Báo cáo thí nghiệm phân tích hóa lý phương pháp tổng hợp màng pva và màng nano composite pvazno, trong Đó dung dịch pva và pvazno Được pha trộn

Các hóa chất sử dụng trong phân hủy màu...50 Bảng 1.4 Các dụng cụ sử dung trong quá trình thí nghiệm...50 Bảng 1.5 Thiết bị cần dùng trong quá trình thí nghiệm...51 Bảng 2.1 Các tham số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

⁂ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH HÓA LÝ

GVHD: ThS Bùi Thị Thảo Nguyên

Lớp: L02-Nhóm: 3C DANH SÁCH THÀNH VIÊN

Thành phố Hồ Chí Minh – 11/2024

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 7

1 Tổng quan về nano kẽm oxit (ZnO) 7

1.1 Đặc điểm, cấu trúc của ZnO 7

1.2 Tính chất vật lý 10

1.3 Tính chất hóa học 10

1.4 Ứng dụng của Nano kẽm oxit 11

2 Tổng quan về PVA 14

2.1 Đặc điểm, cấu trúc 14

2.2 Tính chất vật lý 16

2.3 Tính chất hóa học 17

2.4 Ứng dụng của PVA 19

3 Tổng quan về composite PVA/ZnO 21

3.1 Đặc điểm, cấu trúc 21

3.2 Tính chất vật lý 24

3.3 Tính chất hóa học 24

3.4 Tính chất quang 25

3.5 Tính chất điện 28

3.6 Tính chất điện môi 29

3.7 Ứng dụng của PVA/ZnO 30

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 32

1.Tổng hợp nano ZnO 32

1.1 Dụng cụ và thiết bị 32

1.2 Hóa chất 34

1.3 Quy trình thí nghiệm 34

1.4 Thuyết minh quy trình 35

2 Tổng hợp màng PVA 36

2.1 Dụng cụ và thiết bị 36

2.2 Hóa chất 37

2.3 Quy trình thí nghiệm 38

2.4 Thuyết minh quy trình 38

3 Tổng hợp màng nano composite PVA/ZnO 39

3.1 Dụng cụ và thiết bị 39

3.2 Hóa chất 41

3.3 Quy trình thí nghiệm 42

3.4 Thuyết minh quy trình 43

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ 44

1 Các phương pháp đánh giá 44

1.1 Đo nhiễu xạ tia X (XRD) 44

1.2 Kiểm tra độ bền hóa học 47

1.3 Phân hủy màu 50

2 Kết quả và bàn luận 53

2.1 phân tích XRD 53

2.2 Thử độ bền 57

2.3 Khả năng phân hủy màu 59

CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH ẢNHCHƯƠNG I

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO trong một ô tinh thể [1] 8Hình 1.2 Hình dạng thực tế của ZnO dưới kính hiển vi:hoa (a); thanh (b); dây (c, d).[5] 9

Hình 2.1 (a) Cấu trúc phân tử của PVA thủy phân hoàn toàn và (b) PVA thủy phân không hoàn

toàn; các chỉ số dưới n và m biểu thị mức độ trùng hợp tương ứng [14]………16Hình 2.2 Crosslinking glutaradehyde từ PVA và nanocellulose (NC) [15] 18Hình 2.3 PVA Gel xử lí nước thải công nghiệp [16] 19

Hình 3.1 Phổ XRD a PVA tinh khiết, b ZnO tinh khiết, c-f nanocomposite PVA-ZnO.[17]…21Hình 3.2 Ảnh SEM PVA (a-b), nano ZnO (c-d), PVA-ZnO 10% (e), PVA-ZnO 15% (f), PVA-ZnO20% (g), màng nanocomposite (h) [17] 23Hình 3.3 Phổ hấp thụ ánh sáng của (a) PVA tinh khiết; (b) nano ZnO; (c–f) Màng nanocompositePVA–ZnO [17] 25Hình 3.4.Khoảng cách băng tần gián tiếp của màng nanocomposite PVA, nano ZnO tinh khiết vàPVA-ZnO [17] 26

Hình 3.5 Phổ phát xạ phát quang của nano ZnO và nanocomposite PVA [17] 27

Hình 3.6 Phổ phát xạ nano ZnO và nanocomposite ZnO [17] 27

Hình 3.7 Hình ảnh AFM của 0.5% và 4% nanocomposite PVA/ZnO [18] 28

Hình 3.8 Thời gian giãn nở của PVA/ZnO ở các nồng độ ZnO khác nhau [18] 28

Hình 3.9 Cole–Cole Plot For Various Wt.% of PVA/ZnO nanocomposites [18] 29

CHƯƠNG II Hình 1.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp ZnO [19,20] 34

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp màng PVA [21]……… .38

Hình 3.1 Quy trình tổng hợp màng nanocomposite PVA/ZnO [22]……… 42

CHƯƠNG III Hình 1.1 Cơ chế nhiễu xạ tia X trong tinh thể [25] 44

Hình 1.2 Quy trình tổng quát chuẩn bị dung dịch có pH khác nhau 49

Hình 1.3 Quy trình tổng quát kiểm tra độ bền hóa học 49

Hình 1.4 Quy trình tổng quát kiểm tra độ phân hủy màu của màng PVA và ZnO/PVA trong dung dịch methyl blue 52

Hình 2.1 Phổ XRD của ZnO nung ở 500oC……….53

Hình 2.2 Biểu đồ W-H 55

Hình 2 3 (a) Lọ methyl blue sau khi được ngâm màng ZnO/PVA, (b) Lọ methyl blue sau khi được ngâm màng PVA, (c) Lọ methyl blue chuẩn 60

Hình 2.4 Cơ chế quang xúc tác các chất gây ô nhiễm sử dụng chất xúc tác quang ZnO khi có chiếu xạ UVA [52] 61

Hình 2.5 Sự phân hủy của các chất ô nhiễm hữu cơ bởi ZnO với sự hiện diện của ánh sáng mặt trời [52] 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG I

Bảng 1.1 Các thông số của ZnO ở 300k [1] 10

CHƯƠNG II Bảng 1.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tổng hợp nano ZnO 32

Bảng 1.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp nano ZnO 33

Bảng 1.3 Hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp ZnO 34

Bảng 2.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tổng hợp màng PVA……… 36

Bảng 2.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp màng PVA 37

Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng cho quá trình tổng hợp màng PVA 37

Bảng 3.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tạo màng nano composite PVA/ZnO……….39

Bảng 3.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tạo màng nano composite PVA/ZnO 41

Bảng 3.3 Hóa chất dùng trong quá trình tạo màng PVA/ZnO 41

CHƯƠNG III Bảng 1.1 Các hóa chất sử dụng trong quá trình kiểm tra độ bền hóa học 47

Bảng 1.2 Các dụng cụ sử dụng trong quá trình kiểm tra độ bền hóa học 47

Bảng 1.3 Các hóa chất sử dụng trong phân hủy màu 50

Bảng 1.4 Các dụng cụ sử dung trong quá trình thí nghiệm 50

Bảng 1.5 Thiết bị cần dùng trong quá trình thí nghiệm 51

Bảng 2.1 Các tham số cấu trúc cho ZnO thu được từ dữ liệu XRD và các giá trị kích thước tinh thể (D) và biến dạng mạng tinh thể (ε) được tính bằng phương pháp Scherrer và W–H………56

