dua ra cac anh SEM cung d(> ph6ng d�i khi so sanh gifra cac m!u

- f)� c6 th� k€t lu�n qua trinh ch€ t<;lO mang cotton/PY A du true lf>i khong con l�n

PS, nen dua them ph6 FTIR cua PS vao d� so sanh (Hinh 3.15)

- Sfra l<;1i ky hi�u Hinh 3.22

5 D� nghj cho bao v� hay khong? C6

6 Di�m: 9.0 (B�ng chu: Chin chlin)

Tp Hf> Chi Minh, ngay 5 thang 9 nam 2023

Giao vien phan bi�n

(Ky & ghi ro hQ ten)

�j?�

�

TS Ph� Thanh True

Trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol ứng dụng

trong máy phát điện nano”, lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn

Vũ Việt Linh và TS Bùi Văn Tiến - những người đã dành cho em thời gian, tri thức

và tâm huyết tận tâm trong suốt hành trình nghiên cứu Sự hướng dẫn chân thành của hai thầy cô đã giúp em khám phá những hướng tiếp cận mới, những phương pháp nghiên cứu hiệu quả, và đã giúp em có cái nhìn sâu sắc hơn về lĩnh vực nghiên cứu của mình

Em thực sự trân trọng sự cống hiến và những đóng góp quý báu mà hai thầy cô đã dành cho em và khóa luận của em

Em cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong Khoa Khoa học ứng dụng Sự hỗ trợ và môi trường học tập mà các thầy cô đã tạo ra đã giúp

em phát triển không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu mà còn trong cuộc sống hàng ngày Những lời khuyên quý báu và kiến thức mà em đã học từ các thầy cô đã góp phần quan trọng vào sự trưởng thành của em

Cuối cùng, em không thể không bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả những người đã đồng hành và ủng hộ em trong suốt quá trình này, đặc biệt là gia đình, bạn bè, các anh chị và các em trong Khoa Khoa học ứng dụng Sự giúp đỡ và động viên của các bạn đã giúp em vượt qua những thử thách và khó khăn, và đã là nguồn động viên quý báu trong hành trình của em

Lời cảm ơn không thể nào thể hiện đầy đủ lòng biết ơn của em đối với tất cả những người đã đồng hành và ủng hộ em Em hi vọng rằng thành quả của công việc này có thể là sự góp phần nhỏ bé vào lĩnh vực chúng ta đang nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn và kính chúc tất cả mọi người luôn hạnh phúc và thành công

TP Thủ Đức, ngày tháng năm 2023

Sinh viên thực hiện

LỜI CAM KẾT

Em xin cam kết khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol ứng dụng trong máy phát điện nano” được trình bày dưới đây là thành quả của việc nghiên cứu của em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Em đã dành thời gian và tâm huyết để nghiên cứu và phân tích dữ liệu một cách nghiêm túc Em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu phù hợp và thực hiện từng bước cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả thu được Các thông tin, số liệu và tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng, đầy

đủ theo hướng dẫn tham khảo đã học ở trường

Các số liệu trong bài khóa luận được em tổng hợp và tính toán, các nguồn thông tin sử dụng trong bài báo sẽ được ghi rõ nguồn gốc và trích dẫn theo đúng quy định nhằm đảm bảo tính xác thực và tin cậy cho các kết quả nghiên cứu của bài báo

Em đảm bảo rằng quá trình thí nghiệm được thực hiện theo quy trình và kết quả phù hợp với kết quả thí nghiệm

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol ứng dụng trong máy phát điện nano” sẽ tiến hành việc chế tạo các màng composite cotton/PVA ở các tỷ lệ 95/5, 90/10 và 85/15

Đánh giá các tính chất cơ lý, hình thái và cấu trúc của các màng composite cotton/PVA Đồng thời, đánh giá hình thái bề mặt và kích thước của các vi cấu trúc lồi màng cotton/PVA Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử (SEM) cho thấy các sợi và PVA đã liên kết với nhau Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR) cho thấy màng composite cotton/PVA có các đỉnh có số sóng tương ứng với dao động các nhóm O-H, C-H và C-O đặc trưng cho cấu trúc của hóa học của cellulose và PVA

Phân tích tính chất cơ tính của màng cotton/PVA cho thấy tỉ lệ 85/15 lượng PVA phân tán trong màng nhiều nhất nên thể hiện cơ tính tốt nhất với độ bền kéo là 66,18 ± 9,63 MPa và độ biến dạng đạt 5,49 ± 0,61 % Phân tích nhiệt (TGA), cho thấy ba giai đoạn phân hủy nhiệt của màng compsite cotton/PVA: 30-150℃, 250-420℃ và trên 450℃

Đánh giá kích thước cấu trúc lồi vi mô màng composite cotton/PVA đạt được kích thước đường kính trung bình là 3,87 ± 0.23 µm Khả năng kháng nước bằng phương pháp góc tiếp xúc nước, màng composite cotton/PVA cấu trúc lồi là 100,91̊

Kết quả hiệu điện thế đầu ra của các màng composite: cao nhất là tỉ lệ 95/5 đạt được 216 V ở tần số 5 Hz, khả năng sạc các bị điện tử: tụ điện và bảng mạch LED Ngoài ra, TENG từ màng cấu trúc lồi cotton/PVA và màng cấu trúc lồi PDMS còn cho hiệu quả phát điện tốt ngay khi ở tần số thấp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM KẾT ii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN iii

BẢNG KÍ TỰ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

PHẦN MỞ DẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.2 Tổng quan về nguồn nguyên liệu 4

1.2.1 Giới thiệu về cotton trong bông tẩy trang 4

1.2.2 Sản xuất bông tẩy trang 5

1.2.3 Thành phần hóa học của sợi thiên nhiên và sợi cotton 5

1.2.3 Cấu tạo của sợi thiên nhiên và cotton 8

1.2.4 Giới thiệu về polyvinyl alcohol (PVA) 9

1.3 Giới thiệu vật liệu biocomposite, composite gia cường bằng sợi 11

1.3.3 Vật liệu biocomposite 11

1.3.4 Vật liệu composite gia cường bằng sợi thiên nhiên 13

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng sức cơ học của composite gia cường bằng sợi thiên nhiên 14

1.4 Vật liệu polymer cấu trúc xốp trật tự cao và các phương pháp chế tạo 15

1.4.1 Giới thiệu về vật liệug polymer có cấu trúc xốp có trật tự cao 15

1.4.2 Các phương pháp chế tạo 15

1.5 Máy phát điện Triboelectric nanogenerator (TENG) 23

1.5.3 Giới thiệu chung 23

1.5.4 Các loại vật liệu cấu tạo TENG 25

1.5.5 Nguyên lý hoạt động của TENG 25

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 30

2.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 30

2.2 Quy trình thực nghiệm 33

2.2.1 Quy trình thực nghiệm làm sạch cotton từ bông tẩy trang đã qua sử dụng 33

2.2.2 Quy trình tạo khuôn PS 34

2.2.3 Quy trình tạo màng composite trên cơ sở nhựa nền PVA và pha gia cường bằng sợi cotton 35

2.3.4 Quy trình tạo màng Cotton/PVA có cấu trúc lồi 37

2.3 Các phương pháp phân tích 38

2.3.1 Kính hiển vi điện tử quang học (OM) 38

2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 38

2.3.3 Máy đo quang phổ hồng ngoại FTIR 39

2.3.4 Đo góc tiếp xúc 39

2.3.5 Thiết bị đo cơ tính 40

2.3.6 Phân tích nhiệt theo trọng lượng (TGA) 41

2.3.7 Sử dụng máy đo hiện sóng oscilloscope 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45

3.1 Đánh giá khả năng tái chế cotton phế thải 45

3.1.1 Đánh giá ngoại quan và hình thái cấu trúc của sợi cotton 45

3.1.2 Đánh giá cấu trúc hóa học bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR 46

