Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo sợi micro từ polystyrene bằng phương pháp force spinning ứng dụng trong màng lọc - tách dầu

TOM TAT LUẬN VĂNSợi Polystyrene PS được chế tạo bằng phương pháp quay ly tâm kéo sợiForce spinning - một kỹ thuật chế tao sợi đơn giản và hiệu quả, năng suất cao.Nghiên cứu khảo sát khả

Z TP.HCMĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYÊN KIM DIỆN

LUAN VAN THAC SY

Chuyén ngành: Kỹ Thuật Vat LiệuMã số: 60520309

TP Hồ Chí Minh, Tháng 06/2019

NGUYEN KIM DIEN

NGHIEN CUU CHE TAO SOI MICRO TU POLYSTYRENEBANG PHUONG PHAP FORCE SPINNING UNG DUNG

TRONG MANG LOC - TÁCH DAU

LUAN VAN THAC SY

Chuyén ngành: Kỹ Thuật Vat LiệuMã số: 60520309

TP Hồ Chí Minh, Tháng 06/2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huynh Đại Phú

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

PGS.TS Huỳnh Đại Phú

Cán bộ cham nhận xét 1: PGS TS Tran Ngọc Quyền

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

PGS TS Trần Ngọc QuyềnCán bộ cham nhận xét 2: PGS TS Hà Thúc Chí Nhân

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

GS TS Ha Thúc Chí NhânLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCM ngày08 tháng 06 năm 2019

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Nguyễn Đắc Thanh,PGS TS Nguyễn Thị Lệ Thu, TS Nguyễn Thị Lê Thanh

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngànhsau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

PGS.TS Nguyễn Đắc Thành PGS.TS Huỳnh Đại Phú

li

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THAC SY

Họ tên học viên: Nguyễn Kim Diện - 5-2 s + +s+x+s+ecxz MSHV: 1770193Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1994 - 555552532 Nơi sinh: Đồng ThápChuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu - - - <<<<< Mã số : 60520309L TÊN ĐÈ TÀI: Nghiên cứu chế tạo sợi micro từ Polystyrene bằng

phương pháp Force spinning ứng dụng trong màng lọc — tách dauNHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- - Nghiên cứu khảo sát kha năng tạo sợi của hệ thí nghiệm chế tao sợi microbăng phương pháp Force spinning và ứng dụng lọc tách dầu từ mảng sợi thu

được.

e Khảo sát khả năng tạo sợi ảnh hưởng bởi một số yếu tố chính như nồngđộ polymer, dung môi và tốc độ quay ly tâm đến hình thái và kích thước

soi trong quá trình quay ly tâm tạo sợi Force spinning (FS).

e Đánh giá cấu trúc đặc biệt trên sợi PS giúp nó có kha năng hấp phụ dau

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PGS.TS Huỳnh Đại Phú TS La Thị Thái Hà

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHE VAT LIEU

PGS.TS Huynh Dai Phu

IV

Xin gửi lời cám ơn đến các anh chị công tác tại Phòng thí nghiệm trọng điểmquốc gia Polymer và Composite đã chỉ bảo và chia sẽ kinh nghiệm làm việc cho tôi.Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến anh Phạm Ngọc Sinh, Đoàn Ngọc Hoan, Võ PhongPhú, Nguyễn Nhật Trường, Nguyễn Minh Trí là những người đã đóng góp ý kiếncũng như thảo luận chuyên môn trong suốt quá trình làm luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Huynh Dai Phú, Thay Naoto Tsutumi, ThayKenji Kinashi, Thay Wataru Sakai và tập thé sinh viên, học viên của phòng thí nghiệmFunctional Polymer Design — Kyoto Institute of Technology, Japan đã giúp đỡ vẻ vậtchất và tinh thần trong quá trình thực hiện thực nghiệm

Xin cám ơn toàn thể anh em trong nhóm luận văn do thầy Huỳnh Đại Phúhướng dẫn, những người đã gắn bó cùng tôi trong suốt thời gian qua

Trong quá trình thực hiện luận văn, không tránh khỏi những sai sót, rất mongthầy cô, anh chị và các bạn thông cảm và đóng góp ý kiến

Xin chân thành cảm on!

Nguyễn Kim Diện

Dé tài được thực hiện tại Phòng thi nghiệm Functional Polymer Design — KyotoInstitute of Technology, Japan và Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Polymer vàcomposite - Trường Đại học Bách Khoa Tp Hô Chi Minh

TOM TAT LUẬN VĂN

Sợi Polystyrene (PS) được chế tạo bằng phương pháp quay ly tâm kéo sợi(Force spinning) - một kỹ thuật chế tao sợi đơn giản và hiệu quả, năng suất cao.Nghiên cứu khảo sát khả năng tao soi micro bang phương pháp Force spinning vaứng dụng mảng sợi thu được trong lọc tách dầu nhờ đặc tính không có ái lực với nướccủa PS Soi tạo thành từ phương pháp quay ly tâm này chịu sự ảnh hưởng của nồngđộ polymer, dung môi và tốc độ ly tâm đến hình dạng và tính chất sợi đã được đánhgiá dựa trên sự phân bố mảng sợi và hình thái của sợi PS tạo thành, được quan sátdưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)

` SS 200 um

Hình 0.1 Tóm tat quá trình nghiên cứu bang hình anhQua quá trình nghiên cứu cho thấy sợi thu được có hình thái và đường kính tốiưu nhất với đường kính trung bình 3,94 um, được tạo ra băng dung dịch PS trongdung môi tetrahydrofuran (THF) với nồng độ 22 wt%, dưới tốc độ quay 15.000vòng/phút Ở một kết quả khác về cấu trúc lỗ xốp được tìm thấy trong sợi tạo thànhtừ hỗn hợp dung môi THF/DMF, khả năng hap phụ dầu của mang sợi với ty lệ dungmôi THE/DMF là 1/3 tối ưu với cau trúc lỗ xốp cao và diện tích bé mặt lớn Các kếtquả cho thay phương pháp quay ly tâm kéo sợi (FS) là một kỹ thuật hiệu qua dé chế

tạo sợi từ dung dịch polymer.

vi

The demand for an efficient oil sorbent with high sorption capacity, low cost,scalable fabrication, and high selectivity for the cleanup of spreading oil on water isincreasingly urgent due to the frequent occurrence of oil spill accidents in seawaterall over the world In this study, porous polystyrene (PS) fibers with highhydrophobicity and superoleophilicity were directly fabricated by a Force spinningmethod (FS) The effect of polymer concentration, solvents and rotational speed onthe morphology and porous structure of the polystyrene fibers was evaluated by usingscanning electron microscopy and nitrogen adsorption-desorption experiments Thesmoothest and smallest fibers, with an average diameter of 3.94 um, were generatedusing the PS/THF solution of 22 wt% under a rotation speed of 15,000 rpm Theformation mechanism for the porous structure on the fibers was also evaluated Theoil sorption capacities of the PS fibrous sorbents for silicon oil, pump oil, andvegetable oil were investigated The highest oil sorption capacity was found in PSfibers fabricated from PS solution with a THF/DMEF weight ratio of 1/3, whichexhibited the highest specific surface area, pore volume and porosity The highproductivity and highly porous structure of PS fibers indicate that FS is a promisingmethod to fabricate porous fibers for the cleanup of oil spills The results indicatedthat centrifugal spinning is an effective technique to fabricate fiber from polymersolutions.