Bảng 2.2 Khối lượng trước và sau khi ngâm mẫu màng PVA 57

Bảng 2.3 Khối lượng trước và sau khi ngâm mẫu màng ZnO/PVA 58

LỜI MỞ ĐẦU

Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp có tính chất vượt trội được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực bao bì, y sinh, và công nghệ thực phẩm Tuy nhiên, PVA cũng tồn tại một số hạn chế, đặc biệt là độ bền màu thấp và khả năng chống lại sự phân hủy do ánh sáng và tác nhân oxy hóa không cao Để cải thiện các tính chất này, việc kết hợp PVA với các vật liệu vô cơ, như oxit kẽm (ZnO), đã trở thành một phương pháp hiệu quả ZnO không chỉ cải thiện tính chất cơ học, khả năng kháng khuẩn, mà còn có khả năng làm tăng độ bền màu của màng PVA khi tiếp xúc với các tác nhân môi trường

Bài báo cáo này trình bày phương pháp tổng hợp màng PVA và màng nano compositePVA/ZnO, trong đó dung dịch PVA và PVA/ZnO được pha trộn và để bay hơi dung môi tạo thànhmàng mỏng Phương pháp XRD (X-ray Diffraction) được sử dụng để phân tích cấu trúc tinh thểcủa màng PVA và PVA/ZnO, nhằm xác định sự phân bố của ZnO trong polymer cũng như mức độtương tác giữa các thành phần trong composite Kết quả từ phân tích XRD sẽ cung cấp nhữngthông tin quan trọng về sự hình thành pha của ZnO trong màng và ảnh hưởng của ZnO đến cấutrúc vật liệu.

Một phần quan trọng của bài báo cáo là khảo sát tính bền màu của màng PVA và PVA/ZnOtrong dung dịch methyl blue dưới tác động của tia UV Methyl blue, một chất nhuộm hữu cơ đánhgiá khả năng bền màu của màng polymer trong môi trường ánh sáng mạnh Việc đánh giá tính bềnmàu của màng dưới tác động của tia UV không chỉ giúp kiểm tra khả năng ổn định màu sắc màcòn phản ánh khả năng chống lại sự phân hủy vật liệu khi tiếp xúc với tia cực tím, một yếu tố quantrọng trong các ứng dụng thực tế liên quan đến vật liệu chịu ánh sáng hoặc tiếp xúc lâu dài với môitrường ngoài trời

Để hiểu rõ sự ảnh hưởng của việc bổ sung ZnO vào PVA đối với cấu trúc và tính chất bềnmàu của màng polymer Kết quả thu được từ việc phân tích XRD và thử nghiệm bền màu dưới tia

UV sẽ cung cấp cơ sở khoa học vững chắc, hỗ trợ phát triển các ứng dụng mới cho vật liệucomposite PVA/ZnO trong các lĩnh vực như bao bì, bảo vệ vật liệu, và các ứng dụng y sinh

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1 Tổng quan về nano kẽm oxit (ZnO)

1.1 Đặc điểm, cấu trúc của ZnO

Kẽm Oxit (ZnO) là chất bán dẫn loại n với (Eg = 3,2-3,4 eV) Đặc biệt, năng lượng dải cấm củaZnO có thể điều chỉnh được thông qua quá trình thay thế các ion hóa trị hai tại vị trí cation Mặc

dù độ linh động của điện tử trong ZnO hơi thấp hơn so với GaN, ZnO lại có tốc độ bão hòa caohơn Điểm đáng chú ý là ZnO có một số ưu điểm vượt trội so với GaN, bao gồm việc tồn tại dướidạng đơn tinh thể, có khả năng sản xuất với số lượng lớn, và có năng lượng liên kết exciton cao

hơn ( 60 meV so với 25 meV của GaN) Điều này giúp ZnO trở thành lựa chọn hấp dẫn cho∼ ∼nhiều ứng dụng công nghệ, bao gồm thiết bị phát ánh sáng UV, thiết bị điện tử công suất cao vàcác ứng dụng công nghệ thông tin, ứng dụng trong các thiết bị quang tử tử ngoại và điện tử trongsuốt.

ZnO có cấu trúc tinh thể lục giác (wurtzite) với các đặc tính quang học mạnh mẽ nhờ vào sựxuất hiện của trạng thái exciton Trạng thái exciton Là một trạng thái trong đó một electron bị kíchthích lên dải dẫn, để lại một "lỗ trống" (hole) trong dải hóa trị, và electron này liên kết với lỗ trống

đó qua lực Coulomb Exciton có thể được hiểu là một cặp electron-lỗ trống liên kết, tương tự như

mô hình của một nguyên tử hydro Ở ZnO, năng lượng liên kết của exciton rất cao, vào khoảng 60meV, cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn khác Điều này có nghĩa là exciton trong ZnO cóthể tồn tại ở nhiệt độ phòng, không dễ dàng bị phân tách bởi nhiệt Chính tính chất này khiến ZnOtrở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang điện tử, đặc biệt là trong các thiết bị pháttia cực tím (UV) và quang học tử ngoại, vì nó giúp cải thiện hiệu suất tái hợp quang học, tạo ra ánh

sáng hiệu quả hơn.

Cấu trúc tinh thể ZnO tồn tại dưới ba dạng: Cấu trúc dạng lục giác Wurtzite ở điều kiệnthường, cấu trúc dạng lập phương giả Kẽm ở nhiệt độ cao và cấu trúc lập phương dạng tâm mặtNaCl xuất hiện ở áp suất cao (Trong đó, cấu trúc lục giác Wurtzite là cấu trúc ổn định và bềnvững nhất ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển).[6]

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO trong một ô tinh thể [1].

Hình 1.2 Hình dạng thực tế của ZnO dưới kính hiển vi:hoa (a); thanh (b); dây (c, d).[5]

Do liên kết phân tử Zn-O có tính phân cực, các mặt phẳng kẽm và oxy thường mang điệntích Để duy trì tính trung hòa điện, các mặt phẳng này thường được tái cấu trúc ở cấp độ nguyên

tử trong hầu hết các vật liệu liên quan, nhưng điều này không xảy ra ở kẽm oxit (ZnO), và bề mặtcủa nó phẳng, ổn định ở mức nguyên tử và không có sự tái cấu trúc Loại bất thường này của ZnOvẫn chưa được xác định hoàn toàn.[4]

Sự phân cực tứ diện trong cấu trúc này tạo ra một số tính chất đặc biệt của ZnO như tính áp

thúc phổ biến của ZnO bao gồm (0001) cho các mặt cực và (1120), (1010) cho các mặt khôngphân cực Mỗi loại mặt kết thúc có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau, và các mặt cựcthường ổn định hơn mặt (1120).

Trong thực tế, người ta sản xuất nano oxide ZnO bằng phương pháp kết tủa ướt với các điềukiện được kiểm soát dễ dàng và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đã cung cấp một cách dễ dàng

để sản xuất các hạt nano ZnO một cách kinh tế, trong đó các tiền chất mang kẽm (như hydroxide,carbonate, acetate và kẽm hydroxy-carbonate, v.v.) thường được điều chế ở nhiệt độ phòng và sau

đó thiêu kết ở nhiệt độ cao

Các chất hoạt động bề mặt như [cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), natri dodecylbenzen sulfonat (SDBS), poly(vinylpyrrolidone) (PVP) và natri dodecyl sulfat (SDS)] thườngđược dùng để kiểm soát kích thước và độ phân tán của ZnO.[3]

1.2 Tính chất vật lý

Bảng 1.1 Các thông số của ZnO ở 300k [1].

