nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng pva cmc kết hợp nano clay

Trong số màng dựa trên polyvinyl alcohol PVA và carboxymethyl cellulose CMC được biết đến với các đặc điểm nổi bật như khả năng hòa tan trong nước, kháng hóa chất và độ bền cơ học cao, k

TỔNG QUAN

Tổng quan về màng polymer nanocomposite (PNCM)

Giới thiệu về màng polymer nanocomposite ( PNCM )

Công nghệ màng đang ngày càng có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như xử lý nước thải công nghiệp, thực phẩm, y học, dược phẩm, công nghệ sinh học và hóa chất [1] Công nghệ màng có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải vì kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng và chi phí ban đầu thấp Màng là một rào cản cho phép các vật liệu mong muốn đi qua một cách có chọn lọc, với các vật liệu không mong muốn được giữ lại trên bề mặt màng, chẳng hạn như màng polyme và vô cơ Màng vô cơ dựa trên kim loại hoặc ceramic cung cấp khả năng chịu nhiệt, cơ học và cấu trúc cao Mặc dù chúng có tính chọn lọc cao, nhưng tính thấm thấp khiến chúng không phù hợp với nhiều ứng dụng Ngược lại, màng polyme có tính linh hoạt tốt, ổn định hóa học, độ bền cơ học phù hợp, chế tạo dễ dàng và là vật liệu rẻ tiền Vật liệu được sử dụng để chế tạo màng polyme rất đa dạng như rượu polyvinyl, polyether sulfone, polyvinylidene fluoride, polyvinyl clorua, polypropylene, polyacrylonitrile, polyamide, polyetylen, polyamide và chitosan [2]

Màng polyme hiện đang được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước nhờ cơ chế hình thành lỗ xốp, tính linh hoạt cao hơn, không gian lắp đặt nhỏ hơn và chi phí thấp hơn so với màng vô cơ [3] Tuy nhiên, màng polyme cũng gặp một số thách thức như mối quan hệ đánh đổi giữa tính thấm nước, tính chọn lọc và khả năng chống bám bẩn thấp [4] Điều này đã thúc đẩy nỗ lực phát triển các loại màng polyme thế hệ tiếp theo với khả năng thẩm thấu và tính chọn lọc tuyệt vời, cùng với khả năng chống clo và chống cặn bẩn mạnh mẽ

Các tiến bộ trong công nghệ nano đã mở ra cơ hội đặc biệt cho việc cải tiến màng, nhờ vào khả năng tác động ở cấp độ nguyên tử Sáng kiến kết hợp các hạt nano vào màng polyme xuất phát từ kỳ vọng rằng màng polyme có thể hưởng lợi từ các đặc tính vượt trội của hạt nano để khắc phục một số điểm yếu của chúng [5] Sử dụng vật liệu nano trong tổng hợp màng đã chứng minh khả năng chống thấm xuất sắc và có thể vượt qua

2 hạn chế giữa tính thấm nước và tính chọn lọc của chất hòa tan Vật liệu nano có ảnh hưởng đáng kể đến tính chọn lọc, khả năng xuyên thấu, độ bền cơ học, độ ổn định nhiệt, điện tích bề mặt, tính ưa nước và tính kháng khuẩn của màng polyme [6] Các vật liệu nano được sử dụng trong màng bao gồm các hạt nano, vật liệu lớp hai chiều (2-D), sợi nano và các vật liệu cấu trúc hỗn hợp nano khác Hình 1.1 dưới đây cho thấy các cấu trúc vật liệu nano dựa trên màng được sử dụng rộng rãi nhất.[7]