3.1.3 Khảo sát độ hút ẩm của cotton 47

3.2 Khảo sát tỉ lệ dung môi chloroform/methanol ảnh hưởng tới kích thước khuôn PS có cấu trúc lõm 47

3.3 Màng composite cotton/PVA 50

3.3.1 Đánh giá thành phần cấu trúc màng bằng quang phổ hồng ngoại 50

3.3.2 Đánh giá khả năng liên kết của màng cotton/PVA 51

3.3.3 Khảo sát độ hấp thụ nước của màng cotton/PVA 52

3.3.4 Đánh giá cơ tính của màng cotton/PVA 53

3.3.5 Phân tích nhiệt màng cotton/PVA 54

3.4 Chế tạo màng composite cotton/PVA có cấu trúc lồi 55

3.4.1 Đánh giá khả năng tạo màng lồi và kích thước cấu trúc lồi của màng composite cotton/PVA 55

3.4.2 Đánh giá sự ảnh hưởng của quá trình chế tạo đến tính chất màng 57

3.4.3 Đánh giá khả năng kháng nước bằng phương pháp đo góc tiếp xúc 57

3.4.4 Kết quả đo tính chất điện 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 69

BẢNG KÍ TỰ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên [10] 6 Bảng 1.2 Tính chất chung của sợi tự nhiên [12] 9 Bảng 1.3 Tính chất vật lý của PVA [12] 10 Bảng 1.4 Tổng hợp ưu và nhược điểm của các phương pháp hình thành màng [30] 20

Bảng 2.1 Bảng thống kê dụng cụ sử dụng 30 Bảng 2.2 Bảng thống kê thiết bị sử dụng 31 Bảng 2.3 Bảng thống kê một số hóa chất sử dụng 32 Bảng 2.4 Bảng kí hiệu các mẫu màng composite tương ứng với các tỷ lệ % khối

lượng (% kl) của PVA và % kl sợi cotton 36

Bảng 2.5 Bảng kí hiệu các mẫu màng composite cấu trúc lồi tương ứng với các tỷ lệ

% khối lượng (% kl) của PVA và % kl sợi cotton 38

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cây bông vải 4

Hình 1.2 Bông cotton tẩy trang thương mại 5

Hình 1.3 Cấu trúc của chuỗi cellulose, làm nổi bật sự hình thành liên kết H liên phân tử (vòng tròn màu đen nét đứt) và liên kết H nội phân tử (vòng tròn màu xám đặc) liên kết các chuỗi cellulose với nhau [11] 6

Hình 1.4 Cấu tạo của hemicellulose 7

Hình 1.5 Cấu tạo của lignin 7

Hình 1.6 Cấu trúc của sợi tự nhiên 8

Hình 1.7 Công thức hóa học của PVA 10

Hình 1.8 Vòng đời của composite gia cường sợi tự nhiên, có thể phân hủy sinh học [18] 12

Hình 1.9 Các loại sợi tự nhiên 13

Hình 1.10 Cấu trúc xốp tổ ong 15

Hình 1.11 Cơ chế phân pha truyền thống [17] 16

Hình 1.12 Minh họa cơ chế hình thành cấu trúc tổ ong có trật tự do (BFA) [19] 18

Hình 1.13 Cơ chế nhũ tương [30] 19

Hình 1.14 Sơ đồ minh họa các bước chính của lithography 20

Hình 1.15 Sơ đồ chế tạo màng có cấu trúc tổ ong bằng phương pháp phân pha nâng cao [33] 23

Hình 1.16 Sơ đồ hiển thị các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của thiết bị TENG [37] 24

Hình 1.17 Dãy ma sát điện của một số loại vật liệu thường dùng để chế tạo TENG [29] 25

Hình 1.20 Cơ chế điện cực đơn [31] 28

Hình 1.21 Cơ chế điện cực tự do [32] 29

Hình 2.1 Quy trình làm sạch cotton từ bông tẩy trang phế thải 33

Hình 2.2 Quy trình chế tạo khuôn PS cấu trúc lõm 34

Hình 2.3 Quy trình chế tạo màng composite Cotton/PVA 35

Hình 2.4 Quy trình tạo màng composite có cấu trúc lồi 37

Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quang học (Olympus, Nhật Bản, Model: MX 51 DP 22) 38

Hình 2.6 Máy SEM Hitachi TM4000 Plus 39

Hình 2.7 Máy FTIR Jasco 4600 39

Hình 2.8 Máy đo góc tiếp xúc (model: Seo Hàn Quốc) 40

Hình 2.9 Máy đo độ bền kéo Tension testing machine tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 41

Hình 2.10 Máy phân tích STA Pt 1600 (Linseis, Đức) tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh 41

Hình 2.11 Máy đo hiện sóng oscilloscope 42

Hình 2.12 Sơ đồ các bước sử dụng máy oscilloscope 42

Hình 2.13 Cơ chế hoạt động tiếp xúc tách dọc [42] 43

Hình 3.1 Ảnh chụp bông tẩy trang cotton a) trước và b) sau khi xử lý 45

Hình 3.2 Ảnh SEM sợi cotton sau khi xử lý với a) độ phóng đại 100X, b) độ phóng đại 500X và c) biểu đồ phân bố đường kính sợi cotton 45

Hình 3.3 Phổ FTIR của a) bông cotton thương mại, b) bông cotton sau khi xử lý và c) bông cotton phế thải 46

Hình 3.4 Biểu đồ thể hiện độ ẩm của cotton đã qua xử lý 47

Hình 3.5 Ảnh kính hiển vi và biểu đồ phân bố kích thước lỗ xốp của khuôn PS chế tạo ở tỉ lệ Chloroform/Methanol a) 85/15, b) 90/10, c) 95/5 48

Hình 3.6 Ảnh SEM của khuôn PS a) độ phóng đại 2.000X, b) độ phóng đại 5.000k và c) biểu đồ phân bố đường kính trung bình của cấu trúc lõm 49

Hình 3.7 Phổ FTIR của PVA và màng composite cotton/PVA các tỉ lệ 50

Hình 3.8 Ảnh SEM màng cotton/PVA (a-b) Co95, (c-d) Co90, (e-f) Co85 51

Hình 3.9 Độ hấp thụ nước của các màng composite cotton/PVA 52

Hình 3.10 Biểu đồ Ứng suất – Biến dạng của các màng cotton/PVA 53

Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện độ bền kéo và biến dạng các mẫu màng cotton/PVA 53

Hình 3.12 Biểu đồ nhiệt khối lượng của mẫu Co90 54

Hình 3.13 Ảnh SEM cấu trúc bề mặt lồi màng composite a) độ phóng đại 500X, b) độ phóng đại 2.000X, c) độ phóng đại 3.000X và d) biểu đồ phân bố kích thước đường kính của cấu trúc lồi 55

Hình 3.14 Ảnh SEM bề mặt và biểu đồ phân bố đường kính hạt (a-b) CoV95, (c-d) CoV90, (e-f) CoV85 56

Hình 3.15 Phổ FT-IR của màng PVA và màng CoV90 57

Hình 3.16 Màng a) Co90 và b) CoV90 sau khi nhỏ giọt nước 57

Hình 3.17 Góc tiếp xúc nước của CoV90 58

Hình 3.18 Điện thế đầu ra a) màng Co90, b) màng CoV90 58

Hình 3.19 Điện thế (VOC) của màng a) CoV85, b) CoV90 và c) CoV95 59

Hình 3.20 Điện thế của thiết bị TENG sử dụng màng CoV95 với diện tích tiếp xúc 3 x 3 (cm2) ở a) 1Hz, 2Hz, 3Hz, 4Hz, 5Hz, b) ảnh hưởng của tần số lên hiệu quả phát điện của TENG 60