Cơ tính: Độ cứng từ 4-5 Mohs, độ dẻo tốt và sức chịu nén cao.

Độ dẻo: có khả năng uốn cong hoặc uốn cong mà không gãy Điều này là do cấu trúc tinh thể

của nó và liên kết giữa các nguyên tử

Độ bền kéo: độ bền kéo tương đối cao, với khả năng chịu lực kéo một cách tương đối tốt

trước khi bị déo móc hoặc gãy Điều này làm cho nó hữu ích trong các ứng dụng cần độ bền và khảnăng chịu lực

Độ bền nén: có khả năng chịu lực nén tương đối tốt Nó có thể chịu đựng áp lực nén trước

khi bị biến dạng hoặc vỡ

1.3 Tính chất hóa học

Tính chất điện quang: năng lượng liên kết exciton cao (~60 meV) giúp ngăn chặn sự tái hợp

nhanh chóng của các electron và lỗ trống, giữ cho các tính chất quang không bị suy giảm ở nhiệt

độ phòng Ngoài ra, cấu trúc vùng năng lượng và động lực học mạng của ZnO cũng góp phầnquan trọng vào khả năng chống chịu sự phân hủy quang học, đồng thời duy trì tính ổn định và hiệusuất trong các ứng dụng quang điện

Hệ số liên kết điện hoá và độ ổn định hoá học cao: Liên kết ion giữa Zn² và O² tạo cấu⁺ ⁻trúc bền vững Cấu trúc tinh thể wurtzite hoặc zincblende cũng tăng cường độ ổn định hóa học.Với khả năng dẫn ion tốt, ZnO nano hỗ trợ truyền dẫn điện tử và ion trong ứng dụng điện hóa.Diện tích bề mặt lớn của hạt nano gia tăng tương tác mà vẫn duy trì ổn định Nano ZnO còn chống

ăn mòn và chịu nhiệt tốt nhờ năng lượng liên kết exciton cao

Tính kháng khuẩn: Hiệu quả ức chế vi khuẩn cao, bao gồm E.coli và Salmonella Cơ chế kháng khuẩn liên quan đến sự phát sinh hydro peroxide và giải phóng ion Zn² ⁺ Hydrogenperoxide (H₂O₂) đề cập đến vai trò của nó trong tính kháng khuẩn của hạt nano kẽm oxit (ZnO).Khi hạt nano ZnO tiếp xúc với vi khuẩn, chúng có khả năng tạo ra hydrogen peroxide, một chấtoxy hóa mạnh H₂O₂ có thể phá hủy màng tế bào của vi khuẩn, gây tổn thương đến cấu trúc bêntrong của vi khuẩn và dẫn đến việc tiêu diệt chúng Đây là một trong những cơ chế quan trọnggiúp ZnO thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ ngoài ra Các ion kẽm có thể làm tăng tínhthấm của màng tế bào vi khuẩn, dẫn đến sự bất ổn định màng và tổn hại cấu trúc màng tế bào, giúptiêu diệt vi khuẩn và ZnO có thể gây tổn thương màng tế bào vi khuẩn thông qua tương tác trựctiếp hoặc tương tác tĩnh điện, khiến ZnO dễ dàng thâm nhập vào tế bào và phá hủy cấu trúc bêntrong [1,9]

1.4 Ứng dụng của Nano kẽm oxit

Ứng dụng trong môi trường: Nano ZnO có khả năng diệt khuẩn và phân hủy các chất ô

nhiễm hữu cơ, nên được sử dụng trong các công nghệ xử lý nước và bảo vệ môi trường

Khả năng diệt khuẩn: Nano ZnO có tác dụng kháng khuẩn mạnh, đặc biệt là chống lại các vi

khuẩn gây bệnh như E.coli Điều này làm cho ZnO trở thành một lựa chọn tốt để xử lý nước bị ônhiễm vi khuẩn, giúp làm sạch nước sinh hoạt và nước thải [1], [9]

Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ: ZnO có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước

thông qua quá trình quang xúc tác, Khi các hạt ZnO được chiếu sáng bằng ánh sáng có năng lượnglớn hơn hoặc bằng băng tần của ZnO, các electron sẽ được kích thích từ dải hóa trị lên dải dẫn, tạo

ra các electron (e ) trong dải dẫn và lỗ trống (h ) trong dải hóa trị Các electron và lỗ trống này có⁻ ⁺thể phản ứng với các chất nhận electron (như O₂) và chất cho electron (như OH hoặc các chất⁻hữu cơ) hấp phụ trên bề mặt ZnO để oxy hóa các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ, dẫn đến quá trìnhphân hủy thuốc nhuộm, phá vỡ các phân tử ô nhiễm.[6]

Ứng dụng trong công nghệ năng lượng: Hạt nano ZnO được sử dụng trong các công nghệ

năng lượng nhờ vào tính bán dẫn và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh

Pin mặt trời: ZnO được ứng dụng trong pin năng lượng mặt trời thông qua cơ chế chuyển

đổi photon bằng cách sử dụng các hạt nano ZnO pha tạp đất hiếm để cải thiện hiệu suất chuyểnđổi năng lượng Các ion đất hiếm như Er, Yb, và Ho trong ZnO có thể thực hiện quá trình chuyểnđổi lên (up-conversion) và chuyển đổi xuống (down-conversion) để hấp thụ các photon có nănglượng thấp hoặc cao hơn, sau đó phát ra ánh sáng trong vùng quang phổ có ích cho pin năng lượngmặt trời giúp tối đa hóa lượng ánh sáng mà pin mặt trời có thể chuyển hóa thành điện năng Điềunày giúp mở rộng dải đáp ứng quang học của các tế bào quang điện, tăng hiệu suất chuyển đổinăng lượng.[7]

Ống nhiệt mặt trời: ZnO có thể hấp thụ và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt

năng, giúp tối ưu hóa quá trình thu nhiệt từ ánh sáng mặt trời, góp phần tăng hiệu suất của các hệthống nhiệt mặt trời.[7]

Ứng dụng trong y tế: Nano ZnO có tính kháng khuẩn, giúp chúng có nhiều ứng dụng quan

trọng trong y học:

Băng dính kháng khuẩn: Nano ZnO được sử dụng trong các loại băng y tế để ngăn chặn vi

khuẩn xâm nhập vào vết thương, giúp giảm nguy cơ nhiễm trùng.[1],[9]

Vật liệu phục hồi xương: Nhờ khả năng kích thích sự tiết khoáng chất của tế bào xương

(osteoblast) khi được pha trộn với hydroxyapatite (HAp) và khả năng tạo khung xương sinh họckhi kết hợp với hydroxyapatite và các polymer sinh học, kèm với tác dụng kháng khuẩn, nanoZnO cũng có tiềm năng được sử dụng trong các vật liệu cấy ghép xương.[11][1][9]

Điều trị ung thư: Nghiên cứu gần đây cho thấy nano ZnO có khả năng tiêu diệt tế bào ung

thư nhờ vào tính chất quang xúc tác và khả năng kích thích phản ứng sinh học trong các tế bào ungthư Điều này mở ra cơ hội phát triển các phương pháp điều trị ung thư ít tác dụng phụ hơn.[10]