Hình 1.1 Các cấu trúc màng dựa trên vật liệu nano được sử dụng phổ biến nhất

Nhờ sự cải thiện mối quan hệ giữa tính chọn lọc và khả năng thẩm thấu, cũng như giảm thiểu vấn đề tắc nghẽn màng trong quá trình xử lý nước, màng nanocomposite polyme đã thu hút sự chú ý đáng kể [4] Chúng được coi là màng cao cấp với hiệu suất cao trong việc tách lỏng-lỏng, khí-khí và lỏng-rắn Các màng tổ hợp nano trong ma trận polyme đem lại khả năng lọc tiên tiến Những tiến bộ này đã được sử dụng như những kỹ thuật mới và kinh tế cho việc xử lý nước và tách khí, loại bỏ chất hấp phụ và phát hiện chất thải bằng cách điều chỉnh cấu trúc và các đặc tính hóa lý của chúng (ví dụ: tính ưa nước, độ xốp, mật độ điện tích, độ ổn định nhiệt và cơ học) và giới thiệu các chức năng độc đáo (ví dụ: khả năng kháng khuẩn, xúc tác quang hoặc hấp phụ) Sự phát triển

3 nanocomposite cung cấp một giải pháp tiềm năng thay thế cho xử lý nước thải và nhu cầu nghiên cứu trong lĩnh vực này đang ngày càng gia tăng [8]

Màng polymer nanocomposite được chia thành hai loại; Màng polymer nanocomposite mỏng và màng polymer nanocomposite blend Trong màng polymer nanocomposite blend, các hạt nano cùng với polyme được phân tán trong dung dịch đúc trước khi đúc màng Trong khi đó, ở màng polymer nanocomposite mỏng, các hạt nano tạo thành màng mỏng trên bề mặt màng thông qua quá trình tự lắp ráp (self-assembly) bằng phương pháp phủ nhúng hoặc lắng đọng trên bề mặt màng đã chuẩn bị bằng áp suất [9]

Hình 1.2 (a) Màng polymer nanocomposite blend; (b) Màng polymer nanocomposite mỏng

Kỹ thuật chuẩn bị màng polymer nanocomposite

Một trong những khó khăn trong quá trình chế tạo màng polymer đó sự phân tán đồng đều các hạt nano vào polymer Vì khi tăng hàm lượng nano, các hạt nano có xu hướng tiến lại gần nhau dẫn đến sự kết tụ các hạt nano và giảm hiệu suất của màng Ngoài ra việc pha trộn chất độn với polymer làm tăng độ nhớt của hỗn hợp, dãn đến quá trình trộn mất nhiều thời gian hơn và tốn nhiều năng lượng hơn [10] Việc lựa chọn phương pháp để tạo ra màng nanocomposite đang là một thách thức vì vẫn chưa tìm được phương pháp tối ưu Hai yếu tố chính gồm bản chất của polymer và cấu trúc màng đóng vai trò chính trong việc xác định loại phương pháp chuẩn bị màng Các phương pháp phổ biến để chế tạo màng polymer có thể kể đến:

 Kỹ thuật trùng hợp bề mặt

 Kỹ thuật đúc dung dịch gồm kỹ thuật trộn dung dịch và kỹ thuật trộn nóng chảy

Trong khóa luận này tôi lựa chọn kỹ thuật pha trộn dung dịch Trộn dung dịch là kỹ thuật chế tạo đơn giản nhất đối với polyme nanocomposite Trong kỹ thuật này, toàn bộ các thành phần như polyme và nano được phân tán trong một dung môi chung thích hợp Đầu tiên các vật liệu có kích thước nano được phân tán trong dung môi bằng sóng siêu âm Hỗn hợp này sau đó được thêm vào dung dịch polyme để thu được sự phân tán đồng nhất Các chuỗi polymer vẫn còn nguyên vẹn và hình thành màng nanocomposite khi dung môi bay hơi [11]