Hình 3.22 Điện thế tụ điện được cấp nguồn bởi thiết bị TENG với các tần số khác nhau

ở cùng tụ điện 10 µF 61

Hình 3.23 Sử dụng TENG chế tạo được thắp sáng trực tiếp khoảng 65 đèn LEDs cho

thấy khả năng ứng dụng cao của TENG 61

Hình 3.24 Điện thế của thiết bị TENG sử dụng màng CoV95 trong 11.000 chu kì 62

PHẦN MỞ DẦU

Lý do chọn đề tài

Các vật liệu truyền thống, đặc biệt là nhựa nhiệt dẻo như Polyetylen, Polypropylen, Polystyren… đã đóng một vai trò rất quan trọng đối với đời sống của chúng ta Chúng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực như đồ gia dụng, bao bì, ống nước…Tuy nhiên, các loại sản phẩm này lại rất khó phân hủy, tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm, và ảnh hưởng tới hệ sinh thái [1] Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu bền vững, thân thiện với môi trường càng trở nên cấp thiết Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệu mới có thể phân hủy sinh học

từ việc khai thác sợi tự nhiên làm thành phần chịu lực trong vật liệu composite Việc sử dụng các vật liệu gia cường bằng sợi đã tăng lên do giá thành tương đối rẻ, khả năng tái chế và chúng có thể cạnh tranh tốt về độ bền của vật liệu [2] Vật liệu này có khả năng phân hủy nhanh dưới tác động của môi trường và các vi sinh vật trong một số điều kiện nhất định Các loại sợi thực vật được sử dụng để chế tạo composite có thể lấy từ các loại cây như tre, lanh, gai, đay,… Các loại nhựa nền có thể dễ dàng phân hủy sinh học thường dùng là PVA, PHA, PLA, Trong đó nhựa PVA (polyvinyl alcohol) có nhiều tiềm năng

để phát triển

Trong 1 thế kỷ gần đây, các vật liệu composite đi từ sợi thực vật và nhựa nền PVA đang được sự quan tâm rất lớn ở nước ta Bên cạnh đó, chất thải từ bông tẩy trang cotton đang gia tăng cùng với sự phát triển của các ngành dịch vụ chăm sóc sắc đẹp Việc tận dụng nguồn sợi cotton có trong bông tẩy trang góp phần giảm thiểu nguồn phế thải Sợi cotton lại có tính mềm dẻo, khả năng chịu lực tốt, đã được ứng dụng trong đời sống từ rất lâu từ các sản phẩm cho quần áo, y tế,… Nhưng chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực chế tạo màng composite Chính vì thế, em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng composite từ cellulose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol ứng dụng trong máy phát điện nano” vì muốn có thể tận dụng nguồn cellulose từ bông tẩy trang phế thải và polymer thân thiện với môi trường như polyvinyl alcohol chế tạo được màng composite có khả năng ứng dụng trong máy phát điện nano ma sát

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo màng composite cấu trúc lồi từ cellulose bông tẩy trang phế thải và polyvinyl alcohol bằng phương pháp ép nhiệt ứng dụng trong máy phát điện nano

Nội dung đề tài

• Đánh giá khả năng xử lý cotton phế thải bằng ngoại quan và quang phổ hồng

• Đánh giá và so sánh các tính chất của màng composite từ cotton và PVA (cơ tính,

hình thái, quang phổ hồng ngoại biển đổi Fourier,…)

• Khảo sát điện áp đầu ra của màng composite có cấu trúc lồi ứng dụng trong máy

phát điện TENG

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu về việc chế tạo màng composite và áp dụng chúng trong máy phát điện TENG có vai trò mở rộng kiến thức về các vật liệu thân thiện với môi trường cùng cách chúng tương tác trong các lĩnh vực sử dụng năng lượng Điều này cũng giúp khám phá cơ chế tạo ra năng lượng từ tương tác cơ học và phát triển một nền tảng kiến thức

cơ bản về hoạt động của máy phát điện TENG Bên cạnh đó, ứng dụng máy phát điện TENG với màng composite cung cấp một hướng tiếp cận sáng tạo trong công nghệ, mở

ra tiềm năng tạo ra nguồn năng lượng từ các nguồn tái tạo và thân thiện với môi trường

Ý nghĩa thực tiễn:

Việc ứng dụng màng composite trong máy phát điện TENG góp phần tạo ra nguồn năng lượng tái tạo và bền vững thông qua tương tác cơ học của các vật liệu thân

thiện với môi trường Sử dụng màng PVA, một loại polymer có thể phân hủy sinh học góp phần giảm thiểu lượng rác thải nhựa khó phân hủy gây ô nhiễm môi trường Việc

nghiên cứu và ứng dụng màng composite trong máy phát điện TENG đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu thân thiện với môi trường và năng lượng bền vững

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Gần đây, các nhà nghiên cứu đặt biệt quan tâm đến vật liệu composite gia cường bằng các sợi thiên nhiên, do các vấn đề về môi trường và phát triển kinh tế Sự phát triển của các vật liệu hiệu suất cao làm từ tài nguyên thiên nhiên đang gia tăng trên toàn thế giới Thách thức lớn nhất khi làm việc với composite gia cường sợi tự nhiên là sự khác biệt lớn về tính chất và đặc điểm của chúng Các đặc tính của hỗn hợp sinh học bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm loại sợi, điều kiện môi trường Người ta cũng biết rằng đã có một sự gia tăng quan tâm đến các ứng dụng công nghiệp của vật liệu tổng hợp có chứa sợi sinh học được gia cố bằng polyme sinh học Polyme sinh học đã chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ trong việc sử dụng làm vật liệu nền cho vật liệu tổng hợp gia

cố bằng sợi sinh học Các đặc điểm tổng thể của sợi gia cường được sử dụng trong vật liệu tổng hợp sinh học, bao gồm: nguồn, loại, cấu trúc, thành phần, tính chất cơ học, sẽ được cân nhắc sử dụng [3] Năm 2013, Mourad Chikhi và công sự đã phát triển một loại vật liệu biocomposite gia cường bằng sợi cây chà là được sử dụng để cách nhiệt trong tòa nhà hoặc trong các tấm nhiệt mặt trời có mật độ và độ dẫn nhiệt thấp [4] Năm 2020, Mohammed Mizanur Rahman và cộng sự chế tạo màng composite Poly(vinyl alcohol) (PVA) được gia cố bằng sợi đay cho các ứng dụng y sinh tiềm năng [5]