Ứng dụng trong vật liệu thông minh: ZnO có tính chất quang điện và dẫn điện tốt, do đó nó

được ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiên tiến:

Cảm biến: ZnO được sử dụng trong các loại cảm biến khí và cảm biến áp suất nhờ khả năng

tương tác với các phân tử khí do ZnO có khả năng hấp thụ các phân tử oxy từ không khí, tạo thànhcác ion oxy trên bề mặt Khi các phân tử mục tiêu như khí độc tiếp xúc với bề mặt ZnO, chúng sẽphản ứng với các ion oxy này, giải phóng electron trở lại dải dẫn của ZnO, làm thay đổi điện trởcủa cảm biến và thay đổi tính dẫn điện theo môi trường Điều này làm cho ZnO hữu ích trong các

hệ thống phát hiện và giám sát môi trường.[12]

Vi mạch tích hợp: ZnO có thể tạo ra các linh kiện bán dẫn nhỏ gọn, giúp phát triển các vi

mạch điện tử linh hoạt hơn, hỗ trợ công nghệ điện tử hiện đại Điểm cốt lõi của dẫn của Kẽm Oxitđối với ngành công nghiệp điện tử nằm ở đặc tính dẫn điện và bán dẫn đặc biệt của nó Khônggiống như các vật liệu thông thường, Kẽm Oxit thể hiện cả tính dẫn điện và bán dẫn, khiến nó trởthành vật liệu thay thế tiềm năng cho các vật liệu bán dẫn truyền thống Thuộc tính đặc biệt này

mở đường cho các ứng dụng sáng tạo trên toàn bộ quang phổ điện tử.[13]

Công nghệ hiển thị và chiếu sáng: tính chất phát quang của ZnO chủ yếu dựa trên cơ chế tái

tổ hợp giữa các điện tử và lỗ trống tại các khuyết tật trong cấu trúc ZnO Các hạt nano ZnO có haiđỉnh phát xạ chính: một đỉnh phát xạ ở vùng tử ngoại do tái tổ hợp exciton gần băng dẫn (tái tổhợp giữa điện tử và lỗ trống trong băng dẫn), và một đỉnh phát xạ ở vùng ánh sáng nhìn thấy docác khuyết tật như các vị trí thiếu oxy (oxygen vacancies) hoặc các ion kẽm xen kẽ (zinc

interstitials) Những khuyết tật này tạo ra các mức năng lượng phụ trong vùng cấm, nơi các điện

tử và lỗ trống có thể tái tổ hợp và phát ra ánh sáng ở các bước sóng nhất định, dẫn đến các dải phátquang trong vùng xanh lá, xanh lam và cam-đỏ, nhờ đó ZnO được ứng dụng trong các màn hình

và thiết bị chiếu sáng LED, giúp tạo ra ánh sáng hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng.[8]

Ứng dụng trong an toàn thực phẩm: Nano ZnO có thể được sử dụng để bảo quản và an

toàn thực phẩm nhờ khả năng kháng khuẩn Trong các nghiên cứu, ZnO được chứng minh có khảnăng chống lại các vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm như Salmonella và Staphylococcus aureus,giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm và đảm bảo vệ sinh an toàn.[9]

2 Tổng quan về PVA

2.1 Đặc điểm, cấu trúc

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một loại polymer tổng hợp độc đáo, được sản xuất thông qua quátrình thủy phân polyvinyl acetate (PVAc) Trong quá trình này, các nhóm acetate trong cấu trúcpolymer được thay thế bằng nhóm hydroxyl (-OH), làm cho PVA có đặc tính nổi bật là khả nănghòa tan trong nước và phân hủy sinh học, rất thân thiện với môi trường Điều quan trọng hơn nữa

là PVA không gây hại cho sức khỏe con người, một đặc tính vô cùng quan trọng trong bối cảnhtoàn cầu ngày càng quan tâm đến các giải pháp bền vững và an toàn sinh học Chính những đặcđiểm này đã giúp PVA ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vựccông nghiệp và công nghệ hiện đại

Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của PVA là trong ngành sản xuất màng và bao bìphân hủy sinh học Với khả năng tạo ra các màng mỏng có độ bền cơ học cao, đặc biệt là khi tiếpxúc với nước, màng PVA trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm đóng gói thực phẩm,dược phẩm, và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác Những loại bao bì này không chỉ đảm bảo tính bềnvững và thân thiện với môi trường, mà còn giúp giảm thiểu lượng rác thải nhựa khó phân hủy, vốn

là một vấn đề nhức nhối đối với môi trường toàn cầu Sự linh hoạt và khả năng phân hủy sinh họccủa màng PVA góp phần vào việc tạo ra những giải pháp đóng gói an toàn và thân thiện, hướngtới một tương lai xanh hơn

PVA cũng được biết đến với khả năng tạo liên kết chéo (crosslinking) dễ dàng, làm gia tăngđáng kể độ bền về cơ học, hóa học và khả năng chịu nhiệt của vật liệu Đây là một đặc điểm quan

trọng khi PVA được ứng dụng trong các công nghệ màng lọc nước, vật liệu hấp thụ, cũng nhưtrong lĩnh vực y tế, nơi cần các vật liệu có tính ổn định và bền bỉ Cụ thể, PVA được sử dụng đểsản xuất gel trị liệu, băng gạc, và các thiết bị cấy ghép y tế, nhờ vào tính tương thích sinh học cao,khả năng bảo vệ và hỗ trợ quá trình phục hồi của cơ thể mà không gây ra phản ứng phụ Nhờ vậy,PVA đã trở thành một vật liệu lý tưởng trong lĩnh vực y học, không chỉ về mặt chức năng mà còn

ở khía cạnh an toàn cho bệnh nhân và môi trường xung quanh

Trong ngành keo dán, PVA cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng, được sử dụng làm thànhphần chính trong keo dán gỗ, giấy, và dệt may Nhờ vào khả năng kết dính mạnh mẽ và dễ hòa tantrong nước, keo PVA giúp tạo ra những sản phẩm dán có độ bền cao, đáng tin cậy và dễ sử dụng.Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm tiêu dùng, nơi đòihỏi vật liệu có độ bền cao nhưng vẫn phải đảm bảo tính thân thiện với môi trường Keo PVAkhông chỉ là lựa chọn hiệu quả về mặt kỹ thuật, mà còn góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến

hệ sinh thái, một yếu tố ngày càng được đề cao trong các ngành công nghiệp hiện đại

Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực sản xuất bao bì hay keo dán, sợi PVA còn tìm thấy ứng dụngrộng rãi trong ngành dệt và xây dựng Với tính chất bền bỉ, linh hoạt, cùng với khả năng phân hủysinh học, sợi PVA đang dần thay thế các loại sợi tổng hợp truyền thống, giúp tạo ra những sảnphẩm dệt may và vật liệu xây dựng bền vững hơn Các loại vải và vật liệu dệt từ sợi PVA khôngchỉ có độ bền cơ học cao, mà còn thân thiện với người sử dụng và môi trường, hướng tới nhữnggiải pháp phát triển bền vững trong cả hai ngành này Sự kết hợp giữa tính bền vững và khả năngtái chế đã giúp PVA trở thành một lựa chọn hàng đầu trong nỗ lực giảm thiểu tác động tiêu cực từngành công nghiệp dệt may và xây dựng đến môi trường toàn cầu