Hiệu suất cơ học của composite bị ảnh hưởng rất nhiều bởi việc lựa chọn dung môi Việc lựa chọn dung môi thích hợp là rất quan trọng đối với hiệu quả của quy trình vì nó không chỉ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan hoàn toàn vật liệu polyme mà còn đảm bảo đạt được độ nhớt phù hợp để phân tán đều vật liệu nano vào ma trận polyme Việc lựa chọn dung môi thường được thực hiện dựa trên độ hòa tan của polyme Quá trình khuấy trộn có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc với việc sử dụng nhiệt bên ngoài để đẩy nhanh nhiệt động lực học của quá trình hòa tan Để hỗ trợ quá trình phân tán nano, có thể tạo huyền phù nano trong dung môi trước khi kết hợp với dung dịch polyme Sau khi quá trình phân tán nano vào ma trận polymer, hỗn hợp này sau đó được đúc trong khuôn Cuối cùng là sự bay hơi có kiểm soát của dung môi và hình thành màng nanocomposite Khi làm bay hơi dung môi, các chuỗi polyme có thể tập hợp lại, bao bọc các chất độn nano

Việc loại bỏ dung môi cũng đóng một vai trò quan trọng đối với các tính chất vật liệu

Tg sẽ giảm nếu có dung môi còn lại trong ma trận nano/polyme Quá trình bay hơi dung môi có thể được thực hiện trong lò chân không để hỗ trợ tăng tốc độ bay hơi và hình thành màng Tuy nhiên, các nghiên cứu đã quan sát thấy rằng dung môi bay hơi chậm (bay hơi tự nhiên) tạo ra hỗn hợp polymer có độ kết tinh cao hơn so với phương pháp bay hơi dung môi trong lò chân không [12]

Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi do hiệu quả của nó trong việc phân tán các chất độn nano bất kể độ phân cực của polyme, mặc dù nó phụ thuộc vào khả năng tương thích dung môi giữa polyme và chất độn Đối với các polyme tan trong nước, đây là phương pháp hòa trộn phù hợp nhất Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao của dung môi và việc xử lý chúng có tác động tiêu cực khi mở rộng quy mô công nghiệp Cả việc lựa chọn dung môi và thời gian khuấy, tốc độ khuấy, siêu âm đều có

5 ảnh hưởng đến tính chất của màng nanocomposite Ở quy mô thương mại, trộn nóng chảy được ưu tiên hơn so với trộn dung dịch để điều chế nanocomposite Tuy nhiên việc trộn dung dịch có thể chứng minh là có lợi ở quy mô phòng thí nghiệm vì:

 Không yêu cầu thiết bị đắt tiền và quy trình thực hiện, mặc dù bao gồm nhiều bước, nhưng khá đơn giản Quá trình này có thể được áp dụng ở điều kiện nhiệt độ thường và phù hợp để chuẩn bị một số lượng lớn các mẫu vật có kích thước nhỏ

 Các chất kết tụ organoclay được phân mảnh một cách hiệu quả và dẫn đến sự phân tán tuyệt vời của các hạt nano đơn phân tán trong ma trận polyme

 Có thể thu được các nanocomposite với độ phân tán cao bằng cách kết hợp quá trình trộn vật lý với các phản ứng hóa học, dẫn đến tăng độ liên kết giữa chuỗi polyme vào bề mặt độn [12]

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị

Nguyên liệu Để hoàn thành nghiên cứu cần một số nguyên liệu được thống kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Bảng thống kê nguyên liệu

STT Tên nguyên liệu Thông số Xuất xứ

1 Poly (vinyl alcohol) Độ thủy phân 97%

Khối lượng phân tử 90000 g/mol

50% Khối lượng phân tử: 100.12 g/mol Zhanyun

Khối lượng phân tử: 294,19 g/mol Melting Pt: 1760 °C

5 Axit clohydric Khối lượng phân tử: 36,46 g/mol Đức Giang

6 Methyl Blue Khối lượng phân tử: 373,9 g/mol Trung Quốc

7 Nước cất 2 lần Việt Nam

Thiết bị và dụng cụ

Quá trình thực nghiệm cần một số thiết bị và dụng cụ tại phòng thí nghiệm, cùng một số máy móc trong và ngoài phòng thí nghiệm tại trường Các thiết bị và dụng cụ được tóm tắt ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Các thiết bị và dụng cụ dùng trong thực nghiệm