Máy phát điện Triboelectric Nanogenerator (TENG) thu năng lượng cơ học được phát minh bởi Giáo sư Z.L Wang, là một trong những lựa chọn cho năng lượng này cho

kỷ nguyên mới, và đáp ứng được sự phát triển của các cảm biến tự cấp nguồn [6] TENG hoạt động dựa vào hiệu ứng điện ma sát và cảm ứng tĩnh điện, khi các điện tích tĩnh điện giữa các bề mặt của hai vật liệu tách rời nhau, chuyển động tương đối của bề mặt tích điện này tạo ra tiếp xúc, sau đó chuyển đổi chuyển động cơ học thành năng lượng điện Mật độ công suất đầu ra tối đa tức thời của TENG ở một số nghiên cứu nổi bật có thể lên đến 500 W/m2 với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tức thời đạt 85% [7] TENG có những lợi thế so với các công nghệ khác như mật độ năng lượng cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, chi phí thấp, tính linh hoạt và có khả năng trong suốt [8] Một màng tổng hợp PDMS/MXene với công suất đầu ra được cả thiện TENG linh hoạt được phát triển (2 × 4 cm2) trực tiếp cung cấp năng lượng cho 80 đèn LED màu xanh thông qua chuyển động đập tay liên tục của con người [9] Những nghiên cứu về lĩnh vực TENG cho thấy tầm quan trọng của việc chế tạo ra một máy phát điện dựa trên các hành động hàng ngày của chúng ta Đây là một phương pháp góp phần không nhỏ vào việc giải quyết các vấn đề về khủng hoảng năng lượng mà ngày nay mà chúng ta phải đối mặt

cạnh đó, sự gia tăng rõ rệt trong các nghiên cứu liên quan đến vật liệu composite được gia cường từ nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên đã được công bố trên các tạp chí

uy tín hàng đầu Một nghiên cứu đáng chú ý của G Zhu, B Peng và cộng sự là sự thành công trong việc tạo ra màng biocomposite poly lactic acid (PLA) gia cường bằng sợi đay, đã cải thiện đáng kể tính chất cơ học và cung cấp độ ổn định nhiệt tốt hơn so với mẫu không được gia cường [8] Nghiên cứu khác đã sử dụng PLA như là pha phân tán và gia cường bằng sợi sen, kết quả cải thiện đáng kể cả độ bền kéo và độ giãn dài khi vật liệu đứt, tuy nhiên, một sự giảm nhẹ về độ ổn định nhiệt so với PLA nguyên chất đã được công bố [9]

Thời gian gần đây, có một sự chú ý đáng kể đến thiết bị TENG và sự phát triển

đa dạng về vật liệu để ứng dụng Ví dụ, việc sử dụng poly(vinylidene hexafluoropropylene) (PDVF-co-HFP) với độ xốp cao kết hợp chitosan có cấu trúc microdome làm bề mặt tích điện dương cho thiết bị TENG đã mang lại điện áp mạch hở lên đến 200 V, cao gấp 4 lần so với PVDF-co-HFP phẳng, và có khả năng thắp sáng 102 đèn LED [10]

fluoride-co-Trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển máy phát điện nano ma sát, các vật liệu composite đã cải thiện một số vấn đề quan trọng như độ bền của thiết bị và tính linh hoạt Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức về khả năng thân thiện với môi trường Điều này đã hạn chế phạm vi ứng dụng của thiết bị TENG trong các lĩnh vực yêu cầu sự thân thiện với môi trường Từ những thách thức này, nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất phát điện của TENG bằng cách tối ưu hóa vật liệu để đảm bảo thân thiện với môi trường và đảm bảo được hiệu suất điện đầu ra của thiết bị

1.2 Tổng quan về nguồn nguyên liệu

1.2.1 Giới thiệu về cotton trong bông tẩy trang

Bông tẩy trang là sản phẩm phổ biến trong lĩnh vực làm đẹp và chăm sóc da Miếng bông được dùng để tẩy đi lớp trang điểm, bã nhờn và bụi bẩn trên da mặt, giúp làm sạch da nhẹ nhàng và hiệu quả Có nguồn gốc từ sợi bông, một loại sợi tự nhiên được thu hoạch từ cây bông Cây bông là một loại thực vật có hoa thuộc họ Bông (Malvaceae), và nó được trồng chủ yếu để lấy sợi bông và hạt bông

1.2.2 Sản xuất bông tẩy trang

Quá trình sản xuất bông tẩy trang dựa trên việc thu hoạch sợi bông từ các trái bông Bước đầu tiên là thu hoạch các trái bông, sau đó loại bỏ lớp vỏ bên ngoài để trích xuất sợi bông bên trong Các sợi bông này sau đó được xử lý và tẩy rửa để loại bỏ tạp chất và cặn bẩn Bước tiếp theo là xoắn các sợi bông thành sợi dài hơn, sau đó cắt chúng thành những mẩu nhỏ hơn Những mẩu nhỏ này được nén lại thành các tấm bông

Tấm bông này sau đó được cắt thành những mẩu nhỏ hình vuông hoặc hình tròn

để tạo thành bông tẩy trang sẵn sàng cho việc sử dụng Trong quá trình sản xuất, cũng có thể áp dụng các quy trình xử lý và bổ sung khác nhau như làm mềm, làm trắng hoặc gia cố bông tẩy trang để cải thiện chất lượng và tính năng của sản phẩm

Vì bông tẩy trang được chế tạo từ sợi bông tự nhiên, nên nó thường được coi là một vật liệu an toàn và phù hợp cho việc sử dụng trên da mặt Với tính chất nhẹ nhàng và hiệu quả, nó thường được ưa chuộng trong việc loại bỏ lớp trang điểm và làm sạch

(-khác trong Bảng 1.1 thấy rằng sợi cotton có hàm lượng cellulose cao nhất

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại sợi tự nhiên [10]

STT Loại sợi Cellulose Lignin Hemicellulose Pectin wax

Hình 1.3 Cấu trúc của chuỗi cellulose, làm nổi bật sự hình thành liên kết H liên phân

tử (vòng tròn màu đen nét đứt) và liên kết H nội phân tử (vòng tròn màu xám đặc) liên

kết các chuỗi cellulose với nhau [11]

Cellulose có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n, là một chuỗi polyme carbohydrate tuyến tính tự nhiên bao gồm các đơn vị D-glucopyranose được nối với nhau bằng các

liên kết -1,4-glycosid, như Hình 1.3 Trong tế bào đơn vị của cellulose, hai chuỗi được

nối với nhau bằng liên kết hydro theo cấu trúc song song Các đơn vị này được sắp xếp cạnh nhau để tạo thành các vi sợi cellulose, cũng chứa các vùng vô định hình hoặc không có trật tự [11]

1.2.3.2 Hemicellulose

Hình 1.4 Cấu tạo của hemicellulose

Hemicellulose là một polyme phân nhánh cao, trái ngược với chuỗi cellulose thẳng Cấu trúc của nó chứa nhiều đơn vị đường khác nhau, trong khi cellulose chỉ chứa các đơn vị 1,4 -D-glucopyranose và mức độ trùng hợp của nó thấp hơn 10 – 100 lần so với cellulose

1.2.3.3 Lignin

Hình 1.5 Cấu tạo của lignin

Lignin là một polyme hydrocacbon phức tạp có cả thành phần béo và thơm, nhiệm vụ của lignin là kết dính các sợi lại với nhau Thành phần của lignin gồm 62-65%

C, khoảng 5-6% H, nhiều nhóm metoxyl (-OCH3) và hydroxyl (-OH) tự do Ở các loài thực vật, lignin đóng vai trò là một đơn chất kết dính đặc biệt, liên kết các tế bào lại với

nhau, làm tăng độ cứng cho các xơ cellulose, tăng độ bền cơ học cho tế bào, ổn định

kích thước tế bào

1.2.3 Cấu tạo của sợi thiên nhiên và cotton

Hình 1.6 Cấu trúc của sợi tự nhiên

Sợi tự nhiên có thể được coi là vật liệu tổng hợp tự nhiên của các sợi cellulose rỗng được nhúng trong lignin và hemicellulose Thành tế bào trong sợi không phải là

màng đồng nhất (Hình 1.6) Mỗi sợi nhỏ có cấu trúc nhiều lớp, phức tạp bao gồm một

vách sơ cấp mỏng là lớp đầu tiên lắng đọng trong quá trình phát triển của tế bào bao quanh một vách thứ cấp Bức tường thứ cấp được tạo thành từ ba lớp và lớp giữa dày xác định tính chất cơ học của sợi Lớp giữa bao gồm một loạt các vi sợi tế bào quấn xoắn ốc được hình thành từ các phân tử cellulose chuỗi dài: góc giữa trục sợi và các vi sợi được gọi là góc vi sợi Giá trị đặc trưng cho tham số này thay đổi từ sợi này sang sợi khác Các sợi cellulose thẳng hàng dọc theo chiều dài của sợi mang lại độ bền kéo và uốn tối đa, ngoài ra còn mang lại độ cứng Hiệu quả gia cường của sợi tự nhiên có liên quan đến bản chất của cellulose và độ kết tinh của nó