Nhìn chung, Polyvinyl Alcohol (PVA) là một loại polymer đa dụng, có tiềm năng to lớntrong việc thay thế các loại nhựa truyền thống, vốn đang gây ra những vấn đề nghiêm trọng vềmôi trường và sức khỏe con người Với khả năng phân hủy sinh học, tính thân thiện với môitrường và độ an toàn cao, PVA đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu của thế kỷ 21 về vật liệu bền vững

Sự kết hợp giữa tính ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực từ công nghiệp, y tế đến dệt may và xâydựng, cùng với khả năng bảo vệ môi trường, đã khẳng định vị trí của PVA trong cuộc cách mạngphát triển bền vững trên toàn cầu [14]

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer bán tinh thể với cấu trúc gồm chuỗi cacbon chínhđược liên kết với các nhóm hydroxyl (-OH) chức năng, đóng vai trò quan trọng trong việc hìnhthành các liên kết hydro giữa các phân tử PVA Những liên kết hydro này góp phần tạo nên sự ổnđịnh của vật liệu và khả năng liên kết mạng lưới (crosslinking), giúp tăng cường tính chất cơ học

và độ bền của PVA trong nhiều ứng dụng

Tùy thuộc vào mức độ thủy phân của polyvinyl acetate (PVAc) trong quá trình sản xuất,PVA có thể tồn tại dưới hai dạng chính:

PVA thủy phân hoàn toàn: Ở dạng này, tất cả các nhóm acetate (CH3COO-) trong cấu trúc

PVAc ban đầu được thay thế hoàn toàn bằng các nhóm hydroxyl (-OH) Điều này làm cho PVAthủy phân hoàn toàn có tính chất hút ẩm cao và khả năng hòa tan trong nước rất tốt Nhờ đặc tínhnày, PVA thủy phân hoàn toàn thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ hòa tan cao,chẳng hạn như trong công nghiệp sản xuất keo dán, màng phân hủy sinh học, và các sản phẩm cóthể hòa tan trong nước

PVA thủy phân không hoàn toàn: Một phần các nhóm acetate vẫn còn lại trong cấu trúc

polymer, làm cho PVA này ít thấm nước hơn so với dạng thủy phân hoàn toàn Kết quả là PVAthủy phân không hoàn toàn có độ bền cơ học cao hơn, khả năng chống ẩm tốt hơn và ít hòa tantrong nước hơn Loại PVA này được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và khả năngchống ẩm, chẳng hạn như trong sản xuất sợi dệt, vật liệu đóng gói, và các ứng dụng mà màng PVAphải chịu tác động của môi trường ẩm ướt

Nhờ sự đa dạng trong các mức độ thủy phân, PVA có thể được điều chỉnh tính chất phù hợpvới nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, từ màng bao bì, vật liệu keo dán, đến vật liệu y tế vàcông nghệ lọc nước.[14]

Hình 2.1 (a) Cấu trúc phân tử của PVA thủy phân hoàn toàn và (b) PVA thủy phân không hoàn

toàn; các chỉ số dưới n và m biểu thị mức độ trùng hợp tương ứng [14].

2.2 Tính chất vật lý

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một loại polymer có tính phân cực cao do sự hiện diện của nhómhydroxyl (-OH) trong cấu trúc phân tử của nó Nhóm hydroxyl này có khả năng tương tác mạnhvới các phân tử nước và các dung môi phân cực khác, làm cho PVA dễ dàng hòa tan trong nước.Tuy nhiên, cũng chính vì đặc tính tương tác mạnh với nước này mà PVA có thể bị giảm tính bền

cơ học và khả năng chịu nhiệt khi tiếp xúc với môi trường ẩm ướt Điều này có thể hạn chế việc sửdụng PVA trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và tính ổn định khi tiếp xúc với nước

Để khắc phục những nhược điểm trên, quá trình tạo liên kết mạng lưới (crosslinking) là mộtgiải pháp quan trọng Khi các phân tử PVA được liên kết chéo với nhau, cấu trúc polymer sẽ trởnên vững chắc hơn, giúp tăng độ bền cơ học, ổn định nhiệt và kháng nước Quá trình liên kết chéolàm cho các phân tử PVA trở nên "khóa chặt" lại với nhau, tạo ra một mạng lưới bền vững hơn,giúp cải thiện đáng kể tính chất vật lý của PVA Nhờ vậy, PVA có thể được sử dụng trong các lĩnhvực đòi hỏi tính bền vững và độ ổn định cao như sản xuất màng lọc nước, vật liệu y tế, và bao bìchịu ẩm

Ngoài khả năng tạo liên kết chéo, PVA cũng có khả năng kết tinh một phần, và mức độ kếttinh này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất vật lý của polymer Độ kết tinh càng cao thì vậtliệu PVA càng trở nên cứng hơn và ít hòa tan trong nước hơn Ngược lại, độ kết tinh thấp hơn sẽ

mang lại tính dẻo và khả năng hòa tan cao hơn cho PVA Mức độ kết tinh của PVA có thể đượcđiều chỉnh thông qua nhiều yếu tố, chẳng hạn như mức độ thủy phân của polyvinyl acetate(PVAc) ban đầu hoặc điều kiện tổng hợp polymer, bao gồm nhiệt độ và thời gian phản ứng Cácđiều chỉnh này cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa tính chất của PVA theo yêu cầu cụ thể củatừng ứng dụng.[14]

2.3 Tính chất hóa học

Tính chất hoà tan và độ hút ẩm: Tính hòa tan của Polyvinyl Alcohol (PVA) phụ thuộc chủ

yếu vào mức độ thủy phân và trọng lượng phân tử PVA có mức độ thủy phân cao (thủy phân hoàntoàn) thường hòa tan tốt trong nước nóng, tạo ra dung dịch có độ nhớt cao Ngược lại, PVA thủyphân một phần có tính bán hòa tan, không tan trong nước lạnh nhưng có khả năng hòa tan trong

một số dung môi hữu cơ như ethanol Khả năng hút ẩm của PVA đến từ sự hiện diện của các nhóm

hydroxyl (-OH), cho phép polymer này tạo ra liên kết hydro với các phân tử nước Đặc tính nàygiúp PVA dễ hút ẩm, nhưng cũng có thể là một nhược điểm trong một số ứng dụng đòi hỏi khảnăng chống nước Để kiểm soát tính hút ẩm, các chất tạo liên kết chéo như glutaraldehyde hoặccác dẫn xuất dialdehyde khác có thể được sử dụng Quá trình liên kết chéo này không chỉ làmgiảm khả năng hút nước mà còn tăng độ ổn định của vật liệu trong môi trường ẩm.[14]

Liên kết hydrogen và tính chất tương tác hóa học: Sự hiện diện của nhóm hydroxyl trong