STT Tên thiết bị, dụng cụ

2 Pipet bán tự động (pipetman)

3 Các dụng cụ thủy tinh: becher, ống đong, fiol

6 Bếp từ và hệ thống máy khuấy cơ

14 Thiết bị đo FT-IR

Quy trình chế tạo màng PVA/CMC

2.2.1.1 Sơ đồ khối quy trình chế tạo màng PVA/CMC

Hình 2.1 Sơ đồ khối quy trình chế tạo màng PVA/CMC

Bước 1: Pha dung dịch PVA 8% và dung dịch CMC 3% riêng biệt Để tạo ra dung dịch PVA 8%, đầu tiên cần cân chính xác 8g PVA bằng cân phân tích 4 số và lấy chính xác 100ml nước cất 2 lần bằng ống đong Sau đó tiến hành lắp hệ thống gia nhiệt và khuấy cơ như hình 2.2 Trong cốc thủy tinh có thể chịu nhiệt, đổ 100ml nước cất và đặt lên nồi để gia nhiệt Trong khi nước cất đang được gia nhiệt, 8g PVA được thêm vào cốc PVA nên được thêm từ từ vào cốc và phải tiến hành khuấy liên tục để tránh PVA vón cục, làm cho quá trình khuấy trở nên khó khăn hơn Quá trình khuấy PVA được duy trì nhiệt độ 90°C và tốc độ khuấy 400 vòng/ phút trong 3h Quá trình gia

34 nhiệt sẽ làm bay hơi nước, do đó dung dịch PVA cần được bịt kín Quá trình khuấy và gia nhiệt này giúp đảm bảo PVA tan hoàn toàn trong nước, tạo thành dung dịch PVA 8% đồng nhất và ổn định Sau khi hoàn thành quá trình khuấy, dung dịch PVA sau đó để nguội và ổn định đến nhiệt độ môi trường trong 12h Quá trình ổn định này còn giúp loại bỏ bọt khí bên trong dung dịch PVA

Hình 2.2 Hệ thống gia nhiệt và khuấy cơ

Tương tự như quá trình khuấy dung dịch PVA 8% để tạo ra dung dịch CMC 3%, cần cân chính xác 3g lấy chính xác 100ml nước cất 2 lần Gia nhiệt cốc thủy tinh có chứa 100ml nước cất Trong khi nước cất đang được gia nhiệt, 3g CMC được thêm vào cốc chứa nước cất Tương tự như khi khuấy PVA, CMC cũng nên được thêm từ từ vào cốc và phải tiến hành khuấy liên tục để tránh tình trạng CMC vón cục Quá trình khuấy CMC được duy trì nhiệt độ 60°C và tốc độ khuấy 400 vòng/phút trong 1 giờ Dung dịch CMC cũng cần được bịt kín Sau khi hoàn thành quá trình khuấy, dung dịch CMC sau đó để nguội và ổn định đến nhiệt độ môi trường trong 12 giờ

Bước 2: Khuấy dung dịch PVA, CMC và chất đóng rắn

Tiến hành khuấy trộn dung dịch PVA 8% và dung dịch CMC 3% với các tỷ lệ CMC/PVA (w/w) lần lượt 15/100, 20/100, 25/100 30/100 Dùng pipet bán tự động lấy chính xác dung dịch 1ml dung dịch HCl 3% và dung dịch Glutaraldehyde 10% với hàm lượng được tính bằng 1%, 3%, 5% và 10% dung dịch hỗn hợp Hỗn hợp này sau đó được khuấy trong 9h ở nhiệt độ môi trường bằng máy khuấy từ