LOI CAM DOAN CUA TAC GIA LUAN VAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ sô liệu trong luận văn là kêt qua nghiên cứu cua tôi

được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đại Phú

Vill

MỤC LỤC

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THAC SY - c2 22 n 2n xi iiiLỜI CẢM ƠN _ 0000000 n HT ng ng TH nh ch cv cv rêt VTOM TAT LUẬN VĂN c1 1 111111511 1111211 1111111111111 011101111111 1 ca vi

ABSTRACT ooveecceeeccceececcuccceueccuuceceueecesueecceuesesasessueseseaereeenereen vii

LOI CAM DOAN CUA TAC GIA LUẬN VĂN c2 viiiDANH MỤC BANG VIET TAT VA KI HIỆU ¿2-5 + +E+E+E+E+£sEerezxd XVMỞ ĐẦU 00000000 0n nnn TH TT TT nh ch nh chu rêt |

1 ĐẶT VẤN ĐỀ ST T n1 TT TT TT 1 TT ng ren rkg 2

2 Ý TƯỞNG KHOA HỌC -GcSe+eSe SE SE SE SE SE EeEeEeeeererererees 3

3 TÍNH CAP THIET VÀ TÍNH MỚI - - 5< s6 SE eEerEeereei 4

Chương 1: TONG QUAAN - T111 1111515111 11111111111 T1 greg 5

1.1 CAC LOẠI VAT LIEU HAP PHU DAU HIEN NAY 6

1.1.1 Tổng quan các loại vật liệu hấp phụ ¿-¿- s6 xk+E+EeEeEerersrererees 61.1.2 Một số nghiên cứu về mang sợi có khả năng hap phụ dau 7

1.2 SOI MICRO POLYSTYRENE VÀ MANG SOI TƯƠNG UNG DUOCCHE TAO BANG PHƯƠNG PHAP FORCE SPINNING 10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LY LUẬN VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 122.1 CO SỞ LÝ LUẬN St ThS T SE HE T1 ren gen, 132.1.1 Nội dung để tải - tt TH 1H T11 111111 reo 13

2.1.2 Mo hình nghiÊn CỨU 55 5222010101111 11111111 kg 13

2.1.3 Cac yếu tô anh hưởng trong quá trình quay ly tâm tạo soi 16

2.2 PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CỨU - -2- +2 +2E+sE+sE+eEzE£eE+sEzscsszzeer 23

2.2.1 Phuong pháp đánh giá hình thái học của SỢI ‹-<<+<52 23

2.2.2 _ Tính toán và vẽ biểu đỗ phân bố kích thước sợi s-« 242.2.3 Phuong pháp đánh giá kha năng hap phụ dau của màng sợi 25Chương 3: THỰC NGHIỆM -¿- 2 SE E+EEE£EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkerkrred 27

3.1 NGUYÊN LIEU CHÍNH - << + SE SE SE SE SEEeEeEeEeEereererererees 28

3.1.1 Nhựa Polysfyren -ccc Q11 110.9 011 1v vn vờ 28S5 ` aŨO 293.2 THIET BỊ VÀ QUY TRINH THUC HIEN - - +c+c<+¿ 32

3.2.1 — Thiết bị c.SC HS HE T1 121111121111 01211 1111 1111 gy 2 33

3.2.2 _ Quy trình thực hiỆn 5E 2222229101000 01111 1 1v vn ng ng 34

Chương 4: KET QUA VA BAN LUẬN «cv EEgkerererrecee 40

4.1 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ KHẢ NANG TẠO SOI ANH HUONG BỞICÁC YÊU TO: TOC ĐỘ QUAY LY TAM, DUNG MOI VA HON HỢP

DUNG MOI HOA TAN PS Qu uecscscsssssescsesesesecececececscecacecacacacacaracacararececaracecaens 414.11 Anh huong cua nông độ PS đến hình thái học của sợi thu được trong

các loại dung môi khác nhau - 55 55222 22222233251111 111 111111112 41

4.1.2 Anh hưởng của tốc độ quay ly tâm lên hình thái sợi thu được 43

42 KHAO SÁT ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC LO XOP CUA SOI ANHHUONG BOI DUNG MOI VÀ HON HOP DUNG MỖI 5-5: 45

4.2.1 Cau trúc lỗ xốp anh hưởng bởi dung môi va hỗn hop dung môi 454.2.2 Cơ chế hình thành cấu trúc xốp trên SợỢi - - + ccecsesrsrereei 544.3 CAU TRUC LO XOP VA DAC TINH KY NUOC CUA MANG

9 574.3.1 Diện tích bề mặt, thể tích và kích thước lỗ xốp trong màng sợi PS 57

4.3.2 Tinh ky nước của mang sợi PS << << c1 rseeseesssssss 59

4.4 KHẢO SÁT KHẢ NANG HAP PHU DAU CUA MANG SOI VỚI

CẤU TRÚC XOP wivccccecccscscsscssesssscsssesscsssscsesssestsscsnsssestssssnsssestsssatseeessnsseaen 61KET LUAN 000002002 n HT TH ng TT nh cv nên 64DANH MỤC CONG TRÌNH DA CÔNG NHẬN 252cc Street 65TÀI LIEU THAM KHẢO 56c S223 15 32111511 2111111111151111111511 111111 te 65

PHU LỤC 0220121122 n H1 nk nh se 72

Hình 1.1.1.Hình 1.1.2.Hình 1.2.1.Hình 1.2.2.Hình 2.1.1.Hình 2.1.2.Hình 2.1.3:Hình 2.1.4:Hình 2.1.5.

Hình 2.1.6:Hình 2.1.7:Hình 2.1.8:Hình 2.2.1.Hình 2.2.2.Hình 2.2.3.Hình 2.2.4.Hình 3.1.1.Hình 3.1.2.Hình 3.1.3:Hình 3.1.4.Hình 3.1.5.Hình 3.1.6.Hình 3.1.7.Hình 4.1.1.

Dòng tia dung dich polymer khi thay đổi van tốc quay - 21Mô tả quỹ đạo quay của sợi theo tốc độ gốc cv cxsvsed 22

Máy SEM Hitachi S-3000N QQQ LH nHnn HH HH HH gu 24

Thiết bị chụp ảnh Fe-SEM, JEOL JSM-7600E .- - 25555 24Giao diện phần mềm Ïmage] - - - s+E+E+E+EeEEEEEEEEcEekekeeeerered 25Mô tả góc tiếp xúc giữa chat ran và chất lỏng 5 cc+cscse 26Cau trúc mach polÌySyF€T\€ - - - x11 EE#ESESESEEEEk kg re 28

Cong thitc hoa hoc DCM 02 -.- aaaad 30

Công thức công cấu tạo của THE oo csceesescsesecesssssesscesesevevsvseseeeee 31

Hệ thí nghiệm Force Spinning cccccccccccccccceeeseeessssnseeeeeeseceeseeseeeeeaas 33Cac bước thực hiện nghiÊn UU cecccesssssssceeeeecceeeeeeeeessssneeeeeees 34