PVA cho phép tạo ra các liên kết hydro mạnh mẽ với nước và các phân tử có nhóm phân cực hoặcnhóm hydroxyl khác Các liên kết hydro này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và duytrì cấu trúc mạng lưới polymer của PVA, tạo nên sự ổn định về mặt cơ học và hóa học của vật liệu.Những liên kết này cũng giúp tăng cường khả năng bám dính của PVA với các bề mặt nhưcellulose, protein và các polymer tự nhiên khác Liên kết hydro không chỉ ảnh hưởng đến tínhtương tác hóa học mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ học của PVA,bao gồm độ giãn và độ bền kéo Khi số lượng liên kết hydro giữa các chuỗi polymer tăng lên, độbền cơ học của PVA cũng tăng theo, làm cho vật liệu này bền vững hơn trong các ứng dụng cần độbền cao.[14]

Quá trình liên kết chéo (crosslinking):Một trong những cải tiến đáng kể của PVA là khả

năng tạo liên kết chéo giữa các chuỗi polymer thông qua nhóm hydroxyl Quá trình liên kết chéogiúp tăng độ bền cơ học và khả năng kháng nước của PVA, đồng thời giảm khả năng hòa tan của

nó Các chất tạo liên kết chéo như glutaraldehyde, axit sulfuric, hoặc tia UV có thể được sử dụng

để thực hiện quá trình này Ví dụ, khi sử dụng glutaraldehyde, các nhóm hydroxyl trên PVA phản

ứng với nhóm aldehyde, tạo ra các cầu nối giữa các chuỗi polymer Kết quả là, khả năng hòa tantrong nước của PVA giảm đi, đồng thời tính kháng nước và độ bền của vật liệu tăng lên Điều nàyđặc biệt quan trọng trong các ứng dụng màng PVA như tách lọc hoặc thẩm thấu ngược, khi mà vậtliệu cần duy trì cấu trúc ổn định trong môi trường ẩm ướt.[15]

Hình 2.2 Crosslinking glutaradehyde từ PVA và nanocellulose (NC) [15]

2.4 Ứng dụng của PVA

Màng Polyvinyl Alcohol (PVA) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ vàocác đặc tính độc đáo như khả năng hòa tan trong nước, tính bền vững, và khả năng tương tác hóahọc tốt Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật của màng PVA trong các ngành công nghiệp quantrọng:

Màng lọc trong xử lý nước: Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của màng PVA là

trong hệ thống xử lý và lọc nước Với khả năng chống tắc nghẽn, độ thấm nước cao, và tính bền

vững, màng PVA được sử dụng trong nhiều quá trình lọc khác nhau như: Lọc vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF), và thẩm thấu ngược (RO): Các màng PVA giúp loại bỏ các chất rắn lơ lửng,

vi khuẩn, và các chất ô nhiễm hữu cơ, góp phần cải thiện chất lượng nước Lọc nước muối (Desalination): PVA được ứng dụng trong màng thẩm thấu ngược, giúp ngăn chặn các ion muối

và giảm nồng độ muối trong nước biển hoặc nước lợ Công nghệ màng này không chỉ tiết kiệm

năng lượng mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nước sạch trong bối cảnh dân số và côngnghiệp phát triển.[15]

Hình 2.3 PVA Gel xử lí nước thải công nghiệp [16]

Màng trao đổi ion trong pin nhiên liệu: Màng PVA cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất màng trao đổi ion (IEM) dùng cho pin nhiên liệu, đặc biệt là màng trao đổi proton (PEM) và màng trao đổi anion (AEM): Trong các hệ thống pin nhiên liệu, màng PVA dẫn truyền proton

hoặc anion, hỗ trợ quá trình chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng PVA có tính ổn địnhcao trong môi trường acid/kiềm, khả năng chống ăn mòn tốt, giúp cải thiện hiệu suất và độ bềncủa pin nhiên liệu Thêm vào đó, nhờ vào khả năng tương tác với các nhóm hydroxyl, PVA có thểđược cải tiến bằng cách copolymer hóa và tạo liên kết chéo để tăng cường hiệu suất trao đổi ion,tối ưu hóa khả năng vận hành của pin nhiên liệu.[15]

Ứng dụng trong y học: Trong lĩnh vực y sinh học, màng PVA được ứng dụng rộng rãi trong

các hệ thống lọc máu như: Hệ thống lọc máu (hemodialysis): PVA được sử dụng để loại bỏ cácchất độc, chất thải và nước thừa từ máu của bệnh nhân suy thận Màng PVA có khả năng thấmnước tốt, ổn định trong môi trường nước và không gây phản ứng phụ đối với cơ thể, là vật liệu lýtưởng cho các máy lọc máu hiện đại15

3 Tổng quan về composite PVA/ZnO

3.1 Đặc điểm, cấu trúc

Nhiễu xạ tia X (tiếng Anh là X-Ray Diffraction, viết tắt là XRD) được sử dụng để nghiên cứu cấutrúc tinh thể của vật liệu vì bước sóng tia X (từ 0,2 đến 10 nm) khá tương đồng với khoảng cáchgiữa các nguyên tử của chất rắn kết tinh Kỹ thuật này đo khoảng cách trung bình giữa các lớphoặc hàng nguyên tử XRD cho phép chúng ta xác định hướng của một đơn tinh thể hoặc hạt và đokích thước và hình dạng của các vùng tinh thể nhỏ

Hình 3.1 Phổ XRD a PVA tinh khiết, b ZnO tinh khiết, c-f nanocomposite PVA-ZnO.[17]

Hình 3.1a và hình 3.1b cho thấy phổ XRD tinh khiết của ZnO và PVA Hình 3.1c-f đại diệncho phổ XRD của nanocomposite PVA-ZnO (5-20%mol) cho thấy có nhiều đỉnh bổ sung khi sosánh với phổ PVA, các đỉnh này phù hợp với các mặt phẳng phản xạ của cấu trúc tinh thể wurtzitelục giác ZnO Điều này chứng minh rằng có sự hình thành PVA-ZnO, với độ kết tinh cao của cáchạt nano ZnO trong mạng polymer PVA Các đỉnh nằm giữa 32O < 2θ < 38O cho thấy sự thay đổiđáng kể về góc Các đỉnh của vật liệu tổng hợp có góc cao hơn so với bột nano ZnO và các đỉnhcũng được mở rộng một chút Sự thay đổi này có thể được quy cho biến dạng về cấu trúc gây rabởi ba yếu tố sau Kích thước tinh thể và vi biến dạng phát triển trong cấu trúc tinh thể do ảnhhưởng của ma trận PVA vật chủ, sự thay đổi trong các thông số mạng tinh thể và khoảng cách giữacác mặt phẳng (d) và nồng độ khuyết tật Kích thước tinh thể của ZnO trong bột ZnO tinh khiết vàmàng nanocomposite từ 27-32 nm và kích thước trung bình trong khoảng 30mm.[17]

Ngoài ra, kích thước tinh thể của ZnO còn được tính toán bằng cách ước tính bằng phươngtrình W-H (Williamson–Hall) và phương trình Scherer

Bảng 3.1 Kích thước tinh thể ZnO trong màng nanocomposite [17]

Có một sự khác biệt đáng chú ý về kích thước của các hạt nano được tính toán bằng cả haiphương pháp, do việc xem xét cả hiệu ứng kích thước biến dạng và tinh thể khi dùng phương phápW-H Kích thước tinh thể của ZnO thay đổi theo nồng độ của ZnO Khi nồng độ ZnO tăng lên 20mol%, cường độ của các đỉnh nhiễu xạ giảm, cho thấy mức độ kết tinh giảm và kích thước nhỏhơn của các tinh thể nano Ở nồng độ này, sự giãn nở đỉnh được quan sát thấy do vi biến dạngkhông đồng đều và giảm kích thước tinh thể Sự thay đổi hành vi này có thể là do sự giảm phứctạp giữa chuỗi polymer và các hạt nano ZnO phát sinh do các yếu tố khác nhau như hình thành cốtliệu từ các hạt nhỏ hơn, nồng độ khuyết tật và biến dạng cấu trúc.