Khi sử dụng sợi tự nhiên làm chất gia cường, sự cải thiện độ bám dính nền sợi thường đạt được bằng cách điều chỉnh bề mặt sợi hoặc nền sợi, sử dụng chất tương thích, tác nhân liên kết hoặc các phương pháp điều chỉnh bề mặt khác, tất cả đều làm tăng thêm

số lượng cho sợi Điều mong muốn nhất giải pháp cho một số vấn đề này là sự phát triển của vật liệu tổng hợp polyme tự gia cố trong đó sợi và nền được cấu tạo từ cùng một vật liệu Thực tế là trong các vật liệu tổng hợp này, cả sợi và chất nền đều giống hệt nhau

về mặt hóa học, tạo ra khả năng tương thích giữa các bề mặt tuyệt vời, do đó cung cấp các vật liệu thân thiện với môi trường, có thể tái chế hoàn toàn với cơ tính tốt Sự kết hợp của hai xu hướng này, cụ thể là việc sử dụng sợi cellulose và những ưu điểm của vật liệu tổng hợp hoàn toàn bằng polyme Các vật liệu tổng hợp hoàn toàn từ cellulose này cho thấy độ bền kéo cao do tỷ lệ thể tích lớn của chúng (≥ 80 %)

Thành tế bào bên ngoài của hầu hết các sợi lignocellulose đều xốp và bao gồm các sợi cellulose định hướng kết tinh kém, trong khi ở thành tế bào thứ cấp, các vi sợi

được sắp xếp theo hình xoắn ốc với mức độ định hướng cao (Hình 1.6) Các lõi sợi định

hướng còn lại giữu cấu trúc ban đầu của chúng mang lại hiệu quả gia cố cho vật liệu composite Các vật liệu tổng hợp hoàn toàn cellulose thu được cho thấy các tính chất cơ học tuyệt vời Phương pháp này không chỉ đơn giản hóa việc chuẩn bị vật liệu tổng hợp mà còn cung cấp một cải tiến đáng kể

Đối với sợi cotton, các thông số khác trong quá trình hòa tan như nồng độ cellulose cũng như cấu trúc siêu phân tử của polyme, khối lượng mol của nó và việc chuẩn bị mẫu cho quá trình hòa tan bước kích hoạt ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hòa tan Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển các vật liệu tổng hợp hoàn toàn bằng cellulose được định hướng ngẫu nhiên thu được bằng cách hòa tan bề mặt bằng cách sử dụng các miếng sợi bông làm nguồn cellulose và phương pháp trao đổi dung môi làm phương pháp xử lý kích hoạt Cotton là một loại xơ tự nhiên tương đối bền với hàm lượng cellulose cao từ 88 đến 96 % và độ bền kéo từ 287 đến 597 MPa, module Young

từ 4 - 6 GPa và độ giãn dài để đứt từ 7 đến 8 % [10]

Bảng 1.2 Tính chất chung của sợi tự nhiên [12]

STT Loại sợi Độ bền kéo

(MPa)

Module kéo (GPa) Độ giãn dài (%)

Dựa vào Bảng 1.2, ta thấy rằng sợi cotton có tính chất cơ lý tốt, có độ bền cao

hơn một số loại sợi thiên nhiên khác

1.2.4 Giới thiệu về polyvinyl alcohol (PVA)

Polyvinyl Alcohol ở dạng bột màu trắng, hòa tan trong nước và nóng chảy ở nhiệt độ 200℃ Dễ dàng tạo màng, nhũ hóa, độ bền cao, chất lượng kết dính tuyệt vời khi

Hình 1.7 Công thức hóa học của PVA Bảng 1.3 Tính chất vật lý của PVA [12]

Trọng lượng riêng (chất rắng)

Trọng lượng riêng (dung dịch 10% ở 25%)

1,27 – 1,31 1,02

Nhiệt độ nóng chảy 230℃ đối với thủy phân hoàn toàn,

180 - 190℃ đối với thủy phân 1 phần Nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) 75 – 85℃

Sợ ổn định (chất rắn) Ổn định khi được bảo vệ khỏi độ ẩm

Dễ cháy Dễ cháy tương tự như giấy

Độ ổn định cho ánh sáng mặt trời Tuyệt với

Khả năng tạo màng của PVA

Vì PVA thường được hoà tan trong nước trước khi sử dụng nên khả năng tạo màng rất quan trọng được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Màng PVA không cần chu kỳ đóng rắn, dễ dàng tạo màng bằng cách cho nước bay hơi khỏi dung dịch

Về cơ tính thì PVA có độ bền kéo cao và tính mềm dẻo, cũng như các đặc tính ngăn oxy và ngăn mùi Tuy nhiên, những tính chất này phụ thuộc vào độ ẩm như tính dễ hấp thụ nước làm cho độ ẩm tăng lên và đóng vai trò như một chất hóa dẻo, làm giảm độ bền kéo của polymer, nhưng lại làm tăng độ giãn nở và độ kháng xé của PVA

Trong bao bì: PVA được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực bao bì phân hủy sinh học nhằm giúp giảm rác thải nhựa ngoài môi trường [15]

Trong y sinh: Sử dụng PVA làm chất nền để tạo ra băng gạt vết thương [16]

1.3 Giới thiệu vật liệu biocomposite, composite gia cường bằng sợi

1.3.3 Vật liệu biocomposite

Các thành phần biocomposite như polyme và chất độn dựa trên sinh học được lấy từ các nguồn tự nhiên có thể tái tạo và có thể đóng vai trò thay thế cho nhựa không thể tái được Vật liệu biocomposites đã bắt nguồn từ thời cổ đại, con người đã biết sử dụng các nguyên liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên chẳng hạn như sử dụng cây cối từ gỗ, tre, tre và rơm được sử dụng làm các yếu tố kết cấu trong xây dựng và các ứng dụng khác Tuy nhiên, sự phát triển hiện đại của biocomposite như chúng ta biết ngày nay đã bắt đầu vào cuối thế kỷ 20 Các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá việc sử dụng sợi tự nhiên làm chất gia cường trong polyme để tạo ra vật liệu composite Một trong những ví dụ sớm nhất là đầu thế kỷ 20, Leo Baekeland, để tìm kiếm một vật liệu thay thế giá thành rẻ hơn nên đã nghiên cứu và sản xuất loại sợi đầu tiên trên thế giới nhựa tổng hợp

dụng tiềm năng của chúng Nhưng lại có nhược điểm là rất khó phân hủy hoặc là thời gian phân hủy rất lâu, đi kèm theo nó là lượng rác thải từ vật liệu cũng rất lớn Do đó, các loại sợi mới như lanh, gai dầu và đay đã được nghiên cứu như những chất gia cường có tiềm năng Những sợi này được phát hiện là có các tính chất cơ học tốt và có nguồn gốc từ thiên nhiên, mang lại lợi thế là có thể tái tạo và phân hủy sinh học [17]

Hình 1.8 Vòng đời của composite gia cường sợi tự nhiên, có thể phân hủy sinh học

[18]