Hình 2.3 a) Thêm HCl và GA; b) Khuấy hỗn hợp không gia nhiệt

Bước 3: Sau khi hoàn thành quá trình khuấy, nhằm hạn chế như xuất hiện của các bọt khí làm giảm cơ tính của màng, do đó hỗn hợp cần được đem đi đánh siêu âm ở nhiệt độ 35°C trong 1h để loại bỏ hoàn toàn bọt khí sinh ra trong quá trình khuấy

Hình 2.4 Siêu âm loại bỏ bọt khí a) b)

Bước 4: Hỗn hợp dung dịch sau đó được đổ ra đĩa petri Đĩa petri chứa mẫu sau đó được sấy cho bay hơi dung môi nước và tiến hành sấy cho bay hơi dung môi và đóng rắn ở nhiệt độ 45°C trong 48h trong tủ sấy Sau quá trình đóng rắn mẫu được bóc ra khỏi đĩa petri và lưu trữ trong túi zip để chuẩn bị cho các đánh giá sau này

Quy trình chế tạo màng PVA/CMC/HNTs

2.2.2.1 Sơ đồ khối quy trình chế tạo màng PVA/CMC/HNTs

Hình 2.5 Sơ đồ khối quy trình chế tạo màng PVA/CMC/HNTs

Quy trình chế tạo màng PVA/CMC ở trên sẽ tạo tiền đề cho quá trình chế tạo màng có thêm sự bổ sung của Halloysite Các màng PVA/CMC với các tỷ lệ, hàm lượng chất đóng rắn khác nhau sẽ được đánh giá thông qua khả năng trương nước và cơ tính, để từ đó lựa chọn ra màng có tỷ lệ CMC/PVA, tỷ lệ hàm lượng chất đóng rắn tối ưu Màng PVA/CMC/Halloysite sẽ được tổng hợp dựa trên tỷ lệ CMC/PVA, hàm lượng cho kết quả tốt nhất với các hàm lượng Halloysite khác nhau lần lượt là 2%, 4%, 6% Quá trình chế tạo màng PVA/CMC/Halloysite khá tương tự với quy trình chế tạo màng

PVA/CMC Ở quy trình này, ngoài dung dịch PVA 8%, dung dịch CMC 3%, dung dịch HCl 3% và chất đóng rắn GA còn có thêm sol HNTs Sol HNTs được chuẩn bị bằng cách cân chính xác lượng HNTs cần dùng cho vào 10mL nước cất 2 lần, sau đó tiến hành khuấy ở nhiệt độ môi trường trong vòng 10 phút

Toàn bộ hỗn hợp tạo màng PVA/CMC/Halloysite sẽ được khuấy trong 2 khoảng thời gian khác nhau là 9h và 12h Sau đó hỗn hợp sẽ được đánh siêu âm ở nhiệt độ 35°C trong 1h Tiếp theo hôn hợp được đổ ra đĩa petri và đưa vào tủ sấy Quá trình sấy cũng được thực hiện ở 45°C trong 48h Cuối cùng màng được bóc ra khỏi đĩa petri và lưu trữ

Hình 2.6 a) Đổ màng PVA/CMC b) Đổ màng PVA/CMC/HNTs

Các phương pháp phân tích

Mục đích của phép đo trương nước là để đánh giá khả năng hấp thụ và giữ nước của các vật liệu Khả năng trương nước của màng cho thấy khi màng bị sưng lên trong dung dịch methyl blue đồng nghĩa với một vật liệu xốp lớn được hình thành Từ đó mà thuốc nhuộm có thể khuếch tán đồng nhất qua toàn bộ cấu trúc màng trong quá trình trương nở Đồng thời khả năng trương nước cũng được dùng để đánh giá mức độ liên kết chéo

Các mẫu màng được cắt thành 3 mẫu hình vuông với kích thước 2cmx2cm Mẫu sau đó được đem đi cân bằng cân phân tích 4 số Sau đó tiến hành ngâm mẫu trong 10 ml nước a) b)

38 cất 2 lần trong 24h Sau 24h mẫu được lấy ra thấm sạch cho hết nước bề mặt, tiến hành cân lại mẫu trên cân phân tích 4 số