Quy trình tạo sợi băng phương pháp Force spinning - -5-5¿ 37

Soi trên bản thu sau quá trình Force spInnIng - 55s <<<<+++2 38

Ảnh SEM của mang sợi PS thu được từ dung dich PS 14 wt% hòa tan

trong các dung môi DCM (a), EA (b) va THE (C) . <<<<<<<<<ssssxxsss 41Hình 4.1.2. Ảnh SEM của mang sợi PS thu được từ dung dịch PS 18 wt% hòa tan

trong các dung môi DCM (a), EA (b) va THE (C) . <<<<<<<<<ssssxxsss 42

xH

Hình 4.1.3 Ảnh SEM của mang sợi PS thu được từ dung dich PS 22 wt% hòa tan

trong câc dung môi DCM (a), EA (b) vă THE (C) cĂSSS SA sseeses 42

Hình 4.1.4 Anh SEM của mang sợi PS thu được từ dung dịch PS 22 wt% trong dungmôi THF với tốc độ quay ly tđm 9.000 vòng/phút (a), 12.000 vòng/phút (b) va 15.000

M.Ðz1401010 (210177 ¬ 43

Hình 4.1.5 Sự phđn bố đường kính sợi của câc măng sợi PS 22 wt% trong dung môiTHF với tốc độ quay ly tđm 9.000 vòng/phút (a) PS-THF-9, 12.000 vòng/phút (b) PS-

THF-12 vă 15.000 vong/phut (c) PS- THIE- ÏŠ - c1 1332 1 erereeessre 44

Hình 4.2.1 Ảnh Fe-SEM của măng sợi tạo thănh từ PS 22 wt% trong dung môi THF

aă.ăăaăaăaôađaÂẦÂúÂÂAẽAaă ::::1DD 46

Hình 4.2.2 Biĩu đồ thĩ hiện sự phđn bố đường kính sợi của mẫu chế tạo từ 22 wt%

PS trong dung môi TÌHIE - 5 + 2111113381888 83 1111119993511 111111 ng v2 46

Hình 4.2.3 Ảnh Fe-SEM của măng sợi tạo thănh từ PS 22 wt% trong hỗn hợp dung

môi THF/ DMF ty lỆ 3//Ï - c1 111 vn 47

Hình 4.2.4 Biểu đồ phđn bố đường kính sợi của mang sợi tạo thănh từ 22 wt% PS

trong hỗn hợp dung môi THF/DME tỷ lệ 3/1 - 5-5 + E+E+E+E+e+eEsEeEeeeeeeree 47

Hình 4.2.5 Ảnh Fe-SEM của măng sợi tạo thănh từ PS 22 wt% trong hỗn hợp dung

môi THF/ DMF ty lỆ Ï//Ï - - - Ă E111 19 1111199911111 ng kề 48

Hình 4.2.6 Biĩu dĩ phđn bố đường kính sợi của măng sợi tạo thănh từ 22 wt% PS

trong hỗn hợp dung môi THF/DME tỷ lệ 1/1 - 5-5 +s + E+E+E+E+e£eEsEeEeeeeeeree 48

Hình 4.2.7 Ảnh Fe-SEM của măng sợi tạo thănh từ PS 22 wt% trong hỗn hợp dung

môi THF/ DMEF ty lỆ Ï/3 - - -Ă G 111 ngă 49

Hình 4.2.8 Biểu đồ phđn bố đường kính sợi của mẫu chế tạo từ 22 wt% PS trong hỗn

hợp dung môi THE/DMIE tỷ lỆ Ï/2 Ă 113113311111 9 11119 1111 1v ng rư 49

Hình 4.2.9 Ảnh Fe-SEM của măng sợi tạo thănh từ PS 22 wt% trong dung môi DMF

aă.ăăaăaăaôađaÂẦÂúÂÂAẽAaă ::::1DD 50

Hình 4.2.10 Biểu đồ phđn bố đường kính sợi của mẫu chế tao từ 22 wt% PS trong

dung M61 DMB wu ae 50

Hình 4.2.11 Ảnh FE-SEM của màng sợi PS chế tạo từ 22 wt% PS trong hỗn hợpdung môi THF/DME với các tỷ lệ khác nhau lần lượt là: (a) và (b) 4/0, (c) và (đ) 3/1,

(e) và (f) 1/1, (g) và (h)1/3, (1) và G) Ô(AL LH HH ng ng kg khu 52

Hình 4.2.12 (a) Trình bày sơ đồ của quá trình tiến hóa phản lực dung dịch trong quátrình quay ly tâm (b) Sơ đồ pha cho dung dịch PS với các tỷ lệ trọng lượng THE /

DMF khác nhau và nước ở 25 ° C [47, 49]L - - HH SH HH ng ngu 54

Hình 4.3.1 (a) Các đường đăng nhiệt hấp phụ nito và (b) diện tích bề mặt va thé tíchlỗ xốp của các sợi PS được chế tạo từ dung dịch PS 22% với tỷ lệ trọng lượng khác

nhau của hỗn hợp dung môi THF / DMIE 5 6s sE+E+E£E+E+£+E+E+EeE+E£Eseeeeecxe 58

Hình 4.3.2 Kết quả đo góc tiếp xúc nước của thảm sợi PS được chế tạo từ dung dịch

PS 22% trọng lượng với các tỷ lệ trọng lượng khác nhau của THF / DME 60

Hình 4.4.1 Kha năng hap phụ dau đối với chất hap phụ xơ xốp của các loại dầu khácnhau đối với sợi PS được chế tạo từ dung dịch PS 22% trọng lượng với các tỷ lệ trọnglượng khác nhau của THF / DMF Tài liệu tham khảo là giấy lau dâu 62

XIV

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.1 Bảng thông số quy trình - + sex EEEEEESESESEkEkrkrsrererees 16Bảng 3.1.1 Thông số kỹ thuật của PS voces sssecsesesesesecscscscscsssvsvevststststesesseeen 28Bảng 3.1.2 Tính của các dung môi dùng dé hòa tan PS << sec 29Bảng 3.1.3 Thông số kỹ thuật của DCM c6 E33 EE#E#ESESESEEEkrkrkrkrecees 30Bảng 3.1.4: Tính chat của dung môi Ethylaceftafe - - s+csxsx‡EeEsesrerererees 31Bảng 3.1.5: Tính chat của dung môi THE - 6E E#E£E#E£ESESESEEEEEErkcveecxes 32Bảng 3.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của dung môi và nồng độ polymer đến quá trìnhhình thành sợi Khao sát tự hiện của ba loại dung môi DCM, EA, THF ở ba nông độPS lần lượt là 14 wt%, 18 wt%, 22 W% St cc SH HE 11111211 1111111111111 1111111116 34Bảng 3.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ quay ly tâm đến quá trình hình thànhsợi Khảo sát thực hiện tại các tốc độ quay ly tâm 9.000, 12.000 và 15.000 vòng/phút