Biopolymer cũng giống như composite, chúng đều là các vật liệu được chế tạo

từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, những vật liệu này có sự tương tác chặt chẽ với nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng và cơ tính vượt trội hơn so với các vật liệu ban đầu Chúng cấu tạo từ hai thành phần chính đó là chất kết dính (pha liên tục) và chất gia cường (pha phân tán) Chất kết dính có thể là nhựa nhiệt dẻo hoặc nhiệt rắn đóng vai trò như là môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang chất gia cường khi có ngoại lực tác động lên vật liệu [19] Các đặc tính khác nhau của polyme sinh học bao gồm khả năng tái tạo, tính bền vững, không độc hại và khả năng phân hủy sinh học Chúng trung tính, không gây ung thư và không gây hai đến sức khỏe của con người Tùy thuộc vào vật liệu tạo ra polyme sinh học, nó có thể được phân loại thành polyme sinh học tái tạo và tổng hợp Vật liệu tổng hợp như vậy được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực ứng dụng cơ học [20] Hơn nữa, hầu hết các biocomposite đều có thể tái chế và tái sử dụng Các nhà nghiên cứu đã phân loại nguyên liệu thô của biocomposite thành hai nhóm:

Vật liệu thế hệ thứ nhất

Nguyên liệu thô thế hệ thứ nhất là gỗ và việc sử dụng chúng với số lượng lớn hơn có thể dẫn đến nạn phá rừng và ảnh hưởng đến đa dạng sinh học, trong khi nguyên liệu thô thế hệ thứ hai là chất thải lignocellulose thu được từ thực phẩm, rừng và tàn dư nông nghiệp

Vật liệu thế hệ thứ hai

Cho đến nay, chất thải thế hệ thứ hai chủ yếu được sử dụng để phát triển vật liệu tổng hợp sinh học, mặc dù việc thương mại hóa chúng vẫn còn hạn chế Nghiên cứu mở rộng trong lĩnh vực vật liệu tổng hợp sinh học đã dẫn đến sự phát triển của các loại vật liệu tổng hợp sinh học khác nhau, tuy nhiên việc tổng hợp và phát triển các vật liệu này vẫn chưa được thương mại hóa hoàn toàn và ứng dụng của chúng còn khá ít Thừa nhận các phương pháp xử lý, chuẩn bị vật liệu tổng hợp sinh học và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau có thể làm giảm việc sử dụng nhựa gốc dầu trên toàn cầu [21]

Biocomposites thường được chia làm 2 loại:

❖ Biocomposites phân hủy sinh học hoàn toàn: các thành thành cấu tạo nên vật liệu đều có khả năng phân hủy sinh học (gia cường, pha nền,…)

❖ Biocomposites phân hủy sinh học không hoàng toàn: chỉ 1 hay 1 vài thần phần cấu tạo nên nó mới có khả năng phân hủy sinh học

1.3.4 Vật liệu composite gia cường bằng sợi thiên nhiên

Vật liệu tổng hợp hoàn toàn có thể phân hủy sinh học được gia cố bằng sợi tự nhiên, được gọi là vật liệu tổng hợp xanh hoàn toàn, đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu về đề tài này Các sợi tự nhiên như đay, lanh, cây lá gai, chuối, cotton, thùa dừa,… thường được sử dụng làm chất gia cường trong vật liệu tổng hợp xanh; nhựa phân hủy sinh học làm từ các chất dẫn xuất từ cellulose, tinh bột, acid lactic, được sử dụng làm pha nền

Hình 1.9 Các loại sợi tự nhiên

Ưu điểm của sợi tự nhiên so với các vật liệu gia cố khác như sợi thủy tinh là chi phí thấp, mật độ thấp, đặc tính cường độ riêng chấp nhận được và khả năng phân hủy sinh học Ngoài ra, cấu trúc hình ống rỗng của sợi tự nhiên làm giảm mật độ khối của

chế tạo composite Dẫn đến kết quả là độ bao phủ của polymer lên các sợi kém dẫn đến tính chất cơ học thấp Nhược điểm khác là nhiệt độ xử lý thấp phải được sử dụng do khả năng suy giảm nhiệt của sợi, điều này có thể ảnh hưởng đến tính chất của composite Ngoài ra, polymer phân hủy sinh học có giá thành cao có thể hạn chế ứng dụng của chúng đối với vật liệu tổng hợp xanh, nhưng những chi phí đó dự kiến sẽ giảm trong tương lai [22]

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng sức cơ học của composite gia cường bằng sợi

thiên nhiên

❖ Các loại sợi thiên nhiên:

Loại sợi tự nhiên được sử dụng trong hỗn hợp ảnh hưởng đến ứng suất cơ học Sợi tự nhiên có các tính chất cơ học khác nhau như độ bền kéo, độ cứng và độ dẻo Đặc tính này sẽ được chuyển sang vật liệu composite và ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và chống va đập của nó

❖ Khối lượng hoặc trọng lượng sợi:

Đây là đo lường tỷ lệ theo thể tích hoặc trọng lượng của sợi trong một hỗn hợp composite Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hỗn hợp composite bằng cách thay đổi

tỷ lệ theo thể tích/trọng lượng của sợi và quan sát các tác động tích cực và tiêu cực đối với các tính chất cơ học Độ bền kéo của vật liệu composites tăng với sự gia tăng phần trăm thể tích của sợi, mô đun của Young là nhiều hơn cho hỗn hợp composite có tỷ lệ thể tích sợi lớn hơn [23]

❖ Tỷ lệ phần trăm của chất độn so với pha nền

Tỷ lệ tương đối của các vật liệu độn trong trong hỗn hợp quyết định các tính chất

cơ học của vật liệu biocomposite Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về ảnh hưởng của chất độn đến tính chất cơ học của biocomposite với hàm lượng chất độn khác nhau, và có thể nói rằng hiện tượng kết tụ thể hiện rõ hơn đối với các mẫu vật liệu có hàm lượng chất độn cao Các tính chất cơ học của biocomposite gia cường sợi được cải thiện một cách tuyến tính với việc tăng hàm lượng sợi lên đến một giá trị tối ưu nhất định Việc bổ sung thêm sợi trên giới hạn đó sẽ ảnh hưởng xấu đến độ bền cơ học do tăng độ xốp và hình thành các chất kết tụ Tương tự như vậy, không có đủ polymer để làm ướt tất cả các sợi một cách thích hợp, ngăn cản sự phân tán chất độn trong pha nền và hạn chế ứng suất của cả hai Hiệu ứng như vậy có thể liên quan đến sự xuống cấp của các tính chất cơ học Do đó, trong tương lai nên tập trung vào ảnh hưởng của lượng chất độn đến tính chất cơ học của vật liệu composite, vì vật liệu composite có các sợi phân bố đồng đều mang lại khả năng chịu tải cao hơn [24]

❖ Cách phương pháp xử lý sợi

Một số vấn đề khi chế tạo vật liệu biocomposite được gia cố bằng sợi tự nhiên, đáng chú ý nhất là tính chất ưa nước của sợi tự nhiên, tính không ổn định nhiệt của sợi

tự nhiên và giao diện yếu giữa pha gia cường và pha nền, đặc biệt đối với pha nền có đặc tính kỵ nước Sợi và nền polymer có cấu trúc hóa học riêng biệt Sự phân tán sợi phụ thuộc vào khả năng tương thích Các vấn đề tương thích gây ra bởi chất nền polyme

kỵ nước và sợi ưa nước hạn chế ứng dụng của vật liệu tổng hợp trong tương lai, đặc biệt là trong môi trường ngoài trời Điều này là do các nhóm O-H trong vùng vô định hình của sợi tạo ra các liên kết hydro mới với các phân tử nước từ khí quyển, dẫn đến khả năng hút ẩm cực cao Do đó, sợi trương lên trong pha nền, tạo ra liên kết kém với pha nền Ngoài ra, vết nứt vi mô cũng xảy ra giữa sợi trương nở và pha nền, dẫn đến sự mất