Tỷ lệ trương nở của vật liệu: s 0

Trong đó: ms: khối lượng của vật liệu sau khi trương nở (g) m0 : khối lượng của vật liệu trước khi trương nở (g)

Tính chất cơ học Độ bền kéo của vật liệu là đại lượng ứng suất kéo tối đa mà vật liệu đó có thể chịu trước khi bị phá vỡ, chẳng hạn như đứt hoặc biến dạng vĩnh viễn Nó được tính bằng N/mm² hoặc Pa Độ giãn dài khi đứt là thước đo khả năng biến dạng của vật liệu Phép đo này cho thấy vật liệu có thể bị kéo giãn bao nhiêu phần trăm so với kích thước ban đầu trước khi bị đứt Độ dãn dài của vật liệu càng cao cho thấy vật liệu sẽ có khả năng biến dạng tốt trước khi bị gãy, trong khi độ dãn dài thấp cho thấy vật liệu giòn và dễ bị gãy trước khi biến dạng nhiều dưới tải trọng kéo

Các công thức TS và EL đã được sửa đổi sang tiếng Việt

Công thức tính độ bền kéo như sau: k

: ứng suất kéo đứt, MPa F: lực kéo khi đứt, N S: tiết diện ngang ban đầu của mẫu, mm2 Công thức tính độ dãn dài khi đứt như sau: b m m l l l x100

Trong đó: : độ dãn dài khi đứt, % lm: khoảng cách ban đầu giữa hai ngàm, mm lb: khoảng cách giữa hai ngàm tại thời điểm mẫu đứt, mm

Phép đo cơ tính được sử dụng trong nghiên cứu này để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng của chất đóng rắn GA đến tính chất cơ học của màng PVA/CMC Đồng thời xác định khả năng gia cố của Halloysite trong ma trận polymer

Màng được cắt thành các mẫu hình chữ nhật có kích thước 50mmx15mm Sau đó màng được đo bề dày Bề dày của mẫu màng được xác định bằng cách tính trung bình bề dày tại 3 điểm bất kì trên mẫu Để đảm bảo kết quả chính xác nhất cần kiểm tra mẫu xem có các khuyết tật như các bọt khí trên mẫu hay không Vì các khuyết tật này sẽ là nơi tập trung ứng suất làm cho kết quả không còn chính xác

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA đến khả năng trương của màng PVA/CMC

Mục đích của việc khảo sát khả năng trương của màng là để lựa chọn tỷ lệ CMC/PVA thích hợp nhằm tăng khả năng trương nở của màng mà không làm màng bị hòa tan hoặc tan rã Ngoài ra, kết quả trương nước cũng cho biết mật độ liên kết ngang trong màng, từ đó xác định hàm lượng chất đóng rắn tối ưu Đặc biệt độ trương là một yếu tố rất quan trọng đối với vật liệu hấp phụ trong môi trường nước Do đó kết quả trương nở này sẽ làm tiền đề cho quy trình chế tạo màng PVA/CMC/HNTs ứng dụng hấp phụ thuốc nhuộm MB

Màng PVA/CMC được tạo thành với 4 tỷ lệ CMC/PVA và 5 hàm lượng GA, được đem khảo sát độ trương trong nước Kết quả độ trương bão hòa (%) được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Kết quả đo trương bão hòa (%) của các mẫu PVA/CMC với tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA khác nhau

43 Để dễ phân tích đánh giá, số liệu bảng 3.1 được trình bày lại dạng đồ thị hình 3.1 như sau:

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA đến khả năng trương nở của màng PVA/CMC