ứng với mẫu 22 wt% PS trong dung môi THE - - 26+ +E+E+E+£sE+Eeeeerecee 35

Bảng 3.2.3 Khảo sát đánh giá cau trúc xốp của sợi PS tạo thành bởi ảnh hưởng củacác loại dung môi và hỗn hợp dung môôi 2 ¿+ + E+E+E+k+E+E+EeEeEvEeEeeeererersed 35Bảng 4.1.1 Đường kính sợi thu được của mẫu PS 22 wt% trong dung môi THF khithay đối tốc độ quay Ly tÂm - - - x11 515 5 1 11T HT HH g1 ro 44Bảng 4.2.1 Kết quả đo độ nhớt dung dịch polymer và ường kính sợi thu được của

mẫu PS 22 wt% trong hỗn hợp dung môi THF / DMF với năm tỷ lệ khác nhau 5 Ï

Bảng 4.3.1 Đường kính sợi, thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng của sợi PS đượcchế tạo từ dung dịch PS 22% với tỷ lệ trọng lượng khác nhau của hỗn hợp dung môi

00019) “3 5 59

Bảng 4.4.1 Tinh chat vat lý các loại dầu được nghiên cứu ở nhiệt độ phòng (25 ° C)

DANH MỤC BANG VIET TAT VA KI HIỆU

Tén viet tat Tén day du

PS PolystyreneFS Force spinningDCM DicloromethaneDMF Dimethyl formamide

THF Tetra hydroflorua

C Nông độ

Rpm Vòng/phút

Rh Độ âmW(% Phân trăm khối lượng

C* Nông độ che phủ tới hạn

[n] Độ nhớt nộiPMMA Polymethyl methacrylate

Nsp Specific viscosity

Nr Relative viscosity

n Độ nhot của dung dich polymer

1s Độ nhớt của hỗn hợp dung môi

BJH Thể tích lỗ xôp (em3/g)BET Diện tích bê mặt (m”/g)

VIPS Vapor-induced phase separation

Hién tuong tach pha do hoi

WCA Water contact angle (góc tiếp xúc nước)

XVI

MO DAU

MỞ ĐẦU

1 Đặt van đề

Các tai nạn tràn dầu xảy ra trong quá trình khai thác, vận chuyền, lưu trữ vàsử dụng dầu đã ngày cảng thu hút nhiều sự chú ý do thiệt hại nghiêm trọng đối với hệ

sinh thai của môi trường va sức khỏe cua con người [1, 2] Với mức độ chú ý ngày

càng tang tập trung vào việc bảo vệ môi trường, các nhà nghiên cứu đã phát triển rấtnhiều vật liệu dé cô đặc và biến dầu lỏng thành pha bán ran hoặc pha ran, sau đó cóthé dé dàng loại bỏ khỏi vị trí của sự cố tràn dau Gần đây, nhiều loại chat hap phụdau đã được phát triển, chăng hạn như ống nano boron-nitride [3], sợi carbon aerogel[4 5], aerogel dựa trên cellulose [6, 7] và bọt biển melamine biến đổi cấu trúc [8, 9].Trong số đó, sợi tong hop hữu co được coi la một vat liệu tiém nang dé hỗ trợ loại bỏdầu tràn vì tính chất ky nước va hấp phụ dau của nó, khả thi với chi phí tương đốithấp và có khả năng sản xuất với quy mô lớn Tuy nhiên, khả năng hấp phụ dầu của

phan lớn các loại sợi thông thường vẫn còn thấp, cần được cải thiện dé ứng dụng thực

tế Một cách tiếp cận mới dựa trên việc sử dụng sợi có cau trúc lỗ xốp làm chất hấpphụ dầu Với diện tích bé mặt cao và độ xốp cao, sợi có cầu trúc lỗ xốp thể hiện hiệusuất hấp phụ dầu vượt trội so với sợi thông thường [10, 11]

Polystyrene (PS), một loại polymer nhiệt dẻo phố biến và rẻ tiền với nănglượng bề mặt thấp do có sự hiện diện của nhóm nhóm CH trong phân tử, đã được sửdụng rộng rãi để chế tạo sợi có tính chất ky nước nhân tạo thông qua phương phápkéo sợi điện trường để xử lý chất dầu Theo nghiên cứu của Jing Wu (và các công sự)và Jinyou Lin (và các cộng sự) đã chế tạo sợi polystyrene sử dụng phương pháp kéosợi điện trường (Elecstrospinning) dé hap phụ dau [12, 13] Một mang sợi polystyrenecó đặc tính siêu ki nước và siêu hấp phụ dầu đã được nghiên cứu bởi Min Wook Leevà cộng su, để tách hỗn hợp dầu/nước có độ nhớt thấp [14, 15] Mặc dù

Electrospinning là một kỹ thuật đơn giản và thuận tiện, nhưng phương pháp tao sợi

Electrospinning vẫn phải chịu một số hạn chế, chăng hạn như năng suất thấp và yêucầu áp dụng điện trường cao [16, 17]

Cùng với sự phát triển của khoa học, phương pháp kéo sợi ly tâm (Force

spinning) được ra đời trên nguyên lý của phương pháp kéo sợi dựa trên lực quay ly

tâm, đã và đang được nghiên cứu rất nhiều trong lĩnh vực vải sợi Hiệu quả tạo sợiđược nâng cao do khả năng kiểm soát quá trình đơn giản hơn, được tối ưu hóa, thaythế lực điện trường băng lực quay ly tâm Công nghệ kéo sợi ly tâm được Tập đoàn

Công nghệ FibeRio giới thiệu trước công chúng vào tháng 3/2010 với tên gọi là Force

spinning [18], sử dung lực quay ly tâm để chế tạo sợi kích thước nano-micromet.Phương pháp này sau đó được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi từ các

loại polymer như polyamide [19], polycaprolactone [10], polyacrylonitrile [21], poly(vinylidene fluoride) [22].

Trong nghiên cứu nay, chúng tôi tap trung khảo kha năng tạo sợi; từ đó đưa ra

bộ thông số tối ưu dé chế tạo sợi PS bằng phương pháp quay ly tâm kéo sợi Khaosát và đánh giá cấu trúc đặc biệt của sợi PS giúp tăng khả năng hấp phụ dầu Tạođược màng sợi có cấu trúc xốp cao dé tăng khả năng hấp phụ dau là bước quan trọng

trong nghiên cứu này.2 Y tưởng khoa học

Polystyrene (PS) có năng lượng bề mặt thấp do có sự hiện diện của nhómnhóm CH trong phân tử, có thé dùng để chế tạo sợi có tính chất ky nước thông qua

phương pháp quay ly tâm kéo sợi (FS).

Các phương pháp nghiên cứu và công bố trên thế giới hiện nay về sợi có cautrúc 16 xốp bang phương pháp quay ly tâm (Force spinning) là chưa nhiều Phươngpháp phé biến được sử dụng trước đây là Electrospinning dựa trên lực điện trường.Tuy nhiên việc kiểm soát định hướng sợi cũng như thông số điện trường là rất khó,dé xảy ra cháy nô

Phương pháp Forcespining khắc phục được hiện trạng gặp phải ở phương phápElectrospinning với các ưu điểm:

— Không giới hạn loại dung môi hòa tan polymer như phương phápElectrospnning.

— Tạo sợi dựa trên lực quay ly tâm, hạn chế được sự phóng điện gây cháy nô.— Phương pháp Forcespinning cho phép sản xuất sợi với lượng lớn, năng suất

cao.

