Research on the fabrication of convex structure composite film from waste paper and polyvinyl alcohol for application in triboelectric nanogenerators

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION PROJECT MAJOR: MATERIALS TECHNOLOGY TITLE OF THESIS RESEARCH ON THE FABRICATION OF CONVEX STRUCTURE COMPOSITE FILM FROM WASTE PAPER AND POLYVINYL ALCOHOL FOR APPLICATION IN TRIBOELECTRIC NANOGENERATORS ADVISOR: NGUYEN VU VIET LINH, Dr BUI VAN TIEN, Dr STUDENT: TRUONG THE NAM SKL011787 Ho Chi Minh City, Semtember 2023 HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF MATERIAL TECHNOLOGY BACHELOR THESIS TITLE OF THESIS: RESEARCH ON THE FABRICATION OF CONVEX STRUCTURE COMPOSITE FILM FROM WASTE PAPER AND POLYVINYL ALCOHOL FOR APPLICATION IN TRIBOELECTRIC NANOGENERATORS SUPERVISOR: DR NGUYEN VU VIET LINH SUPERVISOR: DR BUI VAN TIEN STUDENT’S NAME: TRUONG THE NAM STUDENT’S ID NUMBER: 19130033 COURSE: 2019 Ho Chi Minh City, month & year of dissertation September 2023 HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF MATERIAL TECHNOLOGY BACHELOR THESIS TITLE OF THESIS RESEARCH ON THE FABRICATION OF CONVEX STRUCTURE COMPOSITE FILM FROM WASTE PAPER AND POLYVINYL ALCOHOL FOR APPLICATION IN TRIBOELECTRIC NANOGENERATORS SUPERVISOR: DR NGUYEN VU VIET LINH SUPERVISOR: DR BUI VAN TIEN STUDENT’S NAME: TRUONG THE NAM STUDENT’S ID NUMBER: 19130033 Course: 2019 Ho Chi Minh City, month & year of dissertation September 2023 HCMC University of Technology and Education FACULTY OF APPLIED SCIENCE DEPARTMENT OF MATERIALS TECHNOLOGY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Liberty - Happiness Ho Chi Minh City, 15th February 2023 MISSION OF THESIS Supervisor: Dr Nguyen Vu Viet Linh Working agency of the supervisor: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Student’s name: Truong The Nam Student’s ID number: 19130033 Title of thesis: “Research on the fabrication of convex structure composite film from waste paper and polyvinyl alcohol for application in triboelectric nanogenerators” Main contents of thesis: - Review of documents related to the research topic - Fabrication of cellulose pulp from waste paper materials and evaluation of product properties by scanning electron microscope (SEM), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) - Fabrication of composite films from waste paper cellulose and polyvinyl alcohol (PVA); The properties of the films were evaluated by SEM and FTIR - Fabrication of nanogenerator-TENG from cellulose/PVA composite film - Measure the electrical properties of triboelectric nanogenerators Product: Cellulose/PVA convex composite film Delivery date: 15.02.2023 Submission date: 25.08.2023 Presentation language: Thesis report: Thesis defense presentation: HEAD OF DEPARTMENT (Sign and write full name) English  Vietnamese  English  Vietnamese  SUPERVISOR (Sign and write full name) i TRƯỜNGĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BM CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: TRƯƠNG THẾ NAM Ngành: Công nghệ vật liệu MSSV: 19130033 Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng composite cấu trúc lồi từ giấy phế thải polyvinyl alcohol ứng dụng vào máy phát điện nano” Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH Cơ quan công tác GV hướng dẫn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Địa chỉ: 01 Võ Văn Ngân, phường Linh Chiểu, TP Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Sinh viên đảm bảo đầy đủ nội dung khối lượng thực yêu cầu khóa luận tốt nghiệp Tinh thần học tập, nghiên cứu sinh viên: Sinh viên có tinh thần cầu tiến, học hỏi, cẩn thận kỷ luật q trình thực khóa luận tốt nghiệp Ưu điểm: − Thực đầy đủ mục tiêu nội dung nghiên cứu giao − Trình bày luận văn rõ ràng, mạch lạc, có tính logic Khả đọc hiểu tài liệu Tiếng Anh tốt Khóa luận trình bày Tiếng Anh, kiếm tra đạo văn Turnitin với tỷ lệ trùng khớp 13% lỗi tả Grammarly − Luận văn xây dựng thành công quy trình xử lý giấy phế thải chế tạo màng composite có cấu trúc lồi từ nguyên liệu thân thiện môi trường, ứng dụng làm máy phát điện nano (TENG) Đề tài nghiên cứu sinh viên có tính ứng dụng cao Khuyết điểm: Vì thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài chưa mở rộng đánh giá khả phân hủy sinh học màng composite cấu trúc lồi Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đồng ý cho bảo vệ Điểm: 9,9 (Bằng chữ: chín phẩy chín điểm) Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2023 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Vũ Việt Linh ii TRƯỜNGĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: TRƯƠNG THẾ NAM Ngành: Công nghệ vật liệu MSSV: 19130033 Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng composite cấu trúc lồi từ giấy phế thải polyvinyl alcohol ứng dụng vào máy phát điện nano” Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ LÊ THANH Cơ quan công tác GV hướng dẫn: Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Sinh viên đảm bảo đầy đủ nội dung khối lượng thực yêu cầu khóa luận tốt nghiệp Ưu điểm: − Nghiên cứu nêu quy trình xử lý giấy phế thải chế tạo màng composite có cấu trúc lồi từ nguyên liệu phế thải; − Vật liệu màng composite đáp ứng số tính chất về hình thái bề mặt, độ dày màng, tính chất học, góc tiếp xúc, độ hấp thụ nước, tính chất điện, để ứng dụng làm máy phát điện nano ma sát Khuyết điểm: − Bố cục xếp chưa chặt chẽ, phần tổng quan tình hình nghiên cứu chưa kể nghiên cứu gần với polymer phân hủy sinh học PVA, cellulose, mà trình bày chung chung Việc chế tạo màng PS không hề nhắc đến lý thuyết nguyên liệu, bàn luận, − Xem lại danh mục từ viết tắt, tài liệu tham khảo, cấu trúc ngữ pháp tiếng Anh − Cần xem lại phần bàn luận cho hợp lý − Chưa đưa yêu cầu cần đạt cho TENG, hiệu quả, vật liệu có bền để va đập ma sát hay không? − Chưa đánh giá độ phân hủy sinh học màng composite, chưa chế tạo màng có kích thước lớn cho ứng dụng Kiến nghị câu hỏi: − Trình bày sở lựa chọn điều kiện thí nghiệm? − Trình bày chế hoạt động TENG? Tại PDMS cực (-) ngược lại PVA-Cellulose cực (+)? Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đồng ý cho bảo vệ Điểm: 8,5 (Bằng chữ: tám phẩy năm) Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 09 năm 2023 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Thị Lê Thanh iii COMMITMENT I commit that the graduation thesis titled "Research on the fabrication of convex composite films from waste paper and polyvinyl alcohol for application in triboelectric nanogenerators" presented below is the result of my research project I conducted thorough research, analyzed the data using appropriate research methods, and followed a careful approach to ensure the accuracy and reliability of the results The thesis cites all references and sources of information used, and I synthesized and calculated the data myself The experimental process was carried out according to the procedure, and the results are consistent with the experimental results I declare that our group solely researches this graduation thesis under the guidance of Dr Nguyen Vu Viet Linh and Dr Bui Van Tien We take full responsibility for the content and data reported in this thesis The results are solely used to complete the graduate thesis at the Faculty of Applied Science - University of Technology and Education, HCM Only Dr Nguyen Vu Viet Linh and Dr Bui Van Tien have the right to use the results for scientific publication Student (Sign and write full name) Truong The Nam iv ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to express my sincere thanks to the teachers of Ho Chi Minh City University of Technology and Education, who have provided me with valuable knowledge during my studies at school and created favorable conditions for me during the experiment in the laboratory I want to thank my instructors, Dr Nguyen Vu Viet Linh - Lecturer at Ho Chi Minh the City University of Technology and Education, and Dr Bui Van Tien - Lecturer at Ho Chi Minh the City University of Technology, who spent a lot of time guiding me to complete the thesis "Fabrication of convex structure composite film from waste paper and polyvinyl alcohol applied to TENG" In the process of completing the subject, there are still many failures and mistakes, but the teachers have enthusiastically taught and ignored these mistakes; I appreciate them and will draw lessons from this experience for myself in