Dựa vào hình 3.1 ta có thể thấy rằng khuynh hướng khi tăng hàm lượng CMC thì độ trương của mẫu màng cũng tăng theo Sự ảnh hưởng của hàm lượng CMC có thế thấy rõ nhất ở các mẫu chưa đóng rắn Với mẫu chưa đóng rắn có hàm lượng CMC thấp nhất 15% có độ trương của mẫu là 293,96% nhưng khi tăng hàm lượng CMC lên 30% thì độ trương màng tăng đến 856,72% Điều này có thể giải thích vì CMC là một polymer có tính thấm nước cao và khả năng hòa tan trong nước tốt do có thể tạo ra các liên kết hydro thông qua các nhóm hydroxyl Đồng thời CMC chứa các nhóm carboxymethyl thay thế các nguyên tử hydro từ một số nhóm hydroxyl trên các đơn vị glucose của cellulose Những nhóm carboxymethyl này có tính phân cực cao, làm tăng đáng kể tính chất hydrophilic (thân thiện với nước) của CMC Khi CMC được thêm vào màng PVA, những nhóm carboxymethyl này cũng sẽ xuất hiện trên bề mặt màng, làm tăng tính phân

44 cực của màng để có thể tương tác với nước Sự phân cực mạnh mẽ này làm cho màng PVA/CMC trở nên dễ dàng hấp thụ nước, và màng sẽ nhanh chóng hòa tan trong nước Màng sẽ dễ bị hòa tan khi thêm CMC trên tỷ lệ 30/100 Điều này cũng lý giải cho việc mẫu với hàm lượng 30% CMC chưa đóng rắn sau khi ngâm trương có hiện tượng xuất hiện các vết nứt vỡ màng

Ngoài ra sự hiện diện của CMC thúc đẩy sự hình thành các vùng vô định hình trong mạng phân tử PVA Khi trong cấu trúc PVA có nhiều vùng vô định hình hơn, khả năng hấp thụ nước của nó sẽ tăng lên đáng kể do các phân tử nước có thể dễ dàng xâm nhập vào giữa các mạch polymer, các phân tử CMC trong ma trận PVA khi gặp nước sẽ trương phồng lên Kết quả là tạo thành một màng linh hoạt và có khả năng trương nở cao

Tuy nhiên màng PVA/CMC sau khi đóng rắn với GA, thì nhìn chung ảnh hưởng của CMC lên độ trương của màng cũng giảm đi Có thể thấy màng PVA/CMC chưa đóng rắn và đã đóng rắn với hàm lượng 1% GA thì ảnh hưởng của CMC đến độ trương nở rất rõ ràng Nhưng với mẫu có hàm lượng đóng rắn cao hơn từ 3%GA thì sự ảnh hưởng của CMC lên độ trương của mẫu không tăng vượt bậc do sự ảnh hưởng của GA trong hỗn hợp hình thành các liên kết khâu mạng

Tiếp theo, ảnh hưởng của GA sẽ được xem xét và bàn luận Ta có thể thấy khi tăng hàm lượng GA sẽ làm giảm độ trương nước của mẫu Với mẫu CMC/PVA 30/100 chưa đóng rắn, độ trương của mẫu đạt 856,72% nhưng khi tăng làm lượng GA lên 1%, 3%, 5%, 10% thì độ trương của mẫu giảm xuống lần lượt là 441.11%, 249.49%, 164.56% và 147.48% Điều này có thể giải thích dựa trên phản ứng đóng rắn của GA với PVA và CMC

Trong quá trình đóng rắn, các nhóm aldehyde trong glutaraldehyde có khả năng tạo liên kết chéo với các nhóm OH (hydroxyl) trên cấu trúc PVA và CMC Điều này làm cho các chuỗi polymer bị gắn chặt với nhau, hình thành mạng liên kết chặt chẽ giữa các phân tử, cản trở sự trương nở của mẫu Đồng thời nồng độ chất liên kết chéo càng cao thì càng giảm các nhóm phân cực ưa nước như nhóm OH trên PVA, CMC dẫn đến giảm độ trương của màng

Kết quả này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu “Hành vi trương nở của PVA được liên kết ngang với Glutaraldehyde” của tác giả Fadhel S Matty và cộng sự [55] Nghiên