Đỉnh ở 2θ khoảng 20O tương ứng với mạng PVA Đỉnh này giảm chiều cao khi nồng độ ZnOtăng lên trong vật liệu tổng hợp và cho thấy sự giảm mức độ kết tinh của PVA Điều này có thể là

do sự gia tăng tương tác giữa các chuỗi PVA.[17]

Hình 3.2 Ảnh SEM PVA (a-b), nano ZnO (c-d), ZnO 10% (e), ZnO 15% (f),

PVA-ZnO 20% (g), màng nanocomposite (h) [17]

Hình 3.2a-b cho thấy mạng PVA mịn đồng thời có 1 số điểm kết tinh tương ứng với kết quảXRD Hình 3.2 e-d cho thấy các hạt được tạo thành từ sự kết tụ của nhiều tinh thể sơ cấp với kíchthước và hình dạng không đều, đó là do nhiệt lượng khổng lồ được tạo ra trong phản ứng đốt cháy.Hơn nữa, các hình ảnh cho thấy sự hiện diện của lỗ rỗng và lỗ chân lông trên bề mặt mẫu ZnO.Những lỗ chân lông này được cho là do tính chất vốn có của các sản phẩm có nguồn gốc từ quátrình đốt cháy do lượng khí lớn được giải phóng trong quá trình đốt cháy Hình 3.2 e-g xác nhậnnhững thay đổi về hình thái của PVA tinh khiết với sự phân tán ZnO vào ma trận polymer SEMcho thấy nano ZnO phân tán đồng đều, trong đó tồn tại độ nén cao hơn khi nồng độ pha tạp tăngcho thấy bản chất tinh thể của mẫu và bề mặt gồ ghề hơn so với PVA tinh khiết.[17]

3.2 Tính chất vật lý

Độ trong suốt: Màng PVA (Polyvinyl Alcohol) vốn đã có tính trong suốt tự nhiên, nhờ cấu

trúc polymer không có màu và đồng đều Khi kết hợp với các hạt nano ZnO (kẽm oxit), màng vẫngiữ được tính trong suốt này, thậm chí còn được cải thiện thêm nhờ tính chất quang học của ZnO.Màng PVA-ZnO thường có độ trong suốt cao khi ở nồng độ ZnO thấp Độ trong suốt sẽ giảm dầnkhi tăng nồng độ ZnO do sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nano ZnO Tuy nhiên, sự phân bố đồngđều của các hạt nano ZnO có thể giảm thiểu hóa sự tán xạ ánh sáng, giữ cho màng có độ trong suốtcao Độ trong suốt của màng PVA-ZnO là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng cầnđến tính quang học và thẩm mỹ cao.[54]

Độ bền cơ học: Độ bền cơ học của màng PVA-ZnO được cải thiện đáng kể so với màng PVA

tinh khiết do sự hiện diện của các hạt nano ZnO Các hạt nano ZnO giúp tăng cường độ bền kéo,

độ bền uốn và độ cứng của màng Tuy nhiên, độ bền cơ học cũng phụ thuộc vào việc liên kết chéogiữa các chuỗi PVA.[54]

3.3 Tính chất hóa học

Tính ưa nước: PVA là một polyme ưa nước, do đó màng PVA-ZnO cũng có tính ưa nước

nhất định Tuy nhiên, tính ưa nước của màng có thể giảm xuống khi tăng nồng độ ZnO do bề mặtcủa các hạt nano ZnO ít ưa nước hơn.[54]

Khả năng kháng khuẩn: ZnO có tính chất kháng khuẩn, do đó màng PVA-ZnO có thể được

sử dụng làm vật liệu kháng khuẩn trong các ứng dụng sinh học Cơ chế kháng khuẩn của ZnO liênquan đến sự tạo ra các gốc tự do oxy, làm tổn thương màng tế bào của vi khuẩn.[54]

Độ bền hóa học: PVA có độ bền hóa học khá tốt, nhưng nó có thể bị phân hủy trong môi

trường axit mạnh hoặc kiềm mạnh ZnO cũng có độ bền hóa học tốt, nhưng nó có thể bị phản ứngvới một số axit mạnh hoặc chất khử mạnh Độ bền hóa học của màng PVA-ZnO phụ thuộc vàonồng độ của ZnO và điều kiện môi trường.[54]

Khả năng phân hủy sinh học: PVA là một polyme phân hủy sinh học, do đó màng PVA-ZnO

cũng có khả năng phân hủy sinh học nhất định Tuy nhiên, tốc độ phân hủy sinh học của màng phụthuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ của ZnO và điều kiện môi trường.[54]

3.4 Tính chất quang

Hình 3.3 Phổ hấp thụ ánh sáng của (a) PVA tinh khiết; (b) nano ZnO; (c–f) Màng

nanocomposite PVA–ZnO [17]

Máy quang phổ nhiễu xạ tia X chúng ta tìm hiểu ở đây là các loại máy nhiễu xạ bột – Powder Ray Diffraction (PXRD) Có nhiều loại máy như: Loại để bàn; Loại để sàn; Loại di động, nhưng

X-về cơ bản đều bao gồm các bộ phận chính.[17]

Khả năng hấp thụ ánh sáng:

Pha tạp nano ZnO vào mạng PVA đã tăng cường sự hấp thụ ánh sáng của PVA trong vùngUV-Visible Rõ ràng là cạnh hấp thụ dịch chuyển một cách có hệ thống sang bước sóng cao hơnhoặc năng lượng thấp hơn tương ứng với vùng xanh lam của dải quang phổ khả kiến với nồng độhạt nano ZnO ngày càng tăng Sự dịch chuyển sang năng lượng tương ứng với màu đỏ trong vùngkhả kiến quan sát được có thể là do sự phát triển của vi biến dạng trong ma trận tổng hợp PVA-ZnO do sự kết hợp của ZnO Biến dạng này dẫn đến sự thay đổi cấu trúc dải năng lượng của ZnOpha tạp và được thể hiện thông qua sự dịch chuyển cạnh hấp thụ.[17]

Sự dịch chuyển băng tần quang:

Từ hình 3.3, rõ ràng các giá trị của khoảng cách băng tần gián tiếp giảm năng lượng (từ 4,76

eV xuống 2,38 eV) khi tăng mức độ pha tạp Việc giảm khoảng cách băng tần này có thể là kết quảcủa hai cơ chế Đầu tiên là sự nhường năng lượng ở dưới cùng của dải dẫn do biến dạng kéo gây ratrong màng composite Thứ hai là sự hình thành các khuyết tật trong ma trận polymer Nhữngkhuyết tật này tạo ra các trạng thái cục bộ trong khoảng cách băng tần quang và các trạng thái cục

bộ này chịu trách nhiệm giảm khoảng cách dải năng lượng khi nồng độ pha tạp được tăng lêntrong ma trận polymer Hiệu ứng tổng thể của sự dịch chuyển màu đỏ này của năng lượng khe hởdải quang do sự gia tăng nồng độ chất độn, cũng liên quan đến hình thái cấu trúc, kích thước hạt

và cấu trúc vi mô bề mặt của chất độn đã làm thay đổi cấu trúc của polymer chủ Tăng giá trị của

hệ số hấp thụ và giảm khoảng cách dải quang của màng nanocomposite với nồng độ pha tạp tăng,hứa hẹn có thể sử dụng trong các thiết bị quang điện tử.[17]