the future Next, I would like to thank the teachers of Materials Technology, Faculty of Applied Science, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, for teaching me specialized knowledge and experiences so I can apply and complete this thesis And finally, I want to thank my family and friends, who are always by my side to support and encourage me to be motivated to complete the thesis In the process of making the initial thesis, there were many unavoidable shortcomings I would like your understanding, suggestions, and comments so I can amend the thesis to be more complete in content and form v ABSTRACT "Research on the fabrication of convex composite films from waste paper and polyvinyl alcohol for application in triboelectric nanogenerators" will research the optimal parameters to process waste paper into cellulose pulp to fabricate convex structure composite films applied to nanogenerators The research includes changing the concentration of NaOH in waste paper treatment and the mixture ratio between cellulose pulp and PVA polymer, fabricating convex structure composite films, and making TENG devices with them The composite film has been successfully fabricated from waste paper cellulose and polyvinyl alcohol by heat pressing-drying method with the following manufacturing parameters: waste paper treatment process includes: hot water at 100 ºC for 30 minutes, 10 wt% NaOH solution at 70 ºC for hours, wt% H2O2 solution at 80 ºC for hours The morphology, size, chemical composition, and moisture content of cellulose from waste paper are affected by chemical treatment During treatment from pretreatment, alkali treatment, and H2O2 treatment, components such as fillers, dirt, surfactants, additives, hemicellulose, and a part of lignin in the pulp were removed which were identified by FTIR spectroscopy, size average of cellulose pulp reached 42.47 µm, relatively uniform when observed from SEM images, the sample of cellulose pulp has a moisture content of 2.51 ± 0.26 %.; pressing process consists of treated cellulose pulp and 12 wt% PVA solution mixed together with the ratios of 75/25, 70/30, 65/35, manual pressed and dried at 50oC for 30 hours The mechanical properties of composite films are slightly different between composite film ratios, the convex composite films have mechanical properties in terms of tensile strength from 2,38 to 3,87 MPa, tensile modulus from 72,70 to 247,28 MPa, water absorption of the film is 15.58 ± 2.76 %, the water contact angle is 112.37o, the convex structure of the composite film has a uniform distribution and has a size of 2.23 ± 0.12 µm The results of the electrical measurements indicate that the convex composite film has a high potential for use in TENG devices due to its ability to produce a high output voltage signal (220 V at Hz) and a relatively short charging time (184 seconds at Hz for 10 µF capacitors) While the voltage generation efficiency is slightly reduced (by 31.32 % after more than 10,000 continuous cycles), the convex composite TENG still can power over 65 LEDs vi CONTENTS MISSION OF THESIS i SUPERVISOR’S COMMENTS Error! Bookmark not defined REVIEWER’S COMMENTS Error! Bookmark not defined ACKNOWLEDGEMENT .v ABSTRACT vi CONTENTS vii LIST OF ABBREVIATIONS x LIST OF TABLES xi LIST OF FIGURES AND CHARTS xii INTRODUCTION Chapter 1: OVERVIEW 1.1 Introduction to materials 1.1.1 Introduce the paper industry 1.1.2 Introduce paper and paper-making methods 1.1.3 Introduce pulp in paper-making .7 1.1.4 Chemical composition of paper .7 1.1.4.1 Limestone (CaCO3) 1.1.4.2 Kaolin (Al2SO3, talc MgO.SiO3.nH2O) 1.1.4.3 Others oxide 1.1.5 Waste paper pulp .8 1.1.6 Polyvinyl Alcohol 10 1.2 Overview of the cellulose 11 1.2.1 Introduce cellulose and its properties 14 1.2.2 Hemicellulose 15 1.2.3 Lignin .15 1.3 Triboelectric Nanogenerator – TENG and applications 16 1.3.1 Four fundamental principle modes of Triboelectric Nanogenerators 16 1.3.2 Typical structure of TENG 18 1.3.2.1 Flat structure .18 1.3.2.2 Arch-shaped structure 18 1.3.3 Applications of TENG 19 1.4 High-order porous structure polymeric materials 20 1.4.1 Introduction porous polymer materials 20 vii