3 Tính cấp thiết và tính mới

Việc nghiên cứu thành công dé tài góp phan giải quyết những van dé khôngnhững trong nước mà thế giới đang quan tâm nghiên cứu: đó là chất thải nhựa, sợi cókích thước micro và phương pháp sản xuất, đặc biệt là tính ứng dụng trong hấp phụdau từ màng sợi tạo thành

Hiệu quả của đề tài:

Giải quyết bài toán ứng dụng, khi mà hiện tại hầu hết nguyên liệu tạo sợi phảinhập từ nước ngoài, nâng cao sản lượng, sản xuất trên diện rộng Đồng thời, tận dụngđược nguồn nguyên liệu dồi dào từ nhựa tái chế tạo ra lợi nhuận cũng như lợi ích chomôi trường, giải quyết được phan nào về van dé chất thải nhựa

Đưa ra ứng dụng mang tính thực tiễn từ màng sợi thu được bằng phương pháp

này.

CHUONG 1: TONG QUAN

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1 Cac loại vật liệu hấp phụ dau hiện nay

1.1.1 Tổng quan các loại vật liệu hấp phụ

Khả năng hấp phụ của vật liệu được đánh giá thông qua độ hấp phụ hay khảnăng thắm hút của chúng, tức là số gam chất hấp phụ trên một đơn vi chất hấp phụ.Những vật liệu được chọn trong ứng dụng trong lọc — tách và hấp phụ dầu có đặc tínhlà chất ky nước, với khả năng thâm hút cao

Một số loại vật liệu và độ hấp phụ tương ứng được sử dụng để xử lý sự cố tràndau hiện nay nhưa: Absorbant (18 g/g), bọt biển nano (20 g/g), phế thải nông nghiệp(4-6 g/g), sợi tông hợp (25 — 35 g/g) (Nguyễn Hữu Biên và nhóm nghiên cứu, 2011)

Yêu câu phát triên vật liệu sở hữu các đặc tính quan trọng quyết định đên hiệuquả thu hồi dâu đang thúc đây xu hướng nghiên cứu biên đôi câu trúc bê mặt và câutrúc nội tại, đặc biệt là câu trúc xôp.

Loại vật liệu sử dụng dé hấp phụ dau phổ biến hiện nay: Bông hap thụ dau, vảihút dau bên trong mảnh dầu hấp phụ siêu mịn, một hỗn hợp của các chất xơ, có thé

được sử dụng để ngăn chặn va hấp phụ các loại dầu tràn, cho nhà máy hóa chất, công

nghiệp nặng công nghiệp nhẹ, giao thông vận tai, in ấn

Hình 1.1.2 Bông hấp phụ dau, hit thấm hydrocarbonLoại bông hấp thụ dầu, thắm Hydrocarbon được sử dụng để hấp thụ dầu trong

sự cô tràn dầu và hydrocarbon trên đât và nước hiện nay Hình 1.1.2.

e Các tấm hấp phụ dau cản nước trong khi hap thụ hết các hydrocarbon bị tran.e Tâm hấp phụ dầu được làm bằng polypropylene, có kha năng hấp phụ dau cao

(tùy thuộc vào độ nhớt của dầu)

1.1.2 Một số nghiên cứu về màng sợi có khả năng hấp phụ dau

Những năm gân đây, hệ sinh thái chịu nhiều tác động tiêu cực từ các sự có,nhất là nguy cơ ô nhiễm do sự cố tràn dầu khi Việt Nam là một nước có hoạt độngkhai thác và xuất nhập khẩu dầu khá lớn Việc tìm ra phương pháp thu hồi tối ưu đangđược xem xét áp dung, một trong số đó là phương pháp thu hồi dầu sử dung manghap phụ Hiện nay, các công trình nghiên cứu về vật liệu hap phụ dạng mang sợi chưacó nhiều ở nước ta Vì vậy, việc nghiên loại sợi với cau trúc xốp nhằm đánh giá khảnăng hấp phụ với các loại dầu khác nhau mang một ý nghĩa thực tế cho những ứng

dụng sau này.Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Các nhà nghiên cứu trên thế giới đang tìm kiếm các cách để sản xuất các sợinano polymer Có hơn 70 nhóm nghiên cứu trên thế giới, nghiên cứu và chế tạo sợinano polymer băng phương pháp điện hóa Trong năm 2003, có hơn 200 bài báo khoahọc nghiên cứu về lĩnh vực này Trong đó, có hơn 50% nghiên cứu định hướng ứng

dụng vao y học, cho thay tiềm năng phát triển là rất lớn Và gan đây, người ta sử dụngphương pháp thối dung dịch thay vì phương pháp điện hóa dé chế tạo sợi nano do cóhiệu suất sản xuất cao hơn nhiều lần.

Gan đây, phương pháp Force spinning (FS) đã được sử dung dé sản xuất sợitừ nhiều loại vật liệu, chăng hạn như polycaprolactone [24], polyacrylonitrile [25],polyvinylidence flouride [26] Phương pháp nay cũng được sử dụng dé chế tạo các visợi tổng hợp từ polystyrene va SiOz siêu thấm nước [27] Tuy nhiên, ảnh hưởng củadung môi đến hình thái và độ xốp của sợi PS chưa được đánh giá rõ trong nghiên cứu.Hơn nữa, khả năng hấp phụ dầu của sợi PS chế tạo theo phương pháp FS vẫn chưa

được nghiên cứu rộng rãi Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu và đưa

ra phương pháp chế tạo sợi PS có tính ky nước và khả năng hấp phụ dầu cao củamàng sợi tạo thành cho ứng dụng lọc — tách dầu từ màng sợi PS tạo thành

> Soi được sản xuất bằng phương pháp quay tĩnh điện (electrospinning):Elecstrospinning là phương pháp chế tạo sợi đã được biết tới từ những năm

1945, Formalas xuất bản một loạt các băng sáng chế, ông mô tả một thiết lập thực

nghiệm để sản xuất các sợi bang cách sử dụng một lực điện trường [28]

Năm 1971, Baumgarten dùng phương pháp elecstrospinning chế tạo sợiacrylic có đương kính 500 — 1100 nm Ông xác định giới hạn độ quay của dung dichpolyacrylonitrile / dimethylformamide (PAN / DMF) và quan sát sự phụ thuộc cụ thé

của đường kính sợi vào độ nhớt của dung dich [28].

Năm 1995, Doshi và Reneker đã nghiên cứu các đặc tính của các sợi nano

polyethylene oxide (PEO) bang cách thay đổi nồng độ dung dịch và điện áp đưa vào

[28].