Hình 3.4.Khoảng cách băng tần gián tiếp của màng nanocomposite PVA, nano ZnO tinh khiết

và PVA-ZnO [17]

Khả năng quang phát quang:

Hình 3.5 Phổ phát xạ phát quang của nano ZnO và nanocomposite PVA [17]

Đỉnh kích thích rõ rệt biểu hiện ở vùng UV ở 350nm là do sự hiện diện của các khuyết tật

Có thể là do bốn loại khuyết tật mạng tinh thể trong ZnO sau: Vzn-vị trí trống kẽm, Zin - kẽm trên

các vị trí kẽ, Oi - oxy trên các vị trí kẽ và ba loại vị trí trống oxy Trong trường hợp này, sự hủy diệtcủa một exciton đi kèm với sự phát quang đặc trưng do sự tái tổ hợp bức xạ của electron với lỗtrống.[17]

Hình 3.6 Phổ phát xạ nano ZnO và nanocomposite ZnO [17]

Phổ phát xạ thể hiện sự phát quang ở vùng màu xanh lam và cường độ phát xạ thay đổi theonồng độ ZnO Hai đỉnh phát xạ có thể phân biệt xuất hiện ở 389 nm và 470 nm là do sự phát quangkích thích từ ZnO Phát xạ tia cực tím gần 389 nm thường được quan sát thấy trong vật liệu ZnO.Việc mở rộng đỉnh phát xạ ở 470 nm khi tăng nồng độ pha tạp có thể là do quá trình chuyển đổi có

sự hỗ trợ của phonon Quang phổ cho thấy cường độ phát quang tối ưu ở nồng độ 10 mol% ZnO.Tuy nhiên, đối với 15 mol% và 20 mol%, cường độ phát xạ thấp hơn do quá trình tự hấp thụ ánhsáng.[17]

Hình 3.7 Hình ảnh AFM của 0.5% và 4% nanocomposite PVA/ZnO [18].

Hình 3.8 Thời gian giãn nở của PVA/ZnO ở các nồng độ ZnO khác nhau [18].

Hình 3.9 Cole–Cole Plot For Various Wt.% of PVA/ZnO nanocomposites [18].

Các hợp chất PVA/ZnO ở các wt.% ZnO khác nhau đã được khảo sát bằng các kỹ thuậtFTIR và XRD Đỉnh FTIR ở 558 cm-1 cho thấy sự có mặt của ZnO trong các hợp chất XRD chothấy cấu trúc tinh thể của ZnO không thay đổi sau khi chế tạo các hợp chất Hình thái bề mặt củacác màng nanocomposite PVA/ZnO được làm quan sát bằng AFM và thấy rằng bề mặt màng 0,5wt.% mịn hơn các màng composite khác Độ bền lưỡng cực và độ giãn nở ở tần số cụ thể đối vớiPVA và tất cả các hợp chất của nó phụ thuộc vào tính chất đặc trưng của độ giãn nở lưỡng cực.Trong số tất cả các nanocomposite và PVA tinh khiết, ZnO được nạp 0,5 wt.% trong PVA cho thấyhằng số điện môi và tổn thất điện môi thấp cũng như giá trị độ dẫn điện cao do thời gian giãn nởngắn hơn.[18]

3.6 Tính chất điện môi

ZnO trong ma trận PVA giúp tăng cường độ cho phép điện môi của hỗn hợp, bởi vì ZnO thể hiện

sự phân cực ion mạnh do Zn2+ và O2- ion và có giá trị cho phép tĩnh cao Hơn nữa, sự gia tăng cácgiá trị ε trong vật liệu tổng hợp thu được ở tần số thấp có thể được quy cho sự phân cực giao thoa,thể hiện do sự khác biệt về giá trị cho phép của ma trận ZnO và PVA Điều này có thể được giảithích bằng hiệu ứng Maxwell-Wagner-Sillars (MWS), đây là một đặc tính phổ biến của vật liệuđiện môi nanocomposite polymer Nó ảnh hưởng đến các thuộc tính tích lũy điện tích tại các giaodiện của các thành phần độ cho phép và độ dẫn điện khác nhau của vật liệu điện môi composite,dẫn đến sự hình thành các tụ điện siêu nhỏ trên toàn bộ thể tích của vật liệu Các tụ điện siêu nhỏ

như vậy góp phần đáng kể vào sự phân cực điện môi, và do đó làm tăng các giá trị ε ở tần số thấp.[18]

3.7 Ứng dụng của PVA/ZnO

Ngành công nghiệp điện tử:

Pin mặt trời: PVA-ZnO được sử dụng làm lớp bán dẫn trong các loại pin mặt trời thế hệ mới,

giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.[17]

Transistor: Vật liệu này có thể được ứng dụng trong sản xuất các loại transistor hiệu suất

cao, dùng trong các thiết bị điện tử.[17]

Cảm biến: Nhờ khả năng nhạy cảm với ánh sáng và các tác động môi trường khác,

PVA-ZnO được ứng dụng làm cảm biến trong các thiết bị điện tử.[17]

Ngành công nghiệp quang học:

Màn hình: PVA-ZnO có thể được sử dụng làm lớp phủ cho màn hình, giúp cải thiện độ sáng,

Vật liệu phủ: PVA-ZnO được sử dụng làm vật liệu phủ cho các implant y tế, giúp tăng tính

tương thích sinh học và chống ăn mòn.[17]

Vận chuyển thuốc: Vật liệu này có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc đến các vị trí đích

trong cơ thể, tăng hiệu quả điều trị.[17]

Khử trùng: Tính chất kháng khuẩn của ZnO giúp PVA-ZnO có thể được ứng dụng trong các

sản phẩm y tế để khử trùng.[17]

Các ứng dụng khác:

Chất xúc tác: PVA-ZnO có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng

Vật liệu lọc: Vật liệu này có thể được sử dụng để lọc các chất ô nhiễm trong nước và không

khí Màng PVA/ZnO cũng có thể dùng trong các hệ thống lọc nước hộ gia đình hoặc công nghiệp,nhờ khả năng lọc bỏ vi khuẩn và các hợp chất hữu cơ độc hại Hệ thống lọc này có thể ứng dụngcho các vùng nông thôn hoặc nơi thiếu nguồn nước sạch, giúp cải thiện chất lượng nước

Sơn phủ: PVA-ZnO có thể được thêm vào sơn để tăng tính kháng khuẩn, chống cháy vàchống tia UV.[17]

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM1.Tổng hợp nano ZnO

Bảng 1.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp nano ZnO

1.2 Hóa chất

Bảng 1.3 Hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp ZnO

1.3 Quy trình thí nghiệm

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp ZnO

STT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Đơn Vị lượng Số Cách tính

1 Kẽm axetat Zn(CH3COO)2.2H2O Gam 10,973