ổn định về kích thước với tác động bất lợi đến tính năng cơ học của hỗn hợp thu được Điều này xác nhận sự cần thiết phải loại bỏ các nhóm OH ưa nước và các hạt bề mặt khỏi bề mặt sợi thông qua quá trình sửa đổi bề mặt Để khắc phục vấn đề này, nhiều phương pháp xử lý bề mặt sợi khác nhau đã được đề xuất, cụ thể là phương pháp xử lý vật lý, hóa học và sinh học [24]

1.4 Vật liệu polymer cấu trúc xốp trật tự cao và các phương pháp chế tạo 1.4.1 Giới thiệu về vật liệug polymer có cấu trúc xốp có trật tự cao

Vật liệu polyme cấu trúc xốp tổ ong là vật liệu bao gồm các lỗ xốp có hình lục giác được sắp xếp theo hình dạng tổ ong được hình thành dựa vào sự bay hơi của dung môi kết hợp với hiện tượng ngưng tụ của hơi nước có trong độ ẩm không khí, được công

bố đầu tiên vào năm 1994, việc hình thành cấu trúc xốp trật tự cao được nghiên cứu bằng các phương pháp khác nhau, đóng góp nhiều ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực đang được quan tâm như: tạo khuôn, màng lọc, vật liệu hấp thụ năng lượng…[25]

Hình 1.10 Cấu trúc xốp tổ ong 1.4.2 Các phương pháp chế tạo

1.4.2.1 Phương pháp phân pha truyền thống (Conventional Phase Separation)

chuẩn bị trong một thùng chứa và sau đó được đặt trong tủ đông Sự giảm nhiệt độ làm cho dung môi kết tinh và đóng băng, tạo ra sự phân tách pha rắn-lỏng Hỗn hợp đông đặc này được chuyển sang máy sấy đông khô, ở đó dung môi được loại bỏ khỏi hỗn hợp bằng chân không Kết quả là một cấu trúc giống như bọt có độ xốp cao Kỹ thuật này không chỉ giới hạn đối với các dung dịch polyme Về độ xốp của cấu trúc, bản thân kích thước và hình dạng lỗ rỗng phần lớn có thể được kiểm soát, nhưng các lỗ rỗng không hoàn toàn liên kết với nhau và thường tạo ra các đường dẫn dài ngoằn ngoèo, điều này gây bất lợi cho một số ứng dụng y sinh như giải phóng tín hiệu hoặc chất dinh dưỡng dòng chảy trong cấu trúc hỗn hợp sinh học [26]

Hình 1.11 Cơ chế phân pha truyền thống [17]

Quá trình tách pha xảy ra dựa trên sự thay đổi nhiệt độ (phương pháp TIPS), bổ sung một lượng chất không dung môi nhất định vào dung dịch polyme (phương pháp NIPS) hoặc tách pha khí (VIPS) Theo nhiệt độ kết tinh của dung môi được sử dụng, nó có thể được chia thành pha rắn-lỏng và pha lỏng-lỏng Tách pha rắn-lỏng, nhiệt độ kết tinh của dung môi được sử dụng cao hơn nhiệt độ tách pha lỏng-lỏng

Phương pháp NIPS là một hệ thống ba thành phần bao gồm polyme, dung môi và không dung môi Quá trình bắt đầu bằng cách trộn polyme và dung môi để tạo thành dung dịch đồng nhất Bằng phương pháp đúc, dung dịch polyme tạo thành một màng mỏng trên đế mặt phẳng Sau đó, mẫu được đặt trong bể đông lạnh có chứa chất nonsolvent để bắt đầu quá trình tách pha và kết tủa trong dung dịch polyme

Phương pháp VIPS: Đây là kỹ thuật quan trọng để tổng hợp màng cấu trúc xốp Không giống như NIPS, nonsolvent của VIPS là dạng khí và tồn tại trong dung dịch dễ bay hơi, và ưu điểm chính của màng được điều chế bằng phương pháp VIPS là có thể kiểm soát được hình dạng đơn giản

Phương pháp TIPS: tương tự như phương pháp NIPS, dung dịch polyme đồng nhất được làm từ dung môi (chất lỏng có nhiệt độ sôi cao, trọng lượng phân tử thấp) được gọi là chất pha loãng ở nhiệt độ cao [27]

❖ Ưu điểm:

- Dễ thực hiện,

- Chi phí thấp đem lại năng suất cao

❖ Nhược điểm

- Cấu trúc có độ trật tự thấp

- Phụ thuộc hoàn toàn vào tính chất solvent và nonsolvent sử dụng

1.4.2.2 Phương pháp Breath Figure ( BF)

❖ Giới thiệu

Sự hình thành các BF lần đầu tiên được Aitken nghiên cứu vào năm 1893 và sau đó, vào năm 1911, bởi Lord Rayleigh Tùy thuộc vào đặc tính thấm ướt của bề mặt, chất lỏng ngưng tụ có thể tạo thành một màng đồng nhất, có màu tối (BF màu đen) hoặc một tập hợp các giọt nhỏ, tán xạ ánh sáng và có màu trắng (BF màu xám) Hình hơi thở (BF) được hình thành khi thở trên bề mặt lạnh và nó được đặt tên theo phương thức tạo Chỉ gần đây, vào năm 1994, FranÅois et al đã phát hiện ra sự hình thành của màng xốp polyme có trật tự khi một giọt dung dịch polystyrene (PS)/cacbon disulfua (CS2) hình ngôi sao được tiếp xúc với luồng không khí ẩm Các lỗ có kích thước micromet thể hiện

sự sắp xếp hình lục giác rất đều đặn sau khi loại bỏ lớp trên của những màng này đươc gọi là cấu trúc tổ ong Do đó, các lỗ có trật tự trên màng polyme được chuẩn bị bằng phương pháp như vậy được đặt tên là mảng hình hơi thở (BFA) Các giọt ngưng tụ linh hoạt với hình dạng và kích thước có thể điều chỉnh, có lợi cho việc kiểm soát các mẫu kết quả Như vậy, phương pháp đơn giản này mở ra triển vọng mới trong lĩnh vực màng xốp, với ưu điểm kỹ thuật là chi phí thấp và khả năng ứng dụng trên diện rộng [28]

Hình 1.12 Minh họa cơ chế hình thành cấu trúc tổ ong có trật tự do (BFA) [19]

❖ Cơ chế hình thành cấu trúc

Các thí nghiệm tán xạ ánh sáng đã được thực hiện để quan sát các giọt nước hình thành và phát triển trên bề mặt dung dịch polyme Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng quá trình kết tủa polymer tại giao mặt giữa dung dịch và nước là quá trình quyết định Polyme kết tủa tại giao mặt và sau đó tạo ra một lớp vỏ polyme rắn bao quanh các giọt nước để tránh sự kết tụ của các giọt nước Nói chung, vật liệu cụ thể (chẳng hạn như PS), dung môi hữu cơ và luồng không khí ẩm là các thông số chính cho quy trình hình hơi thở Để

mô tả cơ chế rõ ràng hơn, Srinivasarao đã đề xuất quá trình hình thành màng tổ ong như

Hình 1.12

(A) Dung môi bay hơi dẫn đến bề mặt dung dịch polyme lạnh đi;

(B) Nước ngưng tụ trên bề mặt lạnh để trở thành những giọt nước, đó là quá trình tạo mầm;

(C) Các giọt nước tạo thành một mảng chặt chẽ khít nhau do các dòng đối lưu của sự bay hơi và luồng không khí ẩm;

(D) Mảng giọt nước nguội đi và chìm vào dung dịch;

(E) Giọt nước mới xuất hiện;

(F) Các lớp mới của mảng giọt nước hình lục giác xếp gần nhau được tạo ra (G) Bề mặt dung dịch nguội trở lại nhiệt độ phòng sau khi dung môi bay hơi hoàn toàn, cùng với sự hình thành màng tổ ong sau khi nước bay hơi; [29]