Đến hiện tại có rất nhiều nghiên cứu tao sợi từ phương pháp nay, được ứngdụng trong nhiều lĩnh vực Năm 2011, Li, Xiaoyun và các công sự đã nghién cứu chế

tạo thành công mang vai không dệt từ sợi poly (vinylidene fluoride) / poly (methyl

methacrylate) (PVdF / PMMA) bằng phương pháp elecstrospinning với các nồng độ

khác nhau của dung dịch polymer Sợi tạo thành có kích thước vai trăm nano và mang

từ các sợi có tình thắm hút tốt [29].> Soi được sản xuất bằng phương pháp Forcespinning:

Lần đầu tiên Công nghệ Forcespinning — sử dụng lực quay ly tâm để chế tạo

sợi nano, được Tập đoàn Công nghệ FibeRio thương mại hóa và giới thiệu trước côngchúng vào tháng 3 năm 2010 [30] Và sau đó, phương pháp được nghiên cứu va sử

dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quốc tế

Tình hình nghiên cứu trong nước:

> Soi được chế tạo bằng phương pháp electrospinning:Mặc dù sợi (miero-nano) polymer đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới, rấtnhiều nha khoa học Việt nam đã làm về lĩnh vực này tại nước ngoài Tuy nhiên, saukhi về Việt nam, việc tiếp tục phát triển lãnh vực này còn hạn chế vì vẫn đề thiết bị.Hệ thiết bị elecstro spinning phun sợi micro-nano polymer (electrospinning sử dụngnguyên lý cơ bản giống với nguyên lý của phương pháp electrospraying dùng để tạohạt) được chế tạo bởi nhóm nghiên cứu vật liệu polymer y sinh do PGS TS HuỳnhDai Phú lãnh đạo tự thiết kế và tự đầu tư nguồn kinh phí để lắp đặt vào năm 2010.Thiết bị nay đã được kiểm định bởi Trung Tâm Tiêu Chuẩn Do lường Chất LượngKhu Vực III Và hiện nay, thiết bị này vẫn hoạt động tốt, các nghiên cứu chế tạo hạtmicro-nano trên thiết bị này đã được tiễn hành, bước đầu thu được hiệu quả, một

nghiên cứu đã báo cáo tại hội nghị khoa học và đăng trên tạp chí uy tín trong nước:Research on micro-nano chitosan spheres fabricated by electrospraying for insulindelivery system, Khoa hoc va Cong nghé, 53 (2B), 11-20, 2015 [31].

> Soi được chế tao bằng phương pháp Forcespinning:Ở Việt Nam hiện chưa có nhiều nghiên cứu dao sâu về phương pháp này,nhưng vẫn có một số người Việt du học nước ngoài đã và đang làm nghiên cứu trongmảng này Tương lai, không chỉ riêng dé tài này ma còn mở rộng sang các lĩnh vực

ứng dụng khác thu được từ màng sợi force spinning sẽ được nghiên cứu và thực hiện

trong nước với sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đại Phú

Với đặc tính không có ái lực với nước, màng sợi PS được đánh giá cao trong

khả năng hấp phụ dầu của nó, hướng đến ứng dụng lọc — tách dầu từ màng sợi PS

Dựa trên các phương pháp nên tảng sản xuất sợi thông thường, hiện nay có

một sô phương pháp phô biên được sử dụng dé sản xuât sợi có câu trúc nano: phương

pháp electrospray, electrospinning, forcespinning đều dựa trên nền tảng kéo mangtốc độ cao dé tao các lớp sợi có kích thước nhỏ nhất có thé.

1.2 Soi micro polystyrene và màng sợi tương ứng được chế tạo bằngphương pháp Force spinning

Cơ sở lý thuyết của phương pháp Forcespinning

Phương pháp quay ly tâm Forcespinning là kỹ thuật kéo sợi dựa trên lực quayly tâm từ dung dịch polymer hoặc polymer nóng chảy Sợi polymer thu được cóđường kính micromet.

Sau khi dung dich được tiêm vào buồng quay sẽ được din qua đầu kim tạothành dòng giọt đầu tiên cho cả quá trình, khi đó với lực quay ly tâm đủ lớn để vượtqua sức căng bề mặt của dung dịch polymer, dòng dung dịch đó sẽ được kéo căngtheo quỹ đạo quay của buông quay đến bản thu Với tốc độ bay hơi vừa đủ dé sợipolymer không bị bết dính và xếp thành các lớp sợi tạo thành màng trên bản thu [32]

Hình 1.2.1, Mô phỏng hệ thí nghiệm Force spinning

Về lý thuyết, phương pháp Force spinning là một phương pháp phun chat lỏngdựa trên tác động của lực ly tâm Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này dựa trênlý thuyết của dòng polymer bị kéo căng bởi lực ly tâm trong quá trình phun Khispinneret quay ở tốc độ cao, dung dịch polymer chứa trong buồng quay spinneret chịutác động của lực ly tâm, lực thủy tĩnh và lực mao dẫn Lực ly tâm và lực thủy tĩnh sẽ

cạnh tranh với lực mao dân và lực ma sát (lực tương tác giữa các mạch phân tử

10

polymer) trong quá trình Force spinning Khi lực ly tâm và lực thủy tĩnh lớn hơn lực

mao dẫn và lực nhớt một dòng polymer sẽ thoát ra khỏi đầu kim và di chuyển đếnbản thu Khi dòng polymer này di chuyển trong khoảng không giữa đầu kim phun vàbản thu, dung môi bay hơi một phan va polymer hóa ran ở dạng sợi khi đến bản thu

Ca Spinneret[<3] %

k / Lỗ thoát

Dung dịch polymerpolymer

" Lực thủy tinlLue mao dan ue thuy tinhx Luce ! ao

Lue ly tam

Dung môibay hoi

Hình 1.2.2 Các lực trong qua trình Force spinning

a

Trong qua trinh Force spinning, spinneret quay tao thanh luc ly tam day dungdich polymer chứa trong spinneret ra theo lỗ thoát trên spinneret, độ lớn của lực lytâm được xác định theo công thức: Foon: = œ^R với p: tỷ trọng dung dich polymer,w: tốc độ quay của spinneret, R: cánh tay đòn

Thiết bị Foree spinning

Hệ Force spinning được cau tạo gồm phân chính:e Bo phận tạo lực ly tâm: bao gồm một động cơ cao tốc có thé điều chỉnh

được tốc độ; một buông quay (spinneret) dùng để chứa dung dịchpolymer được đầu kim có đường kính nhỏ, quay cùng chiều với trục

motor

e _ Hệ thống cung cấp dung dich polymer cho spinneret bao gồm may bơmvi lượng, ống tiêm chứa dung dich polymer va ống dẫn dung dich.e Bộ phận thu mẫu bao gồm các thanh kim loại hoặc nhựa được đặt cách

đều đầu kim để thu sợi polymer tạo thành

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở lý luận2.1.1 Nội dung đề tài

Nghiên cứu khảo sát khả năng tạo sợi của hệ thí nghiệm chế tạo sợi micro bangphương pháp Forcespinning (Centrifugalspinning) va ứng dung lọc — tach dau từ

mang sợi thu được.

e Khảo sát khả năng tạo sợi ảnh hưởng bởi các yếu tố: tốc độ quay ly tâm,

loại dung môi, hỗn hợp các dung môi hòa tan PS

e Khảo sát đánh giá cấu trúc lỗ xốp trên mang sợi PS bị ảnh hưởng bởi

dung môi và hỗn hợp dung môi hòa tan PS

e Khảo sát khả năng hấp phụ dầu của mang sợi PS có cấu trúc lỗ xốp, đượcứng dụng trong mang lọc tách dau

2.1.2 Mô hình nghiên cứu

Giai đoạn 1: Thực hiện khảo sát sơ bộ ban đầu các yếu tố ảnh hưởng của quátrình quay ly tâm tạo sợi với mô hình nghiên cứu (Hệ thí nghiệm) được lắp đặt bởinhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đại Phú tự thiết kế và tựđầu tư nguồn kinh phí được lắp đặt trong thời gian viết dé cương — khóa 2017