45 cứu kết luận rằng bằng cách tăng tỷ lệ GA/PVA, mật độ liên kết ngang tăng lên và điều này làm giảm đáng kể hiện tượng trương nở hoặc hấp thụ nước của gel

Tuy nhiên, khi tăng quá nhiều GA như ở tỉ lệ 10% thì một số mẫu có tỷ lệ CMC/PVA có sự tăng về độ trương so với tỉ lệ (GA 5%) trước đó Điều này có thể giải thích do GA 10% có thể dư trong phản ứng khâu mạng ở tỉ lệ CMC/PVA là 25/100 làm tăng nhóm ưa nước giúp sự trương trở lại Từ độ trương cũng có thể thấy cấu trúc màng có sự thay đổi nên sự đánh giá cơ tính màng nhằm làm rõ hơn ảnh hưởng của CMC và GA đến mẫu

Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA đến cơ tính của màng PVA/CMC Độ bền kéo Đo độ bền kéo giúp đánh giá khả năng chịu lực kéo căng của màng Khảo sát độ bền kéo được thực hiện trên các màng nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các tỷ lệ phối trộn CMC/PVA và ảnh hưởng của các hàm lượng đóng rắn GA đến cơ tính của màng Màng PVA/CMC được tạo thành với 4 tỷ lệ CMC/PVA và 5 hàm lượng GA, được đem đo cơ tính Kết quả độ bền kéo (N/mm 2 ) được trình bày trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Kết quả độ bền kéo (N/mm 2 ) của các mẫu PVA/CMC với tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA khác nhau

46 Để dễ phân tích đánh giá, số liệu bảng 3.2 được trình bày lại dạng đồ thị hình 3.2 như sau:

Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ CMC/PVA và hàm lượng GA đến độ bền kéo của màng

Dựa vào biểu độ ở hình 3.2 có thể thấy ảnh hưởng của việc tăng làm lượng CMC đã làm tăng độ bền kéo của màng Đây được cho là do sự hình thành liên kết hydro và ester giữa phân tử PVA và CMC như hình 3.3 [56], liên kết này giúp các chuỗi mạch trong cấu trúc màng liên kết chặt chẽ hơn, do đó cần một lực lớn hơn để có thể phá hủy mẫu, vì vậy mà khi tăng hàm lượng CMC mẫu có độ bền kéo tăng lên

Hình 3.3 Liên kết hydro và ester hình thành giữa PVA và CMC

Tuy nhiên có thể thấy mẫu có không có GA ở tỷ lệ hàm lượng CMC/PVA 25/100 không tăng mà có xu hướng giảm nhẹ so với tỷ lệ 20/100 Điều này có thể giải thích do lỗi trong quá trình tạo màng Nhưng lặp lại thí nghiệm vẫn thu được kết quả trên Lý giải cho đều này là do sự kết hợp CMC vào cấu trúc PVA chưa đủ lớn đã làm giảm đáng kể các vùng kết tinh trong PVA Các vùng kết tinh có sự sắp xếp chặt chẽ là nơi chịu tải cho PVA Khi các vùng kết tinh này bị thay thế bằng các vùng vô định hình, do sự cản trở của CMC sẽ làm độ bền kéo của mẫu không ổn định khi không có các liên kết GA hỗ trợ

Nhìn chung khi tăng hàm lượng GA làm cho độ bền kéo của mẫu tăng theo Như ở tỉ lệ CMC/PVA là 30/100 khi tăng hàm lượng GA từ 0% đến 10% thì độ bền kéo cũng tăng theo từ 21.287 N/mm2 đến 38.625 N/mm2 Để giải thích cho sự ảnh hưởng của hàm lượng GA đến cơ tính cũng tương tự như đến khả năng trương nước Do phản ứng đóng rắn giữa các nhóm OH trong PVA và CMC với các nhóm aldehyde của GA Điều này