Srinivasarao đã phát hiện ra rằng các giọt nước có thể chìm vào dung dịch polyme, tạo thành màng tổ ong nhiều lớp khi mật độ của dung dịch nhỏ hơn nước Mặt khác, có thể thu được màng tổ ong đơn lớp nếu các giọt nước không thể chìm vào dung dịch [29]

❖ Ưu điểm:

- Đơn giản và tiết kiệm chi phí

- Tính linh hoạt

- Kiểm soát kích thước và sự phân bố lỗ rỗng

❖ Nhược điểm:

- Khó kiểm soát các điều kiện thí nghiệm (nhiệt độ, độ ẩm, …)

- Không chế tạo mẫu lớn

- Hạn chế một số polymer

1.4.2.3 Phương pháp nhũ tương

Nhũ tương là hai dung môi không đồng nhất được trộn với nhau ở một pha dưới dạng các giọt phân tán trong pha kia Hơn nữa, nhũ tương chủ yếu được tạo thành từ ba

dịch nước) và chất hoạt động bề mặt Ví dụ, một nhũ tương có thể được phát triển bằng cách phân tán các giọt nước trong pha dầu, được gọi là nhũ tương nước trong dầu (W/O), hoặc phân tán các giọt dầu trong nước, được gọi là nhũ tương dầu trong nước (O/W) Nhũ tương có kích thước giọt trung bình ít nhất vài µm và các giọt có phân bố kích thước khá rộng Phương pháp nhũ tương là một phương pháp linh hoạt để điều chế các polyme hữu cơ có độ xốp cao [30]

Hình 1.13 Cơ chế nhũ tương [30]

Hai chất lỏng không hòa tan lẫn nhau được khuấy trộn để phân tán một chất lỏng này trong chất lỏng khác dưới dạng giọt Một nhũ tương được tạo thành chủ yếu từ ba phần khác nhau: pha liên tục - bên ngoài, pha phân tán - bên trong và chất hoạt động bề mặt Các phân tử nhũ hóa bao phủ bề mặt của các giọt phân tán (giảm lực căng liên vùng) để tạo lực đẩy giữa các giọt và khiến chúng lơ lửng trong môi trường phân tán

Để tổng hợp nên polyme xốp, có thể trùng hợp các monome trong pha liên tục-dùng để khóa cấu trúc nhũ tương, và loại bỏ pha phân tán-tạo polyme xốp với kích thước μm

- Độ bền của cấu trúc yếu

- Khó loại bỏ các chất hoạt động bề mặt

- Dễ nhạy cảm với các điều kiện phản ứng

1.4.2.4 Phương pháp lithography

Hình 1.14 Sơ đồ minh họa các bước chính của lithography Lithography thường được chia làm hai loại phương pháp chính (Hình 1.14) gồm:

có sử dụng lớp cản quang (nanoimprint lithography (a), photolithography (b) và không

sử dụng lớp cản quang (electron beam lithography (c))

❖ Ưu điểm:

- Tính linh hoạt

- điều chỉnh các được các hình dạng và kích thước dễ dàng

❖ Nhược điểm:

- Chi phí đắt

Bảng 1.4 Tổng hợp ưu và nhược điểm của các phương pháp hình thành màng [30]

- Không chế tạo mẫu lớn

- Hạn chế một số polymer

- Độ bền của cấu trúc yếu

- Khó loại bỏ các chất hoạt động bề mặt

- Nhạy cảm với điều kiện phản ứng

- Khó chế tạo quy mô lớn

Phân pha truyền

- Phụ thuộc vào tính chất của dung môi và phi dung môi

1.4.2.5 Phương pháp phân pha nâng cao (Improved Phase Separation - IPS)

❖ Giới thiệu

Phương pháp BF đã trở thành một phương pháp phổ biến để sản xuất màng polyme có cấu trúc tổ ong Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu các polyme có cấu trúc đặc biệt để thu được màng có cấu trúc trật tự cao và đặt ra yêu cầu cao đối với thiết bị cung cấp độ ẩm cao và kiểm soát độ ẩm chính xác Điều này hạn chế việc sử dụng phương pháp này trong các ứng dụng quy mô lớn Có một kỹ thuật, sự tách pha trong đó sự kết tủa của dung dịch polyme có thể được thực hiện bằng cách thấm các chất kết tủa từ bể kết tủa (ngâm kết tủa), hơi không dung môi (tách pha do hơi, VIPS) hoặc bay hơi dung môi (quy trình khô) đã trở thành kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo màng xốp Mặc dù nó sở hữu những ưu điểm về độ bền và hiệu quả chi phí cùng với các cấu trúc thu được linh hoạt, nhưng phương pháp này vẫn bị cản trở bởi một số vấn

đề Ví dụ, các cấu trúc xốp được đặc trưng bởi độ xốp cao và kích thước lỗ có thể kiểm soát được là cần thiết cho các ứng dụng của chúng đối với các màng cụ thể

Ở các phương pháp chế tạo màng xốp đã nêu trên, ta dễ dàng nhận thấy rằng

hoạt động bề mặt, không đòi hỏi các polyme phải có cấu trúc đặc biệt và có thể sử dụng các thiết bị phủ dùng trong công nghiệp Từ các ưu điểm kể trên, IPS hoàn toàn có thể mở rộng quy mô sản xuất và thương mại hóa với chi phí gia công thấp nhưng vẫn đạt được tính chất màng xốp có trật tự cao như mong muốn [31]

Gần đây, phương pháp mới được gọi là “Phương pháp tách pha cải tiến” (IPS) để điều chế màng mỏng tổ ong có trật tự cao từ một số lượng lớn vật liệu polyme [32]

❖ Đặc trưng

Phương pháp tách pha tiên tiến là sự kết hợp của các phương pháp NIPS và BF, cho thấy một số ưu điểm khác biệt so với hai phương pháp ban đầu Đầu tiên, nó có thể dễ dàng mở rộng để chế tạo bề mặt diện tích lớn bằng thiết bị sơn công nghiệp Thứ hai, cấu trúc tổ ong có thể được hình thành trong không khí, sử dụng các polyme thương mại sẵn có mà không cần kiểm soát độ ẩm quá mức và không sử dụng bất kỳ chất hoạt động

bề mặt nào Cuối cùng, hình thái của cấu trúc màng có thể được kiểm soát phần lớn bằng cách thay đổi tỷ lệ dung môi và không dung môi

Sử dụng chất không dung môi làm chất bảo vệ giống như gel trong quá trình hình thành giọt làm tăng lực mao dẫn, điều này đặc biệt quan trọng trong việc hình thành cấu trúc xốp tổ ong để đạt được sự phân tách pha tiên tiến [25]

- Cải thiện chất lượng sản phẩm: Quá trình phân tách giai đoạn tốt hơn có thể dẫn đến cải thiện chất lượng của sản phẩm cuối cùng

- Có thể chế tạo trên bề mặt lớn

❖ Nhược điểm:

- Có khả năng thất bại: Cải thiện quá trình phân tách giai đoạn có thể là một thách thức Các biện pháp cải tiến không luôn thành công và có thể gây ra các vấn đề

❖ Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc

- Nồng độ polymer: Nồng độ polymer quyết định đến đồ dày, mỏng của màng khi coating

- Tỷ lệ solvent/nonsolvent: Việc hình thành cấu trúc và kích thước lỗ xốp được quyết định bởi tỉ lệ solvent/nonsolvent, việc tăng hàm lượng nonsolvent thì kích thước lỗ trung bình sẽ tăng Tùy loại polymer mà lựa chọn cặp tỉ lệ tương ứng

- Tùy loại polymer sử dụng làm cấu trúc xốp