Giai đoạn 2: Thực hiện nghiên cứu chính với hệ thống Force spinning (FS)được thiết kế và lap đặt tại phòng thí nghiệm Functional Polymer Design Laboratory— Kyoto Institude of Technology, Japan Hệ thí nghiệm gồm 4 bộ phận chính: động

cơ, hệ spinneret, may bơm vi lượng và hệ bản thu có thể di chuyền Ngoài ra còn có

hệ 6n định nhiệt độ, độ âm và khung thiết bị

Động cơ của hệ Force spinning được sử dụng từ động cơ của máy ly tâm Tomy

MC 150, có tốc độ quay từ 0-15000 vòng/phút

Spinneret tự thiết kế và gia công bang vật liệu hợp kim chống gỉ bởi một côngty cơ khí Nhật Bản Hai đầu Spinneret được hàn Luerlook Các đầu kim băng vật liệuhợp kim chống gỉ được gắn vào Spinneret thông qua Luerlook

PHANAANAag m2

j7 0N a tạ

Hình 2.1.2 Ảnh thực té spinneret

14

Lưu lượng của hệ dung dịch polymer được điều khiến bằng máy bơm địnhlượng KDS-100, KD Scientific Kích thước ống tiêm có thé sử dụng cho máy bom vilượng này là từ 3 đến 50ml, máy bơm có thé vận hành ở khoảng lưu lượng 10p1 đến

60m1/h.Mô tả hệ thí nghiệm:

e Hệ thống bản thu là 12 thanh thép chống gỉ tròn với đường kính 5mm, đượcgan đồng tâm vào một tam nhựa PI, khoảng cách từ đầu kim phun đến bản thulà 10cm Tắm nhựa PI được gan trên 2 động cơ bước va được điều khiến tốcđộ bằng phần mềm Arduino

e Nhiệt độ của buồng thí nghiệm được điều khiến bằng hệ thống điều khiến nhiệttự động, sử dụng đồng hồ nhiệt và điện trở được gan trên thành thiết bi Độ âmcủa hệ được kiểm soát bang máy tạo 4m va máy say được đặt ngay trong buồng

thí ngiệm.

e Ngoài ra, buông thí nghiệm còn được kết nối với một quạt hút thông qua mặttrên của thiết bị Quạt hút này được sử dụng sau khí quá trìnhCentrifugalspinning kết thúc nhăm loại bỏ lượng dung môi còn lại trong buồng

thí nghiệm.

e Hai kim phun có kích thước giống nhau được sử dụng cùng lúc trong quátrình Force spinning Kim phun có chiều dai 5mm được mài nhăn đầu kimvà có kích thước lần lượt là

e Hệ ống tiêm được sử dụng trong luận văn nay là hệ ống tiêm nhựa HSW12ml không có đầu cao su Hệ dung dịch polymer được dẫn từ ống tiêm đếnSpinneret bằng hệ dây dẫn dung dich băng nhựa PP

Các thông số trong quy trình:

Quá trình chế tạo sợi từ phương pháp quay ly tâm (Forcespinning) chịu anhhưởng trực tiếp từ hệ motor quay Rota jet-Spinning (RJS), cho phép sản xuất hàngloạt các sợi có cau trúc xốp bằng lực quay ly tâm nhưng có thé dẫn đến các hình tháisợi không nhất quán Vì các sợi hình thành phụ thuộc nhiều vào các tính năng bề mặt,

nên cân khảo sát tôi ưu hóa các thông sô quá trình sản xuât đê kiêm soát hình thái sợi

với cau trúc xốp [32].Bảng 2.1.1 Bảng thông số quy trình

Xung quanh

Độ am

Nghiên cứu đánh giá cau trúc sợi thu được và đặc tính ứng dụng trong mànglọc tách dầu Các yếu tố: dung môi, nồng độ polymer, tốc độ quay ly tâm, khoảng từvòi phun đến bản thu tác động qua lại lẫn nhau trong suốt quá trình quay ly tâm tạosợi Ứng với những thay đổi bởi các yếu tô đó thì khả năng hấp phụ dau của màng

sợi thu được có sự khác nhau.2.1.3 Các yếu to ảnh hưởng trong quá trình quay ly tâm tao sợi

Khi sản xuất sợi nano băng phương pháp Force spinning, yêu cầu polymerphải ở dạng lỏng: có thể ở dạng dung dịch polymer hoặc dạng tan chảy Các tính chất

liên kết khi polymer ở dạng dung dịch, dạng tan chảy có vai trò quan trọng trong việcxác định đường kính và hình thái học của sợi Khi polymer ra khỏi đầu phun, hai tínhchất cần được xem xét đó là sức căng bề mặt và độ nhớt Đồng thời, quá trình kéo sợily tâm cũng ảnh hưởng bởi các yếu tố: vận tốc gốc của buồng quay, bán kính lỗ phun,khoảng cách từ vòi phun đến bảng thu, tốc độ bay hơi của dung dich polymer [33].

Các yếu tố này ảnh hưởng tác động qua lại lẫn nhau thành một mắc xích củanhững tác động Khi thay đổi một yếu tố nào đó có thé ảnh hưởng lên toàn bộ thôngsố của quy trình nên cần cân nhac khảo sát để tối ưu hóa quá trình tạo sợi với đườngkính như mong muốn

Trọng lượng phan tử cua polymer

Cùng một loại polymer nhưng khác nhau về trọng lượng phân tử sẽ khác nhauvề rất nhiều tính chất, và ở mỗi trọng lượng phân tử nhất định đặc trưng cho khả năng

ứng dụng nhất định Việc khảo sát khả năng tạo sợi tại một trọng lượng phân tử nhất

định có ý nghĩa đến toàn bộ quá trình thực nghiệm, mang tính chất quyết định các kếtquả thí nghiệm, kéo theo sự thay đổi của các thông số quy trình bởi sự ảnh hưởng qualại của các yếu tố bên trong va bên ngoài

Do sử dụng polymer ở dạng lỏng, nếu trọng lượng phân tử quá cao polymer sẽkhó hòa tan trong dung môi Tuy nhiên, trọng lượng phân tử polymer quá thấp, mạngliên kết của mạch polymer ngăn, quá trình quay ly tâm khó tạo sợi hoặc tính chất sợi

không liên tục.

Tùy từng loại polymer mà khả năng tạo sợi sẽ năm trong vùng có trọng lượngphân tử xác định, việc lựa chọn ban đầu chủ yếu về tính chất của polymer tại cáctrọng lượng phân tử khác nhau, điều này được tìm thấy trong lý thuyết cũng như trong

các thực nghiệm trước đây cũng như qua quá trình khảo sát sơ bộ.Dung môi

Việc lựa chọn dung môi hoặc hệ dung môi là một bước cơ bản và quan trọngtrong quá trình kéo soi.

Tương tác giữa polymer và dung môi quyết định tính chất của dung dịch

polymer về độ hòa tan của dung môi Sự hòa tan dung môi cao — polymer tan nhanhtrong dung môi tạo ra sự tương tác của polymer và dung môi mạnh, chuỗi polymerdãn nỡ tối đa hình thành tương tác liên phân tử Độ hòa tan kém — polymer tan chậmtrong dung môi làm các chuỗi polymer co lại, gần sát nhau hơn Độ tan dung môi ảnhhưởng đến cau trúc chuỗi polymer, độ nhớt dung dich polymer, kích thước và hình

thái học của sợi tạo thành.

Do đó, việc lựa chọn dung môi hoặc hệ dung môi cho một polymer đóng vai

trò quan trọng trong việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sợi polymer [34]

Các dung môi hữu cơ sử dụng trong phương pháp Force spinning này đòi hỏiphải hòa tan hoàn toàn polymer Nhiệt độ sôi của dung môi là nhiệt độ mà ở đó áp

suất hoi băng với áp suất khí quyén và điều này biểu hiện bang sự bay hơi của dungmôi Với hệ thí nghiệm trục xoay ly tâm thì sự bay hơi dung môi ảnh hưởng trực tiếplên hình thái sợi Dung môi với áp suất hơi thấp (nhiệt độ sôi cao) sẽ khó hóa hơi hơnso với dung môi có áp suất hơi cao (nhiệt độ sôi thấp) và do đó bay hơi ít hơn Điềunày có nghĩa độ khuếch tán của polymer sẽ giảm đi trong dòng chảy từ dung môi cóáp suất hơi cao, nơi mà sự bay hơi của dung môi diễn ra ở mức độ cao Tác động của

dung môi đến hình dạng và kích thước sợi được cho rằng: với sự tang nhiệt độ sôitương ứng với việc giảm độ bay hơi [35].

Một điều cần chú ý là tùy thuộc vào mỗi loại polymer ma chúng có nhữngtương tác khác nhau đối với mỗi loại dung môi Tác động của dung môi đến nhữngchuỗi rỗi và hình dạng cuối cùng của sợi thu được là khác nhau đối với loại polymerkhác nhau Nông độ và trọng lượng phân tử của polymer cũng ảnh hưởng rất nhiềuđến tương tác giữa dung môi và polymer

Sức căng bề mặt là lực ảnh hưởng chính lên dòng dung dich polymer trongquá trình quay kéo sợi, nếu sức căng bề mặt quá lớn dung môi sẽ khó thoát ra khỏi

dòng dung dịch.Khoảng cách phun

Với khoảng cách phun ngắn, việc bay hơi hoàn toàn lượng dung môi bị hạnchế, dẫn đến các sợi tạo thành khi đến màng thu vẫn còn bị ướt, các sợi này có thé bịdính liền lại, hoặc bị bết lên mảng thu và dẫn đến mật độ xếp sợi không đồng đều.Việc tăng khoảng cách phun có thể tạo ra các sợi có kích thước đồng đều hơn vì chuỗipolymer có thể có đủ thời gian để dung môi bay hơi đủ lượng không làm kết dính các

sợi polymer Tùy thuộc vào loại dung môi sử dụng, việc tăng khoảng cách phun có

thé làm tôn hại đến hình thái sợi

—¬;

x =a

Hình 2.1.4: Mô ta khoảng cach dong dung dich polymer tới ban thu

Tuy nhiên, việc khảo sát khoảng cách phun luôn gặp nhiều khó khăn cho cảhệ thí nghiệm, nên thường người ta sẽ khảo sát các yếu tố động khác

Tốc độ quay ly tâm của spinneret

Đối với sự hình thành của dòng dung dịch polymer, tốc độ quay ly tâm haylực ly tâm phải cao để vượt qua sức căng bề mặt của dung dịch Tuy nhiên, lực nàycũng không được quá cao dễ làm đứt dòng chảy của dung dịch polymer hoặc sẽ gây

hình thành các hat polymer [35].

Hình 2.1.5 Các hình thái sản phẩm có thé được tao ra trong qua trình Forcespinning

20

Hình 2.1.6: M6 phỏng quá trình ForcespinningKhi spinneret quay sẽ tạo ra lực ly tâm tác dụng lên dung dịch polymer chứa

trong nó Vận tốc quay càng lớn sẽ tạo ra vận tốc thoát càng lớn ở đầu kim, khi đóđường kính sợi sẽ càng nhỏ Khi quay với tốc độ cao, dòng dung dịch polymer theoquán tính của quỹ đạo quay sẽ thu hẹp đường kính bằng cách nới rộng bán kính di

chuyên, làm xuât hiện các điểm như hình 1.5.

ExitDiameter

Pendant Drop \

— Fiber Jet

Direction of InitiationRotation

Hình 2.1.7: Dòng tia dung dich polymer khi thay đôi vận tốc quayTốc độ quay còn ảnh hưởng đến quỹ đạo của dòng sợi polymer sau khi ra khỏiđầu phun đến bản thu collector, điều nay quyết định sự sắp xếp của các lớp sợi: độday, mật độ xếp sợi [36]

Collector =—”*

Hình 2.1.8: Mô tả quỹ dao quay của sợi theo tốc độ gốcTại tốc độ gốc Q thì vận tốc thoát tại đầu kim của dòng dung dịch sẽ quyếtđịnh hình thái học của sợi, đường kính, tính chất sản phẩm tạo thành

Vận tốc thoát được định nghĩa là vận tốc của dòng polymer tại thời điểm vừara khỏi đầu kim Vận tốc này có được là do lực ly tâm được tạo ra trong quá trình tạo

22

Đường kính sợi được tạo thành sẽ chịu ảnh hưởng bởi vận tốc thoát và độ nhớt củadung dịch polymer Dé tạo được sợi, lực ly tâm tác dụng lên dung dịch polymer không

được lớn hơn lực tương tác giữa các mạch polymer và giữa các mạch polymer vớidung môi.

Đường kính vòi phun

Đường kính kim phun là yếu t6 ảnh hưởng trực tiếp lên hình thái học của sợitạo thành, đường kính càng nhỏ thì tạo sợi có đường kính càng nhỏ, nhưng đôi lạinăng suất sẽ thấp

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp đánh giá hình thái học của sợi

Phương pháp quan sát sợi dưới kính hiến vi quét SEM và Fe-SEM

Hình thái học của sợi được kiểm tra bằng kính hiến vi điện tử quét Trước khiquan sát, các mẫu sẽ phải được say chân không va phun palladium vàng Sẽ tiễn hànhchụp ảnh một số khu vực trên mẫu để kiểm tra độ đồng nhất của đường kính sợi vàcác lỗ trỗng Kính thước lỗ rỗng được xác định bằng cách đo khoảng cách giữa cạnhcủa một sợi tới cạnh của sợi kế tiếp [37]

Nguyên ly hoạt động cua SEM là tao một chùm điện tử rất mạnh và điều khiểnchùm điện tử này quét theo hàng và theo cột trong diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫunghiên cứu Chùm tia phản xạ từ mẫu được ghi nhận và chuyền thành hình ảnh.Mẫu được phân tích SEM và Fe-SEM tại trung tâm phân tích thuộc viện KyotoInstitude of Technology, Japan Thiết bị được sử dụng là: SEM-Hitachi S300, Fe-

SEM, JEOL JSM-7600F

Mau sợi được thu trên băng dính dẫn điện va được phủ đồng trước khi được

phân tích SEM.